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HINTERGRUND
DER ERFINDUNG
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Diese
Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Herstellung eines abrasiven
Verbundkörpers.
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Abrasive
Körper
werden in großem
Maße beim
Schneiden, Mahlen, Schleifen, Bohren, Aufbohren und anderen abrasiven
Vorgängen
eingesetzt. Abrasive Körper
bestehen aus einer Masse aus Diamant oder kubischen Bornitridpartikeln,
die zu einem zusammenhängenden,
polykristallinen Konglomerat verbunden sind. Der Gehalt an abrasiven
Partikeln ist bei abrasiven Körpern
hoch, und im Allgemeinen bestehen in hohem Maße direkte Partikel-zu-Partikel-Verbindungen. Abrasive
Körper
werden unter erhöhten
Temperatur- und Druckbedingungen hergestellt, bei denen die abrasiven
Partikel, sei es Diamant oder kubisches Bornitrid, kristallographisch
stabil sind.
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Abrasive
Diamantkörper
sind auch als polykristalliner Diamant oder PCD bekannt, und abrasive
kubische Bornitridkörper
sind auch als kristallines CBN oder PCBN bekannt.
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Abrasive
Körper
neigen zu Sprödigkeit
und bei der Verwendung werden sie regelmäßig gehalten, indem sie mit
einem zementierten Carbidsubstrat oder Träger verbunden sind. Solche
getragenen abrasiven Körper
sind im Stand der Technik auch als abrasive Verbundkörper bekannt.
Abrasive Verbundkörper
können als
solche an einer Arbeitsfläche
eines abrasiven Werkzeuges verwendet werden.
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Bei
der Herstellung von abrasiven Körpern
können
Partikel einer einzigen Größe oder
eine Mischung von Partikeln unterschiedlicher Größen eingesetzt werden. Beispiele
solcher Körper
sind in den US-Patenten 4,604,106 und 5,011,514 beschrieben.
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Es
ist auch bekannt, einen abrasiven Körper mit zwei Zonen herzustellen,
die sich hinsichtlich der Partikelgröße unterscheiden. Beispiele
solcher Körper
sind in den US-Patenten 4,861,350 und 4,311,490 beschrieben.
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Das
Europäische
Patent Nr. 0 626 236 beschreibt ein Verfahren zur Herstellung eines
abrasiven Körpers,
welches den Schritt umfasst, dass eine Masse ultraharter abrasiver
Partikel Bedingungen erhöhter
Temperatur und Druck ausgesetzt wird, die für die Herstellung eines abrasiven
Körpers
geeignet sind, wobei die Masse dadurch gekennzeichnet ist, dass
wenigstens 25 Gew.-% an ultraharten abrasiven Partikeln eine durchschnittliche
Partikelgröße im Bereich
von 10 bis 100 μm
aufweist und aus Partikeln mit wenigstens drei unterschiedlichen
Partikelgrößen besteht,
und dass wenigstens 4 Gew.-% der ultraharten abrasiven Partikel
eine durchschnittliche Partikelgröße von weniger als 10 μm haben.
Die Partikelmischung enthält
somit 4 unterschiedliche Partikelgrößen. Die Beschreibung offenbart
die Vorteile der Verwendung einer solchen Partikelmischung bei der
Herstellung abrasiver Körper
in Dreh- und Formversuchen.
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Das
Europäische
Patent Nr. 0 626 237 beschreibt ein Verfahren zur Herstellung eines
abrasiven Körpers,
welches den Schritt umfasst, bei dem eine Masse ultraharter abrasiver
Partikel Bedingungen erhöhter Temperatur
und Druck ausgesetzt wird, die zur Herstellung eines abrasiven Körpers geeignet
sind, wobei die Masse dadurch gekennzeichnet ist, dass die ultraharten
abrasiven Partikel eine durchschnittliche Partikelgröße von weniger
als 20 μm
aufweisen und aus Partikeln mit drei unterschiedlichen durchschnittlichen
Partikelgrößen bestehen.
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Abrasive
Verbundkörper
der oben beschriebenen Art werden in verschiedenen Anwendungen eingesetzt.
Eine dieser Anwendungen ist ein Einsatz für Bohrspitzen (Bits). Solche
Bits umfassen Schlagbohrerbits, Wälzkonusbits und Ziehbits. Bei
Bohrspitzen ist die Diamantkörperschicht
im Allgemeinen relativ dick und hat bspw. eine Dicke von bis zu
5 mm. Bei der Herstellung von Diamantverbundkörpern treten in der Diamantkörperschicht
Spannungen auf. Diese Spannungen werden teilweise durch einen Unterschied
im thermischen Ausdehnungskoeffizienten zwischen der Diamantschicht
und dem Substrat bewirkt. Solche Spannungen führen zu verschiedenen Problemen.
Bspw. kann eine Delamination der Diamantschicht von dem Substrat
auftreten, wenn der Diamantverbundkörper auf eine Arbeitsfläche eines
Werkzeuges hartgelötet
wird. Außerdem können die
Spannungen in der Diamantschicht bei der Verwendung zu einem Absplittern
oder Abplatzen der Diamantschicht führen.
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ZUSAMMENFASSUNG
DER ERFINDUNG
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Gemäß der vorliegenden
Erfindung umfasst ein Verfahren zur Herstellung eines abrasiven
Verbundkörpers
mit einem auf ein Substrat, im Allgemeinen ein zementiertes Carbidsubstrat,
geklebten Körper,
die Schritte des Vorsehens einer Masse aus ultraharten abrasiven
Partikeln auf einer Oberfläche
eines Substrates, um eine ungebundene Anordnung zu bilden, und Aussetzen
der ungebundenen Anordnung den Bedingungen erhöhter Temperatur und Druck,
die geeignet sind, einen abrasiven Körper herzustellen, wobei die
Masse der ultraharten abrasiven Partikel durch drei Bereiche gekennzeichnet
wird:
- (i) einen inneren Bereich, der an die
Oberfläche
des Substrates, auf welcher die Masse vorgesehen ist, angrenzt und
Partikel mit wenigstes vier unterschiedlichen durchschnittlichen
Partikelgrößen enthält;
- (ii) einen äußeren Bereich,
der Partikel mit wenigstens drei unterschiedlichen durchschnittlichen
Partikelgrößen aufweist;
und
- (iii) einen mittleren Bereich zwischen den ersten und zweiten
Bereichen.
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Das
Verfahren der Erfindung nutzt eine Masse aus ultraharten abrasiven
Partikeln, die wenigstens drei Bereiche aufweisen, wobei die inneren
und äußeren Bereiche
sich voneinander hinsichtlich ihrer Partikelgrößenzusammensetzung unterscheiden.
Die Partikel des inneren Bereiches werden im Allgemeinen grober
sein als die Partikel des äußeren Bereiches.
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Die
in dem inneren Bereich vorliegenden Partikel werden im Allgemeinen
eine Größe bis zu
100 μm aufweisen.
Die Partikel in dem äußeren Bereich
werden im Allgemeinen eine Größe bis zu
25 μm haben.
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Der
innere Bereich weist Partikel mit wenigstens vier unterschiedlichen
durchschnittlichen Partikelgrößen auf.
Es hat sich als besonders geeignet für diesen Bereich herausgestellt,
dass er eine Masse mit sechs unterschiedlichen durchschnittlichen
Partikelgrößen aufweist.
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Der äußere Bereich
enthält
Partikel mit wenigstens drei unterschiedlichen durchschnittlichen
Partikelgrößen, wobei
die Partikel alle im Allgemeinen fein sind. Dieser Bereich versorgt
den hergestellten Körper
somit mit einem festen, verschleißresistenten und abrasiven
Bereich.
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Der
mittlere Bereich kann mehr als einen Bereich oder Schicht aufweisen,
wobei jeder Bereich oder Schicht sich hinsichtlich der Partikelgrößenzusammensetzung
von den anderen unterscheidet.
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Der
mittlere Bereich wird im Allgemeinen in Kontakt sowohl mit dem äußeren Bereich
als auch dem inneren Bereich stehen.
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Die
Bereiche werden im Allgemeinen als Schichten definiert sein.
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Die
Oberfläche
des Substrates, auf welcher die Partikelmasse vorgesehen ist, kann
eben, gekrümmt oder
profiliert sein.
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KURZE BESCHREIBUNG
DER ZEICHNUNGEN
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Die 1 bis 9 sind geschnittene Seitenansichten von
fünf unterschiedlichen
Ausführungsformen
ungebundener Anordnungen zur Verwendung bei dem Verfahren der Erfindung.
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BESCHREIBUNG
DER AUSFÜHRUNGSFORMEN
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Die
ultraharten abrasiven Partikel können
Diamant oder kubisches Bornitrid sein und sind vorzugsweise Diamantpartikel.
Der Diamant kann natürlich
oder synthetisch oder eine Mischung hieraus sein.
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Die
ultraharte abrasive Partikelmasse wird bekannten Temperatur- und Druckbedingungen
ausgesetzt, die notwendig sind, um einen abrasiven Körper (Presskörper) zu
erzeugen. Diese Bedingungen sind typischerweise solche, wie sie
zur Synthetisierung der abrasiven Partikel selbst erforderlich sind.
Im Allgemeinen werden die verwendeten Drücke im Bereich von 4 bis 7
GPa liegen und die verwendete Temperatur wird im Bereich von 1.300°C bis 1.600°C liegen.
Während
der Herstellung des abrasiven Körpers
tritt die Bindung des Körpers
zu dem Substrat auf.
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Der
abrasive Körper,
der durch das Verfahren der Erfindung hergestellt ist, wird im Allgemeinen
und vorzugsweise ein Bindemittel aufweisen. Das Bindemittel wird
vorzugsweise ein Lösungsmittel/Katalysator
für die
verwendeten ultraharten abrasiven Partikel sein. Lösungsmittel/Katalysatoren
für Diamanten
und kubisches Bornitrid sind im Stand der Technik gut bekannt. Im
Fall von Diamant ist das Bindemittel vorzugsweise Kobalt, Eisen,
Nickel oder eine Verbindung, die eines oder mehrere dieser Metalle
enthält.
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Wenn
ein Bindemittel verwendet wird, kann es insbesondere im Fall von
Diamantkörpern
dazu veranlasst werden, während
der Herstellung des Körpers
die Masse der abrasiven Partikel zu infiltrieren. Zu diesem Zweck
kann eine Scheibe oder Schicht des Bindemittels verwendet werden.
Diese Scheibe oder Schicht kann auf einer Oberfläche des Substrates angeordnet
werden und die Masse der ultraharten abrasiven Partikel kann auf
der Scheibe oder Schicht angeordnet werden. Alternativ und vorzugsweise
liegt das Bindemittel in Partikelform vor und wird mit der Masse
abrasiver Partikel gemischt. Der Binder wird typischerweise in einer
Menge von 2 bis 25 Gew.-% des hergestellten abrasiven Körpers vorliegen.
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Das
Substrat ist vorzugsweise ein zementiertes Carbidsubstrat, bspw.
zementiertes Wolframcarbid, zementiertes Tantalcarbid, zementiertes
Titancarbid, zementiertes Molybdäncarbid
oder eine Mischung hiervon. Das Bindemetall für solche Carbide kann irgendein
bekanntes sein, bspw. Nickel, Kobalt, Eisen oder eine Legierung,
die eines oder mehrere dieser Metalle aufweist. Typischerweise wird
das Bindemittel in einer Menge von 10 bis 20 Gew.-% vorliegen, das
Bindemittel kann aber auch in einer Menge von so wenig wie 6 Gew.-% vorliegen.
Manche der Bindemetalle können
während
der Bildung des Körpers
den abrasiven Körper
infiltrieren.
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Das
Verfahren der Erfindung ist durch die Verwendung von drei unterschiedlichen
Regionen abrasiver Partikel in der abrasiven Partikelmasse, die
zur Herstellung des Körpers
verwendet wird, gekennzeichnet. Diese Regionen, oder wenigstens
die inneren und äußeren Regionen
werden unter Vergrößerung in
dem gesinterten Körper
erkennbar sein.
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Die
inneren und äußeren Regionen
enthalten Partikel, die sich voneinander hinsichtlich ihrer Partikelgrößenzusammensetzung
unterscheiden. Die mittlere Region wird ebenfalls vorzugsweise eine
solche Partikelmischung enthalten. Mit dem Begriff "durchschnittliche
Partikelgröße" wird gemeint, dass
eine wesentliche Menge der Partikel in der Nähe der spezifizierten Größe liegen
wird, obwohl manche Partikel oberhalb und manche Partikel unterhalb
der spezifizierten Größe vorliegen
werden. Die Spitze in der Verteilung der Partikel wird eine spezifizierte
Größe haben.
Ist bspw. die durchschnittliche Partikelgröße gleich 10 μm, so wird
es manche Partikel geben, die größer, und
manche Partikel, die kleiner sind als 10 μm, doch die größere Menge
der Partikel wird eine Größe von etwa
10 μm aufweisen,
und die Spitze der Partikelverteilung wird bei 10 μm liegen.
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Der
innere Bereich enthält
Partikel mit wenigsten vier unterschiedlichen durchschnittlichen
Partikelgrößen. Vorzugsweise
wird in diesem Bereich (i) die Mehrzahl der Partikel eine durchschnittliche
Partikelgröße im Bereich
von 10 bis 100 μm
aufweisen und aus wenigstens drei unterschiedlichen durchschnittlichen
Partikelgrößen bestehen,
und (ii) wenigstens 4 Gew.-% der Partikel wird eine durchschnittliche
Partikelgröße von weniger
als 10 μm
haben.
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Die
Partikel (i) werden vorzugsweise folgende Zusammensetzung aufweisen:
| Durchschnittliche
Partikelgröße (in μm) | Gew.-% |
| größer als
40 | wenigstens
30 |
| 20
bis 35 | wenigstens
25 |
| 10
bis 15 | wenigstens
10 |
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Ein
Beispiel einer besonders nützlichen
Partikelzusammensetzung für
den inneren Bereich ist:
| Durchschnittliche
Partikelgröße (in μm) | Gew.-% |
| 75 | 15 |
| 45 | 40 |
| 30 | 15 |
| 22 | 15 |
| 10 | 10 |
| 4 | 5 |
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Es
wurde festgestellt, dass eine Partikelmischung für den inneren Bereich, die
wenigstens vier unterschiedliche Partikelgrößen aufweist, einen hervorragenden
Bindungsbereich für
den Körper
und das Substrat schafft. Eine starke Bindung an dem Substrat wird
erreicht und Spannungen durch falsche Ausrichtungen, die sich aufbauen
können,
werden minimiert. Die Dicke dieses Bereiches in dem gesinterten
abrasiven Körper
wird typischerweise 0,5 bis 3 mm betragen.
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Der äußere Bereich
ist der Bereich, der den gesinterten abrasiven Körper mit einer Schneidfläche oder -kante
versieht. Die abrasive Partikelmasse für diesen Bereich ist dadurch
gekennzeichnet, dass sie wenigsten drei unterschiedliche Partikelgrößen aufweist.
Vorzugsweise werden die Partikel in diesem Bereich eine durchschnittliche
Partikelgröße von nicht
mehr als 25 μm
aufweisen.
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Ein
Beispiel einer Zusammensetzung für
die abrasiven Partikel dieser Mischung ist:
| Durchschnittliche
Partikelgröße (in μm) | Gew.-% |
| wenigstens
10 | wenigstens
20 |
| weniger
als 10 und 5 oder größer | wenigstens
15 |
| weniger
als 5 | wenigstens
15 |
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Beispiele
bestimmter Zusammensetzungen, die für den äußeren Bereich sinnvoll sind,
sind: Zusammensetzung
1:
| Durchschnittliche
Partikelgröße (in μm) | Gew.-% |
| 12 | 25 |
| 8 | 25 |
| 4 | 50 |
Zusammensetzung
2:
| Durchschnittliche
Partikelgröße (in μm) | Gew.-% |
| 22 | 28 |
| 12 | 44 |
| 6 | 7 |
| 4 | 16 |
| 2 | 5 |
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Der äußere Bereich
in dem gesinterten abrasiven Körper
wird typischerweise eine Dicke von 0,5 bis 3 mm aufweisen.
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Der
mittlere Bereich wird vorzugsweise eine Mischung aus abrasiven Partikeln
aufweisen, die sich hinsichtlich ihrer durchschnittlichen Partikelgröße unterscheiden.
Die Mischung enthält
typischerweise wenigstens zwei unterschiedliche durchschnittliche
Partikelgrößen und
vorzugsweise enthält
sie vier unterschiedliche durchschnittliche Partikelgrößen. Ein
Beispiel einer geeigneten Zusammensetzung für die mittlere Schicht ist:
| Durchschnittliche
Partikelgröße (in μm) | Gew.-% |
| 30 | 65 |
| 22 | 20 |
| 12 | 10 |
| 4 | 5 |
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Der
mittlere Bereich kann selbst mehr als einen Bereich oder Schicht
enthalten. Bspw. kann der mittlere Bereich drei Schichten aufweisen,
die sich jeweils hinsichtlich ihrer durchschnittlichen Partikelgröße unterscheiden.
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Der
mittlere Bereich oder jede Schicht oder Bereich hiervon wird im
Allgemeinen dünn
sein und eine Dicke aufweisen, die typischerweise kleiner ist als
0,3 mm in dem gesinterten abrasiven Körper. Der Bereich kann während der
Herstellung des Körpers
mit den inneren und äußeren Bereichen
verschmelzen oder kann in dem gesinterten Körper als unterscheidbare Schicht
verbleiben.
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Wenn
der mittlere Bereich mehr als einen Bereich oder Schicht aufweist,
wird die Schicht in Kontakt mit dem inneren Bereich typischerweise
eine Zusammensetzung aufweisen, wie sie oben dargelegt wurde, und
die zweite Schicht auf der ersten Schicht wird typischerweise folgende
Zusammensetzung haben:
| Durchschnittliche
Partikelgröße (in μm) | Gew.-% |
| 22 | 50 |
| 12 | 30 |
| 4 | 16 |
| 2 | 4 |
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Die
Substratoberfläche,
auf der die abrasive Partikelmasse platziert wird, kann eben, gekrümmt oder in
anderer Weise profiliert sein. Die Erfindung findet insbesondere
Anwendung bei der Herstellung von abrasiven Verbundkörpern, die
eine profilierte Schnittstelle zwischen dem Substrat und dem abrasiven
Körper
in einer Form, wie sie in der Europäischen Patentveröffentlichung
Nr. 0 941 791 dargestellt und beschrieben ist, aufweist.
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Ausführungsformen
der Erfindung werden nun mit Bezug auf die 1 bis 5 erläutert. Zunächst mit
Bezug auf 1 umfasst eine ungebundene Anordnung,
die zur Herstellung eines abrasiven Verbundkörpers geeignet ist, eine Schicht
abrasiver Partikel 10, die auf einer Oberfläche 14 eines
zementierten Carbidsubstrates 12 platziert ist.
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Die
Schicht 10 umfasst drei Bereiche – einen inneren Bereich 16,
einen mittleren Bereich 18 und einen äußeren Bereich 20.
Die Bereiche unterscheiden sich hinsichtlich ihrer Partikelgrößenzusammensetzungen, wie
es oben beschrieben wurde. Die ungebundene Anordnung wird in der
Reaktionszone einer herkömmlichen Hochtemperatur-/Hochdruckvorrichtung
angeordnet und geeigneten Hochtemperatur-/Hochdrucksinterbedingungen
ausgesetzt. Das Produkt, das hergestellt wird, ist eine Diamantkörperschicht 10,
die entlang einer Schnittstelle 14 an ein Substrat 12 gebunden
ist. Die Diamantkörper schicht
wird die drei Regionen 16, 18 und 20 aufweisen.
Die Umfangskante 22 der hergestellten Körperschicht 10 liefert
die Schneidkante des Körpers.
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Eine
zweite Ausführungsform
ist in 2 dargestellt. Mit Bezug auf diese Figur ist eine
abrasive Partikelschicht 30 auf einer Oberfläche 34 eines
zementierten Carbidsubstrates 32 angeordnet. Die Oberfläche 34 ist
profiliert. Die abrasive Partikelschicht 30 hat drei Bereiche – einen
inneren Bereich 36, einen mittleren Bereich 38 und
einen äußeren Bereich 40.
Diese Bereiche unterscheiden sich hinsichtlich ihrer Partikelgrößenzusammensetzung,
wie es oben beschrieben wurde. Der abrasive Verbundkörper, der
aus der ungebundenen Anordnung von 2 hergestellt
wird, wird im Wesentlichen den gleichen Aufbau aufweisen, d.h. eine
Abrasivkörperschicht 30,
die entlang der Schnittstelle 34 an das Substrat 32 gebunden
ist. Die Umfangskante 42 der Abrasivkörperschicht liefert die Schneidkante
des Körpers.
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Die
Ausführungsform
gemäß 3 ist
die gleiche wie bei 2 bis auf die Tatsache, dass
die Oberfläche 34 ein
anderes Profil hat. Gleiche Elemente in 3 tragen
die gleichen Bezugszeichen wie die in 2.
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Eine
weitere Ausführungsform
ist in 4 dargestellt. Mit Bezug auf diese Figur ist eine
Abrasivpartikelschicht 50 auf einer Oberfläche 52 eines
zementierten Carbidsubstrates 54 angeordnet. Die Abrasivpartikelschicht
hat drei Bereiche – einen
inneren Bereich 56 und einen mittleren Bereich 58 und
einen äußeren Bereich 60.
Der innere Bereich 56 und der äußere Bereich 60 haben
Partikelgrößenzusammensetzungen
wie sie oben beschrieben wurden. Der mittlere Bereich besteht im
Gegensatz zu den anderen dargestellten Ausführungsformen aus drei separaten
und sich berührenden
Schichten 62, 64 und 66. Die Partikelgrößenzusammensetzungen
jeder dieser Schichten werden sich voneinander unterscheiden. Der
abrasive Verbundkörper, der
aus der ungebundenen Anordnung gemäß 4 hergestellt
wird, ist einer, der eine Abrasivkör perschicht aufweist, die entlang
der Schnittstelle 52 an ein zementiertes Carbidsubstrat 54 gebunden
ist. Die Umfangskante 68 der Abrasivkörperschicht liefert die Schneidkante
des Körpers.
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Bei
den oben beschriebenen Ausführungsformen
können
die Schneidkanten eine Abschrägung,
Radius oder anders gebrochene Kante aufweisen.
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Eine
noch andere Ausführungsform
der Erfindung wird durch 5 dargestellt. Mit Bezug auf
diese Figur wird die Abrasivpartikelschicht 70 auf einer
gekrümmten
oberen Fläche 72 eines
zementierten Carbidsubstrates 74 angeordnet. Die Abrasivpartikelschicht 50 umfasst
einen inneren Bereich 76, einen mittleren Bereich 78 und
einen äußeren Bereich 80.
Der innere Bereich 76 und der äußere Bereich 80 haben
Partikelzusammensetzungen wie oben beschrieben. Der mittlere Bereich 78 umfasst
zwei Schichten 82 und 84, deren Zusammensetzungen
derart sein können,
wie oben für
einen mittleren Bereich beschrieben wurde, der zwei Schichten aufweist.
Der aus der ungebundenen Anordnung, die in 5 dargestellt
ist, hergestellte abrasive Verbundkörper umfasst eine Diamantkörperschicht 70,
die entlang einer Schnittstelle 72 an ein zementiertes Carbidsubstrat 74 gebunden
ist. Der abrasive Verbundkörper
hat die Form einer Patrone, und es ist die gekrümmte äußere Fläche 86 der Abrasivkörperschicht,
die eine Schneidfläche
für den
Körper
liefert.
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Der
abrasive Verbundkörper,
der durch das Verfahren der Erfindung hergestellt wird, hat einen
großen Anwendungsbereich,
bspw. Bohren, Schneiden, Mahlen, Schleifen, Aufbohren und andere
Abrasivoperationen. Insbesondere findet der abrasive Verbundkörper Verwendung
als Einsatz für
Schlagbohrer, Wälzkonusbits
und Ziehbits. Bei solchen Anwendungen ist es wünschenswert, eine Presskörperschicht
zu haben, die so dick wie möglich
ist. Die Verwendung von Bereichen mit unterschiedlichen Partikelgrößenzusammensetzungen,
wie oben beschrieben, bei der Herstellung solcher Körper reduziert
die Tendenz solcher abrasiven Verbundkörper zur Absplitterung, Delamination
oder anderes Fehlverhalten aufgrund von inneren Spannungen, die
bei der Herstellung in der Körperschicht
erzeugt werden, wesentlich. Der mittlere Bereich, habe er eine oder
mehrere Schichten, und die Verwendung von multimodalem Material,
d.h. unterschiedlichen Partikelgrößen in den verschiedenen Bereichen,
minimiert die Eigenspannungen innerhalb des Körpers, wodurch eine hohe Festigkeit
des Körpers
gewährleistet
wird.