DE69627053T2

DE69627053T2 - Überhartes Verbundmaterial

Info

Publication number: DE69627053T2
Application number: DE69627053T
Authority: DE
Inventors: Yoshifumi Arisawa; Hideki Moriguchi; Michio Otsuka
Original assignee: Sumitomo Electric Industries Ltd
Current assignee: Sumitomo Electric Industries Ltd
Priority date: 1995-11-15
Filing date: 1996-11-14
Publication date: 2003-09-25
Anticipated expiration: 2016-11-15
Also published as: EP1028171A1; EP1028171B1; KR100219930B1; DE69627053D1; JPH09194978A; JP3309897B2; DE69621564T2; EP0774527B1; US5889219A; KR970027339A; DE69621564D1; EP0774527A2; EP0774527A3

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG

Erfindungsgebiet

Die vorliegende Erfindung betrifft ein superhartes Verbundelement, das aus einem gesinterten Körper aus zementiertem Karbid oder Ähnlichem besteht, der mit Diamantkörnern einen Verbund bildet.

Beschreibung des Standes der Technik

Es ist hinlänglich bekannt, dass ein gesinterter Körper aus WC-Sinterkarbid oder Ähnlichem, der Diamanten enthält, in einem Ultrahochdruckbehälter bei 5,5 GPa und 1500ºC unter thermodynamisch stabilen Bedingungen gefertigt wird (vgl. die japanische Patentoffenlegung Nr. 53-136790 (1978), die japanische Patentschrift Nr. 61-58432 (1986), die US-Patentschrift Nr. 5,158,148 und Ähnliche). Der mittels eines derartigen Verfahrens gefertigte gesinterte Körper weist jedoch die Nachteile hoher Kosten und Formeinschränkungen auf.
Die japanische Patentoffenlegung Nr. 7-34157 (1995) (Stand der Technik 1) legt ein Verfahren zum Sintern des Materials unter thermodynamisch instabilen Druck- und Temperaturbedingungen ohne Einsatz eines Ultrahochdruckbehälters als einen Vorschlag zur Lösung des obigen Problems offen.
Die japanische Patentoffenlegung Nr. 6-287076 (1994) (Stand der Technik 2) legt ein Verfahren zum direkten Widerstandserwärmen und Drucksintern eines Abstufungsfunktionselements offen, das eine Abstufungsmischschicht aus einem Metall und Keramik zwischen den Metallelementen mit einem geformten Außenrahmen und oberen und unteren Schubstangen aufweist. In diesem Falle wird der geformte Außenrahmen, der als einer von mehreren elektrischen Wegen dient, in seiner Dicke variabel gestaltet, so dass eine Temperaturabstufung geschaffen wird, die auf eine Abstufungszusammensetzung reagiert. Der Begriff "Abstufungsmischschicht" bezeichnet eine Schicht, die eine Abstufungszusammensetzung, d. h. eine Zusammensetzungsabstufung (Zusammensetzungsänderung) der Komponenten) aufweist.
Demgegenüber legt die US-Patentschrift Nr. 5,096,465 (Stand der Technik 3) ein Verfahren zum Schaffen eines Verbundelements offen, das metallbeschichtete superharte Körner aus Diamant oder kubischem Bornitrid in einer Bindephase durch Infiltration aufnimmt.
Nach dem Stand der Technik 1 wird das Material jedoch in einer festen Phase gesintert; daher ist die Bindekraft zwischen den Diamanten und einem Metallbindemittel so unzureichend, dass die Diamanten herausfallen können.
Der Stand der Technik 2 bezieht sich im Unterschied zu der vorliegenden Erfindung nicht auf ein Diamant enthaltendes Verbundelement.
Bei der Infiltration nach dem Stand der Technik 3 ist die Diamantvarianz abhängig von den Korngrößen des hinzugegebenen Diamanten, d. h. der Packdichte der Diamantkörner, und es ist daher schwierig, ein Verbundelement mit einer willkürlichen Diamantvarianz mit willkürlichen Diamantkorngrößen zu schaffen. Weiterhin ist es schwierig, ein dichtes Verbundelement durch Infiltration zu schaffen, wobei dieser Nachteil bei einem groß bemessenen oder heteromorphen Element besonders zu Tage tritt.
Daher wartete man auf ein starkes, Diamant enthaltendes Verbundelement mit einer ausreichend dichten und homogenen Struktur, das ohne den Einsatz eines Ultrahochdruckbehälters geschaffen werden kann.

ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG

Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, ein superhartes Verbundelement von ausreichend dichter und homogener Struktur, das sich ohne Einsatz eines Ultrahochdruckbehälters fertigen lässt, sowie ein Verfahren zu dessen Fertigung zu schaffen. Sowohl das Verbundelement als auch das Verfahren zu dessen Fertigung sind in den beigefügten Ansprüchen definiert.
Das erfindungsgemäße Verbundelement ist so gestaltet, dass es das oben genannte Ziel erreicht, und weist eine Hartphase mit mindestens einem Element, das aus einer Gruppe aus WC, TiC, TiN und Ti (C, N) ausgewählt wird, eine Bindephase, die aus einem Metall der Eisenfamilie besteht, und Diamantkörner auf, die durch direktes Widerstandserwärmen und Drucksintern gebildet werden. Mit anderen Worten: Bei dem erfindungsgemäßen Verbundelement handelt es sich um einen gesinterten Körper, der Diamantkörner in einer Matrix aus zementiertem Karbid oder einer Metall- Keramik-Kombination in einem dispergierten Zustand hält, der durch Widerstandserwärmen und Drucksintern hergestellt wird. Insbesondere wird ein Verbundelement mit Diamantkörnern vorzugsweise aus einer Hartphase von WC-Sinterkarbid, d. h. WC, und einer Bindephase aus Co oder Ni geschaffen. Der Grund liegt darin, dass WC-Sinterkarbid eine hohe Steifigkeit sowie eine ausgezeichnete Festigkeit und Zähigkeit aufweist. Die Bindephase wird vorzugsweise aus einem Metall der Eisenfamilie wie zum Beispiel Co, Ni, Cr oder Fe geschaffen. Das erfindungsgemäße Verbundelement kann natürlich unvermeidliche Verunreinigungen enthalten. Beispiele für derartige unvermeidliche Verunreinigungen sind Al, Ba, Ca, Cu, Fe, Mg, Mn, Ni, Si, Sr, S, O, N, Mo, Sn, Cr und Ähnliches.
Das direkte Widerstandserwärmen und Drucksintern kann in einer kurzen Zeit von bis zu zehn Minuten erfolgen, da sich das gesinterte Material schnell erwärmen, unter Druck setzen und durch Widerstandserwärmen ohne Einsatz einer externen Erwärmvorrichtung abkühlen lässt. Deshalb kann die Zeitspanne, in der das gesinterte Material einer hohen Temperatur ausgesetzt wird, im Vergleich zu der reinen Haltezeit zum Verringern der Höchsttemperatur beim herkömmlichen Drucksintern kürzer sein, so dass das Sintern beendet werden kann, ohne dass sich Diamant in Graphit wandelt. Weiterhin lässt sich die Haftkraft zwischen Diamant und Matrix durch den Prozess des direkten Widerstandserwärmens und Drucksinterns erhöhen, obwohl die Ursache dafür noch nicht geklärt ist. Weiterhin ist es auch möglich, das Sintern durch das Erzeugen von Plasma zwischen den Körnern mittels eines Impulsstroms zu beschleunigen. Somit lässt sich durch das direkte Widerstandserwärmen und Drucksintern eine dem erfindungsgemäßen Verbundelement eigene Leistungssteigerung erzielen, die durch das herkömmliche Drucksintern nicht zu erreichen ist. Weiterhin kann das erfindungsgemäße Verbundelement in einem kurzen Zeitzyklus gefertigt werden, was Kosteneinsparungen durch die Verbesserung der Betriebsrate der Ausrüstung erwarten lässt.
Zusätzlich zu den oben erwähnten Faktoren weist das erfindungsgemäße Verbundelement vorzugsweise die folgenden Faktoren unabhängig voneinander oder in Kombination miteinander auf:
(1) Das Widerstandserwärmen und Drucksintern erfolgt unter Bedingungen, unter denen Diamant metastabil und eine flüssige Phase vorhanden ist.
Bei einem nach dem herkömmlichen Verfahren gefertigten Verbundelement unter Einsatz eines Ultrahochdruckbehälters wird das Material in einem thermodynamisch stabilen Zustand des Diamanten bei einer Temperatur gesintert, die über dem eutektischen Punkt des Diamanten und der Bindephase aus Co oder Ähnlichem liegt. Daher wurde gesagt, dass Diamantkörner einen Prozess des Sich-Auflösens in Co einer flüssigen Phase wiederholen und während des Sinterns erneut auf Diamantflächen abgelagert werden, was zu einer direkten Bindung (D-D-Bindung) dar Diamantkörner und zur Bildung von Skeletten führt, wodurch sich die Festigkeit des gesinterten Körpers verbessert.
Erfindungsgemäß wird demgegenüber das Material bei einem metastabilen Zustand des Diamanten gesintert und dadurch die Auflösung der Diamantkörner in der Bindephase weitestgehend unterbunden, so dass die einmal in der flüssigen Phase gelösten Diamantkörner nicht wieder als Diamant abgelagert werden. Dadurch wird keine direkte Bindung der Diamantkörner verursacht und die Festigkeit des gesinterten Körpers durch die Matrix aus zementiertem Karbid oder Ähnlichem bewirkt. Weiterhin wird das Widerstandserwärmen und Drucksintern binnen einer kurzen Zeitspanne abgeschlossen, wodurch der Diamant daran gehindert werden kann, sich in Graphit umzuwandeln, selbst wenn das Material unter dem Druck einer flüssigen Phase gesintert wird, und durch die Bildung einer flüssigen Phase kann ein dichter gesinterter Körper gefertigt werden. Deshalb lässt sich durch die Verbesserung der Bindekraft zwischen Diamant und Matrix eine ausreichende Festigkeit des gesinterten Körpers neben ausgezeichneter Festigkeit und Zähigkeit der Matrix selbst erzielen.
(2) (001)-Ebenen aus WC-Kristallen werden insbesondere auf einem bestimmten schmalen Abschnitt des Verbundelements ausgebildet.
Wenn das direkte Widerstandserwärmen und Drucksintern mit der Bildung einer flüssigen Phase erfolgt, lässt sich ohne Weiteres eine Legierungsstruktur mit speziell gewachsenen (001)-Ebenen schaffen, wenn WC durch einen Auflösungs-/Wiederabsetzvorgang korngezüchtet wird. Weiterhin werden durch das Drucksintern die WC-Kristalle vorzugsweise in einer Richtung gezüchtet, die im Wesentlichen vertikal zu einer Druckachse verläuft, wodurch ein Abschnitt mit speziell gebildeten (001)- Ebenen von WC-Kristallen erzeugt werden kann. Die (001)-Ebenen zeigen die höchste Härte in den WC-Kristallen, so dass das erfindungsgemäße Verbundelement, das mit dem Abschnitt in Vorzugsrichtung gebildeter (001)-Ebenen versehen ist, einen Legierungsabschnitt bietet, der eine bemerkenswerte Verschleißfestigkeit und die Dispersion superharter Diamanten aufweist. Das erfindungsgemäße Verbundelement kann so auf einem Gleit- oder Stoßteil angebracht werden, dass die mit den gezüchteten (001)-Ebenen versehene Oberfläche bei Bedarf als Arbeitsoberfläche dient.
(3) Wenn davon ausgegangen wird, dass V(001) und V(101) Festigkeitshöchstwerte von (001)- und (101)-Ebenen der WC-Kristalle bei einem Röntgenbeugungsverfahren an einem Schnitt, der senkrecht zur Druckachse verläuft, für das direkte Widerstandserwärmen und Drucksintern darstellen und dass H(001) und H(101) Festigkeitshöchstwerte der (001)- und (101)-Ebenen der WC-Kristalle bei einem Röntgenbeugungsverfahren an einem Schnitt, der parallel zur Druckachse verläuft, für das direkte Widerstandserwärmen und Drucksintern darstellen, ist V(001)/V(101) größer als 0,5, während H(001)/H(101) kleiner ist als 0,45.
Die Ausrichtung der WC-Kristalle kann durch Röntgenbeugung ermittelt werden. Die JCPDS-Karte beschreibt, dass ein Festigkeitshöchstwertverhältnis einer (001)-Ebene zu einer (101)-Ebene 0,45 beträgt, und kommt zu dem Schluss, dass eine Legierung mit einem Wert über 0,45 eine Legierungsstruktur mit in Vorzugsrichtung gezüchteten (001)-Ebenen aufweist. Bei der vorliegenden Erfindung wurde entdeckt, dass besonders ausgezeichnete Eigenschaften durch die oben erwähnte Einschränkung des Festigkeitshöchstwertes durch Röntgenbeugung erzielt werden können. Senkrecht und parallel zur Druckachse verlaufende Ebenen können auf Oberflächen aufgebracht werden, die beim Einwirken auf das Objekt Härte bzw. Zähigkeit aufweisen sollen, und der Grad an Gestaltungsfreiheit kann gegenüber der herkömmlichen Legierung verbessert werden. Der Begriff "Druckachse" bezeichnet eine Achse, die beim Sintern in Druckrichtung verläuft. Weiterhin bezeichnet der Begriff "vertikal zur Druckachse verlaufender Schnitt" einen Schnitt des Verbundelements, der entlang einer Ebene vorgenommen wird, die im Wesentlichen senkrecht zur Druckachse verläuft, und der Begriff "horizontal zur Druckachse verlaufender Schnitt" einen Schnitt des Verbundelements, der entlang einer Ebene vorgenommen wird, die im Wesentlichen parallel zur Druckachse verläuft.
(4) Die Bindephase enthält Co, wobei das Hauptkristallsystem dieses Co k.f.z. ist. Wenn während des Sinterns das Auftreten einer flüssigen Phase zugelassen wird, kann ein superhartes Verbundelement mit hoher Haftkraft der Diamantkörner erzielt und das Hauptkristallsystem des Co bei k.f.z. stabilisiert werden, wodurch sich die Stoßwiderstandsfähigkeit verbessert. Wenn durch kurzzeitiges Sintern bei niedriger Temperatur und Abschrecken eine kleine Menge von Co mit einem h.c.p.- Kristallsystem eingemischt sein kann, bleibt auch in diesem Falle eine ausgezeichnete Stoßwiderstandsfähigkeit erhalten. Um das Hauptkristallsystem des Co zu ermitteln, wird eine Fläche spiegelnd poliert, so dass das WC an der Oberfläche einem selektiven Elektrolytätzen und nachfolgend einer Röntgenbeugung unterzogen wird. Wenn der Wert (Spitzenfestigkeit des h.c.p.-Co(101))/(Spitzenfestigkeit von k.f.z.- Co(200)) kleiner ist als 2,5, wird der Bequemlichkeit halber das Hauptkristallsystem dieser Probe als k.f.z. betrachtet.
(5) Das Verbundelement weist eine scheinbare Porosität auf, die den Bereichen von A00 bis A08 und B00 bis B08 nach ISO-Normen entspricht. Auf Grund einer derart dichten Struktur kann ein Verbundelement mit hoher Diamanthaftkraft und ausgezeichneter Verschleißfestigkeit erzielt werden. Der Bereich bis A04 und B04 ist besonders vorzuziehen. Weiterhin werden vorzugsweise mindestens 98 Prozent des theoretischen spezifischen Gewichts gebildet. Es ist möglich einzuschätzen, ob das Verbundelement dicht ist oder nicht, indem ein Abschnitt des Elements spiegelnd endbearbeitet und seine Struktur unter einem optischen Mikroskop untersucht wird.
(6) Die Temperatur beim Auftreten der flüssigen Phase liegt höher als 1300ºC. Bei einer derartigen Temperatur, bei der WC-Sinterkarbid eine flüssige Phase bildet, liegt der Schmelzpunkt eines eutektischen Verbundkörpers bei 1320ºC, und die Reaktion zwischen Diamant und zementiertem Karbid kann bei einer Sintertemperatur von mindestens 1350ºC erwartet werden, die für das dichte Sintern der Legierung erforderlich ist, damit ein Verbundelement mit höherer Diamanthaftkraft als nach dem Stand der Technik zu erwarten ist. Während eine Temperatur über 1300ºC deutlich höher ist als die beim herkömmlichen Verfahren zum Sintern des Materials unter Metastabilitätsbedingungen des Diamanten, ermöglichen das erfindungsgemäße direkte Widerstandserwärmen und Drucksintern einen schnellen Temperaturanstieg und ein Kurzzeitsintern, wodurch ein ausgezeichnetes Verbundelement gefertigt und dabei die Umwandlung des Diamanten in Graphit verhindert werden kann.
(7) Jedes Diamantkorn weist einen äußeren Überzug aus mindestens einem Metall auf, das aus der Gruppe ausgewählt wird, die aus Ir, Os, Pt, Re, Rh, Cr, Mo und W besteht.
Während bereits beschrieben wurde, dass vorzugsweise eine Sintertemperatur über 1300ºC zum Gewinnen eines dicht gesinterten Körpers aus WC-Sinterkarbid oder TiC-Keramik-Metall-Verbundmaterial zum Einsatz gelangt, wird unter derartigen Bedingungen Diamant oder kubisches Bornitrid leicht von der gebildeten flüssigen Phase angegriffen. Der oben erwähnte Metallüberzug ist beim Vermeiden dieses Vorgangs bemerkenswert wirksam. Wenn jedes Korn aus Diamant- oder kubischem Bornitrid völlig mit einem derartigen Metall überzogen ist, kann eine besonders ausgezeichnete Wirkung zum Verhindern des Qualitätsabfalls des Diamanten erreicht werden.
Die Dicke des äußeren Überzuges beträgt vorzugsweise 0,1 bis 50 um. Dieser Wert ist erforderlich, da der Überzug keine Wirkung zeigt, wenn seine Dicke weniger als 0,1 um beträgt, während die für den Einsatz als Hartmaterial gewünschte Verschleißfestigkeit nachlässt, wenn die Dicke 50 um übersteigt. Ein besonders bevorzugter Bereich ist 5 bis 20 um. Diese Struktur stellt keine Voraussetzung für den nachfolgenden inneren Überzug dar. Mit anderen Worten: Der äußere Überzug wirkt unabhängig vom inneren Überzug.
(8) Zwischen dem äußeren Überzug und jedem Diamantkorn wird ein innerer Überzug aus mindestens einem Metall geschaffen, das aus einer Gruppe ausgewählt wird, die aus Co und Ni besteht.
Wenn der innere Überzug aus mindestens einem unter Co und Ni ausgewählten Metall zwischen dem äußeren Überzug und jedem Diamantkorn geschaffen wird, ist es möglich, die nachteilige geringe Verformbarkeit des WC-Sinterkarbids beim Einwirken eines starken Stoßes auszugleichen. Weiterhin wird die Haftkraft der Diamantkörner verbessert, um eine besonders ausgezeichnete Leistung zu erreichen. Die Dicke des inneren Überzugs beträgt vorzugsweise 0,1 bis 100 um. Dieser Wert ist erforderlich, da keine Wirkung erzielt wird, wenn die Dicke weniger als 0,1 um beträgt, während die für den Einsatz als Hartmaterial gewünschte Verschleißfestigkeit nachlässt, wenn die Dicke 100 um übersteigt. Ein besonders bevorzugter Bereich ist 5 bis 50 um. Der innere Überzug kann alternativ auf jedem Hartphasenkorn gebildet werden.
(9) Mindestens ein Element, ausgewählt aus einer Gruppe, die aus W, Ti, Co und Ni besteht, wird im äußeren Überzug diffundiert.
Wenn die Diffusion mindestens eines Elementes, ausgewählt aus einer Gruppe, die aus W, Ti, Co und Ni besteht, im äußeren Überzug bewirkt wird, verbessert sich die Haftkraft zwischen WC-Sinterkarbid oder TiC(N)-Keramik-Metall-Verbundmaterial und mit einem Metallüberzug versehenen Diamantkörnern, um eine ausgezeichnete Leistung zu erbringen.
(10) WC-Kristalle mit einer Korngröße über 3 um bilden mindestens 50 Prozent aller WC-Kristalle, die im Gebietsverhältnis in einer zufälligen Schnittstruktur vorhanden sind.
Wenn WC-Kristalle mit einer Korngröße über 3 um mindestens 50 Prozent aller WC- Kristalle bilden, die im Gebietsverhältnis in einer zufälligen Schnittstruktur vorhanden sind, ist es möglich, ein Verbundelement zu schaffen, das ausgezeichnete Eigenschaften gegen die Einwirkung starker Stöße bietet, wie es für ein Bergbauindustriewerkzeug oder Ähnliches erforderlich ist.
(11)-(1) Die mittlere Korngröße des die Hartphase bildenden WC liegt unter 1 um. In diesem Falle kann durch die kleinen Korngrößen des WC eine Verbesserung der Härte erreicht werden.
(11)-(2) WC-Kristalle mit einer Korngröße unter 1 um sind mit einem Anteil von mindestens 10 bis 35 Prozent aller WC-Kristalle im Gebietsverhältnis in einer zufälligen Schnittstruktur vorhanden.
Wenn die WC-Kristalle mit einer Korngröße unter 1 um 10 bis 35 Prozent aller WC- Kristalle im Gebietsverhältnis ausmachen, wird die Härte des Sinterkarbids verbessert. Auf Grund der geringen WC-Korngrößen gelangt die flüssige Phase selbst beim erfindungsgemäßen kurzzeitigen Sintern durch die Kapillarröhrenkraft leicht in die WC-Körner, wodurch die Sintereigenschaft vorteilhaft verbessert wird.
(12) Die mittlere Korngröße des WC liegt unter 3 um und die der Diamantkörner unter 10 um. Eine mittlere Korngröße des WC 0,1 bis 1,5 um ist besonders vorzuziehen.
Auf Grund dieser Struktur kann ein ausgezeichnetes Verbundelement für das Aufbringen auf ein gleitabriebfestes Material wie zum Beispiel das Lager einer Werkzeugmaschine oder Ähnliches oder auf die Spitze eines Holzwerkzeugs oder eine Drahtziehform geschaffen werden, die relativ schwachen Stoßkräften ausgesetzt sind. Eine WC- und Diamantkorngröße jeweils unter 3 um ist noch vorteilhafter.
(13) Im Innern ist ungebundener Kohlenstoff vorhanden.
Wenn im Sinterkarbid ungebundener Kohlenstoff vorhanden ist, d. h. wenn ungebundener Kohlenstoff in der Bindephase im Übermaß vorhanden ist, ist es möglich, eine dahingehende Wirkung zu erwarten, dass Diamant in einer flüssigen Phase kaum als Graphit gelöst wird, wenn die flüssige Phase während des Sinterns hervorgerufen wird. Dieser ungebundene Kohlenstoff weist eine ausgezeichnete Schmierfähigkeit auf, durch die das Verbundelement eine Selbstschmierfähigkeit erhält, wenn es auf ein gleitabriebfestes Material oder Ähnliches aufgebracht wird.
(14) Mindestens ein Element, das aus Karbiden von Elementen, die zu den Gruppen IVa, Va und VIa des Periodensystems gehören, und Silicium ausgewählt wird, wird auf mindestens einem Teil der Grenzfläche zwischen der Hartphase und dem Diamanten abgelagert.
Wenn mindestens ein Element, das aus Elementen, die zu den Gruppen IVa, Va und VIa des Periodensystems gehören, und Silicium ausgewählt wird, als Rohmaterialpulver eingesetzt wird, reagiert dieses Element, das aus Elementen, die zu den Gruppen IVa, Va und VIa des Periodensystems gehören, und Silicium ausgewählt wurde, mit Graphit, um selbst dann ein Karbid zu bilden, wenn Diamant als Graphit in der flüssigen Phase der Bindephase gelöst ist, um in der Lage zu sein, zur Verbesserung der Härte des Verbundelements beizutragen.
(15) Die mittlere Korngröße der Diamantkörner beträgt 10 bis 1000 um.
Oberflächenbereiche feiner Diamantkörner mit einer mittleren Korngröße unter 10 um sind von einer solchen Größe, dass der Diamant leicht in Graphit umgewandelt wird, während sich die Festigkeit nachteilig verringert, wenn die mittlere Diamantkorngröße 1000 um übersteigt. Wenn die mittlere Diamantkorngröße zwischen diesen beiden Werten liegt, können die Diamantkörner jedoch ausgezeichnet so in die Matrix eingelagert werden, dass sie kaum herausfallen. Somit liegt die bevorzugte Korngröße der Diamantkörner in diesem Zwischenbereich.
(16) Der Gehalt an Diamantkörnern beträgt 5 bis 15 Volumenprozent.
Wenn der Diamantgehalt weniger als 5 Volumenprozent beträgt, ist keine Dispersionswirkung zu erwarten, während bei einem Diamantgehalt über 50 Volumenprozent die Diamantkörner in so vielen Abschnitten in direkten Kontakt miteinander gelangen, dass sich die Haftkraft der Diamanten in der Matrix verringert, was zu einem leichten Herausfallen der Diamantkörner führt.
(17) Der Bindephasengehalt beträgt 10 bis 50 Volumenprozent.
Der Bindephasengehalt im Verbundelement liegt vorzugsweise im Bereich von 10 bis 50 Volumenprozent, um das dichte Sintern bei niedriger Temperatur für einen metastabilen Zustand des Diamanten in kurzer Zeit voranzutreiben.
(18) Der Gehalt an Diamantkörnern ist in Dickenrichtung dahingehend unterschiedlich, dass die Menge an Diamantkörnern zu einer Oberfläche des superharten Verbundelements hin zunimmt und zur anderen Oberfläche hin abnimmt.
Auf Grund dieser Struktur kann ein Verbundelement erzielt werden, das sowohl Härte als auch Zähigkeit aufweist. Der Wärmeausdehnungskoeffizient ist an der Seite mit dem größeren Anteil an Diamantkörnern geringer als an der Seite mit einem geringeren Anteil an Diamantkörnern, wodurch sich an der ersteren Seite eine Restdruckspannung ausbildet, so dass eine harte Oberflächenschicht mit ausgezeichneter Diamanthaftkraft geschaffen werden kann.
Der Diamantgehalt kann entweder schrittweise oder stufenlos variiert werden.
(19) Das Verbundelement wird mit einem Substrat verbunden, das mindestens ein WC-Sinterkarbid oder ein TiC(N)-Metall-Keramik-Verbundmaterial und ein Metallmaterial aufweist.
Das Metallmaterial kann aus Stahl oder Ähnlichem bestehen. Ein dünnes Zwischenmaterial kann zwischen das Verbundelement und das Metallmaterial gebracht werden, um Hohlräume auf Grund eines Kirkendall-Effekts des Metallmaterials zu vermeiden. Ein sowohl Härte als auch Zähigkeit aufweisendes Element kann erzielt werden, indem das Verbundelement mit dem Metallmaterial verbunden wird. Die Haftkraft zwischen dem Substrat und dem Verbundelement kann durch Erhöhen des Bindephasengehalts auf der Bindeoberflächenseite des Verbundelements verbessert werden. Weiterhin kann vorteilhafterweise eine Restdruckspannung auf der Oberfläche in Relation zum Wärmeausdehnungskoeffizienten erzeugt werden.
(20) Die Diamantkörner werden zumindest teilweise durch mindestens entweder kubisches Bornitrid oder Wurtzit-Bornitrid ersetzt.
Ein dicht gesinterter Körper kann binnen einer kurzen Zeitspanne von 10 Minuten bei niedriger Temperatur geschaffen werden, da es durch das direkte Widerstandserwärmen und Drucksintern möglich ist, Qualitätseinbußen des CBN oder Ähnlichem zu verhindern und die Reaktion an der Grenzfläche zu unterdrücken, wodurch sich ein superhartes Verbundelement fertigen lässt, das in seinen Eigenschaften dem Stand der Technik überlegen ist.
Insbesondere beim Einsatz von CBN ist es effektiv, mindestens eine der folgenden Bedingungen zu erfüllen, um die Haftkraft zwischen CBN und Matrix zu verbessern:
(1) Für die Matrix wird WC-Sinterkarbid verwendet.
(2) Der CBN-Gehalt beträgt 5 bis 50 Volumenprozent.
(3) Das Sintern erfolgt unter thermodynamisch metastabilen Bedingungen bei Vorhandensein einer flüssigen Phase.
(4) Eine Bindephase, die das Auftreten einer flüssigen Phase bei einer Temperatur über 1300ºC zulässt, kommt zum Einsatz.
Andererseits weist ein erfindungsgemäßes Verbundmaterial mindestens eine Hartphase, die aus der Gruppe gewählt wird, die WC, TiC und ZiN umfasst, eine Bindephase, die hauptsächlich aus einem Metall der Eisenfamilie besteht, und eine Vielzahl von Diamantkörnern auf, die in einer die Hartphase und die Bindephase awfweisenden Struktur dispergiert sind, und weist mindestens eine der folgenden Strukturen auf:
(1) eine solche Struktur, in der die Diamantkörner keine Skelette bilden; und
(2) eine solche Struktur, in der kein Teil vorhanden ist, in dem Diamantkörner direkt aneinander haften.
Das Verbundmaterial mit der oben genannten Struktur schließt natürlich das durch direktes Widerstandserwärmen und Drucksintern gewonnene sowie das nach einem anderen Verfahren gefertigte Material ein.
Weiterhin wird das erfindungsgemäße Verbundmaterial vorzugsweise als Bohrkopf einer Vortriebsmaschine eingesetzt.
Bei Tunnelarbeiten oder Ähnlichem muss die Vortriebsmaschine kontinuierlich ohne Auswechselung des Schneidebits Abschnitte zwischen Schächten ohne Auswechselung des Bohrkopfes ausheben. Deshalb darf der Bohrkopf während der Aushubarbeit nicht splittern. Um dieser Forderung gerecht zu werden, wird sehr hart gesintertes Karbid verwendet (vgl. die japanische Patentoffenlegung Nr. 6-74698 (1994)). Die Zähigkeit des hart gesinterten Karbids nimmt jedoch leicht ab, so dass ein Absplittern unvermeidlich ist. Weiterhin erhöht die Vergrößerung der Kopfzahl die Kosten. Zwar kann die Entfernung des ununterbrochenen Aushebens durch Erhöhung der Schachtanzahl verringert werden, doch verlängert dies die Arbeitszeit oder die Kosten. Wenn die Schachanzahl am Grunde des Meeres oder eines Flusses erhöht wird, steigen die Kosten extrem stark an.
Demgegenüber kann das erfindungsgemäße superharte Verbundmaterial, das sowohl eine ausgezeichnete Verschleißfestigkeit des Diamanten als auch die ausgezeichnete Zähigkeit des Sinterkarbids aufweist, stabil Aushubarbeiten über große Entfernungen ausführen und zeigt damit die besten Eigenschaften als Bohrkopfmaterial für eine Vortriebsmaschine. Weiterhin kann das erfindungsgemäße superharte Verbundmaterial mit geringem Kostenaufwand gefertigt werden, ohne das herkömm- liche Verfahren mit einem Ultrahochdruckbehälter zu benötigen.
Ein superhartes Verbundmaterial nach einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung weist eine vorrangig aus WC bestehende Hartphase, eine vorrangig aus Co bestehende Bindephase und eine Vielzahl von Diamantkörnern auf, die in einer die Hartphase und die Bindephase aufweisenden Struktur dispergiert sind, und es weist sämtliche folgenden Faktoren auf:
(1) Das Hauptkristallsystem des Co ist k.f.z.
(2) Das Element weist eine scheinbare Porosität auf, die im Bereich von A00 bis A08 und B00 bis B08 nach den ISO-Normen liegt.
(3) Der Gehalt an Diamantkörnern beträgt 5 bis 50 Volumenprozent.
(4) Es gibt keine Teile, in denen die Diamantkörner direkt aneinander haften.
Es war unmöglich, mittels eines herkömmlichen Verfahrens wie Ultrahochdrucksintern oder herkömmlichem Warmpressen ein Verbundmaterial der oben genannten Struktur zu fertigen. Der Grund liegt darin, dass Diamantkörner einen Prozess des Sich-Auflösens in einer flüssigen Phase und des erneuten Ablagerns auf anderen Diamantkörnern wiederholt durchlaufen, was zu einem direkten Aneinanderhaften der Diamantkörner beim Ultrahochdrucksintern führt, so dass der Faktor (4) nicht zu erfüllen ist. Erfindungsgemäß wird ein derartiges, oben beschriebenes Aneinanderhaften nicht bewirkt, so dass eine ausgezeichnete Härte durch eine superharte Matrix geboten werden kann, die 5 bis 50 Volumenprozent Diamantkörner enthält (Faktor (3)).
Beim herkömmlichen Warmpressen wird andererseits durch Sintern bei niedriger Temperatur ein gesinterter Körper, der eine vorrangig aus WC bestehende Hartphase, eine vorrangig aus Co bestehende Bindephase und eine Vielzahl von Diamantkörnern aufweist, die in einer die Hartphase und die Bindephase aufweisenden Struktur dispergiert sind, geschaffen, während kein dichtgesinterter Körper gefertigt werden kann. Deshalb ist die scheinbare Porosität des Faktors (2) in Bereich A00 bis A08 und B00 bis B08 nach ISO-Normen nicht zu erreichen. Weiterhin ist das Hauptkristallsystem von Co h.c.p., und dieser gesinterte Körper weist eine ungenügende Stoßfestigkeit auf.
Somit weist ein superhartes Verbundelement, das eine vorrangig aus WC bestehende Hartphase, eine vorrangig aus Co bestehende Bindephase und eine Vielzahl von Diamantkörnern aufweist, die in einer die Hartphase und die Bindephase aufweisenden Struktur dispergiert sind, gemäß allen Faktoren (1) bis (4) Eigenschaften auf, die denen des herkömmlichen Elementes überlegen sind. Ein Verfahren des direkten Widerstandserwärmens und Pressens wird zwar vorzugsweise als Verfahren zur Fertigung dieses Elementes eingesetzt, doch ist die vorliegende Erfindung nicht auf dieses Verfahren beschränkt.
Ein Verfahren zum Fertigen des oben erwähnten Verbundelementes weist die Schritte des Vermischens von pulverförmigen Rohmaterialien einschließlich Diamantpulver, Hartphasenpulver und einer Bindephase zum Gewinnen eines gemischten Rohmaterials und des direkten Widerstandserwärmens des gemischten Rohmaterials auf eine vorgegebene Temperatur sowie das Sintern desselben auf. Insbesondere beträgt die vorgegebene Temperatur vorzugsweise mindestens 1100ºC und nicht mehr als 1350ºC, während der vorgegebene Druck vorzugsweise mindestens 5 MPa und nicht mehr als 200 MPa beträgt. Noch mehr vorzuziehen ist ein vorgegebener Druck von mindestens 10 MPa und höchstens 50 MPa, um den Einsatz einer billigen Graphitform zu ermöglichen.
Zu den pulverförmigen Rohmaterialien können Diamantkörner oder Ähnliches gehören, die die oben erwähnten äußeren und/oder inneren Überzüge aufweisen, die durch bekanntes Galvanisieren, CVD oder PVD aufgebracht werden.
Beim Schritt des Mischens der pulverförmigen Rohmaterialien wird vorzugsweise mechanisches Legieren eingesetzt. Durch den Einsatz des mechanischen Legierens wird das Hartphasenpulver mit dem Bindephasenpulver überzogen, wodurch die Sintereigenschaft verbessert wird, um die Verdichtung zu erleichtern.
Ein Schritt des Eingebens des gemischten Rohmaterials in eine Widerstandserwärmvorrichtung zum direkten Widerstandserwärmen und Drucksintern schließt natürlich einen Schritt des Eingebens des gemischten Rohmaterials in eine Widerstandserwärmvorrichtung oder einen Schritt des Eingebens eines vorgepressten Rohkompaktkörpers, eines zwischengesinterten Körpers oder eines Laminats ein. Um einen verbundenen Körper, der das Verbundelement und ein Substrat umfasst, zu bilden, kann ein Verbundmaterial, das durch Aufbringen des gemischten Rohmaterials auf das Substrat geschaffen wird, in die Widerstandserwärmvorrichtung eingegeben werden.
Wenn die Sintertemperatur weniger als 1100ºC oder der Druck weniger als 5 MPa im Sinterschritt betragen, schreitet die Verdichtung nur schwer voran. Wenn andererseits das gemischte Rohmaterial bei einer Temperatur über 1350ºC gesintert wird, kann die flüssige Phase leicht exudieren. Der Begriff "Sintertemperatur" bezeichnet die Temperatur an einer Oberfläche einer Graphitform zum Zeitpunkt der Regelung der Strommenge einer Sintervorrichtung. Die tatsächliche Probentemperatur ist um 200 bis 300ºC und damit wesentlich höher als diese Temperatur. Es ist schwierig, den Druck mittels Ausrüstungen über 200 MPa zu steigern, was zu hohen Kosten führt.
Die Sinterzeit beträgt vorzugsweise nicht mehr als 10 Minuten. Noch günstiger ist eine Sinterzeit von bis zu 3 Minuten. Wenn die Sintertemperatur 1100ºC übersteigt, löst sich die Bindephase des Sinterkarbids und bildet eine flüssige Phase und löst den Diamanten, der wiederum leicht als Graphit abgelagert wird. Diese Reaktion erfordert jedoch eine lange Zeitspanne; daher kann die Umwandlung des Diamanten in Graphit weitestgehend unterdrückt werden, indem die Zeitspanne für die Bildung der flüssigen Phase kürzer als 10 Minuten gehalten wird.
Um ein Verbundelement zu fertigen, dessen Diamantgehalt in Dickenrichtung variiert, kann eine Vielzahl von Arten gemischter Rohmaterialien mit unterschiedlichen Mischungsverhältnissen des Diamantpulvers im Schritt des Gewinnens des gemischten Rohmaterials geschaffen werden. Diese Vielzahl von Arten gemischter Rohmateria- lien werden in der Reihenfolge der Mischungsverhältnisse des Diamantpulvers im Schritt des Sinterns der Materialien übereinander gelagert. Ein Verbundelement mit einer sich in Dickenrichtung schrittweise ändernden Zusammensetzung kann geschaffen werden, wenn die Anzahl von Arten der Rohmaterialien mit unterschiedlichen Mischungsverhältnissen des Diamantpulvers gering ist, während sich ein Verbundelement mit einer im wesentlich stufenlose veränderten Zusammensetzung erzielt werden kann, wenn die Anzahl von Rohmaterialien groß und die Dicke der übereinander gelagerten Schichten geringer ist. Um das eine derartige abgestufte Zusammensetzung aufweisende Verbundelement mit einem Substrat zu verbinden, ist es vorzuziehen, den Diamantgehalt auf der Seite der Verbindungsfläche zu verringern und ihn auf der Oberflächenseite zu erhöhen. In diesem Falle kann ein Abschnitt des Verbundelementes, der sich nahe an der Verbindungsfläche befindet, völlig frei von Diamantkörnern sein.
Die obigen sowie weitere Ziele, Merkmale, Aspekte und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden aus der nachfolgenden Beschreibung der vorliegenden Erfindung in Verbindung mit den beigefügten Zeichnungen noch deutlicher.

KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN

Fig. 1 ist eine optische Mikrofotografie, die die Struktur eines erfindungsgemäßen superharten Verbundelementes zeigt;
Fig. 2A und 2B sind optische Mikrofotografien, die die Strukturen jeweils eines erfindungsgemäßen und eines vergleichbaren harten Verbundelementes zeigen;
Fig. 3 zeigt schematisch eine Vorrichtung zum integralen Sintern und Verbinden von pulverförmigem Rohmaterial für ein superhartes Verbundelement mit einem Stahlsubstrat; und
Fig. 4 zeigt schematisch eine Vorrichtung mit einer Struktur, die von der in Fig. 3 dargestellten Struktur abweicht.

BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN

(Testbeispiel 1)

im Handel erhältliches Diamantpulver mit einer mittleren Korngröße von 10 um, WC- Pulver mit einer mittleren Korngröße von 2 um, Co-Pulver mit einer mittleren Korngröße von 2 um, TiC-Pulver mit einer mittleren Korngröße von 1,5 um und Ni-Pulver mit einer mittleren Korngröße von 5 um wurden verwendet, um gemischte pulverförmige Materialien der Proben Nr. 1-1 bis 1-7 mit den jeweils in Tabelle 1 gezeigten Verhältnissen (Volumenprozent) herzustellen, und diese gemischten pulverförmigen Materialien wurden 5 Stunden lang in einer Kugelmühle nassgemischt und dann getrocknet. Tabelle 1
Dann wurde jedes Trockenpulver in eine Graphitform gegeben, die ihrerseits so mit Energie versorgt wurde, dass die Programmierrate 250ºC/Minute betrug, wobei in einem Vakuum von höchstens etwa 0,01 Torr ein Druck von 20 MPa von oben und unten ausgeübt wurde; dieser Zustand wurde bei einer Temperatur von 1150ºC 2 Minuten lang zum Sintern aufrecht erhalten (das sogenannte Widerstandserwärmen und Drucksintern), wonach das Pulver abgeschreckt wurde.
Die erhaltenen Sinterkörper mit einem Durchmesser von 20 mm und einer Dicke von 5 mm wurden visuell begutachtet, um festzustellen, ob die Proben keine Risse aufwiesen. Weiterhin wurden die Proben oberflächengeschliffen und die geschliffenen Flächen mit einem optischen Mikroskop bei 200-facher Vergrößerung betrachtet, um die Porenfreiheit der Proben festzustellen.
Bezug nehmend auf Fig. 1 werden Diamantkörner, die in der Struktur der Probe 1-7 schwarz erscheinen, miteinander verbunden und von weißen Sinterkarbidkörnern gehalten. Das Vorhandensein von Diamant wurde durch Röntgenbeugung bestätigt, um festzustellen, dass in allen Proben zuverlässig Diamantkörner vorhanden blieben. Zum Zweck des Vergleichs wurde ein Sinterkörper mittels eines herkömmlichen Verfahrens unter Bedingungen von 1350ºC über eine Stunde im Vakuum geschaffen. Diese Vergleichsprobe und der Sinterkörper der Probe 1-4 wurden oberflächengeschliffen und spiegelnd poliert, woraufhin ihre Strukturen fotografiert wurden. Wie aus Fig. 2A und 2B deutlich hervorgeht, ist eine Verschlechterung, die im Wesentlichen von der Graphitbildung herrührt, an der Grenzfläche zwischen dem schwarz erscheinenden Diamanten und dem WC zu beobachten, wie in Fig. 2B dargestellt, und der Diamant selbst ist durch Risse usw. beschädigt. Demgegenüber sind am Sinterkörper der Probe 1-4 weder eine Verschlechterung noch eine Beschädigung festzustellen, wie aus Fig. 2A hervorgeht.

(Testbeispiel 2)

Eine Probe 2-1 wurde mit der gleichen Zusammensetzung wie die Probe 1-4 des Testbeispiels 1 hergestellt, wobei lediglich die Bedingungen des direkten Widerstandserwärmens und des Drucksinterns geändert wurden zu einer Temperatur von 1250ºC und einer Programmierrate von 200ºC/Minute, um eine flüssige Phase zu erzeugen und das Material ohne Verweilzeit abzuschrecken. Der erhaltene Sinterkörper wurde mit einem 400er Schleifstein oberflächengeschliffen und zu einer Scheibe von 20 mm Durchmesser und 5 mm Dicke weiterverarbeitet.
Dieser Sinterkörper wurde mit SiC mit einer mittleren Korngröße von 200 um mit 5 kg/cm² 30 Minuten lang sandgestrahlt, um das Gewichtsminderungsverhältnis des Sinterkörpers zu ermitteln, das 0,05% betrug. Demgegenüber wurde der Sinterkörper der Probe 1-4 in gleicher Weise sandgestrahlt, wobei ein Gewichtsminderungsverhältnis von 0,3% festgestellt wurde. Somit wurde nachgewiesen, dass die Probe 2-1 hinsichtlich der Verschleißfestigkeit weit überlegen war.

(Testbeispiel 3)

Ein Sinterkörper einer Probe 3-1 wurde in gleicher Zusammensetzung wie die Probe 1-7 des Testbeispiels 1 unter Bedingungen einer Temperatur von 1500ºC und einem Druck von 6 GPa in einem Ultrahochdruckbehälter hergestellt.
Die Sinterkörper der Proben 1-7 und 3-1 wurden in Königswasser getaucht, um Co und Ni zu lösen. Infolgedessen wurde die Probe 1-7 pulverisiert, während die Probe 3-1 im Wesentlichen keine Formveränderung zeigte.
Das ist verständlich, weil die Diamantkörner nicht direkt miteinander verbunden waren und keine Skelette in der Probe 1-7 bildeten, während sie in der Probe 3-1 direkt miteinander verbunden waren, um unter den Bedingungen des ultrahohen Druckes Skelette zu bilden.

(Testbeispiel 4)

Ein Sinterkörper einer Probe 4-1 wurde in gleicher Zusammensetzung wie die Probe 1-4 des Testbeispiels 3 unter Bedingungen einer Temperatur von 1600ºC und einem Druck von 6 GPa in einem Ultrahochdruckbehälter hergestellt.
Die Sinterkörper der Proben 1-4 und 4-1 wurden oberflächengeschliffen und die geschliffenen Oberflächen mit Diamantpaste spiegelnd poliert, woraufhin die polierten Oberflächen mit einem Rasterelektronenmikroskop für Oberflächen (SEM) und einem TEM betrachtet wurden.
Dadurch wurde nachgewiesen, dass Diamantkörner in der Probe 4-1 direkt miteinander verbunden waren, während in der Probe 1-4 keine derartige Verbindung bewirkt wurde.

(Testbeispiel 5)

Proben 5-1 bis 5-6 wurden grundlegend in der gleichen Zusammensetzung wie die Probe 1-4 hergestellt und den gleichen Sinterbedingungen wie Testbeispiel 2 unterworfen, wobei lediglich der Diamantgehalt gemäß Tabelle 2 variierte. Somit war die Probe 5-4 identisch mit der Probe 2-1. Tabelle 2
Die jeweiligen Proben wurden wie in Testbeispiel 2 sandgestrahlt. Tabelle 2 zeigt weiterhin die Gewichtsminderungsverhältnisse der Sinterkörper und die Querreißfestigkeit. Aus den in Tabelle 2 dargestellten Ergebnissen geht hervor, dass eine überlegene Erosionsfestigkeit erreicht wird, wenn der Gehalt an Diamantkörnern im Bereich zwischen 5 und 50 Volumenprozent liegt.

(Testbeispiel 6)

Proben 5-4 und 6-1 bis 6-5 wurden in der gleichen Zusammensetzung wie die Probe 1-4 unter den gleichen Sinterbedingungen wie in Testbeispiel 2 hergestellt, wobei nur die mittleren Diamantkorngrößen gemäß Tabelle 3 variierten. Tabelle 3
Tabelle 3 zeigt weiterhin die Gewichtsminderungsverhältnisse und die Querreißfestigkeit der Sinterkörper der jeweiligen Proben, die wie im Testbeispiel 2 sandgestrahlt wurden. Aus den in Tabelle 3 dargestellten Ergebnissen geht hervor, dass eine besonders überlegene Erosionsfestigkeit in den Sinterkörpern erreicht wird, bei denen die mittlere Diamantkorngröße 10 bis 1000 um beträgt.

(Testbeispiel 7)

Sinterkörper der Proben 7-1 bis 7-4 wurden hergestellt, indem pulverisierte Materialien in Zusammensetzungen gemäß Tabelle 4 eingesetzt wurden, wobei nur der Druck bei den Sinterbedingungen aus Testbeispiel 2 in 100 MPa geändert wurde. Tabelle 4
Die erhaltenen Sinterkörper wurden spiegelnd poliert und die spiegelnden Oberflächen einer Spektralanalyse nach der Raman-Spektroskopie unterzogen. Dabei zeigten die Proben 7-2 bis 7-4 kleine Spitzenintensitäten, wenn die Spitzenintensität einer Raman-Linie von in der Probe 7-1 festgestelltem Kohlenstoff mit 100% angesetzt wird. Somit wird es für möglich gehalten, die Ablagerung von Graphit während des Sinterns durch Hinzufügen eines Elementes, das wie zum Beispiel Ti oder Cr zu der Gruppe IVa, Va oder VIa des Periodensystems gehört, oder Si zu unterdrücken. Weiterhin wurde durch ein Röntgenbeugungsverfahren bestätigt, dass in der Probe 7-2 TiC, in der Probe 7-3 SiC und Cr&sub2;C&sub3; und in der Probe 7-4 ZrC abgelagert wurden. Weiterhin wurde durch Beobachtung mit einem SEM und EDX bestätigt, dass die Ablagerungspositionen im Allgemeinen an Diamantoberflächen festgestellt wurden.

(Testbeispiel 8)

Eine Probe 8-1 wurde in gleicher Weise wie die Probe 7-1 unter weiterer Zugabe von 5 Gewichtsprozent Kohlenstoff für das Sintern hergestellt. Als die Proben 7-1 und 8-1 spiegelnd poliert wurden, wurden zum Teil Löcher in den die Diamantkörner umgebenden Abschnitten in der Probe 7-1 beobachtet, die offensichtlich davon herrührten, dass Diamantkörner in Graphit umgewandelt wurden und beim Polieren herausfielen.
Demgegenüber waren bei der Probe 8-1 die die Diamantkörner umgebenden Abschnitte normal, und das Vorhandensein ungebundenen Kohlenstoffs wurde durch Betrachtung mit einem optischen Mikroskop bei 200-facher Vergrößerung bestätigt. Weiterhin wurden die Proben 7-1 und 8-1 wie in Testbeispiel 2 sandgestrahlt, wobei sich zeigte, dass das Gewichtsminderungsverhältnis der Probe 7-1 0,04% betrug, während bei der Probe 8-1 ein kleines Gewichtsminderungsverhältnis von 0,02% festgestellt wurde. Somit war die Probe 8-1 in ihrer Erosionsfestigkeit überlegen.

(Testbeispiel 9)

Proben 9-1 bis 9-6 mit den in Tabelle 5 aufgeführten Zusammensetzungen wurden unter den gleichen Sinterbedingungen wie in Testbeispiel 2 hergestellt. Diese Proben wurden wie in Testbeispiel 2 sandgestrahlt, wobei die in Tabelle 5 aufgeführten Gewichtsminderungsverhältnisse festgestellt wurden. Aus diesen Ergebnissen ist zu ersehen, dass der Gehalt an einem Metall der Eisenfamilie, das eine Bindephase bildet, vorzugsweise im Bereich von 10 bis 50 Volumenprozent liegt. Tabelle 5

(Testbeispiel 10)

Proben 10-1 bis 10-5 wurden unter Einsatz von pulverisierten Materialien in der gleichen Zusammensetzung wie die Probe 1-5 im Testbeispiel 1 hergestellt, mit einer Programmierrate von 100ºC/Minute erwärmt, über den in Tabelle 6 aufgeführten Zeitraum bei dieser Temperatur gehalten, um das direkte Widerstandserwärmen und Drucksintern auszuführen und die Materialien mit 100ºC/Minute abzuschrecken. Tabelle 6 zeigt weiterhin spezifische Gewichtswerte der jeweiligen Proben. Das Vorhandensein/Fehlen von Diamant in den Sinterkörpern wurde mittels eines Röntgenbeugungsverfahrens untersucht, um in allen Proben Diamantspitzenwerte zu beobachten. Weiterhin wurden die Sinterkörper spiegelnd poliert und danach unter einem optischen Mikroskop betrachtet, wobei die in Tabelle 6 aufgeführten Ergebnisse festgestellt wurden. Daraus wird deutlich, dass die Haltezeit bei einer Temperatur von mindestens 1150ºC vorzugsweise höchstens 10 Minuten beträgt. Tabelle 6

(Testbeispiel 11)

Eine Probe 11-1 wurde unter den gleichen Bedingungen wie die Probe 10-1 des Testbeispiels 10 hergestellt, wobei vor dem Sintern Diamantpulver einem stromlosen Galvanisieren mit Co unterzogen wurde. Dadurch wurde das spezifische Gewicht auf 10,05 verbessert und eine scheinbare Porosität durch Betrachtung unter einem optischen Mikroskop bestätigt. Daraus ergab sich, dass der Sinterkörper ohne Weiteres durch den Einsatz von Pulver verdichtet werden kann, das durch galvanisches Überziehen von Diamantpulver mit Co hergestellt wird.

(Testbeispiel 12)

Pulvermaterialien der gleichen Zusammensetzungen wie die Proben 10-1 bis 10-5 im Testbeispiel 10 wurden 24 Stunden lang in einer Kugelmühle trockengemischt. Ein Teil des erhaltenen Pulvers wurde unter einem Elektronenmikroskop für Oberflächen (SEM) betrachtet, um sich zu vergewissern, dass Diamant, WC und TiC in Co eingebettet und mechanisch legiert wurden. Dieses Pulver wurde verwendet, um eine Probe 12-1 unter den gleichen Sinterbedingungen wie die Probe 10-1 herzustellen. Dadurch wurde das spezifische Gewicht auf 10,04 verbessert und die Beseitigung der Poren durch Betrachtung unter einem optischen Mikroskop bestätigt. Daraus wurde deutlich, dass der Sinterkörper ohne Weiteres verdichtet werden kann, wenn für den Schritt des Mischens von Pulvermaterialien, die Diamant, WC, TiC und Co enthalten, mechanisches Legieren zum Einsatz gelangt.

(Testbeispiel 13)

Pulvermaterialien mit Zusammensetzungen (Volumenprozent) gemäß Tabelle 7 wurden in Schichten gepresst und in eine Graphitform gegeben, die ihrerseits mit Strom versorgt wurde, so dass die Programmierrate 200ºC/Minute betrug, wobei ein Druck von 50 MPa von oben und unten angelegt und eine Haltezeit von 1 Minute bei 1200ºC eingehalten wurde, um das direkte Widerstanderwärmen und Drucksintern auszuführen, woraufhin ein Abschrecken erfolgte. Der dadurch erhaltene scheibenförmige Sinterkörper mit einem Durchmesser von 50 mm und einer Dicke von 20 mm wurde betrachtet, um sich zu vergewissern, dass zwischen den Schichten, die ausgezeichnet miteinander verbunden waren, keine Risse auftraten. Ein Schnitt des Sinterkörpers in Dickenrichtung wurde spiegelnd poliert und dessen Zusammensetzung mit einem EPMA und einem ABS analysiert, wobei festgestellt wurde, dass die Bewegung der Elemente zwischen den jeweiligen Schichten relativ gering war und die Diffusion der Bestandteile zwischen den Schichten, die beim in herkömmlicher Weise hergestellten Sinterkörper nachteilig auftrat, unterdrückt wurde.
Der erfindungsgemäße Sinterkörper weist wegen des in der Oberflächenschicht enthaltenen Diamanten eine ausgezeichnete Verschleißfestigkeit auf, wobei eine hohe Festigkeit und Zähigkeit durch das Sinterkarbid oder den Stahl erreicht werden können, das/der die Innenschicht bildet. Somit kann das erfindungsgemäße Element die Kompatibilität zwischen diesen Eigenschaften erreichen, die im Allgemeinen miteinander in Konflikt stehen. Weiterhin kann dieses Element äußerst vorteilhaft mit niedrigen Kosten ohne Einsatz eines Ultrahochdruckbehälters gefertigt werden. Tabelle 7

(Testbeispiel 14)

Unter Bezugnahme auf Fig. 3 wurde jedes der gemischten Pulvermaterialien 3 mit den Zusammensetzungen des Testbeispiels 5 auf eine kugelförmige Endfläche 2 eines Stahlsubstrats 1 in einer Druckerwärmvorrichtung gegeben und unter den gleichen Bedingungen wie im Testbeispiel 5 gesintert, so dass jeder Sinterkörper gesintert und mit der Endfläche 2 des Substrats 1 verbunden wurde. Die in Fig. 3 dargestellte Widerstandserwärmvorrichtung weist eine Erwärmvorrichtung 5 aus Graphit auf, die der Form jedes Rohmaterialpulvers 3 auf dem Substrat 1 entspricht; diese Erwärmvorrichtung 5 wird mit einer oberen Druckramme 6 gegen das Substrat 1 gedrückt, um ein gepresstes Laminat zu erwärmen. Ein Wärmeisolator 4 aus Si&sub3;N&sub4; wird zwischen die Erwärmvorrichtung 5 und die Druckramme 6 eingesetzt. Das Sintern erfolgt durch Energiezufuhr zu der Erwärmvorrichtung 5 mittels einer Gleichstrom- Wärmequelle 7. Die Temperatur der Erwärmvorrichtung 5 wird mittels eines Wärmekopplers 8 aus Si&sub3;N&sub4; geregelt. Die Bodenfläche des Substrats 1 wird Luftgekühlt. Das Rohmaterialpulver 3 wird von seiner Oberflächenseite her erwärmt, so dass eine Temperaturabstufung mit einer hohen Temperatur an der Oberflächenseite und einer niedrigen Temperatur an der Verbindungsfläche hergestellt werden kann. Während das Substrat 1 auch in einem herkömmlichen Sinterofen einer hohen Temperatur ausgesetzt ist, kann die in Fig. 3 dargestellte Erwärmvorrichtung die Temperaturerhöhung des Substrats 1 unterdrücken, um ein Glühen des abgeschreckten Stahls (Substrat) zu verhindern.
Das eingegebene Mischpulver 3 kann aus einer einzigen Schicht der Probe 5-4 des Testbeispiels 5 bestehen oder als Mehrschichtstruktur wie in Fig. 3 ausgebildet sein, so dass die Schicht, die in Kontakt mit der Endfläche 2 steht, die nächste Schicht und die äußerste Schicht von den Proben 5-2, 5-3 und 5-4 gebildet werden. Im Falle der Mehrschichtstruktur ist es möglich, ein Verbundelement in einer Struktur zu erhalten, bei der die äußerste Schicht eine hohe Härte und die übrigen Schichten eine hohe Zähigkeit aufweisen. Ein Sinterkörper mit einer derartigen Mehrfachschichtstruktur wurde in der oben erwähnten Vorrichtung mit einem Substrat verbunden, wodurch das Substrat und der Sinterkörper, abgesehen von der Verbindbarkeit der jeweiligen Schichten, eine ausgezeichnete Verbindung eingingen.
Erfindungsgemäß können ein Rohmaterialelement 3 und ein Substrat 1 in einem äußeren Kohlenstoffrahmen 9 angeordnet werden, wie in Figur. 4 dargestellt, sodass das direkte Widerstandserwärmen und Drucksintern erfolgt, während von oberen und unteren Stempeln 10 und 11 Druck angewandt und ein Impulsstrom von einer Impulsquelle 12 zugeführt wird. Die Temperatur wird von einem Wärmekoppler 8 geregelt.

(Testbeispiel 15)

Eine Oberfläche (V-Oberfläche/V-Schnitt) der Probe 1-4 des Testbeispiels 1 senkrecht zu einer Druckachse und eine Oberfläche (H-Oberfläche/H-Schnitt) parallel zur Druckachse wurden einer Röntgenbeugung durch eine Cu-Kα-Linie unterzogen.
Davon ausgehend, dass V(001) und V(101) Festigkeitsspitzenwerte von (001)- und (101)-Ebenen am V-Schnitt und H(001)- und H(101) Festigkeitsspitzenwerte der (001)- und (101)-Ebenen am H-Schnitt darstellen, zeigt Tabelle 8 Werte von V(001)/V(101) bzw. H(001)/H(101) im vorerwähnten Falle. Tabelle 8
Weiterhin wurde eine Probe 15-1 in der gleichen Zusammensetzung wie die Probe 1- 4 unter Bedingungen wie in Testbeispiel 3, wobei allerdings die mittlere Korngröße des WC zu 0,25 um verändert wurde, unter Einsatz eines Ultrahochdruckbehälters hergestellt und der Röntgenbeugung unterzogen. Weiterhin wurden Proben 15-2, 15- 3 und 15-4 aus den gleichen Pulvermaterialien wie die Probe 15-1 nach dem Verfahren des Testbeispiels 1 bei einer Haltezeit von 2 Minuten hergestellt, wobei nur die Sintertemperaturen auf jeweils 1200ºC, 1230ºC und 1300ºC festgesetzt wurden, und es wurde eine Probe 15-5 bei einer Sintertemperatur von 1300ºC bei einer Haltezeit von 10 Minuten hergestellt, die in gleicher Weise der Röntgenbeugung unterzogen wurde. Tabelle 8 zeigt weiterhin die Ergebnisse dieser Proben mit den mittleren Korngrößen des WC in den jeweiligen Proben.
Die in der oben erwähnten Weise hergestellten Sinterkörper wurden in Formen gemäß ISO-Norm RNGN 120400 gebracht, so dass V- und H-Oberflächen geschabte Stirnseiten bzw. Flanken definieren, und es wurden Schneidkanten auf 0,2 · 25º abgerundet, um Granitwerkstücke unter folgenden Schneidbedingungen zu zerschneiden:
Schneidgeschwindigkeit: 50 m/min
Zuführrate: 0,2 mm/Umdrehung
Schnitttiefe: 1,0 nm
Schneidöl: nicht verwendet
Tabelle 8 zeigt weiterhin Flankenverschleißbreiten nach 5-minütigem Einsatz. Aus den in Tabelle 8 aufgeführten Ergebnissen geht hervor, dass die Proben 15-2, 15-3, 15-4 und 15-5 eine gegenüber der Probe 15-1 überlegene Verschleißfestigkeit ohne Orientierung in einer bestimmten Richtung aufwiesen.
Die Proben 15-2, 15-3, 15-4 und 15-5 mit V(001)/V(101)-Werten von mindestens 0,5 und H(001)/H(101)-werten von höchstens 0,45 zeigten eine besonders ausgezeichnete Schnittleistung. Dies ist daraus verständlich, dass die (001)-Ebenen mit der Höchsthärte der WC-Kristalle vorzugsweise in den geschabten Stirnflächenrichtungen dieser Proben gezüchtet wurden, so dass es möglich war, das Abblättern (Absplittern an den abgeschabten Stirnflächen) zu unterdrücken, das im Falle des Schneidens harten Felsgesteins leicht auftritt.

(Testbeispiel 16)

Sinterkörper wurden aus Rohpulvermaterialien der gleichen Zusammensetzungen wie Probe 1-1 des Testbeispiels 1 unter Bedingungen wie in Testbeispiel 1 hergestellt, wobei lediglich das Sintern bei Temperaturen von 1000ºC, 1100ºC, 1200ºC bzw. 1300ºG erfolgte. Die Abschabstirnflächen dieser Sinterkörper wurden geläppt und das Vorhandensein/Fehlen von Poren in den WC-Co-Phasen mit einem optischen Mikroskop bei 200-facher Vergrößerung beobachtet. Die Beobachtungsergebnisse wurden nach den Bereichen A00 bis B08 auf der Grundlage der ISO-Normen klassifiziert. Tabelle 9 zeigt die Ergebnisse mit der Querreißfestigkeit der jeweiligen Sinterkörper.
Um die tatsächlichen Temperaturen der jeweiligen Proben während der Verweilzeit zu ermitteln, wurde eine Graphitform perforiert, um einen Wärmekoppler in Kontakt mit den Proben zu bringen, und die tatsächlichen Sintertemperaturen wurden mittels eines abgeschirmten PR-Wärmekopplers gemessen. Tabelle 9 zeigt diese Ergebnisse ebenfalls. Tabelle 9
Wie in Tabelle 9 dargestellt, war es möglich, zu bestätigen, dass die Proben 16-3 und 16-4, die Poren vom Typ A im Bereich bis A04 und keine Poren vom Typ B aufwiesen, besonders dicht waren und ausgezeichnete Merkmale zeigten. Gemäß diesem Test liegt die geregelte Sintertemperatur etwa 200ºC unter den tatsächlichen Sintertemperaturen. Es ist davon auszugehen, dass diese Differenz je nach der verwendeten Graphitform und den Probengrößen schwankt.

(Testbeispiel 17)

Sinterkörper von Proben 17-1, 17-5 und 17-10 wurden mit einer Fläche von 30 mm² und einer Dicke von 5 mm hergestellt, indem Pulvermaterialien mit den Zusammensetzungen der Proben 1-1, 1-3 und 1-5 aus Tabelle 1 eingesetzt, in eine Graphitform in einem Vakuum von 0,005 Torr gegeben und einem Druck von 40 MPa ausgesetzt wurden, so dass die Programmierrate 200ºC/Minute betrug, wobei die Graphitform für das direkte Widerstandserwärmen und Drucksintern 1 Minute lang bei 1150ºC gehalten und dann abgeschreckt wurde. Demgegenüber wurden Sinterkörper der Proben 17-2 bis 17-4, 17-6 bis 17-9 und 17-11 hergestellt, indem pulverförmige Rohmaterialien der gleichen Zusammensetzung wie die ersteren eingesetzt wurden, wobei nur Diamantkörner durch Galvanisieren mit Metallen wie Ir, Os, Pt, Re, Rh, Cr, Mo, W und Ähnlichem in einer Dicke von etwa 5 um überzogen wurden. Die Probe 17-7 wies zwei Überzüge auf, die aus äußeren und inneren Schichten aus W bzw. Cr. Auf der Diamantoberfläche beständen.
Die auf die oben erwähnte Weise hergestellten Sinterkörper wurden mit einem 250er Schleifstein oberflächengeschliffen und mit einem Druck von 10 kg/cm² 60 Minuten lang wie im Testbeispiel 2 sandgestrahlt.
Tabelle 10 zeigt die bei diesem Test aufgetretenen Gewichtsminderungsverhältnisse. Tabelle 10
Somit konnte bestätigt werden, dass die Gewichtsminderungsverhältnisse verringert wurden, wodurch sich die Verschleißfestigkeit der Proben, die mit Metallen wie Ir, Os, Pt, Re, Gr, Mo, W und Ähnlichem überzogen waren, im Vergleich mit Proben, die keine derartigen Metallüberzüge aufwiesen, verbesserte. Zu unserer Überraschung wurde auch nachgewiesen, dass sich die Querreißfestigkeit eines Sinterkörpers, der mit metallüberzogenen Diamantkörnern versehen ist, verbessert.
Zu Vergleichszwecken wurden Proben 17-12 bis 17-14 hergestellt, indem Diamantkörner mit Ti und Zr überzogen wurden. Bei jeder dieser Proben verringerte sich jedoch die Verschleißfestigkeit im Vergleich zur Probe 17-10, die keinen Überzug aufwies. Daraus ist zu ersehen, dass ein derartiger Leistungsunterschied hinsichtlich der Verschleißfestigkeit zwischen den verschiedenen Arten von Metallüberzügen davon abhängt, ob der Diamant gegen den Angriff durch eine flüssige Phase geschützt werden kann, die sich während des Sinterschrittes bildet. Mit anderen Worten: Es ist davon auszugehen, dass das als Überzug eingesetzte Metall bei der Bildung der flüssigen Phase eine feste Phase ausbildet und damit in der Lage ist, zu verhindern, dass der Diamant in Kontakt mit der flüssigen Phase gelangt.

(Testbeispiel 18)

Sinterkörper von Proben 18-3 und 18-7 wurden durch die Bildung von Co- und Ni- Überzügen von 10 um und 20 um Dicke zwischen den Sinterkörpern der Proben 17-3 und 17-7 des Testbeispiels 17 hergestellt, wobei die Diamantkörner dieser Proben durch Galvanisieren mit äußeren Überzügen aus Rh bzw. W/Cr versehen wurden. Tabelle 11 zeigt die Charpy-Stoßwerte dieser Proben. Tabelle 11
Aus Tabelle 11 ist zu ersehen, dass sich die Charpy-Stoßwerte verbesserten, wenn Co- und Ni-Überzüge zwischen den Diamantkörnern und den äußeren Überzügen gebildet wurden. Das erfindungsgemäße mit dispergierten Diamanten versehene superharte Verbundelement zeigt im Vergleich zu einem einfachen superharten Element eine schlechtere Stoßfestigkeit auf Grund der Diamantdispersion und splittert leicht ab, wenn das Element zum Beispiel auf einen Bohrkopf zum Durchdringen von Felsgestein oder Ähnlichem aufgebracht wird. Die Stoßfestigkeit kann jedoch durch die Ausbildung von Co- und Ni-Überzügen verbessert werden.
Das Vorhandensein/Fehlen anderer Metallelemente in den äußeren Überzügen der Proben 17-1 bis 17-14, 18-3 und 18-7 wurde mittels der Erdbohr-Elektronenspektroskopie untersucht, wobei sich zeigte, dass W, Co und Ni in den äußeren Überzügen zusammen mit Ti nur in den Proben 17-5 bis 17-14 sowie 18-7 diffundiert wurden. Es ist anzunehmen, dass die Haltekraft der Diamantkörner durch diese diffundierten Elemente verbessert wurde.

(Testbeispiel 19)

Sechs Arten von Presspulvermaterialien mit unterschiedlichen Mischanteilen wurden hergestellt aus WC-Pulver A mit einer mittleren Korngröße von 5 um, WC-Pulver B mit einer mittleren Korngröße von 2 um, WC-Pulver C mit einer mittleren Korngröße von 0,5 um, 20 Volumenprozent Co-Pulver mit einer mittleren Korngröße von 2 um und 5 Volumenprozent von Diamantpulver mit einer mittleren Korngröße von 100 um. Diese Pulvermaterialien wurden direktem Widerstandserwärmen und Drucksintern bei einer Programmierrate von 100ºC/Minute und einer Sintertemperatur von 1200ºC für eine Haltezeit von 1 Minute unterzogen und danach abgeschreckt, um Sinterkörper der Proben 19-1 bis 19-6 zu erhalten. Strukturfotografien der Sinterkörper mit 5000-facher Vergrößerung wurden in Binärwerte umgewandelt, um danach die Korngrößenverteilungen des WC mittels eines Bildanalysegerätes zu messen. Weiterhin wurden diese Sinterkörper einem Charpy-Stoßtest und einem Dreipunkt-Biegetest mit einer Spannweite von 20 mm unterzogen. Tabelle 12 zeigt die Ergebnisse. Tabelle 12
Wie in Tabelle 12 dargestellt, waren die Charpy-Stoßwerte der Proben 19-3 bis 19-6, die Anteile an WC-Körnern mit Korngrößen über 3 um von mehr als 50 Prozent enthielten, relativ höher als die Werte der übrigen Proben, und diese Proben sind als geeignet für Anwendungen anzusehen, die Stoßfestigkeit erfordern. Weiterhin gelang es, zu bestätigen, dass die Proben 19-5 und 19-6 mit Anteilen an WC-Körnern unter 1 um Korngröße von 10 bis 35 Prozent ausgezeichnete Werte der Querreißfestigkeit und eine bestens ausgeglichene Leistung zeigten.

(Testbeispiel 20)

Sinterkörper von Proben 20-1 bis 20-9 wurden unter den gleichen Bedingungen wie im Testbeispiel 19 hergestellt, wobei allerdings die Korngrößen der WC- und Diamantpulvermaterialien andere waren. Der Diamant- und Co-Anteil wurde auf 30 Volumenprozent bzw. 15 Volumenprozent festgelegt. Diese Sinterkörper wurden einem Schneidetest unter Schnittbedingungen unterzogen, die denen aus dem Testbeispiel 15 entsprachen. Tabelle 13 zeigt die Abriebverlustwerte. Tabelle 13
Aus Tabelle 13 ist zu ersehen, dass die Sinterkörper mit mittleren WC-Korngrößen von nicht mehr als 3 um, insbesondere nicht mehr als 1 um, in der Verschleißfestigkeit überlegen und die Sinterkörper mit mittleren Diamantkorngrößen von nicht mehr als 10 um in der Verschleißfestigkeit noch höher überlegen sind. Deshalb wird es für vorteilhaft erachtet, dass die mittleren WC-Korngrößen und des Diamanten nicht mehr als 1 um bzw. nicht mehr als 10 um betragen sollten.

(Testbeispiel 21)

Proben 21-1 bis 21-7 wurden hergestellt, wobei der Diamantanteil der Proben 1-1 bis 1-7 ganz oder teilweise durch CBN oder WBN mit einer mittleren Korngröße von 5 um bzw. 10 um ersetzt wurde und ansonsten die gleichen Bedingungen vorlagen, um Sinterkörper mit einem Durchmesser von 20 mm und einer Dicke von 5 mm zu bilden. Tabelle 14
Diese Sinterkörper wurden mit einem 250er Diamantschleifstein oberflächengeschliffen, geläppt und danach unter einem optischen Mikroskop untersucht. Es zeigte sich, dass bei keiner Probe Risse oder das Herausfallen von CBN-Körnern auftrat, jedoch dichte Sinterkörper erhalten wurden.

(Testbeispiel 22)

Die Proben 1-1 bis 1-7, 3-1 und 4-1 aus den Testbeispielen 1, 3 und 4 und die Proben 22-1 und 22-2, die aus Rohmaterialien der gleichen Zusammensetzungen hergestellt waren wie die Proben 3-1 und 4-1, wurden unter Einsatz einer extern erwärmenden Warmpresse bei einer Temperatur von 1000ºC, einem Druck von 30 MPa und einer Haltezeit von einer Stunde gebildet und oberflächengeschliffen. Die geschliffenen Oberflächen wurden mit Diamantpaste spiegelnd poliert. Danach wurden die Proben mit einem Elektronenmikroskop für Oberflächen begutachtet, das WC einer selektiven Elektrolytätzung unterzogen, woraufhin die Proben einer Röntgenbeugung unterzogen wurden, um die in Tabelle 15 dargestellten Parameter zu messen. Tabelle 15 zeigt weiterhin die Messergebnisse. Tabelle 15
Weiterhin wurden die Sinterkörper der oben genannten Proben einem Schneidetest für Sandsteinwerkstücke unter den folgenden Bedingungen unterzogen, um die Abriebverlustwerte zu messen. Für die während des Schneidens abgesplitterten Proben zeigt Tabelle 16 die Zeitspannen bis zum Auftreten des Absplitterns. Weiterhin zeigt Tabelle 16 Charpy-Stoßwerte. Die Schnittbedingungen waren eine Schnittgeschwindigkeit von 100 m/min. eine Vorschubrate von 0,2 mm/Umdrehung, eine Schnitttiefe von 0,3 mm, ein Zeitraum von 5 Minuten und eine Trockenschneideart. Aus den in Tabelle 16 aufgeführten Ergebnissen wird deutlich, dass die superharten Verbundelemente der Proben 1-1, 1-2, 1-4, 1-5 und 1-6, die jeweils eine vorrangig aus WC bestehende Hartphase, eine vorrangig aus Co bestehende Bindephase und eine Vielzahl von dispergierten Diamantkörnern in einer Struktur aufwiesen, die die Hartphase und die Bindephase aufwies und alle folgenden Faktoren erfüllte: (1) das Hauptkristallsystem des Co ist k.f.z; (2) das Element weist eine scheinbare Porosität auf, die im Bereich von A00 bis A08 und B00 bis B08 nach ISO-Normen liegt; (3) der Gehalt an Diamantkörnern beträgt 5 bis 50 Volumenprozent; und (4) es gibt keine Teile, in denen die Diamantkörner direkt miteinander verbunden sind, eine Leistung aufwiesen, die der der Proben 1-3, 1-7, 3-1, 4-1, 22-1 und 22-2 überlegen war, die den obigen Bedingungen nicht gerecht wurden. Tabelle 16
Erfindungsgemäß und wie oben beschrieben ist es möglich, ein starkes, superhartes Element zu erhalten, das Diamantkörner stark dispergiert/hält, eine höchst ausgezeichnete Härte und Verschleißfestigkeit durch Sinterkarbid oder Metall-Keramik- Verbundmaterial von hoher Festigkeit und Zähigkeit aufweist und ohne Einsatz eines Ultrahochdruckbehälters gefertigt wird.
Deshalb kann das erfindungsgemäße Element auf ein bergbautechnisches Werkzeug wie zum Beispiel einen Mauerkopf, einen Erdbohrkopf, einen Schildvortriebskopf oder Ähnliches, auf ein Schneidwerkzeug wie zum Beispiel eine Spitze zur Holz-, Metall- oder Harzbearbeitung, ein Lager für eine Werkzeugmaschine, ein verschleißfestes Material wie zum Beispiel eine Düse, ein Kunststoffbearbeitungswerkzeug wie zum Beispiel eine Drahtziehform, ein Schleifwerkzeug oder Ähnliches aufgebracht werden.
Nach dem erfindungsgemäßen Verfahren ist es möglich, ein dichtes, superhartes Verbundelement zu erhalten, das eine ausgezeichnete Härte und Verschleißfestigkeit aufweist, indem das Sintern in einem kurzen Zeitraum erfolgt. Weiterhin können die Temperaturerhöhungszeit, die Haltezeit und die Abkühlzeit verkürzt werden, wodurch eine Kostensenkung im Vergleich zum Stand der Technik erwartet werden kann.
Obgleich die vorliegende Erfindung im Detail beschrieben und illustriert wurde, ist es klar verständlich, dass dies nur der beispielhaften Verdeutlichung gilt und nicht als Einschränkung aufzufassen ist, wobei Geist und Umfang der vorliegenden Erfindung nur durch die Bedingungen der beigefügten Ansprüche beschränkt werden.

Claims

1. Superhartes Verbundelement, das umfasst:

- eine Hartphase, die aus einem Material besteht, das wenigstens ein Element enthält, das aus einer Gruppe, bestehend aus WC, TiC, TiN und Ti (C, N), ausgewählt wird;

- eine Bindephase, die hauptsächlich aus einem Metall der Eisenfamilie besteht; und

- eine Vielzahl von Diamantkörnern, die in einer Struktur dispergiert sind, die die Hartphase und die Bindephase aufweist, wobei wahlweise die Diamantkörner wenigstens teilweise durch wenigstens kubisches Bornitrid oder Wurtzit-Bornitrid ersetzt werden,

wobei die Vielzahl der Diamantkörner oder das kubische Bornitrid oder das Wurtzit-Bornitrid wenigstens entweder eine Struktur aufweist, die keine Skelette bildet, oder eine Struktur, in der keine Teile vorhanden sind, in denen Diamantkörner oder das kubische Bornitrid oder das Wurtzit-Bornitrid direkt aneinander haften.

2. Superhartes Verbundelement nach Anspruch 1, welches durch Ausführen von direktem Widerstandserwärmen und Drucksintern unter Bedingungen entsteht, bei denen Diamant thermodynamisch metastabil ist und eine flüssige Phase vorhanden ist.

3. Superhartes Verbundelement nach Anspruch 2, wobei eine Temperatur, die das Auftreten der flüssigen Phase zulässt, über 1300ºC Liegt.

4. Superhartes Verbundelement nach Anspruch 1, wobei jedes Diamantkorn einen äußeren Überzug umfasst, der aus wenigstens einem Metall besteht, das aus einer Gruppe ausgewählt wird, die aus Ir, Os, Pt, Re, Rh, Cr, Mo und W besteht.

5. Superhartes Verbundelement nach Anspruch 1, wobei ein innerer Überzug, der aus wenigstens einem Metall besteht, das aus Co und Ni ausgewählt wird, zwischen dem äußeren Überzug und jedem der Diamantkörner vorhanden ist.

6. Superhartes Verbundelement nach Anspruch 4, das eine Struktur aufweist, bei der wenigstens ein Element, das aus einer Gruppe ausgewählt wird, die aus W, Ti, Co und Ni besteht, in dem äußeren Überzug diffundiert ist.

7. Superhartes Verbundelement nach Anspruch 1, das WC-Kristalle enthält, bei denen wenigstens 50% aller WC-Kristalle im Flächenverhältnis in einer willkürlich festgelegten Schnittstruktur eine Korngröße von mehr als 3 um haben.

8. Superhartes Verbundelement nach Anspruch 1, das WC-Kristalle enthält, bei denen wenigstens 10 bis 35% aller WC-Kristalle im Flächenverhältnis in einer willkürlich festgelegten Schnittstruktur eine Korngröße von weniger als 1 um haben.

9. Superhartes Verbundelement nach Anspruch 1, wobei die durchschnittliche Korngröße des WC unter 1 um liegt.

10. Superhartes Verbundelement nach Anspruch 1, wobei die mittlere Korngröße des WC unter 3 um liegt und die mittlere Korngröße der Diamantkörner unter 10 um liegt.

11. Superhartes Verbundelement nach Anspruch 1, das einen Querschnitt hat, bei dem die (001)-Ebenen von WC-Kristallen besonders entwickelt sind.

12. Superhartes Verbundelement nach Anspruch 11, wobei V(001)/V(101) größer ist als 0,5 und H(001)/H(101) kleiner ist als 0,45, wenn davon ausgegangen wird, dass V(001) und V(101) Festigkeitshöchstwerte von (001)- bzw. (101)- Ebenen der WC-Kristalle bei einem Röntgenbeugungsverfahren an einem Schnitt, der senkrecht zu einer Druckachse ist, für das direkte Widerstandserwärmen und das Drucksintern darstellen und H(001) und H(101) Festigkeitshöchstwerte der (001)- bzw. (101)-Ebenen der WC-Kristalle bei einem Röntgenbeugungsverfahren an einem Schnitt, der horizontal zu der Druckachse ist, darstellen.

13. Superhartes Verbundelement nach Anspruch 1, wobei im Innern ungebundener Kohlenstoff vorhanden ist.

14. Superhartes Verbundelement nach Anspruch 1, wobei wenigstens ein Element, das aus Karbiden von Elementen, die zu den Gruppen IVa, Va und VIa des Periodensystems gehören, und SiC ausgewählt wird, an wenigstens einem Teil der Grenzfläche zwischen der Hartphase und den Diamantkörnern abgelagert wird.

15. Superhartes Verbundelement nach Anspruch 1, wobei die mittlere Korngröße der Diamantkörner 10 bis 1000 um beträgt.

16. Superhartes Verbundelement nach Anspruch 1, wobei der Gehalt an der Bindephase 10 bis 50 Vol.% beträgt.

17. Superhartes Verbundelement nach Anspruch 1, wobei der Gehalt an den Diamantkörnern in der Dickenrichtung so variiert wird, dass er in Richtung einer Fläche des superharten Verbundelementes erhöht und in Richtung der anderen Fläche verringert wird.

18. Superhartes Verbundelement nach Anspruch 1, das mit einem Substrat verbunden ist, das wenigstens WC-Sinterkarbid, TiC(N)-Cermet oder ein Metallmaterial enthält.

19. Superhartes Verbundelement nach Anspruch 1, das als Bohrmeißel für eine Schildvortriebsmaschine eingesetzt wird.

20. Superhartes Verbundelement nach Anspruch 1, wobei die Bindephase hauptsächlich aus Co besteht und die Hauptkristallstruktur von Co kubischflächenzentriert (k.f.z.) ist, wobei das superharte Verbundelement wenigstens 5 Vol.-% und höchstens 50 Vol.% Diamantkörner und keine Teile enthält, in denen die Diamantkörner direkt aneinander haften, wobei das superharte Verbundelement eine scheinbare Porosität aufweist, die den Bereich von A00 bis A08 sowie B00 bis B08 entsprechend ISO-Standards erfüllt.