TW202210169A - 具有至少四個不同方向之表面之研磨用鑽石顆粒、及該鑽石顆粒的製造方法 - Google Patents

Abstract

一種製造具有至少四個不同方向之表面之研磨用鑽石顆粒的方法，包括： 準備一模具，該模具上有複數模孔，各模孔的形狀對應該鑽石顆粒之形狀而呈角錐體；將鑽石粉末混合物填入該等模孔中，並將一單晶鑽石放入鑽石粉末混合物的中心位置；使用一壓機夾持模具，以對模具的模孔內的鑽石粉末混合物施以高溫高壓壓製進行燒結，以合成出一具有該模孔的形狀的鑽石顆粒。

Description

具有至少四個不同方向之表面之研磨用鑽石顆粒、及該鑽石顆粒的製造方法

本發明是有關一種可應用於附著於砂輪等工具的研磨用鑽石顆粒及該鑽石顆粒的製造方法，尤關於具有至少四個不同方向之表面之鑽石顆粒、及該鑽石顆粒的製造方法。

如圖1照片所示，習知的人工鑽石顆粒，並沒有特定設置的形狀，附著於砂輪胎體中，複數會有抓著力不足或是切削力不夠的問題。這些問題主要原因在於，鑽石顆粒本身圓潤且其表面不能提供多個切削方向，附著於砂輪胎體中時，僅露出圓角，缺乏可切削的尖角，而且以某一方向施作時即可能面臨較差的切削性。

目前解決人工鑽石顆粒在砂輪胎體中的抓著力的方法，是藉由在鑽石外層鍍上金屬，如圖2照片所示為人工鑽石鍍上金屬後之示例。此添加的金屬層增加了用來將鑽石固定於胎體上的表面積，來增加抓著力。但是隨著環保意識的抬頭，電鍍的廢水處理費用升高，以及科技進步下，有些製程是不能有金屬殘留的，例如5G手機的零件，故應避免在人工鑽石上使用金屬層。為使人工鑽石具有固定在砂輪胎體上足夠的抓著力，有必要提供其他固定結構。

圖3的照片所示是關於習知人工鑽石提供改善切削力的結構。為了讓增加鑽石切削尖端露出的機會而提供良好的切削力，習知技術利用預設排列鑽石的方式來改善切削力。然而，這種方法實在耗時費力，且有一定的機率鑽石尖角不是朝上的。

另外也有一種增加切削力的方法，是以化學氣相沉積法(CVD)來製作切削尖端，但此成本非常高昂，而且耗時。

基於前述現有技術的瓶頸，有必要提供一種供固定於磨輪的胎體上的人工鑽石顆粒結構及其製造方法，其不需金屬層就能有更佳的抓著力，而且其製造法方較低廉，可以在避免化學氣相沉積法的高昂費用的條件下，比習知技術提供更佳的切削力。

為解決前述的問題，本發明提供一種製程，可易於製造出具有特定形狀及結構的鑽石顆粒。此等鑽石顆粒提供具有較多切削尖端(切削尖角)的人工鑽石結構。尤特別的是，根據本發明的人工鑽石顆粒，具有界定複數個切削尖端的至少四個不同方向之表面。

一方面，本發明提供一種製造具有至少四個不同方向的表面的研磨用鑽石顆粒的方法，該方法包括如下步驟：

(1)準備模具，所述模具上有多個模孔，其中所述模孔的模孔形狀對應所述鑽石顆粒的形狀，而且呈角錐體；(2)將鑽石粉末混合物填入所述模孔中；(3)使用壓機夾持模具，以對模具的模孔內的鑽石粉末混合物施以高溫高壓壓制進行燒結，以合成出具有所述模孔形狀的鑽石顆粒。

其中步驟(2)進一步包括將一單晶鑽石顆粒放入鑽石粉末混合物的中心位置。

本發明還提供按照上述方法製成的具有至少四個不同方向的表面的鑽石顆粒。

另一方面，本發明還提供具有至少四個不同方向的表面的鑽石顆粒，其包括：一呈角錐體的切割部本體，而具有四個不同方向的表面，其中每一表面具有若干邊緣、及由所述不同方向的表面的相鄰的邊緣交會所形成切削尖端；一單晶鑽石，其位於所述鑽石顆粒的中心。

再一方面，本發明提供一種具有至少四個不同方向的表面的鑽石顆粒，其包括：一核心部，其大致呈多面體而具有多個核心表面；及多個切割部，其中所述多個切割部的每一切割部從所述核心部的多個核心表面的其中一表面延伸而出，其中所述切割部的每一者均具有至少四個不同方向的表面，且其中，所述至少四個不同方向的表面每一表面具有若干邊緣、及由所述表面的相鄰的邊緣交會所形成切削尖端。

較佳地，其中至少一切割部的一底部比核心部的一對應的表面小，而露出一周緣帶。

較佳地，其中所述核心部為立方體。

又一方面，本發明提供一種製造具有至少四個不同方向的表面的研磨用鑽石顆粒的方法，所述鑽石顆粒包括：一核心部，其大致呈多邊形而具有多個核心表面；及多個切割部，其中所述多個切割部的每一切割部從所述核心部的多個核心表面的其中一表面延伸而出，其中所述切割部的每一者均具有至少四個不同方向的表面。所述方法包括：

(1)準備模具，所述模具由具有上模孔的上模具、及具有下模孔的下模具構成，所述上模孔、下模孔的模孔形狀各自對應所述鑽石顆粒的上半形狀、下半形狀；(2)將鑽石粉末混合物填入所述模孔中；(3)使用壓機夾持所述模具，以對模具的模孔內的鑽石粉末混合物施以高溫高壓壓制進行燒結，以合成鑽石顆粒。

較佳地，所述步驟(2)進一步包括將一單晶鑽石放入所述鑽石粉末混合物的中心位置。

較佳地，至少一切割部的一底部比核心部的一對應的表面小，而露出一周緣帶，且，其中所述核心部為立方體。

本發明中做切割磨料的人工鑽石材料的較佳選擇是聚晶鑽石(Polycrystalline Diamond；PCD)的材料。聚晶鑽石的優點是導熱性佳、硬度高、且耐磨性佳，可在切削中獲得很高的加工精度和加工效率，故以聚晶鑽石作為磨輪上的鑽石顆粒，能得到很好的效能。製作人工鑽石時，是將所需的粉末材料，置於模具中，以高溫高壓壓製而成。以矽聚晶鑽石(Silicon Polycrystalline Diamond；SiPCD)複合材料而言，其製法是將矽粉及金剛石微粉(或稱「鑽石微粉」)混合，置於模具中，再以高溫高壓壓製而成。

根據本發明之一第一實施例，該鑽石顆粒的結構具有至少四個不同方向之表面，而形成角錐體、平頭錐體、或其他具有更多表面的多面體形狀的切割部，其中該鑽石顆粒的每一表面具有若干邊緣、及由該等不同方向的表面的相鄰的邊緣交會所形成切削尖端。

根據本發明之另一實施例，該鑽石顆粒包括：一具有複數表面之多邊形的核心部、及從該核心部之複數表面的至少其中一表面延伸而出的複數個切割部，該等切割部之每一者均具有至少四個不同方向之表面，而形成角錐體、平頭錐體、或其他具有更多表面的多面體形狀，其中每一切割部的每一表面具有若干邊緣、及由該等不同方向的表面的相鄰的邊緣交會所形成切削尖端。根據一較佳實施例，此一具有上述結構的鑽石顆粒的核心部為多面體，如立方體，而使整體鑽石顆粒的形狀具有類似消波塊狀方式延伸的外形。

根據本發明之一較佳實施例，其中作為切割磨料的鑽石顆粒的中心設有一鑽石砧(reverse anvil)之元件，該鑽石砧較佳為一單晶鑽石顆粒。該鑽石砧是在壓製該鑽石顆粒前置入其中。

根據本案的優點，一般結晶體的結合有方向性的問題，但本發明的鑽石顆粒可於任何一個位置生長在磨輪上。

根據本案的另一優點，本案製造時，能利用壓製鑽石片的技術，將鑽石植入於一形狀模具，在高溫高壓下來取得此一改良的鑽石顆粒。

根據本發明之揭露獲得的鑽石顆粒，可提供的優點為包括增加切削表面積、容易將鑽石上的尖點（切削尖端）固定在砂輪上，且成本較為便宜。

因此，基於以上，本發明一併揭露製造此鑽石顆粒的製造方法。

本發明的前述及其他優點，將可藉由以下實施方式說明而進一步瞭解。

呈 角錐體 的 鑽石顆粒的形狀結構：

根據本發明之一實施例，用於如磨輪等切削工具上以提供研磨功能的鑽石顆粒(10)包括一呈一角錐體的切割部本體，而具有至少四個不同方向之表面(12)，其中每一表面(12)具有若干邊緣(14)、及由該等不同方向的表面的相鄰的邊緣交會所形成切削尖端(16)。圖4A揭露的角錐體鑽石顆粒(10)的實施例是具有四面體形狀外觀的三角磨料，然而，根據本發明的精神，鑽石顆粒(10)亦可為具有一截平面的平頭錐體。根據如圖4B的較佳實施例示意圖，圖4A的鑽石顆粒(10)的中心可設置一顆單晶鑽石顆粒作為一鑽石砧(18)。該鑽石砧(18)是在壓製該鑽石顆粒(10)前置入其中。

以壓製法直接壓製製造出鑽石顆粒 (10) ：

本發明的壓製法(未示於圖)較佳使用一六面壓機來合成鑽石，其中，主要是將鑽石粉末混合物填於模具的模孔中，再以六面壓機來對模具加壓。鑽石粉末混合物可以是，例如，包括矽粉及金剛石粉末之混合物的矽聚晶鑽石複合材料微粉。填粉（填混合粉末物）的時候原則上是大顆粒在中間，小顆粒(細粉)在旁邊填滿，再去合成壓製，使壓製成的鑽石具有佳的密度。模具較佳為圓形。模具外面加上墊片／墊圈，用以導電、傳壓。模具放在六面壓機中，其中兩方向能通電，其他四個方向只負責加壓。當通電後，利用電升溫，而使鑽石粉末混合物在六個方向加壓中合成。高溫高壓合成完後，得到高溫高壓合成的鑽石顆粒。基於以上，本發明製造具有至少四個不同方向之表面之研磨用的鑽石顆粒的製程大致上包括：(1)提供鑽石複合材料微粉之鑽石粉末混合物；(2)提供一模具，該模具較佳為圓形／圓柱形且具有一特定形狀的模孔；(3)將鑽石粉末混合物置於該模孔中；(4)在高溫高壓下將鑽石粉末混合物燒結，以形成一鑽石顆粒。較佳的是，步驟(3)可進一步在填粉時將一單晶鑽石置於該模孔的中心位置，作為一對壓製力提供反向力的鑽石砧(18)。

圖5A及圖5B為藉由壓製法(pressing)來製作鑽石顆粒(10)的模具示意圖。透過該模具及藉由壓製法可製造圖4A的鑽石顆粒(10)及圖4B的具有鑽石砧(18)的鑽石顆粒(10)。

根據前述本發明壓製法的揭露內容，為製造圖4A的鑽石顆粒(10)，其步驟為：(A)準備較佳為圓形的一模具(100)，其上有複數模孔(102)，各模孔(102)的形狀對應該鑽石顆粒(10)之形狀，而呈角錐體／四面體；(B)將鑽石粉末混合物填入該等模孔(102)中；(C)使用一壓機，夾持模具(100)，以對模具(100)的模孔(102)內的鑽石粉末混合物施以高溫高壓壓製進行燒結，以合成(synthesize)出圖4A的鑽石顆粒(10)。因其剖面為三角形，外觀上為三角磨料。

若要形成如圖4B所示具有一反向鑽石砧(18)的鑽石顆粒(10)，則在前述(B)的填粉步驟過程中、該壓製步驟(C)前，將該作為鑽石砧(18)的單晶鑽石顆粒放入鑽石粉末混合物的中心位置，再進行步驟(C)的高溫高壓壓製，以燒結出圖4B所示具有鑽石砧(18)的三角磨料的鑽石顆粒(10)。詳而言之，其步驟為：(A)準備較佳為圓形的模具(100)，其上有複數模孔(102)，模孔(102)的模孔形狀對應該鑽石顆粒(10)之形狀，而呈角錐體／四面體；(B)將鑽石粉末混合物填入該等模孔(102)中，填粉時將該作為鑽石砧(18)的單晶鑽石顆粒放入鑽石粉末混合物的中心位置；(C)使用一壓機，夾持模具(100)，以對模具(100)的模孔(102)內的鑽石粉末混合物施以高溫高壓壓製進行燒結，以合成(synthesize)出圖4B的鑽石顆粒(10)。

本發明在鑽石顆粒(10)中間設有另一鑽石顆粒(即「鑽石砧(18)」)的特殊結構的目的，在改善鑽石顆粒(10)壓製製程所得的結構密度，以獲得密度更高的鑽石顆粒(10)。詳而言之，如果鑽石顆粒(10)中間設置作為鑽石砧(18)的單晶鑽石，在壓製步驟中，當外面壓機開始對鑽石粉末混合物施壓時，其中心的的鑽石砧(18)，會對壓機施的壓力提供反作用力，反向壓回；而且，反向鑽石砧(18)旁邊接觸的部分也會有均勻受壓，因而壓製出具有更佳結構密度的鑽石顆粒(10)。相較之下，在沒有反向鑽石砧的情況下，當壓機開始對鑽石粉末混合物施壓時，鑽石粉末混合物的中心會因上下壓力相抵消的情況下，中間壓力為零，受力相對較差，使得形成的鑽石顆粒的中心結構密度較差。因此，歸功於本發明在鑽石粉末混合物中心置入一顆作為提供反向力的鑽石砧的單晶鑽石，所形成的鑽石顆粒(10)結構大大地改善鑽石粉末混合物的中心受壓較差的狀況，使鑽石顆粒(10)具有更佳的結構密度。圖4B中可見此一單晶鑽石為完整的鑽石，其體積較鑽石粉末顆粒的體積大。

先以壓製法製造鑽石複合片 (PCD) ， 再 以鐳射切割出鑽石顆粒 (10) ：

圖6A及圖6B分別為藉由鐳射切割法來製作鑽石顆粒(10)之鑽石複合片(PCD)(60)的照片及示意圖，其為圓柱形。

根據前述本發明壓製法的揭露內容，為製造鑽石複合片(PCD)(60)，根據前述壓製方法，其步驟為：(A)準備圓柱形模具，其上有圓柱形模孔；(B)將鑽石粉末混合物放入該模孔中；(C)使用一壓機，夾持該圓柱形模具，以對模具的模孔內的鑽石粉末混合物施以高溫高壓壓製進行燒結，以合成(synthesize)出一對應圓柱形模孔形狀的圓柱形的鑽石複合片(60)。接著進行切割，包括：(D)對鑽石複合片(60)進行鐳射切割，切出大小、形狀、厚度均勻的四面體的鑽石顆粒(10)(呈三角顆粒狀)作為磨料。為確實切出大小、形狀、厚度均勻的四面體的鑽石顆粒(10)，步驟(D)的一較佳切割方式，是基於所需的鑽石顆粒(10)的四面體輪廓，採120角度的鐳射切割；亦即，每切完一面再轉120度切割，共轉三次的120度切割，來切出鑽石顆粒磨料。如此即可獲得大小、形狀、厚度均勻的三角顆粒狀(四面體)的鑽石顆粒磨料。

前述製程所使用的鑽石粉末混合物，可以包括一大顆粒鑽石(例如含氮鑽石)及細粉狀小顆粒鑽石（例如含硼鑽石）。在將鑽石粉末混合物填入圓柱形模具的模孔時，將大顆粒鑽石填在中間，小顆粒(細粉)鑽石在旁邊填滿，讓鑽石緊密堆積在一起，以燒結出較好的鑽石結構。

具 角錐體 形狀的 切割部 的 鑽石顆粒及其製法：

如圖7所示，根據本發明之另一實施例，鑽石顆粒(20)包括：一核心部(21)，該核心部(21)大致呈多邊形而具有複數核心表面；及複數個切割部，其中該複數個切割部的每一切割部從該核心部(21)之複數核心表面的其中一表面延伸而出，其中該等切割部之每一者均具有至少四個不同方向之表面(22)，而形成角錐體、平頭錐體、或其他具有更多表面的多邊形形狀。其中，每一表面(22)具有若干邊緣(27)、及由該等不同方向的表面的相鄰的邊緣交會所形成切削尖端(28)。圖4A及圖4B顯示的鑽石顆粒(10)是單一切割部；而圖7的實施例主要是多設了核心部(21)的結構以使鑽石顆粒(20)容納更多的切割部來提供更佳的功效，其每一切割部的原理大致上與圖4A及圖4B相同。在圖7的實施例中，切割部的底部是比核心部(21)的一對應的表面(22)小，而露出一周緣帶。在圖7所較佳實施例中，此一具有上述結構的鑽石顆粒(20)的核心部(21)為多面體，如立方體，而使整體鑽石顆粒的形狀具有類似消波塊狀方式延伸的外形。每一切割部可為具有一截平面的平頭錐體。

鑽石顆粒(20)可以用類似前述方法先開模再以高溫高壓壓製而成，其壓製製造步驟為：(A)準備一模具，該模由具有上模孔的上模具、及具有下模孔的下模具構成，該上模孔、下模孔的模孔形狀各自對應鑽石顆粒(20)的上半形狀、下半形狀；(B)將鑽石粉末混合物填入該等模孔中；(C)使用一壓機，夾持該模具，以對模具的模孔內的鑽石粉末混合物施以高溫高壓壓製進行燒結，以合成出圖7的鑽石顆粒(20)。若要製造每一切割部內含鑽石砧(18)的單晶鑽石顆粒，則上述步驟(B)將鑽石粉末混合物填入該等模孔中時，進一步包括將該作為鑽石砧(18)的單晶鑽石顆粒放入鑽石粉末混合物的中心位置。

具有本案形狀的鑽石顆粒(10;20)，可用燒結或電鍍(鍍鎳)把鑽石顆粒固定在砂輪上。因為鑽石顆粒(10;20)本身特殊的形狀，能夠有比較好的固著力。由於具不同方向的固定形狀較複雜，且較習知鑽石顆粒具有更大的固定表面積來附著於砂輪胎體中，較習知技術具有更好的固著力。

圖8A至8E為本案前述角錐體(四面體)外形的鑽石顆粒(圖8A)與其他形狀鑽石顆粒(圖8B至8E)的比較圖。可以理解，在不同形狀之中，本案的角錐體具有最少的尖角及稜線，是物理結構最鋒利的磨料。此外，藉由本案的製程來製成鑽石顆粒，具有可控式尖端設計的優點，而且將鑽石顆粒設置在砂輪上時，它的尖角(即切削尖端)永遠朝上，而使砂輪具有優異的切削力。

本發明前述較佳實施例說明，僅是例示性，其目的並非在限制本發明的特徵。任何具有申請專利範圍所列特徵的製程或產品，均應認屬落入於本發明揭露的範疇。

10:鑽石顆粒 12:表面 14:邊緣 16:切削尖端 18:反向鑽石砧 20:鑽石顆粒 21:核心部 22:核心部的面 24:表面 27:邊緣 28:切削尖端 60:鑽石複合片 100:模具 102:模孔

圖1為鑽石顆粒的一習知實施例之照片。

圖2為鑽石顆粒的另一習知實施例之照片，其顯示鑽石外層鍍上金屬層來增加鑽石的表面積。

圖3為鑽石顆粒的再一習知實施例之照片，其顯示複數鑽石具有一預定排列結構，以改善磨輪上的鑽石切削力。

圖4A是本發明之鑽石顆粒第一實施例示意圖。

圖4B是顯示圖4A的鑽石顆粒的一較佳實施例，其在鑽石顆粒的中心設置一顆單晶鑽石顆粒作為鑽石砧。

圖5A及圖5B為藉由壓製法來製作鑽石顆粒的模具示意圖。

圖6A及圖6B為藉由鐳射切割法來製作鑽石顆粒所使用的鑽石複合片的示意圖。

圖7是本發明之鑽石顆粒之另一實施例示意圖。

圖8A至8E為本發明具有角錐體(四面體)外形的鑽石顆粒(圖8A)與其他形狀鑽石顆粒(圖8B至8E)的比較圖。

10:鑽石顆粒

12:表面

14:邊緣

16:切削尖端

18:反向鑽石砧

Claims (10)

1. 一種製造具有至少四個不同方向之表面之研磨用鑽石顆粒的方法，包括： (A) 準備一模具，該模具上有複數模孔，其中該等模孔的模孔形狀對應該鑽石顆粒之形狀，而且呈角錐體； (B) 將鑽石粉末混合物填入該等模孔中； (C) 使用一壓機夾持模具，以對模具的模孔內的鑽石粉末混合物施以高溫高壓壓製進行燒結，以合成出具有該模孔形狀的鑽石顆粒。
2. 如請求項1之方法，其中步驟(B)進一步包括將一單晶鑽石顆粒放入鑽石粉末混合物的中心位置。
3. 一種具有至少四個不同方向之表面之鑽石顆粒，其是根據請求項1或2之方法製成。
4. 一種具有至少四個不同方向之表面之鑽石顆粒，其包括： 一呈一角錐體的切割部本體，而具有四個不同方向之表面，其中每一表面具有若干邊緣、及由該等不同方向的表面的相鄰的邊緣交會所形成切削尖端； 一單晶鑽石，其位於該鑽石顆粒的中心。
5. 一種具有至少四個不同方向之表面之鑽石顆粒，其包括： 一核心部，其大致呈多面體而具有複數核心表面；及 複數個切割部，其中該複數個切割部的每一切割部從該核心部之複數核心表面的其中一表面延伸而出，其中該等切割部之每一者均具有至少四個不同方向之表面，且其中，該至少四個不同方向之表面每一表面具有若干邊緣、及由該等表面的相鄰的邊緣交會所形成切削尖端。
6. 如請求項5之鑽石顆粒，其中至少一切割部的一底部比核心部的一對應的表面小，而露出一周緣帶。
7. 如請求項5或6之鑽石顆粒，其中該核心部為立方體。
8. 一種製造具有至少四個不同方向之表面之研磨用鑽石顆粒的方法，該鑽石顆粒包括： 一核心部，其大致呈多邊形而具有複數核心表面；及 複數個切割部，其中該複數個切割部的每一切割部從該核心部之複數核心表面的其中一表面延伸而出，其中該等切割部之每一者均具有至少四個不同方向之表面； 該方法包括： (A) 準備一模具，該模具由具有上模孔的上模具、及具有下模孔的下模具構成，該上模孔、下模孔的形狀各自對應該鑽石顆粒的上半形狀、下半形狀； (B) 將鑽石粉末混合物填入該等模孔中； (C) 使用一壓機，夾持該模具，以對模具的模孔內的鑽石粉末混合物施以高溫高壓壓製進行燒結，以合成鑽石顆粒。
9. 如請求項8之方法，其中： 步驟(B)進一步包括將一單晶鑽石放入該鑽石粉末混合物的中心位置。
10. 如請求項8之方法，其中： 其中至少一切割部的一底部比核心部的一對應的表面小，而露出一周緣帶，且，其中該核心部為立方體。

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