CN1130273C - 具有活性粘合剂的超级磨轮 - Google Patents

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Abstract

一种由硬而刚性的磨粒与烧结粘合剂形成的直的单块薄磨轮具有优良硬挺性，所述烧结粘合剂包括金属组分和活性金属组分。所述金属组分可选自许多可烧结的金属组分。所述活性金属组分是在烧结条件下能与磨粒反应形成键合的金属，其含量实际使磨粒和烧结粘合剂结合成磨粒增强复合物。较好为金刚石磨料、铜/锡/钛烧结粘合剂磨轮。这种磨轮用于电子工业的研磨操作，如切割硅晶片和氧化铝-碳化钛圆盘。该新磨轮的硬挺性高于常规的单块直磨轮，因此在不增加磨轮厚度和随之增加切口损耗的情况下改进切割精度并减少切屑。

Description

具有活性粘合剂的超级磨轮
技术领域
本发明涉及用于研磨很硬物件(如电子工业使用的物件)的薄磨轮。
背景技术
在工业上很薄和很硬的磨轮是重要的。例如，在电子产品的制造中薄磨轮用于切下薄片和用于加工硅晶片和所谓氧化铝-碳化钛复合圆盘时的研磨操作。硅晶片一般用于集成电路，氧化铝-碳化钛圆盘用于制造悬浮薄膜磁头，以便记录和回放磁性储存的信息。美国专利5,313,742详细地描述了使用薄磨轮研磨硅晶片和氧化铝-碳化钛圆盘的方法，该专利文献全文在此引为参考。
如美国专利5,313,742所述，制造硅晶片和氧化铝-碳化钛圆盘要求尺寸精确的切割，对工件材料很少有浪费。较好的是进行这种切割的刀具应尽可能坚硬，并且尽可能薄，因为刀具越薄，产生的废料就越少；刀具越坚硬，切割就越直。但是，这些特性是相悖的，因为刀具越薄，其刚性就越低。
工业上已发展到使用单块磨轮(通常同轴排列在一根通过芯轴安装的轴上)。同轴排列的各个磨轮由不可压缩的耐久隔离件相互隔开。一般来说每个磨轮由其芯轴孔至周边具有均匀的轴向尺寸。尽管十分薄，但是这些磨轮的轴向尺寸大于所需的尺寸以便具有适当的硬挺度来进行十分精确的切割。但是，为了将产生的废料量限定在可接受的范围内，需要降低厚度。这使得磨轮的刚性低于理想的刚性。
因此常规的直磨轮比薄磨轮产生更多的工件废料，比较硬的磨轮产生更多切屑并且切割更不精确。美国专利5,313,742试图通过提高由芯轴孔径向朝外延伸的里面部分的厚度来改进同轴的直磨轮的性能。它公开了具有厚里面部分的单块磨轮比带隔离件的直磨轮更硬。但是，美国专利5,313,742的磨轮缺点在于该里面部分不用于切割，因此里面部分的大量磨料被浪费了。由于薄磨轮(尤其用于切割氧化铝-碳化钛的磨轮)使用昂贵的磨料(如金刚石)，因此由于浪费的磨料量使美国专利5,313,742磨轮的成本高于直磨轮。
需要开发一种与常规磨轮相比具有提高刚性的直的单块薄磨轮。除了磨轮几何形状以外，其刚性是由磨轮构造材料的固有硬挺性决定的。单块磨轮基本上由磨粒和粘合剂组成，该粘合剂用于将磨粒固定成所需的形状。以前，在用于切割硬物件(如硅晶片和氧化铝-碳化钛圆盘)的薄磨轮中通常使用金属粘合剂。用于粘结金刚石磨粒的各种金属粘合剂组合物(如铜、锌、银、镍或铁合金)是本领域已知的。现在发现将至少一种活性金属组分加至金属粘合剂组合物中，可在形成粘结过程中使金刚石磨粒与该活性金属组分发生化学反应，形成整体的增强磨粒复合物。磨粒固有的很高硬挺性和磨粒与金属之间的化学键一起形成明显高硬挺性的研磨结构。
发明的概述
因此，本发明提供一种磨轮，它包括均匀宽度约为20-2500微米的直的单块磨粒增强磨盘，它主要由约2.5-50体积％磨粒和余量的粘合剂组成，所述粘合剂包括一种金属组分和一种经烧结与磨粒形成化学键的活性金属，所述活性金属的含量实际使制得的磨粒增强磨盘的弹性模量比同样组成但无活性金属的烧结磨盘的弹性模量至少高10％。
本发明还提供一种工件的切割方法，它包括使工件与磨轮接触的步骤，所述磨轮包括具有约20-2500微米范围内的均匀宽度的直的单块磨粒增强磨盘，它主要由约2.5-50体积％磨粒和余量的粘合剂组成，所述粘合剂包括一种金属组分和一种经烧结与磨粒形成化学键的活性金属，所述活性金属的含量实际使制得的磨粒增强磨盘的弹性模量比同样组成但无活性金属的烧结磨盘的弹性模量至少高10％。
本发明还提供一种磨具的制造方法，它包括：
(a)提供预定比例的颗粒组分，包括：
(1)磨粒；
(2)主要由主要量的铜和次要量的锡组成的金属组分；和
(3)一种通过烧结可与磨粒形成化学键的活性金属；
(b)将该颗粒组分混合成均匀的组合物；
(c)将该均匀的组合物置于预定形状的模具中；
(d)向该模具施加约345-690MPa的压力，施压的时间足以形成成型制品；
(e)将该成型制品加热至约500-900℃的温度，加热的时间足以将该金属组分和活性金属烧结成烧结粘合剂，从而将磨粒和烧结粘合剂结合成磨粒增强复合物；和
(f)冷却该磨粒增强复合物，形成磨具。
发明的详细描述
本发明可用于直的、圆形的单块磨轮。术语“直的”是指由磨轮的芯轴孔半径至磨轮外半径的所有径向范围内其轴向厚度均是均匀的。这些磨轮的一个重要的用途是以精确并且减少切口损耗的方式切割薄片(如晶片和无机物圆盘)。通过在高切割速度(即与工件接触的磨轮表面速度)操作磨轮通常可获得优良的结果。使用相当小、厚度均匀并且大直径的磨轮通常可达到这种性能标准和操作条件。因此，本发明较好磨轮主要具有高径厚比的特征。径厚比定义为磨轮的外径与轴向横截面尺寸(即磨轮的厚度)之比。径厚比应为约20-6000∶1，较好约100-1200∶1，更好约250-1200∶1。
磨轮的厚度均匀性保持了高精度公差以获得所需的切割性能。较好的是，均匀的厚度约为20-2500微米，较好约为100-500微米，最好约为100-200微米。厚度的偏差较好小于约5微米。通常芯轴孔的直径约为12-90mm，磨轮直径约为50-120mm。
术语“单块”是指由芯轴孔的半径至磨轮的半径的磨轮材料具有完全均匀的组成。也就是说单块磨轮整体基本上是一种磨粒嵌入烧结粘合剂中的磨盘。该磨盘不具有用于结构支承研磨部分的完整的非研磨部分(如固定磨轮研磨部分的金属芯)。
本发明磨盘基本上包括三种组分，即磨粒、金属组分和活性金属组分。金属组分和活性金属组分构成烧结粘合剂用于将磨粒保持在所需形状的磨轮中。所述烧结粘合剂是将金属组分置于合适的烧结条件下形成的。术语“活性金属”是指在烧结时能与磨粒表面反应的元素或化合物。因此活性金属与磨粒化学键合。另外，活性金属的含量实际将磨粒和烧结粘合剂结合成为磨粒增强复合物。结果，通过适当挑选合适的高刚性和高硬度磨粒，通过使活性金属组分与磨粒在烧结过程中化学键合，可增强磨粒-烧结粘合剂基质的总体硬挺性。
挑选磨粒主要需考虑磨料的硬度要比欲切割的物件的硬度大。薄磨轮的磨粒通常选自很硬的物质，因为这些磨轮通常用于切割极硬的物件，如氧化铝-碳化钛。如上所述，磨料还具有足够高的刚性以增强粘结结构是重要的。挑选磨料的这种附加标准通常还包括确保磨料的弹性模量高于(最好明显高于)烧结粘合剂的弹性模量。适用于本发明的代表性硬磨料是所谓的超级磨料，如金刚石和立方氮化硼，以及其它硬磨料如碳化硅、熔凝氧化铝、微晶氧化铝、氮化硅、碳化硼和碳化钨。还可使用至少两种这些磨料的混合物。较好的是金刚石。
通常采用细颗粒状的磨粒。对于最高直径约为120mm的磨轮，磨粒的粒度一般应约为0.5-100微米，较好约10-30微米。对于更大直径的磨轮，磨粒的粒度可适当增加。
本发明金属组分可以是单种金属元素或者多种金属元素的混合物。适用于本发明的代表性金属包括铜、锡、钴、铁、镍、银、锌、锑和锰。混合物的例子包括铜-锡、铜-锡-铁-镍、铜-锌-银、铜-镍-锌、铜-镍-锑。还可使用金属化合物如碳化钴-钨和碳化镍-铜-锑-钽，以及含非金属的合金。该非金属组分通常增强金属的硬度或者降低金属的熔融温度，有助于降低烧结温度，避免金刚石置于高温而损坏。这种含非金属的化合物和合金的例子包括镍-铜-锰-硅-铁和镍-硼-硅。使用的金属组分一般是小粒度粉末。多元素金属组分的粉末颗粒可以是各元素颗粒、预合金或两者的混合物。
由于活性金属组分，使烧结的粘合剂与磨粒化学键合而非仅仅夹持磨粒。因此，这种活性粘结的新的薄磨轮的磨粒可以比非活性粘结的磨轮中的磨粒更多地朝工件露出。另外，可使用更软的烧结粘合剂组合物。这些特征的优点在于磨轮可更自由地进行切割，较少有堵塞(load)的倾向，因此可在低能耗下操作。铜-锡是作为金属组分产生相对软粘合的较好的组合物。
对于铜-锡金属组分，一般主要组分(即＞50重量％)为铜，次要组分(即＜50重量％)为锡。较好的是铜-锡组合物主要由约50-90重量％铜和约10-40重量％锡组成，较好由约70-90重量％铜和约10-30重量％锡组成，更好由约70-75重量％铜和25-30重量％锡组成。如下面制备新的活性粘结的薄磨轮时将描述的那样，用于制造磨轮的金属组分通常是细颗粒状的。
选择活性金属组分使之与烧结粘合剂的金属组分和磨粒均相容。也就是说，在烧结条件下，该活性金属应与所述金属组分一起密实成高强度烧结粘合剂，并且它应与磨粒表面反应与之形成化学键。活性金属组分的选择很大程度上取决于所述金属组分的组成、磨粒的组成和烧结条件。作为活性金属组分的代表性材料有钛、锆、铪、铬、钽及至少两种这些材料的混合物。在混合物中，该活性组分的金属可以由各金属颗粒或者合金提供。较好为钛，尤其与铜-锡金属组分和金刚石磨粒一起使用。
可以以元素的形式或者以金属与非活性组分元素的化合物形式加入活性组分。元素钛与水或氧在低温下反应形成二氧化钛，从而在烧结过程中不能与磨料反应。因此当存在水或氧时加入元素钛不是最好。如果以化合物的形式加入钛，该化合物应能在烧结步骤前分解成元素形式，以便钛与磨料反应。适用于本发明的较好的化合物形式的钛是氢化钛TiH2，在高达约500℃它是稳定的。高于500℃，氢化钛会分解成钛和氢。
金属组分和活性金属组分较好以颗粒状混合成粘合剂组合物。该颗粒较好具有小的粒度以便烧结的粘合剂具有均匀的浓度，在烧结过程中很好地与磨粒接触，并且与磨粒形成良好的粘结强度。细颗粒的最大粒度较好约44微米。可使用特定筛目的筛网进行过筛来测定金属粉末的粒度。例如，标称最大44微米的颗粒可通过325美国标准目的筛网。
在一个较好的实例中，活性粘结的薄磨轮包括约45-75重量％铜、约20-35重量％锡和约5-20重量％活性金属(总共为100重量％)组成的烧结粘结剂。在一个更好的实例中，所述活性金属是钛。如上所述，较好以氢化钛的形式加入钛组分。元素钛与氢化钛的分子量之间的微小偏差通常可忽略。但是，为了清楚起见，除非另有说明，否则本文中所述的组成为钛的百分数。
所述新磨轮基本上是由所谓的“冷压”或“热压”型密实法制得。在冷压法(有时称为无压烧结)中，将组分的混合物装入一个所需形状的模具中，在室温施加高压以获得密实但脆性的成型制品。通常所述高压为高于约300MPa。随后，释放压力，从模具中取出成型制品，再加热至烧结温度。加热烧结通常是将成型制品置于惰性气体中进行的，其压力低于预烧结步骤的压力(即低于约100MPa，较好低于约50MPa)。还可在真空中进行烧结。在这种低压烧结过程中，成型制品(如薄磨轮的圆盘)较好置于模具中和/或夹在两片平板中。
在热压法中，将颗粒粘合剂组合物的组分混合物置于模具(通常为石墨模具)中，如冷压法那样施加高压。但是使用惰性气体并且在升温的同时保持高压，从而在预制件处于压力下的同时进行密实。
磨轮制备方法的第一步包括将组分装入成形模具。加入的组分可以是单独的磨粒、金属组分颗粒和活性金属组分颗粒均匀的混合物。可使用本领域已知的任何合适的机械混合设备将预定比例的磨粒和金属颗粒混合成混合物以制得所述均匀的混合物。说明性的混合设备包括双锥式滚混机、双壁V型滚混机、螺带式混合机、水平鼓式滚混机和固定外壳/内螺杆混合机。
铜和锡可预先制成合金并以青铜合金颗粒的形式加入。另一种方式包括将附加的铜和/或锡颗粒、活性金属颗粒和磨粒合并并混合成均匀的青铜合金颗粒组合物坯料。
在本发明的一个基本实例中，在烧结粘合剂以前磨粒是未涂覆的。也就是说，磨粒表面上不存在金属。另一个实例要求在机械混合所有组分以前，用一层含所有或部分活性金属组分的层预涂覆磨粒。这种技术可在烧结过程中增强磨粒和活性金属之间形成化学键。
所述涂层厚度可以是分子的厚度(例如可由化学气相沉积法或物理气相沉积法制得)或者大分子的厚度。当使用分子的厚度时，推荐在磨粒和粘合剂组合物组分的混合物中增加带有添加活性金属的预涂层中的活性金属量。通常，分子厚度的预涂层不单独拥有足量的活性金属，来达到本发明的有益结果。
用下列方法可获得大分子厚度的涂层：(A)将活性金属组分的细粉末和有效量的短效液体粘合剂混合成均匀的组合物，形成粘性糊浆；(B)将磨粒与该粘合剂糊浆混合在一起，使粘合剂糊浆至少湿润大部分磨粒表面；和(C)干燥液体粘合剂(通常加热)，使残留的活性金属粉末颗粒机械附着在磨粒上。机械附着的目的是至少在烧结(此时的化学键合能使附着永久化)之前能使活性金属颗粒保持与磨粒接近的状态。可使用任何常规的短效液体粘合剂制备糊浆。术语“短效”是指在升温下，较好在低于烧结温度下在对烧结过程无不利影响的情况下该液体粘合剂能够离开粘合剂组合物。该液体粘合剂应具有足够的挥发性，以便在烧结过程中基本完全蒸发和/或热解，不残留会影响粘合剂功能的残余物。较好的是该液体粘合剂能在约400℃蒸发。该液体粘合剂可通过许多本领域众所周知的方法与金属颗粒掺混在一起。
将装入成形模具的组分混合物包括少量任选的磨料工业常用的加工助剂，如石蜡(Acrowax)和硬脂酸锌。
一旦制得均匀的混合物，就将其装入合适的模具中。在一种较好的冷压烧结方法中，在环境温度下用外加的机械压力至约345-690MPa可压缩模具中的物料。在该操作中可例如使用平板压机。压力可保持约5-15秒，随后释放压力。随后将模具物料升温至烧结温度，该温度应高得足以导致粘合剂组合物密实，但是不完全熔融。烧结温度至少约500℃。加热应在惰性气氛中进行，例如在低绝对压力真空下或者在惰性气体层下进行。应选择金属粘合剂和活性金属组分使之无需在会对磨粒产生不利影响的高温下进行烧结，这一点是重要的。例如，在高于约1100℃的温度下金刚石会石墨化。因此，金刚石磨轮的烧结应设计在低于该温度、较好低于约950℃，更好低于约900℃的温度下安全地进行。烧结温度保持的时间应有效地烧结该粘合剂组分并同时使活性金属与磨粒反应。烧结温度通常保持约30-120分钟。
在一种较好的热压方法中，加工条件与冷却法基本相似，但是将压力保持至烧结完成。在无压烧结法或热压法中，烧结后使模具降温至环境温度，并取出烧结制品。用常规方法(如研磨)修整产品以便尺寸偏差符合要求。
上述烧结和粘结将磨粒结合至烧结粘合剂中，形成磨粒增强复合物。为了有助于制造磨粒增强复合物并提供露出良好的磨料，在烧结制品中磨粒的用量较好约为2.5-50体积％，余量为烧结粘合剂。
本发明较好的磨具是磨轮，因此，常用的模具形状是薄圆盘状。可使用实心的圆盘模具，在这种情况下烧结后可除去圆盘中心部分，形成芯轴孔。或者，可使用圆环状模具以便原位形成芯轴孔。后一种方法由于避免丢弃烧结圆盘的带有磨料的中央部分，而避免了浪费。
通过成功地形成磨粒增强复合结构，磨粒可有助于磨轮的硬挺性。因此，如上所述，选择磨粒不仅为了传统的硬度、抗冲击等特性，而且还为了例如用弹性模量确定的硬挺性，这一点是重要的。尽管不愿受具体理论的束缚，但是相信通过活性金属组分的化学键合结合在烧结粘合剂中的很刚性的磨粒对复合物的硬挺性具有很大的贡献。认为这种贡献的原因是操作过程中负载在复合物上的应力被有效地转移至固有高硬挺性的磨粒上的缘故。因此可以通过实施本发明得到硬挺性高于相同厚度的常规磨轮的直的活性粘结的薄磨轮。这种新磨轮用于提供更精确的切割并且切屑较少，与传统的直磨轮相比无进一步切口损耗。
与常规磨轮相比该新磨轮的硬挺性有明显的增强。在一个较好的实例中，活性粘结磨轮的弹性模量高于单独烧结粘合剂组分(即金属组分加上活性金属组分，不含磨粒)的弹性模量，它至少约100GPa，较好至少约150GPa。在另一个较好的实例中，磨轮的弹性模量是无磨粒的烧结粘合剂弹性模量的至少约两倍。
下面用一些代表性实例的实施例说明本发明。除非另有说明，否则其中所有的份、比例和百分数均按重量计的，粒度以美国标准筛网目尺寸单位表示。所有原始得到的重量和测量单位中非SI单位已经换算成SI单位。
实施例1
以59.63％Cu、23.85％Sn和16.50％TiH2的比例将铜粉(＜400目)、锡粉(＜325目)和氢化钛(＜325目)合并在一起。使这种粘合剂组合物通过165目的不锈钢筛网以除去团聚物，在Turbula牌混合机(Glen Mills，Inc.，Clifton，New Jersey)中将过筛的混合物彻底混合30分钟。向该金属混合物中加入购自GE Superabrasives，Worthington，Ohio的金刚石磨粒(15-25微米)，形成含18.75体积％金刚石的混合物。将这种混合物在Turbula混合机中掺混1小时，得到均匀的磨料和粘合剂的组合物。
将该磨料和粘合剂的组合物置于一个模具中，该模具内腔外径为121.67mm，内径6.35mm，均匀的深度为0.81mm。在环境温度下在414MPa(4.65吨/cm2)的压力下将模具压制10秒钟得到磨轮坯料。从模具中取出磨轮坯料，置于两块水平的平板之间(上板加660g负荷)，在真空中加热至850℃2小时。使热烧结的产品逐渐冷却至250℃，随后快速冷却至环境温度。在表1所示的条件下用常规方法(包括修整预定的次数)将磨轮研磨至最终尺寸并初次打磨。表1
实施例1-2的修整条件被修整磨轮速度                      5593转/min进料速度                  100mm/min从边缘露出                3.68mm修整磨轮                  37C220-H9B4型组成                      碳化硅直径                      112.65mm速度                      3000转/min横向速度                  305mm/min走次数2.5微米                   40次1.25微米                  40次初始打磨磨轮速度                  2500转/min打磨棒                    37C500-GV型打磨棒宽度                12.7mm进入                      2.54mm进料速度                  100mm/min打磨次数                  12.00次实施例2和比较例1
使用如实施例1所述制得的新磨轮和同样尺寸的常规市售磨轮(比较例1)从粘附在石墨基材上的3M-310型氧化铝-碳化钛块(长150mm×宽150mm×1.98mm厚，购自美国3M公司)上切割多片薄片。比较例1的磨轮是由18.9体积％15/25微米金刚石磨粒在含53.1重量％钴、23.0重量％镍、12.7重量％银、5.4重量％铁、3.4重量％铜和2.4重量％锌的粘合剂中组成的。每次切片前，如表1所述对磨轮打磨，但是打磨一次并且使用19mm宽的打磨棒(比较例1为12.7mm)。在每次试验中，磨轮固定在两个外径为106.93mm的金属支承间隔件之间。磨轮速度为7500转/min(比较例1为9000转/min)，进料速度为100mm/min，切割深度为2.34mm。切割用56.4升/min流量的5％防锈剂稳定的去离子水冷却，该冷却水是由一个1.58mm×85.7mm的矩形喷嘴以275kPa的压力喷出的。
切割结果列于表2。对所有切割性能标准新磨轮均具有良好性能。比较例1的磨轮需要在比新磨轮高20％的转速，多消耗约45％功率(约520W对369W)的情况下运行。表2
实施例1切片数  累计切  累计切割长度         磨轮损耗                  工件         切割    切割旋
    片数     (m)          半径    累计      因子1  最大切屑  平均切屑  直线性  转功率
                          (微米) (微米)   (微米/米)  (微米)    (微米)    (微米)   (W)9.00    9.00     1.35          5.08    5.08     3.70     8.00      ＜5        ＜59.00    18.00    2.70          0.00    5.08     0.00     9.00      5.00       ＜59.00    27.00    4.05          0.00    5.08     0.00     11.00     ＜5        ＜5    368-2969.00    36.00    5.40          10.16   15.24    7.40     6.00      ＜5        ＜59.00    45.00    6.75          2.54    17.78    1.90     10.00     5.00       ＜59.00    54.00    8.10          2.54    20.32    1.90     11.00     5.00       ＜5    312-3689.00    63.00    9.45          10.16   30.48    7.40     8.00      ＜5        ＜59.00    72.00    10.8          2.54    33.02    1.90     9.00      ＜5        ＜59.00    81.00    12.0          2.54    35.56   ＜0.5     9.00      ＜5        ＜5    376-328
                                 比较例19.00    9.00     1.35          5.08    5.08     3.70     11.00     ＜5        ＜5    520-5369.00    18.00    2.70          10.16   15.24    7.409.00    27.00    4.05          5.08    20.32    3.709.00    36.00    5.40          2.54    22.86    1.90     10.00     ＜5        ＜59.00    45.00    6.75          5.08    27.94    3.709.00    54.00    8.10          2.54    30.48    1.909.00    63.00    9.45          5.08    35.56    3.70     14.00     ＜5        ＜5    560-5761磨损因子＝磨轮磨损半径除于切割的工件长度实施例3和4以及比较例2-8
试验磨粒增强磨轮组合物的硬挺性。以表3所示的比例将各种带有或不带有金刚石磨粒的细金属粉末合并在一起，如实施例1所述将其混合至组分均匀。在狗骨形模具中在环境温度下将该组合物在约414-620MPa(30-45吨/cm2)的压力下压制约5-10秒，随后如实施例1所述在真空下进行烧结制得拉伸试验的试样。
在Instron拉伸试验机中对试样进行声波和标准拉伸模量测定。结果列于表3。磨粒增强试样(实施例3和4)的弹性模量超过150GPa。实施例4提高金刚石的浓度明显提高拉伸模量，证实金刚石与组合物形成一体。相反，比较例2表明由于无金刚石相同粘合剂组合物不具有磨粒增强效应，硬挺性明显下降。同样，比较例3表明金刚石嵌入无活性组分的青铜合金粘合剂组合物中，具有较差的硬挺性。
在比较例4，使用以前购自General Electric Co.的金刚石磨粒，制造者说明该磨粒表面涂覆有约1-2微米厚的钛。与不存在活性组分的试样(比较例3)相比硬挺性仅稍有改进，但是与实施例组合物相差很多。估计效力较低的原因在于存在的活性组分太少，在于烧结前表面上的钛是碳化物形态，使钛与其它金属组分相容较差，和/或在于磨粒上非碳化钛发生氧化。
比较例5和7表明，铜/锡/镍/铁粘合剂组成不同的常规薄磨轮的弹性模量仅约100GPa。比较例6和8的磨轮组成与比较例5和7相同，但是没有金刚石磨粒。这些比较例表明带有或不带有金刚石磨粒的粘合剂组合物的硬挺性大致相同。这证实无活性金属组分的粘合剂未将金刚石结合至粘合剂中以增强结构。表3
    实施例3     实施例4     比较例2     比较例3     比较例4     比较例5     比较例6     比较例7  比较例8
  铜(重量％)     59.50     59.50     59.50     80.00     80.00     70.00     70.00     62.00   62.00
  锡(重量％)     24.00     24.00     24.00     20.00     20.00     9.10     9.10     9.20   9.20
  钛(重量％)     16.50     16.50     16.50
  镍(重量％)     7.50     7.50     15.30   15.30
  铁(重量％)     13.40     13.40     13.50   13.50
  金刚石(体积％)     18.80     30.00     18.80     18.8*     18.80     18.80
  声波模量(GPa)     176.00     220.00     67.00     80.00     95.00     99.00
  拉伸模量(GPa)     276.00     110.00     60.00     84.00     106.00     103.00   95.00
*涂覆约1-2微米钛的金刚石
尽管实施例中选择本发明的具体形式进行了说明，但是上面以具体条件进行的描述仅出于对本发明这些形式进行说明的目的，这些描述对权利要求书限定的本发明范围不构成任何限制。

Claims (36)

1.一种磨轮，它包括均匀宽度为20-2500微米的直的磨粒增强磨盘，它主要由2.5-50体积％磨粒和余量的粘合剂组成，所述粘合剂包括：
a)5-20重量％经烧结与磨粒形成化学键的活性金属；和
b)余量的金属组分；
所述活性金属和磨粒的含量实际使形成的磨粒增强磨盘的弹性模量值比同样组成但无活性金属的磨盘的弹性模量值至少高10％，所述磨粒增强磨盘的弹性模量值至少约100GPa。
2.如权利要求1所述的磨轮，其特征在于所述磨粒的粒度为0.5-100微米。
3.如权利要求2所述的磨轮，其特征在于所述弹性模量值是无磨粒的同样烧结粘合剂组合物的弹性模量值的至少约两倍。
4.如权利要求3所述的磨轮，其特征在于所述磨盘主要由15-30体积％的磨粒组成。
5.如权利要求1所述的磨轮，其特征在于所述金属组分选自铜、锡、钴、铁、镍、银、锌、锑、锰、金属碳化物和至少两种这种金属的合金。
6.如权利要求1所述的磨轮，其特征在于所述金属组分包括金属合金或者含选自硼、硅及其化合物的材料的金属化合物和其混合物。
7.如权利要求4所述的磨轮，其特征在于所述活性金属选自钛、锆、铪、铬、钽以及至少两种这些金属的混合物
8.如权利要求7所述的磨轮，其特征在于所述磨粒无活性金属涂层。
9.如权利要求7所述的磨轮，其特征在于所述磨粒涂覆金属的大分子厚度涂层。
10.如权利要求1所述的磨轮，其特征在于所述磨轮是单块磨轮。
11.如权利要求5所述的磨轮，其特征在于所述烧结粘合剂包括：
(a)45-75重量％铜；
(b)20-35重量％锡；和
(c)5-20重量％活性金属；
其中(a)、(b)、(c)之和为100重量％。
12.如权利要求11所述的磨轮，其特征在于所述活性金属选自钛、锆、铪、铬、钽及其至少两种的混合物。
13.如权利要求12所述的磨轮，其特征在于所述活性金属是钛。
14.如权利要求1所述的磨轮，其特征在于所述磨粒选自金刚石、立方氮化硼、碳化硅、熔凝氧化铝、微晶氧化铝、氮化硅、碳化硼、碳化钨及其至少两种的混合物。
15.如权利要求14所述的磨轮，其特征在于所述磨粒是金刚石。
16.如权利要求1所述的磨轮，它主要由圆周直径40-120mm的磨盘所组成，该磨盘具有12-90mm的芯轴孔，具有100-500微米范围内的均匀宽度，该磨盘主要由金刚石磨粒和含约59.5重量％铜、24重量％锡和16.5重量％钛的烧结粘合剂所组成。
17.如权利要求16所述的磨轮，其特征在于所述均匀宽度的范围为100-200微米。
18.一种磨轮，它包括径厚比20-6000∶1的宽度均匀的直的磨粒增强磨盘，它主要由2.5-50体积％磨粒和余量的粘合剂组成，所述粘合剂包括：
a)5-20重量％经烧结与磨粒形成化学键的活性金属；和
b)余量的金属组分；
所述活性金属和磨粒的含量实际使形成的磨粒增强磨盘的弹性模量值比同样组成但无活性金属的磨盘的弹性模量值至少高10％，所述磨粒增强磨盘的弹性模量值至少约100GPa。
19.一种工件的切割方法，它包括使工件与磨轮接触的步骤，所述磨轮包括均匀宽度20-2500微米的直的磨粒增强磨盘，它主要由2.5-50体积％磨粒和余量的粘合剂组成，所述粘合剂包括：
a)5-20重量％经烧结与磨粒形成化学键的活性金属；和
b)余量的金属组分；
所述活性金属和磨粒的含量实际使制得的磨粒增强磨盘的弹性模量值比同样组成但无活性金属的磨盘的弹性模量值至少高10％，所述磨粒增强磨盘的弹性模量值至少约100GPa。
20.如权利要求19所述的方法，其特征在于所述磨盘还包括40-120mm的圆周直径和12-90mm的芯轴孔，并且所述金属组分选自铜、锡、钴、铁、镍、银、锌、锑、锰、金属碳化物和至少两种这些金属的合金，所述活性金属选自钛、锆、铪、铬、钽及其至少两种的混合物，磨粒的粒度为0.5-100微米，该模量是无磨粒的烧结粘合剂的弹性模量的至少约两倍。
21.如权利要求20所述的方法，其特征在于所述金属组分包括金属合金，或者含选自硼、硅及其化合物的材料的金属化合物或其混合物。
22.如权利要求20所述的方法，其特征在于所述圆周直径为50-120毫米，均匀宽度范围为100-500微米，并且磨盘主要由金刚石磨粒和含(a)45-75重量％铜、(b)20-35重量％锡、和(c)5-20重量％活性金属的烧结粘合剂所组成，其中(a)、(b)和(c)之和为100重量％。
23.如权利要求19所述的方法，其特征在于所述工件是氧化铝-碳化钛。
24.一种磨具的制造方法，它包括：
(a)提供预定比例的颗粒组分，包括：
(1)磨粒；
(2)主要由主要量的铜和次要量的锡组成的金属组分；和
(3)在烧结条件下可与磨粒发生化学反应的活性金属；按所述金属组分和所述活性金属的总重量计，所述活性金属的含量占5-20重量％；
(b)将该颗粒组分混合成均匀的组合物；
(c)将该均匀的组合物置于预定形状的模具中；
(d)向该模具施加345-690MPa的压力，施压的时间足以形成成型制品；
(e)将该成型制品加热至500-900℃的温度，加热的时间足以将该金属组分和活性金属烧结成烧结粘合剂，从而将磨粒和烧结粘合剂结合成磨粒增强复合物；和
(f)冷却该磨粒增强复合物，形成磨具，所述磨具的弹性模量值至少约100GPa。
25.如权利要求24所述的方法，它还包括压制步骤后将成型制品的压力降至低于约100MPa的压力并在加热步骤中将该压力保持在低于约100MPa的步骤。
26.如权利要求25所述的方法，其特征在于在加热步骤中间成型制品的压力降至并保持在10-40MPa。
27.如权利要求25所述的方法，其特征在于所述磨具是一个磨盘，其均匀的宽度范围为100-500微米，圆周直径为50-120mm，并且带有一个12-90mm的芯轴孔。
28.如权利要求27所述的方法，它还包括压制步骤后从模具中取出磨盘，在加热步骤中将磨盘夹在两片对磨盘有偏压的平板之间的步骤。
29.如权利要求27所述的方法，其特征在于圆盘的均匀宽度范围为100-200微米。
30.如权利要求20所述的方法，其特征在于在保持压制步骤的压力的同时对成型制品实施加热步骤。
31.如权利要求24所述的方法，其特征在于提供的磨粒无活性金属涂层。
32.如权利要求24所述的方法，其特征在于混合步骤前磨粒涂覆有金属的大分子厚度涂层。
33.如权利要求24所述的方法，其特征在于所述颗粒组分包括(a)45-75重量％铜、(b)20-35重量％锡、和(c)5-20重量％活性金属，其中(a)、(b)和(c)之和为100重量％，所述活性金属选自钛、锆、铪、铬、钽及其至少两种的混合物。
34.如权利要求33所述的方法，其特征在于提供步骤还包括：
(i)将活性金属组分的细粉末和有效量的液体粘合剂混合成均匀的组合物，形成粘性糊浆；
(ii)将磨粒与该粘合剂糊浆混合在一起，使粘合剂糊浆至少湿润大部分磨粒表面；和
(iii)干燥液体粘合剂，使残留的活性金属粉末颗粒机械附着在磨粒上。
35.如权利要求24所述的方法，其特征在于所述磨粒占颗粒组分的约20-50体积％，它主要由金刚石、立方氮化硼、碳化硅、熔凝氧化铝、微晶氧化铝、氮化硅、碳化硼、碳化钨及其至少两种的混合物所组成。
36.如权利要求35所述的方法，其特征在于所述磨粒是金刚石。
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