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Technisches Gebiet
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Die
Erfindung bezieht sich allgemein auf ultraharte Materialien, die
durch Schweißen
an Substratmaterialien von Werkzeugen befestigt werden. Ultraharte
Materialien werden unter anderem bei Kernbohrungen von Gestein sowie
beim Bohren, Fräsen, Schleifen,
Polieren und anderen materialabtragenden Verfahren eingesetzt. Entsprechend
schließt
die Erfindung die Gebiete der Materialwissenschaft, der Chemie und
der ultraharten, spanabhebenden Werkzeuge ein.
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Stand der Technik
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Polykristalliner
Diamant (PKD) und polykristallines kubisches Bornitrid (PKB) sind
entweder mit einem Hartmetallsubstrat aus Wolframkarbid oder als freistehende
Körper
erhältlich. Üblicherweise
werden diese Materialien mit anderen Materialien, wie Stahl verbunden,
welche dann als Stützmasse,
zum Beispiel bei Substratmaterialien für Werkzeuge, dienen. Zum Herstellen
dieser Verbindung stehen aufgrund der physikalischen und chemischen
Eigenschaften von Hartmetall aus Wolframkarbid nur wenige Verfahren
zu Verfügung.
Besonders Hartmetall aus Wolframkarbid hat einen geringen Wärmeausdehnungskoeffizienten
und eine niedrige Temperatur-Schockbeständigkeit.
Derzeit scheint Hartlöten
die bevorzugte Befestigungsmethode zu sein, obwohl dies zahlreiche
Nachteile mit sich bringt. Dazu gehören hohe Kosten, geringe Wärmebelastbarkeit
und geringe Scherfestigkeit. Des Weiteren hängt die Qualität einer
Lötstelle
stark von der Erfahrung und der Fähigkeit des Nutzers ab. So
kann es schwierig sein eine wohl intakte Lötstelle herzustellen oder die
Unversehrtheit der Diamanten zu erhalten, indem die Graphitierung
und/oder die Oxidation bei der Verarbeitung von Diamant verhindert
wird. Die Materialien, die beim Hartlöten verwendet werden, sind üblicherweise
umweltschädlich
und der Prozess des Hartlötens
kann nicht ohne weiteres automatisiert werden.
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Andere
Verfahren wurden mit begrenztem Erfolg eingesetzt um die Verbindung
zwischen den ultraharten Materialen und den Substratmaterialien für Werkzeuge
herzustellen. Beispielsweise sind mechanische Verfahren, wie Klemmvorrichtungen
und nicht metallische Klebeverbindungen zwar alternative Verbindungstechniken,
beide sind in ihren Anwendungsbereichen jedoch stark beschränkt.
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Daher
sind verbesserte Materialien und Verfahren, um die Verbindung von
ultraharten Materialien mit einem Substratmaterial für Werkzeuge
zu verbessern, immer noch Gegenstand von Forschung und Entwicklung
mit dem Ziel hochwertige Erzeugnisse auf eine kosteneffiziente Weise
herzustellen.
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Zusammenfassung der Erfindung
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Entsprechend
schafft die vorliegende Erfindung Materialien und Verfahren zur
Herstellung ultraharter Materialien und Werkzeuge, welche die meisten
der vorangestellten Probleme umgehen.
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In Übereinstimmung
mit einem Erscheinungsbild der vorliegenden Erfindung kann ein ultraharter
Einsatz eine ultraharte Arbeitsschicht und eine schweißbare Metallschicht
umfassen, die damit metallisch verbunden ist.
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In
einem detaillierten Erscheinungsbild kann die ultraharte Arbeitsschicht
jedes harte Material sein wie, aber nicht beschränkt auf, PKD, PKB, Metallkarbid,
Keramik, Diamant oder ähnliches.
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Die
schweißbaren
ultraharten Einsätze
der vorliegenden Erfindung können
durch ein Verfahren hergestellt werden, welches das Befüllen eines
Reaktionsgefäßes mit
ultrahartem Material einschließt. Das
ultraharte Material kann vorgeformt sein oder als Pulver vorliegen
oder sich im Grünzustand
befinden. Eine schweißbare
Metallschicht kann neben dem ultraharten Material in das Reaktionsgefäß platziert werden
um eine Precursoranordnung zu bilden. Die Precursoranordnung kann
einem Druck und einer Temperatur ausgesetzt werden, die ausreichen
um das ultraharte Material metallisch mit der schweißbaren Metallschicht
zu verbinden. Im Ergebnis ermöglicht
die schweißbare
Metallschicht das leichte Anschweißen der ultraharten Schicht
an Substratmaterial für
Werkzeuge mittels konventioneller Schweißtechnik, ohne das Risiko einzugehen
das ultraharte Material zu beschädigen.
Folglich schafft die vorliegende Erfindung ein Verfahren, PKD, PKB,
Hartmetalle und Varianten hiervon durch Schweißen mit einer Stützmasse
zu verbinden. Obwohl jede geeignete Schweißtechnik verwendet werden kann
um den schweißbaren
Einsatz der vorliegenden Erfindung anzuschweißen, einige Beispieltechniken
können
Laserschweißen,
Elektronenstrahlschweißen
und Reibverschweißen
umfassen, da diese Techniken die erzeugte Wärme lokal sehr konzentrieren
können.
Andere Schweißtechniken
könnten
verwendet werden, vorausgesetzt sie verfügen über eine ähnliche Wärmecharakteristik.
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Die
vorliegende Erfindung überkommt
viele der Nachteile, die mit der Verwendung von Hartlöten, mechanischer
Befestigung und nicht metallischen Klebstoffen verbunden sind, und
schafft die Möglichkeit
die Anwendung von PKD, PKB und Variationen hiervon auf andere Anwendungsgebiete
auszudehnen. Laserschweißbare
PKD und PKB können
ein neues Erzeugnis schaffen, welches zu bevorzugen ist und nach
Kundenwünschen
gestaltet werden kann. Beispielsweise können Werkzeuge mit verbessertem
Anschlussstückdesign
für PKD-Befestigungen
die Qualität,
die Zuverlässigkeit
und die Herstellungskosten des Werkzeugs verbessern. Solche Verbesserungen
sind wichtige Geschäftsfaktoren
und können
gewährleisten,
dass im fertigen Werkzeug die PKD- und PKB-Aufsätze stabiler und sicherer und auch
wirtschaftlicher mit dem Schaft des Werkzeugs verbunden sind. Des
Weiteren können
die neuen laserschweißbaren
Erzeugnisse dem Kunden weitere Anwendungsmöglichkeiten eröffnen, wo
die Anwendbarkeit von konventionellen PKD, konventionellem PKB (siehe 1)
und ähnlichen
Erzeugnissen bisher durch die technischen und ökonomischen Nachteile beschränkt ist.
Erfindungsgemäße, laserschweißbare Erzeugnisse
können
an dem Körper des
Werkzeugs durch einfache Laserschweißtechnik, ohne zusätzliches
Hartlöten,
stabiler angebracht werden. Solche Erzeugnisse erlauben eine breitere Anwendung
und eine einfachere Anwendung in nahezu jedem Anwendungsgebiet ultraharter
Materialien, einschließlich
Bauindustrie wie Kernbohrungen von Gestein, Bohren und sogar beim
Schleifen und Polieren. Entsprechend können die Gesamtkosten einschließlich der
Arbeitszeit wirtschaftlicher sein, als bei der Herstellung von ultraharten
Werkstücken nach
dem konventionellen Verfahren des Hartlötens. Die Anwendungsgebiete
des laserschweißbaren
Erzeugnisses, selbst mit PKD ähnlichem
Material sowie mit Standard-PKD
und -PKB, sind viel größer und breiter,
wie bei Holzbearbeitung, Metallverarbeitung und Bauindustrie, wo
Bedenken gegen die Stärke
der Verbindung und auch den möglichen
Hitzeschaden des PKD Erzeugnisses durch das herkömmliche Hartlötverfahren
in der Vergangenheit den Einsatz begrenzt haben.
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Es
wurden hier die wichtigeren Eigenschaften der Erfindung ziemlich
allgemein dargelegt, damit die folgende ausführliche Beschreibung besser
verstanden werden kann und der vorliegende Beitrag zum Stand der
Technik besser gewürdigt
werden kann. Weitere Eigenschaften der vorliegenden Erfindung werden
in der ausführlichen
Beschreibung zusammen mit den Zeichnungen und den Ansprüchen deutlicher
oder ergeben sich beim Gebrauch der Erfindung.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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1 zeigt
die Seitenansicht von typischem PKD oder PKB auf einem Hartmetallsubstrat
aus Wolframkarbid nach dem Stand der Technik.
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2 ist
die Seitenansicht eines schweißbaren
ultraharten Einsatzes, der in Übereinstimmung mit
einem Ausführungsbeispiel
der vorliegenden Erfindung, eine Auflageschicht hat.
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3 ist
die Seitenansicht eines Ausführungsbeispiels
in Übereinstimmung
mit der vorliegenden Erfindung, bei der der schweißbare ultraharte Einsatz
keine Auflageschicht besitzt.
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4 ist
die perspektivische Ansicht einiger Einsätze, erhalten aus dem Einsatz
aus 2, in Übereinstimmung
mit einem weiteren Ausführungsbeispiel
der vorliegenden Erfindung.
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5A ist,
in Übereinstimmung
mit einem weiteren Ausführungsbeispiel
der vorliegenden Erfindung, die perspektivische Ansicht eines Sägeblatts mit
PCD Spitze.
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5B ist,
in Übereinstimmung
mit einem weiteren Ausführungsbeispiel
der vorliegenden Erfindung, die perspektivische Ansicht eines schweißbaren ultraharten
Einsatzes, der an dem in 5A gezeigten
Sägeblatt
angeschweißt
ist.
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5C ist,
in Übereinstimmung
mit einem Ausführungsbeispiel
der vorliegenden Erfindung, die perspektivische Ansicht eines schweißbaren ultraharten
Einsatzes, der an ein Zerspanungswerkzeug angeschweißt ist.
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Die
Zeichnungen werden in Verbindung mit den folgenden Beschreibungen
näher beschrieben. Außerdem sind
die Zeichnungen nicht notwendigerweise maßstabsgetreu und sind nur zur
Veranschaulichung, so dass Abmessungen und Formen von den Dargestellten
abweichen können.
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Detaillierte Beschreibung
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Bevor
die vorliegende Erfindung offenbart und beschrieben wird, versteht
sich, dass diese Erfindung nicht beschränkt ist auf die speziellen
Strukturen, Verfahrensschritte oder Materialien, die hier offengelegt
werden, sondern sich auch auf Vergleichbares ausdehnt, das ein Fachmann
erkennen würde. Es
sollte auch verstanden werden, dass hier verwendete Begriffe nur
zur Beschreibung spezieller Ausführungsbeispiele
gedacht sind und nicht als Beschränkung.
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Es
muss darauf hingewiesen werden, dass die in dieser Beschreibung
und den angefügten
Ansprüchen
benutzten Singularformen „ein" „eine" und „der, die, das" auch die Pluralform
mit einschließen, es
sei denn dies ist im Kontext eindeutig anders bestimmt. So schließt zum Beispiel
der Verweis auf „eine
Schicht" eine oder
mehrere Schichten solcher Schichten ein, der Verweis auf „ein Metall" schließt die Bezugnahme
auf eins oder mehrerer dieser Materialien ein, und der Verweis auf „ein Hochdruck-Hochtemperatur-Schritt
(HPHT) schließt
die Bezugnahme auf einen oder mehrere dieser Schritte ein.
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Definitionen
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In
der Beschreibung und den Ansprüchen der
vorliegenden Erfindung wird in Übereinstimmung mit
den unten dargelegten Definitionen folgende Terminologie verwendet.
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Der
hier verwendete Begriff „schweißbar" bezieht sich auf
die Eignung eines Materials sich, mittels konventioneller Schweißtechnik,
an ein Substratmaterial für
Werkzeuge anschweißen
zu lassen. Typische ultraharte Einsätze verwenden Wolframkarbid als
Stützschicht.
Wolframkarbid ist jedoch kein schweißbares Material und muss üblicherweise durch
Hartlöten
oder anderen Verfahren befestigt werden. Die meisten Metallkarbide
sind nicht schweißbar
und sind daher nicht als schweißbare Metallschicht
geeignet.
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Der
hier verwendete Begriff „schweißen" bezieht sich auf
ein Verfahren zum Verbinden von metallischen Materialien durch Einsatz
von Wärme,
die ausreicht das Material zu schmelzen und im Ergebnis die beiden
Materialien zu verschmelzen. Im Gegensatz dazu wird beim Hartlöten ein
drittes Material zum Löten
verwendet, um die beiden anderen Materialien typischerweise bei
erhöhter
Temperatur zu verbinden.
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Der
hier verwendete Begriff „metallisch
verbunden" bezieht
sich auf die Verbindung zwischen Metallatomen, was Legieren, Interdiffusion
und andere Verbindungen einschließen kann, die nicht hauptsächlich mechanischer
Natur (z. B. nicht-chemische Verbindung, Hartlöten oder Klebungen) sind.
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Der
hier verwendete Begriff „thermisch
stabiles polykristallines Material" bezieht sich auf Material, welches
mehr durch Zementieren benachbarter Teilchen durch ein zweites Material
als durch Sintern verbunden ist.
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Der
hier verwendete Begriff „chemisch
verbunden" bezieht
sich auf Bindungen, die eine interatomare Wechselwirkung, wie kovalente
und metallische Bindung oder ähnliches
umfassen.
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Der
hier verwendete Begriff „Vakuum" bezieht sich auf
einen Druck unterhalb von 1, 33 Pa (10-2 Torr).
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Der
hier verwendete Begriff „metallisch" bezieht sich auf
Metalle oder Legierungen aus zwei oder mehr Metallen. Eine große Anzahl
metallischer Materialien ist dem Fachmann bekannt, wie Aluminium,
Kupfer, Chrom, Eisen, Stahl, rostfreier Stahl, Titan, Wolfram, Zink,
Zirkon, Molybdän,
usw. einschließlich
Legierungen und Verbindungen hiervon.
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Der
hier verwendete Begriff „Cermet" bezieht sich auf
ein Material, das Metall- und Keramik- Bestandteile hat. Beispiele
für Cermets
schließen
Metallkarbide, Boride, Oxide, Silicide und ähnliches ein, sind aber nicht
darauf beschränkt.
Einige kommerziell gebräuchlicheren
Cermets schließen
Titaniumkarbid, Aluminiumoxid, Uranoxid und Mischungen aus diesen
Materialien ein. Cermets können
durch Sintern aus Keramik- und Metallpulver hergestellt werden.
Cermets können
Bestandteile, wie Titan, Wolfram, Kohlenstoff, Stickstoff, Kobalt
und ähnliches enthalten,
die das Verbinden mit der schweißbaren Schicht erleichtern.
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Der
hier verwendete Begriff „Einsatz" bezieht sich auf
einen Körper,
der an einem Substratmaterial für
Werkzeuge angebracht werden kann um ein brauchbares Werkzeug herzustellen,
wie zum Beispiel zum Fräsen,
Schleifen, Polieren oder Ähnlichem.
Zum Beispiel können
Einsätze
zylindrische Einsätze
zum Befestigen an großen Schneidbohrern einschließen oder
kann kleine Einsätze,
die durch Schneiden aus größeren Einsätzen in
eine geeignete Form hergestellt werden, umfassen, beispielsweise zum
Anschweißen
an Spitzen von Sägeblättern.
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Der
hier verwendete Begriff „Bindemittel" bezieht sich auf
ein Material, dass ultraharte Diamantpartikel und/oder Verbindungsmedien
wie kubisches Bornitrid miteinander verbindet. Das Bindemittel kann üblicherweise
kovalente Bindungen ausbilden; jedoch kann auch etwas mechanische
Verbindung vorhanden sein. Obwohl andere Materialien geeignet sein
können,
schließen
anorganische Bindemittel Silizium, Titan, Rhenium, Nickel, Wolfram,
Molybdän, Niob,
Vanadium, Chrom, Mangan und Zusammensetzungen oder Legierungen hiervon
ein, sind aber nicht darauf beschränkt.
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Der
hier verwendete Begriff „Verbindungsmedium" bezieht sich auf
ein Material, dass als Füllstoff
oder als Matrix dient, indem Diamant oder andere ultraharte Teilchen
fein verteilt sind. Üblicherweise kann
sich das Verbindungsmedium chemisch mit dem Bindemittel und/oder
Diamantpartikeln verbinden, obwohl häufig auch etwas mechanische
Verbindung beteiligt ist. Nicht beschränkende Beispiele geeigneter
Verbindungsmedien können
kubisches Bornitrid, Wolframkarbid, Bor, Siliziumnitrid und ähnliches
einschließen.
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Wenn „wesentlich" auf Stückzahlen
und Mengenangaben von Materialien oder deren Eigenschaften verweist,
bezieht sich das auf eine Menge, die ausreicht den gewünschten
Effekt des Materials oder der Eigenschaft zu erzielen. Der genaue
Grad der zulässigen
Abweichung kann in manchen Fällen von
dem genauen Kontext abhängen.
Gleichermaßen
bezieht sich „im
wesentlichen frei" auf
das Fehlen eines bezeichneten Elements oder eines Mittels in einer
Zusammensetzung. Besonders „im
wesentlichen frei von" dem
benannten Element heißt,
dass dieses Element entweder komplett in einer Zusammensetzung fehlt,
oder nur in so geringen Mengen vorkommt, dass es keine messbaren
Auswirkungen auf die Zusammensetzung hat.
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Wie
hier verwendet, kann, der Einfachheit halber, eine Vielzahl von
Gegenständen,
Bauteilen, Elementen oder Materialien einer Zusammensetzung in einer
gemeinsamen Liste aufgeführt
werden. Jedoch sollten diese Listen so ausgelegt werden, als wäre jedes
Element der Liste einzeln als getrennt und eindeutig aufgeführt. Deshalb
sollen einzelne Elemente der Listen, ohne dass das Gegenteil angegeben
ist, nicht als de facto äquivalent
zu einem anderen Element der selben Liste interpretiert werden,
nur weil sie in einer gemeinsamen Gruppe stehen. Als ein nicht beschränkendes
Beispiel dieses Prinzips: Obwohl polykristalliner Diamant und Keramik
als ultraharte Materialen aufgeführt
sind, haben sie einzigartige Eigenschaften, die sie je nach erfordertem
Umstand mehr oder weniger geeignet erscheinen lassen. Ferner werden
diese Materialien oft als verschiedene Materialklassen mit sehr
unterschiedlichen Erwägungen
bezüglich
Herstellung und Verwendung angesehen. Es ist nicht das Ziel dieser
Beschreibung jedes mögliche
Unterscheidungsmerkmal unter den möglichen brauchbaren Zusammensetzungen
erschöpfend
darzustellen, sondern nur das Prinzip der vorliegenden Erfindung
darzulegen, oftmals durch Benutzen solcher Listen.
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Volumen-
und Gewichtsprozente werden als Richtwerte in dieser Beschreibung
benutzt und sind verschieden voneinander. Weiter werden Volumenprozente
unter Ausschluss von Hohl- und Zwischenräumen in einem Material oder
zwischen Teilchen ausgerechnet. Zum Beispiel würde, wegen der Zwischenräume, eine
Menge von 100 Gew.-% Diamant weniger als 100 Vol.-% sein. Die tatsächliche
Abweichung zwischen Gewichts- und Volumenprozent hängt natürlich von
der Teilchengröße und anderen Bestandteilen
der Zusammensetzung ab.
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Konzentrationen,
Mengen oder andere numerische Daten können hier auch in Form von
Bereichen dargestellt oder ausgedrückt werden. Es muss verstanden
werden, dass solch eine Bereichsangabe nur der Zweckmäßigkeit
und der Kürze
dient und sollte deshalb flexibel verstanden werden und nicht nur die
explizit aufgesagten Zahlenwerte der Bereichsgrenzen umfassen, sondern
auch alle einzelnen Zahlenwerte oder Teilbereiche einschließen, die
von dem Bereich umfasst werden, als wäre jeder Zahlenwert oder Teilbereich
einzeln ausdrücklich
aufgeführt.
Zur Veranschaulichung, so soll der Bereich „von 1 Mikrometer bis 5 Mikrometer" so ausgelegt werden,
dass er nicht nur die ausdrücklich
genannten Werte von 1 Mikrometer und 5 Mikrometer enthält, sondern
auch alle einzelnen Werte und Teilbereiche in dem angegebenen Bereich
einschließt.
So schließt
dieser Wertebereich auch einzelne Werte wie 2, 3, 4, Teilbereiche
wie von 1-3, von 2-4 und von 3-5 und so weiter ein. Das gleiche
Prinzip gilt für
Bereiche, bei denen nur ein Zahlenwert angeben ist. Darüber hinaus
soll diese Interpretation unabhängig
von der Breite des Bereichs oder den beschriebenen Eigenschaften
angewandt werden.
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Schweißbare ultraharte Einsätze
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Erfindungsgemäß kann ein
schweißbarer
ultraharter Einsatz eine ultraharte Arbeitsschicht und eine schweißbare Metallschicht
umfassen, welche metallisch mit der ultraharten Arbeitsschicht verbunden
ist. Wie in 2 gezeigt kann ein schweißbarer, ultraharter
Einsatz 12 eine ultraharte Arbeitsschicht 14 und
eine optionale Stützschicht 16 zwischen
der Arbeitsschicht und der schweißbaren Metallschicht 18 umfassen.
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Die
ultraharte Arbeitsschicht kann aus jedem zweckmäßigem ultraharten Material
gebildet werden. Nicht beschränkende
Beispiele geeigneter ultraharter Materialien umfassen oder bestehen
im wesentlichen aus polykristallinem kubischem Bornitrid, polykristallinem
Diamant, Metallkarbid, Keramik, Diamant, Siliziumnitrid, Aluminiumoxid,
Cermet und Verbindungen hiervon oder Zusammensetzungen hiervon.
In einem detaillierten Erscheinungsbild kann die derzeit bevorzugte
Arbeitsschicht ein Material wie polykristallinen Diamant, polykristallines
kubisches Bornitrid oder Wolframkarbid umfassen. Das ultraharte
Material kann außerdem
konventionelle oder nichtkonventionelle thermische stabile Materialien wie,
säure gelaugte
polykristalline PKD, nicht poröse siliziumgebundene
PKD, schleifbare PKD (niedrige Diamantkonzentration ~60%-70%) oder ähnliches umfassen.
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Die
schweißbare
Metallschicht 18 kann aus jedem Material gebildet werden,
dass sich an das Substratmaterial für Werkzeuge anschweißen lässt. Nicht
beschränkende
Beispiele für
Materialien, die in schweißbaren
Metallschichten der vorliegenden Erfindung verwendet werden können, umfassen
Stähle, Übergangsmetalle
und Legierungen hiervon, sind aber nicht darauf begrenzt. In einem
bestimmten Erscheinungsbild der vorliegenden Erfindung kann die schweißbare Metallschicht
Edelstahl oder niedriggekohlten Stahl umfassen. In einem weiteren
detaillierten Erscheinungsbild der vorliegenden Erfindung kann die
schweißbare
Metallschicht im wesentlichen niedriggekohltem Stahl enthalten oder
daraus zusammengesetzt sein. Spezielle nicht beschränkende Beispiele
besonders brauchbarer niedriggekohlter Stähle umfassen, niedriggekohlten
Stahl mit Nickel (AISI 2317, AISI 2515), Molybdän (AISI 4012) und niedriggekohlten
Stahl mit hohem Chromanteil (AISI 405). Das laserschweißbare Material
kann in der Industrie jederzeit erhältlich sein, wie fast jede
Güteklasse
rostfreier Stähle
(304, 316L, 17-4 ph, und so weiter), niedriggekohlter Stahl, niedriggekohlte
Legierungsstähle,
Nickel-Chrom-Superlegierungen
(Inconel, etc.), Stähle
(aluminiumbeschichtete Stähle, etc.),
Molybdän,
Kobalt, Tantal, Übergangsmetalle
(z. B. Co, Cr, Ni, Ta, Ti, W, Mo, etc.) und ihre Legierungen. Die
schweißbare
Metallschicht kann jede zweckmäßige Dicke
haben. Dennoch kann als generelle Richtschnur eine Dicke von 0.1
mm bis 1 mm zweckmäßig sein.
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Wie
in 2 dargestellt können die erfindungsgemäßen, schweißbaren ultraharten
Einsätze 12 eine
Stützschicht
umfassen. Die Stützschicht kann
neben der ultraharten Arbeitsschicht angeordnet sein und die primäre schweißbare Schicht 18 gegenüber der
ultraharten Arbeitsschicht. Die Stützschicht kann jedes geeignete
Material sein, dass die ultraharte Arbeitsschicht unterstützt und
direkt oder indirekt (mit einem zweiten Material) mit dieser verbunden
werden kann. In einem Erscheinungsbild kann die Stützschicht
im wesentlichen ein Metallkarbid umfassen oder sich daraus zusammensetzen. Typischerweise
kann Wolframhartmetall verwendet werden, obwohl andere Materialien
auch geeignet sein können.
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Die
ultraharte Arbeitsschicht 14 kann unterstützt sein,
wie in 2 gezeigt, oder freistehend, wie in 3. 3 stellt
ein Ausführungsbeispiel dar,
wobei die ultraharte Arbeitsschicht 12 direkt mit einer
schweißbaren
Schicht 18 verbunden ist. Typischerweise kann bei solchen
Ausführungsbeispielen, die
aus einem freistehenden polykristallinen Körper bestehen, eine Zwischenschicht
verwendet werden, um die Verbindung zwischen dem PKD oder dem PKB
und der schweißbaren
Schicht zu verbessern. Jedoch kann eine Zwischenschicht in jedem
Ausführungsbeispiel
verwendet werden, um die Verbindung zwischen der ultraharten Arbeitsschicht
oder der Stützschichten
und der primären
schweißbaren Schicht
zu verbessern.
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In
einem detaillierten Erscheinungsbild kann die schweißbare Schicht
außerdem
eine Zwischenschicht zwischen der Stützschicht und der primären schweißbaren Schicht
umfassen. Die Zwischenschicht kann chemisch an die primäre schweißbare Schicht
gebunden sein. Auf diese Weise dient die Zwischenschicht als Übergangs-
oder Verbindungsschicht zwischen zwei Schichten, die sonst weniger Bindung
aufweisen würden.
Die Zwischenschicht kann bei der Vermeidung von Delaminierung hilfreich sein
und die gesamte Widerstandskraft der schweißbaren Einsätze der vorliegenden Erfindung
verbessern. In einem Erscheinungsbild kann die Zwischenschicht einen
Karbidformer umfassen. Nicht beschränkende Beispiele geeigneter
Karbidformer können
Nickel, Kobalt, Chrom, Vanadium, Legierungen hiervon und ähnliches
umfassen. In einem Erscheinungsbild können die Karbidformer Nickel
Kobalt oder Legierungen davon sein.
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Verfahren zur Bildung schweißbarer ultraharter
Einsätze
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Die
schweißbaren
ultraharten Einsätze
der vorliegenden Erfindung können
unter Verwendung einer Vielzahl von Verfahren gebildet werden. Allgemein
können
schweißbare
ultraharte Einsätze
durch Befüllen
eines Reaktionsgefäßes mit
einem ultrahartem Material gebildet werden. Eine schweißbare Metallschicht
kann neben dem ultraharten Material in dem Reaktionsgefäß platziert
werden um eine Precursoranordnung zu bilden. Die Precursoranordnung kann
einem Druck und einer Temperatur ausgesetzt werden, die ausreichen
um das schweißbare
Material metallisch mit dem ultraharten Material zu verbinden. Jeder,
dieser Schritte kann verschiedene Variationen umfassen und kann
gleichzeitig oder in umgekehrter Reihenfolge ausgeführt werden,
beispielsweise die Schritte des Befüllens des Reaktionsgefäßes mit
ultrahartem Material und das Platzieren einer schweißbaren Metallschicht.
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Das
Reaktionsgefäß kann mit
einem ultraharten Material befüllt
werden, dies umfasst vorgeformte oder pulvrige Precursor-Zusammensetzungen.
Alle herkömmlichen
ultraharten Precursor-Zusammensetzungen wie, aber nicht beschränkt auf, Diamantpulver,
kubisches Bornitrid, Silizium, Bor, Titan, Sinterhilfen, Verbindungsmedien,
Bindemittel, Scavengers und andere bekannte Zusätze können verwendet werden.
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Wahlweise
kann das ultraharte Material ein vorgeformtes ultrahartes Material
sein. Beispielsweise kann das Reaktionsgefäß mit bestehenden Einsätzen aus
PKD, PKD oder Metallkarbid befüllt
werden. Unter diesen Umständen
kann es erwünscht sein
die Temperatur und den Druck bei Bedingungen zu halten, die nicht
ausreichen um das vorgeformte ultraharte Material wesentlich zu
beschädigen.
Wenn man vorgeformte ultraharte Materialen verwendet kann, als allgemeine
Richtlinie, die Temperatur oberhalb des Schmelzpunkts des Zwischenmaterials
oder des schweißbaren
Materials an der Grenzfläche
liegen und der Druck kann von etwa Atmosphärendruck, bis 10 kb reichen.
Es versteht sich, dass abhängig
von den speziell verwendeten Materialien auch Bedingungen außerhalb
der Angegebenen verwendet werden können.
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Wie
oben erwähnt
kann das ultraharte Material jede Anzahl von Materialien sein. Besonders
bevorzugte Materialien umfassen polykristallinen Diamant, polykristallines
kubisches Bornitrid und Wolframkarbid.
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Die
schweißbare
Schicht kann ebenfalls als Pulver oder auch als solide Scheibe,
beispielsweise ein gesintertes Metall oder ein erstarrter Grünkörper, zur
Verfügung
gestellt werden. In einem speziellen Ausführungsbeispiel der vorliegenden
Erfindung kann die schweißbare
Metallschicht wenigstens eine Metallscheibe umfassen. Alternativ
kann die schweißbare
Metallschicht wenigstens eine partikelförmige Schicht umfassen. In
einem weiteren möglichen
Ausführungsbeispiel
kann die schweißbare
Metallschicht eine erste Stützschichtscheibe,
neben dem ultraharten Material und ein primäres schweißbares Material neben der Stützschichtscheibe
und gegenüber
dem ultraharten Material umfassen.
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Die
Stützschichtscheibe
kann auch als gesintertes Metall, eine erstarrte Masse oder als
eine teilchenförmige
Schicht vorliegen. Die Stützschichtscheibe
ist zur Bildung der oben genannten Stützschicht vorgesehen und kann
aus jedem geeigneten Precursormaterial gebildet werden. In einem
derzeit bevorzugten Ausführungsbeispiel
kann die Stützschichtscheibe
aus einem Metallkarbid bestehen. In gleicher Weise kann die primäre schweißbare Schicht,
wie oben ausgeführt,
jedes geeignete Material enthalten. Derzeit bevorzugte primäre schweißbare Materialien
können
Stähle, Übergangsmetalle und
Legierungen hiervon umfassen. Das schweißbare Material kann in Form
von Pulver, Folien oder Scheiben vorliegen. Außerdem ist die typische Schichtdicke
der schweißbaren
Schicht in dem Bereich von ungefähr
0,01 mm bis 5 mm, oder in manchen Fällen noch dicker als 5 mm,
wenn ein langer Schaft erwünscht
ist, obwohl auch eine Vielzahl von anderen Schichtdicken geeignet
sein kann. Außerdem
kann das Reaktionsgefäß auch mit
einem geeigneten Material zum Bilden einer optionalen Zwischenschicht
zwischen der Stützschicht
und dem primären
schweißbaren
Material befüllt
werden. Wie bei den anderen Schichten kann die Zwischenschicht auch
partikelförmig
oder fest beschaffen sein.
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In
einem spezielleren Ausführungsbeispiel der
vorliegenden Erfindung kann der schweißbare ultraharte Einsatz aus
einer schweißbaren
Schicht neben dem Wolframkarbid oder anderen Stützschichtsubstraten für ultraharte
Materialien wie PKD oder PKB bestehen. Diese schweißbaren Einsätze können mit
Hilfe eines Hochtemperatur Metallbindemittels (z. B. Kobalt oder
Nickel) in einem situ HPHT Verfahren durch chemische Bindung hergestellt
werden, wie es zum Sintern von gewöhnlichem PKD und PKB verwendet
wird. Beispielsweise kann ein gewöhnlicher 3,2 mm dicker PKD
nun die gleiche PKD-Produktqualität und Eigenschaft haben wie
3,2 mm dicker, erfindungsgemäßer PKD,
mit Ausnahme der 0,3-1 mm dicken schweißbaren Schicht aus Stahl neben
der Wolframkarbid Schicht. Obwohl die oben genannten Abmessungen
angegeben sind, kann die Schichtdicke von dem ultraharten Material,
der Stützschicht
und der schweißbaren
Metallschicht je nach Anwendung von Erzeugnis zu Erzeugnis unterschiedlich
sein. Es ist auch zu beachten, dass ein Metallbindemittel aus Kobalt,
Molybdän
oder Nickel zwischen dem Wolframkarbidsubstrat des PKD und Edelstahlschichten
eingesetzt werden kann um die zur chemische Bindung zwischen jeder
Grenzfläche zu
verbessern.
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Zur
Bildung der erfindungsgemäßen ultraharten
Einsätze
kann das befüllte
Reaktionsgefäß dann einer
Temperatur und einem Druck unterworfen werden, die ausreichen die
Materialen zu verbinden. Die geeignete Temperatur und der geeignete
Druck können
von den konkret benutzten Materialien abhängen oder davon, ob das ultraharte
Material vorgeformt ist. Die typischen Bedingungen für die Verwendung
ultraharter Materialien sind oben umrissen.
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Normalerweise
können
typische HPHT Bedingungen verwendet werden. Jede geeignete HPHT Vorrichtung
kann verwendet werden, wie, aber nicht beschränkt auf, Zylinderkolben, Mehrfachamboss, Riemeneinrichtung
und jede andere geeignete Hochdruckpresse. In Übereinstimmung mit der vorliegenden
Erfindung kann die Zeitdauer von etwa 5 Minuten bis etwa 60 Minuten
gehen, auch wenn andere Zeitdauern sinnvoll sein können. Obwohl
diese Werte abhängig
von der genauen Zusammensetzung und Teilchengröße abhängen können, geht die Temperatur typischer
Weise von etwa 1350°C
bis 140°C
und der Druck von etwa 45 kb bis 55 kb. Druck und Temperatur Bedingungen
können
verändert
werden oder können
in Stufen eingestellt werden, so dass eine niedrigere Temperatur
für eine
bestimmte Zeit gehalten werden kann, gefolgt von einer Erhöhung der
Temperatur. Weiterhin kann die erhöhte Temperatur kürzer gehalten
werden um Schädigungen
an dem ultraharten Material vorzubeugen. Geeignete Einstellungen der
Verfahrensbedingungen können,
basierend auf den hier dargelegten Informationen, direkt bestimmt werden.
Nachdem die Anordnung des Precursormaterials hohem Druck und hoher
Temperatur unterworfen war, kann der ultraharte schweißbare Einsatz
der HTHP Presse als Erzeugnis entnommen werden. Wenn nötig kann
der Einsatz, in kleinere Einsätze
geschnitten werden, oder zur Vorbereitung auf die Verwendung im
Vertrieb gereinigt werden. Der schweißbare Einsatz kann nun unter
Verwendung bekannter Verfahren, wie, aber nicht beschränkt auf,
Drahterodierung, Laser oder anderen geeigneten Verfahren, bearbeitet
werden. 4 zum Beispiel zeigt verschiedene
gebräuchliche
Formen von Einsätzen,
die zum Zerspanen und für
andere Anwendungen geeignet sind. Außerdem kann das Erzeugnis gereinigt oder
anderweitig behandelt werden, um das Erscheinungsbild und oder die
Güte zu
verbessern.
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Wie
durchweg benannt, kann der resultierende schweißbare Einsatz, unter Verwendung
gebräuchlicher
Schweißtechniken,
direkt an das Substratmaterial für
Werkzeuge angeschweißt
werden. Die schweißbare
Metallschicht ist ganz mit der ultraharten Arbeitsschicht verbunden,
entweder direkt oder indirekt durch Stützschichten, Zwischenschichten oder ähnliches.
Auf diesem Weg kann Löten
vermieden werden und einfache Schweißtechnik kann verwendet werden
um den Einsatz direkt mit dem gewünschten Substratmaterial für Werkzeuge
zu verbinden. 5A zeigt ein PKD bestücktes Sägeblatt, bei
dem erfindungsgemäße, schweißbare PKD
Einsätze
angeschweißt
sind. 5B ist ein vergrößerter Ausschnitt
von einer PKD besetzten Spitze, die zeigt, dass der schweißbare PKD
direkt am Substratsägeblatt
angeschweißt
ist. In gleicher Weise zeigt 5C einen
schweißbaren
PKD Einsatz, der direkt am Substratmaterial für Werkzeuge angeschweißt ist.
Die schweißbaren
ultraharten Einsätze
der vorliegenden Erfindung können
in einem großen
Bereich eingesetzt werden, dieser kann Fräswerkzeuge, Sägeblätter, Schaftfräser, Bohrköpfe, Bohrerspitzen
(z. B. für Öl- und Gasbohrungen),
Schneidplatten, Wendeschneidplatten, Schleifwerkzeuge, Polierwerkzeuge,
einschneidige Fräser,
Bohrstangen, Schnitzwerkzeuge, Gravierwerkzeuge, Oberfräser und
andere zerspanende Werkzeuge umfassen, ist aber in keiner Weise
darauf beschränkt.
Obwohl jede Schweißtechnik
zum anschweißen
der Einsätze
der vorliegenden Erfindung verwendet werden kann, sind fokussierende
Schweißtechniken,
wie Laserschweißen,
Elektronenstrahlschweißen,
Reibverschweißen,
Ultraschallschweißen,
Wolfram Inert-Gas Schweißen
(WIG), Plasmaschweißen
und ähnliches
besonders geeignet. Andere Verfahren, wie Widerstandsschweißen oder
andere können
auch verwendet werden, solange das ultraharte Material durch den
Schweißprozess
nicht beschädigt
wird. Die folgenden Beispiele beschreiben verschiedene Verfahren
zur Herstellung schweißbarer
ultraharter Einsätze
in Übereinstimmung
mit der vorliegenden Erfindung. Dennoch versteht sich, dass das
Folgende nur exemplarisch oder anschaulich für die Anwendung der Prinzipien
der vorliegenden Erfindung ist. Zahlreiche Modifikationen, alternative
Zusammensetzungen, Verfahren und Systeme können von einem Fachmann entwickelt
werden, ohne die Wesensart und den Zweck der vorliegenden Erfindung
zu verlassen. Die angehängten
Ansprüche
beabsichtigen solche Modifikationen und Zusammenstellungen mit abzudecken.
Daher werden die folgenden Beispiele, in Verbindung mit einigen
speziellen Ausführungsbeispielen
der vorliegenden Erfindung, weitere Einzelheiten bereitstellen,
obwohl die vorliegende Erfindung schon genau beschrieben wurde.
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Beispiel 1
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Typische
PKD und PKB mit 3,2 mm Dicke und 38 mm Durchmesser wurden unter
Standard HPHT PKD Sinterbedingungen hergestellt. Laserschweißbare PKD
und PKB wurden auch in Übereinstimmung
mit der vorliegenden Erfindung gebildet. Alle verwendeten Grundstoffe
waren die Gleichen wie für
die Herstellung gebräuchlicher
PKD und PKB, um die Befestigung der schweißbaren Edelstahlschicht am
Hartmetallsubstrat aus Wolframkarbid des PKD und des PKB zu ermöglichen,
wurden aber zusätzliche
Materialien bereitgestellt. Diese zusätzlichen Materialien umfassten
eine 0,15 mm dicke Nickelscheibe (Ni, als eine Zwischenlage) und
eine 2,0 mm dicke 316-Edelstahlscheibe
(primäre
schweißbare
Schicht).
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Das
Befüllen
des Reaktionstiegels begann mit dem Befüllen von Diamant- (für PKD) und
kubischem Bornitridpulver (cBN) (für PKB) auf dem Boden unterschiedlicher
Tiegel. In einem Tantaltiegel wurde eine Wolframkarbidscheibe über der
dem Diamantpulver platziert, gefolgt von einer Nickelscheibe und
dann einer Edelstahlscheibe. Die gleiche Prozedur wurde für das cBN
Pulver durchgeführt.
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Das
Sintern von PKD und von PKB wurde unter HPHT Bedingungen, bei 50
kb und 1.400°C
bei einer Heizzeit von 15 Min., durchgeführt. Beide, PKD und PKB, wurden
in zwei verschiedenen HPHT Durchläufen hergestellt und dann,
wie gepresst, bis zu einer Gesamtdicke von 3,2 mm und 38 mm Durchmesser
(Außendurchmesser)
abgeschliffen. Sowohl die Ober- und Unterseite des fertigen PKD
und des PKB, als auch die verbindende Grenzfläche jeder Lage wurden untersucht,
um die Qualität
des PKD und des PKB zu bestimmen. Die schweißbare Edelstahlschicht erschien
genauso gut wie das andere Wolframkarbid, und die Verbindung der
Wolframkarbid/Edelstahlschichten schien gut in die Wolframkarbidschicht
eingebunden zu sein. Die Qualität
von beiden, PKD und PKB sah normal aus.
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Der
PKD Formling wurde dann mit Drahterodierung in kleine rechteckige
Segmente geschnitten. Eins von diesen kleinen Segmenten wurde unter
Verwendung gebräuchlichen
Lots an eine Stahlsäge
gelötet
und die übrigen
Segmente wurden Laser geschweißt
um die Qualität
und die Festigkeit zu bestätigen.
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Beispiel 2
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Der
Test des Beispiels 1 wurde mit einer Kobaltscheibe als Verbindungsstelle
zwischen dem Wolframkarbidsubstrat des PKD und des PKB und der Edelstahlscheibe
wiederholt.. Die resultierende Qualität des schweißbaren PKD
und des PKB schien im wesentlichen gleich zu den Proben aus Beispiel
1. Ein weiterer Test wurde auch mit einer Nickel-Kobalt-Legierung als Verbindungs-/Zwischenschicht durchgeführt und
der fertige PKD sah gut aus und die Qualität der gesamten Verbindung an
den Grenzflächen
ist genauso stabil wie in Beispiel 1.
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Beispiel 3
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Ohne
eine Grenzflächen
verbindenden Metallscheibe zwischen Wolframkarbidschicht und Edelstahlschicht,
wurde ein ähnlicher
Test wie in Beispiel 1 durchgeführt.
In diesem Beispiel war die Edelstahlscheibe als schweißbare Schicht
in direktem Kontakt mit der Wolframkarbidscheibe des PKD oder PKB. Ferner
wurde auch ein weiterer Test durchgeführt, bei der als schweißbare Schicht
nur eine Nickelscheibe, statt einer Edelstahlscheibe, verwendet
wurde. Das PKD mit Wolframkarbidscheibe und der Edelstahlscheibe
direkt am Wolframkarbid wies eine gute Verbindung an der Grenzfläche zwischen
den Lagen aus Wolframkarbid und dem Edelstahl auf, aber verglichen
mit Beispiel 1 war die Bindungsstärke nicht so gut, für viele
Anwendungen war sie aber immer noch ausreichend. Der PKD, der aus
Wolframkarbid und einer Nickelschicht hergestellt wurde, zeigte
eine akzeptable Verbindung an der Grenzfläche zwischen den Schichten
aus Wolframkarbid und Nickel und einschlägige Tests zeigten, dass auch
die Stärke
der Bindung genauso groß wie
die in Beispiel 1 ist.
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Beispiel 4
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Ein ähnlicher
Test wurde mit verschiedenen ultraharten Erzeugnissen, wie einem
Prototyp von schleifbarem PKD und anderen Niederdruck-Hochtemperatur „LPHT" PKD durchgeführt, um
eine schweißbare
Edelstahlschicht anzubringen. Die Erzeugnisse unter normalen HPHT
Bedingungen scheinen sowohl bei der Produktqualität als auch
bei der Grenzflächenqualität an der
Verbindungsstelle gut zu sein.
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Beispiel 5
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Ein ähnliches
Experiment wurde nur mit Wolframkarbid, ohne PKD oder PKB durchgeführt. In einen
Tantaltiegel wurde nur eine Wolframkarbidscheibe gefüllt, gefolgt
von einer Nickelscheibe. In dem Tantaltiegel wurde auch eine Edelstahlscheibe (1,0
mm dick) auf der Nickelscheibe platziert. Dieses Erzeugnis kann
als laserschweißbarer
Hartmetalleinsatz für
spananhebende Werkzeuge geeignet sein. Die beiden verwendeten Bedingungen
zum Verbinden waren normale HPHT Bedingungen zum Sintern von PKD
und von PKB und LPHT Bedingungen 20 kb, 1.400°C). Beide Erzeugnisse wiesen
eine hohe Qualität
auf und die Edelstahlschicht war gut in das ultraharte Wolframkarbidmaterial
eingebunden.
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Beispiel 6
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Um
eine schweißbare
Edelstahlscheibe an die Wolframkarbidschicht von bestehenden PKD oder
PKB anzubringen, wurde ein Test bei niedrigem Druck und hoher Temperatur,
an schon gefertigten PKD und PKB mit Wolframkarbidsubstratschicht, durchgeführt. Der
fertige 1,6 mm PKD wurde in einen Tantaltiegel gebracht und eine
Zwischenschicht aus Nickel wurde unmittelbar neben der Wolframkarbidseite
des PKD platziert. Eine Scheibe aus 316-Edelstahl wurde unmittelbar
neben dem Nickel platziert. Die selbe HPHT Zelle wie in den vorigen
Beispielen wurde zusammengesetzt und für 5 Min. einem niedrigeren
Druck von etwa 20 kb und einer Temperatur von 1.350°C ausgesetzt.
Die schweißbare
Edelstahlscheibe schien gut in die Wolframkarbidseite des PKD eingebunden
zu sein. Es wird auch angemerkt, dass der Druck beim Anbringen schweißbarer Schichten
nicht der begrenzende Faktor sein muss, solange die Qualität des PKD
nicht durch die Heiztemperatur beeinträchtigt wird.
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Beispiel 7
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Um
einen größeren Druckbereich
zu untersuchen, wurde der selbe Test wie in Beispiel 6 mit anderen
Arten von zwischenliegenden Metallscheiben und Edelstahlscheiben
durchgeführt.
Das Ergebnis zeigte, dass der Druck die Ergebnisse nicht negativ beeinflusst,
solange der PKD und das PKB, während des
Verbindungsprozesses der schweißbaren Schicht,
nicht thermisch geschädigt
werden. Die selben Ergebnisse gelten auch für Hartmetallwerkzeuge, wobei
dort der akzeptable Druck- und Temperaturbereich größer ist,
da es keinen praktischen Grenzwert beim Druckeinfluss auf Hartmetall
gibt. Um schweißbare
PKD und schweißbares
PKB oder Varianten mit schweißbarer
Schicht herzustellen, kann, in Übereinstimmung
mit der vorliegenden Erfindung, buchstäblich fast jeder Druck und
erwünschte Temperatur
verwendet werden.
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Natürlich versteht
sich, dass die oben beschriebenen Zusammenstellungen nur veranschaulichend
für die
Anwendung der Prinzipien der vorliegenden Erfindung sind. Zahlreiche
Modifikationen und alternative Zusammensetzungen können von
einem Fachmann entwickelt werden ohne die Wesensart und den Zweck
der vorliegenden Erfindung zu verlassen und die angehängten Ansprüche beabsichtigen
solche Modifikationen und Zusammenstellungen mit abzudecken. Daher
wird es, obwohl die vorliegende Erfindung in Verbindung mit dem
was momentan als praktikabelste und bevorzugte Ausführungsbeispiele
der Erfindung erachtet wird, oben schon genau und ausführlich beschrieben
wurde, für den
Fachmann offensichtlich sein, dass viele Änderungen, einschließlich, aber
nicht beschränkt
auf, Änderungen
in Größe, Material,
Form, Funktion und Betriebsart, Zusammensetzung und Gebrauch gemacht werden
können,
ohne von den hier dargelegten Leitgedanken und Konzepten abzuweichen.
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Zusammenfassung
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Ein
schweißbarer
ultraharter Einsatz (12) kann eine ultraharte Arbeitsschicht
(14) und eine metallisch mit der Arbeitsschicht (14)
verbundene schweißbare
Metallschicht (18) vorsehen. Die ultraharte Arbeitsschicht
(14) kann aus jedem ultraharten Material, wie polykristallinem
kubischem Diamant (PKD), polykristallinem kubischem Bornitrid (PKB), Metallkarbid,
Keramik, Diamant oder ähnlichem
bestehen. Der schweißbare
ultraharte Einsatz (12) kann hergestellt werden, in dem
man ein Reaktionsgefäß mit dem
ultraharten Material oder einer einem Precursormaterial hiervon
befüllt
und eine schweißbare
Metallschicht und optional eine Zwischenschicht in das Reaktionsgefäß bringt.
Die Anordnung kann Wärme
und Druck unterworfen werden, die ausreichen um das schweißbare Material
(18) metallisch mit dem ultraharten Material zu verbinden.
Die schweißbare
Schicht wird an Ort und Stelle Teil des Einsatzes und erlaubt daher
das Schweißen
des Einsatzes an ein Substratmaterial für Werkzeuge ohne die Gefahr
das ultraharte Material zu beschädigen.