DE2845834A1 - COMPOSITE MATERIAL MADE FROM A POLYCRYSTALLINE DIAMOND BODY AND A SILICON CARBIDE OR SILICON NITRIDE SUBSTRATE, AND A PROCESS FOR THE PRODUCTION THEREOF - Google Patents
COMPOSITE MATERIAL MADE FROM A POLYCRYSTALLINE DIAMOND BODY AND A SILICON CARBIDE OR SILICON NITRIDE SUBSTRATE, AND A PROCESS FOR THE PRODUCTION THEREOFInfo
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Description
Die Erfindung betrifft ein Verbundmaterial aus einem polykristallinen Diamantkörper und einem Siliciumkarbid- oder Siliciumnitridsubstrat. Die Erfindung betrifft weiterhin ein Verfahren zur Herstellung eines Verbundmaterials der vorgenannten Art, bei welchem eine dichte Masse aus Diamantkristallen mit einem Siliciumkarbid- oder Siliciumnitridsubstrat verbunden ist. Die Diamantkristalle sind durch ein Siliciumatome enthaltendes Bindemittel miteinander und mit dem Siliciumkarbid - oder Siliciumnitridsubstrat verbunden. The invention relates to a composite material made of a polycrystalline Diamond body and a silicon carbide or silicon nitride substrate. The invention also relates to a process for the production of a composite material of the aforementioned kind, in which a dense mass of diamond crystals with a silicon carbide or silicon nitride substrate connected is. The diamond crystals are bonded to each other and by a binder containing silicon atoms bonded to the silicon carbide or silicon nitride substrate.
Ein technisches Hindernis für einen eine hohe Dichte aufweisenden Diamantpressling, der ein hohes Diamantvolumen hat und unter dem diamantstabilen Druckbereich hergestellt worden ist, war die Entwicklung eines geeigneten Bindemittels, welches in die Kapillaren eines dicht gepaskten, aus feinen Teilchen bestehenden Diamantpulvers eindringt. Das Bindemittel muss eine thermisch stabile, feste Bindung mit dem Diamant eingehen und sollte den Diamant nicht graphitisieren oder übermässig mit dem Diamant reagieren.A technical obstacle to a high density diamond compact that has a high volume of diamond and has been produced under the diamond-stable pressure range, the development of a suitable one was necessary Binding agent, which is in the capillaries of a tightly packed diamond powder consisting of fine particles penetrates. The binder must and should enter into a thermally stable, firm bond with the diamond Do not graphitize the diamond or react excessively with the diamond.
Gemäss der Erfindung wird eine ein Eutektikum enthaltende siliciumreiche Legierung verwendet, welche gut in die Kapillaren einer Pressmasse aus Diamantkristallen eindringt und die Diamantkristalle benetzt, so dass ein Diamantkörper mit einer ausgezeichneten Bindung entsteht. Die Tränklegierung stellt darüberhinaus eine feste Bindung in situ mit einem Siliciumkarbid- oder SiliciumnitridsubstratAccording to the invention, one containing a eutectic silicon-rich alloy is used, which fits well into the capillaries of a molding compound made of diamond crystals penetrates and wets the diamond crystals, so that a diamond body with an excellent bond is created. The impregnating alloy also provides a strong bond in situ with a silicon carbide or silicon nitride substrate
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her. Eei dem Verfahren gemäss der Erfindung werden auch Drücke angewandt, die wesentlich unter den vom öiamantstabilen Bereich benötigten Drücken liegen, um ein Verbundmaterial aus einem polykristallinen Diamantkörper und einem Siliciumkarbid- oder Siliciumnitridsubstrat in einer Reihe von Ausgestaltungsformen und in einem weiten Grössenbereich herzustellen. Das Verbundmaterial kann als Schleifmittel, Schneidwerkzeug, Düse oder als anderes verschleissfestes Bauteil verwendet werden.here. Eei the method according to the invention are also Pressures applied which are substantially below those of the diamond stable The range of pressures needed to create a composite material from a polycrystalline diamond body and a silicon carbide or silicon nitride substrate in a variety of configurations and in a wide variety Manufacture size range. The composite material can be used as an abrasive, cutting tool, nozzle or other Wear-resistant component can be used.
Das erfindungsgemässe Verfahren zur Herstellung eines Verbundmaterials aus einem polykristallinen Diamantkörper und einem Siliciumkarbid- oder Siliciumn itridsubstrat umfasst einen Heisspressvorgang und eine Verfahrensmassnahme, bei welcher in einen als Abschirmung dienenden Behälter oder Napf eine Feststoffmasse aus einer ein Eutektikum enthaltendem, siliciumreichen Legierung oder Feststoffkomponenten zur Bildung einer Eutektikum enthaltenden, siliciumreichen Legierung sowie eine Diamantkristallmasse und ein Siliciumkarbid- oder Siliciumnitridsubstrat derart eingebracht werden, dass die Diamantkristallmasse zwischen dem Substrat und der Feststoffmasse aus der Eutektikum enthaltenden, siliciumreichen Legierung ist und die Diamantkristallmasse mit dem Substrat und der Feststoffmasse aus der Eutektikum enthaltenden, siliciumreichen Legierung oder mit mindestens einer der Komponenten zur Bildung der Eutektikum enthaltenden, siliciumreichen Legierung in Berührung steht. Die Eutektikum enthaltende, siliciumreiche Legierung ist aus Silicium und einem Metall zusammengesetzt, das mit dem Silicium ein Silicid bildet. Der Behälter und sein Inhalt werden in einem Druck übertragenden Pulvermedium angeordnet, das einen angelegten Druck im wesentlichen unvermindert überträgt und während des Heisspressvorganges im wesentlichen ungesintert bleibt. Über das Pulvermedium wird auf den Behälter und seinen Inhalt ein im wesentlichen isostatischer Druck aus-The inventive method for producing a Comprises composite material of a polycrystalline diamond body and a silicon carbide or silicon nitride substrate a hot pressing process and a procedural measure in which in a container serving as a shield or Cup of a solid mass made of a silicon-rich alloy or solid components containing a eutectic for the formation of a silicon-rich alloy containing eutectic as well as a diamond crystal mass and a silicon carbide or silicon nitride substrate are introduced in such a way that the diamond crystal mass is between the substrate and the mass of solids from the eutectic-containing, silicon-rich Alloy and the diamond crystal mass with the substrate and the solid mass from the eutectic containing, silicon-rich alloy or with at least one of the components for the formation of the eutectic-containing, silicon-rich alloy is in contact. The silicon-rich alloy containing the eutectic is made of silicon and a metal which forms a silicide with silicon. The container and its contents are in one Arranged pressure-transmitting powder medium which transmits an applied pressure and essentially unabated remains essentially unsintered during the hot-pressing process. The powder medium is placed on the container and its content is essentially isostatic pressure
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geübt, der ausreicht, um die Abmessungen des Behälters und des Inhaltes im wesentlichen gleichmässig zu stabilisieren und dadurch ein formstabiles, im wesentlichen isostatisches System des mit Pulver umhüllten Behälters zu schaffen. Die Dichte der entstehenden Pressmasse aus Diamantkristallen liegt über 7o Volumenprozent des Volumens der zusammengepressten Diamantkristalle. Das entstandene, im wesentlichen isostatische System wird einem HeJaspressvorgang unterworfen, um eine flüssige, Eutektikum enthaltende, siliciumreiche Tränklegierung zu bilden und die flüssige, Eutektikum enthaltende, siliciumreiche Legierung in die Zwischenräume der Pressmasse aus Diamantkristallen einzuschwemmen und mit der Berührungsfläche des Substrats in Berührung zu bringen. Der Heisspressvorgang wird bei einer Hexsspresstemperatur unter 1600° C unter einem Heisspressdruck durchgeführt, der zum Einschwemmen der flüssigen, siliciumreichen Legierung in die Zwischenräume der zusammengespressen Diamantkristallmasse ausreicht. Die Eutektikum enthaltende, siliciumreiche Feststofflegierung oder die Feststoffkomponenten zur Bildung der Eutektikum enthaltenden, siliciumreichen Legierung werden in einer Menge verwendet, die bei der Heisspresstemperatur zur Bildung einer flüssigen, Eutektikum enthaltenden, siliciumreichen Legierung ausreicht, die genügt, um die Zwischenräume der Pressmasse aus Diamantkristallen auszufüllen und die Berührungsfläche des Substrats zu berühren. Das Heisspressen wird in einer Atmosphäre ausgeführt, die keinen merklichen, nachteiligen Einfluss auf die Diamantkristalle oder die in die Diamantkristallmasse eindringende, flüssige, siliciumreiche Tränklegierung oder auf das Siliciumkarbid- oder Siliciumnitridsubstrat hat. Beim Heisspressvorgang werden weniger als 5 Volumenprozent der Diamantkristalle in nicht diamantförmigen elementaren Kohlenstoff umgewandelt. Der nicht diamantförmige Kohlenstoff oder die Oberflächen der Diamantkristalle reagieren mit der flüssigen, siliciumreichen Tränklegierung unter Bildung von Karbid. Das sichpracticed, which is sufficient to stabilize the dimensions of the container and the contents substantially evenly and thereby creating a dimensionally stable, substantially isostatic system of the powder-coated container. the The density of the resulting pressed material from diamond crystals is more than 70 percent by volume of the volume of the pressed one Diamond crystals. The resulting, essentially isostatic system is subjected to a hot pressing process, to form a liquid, eutectic-containing, silicon-rich impregnation alloy and the liquid, eutectic-containing, float silicon-rich alloy into the spaces between the molding compound made of diamond crystals and with to bring the contact surface of the substrate into contact. The hot pressing process is carried out at a hex pressing temperature carried out below 1600 ° C under a hot pressing pressure, which is used to float in the liquid, silicon-rich alloy sufficient in the interstices of the pressed diamond crystal mass. The eutectic containing, silicon-rich Solid alloy or the solid components to form the eutectic-containing, silicon-rich alloy used in an amount that at the hot-pressing temperature to form a liquid, eutectic-containing, silicon-rich alloy is enough, which is enough to fill the gaps the molding compound of diamond crystals and to touch the contact surface of the substrate. That Hot pressing is carried out in an atmosphere that does not have any noticeable adverse effect on the diamond crystals or the liquid, silicon-rich impregnation alloy penetrating into the diamond crystal mass or on the silicon carbide or silicon nitride substrate. During the hot pressing process, less than 5 percent by volume of the diamond crystals are in not converted to diamond-shaped elemental carbon. The non-diamond shaped carbon or the surfaces of the diamond crystals react with the liquid, silicon-rich impregnating alloy to form carbide. That I
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ergebende, heissgepresste,im wesentlichen isostatische System wird während des Abkühlvorganges unter einem Druck gehalten, der ausreicht, um die Abmessungen des heissgepressten Systems zumindest im wesentlichen aufrecht zu erhalten. Das sich ergebende Verbundmaterial aus einem polykristallinen Diamantkörper und einem Siliciumkarbid- oder Siliciumnitridsubstrat wird gewonnen, wobei die Diamantkristallein einer Menge von mindestens 7o Volumenprozent des Volumens des gebundenen polykristallinen Diamantkörpers vorhanden sind.resulting, hot-pressed, essentially isostatic system is kept under pressure during the cooling process, which is sufficient to at least substantially maintain the dimensions of the hot-pressed system. That I resulting composite material of a polycrystalline diamond body and a silicon carbide or silicon nitride substrate is obtained with the diamond crystals in an amount of at least 7o volume percent of the volume of the bound polycrystalline diamond body are present.
Bei einer anderen Ausführungsform des erfindungsgemässen Verfahrens wird kein als Abschirmung dienender Behälter oder Napf verwendet. Bei dieser Ausführungsform werden die Feststoff masse aus der Eutektikum enthaltenden, siliciumreichen legierung oder die Feststoffkomponenten zur Bildung einer derartigen Legierung sowie die Diamantmasse und das Siliciumkarbid- oder Siliciumnatridsubstrat direkt in eine vorgeformte Höhlung eingebracht, die mit einer vorbestimmten Grösse in ein druckübertragendes Pulvermedium vorher eingeformt wurde. Die Höhlung kann in vielerlei Weise in das Pulver eingeformt werden. Beispielsweise kann das druckübertragende Pulvermedium in eine Matrize gegeben, ein starres Formwerkzeug gewünschter Grcsse in das Pulver eingesetzt und das sich ergebende System bei Umgebungstemperatur unter einem Druck verpresst werden, der ausreicht, um das Pulver in eine stabile Form zu bringen, das heisst, dem gepressten Pulver eine ausreichende Festigkeit zu geben, so dass nach dem Entfernen des Formwerkzeuges im Pulver eine Höhlung verbleibt, die als Behälter zur Aufnahme des Siliciumkarbid- oder Siliciumnitridsubstra-fe, der Diamantmasse und der siliciumreichen Legierung dient. Wenn das Siliciumkarbid- oder Siliciumnitridsubstrat, die Diamantmasse und die siliciumreiche Legierung unter der Bedingung in die Höhlung eingebracht worden sind, dass sich die DiamantmasseIn another embodiment of the invention In the process, no container or cup serving as a shield is used. In this embodiment, the solids mass of the eutectic containing, silicon-rich alloy or the solid components to form such an alloy as well as the diamond mass and the silicon carbide or silicon sodium substrate placed directly in a preformed cavity having a predetermined size was previously molded in a pressure-transmitting powder medium. The cavity can be inserted in a number of ways Powder to be molded. For example, the pressure-transmitting powder medium can be placed in a die Rigid mold of the desired size inserted into the powder and the resulting system at ambient temperature be compressed under a pressure that is sufficient to bring the powder into a stable form, that is, the To give pressed powder sufficient strength, so that after removal of the molding tool in the powder Cavity remains, which is used as a container for receiving the silicon carbide or silicon nitride substrate, the diamond mass and the silicon-rich alloy. When the silicon carbide or silicon nitride substrate, the diamond mass and the silicon-rich alloy has been introduced into the cavity under the condition that the diamond mass is present
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zwischen dem Substrat und der Legierung befindet, wird die Höhlung mit weiterem druckübertragenden Pulver abgedeckt und das gesamte System bei Umgebungstemperatur kalt gepresst, um die Höhlung und ihren Inhalt hinsichtlich der Abmessungen zu stabilisieren und ein im wesentlichen isostatisches System für die von Pulver umschlossene Höhlung mit Inhalt zu schaffen.is located between the substrate and the alloy, the cavity is covered with further pressure transmitting powder and the entire system is cold-pressed at ambient temperature in order to respect the cavity and its contents To stabilize dimensions and an essentially isostatic system for the powder-enclosed cavity to create with content.
Die Erfindung wird im nachstehenden anhand von Zeichnungen näher erläutert. In den Zeichnungen zeigen:The invention is explained in more detail below with reference to drawings. In the drawings show:
Fig. 1 einen Ausschnitt aus einem Zustandsdiagramm einer Silicium-Zirkonium-Legierung mit dem Gleichgewichtsdiagramm für eine ein Rutektikum enthaltende, siliciumreiche Zirkonium-Legierung, die für die Erfindung geeignet ist,1 shows a section of a state diagram of a silicon-zirconium alloy with the Equilibrium diagram for a silicon-rich zirconium alloy containing a rutectic, which is suitable for the invention,
Fig. 2 einen Querschnitt durch eine aus Behälter und Inhalt bestehende Zelle, die zum Einschwemmen der siliciumreichen Legierung gemäss der Erfindung verwendet wird,2 shows a cross section through a cell consisting of a container and its contents, which is intended to be flooded in the silicon-rich alloy according to the invention is used,
Fig. 3 eine schematische Darstellung einer Vorrichtung zum Ausüben eines leichten Druckes auf die in Fig. 2 gezeigte Zelle, wobei die Zelle zur Erhöhung der Packungsdichte der Diamantkristalle in Schwingungen versetzt wird,3 shows a schematic representation of a device for exerting a slight pressure on the cell shown in Fig. 2, the cell is set in vibration to increase the packing density of the diamond crystals,
Fig. 4 einen Querschnitt durch eine Vorrichtung zum Ausüben eines zumindest im wesentlichen isostatischen Druckes auf die Zelle mit Hilfe eines druckübertragenden Pulvermediums, um die Abmessungen der Zelle zu stabilisieren und ein im wesentlichen isostatisches System zu4 shows a cross section through a device for exercising an at least substantially isostatic Pressure on the cell with the help of a pressure-transmitting powder medium to to stabilize the dimensions of the cell and to create an essentially isostatic system
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schaffen,create,
Fig. 5 einen Querschnitt durch eine Graphitform zum gleichzeitigen Anwenden von Wärme und Druck, d.h. zum Heisspressen des im wesentlichen isostatischen Systems mit der eingeschlossenen Zelle,5 shows a cross section through a graphite mold for the simultaneous application of heat and pressure, i.e. for hot-pressing the essentially isostatic system with the enclosed cell,
Pig. 6 eine Seitenansicht eines gemäss der ErfindungPig. 6 is a side view of one according to the invention
hergestellten Verbundmaterials aus polykristallinem Diamantkörper und ßiliciumkarbid- ader SiIiciumnitridsubstrat, undcomposite material made of polycrystalline diamond body and silicon carbide or silicon nitride substrate, and
Fig. 7 eine Mikrophotographie (69o-fache Vergrösserung) einer polierten Querschnittsfläche eines gemäss der Erfindung hergestellten Verbundmaterials.Fig. 7 is a photomicrograph (69o magnification) a polished cross-sectional area of a composite material produced according to the invention.
Gemäss der Erfindung wird ein Schichtaufbau gebildet, bei welchem die Diamantkristallmasse zwischen einem Siliciumkarbid- oder Siliciumnitridsubstrat und einer Feststoffmasse aus einer Eutektikum enthaltenden, siliciumreichen Legierung liegt und mit dem Substrat und der Legierung in Berührung steht. Bei der Durchführung des erfindungsgemässen Verfahrens wird der Schichtaufbau einem Kaltpressvorgang bei Umgebungs- oder Zimmertemperatur unterworfen, um die Abmessungen des Schichtaufbaus im wesentlichen gleichförmig zu stabilisieren. Der Schichtaufbau wird anschliessend einem Heisspressvorgang unterworfen, bei welchem aus der Siliciumlegierung eine flüssige, siliciumreiche Legierung entsteht, welche in die Masse der zusammengepressten Diamantkristalle eingeschwemmt und mit dem Siliciumkarbidsubstrat in Berührung gebracht wird.According to the invention, a layer structure is formed in which the diamond crystal mass between a silicon carbide or silicon nitride substrate and a solid mass of a eutectic-containing, silicon-rich alloy and is in contact with the substrate and the alloy. When carrying out the inventive In the process, the layer structure is subjected to a cold pressing process at ambient or room temperature in order to achieve the To stabilize the dimensions of the layer structure substantially uniform. The layer structure is then a Subjected to hot pressing, in which from the silicon alloy a liquid, silicon-rich alloy is created, which is embedded in the mass of compressed diamond crystals is flooded in and brought into contact with the silicon carbide substrate.
Bei einer anderen Ausführungsform kann die Diamant-In another embodiment, the diamond
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kristallmasse mit mindestens einer der Komponenten in Berührung stehen , die zur Bildung der Eutektikum enthaltenden, siliciumreichen Legierung in situ verwendet wird. Das heisst, die Diamantkristallmasse kann auch mit Silicium oder Legierungsmetall in Berührung stehen. Das Siliciumkarbid- oder Siliciumnitridsubstrat, die Diamantkristallmasse sowie die Komponenten zur Bildung der siliciumreichen Legierung werden zunächst bei Umgebungs- oder Zimmertemperatur kaltgepresst, um im wesentlichen ihre Abmessungen zu stabilisieren, und dann heissgepresst, wobei eine flüssige, ein Eutektikum enthaltende, siliciumreiche Legierung gebildet und in die Masse der zusammengepressten Diamantkristalle eingeschwemmt und mit dem Siliciumkarbid- oder Siliciumnitridsubstrat in Berührung gebracht wird. Die Komponenten zur Bildung der Siliciumlegierung werden so angeordnet, dass die Bildung der Siliciumlegierung vor dem Heisspressen ansetzt, d.h. bevor die Heisspresstemperatur erreicht wird.crystal mass are in contact with at least one of the components that are rich in silicon to form the eutectic-containing Alloy is used in situ. This means that the diamond crystal mass can also be made with silicon or alloy metal stand in touch. The silicon carbide or silicon nitride substrate, the diamond crystal mass as well the components for the formation of the silicon-rich alloy are first cold-pressed at ambient or room temperature in order to essentially stabilize their dimensions, and then hot-pressed, a liquid, eutectic-containing, silicon-rich alloy being formed and in the mass of compressed diamond crystals flooded in and with the silicon carbide or silicon nitride substrate is brought into contact. The components for forming the silicon alloy are arranged so that the formation of the silicon alloy begins before hot pressing, i.e. before the hot-pressing temperature is reached.
Die Masse der Diamantkristalle, die Masse der in fester Phase vorliegenden, siliciumreichen Ausgangslegierung oder die Feststoffkomponenten zur Bildung der siliciumreichen Legierung und das Siliciumkarbid- oder Siliciumnitridsubstrat können eine Reihe von Formen haben. Beispielsweise kann jede Masse in Form einer Schicht vorliegen, wobei die Schicht der Diamantkristalle zwischen den anderen Schichten liegt. Die siliciumreiche Ausgangslegierung kann aber auch die Form eines Rohres oder eines Zylinders mit einem durchgehenden Kern haben. Das Legierungsrohr ist so gegossen, dass es eng an der Innenwand des Behälters sitzt. Das Substrat kann die Form einer Stange aufweisen, die in der Mitte des Kernes des aus der Siliciumlegierung bestehenden Rohres angeordnet ist, wobei im ringförmigen Zwischenraum zwischen dem aus der Siliciumlegierung bestehenden Rohr und der Substratstange Biamantkristalle gepackt sind.The mass of the diamond crystals, the mass of the silicon-rich starting alloy present in the solid phase or the solid components to form the silicon-rich alloy and the silicon carbide or silicon nitride substrate can take a variety of shapes. For example, any Mass are present in the form of a layer, with the layer of diamond crystals lying between the other layers. The silicon-rich starting alloy can also be in the form of a tube or a cylinder with a continuous Have core. The alloy tube is cast so that it fits snugly against the inside wall of the container. The substrate may be in the form of a rod placed in the center of the core of the tube made of the silicon alloy is in the annular space between the silicon alloy tube and the substrate rod Biamant crystals are packed.
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Beim Verfahren gemess der Erfindung können scwohl natürliche als auch synthetische, d.h. künstliche Diamantkristalle verwendet werden. Die Diamantkrietalle haben in der Richtung ihrer grössten Ausdehnung eine Grosse im Bereich von etwa "1 bis etwa 1OCO Mikrometer, wobei die Kompresse oder die Korngrössen weitgehend von der gewünschten Packungsdichte der Diamantkristalle und auch vom Verwendungssweck des sich ergebenden Diamantkörpers abhängen. Wenn der Diamantkörper beispielsweise für Schleifzwecke eingesetzt werden soll, bevorzugt man Diamantkristalle, die nicht grosser als etwa 6o Mikrometer sind. Zur Erzielung einer optimalen Packung der Diamantkristalle beim Verfahren gemäss der Erfindung sollten die Kristalle in der Grosse abgestuft sein und einen Bereich von Korngrössen umfassen, in welchem kleine, mittlere und grosse Kristalle enthalten sind. Die in der Grösse abgestuften Kristalle reichen von etwa 1 bis etwa 6o Mikrometer, wobei vorzugsweise innerhalb dieses Grössenbereiches etwa 6o bis etwa So Volumenprozent der gesamten Kristallmasse dem oberen Teil des Texlchengrossenbereiches, etwa 5 bis etwa 1o Volumenprozent dem mittleren Teil des Teilchengrossenbereich.es und der Rest dem unteren Teil des Teilchengrössenbereiches angehören.In the process according to the invention, natural as well as synthetic, i.e. artificial diamond crystals can be used. The diamond claws have in the direction of its greatest extent a size in the area from about "1 to about 1OCO microns, being the compress or the grain sizes largely depend on the desired packing density of the diamond crystals and also on the intended use of the resulting diamond body. If the Diamond bodies can be used, for example, for grinding purposes diamond crystals that are no larger than about 60 micrometers are preferred. To achieve an optimal Packing of the diamond crystals in the method according to the invention, the crystals should be graded in size and include a range of grain sizes in which small, medium and large crystals are included. In the The size of the graded crystals range from about 1 to about 60 micrometers, preferably within this size range about 6o to about 50 percent by volume of the total crystal mass in the upper part of the particle size range, about 5 to about 10 percent by volume of the middle part of the Particle size range.es and the rest the lower part of the Belong particle size range.
Die Grössenbesümmung der Diamantkristalle wird durch Kahlen der grösseren Diamantkristalle in einer Strahlmühle erleichtert. Die Diamantkristalle werden vorzugsweise chemisch gereinigt, um evt. Oxide oder andere "Verunreinigungen von der Oberfläche zu entfernen, bevor die Diamantkristalle beim Verfahren gemäss der Erfindung verwendet werden. Dies kann dadurch erfolgen, dass die Diamantkristalle in Wasserstoff bei etwa 9oo 0C etwa eine Stunde lang erhitzt werden.The size of the diamond crystals is facilitated by shaving the larger diamond crystals in a jet mill. The diamond crystals are preferably chemically cleaned to evt. Oxides or other "impurities from the surface to be removed before the diamond crystals used in the process according to the invention. This can be done in that the diamond crystals in hydrogen at about 9oo 0 C for about one hour be heated for a long time.
Die beim erfindungsgemessen Verfahren verwendete, inThe method used in the present invention, in
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fester Phase vorliegende, ein Eutektikum enthaltende, siliciumreiche Ausgangslegierung, das heisst eine Legierung, die auch eine intermetallische Verbindung umfasst, besteht aus Silicium und einem Metall, das heisst einem Legierungsmetall, das mit dem Silicium ein Silicid bildet. Die ein Eutektikum enthaltende, siliciumreiche Legierung besteht vorzugsweise aus Silicium und einem Metall aus der Gruppe, die Kobalt (Co),Chrom (Cr), Eisen (Fe), Hafnium (Hf), Mangan (Mn), Molybdän (Mo), Niob (Nb), Nickel (Ni), Paladium (Pd), Platin (Pt), Rhenium (Re), Rhodium (Rh), Ruthenium (Ru), Tantal(Ta), Thorium (Th), Titan (Ti), Uran (U), Vanadium (V), Wolfram (W), Yttrium (Y), Zirkon (Zr), und Mischungen hieraus umfasst.solid phase present, a eutectic containing, silicon-rich The starting alloy, i.e. an alloy that also includes an intermetallic compound, consists of silicon and a metal, that is, an alloy metal that forms a silicide with silicon. Its a eutectic containing, silicon-rich alloy consists preferably of silicon and a metal from the group that Cobalt (Co), chromium (Cr), iron (Fe), hafnium (Hf), manganese (Mn), molybdenum (Mo), niobium (Nb), nickel (Ni), palladium (Pd), platinum (Pt), rhenium (Re), rhodium (Rh), ruthenium (Ru), Tantalum (Ta), thorium (Th), titanium (Ti), uranium (U), vanadium (V), tungsten (W), yttrium (Y), zirconium (Zr), and mixtures from this includes.
Die ein Eutektikum enthaltende, siliciumreiche Ausgangslegierung ist bei Raumptemperatur fest und enthält mehr als 5o Atomprozent, jedoch weniger als 100 Atomprozent Silicium. Die Ausgangslegierung enthält gewöhnlich maximal etwa 99»5 Atomprozent Silicium, wobei der Siliciumgehalt weitgehend von der spezifischen Wirkung abhängt, die das Legierungsmetall auf die sich ergebende siBciumreiche Legierung hat. Die in fester Phase vorliegende siliciumreiche Legierung enthält ein Eutektikum, d.h. ein gewisses eutektisches Gefüge, und kann von untereutektischer, übereutektischer oder von eutektischer Zusammensetzung sein. Anhand von Fig. 1 lässt sich beispielsweise ersehen, dass das Eutektikum (2) eine Legierung mit spezieller Zusammensetzung ist, die unter Gleichgewichtsbedingungen beim Abkühlen bei konstanter Temperatur zu einem Feststoff mit mindestens zwei Phasen erstarrt und beim Erwärmen bei der gleichen konstanten Temperatur vollständig schmilzt. Diese konstante Temperatur wird als eutektische Temperatur bezeichnet, die ebenfalls durch das Bezugszeichen (2) wiedergegeben ist. Das Eutektikum (2) ist die Zusammensetzung, bei welcher zwei abfallende Liquiduskurven (3) und (4) amThe silicon-rich starting alloy containing a eutectic is solid at room temperature and contains more than 50 atomic percent but less than 100 atomic percent Silicon. The starting alloy usually contains a maximum of about 99 »5 atomic percent silicon, with the silicon content depends largely on the specific effect the alloying metal has on the resulting silicon-rich Alloy has. The silicon-rich alloy present in the solid phase contains a eutectic, i.e. a certain one eutectic structure, and can be of hypoeutectic, hypereutectic or eutectic composition. 1 it can be seen, for example, that the eutectic (2) is an alloy with a special composition is that under equilibrium conditions on cooling at constant temperature to a solid with solidifies at least two phases and completely melts when heated at the same constant temperature. These constant temperature is referred to as the eutectic temperature, which is also represented by the reference symbol (2) is. The eutectic (2) is the composition in which two falling liquidus curves (3) and (4) am
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eutektischen Punkt (2) zusammentreffen. Das Butektikum (2) hat daher einen niedrigeren Schmelzpunkt als die benachbarten untereutektischen oder übereutektischen Zusammensetzungen. Die Liquiduskurve oder Liquiduslinie in einem Zustandsdiagramm stellt unter Gleichgewichtsbedingungen die Temperaturen dar, bei welchen die Siliciumlegierung beim -Erwärmen zu schmelzen aufhört und beim Abkühlen zu erstarren beginnt. Die beim erfindungsgemässen Verfahren verwendete, in fester Phase vorliegende, ein Eutektikum enthaltende, siliciumreiche Legierung ist eine Legierung aus einer Reihe von Legierungen auf einer eutektischen Horizontalen (1), das heisst einer durch, den eutektischen Punkt (2) hindurchgehenden Horizontalen, die von irgendeiner Legierung ausgeht, deren Zusammensetzung links vom eutektischen Punkt (2) in einem Gleichgewichtsdiagramm liegt und etwas eutektisches Gefüge enthält, das heisst untereutektisch ist, und bis zu irgendeiner Legierung reicht, deren Zusammensetzung rechts vom eutektischen Punkt (2) im Gleichgewichtsdiagramm liegt und etwas eutektisches Gefüge enthält, das heisst übereutektisch ist.eutectic point (2) coincide. The butectic (2) therefore has a lower melting point than the neighboring hypoeutectic or hypereutectic compositions. The liquidus curve or liquidus line in a state diagram represents under equilibrium conditions represent the temperatures at which the silicon alloy stops melting on heating and solidifies on cooling begins. The solid phase used in the process according to the invention, containing a eutectic, Silicon-rich alloy is an alloy of a number of alloys on a eutectic horizontal (1), that is, one passing through the eutectic point (2) Horizontals emanating from any alloy, the composition of which is to the left of the eutectic point (2) lies in an equilibrium diagram and contains something eutectic, i.e. is hypoeutectic, and up to any alloy whose composition is to the right of the eutectic point (2) in the equilibrium diagram and contains something eutectic, i.e. it is hypereutectic.
Die feste, siliciumreiche Ausgangslegierung kann, braucht jedoch nicht die gleiche Zusammensetzung wie die siliciumreiche Tränklegierung zu haben. Wenn die gesamte, in fester Form vorliegende, siliciumreiche Ausgangslegie ·- rung bei der Heisspresstemperatur flüssig wird, hat sie die gleiche Zusammensetzung wie die siliciumreiche Tränklegierung, v'/enn jedoch nur ein Teil der siliciumreichen Ausgangslegierung, d.h. der untereutektischen oder übereutektischen Legierung bei der Heisspresstemperatur flüssig wird, hat die Ausgangslegierung nicht die gleiche Zusammensetzung viie die flüssige, siliciumreiche Tränklegierung. In diesem Fall ist die siliciumreiche Tränklegierung reicher an Silicium als die untereutektische Ausgaixgslegierung, aber ärmer an Silicium als die übereutektische, siliciumreicheThe solid, silicon-rich starting alloy may or may not have the same composition as the to have silicon-rich impregnating alloy. If the entire, in solid form, silicon-rich starting alloy - tion becomes liquid at the hot-pressing temperature, it has the same composition as the silicon-rich impregnation alloy, But only part of the silicon-rich starting alloy, i.e. the hypoeutectic or hypereutectic If the alloy becomes liquid at the hot-pressing temperature, the starting alloy does not have the same composition viie the liquid, silicon-rich impregnation alloy. In this case, the silicon-rich impregnation alloy is richer of silicon as the hypoeutectic output alloy, but poorer in silicon than the hypereutectic, silicon-rich
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Ausgangslegierung.Base alloy.
Aus Fig. 1 geht hervor, dass die Zusammensetzung der Remäss der Erfindung verwendeten, ein Eutektilrum enthaltenden, siliciumreichen Tränklegierung und deren !Schmelztemperatur auf den Liquiduskurven (3) und (4) liegt und den eutektischen Punkt (2) umfasst. Der durch (1), (2) und (4) begrenzte Bereich (5) umfasst eine feste Phase (Si) und eine flüssige Phase, d.h. eine flüssige Tränklegierung, wobei die Menge der festen Phase zunimmt und die Menge der flüssigen Phase entsprechend abnimmt, wenn der Abstand vom eutektischen Punkt (2) nach rechts längs der Horizontalen (1) zunimmt, d.h. wenn die Menge an Silicium in der legierung über die eutektische Menge steigt. Der durch (1), (2) und (3) begrenzte Bereich (6), umfasrt in ähnlicherweise eine feste Phase ZrSip und eine flüssige Phase, d.h. eine flüssige Tränklegierung, wobei die Menge der festen Phase zunimmt und die Menge der flüssigen Phase entsprechend abnimmt, wenn der Abstand vom eutektischen Punkt (2) nach links längs der Horizontalen (1) zunimmt, d.h. wenn die Menge an Silicium in der Legierung unter die eutektische Menge sinkt.From Fig. 1 it can be seen that the composition of the Remäss of the invention used, a silicon-rich impregnating alloy containing a eutectile and its melting temperature lies on the liquidus curves (3) and (4) and includes the eutectic point (2). The one limited by (1), (2) and (4) Area (5) comprises a solid phase (Si) and a liquid phase, i.e. a liquid impregnating alloy, whereby the amount of the solid phase increases and the amount of the liquid phase decreases accordingly as the distance from the eutectic Point (2) to the right along the horizontal (1) increases, i.e. when the amount of silicon in the alloy increases above the eutectic amount. The area (6) bounded by (1), (2) and (3) similarly comprises one solid phase ZrSip and a liquid phase, i.e. a liquid impregnation alloy, whereby the amount of the solid phase increases and the amount of the liquid phase decreases accordingly when the distance from the eutectic point (2) to left along the horizontal (1) increases, i.e. when the amount of silicon in the alloy falls below the eutectic Amount is decreasing.
Bei dem Verfahren gemäss der Erfindung liegen die gewünschte Zusammensetzung der ein Eutektikum enthaltenden, siliciumreichen Tränklegierung und deren Schmelztemperatur in einem Punkt auf den den eutektischen Punkt enthaltenden Liquiduskurven des Phasendiagramms für die beim erfindungsgemässen Verfahren eingesetzte siliciumreiche Legierung. Die Heisspresstemperatur ist die Temperatur, bei welcher die gewünschte Zusammensetzung der siliciumreichen Tränklegierung flüssig ist, d.h. in einem ausreichenden fliessfähigen Zustand vorliegt, um in die zusammengepresste Diamantmasse eindringen zu können. Wenn als festes Ausgangsmaterial eine siliciumreiche Legierung ver-In the method according to the invention are the desired Composition of the silicon-rich impregnating alloy containing a eutectic and its melting temperature at a point on the liquidus curves of the phase diagram containing the eutectic point for the according to the invention Process used silicon-rich alloy. The hot-pressing temperature is the temperature in which the desired composition of the silicon-rich impregnating alloy is liquid, i.e. in a sufficient flowable state is present in order to be able to penetrate into the compressed diamond mass. If as solid starting material an alloy rich in silicon
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wendet wird, welche die gleiche Zusammensetzung wie die gewünschte Tränklegierung hat, ist die Heisspresstemperatur die Temperatur, bei welcher die Legierung flüssig ist. Die Heisspresstemperatür liegt in einem Bereich von etwa 1o° G bis vorzugsweise maximal etwa 100° G über dem Schmelzpunkt der Legierung. Je nach der gerade eingesetzten Legierung können jedoch auch Heisspresstemperaturen verwendet werden, die über diesem bevorzugten Maximum liegen. Heisspresstemperaturen über 1600° C sind jedoch nicht geeignet, da in diesem Fall eine Neigung zu einer übermässigen G-raphitisierung der Diamanten besteht.is used, which has the same composition as the desired impregnation alloy, is the hot-pressing temperature the temperature at which the alloy is liquid. The hot-press temperature door is in a range of approx 10 ° G to preferably a maximum of about 100 ° G above the melting point the alloy. Depending on the alloy currently used, however, hot-pressing temperatures can also be used, which are above this preferred maximum. Hot-pressing temperatures above 1600 ° C are not suitable because in this case, a tendency to excessive graphics the diamond is made.
Wenn jedoch die Ausgangslegierung nicht die gleiche Zusammensetzung wie die gewünschte Tränklegierung hat, jedoch auf den Schmelzpunkt der gewünschten Tränklegierung erhitzt wird, entsteht eine Tränklegierung als flüssige Phase. Die Heisspresstemperatur ist dann eine Temperatur, bei welcher die eindringende Legierungsphase in flüssiger Form gebildet wird, was bei etwa 1o 0 über dem Schmelzpunkt der eindringenden Legierungsphase der Fall ist.However, if the starting alloy is not the same composition like the desired impregnating alloy, but heated to the melting point of the desired impregnating alloy an impregnation alloy is created as a liquid phase. The hot-pressing temperature is then a temperature at which the penetrating alloy phase is formed in liquid form, which is at about 1o 0 above the melting point of the penetrating Alloy phase is the case.
Wie aus Fig. 1 hervorgeht, liegt der Schmelzpunkt einer bestimmten Tränklegierung mit einer übereutektischen Zusammensetzung auf der Liquiduslinie 4. Wenn beispielsweise die gewünschte übereutektische Tränklegierung 95 Atomprozent ISi enthält, liegt der Schmelzpunkt auf der Liquiduslinie bei etwa 1400° G, wie dies durch die Linie 7 gezeigt ist. Wenn die siliciumreiche Ausgangslegierung die gleiche Zusammensetzung wie die gewünschte eindringende Tränklegierung hat, die durch die Linie 7 dargestellt ist, würde die gesamte Ausgangslegierung bei der Schmelztemperatur von 1400 G schmelzen und die Verflüssigung- oder Heisspresstemperatur würde von etwa 1410° G bis vorzugsweise etwa I5IO0 C oder gegebenenfalls bis zu unterhalb 1600° G reichen.As can be seen from Fig. 1, the melting point of a certain impregnation alloy with a hypereutectic composition is on the liquidus line 4. For example, if the desired hypereutectic impregnation alloy contains 95 atomic percent ISi, the melting point on the liquidus line is about 1400 ° G, as indicated by the line 7 is shown. If the silicon-rich starting alloy has the same composition as the desired penetrating impregnating alloy, represented by line 7, the entire starting alloy would melt at the melting temperature of 1400 G and the liquefaction or hot-pressing temperature would be from about 1410 ° G to preferably about 15IO 0 C or optionally down to below 1600 ° G.
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Wenn jedoch die siliciumreiche Ausgangslegierung irgendeine übereutektische Legierung ist, die im Gleichnrewichtsdiagramm nach Fig. 1 auf der Horizontalen 1 rechts von der Linie 7 liegt» ist die Heisspresstemperatur die Temperatur, bei welcher die gewünschte eindringende Tränklegierung aus 95 Atomprozent Si und 5 Atomprozent Zr in flüssige Form gebracht wird, was bei etwa 1410 C der Fall wäre.However, if the source alloy rich in silicon is any is hypereutectic alloy, which in the equal weight diagram of FIG. 1 on the horizontal 1 to the right of the Line 7 is »the hot-pressing temperature is the temperature in which the desired penetrating impregnating alloy of 95 atomic percent Si and 5 atomic percent Zr is brought into liquid form becomes, which would be the case at around 1410 C.
Bei der Heisspresstemperatur sollte auch aus der Ausgangslegierung die gewünschte eindringende Tränklegierung in flüssiger Form in einer Menge erzeugt werden, die ausreicht, um die Hohlräume der zusammengepressten Diamantmasse auszufüllen, deren Kristalldichte über 70 Volumenprozent liegt, und um die Tränkflüssigkeit mit der Berrhrungsf lache des Siliciumkarb id Substrats in Berührung zubringen, so dass die Poren oder Hohlräume an der Grenzfläche zwischen dem polykristallinen Körper und dem mit dem polykristallinen Körper in Berührung stehenden Substrat ausgefüllt werden und das sich ergebende Verbundmaterial eine porenfreie oder zumindest im wesentlichen porenfreie Grenzfläche hat. Die flüssige Tränklegierung sollte bei der Heisspresstemperatur praktisch in einer Menge von mindestens etwa 1 Volumenprozent der siliciumreichen Ausgangslegierung erzeugt werden.At the hot-pressing temperature, the starting alloy should also be used the desired penetrating impregnating alloy can be produced in liquid form in an amount that is sufficient, to fill the cavities of the compressed diamond mass, the crystal density of which is over 70 percent by volume and to bring the soaking liquid into contact with the contact surface of the silicon carbide substrate, so that the pores or voids at the interface between the polycrystalline body and the one with the polycrystalline Body in contact with the substrate are filled and the resulting composite material is pore-free or has at least an essentially pore-free interface. The liquid impregnating alloy should be at the hot-pressing temperature can be produced practically in an amount of at least about 1 percent by volume of the silicon-rich starting alloy.
Der Heisspressvorgang wird bei einer Temperatur, bei welcher die siliciumreiche Tränklegierung flüssig ist, unter einem Druck ausgeführt, der lediglich auszureichen braucht, um bei der Heisspresstemperatui* in der Diamantmasse zwischen gegenüberliegenden Diamantflächen vorhandene Zwischenschichten aufzureissen, die das Eindringen der flüssigen Legierung in die Zwischenräume der Diamantmasse verhindern.The hot pressing process is carried out at a temperature at which the silicon-rich impregnating alloy is liquid, carried out under a pressure that only needs to be sufficient, around at the hot-press temperature * in the diamond mass between opposite diamond surfaces to tear open existing intermediate layers, which prevent the penetration of the liquid Prevent alloying into the interstices of the diamond mass.
Hierzu ist gewöhnlich ein Mindestdruck von etwa 35 kp/cm erforderlich. Der Heisspressdruck kann insbesondere von etwaThis usually requires a minimum pressure of about 35 kgf / cm. The hot pressing pressure can in particular be approximately
35 "bis etwa 1410 kp/cm reichen. Der Heisspressdruck liegt35 "to about 1410 kp / cm. The hot press pressure is
jedoch gewöhnlich im Bereich von etwa 70 bis etwa 700 kp/cmbut usually in the range of about 70 to about 700 kgf / cm
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2 Ileisspressdrücke über I410 kp/cm bringen bei dem Verfahren gemäss der Erfindung keine merklichen Vorteile.2 Ileiss press pressures bring about 1410 kp / cm in the process according to the invention no noticeable advantages.
Mit einer Temperatur, bei welcher die eindringende Tränklegierung flüssig ist, ist hier eine Temperatur gemeint, bei welcher die Tränk]egierung ohne weiteres zu fliessen vermag. Wenn sich die Tränklegierung auf ihrem Schmelzpunkt befindet, der durch die Liauiduslinie oder im Falle einer eutektischen Legierung durch den eutektischen Punkt wiedergegeben ist, ist die eindringende Trrnklegierung eine dickflüssige, viskose Masse. Wenn jedoch die Temperatur über den Schmelzpunkt steigt, wird die Trinkflüssigkeit weniger viskos. Bei einer Temperatur, die etwa 10 C über dem Schmelzpunkt liegt, wird die flüssige Tränklegierung leicht fliesefähig, d.h. flüssig. Die Temperatur, bei welcher die siliciumreiche Tränklegierung flüssig ist, ist diejenige Temperatur, bei welcher die Tränklegierung in die kapillarartigen Kanäle, Zwischenräume oder Plohlräume der zusammengepressten Diamantkristallmasse eindringt, deren Iiristalldichte über 7o Volumenprozent liegt. Bei einer weiteren Erhöhung der Temperatur nimmt die Fliessfähigkeit der flüssigen, siliciumreichen Tränklegierung zu, was zu einem rascheren Eindringen der Legierung in die Diamantkristallmasse führt. Bei einer Temperatur von etwa 100° C über dem Schmelzpunkt hat die Tränklegierung gewöhnlich ihre höchste Fliessfähigkeit, so dass Temperaturen über dieser Flochsttemperatur gewöhnlich nicht angewandt zu werden brauchen.With a temperature at which the penetrating impregnation alloy is liquid, what is meant here is a temperature at which the impregnation is able to flow readily. When the impregnating alloy is at its melting point, which is represented by the Liauidus line or, in the case of a eutectic alloy, by the eutectic point the penetrating adhesive is a thick, viscous mass. However, if the temperature is above the If the melting point rises, the drinking liquid becomes less viscous. At a temperature that is about 10 C above the melting point the liquid impregnating alloy becomes easily flowable, i.e. liquid. The temperature at which the silicon-rich Impregnation alloy is liquid, is the temperature at which the impregnation alloy enters the capillary-like channels, Interstices or pillars of the compressed diamond crystal mass penetrates whose crystal density is over 70 percent by volume lies. With a further increase in temperature, the flowability of the liquid, silicon-rich one decreases Impregnation alloy too, which leads to a more rapid penetration of the alloy into the diamond crystal mass. At one temperature from about 100 ° C above the melting point, the impregnating alloy usually has its highest flowability, so that Temperatures above this flea temperature usually do not need to be used.
Die siliciumreiche Legierung mit eutektischer Zusammensetzung schmilzt bei einer Temperatur unter etwa 1430° C Für die hier bevorzugte Gruppe von siliciumreichen Legierungen reicht der eutektische Schmelzpunkt von 870° C für eine eutektische SiPd-Legierung mit etwa 56 Atomprozent Si bis zu 1410° C für eine eutektische SiMo-Legierung mit etwa 97 Atomprozent Si. Aus Fig. 1 geht hervor, dass dieThe silicon-rich alloy with eutectic composition melts at a temperature below about 1430 ° C For the group of high-silicon alloys preferred here, the eutectic melting point of 870 ° C is sufficient for a eutectic SiPd alloy with about 56 atomic percent Si up to 1410 ° C for a eutectic SiMo alloy with about 97 atomic percent Si. From Fig. 1 it can be seen that the
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eutektische SiZr-Legierung (2) 9o,4 Atomprozent Si enthält und eine eutektische Schmelztemperatur von 1360° C hat. Die überwiegende Phase der in fester Form vorliegenden siliciumreichen, eutektischen Legierung ist nahezu reines Silicium.eutectic SiZr alloy (2) contains 9o.4 atomic percent Si and has a eutectic melting temperature of 1360 ° C. The predominant phase of those present in solid form silicon-rich, eutectic alloy is almost pure silicon.
Die eindringende, ein Eutektikum enthaltende, siliciumreiche Tränklegierung hat einen Schmelzpunkt unter etwa 1500° C, gewöhnlich von etwa 85O0C bis etwa 145O0C. Die Temperatur, bei welcher die Tränklegierung flüssig wird, liegt mindestens etwa 10 C über dem Schmelzpunkt.The penetrating, containing a eutectic, silicon-rich Tränklegierung has a melting point below about 1500 ° C, usually from about 85O 0 C to about 145 ° 0 C. The temperature at which the Tränklegierung becomes liquid, is at least about 10 C above the melting point.
Die feste, siliciumreiche Ausgangslegierung oder die !Feststoffkomponenten zur Bildung der siliciumreichen Legierung können in massiver oder in pulverförmiger Form vorliegen. Die jeweils zur Anwendung gelangende Menge der festen, siliciumreichen Ausgangslegierung kann in Abhängigkeit von der erzielbaren Menge der flüssigen, siliciumreichen Tränklegierung und von der Kapazität der Vorrichtung schwanken. Im allgemeinen liegt die Menge der siliciumreichen Tränklegierung im Bereich von etwa 25 Volumenprozent bis etwa 80 Volumenprozent, jedoch zur Erzielung optimaler Ergeb nisse vorzugsweise im Bereich von etwa 30 bis etwa 60 Volumenprozent der zusammengepressten Diamantkristallmasse, deren Kristalldichte über 7 ο Volumenprozent liegt.The solid, silicon-rich starting alloy or the solid components for forming the silicon-rich alloy can be in solid or powdered form. The amount of solid, silicon-rich starting alloy can, depending on the achievable amount of the liquid, silicon-rich impregnating alloy and vary from the capacity of the device. Generally, the amount of the high silicon impregnating alloy will be in the range of about 25 percent by volume to about 80 percent by volume, but to achieve optimal results preferably in the range of about 30 to about 60 percent by volume the compressed diamond crystal mass, the crystal density of which is over 7 ο percent by volume.
Der Heisspressvorgang wird in einer Atmosphäre durchgeführt, die keinen merklichen schädlichen Einfluss auf die Diamantkristalle oder die siliciumreiche Tränklegierung oder das Siliciumkarbidsubstrat hat. Der Heisspressvorgang kann unter Vakuum oder in einem inerten Gas, wie Argon oder Helium oder aber auch in Stickstoff oder Wasserstoff durchgeführt werden. Der Heisspressvorgang wird genügend rasch durchgeführt, so dass keine merkliche Reaktion zwischen derThe hot-pressing process is carried out in an atmosphere that has no noticeable harmful influence on the Diamond crystals or the silicon-rich impregnation alloy or the silicon carbide substrate. The hot pressing process can be carried out under vacuum or in an inert gas such as argon or helium or else in nitrogen or hydrogen will. The hot-pressing process is carried out sufficiently quickly so that no noticeable reaction between the
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siliciumreichen Tränklegierung und dem Stickstoff oder Wasserstoff stattfindet. Der Heisspressvorgang kann nicht in Luft ausgeführt werden, da der Diamant bei einer Temperatur über 800° C in Luft leicht graphitisiert und die flüssige, siliciumreiche Tränklegierung oxidieren und festes Siliciumdioxid bilden würde, bevor eine merkliche Menge an flüssiger Legierung in die Diamantmasse eingedrungen wäre.silicon-rich impregnating alloy and nitrogen or hydrogen takes place. The hot pressing process cannot be carried out in air because the diamond is at one temperature Slightly graphitized in air above 800 ° C and the liquid, silicon-rich impregnation alloy oxidize and solid Silica would form before any appreciable amount of liquid alloy penetrated the diamond mass.
Das Siliciumkarbidsubstrat ist ein polykristalliner Körper mit einer Dichte.von etwa 85 bis etwa 10^ Prozent der theoretischen Dichte von Siliciumkarbid. Die hier angegebene Dichte von Siliciumkarbid ist die Teildichte bezogen auf die theoretische Dichte für Siliciumkarbid von 3,21 g/cm-5. Ein aus Siliciumkarbid bestehender, poly kristalliner Körper mit einer Dichte unter etwa 85 $ ist nicht geeignet, da er nicht die erforderliche mechanische Festigkeit für die meisten Anwendungszwecke, beispielsweise für einen Werkzeugeinsatz hätte. Je höher die Dichte des SiIiciumkarbidkörpers ist, desto höher ist gewöhnlich auch seine mechanische Festigkeit.The silicon carbide substrate is a polycrystalline body with a density of about 85 to about 10 ^ percent of the theoretical density of silicon carbide. The density of silicon carbide given here is the partial density based on the theoretical density for silicon carbide of 3.21 g / cm- 5 . A silicon carbide, polycrystalline body with a density below about $ 85 is not suitable because it would not have the necessary mechanical strength for most applications, for example for a tool insert. The higher the density of the silicon carbide body, the higher its mechanical strength is usually also.
Das Siliciumnitridsubstrat ist ein polykristalliner Körper mit einer Dichte im Bereich von etwa So $ bis etwa 100 # der theoretischen Dichte von Siliciumnitrid. Die hier angegebene Siliciumnitriddichte ist ein Bruchteil der Dichte bezogen auf die theoretische Dichte für Siliciumnitrid von 3,18 g/cm . Ein polykristalliner Körper aus Siliciumnitrid mit einer Dichte unter So i° ist nicht geeignet, da ein derartiger polykristalliner Körper für die meisten Verwendungszwecke, beispielsweise für die Verwendung als Werkzeugeinsatz nicht die erforderliche mechanische Festigkeit haben würde. Je höher die Dichte des Siliciumnitridkörpers ist, desto höher ist gewöhnlich auch seine mechanische Festigkeit.The silicon nitride substrate is a polycrystalline body having a density in the range from about 50 to about 100 # the theoretical density of silicon nitride. The silicon nitride density given here is a fraction of the density based on the theoretical density for silicon nitride of 3.18 g / cm. A polycrystalline body made of silicon nitride with a density below So i ° is not suitable, since such a polycrystalline body would not have the required mechanical strength for most purposes, for example for use as a tool insert. Usually, the higher the density of the silicon nitride body, the higher its mechanical strength.
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Das polykristalline Substrat aus Siliciumkarbid oder Siliciumnitrid ist ein heissgepresster oder gesinterter Körper, der Siliciumnitrid, d.h. Siliciumnitrid in einer Menge von mindestens 9o Gewichtsprozent und gewöhnlich von mindestens 95 Gewichtsprozent und im allgemeinen im Bereich von 96 Gewichtsprozent bis 99 Gewichtsprozent oder darüber bezogen auf das Gewicht des Substratkörpers enthält. Sämtliche, neben dem Siliciumnitrid verwendeten Bestandteile oder Komponenten des polykristallinen, Siliciumnitrid enthaltenden Körpers sollten keinen merklichen nachteiligen Einfluss auf die mechanischen Eigenschaften des sich ergebenden Verbundmaterials haben. Insbesondere sollten diese Bestandteile und Komponenten keinen merklichen nachteiligen Einfluss auf die Eigenschaften, des Siliciumnitrids und all die anderen, bei dem erfindungsgemässen Verfahren zur Herstellung des Verbundmaterials verwendeten Materialien ader auf die Eigenschaften das Verbundmaterial selbst haben.The polycrystalline substrate made of silicon carbide or silicon nitride is a hot-pressed or sintered body, the silicon nitride, i.e. silicon nitride in an amount of at least 90 percent by weight and usually at least 95 percent by weight and generally in the range of 96 percent to 99 percent by weight or more based on the weight of the substrate body contains. All components used in addition to the silicon nitride or Components of the polycrystalline silicon nitride-containing body should not have any appreciable adverse influence on the mechanical properties of the resulting composite material. In particular, these ingredients should and components do not noticeably adversely affect the properties of silicon nitride and the like the other materials used in the method according to the invention for producing the composite material on the properties of the composite material itself.
Der gemäss der Erfindung eingesetzte Siliciurakarbidkörper kann durch Sinterverfahren hergestellt werden, die in der US-PS 4 004 934 und inden US-Patentanmeldungen 681 7.06 vom 29. 4. 1976 und 7o7.117 vom 21. 7. 1976 beschrieben sind.The silicon carbide body used according to the invention can be made by the sintering processes described in U.S. Patent 4,004,934 and U.S. Patent Applications 681 7.06 of April 29, 1976 and 707.117 of July 21, 1976.
Der gesinterte Siliciumkarbidkörper kann dadurch hergestellt werden, dass eine im Submikronbereich liegende Teilchenmischung aus B-Siliciumkarbid, Bo rzusatz und einem kohlenstoffhaltigen Zusatz in Form von freiem Kohlenstoff oder einem kohlenstoffhaltigen, organischen Material gebildet wird, das sich, unter Hitze zersetzt und freien Kohlenstoff erzeugt^ und dass aus dieser Mischung ein sogenannter Grünkörper geformt wird. Bei einem anderen Verfahren wird eine im Submikronbereich liegende Teilchenmischung aus" A-Siliciumkarbid, bei welcher die durchschnittliche Teilchengrösse doppelt so gross wie bei der Mischung aus B-The silicon carbide sintered body can thereby be manufactured that a submicron particle mixture of B-silicon carbide, boron additive and a carbonaceous additive formed in the form of free carbon or a carbonaceous organic material that decomposes under heat and releases carbon generated ^ and that a so-called green body is formed from this mixture. Another method is a submicron particle mixture of "A-silicon carbide, which is the average particle size twice as large as the mixture of B-
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Siliciumkarbid ist, der Teilchenmischung aus B-SiliciumkarMd in einer Menge von 0,05 bis 5 Gewichtsprozent bezogen auf das B-Silicumkarbid zugemischt. Der G-rünkörper wird bei einer Temperatur im Bereich von etwa 19000C bis 23000C auf die erforderliche Dichte gesintert.Silicon carbide is admixed with the particle mixture of B-silicon carbide in an amount of 0.05 to 5 percent by weight, based on the B-silicon carbide. The G-rünkörper is sintered to the required density at a temperature in the range of about 1900 0 C to 2300 0 C.
Der Borzusatz kann in Form eines elementaren Borkarbids oder einer Borverbindung vorliegen, die sich bei einer Temperatur unter der Sintertemperatur zersetzt und Bor oder Borkarbid und gasförmige Zersetzungsprodukte liefert und in einer Menge verwendet wird, die einer Menge von 0,3 bis 3 Gewichtsprozent elementares Bor bezogen auf die Menge an Siliciumkarbid äquivalent ist. Während des Sintervorganges geht der Borzusatz in eine feste Lösung mit dem Siliciumkarbid über. Wenn die Menge des Zusatzes den Äquivalenzwert um etwa ein Gewichtsprozent an elementarem Bor übersteigt, fällt auch eine Borkarbidphase aus.The boron additive can be in the form of an elemental boron carbide or a boron compound, which can be found in a temperature below the sintering temperature and boron or boron carbide and gaseous decomposition products provides and is used in an amount based on an amount of 0.3 to 3 weight percent elemental boron is equivalent to the amount of silicon carbide. During the sintering process, the boron additive goes into a solid solution with the silicon carbide over. When the crowd of the additive exceeds the equivalent value by about one percent by weight of elemental boron, a boron carbide phase also occurs the end.
Der kohlenstoffhaltige Zusatz wird in einer Menge verwendet, die etwa einer Menge von 0,1 bis etwa 1,0 Gewichtsprozent an freiem Kohlenstoff bezogen auf die Menge des Siliciumkarbids äquivalent ist. Der Zusatz kann freier Kohlenstoff oder ein festes oder flüssiges kohlenstoffhaltiges, organisches Material sein, das sich bei einer Temperatur von 50° C bis 10000C vollständig in einen im Submikronbereich liegenden, freien Kohlenstoff und gasförmige Zersetzungsprodukte zersetzt. Beispiele für kohlenstoffhaltige Zusätze sind Polymere der aromatischen Kohlenwasserstoffe, wie Polyphenylen oder Polymethylphenylen, die in aromatischen Kohlenwasserstoffen löslich sind.The carbonaceous additive is used in an amount equivalent to about an amount of 0.1 to about 1.0 percent by weight of free carbon based on the amount of silicon carbide. The additive may be free carbon or a solid or liquid carbonaceous organic material which completely at a temperature of 50 ° C to 1000 0 C decomposes in a lying in the submicron range, free carbon and gaseous decomposition products. Examples of carbon-containing additives are polymers of aromatic hydrocarbons, such as polyphenylene or polymethylphenylene, which are soluble in aromatic hydrocarbons.
Der Sinterkörper besteht aus Siliciumkarbid, etwa 0,3 bis etwa 3 Gewichtsprozent Bor und bis zu etwa einem Gewichtsprozent freien Kohlenstoff, wobei sich die ange-The sintered body consists of silicon carbide, about 0.3 to about 3 weight percent boron, and up to about one Percent by weight of free carbon, whereby the
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gegebenen Gewichtsprozente auf die Gewichtsmenge des SiIiciumkarbids beziehen. Das Bor liegt in fester Lösung mit dem Siliciumkarbid oder auch als Borkabidphase in fester Lösung mit dem Siliciumkarbid vor. Sofern der freie Kohlenstoff nachweisbar ist, liegt er in Form von Submikronteilchen vor, die über den gesamten Sinterkörper verteilt sind.given percentages by weight on the amount by weight of silicon carbide relate. The boron is in solid solution with the silicon carbide or as a boron carbide phase in solid solution with the silicon carbide. If the free carbon is detectable, it is in the form of submicron particles before, which are distributed over the entire sintered body.
Die heissgespressten Siliciumkarbidkörper können vorzugsweise durch Verfahren hergestellt werden, die in der US-PS 3 853 566 und in der ÜS-Anm.695 246 vom 11.6.1976 beschrieben sind.The hot-pressed silicon carbide bodies can preferably be produced by methods described in FIG US Pat. No. 3,853,566 and in US Pat. No. 695,246 dated June 11, 1976 are described.
Eine Dispersion aus einem im Submikronbereich liegenden Silicxumkarbidpulver und einer Bor- oder Borkarbidmenge, die einer Bormenge von 0,5 bis 3,0 Gewichtsprozent entspricht, wird in einem einzigen Heisspressvorgang bei einer Temperatur von 190O0G bis 20000C unter einem DruckA dispersion of a horizontal submicron Silicxumkarbidpulver and a boron or Borkarbidmenge corresponding to an amount of boron of 0.5 to 3.0 weight percent, in a single hot-pressing operation at a temperature of 190O 0 G to 2000 0 C under a pressure
von 350 his 7OO kp/cm heiss gepresst, um einen Bor enthaltenden Siliciumkarbidkörper herzustellen. Bei einem anderen Heisspressvorgang werden der Dispersion 0,5 bis 3,0 Gewichtsprozent an elementarem Kohlenstoff oder kohlenstoffhaltige Zusätze zugegeben, die sich unter Hitze in elementaren Kohlenstoff zersetzen.from 350 to 7OO kp / cm hot pressed to obtain a boron containing silicon carbide bodies. In another hot-pressing process, the dispersion 0.5 to 3.0 percent by weight of elemental carbon or carbon-containing additives added to the decompose under heat into elemental carbon.
Der polykristalline Silicumnitridkörper kann durch Sinterverfahren hergestellt werden, die in den US-Patentanmeldungen 756 085 und 756 086 vom 3.1.1977 beschrieben sind.The polycrystalline silicon nitride body can be made by sintering processes described in US patent applications 756 085 and 756 086 of 3.1.1977 are described.
Die US-Anm.756085 bezieht sich auf einen gesinterten Siliciumnitridkörper, der dadurch hergestellt wird, dass eine homogene Dispersion aus einem im Submikronbereich liegenden Silicumnitrid und einem Berylliumzusatz gebildet wird, der aus der Gruppe aus Beryllium,- Berylliumkarbid,U.S. Patent No. 756085 relates to a sintered one Silicon nitride body which is produced by a homogeneous dispersion of a submicron range lying silicon nitride and a beryllium additive is formed from the group of beryllium, - beryllium carbide,
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Berylliumfluorid, Berylliumnitrid, Berylliumsiliciumnitrid und Mischungen hiervon ausgewählt ist. Der Berylliumzusatz liegt in einer Menge vor, bei welcher die Berylliumkomponente einer Menge von etwa 0,1 bis etwa 2 Gewichtsprozent an elementarem Beryllium bezogen auf die Menge an Siliciumnitrid äquivalent ist. Aus der Dispersion wird ein Grünkörper geformt, der bei einer Temperatur von etwa 1900 C bis etwa 2.200 0C in einer durch Stickstoff gebildeten Sinteratmosphäre unter einem über dem Atmosphärendruck liegenden Druck gesintert wird, der bei der Sintertemperatur eine merkliche thermische Zersetzung des Siliciumnitrids verhindert und einen Sinterkörper mit einer Dichte von mindestens etwa 80 $> der theoretischen Dichte von Siliciumnitrid entstehen lässt. Der Mindestdruck des Stickstoffes liegt in einem Bereich von etwa 2o atm bei einer Sintertemperatur von 190O0O bis etwa 130 atm bei einer Sintertemperatur von 22000G.Beryllium fluoride, beryllium nitride, beryllium silicon nitride, and mixtures thereof. The beryllium additive is present in an amount in which the beryllium component is equivalent to an amount of from about 0.1 to about 2 percent by weight of elemental beryllium based on the amount of silicon nitride. A green body is formed from the dispersion, which is sintered at a temperature of about 1900 C to about 2200 0 C in a sintering atmosphere formed by nitrogen under a pressure above atmospheric pressure, which prevents a noticeable thermal decomposition of the silicon nitride at the sintering temperature and a Sintered body with a density of at least about 80 $> the theoretical density of silicon nitride can arise. The minimum pressure of the nitrogen is in a range from about 20 atm at a sintering temperature of 190O 0 O to about 130 atm at a sintering temperature of 2200 0 G.
Das Verfahren gemäss der US-Patentanmeldung 756 086 entspricht dem Verfahren nach der US-Patentanmeldung 75& 085 mit der Ausnahme, dass ein Magnesiumzusatz der Dispersion aus Siliciumnitrid und Berylliumzuatz zugegeben wird. Der Grünkörper wird bei einer Temperatur von etwa 18oo°C bis etwa 2.2000C in einer durch Stickstoff gebildeten Sinteratmosphäre bei einem über dem Atmosphärendruck liegenden Druck gesintert, der von mindestens etwa 1o atm bei einer Sintertemperatur von 18000C bis zu mindestens etwa 130 atm bei einer Sintertemperatur von 22000C. reicht. Der Magnesiumzusatz wird aus der Gruppe aus Magnesium, Magnesiumkarbid-, Magnesiumnitrid, Magnesiumzyanid, Magnesiumfluorid, Magnesiumsilicid, Magnesiumsiliciumnitrid, und Mischungen hiervon ausgewählt. Der Magnesiumzusatz wird in einer Menge verwendet, bei welcher die Magnesiumkomponente einer Menge von etwa 0,5 bis etwa 4 Gewichtsprozent The method according to US patent application 756 086 corresponds to the method according to US patent application 75 & 085 with the exception that an addition of magnesium is added to the dispersion of silicon nitride and beryllium addition. The green body is sintered at a temperature of about 18oo ° C to about 2200 0 C in a plane formed by nitrogen sintering atmosphere at a superatmospheric pressure pressure of at least about 1o atmospheres at a sintering temperature of 1800 0 C to at least about 130 atm at a sintering temperature of 2200 0 C. is sufficient. The magnesium additive is selected from the group of magnesium, magnesium carbide, magnesium nitride, magnesium cyanide, magnesium fluoride, magnesium silicide, magnesium silicon nitride, and mixtures thereof. The magnesium additive is used in an amount with the magnesium component in an amount of from about 0.5 to about 4 percent by weight
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an elementarem Magnesium bezogen auf die Siliciumnitridmenge entspricht.of elemental magnesium based on the amount of silicon nitride is equivalent to.
Der in der US-Patentanmeldung 756 085 beschriebene polykristalline Körper hat eine Dichte im Bereich von etwa 8o bis etwa 100 # der theoretischen Dichte von Siliciumnitrid. Der polykristalline Körper besteht aus Siliciumnitrid und Beryllium, dessen Menge in einem Bereich von weniger als etwa 0,1 bis etwa wepiger als etwa 2,0 Gewichtsprozent des Siliciumnitrid liegt. Der in der US-Patentanmeldung 756 o86 beschriebene polykristalline Körper entspricht dem polykristallinen Körper nach der US-Patentanmeldung 756 085 mit der Ausnahme, dass er auch Magnesium in einer Menge enthält, die im Bereich von. weniger als etwa 0,5 bis weniger als etwa 4 Gewichtsprozent des Siliciumnitrids liegt.The polycrystalline described in U.S. Patent Application 756,085 Body has a density ranging from about 8o to about 100 # the theoretical density of silicon nitride. The polycrystalline body consists of silicon nitride and beryllium, the amount of which ranges from less than about 0.1 to about less than about 2.0 weight percent of silicon nitride. The one in the US patent application 756 o86 described polycrystalline body corresponds to the polycrystalline body according to the US patent application 756 085 except that it also contains magnesium in an amount ranging from. less than about From 0.5 to less than about 4 percent by weight of the silicon nitride.
Die heissgepressten, polykristallinen Siliciumnitridkörper können durch Verfahren hergestellt werden, die in den US-Patentanmeldungen 756 083 und 756 084 vom 3.1.1977 beschrieben sind.The hot-pressed, polycrystalline silicon nitride bodies can be produced by methods described in U.S. Patent Applications 756 083 and 756 084 dated 3/3/1977 are described.
Die US-Patentanmeldung 756 083 bezieht sich auf einen heissgepressten Siliciumnitridkörper, der dadurch hergestellt wird, dass eine im Submikronbereich liegende, homogene Pulveardispersion aus Siliciumnitrid und Magnesiumsilicid gebildet wird, wobei das Magnesiumsilicid in einer Menge vorliegt, die von etwa 0,5 bis etwa 3 Gewichtsprozent bezogen auf die Siliciumnitridmenge reicht. Die Pulverdispersion wird in einer Stickstoffatmosphäre bei einer Temperatur von etwa 1600° 0 bis 18500O unter einem Mindestdruck von etwa I40 kp/cm heissgepresst. Der sich ergebende polykristalline Siliciumnitridkörper hat eine Dichte von etwa 80 # bis etwa 100 Prozent der theoretischen DichteUS Patent Application 756 083 relates to a hot-pressed silicon nitride body which is produced by forming a submicron homogeneous powder dispersion of silicon nitride and magnesium silicide, the magnesium silicide being present in an amount ranging from about 0.5 to about 3 Percentage by weight based on the amount of silicon nitride is sufficient. The powder dispersion is hot-pressed in a nitrogen atmosphere at a temperature of about 1600 ° 0 to 1850 0 O under a minimum pressure of about 140 kp / cm. The resulting polycrystalline silicon nitride body has a density of about 80 to about 100 percent of theoretical
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von Siliciumnitrid. Der ροIykristalline Körper besteht aus Siliciumnitrid und Magnesium, dessen Menge von etwa 0,3 bis etwa 1,9 Gewichtsprozent bezogen auf Siliciumnitrid reicht.of silicon nitride. The ροIycrystalline body consists of Silicon nitride and magnesium, the amount of which ranges from about 0.3 to about 1.9 percent by weight based on silicon nitride.
Die US-Patentanmeldung 756 084 bezieht sich auf einen heissgepressten, polykristallinen Siliciumnitridkörper, der dadurch hergestellt wird, dass eine im Submikronbereich liegende Pulverdispersion aus Siliciumnitrid und einem Beryllium zusatz gebildet wird, der aus der Gruppe aus Beryllium, Berylliumnitrid, Berylliumfluorid, Berylliumsiciliumnitrid und Mischung hiervon ausgewählt ist, wobei die Berylliumkomponente in einer Menge vorliegt, die einer Menge von etwa 0,1 bis etwa 2 Gewichtsprozent an elementarem Beryllium bezogen auf die Siliciumnitridmenge entspricht. Die Dispersion wird in einer Stickstoffatmosphäre bei einer Temperatur von etwa 16000C bis etwa 18500O unter einem Mindestdruck von etwa 140 kp/cm heissgepresst. Der sich ergebende polykristalline Siliciumnitridkörper hat eine Dichte von etwa 8o $> bis etwa 100 $ der theoretischen Dichte von Siliciumnitrid, Der polykristalline Körper besteht aus Silicium nitrid und Beryllium, dessen Menge von etwa 0,1 bis etwa 2,0 Gewichtsprozent bezogen auf Siliciumnitrid reicht.US patent application 756 084 relates to a hot-pressed, polycrystalline silicon nitride body which is produced by forming a submicron powder dispersion of silicon nitride and a beryllium additive selected from the group of beryllium, beryllium nitride, beryllium fluoride, beryllium silicon nitride and a mixture thereof is selected, wherein the beryllium component is present in an amount corresponding to an amount of about 0.1 to about 2 percent by weight of elemental beryllium based on the amount of silicon nitride. The dispersion is in a nitrogen atmosphere at a temperature of about 1600 0 C to about 1850 0 O under a minimum pressure of about 140 kp / cm hot-pressed. The resulting polycrystalline silicon nitride body has a density of about 80 $> to about 100 $ the theoretical density of silicon nitride. The polycrystalline body is composed of silicon nitride and beryllium, the amount of which ranges from about 0.1 to about 2.0 percent by weight based on silicon nitride .
Die Dicke des Siliciumnitridsubstrats kann in Abhängigkeit vom endgültigen Verwendungszweck des sich ergebenden Verbundmaterial schwanken. Das Substrat sollte jedoch zumindest ausreichend dick sein, so dass ein geeigneter Träger für einen daran befestigten polykristallinen Diamantkörper erzielt wird. Ein für die meisten Anwendungszwecke geeigneter Träger zur Aufnahme eines daran befestigten polykristallinen Diamantkörpers wird erzielt, wenn das Siliciumnitridsubstrat vorzugsweise mindestens zweimal so dick wie der am Träger befestigte polykristalline Diamantkörper ist.The thickness of the silicon nitride substrate may vary depending on the end use of the resulting product Composite material fluctuate. The substrate, however, should be at least sufficiently thick to be a suitable carrier for an attached polycrystalline diamond body is achieved. A suitable one for most purposes Carrier for receiving an attached polycrystalline diamond body is achieved when the silicon nitride substrate is preferably at least twice as thick as the polycrystalline diamond body attached to the carrier.
Bei der in Fig. 2 gezeigten Anordnung besteht die ZelleIn the arrangement shown in Figure 2, the cell exists
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aus einem Napf 11, die eine senkrechte kpeiszylindrische Wand mit einem Boden aufweist. Innerhalb des Napfes 11 ist eine Scheibe 12 aus einer ein Eutektikum enthaltenden siliciumreichen Legierung, eine mit der siliciumreichen Legierung 12 in Berührung stehende Diamantkristallmasse 13 und ein dicker Stopfen 14 angeordnet. Der dicke Stopfen 14 ist ein genau in den Napf 11 passender und als Verschluss dienender Zylinder aus polykristallinem Siliciumnitridsubstrat.from a cup 11, which is a vertical kpeiszylindischen Has wall with a floor. Inside the cup 11 is a disk 12 made of a silicon rich containing a eutectic Alloy, a diamond crystal mass 13 and in contact with the silicon-rich alloy 12 a thick plug 14 is arranged. The thick stopper 14 fits exactly into the cup 11 and serves as a closure Polycrystalline silicon nitride substrate cylinder.
Der Napf 11 besteht aus einem Werkstoff, der beim Heisspressen im wesentlichen inert ist, d.h. keinen merklichen nachteiligen Einfluss auf die Eigenschaften des Diamantkörpers hat. Ein derartiger Werkstoff kann ein Nichtmetall, wie beispielsweise zusammengepresstes, hexagonales Bornitrid sein. Der Werkstoff ist jedoch vorzugsweise ein Metall und insbesondere ein Metall aus der Gruppe, die Wolfram, Yttrium, Vanadium, Tantal und Molybdän umfasst.The cup 11 consists of a material that is used during hot pressing is essentially inert, i.e. no appreciable adverse effect on the properties of the diamond body Has. Such a material can be a non-metal such as compressed hexagonal boron nitride be. However, the material is preferably a metal and in particular a metal from the group consisting of tungsten, yttrium, Includes vanadium, tantalum, and molybdenum.
Innerhalb des mit dem Stopfen verschlossenen Napfes sollte kein freier Raum verbleiben, der ein Vermischen oder eine freie Bewegung des Inhaltes gestattet, so dass der Inhalt zumindest im wesentlichen in der ursprünglichen Lage dem im wesentlichen isostatischen Druck beim Kaltpressvorgang unterworfen wird.No free space should remain inside the bowl closed with the stopper, which would prevent mixing or Free movement of the content is allowed, so that the content is at least substantially in its original position is subjected to the essentially isostatic pressure in the cold pressing process.
Die Verwendung der in der Grosse abgestuften Diamantkristalle hat den Zweck, eine maximale Packungsdichte der Diamantkristalle zu erzielen. Als Alternative oder zusätzliche Massnahme kann auch die in Fig. 3 gezeigte Anordnung zweckmässig sein, um die Packungsdichte der Diamantkristalle zu erhöhen. Bei der Anordnung nach Fig. 3 wird die Zelle auf einen Schwingtisch 16 gestellt und dort während der Schwingbewegung unter einem leichten Druck von etwa 3,5 kp/cm2 gehalten, so dass sich die Diamantkristalle zum Ausfüllen der Hohlräume entsprechend umordnen können, wodurch der An-The purpose of using the diamond crystals graded in size is to achieve a maximum packing density of the diamond crystals. As an alternative or additional measure, the arrangement shown in FIG. 3 can also be expedient in order to increase the packing density of the diamond crystals. In the arrangement according to FIG. 3, the cell is placed on an oscillating table 16 and held there during the oscillating movement under a slight pressure of about 3.5 kp / cm 2 , so that the diamond crystals can be rearranged accordingly to fill the cavities, whereby the At-
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teil der Hohlräume verringert und damit die Dichte der Diamantmasse auf über 70 Volumenprozent bezogen auf das Volumen der Diamantmasse erhöht wird. Die erforderliche Verdichtung kann durch Versuche feststellt werden, die mit Diamanten der gleichen Korngrösse in einer feste Abmessungen aufweisenden Form durchgeführt werden.Part of the cavities is reduced and thus the density of the diamond mass is increased to over 70 percent by volume based on the volume of the diamond mass. The required compression can be determined by tests with diamonds of the same grain size in a fixed dimension Form to be carried out.
Die Zelle 1o wird dann in der in Fig. 4 gezeigten Weise bei Raum- oder Umgebungstemperatur kalt gepresst,wobei nur ein Druck angewandt zu werden braucht, der zur Erzielung eines dimensionsstabilen, im wesentlichen isostatischen Systems ausreicht. Die Zelle 1o wird innerhalb des zylindrischen Kerns einer Pressform 2o angeordnet. Die Zelle ist von einer Masse 19 aus einem äruckübertragenden Pulvermedium umschlossen. Das Pulvermedium besteht aus sehr feinen Teilchen mit einer Teilchengrösse von 160 Maschen/cm, wobei wiederum Teilchen mit einer Teilchengrösse von etwa 2 bis etwa 2o Mikrometer bevorzugt werden. Das druckübertragende Pulvermedium bleibt unter den hier angewandten Druck- und Temperaturbedingungen im wesentlichen ungesintert. Das druckübertragende Pulvermedium ist beispielsweise hexagonales Bornitrid und Siliciumnitrid. Das druckübertragende Pulvermedium sorgt dafür, dass ein annähernd oder im wesentlichen isostatischer Druck auf die Zelle 1o ausgeübt wird, wo'dürch die Zelle 1o und ihr Inhalt hinsichtlich ihrer Abmessungen im wesentlichen gleichmässig stabilisiert, d.h. verdichtet werden, und ein im wesentlichen isostatisches System entsprechender Form entsteht, welches die vom Pulver umschlossene Zelle enthält, wobei die Dichte der zusammengepressten Diamantkristallschicht über 70 Volumenprozent des Volumens der zusammengepressten Diamantkristalle beträgt. Die Pressform 2o mit einem Ring 22 und einem Pressstempel 23 und 23a kann aus Werkzeugstahl bestehen. Der Ring 22 kann gegebenenfalls innen mit einer gesinterten Kar-The cell 1o is then in the manner shown in FIG Cold-pressed at room or ambient temperature, whereby only a pressure needs to be applied that is necessary to achieve it a dimensionally stable, essentially isostatic system is sufficient. The cell 1o is inside the cylindrical Core of a mold 2o arranged. The cell is composed of a mass 19 made of a pressure-transmitting powder medium enclosed. The powder medium consists of very fine particles with a particle size of 160 mesh / cm, whereby again, particles having a particle size of from about 2 to about 20 micrometers are preferred. The pressure transmitting Powder medium remains essentially unsintered under the pressure and temperature conditions used here. That Pressure-transmitting powder medium is, for example, hexagonal boron nitride and silicon nitride. The pressure transmitting Powder medium ensures that an approximately or essentially isostatic pressure is exerted on the cell 1o, where for the cell 1o and its content in terms of its dimensions essentially uniformly stabilized, i.e. compressed, and an essentially isostatic A system of a corresponding shape is created, which contains the cell enclosed by the powder, the density of which is compressed Diamond crystal layer is over 70 percent by volume of the volume of the compressed diamond crystals. The press mold 2o with a ring 22 and a press ram 23 and 23a can be made of tool steel. Of the Ring 22 can optionally be covered on the inside with a sintered card
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biabuch.se 22a versehen sein, wie dies in Pig. 4 gezeigt ist,biabuch.se 22a, as described in Pig. 4 is shown
2 um die Anwendung von Drücken bis zu 14.000 kp/cm zu er-2 to enable the application of pressures up to 14,000 kp / cm
möglichen. Drücke über 14 ooo kp/cm bringen keinen merklichen ^orteil. Innerhalb äes vom Presstempel 23, der Buchse 22a und dem Presstempel 23 a umgrenzten Raumes wird vorzugs-possible. Pressures above 14,000 kgf / cm bring no noticeable advantage. Inside of the press die 23, the socket 22a and the press die 23 a delimited space is preferred
2 weise ein Druck im Bereich von etwa 1400 bis 7000 kp/cm2 wise a pressure in the range of approximately 1400 to 7000 kgf / cm
und gewöhnlich bis zu 3.500 kp/cm auf das druckübertragende Pulvermedium ausgeübt, wenn die Presstempel in herkömmlicherweise tätig werden, bis sich der angelegte Druck stabilisiert hat, wie dies beim herkömmlichen Verdichten von Pulver bekannt ist.and usually up to 3,500 kp / cm on the pressure transmitting Powder medium exerted when the rams are conventionally operated until the applied pressure is applied has stabilized, as is known in the conventional compaction of powder.
Der beim Kaltpressen angewandte Druck kann empirisch bestimmt werden. Eine Erhöhung des Druckes über den Druckwert, der ein dimensionsstabiles, im wesentlichen isostatisches System liefert, ergibt keine zusätzliche Verdichtung oder Dimensionsstabilisierung der Zelle 1o und ihres Inhaltes. The pressure used in cold pressing can be determined empirically. An increase in pressure above the pressure value, which is a dimensionally stable, essentially isostatic System delivers, results in no additional compression or dimensional stabilization of the cell 1o and its contents.
Das flruckübertragende Pulvermedium, wie beispielsweise das hexagonale Bornitrid oder Siliciumnitrid, führt annähernd zu einer hydrostatischen Druckwirkung, wenn der Druck in einer Achsenrichtung auf das Pulvermedium ausgeübt wird. Aufgrund der hydrostatischen Druckwirkung wird ein im wesentlichen isostatischer Druck über die gesamte Fläche der Zelle 1o ausgeübt. Es wird angenommen, dass der angelegte Druck im wesentlichen unvermindert auf die Zelle 1o übertragen wird. Der Kaltpressvorgang verringert die Grosse der Hohlräume, so dass es zur optimalen Ausbildung vom kapillarartigen Hohlräumen in der Diamantmasse kommt. Die Diamantkristallmasse wird durch den Kaltpressvorgang auch auf die erforderliche Packungsdichte von über 7o Volumenprozent gebracht. Diese Verringerung des Hoblraumvolumens' hat auch eine Verringerung des schliesslich im Diamantkörper vorhandenen Gehaltes an nicht diamantformxgem MaterialThe pressure-transmitting powder medium, such as the hexagonal boron nitride or silicon nitride, almost leads to a hydrostatic pressure effect when the Pressure is applied to the powder media in an axial direction. Due to the hydrostatic pressure effect, a substantially isostatic pressure is exerted over the entire area of the cell 1o. It is believed that the applied pressure is transmitted essentially undiminished to the cell 1o. The cold pressing process reduces the The size of the cavities so that the capillary-like cavities are optimally formed in the diamond mass. The diamond crystal mass is also reduced to the required packing density of over 70 percent by volume by the cold pressing process brought. This reduction in the volume of the planing space also ultimately results in a reduction in the diamond body Existing content of non-diamond-shaped material
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zur Folge und ergibt mehr dicht einander gegenüberliegende Kristallflächen, die wirksam miteinander verbunden werden können.and results in more closely opposed crystal faces that are effectively connected to one another can.
Nach der Beendigung des Kaltpressvorganges sollte die Dichte der zusammengepressten Diamantkristalle in der Zelle 1o über 7o Volumenprozent des Volumens der Kristalle betragen. Die Dichte der zusammengepressten Schicht der Diamantkristallmasse liegt im Bereich von 71 bis etwa unter 95 Volumenprozent und häufig im Bereich von etwa 75 bis etwa 9o Volumenprozent des Volumens der Diamantkristalle. Je höher die Dichte der Kristalle ist, desto geringer ist der Anteil des nicht diamantförmigen Materials zwischen den Kristallen, so dass auch ein dementsprechend härterer Diamantkörper entsteht.After the completion of the cold pressing process, the density of the compressed diamond crystals in the cell should be more than 70 percent by volume of the volume of the crystals. The density of the compressed layer of diamond crystal mass is in the range from about 71 to about less than 95 volume percent and often in the range from about 75 to about 90 volume percent of the volume of the diamond crystals. The higher the density of the crystals, the lower the proportion of non-diamond-shaped material between the crystals, so that a correspondingly harder diamond body is created.
Das durch den Kaltpressvorgang entstandene, im wesentlichen isostatische System 21 des mit Pulver umhüllten Behälters wird dann heiss gepresst, wobei das System gleichzeitig der Heisspresstemperatur und dem Heisspressdruck unterworfen wird.The essentially isostatic system 21 of the powder-coated container produced by the cold pressing process is then hot pressed, whereby the system simultaneously adjusts the hot pressing temperature and the hot pressing pressure is subjected.
Nach dem Kaltpressvorgang wird einer der beiden Pressstempel 23 oder 23a zurückgezogen. Das nunmehr in Form eines verfestigten Formkörpers vorliegende, im wesentlichen isostatische System 21 wird aus der Buchse 22 a entfernt und in die in Fig. 5 gezeigte Graphitform 3o gegeben, die ein Loch mit dem gleichen Durchmesser wie die Buchse 22 a aufweist. Das überführte System 21 ist dann von der Wand des Loches 31 und den beiden Graphitstempeln 32 und 32a umschlossen. Die Graphitform 3o ist mit einem Thermoelement 33 versehen, welches die Temperatur anzeigt, die an das dimensionsstabilisierte, im wesentlichen isostatische System 21 angelegt wird. Die Graphitform 3o mit dem im wesentlichen isostatischen System 21 wird dann in einen herkömmlichen,After the cold pressing process, one of the two press rams 23 or 23a is withdrawn. Now in the form of a solidified molding present, essentially isostatic system 21 is removed from the socket 22 a and given in the graphite mold 3o shown in Fig. 5, which has a hole with the same diameter as the socket 22 a. The transferred system 21 is then enclosed by the wall of the hole 31 and the two graphite stamps 32 and 32a. The graphite mold 3o is provided with a thermocouple 33, which indicates the temperature that is applied to the dimensionally stabilized, essentially isostatic system 21 is applied. The graphite shape 3o with the essentially isostatic system 21 is then in a conventional,
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nicht dargestellten Heisspressofen gegeben. Die Ofenksmmer wird zumindest im wesentlichen evakuiert, wodurch auch eine Evakuierung des Systems 21 mit der Zelle 1o bewirkt wird, so dass sich das System 21 und die Zelle 1o im wesentlichen unter einem Vakuum befinden, bei welchem der Heisspressvorgang durchgeführt werden kann. Gegebenenfalls kann auch noch Stickstoff oder Wasserstoff oder ein Inertgas, wie Argon, in die Ofenkammer eingeleitet werden, um das in der Ofenkammer befindliche System mit dem Inhalt der Zelle 1o einer für das Heisspressen geeigneten Atmosphäre auszusetzen. Während die Stempel 32 und 32a einen in axialer Richtung wirkenden Druck, das heisst den Heisspress-druck auf das System 21 ausüben, wird die Temperatur auf eine Temperatur erhöht, bei welcher aus der siliciumreichen Legierungsscheibe 12 eine flüssige, siliciumreiche Legierung entsteht, welche in die Diamantmasse eindringt.not shown hot-press furnace given. The Ofenksmmer is at least substantially evacuated, which also causes an evacuation of the system 21 with the cell 1o, so that the system 21 and the cell 1o are essentially are under a vacuum in which the hot-pressing process can be carried out. If necessary, can also nitrogen or hydrogen or an inert gas, such as argon, can be introduced into the furnace chamber in order to System located in the furnace chamber with the contents of cell 1o in an atmosphere suitable for hot pressing suspend. While the punch 32 and 32 a in an axial In the direction of the pressure acting, that is, exerting the hot-pressing pressure on the system 21, the temperature is set to one temperature increased, in which a liquid, silicon-rich alloy is formed from the silicon-rich alloy disc 12, which penetrates the diamond mass.
Beim Heisspressen sollte die Hexsspresstemperatur rasch erreicht werden. Die Hexsspresstemperatur wird dann unter dem Heisspressdruck gewöhnlich mindestens eine Minute lang aufrecht erhalten, um eine ausreichende Durchtränkung der Diamantkristallmasse zu gewährleisten. Gewöhnlich ist eine Heisspresszeit von etwa 1 bis etwa 5 Minuten ausreichend. Da die Umwandlung von Diamant in nicht diamantförmigen, elementaren Kohlenstoff weitgehend von der Zeit und der Temperatur abhängig und die Wahrscheinlichkeit der Umwandlung in nicht diamantförmigen, elementaren Kohlenstoff um so grosser ist, je höher die Temperatur und je länger die Zeit bei dieser Temperatur ist, muss der Hexsspressvorgang durchgeführt sein, bevor 5 Volumenprozent des Diamants in nicht diamantförmigen, elementaren Kohlenstoff umgewandelt sind. Das Ausmass der Umwandlung kann empirisch bestimmt werden. Bei einer Umwandlung von 5 oder mehr Volumenprozent Diamant in nicht diamantförmigen, elementaren Kohlenstoff kann gegebenenfalls eine Phase aus nicht diamantförmigem, elementa-When hot pressing, the hex pressing temperature should be reached quickly. The hex pressing temperature is then below the hot-pressing pressure is usually maintained for at least one minute in order to ensure sufficient impregnation of the Ensure diamond crystal mass. A hot pressing time of about 1 to about 5 minutes is usually sufficient. Since the transformation of diamond into non-diamond-shaped, elemental carbon largely depends on time and temperature and the probability of conversion into non-diamond-shaped, elemental carbon is all the greater is, the higher the temperature and the longer the time at this temperature, the hex pressing process must be carried out before 5 percent by volume of the diamond is not in diamond-shaped, elemental carbon are converted. The extent of the conversion can be determined empirically. When converting 5 or more volume percent diamond In non-diamond-shaped, elemental carbon, a phase of non-diamond-shaped, elemental carbon can optionally
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rem Kohlenstoff im Endprodukt verbleiben. Diese Phase aus nicht diamantförmigem, elementarem Kohlenstoff hätte einen beachtlichen, nachteiligen Einfluss auf die mechanischen Eigenschaften des Endproduktes.rem carbon remain in the end product. This phase out Non-diamond-shaped, elemental carbon would have a considerable, detrimental effect on the mechanical Properties of the end product.
Der auf die flüssige, siliciumreiche Tränklegierung einwirkende Heisspressdruck bewirkt ein Aufbrechen der schwer schmelzbaren Schicht oder Schlacke, grösstenteils Oxid wie auch Karbid, die gewöhnlich zwischen der flüssigen, siliciumreichen Legierung und den Diamantflächen gebildet wird, wodurch das kapillarartige Hohlraumsystem geöffnet und für die siliciumreiche Legierung zugänglich gemacht wird, die dann aufgrund d§r Kapillarwirkung in die Hohlräume eindringt. Versuche haben gezeigt, dass die Legierung nicht in die Diamantmasse eindringt, falls während des Heisspressvorganges und bei einer im flüssigen Zustand vorliegenden Legierung auf das System 21 ein Druck ausgeübt und aufrecht erhalten wird, der zum Aufbrechen der Schlacke nicht ausreicht.The hot-pressing pressure acting on the liquid, silicon-rich impregnating alloy causes the difficult to melt layer or slag, mostly oxide as well as carbide, which is usually between the liquid, silicon-rich alloy and the diamond faces is formed, whereby the capillary-like cavity system is opened and is made available for the silicon-rich alloy, which then enters the cavities due to capillary action penetrates. Tests have shown that the alloy does not penetrate the diamond mass if it is during the hot pressing process and in the case of an alloy present in the liquid state, a pressure is exerted on the system 21 and is maintained, which is insufficient to break up the slag.
Wenn beim Heispressen die flüssige, siliciumreiche Legierung in die Diamantmasse eindringt und diese durchsetzt und mit dem Substrat in Berührung gelangt, umhüllt die flüssige Legierung die Oberflächen der zusammengepressten Diamantkristalle, wobei die flüssige Legierung mit den Diamantoberflächen oder gegebenenfalls mit entstehendem, nicht diamantförmigemj elementarem Kohlenstoff unter der Bildung von Karbid reagiert, bei dem es sich zumindest überwiegend und gewöhnlich im wesentlichen um Siliciumkarbid handelt. Während des Heisspressvorganges füllt die Tränklegierung auch die Grenzfläche zwischen den Berührungsflächen des polykristallinen Diamantkörpers und des Substrats, wodurch sich eine festhaftende Verbindung in situ ergibt. Das entstandene Produkt ist ein aus einem Stück bestehendes, gut gebundenes Verbundmaterial. Die Tränklegierung kann auch in das Sub-When, during hot pressing, the liquid, silicon-rich alloy penetrates the diamond mass and permeates it and comes into contact with the substrate, the liquid alloy envelops the surfaces of the compressed diamond crystals, the liquid alloy with the diamond surfaces or possibly with the resulting, not diamond-shaped elemental carbon under the formation of carbide, which is at least predominantly and usually essentially silicon carbide. During the hot-pressing process, the impregnating alloy also fills the interface between the contact surfaces of the polycrystalline Diamond body and the substrate, which results in a firmly adhering connection in situ. The resulting Product is a one-piece, well-bonded composite material. The impregnating alloy can also be used in the sub-
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strat eindringen oder hineindiffundieren.Strat penetrate or diffuse into it.
Es ist besonders wichtig, dass während des Heisspressvorganges im wesentlichen isostatische Bedingungen aufrechterhalten werden, so dass beim Flüssigwerden der siliciumreichen Legierung die flüssige Legierung nicht zwischen die Diamantmasse 13 und den Napf 11 eindringen und in merklichem Masse entweichen kann, sondern vielmehr in die Diamantkristallmasse 13 hineingezwungen wird.It is particularly important that essentially isostatic conditions are maintained during the hot-pressing process so that when the silicon-rich alloy becomes liquid, the liquid alloy does not get between the Diamond mass 13 and the cup 11 can penetrate and escape to a noticeable extent, but rather into the Diamond crystal mass 13 is forced into it.
Nach der Beendigung des Heisspressvorganges sollte während der Abkühlung des heissgepressten Systems 21 zumindest ein ausreichender Druck aufrecht erhalten werden, so dass die heissgespresste Zelle 1o einem im wesentlichen isostatischen Druck ausgesetzt ist, der zur Aufrechterhaltung der Formstabilität des Systems 21 ausreicht. Das heissgepresste System 21 lässt man vorzugsweise auf Raumtemperatur abkühlen. Die heissgespresste Zelle 1o wird dann aus dem System entfernt, worauf man ein Verbundmaterial erhält, bei welchem der polykristalline Diamantkörper 13 a in situ direkt mit dem Substrat 14 a verbunden ist. Evt. am Behälter haftendes Metall oder an den Aussenflächen des Verbundmaterials überschüssige, herausgequetschte Siliciumlegierung kann in herkömmlicher Weise, beispielsweise durch Abschleifen entfernt werden.After the hot-pressing process has ended, the hot-pressed system 21 should at least cool down Sufficient pressure can be maintained so that the hot-pressed cell 1o essentially becomes one Isostatic pressure is exposed, which is sufficient to maintain the dimensional stability of the system 21. The hot-pressed System 21 is preferably allowed to cool to room temperature. The hot-pressed cell 1o is then removed from the system, whereupon a composite material is obtained in which the polycrystalline diamond body 13 a is connected in situ directly to the substrate 14 a. Possibly Metal adhering to the container or to the outer surfaces of the Composite material excess, squeezed out silicon alloy can in a conventional manner, for example by Sanding removed.
Wenn beim erfindungsgemassen Verfahren die Komponenten in Form von gemeinsam miteinander verlaufenden Schichten verwendet werden, kann das sich ergebende Verbundmaterial eine Reihe von Formen, wie beispielsweise die Form einer Scheibe, eines Quadrats oder Rechtecks, einer Stange oder eines Barren haben und eine flache Oberfläche aus gebundenen Diamanten besitzen.If in the process according to the invention the components can be used in the form of co-extending layers, the resulting composite material a range of shapes, such as the shape of a disk, a square or rectangle, a rod or of an ingot and have a flat surface of bonded diamonds.
Wenn die siliciumreiche Legierung die Form eines RohresWhen the silicon-rich alloy takes the form of a tube
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oder eines Zylinders mit einem hindurchgehenden Kern oder Loch hat und das Substrat in Form einer zentrisch im Kern des Rohres angeordneten Stange vorliegt, und der Ringraum zwischen dem Siliciumlegierungsrohr und der Substratstange mit Diamantkristallen vollgepackt wird, hat das sich ergebende Verbundmaterial die Form einer kreisrunden Stange.or a cylinder with a core therethrough or Has hole and the substrate is in the form of a rod arranged centrally in the core of the tube, and the annular space is packed with diamond crystals between the silicon alloy tube and the substrate rod, has the result Composite material in the shape of a circular rod.
Das mit dem erfindungsgemässen Verfahren hergestellte Verbundmaterial weist einen polykristallinen Diamantkörper auf, der wie aus einem Stück mittels einer in situ gebildeten Verbindung mit einem polykristallinen Substrat aus einem Siliciumkarbid- oder Siliciumnitridkörper verbunden ist.The composite material produced with the method according to the invention has a polycrystalline diamond body as if in one piece by means of a connection formed in situ with a polycrystalline substrate a silicon carbide or silicon nitride body is connected.
Der angeklebte polykristalline Diamantkörper des erfindungsgemässen Verbundmaterials weist Diamantkristalle auf, die durch ein Siliciumatome enthaltendes Bindemittel fest miteinander verbunden sind. Die Diamantkristalle haben eine Grosse von etwa 1 bis etwa 1000 Mikrometer. Die Dichte der Diamantkristalle reicht von mindestens etwa 70 bis etwa unter 90 Volumenprozent und häufig bis etwa 89 Volumenprozent des Volumens des polykristallinen Diamantkörpers. Der Diamantkörper enthält bis zu etwa 30 Volumenprozent eines Siliciumatome enthaltenden Bindemittels, das zumindest im wesentlichen gleichmässig im polykristallinen Diamantkörper verteilt ist. Der mit den Oberflächen der Diamantkristalle in Berührung stehende Teil des Bindemittels besteht zumindest überwiegend aus Siliciumkarbid, d.h. mehr als 50 Volumenprozent des in direkter Berührung mit den Oberflächen der Diamantkristalle stehenden Teils des Bindemittels ist Siliciumkarbid. Der mit den Oberflächen der Diamantkristalle in Berührung stehende Teil des Bindemittels besteht vorzugsweise zumindest im wesentlichen aus Siliciumkarbid, d.h. mindestens etwa 85 und vorzugsweise 100 Volumenprozent des in direkter Berührung mit den Oberflächen der DiamantkristalleThe glued-on polycrystalline diamond body of the invention Composite material has diamond crystals bound by a binder containing silicon atoms are firmly connected to each other. The diamond crystals range in size from about 1 to about 1000 micrometers. The concentration the diamond crystals range from at least about 70 to about below 90 percent by volume and often up to about 89 percent by volume the volume of the polycrystalline diamond body. The diamond body contains up to about 30 percent by volume of one Binder containing silicon atoms, which is at least substantially uniform in the polycrystalline diamond body is distributed. The part of the binder which is in contact with the surfaces of the diamond crystals consists at least predominantly made of silicon carbide, i.e. more than 50 percent by volume of that in direct contact with the surfaces the diamond crystals standing part of the binder is silicon carbide. The one with the surfaces of the diamond crystals part of the binding agent in contact preferably consists at least essentially of silicon carbide, i.e. at least about 85 and preferably 100 percent by volume of that in direct contact with the surfaces of the diamond crystals
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stehenden Teiles des Bindemittels ist Siliciumkarbid. Der Diamantkörper des erfindungsgemässen Verbundmaterials ist porenfrei oder zumindest im wesentlichen porenfrei.The remaining part of the binder is silicon carbide. Of the The diamond body of the composite material according to the invention is pore-free or at least essentially pore-free.
Das polykristalline Siliciumnitridsubstrat des erfindungsgemässen Verbundmaterials hat eine Dichte im Bereich von etwa 80 bis etwa 100 $ der theoretischen Dichte des Siliciumnitrids und enthält zumindest 90 Gewichtsprozent Siliciumnitrid bezogen auf den Substratkörper und ist frei von Bestandteilen, die einen sichtlich nachteiligen Einfluss auf die mechanischen Eigenschaften des Verbundmaterials haben.The polycrystalline silicon nitride substrate of the invention The composite material has a density in the range of about 80 to about 100 $ of theoretical density of silicon nitride and contains at least 90 percent by weight of silicon nitride based on the substrate body and is free from components that have a visibly adverse effect on the mechanical properties of the composite material to have.
Das polycristalline Siliciumkarbidsubstrat des erfindungsgemässen Verbundmaterials hat eine Dichte im Bereich von etwa 85 bis etwa 100 $> der theoretischen Dichte des Siliciumkarbids und enthält zumindest 90 Gewichtsprozent Siliciumkarbid bezogen auf den Substratköper und ist frei von Bestandteilen, die einen merklich nachteiligen Einfluss auf die mechanischen Eigenschaften des Verbundmaterials haben.The polycrystalline silicon carbide substrate of the composite material according to the invention has a density in the range from about 85 to about 100 $> the theoretical density of silicon carbide and contains at least 90 percent by weight silicon carbide based on the substrate body and is free of components that have a noticeably adverse influence on the mechanical properties of the Have composite material.
An der Grenzfläche zwischen dem polykristallinen Diamantkörper und dem Siliciumkarbid- oder Siliciumnitridsubstrat reicht das Bindemittel vom polykristallinen Diamantkörper bis zum Substrat, wobei zumindest im wesentlichen die an der Grenzfläche vorhandenen Poren ausgefüllt sind, so dass die Grenzfläche porenfrei oder zumindest im wesentlichen porenfrei ist, das heisst, dass die Grenzfläche Hohlräume oder Poren in einer Menge von unter 1 Volumenprozent des gesamten Volumens der Grenzfläche unter der Voraussetzung enthalten kann, dass die Poren oder Hohlräume klein sind und unter 0,5 Mikrometer liegen und ausreichend gleichmässig in der Grenzfläche verteilt sind, so dass die Poren keinen merklich nachteiligen Einfluss auf die Haftungsbindung inAt the interface between the polycrystalline diamond body and the silicon carbide or silicon nitride substrate the binder ranges from the polycrystalline diamond body to the substrate, at least essentially the pores present in the interface are filled, so that the interface is pore-free or at least substantially is pore-free, which means that the interface voids or pores in an amount of less than 1 percent by volume of the total Volume of the interface, provided that the pores or voids are small and are less than 0.5 micrometers and are sufficiently evenly distributed in the interface so that the pores do not have any noticeably adverse effect on the liability bond in
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der Grenzfläche haben. Der Anteil an Poren in der Grenzfläche wird durch herkömmliche metallographische Massnahmen bestimmt, indem beispielsweise ein Querschnitt des Verbundmaterials optisch untersucht wird. Die Verteilung und die Dicke des Bindemittels an der Grenzfläche entspricht im wesentlichen der Verteilung und Dicke des Bindemittels im polykristallinen Diamantkörper des Verbundmateriales. Wenn man von einem polierten Querschnitt des Verbundmaterials ausgeht, würde die durchschnittliche Dicke des Bindemittels an der Grenzfläche im wesentlichen der durchschnittlichen Dicke des Bindemittels zwischen den miteinander in Berührung stehenden Diamantkristallen des polykristallinen Diamantkörpers des Verbundmaterials entsprechen. Wenn man einen polierten Querschnitt des Verbundmaterials zugrunde legt, würde auch die maximale Dicke des Bindemittels an der Grenzfläche im wesentlichen der Dicke des Bindemittels zwischen den grössten, miteinander in Berührung stehenden Diamantkristallen des polykristallinen Diamantkörpers des Verbundmaterials entsprechen. Die maximale Dicke des Bindemittels an der Grenzfläche beträgt daher etwa <?0 Prozent der grössten Abmessung der Diamantkristalle im polykristallinen Diamantkörper, wenn man die Diamantkristalle längs ihrer längsten Ausdehnung misst. Das Siliciumkarbidsubstrat kann ebenfalls Bindemittel enthalten, das in Form der Tränklegierung vorliegt, die während des Heisspressvorganges in das Substrat eingedrungen und hineindiffundiert ist.the interface. The proportion of pores in the interface is determined by conventional metallographic measures, for example by optically examining a cross section of the composite material. The distribution and the thickness of the binder at the interface essentially correspond to the distribution and thickness of the binder in the polycrystalline diamond body of the composite material. Assuming a polished cross-section of the composite, the average thickness of the binder at the interface would be substantially the same as the average thickness of the binder between the contacting diamond crystals of the polycrystalline diamond body of the composite. Assuming a polished cross-section of the composite material, the maximum thickness of the binder at the interface would also essentially correspond to the thickness of the binder between the largest, contacting diamond crystals of the polycrystalline diamond body of the composite material. The maximum thickness of the binding agent at the interface is therefore approximately <? 0 percent of the largest dimension of the diamond crystals in the polycrystalline diamond body, if the diamond crystals are measured along their longest dimension. The silicon carbide substrate can also contain binding agents which are present in the form of the impregnating alloy that penetrated and diffused into the substrate during the hot-pressing process.
Das Siliciumatome enthaltende Bindemittel enthält stets Siliciumkarbid. Bei einer Ausführungsform besteht das Bindemittel aus Silicumkarbid und Metallsilicid. Bei einem anderen Ausführungsbeispiel besteht das Bindemittel aus Siliciumkarbid, Metallsilicid und elementarem Silicium. Bei einer weiteren Ausführungsform besteht das Bindemittel aus Siliciumkarbid, Metallsilicid und Metallkarbid. Bei einer weiteren Ausführungsform besteht das Bindemittel aus Siliciumkarbid,The binder containing silicon atoms always contains silicon carbide. In one embodiment, the binder consists made of silicon carbide and metal silicide. In another embodiment, the binder consists of silicon carbide, Metal silicide and elemental silicon. In a further embodiment, the binder consists of silicon carbide, Metal silicide and metal carbide. In a further embodiment, the binder consists of silicon carbide,
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Metallsilicid, Metallkarbid und elementarem Silicium. Bei einer noch anderen Ausführungsform besteht das Bindemittel aus Siliciumkarbid, Metallkarbid und elementarem Silicium. Bei den Metallkomponenten des Metallsilicids und Metallkarbids im Bindemittel gemäss der Erfindung handelt es sich um das Legierungsmetall oder um Metalle, die in der Tränklegierung vorliegen.Metal silicide, metal carbide and elemental silicon. In yet another embodiment, the binder is made made of silicon carbide, metal carbide and elemental silicon. In the case of the metal components of the metal silicide and metal carbide in the binder according to the invention it is the alloy metal or metals that are in the impregnation alloy are present.
Die Metallkomponente des Metallsilicids im Bindemittel wird vorzugsweise aus der Gruppe ausgewählt, die Kobalt, Chrom, Eisen, Hafnium, Mangan, Rhenium, Rhodium,Ruthenium, Tantal, Thorium, Titan, Uran, Vanadium, Wolfram, Yttrium, Zirconium und Legierungen dieser Metalle umfasst.The metal component of the metal silicide in the binder is preferably selected from the group consisting of cobalt, Chromium, iron, hafnium, manganese, rhenium, rhodium, ruthenium, Includes tantalum, thorium, titanium, uranium, vanadium, tungsten, yttrium, zirconium, and alloys of these metals.
Bei der Metallkomponente des im Bindemittel vorhandenen Metallkarbids handelt es sich um einen starken Karbidbildner, der ein stabiles Karbid ergibt, und vorzugsweise um ein Metall aus der Gruppe, die Chrom, Hafnium, Titan, Zirkonium, Tantal, Vanadium, Wolfram, Molybdän und Legierungen dieser Metalle umfasst.The metal component of the metal carbide present in the binder is a strong carbide former, which results in a stable carbide, and preferably a metal from the group consisting of chromium, hafnium, titanium, zirconium, Includes tantalum, vanadium, tungsten, molybdenum, and alloys of these metals.
Der Anteil an gegebenenfalls vorhandenem, elementarem Silicium und Siliciumkarbid im Bindemittel des angeklebten polykristallinen Diamantkörpers kann in Abhängigkeit vom Ausmass der Reaktion zwischen den Flächen der Diamantkristalle und der siliciumreichen Tränklegierung sowie in Abhängigkeit vom Ausmass der Reaktion zwischen dem nicht diamantförmigen, elementaren Kohlenstoff und der siliciumreichen Tränklegierung schwanken. Wenn man annimmt, dass alle anderen Faktoren gleich sind, hängt die im Bindemittel vorhandene Menge an Siliciumkarbid im angeklebten polykristallinen Diamantkörper weitgehend von der Heisspresstemperatur und der Verweilzeit bei dieser Temperatur ab. Wenn die Verweilzeit und/ oder Temperatur erhöht wird, steigt der Anteil an Siliciumkarbid, während der Anteil an elementarem Silicium abnimmtThe proportion of any elemental silicon and silicon carbide present in the binder of the adhered polycrystalline diamond body can depending on the extent of the reaction between the faces of the diamond crystals and the silicon-rich impregnating alloy as well as depending on the extent of the reaction between the non-diamond-shaped, elemental carbon and the silicon-rich impregnation alloy vary. Assuming all other factors are the same, the amount of silicon carbide present in the binder depends on the bonded polycrystalline diamond body largely on the hot-pressing temperature and the dwell time at this temperature. If the dwell time and / or temperature is increased, the proportion of silicon carbide increases while the proportion of elemental silicon decreases
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oder bis zu einem nicht feststellbaren Wert verringert wird. Man kann daher beispielsweise die Verfahrensbedingungen empirisch ermitteln, die eingehalten werden müssen, um einen polykristallinen Diamantköa?per mit einem Siliciumkarbidgehalt zu erzielen, welcher zu den gewünschten Eigenschaften führt.or reduced to an undetectable value will. You can therefore, for example, empirically determine the process conditions that must be complied with, a polycrystalline diamond body with a silicon carbide content to achieve which leads to the desired properties.
Das Bindemittel im angeklebten polykristallinen Diamantkörper enthält stets eine zumindest nachweisbare Menge an Siliciumkarbid und mindestens eine nachweisbare Menge an Silicid und/oder Karbid des in der Tränklegierung vorhandenen Legierungsmetalles. Das Metallsilicid liegt je nach der verwendeten Legierung gewöhnlich in Form eines Disilicids vor. Das Bindemittel kann auch zumindest eine nachweisbare Menge an elementarem Silicium enthalten. Mit nachweisbarer Menge an Siliciumkarbid, Metallsilicid, Metallkarbid oder elementarem Silicium ist dabei diejenige Menge gemeint, die mit einem Elektronenmikroskop bei Durchstrahlung eines dünnen Teiles des Diamantkörpers aufgrund der auftretenden Elektronenstrahlbeugung nachgewiesen werden kann. Das Bindemittel im Diamantkörper enthält jedoch im allgemeinen Siliciumkarbid in einer Menge von etwa 1 bis etwa 25 Volumenprozent bezogen auf das Volumen des polykristallinen Diamantkörpers und im allgemeinen Metallsilicid in einer mindestens nachweisbaren Menge und häufig eine minimale Menge von etwa 0,1 Volumenprozent des polykristallinen Diamantkörpers. Die vorhandene Menge an Metallsilicid hängt weitgehend von der Zusammensetzung der äiliciumreichen Tränklegierung ab. Die Metallsilicide sind hart und haben häufig niedrigere, lineare thermische Ausdehnungskoeffizienten als die Metalle oder in einigen Fällen als Diamant, wie beispielsweise Rhenium, wobei eine derartige Eigenschaft für eine Phase in einem Diamantkörper erwünscht ist. Die jeweils vorhandene Menge an Siliciumkarbid und elementarem Silicium hängt weitgehend von der Zusammensetzung der sili-The binder in the glued-on polycrystalline diamond body always contains at least a detectable amount of Silicon carbide and at least a detectable amount of Silicide and / or carbide of the alloy metal present in the impregnation alloy. The metal silicide is depending on of the alloy used is usually in the form of a disilicide. The binder can also have at least one detectable Amount of elemental silicon contained. With detectable amount of silicon carbide, metal silicide, metal carbide or elemental silicon is meant that amount that is transmitted through an electron microscope of a thin part of the diamond body can be detected due to the electron beam diffraction that occurs can. However, the binder in the diamond body generally contains silicon carbide in an amount of about 1 to about 25 percent by volume based on the volume of the polycrystalline Diamond body and generally metal silicide in at least a detectable amount and often one minimum amount of about 0.1 volume percent of the polycrystalline diamond body. The amount of metal silicide present depends largely on the composition of the impregnating alloy rich in silicon. The metal silicides are hard and have often lower, linear thermal expansion coefficients than the metals or in some cases than diamond, such as rhenium, such a property being desirable for a phase in a diamond body. The respectively The amount of silicon carbide and elemental silicon present depends largely on the composition of the silicon
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ciumreichen Tränklegierung sowie vom Ausmass der Reaktion zwischen der siliciumreichen Legierung und einem diamantförmigen oder nicht diamantförmigen Kohlenstoff ab. Die jeweils vorhandene Menge an Metallkarbid hängt weitgehend von der Zusammensetzung der siliciumreichen Tränklegierung ab.high-calcium impregnating alloy and the extent of the reaction between the high-silicon alloy and a diamond-shaped one or non-diamond shaped carbon. The amount of metal carbide present in each case largely depends on the composition of the silicon-rich impregnating alloy.
Die Elektronenstrahlbeugung bei der Durchstrahlung eines dünnen Abschnittes des Verbundmaterials mit Hilfe eines Elektronenmikroskops zeigt, dass der mit den Flächen der Diamantkristalle in Berührung stehende Teil des Bindemittels zumindest überwiegend aus Siliciumkarbid besteht.The electron beam diffraction when irradiating a thin section of the composite material with the aid of a Electron microscope shows that the part of the binder that is in contact with the faces of the diamond crystals consists at least predominantly of silicon carbide.
Der polykristalline Diamantkörper ist porenfrei oder zumindest im wesentlichen porenfrei, d.h. er kann Hohlräume oder Poren von weniger als 1 Volumenprozent bezogen auf das Volumen des"1 Körpers enthalten, sofern die Hohlräume oder Poren klein, d.h. unter 0,5 Mikrometer sind und ausreichend gleichmässig im Körper verteilt sind, so dass sie keine sichtlich nachteilige Wirkung auf die mechanischen Eigenschaften des Diamantkörpers haben. Der Hohlraum- oder Porengehalt des polykristallinen Diamantkörpers wird durch herkömmliche metallagraphische Massnahmen bestimmt, indem beispielsweise ein polierter Querschnitt des Körpers optisch untersucht wird.The polycrystalline diamond body is pore-free or at least essentially pore-free, ie it can contain cavities or pores of less than 1 percent by volume based on the volume of the " 1 body, provided the cavities or pores are small, ie below 0.5 micrometers and sufficiently uniform in size Bodies are distributed so that they have no visibly adverse effect on the mechanical properties of the diamond body. The void or pore content of the polycrystalline diamond body is determined by conventional metallagraphic measures, for example by optically examining a polished cross section of the body.
Der Diamantkörper-gemäss der Erfindung ist auch in sofern frei von einer nicht diamantförmigen Kohlenstoffphase, als er keine nicht diamantförmige, elementare Kohlenstoffphase in einer Menge enthält, die durch eine Röntgenstrahlenbeugungsanalyse nachweisbar ist.The diamond body according to the invention is also in this respect free of a non-diamond-shaped carbon phase when it is not a non-diamond-shaped, elemental carbon phase in an amount detectable by an X-ray diffraction analysis.
Ein besonderer Vorteil der Erfindung besteht darin, dass der polykristalline Diamantkörper des Verbundmaterials in einer Vielzahl von Grossen und Formen hergestellt werden kann, Der Diamantkörper kann beispielsweise eine Breite oder LängeA particular advantage of the invention is that the polycrystalline diamond body of the composite material in A variety of sizes and shapes can be made, for example, the diamond body can be a width or length
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von bis zu 25 mm oder darüber besitzen. Polykristalline Diamantkörper, die langer als 25 mm sind und eine Diamantdichte gemäss der Erfindung haben, können praktisch nicht mit Verfahren hergestellt werden, bei welchen ultrahohe Drücke und Temperaturen des diamantstabilen Bereiches im Zustandsdiagramm von Kohlenstoff zur Anwendung gelangen, da die zur Erzielung und Aufrechterhaltung derartiger,hoher Druck- und Temperaturbedingungen notwendigen Apparaturen einen ausserordentlich aufwendigen Aufbau erfordern und daher nur eine beschränkte Kapazität besitzen. Andererseits kann der aufgeklebte, polykristalline Diamantkörper so klein oder dünn wie gewünscht sein. Der Diamantkörper wird jedoch stets eine Dicke haben, die Grosser als eine einzige Diamantkristallschicht ist.of up to 25 mm or more. Polycrystalline Diamond bodies which are longer than 25 mm and have a diamond density according to the invention are practically impossible be produced with processes in which ultra-high pressures and temperatures of the diamond-stable range in the State diagram of carbon are used, since the necessary to achieve and maintain such high pressure and temperature conditions require an extremely complex structure and therefore only have a limited capacity. On the other hand, the glued-on, polycrystalline diamond body can be so small or be thin as desired. However, the diamond body will always have a thickness that is greater than a single diamond crystal layer is.
Das Verbundmaterial eignet sich hervorragend als Schleifmittel, Schneidwerkzeug, Düse oder als irgendein anderes, verschleissbestandiges Bauteil.The composite material makes excellent use of an abrasive, cutting tool, nozzle, or any another, wear-resistant component.
Die Erfindung wird nun näher anhand von Beispielen erläutert, bei denen in folgender Weise, falls nichts anderes angegeben ist, vorgegangen wurde:The invention will now be explained in more detail with reference to examples, in which in the following manner, if nothing else is indicated, the procedure was:
Als druckübertragendes Medium wurde ein Pulver aus hexagonalem Bornitrid mit einer feinen Teilchengrösse von etwa 2 bis etwa 20 Mikrometer verwendet.A hexagonal powder was used as the pressure-transmitting medium Boron nitride with a fine particle size of about 2 to about 20 micrometers is used.
Das polykristalline Siliciumkarbidsubstrat hatte die Form einer Scheibe mit einer Dicke von etwa 5,05 mm.The polycrystalline silicon carbide substrate was in the form of a disk with a thickness of about 5.05 mm.
Es wurde mit einer Vorrichtung gearbeitet, die im wesentlichen der in den Fig. 4 und 5 dargestellten Vorrichtung entsprach. A device was used which essentially corresponded to the device shown in FIGS.
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Das in die Vorrichtung gemäss Fig. 4 eingesetzte" Füllgut wurde bei Raumtemperatur bis zu einem Druck von 5600 kp/The "filling material used in the device according to FIG. 4 was at room temperature up to a pressure of 5600 kp /
cm kalt gepresst.cm cold pressed.
Die zur Verfügung stehende Menge an Trp'nklegierung reichte aus, um die zusammengepresste Diamantmasse vollständig zu durchtränken und die Berührungsfläche des Substrats zu benetzen und die Poren der Grenzfläche zu füllen.The amount of door alloy available was sufficient to completely soak the compressed diamond mass and the contact area of the substrate to wet and fill the pores of the interface.
Die Tränklegierung war eine siliciumreiche, ein Eutektikum enthaltende Legierung.The impregnation alloy was a silicon-rich, a eutectic containing alloy.
Die hier angegebene Dichte des als Substrat verwendeten, polykristallinen Siliciumkarbidkörpers ist ein Bruchteil der theoretischen Dichte des Siliciumkarbids von 3,21 g/cm .The density of the polycrystalline silicon carbide body used as the substrate is a fraction the theoretical density of silicon carbide of 3.21 g / cm.
Sämtliche als Substrat verwendete, gesinterte und heissgepresste, polykristalline Siliciumkarbidkörper hatten im wesentlichen die gleiche Zusammensetzung. Die Siliciumkarbidkörper enthielten Siliciumkarbid, etwa 1 bis 2 Gewichtsprozent Bor bezogen auf das Siliciumkarbid und weniger als etwa 1 Gewichtsprozent an elementarem, im Submikronbereich liegenden Kohlenstoff bezogen auf Siliciumkarbid. Der Kohlenstoff lag in Form von kleinen Teilchen vor, deren Grosse im Submikronbereich lag. Das verwendete Diamantpulver hatte eine Teilchengrösse von 1 bis etwa 60 Mikrometer, wobei mindestens 40 Gewichtsprozent des Diamantpulyers eine Teilchengrösse unter 10 Mikrometer hatten. All sintered and hot-pressed, polycrystalline silicon carbide bodies used as substrates had im essentially the same composition. The silicon carbide bodies contained silicon carbide, about 1 to 2 percent by weight Boron based on silicon carbide and less than about 1 weight percent elemental, submicron lying carbon based on silicon carbide. The carbon was in the form of small particles before, the size of which was in the submicron range. That used Diamond powder had a particle size of 1 to about 60 micrometers, with at least 40 percent by weight of the Diamond powders had a particle size of less than 10 micrometers.
Eine jeweils in Volumenprozent des Diamantkörpers angegebene Diamantdichte wurde nach der normierten Punktzähltechnik ermittelt, wobei eine Mikroaufnahme einer polierten Fläche in 690-facher Vergrösserung verwendet wurde undA diamond density, given in percent by volume of the diamond body, was determined using the standardized point counting technique determined using a photomicrograph of a polished surface magnified 690 times and
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der analysierte Oberflächenbereich eine Grosse hatte, die ausreichte, um das Mikrogefüge des gesamten Körpers zu repräsentieren. the surface area analyzed had a size that sufficient to represent the microstructure of the entire body.
Die Angaben über Diamantdichte, die im Bereich von über 70 Volumenprozent, jedoch unter 90 Volumenprozent bezogen auf das Volumen des polykristallinen Diamantkörpers liegen, beruhen auf Erfahrung und Ergebnissen mit ähnlichen Versuchen und insbesondere auf Versuchen, bei welchen der polykristalline Diamantkörper alleine hergestellt wurde. Die Angaben über das Aussehen des ganzen, aufgeklebten polykristallinen Körpers und auch die Angaben des Volumens des gebildeten, gereinigten polykristallinen Diamantkörpers des Verbundmateriales im Vergleich zum Volumen des ursprünglich eingesetzen Diamantpulvers beruhen auf der Annahme, dass weniger als 5 Volumenprozent des Diamantpulvers in nicht diamantförmigen, elementaren Kohlenstoff umgewandelt worden sind.The information on diamond density, which is in the range of over 70 percent by volume, but below 90 percent by volume on the volume of the polycrystalline diamond body are based on experience and results with similar experiments and particularly to experiments in which the polycrystalline diamond body was made alone. The information about the appearance of the whole, glued-on polycrystalline body and also the information on the volume of the formed, cleaned polycrystalline diamond body of the composite material compared to the volume of the originally used Diamond powders are based on the assumption that less than 5 percent by volume of the diamond powder in non-diamond-shaped, elemental carbon have been converted.
Bei den in der Tabelle I zusammengestellten Beispielen 1 bis 5 wurde ein Molybdännapf verwendet, der mit einer Zirkoniumhülse ausgekleidet war. Eine aus einer Gusslegierung bestehende Scheibe mit der angegebenen Zusammensetzung und Dicke und mit einem der Zirkoniumhülse im wesentlichen entsprechenden Durchmesser wurde innerhalb der Zirkoniumhülse auf dem Boden des Napfes angeordnet. Das Diamantpulver wurde mit der angegebenen Menge über die Scheibe gepackt. Schliesslich wurde die angegebene, polykristalline Siliciumkarbidscheibe oben auf das Diamantpulver aufgelegt, so dass der Napf oben mit einem Stopfen Ή verschlossen war, wie dies in Pig. 2 gezeigt ist.In the examples 1 to 5 compiled in Table I, a molybdenum cup was used which was equipped with a Zirconium sleeve was lined. A cast alloy disc with the specified composition and thickness and with a diameter substantially corresponding to the zirconium sleeve was within the Zirconium sleeve placed on the bottom of the cup. The diamond powder was poured over the disk in the specified amount packed. Finally, the specified, polycrystalline silicon carbide disk was placed on top of the diamond powder, so that the bowl was closed at the top with a stopper Ή, like this in Pig. 2 is shown.
Der mit dem Stopfen versehene Napf wurde dann in derThe well provided with the stopper was then in the
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in Fig. 4 gezeigten Weise in ein Pulver aus hexagonalem Bornitrid eingepackt. Die gesamte Beschickung wurde bei Raumtemperatur in einer Stahlform bis auf einen Druck von etwa 5600 kp/cm~ kalt gepresst, wobei auf den Napf mit Inhalt ein im wesentlichen isostatischer Druck ausgeübt wurde. Der Pressdruck wurde solange aufrecht erhalten, bis sich der Druck unter Bildung eines dimensionsstabilen Formkörpers, d.h. eines im wesentlichen isostatischen Systems des mit Pulver umschlossenen Behälters, stabilisiert hatte. Aus früheren Versuchen war es bekannt, dass die Dichte der Diamantkristalle in der zusammengepressten Anordnung, d.h. in dem als Formkörper vorliegenden, im wesentlichen isostatischen System des von Pulver umschlossenen, mit einem Stopfen verschlossenen Napfes mehr als 75 Volumenprozent der zusammengepressten Diamantmasse betrug.in the manner shown in Fig. 4 into a powder of hexagonal Packed up boron nitride. All of the batch was placed in a steel mold at room temperature to a pressure of about 5600 kp / cm ~ cold-pressed, with the contents on the bowl an essentially isostatic pressure was applied. The pressure was maintained until the pressure with the formation of a dimensionally stable shaped body, i.e. an essentially isostatic system of the powder-enclosed container. From previous experiments it was known that the density of diamond crystals in the compressed arrangement, i.e. in the one in the form of a molded body, which is essentially isostatic System of the powder-enclosed cup closed with a stopper, more than 75 percent by volume of the compressed Diamond mass was.
Die zusammengepresste Anordnung 21 des von Pulver umschlossenen und mit einem Stopfen verschlossenen Napfes wurde dann heiss gepresst. Die Anordnung 21 wurde in eine Graphitform eingesetzt, welche den gleichen Durchmesser wie die Stahlmatrize hatte, wie dies in Fig. 5 gezeigt ist. Die Graphitform wurde in einen Induktionsofen gegeben. Der Innenraum des durch den Stopfen verschlossenen Napfes wurde zunächst evakuiert, und anschliessend mit einer StickstoffatmoBphäre gefüllt, indem der Induktionsofen auf einen Druck von ungefähr 10 Torr evakuiert und dann mit Stickstoff gefüllt wurde. Auf die in der Graphitform befindliche An-The compressed assembly 21 of the powder-enclosed cup closed with a stopper was made then hot pressed. The assembly 21 was placed in a graphite mold which is the same diameter as the steel die as shown in FIG. The graphite mold was placed in an induction furnace. Of the The interior of the cup closed by the stopper was first evacuated, and then with a nitrogen atmosphere filled by evacuating the induction furnace to a pressure of approximately 10 torr and then filling with nitrogen became. On the surface in the graphite mold
Ordnung 21 wurde dann ein Druck von etwa 350 kp/cm ausgeübt und aufrecht erhalten. Die Graphitform mit der Anordnung 21 wurde dann in etwa 5 bis 7 Minuten auf die angegebene, maximale Heisspresstemperatur vom Induktionsofen erhitzt. Beim Aufheizen der Anordnung stieg der Druck aufgrund der Wärmedehnung des Systems auf den angegebenen, maximalen Heisspressdruck.Order 21 a pressure of about 350 kp / cm was then applied and maintain it. The graphite mold with the arrangement 21 was then in about 5 to 7 minutes on the indicated, maximum hot-pressing temperature heated by the induction furnace. When the arrangement was heated up, the pressure rose due to the Thermal expansion of the system to the specified maximum hot pressing pressure.
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Bei der angegebenen Temperatur, bei welcher das Eindringen beginnt oder weiter fortschreitet, fällt der Druck auf etwa 350 kp/cm~ ab. Dieser Druckabfall deutet darauf hin, dass die Legierung flüssig geworden war und begonnen hatte, in die zusammengepresste Diamantmasse einzudringen. Der Druck wurde dann wieder auf den angegebenen, maximalen Heisspressdruck erhöht und eine Minute lang bei der angegebenen maximalen Heisspresstemperatur auf diesem maximalen Heisspressdurck gehalten, um ein vollständiges Eindringen der Legierung in die kleinen Kapillaren der zusammengepressten Diamantmasse zu gewährleisten. Die Heizung wurde dann abgestellt, jedoch kein zusätzlicher Druck angelegt. Dies sorgte für einen hohen Druck bei einer hohen Temperatur, aber für einen verringerten Druck bei niedriger Temperatur, so dass eine ausreichende geometrische Stabilität erzielt wurde und die heissgepresste Anordnung ihre -Abmessungen beibehielt, bis sie auf eine zur Handhabung ausreichende Temperatur abgekühlt war.At the specified temperature at which the penetration begins or continues, the pressure drops to about 350 kgf / cm ~. This pressure drop indicates this indicated that the alloy had become liquid and had begun to penetrate the compressed diamond mass. The pressure was then increased again to the specified maximum hot-pressing pressure and for one minute at the specified maximum hot-pressing temperature kept at this maximum hot-pressing pressure to ensure complete penetration the alloy in the small capillaries of the compressed diamond mass. The heater was on then switched off, but no additional pressure applied. This made for a high pressure at a high temperature, but for a reduced pressure at low temperature, so that sufficient geometric stability was achieved and the hot-pressed arrangement its dimensions held until it was cooled to a temperature sufficient for handling.
Das Verbundmaterial wurde schliesslich dadurch gewonnen, dass das umhüllende Metall, d.h. der Molybdännapf und die Zirkoniumbuchse sowie die überschüssige Legierung an den Aussenflächen des Verbundmateriales durch Abschleifen und Sandstrahlen entfernt wurden.The composite material was finally obtained by removing the surrounding metal, i.e. the molybdenum cup and the Zirconium bushing as well as the excess alloy on the outer surfaces of the composite material by grinding and Sandblasting has been removed.
Die sich ergebenden, einstückigen, gereinigten Verbundkörper hatten die Form einer im wesentlichen gleichförmigen Scheibe, welche bei den Beispielen 1 bis 3 eine Dicke von annähernd 5 mm und beim Beispiel 4 eine Dicke von annähernd 4 mm hatte.The resulting one-piece, purified composite bodies were in the shape of a substantially uniform Disc, which in Examples 1 to 3 a thickness of approximately 5 mm and in Example 4 a thickness of approximately 4 mm.
Bei den in Tabelle I zusammengestellten Beispielen 6 und 7 wurde kein metallischer Behälter, keine Auskleidungs-In Examples 6 and 7 compiled in Table I, no metallic container, no lining
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hülse oder Substrat verwendet. Die benutzte Vorrichtung entsprach jedoch im wesentlichen der in den Fig. 4 und 5 ?Θ~ zeigten Vorrichtung. Bei den Beispielen 6 und 7 wurde das Pulver aus hexagonalem Bornitrid in die in Fig. 4 gezeigte Matrize gepackt und ein als Form verwendeter Zylinder in das Pulver gedruckt. Der Zylinder bestand aus gesintertem Metallkarbid und hatte einen Durchmesser von etwa 9 mm und eine Dicke von etwa 6,3 mm. Die Achse des Zylinders war in etwa mit der Mittelachse der Matrize ausgerichtet.sleeve or substrate used. The device used, however, essentially corresponded to that in FIGS. 4 and 5? Θ ~ showed device. In Examples 6 and 7, the hexagonal boron nitride powder was packed in the die shown in Fig. 4, and a cylinder used as a mold was printed in the powder. The cylinder was made of cemented metal carbide and was about 9 mm in diameter and about 6.3 mm in thickness. The axis of the cylinder was roughly aligned with the central axis of the die.
Nachdem der Zylinder in das Pulver eingesetzt worden war, wurde weiteres Pulver aus hexagonalem Bornitrid in die Matrize·-· gegeben, bis der Zylinder vollständig bedeckt war. Der von Pulver umschlossene Zylinder wurde beiAfter the cylinder was inserted into the powder, more hexagonal boron nitride powder was made into the die · - · given until the cylinder is completely covered was. The powder-enclosed cylinder was at
Raumtemperatur unter einem Druck von 3500 kp/cm gepresst. Der Stempel 23 a wurde dann zurückgezogen und der Stempel 23 wurde zum teilweisen Ausstossen des von gepresstem Pulver umschlossenen Zylinders aus der Matrize verwendet.Room temperature pressed under a pressure of 3500 kp / cm. The punch 23 a was then withdrawn and the punch 23 was pressed to partially eject the Powder-enclosed cylinder from the die used.
Der freie Teil des gepressten Pulvers wurde entfernt, wobei ein Teil des Zylinders freigelegt wurde. Der Zylinder wurde dann herausgezogen, wobei ein Hohlraum zurückblieb, der vom Zylinder in das Pulver gepresst worden war. Bei den Beispielen 6 und 7 wurde eine aus einer Gusslegierung bestehende Scheibe mit der angegebenen Zusammensetzung und Dicke sowie mit einem dem Innendurchmesser des Hohlraums entsprechenden Durchmesser auf den Boden des Hohlraumes gelegt. Eine Schicht aus Diamantpulver mit der angegebenen Teilchengrösse, der angegebenen Menge und Dicke wurde oben auf die Legierungsscheibe gepackt.The free part of the pressed powder was removed, exposing part of the cylinder. The cylinder was then pulled out, leaving a cavity that had been forced into the powder by the cylinder. Both Examples 6 and 7 were made of a cast alloy disc with the specified composition and Thickness and placed with a diameter corresponding to the inner diameter of the cavity on the bottom of the cavity. A layer of diamond powder with the indicated particle size, amount and thickness was above packed on the alloy disc.
Eine als Stopfen dienende Scheibe aus heissgepresstem Pulver aus hexagonalem Bornitrid mit einem dem Innendurchmesser des Hohlraumes in etwa entsprechenden Durchmesser wurde innerhalb des Hohlraumes oben auf das DiamantpulverA disk made of hot-pressed powder made of hexagonal boron nitride and serving as a stopper with an inner diameter The cavity's roughly equivalent diameter was placed inside the cavity on top of the diamond powder
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gelegt, um zu gewährleisten, dass die Oberfläche des sich ergebenden polykristallinen Diamantkörpers flach wird.laid to ensure that the surface of the resulting polycrystalline diamond body becomes flat.
Die gesamte Masse wurde dann vom Stempel 23 a in die Mitte der Matrize gedrückt. Der Stempel 23 a wurde dann zurückgezogen. Anschliessend wurde weiteres Pulver aus hexagonalem Bornitrid in die Matrize gegeben, bis die heissgepresste Scheibe aus hexagonalem Bornitrid abgedeckt ist, so dass der Hohlraum oder die Höhlung mit Inhalt vom hexagonalen Bornitrid umschlossen ist, wie dies in Fig. 4 gezeigt ist. Die Beschickung wurde dann bei RaumtemperaturThe entire mass was then pressed into the center of the die by the punch 23 a. The stamp 23 a was then withdrawn. Then another powder was made of hexagonal Put boron nitride into the die until the hot-pressed disk made of hexagonal boron nitride is covered, so that the cavity or the cavity with contents is enclosed by the hexagonal boron nitride, as shown in FIG. 4 is. The feed was then at room temperature
2 in der Stahlmatrize unter einem Druck von 5600 kp/cm kalt gepresst, wie dies in Fig. 4 gezeigt ist, wobei der Hohlraum mit Inhalt einem im wesentlichen isostatischen Druck ausgesetzt wurde. Der Pressdruck wurde solange aufrecht erhalten, bis er sich unter Bildung eines dimensionsstabilen Formkörpers, d.h. eines im wesentlichen isostatischen Systems des von Pulver umschlossenen Hohlraumes mit Inhalt, stabilisiert hatte. Aus früheren Versuchen war es bekannt, dass die zusammengepresste Diamantmasse in dem als Formkörper vorliegenden, im wesentlichen isostatischen System des von Pulver umschlossenen Hohlraumes mit Inhalt eine Diamantdichte von über 75 Volumenprozent aufweist.2 cold-pressed in the steel die under a pressure of 5600 kgf / cm, as shown in FIG. 4, the cavity with contents being subjected to a substantially isostatic pressure. The pressing pressure was maintained until it had stabilized with the formation of a dimensionally stable shaped body, ie an essentially isostatic system of the powder-enclosed cavity with its contents. It was known from earlier experiments that the compressed diamond mass in the essentially isostatic system of the powder-enclosed cavity with its content, which is present as a shaped body, has a diamond density of over 75 percent by volume.
Die zusammengepresste Anordnung des von Pulver umschlossenen Hohlraumes entsprach im wesentlichen der Anordnung 21 mit der Ausnahme, dass kein Metallbehälter verwendet wurde. Die entstandene gepresste Anordnung wurde dann heiss gepresst und zu diesem Zweck in eine in Fig. 5 gezeigte Graphitform mit dem gleichen Durchmesser wie die Stahlmatrize eingedrückt. Die Graphitform wurde dann in einen Induktionsofen gegeben. Der Innenraum des Hohlraumes wurde zunächst evakuiert und anschliessend mit einer Stickstoffatmosphäre gefüllt, indem der Induktionsofen zunächst auf einen Druck von ungefähr 1o Torr evakuiert und an-The compressed arrangement of the powder-enclosed cavity essentially corresponded to the arrangement 21 except that no metal container was used. The resulting pressed arrangement was then hot pressed and for this purpose in a graphite shape shown in Fig. 5 with the same diameter as the Steel die pressed in. The graphite mold was then placed in an induction furnace. The interior of the cavity was first evacuated and then filled with a nitrogen atmosphere by initially using the induction furnace evacuated to a pressure of about 10 Torr and
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schliessetfd mit trockenem Stickstoff gefüllt wurde. Auf die in der Graphitform befindliche -Anordnung wurde ein Druckschliessetfd was filled with dry nitrogen. On the The arrangement located in the graphite form became a print
ο
von etwa 350 kp/cm ausgeübt und aufrecht erhalten. Die
unter Druck stehende Anordnung wurde dann in etwa 5 bis
7 Minuten auf die angegebene maximale Heisspresstemperatur induktiv erhitzt. Beim Aufheizen der Anordnung stieg der
Druck aufgrund der Wärmedehnung des gesamten Systems auf den angegebenen, maximalen Heisspressdruck.ο
of about 350 kp / cm exerted and maintained. The pressurized assembly was then inductively heated to the specified maximum hot-pressing temperature in about 5 to 7 minutes. When the arrangement was heated up, the pressure rose to the specified maximum hot-pressing pressure due to the thermal expansion of the entire system.
Bei der angegebenen Temperatur, bei welcher die Tränkung begann, fiel der Druck auf etwa 350 kp/cm" ab. Dieser Druckabfall deutet darauf hin, dass die angegebene Legierung geschmolzen, flüssig geworden und in die Diamantmasse eingedrungen war. Der Druck wurde dann wieder auf den angegebenen, maximalen Heisspressdruck erhöht und eine Minute lang bei der angegebenen maximalen Heisspresstemperatur auf diesem Druckwert gehalten, um ein vollständiges Eindringen der Legierung in die kleineren Kapillaren der zusammengepressten Diamantmasse sicherzustellen. Die Heizung wurde dann abgestellt, wobei jedoch kein zusätzlicher Druck angelegt wurde. Dies sorgte für einen hohen Druck bei hoher Temperatur und für einen verringerten Druck bei niedriger Temperatur, wodurch eine ausreichende geometrische Stabilität erzielt wurde. Der poJLykristalline Diamantkörper wurde bei Raumtemperatur entnommen. Der ■Verschlusstopfen haftete nicht am Diamantkörper. Nach dem Entfernen von öchuppenförmig an der Oberfläche des Diamantkörpers anhaftendem, hexagonalem Bornitridpulver und von überschüssiger Legierung durch Abschleifen und Sandstrahlen hatte der einstückige, polykristalline Diamantkörper die Form einer Scheibe mit der angegebenen Dicke.At the specified temperature at which the impregnation started, the pressure dropped to about 350 kgf / cm ". This A drop in pressure indicates that the specified alloy has melted, become liquid, and into the diamond mass had penetrated. The pressure was then increased again to the specified maximum hot-pressing pressure and a Maintained at this pressure value for a minute at the specified maximum hot-pressing temperature in order to achieve a complete Ensure penetration of the alloy into the smaller capillaries of the compressed diamond mass. the The heating was then turned off, but no additional pressure was applied. This made for a high Pressure at high temperature and for reduced pressure at low temperature, creating a sufficient geometric Stability was achieved. The polycrystalline diamond body was removed at room temperature. The ■ sealing plug did not adhere to the diamond body. After removing flakes on the surface of the diamond body adhering hexagonal boron nitride powder and excess alloy by grinding and sandblasting the one-piece, polycrystalline diamond body had the shape of a disk with the specified thickness.
In Tabelle I ist die Heisspresstemperatur, bei welcher die Tränkung beginnt, diejenige Temperatur, bei welcher die Legierung flüaig ist und in die zusammengepresste Diamantmasse einzudringen beginnt. Die angegebene, maximale Heiss-In Table I, the hot-pressing temperature at which the impregnation begins is the temperature at which the Alloy is volatile and begins to penetrate into the compressed diamond mass. The specified maximum hot
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presstemperatur und der angegebene maximale Heisspressdruck wurden gleichzeitig eine Minute lang aufrecht erhalten, um ein vollständiges Ausfüllen der kleineren Kapillaren der zusammengepressten Diamantkrxstallmasse sicherzustellen. pressing temperature and the specified maximum hot pressing pressure were held simultaneously for one minute to completely fill the smaller capillaries the compressed diamond crystal mass.
Die in Tabelle I bei den Beispielen 6 und 7 angegebene ßöntgenstrahlenanalyse wurde mit dem zerkleinerten, polykristallinen Diamantkörper durchgeführt.Those given in Table I for Examples 6 and 7 X-ray analysis was performed on the crushed polycrystalline diamond body.
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Beispiel example
legie
run R Potions
legie
run R
in (mg)lot
in (mg)
Micke
in mmapprox.
Micke
in mm
Pulver-
dicke in
mmapprox.
Powder-
thick in
mm
soweit
vorhandenMetal container
so far
available
StopfenSubstrate or
Plug
press-
druckoinmax hot
press
pressure in
temperatur
in D0Hot press
temperature
in D 0
in mglot
in mg
Zr-AuskleidungMo bowl with
Zr lining
tes SiO-Sub-
strat (<— 98$
Dichte)hot pressed
tes SiO sub
strat (<- $ 98
Density)
Tränkung Tempe
raturStart d. Max.
Soaking Tempe
rature
95 Si
5 ReAtom i>
95 Si
5 Re
spiel 1)as in Bei
game 1)
SiC-Substrat
("- 95 i° Dich
te)sintered
SiC substrate
("- 95 i ° you
te)
15 Or85 Si
15 Or
spiel 1)as in Bei
game 1)
spiel 2)as in Bei ^ »
game 2)
10 Pt9o Si
10 pt
spiel 1)as in Bei
game 1)
spiel 2)as in Bei
game 2)
OI
1375 1.52,r "I.
OI
1375 1.52, r "
14 Ti86 Si
14 Ti
spiel 1·)as in Bei
game 1)
spiel 2)as in Bei
game 2)
21 Rh79 Si
21 Rh
gepresstem,hexj
nalem Bornitric
pulverStopper from he:
pressed, hexj
nalem Bornitric
powder
5 RE95 Si
5 RE
3gO-
3-
91 οLSS-
3gO-
3-
91 ο
OO
1390 5;1495 K)
OO
1390 5; 1495
14 Ti86 Si
14 Ti
1345 <**i54oOO
1345 <** i54o
Beispiel example
Schmelzpunkt der Tränklegierung
in der Literatur in 0CMelting point of the impregnating alloy
in the literature in 0 C
TABELLE I (Fortsetzung) Polykristalliner DiamantkörperTABLE I (continued) Polycrystalline Diamond Body
ungef. Dicke in mmapprox. Thickness in mm
Eigenschaftenproperties
Röntgenstrahlenanalyse des polykristallinen DiamantkörüersX-ray analysis of the polycrystalline diamond body
coco
(D(D
(125o)(125o)
vorhergesagt
(Si, Re binär)predicted
(Si, re binary)
1335
(Si,Or binär)1335
(Si, Or binary)
135ο
(Si1Pt binär)135ο
(Si 1 Pt binary)
133o
(Si1Ti binär)133o
(Si 1 Ti binary)
(125o)
vorhergesagt(125o)
predicted
133o133o
1,73 1,78 1,781.73 1.78 1.78
0.890.89
1,521.52
1,521.52
Der Diemantkörper des Verbundtnaterials erschien gut durchtränkt und gut gebundenThe diaphragm body of the composite material appeared well saturated and well bound
wie in Beispiel 1)as in example 1)
wie in Beispiel 1)as in example 1)
wie in Beispiel 1) wie in Beispiel 1)as in example 1) as in example 1)
Porenfrei, hart und überaus abriebfest, wie durch Fehlen eines Abriebes nach einem Bestrahlen mit SiIiciumkarbidteilchen nachgewiesen wurdePore-free, hard and extremely abrasion-resistant, as if there was no abrasion irradiation with silicon carbide particles was detected
gut durchtränkt und gut gebundenwell saturated and well bound
(gereinigte Fläche des Diamantkörpers des Verbundtnaterials)
Diamant und SiC(cleaned area of the diamond body of the composite material)
Diamond and SiC
(gereinigte Fläche des Diamantkörpers des Verbundmaterials)
DiamantjSi und SiC(cleaned area of the diamond body of the composite material)
DiamantjSi and SiC
(gereinigte Fläche des Diamantkörpers des Verbundmaterials )
Di-amant, PtSi und SiC(cleaned area of the diamond body of the composite material)
Di-amant, PtSi and SiC
("zerkleinerter, poly kristalliner
Diamantkörper)
Diamant,SiC, ReSi2 und Spuren von Si("crushed, poly crystalline
Diamond body)
Diamond, SiC, ReSi 2 and traces of Si
(zerkleinerter, polykristalliner
Diamantkörper, )
Diamant.SiC und(crushed, polycrystalline
Diamond body,)
Diamant.SiC and
Die Erfindung wird nun anhand der Tabelle I näher erläutert. Bei keiner einzigen Verbundscheibe nach den Beispielen 1 bis 5 konnte die Grenzfläche zwischen dem polykristallinen Diamantkörper und dem Siliciumkarbidsubstrat festgestellt werden. Jeder Verbundkörper hatte über seine Dicke ein kontinuierliches Gefüge und der Diamantteil unterschied sich durch die Korngrösse vom Substrat. Die Aussenfläche eines jeden polykristallinen Diamantkörpers war vom Bindemittel gut durchtränkt. Das Bindemittel war gleichförmig verteilt. Die einzelnen Diamantkörper waren gut miteinander verbunden.The invention will now be explained in more detail with reference to Table I. Not a single composite pane according to the examples 1 to 5 could be the interface between the polycrystalline diamond body and the silicon carbide substrate to be established. Each composite body had a continuous structure over its thickness and the diamond part was different by the grain size of the substrate. The outer surface of each polycrystalline diamond body was from Well saturated binder. The binder was evenly distributed. The individual diamond bodies were fine with each other tied together.
Die polykristallinen Diamantkörper der Verbundmaterialien nach den Beispielen 1 bis 4 hatten eine Diamantdichte, die über 7o Volumenprozent, jedoch unter 9o Volumenprozent des Volumens des polykristallinen Körpers lag.The polycrystalline diamond bodies of the composite materials according to Examples 1 to 4 had a diamond density which over 7o percent by volume, but below 9o percent by volume des Volume of the polycrystalline body was.
Die Diamantfläche des Verbundkörpers nach Beispiel 5 wurde auf einem Gusseisenblock poliert. Eine Untersuchung der polierten Fläche brachte keine auf ausgebrochene Diamantteilchen zurückzuführende Löcher zutage. Dies deutet darauf hin, dass eine sehr feste Bindung vorliegt. Die Dichte der Diamantkristalle betrug etwa 73 Volumenprozent bezogen auf das Volumen des polykristallinen Diamantkörpers .The diamond surface of the composite body according to Example 5 was polished on a cast iron block. Examination of the polished surface did not reveal any broken diamond particles holes to be traced back to light. This suggests that there is a very strong bond. the The density of the diamond crystals was about 73 volume percent based on the volume of the polycrystalline diamond body .
Die polykristallinen Diamantkörper nach den Beispielen 6 und 7 waren gut durchtränkt und fest gebunden. Jeder scheibenförmige polykristalline Diamantkörper wurde unter Verwendung eines Hammers und eines Keiles im wesentlichen in zwei Hälften gebrochen und die Bruchflächen wurden unter einem Mikroskop bei einer 100-fachen Vergrösserung optisch untersucht. Die Untersuchung der Bruchflächen zeigte, dass die Bruchflächen porenfrei waren, das Bindemittel gleichförmig im Körper verteilt war und die Bruchflächen trsns-The polycrystalline diamond bodies according to Examples 6 and 7 were well saturated and firmly bonded. Everyone Disc-shaped polycrystalline diamond bodies were essentially made using a hammer and a wedge broken in half and the fracture surfaces were optically under a microscope at 100x magnification examined. Examination of the fracture surfaces showed that the fracture surfaces were free of pores and that the binder was uniform was distributed in the body and the fracture surfaces trsns-
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granular und nicht intergranular waren. Dies zeigt, dass der Bruch quer durch die Kristalle und nicht entlang den Kristallflächen verlief. Dies deutet darauf hin, dass die durch das Bindemittel bewirkte Bindung überaus gut und ebenso fest wie die Diamantkristalle selbst ist.were granular and not intergranular. This shows that the break is across the crystals and not along the crystal faces proceeded. This indicates that the bond produced by the binder is extremely good and just as strong like the diamond crystal itself is.
Die Diamantdichte der Scheibe nach Beispiel 6 lag über 7o, jedoch unter 9o Volumenprozent des Körpers.The diamond density of the disk according to Example 6 was above 70, but below 90 percent by volume of the body.
Eine Bruchfläche der Scheibe nach Beispiel 7 wurde auf einem Gusseisenblock poliert. Die Untersuchung der polierten Fläche brachte keine auf ausgebrochene Diamantteilchen zurückzuführenden Löcher zutage, was darauf hindeutet, dass eine sehr feste Bindung vorliegt. Die Dichte der Diamantkristalle lag bei etwa 8o Volumenprozent des polykristallinen Diamantkörpers.A fracture surface of the disk according to Example 7 was found polished on a cast iron block. Examination of the polished surface did not reveal any evidence of broken diamond particles Holes are revealed, suggesting that there is a very strong bond. The density of the diamond crystals was about 80 percent by volume of the polycrystalline diamond body.
Das gemäss Beispiel 1 hergestellte Verbundmaterial wurde als Schneidwerkzeug eingesetzt. Die freie Fläche des polykristallinen Diamantkörpers des Verbundmaterials wurde mit einer Diamantschleifscheibe glatt geschliffen und mit einer scharfen Schneidkante versehen. Das Substrat des Verbundmateriales wurde dann in einem Werkzeughalter festgeklemmt.The composite material produced according to Example 1 was used as a cutting tool. The free area of the polycrystalline diamond body of the composite material was with ground smooth with a diamond grinding wheel and provided with a sharp cutting edge. The substrate of the composite material was then clamped in a tool holder.
Ein Teil der Schneidkante wurde auf einer Drehbank untersucht, mit welcher ein Jackfork - Sandstein mit einem Vorschub von 0,13 mm pro Umdrehung und einer Schnittiefe von 0,5 mm abgedreht wurde.Part of the cutting edge was examined on a lathe with which a Jackfork sandstone was fed with a feed of 0.13 mm per revolution and a cutting depth of 0.5 mm.
Bei einer an der Oberfläche gemessenen Schnittgeschwindigkeit von etwa 3o m pro Minute lag der Verschleiss bei 1,26 x 1o cnr pro Minute. Ein anderer Teil der SchneidkanteAt a cutting speed of about 30 m per minute measured on the surface, the wear was included 1.26 x 1o cnr per minute. Another part of the cutting edge
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wurde bei einer an der Oberfläche gemessenen Schnittgeschwindigkeit von 84 m pro Minute untersucht. Die Abnutzung lagwas at a cutting speed measured on the surface examined from 84 m per minute. The wear and tear was
-6 ο-6 ο
bei 8,6 χ 1o cm pro Minute. Ein weiterer Teil der Schneidkante wurde bei einer an der Oberfläche gemessenen Schnittgeschwindigkeit von 88,4 m pro Minute untersucht. Die Abnutzung betrug in diesem Fall 24 cur5 χ 1o pro Minute.at 8.6 χ 10 cm per minute. Another part of the cutting edge was examined at a cutting speed of 88.4 m per minute measured on the surface. The wear in this case was 24 cur 5 χ 10 per minute.
Der Verbundkörper wurde vom Werkzeughalter entfernt. Eine Untersuchung der Grenzfläche zwischen dem Diamantkörper und dem Substrat zeigte, dass diese Bearbeitungsversuche keinen Einfluss auf die Grenzfläche hatten. The composite was removed from the tool holder. An examination of the interface between the diamond body and the substrate showed that these machining attempts had no effect on the interface.
Es wurde in der gleichen Weise wie in Beispiel 8 mit der Ausnahme vorgegangen, dass der Verbundkörpergemäss Beispiel 2 verwendet wurde.The same procedure as in Example 8 was followed, except that the composite body according to Example 2 was used.
Ein Teil einer Schneidkante hatte bei einer an der Oberfläche gemessenen Schnittgeschwindigkeit von 33,5 m Pi1O Minute einen Verschleiss von 3,32 χ Λ ο ~ cm pro Minute. Ein anderer Teil der Schneidkante hatte bei einer an der Oberfläche gemessenen Schnittgeschwindigkeit von 97»5 m pro Minute eine Abnutzung von 24,3 x 1o~ cm pro Minute.A portion of a cutting edge was measured at the surface at a cutting speed of 33.5 m Pi O 1 minute a wear of 3.32 χ Λ ο ~ cm per minute. Another part of the cutting edge had a wear of 24.3 × 10 cm per minute at a cutting speed of 97.5 m per minute measured on the surface.
Eine Untersuchung des Verbundkörpers nach der maschinellen Bearbeitung zeigte, dass diese Bearbeitungsversuche keinen Einfluss auf die Grenzfläche zwischen dem polykristallinen Diamantkörper und dem Siliciumkarbidsubstrat hatten.An examination of the composite body after machining showed that these machining attempts did not Had an influence on the interface between the polycrystalline diamond body and the silicon carbide substrate.
Es wurde wie in Beispiel 8 mit der Ausnahme vorgegangen,The procedure was as in Example 8 with the exception
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dass das "Verbundmaterial gemäss Beispiel 3 verwendet wurdethat the "composite material according to Example 3 was used
Ein Teil einer Schneidkante hatte bei einer an derPart of one cutting edge had on one
Oberfläche gemessen Schnittgeschwindigkeit von 33,5 m üroSurface measured cutting speed of 33.5 m above sea level
-6 '6 Minute einen Verschleiss von 3,8 χ 1o cm pro Minute. Ein anderer Teil der Schneidkante hatte bei einer an der Oberfläche gemessenen Schnittgeschwindigkeit von 97,5 m pro Minute eine Abnutzung von 3o,3 χ 1o Cm" pro Minute.-6 '6 minute wear of 3.8 χ 1o cm per minute. Another part of the cutting edge, at a cutting speed of 97.5 m per minute measured on the surface, had a wear of 3o.3 χ 10 cm "per minute.
Eine Untersuchung des Verbundmaterials nach der maschinellen Bearbeitung zeigte, dass diese Bearbeitungs;-versuche keinen Einfluss auf die Grenzfläche zwischen dem polykristallinen Diamantkörper und dem Siliciumkarbidsubstrat hatten.An examination of the composite material after machining showed that these machining trials does not affect the interface between the polycrystalline diamond body and the silicon carbide substrate had.
Es wurde wie in Beispiel 8 mit der Ausnahme vorgegangen, dass das Verbundmaterial gemäss Beispiel 4 verwendet wurde.The procedure was as in Example 8 with the exception that the composite material according to Example 4 was used.
Nach 4 Minuten erfolgreichen Schneidens mit einer an der Oberfläche gemessenen Schnittgeschwindigkeit von 3o m pro Minute brachen kleine Stücke aus der Schneidkante aus, Bei einem anderen Teil der Schneidkante brachen nach 6 Minuten erfolgreichen Schneidens mit einer an der Oberfläche gemessenen Schnittgeschwindigkeit von 85 m pro Minute kleine Stücke aus der Schneidkante aus. Es wird angenommen, dass das Ausbrechen der Schneidkante auf Heisspresstemperaturen zurückzuführen ist, die nicht hoch genug waren, um die flüssige, siliciumreiche Legierung in die kleinen Kapillaren der pdykristallinen Diamantmasse während des Heisspressvorganges einzuschwemmen. Ein Vergleich mit Beispiel 7 der Tabelle I zeigt, dass die höheren Heisspresstemperaturen einen gut durchtränkten und fest gebundenen polykristallinen Diamantkörper entstehen liessen.After 4 minutes of successful cutting with a cutting speed of 30 m measured on the surface per minute small pieces broke out of the cutting edge. Another part of the cutting edge broke after 6 minutes successful cutting with a cutting speed of 85 m per minute measured on the surface Pieces from the cutting edge. It is assumed that the breaking out of the cutting edge occurs at hot-pressing temperatures that were not high enough to get the liquid, silicon-rich alloy into the small capillaries the pdycrystalline diamond mass during the hot pressing process to wash in. A comparison with Example 7 of Table I shows that the higher hot-pressing temperatures produce a well-soaked and tightly bound polycrystalline Diamond bodies.
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Bei der Herstellung des Verbundmaterials wurde im wesentlichen wie in Beispiel 2 mit der Ausnahme vorgegangen, dass 260 mg der Siliciumchromlegierung verwendet wurden und die Legierungsscheibe 1,3 mm dick war.In the production of the composite material, the procedure was essentially as in Example 2 with the exception that 260 mg of the silicon chromium alloy was used and the alloy disc was 1.3 mm thick.
Es wurden auch 250 mg des Diamantpulvers verwendet, wobei 60 Gew. $> eine Korngrösse von 53 bis 62 Mikrometer, 30 Gew. % eine Korngrösse von 8 bis 22 Mikrometer und 1o Gew. i" eine Korngrösse von 1 bis etwa 5 Mikrometer hatten. Das Diamantpulver wurde bis zu einer Dicke von etwa 1,4 mm gepackt. Es wurde auch ein Zirkoniumnapf mit einer Zirkoniumauskleidung verwendet.There are also 250 mg of the diamond powder used, with 60 $> a grain size 53-62 microns, 30 wt.% Wt. I "had a particle size of 8-22 microns and 1o wt. A particle size of from 1 to about 5 microns. The diamond powder was packed to a thickness of about 1.4 mm. A zirconium cup with a zirconium lining was also used.
Der maximale Heisspressdruck betrug etwa 910 kp/cm und die Heisspresstemperatur reichte von etwa 1250 C bei Beginn des Eindringens der flüssigen, siliciumreichen Legierung in die gepresste Diamantkristallmasse bis zu einer maximalen Heisspresstemperatur von etwa I5OO C. Das Verbundmaterial wurde in der gleichen Weise wie in Beispiel 2 gewonnen. Das Verbundmaterial hatte die Form einer im wesentlichen gleichförmigen Scheibe mit einer Dicke von etw'a 1,5 mm.The maximum hot press pressure was about 910 kp / cm and the hot-pressing temperature ranged from about 1250 C at the beginning of the penetration of the liquid, silicon-rich alloy into the pressed diamond crystal mass up to a maximum hot-pressing temperature of about 1500 C. The composite material was obtained in the same manner as in Example 2. The composite material was substantially in the shape of a uniform disc with a thickness of about 1.5 mm.
Das Siliciumkarbidsubstrat wurde vom Verbundmaterial weggeschliffen und der polykristalline Diamantkörper wurde einer thermischen Stabilitätsprüfung unterworfen. Das Substrat wurde in Luft auf eine Temperatur von 90O0C erhitzt, welche die Grenztemperatur des Ofens darstellte. Während des Erhitzens wurde der lineare Wärmedehnungskoeffizient für die Temperaturen von 10O0C bis 90O0C bestimmt. Bei 90O0C wurde der Ofen abgeschaltet.The silicon carbide substrate was ground away from the composite material and the polycrystalline diamond body was subjected to a thermal stability test. The substrate was heated in air to a temperature of 90O 0 C, which represented the limit temperature of the furnace. During heating was measured the linear thermal expansion coefficient for temperatures of 10O 0 C and 90O 0 C. The furnace was switched off at 90O 0 C.
Die Versuchsdaten und die Untersuchung der Probe, d.h.The experimental data and the examination of the sample, i.
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des polykristallinen Diamantkörpers nach dem Versuch zeigten, dass es keine plötzliche Längenänderung in der Probe während des gesamten Heizvorganges gab. Es gab keine Anzeichen für c einen bleibenden, durch den Heizvorgang hervorgerufenen Schaden der Probe.of the polycrystalline diamond body after the test showed that there was no sudden change in length in the sample during the entire heating process. There was no evidence for c a constant, caused by the heating loss of the sample.
Es wurde im wesentlichen wie im Beispiel 2 mit der Ausnahme vorgegangen, dass eine Siliciumscheibe in einem Zirkoniumnapf mit einer Zirkoniumauskleidung verwendet wurde, um eine siliciumreiche Zirkoniumlegierung in situ zu bilden.The procedure was essentially as in Example 2 with the exception that a silicon wafer in one Zirconium bowl with a zirconium lining was used, to form a silicon-rich zirconium alloy in situ.
Es wurden 6 Verbundmaterialien hergestellt. Zur Herstellung von 3 Verbundmaterialien wurde ein Diamantpulver verwendet, bei welchem 60 Gew. $ eine Korngrösse von 53 bis 62 Mikrometer, 30 Gew. $> eine Korngrösse von 8 bis 22 Mikromaber und 10 Gew. $ eine Korngrösse von 1 bis etwa 5 Mikromaber hatten. Die drei anderen Verbundmaterialien wurden unter Verwendung eines Diamantpulvers hergestellt, das eine Korngrösse von 1 bis 60 Mikron hatte, wobei mindestens 40 Gew. $ eine unter 10 Mikrometer liegende Korngrösse hatten.6 composite materials were made. For the preparation of 3 composite materials, a diamond powder was used in which 60 wt. $ A grain size 53-62 microns, 30 wt. $> A grain size 8-22 Mikromaber and 10 wt. $ A particle size of from 1 to about 5 Mikromaber had . The three other composites were made using a diamond powder that had a grain size of 1 to 60 microns, with at least 40% by weight having a grain size of less than 10 microns.
Der maximale Heisspressdruck betrug etwa 910 kp/cm^ und die Heisspresstemperatur reichte von etwa1340 0C bis zu einer maximalen Heisspresstemperatur von etwa 150O0G. Die am unteren Ende des angegebenen Temperaturbereiches liegende Temperatur von etwa 134O0C ist diejenige Temperatur, bei welcher der Tränkvorgang beginnt und deutlich wird, dass die siliciumreiche Zirkoniumlegierung in situ gebildet wurde und flüssig geworden ist.The maximum hot-pressing pressure was about 910 kgf / cm ^ and the hot-pressing temperature ranged from etwa1340 0 C up to a maximum hot pressing temperature of about 150o 0 G. The lying at the lower end of the specified temperature range temperature of from about 134O 0 C is the temperature at which the The impregnation process begins and it becomes clear that the silicon-rich zirconium alloy was formed in situ and has become liquid.
Jedes Verbundmaterial wurde im wesentlichen in der gleichen Weise wie in Beispiel 2 gewonnen. Jedes Verbund-Each composite material was obtained in substantially the same manner as in Example 2. Each composite
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material hatte die Form einer Scheibe.material was in the shape of a disk.
Die Oberfläche an den Stirn- und Zylinderflächen des polykristallinen Diamantkörpers aller 6 Verbundmaterialien wurde geschliffen. Die Schwierigkeit, diese Verbundmaterialien mit einer Diamantschleifscheibe zu schleifen, zeigte, dass die Abriebbeständigkeit dieser Diamantkörper mit den im Handel erhältlichen, polykristallinen Diamantprodukten vergleichbar war.The surface on the front and cylinder surfaces of the polycrystalline diamond body of all 6 composite materials was sanded. The difficulty of grinding these composite materials with a diamond grinding wheel demonstrated that the abrasion resistance of these diamond bodies with the was comparable to commercially available polycrystalline diamond products.
Die 3 Verbundmaterialien, die aus dem Diamantpulver mit einer Korngrösse von 1 bis 60 Mikrometer hergestellt worden waren, hatten unzureichend gemischte Aggregate aus Diamantpulver mit einer Korngrösse von weniger als 2 Mikrometer. Eine Untersuchung der geschliffenen Kanten des polykristallinen Körpers zeigte, dass diese Aggregate unvollständig mit der Legierung getränkt waren. Der Rest des geschliffenen Diamantbereichs war jedoch gut gebunden.The 3 composite materials made from diamond powder with a grain size of 1 to 60 micrometers had insufficiently mixed aggregates of diamond powder with a grain size of less than 2 micrometers. An examination of the ground edges of the polycrystalline body showed that these aggregates were incomplete were impregnated with the alloy. However, the rest of the cut diamond area was well bonded.
Eine optische Untersuchung der Verbundmaterialien liess keine feststellbaren Fehler oder gegeneinander abgesetzte, verschiedene Zwischenschichten zwischen dem Siliciumkarbidsubstrat und der Diamantschicht erkennen. Vier Verbundmaterialien wurden zerbrochen, um das innere Gefüge zu betrachten. Bei der optischen Untersuchung der Bruchflächen wurden keine sichtbaren Zwischenschichten oder Fehler an der Grenzfläche zwischen dem Silxciumkarbidsubstrat und der polykristallinen Diamantschicht festgestellt.An optical examination of the composite materials left no noticeable defects or mutually offset, different intermediate layers between the silicon carbide substrate and recognize the diamond layer. Four composite materials were broken to reveal the internal structure. When the fracture surfaces were visually examined, no visible intermediate layers or defects were found on the Interface between the silicon carbide substrate and the polycrystalline diamond layer was found.
Die Kontinuität des Gefüges an der Grenzfläche zwischen Substrat und Diamantschicht war hervorragend und nur die unterschiedliche Korngrösse der Diamanten und des Siliciumkarbids lies die Grenzfläche zwischen dem Substrat und der Diamantschicht feststellen.The continuity of the structure at the interface between substrate and diamond layer was excellent and only that different grain sizes of the diamonds and the silicon carbide read the interface between the substrate and the Determine the diamond layer.
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Zwei der Verbundmaterialien wurden als Schneidwerkzeuge auf einer Drehbank getestet, mit welcher ein stangenförmiger, eine starke Schleifwirkung aufweisender, sandgeglätteter Schleifstein abgedreht wurde. Es wurde mit einer Schnitttiefe von 0,76 mm, einem "Vorschub von 0,13 mm pro Umdrehung und einer an der Oberfläche gemessenen Schnittgeschwindigkeit von 183 m pro Minute gearbeitet. Nach einer Schneiddauer von 16 Minuten und 22 Sekunden zeigte die vordere Schneidflanke der beiden Werkzeuge einen gleichmässigen Abrieb von etwa 0,13 mm. Dies zeigt, dass die Schneidkante eine hervorragende Abriebfestigkeit hatte.Two of the composite materials were tested as cutting tools on a lathe, with which a rod-shaped, A sand-smoothed whetstone that has a strong abrasive effect has been turned off. It was made with a depth of cut of 0.76 mm, a "feed rate of 0.13 mm per revolution and a cutting speed of 183 m per minute measured on the surface. After a cutting time of For 16 minutes and 22 seconds, the front cutting edge of the two tools showed an even abrasion of about 0.13 mm. This shows that the cutting edge is excellent Had abrasion resistance.
Das gemäss Beispiel 1 hergestellte Verbundmaterial wurde mit einem Hammer und einem Keil im wesentlichen in zwei Hälften auseinandergebrochen. Die Bruchflächen wurden unter einem Mikroskop mit einer 1oo-fachen Vergrösserung optisch untersucht. Die Untersuchung der Bruchflächen ergab, dass sowohl der polykristalline Diamantkörper, als auch die Grenzfläche des Verbundmaterials porenfrei waren, das Bindemittel gleichmässig im Diamantkörper verteilt und der Bruch transgranular und nicht intergranular war, d.h. dass der Bruch quer durch die Kristalle und nicht entlang den Kristallflächen verlief. Dies deutet darauf hin, dass die durch das Bindemittel bewirkte Bindung sehr gut und ebenso fest wie die Diamantkristalle selbst ist. Es waren auch keine sichtbare Zwischenschichten oder Fehler an der Grenzfläche zwischen dem Siliciumkarbidsubstrat und der angehefteten polykristallinen Diamantschicht festzustellen. Die Bruchfläche des Verbundmaterials hatte ein kontinuierliches Gefüge und nur die unterschiedliche Korngrösse zwischen dem Diamant und dem fest haftenden Substrat lieas die Grenze zwischen dem Substrat und dem angehefteten polykristallinen Diamantkörper erkennen.The composite material produced according to Example 1 was essentially broken in half with a hammer and wedge. The fracture surfaces were under examined optically with a microscope with a magnification of 100 times. Examination of the fracture surfaces showed that Both the polycrystalline diamond body and the interface of the composite material were pore-free, the binder evenly distributed in the diamond body and the fracture was transgranular and not intergranular, i.e. that the The fracture was across the crystals and not along the crystal faces. This suggests that the Binder causes bonding very well and is just as strong as the diamond crystals themselves. They weren't visible either Interlayers or defects at the interface between the silicon carbide substrate and the attached polycrystalline Determine the diamond layer. The fracture surface of the composite material had a continuous structure and only the different one Grain size between the diamond and the firmly adhering substrate lieas the boundary between the substrate and recognize the attached polycrystalline diamond body.
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Die Bruchfläche des Verbundmaterials wurde poliert. Eine optische Untersuchung der in Fig, 7 gezeigten, polierten Bruchfläche brachte keine auf ausgebrochene Diamantteilchen zurückzuführenden Löcher zutage. Hieraus geht hervor, dass eine sehr feste Bindung vorliegt. Die Fig. 7 zeigt in ihrem oberen Teil den polykristallinen Diamantkörper und in ihrem unteren Teil das Substrat. Die dazwischenliegende Fläche kann durch das unterschiedliche Kristallgefüge zwischen dem Diamantkörper und dem Substrat ausgemacht werden. Die Dichte der Diamantkristalle betrug etwa 7*1 Volumenprozent des polykristallinen Diamantkörpers bei der in Fig. 7 dargestellten Probe.The fracture surface of the composite material was polished. An optical examination of the polished fracture surface shown in FIG. 7 did not reveal any broken diamond particles holes to be traced back to light. This shows that there is a very strong bond. Fig. 7 shows in their upper part the polycrystalline diamond body and in its lower part the substrate. The area in between can be identified by the different crystal structure between the diamond body and the substrate. The concentration the diamond crystal was about 7 * 1 volume percent of that of the polycrystalline Diamond body in the sample shown in FIG.
SilicxumnitridsubstratSilicon nitride substrate
Als druckübertragendes Medium wurde ein feinkörniges Pulver aus hexagonalem Bornitrid mit einer Korngrösse von etwa 2 bis etwa 20 Mikrometer verwendet.A fine-grained medium was used as the pressure-transmitting medium Hexagonal boron nitride powder with a grain size of about 2 to about 20 micrometers is used.
Das polykristalline Siliciumnitridsubstrat hatte die Form einer Scheibe, die bei den Beispielen 2 und 3 eine Dicke von etwa 3,18 mm und bei den Beispielen 5 und 6 eine Dicke von etwa 2,5 mm besass. Das polykristalline Silicumnitridsubstrat war ein im Handel erhältliches heissgepresstes Material, das eine Dichte von über 99 #» d.h. nahezu eine Dichte von 100 $> hatte. Das Material enthielt, auf das Gewicht des heissgepressten Sxliciumnitridkörpers bezogen, 1/2 # MgO, etwa 1/2 $> Pe, etwa 1/200 $> metallische Verunreinigungen, wie Ca, Al, und Or, 2 # freies Si, 1 f SiO und Siliciumnitrid als Rest.The polycrystalline silicon nitride substrate was in the form of a disk, which in Examples 2 and 3 had a thickness of about 3.18 mm and in Examples 5 and 6 a thickness of about 2.5 mm. The polycrystalline silicon nitride substrate was a commercially available hot-pressed material that had a density of over 99 # »that is, nearly a density of 100 $> . Based on the weight of the hot-pressed silicon nitride body, the material contained 1/2 # MgO, about 1/2 $> Pe, about 1/200 $> metallic impurities such as Ca, Al, and Or, 2 # free Si, 1 f SiO and silicon nitride as the remainder.
Die verwendete Vorrichtung entsprach im wesentlichen der in den Fig. 4 und 5 gezeigten Vorrichtung.The device used corresponded essentially to the device shown in FIGS.
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Die Beschickung wurde gemäss Fig. 4 bei RaumtemperaturThe feed was as shown in FIG. 4 at room temperature
bis zu etwa 5600 kp/cm kalt gepresst. Die Dichte der Diamantkristalle in der zusammengepressten Anordnung war über 75 Volumenprozent der zusammengepressten Diamantmasse.Cold pressed up to about 5600 kp / cm. The density of the diamond crystals in the compressed configuration was over 75 percent by volume of the compressed diamond mass.
Die Menge der Tränklegierung reichte aus, die zusammengepresste Diamantmasse vollständig zu durchtränken und die Berührungsfläche des Sdstrats zu benetzen und die Poren der Grenzfläche auszufüllen.The amount of impregnating alloy was sufficient, the compressed one To completely soak the diamond mass and to wet the contact surface of the Sdstrats and the pores of the Fill the interface.
Die Tränklegierung war eine ein Eutektikum enthaltende, siliciumreiche Legierung.The impregnating alloy was a silicon-rich alloy containing a eutectic.
Die hier angegebene Dichte des als Substrat verwendeten, polykristallinen Siliciumnitridkörpers ist die Bruchteilsdichte der theoretischen Dichte des Siliciumnitrids von 3,18 g/cm3.The density given here of the polycrystalline silicon nitride body used as the substrate is the fraction density of the theoretical density of the silicon nitride of 3.18 g / cm 3 .
Das Verbundmaterial oder der polykristalline Diamantkörper wurden mit Hilfe eines Hammers und eines Keiles auseinandergebrochen .The composite material or the polycrystalline diamond body was broken apart with the aid of a hammer and a wedge .
Die optische Untersuchung der Bruchstellen wurde unter einem Mikroskop bei etwa 100-facher Vergrösserung vorgenommen.The optical examination of the fracture points was carried out under a microscope at a magnification of about 100 times.
Die Bruchfläche des polykristallinen Körpers wurde auf einem Gusseisenblock poliert.The fracture surface of the polycrystalline body was polished on a cast iron block.
Eine jeweils in Volumenprozent des Körpers angegebene Diamantdichte wurde nach der normierten Punktzähltechnik ermittelt, wobei eine Mikroaufnahme der polierten Querschnittsfläche in 690-facher Vergrösserung verwendet wurde und der analysierte Oberflächenbereich eine Grosse aufwies, welche das Mikrogefüge des gesamten Körpers ausreichend repräsentierte. Each given in percent by volume of the body Diamond density was determined according to the standardized point counting technique, using a photomicrograph of the polished cross-sectional area magnified 690 times and the The surface area analyzed had a size which adequately represented the microstructure of the entire body.
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Die Angaben über die Diamantdichte, die im Bereich von über 70» jedoch unter 9o Volumenprozent bezogen auf das Volumen des polykristallinen Körpers liegt, beruhen auf Erfahrung und ähnlichen Versuchen, insbesondere auf Versuchen, bei welchen der polykristalline Diamantkörper alleine hergestellt wurde. Das Aussehen des polykristallinen Körpers als Ganzes und auch das Volumen des gewonnenen, gereinigten polykristallinen Diamantkörpers des Verbundmaterials im Vergleich zum Volumen des ursprünglich eingesetzten Diamantpulvers beruhen auf der Annahme, dass weniger als 5 Volumenprozent des Diamantpulvers in nicht diamantförmigen, elementaren Kohlenstoff umgewandelt worden sind.The information about the diamond density, which is in the range of over 70 »but below 9o percent by volume based on the volume of the polycrystalline body are based on experience and similar experiments, in particular on experiments in which the polycrystalline diamond body alone was produced. The appearance of the polycrystalline body as The whole and also the volume of the recovered, purified polycrystalline diamond body of the composite material in comparison to the volume of the originally used diamond powder are based on the assumption that less than 5 percent by volume of the Diamond powder in non-diamond-shaped, elemental carbon have been converted.
Bei den Beispielen 15 und 16 war die siliciumreiche Tränklegierung eine in situ gebildete Legierung aus Silicium und Zirkonium.In Examples 15 and 16 the one was high in silicon Impregnation alloy an in situ formed alloy of silicon and zirconium.
Bei diesem Beispiel wurde ein polykristalliner Diamantkörper ohne ein Substrat hergestellt.In this example, a polycrystalline diamond body was produced without a substrate.
Eine gegossene Siliciumscheibe mit einem Gewicht von mg wurde innerhalb einer Zirkoniumbüchse in einem Molybdännapf angeordnet. Etwa 5OO mg feines Diamantpulver, dessen Korngrösse im Bereich von etwa 1 bis etwa 60 Mikrometer lag und von dem mindestens 4o Gew. $ eine Korngrösse von unter 10 Mikrometer aufwies, wurde oben auf die Siliciumscheibe gepackt. Ein Molybdännapf, der einen etwas grösseren Durchmesser als der ursprüngliche, mit Silicium und Diamanten beschickte Napf hatte, wurde als Deckel über die Öffnung des ursprünglichen, mit Silicium und Diamanten beschickten Napfes gestülpt.A cast silicon wafer weighing 1 mg was placed inside a zirconium can in a molybdenum cup arranged. About 5OO mg of fine diamond powder, its Grain size was in the range from about 1 to about 60 micrometers and of which at least 40 wt. $ A grain size of below 10 micrometers was packed on top of the silicon wafer. A molybdenum bowl with a slightly larger diameter when the original bowl filled with silicon and diamonds was used as a lid over the opening of the original bowl filled with silicon and diamonds.
Der auf diese Weise gebildete Behälter wurde dann gemässThe container thus formed was then made according to
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Fig. 4 in ein Pulver aus hexagonalem Bornitrid eingepackt. Die gesamte Beschickung wurde bei Raumtemperatur in einer Stahlmatrize bis auf einen Druck von etwa 5600 kp/cni '.kalt gepresst, wobei auf den Behälter und den Inhalt ein im wesentlichen isostatischer, d.h. ein von allen Richtungen im wesentlichen gleichmässig einwirkender Druck ausgeübt wurde. Der Pressdruck wurde solange aufrecht erhalten, bis sich der Pressdruck unter Bildung eines dimensionsstabilen Formkörpers, d.h. eines im wesentlichen isostatischen Systems des mit Pulver umschlossenen Behälters stabilisiert hatte. Aus früheren Versuchen war bekannt, dass die zusammengepresste Diamantmasse in dem als Formkörper vorliegenden System eine Diamantdichte von über 75 Volumenprozent bezogen auf das Volumen der zusammengepressten Diamantmasse aufweist. Das Silicium war in einer Menge von etwa 8o Volumenprozent der zusammengepressten Diamantmasse vorhanden.Fig. 4 packed in a powder of hexagonal boron nitride. The entire batch was cold in a steel die at room temperature to a pressure of about 5600 kgf / cn pressed, with an essentially isostatic, i.e. one from all directions, on the container and the contents essentially uniform pressure was exerted. The pressure was maintained until the pressure increases with the formation of a dimensionally stable molded body, i.e. an essentially isostatic system of the powder-enclosed container had stabilized. From previous experiments it was known that the compressed Diamond mass in the system present as a shaped body has a diamond density of over 75 percent by volume based on the volume the compressed diamond mass. The silicon was in an amount of about 80 percent by volume of that compressed Diamond mass present.
Die entstandene, zusammengepresste Anordnung 21 des vom Pulver umschlossenen Behälters wurde dann heiss gepresst. Die Anordnung 21 wurde zu diesem Zweck in der aus Fig. 5 ersichtlichen Weise in eine Graphitform eingesetzt, welche den gleichen Durchmesser wie die Stahlmatrize hatte. Die Graphitform wurde in einen Induktionsofen gegeben. Der Innenraum des Behälters wurde zunächst evakuiert und anschliessend mit einer Stickstoffatmosphäre gefüllt, indem der Induktionsofen zunächst auf etwa 10 Torr evakuiert und anschliessend mit Stickstoff gefüllt wurde. Auf die in der Graphitform befindliche Anordnung 21 wurde dann ein Druck von ungefähr kp/cm ausgeübt und aufrecht erhalten. Die unter Druck stehende Anordnung 21 wurde dann in 7 Minuten auf eine Temperatur von I5OO C induktiv erhitzt. Beim Aufheizen der Anordnung stieg der Druck aufgrund der Wärmedehnung des Systems auf etwa 7OO kp/cm an. Nach Erreichen einer Temperatur von etwa 135O0G fiel der Druck auf etwa 350 kp/cm2 ab. Dieser Druckabfall deutet darauf hin, dass sich siliciumreiche Zirkonium-The resulting, compressed arrangement 21 of the container enclosed by the powder was then hot-pressed. For this purpose, the arrangement 21 was inserted in the manner shown in FIG. 5 in a graphite mold which had the same diameter as the steel die. The graphite mold was placed in an induction furnace. The interior of the container was first evacuated and then filled with a nitrogen atmosphere by first evacuating the induction furnace to about 10 Torr and then filling it with nitrogen. A pressure of approximately kp / cm was then exerted and maintained on the assembly 21 located in the graphite mold. The pressurized assembly 21 was then inductively heated to a temperature of 150 ° C. in 7 minutes. When the arrangement was heated up, the pressure rose to around 700 kgf / cm due to the thermal expansion of the system. After reaching a temperature of about 135O 0 G, the pressure fell to about 350 kp / cm 2 . This pressure drop suggests that silicon-rich zirconium
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legierung gebildet hatte, flüssig geworden war und begonnen hatte, in die zusammengepresste Diamantmasse einzudringen. Der Druck wurde auf den maximalen Heisspressdruck von 700 kp/cm erhöht. Als die Temperatur von I5OO0 C erreicht worden war, wurde die Anordnung eine Minute lang bei dieser maximalen Heisspresstemperatur von 150O0C unter dem Druck von 700 kp/cm gehalten, um eine vollständige Durchtränkung der kleineren Kapillaren der zusammengepressten Diamantmasse zu gewährleisten. Die Heizung wurde dann abgestellt, jedoch wurde kein zusätzlicher Druck ausgeübt. Auf diese Weise wurde für einen hohen Druck bei einer hohen Temperatur, jedoch für einen verringerten Druck bei einer niedrigen Temperatur und damit für eine ausreichende geometrische Stabilität gesorgt. Die heissgepresste Anordnung behielt auf diese Weise ihre Abmessungen bei, bis sie auf eine zur Handhabung ausreichende Temperatur abgekühlt war.alloy had formed, had become liquid and had begun to penetrate the compressed diamond mass. The pressure was increased to the maximum hot press pressure of 700 kp / cm. Had been than the temperature of I5OO 0 C is reached, the assembly was held for one minute at the maximum hot pressing temperature of 150o 0 C under the pressure of 700 kp / cm to achieve complete saturation of the smaller capillaries to provide the compressed diamond mass. The heating was then turned off, but no additional pressure was applied. In this way, a high pressure at a high temperature, but a reduced pressure at a low temperature and thus sufficient geometric stability was ensured. The hot-pressed assembly thus retained its dimensions until it was cooled to a temperature sufficient for handling.
Der entstandene polykristalline Diamantkörper wurde dadurch gewonnen, dass das Umhüllungsmetall, d.h. der Molybdännapf und die Zirkoniumbüchse sowie überschüssiges Silicium an den Aussenflächen des Körpers durch Abschleifen und Sandstrahlen entfernt wurden.The resulting polycrystalline diamond body was obtained by removing the cladding metal, i.e. the molybdenum bowl and the zirconium sleeve and excess silicon on the outer surfaces of the body by grinding and sandblasting removed.
Der entstandene, einstückige polykristalline Diamantkörper hatte die Form einer Scheibe mit einer Dicke von etwa 3 mm. Der Diamantkörper schien gut durchtränkt zu sein und eine feste Bindung ku haben.The resulting, one-piece polycrystalline diamond body was in the form of a disk with a thickness of about 3 mm. The diamond body appeared to be well saturated and have a firm bond ku.
Die Röntgenstrahlenbeugungsanalyse der gereinigten Oberfläche, durch welche die Legierung eindrang, zeigt, dass der Körper aus Diamant, Siliciumkarbid und elementarem Silicium bestand und Siliciumkarbid und elementares Silicium in einer Menge von mindestens 2 Volumenprozent des Körpers vorhanden waren. Bei der Röntgenstrahlenbeugungsanalyse konnte jedoch kein nicht diamantförmiger, elementarer Kohlenstoff festge-X-ray diffraction analysis of the cleaned surface, through which the alloy penetrated shows that the body is composed of diamond, silicon carbide and elemental silicon and silicon carbide and elemental silicon are present in an amount of at least 2 percent by volume of the body was. In the X-ray diffraction analysis, however, no non-diamond-shaped, elemental carbon fixed
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stellt werden.will be presented.
Eine Untersuchung der Bruchstellen der Scheibe zeigte, dass die Bruchfläche transgranular und nicht intergranular war, das heisst, dass die Bruchfläche quer durch die Kristalle und nicht entlang den Kristallflächen verlief. Dies deutet darauf hin, dass die durch das Bindemittel bewirkte Bindung sehr gut und ebenso fest wie die Diamantkristalle selbst ist.An examination of the fracture points of the disc showed that the fracture surface was transgranular and not intergranular was, that is, the fracture surface ran across the crystals and not along the crystal surfaces. This indicates indicates that the bond created by the binder is very good and as strong as the diamond crystals themselves.
Bei der Untersuchung der Bruchflächen wurde festgestellt, dass die Bruchflächen porenfrei waren, und das Bindemittel gleich^mässig über den Körper verteilt war.When examining the fracture surfaces, it was found that the fracture surfaces were free of pores, and so was the binder was evenly distributed over the body.
Bei der Untersuchung der polierten Bruchfläche wurde festgestellt, dass die polierte Fläche keine auf ausgebrochene Diamantteilchen zurückzuführende Löcher besass, was darauf hindeutet, dass eine feste Bindung vorliegt und der Diamantkörper als Schleifmittel geeignet ist.When examining the polished fracture surface it was found that the polished surface had no holes attributable to broken diamond particles, which is evident indicates that there is a strong bond and the diamond body is suitable as an abrasive.
Die Dichte der Diamantkristalle betrug etwa 81 Volumen prozent des polykristallinen Diamantkörpers.The density of the diamond crystals was about 81 volume percent of the polycrystalline diamond body.
Eine Mikroaufnahme der polierten Oberfläche mit 690-facher Vergrösserung zeigte eine weisse Phase. Bei einer Röntgenstrahlenspektralanalayse dieser Phase stellte sich heraus, dass die Phase aus Zirkonium und Silicium bestand, was darauf hinweist, dass es sich bei dieser Phase um Zirkoniumsilicid handelte.A photomicrograph of the polished surface magnified 690 times showed a white phase. In an X-ray spectral analysis this phase it turned out that the phase consisted of zirconium and silicon, what on it indicates that this phase was zirconium silicide.
Bei diesem Beispiel wurde das Verbundmaterial unter Verwendung eines heissgepressten, polykristallinen Siliciumnitrids als Substrat hergestellt.In this example, the composite material was made using a hot-pressed, polycrystalline silicon nitride manufactured as a substrate.
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Eine gegossene Siliciumscheibe mit einem Gewicht von 142 mg wurde innerhalb einer Zirkoniumhülse in einem Zirkoniumnapf angeordnet. Auf die Siliciumscheibe wurden 270 mg Diamantpulver mit einer Schichtdicke von etwa 1,5 mm aufgebracht. Das Diamantpulver enthielt 85 Gew. $> Diamantteilchen, mit einer Korngrösse von 53 bis 62 Mikrometer und 15 Gew. % Diamantteilchen mit einer Korngrösse von etwa 5 Mikrometer. Anstelle des in Beispiel 1- verwendeten Metalldeckels wurde ein in Fig. 2 gezeigter Stopfen 14 aus heissgepresstem, polykristallinem Siliciumnitrid verwendet.A cast silicon wafer weighing 142 mg was placed inside a zirconium sleeve in a zirconium cup. 270 mg of diamond powder with a layer thickness of about 1.5 mm were applied to the silicon wafer. The diamond powder contained 85 wt. $> Diamond particles having a particle size from 53 to 62 microns, and 15 wt.% Diamond particles having a grain size of about 5 microns. Instead of the metal cover used in Example 1, a plug 14, shown in FIG. 2, made of hot-pressed, polycrystalline silicon nitride was used.
Der verschlossene Napf wurde dann gemäss J1Xg. 4 in ein Pulver aus hexagonalem Bornitrid verpackt. Die gesamte Beschickung wurde bei Raumtemperatur in der in Beispiel 1 beschriebenen Weise kalt gepresst, wobei der verschlossene Napf und sein Inhalt einem im wesentlichen isostatischen Druck ausgesetzt wurden. Der Pressdruck wurde solang aufrecht erhalten, bis sich der Druck unter Bildung eines dimensionsstabilen Formkörpers, d.h. eines im wesentlichen isostatischen Systems des mit Pulver umschlossenen Napfes stabilisiert hatte. Die Dichte der Diamantkristalle lag über 75 Volumenprozent der zusammengepressten Diamantmasse. Die entstandene, zusammengepresste Anordnung 21 des von Pulver umhüllten, verschlossenen Napfes wurde dann in der gleichen Weise wie in Beispiel I5 mit Ausnahme der in Tabelle II enthaltenen Angaben heissgepresst.The closed bowl was then made according to J 1 Xg. 4 packed in a powder of hexagonal boron nitride. The entire charge was cold pressed at room temperature in the manner described in Example 1, with the sealed cup and its contents being subjected to essentially isostatic pressure. The pressing pressure was maintained until the pressure had stabilized with the formation of a dimensionally stable shaped body, ie an essentially isostatic system of the cup enclosed with powder. The density of the diamond crystals was over 75 percent by volume of the compressed diamond mass. The resulting, compressed arrangement 21 of the powder-coated, sealed cup was then hot-pressed in the same way as in Example I5 with the exception of the information contained in Table II.
Das entstandene Verbundmaterial wurde dadurch gewonnen, dass das Umhüllungsmetall und überschüssiges Silicium an den Aussenflächen des Verbundmaterials durch Abschleifen und Sandstrahlen entfernt wurde.The resulting composite material was obtained by that the cladding metal and excess silicon on the outer surfaces of the composite material by grinding and sandblasting was removed.
Die Beispiele I5 und 16 sind in Tabelle II zusammengestellt. Auch bei den in Tabelle II aufgeführten Beispielen 17» 19 und 2o wurde eine Gusslegierung in Form einer ScheibeExamples I5 and 16 are summarized in Table II. Also in the examples shown in Table II 17 »19 and 2o a cast alloy was in the form of a disc
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mit der angegebenen Zusammensetzung und Dicke sowie mit einem dem Durchmesser der angegebenen Auskleidung entsprechenden Durchmesser innerhalb der hülsenartigen Auskleidung auf dem Boden des angegebenen Napfes angeordnet. Das Diamantpulver wurde in der angegebenen Menge oben auf die Scheibe gepackt. Schliesslich wurde das angegebene, polykristalline Siliciumnitridsubstrat oben auf das Diamantpulver aufgebracht. Das Siliciumnitridsubstrat bildete einen den Napf verschliessenden Stopfen, der in Pig. 2 mit dem Bezugszeichen 14 versehen ist. Der verschlossene Napf wurde dann in der in Beispiel 2 beschriebenen Weise mit Ausnahme der in Tabelle II enthaltenen Angaben kalt und heiss gepresst. Das entstandene Verbundmaterial wurde im wesentlichen in der gleichen Weise wie in Beispiel 16 gewonnen.with the specified composition and thickness as well as with a diameter corresponding to the specified lining Diameter arranged within the sleeve-like lining on the bottom of the specified cup. The diamond powder was packed in the specified amount on top of the disk. Eventually the stated became polycrystalline Silicon nitride substrate deposited on top of the diamond powder. The silicon nitride substrate formed a cup sealing Stopper that is in Pig. 2 is provided with the reference number 14. The sealed bowl was then used in the method described in Example 2 described way with the exception of the information contained in Table II cold and hot pressed. The resulting composite material was obtained in substantially the same manner as in Example 16.
Das entstandene, gereinigte, einstückige Verbundmaterial der Beispiele 16, 17, 19 und 2o hatte die Form einer im wesentlichen gleichförmigen Scheibe, die bei den Beispielen 16 und 17 eine Dicke von etwa 4,7 mm und bei den Beispielen 19 und 2o eine Dicke von etwa 3,8 mm hatte.The resulting, cleaned, one-piece composite material of Examples 16, 17, 19 and 20 was substantially in the form of a uniform disc, which in Examples 16 and 17 has a thickness of about 4.7 mm and in Examples 19 and 2o was about 3.8 mm thick.
Beim Beispiel 18 wurde ein polykristalliner Diamantkörper ohne die Verwendung eines metallischen Behälters, einer Auskleidung oder eines Substrats hergestellt. Die benutzten Vorrichtungen entsprachen jedoch im wesentlichen den in den Fig. 4 und 5 gezeigten Vorrichtungen. Das Pulver aus hexagonalem Bornitrid wurde in die Matrize der Fig. 4 gepackt. Ein als Form dienender Zylinder wurde in das Pulver gedrückt. Der Zylinder bestand aus gesintertem Metallkarbid und hatte einen Durchmesser von etwa 8,9 mm und eine Dicke von etwa 6,3 mm. Die Achse des Zylinders war im wesentlichen mit der Mittelachse der Matrize ausgerichtet.In Example 18, a polycrystalline diamond body was made without the use of a metallic container, a liner or substrate. However, the devices used were essentially the same the devices shown in Figs. The hexagonal boron nitride powder was incorporated into the die of FIG packed. A cylinder serving as a mold was pressed into the powder. The cylinder was made of cemented metal carbide and was about 8.9 mm in diameter and about 6.3 mm in thickness. The axis of the cylinder was essentially aligned with the central axis of the die.
Nach dem Einsetzen des Zylinders in das Pulver wurde zusätzliches, pulverförmiges hexagonales Bornitrid in die MatrizeAfter inserting the cylinder into the powder, additional, powdery hexagonal boron nitride into the die
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gegeben, um den Zylinder vollständig abzudecken. Der vom Pulver umschlossene Zylinder wurde bei Raumtemperatur unter einem Druck von 350 kp/cm gepresst. Der Presstempel 23 a wurde dann herausgezogen und der Presstempel 23 diente zum teilweisen Herausdrücken des von Pulver umschlossenen Zylinders aus der Matrize.given to completely cover the cylinder. The from Powder-enclosed cylinders were pressed at room temperature under a pressure of 350 kgf / cm. The press die 23 a was then pulled out and the ram 23 was used to partially push out the cylinder surrounded by powder from the die.
Der freiliegende Teil des gepressten Pulvers wurde entfernt ,um den Zylinder teilweise freizulegen. Der Zylinder wurde dann herausgezogen, wobei ein vom Zylinder eingepresster Hohlraum zurückblieb. Beim Beispiel 4 wurde eine aus einer Gusslegierung bestehende Scheibe mit der angegebenen Zusammensetzung und Dicke sowie mit einem dem Innendurchmesser des Hohlraums im wesentlichen entsprechenden Durchmesser auf dem Boden des Hohlraumes angeordnet. Eine Schicht aus Diamantpulver mit der angegebenen Korngrösse, der angegebenen Menge und der angegebenen Dicke wurde oben auf die Legierungsscheibe gepackt. Eine Scheibe aus heissgepresstem, pulverförmigem, hexagonalem Bornitrid mit einem dem Innendurchmesser der Aussparung entsprechenden Durchmesser wurde in der Aussparung oben auf dem Diamantpulver angeordnet. Die heissgepresste Scheibe diente als Stopfen, um zu gewährleisten, dass die Oberfläche des entstehenden polykristallinen Diamantkörpers flach ist.The exposed portion of the pressed powder was removed to partially expose the cylinder. The cylinder was then pulled out, leaving a cavity pressed in by the cylinder. In Example 4, one became off a cast alloy disc with the specified composition and thickness as well as with an inner diameter of the cavity substantially corresponding diameter arranged on the bottom of the cavity. One layer off Diamond powder with the specified grain size, the specified amount and the specified thickness was packed on top of the alloy disc. A disc of hot-pressed, powdery, Hexagonal boron nitride with a diameter corresponding to the inner diameter of the recess was used in the Recess placed on top of the diamond powder. The hot-pressed disc served as a plug to ensure that the surface of the resulting polycrystalline diamond body is flat.
Die gesamte Masse wurde dann mit Hilfe des Presstempels 23 a in die Mitte der Matrize gedrückt, worauf der Pressstempel 23 a zurückgezogen wurde. Eine zusätzliche Menge an pulverförmigem, hexagonalem Bornitrid wurde in die Matrize gegeben, um die heissgepresste Scheibe aus hexagonalem Bornitrid abzudecken und die Aussparung samt Inhalt in der aus Fig. 4 ersichtlichen Weise vollständig mit hexagonalem Bornitrid zu umschliessen. Die sich ergebende Beschickung wurde dann bei Raumtemperatur in der Stahlmatrize unter einem Druck von 5600 kp/cm in der in Fig. 4 gezeigten V/eise kalt gepresst,The entire mass was then pressed into the center of the die with the aid of the press ram 23 a, whereupon the press ram 23 a was withdrawn. An additional amount of powdered hexagonal boron nitride was put into the die given to cover the hot-pressed disk made of hexagonal boron nitride and the recess and its contents in the 4 to be completely enclosed with hexagonal boron nitride as can be seen. The resulting load was then cold-pressed at room temperature in the steel die under a pressure of 5600 kp / cm in the V / eise shown in Fig. 4,
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wobei die Aussparung und ihr Inhalt einem im wesentlichen isostatischen Druck ausgesetzt wurden. Der Pressdruck wurde solang aufrecht erhalten, bis sich der Pressdruck unter Bildung eines dxmensionsstabilen Formkörpers, d.h. eines im wesentlichen isostatischen Systems der von Pulver umhüllten Aussparung samt Inhalt stabilisiert hatte. Aus früheren Versuchen war bekannt, dass die Diamantkristalle in dem als Formkörper vorliegenden, im wesentlichen isostatischen System der von Pulver umhüllten Aussparung mit Inhalt eine Dichte von über 75 Volumenprozent der zusammengepressten Diamantmasse hat.the recess and its contents being essentially isostatic Have been subjected to pressure. The pressing pressure was maintained until the pressing pressure was formed a dimensionally stable shaped body, i.e. an essentially isostatic system of the powder-coated The recess and its contents had stabilized. From previous experiments it was known that the diamond crystals in the as Shaped body present, essentially isostatic system of the powder-coated recess with content a density of over 75 percent by volume of the compressed diamond mass.
Die entstandene, gepresste Anordnung der von Pulver umhüllten Aussparung samt Inhalt entspricht im wesentlichen der gepressten Anordnung 21 mit der Ausnahme, dass kein Metallbehälter verwendet wurde. Die entstandene, gepresste Anordnung wurde dann heiss gepresst, d.h. in die in Fig. 5 gezeigte Graphitform gegeben, welche den gleichen Durchmesser wie die Stahlmatrize hatte. Die Graphitform wurde anschliessend in einen Induktionsofen eingesetzt. Der Innenraum der Aussparung wurde zunächst evakuiert und anschliessend mit einer Stickstoffatmosphäre gefüllt, indem der Ofen zunächst auf etwa 10 Torr evakuiert und anschliessend wieder mit trockenem Stickstoff aufgefüllt wurde. Auf die in der GraphitformThe resulting, pressed arrangement of the powder-coated recess and its contents essentially correspond of the pressed assembly 21 except that no metal container was used. The resulting, pressed The assembly was then hot pressed, i.e. placed in the graphite mold shown in Fig. 5, which is the same diameter like the steel die had. The graphite mold was then placed in an induction furnace. The interior of the The recess was first evacuated and then with a nitrogen atmosphere by first evacuating the furnace to about 10 Torr and then again with dry Nitrogen was added. On those in the graphite form
befindliche Anordnung wurde dann ein Druck von etwa 35o kp/cm ausgeübt und aufrecht erhalten. Die unter Druck stehende Anordnung wurde dann in etwa 5 bis 7 Minuten auf die angegebene, maximale Heisspresstemperatur erhitzt. Beim Aufheizen der Anordnung stieg der Druck aufgrund der Wärmedehnung des gesamten Systems auf den angegebenen, maximalen Heisspressdruck. The assembly located was then a pressure of about 35o kp / cm exercised and maintained. The pressurized assembly was then in about 5 to 7 minutes to the indicated, maximum hot-pressing temperature heated. When the assembly was heated up, the pressure increased due to the thermal expansion of the entire system to the specified, maximum hot-pressing pressure.
Bei der angegebenen Temperatur, bei welcher die Tränkung begann, fiel der Druck auf etwa 350 kp/cm ab. Dieser Druckabfall deutet darauf hin, dass die angegebene Legierung ge-At the specified temperature at which the impregnation began, the pressure dropped to about 350 kp / cm. This pressure drop indicates that the specified alloy
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schmolzen und flüssig geworden ist und begonnen hatte, in die Diamantmasse einzudringen. Der Druck wurde dann wieder auf den angegebenen, maximalen Heisspressdruck erhöht und eine Minute lang bei der angegebenen, maximalen Heisspresstemperatur gehalten, um ein vollständiges Eindringen der Legierung in die kleineren Kapillaren der zusammengepressten Diamantmasse sicherzustellen. Die Heizung wurde dann abgestellt, aber kein weiterer Druck angelegt. Dies sorgte für einen hohen Druck bei hoher Temperatur, aber für einen verringerten Druck bei niedriger Temperatur und damit für eine ausreichende, geometrische Stabilität. Der entstandene polykristalline Diamantkörper wurde bei Raumtemperatur entnommen. Der Verschlussstopfen haftete nicht am Diamantkörper. Wach dem Entfernen von schuppenförmig an der Oberfläche des polykristallinen Diamantkörpers anhaftendem, hexagonalem Bornitridpulver und von überschüssiger Legierung durch Abschleifen und Sandstrahlen hatte der einstückige, polykristalline Diamantkörper die Gestalt einer Scheibe mit der angegebenen Dicke.melted and liquefied and began to penetrate the diamond mass. The pressure was then again increased to the specified maximum hot-pressing pressure and for one minute at the specified maximum hot-pressing temperature held to ensure complete penetration of the alloy into the smaller capillaries of the compressed diamond mass to ensure. The heating was then turned off, but no further pressure was applied. This created a lot of pressure at high temperature, but for a reduced pressure at low temperature and thus for a sufficient, geometric Stability. The resulting polycrystalline diamond body was taken out at room temperature. The sealing plug did not adhere to the diamond body. Wake up removing flakes on the surface of the polycrystalline Hexagonal boron nitride powder adhering to diamond bodies and excess alloy by grinding and sandblasting had the one-piece, polycrystalline diamond body the shape of a disc with the specified thickness.
Die in der Tabelle II angegebene Heisspresstemperatur, bei welcher der Tränkvorgang beginnt, ist diejenige Temperatur, bei welcher die Legierung flüssig ist und in die zusammengepresste Diamantmasse einzudringen beginnt. Die angegebene, maximale Heisspresstemperatur und der angegebene, maximale Heisspressdruck wurden gleichzeitig eine Minute lang aufrecht erhalten, um ein vollständiges Ausfüllen der kleineren Kapillaren der zusammengepressten Diamantkristallmasse zu gewährleisten.The hot-pressing temperature given in Table II at which the impregnation process begins is the temperature at which the alloy is liquid and begins to penetrate the compressed diamond mass. the The specified maximum hot-pressing temperature and the specified maximum hot-pressing pressure were simultaneously for one minute maintained to completely fill the smaller capillaries of the compressed diamond crystal mass to ensure.
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in mglot
in mg
Dicke
in mmapprox.
thickness
in mm
Pulver
dicke
in mmapprox.
powder
thickness
in mm
den)(as far as available
the)
nes Sili
ciumpoured
nes Sili
cium
in Mikrome- in mg
terGrain size quantity
in micrometers- in mg
ter
Zr-AuskleidungMo bowl with
Zr lining
als Deckelno, Mo bowl
as a lid
nes Sili
ciumpoured
nes Sili
cium
von 4o Gew.fo
kleiner als 1o 5001 to 6o where
of 40 wt. fo
less than 1o 500
Zr-A uskle id un gZr bowl with
Zr clothing
tes Silicium
nitridhot pressed
tes silicon
nitride
ΪΪ5 Cr85 Si
ΪΪ5 Cr
53 bis 62, 15
Gew.^ mit /v5 27082 wt.% With
53 to 62, 15
Gew. ^ With / v5 270
Zr-AuskleidungMo bowl with
Zr lining
tes Silicium
nitridhot pressed
tes silicon
nitride
14 Ti86 Si
14 Ti
1) 290like example
1) 290
tes , hexagona- ^
les Bornitrid- ,
pulverhot pressed
tes, hexagona- ^
les boron nitride,
powder
-4
^«,
O
to—I
-4
^ «,
O
to
14 Ti86 Si
14 Ti
1) 250like example
1) 250
Mo-AuskleidungMo bowl with
Mo lining
tes, Silicium
nitridhot pressed
tes, silicon
nitride
5 Re95 Si
5 Re
1) 227like example
1) 227
Mo-AuskleidungMo bowl with
Mo lining
tes Silicium
nitridhot pressed
tes silicon
nitride
1 bis 60, wovon
17 Gew.^ mit 1
bis 10, und 3o
Gew.fo mit 1 bis
5 2007o wt. ^ With
1 to 60, of which
17 wt. ^ With 1
to 10, and 3o
Weight fo with 1 to
5,200
Heisspress-
druckoin
kp/cm
C° Maximum
Hot press
pressure in
kp / cm
C °
Diamantkörper
ungef. Röntengenstrahlen-
Dicke in analyse des Dia-
mm mantkörpersPollycrystalline
Diamond body
approx. X-ray
Thickness in analysis of the slide
mm shell
Diamant, SiO und
Si(cleaned area)
Diamond, SiO and
Si
spielat
game
Tränkung maximale
TemperaturHot-pressing temperature
Impregnation maximum
temperature
per) Diamant vn
SiC und TiSi2 ,(broken body
per) diamond vn
SiC and TiSi 2 ,
der Tränkele
gierung in
LiteraturMelting point
the potion
ying in
literature
(Si-9,6 Gew.#
Zr eutektisch)1360
(Si-9.6 wt. #
Zr eutectic)
(Si-9,6 Gew.#
Zr eutektisch)1360
(Si-9.6 wt. #
Zr eutectic)
(SiGr binär)1335
(SiGr binary)
(vorhergesegt)1250
(predicted)
CJI OO COCJI OO CO
Die Beispiele 16, 17, 19 und 2o zeigen die Herstellung des Verbundmaterials gemäss der Erfindung. Fach, einer optischen Untersuchung stellte sich heraus, dass jedes Verbundmaterial dieser Beispiele ein kontinuierliches Gefüge hatte, aber die Grenzfläche zwischen dem Diamantkörper und dem Substrat aufgrund der unterschiedlichen Korngrösse und aufgrund von Farbunterschieden zwischen dem Diamantkörper und dem Substrat festgestellt werden konnte. Das Siliciumnitridsubstrat war dunkler als der graue Diamantkörper. Die Aussenfläche eines jeden polykristallinen Diamantkörpers war gut durchtränkt, wobei das Bindemittel gleichmässig verteilt war. Die Diamanten waren gut miteinander verbunden.Examples 16, 17, 19 and 20 show the preparation of the composite material according to the invention. Compartment, one optical Investigation found that each composite material in these examples had a continuous structure, but the Interface between the diamond body and the substrate due to the different grain size and due to Color differences between the diamond body and the substrate could be determined. The silicon nitride substrate was darker than the gray diamond body. The outer surface of a each polycrystalline diamond body was well saturated, the binder being evenly distributed. The diamonds were well connected.
Der polykristalline Diamantkörper der Verbundmaterialien nach den Beispielen 17 und 18 hatte eine Diamantdichte, die über 7o Volumenprozent, jedoch unter 9o Volumenprozent des Volumens des polykristallinen Körpers betrug.The polycrystalline diamond body of the composite materials according to Examples 17 and 18 had a diamond density that over 7o percent by volume, but below 9o percent by volume des Volume of the polycrystalline body was.
Die Diamantfläche des Verbundmaterials nach Beispiel wurde poliert. Bei der optischen Untersuchung der polierten Fläche stellte sich heraus, dass die polierte Fläche keine auf ausgebrochene Diamantteilehen zurückzuführende Locher besass, was darauf hindeutet, dass eine feste Bindung vorliegt. Die Dichte der Diamantkristalle betrug etwa 71 Volumenprozent des polykristallinen Diamantkörpers nach BeispielThe diamond surface of the composite material according to the example was polished. When examining the polished It was found that the polished surface had no holes due to broken diamond parts possessed, suggesting that there is a strong bond. The density of the diamond crystals was about 71 volume percent of the polycrystalline diamond body according to the example
Der ροIykristalline Diamantkörper in Beispiel 18 war eine gut durchtränkte, fest gebundene, harte Scheibe. Der Diamantkörper wurde im wesentlichen in zwei Hälften auseinandergebrochen. Bei der optischen Untersuchung der Bruchflächen wurde festgestellt, dass die Bruchflächen porenfrei waren, das Bindemittel im Diamantkörper gleichmässig verteilt und der Bruch transgranular und nicht intergranular war, das heisst, dass der Bruch quer durch die Kristalle und nicht entlang den Kristallgrenzen verlief. Dies deutet darauf hin,The ροIy crystalline diamond body in Example 18 was a well soaked, tightly bound, hard disk. The diamond body was essentially broken in half. During the optical examination of the fracture surfaces it was found that the fracture surfaces were free of pores the binder was evenly distributed in the diamond body and the fracture was transgranular and not intergranular means that the break ran across the crystals and not along the crystal boundaries. This indicates
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dass die durch das Bindemittel bewirkte Bindung sehr gut und ebenso fest wie die Diamantkristalle selbst ist.that the binding brought about by the binder is very good and as solid as the diamond crystals themselves.
Eine Bruchfläche der Scheibe des Beispiels 18 wurde poliert. Bei einer Untersuchung der polierten Fläche wurde festgestellt, dass die polierte Fläche keine auf ausgebrochene Diamantteilchen zurückzuführende Löcher besass, was die starke Bindung bestätigte. Die Dichte der Diamantkristalle im Diamantkörper des Beispiels 18 betrug etwa 8o Volumenprozent des polykristallinen Diamantkörpers.A broken surface of the disc of Example 18 was polished. Upon examination of the polished surface was found that the polished surface did not have any chipped on Had holes attributable to diamond particles, confirming the strong bond. The density of the diamond crystals in the diamond body of Example 18 was about 80 volume percent of the polycrystalline diamond body.
Das Verbundmaterial nach Beispiel 17 wurde als Schneidwerkzeug eingesetzt. Die freie Fläche des polykristallinen Diamantkörpers des Verbundmaterials wurde mit einer Diamantschleifscheibe geschliffen, um die freie Fläche des Diamantkörpers zu glätten und mit einer scharfen Schneidkante zu versehen. Das Substrat des Verbundmaterials wurde dann in einen Werkzeughalter eingepsannt.The composite material according to Example 17 was used as a cutting tool. The free area of the polycrystalline Diamond body of the composite material was ground with a diamond grinding wheel around the free surface of the diamond body to be smoothed and provided with a sharp cutting edge. The composite substrate was then in a tool holder clamped in.
Ein Teil der Schneidkante wurde auf einer Drehbank untersucht, mit welcher ein Jackfork-Sandstein mit einem Vorschub von 0,13 mm pro Umdrehung und einer Schnittiefe von 0,5 mm abgedreht wurde.Part of the cutting edge was examined on a lathe with which a Jackfork sandstone was fed with a feed of 0.13 mm per revolution and a cutting depth of 0.5 mm was turned off.
Bei einer auf der Oberfläche gemessenen Schnittgeschwindigkeit von 28, 5 m pro Minute betrugt der Abrieb 3,6 χ 1o~ cnr pro Minute. Ein anderer Teil der Schneidkante wurde bei einer auf der Oberfläche gemessenen Schnittgeschwindigkeit von 79*3 m pro Minute untersucht. Der Abrieb betrug in diesem Fall 8,2 χ 1o cm pro Minute.At a cutting speed of 28.5 m per minute measured on the surface, the abrasion was 3.6 χ 1o ~ cnr per minute. Another part of the cutting edge became at a cutting speed measured on the surface examined from 79 * 3 m per minute. The abrasion in this case was 8.2 χ 10 cm per minute.
Das Verbundmaterial wurde vom Werkzeughalter entfernt, worauf die Grenzfläche zwischen dem Diamantkörper und demThe composite material was removed from the tool holder, leaving the interface between the diamond body and the
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Substrat untersucht wurde. Es stellte sich heraus, dass die vorgenommenen Bearbeitungen keinen Einfluss auf das ■Verbundmaterial hatten.Substrate was examined. It turned out that the machining operations carried out had no effect on the ■ composite material had.
Es wurde in der gleichen Weise wie in Beispiel 21 mit der Ausnahme vorgegangen, dass das gemäss Beispiel 19 hergestellte Verbundmaterial verwendet wurde.The same procedure as in Example 21 was followed, with the exception that that prepared according to Example 19 was carried out Composite material was used.
Ein Teil der Schneidkante wurde bei einer auf die Oberfläche bezogenen Schnittgeschwindigkeit von 3o, 5 m pro Minute untersucht. Nach einer Schneiddauer von 2 Minuten brachte die Schneidkante eine sehr kleine Verschleissnarbe hervor, was auf eine hervorragende Verschlexssfestigkeit hinwies. Der Jackfork - Sandstein hatte jedoch eine tiefe Furche. Da das Verbundmaterial spröd war, brach ein kleines Stück der Schneidkante aus.Part of the cutting edge was cut at a surface cutting speed of 30.5 meters per minute examined. After a cutting time of 2 minutes, the cutting edge left a very small wear scar which indicated excellent wear resistance. The Jackfork sandstone, however, had a deep groove. Because the composite was brittle, a small piece of the cutting edge broke off.
Eine Untersuchung des Verbundmaterials nach dem Schneidvorgang zeigte, dass die Schneidversuche keinen Einfluss auf die Grenzfläche zwischen dem polykristallinen Diamantkörper und dem Sxlicxumnitridsubstrat hatten.An examination of the composite material after the cutting process showed that the cutting tests had no effect had the interface between the polycrystalline diamond body and the silicon nitride substrate.
Das gemäss Beispiel 2o hergestellte Verbundmaterial wurde im wesentlichen in zwei Hälften auseinandergebrochen. Die Bruchflächen wurden optisch untersucht. Bei der Untersuchung der Bruchflächen stellte sich heraus, dass sowohl der polykristalline Diamantkörper als auch die Grenzfläche des Verbundmaterials porenfrei waren, das Bindemittel gleichmässig im Diamantkörper verteilt und der Bruch transgranular und nicht intergranular war, d.h. dass der Bruch quer durch die KristalleThe composite material produced according to Example 2o was essentially broken into two halves. The fracture surfaces were examined optically. When examining the fracture surfaces it was found that both the polycrystalline Both the diamond body and the interface of the composite material were pore-free, and the binder was uniform in the diamond body distributed and the break was transgranular and not intergranular, i.e. that the break across the crystals
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und nicht entlang den Kristallgrenzen verlief. Dies deutet darauf hin, dass die durch das Bindemittel hervorgerufene Bindung sehr gut und ebenso fest wie die Diamantkristalle selbst ist. Es konnten auch keine sichtbaren Zwischenschichten oder Fehler an der Grenzfläche zwischen dem Siliciumnitridsubstrat und der polykristallinen Diamantschicht festgestellt werden. Die Bruchfläche des Verbundmaterials hatte ein kontinuierliches Gefüge. Lediglich die unterschiedliche Korngrösse zwischen den Diamanten und dem fest haftenden Substrat sowie die dunklere Farbe des Substrats liessen die Grenze zwischen dem Substrat und dem polykristallinen Diamantkörper erkennen.and did not run along the crystal boundaries. This indicates that the caused by the binder Bond is very good and just as strong as the diamond crystals themselves. There could also be no visible intermediate layers or defects are found at the interface between the silicon nitride substrate and the polycrystalline diamond layer will. The fracture surface of the composite material had a continuous structure. Only the different ones The grain size between the diamond and the firmly adhering substrate as well as the darker color of the substrate left the Recognize the boundary between the substrate and the polycrystalline diamond body.
Die Bruchflächen des Verbundmaterials wurden poliert. Bei der optischen Untersuahung der in Fig. 7 gezeigten, polierten Bruchfläche wurde festgestellt, dass die polierte Fläche keine auf ausgebrochene Diamantteilchen zurückzuführende Löcher besass. Dies ist ein Hinweis dafür, dass eine feste Bindung vorliegt. Die Fig. 7 zeigt in ihrem oberen Teil den polykristallinen Diamantkörper und in ihrem unteren Teil das Substrat. Die dazwischenliegende Grenzfläche kann durch das unterschiedliche Kristallgefüge und durch die unterschiedliche Farbe zwischen dem Diamantkörper und dem Substrat ausgemacht werden. Die Dichte der Diamantkristalle betrug etwa 75 Volumenprozent des in Fig. 7 gezeigten, polykristallinen Diamantkörpers.The fracture surfaces of the composite material were polished. In the optical examination of the polished ones shown in FIG The fracture surface was found to be that the polished surface was not due to broken diamond particles Had holes. This is an indication that there is a strong bond. Fig. 7 shows the in its upper part polycrystalline diamond body and in its lower part the substrate. The interface in between can through the different crystal structure and made up by the different color between the diamond body and the substrate will. The density of diamond crystals was about 75 volume percent of that of the polycrystalline shown in FIG Diamond body.
Die nach den Beispielen 16, 17 und 19 hergestellten Verbundmaterialien wurden im wesentlichen in zwei Hälften auseinandergebrochen. Die Bruchflächen wurden optisch untersucht. Bei der Untersuchung der Bruchflächen wurde festgestellt, dass sowohl der polykristalline Diamantkörper als auch die Grenzfläche eines jeden Verbundmaterials porenfrei waren,The composite materials produced according to Examples 16, 17 and 19 were essentially broken in half. The fracture surfaces were examined visually. When examining the fracture surfaces, it was found that both the polycrystalline diamond body and the interface of each composite material was pore-free,
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das Bindemittel gleichmässig im Diamantkörper verteilt und der Bruch transgranular und nicht intergranular war, d.h. dass der Bruch quer durch die Kristalle und nicht entlang den Kristallgrenzen verlief. Dies deutet darauf hin, dass die durch das Bindemittel bewirkte Bindung sehr gut und ebenso fest wie die Diamantkristalle selbst ist. Es konnten auch keine sichtbaren Zwischenschichten oder Fehler an der Grenzfläche zwischen dem Siliciumnitridsubstrat und der anhaftenden, polykristallinen Diamantschicht festgestellt werden. Die Bruchfläche eines jeden Verbundmaterials hatte ein kontinuierliches Gefüge. Lediglich die unterschiedliche Korngrösse zwischen den Diamanten und dem fest haftenden Substrat, sowie die dunklere Farbe des Substrats liessen die Grenze zwischen dem Substrat und dem polykristallinen Diamantkörper erkennen.the binder is evenly distributed in the diamond body and the break was transgranular and not intergranular, i.e. that the break was across the crystals and not along the Crystal boundaries ran. This indicates that the binding caused by the binder is very good and as well solid like the diamond crystal itself. There were also no visible intermediate layers or defects at the interface between the silicon nitride substrate and the adherent polycrystalline diamond layer. the The fracture surface of each composite material had a continuous one Structure. Only the different grain size between the diamond and the firmly adhering substrate, as well the darker color of the substrate indicated the boundary between the substrate and the polycrystalline diamond body.
Die Bruchfläche des Verbundmaterials gemäss Beispiel 19 wurde poliert. Bei der Untersuchung der polierten Bruchfläche stellte sich heraus, dass die polierte Fläche keine auf ausgebrochene Diamantteilchen zurückzuführende Löcher aufwies, was darauf hindeutet, dass eine feste Bindung vorliegt. Eine Mikroaufnahme der polierten Oberfläche mit einer 69o-fachen Vergrösserung zeigte eine Zwischenschicht des Bindemittels an der Grenzfläche. Bei einer Auswertung einer elektronischen Mikroaufnahme der polierten Fläche mit einer 1000-fachen Vergrösserung wurde an der Grenzfläche eine Zwischenschicht aus Bindemittel festgestellt, die maximal eine Dicke von etwa 3 Mikrometer hatte.The fracture surface of the composite material according to Example 19 has been polished. When examining the polished fracture surface, it was found that the polished surface did not have any broken out Diamond particles had holes traced back, suggesting a strong bond. One Photomicrograph of the polished surface at a magnification of 69o showed an intermediate layer of the binder at the interface. When evaluating an electronic micrograph of the polished surface with a 1000-fold magnification an intermediate layer of binder was found at the interface, the maximum thickness of about 3 microns.
Eine Röntgenstrahlenspektralanalyse des Bindemittels in der Zwischenschicht und im polykristallinen Diamantkörper zeigte, dass die Komponenten in beiden Fällen die gleichen waren.An x-ray spectral analysis of the binder in the intermediate layer and in the polycrystalline diamond body showed that the components in both cases the same were.
Zusammenfassend lässt sich feststellen, dass die Erfindung ein Verfahren zur Herstellung eines VerbundmaterialsIn summary, it can be stated that the invention relates to a method for producing a composite material
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aus einem polykristallinen Diamantkörper und einem Substrat betrifft, bei welchem eine Diamantkristallmasse in Berührung mit einer, ein Eutektikum enthaltenden, siliciumreichen Legierung und ein keramisches Siliciumkarbid- oder Siliciumnitridsubstrat in einem Behälter angeordnet und in ein druckübertragendes Pulvermedium eingesetzt werden. Das Pulvermedium wird unter Druck gesetzt, so dass auf den Behälter und dessen Inhalt ein im wesentlichen isostatischer Druck ausgeübt wird, der zur Dimensionsstabilisierung des Behälters samt Inhalt ausreicht. Das in Gestalt eines Formkörpers vorliegende, im wesentlichen isostatische System des von Pulver umhüllten Behälters wird heiss gepresst, wobei eine flüssige, ein Eutektikum enthaltende, siliciumreiche Legierung entsteht und in die Zwischenräume zwischen den Diamantkristallen eindringt und die Berührungsfläche des Silxcxumkarbidsubstrats benetzt, so dass nach dem Abkühlen ein fest gebundenes, einstückiges Verbundmaterial entsteht.of a polycrystalline diamond body and a substrate in which a diamond crystal mass is in contact with a silicon-rich alloy containing a eutectic and a silicon carbide or silicon nitride ceramic substrate arranged in a container and inserted into a pressure-transmitting powder medium. The powder medium is pressurized so that an essentially isostatic pressure is exerted on the container and its contents is exercised, which is sufficient to stabilize the dimensions of the container and its contents. The present in the form of a molded body, essentially isostatic system of the powder-coated container is hot-pressed, whereby a liquid, a silicon-rich alloy containing eutectic is formed and into the spaces between the diamond crystals penetrates and wets the contact surface of the silicon carbide substrate, so that, after cooling, a firmly bonded, one-piece Composite material is created.
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Claims (17)
Siliciumkarbid- oder Siliciumnitridsubstrat unter Anwendung
eines Heisspressvorganges, dadurch gekennzeichnet, dass1. A method for producing a one-piece composite material from a polycrystalline diamond body and a
Silicon carbide or silicon nitride substrate using
a hot pressing process, characterized in that
Bildung einer Eutektikum enthaltenden siliciumreichen Legierung, eine Diamantkristallmasse und ein Siliciumkarbid- oder Siliciumnitridsubstrat eingebracht werden, wobei die Diamantkristallmasse zwischen dem Substrat und der Feststoff masse aus der ein Eutektikum enthaltenden, siliciumreichen Legierung angeordnet ist und mit dem Substrat und der Feststoffmasse der siliciumreichen Legierung oder mit mindestens einer Komponente zur Bildung der ein Eutektikum enthaltenden, siliciumreichen Legierung in Berührung steht und die ein Eutektikum enthaltende, silieiumreiche Legierung aus Silicium und einem Metall besteht, das mit Silicium ein Silicid bildet;a solid mass of a silicon-rich alloy containing a eutectic or solid components for
Formation of a silicon-rich alloy containing a eutectic, a diamond crystal mass and a silicon carbide or silicon nitride substrate are introduced, the diamond crystal mass being arranged between the substrate and the solid mass of the silicon-rich alloy containing a eutectic and with the substrate and the solid mass of the silicon-rich alloy or with at least one component for forming the eutectic-containing silicon-rich alloy is in contact and the eutectic-containing silicon-rich alloy is composed of silicon and a metal which forms a silicide with silicon;
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