DE69427325T2

DE69427325T2 - Verfahren zur Erhöhung der Festigkeit von künstlichen Diamanten

Info

Publication number: DE69427325T2
Application number: DE69427325T
Authority: DE
Inventors: William E. Jackson; Dong-Sil Park
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Co
Priority date: 1993-08-11
Filing date: 1994-08-01
Publication date: 2001-11-29
Anticipated expiration: 2014-08-02
Also published as: US5523071A; EP0638670A1; JPH07165494A; EP0638670B1; DE69427325D1; ES2157238T3

Description

TECHNISCHES GEBIET DER ERFINDUNG

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Behandeln von Diamantkörnern, die für Diamant-Werkzeuge eingesetzt werden.

HINTERGRUND DER ERFINDUNG

Diamantkörner werden typischerweise für die Herstellung von Diamant-Werkzeugen, wie Schleifscheiben, Zurichtungs- oder Abzieh-Werkzeuge für Schleifscheiben und Sägeblätter eingesetzt.
Um wirksam und effizient bei gewissen Werkzeug-Anwendungen zu funktionieren, insbesondere Anwendungen, die Diamant-Sägeblätter erfordern, ist häufig Diamantgrieß mit der höchsten Festigkeit (einschließlich Hochtemperatur-Festigkeit), Zähigkeit und Abriebsbeständigkeit erwünscht. Techniken zum Binden von Diamant zu Sägeblättern schließt die Nutzung von Nickel, Cobalt, Eisen und anderer Metalle und/oder Legierungen zum Sintern bei erhöhten Temperaturn von 600 bis etwa 1.300ºC ein. Bei diesen Temperaturen kann sich die Festigkeit des Diamant verschlechtern. In einem Vakuum beginnt die milde Oberflächen-Graphitisierung von Diamant bei Temperaturen oberhalb etwa 1.000ºC. In Luft beginnt Diamant bei etwa 600ºC zu oxidieren. Bei Temperaturen oberhalb 900ºC können Katalysatorreste zur Degraphitisierung von Diamant oder Teilzersetzung des Kristalles aufgrund relativ großer Wärmeausdehnung dieser Metallreste führen.
Die US-PS 5,035,771 von Borse beschreibt ein Verfahren, bei dem Diamanten in einem Eisen-, Cobalt- oder Nickelpulver einer Wasserstoff-Atmosphäre bei einer Temperatur oberhalb 700ºC ausgesetzt werden, um Poren in der Oberfläche des Diamant zu ätzen, um eine aufgerauhte Oberfläche zu ergeben, die das Binden des Diamant zu einer Säge- oder Schleifscheibe fördert. Wie in Spalte 4, Zeilen 50 bis 52 ausgeführt, sind Temperaturen oberhalb von 900ºC nachteilig, weil die interne Festigkeit der Diamanten verringert wird. Die US-PS 4,174,380 von Strong et al. bezieht sich auf das Glühen von Diamant bei einer Temperatur im Bereich von 1.500 bis 2.200ºC unter einem Druck, der die Graphitisierung verhindert. Dieses Verfahren wurde nicht zum Verbessern der Diamant-Festigkeit entwickelt, sondern um atommäßig dispergierten Stickstoff zu Aggregaten zusammenzuführen, um die Diamant-Farbeigenschaften zu ändern.
Ein Anzahl von Forschern hat versucht, die Diamantgrieß-Festigkeit durch Wärmebehandeln zu verbessern (siehe Field, 1992, für einen Überblick). Dyer und Conradi (1972) berichten über die Verringerung der Zähigkeitsindex (TI)- und thermischen Zähigkeitsindex (TTI)-Testfestigkeiten von synthetischem Diamant nach dem Erhitzen auf 1.400 K. Muhkin et al. (1974) und Simkin (1982) berichteten ebenfalls einen Festigkeitsverlust beim Erhitzen von synthetischem Diamant. Uvarov et al. (1974) berichteten eine Festigkeits-Zunahme für natürlichen Diamant, gemessen durch gleichachsigen Kompressionstest beim Erhitzen auf Temperaturen zwischen 1.300 und 1.880ºK.
Der Stand der Technik konzentriert sich darauf, dass die Hochtemperatur-Behandlung von Diamanten in verschiedenen Gasatmosphären unter sehr sorgfältig kontrollierten Bedingungen ausgeführt werden muss, um den Abbau von Diamant zu vermeiden. Jedes Verfahren zum Behandeln von Diamantgrieß von der Art, die für Diamant-Werkzeuge benutzt wird und in einer erhöhten Festigkeit, gemessen durch Zähigkeits- und Festigkeits-Test, resultiert, stellt daher einen Fortschritt im Stande der Technik dar.

KURZE ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG

Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, die Festigkeit von synthetischem Diamantgrieß zur Verwendung in Werkzeugen zu erhöhen.
Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, die Festigkeit synthetischer Diamanten durch Wärmebehandlung zu erhöhen.
Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, Diamantgrieß vor dem Einsatz in Werkzeugen zu behandeln, wie durch Metallbinde-Verfahren, um die Festigkeit von Diamantgrieß zu erhöhen.
Eine andere Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist die Schaffung eines Verfahrens zum Erhöhen des Zähigkeitsindex (TI), des thermischen Zähigkeitsindex (TTI) und der Kompressions- Bruchfestigkeit von synthetischem Diamant.
Irgendwelche anderen Aufgaben der vorliegenden Erfindung werden aus der folgenden Beschreibung deutlich.
Gemäß der vorliegenden Erfindung wird ein Verfahren zum Erhöhen der Reinheit und Zähigkeit eines Ansatzes von Diamantkörnern mit Einschlüssen geschaffen, umfassend die Stufen des Abtrennens eines Teiles der Körner mit Einschlüssen von einem übrigen Teil höherer Reinheit und Glühen des Teiles höherer Reinheit in einer reduzierenden Atmosphäre für eine genügende Zeitdauer, um die Zähigkeit des Teiles höherer Reinheit zu verbessern.

KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNG

Die einzige Figur, Fig. 1, zeigt die Wirkung der Temperatur auf die Diamant-Festigkeit, wobei die Kompressions-Bruchfestigkeit, CFS, entlang der Y-Achse und die Glühtemperatur entlang der X-Achse aufgetragen ist. Man beachte die CFS einer Probe vor dem Glühen bei Umgebungstemperatur von 24ºC.

DETAILLIERTE BESCHREIBUNG

Der Ausgangs-Diamantgrieß, der bei dem Verfahren der vorliegenden Erfindung benutzt wird, ist ein synthetischer Diamant, der gewöhnlich durch ein Hochdruck-Hochtemperatur-Verahren hergestellt wird, bei dem Drucke von mehr als etwa 45 kbar mit Temperaturen kombiniert werden, die 1.200ºC in der P-T-Region von Kohlenstoff übersteigen, in der Diamant die thermodynamisch bevorzugte Phase ist. Es kann eine Vielfalt von Diamantkristallen hergestellt werden.
Das indirekte oder Katalysator/Lösungsmittel-Verfahren zum Herstellen von Diamant ist flexibel. Durch geeignete Auswahl der Wachstums-Parameter, wie der speziellen Kombination von Druck, Temperatur und chemischer Umgebung, kann die Wachstumsrate der Diamant-Kristalle variiert und über einen Bereich von mehreren Größenordnungen geregelt werden. Wie dies häufig bei wachsenden Kristallen anderer Substanzen der Fall, erzeugen hohe Wachstumsraten bei Diamant Kristallen mit mehr Fehlern als langsamere Wachstumsraten. Die Fehler in den Kristallen sind von verschiedener Art: Fehler im Kristallgitter selbst, Bildung von Zwillingskristallen und statistischen Verwachsungen und Substitutions- oder eingefangene Atome, die kein Kohlenstoff sind, die atommäßig oder als große Einschlüsse dispergiert sind. Da Diamant mit Hilfe geschmolzenen Katalysators gezüchtet wird, enthalten die Einschlüsse gewöhnlich diese Katalysator-Materialien.
Es wird davon ausgegangen, dass das Verfahren der vorliegenden Erfindung zur Verwendung mit einer Vielfalt von Ausgangs-Diamantkörnern geeignet ist. Die kommerziell erhältlichen Diamant-Schleifkörner sind in verschiedenen Festigkeiten und Zähigkeiten erhältlich. Variationen in der Wachstumsrate während der Herstellung ist ein Faktor, der zum Regeln der Eigenschaften des Diamant-Schleifkornes benutzt werden kann. Ein perfekter Diamantkristall hat eine regulärere Spaltung und einen ebensolchen Abrieb. Kristallfehler oder Einschlüsse führen zu irregulären Mikrobruch- und Mikrohärte-Variationen.
Diamant mit wenig Einschlüssen und hoher Dehnung ist ein bevorzugter Diamant zum Einsatz gemäß der vorliegenden Erfindung. Ein solcher Diamant sind typischerweise transparente, gelb bis gelbgrüne Einkristalle, die eine im Wesentlichen symmetrische kubisch-oktaedrische Morphologie aufweisen. Die Kristallflächen sind glatt und ohne einen signifikanten Grad des Ätzens. Die Abwesenheit kritischer Oberflächenfehler ist teilweise verantwortlich für die große Festigkeit dieser Kristalle, die bei gewissen Schneidanwendungen erwünscht ist. Typischerweise haben die bei solchen Schneidanwendungen eingesetzten Diamantkörner eine Teilchengröße von etwa 150 bis etwa 850 um, vorzugsweise von 300 bis etwa 425 um.
Der Ausgangsgrieß oder die -Diamantkörner werden behandelt, um einen unerwünschte Einschlüsse enthaltenden Teil zu entfernen. Körner mit magnetischen Einschlüssen, die in unerwünschter Weise eine Volumenausdehnung verursachen können, wenn sie erhitzt werden, werden abgetrennt. Typische unerwünschte Einschlüsse umfassen Nickel, Eisen oder Cobalt, die bei der Diamant-Herstellung als Katalysator benutzt werden können. Indem man den Ausgangsgrieß einem Magnetfeld genügender Festigkeit aussetzt, können magnetisch angezogene Diamantkörner, die die unerwünschten Einschlüsse enthalten, von dem übrigen Teil höherer Reinheit mit weniger Einschlüssen nachteiliger Materialien abgetrennt werden.
Der übrige Teil höherer Reinheit wird in einer reduzierenden Atmosphäre für eine genügende Zeitdauer und bei einer genügenden Temperatur und einem genügenden Druck geglüht, um Fehler im Diamantgitter zu entfernen und dadurch die Zähigkeit der Diamantkörner zu verbessern, was die Diamantkörner weniger bruchanfällig macht. Es wird angenommen, dass die vorliegende Erfindung die Restdehnung des Diamantgitters vermindert und Gitterverschiebungen teilweise heilt. Die zum Verbessern der Festigkeit erforderlichen Bedingungen, die der Zeit, der Temperatur, des Druckes und der Atmosphäre, hängen von der Art der Einschlüsse in den Diamantkörnern und der Dehnung und den Versetzungen ab, die vor der Behandlung im Diamant vorhanden sind. Bei Diamantkörnern mit weniger Dehnung und Versetzungen wird die Festigkeit nicht zu dem Ausmaß verbessert, wie in Körnern mit mehr Dehnung und Zersetzungen.
Gemäß den Prinzipien der vorliegenden Erfindung wird der übrige Teil der Diamantkörner höherer Reinheit durch Glühen in einer reduzierenden Atmosphäre bei einer geeigneten Temperatur und während einer geeigneten Zeit behandelt. Das Glühen erfolgt unter Bedingungen, die das Ätzen der Oberfläche der Diamantkörner vermeiden. Oxidierende Atmosphären werden vermieden. Der Kontakt mit Materialien, die die Umwandlung von Diamant in Graphit katalysieren können, d. h., Eisen, Nickel und Cobalt, wird vermieden. Die Atmosphäre umfasst ein reduzierendes Gas. Bevorzugter umfasst das reduzierende Gas Wasserstoff. Wasserstoff und Mischungen von Wasserstoff und Inertgasen sind bevorzugt. Typische Inertgase sind Stickstoff und die Edelgase Helium, Neon, Argon und Xenon. Stickstoff und Argon sind bevorzugte Inertgase. Die bevorzugte Gasatmosphäre besteht gänzlich aus Wasserstoff und dem Inertgas. Die Vol.-% an Wasserstoff können im weiten Rahmen variiert werden unter der Bedingung, dass die reduzierenden Eigenschaften der Glühatmosphäre beibehalten werden. Bevorzugte Konzentrationen von Wasserstoff sind die von 2 bis 100 Vol.-%.
Bevorzugte Glühtemperaturen betragen von 800 bis 1.600ºC. Höhere Temperaturen fördern den Diamantabbau aufgrund einer Fehlanpassung der thermischen Ausdehnung und einer Rückumwandlung von Diamant in Graphit. Tiefere Temperaturen erfordern unerwünscht lange Glühzeiten aufgrund der langsamen Kinetik. Die Glühzeiten werden in geeigneter Weise ausgewählt und hängen von der Glühtemperatur ab, wobei längere Zeiten für tiefere Temperaturen erwünscht sind. Bevorzugte Glühzeiten betragen von etwa 5 Minuten bis etwa 10 Stunden. Der Druck ist nicht kritisch und kann innerhalb eines weiten Bereiches von einem Vakuum bis zu Diamant-Formdrueken variieren. Höhere Drucke und kürzere Zeitdauern sind für Diamantkörner bevorzugt, die relativ höhere Niveaus an Einschlüssen aufweisen. Die Ausgangs-Diamantkörner haben vorzugsweise nicht überzogene Oberflächen. Es ist beabsichtigt, dass das Verfahren der vorliegenden Erfindung dazu benutzt wird, die Festigkeit und Bruchzähigkeit eines Ansatzes von Diamant vor dem Überziehen für das nachfolgende Befestigen an einem Werkzeug, anzuwenden.
Vergleiche der Diamarit-Sprödigkeit und -Zähigkeit können bequem vor und nach der Behandlung gemäß dem Verfahren der vorliegenden Erfindung nach konventionellen Verfahren gemessen werden. Diese schließen das Anordnen einer kleinen Probe von Diamantgrieß in einem Behälter, wie einer Kapsel, mit einem Mittel zum Zerkleinern der Körner, wie einer Stahlkugel darin, ein. Mehr im Besonderen wird ein Zähigkeitsindex (TI) für eine Ansatz von Diamantkörnern durch Anordnen von zwei Karat des Materials in einer Kapsel mit einer Stahlkugel, kräftiges Schütteln derselben für eine festgelegte Zeitdauer und Messen des Gewichtes der erzeugten Fragmente einer gewissen Größe mit Bezug auf ein gewisses Ausgangsgewicht einer gewissen Größe bestimmt. Dieses Verfahren zerbricht die schwächsten Körner in der Probe wirksam. Solche Änderungen in der physikalischen Integrität des Diamant vor und nach dem Aussetzen gegenüber erhöhten Temperaturen, werden, wie oben angegeben, in der WIG-LBUG-Vorrichtung oder FTU (Sprödigkeits-Zähigkeits-Einheit) bestimmt.
Die Kompressions-Bruchfestigkeit (CFS) kann durch Kompressions-Zerbrechen einer Anzahl von Diamantkörnern sowohl vor als auch nach der Behandlung gemäß dem Verfahren der vorliegenden Erfindung gemessen werden. Eine solche Technik ist in der US-Patentanmeldung Serial Nr. 08/016,638 beschrieben, bei der eine Vorrichtung mit einem Paar harter, gegenläufig rotierender Walzen benutzt wird, die mit einer Einrichtung versehen sind, um die durch die Walzen auf die zwischen den Walzen hindurchgehenden Körner im Moment des Kornbruches ausgeübte Kompressionskraft zu messen. Eine solche Beschreibung einer Vorrichtung, wie sie dort offenbart ist, wird durch Bezugnahme in die vorliegende Anmeldung als ein Beispiel aufgenommen, wie die Bruchfestigkeit eines Anteils von Diamantkörnern zu bestimmen ist. Die Bewegung einer der Walzen wird durch einen geeigneten Wandler, wie einen Linearspannungs-Differenzialtransformator gemessen, um ein elektrisches Signal zu erzeugen, das hinsichtlich der Spannung proportional der Durchbiegung der Walze und somit proportional zur Kompressionskraft auf das Diamantkorn ist.
Der geglühte Teil hoher Reinheit mit verbesserter Zähigkeit kann weiter gemäß konventionellen Techniken verarbeitet werden, um das Binden des Diamantgrießes an ein Werkzeug, wie vorzugsweise eine Diamantsäge, zu bewirken. Ein bevorzugte Technik des Bindens benutzt Wolfram, Nickel, Cobalt, Eisen und Kupfer und deren Legierungen bei erhöhten Temperaturen von 600 bis 1.300ºC als Bindemittel.
Der Ausgangsansatz von Diamant ist beispielsweise ein synthetischer Diamant hoher Qualität mit geringen Mengen magnetischer Einschlüsse, einer kubisch-octraedrischen Morphologie, einer charakteristischen gelben Farbe und einer Teilchengröße von etwa 300 bis 400 jun. Der Ausgangsansatz wird einer magnetischen Trennung bei einer Feldstärke von 8 bis 10 kGauss etwa 2 bis 3 Millimeter von einem Magneten unterworfen. Die benutzte Vorrichtung ist von der Carpeo Co. erhältlich, und sie benutzt eine sich drehende Magnetscheibe, um die Diamantkörner vorwärts zu treiben und die Trennung zu bewirken. Etwa 5 bis 10% des Ausgangsansatzes wird bei Anwendung dieser Technik von einem resultierenden Teil höherer Reinheit getrennt. Zähigkeits-Messungen werden durch den TI- und den CFS-Test, wie oben beschrieben, ausgeführt. Der Diamantteil hoher Reinheit wird in fünf Portionen unterteilt. Wie in der graphischen Darstellung gezeigt, wurde der CFS einer Probe vor dem Glühen gemessen. Diese Probe wird geeigneterweise auf der graphischen Darstellung bei 24ºC gezeigt, die repräsentativ für die Umgebungs-Temperatur sind. Die übrigen vier Proben wurden bei den entsprechenden Temperaturen, 800, 900, 1.000 und 1.100ºC, wie in der graphischen Darstellung gezeigt, geglüht. Das Glühen erfolgte durch Füllen der entsprechenden Probe von Diamantkörnern in einen porösen Aluminiumoxidtiegel und Glühen in einer reinen Wasserstoff-Atmosphäre für eine Stunde bei den entsprechenden Temperaturen. In jedem Falle wurde die Temperatur über eine Dauer von etwa 30 Minuten rasch auf die hohe Temperatur gebracht. In ähnlicher Weise wurde die Probe von der hohen Temperatur über eine ähnliche Zeitdauer auf Umgebungs-Temperatur abgekühlt. Die Zähigkeit des resultierenden Diamant wurde durch CFS gemessen, wie in der graphischen Darstellung für die entsprechende Probe gezeigt. Für den bei 1.000ºC geglühten Diamant war die Zähigkeit etwa 10% höher als die Zähigkeit des abgetrennten Ausgangs-Diamant. Die Zähigkeit ist eine Eigenschaft, die normalerweise mit zunehmenden Mengen von Einschlüssen und Fehlern abnimmt. Der resultierende Ansatz umfasst Diamanten mit weniger Fehlern.

Claims

1. Verfahren zum Erhöhen der Reinheit und Zähigkeit einer Charge von Diamantkörnern mit Einschlüssen, umfassend die Stufen des Abtrennens mindestens eines Teiles der Körner mit Einschlüssen von einem übrigen Teil höherer Reinheit und Glühens des Teiles höherer Reinheit in einer reduzierenden Atmosphäre für eine genügende Zeitdauer zur Erhöhung der Zähigkeit des Teiles höherer Reinheit.

2. Verfahren zum Erhöhen der Reinheit und Zähigkeit einer Charge von Diamantkörnern nach Anspruch 1, worin die Charge von Diamantkörnern einer synthetischen Diamant umfasst.

3. Verfahren zum Erhöhen der Reinheit und Zähigkeit einer Charge von Diamantkörnern nach Anspruch 2, worin die Charge von Diamantkörnern Fehler in den Kristallen einschließt, die Fehler im Kristallgitter, Zwillingskristallbildung und statistische Verwachsungen sowie Substitutions- oder eingeschlossene Nicht-Kohlenstoffatome umfassen, die als Atome oder grobe Einschlüsse dispergiert sind.

4. Verfahren zum Erhöhen der Reinheit und Zähigkeit einer Charge von Diamantkörnern nach Anspruch 3, worin die Charge von Diamantkörnern Einschlüsse von Katalysator-Materialien enthält oder Diamant hoher Dehnung mit geringen Einschlüssen umfasst.

5. Verfahren zum Erhöhen der Reinheit und Zähigkeit einer Charge von Diamantkörnern nach Anspruch 4, worin die Charge von Diamantkörnern transparente, gelbe oder gelbgrüne Einkristalle umfasst, die eine im Wesentlichen symmetrische kubisch-oktaedrische Morphologie aufweisen.

6. Verfahren zum Erhöhen der Reinheit und Zähigkeit einer Charge von Diamantkörnern nach Anspruch 5, worin die Charge von Diamantkörnern glatt ist und ohne einen signifikanten Grad des Ätzens und sie charakterisiert ist durch die Abwesenheit kritischer Oberflächenfehler.

7. Verfahren zum Erhöhen der Reinheit und Zähigkeit einer Charge von Diamantkörnern nach Anspruch 6, worin die Diamantkörner in der Ausgangscharge eine Teilchengröße von 150 bis 850 um aufweisen.

8. Verfahren zum Erhöhen der Reinheit und Zähigkeit einer Charge von Diamantkörnern nach Anspruch 1, worin die Charge von Diamantkörnern einem Magnetfeld genügender Stärke ausgesetzt wird, um Diamantkörner magnetisch anzuziehen, die die unerwünschten Einschlüsse enthalten, und Abtrennen des Einschlüsse enthaltenden Teiles von einem übrigen Teil von Diamantkörnern höherer Reinheit.

9. Verfahren zum Erhöhen der Reinheit und Zähigkeit einer Charge von Diamantkörnern nach Anspruch 8, worin die Charge von Diamantkörnern in einer reduzierenden Atmosphäre für eine genügende Zeitdauer und bei einer genügenden Temperatur und einem genügenden Druck geglüht wird, um Fehler im Diamantgitter zu verringern, wodurch die Zähigkeit der Diamantkörner gefördert wird, was die resultierenden Körner weniger anfällig für Mikrobrüche macht.

10. Verfahren zum Erhöhen der Reinheit und Zähigkeit einer Charge von Diamantkörnern nach Anspruch 9, worin die Charge von Diamantkörnern in einem reduzierenden Gas, umfassend eine Mischung von Wasserstoff und eines Inertgases, ausgewählt aus Stickstoff, Argon oder Helium und deren Mischungen, geglüht wird.

11. Verfahren zum Erhöhen der Reinheit und Zähigkeit einer Charge von Diamantkörnern nach Anspruch 10, worin die Glühtemperatur von 800 bis 1600ºC und die Glühzeit von etwa 5 Minuten bis etwa 10 Stunden beträgt.

12. Verfahren zum Erhöhen der Reinheit und Zähigkeit einer Charge von Diamantkörnern nach Anspruch 11, worin die Sprödigkeit und Zähigkeit der Ausgangscharge und des übrigen Teiles höherer Reinheit gemessen werden.