NO822547L - Presset emne av en polykrystallinsk masse og fremgangsmaate ved fremstilling derav - Google Patents

Description

Teknisk område

Oppfinnelsen angår høytrykks-/høytemperatur (HP/HT)-prosessen for fremstilling av kubisk bornitrid og pressede diamantstykker. Den angår nærmere bestemt en modifikasjon av HP/HT-prosessen som kan føre til øket utbytte ved fremstillingen av små pressede gjenstander og til nye typer av pressede gjenstander med forbedrede egenskaper.

Oppfinnelsens bakgrunn

En presset gjenstand eller kompaktert gjenstand er

en polykrystallinsk masse av slipepartikler (f.eks. diamant og eutektisk bornitrid) som er bundet sammen under dannelse av en integrerende, seig, sammenhengende, høyfast masse.

En presset kompositttgjenstand er en presset gjenstand som er bundet til et substratmateriale, som et sementert metallcarbid (f.eks. med kobolt sementert wolf ramcarbid)). Den metallbundne .carbidmasse er i alminnelighet valgt fra gruppen wolframcarbid, titancarbid, tantalcarbid og blandinger derav, og metallbindematerialet i massen er normalt tilstede i en mengde av fra 6 til 25 vekt% og er valgt fra gruppen kobolt, nikkel, jern og blandinger derav.

Pressede gjenstander eller pressede komposittgjenstander kan anvendes som emner for skjæreverktøy, borkroner, forsiringsverktøy og slitedeler. Pressede gjenstander med sylindrisk form er blitt anvendt for fremstilling av tråd-trekningsdyser (se US patentskrifter 3831428, 4129052 og 4144739).

En fremgangsmåte ved fremstilling av pressede gjenstander omfatter de trinn at det

A. i en beskyttende skjermende metallomhylling som er anordnet i reaksjonscellen i et høytrykks/høytemperatur-apparat, anbringes (1) en masse av slipekrystaller (enten diamant eller kubisk bornitrid (KBN)) og

(2) en masse av katalysatormetall i kontakt med massen

av slipekrystaller, og hvor

B. innholdet i cellen utsettes for slike betingelser hva gjelder temperatur, trykk og tid at de er tilstrekkelige

til å forårsake en interkrystallinsk binding mellom nabokrystallkorn.

For eksempel kan massen av katalysatormateriale foreligge i form av en skive av én av de velkjente katalysatorer for diamant-eller KBN-krystallisering. Under HP/HT-beting-elsene forløper en kompakteringsfront gjennom det tette diamant- eller KBN-materiale, og katalysatormetallet (i flytende form) frembyr seg selv som tilgjengelig som en katalysator eller oppløsningsmiddel for rekrystallisering eller interkrystallinsk binding av diamant- eller KBN-kornene. Denne fremgangsmåte er av og til betegnet som "gjennom-sveipingsmetoden", dvs at katalysatoren sveiper gjennom diamant- eller KBN-massen.

Formene for slipemiddelmassen og katalysatoren i forhold til hverandre kan varieres. For eksempel kan massen av • diamant eller KBN være sylindrisk, og katalysatoren kan ha ringform og omgi sylinderen med slipekrystaller.

Utgangsmaterialet for katalysatoren kan også være et sementert metallcarbid- eller carbidformningspulver i hvilket sementeringsmidlet er en katalysator eller oppløsningsmiddel for diamant- eller KBN-rekrystallisering eller -vekst.

Katalysatoren er i alminnelighet valgt fra kobolt, nikkel og jern eller fra aluminiumlegering i tilfelle av KBN. Katalysatoren kan være blandet med slipekrystallene

i tillegg til. eller istedenfor å foreligge som en adskilt masse nær slipekrystallene.

Istedenfor slipekorn, som diamant eller KBN, kan det også velges som råmaterialer å anvende andre utgangsmaterialer for carbon eller bornitrid, som grafitt, hexagonalt bornitrid eller wurtzittbornitrid som under HP/HT-prosessen vil bli omvandlet til hhv. diamant eller KBN. Fremgangsmåter for slike omvandlinger er beskrevet f.eks. i US patentskrifter 3407445 og 3850053 (for diamant) og i britisk patentskrift 1317716, i US patentskrifter 3212852 og 4188194 og i US patentsøknad 47656 innlevert 11. juni 1979 (for KBN).

Høy temperatur og høyt-trykk innen det stabile område for diamant eller KBN påføres derefter i tilstrekkelig tid til at slipekrystallene vil bindes til hverandre. Den er- holdte pressede gjenstand er spesielt særpreget ved diamant-til-diamant- eller KBN-til-KBN-binding, dvs. interkrystallinsk binding mellom nabokorn, hvorved deler av krystall-gitteret deles mellom nabokrystaller (som skriver seg fra rekrystallisering under HP/HT-betingelser). Fremgangsmåter for fremstilling av pressede diamantgjenstander er detaljert beskrevet i US patentskrifter "3141746, 3745623, 3609818"" og 3850591, og fremgangsmåter for fremstilling av pressede KBN-gjenstander er beskrevet i US patentskrifter 3233988, 3743489, 3767371 og 4188194.

Fremstillingen av termisk stabile pressede gjenstander er beskrevet i US patentskrift 4224380. I dette patentskrift er det beskrevet at i det vesentlige hele den metalliske (katalysator) fase fjernes fra de pressede gjenstander slik at det fås pressede gjenstander som i det vesentlige består av selvbundne slipepartikler med et innbyrdes forbundet nettverk av porer dispergert gjennom hele den pressede gjenstand. Slike pressede gjenstander kan motstå temperaturer av 1200-1300°C uten vesentlig termisk nedbrytning, og dette er en fordel sammenlignet med de pressede gjenstander ifølge f.eks. US patentskrift 3745623 som blir termisk brutt ned ved en temperatur mellom 700°C og 800°C. Den metalliske fase fjernes ved behandling med syre, ekstraksjon med flytende sink, elektrolytisk utarming eller lignende prosesser. De pressede gjenstander av denne type vil her bli betegnet som termisk stabile pressede gjenstander.

De for tiden anvendte fremstillingsmetoder for termisk stabile pressede gjenstander krever et efterpressetrinn, som skjæring med laser, sliping eller falsing, for å forme hvert stykke slik at det får den ønskede form (f.eks. trekantformet eller som segment av en sirkel). Dette krever tid, arbeids-innsats og materialer. Da diamant er det hardeste kjente materiale og KBN det nest hardeste, er den polykrystallinske masse meget vanskelig å forme. Formningstrinnet, uaktet om dette utføres ved skjæring med laser, sliping med et diamant-hjul eller ved en annen metode, krever arbeidsintensiv håndtering for hvert sluttstykke. Dette øker omkostningene, transport- og forsyningsinnsatsen og den tid som er nødvendig for å fremstille produktet. Knusing ellernedmaling av store polykrystallinske stykker er ikke en gangbar metode på grunn av at formen ikke kan reguleres og at bare en liten prosen-tuéll andel av denønskede partikkelstørrelse fås. Problemet er derfor å unngå de individuelle håndteringskrav for hvert stykke samtidig som stykkenes ønskede form opprettholdes.

I US patentskrift 3949062 er en metode beskrevet for fremstilling av pressede gjenstander av diamant med på forhånd bestemt form ved å omgi et monolittisk stykke av grafitt med på forhånd bestemt form med katalysator og ved å omvandle dette til polykrystallinsk diamant ved hjelp av en høytrykks/ høytemperaturprosess under anvendelse av en puls av elektrisk strøm.

I US patentskrift 3785093 er det foreslått å fremstille sintret diamant og cermetblandinger ved å utsette slike blandinger for betingelser innen det stabile område for grafitt (ikke-diamant) mens de er fylt i grafittskall som på sin side befinner seg i skall laget av lavtsmeltende metaller (f.eks. sink).

Det stabile område for diamant er det område for trykk-temperaturbetingelser innenfor hvilket diamant er termodynamisk stabilt. På et trykk-temperaturfasediagram er dette høytrykkssiden over likevektslinjen mellom diamant og grafitt. Det stabile område for kubisk bornitrid er det område for trykk-temperaturbetingelser innenfor hvilket kubisk bornitrid er termodynamisk stabilt. På et trykk-temperaturfasediagram er dette høytrykkssiden over likevektslinjen mellom kubisk bornitrid og hexagonalt bornitrid.

For normale (dvs. ikke termisk stabile) pressede gjenstander av diamant eller KBN foreligger et annet problem som er forbundet med anvendelse av disse og ikke med finishing-trinnene ved fremstillingen. Pressede gjenstander av diamant og KBN, som de som fremstilles ved katalysatorgjennomsveip-ingsmetoden, er meget sterke, men svært skjøre materialer. Straks de er blitt satt i gang kan brudd forplante seg gjennom hele diamant- eller KBN-massen. De dannede biter kan være ganske store og kan begrense materialets anvendbar-het. Dette gjelder spesielt for borkroner for oljebrønn- boring eller for fjellboring hvor en massiv svikt i diamantlaget for en presset komposittgjenstand også kan føre til beskadigelse av de gjenværende skjær på kronen. En metode er nødvendig som vil kunne redusere den massive svikt som forårsakes ved at brudd forplanter seg gjennom et godt bundet, polykrystallinsk, skjørt materiale, som diamant-

laget i pressede skjær som anvendes for borkroner for boring av oljebrønner.

I US patentskrift 4255165 er beskrevet en modifikasjon av pressede komposittgjenstander hvor minst to sementerte metallcarbidmasser bindes til og innflettes mellom minst to masser av polykrystallinsk diamant eller KBN. Denne modifikasjon hevdes å gi innvendig forsterkning for den pressede komposittgjenstand mot en massiv sprekkdannelse ved at mot-standen mot sprekkforplantning derved forbedres.

I US patentskrifter 4063909 og 4108614 og dessuten i syd-afrikansk patentsøknad 77/5521 er det beskrevet å anbringe en overgangsmetallag mellom diamantpartiklene og metallcarbidet for forskjellige typer av pressede kompositt-r. gjenstander under fremstillingen av disse.

I britisk patentskrift 1568202 er laminerte pressede gjenstander beskrevet hvor bindingen mellom tilstøtende diamantlag finner sted ved hjelp av et metall- eller legerings-lag .

Beskrivelse av oppfinnelsen

De ovenfor omtalte vanskeligheter kan i sterk grad unngås ved i massen av slipekrystaller og før HP/HT-sintring å innleire minst én' delingsstrimmel av et deformerbart materiale (f.eks. metall eller metallegering) som strekker

seg gjennom den korteste dimensjon av slipekrystallmassen eller.-laget. Strimlene kan være orientert slik at de deler opp slipekrystallmassen. I det sylindriske høytrykksapparat som ofte anvendes for fremstilling av pressede gjenstander, befinner strimlene seg orientert langsgående eller parallelt

i forhold til apparatets akse.

Delingsstrimlene bør være deformerbare eller føyelige slik at det ikke forekommer noen brovirkning eller motstand som skyldes delstrimiene, mot sammenpressingen av slipekrystallmassen. Slipekrystallmassen taper en del av sitt volum

(ca. 30%) under sammenpressingen ved HP/HT-prosessen, og

dette tap må fanges opp. Delingsstrimlene bør også være tilstrekkelig sterke til at de vil opprettholde et skille mellom porsjonene i den oppdelte slipekrystallmasse.

Delingsstrimlene kan ha en hvilken som helst egnet

form, som flatestrimler, trådduk, ekspandert metall, rør eller lukkede former laget fra flate metallstykker (f.eks. trekant- eller stjerneform). De lukkede former avgrenser adskilte volumer i slipekrystallmassen. Delingsstrimlene kan bestå av et hvilket som helst katalysator- eller inert føyelig materiale som ikke uheldig innvirker på sintrings-gjennomsveipingsmekanismen og som lett kan fjernes ved på-følgende pressetrinn.

Delingsstrimlene anbringes i den typiske metallskjerm-ningsskål for den normale fremstillingsprosess for pressede gjenstander. Skålen blir derefter fylt med diamant eller KBN og blir, ved fremstilling av pressede komposittgjenstander, dekket med et stykke av sementert metallcarbid eller carbidformningspulver.

Det særpregede ved den foreliggende oppfinnelse er basert på de følgende erkjennelser: 1. Når metallstykker som avgrenser lukkede former (f.eks. rør i form av sirkler, trekanter, rektangler, kvadrater eller stjerner) anvendes, holdes den pressede gjenstand som dannes innenfor den lukkede form, som en sirkel, trekant, rektangel, kvadrat eller stjerne efter sammenpressingen selv om diamanten eller KBN forelå i en smeltet metallomhylling under HP/HT-prosessen.

2. Metaller av den første overgangsserie i gruppe VIII

i det periodiske system og som er lett tilgjengelige, kan anvendes som den deformerbare metallstrimmel eller delings-materiale mellom massene av KBN eller diamant. Når reaksjonsvolumet sammenpresses inntil HP-betingelser er nådd og derefter oppvarmes for ved hjelp av temperaturen å sveipe gjennom, blir porevolumet i diamanten eller KBN fylt med smeltet katalysatormetall, og metallstrimmelen eller delings-

anordningen holder seg på plass. Det forekommer selvfølgelig diffusjon og legeringsdannelse med delingsmetallet, men minimumsvolumet vil allerede være blitt oppnådd på grunn av sammenpakkingen og sammenpressingen av slipekrystallene, og delingen mellom de sammenpressede former eller krystall-masser opprettholdes. 3. Smeltepunktene for materialene i reaksjonsvolumet synes å være de kontrollerende parametre når kataly-satorunderstøttet sintring finner sted. Dersom delings-eller metallstrimmelmaterialet ikke er en katalysator eller et oppløsningsmiddel, må det ha et smeltepunkt under de betingelser som foreligger i reaksjonssonen for HP/HT-cellen, som er i det minste noe høyere (f.eks. 20°C høyere) enn katalysatorens smeltepunkt. Dette er for å hindre delingsstrimmelen fra å smelte og bli mobil før katalysatorgjennom-sveipingen finner sted. I dette tilfelle ville katalysatoren bli blokkert av delingsstrimmelmaterialet som ville ha sveipet gjennom diamanten eller KBN foran katalysatoren. Når kataly-satoroppløsningsmaterialer anvendes for skilledelene, er dette ikke et vesentlig problem.

Det må erkjennes at selv om smeltepunktet for et materiale kan være lavere enn katalysatorens smeltepunkt ved atmosfæretrykk, kan det være forskjellig ved sterkt for-høyede trykk og i nærvær av diamant eller grafitt. For eksempel smelter nikkel normalt under smeltepunktet for kobolt, men ved HP/HT-betingelser i nærvær av diamant smelter nikkel eller danner et eutektikum ved ca. 1394°C mens det tilsvarende kobolt-diamanteutektikum dannes ved ca. 1317°C,

se Strong, H.M og Tuft, R.E., "The Cobalt,Carbon System at 56 'Kilobars," General Electric Company.Technical Information Series, juli,1974, og Strong, H.M. og Hanneman, R.E., "Crystallization of Diamond and Graphite,"The Journal of Chemical Physics, 46, s. 3668-3676 (mai, 1967).

4. Skilledel- eller metallstrimmelmaterialet bør være føyelig eller deformbart for at diamant eller KBN-krystaller skal kunne sammenpresses og for at trykket skal kunne overføres mer effektivt. Da stivt, på forhånd dannet sementert carbid ble anvendt som barriere eller metall-

strimmel, var det vanskelig å oppnå en effektiv sintring

på grunn av a,t de forholdsvis usammenpressbare carbid-vegger hindret trykkoverføring til slipekrystallene.

Den foreliggende forbedrede fremgangsmåte gjør det mulig å presse diamant- eller KBN-kompakter til ønsket form med få eller ingen nødvendige finishingtrinn. En presset gjenstand fjernes fra høytrykksapparatet, og skjermningsmetallhylsen og eventuelt vedheftende metall

fra skjermningsmetallskålen eller -skiven fjernes på vanlig måte (f.eks. ved avskalling, avsliping eller falsing). På dette stadium omfatter de pressede gjenstander polykrystallinsk diamant eller KBN med ett eller flere innleirede stykker av et materiale med grunnleggende samme form som delingsstrimlene som ble anbragt i reaksjonsvolumet i høytrykks-cellen. Dersom termisk stabile pressede gjenstander erønskede, blir de pressede gjenstander som fjernes fra cellen, viderebehandlet ved fremgangsmåten ifølge US patentskrift 4224380. De vil for eksempel kunne bringes i kontakt først med et varmt medium som omfatter salpetersyre og flussyre,

og derefter med et varmt medium som omfatter saltsyre og salpetersyre (se eksempel III i US patentskrift 4224380).

Når de pressede gjenstander utsettes for denne syrebehandling, blir de innleirede delingsstrimler fjernet, og de sammenpressede skiver blir oppdelt i mindre sammenpressede gjenstander med de forskjellige former som er bestemt av delingsstrimlene (f.eks. sylindre, trekanter eller halvsirkler etc.). Foruten at de har disse på forhånd bestemte former er de mindre pressede gjenstander termisk stabile på grunn av syrebehandlingen.

Det er også mulig mekanisk å fjerne delingsstrimlene

ved f.eks. sandblåsing. Imidlertid er syrebehandlingen foretrukken på grunn av at den er enkel og er den samme metode som anvendes for å fjerne den infiltrerte katalysator

(f.eks. kobolt) i den polykrystallinske masse for å oppnå termisk stabile pressede gjenstander. Ved den foreliggende oppfinnelse tilveiebringes en effektiv og praktisk metode for fremstilling av termisk stabile pressede gjenstander. Ingen formnings- eller skjæreoperasjoner er nødvendige.

Det er bare nødvendig å fjerne metall ved massebehandlingen

i syre. Adskilt håndtering er praktisk talt blitt eliminert. Ved den foreliggende fremgangsmåte kan flere stykker bringes sammen i én høytrykkscelle og behandles som en gruppe under HP/HT-betingelser. Dette er i alminnelighet en mindre kost-bar og mer bekvem metode for å oppnå pressede gjenstander med denønskede form enn de vanlige metoder (f.eks. maskiner-ingsbehandling med laser og elektrisk utladning). Den kan i virkeligheten betegnes som en "press-til-form" prosess.

Dersom massebehandlingen i syre ikke utføres, vil de innleirede delingsstrimler (anordnet i ikke-arbeidende om-råder i den sintrende masse) bli tilbake og tjene som stopp-anordninger for fliser og begrense bevegelsen av brudd i den polykrystallinske diamant eller det polykrystallinske KBN. Strimlenes form vil være avhengig av den maksimalt til-latelige størrelse av flisene. De pressede emner blir formet som vanlig.

Kortfattet beskrivelse av tegningene

Fig. 1 viser et sideriss gjennom en HP/HT-reaksjonscelle modifisert ved forbedringen i henhold til den foreliggende oppfinnelse, Fig. 2 er en perspektivskisse av én av avskjermnings-metallskålene fra cellen vist på Fig. 1, Fig. 3 viser et planriss gjennom reaksjonscellen som angitt, Fig. 4 viser et planriss lignende det som er vist på Fig. 3, men med den forskjell at delingsstrimlene er sirkel-formige rør istedenfor trekantformige rør, og Fig. 5 viser perspektivisk en presset komposittgjenstand med flisstopperne som utgjør en del av oppfinnelsen.

Beste utførelsesform av oppfinnelsen

Muligheten for. å anhringe skilleanordninger i den sintrede diamantmasse ble først undersøkt ved.koboltgjennom-sveipingsprosessen ved å innleire molybden, Mone nikkel-kobber-legering og en trådduk av rustfritt stål i diamaht-pulveret i en celle for fremstilling av et verktøyemne i form av en presset komposittgjenstand. Resultatene be-kreftet muligheten for delingsstrimmelmetoden. Molybden og Monel -nikkel-kobber-legeringen ga aksepterbare resul-tater men rustfritt stål bød på delaminerings- og avflisingsproblemer. Den sistnevnte situasjon skyldtes at stålet reagerte med den beskyttende avskjermningsmetall-skål og gjorde det mulig for saltet å trenge inn i og for-urense diamanten.

Tantal- og titanrør (med en utvendig diameter av

5,08 mm) ble oppdelt i lengder på 3,81 mm, anbragt i de normale avskjermningsmetallskåler av zirkonium, fylt med diamantpulver (største dimensjon 6-8yUm), dekket med kobolt-katalysatorskiver og fylt i en HP/HT-reaksjonscelle. Ved anvendelse av denne metode med rør av forskjellige former ble sylindriske, trekantformige og stjerneformige stykker erholdt.

Efter disse forsøk ble nikkel-, jern- og zirkoniumrør med en innvendig diameter av 1,6 mm oppdelt i denønskede lengde, fylt med diamant i typiske HP/HT-celler og presset. Nikkelrøret viste seg å være forlikelig med koboltkatalysator-gjennomsveipingsmetoden. Zirkonium er aksepterbart, men mer kostbart.

Sluttsammenpressingsforsøk med utlutede prøver fra jern- og nikkeldelingsforsøkene ble utført, og resultatene 6 6 var 5,72 x 10 kPa for nikkeldelingsstykkene og 5,10 x 10 kPa for jerndelingsstykkene. Begge verdier representerer et gjennomsnitt av ti forsøk som ga verdier opp til 6,89 x IO<6>kPa.

De foretrukne delingsmaterialer ved anvendelse av koboltkatalysatorgjennomsveiping er således jern og nikkel, og nikkel er mest foretrukket. De materialer som kan anvendes, er materialer fra gruppene UIB, IVB, VB, VIB, VIIB og VIII i det periodiske system og legeringer derav. Rustfritt stål er også aksepterbart dersom det holdes adskilt fra ayskjermningsmetallskålen. Selv om det er mulig å anvende kobolt som sådant eller laveresmeltende katalysator-oppløsningsmaterialer (f.eks. Inva j ern-nikkel-legering) som skilledelmaterialer, er disse ikke foretrukne.

Ved anvendelse av skilledeler med lukket form kan

bruk av rør med glatte sider (f.eks. kontinuerlig trukkede) gi flere stykker pr. celle med de tynnere rørvegger.

Et ytterligere trekk ved den foreliggende oppfinnelse er å foreta sammenbinding av flere skilledeler som utgjør lukkede former, til et knippe. Seksjoner kan avskjæres fra knippet, og disse seksjoner ligner på en bikake. Disse bikakeskilleknipper representerer et effektivt middel for pakking av det maksimale antall skilledelstrimler for opp-nåelse av adskilte små pressede gjenstander i et gitt celle-volum.

Slike knipper kan lages ved diffusjonsbinding av adskilte lukkede former til hverandre. Diffusjonsbinding er en metode for å feste to eller flere metallformer til hverandre ved termisk syklisering av stykkene som befinner seg i kontakt med hverandre, til en temperatur som er tilstrekkelig høy til at metallet vil binde ved diffusjon i fast tilstand, men ikke tilstrekkelig høyt til å deformere stykkenes form. Materialene bringes aldri opp til deres smeltepunkt, og heller ikke holdes de ved høy temperatur i tilstrekkelig lang tid til at volum- eller formforandringer vil bevirkes. Resultatet er at det fås en enhet i ett stykke som er sammensatt av en rekke av utgangsformene. Denne enhet kan oppdeles i den ønskede tykkelse og anvendes som en delingsanordning. Derved unngås mbehovet for adskilt håndtering av de mange små delingsanordninger når en høy-trykkscelle ifylles.

For eksempel kan en lang rekke nikkelrør (smeltepunkt 1453°C) bindes til et enhetlig stykke ved oppvarming i vakuum til 1200°C i 10 minutter. En viss mengde rene nikkelrør (anbragt inne i en hul grafittstav i en vakuum-ovn) oppvarmes til 1200°C under vakuum. Et carbonbelegg av-settes på rørene ved å innføre methan i ovnen (hvorved vakuumet tillates å falle til ca, 71 cm Hg manometertrykk), og methanet holdes i ovnen i ca, 5 minutter. Fullstendig vakuum og en temperatur av 1200°C gjenopprettes, fulgt av en annen innføring av methan, hvorefter ovnen avkjøles og rør-knippet fjernes.

Avdelingen av seksjoner fra rørknippet kan bekvemt utføres ved maskinering ol X/-r ved hjelp av elektrisk trådutladning (EDM). Carbonbelegget på rørene hjelper til med å hindre deformasjon av røret med meget tynn vegg under tråd-EDM-avdelingen. For rør med en veggtykkelse som er vesentlig større enn 0,05 mm, er det ikke nødvendig med carbonbelegget for å hindre deformasjon.

En foretrukken form for. HP/HT-apparat i hvilket de pressede gjenstander ifølge oppfinnelsen kan fremstilles, er krevet i US patentskrift 2 941 248, og dette kalles et belteapparat.

Det omfatter et par med motsatte sementerte wolframcarbidstanser og et mellomliggende belte eller en dysedel av det samme materiale. Dysedelen omfatter en åpning i hvilken en reaksjons-beholder er anordnet som er formet slik at den vil inneholde en chargemontasje. Mellom hver stanse og dysen finnes en pak-ningsmontasje som omfatter et par med termisk isolerende og elektrisk ikke-ledende pyrofyllittelementer og en mellomliggende metallpakning.

Ifølge en foretrukken utførelsesform omfatter reaksjonsbeholderen en hul saltsylinder. Denne kan være laget av et annet materiale, som talkum, som (1) ikke omvandles under HP/ HT-prosessen til en sterkere, stivere tilstand (f.eks. ved faseomvandling og/eller sammenpressing) og (b) er i det vesentlige fri for volumdiskontinuiteter som forekommer ved påføring av høye temperaturer og trykk som f.eks. med pyrofyllitt og porøst aluminiumoxyd. Materialer som tilfredsstiller de andre betingelser som er angitt i US patentskrift 3 030 622,

spalte 1, linje 59 - spalte 1, linje 2, er nyttige for fremstilling av sylinderen.

Et elektrisk motstandsoppvarmningsrør av grafitt er ano-ordnet konsentrisk i og nær sylinderan. I oppvarmningsrøret av grafitt finnes en konsentrisk anbragt sylindrisk saltforing. Endene av foringen er forsynt med saltplugger.som er anordnet ved toppen og bunnen.

Endeskiver av elektrisk ledende metall anvendes ved hver ende av sylinderen for å gi elektrisk forbindelse til grafitt-oppvarmningsrøret. En endehettemontasje er anordnet nær hver skive,og begge disse endehettemontasjer omfatter en pyrofyllitt-plugg eller-skive omgitt av en elektrisk ledende ring.

Arbeidsmetoder for samtidig å påføre såvel høyt trykk som høy temperatur i denne type av apparat er velkjente for fagfolk innen høytrykksteknikken. Under henvisning til Fig. 1 passer charge (eller reaksjonssone) -montasjen 10 i rommet som er avgrenset av saltforingen og saltpluggene. Montasjen består av en sylindrisk hylse 11 og endehette 12 av skjermningsmetall fra gruppen zirkonium/titan, tantal, wolfram og molybden. En eller flere undermontasjer som hver er avgrenset av en avskjermende metallskive 16 og en avskjermende metallskål 14, er anordnet i en... avskjermende metallhylse.

En masse med slipekrystaller 18 (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. En skive med katalysatoroppløsningsmiddel (f.eks. kobolt) 22 er vist på toppen av slipekrystallmassen like under den avskjermende metållskive.

Antallet av undermontasjer i reaksjonssonen kan varieres

og er ikke av avgjørende betydning. På Fig. 1 er fem undermontasjer vist, og hver av disse er adskilt ved hjelp av en separatorskive 24 av et inert materiale, som dehydratisert glimmer.

Dersom pressede komposittgjenstander er ønskede, vil en masse av sintret metallbundet carbid (f.eks. titan-, wolfram-eller tantalcarbid) eller carbidpulver med et egnet metall-bindemiddel (f.eks. kobolt, jern eller nikkel) også være anordnet i undermontasjene. På Fig. 1 ville dette vise seg som

en skive eller et lag enten på topp av eller under slipekrystallmassen 18. Fremstillingen av pressede komposittgjenstander er velkjent, og flere detaljer finnes i US patentskrifter nr. 3 745 623.

Delingsstrimlene ifølge oppfinnelsen er vist i form av ele-mentet 20 i undermontasjene. Ifølge den spesielle utførelses-form som er vist på Fig. 1-3, har delingsstrimlene trekant-form og er blitt diffusjonsbundet til hverandre under dannelse av en bikakestruktur , - som beskrevet ovenfor.. På Fig . 2 er . det klart vist hvorledes bikakeskilledelene er anordnet i den avskjermende metallskål under montasjen av cellen.

På Fig. 3 er det vist hvorledes de enkelte trekantformede masser av slipekrystaller 18 er segregert. Slipekornene som befinner seg på utsiden av de rørformige skilledeler, vil her-etter bli betegnet som mellomromsdiamant eller -CBN 26.

På Fig. 4 er det selvfølgelig vist en variant av skille-delsformene med fire sylindriske rør 21 i stedet for trekant-former .

En annen mulig variasjon er effektivt å fordoble antallet av pressede gjenstander fremstilt i en gitt undermontasje ved å anbringe en skive av.ildfast metall (f.eks. zirkonium) midt-veis gjennom undermontasjen. F.eks. ville en slik zirkonium-skive være vist i en undermontasje ifølge Fig. 1 i form av et horisontalt element som deler en gitt undermontasje i en øvre og en nedre halvdel. Delingsrørene ville selvfølgelig også ha vært halvert ved oppsplitting. Denne metode vil virke dersom katalysatoroppløsningsskivene anbringes en på hver side av zirkoniumskiven eller dersom katalysatorskiven 22 holder seg i den stilling som er vist på Fig. 1.

Eventuelt uutnyttet volum i chargemontasjen kan fylles opp med en skive av det samme materiale som saltsylinderen (f.eks. natriumklorid) og skiver av ~ hexagonalt bornitrid for å redusere til et minimum inntrengning av uønskede stoffer i undermon-tas jen som er avgrenset av den avskjermende- metallskive og skål.

Typiske betingelser for HP/HT-prosessen er:

(1) for diamant (a) et trykk av minst 50 kbar ved en temperatur av minst 1300°C og innen det stabile område for diamant og

(b) en reaksjonstid av 3 - 120 minutter.

(2) for kubisk bornitrid (a) ,et trykk av minst 42 kbar ved en temperatur av minst 1300°C og innen det stabile område for kubisk bornitrid, og (b) en reaksjonstid av 2 - 120 minutter.

Chargemontasjen fylles i reaksjonsbeholderen som anbringes i HP/HT-belteapparatet. Først blir trykket og deretter temperaturen øket-.og holdt ved de ønskede betingelser i tilstrekkelig tid til at sintring vil finne sted. Det er av viktighet at apparatet oppvarmes til arbeidstemperaturen først etter at arbeidstrykket er blitt nådd. Dersom temperaturen økes til over smeltepunktet for katalysatoren før arbeidstrykket er blitt nådd, vil gjennomsveipingen begynne for tidlig. Prøven blir derfor avkjølt under trykk, i kort tid, og til slutt minskes trykket til ^atmosfæretrykk og den pressede gjenstand gjenvinnes.

Som nevnt i avsnittet for oppfinnelsens bakgrunn kan pressede gjenstander også lagres ved å anvende andre carbon-eller bornitridutgangsmaterialer, som grafitt, hexagonalt bornitrid . (HBN) eller wurtzittbornitrid (WBN), som råmaterialer i stedet for diamant eller KBN. Når disse råmaterialer behandles i overensstemmelse med de beskrivelser som er angitt i patentene som er omtalt i avsnittet om oppfinnelsens bakgrunn, blir de omvandlet til pressede gjenstander. Proses-sene er HP/HT-prosesser.hvor et apparat.lignende det ovenfor beskrevne anvendes. Arbeidesbetingelsene er typisk : for grafitt - 50 - 62 kbar, 1200 - 1600°C i fra 30 sekunder til 4 0 minutter og i nærvær av nikkel- eller koboltkata-lysator.

For HBN - 50 - 150 kbar, 1800 - 3000°C i fra 1 til 30 minutter.

For WBN - egnede betingelser finnes i US patentskrift

3 876 751, f .eks. 50 - 300 kbar, 1900 - 2500°C i fra l:\til

7 minutter.

Anvendelsen av delingsstrimmelforbedringstrekket ifølge oppfinnelsen gjelder også når disse råmaterialer anvendes. Grafitt eller hexagonalt bornitrid kan anvendes i form av pulver eller pellets. Det er også mulig å maskinere grafitt-ener HBN-stenger (slik at de får en form som gjør at de vil passe inn i rommet som er avgrenset av delingsstrimmelen og den avskjermende metallskål. En større volumforandring vil forekomme under HP/HT-prosessen ved anvendelse av disse råmaterialer enn ved anvendelse av diamant eller KBN da det forekommer, en øket.densitet på grunn av faseforandringen såvel som på grunn av den fysikalske sammenpakking. Dette.tjener til å understreke viktigheten av at delingsstrimmelmaterialet er. føyelig.

Som angitt ovenfor vil de gjenvundne sammenpressede gjenstander etter fjernelse av eventuelle, vedheftede cellemateri- aler fra de pressede gjenstander som fåes ved HP/HT-prosessen, omfatte den polykrystallinske masse av slipekorn bundet til hverandre og innleiret i denne masse delingsstrimler, med grunnleggende samme form som den form de hadde da de ble anbragt i undermontasjen. For chargemontasjen ifølge Fig. 1-3 vil således de sammenpressede gjenstander på dette stadium ligne på den sammenpressede gjenstand ifølge Fig. 3 uten ele-mentene 11 og 14, idet det polykrystallinske materiale og delingsstrimlene utgjør en enhetlig masse. For å fremstille varmestabile sammenpressede gjenstander vil denne masse kunne bringes i kontakt~først med' et varmt medium som omfatter sal-peter- og flussyrer, for deretter å bringe massen i kontakt med et annet varmt medium som omfatter saltsyre og salpetersyre. I det vesentlige hele mengden av delingstrimmelen og katalysatoroppløsningsmaterialet som har infiltrert inn i den pressede gjenstand, vil bli fjernet ved denne prosess dersom den var blitt utført i tilstrekkelig tid i overensstemmelse med den lære som er fremsatt i US patentskrift 4 224 380. Resultatet ville da være 24 små trekantformige, termisk stabile pressede gjenstander pr. undermontasje og 120 slike pressede gjenstander fremstilt.pr. HP/HT-prosass.

På Fig. 5 er vist en presset, komposittgjenstand med en rekke delingsstrimler 28 anordnet i overensstemmelse med et tverrskravert mønster gjennom slipekrystalllaget. For slike anvendelser ;som borkroner for bergboring vil størrelsen av de fliser som slåes av fra de pressede skjær bli begrenset av de innleirede flisstansere (delingsstrimler) til de former (f.eks. små kvadrater) som er^definert "av flisstansernes form. F.eks. kan således en slik flis begrenses til ett enkelt stykke 30 fra diamantlaget i stedet for en massiv del av hele laget.

Jern, nikkel og kobolt er de foretrukne metaller for slike flisstansere fordi de er forholdsvis rimelige, lett tilgjengelige og ikke danner sterke carbider i motsetning til hva de ildfaste.metaller gjør. Under anvendelse av ildfaste metaller vil brudd kunne forplante seg mer lett og fortsette over i de.tilstøtende underdeler av den polykrystallinske masse.

Om ønsket, kan hvilke som helst eksponerte delingsstrimler ved flaten eller kanten av en presset gjenstand fjernes ved sandblåsing eller selektiv etsing for fremstilling av flere frittstående soner av polykrystallinsk diamant eller KBN på verktøyemnet.

Et annet alternativ er å forlenge flisstanserne eller delingsstrimler inn i det sementerte metallcarbidsubstråt 32 i en presset komposittgjenstand under behandling. Dette vil effektivt minske flisforplantning i substratet. Denne metode vil imidlertid kunne virke mindre effektivt enn ved anvendelse av flisstanseren i diamant- eller KBN-laget på grunn av at metaller,_~som nikkel, kobolt eller jern, antagelig vil diffundere inn i metallcarbidstrukturen, og i forbindelse med ildfaste metaller vil sprøe carbider antagelig dannes som vil nedsette deres flisstansende egenskaper.

Claims (17)

1. Fremgangsmåte ved fremstilling av presset gjenstand, hvor A. en masse av slipekrystaller fra gruppen diamant, kubisk bornitrid og blandinger derav og som befinner seg i kontakt med et utgangsmateriale av katalysator/oppløs-ningsmiddel for rekrystallisering av slipekrystallene, utsettes for slike temperatur-, trykk- og tidsbetingelser som fører til at» det dannes en presset gjenstand med interkrystallinsk binding mellom nabokrystallkorn, B. den fremstilte pressede gjenstand utvinnes, og C. i det vesentlige hele den metalliske fase fjernes fra den pressede gjenstand ifølge trinn B, karakterisert ved at det i massen av slipekrystaller innleires minst én delingsstrimmel som bevirker oppdeling av slipekrystallmassen, idet det anvendes en delingsstrimmél som er særpreget ved at den opprettholder segregering mellom de-adskilte porsjoner av slipekrystallmassen under trinn A og er tilstrekkelig føyelig til at den ikke vil motvirke pressingen av slipekrystallmassene.

2. Fremgangsmåte ifølge krav 1, karakterisert ved at trinn C utføres ved behandling med syre, fortrinnsvis først med en varm blanding av salpetersyre og flussyre og deretter med en varm blanding av saltsyre og salpetersyre.

3. Fremgangsmåte ved fremstilling av en presset gjenstand, hvor A. en masse av slipekrystaller fra gruppen diamant, kubisk bornitrid og blandinger derav som befinner seg i kontakt med et utgangsmateriale for katalysator/oppløsnings-middel for rekrystallisering av slipekrystallene, utsettes for slike temperatur-, trykk- og tidsbetingelser at en presset gjenstand vil dannes, og B. den fremstilte pressede gjenstand utvinnes, karakterisert ved at det i massen av slipekrystaller innleires minst to delingsstrimler som strekker seg gjennom den korteste dimensjon av slipekrystallmassen, er særpreget ved at de opprettholder segregering mellom de adskilte porsjoner av slipekrystallmassen under trinn A og er tilstrekkelig føyelige til ikke å motvirke pressingen av slipekrystallmassen.

4. Fremgangsmåte ifølge krav 1 eller 2 fog 3, karakterisert ved at massen av slipekrystaller og katalysator/oppløsningsmiddelutgangsmateriale anbringes i en beskyttende omhylling av avskjermningsmetall anordnet i reaksjonssonen for et høytrykks/høytemperaturapparat for utførelse av trinn A.

5. Fremgangsmåte ifølge, krav 1 eller 2,og 3 eller 4, karakterisert ved at det anvendes en reaksjonssone med sylindrisk form og at delingsstrimlene orienteres parallelt i forhold til reaksjonssonens akse.

6. Fremgangsmåte ifølge krav 3-5, karakterisert ved at de eksponerte deler av delingsstrimlene fjernes fra de sammenpressede gjenstander utvunnet i trinn B for fremstilling av flere frittstående polykrystallinske slipekrystallsoner på overflaten av den pressede gjenstand.

7. Fremgangsmåte ifølge krav 3-6, karakterisert ved at massen av slipekrystaller i trinn A holdes i kontakt med et metallcarbid, fortrinnsvis fra gruppen tantalcarbid, titancarbid og wolframcarbid.

8. Fremgangsmåte ifølge krav 7, karakterisert ved at delingsstrimlene strekker seg inn i metallcarbidet.

9. Fremgangsmåte ifølge krav 1-8, karakterisert ved at det anvendes en delingsstrimmel som ikke er et katalysator/oppløsningsmiddel for slipekrystallene og har et smeltepunkt under HP/HT-prosess- betingelsene som i det minste er litt høyere enn smeltepunktet for katalysator/oppløsningsmidlet anvendt i trinn A.

10. Fremgangsmåte ifølge krav 9, karakterisert ved at det anvendes delingsstrimler av et materiale bestående av et metall eller legeringer derav fra gruppene UIB, IVB, VB, VIB, VIIB eller VIII i det periodiske system, fortrinnsvis bestående av molybden, nikkel-kobberlegeringer, rustfritt stål, tantal, titan, jern, nikkel eller zirkonium, og mer foretrukket bestående av nikkel, jern eller legeringer derav.

11. Fremgangsmåte ifølge krav 1-10, karakterisert ved at det anvendes delingsstrimler som beskriver lukkede former, fortrinnsvis V sirkel-, trekant-, rektangel-, kvadrat- eller stjerneformet.

12. Fremgangsmåte ifølge krav 11, karakterisert ved at det anvendes delingsstrimler som omfatter en rekke former forbundet med hverandre i et knippe.

13. Fremgangsmåte ved fremstilling av en presset gjenstand, hvor A. et råmateriale fra gruppen grafitt, hexagonalt bornitrid og wurtzittbornitrid utsettes for slike trykk-, temperatur- og tidsbetingelser at en presset gjenstand vil dannes, og B. den fremstilte pressede gjenstand utvinnes, karakterisert ved at det i råmaterialet innleires minst én delingsstrimmel som er særpreget ved at den opprettholder segregering mellom de adskilte porsjoner av råmaterialet under trinn A og er tilstrekkelig føyelig til ikke å motvirke pressingen av råmaterialet.

14. Presset gjenstand av en polykrystallinsk masse, om-fattende (a) polykrystallinske slipekorn fra gruppen diamant, kubisk bornitrid og blandinger derav og (b) et katalysator/oppløsningsmiddel, idet slipekrystallkornene med vilkårlig orientering er direkte bundet til tilstøtende krystallkorn i massen av disse ved hjelp av interkrystallinsk-binding, karakterisert ved at minst to delingsstrimler er innleiret i den polykrystallinske masse og strekker seg gjennom dens korteste dimensjon.

15. Presset gjenstand ifølge krav 14, karakterisert ved at delingsstrimlene består av et materiale fra gruppen jern, nikkel og kobolt.

16. Presset gjenstand ifølge krav 14 eller 15, karakterisert ved at de eksponerte delingsstrimler er blitt fjernet slik at det fåes flere frittstående polykrystallinske slipekrystallsoner på den ' pressede gjenstands flate.

17. Presset gjenstand ifølge krav 14 - 16, karakterisert ved at den er en presset komposittgjenstand av den polykrystallinske masse av krystallkorn tilstøtende og bundet til en sementert metallcarbidmasse, idet delingsstrimlene fortrinnsvis strekker seg inn i den sementerte metallcarbidmasse.