DE69901723T2

DE69901723T2 - Verfahren zur herstellung eines diamantkomposits und ein durch dasselbe hergestelltes komposit

Info

Publication number: DE69901723T2
Application number: DE69901723T
Authority: DE
Inventors: Tommy Ekstroem; Sergey K. Gordeev
Original assignee: Frenton Ltd
Current assignee: Skeleton Technologies AG
Priority date: 1998-09-28
Filing date: 1999-03-04
Publication date: 2003-02-13
Anticipated expiration: 2019-03-05
Also published as: EP1117625A1; CA2342986A1; KR100638228B1; HK1039929B; CN1320108A; PL364804A1; JP2002525262A; EA003715B1; JP4275862B2; EA200100263A1; EP1117625B1; AU759804B2; DE69901723D1; HK1039929A1; BR9914094B1; IL141725A; JP2008239477A; BR9914094A; KR20010079950A; AU3811699A

Description

Für viele Anwendungsgebiete besteht allgemein ein Bedarf an extrem harten (superharten, > 40 GPa) Werkstoffen. Diese Anwendungen sind beispielsweise Werkzeuge zum Schneiden, Drehen, Fräsen, Bohren, Sägen oder Schleifen, etc. Die harten Werkstoffe können auch wegen ihrer Verschleiß-, Abrieb- und Erosionsbeständigkeit verwendet werden, wenn sie als Lager, Dichtungen und Düsen oder dergleichen dienen. Die Werkstoffe können auf oder in Kontakt mit Gußeisen, Stahl, NE-Metallen, Holz, Papier, Polymeren, Beton, Stein, Marmor, Erde, Sinterhartmetall und Schleifscheiben aus Aluminiumoxid, Siliciumcarbid, Diamant oder kubischem Bornitrid etc. funktionieren. Als der härteste bekannte Werkstoff eignet sich für diese Zwecke mono- oder polykristalliner Diamant. Andere wegen ihrer Härte normalerweise verwendete Werkstoffe sind zum Beispiel kubisches Bornitrid, Borcarbid und andere keramische Werkstoffe und Sinterhartmetalle, doch nur Diamant oder kubisches Bornitrid enthaltende Werkstoffe können an die Gruppe superharter Werkstoffe heranreichen.
Es ist wohlbekannt, daß Kohlenstoff in der Strukturform als Diamant bei Umgebungstemperaturen und -drücken thermodynamisch instabil ist. Dennoch wird die Zersetzung von Diamant zu Graphit (Graphitisierung) aus kinetischen Gründen verhindert, und in der Natur vorkommende Diamenten gibt es bereits seit Millionen von Jahren. Durch Erhöhen der Temperatur kommt es jedoch zu einer Graphitisierung von Diamantkristallen in einem Prozeß, der an der Oberfläche beginnt, wo die Energie zur Überwindung der kinetischen Hinderung am höchsten ist und wo Fehler oder katalytische Auswirkungen anderer Oberflächenverunreinigungen oder die Atmosphäre diesen Prozeß beeinflussen.
Durch Erhitzen an Luft findet bekanntlich die Zersetzung und Oxidation von Diamanten bei Temperaturen von nur 600-700ºC statt. Kohlenstoff lösende Metalle wie Cobalt können eine Reaktion bereits bei etwa 500ºC katalysieren. Der Graphitisierungsprozeß wird bis auf höhere Temperaturen im Vakuum oder in einer Inertgasatmosphäre verzögert, und in einer Wasserstoffatmosphäre, wo die Umgebung stark reduzierend ist, sind Diamanten äußerst stabil. Hochwertiger Diamant ist bis etwa 2000ºC für lange Zeit stabil.
Es sind verschiedene Verbundkörper mit gebundenen Diamantteilchen bekannt. Die Diamantteilchen können durch eine Matrix aus Metall- und/oder Keramikphasen gebunden sein und durch Sintern von Diamantteilchen in einer Matrix aus solchen Materialien hergestellt werden, oder sie können zum Beispiel durch das Eindringen von Silicium oder Siliciumlegierungen in den Diamantkörper gebunden sein.
Durch Erhitzen eines Körpers aus Diamantpulver in einem Ofen auf hohe Temperaturen während einer längeren Zeit könnte es zu einem geringen Maß an unkontrollierter und unerwünschter Graphitisierung kommen, die auch vom Druck abhängig ist. Bei bisher genannten Verfahren zur Herstellung dicht gesinterter Diamantverbundkörper war dies eine unerwünschte Wirkung, und es wurde verschiedene Wege beschritten, um dies zu vermeiden. Das am meisten praktizierte Verfahren ist die Verwendung hoher Drücke während des Sinterns in Hochdruckkammern mit Drücken von 30.000-60.000 atm (hoher Druck/hohe Temperatur), wobei man in dem Bereich des Phasendiagramms bleibt, wo Diamant bei 1300-1600ºC stabil ist. Siehe zum Beispiel Fig. 4 in dem US-Patent Nr. 4,151,686 bezüglich eines Diamant-Graphit-Phasendiagramms.
Die erforderlichen extrem hohen Drücke werden nur durch speziell hergestellte Pressen und Stanzwerkzeuge erzielt. Die Folge sind hohe Produktionskosten, eine begrenzte Produktionskapazität und begrenzte Formen und Größen der Diamantverbundkörper.
Außerdem gibt es Verfahren zur Herstellung von Diamantkörpern mit niedrigeren Drücken als sie für den Bereich, in dem Diamant stabil ist, notwendig sind, nämlich ab mindestens etwa 500 psi (etwa 34 bar) und darüber; siehe z. B. das Verfahren nach dem US-Patent 4,124,401.
Wenn der Druck in dem Bereich lag, in dem Graphit stabil ist, zum Beispiel bei Verwendung eines Ofens mit einer schützenden Inertgasatmosphäre, wurde die Graphitisierung minimiert durch Verwendung kurzer Zeiten bei hoher Temperatur oder durch Vermindern der Sintertemperatur zur Verfestigung des Körpers. Ein Beispiel für letzteres ist die Verwendung von Metallegierungen von Silicium, die eine bedeutend niedrigere Schmelztemperatur haben als reines Silicium.
Mehrere Patente offenbaren Verfahren zur Herstellung von Diamant, Siliciumcarbid und Silicium enthaltenden Werkstoffen ohne Verwendung hoher Drücke. Es gibt eine Anzahl Variationen des Verfahrens, die hauptsächlich die Verwendung unterschiedlicher "kohlenstoffhaltiger Materialien" betreffen (worunter im folgenden alle nicht-Diamant-Kohlenstoffe wie Ruß, Kohlefasern, Koks, Graphit, pyrolytischer Kohlenstoff etc. verstanden wird). Im Prinzip werden die folgenden Schritte befolgt.
A. Unbeschichtete Diamantteilchen oder, normal erweise, kohlenstoffbeschichtete Diamantteilchen und kohlenstoffhaltige Materialien werden als Vorläufermaterialien verwendet. Gemäß den Beispielen des US-Patents 4,220,455 wird zunächst eine dünne Kohlenstoffschicht (500-1000 Angström = 50-100 nm) durch eine pyrolytische Reaktion auf die Diamanten aufgebracht. Die Pyrolyse erfolgt im Vakuum für ein paar Minuten durch Einleiten von Erdgas oder Methan in einen Ofen mit Diamantteilchen bei 1200ºC. Manchmal werden Diamanten ohne pyrolytische Kohlenstoffschicht verwendet, wie zum Beispiel in dem US- Patent 4,381,271, der EP 0 043 541, der EP 0 056 596 und der JP 6-199571 A. Sowohl kohlenstoffbeschichtete als auch unbeschichtete Diamanten werden mit kohlenstoffhaltigen Materialien als Hauptquelle für Kohlenstoff wie z. B. Ruß, kurze Kohlefasern oder Kohlefasergewebe und einem Bindemittel etc. gemischt, bevor Grünlinge gebildet werden.
B. Die Herstellung der Grünlinge aus der Mischung aus Diamantteilchen und Kohlenstoffmaterial erfolgt in einer Form. Die Grünlinge enthalten zusätzlich Lösemittel und flüchtige oder beständige Bindemittel, um das Formen zu erleichtern und die Festigkeit des Grünlings zu erhöhen.
C. Werkstücke werden hergestellt durch Wärmebehandlung der Grünlinge. Manche Bindemittel verdampfen, ohne Rückstände zu hinterlassen, wie z. B. Paraffin, andere Bindemittel härten aus und hinterlassen dabei einen kohlenstoffhaltigen Rückstand in dem Werkstück, z. B. Phenolformaldehyd- und Epoxidharze.
D. Die Infiltration des porösen Werkstücks mit geschmolzenem Silicium erfolgt zwecks Herstellung von Siliciumcarbid in einer Reaktion zwischen dem Kohlenstoff und dem Silicium. Die Wärmebehandlung wird so vorgenommen, daß die als schädlich angesehene Graphitisierung von Diamant minimiert wird. In den Beispielen des US-Patents 4,220,455 wird Silicium im Vakuum, wenn sich der Körper in einer Form befindet, bei einer Temperatur zwischen 1400 und 1550ºC für 15 Minuten infiltriert, und in dieser Zeit läuft die Reaktion zwischen Silicium und Kohlenstoff ab. Das US-Patent 4,242,106 verwendet während der Infiltration ein Vakuum von 0,01-2,0 Torr (1,33-266 Pa). Die erforderliche Zeit, die weitgehend von der Größe des Körpers abhängt, wird empirisch ermittelt und beträgt etwa 15-20 Minuten bei einer Temperatur über 1400ºC oder 10 Minuten bei 1500ºC. Das US-Patent 4.381,271 verwendet Kohlefasern zur Beschleunigung der Infiltration von flüssigem Silicium durch Kapillarwirkung. Bei den meisten Patenten erfolgt die Infiltration in einer Form. Bei einigen früheren Patenten erfolgt die Infiltration außerhalb der Form, wie in dem EP-Patent 0 043 541.
Die Verfahren, bei denen kohlenstoffbeschichtete oder unbeschichtete Diamanten mit kohlenstoffhaltigen Materialien gemischt werden, könnten Nachteile haben, z. B. Schwierigkeiten bei der Herstellung homogener Mischungen dieser Materialien, Schwierigkeiten bei der Infiltration von Silicium infolge sehr geringer Porengrößen und der Notwendigkeit spezieller Geräte zur Herstellung homogener Mischungen.
In dem Patent RU 2064399 erfolgt die Zugabe von Kohlenstoff durch Pyrolyse erst nach der Formung und Herstellung des Werkstücks. Ein vorgeformtes Werkstück aus Diamantteilchen oder einer Mischung von Diamantteilchen und Carbidkörnchen als Füllstoff wird mit einem flüchtigen Bindemittel hergestellt. Das Bindemittel verdampft, und das Werkstück wird in einen Reaktionsapparat gegeben, wo sich pyrolytischer Kohlenstoff durch eine pyrolytische Reaktion aus einer Gasphase, z. B. Methan, bei 950ºC für 10 Stunden auf allen Körnchen des Körpers absetzt. Danach erfolgt die Infiltration von Silicium. Die Nachteile dieses Verfahrens sind die Verwendung einer großen Menge Kohlenwasserstoffgas, und daß die Verarbeitungszeit recht lang ist. Wenn Carbidkörnchen als Füllstoffe verwendet werden, treten dieselben Homogenisationsprobleme auf wie die oben bereits erwähnten.
Es gibt einige Verfahren zur Verbesserung der nach den bereits beschriebenen Verfahren hergestellten Diamantverbundwerkstoffe. Ein solches Verfahren ist die Anordnung der Diamantteilchen als abgestufte Konzentrations- und Größenstrukturen in dem Werkstoff, wodurch einige Eigenschaften und auch das Anwendungsgebiet beeinflußt werden. Ein Verfahren zur Herstellung eines Werkstoffs mit abgestuften Korngrößen durch Sintern bei hohem Druck und hoher Temperatur ist in dem Patent EP 0 196 777 offenbart. Die Korngröße und/oder Packungsdichte werden schichtweise zwischen der Vorderseite und der Rückseite verändert, um in diesen Teilen eine unterschiedliche Verschleißfestigkeit zu erhalten. Der Nachteil dieses Verfahrens liegt darin, daß aufgrund der verwendeten hohen Drücke und hohen Temperaturen die Herstellung des Werkstoffs teurer ist und spezielle Geräte erfordert, und daß es Einschränkungen hinsichtlich der Größe gibt.
Es gibt auch eine Anzahl von Patenten, die unterschiedliche Diamantmengen in unterschiedlichen Teilen des Verbundkörpers verwenden. Die folgenden Patente US 4,242,106; US 4,247,304; US 4,453,951; EP 0 043 541; EP 0 056 596 beschreiben die Herstellung von Schichtstrukturen eines fertigen Werkstoffs mit einer Diamantverbundschicht, die zum Beispiel mit einem tragenden Substrat aus Siliciumcarbid oder Siliciumcarbid-Silicium in Kontakt steht. Das US-Patent 4,698,070 beschreibt die Herstellung eines Verbundstoffes mit einem diamanthaltigen Abschnitt und einem Kernabschnitt, die durch eine Matrix aus Siliciumcarbid und Silicium verbunden sind. Zusätzliche Teilchenschichten mit einer anderen Diamantkonzentration können ebenfalls vorgesehen und z. B. in Ecken, auf der Oberseite, im Kern angeordnet werden.
Im allgemeinen besteht der Nachteil von geschichteten Werkstoffen mit einer unterschiedlichen Diamantgröße oder -konzentration darin, daß es Unterschiede in den physikalischen/mechanischen Eigenschaften in den diamanthaltigen und tragenden Schichten geben kann, z. B. Unterschiede im Wärmeausdehnungskoeffizienten und im Elastizitätsmodul, was zu unerwünschten Spannungssituationen an der Grenzfläche führen und dadurch den Verbundstoff unter Spannung schwächen könnte. Diamanten haben eine relativ niedrige Zugfestigkeit und geringe Zähigkeit, und ein deutlicher Unterschied im Diamantgehalt in unterschiedlichen, durch eine Zwischenschicht verbundenen Teilen kann außerdem die Bruchfestigkeit von Verbundstoffen beeinflussen. Keines der früher beschriebenen Verfahren führt zu Körpern mit einer bereits vorgegebenen Verteilung von Diamantteilchen unterschiedlicher Größe in dem Gesamtvolumen des Werkstoffs bei sich gleichförmig ändernden Eigenschaften.
Die Verbundstoffe des US-Patents 4,220,455 bestehen aus einer Mischung von Diamantteilchen unterschiedlicher Größe in dem gesamten Körper, d. h. der Verbundstoff hat keine Schichtstrukturen. Die speziell verwendeten Größen werden je nach der gewünschten Packung der Teilchen und des resultierenden Körpers gewählt. Für die meisten Schleifanwendungen werden Teilchen einer Größe von nicht mehr als 60 um bevorzugt. Zur Maximierung der Packung der Teilchen sollten sie vorzugsweise einen Bereich an Größen, d. h. klein, mittel und groß, enthalten.
Keines der oben beschriebenen Verfahren arbeitet gezielt mit einer Graphitisierung. Stattdessen wird die Graphitisierung als schädlich und unerwünscht angesehen.
In dem Patent RU 2036779 wird ein Vorformling aus Diamantpulver ggf. zusammen mit Wasser oder Ethylalkohol geformt, in einen Ofen gegeben und mit flüssigem Silicium bei 1420-1700ºC in Argon oder im Vakuum getränkt. Bei dem Verfahren wird die Oberfläche der Diamantkörnchen minimal graphitisiert, so daß der größere Teil des Diamanten noch unverändert ist. Diese geringe Menge an Graphit reagiert in Kontakt mit eingedrungenem Silicium, so daß eine dünne Oberflächenschicht aus Siliciumcarbid entsteht, die jede weitere Umwandlung von Diamant in Graphit während des verwendeten Verfahrens verhindert. Der Nachteil dieses Verfahrens ist die schlechte Kontrolle, und es gibt keine Möglichkeit zur Regulierung der Menge an entstehendem SiC, restlichem Silicium oder der in dem Verbundstoff noch vorhandenen Porosität.
Diese früheren Patente enthalten also keine Lehre über einen gut kontrollierten Schritt der Zugabe von kohlenstoffhaltigen Materialien zu einem Diamantkörper und keinen Schritt der gezielten Graphitisierung zur Herstellung von Werkstoffen mit der gewünschten Menge an Diamant, Siliciumcarbid und Silicium, mit niedriger Porosität und ohne Graphit.
Im Gegensatz zu diesen früheren Ansätzen ist ein wichtiger Schritt bei dem Verfahren zur Herstellung eines Diamantverbundes gemäß der vorliegenden Erfindung die Verwendung einer wünschenswerten und kontrollierten Graphitisierung, bei der absichtlich eine Schicht einer gewünschten Dicke an der Oberfläche der Diamantteilchen in Graphit umgewandelt wird. Die Graphitisierung ist ein komplexer Prozeß, der nicht nur von der wichtigen Zeit- Temperatur-Kurve des Verfahrens abhängt, sondern auch von der Größe der Diamantteilchen (kleinere Teilchen haben eine größere relative Oberfläche als gröbere Teilchen), von der Art und Güte des Diamanten und von Oberflächenfehlern des Diamanten. Ferner wird auch die Gegenwart katalytischer Verunreinigungen (kohlenstofflösliche Metalle wie Cobalt, Nickel oder Eisen), der Druck, die Gegenwart von Sauerstoff und die Atmosphäre (oxidierende Atmosphäre, z. B. Kohlenmonoxid) einen großen Einfluß haben. Daher ist es wichtig, für ein bestimmtes Ausgangsmaterial, einen bestimmten Ofen und vorgegebene Verfahrensparameter den Grad der Graphitisierung sorgfältig empirisch zu ermitteln. Dieses Wissen liefert dann den Hintergrund für eine entsprechende Zeit-Temperatur-Kurve, um während der Produktion die Graphitisierung auf kontrollierte und sichere Weise zuregulieren.
Bei dem vorliegenden Verfahren ist es möglich, durch Ändern der relativen Menge an Graphit in dem Diamantkörper vor dem Eindringen von geschmolzenem Silicium oder geschmolzener Siliciumlegierung eine gewünschte Phasenzusammensetzung und Mikrostruktur herzustellen und anschließend die Eigenschaften des Werkstoffs zu steuern. Die Graphitschicht auf den Diamantteilchen soll diese gleichmäßig bedecken. Die Mindestmenge an Graphit in solchen Schichten sollte durch die Bildung von Carbid die Entstehung einer starken chemischen Bindung zwischen den Diamantgrenzflächen und der Matrix erlauben. Die Menge an gebildetem Carbid soll außerdem ausreichen, um eine dicht anliegende Schutzschicht zu bilden. Bei Diamantteilchen einer Größe im Mikronbereich oder darüber sollte die Graphitisierung mindestens mehr als 3 Gew.-% betragen und vorzugsweise zwischen 6 und 30 Gew.-% liegen, wie nachfolgend näher erörtert wird.
Bei den meisten im Stand der Technik hergestellten Diamantverbundkörpern wurde versucht, sehr hohe Diamantkonzentrationen zu verwenden, um eine direkte chemische Bindung zwischen den Diamantteilchen herzustellen, d. h. um eine Diamantskelettstruktur zu erhalten. Es wurde angenommen, daß sich dadurch die mechanische Festigkeit und Steifigkeit der Verbundstoffe erhöht. Überraschenderweise haben wir festgestellt, daß eine solche direkte Bindung nicht notwendig ist, um gute mechanische Eigenschaften zu erzielen. Eine direkte Bindung der Diamanten ist kein wichtiger oder notwendiger Faktor bei unseren Diamantverbundstoffen, wenngleich es bei den höchsten Diamantkonzentrationen zu einem gewissen Kontakt von Diamant zu Diamant kommen könnte, doch wird in diesen Fällen die gesamte zugängliche Diamantteilchenoberfläche graphitisiert.
Zur Infiltration und Bindung von Diamantteilchen wurde nicht nur Silicium verwendet. Mehrere Patente beschreiben die Verwendung von Siliciumlegierungen anstelle von reinem Silicium. Das US-Patent 4,124,401 beschreibt ein Heißpreßverfahren, bei dem zur Infiltration eine Eutektikum enthaltende Siliciumlegierung verwendet wird. Das US-Patent 5,266,236 verwendet eine Bor- Silicium-Legierung in einem Hochdruck/Hochtemperatur-Vefahren. Das US- Patent 4,664,705 offenbart ein Verfahren, bei dem eine Siliciumlegierung in einen PCD-Körper eindringt, aus dem das Bindemittel vorzugsweise zuvor ausgewaschen wurde.
Bei dem Verfahren gemäß der vorliegenden Erfindung werden bei Verwendung von reinem Silicium als in einen Diamantkörper infiltrierte Schmelze (wie bekannt ist aus der PCT-Anmeldung Nr. PCT/EP98/04414, eingereicht am 16. Juli 1998) die neben Diamant noch vorhandenen Stoffe Siliciumcarbid und restliches Silicium sein, die die Poren füllen und so zu einem vollkommen dichten Körper rühren. Werkstoffeigenschaften wie Härte, Zähigkeit und Steifigkeit werden durch die Menge, Verteilung und Teilchengröße der verschiedenen Phasen beeinflußt.
Bei Verwendung einer Siliciumlegierung wird jedoch ein komplexerer Werkstoff entstehen, der breitere Möglichkeiten hat zur Herstellung von Werkstoffen mit gewünschten Gesamteigenschaften für unterschiedliche Anwendungen. Neben den oben erwähnten Phasen könnte das Legierungselement entweder Carbide bilden, wobei der nicht-Diamant-Graphit im Anfangsstadium des Verfahrens vorhanden ist, oder ein Metallsilicid bilden. Es werden restliche Siliciumlegierungen verschiedener Zusammensetzung (oder sogar Silicium) vorhanden sein, oder es könnten geringe Mengen an Metallcarbosiliciden entstehen.
Bei Verwendung von Bor als Legierungselement in Silicium wird Borcarbid (B&sub4;C) entstehen, das härter ist als Siliciumcarbid, was zu einem härteren fertigen Körper führt. Aufgrund von Berechnungen der Gibbs-Energie wird vorhergesagt, daß andere starke Carbidbildner wie Ti, Zr, Nb und Ta Metallcarbid und nicht Metallsilicid bilden. Die Gegenwart dieser Carbidteilchen in der Mikrostruktur könnte die Zähigkeit erhöhen und die Hochtemperatureigenschaften nicht verschlechtern. Kinetische Faktoren könnten jedoch zu einer gewissen Silicidbildung führen. Die Gegenwart von Metallsiliciden wird die Zähigkeit bei niedrigen und mittleren Temperaturen erhöhen, doch werden einige Silicide wie jene aus der Eisengruppe zur Verwendung bei hohen Temperaturen über 1000ºC nicht geeignet sein. Andere Silicide wie Molybdändisilicid haben bekanntlich gute Hochtemperatureigenschaften, vor allem an Luft, wo durch anfängliche Oxidation eine Siliciumdioxidschicht entsteht, die vor weiterer Oxidation schützt.
Das Verfahren gemäß der vorliegenden Erfindung ist ein Niederdruckverfahren, das beträchtlich unter den für den Bereich mit stabilem Diamanten erforderlichen Drücken liegt und erlaubt eine kostengünstige Massenproduktion auch von großen und/oder komplexen Körpern. Ein neues Merkmal unseres Herstellungsverfahrens besteht darin, daß es keine speziellen Pressen und Stanzwerkzeuge benötigt. Zum Beispiel müssen wir keine teuren Geräte zum isostatischen Heißpressen bei Gasdrücken bis 2 kbar verwenden. In diesem Fall sind sowohl die Kosten für die Geräte zum isostatischen Heißpressen also auch die laufenden Kosten des Verfahrens sehr hoch, und das Verfahren erfordert eine gasdichte Metall-, Glas- oder sonstige Kapselung zum Übertragen des Drucks auf die zu sinternden Körper, Bei Verwendung derart hoher Gasdrücke und während des Betriebs und der Wartung solcher Geräte müssen strenge Sicherheitsvorkehrungen eingehalten werden.
Zu niedrigeren Kosten stehen Geräte zum Heißpressen zur Verfügung, wo Drücke normalerweise im Bereich von 30 bis 1500 bar während des Sinterns durch Graphitstempel auf den Diamantkörper aufgebracht werden. Die Produktionskapazität ist begrenzt und die Sinterkörper haben höchstwahrscheinlich die Form von Scheiben oder Platten. Komplex geformte Körper für technische Zwecke können nicht ohne weiteres hergestellt werden. Mit der vorliegenden Erfindung werden diese Einschränkungen umgangen.
Unter dem Gesichtspunkt der Produktionskosten sollte der Druck unter ungefähr 50 bar, vorzugsweise unter 30 bar liegen. Bei diesem Druck können sehr viel einfachere Produktionsgeräte verwendet werden, und es können komplexe Formen hergestellt werden.
Die niedrigsten Produktionskosten werden erzielt und Großserienfertigung ist möglich mit Öfen, die mit Umgebungsdruck von Inertgas oder einem leichten Überdruck von weniger als 2 bar arbeiten. Es kann auch mit Vakuum gearbeitet werden. Hohe Produktionskapazität senkt die Kosten drastisch, und die Größen der Bauteile aus Verbundstoff können erhöht werden.
Die Verwendung von Stickstoff als kostengünstiges Inertgas ist im letzteren Fall als Niederdruckgas möglich. Durch Erhöhung des Stickstoffdruckes über 2 bar bei der Schmelztemperatur von Silicium oder Siliciumlegierungen könnte es jedoch zu einer gewaltigen Reaktion zwischen Silicium und Stickstoff kommen, so daß Siliciumnitrid entsteht. Diese Reaktion ist stark exotherm und könnte, sobald sie begonnen hat, unkontrolliert ablaufen, womit die Gefahr erhöhter örtlicher Temperaturen besteht, die die Diamanten und den Verbundstoff zerstören könnten.
Die Hauptaufgabe der vorliegenden Erfindung ist das Verfahren zur Herstellung von Diamantverbundstoffen mit ausgezeichneten Eigenschaften und den dadurch hergestellten superharten Werkstoffen. Das Verfahren sollte leicht durchzuführen sein, sollte schnell und kosteneffektiv sein und Möglichkeiten zur Kontrolle mehrerer Eigenschaften und der Kosten der fertigen Werkstoffe bieten.

ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG

Die Aufgabe der Erfindung wird gelöst durch ein Niederdruckverfahren zur Herstellung eines Diamantverbundes, bei dem die Diamantteilchen durch eine Matrix gebunden sind, die Kombinationen der folgenden Materialphasen umfaßt: Siliciumcarbid; sonstige Carbide wie Metallcarbid oder Borcarbid; Silicium; Metallsilicide, Metallcarbosilicide und/oder Siliciumlegierungen; mit den folgenden Schritten: ein Werkstück wird gebildet, das Werkstück wird erhitzt und die Temperatur und Dauer des Erhitzens werden so gesteuert, daß eine bestimmte, gewünschte Graphitmenge durch Graphitisierung von Diamantteilchen gebildet wird, wodurch ein Zwischenkörper gebildet wird, und man läßt eine Siliciumlegierung in den Zwischenkörper eindringen.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform beträgt die durch Graphitisierung gebildete Graphitmenge 1 bis 50 Gew.-%, vorzugsweise 6 bis 30 Gew.-% der Diamantmenge, und die Erhitzungstemperatur während der Graphitisierung ist niedriger als 1700ºC. Die für die Graphitisierung notwendige Temperatur und Dauer des Erhitzens wird für die jeweils verwendete Heizvorrichtung empirisch ermittelt. Das Werkstück wird mit einer Porosität von 25 bis 60 Vol.-% gebildet.
Bei einer weiteren Ausführungsform wird eine bestimmte Menge an Kohlenstoff dadurch in dem Werkstück abgeschieden, daß es einem gasförmigen Kohlenwasserstoff oder gasförmigen Kohlenwasserstoffen bei einer Temperatur ausgesetzt wird, die die Zersetzungstemperatur des Kohlenwasserstoffs oder der Kohlenwasserstoffe übersteigt. Es kommt zumindest zu einer gewissen Graphitisierung der Diamantkristalle, bevor das Werkstück einem gasförmigen Kohlenwasserstoff oder gasförmigen Kohlenwasserstoffen bei einer Temperatur, die die Zersetzungstemperatur des Kohlenwasserstoffs oder der Kohlenwasserstoffe übersteigt, ausgesetzt wird. Der Zwischenkörper kann vor dem Schritt der Infiltration von flüssiger Siliciumlegierung zu der gewünschten Form und Größe des fertigen Körpers maschinell bearbeitet werden.
Bei einer weiteren Ausführungsform wird der Zwischenkörper zusammen mit Silicium oder Siliciumlegierung erhitzt, das/die dadurch verdampft, und der Körper wird dann vor dem Schritt der Infiltration flüssiger Siliciumlegierung zu der gewünschten Form und Größe des fertigen Körpers maschinell bearbeitet.
Das Eindringen einer Siliciumlegierung in den Zwischenkörper ist dadurch gekennzeichnet, daß die Schmelze eine Siliciumlegierung ist, die mindestens ein Metall aus der aus Ti, Zr, Hf, V, Nb, Ta, Cr, Mo, W, Mn, Re, Fe, Co, Ni, Cu, Ag, Al bestehenden Gruppe oder das Element B oder Ge umfaßt. Wenn von Metallen gesprochen wird, wird Germanium (Ge) als Metall angesehen. Die Wärmebehandlung und die Infiltration des diamanthaltigen Werkstücks werden bei einem Inertgasdruck von weniger als ungefähr 50 bar, vorzugsweise unter 30 bar, durchgeführt, und am kosteneffizientesten bei einem Inertgasdruck unter 2 bar oder im Vakuum. Die Infiltration wird bei Temperaturen durchgeführt, die über der Schmelztemperatur der Schmelze liegen, d. h. bei Temperaturen über 1450ºC für die meisten Siliciumlegierungen bzw. bei Temperaturen über 1100ºC bei Verwendung von Legierungen, die Al, Cu, Ag, Fe, Ni, Co, Mn oder Ge enthalten. Die Infiltrationstemperatur sollte unter 1700ºC, vorzugsweise unter 1600ºC gehalten werden.
Es ist möglich, Siliciumlegierungen mit den genannten Legierungsmetallen oder Bor oder Germanium herzustellen. Ihr Liquiduspunkt ist niedrig, was wichtig ist. Der Graphitisierungsprozess läßt sich besser steuern, und diese Siliciumlegierungen haben einen mäßigen Dampfdruck bei Temperaturen im Bereich von 1200 bis 1700ºC. Schließlich bilden Elemente aus den gewählten Legierungselementen zusätzliche Phasen in dem Werkstoff, was dem Diamantverbundstoff wertvolle Eigenschaften verleiht. Bei diesen Phasen kann es sich um Metallcarbide, Metallsilicide, Metallegierungen mit Silicium oder ternäre Metallcarbosilicide oder um die entsprechenden Phasen von Bor handeln.
Gute Ergebnisse werden erzielt bei Verwendung von Siliciumlegierungen, in denen das Legierungselement in folgender Menge enthalten ist.
- von Ti, Zr oder Hf weniger als 50 Gew.-%, vorzugsweise weniger als 20 Gew.-%;
- von V, Nb oder Ta weniger als 20 Gew.-%, vorzugsweise weniger als 10 Gew.-%;
- von Cr und Re weniger als 45 Gew.-%, vorzugsweise weniger als 20 Gew.-%;
- von Mo und W weniger als 10 Gew.-%, vorzugsweise weniger als 5 Gew.- %;
- von Mn, Fe, Co oder Ni weniger als 60 Gew.-%, vorzugsweise weniger als 20 Gew.-%;
- von Cu und Ag weniger als 30 Gew.-%, vorzugsweise weniger als 15 Gew.-%;
- von Al und Ge weniger als 50 Gew.-%, vorzugsweise weniger als 20 Gew.-%;
- von B weniger als 20 Gew.-%, vorzugsweise weniger als 8 Gew.-%.
Die Infiltration von flüssigen Siliciumlegierungen in den Zwischenkörper wird nach den am besten geeigneten Verfahren durchgerührt, zum Beispiel durch Aufschmelzen der entsprechenden Legierung direkt auf die Oberfläche des Zwischenkörpers oder zum Beispiel durch Tauchen des Zwischenkörpers in die entsprechende Schmelze oder zum Beispiel durch Gießen der entsprechenden Schmelze auf die Oberfläche des Zwischenkörpers. Bei Verwendung von Legierungen wird damit ein einfaches Infiltrationsverfahren in Verbindung mit der niedrigeren Schmelztemperatur von Legierungen verglichen mit einzelnen Substanzen, eine bessere Benetzung der Oberfläche des Zwischenkörpers, eine niedrigere Viskosität und ein leichteres Eindringen in sämtliche Poren des Zwischenkörpers sichergestellt. Infolge der Infiltration wird ein praktisch porenfreier Werkstoff hergestellt, der Diamant, Siliciumcarbid und zusätzliche Phasen enthält, deren Anteil von der Art der in der Legierung verwendeten Metalle bestimmt wird. Solche zusätzlichen Phasen können Metallsilicide (zum Beispiel NiSi&sub2;) und/oder Metallcarbide (zum Beispiel TiC und NbC) und/oder Legierungen von Metallen (zum Beispiel Ag) mit Silicium sein.
Der Gehalt an Metallen (neben Silicium) in dem fertigen dichten Diamantverbundstoff beträgt weniger als 30 Gew.-%, vorzugsweise weniger als 20 Gew.-%. Bei einigen Metallen wird der Gehalt natürlich begrenzt durch die Zusammensetzung der verwendeten Siliciumlegierung und die maximale Porosität des anfänglichen Werkstücks. Somit beträgt bei Metallen aus der Gruppe von V, Nb oder Ta ihr Materialanteil weniger als 10 Gew.-%, vorzugsweise weniger als 5 Gew.-%. Bei Metallen aus der Gruppe von Mo und W beträgt ihr Materialanteil weniger als 5 Gew.-%. Schließlich sollte bei den Metallen Fe, Co und Ni der Materialanteil vorzugsweise weniger als 10 Gew.-% betragen.
Das Werkstück kann mit einer gleichförmigen oder ungleichförmigen Verteilung von Diamantteilchen verschiedener Größe und Güte gebildet werden. Zum Beispiel können die Diamantteilchen in dem Werkstück in nach und nach abnehmender Größe von der Oberfläche des Werkstücks zu dessen Mitte hin verteilt sein. In einer Variante kann das Werkstück aus einer homogenen Mischung von Diamantkristallen verschiedener Größe, ggf. unter Zugabe eines Bindemittels gebildet werden.
Bei noch einer weiteren Ausführungsform werden zwei oder mehr Werkstücke getrennt hergestellt und danach, vor den Schritten der Wärmebehandlung und der Infiltration, zusammengebracht.
Die Herstellung des Werkstücks kann in einer Form erfolgen, wobei die Wärmebehandlung und die Infiltration der Siliciumlegierung erfolgen, nachdem das Werkstück aus der Form herausgenommen worden ist.
Die Herstellung des Werkstücks kann in einer Form erfolgen, wobei die Wärmebehandlung und die Infiltration der Siliciumlegierung erfolgen, wenn sich das Werkstück in einer Form befindet.
Die Erfindung betrifft auch einen Körper, in dem Diamantteilchen an eine Matrix aus Metall-Silicium-Kohlenstoff- oder Bor-Silicium-Kohlenstoff-Phasen gebunden sind, wobei der Körper mindestens 20 Vol.-% Diamantteilchen, mindestens 25 Vol.-% Metall-Silicium-Kohlenstoff- oder Bor-Silicium- Kohlenstoff-Phasen, vorzugsweise mehr als 35 Vol.-% Metall-Silicium- Kohlenstoff- oder Bor-Silicium-Kohlenstoffphasen, umfaßt und der Young- Modul 450 GPa übersteigt.
Bei einer Ausführungsform umfaßt der Körper mindestens 29 Vol.-% Diamantteilchen, mindestens 34 Vol.-% Metall-Silicium-Kohlenstoff- oder Bor- Silicium-Kohlenstoffphasen, wobei der Young-Modul 540 GPa übersteigt.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform umfaßt der Körper mindestens 46 Vol.-% Diamantteilchen mit Größen von höchstens etwa 30 um, wobei der Young-Modul 560 GPa übersteigt.
Bei einer weiteren bevorzugten Ausführungsform umfaßt der Körper mindestens 54 Vol.-% Diamantteilchen, wobei mindestens 60% der Diamantteilchen Größen von mindestens 50 um haben und der Young-Modul 600 GPa übersteigt.
Bei allen diesen Ausführungsformen behält der Körper seine Form und seinen Young-Modul bis zu einer Temperatur von 1500ºC im Vakuum.
Bei einer Ausführungsform sind Diamantteilchen einer Größe von etwa 10 um oder weniger in der Matrix eingebettet und werden von ihr umschlossen, wobei die in dem Bereich zwischen den Diamantteilchen gemessene Vickers-Härte der Matrix bei einer Last von 20 N größer als 30 GPa ist und die Knoop-Härte der Matrix bei einer Last von 20 N größer als 30 GPa ist.
Bei einer weiteren Ausführungsform haben die Diamantteilchen eine Größenfraktion von Teilchen, die größer als 50 um sind, und eine Größenfraktion von Teilchen, die höchstens 50 um groß sind, wobei das Massenverhältnis in den Bereich von 0,25 bis 2,5 fällt und die mittlere Teilchengröße größer als 10 um, vorzugsweise größer als 20 um, ist.
Bei noch einer weiteren Ausführungsform haben die Diamanten eine Größenfraktion von Teilchen, die große Diamantteilchen sind, und eine Größenfraktion, die kleine Diamantteilchen sind, wobei das Massenverhältnis in den Bereich von 0,25 bis 2,5 fällt und die mittlere Teilchengröße größer als 10 um, vorzugsweise größer als 20 um, ist.
In einer Variante der Ausführungsformen ist der Körper hohl.
Bei noch einer weiteren Ausführungsform umfaßt der Körper große Diamantteilchen einer Größe von mehr als 20 um, wobei die Matrix 0 bis 50 Vol.- % kleine Diamantteilchen mit einer Größe von weniger als 20 um; 20 bis 99 Vol.- % Siliciumcarbid; und 1 bis 30 Vol.-% andere Metall-Silicium-Kohlenstoff- oder Bor-Silicium-Kohlenstoff-Phasen umfaßt, und wobei die Matrixhärte 20 bis 63 GPa beträgt.
In einer ersten Variante beträgt die Matrixhärte 20 bis 30 GPa.
In einer zweiten Variante beträgt die Matrixhärte 50 bis 63 GPa.
In einer dritten Variante beträgt die Matrixhärte 30 bis 50 GPa.

KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNG

Die Erfindung wird nun anhand der beigefügten Figuren beschrieben; darin zeigen:
- Fig. 1 die bevorzugten Schritte des Verfahrens gemäß der Erfindung in einem Ablaufdiagramm,
- Fig. 2 den Grad der Graphitisierung über die Graphitisierungszeit bei einer speziellen Temperatur,
- Fig. 3 die Änderung der Porosität des Werkstücks während der Graphitisierung bei unterschiedlichen anfänglichen Porositäten des Werkstücks, und
- Fig. 4a bis 4d rasterelektronenmikroskopische Aufnahmen von vier verschiedenen Proben, die hergestellt wurden durch Infiltration verschiedener Siliciumlegierungen.

BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG

Die Hauptaufgabe der vorliegenden Erfindung ist die Herstellung von Diamantverbundstoffen mit ausgezeichneten Eigenschaften nach einem unkomplizierten Verfahren auf eine schnelle, kosteneffektive und kontrollierbare Weise.
Die Erfindung umfaßt mehrere Prinzipien:
- Das Verfahren arbeitet gezielt mit der Graphitisierung von Diamant, anstatt sie zu vermeiden.
- Gradienten oder Parametervariationen unterschiedlicher Art dienen dazu, sowohl die endgültigen Eigenschaften des Produkts als auch die Herstellungskosten zu kontrollieren.
- Verwendung einer Vorformungs- und Near-Net-Shape-Technik in Kombination mit einer Verstärkung des Zwischenkörpers, um die maschinelle Bearbeitung zu komplizierten Formen des fertigen Körpers zu ermöglichen und teure und schwierige maschinelle Bearbeitungsvorgänge an dem infiltrierten Körper zu vermeiden.
- Ein Niederdruckverfahren, bei dem keine komplizierten Geräte notwendig sind, die bei Verfahren mit höheren Drücken notwendig sind.
- Kostengünstige Produktion großer Körper und großer Produktchargen.
Bei dem Verfahren gemäß der vorliegenden Erfindung können Diamanten jeder Größe verwendet werden. Unter Diamanten einer Größe im Submikron- Bereich sind Diamantteilchen zu verstehen, die kleiner als 1 um sind, und unter kleinen Diamanten sind Diamantteilchen zu verstehen, die kleiner als 20 um und mehr bevorzugt kleiner als 10 um sind. Große Diamanten, > 20 um, werden in mehreren Anwendungen verwendet. Wegen einer hohen mechanischen Festigkeit, vor allem bei technischen Bauteilen, sollte die Größe der Diamantteilchen vorzugsweise kleiner als 20 um sein. Sehr große Diamanten mit einer Größe von mehr als 60 um werden wegen ihrer Eignung zum Schleifen, oft auch in Kombination mit kleinen Diamanten, verwendet.

DAS VERFAHREN; GEZIELTE VERWENDUNG DER GRAPHITISIERUNG VON DIAMANT UND WAHLWEISE IN KOMBINATION MIT DER VERWENDUNG VON PYROKOHLENSTOFF

Der erfindungsgemäße Werkstoff wird hergestellt nach einem Verfahren, das zur Herstellung von Diamantverbundstoffen mit der Graphitisierung von Diamant arbeitet, wahlweise in Kombination mit der pyrolytischen Abscheidung von Kohlenstoff. Dies bedeutet, daß die Erfindung die Graphitisierung von Diamant, d. h. die teilweise Umwandlung von Diamant in Graphit, effizient und auf eine geplante und kontrollierte Weise verwendet.
Fig. 1 beschreibt die bevorzugten Verfahrens schritte in einem Ablaufdiagramm. Die verschiedenen Schritte des erfindungsgemäßen Verfahrens werden im folgenden beschrieben:
Formen eines Grünlings: Erfolgt aus einer Mischung von Diamantteilchen verschiedener Größe zusammen mit einer geringen Menge eines flüchtigen oder beständigen Bindemittels, oder alternativ ohne Verwendung eines Bindemittels. Das Formen erfolgt mit bewährten Verfahren, zum Beispiel durch Pressen, mit Hilfe von Schlicker- und Breigießen, Spritzgießen etc. Wenn zum Formen des Grünlings eine Form verwendet wird, wird der Grünling normalerweise aus der Form herausgenommen.
Herstellung eines Werkstücks: erfolgt durch Verdampfen oder Härten und Zersetzen der vorhandenen Lösungsmittel und/oder Bindemittel in dem Grünling. Wird ein Grünling ohne Bindemittel hergestellt, gilt er als Werkstück. Die endgültige Menge an Bindemittel in dem Werkstück beträgt 5 Gew.-% oder weniger. Zur Bereitstellung einer gleichförmigen und kontrollierbaren Graphitisierung in dem gesamten Werkstückvolumen sollten keine Verunreinigungen aus dem Bindemittel darin vorhanden sein. Diese können den Graphitisierungsprozeß katalysieren oder hemmen. Ein Grund dafür, daß nicht weniger als 95 Gew.-% Diamanten in dem Werkstück enthalten sein sollen, liegt darin, daß eine genaue Kontrolle der Kohlenstoffmenge, die vorhanden sein wird, und wo diese vorhanden sein wird, nur möglich ist in einem Körper ohne Füllstoffe und bei einem Mindestgehalt an Bindemittel.

Wärmebehandlung eines Werkstücks zur Herstellung eines Zwischenkörpers

Das Werkstück mit einem Diamantgehalt von 95 bis 100 Gew.-% der Gesamtmasse wird wärmebehandelt, um einen Zwischenkörper zu erhalten, unter Verwendung einer kontrollierten Diamantgraphitisierung oder wahlweise einer Kombination aus einer kontrollierten Diamantgraphitisierung und der Abscheidung von pyrolytischem Kohlenstoff, der nachfolgend als Pyrokohlenstoff bezeichnet wird. Im Falle der Kombination sollte die Graphitisierung vorzugsweise vor der Abscheidung von Pyrokohlenstoff erfolgen.

Graphitisierung zur Herstellung eines Zwischen körpers

Während der Graphitisierung wird das Werkstück (oder der Zwischenkörper mit abgeschiedenem Pyrokohlenstoff) im Vakuum oder in einer kontrollierten Atmosphäre, vorzugsweise in einem Inertgas, bei 700ºC bis 1900ºC, vorzugsweise bei 1000ºC bis 1700ºC und mit der besten Kontrolle bei 1100 bis 1500ºC wärmebehandelt. Normalerweise ist die Graphitisierung bei Temperaturen unter 1000ºC langsam, kann aber auch bei noch niedrigeren Temperaturen vor sich gehen, was zum Beispiel von den katalytischen Effekten, der Atmosphäre und den verwendeten Geräten abhängt. Bei Temperaturen über 1900ºC ist die Geschwindigkeit der Graphitisierung so hoch, daß sie sich nur schwer mit der erforderlichen Genauigkeit kontrollieren läßt, vor allem bei Verwendung von Diamanten geringer Güte. Wenn mit Vakuumdruck gearbeitet wird, ist er vorzugsweise niedriger als 1 mmHg. Als Inertgas kann Stickstoff, Argon (oder andere Edelgase), Wasserstoff oder Helium verwendet werden, so daß in dem System kein Sauerstoff vorhanden ist. Das Verfahren ist nicht auf die Verwendung spezieller Drücke beschränkt, kann aber in einem weiten Druckbereich verwendet werden. So ist der Inertgasdruck weniger wichtig und wird je nach der Anwendbarkeit des Verfahrens gewählt, z. B. 760 mmHg. Ein niedriger Druck wird aus verschiedenen Gründen bevorzugt, z. B. aus wirtschaftlichen Gründen und aus Gründen der Effizienz.

Pyrolytische Abscheidung von Kohlenstoff in den graphitisierten Zwischenkörper

Während der pyrolytischen Abscheidung von Kohlenstoff in den graphitisierten Zwischenkörper (oder in das Werkstück) wird der Körper einem Gas von Kohlenwasserstoff oder Kohlenwasserstoffen bei einer Temperatur ausgesetzt, die höher ist als die Zersetzungstemperatur für das gerade verwendete Gas bzw. die gerade verwendeten Gase, zum Beispiel Erdgas bei 750ºC bis 950ºC, oder ein Gas, das Acetylen, Methan, Ethan, Propan, Pentan, Hexan, Benzol oder deren Derivate enthält, bei 510ºC bis 1200ºC. Die Abscheidung von Pyrokohlenstoff festigt den Zwischenkörper und erlaubt eine maschinelle Bearbeitung des Zwischenkörpers.
Vorinfiltration des Zwischenkörpers kann erfolgen, um die Festigkeit zu erhöhen und die maschinelle Bearbeitung eines Zwischenkörpers zu erlauben, als Alternative zur Abscheidung von Pyrokohlenstoff. Die teilweise Vorinfiltration wird zum Beispiel erzielt durch Erhitzen des Zwischenkörpers zusammen mit Silicium/Siliciumlegierung, das/die dadurch verdampft, oder durch ein chemisches Aufdampfverfahren (CVD) unter Verwendung organischer Silane wie zum Beispiel die Methylchlorsilan-Familie. Die Festigkeit eines solchen Körpers kann gesteuert werden durch die Menge an Silicium/Siliciumlegierung, die man mit dem Graphit reagieren läßt.
Infiltration von Siliciumlegierungen in den Zwischenkörper bzw. den vorinfiltrierten Körper: erfolgt nach wohlbekannten Verfahren. Die Infiltration kann vorzugsweise außerhalb einer Form erfolgen, zum Beispiel durch Schmelzen einer festen Siliciumlegierung oder durch Aufbringen einer flüssigen Siliciumlegierung auf eine Außenseite eines Zwischenkörpers bzw. eines vorinfiltrierten Körpers, durch Verwendung verschiedener Vakuuminfiltrationsverfahren oder durch Tauchen des Zwischenkörpers bzw. des vorinfiltrierten Körpers in flüssige Siliciumlegierung. Es gibt auch eine Möglichkeit zum teilweisen oder vollständigen Aufbringen der Siliciumlegierung durch Infiltration dampfförmiger Siliciumlegierung oder durch chemische Verfahren, zum Beispiel mit Hilfe von Verfahren ähnlich dem Sol-Gel-Verfahren, durch chemische Dampfabscheidung etc., und anschließend durch Umsetzung bei hoher Temperatur.
Die Infiltration einer Siliciumlegierung in den Zwischenkörper ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Schmelze eine Siliciumlegierung ist, die wenigstens ein Metall aus der aus Ti, Zr, Hf, V, Nb, Ta, Cr, Mo, W, Mn, Re, Fe, Co, Ni, Cu, Ag, Al bestehenden Gruppe oder das Element B oder Ge umfaßt. Wenn von Metallen gesprochen wird, wird Germanium (Ge) nachfolgend als Metall angesehen. Die Wärmebehandlung und Infiltration des diamanthaltigen Werkstücks werden bei einem Inertgasdruck von weniger als 50 bar, vorzugsweise unter 30 bar und am kosteneffizientesten bei einem Inertgasdruck unter 2 bar oder im Vakuum durchgeführt. Die Infiltration wird bei Temperaturen durchgeführt, die höher sind als die Schmelztemperatur der Schmelze, d. h. bei Temperaturen über 1450ºC für die meisten Siliciumlegierungen bzw. bei Temperaturen über 1100ºC bei Verwendung von Legierungen, die Al, Cu, Ag, Fe, Co, Ni, Mn oder Ge enthalten. Die Infiltrationstemperatur sollte unter 1700ºC, vorzugsweise unter 1600ºC gehalten werden.
Es ist möglich, Siliciumlegierungen mit den genannten Legierungsmetallen oder Bor oder Germanium herzustellen und den niedrigeren Liquiduspunkt einiger Legierungen zu nutzen, was ein wichtiger Vorteil ist. Der Graphitisierungsprozess läßt sich besser steuern, und diese Siliciumlegierungen haben einen mäßigen Dampfdruck bei Temperaturen im Bereich von 1100ºC bis 1700ºC. Schließlich bilden Elemente aus den gewählten Legierungselementen zusätzliche Phasen in dem Werkstoff, was dem Diamantverbundstoff wertvolle Eigenschaften verleiht. Bei diesen Phasen kann es sich um Metallcarbide, Metallsilicide, Metallegierungen mit Silicium oder ternären Metallcarbosiliciden oder um die entsprechenden Phasen von Bor handeln.
Gute Ergebnisse werden erzielt bei Verwendung von Siliciumlegierungen, in denen das Legierungselement in folgender Menge enthalten ist:
- von Ti, Zr oder Hf weniger als 50 Gew.-%, vorzugsweise weniger als 20 Gew.-%;
- von V, Nb oder Ta weniger als 20 Gew.-%, vorzugsweise weniger als 10 Gew.-%;
- von Cr und Re weniger als 45 Gew.-%, vorzugsweise weniger als 20 Gew.-%;
- von Mo und W weniger als 10 Gew.-%, vorzugsweise weniger als 5 Gew.- %;
-von Mn, Fe, Co oder Ni weniger als 60 Gew.-%, vorzugsweise weniger als 20 Gew.-%;
- von Cu und Ag weniger als 30 Gew.-%, vorzugsweise weniger als 15 Gew.-%;
- von Al und Ge weniger als 50 Gew.-%, vorzugsweise weniger als 20 Gew.-%;
- von B weniger als 20 Gew.-%, vorzugsweise weniger als 8 Gew.-%.
Die Infiltration flüssiger Siliciumlegierungen in den Zwischenkörper wird nach den am besten geeigneten Verfahren durchgeführt, zum Beispiel durch Aufschmelzen der entsprechenden Legierung direkt auf die Oberfläche des Zwischenkörpers oder zum Beispiel durch Tauchen des Zwischenkörpers in die entsprechende Schmelze oder zum Beispiel durch Gießen der entsprechenden Schmelze auf die Oberfläche des Zwischenkörpers. Bei Verwendung von Legierungen wird damit ein einfaches Infiltrationsverfahren in Verbindung mit der niedrigeren Schmelztemperatur von Legierungen verglichen mit einzelnen Substanzen, eine bessere Benetzung der Oberfläche des Zwischenkörpers, eine niedrigere Viskosität und ein leichteres Eindringen in die Poren des Zwischenkörpers sichergestellt. Infolge der Infiltration wird ein praktisch porenfreier Werkstoff hergestellt, der Diamant, Siliciumcarbid und zusätzliche Phasen enthält, deren Anteil von der Art der in der Legierung verwendeten Metalle bestimmt wird. Solche zusätzlichen Phasen können Metallsilicide (zum Beispiel NiSi&sub2;) und/oder Metallcarbide (zum Beispiel TiC und NbC) und/oder Legierungen von Metallen (zum Beispiel Ag) mit Silicium sein.
Der Gehalt an Metallen (neben Silicium) in dem fertigen dichten Diamantverbundstoff beträgt weniger als 30 Gew.-%, vorzugsweise weniger als 20 Gew.-%. Bei einigen Metallen wird der Gehalt natürlich begrenzt durch die Zusammensetzung der verwendeten Siliciumlegierung und die maximale Porosität des anfänglichen Werkstücks. Somit beträgt bei Metallen aus der Gruppe von V, Nb oder Ta ihr Materialanteil weniger als 10 Gew.-%, vorzugsweise weniger als 5 Gew.-%. Bei Metallen aus der Gruppe von Mo und W beträgt ihr Materialanteil weniger als 5 Gew.-%. Schließlich sollte bei den Metallen Fe, Co und Ni der Materialanteil vorzugsweise weniger als 10 Gew.-% betragen.
Während der Infiltration von Siliciumlegierung kommt es zur chemischen Umsetzung von nicht-Diamant-Kohlenstoff und Silicium, was zur Bildung von Siliciumcarbid führt, und der fertige Körper umfaßt auch noch andere Metall- Silicium-Kohlenstoff- oder Bor-Silicium-Kohlenstoff-Phasen. Diese Metall- Silicium-Kohlenstoff- oder Bor-Silicium-Kohlenstoff-Phasen umfassen Siliciumcarbid, Metallcarbide, Borcarbide, Metallsilicide, Borsilicide, Metallcarbosilicide, Legierungen von Metallen mit Silicium und Silicium. Diese Phasen bilden die Matrix des hergestellten Körpers.
Ein fertiger Körper ist das Produkt einer ggf. durchgeführten zusätzlichen, mechanischen oder sonstigen, Behandlung des infiltrierten Körpers.
Besonderheiten hinsichtlich der Bildung von Kohlenstoff Nicht-Diamant-Kohlenstoff in dem Körper kann somit auf die folgenden verschiedenen Arten erhalten werden:
1. Graphitisierung durch Wärmebehandlung der Diamantteilchen in dem Werkstück zur Umwandlung der Oberflächenschicht von Diamant in Graphit.
2. Wenn zur maschinellen Bearbeitung ein verfestigter Körper benötigt wird, ist die Abscheidung von pyrolytischem Kohlenstoff in den Körper von Nutzen. Der benötigte Anteil an Pyrokohlenstoff in dem gesamten Kohlenstoff richtet sich nach der erforderlichen Festigkeit für die maschinelle Bearbeitung.
3. Während der Wärmebehandlung für die Infiltration der Siliciumlegierung wird eine zusätzliche Graphitisierung vorgenommen.
4. Ggf. Rest an pyrolytischem Kohlenstoff aus Bindemitteln.
Die Ermittlung des Beitrags zur Gesamtmenge an nicht-Diamant-Kohlenstoff erfolgt also durch
a) Feststellen des möglichen Bedarfs an Pyrokohlenstoff;
b) Feststellen des Graphitisierungsgrades während der Wärmebehandlung für die Infiltration von Siliciumlegierung;
c) Feststellen der Menge an restlichem pyrolytischem Kohlenstoff aus Bindemitteln;
d) die primäre Graphitisierung ergibt die benötigte zusätzliche Menge an Kohlenstoff.
Es sei darauf hingewiesen, daß die Verfahrensschritte 1 und 3 zusammengelegt werden, wenn kein Pyrokohlenstoff benötigt wird.
Ein Merkmal dieser Erfindung ist also die Möglichkeit zur Regulierung und Veränderung des Grades der Diamantgraphitisierung durch gleichzeitige Steuerung von Verfahrens- und Materialparametern wie zum Beispiel der Form der Zeit-Temperatur-Kurve, d. h. Temperaturen, Haltezeiten und Erwärmungsgeschwindigkeiten, Größe, Art und Güte der Diamantteilchen und Verunreinigungen in den Diamantteilchen, Atmosphäre und Druck. Die Erwägungen hinsichtlich der Steuerung umfassen z.B.:
1. Die relative Menge an Silicium, Legierungselement und ggf. Siliciden oder alternativ restlichen Poren, Siliciumcarbid, anderen Carbiden der verwendeten Legierungselemente und Diamant in dem fertigen Körper hängt vom Grad der Graphitisierung ab, die folglich unter genauer Steuerung ausgeführt werden muß.
2. Bei kleinen Diamantteilchen und Diamantteilchen im Submikronbereich ist es wichtig, daß die Graphitisierung nicht so weit geht, daß die Teilchen verschwinden. Die Graphitisierung sollte weniger als 50 Gew.-% betragen und vorzugsweise zwischen 6 und 30 Gew.-% liegen.
3. Wenn kleine Diamantteilchen mit großen Teilchen gemischt werden, muß die Größe der kleinen Teilchen sorgfältig gewählt werden, damit die kleinen Teilchen nicht vollständig graphitisiert werden, außer es wird gewünscht, und damit die großen Teilchen hinreichend graphitisiert werden. Die Graphitisierung sollte weniger als 50 Gew.-% betragen und vorzugsweise zwischen 6 und 30 Gew.-% liegen.
4. Bei dem vorherrschenden Verfahren zur Regulierung des Grades der Graphitisierung wird die richtige Form der Temperatur-Zeit-Kurve von etwa 1000ºC bis etwa 1700ºC, im Vakuum oder in Inertgas bei einem Druck von vorzugsweise bis zu 2 bar, in Abhängigkeit von der Größe und Güte der Diamantteilchen gewählt.
5. Bei unterschiedlichen gewünschten Graphitisierungsgraden, die sich für Werkstoffe eignen, die für unterschiedliche technologische Anwendungen bestimmt sind, müssen für diese Kurven unterschiedliche Formen gewählt werden.
6. Durch Wahl der richtigen Wärmebehandlung kann ein fertiger Körper mit einer sehr niedrigen Porosität, ohne Graphit und mit einem ausgewogenen Verhältnis zwischen Diamant, Siliciumcarbid und anderen Carbiden der verwendeten Legierungselemente sowie Metallsilicid, Carbosiliciden des Legierungselements und ggf. Silicium erhalten werden. Wenn der Graphitisierungsgrad niedrig ist, wird der fertige Verbundstoff eine größere Menge an Silicium, ggf. Metallsilicid und Carbosiliciden des Legierungselements enthalten und/oder eine höhere Porosität aufweisen. Je höher der Grad der Graphitisierung, umso mehr Siliciumcarbid und andere Carbide wird der fertige Körper enthalten.
Im allgemeinen bewirkt eine Erhöhung der Temperatur und der Haltezeit auch eine Zunahme der erzeugten Graphitmenge. Die Geschwindigkeit der Bewegung der Graphitisierungsfront von der Oberfläche eines Diamantteilchens in das Diamantteilchen hinein wird auch durch die Kristallrichtung und die Menge der Verunreinigungen und Fehler in dem Werkstoff bestimmt. Wenn alle anderen Bedingungen gleich sind, wird auch die Geschwindigkeit der Ausbreitung der Graphitisierungsfront für große und kleine Diamantteilchen gleich sein. Der Unterschied in der Teilchengröße bestimmt jedoch unterschiedliche Grade der relativen Graphitisierung für große und kleine Teilchen. Der Grad ist für kleine Teilchen bedeutend höher und ist proportional zur spezifischen Fläche des Diamanten. Somit ist es wichtig, optimale Bedingungen der Wärmebehandlung zu wählen, um die Produktion eines Werkstoffs nach dem vorgeschlagenen Verfahren zu steuern, und bei Verwendung kleiner Diamantteilchen ist dies besonders wichtig.
Bei kleinen Teilchen ist es sehr wichtig, die Erwärmungsgeschwindigkeit in dem Temperaturbereich über etwa 1000ºC zu beschleunigen, weil die Graphitisierungsgeschwindigkeit stark von der Temperatur abhängt. Dadurch nimmt die Graphitisierung ab (im Vergleich zu einer langsameren Erwärmung auf dieselben Temperaturen) und der Grad der Graphitisierung übersteigt die gewünschte Grenze nicht (≤ 50 Gew.-%).
Der Prozeß der Graphitisierung ist schwer zu kontrollieren und zu realisieren. Er muß auf die verwendeten Geräte und Werkstoffe eingestellt werden. Einige dieser Parameter müssen empirisch ermittelt werden, um die verwendeten Geräte und Werkstoffe entsprechend anzupassen.
Fig. 2 zeigt den Grad der Graphitisierung, α, über die Graphitisierungszeit, τ, bei einer speziellen Temperatur. Wie daraus hervorgeht, ist die relative Graphitisierung des Teilchens bei kleineren Diamantteilchen (5/3, 10/7 und 14/10 um) schneller als bei größeren Teilchen (28/20 und 63/50).
Einer der Vorteile bei dem Graphitisierungsprozeß der vorliegenden Erfindung ist die Verbesserung der Diamantoberfläche. Im allgemeinen hängen die Kosten für Diamanten mit deren Größe und Güte zusammen. Es ist wohlbekannt, daß die Oberflächenschicht der meisten Diamantteilchen Fehler hat. Fehler und Verunreinigungen auf der Oberfläche werden die mechanische und chemische Beständigkeit herabsetzen. Es sollten keine Oberflächenfehler und -verunreinigungen vorhanden sein, auch wenn man noch keine teuren, hochwertigen Diamanten verwendet. Dies wird erreicht durch gezieltes Umwandeln der Oberflächenschicht des Diamanten in Graphit mittels einer Wärmebehandlung. Die Graphitisierung beginnt an der Oberfläche und wandert allmählich tiefer in das Teilchen hinein. Ferner kann durch die Diamantgraphitisierung nicht nur die Diamantoberfläche verbessert werden, sondern auch die Masseneigenschaften. Wenn der Diamant erhitzt wird, kommt es zu Diffusionsprozessen in dem Diamant. Durch einen solchen Diffusionsprozeß werden metallische und sonstige Verunreinigungen an die Oberfläche des Diamanten gebracht und in das Siliciumcarbid und Silicium oder alternativ in Siliciumcarbid, jedes andere Carbid eines Legierungselements, ggf. Silicid, Legierungselement und Silicium eingebettet. Da die Graphitisierung die fehlerhafte Schicht auf der Diamantoberfläche umwandelt, wird dies zur Verbesserung der Gesamteigenschaften des Teilchens und folglich des gesamten Verbundstoffes führen. Um diese Verbesserungen zu erzielen, sollte die das Diamantteilchen umgebende Graphitschicht mindestens 50 nm dick sein, vorzugsweise dicker als 200 nm. Die Graphitisierung sollte nicht weniger als 1 Gew.-% und vorzugsweise mindestens 6 Gew.-% betragen.
Ein weiteres sehr wichtiges Ergebnis der Diamantgraphitisierung ist die extrem starke Bindung des entstandenen Carbids, das jedes einzelne Diamantteilchen überzieht. Der Diamant wird an die Matrix gebunden, und bei einer anspruchsvollen Anwendung wird er nicht herausgezogen.
Während des gesamten Fertigungsprozesses, der zu einem dichten oder fast dichten Körper ohne Graphit führt, gelten bestimmte Kriterien:
Die Porosität der Werkstoffe besteht aus Poren unterschiedlicher Größe; größeren und kleineren Poren. Die vorgeformten Werkstücke haben einen bestimmten Volumenprozentsatz an Porosität und bestimmte Porengrößen vor der Wärmebehandlung und der Infiltration von Silicium, was bestimmt wird durch die Diamantteilchengröße und die Größenverteilung, durch andere vorhandene oder zugesetzte Materialien und ggf. durch die Verdichtung der Grünlinge.
Der Diamantgehalt nimmt entsprechend der während der Graphitisierung von Diamanten gebildeten Graphitmenge ab. Die Gesamtmenge an nicht-Diamant- Kohlenstoff in dem Körper einschließlich zugesetztem Pyrokohlenstoff oder aus möglichen Bindemittelrückständen muß gesteuert werden, um einen fertigen Körper mit einem optimalen Gehalt an Siliciumcarbid (hergestellt bei der Reaktion zwischen dem nicht-Diamant-Kohlenstoff und dem Silicium) im Verhältnis zu anderen Metall-Silicium-Kohlenstoff- oder Bor-Silicium- Kohlenstoff-Phasen, wie zum Beispiel Carbide des Legierungselements, Silicide der Legierungselemente und ggf. weitere Carbosilicide, zu erhalten.
Die anfängliche Porosität und der Grad der Graphitisierung beeinflussen die Eigenschaften des fertigen Körpers. Bei einer Porosität des Werkstücks von mehr als 60 Vol.-% ist die Festigkeit des Werkstücks nicht ausreichend für die Realisierung der anschließenden Verfahrensschritte. Wenn die Porosität eines Werkstücks kleiner ist als 25 Vol.-%, läßt sich Silicium oder Siliciumlegierung schwer in den Zwischenkörper infiltrieren, und der fertige Körper wird eine signifikante Restporosität haben. Dieselben Probleme treten auf, wenn der Graphitisierungsgrad mehr als 50 Gew.-% beträgt, oder wenn die Menge an abgeschiedenem Pyrokohlenstoff und restlichem Kohlenstoff aus Bindemitteln mehr als 25 Gew.-% beträgt, weil die begrenzenden kleinen Poren nicht groß genug sein werden (wegen der zu dicken Kohlenstoffschichten). In diesen Fällen bildet sich während der Infiltration von Siliciumlegierung eine dichte Schicht aus Siliciumcarbid und anderen Carbiden oder Siliciden des Legierungselements in der Oberflächenzone des Zwischenkörpers, was das Eindringen von flüssiger Siliciumlegierung in die inneren Teile des Zwischenkörpers blockiert.

EINSATZ VON PARAMETERVARIATIONEN UNTERSCHIEDLICHER ART

Parametervariationen können während verschiedener Verarbeitungsschritte auf den Werkstoff angewandt werden, um die endgültigen Eigenschaften des Produkts und die Herstellungskosten zu steuern. Bei der Variation kann es sich um eine sukzessive Änderung eines Parameters, d. h. einen Gradienten handeln. Unterschiedliche Kombinationen von Gradienten und/oder Parametervariationen können auf den gesamten Körper oder auf Teile des Körpers angewandt werden. Die angewandten Parameter sind:
- Diamantteilchengröße
- Diamantgüte
- Diamantbindung und Diamanttyp
- Porosität und Porengrößen
- Menge an Metall-Silicium-Kohlenstoff- oder Bor-Silicium-Kohlenstoff- Phasen und Silicium
Mehrere dieser Parameter hängen voneinander ab. In den nachfolgend angegebenen Beispielen wird die Steuerung der endgültigen Eigenschaften mit Hilfe von Gradienten und Kombinationen derselben veranschaulicht.

Variation der Diamantteilchengröße - Kombination von Diamanten unterschiedlicher Größe

Der erfindungsgemäße Werkstoff kann nicht nur eine, sondern mehrere Größen von Diamantteilchen umfassen. Die Verwendung von Diamanten in mehreren Größen in dem Werkstoff verleiht diesem spezielle Eigenschaften. Große Diamantteilchen verleihen dem Werkstoff gute Schleifeigenschaften (darunter werden Schleif-, Verschleiß-, Schneid- und sonstige mechanische materialabtragende Eigenschaften verstanden). Durch Kombination großer Diamantteilchen mit kleinen in einer homogenen Mischung wird sich im Vergleich zu Werkstoffen ohne kleine Diamanten in der Matrix die Lebensdauer der Werkzeuge infolge einer erhöhten Verschleißbeständigkeit der gebildeten neuen Matrix erhöhen. Kleine Diamantteilchen verstärken den Verbundstoff. Da sie in der gesamten, Metall-Silicium-Kohlenstoff- oder Bor-Silicium-Kohlenstoff- Phasen enthaltenden Matrix verteilt sind, erhöhen kleine Diamantteilchen den Young-Modul, die Wärmeleitfähigkeit, die Härte, die Verschleißbeständigkeit, etc.

Variation der Diamantteilchengröße - Gradient der Diamantgrößen

Der Nachteil der Herstellung von Werkstoffen mit unterschiedlicher Diamantgröße und -konzentration in unterschiedlichen Teilen des Körpers, der vor der Infiltration von Silicium verdichtet wurde, besteht im allgemeinen darin, daß es in den Schichten Unterschiede in den physikalischen/mechanischen Eigenschaften geben kann. Diese Unterschiede könnten zu unerwünschten Spannungssituationen an der Grenzfläche rühren und dadurch den Verbundstoff schwächen.
Durch das Verfahren der vorliegenden Erfindung ist es möglich, einen Werkstoff mit einer vorgegebenen Verteilung von Diamantteilchen einer sich nach und nach ändernden Größe im gesamten Volumen des Körpers, also einen Werkstoff mit abgestuften Teilchengrößen mit sich gleichförmig ändernden Eigenschaften herzustellen, der die obengenannten Nachteile überwindet oder stark herabsetzt.
Eine praktische Art der Herstellung eines Verbundstoffs mit einer abgestuften Anordnung besteht zum Beispiel darin, einen Körper mit drei verschiedenen Teilen in einer Form zu bilden. In dem ersten Teil wird eine Mischung von Teilchen der Größen A, B und C verwendet. Der zweite Teil besteht aus Teilchen der Größen A, C und D. Der dritte Teil besteht wiederum aus Teilchen der Größen A, D und E. Diamantteilchen der Größe A sind am kleinsten. Kleine Diamanten (Größe A) im gesamten Körper erhöhen die Festigkeit der Matrix, d. h. des Materials zwischen den größeren Diamantteilchen. Nach dem Einbringen in die Form werden diese einzelnen Teile geschüttelt und dann schließlich zusammengepreßt. Die Teile werden dann durch die Graphitisierung, Pyrocarbonisierung und während der Infiltration von Siliciumlegierung gebunden, Durch den glatten Übergang in der Teilchengröße im gesamten Volumen des Körpers entsteht ein Material mit abgestuften Teilchengrößen, und die kleinen Diamanten der Größe A werden die Matrix verstärken.
Der Vorteil einer abgestuften Anordnung ist die Möglichkeit zur Verbesserung bestimmter Eigenschaften in Abhängigkeit von der Diamantteilchengröße in gewünschten Teilen in dem Werkstoff, zum Beispiel die Möglichkeit zur Erhöhung der Verschleißbeständigkeit in Bereichen, die Verschleiß ausgesetzt sind. Außerdem ist die Verwendung kleiner Diamanten wirtschaftlicher als nur große Diamanten zu verwenden.

Variationen der Diamantgüte

Diamanten hoher Güte sind im allgemeinen teurer als Diamanten geringerer Güte. Der Begriff Güte wird als etwas verstanden, das sich mit den folgenden Parametern ändert: mechanische und optische Eigenschaften, ob der Diamant gut kristallisiert ist oder nicht, Fehler wie Einschlüsse und Risse (meistens in der Oberfläche), Form, ob die Diamanten synthetisch oder natürlich sind, etc.
Der erfindungsgemäße Werkstoff kann hergestellt werden unter Verwendung billigerer Diamanten geringerer Güte in jenen Teilen des Verbundstoffs, die bei der Anwendung weniger Leistung zeigen müssen. Diamanten guter Qualität werden verwendet, um die Eigenschaften und die Leistung in kritischen Bereichen zu verbessern. Auf diese Weise ist es möglich, die Gesamtkosten für Diamanten zu senken. Darüberhinaus wird durch Graphitisierung die Oberfläche von Diamanten geringerer Oberflächengüte verbessert.

Variationen des Diamanttyps und der Bindung großer Diamanten

Der erfindungsgemäße Werkstoff kann für verschiedene Anwendungsgebiete verwendet werden, von Werkzeugen zum Schleifen, Drehen, Fräsen, zum Beispiel, bis zu Anwendungen, wo das Material, das mit dem Verbundstoff in Kontakt steht, nicht beeinträchtigt werden soll.
Die vorliegende Erfindung erlaubt die Anpassung des Werkstoffs an unterschiedliche Anwendungsgebiete durch Optimieren der Leistung des Verbundstoffs für jedes Gebiet. Aufgrund seiner überlegenen Härte ist Diamant der Bestandteil in dem Verbundstoff, der für den Hauptteil der Arbeitsbemühungen verwendet wird, und daher kann diese Anpassung durch Ändern der Diamantparameter wie Typ, Teilchengröße und Konzentration erfolgen.
Es gibt mehrere Arten von Diamantteilchen: von gut kristallisierten grobstückigen Einkristallen mit scharfen Schneidkanten bis hin zu Arten, die aus unterschiedlichen, übereinanderliegenden Diamantschichten bestehen, z. B. zwiebelförmige, wo jede Schicht Schneidkanten hat. Letztere Art wird manchmal als bröckelig bezeichnet. Diese beiden Arten haben signifikant unterschiedliche Eigenschaften, und zwischen diesen Extremen gibt es eine große Vielzahl von Diamanttypen.
Bei anderen Werkstoffen, zum Beispiel bei Verwendung für Schleifscheiben, hat der gewählte Diamanttyp bekanntlich einen großen Einfluß auf die Eigenschaften der Schleifscheibe. Um die Eigenschaften entsprechend anzupassen, ist es jedoch notwendig, die Bindungskraft der Diamanten an den verwendeten Diamanttyp anzupassen. Bei bekannten Werkstoffen für Schleifscheiben läßt sich eine solch detaillierte Anpassung der für eine optimale Leistung notwendigen Bindung nur schwer erreichen. Im Prinzip werden drei verschiedene Bindungsarten für Schleifscheiben verwendet: Harzbindung, Metallbindung und Glasbindung.
Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren gibt es gute Möglichkeiten zur Anpassung der Bindung größerer Diamanten (> 20 um) und der Eigenschaften der Bindungsmatrix (hier mit kleinen Diamanten). Eine geeignete Härte der Matrix kann gewählt werden durch Verändern der Konzentration kleiner Diamanten einer Größe < 20 um, vorzugsweise < 10 um (0 bis 50 Vol.-%); der Konzentration von Siliciumcarbid (20 bis 99 Vol.-%); und der Konzentration anderer Metall- Silicium-Kohlenstoff- oder Bor-Silicium-Kohlenstoff-Phasen (1 bis 30 Vol.-%) und dadurch auch der Verschleißfestigkeit der Matrix und der anschließenden Bindung der größeren Diamantteilchen.
Es ist möglich, die Härte der Matrix in einem Bereich von etwa 20 bis 63 GPa zu wählen, indem man die Zusammensetzung der Matrix verändert; die Härte von Diamant beträgt etwa 100 GPa, von Siliciumcarbid etwa 25 GPa, von den durch Infiltration von Siliciumlegierungen gebildeten Metallcarbiden etwa 15 bis 25 GPa, von Siliciden etwa 8 bis 13 GPa und von Silicium und Siliciumlegierungen viel weniger als 10 GPa. Durch diese Art der Anpassung wird die Leistung unseres verbesserten Werkstoffs für verschiedene Anwendungen optimiert.
Eine Matrixhärte von 20 bis 30 GPa wird bevorzugt für Diamanttypen, die eine relativ schwache Bindung erfordern; 50 bis 63 GPa für Diamanttypen, die eine starke Bindung benötigen; und eine Härte von 30 bis 50 GPa für Diamanttypen oder Mischungen, die eine mittlere Bindungsstärke benötigen.

Variationen der Porosität und Porengrößen in dem Werkstück - Gradient der Porosität und Porengrößen

Mit dem vorliegenden Verfahren ist es möglich, einen Zwischenkörper mit einem unterschiedlichen Betrag der Porosität und mit verschiedenen Porengrößen in dem gesamten Körper herzustellen. Mit diesem Verfahren ist es möglich, ein Werkstück mit einer Gesamtporosität im Bereich von 25% bis 60% und mit Porengrößen im Bereich der Größen der Diamantteilchen herzustellen.
Die Porenstruktur bestimmt, wie weit es möglich ist, Siliciumlegierung zu infiltrieren, so daß der gesamte nicht-Diamant-Kohlenstoff in dem Zwischenkörper mit der Siliciumlegierung umgesetzt wird. Zu kleine Porengrößen und auch zu wenig Porosität, ungeeignete Verteilung der Porenkanäle, ungeeignete Infiltration und zu schlechte Benetzung, zu hohe Viskosität der Siliciumlegierung etc. können dazu führen, daß die Infiltration blockiert wird, weil entstandenes Siliciumcarbid und jedes andere Carbid der Legierungselemente verhindern, daß geschmolzene Siliciumlegierung weiter durch den gesamten Körper in den Werkstoff eindringt. Besonders enge Poren sind kritisch, weil sie sich leicht zusetzen können, was eine weitere Infiltration blockiert und unterbricht.
Diese Schwierigkeit bei der Infiltration war früher schon eine der Einschränkungen bei der Herstellung dicker und großer infiltrierter Körper, die sich für Zwecke wie technische Details, Konstruktionsteile, lasttragende Vorrichtungen wie Lager etc. eignen.
Indem man Diamantteilchen einer nach und nach abnehmenden Größe von der Oberfläche des Grünlings zur Mitte hin verteilt, erhält man einen Körper mit einem Gradienten der Porengröße. Poren zunehmender Größe von der Mitte des Körpers zur Oberfläche werden die Infiltration erleichtern, indem man Siliciumlegierung in die inneren Teile des Körpers eindringen läßt, weil die Gefahr, daß die Infiltration im Bereich der Oberflächenzone blockiert wird, minimiert ist. Durch diesen Anstieg der Porosität können größere Körper hergestellt werden als zuvor. Außerdem liegt bei dem vorliegenden Verfahren eine kontrollierte Menge Kohlenstoff eng um die Diamantteilchen hemm und nicht zwischen den Diamanten, was bei der Schaffung einer geeigneten Porenstruktur von Vorteil ist.
In der Praxis wird der Gradient der Porengröße ohne weiteres mit dem Gradient der Diamantgröße erzielt und auch durch Verändern der Packungsdichte der Diamanten in dem Grünling, der Diamantfüllung.

Variation der Mengen und der Gradientenstruktur von Metall-Silicium- Kohlenstoff- oder Bor-Silicium-Kohlenstoff-Phasen und Silicium

Bei Verwendung von Siliciumlegierungen für die Infiltration von Zwischenkörpern sowie bei Verwendung von reinem Silicium wird eine Siliciumcarbidmatrix gebildet, die die Diamantteilchen fest bindet. Das in der Legierung vorhandene Legierungselement, d. h. Metalle oder Bor, erlaubt die Bildung neuer Phasen zusammen mit Silicium oder anstelle desselben. Bei diesen Phasen kann es sich also um Metall- oder Borcarbide, Metall- oder Borsilicide, Metallcarbosilicide, eutektische Legierungen von Metallen oder um Metallsilicide mit Silicium handeln. Wenn die Legierungselemente mit dem während der Graphitisierung gebildeten Kohlenstoff reagieren, entstehen Carbide. Silicide entstehen infolge der Wechselwirkung von Bestandteilen der Schmelze.
Das (Die) in der Siliciumschmelze verwendete(n) Legierungselement(e) bestimmt (bestimmen), welche Phasen gebildet werden. Einige Elemente bilden Carbide, andere Silicide. Einige Elemente bilden mit Silicium eutektische Legierungen. Durch Steuern des Anteils von Elementen in der Legierung, kann der Anteil von Carbiden, Siliciden und eutektischen Legierungen in der Zusammensetzung des fertigen Werkstoffs erhöht oder herabgesetzt werden. Die Härte der gebildeten Substanzen nimmt bekanntlich nach folgendem Schema zu: eutektische Legierungen < Silicide < Carbide. Durch Ändern der Zusammensetzung der Siliciumlegierung kann also die Matrixhärte des hergestellten Verbundstoffes und seine Verschleißfestigkeit beeinflußt werden. Die Verwendung von Siliciumlegierungen, die Metalle oder Bor enthalten, führt zur Bildung einer größeren Menge an zusätzlichen Phasen. Das Vorhandensein dieser zusätzlichen Phasen kann oft eine feine Kornstruktur ergeben. Diese größere Anzahl an Grenzflächen ist nützlich zur Verbesserung der mechanischen Eigenschaften des Werkstoffs.
Es ist wohlbekannt, daß die Bruchzähigkeit in einem solchen Fall zunehmen könnte. Durch sorgfältige Steuerung der Menge und der Kombination von Legierungslementen können je nach Verwendungszweck günstige Kombinationen von Härte und Zähigkeit erzielt werden.
Ein Gradient der Diamantteilchengröße/Porengröße führt zu einem Gradienten der Metall-Silicium-Kohlenstoff- oder Bor-Silicium-Kohlenstoff-Phasen in dem fertigen Körper.

VORFORMUNGS- UND NEAR-NET-SHAPE-TECHNEK IN KOMBINATION MIT EINER VERSTÄRKUNG DES ZWISCHENKÖRPERS

Mit diesem Verfahren lassen sich Körper verschiedener vorbestimmter Größen und Formen herstellen. Die hergestellten Körper können groß sein und komplizierte Formen haben, was in diesem Kapitel veranschaulicht wird. Nach früher bekannten Verfahren erfolgt das Formen von Grünlingen von kohlenstoffbeschichteten oder unbeschichteten Diamanten gemischt mit kohlenstoffhaltigen Materialien in einer provisorischen Form oder in derselben Form wie bei der Verdampfung/Zersetzung von Bindemitteln und bei der Infiltration von Silicium. Für dieses Formen könnte eine relative große Menge an Bindemitteln erforderlich sein, vor allem bei Verwendung von großen Diamantteilchen. Der Produktionswirkungsgrad wird herabgesetzt, wenn für jeden Grünling, der in einen Ofen gegeben wird, eine Form erforderlich ist. Der Verbrauch an Formen ist hoch; die Lebensdauer der Form wird durch den hohen Verschleiß bei den Wärmebehandlungsverfahren herabgesetzt. Es könnte auch Probleme beim Herauslösen der Verbundstoffe aus den Formen geben, z. B. werden normalerweise Graphitformen verwendet, und während der Infiltration von flüssigem Silicium kann etwas Silicium mit dem Graphit reagieren und dadurch Probleme beim Herauslösen des Körpers aus der Form verursachen.
Die Vorformungstechnik der vorliegenden Erfindung ist nicht beschränkt auf die Verwendung von Formen, auf die Möglichkeit zur Herstellung von Formen in komplizierten Formen oder auf die Möglichkeit zum Herauslösen und Herausnehmen eines infiltrierten Körpers aus der Form, wie dies bei einigen bekannten Verfahren der Fall ist. Das Formen der erfindungsgemäßen Grünlinge erfolgt nach bekannten Verfahren wie zum Beispiel Pressen in Formen, Folien- und Schlickergießen, Spritzgießen, etc. Bei dem Verfahren der vorliegenden Erfindung ist es jedoch möglich, aber nicht notwendig, während des Formungsschrittes, des Wärmebehandlungsschrittes oder des Infiltrationsschrittes eine Form zu verwenden. Vorzugsweise erfolgen der Wärmebehandlungs- und der Infiltrationsschritt ohne Verwendung einer Form, Bei der Großserienfertigung komplizierter Formen könnte es dennoch von Vorteil sein, während des gesamten Verfahrens Formen zu verwenden.
Während der Graphitisierung wird der Diamant in Graphit einer niedrigeren Dichte umgewandelt und erfordert daher mehr Volumen. Das Verfahren gemäß der vorliegenden Erfindung ist jedoch gekennzeichnet durch eine konstante Form und Größe während sämtlicher Verfahrens schritte von der Bildung des Grünlings/Werkstücks über die anschließenden Schritte bis zu einem Endprodukt (mit Ausnahme der gezielten maschinellen Bearbeitung des Zwischenkörpers). Die Schlußfolgerung sollte also sein, daß die Graphitisierung der Diamantteilchen die Poren beeinflußt, d. h. die Porosität ändert sich in dem Zwischenkörper. Das Verfahren stellt also die Übereinstimmung von Größe und Form während des gesamten Verfahrens sicher. Diese Near-Net-Shape-Technik ermöglicht eine abfallfreie Produktion und erlaubt die Herstellung eines fertigen Körpers vorbestimmter Größe und Form, so daß der fertige Körper mit Ausnahme einer möglichen Endbearbeitung nicht maschinell bearbeitet werden muß.
Fig. 3 veranschaulicht eine lineare Änderung der Porosität des Zwischenkörpers, &epsi;, während der Graphitisierung mit dem Grad der Graphitisierung, α, bei einer unterschiedlichen anfänglichen Porosität des Werkstücks.
Sofern es nicht erwünscht ist, den Zwischenkörper maschinell zu bearbeiten oder zusätzlich zu formen, d. h. wenn es keine speziellen Anforderungen an die Form gibt, sollte der Kohlenstoff vorzugsweise aus dem Graphitisierungsprozess gewonnen werden.
Die Near-Net-Shape-Technik unseres Verfahrens ist in hohem Maße anwendbar. Sollte jedoch zusätzlich zu der Near-Net-Shape-Technik eine maschinelle Bearbeitbarkeit des Zwischenkörpers wünschenswert sein, z. B. wenn der fertige Körper sehr komplizierte Formen erfordert, ist eine Abscheidung von Pyrokohlenstoff oder eine Vorinfiltration von Silicium oder Siliciumlegierung in den Körper von Vorteil. Die Abscheidung hinterläßt einen festen Körper und verleiht dem Zwischenkörper eine ausgezeichnete Festigkeit, selbst ohne Verwendung von Bindemitteln, was bei einem Zwischenkörper, der Diamantteilchen mit nur graphitisierten Oberflächen enthält, nicht der Fall ist. Damit ist es möglich, den Zwischenkörper mit relativ fortgeschrittenen Verfahren wie z. B. Fräsen, Drehen und Bohren maschinell zu bearbeiten, ohne ihn zu brechen. Dies ermöglicht viel komplexere Formen als jene, die man einfach durch Formen des Grünlings/Werkstücks erhält. Außerdem stellt dies auch deshalb eine beachtliche Kostenersparnis dar, weil die maschinelle Bearbeitung des Endprodukts infolge der hohen Härte und der Verschleißfestigkeit zeitraubend und schwierig ist.
Um das beste Verhältnis zwischen der aus dem Graphitisierungs- und Pyrokohlenstoffprozeß gewonnenen Menge an Kohlenstoff zu wählen, muß eine Analyse der erforderlichen zusätzlichen maschinellen Bearbeitung und der gewünschten Eigenschaften vorgenommen werden. Es sind etwa 5 bis 6 Stunden Wärmbebehandlung bei etwa 850ºC erforderlich, um Pyrokohlenstoff in einen Grünling mit Diamanten einer Größe von 20/28 um in einer Menge von 5 Gew.-% der Gesamtmasse bei niedrigem Druck abzuscheiden, während es nur j Minuten bei 1550ºC dauert, um etwa 15 Gew.-% des Diamanten in Graphit umzuwandeln.
Mit diesem erfindungsgemäßen Verfahren zur Verwendung der Diamantgraphitisierung oder zur Kombination der Diamantgraphitisierung mit der Pyrokohlenstoffabscheidung oder der Vorinfiltration von Silicium oder Siliciumlegierung oder der Verwendung von Bindemittel ist es möglich, Körper mit großer Größe und sehr komplizierten Formen herzustellen. Hohle Körper und Körper mit Löchern und Hohlräumen können hergestellt werden durch Zusammenfügen von Werkstückelementen vor der Wärmebehandlung und der Infiltration von Silicium. Zum Beispiel kann eine hohle Kugel hergestellt werden durch Zusammenfügen von zwei hohlen Halbkugeln, ein hohles Sechseck kann hergestellt werden durch Zusammenfügen von sechs Platten, etc. Diese Technik ist sehr vorteilhaft, weil sie teures Diamantmaterial und Gewicht in dem fertigen Körper spart und weil man damit hohle Bauteile für unterschiedliche technische Zwecke herstellen kann, während einem gleichzeitig eine zusätzliche teure und mühsame maschinelle Bearbeitung des fertigen Werkstoffs erspart wird. Es ist auch möglich, Körper mit einem Hohlraum herzustellen, der zu der Form und Größe eines Schaftes mit nichtkreisrundem Querschnitt paßt. Dieser Schaft wird dann in den fertigen Verbundkörper eingesetzt, ggf. zusammen mit einem Kleber, um den Schaft an dem Verbundstoff festzukleben. Außerdem können dicke und große Körper hergestellt werden mit Hilfe von Gradienten der Porengröße, die gemäß obiger Beschreibung die Infiltration der Siliciumlegierung erleichtern.
Bei Herstellung eines Verbundkörpers kann ferner die Pyrokohlenstoffabscheidung als Vorbereitung für die maschinelle Bearbeitung zu solchen Formen verwendet werden, die beim Pressen in der Form nicht möglich gewesen wären, ohne die Form zu brechen, oder z. B. unter Verwendung einer Form, die geteilt werden kann.
Ganz offensichtlich besteht die Möglichkeit zur Herstellung großer Körper durch Aufeinanderstapeln mehrerer Zwischenkörper mit einer Schicht aus Silicium oder Siliciumlegierung dazwischen. Dies könnte zu inhomogenen Mischungen, einer inhomogenen Infiltration, einer Schrumpfung des Körpers und zu Problemen hinsichtlich der Stabilität der Form führen. Unser Verfahren wird daher bevorzugt.
Es ist auch möglich, eine gezielte Graphitisierung und die Zugabe von kohlenstoffhaltigen Materialien von Beginn an zu kombinieren, zum Beispiel durch Zugabe einer größeren Menge an Bindemittel von Anfang an, aber das Verfahren gemäß der vorliegenden Erfindung wird bevorzugt. Es wurden Tests mit dem Mischen von Diamanten zusammen mit kohlenstoffhaltigen Materialien wie Ruß und Kohlefasern und mit Bindemitteln wie Paraffin und Epoxidharzen durchgerührt. Die Ergebnisse aus diesen Tests zeigten, daß die Werkstücke und die Proben nach der Infiltration von Silicium Risse und Brüche hatten und auch Änderungen in der Form zeigten.

VORTEILE BEI DEM VERFAHREN UND DEM WERKSTOFF GEMÄSS DER VORLIEGENDEN ERFINDUNG

Einer der großen Vorteile der vorliegenden Erfindung besteht darin, daß die Verfahrensparameter verändert werden können, um die gewünschte Diamantgraphitisierung in dem Werkstück zu erreichen, um optimale Bedingungen für die Herstellung eines polykristallinen Körpers in vorbestimmten gewünschten Formen und Größen, mit der gewünschten Festigkeit und den gewünschten physikalischen und mechanischen Eigenschaften zu schaffen. Im Vergleich zu Verfahren, wo kohlenstoffbeschichtete oder unbeschichtete Diamanten zur Herstellung von Diamantverbundstoffen mit kohlenstoffhaltigen Materialien gemischt werden, hat das vorgeschlagene Verfahren, das mit Graphitisierung und bei Bedarf mit der Abscheidung von Pyrokohlenstoff oder der Vorinfiltration von Silicium/Siliciumlegierung arbeitet, mehrere Vorteile, wie zum Beispiel:
1. Während der Diamantgraphitisierung wird der Graphit direkt auf der Oberfläche aller Diamantteilchen und während der optionalen Abscheidung von Pyrokohlenstoff direkt aufgraphitisierten Diamanten ausgebildet. Der Kohlenstoff steht daher in engem Kontakt mit der Oberfläche. Durch die Graphitisierung von Diamant mit oder ohne abgeschiedenem Pyrokohlenstoff werden also die verschiedenen Probleme in Verbindung mit der physischen Beimischung von kohlenstoffhaltigen Materialien als Quelle für Kohlenstoff umgangen. Zu diesen Problemen gehört die ungleichmäßige Verteilung von Kohlenstoff, die unvollständige Umsetzung mit Silicium, die Poren verstopfende Klumpen von zugesetzten Teilchen und Inhomogenitäten infolge unterschiedlicher Größe, Form und Dichte der gemischten Materialien.
2. Die Kohlenstoffschicht steht in engem Kontakt mit der Diamantoberfläche durch die Umwandlung von Diamant in Graphit und durch die optionale Abscheidung von Pyrokohlenstoff auf den Körper. Dieser enge Kontakt garantiert die Bildung von Siliciumcarbid und anderen Carbiden von Legierungselementen direkt auf der Oberfläche der Diamantteilchen, so daß eine Diamant-Matrix- Grenzfläche von hoher Haftung entsteht, d. h. die Diamanten sind fest an die Matrix gebunden. Die Eigenschaften werden verbessert infolge der starken Haftung kleiner und großer Diamanten. Die Diamanten werden beim Einsatz in unterschiedlichen Anwendungen nicht so leicht aus der Matrix herausbrechen. Das Material ist äußerst verschleißbeständig.
3. Die Wärmebehandlung des ggf. vorhandenen Bindemittels und die Graphitisierung können mit denselben Geräten durchgeführt werden wie sie für die Infiltration von Silicium bzw. Siliciumlegierung verwendet werden (wenn keine Abscheidung von Pyrokohlenstoff verwendet wird). Diese Verfahrensschritte können also Schritt für Schritt in demselben Ofen ausgeführt werden, was zu einer verringerten Gesamtzeit für die Herstellung des endgültigen Materials führt.
4. Durch die Graphitisierung werden fehlerhafte Schichten auf der Diamantoberfläche umgewandelt, was zur Verbesserung der Teilcheneigenschaften und folglich des gesamten Verbundstoffes beispielsweise hinsichtlich der Wärmebeständigkeit führt.
5. Die Graphitisierung erlaubt eine schnelle und angemessene Bildung von Kohlenstoff im gesamten Volumen des Körpers, wobei die Bildung von Kohlenstoff an der Oberfläche des Diamanten beginnt und sich linear ausbreitet. Es wird nur eine relativ geringe Menge Diamant umgewandelt. Bei der Herstellung sehr dicker und großer Körper ist die Graphitisierung also von Vorteil, weil selbst in tieferen Teilen des Körpers Kohlenstoff gebildet werden kann, ohne daß die Gefahr einer Verstopfung der Poren für die anschließende Infiltration besteht.
6. Infolge der Near-Net-Shape-Techniken und der Möglichkeit zur maschinellen Bearbeitung des Zwischenkörpers mit fortgeschrittenen Verfahren infolge der Abscheidung von Pyrokohlenstoff oder der Vorinfiltration von Silicium/Siliciumlegierung können mit diesem Verfahren viele verschiedene komplizierte Formen hergestellt werden. Form und Größe des fertigen Körpers sind nicht auf bestimmte Formungstechniken begrenzt, was kostenmäßig Vorteile bringt, weil man nicht auf Formungstechniken beschränkt ist, bei denen Formen verwendet werden, und weil man die teure Verwendung einer Form während der Wärmebehandlung und der Infiltration umgehen kann. Ferner gibt es keine Probleme beim Herauslösen der Körper aus der Form.
7. Das Verfahren bringt kostenmäßig signifikante Vorteile aufgrund der Tatsache, daß eine große Anzahl von Körpern in einer Charge hergestellt werden kann, daß das Hauptverfahren zur Herstellung von Kohlenstoff, die Graphitisierung von Diamant, ein schnelles Verfahren ist, bei dem kein Gas erforderlich ist, und daß niedrige Drücke verwendet werden. Wegen der maschinellen Bearbeitbarkeit widerstandsfähiger Zwischenkörper kann eine mühsame und teure maschinelle Bearbeitung des fertigen Körpers vermieden werden. Wenn keine zusätzliche maschinelle Bearbeitung notwendig ist, ist das Verfahren ein "einstufiges Verfahren", wo die Graphitisierung von Diamant während des Temperaturanstiegs vor der Infiltration durchgeführt wird. Es müssen keine Formen verwendet werden, außer in einigen Fällen zum Formen. Durch die Near-Net-Shape-Technik ist gar keine oder sehr wenig Endbearbeitung bzw. maschinelle Bearbeitung des Endprodukts notwendig, was die Kosten weiter senkt. Es können Diamanten zu einem verhältnismäßig niedrigeren Preis verwendet werden.
Der Werkstoff gemäß der vorliegenden Erfindung hat mehrere Vorteile: Die Vielseitigkeit des Verfahrens ist einzigartig. Die Verfahrensparameter können verändert werden, um dem Werkstoff die gewünschten Eigenschaften zu verleihen. Bei diesem Verfahren ist es möglich, nicht nur Werkstoffe mit guter Verschleißbeständigkeit und einer verbesserten Leistung bei Schleif- und Schmirgelvorgängen und sonstigen mechanischen materialabtragenden Vorgängen herzustellen, sondern auch Werkstoffe für bauliche und technische Zwecke, lasttragende Werkstoffe, etc.
Ein Merkmal der Erfindung besteht darin, daß der vorgeschlagene Werkstoff dadurch gekennzeichnet ist, daß unterschiedliche hervorragende Eigenschaften gleichzeitig kombiniert werden können und daß solche Eigenschaften bereitgestellt werden können, die den verschiedenen Anwendungszwecken am besten entsprechen. Kontrollierbare Eigenschaften sind zum Beispiel der Elastizitätsmodul, Härte, Festigkeit, elektrische Leitfähigkeit, Temperaturwechselbeständigkeit, Wärmeleitfähigkeit. Somit kann man folgendes erreichen:
1. einen hohen Young-Modul und genügend Festigkeit in Kombination mit einer niedrigen Dichte;
2. hohe Härte und hohe Haftfestigkeit der Diamanten, was zu einer ausgezeichneten Abriebbeständigkeit und Erosions- und Verschleißbeständigkeit führt;
3. Aufrechterhaltung der mechanischen Eigenschaften nach Kontakt mit Temperaturen bis 1500ºC im Vakuum.
Wenn man kleine und große Diamantteilchen miteinander mischt, werden die Eigenschaften des Werkstoffs durch zwei Dinge beeinflußt; die hohe Haftung zwischen den Diamantteilchen und der Matrix, und die hohe Verschleißbeständigkeit der Matrix infolge der darin verteilten kleinen Diamanten. Große Diamantteilchen werden aus dem Werkstoff herausfallen, wenn die Bindung an die Matrix nicht ausreicht oder wenn die Matrix eine niedrige Verschleißbeständigkeit hat. Kleine Diamantteilchen verstärken die Matrix, so daß sie eine hohe Verschleißbeständigkeit und eine erhöhte Steifigkeit, Festigkeit und Wärmeleitfähigkeit bekommt. Durch all dies werden die Abriebeigenschaften der Werkstoffe (bei verschleißenden, schneidenden und sonstigen mechanischen materialabtragenden Vorgängen) signifikant verbessert: Durch erhöhte Wärmeleitfähigkeit wird die Temperatur im Arbeitsbereich der Diamantteilchen herabgesetzt Eine erhöhte Steifigkeit der fertigen Körper verlängert die Lebensdauer des Verbundwerkzeugs bei Verwendung für eine maschinelle Bearbeitung mit hoher Genauigkeit.

BEISPIELE FÜR DIE REALISIERUNG DES VERFAHRENS UND DIE WERKSTOFFEIGENSCHAFTEN

Die folgenden unterschiedlichen Diamanttypen wurden zur Herstellung von Proben verwendet, die getestet wurden: synthetische Diamantteilchen ACM 5/3 (Größenbereich 3-5 um), synthetische Diamantteilchen ACM 10/7 (Größenbereich 7-10 um), synthetische Diamantteilchen ACM 14/10 (Größenbereich 10-14 um), synthetische Diamantteilchen ACM 28/20 (Größenbereich 20-28 um), synthetische Diamantteilchen ACM 63/50 (Größenbereich 50-63 um), alle vom Superhard Materials Institute, Kiew, Ukraine.

Beispiel A

1. Aus Diamantmikropulver des Typs ACM 28/20 und einem Bindemittel - 25%ige Alkohollösung von Phenolformaldehydharz - in einer Menge von 2 Gew.- % trockenem Harz, bezogen auf die Masse des Diamantpulvers, wird eine Mischung gebildet. Die Mischung wird gründlich gerührt und durch ein Sieb der Maschengröße 200 um gesiebt,
2. Die Herstellung von Stäben einer Länge von 50 mm mit einer rechteckigen Querschnittsfläche von 6 · 5 mm erfolgt unter Verwendung von Metallformen durch Pressen mit einer Kraft von 45 kN bei Raumtemperatur.
3. Die Grünlinge werden aus der Form genommen, bei Raumtemperatur 10 Stunden an Luft aufbewahrt, anschließend 1 Stunde bei 70ºC getrocknet und 1 Stunde bei 150ºC gehärtet. Die hergestellten Werkstücke enthalten 98 Gew.-% Diamant (56 Vol.-%) und haben eine Porosität von 41 Vol.-%.
4. Die Wärmebehandlung der Proben erfolgt im Vakuum (Druck 0,1 mmHg) bei 1550ºC. Probe Nr. 1 wurde 3 Minuten erwärmt, Probe Nr. 2 wurde 10 Minuten erwärmt, Probe Nr. 3 20 Minuten erwärmt und Probe Nr. 4 30 Minuten erwärmt.
5. Die Infiltration erfolgt mit geschmolzenem Silicium auf den Oberflächen der Zwischenkörper bei 1550ºC.
Außerdem wurden die Proben Nr. 5-7 (5 · 6 · 50 mm) aus Diamantpulvern unter Verwendung eines flüchtigen Bindemittels hergestellt. Probe Nr. 5 wird aus Diamantpulver ACM 10/7 hergestellt, Probe Nr. 6 aus einer Mischung der Diamantpulver ACM 63/50 und ACM 14/10 und Probe Nr. 7 aus einer Mischung der Diamantpulver ACM 63/50 und ACM 10/7. Die Werkstücke wurden bei 1550ºC im Vakuum wärmebehandelt und dann mit flüssigem Silicium infiltriert.
Tabelle der Eigenschaften der so hergestellten Proben:
Wie daraus hervorgeht, kann der Elastizitätsmodul über einen weiten Bereich variiert werden. Durch Ändern der kleinen Diamanten ACM 14/10 in Probe Nr. 6 in noch kleinere Diamanten ACM 10/7 in Probe Nr. 7 kann der Elastizitätsmodul sogar noch mehr erhöht werden.

Beispiel B

Probe Nr. 1 wird hergestellt aus Diamantpulver ACM 10/7, Probe Nr. 2 wird hergestellt aus Diamantpulver ACM 14/10, Probe Nr. 3 aus Diamantpulver ACM 28/20 und Probe Nr. 4 aus einer Mischung der Diamantpulver ACM 63/50 und ACM 10/7. Unter Verwendung eines flüchtigen Bindemittels wurden aus den Diamantpulvern Stäbe der Größe 5 · 6 · 50 mm hergestellt. Die Werkstücke wurden bei 1550ºC im Vakuum wärmebehandelt und dann mit flüssigem Silicium infiltriert. Es wurde der Young-Modul gemessen,
Tabelle der Eigenschaften der so hergestellten Proben:

Beispiel C

Probe Nr. 1 wird hergestellt aus Diamantpulver ACM 14/10 und Probe Nr. 2 aus ACM 28/20. Probe Nr. 3 wird hergestellt aus einer Mischung der Diamantpulver ACM 63/50 und ACM 10/7. Probe Nr. 4 wird hergestellt aus einer Mischung der Diamantpulver ACM 63/50 und ACM 28/20. Die Proben wurden als kreisrunde Platten ( = 20 mm, h = 2 mm) hergestellt.
Tabelle der Eigenschaften der so hergestellten Proben:
Die Tabelle zeigt, daß die so hergestellten Platten aus dem Werkstoff eine hinreichende Biegefestigkeit zum Beispiel für Anwendungen als Baumaterial haben.

Beispiel D

Probe 1 wird hergestellt aus Diamantpulver ACM 5/3, und Probe Nr. 2 wird hergestellt aus ACM 10/7. Unter Verwendung eines flüchtigen Bindemittels wurden aus den Diamantpulvern Stäbe der Größe 12 · 12 · 5 mm hergestellt. Die Werkstücke wurden bei 1550ºC im Vakuum wärmebehandelt und dann mit flüssigem Silicium infiltriert. Vor dem Testen wurden die Proben für Härtemessungen mit einem herkömmlichen Verfahren geschliffen und poliert. Dabei erhielt man flache Proben; sie waren aber nicht vollständig poliert, weil das Material extrem hart war.
Die Vickers-Härte eines gewählten Bereichs wurde mit dem Mikrohärteprüfgerät MXT-α1 gemessen. Die Standardformel zur Berechnung der Vickers-Härte lautet: Hν = 0,47P/a² (Gleichung 1), wobei P die Last ist und a die halbe Länge der Eindruckdiagonalen. Die Knoop-Härte eines willkürlichen Bereichs wurde gemessen mit INSTRON 8561 und direkt berechnet mit der Gleichung: Hk = P/S (Gleichung 2), wobei P die Last ist und S die projizierte Fläche. Entsprechend der Konstruktion des Eindruckkörpers nach Knoop beträgt das Verhältnis der langen Diagonalen zur kurzen Diagonalen 7 : 1, Im vorliegenden Fall betrug das Verhältnis der langen Diagonalen zur kurzen Diagonalen in dem Eindruck fast 10 : 1, was darauf hindeutet, daß die Schneidwerkzeuge einen hohen Elastizitätsmodul haben. Tabelle der Vickers-Härte von Schneidwerkzeugen aus Diamant/SiC/Si Tabelle der Knoop-Härte von Schneidwerkzeugen aus Diamant/SiC/Si
Aus den Tabellen geht hervor, daß die Vickers-Härte der Mikrostruktur von dem gemessenen Bereich abhängt. Die Vickers-Härte in dem Bereich zwischen den Diamanten betrug 30-40 GPa, und in dem Diamantteilchenbereich 50-60 GPa, d. h. die Mikrozonen sind sehr hart.
Wie aus der Tabelle zu entnehmen ist, gibt es einige Unterschiede zwischen der Knoop-Härte von Probe 1 und Probe 2, d. h. 37-57 GPa bzw. 57-60 GPa. Die kleineren Diamanten werden schneller graphitisiert, was den relativen Diamantgehalt in Probe 1 mehr reduziert als in Probe 2. Dies zeigt, wie wichtig es ist, die richtige Größe der Diamanten zu wählen. Die sich aus den Messungen der Knoop-Härte ergebende Härte des Werkstoffs ingesamt zeigt, daß die Verbundstoffe zu der Gruppe superharter Werkstoffe (> 40 GPa) gehören. Alle Messungen ließen sich gut wiederholen. Tabelle der normalerweise angegebenen Bereiche der Knoop-Härte für einige Werkstoffe
*) Je nach der Kristallrichtung

Beispiel 1

Mit Hilfe der folgenden Verfahrensschritte wurden Proben aus drei verschiedenen Arten eines Diamantmikropulvers hergestellt; ACM 10/7 wurde für Probe 1 verwendet, ACM 14/10 wurde für Probe 2 verwendet und ACM 63/50 wurde für Probe 3 verwendet:
1. Aus dem Diamantmikropulver und einem Bindemittel - 25%ige Alkohollösung von Phenolformaldehydharz - in einer Menge von 2 Gew.-% trockenem Harz, bezogen auf die Masse des Diamantpulvers, wurde eine Mischung hergestellt. Die Mischung wird gründlich gerührt und durch ein Sieb der Maschengröße 200 um gesiebt.
2. Die Herstellung einer Tablette mit einem Durchmesser von 20 mm und einer Dicke von 2 mm erfolgt unter Verwendung von Metallformen durch Pressen mit einer Kraft von 45 kN bei Raumtemperatur.
3. Der Grünling wird aus der Form genommen, bei Raumtemperatur an Luft 10 Stunden aufbewahrt, anschließend 1 Stunde bei 70ºC getrocknet und 1 Stunde bei 150ºC gehärtet. Das hergestellte Werkstück enthält 98 Gew.-% (51 Vol.-%) Diamant und hat eine Porosität von 48 Vol.-% (Probe Nr. 1), 47 Vol.-% (Probe Nr. 2) und 44 Vol.-% (Probe Nr. 3).
4. Die Wärmebehandlung der Proben erfolgt im Vakuum (Druck 0,1 mmHg = 13,3 Pa) bei 1550ºC. Die Proben wurden 4 Minuten erwärmt, und der Rückgang im Diamantgehalt betrug 21% bei Probe Nr. 1, 24% bei Probe Nr. 2 und 4% bei Probe Nr. 3.
5. Die Infiltration der Zwischenkörper erfolgt mit einer Schmelze, die 94 Gew.-% Si und 6 Gew.-% B enthält, bei einer Temperatur von 1550ºC.
Eigenschaften der hergestellten Proben sind in der Tabelle angegeben.
Fig. 4a zeigt eine Rückstreuungs-REM-Aufnahme einer polierten Oberfläche von Probe 3 (350fache Vergrößerung). Graue Flächen um die Diamantteilchen (dunkel) herum veranschaulichen in der Aufnahme Bereiche, die reich sind an B und höchstwahrscheinlich aus Borcarbid bestehen; weiße Flächen veranschaulichen die SiC-Phase.

Beispiel 2

Beispiel 2 wurde analog zu Beispiel 1 durchgeführt, und man erhielt Proben eines ähnlichen Typs. Der Unterschied in der Ausführung des Verfahrens lag in der Infiltration des Zwischenkörpers mit der Legierung aus 84 Gew.-% Si und 16 Gew.-% Ti bei 1550ºC. Die Eigenschaften der hergestellten Proben sind in der Tabelle angegeben.
Fig. 4b zeigt eine Rückstreuungs-REM-Aufnahme der polierten Oberfläche von Probe 5 (1000fache Vergrößerung). Weiße Flächen sind Ti-reiche Inseln in einer grauen SiC-Matrix, die die dunklen Diamantteilchen umgibt. Der Ort der Ti- reichen Phase, in einem gewissen Abstand von den Diamantteilchen, und die Kostruktur (ähnlich einer eutektischen Struktur) zwischen der SiC-Phase und der Ti-reichen Phase deuten darauf hin, daß es sich bei der Ti-reichen Phase um Titansilicid (TiSi&sub2;) handeln könnte.

Beispiel 3

Beispiel 3 wurde analog zu Beispiel 1-2 durchgeführt. Die Infiltration wurde mit der Legierung aus 77 Gew.-% Si und 23 Gew.-% Cu bei 1450ºC durchgeführt. Die Eigenschaften der hergestellten Proben sind in der Tabelle angegeben.
Fig. 4c zeigt eine Rückstreuungs-REM-Aufnahme der polierten Oberfläche von Probe 8 (250fache Vergrößerung). Reines Cu ist als weiße Flächen um dunkle Diamantteilchen und innerhalb von dunkelgrauem SiC zu sehen. Cu neigt dazu, sich um die Diamantteilchen herum anzusammeln, wahrscheinlich wegen der guten Netzeigenschaften von flüssigem Cu an Diamant.

Beispiel 4

Beispiel 4 wurde analog zu Beispiel 1-2 durchgeführt. Die Infiltration wurde mit der Legierung aus 77 Gew.-% Si und 23 Gew.-% Ni bei 1450ºC durchgeführt. Die Eigenschaften der hergestellten Proben sind in der Tabelle angegeben.
Fig. 4d zeigt eine Rückstreuungs-REM-Aufnahme der polierten Oberfläche von Probe 11 (250fache Vergrößerung). Bei Proben mit einem Nickelgehalt konnte fast dasselbe Phänomen wie oben festgestellt werden. Dunkle Diamantteilchen sind mit einer weißen Ni-reichen Phase bedeckt.

Beispiel 5

Messung der Wärmebeständigkeit und des Elastizitätsmoduls

Drei Proben, Nr. 12-14, wurden aus einer Mischung der Diamantpulver ACM 63/50 (60 Gew.-%) und ACM 14/10 (40 Gew.-%) hergestellt. Aus den Diamantpulvern wurden unter Verwendung eines flüchtigen Bindemittels Stäbe der Größe 5 · 6 · 50 mm hergestellt. Die Werkstücke wurden bei 1550ºC im Vakuum wärmebehandelt und dann mit flüssiger Siliciumlegierung infiltriert. Probe Nr. 12 wurde mit einer Silicium-Bor-Legierung infiltriert, Probe Nr. 13 mit einer Silicium-Titan-Legierung und Probe Nr. 14 mit einer Silicium-Kupfer- Legierung.
Der Young-Modul der so erhaltenen Stäbe wurde gemessen. Die Wärmebeständigkeit von Probe Nr. 12 wurde gemessen durch Messen des Elastizitätsmoduls bei Raumtemperatur nach Erwärmung der Probe im Vakuum auf 1500ºC für die Dauer von 15 Minuten. Außerdem wurde die Form der Probe nach der Wärmebehandlung beobachtet. Die Form der Probe war unverändert, und es gab keine Risse.
Tabelle der Eigenschaften der so hergestellten Proben:
Wie aus diesen obigen Beispielen hervorgeht, können bei Verwendung von Siliciumlegierungen als Infiltrationsmittel Werkstoffe mit einer Modifikation der mechanischen Eigenschaften hergestellt werden im Vergleich zu Werkstoffen, die mit reinem Silicium infiltriert sind.

BEISPIELE FÜR ANWENDUNGSGEBIETE

Der gemäß der vorliegenden Erfindung hergestellte Verbundstoff ist vorteihaft für Anwendungen, wo die Kombination unterschiedlicher überlegener Eigenschaften benötigt wird:
Die genannten Eigenschaften machen den vorgeschlagenen Werkstoff wertvoll für Anwendungen wie zum Beispiel die Herstellung von Feingeräten einschließlich Geräten, die unter raschen Temperaturwechseln arbeiten, verschleißbeständigen Produkten für den Maschinenbau (Düsen für Sandstrahlmaschinen, Produkte für Schlammpumpen) größenstabile Träger für Vorrichtungen, etc. Bei Vorgängen mit Stößen, zum Beispiel beim Fräsen und Drehen von unsymmetrischen Gegenständen, und bei Vorgängen, wo das Verbundwerkzeug Schwingungen ausgesetzt ist, gibt es höhere Anforderungen an den Werkstoff hinsichtlich der Zähigkeit. Bei Stanzvorgängen ist die Härte und die Verschleißbeständigkeit des Werkstoffs wichtig. Ein hoher Elastizitätsmodul sorgt für mechanische Stabilität bei Anwendungen, die eine Genauigkeit der Größe erfordern.
Eine hohe Wärmeleitfähigkeit des Verbundwerkzeugs ist wichtig bei Vorgängen, wo in dem Kontaktbereich sehr viel Reibungswärme entsteht.
Bei Anwendungen, wo der mit dem Verbundstoff in Kontakt stehende Werkstoff unverändert bleiben soll, zum Beispiel bei Verwendung als Lager oder dergleichen, sind Werkstoffe mit abgestufter Korngröße von Nutzen. Der Bereich in der Nähe der Kontaktzone sollte Diamantgrößen haben, die für die höchstmögliche Verschleißbeständigkeit sorgen, wobei die übrigen Korngrößen des Verbundstoffes für die optimalen mechanischen Eigenschaften wie Festigkeit und Zähigkeit sorgen. Ein weiteres interessantes Anwendungsgebiet ist das Sägen und Drehen von Holz und Stein etc., wo eine hohe Abriebfähigkeit mit einer ausreichenden Zähigkeit kombiniert ist.
Noch eine weitere Anwendung sind Richtstifte und -stäbe anstelle von Richtwerkzeugen aus Einkristalldiamant, Diamantnadeln und Werkzeuge zum Zurichten der Form von Schleifscheiben mit komplexen Profilen. Es ist auch möglich, Bohrer herzustellen; Sägekomponenten zur Bearbeitung von Beton, Granit, Marmor; sonstige Baustoffe und Bearbeitungswerkzeuge.
Der gemäß der vorliegenden Erfindung hergestellte Verbundstoff eignet sich auch zur Verwendung als Substrate zum Aufwachsen von Diamantfilmen. Es ist möglich. Diamantfilme für eine Anzahl von Anwendungen bei Verschleißteilen auf Verbundstoffe aufzuwachsen. Die Filmdicke sollte bei den meisten Schleifanwendungen größer sein als 3 um, vorzugsweise größer als 10 um. Solche beschichteten Verbundstoffe sind besonders nützlich bei Schneidwerkzeugen und Lagern, wo polierte Oberflächen mit herkömmlichen Verfahren wie zum Beispiel mit sich drehenden heißen Eisen- oder Stahlscheiben erhalten werden können. Die außergewöhnlich gute Leistung ist auf eine Kombination des Diamantüberzugs und des robusten, verschleißbeständigen Verbundstoffs zurückzuführen. Ein örtlich begrenzter Schleifschaden durch den Diamantüberzug wird zu keiner drastischen oder katastrophalen Veränderung der guten Eigenschaften des Bauteils führen.
Ein weiteres mögliches Anwendungsgebiet des Verbundstoffs ist seine Verwendung als Schleifkörner. Die Schleifkörner des Diamantverbundstoffs werden hergestellt nach dem Verfahren der PCT-Anmeldung Nr. PCT/EP98/05579, eingereicht am 3. September 1998.

SPEZIFIKATIONEN DER VERFAHREN

Die Eigenschaften des beanspruchten Werkstoffs wurden nach den folgenden Verfahren ermittelt.
Die Dichte wurde nach einem hydrostatischen Wägeverfahren ermittelt, das auf der Ermittlung der Masse der Probe an Luft und in Wasser beruht. Die scheinbare Dichte, die ein Verhältnis der Masse des porösen Körpers (m&sub1;) zum Volumen des von ihm eingenommenen Raumes ist, einschließlich des Volumens aller Poren in dem Werkstoff, wird ermittelt anhand der Formel: ρ = m&sub1; · ρH2O/(m² - m&sub3;), m&sub2;: Masse der mit Wasser gesättigten Probe, m&sub3;; Masse der die mit Wasser gesättigte Probe ausgleichenden Gewichte, g, wenn die Probe in Wasser gewogen wird, ρH2O: Dichte von Wasser, kg/m³.
Die Wärmeleitfähigkeit wurde gemessen mit einem Kalorimeter unter Verwendung von Proben mit einem Durchmesser = 15 mm und einer Höhe = 10 mm mit radialen Öffnungen in unterschiedlichen Höhen zum Anbringen von Thermoelementen. Die Wärmeleitfähigkeit wurde berechnet als Verhältnis des Wärmewiderstandes zu einem Abstand zwischen den Thermoelementen. Der Wärmewiderstand wurde ermittelt als Temperaturabfall der Proben bei stationärem Wärmefluß durch die Proben. Die Berechnungen wurden vorgenommen unter Berücksichtigung entsprechender Konstanten der Vorrichtung. Der zuerkannte Meßfehler beträgt ± 10%.
Der biaxiale Biegeversuch ist ein Ring-auf-Ring-Versuch, bei dem die Belastungsvorrichtung im Prinzip aus zwei konzentrischen Ringen besteht. Das Spannungsfeld ist biaxial, wobei die Hauptrichtungen in radialer und tangentialer Richtung verlaufen. Die biaxiale Festigkeit (σbiax) der vier Proben wurde wie folgt berechnet: σbiax = 3P/4πt² [2(l + ν)ln(rs/rl) + (l - ν)(rs2 - rl2)/R²], wobei P die Bruchlast (N) ist, t die Dicke der Probe (mm) ist, v die Poisson-Zahl (0,2) ist, rs der Radius des Tragrings (7 mm) ist, R der Radius der Probe ist, ri der Radius des Lastrings (3,13 mm) ist.
Der Young-Modul wird gemessen in Richtung der Achse einer Probe mit einer Länge von 50 mm und einem Querschnitt von 5 · 6 mm durch Anregen und Aufzeichnen von Resonanzfrequenzen von Längsschwingungen der Probe bei Raumtemperatur. Der Young-Modul wird berechnet nach der Formel: E = (ρ/k&sub4;) · (2l · f&sub4;/4)², wobei E der dynamische Young-Modul, Pa, ist, l die Länge der Probe (0,05 m) ist, k&sub4; der Korrekturfaktor gleich 0,98 ist, ρ die Dichte des Werkstoffs ist, kg/m³, f&sub4; die Resonanzfrequenz ist, Hz, die dem dritten Oberton entspricht (normalerweise 500-600 kHz).
Die Mikrostruktur der hergestellten Werkstoffe wurde in einem Rasterelektronenmikroskop JSM-840 untersucht.

Claims

1. Niederdruckverfahren zur Herstellung eines Diamantverbundes aus Diamantteilchen, das die folgenden Schritte umfaßt: ein Werkstück vorbestimmter Größe und Form wird gebildet, das Werkstück wird erhitzt und die Temperatur und Dauer des Erhitzens werden so gesteuert, daß eine bestimmte, gewünschte Graphitmenge durch Graphitisierung von Diamantteilchen gebildet wird, wodurch ein Zwischenkörper gebildet wird, und man läßt eine Siliciumlegierung in den Zwischenkörper eindringen, wodurch ein fertiger Körper gebildet wird, der in makroskopischer Hinsicht dieselbe vorbestimmte Größe und Form wie das Werkstück aufweist.

2. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem die Verfahrens schritte unter einem Druck von unter 50 bar, vorzugsweise unter 30 bar und besonders bevorzugt unter 2 bar, durchgeführt werden.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, bei dem die durch Graphitisierung gebildete Graphitmenge 1 bis 50 Gew.-%, vorzugsweise 6 bis 30 Gew.-%, der Diamantmenge beträgt.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, bei dem die Erhitzungstemperatur während der Graphitisierung niedriger als 1900ºC, vorzugsweise niedriger als 1700ºC, ist.

5. Verfahren nach Anspruch 4, bei dem die für die Graphitisierung erforderliche Temperatur und Dauer des Erhitzens für die jeweils verwendete Heizvorrichtung empirisch ermittelt wird.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, bei dem das Werkstück mit einer Porosität von 25 bis 60 Vol.-% gebildet wird.

7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, bei dem eine bestimmte Menge an Kohlenstoff dadurch in dem Werkstück abgeschieden wird, daß es einem gasförmigen Kohlenwasserstoff oder gasförmigen Kohlenwasserstoffen bei einer Temperatur ausgesetzt wird, die die Zersetzungstemperatur des Kohlenwasserstoffs oder der Kohlenwasserstoffe übersteigt.

8. Verfahren nach Anspruch 7, bei dem die Diamantkristalle mindestens etwas graphitisiert werden, bevor das Werkstück einem gasförmigen Kohlenwasserstoff oder gasförmigen Kohlenwasserstoffen bei einer Temperatur, die die Zersetzungstemperatur des Kohlenwasserstoffs oder der Kohlenwasserstoffe übersteigt, ausgesetzt wird.

9. Verfahren nach Anspruch 7 oder 8, bei dem der Zwischenkörper durch maschinelle Bearbeitung die gewünschte Form und Größe des fertigen Körpers erhält, bevor der Schritt des Eindringens der flüssigen Siliciumlegierung durchgeführt wird.

10. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, bei dem der Zwischenkörper in Gegenwart dampfförmigen Siliciums oder einer dampfförmigen Siliciumlegierung erhitzt und dann zur gewünschten Form und Größe des fertigen Körpers maschinell bearbeitet wird, bevor der Schritt des Eindringens der flüssigen Siliciumlegierung durchgeführt wird.

11. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 10, bei dem das Werkstück mit einer ungleichförmigen Verteilung von Diamantteilchen unterschiedlicher Größe und Güte gebildet wird.

12. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 10, bei dem das Werkstück aus einer homogenen Mischung von Diamantteilchen unterschiedlicher Größe, gegebenenfalls unter Zugabe eines Bindemittels, gebildet wird.

13. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 10, bei dem die Diamantteilchen in dem Werkstück in nach und nach abnehmender Größe von der Oberfläche des Werkstücks zu dessen Mitte hin verteilt sind.

14. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 13, bei dem zwei oder mehr Werkstücke getrennt voneinander hergestellt werden und danach, vor den Schritten der Wärmebehandlung und der Infiltration, zusammengebracht werden.

15. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8 oder 11 bis 14, bei dem das Werkstück in einer Form hergestellt wird und die Wärmebehandlung und das Eindringen der Siliciumlegierung erfolgen, nachdem das Werkstück aus der Form herausgenommen worden ist.

16. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 15, bei dem man eine Siliciumlegierung in den Zwischenkörper eindringen läßt, die mindestens ein Element aus der aus den Metallen Ti, Zr, Hf, V, Nb, Ta, Cr, Mo, W, Mn, Re, Co, Ni, Cu, Ag, Al und den Elementen B und Ge bestehenden Gruppe umfaßt.

17. Verfahren nach Anspruch 16, bei dem die Siliciumlegierung Ti, Zr und/oder Hf bis zu einer Menge von weniger als 50 Gew.-%, vorzugsweise weniger als 20 Gew.-%, enthält.

18. Verfahren nach Anspruch 16, bei dem die Siliciumlegierung V, Nb und/oder Ta bis zu einer Menge von weniger als 20 Gew.-%, vorzugsweise weniger als 10 Gew.-%, enthält.

19. Verfahren nach Anspruch 16, bei dem die Siliciumlegierung Cr und/oder Re bis zu einer Menge von weniger als 45 Gew.-%, vorzugsweise weniger als 20 Gew.-%, enthält.

20. Verfahren nach Anspruch 16, bei dem die Siliciumlegierung Mo und/oder W bis zu einer Menge von weniger als 10 Gew.-%, vorzugsweise weniger als 5 Gew.-%, enthält.

21. Verfahren nach Anspruch 16, bei dem die Siliciumlegierung Mn, Fe, Co und/oder Ni bis zu einer Menge von weniger als 60 Gew.-%, vorzugsweise weniger als 20 Gew.-%, enthält.

22. Verfahren nach Anspruch 16, bei dem die Siliciumlegierung Cu und/oder Ag bis zu einer Menge von weniger als 30 Gew.-%, vorzugsweise weniger als 15 Gew.-%, enthält.

23. Verfahren nach Anspruch 16, bei dem die Siliciumlegierung Al und/oder Ge bis zu einer Menge von weniger als 50 Gew.-%, vorzugsweise weniger als 20 Gew.-%, enthält.

24. Verfahren nach Anspruch 16, bei dem die Siliciumlegierung B bis zu einer Menge von weniger als 20 Gew.-%, vorzugsweise weniger als 8 Gew.-%, enthält.

25. Nach dem Verfahren gemäß Anspruch 1 hergestellter Körper, in dem Diamantteilchen an eine Matrix aus Metall-Silicium-Kohlenstoff- oder Bor- Silicium-Kohlenstoff-Phasen gebunden sind, wobei der Körper mindestens 20 Vol.-% Diamantteilchen, mindestens 25 Vol.-% Metall-Silicium-Kohlenstoff- oder Bor-Silicium-Kohlenstoff-Phasen, vorzugsweise mehr als 35 Vol.-% Metall- Silicium-Kohlenstoff- oder Bor-Silicium-Kohlenstoff-Phasen, umfaßt und der Young-Modul 450 GPa übersteigt.

26. Körper nach Anspruch 25, umfassend mindestens 29 Vol.-% Diamantteilchen, mindestens 34 Vol.-% Metall-Silicium-Kohlenstoff- oder Bor-Silicium- Kohlenstoff-Phasen, und mit einem Young-Modul von mehr als 540 GPa.

27. Körper nach Anspruch 25, umfassend mindestens 46 Vol.-% Diamantteilchen mit Größen von höchstens etwa 30 um, wobei der Young-Modul 560 GPa übersteigt.

28. Körper nach Anspruch 25, der mindestens 54 Vol.-% Diamantteilchen umfaßt, wobei mindestens 60% der Diamantteilchen Größen von mindestens 50 um haben, und einen Young-Modul von mehr als 600 GPa aufweist.

29. Körper nach Anspruch 25, bei dem die Metall-Silicium-Kohlenstoff- oder Bor-Silicium-Kohlenstoff-Phasen Siliciumcarbid, Metallcarbide, Borcarbide, Metallsilicide, Borsilicide, Metallcarbosilicide, Legierungen von Metallen mit Silicium, und Silicium umfassen.

30. Körper nach Anspruch 25 bis 29, bei dem das Metall mindestens ein Metall aus der aus Ti, Zr, Hf, V, Nb, Ta, Cr, Mo, W, Mn, Re, Co, Ni, Cu, Ag, Al, Ge bestehenden Gruppe ist.

31. Körper nach einem der Ansprüche 25 bis 30, bei dem der Metallgehalt 30 Gew.-% nicht übersteigt und vorzugsweise geringer als 20 Gew.-% ist.

32. Körper nach Anspruch 31, bei dem das Metall aus der aus V, Nb, Ta bestehenden Gruppe ausgewählt und der Metallgehalt geringer als 10 Gew.-% ist.

33. Körper nach Anspruch 31, bei dem das Metall aus der aus Mo, W bestehenden Gruppe ausgewählt und der Metallgehalt geringer als 5 Gew.-% ist.

34. Körper nach einem der Ansprüche 25 bis 33, bei dem der Körper seine Form und seinen Young-Modul beibehält, nachdem er einer Temperatur von 1500ºC im Vakuum ausgesetzt worden ist.

35. Körper nach Anspruch 25, bei dem Diamantteilchen einer Größe von etwa 10 um oder weniger in die Matrix eingebettet sind und von ihr umschlossen werden und bei dem die Vickers-Härte der Matrix, gemessen in einem Bereich zwischen Diamantteilchen, bei einer Last von 20 N größer als 30 GPa ist.

36. Körper nach Anspruch 35, bei dem Diamantteilchen einer Größe von etwa 10 um oder weniger in die Matrix eingebettet sind und von ihr umschlossen werden und bei dem die Knoop-Härte der Matrix bei einer Last von 20 N größer als 30 GPa ist.

37. Körper nach Anspruch 25, bei dem die Diamantteilchen eine Größenfraktion von Teilchen, die größer als 50 um sind, und eine Größenfraktion von Teilchen, die höchstens 50 im groß sind, umfassen, wobei das Massenverhältnis in den Bereich von 0,25 bis 2, 5 fällt und die mittlere Teilchengröße größer als 10 um, vorzugsweise größer als 20 um, ist.

38. Körper nach Anspruch 25, bei dem die Diamantteilchen eine Größenfraktion von großen Diamantteilchen und eine Größenfraktion von kleinen Diamantteilchen umfassen, wobei das Massenverhältnis in den Bereich von 0,25 bis 2,5 fällt und die mittlere Teilchengröße größer als 10 um, vorzugsweise größer als 20 im, ist.

39. Körper nach Anspruch 25, bei dem der Körper hohl ist.

40. Körper nach Anspruch 25, bei dem der Körper große Diamantteilchen einer Größe von mehr als 20 um umfaßt, die Matrix 0 bis 50 Vol.-% kleine Diamantteilchen mit einer Größe von weniger als 20 um; 20 bis 99 Vol.-% Siliciumcarbid; und 1 bis 30 Vol.-% andere Metall-Silicium-Kohlenstoff- oder Bor-Silicium-Kohlenstoff-Phasen aufweist; und wobei die Matrixhärte 20 bis 63 GPa beträgt.

41. Körper nach Anspruch 25, bei dem die Matrixhärte 20 bis 30 GPa beträgt.

42. Körper nach Anspruch 25, bei dem die Matrixhärte 50 bis 63 GPa beträgt.

43. Körper nach Anspruch 25, bei dem die Matrixhärte 30 bis 50 GPa beträgt.