以渗透法硬焊的钻石研磨工具制造技术

本发明专利技术阐述一种具有钻石的工具，并且其中的钻石以一种内含铬、锰、硅或铝，或者其混合物或合金之一的焊料予以化学结合。该钻石工具的制造方法是，将焊料渗透进内含细粒形式或多晶体形式的钻石的基体金属内。（*该技术在2018年保护过期，可自由使用*）

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种包含钻石颗粒的工具，其中钻石颗粒乃以焊料藉化学法结合在基体材料内。此等工具的制造方法是将熔融的焊料渗透进含有钻石颗粒的已成形基体，藉此以化学结合方法将钻石固持于适当处。研磨工具早已应用于众多应用场合，包括切、钻、锯、磨、抛光以及磨光材料。由于钻石是最坚硬的研磨材料，故其广为用作锯片、钻头或其他装置上的超级研磨剂，利用其耐磨性来切削、形成或打磨其他硬性材料。此种工具所消耗的总价值据认为每年在50万美元之上。此等工具的价值，大半消耗于锯切场合，诸如切割石材、混凝土、沥青等。对于其他工具因缺乏硬度及耐用度而不能实际替代的应用场合，钻石工具尤为不可或缺。例如，在石材加工业，对石料的切割、钻挖、以及锯切，钻石工具大概是唯一一类充分坚硬且耐用，而可施行此种切割等的工具，而且经济。若不使用钻石工具，诸多此种行业将因经济性原因而束手无策。同样，在精密磨削业中，因其卓越的耐磨性，钻石工具是唯一可以形成所需的小公差，同时又可充分经受实际操作中的磨损。尽管钻石的使用所向披靡，然此等工具苦于数种显著的限制，由此会对工具的使用寿命设置不必要的限制。此种缺点之一，是钻石细粒与基体支承材料的衔接不能充分强固地衔接，使切削、钻挖、打磨体的使用寿命不能为最长。实际上，在大多数情形中，钻石细粒仅是以机械方式埋置在基体支承材料中。结果是，在使用期间，钻石细粒常会被撞落或拉出。再者，在工作状态下，该等细粒可能接受的是来自松驰结合的基体的不适当的机械性支承。因此，当工具顶抵工件，由研磨剂等施力时，钻石颗粒会因工具所受的冲击而散落。据估计，在典型的钻石工具中，不足十分之一的细粒是在所希望的应用中，即实际的切削、钻挖、打磨等过程中实际消耗。其余钻石细粒，或是因为工具使用寿命届满时遭抛弃而浪费，或是因为不良衔接及不适当的支承，在使用过程中被拉出或破裂而浪费。若钻石颗粒得以切实地定位于周围基体内，并与之稳固地衔接，则此等钻石的失落，大部份可以避免。再者，为确保钻石细粒受充分的机械固持而保持于适当之处，其必须深埋于基体内，以免使用期间脱落，或受撞击而脱离工具本体。结果是，钻石颗粒突出工具表面乃不足。对于破碎有待切削的材料，细粒的低微突出，限制了切削高度。此等限制，进而又限制切削工具的切削速度。若钻石细粒得以更牢固地固持于基体内，则其可突出基体较高。对于产品而言，允许较大的切削深度而得以增加产品的切削速度，并有较长的使用寿命。再者，因工件与工具基体间摩擦较低，切削、钻挖等所需的功率亦可减小。为将钻石细粒固定于基体内，就希望基体于钻石的周围形成一种碳化物。如此形成的化学结合，强度远较传统的机械性衔接为高。碳化物可藉钻石与适当的碳化物形成元素，诸如过渡族金属起反应而形成。可形成碳化物的过渡族金属，例如为钛(Ti)、钒(V)、铬(Cr)、锆(Zr)、钼(Mo)、钨(W)。形成碳化物，需要碳化物形成元素沉积于钻石的周围，继而促使二者起反应，才能形成碳化物。再者，未反应的碳化物形成元素亦必须藉烧结或其它手段加以固结。所有此等步骤均需在高温下进行处理。然而，钻石曝露于温度1,000℃之上即会蜕化。该蜕化或是因为与基体材料起反应，或是因为晶体内金属夹杂物的周围渐生显微裂纹之故。此等夹杂物乃是原本用来合成钻石时所陷进的触媒。大多数碳化物形成元素为耐高温金属，使之在温度约1,200℃之下不会固结。因此，耐高温的碳化物形成元素不适宜作为基体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较低的烧结温度，如锰(Mn)、铁(Fe)、硅(Si)、以及铝(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，由此阻碍彼等用作基体支承材料的主要成份。例如，在高压下(约50Kb)，锰与铁二者均可用作合成钻石的触媒。因此在低压下烧结基体粉末期间，二者可使钻石结晶回复成石墨。回复转变是钻石在高温下蜕化的主要原因。另一方面，铝具有较低的熔点660℃，因此使之易于固持钻石颗粒。然而，当钻石细粒正逐步切削时，可能达及铝的熔点。因此，铝可能变得过软，而不能在切削操作期间支承钻石。再者，铝具有在与钻石交界处形成碳化物Al4C3的趋势。此碳化物易于水解，当曝露于冷媒时，使之可能分解。因此，对于将钻石结合于基体内，铝典型的不是一种适当的碳化物形成元素。为避免烧结的高温，诸如锰之类碳化物形成元素常少量渗入，作为基体内的次要成份，基体则不妨主要由钴或青铜制成。于烧结过程中，会有少量(纵然有)液相形成。碳化物形成元素经由固体媒介向钻石的扩散非常缓慢。结果是，在钻石表面，碳化物的形成实乃微不足道。因此，添加碳化物形成元素作为基体次要成份，对改善钻石的衔接状况，至多是略着边际。为确保钻石的表面形成碳化物，碳化物可在与基体粉末混合之前涂覆在钻石上。如此，碳化物形成元素尽管其在基体内为少数成份，然可集中于钻石的周围而形成所需的结合。对钻石的涂覆，可以化学方式或物理方式予以施涂。在前一种情形中，所涂覆的金属乃藉化学反应而形成，且通常是在较高的温度下进行。例如，将钻石与诸如钛或铬之类碳化物形成元素相混合，并在真空下或在气体保护层内加热混合物，一层薄薄的碳化物形成元素便会沉积于钻石上。该涂层的厚度会随温度的增高而增加。其沉积速率亦可经由添加一种有助于传递金属的适当气体(如HCl蒸汽)而加速。例如，Chen与Sung(美国专利第5,024,680号案)曾阐述此种涂覆方法。另一种情况是，涂覆可在熔盐内进行。例如，美国专利第2,746,888号案便曾阐述一种在铬熔盐内往钻石上涂覆钛薄层的方法。对于涂覆钻石，常用的化学方法为化学气相沉积法(CVD)。于此情形中，所沉积的金属乃藉高温下的气体反应来产生。举例而言，美国专利第3,520,667号案便曾阐述一种在钻石表面沉积硅(Si)薄层的技术。此沉积法的温度为充分的高，使硅的碳化物即刻在交界处形成。为防止钻石因曝需于高温中而可能蜕化，涂覆层乃在尽可能最低的温度下产生。然而，在低温下沉积时，涂覆层常会过薄。例如，由典型的化学方法所产生的涂覆层约为一微米。有些商用钻石细粒含有此种薄涂层。例如，通用电气公司提供的锯用细粒可能就涂有钛质或铬质薄层。然而，当薄层曝露于高温，如烧结期间可能遭遇的高温时，其会在环境中轻易地氧化，或者熔解于基体金属内。因此，尽管有言声称此种商用涂层产品具有显著的优点，如可使工具寿命延长1/3，然该薄层是否有能力在经历了制造过程后尚能幸存，令人生疑。为维持金属薄涂层，可施加多层涂层。举例而言，美国专利第5,232,469与5,250,806号案描述了由镍或另一种非碳化物形成元素所成的第二层。该第二层可藉低温下的非电方法而沉积。对于多层，Chen与Sung(美国专利第5,024,680或5,062,865号案)描述了一种具有三层涂层的钻石细粒。于此情形中，其最内层由铬制成，并外覆质地诸如为钛的第二金属层。该双层被进一步包以质地材料诸如为锰的第三外包层。然而，此种复杂的涂层系统会使成本过高，而使得在生产诸多切削、钻挖或打磨工具时，因成本过高而不实用。另一种情况是，藉CVD方法，化学涂覆层可沉积得较厚。例如，Sung等(美国专利第4,943,488或5,116,568号案)阐述了一种流化床系统，可对钻石涂以几十微米的钨。但同本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种以渗透法硬焊的钻石研磨工具，它包括： 一基体支承材料，该基体支承材料构造成用来固持用作研磨料的钻石， 多粒钻石颗粒，置于该基体支承材料，以及 一种合金，渗透至该基体支承材料与该等钻石颗粒之间，使该等钻石及该基体支承材料相结合，该合金含有占２至５０％比例的铬、锰、硅或铝，但不含锌的金属合金。

【技术特征摘要】
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【专利技术属性】
技术研发人员：宋健民，
申请(专利权)人：宋健民，
类型：发明
国别省市：CN[中国]