CN102245730A - 具有独特形貌的磨粒 - Google Patents

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吴庚贤
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Abstract

本发明涉及具有不规则表面的磨粒，其中所述微粒的表面粗糙度小于约0.95。本发明还涉及用于制备改性磨粒的方法，所述方法包括提供多个磨粒；在所述微粒上提供反应性涂层；加热所述被涂覆的微粒；和回收改性磨粒。

Description

具有独特形貌的磨粒
相关申请的交叉引用
本申请涉及并要求保护2008年9月16日提交的美国临时专利申请序列号61/097,422、2008年9月16日提交的美国临时专利申请序列号61/097,438和2009年6月17日提交的美国临时专利申请序列号61/187,789的优先权。
技术领域和工业实用性
本发明涉及具有独特形貌的磨粒。更特别地，本发明涉及对金刚石微粒的表面粗糙化以提高其在工业应用中的性能。
附图说明
图1A-1F是常规单晶金刚石、使用镍涂覆工艺改性的金刚石和使用铁粉末工艺改性的金刚石的扫描电子显微镜(SEM)图像。
图2是显示4-8μm金刚石微粒，例如粉末，在改性之前和之后的物理特征和性能的表1。
图3是显示常规金刚石粉末、使用镍涂覆工艺改性的金刚石粉末和使用铁粉末工艺改性的金刚石粉末的表面粗糙度分布的图表。
图4是显示常规金刚石粉末、使用镍涂覆工艺改性的金刚石粉末和使用铁粉末工艺改性的金刚石粉末的球度分布的图表。
图5是显示由使用由包括使用镍涂覆工艺改性的金刚石粉末的各种金刚石粉末制成的浆料的研磨工艺得到的蓝宝石晶片的材料去除速度和所得到的表面光洁度的图表。
图6A和6B是常规金刚石微粒(6A)和改性金刚石微粒(6B)的对比图。
图7是常规金刚石微粒的SEM图像。
图8是使用镍涂覆工艺改性的金刚石微粒的SEM图像。
图9A-9D是一种实施方案的金刚石微粒的扫描电子显微镜(SEM)图像。
图10A-10D是一种实施方案的金刚石微粒的扫描电子显微镜(SEM)图像。
图11A-11D是一种实施方案的金刚石微粒的扫描电子显微镜(SEM)图像。
图12是常规单晶金刚石微粒的扫描电子显微镜(SEM)图像。
图13显示了描述一种实施方案的金刚石微粒的特征和性能的表1。
图14是描绘一种实施方案的金刚石微粒的特征和性能的图表。
图15是显示一种实施方案的金刚石微粒的特征的图表。
图16是一种实施方案的金刚石微粒的扫描电子显微镜(SEM)图像。
图17是一种实施方案的金刚石微粒的扫描电子显微镜(SEM)图像。
图18是一种实施方案的金刚石微粒的扫描电子显微镜(SEM)图像。
图19是一种实施方案的金刚石微粒的扫描电子显微镜(SEM)图像。
图20是一种实施方案的金刚石微粒的扫描电子显微镜(SEM)图像。
图21是一种实施方案的金刚石微粒的扫描电子显微镜(SEM)图像。
图22是比较常规单晶金刚石微粒、常规多晶金刚石微粒和一种实施方案的单晶金刚石微粒的研磨性能的图表。
图23显示了包含实验条件的表2。
图24是补充“定义”部分的说明。
图25是补充“定义”部分的说明。
图26是补充“定义”部分的说明。
图27A和27B是一种实施方案的金刚石微粒的SEM图像。
发明详述
在描述本发明的方法、体系和材料之前，应当认识到本发明并不局限于所述的特定方法、体系和材料，因为其可能改变。也应当认识到在本说明书中使用的术语仅用于描述特定的形式或实施方案，并不旨在限定范围。例如，除非上下文中有明确的相反指示，在此处和附属的权利要求中所用的单数形式“一个”、“一种”、“该”和“所述”包括复数含义。另外，此处所用的词语“包括”旨在表示“包括但不局限于”。除非有相反的指示，此处所用的技术和科学术语具有与本领域普通技术人员通常理解的相同的含义。
除非有相反的指示，在本说明书和权利要求中使用的所有表示组分的量、性质，例如尺寸、重量、反应条件等，的数值都应当理解为在所有情况下都被术语“约”修饰。因此，除非有相反的指示，在以下说明书和附属权利要求中提出的数值参数都是近似值，其可以根据本发明寻求达到的理想性质而改变。在最低限度且并不作为限制与权利要求范围等效的条款应用的尝试，各数值参数应当至少按照所给出的有效数字位数并通过应用常规取整技术来解释。
此处所用的术语“约”表示使用其的该数值加或减其10％。因此，约50％表示在45％-55％范围内。
定义
在描述和要求保护本发明中，将依照下面提出的定义使用以下术语。
此处所用的术语“磨料”表示用于磨除较软材料的任意材料。
此处所用的术语“材料去除量”表示以毫克、克等给出的在给定时间内除去的工件的重量。
此处所用的术语“材料去除速度”表示以毫克/分钟、克/小时等给出的材料去除量除以该时间间隔。
此处所用的术语“单晶金刚石”表示由高压/高温合成生成的金刚石或天然形成的金刚石。单晶金刚石的断裂是沿原子裂开面进行的。单晶金刚石微粒在裂开面相对容易裂开。
此处所用的术语“微粒”表示离散物体。微粒也称作晶体和细粒。
此处所用的术语“坑”表示微粒中的缺口或裂缝，在二维图像中的缺口或裂缝或在物体中的缺口或裂缝。
此处所用的术语“多晶金刚石”表示由爆炸合成形成的导致多晶微粒结构的金刚石。各多晶金刚石微粒由大量的尺寸小于100埃的微晶构成。多晶金刚石微粒没有裂开面。
此处所用的术语“尖端”表示从该微粒的矩心向外突出的尖凸起、从二维图像的矩心向外突出的尖凸起或从物体向外突出的尖凸起。
此处所用的术语“超硬磨料”表示具有很好的硬度和耐磨性的磨料。金刚石和立方氮化硼是超硬磨料的实例，且具有超过3500的Knoop压痕硬度值。
此处所用的术语“重量损失”表示一组微粒在经过改性处理之前的重量与相同质量的金刚石微粒或磨粒在经过该改性处理之后的重量之差。
此处所用的术语“工件”表示通过碾磨、抛光、研磨或其它材料去除方法从中除去其材料的部件或物体。
此处所用的术语“周长”表示封闭平面图的边界或二维图像的所有边界的总和。
此处所用的术语“凸起周长”表示连接Feret切点的线，其中Feret是与二维图像或物体的各边上的边界接触的两个平行切线之间的间距。图24-26提供了这些概念的解释。
此处所用的术语“表面粗糙度”表示二维图像的测量值，其按照CLEMEX图像分析仪，Clemex Vision User’s Guide PE 3.5
Figure BPA00001368826900051
2001中的规定定量了物体的边缘或边界的坑或尖端的范围或程度。表面粗糙度是由该凸起周长除以周长的比值确定的。
Figure BPA00001368826900052
注意随着坑和尖端程度的提高，该表面粗糙度因子降低。
此处所用的术语“球度”表示二维图像或物体的封闭面积(4πA)除以周长的平方(p2)的估算值。
此处所用的术语“表面积”表示微粒的外表面。当使用多个微粒，即粉末时，使用术语比表面积并以表面积/克粉末给出。
该术语“晶片粗糙度”涉及蓝宝石的表面时是在该晶片的表面上的特征。使用接触或非接触表面光度仪测定这些特征，包括来自磨料抛光的微细刮痕或辙沟(track mark)。
术语“金刚石微粒”和“金刚石粉末”在本申请中同义使用，且具有与如上定义的“微粒”相同的含义。
重要的是指出尽管上述定义的术语涉及使用显微测量技术对二维微粒轮廓的测定，但认识到该特征扩展到三维形式。本领域技术人员认为粒径和形状的自动图像分析是测定微粒特征的可靠的可再现的方法。尽管使用了CLEMEX图像分析仪，但类似的装置也将可以重现该数据。
在一种实施方案中，可以使用单晶金刚石微粒。尺寸小于约100微米的单晶金刚石微粒是有用的。然而，也可以使用尺寸超过约100微米的金刚石微粒。金刚石微粒的尺寸在约0.1至约1000微米范围内。可以使用的金刚石微粒的一个实例是SJK-54-8微米，由DiamondInnovations，Inc.(Worthington，Ohio，U.S.A)制备的合成工业金刚石微粒。
在另一实施方案中，可以将天然金刚石微粒、烧结多晶金刚石或冲击合成多晶金刚石微粒经过下述的改性处理。
在一种实施方案中，可以将其它磨粒经过改性处理。磨料的例子包括任何材料，例如用于使工件成形或抛光的矿物。可以使用超硬磨料，例如天然和合成的金刚石和硼、碳和氮化合物。合适的金刚石材料可以是晶体的或多晶的。磨料颗粒的其它例子可包括碳酸钙、金刚砂、均密石英岩、浮石灰、红铁粉、砂、陶瓷、氧化铝、玻璃、二氧化硅、碳化硅和氧化锆氧化铝。
在另一实施方案中，使用活性涂料改性该磨料或超级磨粒。这种活性涂料包括但不局限于碱金属氢氧化物，例如氢氧化锂、氢氧化钠、氢氧化钾，碳酸钾、过氧化钠、重铬酸钾和硝酸钾等。该活性涂料也可以包括碱金属氢氧化物的组合物。
可以用作活性涂料的金属的其它例子是包括在周期表的VIII族中的那些、其金属化合物及其组合物。可以用作活性涂料的材料的其它例子包括U.S.2,947,609中教导的催化剂金属和U.S.2,947,610中教导的催化剂金属。
在一种实施方案中，使用金属涂料作为该活性涂料，该磨料材料是金刚石。金刚石微粒与该金属涂料的重量比为约10wt％至约90wt％Ni或约10wt％至约60wt％Ni。然而，应当注意这些比值是经济效率而不是技术效能的问题。在一种实施方案中，该金属涂料至少部分覆盖该金刚石微粒。可选地，该金属涂料可以均匀地包围各个金刚石微粒。该金属不必与该金刚石化学键合。可使用镍和/或镍合金作为该金刚石的涂层。用于将镍施加到该金刚石上的方法是用无电沉积工艺，然而可以使用例如电镀、物理气相沉积或化学气相沉积的方法为该金刚石微粒涂覆镍层。
在一种实施方案中，为该金刚石微粒涂覆约10至约60wt％的镍磷涂层。该涂覆工艺最初使未涂覆的金刚石微粒接触胶体钯的溶液。该细微的钯微粒均匀吸附在该金刚石的表面上，使得该表面自催化镍的无电沉积。在该工艺的下一阶段中，将该活化的金刚石放入包含约10克/升溶解镍的氨基磺酸镍溶液中。在该活化金刚石和镍悬浮液混合时，在该悬浮液中加入连二磷酸钠，并将该涂覆浴的温度保持在约80℃。在加入该连二磷酸盐溶液时，所有溶解在溶液中的镍都将自催化地沉积在该活化的金刚石表面上。
根据沉积在该金刚石上的镍的量，可以通过用新鲜溶液替换该贫镍/连二磷酸盐溶液并重复该工艺而添加更多的镍。如果均匀涂覆该微粒，可能需要几个循环以得到镍在各个金刚石微粒上充分均匀的覆盖。通过监控循环数并控制涂覆浴参数，例如温度、pH值和混合能，在该金刚石上的镍含量是非常可再现的。由于金刚石微粒与镍镀层在该涂覆过程中的相互作用而具有一些程度的聚集对于该被涂覆的金刚石并不罕见。只要包括该聚集物的单一微粒包含一些量的镍涂层，那么该聚集物的存在并不影响该工艺的质量，也不需要努力除去聚集物。
在涂覆该金刚石微粒之后，将该被涂覆的微粒放入炉子中，并在氢气气氛、真空气氛或惰性气体气氛中从约650℃加热到约1000℃。可以使用约700℃至约950℃或约800℃至约900℃的温度。可以将该被涂覆的金刚石加热约5分钟直至约5小时的时间。可以使用在约30分钟直至约2小时或约1至约2小时的时间。
在该加热循环完成并将微粒冷却之后，通过将该经镍涂覆的金刚石溶解在普通酸中而回收该改性金刚石微粒。可以使用的酸包括盐酸、氢氟酸、硝酸及其某些组合物。酸或其组合物以酸∶被涂覆的金刚石之比为100∶1直到1000∶1(体积比)添加。然后将该混合物加热到约100℃至约120℃约6至约8小时的一段时间。然后冷却该溶液，沉淀释放出的金刚石，并将该溶液倾出。重复该酸清洗和加热步骤，直至煮解基本上所有的金属涂料。
然后，通过本领域已知的任何溶解处理方法从该金刚石微粒中除去任何经转化的石墨(来自在与镍的反应过程中转化为石墨的金刚石的碳)。常用溶解程序的实例包括通过在包含HNO3和H2SO4混合物的酸性溶液中逐渐加热到约150℃至约180℃范围而氧化石墨碳。
根据选择的炉子温度，在金属和金刚石之间可能发生或多或少的反应。该金属腐蚀进该金刚石中越多，生成的石墨就越多，且因此该金刚石损失的重量也就越多。为了完全溶解该石墨，可能需要更大量的酸或可能需要另外的溶解处理。然后洗涤该金刚石微粒以除去酸和残余物，例如在水中洗涤。然后，将该金刚石微粒在炉子中干燥，空气干燥，经过微波干燥或其它本领域已知的干燥方法。
一种实施方案涉及如图1C和1D中所示的非常粗糙的不规则表面的单晶金刚石微粒。图1D显示了金刚石微粒群，图1C显示了来自图1D的微粒的放大图。该微粒已经使用上述方法改性。除了该粗糙的外观，该改性的金刚石微粒与图1A和1B中所示的常规单晶金刚石微粒相比具有独特的特征。图1B显示了单晶金刚石微粒群，图1A显示了来自图1B的微粒的放大图。通过研磨制备的该常规单晶金刚石微粒未经过该改性处理。
如图1D中所示，该改性金刚石微粒包括比图1A中所示的常规单晶金刚石微粒显著更多的尖端和坑。在用于游离磨粉浆应用中时，该尖端用作切削刃。已经发现在用于在浆料或悬浮液内的游离磨料研磨应用中时，本申请的金刚石微粒的性能显著提高。在该改性金刚石微粒用于固定粘结系统中时，该坑和该尖端有助于将该微粒保护在该粘结系统内。
在一种实施方案中，使用金属微粒改性该金刚石微粒。金刚石微粒与金属微粒的重量比为1∶5至5∶1。然而，应当注意这些比值是经济效率而不是技术效能的问题。该金属微粒的尺寸在约0.05微米至约100微米范围内。该金属微粒的尺寸通常小于该金刚石微粒的尺寸。在一种实施方案中，可以使用铁微粒。可以用于一种实施方案的工艺中的铁微粒的例子包括HQ 1μm羰基铁粉末(BASF，Ludwigshafen，Germany)。
尽管已经提及铁粉末作为用于实施该工艺中的粉末，可以使用其它金属，例如钴、镍、锰和铬及其金属化合物和其组合物。
在制备改性金刚石微粒的另一实施方案中，使用任意适于实现均匀混合物的混合方法将约10至约80wt％的金刚石微粒与约20至约90％的铁微粒混合。在一种实施方案中，将该称重部分的铁和金刚石微粒放入广口瓶中，密封并插入混合装置，例如Turbular振动混合器(GlenMills，Inc.，Clifton，New Jersey，U.S.A)中至少约1小时或可选地约30分钟至约1小时。在混合之前，可任选地在该混合物中添加粘合剂。粘合剂对微粒表面提供润滑性以使得在该金属粉末和金刚石之间产生更致密的填充和更密切的接触。粘合剂还有助于将压制体保持在一起作为生坯体。
然后压制该混合物以产生金刚石微粒和铁微粒的紧密混合物。可以使用任意方法压制该金刚石微粒和铁微粒，只要其形成紧密混合物以及该微粒彼此非常紧密接触即可。用于压制该混合物的一种方法是将该混合物放入压制机上的固定模具内。适合的压制机的例子是由Carver，Inc.(Wabash，IN)制造的Carver
Figure BPA00001368826900101
压丸机。在该模压机中，该混合物经受约5至约50,000psi、约10,000至约40,000psi或约15,000至约30,000psi的压力以成球。尽管教导了将该混合物制粒，但不是必须将该金刚石和铁微粒的混合物成球，只是将该微粒压制以彼此形成紧密接触。也可以使用具有可变形工具的等静或单静压制以达到紧密接触。
可选地，也可以通过将其压制成几毫米到几英寸厚的薄片，即通过高压压制辊或压块辊而压制该混合物。然后将形成的片材切成更小的部分用于如下所述的进一步处理。另一种压制铁和金刚石微粒的方法包括混合并在压力下模压出该混合物。通过制粒机将金刚石和铁微粒的该混合物制粒或在滚筒装置中滚转该混合物也是可用于压制该混合物的可选的方法。然后可以将由这些方法形成的球、块、压块或压饼如下所述进一步处理。
压制铁和金刚石微粒的混合物的其它方法包括注模、模压、压制该混合物到容器中或带式浇铸。可选地，可以通过离子注入、溅射、喷雾干燥、电镀涂覆、无电涂覆或任意其它可用的方法用金属微粒涂覆单独的金刚石微粒，只要该铁和金刚石微粒彼此紧密接触即可。
在压制该金刚石和铁微粒的混合物之后，将经压制的混合物，其可以为球形、聚集物或其它压缩的形状，放入炉子中，并在氢气气氛、真空气氛或惰性气体气氛中从约650℃加热到约1000℃。可以使用约700℃至约900℃或约750℃至约850℃的温度。可以将该经压制的混合物加热约5分钟直至约5小时的时间。可以使用在约30分钟直至约2小时或约1至约2小时的时间。
在该加热循环完成并将该经压制的混合物冷却之后，通过将该铁微粒溶解在普通酸中而回收该改性金刚石微粒。可以使用的酸包括盐酸、氢氟酸、硝酸及其组合物。酸或其组合物以酸∶经压制的混合物(即球)之比为100∶1直至1000∶1(体积比)添加。然后将该混合物加热到约100℃至约150℃约6至约8小时的一段时间。然后冷却该溶液，沉淀释放出的金刚石，并将该溶液倾出。重复该酸清洗和加热步骤，直至煮解基本上所有的铁。
然后，通过本领域已知的任何溶解处理方法从该微粒中除去任何经转化的石墨(来自在与铁的反应过程中转化为石墨的金刚石的碳)。常用溶解程序的例子包括通过在包含HNO3和H2SO4的混合物的酸性溶液中逐渐加热到约150℃至约180℃范围而氧化石墨碳。
根据选择的炉子条件，在金属和金刚石之间可能发生或多或少的反应。该金属粉末腐蚀进该金刚石中越多，生成的石墨就越多，且因此该金刚石损失的重量也就越多。为了完全溶解该石墨，可以使用更大量的酸或可能需要另外的溶解处理。然后洗涤该金刚石微粒以除去酸和残余物，例如在水中洗涤。然后，将该金刚石微粒在炉子中干燥，空气干燥，经过微波干燥或其它本领域已知的干燥方法。
一种实施方案涉及如图9A-9D、图10A-10D和图11A-11D中所示的具有非常粗糙的不规则表面的单晶金刚石微粒。除了该粗糙的外观，该金刚石微粒与图12中所示的常规单晶金刚石微粒相比具有独特的特征。图12中所示的通过研磨制备的该常规单晶金刚石微粒未经过该改性处理。
参照图13，表2包含单晶金刚石微粒(9μm)的包括尺寸、重量损失、表面积、材料去除量、粗糙度和球度的数据。此外，显示了相似粒径的常规单晶金刚石微粒和常规多晶金刚石微粒的对比数据。该数据用于产生如下所述的图14和15中的图表。
如图9A-9D、图10A-10D和图11A-11D中所示，该金刚石微粒与图12中所示的常规单晶金刚石微粒相比外观非常不同。图9A-9D显示了实验#4的金刚石微粒的SEM图像。图10A-10D显示了实验#5的金刚石微粒的SEM图像。图11A-11D显示了实验#9的金刚石微粒的SEM图像。图13(表2)列出了来自其它样品的金刚石微粒的相应性质和特征。
如图9A-9D、图10A-10D和图11A-11D中所示，该金刚石微粒包括尖端和坑。该尖端在用于游离磨粉浆应用中时用作切削刃。已经发现在用于在浆料或悬浮液内的游离磨料研磨应用中时，该改性金刚石微粒的性能显著提高。在该改性金刚石微粒用于固定粘结系统中时，该坑和/或尖端有助于将该微粒保护在该粘结系统内。
该改性金刚石微粒在表面粗糙度、球度和材料去除量中表现出独特的特征。图14显示了这些特征与该改性金刚石微粒的重量损失的比较。实施例IV中讨论了关于如何得到该测量值的细节。如图14中所示，该金刚石微粒的重量损失为大于0％到约70％。
如图14中所示，金刚石微粒显示小于约0.95的表面粗糙度。也观察到约0.50至约0.80和约0.50至约0.70的表面粗糙度。该金刚石微粒的表面粗糙度是金属微粒的尺寸、与金刚石接触的金属微粒的量、所用的反应时间和温度的函数。从图14中能够看到，随着表面粗糙度因子的降低(粗糙度增大)，该金刚石在研磨工艺(实施例IV中所述)中进行材料去除的能力从约125mg(表面粗糙度因子为约0.92)提高到约200mg(表面粗糙度因子为约0.62)，提高了约60％。这可能归因于表面改性提供的切削点数量的增加。
图14还显示了也显示小于约0.70的球度读数的的金刚石微粒。还观察到约0.2至约0.5和约0.25至0.4的球度读数。尽管球度是与表面粗糙度无关的特征，但能够观察到在如图14中所示的金刚石的球度和研磨性能之间存在很强的关联。在图14中，能够显示出该材料去除量从约125mg(球度约0.70)提高到约200mg(球度约0.25)。而且能够从图14中看到，在金刚石粉末的重量损失和研磨性能之间存在很强的关联，其由材料(蓝宝石)去除量的提高所证实。随着金刚石的重量损失的提高，该金刚石在去除材料的能力方面变得更强。
图15是显示金刚石重量损失(％)与表面积相比的图表。该读数是从9μm金刚石微粒群中读取的。具有大于35％的重量损失的改性金刚石微粒的比表面积比具有相同粒径分布的常规金刚石微粒高约20％。能够观察到该微粒的比表面积与在改性处理过程中金刚石微粒和铁微粒的反应程度成正比。例如，金刚石微粒的比表面积读数在约0.45至约0.90m2/g范围内。
图16-19显示了已经经过不同程度的铁处理的各种金刚石微粒的实施例。图16显示了在60wt％铁中在750℃的温度加热1小时导致金刚石微粒重量损失15％的金刚石微粒。图17显示了在80wt％铁中在750℃的温度加热1小时导致金刚石微粒重量损失25％的金刚石微粒。图18显示了在60wt％铁中在850℃的温度加热1小时导致金刚石微粒重量损失30％的金刚石微粒。图19显示了在80wt％铁中在850℃的温度加热1小时导致金刚石微粒重量损失45％的金刚石微粒。图20显示了在60wt％铁中在850℃的温度加热2小时导致金刚石微粒重量损失53％的金刚石微粒。图21显示了在80wt％铁中在850℃的温度加热2小时导致金刚石微粒重量损失61％的金刚石微粒。
该改性金刚石微粒包含一个或多个坑和/或尖端。图19中显示了显示这些特征的金刚石微粒的实例。金刚石微粒1具有约45％的重量损失，包括形成尖端2的坑4、6。尖端的长度和坑的深度依照改性处理参数而改变。微粒上的坑的平均深度的尺寸在该微粒最长长度的约5％至约70％范围内。
如上所述，该改性磨粒可以用于很多应用中，包括游离磨料应用、固定磨料应用、研磨、碾磨、切削、抛光、钻孔、切粒、烧结磨料或磨料压块以及用于线锯的线。通常将会预期该粗糙化的表面将会有助于将该金刚石微粒保持在该工具或树脂粘结系统中。
关于线锯应用，可以通过电镀、金属烧结或聚合或树脂粘结将该磨粒附着到线上。经电镀的线锯一般包含与镍金属层共沉积的磨粒单层。一些线还使用树脂以将该磨料附着到该线上。该改性金刚石微粒的使用将会有助于为该磨粒在该金属或树脂基体中提供更好的保持，由此提高该线锯的寿命。该改性磨粒还可以提供具有更好的易切削能力的更高的材料去除速度。
通常用线锯切割的材料包括硅、蓝宝石、SiC、金属、陶瓷、碳、石英、石头、玻璃复合物和花岗岩。
该磨粒也可用于浆料或其它载液中。典型的浆料溶液包括以约0.2至约50wt％的浓度存在的尺寸为约0.1至约100微米范围内的改性金刚石微粒，例如水基调液、二醇基调液、油基调液或烃基调液及其组合的主要调液以及包括表面活性剂、pH和颜色调节剂和粘度调节剂的任选添加剂。
在另一实施方案中，在改性之后，可以任选地用涂料涂覆该改性磨粒和超硬磨料，该涂料例如是选自周期表的IVA、VA、VIA、IIIb和IVb族的材料，且包括其合金和组合物。可以使用的非金属涂料是碳化硅。
具体实施方式
实施例I
用镍/磷涂料(90％Ni/10％P)涂覆具有6μm标称平均尺寸的4-8μm单晶金刚石微粒，例如金刚石粉末。经镍涂覆的该金刚石粉末包含30wt％NiP和70wt％金刚石。用该NiP涂料均匀覆盖各个金刚石微粒。将该经Ni涂覆的粉末的两份25克样品在炉子中加热。一份25克样品在825℃加热1小时，另一份在900℃在氢气气氛中加热2小时。在该加热循环完成并将该被涂覆的金刚石粉末冷却到室温之后，通过将该经镍涂覆的金刚石溶解在两升硝酸中回收该改性金刚石微粒。然后将该混合物加热到120℃5小时。然后将该溶液冷却到室温，沉淀释放出的金刚石，并将该溶液倾出。重复该酸洗涤和加热步骤直至煮解基本上所有的镍。
在从该金刚石中除去镍之后，然后使用2升硫酸加热到150℃7小时除去经转化的石墨(来自在与镍的反应过程中已经转化为石墨的金刚石的碳)。然后将溶液冷却到室温，使金刚石沉淀并倾出该溶液。将该硫酸洗涤和加热步骤再重复一次，直至煮解基本上所有的石墨。
由从该实验中回收的材料得到重量损失、表面粗糙度和球度的测量值。在该分析中包括使用此处所述的微细铁粉末工艺改性的SJK-54-8μm金刚石。还包括类似标称尺寸的多晶金刚石粉末的数据。
该表面粗糙度和球度是由用Hitachi型号S-2600N扫描电子显微镜(SEM)在2500倍放大倍数拍摄的基准材料和改性金刚石微粒的图像得到的。将该SEM图像存储为TIFF图像文件，然后将其上传到已经校准到相同的放大倍数(2500倍)的Clemex图像分析仪Vision PE 3.5中。在该实施例中且对于该放大倍数，该校准得到0.0446μm/像素的分辨率。该图像分析系统通过微粒基础对微粒测定粒径和形状参数。由Clemex图像分析仪自动产生对来自各组实验的至少50个微粒的群的测量值。该图像分析仪装置得到该测量值所用的数学公式见于上述“定义”部分，且也能够见于Clemex Vision User’s Guide PE 3.5
Figure BPA00001368826900161
2001中。图2(表1)中显示了5个粉末样品的金刚石微粒的表面特征。
从图1C中能够看到，使用镍涂覆方法制备的该改性金刚石微粒的表面结构与图1A中所示的原料的表面结构显著不同。显然可见，在高于800℃的温度，该镍与金刚石反应并产生独特的结构，其能够使用该图像分析方法由粗糙度和球度因子描述。基于在该实施例中得到的数据，对于35％重量损失的样品，该粗糙度值由0.89变为0.77，对于56％重量损失的样品，其由0.89变为0.78。在该改性工艺之后，对于35％重量损失的样品，该球度值由0.64变为0.47，对于56％重量损失的样品，其由0.64变为0.46。
注意在图2(表1)中能够看到，尽管与在825℃进行的该工艺相比，在900℃的改性工艺导致金刚石更高的重量损失以及略微更细的尺寸和略微更高的比表面积，但这两种样品的粗糙度和球度基本上没有差别。该金刚石微粒产生的表面结构能够定性描述为具有很多小“齿”或切削点。尽管在观察微粒轮廓边缘时，这些特征是最明显的，但其也存在于各个微粒的整个表面上。认为切削点或齿的数量的增加有助于提高该改性金刚石微粒的性能。图6B显示了改性金刚石微粒的切削点或齿的二维视图。图6A显示了没有用金属涂料改性的常规单晶金刚石微粒的二维视图。图7是没有用金属涂料改性的常规单晶金刚石微粒的SEM图像。图8是显示了用镍涂料改性的金刚石微粒的切削点或齿的SEM图像。
为了区分，该改性微粒的表面结构不同于使用如上教导的铁粉末改性工艺制备的结构。如图1E中所示，该经铁粉末改性的微粒具有深坑和尖端。该经铁粉末改性的金刚石的平均粗糙度为0.68，平均球度为0.34。如图3和4中所示，这些值与对该经镍涂覆的改性金刚石微粒测得的值显著不同。还能够看到尽管用铁粉末改性的微粒没有该经镍涂覆的改性金刚石那么多的切削点/单位长度周长，但更深的坑和穴能够有利于在粘结系统中提供更好的保持。
实施例II
用镍/磷涂料(90％Ni/10％P)涂覆MBG-62070/80目单晶金刚石微粒。经镍涂覆的该金刚石粉末包含56wt％NiP和44wt％金刚石。用该NiP涂料均匀覆盖各个金刚石微粒。将该经Ni涂覆的粉末的5克样品在炉子中在1000℃在氢气气氛中加热一个半小时。在该加热循环完成并将该被涂覆的金刚石粉末冷却到室温之后，通过将该经镍涂覆的金刚石溶解在500ml硝酸中回收该改性金刚石微粒。然后将该混合物加热到120℃5小时。然后将该溶液冷却到室温，沉淀释放出的金刚石，并将该溶液倾出。重复该酸洗涤和加热步骤直至煮解基本上所有的镍。
在从该金刚石中除去镍之后，然后使用500ml硫酸和100ml硝酸加热到150℃7小时除去经转化的石墨。然后将溶液冷却到室温，使金刚石沉淀并倾出该溶液。将该硫酸洗涤和加热步骤再重复一次，直至煮解基本上所有的石墨。
该实验得到14％的金刚石重量损失。该微粒样品示于图27A和27B中。
实施例III
在蓝宝石研磨应用中另外评价实施例1的金刚石粉末。使用改性单晶金刚石微粒(“镍涂覆改性金刚石”)和使用由其制备该镍涂覆改性金刚石的相同份的常规单晶金刚石微粒(“未改性的金刚石”)制备乙二醇基浆料。还由如实施例1中所述的铁粉末改性金刚石以及由常规多晶金刚石制备浆料。该浆料用于精研蓝宝石晶片。该研磨板是铜/树脂复合材料(Lapmaster Inc.)，该蓝宝石晶片是c面、直径2英寸、如经研磨的表面结构且厚度为490μm。使用各浆料在相同的工艺条件进行相同时间量的该研磨工艺。在各浆料中的金刚石浓度为10克拉/500ml，粘度为15-20cps。在各测试之前，使用600筛网金刚石修整轮将该研磨板修整5分钟。施加在各蓝宝石晶片上的压力为3.2psi，该研磨板的旋转速度为60rpm，该浆料的进料速速为2-3ml/分钟。在各循环之后，测定晶片的重量损失。
图5是比较在500ml浆料中具有10克拉金刚石在浆料中的常规4-8微米单晶金刚石微粒、在500ml浆料中具有10克拉金刚石在浆料中的常规4-8微米多晶金刚石微粒、和使用使用10克拉金刚石/500ml浆料具有35％重量损失和56％重量损失的改性4-8微米单晶金刚石微粒的两种浆料的研磨性能。从图5和图2(表1)中能够看到，常规4-8μm金刚石浆料的材料去除速度为126mg/小时/蓝宝石晶片。使用用该多晶金刚石微粒制备的浆料，该材料去除速度为168mg/hr。使用改性金刚石微粒制备的浆料导致279mg/hr(35％重量损失粉末)和304mg/hr(56％重量损失粉末)的材料去除速度。
从图5中所示的结果中还能够看到，尽管该改性金刚石微粒提供了显著更高的材料去除速度，但所得到的该蓝宝石晶片的表面的粗糙度(Ra)低于常规单晶金刚石和多晶金刚石的。用该多晶金刚石浆料抛光的晶片的晶片粗糙度为45.9nm+/-3.5nm，用单晶金刚石抛光的晶片的晶片粗糙度为51.3nm+/-2.7nm。通过比较，用Veeco Wyco型号NT1100光学表面光度仪测定，使用35％重量损失金刚石抛光的蓝宝石晶片的晶片粗糙度为32.8nm+/-1.8nm，用56％重量损失浆料抛光的晶片具有33.7nm+/-2.7nm的晶片粗糙度。
如图2(表1)中所示，能够看到对于35％和56％重量损失金刚石，该单晶改性金刚石微粒的比表面积分别为1.29m2/克和1.55m2/克。这与0.88m2/克的比表面积相比提高了47％和76％。因为这两种样品的粒径分布是相同的，因此该提高是显著的。该表面积的提高是由于在该改性单晶金刚石微粒的表面上产生了额外的面积。
实施例IV
使用30wt％金刚石微粒和70wt％铁粉末(无粘合剂)的混合比将平均尺寸为9μm的6-12μm单晶金刚石粉末与平均尺寸为3μm的铁粉末混合。使用Carver压制机在20,000psi的压力将该混合物压制成2cm×0.5cm的粒料。将该粒料在氢气气氛中在700℃加热2小时。使用酸煮工艺回收该金刚石微粒。该样品的金刚石微粒的特征示于图13(表2)中。
使用本发明的单晶金刚石微粒(“改性金刚石”)和使用由其制备该改性金刚石的相同份的常规单晶金刚石微粒(“未改性的金刚石”)制备乙二醇基浆料。该浆料用于精研蓝宝石晶片。该研磨板是铜复合板，该蓝宝石晶片直径为2英寸。使用各浆料在相同的工艺条件进行相同时间量的该研磨工艺。该浆料金刚石浓度为10克拉/500ml，粘度为15-20cps。在各测试之前，使用600筛网金刚石修整轮将该研磨板修整5分钟。施加在各个蓝宝石晶片上的压力为3.2psi，该研磨板的旋转速度为60rpm，该浆料的进料速度为2-3ml/分钟。在各循环之后，测定晶片的重量损失。
图22是比较在500ml浆料中具有10克拉金刚石在浆料中的常规6-12微米单晶金刚石微粒、在500ml浆料中具有10克拉金刚石在浆料中的常规8-12微米多晶金刚石微粒和在使用10克拉本发明的金刚石/500ml浆料的和使用20克拉本发明的金刚石/500ml浆料的浆料中的6-12微米单晶金刚石微粒(改性6-12)的研磨性能。
已经显示与常规单晶金刚石微粒(“未改性的金刚石”)相比，本发明的单晶金刚石微粒(“改性金刚石”)的比表面积提高为0.64m2/克对0.50m2/克，或提高28％。因为这两种样品的粒径分布是相同的，因此该提高是显著的。该表面积的提高是由于在本发明的单晶金刚石微粒的表面上产生了额外的面积。
实施例V
进行一系列7个另外的实验，由此使用图23，表3中所示的各种时间和温度将9μm常规单晶金刚石微粒的样品和铁粉末压成粒料(根据实施例III)。
如实施例IV中所述处理和回收该金刚石。由从这些实验回收的样品中得到重量损失、表面粗糙度和球度的测量值。另外，由各个样品制备浆料，并在也在实施例IV中描述的研磨测试中对其测试。
对于各样品，用Hitachi型号S-2600N扫描电子显微镜(SEM)在2500倍放大倍数拍摄该改性金刚石微粒的图像。将该SEM图像存储为TIFF图像文件，然后将其上传到已经校准到相同的放大倍数(2500倍)的Clemex图像分析仪Vision PE 3.5中。在该实施例中且对于该放大倍数，该校准得到0.0446μm/像素的分辨率。该图像分析系统通过微粒基础对微粒测定粒径和形状参数。由Clemex图像分析仪自动产生对来自各组实验的至少50个微粒的群的测量值。该图像分析仪装置得到该测量值所用的数学公式见于上述“定义”部分，且也能够见于ClemexVision User’s Guide PE 3.5
Figure BPA00001368826900201
2001中。对各个测试，除了重量损失和比表面积之外，还计算并在图13(表2)中给出了表面粗糙度和球度。在图13(表2)中还包括了实施例IV的结果。
等效物
尽管已经结合某些示例性实施方案描述了本发明，以与上面提供的详细描述相一致的方式对所公开的发明可以进行很多替代、改进和变化，这对于本领域的普通技术人员将是显而易见的。而且，各种所公开的示例性实施方案的某些方面能够与任意其它公开的实施方案或其替代物的方面结合使用以产生另外的但此处未明确描述的包括所要求保护的发明但更精确适用于所需应用或性能需求的实施方案，这对于本领域普通技术人员也将是显而易见的。因此，所有落入本发明的精神内的这种替代、改进和变化都旨在包括在附属权利要求的范围内。

Claims (64)

1.一种具有不规则表面的单晶金刚石微粒，其中所述微粒的表面粗糙度小于约0.95。
2.权利要求1的微粒，其中所述微粒的表面粗糙度为约0.50至约0.80。
3.权利要求1的微粒，其中所述微粒的球度小于约0.70。
4.权利要求3的微粒，其中所述微粒的球度为约0.25至约0.6。
5.权利要求1的微粒，其中所述微粒的表面积比具有相同粒径分布的常规单晶金刚石微粒高出大于约20％。
6.权利要求1的微粒，其中所述微粒的尺寸为约0.1至约1000微米。
7.权利要求1的微粒，其中所述微粒包括一个或多个尖端。
8.权利要求1的微粒，其中所述微粒包括一个或多个坑。
9.权利要求8的微粒，其中所述坑的深度的尺寸范围为所述微粒的最长长度的约5％至约70％。
10.权利要求9的微粒，其中所述坑的深度的尺寸范围为所述微粒的最长长度的约40％至约60％。
11.权利要求1的微粒，其中所述微粒包括金属涂层。
12.权利要求1的微粒，其中所述微粒的尺寸范围为约0.1微米至约1000微米。
13.一种单晶金刚石微粒，其具有小于约0.70的球度。
14.权利要求13的微粒，其中所述微粒的球度为约0.2至约0.5。
15.权利要求13的微粒，其中所述微粒的球度为约0.25至0.4。
16.一种具有不规则表面的单晶金刚石微粒，其中所述微粒的表面粗糙度小于约0.70。
17.权利要求16的单晶金刚石微粒，其具有不规则表面，其中所述微粒的表面粗糙度小于约0.60。
18.一种用于制备改性磨粒的方法，其包括如下步骤：
a)提供多个磨粒；
b)在所述微粒上提供反应性涂层；
c)加热所述被涂覆的微粒；和
d)回收改性磨粒，
其中所述改性磨粒的表面粗糙度小于约0.95。
19.权利要求18的方法，其中所述磨粒是金刚石微粒。
20.权利要求19的方法，其中所述金刚石微粒是单晶金刚石微粒。
21.权利要求18的方法，其中所述金属涂层包含镍。
22.权利要求18的方法，其中所述加热步骤包括将所述被金属涂覆的微粒加热到至少约700℃的温度。
23.权利要求18的方法，其中金属涂层与磨粒的百分比为约10wt％至约90wt％。
24.权利要求18的方法，其中所述改性磨粒的平均重量损失大于所述微粒原始重量的约5％。
25.由权利要求18的方法制备的磨料颗粒。
26.包括权利要求18的微粒的工具。
27.包括权利要求18的微粒的抛光剂。
28.包括权利要求18的微粒的浆料。
29.包括权利要求18的微粒的复合金刚石磨耗涂层。
30.由权利要求19的方法制备的多晶金刚石微粒，其中所述微粒的表面粗糙度小于约0.95。
31.多个金刚石微粒，其中所述微粒的平均表面粗糙度小于约0.95。
32.权利要求31的微粒，其中所述微粒的平均表面粗糙度为约0.50-约0.80。
33.权利要求31的微粒，其中所述微粒的平均球度小于约0.70。
34.权利要求33的微粒，其中所述微粒的平均球度在约0.25至约0.6之间。
35.权利要求31的微粒，其中所述微粒的尺寸范围为约0.1微米至约1000微米。
36.一种研磨材料的方法，其包括如下步骤：
提供材料；
提供固定器；
提供研磨板；
提供包括磨粒的磨粉浆，其中所述微粒的平均表面粗糙度小于约0.95；
将所述材料固定到所述固定器内；
紧靠所述研磨板放置所述材料，所述研磨板位于所述材料的一侧或两侧上；
旋转所述研磨板；
旋转所述固定器和紧靠所述研磨板的所述材料；和
将所述磨粉浆施加到所述研磨板上，其中所述浆料磨蚀所述材料直至获得所需的材料厚度或表面光洁度。
37.一种抛光材料的方法，其包括如下步骤：
提供材料；
在旋转设备的抛光垫上提供磨料材料或浆料，其中所述磨料材料或浆料包括磨粒，其中所述微粒的平均表面粗糙度小于约0.95；
旋转包括所述磨料材料或浆料在所述旋转设备上的所述抛光垫；
将包括所述磨料材料或浆料的所述旋转设备的所述抛光垫紧靠所述材料放置；和
抛光所述材料直至在所述材料上获得所需的表面光洁度。
38.一种用于制备具有独特表面形貌的磨粒的方法，其包括如下步骤：
i.提供多个磨粒；
ii.提供多个金属微粒；
iii.将所述磨粒与所述金属微粒混合以形成混合物；
iv.压制所述混合物以形成经压制的混合物；
v.加热所述经压制的混合物；和
vi.回收改性磨粒。
39.权利要求38的方法，其中所述压制步骤包括将所述混合物形成粒料。
40.权利要求38的方法，其还包括加入粘结剂的步骤。
41.权利要求38的方法，其中所述磨粒是单晶金刚石微粒。
42.权利要求38的方法，其中所述金属微粒是铁微粒。
43.权利要求38的方法，其中所述加热步骤包括将所述微粒和所述金属微粒加热到至少约700℃的温度。
44.权利要求38的方法，其中磨粒与金属微粒的百分比为约20wt％至约80wt％。
45.权利要求38的方法，其中所述改性磨粒与未经过所述方法处理的常规磨粒相比，平均重量损失为大于约20％的重量损失。
46.由权利要求38的方法制备的金刚石微粒。
47.权利要求1的方法，其中所述微粒的尺寸范围为约0.1微米至约1000微米。
48.权利要求38的微粒，其中所述微粒的表面粗糙度在约0.50至约0.80之间。
49.权利要求38的微粒，其中所述微粒的球度在约0.25至约0.6之间。
50.权利要求38的微粒，其中所述微粒的表面积比具有相同粒径分布的常规单晶金刚石微粒高出大于约20％。
51.权利要求38的微粒，其中所述微粒包括一个或多个坑。
52.权利要求51的微粒，其中所述坑的深度的尺寸范围为所述微粒的最长长度的约5％至约70％。
53.权利要求38的微粒，其中所述微粒包括金属涂层。
54.一种单晶金刚石微粒，其具有小于约0.70的球度。
55.权利要求54的微粒，其中所述微粒的球度为约0.2至约0.5。
56.一种具有不规则表面的单晶金刚石微粒，其中所述微粒的表面粗糙度小于约0.70。
57.一种浆料，其包括：
a.多个单晶金刚石微粒，其中所述微粒的平均表面粗糙度小于约0.95；
b.主要调液，其选自水基调液、二醇基调液、油基调液或烃基调液及其组合；和
c.一种或多种任选的添加剂。
58.权利要求57的方法，其中所述微粒的平均球度在约0.25至约0.6之间。
59.权利要求57的浆料，其中所述金刚石微粒的浓度为约0.01至约60wt％。
60.权利要求57的浆料，其中所述添加剂选自分散剂、pH调节剂、表面活性剂、消泡剂、润湿剂、粘度调节剂、补充磨料和颜色调整剂。
61.权利要求57的浆料，其中与包含相同量的相同尺寸的常规单晶金刚石微粒的浆料相比，工件的总材料去除量提高了至少约50％。
62.权利要求57的浆料，其中与包含相同量的相同尺寸的常规单晶金刚石微粒的浆料相比，平均晶片粗糙度降低了至少约20％。
63.权利要求57的浆料，其中与包含相同量的相同尺寸的常规单晶金刚石微粒的浆料相比，工件的总材料去除量提高了至少约20％，且与包含相同量的相同尺寸的常规单晶金刚石微粒的浆料相比，平均晶片粗糙度降低了至少约20％。
64.权利要求57的浆料，其中所述工件选自：硅、蓝宝石、碳化硅、玻璃、石英、氮化镓、化合物半导体、金属、陶瓷、碳化物、金属陶瓷、聚合物、超硬磨料复合物、烧结多晶复合物、石头和宝石。
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