SE511102C2 - Förfarande för framställning av diamantimpregnerad karbid via in-situ-omvandling av dispergerad grafit - Google Patents

Description

511 102 4 metallkarbidpulver kombinerat med ett bindemedel, som inne- fattar minst ett elementärt pulver eller legering som är känd för att verka sàsom diamantkatalysator. Partikelblandningen formas därefter till en grön kropp med önskad form. Även om den gröna kroppen kan placeras direkt i en HPHT-apparat, sintras den gröna kroppen företrädesvis först till bildning av en sintrad kropp innehållande grafitpartiklar. Den sint- rade kroppen innehållande grafitpartiklar underkastas där- efter temperatur- och tryckbetingelser, som är tillräckliga för omvandling av grafiten till diamant in situ, exempelvis i en HPHT-apparat.

Mest föredraget blandas grafitpartiklarna med en osintrad karbidgrundmassa, som innefattar volframkarbidpulver kom- binerat med ett bindemedel, vilket innefattar minst ett elementpulver som är känt sàsom diamantkatalysator, varvid elementpulvret är valt från gruppen bestående av nickel, kobolt, järn och legeringar därav.

Förfarandet enligt uppfinningen kan användas för framställ- ning av en diamantimpregnerad karbid med förbättrad nötnings- beständighet och diamantkvarhållningsegenskaper.

Ytterligare ändamål, särdrag och fördelar framgår av följande beskrivning.

Allmän beskrivning av ritnindarna Figur 1 är ett flödesschema, som visar stegen vid förfarandet som användes för framställning av diamantimpregnerad karbid enligt uppfinningen; figur 2 är ett mikrofotografi av en diamantimpregnerad karbid framställd med förfarandet enligt uppfinningen, varvid karbi- den innehåller 40 volymprocent diamant efter omvandling, varvid mikrofotografiet är taget med förstoringsgraden ZOOX; 511 102 3 ning av diamantimpregnerad karbid, vid vilket pulvermetallur- giska utgàngsmaterial av standardtyp användes.

Det finns även behov av ett förbättrat förfarande för fram- ställning av en diamantimpregnerad karbid, som icke är base- rad pá användning av diamantkristaller och förcementerade karbidpartiklar såsom utgángsmaterial.

Det finns även behov av ett förbättrat förfarande för fram- ställning av en diamantimpregnerad karbid, varvid karbiden framställes i någon av de former som för närvarande är möjlig med volframkarbid-pulverteknologi av standardtyp.

Det finns även behov av ett förfarande för framställning av en diamantimpregnerad karbid, varvid skelettdiamantkristaller framställda in situ bringas att växa samman och sammanflätas med de enskilda karbidkornen.

Det finns även behov av ett förfarande för framställning av en diamantimpregnerad karbid, som är lämpad för användning såsom nötningsbeständig dyna eller skärande kropp, som har förbättrad nötningsbeständighet och diamantkvarhàllnings- egenskaper.

Sammanfattninq av uppfinningen Vid förfarandet för framställning av en diamantimpregnerad karbid enligt uppfinningen beredes en partikelblandning innefattande en osintrad karbidgrundmassa med överskott av fritt kol tillsatt till denna, varvid karbidgrundmassan innefattar minst ett metallkarbidpulver kombinerat med ett bindemedel innefattande minst ett elementärt pulver eller legering som är känd för att vara en diamantkatalysator.

Företrädesvis innefattar blandningen grafitpartiklar, som är blandade med partiklar av en osintrad karbidgrundmassa, varvid den osintrade karbidgrundmassan innefattar minst ett 511 102 6 av partikelblandningen. Högre halter av fritt kol anses inhibera presskroppens pressbarhet och kan leda till kolseg- regering vid mànga processteg på grund av den stora täthets- skillnaden mellan kol och de andra hårdmetallbeståndsdelarna hos kroppen. Bindemedlet närvarar företrädesvis inom omrâdet från c:a 5 till 50 volymprocent, baserat på den totala voly- men av partikelblandningen.

Efter blandning av metallkarbid-, grafit- och bindemedels- pulvren tillsättes till pulverblandningen ett vax (exempelvis paraffin eller Carbowax) för konsolidering av pulverbland- ningen och pulvren pelletiseras med användning av pulver- metallurgiska tekniker av standardtyp. Detta steg åskådlig- göres såsom 13 pà figur 1.

Det bör förstås att i nästa steg (15 på figur 1) vid för- farandet kan formerna och storlekarna hos de pelletiserade kroppar, som användes för framställning av de diamantimpreg- nerade karbiderna enligt uppfinningen, varieras för att passa speciella tillämpningar. Efter steget att pressa pelletarna till form 15 och avbränna närvarande vaxer 17, sintras den gröna kroppen med den önskade formen i steg 19, företrädesvis med användning av atmosfärstryck, vakuum eller HIP-sintring.

Mest föredraget sintras den gröna kroppen med en konventio- nell sintrings/HIP-apparat eller vakuumsintringsugn vid cza l400°C och vid c:a 400 psi tryck i en argonatmosfär.

Den sintrade kroppen innehållande grafitpartiklar ges slut- ligen eventuell slutbearbetning eller formning, som kan vara önskvärd i steg 21. Den sintrade kroppen placeras därefter i en metallbehàllare eller pläteras med en skyddsmetallyt- beläggning och pressas därefter i ett saltblock i ett steg 23. Skyddsmetallytbeläggningen kan vara någon ren metall, som kan pläteras pà den sintrade kroppen, exempelvis nickel.

Företrädesvis inkapslas den sintrade kroppen med den skyd- dande metallbeläggningen i vanligt salt, varvid det salt som 511 102 figur 3 är ett mikrofotografi, som visar den diamantimpregne- rade karbiden enligt figur 2 vid förstoringsgraden l500X och visar den blandning av diamant och karbid som förekommer.

Detaljerad beskrivning av uppfinningen I det första steget vid förfarandet enligt uppfinningen, åskådliggjort såsom 11 i flödesschemat på figur 1, beredes först en partikelblandning innehållande en osintrad karbid- grundmassa med överskott av fritt kol tillsatt till denna.

Företrädesvis innefattar karbidgrundmassan minst ett metall- karbidpulver kombinerat med ett bindemedel inkluderande minst ett elementärt pulver eller legering som är känd för att vara en diamantkatalysator. Metallkarbidpulvret kan lämpligen väljas från karbider av gruppen bestående av Ti, Zr, Hf, V, Nb, Ta, Cr, Mo eller W. Mest föredraget är karbidpulvret volframkarbid, WC.

Det bindemedel som kombineras med metallkarbidpulvret är välkänt för fackmän inom det pulvermetallurgiska området och kan vara ett sådant bindemedel som Ni, Co, Fe eller lege- ringar därav eller något annat element från raderna 3, 4, 5 eller 6 av det periodiska systemet, som är känt såsom dia- mantkatalysator.

Källan för ett överskott av fritt kol kan lämpligen vara naturliga eller syntetiska grafitpartiklar eller -flingor, varvid grafiten företrädesvis har en partikelstorlek av storleksordningen 0,2-1000 pm, företrädesvis cza 2-10 um, mest föredraget c:a 2-5 pm, varvid partikelstorleken är approximativt densamma som partikelstorleken hos metallkar- bidpulvret som väljes för användning i partikelblandningen.

Den totala halten av fritt kol hos partikelblandningen är inom området från c:a 0,5 till 90 volymprocent, företrädesvis cza 0,5 till 50 volymprocent, baserat på den totala volymen 511 102 8 sätt kan därefter avlägsnas från HPHT-apparaten i ett steg 27, rengöras för avlägsnande av eventuell saltrest och under- kastas någon slutlig yt- eller färdigbehandling, såsom pole- ring eller plätering i ett slutsteg 29.

Följande exempel är avsedda att åskådliggöra uppfinningen: EXEMPEL I vikt-% 769 g WC (SYLCARB SC-45/GTE SYLVANIA) 76,9 117 g Fe (-325 mesh/QUEBEC METAL POWDERS) 11,7 66 g Ni (typ 255, ALCAN) 6,6 48 g C (standardgrafitflingor) 4,8 g paraffin g Carbowax Exempel I visar en typisk formulering av pulverblandningen, som användes för framställning av den diamantimpregnerade kompositen enligt uppfinningen.

Pulverblandningen av volframkarbid, bindemedel och fritt kol maldes i en en-liters behållare 24 timmar vid 80 varv per minut. Vax tillsattes såsom bindemedel och pulvren pressades till bildning av 10 gram presskroppar. Presskropparna behand- lades därefter såsom beskrivits i det föregående för bildning av diamantimpregnerade karbider.

Exempel II är likartat med exempel I men visar användning av ett koboltbindemedel. 511 102 7 användes för att omge den sintrade kroppen väljes för att utjämna de krafter som pálägges på kroppen i efterföljande steg för att förhindra oönskad deformation av kroppen.

Kroppen insättes därefter i en HPHT-apparat i ett steg 25 och exponeras för betingelser som är tillräckliga för omvandling av grafiten till diamant. Celler för ultrahögt tryck och ultrahög temperatur beskrives exempelvis i US-patentet nr 3 913 280 och US-patentet nr 3 745 623 och är välkända för fackmän pá området. Dessa anordningar har förmåga att nà betingelser överstigande 40 kilobar tryck och 1200°C tempera- tur. HPHT-apparaten omvandlar grafiten i de täta sintrade kropparna "in situ" till diamantskelettkristaller med ringa formförändring hos kroppen förutom ringa krympning på grund av omvandlingsprocessen. På grund av att de ursprungliga grafitkornen är intimt sammanväxta och sammanflätade med enskilda volframkarbidkorn under sintringsprocessen före HPHT-exponering, bildar diamanten skelettkristaller, som även är sammanväxta och sammanflätade med de enskilda karbidkor- nen. Resultatet är en unik mikrostruktur, som ger den ytter- ligare fördelen med fysisk bindning/sammanlåsning av diamant- massan till den resulterande grundmassan. Denna fysiska bindning förbättrar diamantkvarhàllningen. Med "in situ" avses att diamanten är bildad på platsen i den sintrade karbidgrundmassan av grafitpartiklarna, som ursprungligen dispergerades likformigt i grundmassepulverblandningen.

Diamant tillsättes icke till pulverblandningen i form av existerande diamantkristaller.

Figur 2 är en mikroskopbild av en diamantimpregnerad karbid vid förstoringsgraden 200X framställd med förfarandet enligt uppfinningen. Figur 3 är en likartad vy vid l50OX förstoring efter omvandling av grafiten till diamant och visar den extrema diamant-karbidsammanflätningen.

Den diamantimpregnerade komposit som framställes på detta 511 102 w EXEMPEL IV 36,3 g C (standardproduktionsgrafitflingor) 89,0 g Ni (typ 255, ALCAN) 89,0 g Co (Afrimet extrafin) 785,7 g WC (4,0 pm SYLCARB SC-45/GTE SYLVANIA) ,0 g vax (standardproduktionsparaffin) 150 ml hexan 150 ml aceton ,0 kg WC-Attritor-kulor Malningstidz 16 h Malningshastighet: 80 varv per minut Komponenterna formulerades för åstadkommande av 25 volym-% 5ONi/50Co-förhållande med 20 volym-% C. Presskropparna som framställdes behandlades såsom beskrivits i det föregående till bildning av diamantimpregnerade karbider.

Uppfinningen ger ett flertal fördelar. Förfarandet utnyttjar kommersiellt tillgängliga utgångsmaterial inkluderande vol- fram- eller något annat metallkarbidpulver, pulver i elemen- tär form av nickel, kobolt och järn eller andra kända grafit- -till-diamantkatalysatorer samt grafitpulver. Alla dessa material är lättillgängliga. En tät sintrad kropp framställes av en blandning av dessa pulver och komplicerade former kan åstadkommas med användning av standardbearbetningstekniker för volframkarbidpulver. Dessa tätsintrade kroppar placeras därefter i en HPHT-apparat, där grafiten omvandlas "in situ" till diamant utan annan formförändring än ringa krympning av föremålet beroende på omvandlingsförfarandet. Eftersom bear- betningstekniker av standardtyp för volframkarbidpulver användes, kan alla formkroppar som kan tillverkas med dessa standardtekniker framställas med användning av förfarandet enligt uppfinningen. Det är icke nödvändigt att formkroppen är begränsad till en form, som kan framställas i HPHT-pres- sen. Eftersom de ursprungliga grafitkornen är intimt samman- 511 102 9 EXEMPEL I I vikt-% 698 g WC 69,8 222 g Co 22,2 80 g C 8,0 g paraffin g Carbowax Exempel III är en typisk formulering, likartad med exempel II, men visar användningen av ett bindemedel av järn, nickel och kobolt.

EXEMPEL III 711 g WC 132,5 g Fe 41,4 g Ni 33,1 g Co 82,0 g C g paraffin g Carbowax Exempel IV visar användningen av ett nickel-koboltbindemedel. o 511 102 m.

PATENTKRAV 1. _ Förfarande för framställning av en interdispergerad diamant- karbid-komposit innefattande stegen: beredning av en partikelblandning innefattande en osintrad karbidgrundmassa med överskott av fritt kol i form av grafit tillsatt till denna, varvid karbidgrundmassan innefattar minst ett metallkarbidpulver kombinerat med ett bindemedel inkluderande minst ett pulver som är känt såsom diamantkatalysator, varvid den totala halten av fritt kol i partikelblandningen är inom området från ca. 0,5 till 50 volym-%, baserat på den totala volymmängden av partikelblandníngen; formning av partikelblandningen till en osintrad kropp; sintring av den osintrade kroppen till bildning av en för-förtätad kropp innehållande överskott av fritt kol, varvid den för-förtätade kroppen sintras vid en temperatur under ca. l500°C och vid ett tryck under ca. 30000 psi; utsättande av den sintrade för-förtätade kroppen innehållande överskott av fritt kol för temperatur- och tryckbetingelser som är tillräckliga för omvandling av det fria kolet till diamant in situ, varvid sådan temperatur och tryck är över ca. 1200°C resp. 40000 psi. 2. Förfarande enligt patentkrav 1, k ä n n e t e c k n a t därav, att bindemedlet närvarar inom området från ca. 5 till 50 volym-%, baserat på den totala volymen av partikelblandningen. 3. Förfarande enligt patentkrav 1 eller 2, varvid metallen i metallkarbidpulvret väljes bland gruppen bestående av W, Ti, Zr, Hf, V, Nb, Ta, Cr och Mo. 511 102 ll växta och sammanflätade med de enskilda volframkarbidkornen under sintringsförfarandet före HPHT-exponeringen, bildar diamanten skelettkristaller, som blir sammanväxta och samman- flätade med de enskilda karbidkornen under steget med ultra- hög temperatur och ultrahögt tryck. Den erhållna mikrostruk- turen är unik för förfarandet enligt uppfinningen och ger förbättrad fysisk bindning/sammanlåsning av diamantmassan i grundmassan, vilket leder till förbättrad kvarhàllning av diamant.

Uppfinningen har visats i endast en av dess former men är icke begränsad pà detta sätt utan kan förändras och modifie- ras pá olika sätt utan att man avviker fràn uppfinningstan- ken.

Claims (1)

1. ff» 511 102 4. Förfarande enligt något av de föregående patentkraven, varvid pulvret som är känt såsom diamantkatalysator väljes bland gruppen bestående av Ni, Co, Fe, Al, B och legeringar därav. 5. Förfarande enligt något av de föregående patentkraven, varvid partikelstorleken hos de grafitpartiklar som används vid beredningen av partikelblandningen ligger inom intervallet från ca. 0,2 till 1000 lim. 6. Förfarande enligt patentkrav 5, varvid karbidgrundmassan innefattar volframkarbidpulver kombinerat med minst ett pulver känt såsom diamantkatalysator som väljes bland gruppen bestående av nickel, kobolt och järn, varvid den totala halten av fritt kol i partikelblandningen ligger inom intervallet från ca. 0,5 till 50 volym-Wo, baserat på partikelblandningens totala volym, varvid diamantkatalysatorpulvret finns närvarande inom intervallet från ca. 5 till 50 volym-% av partikelblandningen. 7. Förfarande enligt något av de föregående patentkraven, varvid det sista steget föregås av de två stegen: inkapsling av den sintrade för-förtätade kroppen i salt; och införing av den inkapslade kroppen i en ultrahögtrycks- och högtemperaturapparat.