DE60110237T2

DE60110237T2 - Verfahren zur herstellung eines diamanthaltigen abrasiven produkts

Info

Publication number: DE60110237T2
Application number: DE60110237T
Authority: DE
Inventors: Robert Fries; Michael Peter HARDEN
Original assignee: Element Six Pty Ltd
Current assignee: Element Six Pty Ltd
Priority date: 2000-08-08
Filing date: 2001-08-03
Publication date: 2006-02-23
Anticipated expiration: 2021-08-04
Also published as: DE60110237D1; WO2002011876A3; ES2240484T3; WO2002011876A2; ATE293710T1; US7033408B2; EP1309732B1; AU2001276591A1; KR20030048005A; CN1451054A; JP2004505786A; EP1309732A2; US20050257430A1; CN1295368C; KR100853060B1

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Diese Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen eines Schleiferzeugnisses, welches Diamant und Sinterkarbid enthält.
Sinterkarbid ist ein Material, das in der Industrie für eine Vielfalt von Anwendungen extensiv verwendet wird, sowohl als ein Schleifmaterial als auch als ein verschleißfestes Material. Sinterkarbide bestehen im allgemeinen aus geeigneten Karbidteilchen, beispielsweise Wolframkarbid, Tantalkarbid oder Titankarbid, die mittels eines Bindemetalls zusammengebunden sind, beispielsweise Kobalt, Eisen oder Nickel oder einer Legierung derselben. Typischerweise beträgt der Metallgehalt an Sinterkarbiden etwa 3 bis 35 Gewichts-%. Sie werden hergestellt durch Sintern der Karbidteilchen und des Bindemetalls bei Temperaturen in der Größenordnung von 1400°C.
Am anderen Ende des Spektrums finden sich ultraharte abrasive und verschleißfeste Erzeugnisse. Preßkörper aus Diamant und kubischem Bornitrid sind polykristalline Massen aus Diamant- oder kubischen Bornitridpartikeln, wobei die Verbindung unter Bedingungen erhöhter Temperatur und erhöhtem Druck erzeugt wird, bei denen die ultraharte Komponente, nämlich der Diamant oder das kubische Bornitrid, kristallografisch stabil ist. Polykristalliner Diamant (PCD) und polykristallines kubisches Bornitrid (PCBN) können mit oder ohne eine zweite Phase oder Bindematrix erzeugt werden. Die zweite Phase kann, falls sie vorgesehen wird, im Falle von Diamant ein Katalysator/Lösungsmittel sein, beispielsweise Kobalt, oder sie kann ein Karbid bildendes Element, beispielsweise Silizium sein. Ähnliche Sintermechanismen werden bei der PCBN-Synthese mit verschiedenen Karbiden angewandt, wobei Nitride und Boride übliche zweite Phasen sind.
PCD und PCBN haben eine weit höhere Verschleißfestigkeit als Sinterkarbide, tendieren jedoch dazu, etwas brüchig zu sein. Diese Brüchigkeit kann zu einer Kantenabblätterung der Arbeitsfläche führen, was bei Anwendungsfällen ein Problem sein kann, in denen feine Endbearbeitungen gefordert werden. Ferner können ultraharte Erzeugnisse, beispielsweise PCD und PCBN im allgemeinen nicht direkt auf eine metallische Unterlage aufgelötet werden. Sie werden deshalb häufig in Kombination mit einer Sinterkarbidunterlage gesintert. Die zweilagige Natur solcher ultraharter Erzeugnisse kann problematisch werden im Hinblick auf thermo-mechanische Beanspruchungen zwischen den beiden Materialien: unterschiedliche Expansion und Schrumpfung beim Aufheizen und Abkühlen aufgrund unterschiedlicher thermischer Ausdehnungskoeffizienten und Elastizitätsmodulen kann zur Rissebildung oder ungünstiger Restbeanspruchungen führen, wenn die Unterlage und das ultraharte Erzeugnis allzu unähnlich sind. Ein weiteres potentielles Problem solcher zweilagiger Materialien ist dasjenige der Erosion, d.h. bevorzugter Abnutzung der weniger abriebsfesten Karbidunterlage. Ferner ist die Bearbeitung ultraharter Erzeugnisse schwierig und kostspielig, während Karbiderzeugnisse relativ leicht zur endgültigen Geometrie geschliffen werden können.
Es wurden Anstrengungen unternommen, um einige dieser Probleme zu lösen.
US-Patent Nr. 4,525,178 beschreibt ein zusammengesetztes Material, welches eine Mischung aus einzelnen Diamantkristallen und Stücken an vorgesintertem Karbid einschließt. Die Mischung wird im diamantstabilen Bereich erhöhten Temperatur- und Druckbedingungen unterworfen, um einen zusammengesetzten polykristallinen Diamantkörper zu gewinnen. Die Mischung benutzt vorgesintertes Karbid und keine diskreten Karbidteilchen.
US-Patent Nr. 5,045,092 beschreibt ein Verfahren zum Ausbilden eines gesinterten Wolframkarbiderzeugnisses mit eingebetteten Diamantpartikeln. Bei diesem Verfahren werden die eingebetteten Diamantpartikel in situ erzeugt.
Das europäische Patent Nr. 0 256 829 beschreibt ein gesintertes Karbid, das in dem Ausmaß modifiziert ist, daß es bis zu 20 Gewichts-% an kubischen Bornitridpartikeln enthält. Das gesinterte Karbid wird vorzugsweise unter Synthesebedingungen des kubischen Bornitrids produziert, sodaß eine Beschädigung am kubischen Bornitrid minimal gehalten wird.
Das europäische Patent Nr. 0 583 916 beschreibt ein Verfahren zum Herstellen eines abrasiven Produkts, welches umfaßt: Bereitstellen einer Mischung aus Diamant- und diskreten Karbidteilchen, wobei die Diamantteilchen kleiner als die Karbidteilchen sind und in der Mischung in einer Menge von mehr als 50 Volumen-% zugegen sind, und Unterwerfen der Mischung erhöhten Temperatur- und Druckbedingungen, bei denen der Diamant kristallographisch stabil bleibt, in Anwesenheit eines Bindemetalls, welches zu einer Verbindung der Mischung zu einem hartem Konglomerat fähig ist.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Gemäß der Erfindung wird ein Verfahren zum Herstellen eines Schleiferzeugnisses vorgesehen, umfassend:

(1) Bereitstellung einer Mischung aus einer Masse aus diskreten Karbidpartikeln und einer Masse aus Diamantpartikeln, wobei die Diamantpartikel in der Mischung in einer solchen Menge vorhanden sind, daß der Diamantgehalt des Schleiferzeugnisses 10 bis 18 Gewichts-% einschließlich beträgt; und
(2) Unterwerten der Mischung erhöhten Temperatur- und Druckbedingungen, bei denen der Diamant kristallographisch stabil ist und bei denen im wesentlichen kein Graphit gebildet wird, in Gegenwart eines Bindemittels, das zum Verbinden der Mischung zu einem kohärenten gesinterten Erzeugnis befähigt ist, um das Schleiferzeugnis zu gewinnen, wobei das Bindemittel eine Kombination umfaßt aus:
(a) einem Übergangsmetall oder einer Übergangsmetalllegierung, vorzugsweise Kobalt, Eisen oder Nickel oder Legierungen derselben;
(b) 0,5 bis 40 Volumen-% des Bindemittels (d.h. Metall (a) plus Metall (b)) aus einem zweiten Metall, ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus Silizium, Titan, Zirkon, Molybdän, Niob, Wolfram, Vanadium, Hafnium, Tantal, Chrom, Mangan, Bor, Beryllium, Cerium, Thorium und Ruthenium, oder einer Legierung des zweiten Metalls, oder Chromkarbid, um einen stärkeren Karbidbildner als das Übergangsmetall oder die Übergangsmetalllegierung vorzusehen.

Das Metall (a) wird vorzugsweise in pulvriger Form vorgesehen, kann jedoch auch in Form eines organischen Vorgängers oder Salzvorgängers zugegeben werden, der anschließend pyrolisiert wird, um in fein dispergiertem Metall zu resultieren.
Das Metall (b) kann in gepulverter Form vorgesehen werden, kann aber auch in Form einer organischen Vorstufe oder einer Salzvorstufe zugegeben werden. Zusätzlich kann das Metall (b) Chrom sein und in der Form eines nichtstöchiometrischen Karbids vorgesehen werden, oder in der Form eines stöchiometrischen Karbids, wo dieses im Metall (a) ausreichend löslich ist, so daß das Metall (b) durch das Metall (a) hindurch wandern kann.
Die Metalle (a) und (b) können auch in der Form einer Legierung der Metalle (a) und (b) vorgesehen werden.
Das Bindemetall oder die Bindelegierung, z. B. die Metalle (a) und (b), können mit den Karbidpartikeln und mit den Diamantpartikeln vermischt werden, und die Mischung kann dann als solche gesintert werden, oder die Mischung kann zuerst kalt gepreßt werden, um vor dem Sintern einen schwachen jedoch kohärenten Körper zu erzeugen.
Alternativ können das Bindemetall oder die Bindelegierung, z. B. die Metalle (a) und (b), in der Form einer separaten Schicht nahe bei der Diamant-Karbid-Mischung zugeführt und während des Schrittes der Hochtemperatur/Hochdruck-Behandlung infiltriert werden.
Die Diamantpartikel sind in der Mischung vorzugsweise in einer solchen Menge zugegen, daß der Diamantgehalt des Schleiferzeugnisses von 10 bis 18 Gewichts-% einschließlich beträgt.
Die Diamantpartikel können fein oder grob sein. Die Diamantpartikel haben vorzugsweise eine Teilchengröße im Bereich von 0,2 μm bis 70 μm einschließlich, vorzugsweise weniger als 20 μm, noch vorzugsweiser weniger als 10 μm.
Das Bindemetall oder die Bindelegierung wird vorzugsweise in einer Menge von 2 bis 20 Gewichts-% einschließlich bezogen auf das Schleiferzeugnis verwendet, noch vorzugsweiser von 5 bis 20 Gewichts-% bezogen auf das Schleiferzeugnis, am meisten bevorzugt weniger als 15 Gewichts-% bezogen auf das Schleiferzeugnis.
Die Karbidpartikel können irgendwelche Karbidpartikel sein, wie sie bei der Herstellung herkömmlicher Sinterkarbide verwendet werden. Beispiele geeigneter Karbide sind Wolframkarbid, Tantalkarbid, Titankarbid und Mischungen von zweien oder mehr derselben.
Die Karbidpartikel haben vorzugsweise eine Teilchengröße im Bereich von 0,1 μm bis 10 μm einschließlich.
Das Sintern der Mischung aus Karbid- und Diamantpartikeln und der Bindelegierung findet vorzugsweise statt bei einer Temperatur im Bereich von 1300°C bis 1600°C einschließlich und bei einem Druck von 40 bis 70 kbar ein schließlich.
Dieser Schritt wird vorzugsweise unter kontrollierten nichtoxidierenden Bedingungen durchgeführt.
Das Sintern der Mischung aus Karbid- und Diamantpartikeln und der Bindelegierung kann in einem herkömmlichen Hochtemperatur-/Hochdruckapparat ausgeführt werden. Die Mischung kann direkt in die Reaktionskapsel eines solchen Apparates eingebracht werden. Alternativ kann die Mischung auf einer gesinterten Karbidunterlage oder einer Aussparung, die in einer Karbidunterlage ausgebildet ist, plaziert und in dieser Form in die Kapsel eingebracht werden.
Bei einem bevorzugten Verfahren der Erfindung sind vor dem Sintern flüchtige Bestandteile von den Karbidpartikeln, den Diamantpartikeln und der Bindelegierung entfernt, z. B. durch Aufheizen derselben in einem Vakuum. Diese Komponenten werden dann vorzugsweise vakuumabgedichtet, beispielsweise durch Elektronenstrahlverschweißung vor dem Sintern. Das Vakuum kann beispielsweise ein Vakuum von 1 mbar oder weniger sein, und die Aufheizung kann bei einer Temperatur im Bereich von 500°C bis 1200°C einschließlich stattfinden.
Das Schleiferzeugnis, welches durch das Verfahren der Erfindung gewonnen wird, kann als ein abrasives Erzeugnis für abschleifende Materialien benutzt werden, oder auch als ein verschleißfestes Material, insbesondere in Werkzeugteilen oder -einsätzen, die aus einer abrasiven Kompaktierung bestehen, die mit einer gesinterten Karbidunterlage verbunden ist. Typische Anwendungen schließen das Schneiden von Holz- und Baumaterialien wie auch die Bearbeitung verschiedener Nichteisenmetall-Werkstücke ein.
BESCHREIBUNG VON AUSFÜHRUNGSBEISPIELEN
Der springende Punkt der Erfindung ist ein Verfahren zur Herstellung eines abrasiven Erzeugnisses durch Vermittlung einer Mischung aus einer Masse aus diskreten Karbidteilchen und einer Masse aus Diamantteilchen und Unterwerfung der Mischung erhöhten Temperatur- und Druckbedingungen, bei denen der Diamant kristallografisch stabil bleibt und bei denen im wesentlichen kein Graphit gebildet wird, in Anwesenheit eines Bindemetalls oder einer Bindelegierung, die befähigt ist, die Mischung zu einem kohärenten, gesinterten Produkt zu verbinden. Die Diamantteilchen sind in der Mischung in einer solchen Menge vorhanden, daß der Diamantgehalt des abrasiven Erzeugnisses 10 bis 18 Gewichts-% einschließlich beträgt.
Das produzierte Schleiferzeugnis ist in der Tat ein gesintertes Karbid, welches durch die Hinzufügung von Diamantteilchen modifiziert ist. Das Hinzufügen dieser Teilchen erteilt dem gesinterten Karbid größere Abriebs- und Verschleißfestigkeitseigenschaften.
Das produzierte Schleiferzeugnis muß im wesentlichen frei von Graphit sein. Die Anwesenheit irgendeiner bedeutsamen Menge an Graphit reduziert die Schleif-/Verschleißfestigkeitseigenschaften des Produkts. Bei der Herstellung des Erzeugnisses ist es wichtig, Bedingungen zu wählen, unter denen dies erreicht wird.
Der Sinterschritt wird in der Gegenwart eines Bindemittels ausgeführt, welches eine Kombination umfaßt aus (a) einem Übergangsmetall oder einer Übergangsmetalllegierung und (b) von 0,5 bis 40 Volumen-% bezogen auf das Bindemittel eines zweiten Metalls, das ein stärkerer Karbidbildner als das Übergangsmetall oder die Übergangsmetalllegierung ist, oder einer Legierung dieses zweiten Metalls.
Da die karbidbildenden Metalle dazu tendieren, mit den Diamantteilchen zu reagieren, können hohe Mengen dieser Metalle in einem übermäßigen Verlust der Diamantphase und in der Bildung eines hohen Anteils unerwünschter brüchiger Phasen resultieren. Deshalb wird das Metall (b) in einer Menge von 0,5 bis 40 Volumen-% bezogen auf das Bindemittel verwendet, d.h. den Gesamtmetallgehalt, und dies erwies sich als ausreichend, um zu einem hoch verschleißfesten Produkt zu gelangen.
Die Anwesenheit des Metalles (b) führt zur verbesserten Bindung der Diamantkörner an die Karbidmatrix und somit zu einer Verbesserung in den Eigenschaften des hergestellten Abrieberzeugnisses.
Die Erfindung wird nunmehr im einzelnen mit Bezug auf die nachfolgenden Beispiele beschrieben:
Beispiel 1 (vergleichsweise)
Eine Pulvermischung aus 14,9 Gewichts-% Diamant, 75,7 Gewichts-% Wolframkarbid und 9,4 Gewichts-% Kobalt, alle im Größenbereich von 1 bis 2 Micron, wurde in einer Planetenkugelmühle sorgfältig durchgemischt so daß sich eine homogene Vermischung dieser Materialien ergab. Die Mischung wurde in einer Achsrichtung kompaktiert, so daß sich ein kohärenter Preßling bildete. Der Preßling wurde in eine Blechbüchse eingebracht und anschließend unter Vakuum bei 1100°C entgast und durch Elektronenstrahlverschweißung abgedichtet. Die abgedichteten Behälter wurden in die Reaktionskapsel einer Standard-Hochdruch/Hochtemperatur-Vorrichtung eingebracht und die beschickten Kapseln wurden im Reaktionszentrum dieser Vorrichtung plaziert. Der Inhalt der Kapseln wurde einer Temperatur von 1450°C und einem Druck von 50 kbar ausgesetzt. Diese Bedingungen wurden während 10 min aufrecht erhalten. Nach Abschluß der Behandlung wurde der Büchse ein gut gesintertes, hartes und verschleißfestes Material entnommen.

Die Abriebsfestigkeit des Material wurde unter Verwendung eines Drehtests untersucht, wobei mit Siliziumdioxidmehl gefülltes Epoxyharz unter den folgenden Bedingungen bearbeitet wurde:

Probenformat:	90°-Quadrant 3,2 mm dick
Werkzeughalter:	neutral
Gangwinkel:	0°
Freiraumwinkel:	6°
Schneidgeschwindigkeit:	10 m/min
Schnittiefe:	1,0 mm
Vorschubgeschwindigkeit:	0,3 mm/rev

Versuchsdauer:

60 s

Unter den angegebenen Bedingungen zeigte das Material eine maximale Freiflächenabnutzungsbreite von 0,21 mm.
Beispiel 2
Zur Festlegung des Vorteils eines "aktiveren" karbidbildenden Metalls, in diesem Falle Cr₃C₂, wurde unter Benutzung des Verfahrens nach Beispiel 1 die folgende Mischung hergestellt:
14,9 Gewichts-% Diamant
75,7 Gewichts-% Wolframkarbid
8,5 Gewichts-% Kobalt
0,9 Gewichts-% Chromkarbid (Cr₃C₂)
Unter Verwendung des gleichen Drehtests wie in Beispiel 1 zeigte das Material eine maximale Freiflächenabnutzungsbreite von 0,11 mm.
Beispiel 3:
Eine weitere Probe wurde vorbereitet, um den Vorteil von Chrom als karbidbildendes Metall festzulegen, was dieses Mal nicht als Karbid sondern als Metall eingeführt wurde:
14,9 Gewichts-% Diamant
76,0 Gewichts-% Wolframkarbid
5,7 Gewichts-% Kobalt
2,3 Gewichts-% Nickel
1,1 Gewichts-% Chrom
Unter Verwendung desselben Drehtests wie in Beispiel 1 zeigt das dargestellte Material eine maximale Freiflächenabnutzungsbreite von 0,09 mm.

Claims

Ein Verfahren zum Herstellen eines Schleiferzeugnisses umfassend: (1) Bereitstellen einer Mischung aus einer Masse aus diskreten Karbidpartikeln und einer Masse aus Diamantpartikeln, wobei die Diamantpartikel in der Mischung in einer solchen Menge vorhanden sind, daß der Diamantgehalt des Schleiferzeugnisses 10 bis 18 Gewichts-% einschließlich beträgt; und (2) Unterwerfen der Mischung erhöhten Temperatur- und Druckbedingungen, bei denen der Diamant kristallographisch stabil ist und bei denen im wesentlichen kein Graphit gebildet wird, in Gegenwart eines Bindemittels, das zum Verbinden der Mischung zu einem kohärenten, gesinterten Erzeugnis geeignet ist, um das Schleiferzeugnis zu gewinnen, wobei das Bindemittel eine Kombination umfaßt aus: (a) einem Übergangsmetall oder einer Übergangsmetalllegierung; und (b) 0,5 – 40 Volumen-% des Bindemittels aus einem zweiten Metall, ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus: Silizium, Titan, Zirkon, Molybdän, Niob, Wolfram, Vandium, Hafnium, Tantal, Chrom, Mangan, Bor, Beryllium, Cerium, Thorium und Ruthenium, oder einer Legierung des zweiten Metalls, oder Chromcarbid, um einen stärkeren Karbidbildner als das Übergangsmetall oder die Übergangsmetalllegierung zu bilden.
Ein Verfahren nach Anspruch 1, bei dem das Übergangsmetall aus der Gruppe bestehend aus Kobalt, Eisen und Nickel ausgewählt ist.
Ein Verfahren nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, bei dem das Metall (a) entweder in pulverisierter Form oder in der Form einer organischen Vorstufe oder Salzvorstufe vorgesehen wird, die anschließend pyrolisiert wird, um in fein dispergiertem Metall zu resultieren.
Ein Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, bei dem das Metall (b) entweder in pulverisierter Form; oder in der Form einer organischen Vorstufe oder Salzvorstufe vorgesehen wird.
Ein Verfahren nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, bei dem das Metall (a) und das Metall (b) in Form einer Legierung des Metalls (a) mit dem Metall (b) vorgesehen sind.
Ein Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, bei dem in Schritt (1) das Bindemittel mit den Karbidpartikeln und mit den Diamantpartikeln vermischt wird, und in Schritt (2) die Mischung den erhöhten Temperatur- und Druckbedingungen unterworfen wird.
Ein Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, bei dem in Schritt (1) das Bindemittel mit den Karbidpartikeln und mit den Diamantpartikeln vermischt wird, worauf die Mischung zur Erzeugung eines schwachen, kohärenten Körpers kaltgepreßt wird, und in Schritt (2) der schwache, kohärente Körper den erhöhten Temperatur- und Druckbedingungen unterworfen wird.
Ein Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, bei dem in Schritt (1) das Bindemittel in der Form einer separaten Schicht nahe bei der Mischung der Masse der Karbidpartikel und der Masse der Diamantpartikel zugeführt wird, und in Schritt (2) das Bindemittel infiltriert wird, wenn die Mischung den erhöhten Temperatur- und Druckbedingungen unterworfen wird.
Ein Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, bei dem die Diamantpartikel eine Teilchengröße im Bereich von 0,2 μm bis 70 μm einschließlich haben.
Ein Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, bei dem das Bindemittel in einer Menge von 2 bis 20 Gewichts-% einschließlich bezogen auf das Schleiferzeugnis verwendet wird.
Ein Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 10, bei dem die Karbidpartikel aus der Gruppe ausgewählt sind, die besteht aus: Wolframkarbidpartikeln, Tantalkarbidpartiken, Titankarbidpartikeln und aus Mischungen von zweien oder mehr derselben.
Ein Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 11, bei dem die Karbidpartikel eine Teilchengröße im Bereich von 0,1 μm bis 10 μm einschließlich haben.
Ein Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 12, bei dem die erhöhten Temperatur- und Druckbedingungen eine Temperatur im Bereich von 1300°C bis 1600°C einschließlich und ein Druck von 40 kbar bis 70 kbar einschließlich sind.
Ein Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 13, bei dem der Schritt (2) unter kontrollierten nichtoxidierenden Bedingungen durchgeführt wird.