DE2541432C2

DE2541432C2 -

Info

Publication number: DE2541432C2
Application number: DE2541432A
Authority: DE
Inventors: Robert Dennis Johannesburg Transvaal Za Mitchell
Original assignee: DE BEERS INDUSTRIAL DIAMOND DIVISION Ltd JOHANNESBURG TRANSVAAL ZA
Current assignee: DE BEERS INDUSTRIAL DIAMOND DIVISION Ltd JOHANNESBURG TRANSVAAL ZA
Priority date: 1974-09-18
Filing date: 1975-09-17
Publication date: 1989-06-01
Also published as: JPS5164693A; US4063909A; IE42084L; NL183083B; AU8477475A; DE2541432A1; CH594484A5; IL48088A0; SE411527B; JPS5819428B2; NL7511040A; ES441073A1; CA1074131A; SE7510109L; GB1489130A; NL183083C; BR7506015A; IN144282B; FR2285213B1; IL48088A

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen Schneideinsatz aus einem zu mindestens 70 Vol.-% aus miteinander verwachsenen Diamantteilchen und/oder Teilchen aus kubischem Bornitrid in einer die Teilchen mindestens teilweise lösenden metalli schen Bettungsmasse bestehenden Schneidstoffkörper und ei nem Träger.

Schneidstoffkörper sind bekannt und bestehen üblicherweise aus verschleißfesten Teilchen, insbesondere Diamant oder kubischem Bornitrid, die mit Hilfe einer üblicherweise me tallischen Bettungsmasse gebunden sind. Der Anteil der ver schleißfesten Teilchen beträgt dabei mindestens 50 Vol.-% und liegt im allgemeinen bei mindestens 70 Vol.-%. Als Bettungsmasse eignen sich beispielsweise Kobalt, Eisen, Nickel, Platin, Titan, Chrom, Tantal und deren Legierungen.

Diamant oder kubisches Bornitrid enthaltende Schneidstoff körper werden bei einem Druck und einer Temperatur herge stellt, bei denen die Teilchen kristallographisch stabil sind. Vorzugsweise sind die verschleißfesten Teilchen in der metallischen Bettungsmasse mindestens begrenzt löslich, um mindestens ein teilweises Zusammenwachsen der Teilchen beim Herstellen des Schneidstoffkörpers zu ermöglichen.

Der Schneidstoffkörper wird schließlich auf einen Träger, beispielsweise aus Metall oder gesintertem Wolfram-Karbid gebracht und alsdann beispielsweise zum Schneiden oder Schleifen eingesetzt. Dabei kann der Schneidstoffkörper mit dem Träger unter Zuhilfenahme eines niedrigschmelzenden Lots verbunden werden, obgleich dies nicht sehr wirtschaft lich ist. Andererseits läßt sich der Schneidstoffkörper auch mit Hilfe eines Titanhydrid-Lots mit dem Träger verbin den, wenngleich dies zu einer Beeinträchtigung der ver schleißfesten Teilchen führt.

Bekannt ist es auch, anstelle eines Lötens in situ eine Bindung zwischen dem Diamant- oder kubische Bornitridteil chen enthaltenden Schleifkörper und einen Träger aus aufge kohltem Wolframkarbid durch Infiltrieren eines Bindemetalls aus dem Wolframkarbid-Sinterkörper in den Schneidstoffkör per aus Diamant oder kubischem Bornitrid herzustellen.

Aus der US-Patentschrift 30 69 816 sowie den deutschen Offenlegungsschriften 19 63 872 und 23 02 571 sind auch bereits Schneideinsätze bekannt, deren verschleißfeste Teilchen in eine zusammenhängende metallische Phase einge bettet sind. Darüber hinaus ist der Schneideinsatz nach der US-Patentschrift einseitig mit einer Metallschicht versehen und über diese Metallschicht mit einem Träger verlötet. Dabei handelt es sich jedoch nicht um eine durchgehende Metallschicht; vielmehr steht der Schneideinsatz in seinen Randbereichen mit dem Trägerwerkstoff in direkter Verbin dung, woraus die Gefahr einer beträchtlichen Interdiffusion zwischen dem Schneideinsatz und dem Träger resultiert.

Der Schneideinsatz nach der deutschen Offenlegungsschrift 19 62 872 ist zwar über eine metallische Zwischenschicht mit einem Träger verbunden, deren Härte ist jedoch minde stens doppelt so groß wie die Härte der Bettungsmasse, so daß in Folge der unterschiedlichen Wärmeausdehnungskoeffi zienten die Gefahr von schädlichen inneren Spannungen be steht.

Schließlich beschreibt auch die US-Patentschrift 25 70 248 einen Schneideinsatz aus in einer metallischen Bettungsmas se befindlichen Diamantteilchen, der mit Hilfe eines spe ziellen Lots mit einem Träger verbunden wird. Dieses Lot besteht aus einem Gemisch von Titanhydrid und einem Lötme tall wie Kupfer, Silber oder Gold, Titanhydrid beeinträch tigt jedoch nicht nur die Verschleißfestigkeit, sondern setzt für die Bindungswirkung eine Dissoziation voraus, ehe sich die Lötlegierung aus Titan einerseits und Kupfer, Silber oder Gold andererseits bilden kann. Bei der Dissozia tion des Titanhydrids entsteht nämlich Wasserstoff, der nicht etwa in Lösung geht, sondern mindestens teilweise im Lot verbleibt und teilweise das Lot gasförmig verläßt; es kommt daher zu einer Poren- und Kanalbildung und demgemäß zu einer Beeinträchtigung der Festigkeit der Lötverbindung. Darüber hinaus ist die Dissoziation des Titanhydrids mit einem erheblichem Schrumpfen verbunden, das ebenfalls zu inneren Spannungen führt.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, einen Schneideinsatz zu schaffen, der sich durch eine bessere Bindung zwischen dem Schneidstoffkörper und dem Träger aus zeichnet.

Die Lösung dieser Aufgabe besteht darin, daß bei einem Schneideinsatz der eingangs erwähnten Art erfindungsgemäß der Schneidstoffkörper über eine aus Titan und/oder Tantal bestehende Zwischenschicht mit dem Träger verbunden ist. Dieser Zwischenschicht kommt eine Doppelfunktion zu; zum einen fungiert sie als Sperrschicht im Hinblick auf eine Metalldiffusion, die zu einer Legierungsbildung mit Bestand teilen des Schneidstoffkörpers und des Trägers führen und demzufolge die Eigenschaften der Zwischenschicht verändern würde. Zum anderen wirkt die Zwischenschicht als Puffer be züglich der sehr unterschiedlichen Wärmedehnung des Schneid stoffkörpers und des Trägers, die beide verhältnismäßig spröde sind.

Im einzelnen kann auf den Träger mit Hilfe eines niedrig schmelzenden Lots, beispielsweise Bronze, eine Zwischen schicht aus Titan und/oder Tantal aufgebracht werden. Dabei ergibt sich eine sehr feste Bindung zwischen dem Schneid stoffkörper und dem Träger, deren Festigkeit weitaus höher ist als bei der ausschließlichen Verwendung eines niedrig schmelzenden Lots. Vorzugsweise besitzt der Schneideinsatz die Form eines Kreissegments.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand von Ausführungsbei spielen und der Zeichnung des näheren erläutert. In der Zeichnung zeigt

Fig. 1 einen Schneidstoffkörper mit Zwischenschicht,

Fig. 2 den Schneidstoffkörper nach Fig. 1 zusammen mit einem Träger und

Fig. 3 eine graphische Darstellung der kristallographi schen Stabilität in Abhängigkeit von der Tempera tur und vom Druck.

Ein kreissegmentförmiger Schneidstoffkörper 10 ist mit ei ner Zwischenschicht 12 aus enem hochschmelzenden Lötmetall versehen. Dabei kann es sich um ein reines Titan oder Tan tal oder eine Legierung dieser Metalle handeln. In jedem Falle muß die Zusammensetzung des Lots im Hinblick auf eine feste Bindung zwischen dem Schneidstoffkörper und der Binde mittelschicht so gewählt werden, daß das Lot den Schneid stoffkörper, d. h. dessen verschleißfeste Teilchen oder - sofern vorhanden - dessen Bettungsmasse gegebenenfalls unter Legierungsbildung zu benetzen vermag.

Die Dicke der Zwischenschicht bestimmt sich nach dem Verfah ren, mit dem das Lot aufgebracht wird; sie beträgt üblicher weise mindestens 0,5 µm.

Der Schneidstoffkörper darf keine Zerfallsprodukte der ver schleißfesten Teilchen enthalten. Das heißt, er muß im we sentlichen frei von aus dem Diamant entstandenem Graphit sowie von aus dem kubischen Bornitrid entstandenem hexago nalem Bornitrid sein. Das Löten muß daher so durchgeführt werden, daß die Teilchen aus Diamant und kubischem Borni trid nicht beeinträchtigt werden.

Die verschleißfesten Teilchen des Schneidstoffkörpers kön nen aus Diamant und/oder kubischem Bornitrid bestehen. Die Bettungsmasse besitzt vorzugsweise mindestens eine gewisse Löslichkeit für die verschleißfesten Teilchen, um ein Zusam menwachsen der Teilchen zu erreichen, wenn der Schneidstoff körper bei einer Temperatur und einem Druck hergestellt wird, bei denen die Teilchen kristallographisch stabil sind. Als Lösungsmittel für Diamant sind Kobalt, Nickel, Eisen und deren Legierungen bekannt, während sich als Lö sungsmittel für kubisches Bornitrid Aluminium, Blei, Zinn, Magnesium, Lithium und deren Legierungen eignen.

Der Schneidstoffkörper kann in der Weise hergestellt wer den, daß ein Gemisch aus verschleißfesten Teilchen und ei nem Pulver des Bettungsmetalls auf eine Schicht des Lötme talls gebracht und das Gemisch bei einer Temperatur und einem Druck verdichtet wird, bei dem die Teilchen metallo graphisch stabil sind. Welcher Druck und welche Temperatur hierfür infrage kommen, ergibt sich aus dem Diagramm der Fig. 3. Oberhalb der Linie A liegt das Gebiet, in dem der Diamant kristallographisch stabil ist, während das kubische Bornitrid oberhalb der Linie B kristallographisch stabil ist. Unterhalb der Linie A befindet sich das Gebiet des aus dem Diamant entstandenen Graphits, während in dem Gebiet unterhalb der Linie B das hexagonale Bornitrid stabil ist. Das Lötmetall kann pulverförmig oder als dünne Folie verwen det werden; in jedem Falle liegt die Schichtdicke unter 0,5 µm. Auf diese Weise lassen sich der Schneidstoffkörper und die Zwischenschicht auf einer der Hauptflächen bei äußerst fester Bindung gleichzeitig herstellen.

Erfindungsgemäß kann auch eine Schicht aus dem hochschmel zenden Metall-Lot auf die Oberfläche eines Schneidstoff körpers aus mindestens 50 Vol.-% Diamant und/oder kubischem Bornitrid gebracht und auf eine Temperatur erwärmt werden, bei der eine feste Bindung entsteht, ohne daß die ver schleißfesten Teilchen beschädigt werden. Eine Beschädigung der verschleißfesten Teilchen läßt sich bei Temperaturen bis 800°C unter inerter Atmosphäre vermeiden. Die inerte Atmosphäre kann aus Argon, Neon oder einem Vakuum von bei spielsweise mindestens 10^-4 Torr bestehen. Andererseits kann die Wärmebehandlung auch bei einem erhöhten Druck stattfinden, der die verschleißfesten Teilchen kristallo graphisch stabil hält.

Das Lötmetall kann in üblicher Weise auf den Schneidstoff körper aufgebracht werden. Vorzugsweise geschieht dies je doch im Vakuum mit einer Schichtdicke von 0,1 bis 0,5 µm.

Der Schneidstoffkörper wird schließlich auf einen Träger, beispielsweise einen Werkzeugschaft oder einen Sinterkör per, beispielsweise aus Wolframkarbid, aufgebracht. Dies kann mit Hilfe der Zwischenschicht aus dem hochschmelzen den Metall-Lot unter Verwendung eines niedrigschmelzenden Metall-Lots geschehen.

Besteht der Träger aus einem Sinterkörper, beispielsweise aus gesintertem Wolframkarbid, dann läßt sich der ver schleißfeste Körper in situ mit dem Träger verbinden. Dabei wird ein Pulverpreßling oder das Pulvergemisch für den Trä ger mit dem Metall-Lot und dem verschleißfesten Körper ver sehen und das ganze alsdann erhöhter Temperatur und er höhtem Druck ausgesetzt. Bei dem Ausführungsbeispiel nach Fig. 2 ist ein Schneidstoffkörper 14 über eine Zwischen schicht 16 aus dem hochschmelzenden Metall-Lot mit einem Träger 18 aus Wolframkarbid verbunden.

Beispiel 1

Im Rahmen eines Versuches wurde aus einem Gemisch von 80 Vol.-% Diamantteilchen und 20 Vol.-% Kobalt als Bettungsmas se ein Schneidstoffkörper der in Fig. 1 dargestellten Art hergestellt. Auf eine der Hauptflächen des Schneidstoff körpers wurde alsdann eine 0,5 µm dicke Titanschicht im Vakuum aufgedampft. Der mit der Titanschicht versehene Schneidstoffkörper wurde dann 15 Minuten bei 500°C in einem Vakuum von 10^-4 Torr geglüht. Nach dem Glühen wurde der Schneidstoffkörper mit einem Träger aus gesintertem Wolf ramkarbid unter Zuhilfenahme eines niedrigschmelzenden Lots verbunden. Dabei ergab sich zwischen der Titanschicht und dem Träger eine ausgezeichnete Verbindung.

Beispiel 2

In die Hülse eines Druckofens wurde ein mit einer 100 µm dicken Titanschicht und auf der Titanschicht mit einem Pul vergemisch aus Kobalt und Diamantteilchen versehener Sinter körper aus Wolframkarbid plaziert. Das Pulvergemisch be stand aus 80 Vol.-% Diamantteilchen und 20 Vol.-% Kobalt. Die Hülse wurde alsdann in die Reaktionszone eines üblichen Druckofens eingesetzt sowie die Temperatur auf 55 kbar und die Temperatur auf etwa 1600°C eingestellt. Nach dem Glühen wurde der Druck und die Temperatur auf Normalbedingungen gebracht und ergab sich durch die dünne Titanschicht ein Körper mit einer äußerst festen Verbindung zwischen dem metallgebundenen Schneidstoffkörper und dem gesinterten Träger aus Wolframkarbid in Form einer Scheibe, die an schließend entsprechend der Darstellung in Fig. 2 in einzel ne Segmente aufgeteilt wurde.

Beispiel 3

Auf eine der Hauptflächen eines in üblicher Weise aus 80 Vol.-% Diamantpulver und 20 Vol.-% Kobaltpulver hergestell ten Schneidstoffkörpers wurde im Vakuum eine 0,5 µm dicke Nickelschicht aufgedampft. Der mit der Nickelschicht ver sehene Schneidstoffkörper wurde dann zwei Stunden bei 800°C und einem Druck von 10^-4 Torr geglüht um zwischen der Nickelschicht und dem Schneidstoffkörper eine feste Bindung einzustellen. Alsdann wurde der Schneidstoffkörper unter Verwendung eines erfindungsgemäßen Lots mit einem Schmelz punkt von 620°C über die Nickelschicht mit einem Träger aus Stahl verlötet. Dabei ergab sich eine äußerst feste Bindung zwischen dem Schneidstoffkörper und dem Träger.

Claims

1. Schneideinsatz aus einem zu mindestens 70 Vol.-% aus miteinander verwachsenen Diamantteilchen und/oder Teil chen aus kubischem Bornitrid in einer die Teilchen mindestens teilweise lösenden metallischen Bettungs masse bestehenden Schneidstoffkörper und einem Träger, dadurch gekennzeichnet, daß der Schneidstoffkörper (10, 14) über eine aus Titan und/oder Tantal bestehende Zwischenschicht (12, 16) mit dem Träger (18) verbunden ist.

2. Schneideinsatz nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich net, daß der Schneidstoffkörper (10, 14) und der Trä ger (18) die Form eines Kreissegments besitzen.

3. Schneideinsatz nach Anspruch 1 oder 2, gekennzeichnet durch einen Träger aus gesintertem Wolframkarbid.

4. Verfahren zum Herstellen eines Schneidstoffkörpers für einen Schneideinsatz nach den Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß ein Pulvergemisch aus Diamantteilchen und/oder Teilchen aus kubischem Borni trid und einem Metall auf eine Schicht aus Titan und/ oder Tantal gebracht und bei erhöhter Temperatur und erhöhtem Druck unter Wahrung der kristallographischen Stabilität der Diamant- und/oder Bornitridteilchen ge glüht wird.

5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß auf einen Schneidstoffkörper mit mindestens 70 Vol.-% verschleißfesten Teilchen eine Schicht aus Titan und/oder Tantal aufgebracht und der Schneidstoffkörper mit der Schicht ohne Beeinträchtigung der Diamant- und/oder Bornitridteilchen geglüht wird.

6. Verfahren nach Anspruch 5, gekennzeichnet durch ein Glühen bei höchstens 800°C in inerter Atmosphäre.

7. Verfahren nach Anspruch 6, gekennzeichnet durch ein Glühen im Vakuum.

8. Verfahren nach Anspruch 7, gekennzeichnet durch ein Druckglühen im Bereich der kristallographischen Stabi lität der Diamant- und/oder Bornitridteilchen.