[发明专利]涂覆的金刚石

说明书

序言

本发明涉及涂覆的金刚石颗粒，制造这种涂覆的金刚石颗粒的方 法，及其在工具中的用途。特别地，本发明涉及涂覆有初级涂层、次 级涂层和外覆层(overcoat)的金刚石颗粒。

发明背景

本发明涉及涂覆的金刚石材料，制备这样的材料的方法，以及包 含该涂覆的金刚石材料的含磨料工具。特别地，本发明涉及涂覆的金 刚石磨粒，以及在空气中钎焊时这样的磨粒的用途。

磨料颗粒例如金刚石通常用于切割、研磨、钻孔、锯切和抛光用 途。一种制备用于上述用途的工具的方法是钎焊。然而，在钎焊过程 中，在金刚石和钎焊材料之间难以获得足够的结合，这是因为标准钎 料(braze)对于金刚石表面的不良润湿性。相比之下，所谓的活性钎 焊材料含有能够使钎料与金刚石表面结合的碳化物形成元素例如Ti 或Cr，从而允许在真空炉中使未涂覆的金刚石得到钎焊。这样做的机 理是，当将钎焊合金加热到高于约750℃并变为液体时，在碳化物形 成元素和金刚石表面的碳之间形成结合。该反应允许液体钎焊合金润 湿金刚石表面。当冷却并凝固时，通过凝固的钎焊合金使金刚石结合 在适当位置。需要使用真空(或无氧气氛)以阻止钎焊材料和金刚石 发生氧化。

已尝试将涂层置于金刚石上以抑制金刚石因氧化导致的劣化，并 允许被标准钎料润湿。然而，大多数涂层具有的问题是，在制备工具 中需要非氧化环境以便防止损害涂层。通常，通过强真空的存在，通 过使用惰性气体例如氮气和氩气，或者用氢气还原来获得非氧化环境。 涂层的氧化可影响涂层在钎料中的保持力以及涂层的润湿性。此外， 由涂层提供的任何保护可受到损害。当在氧化环境中进行钎焊时，这 些事件限制了由涂层提供的益处。

因此，通常在具有惰性气体的真空中并利用非常特定的钎料进行 钎焊，所有这些使得钎焊方法相对困难和昂贵。因此，具有能够在空 气中使用相对廉价的标准钎料/焊剂系统进行钎焊的金刚石产品将简 化钎焊方法并降低成本。

在US5647878(Iacovangelo等人，GE，1997)和US5500248 (Iacovangelo等人，GE，1996)中，作者记载了在化学气相沉积(CVD) 金刚石镶嵌件上通过施加双层涂层克服了上述问题，所述双层涂层由 WTi结合层和保护性钎料相容外覆层例如Ag构成。据显示，在制备环 境中，可使用标准钎料将双层涂覆的金刚石镶嵌件空气钎焊到工具基 材上，而无需真空炉或特殊气氛。

在‘878和‘248中的发明旨在金刚石工具镶嵌件。所述基材主要 是CVD(即化学气相沉积的)金刚石和PCD(多晶金刚石)，且所有的 实施例均使用CVD金刚石。没有提及该发明如何能够具体应用于金刚 石细粒(更多被称为磨粒)或单晶金刚石。更具体地，没有提及颗粒 尺寸为0.01μm-20mm的涂覆的磨粒产品。这是重要的，因为这样的 涂覆的磨粒产品将对于CVD金刚石和PCD具有不同的用途。

在‘878和‘248中，在保护层和下方的钨-钛层之间获得最佳附 着力涉及在具有氮和氧吸气剂的氢气-氩气混合物中的非常特殊的热 处理。此外，在热处理期间，在钛-钨合金层上方具有密切组成控制 以允许对于金刚石表面形成TiC化学结合并抑制Ti迁移是重要的。应 理解，制备‘878和‘248中所述产品所需要的热处理和特定组成控制 代表了特定处理路径，可认为该路径具有相对高的制备成本。

在‘878和‘248中，主要通过CVD(化学气相沉积)或PVD(物 理气相沉积)施加涂层。然而，当涂覆磨粒时，随着颗粒尺寸减小， 涂覆磨粒(特别是通过PVD)所需的时间显著增加，这是因为金刚石 颗粒表面积的增加。因而制备涂覆的磨粒的成本也提高。因此，对于 较细尺寸磨粒需要比PVD更具成本效率的方法。

在工业中，存在与保持大量库存(inventory)相关的高成本，因 此存在使供应商为其顾客保持的库存量最少化的动力。然而，降低库 存水平可能对顾客收货时间(lead time)产生负面影响，除非存在能 够满足需求的足够生产能力。然而，具有足够生产能力通常具有相关 的高资金成本。克服在具有高存货水平中的上述难题将对涂覆磨粒的 供应商具有经济益处。

还需要具有不包括或基本不包括单质碳化物形成元素例如Ti的 产品，所述元素在O₂存在下表现出对于氧化的亲和力。这样的单质碳 化物形成元素可扩散通过这些层并氧化。这污染并损害涂层的结构完 整性。