CN101132884B - 使超研磨颗粒于金属基质中的保持率最大化的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明揭示使超研磨颗粒于金属基质中的保持率最大化的方法。超研磨颗粒(10)可化学键结于金属基质(15)以化学键结达到将这些超研磨颗粒(10)固持于该金属基质(15)中，而不使这些超研磨颗粒(10)实质上遭到破坏的程度。且可藉由保护该超研磨颗粒(10)，使超研磨颗粒在化学键结的过程中不会过度键结，以避免超级磨料颗粒(10)实质上遭到破坏。
Description
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这些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。这些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，这些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这些超研磨材料般强固，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。这些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。尽管这些方法可得到与未化学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，及制造含有这些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。该方法可包括使这些超研磨颗粒与该金属基质以化学键结，以达到将这些超研磨颗粒固持于该金属基质中，而不使这些超研磨颗粒实质上遭到破坏的程度。避免使这些超研磨颗粒实质上遭到破坏可包括保护这些超研磨颗粒，使其免于在化学键结过程中过度结合。保护这些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，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。
涵盖调节在超研磨颗粒与金属基质之间的化学键结的各种机制，所有这些机制意欲包括在本发明的范畴内。该调节可包括改变金属基质中活性元素的可用量。举例而言，在一实施例中，调节化学键结可包括调节或最小化该活性元素在金属基质中活性的相对量。
化学键结的调节也可藉由在超研磨颗粒与金属基质之间调节化学键结的保护材料稀释金属基质来实现。在一实施例中，金属基质的稀释可包括在该超研磨颗粒化学键结于该金属基质之前，化学键结用该保护材料涂布这些超研磨颗粒。在另一实施例中，金属基质的稀释可包括在该金属基质化学键结于该超研磨颗粒之前，化学键结将保护材料与金属基质混合。
涵盖各种可起作用以保护超研磨颗粒使其免于在与金属基质化学键结期间过度键结的保护材料。实例包括(但不限于)铜、银、锌、锡、钛、硅、铬、钨、锆及其混合物，包括碳化物、氮化物及其合金。在一实施例中，保护剂可为铜。
本发明也提供制造超研磨工具的方法。因而，在一实施例中，一种制造具有如本文中所述超研磨颗粒于金属基质中的保持率得以改良的超研磨工具的方法。该方法可包括提供超研磨颗粒及将这些超研磨颗粒结合于超研磨工具中。在一实施例中，超研磨颗粒可经保护材料涂布，该保护材料调节在这些超研磨颗粒与该金属基质之间的化学键结，以达到足以将这些超研磨颗粒保持于该金属基质中，但使超研磨颗粒遭受的破坏降至最小化的程度。
未已涂布的超研磨颗粒也可结合在超研磨工具中，让金属基质用保护材料稀释以保护这些超研磨颗粒，使其在与金属基质以化学键结过程期间不会过度键结。
关于超研磨颗粒，认为任何适用作超研磨料的超硬材料均在本发明的范畴内。特定实例包括(但不限于)钻石、多晶钻石、立方氮化硼、多晶立方氮化硼，及其组合。在本发明的一实施例中提供一种超研磨工具。该工具可包括与一硬焊合金涂层以化学键结的至少一个超研磨颗粒，该硬焊合金涂层包括保护材料，该具有保护材料的硬焊合金涂层为已涂布的超研磨颗粒提供比单独硬焊合金更加改善的强度。
超研磨工具根据其预期用途可采用多种组态。因而，在一实施例中，超研磨颗粒可以预定图案布置，以使其键结在一起时，实质上能够符合该预定图案。
由此已相当广泛地概述本发明的各种特征以便可较佳理解以下本发明的详细说明，且可较佳了解本发明对此项技术的贡献。本发明的其它特征经由以下实施方式，连同所附申请专利范围将变得更为清晰，或可藉由实施本发明所得知。
附图说明
图1a为本发明一实施例的已涂布的超研磨颗粒的侧视图。
图1b为本发明一实施例的已涂布的超研磨颗粒的侧视图。
图1c为本发明一实施例具有与其以化学键结的较小尺寸超研磨颗粒的已涂布的超研磨颗粒的侧视图。
图2为本发明一实施例的工具前驱物的侧视图。
图3为本发明另一实施例的工具前驱物的侧视图。
图4为本发明一实施例，具有与其以冶金方式结合，以使超研磨颗粒根据预定图案布置的多个前驱物的超研磨工具的立体透视图。
图5为具有随机置于多孔支撑基质中的多个已涂布的超研磨颗粒的超研磨工具的剖面图。
图6为本发明一实施例，具有结合在一起的多个钻石及基材层的超研磨工具的前视图。
图7为本发明一实施例，具有以冶金方式结合在一起的多个经硬焊涂布的钻石颗粒，连同与硬焊合金以化学键结的多个间隔颗粒，且在该合金中具有孔的超研磨工具的剖面图。
【主要组件符号说明】
10：超研磨颗粒
15：金属基质/硬焊合金
20：较小颗粒
30：一维工具前驱物
40：二维工具前驱物
50：超研磨工具
55：支撑基质
60：孔
65：锯片段
70：层
75：间隔颗粒
具体实施方式
在揭示及描述本发明之前，应了解本发明并不限于本文中所揭示的特定结构、方法步骤或材料，而扩及至所属技术领域具有通常知识者所能想到的等效物。也应了解本文中所采用的术语仅为达成描述特定实施例的目的而使用，而并不意欲具有限制性。
应了解，除非上下文另外明确规定，否则如本说明书及所附申请专利范围中所用，单数形式“一”及“该”包括多个指示物。因此，举例而言，提及“一钻石颗粒”包括这些颗粒中之一或多个，提及“一碳源”包括提及这些碳源中之一或多个，且提及“一活性材料”包括提及这些材料中之一或多个。
定义
在描述及主张本发明时，将根据下述定义使用以下术语。
如本文中所用，“超硬(super hard)”及“超研磨(superabrasive)”可互换使用，且指具有约4000Kg/mm2或更大的维氏硬度(Vicker’s hardness)的结晶，或多晶材料，或这些材料的混合物。这些材料可包括(但不限于)钻石及立方氮化硼(cBN)，以及所属领域具有通常知识者已知的其它材料。尽管超研磨材料极具惰性且因此难以与某些活性元素形成化学键，但应了解某些活性元素(诸如铬及钛)能够在特定温度下与超研磨材料发生化学反应。
如本文中所用，“金属性(metallic)”指金属，或两种或两种以上金属的合金。所属领域具有通常知识者已知多种金属性材料，诸如铝、铜、铬、铁、钢、不锈钢、钛、钨、锌、锆、钼等，包括其合金及化合物。
如本文中所用，“硬焊合金(braze alloy/brazing alloy)”、“金属基质(metalmatrix)”及“金属合金(metal alloy)”可互换使用，且指含有足够量活性元素以允许在合金与超研磨颗粒之间形成化学键的合金。该合金可为具有活性元素溶质的金属载体溶剂的固体或液体溶液。此外，“经硬焊”可用以指在超研磨颗粒与硬焊合金之间化学键的形成。
如本文中所用，“颗粒(particle)”及“砂砾(grit)”可互换使用，且当与超研磨材料结合使用时指该材料的微粒形式。这些颗粒或砂砾可呈多种形状，包括圆形、长方形、正方形、自形等，以及许多特定目径。如同现有技术，“筛目”指如美国筛孔的情况下每单位面积的孔数目。
如本文中所用，“支撑基质(support matrix)”及“工具基质(tool matrix)”可互换使用且指能够容纳研磨元素的材料或物质，包括如本文中所述的工具前驱物及前驱物元素，其为不同于用于超研磨颗粒的金属基质涂层的材料。在一些实施例中，支撑基质可为完整工具主体，且在其它实施例中，支撑基质可仅为工具主体的一部分或一个片段。
如本文中所用，“活性元素(reactive element)”及“活性金属(reactive mental)”可互换使用，且指可与超研磨颗粒发生化学反应且与其以化学键结的金属元素。活性元素的实例可包括(但不限于)过渡金属，诸如钛(Ti)及铬(Cr)，包括耐火元素，诸如锆(Zr)及钨(W)，以及非过渡金属及其它材料，诸如铝(Al)。此外，学术上为非金属的某些元素(诸如硅(Si))可作为活性元素包括于硬焊合金中。
如本文中所用，术语“保护材料(protective material)”指不显着与超研磨颗粒反应且与其以化学键结的金属元素、金属元素的混合物、金属元素与非金属元素的混合物、非金属元素，或非金属元素的混合物。保护材料的实例可包括(但不限于)铜(Cu)、金(Au)、银(Ag)、锡(Sn)、锌(Zn)及其混合物。“保护材料”也可指与超研磨颗粒反应的程度小于金属基质中其它活性元素的活性元素。因而，此等“活性较小”的元素可起作用以保护超研磨颗粒，使其免于在与含有活性较大的元素的金属基质一起使用时过度结合。
如本文中所用，“润湿(wetting)”指使熔融金属流经超研磨颗粒表面的至少一部分的过程。润湿通常至少部分归因于熔融金属的表面张力，且可使得存在有活性元素时，在超研磨颗粒与熔融金属之间的界面处形成化学键。
如本文中所用，“冶金结合(metallurgical bond)”指两种或两种以上金属之间的结合。这些结合可为这些金属之间的简单机械连接或结合，诸如由液态金属的缠结及其凝固作用所形成的。此外，这些结合可为在本质上为化学性的结合，诸如金属之间存在的典型离子结合。
如本文中所用，“化学键(chemical bond)”及“化学键结(chemical bonding)”可互换使用，且指在原子之间施加足够强的吸引力，以在原子之间的界面处形成二元固体化合物的分子键。与本发明有关的化学键在钻石超研磨颗粒的情况下通常为碳化物，或在立方氮化硼的情况下通常为氮化物或硼化物。
如本文中所用，“涂布(coat)”、“涂层(coated)”及“已涂布(coating)”指沿超研磨颗粒外表面的至少一部分已与活性金属、活性金属合金或保护材料紧密接触的区域。在活性金属的情况下，化学键可形成于颗粒与金属或合金之间，或该化学键结可在活性金属或活性金属合金液化及凝固之后形成。由于保护材料一般不与超研磨颗粒反应，因此保护材料涂层可经由机械结合或其它非化学键与超研磨颗粒偶联，不过在使用特定保护材料时也可产生化学键结。在一些实施例中，活性金属或保护材料涂层可为实质上实质上包围或密封整个超研磨颗粒的层状结构。应了解，这些层状结构在某些情况下限于某一最小厚度。此外，应了解，该涂层可逐个或以颗粒群形式施加至颗粒上，且该涂层可以在将超研磨颗粒结合于工具中之前进行的独立步骤来实现，例如以形成可与支撑基质组合而形成某些工具的工具前驱物。此外，有可能许多已涂布的颗粒在存在或不存在其它研磨颗粒的情况下固结在一起，且其本身作为工具，而无需结合至支撑基质中。
如本文中所用，“分离物(separator)”指能够在用金属基质涂布超研磨颗粒的过程期间使超研磨颗粒分离的任何形式的材料。在一实施例中，该分离物可为不具有与金属基质发生化学反应的亲和力的耐热性粉末。在另一实施例中，分离物可为薄片、盘，或其它具有多个孔以用于分离颗粒的形式。
如本文中所用，“实质上(substantially)”指接近且包括100％的情形。实质上是用指尽管100％为所要的，但较小程度地偏离为可接受的。举例而言，实质上所有超研磨颗粒包括所有超研磨颗粒的群及所有超研磨颗粒减去相对较小部份超研磨颗粒的群。
如本文中所用，为方便起见，多个项目、结构元素、组成元素及/或材料可以共享清单提供。然而，此等清单应视为如该清单的每一成员个别指定为独立及唯一构件一般。因此，若无相反说明，则不应仅基于呈现于共享群中，而将该清单中任何个别构件视为同一清单的任何其它成员的实际等效物。
浓度、量及其它数值数据在本文中可以范围形式表述或呈现。应了解，该范围形式仅为方便及简洁起见而使用，且因此应弹性地解释为不仅包括如该范围的界限明确描述的数值，而且包括涵盖在彼范围内的所有个别数值或子范围，其程度如同每一数值及子范围经明确描述一般。举例而言，“约1至约5”的数值范围应解释为不仅包括约1至约5的明确描述值，而且包括在指定范围内的个别值及子范围。因此，诸如2、3及4的个别值及诸如1-3、2-4及3-5等的子范围包括在此数值范围内。
此相同原则适用于仅一个数值描述的范围。此外，该解释的适应性不受范围宽度或所述特征限制。
发明
本发明涵盖改善超研磨颗粒保持率的超研磨工具以及其各种组件，诸如已涂布的超研磨颗粒及工具前驱物。另外，本发明涵盖用于制造这些工具及组件的各种方法。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。该方法可包括使这些超研磨颗粒与该金属基质以化学键结，达到将这些超研磨颗粒固持于该金属基质中，而不使这些超研磨颗粒实质上遭受破坏的程度。避免使这些超研磨颗粒实质上遭受破坏可包括保护这些超研磨颗粒使其免于在化学键结过程期间过度结合。
值得注意的是，本发明的超研磨颗粒于金属基质中的保持率，大部分归因于涂层与超研磨颗粒之间达成的化学键结的量。化学键结的缺乏或微少地存在导致采用诸如电镀及烧结的已知方法的工具中，颗粒过早脱离的主要原因。然而，化学键结可能损害超研磨颗粒的强度。现认为超研磨颗粒的强度与颗粒于金属基质中保持率之间的最佳平衡，可藉由用保护材料稀释硬焊金属来实际上减少所形成的化学键数目，同时维持用于所要的保持率的足够化学键结来达成。
认为由化学键结应该为超研磨颗粒遭受破坏负责的各种机制。在一实施例中，超研磨材料沿其中发生化学键结的表面可逆转化成具有较低强度的一种超研磨材料形式，或不同材料。该在颗粒表面上的弱化可致使该颗粒在处于机械应力下时脱离金属基质。举例而言，钻石超研磨颗粒可在化学键结期间沿该表面逆转化成石墨、无晶形无晶形碳、类钻碳等。此等非钻石形式的碳的强度可小于超研磨颗粒的钻石晶格，且因此其强度会在金属基质界面处受损。
在另一实施例中，超研磨颗粒的强度可因沿该颗粒与金属基质之间边界，形成不同于超研磨颗粒与金属基质的材料而受损。金属基质通常含有可形成碳化物或氮化物的活性元素，其趋于在与超研磨颗粒以化学键结之后与颗粒表面形成碳化物或氮化物键。举例而言，若超研磨颗粒为钻石且金属基质为含钛的硬焊合金，则在该钻石与该硬焊合金之间将形成碳化钛键。该结合的形成部分归因于沿钻石表面使碳转化成碳化物的缘故。此碳化物的转化可能致使超研磨颗粒劣化，且由于碳化物强度小于超研磨料，因此可能降低已涂布的超研磨颗粒的总强度。该弱化可能是由于超研磨材料自颗粒表面溶出而形成碳化物键。
因而，在一实施例中，化学键结在超研磨颗粒与金属基质之间可被调节，以达到足以将这些颗粒保持于该金属基质中，但使超研磨颗粒遭受的破坏达到最小化的程度。在另一实施例中，化学键结可被调节以达到足以将这些颗粒保持于该金属基质中，但使超研磨颗粒至不同材料的转化达到最小化的程度。该不同材料可包括该超研磨颗粒可转化成的任何材料，包括(但不限于)碳化物、氮化物、硼化物及其组合。
因此，各种调节化学键结的方法都可被考虑。在一方法中，含有硬焊材料的金属基质可用能够调节超研磨颗粒与该金属基质之间化学键结的保护材料来稀释。各种可在化学键结与使超研磨颗粒的转化最小化之间达成平衡的稀释机制皆可被考虑。在一实施例中，在超研磨颗粒与金属基质以化学键结之前，保护材料能以涂层形式施加于该超研磨颗粒上。金属基质在保护材料涂层液化且与其混合时得以稀释。由于保护涂层基本上不与超研磨颗粒反应，或与金属基质的硬焊材料相比具有较小活性，因此该稀释将降低所形成的化学键的比例。保护涂层可以单层或多层形式施加。
该涂层可藉由所属领域具有通常知识者已知的方法，诸如气相沉积技术、电镀、烧结、溅镀等的任何方法施加。可调整涂层的厚度以形成所要比例的与超研磨颗粒的化学键。因而，涂层的厚度可视超研磨材料、保护材料、金属基质材料的各种物理及化学特性及工具的预期目的而定，以在较大范围内变化。然而，举例而言，在一实施例中，涂层的厚度可小于约50微米。在另一实例中，涂层的厚度可为约1微米至约40微米。在又一实例中，涂层的厚度可为约5微米至约30微米。在另一实例中，涂层的厚度可为约10微米。在又一实例中，涂层的厚度可小于约20微米。
在另一实施例中，稀释可包括在金属基质与超研磨颗粒以化学键结之前，将保护材料与该金属基质混合。可调整经混合的保护材料的量以形成所要比例的与超研磨颗粒的化学键。如同用保护材料涂布超研磨颗粒一般，用以稀释金属基质的保护材料的量可视超研磨材料、保护材料、金属基质材料的各种物理及化学特性及工具的预期目的而定，以在较大范围内变化。经稀释的金属基质可与裸露的超研磨颗粒或已经其它保护材料及/或活性元素涂布的超研磨颗粒反应。另外，在另一种调节超研磨颗粒与金属基质之间的化学键结的方法中，可减少金属基质中活性元素的相对量。
保护材料可包括已知用于稀释金属基质时起作用以调节化学键结的任何材料。尽管许多保护材料可能显示很少或不与超研磨颗粒反应，但应了解也可使用其它保护材料作为形成碳化物或氮化物键的活性元素。在此等状况下，藉由与金属基质相比较的相对活性而将材料定义为保护性材料。尽管诸如钛的材料可具有活性，但若其与金属基质的组份相比则活性较小，其在混合于金属基质中时将提供保护功能。因此，保护材料可包括(但不限于)铜、金、银、锌、锡、钛、硅、铬、钨、锆及其混合物，包括碳化物、氮化物及合金。
所用超研磨颗粒可选自多种特定类型的钻石(例如，多晶钻石)及立方氮化硼(例如，多晶cBN)，且应能够以化学键结与活性材料结合。此外，这些颗粒按需要可呈许多不同形状，以使预期将结合这些颗粒的工具适用于特定目的。然而，在一实施例中，超研磨颗粒可为钻石，包括天然钻石、合成钻石及多晶钻石(PCD)。在又一实施例中，超研磨颗粒可为单晶或多晶立方氮化硼(cBN)。在又一实施例中，超研磨颗粒可为选自由下列各物组成的群的一员：碳化硅(SiC)、氧化铝(Al2O3)、氧化锆(ZrO2)及碳化钨(WC)。
许多活性元素可用于金属基质中以达成与超研磨颗粒的所要化学键结。金属基质可使超研磨颗粒与工具以化学键结，或其可为超研磨颗粒外部的涂层。这些已涂布的超研磨颗粒可结合多种工具中。因此，可与金属性载体形成合金的多种活性元素为所属领域具有通常知识者所已知，且可基于各种因素选择特定活性元素。包括于本发明中所用的金属基质中的合适活性元素的实例包括(但不限于)铝(Al)、硼(B)、铬(Cr)、锂(Li)、镁(Mg)、钼(Mo)、锰(Mn)、铌(Nb)、硅(Si)、钽(Ta)、钛(Ti)、钒(V)、钨(W)、锆(Zr)及其混合物。除活性元素或其它元素以外，根据本发明的实施例用以形成化学键的金属基质包括至少一种其它金属作为载体或溶剂。一般所属领域具有通常知识者想到的任何金属可用作该载体或溶剂，尤其彼等已知用于制造超研磨工具的金属。然而，举例而言，在本发明的一实施例中，这些金属可包括(但不限于)钴(Co)、铜(Cu)、铁(Fe)、镍(Ni)及其合金。
如上文所提及，使活性元素与另一种金属形成合金的一目的在于降低活性元素的有效熔点，同时保持其与超研磨颗粒以化学键结的能力。如在此项技术中已知，许多超研磨材料(诸如钻石)的热稳定性限制在约900℃至约1200℃的范围内。因而，在本发明的一实施例中，可选择活性金属合金的组份及精确比率，以提供熔点在所用特定超研磨材料的热稳定性限制内或以下的合金。实务上，溶剂金属可经选择且与适当量的活性元素以降低两种元素的熔点，且得到熔点小于约1200℃的硬焊合金。在又一实施例中，熔点可在约900℃以下。此外，将保护材料添加至金属基质中可减少超研磨颗粒的劣化，且因此增加已涂布的超研磨颗粒的总强度。
一般所属领域具有通常知识者应认识到，特定活性金属与其它特定载体金属的许多组合可以不同比率或量形成合金，以得到与超研磨颗粒以化学键结且具有合适熔点的合金。然而，在一实施例中，活性元素的含量可为该合金的至少约1％。在另一实施例中，元素的量可为该合金的至少约5％。
在本发明的另一实施例中，经金属基质涂布的超研磨颗粒可进一步包括与该涂层的外部结合的至少一个金属外涂层。一般所属领域具有通常知识者应认识到，许多材料可用于该金属外涂层，且可基于包括主要基质材料及结合已涂布的颗粒的工具的设计在内的许多因素，而进行具体选择。然而，在一实施例中，金属外涂层可包括至少一种选自由下列各金属所组成的群组：钴(Co)、铜(Cu)、铁(Fe)、镍(Ni)及其混合物。应认识到，可使用一或多个外涂层以达成已涂布的颗粒的所要总涂层厚度。在一实施例中，超研磨颗粒周围所达成的总涂层厚度可大于该超研磨颗粒的直径。
除金属外涂层以外，许多其它各种材料可作为外涂层施加于保护材料及/或硬焊合金涂层上。参看图1a-1c，其显示本发明经凝固的液体硬焊涂层15涂布的超研磨颗粒10的多个实施例。可见，图1c另外显示较小颗粒20与涂层外部的结合。在一些实施例中，这些颗粒可为各种组成的材料，其限制条件为这些微粒各自具有小于已涂布的超研磨颗粒的尺寸。特定类型的实例包括(但不限于)金属微粒、金属合金微粒，诸如碳化物，或超研磨微粒。特定碳化物微粒的实例包括(但不限于)碳化硅(SiC)、碳化钨(WC)及经钛(Ti)涂布的立方碳化硼(cBN)。在一实施例中，这些颗粒可为钻石或尺寸小于已涂布的超研磨颗粒的其它超研磨颗粒。已发现这些涂层进一步增加超研磨颗粒的保持率的强度。特别的是此等类型的涂层会影响活性金属合金涂层外部，以及结合有该已涂布超研磨颗粒的工具的基质材料之间渐进式或“梯度”的过渡(transition)。由此可消除由两种材料之间的较急剧过渡所产生的弱界面。
在本发明的一实施例中，熔融硬焊合金可润湿超研磨颗粒表面的至少约40％。在另一实施例中，该合金可润湿超研磨颗粒表面的至少约50％。在又一实施例中，该合金可润湿超研磨颗粒表面的至少约60％。在一些实施例中，超研磨颗粒表面的至少约80％或更多可经硬焊合金润湿。
应了解，单一的经熔融硬焊材料或保护材料涂布的颗粒可作为结合于工具中的工具前驱物。此外，根据本发明，多个已涂布的颗粒可以冶金方式结合在一起，以呈各种一维、二维及三维组态，且用作工具前驱物。在一些实施例中，这些工具前驱物可基本上由超研磨颗粒及凝固熔融硬焊合金组成。举例而言，请参看图2，其显示本发明一维工具前驱物30的一实施例。该工具前驱物包括各自经金属基质涂层15涂布，且以冶金方式结合在一起的多个超研磨颗粒10。这些超研磨颗粒以单列排列从而形成一维针型结构。此外，图3显示藉由将如图2中所示的多个一维结构，以冶金方式结合在一起制造的二维工具前驱物40。在本发明的又一实施例中，多个二维工具前驱物(诸如板、棍或杆，诸如图2中所示)可以冶金方式结合在一起以形成三维结构(图中未示)。应了解，尽管图2及3中所示的工具前驱物的颗粒是根据预定图案布置，但在一些实施例中，颗粒定位可为随机的。
本发明另外涵盖各种制造及使用超研磨工具的方法，包括其各种组份，诸如本文中所述的已涂布的超研磨颗粒及工具前驱物。这些方法可采用材料、结构、尺寸及其它上述装置所揭露的参数，以及如一般所属领域具有通常知识者所想到的其等效物。在一实施例中，本发明包括一种使超研磨颗粒与活性金属合金涂层以化学键结的方法。该方法可包括以下步骤：用呈熔融液态的硬焊合金覆盖超研磨颗粒，以及在使液态硬焊合金在该超研磨颗粒周围凝固，以使得该活性金属合金以化学键结于该超研磨颗粒。在本发明的另一实施例中，提供一种用于保护超研磨颗粒使其免于在化学键结过程期间过度结合的方法。该方法可包括提供经保护材料涂布的超研磨颗粒，该保护材料调节在超研磨颗粒与金属基质之间的化学键结，以达到足以将这些超研磨颗粒保持于该金属基质中，但使超研磨颗粒至不同材料的转化达到最小化的程度。因此，将超研磨颗粒结合在超研磨工具中可包括使每一超研磨颗粒的至少一部分与金属基质以化学键结。
一般所属领域具有通常知识者应想到许多用金属基质覆盖超研磨颗粒的方式，诸如藉由将这些颗粒浸渍于合金中，及将该合金滴于这些颗粒上，以及其它施加技术。然而，在本发明的一实施例中，覆盖步骤可进一步包括以下步骤：用有机黏合剂材料涂布超研磨颗粒，用该有机黏合剂材料将粉末形式的硬焊合金黏附于该超研磨颗粒上，及将活性金属合金加热至足以使该合金熔融、涂布、且以化学键结于该超研磨颗粒的温度。
一般所属领域具有通常知识者应想到适用于此情形的多种有机黏合剂。然而，在一实施例中，该黏合剂材料可为选自由下列各物组成的群的一员：聚乙烯醇(PVA)、聚乙烯醇缩丁醛(PVB)、聚乙二醇(PEG)、石蜡、酚醛树脂、蜡乳液及丙烯酸系树脂。在另一实施例中，黏合剂可为PEG。此外，将粉末形式的活性金属合金施加于经黏合剂涂布的颗粒上，以达成使该合金黏附其上的目的，可藉由诸如将这些经黏合剂涂布的颗粒与该粉末一起辊压(rolling)、浸渍(dipping)或滚转(tumbling)的各种方法来实现。此外，该施加可藉由以喷洒(spraying)、淋洒(showering)、喷射(projecting)或以其它方式，将该粉末引导至超研磨颗粒上，以形成所要涂层的各种方法来实现。该方法的一实例是藉由使用流体化床流。一般所属领域具有通常知识者应想到其它使粉末黏附于经黏合剂涂布的颗粒上的方法。
如一般所属领域具有通常知识者所认识到，可采用加热经粉末涂布的超研磨颗粒的多种方式。只要能够达到足以将粉末状硬焊合金熔融成熔融液态的温度，对所采用的特定加热机制无特殊限制。一旦熔融，液态合金即可润湿超研磨颗粒且在其界面处形成所要化学键。此外，除加热以外的其它机制可用以促进合金的熔融及液化，诸如藉由添加助熔剂，或一般所属领域具有通常知识者应想到的其它方法，其限制条件为这些方法不防碍或阻止超研磨颗粒的润湿及所要化学键的形成。
在一些情况下，可能需要在用金属基质覆盖超研磨颗粒之前，用某些材料首先涂布或“预处理”该超研磨颗粒。这些底漆材料可用于任何超研磨颗粒，但对于某些极具惰性的超研磨颗粒(诸如cBN)尤其有利。这些材料的高惰性可使其难以与金属基质形成化学键。因此，在本发明的一实施例中，可藉由在该超研磨颗粒上形成活性材料的预处理层或底漆层来调节超研磨颗粒。可通常藉由诸如上文所论述的固态沉积及气相沉积技术的现有方法来形成这些底漆层。在一实施例中，该预处理层可为选自由下列各活性材料所组成的群群：铬、硅、钛、钨及其混合物，包括碳化物、氮化物及合金。在另一实施例中，活性材料可为钛。在另一实施例中，活性材料可为碳化钨。在另一实施例中，活性材料可为碳化硅。在又一实施例中，活性材料可为铬。在又一实施例中，超研磨颗粒可用包括和具有实质上较小活性的保护材料混合的活性材料底漆层预涂布。一般所属领域具有通常知识者应想到可首先沉积于超研磨颗粒上的其它合适材料，包括以多层形式形成的材料，以便促进或增强与熔融硬焊合金的化学键结的形成。
实际上，可能经常在单一加工事件中用金属基质同时涂布多个超研磨颗粒。在这些情况下，根据本发明的某些实施例，可能需要防止已涂布的颗粒熔融或接合在一起。因而，在一实施例中，加热可包括以使得超研磨颗粒在加热期间分离的分离物分配这些颗粒，将活性金属合金加热至足以使该合金熔融且润湿且以化学键结超研磨颗粒的温度，及自该分离物移除超研磨颗粒。可采用多种分离方法及装置。特定分离物的具体选择可由诸如速度、经济性及所达成结果的品质决定。然而，在一实施例中，分离物可为不与硬焊合金反应且可耐高温的粉末。这些材料的实例包括(但不限于)氧化物粉末，诸如氧化铝(Al2O3)、氧化硅(SiO2)或氧化锆(ZrO2)；及氮化物粉末，诸如氮化硼(BN)、氮化铝(AlN)。一般所属领域具有通常知识者应想到其它非活性粉末状材料。
在另一实施例中，分离物可为其中具有多个孔的板。这些孔的具体尺寸及置放可部分由所涂布的超研磨颗粒的尺寸及形状决定。然而，当进行一般程序，单一超研磨颗粒可呈已涂布或未已涂布的状态置于该板的每一孔中。自板除去过量颗粒，且随后用硬焊粉末填充这些孔。随后使含有颗粒及硬焊合金的板经受足够热量，以使该硬焊合金熔融，且润湿这些颗粒且形成化学键。在颗粒沈积于孔内之前未经预涂布的情况下，可将粉末状涂层置于孔内或覆盖于孔上，且该粉末状涂层在经足够热量熔融时将覆盖且附着于超研磨颗粒。
在熔融硬焊合金已与超研磨颗粒结合之后，使这些颗粒冷却，且硬焊合金凝固。一旦合金已凝固，即将已涂布的超研磨颗粒自分离物移除，且可使其经过如上文提及的其它加工步骤，诸如施加一或多个外涂层，或使其它较小颗粒与其结合。或者，可藉由使已涂布的超研磨颗粒与工具主体偶联，例如藉由将这些已涂布的颗粒浸渍于基质中，或在一些实施例中，藉由使多个颗粒简单偶联在一起来将这些颗粒直接结合于工具中。
或者，在本发明的一些实施例中，可能需要使这些超研磨颗粒同时涂布，也可在同一步骤中以冶金方式结合。举例而言，当需要一维、二维或三维工具前驱物时，使这些颗粒以所想要的设置而简单地排列是方便的，例如藉由将这些颗粒置放于具有指定形状的盘中，或藉由如上文所述个别置放这些颗粒，且随后用熔融硬焊合金整体式(en mass)涂布这些颗粒。在合金凝固之后，颗粒不仅与合金以化学键结的方式结合，而且这些颗粒的金属基质涂层彼此尚以冶金方式结合。在一实施例中，硬焊材料可以粉末形式提供。在另一实施例中，硬焊材料可以无晶形硬焊合金的薄板或薄片形式呈现。
一旦已涂布的超研磨颗粒或工具前驱物完成，即可藉由使该颗粒或前驱物与支撑基质以冶金方式结合，以将其结合在工具中。许多工具可用于这些已涂布的超研磨颗粒，包括(但不限于)锯片、钻头、砂轮及化学机械抛光垫修整器等。一般所属领域具有通常知识者应想到将已涂布的颗粒倂入这些工具中的许多方式，且具体整合方法可由诸如工具中的其它材料、工具组态、工具用途、支撑基质类型等的许多因素决定。
此外，这些颗粒的布置可根据预定图案或特定组态。实现这些超研磨颗粒图案或组态的特定方法的实例可见于美国专利第4,925,457号、第5,380,390号、第6,039,641号及第6,286,498号中，这些专利各以引用的方式倂入本文中参考。另外，在多种状况下，这些工具前驱物本身可适于作为工具的某些用途。此外，一般所属领域具有通常知识者应想到未并入工具中的个别已涂布的颗粒的许多用途，如疏松研磨料。
一般所属领域具有通常知识者应容易想到形成特定所要组态的许多方式，诸如藉由使用铸模等。一旦处于铸模中，即可将其它硬焊材料或金属微粒材料添加至总成中以将物质添加至形成主体中。另外，可组装不同尺寸的超研磨颗粒以减少颗粒之间孔隙空间的量，且提供具刚性且耐用的多晶主体。减少孔隙空间的其它技术也可应用于超研磨团块(同时处于模中)，诸如振荡、振动等(若需要)。
固结的已涂布的超研磨颗粒可另外经许多特定材料浸润以达成特定目的。举例而言，可在形成工具主体期间经由超研磨团块浸润熔融的硅，以形成能够散热的工具，诸如散热器。一般所属领域具有通常知识者应想到可使用本发明的技术产生的许多其它特定工具，诸如钻头、锯及其它切割工具。
当使用时，已涂布的颗粒及工具前驱物所结合的支撑基质可选自一般所属领域具有通常知识者应想到的多种材料。例如可固结的金属粉末及固体金属基材。
请参看图4，其显示本发明的超研磨工具50的一实施例的立体透视图。该工具具有一固结金属粉末支撑基质55以及多个一维工具前驱物30，该一维工具前驱物各自具有多个经一凝固硬焊涂层15结合的多个超研磨颗粒10，其中该凝固硬焊涂层15进一步与该支撑基质以冶金方式结合。可见，这些工具前驱物已布置于该基质支撑材料中，以使得这些超研磨颗粒各自根据预定图案固持于特定位置上。然而，应了解虽然这些图案是可设置的，但却非必须的。举例而言，如图5中所示，经凝固熔融硬焊合金15涂布的超研磨颗粒10随机固持于支撑基质55中。
另外，尽管图4中的基质支撑资料显示为固结粉末，但应了解本发明可替代性地使用固体金属支撑基质。在该种状况下，支撑基质应经配置而具有可容纳工具前驱物或多个已涂布的颗粒的狭槽或凹槽。此外，对于一些具有固体金属支撑基质的工具而言，可能需要简单地将研磨颗粒与基质表面结合，此将在下文中更详细论述。
参看图5，其显示本发明的超研磨工具50的又一实施例。最值得注意的是，支撑基质55为多孔基质，含有多个孔60。已发现这些孔尤其在工具为用于材料移除目的的工具时有利于达成改良工具效能的目的。特定言之，这些孔及间隔物可便于自工件切削及切除材料。此外，这些孔可充当流通及固持液体冷却剂的管道。以此方式，该工具可以更快速率自工件移除材料而温度不显着升高。这些孔可以多种方式实施于工具中。举例而言，可使空气在粉末状基质材料固结期间于其内鼓泡，可使用在加热步骤期间崩解的颗粒，或这些孔在某种程度上可简单地由诸如烧结的固结加工程序产生。此外，在一些实施例中，这些孔可由置放及接合已涂布的超研磨颗粒产生，且可根据预定图案存在。
可使用多孔支撑基质的一个原因在于超研磨颗粒与金属基质以化学键结，且因此牢牢固持于该基质中。因此，对于每一颗粒的机械支撑的量减少是可接受的。此外，化学键结允许较柔软、价格比较低廉的材料用作基质支撑，诸如铜、铁、钢等。
除使已涂布的超研磨颗粒与支撑基质以冶金方式结合以外，在一些实施例中，这些已涂布的颗粒可以黏接剂或有机金属黏合剂附着于基质上。如美国专利第6,915,796号中所论述(其以引用的方式倂入本文中)，多种有机黏合剂及有机金属黏合剂为一般所属领域具有通常知识者已知且可使用。有机金属偶联剂可包括至少一个与金属发生化学反应以形成化学键的活性部分，以及至少一个与有机黏合剂反应以形成化学键的活性部分。以此方式，有机金属偶联剂充当在有机黏合剂与已涂布的超研磨颗粒的金属表面之间形成键的桥梁。在本发明的一实施例中，有机金属偶联剂可为钛酸酯(titanate)、锆酸酯(airconate)、硅烷(silane)或其混合物。此等材料可含有与羟基反应，且藉此与金属表面以化学键结的可水解基团。另外，此等材料也可含有与有机黏合剂发生化学反应的不可水解基团。这些有机金属偶联剂描述于美国专利第4,620,933号、第5,558,705号、第5,571,296号及第6,579,931号中，这些专利各自以引用的方式倂入。
适用于本发明中的硅烷的特定非限制性实例包括：3-缩水甘油氧基丙基三甲氧基硅烷(3-glycidoxypropyltrimethoxy silane)(从Dow Corming获得的Z-6040)；γ-甲基丙烯醯氧基丙基三甲氧基硅烷(γ-methacryloxy propyltrimethoxy silane)(从UnionCarbide Chemicals Company获得的A-174)；β-(3，4-环氧基环己基)乙基三甲氧基硅烷(β-(3，4-epoxycryclohexyl)ethyltrimethoxy silane)、γ-胺基丙基三乙氧基硅烷(γ-aminopropyltriethoxy silane)、N-(β-胺基乙基)-γ-胺基丙基甲基二甲氧基硅烷(N-(β-aminoethyl)-γ-aminopropylmethyldimethoxy silane)(从Union Carbide、Shin-etsuKagaku Kogyo K.K.等获得)；且合适硅烷偶联剂的其它实例可见于美国专利第4,795,678号、第4,390,647号及第5,038,555号中，这些专利各自以引用的方式倂入本文中。
钛酸酯偶联剂的特定非限制性实例包括：钛酸异丙基三异硬脂醯酯(isopropyltriisostearoyl titanate)、二(枯基苯氧基)氧基乙酸酯钛酸酯(di(cumylphenylate)oxyacetate titanate)、钛酸4-胺基苯磺醯基十二烷基苯磺醯酯(4-aminobenzenesulfonyldodecylbenzenesulfonyl titanate)、四辛基双(二-十三烷基亚磷酸酯)钛酸酯(tetraoctylbis(ditridecylphosphite)titanate)、异丙基三(N-乙基胺基-乙基胺基)钛酸酯(isopropyltri(N-ethylamino-ethylamino)titanate)(可自KenrichPetrochemicals.Inc.获得)、钛酸新烷氧酯(neoalkyoxy titanate)(诸如LICA-01、LICA-09、LICA-28、LICA-44及LICA-97(也可自Kenrich获得))，及其类似物。
铝偶联剂的特定非限制性实例包括乙醯基烷氧基二异丙酸铝(acetoalkoxyaluminum diisopropylate)(可自Ajinomoto K.K获得)，及其类似物。
锆酸酯偶联剂的特定非限制性实例包括：锆酸新烷氧酯，LZ-01、LZ-09、LZ-12、LZ-38、LZ-44、LZ-97(均可自Kenrich Petrochemicals，Inc获得)，及其类似物。其它已知有机金属偶联剂(例如硫醇盐基化合物)可用于本发明中，且将其视为在本发明的范畴内。
所用有机金属偶联剂的量视该偶联剂及涂布超研磨颗粒的金属基质的表面积而定。通常，0.05wt％至10wt％的有机黏合剂层是足够的。
如上所述，本发明的方法可用于制造多种超研磨工具。请参看图6，其显示用于诸如往复锯或圆锯的锯中的锯片段。锯片段65具有多个由支撑基质55及工具前驱物30堆栈，且以冶金方式结合的层70。该工具前驱物与一或多个支撑基质以冶金方式结合以形成一层状结构，且这些层状结构以冶金方式有效地结合在一起。此外，由于在每一层状结构内的超研磨颗粒10间的间隔，且由于硬焊合金15的量及施用，因此存在多个孔60。此外，此等孔可提供如上所述的所有优点。
在图6中所示的实施例中，用以制成工具前驱物30的硬焊合金15为无晶形硬焊合金的薄板或薄片。然而，应了解可使用另一形式的硬焊合金，诸如粉末形式。在一制造实施例中，薄片可黏附于支撑基质55的每一面上，且随后超研磨颗粒10黏附于一或两个薄片的暴露表面上以形成一层状结构。值得注意的是，这些超研磨颗粒可随机或根据预定图案黏附。随后藉由堆栈来组装多个层且加热至足以使硬焊合金薄片熔融且涂布超研磨颗粒的温度。随后使此种总成冷却，且该硬焊合金凝固，并与这些颗粒以化学方式键结，而且与这些支撑基质以冶金方式结合，从而将这些层状结构有效地结合在一起。该锯片段随后可附着于锯片上。
作为与基质支撑物结合的替代情况，本发明的已涂布的颗粒可包括与该金属基质混合且与其以化学方式键结的多个间隔颗粒。请参看图7，其显示以本发明另一实施例制造的工具的剖面图。可见，多个经凝固熔融硬焊合金15涂布的超研磨颗粒10以冶金方式一起结合于具有孔60的多孔工具中。另外，该工具含有与该硬焊合金以化学键结的多个间隔颗粒75。这些间隔颗粒本身可在与该工具结合之前经凝固熔融硬焊合金涂布，或可能未已涂布。也应了解，尽管超研磨颗粒及间隔颗粒在如图7中描述为呈随机置放，但其置放可根据预定图案，且这些孔也可根据预定图案存在。一般所属领域具有通常知识者应想到用于这些间隔颗粒的许多合适材料，且材料的具体选择可基于许多考虑因素，诸如工具类型、硬焊合金类型等。然而，在一实施例中，该材料可为碳化硅(SiC)。
以下实例呈现用于制造本发明的已涂布的超研磨颗粒的各种方法。这些实例仅为说明性，且藉此意谓并不限制本发明。
实施例
例1
用丙烯酸系黏合剂的薄膜覆盖40/50目(mesh)的钻石颗粒。随后将经黏合剂覆盖的钻石与含有硼、镍、铬、硅，且平均粒度为约325目，并以商标名NICHROBRAZ
(Wall Colomnoy)购得的粉末状金属合金混合。得到经硬焊粉末包覆的钻石。随后将此等已涂布的颗粒与氧化铝精细粉末混合。将该混合物在保持在10-5托耳下的真空炉中，加热至约1005℃的最高温度，历时约17分钟以确保金属合金涂层熔融并液化，且在钻石颗粒周围流动，从而润湿这些钻石颗粒。随后使混合物冷却且自炉中取回。在使钻石颗粒与氧化铝分离之后，将许多已涂布的颗粒与钴粉混合且在热压机中烧结以形成长方形片段。藉由用钳子弯曲来使一些此等片段断裂。随后在显微镜下检视破裂表面。观察到破裂平面延展穿过已涂布的钻石颗粒，而非偏离至该钻石颗粒与该涂层之间的界面周围，后者为不具有上述硬焊涂层的烧结钻石颗粒的特征。
例2
沿用与例1中大略相同的程序，但将氧化铝分离物粉末替换为平均目径为约325目至约400目的钻石颗粒。在加热过程中，较小钻石颗粒经硬焊合金涂层润湿，且与该已涂布的钻石颗粒的外部以化学方式键结。因此，产生具有以化学键结的金属合金壳的已涂布的钻石颗粒，其中较小钻石颗粒进一步与该金属合金壳的外部结合。将此等“尖锐的(spiky)”已涂布的颗粒与钴基质结合，且如上所述进行破裂测试，可得到类似结果。
例3
沿用例2的方法，但将较小钻石颗粒替换为碳化硅颗粒。该方法得到具有与金属涂层外部结合的陶瓷颗粒(与例2的钻石颗粒类似)的已涂布钻石颗粒。此外，破裂测试得到与例1及2类似的结果。
例4
将钻石颗粒如例1中用粉末状硬焊合金涂布，且随后排列于氧化铝板上切刻的凹槽中。将少量硬焊粉末封装于已涂布的颗粒之间，且将该总成如例1中在炉中加热。将所得“针”如先前例子中所述进行破裂测试，且显示破裂穿过钻石颗粒，而非在该钻石与金属合金涂层的界面的钻石颗粒周围，或于钻石颗粒之间破裂。
例5
沿用与例4中相同的程序，然而将经钻石涂布的颗粒展布于氧化铝板上。随后如先前例子所述将硬焊粉末封装于已涂布的颗粒之间，且加热此种总成。随后将所得经硬焊合金结合的钻石颗粒的钻石板如先前实例所述进行破裂测试。破裂平面的分析显示随机破裂，其包括穿过各种钻石颗粒的破裂，而非按照钻石颗粒布置及主要位于钻石颗粒/金属涂层界面处的破裂的模式。
例6
再次沿用例4及5的程序，仅已涂布的钻石颗粒之间的空隙，使用碳化钨以及用以涂布这些钻石颗粒的硬焊粉末的混合物填充。再次根据先前例子进行加热，且获得复合材料的瓦片。将该瓦片进行破裂测试，且结果证实与上述例子获得的结果一致。
例7
将40/50目MBS-950钻石颗粒用钛(0.4微米)、铬(0.4微米)、铜(10微米)、铜(30微米)、铜(50微米)或多个钛/铬(1微米)加铜(10微米)的涂层涂布。将其与Nicrobraz LM粉末(90wt％)、铜粉(10wt％)及丙烯酸系黏合剂(总粉末的3wt％)混合且冷压以形成长方形片段。将此等片段在真空(10-5托耳)下加热至1010℃历时10分钟。加热之后，Nicrobraz LM熔融且浸润以结合铜粉及钻石。铜粉用于阻断熔融LM的流动，藉此可维持片段形状。在无铜粉的情况下，熔融Nicrobraz LM将因表面张力而聚结以形成球。将此等片段溶解于王水中以释出钻石颗粒。测试由此形成的钻石颗粒的抗冲击强度。发现相对强度排列如下：铜(50微米)＞铜(30微米)＞铜+钛/铬＞铜(10微米)＞铬＞钛＞与LM及铜粉一起加热的天然钻石。
当然，应了解上述布置仅对本发明的原则应用起说明作用。所属领域具有通常知识者在不悖离本发明的精神及范畴的情况下可作出许多修改及替代性布置，且所附申请专利范围意欲涵盖这些修改及布置。因此，尽管本发明已在上文就特殊性及细节结合目前视为本发明的最具实用性及较佳的实施例加以描述，但一般所属领域具有通常知识者应想到许多修改，包括(但不限于)可在不背离本文中提出的原则及概念的情况下对尺寸、材料、形状、形态、功能及操作方式、总成及用途作改变。
Claims (38)
1.一种使超研磨颗粒于一金属基质中的保持率最大化的方法，其特征在于，包含：使这些超研磨颗粒与该金属基质以化学键结，以达到将这些超研磨颗粒固持于该金属基质中，而避免这些超研磨颗粒实质上遭受破坏的程度，进一步包括保护这些超研磨颗粒，使其免于在化学键结过程期间过度结合，而保护这些超研磨颗粒使其免于过度结合还包含：调节在这些超研磨颗粒与该金属基质之间的化学键结，以达到足以将这些超研磨颗粒保持于该金属基质中，但使超研磨颗粒遭受的破坏达到最小化的程度，其中超研磨颗粒遭受的破坏包括这些超研磨颗粒转化成不同材料，调节化学键结进一步包括使用在这些超研磨颗粒与该金属基质之间调节化学键结的保护材料来稀释该金属基质，该保护材料是选自由下列各物组成的群：铜、银、锌及它们的混合物以及铜、银、锌的碳化物、氮化物及合金，且该保护材料不显著与超研磨颗粒反应且与其以化学键结。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，该不同材料为选自于下列各物组成的群组：非钻石形式的碳、碳化物、氮化物、硼化物及它们的组合。
3.权利要求1所述的方法，其特征在于，调节化学键结尚包括调节该金属基质中活性材料的相对量。
4.如权利要求1所述的方法，其特征在于，稀释该金属基质进一步包含在这些超研磨颗粒与该金属基质以化学键结之前，用该保护材料涂布这些超研磨颗粒。
5.如权利要求1所述的方法，其特征在于，稀释该金属基质进一步包含在该金属基质与这些超研磨颗粒以化学键结之前将该保护材料与该金属基质混合。
6.如权利要求1所述的方法，其特征在于，该保护材料为铜。
7.如权利要求1所述的方法，其特征在于，该保护材料为银。
8.如权利要求1所述的方法，其特征在于，该保护材料为锌。
9.如权利要求1所述的方法，其特征在于，在该金属基质与这些超研磨颗粒化学键结期间，该保护材料与这些超研磨颗粒的反应实质上少于其与该金属基质的反应。
10.如权利要求1所述的方法，其特征在于，进一步包含用活性材料预涂布这些超研磨颗粒的步骤。
11.如权利要求10所述的方法，其特征在于，该预涂布这些超研磨颗粒的步骤包括将该活性材料与该保护材料混合。
12.一种根据如权利要求1所述的使超研磨颗粒于一金属基质中的保持率最大化的方法制造超研磨工具的方法，其特征在于，包含：
提供超研磨颗粒，包括提供经保护材料涂布的超研磨颗粒，该保护材料调节在这些超研磨颗粒与该金属基质之间的化学键结，以达到足以将这些超研磨颗粒保持于该金属基质中，但使超研磨颗粒遭受的破坏达到最小化的程度；及将这些超研磨颗粒结合至一超研磨工具中。
13.如权利要求12所述的方法，其特征在于，这些超研磨颗粒包括选自于下列各物组成的群组：钻石、立方氮化硼及上述物的组合。
14.如权利要求12所述的方法，其特征在于，这些超研磨颗粒包括选自于下列各物组成的群组：多晶钻石、多晶立方氮化硼及上述物的组合。
15.如权利要求12所述的方法，其特征在于，这些超研磨颗粒包括钻石。
16.如权利要求12所述的方法，其特征在于，这些超研磨颗粒包括立方氮化硼。
17.如权利要求12所述的方法，其特征在于，将这些超研磨颗粒结合至该超研磨工具中进一步包括使每一超研磨颗粒的一部分，以化学键结于该金属基质。
18.如权利要求12所述的方法，其特征在于，该金属基质为硬焊合金。
19.如权利要求12所述的方法，其特征在于，进一步包含使这些超研磨颗粒以一预定图案布置，其中这些超研磨颗粒结合在一起以实质上符合该预定图案。
20.一种超研磨工具，其特征在于，包含：
与一硬焊合金涂层以化学键结的至少一超研磨颗粒，该硬焊合金涂层包括保护材料，且上述保护材料用以调节超研磨颗粒与硬焊合金之间的化学键结，并稀释含有硬焊材料的硬焊合金，以降低所形成的化学键的比例，从而为该超研磨颗粒提供与单独的硬焊合金相比得到增进的强度，该保护材料选自于下列各物所组成的群组：铜、银、锌及它们的混合物以及铜、银、锌的碳化物、氮化物及合金，且该保护材料不显著与超研磨颗粒反应且与其以化学键结。
21.如权利要求20所述的超研磨工具，其特征在于，该至少一超研磨颗粒包括选自于下列各物所组成的群组：钻石、立方氮化硼及上述物的组合。
22.如权利要求20所述的超研磨工具，其特征在于，该至少一超研磨颗粒包括选自于下列各物组成的群组：多晶钻石、多晶立方氮化硼及上述物的组合。
23.如权利要求20所述的超研磨工具，其特征在于，该保护材料为铜。
24.如权利要求20所述的超研磨工具，其特征在于，该保护材料为银。
25.如权利要求20所述的超研磨工具，其特征在于，该保护材料为锌。
26.如权利要求20所述的超研磨工具，其特征在于，该至少一超研磨颗粒为经由该硬焊合金涂层以冶金方式结合在一起的多个超研磨颗粒。
27.如权利要求26所述的超研磨工具，其特征在于，该结合在一起的多个超研磨颗粒形成一维结构。
28.如权利要求26所述的超研磨工具，其特征在于，该结合在一起的多个超研磨颗粒形成二维结构。
29.如权利要求26所述的超研磨工具，其特征在于，该结合在一起的多个超研磨颗粒形成三维结构。
30.如权利要求26所述的超研磨工具，其特征在于，该结合在一起的多个超研磨颗粒是根据一预定图案布置及固持。
31.如权利要求26所述的超研磨工具，其特征在于，进一步包含一与该多个超研磨颗粒以冶金方式结合的支撑基质。
32.如权利要求31所述的超研磨工具，其特征在于，该支撑基质包含一固结金属粉末。
33.如权利要求32所述的超研磨工具，其特征在于，该支撑基质为多孔性。
34.如权利要求31所述的超研磨工具，其特征在于，该支撑基质包含一固体金属基材。
35.如权利要求20所述的超研磨工具，其特征在于，该超研磨工具为一锯片段。
36.如权利要求35所述的超研磨工具，其特征在于，该锯片段为一往复锯。
37.如权利要求35所述的超研磨工具，其特征在于，该锯片段为一圆锯。
38.一种超研磨工具，其特征在于，包含：
与一硬焊合金涂层结合在一起的多个超研磨颗粒，该硬焊合金涂层包括保护材料，且上述保护材料用以调节超研磨颗粒与硬焊合金之间的化学键结，并稀释含有硬焊材料的硬焊合金，以降低所形成的化学键的比例，从而为该超研磨颗粒提供与单独的硬焊合金相比得到增进的强度，该保护材料选自于下列各物所组成的群组：铜、银、锌及它们的混合物以及铜、银、锌的碳化物、氮化物及合金，且该保护材料不显著与超研磨颗粒反应且与其以化学键结；及
与熔融的上述硬焊合金涂层以化学方式键结的多个间隔颗粒。
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