-
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf einen gesinterten
Verbundkörper mit einem Sinterkörperabschnitt, der zumindest
hochdichtes Bornitrid oder Diamant enthält, und mit einer an
den gesinterten Verbundkörper befestigten Metall-Keramik oder
einem Metall. Dieser gesinterte Verbundkörper ist als
Schneidwerkzeug, Ziehmatritze, verschleißfestes Material o.
dgl. verwendbar, konventionellen gesinterten Verbundkörpern
in der Verbindungfestigkeit überlegen und bei seiner
Herstellung einfach zu sintern.
-
Gesinterte Verbundkörper werden aus den beiden folgenden
Gründen hergestellt:
-
(1) Ein Sinterkörperabschnitt ist mit anderen Materialien
nicht hart verlötbar. Deshalb wird ein Substrat mit
dem Sinterkörperabschnitt verbunden, so daß der
resultierende gesinterte Verbundkörper über das Substrat
mit anderen Materialien hart verlötet werden kann.
-
(2) Ein Sinterkörperabschnitt besteht aus einem extrem
harten Material. Deshalb ist der Sinterkörperabschnitt
zwar stabil, aber spröde. Aus diesem Grund wird der
Sinterkörperabschnitt mit Metall-Keramik oder Metall
verkleidet, die jeweils eine größere Zähigkeit als der
Sinterkörperabschnitt aufweisen, um einen gesinterten
Verbundkörper mit insgesamt verbesserter Zähigkeit
herzustellen.
-
Die Struktur der Verbindung des Sinterkörperabschnitts mit
dem Metall-Keramik- bzw. Metallabschnitt (im Folgenden
Substrat genannt) kann bei konventionellen gesinterten
Verbundkörpern in die folgenden drei Gruppen eingeteilt
werden.
-
(1) Eine Struktur, die durch ein Verfahren entsteht, bei dem
ein metallhaltiger Sinterkörperabschnitt einfach auf
einem Substratabschnitt angeordnet wird und das
übereinander angeordnete Material gesintert wird, um das
in dem Sinterkörperabschnitt enthaltene Metall und das
in der Metall-Keramik des Substratabschnitts enthaltene
Metall bzw. das in dem Substratabschnitt enthaltene
Metall ineinander zu lösen.
-
(2) Eine Struktur, die durch ein Verfahren entsteht, bei dem
ein Sinterkörperabschnitt unter Zwischenfügung eines
Metalls oder einer Metall-Keramik auf einem
Substratabschnitt angeordnet wird, wobei das Metall
bzw. die Metall-Keramik zusätzlich zu dem
Sinterkörperabschnitt und dem Substratabschnitt
eingesetzt wird, und bei dem das übereinander
angeordnete Material gesintert wird, um den
Sinterkörperabschnitt über das Metall bzw. die
Metall-Keramik mit dem Substratabschnitt zu verbinden.
-
(3) Eine Struktur, die durch ein Verfahren entsteht, bei dem
ein Sinterkörperabschnitt, der kein Metall enthält, auf
einer Metall-Keramik angeordnet wird und das
übereinander angeordnete Material derart gesintert wird,
daß ein in der Metall-Keramik enthaltenes Metall
aufgrund von Kapillarkräften in Hohlräume zwischen den
Partikeln des hochdichten Bornitrids und/oder Diamants
eindiffundiert, wodurch die Partikel des hochdichten
Bornitrids und/oder Diamants aneinander gebunden werden
und zur gleichen Zeit der Keramik-Metall-Abschnitt mit
dem Sinterkörperabschnitt verbunden wird.
-
Jeder derzeit hergestellte gesinterte Verbundkörper weist im
Prinzip eine Struktur, die mit einem der drei oben
beschriebenen Typen von Strukturen übereinstimmt, eine
Struktur, die eine Modifikation einer der oben beschriebenen
Strukturen ist, oder eine Struktur, die eine Kombination
davon ist, auf.
-
Bei der Herstellung eines gesinterten Verbundkörpers wird aus
den oben beschriebenen drei Typen grundsätzlicher Strukturen
eine Struktur in Abhängigkeit vom Verwendungszweck und den
Verwendungsbedingungen des fertigen gesinterten
Verbundkörpers, den dem Hersteller zur Verfügung stehenden
Herstellungstechniken und Herstellungsgeräten sowie anderen
Bedingungen ausgewählt, da bei den Strukturen als solchen
wahrscheinlich kaum etwas auszuwählen ist. Dennoch gibt es
gemeinsame Probleme aller dieser Strukturen aufgrund der
Verbindung von unterschiedlichen Arten von Material. Diese
sind, daß ein gesinterter Verbundkörper während des Prozesses
von seiner Herstellung bis zu seiner Verwendung einem
Temperaturintervall von Raumtemperatur bis eintausend und
mehreren hundert Grad Celsius ausgesetzt ist, weiterhin die
Herstellung des gesinterten Verbundkörpers durch Sintern, das
Verarbeiten des gesinterten Verbundkörpers durch Hartverlöten
mit einem für zementierte Carbide o. dgl. vorgesehenen
Trägermetall zu einem Endprodukt, wie einem Schneidwerkzeug,
einer Ziehmatritze o. dgl., und die Verwendung des Produkts.
Der Sinterkörper und das Substrat unterscheiden sich aufgrund
der Unterschiede der sie bildenden Materialien voneinander
hinsichtlich des thermischen Ausdehnungskoeffizienten und so
ist der gesinterte Verbundkörper Spannungen zwischen dem
Sinterkörper und dem Substrat ausgesetzt, die bei
verschiedenen Temperaturen durch die Unterschiede bei der
thermischen Ausdehnung hervorgerufen werden. Wenn das
Substrat aus Metall-Keramik besteht, ist es durch Abstimmung
der Größe des keramischen Anteils und des metallischen
Anteils möglich, ein Substrat mit einem thermischen
Ausdehnungskoeffizienten herzustellen, der nahe demjenigen
des Sinterkörperabschnitts liegt. Dennoch ist eine solche
Abstimmung nur für eine genau festgelegte Temperatur möglich,
und es ist unmöglich, die Abstimmung für das gesamte
Temperaturintervall durchzuführen, dem der gesinterte
Verbundkörper ausgesetzt ist, da die Änderungen des
thermischen Ausdehnungskoeffizienten des Sinterkörpers sich
bei Temperaturveränderungen von denjenigen des Substrats
unterscheiden. Wenn ein Substrat aus Metall verwendet wird,
kann der thermische Ausdehnungskoeffizient des Substrats wie
im Fall des Substrats aus Metall-Keramik nur bei einer genau
festgelegten Temperatur auf denjenigen des
Sinterkörperabschnitts abgestimmt werden. Es ist unmöglich,
die Abstimmung für das ganze Temperaturintervall zu bewirken,
dem der gesinterte Verbundkörper ausgesetzt ist.
Darüberhinaus können, selbst wenn die Anforderungen
hinsichtlich des thermischen Ausdehnungskoeffizienten
erreicht werden, andere Anforderungen, wie
Hitzebeständigkeit, Stabilität und Affinität des Substrats
zum Sinterkörperabschnitt innerhalb der Verbindung nicht
hinreichend erfüllt werden.
-
Wie oben beschrieben existieren verschiedene Probleme bei
konventionellen gesinterten Verbundkörpern Vornehmlich
besteht bei allen Schritten von der Herstellung des
Sinterkörpers bis zu dessen Verwendung immer die Gefahr einer
Bildung von Rissen analog zu einem im Folgenden erläuterten
Mechanismus. Diese beruht auf den durch die Unterschiede
zwischen den thermischen Ausdehnungskoeffizienten des
Sinterkörperabschnitts und des Substrats in dem gesinterten
Verbundkörper verursachten thermischen Spannungen, wobei die
Unterschiede auf die Verbindung unterschiedlicher Materialien
zurückgehen.
-
(1) Ein gesinterter Verbundkörper wird durch Sintern
unter festgelegten, konstanten Temperatur- und
Druckbedingungen hergestellt. Nach Abschluß des Sinterns
werden die Temperatur und der Druck auf Raumtemperatur
und Normaldruck zurückgesetzt. Dabei wird der gesinterte
Verbundkörper, der während des Sinterns unter den
festgelegten, konstanten Temperatur- und
Druckbedingungen seine Gleichgewichtsgestalt angenommen
hat, einer extremen Temperatur- und Druckänderung von
eintausend und mehreren hundert Grad Celsius bis zu
Raumtemperatur bzw. von mehreren zehntausend Atmosphären
bis zu Normaldruck in einer sehr kurzen Zeit von einigen
Minuten bis zu mehreren 10 Minuten unterworfen.
Aus diesem Grund ändern sich die Unterschiede zwischen
den thermischen Ausdehnungskoeffizienten des
Sinterkörpers und des Substrats der Temperaturänderung
beim Kühlen entsprechend und deshalb ist die in dem
Sinterkörper verursachte thermische Spannung anders als
diejenige in dem Substrat. Darüberhinaus unterscheidet
sich der Sinterkörper von dem Substrat im
Elastizitätsmodul und entsprechend unterscheidet sich
der Sinterkörper von dem Substrat hinsichtlich der der
Druckveränderung entsprechenden Verformung. Im Ergebnis
wird in dem fertigen gesinterten Verbundkörper eine sehr
komplizierte Spannung hervorgerufen. Demzufolge ist die
Verhinderung einer Rißbildung in dem gesinterten
Verbundkörper aufgrund der darin verursachten Spannungen
ein Problem, das einen hohen technischen Aufwand bei der
Herstellung des gesinterten Verbundkörpers erfordert.
-
(2) Selbst wenn das oben beschriebene Problem gelöst
wurde und ein guter gesinterter Verbundkörper frei von
Rissen hergestellt werden konnte, wird der gesinterte
Verbundkörper in vielen Fällen noch über sein Substrat
mit einem anderen Material hart verlötet, um ein
Endprodukt zu erhalten. Die Löttemperatur hängt von dem
Schmelzpunkt des Lötmittels ab, und das Hartverlöten
wird üblicherweise bei einer Temperatur nicht höher als
800ºC durchgeführt. Dabei erfolgt das Hartverlöten mit
dem anderem Material unter Normaldruck und entsprechend
werden zwar keine Spannungen durch Druckveränderung,
aber natürlich thermische Spannung verursacht, und
weitere Spannungen werden in dem gesinterten
Verbundkörper aufgrund des Unterschieds zwischen den
thermischen Ausdehnungskoeffizienten des gesinterten
Verbundkörpers und des Materials, mit dem der gesinterte
Verbundkörper hartverlötet wird, hervorgerufen. Wenn
z. Bsp. ein gesinterter Verbundkörper mit einem einen
Kohlenstoffgehalt von 0,06 % aufweisenden Stahl
hartverlötet wird, hat der Stahl in dem
Temperaturintervall zwischen 0 und 300 ºC einen
mittleren linearen thermischen Ausdehnungskoeffizienten
von etwa 13 x 10&supmin;&sup6;/ºC , aber eine
Wolframkarbid-Kobalt-Legierung, die eine der
Metall-Keramiken ist, die vorzugsweise als Substrat
verwendet werden, weist in einem weiten Intervall des
Kobaltgehalts von 3 bis zu 20 Gewichts-% einen niedrigen
linearen thermischen Ausdehnungskoeffizienten von
(4-7) x 10&supmin;&sup6;/ºC auf. Darüberhinaus ändert sich der
thermische Ausdehnungskoeffizient des
Sinterkörperabschnitts auch in Abhängigkeit von der Art
und dem Umfang der Materialen die der Grundkomponente
des Sinterkörperabschnitts beim Sintern hinzugefügt
werden. Wenn hochdichtes Bornitrid und/oder Diamant als
Grundkomponente Verwendung finden, weist der thermische
Ausdehnungskoeffizient von hochdichtem Bornitrid einen
sehr niedrigen Wert von 4,8 x 10&supmin;&sup6;/ºC bei 430 ºC auf und
der von Diamant weist gleichfalls niedrige Werte von
1,5 x 10&supmin;&sup6; ºC bei 78 ºC und 3,5 x 10&supmin;&sup6; C bei 400 ºC
auf. Dementsprechend sind die Unterschiede zwischen den
thermischen Ausdehnungskoeffizienten des Sinterkörpers
und des Substrats während der gesamten Ausbildung eines
Schneidwerkzeugs unter Verwendung des
Sinterkörperabschnitts groß und komplizierte
thermische Spannungen werden in dem gesinterten
Verbundkörper verursacht. Deshalb besteht ein hohes
Rißbildungsrisiko in dem gesinterten Verbundkörper.
-
(3) Schneiden ist ein Vorgang, bei dem ein gesinterter
Verbundkörper im Vergleich zu anderen Vorgängen unter
Verwendung des gesinterten Verbundkörpers extremen
Bedingungen ausgesetzt wird. Ein Diamant enthaltender
gesinterter Verbundkörper wird vornehmlich zum Schneiden
von nicht-Eisenmetallen unter geringer Belastung
verwendet und wird nicht so häufig beim Schneiden unter
extremen Bedingungen eingesetzt. Andererseits werden
nahezu alle hochdichtes Bornitrid enthaltenden
gesinterten Verbundkörper zum Schneiden von Eisen, Stahl
oder Eisenlegierungen verwendet und sehr häufig beim
unterbrochenen Schneiden unter hoher Belastung
eingesetzt. Dabei erreicht die Temperatur der
Schneidkante gewöhnlich eine hohe Temperatur von etwa
800 ºC. Entsprechend wird der gesinterte Verbundkörper
sehr extremen Bedingungen ausgesetzt, die durch einen
synergetischen Effekt thermischer Spannungen aufgrund
hoher Temperatur, Aufsatzbelastung und Vibrationen
hervorgerufen werden, und sehr häufig entstehen Risse.
-
Die Art der Spannungen, die in einem gesinterten
Verbundkörper im wesentlichen aufgrund hoher Temperaturen
während der drei oben beschriebenen Vorgänge von seiner
Herstellungsweise bis zu seinem Einsatz verursacht werden,
stimmen nicht überein und es ist schwierig, die aufgrund
dieser drei Prozesse auftretenden Probleme mit derselben
einfachen Methode zu lösen. Dennoch sind thermische
Spannungen, die durch die Verbindung von verschiedenen
Materialien zu einem monolithischen gesinterten Verbundkörper
hervorgerufen werden, ein gemeinsames Problem, das in allen
drei Prozessen auftritt.
-
Um dieses Problem zu lösen, wurde in Erwägung gezogen, einen
gesinterten Verbundkörper herzustellen, der aus einem
Sinterkörper und einem Substrat besteht, wobei beide Teile
denselben thermischen Ausdehnungskoeffizienten in dem
gesamten Temperaturintervall aufweisen. Es ist jedoch
unmöglich, einen solchen vorangehend beschriebenen,
gesinterten Verbundkörper herzustellen. Weiterhin wurde
überlegt, daß das oben beschriebene Problem durch die
Herstellung eines Sinterkörpers und eines Substrats, die
beide eine Festigkeit aufweisen, die hinreichend größer ist
als die in ihrem Inneren entwickelten thermischen Spannungen,
gelöst werden könnte. Obwohl es möglich sein mag, einen
Sinterkörper und ein Substrat herzustellen, die beide eine
Festigkeit aufweisen, die bei Raumtemperatur hinreichend
größer ist als die in ihrem Inneren entwickelten thermischen
Spannungen, ist es grundsätzlich unmöglich, einen
Sinterkörper und ein Substrat herzustellen, die beide eine
Festigkeit aufweisen, die in einem Bereich hoher Temperatur,
welche die Festigkeit des Sinterkörpers und des Substrats
herabsetzt, hinreichend größer ist als die in ihrem Inneren
entwickelten thermischen Spannungen. Demnach ist es
unmöglich, in einem gesinterten Verbundkörper bei sämtlichen
Vorgängen von seiner Herstellung bis zu seiner Verwendung die
Bildung von Rissen zu verhindern.
-
Als letztes Mittel ist ein Verfahren in Betracht zu ziehen,
bei dem ein sich sowohl von dem Sinterkörper als auch von dem
Substrat unterscheidendes Material zwischen diesen beiden
angeordnet wird, um den Sinterkörper mit dem Substrat zu
verbinden und die thermischen Spannungen und verschiedene
andere Spannungen abzubauen. Dieses Verfahren entspricht dem
Verfahren (2) der oben beschriebenen drei Arten von Verfahren
zum Verbinden eines Sinterkörpers mit einem Substrat. Dennoch
verbleiben, wenn das sich unterscheidende Material (im
Folgenden Zwischenlage genannt), das zwischen dem
Sinterkörper und dem Substrat angeordnet wird, eine
Metall-Keramik oder ein Metall ist, die nachstehenden
Probleme. Von der Zwischenlage werden zunächst die folgenden
Eigenschaften gefordert.
-
(1) Die Zwischenlage weist eine Affinität sowohl
zu dem Sinterkörper als auch zu dem Substrat auf.
-
(2) Die Zwischenlage weist einen thermischen
Ausdehnungskoeffizienten ähnlich demjenigen
des Sinterkörpers und des Substrats auf.
-
(3) Die Zwischenlage weist eine hohe Festigkeit
über einem großen Temperaturintervall auf.
-
(4) Die Zwischenlage weist eine große Zähigkeit und
eine große Beständigkeit gegenüber plötzlichen
und sich wiederholenden Spannungen auf.
-
Es ist sehr schwierig, eine Zwischenlage herzustellen, die
sämtliche der oben beschriebenen Anforderungen erfüllt.
Insbesondere ist es sehr schwierig eine Zwischenlage
herzustellen, die die Anforderung (4) erfüllt. Bei einem
konventionellen gesinterten Verbundkörper löste sich unter
extremen Schneidbedingungen der Sinterkörper bislang sehr
häufig am Ort der Zwischenlage oder in deren Nähe von dem
Substrat ab.
-
Mit der Absicht die oben beschriebenen Probleme zu lösen,
haben die Erfinder über einen langen Zeitraum hinweg
verschiedene theoretische und experimentelle Untersuchungen
hinsichtlich der Mittel und Strukturen für die Verbindung des
Sinterkörpers mit dem Substrat durchgeführt und die
vorliegende Erfindung erreicht.
-
Die theoretische Grundlage der vorliegenden Erfindung wird im
Folgenden erläutert.
-
Wie oben beschrieben unterscheiden sich der Sinterkörper und
das Substrat in ihrer Aufgabe erheblich voneinander. Deshalb
ist es wünschenswert den Sinterkörper und das Substrat aus
unterschiedlichen Materialien herzustellen, von denen das
einzelne eine Eigenschaft aufweist, welche die Aufgabe des
Sinterkörpers bzw. des Substrats löst. Weiterhin ist es
notwendig, daß beide Materialien miteinander verbunden werden
können und daß die Verbindung der beiden Materialien den oben
beschriebenen sehr extremen Bedingungen standhält. Es ist
sehr schwierig zwei Materialien, die jeweils unterschiedliche
Eigenschaften und Aufgaben aufweisen, durch ihre eigene
Bindungsfähigkeit unter sehr extremen Bedingungen zu
verbinden, ohne Spannungen zu verursachen, und daher wurden
bislang keine gesinterten Verbundkörper, die keine Nachteile
aufwiesen, erhalten. Wenn ein Sinterkörper mit einem Substrat
durch eine Zwischenlage verbunden wird, die als Verbindung
des Sinterkörpers mit dem Substrat wirkt, ist es nicht
notwendig, einen Sinterkörper und ein Substrat zu verwenden,
die als solche eine gegenseitige Verbindungsmöglichkeit
aufweisen, deshalb scheint es so, als daß verbesserte
gesinterte Verbundkörper erhalten werden können. Allerdings
wurde bislang noch kein hervorragendes Material aufgefunden,
das geeignet ist, als Zwischenlage verwendet zu werden, und
das die oben beschriebenen Anforderungen erfüllt. Daher war
es schwierig, einen gesinterten Verbundkörper mit
hervorragenden Eigenschaften durch Verbinden eines
Sinterkörpers mit einem Substrat durch eine dazwischen
angeordnete Zwischenschicht herzustellen. Andererseits ist,
wenn ein hervorragendes Material zur Verwendung als
Zwischenschicht herausgefunden werden kann, ein gesinterter
Verbundkörper mit der allerbesten Verbindungsstruktur wie
oben beschrieben durch Zwischenordnung einer Zwischenlage
zwischen dem Sinterkörper und dem Substrat herstellbar.
Dementsprechend ist bei der vorliegenden Erfindung der
gesinterte Verbundkörper auf einen gesinterten Verbundkörper
mit einer Struktur beschränkt, bei der eine Zwischenschicht
zwischen einem Sinterkörper und einem Substrat angeordnet
ist, und es wurden Nachforschungen hinsichtlich der Affinität
und der Festigkeit der Verbindung bei verschiedenen als
Zwischenschicht zu verwendenden Materialien, hinsichtlich von
zwei bei dem Sinterkörper und dem Substrat zu verwendenden
Materialien und weiterhin unter Berücksichtigung der
Zähigkeit der verschiedenen, als Zwischenschicht zu
verwendenden Materialien gegenüber verschiedenen Spannungen
und der Hitzebeständigkeit während der Vorgänge von der
Produktion des gesinterten Verbundkörpers bis zu dessen
Einsatz durchgeführt.
-
Zunächst wird eine Erklärung zu der Affinität des Materials,
das für die Zwischenschicht zu Verwenden ist, gegeben werden.
Ein Sinterkörper enthält hochdichtes Bornitrid und/oder
Diamant als Hauptbestandteil. D. h., Bor, das ein das
hochdichte Bornitrid bildendes Element ist, weist eine
Affinität zu hochdichtem Bornitrid auf, und so ist es
logisch, daß ein Material, welches Bor als eines der das
Material bildenden Elemente aufweist, hochdichtes Bornitrid
benetzt oder eine Verbindung oder eine feste Lösung mit
hochdichtem Bornitrid bildet. Als andere, nicht borhaltige
Materialien können vorteilhafterweise Materialien, die Ti,
Zr, Hf, Al, Mg oder Si enthalten, verwendet werden, weil
diese Elemente eine Benetzungstendenz mit hochdichtem
Bornitrid aufweisen. Wenn ein Sinterkörper aus Diamant
besteht, können Materialien, die Fe, Co, Ni, Cr, Mn, Mo, Ta,
Nb, Cu, Au oder Ag enthalten, vorteilhaft als Zwischenlage
verwendet werden. Dies liegt daran, daß diese Elemente bei
hohen Temperaturen und Drücken Kohlenstoff in festem Zustand
lösen und eine hohe Benetzunstendenz gegenüber Kohlenstoff
aufweisen, wie es sich aus dem Phänomen ergibt, daß diese
Elemente allein oder in Kombination mit anderen Metallen als
schmelzendes Lösungsmittel bei der Herstellung von Diamant
oder sowohl als schmelzendes Lösungsmittel als auch als
Füllstoff beim Sintern von Diamant verwendet werden.
-
Nun soll eine Erklärung hinsichtlich der Festigkeit der
Verbindung, der Zähigkeit und der Hitzebeständigkeit des als
Zwischenlage zu verwendenden Materials gegeben werden. Diese
Eigenschaften werden automatisch in Abhängigkeit von der Art
des für die Zwischenschicht zu verwendenden Materials
festgelegt und es ist nicht sinnvoll, diese Eigenschaften
losgelöst zu diskutieren. Allgemein gesagt wurden bislang
Metalle wie Ti, Cr, Cu, Mo, W, Ni, Co u. dgl. sowie Carbide
oder Nitride dieser Metalle enthaltende Metall-Keramiken
verwendet. Die Nachteile dieser Metalle und Metall-Keramiken
sollen erläutert und weiterhin soll eine Erklärung
hinsichtlich der Zwischenschicht gegeben werden, die eine
gewünschte Eigenschaft zur Überwindung der Nachteile dieser
Metalle und Metall-Keramiken aufweist. Grundsätzlich sind Ti
und Zr hinsichtlich der Stabilität der Verbindung und der
Hitzebeständigkeit zufriedenstellend. Bei der Herstellung
eines gesinterten Verbundkörpers jedoch werden ein
Sinterkörper und ein Substrat bei hohen Temperaturen und
unter hohen Drücken durch Ti oder Zr miteinander verbunden,
und daher neigt das Ti oder Zr dazu, mit dem hochdichten
Bornitrid und/oder dem Diamant in dem Sinterkörper unter
Bildung von Boriden, Nitriden und Karbiden des Ti oder Zr zu
reagieren. Wenn der Anteil dieser Metalle groß ist, ist,
obwohl ein gesinterter Verbundkörper mit hoher Festigkeit und
Hitzebeständigkeit erhalten wird, der gesinterte
Verbundkörper spröde. Weiterhin ist der Anteil des Ti bzw.
des Zr schwierig zu steuern und deshalb löst sich der
Sinterkörper nach dem Sintern, während der Herstellung des
gesinterten Verbundkörpers oder während der Verwendung des
fertigen gesinterten Verbundkörpers häufig von dem Substrat
ab. Außerdem sind sowohl Ti als auch Zr Metalle mit hohem
Schmelzpunkt und deshalb ist die Verbindung eines
Sinterkörpers mit einem Substrat durch Ti oder Zr schwierig,
sofern die Sintertemperatur nicht hoch ist. Kupfer hat einen
niedrigen Schmelzpunkt und deshalb weist Kupfer eine gute
Verarbeitbarkeit auf. Darüberhinaus zeigt Kupfer eine hohe
Affinität sowohl zu verschiedenen Arten von Sinterkörpern als
auch von Substraten auf. Allerdings hat Cu den Nachteil, daß
es aufgrund seiner niedrigen Schmelztemperatur bei der hohen
Temperatur während der Verwendung des fertigen gesinterten
Verbundkörpers weich wird und sich dementsprechend der
Sinterkörper leicht von dem Substrat ablöst. Mo und W weisen
im Gegensatz zu Kupfer einen sehr hohen Schmelzpunkt auf und
dementsprechend ist es schwierig einen Sinterkörper mit einem
Substrat durch Mo oder W als Zwischenlage zu verbinden und
weiterhin weist die Mo- bzw. W-Zwischenlage, selbst wenn ein
Sinterkörper mit einem Substrat durch Mo oder W als
Zwischenlage verbunden ist, eine geringe Zähigkeit auf. Wenn
Metall-Keramik als Zwischenlage verwendet wird, ist die
Zähigkeit der Zwischenlage aus Metall-Keramik ähnlich wie im
Fall von W und Mo gering.
-
Die JP-A-59118802 offenbart einen gesinterten Verbundkörper,
der aus einem diamantenen Sinterkörper und einer
Metall-Keramik oder einer gesinterten Hartlegierung als
Substrat besteht, wobei die beiden Teile durch eine
metallische Lage aus Mo oder W unter hohem Druck und hoher
Temperatur miteinander verbunden sind. Die EP-A-38584
offenbart ein Verfahren zur Herstellung eines Verbundkörpers,
bei dem eine amorphe, Cu-haltige Metallage zwischen
Kohlenstoffstahl und Zirconoxyd angeordnet wird, das Laminat
bei einer Temperatur von 985 ºC und unter einem Druck von
6.000 Pa ausgelagert wird und bei dem das so ausgelagerte
Laminat abgekühlt wird.
-
Zur Lösung des voranstehend beschriebenen Problems haben die
Erfinder verschiedene theoretische und experimentelle
Erfindungen hinsichtlich der Eigenschaften, die von der
Zwischenlage gefordert werden, und hinsichtlich der zur
Verwendung als Zwischenlage geeigneten Materialien getätigt
und die folgenden Tatsachen herausgefunden. Diese sind, daß,
wenn ein amorphes Metall als Zwischenlage verwendet wird,
insbesondere wenn ein mindestens ein aus der aus Ti, Zr, Hf,
Fe, Co, Ni, Cr, Mn, Mo, Ta, Nb, Cu, Au, Ag, B, Al und Si
bestehenden Gruppe ausgewähltes Element enthaltendes amorphes
Metall als Zwischenlage verwendet wird, hervorragende
Eigenschaften hinsichtlich aller der verschiedenen, oben
beschriebenen Anforderungen erreicht werden können.
-
Die vorliegende Erfindung zeigt einen gesinterten
Verbundkörper auf, der im wesentlichen aus
-
einem Sinterkörperabschnitt, der mindestens ein aus
der hochdichtes Bornitrid und Diamant umfassenden Gruppe
ausgewähltes Material aufweist,
-
einem Substratabschnitt, der mindestens ein aus der
Metall und Metall-Keramik umfassenden Gruppe ausgewähltes
Material aufweist, und
-
einem kristallisierten Metallabschnitt, der zwischen
dem Sinterkörperabschnitt und dem Substratabschnitt
angeordnet ist, besteht,
dadurch gekennzeichnet, daß der Sinterkörperabschnitt mit dem
Substratabschnitt durch eine Lage aus amorphem Metall während
eines Sintervorgangs unter ultrahohem Druck und hoher
Temperatur verbunden wurde, wobei die Lage aus dem amorphen
Metall in den kristallisierten Metallabschnitt umgewandelt
wurde, und daß das zwischen dem Sinterkörperabschnitt und dem
Metall-Keramik- oder Metallabschnitt in deren
Verbindungsbereich angeordnete amorphe Metall mindestens ein
aus der Hf, Co, Cr, Mn, Au und B umfassenden Gruppe
ausgewähltes Element aufweist.
-
Als Grund, warum ein gesinterter Verbundkörper, der eine
große Stabilität, exzellente Handhabungseigenschaften,
Hitzebeständigkeit und Zähigkeit während der Vorgänge von
seiner Produktion bis zu seinem Einsatz aufweist, durch die
Verwendung eines amorphen Metalls, insbesondere eines
mindestens ein aus der Ti, Zr, Hf, Fe, Co, Ni, Cr, Mn, Mo,
Tr, Nb, Cu, Au, Ag, B, Al und Si umfassenden Gruppe
ausgewähltes Element enthaltenden amorphen Metalls als
Zwischenlage erhalten werden kann, wird das Folgende
angesehen.
-
Zunächst wird der Einfluß des amorphen Metalls auf die
Festigkeit der Verbindung bei dem fertigen gesinterten
Verbundkörper erläutert. Es ist bekannt, daß amorphes Metall
bei gleicher Temperatur höhere Diffusionsgeschwindigkeiten
aufweist als kristallisiertes Metall. Wenn ein gesinterter
Verbundkörper unter Verwendung einer Zwischenlage aus
amorphem Metall und ein gesinterter Verbundkörper unter
Verwendung einer Zwischenlage aus kristallisiertem Metall
unter denselben Sintertemperaturbedingungen hergestellt
werden, diffundiert das die Zwischenlage aus amorphem Metall
bildende Element deshalb sowohl in den Sinterkörper als auch
in das Substrat mit einer Rate ein, die größer ist als die
Diffusionsrate des die Zwischenlage aus kristallisiertem
Metall bildenden Elements sowohl in den Sinterkörper als auch
in das Substrat, wobei der Sinterkörper und das Substrat
durch die Zwischenlage aus amorphem Metall monolithisch
miteinander verbunden werden und sich so der gesinterte
Verbundkörper ergibt. D. h., die Verwendung einer
Zwischenlage aus amorphem Metall ergibt einen gesinterten
Verbundkörper mit einer weitergehend monolithischen Struktur
als die Struktur, die bei Verwendung einer Zwischenlage aus
kristallisiertem Metall innerhalb derselben Zeit erhalten
wird. Weiterhin weisen Ti, Zr, Hf, B, Al und Si wie oben
beschrieben eine hohe Affinität zu hochdichtem Bornitrid auf
und wahrscheinlich führt die Verwendung eines diese Elemente
enthaltenden amorphen Metalls deshalb zu einem gesinterten
Verbundkörper, bei dem der Sinterkörperabschnitt und die
Zwischenlage fest zu einer monolithischen Struktur
miteinander verbunden sind. Insbesondere weist ein B
enthaltendes amorphes Metall eine Schmelztemperatur auf, die
niedriger ist als bei einem kein B enthaltendem amorphen
Metall und deshalb beginnt das B enthaltende amorphe Metall
bei der Verwendung als Zwischenlage zu einem früheren
Zeitpunkt in den Sinterkörper einzudiffundieren als der
Beginnzeitpunkt der Diffusion eines kein B enthaltenden
amorphen Metalls. Grundsätzlich weist das amorphe Metall,
wenn ein amorphes Metall und eine Legierung, die beide aus
denselben Elementen bestehen, miteinander verglichen werden,
häufig eine die Erstarrung einleitende Temperatur auf, die
niedriger als bei der Legierung ist, und deshalb wird die
Entwicklung von thermischer Spannung in dem fertigen
gesinterten Verbundkörper aufgrund von Unterschieden zwischen
den thermischen Ausdehnungskoeffizienten des Sinterkörpers
und des Substrats durch Verzögerung der Erstarrung des
metallischen Anteils während des bei der Herstellung des
gesinterten Verbundkörpers nach dem Abschluß des Sinterns
durchgeführten Abkühlens verhindert, wodurch die Entwicklung
von Rissen in dem Sinterkörper und dem Substrat und das
Ablösen des Sinterkörpers von dem Substrat im Bereich der
Zwischenlage oder deren Umgebung wirkungsvoll verhindert
werden. Nach Abschluß des Sinterns liegt der Abschnitt des
amorphen Metalls in einer von zwei möglichen Zuständen vor.
In der einen ist der amorphe Abschnitt unter Ausbildung von
Bereichen, die entweder dem Sinterkörper oder dem Substrat
zuzurechnen sind, sowohl in den Sinterkörper als auch das
Substrat eindiffundiert. In der anderen Form ist die Dicke
des amorphen Metallabschnitts zurückgegangen, er existiert
aber immernoch in Gestalt einer Zwischenlage. Welcher Zustand
ausgebildet wird, hängt von der Zusammenstellung des
gesinterten Verbundkörpers ab, und in beiden Zuständen kann
die Aufgabe der vorliegenden Erfindung gelöst werden. Weil
amorphes Metall eine Schmelztemperatur niedriger als
kristallisiertes Metall aufweist, könnte befürchtet werden,
daß das amorphe Metall bei hohen Temperaturen schneller
aufweicht als kristallisiertes Metall und die Festigkeit der
Verbindung negativ beeinflußt, wenn amorphes Metall in
Gestalt einer Zwischenlage verbleibt. Ein solches Problem
tritt jedoch nicht auf. Dies liegt daran, daß eine im
wesentlichen aus amorphem Metall bestehende Schmelze beim
Sintern nicht in amorphes Metall umgewandelt wird, sondern
kristallisiert, sofern die Schmelze nicht mit einer extrem
hohen Kühlrate abgekühlt wird, und so wird die Zwischenlage
zu einer Lage aus kristallisiertem Metall, dessen
Schmelzpunkt höher ist als derjenige des ursprünglichen,
amorphen Metalls. Es ist unvermeidbar, daß innere Spannungen
unabhängig von dessen Struktur und dessen
Herstellungsverfahren in einem gewissen Umfang in dem
fertigen gesinterten Verbundkörper zurückbleibt. Gemäß der
Erfindung kann der Umfang der inneren Spannungen in dem
resultierenden gesinterten Verbundkörper durch den oben
beschriebenen Mechanismus jedoch auf den kleinstmöglichen
Wert reduziert werden und entsprechend bricht der gesinterte
Verbundkörper selbst dann kaum, wenn der gesinterte
Verbundkörper während des Gebrauchs einer schlagartigen
Belastung ausgesetzt wird. Weiterhin sind die das amorphe
Metall der Zwischenlage bildenden Elemente Metalle oder
Halbmetalle und weisen eine höhere Stoßbeständigkeit, d. h.
Zähigkeit auf als Metall-Keramik.
-
Bei der Herstellung eines gesinterten Verbundkörpers mit
einem Diamant enthaltenden Sinterkörperabschnitt kann durch
die Verwendung von amorphem Metall als Zwischenlage ebenfalls
grundsätzlich ein hervorragender gesinterter Verbundkörper
erhalten werden. Auch in diesem Fall ist es aus dem oben
beschriebenen Grund sinnvoll, ein amorphes Metall als
Zwischenlage zu verwenden, das ein aus der Fe, Co, Ni, Cr,
Mn, Mo, Ta, Nb, Cu, Au und Ag umfassenden Gruppe ausgewähltes
Element aufweist. Die Verwendung eines solchen amorphen
Metalls als Zwischenlage bei der Herstellung eines Diamant
aufweisenden gesinterten Verbundkörpers stimmt mit derjenigen
im Fall eines gesinterten Verbundkörpers mit einem
hochdichtes Bornitrid enthaltenden Sinterkörpers hinsichtlich
der Festigkeit der Verbindung, der Hitzebeständigkeit und der
Zähigkeit während der Vorgänge von der Produktion bis zu dem
Einsatz des gesinterten Verbundkörpers überein.
-
Wie oben beschrieben kann grundsätzlich jedes amorphe Metall
als Zwischenlage verwendet werden. wenn es jedoch darum geht,
unter Verwendung eines amorphen Metalls mit der oben
beschriebenen, spezifisch begrenzten Zusammensetzung als
Zwischenlage einen gesinterten Verbundkörper herzustellen,
ist es zu bevorzugen, je nachdem, ob ein hochdichtes
Bornitrid aufweisender Sinterkörper oder ein diamanthaltiger
Sinterkörper verwendet wird, unterschiedliche amorphe Metalle
für die Verwendung als Zwischenlage gezielt auszuwählen.
D. h., das amorphe Metall sollte zur Verwendung als
Zwischenlage gezielt anhand der Art der in dem Sinterkörper
und dem Substrat enthaltenen Materialien ausgewählt werden.
Für einen Fachmann ist es einfach, basierend auf den
allgemeinen Erkenntnissen hinsichtlich des Sinterkörpers und
des Substrats anhand der Offenbarung dieser Beschreibung ein
geeignetes amorphes Metall zur Verwendung als Zwischenlage
auszuwählen.
-
Die vorliegende Erfindung wird nun unter Bezugnahme auf die
folgenden Beispiele und Vergleichsbeispiele im einzelnen
beschrieben.
Beispiel 1
-
Ein Pulvergemisch von 68 Volumen-% kubischem Bornitrid (im
folgenden kurz CBN), 7 Volumen-% Bornitrid vom Wurtzit-Typ
(im folgenden kurz WBN), 12 Volumen-% Titankarbid (im
folgenden kurz TiC), 6 Volumen-% Titannitrid (im folgenden
Kurz TiN) und von 7 Volumen-% Al wurde in einem Zeitraum von
vier Stunden in einer aus zementiertem Karbid ausgebildeten
Kugelmühle vollständig vermischt, um ein Grünpulver für den
Sinterkörper herzustellen. Separat davon wurde eine
Pulvermischung von 87 Volumen-% Wolframkarbid (im folgenden
kurz WC) und von 13 Volumen-% Kobalt (im folgenden kurz Co)
in derselben Weise wie oben beschrieben vollständig
vermischt, um ein Grünpulver für das Substrat herzustellen.
Das Grünpulver für den Sinterkörper wurde in einer Metallform
druckgeformt, um einen scheibenartig geformten Gegenstand mit
einem Durchmesser von 13 mm und einer Dicke von 2 mm
herzustellen. Das Grünpulver für das Substrat wurde in
derselben Weise wie oben beschrieben druckgeformt, um einen
scheibenartigen Körper mit einem Durchmesser von 13 mm und
einer Dicke von 6 mm herzustellen. Daneben wurde eine Platte
aus industriell reinem Titan und mit einer Dicke von 0,5 mm
zu einer Kapsel mit einem Boden sowie einem Außendurchmesser
von 14 mm und einer Höhe von 10 mm gepreßt. In die Kapsel
wurde zuerst der geformte Körper, der aus dem Grünpulver für
das Substrat hergestellt wurde, eingegeben. Dann wurden drei
scheibenförmige Folien aus einem aus 23 Gewichts-% Nickel,
45 Gewichts-% Ni, 45 Gewichts-% Si und 32 Gewichst-% W
bestehendem amorphen Metall, wobei jede Folie eine Dicke von
30 um und einen Durchmesser von 13 mm aufwies, daraufgelegt
und auf dem geformten Körper für das Substrat angeordnet.
Schließlich wurde der geformte Artikel, der aus dem
Grünpulver für den Sinterkörper hergestellt wurde, auf den
scheibenförmigen Folien aus amorphem Metall angeordnet und
dann wurde die Kapsel mit einer Scheibe aus industriell
reinem Titanium mit einem Durchmesser von 13 mm und einer
Dicke von 0,5 mm verschlossen. Zwei Kapseln, von denen jede
die oben beschriebenen Rohmaterialien zur Umformung in einen
gesinterten Verbundkörper enthielt, wurden übereinander in
dem Probenraum eines Band-Typ-Ultrahochdruckapparates
angeordnet und für 15 Min. bei einem Druck von 2,5 GPa und
einer Temperatur von 1.550 ºC gesintert. Nach Abschluß des
Sinterns wurden der Druck und die Temperatur auf Normaldruck
bzw. Raumtemperatur abgesenkt und dann wurden die beiden
Kapseln, von denen jede einen fertigen gesinterten
Verbundkörper enthielt, aus dem Probenraum entnommen. In
beiden Fällen wurden die den gesinterten Verbundkörper
umgebende Kapsel durch Schleifen mit Hilfe eines Schleifers
entfernt. Danach wurde jeder der fertigen gesinterten
Verbundkörper entlang einer durch den Mittelpunkt des Kreises
der scheibenförmigen Sinterkörperabschnitte verlaufenden
Schneidlinie mit Hilfe einer Diamantklinge in zwei Hälften
geschnitten, um zwei halb-scheibenförmige gesinterte
Verbundkörper zu erhalten. Als jeder der resultierenden
halb-scheibenförmigen Sinterkörperabschnitte unter einem
optischen Mikroskop bei 20-facher Vergrößerung untersucht
wurde, zeigte sich, daß der Sinterkörper, das Substrat und
die Zwischenlage ohne Bildung von Freiräumen miteinander
verbunden waren und daß keine Defekte wie Risse, ungesinterte
Bereiche, Hohlräume o. dgl. in dem Sinterkörper und dem
Substrat auftraten.
-
Der bei dem obigen Vorgehen erhaltene, halb-scheibenförmige
gesinterte Verbundkörper wurde ein weiteres Mal halbiert, so
daß die resultierenden viertel-scheibenförmigen gesinterten
Verbundkörper einen Öffnungswinkel von 90 º aufwiesen. Der
fertige viertel-scheibenförmige gesinterte Verbundkörper
wurde zur Herstellung einer Einmalspitze mit einer Form nach
CCMA433 unter Verwendung von Silberlot an einer der
Schneidkante entsprechenden Stelle an ein Basismetall für
zementiertes Karbid hart angelötet. Während des Hartlötens
wurden keine Defekte in dem gesinterten Verbundkörper
ausgebildet. Anschließend wurde die Einmalspitze einem
Zerspantest unterworfen, bei dem das zu zerspanende Objekt
ein nicht wärmebehandelter, zylindrischer S10C Stahl mit
einem Durchmesser von 120 mm und einer Länge von 500 mm war,
der außerdem auf seiner Außenseite vier in gleichmäßigen
Abständen parallel zur Achse des Zylinders angeordnete Nuten
aufwies, von welchen jede einen rechteckigen Querschnitt mit
einer Breite von 10 mm und einer Tiefe von 30 mm hatte. Dabei
wurde die Außenseite des zu zerspanenden Objekts in trockenem
Zustand mit der oben beschriebenen Einmalspitze 90 Min. lang
unter den Bedingungen einer Oberflächengeschwindigkeit von
480 m/Min., einer Abtragstiefe von 0,8 mm und einem Vorschub
von 0,34 mm/U. zerspant. Beim Zerspanen wurde der Bereich des
zu zerspanenden Objekts mit den darin eingebrachten Nuten
binnen der ersten etwa 40 Min. entfernt. Entsprechend wurde
das Objekt, von der der genutete Bereich abgetragen worden
war, jedesmal nach dem Entfernen der Nuten ausgetauscht und
der Zerspantest wurde bis zu insgesamt 90 Min. fortgesetzt.
Als Ergebnis wurde ein Abschliff von 0,15 mm an der Flanke
des Sinterkörperabschnitts der Einmalspitze beobachtet.
Hingegen wurden Defekte, wie z. Bsp. Brüche, Risse oder ein
Ablösen des Sinterkörperabschnitts von dem Substrat, die
durch eine schlagartige Belastung während der Verwendung des
gesinterten Verbundkörpers hervorgerufen wurden, nicht
beobachtet.
-
Der oben beschriebene Test wurde mit allen gesinterten
Verbundkörpern, die aufgrund von 28 Sintervorgängen erhalten
wurden, durchgeführt. Die Entwicklung von Defekten wurde
durch Beobachtung mit Hilfe eines optischen Mikroskops
hinsichtlich aller halb-scheibenförmigen gesinterten
Verbundkörper überprüft. Weiterhin wurde jeweils ein ein
viertel-scheibenförmiger gesinterter Verbundkörper mit einem
Öffnungswinkel von 90 º von den vier viertel-scheibenförmigen
gesinterten Verbundkörpern, die aufgrund jedes Sintervorgangs
erhalten wurden, ausgewählt, und Tests wurden hinsichtlich
des Einbaus des ausgewählten viertel-scheibenförmigen
Verbundkörpers in die Einmalspitze und hinsichtlich des
Zerspanens unter Verwendung der Einmalspitze durchgeführt.
Dabei wurde bei allen getesteten Proben kein einziges Mal
eine Entwicklung von Defekten beobachtet. Der Betrag des
Abschliffs der Flanke variierte in einem Bereich von 0,12 bis
0,3 mm.
Vergleichsbeispiel 1
-
Der in Beispiel 1 beschriebene Sintervorgang wurde ohne das
Zwischenfügen der in Beispiel 1 verwendeten Folien aus
amorphem Metall zwischen den scheibenförmig geformten Körper
aus Rohmaterial für den Sinterkörper und den scheibenförmig
geformten Körper aus Rohmaterial für das Substrat
durchgeführt, um scheibenförmige gesinterte Verbundkörper
herzustellen. Die Anzahl der Sintervorgänge, die in diesem
Vergleichsbeispiel 1 durchgeführt wurden, betrug 38. Wenn der
Querschnitt des halb-scheibenförmigen gesinterten
Verbundkörpers, der durch Zerteilen des scheibenförmigen
gesinterten Verbundkörpers erhalten wurde, in derselben Weise
wie im Beispiel 1 getestet wurde, wurden sehr feine Risse in
dem Sinterkörperabschnitt bei sechs halb-scheibenförmigen
gesinterten Verbundkörpern unter 76 halb-scheibenförmigen
gesinterten Verbundkörpern beobachtet. Weiterhin wurden sehr
feine Risse, welche sich in einer Richtung senkrecht zur
Verbindungsfläche des
Sinterkörpers mit dem Substrat erstreckten, bei sieben der
halb-scheibenförmigen gesinterten Verbundkörper beobacht. Bei
der Herstellung von Einmalspitzen zur Verwendung bei der
Durchführung des Zerspantests wurden die
halb-scheibenförmigen gesinterten Verbundkörper mit den oben
beschriebenen Defekten nicht verwendet, statt dessen wurden
halbscheibenförmige gesinterte Verbundkörper ohne Defekte
eingesetzt. Dennoch wurden, wenn ein viertel-scheibenförmiger
gesinterter Verbundkörper mit einem Öffnungswinkel von 90 º
aus den vier viertel-scheibenförmigen gesinterten
Verbundkörpern, die bei jedem Sinterprozeß erhalten wurden,
ausgewählt wurde, wobei ein gutes gesintertes Verbundprodukt
erhalten wurde, und dann die Hartlötoperation des
viertel-scheibenförmigen gesinterten Verbundkörpers mit dem
Basismetall für zementiertes Karbid durchgeführt wurde, um
eine Einmalspitze herzustellen, neuerlich feine Risse in vier
viertel-scheibenförmigen gesinterten Verbundkörpern
ausgebildet, und der Sinterkörperabschnitt löste sich von dem
Substratabschnitt in zwei Fällen der viertel-scheibenförmigen
gesinterten Verbundkörper ab. Derselbe Zerspantest wie in
Beispiel 1 beschrieben wurde mit 28 Einmalspitzen
durchgeführt, die nicht die oben beschriebenen Defekte
aufwiesen. Als Ergebnis waren 16 Einmalspitzen in der Lage,
einen Zerspantest von 100 Min. durchzuhalten. Bei den übrigen
12 Einmalspitzen löste sich der Sinterkörperabschnitt von dem
Substratabschnitt ab oder die Schneidkante brach zu einem
Zeitpunkt zwischen 20 und 80 Minuten nach dem Beginn des
Tests und der Zerspantest konnte nicht weiter durchgeführt
werden.
-
Wenn eine Folie aus amorphem Metall zwischen dem
Sinterkörperabschnitt und dem Substratabschnitt als
Zwischenlage angeordnet wurde, war der Defektanteil beim
Sintern 0/56, beim Ausbilden eines Werkzeugs 0/28 und bei der
Verwendung wie in Beispiel 1 erläutert 0/28. Im Gegensatz
dazu war, wenn der Sinterkörperabschnitt direkt mit dem
Substratabschnitt verbunden wurde, wie dies im
Vergleichsbeispiel 1 beschrieben ist, der Defektanteil beim
Sintern 13/76, beim Herstellen eines Werkzeugs 6/30 und beim
Einsatz 12/28. Dies beweist, daß der gesinterte Verbundkörper
mit dem Aufbau gemäß der vorliegenden Erfindung einem
gesinterten Verbundkörper mit herkömmlicher Struktur
überlegen ist. D. h., der gesinterte Verbundkörper gemäß der
vorliegenden Erfindung hat eine derart hervorragende
Struktur, daß die thermische Ausdehnung, die während des
Sinterns verursacht wird, durch die Zwischenlage aus amorphem
Metall, die eine hohe Affinität zu dem Sinterkörperabschnitt
und dem Substratabschnitt aufweist, entspannt wird.
Beispiel 2
-
Eine Mischung aus 20 Volumen-% Diamantpulver mit einer
mittleren Partikelgröße von 20 um, 71 Volumen-% Diamantpulver
mit einer mittleren Partikelgröße von 15 um und 9 Volumen-%
Co-Pulver mit einer mittleren Partikelgröße von weniger als
44 um wurde vollständig vermischt, und das resultierende
Grünpulver für den Sinterkörper wurde in derselben Weise wie
in Beispiel 1 beschrieben zur Formgebung in einen
scheibenförmigen Rohmaterialkörper für den Sinterkörper
gepreßt. In dieselbe Kapsel, wie sie in Beispiel l verwendet
wurde, wurden derselbe scheibenförmige Grundkörper aus
Rohmaterial für das Substrat wie in Beispiel 1, zwei der
Folien aus amorphem Metall, die jeweils einen Durchmesser von
13 mm und eine 34 Gewichts-% Co, 28 Gewichts-% Cr,
24 Gewichts-% Mo und 18 Gewichts-% C enthaltende
Zusammensetzung aufwiesen, und der oben erhaltene
scheibenförmige Grundkörper aus Rohmaterial für den
Sinterkörper angeordnet, wobei die zwei Folien aus amorphem
Metall zwischen den geformten Körpern für die Ausbildung des
Sinterkörpers und des Substrats angeordnet wurden und wobei
die Kapsel mit derselben Scheibe wie in Beispiel 1
abgeschlossen wurde. Anschließend wurden zwei Kapseln
übereinander in einem Probenraum eines
Band-Typ-Hochdruckapparates angeordnet und darin unter den
Bedingungen eines Drucks von 5,5 GPa, einer Temperatur von
1.500 ºC und einer Haltezeit von 15 Min. gesintert. Nach
Abschluß des Sinterns wurden der Druck und die Temperatur auf
Normaldruck und Raumtemperatur abgesenkt. Anschließend wurden
die beiden so behandelten Kapseln, von denen jede einen
fertigen gesinterten Verbundkörper enthielt, aus dem
Probenraum entnommen. Die den gesinterten Grundkörper
umgebende Kapsel wurde durch Schleifen mit Hilfe eines
Schleifers entfernt und dann wurde jeder der fertigen
gesinterten Verbundkörper entlang einer den Mittelpunkt des
Kreises kreuzenden Schneidlinie mit Hilfe eines Laserstrahls
in zwei halb-scheibenförmige gesinterte Verbundkörper
zerteilt. Beim Untersuchen des Querschnitts bei jedem der so
erhaltenen halb-scheibenförmigen gesinterten Verbundkörper
unter Verwendung eines optischen Mikroskops mit 20-facher
Vergrößerung wurde festgestellt, daß der Sinterkörper, das
Substrat und die Zwischenlage fest miteinander verbunden
waren und daß keine Defekte, wie z. Bsp. Risse, ungesinterte
Bereiche, Hohlräume o. dgl., in dem Sinterkörper oder dem
Substrat vorlagen. Die oben beschriebenen Experimente wurden
anhand von gesinterten Verbundkörpern, die bei acht
Sintervorgängen erhalten wurden, durchgeführt und die
erhaltenen Ergebnisse stimmten in allen Fällen grundsätzlich
überein.
-
Die 32 halb-scheibenförmige gesinterte Verbundkörper, die
durch die acht Sintervorgänge erhalten wurden, wurden in
einem elektrischen Ofen für eine Stunde auf 700 ºC aufgeheizt
und dann, während die Temperatur der gesinterten
Verbundkörper 700 ºC noch betrug, direkt in Wasser mit
Raumtemperatur eingetaucht, wodurch die gesinterten
Verbundkörper sehr schnell abkühlten. Anschließend wurde die
Hälfte der
halb-scheibenförmigen gesinterten Verbundkörper ein weiteres
Mal halbiert, um jeweils zwei viertel-scheibenförmige
gesinterte Verbundkörper herzustellen und die alte
Schnittfläche und die neue Schnittfläche wurden mit einem
Diamantschleifrad geschliffen, anschließend mit Diamantpaste
zur Ausbildung einer Spiegeloberfläche poliert und dann mit
einem optischen Mikroskop mit 20- und 100-facher Vergrößerung
untersucht. Defekte wie Risse, Löcher, Brüche o. dgl. wurden
in dem Sinterkörper und dem Substrat nicht beobachtet. Durch
eine Elektronenstrahlbeugungsuntersuchung wurde
herausgefunden, daß der als Zwischenlage zwischen dem
Sinterkörper und dem Substrat angeordnete Abschnitt aus
amorphem Metall nicht die Form seiner Lage beibehält, sondern
sowohl in den Sinterkörper als auch das Substrat in eine
Tiefe von mehr als 100 um eindiffundiert.
Vergleichsbeispiel 2
-
Dasselbe Experiment wie in Beispiel 2 beschrieben wurde
durchgeführt. In diesem Vergleichsbeispiel 2 wurde jedoch
keine Zwischenlage aus amorphem Metall zwischen dem
Sinterkörper und dem Substrat angeordnet. Der scheibenförmig
geformte Körper aus dem Rohmaterial für den Sinterkörper
wurde direkt auf dem scheibenförmigen Körper aus dem
Rohmaterial für das Substrat angeordnet, und die übereinander
angeordneten geformten Körper für die Ausbildung des
Sinterkörpers und des Substrats wurden in eine Kapsel
eingebracht und gesintert. Nach Abschluß des Sinterns wurden
der Druck und die Temperatur auf Normaldruck und
Raumtemperatur herabgesetzt und die wie oben beschrieben
behandelten zwei Kapseln, von denen jede einen gesinterten
Verbundkörper enthielt, wurden aus dem Probenraum entnommen,
und die den gesinterten Verbundkörper jeweils abdeckende
Kapsel wurde durch Schleifen mit Hilfe eines Schleifers
entfernt. Der fertige scheibenförmige gesinterte
Verbundkörper wurde mit Hilfe eines Laserstrahls entlang
einer Schneidlinie durch den Mittelpunkt des Kreises in zwei
halb-scheibenförmige gesinterte Verbundkörper geteilt. Das
zuvor beschriebene Experiment wurde achtmal durchgeführt und
jeder der so erhaltenen halb-scheibenförmigen gesinterten
Verbundkörper wurde mit einem optischen Mikroskop mit
20-facher Vergrößerung untersucht. Als Ergebnis wurden,
obwohl der Sinterkörper kompakt mit dem Substrat verbunden
war, feine Risse, die sich parallel zu der Verbindungsfläche
des Sinterkörpers mit dem Substrat erstreckten, bei sieben
von 32 gesinterten Verbundkörpern beobachtet.
-
Wenn derselbe Schnellabkühltest wie in Beispiel 2 beschrieben
bei 25 gesinterten Verbundkörpern, die keine in dem Subtrat
ausgebildete Rissen aufwiesen, durchgeführt wurde, wobei ein
aufgeheizter gesinterter Verbundkörper direkt in Wasser
getaucht wurde, und dann jeder der so behandelten
halb-scheibenförmigen gesinterten Verbundkörper in zwei
viertel-scheibenförmige gesinterte Verbundkörper aufgeteilt
wurde, wurden in dem Sinterkörper ausgebildete Risse, die
sich parallel und senkrecht zur Verbindungsfläche sowie auch
in anderen Richtungen erstreckten, in acht von 50
viertel-scheibenförmigen gesinterten Verbundkörpern
beobachtet.
Beispiel 3
-
Dieselben Experimente wie in Beispiel 1 beschrieben wurden
unter Verwendung von verschiedenen amorphen Metallen als
Zwischenlage durchgeführt. Die Zusammensetzung der
Zwischenlage aus amorphem Metall, der Zustand der Verbindung
und die Ergebnisse der Experimente sind in der nachstehenden
Tabelle 1 aufgeführt. Die kleine Zahlenangabe zu einem ein
amorphes Metall bildenden Elements geben dabei den Anteil des
Elements an dem amorphen Metall in Gewichts-% an.
Tabelle 1 Einfluß einer Zwischenlage aus amorphem Metall
auf einen gesinterten Verbundkörper mit einem
Sinterkörper aus hochdichtem Bornitrid
Zusammensetzung des amorphen Metalls
Dicke einer Folie
Anzahl der Folien
Verbindung
Defekte in dem resultierenden gesinterten Verbundkörper
raschabkültest
gut
keine
keine Defekte
Beispiel 4
-
Dasselbe Experiment wie in Beispiel 2 beschrieben wurde unter
Verwendung verschiedener amorpher Metalle als Zwischenlage
durchgeführt. Die Zusammensetzung der Zwischenlage aus
amorphem Metall, der Verbindungszustand und die Ergebnisse
der Experimente sind in der folgenden Tabelle 2 aufgeführt.
Die kleinen Zahlenangaben zu einem ein amorphes Metall
bildenden Elements geben dabei den Anteil des Elements an dem
amorphen Metall in Gewichts-% an.
Tabelle 2 Einfluß einer Zwischenlage aus amorphem Metall
auf einen gesinterten Verbundkörper mit einem
Sinterkörper aus Diamant
Zusammensetzung des amorphen Metalls
Dicke einer Folie
Anzahl der Folien
Verbindung
Defekte in dem resultierenden gesinterten Verbundkörper
Raschabkühltest
gut
keine
keine Defekte
Vergleichsbeispiel 3
-
Dasselbe Experiment wie in Beispiel 1 beschrieben wurde
durchgeführt. In diesem Vergleichsbeispiel 3 wurde jedoch
anstelle einer Folie aus amorphem Metall Kobaltpulver mit
einer mittleren Partikelgröße von 44 um in einer Dicke von
etwa 0,2 mm als Zwischenlage zwischen dem den Sinterkörper
ausbildenden geformten Körper und dem das Substrat
ausbildenden geformten Körper angeordnet. Wenn der so
erhaltene gesinterte Verbundkörper in derselben Weise wie in
Beispiel 2 beschrieben untersucht wurde, wurden keine Defekte
in dem die gesinterten Verbundkörper nach dem Sintern
betreffenden Tests beobachtet. Bei den schnell abgekühlten
gesinterten Verbundkörpern wurden jedoch Risse in dem
Substrat bei 18 von 40 viertel-scheibenförmigen gesinterten
Verbundkörpern beobachtet.
Vergleichsbeispiel 4
-
Dieselben Experimente wie in Beispiel 1 beschrieben wurden
durchgeführt. In diesem Vergleichsbeispiel 4 wurde jedoch
anstelle einer Folie aus amorphem Metall eine Nickelfolie mit
einer Dicke von 0,1 mm als Zwischenlage zwischen dem den
Sinterkörper ausbildenden geformten Körper und dem das
Substrat ausbildenden geformten Körper angeordnet. Wenn der
so erhaltene gesinterte Verbundkörper in derselben Weise wie
in Beispiel 2 untersucht wurde, wurden bei 20
halb-scheibenförmigen gesinterten Verbundkörpern abgesehen
davon, daß Risse mit einer Länge von etwa 3 mm, welche sich
parallel zur Verbindungsfläche erstreckten, in dem Bereich
der Ni-Zwischenlage bei einem von 20 halb-scheibenförmigen
gesinterten Verbundkörpern auftraten, keine Defekte
beobachtet. Bei den schnell abgekühlten gesinterten
Verbundkörpern wurden Risse in dem Sinterkörperabschnitt oder
dem Substratabschnitt bei 13 von 38 viertel-scheibenförmigen
gesinterten Verbundkörpern beobachtet. Die Zwischenlage aus
Ni verblieb zwischen dem Sinterkörper und dem Substrat in
Form einer Lage mit einer Dicke von 0 bis 10 um.
Beispiel 5
-
Dieselben Experimente wie in Beispiel 1 beschrieben wurden
durchgeführt. In diesem Beispiel 5 wurde jedoch eine
Mo-Platte mit einer Dicke von 0,5 mm als Substrat verwendet.
Wenn der so erhaltene gesinterte Verbundkörper denselben
Tests wie in Beispiel 1 beschrieben unterworfen wurde, wurden
zufriedenstellende Ergebnisse bei allen fertigen gesinterten
Verbundkörpern erhalten.
Vergleichsbeispiel 5
-
Dasselbe Experiment wie in Beispiel 5 beschrieben wurde
durchgeführt. In diesem Vergleichsbeispiel 5 wurde die
Zwischenlage aus amorphem Metall jedoch nicht verwendet,
stattdessen wurde der den Sinterkörper ausbildende geformte
Körper direkt auf der Mo-Platte angeordnet. In diesem
Vergleichsbeispiel 5, wurden fünf Sintervorgänge
durchgeführt. Dennoch wurden brauchbare gesinterte
Verbundkörper bei keinem Sintervorgang erhalten. Bei allen
fertigen gesinterten Verbundkörpern war der Sinterkörper nur
lokal mit dem Substrat verbunden und der Sinterkörper löste
sich von dem Substrat während des Teilens in Hälften.
-
Wie oben beschrieben weist ein gesinterter Verbundkörper mit
einem Aufbau gemäß der vorliegenden Erfindung, wobei ein
Sinterkörper mit einem Substrat über eine Zwischenlage aus
amorphem Metall verbunden ist, die zwischen ihnen angeordnet
ist, eine bemerkenswert geringere Tendenz als ein gesinterter
Verbundkörper mit dem üblichen Aufbau zur Entwicklung von
Defekten während der gesamten Vorgänge von seiner Herstellung
bis zu seinem Einsatz, d. h. während der Schritte des
Sinterns zu seiner Produktion, des Verarbeitens zu einem
Werkzeug und seines Gebrauchs, auf. Entsprechend kann die
vorliegende Erfindung die Qualität von gesinterten
Verbundkörpern mit hochdichtes Bornitrid aufweisenden
Sinterkörpern oder mit diamanthaltigen Sinterkörpern deutlich
verbessern und ist eine kommerziell sehr wertvolle und
sinnvolle Erfindung.