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Verfahren zum Ablagern von metallischen Halte- und/oder Deckschichten
auf einem Grundkörper und nach diesem Verfahren hergestelltes Diamantwerkzeug Die
erfindung betrifft ein Verfahren um Ablagern von metallischen Halte- und/oder Deckschichten
auf einem Grundkörper, insbesondere zur Befestigung von Diamantteilchen an dem Grundkörper
eines Diamant-Schleif- oder Schneidwerkzeuges, bei dem die nach ihrer Grösse vorbereiteten
Diamantteilchen auf der ebenfalls vorbereiteten Aufnahmefläche des Grundkörpers
zunächst vorübergehend festgehalten und daran bei der Bildung der Halteschicht in
diese eingebettet und über diese mit dem Grundkbrper verbunden worden.
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EB ist seit langer Zeit bekannt, das Diamanten zu den härtesten Stoffen
der Erde gehören und nur mittels Diamanten geschnitten und geschliffen werden können.
Im Zuge der Entwicklung der Technik wurden zwar andere harte Stoffe, wie Glas, Porzellan,
Elektrokorund, Siliziumkarbid, metallische Karbide usw. entwickelt, derer Härte
jedoch von der Diamanthärte erheblich übertroffen wird und die mittels Diamanten
in die erforderliche Grösse und Porm geschnitten
werden.
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Die Mehrzahl von natürlichen Diamanten weist eine nicht so hohe Güte
auf, dass sie als Edelstein verwendbar sind, und können daher zu Diamantsand und
-pulver aus kleinen Diamantteilchen zermahlen und als solche zum Herstellen von
industriellen Werkzeugen, wie Schleifwerkzeugen, Glättwerkzeugen usw. benutzt werden.
Einfache Diamant-Werkzeuge, wie sie z. B. zum Einritzen oder Schneiden von Glaa
oder zum Einschneiden von Zeichen und Figuren in Töpferwaren od. dgl verwendet werden,
bestehen aus einem an einer Handhabe aus Holz oder Metall mittels Naturharz oder
einem anderen Klebstoff befestigten Diamanten. Mit der Entwicklung grösserer und
leistungsfähigerer Werkzeuge, bei denen die festigkeit der Verbindung der Diamanten
&n der Handhabe eine grosse Rolle spielt, wurden auch bessere Kleber entwickelt.
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Seit dem zweiten Weltkrieg und der Anwendung von Metall karbiden
ist der Bedarf an Diamanten, insbesondere für industrielle Zwecke, ausserordentlich
gestriegen und hat die General Electric Company dazu geführt, künstliche Diamanten
für die Industrie zu entwickeln. Industrienationen, welche die Notwendigkeit einer
reichlichen Versorgung mit Industriediamanten erkannt haben, sind bald gefolgt,
so dass Jetzt nicht nur in den Vereinigten Staaten con Amerika, sondern z. B. auch
in Schweden, Russland und Südafrika künstliche Diamanten auf verschiedene Weise
rgestellt werden, um den steigenden Bedarf für die Industrie zu decken. Industrie-Diamanten
zum Schleifen und zum Schneiden werden in der Industrie z. B. für Schleifscheiben
der verschiedensten Art und Grösse, Abziehwerkzeuge, Sägen usw, sowie auf dem Gebiet
der Zahnmedizin für Schleifscheiben, Bohrer u.a.m. verwendet.
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Zum Befestigen von Diamanten an einem sie aufnehmenden Grundkörper
sind auch Fassungen bzw. Halteschichten aus Kunstharz, gesintertem Metall und glasartigen
Stoffen bekannt.
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Auch ist es bekannt, den Grundkörper galvanisch zu überziehen
und
in den galvanischen Überzug Diamantteilchen einzubetten. Die Art der Befestigung
von Diamantteilchen oder -gries an einem Grundkörper unter Vermittlung eines Harzes
oder von gesintertem Metall ist grundsätzlich die gleiche.
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Die Diamantteilchen werden mit dem pulverisierten Kunstharz oder dem
pulverisierten Metall innig gemischt, worauf die Mischung auf der Aufnahmefläche
des Grundkörpers zu einem formkörper gepresst und dann in einem Ofen oder mittels
einer Induktionsspule soweit erhitzt wird, dass das Harz .ehmilzt bzw. das Netallpulver
zu einer festen Masse zusammensintert. Hierdurch werden für die Diamantteilchen
Halteschichten gebildet, in denen die Diamantteilchen jedoch nur durch mechanische
Bindung gehalten sind und die nur wenig oder keinen Spanraum bieten. Glasartige
Stoffe werden ebenfalls als Pulver mit den Diamantteilchen gemischt, in einer Ublichen
Form auf dem Grundkörper gepresst und dann erhitzt, so dass das Glas an den Grundkörper
und an den Diamantteilchen anschmilzt. Diese Art der Befestigung ist verhältnismässig
schwach, hat aber den Vorteil, dass die glasartigen Stoffe bzw. die aus ihnen gebildete
Halte schichten genügend Spanraum darbieten. Bei der Bildung von Halteschichten
auf galvanischem bzw. elektrolythischem Weg werden die Diamantteilchen in beliebiger
Weise an dem Grundkörper festgehalten und mit diesem in ein übliches Plattierungsbad
eingetaucht.
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Der Grundkörper wirkt dabei als Anode, während die Kathode aus einem
basischen Metall, wie Nickel oder Kupfer, besteht.
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Hierdurch wird eine rassungs- bzw. Hslteschicht aus plattiertem Metall
gebildet, in welche die Diamanten bzw. Diamantteilchen eingebettet sind und die
zugleich an dem Grundkörper haftet. Wenn hierbei die Zwischenräume zwischen den
Grundkörpern sehr klein sind, so wandern die metallisohen Ionen durch diese Zwischenräume
zur galvanischen Ablagerung und Bindung auf der Aufnahmefläche des Grundkörpers
nur beschränkt hindurch. Es kann daher sein, dass in einem relativ grossen Bereich
Diamantteilchen, obwohl sie gegenseitig durch die galvanisch abgelagerte Metallschicht
verbunden
sind, auf der vorbereiteten Aufnahmefläche des Grundkörpers
eines Werkzeuges nur an im Abstand voneinander liegenden Stellen befestigt werden.
Viele solcher Stellen führen zur frühzeitigen Auflösung der Halteschicht mit den
Diamantteilchen.
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Die erwähnten Befestigungsarten führen nur zu einer mechanischen
Bindung, die als solche keine grosse mechanische Festigkeit aufweist und die Diamantteilchen
nicht mit Sicherheit an dem Grundkörper festhält. Bei stark beanspruchten Werkzeugen
ist es daher notwendig, die Festigkeit und Dauerhaftigkeit der Halteschicht zu erhöhen,
um den heutigen Anforderungen zu genügen. Dabei müssen die nachstehend nochmals
insgesamt angeführten Nachteile der bisher bekannten Arten zum Herstellen von Diamant-Werkzeugen
vermieden werden: 1) Die Fassungs- bzw. Halteschicht bietet nur eine rein mechanische
Bindung.
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2) Die Halte schicht ist an sich verhältnismässig sqhwach im Vergleich
zur Druckfestigkeit von Diamanten.
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3) Die Passungs- bzw. Halteschicht weist eine durohgehende Oberfläche
auf, die nur wenig oder keinen Spanraum zur vorübergehenden Aufnahme des bei einem
Schneid- oder Schleifvorganges anfallenden Spanmateriales und zum zeitweisen Abgeben
des Spanmateriales bietet.
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4) Infolge des Fehlens des Spanraumes wird das Werkzeug belasteten,
d. h. die Arbeitsfläche des Werkzeuges setzt sich mit Spanmaterial zu und wird in
ihrer Schneid- bzw.
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Schleifwirkung beeinträchtigt.
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5) Beim Verschleiss splittern die Diamantteilchen infolge der ungenügenden
mechanischen Bindung nicht ab, sondern werden aus der Fassungs- bzw. Halteschicht
herausgerissen
und von dem Schneidwerkzeug weggeschleudert, ohne
ganz abgenutzt zu sein.
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6) Fassungs- bzw. Halteschichten aus Harz sind schleohte Wärmeleiter,
so dass die Schneidleistung durch die mangelhafte Abführung der durch Reibung entstehenden
Wärme von dem geschliffenen oder geschnittenen Material begrenzt wird.
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Die vorstehenden Ausführungen beziehen sich auf die Verbindung einer
Fassungs- bzw. Halte schicht mit Diamantteilchen und mit einem metallischen Grundkörper.
Aber auch Gegenstände sonstiger Art sind im Hinblick auf eine gute Bindrnig und/oder
die Bildung von Stoffmischungen oder Zusammensetzungen von Stoffen entweder schwierig
herzustellen oder von ungenügender Qualität. Wenn auch das Beispiel der Herstellung
von Diamantwerkzeugen die Herstellungssohwierigkeiten besonders klar zeigt, so sind
daher diese Schwierigkeiten nicht auf dieses Gebiet beschränkt, da sie auch auf
anderen Gebieten bestehen, von denen noch einige Beispiele angeführt werden.
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Demgegenüber liegt der Erfindung die Aufgabe zu Grunde, eine besonders
feste und innige Verbindung zwischen verschiedenen Stoffen zu ermöglichen, die insbesondere
eine einwandfreie und dauerhafte Befestigung von Diamantteilchen auf dem Grundkörper
eines Diamantwerkzeuges gewährleistet.
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Zur Lösung dieser Aufgabe besteht die Erfindung bei einem Verfahren
zum Ablagern von metallischen Halte- und/ oder Decksohichten auf einem Grundkörper,
insbesondere zur Befestigung von Diamantteilohen an dem Grundkörper eines Diamant-Sohleif-
oder Schneidwerkzeuges, bei dem die nach ihrer Grösse vorbereiteten Diamantteilchen
auf der ebenfalls vorbereiteten Aufnahmefläche des Grundkörpers zunächst vorübergehend
festgehalten und dann bei der Bildung der Halteschicht in diese eingebettet und
über diese mit
sondern auch z. B. für zahnärztliche Zwecke als Diamantinstrumente
in Porm von mit grosser Geschwindigkeit umlaufenden Diamant-renn-(Säge-) Scheiben,
Diamant-Schleifsoheiben usw. verwendet. Hierbei können die Formen der Grundfläche,
auf die das Diamantmaterial aufgebracht wird, sehr verschieden sein und für Werkzeuge,
mit denen bestimmte Konturen aufweisende Flächen zu bearbeiten sind, diesen Flächen
entsprechend gestaltet sein. In dieser Hinsicht zeigen die Fig. 1 bis 3 nur eine
sehr begrenzte Zahl von möglichen Gestaltungen für Diamantwerkzeuge, die z, P für
zahnärztliche Zwecke bestimmt sind.
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Bisher war es üblich, das Diamantmaterial bei solchen oder ähnlichen
Werkezeugen entsprechend Fig. 4 und 5 aufzubringen. Gemäss Fig. 4 weist das Werkzeug
einen Grundkörper 10 auf, der z. B. aus Metall bestehen kann und auf den Diamantteilchen
12 bestimmter Größen in einer Halteschicht 14 aufgebracht sind, die verschiedener
Art sein kann. Meist wird hierfür Kunstharz verwendet, mit dem die Diamantteilohen
12 gemischt werden, worauf die Mischung als Schicht von vorzugsweise gleichmässiger
Dicke auf die vorbereitete Aufnahmefläche des Grundkörpers 10 aufgebracht und anschliessend
z. B. in einer Form verdichtet wird. Sodann wird das Ganze einer Wärmebehandlung
unterworfen, um das Kunstharz zu härten und die Halteschicht 14 wenigstens auf mechanische
Weise mit dem Grundkörper 10 zu verbinden.
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Die Halteschicht 14 kann auch durch Metallpulver bestimmter Art und
Korngrösse gebildet sein. In diesem Falle werden die Diamantteilchen 12 mit dem
Metallpulver gemischt und dann diese Mischung auf die vorbereitete Oberfläche des
Grundkörpers 10 aufgebracht und gepresst, so dass eine Schicht gleichmässiger Dicke
entsteht. Sodann wird die Schicht 14 bis auf Sinterungstemperatur erhitzt, damit
die Halteschicht gebildet wird.
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Aus Fig. 4 ist ersichtlioh, dass die Diamantteilchen 12
mit
dem Material der Halteschicht 14, gleichgültig ob diese aus gesintertem Metall aoder
Kunstharz besteht, so gemischt sind, dass, wenigstens anfänglich, nur wenige oder
gar keine Flächenteile der Diamantteilohen an der äusseren Umfangsfläche 16 der
Halteschicht freiliegen. Diese Umfangsfläche muss daher beim Gebrauch des Werkzeuges
soweit abgenutzt werden, dass z. B. durch Reibungsberührung mit einem Werkstück
Flächenteile der Diamantteilchen 12 freigelegt werden, damit letztere eine schleifende
bzw, schneidende Wirkung ausüben können. Einer der Nachteile von Werkzeugen dieser
bekannten Art besteht darin, dass in der äusseren Umfangsfläche der Halteschicht
keine Spalten, Ausnehmungen oder sonstige Vertiefungen enthalten sind, in denen
sich die durch die Diamantteilchen von dem Werkstück gelösten Spanteilchen sammeln
könnten, bis sie während des normalen Betriebes des Werkzeuges abgeworfen werden.
Werkzeuge dieser Art sind daher ständig "belastet", ähnlich wie z. B. übliche Schleifscheiben
aus Karborund mit einer alls gebranntem keramischen Material bestehenden Halteschicht,
bei denen das von dem Werkstück gelöste Spanmaterial in den einer solchen Halteschicht
eigenen sehr kleinen Vertiefungen und Spalten der Arbeitsfläche des Werkzeuges eingebettet
wird. In dieser Weise "belasteteN bzw.
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zugesetzte Schneid- oder Schleifseheiben sind in hohem Grade unwirksam
und für den weiteren Gebrauch untauglich. Sie weisen nicht nur keine Schneid- oder
Schleifwirkung auf, sondern verbrennen und bräunen das Werkstück in unerwünschter
Weise und können allenfalls in begrenztem Umfang für Fertigbearbeitungsvorgänge
verwendet werden. Diamantwerkzeuge der in Fig. 4 gezeigten Art weisen auch den Nachteil
auf, dass die Diamantteilchen nur in sehr unbefriedigender Weise ausgenutzt werden.
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Ausserdem stellt das Fehlen einer integrierenden Bindung zwischen
der Haltesohicht und der vorbereiteten Fläche des Grundkörpers 10 einen erheblichen
Nachteil von gemäss Fig. 4 ausgebildeten Werkzeugen dar. Dabei können die Diamantteilchen
leicht aus der Halteschioht 14 herausgerissen werden,
dem Grundkörper
verbunden werden, darin, dass zur Bildung der Halteschicht aus Metall hoher Zugfestigkeit
dieses in dampfförmigem Zustand im Vakuum auf den Diamantteilchen und auf der Aufnahmefläche
des Grundkörpers abgelagert und durch gitterartige Oberflächenstruktur der Ablagerung
zwischen benachbarten Diamantteilchen oder wenigstens einem Teil von ihnen Vertiefungen
an der Oberfläche der Halte- und/oder Deckschicht und durch diese Spanräume gebildet
werden, in denen das beim Schleifen oder Schneiden eines Werkstückes anfallende
Spanmaterial verübergehend bis zum Abwerfen gesammelt wird.
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Bei dem Verfahren nach der Erfindung werden Dampfionen eines Stoffes
in Abhängigkeit von der Bildung elektrischer Felder so auf die Oberfläche eines
oder mehrerer anderer Stoffe aufgebracht, dass sie in die Molekularstruktur derselben
eindringen und mit diesen je nach den verwendeten Stoffen entweder eine metallurgische
oder chemische Reaktion und hierdurch eine physikalische Änderung der Stoffe hervorrufen,
die eine ausserordentlich feste, innige und dauerhafte gegenseitige Bindung der
Stoffe gewährleistet.
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Die hierbei stattfindenden Vorgänge sind für mancherlei Zwecke anwendbar,
von denen einige besondere nachstehend erläutert sind, ohne die Erfindung darauf
zu beschränken.
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Es kann ein Strom von Ionen eines Stoffes leicht auf einem festgelegten
oder veränderlichen Weg so geleitet werden, dass der Stoff auf einem anderen Stoff
zur Durchfuhrung der erwahnten Reaktion abgelagert wird. Einem solchen Strom kann
in einfacher Weise kinetische Energie mittels eines elektrischen Feldes übermittelt
werden, das zwischen einer Quelle der Ionen und dem anderen Stoff, mit dem die -Reaktion
gewünscht ist, induziert wird. Ein solrI Feld entwickelt eine Ionengeschwindigkeit,
deren Grös8a sreicht, um das gewünschte Eindringmass herbeizuführen. Durch veränderliche
elektrische Ladungen bzw Spannungen, die
auf den Ionenstrom zur
Einwirkung gebracht werden, können bestimmte Ablagerungsmuster für die Reaktionen
gebildet werden. Eine beispielsweise Anwendung des vorstehenden Prinzipes ist die
Bildung einer Beryllium-Kupfer-Legierung, die durch Einbringen von Beryllium-Ionen
in die Molekularstruktur von Kupfer herbeigeführt wird, wobei in dem Kupfer mindestens
eine Oberflächenbeschaffenheit erzeugt wird, die bei Vergütung zu einer Einsatzhärtung
des Kupfers führt.
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Die Erfindung ist von besonderer Bedeutung für die Bildung einer
Fassungs- bzw. Halteschicht hoher Festigkeit zur Befestigung von Diamantenteilchen
an der vorbereiteten Aufnahmefläche des Grundkörpers eines Werkzeuges, das verschiedener
Art und Form sein kann. Bei Anwendung des Verfahrens nach der Erfindung werden die
Diamantteilchen derart fest an dem Grundkörper befestigt, dass sie bei ihrer Abnutzung
stufenweise abbrechen und hierdurch zunehmend scharfe Schneidkanten bilden. Die
Fassungs- bzw. Halteschicht bildet dabei ein die Diamantteilchen eingekapselt haltendes
dünnes Gitternetz, das zwischen den Diamantteilchen vertiefte Stellen aufweist und
hierdurch genügend Spanraum bietet, um das Zusetzen der Arbeitsfläche des Werkzeuges
zu verhindern. Die Halteschicht kann in Form eines Ionendampfes durch Anwendung
der Dampfablagerungstechnik aufgebracht werden. Diese Technik bietet gegenüber den
bisher gebräuchlichen Verfahren folgende Vorteile: 1) Die Dicke der abgelagerten
Halteschicht kann genau kontrolliert werden.
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2) Die metallische Halteschicht reagiert chemisch mit den Oberflächen
der Diamantteilchen zur Bildung eines dünnen Metallkarbid-Uberzuges, wobei diese
Reaktion fortschreitend abnimmt, bis die einzelnen Kristalle in einem Überzug aus
reinem Metall eingekapselt sind.
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3) Die Halteschicht reagiert metallurgisch mit dem
metallischen
Grundkörper des Werkzeuges, wodurch eine Legierung gebildet wird, die zwischen der
Halteschicht und dem Grundkörper für die Diamantteilchen eine sehr feste Verbindung
darstellt.
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4) Die Diamantteilchen werden durch die Halteschicht aneinander und
an dem Grundkörper unter Inoskulation bzw.
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inniger gegenseitiger Verbindung mit grosser Kraft festgehalten.
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5) Wenn die Halteschicht nicht übermässig dick ist, so bildet sie
zwischen den aneitianderstossenen überzogenen Diamantteilchen zahlreiche kleine
Ausnehmungen und Spalten bzw. sonstige Vertiefungen, wodurch eine gitterartige Spanraumfläche
geschaffen wird, die beim Schleif- oder Schneidvorgang wirksam ist und die Schneidkanten
der Kristallteilchen von abgeschnittenem oder abgeschliffenem Spangut frei hält.
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6) Da die Diamantkrlstalle bzw. -teilchen in einer.Halteschioht mit
gitterartiger Oberflächenstruktur eingebettet sind, wird die beim Schleifen oder
Schneiden entwickelte Wärme von den Schneidkanten der Diamantteilchen leicht an
den metallischen Grundkörper des Werkzeuges abgegeben und von diesem durch Ableitung
oder durch Verwendung eines flüssigen Schneidmittels verteilt.
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7) Die Vertiefungen zwischen den mit der Halteschicht überzogenen
Diamantteilchen an der Arbeitsfläche des Werkzeuges kennen zur Verringerung der
Reibung beim Trockenschleifen mit einem festen oder halbfesten Schmierstoff imprägniert
werden, wobei jedoch auch hierbei durch die Gitterstruktur der metallenen Halteschicht
eine schnelle Wärme verteilung gewährleistet ist.
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8) Infolge der Anwendung der Dampfablagerungstechnik in Verbindung
mit der Aufbringung einer statischen Ladung auf
die Diamantteilchen
orientieren sich diese selbst in der Weise, dass sie an der äusseren Arbeitsfläche
des Werkzeuges eine scharfe Schneidkante besitzen.
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Gemäss der Erfindung kann ferner den Dampf ionen kinetisohe Energie
mit solcher Geschwindigkeit übermittelt werden, dass die Ionen in die Molekularstruktur
des Grundkörpers eindringen und eine metallurgische Reaktion hervorrufen, wobei
die Ionen auch in die Molekularstruktur der Oberflächen der Diamantteilchen eindringen
und mit diesen eine ohemische Reaktion hervorrufen. Zusätzlich hierzu kann durch
Indusieren eines zweiten elektrischen Feldes in dem Dampfablagerungssystem die Divergenz
der Ionen auf verschiedenen Wegen gesteuert werden, damit die Ionen entsprechend
einem bestimmten Muster auf der Aufnahmefläche des Grundkörpers und den auf ihr
befindlichen Diamantteilohen abgelagert werden.
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Die vorbereitete Aufnahmefläche wird hierbei gleichzeitig mit bestimmter
Geschwindigkeit in einer Richtung quer zu dem bestimmten Muster von parallelen Streifen
oder Reihen des Stromes der Metallionen bewegt, wodurch über der auf der Grundfläche
angeordneten gesamten Lage der Diamanten eine Halteschicht mit einer Dicke von erheblich
grösserer Gleiohmässigkeit aufgebracht wird, als dies mit den bekannten Verfahren
möglich ist.
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Der Strom der metallischen Ionen wird bei dem Verfahren nach der
Erfindung automatisch abgelagert, wobei die gebildete Halteschicht mit der Aussenfläche
der Diamantteilohen unter Bildung von Karbiden chemisch vereinigt und gleichzeitig
mit der vorbereiteten Aufnahiefläohe des Grundkörpers unter Bildung einer Legierung
metallurgisch kombiniert wird.
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Auf diese Weise wird die Halteschicht fest mit den Dianantteilchen
und des Grundkörper verbunden, OB werden zugleich die benachbarten Diamantteilchen
durch eine zwischen ihnen gebildete metallische Inoskulationsverbindung Wegen seitig
fest verbunden.
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Als Hauptbestandteil zur Bildung der Halteschicht wird
gemäss
einem weiteren Merkmal der Erfindung vorzugsweise Hartmetall verwendet1 das direkt
auf die Aussenflächen der Diamantteilchen und die vorbereitete Aufnahmefläche des
Grundkörpers aufgebracht wird und insbesondere aus Chrom, Kobalt, Molybdän, Titan,
Wolfram und ähnlichen Metallen bestehen oder solche Metalle enthalten kann, die
fähig sind, Karbide zubilden.
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Gemäss der Erfindung kann ferner bei Diamantwerkzeugen, deren Arbeitsfläche
beim Betrieb Stossbeanspruchungen ausgesetzt ist, zwischen benachbarten Diamantteilchen
eine gewisse Nachgiebigkeit und Elastizität vorgesehen werden, damit etwaige Stossbeanspruchungen,
wie sie bei der Durchführung von groben Schneid- oder Schleifarbeiten öfter auftreten,
von den Diamantteilchen ohne Schaden aufgenommen werden können. Hierzu wird zur
Bildung der Halteschicht auf den Grundkdrper und die Diamantteilchen zunächst eine
Unterschicht aus Hartmetall in der angegebenen Weise, aber derart aufgebracht, dass
sich diese Unterschicht bei benachbarten Diamantteilchen zunächst nicht berührt,
worauf die Berührungsverbindung (Inoskulation) durch einen die Unterschicht überdeckenden
Überzug aus relativ weichem Metall gebildet wird, das z. B. aus Kupfer, Zink, Blei,
Aluminium usw. bestehen kann und durch den gleichen Dampfablagerungsprozeß aufgebracht
wird.
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Die Grundsätze der Erfindung können auch auf anderen Gebieten zur
Herstellung von Gegenständen beliebiger Art durch Verbindung oder NiBchung verschiedener
Stoffe mtteinander verwendet werden, indem der eine¢Stoff in ionisierten Dampf verwandelt
und die Dampfionen unter kontrollierten Bedingungen in Berührung rit einem anderen
Stoff gebracht werden, der elektrisch aufladbar ist und hierdurch ein Bindringen
der Ionen in die Molekularstruktur des anderen Stoffes herbeiführt, so daßs die
Stoffe innig miteinander verbunden oder gemischt werden.
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Nachstehend ist die Erfindung an Hand der Zeichnung beispielsweise
beschrieben. In der Zeichnung zeigen: Fig. 1 bis 3 Seitenansichten von Schleif-
und Schneidwerkzeugen verschiedener Form, bei denen die Erfindung anwendbar ist,
Fig. 4 und 5 vergrösserte Teilquerschnitte von zwei verschiedenen Schleifwerkzeugen
bekannter Art, Fig. 6 einen segmentförmigen Teil einer in der Industrie gebräuchlichen
Schleifscheibe, Fig. 7 einen stark vergrösserten Teilquerschnitt eines Schleif-
und Schneidwerkzeuges, bei dem die Diamanten gemäss der Erfindung aufgebracht sind,
Fig. 8 einen der Fig. 7 entsprechenden Schnitt einer weiteren Ausführungsform der
Erfindung und Fig. 9 eine Ausführungsform einer Einrichtung zur erfindungagemersen
Dampfablagerung einer metallenen Halteschicht auf Schleif- bzw. Schneidwerkzeugen.
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Diamanten für industrielle Zwecke stehen in -ersohledenen Formen
und Grössen zur Verfügung, die von 1 Mikron und weniger bis zu 80 tlil.ron reichen.
Teilchen, die grösser als 80 Mikron sind, werden entsprechend der Siebgrösse klassifiziert
und reichen von einer Siebgrösse von 400 Maschen bis 20 Maschen. Wenn die Diamanten
eine Siebgrösse von 20 Maschen überschreiten, so werden sie nach Karat gemessen.
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Diamanten dieser Grösse werden auch nach ihrer allgemeinen Form klassifiziert,
da bestimmte Formen von Diamanten bzw.
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Diamantteilen für bestimnte Verwendungszwecke der Werkzeuge, an denen
sie angeordnet sind, bevorzugt werden.
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Werkzeuge, bei denen die Erfindung anwendbar ist, gehören einem weiten
technischen Gebiet an und können z.B. in Form von Schleifscheiben' Bohrern, Abziehsteinen,
Sägen, rotierenden Fertigbearbeitungswerkzeugen od. dgl. ausgebildet sein. Derartige
Werkzeuge werden nicht nur in der Industrie,
der auf aufeinanderfolgenden
parallelen Wegen quer über die vorbereitete Aufnahmefläche des GrundkörperB geführt
wird, wobei diese Aufnahmefläche relativ zu dem Dampfstrom in einer Richtung quer
zu den Wegen des Dampfstromes bewegt wird, Das Verfahren nach der Erfindung bietet
eine Reihe von Vorteilen, die nachstehend erläutert sind, ohne dass hierbei die
Reihenfolge von Bedeutung ist.
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1) Zwischen dem zur Bildung der Halteschicht dienenden verdampften
Material und den D ntteilchen bzw. -splittern oder -kristallen wira ein chemischer
Verbund erzeugt, der erheblich stärker als ein rein mechanischer Verbund der mit
Bezug auf Fig. 4 und 5 erläuterten Art ist.
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2) Zwischen der vorbereiteten Aufnahmefläche des Grundkörpers und
der aufgebrachten Halteschicht wird eine metallurgische Bindung gebildet. Je nach
der besonderen Art und Weise, in der der Dampf für die Halteschicht aufgebracht
wird, kann die metallische Halteschicht eine mehr oder weniger massive Struktur
oder eine gitterartige Struktur aufweisen und Vertiefungen enthalten, die genügend
Spanraum zum Sammeln des beim Schleifen bzw. Schneiden anfallenden Spanmateriales
bilden.
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3) Insbesondere wenn dio Diamantteilchen in einer Halteschicht mit
gitterartiger Oberflächenstruktur eingebettet sind, wird die beim Schleifen oder
Schneiden entwickelte Wärme leicht von den Schneidkanten der Diamantteilchen weg-und
dem Grundkörper zugeführt, von dem sie durch Ableitung oder durch Anwendung flüssiger
Schneidmittel in einfacher Weise verteilt werden kann.
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4) Wenn gewünscht, können leere Stellen zwischen aneinander angrenzenden
Diamantteilchen, insbesondere beim rockenschleifen
mit einem festen
oder halbfesten Schmiermittel gefüllt werden, wobei der infolge gitterartigen Struktur
der metallenen Halteschicht die beim Betrieb des Werkzeuges entwickelte Wärme ebenfalls
schnell verteilt wird.
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5) Durch die Dampfablagerung der metallenen Halteschicht in Verbindung
mit dem Aufbringen einer statischen Ladung orientieren sich die Diamantteilchen
von selbst derart, dass sie an dem äusseren Umfang der Halteschicht scharfe Schneidkanten
darbieten.
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6) Dadurch, dass die metallische Halteschioht in Dampfform auf eine
Lage von Diamantteilchen aufgebracht wird, kann im wesentlichen auf alle Oberflächenteile
der verschiedenen Diamantteilchen ein überall etwa gleich dik--ker Uberzug aufgebracht
werden, wobei der Dampf selbst in relativ kleine Zwischenräume zwischen den benachbarten
Diamantteilchen eindringt und mit der vorbereiteten Aufnahmefläche des Grundkörpers
in Berührung kommt. Hierdurch wird ein fester Verbund erzeugt und, was ebenfalls
von grosser Bedeutung ist, ermöglicht, dass der ttberzug bzw. die Halteschicht auf
den Diamantteilchen genau mit der gewünschten Dicke und sehr gleichmässig hergestellt
werden kann.
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7) Zwischen der in Dampfform aufgebrachten Halteschicht und den Oberflächen
der Diamantteilchen wird eine chemische Reaktion herbeigeführt und hierdurch mindestens
eine dünne Schicht aus metallischem Karbid gebildet, die mit dem Diamantteilchen
chemisch gebunden ist. Bei weiterer Ablagerung von Metall aus dem Metalldampf werden
die äusseren Teile der Haltesohicht im wesentlichen nur aus Metall gebildet, wobei
die Halteschicht jedoch fest mit den Diamantteilchen verbunden ist.
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8) Der Metalldampf reagiert auch metallurgisch mit der metallischen
iufnabmefläche des Grundörpers mit dem Ergebnis, dass zunächst wenigstens eine dünne
Schicht aus einer
wenn z. B. ein beim Betrieb in die Arbeitsstellung
freigelegtes Diamantteilchen eine plötzliche Stossbeanspruchung erfährt, indem es
mit einer vortretenden Stelle des Werkstückes oder mit einem härteren Bereich desselben
in Berührung kommt. Hierbei geht der ganze Diamantsplitter, insbesondere deshalb,
weil er verhältnismässig klein ist, gewöhnlich verloren, und die Leistungsfähigkeit
sowie die Gebrau¢hsdauer des Werkzeuges werden weiter herabgesetzt.
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In Fig. 5 ist ein Teil eines Werkzeuges gezeigt, bei dem die Diamantteilchen
18 an der äusseren Umfangsfläche des Grundkörpers 20 in ebenfalls bekannter Weise
mittels einer metallisohen Halteschicht 22 befestigt sind. Diese ist durch Galvanisierung
über einer Lage der Diamantteilchen 18 gebildet, die zunächst an dem Grundkörper
20 durch Ankleben festgehalten werden. Hierbei besteht jedoch der Nachteil, dass,
wie in Fig. 5 gezeigt ist, unter Umständen einige Diamantteilchen 18 einen sehr
geringen Abstand 24 voneinander haben, so dass der Elektrolyt nicht überall an die
Umfangsfläche des Grundkörpers herankorimt und Hohlräume 26 gebildet werden.
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Nur wenn der Abstand 28 zwischen zwei benachbarten Diamantteilchen
18 so gross ist, dass der Elektrolyt in den Zwischenraum eindringen kann und mit
dem Grundkörper 20 in Berührung kommt, besteht einigermassen die Gewähr, dass zwischen
der metallischen Halteschicht 22 und dem Grundkörper eine Verbindung gebildet wird.
Die Festigkeit einer solchen Verbindung ist jedoch nicht sehr gross, und wenn die
Hohlräume 26 nicht vermieden werden können und gross genug sind, so zerfällt die
Halteschicht 22 verhältnismässig rasch, so dass die in ihr enthaltenen Diamantteilchen
18 abgenutzt und abgelöst werden.
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Ausserdem besteht bei einem Werkzeug, das gemäss Fig. 5 mit einer
durch Galvanisierung aufgebrachten metallischen Halteschicht 22 versehen wird, der
Nachteil, dass diese die Diamantteilchen 18 ungleichmässig überdecken kann und hierdurch
in der Umfangsfläche der Halteschicht 22 die Bildung
von Vertiefungen
und Spalten verhindert, in denen sich das beim Schleifen und Schneiden anfallende
Spanmaterial sammeln kann, bis es herausgeschleudert wird. Weiterhin werden auch
bei einer solchen Halteschicht beim Auftreten von Stossbeanspruchungen abgebrochene
oder ganze Diamantteilchen 18 leicht aus der Halteschicht herausgerissen, wie dies
in Bezug auf Fig. 4 erwähnt ist.
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Ein typisches Beispiel einer Schneidscheibe, bei der die Diamantenentsprechend
Fig. 4 oder 5 in der bekannten Weise aufgebracht sein können, ist in Fig. 6 gezeigt,
Der Grundkörper 10 bzw. 20 kann hierbei aus einer Metallscheibe bestehen, auf deren
vorbereitete Umfangsfläche die Halteschicht 14 bzw. 22 in der beschriebenen Weise
gemäss Fig. 4 oder 5 aufgebracht ist und die auf einer Wels ngeordnet ist. Die Halteschicht
14 bzw. 22 ist hierbei im allgemeinen verhältnismässi? dünn im Vergleich mit dem
Durchmesser des Werkzeuges bzw. der Metalischeibe. Wenn es sich jedoch bei der Schneidscheibe
um ein zahnärztliches Werkzeug handelt, so kann die Halteschicht 14 bzw. 22 im Vergleich
zum Durchmesser des Werkzeuges verhältnismäsig dick sein, da zahnärztliche Werkzeuge
oft einen sehr kleinen Durchmesser haben.
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Durch die Erfindung sollen die mit Bezug auf Fig. 4 und 5 aufgezeigten
Nachteile der bekannten Herstellung von Diamantwerkzeugen oder -instrumenten vermieden
und eine verbesserte Befestigung von Diamanten, insbesondere von Diamantteilchen
verhältnismässig geringer Grösse, an einem Grundkörper beliebiger Form erreicht
werden. Hierzu wird gemäss der Erfindung eine metallische Halteschicht durch chemische
und metallurgische Vorgänge fest mit dem Grundkörper des Werkzeuges verbunden, wobei
die Halteschicht in Dampfform z. B. unter Verwendung der Einrichtung nach Fig. 9
aufgebracht wird. Bei einer bevorzugten Ausführungsform wird der metallische Dampf
in Porm eines Stromes zugeführt,
Legierung gebildet wird, die aus
dem metall der Halteschicht und aus dem Metall des Grundkörpers zusammengesetzt
ist. Bei weiterer Ablagerung von Metall werden dann die äusseren Teile der Halteschicht
im wesentlichen nur aus dem Metall der Halteschicht gebildet, das jedoch über die
erwähnte Legierung fest mit dem Grundkörper verbunden ist.
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9) Zur Bildung der Halteschicht werden vorzugsweise Metalle harter
Art verwendet, so dass die Festigkeit der Bindung der Diamantteilchen mit dem Grundkörper
erhöht wird.
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Jedoch kann insbesondere zur Verwendung eines Werkzeuges für grobe
Sohnitte oder Schliffe od. dgl. zusätzliches Metall weicherer Art verwendet werden,
um z. B. sowohl eine endgültige Inoskulations- bzw. 3erührungsverbindung zwischen
aneinandergrenzenden Diamantteilchen als auch eine gleiche Inoskulationsverbindung
zwischen den Diamantteilchen und dem Grundkörper herbeizuführen. Hierdurch wird
erreicht, dass Diamantteilchen eine begrenzte Stossbeanspruchung erfahren können,
ohne dass sie von dem Grundkörper oder der Halteschicht gelöst werden und die Leistungsfähigkeit
und die Gebrauchsdauer des Werkzeuges beeinträchtigen.
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Die Vorteile und Merkmale der Erfindung sind beispielsweise an Hand
ir Fig. 7 und 8 erläutert. Bei der Ausführungsform nach Fig. 7 besteht der Grundkörper
32 eines Werkzeuges aus Metall, z. X, aus Stahl. Wenn die Erfindung zur Herstellung
eines zahnärztlichen Instrumentes verwendet wird, kann der Grundkörper 32 aus einem
Stahlschaft gewünschter Länge und bestimmten Durchmessers bestehen. Bei den in Fig.
1 und 2 gezeigten, stark vergrösserten Instrumentenköpfen ist der Stahlschaft 34
jeweils im Iurchmesser nach dem vorderen Ende zu verringert, damit ein Ende gebildet
wird, an dem der Schneid- oder Sohleifkopf 36 gemäss der Erfindung hergestellt wird.
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Die Diamantteilchen 38 in Fig. 7 sind im wesentlichen ganz mit einer
Halteschicht 40 aus Metall überzogen, die mit relativ gleichmässiger Dicke aus Metalldampf
abgelagert wird,
der vorzugsweise durch eine der Fig. 9 entsprechende
Einrichtung zugeführt wird. Wie bereits erwähnt, wird hartes Metall, wie z. 3. Chrom,
Kobalt, Molybdän, Titan, Wolfram od. dgl. bevorzugt. Einzelheiten zu Fig. 9 werden
noch erläutert.
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Zur Herstellung von Diamantwerkzeugen gemäss der Erfindung erhält
der Grundkörper 32 die erforderliche Gesbitung und wird so fertigbearbeitet, dass
er eine vorbereitete Aufnahmefläche aufweist, auf der die mit einer dem Jeweiligen
Verwendungszweck des Werkzeuges entsprechenden Grösse ausgewählten Diamantteilchen
38 befestigt werden. Hierzu werden die Diamantteilchen zunächst ir beliebiger bekannter
Weise an dem Grundkörper 32 festgelegt, dem sia .Z 3.
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unter Druck in die Aufnahmefläche des Grundkörper @ingerollt bzw.
eingewalzt werden. Die Diamantteil' $nnen jedoch auch mittels bekannter Kleber oder
Binder wie sie bei der Galvanisierung ton Nickel verwendet werden, an dem Grundkörper
angebracht werden. Bei der Verwendung eines solchen Binders zur Durchführung Verfahrens
nach der Srflrdung wird der Binder dann durch die Dampfablagerung des Metalles der
Halteschicht ersetzt. Eine weitere Möglichkeit zur vorübergehenden Festlegung der
Diamantteilchen an der vorbereiteten Aufnahmefläche des Grundkörpers besteht darin,
auf den metallischen Grundkörper eine elektrische Ladung so aufzubringen, dass die
Diamantteilchen in der gewünschten Weise orientiert und während der Dampfablagerung
in dieser Lage festgehalten werden.
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Wenn die Diamantteilchen in der einen oder anderen Weise an dem Grundkörper
festgelegt sind, wird auf diesen und auf die Diamantteilchen die Halteschicht 40
aus Metall (Fig. 7 und 8) durch Dampfablagerung mittels der Einrichtung nach Fig.
9 aufgebracht. Im Dampf zustand reagiert ein für die Halteschicht verwendetes Metall
der erwähnten Art mit der Oberfläche der Diamantteilchen und bildet auf diesen eine
dünne Schicht 42 aus Metallkarbid, wie dies in Fig. 7 durch die unregelmässigen,
im wesentlichen parallel zu der Halteschicht
42 verlaufenden Linien
gezeigt ist. Die Metallkarbidschicht 42 liegt dabei zwischen dem äusseren Teil der
Halteschicht 40 und den Diamantteilchen 38 und bildet eine feste und dauerhafte
Verbindung mit den Diamantteilchen.
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Bei weiterer Ablagerung von Metall aus dem Netalldampf wird nach
der Bildung der aus Metallkarbid bestehenden Vorbindungsschicht 42 die Überzugs
schicht 40 weiter auf einer dünnen Schicht aus dem metallischen Karbid aufgebaut
und mit dieser fest und chemisch in gleicher Weise wie bei der chemischen Bindung
zwischen der metallischen Karbidschicht 42 und den Diamantteilchen 38 verbunden.
Auf diese Weise werden die äusseren Teile der metallenen Halteschicht 40 im wesentlichen
aus reinem Metall statt aus Karbid gebildet.
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An den Stollen, an denen sich die metallenen Halteschichtüberzüge
der einzelnen Diamantteilchen miteinander berühren, wird zwischen den Teilchen in
einer als Insokulation bekannten Weise eine feste stark Bindung erzeugt, die der
rein mechanischen Bindung zwischen den Diamantteilchen und der Halteschicht der
bekannten Werkzeugausbildung nach Fig. 4 und 5 erheblich überlegen ist Ausserdem
werden durch die bei dem Verfahren nach der Erfindung bestehende Möglichkein, die
Dicke der Halteschichtüberzüge 40 genau zu regeln, auf der Arbeitsfläche des Werkzeuges
gitterartige Aussenflächen gebildet, die zwischen benachbarten, mit Überzügen versehenen
Diamantteilchen Ausnehmungen und Vertiefungen zur Aufnahme von bei der Bearboitung
eines Werkstückes anfallendem Spanmaterial aufweisen, das dann von Zeit zu Zeit
bei der normalen Drehbewegung des WOrkzOu?g05, insbesondere bei relativ hohen Drehzahlen,
abgesohleudert wird.
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Wie bereits erwähnt, reagiert das durch Dampfablagerung abgelagerte
Metall der Halteschicht 40 im Ionenzustand mit der iufnahmefläche des Grundkörpers
32 und bildet mindestens eine dünne Schicht einer Legierung, die aus einer Mischung
der Metalle dar Halteschicht und des Grundkörpers 32 besteht.
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Zwischen der Halteschicht 40 und dem Grundkörper 32 wird daher in
denjenigen Bereichen, in denen das Metall der Haltosohioht den Grundkörper unmittelbar
berührt, eine metallurgische Bindung erzeugt, die eine grosse Festigkeit und Dauerhaftigkeit
aufweist. Eine solche metallurgische Bindung wird auch zwischen dem Metall der die
Diamantteilche 98 umgebenden Halteschicht 40 in der Nähe der dem Grundkörper 32
zugekehrten Oberflächen der Diamantteilchen erzeugt. Infolgedessen wird eine auss@ordentlich
wirksame und dauerhafte Verbindung zwischen den Diamantteilchen 38 und dem Grundkörper
32 auf Grund der beschriebenen chemischen und metallurgischen Bindung gebildet.
Wenn das Metall des Grundkörpore durch eines der bereits erwähnten Hartmetall gebildet
ist, so wird eine besonders innige Bindung zwischen den Diamantteilchen und dem
Grunkörper 32 gebildet, die gewährlei stet, dass die Diamantteilchen beim Betrieb
des Werkzeuge bis zu ihrer völligen Abnutzung mit dem Grundkörper verbunden bleiben.
Wenn weiterhin die metallene Halteschicht nicht abnorm diok ist, werden an der Arbeitsfläche
des Werkzeug die verschiedensten Spalten oder sonstige Vertiefungen gebildet, din
zu einer gitterartigen Struktur mit genügend Spanraum zur vorübergehenden Aufnahme
und zum anschliessendem Abschleufendern des anfallenden Spanmateriales führen, so
dass sich die Arbeitsfläche des Werkzeuges nicht zusetzt und nicht in ihrer Leistungsfähigkeit
besinträchtigt wird.
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Wenn das die Halteschicht 40 bildende Metall durch ein Hartmetall
gebildet ist, so sind gemäss der Erfindung hergestellte Werkzeuge besonders geeignet
für feine Fertigbaarbeitungsvorgänge, bei denen im Vergleich zu vorbereitenden Arbeitsvorgängen
keine groben bzw. schwere Schnitte oder Schlif-£e, sondern nur feinere Bearbeitungsvorgänge
erforderlich sind.
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Bei gröberen oder schwereren Schnitten oder Schliffen erfährt dagegen
das Werkzeug öfter Stossbeanspruchungen, indem die Diamantteilchen 2. B, auf vortretende
oder härtere Stel-Ion des zu bearbeitenden Werkstückes auftreffen. trotzdem sind
gemäss der Erfindung hergestellte Werkzeuge auch für
solche schweren
Arbeitsvorgänge gut geeignet, wenn die Verbindung der Diamantteilchen unter sich
und gegebenenfalls auch mit dem Grundkörper etwas nachgiebig bzw. elastisch gestaltet
wird Ein Beispiel einer solchen Halteschicht 40 ist in Fig. 8 gezeigt. Die an dem
Grundkörper 32 angebrachten Diamanttelchen 38 sind hierbei zunächst von einer Unterschioht
aus relativ hartem Metall umgeben. Auf diese folgt aber nach aussen eine zweite
Schicht 46 aus relativ weichem Metall, die in bestimmter Dicke auf der Unterschicht
durch den gleichen Dampfablagerungsvorgang wie für die Halteschicht 40 abgelagert
wird.
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Als weiches Metall für die nachglebige bzw. elastische Schicht 46
kann aluminium, Zink oder Kupfer verwendet werden.
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Die Nachgiebigkeit einer solchen Schicht ist besondere gegeben, wenn
sich nachgiebige Schichten 46 benachbarter Diamantteilchen 38 unter Bildung von
Fugen 48 gemäss Fig. 8 berühren. Die nachgiebige Schicht 46 ist hierbei mit der
härteren Untersichicht metallurgisch fast verbunden, so dass sie sich von dieser
nicht lösen kann. Infolge der Verwendung von relativ weichem Metall für die äussere
Schicht 46 wird an den Berührungsstellen oder -fugen 48 und auch den Berürungsstellen
mit dem Grundkörper 32 wenigstens eine begrenzte Nachgiebigkeit bzw. Elastizität
erreicht, so dass Stossbeanspruchungen der Diamantteilchen leichter aufgenommen
werden können, als wenn sie gemäss Fig. 7 unmittelbar mit der relativ harten Halteschicht
40 anneinanderstessen.
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Bei den beschriebenen Ausführungsformen der erfindungsgemässen Halteschicht
und auch der etwaigen nachgiebigen Überzugsschicht ergibt sich, insbesondere wenn
die Schichten relativ dünn sind, die bereits mehrfach erwähnte gitterartige Struktur.
Diese ist auch vorteilhaft im Hinblick auf die Abführung von beim Betrieb des Werkzeuges
durch den Schneid-oder Schleifvorgang erzeugter Wärme, die rasch von den Sohneidkanten
der Diamantteilchen abgeleitet und dem Grundkörper 92 iugoführt wird, von dem sie
durch Ableitung oder
durch Verwendung eines fliissigea Schneidmittels
leicht verteilt werden kann. Weiterhin können die Leerräume zwischen den Diamantteilchen
in nicht dargestellter Weise gegebonenfalls mit einem festen oder halbfesten Schmiermittel
imprägniert sein, wobei jedoch infolge der gitterartigen Struktur der Halte schicht
auch dann eine gute Wärmeableitung gewährleistet ist.
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Die Dampfablagerung des Metalles für die Halteschicht und gegebenenfalls
für die nachgiebige Überzugs schicht kann mit Hilfe von Einrichtungen verschiedener
Aus fUhrungs formen mit Metallen in verschiedenem physikalischen Zustand durch geführt
werden. Eine bevorzugte Ausführungsform einer solchen Einrichtung ist in Fig. 9
dargestellt.
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Diese Einrichtung weist eine Vakuumkammer 50 auf, in der ein Unterdruck
gewünschter Grösse duroh eine Vakuum pumpe 52 erzeugt werden kann und die einen
Tiegel 53 zur Aufnahme des zur Bildung der Halteschicht dienenden Metalles 54 enthält.
Der Tiegel 53 ist mit einer Heitzvorrichtung, z.
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B. einer Induktionsspule 55, versehen, die den Tiegel umgibt und soviel
Hitze entwickelt, dass da Metall 54 eunächst geschmolzen wird, dann aber wenigstens
im Oberflächenbereich des geschmolzenen Metalles aus diesem Ionendampf 56 entwickelt
wird, der in Pfeilrichtung aus dem Tiegel 53 aufsteigt und weitergeleitet wird.
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Zur Steuerung der Metallablagerung aus dem Ionendampf 56 sind die
verdampften Ionen mit einer elektrischen Ladung behaftet. Durch elektrische Felder
können den geladenen Ionen des Dampfes elektrische Kräfte übermittelt werden1 die
nicht nur die Bewegung der Ionen beschleunigen, sondern dies auch zu der gewünschten
Aufprallstelle an dem Grundkörper 32 des herzustellenden Werkzeuges führen, um z.
3. eine aus den Ionen bestehende Schicht auf den Arbeitsflächen der Diamantteilchen
abzulagern.
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Zur Erläuterung ist angenommen, dass die Ionen des Ionen dampfes
56 eine positive elektrische Ladung besitzen. Sie könnten statt dessen jedoch auch
negativ geladen sein, wobei dann alle Polungen der dargestellten Einrichtung umgekehrt
werden müssten. Gemäss Fig. 9 ist bei positiver elektrischer Ladung der Ionen über
dem Tiegel 53 eine negativ geladene Platte 58 angeordnet, der eine solche Spannung
zugeführt wird, dass die Ionen des Dampfes 56 von der Oberfläche des geschmolzenen
Metalles 54 weg angezogen werden. Ausserdem wird zwischen einer an dem Tiegel 53
angebrachten Elektrode 60 und dem Grundkörper 32 ein elektrisches Feld beträchtlioher
Stärke erzeugt, dessen Spannung durch eine Beschleunigungssteuervorrichtung 62 steuerbar
ist. Die der Platte 58 übermittelte Ladung wird durch ein Steuergitter 64 geregelte
Das elektrische Feld zwischen der Elektrode 60 und dem Grundkörper 32 ruft in Verbindung
mit der Ladung der Platte 58 eine seitliche Bewegung der Ionen in Form eines Strahlbundelta
bzw, lonenstromes 70 hervor.
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Im Wege des lonenstromes ist in der Vakuumkammer 50 eine elektrostatische
Fokussierelektrode 66 mit einem Durchlass 68 angeordnet, der insbesondere die Querschnittsform
des lonenstromes 70 bestimmt. Der Grundkörper 32 sitzt auf einer Achse 72 und kann
durch nicht gezeigte Mittel um diese Achse in einer bestimmten Richtung und mit
gewünschter Drehzahl gedreht werden. An dem Grundkörper 32 sind in der bereits erwähnten
Weise Diamantteilchen 74 vorübergehend befertigt. Mit der Fokussierelektrode 66
ist eine Fokussiersteuervorriohtung 76 elektrisch verbunden.
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Zur weiteren Beeinflussung des lonenstromes 70 sind bei der bevorzugten
Ausführungsform in der Kammer 50 in Ab stand hintereinander zwei Ablenkplatten-Paare
78, 78 und 80, 80 angeordnet, von denen die Platte 78, 78 des einen Paa -res im
Abstand voneinander senkrecht und die Platten 80, 80 des anderen Paares waagerecht
im Abstand übereinander angeordnet sindç Diese Anordnung ist jedoch nur als Beispiel
gezeigt und nicht Bedingung. Die gezeigten Ablenkplattenpaare
sind
mit Vorrichtungen 82 bzw. 84 zur Spannungs Steuerung für die waagerechte und die
senkrechte Ablenkung des Ionen stromes 70 elektrisch verbunden. Ausserhalb der Kammer
50 können noch andere, in Fig. 9 nicht dargestellte elektrische Vorrichtungen, insbesondere
zur Erzeugung der verschiedenen Spannungen sowie Stromkreise zur Steuerung der Spannungen
an den Plattenpaaren 78, 78 und 80t 80 der Fokussierelktrode 66 und an dem Grundkörper
32 des herzustellenden Werkzeuges angeordnet sein, an dem die metallischen Ionen
des lonenstromes 70 abgelagert werden.
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Die Temperatur des in dem Tiegel 53 enthaltenen Metalles 54 wird
durch eine Temperatur-Steuervorrichtung 86 geregelt. Durch Änderung der Temperatur
des Metalles 54 mittels der Vorriohtung 86 kann auch die Menge der erzeugten Metallionen
geregelt werden, während die Beschleunigung der Ionen durch Änderung der Stärke
der zwischen der Elektrode 60 und dem Grundkörper erzeugten elektrischen Felder
und der Ladung der Platte 58 genau geregelt werden kann.
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Infolge der besonderen Anordnung der Platte 58 und der erwähnten
Annahme, dass der Ionenstrom 70 aus dem Dampf 56 positiv ist, während die Ladung
der Platte 58 negativ ist, kann durch Änderung dieser Ladung vom negativen zum positiven
verhindert werden, dass aus dem Tiegel 53 Ionen aufsteigen. Weiterhin kann durch
änderung des Potentiales der negativen Ladung der Platte 58 die Geschwindigkeit,
mit der die Ionen aus dem Dampf 56 aufsteigen, geändert werden.
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Eine Erhöhung dieser Geschwindigkeit ilber ein bestimmtes Mass hinaus
kann sehr wirksam sein, um die normalerweise an der Oberfläche des geschmolzenen
Metalles 54 entstehende Wolkenbildung aus geladenen Ionen zu überwinden. Im übrigen
ist die Wirkung der Platte 58 mit derjenigen ines Steuergitters in üblichen Vakuumröhren,
wie sie bei manchen Arten von elektronischen Einrichtungen verwendet werden, Vergleich
bar.
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Die Besohleunigung der Bewegung der Ionen in dem Strom 70 in Riohtung
auf den Grundkörper 32 zu wird gebraucht, um die kinetische Auftreffenergie zu erzeugen,
die notwendig ist, um eine bestimmte Eindringtiefe der Ionen in die Oberfläche der
Diamantteilchen und des Grundkörpers 32 und damit das mit dem Verfahren nach der
Erfindung erstrebte Ergebnis zu erraiohen, Der Durchgang 68 der Fokussierelektrode
oder -linse 66 vermittelt den Ionenstrom 7Q die gewünschte Querschnittsform, und
die senkrechten und waagerechten Ab lenkplatten 78 und 80 ermöglichen einen Änderung
des Strom weges mit dem Ziel, den Ionenstrom auf jeden Teil des Grundkörpers 32
richten zu können. Wenn zwischen diesen Platten kein elektrisches Feld erzeugt wird,
so trifft der Ionenstrom 70 auf eine bestimmte Stelle aus Umfanges des Gru;ndkörpers
32 ohne Änderung auf. Bei Erzeugung eines solchen Feldes kann jedoch dem Ionenstrom,
qie durch den Doppelpfeil in Fig. 9 angedeutet ist, z. B. nach oben oder unten eine
Ablenkung übermittelt werden, die proportional su der erzeugten Feldstärke ist.
Die senkrechten und waagerschten Ablenkplatten arbeiten dabei in der gleichen Weise,
wobei die Richtung der Ablenkung von der Polarität des erzeugten Feldes abhängig
ist. Zur Steuerung des Ionenstromes 70 in der Weise, dass er über die gesamte, ihm
zugekehrte Umfangsfläche des Grundkörpers 32 hin- und hergeschwenkt wird, können
eine oder mehrere der angeführten Steuermöglichkeiten in verschiedener Kombination
durchgeführt werden.
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Wenn beiden Ablenkplatten-Paaren 78, 78 und 80, 80 eine negative
Spannung zugeführt wird und z. B. die Spannung an den waagerechten Platten 80, 80
innerhalb einer bestimmten Zeit spanne durch Anwendung einer entsprechenden Wechselstromfrequenz
stufenweise mehr positiv gemacht wird, so entwickelt der Ionenstrom bzw. das Strahlbündel
70 an dem Grundkörper 32 eine senkrechte Linie. Wenn dann gleichzeitig die senkrechte
Spannung um ein bestimmtes Mass erhöht und die waagerechte Spannung wieder negativ
gemacht wird, so kann das Strahlbündel 70 wieder senkrecht verschwenkt werden, wodurch
die
Auftreffstelle auf dem Grundkörper auf einer zweiten Linie bewegt wird1 die zu der
ersten Linie parallel verläuft.
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Gleichzeitig mit den Bewegungen der Auftreffstelle des Ionenstromes
auf dem Grundkörper 32 wird dieser mit den an ihm haftenden Diamantteilchen 74 mit
einer bestimmten Umlaufgeschwindigkeit um seine Aohse 72 gedreht, so dass in abstimmung
mit der Geschwindigkeit, mit der die erläuterten Auftrefflinien des Ionenstromes
70 erzeugt werden, diese A.oftrefflinien dicht nebeneinander verlaufen können. Diese
Vorgänge werden @n sehr schneller Folge wiederholt, wobei jede Auftrefflinie über
die gesamte Höhe des Grundkörpers 32 reicht und die an diesem befindlichen Diamantteilchen
74 im Bereich der Auftreffljnien mit einer Schicht der Ionen mit der gewünschten
Dicke überzogen werden. Durch entsprechende Programmierung der Änderung der verschiedenen
elektrischen Felder sowie der Spannungen der Ablenkplatten u gegebenenfalls noch
anderer Teile der in Fig. 9 dargestellten Einrichtung kann somit auf der Umfangsfläche
des Grundkörpers 32 jedes gewünschte Muster für die Ionen erzeugt werden Aus der
vorstehenden Beschreibung ergibt sich, dass für den Dampfablagerungsvorgang zwei
veränderliche Hauptiaktoren gesteuert werden müssen. Der eine dieser Faktoren ist
die Geschwindigkeit, mit der die Ionen auf dem Grundkörper 32 bzw. den Diamantteilchen
74 auftreffen und die die Eindringtiefe der Ionen in die Oberflächen der Diamantteilchen
und des Grundkörpers bestimmt. Diese Steuerung ist durch Regelung der Spannung zwischen
der Elektrode 60 und dem Grundkörper 32 leicht durchzuführen. Im allgemeinen ist
die Ionengeschwindigkeit und damit auch ihre Eindringtiefe proporticnal zu der jeweiligen
Spannung. Der andere zu steuernde Faktor ist die Dicke der durch die Ionen gebildeten
tberzugs- bzw. Halteschicht auf der Umfangsfläche des Grundkörpers ffi und den an
diesem haftendem Diamantteilchen 74.
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Diese Steuerung kann in verschiedener Weise erfolgen. Z. B.
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kann die Geschwindigkeit, mit der das Ionenstrahlbündel 70 die Umfangs-
bzw. Aufnahmefläche des Grundkörpers 32 und die Diamantteilchen 74 überquert bzw
"abtastet" in der erläuterten Weise gesteuert werden. Bei einer relativ geringen
Abstastgeschwindigkeit ergibt sich eine dickere Ablagerungsschicht für die Ionen
und umgekehrt. Außerdem kann die Intensität des IonenstrahlbündelO s 70 mittels
der der Platte 58 über die Spannungs quelle 84 zugeführten Spannung in Abhängigkeit
von der Temperatur des geschmolzenen Metalles 54 geregelt werden. Die Ablagerungsschicht
kann auch in mehreren Lagen aufgebracht werden, die übereinander abgelagert werden.
Daher kann die Ionengeschwindigkeit für jede Lage so gesteuert werden, dass die
grösstmögliche Eindringtiefe in der ersten Lage erreicht wird.
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Zur Durchführung des Verfahrens nach der Erfindung können auch andere
als die in Fig. 9 dargestellten Vorrichtungen zur Bildung von ionisierten reinen
Metalidämpfen verwendet werden. Z. B. können Elektroden aus dem zur Herstel lung
der Halteschicht dienenden Metall so angeordnet werden, daas ein Lichtbogenspalt
zwischen ihnen besteht, so dass bei Zuführung von Strom der erforderlichen Spannung
ein Lichtbogenstromkreis gebildet wird, durch den die Elektroden allmählich in ionisierten
Dampf umgewandelt werden. Der Dampf kann dann durch die in Fig. 9 gezeigten Vorrichtungen
geformt und weitergeleitet werden, so dass bei der Einrichtung nach Fig. 9 nur der
Tiegel 53 mit der Heizvorrichtung 55 durch die Lichtbogenvorrichtung ersetzt ist.
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Die Umwandlung der gemäss der Erfindung zur Bildung der Haltesichicht
verwendeten Metalle aus dem feste in dampfförmigen Zustand erfordert sehr hohe Temperaturen.
Auch sind bestimmte Metalle, wie z.B. Beryllium, schwierig in dem reinen Zustand
zu erhalten wie er für die Durchführung des Verfahrens nach der Erfindung s. B.
bei Verwendung der Einrichtung nach Fig. 9 erforderlich ißt. Die Erfindung sieht
daher
vor, dass solche Metalle auch in Form von chemischen Verbindungen verwendet werden
können, die den Vorteil bieten, dass sie sich unter Entwicklung von ionisiertem
Metalldampf bei niedrigeren Temperaturen als den Verdampfungstemperaturen der Metalle
selbst zersetzen. Von den für die Erfindung vorgesehenen Metallverbindungen benötigen
nur wenige eine Verdampfungstemperatur von über 4000 0. Solche Metallverbindungen
können z.B. gasförmige Metallkarbonyle oder verdampfte Lösungen bestimmter Metallkarbonyle
in leicht verdampfbaren Lösungen, oder auch Nitrosylkarbonyle, Metallhydride, Organometallverbindungen
und Metallhalogenide sein.
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Wenn diese Verbindungen bestimmten Hochsttemperaturen ausgesetzt
werden, so zersetzen sie sich und geben verdampftes Metall und die anderen die verschiedenen
chemischen Beatandteile bildenden Stoffe frei insbesondere wenn sie entweder einer
inerten gasförmigen Atmosphäre oder einem Vakuum ausgesetzt werden.
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Beispiele für Metallkarbonyl-Verbindungen sind Ohrom, Kobalt, Molybdän,
Nickel, Titan und Wolfram sowie aus solchen Stoffen gemischte Karbonyle. Beispiele
für andere Metallverbindungen sind für Nitrosylkarbonyl Kobaltnitrosylkarbonyl,
für Hydride Titanhydrid, für Organometallverbindungen Diphenyl-(Biscycloppentadienyl-)
Titan und Biscyclopentadienyl-Chrom sowie für Metallhalogenide ß-Kobalt(II) Jodid
und Molybdäntetrajodid.
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Jede Verbindung, aus der ein Metall zur Bildung dex.
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Halteschicht abgedampf werden soll, hat eine bestimmt Temperatur,
bei der der Zerfall vollständig ist. Jedoch kann der Zerfall in bestimmtem Bereich
bei niedrigerer tempert tur langsam stattfinden. Z. B. zerfällt Titanthydrid vollständig
bei etwa 400° C, beginnt aber schon bei etwa 200°C langsam zu zerfallen und zerfallt
weiter während der Erhitzungszeit von 2000 o auf 4000 C. Auch können viele Metallkarbonyle
und -hydride bei Temperaturen im Bereich zwischen etwa 1750 C bis 2350 C wirksam
zersetzt werden. Wenn mit Metallkarbonylen gearbeitet wird, so erfolgt dies vorzugsweise
bei
einer Temperatur im allgemeinen Zerfallsbereich der flüchtigen Verbindungen. Vorzugsweise
wird auch der Grundkörper des herzustellenden Werkzeuges zur Aufnahme der metallenen
Halteschicht auf eine die Raumtemperatur erheblich übersteigende Temperatur vorerhitzt,
wobei diese Temperatur nur etwas unterhalb der von Zerfallstemperatur der chemischen
Verbindung liegen kann, aus der das Metall gewonnen wird. Dieses Vorerhitzen des
Grundkörpers wird vorzugsweise im Vakuum oder in einer inerten Gasatmosphäre durchgeführt,
damit der Grundkörper nicht oxydiert. Durch das Vorerhitzen werden Gase oder Wasserdämpfe,
die in den Poren oder Unregelmässigkeiten der Oberfläche des metallischen Grundkörpers
enthalten sind, entfernt und hierdurch die Bindung der metallischen Halteschicht
mit der Aufeahmefläche des metallischen Grundkörpers begünstigt.
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Vorstehend sind verschiendens Möglichkeiten und Ausführungsformen
der Erfindung zur Herstellung von Diamant-Schneid- oder Schleifwerkzeugen beschrieben,
bei denen die Diamantteilchen mit der sie aufnehmenden Fläche eines metallischen
Grundkörpers erheblich besser und fester verbunden werden können, als bei den bisher
bekannten elektrochemischein Verfahren oder bei der Bildung der Halteschicht aus
gesintertem m Metall usw. Die Verwendung von Hartmetallen und auch die Bildung der
Halteschicht aus einer Hartmetallschicht und einem Überzug aus weicherem Metall
gewährleistet tei dem Verfahren nach der Erfindung die Herstellung von Diamantwerkzeugen,
bei denen die Diamantteilchen ausserordentlich fest miteinander und mit dem Grundkörper
derart verbunden sind, dass immer nur die äusserten Teile der Diamantteilche beim
Betrieb das Werk££euges verschleissen.
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Ein Verlust der Diamantteilchen, wie dies bei den in bekannter Weise
hergestellten Diamantwerkzeugen auftreten kann, wenn einige der Diamantteilchen
bei der Bearbeitung el-es Werkstüokes auf ein Hindernis auftreffen und auf Stos
ansprucht werden, ist nicht zu befürchten. Wenn die Diamantteilchen gemäss der Erfindung
ausser ihrer einer Halteschicht
aus Hartmetall noch von einer Aussenschicht
aus relativ weichem Metall umgeben werden, so wird zwischen je benachbarten Diamantteilchen
eine etwas nachgiebige elastische Verbindung geschaffen, so dass die Diamantteilchen
auf Stoss beansprucht werden können, ohne aus dem Grundkörper z. 3. bei groben Schnitten
oder Schliffen herausgerissen zu werden.
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Die Erfindung ist vorstehend in Verbindung mit der Herstellung von
Diamantwerkzeugen beschrieben. Sie kann aber mit gleichen Vorteilen auch zur Herstellung
von Gegenständen verwendet werden, die anderen technischen Gebieten angehören. Beispielsweise
kann eine Beryllium-Kupfer-Legierung gebildet werden, indem Berylliumionen auf die
Oberfläche eines aus Kupfer bestehenden Gegenstandes aufge bracht werden, der einsatzgehärtet
werden soll. Der Kupfer gegenstand wird dabei umgekehrt elektrisch geladen als die
3erylliumionen, damit dem Ionenstrom eine solche kinetische energie zugeführt werden
kann, dass die Ionen in die Mc kularstruktur des Kupfers wenigstens an bestimmten
Stellen genügend tief eindringen können.
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Die Berylliumionen können entweder aus chemischen Verbindungen oder
relativ reinem Metall erzeugt werden. Sie können ferner in einem Unterdruckraum
bei vorzugsweise grossem Unterdruck auf das Kupfer aufgebracht werden, wobei der
aus dem Kupfer bestehende Gegenstand vorzugsweise auf eine solche Temperatur vorerhitzt
wird, dass eingeschlossene Gase ausgetrieben werden. Der Ionenstrom bzw. das ihn
bildende Strahlenbündel kann in Bezug auf Richtung und Geschwindigkeit z. B. in
ähnlicher Weise geregelt werden, wie dies in Verbindung mit Fig. 9 erläutert ist,
so dass die Ionen in aufeinanderfolgenden parallelen Streifen oder in Form anderer
muster auf das Kupfer mit der erforderlichen Eindringtiefe wad mit der gewünschten
Dicke auftreffen Hierbei wird zwischen den Berylliumionen und dem Kupfer wiederum
eine metallurgische Reaktion herbeigeführt und eine Legierung gebildet die z. B.
vergütet werden kann, um eine einsatzge
härtete Oberfläche an dem
Kupfergegenstand zu bilden Ein anderes Anwendungsgebiet der Erfindung besteht z.
B.
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in der Bindung von Aluminiumionen auf bestimmten Kunsthar -zen oder
Kunststoffen. Z. 3. können gewisse Harze, wie Akrylharze, Polycarbonate, Polyesterharze,
Vinylpolymere, Polystyrol und Phenolharze elektrisch leitend gemacht werden. Wenn
Gegenstände aus solchen Harzen in einem Unterdruckraum elektrisch geladen werden
und in dem Unterdruckraum ein Ionenstrom aus Aluminium-Ionen aus einer umgekehrt
geladenen Ionenquelle erzeugt und z. B, unter Verwendung von der Fig. 9 entsprechenden
Vorrichtungen oder anderen Vorrichtungen auf bestimmte Stellen eines aus Harz bestehunden
Gegenstandes zum Auftreffen gebracht werden, so dringen diese Ionen in die Molekularstruktur
des Harzes mit kontrollierbarer Tiefe ein und bilden mit diesem eine feste Verbindung.
Der Ionenstrom kann auch aus anderem Metall, wie z. 3. Ohrom, Kupfer und Edelmetallen
in der beschriebenen oder in anderer Weise gebildet werden. Harze für Grundkörper,
auf die solche metallischen Ionen um Auftreffen gebracht werden, können 2.B. Acrylnitril-Butadien-Styrol-Harze
sein.
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Die Erfindung ist nicht auf die beschriebenen Ausführungsformen beschränkt,
und kann in durchaus anderer Weise ver-wieklicht werden.
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Ansprüche: