專利名稱：一種表面鍍活性金屬鍍硅超硬磨粒及制造方法
技術領域：
本發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，但由于エ業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，實現對エ件的加工。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合劑有夫，還取決于超硬磨粒與結合劑的結合強度。
在磨料磨具行業中，存在ー個共性的問題以共價鍵結合的超硬磨粒與金屬、陶瓷結合劑之間有很高的界面能，使得磨粒與一般金屬的粘結能力交較差。為解決這ー問題，目前行業中主要采用真空微蒸發鍍鈦技術，在超硬磨粒表面鍍ー層鈦，利用鈦鍍層與金屬和陶瓷結合劑的親和力來增進超硬磨粒與基體的結合力。但由于鈦層很薄且極易氧化，在燒結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。
發明內容
本發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ー層立方相晶體硅。本發明的表面鍍活性金屬鍍硅超硬磨粒是在O. 1飛00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ー層立方相晶體硅；所述活性金屬為Ti、V、Cr、Mo、W、Nb、Zr中ー種或幾種或合金，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飛00微米的超硬磨粒金剛石或立方氮化硼5飛00微米活性金屬粉的質量比為I I. 25 :0. 25 O. 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，開啟真空泵和加熱閥，以5 30°C /每分鐘的速率升溫到600-950°C，真空度為10_4-100Pa，保溫40-150分鐘，關閉加熱閥，冷卻到300°C以下關閉真空泵；冷卻至室溫后把容器取出，用目數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；
ニ、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；開啟真空泵和加熱閥，在不大于IOOPa真空度下加熱至600-950°C，保溫40 150分鐘。2、充氣沉積反應
保溫結束后，重新設定溫度到500-650°C，待溫度到達設定溫度后關閉真空閥門，導入硅烷前驅物氣體，在20(Tl500Pa時飽和吸附5 25分鐘，體系壓カ穩定后，將剩余氣體和反應產物氣體抽出。重復上述過程，鍍層逐漸增厚，至達到所需厚度。反應結束后，關閉加熱閥，在300°C以下關閉真空泵閥，取出容器，整個鍍覆過程結束。采用在金屬鍍層表面鍍覆ー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定性，而且進一步提高了超硬磨粒與周圍結合劑的結合強度。準原子層硅烷熱解沉積技術是沒有人使用過的技木，它可以在超硬磨粒表面或者金屬鍍層均勻鍍覆ー層立方相晶體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合都十分牢固，不容易脫落。由于硅被氧化后生成更穩定的ニ氧化硅，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合劑之間的界面能，提高磨粒與結合劑之間的結合強 度。本發明與現有技術相比具有如下優點
1、抗氧化能力以及熱穩定性大大提高，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)與黒色金屬作用，使得磨具可以用于切削黒色金屬；
2、由于硅與鐵基等基體結合效果好，可以有效的防止磨料的脫落，増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，有利于エ業化生產。4、本發明獲得的產品適用于金屬粉末燒結工具、釬焊工具、陶瓷和樹脂結合劑エ具，對于提高工具質量、降低制造成本和新產品開發有顯著作用。用8(Γ120微米鍍鈦金剛石做成的陶瓷結合劑工具的體積膨脹率和抗折強度分別為-17. 6%和59. 9 MPa,而鍍鈦鍍硅后金剛石制作的工具的體積膨脹率和抗折強度分別為-23. 5%和70. 9Mpa。
具體實施例方式 實施例I:
將100gl40/170目(80 120微米)金剛石與20g3(T50微米鈦粉均勻混合裝入自制不銹鋼容器中，把容器放在真空反應爐腔內，開啟真空泵和加熱閥，以5°C /每分鐘的速率升溫加熱到600°C，真空度為10_4Pa，保溫40分鐘，關閉加熱閥，冷卻到299° C關閉真空泵；冷卻至室溫后把容器取出，用100目標準篩對鍍覆鈦的超硬磨粒進行篩選，然后用280目砂紙進行打磨，除去磨粒表面粘連的多余金屬顆粒。將上述鍍覆鈦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；開啟真空泵和加熱閥，在99Pa真空度下加熱至600°C，保溫40分鐘。保溫結束后，重新設定溫度到500°C，待溫度到達設定溫度后關閉真空閥門，導入硅烷前驅物氣體，在200Pa時飽和吸附25分鐘，體系壓カ穩定后，將剩余氣體和反應產物氣體抽出。反應結束后，關閉加熱閥，在室溫關閉真空泵閥，取出容器，得到鍍Ti-Si金剛石超硬磨粒。
實施例2:
將IOOg W0. 1(0. I微米)立方氮化硼與8(Γ500微米鋯粉和鈦粉各25g均勻混合裝入自制不銹鋼容器中，把容器放在真空反應爐腔內，開啟真空泵和加熱閥，以30°C /每分鐘的速率升溫加熱到620°C，真空度為lOOPa，保溫50分鐘，關閉加熱閥，冷卻到145° C關閉真空泵；冷卻至室溫后把容器取出，用270目標準篩對鍍覆鈦的超硬磨粒進行篩選，然后用2000目砂紙進行打磨，除去磨粒表面粘連的多余金屬顆粒。將上述鍍覆鈦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；開啟真空泵和加熱閥，在98Pa真空度下加熱至950°C，保溫150分鐘。
保溫結束后，重新設定溫度到520°C，待溫度到達設定溫度后關閉真空閥門，導入硅烷前驅物氣體，在350Pa時飽和吸附5分鐘，體系壓カ穩定后，將剩余氣體和反應產物氣體抽出，重復導入硅烷氣體，吸附，抽氣等過程4次，鍍層到達所需厚度。反應結束后，關閉加熱閥，在180°C關閉真空泵閥，冷卻至室溫取出容器，得到鍍(TiZr)-Si立方氮化硼超硬磨粒。實施例3:
將IOOg 50/60目(230 250微米)金剛石與30g5 80微米釩粉均勻混合裝入自制不銹鋼容器中，把容器放在真空反應爐腔內，開啟真空泵和加熱閥，以10°C /每分鐘的速率升溫加熱到660°C，真空度為KT1Pa,保溫60分鐘，關閉加熱閥，冷卻到275° C關閉真空泵；冷卻至室溫后把容器取出，用200目標準篩對鍍覆釩的超硬磨粒進行篩選，然后用1000目砂紙進行打磨，除去磨粒表面粘連的多余金屬顆粒。將上述鍍覆釩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；開啟真空泵和加熱閥，在97Pa真空度下加熱至660°C，保溫60分鐘。保溫結束后，重新設定溫度到540°C，待溫度到達設定溫度后關閉真空閥門，導入硅烷前驅物氣體，在500Pa時飽和吸附20分鐘，體系壓カ穩定后，將剩余氣體和反應產物氣體抽出。重復導入硅烷，吸附，抽氣過程7次，鍍層逐漸增加到達所需厚度，反應結束后，關閉加熱閥，在133°C關閉真空泵閥，室溫后取出容器，得到鍍V-Si金剛石超硬磨粒。實施例4:
將100g35/40目(430 500微米)金剛石與25g5 50微米鉻粉均勻混合裝入自制不銹鋼容器中，把容器放在真空反應爐腔內，開啟真空泵和加熱閥，以15°C /每分鐘的速率升溫加熱到700°C，真空度為10Pa，保溫70分鐘，關閉加熱閥，冷卻到290° C關閉真空泵；冷卻至室溫后把容器取出，用230目標準篩對鍍覆鉻的超硬磨粒進行篩選，然后用1200目砂紙進行打磨，除去磨粒表面粘連的多余金屬顆粒。將上述鍍覆鉻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；開啟真空泵和加熱閥，在99Pa真空度下加熱至700 V，保溫50分鐘。保溫結束后，重新設定溫度到560°C，待溫度到達設定溫度后關閉真空閥門，導入硅烷前驅物氣體，在600Pa時飽和吸附18分鐘，體系壓カ穩定后，將剩余氣體和反應產物氣體抽出。重復上述過程，鍍層增厚，反應結束后，關閉加熱閥，在290°C關閉真空泵閥，至室溫取出容器，得到鍍Cr-Si金剛石超硬磨粒。實施例5
將IOOg W20 (20微米)金剛石與25gl5(T500微米鑰粉均勻混合裝入自制不銹鋼容器中，把容器放在真空反應爐腔內，開啟真空泵和加熱閥，以25°C /每分鐘的速率升溫加熱到750°C，真空度為20Pa，保溫80分鐘，關閉加熱閥，冷卻到295° C關閉真空泵；冷卻至室溫后把容器取出，用120目標準篩對鍍覆鑰的超硬磨粒進行篩選，然后用500目砂紙進行打磨，除去磨粒表面粘連的多余金屬顆粒。將上述鍍覆鑰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；開啟真空泵和加熱閥，在96Pa真空度下加熱至750°C，保溫70分鐘。保溫結束后，重新設定溫度到580°C，待溫度到達設定溫度后關閉真空閥門，導入硅烷前驅物氣體，在650Pa時飽和吸附17分鐘，體系壓カ穩定后，將剩余氣體和反應產物氣體抽出。重復導入硅烷，吸附，抽氣過程2次，鍍層達所需厚度，反應結束后，關閉加熱閥，在295°C以下關閉真空泵閥，取出容器，得到鍍Mo-Si金剛石超硬磨粒。實施例6 將IOOg W40 (40微米)金剛石與20g30(T500微米鎢粉均勻混合裝入自制不銹鋼容器中，把容器放在真空反應爐腔內，開啟真空泵和加熱閥，以30°C每分鐘的速率升溫加熱到780°C，真空度為35Pa，保溫90分鐘，關閉加熱閥，冷卻到290° C關閉真空泵；冷卻至室溫后把容器取出，用60目標準篩對鍍覆鎢的超硬磨粒進行篩選，然后用800目砂紙進行打磨，除去磨粒表面粘連的多余金屬顆粒。將上述鍍覆鎢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；開啟真空泵和加熱閥，在98Pa真空度下加熱至780°C，保溫75分鐘。保溫結束后，重新設定溫度到600°C，待溫度到達設定溫度后關閉真空閥門，導入硅烷前驅物氣體，在850Pa時飽和吸附14分鐘，體系壓カ穩定后，將剩余氣體和反應產物氣體抽出。重復上述過程，鍍層增厚，反應結束后，關閉加熱閥，在290°C以閉真空泵閥，取出容器，得到鍍W-Si金剛石超硬磨粒。實施例7
將IOOg W50 (50微米)立方氮化硼與400 500微米鈦粉40g、鉻粉40g、釩粉20g均勻混合裝入自制不銹鋼容器中，把容器放在真空反應爐腔內，開啟真空泵和加熱閥，以10°C /每分鐘的速率升溫加熱到810°C，真空度為50Pa，保溫100分鐘，關閉加熱閥，冷卻到290° C關閉真空泵；冷卻至室溫后把容器取出，用45目標準篩對鍍覆釩的超硬磨粒進行篩選，然后用600目砂紙進行打磨，除去磨粒表面粘連的多余金屬顆粒。將上述鍍覆釩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；開啟真空泵和加熱閥，在97Pa真空度下加熱至810°C，保溫85分鐘。保溫結束后，重新設定溫度到610°C，待溫度到達設定溫度后關閉真空閥門，導入硅烷前驅物氣體，在IOOOPa時飽和吸附11分鐘，體系壓カ穩定后，將剩余氣體和反應產物氣體抽出；重復導入硅烷，吸附，抽氣過程5次，鍍層達所需厚度。反應結束后，關閉加熱閥，在290°C關閉真空泵閥，冷卻后取出容器，得到鍍(TiGrV)-Si立方氮化硼超硬磨粒。實施例8
將IOOg W20 (20微米)立方氮化硼與30g20(T500微米鉻鎢合金粉均勻混合裝入自制不銹鋼容器中，把容器放在真空反應爐腔內，開啟真空泵和加熱閥，以20°C /每分鐘的速率升溫加熱到850°C，真空度為70Pa，保溫110分鐘，關閉加熱閥，冷卻到100° C關閉真空泵；冷卻至室溫后把容器取出，用100目標準篩對鍍覆鉻的超硬磨粒進行篩選，然后用1000目砂紙進行打磨，除去磨粒表面粘連的多余金屬顆粒。將上述鍍覆鉻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；開啟真空泵和加熱閥，在95Pa真空度下加熱至850°C，保溫100分鐘。保溫結束后，重新設定溫度到630°C，待溫度到達設定溫度后關閉真空閥門，導入硅烷前驅物氣體，在IlOOPa時飽和吸附9分鐘，體系壓カ穩定后，將剩余氣體和反應產物氣體抽出。重復上述過程二次，鍍層逐步增厚，反應結束后，關閉加熱閥，在285°C關閉真空泵閥，取出容器，得到鍍(CrW)-Si立方氮化硼超硬磨粒。實施例9
將IOOg 120/140目(100 150微米)立方氮化硼與40g2(T50微米鈮粉均勻混合裝入自制不銹鋼容器中，把容器放在真空反應爐腔內，開啟真空泵和加熱閥，以20°C /每分鐘的速率升溫加熱到900°C，真空度為85Pa，保溫130分鐘，關閉加熱閥，冷卻到295° C以下關閉真空泵；冷卻至室溫后把容器取出，用200目標準篩對鍍覆鈮的超硬磨粒進行篩選，然后用 1200目砂紙進行打磨，除去磨粒表面粘連的多余金屬顆粒。將上述鍍覆鈮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；開啟真空泵和加熱閥，在94Pa真空度下加熱至900°C，保溫120分鐘。保溫結束后，重新設定溫度到640°C，待溫度到達設定溫度后關閉真空閥門，導入硅烷前驅物氣體，在1300Pa時飽和吸附7分鐘，體系壓カ穩定后，將剩余氣體和反應產物氣體抽出。反應結束后，關閉加熱閥，在295°C下關閉真空泵閥，取出容器，得到鍍Nb -Si立方氮化硼超硬磨粒。實施例10
將IOOg 140/170目(80 120微米)立方氮化硼與37g20(T500微米鑰釩合金粉均勻混合裝入自制不銹鋼容器中，把容器放在真空反應爐腔內，開啟真空泵和加熱閥，以15°C /每分鐘的速率升溫加熱到950°C，真空度為lOOPa，保溫150分鐘，關閉加熱閥，冷卻到290° C關閉真空泵；冷卻至室溫后把容器取出，用100目標準篩對鍍覆鎢的超硬磨粒進行篩選，然后用1500目砂紙進行打磨，除去磨粒表面粘連的多余金屬顆粒。將上述鍍覆鎢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；開啟真空泵和加熱閥，在995Pa真空度下加熱至950°C，保溫130分鐘。保溫結束后，重新設定溫度到650°C，待溫度到達設定溫度后關閉真空閥門，導入硅烷前驅物氣體，在1500Pa時飽和吸附5分鐘，體系壓カ穩定后，將剩余氣體和反應產物氣體抽出。重復上述過程四次，鍍層逐步增厚，反應結束后，關閉加熱閥，在290°C關閉真空泵閥，取出容器，得到鍍(MoV) -Si立方氮化硼超硬磨粒。
權利要求
1.ー種表面鍍活性金屬鍍硅超硬磨粒，其特征在于在粒度為O. Γ500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ー層立方相晶體硅；所述活性金屬為Ti、V、Cr、Mo、W、Nb、Zr中的ー種或幾種或它們的合金，該活性金屬的粉體顆粒大小為5 500微米。
2.權利要求I所述的表面鍍活性金屬鍍硅超硬磨粒的制造方法，其特征在于 (1)鍍覆活性金屬 上述超硬磨粒金剛石或立方氮化硼活性金屬粉的質量比為I I. 25 :0. 25 O. 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，開啟真空泵和加熱閥，以5 30°C /每分鐘的速率升溫到600-950°C，真空度為10_4-100Pa，保溫 40-150分鐘，關閉加熱閥，冷卻到300° C以下關閉真空泵；冷卻至室溫后把容器取出，用目 數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； (2)鍍覆立方相晶體硅 ①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；開啟真空泵和加熱閥，在不大于IOOPa真空度下加熱至600-950°C，保溫40 150分鐘； ②保溫結束后，重新設定溫度到500-650°C，待溫度到達設定溫度后關閉真空閥門，導入硅烷前驅物氣體，在20(Tl500Pa時飽和吸附5 25分鐘，體系壓カ穩定后，將剩余氣體和反應產物氣體抽出，重復導入硅烷前驅物氣體、吸附、抽出殘余氣體過程，鍍層隨重復次數増加而增厚，至達到所需厚度后不再重復，反應結束后，關閉加熱閥，在300°C以下關閉真空泵閥，取出容器。
全文摘要
一種表面鍍活性金屬鍍硅超硬磨粒，其是在粒度為不小于0.1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；其制造方法是將上述超硬磨粒與活性金屬粉裝入不銹鋼容器放入真空反應爐腔內，升溫并抽真空，將上述鍍覆活性金屬的超硬磨粒平鋪在不銹鋼容器中，放入鍍硅設備的真空反應爐腔內，開啟真空泵和加熱閥，導入硅烷前驅物氣體，在200~1500Pa時飽和吸附5~25分鐘，將剩余氣體和反應產物氣體抽出。本發明鍍覆設備簡單可靠，操作簡便，成本低廉，其超硬磨粒抗氧化能力以及熱穩定性大大提高，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。
文檔編號C23C16/02GK102642022SQ20121009677
公開日2012年8月22日 申請日期2012年4月5日 優先權日2012年4月5日
發明者成曉哲, 王艷輝, 臧建兵 申請人:燕山大學