DE69125487T2

DE69125487T2 - Schleifkörperpressling aus kubischem bornitrid und verfahren zu seiner herstellung

Info

Publication number: DE69125487T2
Application number: DE69125487T
Authority: DE
Inventors: Alfred Edward Redhill Act 2603 Ringwood
Original assignee: Australian National University
Current assignee: Diamond Innovations Inc
Priority date: 1990-05-25
Filing date: 1991-04-17
Publication date: 1997-10-09
Anticipated expiration: 2011-04-18
Also published as: ATE151064T1; DK0531310T3; EP0531310A1; AU7753891A; EP0531310A4; ZA913464B; US5288297A; WO1991018844A1; JPH05506205A; EP0531310B1; CA2083693A1; JP3091221B2; CA2083693C; DE69125487D1; AU643280B2; IE911714A1; IN176315B

Description

TECHNISCHES GEBIET

Diese Erfindung bezieht sich auf einen verbesserten Schleifpreßling der sich hauptsächlich aus kubischem Bornitrid (CBN) zusammensetzt, sowie auf ein Verfahren diesen Preßling herzustellen.
Viele verschiedene Arten von CBN-Preßlingen wurden bisher in der Literatur beschrieben, deren Eigenschaften über einen weiten Bereich variieren. Im allgemeinen versteht man unter einem CBN-Preßling einen polykristallinen Körper mit hoher Schleifwirkung und niedriger oder vernachlässigbarer Porosität, der sich aus mehr als 50 Vol.- % CBN-Kristallen zusammensetzt und einen verhältnismäßig hohen Prozentsatz von Kontaktstellen zwischen den einzelnen CBN-Kristallen aufweist.
Bei einer bestimmten Klasse von CBN-Preßlingen, welche normalerweise mehr als 80 Vol.-% CBN-Kristalle enthält, glaubt an, daß die Kristalle an ihren Kontaktstellen durch direkte chemische Bindungen zwischen Bor und Stickstoff zusammengehalten werden. Das bedeutet, daß die CBN- Kristallstruktur zwischen den angrenzenden CBN-Kristallen im wesentlichen durchgehend ist. Repräsentative US-Patente die diese Klasse von Preßlingen beschreiben, sind 3,743,489 (Wentorf et al.) und 4,666,466 (Wilson).
US-Patent Nr. 3,743,489 beschreibt einen Preßling aus kubischem Bornitrid, der aus einer auf einen Sinterkarbidträger gebundenen dünnen CBN-Schicht besteht. Der Preßling setzt sich aus einer Verwachsung von CBN- Kristallen und einer geringeren Anzahl einer oder mehrerer metallischer Phasen, die Aluminium und zumindest ein Element aus der Gruppe Nickel, Kobalt, Mangan, Eisen, Vanadium und Chrom beinhalten. Der Preßling wird im thermodynamischen Stabilitätsbereich von CBN, vorzugsweise bei ungefähr 55 Kilobar und 1300-1600ºC, hergestellt. US-Patent Nr. 4,666,466 beschreibt einen Preßling aus monolithischem, kubischem Bornitrid, der aus mindestens 80 Gew.-% CBN- Kristallen besteht, die direkt zueinander gebunden sind und mit einer kleinen Menge Bindungsmatrix, bestehend aus Aluminiumnitrid und/oder Aluminiumdiborid, verwachsen sind. Dieser Preßling wird auch im thermodynamischen Stabilitätsbereich von CBN, vorzugsweise bei 50-65 Kilobar und 1400-1600ºC, hergestellt. US-Patent Nr. 3,944,398 (Bell) beschreibt einen CBN-Preßling, in dem CBN-Teilchen durch eine Verwachsung gebunden werden, die durch eine Reaktion zwischen eingemischten Siliziumnitridteilchen und Aluminium oder einer Aluminiumlegierung zustande kommt. Dieser Preßling wird auch im thermodynamischen Stabilitätsbereich von CBN, vorzugsweise bei ungefähr 55 Kilobar und 1300ºC, hergestellt. US-Patent Nr. 3,852,078 (Wakatsuki et al.) beschreibt einen CBN-Preßling, der durch Mischen von hexagonalem Bornitridpulver mit einer großen Zahl feuerfester Stoffe und Titandiborid geformt wird, wobei die Mischung Drücken und Temperaturen im thermodynamischen Stabilitätsbereich von CBN, vorzugsweise ungefähr 75 Kilobar und 1700ºC, ausgesetzt wird.
Es gibt eine zweite Klasse von CBN-Preßlingen, die sich aus mehr als 50 Vol.-% CBN und weniger als 50 Vol.-% Bindestoffen zusammensetzen, worin die CBN-Kristalle an ihren gemeinsamen Kontaktstellen nicht fest gebunden sind, ünd worin die Kohäsion des Preßlings hauptsächlich aus der Bindung zwischen den CBN-Kristallen und den Bindemitteln resultiert. Diese Klasse von Preßlingen wurde bei niedrigem Druck im thermodynamischen Stabilitätsbereich von hexagonalem Bornitrid, sowie bei hohen Drücken im thermodynamischen Stabilitätsbereich von CBN hergestellt.
US-Patent Nr. 4,353,714 (Lee et al.) beschreibt einen Preßling der letzteren Klasse, der aus 65-85 Vol.-% CBN besteht und hauptsächlich durch Elementarsilizium gebunden ist. Dieses Elementarsilizium wurde in eine Masse metallisierter CBN-Kristalle bei einer Temperatur von etwa 1500ºC und einem Druck von etwa 1 Kilobar infiltriert. Nach diesem Verfahren hergestellte Preßlinge sind weit schwächer und besitzen eine niedrigere Schleifwirkung als jene, die nach dem Verfahren der ersten Klasse hergestellt wurden; sie können jedoch mit größeren Abmessungen hergestellt werden. US-Patent Nr. 4,220,455 (St. Pierre et al.) beschreibt einen Preßling, der sich hauptsächlich aus einer Mischung von CBN- Kristallen und Elementarkohlenstoff zusammensetzt, wobei der Elementarkohlenstoff durch geschmolzenes Silizium in einem Vakuum und bei einer Temperatur von mehr als 1400ºC infiltriert wurde. Das Silizium reagiert teilweise mit dem Kohlenstoff, wodurch Siliziumkarbid entsteht, was sich fest mit den CBN-Kristallen verbindet. Der Preßling setzt sich daher aus einer durch ein Gemisch von Siliziumkarbid und Silizium gebundenen CBN-Kristallmasse zusammen. Diese Art von Preßling ist weit schwächer und besitzt eine weitaus geringere Schleifwirkung als jene der ersten Klasse, sie kann jedoch auch mit größeren Abmessungen hergestellt werden.
US-Patent Nr. 4,334,928 (Hara und Yazu) beschreibt einen Preßling bestehend aus 80 bis 10 Vol.-% CBN, der hauptsächlich durch ein Karbid, Nitrid oder Karbonitrid von Ti, Zr, Hf, v, Nb oder Ta gebunden wird. In einer Ausführungsart dieser Erfindung wird ein kleiner Anteil TiB&sub2; durch eine Teilreaktion von TiN mit CBN produziert. In einer anderen Ausführungsart wird Silizium in kleinen Mengen den obengenannten hauptsächlichen Bindemitteln zugegeben, um die Umwandlung von hexagonalem BN auf CBN zu katalysieren. Das Silizium ist in dem sich ergebenden Verbundstoff als TiSi&sub2; vorhanden. Diese Erfindung wird bei relativ hohen Drücken im thermodynamischen Stabilitätsbereich von CBN durchgeführt.
Ein Fachmann kann nun ohne weiteres erkennen, daß die Eigenschaften der in den Schriften vorgeschlagenen CBN- Preßlinge über einen extrem weiten Bereich variieren können, je nach ihrer Zusammensetzung, Struktur, Art ihrer Bindung, sowie deren Drücke, Temperaturen und Herstellungsdauer. Viele Preßlinge, und speziell jene die im thermodynamischen Stabilitätsbereich von hexagonalem Bornitrid üblicherweise unter 40 Kilobar hergestellt wurden, können zwar eine sehr gute Schleifwirkung aufweisen, besitzen jedoch eine relativ geringe Beständigkeit und Druckfestigkeit. Diese Art mag zwar für bestimmte Schleifanwendungen brauchbar sein, kann aber praktisch nicht angewendet werden, wo eine Kombination von großer Härte und großer Beständigkeit, wie z.B. beim Drehen, Bohren und Schleifen von Rartmetallegierungen, notwendig ist. CBN-Preßlinge für diese Anwendungsgebiete sollen eine Kombination von hoher Druckfestigkeit (mindestens 10 Kilobar) und hoher Bruchbeständigkeit haben, und sollten dem Sinter-Wolframkarbid beim Drehen von Hartmetallegierungen weit überlegen sein. Diese Erfindung bezieht sich auf einen Preßling der letzteren Kategorie.
Ein Ziel einer bevorzugten Ausführungsart der vorliegenden Erfindung ist es, einen CBN-Preßling bei relativ niedrigen Drücken, vorzugsweise zwischen 10-40 Kilobar, zu produzieren, wobei dieser Preßling Eigenschaften aufweist, die zumindest die gleichen Vorteile bieten wie jene die nach den US-Patenten Nr. 3,743,489 und Nr. 4,666,466 unter drücken vorzugsweise im Bereich von 50-60 Kilobar hergestellt werden. Ein weiteres Ziel einer bevorzugten Ausführungsart der vorliegenden Erfindung ist es, CBN-Preßlinge die größer sind als jene die nach den oben genannten Patenten leicht produziert werden können, günstig herzustellen. Durch die größeren Abmessungen können die Preßlinge wirkungsvoll in im wesentlichen neuen und industriell wichtigen Anwendungsgebieten, wie z.B. Schleifkörper, eingesetzt werden. Ein weiteres Ziel der vorliegenden Erfindung ist es, CBN-Preßlinge herzustellen, deren elektrische Leitfähigkeit hoch genug ist um sie durch elektrische Entladungsbearbeitung (Funkenerosion) leicht formen zu können. Diese Verfahrensweise ist auf das monolithische CBN-Produkt "Amborite", das von der Firma De Beers hergestellt wird, nicht leicht anwendbar, da dieses eine relativ niedrige elektrische Leitfähigkeit aufweist.
"Derwent" Auszugsnummer 44258C/25 und JP-A-55-062861 beschreiben die Herstellung von Sinterstoffen mit hoher Beständigkeit sowie hohem Verschleiß- und Korrosionswiderstand die CBN enthalten, indem Bornitrid in Pulverform, Metallkarbid in Pulverform, Nitrid, Bor oder Borgemische, Borkarbid, Siliziumnitrid und/oder Siliziumkarbid vermischt und einem hohen Druck sowie einer hohen Temperatur ausgesetzt werden.
EP-A-0368069 beschreibt die Zubereitung von gesinterten polykristallinen CBN-Massen/Keramikmassen, bei denen ein Gemisch von graphitischem Bornitrid (GBN) und eines oder mehrerer keramischer Stoffe oder Metalle, die mit BN reagieren, hohen Drücken und Temperaturen ausgesetzt werden um eine Umwandlung des GBN auf CBN anzuregen, was die Umwandlung irgendeines der Metalle in sein entsprechendes Cermet anregt und die CBN-Masse/Keramikmasse formt.

ÖFFENLEGUNG DER ERFINDUNG

Vorgesehen nach der Erfindung ist ein Verfahren zur Herstellung eines CBN-Preßlings durch inniges Vermischen einer Masse aus teilchenförmigen CBN-Kristallen mit einem Bindemittel und Einwirkenlassen einer erhöhten Temperatur und eines erhöhten Drucks auf das Gemisch, dadurch gekennzeichnet, daß die CBN-Kristalle und das Bindemittel miteinander im Verhältnis 95 bis 60 Vol.-% CBN und 5 bis 40 Vol.-% Bindemittel gemischt werden, das Bindemittel mindestens eine Legierung oder intermetallische Verbindung aus
(i) Silizium
mit (ii) (irgend) einem oder mehreren der Metalle Titan, Zirkonium und Hafnium in den Atomanteilen Si&sub3;&sub0;M&sub7;&sub0; bis Si&sub9;&sub8;M&sub1;&sub5; (M steht für (ein) Atom(e) des (der) Metall(s) (e)) umfaßt;
das Gemisch aus CBN-Kristallen und Bindemittel Temperaturen im Bereich von 900 bis 1800ºC und Drücken im Bereich von 5 bis 70 Kilobar ausgesetzt wird; und die Temperatur- und Druckbedingungen, die auf das Gemisch einwirken, mindestens etwa 30 s lang aufrechterhalten werden und damit ausreichend lange, um den Hauptteil der Si- und M-Atome des Bindemittels mit den CBN-Kristallen unter in-situ-Bildung einer Bindungsmatrix in Form eines innigen Gemischs aus zwei Phasen, von denen eine aus Siliziumnitrid (Si&sub3;N&sub4;) besteht oder häuptsächlich dieses umfaßt und die andere aus einer elektrisch leitfähigen metallischen Dibond (MB&sub2;)-Phase besteht und wobei jede dieser Phasen mindestens 25 Vol.-% der Bindungsmatrix ausmacht, zur Reaktion zu bringen.
Das Bindemittel enthält vorzugsweise die Silizium- und Metallatome in den Atomanteilen Si&sub4;&sub0;M&sub6;&sub0; bis Si&sub7;&sub0;M&sub3;&sub0;. Genauer ausgedrückt enthält ein bevorzugtes Bindemittel die Silizium- und Metallatome in den Atomanteilen Si&sub6;&sub0;M&sub4;&sub0;.
Obiges Bindemittel kann sich zusammensetzen aus:
(A) einer Legierung oder einer intermetallischen Verbindung zwischen Silizium und den Metallatomen;
(B) einem Gemisch von Legierungen oder intermetallischen Verbindungen von Silizium und den Metallatomen.
Vorzugsweise werden die Temperaturen und die Drücke sequentiell und über eine zur Herbeiführung einer merklichen plastischen Deformation der CBN-Kristalle ausreichende Zeit hinweg angelegt.
Ein bevorzugtes Bindemittel ist eine Legierung oder ein Gemisch intermetallischer Verbindungen von Silizium und Titan in den allgemeinen Atomanteilen Si&sub7;&sub0;Ti&sub3;&sub0; bis Si&sub4;&sub0;Ti&sub6;&sub0;, und vorzugsweise in den Atomanteilen Si&sub6;&sub0;Ti&sub4;&sub0;.
Die Erfindung sieht auch einen Schleifpreßling vor, bestehend aus kubischen Bornitrid (CBN)-Kristallen die durch eine Bindungsmatrix gebunden sind, dadurch gekennzeichnet, daß der Preßling 40 bis 90 Vol.-% an kubischen Bornitrid(CBN)-Kristallen, die durch 60 bis 10 Vol.-% der Bindungsmatrix gebunden sind, enthält, und die Bindungsmatrix hauptsächlich aus einem innigen Gemisch aus zwei Phasen, von denen eine aus Siliziumnitrid (Si&sub3;N&sub4;) besteht oder vornehmlich dieses umfaßt und die andere aus einer metallischen Dibond (MB&sub2;)-Phase (M steht für Metallatome, ausgewählt aus der Gruppe Titan-, Zirkoniumund Hafniumatome) besteht und wobei jede der Phasen mindestens 25 Vol.-% der Bindungsmatrix ausmacht, besteht, wobei die Bindungsmatrix für eine feste und kohärente Bindung zwischen den CBN-Kristallen sorgt, die CBN-Kristalle im wesentlichen durch angrenzende Filme der Siliziumnitridphase umgeben sind, die metallische Diboridphase von den CBN-Kristallen durch die Siliziumnitridphase im wesentlichen getrennt ist und ein untereinander verbundenes elektrisch leitendes Netzwerk bildet, so daß der Preßling eine ausreichend hohe elektrische Leitfähigkeit besitzt, um durch elektrische Entladungsbearbeitung (Funkenerosion) in eine Form gebracht werden zu können. Vorzugsweise ist der Preßling durch eine Druckfestigkeit von mindestens 10 Kilobar gekennzeichnet und weist eine elektrisch leitende Diboridphase auf, wodurch der Preßling eine ausreichend hohe elektrische Leitfähigkeit besitzt, um durch elektrische Entladungsbearbeitung (Funkenerosion) in eine Form gebracht werden zu können.
Vorzugsweise zeigen die CBN-Kristalle an den Grenzen zwischen benachbarten Kristallen eine wesentliche plastische Deformation und die Bindungsmatrix dringt längs dieser Grenzen zwischen benachbarten Kristallen ein, um dabei ein wechselseitig verbundenes, elektrisch leitendes Netzwerk zu bilden.

DIE BESTEN AUSFÜHRUNGSARTEN DER ERFINDING

In der folgenden Beschreibung dieser Erfindung wird angenommen, daß für die Herstellung der CBN-Preßlinge Titan, Titansilizid oder Titandiborid als Bestandteil des Bindemittels und/oder der Bindungsmatrix verwendet wird. Es ist jedoch zu verstehen, daß der oben angeführte Titanbestandteil durch Zirkonium, Zirkoniumsilizid oder Zirkoniumdiborid, oder auch durch Hafnium, Hafniumsilizid oder Hafniumdiborid, oder auch durch Gemische, Legierungen und/oder Lösungen dieser drei Metalle und ihrer Verbindungen ersetzt werden kann. Beispiele 9 und 10 beschreiben die Verwendung von Hafnium- und Zirkoniumsiliziden in der Herstellung von CBN-Preßlingen nach dem Verfahren dieser Erfindung, während Beispiel 11 die gemeinsame Verwendung von Hafnium- und Titansiliziden darstellt.
Drücke im Bereich von 10-40 Kilobar werden zur Herstellung eines Preßlings nach einer bevorzugten Ausführungsart der vorliegenden Erfindung verwendet. Die mechanische Festigkeit der Preßlinge ist stark reduziert sobald der Druck unter 10 Kilobar fällt; es können jedoch Preßlinge mit brauchbaren Eigenschaften bei Drücken unter 5 Kilobar produziert werden. CBN-Preßlinge nach der vorliegenden Erfindung können sogar bei Herstelldrücken von 70 Kilobar geformt werden. In den meisten Fällen ist jedoch die Qualität so hergestellter Preßlinge nicht wesentlich denen überlegen, die bei 40 Kilobar hergestellt wurden. Wird die Erfindung bei Drücken unter 40 Kilobar hergestellt, so hat dies den wichtigen Vorteil, daß eine relativ einfache Vorrichtung dazu verwendet werden kann im Vergleich zu einer eher komplizierten Vorrichtung für höhere Drücke über 50 Kilobar, wie in den US-patenten 3,743,489 und 4,666,466 beschrieben. Im letzteren Falle ist es notwendig Vorrichtungen zu verwenden wie sie im US-Patent 2,941,248 (Hall) beschrieben sind, in denen die Druckbehälter und die Kolben aus Wolframkarbid hergestellt sind und eine komplizierte Formgebung aufweisen, was die Größe des Arbeitsvolumens, in dem der Preßling hergestellt wird, stark reduziert. Ist andererseits der notwendige Druck zur Herstellung von qualitativ hochwertigen Preßlingen geringer als 40 Kilobar, so kann die verwendete Vorrichtung eine sehr einfache Form aufweisen, wie z.B. gerade ausgeführte Kolben die das Druckmittel axial in einem geraden Zylinder zusammendrückt. Eine Vorrichtung dieser Art kann ohne weiteres maßstäblich vergrößert werden um ein größeres Arbeitsvolumen zu erreichen und kann daher zur Herstellung entsprechend größerer Preßlinge verwendet werden. Weiterhin kann der Druckbehälter hauptsächlich aus Stahl hergestellt werden, was weit billiger ist als Wolframkarbid. Aufgrund dieser Faktoren können CBN-Preßlinge bei Drücken unter 40 Kilobar und unter wesentlich geringerem Kostenaufwand hergestellt werden als in der komplizierteren Vorrichtung die zur Produktion bei höheren Drücken erforderlich ist.
In einer zweiten Ausführungsart dieser Erfindung können hohe Drücke im Bereich von 40-70 Kilobar im thermodynamischen Stabilitätsbereich von CBN angewandt werden. Diese höheren Drücke sind vorteilhaft in Anwendungsfällen in denen die mittlere verwendete CBN- Teilchengröße kleiner als 5 µm ist.
Die Erfindung kann über einen großen Temperaturbereich ausgeführt werden. Die Temperaturen sollten ausreichend hoch sein um eine Reaktion des metallischen Bindemittels mit CBN zuzulassen, wodurch eine Bindungsmatrix, bestehend aus einer Verwachsung von Titandiborid und Siliziumnitrid, produziert wird. Diese Reaktion soll vorzugsweise nahe an die Vervollständigung herankommen. Der bevorzugte Temperaturbereich zum Erfüllen dieses Ziels liegt zwischen 1200 und 1600ºC, mehr bevorzugt ist jedoch der Bereich zwischen 1300 und 1500ºC. Zwar wurden widerstandsfähige Preßlinge bisher bei 1000ºC hergestellt, deren Festigkeit lag jedoch deutlich unter jener von Preßlingen die bei 1450ºC produziert wurden. Die Festigkeit von Preßlingen scheint sich zu verringern, sobald die Temperatur 1600ºC überschreitet, obwohl Preßlinge mit brauchbarer Festigkeit auch bei höheren Temperaturen hergestellt werden können. Der praktische Temperaturbereich zur Ausführung dieser Erfindung liegt zwischen 900 und 1800ºC.
Bei der Herstellung von CBN-Preßlingen nach einer bevorzugten Ausführungsart der Erfindung ist es vorteilhaft Druck und Temperatur sequentiell so anzulegen, daß eine maximale plastische Deformation der CBN-Kristalle erreicht wird. Dadurch werden Kontaktstellen zwischen angrenzenden CBN-Teilchen in zwei Dimensionen und zwar entlang Flächen statt an Punkten oder Kanten hergestellt. Dünne Filme einer Bindungsmatrix können sich zwischen solch nahe aneinanderliegenden Kristallen formen. Diese Struktur weist eine höhere Druckfestigkeit und Steifigkeit im entstehenden Preßling auf. Ein weiterer Vorteil ist, daß plastisch deformierte CBN-Kristalle härter sind als nicht deformierte Kristalle. Um die plastische Deformation von CBN-Kristallen zu maximieren, wird zuerst ein relativ niedriger Druck, z.B. 2-10 Kilobar angelegt um den Druckbehälter zu stabilisieren. Die Temperatur wird danach auf 1000-1200ºC erhöht, worauf der Druck über eine Zeitspanne von 2-15 Minuten langsam auf das bevorzugte Maß (z.B. 25 Kilobar) erhöht wird. Die allmähliche Druckerhöhung bei heißen CBN-Kristallen führt zu ausgedehnten plastischen Deformationen mit der oben angeführten vorteilhaften Wirkung.
Bei der Ausführung dieser Erfindung wird das Bindemittel vielmehr mit den CBN-Kristallen vorgemischt als daß es von außen infiltriert wird, wie im US-Patent 3,743,489 dargelegt. Das Vormischen unterstützt die harten CBN-Teilchen während der Druckapplikation und minimiert dadurch das umfangreiche Zerbrechen der CBN-Kristalle, was für den Infiltrationsprozeß kennzeichnend ist. Diese Vorgehensweise verbessert auch das Ausmaß der plastischen Deformation von CBN-Kristallen während der Druckapplikation.
Die Silizium-Titan-Legierung, die als bevorzugtes Bindemittel in der vorliegenden Erfindung dient, kann durch Vorreagieren eines Gemischs von Elementarsilizium und Titan hergestellt werden, um eine oder mehrere intermetallische Verbindungen wie z.B. Si&sub2;Ti, SiTi und Si&sub3;Ti&sub5; oder ein Gemisch davon zu formen. Dieses Bindemittel kann zubereitet werden indem Si- und Ti-Pulver innig vermischt werden, das Gemisch in einer evakuierten Silikaröhre verschlossen und die Röhre auf eine Temperatur von 1000-1200ºC 15-30 Minuten lang erhitzt wird. Das resultierende Produkt, eine Legierung die sich typischerweise hauptsächlich aus Si&sub2;Ti-Phasen und SiTi- Phasen zusammensetzt und eine Volumenzusammensetzung hat die vorzugsweise dem Si&sub3;Ti&sub2; gleichwertig ist, wird dann fein zermahlen bis es größtenteils feiner als 5 µm ist.
Zur Ausführung der vorliegenden Erfindung wird das fein zermahlene Bindemittel innig mit der CBN-Kristallmasse vermischt und dann in die Hochdruck/Hochtemperatur- Vorrichtung eingegeben. Das innige Vermischen des Bindemittels mit den CBN-Teilchen kann leicht in einer am Markt erhältlichen schwingenden Kugelmühle durchgeführt werden. Um ein gründliches Vermischen zu gewährleisten, ist die Teilchengröße des Bindemittels vorzugsweise kleiner als 20 µm, und noch mehr bevorzugt kleiner als 5 µm. Die Teilchengröße des Bindemittels sollte jedoch vorzugsweise nicht kleiner als 0,1 µm sein. Pulver mit kleineren Teilchengrößen sind mit verhältnismäßig großen Oxydschichten oder adsorbierten Gasen überzogen, was sich nachteilig auf die Qualität der Preßlinge auswirken kann. Die Teilchengröße der CBN-Pulver liegt vorzugsweise im Bereich von 1-1000 µm und noch mehr bevorzugt im Bereich von 2-200 µm. Sogar noch mehr bevorzugt sind CBN-Teilchen im Bereich von 3 bis 100 µm, wobei die Größenverteilung so gewählt wird, daß der Packungsgrad am höchsten ist.
In einer Ausführungsart dieser Erfindung kann die mittlere Teilchengröße der CBN-Kristalle kleiner als 5 um sein. Bei Verwendung solch kleiner Teilchen ist es jedoch wünschenswert höhere Drücke anzuwenden, die sich bis in den thermodynamischen Stabilitätsbereich von CBN erstrecken (z.B. 55 Kilobar bei 1350ºC), um Preßlinge zu produzieren die die optimale Kombination von Schleifeigenschaften aufweisen. Preßlinge die nach dieser Ausführungsart der Erfindung hergestellt wurden, produzieren aufgrund ihrer kleinen Teilchengrößen sehr glatte Oberflächen wenn sie zur spanabhebenden Bearbeitung eingesetzt werden.
Die Zeitspanne während der der maximale Druck und die maximale Temperatur auf das Einsatzgut einwirken (im folgenden als Einwirkzeit bezeichnet), richtet sich nach dem Ziel eine ausreichend starke Reaktion zwischen dem Bindemittel und den CBN-Teilchen zu bewirken, um die gewünschte Bindungsmatrix von Siliziumnitrid und Titandiborid herzustellen. Bei Temperaturen um 1400ºC und 25 Kilobar und einer Bindemittelzusammensetzung bestehend aus einer SixTiy-Legierung führen Einwirkzeiten zwischen 3 und 30 Minuten zu einem beträchtlichen Reaktionsgrad sowie einer Ausbalanzierung, bei gleichzeitigem Formen eines mechanisch starken Schleifpreßlings. Eine Einwirkzeit von 1 Minute produzierte zwar auch einen Preßling von ausreichender Qualität, dessen mechanische Eigenschaften waren jedoch den bei 5 Minuten Einwirkzeit hergestellten Mustern weit unterlegen. Die bei praktischer Anwendung kürzeste Einwirkzeit bei maximalem Druck und maximaler Temperatur wird als 30 Sekunden angenommen. Die Applikation von längeren Einwirkzeiten als 60 Minuten unter den bevorzugten Druck- und Temperaturbedingungen scheint keine großen praktischen Vorteile mit sich zu bringen.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung besteht das Bindemittel aus einem Gemisch intermetallischer Verbindungen von Titan und Silizium. Im Verlauf der Reaktion bei den gewünschten Druck- und Temperaturbedingungen reagiert das Bindemittel mit CBN nach der folgenden Gleichung:
4BN + Si&sub3;Ti&sub2; = 2TiB&sub2; + Si&sub3;N&sub4;
Nach dieser Gleichung liegt die bevorzugte Zusammensetzung des Bindemittels im Verhältnis 3 Atomanteile Silizium zu 2 Atomanteile Titan. Preßlinge mit optimalen Eigenschaften können bei Anwendung dieses Bindemittelverhältnisses erzielt werden. Beinhaltet die Zusammensetzung des Bindemittels einen höheren Siliziumanteil, so kann nichtreagiertes Silizium oder Silizide (z.B. Si&sub2;Ti) im Endprodukt vorhanden sein. Hat die Zusammensetzung des Bindemittels einen höheren Titananteil, so können zusätzliche TiSi-Verbindungen und/oder Titannitride vorhanden sein.
Obwohl das Atomverhältnis Si&sub3;Ti&sub2; bevorzugt ist, können sogar auch bei großer Veränderung der Zusammensetzung des Bindemittels immer noch brauchbare Muster hergestellt werden. Die bevorzugte Zusammensetzung (in Atomprozent) des Bindemittels liegt im Bereich von Si&sub3;&sub0;Ti&sub7;&sub0; bis Si&sub8;&sub5;Ti&sub1;&sub5; und noch mehr bevorzugt im Bereich von Si&sub4;&sub0;Ti&sub6;&sub0; bis Si&sub7;&sub0;Ti&sub3;&sub0;.
Bei der bevorzugten Ausführung der Erfindung setzt sich die in der Bindungsmatrix vorhandene Siliziumnitridphase hauptsächlich aus reinem Si&sub3;N&sub4; zusammen. Es ist jedoch bekannt daß es möglich ist einige der Stickstoffatome durch Sauerstoffatome zu ersetzen, und Aluminiumatome anstatt Silizium zu verwenden, wodurch eine Reihe fester Lösungen und Verbindungen geschaffen wird, die Kristallstrukturen besitzen die dem Beta-Siliziumnitrid nahe verwandt sind. Diese beinhalten die Sialone (Si8-xAlN8-xOx) und Siliziumoxynitride Si&sub2;N&sub2;O. Ist Sauerstoff im Bindemittel der vorliegenden Erfindung vorhanden, z.B. eingebracht durch Beimischen von B&sub2;O&sub3; oder TiO&sub2;, so kann der Sauerstoff in die Struktur des Siliziumnitrids entweder alleine oder zusammen mit Bor eindringen und feste Lösungen von Si8-xBxN8-xOx oder Siliziumoxynitrid formen. Es soll daher in Bezug auf die vorliegende Erfindung klargestellt sein, daß sich die Siliziumnitridphase aus im wesentlichen reinem β-Si&sub3;N&sub4; zusammensetzen kann oder, als Alternative, aus einer zumindest 50 Gew.-% Siliziumnitrid enthaltenden Phase mit einer Kristallstruktur, die nahe mit der von β-Si&sub3;N&sub4; verwandt ist, bestehen kann, aber auch kleinere Mengen anderer Elemente einschließlich Sauerstoff und/oder Bor und/oder Aluminium in fester Lösung enthält. Beispiel 13 beschreibt einen Preßling der ein Bindemittel dieser Art enthält. Die Fähigkeit der Siliziumnitridphase als "Senke" für den Sauerstoff zu fungieren ist eine nützliche Eigenschaft, durch die die kleinen Sauerstoffmengen, die sich oft an den Oberflächen von CBN befinden, möglicherweise als B&sub2;O&sub3;- Schichten, beseitigt und fixiert werden können. Die vorliegende Erfindung trifft auch auf Preßlinge zu, die α- Si&sub3;N&sub4; als Bindemittel enthalten; dieses polymorphe Siliziumnitrid ist jedoch normalerweise nur in unbedeutenden Anteilen anwesend.
Die nach der vorliegenden Erfindung mit den CBN- Teilchen vermischten Bindemittelanteile können auch über einen weiten Bereich verändert werden, je nach den für den Preßling gewünschten Eigenschaften. Die mit den CBN-Teilchen vermischten Anteile des SixTiy-Bindemittels liegen Vorzugsweise im Bereich von 5 bis 40 Vol.-%. Noch mehr bevorzugt sind Bindemittelanteile zwischen 10 und 25 Vol.-%. Verbindungen mit einem niedrigeren Bindungsmatrixverhältnis produzieren härtere aber weniger beständige Preßlinge im Gegensatz zu Preßlingen die aus Verbindungen mit einem höheren Anteil an Bindungsmatrix hergestellt wurden.
Es ist möglich andere Bindemittel zu verwenden deren Zusammensetzung ein Verhältnis von 3 Siliziumatomen zu 2 Titanatomen enthält. Es kann z.B. ein Bindemittel durch inniges Vermischen von Elementarsilizium und Titanpulver im Atomverhältnis 3:2 angesetzt werden, wobei dann dieses Bindemittel weiter mit CBN-Teilchen vermischt wird. Die Preßlinge die nach dieser Vorgangsweise hergestellt wurden zeigten jedoch kein hohes Maß an Festigkeit oder Schleifwirkung. Eine Alternativmethode wurde versucht, in der das Bindemittel als ein Gemisch eines feinen, teilcheh förmigen (kleiner oder gleich 5 µm) Siliziumnitrids und Titandiborid in einem solchen Verhältnis zugegeben wurde, daß die Volumszusammensetzung die Atomzusammensetzung Si&sub3;Ti&sub2; aufwies. Obwohl der in diesen Experimenten hergestellte Preßling jenen überlegen war, die Elementarsilizium und Titan als Bindemittel verwendeten, besaßen die resultierenden Preßlinge nicht die vorteilhaften mechanischen Eigenschaften wie die besten Preßlinge, die mit der bevorzugten Silizium-Titan-Legierung als Bindemittel hergestellt wurden.
Der deutliche Unterschied zwischen den Resultaten, die einerseits durch Vermischen von CBN mit fertig zubereiteten Silizium-Titan-Legierungen und andererseits durch Vermischen von CBN mit gleichwertigen Mengen reiner Silizium- und Titanpulver, oder mit gleichwertigen Mengen von TiB&sub2;-Pulvern und Si&sub3;N&sub4;-Pulvern, erreicht wurde, war unerwartet und es wird angenommen, daß dieser Unterschied durch die folgenden Faktoren hervorgerufen wird:
(1) Das reine Titanpulver ist chemisch reaktionsfreudig. Während dem Erhitzen im Druckbehälter ist es möglich, daß das Pulver durch Reagieren mit gasförmigen und anderen oft vorhandenen Bestandteilen, die Sauerstoff, Kohlenstoff, Stickstoff und Wasserstoff enthalten, vergiftet wird. Dadurch könnte dessen spätere Reaktionsfähigkeit gehemmt sein. Andererseits weisen die bevorzugten SixTiy- Verbindungen im Bindemittel chemisch eine viel geringere Reaktionsfreudigkeit mit diesen Bestandteilen auf und sie können im Druckbehälter über 1400ºC erhitzt werden ohne daß sie ihre Reaktionsfähigkeit mit CBN zur Bildung der Bindungsmatrix verlieren oder diese beeinträchtigt wird.
(2) Die Si- und Ti-Atome werden in den Silizidphasen auf atomarer Ebene innig vermischt. Überdies sind die Silizide sehr spröde und können leicht zu Teilchengrößen von weniger als 5 µm gemahlen werden. Diese Faktoren verbessern die Homogenität der Mischung zwischen CBN und dem Bindemittel. Andererseits kann das Titanmetallpulver nicht zu einem vergleichbaren Homogenitätsgrad mit Silizium vermischt werden. Überdies ist es nicht empfehlenswert Titanpulver mit einer Teilchengröße von weniger als 20 µm aufgrund dessen pyrophoren Beschaffenheit zu verarbeiten.
(3) Die Dichte von SixTiy-Legierungen (Verbindungen) ist größer als die eines zusammensetzungsmäßig gleichwertigen Gemischs gesonderter Ti- und Si-Pulver. Während dem Reaktionsvorgang der SixTiy-Legierungen mit CBN, bei dem das Muster unter großem Druck steht, findet eine gringfügige Volumsvergrößerung statt, was die Verbindung zwischen den Teilchengrenzen eher verstärkt. Wird im Gegensatz dazu ein physikalisches Gemisch elementarer Si- und Ti-Pulver verwendet, so findet gleichzeitig mit der Reaktion mit CBN eine Volumsverminderung statt, die die Ursache der Entstehung interner Mikrorisse im Preßling sein kann.
Es wäre möglich das unter Punkt (1) behandelte Problem zu lösen indem das Vermischen der Si- und Ti-Pulver mit den CBN-Teilchen sehr vorsichtig unter sauberen Bedingungen und in einem Vakuum durchgeführt wird und daß das Einsatzgut in einem Metallbehälter unter Vakuum verschlossen wird, bevor es dem erhöhten Druck und der erhöhten Temperatur ausgesetzt wird. Dies wäre jedoch unpraktisch und würde weder die Homogenität des Gemischs noch die Volumsvergrößerung vorsehen, welche durch den Einsatz von SixTiy-Legierungen erreicht wird.
Der Unterschied in den mechanischen Eigenschaften zwischen den mit SixTiy-Legierungen als Bindemittel hergestellten Preßlingen und denen, die gleichwertige Mengen von gemischtem Si&sub3;N&sub4;-Pulver und TiB&sub2;-Pulver verwenden, ist auch unerwartet. Es wird angenommen, daß dieser Unterschied daraus entsteht, daß in einem Fall die SixTiy-Legierung chemisch mit CBN reagiert um die gewünschte Si&sub3;N&sub4; + TiB&sub2;- Bindungsmatrix in-situ zu bilden, und daß diese Reaktion eine starke chemische Verbindung zwischen der Bindungsmatrix und den CBN-Kristallen herstellt. Wie unten beschrieben besitzt die Bindungsmatrix überdies eine einzigartige Mikrostruktur. Werden im Gegensatz dazu fertig zubereitete Si&sub3;N&sub4;-Pulver und TiB&sub2;-Pulver mechanisch mit CBN-Teilchen vermischt und dann heiß gepreßt, scheint die Festigkeit der Verbindung zwischen der Bindungsmatrix und den CBN-Teilchen schwächer zu sein und eine andere Art von Mikrostruktur wird produziert.
Die vorteilhaften Ergebnisse die durch die Verwendung von SixTiy-Legierungen als Bindemittel an Stelle von Si- Pulver und Ti-Pulver, oder Si&sub3;N&sub4;-Pulver und TiB&sub2;-Pulver, erzielt wurden ist nicht offensichtlich und konnte nicht vorhergesagt werden. Auch entsprechende SixHfy- und SixZry- Legierungen weisen als Bindemittel ein weit besseres Verhalten auf im Vergleich zu isochemischen Gemischen von Si- und Hf-Pulvern und/oder Si- und Zr-Pulvern. Diese Entdeckung ist ein wichtiger Aspekt der vorliegenden Erfindung.
Die Reaktion von SixTiy-Legierungen (vorzugsweise SiTi&sub2;-Legierungen) mit CBN nach dem Verfahren der vorliegenden Erfindung produziert eine Bindungsmatrix die sich hauptsächlich aus Si&sub3;N&sub4; und TiB&sub2;, zusammen mit einer kleinen Menge unreagierter SixTiy-Legierungen, hauptsächlich Siyi, zusammensetzt. Die Bindungsmatrix wurde in dünnen Schichten entlang den CBN-Teilchengrenzen eingebracht, wodurch eine einzigartige Mikrostruktur entsteht in der TiB&sub2; (welches eine hohe elektrischer Leitfähigkeit besitzt) ein verkoppeltes Netzwerk dünner Plättchen und Filme formt.
Diese Mikrostruktur ist für die hohe elektrische Leitfähigkeit des Preßlings verantwortlich, wodurch der Preßling durch elektrische Entladungsmethoden (Funkenerosion) bearbeitet werden kann. Diese Mikrostruktur ist weder sichtbar wenn die vermischten Elemente Si und Ti, noch die vermischten Pulver Si&sub3;N&sub4; und TiB&sub2;, heiß mit CBN verpreßt werden. Es wird angenommen, daß diese Mikrostruktur, zusätzlich zu ihrer elektrischen Leitfähigkeit, auch zum Teil für die vorteilhaften mechanischen Eigenschaften des obengenannten CBN-Preßlings verantwortlich ist. Preßlinge die HfB&sub2; und ZrB&sub2; als Bestandteile der Bindungsmatrix beinhalten weisen auch ähnliche Eigenschaften auf.
In einer Ausführungsform dieser Erfindung ist eine flüssige Phase während der Reaktion zwischen Bindemittel und CBN vorhanden. Dementsprechend ist es notwendig die Zusammensetzung des Bindemittels sowie die Temperatur bei der Herstellung so einzustellen, daß es zur Bildung zumindest eines kleinen Teils der flüssigen Phase kommt. Für Bindemittel mit Zusammensetzungen zwischen TiSi und TiSi&sub2; liegt der unterste Schmelzpunkt (eutektisch) bei atmosphärischem Druck bei 1490ºC. Differentialthermoanalysen die bei 25 Kilobar durchgeführt wurden zeigen jedoch, daß aufgrund der Lösungen von B und N in der Flüssigkeit in Gegenwart von CBN die unterste Schmelztemperatur auf etwa 1250ºC heruntergesetzt werden kann. Hohere Temperaturen sind zur Erzeugung einer flüssigen Phase notwendig wenn Zirkonium- und Hafniumsilizide als Bindemittel eingesetzt werden. Die vorübergehende Gegenwart einer flüssigen Phase trägt zur raschen und durchdringenden Reaktion zwischen CBN und dem Bindemittel bei, was zur Herstellung einer homogenen und feinkörnigen Mikrostruktur führt, in der die Diboridphase ein verkoppeltes, elektrisch leitendes Netzwerk bildet, welches sich durch den gesamten Preßling hindurchzieht. In dieser Ausführungsart der Erfindung werden Preßlinge mit optimalen Eigenschaften bei relativ niedrigen Drücken, nämlich zwischen 10 und 40 Kilobar, hergestellt; die Applikation höherer Drücke ist nicht notwendig. Preßlinge dieser Art werden vorzugsweise so aufbereitet, daß sich ein Großteil des von den CBN-Kristallen eingenommenen Volumens aus Kristallteilchen zusammensetzt, deren Teilchengröße mehr als 5 µm beträgt.
In einer zweiten Ausführungsart der Erfindung findet die Reaktion zwischen Bindemittel und CBN im wesentlichen im festen Zustand statt, wobei keine oder eine nur geringfügige flüssige Phase gegenwärtig ist. Unter diesen Bedingungen kann es vorteilhaft sein feinkörniges CBN und ein Bindemittel je mit einer mittleren Teilchengröße von kleiner als 5 µm einzusetzen um zu veranlassen, daß die Reaktion zwischen diesen Bestandteilen zum gewünschten Vervollständigungsgrad vorangeht um daher Preßlinge mit optimaler struktureller Homogenität und mechanischen Eigenschaften herstellen zu können. Die Anwendung höherer Drücke mag wünschenswert sein, wenn Preßlinge unter diesen Bedingungen hergestellt werden. Die angewandten Drücke liegen vorzugsweise zwischen 40 und 70 Kilobar und die Reaktion findet im thermodynamischen Stabilitätsbereich von CBN statt. Die Mikrostruktur des daraus resultierenden Produkts unterscheidet sich von der eines in der Gegenwart von Flüssigkeit hergestellten Produkts. Vorausgesetzt daß eine ausreichende Menge von Bindemittel verwendet wird, besitzt der entstehende Preßling jedoch eine ausreichend hohe elektrische Leitfähigkeit um eine Bearbeitung durch Funkenerosion zu gewährleisten.
Die obige Beschreibung der Erfindung verwendete hauptsächlich Beispiele, die Titansilizide als Bindemittel einsetzte, und der sich daraus ergebende Preßling enthielt Titandiborid als hauptsächlichen Bestandteil. Es wird ausdrücklich betont, daß Zirkonium- und Hafniumsilizide analog zu den Titansiliziden in der Ausführung dieser Erfindung eingesetzt werden können, wodurch Preßlinge hergestellt werden die Zirkoniumdiborid und Hafniumdiborid als wesentliche Bestandteile der Bindungsmatritzen beinhalten. Ebenso können Gemische oder Legierungen von Titan, und/oder Zirkonium- und/oder Hafniumsiliziden als Bindemittel verwendet werden, wodurch Preßlinge hergestellt werden die komplexe Gemische und feste Lösungen aus Titanund/oder Zirkonium- und/oder Hafniumdiboriden als wesentliche Bestandteile der Bindungsmatritzen beinhalten.
Preßlinge die nach der vorliegenden Erfindung hergestellt werden weisen wichtige praktische und kommerzielle Vorteile gegenüber jenen zur Zeit verwendeten CBN-Preßlingen auf. Sie können mit größeren Abmessungen hergestellt werden, was für bestimmte Anwendungsfälle, speziell zum Schleifen, von großem Vorteil ist. Überdies können sie billiger hergestellt werden. Die mechanischen Eigenschaften der Bestandteile der Bindungsmatrix, TiB&sub2; und Si&sub3;N&sub4;, sind jenen der Bindungsmatrix der am Markt erhältlichen CBN-Preßlinge - hauptsächlich AlB&sub2; und AlN - weit überlegen. Diese Eigenschaften, in Zusammenhang mit der einzigartigen Mikrostruktur des Materials nach der vorliegenden Erfindung, ergeben ein Produkt mit großer mechanischer Beständigkeit in Kombination mit einer hohen Druckfestigkeit (mehr als 10 Kilobar) und einer hoher Schleifwirkung. Preßlinge, die nach der vorliegenden Erfindung hergestellt werden, sind durchaus imstande gehärtete Metallegierungen, wie z.B. Werkzeugstähle, Schnellarbeitsstähle, Gußeisen und Superlegierungen auf Nickel- und Kobaltbasis, zu drehen bohren, schleifen und spanabhebend zu bearbeiten. Die Leistung der Preßlinge bei der spanabhebenden Bearbeitung dieser Legierungen ist zumindest gleich gut wie die zur Zeit verwendeter CBN- Preßlinge, wie z.B. das am Markt bekannte Produkt Amborite, und ist bei bestimmten Anwendungen den bestehenden CBN- Preßlingen überlegen. Dies ist speziell der Fall bei Schleifanwendungen.
Ein weiterer großer Vorteil des Produkts der vorliegenden Erfindung ist dessen hohe elektrische Leitfähigkeit, die es erlaubt das Produkt durch elektrische Entladungsbearbeitung (Funkenerosion) zu bearbeiten und zu formen. Zur Zeit am Markt erhältliche monolithische Preßlinge die mehr als 70 Vol.-% CBN enthalten, wie z.B. Amborite, weisen eine weit geringere elektrische Leitfähigkeit auf und können daher nicht durch Funkenerosionsmethoden bearbeitet werden.
Die Herstellung von CBN-Preßlingen nach der vorliegenden Erfindung wird in den folgenden Beispielen beschrieben. Diese Beispiele sind in keiner Weise als den Umfang der Erfindung begrenzend aufzufassen.

Beispiel 1

Ein Bindemittel mit einer mittleren Atomzusammensetzung von Si&sub3;Ti&sub2; wurde durch inniges Vermischen von 53,2 Gew.-% Titanmetallpulver (kleiner oder gleich 40 um) und 46,8 Gew.-% (kleiner oder gleich 5 µm) zubereitet. Das Gemisch wurde in ein evakuiertes Siliziumrohr eingegeben und 15 Minuten lang auf 1100ºC erhitzt. Das reagierende Gemisch formte eine Legierung aus Silizium und Titan. Nach Abkühlen zeigte sich durch Röntgenkristallstrukturanalyse, daß sich die Legierung hauptsächlich aus einem Gemisch zweier Phasen, nämlich Si&sub2;Ti und SiTi, zusammensetzt. Das Produkt wurde dann unter Azeton auf eine Teilchengröße von kleiner als 5 µm gemahlen. Diese Legierung, mit einer zu Si&sub3;Ti&sub2; gleichwertigen mittleren Zusammensetzung, bildete das Bindemittel in der vorliegenden Erfindung.
Ein Gemisch mit der Zusammensetzung 80 Gew.-% CBN (mittlere Teilchengröße 30 µm) und 20 Gew.-% CBN (mittlere Teilchengröße 6 um) wurde -danach zubereitet. Eine Menge von 82,5 Gew.-% des CBN-Gemischs wurde dann innig mit 17,5 Gew.- % des pulverförmigen Si&sub3;Ti&sub2;-Bindemittels vermischt. Das Gemisch wurde in eine zylindrische Kapsel aus hexagonalem Bornitrid mit 12 mm Durchmesser und 22 mm Länge eingebracht. Die Kapsel wurde mit einem Deckel aus hexagonalem Bornitrid verschlossen und in eine Kolben/Zylinder- Hochdruck/Hochtemperatur-Vorrichtung eingelegt. Die Konstruktion der Vorrichtung und des Druckbehälters war im allgemeinen ähnlich der Kolben/Zylinder-Vorrichtung die von F. Boyd und J. England (J. Geophys. Res. 65, 741, 1969) beschrieben wurde. Der Innendurchmesser des Druckbehälters betrug 2,54 cm, dessen Höhe betrug 8 cm, und das Heizelement war ein von einem plastischen Druckmedium umgebenes Graphitrohr.
Anfänglich wurde der Druckbehälter mit einem Druck von 2 Kilobar beaufschlagt um dessen Bestandteile zu konsolidieren. Das CBN-Si&sub3;Ti&sub2;-Gemisch wurde dann über eine Zeitspanne von 6 Minuten auf eine Temperatur von 600ºC und einen Druck von 10 Kilobar gebracht. Die Temperatur wurde dann auf 1100ºC erhöht und auf diesem Wert gehalten. Danach wurde der Druck über eine Zeitspanne von 5 Minuten auf 25 Kilobar erhöht. Dieser Schritt bewirkt die gewünschte Verdichtung des Einsatzguts, sowie einer gleichzeitigen plastischen Deformation der CBN-Kristalle. Die Temperatur wurde dann auf die Einwirktemperatur von 1400ºC über eine Zeitspanne von 2 Minuten erhöht. Die Parameter Druck und Temperatur wurden dann 20 Minuten lang konstant gehalten um die gewünschte Reaktion zwischen Bindemittel und den CBN- Kristallen stattfinden zu lassen. Nach Ablauf der Einwirkzeit wurde bei gleichbleibendem Druck die Temperatur anfangs auf 800ºC reduziert. Danach wurde der Druck langsam über eine Zeitspanne von 30 Minuten von 25 auf 5 Kilobar bei gleichbleibender Temperatur von 800ºC reduziert. Temperatur und Druck wurden dann gleichzeitig über eine weitere Zeitspanne von 20 Minuten auf die Umgebungswerte reduziert. Die Kapsel wurde dann aus der Vorrichtung entnommen.
Das Pulvergemisch aus dem sich das Ausgangsmaterial zusammensetzte bildete nun einen CBN-Preßling, der als vollständiger Zylinder entnommen wurde. Nach Sandstrahlreinigung wies der Preßling einen Durchmesser von 11,5 mm, eine Höhe von 13 mm und eine Dichte von 3,52 g/cm³ auf. Der Preßling hatte eine hohe elektrische Leitfähigkeit und konnte ohne weiteres durch Funkenerosion bearbeitet werden. Dessen Widerstand betrug 0,01 Ohm cm.
Die Röntgenkristallstrukturanalyse eines Musters ergab eine Zusammensetzung von CBN, TiB&sub2; und Si&sub3;N&sub4; sowie einer kleinen Menge (( 5%) von unreagiertem Si&sub2;Ti. Hexagonales Bornitrid war unter der Erfassungsgrenze (< 0,5%) vorhanden. Diese Werte wurden durch Elektronenstrahl-Mikroanalyse und optische Untersuchungen bestätigt. Das Muster war im wesentlichen vollkommen dicht und die CBN-Kristalle wiesen beträchtliche plastische Deformationen auf, wodurch sich die Kristalle berührten oder entlang gemeinsamen komplementären Flächen, die durch plastische Deformation geschaffen wurden, aneinanderlagen. Die Röntgenanalyse und die durchgeführte optische Untersuchung ergaben, daß das Si&sub3;Ti&sub2;-Bindemittel im wesentlichen vollständig mit den CBN-Kristallen reagierte und eine Bindungsmatrix bildete, die aus einem Gemisch oder einer Verwachsung von Titandiborid (TiB&sub2;) und Siliziumnitrid (Si&sub3;N&sub4;) besteht. Obwohl die während der Reaktion vorherrschenden Drücke und Temperaturen weit im thermodynamischen Stabilitätsbereich des hexagonalen Bornitrids lagen, war das Ausmaß dieser letzteren Phase, die durch rückläufige Umwandlung von CBN hätte erreicht werden können, vernachlässigbar. Die Menge der vorhandenen Bindungsmatrix (TiB&sub2; + Si&sub3;N&sub4;) wurde auf ungefähr 25 Vol.-% geschätzt, wobei diese zwei Phasen in ähnlichen Anteilen vorhanden waren.
Die Mikrostruktur des Preßlings war außergewöhnlich. Obwohl der Schmelzpunkt des Si&sub3;ti&sub2;-Bindemittels über der Einwirkt emperatur lag, und beide Produkte der Reaktion (die Bindungsmatrix TiB&sub2; und Si&sub3;N&sub4;) weisen Schmelzpunkte über 1900ºC auf, drang die Bindungsmatrix entlang den Teilchenflächen in Form von dünnen Schichten ein und infiltrierte die CBN-Kristallmasse. Eine Untersuchung mit optischen Geräten sowie mit Elektronenstrahl zeigte, daß die CBN-Kristalle zu einem Großteil von einer Si&sub3;N&sub4;-Schicht umgeben waren, während die TiB&sub2;-Phase in Form von intergranularen Plättchen und Filmen vorlag die ein verkoppeltes Netzwerk formten. Es wird angenommen, daß diese einzigartige Mikrostruktur des nach der vorliegenden Erfindung hergestellten Preßlings zu einem Großteil für dessen hervorragende mechanischen Eigenschaften sowie dessen hohe elektrische Leitfähigkeit verantwortlich ist.
Verschiedene Werkzeuge und andere Stücke wurden von dem zylindrischen CBN-Preßling mit Hilfe von Funkenerosion abgeschnitten. Es wurde festgestellt, daß der Preßling eine außergewöhnliche Schlagfestigkeit sowie vorzügliche Härte aufweist. Bei einem Bruch zeigte sich, daß die Bruchflächen durch die CBN-Kristalle verlaufen, wodurch die Festigkeit der Verbindung zwischen CBN und der Bindungsmatrix veranschaulicht wird. Die Druckfestigkeit eines Preßlings wurde gemessen und sie lag bei 38 kb. Werkzeuge die aus dem Produkt der Erfindung hergestellt wurden, wurden zum Drehen einer Reihe verschiedener Legierungen, wie z.B. Bohler K720 Kaltarbeitsstahl (Rc 60), Assab Werke 45 Schnellarbeitsstahl (Rc 65), Gußeisen, Stellit, und die Superlegierungen Nimonic und Inconel verwendet. Diese Legierungen konnten bei einer Schneidtiefe bis zu 0,5 mm und bei verschiedenen Vorschubgeschwindigkeiten ohne weiteres gedreht werden. Die Werkzeugabnutzung war minimal. Die Drehleistung von den nach der vorliegenden Erfindung hergestellten Werkzeugen war den Wolframkarbidwerkzeugen bei weitem überlegen. Die Leistung dieser Werkzeuge wurde mit der von Amborite-Werkzeugen verglichen. (Amborite ist ein von der Firma De Beers Ltd. kommerziell hergestellter CBN-Preßling.) Bei den meisten Dreharbeiten unter ähnlichen Bedingungen zeigte sich die Leistung des Produkts der vorliegenden Erfindung der von Amborite in Bezug auf Werkzeugabnutzung und vom Testwerkstück abgehobener Materialmenge überlegen.

Beispiel 2

Ein Musterpreßling wurde in gleicher Weise wie im Beispiel 1 zubereitet, jedoch mit der Ausnahme, daß das verwendete CBN ein Gemisch von 80% CBN-Kristallen mit einer mittleren Größe von 80 µm und 20% CBN-Kristallen mit einer mittleren Größe von 30 µm war. Nach Verarbeitung und Entnahme aus der Vorrichtung wies das Muster einen Durchmesser von 11,3 mm, eine Länge von 12,5 mm und eine Dichte von 3,48 g/cm³ auf.
Das Muster wurde danach durch elektrische Entladungsbearbeitung in einen geraden Zylinder mit einem Außendurchmesser von 10 mm, einer Länge von 10 mm und mit einem axialen Loch von 5 mm Durchmesser geformt. Der Zylinder wurde dann in geschmolzenem Kaliumhydroxid 2 Minuten lang geätzt, wobei ein Teil des TiB&sub2; der an der Oberfläche liegenden Bindungsmatrix aufgelöst und dadurch die äußerste Schicht der CBN-Kristalle gelockert wurde. Das Muster wurde dann einer Sandstrahlreinigung unterzogen, wodurch eine rauhe Oberfläche ursprünglicher CBN-Kristalle entstand. Dieses Muster wurde dann auf einer Stahlspindel angebracht, wodurch ein CBN-Schleifkörper entstand.
Dieser Schleifkörper wurde zum Innen- und Außenschleifen einer Reihe harter Legierungen, wie z.B. Bohler K720 Kaltarbeitsstahl (Rc 60), Assab Werke 45 Schnellarbeitsstahl (Rc 65), Gußeisen, Stellit, und die Superlegierungen Nimonic und Inconel verwendet. Parallel laufende Tests wurden an diesen Materialien mit am Markt erhältlichen imprägnierten CBN-Schleifkorpern ausgeführt. Die Leistung des Produkts der vorliegenden Erfindung war der am Markt erhältlichen imprägnierten CBN-Schleifkörper bei weitem überlegen. Das Materialabhubverhältnis des Schleifkörpers der vorliegenden Erfindung war 3-5 mal größer und die Abnutzung des Körpers 5-10 mal niedriger als bei am Markt erhältlichen CBN-Schleifkörpern. Der Unterschied ergibt sich aus der weit größeren Packungsdichte der CBN- Teilchen im Körper der vorliegenden Erfindung kombiniert mit einer hohen Druckfestigkeit und der Verwendung einer Bindungsmatrix die wesentlich stärker ist als die Matrizen (Harz, Metall, Glas) am Markt erhältlicher, imprägnierter CBN-Schleifkörper.
Kommerzielle Hersteller von CBN-Preßlingen fanden bis jetzt die Vermarktung von CBN-Schleifkörpern nicht rentabel. Das scheint daher zu stammen, daß die zur Zeit verwendete Herstellungstechnologie zur Produktion von Preßlingen in großen Mengen nicht ohne weiteres imstande ist sie in Monolithen herzustellen die groß genug sind um aus ihnen praktisch verwendbare Schleifkörper zu produzieren. Überdies bestehen auch Schwierigkeiten bei der Herstellung von Schleifkörpern aus bestehenden monolithischen, massenweise hergestellten CBN-Preßlingen wie Amborite, die eine niedrige elektrische Leitfähigkeit aufweisen und daher nicht ohne weiteres durch Funkenerosion geformt werden können.

Beispiel 3

Der CBN-Preßling in diesem Beispiel wurde in gleicher Weise zubereitet wie der in Beispiel 2 und auch unter Verwendung des gleichen Druckbehälters, jedoch mit Ausnahme der Größe der Hexagonal-Bornitridkapsel, die einen inneren Durchmesser von 16 mm und eine Länge von 27 mm aufwies; das Graphitheizelement wurde entsprechend vergrößert. Der in diesem Beispiel hergestellte CBN-Preßling war ein vollständiger Zylinder mit 16 mm Durchmesser, 17 mm Länge und wies eine Dichte von 3,49 g/cm³ auf. Dieses Beispiel veranschaulicht, daß die Größe des nach dem Verfahren der vorliegenden Erfindung hergestellten CBN-Musters nur vom Fassungsvermögen des Druckbehälters begrenzt zu sein scheint. Es besteht kaum ein Zweifel daß es möglich sein wird viel größere monolithische CBN-Preßlinge durch Verwendung größerer Druckbehälter herzustellen.

Beispiel 4

In diesem sowie in den folgenden Beispielen wurde ein Druckbehälter mit einem Durchmesser von 1,5 cm und einer Länge von 5 cm verwendet. Die Kapsel aus hexagonalem Bornitrid wies einen inneren Durchmesser von 5 mm und eine Länge von 6 mm auf. Außer diesen bestimmten Abweichungen wurden die Einwirkvorgänge ähnlich den in Beispiel 1 beschriebenen Vorgängen durchgeführt. Die nach - den Einwirkvorgängen entnommenen CBN-Preßlinge waren etwa 4,2 mm im Durchmesser und 4 mm lang.
Die Qualität der hergestellten Muster wurde beurteilt nach deren Schlagfestigkeit, Druckfestigkeit sowie deren Fähigkeit harte Eisenlegierungen zu drehen. Die Bezeichnung Klasse A in den folgenden Tabellen bedeutet, daß der Preßling als gleich oder besser in diesen Eigenschaften im Vergleich zu dem kommerziellen CBN-Preßling "Amborite", der von der Firma De Beers Ltd. hergestellt wird, bewertet wurde. Die Bezeichnung Klasse B bedeutet, daß die Preßlinge ähnlich oder nur wenig dem Amborite unterlegen waren und sich dem Wolframkarbid überlegen zeigten. Diese Klasse der Preßlinge könnte wirksam zur spanabhebenden Bearbeitung eingesetzt werden. Die Bezeichnung Klasse C bedeutet, daß die Leistung des Preßlings der des Amborite in der spanabhebenden Bearbeitung wesentlich unterlegen war, jedoch für bestimmte praktische Anwendungen, wie z.B. Schleifkörper, verwendet werden könnte. Die Bezeichnung Klasse C bedeutet daß die Qualität des Preßlings sehr gering war und daher keine kommerzielle Bedeutung besitzt.
Das Beispiel 4 veranschaulicht die Auswirkung verschiedener Einwirkdrücke (bei maximaler Eiwirktemperatur) auf die Qualität der Muster. Die Zusammensetzung der Ausgangsmaterialien war identisch mit der im Beispiel 1. Die Einwirkzeiten betrugen 20 Minuten bei 1400ºC. Tabelle 1 zeigt die Ergebnisse. Tabelle 1
* Dieser Einwirkvorgang wurde in einer Ringartigen Hochdruck-/Hochtemperaturvorrichtung durchgeführt. (Siehe Liebermann et al., Prof. 4. Internat. Konferenz bezüglich Hochdruck, Kyoto, 1974, S. 495-502.)

Beispiel 5

Dieses Beispiel veranschaulicht die Auswirkung der Einwirkdauer (bei maximalem Druck und maximaler Temperatur) auf die Qualität des Musters. Die Zusammensetzung der Ausgangsmaterialien bei diesen Einwirkvorgängen war identisch mit der im Beispiel 1. Alle Einwirkvorgänge wurden bei 25 kb und 1400ºC durchgeführt. Tabelle 2 zeigt die Ergebnisse. Tabelle 2

Beispiel 6

Dieses Beispiel veranschaulicht die Auswirkung der Temperatur auf den Einwirkvorgang (bei maximalem Druck) auf die Qualität des Preßlings. Die Zusammensetzungen der Ausgangsmaterialien sowie die anderen Bedingungen bei diesen Einwirkvorgängen waren denen im Beispiel 1 ähnlich. Mit Ausnahme von 69 wurden alle Einwirkvorgänge 20-30 Minuten lang bei 25 kb durchgeführt. Der Einwirkvorgang 6g dauerte 5 Minuten. Tabelle 3 zeigt die Ergebnisse. Tabelle 3

Beispiel 7

Dieses Beispiel veranschaulicht die Auswirkung der Zusammensetzung und der Anteile des Si-Ti-Legierungs- Bindemittels auf die Qualität des Preßlings. Außer der Zusammensetzung und den Bindemittelverhältnissen waren die Bedingungen bei diesen Einwirkvorgängen denen im Beispiel 1 ähnlich. Tabelle 4 zeigt die Ergebnisse. Tabelle 4

Beispiel 8

Dieses Beispiel veranschaulicht die Auswirkung des Verhältnisses des Bindemittels (Si&sub3;Ti&sub2;-Legierung) zu CBN auf die Qualität des Preßlings. Außer dem Verhältnis des Bindemittels waren die Bedingungen bei diesen Einwirkvorgängen denen im Beispiel 1 ähnlich. Tabelle 5 zeigt die Ergebnisse. Tabelle 5

Beispiel 9

Ein Bindemittel mit einer mittleren Atomzusammensetzung von Si&sub3;Hf&sub2; und einer Teilchengröße von weniger als 5 um wurde mit derselben Methode zubereitet, die für das Si&sub3;Ti&sub2;-Bindemittel in Beispiel 1 verwendet wurde. Eine Menge von 32 Gew.-% Si&sub3;Hf&sub2;-Bindemittel wurde dann innig mit 54 Gew.-% CBN (mittlere Teilchengröße 30 µm) und 14 Gew.-% CBN (mittlere Teilchengröße 6 µm) vermischt. Das Gemisch wurde dann bei 25 Kilobar und 1500ºC 30 Minuten lang heiß verpreßt, wie im Verfahren von Beispiel 1 beschrieben, außer daß der kleinere Druckbehälter aus Beispiel 4 verwendet wurde. Das Muster wurde als vollständiger Zylinder entnommen, der einen Durchmesser von 5,0 mm, eine Höhe von 4,3 mm und eine Dichte von 4,33 g/cm³ aufwies. Der Preßling besaß eine hohe elektrische Leitfähigkeit und konnte durch Funkenerosion geformt werden. Die Untersuchung eines Musters mit Hilfe der Röntgenkristallstrukturanalyse und Elektronenstrahl-Mikroanalyse zeigte, daß es sich aus CBN, HfB&sub2; und Si&sub3;N&sub4; sowie einer geringen Menge (wurde auf weniger als 5% geschätzt) von unreagierten Hafniumsiliziden, hauptsächlich HfSi&sub2;, zusammensetzte. Die entstandene Menge von hexagonalem Bornitrid lag unter der Röntgenerfassungsgrenze (< 0,5%). Die Untersuchung einer polierten Oberfläche zeigte, daß die Bindungsmatrix aus HfB&sub2; und Si&sub3;N&sub4; zu einem Großteil zwischen die Grenzflächen der CBN-Teilchen eingedrungen war, analog zum Produkt aus Beispiel 1. Der errechnete Bindungsmatrixanteil beträgt 25 Vol.-%, was mit der gemessenen Dichte übereinstimmt.
Das Produkt dieses Beispiels weist hervorragende Schlag- und Druckfestigkeit sowie eine hohe Schleifwirkung auf. Diese Eigenschaften waren zumindest gleich gut als jene der besten Preßlinge die bis jetzt nach dem im Beispiel 1 beschriebenen Verfahren hergestellt wurden. Überdies demonstrierte das vorliegende Beispiel, daß die Reaktion von Si&sub3;Hf&sub2;-Legierungen mit CBN analog zur entsprechenden Reaktion von Si&sub2;Ti&sub2; verläuft, wodurch ein Bindemittel geformt wird das sich hauptsächlich aus Si&sub3;N&sub4; und einem metallischen Diborid, HfB&sub2;, zusammensetzt. Es ist bekannt, daß HfB&sub2; einen höheren Schmelzpunkt und eine größere Widerstandsfähigkeit gegen Oxidation durch Luft bei hohen Temperaturen aufweist als TiB&sub2;; überdies ist dessen Kristallstruktur ähnlich der von TiB&sub2;. Es ist daher zu erwarten, daß der Ersatz von TiB&sub2; durch HfB&sub2; in einem Preßling eine Anzahl technisch vorteilhafter Eigenschaften bewirkt.

Beispiel 10

Ein Bindemittel mit einer mittleren Atomzusammensetzung von Si&sub3;Zr&sub2; und einer Teilchengröße von weniger als 5 um wurde mit derselben Methode zubereitet die für das Si&sub3;Ti&sub2;-Bindemittel in Beispiel 1 verwendet wurde.
Eine Menge von 22 Gew.-% Si&sub3;Zr&sub2;-Bindemittel wurde dann innig mit 62 Gew.-% CBN (mittlere Teilchengröße 30 µm) und 16 Gew.-% CBN (mittlere Teilchengröße 6 um) vermischt. Das Gemisch wurde dann bei 25 Kilobar und 1500ºC 30 Minuten lang heiß verpreßt, wie im Verfahren in Beispiel 1 beschrieben, außer daß der kleinere Druckbehälter aus Beispiel 4 verwendet wurde. Das Muster wurde als vollständiger Zylinder entnommen. Der Preßling besaß eine hohe elektrische Leitfähigkeit und könnte durch Funkenerosion geformt werden.
Die Untersuchung eines Musters mit Hilfe der Röntgenkristallstrukturanalyse und Elektronenstrahl- Mikroanalyse zeigte, daß es sich aus CBN, ZrB&sub2; und Si&sub3;N&sub4; sowie einer geringen aber bedeutenden Menge (wurde auf bis zu 8% geschätzt) von unreagierten Zirkoniumsiliziden, hauptsächlich ZrSi&sub2;, zusammensetzte. Die entstandene Menge von hexagonalem Bornitrid lag unter der Röntgenerfassungsgrenze (0,5%). Die Untersuchung einer polierten Oberfläche zeigte, daß die Bindungsmatrix, die sich hauptsächlich aus ZrB&sub2; zusammensetzt, zu einem Großteil zwischen die Grenzflächen der CBN-Teilchen eingedrungen war, analog zum Produkt in Beispiel 1. Der errechnete Bindungsmatrixanteil beträgt 25 Vol.-%.
Das Produkt dieses Beispiels wies hervorragende Schlag- und Druckfestigkeit sowie eine hohe Schleifwirkung auf. Diese Eigenschaften zeigten sich als nicht ganz so gut als jene des Preßlings aus Beispiel 10 (sic), der Preßling war jedoch immer noch von kommerziell verwendbarer Qualität. Nach dem im Beispiel 4 erstellten Qualitätsmaßstab würde der Preßling des gegenwärtigen Beispiels in Klasse B eingestuft werden.
Dieses Beispiel demonstrierte, daß die Reaktion von Si&sub3;Zr&sub2;-Legierungen mit CBN analog zur entsprechenden Reaktion von Si&sub3;Ti&sub2; verläuft, wodurch ein Bindemittel geformt wird das sich hauptsächlich aus Si&sub3;N&sub4; und einem metallischen Diborid, ZrB&sub2;, zusammensetzt. Es ist bekannt, daß ZrB&sub2; einen höheren Schmelzpunkt und eine größere Widerstandsfähigkeit gegen Oxidation durch Luft bei hohen Temperaturen aufweist als TiB&sub2;; überdies ist dessen Kristallstruktur ähnlich der von TiB&sub2;. Es ist daher zu erwarten, daß der Ersatz von TiB&sub2; durch ZrB&sub2; in einem Preßling eine Anzahl technisch vorteilhafter Eigenschaften bewirkt.
Die Reaktion von Si&sub3;Zr&sub2; mit CBN im gegenwärtigen Beispiel verlief nicht mit dem gleichen Vollständigkeitsgrad als die Reaktion von Si&sub3;Ti&sub2; mit CBN wie in Beispiel 1 beschrieben. Es verbleibt daher eine geringe aber bedeutende Menge von unreagierten Zirkoniumsiliziden im Preßling. Es besteht die Annahme, daß dieses Merkmal der Grund dafür war, daß die Eigenschaften des gegenwärtigen Preßlings nicht ganz so vorteilhaft waren als jene des Preßlings aus Beispiel 1. Es wäre zu erwarten, daß im Falle einer zur Vervollständigung fortschreitenden Reaktion die Eigenschaften des Produkts entsprechend verbessert würden. Das Ausmaß dieser Reaktion richtet sich nach den Prinzipien der chemischen Kinetik. Für einen Fachmann ist es selbstverständlich, daß ein höherer Vervollständigungsgrad der Reaktion durch eine Kombination von erhöhter Reaktionszeit und reduzierten Teilchengrößen des CBN und/oder der Si&sub2;Zr&sub2;-Bindungsmatrix hätte erreicht werden können. Es ist daher durchaus zu erwarten, daß durch geringfügige Variationen der Reaktionsbedingungen sehr wahrscheinlich einen Preßling mit sehr vorteilhaften mechanischen Eigenschaften produziert wird.

Beispiel 11

Ein Bindemittel, das sich aus einem Gemisch von 9 Gew.-% SiTi&sub2;, 17,5 Gew.-% Si&sub2;Hf&sub2; und 73,5 Gew.-% CBN zusammensetzt, wurde durch Verfahren analog jener im Beispiel 9 beschriebener Verfahren zubereitet. Das Gemisch wurde heiß verpreßt unter ähnlichen Bedingungen wie jene in Beispiel 9. Der entstandene Preßling wurde mit der Elektronenstrahlmethode analysiert. Es zeigte sich, daß sich die Bindungsmatrix aus einer Verwachsung zusammensetzt, die hauptsächlich aus einer festen Diboridlösung (Hf0,65Ti0,35)B&sub2; mit Siliziumnitrid besteht. Die physikalischen Eigenschaften des Preßlings waren ähnlich jener des im Beispiel 10 hergestellten Preßlings.

Beispiel 12

Ein inniges Gemisch aus 82,5 Gew.-% CBN mit einer mittleren Teilchengröße von 3 um und 17,5 Gew.-% Si&sub3;Ti&sub2; mit einer ähnlichen Teilchengröße wurde zubereitet. Das Gemisch befand sich in einer Bornitridkapsel mit 5 mm Durchmesser und 5 mm Höhe, welche in eine ringartige Hochdruck/Hochtemperatur-Vorrichtung eingelegt wurde. Nachdem der Druck auf 55 Kilobar erhöht wurde, wurde die Temperatur auf 1350ºC gesetzt und 10 Minuten lang auf diesem Wert gehalten. Der somit hergestellte Preßling wurde aus der Vorrichtung entnommen. Dieser besaß im allgemeinen eine ähnliche Schleifwirkung als der Preßling aus Beispiel 1, jedoch mit der Ausnahme daß er bei der Bearbeitung von harten Stahlwerkstücken eine glattere Oberfläche produzierte. Der Grund dafür war wahrscheinlich dessen kleinere Teilchengröße. Wurde im Gegensatz dazu ein Druck von 25 kb auf ähnlich zubereitetes 3 µm großes Ausgangsmaterial ausgeübt, so war das Produkt relativ schwach. Dieses Beispiel demonstriert, daß hohe Einwirkdrücke vorteilhaft sein können wenn die in der Anwendung der Erfindung verwendete CBN-Teilchengröße kleiner als etwa 5 µm ist.

Beispiel 13

Der Preßling aus diesem Beispiel wurde mit im allgemeinen ähnlichen Verfahren wie im Beispiel 4 zubereitet, jedoch mit der Ausnahme, daß das Volumsmuster zusätzlich 5 Gew.-% TiO&sub2; als Bestandteil des Bindemittels enthielt. Nach Fertigstellung des Einwirkvorgangs wurde die Siliziumnitridphase im Preßling durch Elektronenstrahl- Mikroanalyse untersucht. Es wurde festgestellt, daß sie folgende Mengen (in Gew.-%) enthält: Si-43,8, Ti-1,5, N-33,4 und 0-12,7, was gesamt 91,4 Gew.-% ausmacht. Es wird angenommen, daß die "fehlenden 8,6%" Bor sind, was mit dem Elektronenstrahl nicht analysiert werden kann. Man glaubt daher, daß die Atomzusammensetzung dieser Phase etwa Si&sub2;N&sub3;OB war. Dessen Röntgenkristallstrukturbild war ähnlich dem von β-Si&sub3;N&sub4;, jedoch mit geringen Unterschieden. Dieses Beispiel veranschaulicht, daß es möglich ist Preßlinge herzustellen in denen eine der Phasen der Bindungsmatrix hauptsächlich aus Siliziumnitrid besteht, aber zusätzlich etwas Sauerstoff und möglicherweise auch etwas Bor in seinem Kristallgitter enthält.

Claims

1. Verfahren zur Herstellung eines CBN-Preßlings durch inniges Vermischen einer Masse aus teilchenförmigen CBN- Kristallen mit einem Bindemittel und Einwirkenlassen einer erhöhten Temperatur und eines erhöhten Drucks auf das Gemisch, dadurch gekennzeichnet, daß die CBN-Kristalle und das Bindemittel miteinander im Verhältnis 95 bis 60 Vol.-% CBN und 5 bis 40 Vol.-% Bindemittel gemischt werden, das Bindemittel mindestens eine Legierung oder intermetallische Verbindung aus

(i) Silizium

mit

(ii) (irgend)einem oder mehreren der Metalle Titan, Zirkonium und Hafnium

in den Atomanteilen Si&sub3;&sub0;M&sub7;&sub0; bis Si&sub8;&sub5;M&sub1;&sub5; (M steht für (ein) Atom(e) des (der) Metall(s) (e))

umfaßt,

das Gemisch aus CBN-Kristallen und Bindemittel Temperaturen im Bereich von 900 bis 1800ºC und Drücken im Bereich von 5 bis 70 Kilobar ausgesetzt wird, und die Temperatur- und Druckbedingungen, die auf das Gemisch einwirken, mindestens etwa 30 s lang aufrechterhalten werden und damit ausreichend lange, um den Hauptteil der Si- und M-Atome des Bindemittels mit den CBN-Kristallen unter in-situ-Bildung einer Bindungsmatrix in Form eines innigen Gemischs aus zwei Phasen, von denen eine aus Siliziumnitrid (Si&sub3;N&sub4;) besteht oder hauptsächlich dieses umfaßt und die andere aus einer elektrisch leitfähigen metallischen Diborid (MB&sub2;)-Phase besteht und wobei jede dieser Phasen mindestens 25 Vol.-% der Bindungsmatrix ausmacht, zur Reaktion zu bringen.

2. Verfahren nach Anspruch 1, weiterhin dadurch gekennzeichnet, daß das Bindemittel die Silizium- und Metallatome in den Atomanteilen Si&sub4;&sub0;M&sub6;&sub0; bis Si&sub7;&sub0;M&sub3;&sub0; enthält.

3. Verfahren nach Anspruch 1, weiterhin dadurch gekennzeichnet, daß das Bindemittel die Silizium- und Metallatome im wesentlichen in den Atomanteilen Si&sub6;&sub0;M&sub4;&sub0; enthält.

4. Verfahren nach Anspruch 1, weiterhin dadurch gekennzeichnet, daß in dem Bindemittel die Anteile an den Siliziumatomen und Metallatomen im wesentlichen im Verhältnis 3:2 vorliegen.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, weiterhin dadurch gekennzeichnet, daß die Temperatur und die Drücke sequentiell und über eine zur Herbeiführung einer merklichen plastischen Deformation der CBN-Kristalle ausreichende Zeit hinweg angelegt werden.

6. Verfahren nach Anspruch 5, weiterhin dadurch gekennzeichnet, daß die innig gemischte Masse aus CBN-Kristallen und Bindemittel zunächst einem erhöhten Druck unterhalb des bei diesem Verfahren zu applizierenden maximalen Drucks, danach erhöhten Temperaturen von mindestens 900ºC und schließlich einem auf das Maximum erhöhten Druck ausgesetzt wird.

7. Verfahren nach Anspruch 6, weiterhin dadurch gekennzeichnet, daß der angelegte Druck innerhalb von etwa 2 bis 15 min auf das Maximum erhöht wird.

8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, weiterhin dadurch gekennzeichnet, daß die innig gemischte Masse aus CBN-Kristallen und Bindemittel einer maximalen Temperatur im Bereich von 1200 bis 1800ºC und einem maximalen Druck im Bereich von 20 bis 40 Kilobar ausgesetzt wird.

9. Verfahren nach Anspruch 8, weiterhin dadurch gekennzeichnet, daß der Hauptteil des von den CBN-Kristallen eingenommenen Volumens aus Kristallteilchen mit einer Teilchengröße von mehr als 5 µm besteht.

10. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, weiterhin dadurch gekennzeichnet, daß die innig gemischte Masse aus CBN-Kristallen und Bindemittel einer maximalen Temperatur im Bereich von 1200 bis 1800ºC und einem maximalen Druck im Bereich von 40 bis 70 Kilbar ausgesetzt wird.

11. Verfahren nach Anspruch 10, weiterhin dadurch gekennzeichnet, daß die CBN-Kristalle eine mittlere Teilchengröße unter 5 µm aufweisen.

12. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 11, weiterhin dadurch gekennzeichnet, daß das Bindemittel Atome, ausgewählt aus der Gruppe Sauerstoff, Bor und Aluminium, die in die Struktur des Siliziumnitrids eintreten und dann in fester Lösung in der Siliziumnitridphase enthalten sind, enthält.

13. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 12, weiterhin dadurch gekennzeichnet, daß der erhaltene Preßling eine ausreichend hohe elektrische Leitfähigkeit aufweist, um durch elektrische Entladungsberarbeitung (Funkenerosion) in eine Form gebracht werden zu können.

14. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 13, weiterhin dadurch gekennzeichnet, daß der Anteil an Bindemittel im Bereich von 10 bis 25 Vol.-% liegt.

15. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 14, wobei das Bindemittel Aluminiumatome in einer Menge wesentlich unterhalb der Menge an Siliziumatomen enthält und wobei die Aluminiumatome derart in die Struktur der Siliziumnitridphase eingetreten sind, daß sie in dieser Phase in Form einer festen Lösung enthalten sind.

16. Schleifpreßling, umfassend durch eine Bindungsmatrix gebundene kubische Bornitrid(CBN)-Kristalle, dadurch gekennzeichnet, daß der Preßling 40 bis 90 Vol.-% an kubischen Bornitrid(CBN)-Kristalle, die durch 60 bis 10 Vol.-% der Bindungsmatrix gebunden sind, enthält, und die Bindungsmatrix hauptsächlich aus einem innigen Gemisch aus zwei Phasen, von denen eine aus Siliziumnitrid (Si&sub3;N&sub4;) besteht oder vornehmlich dieses umfaßt und die andere aus einer metallischen Diborid (MB&sub2;)-Phase (M steht für Metallatome, ausgewählt aus der Gruppe Titan-, Zirkonium- und Hafniumatome) besteht und wobei jede der Phasen mindestens 25 Vol.-% der Bindungsmatrix ausmacht, besteht, wobei die Bindungsmatrix für eine feste und kohärente Bindung zwischen den CBN-Kristallen sorgt, die CBN-Kristalle im wesentlichen durch angrenzende Filme der Siliziumnitridphase umgeben sind, die metallische Diboridphase von den CBN-Kristallen durch die Siliziumnitridphase im wesentlichen getrennt ist und ein untereinander verbundenes elektrisch leitendes Netzwerk bildet, so daß der Preßling eine ausreichend hohe elektrische Leitfähigkeit besitzt, um durch elektrische Entladungsbearbeitung (Funkenerosion) in eine Form gebracht werden zu können.

17. Preßling nach Anspruch 16, weiterhin dadurch gekennzeichnet, daß der Anteil der Bindungsmatrix im Bereich von 40 bis 15 Vol.-% liegt.

18. Preßling nach Anspruch 16 oder 17, weiterhin gekennzeichnet durch eine Druckfestigkeit von mindestens 10 Kilobar.

19. Preßling nach einem der Ansprüche 16 bis 18, weiterhin dadurch gekennzeichnet, daß die CBN-Kristalle an den Grenzen zwischen benachbarten Kristallen eine wesentliche plastische Deformation zeigen und die Bindungsmatrix längs dieser Grenzen zwischen benachbarte Kristalle vordringt und dabei unter Bildung eines wechselseitig verbundenen, elektrisch leitenden Netzwerks die CBN- Kristalle im wesentlichen umhüllt.