具有曲折表面形貌之覆層的磨料顆粒的制作方法
【專利說明】具有曲折表面形貌之覆層的磨料顆粒
[0001]本申請是2004年5月10日遞交的PCT國際申請PCT/US2004/014628于2005年11月9日進(jìn)入中國國家階段的中國專利申請?zhí)枮?00480012541.0、發(fā)明名稱為“具有曲折表面形貌之覆層的磨料顆?！钡陌l(fā)明專利申請的分案申請。
[0002]相關(guān)應(yīng)用的交叉引用:本申請要求2003年5月8日遞交的美國臨時(shí)申請60/469，285的優(yōu)先權(quán)，在此全部引入作為參考。
技術(shù)領(lǐng)域
[0003]本發(fā)明涉及新型的具有曲折表面形貌的涂敷磨料顆粒，生產(chǎn)這種涂敷磨料顆粒的方法，以及包括這種涂敷磨料顆粒的產(chǎn)品。
【背景技術(shù)】
[0004]磨料和超硬材料，即超級磨料，例如天然和人工金剛石和立方氮化硼，顯示出可用于機(jī)加工金屬和非金屬材料的杰出能力。這些材料被頻繁地應(yīng)用在鋸片和磨削工具(grinding tools)中作為切削、磨削、拋光各種硬的和磨蝕性(abrasive)的材料的刀口。當(dāng)磨料或超級磨料顆粒加強(qiáng)的金屬或陶瓷復(fù)合材料或基于聚合物的復(fù)合材料被用來進(jìn)行一項(xiàng)工作，例如切削或磨削或拋光高度磨蝕性的工件時(shí)，在復(fù)合材料中的顆粒由于其較高的楊氏模量而承受所施加力的大部分。沿著顆粒和基質(zhì)之間的界面累積的剪切力和張應(yīng)力可能是非常顯著的。由于弱的界面結(jié)合(bonding)，超級磨料顆粒經(jīng)常從基質(zhì)中脫落。由于大多數(shù)的磨料/超級磨料具有相對光滑的表面并且對于大多數(shù)的化學(xué)物質(zhì)呈現(xiàn)惰性，在顆粒和基質(zhì)之間很少有機(jī)械或化學(xué)的結(jié)合。
[0005]部分使用的磨料顆粒(砂粒(grit))的過早總脫落(gross put-out)是在樹脂、玻璃質(zhì)或金屬結(jié)合劑(bond)中的磨削輪磨損的主要因素。金剛石顆粒在基質(zhì)(例如金屬、陶瓷、和聚合物)中的保持力是不足的。作為一個(gè)實(shí)例，金剛石鋸片在一次切削應(yīng)用期間可能損失基質(zhì)中高達(dá)40%的磨料顆粒。
[0006]用于提高磨料和超級磨料對樹脂，玻璃質(zhì)，或金屬結(jié)合劑的附著力的途徑可以采用對磨料顆粒具有反應(yīng)性的結(jié)合劑組合物，使得在工具制造過程中，該結(jié)合劑組合物附著于磨料顆粒的表面。例如，美國專利號5，190，796和5，232，469 (兩者都并入作為參考)教導(dǎo)了通過向金剛石顆粒提供/涂敷多個(gè)金屬層來改進(jìn)金剛石在研磨工具中的保持力的方法，所述的金屬例如為鉬、鈦、鈮、鉻、鋯、銅和鎳。作為另一個(gè)實(shí)例，美國專利申請序列號09/901, 159 (在此并入作為參考)公開了在金屬涂敷超級磨料顆粒和樹脂結(jié)合劑基質(zhì)的混合物中并入硅烷偶聯(lián)劑來增強(qiáng)覆層和樹脂基質(zhì)之間的結(jié)合。
[0007]另一種增加或提高基質(zhì)中砂粒的保持力的途徑中，金剛石顆粒的表面被改性。例如，美國專利號3，650，714 (在此并入作為參考)提議在涂敷用銅或鎳涂敷金剛石期間加入陶瓷晶須，并且還通過在真空下加熱海綿鐵和黃銅的混合物涂敷的金剛石來獲得粗糙性。作為另一個(gè)實(shí)例，美國專利號4，435，189 (在此并入作為參考)公開了具有受控的、粗糙紋理表面的金屬涂敷磨料，用來提高樹脂類材料的附著力。這種受控的、粗糙紋理表面是這樣來制備的，即通過間斷無電鍍涂敷過程來鈍化金剛石表面，然后每次用催化劑來再活化該鈍化表面以控制“更粗糙的”砂的金屬沉積率。
[0008]仍然需要一種改進(jìn)方法，來提高涂敷磨料/超級磨料顆粒和基質(zhì)之間的結(jié)合強(qiáng)度以及磨料/超級磨料晶體和其金屬覆層之間的結(jié)合強(qiáng)度。已經(jīng)找到了一種新穎的并且具有創(chuàng)造性的途徑，這種途徑通過界面設(shè)計(jì)提高了基質(zhì)中涂敷磨料顆粒的保持力。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0009]本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施方案涉及具有抗磨性覆層(coating)的涂敷磨料顆粒，所述的覆層包括選自由鎳，鈷，鐵，鉻，鎢，鉬，碳化物，磷，鈦，鋅，鈀，硼化物，氮化物，氧化物，金屬間化合物，和其混合物組成的組中的一種或多種材料。在一個(gè)實(shí)施方案中，涂敷磨料顆粒可以具有一個(gè)或多個(gè)附加覆層，所述附加覆層包括金屬，金屬合金，或其他合適的覆層材料。任選地，所述的涂敷磨料顆粒具有外層表面形貌，其特征在于每個(gè)磨料顆粒具有大約5個(gè)長釘(spike)以及約1.1的曲折度(tortuosity)T。本發(fā)明的另一個(gè)實(shí)施方案是包括在基質(zhì)中的多個(gè)涂敷磨料顆粒的復(fù)合材料。
[0010]本發(fā)明的另一個(gè)實(shí)施方案還涉及在復(fù)合材料基質(zhì)中改進(jìn)顆粒保持力的方法，所述的復(fù)合材料基質(zhì)包括用于在磨削、切削或拋光領(lǐng)域中改進(jìn)的性能的涂敷磨料顆粒。所述的方法包括提供具有覆層的研磨顆粒，所述的覆層包括選自由鎳，鈷，鐵，鉻，鎢，鉬，碳化物，磷，鈦，鋅，鈀，硼化物，氮化物，氧化物，金屬間化合物，和其混合物組成的組中的一種或多種材料。所述的涂敷磨料顆粒可以被一個(gè)或多個(gè)覆層所涂敷。任選地，所述的涂敷的磨料顆粒具有外層表面形貌，其特征在于每個(gè)磨料顆粒具有至少5個(gè)尖峰(peak)以及至少1.1的曲折度T。這種涂敷的顆?？梢员环稚⒃诨|(zhì)材料中。
[0011]所述的涂敷超級磨料顆粒的實(shí)施方案可以被用于機(jī)加工應(yīng)用中，例如被用于鋸片，拋光工具，磨削工具，以及切削工具中，并且，它們還可以被用于涂敷應(yīng)用中。本發(fā)明所述的涂敷磨料和超級磨料顆粒的實(shí)施方案還可以用于這些應(yīng)用中，例如一些復(fù)合材料和一些制品中，其中顆粒和基質(zhì)材料之間增加的結(jié)合強(qiáng)度是有益的。
[0012]本發(fā)明的另一個(gè)實(shí)施方案涉及用三個(gè)金屬層來涂敷超級磨料/磨料顆粒的方法。在這個(gè)實(shí)施方案中，所述的顆粒被用至少三種不同的覆層來涂敷:外層，擴(kuò)散層和化學(xué)形成層。施加于所述顆粒的第一層是化學(xué)形成層，其中，在所述的顆粒和所述的化學(xué)形成層之間形成了化學(xué)鍵。第二層是擴(kuò)散層，在所述的化學(xué)層和所述的外層之間形成結(jié)合的一個(gè)中間層。外層被施加于所述的擴(kuò)散層，所述的擴(kuò)散層隨后將所述的涂敷顆粒結(jié)合到所述的基質(zhì)。
【附圖說明】
[0013]為了更完整地理解本發(fā)明的特征和優(yōu)點(diǎn)，應(yīng)當(dāng)參考下面的詳細(xì)說明和附圖，附圖中:
[0014]圖1是說明本發(fā)明實(shí)施方案的涂敷顆粒表面曲折形貌的示意圖。
[0015]圖2是顯示本發(fā)明實(shí)施方案的涂敷顆粒覆層設(shè)計(jì)的示意圖。
【具體實(shí)施方式】
[0016]在描述本發(fā)明的組合物和方法之前，應(yīng)當(dāng)理解，本發(fā)明不局限于所描述的特定過程、組合物、或方法，因?yàn)檫@些可以變化。同樣可以理解，在描述中所使用的術(shù)語僅僅是出于描述特定的形式或?qū)嵤┓桨傅哪康?，不是要限制本發(fā)明的范圍，而本發(fā)明的范圍將僅僅由所附的權(quán)利要求書來限定。
[0017]必須注意，正如在本文和所附的權(quán)利要求書中所使用的那樣，單數(shù)形式的“a，”，“an”以及“the”包括復(fù)數(shù)引用，除非上下文另有明確規(guī)定。因此，例如，提及“顆?！?a “particle”)是指一個(gè)或更多的顆粒及其本領(lǐng)域技術(shù)人員所知的等同物，等等。除非另有定義，本文所使用的所用技術(shù)和科學(xué)術(shù)語具有與本領(lǐng)域普通技術(shù)人員的一般理解相同的含義。雖然任何與本文描述的內(nèi)容類似或等同的方法和材料可以被用于本發(fā)明的實(shí)施方案的實(shí)施和試驗(yàn)中，但是，現(xiàn)在描述的是優(yōu)選的方法、設(shè)備和材料。所有提及的出版物在此被結(jié)合進(jìn)入本文作為參考。由于發(fā)明在先，本文沒有內(nèi)容可以被解釋為承認(rèn)本發(fā)明不具有比這樣的公開更早的發(fā)明日期。
[0018]盡管本發(fā)明將參考切削和磨削工具來進(jìn)行描述，但是，本文所描述的涂敷顆?？梢葬槍Ω鞣N不同的復(fù)合材料和制品來被使用。
[0019]本發(fā)明的實(shí)施方法涉及具有在覆層的外表面上具有曲折形貌的涂覆磨料顆粒。本申請人驚奇地發(fā)現(xiàn)，提供具有曲折表面的涂敷顆粒改變了相對于沿著所述涂敷磨料顆粒和基質(zhì)的界面的整體剪應(yīng)力(global shear stress)方向的界面取向。其結(jié)果