專利名稱：以滲透法硬焊的鉆石研磨工具的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種包含鉆石顆粒的工具，其中鉆石顆粒乃以焊料藉化學(xué)法結(jié)合在基體材料內(nèi)。此等工具的制造方法是將熔融的焊料滲透進含有鉆石顆粒的已成形基體，藉此以化學(xué)結(jié)合方法將鉆石固持于適當處。
研磨工具早已應(yīng)用于眾多應(yīng)用場合，包括切、鉆、鋸、磨、拋光以及磨光材料。由于鉆石是最堅硬的研磨材料，故其廣為用作鋸片、鉆頭或其他裝置上的超級研磨劑，利用其耐磨性來切削、形成或打磨其他硬性材料。此種工具所消耗的總價值據(jù)認為每年在50萬美元之上。此等工具的價值，大半消耗于鋸切場合，諸如切割石材、混凝土、瀝青等。
對于其他工具因缺乏硬度及耐用度而不能實際替代的應(yīng)用場合，鉆石工具尤為不可或缺。例如，在石材加工業(yè)，對石料的切割、鉆挖、以及鋸切，鉆石工具大概是唯一一類充分堅硬且耐用，而可施行此種切割等的工具，而且經(jīng)濟。若不使用鉆石工具，諸多此種行業(yè)將因經(jīng)濟性原因而束手無策。同樣，在精密磨削業(yè)中，因其卓越的耐磨性，鉆石工具是唯一可以形成所需的小公差，同時又可充分經(jīng)受實際操作中的磨損。
盡管鉆石的使用所向披靡，然此等工具苦于數(shù)種顯著的限制，由此會對工具的使用壽命設(shè)置不必要的限制。此種缺點之一，是鉆石細粒與基體支承材料的銜接不能充分強固地銜接，使切削、鉆挖、打磨體的使用壽命不能為最長。實際上，在大多數(shù)情形中，鉆石細粒僅是以機械方式埋置在基體支承材料中。結(jié)果是，在使用期間，鉆石細粒常會被撞落或拉出。再者，在工作狀態(tài)下，該等細?？赡芙邮艿氖莵碜运神Y結(jié)合的基體的不適當?shù)臋C械性支承。因此，當工具頂?shù)止ぜ?，由研磨劑等施力時，鉆石顆粒會因工具所受的沖擊而散落。
據(jù)估計，在典型的鉆石工具中，不足十分之一的細粒是在所希望的應(yīng)用中，即實際的切削、鉆挖、打磨等過程中實際消耗。其余鉆石細粒，或是因為工具使用壽命屆滿時遭拋棄而浪費，或是因為不良銜接及不適當?shù)闹С?，在使用過程中被拉出或破裂而浪費。若鉆石顆粒得以切實地定位于周圍基體內(nèi)，并與之穩(wěn)固地銜接，則此等鉆石的失落，大部份可以避免。
再者，為確保鉆石細粒受充分的機械固持而保持于適當之處，其必須深埋于基體內(nèi)，以免使用期間脫落，或受撞擊而脫離工具本體。結(jié)果是，鉆石顆粒突出工具表面乃不足。對于破碎有待切削的材料，細粒的低微突出，限制了切削高度。此等限制，進而又限制切削工具的切削速度。若鉆石細粒得以更牢固地固持于基體內(nèi)，則其可突出基體較高。對于產(chǎn)品而言，允許較大的切削深度而得以增加產(chǎn)品的切削速度，并有較長的使用壽命。再者，因工件與工具基體間摩擦較低，切削、鉆挖等所需的功率亦可減小。
為將鉆石細粒固定于基體內(nèi)，就希望基體于鉆石的周圍形成一種碳化物。如此形成的化學(xué)結(jié)合，強度遠較傳統(tǒng)的機械性銜接為高。碳化物可藉鉆石與適當?shù)奶蓟镄纬稍?，諸如過渡族金屬起反應(yīng)而形成?？尚纬商蓟锏倪^渡族金屬，例如為鈦(Ti)、釩(V)、鉻(Cr)、鋯(Zr)、鉬(Mo)、鎢(W)。
形成碳化物，需要碳化物形成元素沉積于鉆石的周圍，繼而促使二者起反應(yīng)，才能形成碳化物。再者，未反應(yīng)的碳化物形成元素亦必須藉燒結(jié)或其它手段加以固結(jié)。所有此等步驟均需在高溫下進行處理。然而，鉆石曝露于溫度1,000℃之上即會蛻化。該蛻化或是因為與基體材料起反應(yīng)，或是因為晶體內(nèi)金屬夾雜物的周圍漸生顯微裂紋之故。此等夾雜物乃是原本用來合成鉆石時所陷進的觸媒。
大多數(shù)碳化物形成元素為耐高溫金屬，使之在溫度約1,200℃之下不會固結(jié)。因此，耐高溫的碳化物形成元素不適宜作為基體支承材料的主要成份。
然而，有一些碳化物形成元素可能具有較低的燒結(jié)溫度，如錳(Mn)、鐵(Fe)、硅(Si)、以及鋁(A1)。然而，此等碳化物形成元素可能具有所不希望有的其它性能，由此阻礙彼等用作基體支承材料的主要成份。例如，在高壓下(約50Kb)，錳與鐵二者均可用作合成鉆石的觸媒。因此在低壓下燒結(jié)基體粉末期間，二者可使鉆石結(jié)晶回復(fù)成石墨?；貜?fù)轉(zhuǎn)變是鉆石在高溫下蛻化的主要原因。
另一方面，鋁具有較低的熔點660℃，因此使之易于固持鉆石顆粒。然而，當鉆石細粒正逐步切削時，可能達及鋁的熔點。因此，鋁可能變得過軟，而不能在切削操作期間支承鉆石。再者，鋁具有在與鉆石交界處形成碳化物Al4C3的趨勢。此碳化物易于水解，當曝露于冷媒時，使之可能分解。因此，對于將鉆石結(jié)合于基體內(nèi)，鋁典型的不是一種適當?shù)奶蓟镄纬稍亍?br> 為避免燒結(jié)的高溫，諸如錳之類碳化物形成元素常少量滲入，作為基體內(nèi)的次要成份，基體則不妨主要由鈷或青銅制成。于燒結(jié)過程中，會有少量(縱然有)液相形成。碳化物形成元素經(jīng)由固體媒介向鉆石的擴散非常緩慢。結(jié)果是，在鉆石表面，碳化物的形成實乃微不足道。因此，添加碳化物形成元素作為基體次要成份，對改善鉆石的銜接狀況，至多是略著邊際。
為確保鉆石的表面形成碳化物，碳化物可在與基體粉末混合之前涂覆在鉆石上。如此，碳化物形成元素盡管其在基體內(nèi)為少數(shù)成份，然可集中于鉆石的周圍而形成所需的結(jié)合。
對鉆石的涂覆，可以化學(xué)方式或物理方式予以施涂。在前一種情形中，所涂覆的金屬乃藉化學(xué)反應(yīng)而形成，且通常是在較高的溫度下進行。例如，將鉆石與諸如鈦或鉻之類碳化物形成元素相混合，并在真空下或在氣體保護層內(nèi)加熱混合物，一層薄薄的碳化物形成元素便會沉積于鉆石上。該涂層的厚度會隨溫度的增高而增加。其沉積速率亦可經(jīng)由添加一種有助于傳遞金屬的適當氣體(如HCl蒸汽)而加速。例如，Chen與Sung(美國專利第5,024,680號案)曾闡述此種涂覆方法。
另一種情況是，涂覆可在熔鹽內(nèi)進行。例如，美國專利第2,746,888號案便曾闡述一種在鉻熔鹽內(nèi)往鉆石上涂覆鈦薄層的方法。
對于涂覆鉆石，常用的化學(xué)方法為化學(xué)氣相沉積法(CVD)。于此情形中，所沉積的金屬乃藉高溫下的氣體反應(yīng)來產(chǎn)生。舉例而言，美國專利第3,520,667號案便曾闡述一種在鉆石表面沉積硅(Si)薄層的技術(shù)。此沉積法的溫度為充分的高，使硅的碳化物即刻在交界處形成。
為防止鉆石因曝需于高溫中而可能蛻化，涂覆層乃在盡可能最低的溫度下產(chǎn)生。然而，在低溫下沉積時，涂覆層常會過薄。例如，由典型的化學(xué)方法所產(chǎn)生的涂覆層約為一微米。有些商用鉆石細粒含有此種薄涂層。例如，通用電氣公司提供的鋸用細?？赡芫屯坑锈佡|(zhì)或鉻質(zhì)薄層。
然而，當薄層曝露于高溫，如燒結(jié)期間可能遭遇的高溫時，其會在環(huán)境中輕易地氧化，或者熔解于基體金屬內(nèi)。因此，盡管有言聲稱此種商用涂層產(chǎn)品具有顯著的優(yōu)點，如可使工具壽命延長1/3，然該薄層是否有能力在經(jīng)歷了制造過程后尚能幸存，令人生疑。
為維持金屬薄涂層，可施加多層涂層。舉例而言，美國專利第5,232,469與5,250,806號案描述了由鎳或另一種非碳化物形成元素所成的第二層。該第二層可藉低溫下的非電方法而沉積。對于多層，Chen與Sung(美國專利第5,024,680或5,062,865號案)描述了一種具有三層涂層的鉆石細粒。于此情形中，其最內(nèi)層由鉻制成，并外覆質(zhì)地諸如為鈦的第二金屬層。該雙層被進一步包以質(zhì)地材料諸如為錳的第三外包層。然而，此種復(fù)雜的涂層系統(tǒng)會使成本過高，而使得在生產(chǎn)諸多切削、鉆挖或打磨工具時，因成本過高而不實用。
另一種情況是，藉CVD方法，化學(xué)涂覆層可沉積得較厚。例如，Sung等(美國專利第4,943,488或5,116,568號案)闡述了一種流化床系統(tǒng)，可對鉆石涂以幾十微米的鎢。但同樣是，此種涂層價格昂貴，并且其申請案尚未得到廣泛的使用。
較之化學(xué)方法，物理方法則價格低廉。再者，其可以在甚低的溫度下往鉆石上沉積厚的金屬涂層。例如，本作者所撰“以流化床法對鋸用鉆石細粒涂覆金屬”(見「高級材料的制造及特性」，第267-273頁，1995年版，韓國材料研究學(xué)會S.W.Kim與S.J.Park編)。該涂層系統(tǒng)乃基于美國專利第4,770,907號案所述的方法(相似的理念揭示于美國專利第5,143,523號案或歐洲專利第0533443A1號案)。然而，此種方法同諸多相同的處理方法一樣，常會產(chǎn)生不同厚度的涂層。再者，僅非常細(小于5微米)的金屬粉末方可有效地涂覆在鉆石的表面。因此，盡管可使用物理方法來對鉆石細粒涂覆一種含有碳化物形成元素的合金，然裨益有限。
以機械方式對鉆石涂覆金屬粉末時，如上例所述，粉末為有機粘合劑(諸如PVA或PEG)松馳地所固持。此種涂覆層在下道工序，如混合或加壓過程中可能輕易地被擦去。盡管熱處理可增加涂覆層的機械強度，然其不能將該涂覆層固結(jié)成全密度。多孔涂覆層實缺乏支承鉆石細粒所需的機械強度，是因鉆石在切削操作期間會受反復(fù)的沖擊。
碳化物形成元素亦可摻入合金中。若該合金可在1100℃之下熔化，則其可用來硬焊鉆石，而不致大為銳化后者。焊料業(yè)內(nèi)所知者諸多。其中大多數(shù)基材是以Ib族(銅、銀以及金)為溶劑，內(nèi)含一種或多種碳化物形成元素，如金-鈦(Au-Ta)、或銀-銅-鈦(Ag-Cu-Ti)。然而，此等焊料對于商業(yè)用途而言典型的是過于昂貴。再者，彼等質(zhì)地柔軟而不適宜作為鉆石的基體支承材料成份。
有些高溫充填式金屬可用以硬焊鉆石。此種焊料硬性足，可于切削期間將鉆石固持于適當處。例如，美國專利第3,894,673號案及4,018,576號案闡述的鉆石工具，即藉對內(nèi)含鎳-鉻(Ni-Cr)作為主要成份的硬面合金進行硬焊而制成。然而，此等經(jīng)硬焊而成的鉆石工具，盡管有用，然作為經(jīng)表面處理的工具，僅含有一層鉆石，故通常用途有限。在用于切割極其耐磨的材料，諸如花崗巖時，此種工具便不能持久。再者，此等工具的焊料，除固持鉆石外，亦必須作為硬面。此雙重功能不可能始終得以折衷，因為工具表面的最佳耐磨性可能需要針對特定的應(yīng)用場合予以調(diào)整。
另一種情況是，可使用能結(jié)合鉆石的合金，來對高濃度的鉆石顆粒(即大于體積的40％)進行滲透。舉例而言，Chen與Sung(美國專利第5,030,276或5,096,465號案)便闡述了此種產(chǎn)品及其制造方法。然而，由于鉆石的高濃度，其滲透非常困難。再者，此種產(chǎn)品具有有限的應(yīng)用用途，例如成為鉆頭。彼等不能應(yīng)用于需要低濃度鉆石的應(yīng)用場用，如鋸片或磨削砂輪。
硬面合金亦可用作基體支承材料。例如，美國專利第4,378,975號案闡述了一種方法，即以甚薄的鉻層涂覆鉆石，繼而以鎳-鉻合金包覆已涂覆的細粒。所包覆的顆粒嗣后經(jīng)由燒結(jié)該合金而固結(jié)。然而，由于固結(jié)過程主要是在固相中進行，故基體與鉆石的結(jié)合可能并不充分。
對于制造鉆石工具，除燒結(jié)法外，滲透法亦是一種常用方法，特別是對于鉆頭，以及內(nèi)含大鉆石細粒(即大于美國標準篩目30/40號)的其他特殊鉆石工具而言。例如，美國專利第4,668,552號案便闡述了一種在低于850℃(最好是750℃)的溫度下，以銅合金對旋轉(zhuǎn)式鉆頭進行滲透的方法。對于此等工具，最常用的滲透物為銅基合金。此等滲透物必須流入并穿透基體粉末中的微孔。為避免鉆石在高溫下蛻化，滲透物的熔點必須低。因此，該滲透物通常含有低熔點的成份，諸如鋅(Zn)之類。除降低滲透物的熔點外，其低熔點成份亦須減少粘度，使?jié)B透物得以輕快地流動。然而，由于大多數(shù)碳化物形成元素具有使?jié)B透物熔點增高的趨勢，故彼等被摒棄于大多數(shù)滲透物之外。結(jié)果，此等滲透物就不能增強鉆石的結(jié)合力。
有些滲透物確含有有利于鉆石結(jié)合的碳化物形成元素。美國專利第5,000,273號案闡述的一種研磨工具便是以一種含有大量銅、錳及鋅成份的合金，對基體粉末進行滲透而制成。然而，誠如上文所討論，添加鋅的目的是增加滲透物的流動性，而且對于制造某些必須在相異環(huán)境下生產(chǎn)的產(chǎn)品，其可能不適用。例如，倘若滲透在真空狀態(tài)下進行，鋅即會蒸發(fā)。結(jié)果是，殘留的合金可能會變得過粘而不能完全滲透基體粉末。
因此，需要有一種改良型方法來對基體粉末進行滲透，以使鉆石與之結(jié)合。此種方法應(yīng)能夠在充分低的溫度下達成的，以免潛在性地損傷鉆石。此外，此種方法應(yīng)設(shè)計成得以增強鉆石與基體支承材料的結(jié)合力。
發(fā)明概要本發(fā)明的目的是提供一種改進型方法，以供形成內(nèi)有鉆石顆粒的工具。
本發(fā)明的另一目的是提供此種方法，其中鉆石顆粒先置于基體支承材料內(nèi)，而后以一焊料對該基體支承材料進行滲透，以使鉆石顆粒與基體支承材料相結(jié)合。
本發(fā)明的又一目的是提供一種方法，使焊接在充分低的溫度下進行，以防止鉆石顆粒熱損壞。
本發(fā)明的再一目的是提供此種方法，其中基體支承材料經(jīng)專門選擇成可提供眾多微孔，使焊料得以流入于此，從而有利于將鉆石與基體支承材料化學(xué)結(jié)合。
本發(fā)明的進一步目的是提供此種方法，其中鉆石顆粒以某種特定的排列方式置放在基體支承材料內(nèi)，藉此延長與鉆石及基體支承材料相銜接的工具的使用壽命。
本發(fā)明的以上及其他目的，可以一種作為特例示出的實施例的新穎方法予以實現(xiàn)，其中該方法即可用于形成硬焊式鉆石工具，并且可用于以該新穎方法所制成的工具。該方法包括形成一片基體支承材料，而后將數(shù)粒鉆石顆粒置于該基體支承材料內(nèi)。最好是，鉆石顆粒的數(shù)量相對基體支承材料以少于50％為宜，尤以少于40％為宜。隨后對該孕含有鉆石的薄片，以一種可浸潤鉆石的焊料進行滲透，以便與鉆石形成一種化學(xué)結(jié)合。該焊料亦與基體支承材料相結(jié)合，藉此產(chǎn)生一種化學(xué)結(jié)合，使鉆石與基體支承材料相連，而不是依據(jù)已有技術(shù)似地依靠簡單的機械性銜結(jié)。雖然本技術(shù)最適用于制造鋸片，然其應(yīng)用范圍可擴大至所有鉆石工具。
依據(jù)本發(fā)明的一個方面，該基體支承材料可由普通金屬粉末加以制成。此種金屬粉末的諸例為鈷、鎳、鐵、青銅，或者它們的合金或混合物(諸如鎢或其碳化物)。當形成基體支承材料之后，即可在真空(典型的約為10-5乇)下，或者在惰性環(huán)境(諸如氬氣(Ar)或氮氣(N2))或還原環(huán)境(諸如氫氣(H2))內(nèi)，以一種鉆石焊料，諸如鎳鉻焊料合金L.M.(Nicrobraz L.M.)(Wall Colmonoy公司制造)，對該基體支承材料進行滲透。該焊料就有利于在鉆石顆粒與基體支承材料間進行結(jié)合。
依據(jù)本發(fā)明的另一方面，該基體支承材料乃由粗大的金屬粉末(如大于400美國標準篩目，即大于34微米者)所形成。盡管傳統(tǒng)方法要求該綠色體的密度盡可能高，以使后道的燒結(jié)得以快速進行，然據(jù)本發(fā)明發(fā)現(xiàn)，最好是使用具有較低封裝密度的初級顆粒，以讓該鉆石焊料易于流動。于有些情形中，可使用不規(guī)則的基體顆粒來增加初級顆粒體的多孔性。此偏好傳統(tǒng)理念形成相對立，是因傳統(tǒng)理念要求顆粒盡可能為球形，以使封裝密度得以增加。
依據(jù)本發(fā)明的又一方面，該等鉆石顆粒乃以特定的排列方式置于基體支承材料內(nèi)，而且使孕含有鉆石的基體支承材料隨后孕含鉆石焊料，以增進鉆石材料的化學(xué)結(jié)合力。該特定的排列方式可大抵為平面，如經(jīng)由使用一模板來控制鉆石的放置狀況；或者可以大抵為垂直狀，同時使溝道形成于基體支承材料內(nèi)，藉以收納鉆石顆粒，嗣后以鉆石焊料對其進行滲透。
依據(jù)本發(fā)明的再一方面，基體支承材料可含有少量可提高某些性能的成份。例如，可添加硬質(zhì)材料，如鎢、碳化鎢、以及碳化硅，來增加耐磨性。亦可添加軟質(zhì)材料，如硫化物、銅、以及銀，作為固態(tài)潤滑劑。
支承材料可以傳統(tǒng)方法加以制備。例如，粉末可與鉆石細粒徹底混合?？商砑右环N有機粘合劑(諸如PVA或PVB)來固定該混合物?；旌衔镫S后經(jīng)冷壓而形成所需的形狀(如鋸刃)。該坯料隨后有待適當?shù)你@石焊料進行滲透。
前已討論，用于傳統(tǒng)工具的細基體粉末會阻礙鉆石焊料的滲透。再者，其會與焊料過度反應(yīng)，致使焊料的熔點提高。結(jié)果是，滲透不能完成。
或者，對混合物的處理可依循本申請人同時提出申請的專利申請案(美國專利申請系列號08/832,852)中的教示為之。例如，粉末與支承材料的揉和可經(jīng)冷軋而形成一薄片。該薄片繼后可沖成一種所需的形狀(如塊狀鋸齒)(見

圖1)。數(shù)塊如此沖出的塊部可予組合而形成坯料(見圖2、3、4)，以待滲透。誠如同時提出專利申請案中所述，藉將大抵為兩維尺寸的塊部組合成一三維體，鉆石細粒于工具內(nèi)的分布狀況即可得到切實的控制。因此，在同一工具的不同部份內(nèi)，鉆石的濃度可得以調(diào)整(見圖1A至4)。對于改善工具的研磨特性而言，此種對鉆石分布狀況的控制甚有需要。例如，鉆石鋸片的兩側(cè)常較中央磨損較快，故最好在該兩側(cè)添加較多鉆石細粒(見圖1B)。
現(xiàn)今的應(yīng)用場合要求基體支承材料提供雙重功能提供工具的機械支承，以及將鉆石細粒固持在該基體內(nèi)。兩功能時常要求相矛盾的性能。例如，作為機械支承，基體支承材料必須強度與耐磨度都高(諸如鈷，或混有碳化鎢的青銅)。然而，具有良好機械支承能力的材料往往不能有效吸附惰性的鉆石。另一方面，硬焊合金(諸如銀-銅-鈦合金)可靠地固持鉆石，但過軟就不能對工具本體提供機械支承。因此，需要使用一種復(fù)合材料來分離基體支承材料的此兩項功能。于此情形中，使該復(fù)合材料的架構(gòu)對機械支承而言為最佳，又設(shè)計充填材料來固持鉆石。
該復(fù)合材料可使用前已討論的涂層鉆石來制出。于此情形中，可先使用鉆石焊料來涂覆鉆石細粒，繼而將已涂覆的細?；旌显诨w粉末中。然而，該涂覆處理會引起額外的成本。再者，大多數(shù)鉆石焊料不能呈粉狀。縱然如此，亦非常難以將此等焊料均勻涂在鉆石細粒上。結(jié)果是，涂覆式鉆石細粒，在制造鉆石工具方面，現(xiàn)今使用得極少。
本發(fā)明制造復(fù)合型基體支承材料的方法，是將一種鉆石焊料滲透進內(nèi)含鉆石細粒的支承材料內(nèi)。該焊料含有碳化物形成元素，如鉻、錳、硅以及鋁，同時免含揮發(fā)性金屬，如鋅、鉛以及錫。
以下結(jié)合附圖進一步說明本發(fā)明的具體結(jié)構(gòu)特征及目的。
附圖簡要說明圖1A顯示一個取自超級研磨工具的塊部，該塊部由數(shù)層設(shè)置成彼此相鄰的線性縱向?qū)铀纬桑逡孕纬梢环N三維式超級研磨件；圖1B顯示圖1A中所示工具塊部的一種典型形態(tài)的剖視圖，其中有一層由基體支承材料所形成且超級研磨劑較大的層，雙夾在兩層細粒較小且研磨劑濃度較高的層內(nèi)。
圖2A顯示一個取自超級研磨工具的塊部，該塊部由數(shù)層彼此相銜接的彎曲形縱向?qū)铀纬?，藉以形成一種三維式超級研磨件；圖2B顯示一多層式基體支承材料的剖視圖，其可用于圖2A所示的該塊部。
圖3顯示另一種切割工具塊部的可能的布局，其橫向?qū)訕?gòu)建成具有較高濃度的研磨料，且該等研磨料為三維式超級研磨件的前切割端。
圖4顯示又一種塊部布局，其中三維式超級研磨件以水平層朝向工具頂面，形成研磨料密度漸高的分布形態(tài)。
圖5A至圖5D顯示一種方法，以供形成超級研磨料于層內(nèi)呈受控分布狀態(tài)的諸層。
圖6A至圖6C顯示另一種方法，以供形成超級研磨料呈受控分布形態(tài)的一層或二層。
圖7A顯示依據(jù)本發(fā)明的某一方面而形成的一種基體支承材料的側(cè)視圖，其中于該基體支承材料內(nèi)形成有數(shù)條槽；以及圖7B顯示圖7A的基體支承材料的側(cè)視圖，在此有數(shù)粒鉆石顆粒被置于槽內(nèi)，并予硬焊成與該基體支承材料相結(jié)合，藉此于基體支承材料內(nèi)形成數(shù)個研磨肋片。
圖8顯示一種與圖7A、B中所示者相似的基體支承材料的立體圖，但其中有多根針狀研磨柱。
茲參看附圖，在這些附圖中，對本發(fā)明的各種元件將給以序號，而且將對本發(fā)明進行討論，以使熟悉該項技藝的人士得以制造與使用本發(fā)明。可被理解的是，以下的說明僅是對本發(fā)明原理的舉例說明，而不應(yīng)視為限制所附的專利申請的范圍。
參看圖1A，圖中顯示一塊部的立體圖，該塊部總體標以10，其由數(shù)層14、16及18所形成。該等層14、16及18各由充填鉆石顆粒(以深色圓圈20表示)的基體支承材料形成，而且已用一種選定的焊料28進行滲透，以結(jié)合鉆石顆粒及該基本支承材料。最好是，鉆石顆粒的含量小于該基體支承材料-鉆石混合體的50％體積百分比，尤宜小于40％。使鉆石顆粒的數(shù)量保持最少，有助于使成本降至最低，同時又可使產(chǎn)品的使用壽命最優(yōu)。
最好是，該焊料含有選自鉻、錳、硅及鋁中一種，或者其合金或混合物，含量至少為3％重量百分比。此外，該鉆石焊料應(yīng)具有低于1，100℃的液相溫度，以免在硬焊過程中損傷鉆石。
誠如與本案同時提出申請的專利申請案(美國專利申請序號第80/832,852號案)中所討論，以數(shù)層薄層形成塊部10，可對鉆石顆粒20的分布狀況提供顯著增強的控制。經(jīng)控制各層內(nèi)鉆石顆粒的分布狀況，而后使各層結(jié)合，即可形成一種三維的塊部，使鉆石沿各維的分布狀況得到控制。此舉進而又使所形成的塊部尤為適用于該塊部可能使用的場合，如打磨、切割、磨削等。經(jīng)由變更塊部10內(nèi)超級研磨顆粒的分布狀況以及濃度，可對工具在實際工作條件下的性能作更精確的控制。
本發(fā)明對以上技術(shù)的進一步改進之處，乃在于以選用以化學(xué)方式結(jié)合鉆石顆粒及基體支承材料的焊料28，對基體支承材料24進行滲透。因此，圖1A所示的鉆石顆粒放置狀況是對已有技術(shù)的顯著改進，同時經(jīng)由利用焊料來形成化學(xué)結(jié)合，而非僅僅依賴于鉆石的機械結(jié)合性，亦可獲致工具使用壽命的增加。
同樣，有選擇地放置不同尺寸的鉆石，可用以形成一種切割用塊部，使之形成抵御對該塊部兩側(cè)的過早磨損，藉此延長該切割用塊部的使用壽命。尤可參看圖1B，在此，圖中顯示圖1A中切割用塊部的剖視圖。與已有技術(shù)的切割用塊部不同，本切割用塊部10分別由三層14、16及18所形成。其中中間層16具有數(shù)個為第一種尺寸(諸如40/50篩目)及第一種濃度的超級研磨顆粒。外層14及18，與之相對照，具有數(shù)個為第二種尺寸(諸如50/60篩目)及第二種濃度的超級研磨顆粒，其中該第二種尺寸小于第一種尺寸，而且該第二種濃度典型的是大于中間層16中的濃度。較小且較密集分布的超級研磨顆粒20b，可為外層14與18在切入混凝土、巖石、瀝青等時，提供較大的耐磨性。由于外層14與18較耐磨，切割用塊部10就可抵御外突表面的形成，此現(xiàn)象通常會出現(xiàn)在切割件上。藉保持較為平面狀的切割表面，切割用塊部便可保持一種筆直的切割路徑，使之可以更有效地進行切割，同時又有較長的使用壽命。
再者，以鉻、錳、硅，以及/或者鋁，或者其合金或混合物所形成的一種焊料28，對基體支承材料24進行滲透，可令使用壽命獲致額外的增加。盡管可使用的此等材料種類頗多，但據(jù)發(fā)現(xiàn)，以鉻、錳、硅或鋁，或其合金或混合物在鉆石焊料中構(gòu)成至少百分之三重量百分比(百分之五尤佳)為宜。其時，焊料28可充滿基體支承材料24的微孔，是因該材料典型的是鐵、鈷、鎳或鋁或者其合金的粉末。
使用數(shù)層內(nèi)置鉆石或某些其他超級研磨顆粒的基體，其另一優(yōu)點在于該等層易于形成為切割、鉆挖、磨削等所需的其他形狀。例如，圖2A顯示一超級研磨工具中某一塊部30的立體圖，該塊部即由數(shù)層沿縱向彎曲的層經(jīng)彼此粘連而形成，其目的是形成這樣一種三維超級研磨元件以焊料28進行滲透，藉此將鉆石固持在該元件內(nèi)。該塊部30由一一彎曲的第一、第二及第三層34、36及38所形成。當三者結(jié)合在一起時，便產(chǎn)生一塊彎曲形塊部30。當然，此種塊部可用在非直線切割的工具上，諸如圓鋸片上，或者需要非線性的超級研磨塊部的其他類型工具上。由于該等層34、36以及38在最初是彼此獨立地形成，故彼等極易順應(yīng)所需的形狀，而且可在如此為之的同時，使置于其內(nèi)的已硬焊的鉆石顆粒20固持于預(yù)定的位置。
茲參看圖2B，圖中顯示塊部30的數(shù)層34、36及38的剖視圖。當然，該鉆石顆粒的結(jié)構(gòu)形態(tài)可用于圖1A所示的塊部，或圖2A所示。與圖1B的實施例不同，在此該等層各配設(shè)相同尺寸及濃度的鉆石顆粒20。然而，由于間距大體均等，超級研磨顆粒間就不會有間距過大或間距過小的現(xiàn)象存在，而使塊部30的磨損，較顆粒隨機間隔的已有技術(shù)塊部30均勻。較均勻的磨損，可防止塊部30過早失效，從而可延長工具的壽命，同時使超級研磨材料的使用量維持最少。再者，結(jié)合鉆石顆粒及基體24的焊料28，可進一步增加各層的強度并防止鉆石顆粒失落。
圖3顯示依據(jù)本發(fā)明的內(nèi)容而制成的另一種可行的塊部50。此鉆石的層狀結(jié)構(gòu)亦可沿縱向或水平方向組合，而且焊料28可施于每一層，或者如圖3所示地施于選定的層。諸如，圖3的塊部50可由數(shù)層縱向?qū)铀纬?。其中?shù)層中的第1種層56(即圖中四層第一種層)，配設(shè)第一種濃度的鉆石20，其中這些鉆石經(jīng)硬焊而結(jié)合于基本支承材料24。數(shù)層中的第2種層58(即圖中其余9層)，則配設(shè)小于第一種濃度的第二種濃度，而且亦硬焊成結(jié)合于基本支承材料24。
諸多切割工具均是構(gòu)造成使得其切削用塊部50設(shè)有一主刀刃，以此與待切削表面接觸時進行主切削，并承受大部份沖擊力。例如，圓鋸鋸片通常具有數(shù)個鋸齒，即由切割用塊部，各齒有一主刀刃施行切削力。由于該主刀刃完成絕大部份切削量，故遠較鋸齒的齒背部份易于磨損。然而，當依據(jù)前述方法形成時，該等齒上通常設(shè)置有較為均勻的研磨材料濃度。時間一久，主刀刃即明顯磨損，但覆合有鉆石顆粒的其他部位則磨損甚少。最終是，研磨材料于主刀刃處磨損殆盡，而又大量余留在各齒的其他部位。因此，該鋸片廢棄時，即有相當數(shù)量的超級研磨材料被浪費。圖3的實施例的結(jié)構(gòu)克服了此種問題。藉在主刀刃附近放置大百分比的鉆石顆粒20，較齒背部位為多，其它各層58與58就構(gòu)建成可橫跨該切割用塊部50，提供大致均勻的磨損。此外，將鉆石顆粒20硬焊于層56與58內(nèi)，可進一步延長該工具的壽命。
圖4顯示又一種塊部的布局形態(tài)，在此，三維式超級研磨件乃由朝工具的上表面密度漸增的分布方式形成，同時為水平分層。誠如圖3的實施例一樣，其鉆石顆粒20的受控分布形態(tài)可形成一種完善的研磨塊部70，同時因減少了不必要的鉆石耗費，而降低了研磨工具70的成本。此外，硬焊可應(yīng)用于其中某些層，而對其他層省略，藉此可定制出研磨塊部70。
憑日常經(jīng)驗以及本發(fā)明方法的公開，熟悉該項技藝的人士自可以定制出的切削、鉆挖、磨削、打磨以及其他類型的研磨塊部，使之在其較長的整個使用壽命期間，使整個研磨能力(即切削、鉆挖、磨削等)為最強，同時減少用來形成該工具的超級研磨材料的數(shù)量。
茲參看圖5A至圖5D，在此顯示一種方法，依據(jù)本發(fā)明的原理來形成諸層。該方法的第一步是形成一片質(zhì)地為基體支承材料104的薄片100，以待結(jié)合超級研磨顆粒20。該質(zhì)地為基體支承材料104的薄片100，可由傳統(tǒng)的粉末，諸如鈷、鎳、鐵、銅或青銅形成。此外，由于下文將詳細討論的原由，最宜使用粗大的粉末，如直徑大于34微米。盡管使用粗大的粉末，與已有技術(shù)的內(nèi)容，即希望使用盡可能細的粉末不相一致，然藉將粗大的粉末與焊料相結(jié)合，對于固持鉆石顆粒于適當處，可獲致相當大的益處。
將基體粉末制成薄片100，途徑有多種。例如，可以首先將粉末與一種粘合劑(典型的是有機型)及一種可溶解該粘合劑的溶劑相混合。隨后對此混合物進行揉和，以形成一種具適當粘度的漿料。為防止粉末于該過程中固化，亦可添加一種適當?shù)闹陆?如魚肝油、磷酸酯)。該漿料隨后可傾倒在一塑料帶子上，并在刮刀或攤平裝置的作用下拉長。經(jīng)調(diào)整刮刀與帶子之間間隙，該漿料即可刮成一種厚度適當?shù)乃芑鍫铙w。帶上刮平法，對于制造粉末材料薄片，乃是一種眾所周知的方法，且其對于本發(fā)明的方法非常行之有效。
或者，該粉末可與一種適當?shù)恼澈蟿┘捌淙軇┫嗷旌?，以形成一可變形的餅狀體。餅狀體隨后可經(jīng)由開有一長條口的模具擠出。該口的間隙大小，決定所擠出的板狀體的厚度?；蛘撸摬牧峡稍趦芍Э烧{(diào)整間隙的軋輥之間受拉，來形成厚度適當?shù)谋∑?br> 最好是制成的片狀體可彎曲，以便后道進行處理(如彎曲在工具基底上)。因此，亦可添加一種適當?shù)挠袡C柔化劑，來提供所需的特性。
在粉末(金屬、塑料、陶瓷)處理過程中使用有機添加劑，諸多工具書中均已述及，且為熟悉該項技藝的人士所悉知。典型的粘合劑包括聚乙烯醇(PVA)、聚乙醇縮丁醛(PVB)、聚乙烯甘醇(PEG)、石臘、酚樹脂、石臘乳劑、以及壓克力樹脂。典型的粘合劑溶劑包括乙醇、丙酮、三氯化乙烯、甲苯等。典型的柔化劑為聚乙烯甘醇、二乙基草酸鹽、三乙基甘醇二氫化松香酯、甘油、孖酸辛酯。如此引進的有機添加劑，旨在利于制造金屬層。彼等須在金屬粉末固化前予以去除。該等粘合劑的去除方法(如在環(huán)境控制下爐內(nèi)加熱)，亦是熟悉該項技藝的人士所悉知的。
一俟質(zhì)地為基體支承材料104的薄片100形成，有一模板110即放置于該薄片上。模板110開有諸微孔114，孔徑大于一粒研磨顆粒，但小于兩粒磨研磨顆粒，藉此可讓單顆研磨顆粒得以置于各特定的位置。
該模板的厚度最好是介于研磨顆粒20平均高度的1/3至2/3之間。然而倘若對于安置該研磨顆粒所需的定位適當?shù)恼{(diào)節(jié)被達成，則其他厚度的模板亦可被運用。
于模板110切實定位后，隨即有一層研磨顆粒20撒布在模板上，使各微孔114收納一研磨顆粒。未落入模板微孔114內(nèi)的顆粒，經(jīng)傾斜基板、以掃帚清掃模板，或者其他方法而予除去。
如圖5B所示，隨后一大抵平坦的表面120，諸如一鋼板被放置在顆粒20上，這時后者放置在模板110的微孔114內(nèi)。該平坦表面120將研磨顆粒20至少部份壓進質(zhì)地為基體支承材料104的軟性薄片100內(nèi)，藉以埋置該等顆粒。
除去模板110后，如圖5C所示，可再度使用平坦表面120來將研磨顆粒20緊緊壓在質(zhì)地基體支承材料104的薄片100內(nèi)。盡管以平坦表面120為宜，然熟悉該項技藝的人士不難體察到，可能有時會希望某些研磨顆粒20，較其他研磨顆粒突出該質(zhì)地為基體支承材料的薄片20。在此情況下，可使用一種曲面形，或以其他方式成形的表面來埋置有些研磨顆粒20，使之較其他顆粒更深地進入質(zhì)地為基體支承材料104的薄片100。
必要時，圖5A至圖5C所示的方法，可在該質(zhì)地為基體支承材料104的薄片100的其他面上重覆施行(如圖5D所示)，以形成一種孕含層，使鉆石顆粒以所需的特定排列方式遍布該層。該過程典型的是重覆數(shù)次，以獲致多層孕含有鉆石顆粒20的薄層或薄片100。當然，各薄片100，無需具有相同的鉆石顆粒20的分布圖案，亦無需研磨顆粒的濃度于各薄片相同。
該研磨孕含薄片100，隨后以鉻、錳、硅、鋁或者它們的合金或混合物所形成的焊料進行滲透。盡管已有技術(shù)的焊料典型的是包括設(shè)計有利于硬焊材料流動性的金屬，諸如鋅、鉛以及錫，但本發(fā)明發(fā)現(xiàn)，此等材料實際上有礙硬焊處理過程。該等材料通常較易揮發(fā)，而且具有一種趨勢，即污染滲透所使用的真空或惰性氣體環(huán)境。盡管該等揮發(fā)性金屬數(shù)量非常少時，不致顯著干擾硬焊，然數(shù)量高于1至2百分比時，即會能為人所不欲。至于本文所使用的，則大抵為無揮發(fā)性金屬，即大抵不存在鋅等，此乃用以描述這樣一種情形，即使得具揮發(fā)性的金屬的數(shù)量足夠之少，不致對真空滲透過程形成任何妨礙。
重要的是，滲透溫度需保持在低于基體粉末熔點之下，以使工具本體在鉆石焊料的滲透期間可保持原形。再者，硬焊溫度亦須足夠的低，不致鉆石蛻化。除控制硬焊溫度外，硬焊溫度亦應(yīng)保持短暫，使焊料不致與鉆石以及基體粉末過度反應(yīng)。于前一種情形中，鉆石亦會蛻化。于后一種情形中，與基體粉末的合金化會使鉆石焊料的溶點升高。結(jié)果，鉆石焊料會逐漸固結(jié)，并最終停止流動。
亦可以對用于滲透的環(huán)境加以控制，以提供優(yōu)異的性能。例如，若硬焊材料含有一種強烈的氧化物或氮化物形成元素，諸如鈦，則在焊料的滲透期間必須保持高度真空(最大為10-6乇)。另一方面，若硬焊材料含有一種不甚敏感的形成元素，諸如鉻與錳，則低度的真空(最小為10-5)或氫氣環(huán)境即可適用于滲透。
滲透之后，所產(chǎn)出的塊部(諸如，鋸片用塊部)可進行表面修整(如藉磨削)，以精加工出尺寸。隨后其可鑲裝(諸如藉硬焊)在工具本體(諸如圓鋸片)上而制成一成品。
前已討論，本發(fā)明乃使用鉆石焊料作為滲透劑來滲透鉆石工具的基體粉末。大多數(shù)鉆石焊料可輕易地潤浸主要成份為鈷、鎳、鐵、銅或青銅的普通基體粉末，使?jié)B透得以順利地進行。
燒結(jié)處理會因固結(jié)而消除基體粉末所成的微孔，與之相對照，滲透法則可讓鉆石焊料得以充填這些微孔。燒結(jié)乃藉原子主要沿表面的擴散而獲致。為利于密結(jié)處理，基體粉末必須具有大的表面積。因此，燒結(jié)中最好是使用細粉末。細粉末可讓燒結(jié)得以在低溫下進行。
對于制造鉆石工具(如鋸用塊部)，最廣為使用的基體粉末為鈷粉。對于制造傳統(tǒng)型鉆石工具，鈷粉的標準尺寸為小于2微米。近十年來，鉆石工具制造商已要求越來越細的基體粉末。因此，供應(yīng)商(如Eurotungsten公司)轉(zhuǎn)而制造超細(一微米)，乃至超超細(小于微米)的粉末。因有此種趨勢，燒結(jié)溫度就持續(xù)下降。較低的燒結(jié)溫度，不僅可減少鉆石的蛻化，其亦可減小制造成本。例如，使加熱用的耗電量下降。再者，石墨質(zhì)模具的氧化耗損亦可降至最小。
然而，本發(fā)明使用一種鉆石焊料來充填基體粉末的微孔。因此，與傳統(tǒng)的燒結(jié)處理相反，乃以粗大的粉末，也就是大于400美國標準篩目，即34微米為宜。再者，盡管傳統(tǒng)方法要求密度盡可能的高，以使燒結(jié)過程可快速進行，本發(fā)明則偏向于使用具較低封裝密度的初級粒子，以讓鉆石焊料易于流動。實際上，有時可使用形狀不規(guī)則的基體顆粒，來故意增加初級粒子體的多孔性。此項偏愛再度與傳統(tǒng)理念，即要求顆粒盡可能為球形以使裝填密度得以增加者形成鮮明對照。
前已討論，用于傳統(tǒng)工具的細基體粉末會阻礙鉆石焊料的滲透。再者，其可能與焊料過度反應(yīng)，使焊料的熔化溫度提高。結(jié)果是，滲透不能完成。
使用粗大的基體粉末尚具有其他優(yōu)點。例如，粗大的粉末可與不同成份較好地混合。因此，鉆石細?？稍诨w中分布得更均勻。再者，粗大的粉末具有較小的表面積，因而，對于滲透的摩擦力較小。因此，其在模具內(nèi)可較容易地流動。當然，粗大的基體粉末亦大為低廉，故生產(chǎn)成本得以減小。
重要的是須指出，本發(fā)明僅利用基體作為脈絡(luò)來將鉆石細粒固持于適當之處。因此，基體可以不必由粉末制成。例如，基體本體可由一片具開口的鋼片所制成，其中的開口容置PCD體的鉆石細粒，諸如下文針對圖7A與圖7B所討論的。
本發(fā)明最關(guān)鍵的部份，乃在于如何選擇鉆石焊料。鉆石焊料雖有多種，但滿足下列條件者方可應(yīng)用。首先，焊料的滲透溫度不得高至使鉆石顯著蛻化。其溫度極限大體約為1100℃。該滲透溫度可高于焊料的液相線50℃。粗大的基體粉末以及較短的滲透路線，需要一種超過焊料熔點較少的溫度。
鉆石焊料必須潤浸鉆石并且與該鉆石化學(xué)結(jié)合。上文已討論，可固溶于適當?shù)娜軇┖辖饍?nèi)的碳化物形成元素，可滿足此項條件。然而，該碳化物形成元素的活性，必須在鉆石與氧體或其他氣體，如氮氣或氫之間加以權(quán)衡。難以兩全的是，強烈的碳化物形成元素，諸如可與鉆石良好結(jié)合的鈦或鋯，亦是嗜氣性元素。彼等在與鉆石形成碳化物之前，即在大氣環(huán)境中與有害氣體快速起反應(yīng)。
大多數(shù)鉆石工具常是在空氣或一種惰性氣體內(nèi)于石墨模具中進行制造。該環(huán)境中的少量氧氣或水份會氧化碳化物形成元素，使后者不能與鉆石結(jié)合。既便硬焊是在真空內(nèi)或氫氣環(huán)境內(nèi)進行，此情形依然，除非真空度保持在低于10-6乇之下，或露點保持在-60℃之下。此種苛刻的真空度或露點條件，常會增加不必要的制造成本。
另一方面，若活潑性較低，如鈷或鎳，則該金屬可在石墨模具內(nèi)進行處理而不致氧化。不過，其亦不能與鉆石結(jié)合。因此，對于碳化物形成元素，有必要在其與鉆石的結(jié)合能力和其被氧化趨勢之間進行折衷。
依據(jù)本發(fā)明，今已發(fā)現(xiàn)對于鉆石焊料而言，較佳的碳化物形成元素乃是鉻、錳、硅、鋁，以及它們的合金。此種碳化物形成元素的最佳總含量為至少百分之三，且尤佳的是至少百分之五重量百分比。此等焊料的諸列為Wall Clomonoy公司(美國)所制造的NICROBRAZLM(鎳-鉻-硼-硅-鐵)，熔化區(qū)間為970-1000℃，以及由Degussa(德國)所制造的21/80(銅-錳-鎳)，熔化區(qū)間為970-990℃。其他可用的焊料包括接近共晶成份的銅-錳合金(約含25％重量百分比的銅)，熔點約880℃；接近共晶成份的鎳-硅合金(約含50％重量百分比的硅)，熔點約970℃；接近共晶成份的銅-硅合金(約含30％重量百分比的硅)，熔點約810℃；接近共晶成份的鋁-硅合金(約含15％重量百分比的硅)，熔點約600℃。
以上各例滲透性鉆石焊料，涵蓋了一系列機械性能及滲透溫度(例如約高于液相線50℃)。它們的合金亦可用來進一步調(diào)整滲透溫度及機械性能。具體選擇鉆石焊料需取決于所希望的應(yīng)用場合。一般而言，要求較高的應(yīng)用場合，如鋸切花崗石、混凝土瀝青，需要強度較高，可以承受較高硬焊溫度的鉆石細粒。
薄片100可以首先經(jīng)組合而形成工具塊部的初坯，而后以鉆石焊料進行滲透，即可以為焊料所滲透，而且后者經(jīng)組合而形成工具塊部，或者適宜時可形成整個工具體。盡管圖5A至圖5D所述的方法可較好地用于諸多應(yīng)用場合，但亦有例外，其時可能希望研磨顆粒20外突于基體支承材料質(zhì)的薄片100。例如，有些工具可能僅具有一層研磨層。此舉只需在進行圖5A至圖5B所示的步驟時，讓模板110留在適當處即可達成，并且一俟模板除去，不必進一步將顆粒20壓進基體支承材料內(nèi)。
針對此情形，圖6A至圖6C顯示一種側(cè)視圖，作為圖5A至5D中所討論方法的替代形式。在圖6A至圖6C中，質(zhì)地為基體支承材料的薄片130被形成厚度小于鉆石或超級研磨顆粒20的截面。當該等顆粒被壓進薄片130時，薄片的厚度會迫使該等顆粒20突出基體支承材料134。片體134隨后以前述的方式，用鉆石焊料進行滲透。
盡管業(yè)已針對以圖案形式分布的鉆石顆粒，對鉆石焊料28的使用狀況加以討論，然其可等同地應(yīng)用于以隨機方式在基體支承材料內(nèi)分布的鉆石顆粒。一俟鉆石已置于基體支承材料內(nèi)，含有鉻、錳、鋁或硅，并且質(zhì)地為大體非揮發(fā)性金屬的鉆石焊料，即被融化并傾倒在基體支承材料上。該液態(tài)焊料對基體支承材料進行滲透，而使鉆石顆粒與基體支承材料結(jié)合。
除可與傳統(tǒng)式基體支承材料，諸如金屬粉末相偕使用外，鉆石焊料亦有利于新穎支承材料，如圖7A至圖7B所示的使用。尤參看圖7A，圖中顯示某一鋸用塊部的基體支承材料200，其中該塊部總體標以20?；w支承材料200包括有數(shù)個以特定間距開設(shè)的槽214。
為形成一種加工較精細的切削用塊部，基體支承材料200被置于一個由耐火材料(諸如石墨或金屬)所制成的模具內(nèi)。鉆石顆粒(圖7B)倒入槽214內(nèi)，至填滿該等敞開的槽。鉆石焊料加至此等槽的頂部。經(jīng)滲透后，焊料將充填此等槽，并且與鉆石顆粒20以及基體支承材料200相結(jié)合，以形成一種完整的鋸用塊部。于此幾何形態(tài)中，鉆石顆粒乃形成鋸用塊部(圖7B)的刃口，而非傳統(tǒng)工具中一般遍布基體。熟悉該項技藝的人士將體察到，此種結(jié)構(gòu)形態(tài)依已有技術(shù)幾乎不可能，因為其基體支承材料200被要求以機械方式將鉆石固持于適當之處。相較之，使用鉆石焊料可使鉆石顆粒柱得以定位于槽、孔等內(nèi)，因為該焊料既結(jié)合鉆石又結(jié)合支承材料，使鉆石得以固持于適當處(如圖8中所示)。盡管圖7A至圖7B所示的實施例形成鉆石“肋片”，然亦可形成針狀鉆石柱。再者，可形成槽、孔等，以形成此種粒柱，其不論為直線狀者或沿任何所需方向彎曲。因此，憑藉日常經(jīng)驗，熟悉該項技藝的人士可演化出切、鉆、打磨等塊部，予定制成適用特定的使用場合。所使用的鉆石顆?？蔀殂@石細粒，或者具有熱穩(wěn)定性的復(fù)晶式鉆石(PCD)。滲透不僅可凝結(jié)基體粉末，而且亦可牢固地結(jié)合鉆石，形成一體型鉆石工具。
例一將40/50篩目的鉆石細粒(De Beers公司所制造的SDA-85)，與顆粒度大于美國標準200網(wǎng)目的鐵粉及一種有機粘合劑相混合，以形成一種鉆石濃度為20(總體積的5％)的混合物。將該混合物在鋼模內(nèi)冷壓，以形成鋸片鋸齒用的塊狀。將該初坯置于石墨模具內(nèi)，并在其上撒以NicrobrazLM粉末。令該模具在真空下加熱至約1,050℃，維持20分鐘。其時已滲透的焊料已與鉆石及基體支承粉末結(jié)合在一起，而形成一塊狀鋸齒。制出二十四塊此種塊狀鋸齒，并將其修整至所需的公差。將此等塊狀鋸齒硬焊在一14英寸圓的鋼質(zhì)圓鋸片上。該鋸片就可以較傳統(tǒng)型鉆石鋸片為快的切割速度，切割花崗石。此外，較之傳統(tǒng)型鉆石鋸片，經(jīng)此法制成的鋸片具有較長的使用壽命。
本發(fā)明的切削工具，其勝過已有技術(shù)切削工具的一項明顯優(yōu)點乃在于該工具可予使用的方式。鉆石鋸片，典型的是制成圓鋸片的形式，其在每一轉(zhuǎn)中藉相同的方向旋轉(zhuǎn)而切割工件。此單方向的運動導(dǎo)致一種“尾留”現(xiàn)象，即沿旋轉(zhuǎn)方向論，位于鉆石顆粒前方的基體材料遭磨損，而位于鉆石顆粒背后的基體材料則受鉆石顆粒的保護。因此，位于鉆石背后的基體材料繼續(xù)將鉆石顆粒固持于原位。若鋸子反轉(zhuǎn)，則鉆石顆粒會容易地自基體上遭沖落。
然而，圓鋸僅能切割工件至一定深度，即小于鋸子直徑的一半。欲切割較厚的工件，典型的是使用弓鋸。由于此等鋸?fù)鶑?fù)地運動，故鉆石顆粒必須固持于各齒面。結(jié)果是，鉆石基體的尾留不能得以維持來將鉆石顆粒固持于原位。為此原因，作往復(fù)式鉆石鋸條尚未用來鋸切諸如花崗石之類硬性石材。而是僅被用來切割諸如大理石之類軟性石材。
本發(fā)明可讓鉆石得以藉硬焊而以化學(xué)方式受固持。因此，基體尾留部無需支承鉆石。結(jié)果是，依據(jù)本發(fā)明所制造的工具可用于往復(fù)式鋸子上來切割硬質(zhì)材料。此項突破可拓展鉆石的應(yīng)用范圍，打開因已有技術(shù)的局限性而使先前所不能的市場。
因此，本發(fā)明揭示一種用于制造鉆石鋸片的改進型方法。以上說明及舉例說明僅意在例示本發(fā)明的某些潛在的使用場合。熟悉該項技藝的人士不難理解，本發(fā)明可適用于范圍廣大的實用性場合以及應(yīng)用場合。在不偏離本發(fā)明范圍實質(zhì)的前提下，本發(fā)明的諸多實施例以及衍生例子，其不同于本文所述的，以及諸多修改形式、改變形式及等效構(gòu)造，將因本發(fā)明而明了，或受其啟發(fā)。因此，盡管本發(fā)明業(yè)已在此針對其較佳的實施例加以詳細說明，但應(yīng)理解，此一揭示僅在于例示及舉例說明本發(fā)明，其目的僅在于對本發(fā)明提供完整及有效的揭示。前文揭示內(nèi)容并非用來限制本發(fā)明，或者排除其他任何的此種實施形式、改編形式、衍生形式、變更形式以及等效構(gòu)造，本發(fā)明僅為所附的專利申請范圍及其等效形式所限定。
權(quán)利要求
1.一種以滲透法硬焊的鉆石研磨工具，它包括一基體支承材料，該基體支承材料構(gòu)造成用來固持用作研磨料的鉆石，多粒鉆石顆粒，置于該基體支承材料，以及一種合金，滲透至該基體支承材料與該等鉆石顆粒之間，使該等鉆石及該基體支承材料相結(jié)合，該合金含有占2至50％比例的鉻、錳、硅或鋁，但不含鋅的金屬合金。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的研磨工具，其特征在于其中該基體支承材料含有占大于50％重量百分比的鈷、鎳、鐵、銅、青銅，或其混合物或合金。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的研磨工具，其特征在于其中該基體支承材料較之鉆石顆粒占有較多的體積。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的研磨工具，其特征在于其中該等鉆石顆粒小于該基體支承材料與鉆石顆粒組合體體積的40％。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的研磨工具，其特征在于其中該基體支承材料由大于400美國標準篩目的粉末所形成。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的研磨工具，其特征在于鉆石顆粒以預(yù)定圖案設(shè)置在基體支承材料中。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的研磨工具，其特征在于基體支承材料由多片孕含有鉆石的片體所構(gòu)成。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的研磨工具，其特征在于其中該孕含有鉆石的薄片是以金屬粉末與鉆石顆粒的混合物經(jīng)由滾壓、軋輥，或帶上刮平法制成。
9.根據(jù)權(quán)利要求7所述的研磨工具，其特征在于其中該孕含有鉆石的薄片是以機械性整平方式將鉆石顆粒壓入金屬薄片中所形成。
10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的研磨工具，其特征在于其中該薄片是由一金屬塊滾壓或以特別調(diào)制的金屬粉末制成。
11.根據(jù)權(quán)利要求7所述的研磨工具，其特征在于其中在該等孕含有鉆石的薄片中，至少有一片已以合金加以滲透。
12.根據(jù)權(quán)利要求1所述的研磨工具，其特征在于其中該合金基本上不含有鋅、鉛及錫。
13.根據(jù)權(quán)利要求1所述的研磨工具，其特征在于其中該合金含有占至少3％重量百分比的鉻、錳、硅或鋁，或其混合物，或者合金。
14.根據(jù)權(quán)利要求1所述的研磨工具，其特征在于該合金可包括NICROBRAZLM、銅-錳合金、銅-硅合金或鋁-硅合金。
15.根據(jù)權(quán)利要求1所述的研磨工具，其特征在于其中該合金具有低于1，100℃的液相線溫度。
16.根據(jù)權(quán)利要求1所述的研磨工具，其特征在于其中該基體支承材料上形成有數(shù)條槽，并且該等鉆石顆粒置于該等槽內(nèi)。
17.根據(jù)權(quán)利要求16所述的研磨工具，其特征在于其中該等槽內(nèi)充填一種合金，使置于槽內(nèi)的鉆石與基體支承材料相結(jié)合。
18.根據(jù)權(quán)利要求1所述的研磨工具，其特征在于其中該等鉆石顆粒在該基體支承材料內(nèi)延伸成柱狀，而且該等鉆石顆粒由該合金固定在基體材料中。
19.根據(jù)權(quán)利要求18所述的研磨工具，其特征在于其中該柱狀大抵為直線形。
20.根據(jù)權(quán)利要求18所述的研磨工具，其特征在于其中該柱狀為彎曲形。
21.根據(jù)權(quán)利要求1所述的研磨工具，其特征在于其中該工具為一圓鋸片。
22.根據(jù)權(quán)利要求1所述的研磨工具，其特征在于其中該工具為一直條狀鋸條。
23.一種用于形成孕含有鉆石顆料的工具的方法，其包括(a)形成一種基體支承材料，來固持用作研磨料的鉆石，(b)將鉆石顆粒排布于該基體支承材料內(nèi)，以及(c)以一種合金滲透至該基體支承材料中，其中的合金含2-50％的鉻、錳、硅或鋁，但基本上不含鋅。
24.根據(jù)權(quán)利要求23所述的方法，其特征在于其中基體支承材料以大于400美國標準篩目的粉末形成。
25.根據(jù)權(quán)利要求23所述的方法，其特征在于其中基體支承材料以形狀不規(guī)則的顆粒形成。
26.根據(jù)權(quán)利要求23所述的方法，其特征在于方法包括將鉆石顆粒以預(yù)定圖案排布于基體支承材料中。
27.根據(jù)權(quán)利要求23所述的方法，其特征在于其中該方法尤其包括以一種基本不含鋅、鉛及錫等干擾性金屬的合金，來滲透該基體支承材料。
28.根據(jù)權(quán)利要求23所述的方法，其特征在于其中該方法尤其包括在該基體支承材料上形成數(shù)條槽，以及將鉆石顆粒排布于該等槽內(nèi)。
29.根據(jù)權(quán)利要求23所述的方法，其特征在于其中該方法尚包括以合金滲透進該等槽中，使鉆石顆料結(jié)合于該基體支承材料內(nèi)。
30.根據(jù)權(quán)利要求23所述的方法，其特征在于其中該方法尚包括在滲透期間，真空度不低于10-3乇。
31.根據(jù)權(quán)利要求23所述的方法，其特征在于其中滲透用的合金含有至少5％重量百分比的碳化物形成元素，包括鉻、錳、鋁或硅，或其混合物，或合金。
32.根據(jù)權(quán)利要求23所述的方法，其特征在于其中該合金可選自Nicrobraz LM、含銅與錳的合金，含有銅與硅的合金，含有鋁與硅的合金，以及含有鎳與硅的合金。
33.根據(jù)權(quán)利要求1所述的研磨工具，其特征在于其中該工具為一種線鋸。
34.根據(jù)權(quán)利要求33所述的研磨工具，其特征在于其中該工具為一種鉆石線鋸。
35.根據(jù)權(quán)利要求34所述的研磨工具，其特征在于其中該工具為一種鉆石線鋸，其于一鋼絲上突有多點突點。
全文摘要
本發(fā)明闡述一種具有鉆石的工具,并且其中的鉆石以一種內(nèi)含鉻、錳、硅或鋁,或者其混合物或合金之一的焊料予以化學(xué)結(jié)合。該鉆石工具的制造方法是,將焊料滲透進內(nèi)含細粒形式或多晶體形式的鉆石的基體金屬內(nèi)。
文檔編號B24D3/00GK1261301SQ98803985
公開日2000年7月26日 申請日期1998年3月26日 優(yōu)先權(quán)日1997年4月4日
發(fā)明者宋健民 申請人:宋健民