CN1101796C - 制备磨粒的方法以及采用该方法制备的磨粒 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种制备磨粒的方法。根据本发明，所述方法的特征在于其包括下述步骤：制造一种包含分布在由碳化硅和硅构成的基体中的金刚石粒子的多晶体，并且，将所述多晶体压碎成磨粒。本发明也涉及采用所述方法制备的磨粒。

Description

制备磨粒的方法以及采用该方法制备的磨粒

技术领域

本发明涉及一种制备磨粒的方法以及采用该方法制备的磨粒。

发明背景

许多不同的应用领域普遍需要超硬材料。所述材料可以对钢、有色金属、纸、聚合物、混凝土、石料、大理石、土壤、硬质合金以及由氧化铝、碳化硅、金刚石或者立方氮化硼等制造的磨轮进行加工或者与上述物质相接触。

通常生产的合成金刚石粉末的尺寸小于600μm。对于几种应用领域，例如，皮革、橡胶、木材的钻削，磨削、机加工而言，需要较大的磨粒。包括金刚石的磨粒可以由包含金刚石骨架(具有少量或者无粘结材料的自粘结金刚石)或者包含由含有陶瓷相的基体粘结起来的金刚石粒子的金刚石复合材料制备而成，所述基体通过在存在上述陶瓷相时烧结金刚石粒子来获得。

大的磨粒由具有细小金刚石粒子的金刚石复合材料如Ballas，Carbonado等制备而成。这些材料的生产过程例如为：在高压室中烧结，随后将所述复合材料压碎，并且对所获磨粒进行分级。

由于金刚石不稳定并且存在石墨化倾向，因此，热处理须在1300-1600℃的高温，30,000-60,000个大气压的高压室中(HP/HT)，金刚石保持稳定的条件下进行。

采用高压和高温的方法的缺点是只能制备出尺寸较小的金刚石。此外，所用制造技术相当复杂，而且需要专用设备。从所制备的产物的量考虑，生产效率低且相对成本高。

一些专利对磨料的生产进行了介绍。

在专利EPO 0,435,501中公开了一种制备含有金刚石的磨粒的方法。该方法包括将由体积分数为70-90％的金刚石骨架以及硅、碳化硅和/或金属硅化物组成的金刚石压坯优选压碎成约1.5mm的小尺寸碎块。优选在高压室中通过烧结金刚石、硅、碳化硅和/或金属硅化物的混合物来制备所述金刚石压坯。在将所述金刚石压坯压碎后，可以在HP/HT条件下对所获碎块进行烧结，以获得硬质产物。另外，金属或者第二相可以包括在所述碎块中，以便在烧结和压实期间，对所述碎块进行渗透。

采用上述方法制备的磨粒由于在压碎后的压坯中的金刚石含量高，故其强度不足。所述压坯中的初始金刚石已被烧结成一个连续骨架。该骨架脆(与金刚石的脆性相当)，因此，所获磨粒也应该很脆。硅和/或碳化硅的量相对较少，故不能阻止裂纹在整个骨架范围扩展。所有这一切都会使金刚石磨粒的强度，特别是动载下的强度下降。另外，所述压坯须采用高压/高温的方法获得。

美国专利4,224,380介绍了由自粘结的磨料粒子(金刚石和/或CBN)构成的压坯的制备，所述压坯中存在到处分布的呈互连的网状的孔隙。通过在高压和高温(HP/HT)下，使用烧结辅助材料将大量的磨料粒子粘合成自粘结体来制备所述压坯。所述自粘结体包括以自粘结形式存在的所述粒子和渗透到所述整个自粘结体中的所述辅助材料。然后，对所述自粘结体进行处理，以便将所述渗透的材料去除，从而制备出由所述自粘结的磨料粒子构成的压坯。

该方法的缺点是使用了高压和高温。

一些专利公开了不使用高压和高温来制备金刚石磨粒的技术。

美国专利3,520,667中介绍了涂覆有碳化硅的金刚石磨粒的生产，所述生产过程包括：在含有挥发性硅化合物的气态环境中悬浮所述金刚石粒子，并且通过所述硅的化合物的热分解在所述粒子上形成一个碳化硅层。优选通过形成具有悬浮在一种气体混合物中的金刚石的流态床来实现所述分解过程，所述气体混合物包括氢和所述挥发后的硅的化合物。将所述流态床加热至1300-1500℃，以便使所述硅的化合物分解并且形成涂覆在分散的且悬浮的金刚石粒子上的碳化硅。

所述制备磨粒的方法的缺点在于涂覆有碳化硅的金刚石是各自独立的粒子，未相互粘合成烧结块，从而减小了磨粒尺寸，并使应用领域受到限制。

美国专利4,606,738和EPO 0,061,605介绍了包含核心磨料晶体(金刚石或CBN)和涂覆在所述核心晶体上的碳化硅的复合磨料粒子。优选通过用液态硅对涂覆有非金刚石的碳类材料的核心晶体进行渗透来制备所述磨料粒子。之后，从所制备的由核心晶体和碳化硅与硅的基体构成的块体中沥出硅。将所获得的沥出后的块体进一步细分并且回收所述磨料粒子。另一个公开的实施例是通过碳化硅基体进行互连的复合磨料粒子的聚集体，所述聚集体具有敞开式结构。

上述方法的缺点是所获得的磨粒，即涂覆有碳化硅的金刚石粒子的尺寸与初始金刚石粒子的尺寸相当。因此，这就不能制备比初始金刚石粒子大几倍，并且比工业化生产的金刚石粒子还要大的又大又便宜的磨粒。采用所给定方法制备的聚集体是多孔的，并且强度不高，从而使其应用受到限制。

本发明的目的是一种以简单且又低成本高效率的方式制备具有优异性能的金刚石—碳化硅—硅磨粒的方法以及采用该方法制备的所述磨粒。

发明概述

本发明的目的由一种制备磨粒的方法来实现，所述方法的特征在于其包括如下步骤：制造包含分布于碳化硅和硅基体中的金刚石粒子的多晶体，并且，将所述多晶体压碎成磨粒。

在一个优选的实施方案中，制备出一种包含20-70体积％的金刚石粒子，0.1-75体积％的碳化硅和1-40体积％的硅的多晶体，并且将所述多晶体压碎成磨粒。

在另一个优选的实施方案中，制备出一种包含至少20体积％的金刚石粒子，至少5体积％的碳化硅，优选超过15体积％的碳化硅以及硅，杨氏模量超过450GPa的多晶体，并且，将所述多晶体压碎成磨粒。

在又一个优选的实施方案中，制备了一种包含至少29体积％的金刚石粒子，至少14体积％的碳化硅，以及硅，杨氏模量超过540GPa的多晶体，并且，将所述多晶体压碎成了磨粒。

在又一个优选的实施方案中，制备了一种包含至少46体积％的尺寸至多为约30μm的金刚石粒子，至少5体积％的碳化硅，优选超过15体积％的碳化硅，以及硅，杨氏模量超过560GPa的多晶体，并且，将所述多晶体压碎成了磨粒。

在又一个优选的实施方案中，制备一种包含至少54体积％的金刚石粒子，至少60体积％的所述金刚石粒子的尺寸至少为50μm，至少5体积％的碳化硅，优选超过15体积％的碳化硅，以及硅，杨氏模量超过650GPa的多晶体，并且将所述多晶体压碎成了磨粒。

在所有的实施方案中，所述多晶体的制备包括如下步骤：由金刚石粒子成型一个工件，加热所述工件并且对加热温度和加热时间进行控制，以便通过金刚石粒子的石墨化产生所要求的一定量的石墨，从而获得一种中间体，并且，将硅渗透到所述中间体中。所述多晶体被压碎成尺寸至少为40μm的磨粒，并且，所述工件由尺寸为3-500μm的金刚石粒子构成。在所述工件进行热处理期间所产生的石墨的量为金刚石量的1-50重量％，优选6-30重量％，并且，石墨化期间的加热温度低于1700℃。石墨化过程所需要的加热温度和加热时间依据所使用的加热设备根据经验来确定。所形成的工件的孔隙率为25-60体积％。通过在温度高于一种或多种气态烃的分解温度的条件下，将所述工件置于所述一种或多种烃中，可以在所述工件中沉积一定量的碳。优选地，在温度高于一种或者多种气态烃的分解温度的条件下，将所述工件置于所述一种或多种烃中之前，至少使所述金刚石粒子发生某种程度的石墨化。优选在由各种尺寸的金刚石粒子构成的均质混合物中最终添加一种粘结剂来形成所述工件，而且，所述工件的成型过程在模具中进行，在已将所述工件从模具中取出后，进行所述的热处理和硅的渗透。

本发明也涉及采用上述方法制备的磨粒，所述磨粒的特征在于它们包含金刚石粒子、碳化硅和硅，所述金刚石粒子处于由碳化硅和硅构成的基体中，所述磨粒中，金刚石粒子、碳化硅和硅的平均含量分别为20-70，0.1-75和1-40体积％。

在一个优选的实施方案中，所述磨粒中的金刚石粒子、碳化硅和硅的平均含量分别为至少20体积％，至少5体积％和1-40体积％。

在另一个优选的实施方案中，所述磨粒中的金刚石粒子、碳化硅和硅的平均含量分别为至少29体积％％，至少14体积％％和1-40体积％。

在又一个优选的实施方案中，所述磨粒中的金刚石粒子、碳化硅和硅的平均含量分别为至少46体积％，至少5体积％和1-40体积％，而且，所述金刚石粒子的尺寸为约30μm或更小。

在又一个实施方案中，所述磨粒中的金刚石粒子、碳化硅和硅的平均含量分别为至少54体积％，至少5体积％和1-40体积％％，而且，至少60％的所述金刚石粒子的尺寸至少为50μm。

所述磨粒中金刚石粒子的尺寸为3-500μm，热稳定性因子小于1.2，优选小于1.1。

附图简述

现在，参照附图对本发明进行描述，所述附图中：

图1示出的是采用本方法制备的含有金刚石的磨粒的示意结构，其中，《1》是金刚石，《2》是碳化硅，《3》是硅。

图2以流程图的方式示出了根据本发明的方法的优选步骤。

图3示出的是在特定温度下，石墨化程度与石墨化时间之间的关系。

图4a示出的是为满足在最终的多晶体中ψSi≥0的条件，在不同初始孔隙率ε₀的情况下，进入所述多晶体中的碳量(α和γ)之间的关系。

图4b和图4c分别示出的是工件的初始孔隙率分别为ε₀＝0.3和ε₀＝0.5时，最终多晶体的组成与多晶体中的金刚石石墨化程度间的关系。

图5a-c分别示出的是工件，中间体以及最终的多晶体的X射线衍射分析结果。

本发明的实施方案描述

本发明的目的是制备具有改善的性能的磨粒。

通过将包含处于由碳化硅和硅构成的基体中的分离的金刚石粒子的复合材料压碎，制备出尺寸超过40μm的磨粒，就可以获得所述技术结果。然后，对所述的磨粒大小进行分级。

采用所述本发明的方法制备的含有金刚石的磨粒的示意结构示于图1中，其中，《1》是金刚石，《2》是碳化硅，《3》是硅。由图1可看出，本发明的磨粒与一些较早已知的材料不同，其不具有一种连续的金刚石骨架。所述分离的金刚石粒子通过由碳化硅和硅构成的基体粘合一起。这就改善了所述磨粒的断裂强度，特别是在动载作用下的断裂强度。裂纹在所述磨粒中扩展时，金刚石粒子与基体间的界面将对裂纹有妨碍作用，从而防止发生开裂。在具有金刚石骨架的材料中，裂纹在所述脆性的金刚石骨架中扩展，从而会导致整个磨粒的开裂。

分离的金刚石粒子通过由碳化硅和硅构成的、围绕每个金刚石周围的基体进行结合，可以使所述磨粒具有较高的热稳定性。

优选在进行压碎步骤前，将多晶体中的硅留下。此处所制备的磨粒包括由碳化硅和硅粘合一起的金刚石。这就有可能获得具有任何尺寸的金刚石磨粒，而且，在压碎前，金刚石磨粒的尺寸仅仅受到多晶体本身尺寸的限制。当制备大的磨粒时，这一点很有优势，因为这不需要使用大尺寸的昂贵的金刚石来制备大磨粒。

用来通过压碎制备磨粒的含有金刚石的复合材料包含20-70体积％的金刚石粒子，0.1-75体积％的碳化硅和1-40体积％的硅，而且，由于所述制备方法独一无二，所述复合材料具有均匀的结构，这就有可能通过高刚性和高硬度的基体将金刚石粒子结合一体，而所述金刚石粒子并未发生任何改变。

用来进行压碎的金刚石复合材料的制备过程为：采用公知的方法(压制，粉浆浇注，泥浆浇注)，将包含尺寸为3-500μm，含量大于95体积％的金刚石粒子的混合物成型为孔隙率为25-60体积％的工件，成型时可使用粘结剂也可不使用粘结剂，在气态的烃的介质中或者在惰性介质(真空、惰性气体)中热处理所述工作，直至工件中的金刚石含量降至不高于50重量％，随后，将液态硅渗入到所述多孔的中间体中。结果，就制备出了具有预定形状和尺寸的复合材料。

采用某些使用特定设备，例如，水压机，金属研钵，多槽破碎机，转子破碎机等的方法来压碎所述复合材料。所制备出的磨粒包含分布于由碳化硅和硅构成的基体中的金刚石粒子。不需要对所述磨粒进行附加的机加工，所述磨粒就可以加以使用，也可以在磨粒使用前，采用标准的方法，例如使用旋涡式椭圆机对所述磨粒进行椭圆化处理。经椭圆化后的磨粒可以用于金刚石膏剂，以有机物为基体的金刚石刀具等中。

最佳的磨粒尺寸大于40μm。应该采用湿法筛分或者沉降而不是更昂贵的干法筛分来对尺寸小于40μm的磨粒进行分级。

所述磨粒的性能取决于磨粒的组成和大小。实际上，不能制备出硅含量小于1体积％，碳化硅含量小于0.1体积％％的这种复合材料。如果碳化硅含量高于75体积％，则由于金刚石含量低，所述磨粒的研磨性能会降低。如果硅含量超过40体积％，则所述磨粒的强度低。对通过压碎具有特定组成，金刚石粒子尺寸为3-500μm的多晶复合体制备的磨粒进行的测试已展示出良好的结果。

所述磨粒的热稳定性因子低于1.2，优选低于1.1，即，采用标准方法测得的经过在惰性介质中，1200℃下的热处理后，静强度的降低幅度不超过20％(优选10％)。

通过采用使用于制备金刚石—碳化硅—硅的磨粒的金刚石发生石墨化的方法来获得根据本发明的复合多晶体。也可能将碳的石墨化与热解沉积过程相结合，但并不一定如此。这意味着本发明利用了金刚石的石墨化，即部分金刚石以既定且可控的方式，有效转变成石墨。

所谓亚微米尺寸的金刚石指的是尺寸小于1μm的金刚石粒子，所述小的金刚石指的是尺寸小于20μm的金刚石粒子，并且更优选小于10μm的金刚石粒子。尺寸超过20μm的大尺寸金刚石和尺寸超过60μm的非常大的金刚石也经常与小金刚石一同使用。在根据本发明的方法中，优选使用尺寸为3-500μm的金刚石。

图2以流程图方式示出了所述方法的优选步骤。下面，对根据本发明的方法的不同步骤进行介绍。

坯体的成型坯 体由具有各种尺寸的金刚石粒子构成的混合物加工成型，其中，存在少量的暂时性或者永久性的粘结剂(最大量为5重量％)，或者无任何粘结剂存在。

采用现有的技术，例如，压制，粉浆和泥浆浇注，注射成型等来进行所述成型。一旦使用模具进行成型时，需将所获坯体从模具中取出。

工件的制备 通过蒸发或硬化和分解所述坯体中存在的溶剂和/或粘结剂来制备所述工件。如果制备坯体时未使用任何粘结剂，则该坯体就可看作是工件。为了在整个工件体积范围内进行均匀且可控的石墨化过程，不希望有来自于粘结剂中的杂质存在工件中。这些杂质可能会对所述石墨化过程起催化或者抑制作用。显然，要求所述工件中金刚石的含量不低于95重量％的原因在于对将会存在的碳量进行精确控制，而且，这种精确控制仅仅在无填料和其它添加材料存在的多晶体中才可能实现。

为获得中间体而进行的工件热处理

通过使用可控的金刚石的石黑化，或者将可控的金刚石的石墨化过程与热解碳的沉积联合进行，此处所沉积的碳称为热解碳，来对总质量中含有95-100重量％的金刚石的工件进行热处理，以便获得中间体。当上述两过程联合进行时，优选在热解碳的沉积前进行石墨化过程。

为获得中间体而进行的石墨化

在石墨化过程中，在真空或者在可控气氛中，优选在惰性气体中，于1000-1900℃下，优选1200-1700℃下，对所述工件(或者具有沉积的热解碳的中间体)进行热处理。温度低于1000℃时，石墨化过程可忽略不计。温度高于1900℃时，使用低质量的金刚石时的石墨化速度太高，以致于难于对其进行精确控制。真空压力优选低于1mmHg柱。至于惰性气体，氮气、氩气、氢气或氦气都可以采用，上述气体需在系统中不存在氧气时使用。惰性气体的压力不那么重要，一般根据所述方法的应用场合来选择，例如，760mmHg柱。

碳向所述石墨化的中间体中的热解沉积

在碳向所述石墨化的中间体(或者工件)中热解沉积期间，在温度超过一种或多种烃的分解温度的条件下，将所述中间体置于由所述一种或多种烃构成的气体中，例如，所述气体为天然气时，温度条件为T＝750-950℃，或者所述气体中含有乙炔、甲烷、乙烷、丙烷、戊烷、己烷、苯以及它们的衍生物时，温度条件为T＝510-1200℃。

硅向所述中间体中的渗透

该过程采用已知的方法进行。优选在模具的外面，例如通过熔化固态的硅或者将液态硅添加至中间体的外表面上，通过采用不同的真空渗透技术或者将所述中间体浸渍在液态硅中来进行所述渗透过程。也可以通过气相硅的渗透或者采用化学方法，例如采用与溶胶—凝胶类似的技术，化学气相沉积等，之后，再进行高温反应，来添加硅。

在渗透期间，非金刚石形式的碳与硅发生化学反应，从而形成碳化硅，所述碳化硅与最终的自由硅一起构成所制备的复合材料多晶体的基体。

所述渗透后的多晶体的压碎和所获磨粒的分级

采用特定设备，例如水压机，金属研钵，多槽破碎机，转子破碎机等来进行所述渗透后的多晶体的压碎处理。所获得的磨粒包含分布于由碳化硅和硅构成的基体中的金刚石粒子。有时，所述基体中也存在小金刚石粒子。

采用不同的步骤进行所述压碎过程。首先是粗压碎，随后再进行选择性压碎，然后采用标准筛网对具有一定尺寸的磨粒进行分级，筛分。有时，需采用旋涡式椭圆机对磨粒进行椭圆化处理，使其呈圆形；由铁磁粒子与所述压碎的磨粒构成的混合物在旋转频率为300rpm的磁场中旋转处理。然后，进行最终的筛分。

所制备的磨粒不进行附加的机加工就可以使用，也可以采用标准方法，例如使用旋涡式椭圆机进行椭圆化处理后使用。所述经椭圆化处理后的磨粒可以用于金刚石膏剂，具有有机基体的金刚石刀具等中。

所述磨粒的最佳尺寸为大于40μm。对尺寸小于40μm的磨粒的分级必须采用更昂贵的技术进行。

有关碳的形成的详细说明

所述多晶体中的非金刚石形式的碳可以通过以下不同方式获得

1.通过热处理使工件中的金刚石粒子发生石墨化，以便使金刚石的表面层转变为石墨。

2.向所述多晶体中沉积热解的碳。

3.在进行硅渗透的热处理期间，实施附加的石墨化过程。

4.最终残存的来自于粘结剂的碳。

从以下几方面确定对非金刚石形式的碳的总量的贡献

a)确定最终使用的热解碳的量。

b)确定在进行硅渗透的热处理期间进行的石墨化程度。

c)确定来自于粘结剂的残存的热解碳的量。

d)初次石墨化构成所需要的附加碳量。

结果，本发明的一个特性是能够通过对处理方法和材料的参量，例如时间—温度曲线的形状，即：温度，保温时间和加热速率，金刚石粒子的尺寸、类型和质量，以及其中的杂质，气氛和压力进行同时控制，来控制和改变金刚石石墨化的程度。进行控制时需要考虑的事项包括，例如：

1.在所述最终多晶体中的硅或者残存孔隙，碳化硅和金刚石的相对体积取决于石墨化程度，因此必须对此加以精确控制。

2.对于亚微米的和小的金刚石粒子而言，重要的是石墨化进行的程度不应导致所述金刚石粒子的消失。石墨化程度应低于50重量％，并且优选为6-30重量％。

3.当将小金刚石粒子与大粒子混合时，小粒子的尺寸必须仔细选择，以确保小粒子不会消失，除非专门对此有要求，而且，大粒子应能充分进行石墨化。石墨化程度应低于50重量％，并且优选为6-30重量％。

4.控制石墨化程度的主要方法是对真空中，或者常压下的惰性气体中，1200-1700℃的范围内的温度—时间曲线的形状进行适当选择，所述曲线形状与金刚石粒子的尺寸和质量有关。

5.所要求的不同程度的石墨化适合于不同技术应用场合的材料，因此，必须对所述曲线的形状进行不同选择。

6.通过选择正确的热处理过程，有可能获得孔隙率非常低，无石墨存在并且在金刚石、碳化硅和硅间达到良好的组成平衡的最终多晶体。如果石墨化程度低，则最终复合材料会含有较多的硅或者具有较高的孔隙率。石墨化程度越高，最终多晶体中所含的碳化硅越多。

温度的升高和保温时间的延长一般会增加所产生的石墨的量。石墨化由金刚石粒子表面到所述金刚石粒子内部正向进行的速度也由材料杂质和缺陷的结果方向及其量的大小决定。当所有的其它条件相同时，石墨化正向进行的速度对大和小的金刚石粒子都是相同的。然而，粒子尺寸的差别决定大粒子和小粒子的相对石墨化程度不同。小粒子的石墨化程度显著较高，而且，石墨化程度与金刚石的比表面积成正比。因此，重要的是选择热处理的最佳条件，以便采用所提供的方法控制材料的生产，而且，当使用小金刚石粒子时，这一点尤为重要。

对于小粒子来说，在温度高于1200℃的范围提高加热速度非常重要，因为石墨化速度与温度密切相关。结果，石墨化程度下降(与较慢加热至相同温度相比)，并且，石墨化程度不会超过所要求的范围(≤50重量％)。这样就有可能随后进行中间体的液态硅渗透处理。除非整个中间体范围内均存在足够尺寸的孔隙，否则硅的渗透不会遍及整个中间体。石墨化过程需要精确控制和实施。所采用的设备必须和所使用的材料相适应。某些所述参量间必须通过经验建立起联系，以便使所使用的设备与材料相匹配。

图3示出了在特定温度下，石墨化程度，α，与石墨化时间，τ，之间的关系。可以看出，与较大的粒子(28/20和63/50)相比，小金刚石粒子(5/3，10/7，和14/10μm)的石墨化程度增加更快。粒子尺寸越大，相对石墨化速率增加越缓慢。

所述石墨化过程的优点之一是使金刚石表面得到改善。一般地，金刚石的价格与其质量和尺寸有关。众所周知的是，大部分金刚石粒子的表面层上存在大量的缺陷。表面上的缺陷和杂质会使机械和化学稳定性降低。尽管未使用昂贵的、高质量的金刚石，但仍要求不存在表面缺陷和杂质。通过热处理，有目的地将金刚石的表面层转变成石墨，可以达到这一目的。石墨化由表面开始，逐渐向粒子的更深部位进行。而且，通过金刚石的石墨化，不仅可改善金刚石的表面，而且还可改善其整体性能。当加热时，扩散过程就会在金刚石中进行。通过所述扩散过程，金属以及其它杂质就会运动到金刚石的表面以及嵌入碳化硅或者硅中。由于石墨化使金刚石表面的缺陷层发生转变，因此，这将会导致整个粒子性能的改善，而且，作为结果，也将会导致整个复合材料的改善。为实现上述改善，包围金刚石粒子的石墨层应至少为50nm，优选超过200nm。石墨化程度应不低于1重量％，并且优选至少为6重量％。

金刚石石墨化的另一个非常重要的收获是所形成的覆盖在每个各自分离的金刚石粒子上的SiC的结合非常强。金刚石将与所述基体结合一起。并且，在所需要的场合，将不会脱落。

在为获得不含石墨的致密或者接近致密的多晶体而进行的整个制备过程中，某些原则必须遵守：

材料的孔隙率由不同尺寸的孔隙构成，其中有较大的孔隙和较小的孔隙。在进行热处理和硅渗透处理之前，工件具有一定体积百分数的孔隙和一定的孔隙大小，这由金刚石粒子的尺寸和尺寸分布，所存在或添加的其它材料以及坯体的最终压实程度决定。金刚石含量的降低程度与金刚石石墨化期间形成的石墨的量相当。必须对所述多晶体中非金刚石形式的碳，包括添加的热解碳或者来自于粘结剂的可能残余的碳的总量进行控制，以便获得具有相对于元素硅而言为最佳含量的碳化硅(在非金刚石形式的碳与硅的反应中形成)的最终材料，其中，元素硅填满孔隙，以产生致密或者接近致密的多晶体。

初始孔隙率和石墨化程度影响最终材料的性能。工件中的孔隙率高于60体积％时，工件的强度不足于实施本方法中的后面的步骤。当工件中的孔隙率小于25体积％时，就难于将硅渗透到中间体中，因此最终多晶体中残存孔隙较多。如果石墨化程度超过50重量％，或者所沉积的热解碳和来自于粘结剂的残存碳的量超过25重量％，则会出现同样的问题，原因在于有限的小孔隙的尺寸不够大(由于碳层太厚)。在这种情形下进行硅的渗透时，就会在中间体的表面区中形成一个碳化硅致密层，这会阻碍液态硅向所述中间体的内部渗入。

对于给定的工件初始孔隙率ε₀而言，碳的最大量如图4a所示，所述碳由石墨化的碳，热解碳的沉积以及来自于粘结剂的可能残存的热解碳构成，在后面的一个处理步骤中，上述所有的碳将与渗入的硅反应，以形成碳化硅。由该图中也可以看出石墨(α)与热解碳和来自于粘结剂的残存碳(γ)的相对量的大小，其中，γ包括任何可接受的热解碳与来自于粘结剂的残存碳的组合。所述过程受到与孔隙率有关的碳的总量的限制。在一定的初始孔隙率下，如果碳量太少，则最终复合材料将含有大量的硅。如果碳量太大，则会有一定量的残存碳保留在最终复合材料中，这是不希望出现的，因为碳在材料中起缺陷作用。也参见展现一定初始孔隙率下的石墨化程度与最终复合材料的组成间的关系的两个图，图4b和图4c。可以看出，金刚石，碳化硅和硅组分的改变是呈线性的。当石墨化程度增加时，碳量增加而金刚石与硅的含量则降低。

所述这些图通过使用下面的方程获得，使用所述方程的条件是：多晶体的总体积不变，而且，所获得的多晶体中不存在孔隙：

在最终材料中的金刚石的体积含量为：

ψ_D＝(1-ε₀)(1-α)[方程1]

其中，α是石墨化程度，即石墨的量，ε₀是工件中的初始孔隙率。

在最终材料中的碳化硅的体积含量由已与硅反应的碳的量决定。

ψ_SiC＝(1-ε₀)(γ+α)(ρ_DM_SiC/(ρ_SiCM_C)  [方程2]

其中，ρ_D和ρ_SiC分别是金刚石和碳化硅的密度，M_SiC和M_C分别是碳化硅和碳的分子质量。

最终材料中的硅的体积含量为：ψ_Si＝1-(ψ_SiC+ψ_D)  [方程3]

为了进行无孔材料的制备，必须满足条件ψ_Si≥0。α和γ的值落在图3a所示的区域中就可使所述条件得以满足。因此，在最终材料中的可被代入以使条件ψ_Si≥0得以满足的热解碳以及粘结剂残余物的量很大程度上取决于石墨化程度。

在γ＝0时方程1，2和3的解给出的是根据图3b-c的金刚石复合材料的组成与工件的初始孔隙率之间的关系。

图5示出的是根据本方法制备的样品的X射线衍射相分析结果。由图5a可明显看出，由金刚石粉末成型的初始工件包含金刚石相(标记为“D”)。为获得中间体随后对工件进行的热处理导致在所述工件中有石墨相形成，如图5b所示(标记为“G”)。在随后对中间体进行的硅渗透过程中，硅与石墨反应并生成碳化硅。图5c表明在最终产品中无石墨存在，但存在有金刚石，碳化硅(标记为“SiC”)和硅(标记为“Si”)。

不同类型的参量变化的使用

在各个处理步骤中，参量变化可应用于所述材料。所采用的参量改变可以加以不同组合。所采用的参量有。

—金刚石粒子尺寸

—金刚石质量

—金刚石的粘合性能

—碳化硅和碳的量

一些所述参量相互依存。下面将展示的是通过参量的改变和不同参量的联合改变来控制最终性能的实施例。

金刚石粒子尺寸的变化；不同尺寸的金刚石的组合

根据本发明的材料不仅可包括一种而且还可包括几种尺寸的金刚石粒子。所述材料中几种尺寸的金刚石的使用可使材料具有特别的性能。大的金刚石粒子使材料具有良好的磨料性能(此处指的是磨削、磨损、切削以及其它机械去除材料的性能)。然而，SiC/Si基体的耐磨性相对较低可能会造成这些大的金刚石与基体脱离结合而流失掉，特别是在严酷的运转条件下，这种情形更可能发生，从而缩短复合材料工具的寿命。

通过将大的金刚石粒子与小金刚石粒子混合成均匀的混合物，由于所形成的新基体的耐磨性提高，可以使工具的寿命增加。小的金刚石粒子对基体起增强作用。通过在整个SiC-Si基体范围进行分布，小的金刚石粒子能够提高杨氏模量，导热性、硬度、耐磨性等。例如，当约40体积％的尺寸为约10μm的金刚石粒子包含在SiC-Si基体中时，与不含金刚石的SiC-Si基体相比，杨氏模量由400GPa增至650GPa，导热性由80W/mK增至250W/mK。因此，将小金刚石与大金刚石一起使用不仅可提高材料性能，而且也比只使用大金刚石更经济。

金刚石质量的变化

高质量的金刚石一般比低质量的金刚石更贵。术语质量据认为随下述参量变化：机械和光学性能，不论结晶程度是否完全均如此；缺陷如夹杂物和裂纹(大多数在表面)，形状，不论是合成还是天然均如此，等。

制备根据本发明的材料时，可以将低质量的较便宜的金刚石与高质量的金刚石共同使用，以便改变材料的组成。一些低质量的金刚石比质量较优的金刚石能更快发生石墨化，从而产生更多的石墨，而且，因此在随后的渗透步骤中会形成更多的碳化硅。另外，石墨化将会使表面质量低的金刚石的表面得到改善。

大金刚石的粘合状况的变化

所述方法允许通过使所述复合磨粒在各个领域中的性能最优化，来对所述材料进行调整，以便满足不同领域的应用要求。由于金刚石的硬度较高，故其是所述复合材料中用于进行有效作业的主要组分，因为，所述调整可以通过改变金刚石的参量：类型，粒子尺寸和浓度来进行。

存在几种类型的金刚石粒子：从具有锋利切削刃的结晶完好的块状单晶体到由相互间紧接着的不同的金刚石层构成的粒子，例如洋葱状的粒子，其中每个金刚石层均具有切削刃。后面的这种类型的粒子有时被认为容易碎。这两种类型的粒子具有明显不同的性能，而且，在这两种差异很大的粒子之间，还存在许多种金刚石类型。

在其它的材料中，例如用于磨轮时，已知的是所选择的金刚石类型对磨轮的性能有很大影响。然而，为对所述性能进行调整，有必要调整将金刚石与所使用的类型的金刚石结合一起的粘合力。在已知的磨轮材料中，很难为使性能最佳，对所需要的粘结剂进行这种详细的调整。原则上，磨轮中使用三种不同类型的次要粘结剂：树脂粘结剂，金属粘结剂和玻璃粘结剂。

通过根据本发明的方法，非常有可能对较大金刚石(＞20μm)的粘结剂和粘合基体(此外，由小金刚石，碳化硅和硅组成)的性能进行调整。根据尺寸小于20μm的小金刚石的浓度(20-70体积％)，碳化硅的浓度(0.1-75体积％)以及硅的浓度(1-40体积％)，可以对所述基体的硬度进行适当选择，而且，因此，也可以对基体的耐磨性和随后的较大金刚石粒子的粘合进行选择。

有可能通过改变所述基体的组成，将所述基体的硬度选定为约20-63GPa：其中，金刚石的硬度为约100GPa，碳化硅的硬度为约25GPa，硅的硬度远远低于10GPa。通过这种调整，所述经过改善的材料对于各种应用场合都最佳。

对于要求相对弱的粘结的金刚石类型而言，优选基体硬度为20-30GPa；对于需要牢固粘结的金刚石类型而言，基体硬度为50-63GPa；对于要求粘结强度适中的金刚石类型或者混合物而言，基体硬度为30-50GPa。

碳化硅和/或硅的量的改变

由碳化硅和硅构成的基体与金刚石粒子牢牢粘合一起，从而使根据本发明的材料具有优异的性能。而且，碳化硅的含量对于材料的性能很重要，例如，它对硬度和金刚石的粘结强度有影响。硅含量也对所述性能有影响—增加硅的含量将会降低硬度和耐磨性。受所述组成影响的其它性能例如有随金刚石含量增加而增大的导热性，随硅含量的增大而增加的导电性等。

用来通过压碎来制备磨粒的含有金刚石的复合材料包含20-70体积％的金刚石粒子，0.1-75体积％的碳化硅和1-40体积％的硅，并且，由于所述制备方法独一无二，其还具有均匀的结构。实际上，不能制备出硅含量小于1体积％和碳化硅含量小于0.1体积％的这种类型的复合材料。如果碳化硅含量大于75体积％，则由于金刚石含量低，磨粒的磨料性能会下降。如果硅含量大于40体积％，则所述磨粒的强度较低。

因此，就要求在金刚石，碳化硅和硅间实现良好的组成平衡。这种组成的平衡取决于所述材料的有目的的具体应用场合。通过改变所述组成，有可能控制所述性能并且进而对其进行调整，使其适合于具体的应用场合。改变最终多晶体中硅和碳化硅的含量的方法就是改变与可得到的孔隙率有关的非金刚石形式的碳的量。通过改变可使所形成的石墨量和所添加的热解碳量不同的热处理条件，通过改变来自于粘结剂残余物的非金刚石形式的碳的量，通过改变金刚石的尺寸/孔隙大小等，均可以做到这一点。

在将具有一定含量的金钢石粒子、碳化硅和硅的最终多晶体压碎之后，所获得的各个单个磨粒典型地不具有与所述多晶体相同的金刚石，碳化硅和硅的含量。然而，所述磨粒的平均含量，即在任何可观数量的这些磨粒中的金刚石，碳化硅和硅的含量将与所述最终多晶体的含量相一致。

采用本方法的优点和根据本发明的材料

本发明的显著优点之一是处理参量可以进行改变，以便在工件中发生所要求的金刚石石墨化过程，从而提供制备具有所要求的强度、物理和机械性能的多晶磨粒的最佳条件。

与将涂覆有碳或者未涂覆碳的金刚石和碳质材料混合以制备金刚石—碳化硅—硅复合材料的方法相比，所提出的利用石墨化过程和可能的热解碳的沉积的方法具有几大优点：

1)在金刚石石墨化期间，石墨直接在所有金刚石粒子的表面上形成，而且，在可能的热解碳沉积期间，热解碳直接在石墨化的金刚石上形成。因此，碳与所述表面牢固接触。结果，位于粒子之间的临界小孔隙保持畅通，能够进行随后的中间体的硅渗透。当使用将碳质材料与金刚石粒子混合一起的已知技术时，较小的碳黑或碳纤维等的粒子被置于金刚石之间。这些较小的粒子可在窄小的孔隙中聚集起来，从而使所述孔隙的尺寸更小，这可能对硅的渗透起副作用。

2)碳的分布对于最终材料的性能很重要。通过金刚石转变成石墨和通过热解碳在所述多晶体上的可能沉积，可使碳层与金刚石表面牢固接触。这种牢固接触确保碳化硅直接在金刚石粒子的表面上形成，从而形成具有高粘合力的金刚石—基体的界面，即：金刚石牢固粘合到碳化硅—硅基体上。由于小金刚石与大金刚石的粘合强度均高，从而使性能得以改善。当在不同的应用场合使用时，金刚石不易于从基体中切下。这种材料极其耐磨。当在要求粘合非常牢固的工作场合使用时，在所述方法中将全部使用大的金刚石粒子，而在传统的磨料材料(采用金属或有机粘结剂)中，在从基体中脱出之前的所述金刚石的用量为约50体积％。

3)最终的粘结剂热处理以及石墨化过程可以采用与进行硅渗透相同的设备进行(当不使用热解碳沉积时)。因此，所述这些处理步骤可以在相同的炉子中逐步进行，从而减少了制备最终材料的总的时间。

4)金刚石的石墨化从金刚石粒子的表面开始，逐渐向粒子的内部进行。石墨化过程使金刚石表面的缺陷层发生转变，从而改善了粒子的性能，并且，结果，改善了整个复合材料的性能如热稳定性。这就可以使用相对低成本的金刚石。

5)在本发明中，具有或者没有沉积的热解碳的金刚石的石墨化能避免出现与在作为碳源的碳质材料中进行物理混合有关的各种问题。这些问题包括碳的不均匀分布，与硅的不完全反应，孔隙的阻塞以及由于混合材料的不同的尺寸、形状和分布而导致的不均匀性。

6)石墨化过程将使碳在整个多晶体的范围内快速且适当地形成，先从金刚石的表面开始，再以线性方式进行扩展。只有相当少量的金刚石发生了转变。因此，当制备很厚且很大的多晶体时，所述石墨化具有优势，原因是其甚至能够在多晶体的较深部位形成碳，但又不存在将进行随后的渗透的孔隙堵塞的危险。

7)通过使用较早已知的方法，可在暂时性的模具中或者在与进行粘结剂的蒸发/分解以及硅的渗透相同的模具中，对与碳质材料混合的、涂覆有碳或者未涂覆处理的金刚石的坯体进行成型。在这一成型中，特别是当使用大的金刚石粒子时，可能会需要相对较大量的粘结剂。当置于炉内时，由于每个坯体均需要一个模具，因此，生产效率降低。由于热处理过程中磨损严重，结果模具的消耗很大，而且，模具的寿命也被降低。将复合材料从模具中取出时也可能会有问题出现。通常使用的是石墨模具，在液态硅的渗透步骤中，一些硅可能会与石墨反应，从而导致所述多晶体从模具中取出时出现问题。根据本发明的方法避免在热处理期间和硅的渗透步骤中使用这种昂重的模具，由于不会受到模的使用的限制，从而具有成本优势。

8)根据本发明的方法的成本优势显著，原因是在一个批次中可以制备出许多大尺寸的多晶体，而且，制备碳的主要方法，金刚石的石墨化，是一种比热解碳更快的方法，而且，这种方法不使用气体。当没有添加热解碳时，所述方法是一种“一步法”，该方法中，金刚石的石墨化在硅渗透之前，温度升高过程中进行。不需要使用模具，除非在某些情形下需要成型，可以使用价格较低的金刚石。

9)所述方法能够制备出含有金刚石的大尺寸的具有较广泛的技术应用前景的磨粒，而以前的磨粒比较昂贵且比较稀缺。

10)通过使用本方法制备所述磨粒，有可能为非常细小的金刚石找到新的适合的应用途径，而所述细小的金刚石相对便宜而且目前的经济价值相当低。

根据本发明的磨粒具有几大优点：

本方法的变化性是独一无二的。处理参量可以改变以使所制备的材料具有所要求的性能。采用这种方法，有可能制备出具有良好的耐磨性以及磨料性能，磨削性能和其它机械去除操作的性能均得到改善的材料。

本发明的一个特点是所提供的材料的特征在于有可能同时对不同的优异性能进行组合，并且，能够对与各种有目的应用场合的要求非常相符的这些性能加以匹配。可控制的性能包括：

1)高的杨氏模量和充分的强度以及低的密度。

2)金刚石的高硬度和高的结合强度导致优异的耐磨料磨损和耐冲蚀磨损性能。

3)根据较大尺寸的金刚石的类型，可对基体的硬度和结合强度进行调整。

4)根据金刚石的含量，可获得高的导热性，低的热膨胀系数。

5)暴露在高达1500-1600℃的温度之后，机械性能仍得以保持。

当将小金刚石粒子与大金刚石粒子混合一起时，以下两个事实对材料性能有影响：金刚石粒子与基体间的结合强度高，以及由于小金刚石分布其中所导致的基体的耐磨性高。如果与基体的结合强度不足或者基体的耐磨性低，则大的金刚石粒子将会从所述基体中脱落。小的金刚石粒子可强化基体，从而使其耐磨性提高，以及刚性、强度和导热性均增加。所有这一切均使材料的磨料性能(磨损、切削以及其它的机械去除材料的性能)得到明显改善：导热性的增加使金刚石复合磨粒的工作区的温度下降。

本方法的实施例以及磨粒的性能

采用下面不同的金刚石类型来制备样品，所述样品被用来制备进行试验的磨粒：ACM 5/3型合成金刚石粒子(尺寸范围3-5μm)，ACM10/7型合成金刚石粒子(尺寸范围7-10μm)，ACM 14/10型合成金刚石粒子(尺寸范围10-14μm)，ACM 28/20型合成金刚石粒子(尺寸范围20-28μm)，ACM 40型合成金刚石粒子(尺寸小于40μm)，以及ACM63/50型合成金刚石粒子(尺寸范围50-63μm)，上述所有类型的金刚石的制造者为：Superhard Materials Institute，Kiev，Ukraine。

实施例1

由ACM 10/7型的金刚石粉末制备出圆柱样品(φ＝20mm，h＝3mm)。将所述金刚石与由25％的酚醛树脂乙醇溶液构成的粘结剂混合，从而得到一种混合物。干燥的树脂的量为金刚石粉末质量的2重量％。将所述混合物进行彻底搅拌并且用粒度为200μm的筛网进行筛选。在室温下，采用金属模具，在45kN的力下进行压制，从而将所述样品成型。将所获坯体从模中取出，并在大气环境中，室温下保持10个小时，之后，在70℃下干燥1小时并且在150℃下硬化小时。

所制备的工件含有98重量％的金刚石，其孔隙率为51体积％。在真空(压力为0.1mmHg柱)中，于1550℃对所述工件进行热处理，时间为3分钟。这一处理使中间体中的金刚石含量减少15重量％。

通过在1550℃下使硅在中间体的表面熔化来对中间体进行渗透处理。

所获得的多晶体包含41体积％的金刚石，44体积％的碳化硅和15体积％的硅，而且，其杨氏模量为570GPa。

采用压力为1.5MN的水压机对所述样品进行第一次的粗压碎。粗压碎之后，再用一种多槽压碎机进行选择性压碎。在第一次压碎后，将尺寸大于2500μm的磨粒筛选掉。在第二次压碎后，将尺寸大于2000μm的磨粒筛选掉，压碎过程之后，再进行筛选分级步骤，这一步骤采用标准筛网进行。

可采用旋涡式椭圆机将所述磨粒的一部分椭圆化，加以磨圆处理。由铁磁粒子和所述压碎的粒子构成的混合物在旋转频率为3000rpm的磁场中进行旋转。之后，进行最终的分级。

对经椭圆化处理和未经椭圆化处理的磨粒的静强度和动态强度进行了测量(参见表1)，并且对所述磨粒的温度稳定性，即：在氩介质中，1200℃的温度下处理20分钟后的强度进行了测量(参见表2-3)。

尺寸为125/100μm的磨粒被用来制备磨料膏剂，制备过程如下：

将下述组分-21g硬脂酸，0.4g石蜡，32.6g凡士林和5g油酸盛放在一专用容器中。通过对位于水槽中的所述容器进行加热，来将所述各组分加热至60-76℃，直至所述混合物完全熔化并且完全搅拌均匀。将40g的所述磨料在10g的油酸中浸湿并且加热到高达40-50℃的温度下进行搅拌。最后，将上述两种混合物混合一起并搅拌均匀。

对所制备的膏剂的磨料性能进行了测试(参见表1)。

实施例2

将如实施例1中所示的ACM-40型金刚石粉末(一种尺寸为1-40μm的金刚石的均匀混合物)制备成圆柱样品。所制备的样品包含43体积％的金刚石，39体积％的碳化硅和18体积％的硅，而且，所述材料的杨氏模量为560GPa。

根据与实施例1中相同的方法制备出经椭圆化处理和未经椭圆化处理的磨粒，以及磨料膏剂。对所述磨粒与膏剂进行与实施例1中相同的测试。测试结果示于表1-3中。

表1

样品	初始金刚石类型	磨粒尺寸[μm]	磨粒的静态强度(N)	磨粒的动态强度	膏剂的研磨性能(mg)
						1	ACM10/7	1000/800(O)	-	105	-
2	1000/800	-	98	-
					3	500/400(O)		111.85	58	-
4	500/400	102.37	42	-
					5	250/200(O)		19.0	-	-
6	250/200	16.9	-	-
					7	160/125(O)		-	67	-
8	160/125	-	60	-
					9	125/100(O)		8.24	-	-
10	125/100	6.03	-	207
					11	ACM＜40		500/400(O)	114.35	62	-
12	500/400	105.81	44	-
					13		250/200(O)	15.2	-	-
14	250/200	10.5	-	-
					15		160/125(O)	-	55	-
16	160/125	-	49	-
					17		125/100(O)	6.1	-	-
18	125/100	5.5	-	203

注：(O)代表经椭圆化处理的粉末

表1结果表明，所获得的磨粒的静态强度和动态强度均很高。所述磨粒的特征在于其具有高的抗动态效应的能力。动态强度随着磨粒尺寸的增加而提高。

经椭圆化处理的500/400级的磨粒的静态强度与高质量的AC65型合成金刚石相当，而且，其动态强度比根据GOST要求9206-80的最好的FSU型合成金刚石，AC160型金刚石的动态强度还高(GOST要求是：AC65型的静态强度为103N。AC160型的动态强度为50)。

包含磨粒的所述膏剂的磨料性能(以0.1g的含有金刚石的膏剂所能磨削掉的烧结硬质合金的量表示)满足GOST要求255993-83中对合成金刚石所作的要求(所述的GOST要求是160mg)，尽管所述磨粒中的金刚石含量低于50体积％。表2-磨料的静态强度的温度稳定性

样品	磨粒尺寸(μm)	静态强度(N)		热稳定性因子Kt
					热处理前	热处理后
		1	2000/1600				398.57	374.68	1.060
2	1600/1250			289.75	262.65	1.100
		3	1250/1000				244.36	241.51	1.010
4	1000/800			228.83	227.19	1.007
		5	800/630				145.11	146.97	0.987
6	630/500			118.34	119.46	0.990

表3-磨粒的动态强度的温度稳定性

样品	磨粒尺寸(μm)	动态强度
				热处理前	热处理后
		1	1250/1000			52	51
2	1000/800			43	42
		3	800/630			35	35
4	630/500			51	49
		5	500/400			53	55

表2和表3的结果表明，经在惰性介质中，1200℃下热处理20分钟后，所述磨粒的静态和动态强度实际没有变化。其热稳定性与天然金刚石的热稳定性相当。在相同试验条件下，合成金刚石的强度降低，其降低倍数为2.5-5.0或更大，参见“金刚石的物理性能：手册”。Kiev 1987，P67。

实施例3

在实施例2中所制备的磨粒的基础上，生产出两个具有传统的磨料百分比，即其中磨粒占25体积％的12A2-45^I型(尺寸为125×10×3×32)的球面磨轮。为了生产所述磨轮，使用的是尺寸范围为160/125μm的磨粒和一种有机粘结剂B2-01(制造者：Superhard MaterialsInstitute，Kiev，Ukraine)。

采用所述磨轮对烧结合金T15K6(79％WC，15％TiC，6％Co)(硬质合金)和钢P18(0.7-0.8％C，17-18.5％W，0.5-1.0％Mo，3.8-4.4％Cr，1-1.4％V)进行了磨削试验。试验结果示于表4中。

试验条件：V＝20m/s(旋转速度)，S_纵向＝2.0mm/s(沿长度方向上的进给量)，δ_横向＝0.02mm(双程横向进给量)。表4

参量	烧结合金T15K6	钢P18
			磨轮的相对消耗量	1.2-1.6mg/g	0.7mg/％
机加工后的表面粗糙度	1.25μm	0.8-1μm
			磨削功率	1.5-2.0kW	1.7-2.0kW

由实施例得出的结论为：

1.所制备的由金刚石—碳化硅—硅材料构成的磨粒具有优异的静态强度和动态强度，这使得所述磨粒与高质量的合成金刚石相当。

2.所制备的磨粒在经1200℃下的热处理后也能保持其强度不变。所述这些性能与天然金刚石的性能相当，而且比合成金刚石的性能高2-5倍。

3.所制备的金刚石磨粒具有与合成金刚石粒子相同的高磨料性能。注意：所制备的磨粒中的金刚石粒子的含量为约50体积％，即只需要较少的金刚石就可获得相同的磨料性能，从而节省了金刚石。

4.所述磨粒可用来制备不同类型的金刚石工具，例如金刚石磨轮，金刚石膏剂等。在这种情形下，制备方法和设备与由合成金刚石制备上述产品所采用的方法与设备相同。

5.试验结果已表明，由所述磨粒制得的金刚石工具不仅可用于加工烧结合金及其它类似材料，而且也可用于加工铁基合金。因此，使用所制备的磨粒，有可能制造出具有更广泛应用场合的组合工具。

方法详述

采用下述方法对所本发明的材料的性能进行了测定。

1.磨削磨粒的静态压缩强度通过对造成一定数量的磨粒破断的破断载荷进行连续测量来加以确定：

所述磨粒被置于两个平行的刚玉板之间，并且采用平稳增加的力进行单轴压缩。通过将50个磨粒顺序压碎来确定所述磨削磨粒的静态强度。破断载荷采用下述公式计算： $P=\frac{\underset{1}{\overset{50}{\mathrm{\Σ}}}P-\underset{1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}P}{50-n},$ 其中，n-在超过2P_平均的载荷作用下发生破断的磨粒的数量。

  P_平均-50个磨粒的平均强度。

2.研磨磨粒的耐热性(耐热性因子Kt)由下述比值确定：

           Kt＝P₁/P₂

其中，P₁-热处理前粉末的静态耐压强度

      P₂-热处理后粉末的静态耐压强度

所述热处理在惰性气体(氩气)的介质中，1200℃的温度下进行，时间为20分钟。

3.采用Fritester型仪器测定动态强度。将粉末样品(磨粒)放入内装有钢球的圆柱型钢制容器中，其中，所述钢球可沿着容器的轴自由运动。所述容器被固定在一机器中，该机器可使所述容器沿其自身的轴作往复振动。载荷循环的次数被加以自动记录。粉末强度(由Fritester型仪器的指数给出)由载荷循环的次数决定，所述载荷循环次数是使初始测试的磨粒的50重量％发生破碎所必需的。动态强度是三个2±0.2克拉的样品试验后所获结果的算术平均值。

Claims (25)

1.一种制备磨粒的方法，其特征在于制造一种包含20-70体积％的金刚石粒子，0.1-75体积％的碳化硅和1-40体积％的硅的多晶体，所述多晶体的制造包括下述步骤：

由金刚石粒子加工成型一种孔隙率为25-60体积％的工件，

加热所述工件使得通过金刚石粒子的石墨化产生以金刚石的数量计1-50重量％的石墨，从而制备出一种中间体，并且

将硅渗入所述中间体中，而且，然后

将所获得的多晶体压碎成磨粒。

2.根据权利要求1的方法，其特征在于所述方法包括下述步骤：制造一种包含至少20体积％的金刚石粒子，至少5体积％的碳化硅，以及硅，杨氏模量超过450GPa的多晶体，并且，将所述多晶体压碎成磨粒。

3.根据权利要求2的方法，其中所述多晶体中碳化硅含量为至少15体积％。

4.根据权利要求2的方法，其特征在于所述方法包括下述步骤：制造一种包含至少29体积％的金刚石粒子，至少14体积％的碳化硅，以及硅，杨氏模量超过540GPa的多晶体，并且，将所述多晶体压碎成磨粒。

5.根据权利要求2的方法，其特征在于所述方法包括如下步骤：制造一种包含至少46体积％的尺寸至多30μm的金刚石粒子，5体积％的碳化硅，以及硅，杨氏模量超过5606Pa的多晶体，并且，将所述多晶体压碎成磨粒。

6.根据权利要求5的方法，其中所述多晶体中碳化硅含量为至少15体积％。

7.根据权利要求2的方法，其特征在于所述方法包括如下步骤：制造一种包含54-70体积％的金刚石粒子，而其中所述金刚石粒子中至少60％粒子的尺寸大于为50μm，还包含至少5体积％的碳化硅，以及硅，杨氏模量超过650GPa的多晶体，并且，将所述多晶体压碎成磨粒。

8.根据权利要求7的方法，其中所述多晶体中碳化硅含量为至少15体积％。

9.根据权利要求1-8中之任一项的方法，其特征在于将所述多晶体压碎成尺寸大于40μm的磨粒。

10.根据权利要求1-8中之任一项的方法，其特征在于加工成型一种由尺寸为3-500μm的金刚石粒子构成的工件。

11.根据权利要求1-8中之任一项的方法，其特征在于在对所述工件进行热处理期间所产生的石墨量为所述金刚石量的1-50重量％。

12.根据权利要求1-8中之任一项的方法，其特征在于在对所述工件进行热处理期间所产生的石墨量为所述金刚石量的6-30重量％。

13.根据权利要求1-8中之任一项的方法，其特征在于石墨化期间的加热温度低于1700℃。

14.根据权利要求1-8中之任一项的方法，其特征在于通过在温度超过一种或者多种烃的分解温度的条件下，将所述工件暴露在所述一种或者多种气态烃中，来在所述工件上沉积碳。

15.根据权利要求14的方法，其特征在于所述工件在温度超过一种或多种烃的分解温度的条件下，被暴露在所述一种或多种气态的烃中之前，所述金刚石粒子发生某种程度的石墨化。

16.根据权利要求1-8中之任一项的方法，其特征在于所述工件由最终添加有粘结剂的具有各种尺寸的金刚石粒子的均匀混合物制备而成。

17.根据权利要求1-8中之任一项的方法，其特征在于在一模具中成型所述工件，在将所述工件从模具中取出后，再进行热处理和硅的渗透。

18.根据权利要求1的方法制备的磨粒，其特征在于所述磨粒包含金刚石粒子，碳化硅和硅，所述金刚石粒子位于由碳化硅和硅构成的基体中，所述磨粒中金刚石粒子，碳化硅和硅的平均含量分别为20-70体积％，0.1-75体积％和1-40体积％。

19.根据权利要求18的磨粒，其特征在于所述磨粒中，金刚石粒子、碳化硅和硅的平均含量分别为：至少20体积％，至少5体积％和1-40体积％。

20.根据权利要求18的磨粒，其特征在于所述磨粒中，金刚石粒子，碳化硅和硅的平均含量分别为：至少29体积％，至少14体积％和1-40体积％。

21.根据权利要求18的磨粒，其特征在于所述磨粒中，金刚石粒子、碳化硅和硅的平均含量分别为：至少46体积％，至少5体积％和1-40体积％，所述金刚石粒子的尺寸为30μm或更小。

22.根据权利要求18的磨粒，其特征在于所述磨粒中，金刚石粒子，碳化硅和硅的平均含量分别为至少54体积％，至少5体积％和1-40体积％，所述金刚石粒子中的至少60％粒子的尺寸大于50μm。

23.根据权利要求18-22中之任一项的磨粒，其特征在于所述磨粒中的金刚石粒子的尺寸为3-500μm。

24.根据权利要求18-22中之任一项的磨粒，其特征在于所述磨粒的热稳定性因子小于1.2。

25.根据权利要求18-22中之任一项的磨粒，其特征在于所述磨粒的热稳定性因子小于1.1。

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