DE69833314T2

DE69833314T2 - Gelötete diamantwerkzeuge durch infiltration

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Publication number: DE69833314T2
Application number: DE69833314T
Authority: DE
Inventors: Chien-Min Tansui Sung
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1997-04-04
Filing date: 1998-03-26
Publication date: 2006-10-19
Anticipated expiration: 2018-03-27
Also published as: EP1015182B1; JP2000512220A; ATE316449T1; CN1261301A; WO1998045091A2; KR20010006016A; EP1015182A4; EP1645365A1; US6193770B1; DE69833314D1; ES2257803T3; KR100366465B1; US6039641A; EP1015182A2; TW414748B; JP3801215B2; AU6587698A; CN1120766C; WO1998045091A3

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG
1. Feld der Erfindung
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf Werkzeuge, die daran/darin ausgebildete Diamantpartikel aufweisen, wobei die Diamantpartikel chemisch an dem Matrix-Trägermaterial angebunden sind, das dazu verwendet wird, den Diamanten an Ort und Stelle zu halten. Insbesondere wird Diamant-Grobstaub chemisch in ein Matrixpulver durch ein Lötmittel, das den Diamanten benetzen kann, angebunden. Diese Werkzeuge werden durch Infiltration des geschmolzenen Lötmittels in einer V-Form der Matrix hergestellt, die Diamantpartikel enthält, wodurch die Befestigung der Diamanten an Ort und Stelle mittels chemischer Bindung erfolgt.
2. Stand der Technik
Schleifwerkzeuge wurden schon seit langem in verschiedenen Anwendungen inklusive beim Schneiden, Bohren, Sägen, Schleifen, Läppen und Polieren von Materialien verwendet. Da Diamanten das härteste Schleifmaterial sind, werden sie als superabrasive Stoffe auf Sägen, Bohrern und anderen Vorrichtungen, die die abrasiven Stoffe zum Schneiden, Ausformen oder Polieren anderer harter Materialien verwenden, weit verbreitet angewendet. Der Gesamtwert derartiger verbrauchter Werkzeuge wird auf 5 Milliarden US-Dollar pro Jahr geschätzt. Mehr als die Hälfte dieses Werts dieser Werkzeuge wird bei Säge-Anwendungen sowie beim Sägen von Steinen, Beton, Asphalt usw. verbraucht.
Mit Diamanten beschichtete Werkzeuge werden insbesondere bei Anwendungen unentbehrlich, bei denen andere Werkzeuge nicht die notwendige Härte und Standfestigkeit aufweisen, um einen praktischen Ersatz darstellen zu können. Beispielsweise sind in der Steinindustrie, in der Steine geschnitten, gebohrt und gesägt werden, Diamantwerkzeuge nahezu der einzige Typ von Werkzeug, der ausreichend hart und beständig ist, um das Schneiden und so weiter ökonomisch durchzuführen. Wenn Diamantwerkzeuge nicht verwendet würden, wären viele dieser Industriezweige ökonomisch nicht mehr haltbar. Beispielsweise sind in der Präzisions-Schleifindustrie Diamantwerkzeuge aufgrund deren erhöhter Abriebbeständigkeit unerlässlich bei der Erreichung der erforderlichen engen Toleranzen, während sie gleichzeitig ausreichend Abrieb widerstehen, um praktisch anwendbar zu sein.
Trotz der derzeitigen Verwendung von Diamantwerkzeugen leiden diese Werkzeuge unter einer Reihe signifikanter Beschränkungen, die unnötige Grenzen bei der sinnvollen Lebensdauer dieser Werkzeuge aufwerfen. Ein derartiger Nachteil ist der, dass Diamant-Grobstaub nicht mit ausreichend fester Anbringung an dem Matrix-Trägermaterial angebracht werden kann, um die sinnvolle Lebensdauer beim Schneiden, Bohren, Polieren usw. des Körpers zu maximieren. Tatsächlich ist in den meisten Fällen Diamant-Grobstaub nur mechanisch in dem Matrix-Trägermaterial eingebettet. Als Ergebnis hiervon wird Diamant-Grobstaub oft während der Verwendung frühzeitig abgeschlagen oder herausgezogen. Darüber hinaus kann der Grobstaub keine angemessene mechanische Stützung von dieser lose gebundenen Matrix unter Arbeitsbedingungen aufnehmen. Somit könnten die Diamantpartikel durch den Aufprall des Werkzeugs gegen das Werkstück, auf dem die abrasiven Partikel usw. angebracht sind, zerschlagen werden.
Es wird abgeschätzt, dass bei einem typischen Diamantwerkzeug weniger als ein Zehntel des Grobstaubs tatsächlich bei der gewünschten Anwendung, d.h. tatsächlich während des Schneidens, Bohrens, Polierens usw. verbraucht wird. Der Rest des Diamant-Grobstaubs wird entweder dadurch ungenutzt verbleiben, dass er übrig bleibt, wenn die sinnvolle Lebensdauer des Werkzeugs abgelaufen ist, oder durch Herausziehen oder Abbrechen während der Anwendung aufgrund der schlechten Aufbringung und der unzureichenden Abstützung. Ein Großteil dieser Diamantverluste könnte vermieden werden, wenn die Diamantpartikel richtig in der umgebenden Matrix positioniert wären und darin fest angebracht währen.
Darüber hinaus muss zur Sicherstellung, dass der Diamant-Grobstaub ausreichend mechanisch gehalten wird, um an Ort und Stelle zu verbleiben, dieser tief in der Matrix eingebettet sein, um zu verhindern, dass er herausfällt oder während der Verwendung aus dem Werkzeug freigeschlagen wird. Als Ergebnis hiervon ist das Hervorstehen der Diamantpartikel oberhalb der Werkzeugoberfläche unzureichend. Das geringere Vorstehen des Grobstaubs begrenzt die Schneidhöhe zum Brechen des zu schneidenden Materials. Diese Beschränkungen wiederum begrenzen des Schneidgeschwindigkeit des Schneidwerkzeugs. Wenn der Diamant-Grobstaub sicherer in der Matrix gehalten werden könnte, könnte er höher aus der Matrix hervorstehen. Eine größere Schneidtiefe würde ebenso eine erhöhte Schneidgeschwindigkeit und eine längere sinnvolle Lebensdauer des Produkts ermöglichen. Darüber hinaus könnte aufgrund der geringeren Reibung des Werkstücks und der Werkzeugmatrix, die zum Schneiden, Bohren usw. erforderliche Energie ebenfalls reduziert werden.
Um den Diamant-Grobstaub fest in der Matrix zu verankern, ist es hochgradig wünschenswert, dass die Matrix ein Karbid um die Oberfläche des Diamants ausbildet. Die so ausgebildete chemische Verbindung ist viel stärker als die traditionelle mechanische Aufbringung. Die Karbide können durch Reagieren des Diamanten mit einem geeigneten Karbidbildner sowie beispielsweise einem Übergangsmetall ausgebildet werden. Einige Beispiele dieser karbidbildenden Übergangsmetalle sind: Titan (Ti), Vanadium (V), Chrom (cr), Zirkon (Zr), Molybdän (Mo), sowie Wolfram (W).
Die Bildung der Karbide erfordert die Ablagerung von Karbidbildnern, um den Diamanten und, dass diese beiden in der Folge dazu gebracht werden, miteinander zu reagieren, um ein Karbid auszubilden. Darüber hinaus muss der nicht reagierende Karbidbildner ebenso durch Sintern oder andere Mittel kompaktiert werden. Sämtliche dieser Schritte erfordern eine Behandlung bei hohen Temperaturen. Jedoch kann Diamant geschwächt werden, wenn er einer Temperatur oberhalb 1000°C ausgesetzt wird. Die Verschlechterung erfolgt entweder aufgrund der Reaktion mit dem Matrixmaterial oder der Bildung von Mikrorissen, um die Metalleinschlüsse innerhalb des Kristalls. Diese Einschlüsse sind eingefangene Katalysatoren, die bei der Synthetisierung des Diamanten verwendet wurden.
Die meisten Karbidbildner sind refraktorische Metalle, so dass sie nicht unterhalb einer Temperatur von etwa 1200°C kompaktiert werden können. Somit sind refraktorische Karbidbildner nicht als Hauptbestandteil des Matrix-Trägermaterials geeignet.
Es gibt jedoch einige Karbidbildner, die eine niedrigere Sintertemperatur aufweisen können, sowie Mangan (Mn), Eisen (Fe), Silizium (Si) sowie Aluminium (Al). Diese Karbidbildner jedoch können andere unerwünschte Eigenschaften aufweisen, die es unmöglich machen, sie als Hauptbestandteil des Matrix-Trägermaterials zu verwenden. Beispielsweise werden sowohl Mangan als auch Eisen als Katalysatoren für die Synthetisierung des Diamanten bei hohem Druck (oberhalb 50 Kb) verwendet. Somit können sie den Diamanten während des Sinterns des Matrixpulvers bei einem niedrigeren Diamant zurück zum Graphit katalysieren. Diese Rückumwandlung ist der Hauptgrund für die Diamant-Verschlechterung bei hoher Temperatur.
Aluminium wiederum weist einen niedrigen Schmelzpunkt (660°C) auf, wodurch es leicht wird, mit diesem für die Befestigung der Diamantpartikel zu arbeiten. Jedoch kann der Schmelzpunkt des Aluminiums erreicht werden, wenn eine Diamant-Grobstaub aggressiv schneidet. Somit kann Aluminium zu weich werden, um den Diamant-Grobstaub während des Schneidbetriebs abzustützen. Darüber hinaus neigt Aluminium dazu, das Karbid Al₄C₃ an der Grenzfläche mit dem Diamanten auszubilden. Dieses Karbid wird leicht hydrolisiert, so dass es sich zersetzen kann, wenn es einem Kühlmittel ausgesetzt wird. Somit ist Aluminium typischerweise nicht als Karbidbildner geeignet, um Diamanten in einer Matrix abzubinden.
Um die hohe Temperatur des Sinterns zu vermeiden, werden Karbidbildner so wie Wolfram oft als Nebenbestandteile in der Matrix aufgelöst, die beispielsweise hauptsächlich aus Kobalt oder Bronze erzeugt wurde. Während des Sinterprozesses wird wenn überhaupt nur eine geringe Menge an flüssiger Phase ausgebildet. Die Diffusion der Karbidbildner durch ein festes Medium zum Diamanten hin ist sehr gering. Als Ergebnis hiervon ist die Bildung von Karbiden auf der Oberfläche des Diamanten vernachlässigbar. Daher ist durch Hinzufügen eines Karbidbildners als kleiner Bestandteil der Matrix die Verbesserung der Diamant-Anbringung bestenfalls marginal.
Um die Bildung eines Karbids der Oberfläche eines Diamanten zu gewährleisten, kann der Karbidbildner vor der Vermischung mit dem Matrixpulver auf dem Diamanten abgelagert werden. Auf diese Weise kann der Karbidbildner, obwohl er nur ein kleiner Bestandteil der Matrix sein mag, um den Diamanten konzentriert werden, um die gewünschte Bindung auszubilden.
Die Beschichtung des Diamanten kann chemisch oder physikalisch aufgebracht werden. Im ersten Fall wird das beschichtete Metall durch eine chemische Reaktion üblicherweise bei vergleichsweise hoher Temperatur ausgebildet. Beispielsweise kann durch Vermischen von Diamanten mit einem Karbidbildner sowie Titan oder Chrom und Erhitzen dieser Mischung unter Vakuumbedingungen oder in einer Schutzgas-Atmosphäre eine dünne Schicht des Karbidbildners auf dem Diamanten abgelagert werden. Die Dicke der Beschichtung kann durch Anheben der Temperatur erhöht werden. Die Ablagerungsrate kann ebenso durch Hinzufügen eines geeigneten Gases (beispielsweise HCl-Dampf), der den Transport des Metalls unterstützt, beschleunigt werden. Beispielsweise beschreiben Chen und Sung (US-Patent Nr. 5,024,680) solch einen Beschichtungsprozess.
Alternativ kann die Beschichtung in einem geschmolzenen Salz durchgeführt werden. Beispielsweise das US-Patent Nr. 2,746,888 beschreibt ein Verfahren zur Beschichtung einer dünnen Schicht aus Titan auf Diamant in einem geschmolzenen Salz aus Chloriden.
Ein üblicherweise verwendetes chemisches Verfahren zur Beschichtung von Diamanten ist die chemische Dampf-Ablagerung (CVD). In diesem Fall wird das abgelagerte Metall durch die Reaktion von Gasen bei hoher Temperatur erzeugt. Somit beschreibt das US-Patent Nr. 3,620,667 eine Technik, eine dünne Schicht aus Silizium (Si) auf der Oberfläche eines Diamanten abzulagern. Die Temperatur dieser Ablagerung ist hoch genug, so dass Silikonkarbid ohne Verzögerung an der Grenzfläche ausgebildet wird.
Um eine mögliche Verschlechterung des Diamanten durch Aussetzen gegenüber hohen Temperaturen zu verhindern, wird die Beschichtung bei der niedrigstmöglichen Temperatur hergestellt. Jedoch wird die Beschichtung oft zu dünn, wenn sie bei einer niedrigen Temperatur abgelagert wird. Beispielsweise ist die Beschichtung, die durch ein typisches chemisches Verfahren erzeugt wird, etwa einen Mikrometer dick. Es gibt einige kommerziell erhältliche Diamant-Grobstäube, die solche dünne Beschichtungen enthalten. Beispielsweise bietet die General Electric Company ein Sägeblatt an, das mit einer dünnen Beschichtung entweder aus Titan oder Chrom beschichtet sein kann.
Jedoch kann dann, wenn die dünne Beschichtung einer hohen Temperatur ausgesetzt ist, so wie dies während des Sinterprozesses eintreten kann, diese leicht in der Atmosphäre oxidiert werden oder in das Matriximetall aufgelöst werden. Somit ist die Eignung dünner Beschichtungen, den Herstellungsprozess zu überdauern, obwohl solchen kommerziell erhältlichen Produkten eine signifikante Verbesserung zugesprochen wird, beispielsweise eine um ein Drittel verlängerte Werkzeug-Lebensdauer, fraglich.
Um die dünne Metallbeschichtung zu schützen, können eine Vielzahl von Schichten der Beschichtung aufgebracht werden. Hierzu beschreiben die US-Patente mit den Nummern 5,232,469 und 5,250,086 eine zweite Schicht, die aus Nickel oder einem anderen Nicht-Karbidbildner erzeugt wurden. Die zweite Schicht kann durch einen stromlosen Prozess aufgebracht werden, der bei einer niedrigeren Temperatur durchgeführt wird. Für mehrere Schichten beschreiben Chen und Sung (US-Patente Nrn. 5,024,580 oder 5,062,865) einen Diamant-Grobstaub mit drei Schichten der Beschichtung. In diesem Fall wird die innerste Schicht aus Chrom erzeugt und wird mittels einer zweiten Materialschicht sowie Titan überdeckt. Die doppelten Schichten werden des weiteren in einer dritten Überschichtung mit einem Material so wie Wolfram umwickelt. Jedoch kann ein solch kompliziertes Beschichtungssystem zu kostspielig sein, um ökonomisch bei der Produktion vieler Schneid-, Bohr- oder Polier-Werkzeuge anwendbar zu sein.
Alternativ hierzu kann durch ein CVD-Verfahren eine chemische Beschichtung vergleichsweise dick abgelagert werden. Beispielsweise beschreiben Sung et al. (US-Patente mit den Nummern 4,943,488 oder 5,116,568) ein Fluidatbettsystem, das Diamant mit Wolfram in einer Dicke von einigen Dutzend Mikrometern beschichten kann. Eine solche Beschichtung ist jedoch auch teuer und ihre Anwendung wurde nicht häufig gebraucht.
Im Gegensatz zu chemischen Verfahren kann ein physikalisches Verfahren billig sein. Darüber hinaus kann es eine dicke Metallbeschichtung auf dem Diamanten bei sehr niedriger Temperatur ablagern. Beispielsweise hat der Autor "Metal Coating of Saw Diamond Grit by Fluidized Bed" (siehe Seite 267–273 von Frabrication and Characterization of Advanced Materials, herausgegeben von S.W. Kim und S.J. Park der The Materials Research Society of Korea, 1995) ausgewertet. Das Beschichtungssystem basiert auf dem Verfahren, wie es im US-Patent Nr. 4,770,907 (ein ähnliches Konzept ist im US-Patent 5,143,523 oder im europäischen Patent Nr. 0 533 433 A1 offenbart) beschrieben wurde. Jedoch produziert ein solches Verfahren wie viele andere ähnliche Prozesse oft Beschichtungen mit unterschiedlicher Dicke. Darüber hinaus können nur sehr feine (<5 Mikrometer) Metallpulver effektiv auf der Oberfläche des Diamanten aufgetragen werden. Somit sind, obwohl physikalische Verfahren dazu verwendet werden können, einen Diamant-Grobstaub mit einer Legierung zu beschichten, die einen Karbidbildner enthält, deren Vorteile begrenzt.
Wenn Diamant mechanisch mittels eines Metallpulvers beschichtet wird, wie es in den oben angegebenen Beispielen beschrieben wurde, wird das Metallpulver mittels eine organischen Bindemittels (beispielsweise PVA oder PEG) lose gehalten. Solch eine Beschichtung kann leicht während nachfolgender Behandlungen, beispielsweise durch Mischen oder Pressen, abgerieben werden. Obwohl eine Wärmebehandlung die mechanische Festigkeit des Beschichtung erhöhen kann, mag sie nicht eine Verfestigung der Beschichtung zur vollständigen Dichte bewirken können. Eine poröse Beschichtung weist jedoch nicht die mechanische Festigkeit auf, die dazu notwendig ist, einen Diamant-Grobstaub, der wiederholt während Schneidoperationen Aufprallkräften unterliegt, abzustützen.
Karbidbildner können ebenso in einer Legierung gelöst vorliegen. Wenn die Legierung unterhalb 1100 °C schmelzen kann, kann sie dazu verwendet werden, den Diamanten zu löten, ohne eine große Verschlechterung des letzteren zu bewirken. Eine Vielzahl von Diamant-Lötmitteln ist im Stand der Technik bekannt. Die meisten basieren auf Gruppe Ib-Lösungsmitteln (Kuppfer, Silber und Gold), die einen oder mehrere Karbidbildner, beispielsweise Gold-Tantal (Au-Ta) oder Silber-Kupfer-Titan (Ag-Cu-Ti) enthalten. Diese Lötmittel sind typischerweise jedoch für kommerzielle Anwendungen zu teuer. Darüber hinaus sind sie oft weich und als Bestandteile von Matrix-Trägermaterialien für Diamantwerkzeuge ungeeignet.
Es gibt einige Hochtemperatur-Füllstoffmetalle, die dazu verwendet werden können, Diamanten zu löten. Solche Lötmittel können hart genug sein, um einen Diamant-Grobstaub während des Schneidens an Ort und Stelle zu halten. Beispielsweise beschreiben die US-Patente mit den Nummern 3,894,673 und 4,018,576 Diamantwerkzeuge, die durch Löten einer hohen Oberflächenlegierung erzeugt wurden, sie Nickel-Chrom (Ni-Cr) als Hauptbestandteil enthalten. Jedoch sind diese gelöteten Diamantwerkzeuge obwohl sinnvoll, üblicherweise auf Oberflächen-Werkzeuge beschränkt, die nur eine Schicht Diamanten enthalten. Derartige Werkzeuge können nicht überdauern, wenn sie dazu verwendet werden, hoch abrasive Materialien, beispielsweise Granit, zu schneiden. Darüber hinaus muss in diesen Werkzeugen das Lötmittel zusätzlich zum Halten der Diamanten ebenso als harte Oberfläche dienen. Ein Kompromiss zwischen diesen zwei Funktionen mag nicht immer möglich sein, da ein optimaler Abrieb-Widerstand der Werkzeugoberfläche für spezielle Anwendungsfälle eingestellt werden mag.
Alternativ hierzu kann eine Diamant-Bindelegierung dazu verwendet werden, eine hohe Konzentration (d.h. größer als 40 Volumen-%) von Diamantpartikeln zu infiltrieren. Diesbezüglich beschreiben Chen und Sung (US-Patente mit den Nummern 5,030,276 oder 5,096,465) ein derartiges Produkt sowie ein Verfahren zur Herstellung desselben. Jedoch ist die Infiltration aufgrund der hohen Konzentration der Diamanten sehr schwierig. Darüber hinaus weisen solche Produkte eine begrenzte Anwendbarkeit, so wie als Bohrspitze auf. Sie sind jedoch nicht für die meisten Anwendungsfälle anwendbar, die eine niedrigere Konzentration (d.h. weniger als 40 Volumen%) an Diamanten erfordern, sowie Sägeblätter oder Schleifscheiben.
Die Hartflächenlegierungen können ebenso als Matrix-Trägermaterial verwendet werden. Beispielsweise beschreibt das US-Patent mit der Nr. 4,378,975 ein Verfahren, Diamanten mit einer sehr dünnen Schicht aus Chrom zu beschichten und den beschichteten Grobstaub anschließend mit einer Nickel-Chrom-Legierung einzuplanieren. Die einplanierten Partikel werden dann durch Sintern der Legierung verdichtet. Jedoch kann es möglich sein, dass die Bindung der Matrix und der Diamanten nicht ausreicht, da der Verdichtungsprozess hauptsächlich in der festen Phase abläuft.
Zusätzlich zum Sintern ist die Infiltration ebenfalls eine gemeinhin übliche Technik zur Erzeugung von Diamantwerkzeugen, insbesondere für Bohrspitzen und andere spezielle Diamantwerkzeuge, die einen groben Diamant-Grobstaub (d.h. größer als US-Mesh 30/40) aufweisen. Beispielsweise beschreibt das US-Patent Nr. 4,669,522 ein Verfahren zur Infiltrierung einer Dreh-Bohrspitze mit einer Kupferlegierung bei einer Temperatur niedriger als 850°C (vorzugsweise 750°C). Die am meisten üblichen verwendeten Infiltrationsmittel für diese Werkzeuge sind auf Kupfer basierende Legierungen. Diese Infiltrationsmittel müssen in die kleinen Poren im Matrixpulver fließen und diese penetrieren. Um eine Diamant-Verschlechterung bei hoher Temperatur zu vermeiden, muss der Schmelzpunkt des Infiltrationsmittels niedrig sein. Somit enthält das Infiltrationsmittel häufig einen Bestandteil mit niedrigem Schmelzpunkt, so wie Zink (Zn). Zusätzlich zur Absenkung des Schmelzpunkts des Infiltrationsmittels reduziert der Bestandteil mit niedrigem Schmelzpunkt ebenso diese Viskosität, so dass das Infiltrationsmittel leicht fließen kann. Jedoch sind Karbidbildner, da die meisten Karbidbildner dazu neigen, den Schmelzpunkt von Infiltrationsmitteln anzuheben, diese für die meisten Infiltrationsmittel ausgeschlossen. Als Ergebnis hiervon können diese Infiltrationsmittel die Bindung des Diamanten nicht verbessern.
Einige Infiltrationsmittel enthalten Karbidbildner, so dass sie die Bindung des Diamanten erleichtern können. Das US-Patent mit der Nr. 5,000,273 beschreibt ein Schleifwerkzeug, das durch Infiltrieren eines Matrixpulvers mit einer Legierung produziert wird, die als Hauptbestandteile Kupfer, Mangan und Zink enthält. Jedoch wird Zink, wie oben bereits beschrieben, zur Erhöhung der Fließfähigkeit des Infiltrationsmittels hinzugefügt und kann nicht für die Herstellung bestimmter Produkte geeignet sein, die unter unterschiedlichen Umgebungen produziert werden. Beispielsweise wird dann, wenn die Infiltration unter Vakuum durchgeführt wird, das Zink verdampft. Als Ergebnis hiervon könnte die verbleibende Legierung zu viskos werden, um das Matrixpulver vollständig zu infiltrieren.
Somit besteht ein Erfordernis für ein verbessertes Verfahren des Infiltrierens von Matrixpulver, um Diamanten daran anzubinden. Solch ein Verfahren sollte in der Lage sein, bei ausreichend niedriger Temperatur durchgeführt zu werden, um eine potentielle Beschädigung des Diamanten zu verhindern. Zusätzlich hierzu sollte ein Verfahren gestaltet werden, die Bindung des Diamanten am Matrix-Trägermaterial zu verbessern.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Es ist ein Ziel der vorliegenden Erfindung, ein verbessertes Verfahren zum Ausbilden von Werkzeugen zur Verfügung zu stellen, die darin/daran angeordnete Diamantpartikel aufweisen.
Es ist ein anderes Ziel der vorliegenden Erfindung, ein solches Verfahren zur Verfügung zu stellen, bei dem die Diamantpartikel in einem Matrix-Trägermaterial angeordnet sind, und anschließend das Matrix-Trägermaterial mit einem Lötmittel infiltriert wird, um die Diamantpartikel an dem Matrix-Trägermaterialien anzubinden.
Es ist ein noch anderes Ziel der vorliegenden Erfindung, ein solches Verfahren zur Verfügung zu stellen, bei dem das Löten bei ausreichend niedrigen Temperatur eintritt, um eine thermische Schädigung der Diamantpartikel zu verhindern.
Es ist ein noch anderes Ziel der vorliegenden Erfindung, ein solches Verfahren zur Verfügung zu stellen, bei dem das Matrix-Trägermaterial speziell dafür ausgewählt wurde, eine Vielzahl von Poren zur Verfügung zu stellen, durch die das Lötmittel fließen kann, und hierdurch eine chemische Bindung der Diamanten und des Matrix-Trägermaterials zu erleichtern.
Es ist ein noch anderes Ziel der vorliegenden Erfindung, ein derartiges Verfahren zur Verfügung zu stellen, bei dem die Diamantpartikel in dem Matrix-Trägermaterial in einem vorbestimmten Muster angeordnet sind, um somit die sinnvolle Lebensdauer des Werkzeugs, an dem die Diamanten und das Matrix-Trägermaterial angebracht sind, zu verlängern.
Die oben genannten und andere Ziele der Erfindung werden durch die Merkmale der Ansprüche 1 bzw. 21 erzielt.
In Übereinstimmung mit einem Aspekt der vorliegenden Erfindung kann das Matrix-Trägermaterial aus einem üblichen Metallpulver erzeugt werden. Beispiele derartiger Metallpulver sind Kobalt, Nickel, Eisen, Bronze und deren Legierungen oder Mischungen (beispielsweise Wolfram oder dessen Karbide). Nach der Bildung des Matrix-Trägermaterials wird dieses anschließend von einem Diamant-Lötmittel infiltriert, so wie beispielsweise Nicrobraz L.M. (hergestellt von der Wall Colmonoy Company) entweder unter Vakuumbedingungen von typischerweise etwa 10^-5 Torr, oder in Inert-Atmosphäre (beispielsweise Argon (Ar) oder Stickstoff (N₂)), oder aber unter reduzierender Atmosphäre (beispielsweise Wasserstoff (H₂)). Somit erleichtert das Lötmittel die Bindung zwischen den Diamantpartikeln und dem Matrix-Trägermaterial.
In Übereinstimmung mit einem anderen Aspekt der vorliegenden Erfindung wird das Matrix-Trägermaterial durch grobkörniges Metallpulver ausgebildet (d.h. größer als 400 US-Mesh oder 34 Mikrometer). Während konventionelle Verfahren eine so hoch wie mögliche eingestellte Dichte des Grünkörpers erfordern, um eine schnelle anschließende Sinterung zu ermöglichen, wurde in Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung herausgefunden, dass bevorzugt wird, ein Zwischenprodukt zu verwenden, das eine niedrigere Packungsdichte aufweist, um ein leichtes Fließen des Diamant-Lötmittels zu erlauben. In einigen Fällen kann die Porosität des Zwischenmaterial-Körpers beabsichtigt durch Verwendung ungleichmäßig geformten Matrixpartikel erhöht werden. Diese Präferenz ist wiederum gegensätzlich zu konventionellen Erfahrungen, die Partikel fordern, die so kugelförmig wie möglich sein sollen, so dass die Packungsdichte erhöht werden kann.
In Übereinstimmung mit noch einem anderen Aspekt der vorliegenden Erfindung kann das vorbestimmte Muster im Wesentlichen planar sein, d.h. dass die Diamant-Platzierung durch Verwendung einer Schablone geregelt werden kann, oder im Wesentlichen vertikal mit in dem Matrix-Trägermaterial ausgebildeten Kanälen zur Aufnahme der Diamantpartikel, die anschließend mit Diamant-Lötmittel infiltriert werden.
In Übereinstimmung mit noch einem anderen Aspekt der vorliegenden Erfindung kann das Matrix-Trägermaterial geringere Mengen an Bestanteilen enthalten, um bestimmte Eigenschaften zu erhöhen. Beispielsweise können harte Materialien so wie Wolfram, Wolframkarbid und Siliziumkarbid hinzugefügt werden, um die Abriebbeständigkeit zu erhöhen. Weiche Materialien so wie Molybdänsulfid, Kupfer und Silber können ebenso als feste Schmierstoffe hinzugefügt werden.
Das abstützende Material kann mittels eines konventionellen Verfahrens hergestellt werden. Beispielsweise kann das Pulver vollständig mit Diamant-Grobstaub vermischt werden. Ein organisches Bindemittel (beispielsweise PVA oder PVB) kann zugefügt werden, um die Mischung zusammenzuhalten. Die Mischung wird anschließend kalt verpresst, um die gewünschte Form (beispielsweise ein Sägeblatt) auszubilden. Das Zwischenmaterial ist dann bereit dafür, mittels eines geeigneten Diamant-Lötmittels infiltriert zu werden.
Wie oben bereits diskutiert, kann ein feines Matrixpulver, das für konventionelle Werkzeuge verwendet wird, die Infiltration des Diamant-Lötmittels behindern. Darüber hinaus würde es exzessiv mit dem Lötmittel reagieren, so dass die Schmelztemperatur des Lötmittels angehoben würde. Als Ergebnis hiervon könnte die Infiltration nicht vollständig sein.
beispielsweise könnte die Pulvermischung des abstützenden Materials kaltgewalzt werden, um ein Blech auszubilden. Das Blech kann dann in eine gewünschte Form ausgestanzt werden (beispielsweise ein Sägesegment) (siehe 1). Verschiedene derartige gestanzte Segmente könnten zusammengefasst werden, um das Zwischenmaterial für die Infiltration auszubilden (siehe die 2, 3, 4). Wie in der anhängigen Patentanmeldung beschrieben, kann durch Zusammenfassen im Wesentlichen zweidimensionaler Segmente zur Ausbildung eines dreidimensionalen Körpers die Verteilung des Diamant-Grobstaubs in einem Werkzeug positiv geregelt werden. Somit kann die Diamantkonzentration in unterschiedlichen Teilen des gleichen Werkzeugs eingestellt werden (siehe die 1A bis 4). Solch eine Regelung der Diamant-Verteilung ist hochgradig wünschenswert, um die Abrieb-Charakteristika des Werkzeugs zu verbessern. Beispielsweise werden die Seiten eines Diamant-Sägeblatts oft schneller als das Zentrum abgerieben, so dass es vorteilhaft ist, mehr Diamant-Grobstaub an den Seiten hinzuzufügen (siehe 1B).
Derzeit erhältliche Anwendungen erfordern, dass das Matrix-Trägermaterial zwei Funktionen erfüllt: die mechanische Abstützung des Werkzeugs zur Verfügung zu stellen und den Diamant-Grobstaub in der Matrix zu halten. Diese zwei Funktionen erfordert oft einander entgegenstehende Eigenschaften. Beispielsweise muss das Matrix-Trägermaterial als mechanische Abstützung stark und abriebfest sein (beispielsweise Kobalt oder mit Wolframkarbid vermischte Bronze). Jedoch ist ein Material mit guter mechanischer Abstützung oft uneffektiv beim Anhaften der inerten Diamanten. Auf der anderen Seite könnte eine Lötlegierung (beispielsweise Silber-Kupfer-Titan-Legierungen) Diamanten festhalten, sind jedoch zu weich, um eine mechanische Abstützung für den Werkzeugkörper bereitzustellen. Somit ist es wünschenswert, diese zwei Funktionen des Matrix-Trägermaterials unter Verwendung eines Kompositmaterials voneinander zu trennen. In diesem Fall wird der Rahmen des Kompositmaterials für eine mechanische Abstützung optimiert, wohingegen das Füllstoffmaterial so gestaltet wird, dass es die Diamanten hält.
Das Kompositmaterial kann unter Verwendung beschichteter Diamanten, wie dies oben beschrieben wurde, erzeugt werden. In diesem Fall kann ein Diamant-Lötmittel dazu verwendet werden, zuerst den Diamant-Grobstaub zu beschichten, und der beschichtete Grobstaub wird im Anschluss mit dem Matrixpulver vermischt. Jedoch führt die Beschichtung zu zusätzlichen Kosten. Darüber hinaus liegen die meisten Diamant-Lötmittel nicht in Pulverform vor. Selbst wenn dies der Fall wäre, wäre es sehr schwierig, diese Lötmittel gleichmäßig auf dem Diamant-Grobstaub abzulagern. Als Ergebnis hiervon wird beschichteter Diamant-Grobstaub heutzutage selten bei der Herstellung von Diamantwerkzeugen verwendet.
Die vorliegende Erfindung erzeugt das Komposit-Matrix-Trägermaterial durch Infiltrieren eines Diamant-Lötmittels in ein Trägermaterial, das Diamant-Grobstaub enthält. Das Lötmittel beinhaltet Karbidbildner, die aus Chrom, Mangan, Silizium und Aluminium ausgewählt wurden, während flüchtige Metalle sowie Zink, Blei und Zinn vermieden werden.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Die oben genannten und anderen Ziele, Merkmale und Vorteile der Erfindung werden unter Betrachtung der nachfolgenden detaillierten Beschreibung ersichtlich, die im Zusammenhang mit den beiliegenden Zeichnungen vorgestellt wird, in denen:
1A zeigt ein Segment eines superabrasiven Werkzeugs, das aus einer Vielzahl von linearen Längsschichten ausgebildet ist, die nahe einander angeordnet sind, um ein dreidimensionales superabrasives Element auszubilden;
1B zeigt eine Querschnittsansicht eines typischen Aufbaus des in 1A gezeigten Werkzeugsegments, wobei eine Schicht durch ein Matrix-Trägermaterial ausgebildet ist und eine vergleichsweise große superabrasive Schicht zwischen zwei Schichten eines Matrix-Trägermaterials, das kleineren Grobstaub und eine höhere Konzentration der abrasiven Stoffe aufweist, in Sandwichweise eingelegt ist;
2A zeigt ein Segment eines superabrasiven Werkzeugs, welches durch eine Vielzahl gekrümmter Längsschichten ausgebildet ist, die aneinander angebracht sind, um ein dreidimensionales superabrasives Element auszubilden;
2B zeigt eine Querschnittsansicht einer Vielzahl von Schichten des Matrix-Trägermaterials, wie es in dem in 2A gezeigten Segment verwendet werden kann;
3 zeigt ein anderes mögliches Layout eines Segments eines Schneidwerkzeugs mit Transversalschichten, die mit einer dichteren Konzentration von angeordneten abrasiven Materialien an einem vorderen, Schneidende des dreidimensionalen superabrasiven Elements konfiguriert sind;
4 zeigt noch ein anderes Layout eines Segments, wobei ein dreidimensionales superabrasives Element mit schrittweise dichterer Verteilung abrasiver Stoffe auf die obere Oberfläche eines Werkzeugs mit horizontalen Schichten ausgebildet ist;
5A bis 5D zeigen ein mögliches Verfahren zur Ausbildung von Schichten mit geregelter Verteilung der superabrasiven Stoffe innerhalb der Schicht;
6A bis 6C zeigen ein alternatives Verfahren zur Ausbildung einer oder mehrerer Schichten mit geregelter Verteilung des superabrasiven Stoffe;
7A zeigt eine Seitenansicht eines Matrix-Trägermaterials, das in Übereinstimmung mit einem Aspekt der vorliegenden Erfindung ausgebildet ist, wobei eine Vielzahl von Schlitzen in dem Matrix-Trägermaterial ausgebildet ist;
7B zeigt eine Seitenansicht des Matrix-Trägermaterials aus 7A, wobei eine Vielzahl von Diamantpartikeln in den Schlitzen angeordnet ist und eingelötet ist, um an dem Matrix-Trägermaterial angebunden zu sein, und hierdurch eine Vielzahl von abrasiven Rippen in dem Matrix-Trägermaterial auszubilden; und
8 zeigt eine perspektivische Ansicht des Matrix-Trägermaterials, das ähnlich dem in den 7A und 7B gezeigten ist, jedoch mit einer Vielzahl von abrasiven Nadelstrukturen.
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
Unter Bezugnahme auf die Zeichnungen, in denen verschiedenen Elementen der vorliegenden Erfindung einer Vielzahl von Bezugsziffern gegeben wurde, wird die Erfindung so diskutiert werden, dass der Fachmann in die Lage versetzt wird, die Erfindung herzustellen und anzuwenden. Es ist dabei anzumerken, dass die nachfolgende Beschreibung nur exemplarisch die Prinzipien der vorliegenden Erfindung wiedergibt und nicht als die anhängenden Ansprüche beschränkend angesehen werden sollte.
In Bezugnahme auf 1A wird eine perspektivische Ansicht eines Segments gezeigt, das generell mit dem Bezugszeichen 10 versehen ist, welches aus einer Vielzahl von Schichten 14, 16 und 18 ausgebildet ist. Jede der Schichten 14, 16 und 18 ist durch ein Matrix-Trägermaterial 24 ausgebildet, das mit Diamantpartikeln imprägniert ist, welche durch die Kreise 20 angezeigt sind, und das mit einem Lötmittel 28 infiltriert ist, das dazu ausgewählt wurde, die Diamantpartikel und das Matrix-Trägermaterial miteinander zu verbinden. Vorzugsweise stellen die Diamantpartikel weniger als 50 Vol-% der Matrix-Trägermaterial-Diamant-Mischung dar und ganz besonders bevorzugt weniger als 40 Vol-%. Ein Halten der Menge an Diamantpartikeln am Minimum trägt zur Minimierung der Kosten bei, während es die sinnvolle Lebensdauer des Produkts optimiert.
Vorzugsweise enthält das Diamant-Lötmittel zumindest 3 Gew-% eines Elements, das aus der Gruppe ausgewählt wurde, die aus Chrom, Mangan, Silizium und Aluminium sowie Legierungen und Mischungen hievon besteht. Zusätzlich sollte das Diamant-Lötmittel eine Liquidus-Temperatur von weniger als 1100°C aufweisen, um eine Schädigung des Diamanten während des Lötprozesses zu unterbinden.
Ein Ausbilden des Segments 10 in einer Vielzahl von dünnen Schichten stellt eine deutlich verbesserte Steuerung über die Verteilung der Diamantpartikel 20 zur Verfügung. Durch Steuern der Verteilung der Diamantpartikel 20 innerhalb jeder Schicht und anschließendes Kombinieren der Schichten kann ein dreidimensionales Segment ausgebildet werden, bei dem die Verteilung der Diamantpartikel in jeder Dimension gesteuert ist. Dies wiederum ermöglicht die Bildung von Segmenten, die insbesondere auf jede mögliche Verwendung des Segments angepasst ist, sei es zum Polieren, Schneiden, Schleifen und so weiter. Durch eine maßgeschneiderte Verteilung und Konzentration der superabrasiven Partikel innerhalb des Segments 10 wird eine präzisere Regelung des Verhaltens des Werkzeugs und der tatsächlichen Arbeitsbedingungen gegeben.
Die vorliegende Erfindung verbessert weiterhin die oben genannte Technik durch Infiltrieren des Matrix-Trägermaterials 24 mit einem Lötmittel 28, das dazu ausgewählt ist, die Diamantpartikel und das Matrix-Trägermaterial miteinander chemisch zu verbinden. Somit wird, während das Platzieren der Diamantpartikel, wie es in 1A gezeigt ist, eine deutliche Verbesserung über den Stand der Technik darstellen, wird eine zusätzliche Verlängerung der sinnvollen Lebensdauer des Segments 10 eher durch Verwendung eines Lötmittels zur Bildung einer chemischen Verbindung als nur ein Verlassen auf mechanische Retention der Diamantpartikel erzielt.
In der gleichen Weise kann eine selektive Platzierung unterschiedlicher Größen von Diamantpartikeln dazu verwendet werden, ein Schneidsegment auszubilden, das einem vorschnellen Abrieb an den Seiten des Segments widersteht, wodurch die sinnvolle Lebensdauer des Schneidsegments verlängert wird. Unter Bezugnahme speziell auf 1B wird eine Querschnittsansicht des Schneidsegments 10 aus 1A gezeigt. Im Gegensatz zu den Schneidsegmenten des Stand der Technik wird das Schneidsegment 10 aus drei Schichten 14, 16 bzw. 18 ausgebildet. Die Mittelschicht 16 weist eine Vielzahl superabrasiver Partikel 20a auf, die eine erste Größe (beispielsweise 40/50 Mesh) sowie eine erste Konzentration aufweisen. Im Gegensatz hierzu weisen die äußeren Schichten 14 und 18 eine Vielzahl von superabrasiven Partikeln 20b auf, die eine zweite Größe (beispielsweise 50/60 Mesh) aufweisen, die kleiner als die erste Größe ist, sowie eine zweite Konzentration, die größer als die in der Mittelschicht 16 vorliegende ist. Die kleineren, dichter verteilten superabrasiven Partikel 20b geben den äußeren Schichten 14 und 18 einen größeren Widerstand gegenüber Abrieb, wenn sie durch Beton, Stein, Asphalt usw. schneiden. Da die äußeren Schichten 14 und 18 größeren Widerstand gegenüber Abrieb aufweisen, widersteht das Schneidsegment 10 einer Bildung einer konvexen äußeren Oberfläche, die traditionell bei Schneidelementen auftritt. Durch Beibehalten einer planareren Schneidoberfläche ist das Schneidsegment in der Lage, einen geraden Schneidweg beizubehalten, so dass es effizienter und mit einer längeren sinnvollen Lebensdauer schneiden kann.
Darüber hinaus wird eine zusätzliche Verlängerung der sinnvollen Lebensdauer durch Infiltrieren des Matrix-Trägermaterials 24 mit einem Lötmittel 28 erreicht, das aus Chrom, Mangan, Silizium und/oder Aluminium oder einer Legierung oder Mischung hiervon ausgebildet wird. Während eine breite Vielfalt von Mengen dieser Materialien verwendet werden kann, wurde herausgefunden, dass bevorzugt ist, wenn Chrom, Mangan, Silizium oder Aluminium oder eine Legierung in dem Diamant-Lötmittel zumindest 3 Gew-% des Lötmittels (und besonders bevorzugt 5%) enthält. Das Lötmittel 28 befüllt die Poren in dem Matrix-Trägermaterial 24, das typischerweise Pulver ist, das aus der Gruppe ausgewählt ist, die Eisen, Kobalt, Nickel oder Legierungen oder Mischungen hiervon beinhaltet.
Ein anderer Vorteil der Verwendung von vielen Schichten der Matrix mit Diamanten oder anderen superabrasiven Partikeln, die darin angeordnet sind, ist der, dass die Schichten leicht in jede gewünschte Segmentform zum Schneiden, Bohren, Schleifen usw. ausgebildet werden können. Beispielsweise zeigt 2A eine perspektivische Ansicht eines Segments, das generell mit dem Bezugszeichen 30 versehen ist, eines superabrasiven Werkzeugs, das aus einer Vielzahl von bogenförmigen Längsschichten ausgebildet ist, die aneinander angebracht sind, um ein dreidimensionales superabrasives Element auszubilden, das mit dem Lötmittel 28 infiltriert wurde, um hierdurch die Diamanten innerhalb des Elements zu halten. Das Segment 30 ist aus einer ersten, zweiten und dritten Schicht 34, 36 und 38 ausgebildet, die jeweils bogenförmig sind. Wenn die drei Schichten miteinander verbunden werden, wird ein bogenförmiges Segment 30 erzeugt. Solch ein Segment kann selbstverständlich auf Schneidwerkzeugen verwendet werden, die nicht linear sind, beispielsweise ein Kreissägeblatt, und auf anderen Arten von Werkzeugen, für die ein nicht-lineares superabrasives Segment gewünscht ist. Da die Schichten 34, 36 und 38 ursprünglich unabhängig voneinander ausgebildet wurden, sind sie viel leichter auf die gewünschte Form umzuformen und sind in der Lage, sich umzuformen, während die eingelöteten Diamantpartikel 20, die darin angeordnet sind, in deren vorab bestimmten Positionen gehalten werden.
Unter Bezugnahme auf 2B wird eine Querschnittsansicht einer Vielzahl von Schichten 34, 36 und 38 des Segments 30 gezeigt. Selbstverständlich kann der Aufbau der Diamantpartikel mit dem in 1A oder dem in 2A gezeigten Segment verwendet werden. Im Gegensatz zur Ausführungsform aus 1B sind die Schichten jeweils mit der gleichen größeren Konzentration von Diamantpartikeln 20 versehen. Jedoch besteht, da der Abstand im Wesentlichen gleichmäßig ausgebildet ist, kein Unterabstand oder Überabstand zwischen den superabrasiven Partikeln und das Segment 30 wird gleichmäßiger als die Segmente gemäß dem Stand der Technik mit zufällig beabstandeten Partikeln abgerieben. Dieser gleichmäßigere Abrieb verhindert einen frühzeitigen Ausfall des Segments 30 und verlängert somit die Lebensdauer des Werkzeugs, während die Menge an superabrasiven Mitteln auf einem Minimum gehalten wird. Darüber hinaus verfestigt das Lötmittel 28, das die Diamantpartikel und Matrix 24 miteinander verbindet, jede Schicht und verhindert den Verlust von Diamantpartikeln 20.
3 zeigt eine andere mögliche Ausführungsform eines Segments 50, das in Übereinstimmung mit mit der Lehre der vorliegenden Erfindung erzeugt wurde. Die Schichtstruktur in einem Diamantsegment kann ebenso transversal oder horizontal zusammengesetzt sein und das Lötmittel 28 kann bei jeder Schicht angebracht sein oder bei ausgewählten Schichten, wie dies in 3 gezeigt ist. Somit ist das Segment 50 aus 3 aus einer Vielzahl von transversalen Schichten ausgebildet. Eine erste Vielzahl von Schichten (d.h. die ersten vier Schichten) sind mit 46 gekennzeichnet und mit einer ersten Konzentration von Diamantpartikeln 20 versehen, die gelötet sind, um mit dem Matrix-Trägermaterial 24 verbunden zu werden. Eine zweite Vielzahl von Schichten (d.h. die verbleibenden neun Schichten) werden mit dem Bezugszeichen 58 angezeigt und sind mit einer zweiten Konzentration versehen, die geringer als die erste Konzentration ist, und ebenso verlötet, um an das Matrix-Trägermaterial 24 angebunden zu sein.
Viele Schneidwerkzeuge sind so aufgebaut, dass das Schneidsegment 50 mit einer Führungskante versehen ist, die einen Grossteil des Schneidens durchführt und die die größte Aufprallkraft aufnimmt, wenn sie die zu schneidende Oberfläche berührt. So wird beispielsweise ein Kreissägeblatt üblicherweise eine Vielzahl von Zähnen oder Segmenten aufweisen, wobei jeder Zahn eine Führungskante aufweist, die die des Schneidens aufnimmt. Da die Führungskante einen signifikanten Abschnitt des Schneidens vorformt, ist sie deutlich anfälliger für Abrieb als rückwärtige Abschnitte der Zähne. Wenn die Zähne in Übereinstimmung mit dem Stand der Technik ausgebildet sind, war jedoch die Konzentration von daran angeordneten abrasiven Stoffen vergleichsweise konsistent. Über die Zeit unterlag die Führungskante jedoch signifikantem Abrieb, wobei andere Abschnitte, die mit den Diamantpartikeln beschichtet waren, nur einem minimalen Abrieb unterlagen. Schließlich waren die abrasiven Stoffe an der Führungskante abgerieben, während signifikante Mengen an anderen Abschnitten jedes Zahns verblieben. Somit wurde eine bemerkenswerte Menge an superabrasiven Stoffen nicht genutzt, wenn die Klinge ausrangiert wurde. Die Ausführungsform aus 3 ist besonders so aufgebaut, um solchen Bedenken zu begegnen. Die Schichten 56 und 58 sind so aufgebaut, dass sie einen im Wesentlichen gleichen Abrieb über das Schneidsegment 50 durch Platzieren eines größeren Prozentsatzes der Diamantpartikel 20 nahe der Führungskante als an den rückwärtigen Abschnitten zur Verfügung stellt. Zusätzlich verlängert das Löten der Diamantpartikel 20 in den Schichten 56 und 58 die Lebensdauer des Werkzeugs weiter.
4 zeigt ein noch anderes Layout eines Segments, bei dem ein dreidimensionales superabrasives Element mit fortschreitend dichterer Verteilung von abrasiven Stoffen auf die obere Oberfläche eines Werkzeugs mit horizontalen Schichten hin ausgebildet ist. Wie in der Ausführungsform aus 3, bildet die geregelte Verteilung der Diamantpartikel 20 ein verbessertes abrasives Segment 70, während zur gleichen Zeit die Kosten des abrasiven Werkzeugs durch Absenken eines unnötigen Verbrauchs von Diamantpartikeln abgesenkt werden. Zusätzlich kann das Löten in einigen Schichten angewendet werden, während es in anderen Schichten unterlassen wird, wodurch das abrasive Segment 70 an Kundenwünsche angepasst werden kann.
Durch routinemäßig ausgeführte Experimente zur Gestaltung der Lehre des Verfahrens der vorliegenden Erfindung wird der Fachmann in die Lage versetzt, Schneid-, Bohr-, Abrieb-, Polier- und andere Typen von abrasiven Segmenten an Kundenwünsche anzupassen, die speziell dazu ausgebildet sind, deren abrasive Eigenschaft (Schneiden, Bohren, Schleifen und so weiter) über eine verlängerte sinnvolle Lebensdauer zu maximieren, während gleichzeitig die Menge an superabrasiven Stoffen, die zur Ausbildung des Werkzeugs verwendet wird, abgesenkt wird.
Unter Bezugnahme auf die 5A bis 5D wird ein Verfahren zur Ausbildung der Schichten in Übereinstimmung mit den Prinzipien der vorliegenden Erfindung gezeigt. Der erste Schritt des Verfahrens ist der, ein Blech 100 eines Matrix-Trägermaterials 104 auszubilden, das an die superabrasiven Partikel 20 gebunden werden wird. Das Blech 100 des Matrix-Trägermaterials 104 kann aus konventionellen Pulvern so wie Kobalt, Nickel, Eisen, Kupfer oder Bronze ausgebildet werden. Zusätzlich ist es aus Gründen, die im Folgenden detailliert diskutiert werden, hochgradig vorteilhaft, grobe Pulver sowie Pulver mit einem Durchmesser von mehr als 34 Mikrometern zu verwenden. Während die Verwendung von grobem Pulver der Lehre gemäß dem Stand der Technik, nach der es wünschenswert ist, die feinsten erhältlichen Pulver zu verwenden, widerspricht, können beträchtliche Vorteile durch die Kombination grober Pulver mit Lötmitteln zur Sicherung der Diamantpartikel an Ort und Stelle erreicht werden.
Dabei gibt es eine Vielzahl von Arten, ein Matrixpulver in Bleche 100 auszubilden. Beispielsweise kann das Pulver zuerst mit einem geeigneten Bindemittel (typischerweise organisch) und einem Lösungsmittel, das Bindemittel auflösen kann, vermischt werden. Diese Mischung wird dann vermengt, um einen Schlicker mit geeigneter Viskosität auszubilden. Um die Agglomeration des Pulvers während der Bearbeitung zu verhindern, kann ebenso ein geeignetes Benetzungsagentium (beispielsweise Menhaden-Öl, Phosphatester) hinzugefügt werden. Der Schlicker kann dann auf ein Plastikband gegossen werden und unterhalb einer Klinge oder einer Nivellierungsvorrichtung hinweggezogen werden. Durch Einstellen des Spalts zwischen der Klinge und dem Band kann der Schlicker in eine Platte mit der richtigen Dicke gegossen werden. Die Bandgießmethode ist ein gut bekanntes Verfahren zur Erzeugung dünner Bleche aus pulverigen Materialien und es ist gut auf das Verfahren gemäß der vorliegenden Erfindung anwendbar.
Alternativ hierzu kann das Pulver mit einem geeigneten Bindemittel und dessen Lösungsmittel vermischt werden, um einen umformbaren Kuchen auszubilden. Der Kuchen kann anschließend durch eine Matrize mit einer Schlitzöffnung extrudiert werden. Der Spalt in der Öffnung bestimmt die Dicke der extrudierten Platte. Alternativ hierzu kann Material ebenso zwischen zwei Walzen mit einstellbaren Spalt gezogen werden, um Bögen mit der richtigen Dicke auszubilden.
Es ist wünschenswert, Bögen zu erzeugen, die nachfolgenden Behandlungen zugänglich sind (beispielsweise das Biegen über das Werkzeug-Substrat. Daher kann ebenso ein geeigneter organischer Plastifizierer hinzugefügt werden, um die gewünschten Eigenschaften zur Verfügung zu stellen.
Die Verwendung organischer Mittel für die Pulverbearbeitung (Metall, Kunststoffe oder Keramiken) wird in vielen Büchern dokumentiert und ist dem Fachmann gut bekannt. Typische Bindemittel beinhalten Polyvinylalkohol (PVA), Polyvinylbutyral (PVB), Polyethylenglykol (PEG), Paraffin, Phenolharz, Wachsemulsionen und Acrylharze. Typische Bindemittel-Lösemittel beinhalten Methanol, Ethanol, Aceton, Trichlorethylen, Toluen, und so weiter. Typische Plastifizierer sind Polyethylenglykol, Diethyloxalat, Triethylenglycol Dihydroabietat, Glycerin und Octylphthalat. Die organischen Mittel, die so eingeführt wurden, dienen zur Erleichterung der Herstellung der Metallschichten. Sie müssen vor der Verdichtung der Metallpulver entfernt werden. Der Bindemittel-Entfernungsprozess (beispielsweise durch Erhitzen in einem Ofen mit geregelter Atmosphäre) ist dem Fachmann ebenso gut bekannt.
Wenn der Bogen 100 des Matrix-Trägermaterials 104 einmal ausgebildet ist, wird eine Schablone 110 oben auf den Bogen aufgelegt. Die Schablone 110 enthält Öffnungen 114, die größer sind als ein abrasiver Partikel 20, jedoch kleiner als zwei abrasive Partikel, wodurch ermöglicht wird, einen einzelnen Partikel des abrasiven Stoffs an jedem speziellen Ort anzuordnen.
Die Dicke der Schablone liegt vorzugsweise zwischen 1/3 und 2/3 der Höhe der durchschnittlichen abrasiven Partikel 20. Jedoch können andere Dicken verwendet werden, wenn geeignete Vorkehrungen zum Absetzen der abrasiven Partikel an den gewünschten Orten getroffen wurden.
Nachdem die Schablone 110 geeignet positioniert wurde, wird dann eine Schicht abrasiver Partikel 20 über der Schablone verteilt, so dass jede Öffnung 114 einen abrasiven Partikel aufnimmt. Diejenigen Partikel, die nicht in die Öffnungen 114 in der Schablone 110 hineinfallen, werden durch Kippen des Substrats, Abfegen der Schablone mittels eines Besens oder andere Verfahren entfernt.
wie in 5B gezeigt, wird dann eine generell flache Oberfläche 120 sowie eine Stahlplatte auf die Partikel 20, die in den Öffnungen 114 in der Schablone 110 ruhen, aufgelegt. Die flache Oberfläche 120 drückt die abrasiven Partikel 20 zumindest teilweise in den nachgiebigen Bogen 100 des Matrix-Trägermaterials 104, um die Partikel abzusetzen.
Nach der Entfernung der Schablone 110 wird die flache Oberfläche 120 wiederum dazu genutzt, die abrasiven Partikel 120 fest in den Bogen 100 des Matrix-Trägermaterials 104 zu drücken, wie dies in 5C gezeigt ist. Während die flache Oberfläche 120 vorzugsweise verwendet wird, wird der Fachmann erkennen, dass viele Möglichkeiten bestehen, wenn gewünscht wird, dass einige der abrasiven Partikel 20 von dem Bogen 100 des Matrix-Trägermaterials mehr als andere abrasive Partikel nach außen hervorstehen. In solchen Situationen könnte eine konturierte oder andersartig geformte Oberfläche dazu verwendet werden, einige der abrasiven Partikel 20 tiefer in den Bogen 100 des Trockenmittels 104 als andere Partikel abzusetzen.
Wenn erwünscht, kann der Prozess, wie er in den 5A bis 5C gezeigt wurde, an der anderen Seite des Bogens 100 des Matrix-Trägermaterials 104 wiederholt werden (wie dies in 5D gezeigt ist), um eine imprägnierte Schicht auszubilden, die über die Schicht in vorab bestimmten gewünschten Mustern verteilte Diamantpartikel 20 aufweist. Der Prozess wird typischerweise einige Male wiederholt, um eine Vielzahl dünner Schichten oder Bögen 100 zu erhalten, die mit den Diamantpartikeln 20 imprägniert sind. Selbstverständlich muss jeder Bogen 100 nicht das gleiche Verteilungsmuster für die Diamantpartikel aufweisen und muss auch nicht in jedem Bogen die gleiche Konzentration abrasiver Partikel aufweisen.
Die abrasiven imprägnierten Bögen 100 werden dann mit einem Lötmittel infiltriert, das mit Chrom, Mangan, Silizium, Aluminium oder Legierungen oder Mischungen hiervon ausgebildet wurde. Während Lötmittel gemäß dem Stand der Technik typischerweise Metalle beinhalten, die dazu gestaltet wurden, das Fließen des Lötmaterials zu erleichtern, so wie Zink, Blei und Zinn, wurde in Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung herausgefunden, dass solche Materialien tatsächlich den Lötprozess beeinträchtigen. Diese Materialien sind generell volatiler und weisen eine Tendenz auf, das Vakuum oder die Inertgas-Atmosphäre, die bei der Infiltration verwendet wird, zu kontaminieren. Während sehr geringe Mengen an Volatil-Metallen nicht das Löten signifikant beeinflussen, können Mengen über etwa 1 oder 2 Prozent unerwünscht sein. Wie hierin verwendet, werden Lötmittel verwendet, die im Wesentlichen frei von volatilen Metallen oder im Wesentlichen frei von Zink usw. sind, um eine solche Situation zu kennzeichnen, bei der das volatile Metall in ausreichend kleinen Mengen vorliegt, um nicht irgendein Hindernis für den Prozess der Vakuuminfiltration bereitzustellen.
Es ist wichtig, dass die Infiltrationstemperatur niedriger als der Schmelzpunkt der Matrixpulvers gehalten wird, so dass der Werkzeugkörper während der Infiltration mit dem Diamant-Lötmittel seine Form beibehalten kann. Darüber hinaus muss die Löttemperatur ebenso niedrig genug sein, um nicht eine Verschlechterung des Diamanten zu bewirken. Zusätzlich zur Steuerung der Löttemperatur sollte die Lötzeit ebenso so kurz gehalten werden, dass das Lötmittel nicht exzessiv mit dem Diamanten und dem Matrixpulver reagiert. Im ersten Fall kann dabei der Diamant ebenso verschlechtert werden. Im letzteren Fall kann das Auflegieren mit dem Matrixpulver den Schmelzpunkt des Diamant-Lötmittels anheben. Als Ergebnis hiervon kann das Diamant-Lötmittel schrittweise erstarren und tatsächlich das Fließen stoppen.
Die Umgebung für die Infiltration kann ebenso so gesteuert werden, dass eine verbesserte Leistung zur Verfügung gestellt wird. Beispielsweise muss dann, wenn das Lötmaterial einen starken Getter für Sauerstoff oder Stickstoff sowie Titan enthält, ein hoher Vakuumgrad (beispielsweise maximal 10^-6 Torr) während der Infiltration des Lötmittels beibehalten werden. Andererseits kann dann, wenn das Lötmittelmaterial einen weniger sensitiven Getter enthält, so wie Chrom und Mangan, ein niedrigerer Vakuumgrad (beispielsweise minimal 10^-5 Torr) oder eine Wasserstoff-Atmosphäre für die Infoltration angemessen sein.
Nach der Infiltration kann der produzierte Teil (beispielsweise ein Sägensegment) auf die schlussendliche Dimension (beispielsweise durch Abschleifen) getrimmt werden. Er kann dann (beispielsweise durch Anlöten) auf einen Werkzeugkörper (beispielsweise eine runde Stahlklinge) befestigt werden, um ein bearbeitetes Produkt zu erhalten.
Wie oben diskutiert, verwendet die Erfindung ein Diamant-Lötmittel als Infiltrationsmittel, das durch das Matrixpulver eines Diamantwerkzeugs penetriert. Die meisten Diamant-Lötmittel können übliche Matrixpulver mit Hauptbestandteil aus Kobalt, Nickel, Eisen, Kupfer oder Bronze, leicht benetzen, so dass die Infiltration sanft voranschreitet.
Im Gegensatz zu einem Sinterprozess, der die Poren im Matrixpulver durch Verdichtung eliminiert, ermöglicht die Infiltration es dem Diamant-Lötmittel, diese Poren zu befüllen. Das Sintern wird durch Diffusion von Atomen hauptsächlich entlang der Oberflächen erreicht. Um den Sinterprozess zu erleichtern, muss das Matrixpulver große Oberflächenbereiche aufweisen. Somit ist es beim Sintern bevorzugt, feine Pulver zu verwenden. Das feine Pulver kann ermöglichen, dass das Sintern bei niedrigerer Temperatur fortschreitet.
Das am häufigsten verwendete Matrixpulver zur Erzeugung von Diamantwerkzeugen (beispielsweise Sägensegmenten) ist Kobaltpulver. Die Standardgrößen des Kobaltpulvers zur Herstellung konventioneller Diamantwerkzeuge ist kleiner als 2 Mikrometer. Im letzten Jahrzehnt haben die Hersteller von Diamantwerkzeugen immer feiner Matrixpulver nachgefragt. Die kommerziellen Lieferer (beispielsweise Eurotungsten Co.) beabsichtigen daher in der Zukunft, ultrafeine (in Mikrometer) und überdies ultraultrafeine (kleiner ein Mikrometer) Pulver herzustellen. Bei einem solchen Trend wird die Sintertemperatur kontinuierlich absinken. Eine niedrigere Sintertemperatur kann nicht nur die Schädigung des Diamanten reduzieren, sondern ebenso die Kosten für die Herstellung. Beispielsweise ist der elektrische Energieverbrauch für das Erhitzen geringer. Darüber hinaus wird Oxidationsverlust der Graphitform ebenso minimiert.
Die vorliegende Erfindung verwendet jedoch ein Diamant-Lötmittel, um die Poren des Matrixpulvers zu befüllen. Somit werden im Gegensatz zum konventionellen Sinterprozess körnige Pulver, d.h. größer als 400 US-Mesh oder 34 Mikrometer, bevorzugt. Darüber hinaus bevorzugt die vorliegende Erfindung, während konventionelle Verfahren eine Packungsdichte so hoch wie möglich erfordern, so dass das Sintern schnell voranschreitet, ein Zwischenmaterial mit einer niedrigeren Packungsdichte, um ein leichtes Strömen des Diamant-Lötmittels zu ermöglichen. Tatsächlich kann manchmal die Porosität des Zwischenmaterialkörpers gewollt unter Verwendung von ungleichmäßig geformten Matrixpartikeln angehoben werden. Diese Bevorzugung ist ebenfalls konträr zu konventionellem Wissen, das Partikel erfordert, die so rund wie möglich sein sollen, so dass die Packungsdichte angehoben werden kann.
Wie bereits diskutiert, mag ein feines Matrixpulver, das für konventionelle Werkzeuge verwendet wird, die Infiltration des Diamant-Lötmittels behindern. Darüber hinaus würde es exzessiv mit dem Lötmittel reagieren, so dass die Schmelztemperatur des Lötmittels angehoben wird. Als Ergebnis hiervon kann die Infiltration möglicherweise nicht abgeschlossen werden.
Die Verwendung eines groben Matrixpulvers weist auch andere Vorteile auf. Beispielsweise kann ein grobes Pulver besser mit unterschiedlichen Zusammensetzungen gemischt werden. Somit kann der Diamant-Grobstaub gleichmäßiger in der Matrix verteilt werden. Darüber hinaus weist ein grobes Pulver einen kleineren Oberflächenbereich auf und somit eine niedrigere Reibkraft für die Infiltration. Daher kann das Lötmittel leichter in der Form fließen. Selbstverständlich ist ein grobes Matrixpulver auch weniger teuer, so dass die Produktionskosten reduziert werden können.
Es ist wichtig anzumerken, dass diese Erfindung die Matrix nur als Netzwerk zum Halten des Diamant-Grobstaubs an Ort und Stelle verwendet. Somit muss die Matrix nicht aus Pulver erzeugt worden sein. Beispielsweise kann der Matrixkörper aus einem Stahlstück mit Öffnung hergestellt sein, das Diamant-Grobstaub aus PCT-Körpern enthält, sowie die, die im Folgenden unter Bezugnahme auf die 7A und 7B diskutiert werden.
Der kritischste Teil dieser Erfindung ist die Auswahl eines Diamant-Lötmittels. Obwohl eine Vielzahl von Arten von Diamant-Lötmitteln vorliegen, sind nur diejenigen anwendbar, die die nachfolgenden Erfordernisse erfüllen. Zuerst darf die Infiltrationstemperatur des Lötmittels nicht so hoch wie eine Temperatur sein, die eine signifikante Diamant-Schwächung bewirkt. Die Temperaturgrenze ist üblicherweise etwa 1100°C. Die Infiltrationstemperatur kann 50°C oberhalb der Liquidus-Temperatur des Lötmittels liegen. Ein gröberes Matrixpulver und ein kürzerer Infiltrationsweg erfordert eine weniger hohe Temperatur oberhalb des Schmelzpunkts des Lötmittels.
Das Diamant-Lötmittel muss den Diamanten benetzen und eine chemische Verbindung mit den Diamanten eingehen. Wie oben diskutiert wurde, kann ein Karbidbildner, der in einer geeigneten Lösungsmittellegierung gelöst ist, dieses Erfordernis erfüllen. Jedoch muss für die Reaktivität des Karbidbildners eine Balance gefunden werden zwischen dem Diamanten und dem Sauerstoff oder anderen Gasen sowie Stickstoff oder Wasserstoff. Es ist aber ein Dilemma, dass ein starker Karbidbildner so wie Titan oder Zirkon, der den Diamanten gut anbindet, ebenso ein Radikalfänger für Gase sind. Diese würden schnell mit schädlichen Gasen in der Umgebungs-Atmosphäre reagieren, bevor sie das Karbid mit dem Diamanten ausbilden.
Die meisten Diamantwerkzeuge werden in einer Graphitform und oft in Luft oder Inertgas hergestellt. Eine winzige Menge von Sauerstoff oder Feuchtigkeit in der Atmosphäre kann den Karbidbildner oxidieren, so dass dieser nicht eine Verbindung mit dem Diamanten eingehen könnte. Dies trifft auch dann zu, wenn das Löten in einem Vakuum oder einer Wasserstoff-Atmosphäre durchgeführt wird, wenn das Vakuum nicht niedriger als 10^-6 Torr gehalten wird oder der Taupunkt des Gases unterhalb von –60°C gehalten wird. Solch ein striktes Erfordernis bezüglich des Vakuums oder des Taupunkts führt oft zu unnötigen Kosten bei der Herstellung.
Auf der anderen Seite kann dann, wenn die Reaktivität gering ist, so wie bei Kobalt oder Nickel, das Metall ohne Oxidation in einer Graphitform bearbeitet werden. Jedoch kann es auch keine Verbindung mit dem Diamanten eingehen. Somit besteht ein Kompromiss bezüglich des Karbidbildners zwischen dessen Eignung, mit dem Diamanten eine Verbindung einzugehen, und dessen Tendenz, oxidiert zu werden.
In Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung wurde herausgefunden, dass ein bevorzugter Karbidbildner für das Diamant-Lötmittel entweder Chrom, Mangan, Silizium, Aluminium oder deren Legierungen sind. Der bevorzugte Gesamtgehalt derartiger Karbidbildner ist zumindest 3 Gew-% und nicht bevorzugter zumindest 5 Gew-%. Beispiele dieser Lötmittel sind NICROBRAZ LM (Ni-CR-B-Si-Fe), hergestellt von der Wall Colmonoy Company (USA) mit einem Schmelzbereich von 970–1000°C, sowie 21/80 (Cu-Mn-Ni), hergestellt von der Degussa (Deutschland) mit einem Schmelzbereich von 970–990°C. Andere mögliche Lötmittel beinhalten: Kupfer-Mangan-Legierungen nahe der eutektischen Zusammensetzung (etwa 25 Gew-% Mangan) mit einem Schmelzpunkt von etwa 880°C; Ni-Si-Legierung nahe der eutektischen Zusammensetzung (etwa 50 Gew-% Sillizium) mit einem Schmelzpunkt von etwa 970°C; Cu-Si-Legierungen nahe der eutektischen Zusammensetzung (etwa 30 Gew-% Si) mit einem Schmelzpunkt von etwa 810°C; Al-Si-Legierung nahe der eutektischen Zusammensetzung (etwa 15 Gew-% Si) mit einem Schmelzpunkt von etwa 600°C.
Die oben angegebenen Beispiele von infiltrierbaren Diamant-Lötmitteln decken einen weiten Bereich mechanischer Eigenschaften und Infiltrationstemperaturen ab (beispielsweise etwa 50°C oberhalb der Liquidus-Temperatur). Die Legierungen dieser Lötmittel können ebenso für weitere Einstellungen der Infiltrationstemperatur und den mechanischen Eigenschaften verwendet werden. Die Auswahl des Diamant-Lötmittels hängt von der gewünschten Anwendung ab. Üblicherweise werden schwerere Anwendungen sowie das Sägen von Granit, Beton oder Asphalt einen stärkeren Diamant-Grobstaub erfordern, der eine höhere Temperatur für das Löten tolerieren könnte. Lötmittel, die bei höheren Temperaturen schmelzen, sind üblicherweise resistenter gegen Abrieb. Auf der anderen Seite erfordern weniger anspruchsvolle Anwendungen so wie das Sägen von Kalkstein oder Marmor eine geringere Festigkeit des Diamant-Grobstaubs. Solch ein Diamant wird gleich bei hoher Temperatur abgeschwächt, so dass er bei einer niedrigeren Temperatur gelötet werden muss. Lötmittel dieser Art sind typischerweise weniger beständig gegen Abrieb.
Die Bögen 100 können zuerst zusammengesetzt werden, um das Zwischenmaterial für das Werkzeug-Segment auszubilden, und dann mit einem Diamant-Lötmittel infiltriert werden, oder sie können durch das Lötmittel infiltriert werden und später zusammengesetzt werden, um das Werkzeug-Segment oder den gesamten Werkzeugkörper auszubilden, wo immer dies angemessen ist. Während das in den 5A bis 5D beschriebene Verfahren für viele Anwendungen bevorzugt wird, gibt es Beispiele, bei denen es wünschenswert ist, abrasive Partikel 20 zu haben, die von dem Bogen 100 des Matrix-Trägermaterials nach außen hervorstehen. Beispielsweise können einige Werkzeuge nur eine abrasive Schicht aufweisen. Dies kann einfach durch Belassen der Schablone 110 an Ort und Stelle erreicht werden, wenn die in 5A und 5B gezeigten Schritte durchgeführt werden, und ein nicht weiteres Drücken der Partikel 20 in das Matrix-Trägermaterial, wenn die Schablone einmal entfernt wurde.
In einer Alternativ zeigen die 6A bis 6C eine Seitenansicht einer Abänderung des in den 5A bis 5D gezeigten Verfahrens. Der Bogen 130 des Matrix-Trägermaterials aus den 6A bis 6C ist so ausgebildet, dass er eine geringere Dicke als die Querschnittsdicke oder der Durchmesser der superabrasiven Partikel 20 aufweist. Wenn die Partikel in den Bogen 130 hineingedrückt werden, zwingt die Dicke des Bogens die Partikel 20 dazu, aus dem Matrix-Trägermaterial 134 hervorzustehen. Der Bogen 130 wird anschließend in der oben diskutierten Weise mit Diamant-Lötmittel infiltriert.
Während die Verwendung des Diamant-Lötmittels 28 unter Bezugnahme auf die Musterverteilung von Diamantpartikeln diskutiert wurde, ist sie ebenso anwendbar auf eine zufällige Verteilung von Diamantpartikeln in dem Matrix-Trägermaterial. Wenn die Diamanten einmal im Matrix-Trägermaterial platziert wurden, wird ein Diamant-Lötmittel, das Chrom, Mangan, Aluminium oder Silizium umfasst und im Wesentlichen frei von volatilen Metallen ist, aufgeschmolzen und auf das Matrix-Trägermaterial aufgegossen. Das flüssige Lötmittel infiltriert das Matrix-Trägermaterial und verbindet die Diamantpartikel mit dem Matrix-Trägermaterial.
Zusätzlich zu dessen Anwendung mit konventionellen Matrix-Trägermaterialien sowie Metallpulvern erleichtert das Diamant-Lötmittel ebenso die Verwendung neuer Trägermaterialien, so wie sie in den 7A und 7B gezeigt sind. Insbesondere unter Bezugnahme auf 7A wird ein Matrix-Trägermaterial 200 eines Sägesegments gezeigt, das generell mit dem Bezugszeichen 210 gekennzeichnet ist. Das Matrix-Trägermaterial 200 beinhaltet eine Vielzahl von Schlitzen 214, die in speziellen Intervallen eingeschnitten sind.
Um ein abschließend bearbeitetes Schneidsegment auszubilden, wird das Matrix-Trägermaterial 200 in einer Form platziert (beispielsweise Graphit oder Metall), die aus einem refraktorischen Material (beispielsweise Graphit) erzeugt wurde. Die Diamantpartikel 20 (7B) werden in die Schlitze 214 eingegossen, um die offenen Schlitze zu befüllen. Diamant-Lötmittel wird oben auf diese Schlitze hinzugefügt. Nach der Infiltration wird das Lötmittel in diese Schlitze eingefüllt und mit den Diamantpartikeln 20 und mit dem Matrix-Trägermaterial 200 verbunden, um ein vollständiges Sägesegment 210 auszubilden. In dieser Geometrie bilden die Diamantpartikel Klingen im Sägesegment (7B) aus, anstelle einer Verteilung über den Matrixkörper, wie dies in einem konventionellen Werkzeug der Fall ist. Dem Fachmann wird dabei ersichtlich, dass ein solcher Aufbau nahezu unmöglich in Übereinstimmung mit der Lehre des Stands der Technik ist, da das Matrix-Trägermaterial 200 erforderte, die Diamantpartikel mechanisch an Ort und Stelle zu halten. Im Gegensatz hierzu ermöglicht das Diamant-Lötmittel das Positionieren von Säulen von Diamantpartikeln in einem Schlitz, Loch und so weiter, da das Lötmittel die Diamanten und das Trägermaterial miteinander verbindet und die Diamanten an Ort und Stelle absichert. Während die in den 7A und 7B gezeigte Ausführungsform Diamant-"Rippen" ausbildet, können ebenso nadelähnliche Säulen aus Diamanten ausgebildet werden (8). Darüber hinaus können die Schlitze, das Loch und so weiter ausgebildet werden, um solche Säulen auszubilden, die linear verlaufen oder die in jeder gewünschten Richtung gekrümmt sind. Somit kann der Fachmann durch routinemäßige Experimente Segmente zum Schneiden, Bohren, Polieren usw. herstellen, die auf jeden besonderen Anwendungsfall angepasst sind. Die verwendeten Diamantpartikel können entweder Diamant-Grobstaub oder thermisch stabiler polykristalliner Diamant (PCD) sein. Die Infiltration wird nicht nur das Matrixpulver verdichten, sondern ebenso den Diamanten fest anbinden, so dass ein integriertes Diamantwerkzeug ausgebildet wird.
Beispiel 1
Ein Diamant-Grobstaub mit 40/50 Mesh (SDA-85+, hergestellt von der De Beers Company) wurde mit Eisenpulvern vermischt, die gröber als 200 US-Mesh sind, sowie einem organischen Bindemittel, um eine Mischung mit einer Diamant-Konzentration von 20 (5% des Gesamtvolumens) auszubilden. Die Mischung wurde in einer Stahlform kaltverpresst, um die Form eines Sägesegments auszubilden. Das Zwischenmaterial wurde in einer Graphitform platziert und mit einem Pulver aus Nicrobraz LM überlegt. Die Form wurde unter Vakuum auf etwa 1050 °C für 20 Minuten erhitzt. Das infiltrierte Lötmittel band den Diamanten und das Matrixpulver zusammen, um ein Segment auszubilden. Vierundzwanzig derartiger Segmente wurden hergestellt und wurden auf die gewünschten Toleranzen getrimmt. Diese Segmente wurden auf ein rundes Stahl-Kreissägeblatt mit 14 Inch Durchmesser aufgelötet. Die Klinge wurde dazu verwendet, Granit bei einer schnelleren Schneidrate zu schneiden, als dies mit konventionellen Diamant-Sägeblättern möglich war. Zusätzlich wiesen die gelöteten Sägeblätter eine längere sinnvolle Lebensdauer als konventionelle Diamant-Sägeblätter auf.
ein spezieller Vorteil der Schneidwerkzeuge gemäß der vorliegenden Erfindung über die Schneidwerkzeuge gemäß dem Stand der Technik liegt in der Weise, in der das Werkzeug verwendet werden kann. Diamantsägen werden typischerweise in der Form einer runden Klinge erzeugt, die das Werkstück für die Rotation in gleicher Richtung mit jeder Drehung schneiden. Diese Bewegung in einer Richtung bewirkt eine Ausbildung eines "Ausläufers", wobei das Matrixmaterial durch Vorwärtsdrehung der Diamantpartikel abgerieben wird, das Matrixmaterial hinter dem Diamantpartikel jedoch durch den Diamantpartikel selbst geschützt wird. Somit hält das Matrixmaterial hinter dem Diamanten weiterhin den Diamantpartikel an Ort und Stelle. Wenn dies Sägenrotation in entgegengesetzter Richtung verlaufen würde, könnte der Diamantpartikel leicht aus der Matrix freigeschlagen werden.
Runde Sägen können jedoch das Werkstück nur bis zu einer Tiefe von weniger als einem halbe Durchmesser der Säge schneiden. Um dickere Werkstücke zu schneiden, wird typischerweise eine Rahmen- oder Gattersäge verwendet. Da diese Sägen sich hin und her bewegen, müssen die Diamantpartikel sicher an jeder Seite gehalten werden. Als Ergebnis hiervon können Ausläufer der Diamantmatrix nicht beibehalten werden, um die Diamantpartikel an Ort und Stelle zu halten. Aus diesem Grund wurden bisher keine sich hin- und herbewegenden Diamantsägen dazu verwendet, harten Stein sowie Granit zu schneiden. Diese werden eher dazu verwendet, nur weiche Materialien sowie Marmor zu schneiden.
Die Erfindung erlaubt es, Diamanten chemisch mittels eines Lötmittels zu halten. Somit sind Matrix-Ausläufer nicht zur Abstützung der Diamanten erforderlich. Als Ergebnis hiervon können Werkzeuge, die gemäß der vorliegenden Erfindung erzeugt wurden, auf sich hin- und herbewegenden Sägen verwendet werden, um harte Materialien zu schneiden. Dieser Durchbruch kann die Anwendung von Diamanten auf Märkte expandieren, die bisher aufgrund der Beschränkungen gemäß dem Stand der Technik nicht erreichbar waren.
Somit wird ein verbessertes Verfahren zum Herstellen von Diamant-Sägeblättern offenbart. Die oben angegebene Beschreibung und die Beispiele sind nur dafür vorgesehen, bestimmte potentielle Anwendungen dieser Erfindung zu illustrieren. Es wird dem Fachmann jedoch deutlich verständlich, dass die vorliegende Erfindung für eine breite Anwendungs- und Verwendungs-Möglichkeit empfänglich ist. Viele Ausführungsformen und Anpassungen der vorliegenden Erfindung, die von denen, die hierin beschrieben wurden, abweichen, sowie eine Vielfalt von Variationen, Modifikationen und äquivalenten Anordnungen werden durch die vorliegende Erfindung und aus deren vorangestellter Beschreibung ohne Abweichen von Subtanz des Schutzbereichs der vorliegenden Erfindung ersichtlich oder deutlich nahegelegt. Dementsprechend ist, während die vorliegende Beschreibung hierin detailliert unter Bezugnahme auf deren bevorzugte Ausführungsform beschrieben wurde, dies so verständlich, dass diese Offenbarung lediglich beispielhaft und zu Darstellungszwecken der vorliegenden Erfindung und nur zum Zwecke der Bereitstellung einer vollständigen und die Erfindung ausreichend beschreibenden Offenbarung gemacht wurde. Die vorangestellte Offenbarung ist nicht dafür vorgesehen oder dafür ausgelegt, die vorliegende Erfindung zu beschränken oder irgendeine andere Ausführungsform, Adaption, Variation, Modifikation und äquivalente Anordnungen auszuschließen, wobei die vorliegende Erfindung ausschließlich durch die anhängenden Ansprüche begrenzt ist.

Claims

Schleifwerkzeug, umfassend: – ein Matrix-Trägermaterial (24), das zum Halten von Diamantteilchen, die als Schleifmittel zu verwenden sind, konfiguriert ist; – eine Mehrzahl von Diamantteilchen (20), die in einem vorbestimmten Muster im Matrix-Trägermaterial angeordnet sind, und – eine Legierung (28), die durch das Matrix-Trägermaterial und die Diamantteilchen infiltriert wird, wobei die Legierung an die Diamantteilchen und die Matrix-Trägermaterialien gebunden ist, wobei die Legierung eine Metalllegierung umfasst, die 2 bis 50% eines Elements enthält, das aus der aus Chrom, Mangan, Silizium und Aluminium bestehenden Gruppe ausgewählt ist und im Wesentlichen frei von flüchtigen Metallen wie Zink, Blei und Zinn ist.
Schleifwerkzeug nach Anspruch 1, wobei das Matrix-Trägermaterial von einer Mehrzahl von diamantimprägnierten Platten (14, 16, 18) gebildet wird.
Schleifwerkzeug nach Anspruch 1 oder 2, wobei das Matrix-Trägermaterial mehr als 50 Gew.-% eines Materials enthält, das aus der Gruppe ausgewählt ist, die aus Kobalt, Nickel, Eisen, Kupfer und Bronze und Mischungen und Legierungen davon besteht.
Schleifwerkzeug nach Anspruch 1 oder 2, wobei das Matrix-Trägermaterial mehr Volumen als die Diamantteilchen einnimmt.
Schleifwerkzeug nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Diamantteilchen weniger als 40% des Gesamtvolumens des Matrix-Trägermaterials und der Diamantteilchen einnehmen.
Schleifwerkzeug nach Anspruch 1 oder 2, wobei das Matrix-Trägermaterial aus grobkörnigen Pulvern gebildet ist, die größer als 400 US-Mesh sind.
Schleifwerkzeug nach Anspruch 2, wobei die diamantimprägnierten Platten durch das Auswalzen, Extrudieren oder Bandgießen einer Mischung aus Metallpulver und Diamant-Grobstaub hergestellt werden.
Schleifwerkzeug nach Anspruch 2, wobei die diamantimprägnierten Platten durch ein mechanisches Einplanieren von Diamant-Grobstaub in die Metallplatte hergestellt werden.
Schleifwerkzeug nach Anspruch 8, wobei die Metallplatte aus der aus dem Walzen aus einem Block und der Herstellung aus einem Metallpulver bestehenden Gruppe gebildet sind.
Schleifwerkzeug nach Anspruch 7, wobei wenigstens eine der diamantimprägnierten Platten mit der Legierung infiltriert worden ist.
Schleifwerkzeug nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Legierung wenigstens 3 Gew.-% eines Materials umfasst, die aus der Gruppe ausgewählt ist, die im Wesentlichen aus Chrom, Mangan, Silizium und Aluminium und Mischungen und Legierungen davon besteht.
Schleifwerkzeug nach Anspruch 1 oder 2 und weiterhin dadurch gekennzeichnet, dass die Legierung aus der Gruppe ausgewählt ist, die im Wesentlichen aus NICROBRAZ LM, einer Kupfer-Mangan-Legierung, einer Kupfer-Silizium-Legierung und einer Aluminium-Silizium-Legierung besteht.
Schleifwerkzeug nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Legierung eine Liquidustemperatur von weniger als 1100°C hat.
Schleifwerkzeug nach Anspruch 1 oder 2, wobei in den Matrix-Trägermaterialien eine Mehrzahl von Schlitzen ausgebildet ist und wobei die Diamantteilchen in den Schlitzen angeordnet sind.
Schleifwerkzeug nach Anspruch 14, wobei die Schlitze mit einer Legierung gefüllt sind, um die innerhalb der Schlitze angeordneten Diamanten innerhalb der Schlitze an das die Schlitze definierende Matrix-Trägermaterial zu binden.
Schleifwerkzeug nach Anspruch 1, wobei die Diamantteilchen in Säulen angeordnet sind, die sich in das Matrix-Trägermaterial erstrecken, und wobei die Diamanten von der Legierung in ihrer Position gehalten werden.
Schleifwerkzeug nach Anspruch 16, wobei die Säule im Wesentlichen linear ist.
Schleifwerkzeug nach Anspruch 16, wobei die Säule gekrümmt ist.
Schleifwerkzeug nach Anspruch 1 oder 2, wobei das Werkzeug ein Kreissägeblatt ist.
Schleifwerkzeug nach Anspruch 1 oder 2, wobei das Werkzeug ein lineares Sägeblatt ist.
Verfahren zur Bildung eines diamantimprägnierten Werkzeugs, umfassend: (a) die Bildung eines Matrix-Trägermaterials (24), das so konfiguriert ist, dass es als Schleifmittel zu verwendende Diamantteilchen hält; (b) das Verteilen von Diamantteilchen (20) im Matrix-Trägermaterial in einem vorbestimmten Muster und (c) das Infiltrieren des Matrix-Trägermaterials mit einer Legierung (28), die zwischen 2 und 50% eines Elements enthält, das aus der im Wesentlichen aus Chrom, Mangan, Silizium und Aluminium bestehenden Gruppe ausgewählt ist und im Wesentlichen frei von flüchtigen Metallen wie Zink, Blei und Zinn ist.
Verfahren zur Bildung eines diamantimprägnierten Werkzeugs nach Anspruch 21, weiterhin umfassend: (a) die Bildung des Matrix-Trägermaterials aus einer Mehrzahl von diamantimprägnierten Platten (14, 16, 18), die so konfiguriert sind, dass sie als Schleifmittel zu verwendende Diamantteilchen halten, und (b) das Verteilen von Diamantteilchen in dem durch die Mehrzahl von diamantimprägnierten Platten gebildeten Matrix-Trägermaterial.
Verfahren nach Anspruch 21 oder 22, wobei Schritt (a) insbesondere die Bildung des Matrix-Trägermaterials aus Pulver umfasst, das größer als 400 Mesh ist.
Verfahren nach Anspruch 21 oder 22, wobei Schritt (a) insbesondere die Bildung des Matrix-Trägermaterials aus unregelmäßig geformten Teilchen umfasst.
Verfahren nach Anspruch 21 oder 22, wobei das Verfahren insbesondere die Bildung einer Mehrzahl von Schlitzen im Matrix-Trägermaterial und das Verteilen von Diamantteilchen in die Schlitze umfasst.
Verfahren nach Anspruch 25, wobei das Verfahren weiterhin das Infiltrieren der Schlitze mit einer Hartlotlegierung zum Binden des Diamanten an das Matrix-Trägermaterial umfasst.
Verfahren nach Anspruch 21 oder 22, wobei das Verfahren weiterhin während der Infiltration das Einwirkenlassen eines Vakuums von wenigstens 10^-3 Torr auf das Matrix-Trägermaterial und die Diamantteilchen umfasst.
Verfahren nach Anspruch 21 oder 22, wobei das Verfahren insbesondere das Infiltrieren des Matrix-Trägermaterials und der Diamantteilchen mit einer Legierung mit wenigstens 5 Gew.-% eines Carbidbildners umfasst, der aus der im Wesentlichen aus Chrom, Mangan, Aluminium und Silizium und Mischungen und Legierungen davon bestehenden Gruppe ausgewählt ist.
Verfahren nach Anspruch 21 oder 22, wobei die Legierung aus der Gruppe ausgewählt ist, die aus NICROBRAZ LM, einer Kupfer und Mangan einschließenden Legierung, einer Kupfer und Silizium einschließenden Legierung, einer Aluminium und Silizium einschließenden Legierung und einer Nickel und Silizium einschließenden Legierung besteht.
Schleifwerkzeug nach Anspruch 1, wobei das Werkzeug eine Drahtsäge ist.
Schleifwerkzeug nach Anspruch 30, wobei das Werkzeug eine Diamant-Drahtsäge ist.
Schleifwerkzeug nach Anspruch 31, wobei das Werkzeug eine Diamant-Drahtsäge ist, die auf einem Stahlkabel angebrachte Kugeln enthält.