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Hintergrund
der Erfindung
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Diese
Erfindung bezieht sich auf ein Schleifmittel, umfassend polykristalline
selbstgebundene Schleifpartikel, und auf ein Verfahren zur Herstellung
eines solchen Mittels.
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Die
Herstellung von ausgelaugten selbstgebundenen polykristallinen Partikeln
wird in dem US-Patent Nr. 4776861 im Namen der General Electric
Company gelehrt. Das Verfahren dieses Dokuments umfasst die Herstellung
eines polykristallinen Presslings gemäß der Lehre von z. B. US-Patenten
Nr. 3141746, 3745623, 3767371, 4104344, 3609818 und 4224380, das
Verringern der Größe des Presslings,
z. B. durch Zerbrechen und Auslaugen der nicht als Partikel vorliegenden
Materie wie Lösungsmittel/Katalysator
aus den gebundenen Partikeln.
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Das
Auslaugen der nicht als Partikel vorliegenden Materie aus den gebundenen
Partikeln wird zunehmend schwierig, wenn die Korngröße der Kristalle,
die die Partikel bilden, abnimmt, wenn die Porosität der selbstgebundenen
Partikel abnimmt und wenn die Größe der selbstgebundenen
Partikel zunimmt.
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Die
selbstgebundenen Partikel, die nach dem Verfahren des US-Patentes
Nr. 4776861 hergestellt wurden, werden weitgehend gekennzeichnet
durch Diamant-mit-Diamant-Verbindungen,
woraus eine geringe Zerreibbarkeit (hohe Festigkeit) und eine geringe
Porosität, üblicherweise
geringer als ca. 10 Prozent, folgt.
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Polykristalline
selbstgebundene Diamantpartikel können auch unter Verwendung
eines Schockwellen-Verfahrens, wie es in dem US-Patent Nr. 3238019
gelehrt wird, hergestellt werden. Das Verfahren umfasst Nicht-Diamant-Kohlenstoff,
der mit einem inerten Material gemischt wird und das Aussetzen der
Mixtur einer explosiven Schockwelle, in der sehr hohe Drücke und
hohe Temperaturen in kurzen Zeiträumen erreicht werden. Das inerte
Material wird in die Mischung eingebracht, um die Wärmeableitung
aus dem System zu vereinfachen. Die Mischung wird nach der Explosion
wiedergewonnen und vor einer chemischen Behandlung, um verbleibende
Nicht-Diamant-Kohlenstoffe und das inerte Material zu entfernen,
zerbrochen. Der gereinigte Diamant wird dann weiter zerkleinert
und je nach Notwendigkeit der Größe nach
sortiert.
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Polykristalline
Partikel, die nach dem Verfahren des US-Patents Nr. 3238019 hergestellt
werden, werden charakterisiert durch eine hohe Zerreibbarkeit (geringe
Festigkeit) und sehr begrenztes Selbstbinden.
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US-Patent
Nr. 4,181,505 offenbart ein Verfahren zur Herstellung freier diskreter
kaltgehärteter
Diamantkristalle. Ein großer
Diamant wird in einer Masse an relativ großen Diamantkristallen eingebettet
und diese Anordnung Temperatur- und Druckbedingungen ausgesetzt,
bei denen Diamant thermodynamisch stabil ist. Der große Diamantkristall
wird in dieser Weise kaltgehärtet
und soll Anzeichen von plastischer Verformung gezeigt haben. Der
Journal of Materials Science Letters, vol. 3, 1984, Seiten 1090–1092, beschreibt
eine Studie von gesinterten Diamantpresslingen. Die Diamantpresslinge
werden dadurch hergestellt, dass ein Mikrometer großes Diamantpuder
Temperaturen in einem Bereich von 700 bis 1300°C und Drücken in einem Bereich von 2,6
bis 9,9 GPa ausgesetzt wird. Beim Einstellen dieser Bedingungen
wird der Druck zunächst
auf die gewünschte
Höhe erhöht und dann
die Temperatur auf den gewünschten
Wert erhöht.
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Zusammenfassung
der Erfindung
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Gemäß einem
ersten Aspekt der Erfindung wird ein Schleifmittel bereitgestellt,
das eine polykristalline Masse an selbstgebundenen ultraharten Schleifpartikeln
von unregelmäßiger Form
umfasst, wobei das Produkt im Wesentlichen frei von einer zweiten
Phase ist und eine wesentliche plastische Verformung der Schleifpartikel
enthält,
so dass diese plastische Verformung bei mindestens 0,3 Prozent liegt
und das Schleifmittel eine Porosität aufweist, die größer als
10 Vol.-Prozent ist und 25 Vol.-Prozent nicht übersteigt. Das Schleifmittel ist
eine polykristalline Masse an selbstgebundenen Schleifpartikeln
und ist im Wesentlichen frei von einer zweiten Phase oder einem
zusätzlichen
Bestandteil.
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Mit
anderen Worten, es existiert kein bindendes Metall oder eine Sinterhilfe
wie ein Lösungsmittel/Katalysator
oder ein anderes solches Material. Jede zusätzliche Komponente, die anwesend
sein könnte,
ist nur in Spurenmengen enthalten.
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Ferner
sind die Diamantpartikel von einer unregelmäßigen Form. Sie können z.
B. Partikel sein, die durch Zerkleinerungs- oder Zermahlmaßnahmen
hergestellt worden sind. Daher gibt es in dem selbstgebundenen Mittel
Anzeichen von Schroffheiten; scharfe Punkte oder Kanten eines Kristalls,
der auf einen im Wesentlichen glatten Bereich eines benachbarten
Kristalls drückt,
was eine plastische Verformung an den Kontaktpunkten zwischen den
Kristallen zur Folge hat. Die plastische Verformung der Teilchen
liegt vorzugsweise bei mindestens 0,5 Prozent.
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Das
Verfahren zum Messen der plastischen Verformung, wie es in der Beschreibung
verwendet wird, ist wie folgt:
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Schritt 1
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Die
Formen (Profile) der Röntgenbeugungspeaks,
nämlich
(100), (220), (311) und (331), für
den Diamanten vor der Behandlung werden aufgezeichnet.
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Schritt 2
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Die
Formen der gleichen Röntgenbeugungspeaks
werden nach der Behandlung aufgezeichnet, wobei eine Probe verwendet
wird, die auf weniger als 120 μm
zerkleinert worden ist, und unter Verwendung der gleichen Röntgenbeugungsbedingungen.
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Schritt 3
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Die
Breiten der entsprechenden Vorher- und Nachherpeaks werden verglichen
und die Breiten der Peaks bei ihren halben Maximalintensitäten werden
gemessen unter Verwendung einer Kurvenfitsoftwareroutine. Gleichzeitig
werden die Peaks in ihre Kα1- und Kα2-Anteile zerlegt.
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Jeder
Peak ist tatsächlich
eine Kombination aus zwei Peaks aufgrund von Kα1- und
Kα2-Strahlungen. Beide
Peaks haben die gleiche Form und sind einander ähnlich in Bezug auf Intensität (wobei
Kα1 ca. zweimal die Intensität von Kα2 hat)
und in Bezug auf die relativen Peak-Maximumpositionen (wobei der
Unterschied der Positionen mit zunehmendem Bragg-Winkel in einer
vorbestimmten Weise zunimmt).
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Schritt 4
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Die
Verbreiterung für
jedes Paar von Peaks vor und nach der Behandlung wird berechnet.
Diese Berechnung kann auf verschiedene Arten durchgeführt werden.
Die Art, die in dieser Beschreibung verwendet wird, ist: β2 = B2 – b2 wobei β die Peakverbreiterung aufgrund
von plastischer Verformung und/oder Kristallitgröße ist, B die gemessene Peakbreite
nach der Behandlung und b die gemessene Peakbreite vor der Behandlung
ist. Für
große
Unterschiede hat das Verfahren der Berechnung von β einen geringen
Einfluss auf das Ergebnis.
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Schritt 5
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Der
Wert von β·cosθ wird für jeden
Peak berechnet und gegen den Wert sinθ aufgetragen.
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Schritt 6
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Die
Steigung der Linie der kleinsten Quadrate des besten Fits wird berechnet.
Diese Steigung weist auf die plastische Verformung hin.
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Der
entscheidende Teil des verwendeten Verfahrens ist die Gleichung β·cosθ = K·λ/L + η·sinθ. Einem Fachmann
bezüglich
Röntgenbeugung übermittelt
dies die theoretischen und analytischen Prinzipien, die in dem Verfahren
zum Bestimmen der plastischen Verformung η angewendet werden.
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Das
Schleifmittel wird eine Porosität
besitzen, die größer als
10 Vol.-Prozent ist und 25 Vol.-Prozent nicht übersteigt.
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Die
Schleifpartikel können
Diamant, kubisches Bornitrid (cBN), Wolframcarbid, Siliciumcarbid,
Quarz oder Korund sein. Die bevorzugten Schleifpartikel sind ultraharte
Schleifpartikel wie Diamant oder kubisches Bornitrid. Im Falle von
Diamant kann der Diamant synthetischer Diamant sein, der durch ein
Hochdruck-Hochtemperatur (HPHT)-Verfahren hergestellt wurde, synthetischer
Diamant, der durch ein chemisches Bedampfungsverfahren (CVD) hergestellt
wurde, Schockwellendiamant oder natürlicher Diamant sein.
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Gemäß einem
weiteren Aspekt der Erfindung wird ein Verfahren zur Herstellung
eines Schleifmittels wie oben beschrieben bereitgestellt, das die
Schritte enthält:
(a) Bereitstellen einer Masse an Schleifpartikeln, (b) Aussetzen
der Schleifpartikel zu Bedingungen von erhöhter Temperatur und Druck,
wobei der Druck zunächst über 1 GPa
erhöht
wird, die Temperatur dann erhöht
wird, um die Partikel in einen Temperatur- und Druckbereich zu bringen,
um eine plastische Verformung der Partikel zu erzeugen, und der
Druck danach erhöht
wird, um die Partikel in einen Bereich zu bringen, in dem die ultraharten
Schleifpartikel thermodynamisch stabil sind, um die Partikel in
der Abwesenheit einer zweiten Phase mit sich selbst zu verbinden.
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In
einer bevorzugten Form der Erfindung sind die Schleifpartikel ultraharte
Schleifpartikel wie Diamant oder cBN.
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Die
Bedingungen von erhöhtem
Temperatur und Druck, die angewandt werden, werden von der Art der
verwendeten Schleifpartikel abhängen.
Im Falle von ultraharten Schleifpartikeln sind diese Bedingungen von
erhöhter
Temperatur und Druck vorzugsweise so, dass das ultraharte Schleifpartikel
thermodynamisch stabil ist.
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Im
Falle von Diamant sind die Bedingungen von Temperatur und Druck üblicherweise
im Bereich von thermodynamischer Diamantenstabilität in dem
Graphit-Diamanten-Phasendiagramm. Bedingungen außerhalb des Bereichs der thermodynamischen
Diamantenstabilität
können
verwendet werden, unter der Voraussetzung, dass die Zeit, während der
diese Bedingungen angewandt werden, nicht ausreicht, um eine deutliche Umkehrung
von Diamant in Graphit stattfinden zu lassen. Typischerweise sind
die verwendeten Bedingungen Temperaturen im Bereich 750 bis 1400°C und Drücke im Bereich
3 bis 6 GPa.
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Im
Falle von kubischem Bornitrid werden die Bedingungen von Temperatur
und Druck üblicherweise im
Bereich von kubischer Bornitrid-Stabilität in dem Bor-Stickstoff-Phasendiagramm sein.
Bedingungen außerhalb
des Bereichs von kubischer Bornitrid-Stabilität können auch verwendet werden
unter der Voraussetzung, dass die Zeit, in der diese Bedingungen
angewandt werden, nicht ausreichend ist, um eine signifikante Umkehrung
des kubischen Bornitrids in hexagonales Bornitrid stattfinden zu
lassen. Typischerweise sind die verwendeten Bedingungen Temperaturen
im Bereich 750 bis 1400°C
und Drücke
im Bereich von 3 bis 6 GPa.
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Die
Partikel haben eine ungleichmäßige Form
und haben daher Schroffheiten, Spitzen und Kanten sowie flache Bereiche.
Es wird angenommen, dass das Selbstbinden der Partikel aufgrund
von hohem Kontaktdruck auftritt, der erzeugt wird, wenn eine Schroffheit,
Spitze oder Kante eines Partikels auf einen im Wesentlichen flachen
Bereich eines benachbarten Partikels drückt. Ein sehr hoher Kontaktdruck
liegt weit über
dem nominell aufgebrachten Druck des Drucksystems. So ein hoher
Kontaktdruck verursacht, wenn er bei einer erhöhten Temperatur aufgebracht
wird, plastische Verformung an den Kontaktpunkten zwischen Partikeln,
wobei die Bewegung der konstituierenden Atome des Kristalls gefördert werden
und das Selbstbinden vereinfacht wird. Im Allgemeinen wird das Ausmaß an Selbstbindung
durch die ausgewählten
Bedingungen von Temperatur und Druck und des Zeitraumes, in dem
die Bedingungen aufgebracht werden, festgelegt. Das Ausmaß an Selbstbindung
der Partikel bestimmt die Festigkeit oder Zerreibbarkeit des polykristallinen
gebundenen Produktes.
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Das
Schleifmittel, das durch das oben beschriebene Verfahren hergestellt
wird, ist relativ groß und
wird üblicherweise
eine größte Dimension
von mindestens 1 mm aufweisen. Das Mittel kann eine Vielzahl von
Formen, wie eine zylindrische, haben und kann als solches für Schleifanwendungen,
wie bei Werkzeugrohlingen oder unbearbeiteten Werkstücken für Drahtziehplättchen,
verwendet werden. Beispielsweise können Zylinder mit einem Durchmesser
von bis zu 75 mm und Dicken von bis zu 20 mm hergestellt werden.
Das so hergestellte Schleifmittel kann größenreduziert werden, z. B.
durch Schneiden in kleinere Stücke
mit Millimetergrößen. Die
Größenreduktion
kann auch durch Zerkleinerung oder Zermahlen in kleinere polykristalline
selbstgebundene Mittel oder Partikel erreicht werden, die üblicherweise
eine Partikelgröße von weniger
als 500 μm
und bevorzugter weniger als 100 μm
haben. Das verkleinerte Mittel kann zum Polieren oder Läppen, entweder
trocken oder als Schlamm verwendet werden.
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Kurze Beschreibung
der Zeichnungen
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1 ist
ein Druck/Temperatur-Diagramm, das ein Beispiel eines Temperatur-Druck-Profils zur Verwendung
in dem Verfahren der Erfindung zeigt und
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2 ist
eine Mikroaufnahme einer polierten Oberfläche eines polykristallinen
selbstgebundenen Schleifmittels der Erfindung.
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Beschreibung
der Ausführungsformen
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Das
Schleifmittel der Erfindung wird dadurch gekennzeichnet, dass es
eine polykristalline Masse von selbstgebundenen Schleifpartikeln
von unregelmäßiger Form
ist und dass das Mittel im Wesentlichen frei von einer zweiten Phase
ist und dass es eine wesentliche plastische Verformung der Schleifpartikel
enthält.
Ferner wurde gefunden, dass das Mittel, insbesondere wenn die Partikel
ultraharte Schleifpartikel sind, eine Zerreibbarkeit zwischen der
von Schockwellen-Diamantpartikeln wie solchen, die durch das Verfahren
des US-Patents Nr. 3,238,019 hergestellt wurden und ausgelaugten
polykristallinen Diamantpartikeln, die z. B. durch das in dem US-Patent
Nr. 4,776,861 beschriebene Verfahren hergestellt worden sind, aufweist.
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Beim
Ausführen
des Verfahrens der Erfindung mit ultraharten Schleifpartikeln ist
es bevorzugt, dass die Partikel unter einem definierten Maximum
liegen. Das heißt,
dass üblicherweise
mindestens 80 Prozent, und vorzugsweise mindestens 90 Prozent, nicht
die definierte maximale Partikelgröße überschreiten.
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Im
Falle von Diamantpartikeln ist die definierte maximale Partikelgröße typischerweise
60 μm, vorzugsweise
50 μm, mit
einer unteren Grenze der Partikelgröße von ca. 0,1 μm. Im Falle
von kubischen Bornitridpartikeln ist die definierte maximale Partikelgröße typischerweise
500 μm,
vorzugsweise 200 μm,
mit einer unteren Grenze der Partikelgröße von ca. 0,1 μm. Diese
untere Grenze wird durch die Einschränkungen von Zerkleinerungs-
und Sortierverfahren und nicht durch das Verfahren der Erfindung
auferlegt.
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Wenn
die Partikel ultraharte Schleifpartikel sind, entsprechen die Temperatur-Druck-Bedingungen, die angewandt
werden, vorzugsweise den in der angehängten 1 gezeigten.
In Bezug auf 1 werden die angewendeten Temperatur-
und Druckbedingungen oder Profile durch die Linie 10 gezeigt.
Es wird angemerkt, dass der Druck zuerst auf einen Wert über 1 GPa
erhöht
wird und die Temperatur danach auf einen Punkt A erhöht wird,
an dem die Partikel in einer Region C positioniert werden, die eine
Region von plastischer Verformung des Partikels ist. Die Region
C wird durch die Linie 12 begrenzt. Linie 12 in 1 gibt
ein Beispiel, aber definiert nicht die Grenze zwischen der Region
plastischer Verformung und der Region nicht-plastischer Verformung.
Es ist eine Übergangsregion
und keine scharfe Trennung. Ferner hängt die Verschiebung der Linie 12 zu
höheren
oder tieferen Temperaturen von der Art der Unreinheiten in den Schleifpartikeln
(z. B. Bor oder Stickstoff) und dem Gehalt an diesen Unreinheiten
ab. Danach wird der Druck wieder erhöht, z. B. bis zu einem Punkt
B, der über
der Linie 14 liegt, der thermodynamischen Gleichgewichtslinie
für die
besonderen verwendeten ultraharten Schleifpartikel. Drücke unter
der Gleichgewichtslinie 14 können verwendet werden unter
der Voraussetzung, dass die Zeit, in der diese Bedingungen beibehalten
werden, nicht ausreichend ist für
das Stattfinden einer signifikanten Umwandlung von ultrahartem Schleifmittel.
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Die
Partikel werden allgemein in einem Behälter angeordnet, der selbst
in der Reaktionszone eines bekannten Hochdruck/Hochtemperatur-Apparates
zur Anwendung der benötigten
Bedingungen von Temperatur und Druck angeordnet wird. Das gebundene
Produkt kann aus dem Behälter
in einer bekannten Weise gewonnen werden, z. B. durch mechanische
Entnahme oder chemischen Aufschluss des Behälters.
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Die
Eigenschaften des Schleifmittels der Erfindung können durch Infiltrieren der
Partikel mit einem gewünschten
Infiltrat wie einem Metall, einer Legierung, Plastik, Keramik oder
Glas oder Vorläufer
eines dieser Infiltrate abgewandelt werden.
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Wahlweise
kann das Schleifmittel der Erfindung mit einer geeigneten Beschichtung
wie Titan oder Kupfer beschichtet werden.
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Die
Erfindung wird durch folgende Beispiele erläutert.
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Beispiel 1
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Eine
Menge an Diamantpulver wurde durch Zerkleinern und der Größe nach
Sortieren von Hochdruck-Hochtemperatur (HPHT)-synthetischen Diamantkristallen
in einen Partikelgrößenbereich
von 3 bis 5 μm hergestellt.
Das Pulver wurde mit Säure
gewaschen, um Verschmutzung zu entfernen, mit entionisiertem Wasser
gespült
und getrocknet. Der Diamant war von einer unregelmäßigen Form.
Eine 50 g Menge des gereinigten Diamanten wurde in einem Titan-Metall-Kanister
angeordnet, und der Kanister wurde in einem Hochdruck-Hochtemperatur-Apparat
angeordnet. Der Kanister wurde auf Bedingungen von ca. 5 GPa und
ca. 1200°C
gebracht, wobei ein Temperatur-Druck-Profil ähnlich dem in 1 gezeigten
verwendet wurde, und diese Bedingungen wurden für 30 Minuten aufrechterhalten.
Nach dieser Behandlung wurde der Kanister aus dem Reaktionsvolumen
herausgeholt, und der behandelte Diamant durch mechanisches Entfernen
des versprödeten
Titans mit einem Skalpell befreit. Der Diamant hatte einen kohärenten Pressling
mit einer Porosität von
ca. 22% gebildet, geschätzt
aus der Masse und den Abmessungen des Presslings.
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Der
Pressling wurde zerkleinert unter Verwendung eines Stößels und
Mörsers
und die daraus resultierenden Partikel in einen Partikelgrößenbereich
von 88 μm
bis 44 μm
ausgesondert. Eine Anzahl von Partikeln wurde in Harz eingebettet
und poliert. Die polierten Abschnitte von polykristallinen selbstgebundenen
Diamantpartikeln wiesen im Wesentlichen, wie in 2 gezeigt,
besondere Gebiete auf, die Einschnürungen und Selbstbindungen
aufweisen, auf die durch die Pfeile hingewiesen wird.
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Eine
Probe der polykristallinen selbstgebundenen Partikel wurde weiter
zerkleinert, um durch ein 44 μm
Sieb zu passen und durch ein Röntgen-Diffraktometer
untersucht. Aus der Verbreiterung der (100), (220), (311) und (331)
Reflexionen wurde die plastische Verformung der Diamantkristalle
bei etwa 1,1% liegend gemessen.
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Beispiel 2
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Ein
polykristallines selbstgebundenes Diamantpartikelprodukt wurde gemäß dem Verfahren,
wie es in Beispiel 1 beschrieben wurde, hergestellt unter Verwendung
von Diamantkristallen von unregelmäßiger Form mit einem nominellen
Größenbereich
von 0,5 bis 1 μm
und unter Verwendung der gleichen Temperatur-Druck-Bedingungen.
Die selbstgebundene Masse bildete einen kohärenten Pressling mit einer
Porosität von
ca. 9%. Der Pressling wurde zerkleinert und in gleicher Weise wie
in Beispiel 1 untersucht. Nur Kohlenstoff wurde durch Röntgen-Rasterung
des polierten Bereichs gefunden. Die plastische Verformung wurde
als 0,9% bestimmt.
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Beispiele 3 bis 8
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In
diesen Beispielen wurden die Temperatur-Druck-Bedingungen und Untersuchungsverfahren,
wie in Beispiel 1 verwendet, angewandt auf Diamantkristalle verschiedener
Größenbereiche
und verschiedener Herkünfte.
Beispiel 7 verwendete ein gleiches Temperatur-Druck-Profil, außer dass
die Endtemperatur ca. 1400°C betrug.
Beispiel 8 verwendete ein gleiches Temperatur-Druck-Profil, außer dass
der Enddruck ca. 3,0 GPa betrug. Alle selbstgebundenen Diamantpartikelmassen
bildeten kohärente
Presslinge nach Schritt (b), und alle zeigten Selbstbindung der
Diamantkristalle, mit einer allgemeinen Erscheinung wie in
2.
- n.b.
- heißt nicht
bestimmt
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Beispiel 9
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Eine
Menge an kubischen Bornitridkristallen mit einer nominellen Größe von 3 μm wurde den
Temperatur-Druck-Bedingungen von Beispiel 1 ausgesetzt, mit der
Ausnahme, dass die Endtemperatur ca. 1100°C betrug, und wurde dann, wie
in Beispiel 1 beschrieben, untersucht. Die selbstgebundene Masse
nach Schritt (b) war kohärent.
Die plastische Verformung wurde als 1,15% bestimmt.
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Beispiel 10
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Die
quantitative Messung der Zerreibbarkeit von schwachen polykristallinen
Partikeln ist unzuverlässig.
Eine einfache vergleichende Bewertung der Zerreibbarkeiten einer
Auswahl von polykristallinen selbstgebundenen Partikeln, einer Probe
von Schockwellen-Partikeln und einer Probe von ausgelaugtem polykristallinem
Diamant, der gemäß der Lehre
aus dem US-Patent Nr. 4,776,861 hergestellt wurde, wurde ausgeführt. Eine
kleine Menge jeder Probe mit nominell dem gleichen Partikelgrößenbereich
wurde auf einer Stahlplatte angeordnet und gedrückt und zerkleinert mit einer
rotierenden Bewegung unter Verwendung eines Spatels. Die Proben
wurden dann abgestuft in Bezug auf die Einfachheit, mit der die
Partikel zerbrochen wurden. Die Abstufung in der Reihenfolge von
abnehmender Zerreibbarkeit war wie folgt:
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