專利名稱：多晶磨料的制作方法
背景技術(shù)：
本發(fā)明涉及多晶磨料。
呈研磨坯塊或單個晶體的超硬研磨體在本領(lǐng)域中是眾所周知的。研磨坯塊通常是金剛石坯塊，亦稱多晶金剛石或PCD，或立方氮化硼坯塊，亦稱多晶立方氮化硼或者PCBN。這些研磨坯塊已經(jīng)廣泛地應(yīng)用于切割、鉆探、鉆孔、碾磨及其他研磨應(yīng)用中。
這種超硬研磨體是在超硬磨料結(jié)晶學(xué)穩(wěn)定的高溫和高壓條件下生產(chǎn)的。多晶金剛石或多晶氮化硼可以在有或者沒有第二相(secondphase)或粘合劑基質(zhì)的條件下生產(chǎn)。當(dāng)提供有第二相時，在金剛石的情況下，它可以是溶劑/催化劑，如鈷，或可以是形成碳化物的元素，如硅。在用各種各樣為常見第二相的碳化物、氮化物和硼化物合成PCBN中利用了類似的燒結(jié)機理。
研磨坯塊通常制造成片的形式，或獨立于或粘結(jié)到載體上，為便于使用，也可以把它切成較小的片段。
呈金剛石或立方氮化硼晶體形式的單晶超硬研磨材料也稱為“磨料”，以疏松的或者結(jié)合的形式用于各種研磨應(yīng)用場合，如磨光、鉆探、磨碎和鋸切。
利用單晶超硬研磨材料的磨具的例子是磨輪和鋸片。用于這種研磨材料的粘合劑類型可以是金屬、樹脂或陶瓷粘合劑。
金剛石或CBN磨料一般是通過高壓/高溫工藝生產(chǎn)的，其中在適當(dāng)?shù)拇呋瘎┐嬖谙?，石墨或六方氮化硼分別轉(zhuǎn)化為金剛石或立方氮化硼。有時候也使用天然金剛石晶體。
已有人將研磨坯塊和磨料的概念結(jié)合起來并由此開發(fā)出了多晶磨料。例如，美國專利4,776,861描述了一種生成包含超硬材料的多晶磨料的方法。它是通過從由高壓/高溫工藝獲得的多晶金剛石或立方氮化硼坯塊中濾去非金剛石材料，隨后將濾去產(chǎn)物粉碎而實現(xiàn)的。
高壓/高溫?zé)Y(jié)之后繼之以粉碎的工藝并不是理想的，因為在粉碎燒結(jié)的PCD中會消耗大量的能量并限制了對最終產(chǎn)品形狀和尺寸的控制。因此，產(chǎn)率和質(zhì)量往往很低。
發(fā)明概述根據(jù)本發(fā)明，一種制造大量多晶超硬磨料的方法包括以下步驟提供大量的超硬磨?；虼罅康挠糜谶@種顆粒的前體與適當(dāng)?shù)娜軇?催化劑的組合物質(zhì)，將所述物質(zhì)形成許多生態(tài)(green state)顆粒，把上述顆粒與處于相鄰顆粒之間的隔離介質(zhì)置于高壓/高溫裝置的反應(yīng)區(qū)，將反應(yīng)區(qū)的內(nèi)容物置于超硬磨粒結(jié)晶學(xué)穩(wěn)定的高溫和高壓條件下，從反應(yīng)區(qū)回收這樣燒結(jié)的材料，和除去燒結(jié)材料中的隔離介質(zhì)以制造大量多晶磨料。
本發(fā)明的方法包括，第一步，將超硬磨粒物質(zhì)或用于這種顆粒的前體與溶劑/催化劑的組合物質(zhì)形成許多生態(tài)顆粒。術(shù)語“生態(tài)顆?！币庵溉魏芜m當(dāng)形狀或尺寸以及，例如通過已知造?；蝾w?；に囍圃斓恼辰Y(jié)物質(zhì)。
生態(tài)顆粒通常是在第二(或粘合劑)相的存在下生產(chǎn)的。第二相可以由參與或有助于形成多晶超硬磨料的物質(zhì)，例如用于超硬研磨材料的溶劑/催化劑提供。第二相也可以是粘合劑、其可以是有機或無機的，它可以在將顆粒置于高溫/高壓燒結(jié)條件下之前除去。第二相還可以由這樣的兩個第二相的組合組成。
如果使用用于超硬研磨材料的前體，那么也必須存在用于超硬研磨材料的溶劑/催化劑。用于這種顆粒的適當(dāng)?shù)娜軇?催化劑的例子，特別是當(dāng)顆粒是金剛石或立方氮化硼時，是本領(lǐng)域眾所周知的。所述溶劑/催化劑可以是可轉(zhuǎn)變成溶劑/催化劑的前體，例如金屬氧化物，它在加熱時能轉(zhuǎn)變成金屬。這種前體被歸入術(shù)語“溶劑/催化劑”之中。
通常呈混合物形式的超硬磨料顆粒的組合物或前體顆粒與用于本發(fā)明實踐中的第二相的組合物的例子是1.金剛石和金剛石溶劑/催化劑(其可以是過渡金屬，如鈷、鎳、鐵或錳)或非金屬溶劑/催化劑(如用于制造燒結(jié)、交生的多晶金剛石磨料材料的碳酸鹽或硫酸鹽)。
2.石墨和金剛石溶劑/催化劑(其可以是過渡金屬，如鈷、鎳、鐵或錳)或非金屬溶劑/催化劑(如用于制造燒結(jié)、交生的多晶金剛石磨料材料的碳酸鹽或硫酸鹽)。在制造磨料時，石墨轉(zhuǎn)變成金剛石。
3.1和2的組合。
4.金剛石和形成碳化物的金屬，如用于制造燒結(jié)多晶金剛石/SiC或TiC復(fù)合材料磨料的硅或鈦。
5.1和4的組合或2和4的組合。
6.立方氮化硼和形成硼化物或氮化物的金屬，如鋁、鈦、鋯、鉿、鉭、鉬、鈮、鉻或鎢或其混合物，其以金屬形式引入或以不足化學(xué)計量的或化學(xué)計量的碳化物、硼化物或者氮化物的形式引入。制造的多晶立方氮化硼磨料由立方氮化硼和金屬氮化物或硼化物組成。
7.6和鈷、鎳、鐵或錳的組合。
8.立方氮化硼和氧化鋁的組合或金剛石和氧化鋁的組合。
9.六方氮化硼和適當(dāng)?shù)挠糜诹⒎降鸬娜軇?催化劑，如鎂、鋰或鈣，其或者呈金屬氮化物形式，或者呈氮化硼形式，用于制造燒結(jié)、交生多晶立方氮化硼磨料。在制造磨料時，六方氮化硼轉(zhuǎn)變成立方氮化硼。
生態(tài)顆粒被置于用于高壓/高溫?zé)Y(jié)的標(biāo)準(zhǔn)高壓/高溫裝置的反應(yīng)區(qū)中。通常，顆粒將被置于本身處于反應(yīng)區(qū)內(nèi)的小盒中。
隔離介質(zhì)隔離反應(yīng)區(qū)中的單個顆粒。隔離介質(zhì)優(yōu)選以涂覆于單個顆粒上的涂層的形式提供。特別適合的涂敷單個顆粒的方法是噴霧涂敷流化介質(zhì)。
在本發(fā)明的一個形式中，隔離介質(zhì)可以是不妨礙生態(tài)顆粒高壓/高溫?zé)Y(jié)的金屬或合金。例如，當(dāng)超硬研磨材料是金剛石或用于金剛石的前體，例如石墨時，鉬是一種適合的涂層。
隔離介質(zhì)也可以是能充分傳遞壓力的惰性介質(zhì)，例如鹽，如氯化物或碳酸鹽、石墨、六方氮化硼或氧化物。
化學(xué)性阻擋層可以施加到生態(tài)顆粒上，通常用來在隔離介質(zhì)插入相鄰的顆粒之前完全涂敷顆粒。適合的化學(xué)性阻擋層的例子是鈮、鉬、鉭、鈦或其它過渡金屬?；瘜W(xué)性阻擋層可以留在由生態(tài)顆粒制造的多晶磨料上。
隔離介質(zhì)和化學(xué)性阻擋層可以通過噴涂含水或無水懸浮液而施加到生態(tài)顆粒上。在噴涂過程中，顆粒將通常處于流化狀態(tài)。或者，顆?？梢缘稳敫綦x介質(zhì)和/或化學(xué)性阻擋層的懸浮液中、或者這些層狀可以機械涂敷到顆粒上。
在本發(fā)明的一個特殊形式中，生態(tài)顆粒被置于一個容器中，粉末狀或液態(tài)隔離介質(zhì)傾入到容器中，和顆粒和隔離介質(zhì)混合在一起。如果必要的話，一些機械攪拌或振蕩可以促使充分的分散和混合以保證沒有縫隙，且生態(tài)顆粒全部嵌入到隔離介質(zhì)中或被隔離介質(zhì)包圍。
在生態(tài)顆粒進行高溫和加壓燒結(jié)之前，優(yōu)選，例如通過無壓熱處理除去任何可除去的粘合劑，例如存在的有機粘合劑。
熱處理條件將根據(jù)顆粒的性質(zhì)和其含量進行變化。典型的熱處理或脫氣條件是氬氣氣氛下500℃或空氣氣氛下400℃或在真空中1100℃。優(yōu)選緩慢的加熱循環(huán)。
生態(tài)顆?？梢匀芜x被密實化。密實化可以通過單軸向壓實或冷等靜壓實現(xiàn)。在壓實過程中顆粒將會發(fā)生一些變形。當(dāng)生態(tài)顆粒包含要除去的粘合劑時，密實化可以在除去粘合劑之前或之后進行。
生態(tài)顆粒進行高溫和加壓燒結(jié)的條件在本領(lǐng)域中是已知的，典型的壓力是3-9GPa，典型的溫度是1000-2500℃。
使用已知的工藝從高溫/高壓裝置反應(yīng)區(qū)中除去燒結(jié)材料。回收的材料是燒結(jié)的和粘結(jié)的，并且由許多被隔離介質(zhì)和化學(xué)性阻擋層(當(dāng)提供有隔離介質(zhì)和化學(xué)性阻擋層時)分隔的燒結(jié)顆粒組成。單一燒結(jié)顆粒或多晶超硬磨料可以通過除去隔離介質(zhì)而釋放出來。例如，如果隔離介質(zhì)是金屬，如鉬，那么物質(zhì)可以被放入熱的沸騰酸中，如3份沸騰氫氟酸和1份硝酸中。這將溶解鉬而留下許多多晶金剛石磨料。當(dāng)隔離介質(zhì)是六方氮化硼時，除去隔離介質(zhì)可以通過將燒結(jié)材料置于充滿水的超聲波浴中實現(xiàn)。六方氮化硼被水水解，超聲處理會分裂或分解六方氮化硼。
通過本發(fā)明方法制造的多晶超硬磨料的粒徑通常將小于5毫米，一般小于2毫米。根據(jù)磨料的含量和組成，這種磨料可以用于各種研磨材料應(yīng)用場合。與單晶磨料相比，所述磨料的多晶性質(zhì)能使粘合劑較好地保留在研磨工具的粘合劑基質(zhì)中。此外，使用中可以控制磨料的破碎以使得連續(xù)生成銳利的邊緣或點。本發(fā)明提供特別有效和經(jīng)濟的制造多晶磨料的方法。此外，該方法是通用的，多晶磨料可以在有或者沒有第二(粘合劑)相的條件下制造并且可包含一種以上的超硬研磨材料。該方法允許制造具有控制形狀和尺寸的多晶磨料。
實施例1制備含有80wt％金剛石(平均粒徑大約為10微米)和20wt％的亞微鈷粉的溶劑基懸浮液并加入大約1體積％的有機粘合劑。使用噴霧干燥和流化床技術(shù)的組合加工該懸浮液以制造直徑大約為1毫米、孔隙率大約為42％的生態(tài)球狀顆粒。使用亞微鉬粉配制溶劑基懸浮液。流化金剛石/鈷顆粒并使用鉬懸浮液在顆粒上噴霧干燥上一薄層厚度大約為100微米的鉬。
將涂敷的生態(tài)顆粒放到模具中并單軸向壓緊形成密度大約為60％的壓坯。通過在真空中于1100℃下熱處理2小時從生態(tài)顆粒中除去粘合劑。然后將脫氣的生態(tài)顆粒裝到金屬容器中。將金屬容器裝到標(biāo)準(zhǔn)高壓/高溫裝置的反應(yīng)盒中，并且將荷載的小盒置于該裝置的反應(yīng)中心。金屬容器的內(nèi)容物暴露于大約1450℃的溫度和5GPa的壓力下。這些條件保持10分鐘。在完成處理后，從金屬容器中回收密集燒結(jié)的坯塊。拋光的橫截面顯示出被薄鉬紋理的蜂窩狀結(jié)構(gòu)分隔開來的燒結(jié)多晶金剛石磨料。將該坯塊置于含有3份沸騰氫氟酸和1份硝酸的燒杯中。處理幾分鐘后，坯塊分離成許多略圓的顆粒，直徑大約為0.5-0.7毫米。仔細(xì)的分析表明，這些顆粒是由硬的燒結(jié)多晶金剛石組成，顆粒的表層區(qū)含有濾出的鈷。實施例2
制備含少量溶解的有機粘合劑的六方氮化硼有機懸浮液。流化實施例1描述的鍍有鉬的生態(tài)顆粒并使用六方氮化硼懸浮液噴霧涂敷厚度大約為100微米的六方氮化硼第二涂層。重復(fù)實施例1所述相同的壓實、脫氣和高溫/高壓處理以從金屬容器中回收粘結(jié)的燒結(jié)坯塊。將坯塊放入充滿水的超聲波浴中。超聲處理幾分鐘后，坯塊分離成許多略圓的顆粒，直徑大約為0.6-0.8毫米。仔細(xì)的分析表明，顆粒是由鍍有一薄層燒結(jié)鉬金屬鍍層的燒結(jié)多晶金剛石磨料組成的。實施例3用噴霧沉積的氯化鈉層替換六方氮化硼層來重復(fù)實施例2的方法。除去粘合劑的溫度下降到500℃(氬氣下)以阻止氯化物揮發(fā)。重復(fù)實施例1所述相同的壓實、脫氣和高溫/高壓處理以從金屬容器中回收粘結(jié)的燒結(jié)坯塊。將坯塊放入充滿水的超聲波浴中。超聲處理幾分鐘后，坯塊分離成許多略圓的顆粒，直徑大約為0.6-0.8毫米。仔細(xì)的分析表明，顆粒是由鍍有一薄層燒結(jié)鉬金屬鍍層的燒結(jié)多晶金剛石磨料組成的。
權(quán)利要求
1.一種制造大量多晶超硬磨料的方法，包括以下步驟提供大量的超硬磨粒或大量的用于這種顆粒的前體與適當(dāng)?shù)娜軇?催化劑的組合物質(zhì)，將所述物質(zhì)形成許多生態(tài)顆粒，把上述顆粒與處于相鄰顆粒之間的隔離介質(zhì)置于高壓/高溫裝置的反應(yīng)區(qū)，將反應(yīng)區(qū)的內(nèi)容物置于超硬磨粒結(jié)晶學(xué)穩(wěn)定的高溫和高壓條件下，從反應(yīng)區(qū)回收這樣燒結(jié)的材料，和除去燒結(jié)材料中的隔離介質(zhì)以制造大量多晶磨料。
2.根據(jù)權(quán)利要求1的方法，其中生態(tài)顆粒是通過造?；蝾w?；圃斓?。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或權(quán)利要求2的方法，其中生態(tài)顆粒包含為有機或無機粘合劑的第二相，這種粘合劑在將顆粒置于高溫/高壓條件下之前除去。
4.根據(jù)權(quán)利要求1或權(quán)利要求2的方法，其中生態(tài)顆粒包含參與或有助于形成多晶超硬磨料的第二相。
5.根據(jù)權(quán)利要求4的方法，其中第二相是用于超硬研磨材料的溶劑/催化劑。
6.根據(jù)前述權(quán)利要求任一項的方法，其中生態(tài)顆粒包含金剛石和金屬溶劑/催化劑。
7.根據(jù)權(quán)利要求1-5任一項的方法，其中生態(tài)顆粒包含石墨和金剛石溶劑/催化劑。
8.根據(jù)權(quán)利要求1-5任一項的方法，其中生態(tài)顆粒包含金剛石、石墨和金剛石溶劑/催化劑。
9.根據(jù)權(quán)利要求1-5任一項的方法，其中生態(tài)顆粒包含金剛石和形成碳化物的金屬。
10.根據(jù)權(quán)利要求1-5任一項的方法，其中生態(tài)顆粒包含金剛石、金剛石溶劑/催化劑和形成碳化物的金屬。
11.根據(jù)權(quán)利要求1-5任一項的方法，其中生態(tài)顆粒包含立方氮化硼和形成硼化物或氮化物的金屬。
12.根據(jù)權(quán)利要求1-5任一項的方法，其中生態(tài)顆粒包含立方氮化硼、形成硼化物或氮化物的金屬、和選自鈷、鎳、鐵和錳的金屬的組合。
13.根據(jù)權(quán)利要求1-5任一項的方法，其中生態(tài)顆粒包含立方氮化硼和氧化鋁。
14.根據(jù)權(quán)利要求1-5任一項的方法，其中生態(tài)顆粒包含金剛石和氧化鋁。
15.根據(jù)權(quán)利要求1-5任一項的方法，其中生態(tài)顆粒包含六方氮化硼和用于立方氮化硼的溶劑/催化劑。
16.根據(jù)前述權(quán)利要求任一項的方法，其中隔離介質(zhì)以涂敷在單一顆粒上的涂層的形式提供。
17.根據(jù)前述權(quán)利要求任一項的方法，其中用于生態(tài)顆粒的超硬研磨材料是金剛石或用于金剛石的前體，隔離介質(zhì)是鉬。
18.根據(jù)前述權(quán)利要求任一項的方法，其中隔離介質(zhì)選自鹽、石墨、六方氮化硼和氧化物。
19.根據(jù)權(quán)利要求1-16任一項的方法，其中在隔離介質(zhì)插入到相鄰顆粒之間前，化學(xué)性阻擋層被施加到生態(tài)顆粒上。
20.根據(jù)權(quán)利要求19的方法，其中化學(xué)性阻擋層完全涂敷顆粒。
21.根據(jù)權(quán)利要求19或權(quán)利要求20的方法，其中化學(xué)性阻擋層選自鈮、鉬、鉭、鈦或其它過渡金屬。
22.根據(jù)權(quán)利要求19-21任一項的方法，其中化學(xué)性阻擋層留在由生態(tài)顆粒制造的多晶磨料上。
23.根據(jù)前述權(quán)利要求任一項的方法，其中高溫條件是，壓力為3-9GPa，溫度為1000-2500℃。
24.根據(jù)權(quán)利要求1的方法，其基本上為如本發(fā)明參考任何一個實施例所述的方法。
全文摘要
提供了一種制造大量多晶超硬磨料的方法。該方法包括以下步驟提供大量的超硬磨?；虼罅康挠糜谶@種顆粒的前體與適當(dāng)?shù)娜軇?催化劑的組合物質(zhì)，將所述物質(zhì)形成許多生態(tài)顆粒，把上述顆粒與處于相鄰顆粒之間的隔離介質(zhì)置于高壓/高溫裝置的反應(yīng)區(qū)，將反應(yīng)區(qū)的內(nèi)容物置于超硬磨粒結(jié)晶學(xué)穩(wěn)定的高溫和高壓條件下，從反應(yīng)區(qū)回收這樣燒結(jié)的材料，和除去燒結(jié)材料中的隔離介質(zhì)以制造大量多晶磨料。超硬的研磨材料通常是金剛石或立方氮化硼。
文檔編號B22F1/02GK1471567SQ01818179
公開日2004年1月28日 申請日期2001年10月9日 優(yōu)先權(quán)日2000年10月12日
發(fā)明者R·弗雷斯, R 弗雷斯, M·納貝朗, 蠢, I·希格拉斯, 窶 申請人:六號元素(控股)公司