专利名称：涂覆的金刚石的制作方法
涂覆的金刚石
序言
本发明涉及涂覆的金刚石颗粒，制造这种涂覆的金刚石颗粒的方 法，及其在工具中的用途。特别地，本发明涉及涂覆有初级涂层、次
级涂层和外覆层(overcoat)的金刚石颗粒。
背景技术：
本发明涉及涂覆的金刚石材料，制备这样的材料的方法，以及包 含该涂覆的金刚石材料的含磨料工具。特别地，本发明涉及涂覆的金 刚石磨粒，以及在空气中钎焊时这样的磨粒的用途。
磨料颗粒例如金刚石通常用于切割、研磨、钻孔、锯切和抛光用 途。 一种制备用于上述用途的工具的方法是钎焊。然而，在钎焊过程 中，在金刚石和钎焊材料之间难以获得足够的结合，这是因为标准钎 料(braze)对于金刚石表面的不良润湿性。相比之下，所谓的活性钎 焊材料含有能够使钎料与金刚石表面结合的碳化物形成元素例如n 或Cr，从而允许在真空炉中使未涂覆的金刚石得到钎焊。这样做的机 理是，当将钎焊合金加热到高于约750。C并变为液体时，在碳化物形 成元素和金刚石表面的碳之间形成结合。该反应允许液体钎焊合金润 湿金刚石表面。当冷却并凝固时，通过凝固的钎焊合金使金刚石结合 在适当位置。需要使用真空(或无氧气氛)以阻止钎焊材料和金刚石 发生氧化。
已尝试将涂层置于金刚石上以抑制金刚石因氧化导致的劣化，并 允许被标准钎料润湿。然而，大多数涂层具有的问题是，在制备工具 中需要非氧化环境以便防止损害涂层。通常，通过强真空的存在，通 过使用惰性气体例如氮气和氩气，或者用氢气还原来获得非氧化环境。 涂层的氧化可影响涂层在钎料中的保持力以及涂层的润湿性。此外，由涂层提供的任何保护可受到损害。当在氧化环境中进行钎焊时，这 些事件限制了由涂层提供的益处。
因此，通常在具有惰性气体的真空中并利用非常特定的钎料进行 钎焊，所有这些使得钎焊方法相对困难和昂贵。因此，具有能够在空 气中使用相对廉价的标准钎料/焊剂系统进行钎焊的金刚石产品将简 化钎焊方法并降低成本。
在US5647878 (Iacovangel。等人，GE ， 1997)和US5500248 (Iacovangelo等人，GE， 1996)中，作者记载了在化学气相沉积(CVD ) 金刚石镶嵌件上通过施加双层涂层克服了上述问题，所述双层涂层由 WTi结合层和保护性钎料相容外覆层例如Ag构成。据显示，在制备环 境中，可使用标准钎料将双层涂覆的金刚石镶嵌件空气钎焊到工具基 材上，而无需真空炉或特殊气氛。
在'878和'248中的发明旨在金刚石工具镶嵌件。所述基材主要 是CVD (即化学气相沉积的)金刚石和PCD (多晶金刚石)，且所有的 实施例均使用CVD金刚石。没有提及该发明如何能够具体应用于金刚 石细粒(更多被称为磨粒)或单晶金刚石。更具体地，没有提及颗粒 尺寸为0. 01nm-20mm的涂覆的磨粒产品。这是重要的，因为这样的 涂覆的磨粒产品将对于CVD金刚石和PCD具有不同的用途。
在'878和'248中，在保护层和下方的鴒-钛层之间获得最佳附 着力涉及在具有氮和氧吸气剂的氢气-氩气混合物中的非常特殊的热 处理。此外，在热处理期间，在钛-鴒合金层上方具有密切组成控制 以允许对于金刚石表面形成TiC化学结合并抑制Ti迁移是重要的。应 理解，制备'878和'248中所述产品所需要的热处理和特定组成控制 代表了特定处理路径，可认为该路径具有相对高的制备成本。
在'878和'248中，主要通过CVD (化学气相沉积)或PVD (物 理气相沉积)施加涂层。然而，当涂覆磨粒时，随着颗粒尺寸减小， 涂覆磨粒(特别是通过PVD)所需的时间显著增加，这是因为金刚石 颗粒表面积的增加。因而制备涂覆的磨粒的成本也提高。因此，对于 较细尺寸磨粒需要比PVD更具成本效率的方法。在工业中，存在与保持大量库存(inventory)相关的高成本，因 此存在使供应商为其顾客保持的库存量最少化的动力。然而，降低库 存水平可能对顾客收货时间(lead time)产生负面影响，除非存在能 够满y^需求的足够生产能力。然而，具有足够生产能力通常具有相关 的高资金成本。克服在具有高存货水平中的上述难题将对涂覆磨粒的 供应商具有经济益处。
还需要具有不包括或基本不包括单质碳化物形成元素例如Ti的 产品，所述元素在02存在下表现出对于氧化的亲和力。这样的单质碳 化物形成元素可扩散通过这些层并氧化。这污染并损害涂层的结构完 整性。
发明概述
根据本发明的第一方面提供了涂覆的金刚石，其包含 金刚石基材；
碳化物形成元素的初级碳化物层；
高熔点金属的次级层，所述高熔点金属选自W、 Mo、 Cr、 Ni、 Ta、 Au、 Pt、 Pd或者其任何组合或合金，该次级层基本没有来自初级 层的碳化物形成金属，和
Ag、 Ni、 Cu、 Au、 Pd、 Pt、 Rh、 0s、 Ir、 Re、其任何组合或合
金的外覆层，次级层的金属不同于外覆层的金属。
术语"基本没有"意指小于3重量％ ，优选小于2. 5重量％ ,更 优选小于2重量％，更优选小于1. 5重量。/。，更优选小于1重量％， 更优选小于0.5重量％，更优选小于0.2重量％,更优选小于0.01 重量％ ，
碳化物形成元素可选自Ti、 Cr和Mo。
金刚石基材优选是金刚石磨粒，且可选自来自于高压高温合成技 术的金刚石、CVD金刚石、多晶金刚石(PCD)、硼掺杂金刚石、单晶 金刚石和天然金刚石。
使用高压高温(HPHT)通过其中使石墨源材料溶于溶剂金羼催化剂的方法在商业基础上制备了合成金刚石磨料(磨粒)。
催化剂典型是，但不限于Ni、 Fe、 Co、 Mn或其组合。石墨和催 化剂容納在置于HPHT合成压机内的反应容积(容器)中，将该容器加 热导致溶剂催化剂的熔化，随后发生石墨源溶解产生过饱和的碳溶体。
该容器按照预定轨迹进入一定的压力(p)、温度(T)空间区域
刚石形式析出。该过程发生于由选定催化剂体系和石墨-金刚石相边 界的共晶熔化线限定的pT空间区域中，其迹线如Berman Simon平衡 线所示。
优选地，金刚石磨粒的尺寸范围为0. 01 jam-20mm。这在氧化环 境中制备金刚石工具时允许使用根据本发明的涂覆的金刚石磨粒。在 制备含有液相浸渗剂(僻如青铜)的烧结切片(segment)时或在通过 例如钎焊的方法将金刚石磨粒固定到另外的金属或金属陶瓷材料时， 该涂覆的金刚石磨粒消除了对真空炉的需要。
在本发明的优选实施方案中，通过CVD或PVD施加初级碳化物层 (优选nC涂层)，通过PVD或CVD施加次级层(优选钨)，因而消 除了对涂覆后的热处理的需要。可通过PVD或电解沉积或无电沉积施 加外覆层(优选银)。
TiC涂层和/或TiC加W涂层可以是标准制备项(Uera)，结果是
这些材料可以作为标准项保持在坯料中，仅添加制备可空气钎焊制品 所需的外覆层例如Ag，由此使与保持库存量相关的成本最小化。
根据本发明，通过使用大规模CVD制备TiC涂层，通过低温CVD 施加W，且通过无电沉积或电解沉积施加Ag，来使制备涂覆的金刚石 磨粒材料的成本得到降低，特别是对于较细尺寸。
根据本发明的第二方面，提供了制备涂覆的金刚石材料的方法， 该方法包括步骤
-提供金刚石基材；
*用碳化物形成元素的初级碳化物层来涂覆金刚石基材；
*用高熔点金属的次级层来涂覆初级层，所述金属选自W、 Mo、
8Cr、 Ni、 Ta、 Au、 Pt、 Pd或其任何组合或合金；及
'用Ag、 Ni、 Cu、 Au、 Pd、 Pt、 Rh、 0s、 Ir、 Re、其任何组合或 合金的外覆层涂覆次级层。
该次级层的金属不同于外覆层的金属。
碳化物形成元素可选自Ti、 Cr和Mo。
金刚石基材优选是金刚石磨粒，且可选自源于高压高温合成技术 的金刚石、CVD金刚石、多晶金刚石(PCD)、单晶金刚石和天然金刚 石。
在本发明的优选实施方案中，通过CVD或PVD施加初级碳化物层 (优选TiC)，通过PVD或CVD施加次级层(优选W涂层)，因而消 除了对涂覆后的热处理的需要。优选地，可通过PVD或电解沉积或无 电沉积施加外覆层(优选Ag涂层)。
根据本发明的第三方面，提供了含磨料的工具，该工具包含根据 本发明的涂覆的金刚石磨粒、单晶金刚石、CVD金刚石和/或PCD。
在本发明该方面的优选实施方案中，含磨料的工具选自用于锯 条的切片、锯条本身、钻机、用于金刚石线带锯条的串珠(bead)、 弓形锯、取芯钻头、线绳串珠、螺旋钻头、耐磨零件、砂轮、磨头 (grinding tip)、旋转式修整器、用于单头和多头修整器的修整器 头(log)、轮廓修整器、直式和异型刳刨工具、磨杯、单刃刀具、校 准轧辊、拉丝模、单刃车刀、量具(gauge)材料、硬面堆焊体或含有 涂覆的超硬磨料的任何烧结切片。
根据本发明的第四方面，提供了根据本发明的涂覆的金刚石磨粒， 掺杂硼的金刚石、单晶金刚石、CVD金刚石和/或PCD在氧化性钎焊过 程中的用途。该涂层还可以在非氧化环境(例如在真空下)以及在还 原环境中工作。
优选实施方案
根据本发明的一个方面，提供了尺寸为0. 01 jam-20mm的涂覆的 金刚石磨粒(起始磨粒，然而本领域技术人员清楚，在起始磨粒和成品磨粒之间存在可忽略的差别)，且其允许在氧化环境中制备金刚石 工具时使用金刚石磨粒。涂覆的金刚石制品优选由金刚石磨粒基材、
TiC初级碳化物层、W (或另外的高熔点金属例如Cr或Ni )的次级层 以及Ag外覆层构成。
W02005078041 (Egan等人，E6,2005)记载了在尺寸为0. lmm- IO腿 的金刚石磨粒上的具有TiC初级层和W次级层的涂层。本发明的产品 包括在WO2005078041 (Egan等人，E6， 2005)中记载的双层产品上的银 外覆层。Ag外覆层防止W层的氧化。然而，需要TiC和W层以便提供 与WO2005078041 (Egan等人，E6， 2005)所述的相同益处。具体地，涂 层的TiC和W的组合在如下情形中是有用的在烧结期间碳化钛涂层 将通过基质材料成分而被反应掉。关于此的例子是在制备用于矿业勘 深的钻头(drill crown)中使用液体浸渗剂例如青铜。此外，TiC和 W的组合在其中钛基涂层将通过钎料而被反应掉的情形中是有用的， 所述钎料用于将超硬磨料组分固定于另外的金属或陶瓷材料。
鴒层并不具有初级碳化物层，该初级碳化物层不是必要的，因为 外层的目的主要是作为用于保护内层和基材的阻挡层，且通过保持钨 涂层为薄可获得足够的层间结合。钨涂层具有约0.01 jam到约50 jam 的厚度，特别是约0. 2jum到约lpm。
在如下情形中TiC和W的组合是特别有用的制备孕镶金刚石的 工具例如用于锯条的切片、钻机、用于金刚石线的串珠(特别地其中 大量青铜或铜限制碳化钛涂层的有效性；制备钎焊金刚石层工具例如 钎焊的金刚石线串珠；以及制备含金刚石的金属基质复合材料。
在双层涂覆TiC加W的产品上的Ag附加外覆层允许所有上述优 点，以及允许在空气中制备任何这样的工具的附加益处，由此便利了 可制备性且降低了成本。
所述金刚石磨粒颗粒是常规用于制备金属结合的工具中的那些。 它们通常具有均匀的尺寸，典型为0. Oljara到20mm。这样的金刚石磨 粒颗粒的例子包括0. 01-60孩史米的孩吏米磨粒、40-200」微米的轮用磨 粒、180微米到2毫米的锯用磨粒、和0. 5 - 200毫米的单晶。
10首先在热涂覆方法中涂覆金刚石颗粒以便提供TiC的初级碳化物 层。在该热涂覆方法中，在适于发生这样的结合的适当热条件下将金 属基涂层施加于金刚石基材上。通常，用于热方法的范围将是650匸 - 1300。C。例如，可使用的典型热涂覆技术包括涉及从金属卣化物 的气相进行沉积的方法，CVD方法或热扩散真空涂覆或金属蒸气沉积 方法。优选从金属卣化物气相进行沉积和CVD方法。已发现，这样的 热涂覆方法比现有技术所偏好的PVD方法显著更快且更经济，特别是 对于细磨粒，即尺寸为0. 1-100微米的磨粒，优选尺寸为10-50微米 的磨粒。较精细的涂层优选采用这样的细磨粒。
在涉及从金属囟化物气相进行沉积的方法中，在合适的气体环境 中(例如，含有如下一种或多种的非氧化环境选自氦气和氩气的惰 性气体，氢气，烃，分解氨或任何组合，例如氩气/氢气混合物，其为 正压、大气压或减压例如10—1-10—7毫巴)将待涂覆的颗粒暴露于含有 待涂覆的金属(例如Ti )的金属卣化物例如氯化钛、碘化钛和硼化钛。 作为该方法一部分，可从金属产生金属囟化物。
使该混合物经受热循环，例如650'C - 1300'C持续5分钟到10小 时，1-10次循环，在此期间，金属卣化物将Ti传递到颗粒表面，在 该表面上释放之并使之化学结合至颗粒。
可使用冷涂覆技术例如低温CVD方法或PVD (优选后者)沉积钨 的次级层。这是低温方法，因为产生的热量不足于引起大量碳化物形 成，例如650°C。因此，如果单独使用，将导致与金刚石颗粒的相对 差的附着力。用于施加外涂层的PVD方法的例子是溅射涂覆。在此方 法中，通过激发源例如磁控管产生钨金属蒸气流。位于该流中的制品 例如超硬磨料(例如金刚石)磨粒或其它部件被鴒金属涂覆。
可通过冷技术例如PVD或通过电解/无电镀覆来施加Ag外覆层。 用于施加外覆层的PVD方法的例子是溅射涂覆。在此方法中，通过激 发源例如磁控管产生银金属蒸气流。位于该流中的制品例如超硬磨料 (例如金刚石)磨粒或部件被银金属涂覆。
还可通过电解镀覆施加银外覆层。在此方法中，将一定量例如750cts的涂覆TiC和W的磨粒置于1. 5升镀覆筒体中，该筒体由AgCN、 KCN、游离KCN以及增亮剂例如Silversene-L (RTM)构成。使用包 容纳在聚丙烯袋中的银电极，该银电极的形式为矩形银片(银纯度为 99.9%)。以l-30rpm，优选3-10rpra旋转筒体，且施加0. 1-10安培 优选0. 6-1. 5安培电流以便对涂覆TiC和W的颗粒表面进行镀银。该 方法的持续期和温度为1分钟到3星期和1'C - IOO'C。
还可通过无电镀覆施加银外覆层。无电镀覆的例子是依照 ZA8203067[GE， Ruark & Webster, 1983]和US4403001[GE， Grenier， 1983]中记载的改进型式，通过引用将这两篇文献并入本文。用银涂覆 金刚石磨粒的该方法包括在氨银溶液中悬浮金刚石磨粒，优选对其进 行物理搅拌，随后在维持搅拌和金刚石在银溶液中悬浮的同时緩慢向 氨4艮溶液添加还原溶液例如转换糖(食用糖与硝酸的混合物)。以计 量的速率进行添加还原溶液直到银涂覆到单独磨粒上，且重复这样的 过程直到获得所需的涂层重量(或厚度)。
随着颗粒直径降低，PVD的涂覆成本显著提高。因此，从成本角 度看，随着颗粒直径降低，优选的方法是通过无电沉积、电解沉积或 无电沉积/电解沉积的组合施加4艮外覆层。
这样，初级涂层的优选厚度范围是0. 01 jam (微米)到50 jim,优 选O. 3-1.2 pm。
次级涂层的优选厚度范围是0. 01 ium- 50pm,优选0. 3-3(am。 第三位的(例如Ag)外覆层的优选厚度范围是0. 01 jam-50jam， 优选0. 3-3 ju m。
金刚石的优选尺寸范围是 对于磨粒0. 01 ja m-20mm; 对于单晶长度0. 5mm到200mm;
对于CVD:长度0. 5mm到500mm，或直径0. 1 u m - 200 |n m; 对于PCD:直径0. 5mm到1000mm。
优选地，次级层并不化学结合到初级层，然而应理解在工具制备 期间可能发生一些结合。优选地，Ag外覆层并不化学结合到次级层，然而应理解在工具制 备期间可能发生一些结合。
在涂层的每一情形中，优选覆盖整个金刚石，但总是有这样的可 能性涂层中可能存在一些间隙。
根据本发明的产品相对于现有技术中教导的产品的优点包括
(1) 本发明更适用于高温钎焊，因为在本发明产品中的钨较厚。
(2) 在现有技术中，化学结合的第一初级层的面积显著小于在本 发明产品中的TiC层，所以TiC层的附着较好。
(3) 在现有技术教导的产品中，W层中的Ti可充当氧吸气剂并 损害可钎焊性。
(4) 现有技术中教导的涂层未显示出适合于磨粒或单晶。
(5) 需要对现有技术产品进行严格的组分控制以便抑制Ti在 Ti/W合金层中的迁移。这样的问题不存在于根据本发明的产品中。
与本发明相关的其它优点包括
(1 )在施加涂层后初级碳化物层并不需要非常受控且昂贵的热处理。
(2)根据本发明的方法构建于现有产品线上，因此降低了所需的库存。
根据本发明制备的涂覆的金刚石研磨材料(磨粒)主要旨在用于 单层工具或作为电镀的替代方案。
然而，为了突出该涂层的多种潜力，下文提供了潜在用途的非穷 举性罗列
锯条、带锯条、弓形锯、取芯钻头、线绳串珠、螺旋钻头、耐磨零件、 砂轮、磨头、旋转式修整器、用于单头和多头旋转式修整器的修整器 头、轮廓修整器、直式和异型刳刨工具、磨杯、单刃刀具、校准轧辊、 拉丝模、单刃车刀、量具材料、硬面堆焊、平面磨床或者含有涂覆超 硬磨料的任何烧结/钎焊切片、混凝土、或石质地板的研磨和抛光。
根据本发明的涂层的优点之一是其允许通过空气钎焊制备工具， 特别是通过在非惰性气氛中钎焊超硬磨料制备单层工具。这为制备这样的工具的新方法开辟大量机会。可用于将涂覆的超硬磨料制品钎焊
到工具基材的技术包括感应加热、标准钎焊、喷灯、激光加热、炉 加热、辐射加热以及使用乙炔焰加热。
根据本发明的涂覆的研磨材料还可在其它工具制备技术例如热 压、自由烧结和浸渗烧结中提供一些益处。例如，由于该涂层构建在 例如IE S2004/0024中记载的现有技术上，因此，当用于通过浸渗烧 结(其中通常存在液相)制备工具切片时，该涂层可提供优点例如改 善的润湿、提高的保持力和/或改善的保护。
工具制备技术的其它例子包括但不限于放电烧结(EDS)、场辅助 烧结技术(FAST)和激光烧结。此外，该涂层创造了一种与目前用于 制备现有工具和新工具的技术不同的工具制备技术，其可对工具制造 商具有经济益处。
当将超硬磨料坯体例如PCD和CVD金刚石连接到基材时，根据本
发明的涂层可潜在地提供优点。
在本说明书中，术语"层"和"涂层"可互换使用。
实施例和具体说明
现在将参考以下非限定性实施例和附图来说明本发明，附图显示
图1:CDML301010NPTC7表面的SEM显微图(a)SEI, (b)BEI。 图2:对应于图1所示区域的CDML 301010NPTC7表面的总体EDS 图谱。
图3:在CDML 301010NPTC7表面上发现的暗区域的EDS图谦，如 插图所示。
图4:显示CDML 301010NPTC7的TiC峰的X射线衍射图。
图5: CDML 301010NPTC7的才黄截面SEM显孩i图(a)SEI, (b)
BEI。
图6:显示CDML 301010NPTC7涂层厚度的BEI SEM显孩i图。
图7: CDML 301010NPTC12表面的SEM显孩i图(a)SEI， (b)
BEI。
14图8:对应于图1所示区域的CDML 301010NPTC12表面的总体EDS 图谱。
图9:显示CDML 301010NPTC12的W峰的X射线f汴射图。
图10: CDML 301010NPTC12的横截面SEM显微图:(a)SEI, (b)
BEI。
图ll:显示CDML 301010NPTC12的涂层厚度的BEI SEM显微图。 图12:显示CDML 301010NPTC12涂层组成的BEI SEM显孩吏图的X 射线图。
图13: CDML 301010NPTC18表面的SEM显微图(a)SEI， (b)
BEI。
图14:对应于图l中区域的CDML 301010NPTC18表面的总体EDS 图谱。
图15: CDML 301010NPTC18的X射线4汙射图。
图16:显示CDML 301010NPTC18涂层的冲黄截面的BEI SEM显孩t图 (a)总体图和(b)特写图。
图17:不同涂层的EDS图谱(a)TC18， ( b ) TC12和(c ) TC7。
图18:使用Argobraze 49H钎料膏成功地空气钎焊到碳化钨试样 的CDML 301010NPTC18。
图19:用于钎焊测试的碳化物圆柱体的側视图。
图20:在用以保持金刚石的薄钎料膏层上的粗大的涂覆金刚石的 俯视图。
图21:钎料膏的焊珠位于基材上的金刚石单层的顶部。
图22:在空气中将金刚石钎焊到基材的阶段。
图23:如上所述钎焊到基材上的金刚石单层。
图24:形成离开表面的团簇(clump)的金刚石颗粒。
实施例1
在元件6 40/45 US Mesh磨粒上制备了三种涂覆产品(1)通过 PVD施加的0. 5jam Ti涂层，(2)通过CVD施加的0. 5 p m TiC涂层，和(3)由通过CVD得到的TiC初级层和通过PVD得到的W次级层组成 的涂层(0. 4jam厚)。
涂覆的金刚石磨粒与钎料膏混和并置于碳化鵠试样上。然后，使 用感应线圏加热涂覆的金刚石、钎料和试样直到可见钎料膏熔化且所 有的焊剂已被烧去。冷却后对钎焊试样进行检测。在所有情形中可见， 钎焊膏并未润湿涂层表面。因此，(1)、 (2)或(3)不能在空气中 钎焊，因为涂层表面氧化且因此抑制了钎焊材料的润湿。可预料上述 原因导致金刚石在钎料中的不良保持力。
实施例2
使用来自实施例1的(1) 、 ( 2 )和(3 )，将银外覆层(0. 1 jli m 厚)施加于通过PVD得到的每个涂覆产品以便分别制备样品(4 ) 、 ( 5 ) 和(6 )号。按实施例1中所概述地进行钎焊。在(4)和(5 )的情形中， 钎料膏并未润湿金刚石的表面。然而，在(3)的情形中，涂覆的金刚 石被钎料润湿。因此，将预料到样品(4)和(5)导致金刚石在钎料 中的不良保持力，同时将预料到样品(6 )具有相对良好的金刚石在钎 料中的保持力。
实施例3
在元件6 325/400 US Mesh磨粒上制备了两种涂覆产品(7)由 通过CVD得到的TiC初级层和通过PVD得到的W次级层(0. 4 jum厚) 组成的涂层，和(8)由通过CVD得到的TiC初级层、通过PVD得到的 W次级层(0. 4nm厚)以及通过PVD得到的Ag外覆层(0. 1 jh ra厚) 组成的涂层。按实施例1所概述地进行钎焊。在(7)的情形中，钎料 膏并未润湿金刚石表面。然而，在(8)的情形中，涂覆的金刚石得到 钎料膏的润湿。因此，将预料到样品(8)具有相对良好的金刚石在钎 料中的保持力。
实施例4
金刚石的常规钎焊需要活性钎焊材料和无氧环境。活性钎料含有 碳化物形成体，典型为Ti、 Cr或Mo，其与金刚石表面反应以促进润 湿。需要无氧环境以防止活性钎焊材料氧化，因为这会妨碍润湿。开发了 TZ涂层以允许在氧存在下钎焊金刚石。
TZ可空气钎焊涂层通常由三种涂层构成TiC(初级)、W(次级)、 Ag (外覆层)。通过高温填料床扩散过程将TiC层化学结合到金刚石。 通过两个单独的物理气相沉积(PVD )循环将W和Ag层施加于金刚石。
TiC层的施加和分析
用于TiC层施加的工序
在表1 (下文)中概述了用于涂覆具有TiC的CDML 301010NP金刚 石颗粒的工艺参数。 表l:工艺参数的细节。
用于容纳金刚石的坩锅类型Ti
活化剂NHJ
初级Ti源微粒
升温速率('C分钟—？)20
保持温度(。c)900
保持时间(分钟)240
Hygon气流速率(L分钟—\)20
填料和炉内作业
1. 将0. 2克NH4I活化剂添加到容纳有200克Ti微粒的Ti坩锅中。
2. 使用Ti棒搅动将所得的复合物充分混和。
3. 将O. 22克CVD金刚石(20块金刚石)加入该混合物中。
4. 使用Ti棒搅动将所得的混合物充分掺和。
5. 将Ti孩i粒的精细层沉积于混合物顶部。
6. 将坩锅引入箱体中，该箱体容纳有7坩锅的金刚石磨粒以备进 行该过程，CVD金刚石坩锅位于该箱体上部。
7. 将该箱体置于干馏炉(retort)装置的顶架上。
8. 进行冷作业。
17分离和清洗
9. 在炉内作业之后，将容纳有CVD金刚石的箱体从干馏炉中取出。
10. 将容纳有金刚石的蚶锅从该箱体中取出，且通过在混合物和 坩锅侧面之间插入凿子将混合物从坩锅松脱。
11. 进一步手动(佩戴无菌手套)将该混合物分离。
12. 手动将CVD金刚石从混合物中分离。
13. 用异丙醇清洗两个50 ml的烧杯。
14. 将20ml去离子水注入一个烧杯，并将20ml异丙醇注入另一 烧杯。
15. (通过旋转烧杯)在去离子水中沖洗CVD金刚石，然后排除水。
16. 然后将异丙醇倒在CVD金刚石上。
17. 排除异丙醇，并使CVD金刚石干燥。
18. —旦干燥，则包装CVD金刚石。
对通过TiC方法得到的涂覆金刚石颗粒进行分析 在该实验阶段将CVD金刚石称为CDML 301010NPTC7。用肉眼视觉
观察CDML 301010NPTC7样品，并进行两次观测。首先，涂层看上去为 "斑驳的(patchy)"。其次，金刚石具有粗糙侧面和抛光侧面。在金
刚石抛光侧面上的涂层看起来具有比金刚石表面其它部分更差的均匀性。
怀疑金刚石的润湿性是表面粗糙度的函数，且在涂覆之前处理金 刚石表面可促进更均匀的覆盖。由于具有粗糙形态的侧面显示出最有 希望的结果，因此在该侧面进行表面分析。金刚石的粗糙侧面还是最 容易辨别的，从而保证了易于实现同类(like with like)比较。
将两个试样(一个断裂)送往进行SEM、 EDS和XRD分析 (AR07IE892 )。在图1中，涂层表面的SEM显微图显示出CDML 301010NP 的高度结晶性质，且在特定晶体学刻面上似乎发生优先TiC形成。先 前已在锯用磨粒产品的涂层中观测到这样的行为，且这样的行为可能是因为构成不同表面结构的原子之间的不同的碳结合能(Fries 2001， WP/97/38)。
图2显示了 TC7涂覆的金刚石表面的总体EDS图i普。Ti计数相当 高，这暗示在表面上存在大量Ti。在图l(b)中，BEISEM图像的较暗 区域表示较低密度、因而很少或没有覆盖的区域。为了检查这些较暗 区域是接纳涂层的，进行了这样的区域的EDS。在图3中显示了所得 图语并且该图谱详细显示了与在表面总体图(图2)所发现的Ti计数 的相对照的Ti计数。该结果表明，尽管BEI图像揭示了在涂层厚度中 大尺度的波动，然而总体覆盖是良好的。
XRD检测证实了通过TC7方法施加的涂层由TiC组成。相对于金 刚石峰的TiC峰的强度暗示施加了适度的涂层"厚度"。衍射图显示 了在79 2 6处的未识别峰，参见图4。该峰的来源不是确定的，然而， 应注意通过EDS没有检测到杂质，见图2和3。
CDML301010NPTC7的横截面分析
将一个试样的每端保持在两个虎钳夹口之间并施加弯曲力直到发 生断裂。分析断裂表面以确定涂层厚度和均匀性。图5显示了断裂表 面的SEM和BEI SEM显微图，且观测到了所预期的脆型断裂形貌。BEI SEM显微图清楚显示了该涂层，并观测试样一侧上的均匀涂层，然而 在(图5(b)中圈出的)试样相对侧上观测到大窗孔。不清楚这样的 窗孔是否为涂覆过程的人为现象(artefact)，或者它们是否为断裂 期间涂层剥落的结果。在金刚石/涂层界面的特写BEISEM显微图(图 6)中观测到涂层碎片，这证实了在断裂处发生一定水平的剥落。
测量了涂层厚度，并在图6中示出结果。高达2.43jnm的测量结 果令人惊讶地高，因为通过同样方法在锯用磨粒上形成的涂层厚度 为~0. 5jjm。该结果暗示了碳从金刚石表面且经过形成的TiC涂层的 高水平原子转移。另一可能性是在外表面形成纯Ti;这可解释在图4 中的未识别XRD峰。
W层的施加与分析
用于施加W层的工序用W涂覆0. 11克的CDML 301010NPTC7。将样品装入PVD装置， 其生产量为13000ct的SDB1125TC12 20/35。进行360分钟的标准循 环时间，且在结束时手动从剩余的装料中取出CVD金刚石。在该实验 阶段，将该产品称为CDML 301010NPTC12。
CDML 301010NPTC12 (AR07IE956 )的分析
整体上，在图7中的SEM显微图显示CDML 301010NPTC12已被W 充分涂覆。在SEI图像上可见一些凹坑状结构，而BEI图像证实这些 是窗孔。这些窗孔相对小，且应该不影响最终产品的润湿性。
如图8所示，在图7中显示的区域的EDS图谱显示出大数值的W 计数，这表明存在大量W。通过EDS检测出痕量Ca和Cl;然而，这似 乎是交叉污染，因为表面X射线衍射图(图9)并未发现(pick up) 含这些元素的相。从高强度W峰和在该X衍射图上未显示TiC可以清 楚，实现了良好W覆盖。
CDML 301010NPTC12的横截面分析
按照与CDML 301010NPTC7类似的方式^f吏一个试样断裂。分析断裂 表面以确定涂层厚度和均匀性。图IO显示了 CDML 301010NPTC12的断 裂表面的SEI和BEI SEM图像。该涂层表现均匀且覆盖良好；无明显 窗孔。
测得TiC和W涂层总厚度高达16iim,这代表厚涂层，见图11。 该涂层表现出对CVD金刚石的良好粘附，且没有观察到断裂引起的剥 落。使用BEI分析未确定TiC/W轮廓。因此，为证实TiC/W双层的存 在，使用了 EDS的X射线面扫描功能。X射线扫描图示于图12中，且 证实TiC层的存在，还应注意在W层中检测的痕量水平的C。
Ag外覆层的施加与分析
用于施加Ag外覆层的工序
使用TC18方法用Ag涂覆0. 05克的CDML 301010NPTC12。以锯用 磨粒生产量将样品装入PVD装置中。运行253分钟的循环时间，且在 结束时，手动从剩余的装料中取出CVD金刚石。在该实验阶段，将该 产品称为CDML 301010NPTC18。
20CDML 301010NPTC18 (AR07IE1165)的分析
使用SEM的表面分析显示CDML 301010NPTC18已被良好涂覆，参见图13，且如图14所示的EDS证实该涂层为Ag。在SEI图像上可见一些凹坑状结构，而BEI图像证实这些是窗孔。有趣地注意到， 一些凹坑显示为暗区域。由于下方涂层是比Ag更致密的W，因此在BEI显微图上显示为亮区域。这表明暗区域是TiC或金刚石，凹坑的EDS应识别该区域。
在图14中，在图13中显示的区域的EDS图谱显示了大量Ag计数，这表明大量Ag存在。通过EDS检测到痕量W和C,表明在表面上的凹坑可充分暴露W和金刚石。图15所示的X射线衍射图支持了通过EDS提供的证据。从高强度Ag峰可清楚，获得了良好覆盖。
CDML 301010NPTC18的横截面分析
以用于CDML 301010NPTC7相同的方式4吏一个试样断裂。分析断裂表面以确定涂层厚度和均匀性。图16显示了 CDML 301010NPTC18的断裂表面的SEI和BEI SEM图4象。该涂层外观均匀且覆盖良好；未见窗孔。测得Ag外覆层厚度为~ 1 ja m，这代表"厚涂层"。在该情形中，难以描绘涂层且对每层进行EDS。在图17中显示了这些结果。如所预料的，外部、中间和内部的层分别是Ag、 W、 TiC。测得W次级层的厚度是 4jam;这相比先前试样(CDML 301010NPTC12,测得其高达16ja m )测得的厚度显著更低，且金刚石之间的涂层厚度均匀性受到怀疑。
钎焊试验
在空气中进行钎焊试验。在异丙醇中超声清洗碳化钨试样以便除去任何表面污染物。将Argobraze 49H ( Johnson和Mat they )钎料膏的薄层置于碳化钨试样表面。然后将一片CDML 301010NPTC18置于钎料膏层的上方。使用高频感应线圏加热器，将碳化鵠试样、钎料膏和CDML 301010NPTC18的组件緩慢加热，直到可见钎料熔化持续约2-5秒。然后使该组件空冷。在图18中显示了所得的钎焊部件。可见，CDML301010NPTC18显示出良好润湿性且成功地附着于碳化鴒。
实施例5该实施例说明了如何获得空气钎焊到表面的单层金刚石。使用的
基材是碳化鵠圆柱体，如图19所示。使用一圏不可钎焊的涂料以防止液体钎料在整个圓柱体上方流动。首先，将钎料膏薄层施加于需要金刚石的地方。这充当保持金刚石的粘性层。可通过将金刚石散布在顶部或将基材浸入金刚石容器中来施加金刚石。这应产生如所见的金刚石单层。
为继续单层的钎焊，将钎焊材料的焊珠置于基材上的金刚石层顶部。这显示在。最简单的方式为将几滴石油溶剂加入钎料膏中以允许其流动并基本上将焊珠倾注到基材上而不影响单层中的任何金刚石
在该实施例中，使用高频感应加热装置。可以使用任何其它形式的加热，例如氧乙炔焰矩。优选加热基材并将该热传递至钎料中。不推荐直接加热钎料。正如所示，以下是钎焊中的阶段。
阶段1.緩慢加热基材直到有机物开始烧掉。
阶段2.保持基材处在一定温度下，而使其余有机物烧掉。在该阶段中产生大量烟，且需要抽取。还可见钎料焊珠的膨胀。
阶段3.升高基材的温度以熔化焊剂且加热钎料。
步骤4.增大加热以充分熔化钎料。小心不要使钎焊材料过热，因为这会影响结合和机械性能。
通过使用本方法，能够获得充分结合到基材的金刚石单层。首先，通过将钎料膏和金刚石混合在一起然后施加到基材表面上来进行试验。按照惯例，进行钎料的熔化。采用该方法，金刚石颗粒形成离开表面的团簇，其可以容易地在磨料施加中取出。示出了这样的实施例。
在上述实施例中，发现涂覆的磨粒具有青铜颜色，且一些氧可存在于碳化钛层中。这样的氧可能以碳氧化物存在，且将趋于在涂层中"锚固"钛，从而防止其扩散进入外覆层中。
权利要求
1.涂覆的金刚石，包含·金刚石基材；·碳化物形成元素的初级碳化物层；·高熔点金属的次级层，所述高熔点金属选自W、Mo、Cr、Ni、Ta、Au、Pt、Pd或者其任何组合或合金，该次级层基本没有来自初级层的碳化物形成元素；和·Ag、Ni、Cu、Au、Pd、Pt、Rh、Os、Ir、Re、其任何组合或合金的外覆层，次级层的金属不同于外覆层的金属。
2. 根据权利要求l的涂覆的金刚石，其中碳化物形成元素选自 Ti、 Cr和Mo。
3. 根据权利要求1或权利要求2的涂覆的金刚石，其中金刚石基 材是金刚石磨粒，该金刚石磨粒选自源于高压高温合成技术的金刚石、 CVD金刚石、多晶金刚石(PCD)、硼掺杂的金刚石、单晶金刚石和天 然金刚石。
4. 根据权利要求3的涂覆的金刚石，其中金刚石磨粒的尺寸为 0. 01 jj m - 20mm。
5. 根据任一在前权利要求的涂覆的金刚石，其中通过CVD或PVD 施加初级碳化物层，通过PVD或CVD施加次级层，且通过PVD或电解 沉积或无电沉积施加外覆层。
6. 根据任一在前权利要求的涂覆的金刚石，其中初级碳化物层是 碳化钛、次级层是鴒且外覆层是银。
7. 制备涂覆的金刚石材料的方法，该方法包括步骤 -提供金刚石基材；.用碳化物形成元素的初级碳化物层来涂覆金刚石基材； '用高熔点金属的次级层涂覆初级层，所述高熔点金属选自W、Mo、 Cr、 Ni、 Ta、 Au、 Pt、 Pd或其任何组合或合金；及.用Ag、 Ni、 Cu、 Au、 Pd、 Pt、 Rh、 0s、 Ir、 Re、其任何组合或合金的外覆层涂覆次级层，次级层的金属不同于外覆层的金属。
8. 根据权利要求7的方法，其中金刚石基材是金刚石磨粒，该金 刚石磨粒选自源于高压高温合成技术的金刚石、CVD金刚石、多晶金 刚石(PCD)、单晶金刚石和天然金刚石。
9. 根据权利要求7或8的方法，其中碳化物形成元素选自Ti、 Cr和Mo。
10. 根据权利要求7-9中任一项的方法，其中通过CVD或PVD施加 初级-友化物层，通过PVD或CVD施加次级层，且通过PVD或电解沉积 或无电沉积施加外覆层。
11. 根据权利要求7-10中任一项的方法，其中初级碳化物层是碳 化钛、次级层是鵠且外覆层是银。
12. 含有磨料的工具，包括根据权利要求1-6中任一项所述的涂 覆的金刚石磨粒、单晶金刚石、CVD金刚石或PCD。
13. 根据权利要求12的含有磨料的工具，其选自用于锯条的切 片、锯条本身、钻机、用于金刚石线带锯条的串珠、弓形锯、取芯钻 头、线绳串珠、螺旋钻头、耐磨零件、砂轮、磨头、旋转式修整器、 用于单头或多头旋转式修整器的修整器头、轮廓修整器、直式和异型刳刨工具、磨杯、单刃刀具、校准轧辊、拉丝模、单刃车刀、量具材 料、硬面堆焊体、和含有涂覆的超硬磨料的烧结切片。
14.根据权利要求1-6中任一项的涂覆的金刚石磨粒、硼掺杂的 金刚石、单晶金刚石、CVD金刚石或PCD的用途，其用于氧化性钎焊 方法，用于非氧化环境包括在真空下和/或在还原环境中。
全文摘要
本发明涉及涂覆的金刚石，其包含金刚石基材；碳化物形成元素的初级碳化物层；高熔点金属的次级层，所述金属选自W、Mo、Cr、Ni、Ta、Au、Pt、Pd或者其任何组合或合金，该次级层基本没有来自初级层的碳化物形成元素；和Ag、Ni、Cu、Au、Pd、Pt、Rh、Os、Ir、Re、其任何组合或合金的外覆层，次级层的金属不同于外覆层的金属。本发明还涉及制备这样的涂覆金刚石和包括该涂覆金刚石的含磨料工具的方法。
文档编号C23C14/00GK101680076SQ200880016905
公开日2010年3月24日 申请日期2008年5月22日 优先权日2007年5月22日
发明者D·P·伊根, K·格里尼 申请人:六号元素有限公司