[发明专利]使超研磨颗粒于金属基质中的保持率最大化的方法

说明书

技术领域

本发明关于具有超研磨材料的装置，及其制造及使用方法。因此，本发明涉及化学、物理及材料学领域。

背景技术

过去一个世纪以来，已开发出多种用于执行自工件移除材料的一般功能的研磨工具及超研磨工具。诸如锯、钻、抛光、清洁、切刻及研磨的行为均为已变成作为多种工业基础的材料移除制程的实例。

许多特定材料移除应用需要使用超研磨工具。在此等状况下，由于工件的性质或该制程的周围环境，使得使用现有研磨工具可能是不可行的。举例而言，诸如切割石料、瓷砖、水泥等的行为在尝试使用现有金属锯片(若可能实现)时通常成本高昂。另外，当使用超研磨工具时，由于其更为耐用，故可增加其它材料移除行为的经济效益及效能。

超研磨材料结合于工具中所常采用的型式为超研磨颗粒形式。在此状况下，超研磨颗粒最常嵌入如金属基质的基质中，且经由部份基质直接围绕该等颗粒所产生的机械力固持在适当位置。多种固结技术，诸如电镀、烧结或热压基质于超研磨颗粒周围已经是众所周知的。然而，由于围绕超研磨颗粒的基质比超研磨颗粒软，因此使其在使用期间磨损得更快，且使得钻石颗粒过度暴露且无支撑。因而，钻石颗粒过早移位且缩短工具的使用寿命。

已作大量尝试以克服上述缺陷。最值得注意的是，已采用若干种试图使超研磨颗粒化学键结于基质或其它基材材料化学键结的技术。该等技术主要集中于用涂布超研磨颗粒或以其它方式使超研磨颗粒与活性元素接触，该活性元素能够在超研磨颗粒与金属基质之间形成碳化物键活性，诸如钛、铬、钨等。特定方法的实例包括美国专利第3,650,714号、第4,943,488号、第5,024,680号及第5,030,276号中揭示的方法，每一专利皆能以引用的方式并入本文中。然而，该等方法因种种原因而难以实施且成本高，原因包括大多数超研磨颗粒的高惰性及大多数活性材料的高熔点。此外，尽管使超研磨颗粒与基质材料经由碳化物键以化学键结方式结合可在超研磨颗粒与基质材料之间形成较为强固的联系，但所形成的碳化物材料并不如该等超研磨材料般强固，因此潜在地降低该联系的完整性。

此外，大多数活性金属材料的熔点大大高于大多数超研磨料(superabrasives)的稳定性临界温度。为此，可藉以将活性材料施加于超研磨料上的方法一般限于固态反应或气体反应，在足够低以便不损伤钻石的温度下进行。该等方法仅能够得到单石(monolithic)涂层，而不能产生合金涂层。尽管与相比，使用此等技术形成的碳化物键的强度通常比仅用机械结合更能改善颗粒保持率，但其仍使超研磨颗粒过早移位。

另一种形成碳化物键的方法是藉由使用含有活性元素的硬焊合金。藉由烧结使硬焊合金固结于超研磨颗粒周围。此类型的特定方法的一实例见于美国专利第6,238,280号中，该专利以引用的方式倂入本文中。尽管该等方法可得到与未化学键结键结超研磨颗粒的工具相比具有更大砂砾保持率的工具，但一般而言，硬焊合金的固态烧结仅使基质材料固结，而并不与固态及气态沉积技术一样达到同样强的化学键结。

另外，由于现有硬焊材料一般也充当工具主体的基质材料，因此其使用可能受限制。由于在使用期间各元素需要特定的特征，所以大多数硬焊合金难以充当结合介质且同时充当基质材料。举例而言，为得到更强碳化物键结，一些超研磨颗粒可能需要对于预期工具应用而言过于柔软的合金。由过于柔软的材料制成的基质可能磨损过快且使得超研磨颗粒过早移位。

因而，仍需要经由不断进行研究及开发工作来探求显示改良的超研磨颗粒保持率及磨损特性的超研磨工具，包括其制造方法。

发明内容

因此，本发明提供关于将超研磨颗粒保持于金属基质中的方法，及制造含有该等颗粒的超研磨工具的方法。因而，在一实施例中，提供一种使超研磨颗粒于金属基质中的保持率最大化的方法。该方法可包括使该等超研磨颗粒与该金属基质以化学键结，以达到将该等超研磨颗粒固持于该金属基质中，而不使该等超研磨颗粒实质上遭到破坏的程度。避免使该等超研磨颗粒实质上遭到破坏可包括保护该等超研磨颗粒，使其免于在化学键结过程中过度结合。保护该等超研磨颗粒使其免于过度键结可进一步包括例如调节在超研磨颗粒与金属基质之间的化学键结键结，以达到足以将超研磨颗粒保持于金属基质中，但使超研磨颗粒遭受的破坏降至最小化的程度。在一实施例中，超研磨颗粒遭受的破坏可包括将超研磨颗粒转变成不同材料。不同材料可包括超研磨料在化学键结键结期间所能转变成的任何材料，包括非钻石形式的碳、碳化物、氮化物、硼化物及其组合。