DK154824B - Polykrystallinsk diamantlegeme samt fremgangsmaade til fremstilling heraf - Google Patents

Description

DK 154824 B

Opfindelsen angår et polykrystallinsk diamantlegeme/ især i form af en skive, stav eller hul cylinder, med en masse af diamantkrystaller.

Fra US 2.391.589 kendes et polykrystallinsk diamantlegeme, 5 hvori bindemidlet er en blanding af siliciumcarbid, borcarbid og aluminiumoxid, og fra US 4.042.347 kendes der et polykrystallinsk diamantlegeme, hvori bindemidlet er en metal- og polymermatrix, men en teknisk hindring for opnåelse af et diamantkompositmateriale med høj tæthed (stort volumenindhold af diamant) og fremstillet under 10 diamantstabilitetstrykområdet har hidtil været en manglende udvikling af et egnet bindemiddel, som var i stand til at trænge ind i eller infiltrere kapillarhulrummene i et tætpakket diamantpulver af fin partikelstørrelse. Bindemidlet skal endvidere danne en termisk stabil, stærk binding med diamant og må ikke omdanne diamanten til grafit 15 eller reagere for vidtgående med diamanten.

Det polykrystallinske diamantlegeme er ifølge opfindelsen ejendommeligt ved, at diamantkrystallerne er bundet til hinanden med et siliciumatomholdigt bindemiddel, som udgøres af siliciumcarbid og frit silicium, at diamantkrystallerne har en størrelse på fra 1 til 1000 pm, 20 at diamantkrystaltætheden i legemet ligger i området fra 65 til højst 80 volumenprocent af legemet, at andelen af siliciumatomholdigt bindemiddel udgør op til 35 volumenprocent af legemet, at bindemidlet er fordelt i alt væsentligt ligeligt i legemet, at den andel af bindemidlet, som er i kontakt med diamantoverflader i alt væsentligt 25 består af siliciumcarbid, og at diamantlegemet i alt væsentligt er porefrit.

Det polykrystallinske legeme ifølge opfindelsen er anvendeligt som slibemateriale, skæreværktøj, dyse eller anden slidbestandig komponent.

30 Opfindelsen angår også en fremgangsmåde til fremstilling af det polykrystallinske diamantiegeme ifølge opfindelsen under anvendelse af et varmepresningstrin, hvilken fremgangsmåde er ejendommelig ved det i krav 5's kendetegnende del angivne.

Ved fremgangsmåden ifølge opfindelsen anvendes der tryk, som 35 er væsentligt lavere end dem, der er påkrævet i diamantstabilitetsområdet.

Opfindelsen vil i det følgende blive nærmere forklaret i forbindelse med tegningen, hvor: figur 1 viser et tværsnit af et apparat til frembringelse af 2

DK 15 4 8 2 4 B

en hulhed i et tryktransmitterende pulvermedium; figur 2 viser et tværsnit af et apparat til udøvelse af et i alt væsentligt isostatisk tryk på cellen, dvs. hulheden og Indholdet, ved hjælp af et tryktransmitterende 5 pulvermedium til dimensionsmæssig stabilisering af cellen under frembringelse af et i alt væsentligt iso-statisk sytem; figur 3 viser et tværsnit af en grafitform til samtidig afgivelse af varme og tryk til det i alt væsentligt iso-10 statiske system, og hvor cellen ses indeholdt deri, og figur 4 viser et fotografi (forstørret 690X) af et poleret tværsnit af et diamantlegeme, som er frembragt ved fremgangsmåden ifølge, opfindelsen, hvorhos diamantindholdet udgjorde 72 volumenprocent af legemet. Den 15 lyse, gråhvide fase i figur 4 er bindemediet, og den grå fase er diamantkrystal. De mørke pletter er urenheder.

Ved udøvelse af fremgangsmåden ifølge opfindelsen underkastes en masse bestående af diamantkrystaller i kontakt med en silicium-20 masse et koldpresningstrin ved omgivelsestemperaturen eller stuetemperatur til i alt væsentlig fuldstændig stabilisering af deres dimensioner i alt væsentligt ensartet og derpå et varmpresningstrin, hvorved siliciumet siver ind gennem massen af sammenpressede diamantkrystaller.

25 Diamantkrystalmassen og siliciummassen kan have mange for skellige former. F.eks. kan hver masse have form af et lag med det ene lag overlejret det andet. Alternativt kan siliciumet have form af et rør eller en cylinder med et gennemgående hulrum, .og diamantkrystallerne kan være pakket i siliciumcylinderens hulrum. I en 20 anden udførelsesform kan siliciumet have form af en stang, som kan være anbragt centralt i en hulhed og det omsluttende rum mellem siliciumstangen og den indre væg af hulheden være pakket med diamantkrystaller.

Diamantkrystallerne, der anvendes ved den foreliggende frem-35 gangsmåde, kan være naturlige eller syntetiske, dvs. menneskeskabte. De varierer i størrelse med hensyn til største dimension fra ca. 1 pm og til ca. 1000 pm, og den bestemte størrelse, eller de bestemte størrelser, der anvendes, afhænger i stor udstrækning af den særlige pakning eller tæthed af diamantkrystaller, der ønskes,

DK 154824 B

3 og også af den særlige anvendelse af det tilvejebragte legeme. Imidlertid må krystaller med størrelse mindre end 5 pm tilbiandes krystaller større end 10 pm, og krystaller, der er mindre end 5 pm med hensyn til størrelse, bør fortrinsvis ikke udgøre mere end 50 5 volumenprocent af diamantblandingen for at muliggøre tilfredsstillende indsivning af siliciumet. Til de fleste slibemiddelanvendelser foretrækkes diamentkrystaller, der ikke er større end ca. 60 pm. Krystallerne skal fortrinsvis, for at gøre pakningen af diamantkrystaller maksimal, sorteres efter størrelse for at komme til at 10 indeholde en række størrelser, dvs. krystaller af lille, medium og stor størrelse. Fortrinsvis skal de størrelsessorterede krystaller ligge mellem ca. 1 pm og ca. 60 pm, og inden for dette størrelsesområde stammer fortrinsvis ca. 60 volumenprocent til ca. 80 volumenprocent af den totale masse af krystaller fra den størrelsesmæssigt 15 større del af området, ca. 5-10 volumenprocent er af medium størrelse, og resten udgøres af størrelsesmæssigt små krystaller eller partikler.

Klassificeringen af diamentkrystallerne lettes ved behandling af de større diamentkrystaller i en strålemølle. Diamantkrystallerne er 20 fortrinsvis kemisk rensede for at fjerne eventuelle oxider eller andre urenheder fra deres overflader inden anvendelsen i den foreliggende fremgangsmåde. Dette kan udføres ved at opvarme diamantkrystallerne i hydrogen ved ca. 900°C i ca. 1 time.

Ifølge den foreliggende opfindelse anvendes silicium til at 25 infundere eller sive ind i porerne eller mellemrummene mellem diamantkrystallerne. Siliciumet, som f.eks. kan foreligge i. form af et fast legeme eller pulver, anvendes i en mængde, der er tilstrækkelig til at fylde porerne eller mellemrummene i diamantkrystalmassen, der har en krystaltæthed på mere end 65 volumenprocent af det rumfang, 30 som krystallerne optager. Almindeligvis kan siliciumet anvendes i en mængde på mellem ca. 25 volumenprocent og ca. 80 volumenprocent, men til opnåelse af de bedste resultater fortrinsvis på fra ca. 30 til ca. 60 volumenprocent af rumfanget af diamantkrystaller med en krystaltæthed på mere end 65 volumenprocent.

35 Det foreliggende varmpresningstrin udføres i en atmosfære, som ikke har nogen signifikant, skadelig effekt på diamantkrystallernes egenskaber eller det indsivende silicium. Specielt kan varmpresningstrinnet udføres i praktisk talt vakuum eller i en inert gas som f.eks. argon eller helium, eller det kan udføres i nitrogen eller

DK 154824B

4 hydrogen. Den foreliggende varmpresning udføres tilstrækkeligt hurtigt, således at der ikke finder nogen signifikant reaktion sted mellem det flydende silicium og nitrogen eller hydrogen. Det foreliggende varmpresningstrin kan ikke udføres i atmosfærisk luft, da 5 diamant i atmosfærisk luft ved mere end 800°C hurtigt omdannes til grafit, og det flydende silicium ville blive oxideret under dannelse af fast kiselsyreanhydrid, inden en signifikant infusion af flydende silicium i diamantmassen ville have fundet sted.

Den nævnte varmpresning udføres ved mellem den temperatur, 10 ved hvilken silicium bliver flydende, og ca. 1600°C, under et tryk, som kun behøver at være tilstrækkeligt ved varmpresningstemperaturen til at nedbryde modstandsdygtige grænsefladelag (eng: interfacial refractory layers) i diamantmassen, som forhindrer penetrering med flydende silicium gennem porerne deri, og sædvan-15 ligvis kræver dette et minimumstryk på ca. 34,5 bar overtryk (500 psi). Specielt kan varmpresningstrykket variere fra ca. 34,5 bar overtryk (500 psi) til ca. 1380 bar overtryk (20.000 psi), men almindeligvis ligger det mellem ca. 69 bar overtryk (1.000 psi) og ca. 690 bar overtryk (10.000 psi). Varmpresningstryk større end ca.

20 690 bar overtryk (10.000 psi) tilvejebringer ingen signifikante fordele. Ligeledes tilvejebringer temperaturer højere end 1600°C ingen signifikante fordele og kan føre til omdannelse af diamanterne til grafit i øget grad.

Ved en temperatur, ved hvilken silicium bliver flydende, forstås 25 her en temperuatur, ved hvilken siliciumet er i stand til let at flyde.

Når silicium er ved dets smeltetemperatur, som i litteraturen er angivet til at gå fra ca. 1412°C til ca. 1430°C, har det en høj viskositet, men efterhånden som dets temperatur hæves, bliver det mindre viskøst, og ved en temperatur på ca. 10° over dets smelte-30 punkt bliver det flydende. Temperaturen, ved hvilken siliciumet er flydende, er den temperatur, ved hvilken det vil infundere eller sive ind gennem de kapillarstore passager, mellemrum eller porer i den foreliggende komprimerede diamantkrystalmasse, der har en krystal-tæthed større end 65 volumenprocent. Med endnu yderligere øgning 35 af temperaturen stiger flydeevnen for det flydende silicium, hvilket resulterer i en hurtigere penetrationshastighed gennem diamant-krystalmassen, og ved maksimumvarmpresningstemperaturen på ca.

1600°C har det flydende silicium sin største flydeevne og den hurtigste penetrationshastighed gennem krystalmassen.

DK 154824B

5

Med det i figur 1 viste apparat udpresses en hulhed af forud fastlagt størrelse i et tryktransmitterende pulvermedium 19a ved hjælp af en form 9. På dette punkt behøver man kun at afgive tilstrækkelig tryk, almindeligvis ca. 690 bar overtryk (10.000 psi) til 5 ca. 3450 bar overtryk (50.000 psi), med stemplet 23a til at gøre pulveret 19a i det mindste i alt væsentligt formstabilt, således at når trykket fjernes, dvs. når stemplet 23a trækkes tilbage, kan formen 9 fjernes og efterlade hulheden 11, som formen har trykket i pulveret.

Formen 9 kan bestå af et hvilket som helst materiale med glat 10 overflade, som f.eks. rustfrit stål eller hirdtmetal, der kan modstå det afgivne tryk, og som kan fjernes fra det sammenpressede pulver og lade hulheden 11, som formen har trykket deri, tilbage.

Når formen 9 i figur 1 er trukket tilbage og har efterladt hulheden 11, anbringes i hulheden en skive 12 af silicium og en 15 diamantkrystalmasse i kontakt med siliciumet. For at sikre at diamantkrystalmassen har en tykkelse, der er som ønsket for det resulterende polykrystailinske legeme, skal hulheden være af sådan en størrelse, at der intet frit rum er til overs deri, hvilket ville muliggøre en omplacering eller større bevægelse af diamantpartiklerne 20 under en senere koldpresning, som tjener til stabilisering af systemet med hensyn til dimensioner, som vist i figur 2. En yderligere mængde tryktransmitterende pulver placeres derpå over hulheden og dens indhold, således at der tilvejebringes en pulver-indesluttet celle 10, dvs. hulhed og indhold, som vist i figur 2.

25 Som vist i figur 2 underkastes cellen 10 derpå et koldpres ningstrin, som udføres ved stue- eller omgivelsestemperatur, hvortil der kun kræves påført tilstrækkeligt tryk til at tilvejebringe et med hensyn til dimensioner stabiliseret, praktisk talt isostatisk system. I figur 2 er cellen 10 i den cylindriske kerne af trykformen 20 omgivet 30 af en masse 19, som består af tryktransmitterende pulvermedium.

Det foreliggende tryktransmitterende pulvermedium indeholder meget små partikler, fortrinsvis sigte 0,037 mm (-400 mesh) partikler, af et tryktransmitterende pulvermedium, som bevares praktisk talt usintret under de tryk- og temperaturbetingelser, der anvendes 35 ved den foreliggende fremgangsmåde, og som er praktisk talt inert over for flydende silicium. Typiske eksempler på et sådant pulver er hexagonalt bornitrid og siliciumnitrid. Denne tryktransmitterende partikelmasse eller dette tryktransmitterende pulvermedium bevirker udøvelse af tilnærmelsesvis eller praktisk talt isostatisk tryk på 6

DK Ί 54824 B

cellen 10, hvorved cellen 10 og dens indhold bliver stabiliseret med hensyn til dimensioner, dvs. densificeret, praktisk talt ensartet, hvorved der tilvejebringes et formet, i alt væsentligt isostatisk system bestående af den puiverindesluttede celle, i hvilken tætheden 5 af det resulterende, komprimerede lag af krystaller er større end 65 volumenprocent af de komprimerede krystallers rumfang. Trykformen 20 (ring 22 og stemplerne 23, 23a) kan fremstilles af værktøjsstål, og hvis det ønskes, kan ringen 22 som vist være forsynet med en bøsning . 22a af sintret hårdtmetal for at muliggøre anvendelsen af 10 tryk så høje som 13.800 bar overtryk (200.000 psi) ved det i figur 2 viste koldpresningstrin. .Tryk højere end 13.800 bar overtryk (200.000 psi) tilvejebringer ingen signifikant fordel. Inden for rammerne af stemplet 23, bøsningen 22a og stemplet 23a, som vist i figur 2 for koldpresningstrinnet, udøves der fortrinsvis tryk i 15 området fra ca. 1380 bar overtryk (20.000 psi) til ca. 6900 bar overtryk (100.000 psi) og almindeligvis op til 3450 bar overtryk (50.000 psi) på det tryktransmitterende pulvermedium ved hjælp af stemplerne, der drives på konventionel mide, indtil det pålagte tryk stabiliseres, således, som det gøres ved konventionel pulverpak-20 ningsteknologi.

Det kan bemærkes, at det særlige koldpresningstryk, der skal anvendes, kan fastlægges empirisk, og tryk højere end det tryk, som tilvejebringer et med hensyn til dimensioner stabiliseret, praktisk talt isostatisk system, giver ikke nogen signifikant, 25 yderligere densifikation eller stabilisering med hensyn til dimensioner af cellen 10 og dens indhold.

Det foreliggende, tryktransmitterende pulvermedium, som f.eks. hexagonalt bornitrid og siliciumnitrid, er af en sådan natur, at det, som følge af det uniaksialt påførte tryk, tilvejebringer en tilnær-30 melsesvis hydrostatisk påvirkning og derved udøver et praktisk talt isostatisk tryk på hele cellen 10. Det antages, at det påførte tryk transmitteres praktisk talt uformindsket til cellen 10. Koldpresnings-trinet mindsker størrelsen af porerne og gør derved forekomsten af tilstedeværende porer med kapillarstørrelse i krystalmassen maksimal, 35 hvilket er hensigtsmæssigt ved tilvejebringelse af den krævede diamant krysta Itæthed på over 65 volumenprocent af diamantmassen.

Denne reduktion i porevolumen nedsætter også det endelige indhold af ikke-diamantmateriale i diamantmassen og tilvejebringer flere, for effektiv binding til hinanden passende placerede, side om side stil-

DK 154824 B

7 lede krystal-mod-krystal områder.

Efter afslutning af dette koldpresningstrin skulle tætheden af de komprimerede diamantkrystaller i cellen 10 være over 65 volumenprocent af rumfanget af krystaller. Ofte kan diamanttætheden af de 5 komprimerede diamantkrystaller ligge mellem ca. 66 volumenprocent og højst ca. 85 volumenprocent af de komprimerede diamantkrystaller. Jo højere tætheden af krystaller er, desto mindre vil mængden af tilstedeværende ikke-diamantmateriale mellem krystallerne være, hvilket resulterer i et forholdsvis hårdere slibeiegeme.

10 Det praktisk talt isostatiske system 21, der består af den pulverindesluttede celle, som er tilvejebragt ved koldpresningstrinet, underkastes derpå et varmpresningstrin, hvorunder det underkastes varmpresningstemperatur og tryk samtidigt.

Det bemærkes, at når koldpresningstrinet er tilendebragt, 15 trækkes et af stemplerne 23, 23a tilbage, og det frembragte, til en hird masse praktisk talt isostatiske, formede system 21 tvinges ud af et foringsrør 22a og ind i et hul med identisk diameter i en grafitform 30, således at det overførte system 21 nu indesluttes af væggene i et hul 31 mellem grafitstemplerne 32, 32a. Grafitformen 30 er 20 forsynet med termoelement 33, således at der tilvejebringes en indikation af den temperatur, der påføres det med hensyn til dimensioner stabiliserede, praktisk talt isostatiske system 21. Formen 30, med det således indesluttede, ialt væsentligt isostatiske system 21, anbringes i en konventionel ikke vist varmpresningsovn. Ovnkamme-25 ret evakueres eller evakueres i hvert fald næsten fuldstændigt, hvilket medfører evakuering af systemet 21 inklusive cellen 10, og derved tilvejebringes i systemet 21 og cellen 10 et næsten fuldstændigt vakuum, i hvilket varmpresningstrinet kan udføres. På dette sted kan der imidlertid om ønsket ledes nitrogen eller hydrogen 30 eller en inert luftart som argon ind i ovnkammeret for derved at tilvejebringe en passende varmpresningsatmosfære i kammeret såvel som i systemet 21 inklusive det indre af cellen 10. Medens stemplerne 32, 32a påfører systemet 21 et uniaksialt tryk, dvs. varmpresningstrykket, hæves dets temperatur til en temperatur, ved hvilken 35 siliciumskiven 12 er flydende.

Under varmpresningstrinet skal varmpresningstemperaturen nås hurtigt og holdes almindeligvis i mindst 1 minut på en sådan temperatur under varmpresningstrykket for at sikre tilfresstillende indtrængning gennem diamantkrystalmassen. Almindeligvis er en varm-

DK 154824 B

8 presningstid pi fra ca. 1 minut til ca. 5 minutter hensigtsmæssig. Eftersom omdannelse af diamant til en elementær ikke-diamant carbonfase i det store og hele afhænger af tid og temperatur, dvs. jo højere temperetur og jo længere tid ved en sidan temperatur, jo 5 mere sandsynlig er omdannelsen til elementært, ikke-diamant carbon, mi varmpresningstrinet være udført inden 5 volumenprocent af diamanten er omdannet til ikke-diamant rent carbon, og dette kan bestemmes empirisk. Omdannelse af 5 volumenprocent eller mere diamant til elementært, ikke-diamant carbon er tilbøjelig til at resul-10 tere i, at en ren ikke-diamant carbonfase resterer I det endelige produkt, hvilket vil have en signifikant, skadelig effekt pi dets mekaniske egenskaber.

Under varmpresningstrinet sprænges det modstandsdygtige grænsefladeiag eller grænsefladeslagge, som hovedsagelig bestir af 15 oxid eller carbid, der sædvanligvis er til stede eller som dannes mellem det flydende silicium og diamantoverfladerne, pi grund af varmpresningstrykkets overføring til det flydende silicium, og herved udsættes kapillarporesystemet for siliciumet, hvorefter infusion ved hirrørsvirkning finder sted. Forsøg har vist, at 20 infusion af siliciumet i diamantmassen ikke vil finde sted, med mindre der piføres og opretholdes et tryk, som er tilstrækkeligt til at opbryde slaggen, pi systemet 21 under varmpresningen, medens siliciumet er flydende.

Endvidere vil under den foreliggende fremgangsmåde, nlr 25 siliciumet bliver flydende, enhver slagge eller ethvert oxid, som dannes eller er til stede deri, flyde deri og blive ladt tilbage, når det flydende silicium trænger gennem den komprimerede diamant-masse. Som følge heraf er det foreliggende diamantkompakt uden indhold af nogen glasagtig fase, som ville hindre en stærk binding i 30 at dannes mellem diamanten og det siliciumatomholdige bindemedium.

Når det flydende silicium under varmpresningen siver og strømmer gennem diamantmassen, indkapsler det overfladerne af de komprimerede diamantkrystaller og reagerer med diamantoverfladerne eller med den eventuelle fase af elementært, ikke-diamant carbon, 35 som eventuelt dannes, og derved tilvejebringes siliciumcarbid ved diamantkrystallernes overflader, hvilket resulterer i et integreret, stærkt bundet diamantlegeme.

Det er under dette varmpresningstrin, at det er særligt vigtigt, at praktisk talt isostatiske betingelser opretholdes, således at når

DK 154824 B

9

Siliciumet er omdannet til det flydende stadium, vil denne væske ikke være i stand til at passere mellem massen 13 og hulheden 11 og undslippe i signifikant grad men vil blive tvunget til at bevæge sig gennem massen 13 af diamantkrystaller. Den del af det tryktrans-5 mitterende pulver, der er i tæt forbindelse med indholdet i hulheden, dvs. den del af det tryktransmitterende pulver, der strækker sig fra indervæggen af hulheden eller cellen til fortrinsvis ca. 25 mm derfra, bør, for at forhindre for vidtgående udslip af flydende silicium under varmpresningen, ikke indeholde indbyrdes forbundne 10 porer større end ca. 5 pm.

Nir varmpresningstrinnet er tilendebragt, skal der i det mindste opretholdes et tilstrækkeligt tryk under afkølingen af det varmpressede system 21, således at den varmpressede celle 10, der under afkølingen holdes i systemet 21, udsættes for et i alt væsent-15 ligt isostatisk tryk, der er tilstrækkeligt højt til at bevare dens stabilitet med hensyn til dimensioner. Det varmpressede system får fortrinsvis lejlighed til at køle ned til stuetemperatur, og det resulterende, foreliggende diamantlegeme tages ud. Eventuelt udpresset overskudssilicium pi de ydre overflader af det 20 polykrystallinske diamantlegeme kan fjernes ved konventionelle metoder, som f.eks. ved slibning.

Det foreliggende polykrystallinske diamantlegeme omfatter en masse af diamantkrystaller, der er fast bundne til hinanden ved hjælp af et siliciumatomholdigt bindemedium, som i hovedsagen består 25 af siliciumcarbid og rent silicium, og i hvilket diamantkrystallerne har størrelser på fra ca. 1 pm til ca. 1000 pm, hvorhos tætheden af diamantkrystaller varierer fra ca. 65 volumenprocent til højst ca. 80 volumenprocent af legemet og ofte udgør ca. 78 volumenprocent af legemet, og hvor det siliciumatomholdige bindemedium indgår i en 30 mængde på indtil ca. 35 volumenprocent af legemet, hvilket bindemedium er fordelt i hvert fald praktisk talt ensartet igennem det polykrystallinske diamantlegeme, hvori den del eller overflade af bindemediet, der er i kontakt med overfladerne af de bundne krystaller, udgøres i hvert fald i væsentligt omfang af silicium-35 carbid, dvs. at mindst 85 volumenprocent og fortrinsvis 100 volumenprocent af den del eller overflade af bindemediet, der er i direkte kontakt med overfladerne af diamantkrystallerne, er siliciumcarbid. Det foreliggende diamantlegeme er porefrit eller i hvert fald praktisk talt porefrit.

DK 154824B

10 Mængden af siliciumcarbid og silicium i det foreliggende diamantlegemes bindemedium kan variere afhængig af graden af reaktion mellem diamantkrystallernes overflader og det indsivende silicium og af reaktionen mellem fasen af elementært, ikke-diamant 5 carbon og indsivende silicium. Alt andet lige afhænger den konkrete mængde af siliciumcarbid i bindemediet stort set af den bestemte varmpresningstemperatur, der er anvendt, og af den tid, i hvilken denne temperatur er opretholdt. Specielt stiger indholdet af siliciumcarbid, når tiden og/eller temperaturen øges. Fremgangsmåden til 10 fresmtilling af det foreliggende legeme af sammenbundne diamant krystaller med et bestemt ønsket indhold af siliciumcarbid med f.eks. det formål at opnå bestemte, ønskelige egenskaber kan bestemmes empirisk. Specielt kan bindemediet variere med hensyn til sammensætning fra en detekterbar mængde siliciumcarbid til en detekterbar 15 mængde rent silicium, hvor der her ved en detekterbar mængde siliciumcarbid eller rent silicium menes en mængde, der er detekterbar ved selektiv overfladediffraktionsanalyse (eng.: selective area diffraction analysis) ved transmissionselektronmikroskopi af et tyndt snit af det foreliggende legeme. Almindeligvis udgøres det 20 foreliggende bindemedium imidlertid i hovedsagen af siliciumcarbid i mængder, der varierer fra ca. 2 volumenprocent til ca. 30 volumenprocent af det foreliggende polykrystallinske diamantlegeme og af rent silicium i mængder, der varierer fra ca. 33 volumenprocent til ca. 5 volumenprocent af legemet. Desuden ligger diamantindholdet i 25 det foreliggende legeme mellem ca. 65 volumenprocent og højst ca. 80 volumenprocent af legemets volumen.

Selektiv overfladediffraktionsanalyse ved transmissionselektronmikroskopi af et tyndt snit af det polykrystallinske diamantlegeme vil ligeledes vise, at den del af bindemediet, der er i kontakt med 30 overfladerne af de bundne diamanter,, består i hvert fald i væsentlig mængde af siliciumcarbid.

Det foreliggende legeme af bundne diamantkrystaller er uden hulrum eller porer eller i hvert fald praktisk talt porefrit, dvs. det kan indeholde hulrum eller porer i en mængde på mindre· end 1 35 volumenprocent af legemet, forudsat at sådanne hulrum eller porer er små, dvs. mindre end 0,5 pm, og tilstrækkeligt jævnt fordelt i hele legemet, således at de ikke har nogen signifikant, forringende effekt på dets mekaniske egenskaber. Indholdet af hulrum eller porer i det foreliggende legeme kan bestemmes ved metal log raf isk standardtek-

DK 154824 B

11 nik, som f.eks. optisk undersøgelse af et poleret tværsnit af legemet.

Det foreliggende diamantlegeme er ligeledes uden indhold af en fase af elementært, ikke-diamant carbon, idet det ikke indeholder 5 nogen fase af ikke-diamant carbongrundstof i mængder, der er detekterbare ved røntgendiffraktionsanalyse.

Når den foreliggende fremgangsmåde gennemføres med siliciumet og dlamantkrystalmassen foreliggende som lag, der er overlejret hinanden, kan det resulterende produkt have mindst én flad over-10 flade og kan foreligge i et antal forskellige former, som f.eks. en skive, terning eller rektangel, stav eller stang.

Når den foreliggende fremgangsmåde gennemføres med siliciumet foreliggende som et rør eller en cylinder med en kerne eller et gennemgående hul og med diamantparti kierne pakket i kernen, siver 15 siliciumet under varmpresningen ind gennem kernen af komprimerede diamantkrystaller og tilvejebringer det foreliggende diamantlegeme med form som en stang med cirkulært tværsnit.

Når den foreligggende fremgangsmåde gennemføres med en siliciumstang placeret centralt i hulheden, og rummet mellem silicium-20 stangen og hulhedens væg er pakket med diamantkrystaller, siver siliciumet ind gennem den omgivende masse af diamantkrystaller og tilvejebringer det foreligggende diamantlegeme med form som et rør eller en hul cylinder.

Et særligt fordelagtigt træk ved den foreliggende opfindelse er, 25 at det foreliggende polykrystallinske diamantlegeme kan tilvejebringes i mange forskellige størrelser og former. F.eks. kan det foreliggende legeme være si bredt eller så langt som 25 mm eller mere. Polykrystallinske diamantlegemer pi 25 mm eller mere i længden og med den foreliggende diamanttæthed kan, på grund af begrænsningerne i 30 den indretning, der er nødvendig til at modstå de høje tryk-tempe-raturkrav i den påkrævede tid, dvs. indretningen er så kompleks og massiv, at dens kapacitet er begrænset, i praksis ikke fremstilles eller lader sig overhovedet ikke fremstille ved fremgangsmåder, der benytter de for diamantstabilitetsomridet ultrahøje tryk og tempe-35 raturer. På den anden side kan det foreliggende polykrystallinske diamantlegeme fremstilles så lille eller så tyndt som ønsket, men det vil altid være på mere end ét monolag af diamantkrystaller.

En del af det foreliggende diamantlegeme kan loddes, slagloddes eller på anden måde fastgøres til et passende bæremateriale, som 12

DK 15 4 8 2 4 B

f.eks. sintret eller varmtpresset siliciumcarbid, sintret eiler varm-presset siiiciumnitrid eller hårdtmetal eller et metal, som f.eks. molybdæn, der udgør en værktøjsindsats, som f.eks. kan fastholdes af et værktøjsskaft, der er egnet til fastholdelse i en værktøjs-5 maskine, og derved kan den blottede overflade af diamantlegemet anvendes til direkte spåntagende bearbejdning. Alternativt kan det foreliggende diamantkrystallegeme fastspændes mekanisk til et drejestål, således at der kan opnås direkte spåntagende bearbejdning med den blottede overflade af diamantlegemet.

10 Opfindelsen vil blive yderligere beskrevet ved hjælp af følgende eksempel.

Eksempel

Det apparat, der anvendtes i dette eksempel, var i alt væsent-15 ligt magen til det, der er vist i figur 1, 2 og 3.

Hexagonalt bornitrid med en størrelse pi fra ca. 2 pm til ca. 20 pm, blev pakket i en matrice, og en cylinder, der anvendtes som form, blev presset ind i pulveret som vist i figur 1 ved 19a og 9.

Cylinderen var fremstillet af sintret metalcarbid (eng.: cement-20 ed metal carbide) og var ca. 8,89 mm i diameter og 6,35 mm tyk. Cylinderens akse flugtede tilnærmelsesvis med matricens centralakse.

I denne udførelsesform blev der til forskel fra figur 1, efter at cylinderen var indsat i pulveret, anbragt en yderligere mængde hexagonalt bornitridpulver i matricen, således at cylinderen dække-25 des fuldstændigt, og den tilvejebragte pulverindesluttede cylinder blev ved stuetemperatur presset under et tryk på 3450 bar overtryk (50.000 psi). Stemplet 23a blev derefter trukket tilbage, og stemplet 23 blev anvendt til at skubbe den tilvejebragte, pressede, pulverindesluttede cylinder delvis ud af matricen. Den blottede del af det 30 pressede pulver blev fjernet, således at cylinderen blev delvis blottet. Cylinderen blev derpå fjernet og efterlod hulheden 11, som den havde trykket deri.

En skive af silicium vejende 140 mg og med samme diameter som hulhedens indre diameter blev anbragt i bunden af hulheden. Ca.

35 250 mg størrelsesklassificeret diamantpulver med diamantstørrelser på fra ca. 1 pm til ca. 60 pm og deraf ca. 40 vægtprocent mindre end 10 pm pakkedes ovenpå siliciumskiven.

En skive varmpresset, hexagonalt bornitridpulver med samme diameter som hulhedens indre diameter anbragtes i hulheden oven på

DK 154824 B

13 diamantpul veret, for derved at sikre at overfladen af det resulterende polykrystallinske diamantlegeme ville blive plan.

Hele massen blev derpå skubbet ind i matricens center ved hjælp af stemplet 23a, som derpå blev trukket tilbage. En yderligere 5 mængde hexagonalt bornitridpulver anbragtes i matricen for at dække den varmpressede skive af hexagonalt bornitrid, siledes at hulheden og dens indhold blev indesluttet i hexagonalt bornitrid, som det er vist ved 19 i figur 2. Den tilvejebragte charge blev derefter presset ved stuetemperatur, dvs. koldpresset, i stålmatricen under et tryk 10 pi 5520 bar overtryk (80.000 psi), som det er vist i figur 2, idet hulheden og dens indhold blev påført et praktisk talt isostatisk tryk, indtil trykket stabiliseredes, og derved dannedes et med hensyn til dimensioner stabiliseret, formet, praktisk talt isostatisk system af pulverindesluttet hulhed samt indhold. Fra tidligere forsøg 15 var det kendt, at diamantkrystaltætheden i den tilvejebragte, pressede samling af elementer, dvs. i det tilvejebragte, formede, praktisk talt isostatiske system af pulverindesluttet hulhed samt indhold, var diamantkrystaltætheden større end 75 volumenprocent af den komprimerede diamantmasse. Den tilstedeværende mængde af 20 silicium udgjorde ca. 40 volumenprocent af den komprimerede diamantmasse.

Den tilvejebragte, pressede samling af elementer 21 bestående af den pulverindesluttede hulhed samt indhold blev derpå varmpresset, dvs. den blev trykket ind i en grafitform med samme diameter-25 størrelse som stålmatricen, som det er vist i figur 3, og anbragt i en induktionsvarmeovn. Hulhedens indre blev evakueret, og en nitrogenatmosfære blev ledt derind, idet varmeovnen blev evakueret til ca. 1330 Pa (10 torr), inden den blev fyldt igen med en strøm af tør nitrogen. Et tryk på ca. 345 bar overtryk (5.000 psi) blev påført 30 den pressede samling af elementer 21 og opretholdt ved hjælp af grafitmatricen, som derpå opvarmedes af induktionsvarmeovnen til en temperatur på 1500°C i 7 minutter. Ved denne opvarmning nåede trykket op på ca. 690 bar overtryk (10.000 psi) på grund af hele systemets ekspansion.

35 Ved 1500°C sank stemplet 23a, og trykket faldt til ca. 345 bar overtryk (5.000 psi), hvilket viste, at siliciumet var smeltet og blevet flydende og var sivet ind i diamantmassen. Trykket blev hævet til det igen var 690 bar overtryk (10.000 psi) og blev, for at sikre at siliciumet var sivet fuldstændigt ind i diamantmassen, holdt

DK 154824 B

14 pi denne værdi i 1 minut ved 1500°C. Energiforsyningen blev derpå afbrudt, men der blev ikke pålagt yderligere tryk. Dette tilvejebragte et fast tryk ved høj temperatur men nedsat tryk ved lavere temperatur, og derved tilvejebragtes fyldestgørende, geometrisk 5 stabilitet. Ved stuetemperatur blev det frembragte poiy krystal linske diamantlegeme afdækket.

Efter fjernelse af overfladeskaller bestående af hexagonalt bornitridpulver havde det tilvejebragte, integrale, polykrystallinske diamantlegeme skiveform med en diameter på 8,89 mm og en tykkelse 10 p| 1,27 mm.

Den polykrystallinske skive havde praktisk talt glatte, plane overflader og var tilsyneladende blevet velgennemtrængt af bindemedium. Optisk undersøgelse af skiven forstørret 100X i et mikroskop viste, at den var porefri.

15 Under anvendelse af en hammer og en kile blev skiven fraktu- reret så at sige midt over. Undersøgelse af skivens frakturerede tværsnitsoverflader viste, at frakturen eller bruddet var trans-granulær snarere end intergranulær, dvs. den var fraktureret gennem diamantkornene snarere end langs korngrænserne. Dette 20 viser, at bindemediet var stærkt vedhængende, og at det var lige så stærkt som selve diamantkornene eller diamantkrystal lerne. Ligeledes var de frakturerede overflader porefri, og bindemediet var jævnt fordelt igennem legemet.

En brudflade vinkelret på skiven blev poleret på et støbejerns-25 diamantpoleringsapparat. Undersøgelse af den polerede flade viste ingen rækker af huller dannet ved udtrækning af diamantfragmenter, hvilket viser den stærke binding deri og dets anvendelighed som slibemiddel. Det polerede tværsnit ses i figur 4.

Diamanttætheden blev bestemt til ca. 72 volumenprocent af 30 skiven. Diamanttætheden blev bestemt ved standardpunkttælleteknik ved anvendelse af et mi krofotografi af den polerede brudflade forstørret 690X, og det overfladeareal, der undersøgtes, var tilstrækkeligt stort til at repræsentere hele legemets mikrostruktur.

Røntgendiffraktionsanalyse af det knuste legeme viste, at det 35 omfattede diamant, siliciumcarbid og rent silicium, og at silicium-carbidet og det rene silicium udgjorde mindst 2 volumenprocent af legemet. Røntgendiffraktionsanalysen af det knuste legeme detekterede imidlertid ikke nogen fase af frit, ikke-diamant carbon.

Claims (11)

1. Polykrystallinsk diamantlegeme, især i form af en skive, stav eller hul cylinder, som omfatter en masse af diamantkrystaller, 5 kendetegnet ved, at diamantkrystallerne er bundet til hinanden med et siliciumatomholdigt bindemiddel, som udgøres af siliciumcarbid og frit silicium, at diamantkrystallerne har en størrelse på fra 1 til 1000 pm, at diamantkrystaltætheden i legemet ligger i området fra 65 til højst 80 volumenprocent af legemet, at andelen af 10 siliciumatomholdigt bindemiddel udgør op til 35 volumenprocent af legemet, at bindemidlet er fordelt i alt væsentligt ligetigt i legemet, at den andel af bindemidlet, som er i kontakt med diamantoverflader i alt væsentligt består af siliciumcarbid, og at diamantlegemet i alt væsentligt er porefrit.

2. Polykrystallinsk diamantlegeme ifølge krav 1, kende tegnet ved, at tætheden af diamantkrystallerne andrager fra 65 til 78 volumenprocent af legemet.

3. Polykrystallinsk diamantlegeme ifølge krav 1 eller 2, kendetegnet ved, at diamantkrystallerne er størrelses- 20 sorteret og ligger i området fra 1 til 60 pm.

4. Polykrystallinsk diamantlegeme ifølge et hvilket som helst af kravene 1-3, kendetegnet ved, at siliciumcarbid er til stede i en mængde pi fra 2 til 30 volumenprocent af legemet.

5. Fremgangsmåde til fremstilling af et polykrystallinsk 25 diamantlegeme ifølge et hvilket som helst af kravene 1-4 og under anvendelse af et varmpresningstrin, kendetegnet ved, a) at der i et tryktransmitterende pulvermedium, som overfører et påført tryk i alt væsentligt uformindsket, og som forbliver i alt væsentligt ikke-sintret under varmepres- 30 ningen, udpresses en hulhed, b) at der i denne hulhed anbringes en siliciummasse og en masse af diamantkrystaller i kontakt med siliciummassen, c) at hulheden og dets indhold tildækkes med en yderligere mængde af det tryktransmitterende pulvermedium og 35 derved omsluttes af det tryktransmitterende pulvermedium, d) at der via pulvermediet påføres hulheden og dens indhold et i alt væsentligt isostatisk tryk til i alt væsentligt fuldstændig ligelig stabilisering af dimensionerne af hulheden og dens indhold og derved frembringe et form- DK 154824 B stabilt, i alt væsentligt isostatisk system af pulverinde-sluttet hulhed og indhold, hvorhos tætheden af diamantkrystaller udgør mere end 65 volumenprocent af den resulterende, sammenpressede diamantkrystalmasse, og der 5 anvendes silicium i en mængde, som er tilstrækkelig til at udfylde mellemrummene i den sammenpressede diamantkrystalmasse, e) at det resulterende i alt væsentligt isostatiske system underkastes varmpresning til frembringelse af flydende 10 silicium og indførelse heraf i mellemrummene i den sam menpressede diamantkrystalmasse ved en temperatur på fra den temperatur, ved hvilken silicium bliver flydende, og op til 1600°C under et tryk, der er tilstrækkeligt til at bringe det flydende silicium til at trænge ind i mellem- 15 rummene i den sammenpressede diamantkrystalmasse, idet mindre end 5 volumenprocent af diamantkrystallerne ved varmpresningen omdannes til frit, ikke-diamantformigt carbon, og ikke-diamantformigt carbon eller overfladerne af diamantkrystallerne reagerer med silicium under dannelse 20 af siliciumcarbid, f) at under afkøling af det varmpressede, i alt væsentligt isostatiske system opretholdes der et tilstrækkeligt tryk til i det mindste i alt væsentligt at bevare det varmpressede systems dimensioner, og 25 g) at det dannede krystallinske diamantlegeme fjernes, i hvilket legeme diamantkrystallerne er bundet til hinanden med et siliciumatomholdigt bindemiddel af siliciumcarbid og silicium, og diamantkrystallerne er til stede i en mængde på mindst 65 volumenprocent af legemet.

6. Fremgangsmåde ifølge krav 5, kendetegnet ved, at diamantkrystallerne er størrelsessorteret og har en størrelse på fra 1 til 60 pm.

7. Fremgangsmåde ifølge krav 5 eller 6, kendetegnet ved, at siliciumet anvendes i en mængde på fra 25 til 60 35 volumenprocent beregnet på grundlag af voluminet af den sammenpressede diamantkrystalmasse.

8. Fremgangsmåde ifølge et hvilket som helst af kravene 5-7, kendetegnet ved, at der frembringes en sammenpresset diamantkrystalmasse med en tæthed af diamantkrystaller på op til 85 DK 154824 B volumenprocent af voluminet af de sammenpressede krystaller.

9. Fremgangsmåde ifølge et hvilket som helst af kravene 5-8, kendetegnet ved, at siliciummassen tilvejebringes i form af et lag, oven på hvilket diamantkrystalmassen anbringes i form af et 5 andet lag.

10. Fremgangsmåde ifølge krav 5-8, kendetegnet ved, at siliciummassen tilvejebringes i form af en stav i alt væsentligt midt i hulheden, og at diamantkrystalmassen indføres i mellemrummet mellem siliciumstaven og hulhedens væg.

11. Fremgangsmåde ifølge et hvilket som helst af kravene 5-8, kendetegnet ved, at siliciummassen tilvejebringes i form af en hul cylinder, og at det af den hule cylinder omsluttede indre rum udfyldes med diamantkrystalmassen. 15 20 25 30 35