專利名稱：涂覆的磨料的制作方法
背景技術(shù)：
本發(fā)明涉及涂覆的磨料、它們的制備方法，以及用在含磨料工具中的涂覆的磨料。
磨料顆粒例如金剛石和立方氮化硼被普遍用于切削、研磨、鉆孔、鋸切和拋光應用。在這些應用中，將磨料顆粒與金屬粉末混合物混合，然后在高溫下燒結(jié)以形成粘結(jié)的切削元件。典型的粘結(jié)基質(zhì)包含鐵、鈷、銅、鎳和/或其合金。
在這些應用中的普遍問題是在燒結(jié)過程和隨后的應用期間這些顆粒在粘結(jié)基質(zhì)中的保留和對氧化性侵蝕的抵抗性。
通常通過用化學結(jié)合到顆粒上并熔合到粘結(jié)基質(zhì)上的金屬或合金涂覆磨料顆粒來解決這些問題。一般而言，使用化學汽相沉積(CVD)或物理汽相沉積(PVD濺射涂覆)技術(shù)。碳化鈦是由于其對金剛石的優(yōu)良粘合性而因此被提出作為磨料顆粒的涂料的一種材料的例子。碳化鉻是可以使用的類似的涂料。
伴隨著在粘結(jié)基質(zhì)含有青銅或Cu的情況下使用碳化鈦涂料的問題是這些材料會與碳化鈦反應，這使得其可能被反應掉，降低或者中和了任何可能提高的顆粒保持性。然后，在涉及到高的溫度或時間的情形中，在粘結(jié)基質(zhì)還含有通常用作金剛石合成用的溶劑/催化劑的金屬的情況下，金剛石顆粒容易受到金剛石顆粒表面石墨化的影響。這些金屬的例子是Fe、Co和Ni。在熔融狀態(tài)下，這些金屬能夠使金剛石溶解，金剛石當冷卻時沉淀而形成石墨。該金剛石表面的石墨化過程不僅削弱了顆粒，而且還導致了顆粒在粘結(jié)中較差的保留。
另外，為了使涂層保護金剛石顆粒，必須在粘結(jié)基質(zhì)與顆粒之間形成阻擋層。換句話說，它應該是不可滲透的并且致密的，以使得粘結(jié)基質(zhì)的組分不能通過并且與顆粒表面接觸。這些組分能夠通過涂層的一種方式是借助于固態(tài)擴散通過涂層。作為選擇，如果涂層是不完整的、破裂的或者多孔的，則這些組分可能通過涂層到達顆粒表面。涂層最初可能是致密的并且不可滲透的，但是在燒結(jié)過程期間可能由于例如與粘結(jié)基質(zhì)熔合而因此發(fā)生相變，這導致了形成較少致密的合金或者可能是多孔的涂層，其使得粘結(jié)基質(zhì)組分通過涂層到達顆粒表面。
美國專利No.5,024,680描述了一種用于提高在工具基質(zhì)中的保持性的多重涂覆的金剛石砂粒(grit)。該涂覆的砂粒包括與金剛石化學結(jié)合的強的碳化物前體，優(yōu)選鉻的金屬碳化物的第一涂層，和與該第一金屬涂層化學結(jié)合的抗氧化性碳化物前體，優(yōu)選鎢、鉭或鉬的第二金屬涂層?？梢约尤牒辖鸾饘倮珂嚨牡谌饘偻繉?。該涂覆的砂粒通過以下方式制備通過金屬汽相沉積將第一金屬層涂覆在砂粒上，隨后通過化學汽相沉積涂覆第二層金屬。
眾所周知的是一些元素比如Fe、Co和Ni可以將金剛石石墨化。在將碳化鉻用作涂料的情形中，其對例如在鐵的情況下防止這類石墨化并不特別有效，這限制了它的有效性。
該第二層還特別是厚的層。因此必須具有與第一層化學結(jié)合的第二層，這需要采用高溫涂覆方法或者單獨的加熱步驟以產(chǎn)生這種化學結(jié)合。
發(fā)明概述一種涂覆的超硬磨料，其包含超硬研磨材料的芯，與該超硬研磨材料的外表面化學結(jié)合的金屬碳化物、氮化物或碳氮化物內(nèi)層，和物理沉積在該內(nèi)層上的鎢外層。
優(yōu)選通過物理汽相沉積來涂覆該外層。
該超硬研磨材料可以為金剛石或cBN基的。
內(nèi)層在金剛石磨料芯的情況下優(yōu)選是碳化鈦涂層，或者在cBN磨料芯的情況下是氮化鈦或硼化鈦涂層。
由于外部的鎢涂層通過物理汽相沉積涂覆，因此沒有一部分鎢涂層特別是鎢涂層的內(nèi)部被碳化。從而其形成了用于保護內(nèi)層和基質(zhì)的優(yōu)良阻擋層。
外層的厚度一般為約0.05μm-約10μm，特別約0.2μm-約1μm。
優(yōu)選實施方案的描述以鈦或碳化鈦或者鈦或氮化鈦、硼化鈦或硼氮化鈦形式的Ti已經(jīng)表現(xiàn)為是可分別用于金剛石和cBN基質(zhì)的涂覆材料。由于它們能夠化學結(jié)合在基質(zhì)上、保護基質(zhì)并且提高基質(zhì)與粘結(jié)劑例如青銅或基質(zhì)元素之間的粘結(jié)性，因此它們特別地有用。然而正如在前已經(jīng)提及的那樣，它們并不適合于某些應用，特別是在青銅或銅的存在下在侵蝕性的燒結(jié)條件中將它們燒結(jié)的情況下，和在粘結(jié)基質(zhì)含有例如高數(shù)量的鐵類金屬的情況下。
已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，鈦基涂料的優(yōu)點可以延伸至在將鎢外涂層涂覆在鈦基涂層上的情況下的其他應用。在以下情況下特別是這樣的將金剛石砂粒用于含有鐵類金屬的金屬粘結(jié)基質(zhì)中以在燒結(jié)時形成研磨工具組件。這在以下情況下也是有用的在金剛石顆粒的情況下，在涂覆的含金剛石的磨料部分燒結(jié)期間碳化鈦涂料將被基質(zhì)材料的組分例如青銅反應掉；鈦基涂料將被用于形成涂覆的含金剛石的滲透性粉末金屬部件例如采礦勘探鉆孔用的鉆頭的液態(tài)浸透劑反應掉；或者鈦基涂料將被用于使超磨蝕的組分固定在另一種金屬或陶瓷材料上的青銅反應掉。
外部的鎢層不具有碳化的內(nèi)部，由于外層的目的主要是作為用于保護內(nèi)層和基質(zhì)的阻擋層并且通過保持薄的外部涂層可以獲得足夠的夾層粘結(jié)，因此這不是必須的。外層具有約0.05μm-約10μm，特別約0.2μm-約1μm的厚度。
其尤其可用于生產(chǎn)金剛石注入的(impregnated)工具例如鋸條部件，鉆孔機，金剛石線(diamond wire)的珠粒，尤其是在高含量的青銅或銅限制了碳化鈦涂料的可用性、銅焊的金剛石層工具例如銅焊的金剛石線珠粒的制備、含有金剛石的金屬基質(zhì)復合物的制備、金剛石材料的銅焊例如將TSPCD、PCD和金剛石鉆石粘結(jié)在鉆體上、將CVD、單晶、TSPCD和PCD粘結(jié)在鋸條、刀架、鉆體等上的情況下。
另外，涂覆的金剛石注入的工具產(chǎn)生了改進的性能例如更長的工具壽命和更高的生產(chǎn)力。與需要排除氧氣的含Ti的活性銅焊相反，將本發(fā)明的涂覆的金剛石顆粒用于銅焊應用使得能夠采用在空氣中進行的簡單銅焊。
優(yōu)選使用用于涂覆內(nèi)層的熱涂覆方法和用于涂覆外層的PVD或低溫CVD方法形成涂覆的磨料顆粒。
金剛石砂粒顆粒是常規(guī)用于生產(chǎn)金屬粘結(jié)的工具的那些。它們通常是均勻大小的，一般為0.1-10mm。這類金剛石砂粒顆粒的例子包括0.1-60微米的微米砂粒、40微米-200微米的磨輪砂粒、180微米-2毫米的鋸切砂粒、1毫米-10毫米的單晶、幾平方毫米-至多200毫米直徑圓盤的CVD插件、幾平方毫米-104毫米直徑圓盤的PCD插件、0.1-60微米的微米范圍的cBN砂粒、40微米-200微米的磨輪砂粒、幾毫米-至多104mm直徑圓盤的PCBN插件。
在熱涂覆方法中首先將金剛石顆粒涂覆以提供內(nèi)層，該內(nèi)層可以是金屬層或者金屬碳化物、氮化物或碳氮化物層。在cBN的情形中，這種內(nèi)涂層將通常是金屬氮化物或硼化物或者硼氮化物層。在該熱涂覆方法中，在用于進行這種粘結(jié)的合適的熱條件下將金屬基的涂料涂覆在金剛石基質(zhì)上。可以使用的典型熱涂覆技術(shù)包括例如涉及由金屬鹵化物氣相沉積的方法、CVD法或熱擴散真空涂覆或者金屬汽相沉積方法。優(yōu)選的是由金屬鹵化物氣相沉積和CVD法。
在涉及由金屬鹵化物氣相沉積的方法中，在合適的氣態(tài)環(huán)境(例如包含一種或多種以下條件的非氧化環(huán)境惰性氣體、氫氣、烴、減壓)中將要被涂覆的顆粒暴露于含有要被涂覆的金屬(例如Ti)的金屬鹵化物下。該金屬鹵化物可由作為該方法一部分的金屬生成。
將混合物進行熱循環(huán)，在這期間金屬鹵化物將Ti傳送到顆粒的表面，在那里其被釋放并且化學結(jié)合在顆粒上。
使用冷涂覆技術(shù)例如優(yōu)選的低溫CVD法或PVD將鎢外層沉積。這是一種低溫方法，在其中產(chǎn)生了不足以造成顯著的碳化物形成的熱。因此，如果單獨使用，則其將導致對金剛石顆粒差的粘合性。用于涂覆外涂層的PVD法的一個例子是濺射涂覆。在該方法中，通過激發(fā)源例如磁控管而產(chǎn)生鎢金屬蒸汽的熔劑(flux)。一些制品例如超磨蝕的砂粒或者放置在熔劑中的組件變成被鎢金屬覆蓋。
本發(fā)明的涂覆的磨料的例子包括i)涂覆有碳化鈦和鎢的金剛石鋸切砂粒(鹵化物氣體碳化鈦涂層，隨后將鎢物理沉積(PVD))。尤其是具有高的青銅基質(zhì)或者當采用滲透生產(chǎn)方法時用于生產(chǎn)鋸切或鉆孔用的研磨部件。
ii)涂覆有碳化鈦和鎢的金剛石磨輪砂?；蛭⒚咨傲?鹵化物氣體碳化鈦涂層，隨后將鎢物理沉積)。尤其是當采用青銅粘結(jié)時用于生產(chǎn)砂輪。
iii)涂覆有氮化鈦或硼化鈦(單獨或者結(jié)合地)和鎢的cBN磨輪砂粒或微米砂粒(鹵化物氣體鈦基涂層，隨后將鎢物理沉積)。尤其是當采用青銅粘結(jié)時用于生產(chǎn)砂輪。
iv)碳化鈦加上鎢涂覆的PCD。用作將碳化鎢半成品銅焊用的切削工具插件。
v)氮化鈦或硼化鈦(單獨或者結(jié)合地)加上鎢涂覆的PCBN。用作將碳化鎢半成品銅焊用的切削工具插件。
vi)碳化鈦加上鎢涂覆的CVD或單晶。用作將碳化鎢半成品銅焊用的切削工具插件，或者用作燒結(jié)或銅焊成打磨機柱臺(dresser post)的打磨機原木(dresser log)。
現(xiàn)在將參照以下非限定性實施例僅僅作為例子來描述本發(fā)明。
實施例在CVD法中將來自于Element Six的、40/45 US篩目大小的金剛石砂粒涂覆，以根據(jù)本領域普遍公知的常用方法制得TiC涂覆的金剛石。然后將該CVD TiC涂覆的金剛石用作第二涂覆步驟用的基質(zhì)。
將10,000克拉40/45US篩目大小的該TiC涂覆的金剛石放置在帶有旋轉(zhuǎn)圓筒和純鈦金屬板作為目標物的磁控管濺射涂覆機中。將涂覆腔室排空、引入氬氣并且打開電源以形成等離子體。將濺射功率升高至5000W，同時使圓筒旋轉(zhuǎn)以確保在所有金剛石顆粒上均勻涂覆。在濺射7.5小時后，在從腔室中取出之前將涂覆的金剛石冷卻10小時。
對該涂覆的金剛石進行分析，這由X-射線衍射法、X-射線熒光法、涂層的化學測定、光學和掃描電子顯微圖像分析和顆粒破裂及隨后在SEM上進行橫截面分析所組成。
肉眼看出該涂層表現(xiàn)出些微黯淡的金屬銀/灰色。該顏色表現(xiàn)出均勻分布于每一顆粒上，并且每一顆粒表現(xiàn)出是相同的。該涂層看起來是均勻的并且沒有任何未涂覆的區(qū)域。SEM上的觀察再次表現(xiàn)出具有非常光滑的表面形態(tài)的均勻涂層。顆粒破裂并且在SEM上觀察涂層橫截面。可以看見兩個明顯的涂層。測量該涂層的鎢部分具有約0.45微米的厚度。該特定的涂層得到了5.9％的測定結(jié)果。用于該批料的這種尺寸的TiC涂層通常具有0.77％的測定結(jié)果。因此，5.9％的剩余值歸因于TiC內(nèi)層頂上的鎢層。當使用XRD分析時，發(fā)現(xiàn)了金剛石、TiC和W。XRF分析表現(xiàn)出87％的W和13％的Ti。
權(quán)利要求
1.一種涂覆的超硬磨料，其包含超硬研磨材料的芯，與該超硬研磨材料的外表面化學結(jié)合的金屬碳化物、氮化物或碳氮化物內(nèi)層，和物理沉積在該內(nèi)層上的鎢外層。
2.根據(jù)權(quán)利要求1的涂覆的超硬磨料，其中通過物理汽相沉積使外層沉積。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2的涂覆的超硬磨料，其中超硬研磨材料是金剛石或cBN基的。
4.根據(jù)權(quán)利要求3的涂覆的超硬磨料，其中該內(nèi)層在金剛石基的芯的情況下是碳化鈦涂層，或者在cBN基的芯的情況下是氮化鈦或硼化鈦涂層。
5.根據(jù)前述權(quán)利要求任一項的涂覆的超硬磨料，其中沒有一部分鎢涂層被碳化。
6.根據(jù)前述權(quán)利要求任一項的涂覆的超硬磨料，其中外層的厚度為約0.05μm-約10μm。
7.根據(jù)前述權(quán)利要求任一項的涂覆的超硬磨料，其中外層的厚度為約0.2μm-約1μm。
全文摘要
一種涂覆的超硬磨料，其包含超硬研磨材料的芯—其通常是金剛石或cBN基的，與該超硬研磨材料的外表面化學結(jié)合的金屬碳化物、氮化物或碳氮化物內(nèi)層，和物理沉積在該內(nèi)層上的鎢外層。該內(nèi)層在金剛石磨料芯的情況下優(yōu)選是碳化鈦涂層，或者在cBN磨料芯的情況下是氮化鈦或硼化鈦涂層。
文檔編號C09K3/14GK1926215SQ200580006497
公開日2007年3月7日 申請日期2005年1月13日 優(yōu)先權(quán)日2004年1月15日
發(fā)明者D·P·伊根, J·A·安吉爾斯, M·L·菲什 申請人:六號元素有限公司