專利名稱:金剛石顆粒的加工方法
本發(fā)明涉及金剛石顆粒的加工方法。
將金剛石顆粒用于制造金剛石工具如砂輪、砂輪修整器具、含金剛石的首飾加工工具或掃描用的含金剛石探針等設(shè)備時，一般情況下，金剛石顆粒與周圍粘結(jié)材料之間具有足夠的密著強度是特別重要的。
作為金剛石工具的粘結(jié)材料可用金屬、金屬合金、玻璃、陶瓷或合成樹脂。這些粘結(jié)材料中的大部分對金剛石表面都沒有表示出粘附作用?；蛘哒f它們的粘結(jié)力比較弱。因此在大多數(shù)情況下，它們只能起到將金剛石顆粒包在里面的作用。特別是金屬作為粘結(jié)材料時是這樣。如果金屬合金中含有一種以上的組分能與金剛石表面產(chǎn)生化學(xué)反應(yīng)或擴(kuò)散到金剛石表層內(nèi)則是例外。這種活性金屬結(jié)合材料會將金剛石表面破壞到不同程度，一部分金剛石碳素被金屬侵蝕掉，從而使金剛石表面變粗糙。這樣形成金剛石顆粒與粘合材料互相嚙合，從而改進(jìn)了它們之間的密著。金剛石顆粒進(jìn)入金屬鍵的粘合反應(yīng)要在比較高的溫度，即超過900℃進(jìn)行。但是，在后續(xù)的冷卻期間，金剛石鍵產(chǎn)生以后，金屬中吸收或溶解的碳素幾乎完全再沉淀在金剛石與金屬粘合材料之間的界面層上。它們可能是石墨層或非晶形碳或脆性的碳化物，強度都很差，因而達(dá)不到有效地改善金剛石顆粒與粘結(jié)材料之間密著程度的目的。沉淀出的碳素層甚至?xí)p弱粘結(jié)材料與金剛石顆粒之間的密著強度。
將金剛石顆粒埋在金屬粉末基料中進(jìn)行燒結(jié)也可以使金剛石表面被腐蝕而變得粗糙，這種金屬粉末由鐵或鈷或它們的合金組成，這是眾所周知的。將燒結(jié)的合金在950℃到1150℃之間的溫度下進(jìn)行加工時就會發(fā)現(xiàn)這種對金剛石表面的腐蝕。
另一種已知的方法是將金剛石顆粒裸露著放在爐中加熱。爐中氣體為氧或含氧的氣體如空氣，則約從600℃開始金剛石顆粒就會被侵蝕。這是一種金剛石中的碳素緩慢燃燒成一氧化碳的過程，在這一過程中金剛石表面一部分物質(zhì)由于氧化而消失，形成細(xì)小的侵蝕坑。
例如用硝酸鉀KNO3熔融物在500℃或更高的溫度下處理金剛石表面，可以獲得相似的金剛石表面的初始侵蝕結(jié)果。
上述各種侵蝕過程或其他能使表面粗糙的方法都不能獲得滿意的效果。一方面，這是由大于900℃的反應(yīng)溫度引起的，在這樣的溫度下，不僅金剛石表面受到侵蝕，同時也降低了晶體的內(nèi)部強度。特別是人工合成的金剛石晶體，一般情況下，它總含有微量制造時用作催化劑的金屬。這些催化劑殘余在高于900℃的溫度下會使金剛石重新石墨化，甚至由于殘余的金屬與金剛石對比一般膨脹系數(shù)比較大，會導(dǎo)致部分金剛石晶體的脹裂。
另一方面，各種已知的方法還有一個重要的缺點，就是金剛石晶體要除去相當(dāng)多的物質(zhì)才能在晶體表面形成足夠滿意的粗糙程度。因為粗化或侵蝕法都是表面磨損加工，它們不是按照平行于晶體表面的方向進(jìn)行的。這會制成相當(dāng)大量的不希望出現(xiàn)的金剛石晶體損失。例如加工粒度約為500微米的金剛石顆粒，處理后要損失按重要計算的10%。這是相當(dāng)可觀的價值損失。某些已知的粗化方法制成的重量損失甚至達(dá)到30%。
本發(fā)明的目的是提供一種粗化的方法。這種方法可以在低于900℃的溫度下進(jìn)行，物料損失則要求最大不超過5%。形成的表面形狀是由大量的小孔確定的，這些小孔的深度在大多數(shù)情況下較它們的直徑大。也就是在表面上形成大量的侵蝕坑及侵蝕毛細(xì)管道。它們可具有不同的形狀，并含有盡可能多的凹蝕由此使其進(jìn)入粘合材料到理想的范圍進(jìn)行嚙合以改善金剛石在粘結(jié)材料中的密著強度。
本發(fā)明解決這一問題的方法是為使金剛石顆粒的表面積增大到至少原來表面積的兩倍以上，將金剛石顆粒埋在金屬粉末中，在溫度高于700℃下，通入氫或含氫的氣流使金剛石顆粒表面形成大量的氣孔。
本方法的動力學(xué)機理尚未得出最后的明確說明。從以各種不同的方式進(jìn)行這種加工過程得到的結(jié)果可以總結(jié)為首先是金剛石中的碳素擴(kuò)散到與金剛石表面接觸的金屬顆粒中。另一方面金屬將氫活化，由此后者與溶解在金屬中的碳化結(jié)合成甲烷(CH4)。甲烷又被氫氣流沖洗出去。結(jié)果，參加反應(yīng)的金屬又恢復(fù)了吸收另外的碳素的能力，使金剛石中的碳能繼續(xù)不斷地通過與金屬的接觸點擴(kuò)散到金屬內(nèi)。而且金屬顆粒中的碳不會達(dá)到飽和。就是這樣，金屬顆粒通過接觸點在金剛石表面上侵蝕而形成所要求的良好的表面形狀。
按照本發(fā)明預(yù)處理的金剛石顆粒特別適于用電沉積金屬結(jié)合。用這種方法制成的金剛石工具與用其他方法制成的對比，使用壽命可延長100%以上。
用通常所謂的涂敷法在金剛石顆粒涂布的金屬，例如含磷的鎳或含磷的鈷等金屬也可用來涂鍍在按上述方法預(yù)處理過的金剛石上獲得最佳的密著效果。涂鍍后再結(jié)合在如金屬或合成樹脂之類的粘結(jié)材料中也可在很大程度上提高制品的質(zhì)量。
含有潤濕活化添加劑的液態(tài)金屬，如含鈦的銅/銀合金也可很好地滲入用上述的方法處理過的金剛石表面的凹槽中而形成優(yōu)越的粘合鍵。
此外，還可用微晶玻璃作為粘結(jié)材料，該材料通常含有一種在加工過程中熔化后低表面張力的玻璃。
本發(fā)明的侵蝕方法也可用來處理天然的金剛石，不過它特別適用于處理人工合成的金剛石。
如果天然金剛石顆粒是由較大塊的金剛石破碎生產(chǎn)的，它們一般具有不規(guī)則的表面。這種金剛石的斷裂面已具有適合于與粘結(jié)劑嚙合的性能。通過本發(fā)明的處理方法可使它的表面更粗糙些還可進(jìn)一步提高嚙合及粘合效果。
合成金剛石通常具有結(jié)晶面，部分是平行的平面。合成金剛石的生長過程愈均勻，它的幾何形狀也愈規(guī)則。通常呈立方八面體的形狀。特別均勻生長成的金剛石晶體，在大多數(shù)情況下，純度很高，強度也很大。但是，這些有利的特性只在晶體與粘結(jié)材料十分牢固結(jié)合的條件下才能充分發(fā)揮。但是正規(guī)成長的晶體的平整表面會產(chǎn)生與粘結(jié)材料嚙合不良的結(jié)果。因而這種合成金剛石晶體只能采用本發(fā)明的高級粗化方法進(jìn)行處理，才可顯著提高它的經(jīng)濟(jì)效益。一種用來精整砂輪的加工工具將這種效果顯示得十分明顯。它是將金剛石晶體包裹在電鍍沉積鎳金屬粘結(jié)劑中。這種情況同樣適用于將金剛石晶體埋在由金屬粉末制成的基體中，該金剛石晶體先用一種能潤濕金剛石的熔融合金侵透。這種合金例如由銀及銅組成，并加鈦作為添加劑。
本發(fā)明的侵蝕操作的進(jìn)行具有下列特點將金剛石晶體埋在很細(xì)的金屬粉末中，粉末的粒度在20微米以下，最好是在5微米到0.5微米范圍內(nèi)。作為容器可用煅燒用的小瓷舟。也可用別的容器，條件是能讓氣流通過。容器放入爐中后，氣體持續(xù)從物料上流過。優(yōu)先使用的是管式爐。爐中通過的是氫或含氫的混合氣體。最好是用含99%的純氫。作為金屬粉末可用鐵、鈷、鎳或它們的混合物或合金。如果溫度至少保持在700℃，這種加熱處理方法可將金剛石晶體制成優(yōu)良的表面粗糙程度。溫度愈高，獲得的表面愈粗糙。但是溫度超過900℃就會降低質(zhì)量。因為這時金剛石的內(nèi)部強度也會降低。使用的溫度在700℃到900℃之間時，處理時間一般30分鐘就已足夠。當(dāng)然反應(yīng)時間可按要求在比較大的范圍內(nèi)變化。
用這種特殊的加熱處理后，將金屬粉末用酸，例如硝酸與鹽酸洗去。得到粗化的表面和洗凈的金剛石就可進(jìn)行進(jìn)一步加工。
實現(xiàn)本發(fā)明的實例可結(jié)合下列附圖加以說明。圖中示出圖1放大100倍的金剛石顆粒。
圖2粗化后的金剛石顆粒的片斷，放大500倍。
圖3金剛石顆粒表面的一小部分，放大5000倍。
圖4金剛石顆粒的部分橫斷面。
圖中示出的金剛石顆粒(1)為一顆合成金剛石。呈立方八面體形并具有均勻排列的表面。金剛石表面已經(jīng)過人工處理將原來的表面積放大了若干倍。處理的方法就是將金剛石顆粒放在金屬粉末內(nèi)，在爐中加熱到850℃并通入氫。處理后，金剛石(1)的表面出現(xiàn)許多小氣孔(2)。氣孔是向外開放的，粘結(jié)材料可滲入氣孔中，在里面凝固后就像生了根。從而很大程度增強了粘結(jié)劑與金剛石之間的密著和顯著擴(kuò)大了接觸面積。
權(quán)利要求
1.一種金剛石的加工方法，其特征在于，將金剛石顆粒(1)的表面積最少增大到原來表面積的兩倍。方法是將金剛石埋在金屬粉末中在超出700℃的溫度下與氫或含氫的氣流作用而被侵蝕成許多小氣孔(2)。
2.如權(quán)利要求
1所述的方法，其中金剛石顆粒(1)被侵蝕粗糙后用酸洗凈。
3.如權(quán)利要求
1所述的方法，其中使金剛石顆粒受到700～900℃的反應(yīng)溫度作用。
4.如權(quán)利要求
1所述的方法，其中將金剛石顆粒(1)埋在鐵、鈷、鎳或它們的混合物或含金剛石的金屬粉末中。
5.如權(quán)利要求
4所述的方法，其中金屬粉末粒度小于20微米，最好是在0.5微米到5微米之間。
6.如權(quán)利要求
1所述的方法，其中的金剛石顆粒(1)為20微米到5000微米粒度范圍的合成金剛石。
7.一種金剛石磨具，該磨具包括用上述方法粗化的金剛石顆粒。
8.一種金剛石磨具，該磨具包括處于電沉積粘合料中的金剛石顆粒，該金剛石顆粒用被上述方法粗化。
專利摘要
金剛石顆粒用于切削工具或其他類似工具中時，通常是將金剛石結(jié)合在一種粘結(jié)劑中，特別是用金屬粘結(jié)劑。結(jié)合程度可通過將金剛石顆粒表面粗化來增強。這種表面粗化可通過刻蝕操作來完成。該方法是將金剛石顆粒(1)的表面增大到原來表面積的二倍以上時可通過以下操作來解決這一問題將金剛石顆粒埋金屬粉末中，加熱到高于700℃和通入氫或含氫的氣流。處理后用酸將金剛石顆粒(1)洗凈。作為金屬粉末可用鐵、鈷、鎳或由這些金屬制成的合金。
文檔編號C30B33/08GK87105216SQ87105216
公開日1988年3月23日 申請日期1987年7月30日
發(fā)明者迪特里克·伯斯 申請人:厄恩斯特·溫特和索恩有限公司導(dǎo)出引文BiBTeX, EndNote, RefMan