專利名稱：磨料金剛石復合材料及其制造方法
背景技術：
本發(fā)明涉及一種磨料復合材料。更具體地，本發(fā)明涉及由涂敷的金剛石顆粒和一種基質(zhì)材料構成的磨料組合物以及制造這種磨料復合材料的方法。仍然更具體地，本發(fā)明涉及由涂敷的金剛石顆粒和一種基質(zhì)材料構成的磨料復合材料，其中，所述基質(zhì)材料用強化材料滲透。甚至更具體地，本發(fā)明涉及用于這種磨料復合材料的具有耐化學性涂層的金剛石顆粒。
傳統(tǒng)的金剛石鋸條段通過首先混合金剛石晶體與一種金屬粉末，一般為鈷，然后熱壓該混合物獲得希望的形式來制造。由于成本問題，由其它金屬代替基質(zhì)中的鈷存在相當大的興趣。
金剛石對基質(zhì)的良好附著以及金剛石在其中的保持是必要的，以生產(chǎn)具有足夠使用壽命的切削工具。如果金剛石晶體對基質(zhì)的附著不是足夠強，所述金剛石晶體在使用過程中過早地脫離基質(zhì)。因此，希望的是改善金剛石-基質(zhì)結合的耐久性和獲得金剛石晶體在基質(zhì)中的較好的保持。一種改善這些性質(zhì)的可能手段是用熔化的銅焊合金滲透金剛石-金屬基質(zhì)。
一些金屬，例如鐵或鎳與金剛石反應。因此這些材料在基質(zhì)中和在液體-滲透的金屬結合劑中的使用可以使得金剛石晶體暴露到極端腐蝕性的條件。在這樣的條件下化學腐蝕可能產(chǎn)生金剛石表面的點蝕，因此降低金剛石的機械強度和耐磨性。
具有各種各樣外層涂層的金剛石在本領域技術中是已知的并且可以購得。大多數(shù)現(xiàn)有技術涂層意欲改善附著力。這些涂層具有一定程度的耐化學腐蝕性，但是小于約1μm。由于這種涂層的有限厚度，仍然可以生金剛石的顯著腐蝕。當耐熱層涂敷到鋸級金剛石中時，它們不與金屬基的液體-滲透結合的金剛石復合材料一道使用。另外，現(xiàn)有技術未能解決基本無另外堅硬組分的金屬基基質(zhì)。
具有液體-滲透的金屬粘合劑的金剛石復合材料與含有傳統(tǒng)熱壓粘合劑的類似材料相比更致密并且更耐久。然而，現(xiàn)有技術中的液體-滲透的復合材料，具有有限的用途，因為由于液體滲透劑的腐蝕，金剛石經(jīng)歷顯著的退化。因此，所必須的是其中金剛石能夠抵抗基質(zhì)材料或滲透材料腐蝕的金剛石復合材料。而且，所需要的是能提供金剛石在基質(zhì)中優(yōu)異的保持性的金剛石復合材料。進一步所必須的是制造這種金剛石復合材料的方法。最后，所必須的是抵抗基質(zhì)或滲透材料腐蝕的用于磨料金剛石復合材料的涂敷的金剛石顆粒。
發(fā)明簡述本發(fā)明通過提供由基質(zhì)材料和含有耐腐蝕涂層的金剛石組成的磨料復合材料滿足這些需求和其它需求。另外，本發(fā)明的耐磨復合材料可以包括銅焊材料，它作為一種液體滲透到基質(zhì)中，由此形成比含有傳統(tǒng)熱壓粘合劑的類似材料更致密和更耐久的復合材料。制造這些復合材料以及制造用于磨料復合材料并具有耐腐蝕涂層的金剛石顆粒的方法也在本發(fā)明的范圍內(nèi)。
因此，本發(fā)明的一個方面是提供磨料金剛石復合材料。磨料金剛石復合材料包含許多涂敷的金剛石顆粒和基質(zhì)材料，所述涂敷的金剛石顆粒的每一個包含具有一個外表面和分布在外表面上的一個保護涂層的金剛石，并且所述基質(zhì)材料分布在每一個涂敷的金剛石顆粒上并且相互連接涂敷的金剛石顆粒。所述基質(zhì)材料包括金屬碳化物和金屬的至少一種，所述保護涂層保護金剛石免受基質(zhì)材料的化學腐蝕。
本發(fā)明的第二方面是提供用于形成磨料金剛石復合材料的涂敷的金剛石顆粒，磨料金剛石復合材料包括基質(zhì)材料和許多涂敷的金剛石顆粒。涂敷的金剛石顆粒包含具有外表面和分布在外表面上的保護涂層的金剛石。保護涂層包含耐火材料并保護金剛石顆粒免于受到基質(zhì)材料的化學腐蝕。
本發(fā)明的第三方面是提供一種磨料金剛石復合材料。該磨料金剛石復合材料包含許多涂敷的金剛石顆?；|(zhì)材料以及銅焊材料，每個涂敷的金剛石顆粒包含具有外表面的金剛石和分布在該外表面上的保護涂層，該保護涂層包含分子式為MCxYy的耐火材料，其中，M是金屬，C是具有第一化學計量系數(shù)x的碳，N是具有第二化學計量系數(shù)y的氮，其中0≤x，y≤2；基質(zhì)材料包含金屬碳化物和金屬的至少一種，基質(zhì)材料分布在每個涂敷的金剛石顆粒上并且相互連接涂敷的金剛石顆粒且形成含有許多孔隙和開口氣孔的骨架結構，保護涂層保護金剛石免受基質(zhì)材料的腐蝕性化學侵蝕；銅焊材料通過基質(zhì)材料滲透并占據(jù)孔隙和開口氣孔。
本發(fā)明的第四個方面是提供磨料金剛石復合材料，其包含許多涂敷的金剛石顆粒，每個涂敷的金剛石顆粒包含具有外表面的金剛石和分布在外表面上的保護涂層，保護涂層包含分子式為MCxYy的耐火材料，其中，M是金屬，C是具有第一化學計量系數(shù)x的碳，N是具有第二化學計量系數(shù)y的氮，其中0≤x，y≤2；和通過基質(zhì)材料滲透并占據(jù)涂敷的金剛石顆粒之間的間隙的銅焊，從而使涂敷的金剛石顆粒相互結合。
本發(fā)明的第五個方面是提供一種制造用于研磨工具的磨料金剛石復合材料的方法。該方法包括以下步驟提供許多金剛石；對每個金剛石外表面上施加保護涂層，從而形成許多涂敷的金剛石顆粒；使基質(zhì)材料與所述許多金剛石顆粒組合形成預成型體；加熱預成型體到預定溫度，從而形成磨料金剛石復合材料。
最后，本發(fā)明的第六個方面是提供一種制備液體滲透的磨料金剛石復合材料，用在研磨工具中。該方法包括以下步驟提供許多金剛石；對每個金剛石外表面上施加保護涂層，從而形成許多涂敷的金剛石顆粒；使基質(zhì)材料與所述許多金剛石顆粒組合形成預成型體，其中基質(zhì)材料形成含有許多孔隙和開口氣孔的骨架結構；使銅焊合金與預成型體接觸；加熱銅焊合金和預成型體到高于銅焊合金熔化溫度的預定溫度，從而產(chǎn)生熔化的銅焊合金；使熔化的銅焊滲透通過基質(zhì)材料并用熔化的銅焊合金占據(jù)大多數(shù)孔隙和開口氣孔，從而形成液體滲透的磨料金剛石復合材料。
液體滲透的磨料金剛石復合材料可以用作鋸片部分、冠狀鉆頭或其它研磨工具。
由以下的詳細描述、附圖和所附權利要求，本發(fā)明的這些和其它方面、優(yōu)點和顯著的特征將變得更清楚。


圖1是根據(jù)本發(fā)明的具有保護涂層的金剛石顆粒的示意截面圖；圖2是根據(jù)本發(fā)明的涂敷金剛石顆粒和基質(zhì)預成形體的截面示意圖；
圖3是滲透前的預成形體和滲透的銅焊的截面示意圖；圖4是本發(fā)明的液體滲透的磨料金剛石復合材料；圖5是在與羰基鐵粉末混合并在氫氣中在850℃自由燒結1小時后回收的未涂敷金剛石的光學照片；圖6是在與鐵粉末混合并在氫氣中在850℃自由燒結1小時后回收的具有約1.3μm厚的WC涂層的金剛石的光學照片；圖7是在與鐵粉末混合并在氫氣中在850℃自由燒結1小時后回收的具有約5μm厚的SiC涂層的金剛石的光學照片。
圖8是在與鐵粉末混合并用60Cu-40Ag在1100℃滲透5分鐘后的未涂敷金剛石的掃描電子顯微鏡(SEM)照片；圖9是在與鐵粉末混合并用60Cu-40Ag在1100℃滲透5分鐘后，具有約9μm厚的WC涂層的金剛石的SEM照片；圖10是在與鎢粉末混合并用53Cu-24Mn-15Ni-8Co在1100℃滲透10分鐘后的未涂敷金剛石的SEM照片；圖11是在與鎢粉末混合并用53Cu-24Mn-15Ni-8Co在1100℃滲透10分鐘后的具有約9μm厚的WC涂層的金剛石的SEM照片；和圖12是在與鐵粉末混合并用60Cu-40Ag在1100℃滲透5分鐘后的具有約5μm厚的SiC涂層的金剛石的SEM照片；和圖13是在與鐵粉末混合并用60Cu-40Ag在1100℃滲透5分鐘后的具有約5℃厚的TiN涂層的金剛石的SEM照片。
發(fā)明詳述在以下描述中，在附圖中所示的若干圖中，相同的附圖標記表示相同或相應的部件。還應當理解，諸如“頂部”、“底部”、“向外”、“向內(nèi)”等是方便的詞并且不能認為是限制性的術語。
一般參見附圖，應當理解，這些說明是為了描述本發(fā)明的一個實施方案并且不應當認為本發(fā)明限于此。
圖1是根據(jù)本發(fā)明的涂敷的金剛石顆粒10的示意截面圖。涂敷的金剛石顆粒包括金剛石12和沉積在金剛石12上的保護涂層14。涂覆的金剛石顆粒10具有主尺度11，其表示涂覆的金剛石顆粒10的最大截面。保護涂層14具有組成MCxNy，其中，M表示選自鋁、硅、鈧、鈦、釩、鉻、釔、鋯、鈮、鉬、鉿、鉭、鎢、錸、稀土金屬的至少一種金屬及其組合。碳和氮的化學計量系數(shù)分別是x和y，其中，0≤x，y≤2。
保護涂層14必須足夠厚，以足夠地防護金剛石12免受腐蝕性化學侵蝕。薄涂層將迅速地腐蝕掉或者使得過量的腐蝕性基質(zhì)材料擴散通過阻擋層并侵蝕金剛石。另一方面，太厚的保護涂層14往往層離或開裂，部分是因為金剛石12和保護涂層14各自的熱膨脹系數(shù)和硬度之間失配。本發(fā)明中的保護涂層14的厚度為約1-約50微米，希望的是約1-約20微米。為了獲得在腐蝕性侵蝕保護和涂層整體性之間的最好平衡，具有約3-約15微米厚度的保護涂層是優(yōu)選的。
涂敷的金剛石顆粒10的主尺度11為約50-約2000微米。為了用于大多數(shù)切割工具和鋸用途中，希望的是涂敷的金剛石顆粒10具有約150-約2000微米的平均直徑，最優(yōu)選的是約180-約1600微米。保護涂層14可以通過許多技術沉積，包括但不限于化學氣相沉積、化學遷移反應或者通過金屬沉積后進行所沉積金屬層的碳化或氮化。在后一種情況下，所沉積金屬層的碳化和氮化可以相互同時、交替或依次進行。
涂敷的金剛石顆粒10然后與基質(zhì)材料22混合，形成復合混合物20，其示意表示在圖2中。涂敷的金剛石顆粒10與基質(zhì)材料混合，獲得涂敷金剛石顆粒10在復合混合物20中的均勻分布；即涂敷的金剛石顆粒均勻分布在復合混合物20中?；|(zhì)材料22接觸涂敷的金剛石顆粒10，使涂敷的金剛石顆粒相互連接，并且同時在復合混合物20內(nèi)產(chǎn)生具有孔隙和開口氣孔24的骨架狀結構。
為了提供具有足夠切割強度的切割工具，涂敷的金剛石顆粒10必須包含足夠體積分數(shù)的復合混合物20。此外，足夠數(shù)量的金剛石必須暴露在工具的切割表面上。低于閾值極限的復合混合物20內(nèi)涂敷金剛石顆粒的體積分數(shù)導致太低數(shù)量的涂敷金剛石顆粒10暴露在工具的切割表面上。這導致切割工具效用降低超過有用的點。相反，如果復合混合物20中涂敷金剛石顆粒的體積分數(shù)太高，則由于復合混合物20中存在的基質(zhì)材料22的相應低含量，涂敷金剛石顆粒10在復合材料20中的保持力降低。具有高于上限的涂敷金剛石顆粒10的體積分數(shù)的切割工具將不會保持涂敷的金剛石顆粒10，并因此失效。在本發(fā)明中，涂敷的金剛石顆粒10占復合混合物20的約1-約50體積％，優(yōu)選為約5-約20體積％。
基質(zhì)材料22是一種粉末狀材料，并且可以包含鐵、鈷、鎳、錳、鋼、鉬、鎢、金屬碳化物、其混合物及其合金?；|(zhì)材料22優(yōu)選包含至少5重量％的鐵和錳的至少之一。為了提供堆積密度、分散質(zhì)量和化學純度的最佳組合，基質(zhì)材料22的顆粒尺寸為約1-約50微米?；|(zhì)材料22占形成磨料金剛石復合材料的復合材料混合物20的約5-約99重量％。為了改善基質(zhì)的耐用性和耐磨性以及磨料金剛石復合材料的總成本，基質(zhì)材料22優(yōu)選包含至少約5重量％的鐵和錳的至少一種。
通過把復合混合物20放在模具30中產(chǎn)生預成形體，如圖3所示。在本發(fā)明的一個實施方案中，使用石墨模具。其它合適的材料也可以用來構造模具30。然后通過熱壓所述預成形體可以形成包含涂敷金剛石顆粒10和基質(zhì)材料22的磨料金剛石復合材料。一般來說，使用約1000psi-約20,000psi的壓力和約600℃-約1100℃的溫度，把預成形體熱壓成完全致密的復合材料形狀。優(yōu)選使用約4000psi-約6000pi的壓力和約750℃-約900℃的溫度把預成形體轉變成完全致密的磨料金剛石復合材料。
磨料金剛石復合材料可以通過用熔融金屬滲透由基質(zhì)材料22形成的骨架結構進一步增強?？梢酝ㄟ^在滲透前壓制如上所述的預成形體或者通過使用基質(zhì)材料22和涂敷的金剛石10的松散堆積復合混合物20進行液體滲透。通過把滲透劑金屬40放在預成形體頂部形成液體滲透的復合材料。滲透劑金屬40通常是銅焊合金，其包含選自銅、銀、鋅、鎳、鈷、錳、錫、鎘、銦、磷、金或鈀的至少一種金屬，優(yōu)選包含至少5重量％的選自鈷、鎳、錳和鐵的至少一種金屬。包含混合物22和滲透劑金屬40的模具30然后放在爐子中并加熱到熔化銅焊合金的足夠高的溫度。該溫度優(yōu)選為約800℃-約1200℃。該模具優(yōu)選在該溫度保溫1-20分鐘。熔化的銅焊合金通過毛細管作用滲入涂敷的金剛石和基質(zhì)預成形體，充填在骨架結構中的任何孔隙和開口氣孔，從而形成圖4中所示的致密體60。銅焊材料40占液體滲透的磨料金剛石復合材料60的約5-約99重量％。在模具組件從爐子中取出并冷卻后，把液體滲透的磨料金剛石復合材料部件60從模具30中取出。
液體滲透的充滿金剛石的部件可用作鋸刃部分、冠狀鉆頭或其它研磨工具。
實施例1把0.3g市售的未涂敷高級鋸用金剛石晶體與6g工業(yè)級?；F粉末混合，并放在氧化鋁舟中。然后把該舟放在爐子中并在氫氣氛中加熱到850℃，加熱1小時的時間。從爐子中取出并冷卻后，通過依次在王水即1∶1 HF/HNO3中和9∶1 H2SO4/HNO3中煮沸，從一部分自由燒結的部分中回收金剛石。
然后用光學顯微鏡評價回收的金剛石來估計化學侵蝕程度。所回收的未涂敷金剛石表示在圖5中。從照片中可以看出，觀察到鐵基質(zhì)中顯著腐蝕程度的未涂敷金剛石。
通過測量基質(zhì)中金剛石頂部的表觀硬度對基質(zhì)本身的硬度的差值，估計金剛石對基質(zhì)的相對結合性和保持力。使用傳統(tǒng)的金剛石砂輪把磨料金剛石/基質(zhì)復合材料表面研磨到約20μm平面度的表面光潔度。該研磨過程使金剛石晶體斷裂從新暴露的表面突出，所述晶體否則會在暴露的金剛石頂部或者在無金剛石的基質(zhì)材料上，用鈍頭的120°金剛石壓頭和60kg的負載產(chǎn)生壓痕。然后由壓痕的直徑評價Rochwell C硬度。如果與金剛石的結合性差，則在壓痕尖端下的結合金剛石或多個金剛石將作為壓入基質(zhì)中的尖端，增大總的壓痕深度并減小相對于基質(zhì)本身的表觀硬度。如果與金剛石的結合性良好，則來自壓頭尖端的負載被傳遞到基質(zhì)，表觀硬度與基質(zhì)本身的硬度類似，甚至略高于基質(zhì)本身的硬度。
未涂敷的金剛石在自由燒結的鐵復合材料部件中的保持力通過根據(jù)以上所述方法進行的差示硬度試驗評價。在通過研磨部件表面暴露的四個未涂敷的金剛石頂部上評價表觀硬度。然后把表觀硬度與鐵基質(zhì)的硬度進行比較，鐵基質(zhì)的硬度也在四點測量。由壓痕法估算的Rockwell C硬度值的平均值和標準偏差列在表1中。在未涂敷金剛石下面的基質(zhì)的表現(xiàn)硬度比基質(zhì)本身的硬度低5點，表示在金剛石切割工具正常觀察的結合中的保持程度。
實施例2用碳化鎢(WC)涂敷市售高級鋸用金剛石晶體。WC涂層厚度約為1.3μm。0.3g涂敷金剛石然后與6g工業(yè)級羰基鐵粉末混合并放在鋁舟中。然后把該舟放在爐子中并在氫氣氛中加熱到850℃，加熱1小時的時間。從爐子中取出并冷卻后，通過依次在王水即1∶1 HF/HNO3中和9∶1 H2SO4/HNO3中煮沸，從一部分自由燒結的部件中回收金剛石。
然后用光學顯微鏡評價回收的金剛石來估計化學侵蝕程度。所回收的涂敷金剛石表示在圖6中。與未涂敷的金剛石(圖5)的外觀相比，觀察到?jīng)]有WC涂敷的金剛石被鐵基質(zhì)侵蝕，表明由于在金剛石上存在WC涂層提高了金剛石抗腐蝕性化學侵蝕的性能。
涂敷WC的金剛石在自由燒結的鐵復合材料部件中的保持力通過根據(jù)以上所述的方法進行的差示硬度試驗評價。在基質(zhì)和上述涂敷WC的金剛石上由壓痕法估算的Rockwell C硬度值的平均值和標準偏差列在表1中。在涂敷WC的金剛石下面的基質(zhì)的表觀硬度比基質(zhì)本身的硬度高5點，表明相對于未涂敷的金剛石，涂敷WC的金剛石在Fe基質(zhì)中的保持力改善。
實施例3用碳化硅(SiC)涂敷市售高級鋸用金剛石晶體。SiC涂層厚度約為5μm。0.3g涂敷金剛石然后與6g工業(yè)級羰基鐵粉末混合并放在鋁舟中。然后把該舟放在爐子中并在氫氣氛中加熱到850℃，加熱1小時的時間。從爐子中取出并冷卻后，通過依次在王水即1∶1 HF/HNO3中和9∶1 H2SO4/HNO3中煮沸，從一部分自由燒結的部件中回收金剛石。
然后用光學顯微鏡評價回收的金剛石來估計化學侵蝕程度。所回收的涂敷金剛石表示在圖7中。與未涂敷的金剛石(圖5)的外觀相比，觀察到?jīng)]有SiC涂敷的金剛石被鐵基質(zhì)侵蝕，表明由于在金剛石上存在SiC涂層提高了金剛石抗腐蝕性化學侵蝕的性能。
涂敷SiC的金剛石在自由燒結的鐵復合材料部件中的保持力通過根據(jù)以上所述的方法進行的差示硬度試驗評價。在基質(zhì)和上述涂敷SiC的金剛石上由壓痕法估算的Rockwell C硬度值的平均值和標準偏差列在表1中。在涂敷SiC的金剛石下面的基質(zhì)的表觀硬度比基質(zhì)本身的硬度高5點，表明相對于未涂敷的金剛石，涂敷SiC的金剛石在Fe基質(zhì)中的保持力改善。
表1.未涂敷和涂敷的金剛石在自由燒結鐵粘合劑中的性能總結

實施例4用碳化鎢(WC)涂敷市售高級鋸用金剛石晶體。WC涂層厚度約為9μm。涂敷的金剛石然后與1.21g工業(yè)級鐵粉末混合并放在石墨模具中。類似地，未涂敷的金剛石與1.21g工業(yè)級鐵粉末混合并放在第二個石墨模具中。每個預成形體然后用1.30g的60Cu-40Ag(Handy-Harman#24-866)銅焊材料覆蓋，然后把該模具組件插入管式爐中，在氬氣氛下在1100℃保溫5分鐘。在從爐子中取出模具組件并使其冷卻后，通過依次在王水即1∶1 HF/HNO3中和9∶1 H2SO4/HNO3中煮沸，從液體滲透的部件中回收金剛石。
然后用掃描電子顯微鏡(SEM)考查回收的金剛石來估計化學侵蝕程度。所回收的未涂敷和涂敷的金剛石分別表示在圖8和9中。從照片中可以看出，相對于未涂敷的金剛石，對于涂敷金剛石觀察到腐蝕程度減小，表明由于在金剛石上存在WC涂層，提高了金剛石對腐蝕性化學侵蝕的抵抗性。
實施例5用碳化鎢(WC)涂敷市售高級鋸用金剛石晶體。WC涂層厚度約為9μm。涂敷的金剛石然后與2.98g工業(yè)級鐵粉末混合并放在石墨模具中。類似地，未涂敷的金剛石與2.98g工業(yè)級鐵粉末混合并放在第二個石墨模具中。每個預成形體然后用1.48g的53Cu-24Mn-15Ni-8Co(Handy-Harman #24-866)銅焊材料覆蓋，然后把該模具組件插入管式爐中，在氬氣氛下在1100℃保溫10分鐘。在從爐子中取出模具組件并使其冷卻后，通過依次在王水即1∶1 HF/HNO3中和9∶1 H2SO4/HNO3中煮沸，從液體滲透的部件中回收金剛石。
然后用掃描電子顯微鏡(SEM)考查回收的金剛石來估計化學侵蝕程度。所回收的未涂敷和涂敷的金剛石分別表示在圖10和11中。從照片中可以看出，相對于未涂敷的金剛石，對于涂敷金剛石觀察到腐蝕程度大大減小，表明由于在金剛石上存在WC涂層，提高了金剛石對腐蝕性化學侵蝕的抵抗性。
實施例6用碳化硅(SiC)涂敷市售高級鋸用金剛石晶體。SiC涂層厚度約為5μm。涂敷的金剛石然后與1.22g工業(yè)級鐵粉末混合并放在石墨模具中。預成形體然后用1.32g的60Cu-40Ag(Handy-Harman #24-866)銅焊材料覆蓋，然后把該模具組件插入管式爐中，在氬氣氛下在1100℃保溫5分鐘。在從爐子中取出模具組件并使其冷卻后，通過依次在王水即1∶1 HF/HNO3中和9∶1 H2SO4/HNO3中煮沸，從液體滲透的部件中回收金剛石。
然后用掃描電子顯微鏡考查回收的金剛石來估計化學侵蝕程度。所回收的SiC涂敷的金剛石表示在圖12中。所回收的未涂敷金剛石具有基本與圖8所示的未涂敷金剛石相同的外觀。從SEM照片中可以看出，相對于未涂敷的金剛石所觀察的腐蝕程度(圖8)，涂敷金剛石的腐蝕程度(圖13)大大減小，表明由于在金剛石上存在SiC涂層，提高了金剛石對腐蝕性化學侵蝕的抵抗性。
實施例7用氮化鈦(TiN)涂敷市售高級鋸用金剛石晶體。TiC涂層厚度約為5μm。涂敷的金剛石然后與1.23g工業(yè)級鐵粉末混合并放在石墨模具中。每個預成形體然后用1.32g的60Cu-40Ag(Handy-Harman #24-866)銅焊材料覆蓋，然后把該模具組件插入管式爐中，在氬氣氛下在1100℃保溫5分鐘。在從爐子中取出模具組件并使其冷卻后，通過依次在王水即1∶1 HF/HNO3中和9∶1 H2SO4/HNO3中煮沸，從液體滲透的部件中回收金剛石。
然后用掃描電子顯微鏡考查回收的金剛石來估計化學侵蝕程度。所回收的TiN涂敷的金剛石表示在圖13中。所回收的未涂敷金剛石具有基本與圖8所示的未涂敷金剛石相同的外觀。從SEM照片中可以看出，相對于未涂敷的金剛石所觀察的腐蝕程度(圖8)，涂敷金剛石的腐蝕程度(圖11)明顯減小，表明由于在金剛石上存在TiN涂層，提高了金剛石對腐蝕性化學侵蝕的抵抗性。
雖然本文描述了各種實施方案，但是由說明書應該理解，本領域技術人員可以進行其中的元素的各種組合、變化和改進，并且仍然在本發(fā)明的范圍內(nèi)。例如，本發(fā)明預期在沒有基質(zhì)材料的條件下形成液體滲透的磨料金剛石復合材料。在該實施方案中，磨料金剛石復合材料包含許多涂敷的金剛石顆粒，每個金剛石顆粒具有由分子式MCxNy的耐火材料形成的保護涂層和銅焊料，銅焊料滲透并填充在涂敷的金剛石顆粒之間的間隙。使用候選的成型方法如熱等靜壓、自由燒結、熱精壓和銅焊來形成磨料金剛石復合材料也在本發(fā)明范圍內(nèi)。
權利要求
1.一種磨料金剛石復合材料(60)，所述磨料金剛石復合材料包含a)許多涂敷的金剛石顆粒(10)，每個所述涂敷的金剛石顆粒包含具有外表面的金剛石(12)和分布在所述外表面上的保護涂層(14)；和b)分布在每個所述涂敷的金剛石顆粒(10)上并且互連所述涂敷的金剛石顆粒(10)的基質(zhì)材料(22)，所述基質(zhì)材料(22)包含金屬碳化物和金屬的至少一種，所述保護涂層(14)保護所述金剛石(12)免受所述基質(zhì)材料(22)的腐蝕性化學侵蝕。
2.權利要求1的磨料金剛石復合材料(60)，其中，所述基質(zhì)材料(22)形成含有許多孔隙和開口氣孔(24)的骨架結構，并且其中所述磨料金剛石復合材料還包含通過所述基質(zhì)材料(22)滲透并占據(jù)所述骨架結構中的所述孔隙和開口氣孔(24)的銅焊料(40)。
3.權利要求2的磨料金剛石復合材料(60)，其中所述銅焊料(60)包含至少一種選自銅、銀、鋅、鎳、鈷、錳、錫、鎘、銦、磷、金和鈀的材料。
4.權利要求3的磨料金剛石復合材料(60)，其中所述銅焊料占所述磨料金剛石復合材料(60)的約5重量％-約99重量％。
5.權利要求3的磨料金剛石復合材料(60)，其中所述銅焊料還包含至少5重量％的選自鈷、鎳、錳和鐵的至少一種金屬。
6.權利要求1的磨料金剛石復合材料(60)，其中所述基質(zhì)材料(22)選自鐵、鈷、鎳、錳、鋼、鉬、鎢、金屬碳化物、其混合物及其合金。
7.權利要求6的磨料金剛石復合材料(60)，其中所述基質(zhì)材料(22)包括至少5重量％的選自鐵和錳的至少一種金屬。
8.權利要求6的磨料金剛石復合材料(60)，其中所述基質(zhì)材料(22)占所述磨料金剛石復合材料(60)的約5重量％-約99重量％。
9.權利要求1的磨料金剛石復合材料(60)，其中所述許多涂敷的金剛石顆粒(10)占所述磨料金剛石復合材料(60)的約1體積％-約50體積％。
10.權利要求9的磨料金剛石復合材料(60)，其中所述許多涂敷的金剛石顆粒(10)占所述磨料金剛石復合材料(60)的約5體積％-約20體積％。
11.權利要求1的磨料金剛石復合材料(60)，其中每個所述涂敷的金剛石顆粒(12)具有約50-約2000微米的主尺度(11)。
12.權利要求11的磨料金剛石復合材料(60)，其中所述主尺度(11)為約150微米-約2000微米。
13.權利要求12的磨料金剛石復合材料(60)，其中所述主尺度(11)為約180微米-約1600微米。
14.一種用于形成磨料金剛石復合材料(60)的涂敷的金剛石顆粒(10)，所述磨料碳復合材料(60)包含基質(zhì)材料(22)和許多涂敷的金剛石顆粒(10)，所述涂敷的金剛石顆粒(10)包含a)具有外表面的金剛石(12)；和b)分布在所述外表面上的保護涂層(14)，所述保護涂層(14)包含具有分子式MCxNy的耐火材料，其中M是金屬，C是具有第一化學計量系數(shù)x的碳，N是具有第二化學計量系數(shù)y的氮，其中，0≤x，y≤2，且其中所述保護涂層保護所述金剛石(10)免受所述基質(zhì)材料(22)的腐蝕性化學侵蝕。
15.權利要求14的涂敷的金剛石顆粒(10)，其中，所述涂敷的金剛石顆粒(10)具有約50微米-約2000微米的主尺度(11)。
16.權利要求15的涂敷的金剛石顆粒(10)，其中，所述主尺度(11)為約150微米-約2000微米。
17.權利要求16的涂敷的金剛石顆粒(10)，其中，所述主尺度(11)為約180微米-約1600微米。
18.權利要求14的涂敷的金剛石顆粒(10)，其中所述金屬M選自鋁、硅、鈧、鈦、釩、鉻、釔、鋯、鈮、鉬、鉿、鉭、鎢、錸、稀土金屬及其組合。
19.權利要求14的涂敷的金剛石顆粒(10)，其中所述保護涂層的厚度為約1微米-約50微米。
20.權利要求19的涂敷的金剛石顆粒(10)，其中所述厚度為約1微米-約20微米。
21.權利要求20的涂敷的金剛石顆粒(10)，其中所述厚度為約3微米-約15微米。
22.一種磨料金剛石復合材料(60)，所述磨料金剛石復合材料(60)包含a)許多涂敷的金剛石顆粒(10)，每個所述涂敷的金剛石顆粒(10)具有外表面(10)的金剛石(12)和分布在所述外表面上的保護涂層(14)，所述保護涂層由分子式為MCxNy的耐火材料形成，其中M是金屬，C是具有第一化學計量系數(shù)x的碳，N是具有第二化學計量系數(shù)y的氮，其中，0≤x，y≤2；和b)分布在每個所述涂敷的金剛石顆粒(10)上的基質(zhì)材料(22)，所述基質(zhì)材料(22)互連所述涂敷的金剛石顆粒(10)并形成含有許多孔隙和開口氣孔(24)的骨架結構，所述基質(zhì)材料(22)包含金屬碳化物和金屬的至少一種，所述保護涂層保護所述金剛石(10)免受所述基質(zhì)材料(22)的腐蝕性化學侵蝕；和c)通過所述基質(zhì)材料(22)滲透并占據(jù)所述孔隙和開口氣孔(24)的銅焊料(40)。
23.權利要求22的磨料金剛石復合材料(60)，其中，所述銅焊料包含選自銅、銀、鋅、鎳、鈷、錳、錫、鎘、銦、磷、金和鈀的至少一種材料。
24.權利要求23的磨料金剛石復合材料(60)，其中，所述銅焊料(40)進一步包含至少5重量％的選自鈷、鋅、錳和鐵的至少一種金屬。
25.權利要求22的磨料金剛石復合材料(60)，其中，所述銅焊料占所述磨料金剛石復合材料(60)的約5重量％-約99重量％。
26.權利要求22的磨料金剛石復合材料(60)，其中，所述基質(zhì)材料(22)選自鐵、鈷、鎳、錳、鋼、鉬、鎢、金屬碳化物、其混合物及其合金。
27.權利要求26的磨料金剛石復合材料(60)，其中，所述基質(zhì)材料(22)包括至少5重量％的選自鐵和錳的至少一種金屬。
28.權利要求26的磨料金剛石復合材料(60)，其中，所述基質(zhì)材料(22)占所述磨料金剛石復合材料的約5重量％-約99重量％。
29.權利要求22的磨料金剛石復合材料(60)，其中，所述許多涂敷的金剛石顆粒(10)占所述磨料金剛石復合材料(60)的約1體積％-約50體積％。
30.權利要求29的磨料金剛石復合材料(60)，其中，所述許多涂敷的金剛石顆粒(10)占所述磨料金剛石復合材料(60)的約5體積％-約20體積％。
31.權利要求22的磨料金剛石復合材料(60)，其中，每個所述涂敷的金剛石顆粒(10)具有約50微米-約2000微米的主尺度(11)。
32.權利要求31的磨料金剛石復合材料(60)，其中，所述主尺度(11)為約150微米-約2000微米。
33.權利要求32的磨料金剛石復合材料(60)，其中，所述主尺度(11)為約180微米-約1600微米。
34.權利要求22的磨料金剛石復合材料(60)，其中，所述金屬M選自鋁、硅、鈧、鈦、釩、鉻、釔、鋯、鈮、鉬、鉿、鉭、鎢、錸、稀土金屬及其組合。
35.權利要求22的磨料金剛石復合材料(60)，其中，所述保護涂層(14)的厚度為約1微米-約50微米。
36.權利要求35的磨料金剛石復合材料(60)，其中，所述厚度為約1微米-約20微米。
37.權利要求36的磨料金剛石復合材料(60)，其中，所述厚度為約3微米-約15微米。
38.一種磨料金剛石復合材料(60)，所述磨料金剛石復合材料(60)包含a)許多涂敷的金剛石顆粒(10)，每個所述涂敷的金剛石顆粒(10)包含具有外表面的金剛石(12)和分布在所述外表面上的保護涂層(14)，所述保護涂層由分子式為MCxNy的耐火材料形成，其中M是金屬，C是具有第一化學計量系數(shù)x的碳，N是具有第二化學計量系數(shù)y的氮，其中，0≤x，y≤2；和b)滲透并充填所述涂敷的金剛石顆粒(10)之間的間隙并互連所述涂敷的金剛石顆粒(10)的銅焊料(40)，其中所述保護涂層(14)保護所述金剛石(12)免受所述銅焊料(40)材料的腐蝕性化學侵蝕。
39.權利要求38的磨料金剛石復合材料(60)，其中，所述銅焊料包含至少一種選自銅、銀、鋅、鎳、鈷、錳、錫、鎘、銦、磷、金和鈀的材料。
40.權利要求39的磨料金剛石復合材料(60)，其中，所述銅焊料(40)進一步包含至少5重量％的選自鈷、鋅、錳和鐵的至少一種金屬。
41.權利要求38的磨料金剛石復合材料(60)，其中，所述銅焊料占所述磨料金剛石復合材料(60)的約5重量％-約99重量％。
42.一種磨料金剛石復合材料(60)，所述磨料金剛石復合材料(60)包含a)許多涂敷的金剛石顆粒(10)，每個所述涂敷的金剛石顆粒(10)包含具有外表面的金剛石(12)和分布在所述外表面上的保護涂層(14)，所述保護涂層(14)由分子式為MCxNy的耐火材料形成，其中M是金屬，C是具有第一化學計量系數(shù)x的碳，N是具有第二化學計量系數(shù)y的氮，其中，0≤x，y≤2；和b)分布在每個所述涂敷的金剛石顆粒上的基質(zhì)材料(22)，所述基質(zhì)材料(22)互連所述涂敷的金剛石顆粒并形成含有許多孔隙和開口氣孔(24)的骨架結構，所述基質(zhì)材料(22)包含至少5重量％的選自鐵和錳的至少一種金屬，所述保護涂層保護所述金剛石(10)免受所述基質(zhì)材料(22)的腐蝕性化學侵蝕
43.權利要求42的磨料金剛石復合材料(60)，其中，所述基質(zhì)材料(22)選自鐵、鈷、鎳、錳、鋼、鉬、鎢、金屬碳化物、其混合物及其合金。
44.權利要求43的磨料金剛石復合材料(60)，其中，所述基質(zhì)材料(22)占所述磨料金剛石復合材料(60)的約5重量％-約99重量％。
45.權利要求42的磨料金剛石復合材料(60)，其中，所述許多涂敷的金剛石顆粒(60)占所述磨料金剛石復合材料(60)的約1體積％-約50體積％。
46.權利要求45的磨料金剛石復合材料(60)，其中，所述許多涂敷的金剛石顆粒(10)占所述磨料金剛石復合材料(60)的約5體積％-約20體積％。
47.權利要求42的磨料金剛石復合材料(60)，其中，每個所述涂敷的金剛石顆粒(10)具有約50微米-約2000微米的主尺度(11)。
48.權利要求47的磨料金剛石復合材料(60)，其中，所述主尺度(11)為約150微米-約2000微米。
49.權利要求48的磨料金剛石復合材料(60)，其中，所述主尺度(11)為約180微米-約1600微米。
50.權利要求42的磨料金剛石復合材料(60)，其中，所述金屬M選自鋁、硅、鈧、鈦、釩、鉻、釔、鋯、鈮、鉬、鉿、鉭、鎢、錸、稀土金屬及其組合。
51.權利要求42的磨料金剛石復合材料(60)，其中，所述保護涂層(14)的厚度為約1微米-約50微米。
52.權利要求51的磨料金剛石復合材料(60)，其中，所述厚度為約1微米-約20微米。
53.權利要求52的磨料金剛石復合材料(60)，其中，所述厚度為約3微米-約15微米。
54.一種制備用于研磨工具的磨料金剛石復合材料(60)的方法，該方法包括以下步驟a)提供許多金剛石(12)；b)對每個金剛石的外表面施加保護涂層(14)，從而形成許多涂敷的金剛石顆粒(10)；c)把基質(zhì)材料(22)與許多涂敷的金剛石顆粒(12)組合形成預成形體；和d)把預成形體加熱到預定溫度，從而形成磨料金剛石復合材料(60)。
55.權利要求54的方法，其中，向每個金剛石(12)的外表面上施加保護涂層(14)的步驟包括使用化學氣相沉積沉積保護涂層(14)的步驟。
56.權利要求54的方法，其中，向每個金剛石(12)的外表面上施加保護涂層(14)的步驟包括使用化學遷移反應沉積保護涂層(14)的步驟。
57.權利要求54的方法，其中，向每個金剛石(12)的外表面上施加保護涂層(14)的步驟包括以下步驟在每個金剛石(12)的外表面上沉積一種金屬；和至少一個選自碳化該金屬、氮化該金屬及其組合的步驟。
58.權利要求54的方法，其中，把基質(zhì)材料(22)與許多涂敷的金剛石顆粒(10)組合的步驟包括以下步驟把許多涂敷的金剛石顆粒(10)與基質(zhì)材料(22)混合，從而形成一種混合物；把該混合物放入模具中，從而形成預成形體。
59.權利要求54的方法，其還包括以下步驟向預成形體提供銅焊料合金；把銅焊料合金(40)和預成形體加熱到第二預定溫度，第二預定溫度大于銅焊料合金(40)的熔化溫度，從而產(chǎn)生熔融的銅焊料合金(40)；和熔融的銅焊料合金(40)滲透該預成形體。
60.權利要求59的方法，其中，把銅焊料合金(40)和預成形體加熱到高于銅焊料合金(40)的熔化溫度的第二預定溫度的步驟包括把銅焊料合金加熱到約800℃-約1200℃的溫度。
61.權利要求54的方法，其中，把預成形體加熱到預定溫度的步驟包括在預定溫度和預定壓力下熱壓該預成形體。
62.權利要求61的方法，其中，預定溫度為約600℃-約1100℃，預定壓力為約1,000psi-約20,000psi。
63.權利要求62的方法，其中，預定溫度為約750℃-約900℃，預定壓力為約4,000psi-約6,000psi。
64.權利要求54的方法，其中，把預成形體加熱到預定溫度的步驟包括在低于基質(zhì)材料熔化溫度的溫度自由燒結所述基質(zhì)材料。
65.一種制備用于研磨工具的液體滲透的磨料金剛石復合材料(60)的方法，該方法包括以下步驟a)提供許多金剛石(12)；b)對每個金剛石(12)的外表面施加保護涂層(14)，從而形成許多涂敷的金剛石顆粒(10)；c)把基質(zhì)材料(22)與許多涂敷的金剛石顆粒(10)組合形成預成形體，其中基質(zhì)材料(22)形成含有許多孔隙和開口氣孔(24)的骨架結構；d)使銅焊料合金(40)與該預成形體接觸；e)把銅焊料合金(40)和預成形體加熱到高于銅焊料合金(40)的熔化溫度的預定溫度，從而產(chǎn)生熔融的銅焊料合金(40)；和f)使熔融的銅焊料合金(40)滲透通過基質(zhì)材料(22)并用熔融的銅焊料合金占據(jù)許多孔隙和開口氣孔，從而形成液體滲透的磨料金剛石復合材料(60)。
66.權利要求65的方法，其中，把銅焊料合金(40)和預成形體加熱到高于銅焊料合金(40)的熔化溫度的預定溫度的步驟包括把銅焊料合金(40)加熱到約800℃-約1200℃的溫度。
67.權利要求65的方法，其還包括重新固化熔融的銅焊料合金的步驟。
全文摘要
一種由涂敷的金剛石顆粒(10)和基質(zhì)材料(22)形成的磨料金剛石復合材料(60)。金剛石(12)具有由組成為MC
文檔編號C09C3/06GK1551926SQ01822485
公開日2004年12月1日 申請日期2001年11月13日 優(yōu)先權日2000年12月4日
發(fā)明者M·P·德埃弗林, K·J·納朗, J·M·小麥克哈勒, M·H·羅, A·W·薩爾克, S·W·韋布, M P 德埃弗林, 小麥克哈勒, 納朗, 羅, 薩爾克, 韋布 申請人:通用電氣公司