NO802502L - Presset, diamantholdig emne, fremgangsmaate ved fremstilling derav, og anvendelse derav - Google Patents

Description

Oppfinnelsen angår et produkt som kombinerer teknologi innen området polykrystallinsk diamant (kompakter) og én-krystalldiama.nt. Det heri beskrevne produkt og fremstill-ingsmåte har flere industrielle anvendelser og forskningsan-vendelser. En slik anvendelse er konstruksjon av en stanse eller stempeldel for et høytrykksapparat og som vil være sterkere enn sementert wolframcarbid og er basert på bruk av polykrystallinsk diamant som er blitt sintret sammen med sementert wolframcarbid. Andre anvendelsesområder er for trådtrekkingsdyser, skjæreverktøy og optiske vinduer.

En kompakt er en polykrystallinsk masse av slipepartikler (f.eks. diamant og kubis.k bornitrid) som er bundet sammen under dannelse av eh integrerende, seig, sammenhengende masse med høy styrke. Representative US patentskrifter angående diamantkompakter er 3136615 (borcarbid som bindemiddel), 3141746, 3239321 (grafittfri diamantkompakt), 3744982 (fremgangsmåte for fremstilling av diamantkompakt legert med bor) , 3816085 og 3913280. En sammensatt kompakt eller synonymt ut-trykt en kompositt-kompakt er en kompakt som er bundet til substratmateriale, som sementert wol'framcarbid (se US patentskrift 3745623) . Representative US patentskrifter angående kompakter av kubisk bornitrid (KBN) er 3233988, 3743489 (aluminiumlegeringskatalysator), 3767371 (kompositt) og 38.52078 (kompakter med jevn sammensetning av polykrystallinsk KBN med andre hårde materialer f.eks. diamant). Kompakter, eller snarere mer korrekt pressede emner, kan anvendes som emner for skjæreverktøy, finishingverktøy og slitasjedeler.

Pressede emner av diamant, KBN eller kombinasjoner der-

av som er bundet sammen ved hjelp av silicium og silicium-carbid (silicium- og siliciumcarbidbundne pressede emner),

er beskrevet i US patentsøknad 954289 innlevert 24. oktober 1978. Disse fremstilles ved å infiltrere en blanding av med carbon belagt slipemiddel (f.eks. diamant) og et carbon-

holdig materiale med flytende silicium under delvis vakuum. Denne prosess kan utføres i en grafittform ved temperaturer

over 1400°C.

I US patentskrifter 3831428, 4129052 og 4144739 er beskrevet trådtrekkingsdyser laget av diamant eller KBN. Skjære-verktøy fremstilt av pressede emner er beskrevet i US patent skrifter 3850053. Trådtrekkingsdyser av enkeltkrystaller av diamant svikter vanligvis på grunn av kløving. Verktøy av enkeltkrystalldiamant svikter som oftest på grunn av alminnelig frakturering. Enkeltkrystalldiamant kan imidlertid poleres i sterkere grad enn verktøy av polykrystallinsk diamant og gir derfor et arbeidsstykke med bedre finish.

Forskjellige høytrykks-høytemperaturapparater (HP/HT-apparater) er blitt konstruert for syntetisk fremstilling av KBN og diamant og for forskningsformål. De s.luttrykk som kan oppnås i et høytrykksapparat, er avhengig av materialenes styrke,.den geometriske utformning, spenningsfordelingen og den tilgjengelige spenningsunderstøttelse. For eksempel er et enkelt stempel-sylinderapparat begrenset til et sluttrykk av ca. 50 kilobar Jcbar) når stemplet utgjøres av sementert wolframcarbid. Dersom stemplet er avsmalnet, som for en ambolt av typen Bridgman,økes styrken på grunn av geometriske virkninger., og et trykk av 100 kbar eller derover kan oppnås med det samme materiale. Dersom Bridgman-ambolten er under-støttet og/eller trykktrinninnstilt som i et Drickamer-apparat eller et KendaLl-apparat, kan trykk av 300 kbar nås.

Den følgende litteratur omhandler høytrykksapparater

mer detaljert:

Spain, I.L., High Pressure Technology, Volume 1, Chapter 11, Marcel Dekker, Inc., New York, 1977.

US Patent 3 191 231 (ildfast.nebb på en stanse).

US Patent 3 079 505 (ambolter av naturlig diamant). Vereshchagin, L.F., Yakovlev, et al., "Dielectric-to-Metal Transitions Under Pressures P^lMb", Proceedings of the Fourth International Conference on High Pressure, Kyoto, Japan, 1974, utgitt av The Physico-Chemical Society of Japan, Kyoto (1975). Block&Piemarini, Physics Today, september 1976.

Bundy, F.P., "Research at Very High Pressures and High Temperatures", The Physics Teacher, s. 461-470 (november 1977) U.S. Patent 2,941,248.

Bundy, F.P., Review of Scientific Instruments, Vol. 46, nr. 10, s. 1318 et. seq., (oktober 1975).

Betegnelsen "ambolt" er anvendt for å betegne de analoge pressedéler(stanser, ambolter, stempler) for de her omtalte

forskjellige høytrykksapparater.

Bundy oppnådde trykk av over 300 kbar ved å erstatte sementert carbid med sintret polykrystallinsk diamant, hvor-ved 500 eller 600 kbar ble nådd i Drickamer-apparatet. Sovjet-russerne (Vereshchagin) påstår å ha nådd 1000 kbar eller derover under anvendelse av polykrystallinsk diamant i en enkelBridgman-amboltanordning.

Spain nevner Van Valkenburg-apparatet hvori

prøver ble klemt mellom to énkrystaller av diamant av høy kvalitet. Med modifikasjoner innført av Block og andre er trykk opp til 1000 kbar blitt påberopt.

Under en konferanse holdt 2-4. juni 1976 i Rensselaer-ville, New York, angående høytrykksfenomener ble betydningen

av diamantamboltcellen (f.eks. Van Valkenburg) for forskning ved ultrahøye trykk diskutert. Slike innretningers optiske gjennomsiktighet muliggjør oppvarming ved hjelp av laser i reaksjonssonen eller -cellen såvel som nøyaktige optiske iakttagelser og spektroskopiske undersøkelser.

Alle disse tidligere arbeider er imidlertid beheftet

med begrensninger fordi

1. Store diamantkrystaller er sjeldne, kostbare, av

varierbar kvalitet, har i alminnelighet restspenning og har svake kløyingsplan. x

2. Bundy hadde bare et forholdsvis tynt diamantlag, og

understøttelseslaget av sementert carbid var derfor det svakeste element.

3. Intet middel for en optisk bane kunne oppnås ved hjelp

av konstruksjonen ifølge Bundy, Kendall eller de russiske forskere.

Lasersystemer med optiske diamantelementer er beskrevet

i US patentskrift 3895313.

Oppfinnelsen angår et presset emne som omfatter én

eller flere énkeltkrystalldiamanter med en største dimensjon av minst 1 mm, og emnet er særpreget ved at enkeltkrystalldia-mantene er innleiret i en polykrystallinsk grunnmasse fra gruppen diamant og KBN, idet emnet ytterligere omfatter silicium- og siliciumcarbidbundet diamant, KBN eller blandinger av diamant og KBN, og enkeltkrystalldiamanten utgjør

Materialer som tilfredsstiller andre betingelser angitt i

US patentskrift 3030662 (spalte 1, linje 59 - spalte 2,

linje 2), er anvendbare for fremstilling av sylinderen.

Et elektrisk motstandsoppvarmingsrør av grafitt er anordnet konsentrisk i og i tilstøtende forhold til sylinderen.

En sylindrisk saltforing er konsentrisk anordnet i grafitt-oppvarmingsrøret. FAoringens ender er forsynt med saltplugger som er anordnet ved toppen og bunnen.

Endeskiver av elektrisk ledende metall anvendes ved hver ende av sylinderen for å muliggjøre elektrisk tilkobling til grafittoppvarmingsrøret. Nær hver skive befinner seg en sammensatt endehette som omfatter en pyrofylittplugg eller

-skive omgitt av en elektrisk ledende ring.

Arbeidsteknikker for samtidig å påføre både høye trykk

og høye temperaturer innen denne type av apparater er vel-kjente for fagfolk innen supertrykkområdet. Den sammensatte charge passer inn i rommet som er avgrenset av saltforingen og saltpluggene. Montasjen består av en sylindrisk hylse av et avskjermningsmetall fra gruppen zirkonium, titan, tantal, wolfram og molybden. En undermontasje som er avgrenset av en avkjermningsskive og en avskjermningsmetallskål, befinner seg i avskjermningsmetallhylsen. En slipekornmasse (diamant, KBN eller blandinger derav) er anordnet i hulrommet som er avgrenset av skålen og skiven. Denne masse kan også inneholde grafitt og/eller en metallkatalysator. Enkeltkrystalldiamanten er innleiret i midten av slipekornmassen. Dersom en dyse av trådtrekkingstypen er ønsket, er den innvendige slipekornmasse anordnet i en ring av kaldpresset, sintrerbart carbidpulver (blanding av carbidpulver og et egnet metallbinde-middel for dette). Om ønsket kan ringen være laget av på forhånd sintret, metallbundet carbid eller fullstendig sintret metallbundet carbid. Resten av den sammensatte chargés volum utgjøres av en skive av det samme materiale som saltsylinderen (f.eks. natriumklorid) og skiver laget av hexagonalt bornitrid for å holde inntrengning av uønskede stoffer i under-montasjen som er avgrenset av avskjermningsmetallskiven og ,

-skålen, på et minimum.

Betingelsene for HP/HT-prosessen eir:

10-90 volum% av det pressede emne.

Det ovenfor beskrevne pressede emne kombinerer egen-skapene til polykrystallinsk diamant og enkeltkrystalldiamant slik at de beste egenskaper av hvert av disse materialer utnyttes. Et stykke av naturlig ballas (kulelignende masse av diamantkrystaller) kan anvendes istedenfor enkeltkrystalldiamant.

Av tegningene viser

Fig. 1 et mikrofotografi (forstørrelse ca. 17,5 X) av en utførelsesform ifølge oppfinnelsen, hvor enkeltkrystall-diamantens gjennomsiktighet er helt tydelig, Fig. 2 et mikrofotografi (forstørrelse 800 X) som viser bindingen mellom enkeltkrystallen til høyre og den polykrystallinske grunnmasse til venstre.

Fig. 3 en trådtrekkingsdyse vist i snitt,

Fig. 4 et stempel for et Bridgman-amboltapparat vist i snitt, og

Fig. 5 et skjæreverktøyinnsats.

En foretrukken form av et HP/HT-apparat i hvilket de pressede emner ifølge oppfinnelsen kan fremstilles, er beskrevet i US patentskrift 2941248 og betegnes som et belte-apparat. Det omfatter et par motsatte stanser av sementert wolframcarbid og et mellomliggende belte eller en mellomliggende matrisedei av det samme materiale. Matrisedelen omfatter en åpning hvori en reaksjonsbeholder er plassert som er utformet slik at den kan inneholde en sammensatt charge. Mellom hver stanse og matrisen befinner seg en pakningsmon-tasje som omfatter et par termisk isolerende og elektrisk ikke-ledende pyrof ylittde'ler og en mellomliggende metall-pakning.

Ifølge en foretrukken utførelsesform omfatter reaksjonsbeholderen en hul saltsylinder. Sylinderen kan være laget av et annet materiale, som talkum, som (1) ikke omvandles under HP/HT-prosessen til en sterkere, mer stiv tilstand (f.eks. ved faseomvandling og/eller sammenpresning) og (b) er i det vesentlige frittfor volummessige diskontinuiteter som forekommer under anvendelsen av høye temperaturer og trykk, som f. eks. med pyrof yli tt og porøst a.lumiumoxyd.

For en diamantgrunnmasse:

Diamantpartikler med en største dimensjon av 0,l-500yum, trykk.av minst 50 kbar ved en temperatur av minst 1300°C og innen det stabile område for diamant, og en reaksjonstid av 3-60 minutter.

For KBN-grunnmasse:

KBN-partikler med en største dimensjon av 0,l-20/um, trykk av minst 45 kbar ved en temperatur av minst 1300 C og innen det stabile område for kubisk bornitrid, og en reaksjonstid av 2-60 minutter.

Den sammensatte charge fylles i reaksjonsbeholderen som anbringes i HP/HT-belteapparatet. Først økes trykket og derefter temperaturen, og disse holdes ved de ønskede betingelser i tilstrekkelig tid til at sintring vil finne sted. Prøven får derefter avkjøles under trykk i kort tid, og til slutt senkes trykket til atmosfæretrykk og det pressede emne utvinnes.

Avskjermningsmetallhylsen kan fjernes manuelt. Eventuelt vedheftende metall fra avskjermningsmetallskålen eller -skiven kan slipes eller bankes av. Forvridning eller overflateuregel-messigheter kan fjernes på samme måte.

To pressede emner av trådtrekkingsdysetypen med store enkeltkrystaller av naturlig diamant i en polykrystallinsk masse av syntetisk diamant er blitt fremstilt ved hjelp av den ovenfor beskrevne fremgangsmåte (ved ca. 65 kbar og 1400-1500°C )•. Ett av disse er vist på Fig. 1. Dette pressede emne ble slipt og polert på begge sider.

Et tverrsnitt,gjennom et slikt dyseemene er vist på

Fig. 3. En enkeltkrystalldiamant 12 er innleiret i en grunnmasse 14 av polykrystallinsk diamant som er sintret i og bundet til en ring 16 av med kobolt sementert wolframcarbid. Det dobbeltavsmalnende trådtrekkingshull 18 vil kunne lages gjennom midten av dyseemnekjernen under anvendelse av en laser. Hullet vil da bli overflatebehandlet ved å trekke

en tråd impregnert med diamantstøv frem og tilbake gjennom hullet.

Enkeltkrystalldiamanten behøver ikke å strekke seg fullstendig gjennom dysen, som vist påFig<1>. 3. Den kan" være mindre og innta bare bæreområdet (det område av dysehullet som har den minste diameter) hvori tråden kalibreres til den nød-vendige diameter. Bæreområdet inntar tilnærmet midtdelen av dysehullet. Innløpssonen, reduksjonssonen (hvori tråden deformeres) og utløpssonen (ryggrelieff) kan være laget av et polykrystallinsk grunnmassemateriale.

Fine sprekker har forekommet i enkelte av de pressede emner fremstilt ifølge oppfinnelsen. Ytterligere arbeide har antydet at denne sprekkdannelse finner sted under den opprinnelige kaldpressing av prøven til ca. 65 kbar. Beskadigelsen forårsakes av ujevne spenninger som påføres krystalloverflater under kompakteringen. Spenningene opp-står som følge av ujevn kontakt mellom diamantkrystallene,

og dette fører til en sterk økning av spenningene ved kontakt-punktene mellom diamantoverflåtene. En uhomogen trykkfor-deling i trykkbeholderen kan også bidra til beskadigelsen.

En slik beskadigelse blir minimal når de forholdsvis usammenpressbare diamantkrystaller isoleres i-en forholdsvis sammenpressbar grunnmasse før prøven utsettes for HP/HT-sintringsbetingelser. Denne grunnmasse kan utgjøres av en sammenpressbar form av carbon som vil innta en form svarende til formene av diamantkrystallene og fordele spenningene jevnt på krystallene. Som et eksempel på en rekke måter å gjøre dette på kan nevnes: 1. Diamantkrystallene kan blandes med grafittpulver eller pulver av amorft carbon. 2. Diamantkrystallene kan blandes med en blanding av diamant og grafitt eller pulver av amorft carbon (fyll-stoffer, som wolframcarbid, Si3N4eller SiC kan tilsettes til carbonpulveret). 3. Isolerte avdelinger kan lages i en grafittblokk for hver

diamantkrystall.

4. En kombinasjon av 1, 2 og 3 kan tilgripes.

Diamanten pluss carbongrunnmassen anbringes i et egnet høytrykksapparat som kan frembringe betingelser for syntetisk fremstilling av diamant. Grafitten eller det amorfe carbon vil kunne omvandles til diamant under sintring og således føre til at en diamant-diamantbinding innføres gjennom hele det pressede emne. En katalysator vil normalt være tilstede for å befordre omvandlingen av ikke-diamantcarbon til diamant. Egnede katalysatorer er jern, nikkel eller kobolt eller leger-inger av disse metaller med hverandre eller med andre elementer.

Det er tegn som tyder på at stykkene av sprukne krystal-ler vokser sammen igjen med en del restmetall. Sprekkdan-nelsen er derfor ikke ekstremt skadelig.

Det viste seg også at sprekkdannelse oppsto i de pressede emner av trådtrekkingsdysetypen under polering.

Dette ble unngått ved å presse de pressede emner i en stål-ring efter at de var blitt utvunnet fra formen og før de ble polert for å gjøre dem gjennomsiktige.

De pressede emner ifølge oppfinnelsen finner anvendelse for høytrykksapparater med motstående ambolt (f.eks. i Drickamer- og Van. Valkenburg-apparater) . Dersom disse pressede emner : anvendes som spisser for ambolten eller stemplene, vil begrensninger som hefter ved tidligere konstruk-sjoner, overvinnes ved 1. Erstatning av store diamantkrystaller med sintret polykrystallinsk diamant.

2. Ved et tykt diamantlag med god radial understøttelse.

3. Ved valgfri tilveiebringelse for konstruksjonen av en optisk bane gjennom apparatets høyreaksjonssone.

Diamantemner vil kunne fremstilles (på lignende måte som emner for trådtrekkingsdyser) ved å slipe disse til den ønskede form og ved å innføre disse (ved pressinnpasning) i ytre ringer av sementert carbid. Disse gjenstander vil kunne anbringes i rekkefølge, som vist på Fig. 4 som viser en Bridgman-ambolt i snitt. Ambolten omfatter to pressede emner 20 og 28 som er pressinnpasset i en wolframcarbidring 29.

Det øvre pressede emne 20 er avsmalnet slik at det vil fungere tilfredsstillende i stempler og omfatterenkeltkrystalldiamant 22 innleiret i en grunnmasse 23 av polykrystallinsk diamant,

og alle disse deler er sintret til en ring 24 av wolfram- . carbid. Det flate, nedre, pressede emne 28 (som understøtter, det øvre pressede emne) omfatter enkeltkrystalldiamant 30

som er innleiret i diamantgrunnmassen 23, og alle disse kom-

ponenter er sintret i en wolframcarbidring 34. Dersom de store enkeltkrystaller slipes, kan en optisk bane fås gjennom disse. Dersom den lages på denne måte,skulle den sammensatte gjenstands struktur være sterkere enn både ifølge Van Valkenburg og Bundi fordi enkeltkrystallen av diamant er spennings-understøttet eller forspent under trykk og diamantlaget er tykkere enn tidligere anvendt.

Dersom en optisk bane er unødvendig, behøver enkeltkrystalldiamanten ikke å strekke seg fullstendig gjennom det pressede emne, som vist på Fig. 4. Den kan være en mindre, mindre kostbar enkeltkrystall omgitt av en polykrystallinsk grunnmasse.

Andre anvendelser av de pressede emner ifølge oppfinnelsen (foruten i høytrykksapparater og for trådtrekkingsdyser) er: 1. Som skjæreverktøy-innsatser som kan fremstilles med en stor enkeltkrystall innleiret i den polykrystallinske slipedel. Denne enkeltkrystall vil muliggjøre en renere skjæreegg med evne til å gi finere overflatefinisher ved skjæring sammen med fordelene som er forbundet med et sterkere, mer slagfast verktøy. På Fig. 5 er vist en utskiftbar, kvadratisk skjæreverktøyinnsats som omfatter fire enkeltkrystalldiamanter 41-44 innleiret i en polykrystallinsk grunnmasse 46 som er sintret til et v/olframcarbidsubstrat 48. 2. Som. optiske vinduer, som de som er beskrevet i US patentskrift 3895313.

Pressede emner med en enkeltdiamant er de beste for anvendelse i ambolter og trådtrekkingsdyseemner. De pressede emner som er gjennomsiktige og har mer enn én enkeltkrystall, er egnede for laservinduer.

Det stabile område for diamant er det område for trykk-temperaturbetingelser i hvilket diamant er termodynamisk stabil. På et trykk-temperaturfasediagram ligger dette område i alminnelighet på høytrykkssiden over likevektslinjen mellom diamant og grafitt.

Det stabile område for kubisk bornitrid er det område

av trykk-temperaturbetingelser i hvilket kubisk bornitrid er termodynamisk stabilt. På et trykk-temperaturfasedia-,'gram ligger dette område i alminnelighet på høytrykkssiden

over likevektslinjen mellom kubisk bornitrid og heksagonalt bornitrid.

Claims (9)

1. Presset emne omfattende én eller flere enkeltkrystalldiamanter med en største dimensjon av minst 1 mm, karakterisert ved at enkeltkrystalldiamanten eller -diamantene er innleiret i en polykrystallinsk grunnmasse fra gruppen diamant,' kubisk bornitrid; med silicium og siliciumcarbidbunde t diamant, kubisk bornitrid eller blandinger av diamant og kubisk bornitrid, idet enkeltkrystalldiamanten utgjør 10-90 .volum% av det pressede emne'.

2. Emne ifølge krav 1, karakterisert ved at den polykrystallinske grunnmasse består av diamant.

3. Emne ifølge krav 1 eller 2, karakterisert ved at det har en optisk bane gjennom enkeltkrystalldiamanten.

4. Emne ifølge krav 1-3, karakterisert ved at bare én enkeltkrystalldiamant er innleiret i den polykrystallinske grunnmasse.

5. Anvendelse av det pressede emne ifølge krav 4 som ambolt i et høytrykksapparat.

6. Fremgangsmåte ved fremstilling av et presset emne som omfatter én eller flere enkeltkrystalldiamanter med en største dimensjon av minst 1 mm, hvor (A) et slipemiddel fra gruppen diamant og kubisk bornitrid utsettes for de følgende betingelser: (i) for diamant (a) diamantpartikler med en største dimensjon av 0,1-500 yum, (b) et trykk av minst 50 kbar ved en temperatur av minst 1300°G og innen det stabile område for diamant, og (c) en reaksjonstid av 3-60 minutter, (ii) for kubisk bornitrid (a) kubiske bornitridpartikler med en største dimensjon av 0,l-20yU m, (b) et trykk av minst 4 5 kbar ved en temperatur av minst 1300°C og innen det stabile område for kubisk bornitrid, og (c) en reaksjonstid av 2-60 minutter, og (B) det fremstilte pressede emne utvinnes, karakterisert ved at én eller, flere enkeltkrystalldiamanter innleires i massen av slipepartikler før anvendelsen av høytrykk- og -temperaturbetingelsene ifølge trinn (A).

7. Fremgangsmåte ifølge krav 6, karakterisert ved at enkeltkrystalldiamanten eller -diamantene isoleres i en sammenpressbar grunnmasse før prøven utsettes for høytrykk-høytemperatursintringsbe-tingelser.

8. Fremgangsmåte ifølge krav 7, karakterisert ved at enkeltkrystalldiamanten isoleres ved å blande diamanten med et materiale fra gruppen grafitt og amorft carbonpulver.

9. Trådtrekkingsdyse omfattende en innvendig masse av sintret, polykrystallinsk materiale fra gruppen diamant, kubisk bornitrid og blandinger derav med et sentralt anordnet, dobbeltavsmalnet, gjennomgående hull og en ytre ringformig masse av med metall bundet carbid direkte bundet til den innvendige masse, karakterisert ved atx den omfatter en enkeltkrystalldiamant innleiret i den innvendige polykrystallinske masse i hvilken i det minste den midtre del av det dobbelt-avsmalnede hull er anordnet.

1.0. Verktøyinnsats med en seksjon av polykrystallinsk materiale fra gruppen diamant, kubisk bornitrid og blandinger derav bundet til et understøttelsesmateriale som utgjøres av en masse av sementert metallcarbid, karakterisert ved at den omfatter én eller flere enkeltkrystalldiamanter innleiret i seksjonen av polykrystallinsk slipemateriale og anordnet ved innsatsstykkets • skjæreegg.