專利名稱：熔融釬焊涂層超磨料顆粒和有關(guān)方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及包含超硬磨料材料的裝置和用于生產(chǎn)與使用該超磨料材料的方法。因此，本發(fā)明涉及化學(xué)、物理學(xué)和材料科學(xué)等領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
多種磨料和超磨料工具在上一世紀(jì)就已經(jīng)研究出來，以用于實施除去工件中材料的一般功能。如鋸、鉆孔、拋光、清潔、雕刻和研磨等工藝全都是已成為多種工業(yè)的基礎(chǔ)的材料清除操作的示例。
許多特殊的材料清除應(yīng)用都要求使用超磨料工具。在這些情況下，由于工件的性質(zhì)，或者操作的周圍環(huán)境，使用常規(guī)的磨料工具可能不可行。例如，對于切割石頭、瓦、水泥等活動，當(dāng)試圖使用一常規(guī)的金屬鋸條時，如果不是不可能完成，也常常成本昂貴。此外，當(dāng)使用超磨料工具時，由于它們耐久性較好，所以可以提高其它材料去除活動的經(jīng)濟性和性能。
將超磨料材料加到工具中的一常用方法是作為超磨料顆粒。在這種情況下，最平常的是將超磨料顆粒埋入一基體如金屬基體中，并通過直接包圍顆粒的這部分基體所產(chǎn)生的機械力保持在適當(dāng)位置。多種固結(jié)技術(shù)例如電鍍、燒結(jié)或熱壓圍繞超磨料顆粒一基體是已知的，然而，由于包圍超磨料顆粒的基體比超磨料顆粒軟，所以它在使用期間較快地磨損，并留下過多暴露和無支承的金剛石顆粒。因此，金剛石顆粒被過早移除，并縮短了工具的使用壽命。
已經(jīng)作了許多嘗試來克服上述缺點。最值得注意的是，已經(jīng)應(yīng)用了若干試圖將超磨料顆?；瘜W(xué)結(jié)合到基體或其它基底材料上的技術(shù)。這些技術(shù)的主要焦點是用一活性元素涂覆或用其它方法接觸超磨料顆粒，該活性元素能在超磨料顆粒和金屬基體如鈦、鉻、鎢等之間形成碳化物結(jié)合。具體操作的示例包括結(jié)合于此作為參考的美國專利Nos.3,650,714、4,943,488、5,024,680和5,030,276中所公開的內(nèi)容。然而，這些操作由于各種原因包括大多數(shù)超磨料顆粒高惰性性質(zhì)和大多數(shù)活性材料的高熔點而實施困難和成本高。
另外，大多數(shù)活性金屬材料的熔點都高出大多數(shù)超磨料的穩(wěn)定性閾溫度很多。為此，可以將活性材料施加到超磨料上的方法一般限于在足夠低的溫度下進(jìn)行的固態(tài)反應(yīng)或氣態(tài)反應(yīng)，以免損壞金剛石。這些操作只能得到一單涂層，并且不能得到合金涂層。盡管用這些技術(shù)所得到的碳化物結(jié)合的強度一般僅僅在機械結(jié)合方面改善了顆粒保持力，但它們?nèi)阅苁钩チ项w粒被過早移除。
形成碳化物結(jié)合的另一種方法是通過使用含有一活性元素的釬焊合金。該釬焊合金通過燒結(jié)而圍繞超磨料顆粒固結(jié)。這種類型的具體操作的一示例在結(jié)合于此作為參考的美國專利No.6,238,280中可以找到。盡管這些操作可以產(chǎn)出一種比沒有超磨料顆?；瘜W(xué)結(jié)合的工具有更大的砂粒保持力的工具，但作為一般問題，釬焊合金的固態(tài)燒結(jié)只使基體材料固結(jié)，而不能達(dá)到獲得像固態(tài)和氣態(tài)沉積技術(shù)那樣多的化學(xué)結(jié)合。
此外，使用常規(guī)的釬焊可能受限制，因為它一般也用作工具主體的基體材料。由于在使用期間對這些元素中的每種元素都要求特殊的特性，大多數(shù)釬焊合金難以配置成起結(jié)合介質(zhì)作用并且同時起基體材料作用。例如，為了獲得較好的碳化物結(jié)合，一些超磨料顆?？赡苄枰浺杂糜陬A(yù)定的工具應(yīng)用的合金。用太軟的材料制成的基體可能磨損太快并且使超磨料顆粒被過早移除。
這樣，一直在通過正在進(jìn)行的研究開發(fā)努力來尋求顯示改善的超磨料顆粒保持力和磨損特性的超磨料工具和其生產(chǎn)方法。

發(fā)明內(nèi)容
因此，本發(fā)明提供具有改善的超磨料顆粒保持力的超磨料工具和用于制造該工具的方法。作為這類工具的一基本成分，本發(fā)明還提供一種涂層超磨料顆粒，上述涂層超磨料顆粒在加到一種工具中時具有改善的保持性能。根據(jù)一方面，涂層超磨料顆?？梢园ㄒ怀壞チ项w粒和一化學(xué)結(jié)合到該超磨料顆粒上的熔融釬焊合金固化涂層。作為這類工具的一附加成分，本發(fā)明還提供用于加到一工具中的超磨料工具前體。根據(jù)一方面，這些前體可以主要由至少一個涂覆有固化熔融釬焊合金的超磨料顆粒組成。根據(jù)另一方面，這種前體可以包括多個通過釬焊合金涂層冶金結(jié)合在一起的涂層顆粒。這些前體可以包含呈隨機布置或構(gòu)形的超磨料顆粒，但也可以具有按照一預(yù)定圖形布置和保持的超磨料顆粒。
除了上述成分之外，本發(fā)明的超磨料工具可以包括一支承基體，所述支承基體冶金結(jié)合到涂層超磨料顆?；蛞还ぞ咔绑w上。這種基體可以用各種材料包括固結(jié)金屬粉末和固體金屬基底制造。選擇可以根據(jù)許多因素，包括所制造的工具的具體類型和對它們的性能要求。根據(jù)一方面，支承基體可以是多孔的。根據(jù)另一方面，可以將涂層超磨料顆粒或工具前體冶金結(jié)合到支承基體上，以使超磨料顆粒與一預(yù)定圖形基本一致。
在一具體實施例中，按照本發(fā)明的一種超磨料工具可以包括多個涂覆有一固化熔融釬焊合金并通過釬焊涂層冶金結(jié)合在一起的超磨料顆粒，并且還包括多個化學(xué)結(jié)合到該熔融釬焊合金上的間隔顆粒。這種工具可以包含以隨機布置或者按照一預(yù)定圖形布置這兩種方式中的任一種或兩種布置的超磨料顆粒。另外，該間隔顆?？梢栽诩拥焦ぞ咧兄氨旧硗扛灿幸还袒廴阝F料合金或者可以不被涂覆。
此外，本發(fā)明包括制造和使用上述超磨料前體和工具的方法。根據(jù)本發(fā)明的一方面，一涂層超磨料顆粒可以通過下列步驟制成用一種處于熔融液態(tài)的釬焊合金覆蓋超磨料顆粒，和使液態(tài)釬焊合金圍繞超磨料顆粒固化。由于合金的液態(tài)，可以潤濕超磨料顆粒并分布在其表面上。由于潤濕作用和合金成分，在金屬和超磨料顆粒的界面處形成化學(xué)結(jié)合。這些化學(xué)結(jié)合通常提供比用電鍍或燒結(jié)所得到的結(jié)合強度好到約5-10倍的結(jié)合強度。根據(jù)另一方面，用于制造工具前體的一種方法主要包括使多個超磨料顆粒冶金結(jié)合在一起，其中每個顆粒都涂覆有一固化熔融釬焊合金。根據(jù)另一方面，一種制造一種超磨料工具的方法包括提供如上所述的工具前體，并將該前體冶金結(jié)合到一支承基體上。
因此已概括而非廣泛地說明了本發(fā)明的各種特點，以使得可以較好地理解后面的詳細(xì)說明和較好地認(rèn)識對該技術(shù)領(lǐng)域的貢獻(xiàn)。本發(fā)明的其它特點在下面結(jié)合附圖對本發(fā)明所作的詳細(xì)說明中將變得較清楚，或者可以通過本發(fā)明的實踐得以了解。


圖1a是按照本發(fā)明一實施例所述的一種涂層超磨料顆粒的側(cè)視圖。
圖1b是按照本發(fā)明一實施例所述的一種涂層超磨料顆粒的側(cè)視圖。
圖1c是按照本發(fā)明一實施例所述的一種具有較小尺寸的超磨料顆?；瘜W(xué)結(jié)合于其上的涂層超磨料顆粒的側(cè)視圖。
圖2是按照本發(fā)明一實施例所述的一種工具前體的側(cè)視圖。
圖3是按照本發(fā)明另一實施例所述的一種工具前體的側(cè)視圖。
圖4是按照本發(fā)明一實施例所述的一種超磨料工具的透視圖，所述超磨料工具具有多個冶金結(jié)合于其上的前體，以便將所述超磨料顆粒按照一預(yù)定圖形布置。
圖5是一種具有多個隨機放置在一多孔支承基體中的涂層超磨料顆粒的超磨料工具的剖視圖。
圖6是按照本發(fā)明一實施例所述的一種具有多個結(jié)合在一起的金剛石和基底層的超磨料工具的正面端視圖。
圖7是按照本發(fā)明一實施例所述的一種超磨料工具的剖視圖，所述超磨料工具具有多個冶金結(jié)合在一起的釬焊涂層金剛石顆粒和多個化學(xué)結(jié)合到釬焊合金上的間隔顆粒，并且在該合金中具有孔。
具體實施例方式
在公開和說明本發(fā)明之前，應(yīng)該理解，本發(fā)明不限于本文所公開的一些特定結(jié)構(gòu)、方法步驟或材料，而是擴展到如相關(guān)技術(shù)的普通技術(shù)人員所了解的它們的等同物。還應(yīng)該理解，本文所應(yīng)用的術(shù)語只用于說明一些特定實施例，并且不適于進(jìn)行限制。
必須注意，如本說明書和所附權(quán)利要求書中所用的單數(shù)形式“一”和“該”，除非上下文清楚地另有說明，都包括一個以上對像。因此，例如，“一金剛石顆粒”包括一個或多個這種顆粒，“一碳源”包括一個或多個這種碳源，和“一種活性材料”包括涉及一種或多種這樣的材料。
定義在說明和要求本發(fā)明時，將按照下面所述的定義使用下列術(shù)語。
如本文所用的，“超硬”和“超磨料”可互換使用，并涉及一種具有約4000kg/mm2或更大的維氏(Vicker)硬度的晶體或多晶材料，或者這些材料的混合物。這些材料可以非限制性地包括金剛石和立方氮化硼(cBN)以及本領(lǐng)域技術(shù)人員已知的其它材料。盡管超磨料材料惰性很強并因而難以與其形成化學(xué)鍵，但已知的是某些活性元素如鎢、鉻和鈦在某些溫度下能與超磨料材料起化學(xué)反應(yīng)。
如本文所用的，“金屬的”涉及一種金屬或一種由兩種或多種金屬形成的合金。很多金屬材料是本領(lǐng)域技術(shù)人員已知的，如鋁、銅、鉻、鐵、鋼、不銹鋼、鈦、鎢、鋅、鋯、鉬等及它們的合金和化合物。
如本文所用的“顆?！焙汀吧傲！笨梢曰Q使用，并且當(dāng)和一種超磨料材料一起使用時涉及這種材料的顆粒形式。這些顆?；蛏傲？梢圆捎迷S多特定的篩孔尺寸和各種形狀包括圓形、橢圓形、方形、自形等。正如本技術(shù)領(lǐng)域中已知的，“篩目”在美國篩目的情況下指每單位面積的孔數(shù)。
如本文使用的，“支承基體”和“工具基體”可互換使用，并涉及一種能接納涂層磨料元素的材料或物質(zhì)，包括如本文所述的工具前體和前體元素，上述材料或物質(zhì)是一種與用于超磨料顆粒的熔融釬焊合金涂層的材料不同的材料。根據(jù)一些方面，一支承基體可以是整個工具主體，而根據(jù)其它方面，一支承基體可以僅是一工具主體的其中一部分或一段。
如本文所用的，“活性元素”和“活性金屬”可以互換使用，并涉及一種可與超磨料顆粒起化學(xué)反應(yīng)和化學(xué)結(jié)合到該超磨料顆粒上的金屬元素。活性元素的示例包括-但不限于-包括難熔元素如鋯(Zr)和鎢(W)的過渡金屬如鈦(Ti)和鉻(Cr)以及非過渡金屬和其它材料如鋁(Al)。另外，某些技術(shù)上為非金屬的元素如硅(Si)也可以作為釬焊合金中的一種活性元素。
如本文所用的，“潤濕”涉及使一種使熔融金屬流過一種超磨料顆粒表面的至少一部分的過程。潤濕常常至少部分地是由于熔融金屬的表面張力，并且當(dāng)存在一種活性元素時可能導(dǎo)致在超磨料顆粒和熔融金屬之間的界面處形成化學(xué)結(jié)合。
如本文所用的，“冶金結(jié)合”涉及兩種或多種金屬之間的結(jié)合。這類結(jié)合可以是金屬之間的簡單機械鎖定或結(jié)合，如由液體金屬的纏結(jié)及其固化所產(chǎn)生的結(jié)合。另外，這些結(jié)合在性質(zhì)上可以是化學(xué)結(jié)合，例如在金屬之間產(chǎn)生的典型離子結(jié)合。
如本文所用的，“化學(xué)結(jié)合”和“化學(xué)連接”可以互換使用，并涉及一種分子結(jié)合，所述分子結(jié)合在原子之間施加一引力，上述引力足夠強以致在原子之間的界面處產(chǎn)生一種二元固體化合物。在本發(fā)明中所包括的化學(xué)結(jié)合在金剛石超磨料顆粒情況下通常為碳化物，或者在立方氮化硼情況下為氮化物或硼化物。
如本文所用的，“釬焊合金”和“硬釬焊合金”可互換使用，并涉及一種含足夠量的活性元素的合金，以便能夠在合金和超磨料顆粒之間形成化學(xué)結(jié)合。該合金可以是一種固體或者一種金屬載體溶劑的液體溶液，上述金屬載體溶劑中含有一種活性元素溶質(zhì)。而且，“經(jīng)過釬焊料”可以用來涉及在一種超磨料顆粒和一種釬焊合金之間形成化學(xué)結(jié)合。
如本文所用的，就一種超磨料砂粒或顆粒而言，“涂覆”、“涂層”和“已涂層”涉及沿顆粒外表面的至少一部分的面積，上述面積緊密最與一活性金屬或活性金屬合金接觸并包含顆粒和合金之間的化學(xué)結(jié)合或者在活性金屬或活性金屬合金液化和固化時將包含這種化學(xué)結(jié)合。根據(jù)一些方面，涂層可以是基本包住或圍繞整個超磨料顆粒的一層。應(yīng)該理解，這些層在某些情況下被限制為某一最小厚度。另外，應(yīng)該理解，這種涂層可以施加到在一單個基礎(chǔ)上的顆粒上或者可以作為一組顆粒施加，并且這種涂層可以作為將超磨料顆粒加到一工具中之前的一單獨步驟實施例如以便形成一可以與一種支承基體組合以形成某種工具的工具前體。而且，多個涂層顆?？梢栽谟谢驔]有添加的磨粒顆粒的情況下固結(jié)在一起，并且用作由它們制成的工具而無需加入一支承基體中。
如本文所用的，“分離物”涉及一種任何形式的材料，所述材料能在用一熔融釬焊合金涂覆這種超磨料顆粒的過程中使該超磨料顆粒分離。根據(jù)一方面，該分離物可以是對與熔融釬焊合金的化學(xué)反應(yīng)沒有親合力的耐熱粉末。根據(jù)另一方面，分離物可以是一具有多個用于分離顆粒的孔的薄片、盤或其它形式。
濃度、量和其它數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)在本文中可以用一種范圍格式表達(dá)或表示。應(yīng)該理解，這種范圍格式僅僅是為了方便和簡便而使用，并因此應(yīng)靈活地解釋為不僅包括被明確引用作為范圍界限的數(shù)值，而且包括該范圍內(nèi)所包括的全部單個數(shù)值或子范圍，就像每個數(shù)值和子范圍都被明確引用一樣。
作為一示例說明，數(shù)字范圍“約1微米-約5微米”應(yīng)理解為不僅包括約1微米-約5微米的明確引用的值，而且還包括所指出的范圍內(nèi)的單個數(shù)值和子范圍。因此，在這個數(shù)字范圍內(nèi)所包括的是單個值例如2、3和4和子范圍例如1-3、2-4和3-5等。
同樣的原理可適用于僅引用一個數(shù)值的范圍。另外，不管描述的范圍幅度或特性這種說明都應(yīng)該適用。
發(fā)明本發(fā)明包括具有改善的超磨料顆粒保持力的超磨料工具，以及其各種成分例如一涂層超磨料砂粒和工具前體。此外，本發(fā)明包括用于制造這些工具和成分的各種方法。根據(jù)一方面，本發(fā)明提供一種包括超磨料顆粒的涂層超磨料顆粒和一種化學(xué)結(jié)合到超磨料顆粒上的熔融釬焊合金的固化涂層。
所用的超磨料顆粒可以從多種特殊類型的金剛石(包括多晶金剛石)和立方氮化硼(包括多晶cBN)中選定，并能與一活性材料化學(xué)結(jié)合。另外，這些顆粒可以根據(jù)需要具有多種不同的形狀以適應(yīng)希望將它們加入所述工具中的一特定目的。然而，根據(jù)一方面，超磨料顆?？梢允墙饎偸ㄌ烊唤饎偸?、合成金剛石和多晶金剛石(PCD)。而根據(jù)另一方面，超磨料顆?？梢允菫閱尉w或多晶體的立方氮化硼(cBN)。
此外，為了實現(xiàn)所希望的與超磨料的化學(xué)結(jié)合，在金屬合金中可以使用多種活性元素?？膳c一金屬載體形成合金的多種活性元素是本技術(shù)領(lǐng)域的技術(shù)人員已知的，并且一特定活性元素的選擇可以取決于各種因素。包括在本發(fā)明中所用的釬焊合金中的適合活性元素的示例包括但不限于選自以下組中的元素鋁(Al)、硼(B)、鉻(Cr)、鋰(Li)、鎂(Mg)、鉬(Mo)、錳(Mn)、鈮(Nb)、硅(Si)、鉭(Ta)、鈦(Ti)、釩(V)、鎢(W)、鋯(Zr)及其混合物。除了所述一種或多種活性元素外，按照本發(fā)明的用于形成涂層的釬焊合金包括至少一種作為載體或溶劑的其它金屬。該領(lǐng)域的普通技術(shù)人員所了解的任一金屬，尤其是那些已知的用于制造超磨料工具的已知金屬，都可以用作這種載體或溶劑。然而，通過非限制性示例，根據(jù)本發(fā)明的一方面，這些金屬可以包括Co、Cu、Fe、Ni及其合金。
如上所述，使一種活性元素與另一種金屬形成合金的一目的是降低該活性元素的有效熔點，同時保持其與一超磨料顆粒化學(xué)結(jié)合的能力。正如該領(lǐng)域中已知的，許多超磨料材料如金剛石的熱穩(wěn)定極限在約900℃-約1200℃的范圍內(nèi)。這樣，根據(jù)本發(fā)明的一方面，可以選定活性金屬合金的成分和確切比例以提供一種其熔點在使用的特定超磨料材料的熱穩(wěn)定極限內(nèi)或下的合金。實際上，可以選定一種熔劑金屬并將其以合適量與一活性元素組合以便降低兩種元素的熔點并產(chǎn)生一種其熔點低于約1200℃的釬焊合金。根據(jù)另一方面，熔點可以低于約900℃。
正如該領(lǐng)域的普通技術(shù)人員將了解的，特定活性金屬和其它特定載體金屬的多種組合可以按不同的比例或量形成合金以便實現(xiàn)一種與超磨料顆?；瘜W(xué)結(jié)合并具有一合適熔點的合金。然而，根據(jù)一方面，活性元素的含量可以為合金的至少約1％。根據(jù)另一方面，元素的量可以為合金的至少約5％。
明顯的是，本發(fā)明的涂層磨料顆粒的改善的保持力主要是由于在涂層和超磨料顆粒之間獲得的化學(xué)結(jié)合量。這種化學(xué)結(jié)合的缺乏或名義存在是應(yīng)用已知方法如電鍍和燒結(jié)的工具中砂粒過早脫離的主要原因。
本發(fā)明方法的一優(yōu)點在于改變或控制超磨料顆粒周圍的活性金屬合金涂層厚度的能力。這種能力正如下面更較詳細(xì)討論的通過可以施加合金的熔融液態(tài)實現(xiàn)。具體的厚度可由該領(lǐng)域的普通技術(shù)人員按需要選定以便完成一特定目的。然而，根據(jù)本發(fā)明的一方面，涂層可以具有至少約1微米的厚度。根據(jù)另一方面，涂層可以具有至少約50微米的厚度。
顆粒涂層可以以一單層(即用一種其中已含有一活性金屬的合金)或是通過形成多層而完成。根據(jù)一方面，可以提供活性金屬作為一底涂層，上述底涂層通過如該領(lǐng)域的普通技術(shù)人員已知的和如下面較全面地說明的氣體氣相沉積技術(shù)施加。然后可以提供熔融金屬作為在其以熔融態(tài)施加到超磨料顆粒上時與活性金屬形成合金的純金屬物質(zhì)，或者可以是一種還包含添加的活性金屬的合金。在任一情況下，合金都可以與超磨料砂粒形成所希望的化學(xué)結(jié)合。根據(jù)本發(fā)明的另一方面，涂層還可以包括至少一個金屬外涂層，所述的外涂層結(jié)合到固化釬焊合金涂層的外部上。正如該領(lǐng)域的普通技術(shù)人員所了解的，多種材料都可以用于這種金屬外涂層，并且可以根據(jù)許多因素包括主基體材料和其中將加入涂層顆粒的工具設(shè)計作出具體的選擇。然而，根據(jù)一方面，金屬外涂層可以包括至少一種選自以下組的金屬Co、Cu、Fe、Ni及其混合物。正如將要了解的，可以利用一個或多個外涂層來達(dá)到所希望的用于涂層顆粒的總涂層厚度。根據(jù)一方面，所獲得的圍繞超磨料顆粒的總涂層厚度可以大于超磨料顆粒的直徑。
除了金屬外涂層之外，多種不同的其它材料也可以作為一外涂層施加在固化釬焊合金涂層上。參見圖1a-1c，圖1a-1c示出了涂覆有按照本發(fā)明所述的一種固化液體釬焊涂層15的超磨料顆粒10的不同實施例。正如從圖中可以看到的，圖1c還示出較小顆粒20結(jié)合到涂層外部上。根據(jù)一些方面，這些顆粒可以是具有各種構(gòu)造的材料，但這些顆粒的尺寸都須小于涂層超磨料顆粒的尺寸。具體類型的示例包括但不限于金屬顆粒、金屬合金顆粒如碳化物或超磨料顆粒。具體碳化物顆粒的示例包括但不限于SiC、WC和涂覆有Ti的cBN。根據(jù)一方面，這些顆?？梢允墙饎偸蚱涑叽绫韧繉映チ项w粒尺寸更小的其它超磨料顆粒。已發(fā)現(xiàn)這些涂層進(jìn)一步增加了超磨料顆粒的保持強度。具體地說，這些類型的涂層實施活性金屬合金涂層外部和其中將加入涂層超磨料顆粒的工具的基體材料之間的逐漸式或“梯度式”過渡。因此，消除了兩種材料之間的急劇過渡而產(chǎn)生的弱界面。
根據(jù)本發(fā)明的一方面，熔融釬焊合金可以潤濕超磨料顆粒表面的至少約40％。根據(jù)另一方面，合金可以潤濕超磨料顆粒表面的至少約50％。還根據(jù)另一方面，合金可以潤濕超磨料顆粒表面的至少約60％。根據(jù)一些方面，超磨料顆粒表面的至少約80％或更大面積可以由釬焊合金潤濕。
如果單獨或分開涂覆超磨料顆粒，則一旦超磨料顆粒涂覆完成，就可以將它們加入工具中。多種工具包括但不限于鋸條、鉆頭、砂輪和化學(xué)機械拋光墊修整器等都可以使用這類涂層超磨料顆粒。多種將涂層顆粒加入這些工具中的方法都被該領(lǐng)域的普通技術(shù)人員所了解，而具體的整體化方法可以由多種因素如工具中的其它材料、工具構(gòu)形、工具用途等確定。
應(yīng)該注意，單個熔融釬焊涂層顆?？梢杂米骷尤牍ぞ咧械墓ぞ咔绑w。另外，按照本發(fā)明，多個涂層顆?？梢砸苯鸾Y(jié)合在一起成為各種一維、二維和三維構(gòu)形并用作工具前體。根據(jù)一些方面，工具前體可以主要由超磨料顆粒和固化熔融釬焊合金組成。例如，現(xiàn)在參見圖2，其示出按照本發(fā)明的一種一維工具前體30的一實施例。該工具前體包括多個超磨料顆粒10，每個超磨料顆粒10都涂覆有超磨料涂層15，并通過所述超磨料涂層15冶金結(jié)合在一起。該超磨料顆粒對準(zhǔn)成一單排，從而形成一維針型結(jié)構(gòu)。另外，圖3示出一種通過將多個圖2所示的一維結(jié)構(gòu)冶金結(jié)合在一起而制成的二維工具前體40。根據(jù)本發(fā)明的另一實施例，可以將多個如圖2所示的二維工具前體如板、條、或棒冶金結(jié)合在一起以形成三維結(jié)構(gòu)(未示出)。應(yīng)該注意的是，盡管圖2和3中所示的工具前體顆粒是按照一預(yù)定圖形布置的，但在一些方面，顆粒定位可以是隨機的。
此外，本發(fā)明包括各種制造和使用包括其各種成分如涂層超磨料顆粒和如本文所述的工具前體的超磨料工具的方法。這些方法可以應(yīng)用所公開的上述裝置的材料、結(jié)構(gòu)、尺寸和其它參數(shù)，以及該領(lǐng)域的普通技術(shù)人員所了解的它們的等同物。根據(jù)一方面，本發(fā)明包括一種使超磨料顆粒化學(xué)結(jié)合到一活性金屬合金涂層上的方法。這種方法可以包括以下步驟用處于熔融液態(tài)的釬焊合金覆蓋超磨料顆粒，并使液態(tài)釬焊合金圍繞該超磨料顆粒固化，以使活性金屬合金與該超磨料顆?；瘜W(xué)結(jié)合。
該領(lǐng)域的普通技術(shù)人員將了解多種用熔融釬焊合金覆蓋超磨料顆粒的方法，例如將顆粒浸在合金中和將合金滴到顆粒上等施加技術(shù)。然而，根據(jù)本發(fā)明的一方面，覆蓋步驟還可以包括以下步驟(a)用一有機粘合材料涂覆超磨料顆粒；(b)用該有機粘合材料將一粉末狀釬焊合金粘合到該超磨料顆粒上，和(c)將活性金屬合金加熱至一足以使合金熔化和涂覆并化學(xué)結(jié)合到該超磨料顆粒上的溫度。
該領(lǐng)域的普通技術(shù)人員將意識到多種有機粘合劑在該上下文中都適用。然而，根據(jù)一方面，粘合材料可以是選自以下組的一種聚乙烯醇(PVA)、聚乙烯醇縮丁醛(PVB)、聚乙二醇(PEG)、石蠟、酚醛樹脂、蠟乳液和丙烯酸樹脂。根據(jù)另一方面，粘合劑可以是PEG。另外，可以通過多種方法如滾壓、浸漬或者使該粘合劑涂層顆粒和粉末在滾筒里滾動而實現(xiàn)將粉末狀活性金屬合金施加到粘合劑涂層顆粒上以便將合金粘合于其上。另外，這種施加可以通過多種方法完成包括噴涂、噴淋、噴射或者用別的方法將粉末引導(dǎo)到超磨料顆粒上以形成所希望的涂層。這種方法的一示例是利用流化床流。該領(lǐng)域的普通技術(shù)人員將了解將粉末粘合到粘合劑涂層顆粒上的其它方法。
如該領(lǐng)域的普通技術(shù)人員所了解的，可以應(yīng)用多各種方法來加熱粉末涂層超磨料顆粒。除了達(dá)到足以將粉末狀釬焊合金熔化成熔融液態(tài)的能力之外，對所用的具體加熱機構(gòu)沒有特殊的限制。一旦被熔化，液體合金將潤濕超磨料顆粒并在其界面處形成所希望的化學(xué)結(jié)合。另外，可以使用除了加熱之外的其它機構(gòu)，以便例如通過添加熔劑或者該領(lǐng)域的普通技術(shù)人員將了解的其它方法而有助于熔化和液化該合金，只要這些方法不妨礙或阻止超磨料顆粒的潤濕和所希望的化學(xué)結(jié)合的形成。
在某些情況下，在用熔融釬焊合金或其它熔融金屬覆蓋超磨料顆粒之前，可能希望用某些材料首先涂覆或“預(yù)處理”該超磨料顆粒。這些底涂層材料可以和任何超磨料顆粒一起使用，但與某些惰性很強的超磨料顆粒如cBN一起用時尤其有利。這些材料的高惰性可能使其難以與熔融釬焊合金產(chǎn)生化學(xué)結(jié)合。因此，根據(jù)本發(fā)明的一方面，可以通過在超磨料顆粒上形成一活性材料的預(yù)處理層或底涂層調(diào)節(jié)該超磨料顆粒。這些底涂層通常可以用常規(guī)方法如上述固態(tài)和氣相沉積技術(shù)形成。根據(jù)一方面，預(yù)處理層可以是一選自以下組的活性材料Cr、Si、Ti和W。根據(jù)另一方面，預(yù)處理材料可以是Ti。該領(lǐng)域的普通技術(shù)人員將了解可以首先沉積在超磨料顆粒上的其它合適材料-包括形成多層的材料-以便有助于或增強與熔融釬焊合金的化學(xué)結(jié)合的形成。
在實際中，常常可以在一次處理過程中用熔融釬焊合金同時涂覆多個超磨料顆粒。在這些情況下，按照本發(fā)明的某些方面，可能希望防止涂層顆粒熔合或連結(jié)在一起。這樣，根據(jù)一方面，本方法的加熱步驟可以包括以下步驟(a)將超磨料顆粒分布到一允許在加熱期間分離該顆粒的分離物中，(b)將活性金屬合金加熱至一足以使合金熔化和潤濕并化學(xué)結(jié)合到超磨料顆粒上的溫度，和(c)從該分離物中取出超磨料顆粒。可以應(yīng)用多種分離方法和裝置。一種特定分離物的具體選擇可以由例如速度、經(jīng)濟性及所獲得的質(zhì)量等因素確定。然而，根據(jù)一方面，分離物可以是不與釬焊合金產(chǎn)生反應(yīng)并且可以承受高溫的粉末。這些材料的示例包括但不限于氧化物粉末如Al2O3、SiO2、或ZrO2和氮化物粉末如BN、AlN。該領(lǐng)域的普通技術(shù)人員將了解其它非活性粉末狀材料。
根據(jù)另一方面，分離物可以是一其中具有多個孔的板。該孔的具體尺寸和布置可以部分地由超磨料砂粒所涂覆的具體尺寸和形狀確定。然而，作為一般程序，可以在該板的每個孔中放置一涂層或非涂層的超磨料砂粒。將多余的砂粒掃出該板，然后用釬焊粉填充所述孔。然后使含有砂粒和釬焊合金的板經(jīng)受足夠的熱量以便熔化該釬焊合金并潤濕砂粒以及形成化學(xué)結(jié)合。在在所述孔中進(jìn)行沉積之前未預(yù)涂覆砂粒的情況下，粉末狀涂層可以被放置在該孔中或上方并且將在由足夠的熱量熔化時覆蓋和附著到超磨料顆粒上。
在熔融釬焊合金已結(jié)合到超磨料顆粒上之后，使該顆粒冷卻，并且該釬焊合金固化。一旦合金已固化，便將涂層超磨料顆粒從分離物中取出，并可以使該顆粒例如通過施加一層或多層外涂層或?qū)⒏郊拥妮^小顆粒結(jié)合于其上而經(jīng)受如上所述的附加處理步驟。可選地，涂層超磨料顆?？梢酝ㄟ^例如通過將涂層砂粒注入一基體中使顆粒偶聯(lián)到工具主體上或者根據(jù)一些方面通過簡單地將多個顆粒偶聯(lián)在一起而直接加到一工具中。
可以利用本發(fā)明的涂層超磨料顆粒制成多種超磨料工具。例如，可以通過將所述顆粒結(jié)合到一基體支承材料或基底上而將涂層顆粒加到一工具中。而且，這些顆粒可以按照一預(yù)定圖形或具體構(gòu)形布置。此外，可以通過簡單地將多個涂層超磨料顆粒結(jié)合在一起而制成多種工具。例如，可以制成多種一維構(gòu)形如一針狀物(即結(jié)合在一起的涂層顆粒單行線)。也可以構(gòu)造成二維構(gòu)形如一板(即側(cè)向結(jié)合在一起的多個顆粒單行線)以及三維構(gòu)形(即堆疊或?qū)臃e并結(jié)合在一起的多個板)。這些構(gòu)形的示例在各附圖中示出。
可選地，根據(jù)本發(fā)明的一些方面，可能希望以一種允許超磨料顆粒在同一步驟中冶金結(jié)合在一起的方式同時涂覆該超磨料顆粒。例如，當(dāng)希望有一種一維、二維或三維工具前體時，例如通過將顆粒放置到一具有一確定形狀的盤中或如上所述通過單獨布置該顆粒和然后用熔融釬焊合金一起涂覆該顆粒而簡單地將該顆粒布置成所希望的構(gòu)形可能很方便。在合金固化時，所述顆粒不僅與其化學(xué)結(jié)合，而且該顆粒的涂層相互冶金結(jié)合。根據(jù)一方面，可以提供釬焊材料作為粉末。根據(jù)另一方面，可以提供釬焊材料作為一非晶形釬焊合金片或箔。
一旦完成涂層超磨料顆?；蚬ぞ咔绑w，便可以通過將該顆粒或前體冶金結(jié)合到一支承基體上而將其加到一工具中。多種工具包括但不限于鋸條、鉆頭、砂輪和化學(xué)機械拋光墊修整器等都可以應(yīng)用這類涂層超磨料顆粒。該領(lǐng)域的普通技術(shù)人員將了解多種將涂層顆粒加到這類工具中的方法，并且具體的整體化方法可以由多種因素如工具中的其它材料、工具構(gòu)形、工具用途、支承基體類型等確定。
而且，這些顆?？梢园凑找活A(yù)定圖形或具體構(gòu)形布置。實現(xiàn)超磨料顆粒的這些圖形或構(gòu)形的具體方法的示例可以在結(jié)合在此作為參考的美國專利Nos.4,925,457、5,380,390、6,039,641和6,286,498中找到。此外，在許多情況下，工具前體本身便可以作為一工具適合于某些應(yīng)用。而且，該領(lǐng)域的普通技術(shù)人員將了解未加到工具中的單獨涂覆的顆粒的作為松散磨料的多種應(yīng)用。
該領(lǐng)域的普通技術(shù)人員將較容易了解例如通過利用一模具等形成具體希望的構(gòu)形的多種方法。一旦在一模具中，就可以將附加的釬焊或金屬顆粒材料添加到組件上以便將物質(zhì)加到形成的主體上。此外，可以裝配不同尺寸的超磨料顆粒以減少顆粒之間的間隙空間量，并提供一剛性耐久多晶體。如果希望的話，也可以當(dāng)在模具中時將減少間隙空間的其它技術(shù)如搖動、振動等應(yīng)用到金剛石塊上。
此外，為了實現(xiàn)特殊目的，固結(jié)的涂層金剛石顆?？梢杂啥喾N特殊材料滲入。例如，在形成金剛石主體期間，可以使熔融Si滲入穿過金剛石塊，以便形成一能夠散熱的工具如熱擴散器。該領(lǐng)域的普通技術(shù)人員將了解可以利用目前技術(shù)生產(chǎn)的多種其它專用工具如鉆頭、鋸及其它切削工具。
當(dāng)使用時，涂層顆粒和工具前體結(jié)合于其上的支承基體可以從該領(lǐng)域的普通技術(shù)人員將了解的各種材料中選定。可以固結(jié)的金屬粉和固體金屬基底是示例性的。
參見圖4，其示出按照本發(fā)明的一種超磨料工具50的一實施例的透視圖。該工具有一個固結(jié)金屬粉末制成的支承基體55和多個一維工具前體30，每個一維工具前體30都具有多個通過還冶金結(jié)合到支承基體上的固化釬焊涂層15結(jié)合的超磨料顆粒10。如圖中所示，工具前體已這樣布置在基體支承材料中，即使得所述超磨料顆粒均按照一預(yù)定圖形保持在具體的位置處。然而，應(yīng)該注意的是，這些模式可以隨需要任選。例如，如圖5中所示，涂覆有固化熔融釬焊合金15的超磨料顆粒10隨機地保持在支承基體55中。
此外，盡管圖4中的基體支承材料以一固結(jié)粉末示出，但應(yīng)該理解的是，本發(fā)明可以可選地利用一固體金屬支承基體。在這種情況下，該支承基體構(gòu)造成具有可以容納工具前體或多個涂層顆粒的縫或槽。另外，對一些具有固體金屬支承基體的工具來說，可能希望簡單地將磨料顆粒結(jié)合到基體表面上，正如下面將較詳細(xì)討論的。
參見圖5，還示出按照本發(fā)明的一種超磨料工具50的另一實施例。尤其應(yīng)注意的是，支承基體55是多孔的，它含有多個孔60。現(xiàn)已發(fā)現(xiàn)，這些孔有利于改善工具性能，尤其是當(dāng)工具用于除去材料時。具體地說，該孔和間隔物可以有助于工件材料的成屑和斷開。另外，該孔可以用作一用于通過和保持一液體冷卻劑的管道。這樣，工具可以以一較快的速率除去工件中的材料而不會引起溫度的顯著增加?？梢杂酶鞣N方式使這些孔形成在一工具中。例如，可以在粉末狀基體材料的固結(jié)期間使空氣起泡穿過該粉末狀基體材料，可以利用在加熱步驟中分裂的晶粒，或者可以在某種程度上簡單地通過固結(jié)處理操作如燒結(jié)獲得該孔。另外，根據(jù)一些方面，可以通過涂層超磨料顆粒的布置和連結(jié)獲得該孔，并可以按照一預(yù)定圖形產(chǎn)生該孔。
多孔支承基體可用的一個原因是由于超磨料顆粒與釬焊合金化學(xué)結(jié)合并因此緊粘地保持在基體中。因此，每個顆粒的減少的機械支承量是可以接受的。而且，化學(xué)結(jié)合允許將較軟、較廉價的材料如Cu、Fe、鋼等用作基體支承件。
除了將涂層超磨料顆粒冶金結(jié)合到支承基體上之外，根據(jù)一些方面，可以用一種粘合劑或有機金屬粘合劑將涂層顆粒粘附到基體上。如結(jié)合在此作為參考、代理機構(gòu)備案號為No.22102、申請日為2003年7月25的申請人的美國專利申請中所述，多種有機或有機金屬粘合劑是該領(lǐng)域的普通技術(shù)人員已知的并且可被采用。有機金屬偶聯(lián)劑包括至少一個與金屬起化學(xué)反應(yīng)以形成化學(xué)結(jié)合的活性部分和至少一個與有機粘合劑反應(yīng)以形成化學(xué)結(jié)合的活性部分。這樣，有機金屬偶聯(lián)劑起一種橋梁作用以便在有機粘合劑和涂層超磨料顆粒的金屬表面之間形成結(jié)合。根據(jù)本發(fā)明的一方面，有機金屬偶聯(lián)劑可以是鈦酸鹽、鋯酸鹽、硅烷或它們的混合物。這些材料可以包含在金屬顆粒的未涂覆區(qū)域上與羥基反應(yīng)的可水解基團(tuán)，并因而化學(xué)結(jié)合到金屬表面上。此外，這些材料還可以包含與有機粘合劑起化學(xué)反應(yīng)的不可水解基團(tuán)。這些有機金屬偶聯(lián)劑在結(jié)合在此作為參考的美國專利Nos.4,620,933、5,558,705、5,571,296和6,579,931中已有介紹。
適于用在本發(fā)明中的硅烷的具體的非限制性示例包括3-環(huán)氧丙氧基丙基三甲氧基硅烷(可購自Dow Corning如Z-6040)；γ-甲基丙烯酰氧基丙基三甲氧基硅烷(可購自Union Carbide Chemicals Company如A-174)；β-(3，4-環(huán)氧基環(huán)己基)乙基三甲氧基硅烷，γ-氨基丙基三乙氧基硅烷，N-(β-氨乙基)-γ-氨基丙基甲基二甲氧基硅烷(可購自Union Carbide，Shin-etsu Kagaku Kogyo K.K.，等)；并且合適的硅烷偶聯(lián)劑的其它示例可以在結(jié)合于此作為參考的美國專利Nos.4,795,678、4,390,647和5,038,555中找到。
鈦酸酯偶聯(lián)劑的具體的非限制性示例包括三異硬脂?；佀岙惐ィ?枯基苯醚)羥乙酸鈦酸酯，4-氨基苯磺酰基十二烷基苯磺?；佀狨?，二[亞磷酸雙(十三烷基酯)]鈦酸四辛酯，三(N-乙氨基-乙氨基)鈦酸異丙酯，(可購自Kenrich Petrochemicals.Inc.)，新烷氧基鈦酸酯類如LICA-01、LICA-09、LICA-28、LZCA-44和LICA-97(也可購自Kenrich)，及類似物。
鋁偶聯(lián)劑的具體的非限制性示例包括乙酰烷氧基二異丙酸鋁(可購自Ajinomotok.K.)，及類似物。
鋯酸酯偶聯(lián)劑的具體的非限制性示例包括新烷氧基鋯酸酯，LZ-01，LZ-09，LZ-12，LZ-38，LZ-44，LZ-97(都可購自Kenrich Petrochemicals，InC.)，及類似物。其它已知的有機金屬偶聯(lián)劑例如硫醇鹽基化合物也可以用于本發(fā)明，并被認(rèn)為在本發(fā)明范圍之內(nèi)。
所用的有機金屬偶聯(lián)劑的量取決于偶聯(lián)劑和涂覆超磨料顆粒的金屬顆粒的表面積。通常，占有機粘合劑層重量的0.05％-10％就足夠了。有機金屬偶聯(lián)劑還可以改善有機粘合劑層與金屬線材之間的結(jié)合以及與涂層超磨料顆粒的結(jié)合。
如上所述，本發(fā)明的方法可以用于生產(chǎn)多種超磨料工具。現(xiàn)在參見圖6，其示出了一用在一鋸例如一往復(fù)鋸或圓鋸中的鋸段。該鋸段65具有由支承基體55和工具前體30堆疊和冶金結(jié)合形成的多層70。該工具前體冶金結(jié)合到一個或多個支承基體上以形成一層，并且該多層有效地冶金結(jié)合在一起。此外，由于在每一層內(nèi)的超磨料顆粒10的間隙以及釬焊合金15的量和應(yīng)用，產(chǎn)生多個孔60。另外，這些孔可以提供上述所有優(yōu)點。
在圖6所示的實施例中，用來制造工具前體30的釬焊合金15是一種非晶形釬焊合金片或箔。然而，應(yīng)該注意的是，可以使用另一形式的釬焊合金，如一種粉末形式。根據(jù)制造的一方面，可以將所述片粘合到一支承基體55的每一側(cè)，然后將所述超磨料顆粒10粘合到一個或兩個所述片的暴露的表面上以形成一層。值得注意的是，超磨料顆?？梢允请S機地或者按照一預(yù)定圖形粘合。然后通過堆疊裝配該多層并將其加熱到一足夠熔化釬焊合金片和涂覆超磨料顆粒的溫度。然后冷卻該組件，使釬焊合金固化并化學(xué)結(jié)合到所述顆粒上以及冶金結(jié)合到所述支承基體上，同時有效地將各層結(jié)合在一起。然后可以將使鋸段粘附到一鋸條上。
作為結(jié)合到基體支承件上的一可選方案，本發(fā)明的涂層顆?？梢园ǘ鄠€與釬焊合金混合并化學(xué)結(jié)合到該釬焊合金上的間隔顆?！，F(xiàn)在參見圖7，其示出按照本發(fā)明另一實施例所制造的一種工具的剖視圖。正如圖中所示，多個涂覆有固化熔融釬焊合金15的超磨料顆粒10冶金結(jié)合到一起成為一包含孔60的多孔工具。此外，該工具包含多個化學(xué)結(jié)合到釬焊合金上的間隔顆粒75。各間隔顆粒在加入工具中之前本身可以涂覆有固化熔融釬焊合金或者可以不含涂層。還應(yīng)該理解的是，盡管超磨料顆粒和間隔顆粒在圖7中以隨機布置示出，但其布置可以按照一預(yù)定圖形進(jìn)行并且所述孔也可以按照一預(yù)定圖形生成。該領(lǐng)域的普通技術(shù)人員將了解多種適合于間隔顆粒的材料，并且材料的具體選擇可以基于多種考慮如工具類型、釬焊合金等。然而，根據(jù)一方面，該材料可以為SiC。
下面的示例代表用于制造本發(fā)明的涂層超磨料顆粒的各種方法。這些示例僅用于舉例說明，因此不適于對本發(fā)明進(jìn)行限制。
示例示例1將40/50篩目的金剛石磨料用一種丙烯酸粘合劑薄膜覆蓋。然后將覆蓋有粘合劑的金剛石與一粉末狀金屬合金混合，該粉末狀金屬合金包含平均粒度為約325目的B、Ni、Cr、Si并以商標(biāo)NICHROBRAZLM銷售(WallColomnoy)。結(jié)果是獲得一包封該金剛石的釬焊粉末。然后將這些涂層磨料與Al2O3細(xì)粉混合。將混合物在一保持為10-5*托的真空爐中加熱至約1005℃的最高溫度，并持續(xù)約17分鐘以確保金屬合金涂層熔融和液化并圍繞金剛石顆粒流動同時潤濕它們。然后冷卻混合物并將其從爐子中取出。在將金剛石顆粒與Al2O3分開之后，將多個涂層顆粒與一鈷粉混合，并在一熱壓機中燒結(jié)以形成鉅形分段。這些分段中的一些通過由鉗子彎曲而折斷。然后在顯微鏡下觀察斷裂面。將觀察到斷裂面通過涂層金剛石顆粒傳播，而不是像沒有上述釬焊涂層的燒結(jié)金剛石顆粒通常發(fā)生的那樣圍繞金剛石顆粒和涂層之間的界面偏移。
示例2遵循與示例1中所述相同的程序，但用平均粒度為約325-約400篩目的金剛石顆粒代替Al2O3分離粉末。在加熱操作期間，較小的金剛石顆粒由釬焊合金涂層潤濕，并化學(xué)結(jié)合到涂層金剛石顆粒外部上。因此，產(chǎn)生具有化學(xué)結(jié)合的金屬合金殼層和也結(jié)合到該殼層的外部上的較小金剛石顆粒的涂層金剛石顆粒。將這些涂覆有“尖形物”的顆粒加到一鈷基體中，并如上所述進(jìn)行得到類似結(jié)果的斷裂試驗。
示例3
遵照示例2的操作，但較小的金剛石顆粒用SiC顆粒代替。該操作產(chǎn)生一具有結(jié)合到金屬涂層外部上的類似于示例2的金剛石顆粒的陶瓷顆粒的涂層金剛石顆粒。而且，斷裂試驗所得的結(jié)果類似于示例1和2的結(jié)果。
示例4使金剛石顆粒像示例1中那樣涂覆一粉末狀釬焊合金，然后在一在Al2O3板上切開的槽中排成一行。將少量釬焊粉末裝到涂層顆粒之間，并在一示例1中所示的爐子中加熱組件。將最終的“針狀物”像上述示例中那樣進(jìn)行斷裂試驗，并顯示斷裂橫過金剛石砂粒，而不是圍繞在金剛石和金屬合金涂層的界面處的金剛石砂?；蚴窃诮饎偸w粒之間。
示例5遵照與示例4中相同的程序，然而，使涂覆有金剛石的顆粒分布在Al2O3板上。然后將釬焊粉末裝在涂層顆粒之間，并且像上述示例中那樣加熱組件。然后將最終的通過釬焊合金結(jié)合的金剛石砂粒形成的金剛石板像上述示例中那樣進(jìn)行斷裂試驗。斷裂面的分析顯示為隨機斷裂，其包括穿過不同金剛石顆粒的斷裂，而不是遵循金剛石顆粒布置和主要落在金剛石顆粒/金屬涂層界面處的斷裂模式。
示例6再次遵照示例4和5的程序，只是涂層金剛石顆粒之間的間隙填充有WC和用來涂覆金剛石顆粒的釬焊粉的混合物。再次按照上述示例進(jìn)行加熱，并得到一復(fù)合材料瓦。將該瓦進(jìn)行斷裂試驗，并且結(jié)果證明與上述示例所得到的結(jié)果一致。
當(dāng)然，應(yīng)該理解，上述布置僅是對本發(fā)明原理的應(yīng)用的舉例說明。在不偏離本發(fā)明的精神和范圍的情況下，該領(lǐng)域的普通技術(shù)人員可以進(jìn)行多種修改和可選布置，并且所附權(quán)利要求適于覆蓋這些修改和布置。因此，盡管上文已結(jié)合目前認(rèn)為是本發(fā)明的最實用和優(yōu)選的實施例具體而詳細(xì)地說明了本發(fā)明，但對該領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來說，在不偏離本文所述的原理和思想的情況下，顯然可以進(jìn)行多種修改，包括但不限于尺寸、材料、形狀、形式、功能和操作方式、組件和應(yīng)用等方面的改變。
權(quán)利要求
1.一種涂層超磨料顆粒，包括超磨料顆粒；和化學(xué)結(jié)合到該超磨料顆粒上的熔融釬焊合金固化涂層。
2.如權(quán)利要求1所述的涂層超磨料顆粒，其特征在于，所述超磨料為金剛石。
3.如權(quán)利要求1所述的涂層超磨料顆粒，其特征在于，所述超磨料為cBN。
4.如權(quán)利要求1所述的涂層超磨料顆粒，其特征在于，所述釬焊合金具有低于該超磨料顆粒的熱穩(wěn)定極限的熔點。
5.如權(quán)利要求4所述的涂層超磨料顆粒，其特征在于，所述熔點低于約1100℃。
6.如權(quán)利要求1所述的涂層超磨料顆粒，其特征在于，所述釬焊合金包含至少約1％的選自Al、B、Cr、Li、Mg、Mo、Mn、Nb、Si、Ta、Ti、V、W、Zr及其混合物的一種活性元素。
7.如權(quán)利要求6所述的涂層超磨料顆粒，其特征在于，所述釬焊合金為Cr。
8.如權(quán)利要求1所述的涂層超磨料顆粒，其特征在于，所述涂層具有至少約1微米的厚度。
9.如權(quán)利要求1所述的涂層超磨料顆粒，其特征在于，所述涂層具有至少約10微米的厚度。
10.如權(quán)利要求1所述的涂層超磨料顆粒，其特征在于，所述超磨料顆粒表面的至少約40％由所述熔融釬焊合金潤濕。
11.如權(quán)利要求1所述的涂層超磨料顆粒，還包括至少一層結(jié)合到所述固化釬焊合金涂層上的金屬外涂層。
12.如權(quán)利要求11所述的涂層超磨料顆粒，其特征在于，所述金屬外涂層包括至少一種選自Co、Cu、Fe、Ni及其混合物的金屬。
13.如權(quán)利要求11所述的涂層超磨料顆粒，其特征在于，圍繞所述超磨料顆粒所得到的總涂層厚度大于該超磨料顆粒的直徑。
14.如權(quán)利要求1所述的涂層超磨料顆粒，還包括多個結(jié)合到所述釬焊合金涂層的外部上的顆粒，其中每個顆粒的尺寸都小于所述超磨料顆粒的尺寸。
15.如權(quán)利要求14所述的涂層超磨料顆粒，其特征在于，所述多個顆粒為超磨料顆粒。
16.如權(quán)利要求14所述的涂層超磨料顆粒，其特征在于，所述多個顆粒為碳化物。
17.如權(quán)利要求14所述的涂層超磨料顆粒，其特征在于，所述碳化物為一種選自SiC、WC和涂覆Ti的cBN的物質(zhì)。
18.一種制造如權(quán)利要求1-17中的任一項所述的涂層超磨料顆粒的方法，包括以下步驟用熔融液態(tài)的釬焊合金涂覆該超磨料顆粒；和使圍繞該超磨料顆粒的釬焊合金固化，以使該釬焊合金與該超磨料顆?；瘜W(xué)結(jié)合。
19.如權(quán)利要求18所述的方法，其特征在于，所述涂覆步驟還包括以下步驟利用有機粘合材料覆蓋所述超磨料顆粒；利用該有機粘合材料將粉末狀釬焊合金粘附到該超磨料顆粒上；和將該釬焊合金加熱至一足以使該合金熔化和涂覆以及化學(xué)結(jié)合到所述超磨料顆粒上的溫度。
20.如權(quán)利要求19所述的方法，其特征在于，同時涂覆多個超磨料顆粒，并且在所述加熱步驟之前，該方法還包括以下步驟將所述超磨料顆粒分布到一允許在加熱期間分離該顆粒的分離物中；將所述釬焊合金加熱至一足以使所述合金熔化和涂覆以及化學(xué)結(jié)合到所述超磨料顆粒上的溫度；和從該分離物中取出所述超磨料顆粒。
21.如權(quán)利要求20所述的方法，其特征在于，所述分離物為不與活性金屬合金發(fā)生反應(yīng)的非活性粉末。
22.如權(quán)利要求21所述的方法，其特征在于，所述非活性粉末為氧化物粉末或氮化物粉末。
23.如權(quán)利要求22所述的方法，其特征在于，所述分離物為一種選自Al2O3、SiO2、ZrO2、BN、AlN及其混合物的物質(zhì)。
24.如權(quán)利要求20所述的方法，其特征在于，所述分離物為一其中具有多個孔的板。
25.如權(quán)利要求18所述的方法，其特征在于，所述涂覆步驟通過下述步驟進(jìn)行在所述超磨料顆粒上形成一材料層，其中該材料選自Cr、Si、Ti和W。
26.如權(quán)利要求25所述的方法，其特征在于，所述材料為Ti。
27.一種制造超磨料工具的方法，包括以下步驟a)提供多個如權(quán)利要求1-17中的任一項所述的涂層超磨料顆粒；和b)使所述多個涂層超磨料顆粒固結(jié)在一起。
28.如權(quán)利要求27所述的方法，其特征在于，所述超磨料工具為一維工具。
29.如權(quán)利要求27所述的方法，其特征在于，所述超磨料工具為二維工具。
30.如權(quán)利要求30所述的方法，其特征在于，所述超磨料工具為三維工具。
31.一種制造超磨料工具的方法，包括以下步驟a)提供多個如權(quán)利要求1-17中的任一項所述的涂層超磨料顆粒；b)提供要將該涂層超磨料顆粒加入在其中的金屬基體材料；c)按照一預(yù)定圖形將該涂層超磨料顆粒定位在該金屬基體中；和d)將該涂層超磨料顆粒和金屬基體加熱至一足以將該涂層超磨料顆粒冶金結(jié)合到該金屬基體上的溫度。
32.一種超磨料工具前體，本質(zhì)上包括至少一個涂覆有固化熔融釬焊合金的超磨料顆粒。
33.如權(quán)利要求32所述的工具前體，其特征在于，所述至少一個涂層超磨料顆粒為通過釬焊合金涂層冶金結(jié)合在一起的多個涂層顆粒。
34.如權(quán)利要求33所述的工具前體，其特征在于，所結(jié)合的多個涂層顆粒形成一維結(jié)構(gòu)。
35.如權(quán)利要求33所述的工具前體，其特征在于，所結(jié)合的多個涂層顆粒形成二維結(jié)構(gòu)。
36.如權(quán)利要求33所述的工具前體，其特征在于，所結(jié)合的多個涂層顆粒形成三維結(jié)構(gòu)。
37.如權(quán)利要求33所述的工具前體，其特征在于，所結(jié)合的多個涂層顆粒均按照一預(yù)定圖形布置和保持。
38.一種超磨料工具，包括支承基體；和結(jié)合到該支承基體上的如權(quán)利要求32-37中的任一項所述的冶金工具前體。
39.如權(quán)利要求38所述的超磨料工具，其特征在于，所述支承基體包括固結(jié)的金屬粉末。
40.如權(quán)利要求39所述的超磨料工具，其特征在于，所述支承基體是多孔的。
41.如權(quán)利要求38所述的超磨料工具，其特征在于，所述支承基體包括固體金屬基底。
42.如權(quán)利要求38所述的超磨料工具，其特征在于，還包括多個冶金結(jié)合到所述支承基體上的工具前體。
43.如權(quán)利要求39所述的超磨料工具，其特征在于，所述多個工具前體布置成使所述超磨料顆?；痉弦活A(yù)定圖形。
44.如權(quán)利要求38所述的超磨料工具，其特征在于，所述支承基體和工具前體形成一層。
45.如權(quán)利要求44所述的超磨料工具，其特征在于，還包括冶金結(jié)合在一起的多層。
46.如權(quán)利要求45所述的超磨料工具，其特征在于，每層的基底都包括一固體金屬，并且每個工具前體都是多孔的。
47.如權(quán)利要求46所述的超磨料工具，其特征在于，每個工具前體的超磨料顆粒都按照一預(yù)定圖形布置。
48.如權(quán)利要求47所述的超磨料工具，其特征在于，每個工具前體中的孔都按照一預(yù)定圖形存在。
49.如權(quán)利要求47所述的超磨料工具，其特征在于，所述工具為一鋸段。
50.如權(quán)利要求47所述的超磨料工具，其特征在于，所述鋸為往復(fù)鋸。
51.如權(quán)利要求47所述的超磨料工具，其特征在于，所述鋸為圓鋸。
52.一種超磨料工具，包括多個涂覆有固化熔融釬焊合金并通過該釬焊涂層冶金結(jié)合在一起的超磨料顆粒；和多個化學(xué)結(jié)合到該熔融釬焊合金上的間隔顆粒。
53.如權(quán)利要求52所述的工具，其特征在于，所述釬焊合金是多孔的。
54.如權(quán)利要求52所述的工具，其特征在于，所述超磨料顆粒按照一預(yù)定圖形布置。
55.如權(quán)利要求52所述的工具，其特征在于，所述間隔顆粒按照一預(yù)定圖形布置。
56.如權(quán)利要求53所述的工具，其特征在于，所述孔按照一預(yù)定圖形存在。
57.如權(quán)利要求52所述的工具，其特征在于，所述間隔顆粒包括SiC顆粒。
58.一種制造工具前體的方法，本質(zhì)上包括將多個超磨料顆粒冶金結(jié)合在一起，其中每個超磨料顆粒都涂覆有固化熔融釬焊合金。
59.如權(quán)利要求58所述的方法，其特征在于，在將所述顆粒冶金結(jié)合在一起之前，給每個顆粒都涂覆固化熔融釬焊合金。
60.如權(quán)利要求58所述的方法，其特征在于，在將所述顆粒冶金結(jié)合在一起的同時，給每個顆粒都涂覆一固化熔融釬焊合金，。
61.如權(quán)利要求58所述的方法，其特征在于，所述顆粒按照一預(yù)定圖形布置。
62.一種制造超磨料工具的方法，包括提供一種如權(quán)利要求58-61中的任一項所述的工具前體；和將該前體冶金結(jié)合到一支承基體上。
63.如權(quán)利要求62所述的方法，其特征在于，還包括在冶金結(jié)合到一支承基體上之前提供多個工具前體。
64.如權(quán)利要求63所述的方法，其特征在于，還包括在將所述前體冶金結(jié)合到所述支承基體上之前，將該工具前體布置成使超磨料顆粒基本按照一預(yù)定圖形設(shè)置。
65.如權(quán)利要求63所述的方法，其特征在于，所述支承基體和工具前體形成一層。
66.如權(quán)利要求65所述的方法，其特征在于，還包括將多層冶金結(jié)合在一起。
全文摘要
本發(fā)明公開和說明了一種超磨料顆粒，所述超磨料顆粒涂覆有化學(xué)結(jié)合到該超磨料顆粒上的熔融釬焊合金固化涂層。根據(jù)一方面，活性金屬合金可以化學(xué)結(jié)合到超磨料顆粒的至少約80％的外表面上。此外還公開和說明了用于制造和使用這種涂層超磨料顆粒的各種方法。
文檔編號C09K3/14GK1684801SQ03822712
公開日2005年10月19日 申請日期2003年9月24日 優(yōu)先權(quán)日2002年9月24日
發(fā)明者宋簡民 申請人:宋簡民