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STAND DER
TECHNIK
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Diese
Erfindung betrifft einen polykristallinen Diamanten und insbesondere
einen halbleitenden polykristallinen Diamanten, der eine verbesserte Schneidbarkeit,
insbesondere eine Schneidbarkeit für eine elektroerosive Bearbeitung
oder ein elektroerosives Schleifen, aufweist.
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In
der Technik bekannte polykristalline Diamantmaterialien (PKD-Materialien)
sind typischerweise aus Diamantkörnern
oder -kristallen und einem formbaren Metallkatalysator/-bindemittel gebildet und
werden durch Hochtemperatur-Hochdruckverfahren ("HTHD"-Verfahren) synthetisiert.
Derartige PKD-Materialien sind ultraharte Materialien, die für ihre mechanische
Eigenschaft einer hohen Verschleißfestigkeit bekannt sind, weshalb
sie eine populäre
Materialwahl zur Verwendung in industriellen Anwendungen, wie beispielsweise
Schneidwerkzeuge zur Bearbeitung, Unterseeabbau und Unterseebohrungen
darstellen, wo die mechanische Eigenschaft von hoher Verschleißfestigkeit
höchst
erwünscht
ist. Bei derartigen Anwendungen können herkömmliche PKD-Materialien in
Form einer Oberflächenbeschichtung
bereitgestellt werden, zum Beispiel an Einsätzen, die für Schneid- und Bohrwerkzeuge verwendet werden,
um die Verschleißfestigkeit
des Einsatzes zu verbessern. Traditionell werden PKD-Einsätze, die
bei solchen Anwendungen verwendet werden, durch Bilden einer oder
mehrerer Schichten aus PKD-basiertem Material auf einem geeigneten
Substratmaterial hergestellt. Derartige Einsätze, die auch als Schneidelemente
bezeichnet werden, umfassen ein Substrat, eine PKD-Oberflächenschicht
und optional eine oder mehrere Übergangsschichten,
um die Bindung zwischen der ausgesetzten PKD-Oberflächenschicht und der darunter
liegenden Substratstützschicht
zu verbessern. Substrate, die bei solchen Einsatzanwendungen verwendet werden,
werden herkömmlicherweise
aus einem Karbidmaterial, wie beispielsweise Wolframkarbid, WC, das
mit Kobalt, Co, zementiert ist, gebildet, und herkömmlicherweise
als zementiertes Wolframkarbid, WC/Co-System bezeichnet.
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Die
Schicht oder die Schichten aus PKD können herkömmlicherweise ein Metallbindemittel
umfassen. Das Metallbindemittel wird dazu verwendet, die interkristalline
Bindung zwischen den Diamantkörnern
zu ermöglichen
und bindet die Schichten aneinander und an das darunter liegende
Substrat. Das Metallbindematerial ist im allgemeinen mit einem Gewichtsprozentanteil
von etwa 10% enthalten. Metalle, die herkömmlicherweise als Bindemittel
verwendet werden, werden oftmals aus der Gruppe ausgewählt, die
aus Folgendem besteht: Kobalt, Eisen oder Nickel und/oder Mischungen
oder Legierungen davon.
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Das
Bindematerial kann ebenfalls Metalle, wie beispielsweise Mangan,
Tantal, Chrom und/oder Mischungen oder Legierungen davon umfassen.
Das Metallbindemittel kann in Pulverform als Inhaltsstoff zur Bildung
des PKD-Materials bereitgestellt sein oder es kann während der
HTHD-Verarbeitung, die ebenfalls als Sinterprozess bezeichnet wird,
von dem Substratmaterial in das PKD-Material gezogen werden.
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Die
Menge an Bindematerial, die zur Bildung von PKD-Materialien verwendet
wird, stellt einen Kompromiss zwischen den gewünschten Materialeigenschaften
von Zähigkeit
und Härte
bzw. Verschleißfestigkeit
dar. Während
ein höherer
Metallbindemittelgehalt die Zähigkeit
des resultierenden PKD-Materials typischerweise erhöht, verringert
ein höherer
Metallgehalt ebenfalls die Härte,
die Verschleißfestigkeit
und die thermische Stabilität
des PKD-Materials. Somit begrenzen diese umgekehrt beeinflussten
gewünschten
Eigenschaften letztlich die Flexibilität, PKD-Beschichtungen bereitstellen
zu können,
die gewünschte
Niveaus sowohl von Verschleißfestigkeit
als auch Zähigkeit
aufweisen, um die Dienstanforderungen von bestimmten Anwendungen
zu erfüllen.
Wenn die PKD-Zusammensetzung
so gewählt
wird, dass die Verschleißfestigkeit des
PKD-Materials erhöht
wird, wird zusätzlich
typischerweise ebenfalls die Brüchigkeit
erhöht,
wodurch die Zähigkeit
des PKD-Materials verringert wird.
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In
vielen Fällen
muss der PKD, nachdem er geformt ist, zur Verwendung in einem Schneidwerkzeug
in gewünschte
Formen geschnitten werden. Das Schneiden wird typischerweise unter
Verwendung von elektroerosiven Bearbeitungsverfahren (EEB-Verfahren) oder elektroerosiven
Schleifverfahren (EES-Verfahren) erreicht, die in der Technik bekannt
sind. Jedoch ist es aufgrund der isolierenden Beschaffenheit des
Diamantskeletts in herkömmlichem
PKD von wesentlicher Bedeutung, über
ein metallisches Matrixmaterial zu verfügen, das bei dem Schneidvorgang
zur Verfügung
steht, um eine gewisse Leitfähsgkeit
des PKD sicherzustellen, die für
die zuvor erwähnten
Schneidvorgänge
von wesentlicher Bedeutung ist. Das Metallbindemittel in dem PKD
bildet eine metallische Matrix und stellt eine Leitfähigkeit
bereit, die EEB-Schneidverfahren oder EES-Schneidverfahren unterstützt. Jedoch
kann das Kühlfluid
oder dielektrische Fluid, das während
des EEB-Schneidverfahrens oder EES-Schneidverfahrens zum Kühlen verwendet
wird, die Metallmatrix aus dem PKD auswaschen und den Widerstand
der PKD-Schicht bedeutend erhöhen.
Verschiedene Kühllösungen bzw.
dielektrische Lösungen,
wie beispielsweise Adcool® und andere korrosionshemmende
Lösungen
und/oder deionisiertes Wasser können während des
EEB-Verfahrens oder EES-Verfahrens verwendet werden. Der elektrische
Lichtbogen, der bei EEB-Verfahren zwischen der Schneidfläche und dem
Draht und bei EES-Verfahren dem Schleifrad erzeugt wird, erzeugt
ebenfalls ein Auswaschen.
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Wenn
der Widerstand des PKD aufgrund des Auswaschens der Metallmatrix
in dem PKD erheblich erhöht
wird oder wenn Bereiche mit relativ geringem Metallmatrixanteil
angetroffen werden, können
sehr niedrige Schneidgeschwindigkeiten oder Schneidgeschwindigkeiten
von null die Folge sein und der Schneiddraht, der in dem EEB-Verfahren integriert ist,
kann brechen. In einigen Fällen
wird zusätzliches Metall
in dem PKD-Material bereitgestellt, um dieses Problem zu überwinden.
Das Hinzufügen
von zusätzlichem
Material hat eine geringere thermische Stabilität des PKD sowie eine verringerte
Materialhärte und
eine entsprechend verringerte Verschleißfestigkeit zur Folge.
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Ein
Artikel in „Manufacturing
Engineering 104(2), 91(1990) mit dem Titel „Advancing the Art of PCD
Tool Grinding" beschreibt
ein dreistufiges Verfahren zur Herstellung von PKD-Werkzeugen und einer
Maschine, das elektroerosive Bearbeitung und elektroerosives Schleifen
kombiniert.
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Somit
wird ein PKD-Material gewünscht,
das eine verbesserte Schneidfähigkeit
für EEB-Verfahren und EES-Verfahren
ohne Verringerung der Materialhärte,
der Verschleißfestigkeit
und der thermischen Stabilität
aufweist.
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ZUSAMMENFASSUNG
DER ERFINDUNG
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Die
vorliegende Erfindung betrifft ein ultrahartes Material aus polykristallinem
Diamant (PKD) und ein Verfahren zur Bildung desselben. Bei einer Ausführungsform
umfasst das ultraharte Material aus polykristallinem Diamant Halbleiterdiamantkristalle. Die
Halbleiterdiamantkristalle können
Diamantkristalle sein, die mit Lithium, Beryllium oder Aluminium
dotiert sind. Bei einer anderen beispielhaften Ausführungsform
wird das ultraharte Material aus polykristallinem Diamant aus herkömmlichen
Diamantkristallen gebildet, von denen mindestens einige halbleitende äußere Oberflächeschichten
umfassen. Gemäß beider
vorgenannten beispielhaften Ausführungsformen
ist das ultraharte Material aus polykristallinem Diamant ein Halbleitermaterial.
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Gemäß einem
Gesichtspunkt der vorliegenden Erfindung wird ein Verfahren zur
Bildung eines Schneidelements geschaffen, wobei das Verfahren Folgendes
umfasst:
Bereitstellen einer Schicht von Diamantpulver, das nicht
leitende Diamantkristalle und ein Additiv umfasst; und
Sintern
der Schicht, um die nichtleitenden Diamantkristalle und das Additiv
in eine polykristalline Diamantschicht umzuwandeln, wobei die polykristalline Diamantschicht
ein festes Halbleitermaterial ist.
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Gemäß einem
anderen Gesichtspunkt der vorliegenden Erfindung wird ein halbleitendes
polykristallines Diamantmaterial geschaffen, das durch Sintern gebildet
wird und Diamantkristalle umfasst, die mit einem Material dotiert
sind, das aus der Gruppe ausgewählt
wird, die aus Be, Li und Al besteht.
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Gemäß einem
beispielhaften Verfahren der vorliegenden Erfindung wird ein Schneidelement
gebildet, indem ein Substrat bereitgestellt wird und eine polykristalline
Diamantschicht auf dem Substrat gebildet wird. Die polykristalline
Diamantschicht wird auf dem Substrat gebildet, indem eine Schicht
aus Diamantpulver, die nicht leitfähiges Diamantsandausgangsmaterial
und ein Additiv umfasst, bereitgestellt wird und die Schicht aus
Diamantpulver in einen polykristallinen Diamanten umgewandelt wird,
der ein festes Halbleitermaterial ist. Das Additiv kann aus der
Gruppe ausgewählt
werden, die aus Folgendem besteht: Lithium, Beryllium, Bor und Aluminium.
Diamantsandausgangsmaterial, das aus herkömmlichen isolierenden Diamantkristallen
besteht, wie beispielsweise Diamantkristalle des Typs I, kann verwendet werden.
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Gemäß einem
anderen beispielhaften Verfahren der vorliegenden Erfindung wird
ein Schneidelement gebildet, indem eine Schicht aus Diamantsandausgangsmaterial
bereitgestellt wird, das Diamantkristalle umfasst, die mit mindestens
Beryllium, Lithium oder Aluminium dotiert sind, und das Diamantsandausgangsmaterial
daraufhin gesintert wird, um die Schicht aus Diamantsandausgangsmaterial
in eine halbleitende feste polykristalline Diamantschicht umzuwandeln.
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Gemäß beiden
beispielhaften Bildungsverfahren wird die ultraharte PKD-Schicht
als Halbleitermaterial gebildet, das eine erhöhte Leitfähigkeit verglichen mit PKD-Schichten,
die aus herkömmlichen isolierenden
Diamantkristallen gebildet werden, wie beispielsweise Diamantkristalle
des Typs I, aufweist. Selbst wenn alle Metallbindematerialien, die
der PKD-Schicht
enthalten sein können,
durch auswaschen entfernt werden, wird die Schneidfähigkeit, insbesondere
die Schneidfähigkeit
für EEB-Verfahren
und EES-Verfahren, des halbleitenden PKD-Materials der vorliegenden
Erfindung verbessert.
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KURZE BESCHREIBUNG DER
ZEICHNUNGEN
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Die
Erfindung ist aus der folgenden ausführlichen Beschreibung im Zusammenhang
mit den beigefügten
Zeichnungen am besten verständlich.
Es wird betont, dass die verschiedenen Merkmale der Zeichnungen
gemäß der herkömmlichen
Praxis nicht maßstabgerecht
sind. Im Gegenteil können
die Abmessungen der verschiedenen Merkmale der Klarheit halber willkürlich vergrößert oder
verkleinert sein. Gleiche Nummern bezeichnen in der gesamten Beschreibung
und den Zeichnungen gleiche Merkmale. Folgende Figuren sind enthalten:
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1 ist
eine perspektivische Ansicht eines Schneidelements gemäß einer
beispielhaften Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung;
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2 ist
eine perspektivische Ansicht eines Einsatzkörpers, der mit den Schneidelementen
einer beispielhaften Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung, die in 1 gezeigt
ist, ausgerüstet
ist;
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3 ist
eine grafische Darstellung, die die Wirkungen von Diamantkristallen
mit halbleitenden Oberflächenschichten
in PKD-Material gemäß einer beispielhaften
Ausführungsform
der Erfindung zeigt;
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4 ist
eine weitere grafische Darstellung, die die Wirkungen von Diamantkristallen
mit halbleitenden Oberflächenschichten
in PKD-Material gemäß einer
beispielhaften Ausführungsform
der Erfindung zeigt;
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5 ist
eine grafische Darstellung, die einen Vergleich zwischen herkömmlichem
PKD-Material und
den beispielhaften halbleitenden PKD-Materialien zeigt, die gemäß einer
beispielhaften Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung gebildet sind.
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AUSFÜHRLICHE
BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
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Es
wird Folgendes bereitgestellt: ein PKD-Material mit einer verbesserten
Schneidfähigkeit,
insbesondere mit einer verbesserten Schneidfähigkeit für EEB-Verfahren und EES-Verfahren,
ohne dessen Härte,
Verschleißfestigkeit
oder thermische Stabilität
zu umfassen, Schneidwerkzeuge und andere Werkzeuge, die ein derartiges
Material umfassen, sowie ein Verfahren zur Herstellung derartiger
Materialien und Werkzeuge. Ein PKD-Material einer beispielhaften
Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung weist einen wesentlichen Prozentanteil
an Diamantkristallen auf, die halbleitend beschaffen sind oder die
halbleitende äußere Oberflächenschichten umfassen.
Diese Diamantkristalle enthalten geringe Mengen an Verunreinigungen
in Zwischenräumen, wie
beispielsweise Lithium (Li), Beryllium (Be), Bor (B) und Aluminium
(Al), die ausreichen, um sie zu Halbleitern zu machen.
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Halbleitende
Diamanten werden in Wentorf, R. H. und Bovenkirk, H. P., "Preparation of Semiconducting
Diamonds", J. Chem.
Phys. 36, S. 1987 (1962); Field, J. E., "The Properties of Diamond", Academic Press,
1979; und Wentorf, R. H., "The
formation of Diamond at High Pressure", in Advances in High Pressure Research,
Academic Press, S. 249–281
(1974) erörtert.
Andererseits weist PKD, der mit herkömmlichen Diamantkristallen
gebildet ist, die elektrische Isolatoren sind, einen wesentlich
höheren Widerstand
auf als der PKD der vorliegenden Erfindung. Dies gilt sowohl für PKD-Materialien,
die Metallbindematerialien umfassen, als auch für PKD-Materialien die solche
Metallbindematerialien nicht umfassen.
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Ein
PKD einer beispielhaften Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung wird gebildet, indem halbleidendes Diamantsandausgangsmaterial
verwendet wird, das aus halbleitenden Diamantkristallen gebildet
ist, die mit Li, Be oder Al oder Kombinationen davon dotiert sind.
Bei einer anderen beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden
Erfindung kann PKD gebildet werden, indem eine Kombination aus halbleitendem
und herkömmlichem
nicht halbleitendem Diamantsandausgangsmaterial, wie beispielsweise
Diamantsandausgangsmaterial des Typs I, verwendet wird. Bei noch
einer weiteren beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden
Erfindung wird der PKD gebildet, indem herkömmliches undotiertes Diamantsandausgangsmaterial
(wie beispielsweise Diamantsandausgangsmaterial des Typs I) zusammen
mit einer geeigneten Menge von Additiven, wie beispielsweise B,
Li, Be und Al verwendet wird. Die Additive werden in dem Diamantgitter
diffundiert, um die Diamantkristalle zu veranlassen, sich in Diamantkristalle
zu verwandeln, die halbleitende Oberflächenschichten umfassen. Dieses
Diffusionsphänomen
findet während
des HTHD-Sinterverfahrens statt, das zur Verfestigung des PKD-Materials
verwendet wird. Das PKD-Material, das gemäß jedem der vorgenannten Verfahren
gebildet wird, ist halbleitend beschaffen. Im Folgenden werden sowohl
das PKD-Material, das unter Verwendung des halbleitenden Diamantsandausgangsmaterials
gebildet wird, als auch das PKD-Material, das unter Verwendung von
herkömmlichem
Diamantsandausgangsmaterial und einem Additiv gebildet wird, um
die Diamantkristalle so umzuwandeln, dass sie halbleitende Oberflächenschichten
aufweisen, kollektiv als halbleitender PKD bezeichnet.
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Der
halbleitende PKD der vorliegenden Erfindung ist ein fester struktureller
Körper,
der herkömmlicherweise
als ultrahartes Material oder ultraharte Schicht bezeichnet wird
und kann als Schneidschicht an Schneidwerkzeugen und Schneidelementen
oder als verschleißbeständige Schicht
für andere Anwendungen
verwendet werden. Der Einfachheit halber werden Schneidelemente
und Schneidwerkzeuge im Folgenden als "Schneidelemente" bezeichnet. Der halbleitende PKD kann
eine Schicht sein, die auf einem Substrat gebildet ist, um ein Schneidelement
zu erzeugen. Bei einer beispielhaften Ausführungsform kann das Schneidelement
in einen Bohreinsatz eingesetzt und für Erdbohrungen verwendet werden.
Der halbleitende PKD der vorliegenden Erfindung kann in anderen
beispielhaften Ausführungsformen
für verschiedene
andere Anwendungen und Industrien verwendet werden.
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Ein
beispielhaftes Schneidelement ist in 1 gezeigt. 1 zeigt
das Schneidelement 10, das aus einem Substrat 12 und
einer ultraharten Schicht 16 gebildet ist, die ebenfalls
als Schneidtafel bezeichnet wird und eine obere Fläche 18 umfasst. Die
ultraharte Schicht 16 ist bei der vorliegenden Erfindung
aus dem halbleitenden PKD gebildet. Eine Grenzfläche 14 ist zwischen
dem Substrat 12 und der ultraharten Schicht 16 gebildet.
Gemäß einer
anderen beispielhaften Ausführungsform
können
eine oder mehrere Übergangsschichten
(nicht gezeigt) zwischen der ultraharten Schicht 16 und
dem Substrat 12 gebildet sein. Das im allgemeinen zylinderförmige Schneidelement,
das in 1 veranschaulicht ist, dient lediglich als Beispiel
und gemäß verschiedener
anderer beispielhafter Ausführungsform
können die
Schneidelemente und die ultraharten Schichten verschiedene andere
Formen annehmen.
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Bei
einer beispielhaften Ausführungsform
ist das Schneidelement an einem Bohreinsatz angebracht, wie beispielsweise
dem Schleifbohreinsatz, der in 2 gezeigt
ist, und berührt
die Erdstruktur entlang der Kante 28 während des Bohrens. Bei der beispielhaften
Ausführungsform,
die in 2 gezeigt ist, sind die Schneidelemente 10 durch
Hartlöten oder
andere in der Technik bekannte Mittel an Taschen oder anderen aufnehmenden
Formen befestigt, die sich in den Schleifbohreinsatzkörper 24 erstrecken.
Die veranschaulichte Anordnung dient lediglich als Beispiel und
die Schneidelemente 10 können in verschiedenen anderen
Anordnungen in anderen beispielhaften Ausführungsformen verwendet werden.
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Das
Verfahren zur Bildung des halbleitenden PKD-Materials umfasst Folgendes:
die Bereitstellung eines Substrats und die Bereitstellung einer
Schicht aus Diamantpulver auf dem Substrat, die Verwendung von HTHD-Verarbeitung
zum Sintern, wodurch die Schicht aus Diamantpulver verfestigt wird
und dieselbe in eine ultraharte Schicht aus PKD umgewandelt wird,
sowie das Verbinden der PKD-Schicht mit dem Substrat, um ein Schneidelement
zu bilden. Das Substrat kann ein vorgeformtes festes Substrat sein
oder es kann in Pulverform bereitgestellt werden und ebenfalls während des
Sintervorgangs verfestigt werden. Das Substrat kann aus verschiedenen
Matrixmaterialien gebildet sein. Bei einer beispielhaften Ausführungsform
kann das Substrat aus zementiertem Wolframkarbid gebildet sein.
Zementiertes Wolframkarbid bezeichnet im allgemeinen Wolframkarbidpartikel,
die in einer Substratbindemetallmatrix, wie beispielsweise Eisen,
Nickel oder Kobalt verteilt sind. Andere Substratmaterialien können in
anderen beispielhaften Ausführungsformen
verwendet werden. Verschleißbeständige Materialien,
die zur Verwendung als Substrat geeignet sind, können aus Verbindungen von Karbid
und Metallen ausgewählt
werden, die aus den Gruppen IVB, VB, VIB und VIIB des Periodensystems
ausgewählt
werden. Beispiele für andere
derartige Karbide umfassen Tantalkarbid und Titankarbid. Substratbindematrixmaterialien,
die zur Verwendung in Ausführungsformen
der Erfindung geeignet sind, umfassen die Übergangsmetalle der Gruppen
VI, VII und VII des Periodensystems. Beispielsweise sind Eisen und
Nickel gute Substratbindematrixmaterialien.
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Die
Schicht aus Diamantpulver, die in einer beispielhaften Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung zur Bildung eines halbleitenden PKD-Materials
verwendet wird, umfasst eine Vielzahl feiner Diamantkristalle. Die
Schicht aus Diamantpulver kann direkt auf dem Substrat vorgesehen
sein oder es können
eine oder mehrere optionale Übergangsschichten
zwischen der Schicht aus Diamantpulver und dem Substrat vorgesehen
sein.
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Gemäß einer
beispielhaften Ausführungsform
umfasst die Schicht aus Diamantpulver mindestens einen gewissen
Anteil an halbleitendem Diamantsandausgangsmaterial, das aus Diamantkristallen
besteht, die mit Li, Be oder Al dotiert sind. Das halbleitende Diamantausgangsmaterial
kann mit herkömmlichem
undotiertem Diamantausgangsmaterial gemischt sein, um die Schicht
aus Diamantpulver zu bilden. Bei einer anderen beispielhaften Ausführungsform
können
die Diamantkristalle der Schicht aus Diamantpulver im Wesentlichen
nur aus halbleitendem Diamantsandausgangsmaterial bestehen.
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Gemäß einer
anderen beispielhaften Ausführungsform
kann die Schicht aus Diamantpulver aus herkömmlichen Diamantkristallen
bestehen, die Isolatoren sind, wie beispielsweise Diamantkristalle des
Typs I. Gemäß dieser
beispielhaften Ausführungsform
wird ein Additiv, wie beispielsweise Li, Be, B oder Al zu der Schicht
aus Diamantpulver hinzugegeben. Die Additive können in Pulverform oder in Granulatform
vorliegen und werden in der Schicht aus Diamantpulver vermischt.
Bei einer beispielhaften Ausführungsform
können
die Additive gleichförmig
in der Diamantpulverschicht vermischt werden. Die Additive werden
so gewählt,
dass sie klein genug sind, in das Diamantgitter zu diffundieren,
das gibildet wird, wenn sich die Schicht aus Diamantpulver verfestigt,
um die PKD-Schicht zu bilden. Aufgrund der kleinen Größe des Diamantgitters
im PKD kann das Gitter nur eine beschränkte Anzahl von Fremdatomsorten
(das heißt
Additiven) aufnehmen, um die herkömmlichen isolierenden Diamantkristalle
in halbleitende Diamantkristalle umzuwandeln. Li, Be, B und Al sind
Elemente, von denen bekannt ist, dass sie klein genug sind, in das
Diamantgitter zu diffundieren. Diese sollen lediglich als Beispiel
dienen und es können
andere Fremdatome oder Verbindungen bei anderen beispielhaften Ausführungsformen
verwendet werden. Li, Be, B und Al machen aus dem PKD einen Halbleiter
vom Typ P.
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Die
Menge an Additiv, die in der Schicht aus Diamantpulver enthalten
ist, liegt bei einer beispielhaften Ausführungsform im Bereich von 0,1
Gewichtsprozent bis 10,0 Gewichtsprozent, es können in anderen beispielhaften
Ausführungsformen
jedoch andere Gewichtsprozentanteile verwendet werden. Die Obergrenze
des Gewichtsprozentanteils von Additiv wird die durch die Menge
bestimmt, oberhalb derer das Sinterverfahren nachteilig beeinflusst
wird. Eine geeignete Menge an angemessen kleinen Elementen oder
Verbindungen von Additiven wird so ausgewählt, dass die Additive in dem
Diamantgitter diffundieren und die isolierenden Diamantkristalle dazu
veranlassen, sich in halbleitende Diamantkristalle umzuwandeln.
Es hat sich herausgestellt, dass eine sehr kleine Menge der Additive
die Diamantkristalle umwandeln und eine Verbesserung bezüglich erhöhter Leitfähigkeit
erreichen kann. Während
der Umwandlung des isolierenden Diamantmaterials in ein halbleitendes
Material werden einige oder alle Diamantkristalle in Diamantkristalle
umgewandelt, die aufgrund der Diffusion des Additivs eine halbleitende Oberfläche aufweisen.
Dieses Diffusionsphänomen findet
während
des HTHD-Sinterverfahrens statt, das zur Verfestigung des PKD verwendet
wird und während
dessen die Additivfremdatomsorten frei sind, in dem PKD zu diffundieren.
Es ist nicht notwendig, eine vollständige Umwandlung des gesamten
Diamantkristalls in einen halbleitenden Diamantkristall zu erreichen,
um eine bedeutende Verbesserung der Leitfähigkeit zu erzielen. Stattdessen
verbessert die Umwandlung der Oberflächenschicht der Diamantkristalle
in halbleitende Oberflächenschichten
die Leitfähigkeit
und somit die Schneidfähigkeit
des gebildeten PKD. Gemäß dieser
Ausführungsform
werden undotierte Diamantkristalle, wie beispielsweise Diamantkristalle
des Typs I, in Diamantkristalle umgewandelt, die halbleitende Oberflächenschichten
umfassen.
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Gemäß beiden
vorgenannten beispielhaften Bildungsverfahren wird ein ultrahartes
Material aus halbleitendem PKD erzeugt. Gemäß beiden beispielhaften Ausführungsformen
kann eine ausreichende Menge an Metallbindematerial in der Schicht
aus Diamantpulver enthalten sein, um ein Metallbindematerial in
dem PKD-Material mit einem Volumenprozentanteil von bis zu etwa
30% zu erzeugen, jedoch können
in anderen beispielhaften Ausführungsformen andere
Volumenprozentanteile von Bindematerial verwendet werden. Gemäß einer
anderen beispielhaften Ausführungsformen
kann das Metallbindematerial während
des HTHD- Sintervorgangs
von dem Substrat in die PKD-Schicht diffundieren. Bei einer beispielhaften
Ausführungsform
kann der Gewichtsprozentanteil für
Metallbindemittel von 8–12
Gewichtsprozent reichen und es ist üblich, dass ein Gewichtsprozentanteil
von nicht mehr als 15% verwendet wird. Metalle, wie beispielsweise
Kobalt, Eisen, Nickel, Mangan, Tantal, Chrom und/oder Mischungen oder
Legierungen davon können
als Metallbindematerial verwendet werden. Das Metallbindematerial
ermöglicht
die interkristalline Bindung zwischen den Diamantkörnern der
PKD-Schicht, verbindet die PKD-Schicht mit anderen Schichten oder
mit dem Substrat und erhöht
die Leitfähigkeit
der PKD-Schicht. Ein Gesichtspunkt der vorliegenden Erfindung ist
jedoch, dass es aufgrund der leitfähigen Beschaffenheit des Diamantskeletts
in dem halbleitenden PKD, das mit halbleitenden Diamantkristallen oder
mit Diamantkristallen, die eine halbleitende Oberflächenschicht
aufweisen, gebildet ist, nicht notwendig ist, dass eine Metallmatrix
vorhanden ist, um Schneidfähigkeit
sicherzustellen.
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Gemäß den verschiedenen
Ausführungsformen
der vorliegenden Erfindung weist das PKD-Material eine Leitfähigkeit auf, die ausreichend
hoch ist, um ein Schneiden unter Verwendung von EEB-Verfahren und
EES-Verfahren zu ermöglichen,
sogar dann, wenn der PKD ohne Metallbindemittel oder nachdem das
Metallmatrixmaterial im Wesentlichen vollständig durch Auswaschen entfernt
wurde, gebildet wurde. Bei einer beispielhaften Ausführungsform wurde
der PKD der vorliegenden Erfindung, der im Wesentlichen frei von
Metallbindemitteln ist, so gebildet, dass er einen Widerstand von
weniger als 1000 Ohm aufwies. Bei einer anderen Ausführungsform wies
die PKD-Schicht, die mit einem Metallbindemittel mit einem Gewichtsprozentanteil
von nicht mehr als 10% gebildet wurde, einen Widerstand von weniger
als 50 Ohm auf.
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Die
Widerstandswerte, die hier angegeben sind, sind herkömmliche
Widerstandsmessungen, die unter Verwendung von Sonden genommen wurden,
die auf der Oberfläche
der Probe etwa einen Zentimeter voneinander beabstandet waren.
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Nachdem
der feste halbleitende PKD gebildet ist, kann ein Schneidvorgang
unter Verwendung von elektroerosiver Bearbeitung oder elektroerosivem
Schleifen erforderlich sein, um den PKD in eine gewünschte Form
zu schneiden. Aufgrund der Halbleitereigenschaft des PKD können bei
diesen halbleitenden PKD-Materialien unter Verwendung von EEB-Verfahren
und EES-Verfahren verbesserte Schneidgeschwindigkeiten erzielt werden.
Dies gilt sogar dann, obwohl die Kühlfluide und die dielektrischen
Fluide, die während
des EEB-Verfahrens und EES-Verfahrens verwendet werden, sowie die
elektrischen Lichtbögen,
die durch die EEB-Verfahren und EES-Verfahren selbst erzeugt werden, während des
Schneidvorgangs jedwedes Metallbindematerial aus dem halbleitenden
PKD auswaschen. Sogar wenn das Metallbindemittel aufgrund von Auswaschen
verloren geht oder wenn überhaupt
keine Metallbindematerialien enthalten sind, hat der Anmelder entdeckt,
dass der PKD der vorliegenden Erfindung ausreichend leitfähig ist,
um eine Schneidfähigkeit bei
Schneidvorgängen
mit elektroerosiver Bearbeitung und elektroerosivem Schleifen sicherzustellen. Der
halbleitende PKD umfasst des Weiteren einen sehr hohen Abriebswiderstand,
während
er seine Schneidfähigkeit
nach wie vor aufrechterhält.
Da die Hinzugabe von Metallbindematerial verringert oder sogar eliminiert
werden kann, werden die Härte,
die Verschleißfestigkeit
und die thermische Stabilität
der gebildeten PKD-Schicht nicht beeinträchtigt und können verbessert
werden.
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Nachdem
der feste halbleitende PKD geschnitten worden ist, um ein Schneidelement
zu bilden, kann das Schneidelement durch Hartlöten oder ein anderes in der
Technik bekanntes Mittel mit einem Bohreinsatzkörper verbunden werden.
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3 bis 5 sind
grafische Darstellungen, die die Vorteile des beispielhaften halbleitenden PKD
zeigen, der gemäß Ausführungsformen
der vorliegenden Erfindung gebildet wurde. 3 bis 5 zeigen
kollektiv, dass der halbleitende PKD, der gemäß der vorliegenden Erfindung
gebildet wurde, einen wesentlich niedrigeren Widerstand, das heißt, eine
wesentlich höhere
Leitfähigkeit,
aufweist als standardmäßiges PKD-Material.
Die Figuren zeigen ebenfalls, dass der halbleitende PKD der vorliegenden
Erfindung nach einer Säureauswaschung
des Metallmatrixmaterials während
des Schneidvorgangs in Bezug auf Standard-PKD, der aus herkömmlichen isolierenden
Diamanten gebildet ist, ebenfalls einen bedeutend verringerten Widerstand
(das heißt
eine erhöhte
Leitfähigkeit)
zeigt. 3 bis 5 zeigen ebenfalls, dass die
Wirkung der Säureauswaschung während des
Schneidvorgangs bei halbleitendem PKD, der gemäß der vorliegenden Erfindung
gebildet ist, im Vergleich zu standardmäßigem PKD unterdrückt ist. "Standard-PKD" besteht aus herkömmlichen
isolierenden Diamanten, wie beispielsweise Diamanten des Typs I.
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3 ist
eine Weibull-Aufzeichnung, die üblicherweise
zur Veranschaulichung einer außergewöhnlichen
Verteilung von Datenproben verwendet wird, und zeigt die gemessenen
Widerstandswerte nach der HTHD-Verarbeitung einer halbleitenden PKD-Schicht
verglichen mit standardmäßigem PKD, wie
oben. Unter Verwendung von Sonden, die auf der Probenoberfläche etwa
einen Zentimeter voneinander beabstandet waren, wurden in allen
Fällen
herkömmliche
Widerstandsmessungen durchgeführt.
In 3 ist die Probe 1 ein PKD, der durch Hinzugabe von
2,0 Gewichtsprozent Bor zu einer Schicht aus Diamantpulver, die
(isolierendes) Diamantsandausgangsmaterial des herkömmlichen
Typs I umfasst, gebildet wurde und daraufhin gesintert wurde, um mindestens
einige der isolierenden Diamantkristalle so umzuwandeln, dass sie
eine halbleitende Oberflächenschicht
umfassen. 3 zeigt ebenfalls Probe 2, die
ein PKD ist, der durch Hinzugabe von 0,5 Gewichtsprozent Bor zu
einer Schicht aus herkömmlichem
Diamantpulver, das Diamantsandausgangsmaterial des herkömmlichen
Typs I umfasst, gebildet wurde und daraufhin gesintert wurde, um
mindestens einige der isolierenden Diamantkristalle so umzuwandeln,
dass sie eine halbleitende Oberflächenschicht umfassen. Sowohl
Probe 1 als auch Probe 2 sind PKD-Materialien, die ein Kobaltmatrixmaterial mit
einem Anteil von etwa 10 Gewichtsprozent umfassen. Die standardmäßige PKD-Probe
ist ein herkömmliches
PKD-Material, das Probe 1 und 2 im Wesentlichen entspricht, außer dass
das standardmäßige PKD-Material
lediglich mit herkömmlichen
isolierenden Diamanten gebildet ist. Wie in 3 veranschaulicht,
zeigen die beiden PKD-Proben der vorliegenden Erfindung einen verringerten
Widerstand.
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4 ist
eine weitere Weibull-Aufzeichnung von gemessenem elektrischem Widerstand
der PKD-Materialproben, die in 1 verwendet
werden, und zwar nach der Entfernung im Wesentlichen der gesamten
Kobaltmatrixphase dieser Proben durch Säureauswaschung. In den Beispielen,
die zur Bereitstellung der Daten verwendet werden, die in 4 gezeigt
sind, wurde die Säureauswaschung
für Datensammlungszwecke
durch Kochen in Fluorwasserstoffsäure und Salpetersäure absichtlich
verursacht, jedoch können
alternativ andere beispielhafte Verfahren verwendet werden. Eine ähnliche
Säureauswaschung
der Kobaltmatrixphase aus dem PKD tritt ebenfalls als Folge der
Kühlfluide
und dielektrischen Fluide auf, die bei herkömmlichen Schneidvorgängen unter
Verwendung von elektroerosiver Bearbeitung und elektroerosivem Schleifen
verwendet werden und jedwedes Metallbindematerial, das in dem PKD-Material
vorhanden ist, auswaschen können.
Als solches stellt 4 PKD-Material während EEB-
und EES-Schneidvorgängen
dar. 4 zeigt eine Widerstandsdifferenz von mehreren
Größenordnungen
zwischen Probe 1 und Probe 2 der vorliegenden Erfindung und dem
standardmäßigen PKD.
Der standardmäßige PKD
sowie die Proben 1 und 2 waren im Wesentlichen frei von Metallbindematerialien, als
die Messungen, die in 4 aufgezeichnet sind, vorgenommen
wurden.
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5 ist
ein Balkendiagramm, das die elektrischen Widerstandsmessungen zusammenfasst, die
in 3 und 4 gezeigt sind. 5 zeigt, dass
beide PKD-Proben 1 und 2 nach dem Sintern und vor dem Auswaschen
einen gemessenen Widerstand von etwa 10 Ohm aufweisen, während die standardmäßige PKD-Probe
einen gemessenen Widerstand von etwa 400 bis 500 Ohm aufweist. Insbesondere
wies Probe 1 nach der HTHD-Verarbeitung einen gemessenen Widerstand
von etwa 8 Ohm auf und Probe 2 wies einen gemessenen Widerstand
von etwa 20 Ohm auf, d.h. beide Proben wiesen einen Widerstand von
weniger als 50 Ohm auf. Nach der Bildung ist daraufhin ersichtlich,
dass beide halbleitenden PKD-Proben einen Widerstand von weniger als
10% und insbesondere von weniger als etwa 5% des entsprechenden
Widerstands einer im Wesentlichen gleichen PKD-Schicht, die nur
aus Diamanten des Typs I oder aus anderen herkömmlichen isolierenden Diamanten
gebildet ist, zeigen. Nach dem Auswaschen im Wesentlichen des gesamten
Metallbindematerials aus den Proben 1 und 2 der vorliegenden Erfindung
zeigen beide Proben 1 und 2 einen gemessenen Widerstand von etwa
1000 Ohm, während
der Standard-PKD einen Widerstand von etwa 2–3 × 108 Ohm
aufweist. Die Widerstandszunahme aufgrund von Säureauswaschung ist verglichen
mit Probe 1 und 2 bei dem Standard-PKD wesentlich bedeutender.
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Es
wird angenommen, dass das halbleitende PKD-Material der vorliegenden
Erfindung, das unter Verwendung von Diamantsandausgangsmaterial, das
aus Li-, Be- oder Al-dotierten Diamantkristallen besteht, und ohne
Hinzugabe von Metallbindematerialien gebildet ist, eine noch größere Verbesserung der
Widerstands- bzw. Leitfähigkeitseigenschaften zeigt,
als die PKD-Schichten, die so gebildet sind, dass sie anfänglich Metallbindematerialien
enthalten und aus denen die Metallbindematerialien nachfolgend durch
Auswaschen entfernt wurden (wie in 4 und 5 veranschaulicht),
verglichen mit PKD-Material, das nur aus herkömmlichen Diamanten besteht.
Der Anmelder geht davon aus, dass die Abwesenheit von Additivfremdatomsorten,
die zur Umwandlung des herkömmlichen
PKD in einen Halbleiter-PKD
verwendet wurden, eine hervorragende Diamantkristall-Diamantkristall-Bindung
bereitstellt.
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3 bis 5 und
Probe 1 und 2 dienen der Veranschaulichung der Vorteile der vorliegenden Erfindung.
Probe 1 und 2 dienen lediglich als Beispiel und der verringerte
Widerstandsvorteil der halbleitenden PKD-Materialien der vorliegenden
Erfindung ist entsprechend mit Proben, die unterschiedliche Metallbindematerialien
aufweisen, und Proben, die Bindematerialien in unterschiedlichen
Prozentanteilen aufweisen, erreichbar.
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Das
halbleitende PKD-Material der vorliegenden Erfindung (das heißt eine
PKD-Schicht mit mindestens einigen Al-dotierten, Be-dotierten oder Li-dotierten
Diamantkristallen oder mit mindestens einigen Diamantkristallen,
die halbleitende Oberflächen
aufweisen) weist ebenfalls eine wesentlich größere thermische Leitfähigkeit
als herkömmlicher
PKD auf. Die Anmelder gehen davon aus, dass die thermische Leitfähigkeit
des halbleitenden PKD-Materials der
vorliegenden Erfindung 15 mal größer sein kann, als die Leitfähigkeit
von herkömmlichem
PKD-Material bei 80° Kelvin
und vier bis fünfmnal
größer als
die Leitfähigkeit
von herkömmlichen
PKD-Material bei Zimmertemperatur. Wenn halbleitendes PKD-Material
als Schneidschicht in einem Schneidwerkzeug verwendet wird, kann
dies die Wärme,
die durch den Abrieb der PKD-Schneidschicht an dem Objekt, das geschnitten
wird, erzeugt wird, besser leiten und somit eine niedrigere Temperatur
an der Schneidschicht aufrechterhalten. Es ist bekannt, dass erhöhte Temperaturen
an der Schneidschicht und dem Werkzeug die Lebensdauer des Schneidwerkzeugs
verringern. Folglich wird die Verwendung des halbleitenden PKD der
vorliegenden Erfindung als eine Schneidschicht eine verlängerte Betriebsdauer
des Schneidelements bereitstellen. Der Bereich der vorliegenden
Erfindung soll nicht auf die beispielhaften Ausführungsformen beschränkt sein,
die hierin gezeigt und beschrieben sind. Stattdessen wird der Bereich
der vorliegenden Erfindung durch die angehängten Ansprüche abgegrenzt.