專利名稱：涂覆的金剛石顆粒的制作方法
背景技術(shù)：
本發(fā)明涉及涂覆的金剛石顆?；蛏傲＃唧w而言，涉及在鋸條部分具有改善的保持力和耐氧化性能的涂覆的砂粒。
粒狀磨料如金剛石和立方氮化硼顆粒，廣泛用于鋸割、鉆孔、研磨、拋光和其它磨蝕和切割應(yīng)用中。在這類應(yīng)用中，所述砂粒一般是被一種由諸如Fe、Co、Ni、Cu的金屬和其合金(金屬粘結(jié))組成的基質(zhì)所包圍。或者，也可使用樹(shù)脂(樹(shù)脂粘結(jié))或玻璃狀(玻璃粘結(jié))基質(zhì)，基質(zhì)的選擇隨研磨劑將要用于其中的特定應(yīng)用而改變。
用選自IVa族、Va族和VIa族過(guò)渡金屬(Ti、Zr、Hf、V、Nb、Ta、Cr、Mo和W)或其合金的金屬，和/或它們各自的碳化物涂覆金剛石，已經(jīng)顯示能夠改善粒狀磨料的性能。特別地，涂覆的金剛石廣泛地應(yīng)用于如鋸割和鉆孔之類的金屬粘結(jié)應(yīng)用之中。
用于在粒狀磨料上沉積所述金屬層的方法包括PVD方法，例如“Vacuum Deposition of Thin Films”by L.Holland，Chapman and Hall，1stEdition 1956所述的方法。也可使用氣相CVD方法，例如M JHampden-Smith和T T Kodas在“Chemical Vapour Deposition”，Vol.1，No.1，1995所述的方法。可供選擇的CVD方法涉及混合粒狀磨料與氧化的金屬粉末并在惰性氣氛(通常是在真空下)中加熱，如V G Chuprina(Soviet Powder Metallurgy and Metal Ceramics 1992，Vol.31，No.7，pp578-83，和Soviet Powder Metallurgy and Metal Ceramics 1992，Vol.31，No.8，pp 687-92)所述，或者涉及混合粒狀磨料和金屬粉末并在含有鹵化物(氟、氯、碘和溴或其含氫化合物)的惰性氣體中加熱，如ASTM B874-96Standard Specification for Chromium Diffusion Coatings和ASTMB875-96 Standard Specification for Aluminium Diffusion Coatings中所述。后面這些方法經(jīng)常稱作“固體滲金屬法”。使用熔化的堿金屬鹵化物，如Oki和Tanikawa在Proceedings of 1stInternational Conference onMolten Salt Chemistry and Technology，p 265，1983中所述，也提供了一種用IVa族、Va族和VIa族過(guò)渡金屬涂覆金剛石的方法。這后一種方法利用了與所述CVD方法相似的化學(xué)過(guò)程。
美國(guó)專利US5024680公開(kāi)了一種帶多涂層的金剛石砂粒，以改善在工具基質(zhì)中的保持力。所述涂覆的砂粒包含一個(gè)由一種強(qiáng)碳化物形成物(former)(優(yōu)選鉻、鈦或鋯)的金屬碳化物組成的、化學(xué)鍵合到所述金剛石上的第一涂層，和一個(gè)由一種耐氧化的碳化物形成物(優(yōu)選為鎢或鉭)形成的、化學(xué)鍵合到所述第一金屬涂層上的第二金屬涂層。由合金化金屬如鎳形成的第三金屬層涂層也可添加到其上。所述涂覆的砂粒是通過(guò)采用金屬氣相沉積方法將第一金屬層涂覆到砂粒上，接著通過(guò)采用化學(xué)氣相沉積方法涂覆第二層金屬來(lái)生產(chǎn)的。分離的和不同的涂覆步驟是需要的，這是很昂貴的。而且，第二層或涂層主要是呈金屬形式。對(duì)于某些金剛石砂粒應(yīng)用來(lái)說(shuō)，例如不含燒結(jié)鐵基質(zhì)的工具，優(yōu)選所述砂粒的所有涂層都是碳化物涂層而不是金屬涂層。
發(fā)明概述根據(jù)本發(fā)明的第一個(gè)方面，一種制備涂覆的金剛石顆粒的方法包括以下步驟提供選自鋯、鉿、鈮和鉭的過(guò)渡金屬，活化金屬和未涂覆的金剛石顆粒的混合物，和在非氧化氣氛中熱處理所述混合物，以使所述活化金屬鍵合到所述金剛石顆粒上和使所述過(guò)渡金屬在所述金剛石顆粒上形成碳化物涂層。
在本發(fā)明的方法中，據(jù)信所述活化金屬通過(guò)在所述金剛石顆粒上產(chǎn)生合適數(shù)目的過(guò)渡金屬的晶核生長(zhǎng)位點(diǎn)，而具有活化所述金剛石顆粒表面的作用。所以，所述活化金屬一般覆蓋它將要鍵合到其上的金剛石表面的僅一部分。還可相信，所提供的位點(diǎn)可使得所述碳化物涂層能夠在低于現(xiàn)有技術(shù)所用溫度的溫度下形成。
在本發(fā)明的方法中，對(duì)過(guò)渡金屬、活化金屬和未涂覆的金剛石顆粒的混合物進(jìn)行熱處理。所述過(guò)渡金屬在所述混合物中可呈微粒形式，或者它可以呈網(wǎng)狀、層狀或薄片狀的形式，例如作為封裝所述未涂覆的金剛石顆粒和活化金屬的罐。所述活化金屬也可以呈微粒形式，或呈薄片狀、層狀或網(wǎng)狀，也可以呈與其它金屬的合金形式。
在本發(fā)明的一種特定形式中，所述混合物包含由呈微粒形式的過(guò)渡金屬，也呈微粒形式的活化金屬，及未涂覆的金剛石顆粒組成的微粒物質(zhì)。一般地，混合所述顆粒以形成一種微粒物質(zhì)。
所述熱處理優(yōu)選是在氣態(tài)鹵化物特別是氣態(tài)氯化物存在下進(jìn)行的。所述氣態(tài)鹵化物可由在熱處理?xiàng)l件下?lián)]發(fā)的鹵化物原位制備。合適的可揮發(fā)鹵化物的一個(gè)實(shí)例為鹵化銨，例如氯化銨。所述氣態(tài)鹵化物有助于所述活化金屬與金剛石形成鍵和由所述過(guò)渡金屬形成碳化物。
所述熱處理一般在至少800℃的溫度下進(jìn)行，優(yōu)選在850℃下進(jìn)行。熱處理的時(shí)間將根據(jù)希望的碳化物涂覆程度而變化，并且一般是1-4小時(shí)。
所述熱處理在非氧化氣氛中進(jìn)行。所述非氧化氣氛可為惰性氣體如氬、還原氣體如氫或其組合。例如，當(dāng)所述方法在鹵化銨存在下進(jìn)行時(shí)，則會(huì)產(chǎn)生氫，這將產(chǎn)生一種還原性氣氛。
所述過(guò)渡金屬碳化物覆蓋各金剛石顆粒，完全包圍所述顆粒。所述涂層基本上是碳化物涂層。所述涂層的外表面可以具有少量的呈金屬形式的過(guò)渡金屬，但是所述涂層基本上是一種碳化物涂層。
合適的活化金屬的實(shí)例是鈦、釩和鉻。優(yōu)選活化金屬為鉻。
優(yōu)選的過(guò)渡金屬為鉭。
活化金屬的數(shù)量相對(duì)于所述過(guò)渡金屬來(lái)說(shuō)是很小的，并且一般不超過(guò)所述活化金屬和過(guò)渡金屬的2wt％，優(yōu)選不超過(guò)0.2wt％。
相信由上述方法制得的涂覆的金剛石是新的，并形成本發(fā)明的另一方面。所以，根據(jù)本發(fā)明的這個(gè)方面，提供了一種涂覆的金剛石顆粒，其中所述涂層包含鍵合到所述金剛石表面上的活化金屬和選自鋯、鉿、鈮和鉭的過(guò)渡金屬的碳化物的、完全包圍所述金剛石顆粒的層。上述活化金屬一般覆蓋其所鍵合的金剛石表面的僅一部分。該部分可以是連續(xù)區(qū)域或多個(gè)分立的點(diǎn)。
所述金剛石顆粒優(yōu)選是適合用于鋸割應(yīng)用的那些顆粒，并且本身是結(jié)實(shí)和堅(jiān)固的。這類顆粒一般具有立方體{100}晶面，和/或八面體{111}晶面。這類顆粒一般具有至少170μm的顆粒尺寸。
所述涂覆的金剛石顆粒在鋸割應(yīng)用中具有特別的應(yīng)用，其中基質(zhì)是鐵或亞鐵粘結(jié)基質(zhì)。
實(shí)施方案的描述現(xiàn)在將通過(guò)下述實(shí)施例舉例說(shuō)明本發(fā)明。
實(shí)施例1將5克595-420微米Element Six SDB1100金剛石砂粒與20克鉭粉和0.024克氯化銨(NH4Cl)混合。將所述混合物封裝在鎳中并在氬氣氛中加熱到900℃，在該溫度保持4小時(shí)，然后冷卻至室溫。
通過(guò)篩分從所述混合物中回收所述砂粒，發(fā)現(xiàn)所述金剛石完全未被包覆。
實(shí)施例2重復(fù)實(shí)施例1所述相同程序，不同之處在于采用與所述鉭粉混合的0.01wt％的鉻粉。
在加熱循環(huán)后回收金剛石砂粒，發(fā)現(xiàn)所有金剛石顆粒都部分地被金屬包覆，X光衍射方法顯示所述包覆物為碳化鉭。
還注意到，所述碳化鉭的優(yōu)先生長(zhǎng)發(fā)生在{100}或立方體晶面上。
實(shí)施例3重復(fù)實(shí)施例2所述相同程序，不同之處在于制備一組樣品，它們含有與鉭粉混合的0.05wt％，0.10wt％，0.20wt％，0.50wt％，1.0wt％和2.0wt％的鉻粉。
在加熱循環(huán)后回收金剛石砂粒，發(fā)現(xiàn)所有金剛石顆粒都被連貫的致密金屬層覆蓋，X光衍射方法顯示該金屬層為碳化鉭。
這些涂層的另一特征是，隨著起始混合物中鉻含量提高到鉻的最高水平(2wt％)，所述鉻碳化物層的厚度也增加。在這些較高鉻含量下，所述涂層存在著龜裂和散裂掉的傾向。
因此，優(yōu)選采用所需要的盡可能少的鉻來(lái)引發(fā)連貫的碳化鉭層的沉積。
實(shí)施例4采用含有0.1wt％鉻粉的鉭粉，測(cè)試溫度和時(shí)間對(duì)涂敷速率的影響。
下表給出了所采用的溫度和加熱時(shí)間以及測(cè)得的涂層質(zhì)量。所述涂層質(zhì)量是所述涂層的平均質(zhì)量，以所述帶涂層顆粒的質(zhì)量的百分?jǐn)?shù)表示。
在加熱循環(huán)后回收金剛石砂粒，發(fā)現(xiàn)在所述情形中，所述金剛石顆粒包覆有連貫的致密層，X光衍射方法表明該致密層為碳化鉭。
實(shí)施例5將6克595-420微米Element Six SDB1100金剛石砂粒與8克鈮粉和0.024克氯化銨(NH4Cl)混合。將所述混合物封裝在鎳中并在氬氣氛中加熱到850℃，在該溫度保持4小時(shí)，然后冷卻至室溫。
通過(guò)篩分從所述混合物中回收所述砂粒，發(fā)現(xiàn)所述金剛石僅稀疏地被涂敷。發(fā)現(xiàn){100}立方體晶面較{111}八面體晶面更易于被涂敷。
實(shí)施例6重復(fù)實(shí)施例5所述的相同程序，但是制備一組樣品，它們含有與所述鈮粉混合的0.01wt％Cr，0.05wt％，0.01wt％和0.20wt％鉻粉。
回收所述金剛石砂粒，采用0.01wt％和0.05wt％涂敷的那些金剛石顆粒顯示了不連貫的涂層，而所述兩個(gè)高的鉻添加量導(dǎo)致具有完全連貫的涂層的砂粒。下表列出了這些砂粒的涂層數(shù)據(jù)。
實(shí)施例7將6克595-420微米Element Six SDB1100金剛石砂粒與10克含0.08wt％鉻的鎢和0.024克氯化銨(NH4Cl)混合。將所述混合物封裝在鉭中并在氬氣氛中加熱到900℃，在該溫度保持4小時(shí)，然后冷卻至室溫。
回收所述砂粒，發(fā)現(xiàn)所述金剛石立方體晶面被包覆，八面體晶面部分地包覆有碳化鉭。
該結(jié)果可以與實(shí)施例1比較，并表明在所述鎢粉中存在的鉻提高了碳化鉭在所述金剛石砂粒上的成核作用。
權(quán)利要求
1.一種制備涂覆的金剛石顆粒的方法，包括以下步驟提供選自鋯、鉿、鈮和鉭的過(guò)渡金屬，活化金屬和未涂覆的金剛石顆粒的混合物，和在非氧化氣氛中熱處理所述混合物，以使所述活化金屬鍵合到所述金剛石顆粒上和使所述過(guò)渡金屬在所述金剛石顆粒上形成碳化物涂層。
2.權(quán)利要求1所述的方法，其中過(guò)渡金屬呈微粒形式。
3.權(quán)利要求1或2所述的方法，其中過(guò)渡金屬呈網(wǎng)狀、薄片狀或?qū)訝钚问健?br> 4.權(quán)利要求1-3任一項(xiàng)所述的方法，其中活化金屬呈微粒形式。
5.權(quán)利要求1所述的方法，其中過(guò)渡金屬和活化金屬呈微粒形式，且所述混合物是一種微粒物質(zhì)。
6.前述權(quán)利要求中的任一項(xiàng)所述的方法，其中所述活化金屬的量不超過(guò)所述過(guò)渡金屬和活化金屬重量的2％。
7.權(quán)利要求1-5任一項(xiàng)所述的方法，其中所述活化金屬的存在量不超過(guò)所述過(guò)渡金屬和活化金屬重量的0.2％。
8.前述權(quán)利要求中的任一項(xiàng)所述的方法，其中熱處理在氣態(tài)鹵化物存在下進(jìn)行。
9.權(quán)利要求8所述的方法，其中氣態(tài)鹵化物是氣態(tài)氯化物。
10.權(quán)利要求8或9所述的方法，其中氣態(tài)鹵化物由在所述熱處理?xiàng)l件下?lián)]發(fā)的鹵化物原位制備。
11.權(quán)利要求10所述的方法，其中在熱處理?xiàng)l件下?lián)]發(fā)的鹵化物是鹵化銨。
12.權(quán)利要求11所述的方法，其中所述鹵化銨是氯化銨。
13.前述權(quán)利要求中的任一項(xiàng)所述的方法，其中熱處理在至少800℃的溫度下進(jìn)行。
14.前述權(quán)利要求中的任一項(xiàng)所述的方法，其中熱處理的時(shí)間為1至4小時(shí)。
15.前述權(quán)利要求中的任一項(xiàng)所述的方法，其中活化金屬選自鈦、釩和鉻。
16.權(quán)利要求15所述的方法，其中活化金屬是鉻。
17.前述權(quán)利要求中的任一項(xiàng)所述的方法，其中過(guò)渡金屬是鉭。
18.前述權(quán)利要求中的任一項(xiàng)所述的方法，其中鍵合到金剛石上的活化金屬覆蓋所述金剛石表面的僅一部分。
19.一種涂覆的金剛石顆粒，其中所述涂層包含鍵合到所述金剛石表面上的活化金屬和選自鋯、鉿、鈮和鉭的過(guò)渡金屬的碳化物的、完全包圍所述金剛石顆粒的層。
20.權(quán)利要求19所述的涂覆的金剛石顆粒，其中所述活化金屬覆蓋所述金剛石表面的僅一部分。
21.權(quán)利要求19或20所述的涂覆的金剛石，其中過(guò)渡金屬為鉭。
22.權(quán)利要求19至21中的任一項(xiàng)所述的涂覆的金剛石，其中活化金屬選自鈦、釩和鉻。
23.權(quán)利要求22所述的涂覆的金剛石，其中活化金屬為鉻。
24.一種按照權(quán)利要求1并且基本如本申請(qǐng)實(shí)施例2至4、6和7中的任一實(shí)施例所述的制備金屬涂敷的金剛石顆粒的方法。
25.一種按照權(quán)利要求16并且基本如本申請(qǐng)實(shí)施例2至4、6和7中的任一實(shí)施例所述的涂覆的金剛石。
全文摘要
一種制備涂覆的金剛石顆粒的方法，包括以下步驟提供選自鋯、鉿、鈮和鉭的過(guò)渡金屬，活化金屬和未涂覆的金剛石顆粒的混合物，和在非氧化氣氛中熱處理所述混合物，以使所述活化金屬鍵合到所述金剛石顆粒上和使所述過(guò)渡金屬在所述金剛石顆粒上形成碳化物涂層。
文檔編號(hào)C01B31/06GK1620491SQ03802618
公開(kāi)日2005年5月25日 申請(qǐng)日期2003年2月13日 優(yōu)先權(quán)日2002年2月20日
發(fā)明者N·J·皮普金 申請(qǐng)人:六號(hào)元素(控股)公司