经多种金属涂覆的超耐磨磨料和其制造方法技术

一种用于改善在工具基体中保持时间的多层金属涂层的金刚石磨料，它包括以化学方法结合到金刚石上的一种强碳化物形成剂（较佳为铬、钛或锆）的金属碳化物第一层涂层和以化学方式结合到第一金属层上的耐氧化的碳化物形成剂（较佳为钨或钽）的第二金属涂层。也可加上一合金金属（较佳为镍）的第三金属涂层。根据本发明专利技术方法，可通过金属蒸汽相沉积法施加第一层金属，第二层金属可由化学蒸汽相沉积法施加，第三层合金金属可由无电镀或电镀施加。（*该技术在2009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】
本专利技术涉及具有多种金属涂层的、在研磨或切割工具中具有改善的保持时间(寿命)的超耐磨磨料及其制造方法。由金刚石和立方形一氮化硼(“CBN”)构成的超耐磨磨料被广泛用于锯、钻、磨削和研磨的应用中。所述磨料一般由机械结合保持在镍、铜、铁、钴或锡或其合金的基体中，而且基体则被连接到工具体上。所述基体也可包括树脂，诸如酚醛树脂。在机械结合中，基体包围着磨料，并将其固定在位。尽管这是简单和实用的，但机械结合较弱，当在使用期间，周围的基体被磨掉时，磨料会很容易地掉落。通过限制由基体引起的磨料的暴露，可改善磨料的保持时间，但这会降低切割效率。在一典型的锯片应用中，金刚石磨料的平均暴露率为小于磨料总高度的20%。当负载的基体磨损时，暴露了超过三分之一的磨料，从而使磨料的损失成为一个严重的问题。当直到三分之二的原始金刚石磨料过早地损失时，则使该切割工具的平均寿命降低。为了改善磨料的保持时间，已采用可形成碳化物的过渡金属来涂覆金刚石颗粒。例如，授予Farkas的美国专利第3，650，714号揭示了一种通过采用金属蒸汽相沉积法用一般为直到5%(体积，以金刚石为基准)的薄钛或锆层涂覆金刚石颗粒的方法。涂层的内表面与金刚石形成碳化物，然后施加第二层氧化性较小的金属，诸如镍或铜，以保护内层不受氧化。由钛涂覆的金刚石颗粒在商业上可由DeBeersandGeneralElectric公司购到。对具有内层诸如钛或铬和外层诸如镍的双层涂覆的双涂层金刚石的抗张试验表明，断裂是在内金属层和外金属层之间的界面上发生的，这说明镍不能合金化或以其他方式与下层的碳化物很好地结合，这样Farkas的双层涂覆的磨料不能显著地改善总的磨料的保持时间。在镍涂覆过程中，钛或铬内层的氧化也会削弱上述结合能力。在美国专利第4，339，167号中，Pipkin揭示了通过金属蒸汽相沉积法进行的钛、锰、铬、钒、钨、钼或铌金属涂覆金刚石或CBN颗粒。然而，现已发现，Pipkin选择的碳化物形成物不能足够坚固地结合到金刚石晶体上以改善用于许多高应力用中的磨料保持时间，或者它对氧化敏感。如上所述，用于保持内层不受氧化的外金属层不能充分地结合到内层上。授予Tomlinson的美国专利第4，378，975号描述了一种体积比为10％(以颗粒为基准)的第一薄金属涂层和尺寸为颗粒半径的一至二倍的第二耐磨涂层。所述内涂层最好是铬，外涂层为镍、铁基合金、结合有金属的碳化物或硼化物、或者碳化硅。结合有金属的碳化物一般是一种金属或合金与一种碳化物的混合物。尽管没有作详细说明，在结合有金属的碳化物的金属和第一层之间，通过冶金方法结合，可将结合有金属的碳化物结合到第一层金属层上。在碳化物本身和第一层之间基本上不存在直接的化学结合。在美国专利第3，929，432号中，Caveney控制了热处理时间，从而改善了具有镍或其他合金金属外层的双涂层金刚石颗粒中内钛层和金刚石之间的结合。该专利没有提出钛和外合金金属涂层之间的弱结合问题。现已将金属涂层用于树脂基体以隔离超耐磨颗料，减少热降解，并改善磨料与基体间的结合，与未涂覆的磨料相比，涂有镍的磨料在树脂基体中的保持时间较为改善，这是由于它具有改善的与基体结合能力。然而，磨料与镍之间的结合仍然很弱，它是磨料损耗的一个原因。现已发现，将耐氧化的碳化物形成剂金属涂层施加于第一强碳化物形成剂金属涂层上可使得金属层之间的结合增强，从而导致产生改善的磨料在基体中保持时间。因此，本专利技术的涂层超耐磨磨料包括金刚石颗粒以及以化学方法结合到金刚石上的第一金属碳化物涂层。所述金属是一种强碳化物形成剂，它最好是铬，次佳的为钛或锆。金属碳化物的第二金属层是用化学方法结合到第一金属碳化物层上的，它包括耐氧化碳化物形成剂，最好是钨或钽。第一金属层的较佳厚度范围为0.05-5微米之间，第二金属层的较佳厚度范围5－15微米。可供选择的是，为了进一步改善与基体的结合，可加入一种金属的第三金属涂层，该涂层与第二层及和基体结合。可采用镍、钴、铁或这些金属的合金，其厚度为1－100微米之间。根据本专利技术，制造涂有金属的磨料的方法包括通过例如金属蒸气相沉积法，施加第一金属涂层，通过例如化学蒸汽相沉积法施加第二金属涂层；可供选择的是通过无电镀或电镀施加第三涂层。本专利技术也揭示了超耐磨工具基体和超耐磨工具，它包括以化学方法结合到金属(诸如镍、铜、钴或其合金基体)或树脂基体上的多层金属涂覆的金刚石或CBN磨料。在一附加实施例中，超耐磨磨料可包括立方形一氮化硼(“CBN”)和以化学方法结合到CBN上的第一金属氮化物和／或金属硼化物层，所述金属最好是钛或锆。第二层耐氧化的氮化物和／或硼化物形成物的金属涂层(较佳为钽)被以化学方法结合到第一层上。也可施加第三层镍、钴、铁或其合金金属层。附图说明图1比较了在不同具体样品中根据本专利技术涂覆的多层金属涂层磨料和未涂覆的磨料的耐磨试验结果。图2比较了在不同具体样品中涂覆的磨料和未涂覆的磨料的切割速度。图3比较了在不同金刚石浓度下的涂覆磨料和未涂覆磨料的磨损。图4比较了在不同金刚石浓度下的涂覆磨料和未涂覆磨料的切割速度。根据本专利技术的方法，用包括强碳化物形成剂的第一金属涂层涂覆尺寸均匀的金刚石磨料，其尺寸一般为0.5-3，000微米。所述金刚石磨料例如可以是合成金刚石晶体，诸如DeBeers生产的SDAloo+或GeneralElectric生产的MBS760，或者它们可以是天然金刚石晶体，诸如DeBeers出产的EMBS。为了制备用于涂覆的金刚石磨粒，最好将它们在硝酸或盐酸中洗涤，或在氢气氛中加热，以去除表面污染物。类似地，根据本专利技术，可用包括强氮化物和/或硼化物形成剂的第一金属涂层来涂覆立方形-氮化硼(“CBN”)。第一金属涂层最好以该领域已知的方式通过金属蒸汽相沉积(“MVD”)施加，一般来说，在一真空炉腔内，在一坩埚中将待施加的金属粉末与金刚石磨料的混合物加热至足够的温度以使金属蒸发，金属蒸汽沉积在金刚石磨料表面上，与金刚石形成一种金属碳化物。摇动和筛分磨料，从而将它们与残留的金属分离开来。所述沉积过程最好在高于10-6乇的真空度中进行，也可采用例如一种氩或氢非氧化气氛。可采用化学蒸汽相沉积法或物理蒸汽相沉积法来施加第一层，但这些方法较贵，在该处理步骤中，它并不是必要的。由于铬、钛或锆与金刚石的结合坚固，并且由于它们容易被施加，因而它们是用于涂覆金刚石磨料的较佳碳化物形成剂。这些金属与金刚石颗粒中的碳发生化学反应，形成一层结合在金刚石上的碳化物层，如在为铬的情况下，形成碳化铬(Cr3C2)结合在金刚石上。在沉积期间，基本上全部金属层碳化。铬是最佳的第一层金属，这是因为它与金刚石结合最强。尽管没有完全理解，我们认为所述结合是金刚石的碳和碳化物层的原子与原子结合。钛或锆是用于涂覆CBN磨料的最佳氮化物/硼化物形成剂，这是因为它们与CBN的结合力强。第一层涂层的较佳厚度范围为0.05至1微米，当然直至5微米的厚度也是可以接受的，最好是0.05至0.30微米。如果金属/碳化物层太薄，接着的金属涂层会扩散到金刚石表面，因而取代铬，并与金刚石产生比第一层金属弱的结合。而且，如果第一金属碳化物层太薄，可能没有足够的碳化物来结合到第二层金属上，我们发现0.05微米大本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种经涂覆的金刚石磨料，它包括：金刚石颗粒；以化学方式结合到所述金刚石颗粒上的包括金属碳化物的第一涂层，所述碳化物层的所述金属是一种强碳化物形成剂；以及以化学方式直接结合到所述第一金属碳化物涂层上的包括金属碳化物的第二涂层，其中所述金属碳化物的所述金属是一种耐氧化碳化物形成剂。

【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：陈思华，孙成明，
申请(专利权)人：诺顿公司，
类型：发明
国别省市：US[美国]