CH644338A5 - Metallurgisch gebundener, gesinterter diamant-metall-verbundwerkstoff und verfahren zu seiner herstellung. - Google Patents
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Description
Die Erfindung betrifft einen metallurgisch gebundenen, gesinterten Diamant-Metall-Verbundwerkstoff und ein Verfahren zu seiner Herstellung. Dieser gesinterte Verbundwerkstoff eignet sich zum Feinschleifen bzw. Läppen von Oberflächen, beispielsweise von optischen Gläsern.
In jüngster Zeit haben metallurgisch gebundene, gesinterte Diamant-Metall-Verbundwerkstoffe zum Läppen von Brillen und optischen Linsen Bedeutung erlangt. Unter diesen haben insbesondere gesinterte Diamant-Metall-Verbundwerkstoffe auf der Basis von Kupfer-Zinn-Legierungen verbreitet Anwendung für diesen Zweck gefunden. Diese gesinterten Diamant-Metall-Verbundwerkstoffe auf der Basis von Kupfer-Zinn-Legierungen haben sich jedoch als mangelhaft erwiesen, da ihre Lebensdauer bei der Verwendung zum Feinschleifen ausserordentlich kurz ist und da sie eine schwerwiegende Beschädigung der zu schleifenden Oberflächen hervorrufen können, was auf ein Herausfallen der Diamanten während des Schleifvorganges zurückzuführen ist. Auf der anderen Seite wirkt sich bei der Verwendung von Nickel, Kobalt, Eisen oder deren Legierungen als Grundmetall für die Herstellung von metallisch gebundenen Diamantmetallen nachteilig aus, dass diese Metalle sehr hohe Schmelzpunkte aufweisen und demzufolge nicht in ausreichendem Mass gesintert werden können, sofern sie nicht bei Temperaturen oberhalb 1000°C gesintert werden. Bei diesen Temperaturen neigen die verwendeten Diamanten jedoch dazu, sehr schnell in Graphit überzugehen, wodurch ihre Eigenschaften zerstört werden.
Um die den gesinterten Diamant-Metall-Verbundwerkstoffen auf der Basis von Nickel anhaftenden, zuvor erwähnten Nachteile zu vermeiden, wurden schliesslich erfolgreiche Versuche unternommen, eine Sinterung bei niedrigeren Temperaturen, bei denen noch keine Umwandlung des verwendeten Diamanten in Graphit stattfindet, zu bewerkstelligen, indem man die Teilchengrösse des verwendeten Nickelpulvers herabsetzt. Die Verwendung eines Nikkeipulvers mit verhältnismässig kleiner Teilchengrösse führt zu einem Sinterwerkstoff mit überlegener Einbindefestigkeit des Diamanten und einem ausgezeichneten Schleifverhalten (JP-Patentanmeldung Nr. 159 153/1976).
Dieser gesinterte Diamant-Metall-Verbundwerkstoff auf der Basis von Nickel hat sich jedoch im Hinblick auf die Beibehaltung der Schleifleistung als ungenügend erwiesen, da es im Laufe längerdauernder Schleifvorgänge zu einer zunehmenden Verstopfung und damit zu einer Verschlechterung des Schleifverhaltens kommt.
Gegenstand der Erfindung ist daher ein metallurgisch gebundener, gesinterter Diamant-Metall-Verbundwerkstoff, der dadurch gekennzeichnet ist, dass er Nickel und/oder Kobalt als Grundmetall, eine im Grundmetall dispergierte intermetallische Verbindung aus dem Grundmetall und einem zur Bildung der intermetallischen Verbindung mit dem Grundmetall befähigten Element und Diamant-Pulver enthält.
Dieser gesinterte Werkstoff, der eine im Grundmetall dispergierte, harte und spröde intermetallische Verbindung enthält, zeigt keine Verstopfungserscheinungen bei langdauernden Schleifvorgängen, so dass es nicht zu einer Verschlechterung seines Schleifverhaltens kommt. Demzufolge genügt dieser gesinterte Werkstoff allen an ein Schleifmaterial zu stellenden Anforderungen, z.B. Einbindefestigkeit des Diamanten, Aufrechterhaltung der Schleifgenauigkeit, Verhütung von Schleifstreifen, Lebensdauer und dergleichen. Dementsprechend ist der erfindungsgemässe gesinterte Werkstoff ausserordentlich geeignet für die Verwendung zum Feinschleifen bzw. Läppen von Brillen und optischen Linsen, Prismen und I.C.-Platten (I.C.: integrierte Schaltungen), ferner zum Feinschleifen der Oberflächen von Uhrengläsern sowie von Marmor-Oberflächen und dergleichen.
Des weiteren betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Herstellung eines metallurgisch gebundenen, gesinterten Dia-mant-Metall-Verbundwerlcstoffes, welches dadurch gekennzeichnet ist, dass man als Grundmetall Nickel- und/oder Kobalt-Pulver mit einer Teilchengrösse von 0,150 mm oder weniger verwendet, zu diesem Grundmetall 0,1 bis 10 Gew.-% Diamant-Pulver mit einer Teilchengrösse von 1 bis 40 um und ein zur Bildung einer intermetallischen Verbindung mit dem Grundmetall befähigtes Element hinzufügt, die Bestandteile vermischt, die erhaltene Mischung durch Pressen verformt und anschliessend den erhaltenen Formkörper in einer nicht-oxydierenden Atmosphäre bei einer Temperatur von s
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600 bis 950°C 15 bis 60 Minuten lang sintert.
Dieses Verfahren erlaubt die Herstellung des oben erwähnten metallurgisch gebundenen und gesinterten Diamant-Metall-Verbundwerkstoffes mit ausserordentlich guter Eignung zum Feinschleifen. Dieser gesinterte Werkstoff wird durch Sintern bei einer niedrigen Temperatur, bei der noch keine Umwandlung des Diamanten in Graphit stattfindet, erhalten.
Die Fig. 1 bis 4 veranschaulichen die in Beispiel 1 erhaltenen Versuchsergebnisse, während Fig. 5 die in Beispiel 2 erhaltenen Ergebnisse zeigt.
Fig. 1 veranschaulicht die Beziehung zwischen der Zahl der geschliffenen Stücke und dem Schleifverlust der Linsen bei Verwendung von gesinterten Werkstoffen, welche Zinn in unterschiedlichen Mengen enthalten. In dieser Figur zeigt die ausgezogene Linie die Verwendung eines gesinterten Werkstoffes, auf der Basis von Nickel ohne Zinnzusatz; die strichpunktierte Linie die Verwendung eines gesinterten Werkstoffes auf der Basis von Nickel mit einem Zusatz von 20% Zinn und die gestrichelte Linie die Verwendung eines gesinterten Werkstoffes auf der Basis von Nickel mit einem Zusatz von 30% Zinn.
Fig. 2 zeigt die Beziehung zwischen der Menge an zugegebenem Zinn und der prozentualen Abnahme der Schleifverluste.
Fig. 3 zeigt die Beziehung zwischen der Menge an zugegebenem Zinn und dem Schleifverhältnis, wobei das Symbol A. auf einen gesinterten Werkstoff auf der Basis von Kupfer-Zinn hinweist.
Fig. 4 zeigt die Beziehung zwischen der Dauer des Schleifvorganges und der akkumulierten Schleifverluste (Abschliff des zu schleifenden Gegenstandes + Schleifkörperver-schleiss) bei einem erfindungsgemässen gesinterten Werkstoff auf der Basis von Nickel mit einem Zusatz von 25% Zinn und einem Sinterwerkstoff auf der Basis einer Kupfer-Zinn-Legierung als Vergleich. In dieser Figur zeigt die ausgezogene Linie die mit dem erfindungsgemässen gesinterten Werkstoff erhaltenen Ergebnisse, während die strich-punktierte Linie die mit dem Vergleichsmaterial erhaltenen Ergebnisse zeigt.
Fig. 5 zeigt die Beziehung zwischen der einem gesinterten Werkstoff auf der Basis von Nickel-Diamant-0,1% Schwefel zugegebenen Phosphormenge und dem Schleifverhältnis bei der Verwendung dieses gesinterten Werkstoffes.
Für die Herstellung des erfindungsgemässen gesinterten Werkstoffes wird das Grundmetall, d.h. Nickel und/oder Kobalt, zweckmässigerweise in Pulverform eingesetzt. Das Nickelpulver kann durch Zersetzung von Nickelcarbonyl, durch Reduktion oder durch Elektrolyse gewonnen werden. Das Kobaltpulver wird üblicherweise durch Reduktion gewonnen. Die Teilchengrösse des Nickelpulvers beträgt bevorzugt 0,150 mm oder weniger.
Die Menge des zugesetzten Diamant-Pulvers beträgt bevorzugt 0,1 bis 10 Gew.-%, wobei Diamant-Pul ver mit einer Teilchengrösse von 1 bis 40 p.m besonders bevorzugt ist. Dieses Diamant-Pulver kann als einfache Substanz vorliegen. Es ist jedoch auch möglich, Diamant-Pulver zu verwenden, bei dem die Oberfläche der Diamantteilchen mit Nickel, Kobalt, Kupfer, Zinn oder dergleichen vergütet ist. Besonders bevorzugt ist ein im Handel erhältliches nickel-vergü-tetes Diamant-Pulver, welches durch stromlose Nickelab-scheidung erhalten wird. Durch die Verwendung eines derartigen vergüteten Nickelpulvers kann eine weitere Verbesserung der Härte des Sinterwerkstoffes erzielt werden.
Als Beispiele für die zur Bildung einer intermetallischen Verbindung mit dem Grundmetall geeignete Elemente sind zu nennen: Zinn, Antimon, Zink, Phosphor, Schwefel, Magnesium, Titan, Molybdän, Selen, Germanium, Indium,
Tellur, Vanadin, Niob, Tantal und Bor. Es ist wichtig, dass die zur Bildung der intermetallischen Verbindung verwendeten Elemente in solchen Mengen eingesetzt werden, dass eine gleichmässige Verteilung der durch Reaktion des zugegebenen Elementes mit dem in Pulverform vorliegenden Grundmetall gebildeten intermetallischen Verbindung im Grundmetall gewährleistet ist und dass ausserdem die Menge ausreicht, um dem Sinterwerkstoff die für die Verwendung zum Feinschleifen notwendigen Eigenschaften zu verleihen. Um dieses Ziel zu erreichen, ist es notwendig, diese Elemente in Abhängigkeit von ihrem spezifischen Gewicht einzusetzen. Die genannten Elemente werden aufgrund ihres unterschiedlichen spezifischen Gewichtes in zwei Gruppen eingeteilt. Zu der einen Gruppe zählen beispielsweise Zinn, Antimon,
Zink, Selen, Germanium und ähnliche Elemente. Zu der anderen Gruppe zählen beispielsweise Phosphor, Schwefel, Magnesium und andere Elemente mit ähnlichem spezifischem Gewicht. Werden Elemente der erstgenannten Gruppe verwendet, so empfehlen sich Mengen von 5 bis 40 Gew.-%, während bei den Elementen der letztgenannten Gruppe Mengen von 0,2 bis 3 Gew.-% empfehlenswert sind. Bei Einhaltung dieser Zugabemengen kommt es zu der gewünschten Verteilung der intermetallischen Verbindung. In diesem Zusammenhang sei noch erwähnt, dass diese Elemente üblicherweise einzeln eingesetzt werden; es ist jedoch möglich, auch Kombinationen von zwei oder mehreren dieser Elemente einzusetzen.
Bei der Herstellung des Sinterwerkstoffes geht man so vor, dass man das in Pulverform vorliegende Grundmetall, das Diamant-Pulver und ein zur Bildung der intermetallischen Verbindung mit dem Grundmetall befähigtes Element miteinander vermischt. Falls es zur Herstellung eines gleichförmigen Gemisches notwendig ist, kann eine geringe Menge eines Schmiermittels während der Verformung zugegeben werden. Geeignete Schmiermittel sind beispielsweise Zink-stearat oder Lithiumstearat. Diese Mischung wird durch Pressen verformt, wobei man eine Form verwendet, mit deren Hilfe ein fester Formkörper erhalten wird, dessen Dichte vorzugsweise im Bereich von 4 bis 6,5 g/cm3 liegt.
Danach wird der Formkörper bei einer Temperatur von 600 bis 950°C während 15 bis 60 Minuten in einer nicht-oxy-dierenden Atmosphäre gesintert. Dabei kann man den Sinterungsvorgang entweder im Vakuum oder unter Wasserstoff, Stickstoff oder Argon durchführen. Dabei sei daran erinnert, dass bei Anwendung milderer Bedingungen bei der Sinterung die Gefahr besteht, dass keine ausreichende Sinterung erreicht wird, und dass bei der Anwendung energischerer Bedingungen bei der Sinterung die Gefahr besteht, dass der Diamant in Graphit übergeht. Im Anschluss an den Sinterungsvorgang können die Abmessungen des erhaltenen Sinterwerkstoffes, sofern notwendig, noch korrigiert werden.
Da die Teilchengrösse des verwendeten pul verförmigen Grundmetalls verhältnismässig klein ist, kann eine ausreichende Sinterung schon bei Temperaturen von 600 bis 950°C erreicht werden. Dieser Temperaturbereich liegt unterhalb der Temperatur, bei der das Diamant-Pulver einer raschen Umwandlung in Graphit unterliegt, d.h. bei etwa 1000°C. Da die Temperatur, bei der die intermetallische Verbindung durch Zusammenwirken des pulverförmigen Grundmetalls mit dem zu ihrer Bildung zugegebenen Element gebildet wird, niedriger ist als die Schmelztemperatur des pulverförmigen Grundmetalls, trägt die Bildung der intermetallischen Verbindung auch zur Erniedrigung der Sintertemperatur bei. Von den zur Bildung der intermetallischen Verbindung befähigten Elementen zeichnen sich Zinn, Antimon, Zink, Phosphor und Schwefel durch verhältnismässig niedrige Schmelzpunkte aus. Dementsprechend schmelzen diese Elemente sogar im unteren Teil des Temperaturbereiches, in dem nach
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der Lehre der Erfindung die Sinterung durchgeführt wird, und verteilen sich im Grundmetall und reagieren mit diesem unter Bildung der intermetallischen Verbindungen. Darüber hinaus bleiben, nachdem das die intermetallische Verbindung bildende Element geschmolzen ist und sich im Grundmetall verteilt hat, Hohlräume zurück, welche die Entfernung von Spänen, welche während des Schleifvorganges auftreten, erleichtern. Ausserdem kann das Volumen der Hohlräume durch Einstellung der Zugabemengen der niedrigschmelzenden Elemente gesteuert werden. In dieser Hinsicht wird die Verwendung dieser niedrigschmelzenden Elemente zur Bildung der intermetallischen Verbindung bevorzugt.
Besonders bevorzugt ist die Verwendung von pulverför-migem Nickel als Grundmetall und von Zinn als Element zur Bildung der intermetallischen Verbindung. Es ist unnötig zu sagen, dass auch die verhältnismässig hochschmelzenden Elemente zur Bildung und Verteilung der intermetallischen Verbindung und zur Erniedrigung der Sintertemperatur verwendet werden können und dass auf diese Weise der durch die Erfindung angestrebte Erfolg erzielt werden kann.
Die so erhaltene intermetallische Verbindung ist hart und spröde, so dass auch der gesinterte Werkstoff, in dem die intermetallische Verbindung dispergiert ist, selbst hart ist, einen erhöhten Abschliffswiderstand und ausserdem eine verbesserte Einbindefestigkeit des Diamanten aufweist. Aufgrund der selbstreinigenden Wirkung wird beim Schleifen das Verstopfen während einer langen Zeit verhindert, so dass die Schleifleistung während langer Zeit unverändert beibehalten wird.
Bei der Verwendung des erfindungsgemässen gesinterten Werkstoffes kommt es während des Schleifvorganges zur Ausbildung von Schleifkanten an den in der Metallmatrix dispergierten Diamantteilchen, wodurch die Schleifwirkung zustandekommt. Dabei stehen der Berührungsdruck zwischen dem Sinterwerkstoff und dem zu schleifenden Material und die Zahl der Schleifkanten in einem engen Verhältnis mit der Schleifleistung. Aus diesem Grund sollte in Fällen, in denen verhältnismässig niedere Drücke von 30 bis 500 g/cm2, wie es beispielsweise beim Feinschleifen oder Läppen von Prismen, I.C.-Platten und dergleichen notwendig ist, zur Anwendung kommen, die Menge des Diamant-Pulvers auf einen Bereich von 0,1 bis 1 Gew.-% eingestellt werden, da in diesem Fall die Zahl der Schleifkanten und demzufolge der auf jede Schleifkante einwirkende Druck exakt eingehalten werden kann. In diesen Fällen ist es besonders vorteilhaft, die Menge des Diamant-Pul vers auf einen Bereich von 0,1 bis 0,6 Gew.-% einzustellen.
Die nachfolgenden Beispiele dienen zur Erläuterung der Erfindung
Beispiel 1
Zu pul verförmigen, aus Nickelcarbonyl gewonnenem Nickel mit einer mittleren Teilchengrösse von 3 bis 4 (j. wurde 1 Gew.-% künstliches Diamantpulver mit einer Teilchengrösse von 10 bis 20 u hinzugefügt, worauf Zinn mit einer Teilchengrösse von 0,064 mm in unterschiedlichen Mengen von 0 bis 70 Gew.-% hinzufügt und eingemischt wurde. Zu diesen Mischungen wurden ausserdem 0,5 Gew.-% Zink-stearat hinzugefügt. Die resultierenden Mischungen wurden unter Verwendung einer Metallform zu tablettenähnlichen Presskörpern, bei denen das Verhältnis DurchmesserrHöhe 10:3 betrug, verformt, wobei Presskörper mit einer Dichte von etwa 6 g/cm3 erhalten wurden. Diese Presskörper wurden in einer Schutzgasatmosphäre von Wasserstoff und Stickstoff bei 840°C während 45 Minuten gesintert, um Sinterkörper zu erhalten. Die erhaltenen Sinterkörper wurden zum Feinschleifen optischer Linsen mit einer Mohs-Härte von 6 verwendet, wobei die in den Fig. 1,2,3 und 4 dargestellten Ergebnisse erhalten wurden.
Aus diesen Ergebnissen ist ersichtlich, dass in dem Fall, in dem keine Zinnzugabe erfolgte, die Tendenz besteht, dass der Abschliffverlust der Linsen in dem Mass abnimmt, in dem die Anzahl der geschliffenen Stücke zunimmt, während in den Fällen, in denen der erfindungsgemässe Sinterwerkstoff zum Einsatz gelangt, die Mengen des abgeschliffenen Materials nicht abnehmen und dass darüber hinaus das Schleifverhältnis (Verhältnis vom Abschliffverlust der Linsen zum Abschliffverlust des Sinterwerkstoffes) merklich zunimmt. Wie aus Fig. 4 ersichtlich ist, nehmen die akkumulierten Mengen des durch Schleifen abgetragenen Materials im Laufe der Zeit bei dem als Vergleich verwendeten Sinterwerkstoffs ab, während sie bei dem erfindungsgemässen Sinterwerkstoff in einer praktisch linearen Weise zunehmen.
Beispiel 2
Zu aus Nickelcarbonyl gewonnenem pulverförmigem Nickel mit einer Teilchengrösse von 3 bis 4 jj. wurden 1 Gew.-% künstliches Diamant-Pulver mit einer Teilchengrösse von 10 bis 20 u und anschliessend 0,1 Gew.-% Schwefel und roter Phosphor in unterschiedlichen Mengen von 0,5 bis 3 Gew.-% hinzugefügt. Diesen Mischungen wurden ausserdem 0,5 Gew.-% Zinkstearat zugesetzt. Die erhaltenen Mischungen wurden in der in Beispiel 1 beschriebenen Weise verformt und gesintert. Die erhaltenen Sinterwerkstoffe wurden zum Feinschleifen von optischen Linsen mit einer Mohs-Härte von 6 eingesetzt, um das Schleifverhältnis zu ermitteln. Die dabei erhaltenen Ergebnisse sind in Fig. 5 dargestellt.
Beispiel 3
Zu einer Mischung aus pulverförmigem Elektrolytnickel mit einer mittleren Teilchengrösse von bis zu 0,064 mm und pulverförmigem durch Reduktion gewonnenem Kobalt mit einer mittleren Teilchengrösse von 3 bis 4 um in einem Mischungsverhältnis von 3:7 wurden 1 Gew.-% Diamant-Pulver mit einer Teilchengrösse von 15 bis 25 u.m und anschliessend 0,5 Gew.-% roter Phosphor und 0,3 Gew.-% Schwefel hinzugefügt. Das resultierende Gemisch wurde nach Zugabe eines Schmiermittels in der in Beispiel 1 angegebenen Weise verformt und gesintert. Die erhaltenen Sinterwerkstoffe wurden zum Feinschleifen von optischen Linsen mit einer Mohs-Härte von 6 verwendet. Dabei wurden die mittleren Mengen an abgeschliffenem Material und das Schleifverhältnis ermittelt und mit dem bei Verwendung eines als Vergleich dienenden Sinterwerkstoffes auf der Basis einer Kupfer-Zinn-Legierung verglichen. Die erhaltenen Resultate sind in der nachfolgenden Tabelle dargestellt.
Mittlere Schleifverhältnis
Abschliffmenge [u/jx]
M
erfindungsgemässer gesinterter Werkstoff 204,1 2354,8
gesinterter
Diamant-Metall-Verbund-werkstoff auf der Basis einer Kupfer-Zinn-Legierung 139,1 410,6
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3 Blatt Zeichnungen
Claims (10)
- 6443382PATENTANSPRÜCHE1. Metallurgisch gebundener, gesinterter Diamant-Metall-Verbundwerkstoff, dadurch gekennzeichnet, dass er Nickel und/oder Kobalt als Grundmetall, eine im Grundmetall dis-pergierte intermetallische Verbindung aus dem Grundmetall und einem zur Bildung der intermetallischen Verbindung mit dem Grundmetall befähigten Element und Diamant-Pulver enthält.
- 2. Gesinterter Diamant-Metall-Verbundwerkstoff nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass er als Grundmetall ein durch Sintern von Nickel- und/oder Kobalt-Pulver mit einer Teilchengrösse von 0,150 mm oder weniger erhaltenes Produkt enthält.
- 3. Gesinterter Diamant-Metall-Verbundwerkstoff nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass er eine durch Zugabe von 5 bis 40 Gew.-% Zinn und/oder Antimon und/ oder Zink erhaltene intermetallische Verbindung enthält.
- 4. Gesinterter Diamant-Metall-Verbundwerkstoff nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass er eine durch Zugabe von 0,2 bis 3 Gew.-% Phosphor und/oder Schwefel erhaltene intermetallische Verbindung enthält.
- 5. Gesinterter Diamant-Metall-Verbundwerkstoff nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass er Diamant-Pulver mit einer Teilchengrösse von 1 bis 40 (im enthält und dass der Anteil des Diamant-Pulvers 0,1 bis 10 Gew.-% beträgt.
- 6. Gesinterter Diamant-Metall-Verbundwerkstoff nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass er 0,1 bis 1 Gew.-% Diamant-Pulver enthält.
- 7. Verfahren zur Herstellung eines metallurgisch gebundenen, gesinterten Diamant-Metall-Verbundwerkstoffes, dadurch gekennzeichnet, dass man als Grundmetall Nickel-und/oder Kobalt-Pulver mit einer Teilchengrösse von 0,150 mm oder weniger verwendet, zu diesem Grundmetall 0,1 bis 10 Gew.-% Diamant-Pulver mit einer Teilchengrösse von 1 bis 40 Jim und ein zur Bildung einer intermetallischen Verbindung mit dem Grundmetall befähigtes Element hinzufügt, die Bestandteile vermischt, die erhaltene Mischung durch Pressen verformt und anschliessend den erhaltenen Formkörper in einer nicht-oxydierenden Atmosphäre bei einer Temperatur von 600 bis 950°C 15 bis 60 Minuten lang sintert.
- 8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass man ein Diamant-Pulver verwendet, bei dem die Diamantteilchen mit einem Überzug aus Nickel, Kupfer, Kobalt oder Zinn versehen sind.
- 9. Verwendung des gesinterten Diamant-Metall-Verbund-werkstoffes nach Anspruch 1 zum Feinschleifen von Oberflächen.
- 10. Verwendung nach Anspruch 9 zum Feinschleifen von optischen Gläsern.
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