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Gebiet der Erfindung
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Die
vorliegende Erfindung betrifft allgemein Schneidwerkzeuge und insbesondere
superschleifende Schneidwerkzeuge, wie Bohrer und Fräsen. Die
Erfindung umfasst daher die Gebiete von Schneidwerkzeugen, superschleifenden
Materialien, Materialwissenschaften und Metallurgie.
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Hintergrund der Erfindung
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Polykristalline,
superschleifende Materialien, wie PKD und PKB, wurden wegen ihrer
einzigartigen mechanischen und physikalischen Eigenschaften jahrelang
sowohl bei der metallverarbeitenden als auch bei der holzverarbeitenden
Industrie umfassend genutzt. Diese superschleifenden Materialien
neigen dazu einen hohen Schleifwiderstand, eine hohe Belastbarkeit
und eine hohe Härte aufzuweisen. Diese superschleifenden
Materialien waren jedoch hauptsächlich wegen der Verfügbarkeit
und aus Kostengründen nicht effektiv in anderer Schneidwerkzeug-Industrie,
insbesondere bei Fräs- und Bohranwendungen.
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Der
Hauptnachteil betrifft das einzigartige Design oder die Form der
Werkzeugprodukte bei welchen die Schneidfläche aus PKD
oder PKB für eine effektive Schneidleistung geriffelt oder
spiralförmig ausgebildet ist. Unglücklicherweise
werden spiralförmige Formen aufgrund der Komplexität
der Zellengestaltung in Kombination mit den Eigenschaften des superharten
Materials nicht leicht aus PKD oder PKB mit einem Hochdruck-Hochtemperatur(HPHT)-Sinterverfahren
gefertigt. Ein herkömmliches Formverfahren ist ferner sehr
mühsam und aufwändig bei dem Versuch die geriffelte
oder spiralförmige Form in ein superschleifendes Material
mit Endbearbeitung, wie Schleifen, zu erreichen. Dies ist sogar
mit superschleifenden Teilen der Fall, die annähernd reine Form
eines erwünschten Designs des Endprodukts aufweisen.
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Historisch
waren die Herstellungskosten eine der Haupthürden, welche
verhinderten, dass Diamant- oder BKD-Werkzeuge gegenüber
herkömmlichen Werkzeugmaterialien wie entweder Hochgeschwindigkeitsstahl
oder Carbid den Markt durchdringen. Derzeit sind besonders in der
Luftfahrt und der Automobilindustrie gemaserte PKD-Bohrer, welche nach
dem
US-Patent Nr. 5 580 196 von
Abrasive Technology hergestellt werden, ein verbessertes Produkt
gegenüber galvanisierten, CVD-beschichteten oder gefertigten
Bohrern. Es wurde jedoch berichtet, dass die Lebensdauer des Produkts
aus diesen Materialien aufgrund nachlassender Herstellungsverbindungen
und dem Mangel an stabilen Kanten kurz ist. Zusätzlich
ist der Preis eines solchen Werkzeugs sehr hoch, so dass viele potentielle
Kunden zögerlich sind, es zu versuchen.
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Megadiamond
hat Carbideinsätze mit Maserungen aus PKD eingeführt,
aber diese sind lediglich ein Zoll (= 2,54 cm) lang, was eine Lötstelle
zum Carbidstab/-kolben des gleichen Durchmessers erfordert. Dies
ist jedoch eine mechanische Schwäche und erschwert das
Schleifen der Rillen, insbesondere bei automatischen Schleifmaschinen.
Eine weitere Schwäche dieser gemaserten PKD Frässchneider
ist es, dass sie ein teures Werkzeug nicht erneut schleifen können,
weil der PKD-Einsatz zu oberflächlich ist. Kurz, obwohl
es einigen Fortschritt in den letzten paar Jahren gegeben hat, erfordert
der Markt der drehend angetriebenen Werkezeuge innerhalb der Schneidwerkzeugindustrie
seit langem sowohl eine spiralförmige, als auch eine geriffelte
PKD-Bohrerspitze und eine zuverlässige PKD-geriffelte Fräse, die
gegenüber existierenden superschleifenden Werkzeugen gut
im Kostenwettbewerb ist und zuverlässig bei der Werkzeugleistung.
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Zusammenfassung der Erfindung
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Die
Erfindung betrifft eine neue, spiralförmig ausgebildete,
feste PKD- und PKB-Spitze, die an den herkömmlichen Werkzeugsubstraten,
wie Spiralbohrer, Bohrer und Fräsen befestigt werden kann.
Die Materialien der spiralförmigen PKD-Spiralborerspitzen
nach der vorliegenden Erfindung wurden hinsichtlich sowohl des Produktdesigns,
als auch der Materialvielseitigkeit wesentlich verbessert. Weiterhin
sind die Herstellungskosten des fertigen Werkzeugs wenigstens teilweise
aufgrund der Herstellung von annähernd reinen Formstücken
nach den Verfahren der vorliegenden Erfindung geringer als bei herkömmlichen
PKD-Spitzen. Wichtiger ist es, dass die Herstellung von spiralförmigem/geriffeltem
PKD und PKB mit einem HPHT-Prozess relativ leichter herzustellen
ist. Die vorliegende Erfindung überwindet daher viele Nachteile,
welche mit derzeitigem HPHT-PKD-Sintern und dem nachfolgenden die
Produktform ausbildenden Prozess verbunden sind.
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Die
spiralförmigen PKD-Bohrer und geriffelten Fräsen
nach der vorliegenden Erfindung können eine brauchbare
Alternative zu existierenden Produkten bei Bohr- und Fräsanwendungen
für die Schneidwerkzeugindustrie sein. Entsprechend schafft
die vorliegende Erfindung Materialien und Verfahren zur Herstellung
von ultraharten Materialien und Werkzeugen, die sowohl bei Qualität
als auch Gebrauchsfertigkeit weit besser sind und wesentlich kostengünstiger
als vergleichbare herkömmliche Materialien.
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Entsprechend
einem Aspekt der vorliegenden Erfindung kann eine spiralförmige
PKD- oder PKB-Spiralbohrerspitze aus festem PKD oder PKB ohne Verstärkung
mit einer Metallschicht bestehen. Die Frässpitzen können
ebenfalls entweder spiralförmiges, festes PKD- oder PKB-Material
sein.
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Die
erfindungsgemäßen, festen, konturierten PKD- und
PKB-Materialien können nach einem Verfahren geformt werden,
welches das Füllen einer Reaktionstiegelanordnung mit einer
speziell zubereiteten Pulverform von ultraharten Materialien (Diamant oder
CBN, Sinterhilfen, Bindemittel, etc.) umfasst. Die Reaktionstiegelanordnung
kann aus Präkursoren gebildet sein, die eine Form umfassen,
welche mehrere spiralförmig ausgebildeten Hohlräume
aufweist, welche mit den ultraharten Materialien und den zugehörigen
Sinterhilfen ausgefüllt werden. Das Material der Form kann
aus Materialien wie Graphit, MgO, Salz, HBN, etc. bestehen. Bei
einigen Aspekten der Erfindung können die superschleifenden
Startmaterialien entweder gebrochenes PKD-Material oder agglomeriertes
Diamantmaterial sein. Die Tiegelanordnung, welche die geformte Präkursorzufuhr
aufweist, kann in einer herkömmlichen HPHT-Zelle befüllt
werden und einem Druck, einer Temperatur und zeitlichen Bedingungen
ausgesetzt werden, die für die Synthese von Diamanten oder
PKD/PKB-Sintern geeignet sind.
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Bei
einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung kann ein festes
PKD oder PKB aus einem annähernd die Form aufweisenden,
festen PKD oder PKB aus dem HPHT-Druck durch ein modifiziertes Verfahren
der Schneid- und Schleifvorgänge.
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Die
erfindungsgemäßen, konturierten und spiralförmig
ausgebildeten, festen, polykristallinen, superschleifenden Produkte
können für einen weiten Bereich an rotierenden
Diamantschneidwerkzeug-Anwendungen sowohl in der metallverarbeitenden,
als auch in der holzverarbeitenden Industrie nützlich sein
und besonders zum Bohren und Fräsen von sowohl eisernen
als auch nicht-eisernen Materialien bei denen herkömmliche
Werkzeuge, wie Hochgeschwindigkeitsstahl(HSS)- und Wolframcarbid(WC)-Werkzeuge
(Bohrer, Fräsen, Aufdornwerkzeuge und dergleichen) dominieren,
aber derzeit nicht leistungsfähig sind.
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Die
Produkte der vorliegenden Erfindung sind wirtschaftlich und technisch
brauchbare Produkte im Vergleich zu bestehenden PKD-bezogenen Werkzeugen,
die derzeit selbst in begrenzten Mengen kommerzialisiert sind. Die
Verfahren nach der vorliegenden Erfindung sind technisch zuverlässig und
konfektionierbar indem verschiedene Größen und
Produktstufen hergestellt werden, die bisher technisch durch die
bestehenden Herstellungsprozesse begrenzt waren. Die Verwendung
der erfindungsgemäß hergestellten Produkte kann
daher viel breiter sein und leicht entsprechend den Marktanforderungen
angeboten werden. Ein fertiges Werkzeug, welches dieses neue Produkt
verwendet, wird sehr kostengünstig hergestellt und benötigt
wesentlich weniger Schleifzeit, beispielsweise bei dem CNC-Schleifen
während der Herstellung des fertigen Werkzeugs.
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Weitere
Vorteile gegenüber der derzeitigen Schneidwerkzeugindustrie
können geschaffen werden insofern, als das die Flexibilität
der Werkzeuggestaltung sowohl bei spiralförmigen (geriffelten)
PKD und PKB Bohrern als auch bei Fräsen zu viel größeren
Anwendungsgebieten, wie bei der Luftfahrt und der Automobilindustrie,
führt. Zusätzlich bieten die erfindungsgemäßen
Verfahren eine große Auswahl an PKD und PKB-Stufen, die
für eine steigende Nachfrage nach neu entwickelte Arbeitsstückformen und
-materialien geeignet sind.
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Vorstehend
wurden die wichtigeren Eigenschaften der Erfindung eher allgemein
dargestellt, so dass ihre nachstehende, detaillierte Beschreibung besser
verständlich ist und der Beitrag zum Stand der Technik
besser gewürdigt werden kann. Andere Eigenschaften der
vorliegenden Erfindung werden deutlicher aus der nachfolgenden,
detaillierten Beschreibung der Erfindung in Zusammenschau mit den
beigefügten Zeichnungen und Ansprüchen oder kann
durch die Verwirklichung der Erfindung gelernt werden.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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1 zeigt
eine Präkursorform, die mehrere spiralförmig geformte Öffnungen
aufweist, welche mehreren spiralförmigen Bohrspitzen entspricht,
wobei die Öffnungen mit speziell vorbereitetem Diamantpulver
aufgefüllt werden, damit PKD oder PKB zu einem annähernd
die feste Form aufweisenden Körper gesintert wird und einen
Satz Tiegel, welche die Ladung an partikulärem Pulver abdecken,
damit eine obere Oberflächenform entsprechend einem Ausführungsbeispiel
der vorliegenden Erfindung geschaffen wird.
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2 zeigt
eine Präkursorform, die mehrere Öffnungen für
Frässpitzen spiralförmiger Form aufweist und einer
zylindrischen Scheibe und Basis entsprechen zum Umgeben der Form
nach einem anderen Ausführungsbeispiel der vorliegenden
Erfindung.
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3 ist
eine perspektivische Ansicht eines fertigen, spiralförmigen
PKD Bohrspitzensegments, das der Form aus 1 entnommen
wurde entsprechend einem weiteren Ausführungsbeispiel der
vorliegenden Erfindung.
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4 zeigt
ein PKD oder PKB Fräsen Schneidkantensegment mit idealer,
spiralförmiger Form, das der Form nach 2 nach
dem Sintern entsprechend einem weiteren Ausführungsbeispiel der
vorliegenden Erfindung entnommen wurde.
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5 zeigt
eine perspektivische Ansicht eines spiralförmigen PKD-Bohrers,
der eine spiralförmige, feste PKD-Spitze darauf gelötet
hat, nach einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung.
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6 zeigt
eine perspektivische Ansicht einer spiralförmigen PKD-Fräse,
die eine spiralförmige PKD-Fräsenschneide darauf
gelötet hat, nach einem Ausführungsbeispiel der
vorliegenden Erfindung.
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Die
Zeichnungen werden weiter beschrieben in Verbindung mit der nachstehenden
detaillierten Beschreibung. Weiterhin sind diese Zeichnungen nicht
notwendigerweise maßstabsgerecht und dienen nur zur Illustration,
so dass die Dimensionen und Geometrien von den illustrierten abweichen
können.
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Detaillierte Beschreibung
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Bevor
die vorliegende Erfindung offenbart und beschrieben wird, versteht
es sich, dass diese Erfindung nicht auf die speziellen Strukturen,
Verfahrensschritte oder hier offenbarten Materialien beschränkt
ist, sondern sich auf deren Äquivalente erstreckt, wie
es für den Durchschnittsfachmann in den relevanten Gebieten
leicht erkennbar ist. Es versteht sich auch, dass die hier verwendeten
Begriffe nur zur Beschreibung eines besonderen Ausführungsbeispiels
verwendet werden und nicht dazu gedacht sind, zu beschränken.
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Es
wird angemerkt, dass die Singularformen „ein”, „eine”, „eins”, „der”, „die”, „das”,
wie hier in dieser Beschreibung und in den angehängten
Ansprüchen verwendet, den Bezug auf die Mehrzahl umfassen,
es sei denn, der Kontext weist deutlich auf etwas anderes hin. So
soll beispielsweise die Bezugnahme auf „einen Präkursor” nicht
als quantitativ oder die Quelle begrenzend aufgenommen werden und
die Bezugnahme auf „ein Zufuhrschritt” oder „Heizschritt” kann
mehrere Schritte umfassen.
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Definitionen
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Beim
Beschreiben und Beanspruchen der vorliegenden Erfindung werden die
folgenden Begriffe entsprechend den nachfolgend aufgeführten
Definitionen benutzt.
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Wie
hier benutzt, bezieht sich „konturiert” auf Oberflächen,
die nicht-eben sind und eine gekrümmte Topologie aufweisen.
Typischerweise umfassen die Produkte der vorliegenden Erfindung
spiralförmig konturierte Abschnitte, obwohl auch andere
gekrümmte Formen für einige Werkzeuganwendungen geeignet
sein können.
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Wie
hier benutzt, bezieht sich „superschleifend” auf
schleifende Materialien, die ultrahart sind, wie Diamanten, CBN
und polykristalline Diamanten (PKD) oder CBN (PKB). Weiterhin werden
die Begriffe superschleifend und PKD oft austauschbar verwendet,
es sei denn, der Kontext weist deutlich auf etwas anderes hin.
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Wie
hier benutzt, bezieht sich „anorganisches Bindemittel” auf
ein Material, welches als Matrix zum Sintern wirkt die als Füllmaterial
in dem Diamantpartikel dispergiert sind. Typischerweise kann das
Bindemittel chemisch mit der Sinterhilfe und/oder den Diamantpartikeln
binden, obwohl etwas mechanische Bindung häufig auch vorhanden
ist.
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Wie
hier benutzt, bezieht sich „Präkursor” auf eine
Masse vor der relevanten Aktion. Zum Beispiel umfasst ein geladener
Präkursor Materialien aus rohen Partikeln bevor sie den
HPHT-Sinterbedingungen unterworfen werden.
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Wie
hier benutzt, kann eine Vielzahl von Gegenständen, Strukturelementen,
zusammengesetzten Elementen, und/oder Materialien in einer gewöhnlichen
Liste zur Erleichterung dargestellt werden. Diese Listen sollten
jedoch so betrachtet werden, als sei jedes Listenelement identifiziert
als ein getrenntes und einzigartiges Element. Es sollte daher kein
einzelnes Element einer solchen Liste als de facto Äquivalent
irgendeines anderen Elements der gleichen Liste betrachtet werden,
lediglich aufgrund der Tatsache, dass sie in einer gemeinsamen Gruppe aufgeführt
sind ohne Anzeige des Gegenteils.
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Wie
hier benutzt, bezieht sich „etwa” auf den Grad
der Abweichung basierend auf dem experimentellen Fehler der typisch
für die spezielle Eigenschaft ist, die hier identifiziert
wird. Die Breite, die durch den Begriff „etwa” geschaffen
wird, hängt von dem spezifischen Kontext und der speziellen
Eigenschaft ab und kann leicht vom Fachmann erfasst werden. Der Begriff „etwa” ist
nicht gedacht den Grad der Äquivalente entweder auszudehnen
oder zu beschränken, die andererweise von einem bestimmten
Wert umfasst waren. Weiterhin soll der Begriff „etwa” ausdrücklich
den Wert „genau” umfassen, es sei denn etwas anderes
ist ausgeführt, entsprechend mit der nachstehenden Diskussion über
Bereiche und numerische Daten.
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Konzentrationen,
Mengen oder andere numerische Daten können hier im Format
eines Bereichs ausgedrückt oder dargestellt werden. Es
versteht sich, dass solch ein Bereichsformat lediglich zur Erleichterung
und zur Verkürzung verwendet wird und somit flexibel interpretiert
werden sollte, damit nicht nur die numerischen Werte, die ausdrücklich
als Grenzwerte des Bereichs angegeben sind, umfasst sind, sondern
auch alle individuellen numerischen Werte oder Unterbereiche, die
innerhalb des Bereichs liegen, als ob jeder numerische Wert oder
Unterbereich explizit aufgeführt wäre. Zur Illustration sollte
ein numerischer Bereich von „etwa 4 Prozent bis etwa 7
Prozent” so interpretiert werden, das nicht nur die ausdrücklich
aufgeführten Werte von etwa 4 Prozent bis etwa 7 Prozent
umfasst sind, sondern auch die individuellen Werte und Unterbereiche
innerhalb des angegebenen Bereichs. In diesem numerischen Bereich
sind also auch individuelle Werte, wie 4,5, 5,25, 6 und Unterbereiche
wie von 4–5 von 5–7 und 5,5 bis 6,5 etc. umfasst.
Das gleiche Prinzip gilt bei Bereichen, die nur einen numerischen
Wert aufführen. Weiterhin sollte eine solche Interpretation gelten
unabhängig von der Breite des Bereichs oder der Eigenschaft,
die damit beschrieben wird.
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Ausführungsbeispiele
der Erfindung
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Die
vorliegende Erfindung umfasst Verfahren zum Herstellen eines konturierten,
festen, polykristallinen, superschleifenden Materials. In 1 kann eine
Präkursorform 10 vorbereitet werden, die mehrere
geformte Öffnungen 12 aufweist, von denen jede einer
vorbestimmten Form entspricht. Die Präkursorform kann mit
jeder beliebigen, geeigneten Technik gebildet werden, wie etwa,
aber nicht beschränkt auf Gießen, Formen, 3D-Drucken,
Schneiden eines festen Materials beispielsweise mit einem Laser
oder Draht-Erodieren oder mit irgend einer geeigneten anderen Herstellungstechnik.
Die Präkursorform kann ein Material umfassen oder im Wesentlichen
daraus bestehen, das ausgewählt ist aus der Gruppe bestehend
aus Graphit, hexagonalem Bornitrid, Aluminium, Keramik, deren Zusammensetzungen
oder Legierungen oder Kombinationen dieser Materialien. Die Auswahl
des Materials der Form kann von der Art des zu formenden polykristallinen
Materials abhängen, von der Steifheit, den Kosten und dergleichen. Graphit-Formen
können beispielsweise für die Bildung von PKD- Materialien
bevorzugt werden, während hBN-Formen für die Bildung
von PKB bevorzugt werden können.
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Optional
kann die Präkursorform weiterhin Sinterhilfen umfassen,
welche in die Partikelzufuhr während des Sinterns diffundieren
können. Im allgemeinen kann aber jedes Material verwendet
werden, das eine ausreichende mechanische Stabilität aufweist
um der übermäßigen Deformation oder Schrumpfen
während der HPHT-Verarbeitung standzuhalten, beispielsweise
können Salz, Talg oder andere Materialien in einigen Ausführungsbeispielen nützlich
sein.
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Die
Form kann derart ausgestaltet sein, dass sie geformte Öffnungen
umfasst, die eine beliebige Anzahl an vorbestimmten Formen aufweisen. 1 veranschaulicht
vorbestimmte Formen, die einem spiralförmig geformten Bohrerspitzenabschnitt
entsprechen. Im Allgemeinen kann der spiralförmig geformte
Abschnitt ein Bohrerspitzenabschnitt sein, der um eine Rotationsmittenachse
um etwa 5° bis etwa 40° aus der Ebene verdreht
ist und vorzugsweise etwa 8° bis etwa 20°. Die
Kanten des Bohrerspitzenabschnitts können konturiert sein,
so dass sie sich mit den Konturen einer zugehörigen Riffelung
eines Bohrerkörpers mischen. Damit ein Spitzenteil des Spitzenabschnitts
gebildet wird, können Formkappen 14 über
der partikulären Zufuhr 16 orientiert werden, damit
das partikulare Material weiter geformt wird. Unabhängig
von der speziellen, vorbestimmten Form ist die vorbestimmte Form
typischerweise etwas größer als die gewünschte
endgültige Form, damit Schrumpfungsprozesse während
des Sinterns kompensiert werden.
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2 veranschaulicht
ein weiteres Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung
wo die Präkursorform 20 geformte Öffnungen 22 umfasst,
die einem spiralförmigen, geriffelten Fräsabschnitt
entsprechen. In diesem Fall können eine ringförmige Hülle 24 und
eine obere Platte 26 eine bequeme Tiegelanordnung mit Wandungen
bilden, damit die partikulare Zufuhr umschlossen ist, wenn die Präkursorform
innerhalb der Hülle angeordnet wird und die Form mit der
oberen Platte abgedeckt wird. In diesem Fall kann die Präkursorform
aus den vorstehend diskutierten Materialien bestehen, während
die Hülle und die obere Platte aus geeigneten, feuerfesten
Metallen, wie Ti, Mo, etc. gebildet sein können.
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Eine
speziell vorbereitete Zufuhr kann in die geformten Öffnungen
eingeführt werden, damit eine geformte Ladung innerhalb
des befüllten Präkursors gebildet wird (d. h.
die Präkursorform plus die Ladung). Die genaue Zusammensetzung
und Konfiguration der Zufuhr kann leicht und die Bildung eines polykristallinen,
superschleifenden Materials angepasst werden, das eine gewünschte
Qualität und Eigenschaften hat. Im allgemeinen kann die
Ladung umfassen oder im wesentlichen daraus bestehen aus einer im
wesentlichen homogenen Mischung aus superschleifenden Quellenpartikeln,
Sinterbinder und optional einem anorganischen Bindemittel.
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Die
superschleifenden Quellenpartikel können umfassen: Diamant,
CBN, PKB, polykristallinen Diamant oder jedes beliebige andere Material,
welches als Quellenmaterial für superschleifendes Material
dienen kann, d. h. Diamant sintert, wodurch PKD gebildet wird und
CBN sintert, wodurch PKB gebildet wird. In einem alternativen Ausführungsbeispiel
sind superschleifende Partikel aus gebrochenen, polykristallinen
Pulvern, die durch Brechen (Crushen) von polykristallinem Diamant
oder polykristallinem Bornitrid hergestellt werden. Diese polykristallinen
Partikel können hergestellt werden durch Brechen von typischem
PKD, das ausgewählt wurde entsprechend den erwünschten
Eigenschaften des fertigen Werkzeugs. In einem anderen Ausführungsbeispiel
kann das Diamant-Partikelpulver für die Zufuhr mit etwas gröberen
Abmessungen hergestellt werden aus einem typischen Pulveragglomerationsprozess,
damit die Pulverpackungseffizienz beim Befüllen des Präkursors
verbessert wird. Beispielsweise kann ein 40/50 Sieb bis etwa 300/400
Sieb kombiniert werden, wodurch bimodale oder trimodale Ladungen
hergestellt werden, obwohl auch Sieb bis etwa 10/20 verwendet werden
kann. Ein originales Pulver, welches aus einer Mischung aus verschiedenen,
feinen Diamantpulvergrößen gebildet ist, kombiniert
mit einem Bindemittel und einer Sinterhilfe, wie Kobalt bei Vorliegen
von organischen Binder wie Wachs zum leichten Formen in eine geeignete
runde Form (d. h. ein feuerfester Metalltiegel wie Ti oder Mo).
Die Vorform dieser anfänglichen Diamant-Zufuhrmischung
wird anschließend entwachst, gefolgt von einer Hitzebehandlung
bei 1100–1200°C über 30 Minuten bei Hochvakuum
wodurch ein Agglomerat gebildet wird. In dem Agglomerat wird der
Diamant oder das CBN typischerweise nicht gesintert. Die Sinterhilfe schmilzt
jedoch und fließt, wodurch eine zementierende Matrix um
die ungesinterten Partikel gebildet wird. Dies kann dann in Agglomeratpartikel
von recht groben Abmessungen, wie 30–80 Sieb-Partikel gebrochen
werden. Die anfängliche Diamantpulvergröße
(0,5–400 Mikrometer), Diamantvolumen-% (30–90
Vol.-%), Binderkonzentration (50%–1 Vol.-%), Bindemittel(wie
Carbidpulver)-Konzentration kann in einem größeren
Bereich variiert werden, abhängig von den gewünschten
endgültigen Eigenschaften des PKD-Produkts. Beispielsweise
kann ein robusterer PKD 65 Vol.-% bis 99 vol.-% aufweisen, während ein
weicherer PKD weniger als 60 Vol.-% Diamant haben kann. Die gebrochenen
Partikel aus entweder Polykristallinen oder Agglomeraten können
im Wesentlichen metallfrei sein. Die Entfernung von Metallen kann
durch saures Auslaugen oder andere geeignete Verfahren erreicht
werden.
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Die
speziell hergestellte Ladung kann weiterhin konfiguriert werden
um die Packungsdichte zu erhöhen und Hohlräume
zu verringern. In einem derzeitig bevorzugten Ausführungsbeispiel
kann die Ladung eine trimodale Verteilung von superschleifenden
Partikeln enthalten. Beispielsweise kann eine trimodale Mischung
aus 40/50 Sieb, 100/120 Sieb und 230 Sieb superschleifenden Quellenpartikeln
gute Resultate liefern. Als allgemeine Regel kann der Diamant oder
die superschleifenden Quellenpartikel fast jede nützliche
Größe haben. Typischerweise können die
Diamantpartikel eine Größe von etwa 0,5 Mikrometer
bis etwa 500 Mikrometer haben, obwohl auch andere Größen
verwendet werden können. Beispielsweise kann ein 120 bis
200 Mikrometer Diamant die Produktion von großen PKD-Abschnitten
erleichtern, die eine hohe Qualität haben und durchweg gleichmäßig
gesintert sind.
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Der
Diamant-Gehalt der Partikel-Ladung kann von etwa 30 Vol.-% bis etwa
95 Vol.-%, und vorzugsweise von etwa 50 Vol.-% bis etwa 90 Vol.-%
reichen. Obwohl es in einigen Fällen wünschenswert sein
kann signifikante Anteile an Füllmaterial, wie Bindemittel
oder andere Materialien zu umfassen.
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Die
Sinterhilfe kann jedes beliebige Material sein, das so wirkt, dass
das Sintern unter HPHT-Bedingungen erleichtert wird. Nicht-beschränkende
Beispiele für Sinterhilfen für Diamant können
umfassen Co, Ni, Fe, Mn, Cr und deren Legierungen, wobei Fe, Ni
und Co derzeit bevorzugt werden. Nicht-beschränkende Beispiele
für Sinterhilfen für kubische Bornitride können
umfassen ein Alkalimetallnitrid, Erdalkalimetallnitride, Al- Si-Legierungen
und dergleichen. Beispielsweise können Lithium, Kalzium,
Magnesium und Nitride von Alkali- und Erdalkalimetallen, wie Li3N, Ca3N2 und
Mg3N2 nützlich
sein als Sinterhilfe bei PKB. Typischerweise kann die Sinterhilfe
in der Partikel-Ladung zwischen etwa 1 Vol.-% bis etwa 30 Vol.-%
vorhanden sein.
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Nicht
beschränkende Beispiele eines geeigneten Bindemittel-Materials
können enthalten oder im wesentlichen bestehen aus kubischem
Bornitrid, Wolframcarbid, Bor, Siliziumnitrid, Tantalcarbid, Siliziumcarbid,
Aluminium, deren Kombinationen und dergleichen. Das anorganische
Bindemittel kann jedes beliebige Material sein, das eine ausreichende Harte
schafft und als Medium zum Binden der Diamantpartikel in festen
Positionen relativ zu einander wirkt und die thermische Stabilität,
Widerstandsfähigkeit und Harte des endgültigen
PKD beeinflussen kann. Als allgemeine Richtlinie kann das anorganische
Bindemittel, das eine ausreichende Harte schafft und als Medium
zum Binden von Diamantpartikeln dient in der Partikel-Ladung vorhanden
sein in einer Menge zwischen etwa 1 Vol.-% und etwa 20 Vol.-% und
vorzugsweise von etwa 2 Vol.-% bis etwa 15 Vol.-%. In einem speziellen
Ausführungsbeispiel kann das anorganische Bindemittel Wolframcarbidpulver
sein, das typischerweise eine Größe von etwa 0,5
Mikrometer bis etwa 20 Mikrometer hat.
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Die
Partikel-Ladung kann dann in die geformten Öffnungen des
Präkursors eingebracht werden, wodurch ein befüllter
Präkursor gebildet wird. Die Reaktionstiegelanordnung enthält
die einzigartig hergestellte Präkursorform, die mehrere
Aufteilungen oder Öffnungen in der gewünschten
Form (d. h. spiralförmig) aufweist. Die Präkursorform
wird mit den Diamantpartikeln gefüllt durch Befüllen
der Öffnungen. Geeignete Kappen, Scheiben oder andere Glieder
können verwendet werden um das eingefüllte Partikel-Material
vollständig einzuschließen. Der befüllte
Präkursor kann dann vorbereitet werden, damit eine Reaktionstiegelanordnung
gebildet wird, die für die Verwendung in einem HPHT-Gerät
geeignet ist. Der befüllte Präkursor kann direkt
in einem HPHT-Gerät eingesetzt werden oder vorbereitet durch
Verwenden verschiedener herkömmlicher Dichtungen, Tiegelschichten
und dergleichen.
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Die
befüllte Reaktionstiegelanordnung kann dann einem Druck,
einer Temperatur und Zeit ausgesetzt werden, die für Sintern
und Bildung des konturierten, polykristallinen, superschleifenden
Materials ausreichend ist. Jedes beliebige HPHT-Gerät kann verwenden,
wie etwa, aber nicht beschränkt auf, Kolbenzylinder, Mehrfachambosse,
Bandgeräte und andere geeignete Hochdruckpressen. Obwohl
die speziellen Bedingungen je nach Zusammensetzung der Befüllung
variieren können, ist die Temperatur des typischen PKD/PKB-Sinterns
zwischen etwa 1250°C und etwa 1450°C und der Druck
ist von etwa 40 kb bis etwa 55 kb. Typische Sinterzeiten sind, wenn
die Sintertemperatur einmal erreicht ist, zwischen etwa 1,0 Minuten
bis etwa 30 Minuten.
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Nach
dem Sintern können die konturierten, polykristallinen,
superschleifenden Materialabschnitte aus dem HPHT-Gerät
und aus der Tiegelanordnung entfernt werden. Dies kann durch mechanisches
Brechen der Präkursorform und/oder chemischen Spülen
erfolgen, wobei die nicht-polykristallinen Teile der gepressten
Masse aufgelöst werden. Die erhaltenen Abschnitte haben
typischerweise eine annähernd reine Form und erfordern
häufig nur wenig oder keine weitere Bearbeitung für
die praktische Verwendung. Beispielsweise führt die Präkursorform 10 aus 1 zu
konturierten Bohrerspitzenabschnitten, wie sie in 3 illustriert
sind. Auf ähnliche Weise führt die Präkursorform 20 in 2 zu
einem konturierten Fräsenabschnitt, wie in 4 dargestellt.
In einigen Fällen kann das konturierte, polykristalline, superschleifende
Material weiter bearbeitet werden, indem es geschliffen oder geschnitten
wird, damit es eine endgültige, spiralförmig geformte
Bohrerspitze oder Fräse bildet. Dies erfordert typischerweise
nur wenig Materialabtrag zum Polieren von Kanten, Entfernen von
besonderen Resten und/oder zum Feinschleifen zum Anpassen an ein
spezielles Werkzeugsubstrat.
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Alternativ
kann die vorbestimmte Form so konfiguriert werden, dass Stücke
erzeugt werden, die nicht annähernd der reinen Form entsprechen,
sondern zusätzliche Schleif- und Schneidearbeitsgänge erfordern,
damit der endgültige Werkzeugabschnitt gebildet wird. Solche
Stücke erfordern jedoch immer noch signifikant weniger
Endbearbeitungsschritte zur Herstellung eines spiralförmigen,
festen PKD als herkömmliches Schleifen eines festen PKD-Rohlings.
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Entsprechend
der vorliegenden Erfindung kann das konturierte, polykristalline,
superschleifende Material einen superschleifenden Gehalt von etwa 90
Vol.-% bis etwa 98 Vol.-% haben und allgemein von etwa 30 Vol.-%
bis etwa 98 Vol.-%. Wie vor erwähnt ermöglichen
die Verfahren der vorliegenden Erfindung eine viel größere
Steuerung der Produktart und -Qualität wenigstens teilweise
durch Verbessern der Druckverteilung über den Präkursor
während der HPHT-Bedingungen. Es ist ein altbekannter Nachteil des
Verfahrens, der typisch für HPHT-PKD-Sinterverfahren ist,
schiefe Formen zu erzeugen, wie spiralförmige PKD bei der
Verwendung herkömmlicher Zellgestaltung.
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Schlecht
gesintertes PKD folgt aus schwachen Bindungsstärken zwischen
den Diamantkörnern (Diamant-zu-Diamant oder Diamant-zu-Medium).
Mit anderen Worten, es wird vermutet, dass die schwachen Bindungsstärken
von nicht ausreichendem lokalem Druck an der Kerngrenze der Diamanten
im PKD während des HPHT-Sinterns herrühren. Dies
folgt wiederum aus Schwierigkeiten beim Erreichen der erforderlichen
Packung des Diamantpulvers im Reaktionstiegel, wenn die Geometrie
von einem Standard-Rohling oder gestützten PKD während
des HPHT-Sinterns abweicht. Konsequenterweise ist der resultierende
Druck, der auf die lokalen Kerne bei einer herkömmlichen
HPHT-Zellenanordnung ausgeübt wird, nicht ausreichend um
die erwünschten HPHT-Reaktionsbedingungen an den Kernübergangsstellen
für eine gute Diamant-Diamant-Verbindung aufrechtzuerhalten,
so dass die Gesamt-PKD-Qualität schlecht ist.
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Die
fertigen, konturierten Abschnitte der vorliegenden Erfindung können
optional weiter behandelt werden, damit die Bindung an ein gewünschtes Werkzeugsubstrat,
d. h. eine Spitze des Schafts einer geriffelten Bohrerspitze oder
die Flanken des Schafts einer Fräse, verbessert wird. Das
konturierte, polykristalline, superschleifende Material kann beispielsweise
mit einem lötbaren Carbid- oder Nitridbildenden Material
beschichtet werden. Geeignete, lötbare Materialien können
umfassen, sind aber nicht beschränkt auf Übergangsmetalle
(d. h. Co, Cr, Ni, Ta, Ti, W, Mo, etc.), Stähle und ihre
Legierungen.
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In
einem weiteren, optionalen Aspekt der vorliegenden Erfindung können
die konturierten, polykristallinen, superschleifenden Materialien
sauer ausgewaschen werden, damit Restmetalle entfernt werden. Dis
kann die Hochtemperaturstabilität des Materials erhöhen
indem die Menge an verbleibender Sinterhilfe, die in dem Material vorhanden
ist, welches derart wirken kann, das der Diamant bei Hochtemperaturbohren
oder -fräsen zurück zu Graphit konvertiert wird,
entfernt und/oder reduziert wird.
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Die
fertigen, konturierten Abschnitte können dann an ein geeignetes
Werkzeugsubstrat gelötet oder auf andere Weise geeignet
befestigt werden. 5 illustriert einen zweifach
geriffelten Bohrerschaft 50, der eine konturierte Bohrerspitze 52 aufweist,
die in eine vorgeformte Nut in der Nähe der Spitze des
Schafts eingesetzt ist. In diesem Ausführungsbeispiel ist
der Spitzenabschnitt 52 auch separat dargestellt, wobei
die Seitenkanten 54 derart geformt sind, so dass sie in
die Konturen der Riffelung 56 in dem Schaft 50 passen
und an diese angepasst sind. 6 veranschaulicht
einen Standardfrässchaft 60, der einen konturierten
Fräsenflankenabschnitt 62 hat, welcher in einen
von drei Flankennuten 64 eingesetzt ist.
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Entsprechend
der vorliegenden Erfindung kann ein optionales Verfahren zur Herstellung
eines konturierten, festen, polykristallinen, superschleifenden
Materials das Schaffen eines elektrisch leitenden, polykristallinen,
superschleifenden Rohlings umfassen. Der polykristalline, superschleifende
Rohling kann mit Drahterosion bearbeitet werden, wodurch ein konturiertes,
festes, polykristallines, superschleifendes Material gebildet wird,
das eine vorgegebene Form aufweist. Drahterosion umfasst Draht EDM,
EDG, Drahterosion oder andere, ähnliche Elektrodenerosionstechniken.
Auf diese Weise kann der Rohling ein freistehendes, polykristallines,
superschleifendes Material sein, das kein stützendes Substrat,
wie ein Carbid-Substrat, erfordert. Relativ komplexe Formen und
Konturen können in das polykristalline Material eingeführt
werden, wobei derartige Techniken verwendet werden. Beispielsweise
können Fräsenabschnitte aus einem ringförmigen
Mantel geschnitten werden, ähnlich der Hülle 24 in 4, wo
die Abschnitte direkt aus dem Mantel bei wenig oder keinem überflüssigen
Material geschnitten werden. Auf ähnliche Weise können
Bohrerspitzenabschnitte aus einem festen Rohling geschnitten werden
indem ein PKD-Rohling in gekrümmte Scheiben geschnitten
wird. Eine Drahterosion-EDM-Maschine ist besonders nützlich
zum bearbeiten von Bohrerspitzenabschnitten und Fräsenabschnitten.
Der polykristalline Rohling muss in ausreichendem Maße elektrisch
leitend sein, damit Drahterosion auftritt, um Drahterosion-EDM effektiv
nutzen zu können. Dies kann erreicht werden, indem ein
leitendes Bindemittel und/oder Sinterhilfe in den vorgesinterten,
grünen Köper eingeführt wird und dann
vor irgendwelchen Metallentfernungsschritten, wie saures auswaschen, bearbeitet
wird.
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Die
vorliegende Erfindung, die hier beschrieben wurde, erlaubt eine
Anzahl an Erfolgen bei der Herstellung von geformten, polykristallinen
PKD oder PKB-Abschnitten, die in einer Vielfalt von Bohr- und Fräswerkzeugen
angewandt werden können, wie als Spitze für drehende
Diamantwerkzeuge, wie Bohrer, Aufdornwerkzeuge, Austreiber und Fräsen,
wie Endfräsen und Stirnfräsen, Flachgrundfräsen,
Kugelstirnfräsen, Radiusfräsen, invertierte Radiusfräsen
und Entgratefräsen. Zunächst kann eine Mehrzahl
an Güteklassen an PKD leicht hergestellt werden und eine thermisch
stabile, spiralförmige PKD-Spitze kann hergestellt werden,
die relativ einzigartig bezüglich der Mikrostruktur ist,
die verbesserte thermomechanische Eigenschaften aufweist. Desweiteren
kann eine gewünschte, spiralförmige Produktform
für ein besseres Ergebnis leicht erhalten werden. Als Drittes ist
die Wirtschaftlichkeit bei der Herstellung eines fertigen Diamantwerkzeugs
mit einem spiralförmigen PKD-Schneidelement verbessert.
Die verbesserte Kostenwettbewerbsfähigkeit basiert auf
dem einzigartigen HPHT-PKD-Prozesszellendesign und auf der wesentlich
einfacheren Endbearbeitung (Schleifen/Schneiden) zum fertigen Werkzeug
im Vergleich zu derzeitigen Verfahren, die arbeitsintensiver sind und
teure Endbearbeitungskosten umfassen.
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Beispiele
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Die
nachfolgenden Beispiele veranschaulichen beispielhafte Ausführungsbeispiele
der Erfindung. Es versteht sich jedoch, dass die folgenden nur beispielhaft
und veranschaulichend für die Anwendung und die Prinzipien
der vorliegenden Erfindung sind. Eine Vielzahl von Modifikationen
und alternativen Zusammensetzungen, Verfahren und Systemen können
vom Fachmann daraus hergeleitet werden ohne vom Geist und dem Umfang
der vorliegenden Erfindung abzuweichen. Die beigefügten
Ansprüche sind dazu gedacht diese Modifikationen und Anordnungen
zu umfassen. Während die vorliegende Erfindung daher oben
im Einzelnen beschrieben wurde, schaffen die folgenden Beispiele
weitere Details in Verbindung mit dem, was derzeit als praktische
Ausführungsbeispiele der Erfindung angesehen werden.
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Beispiel 1
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Eine
speziell vorbereitete Diamantladung wurde hergestellt, indem Granulierschritte
durchgeführt wurden aus einer Mischung aus Diamant mit
einer mittleren Partikelgröße von 20 bis 45 Mikrometer, Wolframcarbidpulver
mit einer mittleren Größe von 2 Mikrometer und
Kobaltpulver von 1 Mikrometer in einem Gehaltverhältnis
von 75:20:2 Gew.-%. Diese Partikelmischung wurde verdichtet, geheizt
(einschließlich entwachsen und zementieren) und gebrochen.
Diese speziell granulierte und gebrochene Diamantladung hatte etwa
70 Gew.-% einer 40~60 Siebzusammensetzung-Partikel mit einem geringen
prozentualen Anteil an 120/140 Sieb und jeweils –325 Sieb
Partikeln bei 20 Gew.-% und 5 Gew.-%.
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Gleichzeitig
wurde eine Präkursoranordnung (ähnlich wie in 1 und 2),
Tantaltiegel, Salzbuchse, Graphitheizrohr und andere innere/äußere Zellteile
einer HPHT-Reaktionszelle auf herkömmliche Weise vorbereitet,
wodurch eine Präkursoranordnung gebildet wurde. Der Präkursor
aus mehreren spiralförmigen Teilen entsprechend den Bohrerspitzen
wurde aus Aluminium hergestellt, das von gesinterter Güte
war, damit eine ausreichende Steifheit während des HPHT-Verarbeitens
vorlag. Die Diamantladung wurde dann vorgemischt mit der obigen, zusammengesetzten,
granulierten Diamantladung, einem Bindemittel und Binder in einem
Gewichtsverhältnis von 95:3:2 und in die vorgeformten Öffnungen der
Präkursorform geladen und mit einer Aluminiumkappe (wie
in 2) verschlossen, wodurch eine HPHT-Reaktionszelle
gebildet wird.
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Die
HPHT-Reaktionszelle mit der befüllten Reaktionstiegelanordnung
wurde in einer herkömmlichen HPHT-Hydraulikpresse angeordnet.
Der Druck wurde auf etwa 50 kb angehoben und dann wurde die Temperatur
auf etwa 1400°C angehoben. Nach etwa 10 Minuten Haltezeit
wurde die Temperatur gesenkt und der Druck nach und nach abgesenkt.
Die sich ergebenden, konsolidierten, spiralförmigen, festen PKD-Scheiben
wurden aus der Zelle entnommen.
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Individuelle,
feste, spiralförmige PKD-Scheiben wurden aus der Zelle
durch Aufbrechen in Teile entnommen. Einige der Teile waren nicht
leicht von der Präkursorform zu trennen obwohl die innere Oberfläche
der vorgeformten Öffnungen mit einem HBN-Spray zum leichteren
Lösen beschichtet waren. Einige der PKD-Stücke
waren leicht verformt, so dass solche Stücke leichtes Nachschleifen
erforderten, damit die konturierte Form korrigiert würde.
Die individuellen, festen, spiralförmigen PKDs schienen eine
gute Qualität zu haben und ein typisch glänzendes,
graufarbiges PKD. Einige dieser Stücke wurden auch je nach
der vorgesehenen Anwendung teilweise oder ganz säurebehandelt
um die Metalphasen zwischen den Diamantkörnern zu entfernen.
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Beispiel 2
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Beispiel
1 wurde wiederholt mit einer speziell vorbereiteten Diamantladung,
aber die ursprünglichen Diamantladungspulver waren gebrochene PKD-Kiese
oder Partikel statt eines typischen, feinen Diamantpulvers aus Beispiel
1. Beide, die vollständig säuregewaschenen, gebrochenen
PKD-Partikel und die ungewaschenen, gebrochenen PKD-Partikel wurden
in einer Diamantladung für dies Beispiele verwendet. Die
Vorbereitung der endgültigen Diamantladung und das Laden
in die Reaktionstiegelanordnung wurde nach den gleichen Schritten
wie bei Beispiel 1 durchgeführt. Das nachfolgende HPHT-PKD-Sintern
wurde ebenfalls wie in Beispiel 1 durchgeführt. Die zwei
Arten von festen, spiralförmigen PKD-Scheiben wurden hergestellt
und beide Materialien zeigten die gleiche graue und glänzende Farberscheinung
auf ihren Oberflächen.
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Eine
der festen Scheiben wurde durch typisches Schleifen geformt, wodurch
die Kanten gesäubert wurden und wurde dann auf die Spitze
eines Spiralbohrers (8 mm ⌀ Bohrschaft) vakuumgelötet,
wobei eine kommerziell verfügbare Ti-Ni-Au Lötlegierung
bei 1100°C verwendet wurde.
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Selbstverständlich
versteht es sich, dass die oben beschriebenen Anordnungen nur zur
Veranschaulichung der Anwendung der Prinzipien der vorliegenden
Erfindung dienen. Verschiedene Modifikationen und alternative Anordnungen
können vom Fachmann hergeleitet werden ohne vom Geist und Umfang
der vorliegenden Erfindung abzuweichen und die beigefügten
Ansprüche sollen diese Modifikationen und Anordnungen abdecken.
Während die vorliegende Erfindung vorstehend in Einzelheiten und
im Detail in Verbindung mit dem beschrieben wurde, was derzeit als
die praktischsten und bevorzugtesten Ausführungsbeispiele
der Erfindung angesehen wird, ist es für den Fachmann offensichtlich, dass
viele Modifikationen, einschließlich, aber nicht beschränkt
auf Änderungen der Größe, des Materials,
der Form, Erscheinung, Funktion und Betriebsart, der Anordnung und
Verwendung gemacht werden können ohne von den hier aufgeführten
Prinzipien und Konzepten abzuweichen.
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Zusammenfassung
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Ein
Verfahren zum Herstellen eines konturierten, festen, polykristallinen,
superschleifenden Materials enthält die Schritte: Vorbereiten
einer Präkursorform, die mehrere geformte Öffnungen
aufweist, von denen jede einer vorgegebenen Form entspricht; Einführen
einer speziell vorbereiteten Ladung in die geformten Öffnungen,
damit eine geformte Ladung innerhalb des geladenen Präkursors
gebildet wird, wobei die Ladung eine im wesentlichen homogene Mischung
aus superschleifenden Quellpartikeln enthält, Sinterbinder
und optional ein anorganisches Bindemittel; Vorbereiten einer befüllten
Reaktionstiegelanordnung einschließlich des geladenen Präkursors;
und Unterziehen der befüllten Reaktionstiegelanordnung
einem Druck, Temperatur und Zeit, welche zum Sintern ausreicht und
zur Bildung eines konturierten, polykristallinen, superschleifenden
Materials.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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