DE69512599T2

DE69512599T2 - Lötbare Kobalt enthaltende kubische Bornitrid-Körper

Info

Publication number: DE69512599T2
Application number: DE69512599T
Authority: DE
Inventors: David Bruce Cerutti
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: Diamond Innovations Inc
Priority date: 1994-10-13
Filing date: 1995-10-12
Publication date: 2000-05-11
Anticipated expiration: 2015-10-13
Also published as: EP0706850A1; EP0706850B1; DE69512599D1; KR960013524A; JPH08225376A; ES2138152T3

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf die Herstellung hartlötbarer polykristalliner kubischer Bornitrid (CBN)-Presslinge, die Cobalt enthalten, und auf das Verbinden solcher Presslinge mit einem Substrat mittels eines Hartlöt-Verfahrens.
Ein Schleif oder Superschleif-Pressling kann allgemein als eine integral gebundene Struktur charakterisiert werden, die aus einer gesinterten, polykristallinen Masse von Schleifteilchen, wie Diamant oder CBN, gebildet ist. Obwohl solche Presslinge ohne die Hilfe einer Bindematrix oder zweiten Phase selbst gebunden sein können, ist es allgemein bevorzugt, wie in den US-PS 4,063,909 und 4,601,423 diskutiert, eine geeignete Bindematrix einzusetzen, die üblicherweise ein Metall, wie Cobalt, Eisen, Nickel, Platin, Titan, Chrom, Tantal oder eine Legierung oder Mischung davon, ist. Die Bindematrix, die von etwa 10 bis 30 Vol.% ausmacht, kann zusätzlich einen Katalysator, wie Aluminium, für die CBN-Umkristallisation oder das CBN-Wachstum enthalten.
Für viele Anwendungen ist es bevorzugt, dass der Pressling durch sein Verbinden mit einem Substratmaterial abgestützt ist, um eine Laminat- oder getragene Pressling-Anordnung zu bilden. Dieses Verbinden kann während der Bildung des Presslings mittels der dafür benutzten HTIHP- Behandlungsbedingungen oder nach der Bildung des Presslings unter Einsatz von Verbindungs- Techniken bewirkt werden, wie Löten, Hartlöten oder Klebeverbinden. Typischerweise wird das Substratmaterial als ein Hartmetall bereitgestellt, das, z. B., Wolfram-, Titan- oder Tantalcarbid- Teilchen oder eine Mischung davon umfasst, die mit einem Binder von etwa 6 bis etwa 25 Gew.-% eines Metalles, wie Cobalt, Nickel, Eisen oder einer Mischung oder Legierung daraus, verbunden sind. Es wurde, z. B., in den US-PSn 3,831,428; 3,852,078 und 3,876,751 gezeigt, dass Presslinge und getragene Presslinge in einer Vielfalt von Anwendungen als Teile oder Rohlinge für Schneid- und Bearbeitungs-Werkzeuge, als Bohrereinsätze und als Abriebsteile oder -oberflächen akzeptiert worden sind.
Das Grundverfahren zum Herstellen der cobalthaltigen polykristallinen CBN-Presslinge der hier beschriebenen Art schließt das Anordnen einer ungesinterten Masse von kristallinen CBN- Schleifteilchen innerhalb einer schützend abgeschlossenen Metallhülle ein, die in einer Reaktionszelle einer HT/HP-Vorrichtung einer Art angeordnet ist, die weiter in den US-PSn 2,947,611; 2,941,241; 2,941,248; 3,608,818; ·3,767,371; 4,289,503; 4,673,414 und 4,954,139 beschrieben ist. Zusätzlich ist innerhalb der Hülle zusammen mit den Schleifteilchen ein Metallbinder oder Bindemedium angeordnet, das die oben erwähnte Bindematrix oder zweite Phase bildet. Der Inhalt der Zelle wird dann Behandlungsbedingungen, die als zum Bewirken des interkristallinen Verbindens zwischen benachbarten Körnern der Schleifteilchen genügend ausgewählt sind, ausgesetzt. Solche Behandlungsbedingungen schließen im Allgemeinen eine Temperatur von mindestens 1.300ºC und einen Druck von mindestens 20 kbar für etwa 3 bis 20 Minuten ein.
Der Binder oder das Bindemedium kann in einer vorverfestigten Form eingesetzt werden, die benachbart den Kristallteilchen angeordnet ist. So kann, z. B., das Metall wie ein Ring, in dem ein Zylinder aus Kristallschleifteilchen aufgenommen ist, oder wie eine Scheibe konfiguriert sein, die oberhalb oder unterhalb der kristallinen Masse angeordnet ist. Alternativ kann das Metall in einer pulverisierten Form und vermischt mit den kristallinen Schleifteilchen oder als ein Hartmetall- oder Carbid-Formpulver eingesetzt werden, das kalt gepresst werden kann und in dem das Bindemittel als Katalysator, Lösungsmittel oder Binder vorhanden ist. Wie oben erwähnt, wird das Metall typischerweise aus Cobalt, Eisen oder Nickel oder einer Legierung oder Mischung daraus ausgewählt, doch können auch andere Metalle, wie Ruthenium, Rhodium, Palladium, Chrom, Mangan, Tantal und Legierungen und Mischungen daraus, eingesetzt werden. Wie in den US-PSn 3,233,988 und 3,918,219 beschrieben und wie oben erwähnt, kann Aluminium oder eine Legierung davon als ein Katalysator oder Lösungsmittel für das CBN eingesetzt werden, obwohl, wie in den US-PSn 4,188,194 und 4,289,503 beschrieben, CBN-Presslinge durch ein direktes Umwandlungsverfahren ohne einen Katalysator gebildet werden können.
Unter den angegebenen HT/HP-Bedingungen wird der Metallbinder, in welcher Form auch immer, zum Eindringen in die Schleifschicht mittels Diffusion oder Kapillarwirkung veranlasst, und er ist dadurch in der Lage, wie ein Zwischenraumbinder zu wirken. Es wird spekuliert, dass die HT/HP-Bedingungen, die in dem thermodynamischen Bereich wirken, in dem CBN die stabile Phase ist, auch ein Verdichten der kristallinen Schleifteilchen bewirken, was als ein interkristallines CBN-an-CBN-Binden charakterisiert wird, bei dem Teile jedes Kristallgitters zwischen benachbarten Kristallkörnern gemeinsam sind. Vorzugsweise beträgt die CBN-Konzentration im Pressling oder in der Schleifscheibe mindestens etwa 50 Vol. %. Verfahren zum Herstellen von CBN-Presslingen und abgestützten Presslingen sind vollständiger in den US-PSn 2,947,617; 3,136,615; 3,233,988; 3,743,489; 3,745,623; 3,767,371; 3,831,428; 3,918,219; 4,188,194; 4,289,503; 4,334,928; 4,673,414; 4,797,326 und 4,954,139 beschrieben.
Die hier beschriebenen polykristallinen Presslinge und speziell solche der Cobalt enthaltenden Art, die unter dem Namen BZN® 6000 von der General Electric Company vertrieben werden, haben weite Akzeptanz in einer Vielfalt von Anwendungen gefunden. Es wurde jedoch beispielsweise in den US-PSn 4,319,707; 4,527,998; 4,772,294; 4,850,523 und 5,032,147 berichtet, dass der thermische Abbau bei erhöhten Temperaturen von etwa 700ºC die Brauchbarkeit der metallhaltigen CBN- und polykristallinen Diamant(PCD)-Presslinge begrenzt hat. Im Allgemeinen wurden die Einsatztemperaturen von metallhaltigen Diamant- und CBN-Preslingen als identisch angesehen, da sich prinzipiell aufgrund der Wirkungen eines Unterschiedes in der Rate der Wärmeausdehnung zwischen den Schleif und Metall-Phasen Punktspannungen und folglich Materialrisse entwickeln. Eine solche Verallgemeinerung wurde weit akzeptiert, wie durch Sani und Grant, "Brazing of Free-Standing PCBN and PCD Products, Finer Points", Band 5, Nr. 3, Seiten 15- 18 (1993) gezeigt, die berichteten, dass das Hartlöten freistehender PCBN- und standardgemäßer unabgestützter PCD-Produkte auf Cobaltbasis möglich ist durch Minimieren des Wärmezyklus ungeachtet dessen, dass der Schmelzpunkt des Hartlotes (830-860ºC) beträchtlich höher ist als die empfohlene Sicherheits-Temperatur für die Presslinge (700ºC).
Um der behaupteten thermischen Instabilität metallhaltiger CBN-Presslinge entgegen zu wirken, wurde vorgeschlagen, wie in den US-PSn 4,850,523; 5,273,577; 4,931,363 und 4,670,025 beschrieben, dafür "thermisch stabile" CBN-Presslinge einzusetzen. Solche Presslinge sind charakterisiert als weniger als etwa 3% einer nicht CBN-Phase mit einer porösen oder Skelett-Morphologie, die sich aus dem Auslaugen des Binders oder einer zusammenhängenden Matrixphase aus dem Pressling ergibt. Wie in der US-PS 4,334,928 beschrieben, schließt eine andere Form von polykristallinem Pressling eine polykristalline Masse aus Diamant- oder CBN-Teilchen mit einer zweiten Phase aus einem Keramikmaterial ein. Polykristalline Diamant- und CBN-Presslinge, die eine zweite Phase aus einem gebundenen Carbid- oder Nitrid-Material enthalten, sind beispielhaft für die sogenannten polykristallinen "verbundenen" oder "Verbund"-Schleifpresslinge. Da die thermisch stabilen und verbundenen Presslinge jedoch im Wesentlichen nur aus Schleifteilchen und, für die verbundenen Pressling, aus einer Keramik bestehen, ist es bekannt, dass das Verbinden dieser Presslinge mit Substraten, wie Hartmetall-Trägern, sich als schwierig erwiesen hat. Solche Presslinge sind außerdem nicht so abriebsbeständig, wie dieses in vielen Anwendungen erwünscht wäre.
Es wird daher klar sein, dass Verbesserungen bei der Herstellung der Presslinge, die für viele Schneid-, Bohr- und maschinelle Bearbeitungs-Anwendungen bevorzugt sind, nämlich hartlötbare, polykristalline CBN-Presslinge, die Cobalt oder Ähnliches als Matrixphase enthalten, von der Industrie gut aufgenommen werden würde. Speziell erwünscht wäre das Aufbringen eines festen, selbstgebundenen Überzuges aus einem hochschmelzenden Metall auf einen cobalthaltigen CBN-Pressling, um einen überzogenen Pressling zu bilden, der an einen Hartmetall-Träger hartgelötet werden kann, oder der direkt an einen Werkzeughalter oder Ähnliches ohne Bedarf für einen Träger hartgelötet werden kann.

ALLGEMEINE DARLEGUNG DER ERFINDUNG

Die vorliegende Erfindung ist auf die Herstellung hartlötbarer polykristalliner kubischer Bornitrid(CBN)-Presslinge gerichtet, die Cobalt enthalten, und auf das Verbinden solcher Presslinge mit einem Substrat mittels eines Hartlöt-Verfahrens. Indem man einen cobalthaltigen CBN- Pressling mit einer chemisch gebundenen Schicht aus einem hochschmelzenden Metall, wie Wolfram, überzieht, sorgt die vorliegende Erfindung für ein verbessertes Hartlöten der Presslinge direkt an einen Werkzeughalter oder Ähnliches. Der chemsich gebundene Überzug übersteht, wie beobachtet wurde, schwere Deformation ohne Abspalten. Darüber hinaus kann der metallüberzogene Pressling der vorliegenden Erfindung an einen Hartmetall-Träger oder Ähnliches hartgelötet werden, um einen konventionellen abgestützten Pressling zu bilden, dies aber zu geringeren Kosten und mit einer verbesserten Abmessungs-Toleranz, als beim Formen unter Anwendung von HT/HP- Techniken. In dieser Hinsicht können Schichten aus mehreren Presslingen in einer konventionellen HT/HP-Presse ohne die Notwendigkeit gebildet werden, in der Presse Hartmetall-Trägerschichten einzusetzen. Der Zellraum in der Presse kann somit für die Herstellung von Schleifpresslings- Schichten maximiert werden, die später zur Bildung abgestützter Presslinge an Trägerschichten hartgelötet werden können. Da dieses Hartlöten bei tieferen Temperaturen bewirkt werden kann, verglichen mit den HT/HP-Bindetechniken, die bisher benutzt wurden, werden thermische Spannungen minimiert und es können Verbundpresslinge hergestellt werden, die Verhältnisse der Dicken der Carbidschicht zu den Dicken der Presslingsschicht aufweisen, die außerhalb des Bereiches der Dicken-Verhältnisse liegen, die bisher für empfehlenswert angesehen wurden. Diese und andere Vorteile werden dem Fachmann aufgrund der hier enthaltenen Offenbarung ohne Weiteres deutlich werden.
Es ist daher ein Merkmal der vorliegenden Erfindung, ein verbessertes Verfahren zum Herstellen eines cobalthaltigen kubischen Bornitrid(CBN)-Presslings zu schaffen. Gemäß dem Verfahren der Erfindung wird eine Oberfläche des cobalthaltigen CBN-Presslings, durch die Abscheidung einer Schicht aus einem hochschmelzenden Metall darauf, metallisiert. Der metallisierte Pressling wird dann auf eine Behandlungs-Temperatur oberhalb von etwa 800ºC für mindestens etwa 30 Minuten erhitzt, um das hochschmelzende Metall chemisch mit der Oberfläche des Presslings zu verbinden, um eine Metallüberzugsschicht darauf zu bilden.
Es ist ein weiteres Merkmal der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren zum Herstellen eines verbesserten cobalthaltigen kubischen Boritrid(CBN)-Presslings zu schaffen, der an ein Substrat hartgelötet ist. Gemäß dem Verfahren nach der Erfindung wird eine Oberfläche eines cobalthaltigen CBN-Presslings durch das Abscheiden einer Schicht aus einem hochschmelzenden Metall darauf metallisiert. Der metallisierte Pressling wird dann auf eine Behandlungs-Temperatur oberhalb etwa 800ºC für mindestens etwa 30 Minuten erhitzt, um das hochschmelzende Metall chemisch mit der Oberfläche des Presslings zu verbinden, um eine Metallüberzugsschicht darauf zu bilden. Die metallüberzogene Oberfläche des Presslings wird dann mit einer fluchtenden Oberfläche eines Substrates mit einem Hartlotmetall mit einer Liquidus-Temperatur oberhalb etwa 600ºC hartgelötet.

KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNG

Für ein vollständigeres Verstehen der Natur und der Aufgaben der Erfindung wird auf die folgende detaillierte Beschreibung in Verbindung mit der beigefügten Zeichnung Bezug genommen, in der zeigen:
Fig. 1 eine graphische Darstellung der linearen Wärmeausdehnung eines repräsentativen cobalthaltigen. CBN-Presslings über einen Temperaturbereich von 0ºC bis 1.200ºC;
Fig. 2 eine graphische Darstellung der linearen Wärmeausdehnung eines repräsentativen Verbundpresslings (BZN® 8100, General Electric Company) über einen Temperaturbereich von 0ºC bis 1.200ºC;
Fig. 3 eine graphische Darstellung der linearen Wärmeausdehnung eines ersten repräsentativen cobalthaltigen PCD-Presslings (Compax® 1500, General Electric Company) über einen Temperaturbereich von 0ºC bis 1.200ºC und
Fig. 4 eine graphische Darstellung der linearen Wärmeausdehnung eines zweiten repräsentativen cobalthaltigen PCD-Presslings (Compax® 1600, General Electric Company) über einen Temperaturbereich von 0ºC bis 1.200ºC.
Die Zeichnung wird in Verbindung mit der folgenden detaillierten Beschreibung der Erfindung weiter erläutert.

DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG

Wie oben erwähnt, wurde berichtet, dass die Temperaturgrenze cobalthaltiger CBN-Presslinge ähnlich der für cobalthaltige PCD-Presslinge ist, nämlich etwa 700ºC. In dieser Hinsicht wurde angenommen, dass die beschränkten Einsatz-Temperaturen sowohl für die PCD- als auch die CBN-Presslinge hauptsächlich den Wirkungen des Unterschiedes in der Rate der Wärmeausdehnung zwischen den Schleif und Metall-Phasen zuzuschreiben ist. Da die PCD- oder CBN-Schleifteilchen einen Koeffizienten der Wärmeausdehnung (CTE) haben, der relativ geringer ist als der für die Restmetall-Einschlüsse zwischen den Teilchen, wurde der Unterschied in den CTEs als sich entwickelnde Punktspannungen gesehen, die zum Reißen und Schwächen des Materials führten, die es als ein Schleifmittel unbrauchbar machten. Herstellungsverfahrten, die eine höhere Einsatz- Temperatur erfordern, wie Überziehen mit Wolfram und Hartlöten bei hoher Temperatur, wurden daher auf den Einsatz thermisch stabiler PCD- oder CBN-Presslinge beschränkt. Unglücklicherweise zeigen diese thermisch stabilen Presslinge häufig gewisse Leistungs- oder Material-Eigenschaften, wie Schlagfestigkeit und Verbindbarkeit, die beträchtlich schlechter sind als die cobalthaltiger Presslinge.
Ungeachtet der Lehren in der Literatur wurde jedoch im Gegensatz dazu festgestellt, dass die Temperatur der thermischen Stabilität oder des Einsatzes für die cobalthaltigen CBN-Presslinge tatsächlich nicht die gleiche ist wie die für cobalthaltige PCD-Presslinge. Es wurde experimentell festgestellt, dass die cobalthaltigen CBN-Presslinge, die Gegenstand der vorliegenden Erfindung sind, thermisch stabil sind bei Temperaturen oberhalb 800ºC und sogar bis zu Temperaturen von etwa 1.000ºC. In rückschauender Betrachtungsweise wurde postuliert, dass die größere thermische Stabilität der cobalthaltigen Presslinge durch die Tatsache erklärt werden kann, dass Cobalt für CBN weniger aktiv als ein Lösungsmittel oder Katalysator ist, verglichen mit Diamant. Wie in den US-PS 4,772,294 und 5,032,147 beschrieben, wird das Cobaltmetall in PCD-Presslingen, das als ein Lösungsmittel oder Katalysator bei dem HT/HP-Bildungsverfahren eingesetzt wird, bei dem Graphit in Diamant umgewandelt wird, und das im Pressling als eine Bindematrix vorhanden ist, bei Temperaturen von etwa 700ºC bei Atmosphärendrucken aktiv. Die Aktivierung des Cobalts katalysiert die Rückumwandlung von Diamant in Graphit und trägt dadurch zum strukturellen Abbau des Presslings und zum Verlust seiner Fähigkeit als ein Schleifteil bei. Da Cobalt als ein Katalysator für CBN sehr viel weniger aktiv ist als für Diamant, sind es augenscheinlich eher die katalytischen Wirkungen des Cobalts bezüglich Diamant als die Unterschiede in den CTEs zwischen CBN- oder Diamant-Teilchen und dem Cobalt, die der begrenzende Faktor in der Wärmestabilität von cobalthaltigen Diamant- oder CBN-Presslingen ist.
In Anbetracht der Feststellung der höheren Wärmestabilität cobalthaltiger CBN-Presslinge, kann man sich ein Nachformen, Herstellen oder Zusammenbauen vorstellen, die diese bisher unbekannte Eigenschaft nutzen. Die Verwendung cobalthaltiger CBN-Presslinge kann daher ausgedehnt werden, insbesondere hinsichtlich des Überziehens und Hartlötens bei höheren Temperaturen, als sie bisher dafür bekannt waren. Cobalthaltige CBN-Pressling, wie sie hier beschrieben wer den, umfassen Materialien, wie sie in den US-PS 3,233,988; 3,743,489; 3,767,371; 3,918,219 beschrieben sind, die von etwa 70 bis etwa 90 Vol.-% CBN-Teilchen und eine zweite Phase oder Bindematrix von etwa 10 bis etwa 30 Vol.% aus Cobaltmetall oder einer Legierung oder Mischung davon enthalten. Solche Presslinge werden durch die General Electric Company unter dem Namen BZN® 6000 hergestellt.
Gemäß den Regeln der Erfindung wird ein Verfahren zum Herstellen eines verbesserten, hartlötbaren cobalthaltigen kubischen Bornitrid-Presslings geschaffen. Das Verfahren schließt allgemein die Stufen ein: (a) Schaffen eines cobalthaltigen CBN-Presslings mit mindestens einer Oberfläche; (b) Metallisieren einer Oberfläche des cobalthaltigen CBN-Presslings durch Abscheiden einer Schicht aus einem hochschmelzenden Metall darauf und (c) Erhitzen des metallisierten Presslings auf eine Behandlungs-Temperatur oberhalb von etwa 800ºC für mindestens etwa 30 Minuten, um das hochschmelzende Metall chemisch mit der Oberfläche des Presslings zu verbinden, um eine Metallüberzugsschicht darauf zu bilden. Es ist wichtig, dass das hochschmelzende Metall zur Bildung einer chemischen Bindung mit den Schleifteilchen des Presslings in der Lage ist. Unter einer chemischen Verbindung wird verstanden, dass das hochschmelzende Metall zur Bildung von Boriden oder Nitriden mit den CBN-Teilchen in der Lage ist. Typische Beispiele solcher Metalle schließen Titan, Mangan, Chrom, Vanadium, Wolfram, Molybdän und Niob ein, wobei Wolfram und seine Legierungen und Mischungen vom Standpunkt der Leistungsfähigkeit bevorzugt sind. Das Metall wird daher so ausgewählt, dass es eine stabile chemische Bindung mit den Schleifteilchen bei Temperaturen erzeugt, die unterhalb der Abbau-Temperatur des Presslings liegen, die für die cobalthaltigen Presslinge der vorliegenden Erfindung etwa 1.000ºC beträgt. Wird die Wärmebehandlung bei einer zu hohen Temperatur ausgeführt, dann werden die Risiken der Verschlechterung der Schleifteilchen während der Hitzebehandlung erhöht. Um die Risiken der Verschlechterung weiter zu minimieren ist es bevorzugt, dass die Wärmebehandlung in einer inerten, reduzierenden oder nicht oxidierenden Atmosphäre ausgeführt wird, wie sie durch pin Neon-, Argon-, Wasserstoff oder Stickstoff-Gas oder durch ein Vakuum von etwa 1,33 · 10&supmin;² Pa (10&supmin;&sup4; Torr) gegeben ist.
Im Allgemeinen kann das Metallisieren des Presslings bei einer beträchtlich tieferen Temperatur, vorzugsweise bei etwa 300ºC bis etwa 600ºC, als die Wärmebehandlungsstufe bewirkt werden. Wie für das Überziehen thermisch stabiler Presslinge bekannt und detailliert ausgeführt in den US-PSn 4,931,363; 4,943,488; 4,063,909; 5,037,704 und 5,273,557, schließt das Metallisieren das Abscheiden eines hochschmelzenden Metalles, wie Nickel, Kupfer, Titan, Wolfram, Niob, Zirkonium, Vanadium, Molybdän, Chrom, Hafnium oder einer Legierung oder Mischung davon, auf einer Oberfläche des Presslings ein. Irgendeine einer Anzahl bekannter Techniken, einschließlich elektrolytischem Plattieren, Verdampfen, chemischem Bedampfen (CVD), Zerstäuben, Plasmaüberziehen, Überziehen mit geschmolzenem Salzbad, Packdiffusion oder Vakuumabscheidung, kann zum Abscheiden der Metallschicht benutzt werden. Vorzugsweise wird die Metallschicht so abgeschieden, dass sie eine Dicke von etwa 2 um oder weniger bis etwa 150 um aufweist, um die Entwicklung von Spannungen im Pressling zu minimieren. Wie in der US-PS 5,273,557 hinsichtlich wärmestabiler PCD-Presslinge offenbart, verbessert die Schaffung einer Metallüberzugsschicht, z. B., die Oxidationsbeständigkeit des Presslings während des Hartlötens und verbessert das Benetzen des Presslings durch das Hartlot, um eine bessere Haftung dazwischen zu fördern.
Der hier beschriebene, metallüberzogene cobalthaltige CBN-Pressling kann an ein Substrat, wie einen Schaft oder anderen Halter, hartgelötet werden, um ein Werkzeug zu bilden, oder an eine Hartmetallschicht, um einen abgestützten oder Verbundpressling zu bilden. Wie typisch ist, kann die Hartmetallschicht, z. B., Wolfram-, Titan-, Tantal- oder Molybdäncarbid-Teilchen oder Mischungen davon und einen Metallbinder, wie Cobalt, Nickel oder Eisen, Ruthenlum, Rhodium, Palladium, Platin, Chrom, Mangan, Tantal, Osmium, Iridium oder eine Mischung oder Legierung davon, umfassen. Es wurde beobachtet, dass die metallüberzogenen cobalthaltigen CBN-Presslinge der Erfindung leicht entweder auf Hartmetall-Träger oder direkt an Werkzeughalter und Ähnliches hartgelötet werden, so dass während der Bildung des CBN-Presslings kein Carbidträger in der Reaktionszelle der HT/HP-Vorrichtung vorhanden sein muss. Es können daher viele CBN-Presslingschichten mit einer genauen Abmessungstoleranz ohne den Einschluss von Trägerschichten in der Reaktionszelle der HT/HP-Presse gebildet werden. Da die Hartmetall-Trägerschichten einen beträchtlichen Aufwand bei dem Herstellungsverfahren bilden und wertvollen Zellraum einnehmen, erhöht ihr Weglassen die Produktivität und macht daher das Herstellungsverfahren wirtschaftlicher. Da beide Seiten einer nicht abgestützten CBN-Schicht zu einer erwünschten Dicke ohne Verjüngung genau geschliffen werden können, können gemäß der vorliegenden Erfindung CBN- Presslinge mit zwei metallüberzogenen Seiten zum Verbinden durch Hartlöten oder Ähnliches an ein Werkzeug, wie einen Spiralbohrer, hergestellt werden.
Die Schaffung metallüberzogener CBN-Presslinge gemäß der Erfindung erleichtert zusätzlich die Herstellung getragener Presslinge, die bisher das empfohlene Verhältnis von Carbidschicht- Dicke zu Schleifstück-Dicke verletzt haben würden. Ein typischer CBN-Pressling, wie er hergestellt wird, führt zu einer Schleifplatte unter Druck, solange das Verhältnis von WC zu CBN größer als etwa 1 ist. Werden Teile der WC-Schicht abgeschliffen oder in anderer Weise entfernt, wodurch das WC/CBN-Verhältnis kleiner als etwa 1 gemacht wird, dann kann die Schleifplatte unter Zug stehen und reißen. Da das Hartlöten der überzogenen CBN-Presslinge der vorliegenden Erfindung bei Temperaturen unterhalb der 1.300ºC bewirkt werden kann, die zur Bildung getragener CBN-Presslinge in der konventionellen HT/HP-Weise erforderlich sind, werden die Spannungen in der Presslingschicht minimiert. Der Einsatz der im Wesentlichen spannungsfreien Presslinge der vorliegenden Erfindung erleichtert daher die Herstellung dünnerer Presslinge ohne ein erhöhtes Risiko des Spannungsbruches.
Hinsichtlich des Hartlötens der metallüberzogenen cobalthaltigen CBN-Presslinge der vorliegenden Erfindung an ein Substrat, wie einen Werkzeughalter oder eine Hartmetallschicht, kann ein solches Hartlöten wirksam bei höheren Temperaturen und für längere Zeiten ausgeführt werden, als dies bisher bekannt war. Wie in den US-PS 4,319,707 und 4,772,294 ausgeführt, wurden Hartlot-Legierungen mit Liquidus-Temperaturen von weniger als 700ºC für notwendig angesehen, wenn der Pressling nicht in einer thermisch stabilen Form geschaffen wurde. Der Einsatz solcher Niedertemperatur-Hartlotlegierungen hat jedoch unglücklicherweise nur begrenzte Anwendbarkeit bei der Bildung von Verbindungen gefunden, die charakteristischerweise geringere Festigkeit haben, verglichen mit Legierungen für höhere Temperatur. Es ist daher eine Regel der vorliegenden Erfindung, für das Hartlöten der metallüberzogenen cobalthaltigen CBN-Presslinge der vorliegenden Erfindung ein Hartlotmetall mit einer Liquidus-Temperatur von mindestens oberhalb etwa 600ºC, aber vorzugsweise oberhalb etwa 700 oder 800ºC einzusetzen.
Das Hartlöten der metallüberzogenen Presslinge der Erfindung kann durch Techniken bewirkt werden, die als konventionell für thermisch stabile Presslinge angesehen werden würden, wobei solche Techniken vollständiger in den US-PSn 4,063,909; 4,225,322; 4,319,707; 4,527,998; 4,601,423; 4,670,025; 4,772,294; 4,850,523; 4,941,891; 4,968,326; 4,931,363; 5,032,147 und 5,273,557 sowie in Saal und Grant, "Brazing of Free-Standing PCBN and PCD Products, Finer Points", Band 5, Nr. 3, Seiten 15-18 (1993) beschrieben sind. Im Allgemeinen schließt das Hartlöten der metallüberzogenen Presslinge an ein Substrat, wie einen Carbidträger oder einen Werkzeughalter das Anordnen einer Schicht des Hartlotmetalles zwischen der metallisierten Oberfläche des Presslings und der fluchtenden Oberfläche des Substrates, das Anpassen der metallisierten Oberfläche des Presslings an die fluchtende Oberfläche des Substrates, das Erhitzen des Füllstoff-Metalles auf eine Temperatur oberhalb seiner Liquidus-Temperatur und das Abkühlen des Füllstoff-Metalles auf eine Temperatur unterhalb seiner Liquidus-Temperatur ein, um die metallisierte Oberfläche des Presslings an die fluchtende Oberfläche des Substrates zu binden.
Als ein Ergebnis der bisher nicht erkannten thermischen Stabilität der metallüberzogenen Presslinge der Erfindung wurde festgestellt, dass die Hartlot-Legierung auf eine Temperatur oberhalb ihrer Liquidus-Temperatur für mindestens etwa 2 Minuten und sogar bis zu etwa 2 Stunden erhitzt werden kann, ohne die strukturelle Integrität der Presslinge zu beeinträchtigen. Irgendeines einer Anzahl von Hartlot-Metallen, wie Legierungen von Silber, Kupfer, Titan, Palladium, Platin, Zink, Nickel, Gold und Mangan sowie Mischungen davon, kann eingesetzt werden, obwohl eine TiCuSil-Legierung (Ti-4,5%, Cu-26,7%, Ag-Rest) im Allgemeinen als bevorzugt angesehen wird. Wie im Stande der Technik für thermisch stabile Materialien typisch, kann das Hartlöten in einer inerten, reduzierenden oder nicht oxidierenden Atmosphäre ausgeführt werden, wie sie durch ein Neon-, Argon-, Wasserstoff oder Stickstoffgas oder durch ein Vakuum von etwa 10&supmin;&sup4; Torr geschaffen wird, um die Oxidation oder anderweitige Beeinträchtigung der Materialien zu minimieren. Alternativ können die metallüberzogenen Presslinge der Erfindung unter Einsatz weniger aggressiver, standardgemäßerer Techniken hartgelötet werden, wie, z. B., mit einer Füllstofflegierung mit einer Liquidus-Temperatur von etwa 600ºC.
Die folgenden Beispiele, in denen alle Prozentangaben und Anteile auf das Gewicht bezogen sind, sofern nichts anderes ausdrücklich angegeben, veranschaulichen die Ausführung der Erfindung, doch sollten sie nicht in irgendeinem begrenzenden Sinne verstanden werden.

BEISPIELE

BEISPIEL 1

Um die gefundenen Grenzen der thermischen Stabilität für die cobalthaltigen CBN- Presslinge, die Gegenstand der vorliegenden Erfindung sind, zu bestätigen, wurde eine Untersuchung der Wärmeausdehnung ausgeführt, bei der sowohl für cobalthaltige CBN- als auch PCD-Presslinge standardgemäße lineare Wärmeausdehnungs-Kurven erzeugt wurden. Es wurde zusätzlich eine standardgemäße lineare Wärmeausdehnungs-Kurve für eine TiN-haltige CBN- Probe als ein Bezugsmaterial erzeugt. Es wurde ein Orton-Dilatometer Modell 15000 mit einer Aufheizrate von 3,00ºC/min über einen Temperaturbereich von 0ºC bis 1.200ºC benutzt. Die Probenlänge betrug etwa 2 cm (0,75 inch). Die erhaltenen Kurven sind graphisch in den Fig. 1-4 als Auftragungen der prozentualen linearen Änderung (oder des Koeffizienten der Wärmeausdehnung) in Abhängigkeit von der Temperatur aufgetragen. Eine scharfe Änderung in der Neigung dieser Kurven zeigt die Temperatur an, bei der die Wärmeausdehnung des Materials scharf zunimmt und bei der das Material als thermisch instabil angesehen wird.
In Fig. 1 ist die Wärmeausdehnungs-Kurve für eine repräsentative Probe (BZN® 6000, General Electric Company) für die cobalthaltigen CBN-Presslinge, die Gegenstand der Erfindung sind, gezeigt. Die Kurve zeigt, dass die Wärmeausdehnung der Probe nicht von der unteren oder thermisch stabilen Temperaturkurve bis etwa 1000ºC abweicht. In dieser Hinsicht hat das Material ein thermisches Ansprechen ähnlich dem des TiN-haltigen Bezugspresslings (BZN® 8100, General Electric Company), der in Fig. 2 gezeigt ist. Im Gegensatz dazu zeigen die cobalthaltigen PCD- Proben der Fig. 3 (Compax® 1500) und 4 (Compax® 1600) eine Abweichung von der thermisch stabilen Temperaturkurve bei beträchtlich geringerer Temperatur. Ein solches Verhalten bedeutet, wie experimentell beobachtet wurde, eine höhere Wärmestabilitäts-Grenze für die cobalthaltigen CBN-Presslinge der Erfindung, verglichen mit cobalthaltigen PCD-Presslingen.

BEISPIEL 2

Eine zweite Untersuchung der Wärmestabilität wurde ausgeführt, um festzustellen, ob Temperaturgrenzen höher als der Bereich von 700ºC bis 750ºC für cobalthaltige PCD-Pressllnge für die cobalthaltigen CBN-Presslinge der Erfindung überschritten werden könnten. Proben für die cobalthaltigen CBN-Presslinge (BZN® 6000, General Electric Company), getragen auf Wolframcarbid-Hartmetallsubstraten, wurden einer Wärmebehandlung bis zu 1000ºC für bis zu 2 Stunden ausgesetzt. Die behandelten Proben wurden dann an einen Werkzeughalter hartgelötet, um ein Standardwerkzeug herzustellen. Bearbeitungstests mit dem Werkzeug zeigten, dass es keine Beeinträchtigung der Leistungsfähigkeit gab, verglichen mit Werkzeugen mit Presslingen, die nicht wärmebehandelt worden waren. Im Besonderen war kein Reißen der wärmebehandelten Probe visuell erkennbar.

BEISPIEL 3

Um die Regeln der Erfindung zu bewerten, wurden Quadrate mit 1 cm (0,390 inch) Kantenlänge und einer Dicke von 1 mm aus cobalthaltigem CBN-Pressling (BZN® 6000, General Electric Company) geschnitten und durch thermische Zersetzung (CVD) von Wolframhexafluorid bei einer Temperatur von etwa 500ºC bis 600ºC mit Wolfram überzogen. Die überzogenen Proben wurden dann bei einer Temperatur von etwa 850ºC bis 925ºC für bis zu 2 Stunden wärmebehandelt. Nach dem Wärmebehandeln wurden die Proben unter Verwendung einer EASY-FLO 45TM- Hartlotlegierung (Handy & Harman) auf einen Wolframcarbid-Träger hartgelötet, um eine Unterbaueinheit für das spätere Testen der Leistungsfähigkeit herzustellen. Es wurde kein Abspalten oder Reißen des Wolfram-Überzuges oder der CBN-Pressllngschicht beobachtet. Ein in ähnlicher Weise behandelter cobalthaltiger PCD-Pressling war verbogen und hatte einen abgespaltenen Überzug, was zeigte, dass die Grenze der Wärmestabilität des Presslings überschritten worden war.

BEISPIEL 4

Eine hartgelötete CBN-Wolframcarbid-Unterbaueinheit von Beispiel 3 wurde für eine Endschleif-Bewertung durch Befestigen an einem konventionellen Ingersoll LNE443-01-Carbideinsatz mit einer Niedertemperatur-Hartlotlegierung vorbereitet. Es wurden zusätzlich ein standardgemäßer, d. h. HT/HP-gebundener, cobalthaltiger CBN-Träger-Pressling (BZN® 6000) und ein standardgemäßer und hartgelöteter titannitrid-haltiger CBN-Träger-Pressling (BZN® 8100) zum Vergleich bewertet. Die Einsätze wurden in einer negativen Ingersoll 600D12R02-Endschleifvorrichtung mit einem nominellen Außendurchmesser von 3 cm (1,23 inch) gehalten. Ein typisches Graugusseisen der Klasse 30 (Neenah Foundry) mit einer Brinell-Härte von 200 wurde als das Werkstückmaterial ausgewählt. Das Material hatte eine perlitische/Graphit-Struktur mit einer Graphitflocken-Verteilung vom Typ A, und es wurde vor dem Testen maschinell bearbeitet, um die gesamte Oberflächenkruste und Oxidation zu entfernen.
Die Einsätze wurden ohne abgeschrägte Kante oder Honen auf Leistungsfähigkeit in einem Schlagform-Modus getestet. Die radiale Tiefe oder Breite des Schnittes wurde auf 1,27 cm (0,500 inch) eingestellt, um die Wirkungen der radialen Chip-Verdünnung zu minimieren, und die axiale Tiefe des Schnittes (DOC) wurde für einen Gesamteingriff mit der Werkstückdicke von 2,375 cm (0,935 inch) eingestellt. Die Geschwindigkeit des Schneidgerätes wurde bei 457,2 Oberflächenmetern/min (1500 Oberflächenfuß/min (SFM)) für Zuführraten von 17,8 um pro Zahn (0,0007 Zoll pro Zahn (ipt)) und 25,4 um pro Zahn (0,001 ipt) und einer Länge des Schnittes (LOC) von 9,42 cm (3,710 inch) gehalten. Die langsamere Zuführrate von 0,0007 ipt wurde ausgewählt, um irgendein Zerspanen der Einsätze zu minimieren. Bei den angegebenen Zuführraten und Bedingungen wurde eine solche Wärme erzeugt, dass das Werkstück erhitzt wurde und die gebildeten Eisenspäne mehrere Minuten nach jedem Durchgang hellrot glühten. Die Testbedingungen sind in Tabelle 1 zusammengefasst.

TABELLE 1

Zusammenfassung der Testbedingungen

Maschine: LeBlond/Makino 25 H. P.
Werkstück: Eisengrauguss der Klasse 30 (Bhn 200)
Fräser: 3,12 cm (1,23 inch) Ingersoll 600D12R02-Endfräser (Negative Geometrie)
Fräsmodus: Schlagformen mit einzelnem Einsatz
Einsatzart: LNE-443-01, Qualität 111
Kantenzubereitung: Keine
Honen: Keines
SFM: 1500
Umdrehungen pro Minute: 4658
IPT: 0,0007 und 0,001
IPM: 3,3 und 4,7
DOC: 23,8 mm (0,935 inch)
Radiale Tiefe: 12,7 mm (0,500 inch)
Kühlmittel: Keines
Nach jedem Durchgang wurden Chip-Messungen, Oberflächengüten- und Leistungs-Werte erhalten. Am Schluss jedes Testlaufes wurden Fotografen aufgenommen. Aufgrund der Materialbeschränkungen des Werkstückes wurden die Bewertungen bei einer Zuführrate von 0,0007 ipt bei einem abgearbeiteten Volumen von 6,94 für den Standard BZN® 6000-Einsatz und den Standard von hartgelöteten BZN® 8100-Einsatz beendet. Der hartgelötete BZN® 6000-Einsatz der Erfindung wurde ausgewählt, um den Rest des Werkstückmaterials zu bearbeiten.
Die in Tabelle 2 zusammengefassten Ergebnisse zeigten, dass der CBN-Einsatz, der gemäß der vorliegenden Erfindung überzogen und hartgelötet war, kleine Späne von 0,048 mm (0,0019 inch) entwickelte, aber trotzdem keinen merklichen Flankenabrieb oder ein Schwächen der Hartlötung zeigte. In dieser Hinsicht arbeitete er vergleichbar dem Standard BZN® 6000-Einsatz und dem thermisch stabilen BZN® 8100-Einsatz. Die Ergebnisse bestätigen somit, dass die metallüberzogenen cobalthaltigen CBN-Presslinge, die Gegenstand der vorliegenden Erfindung sind, an Substrate, wie Wolframcarbid-Hartmetall hartgelötet werden können und geeignet sind für industrielle Anwendungen. TABELLE 2 Zusammenfassung der Ergebnisse
Bei der vorliegenden Erfindung können gewisse Änderungen vorgenommen werden, ohne den Umfang der Ansprüche zu verlassen, es ist vorgesehen, dass das gesamte in der vorgenannten Beschreibung enthaltene Material als veranschaulichend und nicht in einem einschränkenden Sinne interpretiert wird.

Claims

1. Verfahren zum Herstellen eines hartlötbaren, Cobalt enthaltenden, kubischen Bornitrid (CBN)-Preßlings, umfassend die Stufen:

a) Schaffen eines Cobalt enthaltenden CBN-Preßiings mit mindestens einer Oberfläche,

b) Metallisieren einer Oberfläche des Cobalt enthaltenden CBN-Preßlings durch Abscheiden einer Schicht aus hochschmelzendem Metall darauf und

c) Erhitzen des metallisierten Preßlings auf eine Behandlungs-Temperatur oberhalb 800ºC für mindestens etwa 30 Minuten, um das hochschmelzende Metall mit der Oberfläche des Preßlings zur Bildung einer Metallüberzugsschicht darauf chemisch zu verbinden.

2. Verfahren nach Anspruch 1, worin der CBN-Preßling zwischen etwa 10 und 30 Vol.-% Cobalt oder eine Legierung oder Mischung davon umfaßt.

3. Verfahren nach Anspruch 1, worin der metallisierte Preßling in Stufe (c) auf eine Behandlungs-Temperatur zwischen 800ºC und 1.000ºC erhitzt wird.

4. Verfahren nach Anspruch 3, worin die Oberfläche des Preßlings in Stufe (b) auf eine Temperatur zwischen 300ºC und 600ºC erhitzt wird.

5. Verfahren nach Anspruch 1, worin der metallisierte Preßling in Stufe (c) in einer inerten, reduzierenden oder nicht oxidierenden Atmosphäre erhitzt wird.

6. Verfahren nach Anspruch 1, worin das hochschmelzende Metall in Stufe (b) in einer Schicht mit einer Dicke von etwa weniger als 2 um bis etwa 150 um abgeschieden wird.

7. Verfahren zum Hartlöten eines Cobalt enthaltenden, kubischen Bornitrid (CBN)-Preßlings an ein Substrat, umfassend die Stufen:

a) Schaffen eines Cobalt enthaltenden CBN-Preßlings mit mindestens einer Oberfläche,

b) Schaffen eines Substrates, das eine mit einer Oberfläche des CBN-Preßlings fluchtende Oberfläche aufweist,

c) Metallisieren einer Oberfläche des Cobalt enthaltenden CBN-Preßlings durch Abscheiden einer Schicht aus hochschmelzendem Metall darauf,

d) Erhitzen des metallisierten Preßlings auf eine Behandlungs-Temperatur oberhalb 800ºC für mindestens 30 Minuten, um das hochschmelzende Metall zur Bildung einer Überzugsschicht darauf chemisch an die Oberfläche des Substrates zu binden und

e) Hartlöten der metallüberzogenen Oberfläche des Freßlings an die fluchtende Oberfläche des Substrates mit einem Hartlot-Füllmetall mit einer Liquidus-Temperatur oberhalb etwa 600ºC.

8. Verfahren nach Anspruch 7, worin das Hartlot-Füllmetall eine Liquidus-Temperatur oberhalb etwa 800ºC aufweist.

9. Verfahren nach Anspruch 7 oder 8, worin die Stufe (e) des Hartlötens der metallüberzogenen Oberfläche des Preßlings an die fluchtende Oberfläche des Substrates mit einem Hartlot-Füllmetall mit einer Liquidus-Temperatur oberhalb etwa 600ºC die Stufen umfaßt:

i) Anordnen einer Schicht des Füllmetalles zwischen der metallüberzogenen Oberfläche des Preßlings und der fluchtenden Oberfläche des Substrates,

ii) Anpassen der metallüberzogenen Oberfläche des Preßlings an die fluchtende Oberfläche des Substrates,

iii) Erhitzen des Füllmetalles auf eine Temperatur oberhalb seiner Liquidus- Temperatur und

iv) Abkühlen des Füllmetalles auf eine Temperatur unterhalb seiner Liquidus- Temperatur, um die metallüberzogene Oberfläche des Preßlings mit der fluchtenden Oberfläche des Substrates zu verbinden.

10. Verfahren nach Anspruch 9, worin das Füllmetall in Stufe (b)(ii) auf eine Temperatur oberhalb seiner Liquidus-Temperatur für etwa 2 Minuten bis etwa 2 Stunden erhitzt wird.