化学结合的超硬磨料制造技术

使金刚石或ＣＢＮ之类的超硬磨料与钨之类的镀层化学结合、再将钨镀层结合于刀具刀身，制成如锯片、砂轮、钻头之类的超硬切削刀具。（*该技术在2010年保护过期，可自由使用*）

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】
本专利技术涉及一种新颖的、用于生产改进的磨削或切削刀具的镀层超硬磨粒。本专利技术同时也包括应用这种镀层磨料生产的刀具。粘附于支持体的金刚石或CBN等超硬磨粒，被广泛用作切削材料。其典型的应用包括例如锯、钻、打磨、磨削、研磨和抛光。在通常的应用中，磨粒被粘固在合适的基体内，并固定于刀身。磨粒的保持主要是靠机械方法，例如用基体材料包容磨粒。这种附着方法尽管简单实用，却很有限。因为，磨粒的裸露须有限制，以避免削弱起包容作用的基体的机械夹持力。其结果是，很小的磨粒裸露限制了切削速率。而且，由于基体的磨损，其夹持力减弱，因而磨粒可能因被“剥落”而损耗。例如，在用于锯片的典型情况中，金刚石磨粒的平均裸露程度不到磨粒总高度的20%，且当磨粒被磨损至其原尺寸的约三分之一时，磨粒因剥落而飞失。这种锯片在使用一段时间之后，通常从锯片上出现的空穴可见，其上约三分之一的原始磨粒已飞失。为解决这个问题，人们一直试图通过磨粒的镀层来改善结合强度。Farkas的第3650714号美国专利叙述了在金刚石磨粒上施镀这种镀层的方法。商业上可用的典型镀复超硬磨料产品有De Beer公司的用作锯片磨粒的镀钛产品和通用电气公司的CBN磨粒镀钛产品。对所有金属基体的超硬磨料刀具来说，唯一可商业化使用的磨粒镀层是镀钛产品。不过，人们发现，镀钛产品-尤其用于金刚石磨粒，在改善其结合强度方面并不十分有效。其性能估算值，即，用于锯片的镀钛磨粒的使用寿命和切削速率并未表现出明显的改善。镀钛产品碰到的一个问题是，抗氧化性能差。众所周知，Ti和Tic在大多数锯片制造状态下可能被氧化。这种氧化作用会破坏磨粒和镀层材料之间以及镀层材料和基体之间的结合力。镀钛产品的另一个问题是镀层的厚度。通常，镀钛产品的Ti和Tic镀层厚度不到1微米。这样薄的镀层不可能防止在制造刀具过程中镀层被基体材料从磨粒表面融蚀或脱离。Wider的第3，757，878和3，757，879号美国专利叙述了一个包复金刚石粒子的方法。但是，其目的是生产一种机械的磨粒包复层，并未涉及化学结合。本专利技术的目的是提供一种化学镀复的超硬磨粒。本专利技术的另一目的是提供一种使磨粒紧固地附着在刀具基体上的方法。本专利技术的再一目的是，提供一种在超硬磨粒镀复至少1微米厚连续镀层的方法，以使得在刀具制造过程之后，镀层的完整性仍能保持。本专利技术的目的还在于，提供一种镀复材料，该材料对刀具制造过程中的氧化基本上为惰性的。本专利技术的目的还在于，提供使用这种化学结合镀层超硬磨料的磨削或切削刀具，以改善刀具削除材料的性能。本专利技术的目的还在于，提供具有化学镀层磨粒的刀具，该磨粒表现出较好的磨粒保持力、较大的磨粒突出量、和更高速的切削作用。这些刀具包括例如锯片、砂轮、打磨工具、钻头、和研磨工具。下文以及权利要求中所说的“超硬磨粒”是指天然的和合成的金刚石以及立方氮化硼(CBN)粒子。下文所说的“化学结合”不同于机械粘合。后一情况中两个连接部份之间没有反应发生。而在“化学结合”中，两连接部份的交界面上有化学反应。这种反应可以是例如碳化物的生成、硼化物的生成、氮化物的生成，或由于两连接部分间的相互扩散而形成的固溶。下文及权利要求中所说的“钻头”不单是指机械刀具型的钻头，而是也包括那些通常用于探矿和石油工业中的地层钻探的钻头。根据本专利技术，我们可以制造出一种用相对不氧化的金属镀复的超硬磨粒，镀层厚度至少1微米。该金属镀层以化学键牢固地结合于磨粒表面。简言之，磨粒被镀复了一层不易氧化的金属。例如W、Ta、Mo、Nb或它们的合金。然后，在制造刀具之前或在制造过程中对镀复了的磨粒进行热处理，以使镀层和磨粒之间形成很强的化学键，例如对于金刚石磨粒形成碳化物镀层。钨是一种较好的镀复金属。磨粒的表面可以在被镀复之前有选择地用化学的或机械的方法弄粗糙，以加强随后的结合。基体的化学成份须与所选磨粒镀复材料兼容，以便在刀具制造的过程状态中，基体将能与镀复材料产生化学结合。其结果，就可以将镀复的超硬磨粒坚固地化学结合于刀具基体内。超硬磨粒和镀层之间，以及镀层和基体之间的交界面由强固的化学键生成。这与磨粒的附着基本上是靠基体材料的机械的包容作用的现有技术完全不同。本专利技术的镀复超硬磨料用于刀具中时有如下优点1.磨粒的剥落较少，因而使用寿命较长;2.磨粒的突出部分较大，因而刀具的切削速率较高;3.磨粒的突出部分较大，可以用较小的力、较低的功率进行更高速的切削，而发热量又较小。本专利技术的镀复超硬磨料特别适于用作钻头中的磨料，例如用作圆形、椭圆形、片状等特别几何形状的切削刀具的组合，或者当这种磨粒被掺入钻头的实际基体时，突出于基体的表面，随着磨损掉，不断地暴露出结合于基体的另一些磨粒。这特别适用于取岩芯的钻头，尽管也可以类似地制造用于其它硬质加工成形的钻头。根据本专利技术，首先以机械的或化学的方法使超硬磨粒表面变得粗糙。粗糙化过程所产生的不平表面可以改善磨粒与随后使用的镀复材料的附着力。这种附着力的改善是由于磨粒表面的大量凹凸不平而增强了化学反应性。表面上的碳的自由电子数量也将增多，因而磨粒和镀复材料之间的反应也将增强。表面的凹凸不平使接触表面积增大，这也可以使磨粒对镀复材料的机械附着力增大。在本专利技术的一个实际应用中，首先将磨粒任意地弄粗糙。一种较好的弄粗糙法是搞成一种均匀分布的毛面。这可用机械的方法，例如用其它的超硬磨粉一起进行碾磨;或用化学的方法，例如氧化或浸蚀来达到。例如，可将磨粒放在滚筒内在空气或富氧气氛中在高温下进行转磨处理，以使其表面均匀氧化。一种流化床化学气相沉积(CVD)系统或一种转炉都可有效地用来产生所预期的结果。对化学腐蚀法来说，重铬酸钾或硝酸钾之类的氧化剂都可选用。无论使用何种方法，在表面粗糙化处理过程中磨粒的重量损失应控制在5%重量比以下。尽管表面粗糙处理是本专利技术中的一个重要步骤，但对某些应用来说，并不一定必要。例如，在应用较小尺寸的磨粒的场合，譬如对于应用微细磨粉的抛光用细砂布，粗糙化处理工序可以省略。表面粗糙化处理之后，对磨粒进行水洗和化学清洗，以除去由本领域已知的方法所造成的表面沾染物。例如，用硝酸或盐酸溶液之类的无机酸洗涤磨粒，或在氢气氛中加热磨粒，都可除去大部表面沾染物。表面清洗之后，将磨粒镀复以相对来说抗氧化的材料，这些材料如W、Ta、Mo和Nb或它们的合金等易于生成碳化物，并生成一个至少1微米厚的连续镀层。镀层厚度可从约1微米至约50微米，但最好是约1微米至约30微米。这样的镀层显然不同于本领域已知的镀层。例如，按Farkas的第3，650，714号美国专利中的叙述所获得的镀层，远薄于1微米。这一明显的区别对于其它商业化了的镀钛产品也是一样的。在使用金刚石磨粒的场合，通过把镀复的磨粒加热至碳化物的生成温度使磨粒和镀复材料之间生成碳化物。而在使用CBN的场合，生成氮化物结合键。作为一种合适的合金镀层，应该说例如W-NiB较好。在磨粒上镀上了第一种镀复材料之后，还可在第一镀层之上任意镀复第二镀层或其它任何附加镀层。多层镀复的目的在于，为在刀具制造过程中和/或在刀具切削过程中，给第一层镀层提供附加的保护，使其不致在空气中被氧化或溶解于基体材料之中。外层镀层也可以使磨粒和基体结合材料之间产生一种更好的冶金连接，以形成一种扩散结合的交界面本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种经镀复的超硬磨料，其特征在于，它包括：具有粗糙表面的超硬磨料粒子，所述超硬磨粒选自包括金刚石和ＣＢＮ的组类，一个在所述粗糙表面上实际为连续的、并与所述表面化学结合的第一金属镀层，该第一金属镀层从包括Ｗ、Ｍｏ、Ｔａ、Ｎｂ及它们的合金这一类金属中选用，和一个镀在所述第一金属镀层上实际上为连续的第二金属镀层，所述第二金属镀层包括镍或铜，所述第一和第二个金属镀层的总厚度处于约１－５０微米范围内。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】...

【专利技术属性】
技术研发人员：CM孙，SH陈，
申请(专利权)人：诺顿公司，
类型：发明
国别省市：US[美国]