專(zhuān)利名稱(chēng)：制備磨料制品的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種制備磨料制品的方法。
磨料制品廣泛地用于切削、研磨、磨削，鉆削及其他研磨操作。磨料制品由大量的金剛石或立方體形的一氮化硼顆粒結(jié)合成粘附的多晶凝聚體而組成。組成磨料制品的磨料顆粒含量高，而且，一般，大量的是顆粒與顆粒的直接的結(jié)合。磨料制品一般在較高溫度和壓力條件下來(lái)制備，其中，作為磨料顆粒的是金剛石或立方體形的一氮化硼，它們?cè)诮Y(jié)晶學(xué)上是穩(wěn)定的。
磨料制品有變脆的趨向，因此在使用時(shí)經(jīng)常通過(guò)將其結(jié)合到燒結(jié)的碳化物基質(zhì)物或者載體上而被支承，這種經(jīng)過(guò)支承的磨料制品，在本技術(shù)領(lǐng)域中作為復(fù)合磨料制品是眾所周知的了。復(fù)合磨料制品可以用作例如某種磨削工具的工作表面。
復(fù)合磨料制品的實(shí)例已被公開(kāi)于美國(guó)專(zhuān)利說(shuō)明書(shū)3，745，623，3，767，371及3，743，489中。
復(fù)合磨料制品一般是通過(guò)將顆粒形式的，形成磨料制品所必需的一些組分置于燒結(jié)的碳化物基質(zhì)物上而制備的。將該尚未結(jié)合的組分放在反應(yīng)皿中，然后，將此反應(yīng)皿放在通常的高溫/高壓設(shè)備的反應(yīng)區(qū)中。反應(yīng)皿中的組份經(jīng)受適當(dāng)?shù)妮^高壓力和溫度的處理。
美國(guó)專(zhuān)利4，861，350分開(kāi)了一種工具元件，它包括一種結(jié)合于燒結(jié)的碳化物載體上的磨料制品，其中，該磨料制品具有二個(gè)區(qū)域，該二區(qū)域通常通過(guò)聯(lián)結(jié)的共同邊界而連接。一個(gè)區(qū)域提供作為工具元件的切削邊緣或鑿頭，而另一區(qū)域則連接在燒結(jié)的碳化物載體上。在工具元件的一種實(shí)施方案中，提供切削邊緣或鑿頭的區(qū)域含有超硬度的磨料顆粒，該顆粒比在另一區(qū)域中的超硬度的磨料顆粒細(xì)。該專(zhuān)利沒(méi)有公開(kāi)使用不同顆粒尺寸的超硬度磨粒顆粒的混合物。
美國(guó)專(zhuān)利4，311，490公開(kāi)了一種磨料制品，其中，該結(jié)合的磨料顆粒包括了一種粗的層和一種細(xì)的層。該專(zhuān)利也沒(méi)有公開(kāi)使用不同顆粒大小的磨料顆粒的混合物。
美國(guó)專(zhuān)利4，064，106公開(kāi)了一種復(fù)合金剛石磨料制品，它包括至少一層金剛石結(jié)晶和預(yù)先燒結(jié)的碳化物部分，它們?cè)诩訜崤c壓力下被加壓而生成一種復(fù)合多晶材料，其中，多晶金剛石和預(yù)先燒結(jié)的碳化物部分相互之間進(jìn)行分散。在一種實(shí)施方案中，使用混合的金剛石顆粒，顆粒大小為4至8微米的占顆粒的65%，而在0.5至1微米的占顆粒的35%。
美國(guó)專(zhuān)利5，011，514公開(kāi)了一種熱穩(wěn)定性的金剛石制品，它包括了許多獨(dú)立的金屬涂敷的金剛石顆粒，其中，在相鄰顆粒之間的金屬涂層相互連結(jié)而生成一種燒結(jié)的基體。金屬涂層的實(shí)例是例如鎢、鉭、鉬的碳化物形式。該獨(dú)立的金屬涂敷的金剛石顆粒在金剛石的合成溫度和壓力條件下而連結(jié)。該專(zhuān)利還公開(kāi)了將金屬涂敷的金剛石顆粒與未涂敷的較小尺寸的金剛石顆粒的混合，后者位于涂敷顆粒之間的空隙中。據(jù)稱(chēng)，該較小的顆粒會(huì)降低孔隙率并提高制品的金剛石含量。該專(zhuān)利還公開(kāi)了雙模式(即二種不同顆粒大小)制品的實(shí)例，和三模式(即三種不同顆粒大小)制品的實(shí)例。
根據(jù)本發(fā)明，提供了一種制備磨料制品的方法，該方法包括將大量超硬度的磨料顆粒置于適于產(chǎn)生磨料制品的升高溫度和壓力的條件下的步驟，其特征在于，該制品包括至少25%質(zhì)量的、含有平均顆粒大小在10至100微米的超硬度磨料顆粒，并且由含至少三種不同平均顆粒大小的顆粒所組成，而且，至少有4%質(zhì)量的超硬度磨料顆粒具有平均顆粒大小為小于10微米。
本發(fā)明進(jìn)一步包括利用該方法制備的磨料制品，并使用這種制品作為工具而嵌于用于鉆削、車(chē)削或切削的基質(zhì)物中。


圖1和圖2說(shuō)明了利用本發(fā)明的制品和現(xiàn)有技術(shù)的制品所進(jìn)行的比較實(shí)驗(yàn)的圖。
超硬度磨料顆粒可以是金剛石或立方體形的一氮化硼，所優(yōu)選的是金剛石顆粒。
該超硬度磨料顆?；旌衔镆部稍谝阎乃匦璧臏囟群蛪毫l件下制備以生產(chǎn)磨料制品。這些條件一般是磨料顆粒自身所需要的合成條件。通常，所使用的壓力在40至70千巴范圍，所使用的溫度在1300℃至1600℃的范圍。
用本發(fā)明的方法所制備的磨料制品一般的并優(yōu)選的含有粘結(jié)劑組分。對(duì)于所使用的超硬度磨料顆粒來(lái)說(shuō)，該粘結(jié)劑優(yōu)選的是一種催化劑/溶劑，對(duì)于金剛石和立方體形一氮化硼來(lái)說(shuō)，該催化劑/溶劑是本技術(shù)領(lǐng)域中已知的了。在金剛石的情況下，粘結(jié)劑優(yōu)選的是鈷、鎳、鐵或含有一種或者多種這些金屬的合金。
當(dāng)使用粘結(jié)劑時(shí)，特別是在金剛石制品的情況下，當(dāng)制備制品時(shí)，該粘結(jié)劑會(huì)滲入到大部分磨料顆粒中。為了這一目的，可以使用粘結(jié)劑的墊片或粘結(jié)劑層。另外，優(yōu)選的是，該粘結(jié)劑是以顆粒的形式并與大部分的磨料顆粒相混合。一般，該粘結(jié)劑將以占所制備的磨料制品的10至25%質(zhì)量的含量來(lái)存在。
該磨料制品，特別是對(duì)于金剛石制品來(lái)說(shuō)，一般是被結(jié)合到一種燒結(jié)的碳化物載體或基質(zhì)物上來(lái)生成復(fù)合磨料制品。為了制備這種復(fù)合磨料制品，在為了制備制品而需要使其置于升高溫度和壓力的條件之前，應(yīng)將大部分磨料顆粒放置在燒結(jié)的碳化物體的表面上。該燒結(jié)的，碳化物載體或基質(zhì)物，可以是本技術(shù)領(lǐng)域中任意已知的組分，例如，燒結(jié)的碳化鎢，燒結(jié)的碳化鉭、燒結(jié)的碳化鈦，燒結(jié)的碳化鉬或其混合物。作為這類(lèi)碳化物的粘結(jié)劑金屬來(lái)說(shuō)，可以是本技術(shù)領(lǐng)域中任意已知的，例如鎳、鈷、鐵、或含有一種或多種這些金屬的合金。一般，該粘結(jié)劑以10至20%質(zhì)量的含量來(lái)存在，但是也可以低至6%質(zhì)量，某些粘結(jié)劑金屬在形成制品時(shí)，一般將滲入到磨料制品中。
本發(fā)明的方法，其特征在于是使用磨料顆?；旌衔?，該混合物至少含有4類(lèi)平均顆粒大小互不相同的磨料顆粒。雖然有限數(shù)量的顆粒大小在指定的顆粒大小之上或之下，但是大多數(shù)顆粒卻接近于指定的顆粒大小。顆粒分布的峰值將具有特定的大小。因此，例如，如果平均顆粒大小是50微米，則在混合物中的某些顆粒將大于50微米，而在混合物中的某些顆粒將小于50微米，而大多數(shù)顆粒大小將接近于50微米，其顆粒分布的峰值是50微米。為了接近峰值，使用了具有粗顆粒和細(xì)顆粒的顆粒范圍，而且，當(dāng)含有粘結(jié)劑時(shí)，則能夠減少生成粘結(jié)劑集中的作用。優(yōu)選的是，所有的顆粒是未經(jīng)涂敷的。
在本發(fā)明的特性磨料顆?；旌衔镏?，至少25%的磨料顆粒具有的平均顆粒大小在10至100微米范圍，并且由至少三類(lèi)平均顆粒大小不同的磨料顆粒來(lái)組成。這種磨料顆?；旌衔锏膶?shí)例如下(百分比含量是占全部磨料顆粒質(zhì)量的百分比)25至50微米 30至70%15至24微米 15至25%8至14微米 5至15%在該特性混合物中，最小的磨料顆粒將具有小于10微米的平均顆粒大小，優(yōu)選其平均顆粒大小在2至5微米范圍，它在混合物中的含量為至少4%質(zhì)量。一般，最小顆粒應(yīng)以不超過(guò)12%質(zhì)量的含量來(lái)存在。
現(xiàn)在，將說(shuō)明本發(fā)明的實(shí)施例。將與鈷粉(占混合物的20%質(zhì)量)相混合的金剛石原料，置于在通常的高壓/高溫設(shè)備中的反應(yīng)皿中的20%的鈷燒結(jié)的碳化物基質(zhì)物上。該反應(yīng)皿被放于該設(shè)備的反應(yīng)區(qū)中，并經(jīng)受1400℃的溫度和50至60千巴的壓力，并在這種升高的溫度和壓力條件下保持10分鐘時(shí)間。由反應(yīng)皿中所收集的是由金剛石組分與燒結(jié)的碳化物基質(zhì)物相結(jié)合而組成的復(fù)合金剛石制品，并發(fā)現(xiàn)鈷是均一的，并且它通過(guò)所結(jié)合的金剛石原料進(jìn)行均勻的分布，沒(méi)有發(fā)現(xiàn)鈷的匯集作用。
制備該制品所使用的金剛石原料，由占65%質(zhì)量的30微米的金剛石，20%質(zhì)量的22微米的金剛石，10%質(zhì)量的12微米石金剛石和5%質(zhì)量的4微米石金剛石所組成，每種微米尺寸都是平均顆粒尺寸。
除了所使用的金剛石顆粒僅由單一級(jí)別尺寸的金剛石顆粒(也就是25微米)組成之外，制備相似的復(fù)合金剛石磨料制品。在這種制品的情況下(指定為A)鈷通過(guò)鈷墊片滲入到金剛石原料中，而該鈷墊片被放置在金剛石原料和燒結(jié)的碳化物基質(zhì)物之間，在另一種產(chǎn)品的情況下(指定為B)鈷粉與金剛石原料相混合。
將本發(fā)明的復(fù)合磨料制品與現(xiàn)有技術(shù)的二種復(fù)合磨料制品分別進(jìn)行試驗(yàn)，并加以評(píng)價(jià)1.車(chē)削(Turning)試驗(yàn)-借助使用四種表面速度，在進(jìn)行性能實(shí)驗(yàn)中對(duì)每類(lèi)的4種制品進(jìn)行評(píng)價(jià)，而且測(cè)量磨削至0.5mm時(shí)的時(shí)間(分)。時(shí)間越長(zhǎng)，制品越好。所得的結(jié)果列于圖1的圖中。值得注意的是本發(fā)明的磨料制品(定名為四模式)，超過(guò)二種現(xiàn)有技術(shù)制品所進(jìn)行的實(shí)驗(yàn)。
2.成形機(jī)(Shaper)試驗(yàn)-在Norite花崗巖石上進(jìn)行七種成形機(jī)試驗(yàn)。值得注意的是，與二種現(xiàn)有技術(shù)的制品相比較，本發(fā)明所制備的制品的散裂試驗(yàn)相當(dāng)均勻而且散裂程度紙。
3.在標(biāo)準(zhǔn)的V一缺口韌性試驗(yàn)中，發(fā)現(xiàn)本發(fā)明的磨料制品比現(xiàn)有技術(shù)的二種制品好。
4.利用標(biāo)準(zhǔn)熱膨脹試驗(yàn)，將本發(fā)明的制品與現(xiàn)有技術(shù)的B制品相比較，在該試驗(yàn)中，將制品層由燒結(jié)的碳化物基質(zhì)物中除去，并將所有的殘余碳化物經(jīng)磨光而除去。由每種制品層切下試樣，并在氬氣氛下將試樣放在膨脹儀上。在一種試驗(yàn)中，將溫度升高到750℃，而在另一試驗(yàn)中，將溫度升高到800℃，在觀(guān)察到永久膨脹之前，以小時(shí)為單位測(cè)量時(shí)間。永久膨脹表示石墨化作用的開(kāi)始。所得到的結(jié)果列于圖2的圖示中，在該圖中，永久膨脹用快速增大的膨脹系數(shù)來(lái)表示。
應(yīng)該注意到，在800℃下，本發(fā)明的制品達(dá)到永久膨脹的階段比B制品晚。在750℃下，45個(gè)小時(shí)之后，沒(méi)有觀(guān)測(cè)到永久膨脹，B制品在大約41個(gè)小時(shí)則顯示出永久膨脹。
該實(shí)驗(yàn)說(shuō)明，本發(fā)明的制品與現(xiàn)有技術(shù)的B制品相比，具有較好的顆粒填密性，和較少的鈷匯集作用。
權(quán)利要求
1.一種制備磨料制品的方法，它包括將大量超硬度磨料顆粒在適于制備磨料制品的升高溫度和壓力下處理的步驟，其特征在于，原料包括至少25%質(zhì)量的其平均顆粒大小在10至100微米范圍內(nèi)的超硬度磨料顆粒，并由至少三種平均顆粒大小不同的顆粒所組成，而至少有4%質(zhì)量的超硬度磨料顆粒具有的平均顆粒大小于10微米。
2.一種根據(jù)權(quán)利要求1所說(shuō)的方法，其中，具有平均顆粒大小在10至100微米的超硬度磨料顆粒原料具有下列組成磨料顆粒大小(微米) 占磨料顆粒原料的質(zhì)量百分比%25-50 30-7015-24 15-258-14 5-15
3.一種根據(jù)權(quán)利要求1或權(quán)利要求2所說(shuō)的方法，其中，在磨料顆粒原料中最小的磨料顆粒具有的平均顆粒大小在2至5微米的范圍。
4.一種根據(jù)前述任一權(quán)要求所說(shuō)的方法，其中，在磨料顆粒原料中最小的磨料顆粒含量為4至12%質(zhì)量。
5.一種根據(jù)前述任一權(quán)利要求所說(shuō)的方法，其中，當(dāng)將原料置于升高溫度和壓力的條件下時(shí)，可使粘結(jié)劑滲入到超硬度磨料顆粒原料中去。
6.一種根據(jù)前述任一權(quán)利要求所說(shuō)的方法，其中，將粘結(jié)劑與大部分超硬度磨料顆粒相混合。
7.一種權(quán)利要求5或權(quán)利要求6所述的方法，其中，粘結(jié)劑對(duì)于超硬度磨料顆粒來(lái)說(shuō)是一種溶劑/催化劑。
8.一種根據(jù)權(quán)利要求7所說(shuō)的方法，其中，磨料顆粒是金剛石，而粘結(jié)劑選自鈷、鎳、鐵及含有一種或多種這些金屬的合金。
9.一種根據(jù)前述任一權(quán)利要求所說(shuō)的方法，其中，在進(jìn)行升高溫度和壓力的條件之前，將大部分超硬度磨料顆粒置于燒結(jié)碳化物體的表面上。
10.一種根據(jù)前述任一權(quán)利要求所說(shuō)的方法，其中，升高溫度和壓力條件是壓力在40至70千巴及溫度是在1300至1600℃的范圍。
11.一種根據(jù)前述任一權(quán)利要求所說(shuō)的方法，其中，超硬磨料顆粒是未涂敷的。
全文摘要
本發(fā)明提供了一種使用通常的制品合成條件而制備一種磨料制品的方法，該方法的特征在于，使用超硬度磨料顆粒原料，它含有至少25％質(zhì)量的，具有平均粒度大小在10至100微米范圍的超硬度磨料顆粒，并且由具有至少三種平均顆粒大小不同的顆粒組成，及，至少4％質(zhì)量的磨料顆粒具有的平均顆粒大小小于10微米。磨料制品優(yōu)選一種金剛石制品。
文檔編號(hào)B24D3/00GK1096531SQ94108789
公開(kāi)日1994年12月21日 申請(qǐng)日期1994年5月27日 優(yōu)先權(quán)日1993年5月27日
發(fā)明者K·坦克, A·R·扎維斯, A·施圖爾特 申請(qǐng)人:德比爾斯工業(yè)鉆石部門(mén)有限公司