CH436096A - Verbundstoffkörper und Verfahren zu seiner Herstellung - Google Patents

Verbundstoffkörper und Verfahren zu seiner Herstellung

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Description


  
 



  Verbundstoffkörper und Verfahren zu seiner Herstellung
Bei den bekannten grossen Schneid- und Schleifwerkzeugen ist eine Vielzahl kleiner Diamantkristalle, oder Diamantpulver, in einer entsprechenden Matrix verteilt, bzw. eingebettet; die Matrix ist ihrerseits mit einem Halter verbunden.



   Ein derartiges, durch ein   Bindemedium    oder eine Matrix verbundenes Kristallagglomerat stellt eine zähe, kohärente, hochfeste Masse dar und wird auch als Verbundkörper oder Verbundstoffkörper (Compact) bezeichnet. Ein derartiger Verbundstoffkörper ist ein sehr brauchbares Werkzeug, nicht nur weil er sehr kleine Diamantkristalle verwendet, sondern weil diese Kristalle auch statistisch im Verbundstoff orientiert sind, der bearbeiteten Oberfläche eine Mehrzahl von Kristallflächen zukehren und beim Abnützen oder beim Ablösen aus der Matrix eine Vielzahl von Kristallen zum Eingriff auf der Oberfläche des bearbeiteten Stoffes zurücklassen.



  Die Matrix, welche das Material mit der geringeren Härte ist, wird jedoch in erhöhtem Mass beansprucht bzw. abgenützt und stellt den begrenzenden Faktor der Leistung eines solchen Werkzeuges dar.



   Die Erfindung soll nun einen verbesserten Verbundstoffkörper dieser Art ermöglichen.



   Der Verbundstoffkörper gemäss der Erfindung ist ein fester, kohärenter. harter Verbundstoffkörper mit einer Vielzahl von   Krisltalien      aus      Diamant- und/oder    kubisch kristallinem Bornitrid und ist dadurch gekennzeichnet, dass die Kristalle mittels einer Matrix aus Borcarbid verbunden sind.



   In den Zeichnungen zeigt:
Fig. 1 ein Beispiel einer Hochdruck-Hochtemperatur-Anlage, teilweise in Schnittansicht, welche zur Herstellung des erfindungsgemässen Verbundstoffkörpers geeignet ist, und
Fig. 2 ein Werkzeug mit einem daran befestigten Verbundstoffkörper gemäss der Erfindung.



   In Figur 1 ist eine Ausführungsform der Hochdruck Hochtemperatur-Anlage gezeigt, welche ausführlich in der Schweizer Patentschrift Nr. 377 319   beschrieben    ist. Diese Anlage besitzt ein Paar   Stempel    11 und 11', sowie ein zwischen diesen liegendes, auch als Gürtel ( Belt ) bezeichnetes Gesenke 12. Jeder Stempel ist von mehreren in Presspassung aufgebrachten Binderingen aus Hartstahl und einem nicht dargestellten äusseren   Sicherheitsring    aus   Weichsltahl    umgeben, so dass die Festigkeit der Stempel erhöht wird. Das Gesenke 12 ist in gleicher Weise montiert und besitzt eine Apertur oder Öffnung 13 zur Aufnahme eines Reaktionsgefässes 14.



   Das Reaktionsgefäss 14 besteht vorzugsweise aus einem hohlen, elektrisch nichtleitenden Zylinder 15 mit einem konzentrisch darin angeordneten elektrisch leitfähigem Rohr 16. Das Rohr 16 enthält ein Probenmaterial 17, welches hohem Druck und hoher Temperatur ausgesetzt werden soll, und kann aus verschiedenen Metallen und Nichtmetallen, wie z. B. Graphit,   A1205    u. dgl. bestehen. Ein Paar elektrisch leitfähiger Scheiben 18 ist konzentrisch angebracht und verschliesst die beiden Enden des Zylinders 15 und des Rohres 16. Das Reaktionsgefäss 14 besitzt auch ein Paar Endkappen 19 von denen jede einen elektrisch leitfähigen Metallring 20 mit einer nichtleitenden Steinscheibe 21 aufweist.



   Zwischen jedem Stempel 11, bzw.   11' und    dem Gesenke 12 ist eine Dichtungsanordnung 22 vorgesehen, bestehend aus einem Paar thermisch isolierender, elektrisch nichtleitender Dichtungen 23 und 24 und einer metallischen Zwischendichtung 25. Geeignete Stoffe zur Herstellung dieser Dichtungen 23 und 24, des Zylinders 15 und der Scheiben 21 sind z. B. verschiedene Steinarten, Keramiksorten usw. wie Catlinit, Talk und Pyrophyllit.



   Die Bewegung eines oder beider Stempel gegeneinander drückt die Dichtungsanordnung und das Reaktionsgefäss zusammen, so dass die Probe im Rohr 16 hohen Drucken ausgesetzt wird, während gleichzeitig ein elektrischer Strom von einer nicht dargestellten Quelle zugeleitet   wird    und durch   die    Stempel 11 und 11' sowie die Probe und/oder   das    Rohr 16 fliesst und dadurch die Temperatur der Probe erhöht.



   Drucke und Temperaturen in derartigen Hochdruck  anlagen werden gewöhnlich indirekt durch Eichung bestimmt, wobei die bei bekannten Druckwerten erfolgenden elektrischen Veränderungen bestimmter Metalle wie z. B. Caesium, Barium, Thallium und Wismuth festgelegt werden, wie dies von P. W. Bridgeman in  Proceedings of the American Academy of Arts and Sciences , Bd. 81, Nr. 4/1952, Seiten 165-251, beschrieben ist.



  Die Temperatur im Reaktionsgefäss wird mit im Reaktionsraum angeordneten Thermoelementen bestimmt, wobei aus dem Arbeitsbereich des Materials der Thermoelemente hinausextrapoliert wird. Bezüglich der Einzelheiten dieser Messungen wird auf die oben genannte Patentschrift 377 319 und die Patentschrift Nr. 365 059 verwiesen.



   Es wurde nun gefunden, dass Borcarbid, B4C, eine hervorragende Matrix für Verbundstoffkörper mit Dia  mant-und/oder    kubisch-kristallinem Bornitrid   dars, tellt,    wenn dieses Material zusammen mit Diamantpulver bzw. Pulver aus kristallinem Bornitrid hohen Drucken und hohen Temperaturen, z. B. in den beschriebenen Hochdruck-Hochtemperatur-Anlagen, ausgesetzt wird.



  Vorteile dieses Materials gegenüber anderen Matrixstoffen sind ohne weiteres ersichtlich, weil B4C bezüglich seiner Härte dem Diamant am nächsten kommt. Eine derartige Matrix ist selbst ein sehr hartes Material, das wesentlich härter als die aufgekohlten (zementierten) Carbide und selbstverständlich auch härter als die in Frage kommenden Weich- und Hartlote ist. B4C ist vielmehr selbst ein bekanntes Schleifmaterial.



   Einige handelsübliche Borcarbidsorten enthalten ungefähr 75-80 Prozent Bor und entsprechen hochreinem Borcarbid mit 99 Prozent und mehr   B4C;    man kann aber auch technische Borcarbide mit 67-76 Prozent Bor verwenden.



   Vorzugsweise wird jedoch ein Borcarbid höherer Reinheit in kleiner Partikelgrösse verwendet. Dabei erfolgt die Herstellung vorzugsweise bei den höheren möglichen Drucken und Temperaturen. Die folgenden Beispiele erläutern die Herstellung von Verbundkörpern innerhalb und ausserhalb der bevorzugten Verfahrensbedingungen.



   Beispiel 1
Eine Mischung aus 85 Gew. Prozent Diamantpulver mit einer Partikelgrösse von unter 40 Mikron entsprechend einer Maschenzahl von 128 Maschen/cm und 15 Prozent Borcarbidpulver mit einem Feinheitsgrad entsprechend einer Maschenzahl von 236 Maschen/cm wurde ungefähr 3 Stunden in einer Kugelmühle gemahlen. Das Rohr 16 (Fig. 1) aus Graphit mit einem Aussendurchmesser von ungefähr 3,18 mm und einem Innendurchmesser von 2,54 mm wurde mit dieser Mischung gefüllt und in einer Apparatur gemäss Fig. 1 während ungefähr 30 Minuten der gleichzeitigen Einwirkung von ungefähr   1200     C und 35 000 Atmosphären ausgesetzt.



   Beispiel 2
Es wurde ähnlich wie in Beispiel 1 gearbeitet, jedoch bei   75000    Atmosphären Druck, 12000 C und einer Einwirkungsdauer von ungefähr 30 Minuten. Nach Beendigung der Druck- und Temperaturbehandlung konnte aus dem Reaktionsgefäss ein fester, kohärenter Verbundstoffkörper erhalten werden. Es ist zu bemerken, dass bei diesem Beispiel bezüglich Druck und Temperatur im Stabilitätsbereich von Diamant gearbeitet wurde, d. h. oberhalb der bekannten Graphit-Diamant-Gleichgewichtslinie des Druck-Temperaturdiagrammes.



   In den folgenden Beispielen wird ein Rohr 16 aus Kohlenstoff mit einem Aussendurchmesser von 3,05 mm, einem Innendurchmesser von ungefähr 2,03 mm und einer Länge von ungefähr 11,4 mm verwendet. Das Rohr wird mit B4C in einer Feinheit einer Maschenzahl von 150 Maschen/cm und mit Diamant und kubischkristallinem Bornitrid in einer Feinheit entsprechend Siebzahlen von 24-125 Maschen/cm beschickt. Das Probematerial wird gleichmässig aufgeteilt, so dass Diamant und B4C die eine Hälfte der Länge von Rohr 16, das kubische Bornitrid und B4C die restliche Hälfte des Rohres ausfüllen.



   Beispiel 3
Das Rohr 16 wurde wie oben angegeben mit Mischungen gefüllt, welche 5 Vol. Prozent oder 4 Gew.



  Prozent B4C enthielten. Druck und Temperatur wurden auf 91 000 Atmosphären bzw.   1700     C gebracht und 6 Minuten auf diesen Werten gehalten. Man erhält mehrere Scheiben aus gebundenem Diamant und gebundenem kubisch-kristallinem Bornitrid.



   Beispiel 4
Das Rohr 16 wurde wie oben angegeben mit Mischungen beschickt, welche 25 Vol. Prozent bzw. 18 Gew. Prozent B4C enthielten. Druck und Temperatur   wurden    auf 76 000 Atmosphären, bzw.   1500     C gebracht und ungefähr 16 Minuten auf diesen Werten gehalten. Die Diamantkristalle waren ziemlich schlecht gebunden, während die Kristalle aus kubisch-kristallinem Bornitrid sehr gut festgekittet, bzw. gebunden waren.



   Beispiel 5
Das Rohr 16 wurde wie oben angegeben mit Mischungen beschickt, welche 10 Vol. Prozent bzw. 7 Gew.



  Prozent B4C   enthielten.    Druck und Temperatur wurden auf   76000    Atmosphären bzw.   1500     C gebracht und ungefähr 10 Minuten auf diesen Werten gehalten. Die Diamanten waren in den kühleren Teilen des Rohres gut gebunden. Die   Krtalle aus    kubischem Bornitrid waren in allen Teilen gut gebunden.



   Beispiel 6
Das Rohr 16 wurde wie oben angegeben mit Mischungen beschickt, welche 15 Vol. Prozent bzw. 11 gew. Prozent B4C enthielten. Druck und Temperatur   wurden    auf 50000 Atmosphären, bzw.   1300     C gebracht und ungefähr 8 Minuten auf diesen Werten gehalten. Sowohl die Diamanten als auch die Kristalle aus kubischem Bornitrid waren zu guten Verbundkörpern verkittet, bzw. gebunden.



   Beispiel 7
Das Rohr 16 wurde gemäss obigen Angaben mit Mischungen beschickt, die 15 Vol. Prozent bzw. 11 Gew. Prozent B4C, enthielten. Druck und Temperatur wurden auf 15 000 Atmosphären bzw.   1050     C gebracht und 4 Minuten auf diesen Werten gehalten. Man erhält relativ schwache Verbundkörper, weil bei Bedingungen ausserhalb des bevorzugten Bereiches gearbeitet wurde.



   Beispiel 8
Beispiel 7 wurde wiederholt, wobei jedoch 6 Minuten auf   1200     C erhitzt   wurde.    Die so erhaltene Bindung ist besser als die in Beispiel 7.



   Im allgemeinen scheint man bei höheren Drucken und Temperaturen bessere Bindungen zu erhalten, weil ein besserer Kontakt zwischen den Partikeln zustande  kommt und eine geringere Neigung der Umwandlung von Diamant in Graphit besteht. Vorzugsweise wird für die Herstellung von Verbundkörpern für durchschnittliche Zwecke ein Mindestdruck von 35 000 Atmosphären angewendet.



   Ein nach dem beschriebenen Verfahren hergestellter erfindungsgemässer Verbundstoffkörper kann allgemein wie ein Diamantwerkzeug verwendet werden.



   Fig. 2 zeigt ein Grundwerkzeug 26 dieser Art und besteht aus einem Träger oder Halter 27 mit einem darin angebrachten Verbundstoffkörper 28. Zur Sicherstellung einer ausreichenden Befestigung des Verbundstoffkörpers 28 in der dargestellten oder in einer anderen Stellung können verschiedene Verfahren und Mittel angewendet werden. Ein geeignetes Verbindungsverfahren ist in der U. S. Patentschrift 2 570 428 beschrieben und verwendet Lotschichten und Titanhydrid. Auch mechanische Verbindungen können verwendet werden; der Verbundkörper kann in verschiedenen Anordnungen, je nach der räumlichen Ausbildung des Verbundkörpers, im Halter 27 orientiert sein. Es ist zu bemerken, dass der Träger 27 sinngemäss für verschiedene Werkzeuge, wie Schneidwerkzeuge, Schleifwerkzeuge, Schleifräder, Sägen und dergleichen steht.



   Die Erfindung bietet einen festen, kohärenten Ver  bundstoffkörper mit einer r Vielzahl von Diamant- und/    oder   kulbisch-krisltallinen      Bornitrid-Knistalien      oder -Par-    tikeln, die durch Borcarbid sicher miteinander verbunden sind. Ein   derartIger    Verbundstoffkörper kann in allgemeiner Weise für Schneid- und Schleifzwecke und zur spanabhebenden Metallbearbeitung verwendet werden. Diamantverbundkörper können sowohl in dem als auch ausserhalb des Stabilitätsbereiches von Diamant im Kohlenstoff-Phasendiagramm erhalten werden, doch sollte die Temperatur nicht so hoch sein, dass eine Umwandlung von Diamant in Graphit eintritt. Es wurde gefunden, dass die Menge des zugegebenen   B4C    zweckmässigerweise zwischen 5 und 25 Prozent liegt.

Claims (1)

  1. PATENTANSPRÜCHE I. Fester, kohärenter, harter Verbundstoffkörper mit einer Vielzahl von Kristallen aus Diamant und/oder kubisch-kristallinem Bornitrid, dadurch gekennzeichnet, dass die Kristalle mittels einer Matrix aus Borcarbid verbunden sind.
    II. Verfahren zur Herstellung eines Verbundstoffkörpers gemäss Patentanspruch I in einer Hochdruck Hochtemperatur-Anlage mit Reaktionskammer zur Erzeugung und Erhaltung hoher Drucke und hoher Temperaturen, dadurch gekennzeichnet, dass man Borcar bid und Diamant und/oder kabisch-kristallines Bornitrid geringer Partikelgrösse mischt, die Mischung in die Hochdruck-Hochtemperatur-Anlage bringt und sie dort einem Druck von mindestens 15 000 Atmosphären und einer Temperatur von mindestens 12000 C min- destens einige Minuten lang aussetzt, den Druck und die Temperatur senkt und den erhaltenen festen, kohärenten, harten Verbundstoffkörper aus der Anlage herausnimmt.
    III. Verwendung eines Verbundstoffkörpers gemäss Patentanspruch I als Schneid- oder Schleifwerkzeug.
    UNTERANSPRUCH Verbundstoffkörper gemäss Patentanspruch I, gekennzeichnet durch einen Gehalt von 5 bis 25 Prozent Borcarbid.
CH1141861A 1960-10-03 1961-10-02 Verbundstoffkörper und Verfahren zu seiner Herstellung CH436096A (de)

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