专利名称：具有规则性排列之磨料颗粒的研磨工具及其制造方法
技术领域：
本发明涉及一种用于切削、研磨及类似加工的改进型研磨工具。其中所含磨粒具有规则性排列以减少成本和/或增加工具的使用寿命。
研磨工具已广泛使用于材料的切、钻、锯、磨、抛光和磨光等多种应用中。因为钻石是最坚硬的磨料而立方氮化硼为次坚硬，所以这两种材料常作为超级磨料用在锯、钻和其它加工工具中。目前全球使用超级磨料的总价值每年超过五十亿美元。其中有一半以上使用于锯切应用，诸如切割岩石、混凝土、沥青等。
对于其它缺乏强度和耐磨性工具的运用而言，超级磨料工具是不可或缺的。如在对岩石进行切割、钻或锯的石材加工业中，钻石工具是足够坚硬的，能使切割等加工更经济。如果不使用超级磨料，这种行业的成本将无法降低。
同样，在精密磨削工业中，由于其优异的耐磨性，超级磨料工具具有可改善所需的紧公差的独特能力，同时足够的耐磨性又是很实用的。
虽然在切削、钻削和磨削工具中提供钻石和立方氮化硼可获得巨大的改善，但是仍有几项如果克服会大大提高工具性能和/或降低其成本的缺陷。如钻石磨料或立方氮化硼磨粒不是均匀分布在将其固定在适当位置的基体中。因此，该研磨剂微粒没有处于切削、钻削等效率为最大的位置，并且也使得工具的制造成本为最大。在某些情况下，磨料颗粒被设置成靠得太近，而在另外一些情况下，磨料颗粒又被设置成分得太远。
磨粒的间隔决定了其工作负载。磨料颗粒不适当的间距会导致磨料表面上或结构上的过早失效。因此，如果磨料颗粒靠得太近，一些磨粒就是多余的。这样的磨粒对于切削、磨削等应用仅提供极少的帮助或没有提供帮助。当然，由于钻石和氮化硼成本很高，使用过多磨粒会增加磨料的费用。甚且，这些无功能的磨粒会堵塞岩石碎片的通道，从而降低切削效率。因此，磨料颗粒之间设置地太近会增加其成本，同时降低了工具的使用寿命。
另一方面，如果磨料颗粒被分得太远，各磨粒的工作负载(如，由工件产生的冲击力)会过大。稀疏分布的磨粒会被压碎、或可能从其设置的基体上剥离。这损坏的或损失的磨料颗粒不能对工作负载有充分的协助。因此，工作负载被传递到残存的磨料颗粒中。各磨料颗粒的失效导致了一连锁反应，使工具进行切削、钻削、磨削等时效率低下。
一般的超级磨料工具，诸如一钻石锯刃，是由将钻石颗粒(如40/50美国筛目锯粒)混合以适当的基体(粘合剂)粉末(如1.5微米大小的钴粉末)。该混合物然后被压入一模具中制成所需正确的形状(如一锯割部)。
该“绿色”结构然后经过在摄氏700～1200度的温度之间烧结而合并在一起以形成一在其中设置有多数磨料颗粒的单个本体。最终，该合成体被结合(如用硬焊)到一工具本体上，诸如一锯刀的圆形刀刃，以制成成品。
然而，不同的应用需要不同的钻石(或立方氮化硼)和金属粉末的结合。比如，对于应用在钻和锯方面，需要将大尺寸(20至60美国筛目)的钻石颗粒与金属粉末相混合。金属粉末一般可从钴、镍、铁、铜、青铜、这些材料的合金和/或混合物中选择。对于应用于磨方面，则需要小尺寸(60/400美国筛目)的钻石颗粒(立方氮化硼)与金属(一般为青铜)、陶瓷/玻璃(一般为氧化钠、氧化钾、氧化矽和氧化铝的混合物)或树脂(一般为酚类)相混合。
因为钻石或立方氮化硼比基体粉末大得多(在上述制造锯割部的实例中为300倍)，并且比后者轻得多(在制造锯割部中大约为1/3的密度)，所以将两者混合以获致均匀是很因难的。况且，甚至经过混合后，在诸如将混合物倒入模具中之类的后续处理中，或者是在混合物受到振动时，钻石仍会从金属中隔离出来。此钻石分布问题对于金属基体工具特别麻烦，金属基体工具占所有钻石工具的总价值的60％以上。在金属基体工具中，钻石锯(圆形锯、直线刃、线锯等)包含大约80％的价值。因此，迫切需要寻求一种方法，使磨料材料的使用寿命增加，和/或使必需的磨料数量减少。这已经由在此表述的本发明所完成了。本发明适用于所有的超级磨料工具，并对钻石锯-所有钻石工具中价值最大部分尤其有效。
数十年来，对解决钻石分布问题有许多的尝试。不幸的是，没有一种尝试的方法已被证明是有效的。而且直至今天，钻石工具中钻石颗粒的分布仍是随机的和不规则的，除了一些特殊情况之外，比如用手工将大个的钻石颗粒一个个地设置在表面上以提供一单层的钻孔机或打磨机。
一种试图使钻石分布均匀的方法是用基体粉末涂层将钻石颗粒包住。各钻石工具中钻石颗粒浓度是适合于特定应用的。浓度决定了钻石颗粒之间的平均距离。比如，一般锯割部的浓度为25(100为体积的25％)或体积的6.25％。这一浓度使钻石至钻石的平均距离为颗粒尺寸的2.5倍。因此，如果将该钻石涂成其直径的0.75倍并将已涂完的颗粒混合在一起，该钻石分布会受到涂层厚度的控制而变得均匀。另外，金属粉末可以被作为这些已涂颗粒的间隙填料来增加包裹的效率以使在随后的烧结中基体粉末的结合更容易。
虽然上述涂层方法具有一定的好处，但实际上涂层的均匀是难以达到的。有许多涂钻石颗粒和其聚合体(复晶钻石)的化学方法。比如，Chen和Sung(美国专利号第5,024,680或5,062,865)描述了一种使用液化床对钻石颗粒进行涂层的CVD方法。Sung及其他者(美国专利第4,943,488或5,116,568号)描述了另一种使用液化床对复晶钻石进行涂层的方法。然而，大多数方法只能产生较薄的涂层(如几微米)，而不会对钻石的分布产生影响。而且，化学涂层的方法一般需要在高温下(如超过900℃)进行处理而会导致钻石的损伤。在该温度之上合成钻石颗粒会产生微裂是众所周知的。这些微裂是在高温下钻石向石墨逆转而产生的。该逆转是由合成时结合有钻石的金属含有物的催化反应引起的。CVD处理不可能轻易获得较厚的涂层，并且成系统的这些处理方法通常价格较高。因此，CVD处理并非是使钻石平均分布在工具中实用的方法。
然而，还有更便宜的机械方法(如，将钻石颗粒在金属粉末中搅拌)来形成较厚的钻石涂层，一般在低温下其不会导致钻石的递降分解。但是，用这些方法是很难获得均匀厚度的较厚涂层。
例如，在试图实行美国专利第4,770,907号专利叙述发明和实施“用液化床进行锯钻颗粒的金属涂层”中(见“高级材料的制造及特性”P267-273页，韩国材料研究协会S.W.Kim和S.J.Park，1995)，已涂层的钻石颗粒厚度变化很大。而且，只有极微细的(即小于5微米)金属粉末才能被有效地涂在钻石上。另外，这些方法的可重复性很差。因此，虽然这些涂层可以改善工具中钻石的分布，但其作用是有限的。
另外，在机械涂层中，用有机粘合剂无法将金属粉末固定牢。该涂层很容易在以后的混合过程中被擦掉，并因此丧失了其预期的效果。虽然热处理可以增加涂层的机械强度，但是，它是一个增加额外成本的步骤。
对于将带有钻石颗粒的工具进行涂层的目前方法还有另一个限制。许多时候，钻石工具需要将不同尺寸的钻石颗粒和/或不同的钻石浓度设置在同一钻石工具的不同部位。比如，锯割部边缘或前端容易磨损得比中段快。因此，最好将较高浓度和较小颗粒设置在这些部位以防止不均匀磨损和因此带来的锯割部的过早失效。这些高浓度/小尺寸的部分(已知如“三明治”部)是难以用已涂层钻石混合以金属粉末获得切割部中磨料颗粒的受控分布来制造的。因此，尽管已知具有不同的钻石颗粒尺寸和浓度水平的优越性，但由于可实行方法的缺乏这种形态很少被使用。
简而言之，现有技术是无法有效控制工具中钻石的均匀分布的。同样，现有的方法也不足以提供在同一工具不同部位上的尺寸变化和/或浓度变化的有效控制。而且，甚至在使分布相对均匀时，现有技术也不能改变分布的图案以克服或补偿在用以特定目的时磨料材料的一般磨损图案。通过解决这些问题，钻石和其它的超级磨料工具的性能可以有效地被提高。
据估计在工作中至多有10％的磨料被损耗，余下的大部分由于这些工具的低效使用而被浪费掉了。在导致该低效率的各种原因中，无法将每个磨料定位在所需的位置是一个主要因素。本发明决定经由去除磨料颗粒的随机分布获致革命性的改进以克服该缺陷。结果将会使研磨工具所具有的每个磨料颗粒都恰当地嵌在所需的位置以获得最大利用。因此，研磨工具的性能可被提高。
通过使磨料颗粒均匀分布或根据工具的特定应用进行改动，则工作负载可以均匀地分布在各磨粒上。因此，该研磨工具将切削得更快并且其工作寿命会延长一相当长的时间。而且，去除多余的，只需有较少的磨料，从而降低了工具生产的成本。另外，如果该分布可以被控制，使用钻石或立方氮化硼的研磨工具可以形成提供尽可能高效的工具轮廓。
通过提供一制成此类工具的方法，本发明解决了这些问题并提供了上述的优点，其中磨料颗粒分布可受到控制以提供均匀的颗粒设置，或提供根据工具的特定磨损特性进行改动的颗粒设置。因为钻石颗粒的分布是受到控制的，所以该颗粒可以提供了比具有表面过早磨损部分相对更均匀磨料表面的磨损的图案来设置。当各磨粒被更充分地利用时，不需要作为后备的多余磨粒。故而，制造研磨工具的成本可以由降低超级磨料使用的总数量来降低。因为，超级磨料(钻石或立方氮化硼)的价格是如此之高，以至于其通常达到工具整个生产成本的一半。通过受控分布的使用以大大降低的浓度保持超级研磨工具的性能，由于减少了昂贵的磨料的需要，可以明显地节省成本。
本发明的一个目的在于提供一种制成超级研磨工具的方法，其中超级磨料刀刃的分布是受到控制以提供改进的切削、磨削等，其特性不需要增加形成该工具所使用的超级磨料数量。
本发明的另一个目的在于提供这种方法，其中超级磨料颗粒的分布是受到控制以提供磨料表面更均匀的磨损，并从而延长工具的使用寿命。
本发明的再一目的在于提供带有少量的用以完成所设计工作需要之超级磨料的工具，从而降低该工具的制造成本。
本发明的技术方案在于，将通过使用形成超级磨料表面的全新方法的来达成以上的目的。虽然钻石或立方氮化硼磨粒的分布一直被看成是一复杂的三维问题，但本发明将超级磨料的分布降低为易于调整和控制的实质上二维生产过程，并且能在高精度下重复。尤其在于，磨料颗粒在基体中所需的分布是将包含了磨料颗粒的一受控、预设图案的基体材料层组装而完成的。各层是将超级磨料颗粒以预定的图案分布在粘合基体层中而形成的。组装成超级磨料充满部的各层可以有相同的分布图案和浓度，或者层与层之间分布图案和/或浓度也可以不同。
本发明的各层由设置一基体材料层而组成，以便其可以当作一基层来使用。然后超级磨料颗粒以所需的图案设置在基体材料层中。在钻石颗粒以预定图案植入基体材料层后，重复该生产过程直至形成所需数量的层。这些层然后被组装在一起以形成所需的三维体。随后，结合该钻石工具(如用上述的烧结或渗透等方法)以制成成品。
通过层的使用将三维问题降低为二维的解决方法，本发明不仅能在工具本体中达到所需的钻石分布图案，而且还能在同一工具本体的不同部位提供了可能调整钻石浓度的适应性。从而，钻石颗粒可以在某些层中设置得比其它层更高，并且这些带有更高钻石浓度的层可以被设置在以这种方法生成的三维结构中以防止一般在许多已有技术的磨料工具中会产生的不均匀磨损图案。
根据本发明的各超级磨料层是先形成一粘结基体薄层而产生的。一模板然后被设置在该粘结基体上。该模板上具有多个制成容置特定尺寸的超级磨料颗粒大小的孔，每孔设置有一个磨粒。当超级磨料填入该孔时，其可以被压入或者移入粘结基体中。由于模板，该进入粘结基体的超级磨料是以预定图案设置的。该多个超级磨料层然后可以被粘结在一起，并用硬焊或一些其它方法结合在工具上以提供工具的三维超级磨料切削或磨削件。
根据本发明，超级磨料颗粒所设置的图案可以是均匀的，或者可以根据所要提供的超级研磨件的特定切削能力进行计算。例如，超级磨料颗粒可以不同的浓度设置以补偿不均匀的磨损图案。因此，锯子切削边的钻石分布在前缘和侧边上可比一般受较少磨损的中段钻石颗粒分布更多。同样，超级磨料颗粒的尺寸也可受到控制以提供根据工具的特定用途和磨损图案而改动的切削、磨削等表面。
以下结合附图进一步说明本发明的具体结构特征及目的。
附图简要说明
图1A显示了由多个相邻设置以组成三维超级研磨件的直线纵向层形成的超级研磨工具的一部分。
图1B显示了图1A所示工具部分的一相似形态的横剖面视图，其中由一基体材料和一相对较大的超级磨料形成的层被夹在具有更小颗粒和更高粘结剂浓度的两基体材料层之间。
图2A显示了由多个结合起来以组成三维超级研磨件的弧形纵向层形成的超级研磨工具的一部分。
图2B显示了用于图2A所示的部分中的多层基体材料的横剖面。
图3显示了切削工具的另一个可能布置的一部份，其具有设置在三维超级研磨件的前切割端的高浓度研磨材料形成的横向层。
图4显示了一切削工具部分的又一布置，其中三维超级研磨件是以磨料分布朝工具的顶面逐渐密集的水平层形成的。
图5A至图5D显示了以受控的超级磨料分布形成层的一种可能方法。
图6A至图6C显示了以受控的超级磨料分布形成一层或多层的另一替代方法。
参看图1A，其显示了一超级磨料工具上一部分的立体图，其概略地标记为10。该部分10由多个层14、16和18所组成，这些层充满了由黑圈20所标记的超级磨料颗粒。多个层14、16和18与相邻的另一个设置成一直线纵向列以便这些层形成三维的超级磨料颗粒部10。
正如以下所另外详细讨论的，该部分10形成多个薄层，对控制超级磨料颗粒的分布有显著提高。由对各层中超级磨料颗粒分布的控制并且结合各层，可形成一超级磨料颗粒的分布在各维中得以控制的三维部分。这恰好可使该部分的结构特别适应相应用途，如切削、锯、磨等。通过对该部分10中的超级磨料的分布和浓度的修改，在手工工作条件下给予工具实施以更精确的控制。
比如，当用一钻石锯割刃切割岩石(如花岗岩)时，钻石锯割部的两边比中心部所切割的材料更多。由于此不均匀的磨损，该锯割部的横剖面变成中间高于两边的凸起形状。该形态一般会减缓该锯割刃的切割效率。而且，该凸起的轮廓还会使锯割刃在切割槽中侧向弯曲。为了保证直线切割路径，有时需将更多的超级磨料颗粒加入切割层中制成一“夹心钻石部”以增强该部的两边。这种“夹心部”用传统方法将钻石颗粒混入材料粉末中是难以生产的，但是最初将钻石颗粒以所需图案固定在分层的材料基体中是很容易完成的，然后将这些层组装在一起以形成夹心部。
根据本发明所制成的一种切割部可以防止该切割部边的过早磨损，从而延长该切割部的使用寿命。具体请参看图1B，其显示了图1A切割部的横剖面。不像已有技术中的切割部，该切割部10是由三层14、16和18各自组成。中间层16具有多个第一尺寸(一般为40/50美国筛目)和第一浓度(如20)的超级磨料颗粒20a。相比之下，外层14和18具有多个超级磨料颗粒，其为比第一尺寸小的第二尺寸(一般为50/60美国筛目)，并且比中间层16中的浓度大(如23)。该更小更稠密分布的超级磨料20b在切割混凝土、岩石、沥青等时，给外层提供了更大的抗磨损阻力。因为外层14和18是更能抗磨损，所以该切割部10不会发生如传统工具中所因袭产生的凸起外表面形状。通过保持一更平的切割表面或均匀的凹陷轮廓，该切割部就能保持一直线切割路径并具有较长的使用寿命。而且，在锯子的侧部上使用更小的颗粒，切削表面会更光滑。另外工件的碎裂也可得以避免。
使用多层设置有钻石或立方氮化硼之基体的另一个优点在于，它们易于制成用于切削、钻、磨等的其它所需形状。例如，图2A显示了一大致标记为30锯割部的立体图，其为一由多个弧形的纵向层所组成的一超级磨料工具，这些层相互连结以形成三维工具件。在本例中，该部分30是由各为弧形的第一、第二和第三层34、36和38所组成。当这三层结合在一起时就形成了一弧形切割部30。该切割部当然可以用在非直线的切削工具(如，圆锯刃)上，以及其它类型的需要非直线超级磨料部分的工具上。因为这些层最初是各自独立成形的，所以其更容易与所需的形状相配合，并能在这样做的同时将设置于其中的超级磨料颗粒20保持在其预定位置。
各层中被加入了多个超级磨料20，一般为钻石或立方氮化硼。因为各层是作为一大致为两维的单元所形成的(即该基体厚度通常将是不超过磨粒直径的两倍)，所以在超级磨料颗粒的配置中提供了高级控制。如上所述，已有技术中的随机配置经常导致超级磨料颗粒的无效使用。但是，本发明的受控分布可以使得所设计的分布均匀以防止间隔过大或过小，或者受控分布使切割部的各部分具有不同的尺寸和浓度以配合防止传统的磨损样式。
现参看图2B，其显示了切割部30的多个层34、36和38的横剖面图。当然该超级磨料颗粒可以为图1A或图2A中所示的切割部中所使用的一样。与图1B中的实施例不同的是，这些层各具有相同的超级磨料颗粒20尺寸和浓度。但是，因为磨粒间隔大致是均匀的，所以超级磨料颗粒之间的间隔不会过大或过小，并且该切割部30的磨损比已有技术中随机间隔磨粒的切割部的磨损更均匀。更均匀的磨损防止了切割部30的过早失效，并且因此延长了工具的寿命，同时保持所使用的超级磨料的数量为最小。
图3显示了根据本发明之技术所制成的切割部50的另一可能实施例。钻石切割部中的分层结构还可以为横向或水平地组装。因此，图3中的切割部50由大致标记为54的多个横向层所组成。标记为56的第一多层具有超级磨料颗粒的第一浓度(以每层包括以补偿图案分布的超级磨料颗粒20的四层表示)。标记为58的第二多层具有小于第一浓度的第二浓度(以带有超级磨料颗粒20的偏置图案的九层表示)。
许多切削工具所形成的该切割部50具有能执行半数以上的切削并能承受在与被切削的工件相接触时所受冲击力的前缘。例如，一圆形锯割刃通常会有多个齿(锯割部)，各齿具有一承受切削力的前缘。因为该前缘实施了大部分的切削，因此，它比齿的旋转拖曳部更易受磨损。
然而，在根据已有技术成形时，设置在该齿中的磨料颗粒的浓度通常是相同的。在超过前缘显着磨损的时间后，该拖曳层58还维持在最小磨损。最终，锯齿的磨料在前缘上被磨光，同时在尾端保留了大量的磨料。因此，在刀刃被丢弃时大量的磨料被浪费了。
图3的实施例特别用于克服这些困扰。较之旋转末端部分，将大部分的超级磨料颗粒20配置在前缘附近，使层56和58形成的经过切割部50的磨损大致是平均的。因此，随着前缘达到其使用寿命的终点，切割部50的保持部也已磨损殆尽了。该超级磨料颗粒20的受控分布降低了贵重材料的使用并因在不损害其实施的状况下降低了制造切割部50的成本。另外，由于提供了更平均的磨损，该切割部50可以经常保持最高的切削速度，直到其使用寿命结束前不久。
图4显示了另一个切割部的设计，其中三维超级研磨件是形成磨料向工具的顶面逐渐密集的水平层的分布。经常会发现切割速度倾向于随着工具的磨损而降低。因此，随着超级磨料颗粒浓度的降低，该工具可以在机械恒定功率下保持其当前的切削速度。因此，如图3的实施例，超级磨料颗粒20的受控分布形成了一改进磨料切割部70，同时由于节省了其不需要的超级磨料颗粒而降低了磨料工具的成本。
根据本发明方法的例行实验和教示，熟知此项技术之人士将能定做出切削、钻、磨、抛光以及其它类型的磨料部，而这些磨料部为特定成形以使其实施达最高之效率(即，切削、钻、磨等)超过一延长的使用寿命，同时同步减少了形成工具所使用的贵重超级磨料的数量。
现参看图5A至图5D，其显示有一根据本发明之原则制作层的方法。该方法的第一步是制成一将与该超级磨料颗粒20相粘合的基体体料104的薄片100。该基体材料104的薄片100可以由如上所述的传统材料粉末，或其它的被发现的粘合介质所制成。
有许多方法可以将基体粉末制成薄片100。比如，该粉末可先与一种适当的粘合剂(一般为有机的)和可溶解该粘合剂的溶剂相混合。为了防止在制造过程中结块，还必须加入适当的润湿介质(如鲱鱼油、磷酸酯)。该泥浆然后被倒在一塑胶带上并在一刀刃或水平装置之下被拉长。通过调整刀刃和带子之间的间隙，该泥浆可以铸成适当厚度的薄片。该带形铸造方法是一种广为人知的制造粉末材料薄片的方法并且用本发明的方法制造会很好。
另外，该粉末可以混合适当的粘合剂及其溶剂以形成一可变形的块。该块可从一带有一狭长开口的模子中挤出。开口的间隙决定了该挤出板的厚度。另外，该材料也可以在两个具有可调整间隙的滚子之间被拉出而形成适当厚度的薄片。
为了使该薄片易受到随之发生的处理的影响(如，将有一弯曲的工具基层弯折)。因此，也可加入适当的有机塑胶以提供所需的特性。粉末(金属、塑胶或陶瓷)制造中有机介质的使用在许多教科书中有记录并且对熟知此项技术之人士而言是熟知的。典型的粘合剂保括多元醇(PVA)、聚乙烯醇缩丁醛(PVB)、聚乙二醇(PEG)、石腊、苯酚树脂、腊乳液和丙烯酸树脂。典型的粘合剂溶剂保括甲醇、乙醇、丙酮、三氯乙烯、甲苯等。典型的可塑性增强剂有聚乙二醇、草酸乙二醇、三甘醇二氢松香酯、甘油、孖酸辛酯。所介绍的这些有机介质是便于材料层制造的。其必须在材料粉末结合前被去除。该粘合剂去除的生产过程(比如，以气压控制在炉中加热)对熟知此项技术之人士而言是熟悉的。
一旦基体材料104的薄片100形成后，一模板110被放置在薄片的顶端。该模板110包含了比一个磨料颗粒大，但比二个磨料颗粒小的孔114，以便让磨料的单个磨粒被设置在各特定的位置．在本例中，该模板的厚度最好在磨料颗粒20平均高度的1/3至2/3之间．然而，如果有对用于将该磨料颗粒固定在所需位置的适当调节，也可以使用其它厚度。
在模板110准确定位后，一磨料颗粒20层就被散布在该模板上，以便各孔114容置一磨料颗粒。通过将基层倾斜，用扫帚扫除或一些其它的类似方法，将那些没有落入模板110中的孔114中的磨粒去除。
如图5B中所示，一大致平坦的表面120，如一钢板，然后被设置在留在模板110的孔114中的磨粒20上。该平坦表面120将磨料颗粒20至少部分压入基体材料104的软薄片100中使磨粒固定。
将模板110拿去后，平板120被再次使用将磨料颗粒120稳固地压入基体材料104的薄片100中，如图5C所示。在该平板120较好时，熟知此项技术之人士将会察觉到需要具有从材料薄片100之以相等高度突起的磨料颗粒时是有必要的。另外，一些磨料颗粒20可能要比其它的磨料颗粒从基体材料的薄片100中更向外延伸。在此情况下，一种按轮廓的或不同形状的表面可用以固定比其它磨粒更深入基体材料104薄片中的一些磨料颗粒20。
如果需要，在图5A至图5C所示的生产过程可以在基体材料104薄片100的另一侧上重复(如图5D所示)，以形成一具有以一些预定的所需的图形分布的磨料颗粒20的注入层。该生产过程一般重复几次以获得充满磨料颗粒20的薄层和薄片100。当然，各薄片100不需要具有相同的磨料颗粒20分布图案，磨料颗粒的浓度也不必相同。
充满磨料的薄片100接下来被切割成任何所需的尺寸和形状。然后将这些薄片组装起来以制成合适的工具部或整个工具本体。一般，薄片的组装是由诸如带压力的冷收缩的方法来完成的。以这样形成的该
绿
本体然后可通过以下实例所述的烧结或渗透的方法结合在一起以制成一最终的工具产品。
在图5A至图5D中所述方法对于许多应用而言是最佳的同时，还有需要磨料颗粒20从基体材料的薄片100向外延伸的情况。比如，一些工具可以仅有一层磨料。这只要实施图5A和图5B中所示的步骤将模板110放于正确位置即可简单地完成，而不必再于模板被移除时将磨粒20压入基体材料中。
另外，图6A至图6C显示了一图5A至图5D所讨论方法的替代的侧视图。在图6A中，基体材料薄片130比超级磨料颗粒20的高度薄。因此，在该生产过程中，当磨粒被压入薄片130时，该磨粒20会在基体材料134之上凸起。
虽然本发明是打算用于制造三维研磨工具的，但包含于本应用中的教示同样也能容易地应用于二维工具中。例如，美国专利第3,894,673和第4,108,576阐述了一些含有一单层钻石磨粒铜焊钻石工具。这些磨粒被硬焊在工具的尖端部。该钻石工具被广为销售(如美国磨料技术公司)用以切割和研磨非铁质的材料(如岩石或玻璃)。
然而，在这些工具中钻石颗粒的分布一般是随机的和不均匀的。在图5A至图6C中所阐述的方法可以容易地应用于这些工具上以改善钻石的分布。在此例中，该方法提供了几个超过这些专利所述的传统技术的优点。比如，通过将钻石颗粒以一所需的图案分布，切削负载可均匀分布在所有的钻石颗粒上。因此，该工具可切削得更快，同时寿命更长。
具有一均匀厚度的硬焊层，该运行可以进一步提高。该一致的厚度可使钻石保持力更佳并使碎片去除更容易。而且，由于充分利用了用于切削的各钻石颗粒，钻石的浓度可以降低。如所述，钻石成本通常占钻石工具的整个制造成本的一半左右。因此，通过实施本发明，制造成本可大大被降低。
在图6A至图6C还显示了模板110上孔的间距不必为均匀的原理。相反，间距的变化可便于在基体材料134的薄片130的不同部位提供不同的浓度。同样，通过控制孔138尺寸和钻石颗粒处于孔中的次序，可以提供一带有不同尺寸颗粒的单层。
另外，为了能改善工具的性能和降低制造的成本，本发明还提供了制造薄刃工具的更容易的方法。比如，电子工业需要使用更大的硅晶片(现直径已达12英寸)。因此，需要以较低的损失将矽晶切成薄片的更薄锯刃，以及将硅晶片挖成更密集部分的更薄的切丁轮。
在本发明之前，要制得一包含有均匀分布钻石颗粒的非常薄的工具是极困难的。本发明提供了制造该工具的另一可行的方法。比如，已发现将钻石的微米粉末、材料粉末的混合物(如，青铜和钴)以及适当的粘合剂混合在一起，该材料可以被碾压至小于0.1mm的厚度，比最薄的切丁轮的厚度更薄。将该薄片烘干并安装在一工具柄上，可制成一薄切丁轮。
在上述的替代方法中，根据本发明可以发现受控分布的一些优点，上述的多层超级磨料形态可不使用模板而获得。尤其是，磨料颗粒可以同基体材料粉末混合在一起并作为分层薄片的原料。在该例中，磨料颗粒的分布多少仍是随机的。虽然如此，其分布一般比传统磨料本体更均匀。在背景部分所讨论的磨料颗粒和基体粉末的隔离大体在二维薄片中要比在三维本体中扩展更少。这对经变形生产(如碾压)而制得的薄片特别合适。在本例中，磨料颗粒随着滚子的碾压而被进一步散布在基体中。
本发明也可应用在其它不涉及制造研磨工具的应用中。比如，嵌有钻石颗粒的石墨或金属片可以作为在高温高压下生长的钻石晶种。工业用钻石一般是将石墨和金属催化剂(如，铁、钴或镍合金)的另一层压缩至高压并加热至催化剂的熔点而制成的。则钻石将会在这些层的界面上随机的成核。形成的钻石晶体品质经常由于生长晶体分布不均匀的影响而受到损害。因此，钻石合成的产量和成本可通过使晶核分布均匀而大大提高。本发明可提供带有预定钻石晶种图案的石墨或金属催化剂层。如果在这些层制造中注入有机溶剂，则它们可于加压前在火炉中被加热去除。
例140/50美国筛目的钻石颗粒(De Beers公司制SDA-85)混合以金属粉末形成含20钻石浓度(集中度)的混合物(占总体积的5％)。基体材料中的金属粉末含五种不同的钴(大约1.5mm)和青铜(大约20mm)比例。一种丙烯酸粘合剂被加入到该混合物中(重量的8％)并且该装填物被混合以形成一块状物。该块状物然后在两个不锈钢滚子之间被碾压以形成1mm厚度的薄片。这些薄片会被切成40mm长和15mm宽的锯齿层。每三个锯齿层被组装在一起并放置在一般的石墨模中以制成传统的钻石锯齿。该石墨模经由通过之电流加热使三层锯齿层被压合。经过三分钟的烧结后，该锯齿被烧结成9mm高并带有小于1％的气孔。二十四个锯齿被焊在一直径为14英寸的圆锯片上。这五个钻石锯片是用以切割花岗岩并且发现其性能比以传统方法制成的高浓度更好。对已磨损的锯齿进行的显微镜检查显示，虽然钻石磨粒没有被嵌在分层的基体中，但其分布比用传统方法制成的锯齿更均匀。在分层基体中微粒的间隔比传统部分之较厚本体中的小得多。
例2按照例1相同的生产过程，但各部分具有8个薄层(0.4mm)。钻石浓度被降低至15并且钻石磨粒根据图5A至D所示的说明植入。钻石的分布有明显改善。因此，这些锯齿的性能比由传统方法制成的浓度为20的锯齿更平均或更好。
例3大约为100美国筛目的铁粉末被混合以Wall Colmonoy公司制造的一种S粘合剂以形成一块状物。该块状物然后被碾压以形成0.4mm厚的薄片。40/50美国筛目的SDA-100钻石颗粒被植入这些薄片中以获得浓度15。这些包含钻石的薄片被切成40mm长和15mm宽的锯齿层。每八个锯齿层被组装成一组并放置于石墨模中。二十四组被放成水平，而另二十四组在石墨模中被放成垂直。镍铬焊料合金LM粉末(-140美国筛目)(由Wall Colmonoy公司制造)被添加在这些锯齿的顶端。这些样品在真空炉中被加热至1050℃，将水平放置的锯齿保持20分钟，并将垂直放置的锯齿保持30分钟。该熔化的LM合金(熔点为1000℃之镍-铬-硼-矽合金)渗入这些锯齿并充满了孔隙。这些锯齿上多余的LM合金焊料用电极放电(EDG)将其磨除。每24组这样制成的锯齿被焊在14英寸(直径)的圆形锯片上。这些锯片被用于切割花岗岩，其性能超过传统锯片。
例4镍铬焊料合金LM粉末被混以一种丙烯酸粘结剂并经碾压以形成大约0.25mm的层。根据图5中所示的方法将通用电气公司所生产的40/50美国筛目MBS-960钻石颗粒植入这些金属层中。这些被植入金属层的钻石被切成适当的形状并包在2000个线锯的串珠粒表面。这些珠粒(10mm直径10mm长)被分成两组，一组包含280个钻石磨粒(每珠含大约0.2克拉钻石)，另一组包含400个钻石磨粒(每珠含大约0.3克拉钻石)。这些珠粒在真空炉中被加热至1000℃维持8分钟。这些珠粒在硬焊后被安装在几个线锯上并用来切割大理石、蛇纹石及花岗岩。这些珠粒的性能被发现比传统珠粒好得多。后一种珠粒一般由热压或电镀制成。这些传统珠粒可以在每个珠粒中包含更多数量的钻石(每粒含约1克拉钻石)。
例5如例4所述的相同方法，但应用于其它的产品，如圆锯、薄壁钻头，以及异形磨具。各产品的性能超过了具有相同钻石浓度的传统电镀钻石工具。
权利要求
1.一种具有一磨料渗入部的研磨工具，其特征在于，包括一形成粘结钻石颗粒的金属基体；以及以一特定排列方式分布在该金属基体上的多个钻石颗粒。
2.根据权利要求1所述之研磨工具，其特征在于该磨料颗粒可以是钻石、立体氮化硼、氧化铝或碳化矽。
3.根据权利要求1所述之研磨工具，其特征在于该金属基体是由多个金属基体层所重叠组成，各层包含植入的钻石颗粒。
4.根据权利要求3所述之研磨工具，其特征在于某一层中的该钻石颗粒至少比另外一层中的磨料颗粒大。
5.根据权利要求3所述之研磨工具，其特征在于多个基体材料层包括至少一个外层和至少一个内层，并且其中至少一个内层的钻石颗粒大于至少一个外层的钻石颗粒。
6.根据权利要求5所述之研磨工具，其特征在于该基体材料形成两个外层和至少一个设置在该两外层之间的内层，其中各外层和至少一个内层中含有钻石颗粒，并且其中设置在该至少一个内层中的钻石颗粒比外层中所设置的那些大。
7.根据权利要求3所述之研磨工具，其特征在于该至少一层具有比至少另一层更高的钻石颗粒浓度(集中度)。
8.根据权利要求7所述之研磨工具，其特征在于多个基体材料层包括至少一个外层和至少一个内层，并且其中该至少一个的外层具有比该至少一个内层更高的钻石颗粒浓度。
9.根据权利要求8项所述之研磨工具，其特征在于该基体材料形成两个外层和至少一个设置在该两外层之间的内层，其中各外层和至少一个内层中设置有钻石颗粒，并且其中设置在该外层中的钻石颗粒比至少一个的内层中的钻石颗粒浓度大。
10.根据权利要求7所述之研磨工具，其特征在于多个层包括至少一个具有第一钻石颗粒浓度的第一层，至少一个具有小于第一浓度的第二浓度的第二层，以及至少一个具有小于第二浓度的第三浓度的第三层。
11.根据权利要求7所述之研磨工具，其特征在于该磨料渗入部具有一撞击所切削之表面的前缘，其中该磨料渗入部由多个层形成，某些层与该前缘相邻，而一些层则离前缘较远，并且其中与该前缘相邻的层具有比离前缘较远的层更高的钻石颗粒浓度。
12.根据权利要求1所述之研磨工具，其特征在于所含钻石颗粒是均匀的分布在基体材料内。
13.根据权利要求12所述之研磨工具，其特征在于所含钻石颗粒是均匀分布在该工具内。
14.根据权利要求1所述之研磨工具，其特征在于该工具具有遍布在其上的钻石颗粒，并且其中该工具具有一拥有较高浓度钻石颗粒的外部。
15.根据权利要求1所述之研磨工具，其特征在于该磨料渗入部形成有一撞击面，并且其中钻石颗粒在靠近撞击面处是以较高的浓度分布的。
16.根据权利要求1所述之研磨工具，其特征在于该磨料渗入部由多个具有呈某种图案分布之钻石颗粒的金属基体层组成，这些多个金属基体层组装在一起形成一具有所需三维分布的钻石颗粒之渗入部。
17.一种研磨工具，其特征在于，包括由多个含钻石颗粒的金属基体组成的层，以及多个分布在基体材料层中的钻石颗粒，这些层重叠形成一具三维基体材料的工具。
18.根据权利要求17所述之研磨工具，其特征在于至少一层为1微米厚或更薄。
19.根据权利要求17所述之研磨工具，其特征在于这些层是由硬焊、烧结或渗透的方法结合在一起。
20.根据权利要求17所述之研磨工具，其特征在于该钻石颗粒以预定图案分布在这些层中。
21.根据权利要求20所述之研磨工具，其特征在于钻石颗粒的分布至少在一层上是均匀的。
22.一种研磨工具，其特征在于，包括至少一层带有钻石颗粒的金属基体，该层厚度为1微米或更薄并经在滚子之间碾压该金属基体以使钻石颗粒的分布更均匀。
23.一种用以制造一种研磨工具本体的方法，其特征在于，该方法包括(a)形成一用以粘附钻石颗粒的金属基体薄片；以及(b)以预定的图案将多个钻石颗粒设置在金属基体薄片中。
24.根据权利要求23所述之方法，其特征在于该方法包括在布置钻石颗粒之前，先将形成有多个孔的模板放置在金属基体薄片上，以便使钻石颗粒的设置受到孔的导引，从而可选择地将金属基体薄片上的研磨颗料位置限制在孔的位置处。
25.根据权利要求24所述之方法，其特征在于该方法尤其包括使用一由筛网形成的模板。
26.根据权利要求24所述之方法，其特征在于该模板是由一形成具有多个孔的平板制成，这些孔是以预定图案所配置的。
27.根据权利要求26所述之方法，其特征在于各孔的直径大于所要定位的钻石颗粒，但小于钻石颗粒二倍的直径。
28.根据权利要求23所述之方法，其特征在于该方法尤其包括以条形铸造方式制成该基体材料薄片。
29.根据权利要求23所述之方法，其特征在于该方法尤其包括该基体材料薄片以滚压方式制成。
30.根据权利要求23所述之方法，其特征在于该方法尤其包括该基体材料层以挤压成形方式制成。
31.根据权利要求23所述之方法，其特征在于该方法尤其包括制成复数具有呈某种图案分布之钻石颗粒的金属基体层，这些多个金属基体层组装在一起形成一具有所需三维分布的钻石颗粒之渗入部。
32.一种能改善钻石颗粒分布的将钻石颗粒渗入金属基体层制造方法，其特征在于，该方法包括(a)将金属基体和钻石颗粒混合制成一层；(b)将钻石颗粒分布在金属基体中，以及(c)以碾压方式把包含金属基体和钻石颗粒的层压至不超过1微米的厚度。
33.一种用于合成钻石的催化剂层的制造方法，其特征在于，该方法包括(a)制成至少一催化剂层；以及(b)以预定图案将多个钻石颗粒植入催化剂中。
34.根据权利要求33所述之方法，其特征在于该方法还包括在植入多个钻石颗粒之前先将有机溶剂放入催化剂中。
35.一种用于制造钻石合成物源材料的方法，该方法包括(a)提供一石墨层；以及(b)以预定图案将多个钻石颗粒植入石墨层中。
36.根据权利要求1所述之研磨工具，其特征在于该磨粒渗入部至少是一层基体材料所制成的。
37.根据权利要求36所述之研磨工具，其特征在于至少一层金属基体含至少一层的钻石颗粒。
38.根据权利要求37所述之研磨工具，其特征在于该研磨工具为一线锯，该线锯至少有一部分被包含钻石颗粒之金属基体包围。
39.根据权利要求38所述之研磨工具，其特征在于该工具为一含披覆钻石串珠的线锯。
40.根据权利要求36所述之研磨工具，其特征在于该金属基体可选择由硬焊、烧结或熔渗方法制成。
41.一种具有研磨渗入部之研磨工具，其特征在于，包括一形成粘结钻石颗粒的金属基体；以及多个研磨颗粒以预定图案的方式分布在金属基体中。
全文摘要
本发明为一种具有规则性排列的钻石颗粒的研磨工具。钻石颗粒排列首先由一个二维薄片制成,并随后将薄片组装成一个三维工具。钻石颗粒可以先行置入这些二维薄片,或者它们也可以在薄片成形后被植入。植入时可由具有特定图案圆孔的模板引导。
文档编号E21B10/56GK1252021SQ98803945
公开日2000年5月3日 申请日期1998年3月26日 优先权日1997年4月4日
发明者宋健民 申请人:宋健民