CN1620491A - 涂覆的金刚石颗粒 - Google Patents

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Abstract

一种制备涂覆的金刚石颗粒的方法，包括以下步骤：提供选自锆、铪、铌和钽的过渡金属，活化金属和未涂覆的金刚石颗粒的混合物，和在非氧化气氛中热处理所述混合物，以使所述活化金属键合到所述金刚石颗粒上和使所述过渡金属在所述金刚石颗粒上形成碳化物涂层。

Description

涂覆的金刚石颗粒
发明背景
本发明涉及涂覆的金刚石颗粒或砂粒，更具体而言，涉及在锯条部分具有改善的保持力和耐氧化性能的涂覆的砂粒。
粒状磨料如金刚石和立方氮化硼颗粒，广泛用于锯割、钻孔、研磨、抛光和其它磨蚀和切割应用中。在这类应用中，所述砂粒一般是被一种由诸如Fe、Co、Ni、Cu的金属和其合金(金属粘结)组成的基质所包围。或者，也可使用树脂(树脂粘结)或玻璃状(玻璃粘结)基质，基质的选择随研磨剂将要用于其中的特定应用而改变。
用选自IVa族、Va族和VIa族过渡金属(Ti、Zr、Hf、V、Nb、Ta、Cr、Mo和W)或其合金的金属，和/或它们各自的碳化物涂覆金刚石，已经显示能够改善粒状磨料的性能。特别地，涂覆的金刚石广泛地应用于如锯割和钻孔之类的金属粘结应用之中。
用于在粒状磨料上沉积所述金属层的方法包括PVD方法，例如“Vacuum Deposition of Thin Films”by L.Holland，Chapman and Hall，1st Edition 1956所述的方法。也可使用气相CVD方法，例如M JHampden-Smith和T T Kodas在“Chemical Vapour Deposition”，Vol.1，No.1，1995所述的方法。可供选择的CVD方法涉及混合粒状磨料与氧化的金属粉末并在惰性气氛(通常是在真空下)中加热，如V G Chuprina(Soviet Powder Metallurgy and Metal Ceramics 1992，Vol.31，No.7，pp578-83，和Soviet Powder Metallurgy and Metal Ceramics 1992，Vol.31，No.8，pp 687-92)所述，或者涉及混合粒状磨料和金属粉末并在含有卤化物(氟、氯、碘和溴或其含氢化合物)的惰性气体中加热，如ASTM B874-96Standard Specification for Chromium Diffusion Coatings和ASTMB875-96 Standard Specification for Aluminium Diffusion Coatings中所述。后面这些方法经常称作“固体渗金属法”。使用熔化的碱金属卤化物，如Oki和Tanikawa在Proceedings of 1st International Conference onMolten Salt Chemistry and Technology，p 265，1983中所述，也提供了一种用IVa族、Va族和VIa族过渡金属涂覆金刚石的方法。这后一种方法利用了与所述CVD方法相似的化学过程。
美国专利US5024680公开了一种带多涂层的金刚石砂粒，以改善在工具基质中的保持力。所述涂覆的砂粒包含一个由一种强碳化物形成物(former)(优选铬、钛或锆)的金属碳化物组成的、化学键合到所述金刚石上的第一涂层，和一个由一种耐氧化的碳化物形成物(优选为钨或钽)形成的、化学键合到所述第一金属涂层上的第二金属涂层。由合金化金属如镍形成的第三金属层涂层也可添加到其上。所述涂覆的砂粒是通过采用金属气相沉积方法将第一金属层涂覆到砂粒上，接着通过采用化学气相沉积方法涂覆第二层金属来生产的。分离的和不同的涂覆步骤是需要的，这是很昂贵的。而且，第二层或涂层主要是呈金属形式。对于某些金刚石砂粒应用来说，例如不含烧结铁基质的工具，优选所述砂粒的所有涂层都是碳化物涂层而不是金属涂层。
发明概述
根据本发明的第一个方面，一种制备涂覆的金刚石颗粒的方法包括以下步骤：提供选自锆、铪、铌和钽的过渡金属，活化金属和未涂覆的金刚石颗粒的混合物，和在非氧化气氛中热处理所述混合物，以使所述活化金属键合到所述金刚石颗粒上和使所述过渡金属在所述金刚石颗粒上形成碳化物涂层。
在本发明的方法中，据信所述活化金属通过在所述金刚石颗粒上产生合适数目的过渡金属的晶核生长位点，而具有活化所述金刚石颗粒表面的作用。所以，所述活化金属一般覆盖它将要键合到其上的金刚石表面的仅一部分。还可相信，所提供的位点可使得所述碳化物涂层能够在低于现有技术所用温度的温度下形成。
在本发明的方法中，对过渡金属、活化金属和未涂覆的金刚石颗粒的混合物进行热处理。所述过渡金属在所述混合物中可呈微粒形式，或者它可以呈网状、层状或薄片状的形式，例如作为封装所述未涂覆的金刚石颗粒和活化金属的罐。所述活化金属也可以呈微粒形式，或呈薄片状、层状或网状，也可以呈与其它金属的合金形式。
在本发明的一种特定形式中，所述混合物包含由呈微粒形式的过渡金属，也呈微粒形式的活化金属，及未涂覆的金刚石颗粒组成的微粒物质。一般地，混合所述颗粒以形成一种微粒物质。
所述热处理优选是在气态卤化物特别是气态氯化物存在下进行的。所述气态卤化物可由在热处理条件下挥发的卤化物原位制备。合适的可挥发卤化物的一个实例为卤化铵，例如氯化铵。所述气态卤化物有助于所述活化金属与金刚石形成键和由所述过渡金属形成碳化物。
所述热处理一般在至少800℃的温度下进行，优选在850℃下进行。热处理的时间将根据希望的碳化物涂覆程度而变化，并且一般是1-4小时。
所述热处理在非氧化气氛中进行。所述非氧化气氛可为惰性气体如氩、还原气体如氢或其组合。例如，当所述方法在卤化铵存在下进行时，则会产生氢，这将产生一种还原性气氛。
所述过渡金属碳化物覆盖各金刚石颗粒，完全包围所述颗粒。所述涂层基本上是碳化物涂层。所述涂层的外表面可以具有少量的呈金属形式的过渡金属，但是所述涂层基本上是一种碳化物涂层。
合适的活化金属的实例是钛、钒和铬。优选活化金属为铬。
优选的过渡金属为钽。
活化金属的数量相对于所述过渡金属来说是很小的，并且一般不超过所述活化金属和过渡金属的2wt％，优选不超过0.2wt％。
相信由上述方法制得的涂覆的金刚石是新的，并形成本发明的另一方面。所以，根据本发明的这个方面，提供了一种涂覆的金刚石颗粒，其中所述涂层包含键合到所述金刚石表面上的活化金属和选自锆、铪、铌和钽的过渡金属的碳化物的、完全包围所述金刚石颗粒的层。上述活化金属一般覆盖其所键合的金刚石表面的仅一部分。该部分可以是连续区域或多个分立的点。
所述金刚石颗粒优选是适合用于锯割应用的那些颗粒，并且本身是结实和坚固的。这类颗粒一般具有立方体{100}晶面，和/或八面体{111}晶面。这类颗粒一般具有至少170μm的颗粒尺寸。
所述涂覆的金刚石颗粒在锯割应用中具有特别的应用，其中基质是铁或亚铁粘结基质。
实施方案的描述
现在将通过下述实施例举例说明本发明。
实施例1
将5克595-420微米Element Six SDB1100金刚石砂粒与20克钽粉和0.024克氯化铵(NH4Cl)混合。将所述混合物封装在镍中并在氩气氛中加热到900℃，在该温度保持4小时，然后冷却至室温。
通过筛分从所述混合物中回收所述砂粒，发现所述金刚石完全未被包覆。
实施例2
重复实施例1所述相同程序，不同之处在于采用与所述钽粉混合的0.01wt％的铬粉。
在加热循环后回收金刚石砂粒，发现所有金刚石颗粒都部分地被金属包覆，X光衍射方法显示所述包覆物为碳化钽。
还注意到，所述碳化钽的优先生长发生在{100}或立方体晶面上。
实施例3
重复实施例2所述相同程序，不同之处在于制备一组样品，它们含有与钽粉混合的0.05wt％，0.10wt％，0.20wt％，0.50wt％，1.0wt％和2.0wt％的铬粉。
在加热循环后回收金刚石砂粒，发现所有金刚石颗粒都被连贯的致密金属层覆盖，X光衍射方法显示该金属层为碳化钽。
这些涂层的另一特征是，随着起始混合物中铬含量提高到铬的最高水平(2wt％)，所述铬碳化物层的厚度也增加。在这些较高铬含量下，所述涂层存在着龟裂和散裂掉的倾向。
因此，优选采用所需要的尽可能少的铬来引发连贯的碳化钽层的沉积。
实施例4
采用含有0.1wt％铬粉的钽粉，测试温度和时间对涂敷速率的影响。
下表给出了所采用的温度和加热时间以及测得的涂层质量。所述涂层质量是所述涂层的平均质量，以所述带涂层颗粒的质量的百分数表示。
    温度(℃)     时间(小时)     涂层质量(wt％)
    900     4     3.12
    900     1     2.34
    850     4     2.33
    800     4     1.99
在加热循环后回收金刚石砂粒，发现在所述情形中，所述金刚石颗粒包覆有连贯的致密层，X光衍射方法表明该致密层为碳化钽。
实施例5
将6克595-420微米Element Six SDB1100金刚石砂粒与8克铌粉和0.024克氯化铵(NH4Cl)混合。将所述混合物封装在镍中并在氩气氛中加热到850℃，在该温度保持4小时，然后冷却至室温。
通过筛分从所述混合物中回收所述砂粒，发现所述金刚石仅稀疏地被涂敷。发现{100}立方体晶面较{111}八面体晶面更易于被涂敷。
实施例6
重复实施例5所述的相同程序，但是制备一组样品，它们含有与所述铌粉混合的0.01wt％Cr，0.05wt％，0.01wt％和0.20wt％铬粉。
回收所述金刚石砂粒，采用0.01wt％和0.05wt％涂敷的那些金刚石颗粒显示了不连贯的涂层，而所述两个高的铬添加量导致具有完全连贯的涂层的砂粒。下表列出了这些砂粒的涂层数据。
    铬的添加量(wt％)     涂层质量(wt％)
    0.01     0.68
    0.05     0.72
    0.1     3.66
    0.2     2.87
实施例7
将6克595-420微米Element Six SDB1100金刚石砂粒与10克含0.08wt％铬的钨和0.024克氯化铵(NH4Cl)混合。将所述混合物封装在钽中并在氩气氛中加热到900℃，在该温度保持4小时，然后冷却至室温。
回收所述砂粒，发现所述金刚石立方体晶面被包覆，八面体晶面部分地包覆有碳化钽。
该结果可以与实施例1比较，并表明在所述钨粉中存在的铬提高了碳化钽在所述金刚石砂粒上的成核作用。

Claims (25)

1、一种制备涂覆的金刚石颗粒的方法，包括以下步骤：提供选自锆、铪、铌和钽的过渡金属，活化金属和未涂覆的金刚石颗粒的混合物，和在非氧化气氛中热处理所述混合物，以使所述活化金属键合到所述金刚石颗粒上和使所述过渡金属在所述金刚石颗粒上形成碳化物涂层。
2、权利要求1所述的方法，其中过渡金属呈微粒形式。
3、权利要求1或2所述的方法，其中过渡金属呈网状、薄片状或层状形式。
4、权利要求1-3任一项所述的方法，其中活化金属呈微粒形式。
5、权利要求1所述的方法，其中过渡金属和活化金属呈微粒形式，且所述混合物是一种微粒物质。
6、前述权利要求中的任一项所述的方法，其中所述活化金属的量不超过所述过渡金属和活化金属重量的2％。
7、权利要求1-5任一项所述的方法，其中所述活化金属的存在量不超过所述过渡金属和活化金属重量的0.2％。
8、前述权利要求中的任一项所述的方法，其中热处理在气态卤化物存在下进行。
9、权利要求8所述的方法，其中气态卤化物是气态氯化物。
10、权利要求8或9所述的方法，其中气态卤化物由在所述热处理条件下挥发的卤化物原位制备。
11、权利要求10所述的方法，其中在热处理条件下挥发的卤化物是卤化铵。
12、权利要求11所述的方法，其中所述卤化铵是氯化铵。
13、前述权利要求中的任一项所述的方法，其中热处理在至少800℃的温度下进行。
14、前述权利要求中的任一项所述的方法，其中热处理的时间为1至4小时。
15、前述权利要求中的任一项所述的方法，其中活化金属选自钛、钒和铬。
16、权利要求15所述的方法，其中活化金属是铬。
17、前述权利要求中的任一项所述的方法，其中过渡金属是钽。
18、前述权利要求中的任一项所述的方法，其中键合到金刚石上的活化金属覆盖所述金刚石表面的仅一部分。
19、一种涂覆的金刚石颗粒，其中所述涂层包含键合到所述金刚石表面上的活化金属和选自锆、铪、铌和钽的过渡金属的碳化物的、完全包围所述金刚石颗粒的层。
20、权利要求19所述的涂覆的金刚石颗粒，其中所述活化金属覆盖所述金刚石表面的仅一部分。
21、权利要求19或20所述的涂覆的金刚石，其中过渡金属为钽。
22、权利要求19至21中的任一项所述的涂覆的金刚石，其中活化金属选自钛、钒和铬。
23、权利要求22所述的涂覆的金刚石，其中活化金属为铬。
24、一种按照权利要求1并且基本如本申请实施例2至4、6和7中的任一实施例所述的制备金属涂敷的金刚石颗粒的方法。
25、一种按照权利要求16并且基本如本申请实施例2至4、6和7中的任一实施例所述的涂覆的金刚石。
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