[發明專利]釬焊金剛石工具及其制造方法

無效

• 申請號: 200710161619.0
• 申請日: 2003-09-29
• 公開（公告）號: CN101391402A
• 公開（公告）日: 2009-03-25
• 發明（設計）人: 宋健民
• 申請（專利權）人: 宋健民
• 主分類號: B24D18/00
• 分類號: B24D18/00;B24D3/10
• 代理公司: 北京市中咨律師事務所
• 代理人: 馬江立;柴智敏

本申請是2003年9月29日在中國專利局提交的名稱為“釬焊金剛石工具及其制造方法”的專利申請03824677.5的分案申請。

優先權信息

該申請要求結合于此作為參考、于2002年9月27日申請的美國專利申請No.10/259,168的優先權。

技術領域

本發明通常涉及工具，其具有化學結合到一基體支承材料或基底上并以預定圖形(圖案)布置的金剛石顆粒。因此，本發明涉及化學、冶金和材料科學領域。

背景技術

磨料工具長久以來有各種應用，包括材料的切削、鉆孔、鋸、研磨、磨光和拋光。由于金剛石是迄今為止知道的最硬磨料，因此被廣泛地用在鋸、鉆和利用磨料進行切削、成形或拋光其它硬材料的其它裝置上作為超磨料。

在其它工具缺乏可在商業上獲得的硬度和使用壽命的情況下，金剛石工具更是不可缺少的。例如，在切削、鉆和鋸石頭的石材工業中，金剛石工具是其硬度和使用壽命足以使得切削等較經濟的唯一工具。如不利用金剛石工具，許多這類工業在經濟上將不可行。同樣，在精磨領域中，由于其優良的耐磨性，金剛石工具可以在足以有效地經受磨損的同時獨特地具有所需的高精度。

典型的超磨料工具如金剛石鋸片由金剛石顆粒(如40/50美國篩目鋸砂料)與合適的金屬支承基體粉末(例如粒度為1.5微米的鈷粉末)混合制成。然后在一模具中將該混合物壓成適當的形狀(例如鋸段)。然后在700-1200℃溫度下將該“生坯”形式的工具燒結成其中有多個磨料顆粒的單體。最后將固結的該單體安裝在(例如通過傳統釬焊或錫焊)一工具主體如鋸的圓形刀片上以形成成品產品。

盡管應用廣泛，但金剛石工具通常也存在對其使用壽命造成不必要的限制的若干嚴重缺陷。例如，磨料金剛石或立方氮化硼(CBN)顆粒在前體中的分布不均勻。因此無法定位磨料顆粒以使得切削、鉆孔、研磨、拋光的效率最高。

金剛石或CBN磨料顆粒之間的距離決定每個顆粒的工作負載。不合適的金剛石或CBN磨料顆粒間距通常導致磨料表面或結構過早失效。因此，如果金剛石/CBN磨料顆粒彼此太接近，某些顆粒是多余的且對切削或研磨沒有或有很少的效果。此外，由于金剛石和立方氮化硼的價格很高，顆粒過多使生產成本提高。而且這些無用金剛石或CBN顆粒會堵住切屑通道，從而降低切削效率。因此，磨料顆粒彼此太接近會提高成本，同時降低工具的使用壽命。

另一方面，如果磨料顆粒之間的間距太大，每個顆粒的工作負載(例如工件沖擊力)就會過大。而分布得較稀的金剛石或CBN磨料顆粒則會被壓碎甚至從它們被植入其中的基體上脫落。磨料受損或缺失使得不能充分有助于工作負載。從而工作負載轉移給剩余的磨料顆粒。各磨料顆粒的失效會引起連鎖反應，這使得工具不久將無法有效地切削、鉆孔、研磨等。

不同的應用可能需要大小不同的金剛石(或立方氮化硼)磨料顆粒。例如，鉆和鋸可能需要在成品工具中利用較大粒度(20-60美國篩目)的金剛石砂粒。工具的金屬基底通常選自鈷、鎳、鐵、銅、青銅及其合金和/或混合物。用于研磨時，小粒度(60/400美國篩目)金剛石砂粒(或立方氮化硼)與金屬(通常為青銅)、陶瓷/玻璃(通常為鈉、鉀、硅和鋁的氧化物的混合物)或樹脂(通常為苯酚)混合。

工具通常包括一保持或支承金剛石顆粒的基體支承材料如金屬粉末。但是，由于金剛石或立方氮化硼比基粉末大得多(在制造鋸段的上例中為300倍)又輕得多(在制造鋸段的上例中約為1/3密度)，因此兩者很難混合得均勻。此外，即使充分混合，金剛石顆粒在后續處理如將混合物注入一模具中或在該混合物振動時仍會與金屬粉末分離。當將金剛石混合在金屬支承基體中時，分布問題對于制造金剛石工具來說特別麻煩。

將金剛石砂粒定位在工具中的多個方法還存在另一缺陷。在許多時候，金屬結合金剛石工具要求在同一金剛石工具的不同部位上的金剛石砂粒的粒度和/或金剛石密度不同。例如，鋸段的邊緣或前部比中部磨損得快。因此，為防止鋸段的不均勻磨損和致過早失效，優選的是這些部位上的金剛石砂粒密度較大而粒度較小。這些高密度/小粒度鋸段(即“夾心”鋸段)難以通過混合金剛石顆粒與金屬粉末來制造。因此，盡管金剛石砂粒粒度和密度不同這一優點是已知的，但由于缺乏實際制造方法而很少使用這類構形。