DE69904715T2

DE69904715T2 - Kompaktierter diamanthaltiger körper

Info

Publication number: DE69904715T2
Application number: DE69904715T
Authority: DE
Inventors: Klaus Essexwold TANK; John Noel PIPKIN; Johan Lakefield MYBURGH
Original assignee: De Beers Industrial Diamond Division Pty Ltd
Current assignee: De Beers Industrial Diamond Division Pty Ltd
Priority date: 1998-04-22
Filing date: 1999-04-20
Publication date: 2004-03-25
Anticipated expiration: 2019-04-21
Also published as: AU3389699A; CA2329351A1; JP2002512305A; DE69904715D1; US20030206821A1; EP1077783B1; ATE230320T1; US6620375B1; WO1999054077A1; US6821188B2; CA2329351C; EP1077783A1

Description

Hintergrund der Erfindung
Diese Erfindung bezieht sich auf Diamantpresslinge.
Diamantpresslinge, die auch als polykristalliner Diamant bekannt sind, sind in der Technik wohlbekannt und werden verbreitet bei Schneide-, Mahl-, Bohr- und anderen abrasiven Vorgängen verwendet. Diamantpresslinge sind polykristallin und haben einen hohen Diamantgehalt. Diamantpresslinge können ohne Verwendung einer zweiten oder bindenden Phase hergestellt werden, enthalten jedoch im Allgemeinen eine solche Phase. Wenn eine solche Phase vorhanden ist, ist die vorherrschende Komponente der Phase im Allgemeinen ein Diamantkatalysator/Lösungsmittel, wie Cobalt, Nickel oder Eisen oder eine Kombination davon.
Diamantpresslinge werden unter Bedingungen erhöhter Temperatur und erhöhten Drucks hergestellt, d. h. unter ähnlichen Bedingungen, wie sie für die Synthese von Diamant verwendet werden.
Diamantpresslinge sind häufig spröde und werden daher bei der Verwendung gewöhnlich mit einem Substrat verbunden, wobei das Substrat im Allgemeinen ein Sinterhartmetallsubstrat ist. Die Bindung des Diamantpresslings an das Substrat erfolgt im Allgemeinen während der Herstellung des Presslings selbst. An ein Substrat gebundene Diamantpresslinge sind als Verbundstoff-Diamantpresslinge bekannt.
Diamantpresslinge und die Substrate, insbesondere Sinterhartmetallsubstrate, an die sie gebunden sind, sind nicht sehr korrosionsbeständig. Es ist ein Ziel der vorliegenden Erfindung, die Korrosionsbeständigkeit eines Diamantpresslings zu verbessern.
EP 0 714 695 beschreibt einen gesinterten Diamantkörper mit hoher Festigkeit und hoher Verschleißfestigkeit. Der Körper umfasst 80 bis 96 Volumenprozent gesinterte Diamantteilchen, und der Rest besteht aus Sinterhilfsmittel und unvermeidlichen Verunreinigungen. Die gesinterten Diamantteilchen haben eine Teilchengröße im Wesentlichen im Bereich von 0,1 bis 10 μm und sind direkt aneinander gebunden. Das Sinterhilfsmittel umfasst Palladium in einem Bereich von 0,01 bis 40 Gew.-% und ein Metall, das aus Eisen, Cobalt und Nickel ausgewählt ist. Der gesinterte Diamantkörper kann hergestellt werden, indem man das Palladium auf einer Oberfläche der Teilchen abscheidet und danach das Eisen, Cobalt oder Nickel galvanisch abscheidet. Ein alternatives Verfahren, das offenbart ist, besteht darin, das Eisen, Cobalt oder Nickel mit dem Diamantpulver, auf dem das Palladium abgeschieden ist, zu mischen. In einem Vergleichsbeispiel wird Cobaltpulver in die Diamantmasse infiltriert, und es heißt, dies führe zu einem Produkt, das ungesinterte Teile aufweist und daher ungeeignet ist.
Das US-Patent 5,658,678 offenbart ein Sinterhartmetall, das eine Masse aus Carbidteilchen umfasst, die in kohärenter Form mit einer Bindemittellegierung gebunden sind, die Cobalt als Hauptkomponente und eine zusätzliche Komponente umfasst, die aus einem oder mehreren der Metalle Ruthenium, Rhodium, Palladium, Osmium, Iridium und Platin ausgewählt ist. Das Sinterhartmetall wird hergestellt, indem man die Bindemittelkomponente mit den Carbidteilchen mischt. Nicht offenbart wird die Verwendung eines Cobalt/Platingruppenmetall-Bindemittels im Zusammenhang mit einem gesinterten Diamantprodukt.
U5-A-4,534,934 und US-A-4,374,900 offenbaren jeweils ein Verfahren zur Herstellung von Diamantdrahtziehdüsenpresslingen, wobei ersteres ein Katalysator/ Lösungsmittel verwendet, das aus mehreren Metallen, vorzugsweise Cobalt, Eisen oder Nickel, aber einschließlich Ruthenium, ausgewählt ist.
Kurzbeschreibung der Erfindung
Gemäß der vorliegenden Erfindung wird ein Verfahren bereitgestellt zur Herstellung eines Verbundstoff-Diamantpressling-Schneidewerkzeugs, das einen an ein Sinterhartmetallsubstrat gebundenen Diamantpressling umfasst, wobei der Diamantpressling eine Arbeitsfläche, deren eine Kante eine Schnittkante bildet, aufweist und eine polykristalline Masse aus Diamantteilchen, die in einer Menge von wenigstens 80 Vol.-% des Presslings vorhanden sind, und eine zweite Phase, die einen Diamantkatalysator/Lösungsmittel und Ruthenium enthält, umfasst, mit den Schritten des Bereitstellens eines Sinterhartmetallsubstrats, des Bereitstellens einer Schicht aus Diamantteilchen auf einer Fläche des Substrats, des Bereitstellens einer Quelle für Diamantkatalysator/Lösungsmittel und Ruthenium getrennt von der Diamantteilchenschicht und das Bewirken einer Infiltration der Diamantteilchen durch den Dianiantkatalysator/Lösungsmittel und das Ruthenium unter Diamantsynthesebedingungen unter Bildung eines Diamantpresslings.
Kurzbeschreibung der Zeichnungen
1 zeigt eine Querschnittsseitenansicht eines Verbundstoff-Diamantpresslings, der durch eine Ausführungsform des Verfahrens der Erfindung hergestellt wurde; und
2 zeigt eine Querschnittsseitenansicht eines Sinterhartmetallsubstrats, das bei dem Verfahren der Erfindung verwendet werden kann.
Beschreibung der Ausführungsformen
Das Sinterhartmetallsubstrat umfasst eine Masse aus Carbidteilchen, die mittels eines Bindemittels miteinander verbunden sind, bei dem es sich typischerweise um Cobalt, Eisen, Nickel oder eine Legierung, die eines oder mehrere dieser Metalle enthält, handelt. Das Bindemittel enthält auch vorzugsweise Ruthenium, das die Korrosionsbeständigkeit des Substrats verbessert.
Die Quelle des Diamantkatalysators/Lösungsmittels und des Rutheniums ist von der Diamantteilchenschicht getrennt und entfernt und kann daher das Sinterhartmetallsubstrat selbst sein. Das Diamantkatalysator/Lösungsmittel und das Ruthenium infiltrieren die Diamantteilchen bei der Anwendung von Diamantsynthesebedingungen. In dieser Form der Endung sind der Diamantkatalysator und das Ruthenium gleichmäßig im gesamten hergestellten Diamantpressling verteilt. Dies kann unter Bezugnahme auf 1 veranschaulicht werden. Ein Verbundstoff-Diamantpressling umfasst ein Sinterhartmetallsubstrat 10 und einen Diamantpressling 12, der entlang der Grenzfläche 14 an das Substrat 10 gebunden ist. Die Arbeitsfläche des Diamantpresslings ist 16, und die Schnittkante ist 18. Die Verteilung des Diamantkatalysators/Lösungsmittels und des Rutheniums wird im gesamten Pressling 12 gleichmäßig sein.
In einer anderen Form der Erfindung kann eine Quelle für das Diamantkatalysator/Lösungsmittel durch das Substrat und eine Schicht aus Ruthenium sowie gegebenenfalls Katalysator/Lösungsmittel, das sich zwischen den Diamantteilchen und dem Substrat befindet, bereitgestellt werden. In dieser Form der Erfindung hat das Ruthenium häufig eine höhere Konzentration im Bereich der Arbeitsfläche 16 und der Schnittkante 18 als im Bereich des Diamantpresslings, der der Grenzfläche 14 am nächsten ist. In einer bevorzugten Form dieser Form der Erfindung weist das Sinterhartmetall ein Katalysator/Lösungsmittel-Bindemittel, z. B. Cobalt, auf, und die dazwischenliegende Schicht enthält das Ruthenium sowie ein anderes Katalysator/Lösungsmittel-Bindemittel, z. B. Nickel.
Die zweite Phase des Diamantpresslings der Erfindung ist durch die Gegenwart von Ruthenium gekennzeichnet, das im Allgemeinen in einer kleineren Menge vorhanden sein wird. Vorzugsweise ist das Ruthenium in der zweiten Phase in einer Menge von weniger als 50 Massenprozent vorhanden. Die Gegenwart des Rutheniums erhöht die Korrosionsbeständigkeit des Presslings, insbesondere in sauren, alkalischen oder wässrigen Umgebungen, und die Korrosion, die sich aus Metallangriff, z. B. Zinkangriff, ergibt.
Beispiele für geeignete zweite Phasen für den Diamantpressling sind:
In jeder dieser zweiten Phasen können kleinere Mengen anderer Diamantkatalysatoren/Lösungsmittel vorhanden sein.
Das Diamantkatalysator/Lösungsmittel kann ein in der Technik bekanntes sein, ist jedoch vorzugsweise Cobalt, Eisen, Nickel oder eine Legierung, die eines oder mehrere dieser Metalle enthält.
Die Schicht aus Diamantteilchen auf einer Fläche des Sinterhartmetallsubstrats wird Diamantsynthesebedingungen ausgesetzt, um einen Diamantpressling zu bilden oder herzustellen. Dieser Diamantpressling wird an das Substrat gebunden sein. Die Diamantsynthesebedingungen sind typischerweise ein Druck im Bereich von 40 bis 70 Kilobar (4 bis 7 GPa) und eine Temperatur im Bereich von 1200 bis 1600°C. Diese Bedingungen werden typischerweise während 10 bis 60 Minuten aufrechterhalten.
Der Verbundstoff-Diamantpressling wird im Allgemeinen in einer Weise, die in 2 gezeigt ist, aus einem Carbidsubstrat hergestellt. Wir beziehen uns nun auf diese Figur. Ein Sinterhartmetallsubstrat 20 weist eine Vertiefung 22 auf, die in einer seiner Flächen 24 gebildet ist. Das Sinterhartmetallsubstrat 20 hat im Allgemeinen einen kreisförmigen Grundriss, und die Vertiefung 22 hat im Allgemeinen ebenfalls einen kreisförmigen Grundriss. Eine Schicht aus Katalysator/Lösungsmittel und Ruthenium kann auf den Grund 26 der Vertiefung 22 aufgetragen werden. Alternativ dazu kann auch ein Napf aus Katalysator/Lösungsmittel und Ruthenium verwendet werden, um den Grund 26 und die Seiten 28 der Vertiefung auszukleiden. Das Katalysator/Lösungsmittel und das Ruthenium können in Pulverform miteinander gemischt oder zu einem zusammenhän genden Distanzring geformt werden. Dann wird eine Masse aus ungebundenen Diamantteilchen in die Vertiefung 22 gegeben.
Das mit den Diamantteilchen beladene Substrat 20 wird in die Reaktionszone einer herkömmlichen Hochtemperatur/Hochdruck-Vorrichtung gebracht und Diamantsynthesebedingungen unterzogen. Das Katalysator/Lösungsmittel und das Ruthenium aus der Schicht oder dem Napf infiltrieren die Diamantteilchen. Gleichzeitig infiltriert Bindemittel aus dem Substrat 20 die Diamantteilchen. So entsteht in der Vertiefung 22 ein Diamantpressling, der eine zweite Phase enthält, wie sie oben definiert ist. Dieser Diamantpressling wird an das Substrat 20 gebunden sein. Die Seiten des Substrats 20 werden entfernt, wie es durch die gestrichelten Linien gezeigt ist, so dass eine Schnittkante 30 freigelegt wird.
Der gemäß der obigen Beschreibung hergestellte Verbundstoff-Diamantpressling kann insbesondere dort angewendet werden, wo korrosive Umgebungen auftreten und insbesondere in den Schleifprodukten, die Holz enthalten. Beispiele für Holzprodukte sind natürliches Holz, entweder Weich- oder Hartholz, laminierte und nichtlaminierte Spanplatten und Faserplatten, die Holzspäne oder -fasern enthalten, welche mittels Bindemittels miteinander verbunden sind, Hartplatten, bei denen es sich um gepresste Fasern und Sägemehl handelt, sowie Sperrholz. Auf die Holzprodukte kann eine Kunststoff- oder andere Beschichtung aufgetragen sein. Einige dieser Holzprodukte können Harze und organische Bindemittel enthalten. Es hat sich gezeigt, dass die Anwesenheit von korrosiven Reinigungschemikalien und/oder Bindemitteln nicht zu einer wesentlichen Unterschneidung der Schnittkante oder des Schnittpunktes des Diamantpresslings führt. Das Abtragen kann die Form des Sägens, Mahlens oder Profilschneidens annehmen.
Die Erfindung wird nun weiterhin anhand der folgenden Beispiele veranschaulicht. In diesen Beispielen war das Sinterhartmetallsubstrat das in 2 gezeigte.
Beispiel 1
Ein Diamantpressling, der an ein Sinterhartmetallsubstrat gebunden ist, wurde in einer herkömmlichen Hochtemperatur/Hochdruck-Vorrichtung hergestellt. Ein zylindrisches Sinterhartmetallsubstrat, wie es in 2 gezeigt ist, wurde bereitgestellt. Das Sinterhartmetall umfasste eine Masse aus Carbidteilchen, die mit einem Bindemittel miteinander verbunden waren, das aus einer Legierung von Cobalt : Ruthenium = 80 : 20 Massenteile bestand. Eine Masse aus Diamantteilchen wurde in der Vertiefung des Substrats platziert und bildete eine ungebundene Menge. Die ungebundene Menge wurde in die Reaktionszone der Hochtemperatur/Hochdruck-Vorrichtung gebracht und einer Temperatur von etwa 1500°C und einem Druck von etwa 55 kbar (5,5 GPa) ausgesetzt. Diese Bedingungen wurden ausreichend lange aufrechterhalten, so dass ein Diamantschleifpressling aus den Diamantteilchen entstand, wobei der Pressling an das Sinterhartmetallsubstrat gebunden war. Die Cobalt/Ruthenium-Legierung aus dem Substrat infiltrierte während der Presslingsbildung die Diamantteilchen und erzeugte so eine zweite Phase, die Cobalt und Ruthenium enthielt.
Verfahren (nicht gemäß der vorliegenden Erfindung)
Ein an ein Sinterhartmetallsubstrat gebundener Diamantpressling wurde in ähnlicher Weise hergestellt, wie es in Beispiel 1 beschrieben ist. In diesem Verfahren umfasste das Sinterhartmetall eine Masse aus Carbidteilchen, die mit einem Cobaltbindemittel miteinander verbunden waren. Ein Distanzring, der aus einer Legierung von Palladium : Nickel = 60 : 40 Massenteilen bestand, wurde zwischen das Sinterhartmetallsubstrat und die Diamantteilchen in der Vertiefung des Substrats gebracht. Während der Presslingsbildung infiltrierte Die Palladium/Nickel-Legierung zusammen mit Cobalt aus dem Substrat die Diamantteilchen unter Bildung einer zweiten Phase, die Palladium, Nickel und Cobalt enthielt. Die zweite Phase war in dem Bereich, der dem Verbundstoffsubstrat am nächsten lag, reich an Cobalt, und wurde zur Schnittfläche und Schnittkante des Presslings hin immer ärmer an Cobalt. Im Bereich der Schnittfläche und Schnittkante bestand die zweite Phase fast völlig aus Palladium und Nickel, und es zeigte sich, dass sie besonders beständig gegenüber korrosiven Materialien war.
Beispiele 2 und 3
Das soeben dargelegte Verfahren wurde befolgt, außer dass Distanzringe mit den folgenden Zusammensetzungen verwendet wurden:
In jedem Beispiel wurden Verbundstoff-Diamantpresslinge hergestellt.

Claims

Verfahren zur Herstellung eines Verbundstoff-Diamantpressling-Schneidewerkzeugs, das einen an ein Sinterhartmetallsubstrat gebundenen Diamantpressling umfasst, wobei der Diamantpressling eine Arbeitsfläche, deren eine Kante eine Schnittkante bildet, aufweist und eine polykristalline Masse aus Diamantteilchen, die in einer Menge von wenigstens 80 Vol.-% des Presslings vorhanden sind, und eine zweite Phase, die einen Diamantkatalysator/Lösungsmittel und Ruthenium enthält, umfasst, mit den Schritten des Bereitstellens eines Sinterhartmetallsubstrats, des Bereitstellens einer Schichtaus Diamantteilchen auf einer Fläche des Substrats, des Bereitstellens einer Quelle für Diamantkatalysator/Lösungsmittel und Ruthenium getrennt von der Diamantteilchenschicht und das Bewirken einer Infiltration der Diamantteilchen durch den Diamantkatalysator/Lösungsmittel und das Ruthenium unter Diamantsynthesebedingungen unter Bildung eines Diamantpresslings.
Verfahren gemäß Anspruch 1, wobei die Quelle für den Diamantkatalysator/Lösungsmittel und das Ruthenium das Sinterhartmetallsubstrat ist.
Verfahren gemäß Anspruch 1, wobei eine Quelle für den Diamantkatalysator/Lösungsmittel das Sinterhartmetallsubstrat ist und eine Quelle für Ruthenium eine zwischen den Diamantteilchen und dem Substrat befindliche Schicht ist.
Verfahren gemäß Anspruch 3, wobei die Schicht eine Quelle für Diamantkatalysator/Lösungsmittel enthält.
Verfahren gemäß Anspruch 4, wobei der Diamantkatalysator/Lösungsmittel in dem Sinterhartmetallsubstrat von dem in der Schicht verschieden ist.
Verfahren gemäß Anspruch 5, wobei der Diamantkatalysator/Lösungsmittel in dem Sinterhartmetallsubstrat Cobalt ist und die Schicht Ruthenium sowie einen von Cobalt verschiedenen Katalysator/Lösungsmittel enthält.
Verfahren gemäß Anspruch 6, wobei die Schicht Ruthenium und Nickel enthält.
Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei die zweite Phase für den Diamantpressling Cobalt und Ruthenium enthält, wobei das Ruthenium in einer Menge von 0,5 bis 25 Massenprozent vorhanden ist.
Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei die zweite Phase Nickel und Ruthenium enthält, wobei das Ruthenium in einer Menge von 0,5 bis 50 Massenprozent vorhanden ist.
Verfahren gemäß einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die Diamantsynthesebedingungen ein Druck im Bereich von 40 bis 70 Kilobar (4 bis 7 GPa) und eine Temperatur im Bereich von 1200 bis 1600°C sind.
Verfahren gemäß Anspruch 10, wobei die Bedingungen des erhöhten Drucks und der erhöhten Temperatur 10 bis 60 Minuten lang aufrechterhalten werden.