具有曲折表面形貌之覆层的磨料颗粒的制作方法
【专利说明】具有曲折表面形貌之覆层的磨料颗粒
[0001]本申请是2004年5月10日递交的PCT国际申请PCT/US2004/014628于2005年11月9日进入中国国家阶段的中国专利申请号为200480012541.0、发明名称为“具有曲折表面形貌之覆层的磨料颗粒”的发明专利申请的分案申请。
[0002]相关应用的交叉引用:本申请要求2003年5月8日递交的美国临时申请60/469，285的优先权，在此全部引入作为参考。
技术领域
[0003]本发明涉及新型的具有曲折表面形貌的涂敷磨料颗粒，生产这种涂敷磨料颗粒的方法，以及包括这种涂敷磨料颗粒的产品。
【背景技术】
[0004]磨料和超硬材料，即超级磨料，例如天然和人工金刚石和立方氮化硼，显示出可用于机加工金属和非金属材料的杰出能力。这些材料被频繁地应用在锯片和磨削工具(grinding tools)中作为切削、磨削、抛光各种硬的和磨蚀性(abrasive)的材料的刀口。当磨料或超级磨料颗粒加强的金属或陶瓷复合材料或基于聚合物的复合材料被用来进行一项工作，例如切削或磨削或抛光高度磨蚀性的工件时，在复合材料中的颗粒由于其较高的杨氏模量而承受所施加力的大部分。沿着颗粒和基质之间的界面累积的剪切力和张应力可能是非常显著的。由于弱的界面结合(bonding)，超级磨料颗粒经常从基质中脱落。由于大多数的磨料/超级磨料具有相对光滑的表面并且对于大多数的化学物质呈现惰性，在颗粒和基质之间很少有机械或化学的结合。
[0005]部分使用的磨料颗粒(砂粒(grit))的过早总脱落(gross put-out)是在树脂、玻璃质或金属结合剂(bond)中的磨削轮磨损的主要因素。金刚石颗粒在基质(例如金属、陶瓷、和聚合物)中的保持力是不足的。作为一个实例，金刚石锯片在一次切削应用期间可能损失基质中高达40%的磨料颗粒。
[0006]用于提高磨料和超级磨料对树脂，玻璃质，或金属结合剂的附着力的途径可以采用对磨料颗粒具有反应性的结合剂组合物，使得在工具制造过程中，该结合剂组合物附着于磨料颗粒的表面。例如，美国专利号5，190，796和5，232，469 (两者都并入作为参考)教导了通过向金刚石颗粒提供/涂敷多个金属层来改进金刚石在研磨工具中的保持力的方法，所述的金属例如为钼、钛、铌、铬、锆、铜和镍。作为另一个实例，美国专利申请序列号09/901, 159 (在此并入作为参考)公开了在金属涂敷超级磨料颗粒和树脂结合剂基质的混合物中并入硅烷偶联剂来增强覆层和树脂基质之间的结合。
[0007]另一种增加或提高基质中砂粒的保持力的途径中，金刚石颗粒的表面被改性。例如，美国专利号3，650，714 (在此并入作为参考)提议在涂敷用铜或镍涂敷金刚石期间加入陶瓷晶须，并且还通过在真空下加热海绵铁和黄铜的混合物涂敷的金刚石来获得粗糙性。作为另一个实例，美国专利号4，435，189 (在此并入作为参考)公开了具有受控的、粗糙纹理表面的金属涂敷磨料，用来提高树脂类材料的附着力。这种受控的、粗糙纹理表面是这样来制备的，即通过间断无电镀涂敷过程来钝化金刚石表面，然后每次用催化剂来再活化该钝化表面以控制“更粗糙的”砂的金属沉积率。
[0008]仍然需要一种改进方法，来提高涂敷磨料/超级磨料颗粒和基质之间的结合强度以及磨料/超级磨料晶体和其金属覆层之间的结合强度。已经找到了一种新颖的并且具有创造性的途径，这种途径通过界面设计提高了基质中涂敷磨料颗粒的保持力。
【发明内容】
[0009]本发明的一个实施方案涉及具有抗磨性覆层(coating)的涂敷磨料颗粒，所述的覆层包括选自由镍，钴，铁，铬，钨，钼，碳化物，磷，钛，锌，钯，硼化物，氮化物，氧化物，金属间化合物，和其混合物组成的组中的一种或多种材料。在一个实施方案中，涂敷磨料颗粒可以具有一个或多个附加覆层，所述附加覆层包括金属，金属合金，或其他合适的覆层材料。任选地，所述的涂敷磨料颗粒具有外层表面形貌，其特征在于每个磨料颗粒具有大约5个长钉(spike)以及约1.1的曲折度(tortuosity)T。本发明的另一个实施方案是包括在基质中的多个涂敷磨料颗粒的复合材料。
[0010]本发明的另一个实施方案还涉及在复合材料基质中改进颗粒保持力的方法，所述的复合材料基质包括用于在磨削、切削或抛光领域中改进的性能的涂敷磨料颗粒。所述的方法包括提供具有覆层的研磨颗粒，所述的覆层包括选自由镍，钴，铁，铬，钨，钼，碳化物，磷，钛，锌，钯，硼化物，氮化物，氧化物，金属间化合物，和其混合物组成的组中的一种或多种材料。所述的涂敷磨料颗粒可以被一个或多个覆层所涂敷。任选地，所述的涂敷的磨料颗粒具有外层表面形貌，其特征在于每个磨料颗粒具有至少5个尖峰(peak)以及至少1.1的曲折度T。这种涂敷的颗粒可以被分散在基质材料中。
[0011]所述的涂敷超级磨料颗粒的实施方案可以被用于机加工应用中，例如被用于锯片，抛光工具，磨削工具，以及切削工具中，并且，它们还可以被用于涂敷应用中。本发明所述的涂敷磨料和超级磨料颗粒的实施方案还可以用于这些应用中，例如一些复合材料和一些制品中，其中颗粒和基质材料之间增加的结合强度是有益的。
[0012]本发明的另一个实施方案涉及用三个金属层来涂敷超级磨料/磨料颗粒的方法。在这个实施方案中，所述的颗粒被用至少三种不同的覆层来涂敷:外层，扩散层和化学形成层。施加于所述颗粒的第一层是化学形成层，其中，在所述的颗粒和所述的化学形成层之间形成了化学键。第二层是扩散层，在所述的化学层和所述的外层之间形成结合的一个中间层。外层被施加于所述的扩散层，所述的扩散层随后将所述的涂敷颗粒结合到所述的基质。
【附图说明】
[0013]为了更完整地理解本发明的特征和优点，应当参考下面的详细说明和附图，附图中:
[0014]图1是说明本发明实施方案的涂敷颗粒表面曲折形貌的示意图。
[0015]图2是显示本发明实施方案的涂敷颗粒覆层设计的示意图。
【具体实施方式】
[0016]在描述本发明的组合物和方法之前，应当理解，本发明不局限于所描述的特定过程、组合物、或方法，因为这些可以变化。同样可以理解，在描述中所使用的术语仅仅是出于描述特定的形式或实施方案的目的，不是要限制本发明的范围，而本发明的范围将仅仅由所附的权利要求书来限定。
[0017]必须注意，正如在本文和所附的权利要求书中所使用的那样，单数形式的“a，”，“an”以及“the”包括复数引用，除非上下文另有明确规定。因此，例如，提及“颗粒”(a “particle”)是指一个或更多的颗粒及其本领域技术人员所知的等同物，等等。除非另有定义，本文所使用的所用技术和科学术语具有与本领域普通技术人员的一般理解相同的含义。虽然任何与本文描述的内容类似或等同的方法和材料可以被用于本发明的实施方案的实施和试验中，但是，现在描述的是优选的方法、设备和材料。所有提及的出版物在此被结合进入本文作为参考。由于发明在先，本文没有内容可以被解释为承认本发明不具有比这样的公开更早的发明日期。
[0018]尽管本发明将参考切削和磨削工具来进行描述，但是，本文所描述的涂敷颗粒可以针对各种不同的复合材料和制品来被使用。
[0019]本发明的实施方法涉及具有在覆层的外表面上具有曲折形貌的涂覆磨料颗粒。本申请人惊奇地发现，提供具有曲折表面的涂敷颗粒改变了相对于沿着所述涂敷磨料颗粒和基质的界面的整体剪应力(global shear stress)方向的界面取向。其结果