DE3782283T2

DE3782283T2 - Abrasiven diamant enthaltender verbundkoerper.

Info

Publication number: DE3782283T2
Application number: DE8787306167T
Authority: DE
Inventors: Richard Patrick Burnand; Kenneth Alexander Mackenzie
Original assignee: De Beers Industrial Diamond Division Pty Ltd
Current assignee: De Beers Industrial Diamond Division Pty Ltd
Priority date: 1986-07-14
Filing date: 1987-07-13
Publication date: 1993-03-04
Anticipated expiration: 2007-07-14
Also published as: DE3782283D1; EP0253603B1; JPS6384875A; EP0253603A2; US4802895A; ATE81612T1; EP0253603A3

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG

Diese Erfindung betrifft Verbunddiamantschleifcompacts.
Ein Verbunddiamantschleifcompact besteht aus einem Diamant-Compact, das an einen Sintercarbid-Träger gebunden ist. Das Diamant-Compact besteht aus einer polykristallinen Masse von Diamantteilchen und gegebenenfalls einer zweiten Phase. Wird eine zweite Phase verfügbar gemacht, so wird die Phase im allgemeinen einen Diamant-Katalysator wie etwa Cobalt enthalten oder überwiegend daraus bestehen. Der Diamant-Gehalt eines Diamant-Compacts liegt im allgemeinen höher als 70 Vol.-% des Compacts.
Verbunddiamantschleifcompacts und Verfahren zu ihrer Herstellung sind im Stand der Technik wohlbekannt und werden in der Patentliteratur beschrieben. In dieser Hinsicht relevante Beispiele für Patentschriften sind US-Patent 3 745 623 und das britische Patent Nr. 1 489 130.
Verbunddiamantschleifcompacts werden als Einsätze für verschiedene Werkzeuge verwendet wie etwa Dreh-, Schleif- und Schneidwerkzeuge. Der Sintercarbid-Träger wird an das Werkzeug hartgelötet oder auf andere Weise daran gebunden, während das Diamant-Compact mit einer Schneidkante oder -spitze versehen ist.
EP-A-0 180 243 offenbart ein verbundsintermaterial mit einer Sandwich-Struktur, zusammengesetzt aus einer harten Schicht eines gesinterten Diamant-Compacts, die schichtweise zwischen einem Substrat-Paar angeordnet ist und geeigneterweise als Bohrermaterial verwendet wird. Das Verbundsintermaterial besteht im wesentlichen aus einer harten Schicht, zusammengesetzt aus einem gesinterten Diamant-Compact, einem Paar dazwischenliegender Schichten, die je eine Dicke von 10 bis 500 um aufweisen und jeweils an eine der gegenüberliegenden Oberflächen der harten Schicht gebunden sind, wobei jede der dazwischenliegenden Schichten aus einem Material besteht, das einen Wärmeausdehnungskoeffizienten von 3,0·10&supmin;&sup6; bis 6,0·10&supmin;&sup6;/ºC aufweist und den Durchtritt des Metalls aus der Eisengruppe im Verlauf des Sinterns der harten Schicht verhindert, und einem Substrat-Paar, das jeweils an eine der Oberflächen der dazwischenliegenden Schichten gebunden ist, um mit der harten Schicht einen Sandwich-Aufbau zu bilden, und zusammengesetzt ist aus einem Metall oder einer Legierung mit einem Wärmeausdehnungskoeffizienten von weniger als 6,0·10&supmin;&sup6;/ºC.
Verbunddiamantschleifcompacts werden hergestellt unter Bedingungen erhöhter Temperatur und erhöhten Drucks, unter denen Diamant kristallographisch stabil ist. Bei der Herstellung dieser Compacts werden entweder feine oder grobe Diamantteilchen verwendet, je nach gewünschter endgültiger Verwendung. Bei Verwendung feiner Diamantteilchen traten bei der Herstellung von Verbunddiamantschleifcompacts Probleme auf. Es stellte sich als schwierig heraus, unvollkommene sinterbereiche zu vermeiden, die sich innerhalb der Diamant-Compact-Schicht entwickeln, und das Vorhandensein solcher unvollkommener Sinterbereiche wirkt sich nachteilig auf die Leistungsfähigkeit des Produkts aus.

KURZE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG

Gemäß vorliegender Erfindung wird ein Verfahren zur Herstellung eines Verbunddiamantschleifcompacts zugänglich gemacht, welches die Schritte einschließt:
a) Verfügbarmachen einer Reaktionskapsel für eine Hochtemperatur/Hochdruck-Apparatur;
b) Beschicken der Reaktionskapsel durch Einbringen eines Sintercarbid-Körpers, einer Schicht von nicht mehr als 50 um Stärke von bloßem feinen Carbid- Pulver, wobei das Pulver eine Teilchengröße von weniger als 2 um (Mikron) aufweist, auf einer Oberfläche des Carbid-Körpers, und einer Masse feiner Diamantteilchen mit einer durchschnittlichen Teilchengröße von weniger als 20 um (Mikron) auf der Schicht aus Carbid-Pulver;
c) Einbringen der beschickten Reaktionskapsel in die Reaktionszone der Hochtemperatur/Hochdruck-Apparatur;
d) Einwirkung geeigneter erhöhter Temperatur- und Druckbedingungen auf den Inhalt der Reaktionskapsel, um ein Verbunddiamantschleifcompact zu bilden;
e) Herausholen des Verbunddiamantschleifcompacts aus der Reaktionskapsel.

BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN

Die Abbildung 1 zeigt im Schnitt eine Seitenansicht eines Sintercarbid-Körpers zur Verwendung beim erfindungsgemäßen Verfahren; und
Abbildung 2 zeigt ein mit Hilfe des erfindungsgemäßen Verfahrens hergestelltes Verbunddiamantschleifcompact.

DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG

Das feine Carbid-Pulver hat im allgemeinen eine durchschnittliche Teilchengröße im Bereich von 0,5 bis 1 um (Mikron). Diese Teilchen werden in Form einer dünnen Schicht von nicht mehr als 50 um (Mikron) Stärke auf die Sintercarbid-Oberfläche aufgebracht. Bei dem Carbid- Pulver kann es sich um irgendeines handeln, das im Stand der Technik bekannt ist, vorzugsweise aber um Wolframcarbid-Pulver.
Wie vorstehend ausgeführt, findet die Erfindung Anwendung bei der Herstellung von Verbunddiamantschleifcompacts, wobei feine Diamantteilchen verwendet werden, d. h., Teilchen mit einer durchschnittlichen Teilchengröße von 20 um (Mikron) oder weniger, gewöhnlich 5 um (Mikron) oder weniger. Während der Compact-Herstellung dringt Cobalt oder ein gleichartiges Bindemetall aus dem Sintercarbid in die Diamantmasse ein und unterstützt die Bildung des Diamant-Compacts. Es wurde gefunden, daß durch das Aufbringen der dünnen Schicht feiner Carbid- Teilchen auf die Sintercarbid-Oberfläche gleichmäßiges und vollständiges Eindringen des Bindemetalls in die Diamantmasse gewährleistet ist, wodurch das Auftreten unvollkommener Sinterbereiche wesentlich verringert wird. Es wurde gefunden, daß die Bildung derartiger Bereiche des weiteren dadurch gehemmt wird, daß eine geringe Menge, d. h., bis zu etwa 5% bezogen auf die Masse, gepulvertes Cobalt, Nickel oder Eisen, vorzugsweise Cobalt, mit den Diamantteilchen vermischt wird.
Der Sintercarbid-Körper kann scheibenförmig sein, wie in Fig. 1 abgebildet. In dieser Abbildung hat ein scheibenförmiger Sintercarbid-Körper 10 flache Hauptoberflächen 12, 14 auf jeder seiner gegenüberliegenden Seiten. In der flachen Oberfläche 14 ist eine im Grundriß kreisförmige Aussparung 16 ausgebildet. Die Schicht 18 aus Carbid-Pulver wird auf die untere Oberfläche 20 der Aussparung gebracht und die Schicht 22 aus Diamantteilchen auf die Carbid-Schicht 18. Nach der Herstellung des Verbundschleifcompacts werden die Seiten des Sintercarbid-Körpers 10, dargestellt durch gestrichelte Linien, entfernt, z. B. durch Schleifen, um eine Schneidkante des Compacts freizulegen.
Das Verbundschleifcompact mit der freigelegten Schneidkante ist in Fig. 2 gezeigt. In dieser Abbildung ist ein Verbunddiamantschleifcompact gezeigt, umfassend eine Diamant-Compact-Schicht 24, die an einen Sintercarbid- Grundkörper oder -Träger 26 gebunden ist. Die Diamantschleifcompact-Schicht besitzt eine periphere Schneidkante 28.
Die Reaktionskapsel, in die Sintercarbid-Körper, Carbid- Schicht und Diamantschicht eingebracht werden, ist im Stand der Technik wohlbekannt, wie auch die Hochtemperatur/Hochdruck-Apparatur. Die Apparatur wird beispielsweise beschrieben und gezeigt in den US-Patenten Nr. 2 941 248 und 3 745 623.
Die zur Herstellung eines Diamantschleifcompacts notwendigen Temperatur- und Druckbedingungen sind ebenfalls im Stand der Technik wohlbekannt. Typischerweise werden Drücke in der Größenordnung von 5000 bis 7000 MPa (50 bis 70 kbar) und Temperaturen in der Größenordnung von 1400 bis 1600ºC auf den Inhalt der Reaktionskapsel angewandt. Diese Bedingungen werden über einen Zeitraum von wenigstens 5 min, im allgemeinen über einen Zeitraum von 10 bis 30 min aufrechterhalten.
Anhand des folgenden Beispiels werden nun die Vorteile dargestellt, die sich nach dem erfindungsgemäßen Verfahren ergeben. Es wurden zwei Diamantschleifcompacts hergestellt. Jedes Compact wurde hergestellt unter Verwendung eines scheibenförmigen Sintercarbid-Körpers, wie in Fig. 1 abgebildet. Für das erste Compact, das mit Hilfe herkömmlicher Methoden hergestellt wurde und als "A" bezeichnet werden soll, wurden nur Diamantteilchen mit einer durchschnittlichen Teilchengröße von 2 um (Mikron) in die Aussparung 16 eingebracht. Für das zweite Compact, das mit Hilfe des erfindungsgemäßen Verfahrens hergestellt wurde und als "B" bezeichnet werden soll, wurde eine 40 um (Mikron) starke Schicht feiner Carbid- Teilchen mit einer durchschnittlichen Teilchengröße von 1 um (Mikron) auf die Oberfläche 20 der Aussparung 16 gebracht. Eine Schicht feiner Diamantteilchen mit einer durchschnittlichen Teilchengröße von 2 um (Mikron), gemischt mit 2%, bezogen auf die Masse, gepulverten Cobalts wurde obenauf auf die Carbid-Schicht gebracht. Bei beiden Compacts wurde die beschickte Scheibe in die Reaktionskapsel einer herkömmlichen Hochtemperatur/Hochdruck-Apparatur eingebracht und einem Druck von 6000 MPa (60 kbar) und einer Temperatur von 1500ºC ausgesetzt, und diese Bedingungen wurden über einen Zeitraum von 15 min aufrechterhalten. Nach der Compact-Herstellung wurden die Seiten der Carbid-Scheiben wie oben beschrieben und gezeigt durch Schleifen entfernt, um Compacts des in Fig. 2 abgebildeten Typs zu ergeben.
Bei Compact "A" waren inhomogene Bereiche erheblicher Größe im Zentrum des Compacts visuell ersichtlich (siehe Fig. 2, Bezugsziffer 30). Es trat Diamant-Kornwachstum ein, und es zeigten sich in hohem Maße metallische Streifen, die auf unvollkommene Sinterbereiche hindeuteten. Dagegen zeigte Compact "B" minimale Bereiche mit Inhomogenität und metallischen Streifen, und es gab kein Diamant-Kornwachstum. Bei der Herstellung der beiden Compact-Typen auf der Grundlage einer Pilotanlage ergaben sich bei Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens weit häufiger kommerziell geeignete Produkte als mit dem Verfahren im Stand der Technik.
Die Compacts "A" und "B" wurden einem Drehtest unterzogen. Für diesen Test wurde das Compact in Fragmente geschnitten, wobei das erste eine Schneidkante an der peripheren Kante 28 (in nachstehender Tabelle als "Kante" bezeichnet), das zweite eine Schneidkante 16 mm von der peripheren Kante 28 (in nachstehender Tabelle als "Mitte" bezeichnet) und das dritte eine Schneidkante im Mittelpunkt der Scheibe aufwies (in nachstehender Tabelle als "Zentrum" bezeichnet). Ein jedes Fragment wurde zum Drehen eines mit Silicium gefüllten Epoxidharz-Werkstücks verwendet, und nach 5 min Drehen wurde der Freiflächenverschleiß an der Schneidkante in mm² gemessen. Je geringer der Wert des Freiflächenverschleißes desto besser die Verschleißfestigkeit und die Schleifeigenschaften der Schneidkante. Die erhaltenen Ergebnisse sind in nachstehender Tabelle aufgeführt. TABELLE COMPACT "A" Freiflächenverschleiß (mm²) Kante Mitte Zentrum COMPACT "B" Freiflächenverschleiß (mm²) Kante Mitte Zentrum
Aus obiger Tabelle wird ersichtlich, daß die Schneidkante im Zentrum von Compact "A" schlechte Abschleifbeständigkeit und somit schlechte Schneideeigenschaften aufwies - Ausdruck der Inhomogenität im Zentrum und eines unvollkommenen Sinterbereichs. Im Zentrum von Compact "B" war kein solcher Bereich zu finden. Demzufolge war es möglich, aus Compact "B" eine größere Anzahl kommerziell brauchbarer Verbundschleifcompacts herzustellen als dies mit Compact "A" möglich war. Wie im Stand der Technik bekannt, wird ein scheibenförmiges Verbundschleifcompact in eine Reihe von Formen zerschnitten wie z. B. dreieckig, rechteckig, hexagonal und dergleichen, und diese Fragmente dieser Formen werden für eine Vielzahl von Schleifarbeitsgängen verwendet.

Claims

1. Verfahren zur Herstellung eines Verbunddiamantschleifcompacts, welches die Schritte einschließt:

a) Verfügbarmachen einer Reaktionskapsel für eine Hochtemperatur/Hochdruck-Apparatur;

b) Beschicken der Reaktionskapsel durch Einbringen eines Sintercarbid-Körpers, einer Schicht von nicht mehr als 50 um Stärke von bloßem feinen Carbid- Pulver, wobei das Pulver eine durchschnittliche Teilchengröße von weniger als 2 um (Mikron) aufweist, auf einer Oberfläche des Carbid-Körpers, und einer Masse feiner Diamantteilchen mit einer durchschnittlichen Teilchengröße von weniger als 20 um (Mikron) auf der Schicht aus Carbid-Pulver;

c) Einbringen der beschickten Reaktionskapsel in die Reaktionszone der Hochtemperatur/Hochdruck-Apparatur;

d) Einwirkung geeigneter erhöhter Temperatur- und Druckbedingungen auf den Inhalt der Reaktionskapsel, um ein Verbunddiamantschleifcompact zu bilden;

e) Herausholen des Verbunddiamantschleifcompacts aus der Reaktionskapsel.

2. Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Diamantteilchen eine durchschnittliche Teilchengröße von weniger als 5 um (Mikron) aufweisen.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, wobei das feine Carbid-Pulver eine durchschnittliche Teilchengröße im Bereich von 0,5 bis 1 um (Mikron) aufweist.

4. Verfahren nach irgendeinem der vorstehenden Ansprüche, wobei die feinen Diamantteilchen vermischt sind mit, bezogen auf die Masse, 5% eines Pulvers, ausgewählt aus Cobalt, Nickel und Eisen.

5. Verfahren nach Anspruch 4, wobei das Metall Cobalt ist.