DE3783000T2 - Thermisch stabiler diamant-gepresster schleifkoerper. - Google Patents
Thermisch stabiler diamant-gepresster schleifkoerper.Info
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Description
- Die vorliegende Erfindung betrifft einen thermisch stabilen Diamant-Schleifmittel-Compact-Körper.
- Schleifmittel-Compacts sind in der Technik wohlbekannt und bestehen im wesenlichen aus einer Masse von Diamant-Schleifmittel-Teilchen, die in einer Menge von wenigstens 70 Vol.-%, vorzugsweise von 80 bis 90 Vol.-%, bezogen auf den Compact, eingebunden in ein hartes Konglomerat, vorliegt. Compacts sind polykristalline Massen und können große Einkristalle bei vielen Anwendungen ersetzen.
- Diamant-Compacts enthalten typischerweise eine zweite Phase, die gleichmäßig durch die gesamte Diamant-Masse hindurch verteilt ist. Die zweite Phase kann eine überwiegende Menge eines Katalysators/Lösungsmittels für die Diamant-Synthese wie Cobalt, Nickel oder Eisen enthalten. Diamant-Compacts, die eine zweite Phase dieser Art enthalten, besitzen im allgemeinen oberhalb von 700 ºC keine thermische Stabilität.
- Diamant-Schleifmittel-Compacts können für sich allein oder als Verbund-Compacts verwendet werden; im letzteren Fall sind sie auf einem Sintercarbid-Substrat befestigt. Diamant-Schleifmittel-Verbund-Compacts, in denen die zweite Phase ein(en)
- Diamant-Katalysator/Lösungsmittel enthält, finden in der Industrie weit verbreitete Verwendung.
- Beispiele für Diamant-Schleifmittel-Verbund-Compacts sind in der US-Patentschrift 3 745 623 und in der Britischen Patentschrift 1 489 130 beschrieben.
- Diamant-Schleifmittel-Compacts des oben beschriebenen Typs sind bei einer Temperatur oberhalb von etwa 700 ºC thermisch empfindlich. In der Literatur beschrieben und technisch eingesetzt werden jedoch mehrere Diamant-Schleifmitte-Compacts, die oberhalb von 700 ºC thermisch beständig sind. Beispielsweise beschreibt die US-Patentschrift 4 224 380 einen thermisch stabilen Diamant-Compact, der selbstgebundene Diamant-Teilchen, die zwischen etwa 70 und 95 Vol.-% des Produkts ausmachen, eine im wesentlichen gleichmäßig durch das gesamte Produkt hindurch eingesickerte metallische Phase, die zwischen etwa 0,05 und 3 Vol.-% des Produkts ausmacht, und ein Netzwerk miteinander verbundener leeren Poren umfaßt, die durch das gesamte Produkt hindurch dispergiert sind und durch die Teilchen und die metallische Phase begrenzt werden, wobei die Poren zwischen 5 und 30 Vol.-% des Produkts einnehmen.
- Die US-Patentschrift 4 534 773 beschreibt einen thermisch stabilen Diamant-Schleifmittel-Compact, der eine Masse aus Diamant-Teilchen, die in einer Menge von 80 bis 90 Vol.-% des Körpers vorliegt, und eine zweite Phase, die in einer Menge von 10 bis 20 Vol.-% des Körpers vorliegt, umfaßt, wobei die Masse aus Diamant-Teilchen im wesentlichen Diamant-Zu-Diamant- Bindungen enthält, sodaß sie eine zusammenhängende Gerüst- Masse bildet, und die zweite Phase Nickel und Silicium enthält, wobei das Nickel in Form von Nickel und/oder Nickelsilicid und das Silicium in Form von Silicium, Siliciumcarbid und/oder Nickelsilicid vorliegt.
- Die Britische Patent-Veröffentlichung 2 158 086 beschreibt einen thermisch stabilen Diamant-Schleifmittel-Compact ähnlich demjenigen, der in der US-Patentschrift 4 534 773 beschrieben ist, außer daß die zweite Phase im wesentlichen aus Silicium in Form von Silicium und/oder Siliciumcarbid besteht.
- Schwierigkeiten traten in der Vergangenheit bei der Herstellung Diamant-Schleifmittel-Verbund-Compacts oder eines carbidunterstützten Drahtziehsteins auf, bei denen der Diamant- Compact ein thermisch stabiler des oben beschriebenen Typs ist. Nach bestem Wissen der Anmelder sind bislang keine derartigen Erzeugnisse im Handel erhältlich.
- Gemäß der vorliegenden Erfindung wird ein Verfahren zur Herstellung eines Diamant-Schleifmittel-Verbund-Compacts aus einem an ein Sintercarbid-Substrat gebundenen, thermisch stabilen Diamant-Compact verfügbar gemacht, das die Schritte des Bildens einer nicht-verbundenen Anordnung aus einem thermisch stabilen Diamant-Compact, der eine Masse von Diamant-Teilchen, die im wesentlichen Diamant-zu-Diamant- Bindungen enthält, so daß sie eine zusammenhängende Gerüst- Masse bildet, und eine gleichmäßig durch die gesamte Diamant- Masse hindurch verteilte zweite Phase umfaßt, einem Sintercarbid-Substrat und einer Schicht aus Nickel oder einer an Nickel reichen Legierung zwischen dem Compact und dem Substrat,
- des Einbringens der nicht-verbundenen Anordnung in die Reaktionszone einer Hochdruck/Hochtemperatur-Apparatur,
- des Einwirkenlassens einer Temperatur von wenigstens 1000 ºC und gleichzeitig eines Drucks von wenigstens 3 GPa (30 kbar) auf die nicht-verbundene Anordnung für die Dauer einer Zeitspanne, die ausreicht, um eine Verbindung zwischen dem Compact und dem Substrat entstehen zu lassen, und
- des Entfernens des Diamant-Schleifmittel-Verbund-Compacts aus der Reaktionszone,
- umfaßt. Bei diesem Verfahren sickert Nickel aus der Schicht in den Compact ein, und die Bedingungen der Temperatur und des Drucks sind solche, daß die Eindringtiefe nicht größer als 600 um (Micron) wird.
- Die Zeichnung veranschaulich im Schnitt eine Seiten-Ansicht der mittels des Verfahrens der Erfindung erzeugten Grenzflächen-Zone zwischen dem Comact und dem Carbid-Substrat.
- Das Verfahren der Erfindung, so wurde gefunden, erzielt eine feste Verbindung zwischen em thermisch stabilen Diamant- Compact und dem Sintercarbid-Substrat. In der Tat können Abstoß-Festigkeiten von meh als 300 MPa erreicht werden. Darüber hinaus wurde gefunden, daß diese Abstoß-Festigkeit selbst dann nicht beeinträchtigt wird, wenn die Verbindung einer so hohen Temperatur wie 950 ºC bis 1000 ºC ausgesetzt wird, wie dies der Fall ist wenn der Verbund-Compact unter Verwendung eines handelsüblichen Hochtemperatur-Hartlots an eine Halterung hartgelötet wird.
- Der thermisch stabile Diamant-Compact muß eine zweite Phase aufweisen, die gleichmäßig durch die gebundene Diamant-Masse hindurch verteilt ist. Beispiele für geeignete zweite Phasen sind Silicium, Silicium Nickel, Silicium/Cobalt und Nickel/Chrom. In all diesen zweiten Phasen liegt das Metall in elementarer oder kombinierter Form vor. Beispiele besonders geeigneter, thermisch stabiler Diamant-Compacts sind diejenigen, die in der US-Patentschrift 4 534 773 und der Britischen Patent-Veröffentlichung 2 158 086 beschrieben sind.
- Das Sintercarbid-Substrat kann jedes in der Technik bekannte sein, etwa Wolframsintercarbid, Tantalsintercarbid, Titansintercarbid und deren Gemische. Das bevorzugte Sintercarbid ist Wolframsintercarbid.
- Beispiele für geeignete, an Nickel reiche Legierungen sind diejenigen, die Nickel und bes zu 10 Gew.-% eines aus Titan, Zirconium, Tantal und Molybdän ausgewählten Metalls enthalten.
- Die Metallschicht in dem verbundenen Schleifmittel-Verbund- Compact ist im allgemeinen dünn, und ihre Dicke überschreitet 100 um (Micron) nicht.
- Das Verbinden erfolgt in einer konventionellen Hochtemperatur/Hochdruck-Apparatur, die in der Technik wohlbekannt ist.
- Die hohe Temperatur, die zur Anwendung kommt, liegt vorzugsweise im Bereich von 1000 ºC bis 2000 ºC. Der zur Anwendung gelangende Druck muß ausreichend sein, um einen Abbau des Diamants in dem Compact bei der angewandten Temperatur zu hemmen, und liegt typischerweise im Bereich von 3 bis 5,5 GPa (30 bis 55 kbar).
- Die Bedingungen hoher Temperatur und hohen Drucks werden über eine Zeitspanne aufrechterhalten, die ausreicht, um eine Verbindung zwischen dem Compact und dem Substrat entstehen zu lassen. Typischerweise werden die Bedingungen hoher Temperatur und hohen Drucks über einen Zeitraum von wenigstens 10 min aufrechterhalten. Es wurde gefunden, daß Nickel aus der Metall-Schicht während des Verbindens in den thermisch stabilen Diamant-Compact eindringt. Es wurde weiter gefunden, daß bei diesem Eindringen die Eindringtiefe auf einen Wert von weniger als 600 um (Micron) begrenzt werden sollte, um sicherzustellen, daß der Compact seine Festigkeit und thermische Stabilität behält und eine wirksame Verbindung erzielt wird.
- Der Diamant-Compact ist in dem Sinne thermisch stabil, daß er eine Temperatur von 1200 ºC unter einem Vakuum von 0.0133 Pa (10&supmin;&sup4; Torr) oder besser oder in einer inerten oder reduzierenden Atmosphäre aushält, ohne daß eine nennenswerte Graphitisierung des Diamants stattfindet.
- Die Diamanten für den Compact können natürlich oder synthetisch sein.
- Ein Beispiel der Erfindung wird nunmehr beschrieben. Ein thermisch stabiler Diamant-Schleifmittel-Compact wurde in der Weise, wie sie in der Britischen Patent-Veröffentlichung 2 158 086 beschrieben ist, hergestellt. Dieser thermisch stabile Schleifmittel-Compact bestand aus einer Masse von Diamant-Teilchen, die in einer Menge von 85 Vol.-% des Compacts vorlag, und einer in einer Menge von 15 Vol.-% des Körpers vorliegenden zweiten Phase, wobei die Masse aus Diamant-Teilchen im wesentlichen Diamant-zu-Diamant-Bindungen enthielt, sodaß sie eine zusammenhängende Gerüst-Masse bildete, und die zweite Phase Silicium in Form von Silicium und/oder Siliciumcarbid enthielt.
- Eine nicht-verbundene Anordnung wurde dadurch hergestellt, daß eine Nickel-Folie von 100 um (Micron) Dicke sandwichartig zwischen den thermisch stabilen Diamant-Schleifmittel-Compact und ein Wolframsintercarbid-Substrat eingelagert wurde. Diese nicht-verbundene Anordnung wurde dann in die Reaktionskapsel einer konventionellen Hochtemperatur/Hochdruck-Apparatur plaziert, die dann in die Reaktionszone dieser Apparatur eingebracht wurde. Der Druck wurde auf 3,5 GPa (35 kbar) erhöht, und danach wurde die Temperatur auf 1100 ºC erhöht. Diese Bedingungen wurden über einen Zeitraum von 15 min aufrechterhalten. isoliert aus der Reaktionskapsel wurde ein Diamant-Schleifmittel-Verbund-Compact aus einem thermisch stabilen Diamant-Schleifmittel-Compact, der vermittels einer Nickel-Verbindungsschicht mit dem Sintercarbid-Substrat verbunden war.
- Die beigefügte Zeichnung veranschaulicht im Schnitt eine Seiten-Ansicht des Grenzflächen-Bereichs des Verbund-Compacts. Unter Bezugnahme auf diese Zeichnung ist der Diamant-Compact 10 mit dem Sintercarbid-Substrat 12 durch eine Nickel-Verbindungsschicht 14 verbunden. Die Nickel-Verbindungsschicht 14 ist sowohl in den Diamant-Compact 10 als auch in das Sintercarbid-Substrat 12 eingedrungen. Das Eindringen des Nickels in den Compact ist durch den Bereich 16 bezeichnet und erstreckte sich bis zu einer Tiefe von 500 um (Micron). Es wurde gefunden, daß das Nickel in dieser Zone weitgehend aus Nickelsilicid bestand.
- Das Nickel drang in geringerem Maße in das Sintercarbid- Substrat ein, und dies ist durch die Zone 18 dargestellt. Die Tiefe der Zone 18 lag in der Größenordnung von 50 um(Micron).
- Die Festigkeit der Bindung zwischen Compact und dem Substrat war extrem hoch; sie zeigte eine mittlere Abstoß-Festigkeit der Größenordnung von 345 MPa. Diese Abstoß-Festigkeit wurde nicht dadurch beeinträchtigt, daß das verbundene Produkt beim Hartlöten mit Hilfe eines handelsüblichen Hartlots auf einen Stift aus Sintercarbid der Einwirkung einer Temperatur von 990 ºC ausgesetzt wurde. Die Abrieb-Festigkeit des Compacts war außerordentlich hoch, wenn er einem Dreh-Test auf Paarl- Granit ausgesetzt wurde. Diese gute Abrieb-Festigkeit war besonders deutlich bei Schneidgeschwindigkeiten oberhalb von 200 m/min, bei denen in der Schneid-Zone hohe Temperaturen erzeugt werden.
Claims (3)
1. Verfahren zur Herstellung eines
Diamant-Schleifmittel-Verbund-Compacts aus einem an ein Sintercarbid-Substrat
gebundenen, thermisch stabilen Diamant-Compact, umfassend die
Schritte
des Bildens einer nicht-verbundenen Anordnung aus einem
thermisch stabilen Diamant-Compact, der eine Masse von
Diamant-Teilchen, die im wesentlichen Diamant-zu-Diamant-
Bindungen enthält, so daß sie eine zusammenhängende Gerüst-
Masse bildet, und eine gleichmäßig durch die gesamte
Diamant-Masse hindurch verteilte zweite Phase umfaßt, einem
Sintercarbid-Substrat und einer Schicht aus Nickel oder
einer an Nickel reichen Legierung zwischen dem Compact und
dem Substrat,
des Einbringens der nicht-verbundenen Anordnung in die
Reaktions zone einer Hochdruck/Hochtemperatur-Apparatur,
des Einwirkenlassens einer Temperatur von wenigstens 1000 ºC
und gleichzeitig eines Drucks von wenigstens 3 GPa (30 kbar)
auf die nicht-verbundene Anordnung für die Dauer einer
Zeitspanne, die ausreicht, um eine Verbindung zwischen dem
Compact und dem Substrat entstehen zu lassen, und
des Entfernens des Diamant-Schleifmittel-Verbund-Compacts
aus der Reaktionszone,
wobei in dem Verfahren Nickel aus der Schicht in den Compact
einsickert und die Bedingungen der Temperatur und des Drucks
solche sind, daß die Eindringtiefe nicht größer als 600 um
(Micron) wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, worin die zur Einwirkung
gebrachte Temperatur 2000 ºC nicht überschreitet und der angelegte
Druck 5,5 GPa (55 kbar) nicht übersteigt.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, worin die
Legierung Nickel und bis zu 10 Gew.-% eines aus. Titan,
Zirconium, Tantal und Molybdän ausgewählten Metalls enthält.
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