[發(fā)明專利]一種表面鍍活性金屬鍍硅超硬磨粒及制造方法

有效

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• 申請日: 2012-04-05
• 公開（公告）號: CN102642022A
• 公開（公告）日: 2012-08-22
• 發(fā)明（設計）人: 臧建兵;王艷輝;成曉哲
• 申請（專利權）人: 燕山大學
• 主分類號: B22F1/00
• 分類號: B22F1/00;C23C16/02;C23C16/24
• 代理公司: 石家莊一誠知識產(chǎn)權事務所 13116
• 代理人: 崔鳳英

技術領域

本發(fā)明涉及超硬材料及制備方法，特別涉及一種超硬磨粒及制造方法。

背景技術

超硬材料金剛石、立方氮化硼以其高硬度、高耐磨性、高導熱性等一系列的綜合性能在國民經(jīng)濟的許多部門具有廣泛用途，大部分超硬磨料用于切削，磨削，拋光，修整工具使用，但由于工業(yè)金剛石與立方氮化硼顆粒細小，絕大部分工具需要依靠金屬、陶瓷或樹脂作為基體，將它們的細粒粘合在一起而成為各種不同的超硬工具，實現(xiàn)對工件的加工。因此超硬工具的使用壽命及使用效率除了與所選超硬磨粒和結(jié)合劑有關，還取決于超硬磨粒與結(jié)合劑的結(jié)合強度。

在磨料磨具行業(yè)中，存在一個共性的問題：以共價鍵結(jié)合的超硬磨粒與金屬、陶瓷結(jié)合劑之間有很高的界面能，使得磨粒與一般金屬的粘結(jié)能力交較差。為解決這一問題，目前行業(yè)中主要采用真空微蒸發(fā)鍍鈦技術，在超硬磨粒表面鍍一層鈦，利用鈦鍍層與金屬和陶瓷結(jié)合劑的親和力來增進超硬磨粒與基體的結(jié)合力。但由于鈦層很薄且極易氧化，在燒結(jié)的時候很容易就被完全氧化露出超硬磨粒表面，效果并不是十分理想。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明的目的在于提供一種抗氧化能力強、能有效防止磨料脫落的表面鍍活性金屬鍍硅超硬磨粒及制造方法。本發(fā)明主要是在超硬磨粒表面鍍覆活性金屬，然后在鍍覆活性金屬層的超硬磨粒表面利用準原子層硅烷熱解沉積技術鍍覆一層立方相晶體硅。

本發(fā)明的表面鍍活性金屬鍍硅超硬磨粒是:在0.1~500微米的金剛石或立方氮化硼表面鍍覆活性金屬，然后在鍍覆活性金屬層的表面再鍍覆一層立方相晶體硅；所述活性金屬為Ti、V、Cr、Mo、W、Nb、Zr中一種或幾種或合金，該活性金屬的粉體顆粒大小為5~500微米。

上述超硬磨粒的制造方法如下：

?一、鍍覆活性金屬

0.1~500微米的超硬磨粒金剛石或立方氮化硼：5~500微米活性金屬粉的質(zhì)量比為1～1.25：0.25～0.5，將上述超硬磨粒與活性金屬粉混合均勻，裝入不銹鋼容器，把容器放在真空反應爐腔內(nèi)，開啟真空泵和加熱閥，以5~30℃/每分鐘的速率升溫到600-950℃，真空度為10^-4-100Pa，保溫40-150分鐘，關閉加熱閥，冷卻到300℃以下關閉真空泵；冷卻至室溫后把容器取出，用目數(shù)處于超硬磨粒與金屬粉粒度之間的標準篩對鍍覆活性金屬的超硬磨粒進行篩選，然后用280-2000目砂紙進行打磨，除去磨料表面粘連的多余金屬顆粒；

二、鍍覆立方相晶體硅

1、高溫凈化處理

將上述鍍覆活性金屬的超硬磨粒均勻平鋪在不銹鋼容器中，將容器放入鍍硅設備的真空反應爐腔內(nèi)；開啟真空泵和加熱閥，在不大于100Pa真空度下加熱至600-950℃，保溫40～150分鐘。

2、充氣沉積反應

保溫結(jié)束后，重新設定溫度到500-650℃，待溫度到達設定溫度后關閉真空閥門，導入硅烷前驅(qū)物氣體，在200~1500Pa時飽和吸附5~25分鐘，體系壓力穩(wěn)定后，將剩余氣體和反應產(chǎn)物氣體抽出。重復上述過程，鍍層逐漸增厚，至達到所需厚度。反應結(jié)束后，關閉加熱閥，在300℃以下關閉真空泵閥，取出容器，整個鍍覆過程結(jié)束。

采用在金屬鍍層表面鍍覆一層硅鍍層的復合鍍層，不但能更好的提高超硬磨粒抗氧化能力以及熱穩(wěn)定性，而且進一步提高了超硬磨粒與周圍結(jié)合劑的結(jié)合強度。準原子層硅烷熱解沉積技術是沒有人使用過的技術，它可以在超硬磨粒表面或者金屬鍍層均勻鍍覆一層立方相晶體Si，硅鍍層十分致密并且它可以與超硬磨料或者鈦鍍層反應，生成含有硅的化合物，與超硬磨料或者金屬鍍層的結(jié)合都十分牢固，不容易脫落。由于硅被氧化后生成更穩(wěn)定的二氧化硅，所以在金屬鍍層上鍍覆硅鍍層會極大的提高鍍層的抗氧化能力，使得鍍層可以有效的降低超硬磨粒與結(jié)合劑之間的界面能，提高磨粒與結(jié)合劑之間的結(jié)合強度。

本發(fā)明與現(xiàn)有技術相比具有如下優(yōu)點：

1、抗氧化能力以及熱穩(wěn)定性大大提高，使得超硬磨具能夠用于更高切削溫度的情況；同時，阻止超硬磨粒(金剛石、立方碳化硼)與黑色金屬作用，使得磨具可以用于切削黑色金屬；

2、由于硅與鐵基等基體結(jié)合效果好，可以有效的防止磨料的脫落，增加基體對磨料的把持力，使磨具的使用壽命更長。

3、鍍覆設備簡單可靠，操作簡便，鍍覆成本低廉，鍍覆顆粒尺寸可小至微粉，有利于工業(yè)化生產(chǎn)。