專利名稱：釬焊金剛石工具及其制造方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明通常涉及工具，其具有化學(xué)結(jié)合到一基體支承材料或基底上并以預(yù)定圖形(圖案)布置的金剛石顆粒。因此，本發(fā)明涉及化學(xué)、冶金和材料科學(xué)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
磨料工具長久以來有各種應(yīng)用，包括材料的切削、鉆孔、鋸、研磨、磨光和拋光。由于金剛石是迄今為止知道的最硬磨料，因此被廣泛地用在鋸、鉆和利用磨料進(jìn)行切削、成形或拋光其它硬材料的其它裝置上作為超磨料。
在其它工具缺乏可在商業(yè)上獲得的硬度和使用壽命的情況下，金剛石工具更是不可缺少的。例如，在切削、鉆和鋸石頭的石材工業(yè)中，金剛石工具是其硬度和使用壽命足以使得切削等較經(jīng)濟(jì)的唯一工具。如不利用金剛石工具，許多這類工業(yè)在經(jīng)濟(jì)上將不可行。同樣，在精磨領(lǐng)域中，由于其優(yōu)良的耐磨性，金剛石工具可以在足以有效地經(jīng)受磨損的同時獨特地具有所需的高精度。
典型的超磨料工具如金剛石鋸片由金剛石顆粒(如40/50美國篩目鋸砂料)與合適的金屬支承基體粉末(例如粒度為1.5微米的鈷粉末)混合制成。然后在一模具中將該混合物壓成適當(dāng)?shù)男螤?例如鋸段)。然后在700-1200℃溫度下將該“生坯”形式的工具燒結(jié)成其中有多個磨料顆粒的單體。最后將固結(jié)的該單體安裝在(例如通過傳統(tǒng)釬焊或錫焊)一工具主體如鋸的圓形刀片上以形成成品產(chǎn)品。
盡管應(yīng)用廣泛，但金剛石工具通常也存在對其使用壽命造成不必要的限制的若干嚴(yán)重缺陷。例如，磨料金剛石或立方氮化硼(CBN)顆粒在前體中的分布不均勻。因此無法定位磨料顆粒以使得切削、鉆孔、研磨、拋光的效率最高。
金剛石或CBN磨料顆粒之間的距離決定每個顆粒的工作負(fù)載。不合適的金剛石或CBN磨料顆粒間距通常導(dǎo)致磨料表面或結(jié)構(gòu)過早失效。因此，如果金剛石/CBN磨料顆粒彼此太接近，某些顆粒是多余的且對切削或研磨沒有或有很少的效果。此外，由于金剛石和立方氮化硼的價格很高，顆粒過多使生產(chǎn)成本提高。而且這些無用金剛石或CBN顆粒會堵住切屑通道，從而降低切削效率。因此，磨料顆粒彼此太接近會提高成本，同時降低工具的使用壽命。
另一方面，如果磨料顆粒之間的間距太大，每個顆粒的工作負(fù)載(例如工件沖擊力)就會過大。而分布得較稀的金剛石或CBN磨料顆粒則會被壓碎甚至從它們被植入其中的基體上脫落。磨料受損或缺失使得不能充分有助于工作負(fù)載。從而工作負(fù)載轉(zhuǎn)移給剩余的磨料顆粒。各磨料顆粒的失效會引起連鎖反應(yīng)，這使得工具不久將無法有效地切削、鉆孔、研磨等。
不同的應(yīng)用可能需要大小不同的金剛石(或立方氮化硼)磨料顆粒。例如，鉆和鋸可能需要在成品工具中利用較大粒度(20-60美國篩目)的金剛石砂粒。工具的金屬基底通常選自鈷、鎳、鐵、銅、青銅及其合金和/或混合物。用于研磨時，小粒度(60/400美國篩目)金剛石砂粒(或立方氮化硼)與金屬(通常為青銅)、陶瓷/玻璃(通常為鈉、鉀、硅和鋁的氧化物的混合物)或樹脂(通常為苯酚)混合。
工具通常包括一保持或支承金剛石顆粒的基體支承材料如金屬粉末。但是，由于金剛石或立方氮化硼比基粉末大得多(在制造鋸段的上例中為300倍)又輕得多(在制造鋸段的上例中約為1/3密度)，因此兩者很難混合得均勻。此外，即使充分混合，金剛石顆粒在后續(xù)處理如將混合物注入一模具中或在該混合物振動時仍會與金屬粉末分離。當(dāng)將金剛石混合在金屬支承基體中時，分布問題對于制造金剛石工具來說特別麻煩。
將金剛石砂粒定位在工具中的多個方法還存在另一缺陷。在許多時候，金屬結(jié)合金剛石工具要求在同一金剛石工具的不同部位上的金剛石砂粒的粒度和/或金剛石密度不同。例如，鋸段的邊緣或前部比中部磨損得快。因此，為防止鋸段的不均勻磨損和致過早失效，優(yōu)選的是這些部位上的金剛石砂粒密度較大而粒度較小。這些高密度/小粒度鋸段(即“夾心”鋸段)難以通過混合金剛石顆粒與金屬粉末來制造。因此，盡管金剛石砂粒粒度和密度不同這一優(yōu)點是已知的，但由于缺乏實際制造方法而很少使用這類構(gòu)形。
許多金剛石工具的另一缺陷是，磨料顆粒或“砂?！辈蛔阋园惭b在工具基底或基體支承材料上以使主體的切削、鉆、拋光等使用壽命最長。事實上，在大多數(shù)情況下金剛石砂粒只是機(jī)械埋置在基體支承材料中。因此，金剛石砂粒常常過早脫落或被拉出。而且，工作時結(jié)合不牢的前體對砂粒的機(jī)械支承不足。因此，金剛石顆粒會因工具受到應(yīng)用該磨料的工件的沖擊而粉碎。
據(jù)估計，在普通金剛石工具中，只有小于約1/10的砂粒實際消耗在預(yù)期的應(yīng)用(即實際切削、鉆、拋光等)中。其余砂?；蛞蚬ぞ呤褂脡勖狡诙鴼埩粼诠ぞ呱匣蛞虬惭b不佳和支承不足導(dǎo)致在使用時被拉出或破壞而被浪費(fèi)掉。如果金剛石顆粒能被正確定位并牢固安裝到周圍的基體上，可避免大部分金剛石損失。
為使金剛石砂粒受到最大機(jī)械支承，通常將它們深深埋置在集體中。因此，金剛石顆粒在工具表面上方的突出通常達(dá)不到預(yù)期。較低的砂粒突出限制用于使待切削材料碎裂的切削高度。因此，摩擦增加，且切削速度和切削工具的使用壽命受限。
為了將金剛石砂粒牢牢地固定在支承基體中，基體最好在金剛石表面周圍形成碳化物。如此形成的化學(xué)結(jié)合比傳統(tǒng)的機(jī)械連接牢固得多。碳化物可由金剛石與合適的碳化物形成物如過渡金屬反應(yīng)而成。典型的碳化物形成過渡金屬有鈦(Ti)、釩(V)、鉻(Cr)、鋯(Zr)、鉬(Mo)和鎢(W)。
形成碳化物需要將碳化物形成物沉積在金剛石周圍并使金剛石與碳化物形成物隨后產(chǎn)生反應(yīng)以形成碳化物。此外，未反應(yīng)的碳化物形成物還必須用燒結(jié)或其它手段固結(jié)。這些步驟需高溫處理。但金剛石在約1000℃以上的溫度下會性能退化。該退化是由與基體材料的反應(yīng)或在晶體內(nèi)金屬夾雜周圍生成的微裂紋造成的。這些夾雜通常包含在所用的合成金剛石形式的晶體中。
多數(shù)碳化物形成物為難熔金屬，因此它們在低于約1200℃的溫度下不會固結(jié)。因此難熔碳化物形成物通常不適于用作基體支承材料的主要成分。
但是有些碳化物形成物如錳(Mn)、鐵(Fe)、硅(Si)和鋁(Al)的熔點較低。但是這些碳化物形成物也有一些不利于用作基體支承材料主要成分的特性。例如，錳和鐵在高壓(50Kb以上)下用作合成金剛石的催化劑。因此，在在低壓下燒結(jié)基體粉末時它們會將金剛石反催化成石墨。該反向轉(zhuǎn)換是金剛石在高溫下性能退化的主要原因。
另一方面，鋁具有較低的熔點(660℃)，因此易于用其固定金剛石顆粒。但是當(dāng)金剛石砂粒切削過猛時鋁會接近其熔點。因此切削時鋁可能會變得太軟而無法支承金剛石磨料。此外，鋁會在與金剛石的界面上生成碳化物Al4C3。該碳化物容易水解，因此碰到冷卻劑時可能會分解。因此，鋁通常不適于用作將金剛石結(jié)合在基體中的碳化物形成物。
為避免燒結(jié)高溫，碳化物形成物如鎢常常稀釋成主要由鈷或青銅構(gòu)成的基體中的少量成分。在燒結(jié)過程中，即使有液相也只形成少量液相。碳化物形成物經(jīng)固態(tài)介質(zhì)向金剛石的擴(kuò)散極慢。因此，形成在金剛石表面上的碳化物可忽略不計。因此，通過加入碳化物形成物作為少量基體成分，金剛石安裝的改善十分有限。
為了確保在金剛石表面上形成碳化物，可在碳化物形成物與基體粉末混合之前將碳化物形成物涂敷在金剛石上。這樣，碳化物形成物盡管為基體中的少量成分，也可集中在金剛石周圍以形成所需的結(jié)合。
可用化學(xué)方法也可用物理方法將碳化物形成物涂敷在金剛石上。如用化學(xué)方法，通常在較高溫度下通過化學(xué)反應(yīng)形成涂層金屬。例如，通過混合金剛石與碳化物形成物如鈦或鉻并在真空下或在保護(hù)氣體中加熱該混合物，可使一薄層碳化物形成物沉積在金剛石上。提高溫度可增加該涂層的厚度。加入有助于金屬輸送的合適氣體(例如HCl蒸氣)還可加速沉積速率。也可在一熔融鹽中進(jìn)行該涂敷。
除了燒結(jié)，滲入也是制造金剛石工具特別是含有大(即大于美國篩目30/40)金剛石砂粒的鉆頭和其它專用金剛石工具的一種常見技術(shù)。這些工具的最常用滲入劑為基于銅的合金。這些滲入劑必須流動并滲入基體粉末中的微孔。為防止金剛石在高溫下性能退化，滲入劑的熔點必須較低。因此，滲入劑常常含有低熔點成分如鋅(Zn)。除了降低滲入劑的熔點，該低熔點成分還減小粘度，所以滲入劑容易流動。但是，由于大多數(shù)碳化物形成物會提高滲入劑的熔點，因此它們被排除在大多數(shù)滲入劑之外。因此，這些滲入劑無法改善金剛石的結(jié)合性。
一種取決于金剛石工具的用途的特殊工藝為化學(xué)機(jī)械拋光(CMP)。該工藝已成為半導(dǎo)體和計算機(jī)工業(yè)中對陶瓷、硅、玻璃、石英等晶片進(jìn)行拋光的標(biāo)準(zhǔn)。通常來說，待拋光工件抵靠一用聚氨酯或其它合適材料制成的旋轉(zhuǎn)拋光墊。墊的頂部通常通過一機(jī)構(gòu)如纖維或小孔保持酸和磨料的漿體(漿料)，這產(chǎn)生足以防止顆粒由于墊的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動施加的離心力而從墊上甩出的摩擦力。因此，頂部盡可能保持柔性、纖維盡可能保持直立或確保可以有充足的用于接納新磨料顆粒的開口和小孔是重要。
來自工件、磨料漿和拋光圓盤的拋光磨屑的積累造成難以保持墊的頂部的問題。該積累造成墊的頂部“變光滑”或硬化，從而大大降低墊的整體拋光性能。因此，人們設(shè)法通過用各種裝置對之進(jìn)行“梳理”或“切削”來恢復(fù)墊的頂部。該過程稱為CMP墊的“修整”或“調(diào)整”。最常用于墊修整的裝置為其上固定有多個超硬晶體顆粒如其上所附的金剛石顆?；駽BN顆粒的圓盤。
用傳統(tǒng)方法制成的修整圓盤和用傳統(tǒng)方法制成的其它超磨料工具存在若干相同問題。但這些問題對CMP過程的影響要大得多。例如，超磨料砂粒固定不佳會刮花或破壞工件。由顆粒組間距過緊或不均勻造成的超磨料砂粒的工作負(fù)載不均勻會造成墊的某些區(qū)域修整過度而其它區(qū)域修整不足，從而造成不適當(dāng)?shù)墓ぜ伖狻４送?，?dāng)修整圓盤的超磨料顆粒不延伸為在基底表面上方的不均勻高度時，由于修整器上的多個顆粒不能接觸該墊，CMP墊的不均勻修整進(jìn)一步擴(kuò)大。
除了上述磨料固定和分布問題，CPM墊修整過程本身也產(chǎn)生一些使得未控制的超磨料顆粒定位無法接受的問題。例如，CPM接觸修整圓盤的前緣時修整圓盤在CPM上的向下壓力會下壓該墊，并阻止墊修整器上的其余超磨料顆粒有效接觸該墊以實現(xiàn)均勻修整。
墊修整器工作面在釬焊過程中的翹曲還常常造成磨料顆粒移位。釬焊時墊修整器必然會經(jīng)受很高溫度。這使得墊修整器的工作面產(chǎn)生翹曲，從而危及墊修整器工作面的光滑度和平整性。因此，工作面的釬焊部變得粗糙，產(chǎn)生高低疵點。這些疵點是不希望的，因為它們可能會造成焊料開始剝落，并且在工件的拋光面上產(chǎn)生微細(xì)刮痕。
因此人們一直在尋求提高金剛石工具的效率、使用壽命和其它性能特點的合適方法。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明人認(rèn)識到，開發(fā)一種能滿足上述要求的金剛石工具制造方法是有利的。
根據(jù)一方面，為解決上述問題，本發(fā)明提供一種制造具有單個砂粒布置的定制圖形的金屬結(jié)合金剛石或其它超磨料工具的方法。由于金剛石砂粒的分布得到控制，因此金剛石砂?？稍O(shè)置成產(chǎn)生特定的工具磨損模式包括均勻磨損的具體圖形。此外，每個超磨料砂粒得到較充分的利用，無需用多余的超磨料砂粒作備用。因此，通過減少所需的超磨料顆粒的總量，可以使金屬結(jié)合金剛石或其它超磨料工具的制造成本最小。
按照本發(fā)明另一方面，該過程涉及提供一基底，然后按照預(yù)定圖形在基底表面上直接釬焊多個超磨料顆粒，從而用釬焊合金使金剛石顆?；瘜W(xué)結(jié)合地就位在基底上。
根據(jù)本發(fā)明一方面，釬焊合金可為一非晶態(tài)釬焊合金層、粉末或卷壓連續(xù)膜。釬焊合金選擇成含有一種與超磨料顆粒和支承材料如鈦、釩、鉻、鋯、鉬、鎢、錳、鐵、硅、鋁和及其混合物或合金化學(xué)結(jié)合的元素。根據(jù)本發(fā)明一較詳細(xì)的方面，可在超磨料顆粒附加在基底上之前或之后施加釬焊合金。按照本發(fā)明，可用各種釬焊合金將金剛石顆粒結(jié)合到基底上。釬焊合金應(yīng)在防止金剛石反向轉(zhuǎn)換成碳的溫度下將超磨料顆粒釬焊到基底上。根據(jù)本發(fā)明一較詳細(xì)的方面，在低于約1100℃的溫度下進(jìn)行釬焊。
可通過各種方法用釬焊合金將金剛石顆粒結(jié)合到基底上。根據(jù)一方面，可在金剛石磨顆粒分布在基底表面上之后將釬焊合金施加到基底表面上。然后將釬焊合金加熱到足以將金剛石顆粒釬焊(即化學(xué)結(jié)合)到基底上的溫度。這同樣適用于將金剛石顆粒釬焊到基體支承材料上而不是基底上或?qū)⒔饎偸w粒既釬焊到基體支承材料上又釬焊到基底上的情況。根據(jù)另一方面，可首先將釬焊合金放在基底或基體支承材料的暴露表面上，然后將金剛石顆粒按照預(yù)定圖形分布在釬焊合金上或中。然后加熱到足以將金剛石顆?；瘜W(xué)結(jié)合到基底或基體支承材料上的溫度。
可用各種方法將金剛石顆粒以預(yù)定圖形布置到基體支承材料上。但是，根據(jù)一方面，這一過程包括利用其上有布置成預(yù)定圖形的多個孔的模板(樣板)。通常將模板放置(設(shè)置)在其上將附加金剛石顆粒的表面上并用金剛石顆粒填充這些孔。顆粒填充孔后，可對它們加壓或利用有機(jī)粘結(jié)劑或粘合劑使它們保持就位在該表面上。然后可去除模板，并按照所制造的工具的要求在基底表面上進(jìn)一步調(diào)整金剛石顆粒。由于利用了模板，各顆粒按照預(yù)定圖形被可靠地植置或定位在特定位置上并按照一預(yù)定圖形保持在基底或基體支承材料上。根據(jù)一較詳細(xì)的方面，可將其上有金剛石顆粒的多個基底或基體支承材料層結(jié)合在一起以形成具有呈預(yù)定圖形的金剛石或其它超磨料顆粒的三維布置(結(jié)構(gòu))的一工具。
根據(jù)本發(fā)明另一方面，還可將超磨料顆粒附加在一轉(zhuǎn)移板上然后轉(zhuǎn)移到基底上。根據(jù)該實施例的一方面，轉(zhuǎn)移板可用金屬或塑料制成，可為柔性或剛性的?？赏ㄟ^在轉(zhuǎn)移板上涂敷一粘合劑薄層而將超磨料顆粒附加到轉(zhuǎn)移板上。然后用模板按照預(yù)定圖形將超磨料顆粒分布到轉(zhuǎn)移板上。使其一側(cè)面上粘附有超磨料顆粒的轉(zhuǎn)移板壓靠基底或基體材料。然后通過將超磨料顆粒粘附在涂敷在基體支承材料表面上的粘合劑上而將超磨料顆粒轉(zhuǎn)移到基體支承層上。為易于加工，涂敷在基底上的粘合劑優(yōu)選地比涂敷在轉(zhuǎn)移板上的粘合劑更牢固地粘附超磨料顆粒。
然后，將釬焊合金片放置在其上粘附有磨料顆粒的基底頂部上。也可將焊料粉末撒到其上附加有超磨料顆粒的基底表面上。根據(jù)本發(fā)明一可選方面，可形成焊料粉末漿體，然后例如通過噴射、粘貼等方法將該漿體施加到其上粘附有超磨料的基底或基體支承材料上。
在轉(zhuǎn)移板方法的一變型中，轉(zhuǎn)移板為將變成成品工具的一部分的非晶態(tài)釬焊片。可利用粘合劑以預(yù)定圖形使多個超磨料附加在該非晶態(tài)釬焊片上或保持就位。然后將其上固定有超磨料顆粒的該非晶態(tài)釬焊片放置在一基底上。根據(jù)本發(fā)明該實施例的一較詳細(xì)的方面，用一模板使超磨料在該非晶態(tài)釬焊片上形成與將超磨料附加到基底上時類似的圖形。模板的每個孔中可容納一個超磨料顆粒。一旦所有孔填充有超磨料顆粒后，去除所有多余的超磨料顆粒，然后用一整體平坦的表面如一鋼板將超磨料顆粒壓入該非晶態(tài)釬焊片中。也可不將顆粒壓入釬焊合金片而是用粘性物質(zhì)如膠或其它聚合樹脂保持顆粒就位。然后去除模板并用粘合劑如丙烯酸膠將該含有磨料顆粒的釬焊合金片放置在基底上。最后在一真空爐中釬焊該整個組件以完成釬焊過程，并將磨料顆粒牢牢地固定在基底或基體支承材料上。根據(jù)本發(fā)明一方面，也可在引入磨料顆粒之前將柔性釬焊合金片附加到基底或基體支承材料上。
用在模板中的孔可布置成各種圖形，包括在具體應(yīng)用場合下使工具性能最佳的圖形。根據(jù)一方面，孔的圖形從而所得的金剛石顆粒預(yù)定圖形可為一均勻的格柵。根據(jù)另一方面，超磨料顆?？刹贾玫檬杳懿煌?，以補(bǔ)償不均勻磨損。因此，一鋸的切削刃上的金剛石分布可以是金剛石顆粒在前緣和側(cè)部比在磨損通常較小的中部分布得密。同樣，可控制超磨料顆粒的大小以得出適應(yīng)工具的具體用途和磨損模式的切削、研磨等表面。
根據(jù)本發(fā)明另一方面，可使用只由或本質(zhì)上由一非晶態(tài)釬焊合金片構(gòu)成的基體支承材料。這樣，可將超磨料顆粒分布或植置在該釬焊合金片中。然后可使植置有超磨料顆粒的釬焊合金片直接結(jié)合到一工具基底或基體支承材料上。也可用合適的粘合劑將超磨料顆粒粘到一工具基底或基體支承材料上。然后可將釬焊合金片施加到該基底或基體支承材料上并將該組件加熱到焊料的熔點以上。因而熔融焊料可與超磨料顆粒和基底或基體支承材料化學(xué)結(jié)合。在另一可選實施例中，具有超磨料顆粒的釬焊合金片與一未熔融金屬薄層層壓在一起。
按照本發(fā)明又一方面，基體支承材料可含有用來提高某些性能的成分。例如，可加入硬材料如鎢、碳化鎢和碳化硅以提高耐磨性。還可加入軟材料如硫化鉬、銅和銀用作固態(tài)潤滑劑。
根據(jù)本發(fā)明又一較詳細(xì)方面，在加熱釬焊合金和磨料顆粒的組件后，可在釬焊合金工作面上附加一覆蓋材料層以形成光滑面。由于釬焊合金片在加熱過程中持續(xù)的熔融狀態(tài)和表面張力，最后形成的工作面可能會十分粗糙，其中含有多個容易在使用時剝落的鋸齒狀突出部。這在工件可能由于松動的顆粒而受損的精拋光的修整中特別重要。覆蓋材料有預(yù)定厚度，從而不會妨礙磨料顆粒的拋光或修整能力。此外，該覆蓋材料通常包括多種金屬材料如鎳、鎢、鈷、鉻或鋯鎳合金中的任一種?？捎萌舾煞椒ㄊ┘痈采w材料，但根據(jù)某些方面，可用電鍍或物理氣相沉積(PVD)工藝施加。
根據(jù)本發(fā)明另一方面，在釬焊過程后可將一可選抗腐蝕材料薄層施加到金剛石工具上。附加抗腐蝕材料可有效地“密封”工具的工作面。從而在工具的實際利用中防止磨料顆粒、釬焊合金和/或覆蓋材料受各種化學(xué)物品和/或冷卻劑的化學(xué)侵蝕?？垢g材料通常包括超磨材料如類金剛石碳或非晶金剛石。與覆蓋材料一樣，抗腐蝕層有預(yù)定厚度，從而有效密封工具的工作面而又不妨礙磨料工作。
本發(fā)明的另一重要方面是具體控制各種超磨料顆粒在工具表面上的布置的能力。因而例如可集合若干片狀工具段以形成工具前體(見圖6A-9和圖12C)以進(jìn)行熱處理和加壓處理。通過提供一未熔融金屬薄層和將超磨料砂粒以預(yù)定圖形在該層上而集合各工具段。在按照預(yù)定圖形將金剛石顆粒放置到該金屬薄層上后將一非晶態(tài)釬焊合金片放置在超磨料顆粒上以形成一超磨料層片狀工具段。可以重復(fù)該過程直到形成所需層數(shù)。然后集合這些層以形成所需三維體。然后固結(jié)(例如通過燒結(jié)或滲入)該金剛石工具以形成成品工具。通過將基本呈兩維的工具段集合成三維體，可以可靠地控制金剛石砂粒在工具中的分布。從而可調(diào)節(jié)同一工具的不同部分中的金剛石密度(見圖6A-9)。這種金剛石分布控制對于提高工具耐磨性是很有效的。例如，金剛石鋸片的側(cè)邊常常比中心部分磨損得快，因此在側(cè)邊上增加較多的金剛石砂粒(見圖6B)。各層的分布圖形和密度可相同，或者其分布圖形、密度和/或粒度也可不同。
通過將其上有以預(yù)定圖形和密度布置的超磨料的各金屬基體層集合成三維體，本發(fā)明不但在工具主體中提供所需金剛石分布圖形，而且具有可控制同一工具主體中不同部分的金剛石密度的靈活性。因此，例如金剛石顆粒的密度在某些層中可比在其它層中大，并可將具有較大金剛石密度的層這樣形成的三維結(jié)構(gòu)中以防止在許多現(xiàn)有磨料工具中常常會發(fā)生的不均勻磨損模式。
利用特定的磨料顆粒圖形或設(shè)計來提高磨料工具的性能的重要性的另一示例是對修整而言。如上所述，利用模板可使磨料顆粒按照預(yù)定圖形定位在特定位置上。根據(jù)一方面，這類圖形可設(shè)計成具有可提高對CMP墊的修飾效果的間隙或構(gòu)形。例如，CMP墊修整圓盤的工作面可構(gòu)造成便于CMP墊在修整圓盤的內(nèi)部或中部下方而不是只沿其外部或“前緣”上升。這一額外上升使得修整圓盤可較有效地切入和修飾該墊。
利用模板還可使得基底上磨料顆粒的間距均勻。通過利用如上所述模板可確保磨料間距和粒度均勻。此外，利用片狀或切割成平面的釬焊合金和粘附于其上的粒度均勻的磨料顆?？墒沟媚チ项w粒的高度一致。
以上十分寬泛地概述了本發(fā)明的各種特征，以便于較好地理解以下的詳細(xì)說明和本發(fā)明對本領(lǐng)域的貢獻(xiàn)。本發(fā)明的其它特征可從以下結(jié)合所附權(quán)利要求對本發(fā)明進(jìn)行的詳細(xì)說明中或通過本發(fā)明的實施變得清楚。
本發(fā)明的其它特征和優(yōu)點將從以下結(jié)合附圖并通過示例示出本發(fā)明特征的進(jìn)行的詳細(xì)說明中明顯可見。


圖1為按照本發(fā)明一實施例制成的成品工具段的側(cè)視圖；圖2為一工具段的側(cè)視圖，其示出利用模板布置超磨料顆粒；圖3為一工具段的側(cè)視圖，其示出利用轉(zhuǎn)移板將超磨料顆粒布置在基底上的方法；圖4為一工具段的側(cè)視圖，其示出形成超磨料顆粒圖形的另一種方法；圖5為一前體工具段的側(cè)視圖，其示出釬焊合金的一種可能布置；圖6A示出由彼此鄰近設(shè)置以形成三維超磨料件的多個線性縱向?qū)有纬傻某チ瞎ぞ叩囊欢危粓D6B為圖6A所示工具段的一典型構(gòu)形的橫截面圖，其中，由基體支承材料和較大超磨料顆粒形成的一層夾在兩層具有較小砂粒和較高磨料密度的基體支承材料之間；圖7A示出由粘附以形成三維超磨料件的多個弧形縱向?qū)有纬傻某チ瞎ぞ叩囊欢危粓D7B示出可以與圖7A中工具段一起使用的多層基體支承材料的橫截面圖；圖8示出一切削工具段的另一種可能布置，該切削工具具有構(gòu)造成其三維超磨料件前部切削端的磨料密度較高的橫向?qū)?；圖9示出一工具段的另一種布置，其中，三維超磨料件形成為其磨料分布朝具有水平層的工具的上表面逐漸變密；圖10A-10D示出一種用于形成其中具有控制的超磨料分布的各層的可能方法；
圖11A-11C示出用于形成具有控制的超磨料分布的一層或多層的另一種方法；圖12A-12C示出利用非晶態(tài)釬焊合金片形成具有控制的超磨料分布的一層或多層的另一種方法；圖13為由具有三維超磨料圖形的多層形成的固結(jié)工具段的側(cè)視圖。
具體實施例方式
現(xiàn)在將參見附圖所示的示例性實施例并用專門用語說明這些實施例。但這并不適于對本發(fā)明范圍進(jìn)行限制。對本文示出的發(fā)明特征、加工步驟和材料所作的替換和修正以及本文示出的發(fā)明原理的對于相關(guān)領(lǐng)域擁有該公開文獻(xiàn)的普通技術(shù)人員顯而易見的其它應(yīng)用都應(yīng)看成落入本發(fā)明范圍內(nèi)。還應(yīng)理解的是，本文所用的術(shù)語僅用于說明具體實施例而非進(jìn)行限制。
A.定義在本發(fā)明的說明書和權(quán)利要求中將使用下述術(shù)語。
除非上下文另有清楚的說明，單數(shù)形式“一”和“該”包括復(fù)數(shù)指代。因此，例如，“一基體材料”包括指代一種和多種該材料，并且“一合金”包括指代一種和多種該合金。
如本文中所用的，“基本不含”指成分中缺乏所指元素或劑料。特別地，“基本不含”的元素或者在成分中完全沒有，或者只有很少量以致于對成分的影響可以忽略不計。
如本文中所用的，“預(yù)定圖形”指在構(gòu)造工具之前給定的、使每個超磨料顆粒按照與其它金剛石顆粒和工具構(gòu)形的限定關(guān)系單個放置或定位的非隨機(jī)圖形。例如，“以預(yù)定圖形可靠地植置磨料”指將單個顆粒定位在具體的非隨機(jī)及預(yù)定位置處。此外，該圖形不限于均勻格柵圖形，而是可以包括基于應(yīng)用場合的任何圖形。
如本文中所用的，“非晶態(tài)釬焊料”指具有非晶體結(jié)構(gòu)的均質(zhì)焊料成分。這類合金基本不含加熱時固液異成分熔化的共晶相。盡管難以確保精確的合金組成，但本文所指的非晶態(tài)釬焊合金應(yīng)在一較窄的溫度區(qū)間中顯示出基本共熔的性狀。
如本文中所用的，“均勻格柵圖形”指沿各方向彼此均勻間隔的金剛石顆粒圖形。
如本文中所用的，“不規(guī)則形狀”指非標(biāo)準(zhǔn)幾何形狀如非圓、非橢圓和非方形等形狀。
如本文中所用的，“基體”、“基體支承材料”、“基體支承層”和“基體材料”可以互換使用，并且指超磨料顆粒可以結(jié)合于其上的非燒結(jié)顆粒材料。顯然，顆粒材料的燒結(jié)或固結(jié)可以在超磨料顆?；瘜W(xué)結(jié)合到該顆粒材料上的過程中發(fā)生。根據(jù)一方面，超磨料顆粒可以結(jié)合或固定到基體表面上。根據(jù)另一方面，超磨料顆?？梢怨潭ǖ交蛑踩牖w表面中。根據(jù)另一方面，基體材料可呈工具主體形。根據(jù)又一方面，基體材料可呈具有特定厚度的片狀。
如本文中所用的，“基底”指固態(tài)金屬材料。盡管許多固態(tài)金屬材料可以是金屬顆粒燒結(jié)或固結(jié)的產(chǎn)物，但是應(yīng)理解的是，在本文中“基底”不包括尚未燒結(jié)或固結(jié)成固體的粉末或顆粒金屬材料。
如本文中所用的，“合金”指金屬與第二材料的固態(tài)或液態(tài)混合物，所述第二材料可為非金屬如碳、金屬或提高或改善該金屬的特性的合金。
如本文中所用的，“金屬釬焊合金”、“釬焊合金”、“釬焊料”和“焊料”可以互換使用，并且指能化學(xué)結(jié)合到超磨料顆粒和基體支承材料或基底上從而使超磨料顆粒與基體支承材料結(jié)合在一起的金屬合金。本文所公開的具體的釬焊合金組分和成分不限于相關(guān)的具體實施例，并且可用在本文所述的本發(fā)明的任一實施例中。
如本文中所用的，“釬焊”指在超磨料顆粒的碳原子與釬焊料之間形成化學(xué)結(jié)合。此外，“化學(xué)結(jié)合”意味著共價鍵如碳化物或硼化物結(jié)合而非機(jī)械或原子間較弱引力。因此，當(dāng)與超磨料顆粒有關(guān)地使用“釬焊”一詞時，將形成真正的化學(xué)結(jié)合。但是，當(dāng)與金屬和金屬的結(jié)合有關(guān)地使用“釬焊”一詞時，該詞具有冶金結(jié)合的較傳統(tǒng)意義。因此，將超磨料段釬焊到工具主體上無需存在碳化物形成物。
如本文中所用的，“超磨料顆?！焙汀俺チ仙傲！笨梢曰Q使用并且指天然或合成金剛石、超硬晶體或多晶體物質(zhì)顆?；蜻@些物質(zhì)的混合物，并包括但不限于金剛石、金剛石聚晶(PCD)、立方氮化硼(CBN)和聚晶立方氮化硼(PCBN)。此外，術(shù)語“磨料顆?！?、“砂?！?、“金剛石”、“PCD”、“CBN”和“PCBN”可互換使用。
如本文中所用的，在釬焊步驟中，“直接”指將一單個釬焊金屬或合金用作結(jié)合介質(zhì)而在超磨料顆粒與給定材料之間形成化學(xué)結(jié)合。
如本文中所用的，“前體”指超磨料顆粒、基底或基體支承材料和/或釬焊合金的組件。前體描述釬焊和/或燒結(jié)加工前的該組件即“生坯”。
如本文中所用的，“孔”指穿過模板表面的具有隨預(yù)期應(yīng)用而定的預(yù)定大小和形狀的開口。例如，孔的大小可設(shè)計成容納多個其篩孔尺寸給定的超磨料顆粒。但是，常常希望將孔設(shè)計成每個孔只容納一個超磨料顆粒。
如本文中所用的，“自形的”指自發(fā)的或具有包含天然結(jié)晶面的不變天然形狀。
如本文中所用的，“尖部”指晶體的任何較窄尖端，包括但不限于角、脊、邊緣、尖柱和其它突出部。
如本文中所用的，“金屬”指任何類型的金屬、金屬合金或其混合物，并且具體地包括但不限于鋼、鐵和不銹鋼。
在本文中說到距離和大小時，“均勻”指差別小于約75微米的尺寸。
在本文中可用區(qū)間形式表示密度、含量和其它數(shù)據(jù)。應(yīng)該理解的是，使用區(qū)間形式只是為了方便簡明，并且該區(qū)間應(yīng)靈活地解釋為不但包括區(qū)間兩端明確引用的數(shù)值還包括該區(qū)間內(nèi)的所有單個數(shù)值或子區(qū)間，就像每個數(shù)值和子區(qū)間都被明確引用一樣。
例如，密度區(qū)間約1％w/w-約4.5％w/w應(yīng)解釋為不但包括明確引用的密度端值1％w/w和4.5％w/w，還包括單個密度如2％w/w、3％w/w、4％w/w和子區(qū)間如1％w/w-3％w/w、2％w/w-4％w/w等。這同樣適用于只引用一個數(shù)值的區(qū)間如“小于約4.5％w/w”，這應(yīng)解釋為包括所有上述數(shù)值和區(qū)間。此外，不管區(qū)間寬度或所述特性如何，都應(yīng)如此解釋。
B.本發(fā)明下面參見其中用數(shù)字標(biāo)號表示本發(fā)明各部件的附圖并討論本發(fā)明。應(yīng)該理解的是，以下說明只是本發(fā)明原理的示例性說明，不應(yīng)看成縮小了所附權(quán)利要求的范圍。
如圖1所示，多個超磨料顆粒20按照預(yù)定圖形釬焊到基底102的暴露表面上。用釬焊料25將該超磨料顆粒釬焊或結(jié)合到基底上。在與本發(fā)明一致的情況下，可用各種方法獲得所需結(jié)果，下面將對其進(jìn)行詳細(xì)說明。
基底可包括各種材料如各種金屬。具體的金屬的示例包括但不限于鈷、鎳、鐵、銅、碳及其合金或混合物(例如鎢或其碳化物、鋼、不銹鋼、青銅等)。本發(fā)明用于各種金剛石工具如用于研磨、拋光、切削、修整的工具或任何用于從工件上去除材料的工具。例如，鋸不限于但可包括圓鋸、鋸條、排鋸、往復(fù)鋸、框鋸、線狀鋸、薄壁截斷鋸、刮片刀和鏈鋸。根據(jù)另一方面，該金剛石工具可為一CMP墊調(diào)整器。
基底通常具有超磨料顆粒將附加于其上并且可以是基本平坦或具有造形以及可以像在一些鉆頭或圓鋸中那樣具有多面的暴露表面。但是，在本發(fā)明一實施例中，超磨料顆?？山Y(jié)合到一基體支承材料上而不是直接結(jié)合到基底上。該基體支承材料可充分構(gòu)造成用作工具主體，也可偶聯(lián)到基底上以形成完整的工具。
在另一實施例中，可利用如下所述的模板用丙烯酸膠或其它粘合劑將磨料顆粒暫時附加在基底上以防止其在釬焊過程中運(yùn)動。大多數(shù)普通粘合劑將在約400℃以上的溫度下汽化且不與釬焊合金或超磨料顆粒產(chǎn)生化學(xué)反應(yīng)。
本發(fā)明的釬焊合金可為薄片、粉末或連續(xù)的非晶態(tài)釬焊合金片。按照本發(fā)明，可通過多種途徑產(chǎn)生釬焊合金。例如，首先可將釬焊合金與合適的粘結(jié)劑(通常為有機(jī)粘結(jié)劑)和可溶解該粘結(jié)劑的溶劑混合。然后攪拌該混合物以形成粘度合適的漿體或漿團(tuán)。為防止粉末在加工過程中結(jié)塊，還可加入合適的潤濕劑(例如鯡魚油、磷酸鹽酯)。然后可以將該漿體噴涂或以其它方式施加到基體支承材料和/或超磨料顆粒上。在另一實施例中，然后可將漿體澆注到一塑料帶上并拉到一刀片或平準(zhǔn)裝置下方。通過調(diào)節(jié)刀片與塑料帶之間的間隙，能將漿體澆鑄成具有所需厚度的板。帶澆注法是用于制造粉末材料制成的薄片的已知方法，對本發(fā)明方法很有用。
釬焊合金也可為非晶態(tài)釬焊合金片。該非晶態(tài)釬焊合金片可以是柔性的或剛性的，并可以根據(jù)所需的工具輪廓成形。該釬焊合金片還有助于焊料在工具表面上的均勻分布。該釬焊合金片不含粉末或粘結(jié)劑，而只有均質(zhì)焊料成分。已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，非晶態(tài)釬焊合金用在本發(fā)明中是有利的，因為它們基本不含加熱時固液異成分熔化的共晶相。盡管難以確保精確的合金成分，但用于本發(fā)明的非晶態(tài)釬焊合金應(yīng)在一較窄的溫度區(qū)間中顯示出基本共熔的性狀。因此，在釬焊加工的加熱部分中，該合金不會例如通過玻璃化形成大量晶?；蚪Y(jié)晶相。此外，非晶釬焊合金的熔化性狀不同于要求減少或消除存在于合金材料顆粒之間且不會存在于合金的非晶態(tài)形式中的空隙的燒結(jié)。但是，原始的非晶態(tài)焊料可以在結(jié)晶時經(jīng)過較慢的冷卻過程形成非均質(zhì)相。通常通過將液體迅速冷卻成固體以避免局部結(jié)晶和成分變化而形成非晶態(tài)合金。顯然，在本文所述的每一個加工步驟中，釬焊合金可為與所需工具段形狀對應(yīng)的片、膜或其它沖壓層。
也可將粉末狀釬焊合金與合適的粘合劑和該粘合劑的溶劑混合以形成一可變形餅狀物。然后可通過一具有狹長開口的模具擠出該餅狀物。該開口中的間隙決定了擠出的板的厚度。也可將材料拉到兩個具有可調(diào)間隙的輥子之間以形成具有合適厚度的合金片。根據(jù)另一方面，可以像下文較詳細(xì)說明的那樣將焊料粉末直接噴淋到金剛石顆粒和基底上。
為了后續(xù)處理(例如彎曲到基底上方)，希望合金片是柔韌的。因此還可加入合適的有機(jī)塑化劑以產(chǎn)生所需的特性。
將有機(jī)劑料用于粉末(金屬、塑料或陶瓷)加工在許多教科書中都有所敘述，并且對于本領(lǐng)域技術(shù)人員是已知的。典型的粘結(jié)劑包括聚乙烯醇(PVA)、聚乙烯醇縮丁醛(PVB)、聚乙二醇(PEG)、石蠟、酚醛樹脂、乳狀石蠟和丙烯酸樹脂。典型的粘結(jié)劑溶劑包括甲醇、乙醇、丙酮、三氯乙烯、甲苯等。典型的塑化劑為聚乙二醇、草酸二乙酯、三氫松香酸三甘醇酯、甘油、鄰苯二甲酸辛酯。如此引入的有機(jī)劑料為便于形成金屬層。在金屬粉末固結(jié)前必須將它們?nèi)コ?。粘結(jié)劑去除過程(例如通過在具有氣體控制的加熱爐中加熱)對于本領(lǐng)域技術(shù)人員也是已知的。
根據(jù)一方面，釬焊合金可基本不含鋅、鉛和錫。一種市場上銷售的適用于本發(fā)明的粉末狀釬焊合金為由Wall Colmonoy Company，MadisonHeights，Michigan生產(chǎn)的商標(biāo)為NICROBRAZ LM(7wt％鉻、3.1wt％硼、4.5wt％硅、3.0wt％鐵、最多為0.06wt％的碳，并且其余為鎳)的產(chǎn)品。其它合適的合金包括含有鉻、錳、鈦和硅的銅、鋁和鎳合金。根據(jù)一方面，釬焊合金可包括鉻。根據(jù)另一方面，釬焊合金可包括銅和錳的混合物。根據(jù)另一方面，鉻、錳和硅的含量可以為至少約5％重量百分比。根據(jù)另一方面，該合金可包括銅和硅的混合物。根據(jù)另一方面，該合金可包括鋁和硅的混合物。根據(jù)另一方面，該合金可包括鎳和硅的混合物。根據(jù)另一方面，該合金可包括銅和鈦的混合物。
優(yōu)選地，該金剛石焊料含有至少3％重量百分比的選自鉻、錳、硅、鈦和鋁及其合金和混合物的碳化物形成物。此外，金剛石焊料應(yīng)具有低于1000℃的液相線溫度以免在釬焊加工中損壞金剛石。一種市場上銷售的能在足夠低的溫度下熔化的非晶態(tài)釬焊合金片為由Honeywell生產(chǎn)的具有NICROBRAZ LM成分的非晶態(tài)釬焊合金箔(MBF)。這些箔片的厚度為約0.001”(英寸)，且通常在約1010℃和約1013℃之間的溫度下熔化。
根據(jù)一方面，可在控制氣體如通常為約10-5托的真空、惰性氣體(例如氬氣(Ar)或氮氣(N2))或還原氣體(例如氫氣(H2))中進(jìn)行釬焊。該氣體可促使釬焊合金滲入入基體支承材料中，并從而提高金剛石焊料與基體焊料的結(jié)合。
參見圖2，選定一基底102并將一模板110放置在該基底頂部上。該模板110包含比一個超磨料顆粒大但比兩個超磨料顆粒小的孔114，因而允許在每一特定位置處設(shè)置一單個磨料顆粒。該模板的厚度優(yōu)選地為磨料顆粒平均高度的1/3-2/3。但是，如果形成合適的容納空間以便使超磨料顆粒在希望的位置處就位，也可以采用其它厚度。根據(jù)一些方面，模板的厚度可以達(dá)到磨料顆粒高度的兩倍?？梢詫⒄澈蟿┦┘拥皆摶椎谋砻嫔弦员阍阝F焊加工期間保持超磨料顆粒就位。
在準(zhǔn)確地定位模板110后，將一層超磨料顆粒20遍布在模板上，以使得每個孔114都接納一超磨料顆粒。通過傾斜基底、用掃帚清掃模板或其它類似方法而去除未落入模板的孔中的顆粒。然后可以可選地將一整體平坦的表面如一鋼板放到支靠在模板的孔中的超磨料顆粒上。該平坦面壓下超磨料顆粒以使磨料就位。因此受壓顆粒通過稍稍機(jī)械壓入基底或焊料層(未示出)中或壓入在將超磨料顆粒放置在其上之前施加到基底的暴露表面上的粘合劑層(未示出)中而牢固地粘附在基底上。然后去除模板110，以使得超磨料顆粒20按照模板的預(yù)定圖形保持就位在基底102上。
可選地，如圖3所示，基底可以是超磨料顆粒20利用粘合劑薄膜(未示出)附加到其一側(cè)上的轉(zhuǎn)移板106?？梢钥蛇x地采用與上述利用模板110實現(xiàn)特定的超磨料顆粒圖形相同的方法進(jìn)行顆粒布置。然后將其上附加有超磨料顆粒20的轉(zhuǎn)移板106壓靠在基底102上。該轉(zhuǎn)移板可用金屬或塑料制成，但是已經(jīng)發(fā)現(xiàn)透明的塑料轉(zhuǎn)移板易于使用并便于監(jiān)控該過程?？捎萌魏握掣椒椒ㄈ缯澈蟿㈩w粒附加到轉(zhuǎn)移板上。為了便于超磨料顆粒轉(zhuǎn)移到基底102上，可利用使顆粒20與基底102的粘附力比與轉(zhuǎn)移板的粘附力強(qiáng)的粘合劑層(未示出)。然后去除該轉(zhuǎn)移板并進(jìn)行處理如加入焊料以形成工具前體和加熱以生成成品。因此，磨料顆粒以由模板確定的圖形轉(zhuǎn)移到基底上。
在另一實施例中，轉(zhuǎn)移板106可為非晶態(tài)釬焊合金片。在與上述過程類似的過程中，將超磨料顆粒20附加到一基底上。首先，如圖4所示，將具有孔114的模板110放置在釬焊合金片106上。根據(jù)本發(fā)明的一方面，該釬焊合金片可為如上所述的連續(xù)非晶態(tài)釬焊合金片或膜。使用模板允許通過將模板設(shè)計成具有成預(yù)定圖形的孔而控制每個磨料顆粒布置在特定位置處。
在將模板110放置在釬焊合金片上后，用磨料顆粒20填充孔114?？拙哂蓄A(yù)定大小，以使得每個孔中將只有一個磨料顆粒。磨料顆?；蛏傲５娜我獯笮《际强山邮艿模鶕?jù)本發(fā)明的一方面，顆粒的直徑為約100-約350微米。盡管不同的孔大小和形狀將限制每個孔中容納一個顆粒，但可將本發(fā)明的孔設(shè)計成用以非常小心地布置超磨料顆粒。因此，對于100微米的平均顆粒粒度，孔的橫向尺寸可設(shè)計成為約150微米。
根據(jù)本發(fā)明的另一方面，模板中的孔的大小可定制以獲得其粒度在均勻粒度范圍內(nèi)的磨料顆粒的圖形。在CPM墊修整這一特殊實施例中，模板的孔足以只選擇在變化不大于50微米的粒度范圍內(nèi)的砂粒。該砂粒粒度的均勻性有助于CPM墊修整的均勻性，因為各磨料顆粒的工作負(fù)載得到均勻分布。反過來，均勻的工作負(fù)載分布減小了在單個磨料顆粒上的應(yīng)力，并延長了CPM墊修整器的有效壽命。在各種超磨料工具中，模板可以具有各種構(gòu)形。這些圖形可包括各種布置并包括不同大小的孔以容納同一工具中的不同粒度的超磨料顆粒，此時，將首先施加較大的顆粒，然后施加較小的顆粒。
在模板的孔都由超磨料顆粒填充后，去除所有多余的磨料顆粒，并可選地將一平坦面施加到磨料顆粒上。該平坦面應(yīng)由非常堅固的剛性材料制成，以便能將磨料顆粒壓入釬焊合金片或膜106中。這類材料通常包括但不限于鋼、鐵及其合金等。
去除模板后，可再次使用該平坦面將磨料顆粒牢固地壓入釬焊合金片中。盡管平坦面是優(yōu)選的，但本領(lǐng)域的技術(shù)人員將意識到，有時希望一些磨料顆粒比其它磨料顆粒從成品工具向外延伸得更多。此時，可利用造形或成形面使一些磨料顆粒比其它磨料顆粒在釬焊合金片中更深處就位。因而磨料顆粒將遠(yuǎn)離基底延伸至一預(yù)定高度。
盡管將超磨料顆粒壓入釬焊合金的上述方法在多種應(yīng)用中是優(yōu)選的，但有時希望磨料顆粒從釬焊合金向外延伸出。例如，一些工具可僅具有一層磨料。為此只需在利用平坦面按壓超磨料顆粒時保留模板110并在一旦去除模板時便不再將顆粒壓入釬焊合金。
在一可選實施例中，使圖3-5中的釬焊合金片或膜的厚度比超磨料顆粒20的橫截面厚度或直徑小。當(dāng)將顆粒壓入合金片106中時，該片的厚度迫使顆粒從釬焊合金片突出。然后將合金片以上述方式施加到基體支承材料上。
在形成本發(fā)明的預(yù)定圖形時，模板中的孔的間距盡管是非隨機(jī)的，但不必是均勻的。相反，可以使間距不同以使得各區(qū)域的密度不同從而使得釬焊合金片的各部分的密度不同。同樣，通過控制孔的大小和金剛石顆粒安放在孔中的次序可形成具有不同粒度的顆粒的單層。
根據(jù)本發(fā)明一較詳細(xì)的方面，超磨料顆粒的高度在CMP墊修整器中是較重要的。均勻的顆粒高度可由模板110的厚度確定，并且在一優(yōu)選實施例中，各磨料顆粒將延伸至50微米的距離內(nèi)。這樣，各磨料修飾成在CMP墊上的深度基本相同。但是，應(yīng)該理解的是，在某些應(yīng)用中，不希望砂粒高度均勻。因而本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員將認(rèn)識到，可以通過如此構(gòu)造模板和用于按壓顆粒以形成這一設(shè)計的表面而獲得高度變化的砂粒圖形。
圖1-12C示出的磨料顆粒20具有各種形狀。本發(fā)明的范圍包含任何形狀的磨料顆粒，包括自形或天然成形顆粒。但是，在一實施例中，磨料顆粒呈具有沿遠(yuǎn)離基底方向延伸的尖部的預(yù)定形狀。
在另一可選實施例中，不是將磨料顆粒壓入釬焊合金片，而是通過在釬焊合金片的表面上布置粘合劑而將磨料顆粒固定在模板確定的位置上。這樣，在去除模板時和熱處理過程中，顆粒保持固定就位。
盡管結(jié)合超磨料顆粒的符合圖形的分布說明了釬焊合金片106的應(yīng)用，但它同樣適用于金剛石顆粒在基體支承材料上的隨機(jī)分布。因此，超磨料顆?？梢栽诓皇褂媚０寤虿恍纬深A(yù)定圖形的情況下分布在釬焊合金片或基體支承材料上。也可利用模板采取如上所述的類似方法和布置。
在超磨料顆粒至少部分埋置在釬焊合金片106中或粘附在釬焊合金片106上后，如圖5所示將釬焊合金片附加到基底102上?？蛇x地，在某些實施例中，可首先將釬焊合金片附加到基底上，并利用所述模板法將磨料顆粒順次加到該釬焊合金片上。在另一可選實施例中，如圖3所示，將其上附加有超磨料顆粒的釬焊合金片施加到基底的暴露表面上以使得超磨料顆粒在釬焊合金片與基底之間定向。
用于本發(fā)明的若干實施例的釬焊合金可為本領(lǐng)域已知的任何釬焊材料，但根據(jù)一方面，也可以是其鉻含量為至少約2％重量百分比的鎳合金。有這種成分的釬焊合金本身自然是幾乎超硬的，并且不易受用在各種應(yīng)用中如含漿體的磨料中的溶液的化學(xué)侵蝕。在這一實施例中，可選用附加的抗腐蝕層或覆蓋材料。
由于超磨料顆粒牢固地保持在釬焊合金片中或釬焊合金片上，在釬焊過程中液態(tài)釬焊合金的表面張力不足以使顆粒集結(jié)。此外，焊料變厚的程度大大降低，并且很少或沒有“隆起”形成。如圖1所示，由于焊料與顆粒之間的化學(xué)結(jié)合的潤濕作用，焊料25在各磨料顆粒之間形成稍稍下凹的表面，這形成附加的結(jié)構(gòu)性支承。在一實施例中，非晶態(tài)釬焊合金片106的厚度預(yù)定成允許各磨料顆粒的至少約10％-約90％在焊料外表面或工作面的上方突出。根據(jù)另一方面，當(dāng)使用覆蓋材料時，磨料顆?？蛇x擇或放置成使得各磨料顆粒的至少約10％-約90％在覆蓋材料的外表面或工作面的上方突出。
除了將超磨料顆粒埋置到釬焊合金片中或粘附到釬焊合金片上的特定方法，本領(lǐng)域的技術(shù)人員將意識到合適的可選方法，如將磨料顆粒固定到基底上然后將焊料放置在該磨料顆粒上。此時，可利用上述模板法使顆料定位在基底上，并利用膠水或其它合適的粘結(jié)劑使其保持就位?？蛇x地，然后將粉末狀焊料噴淋或放置到基底上超磨料顆粒周圍并加熱該焊料使其與超磨料顆粒形成化學(xué)結(jié)合并結(jié)合到基底上。
一旦將超磨料顆粒和釬焊合金放置在基底或基體支承材料上以形成超磨工具前體，便加熱該前體以將超磨料釬焊到基體支承材料上。釬焊合金的選擇很重要，并直接影響成品工具的性能如使用壽命和強(qiáng)度。盡管可從市場上獲得多種釬焊合金，但可用于本發(fā)明的釬焊合金種類有限。該釬焊合金應(yīng)包括如上所述的碳化物形成物如鈦、釩、鉻、鋯、鉬、鎢、錳、鐵、硅、鋁及其混合物或合金。
鉻、錳、硅或其混合物或合金特別重要，并且已證明在本發(fā)明中有效。碳化物形成物在釬焊合金中的含量可為2-50％重量百分比。這些焊料的示例有Wall Colmonoy Company(美國)生產(chǎn)的熔點范圍為970-1000℃的NICROBRAZ LM(Ni-Cr-B-Si-Fe)和Degussa(德國)生產(chǎn)的熔點范圍為970-990℃的21/80(Cu-Mn-Ni)。其它可能的焊料包括接近熔點為約880℃的共晶組成(約25wt％的錳)的銅-錳合金；接近熔點為約970℃的共晶組成(約50wt％的硅)的鎳-硅合金；接近熔點為約810℃的共晶組成(約30wt％的硅)的銅-硅合金；接近熔點為約600℃的共晶組成(約15wt％的硅)的鋁-硅合金。
上述金剛石焊料的示例覆蓋了范圍廣泛的機(jī)械特性和滲入或燒結(jié)溫度(通常高于液相線溫度約50℃)。這些焊料的各種合金也可用來進(jìn)一步調(diào)節(jié)釬焊溫度和機(jī)械特性。金剛石焊料的選擇主要視所需的應(yīng)用而定。通常，較嚴(yán)酷的應(yīng)用如鋸花崗巖、混凝土或瀝青將需要能承受較高釬焊溫度的較堅固的金剛石砂粒。在較高溫度下熔化的焊料通常耐磨性較強(qiáng)。另一方面，要求不高的應(yīng)用如鋸石灰石或大理石需要較低強(qiáng)度的金剛石砂粒。這類金剛石在高溫下性能易退化，因此必須在較低溫度下進(jìn)行釬焊。這類焊料通常耐磨性較差。
焊料的量應(yīng)保持為最小以避免完全覆蓋磨料顆粒。這一問題由于普通焊料的機(jī)械性較差而變得復(fù)雜。這一較差的機(jī)械強(qiáng)度抵消了磨料顆粒與焊料之間的化學(xué)結(jié)合強(qiáng)度。事實上，當(dāng)發(fā)生移位時，磨料顆粒與焊料之間的化學(xué)結(jié)合足夠強(qiáng)，以使得焊料本身通常將隨脫落的磨料顆粒折斷。焊料還非常容易受磨料漿的化學(xué)侵蝕。這有利于磨料顆粒的脫落，因為它進(jìn)一步弱化了機(jī)械性已經(jīng)較弱的焊料。
雖然現(xiàn)有技術(shù)的焊料通常包括有利于焊料流動的金屬如鋅、鉛和錫，但在本發(fā)明中已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，這類材料實際上削弱了釬焊加工?，F(xiàn)有技術(shù)的材料通常較易揮發(fā)并且容易污染用于滲入的真空或惰性氣體。盡管極少量的揮發(fā)性金屬對釬焊沒有顯著的影響，但超過約1％或2％重量百分比可能會妨礙正確的滲入。本文中，基本不含揮發(fā)性金屬或基本不含鋅等用于描述揮發(fā)性金屬的含量足夠少以至于不會對滲入和釬焊造成很大妨礙的情況。
重要的是，保持釬焊溫度低于基底熔點，所以工具主體可以在釬焊超磨料顆粒期間保持形狀。此外，釬焊溫度必須足夠低以至于不會使金剛石性能退化，通常低于約1100℃。對于包括滲入的實施例，需要高于釬焊合金液相線溫度通常50℃的溫度。除了控制釬焊溫度，還應(yīng)保持釬焊時間較短以使得焊料不會與金剛石或基底過度反應(yīng)。在前一種情況下，金剛石還會性能退化。在后一種情況下，與基底表面的熔合可能會提高金剛石焊料的熔點。因此，金剛石焊料可能逐漸固化，并且最終停止流動。而且，粗焊料粉末將需要較長的加熱時間和/或溫度。
選擇釬焊合金時還要考慮的是釬焊合金還應(yīng)潤濕超磨料顆粒并與超磨料化學(xué)結(jié)合。因此，如圖1所示，隨著釬焊合金25與超磨料顆粒結(jié)合，釬焊合金蠕升到超磨料的側(cè)邊上。這一潤濕作用由于改善的顆粒機(jī)械支承和較強(qiáng)的碳化物結(jié)合等原因而有利。包含在合適的溶劑合金里的碳化物形成物通常能滿足這一要求。但是，各種碳化物形成物可能會受釬焊氣體的不利影響。
也可控制用于釬焊的氣體環(huán)境以提供優(yōu)良的性能。例如，如果焊料含有強(qiáng)吸氧或吸氮成分如鈦，則在釬焊過程中必須保持高度真空(最大10-6托)或低于-60℃的露點。這一限制條件常常增加了不必要的金剛石結(jié)合工具制造成本。微量的氧氣可以氧化碳化物形成物，并防止形成與金剛石的碳化物結(jié)合。另一方面，如果焊料含有較不敏感的吸氣劑如鉻和錳，低度真空(最小10-5托)和氫氣環(huán)境就足以進(jìn)行釬焊了。但是，如果碳化物形成物與例如鈷或鎳的反應(yīng)性太低，與金剛石顆粒形成的碳化物結(jié)合就會很少。因此，在選擇碳化物形成物時要在與金剛石的結(jié)合能力和氧化傾向之間取得平衡。
釬焊后，可將生成的部件(例如鋸段)精加工(例如研磨)成最終尺寸。然后可將其安裝到(例如通過傳統(tǒng)釬焊)工具主體(例如圓形鋼片)上以得到成品。
如上所述，本發(fā)明利用潤濕金剛石工具的基體支承材料的金剛石焊料。大多數(shù)金剛石焊料都能潤濕主要成分為鈷、鎳、鐵、銅或青銅的普通基體支承材料，因此可以順利地進(jìn)行釬焊?；氐綀D1，按照本發(fā)明生產(chǎn)的成品金剛石工具包括與釬焊合金的一組分如鉻碳化物結(jié)合的金剛石顆粒20和含有同時包括機(jī)械釬焊和與基底102的局部熔合的各種共晶相的焊料25。
除了利用上述方法的釬焊，也可通過混合粉末狀釬焊合金與粉末狀基體材料實現(xiàn)利用釬焊合金將金剛石顆粒結(jié)合到基體材料上。然后加入有機(jī)粘結(jié)劑，并將基體支承材料和釬焊合金如上所述制成一片或一層。然后如上所述通過利用模板以預(yù)定圖形設(shè)置和定位金剛石顆粒而分布該顆粒。然后將該片壓印或壓成所需工具形狀，并將其加熱到足以利用釬焊合金將金剛石顆粒結(jié)合到基體支承材料上以及將基體的金屬顆粒燒結(jié)在一起的溫度。該過程通常可利用不會給工具帶來上述風(fēng)險的低溫而實現(xiàn)。
制造金剛石工具(例如鋸段)的最常用基體粉末為鈷粉。制造普通金剛石工具的鈷粉的標(biāo)準(zhǔn)粒度小于2微米。在過去10年，金剛石工具制造商要求越來越細(xì)的基體粉末。供應(yīng)商(例如Eurotungsten Co.)因此正在向制造超細(xì)(1微米)甚至超超細(xì)(亞微米)粉末努力。在這一趨勢下，燒結(jié)溫度不斷降低。較低的燒結(jié)溫度不僅減小了金剛石的性能退化，而且還降低了制造成本。例如，粉末消耗降低。而且石墨模具的氧化損耗也降到最低。
但是，本發(fā)明一實施例利用金剛石焊料填滿基體粉末的微孔。因此粗粒度粉末即大于400美國篩目或34微米的粉末是優(yōu)選的。此外，雖然傳統(tǒng)方法要求密度盡可能高以迅速進(jìn)行燒結(jié)，但在本發(fā)明中利用具有低堆積密度的前體以使得金剛石焊料易于流動是優(yōu)選的。事實上，有時通過利用非規(guī)則形狀的基體顆粒可以人為地提高基體的孔隙度。該優(yōu)選選擇又與要求顆粒盡可能呈圓形以提高堆積密度的傳統(tǒng)方法相悖。
利用粗基體粉末有其它益處。例如，粗粉末可與不同成分較好地混合。因此金剛石砂?？奢^均勻地分布在前體中。此外，粗粉末的表面積較小，因此滲入的摩擦力較小。因此粗粉末可以在模具中容易地流動。當(dāng)然，粗基體粉末的價格也低得多，從而可降低生產(chǎn)成本。
重要的是，應(yīng)該注意到本發(fā)明只將基體用作保持金剛石砂粒就位的網(wǎng)狀物。因此，基體不必用粉末制成。例如，基體主體可由具有包含PCD主體的金剛石砂粒的開口的鋼板制成。此外，容易形成含段的超磨料以便在釬焊之前容納各種基底形狀。
在本發(fā)明的另一實施例中，形成一其中有金剛石砂粒的預(yù)定圖形的三維工具。通過將基本呈兩維的工具段集合(組合)成三維主體可以可靠地控制工具中的金剛石砂粒的分布。因此可調(diào)節(jié)同一工具的不同部分中的金剛石密度(見圖6A-9)。對金剛石分布的這一控制對改善工具的耐磨性是十分需要的。例如，金剛石鋸片的側(cè)邊常常比中央部分磨損得快，因此在側(cè)邊上添加較多的金剛石砂粒是有利的(見圖6B)。
參考圖6A，其示出一由多層14、16和18構(gòu)成、整體由10表示的工具段的立體圖。每一層14、16和18都由植入有用黑圈20表示的金剛石顆粒的基體支承材料構(gòu)成，并且已滲入有選擇成化學(xué)結(jié)合到金剛石顆粒和基體支承材料上的焊料。優(yōu)選地，金剛石顆粒20占基體支承材料-金剛石混合物的不到50％，較優(yōu)選地不到40％。保持金剛石顆粒的量最小有助于在使產(chǎn)品的使用壽命最佳的同時使成本最小。盡管圖6A-9示出離散的基體支承材料層，但燒結(jié)后的成品工具段本質(zhì)上為具有以特殊的三維圖形分布的超磨料顆粒的連續(xù)金屬前體。因此各層融合以形成其中具有超磨料顆粒的無縫整體基體。該連續(xù)融合前體改善了成品多層工具的強(qiáng)度和使用壽命。
如作為參考材料結(jié)合于此的美國專利No.6,159,286所述，由多個薄層構(gòu)成的工具段10可顯著提高對金剛石顆粒20的分布的控制。通過控制金剛石顆粒20在各層中的分布并集合各層，可形成三維工具段，其中金剛石顆粒的分布在各維度上都得到控制。這轉(zhuǎn)而又能形成特別適合于其可能應(yīng)用的工具段，不管是用于拋光、切削還是研磨等。通過設(shè)定工具段10中的超磨料顆粒的分布和密度可對工具在實際工作條件下的性能進(jìn)行較精確的控制。
例如，當(dāng)利用金剛石鋸片切割巖石(如花崗巖)時，金剛石鋸段的兩側(cè)邊比中央部分切割的材料多。由于磨損不均勻，鋸段的橫截面變成中央部分在兩側(cè)邊上方鼓起的凸起形。該構(gòu)形通常降低了鋸片的切削速度。而且，突出的外形還可能造成鋸片在切槽中側(cè)向偏斜。為了保持直線切割路徑，有時希望制造一種“夾心金剛石工具段”以用植入有較多金剛石或超磨料顆粒的各層來加強(qiáng)工具段的兩側(cè)邊。這一“夾心工具段”難以通過傳統(tǒng)方法由混合金剛石砂粒與金屬粉末制成，但通過本發(fā)明方法卻容易實現(xiàn)首先以預(yù)定圖形和密度將金剛石砂粒植置在一金屬基體層中，然后將這些具有以預(yù)定圖形和密度植入的金剛石砂粒的金屬基體層集合在一起以形成一夾心工具段。
本發(fā)明還通過使選擇成化學(xué)結(jié)合到金剛石顆粒和基體支承材料上的焊料滲入基體支承材料來改進(jìn)上述技術(shù)。因此，盡管圖6A所示的金剛石顆粒的布置較之現(xiàn)有技術(shù)已得到大大改進(jìn)，但通過利用焊料形成化學(xué)結(jié)合而非只靠金剛石顆粒的機(jī)械保持可進(jìn)一步提高工具段10的使用壽命。
同樣，不同粒度的金剛石顆粒的選擇性布置可用于形成用來防止工具段兩側(cè)邊過早磨損的切削工具段，從而延長切削工具段的使用壽命。具體參見圖6B，其示出圖6A的切削工具段10的橫截面視圖。與現(xiàn)有技術(shù)的切削工具段不同，該切削工具段10分別由三層14、16和18構(gòu)成。中間層16有多個第一粒度(例如40/50篩目)和第一密度的超磨料顆粒20a。與此相對照，外層14和18有多個小于第一粒度的第二粒度(例如50/60篩目)和高于中間層16的密度的第二密度的超磨料顆粒20b。較小、較密集分布的超磨料顆粒20b形成在切割水泥、巖石、瀝青等時具有較高耐磨性的外層14和18。由于外層14和18較耐磨，切削工具段10不易像傳統(tǒng)切削件那樣形成凸起外表面。由于切削面較平坦，切削工具段能保持直線切削路徑，從而可以較高效地切削，且使用壽命較長。此外，通過在鋸的側(cè)面上利用較小砂粒，切削面的最后一層較光滑并且可防止將工件削成碎片。
此外，通過使由鉻、錳、硅、鈦和/或鋁或其合金或混合物形成的焊料滲入基體支承材料而進(jìn)一步提高使用壽命。盡管可在較寬的數(shù)量范圍內(nèi)利用這些材料，但已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，鉻、錳、硅、鈦或鋁或其合金或混合物在金剛石焊料中的含量為至少3％(較優(yōu)選地5wt％)重量百分比。焊料填充通常為選自鐵、鈷、鎳或其合金或混合物的粉末的基體支承材料中的微孔。
利用其中布置有金剛石或其它超磨料顆粒的多層前體的另一優(yōu)點在于容易用這些層形成用于切削、鉆孔、研磨等工具段的其它所需形狀。例如，圖7A為整體由30表示、由多個基體支承材料弧形縱向?qū)訕?gòu)成的超磨料工具段的立體圖，這些基體支承材料層彼此粘附以形成一滲入有焊料從而保持金剛石在其基體材料中的三維超磨料件。該工具段30由分別呈弧形的第一、第二和第三層34、36和38組成。當(dāng)這三層結(jié)合成在一起時，形成一弧形工具段30。這一工具段當(dāng)然可用在非線性切削工具上和其它類型的需要非線性超磨料工具段的工具上。由于層34、36和38最初彼此獨立形成，它們較容易符合所需形狀并能在將其中的釬焊金剛石顆粒20保持在其預(yù)定位置上時符合所需形狀。
各層中植置有多個通常為金剛石或立方氮化硼的超磨料顆粒20。由于各層為較薄的金屬前體層(即金屬前體厚度通常不大于顆粒直徑的兩倍)，可以容易地對金屬前體層中的超磨料顆粒布置進(jìn)行優(yōu)良的控制。如上所述，現(xiàn)有技術(shù)磨料工具中的超磨料的隨機(jī)布置常常導(dǎo)致超磨料顆粒的低效利用。通過控制超磨料的分布，本發(fā)明可以實現(xiàn)防止間距不足或過度的均勻分布或使得工具段的不同部分具有與防止傳統(tǒng)的磨損模式相符的不同粒度和密度的控制分布。
現(xiàn)在參考圖7B，其示出工具段30的多層34、36和38的橫截面圖。當(dāng)然，金剛石顆粒的該構(gòu)形可用于圖6A所示工具段或圖7A所示工具段。與圖6B實施例不同，各層的金剛石顆粒20的粒度和密度相同。但是，由于間距基本均勻，超磨料顆粒之間的間距既無不足也無過度，并且該工具段30的磨損比具有隨機(jī)的顆粒間距的現(xiàn)有工具段的磨損更均勻。較均勻的磨損防止工具段30的過早失效，從而在保持所用超磨料顆粒的數(shù)量最少的同時延長工具的使用壽命。此外，與金剛石顆粒和基體結(jié)合的焊料進(jìn)一步加強(qiáng)各層并防止金剛石顆粒的脫落。
圖8示出按照本發(fā)明制造的工具段50的另一實施例。一金剛石工具段中的分層結(jié)構(gòu)也可沿橫向或水平方向集合，并且可將焊料施加到各層或如圖8所示的選定層上。因此，圖8中工具段50由整體以54表示的多個橫向?qū)?4組成。以56表示的第一多層(即第一個4層)中的釬焊以結(jié)合到基體支承材料上的金剛石顆粒20具有第一密度。以58表示的第二多層(即其余9層)具有比第一密度小的第二密度并且(其中的金剛石顆粒)也釬焊以結(jié)合到基體支承材料上。
許多切削工具構(gòu)造成使得切削工具段50具有一進(jìn)行大部分切削工作并在接觸待切削表面時接受大多數(shù)沖擊力的前緣。例如，一圓鋸片通常有多齒或多段，每個齒都有一承受切削力的前緣。由于該前緣進(jìn)行大部分切削工作，因此比齒的在轉(zhuǎn)動方向上的后部更易磨損。但是，在按照現(xiàn)有技術(shù)制造時，該齒上通常具有較一致的磨料。隨著時間的推移，前緣磨損得很厲害，但是涂布有金剛石顆粒的其它部分的磨損很小。最后，在每個齒上，前緣的磨料被磨損完，而其余部分仍保留有大量磨料。因而在該鋸片被廢棄時浪費(fèi)大量超磨料。圖8實施例的構(gòu)形專門用于克服這些問題。通過在前緣56附近放置比在轉(zhuǎn)動方向上的遠(yuǎn)端部58上更大百分比的金剛石顆粒20而使所述多層56和58構(gòu)造成在整個切削工具段50上的磨損基本均勻。因此，在前緣使用壽命將盡時切削工具段50的其余部分也已被磨損得差不多了。超磨料顆粒20的這種控制分布減少了昂貴材料的使用，并在不損害性能的同時降低了切削工具段50的制造成本。此外，由于磨損較均勻，切削工具段50通常可以保持其大部分切削速度直到使用壽命將盡之時。此外，將金剛石顆粒20釬焊在多層56和58中進(jìn)一步延長了工具壽命。
圖9示出工具段的另一布置，其中，三維超磨料件形成為其磨料分布朝具有水平層的工具的上層逐漸變密。與圖8實施例相同，金剛石顆粒20的控制分布形成一改善的工具段70，同時通過減少不必要的金剛石顆粒消耗而降低磨料工具的成本。此外，可在某些層上利用釬焊，而在其它層上不利用釬焊，從而定制磨料工具段70。
根據(jù)常規(guī)試驗和對本發(fā)明方法的說明，本領(lǐng)域普通技術(shù)人員能定制特別形成的切削、鉆孔、研磨、拋光和其它類型的磨料工具段，該工具段能在減小用于形成按照本發(fā)明方法原理的工具的超磨料的量的同時使磨削能力(即切削、鉆孔、研磨等)在整個延長的使用壽命中最大化。
現(xiàn)在參考圖10A-10D，其示出一種用于按照本發(fā)明原理形成各層的方法。結(jié)合圖1-5所述的工具段形成原理同樣適用于分層工具段的形成。該方法的第一步形成將化學(xué)結(jié)合到超磨料顆粒20上的基體支承材料104片100。該基體支承材料104片100可用普通粉末如鈷粉、鎳粉、鐵粉、銅粉、青銅粉或其它任何合適的粘合劑制成。此外，出于下文詳述的理由，使用例如直徑大于34微米(400篩目)的粗粉末是非常有利的。盡管使用粗粉末與希望使用可獲得的最細(xì)粉末的流行說法不一致，但通過結(jié)合粗粉末和焊料使超磨料顆粒固定就位是非常有利的。
一旦形成基體支承材料104片100，便如圖10A所示將一模板110放置在該片的頂部上。模板110包括比一個超磨料顆粒大但比兩顆磨料小的孔114，從而允許每一特定位置處只設(shè)置有單個磨料顆粒。模板厚度優(yōu)選地為磨料顆粒20的平均高度的1/3-2/3。但是，如果形成合適的容納空間以便使磨料顆粒在希望的位置處就位，也可以采用其它厚度。
在正確定位模板110后，將一層磨料顆粒20遍布在模板上，以使得每個孔114都接納一磨料顆粒。通過傾斜基底、用掃帚清掃模板或其它類似方法去除未落入模板110的孔114中的顆粒。
如圖10B所示，然后將一整體平坦的表面120如一鋼板放到支靠在模板110的孔114中的顆粒20上。該平坦面120將磨料顆粒20至少部分地壓入柔韌的基體支承材料104片100中以使顆粒就位。
如圖10C所示，去除模板110后，再用平面120將磨料20牢固地壓入基體支承材料104片100中。盡管平坦面120是優(yōu)選的，但本領(lǐng)域的技術(shù)人員將意識到，有時希望一些磨料顆粒20比其它磨料顆粒從基體支承材料片100向外延伸得更多。此時，可利用造形或成形面使一些磨料顆粒20比其它顆粒在基體支承材料104片100中更深處就位。
可首先集合各片100以形成工具段前體然后利用上述滲入和燒結(jié)技術(shù)進(jìn)行硬化和精修，或者各片也可單獨硬化和精修并集合及組合以形成工具段或在適當(dāng)?shù)臅r候形成整個工具主體。通常來說，用已知方法例如壓機(jī)冷壓完成各片100的集合。然后可通過上述燒結(jié)或滲入使如此形成的“生坯”體固結(jié)以構(gòu)成成品工具。
需要時，可在基體支承材料104片100的另一側(cè)面上重復(fù)圖10A-10C所示過程以形成植入層，其具有以某一預(yù)定希望圖形遍及該層分布的金剛石顆粒20(如圖10D所示)。該過程通常反復(fù)若干次以獲得植入有金剛石顆粒20的多個薄層或薄片100。當(dāng)然，各片100無需具有相同的金剛石顆粒20分布圖形和相同的磨料顆粒密度。
盡管對于多種應(yīng)用場合圖10A-10D所述方法都是優(yōu)選的，但有時也希望磨料顆粒20從基體支承材料片100向外延伸。例如，某些工具可以只有一層磨料。為此只需在進(jìn)行圖10A和10B所示步驟時保留模板110，并且一旦去除模板便不再進(jìn)一步將磨料20壓入基體支承材料中。
在一可選實施例中，圖11A-11C示出圖10A-10D所述方法的一種替代方法。圖11A-11C的基體支承材料134片130形成為其厚度比超磨料顆粒20的橫截面厚度或直徑小。當(dāng)將顆粒壓入片130中時，該片的厚度迫使超磨料顆粒20從基體支承材料134突出。然后該片130如上所述滲入有金剛石焊料。
盡管圖11A-11C所示模板的孔的間距按照本發(fā)明的一方面通常是均勻的，但這一間距不必均勻而是可符合任何希望圖形。這樣，間距可變化以使各部分的密度不同，從而使基體材料134片130各部分的密度不同。同樣，可通過控制孔的大小和金剛石顆粒放置到孔中的次序而形成具有不同粒度的顆粒的單層。
在另一可選實施例中，圖12A-12C示出利用非晶態(tài)釬焊合金片形成多層超磨料的方法。而且，與上述方式相同，圖12A示出放置在薄基底或基體支承材料107片上的具有多個以預(yù)定圖形布置的孔114的模板110。然后將超磨料顆粒20放入孔中并用粘合劑或類似物使其固定就位。與上述相同，可對平坦面進(jìn)行造形以適合于各種工具構(gòu)形。然后可去除模板114。然后如圖12B所示將一非晶釬焊合金片106放到超磨料顆粒20上以形成一單層工具段15。在另一可選實施例中，該非晶態(tài)釬焊合金片106可以在在其上布置超磨料顆粒之前放在基底或基體支承材料層上。
然后可形成若干單層工具段15并將其集合成一單個多層前體18或生坯，如圖12C所示?？衫脠D6A-6D所述的粘合劑固定或利用傳統(tǒng)(即不必含有碳化物形成物)的釬焊合金釬焊各單層工具段15。該前體可由與圖7B類似的其超磨料砂粒均勻分布的多層或如圖6B其構(gòu)形、密度和/或粒度不同的多層構(gòu)成。本發(fā)明方法包括其中某些層完全無超磨料顆粒的構(gòu)形。此外，基體支承材料107可以如上所述為一層金屬或未燒結(jié)金屬粉末。所得工具段的特性隨支承材料的類型不同而不同。
然后將前體18放置在一真空爐中并加熱到足以使非晶態(tài)釬焊合金片106熔化并結(jié)合到超磨料顆粒20和金屬層107上以形成圖13所示的具有遍布于其中的超磨料顆粒的希望圖形的多層工具的溫度。圖13示出一固結(jié)的超磨料工具段19，其中，超磨料顆粒20以預(yù)定三維圖形布置。108和109表示的區(qū)域分別整體上示出金屬層和釬焊合金層。虛線只是示例性的，并且本領(lǐng)域的技術(shù)人員將意識到，實際的成品工具段可以有所不同。例如，如果釬焊合金片比顆粒直徑薄且金屬層在固結(jié)過程中為固態(tài)，成品工具中的顆粒之間可能會產(chǎn)生空隙。此外，如果金屬層由未燒結(jié)粉末形成，固結(jié)過程將使得成品工具由于釬焊合金通過金屬粉末滲入而均質(zhì)得多。金屬層107和釬焊合金片106的厚度可以不同。金屬層107和/或釬焊合金片的厚度可以如圖12A所示比超磨料顆粒20的直徑小，也可以比所用的超磨料顆粒的直徑厚。
在加熱過程中，前體組件被加熱至剛好超過液相線溫度的溫度以允許釬焊合金稍稍流動。將釬焊合金和基體或金屬層的溫度保持在液相線溫度左右可防止顆粒大量偏離其預(yù)定位置。通常在一約10-約20分鐘的較短時間保持在液相線溫度以上約5℃就足以獲得所需結(jié)果。
示例例1將40/50篩目金剛石砂粒(De Beer Company生產(chǎn)的SDA-85+)與鐵粉和有機(jī)粘結(jié)劑混合以形成金剛石密度為20(總值的5％)的混合物。在一鋼模中冷壓該混合物以形成鋸段形。該前體放在一石墨模具中并由Nicrobraz LM粉末覆蓋。將該模具在真空下加熱至約1050℃持續(xù)20分鐘。滲入的焊料已將金剛石和基體結(jié)合在一起以形成一工具段。制造24個這樣的工具段并將它們修整至所需公差。將這些工具段釬焊到一14英寸圓形鋼鋸片上。該鋸片用于以比普通金剛石鋸片更快的切削速度切割花崗巖。此外，該釬焊鋸片的使用壽命比普通金剛石鋸片的使用壽命長。
例2將40/50篩目金剛石磨料(De Beer Company生產(chǎn)的SDA-85+)與金屬粉末混合以形成金剛石密度為20(總值的5％)的混合物。將5種不同比例的鈷(粒度約為1.5微米)和青銅(粒度約為20微米)用于基體粉末。在該混合物中加入丙烯酸粘結(jié)劑(8％重量百分比)并攪拌將該裝料以形成一餅狀物。然后在兩個不銹鋼輥之間滾壓該餅狀物以形成厚度為1mm的薄片。將這些薄片切割成長40mm、寬15mm的鋸段形。將三個這樣的鋸段集合并放入一用于制造普通金剛石鋸段的典型石墨模具中。擠壓并通過使石墨模具通電而加熱集合的鋸段。在燒結(jié)三分鐘后，鋸段固結(jié)成孔隙度小于1％的9mm高度。用每一種成分制造24個鋸段。將它們釬焊到直徑為14英寸的圓鋸段上。用這5種鋸片切割花崗巖，發(fā)現(xiàn)這些鋸片的性能與用傳統(tǒng)方法制成的高金剛石密度(例如23)鋸片的性能相當(dāng)或者比其更好。對磨損的工具段進(jìn)行的顯微鏡檢查表明，盡管金剛石顆粒未植入分層基體中，但是比用傳統(tǒng)方法制備的工具段中的顆粒分布得更均勻。與較厚的普通工具主體相比，分層基體中的顆粒離析少得多。
例3該示例的步驟與例2相同，但每一工具段具有8個較薄層(0.4mm)。金剛石密度降低到15，顆粒按照圖10A-10D所示被可靠地植入。金剛石分布得到大大改善。因此，這些鋸片的性能與用傳統(tǒng)方法制成的金剛石密度為20的鋸片的性能相當(dāng)或者比其更好。
例4將約100篩目的鐵粉與Wall Colmonoy Company生產(chǎn)的S粘結(jié)劑混合成一餅狀物。然后將滾壓該餅狀物以形成厚0.4mm的薄片。將40/50篩目SDA-100+金剛石砂?？煽康刂踩脒@些薄片中以獲得為15的密度。將這些含有金剛石的薄片切割成長40mm、寬9mm的鋸段形。將八個這樣的鋸段集合成一組并放入一石墨模具。在該石墨模具中水平放置24組，并垂直放置另一24組。將Nicrobraz LM粉末(-140篩目)(Wall ColmonoyCompany生產(chǎn))加到這些鋸段的頂部上。將這些試樣在一真空爐(10-5托)中加熱到1050℃，其中，水平放置的鋸段加熱20分鐘，垂直放置的鋸段加熱30分鐘。熔融LM合金(液態(tài)點為1000℃的Ni-Cr-B-Si)滲入這些鋸段中并填充該多孔結(jié)構(gòu)。用放電研磨(EDG)研磨這些鋸段上的過量LM焊料。將如此制成的24個鋸段都釬焊到一14英寸(直徑)圓鋸片上。用這些鋸片切割花崗巖，結(jié)果表明相比普通鋸片有明顯改善。
例5Nicrobraz LM與丙烯酸粘結(jié)劑混合并滾壓成約0.25mm的薄層。按照圖10A-10D所示方法將General Electric Company生產(chǎn)的40/50篩目MBS-960金剛石砂粒可靠地植入這些金屬層中。這些植入有金剛石的金屬層被切割成合適的尺寸并卷繞線狀鋸的2,000個串珠(珠狀物)。將這些串珠(直徑10mm，長10mm)分成兩組；一組含有280個晶體(約0.2克拉)。在一真空爐中將這些串珠加熱至1000℃持續(xù)8分鐘。將這些串珠安裝到若干線狀鋸上并用于切割大理石、蛇紋石和花崗巖。結(jié)果發(fā)現(xiàn)這些串珠的性能優(yōu)于普通串珠。普通串珠通常通過熱壓或電鍍制成。在這些普通串珠中，每個串珠可以具有高得多的金剛石含量(可達(dá)1克拉)。
例6該示例的方法與例5相同，但應(yīng)用于其它產(chǎn)品例如圓鋸、薄壁鉆芯和弧面研磨機(jī)。這些產(chǎn)品都顯示出優(yōu)于具有類似超磨料密度的普通電鍍金剛石工具的性能。
例7將含有87wt％-140篩目Nicrobraz LM(Wall Colmonoy，U.S生產(chǎn))、125篩目的8wt％鐵和60篩目的5wt％銅的金屬粉末混合物與3wt％丙烯酸粘結(jié)劑混合以形成一漿團(tuán)。在兩個輥子之間滾壓該漿團(tuán)以形成0.6mm的薄片。每一薄片都切割成合適形狀并由一模板覆蓋。將SDA-100+級的30/40篩目(0.420-0.595mm)金剛石磨砂粒(De Beers，South Africa生產(chǎn))以預(yù)定圖形植入金屬層中，其中金剛石與金剛石之間的距離為約2mm。三個金屬層被疊置在一起并卷繞一鋼套以形成一直徑為10mm、長10mm的金剛石串珠。在一真空爐中加熱這些串珠以使金屬固結(jié)并且還將金剛石釬焊就位到該鋼套上。1000個這樣的金剛石串珠被安裝到包含7×19根絲的5mm鋼絲繩上并由通過注射成型形成的塑料涂層隔開。該絲長25米，且頭尾相接成一環(huán)。該線狀鋸用于切割所有級別的花崗石塊(3.5米長，1.8米高)。使用壽命為0.5平方米切割表面/所消耗的金剛石串珠(0.5克拉)。該面積切割率為由粉末冶金方法制成的普通金剛石串珠的兩倍。
例8該示例與例7相同，只是將多個金剛石植入層集合成20mm長、5mm厚、7mm高的塊狀物。在一真空爐中使這些塊狀物固結(jié)以形成金剛石工具段。每一工具段含有約8％體積百分比的金剛石。將30個這樣的工具段釬焊到一4m長的鋼框上并將該鋼框安裝到一往復(fù)鋸機(jī)上。用該鋸切割大理石塊，其使用壽命比由粉末冶金方法制成的普通金剛石工具段長兩倍多。
例9該示例與例8相同，只是金剛石植入層集合成一用于直徑為150mm的鉆芯的長約24mm、厚3.5mm的工具段。這些工具段中的金剛石含量為約4V％。將10個這樣的鉆芯用于鉆混凝土。這些鉆芯的鉆進(jìn)速度和使用壽命比由粉末冶金方法制成的普通金剛石工具段高得多。
例10該示例與例9相同，只是工具段的形狀用于圓鋸。釬焊這些工具段以形成直徑為230mm(用18個40mm×8.5mm×2.4mm的工具段)、300mm(用21個50mm×8.5mm×2.8mm的工具段)和350mm(用24個50mm×8.5mm×3.2mm的工具段)的圓鋸。這些鋸以優(yōu)良的性能切割花崗巖、瀝青和混凝土。
例11該示例與例8相同，只是工具段用作調(diào)整砂輪的修整器。
例12使一可靠地植置有14/16篩目(粒度為1.4mm-1.2mm)金剛石砂粒(DeBeers生產(chǎn)的天然金剛石EMB-S)單層片覆蓋一直徑為20mm、厚8mm的盤。在一真空爐中釬焊多個這些盤。將3000多個這種盤安裝在地板磨床上以研磨石頭地板或木地板。結(jié)果表明研磨速度可以比普通金剛石研磨機(jī)快三倍。
例13將一包含可靠地植入的ISD1700級(Iljin Diamond of Korea生產(chǎn))40/50篩目(粒度為0.420mm-0.297mm)金剛石沙粒的單層放在一異型輪的曲面上并在真空爐中進(jìn)行釬焊以形成一剛性工具。用100多個各種直徑的這類異型輪形成花崗巖和大理石板的邊緣。這些異型輪的切割速度可比用電鍍或燒結(jié)法制成的普通金剛石工具快3倍多。
例14該示例與例13相同，只是金剛石植入層卷繞一鋼套以形成一單層金剛石串珠。制造100,000多個這樣的串珠。它們用于以優(yōu)良的性能切割花崗巖和大理石。
例15該示例與例12相同，只是金剛石砂粒為80/100篩目，并且用金剛石植入層覆蓋一直徑為4英寸的平坦圓盤。制造4個這種圓盤并將其用作修整對硅片進(jìn)行拋光的CMP(化學(xué)和機(jī)械拋光)墊的調(diào)整器。結(jié)果表明CMP效率大大提高，并且該修整器比用電鍍或釬焊制成的普通調(diào)整器更耐用。
例16將wall Colmonoy的Nicrobraz LM粉末用作焊料。將它與鐵粉(Fe)、銅粉(Cu)或鐵粉和銅粉以各種比例(以下指整個混合物的重量百分比)混合90LM/10Sic；90LM/10WC；100LM；92LM/8Fe；90LM/10Cu；82LM/8Fe/10Cu；80LM/20Cu；72LM/8Fe/20Cu；70LM/30Cu和60LM/40Cu。該混合物還含有用于將所有粉末粘合在一起的4％重量百分比的丙烯酸粘結(jié)劑。該混合物被冷壓以形成一薄片并且在空氣中被加熱到400℃持續(xù)30分鐘以燒盡大多數(shù)有機(jī)粘結(jié)劑。然后將該預(yù)成型件放置在一保持在10-5托壓力下的真空爐中。進(jìn)行加熱以達(dá)到1010℃持續(xù)12分鐘。在LM完全熔化并滲入固態(tài)金屬粉末(或借助于熔融LM而燒結(jié)的金屬)后，冷卻該固結(jié)塊。冷卻后從真空爐中取出該固結(jié)塊并進(jìn)行硬度和耐磨性測試。結(jié)果表明這些成分的HRB硬度分別為140、130、120、118、116、110、108、100、100和70。耐磨性也以同一次序下降。
硬度和耐磨性是重要的，因為它必須與工具中的金剛石磨損率匹配，因而磨料能露出有效切削工件的合適高度。磨料如金剛石顆粒在結(jié)合到軟基體上可能會露出得太多。因此磨料在切削過程中可能會粉碎或脫落，從而縮短工具的使用壽命。
基于這些實驗可以確定，結(jié)合在92LM/8Fe基體上的金剛石最適合于切削硬材料如混凝土、花崗巖和砂石。80LM/20Cu基體較適合于切削較軟材料如石灰石和大理石。
將30/40篩目(De Beers Company的SDA-100+)的金剛石砂粒與80LM/20Cu基體混合。生產(chǎn)金剛石密度為30(約8％體積百分比)的各種切削工具。該工具包括分別釬焊到圓鋸片、往復(fù)切削排鋸片和鋼絲繩上的圓鋸段、排鋸段和線狀鋸串珠。盡管有些隨機(jī)性，但這些工具用于鋸各種巖石，且使用壽命長，切削率高。
例17該示例在無需熔化步驟的情況下將固態(tài)焊料粉末燒結(jié)在一起。將LM粉末與各種比例的鐵、銅或鐵和銅和丙烯酸粘結(jié)劑(4％重量百分比)混合以形成一漿團(tuán)。然后用鋼輥滾壓該漿團(tuán)以形成1mm厚的薄片。利用其中在固定位置上包含大小合適的孔的模板將30/40篩目(密度18)和40/50篩目(密度20)的SDA-100+金剛石砂?？煽康刂踩脒@些薄片中。將這些片切割成40mm長、8mm寬的尺寸。使5個這種切割片與含有30/40篩目金剛石的三個中心層疊置在一起。在一石墨模具中在400大氣壓和900℃下熱壓該組件。冷卻后，將這些工具段釬焊到圓形鋼刀片上。具有含80LM/20Cu和80LM/10Fe/10Cu的基體的刀片的性能令人滿意。
例18在該示例中將單層金剛石成形物(diamond form)直接釬焊到基底上以制成一墊修整器。將LM粉末與4％重量百分比的丙烯酸粘結(jié)劑混合以形成一可延展?jié){團(tuán)。在兩鋼輥之間滾壓該漿團(tuán)以形成0.2mm厚的一層。將Iljin Diamond Company生產(chǎn)的80/90篩目IMD-H金剛石砂粒植入該片中。用將金剛石之間的間距固定為0.7mm的模板引導(dǎo)該植入。然后對該植入有金剛石的LM層的大小進(jìn)行修整并利用有機(jī)粘結(jié)劑將其粘合到一厚6.5mm的不銹鋼(316)平坦板上。然后在真空下將該組件加熱到1010℃持續(xù)10分鐘。該加熱使LM熔化并結(jié)合到基底上。經(jīng)精修的金剛石圓盤用作在硅片的化學(xué)和機(jī)械整平(CMP)過程中修整墊的墊修整器。結(jié)果表明這一金剛石圓盤的使用壽命為含有隨機(jī)分布的金剛石砂粒的普通金剛石圓盤的兩倍。
例19該示例與例18相同，只是Nicrobraz LM粉末為140篩目。
例20325篩目的Nicrobraz LM粉末與Nicrobraz S粘結(jié)劑混合以形成漿體。然后將該漿體噴灑到100個直徑為20mm、厚8mm的圓形不銹鋼盤上以形成一薄涂層。反復(fù)噴灑直到涂層厚度達(dá)到0.15mm。涂層干燥后，將一其中的孔呈方形格柵且孔間距為0.5mm的模板放在該基底上。然后將100/120篩目的金剛石放到基底上以形成預(yù)定格柵圖形。然后去除模板，留下粘附在該表面上的金剛石顆粒。然后通過在一爐中、在空氣中以及在200℃下加熱2小時而去除粘結(jié)劑。然后在真空中加熱該組件到1005℃持續(xù)10分鐘。在該過程中，熔融焊料潤濕金剛石，并且毛管力下拉金剛石顆粒以使其接觸基底。結(jié)果，其中的金剛石被牢固釬焊以形成潤濕坡度(wettingslope)的金剛石盤和這些金剛石晶體形成預(yù)定的格柵圖形。所得工具適用于CPM。
例21該示例與例12相同，只是漿體為Wall Colmonoy提供的易于制造的產(chǎn)品NICRO-SPRAY。
例22該示例與例12相同，只是通過使Nicrobraz LM粉末懸浮在含有Nanbau樹脂(臺灣生產(chǎn))的苯溶液中而制備漿體。
例23焊料為Honeywell制造的非晶態(tài)釬焊合金片即厚約0.001”的MBF-20箔片。該箔片被沖壓出各種尺寸并粘合在圓形不銹鋼基底上。然后用一模板以預(yù)定格柵圖形布置80/90篩目的金剛石顆粒。然后給該組件去蠟并在真空爐中對其加熱以熔化合金并將金剛石結(jié)合到基底上。將成品工具用作CMP的墊調(diào)整器。所得工具的拋光率比普通墊調(diào)整器維持的時間長得多。此外，半導(dǎo)體片上的瑕疵大大減少。
例24焊料為Honeywell制造的非晶態(tài)釬焊合金片即厚0.002”的MBF-20箔片。在該箔片中沖壓出直徑為100mm、有50mm的中心孔的環(huán)形部分。然后將一模板放置在該非晶釬焊環(huán)形環(huán)上并將60/80篩目的金剛石顆粒撒到模板表面上。去除多余的金剛石，然后去除模板，留下以預(yù)定圖形布置的金剛石顆粒。將另一附加環(huán)形環(huán)粘合到這些金剛石顆粒的頂部上。將6個這樣的非晶態(tài)合金-金剛石非晶態(tài)合金夾層與位于每兩個該夾層之間的尺寸相同但厚度為0.1mm的不銹鋼環(huán)集合在一起。用丙烯酸粘結(jié)劑將該組件粘合在一起。然后將該成品組件加熱到200℃持續(xù)2小時以去掉粘結(jié)劑。然后在真空爐中將該組件在1005℃下加熱15分鐘。所得工具呈不僅僅在表面上而且在體積中包含金剛石陣的三維結(jié)構(gòu)。然后將該三維結(jié)構(gòu)安裝到有一軸的卡盤上用作砂輪。這一砂輪的突出特征在于在金剛石周圍有連通微孔。這些微孔可用作去除切屑的通道。該砂輪的開口使其可以自由切削，因此切削速度為普通砂輪的兩倍。將金屬用作基體的普通砂輪不包含這種互相連通的微孔。
本發(fā)明切削工具較之現(xiàn)有切削工具的一個明顯優(yōu)點在于該工具的使用方式。金剛石鋸?fù)ǔＷ龀梢煌ㄟ^轉(zhuǎn)動切削工件的圓形刀片，其中每轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)動方向相同。這一定向運(yùn)動將造成一“尾部”，其中，在金剛石顆粒的轉(zhuǎn)動方向前方的基體被磨損，但金剛石顆粒后方的基體材料受到金剛石顆粒的保護(hù)。如果鋸反轉(zhuǎn)，金剛石就很容易從基體上脫落。
但是，圓鋸在工件上的切削深度只能小于鋸的直徑的一半。為了切割較厚的工件，通常使用框鋸或排鋸。由于這些鋸作往復(fù)運(yùn)動，因此金剛石顆粒必須牢固地保持在各側(cè)面上。因此，不能保持金剛石基體的尾部使金剛石顆粒保持就位。為此，不使用往復(fù)金剛石鋸切割硬的巖石如花崗巖。而只是用它們切割軟材料如大理石。
本發(fā)明允許通過釬焊化學(xué)保持金剛石。因此，基體尾部無需支承金剛石。因此，本發(fā)明工具可用于往復(fù)鋸以切割硬材料。這一突破擴(kuò)大了金剛石的市場應(yīng)用，在以前這由于現(xiàn)有技術(shù)的限制而無法做到。
除了能提高工具性能和降低制造成本，本發(fā)明還提供一種較容易的薄片工具制造方法。例如，電子工業(yè)需要利用越來越大的硅片(目前為12英寸直徑)。因此對用于切開硅晶體的薄鋸片和用于以較緊湊的間隔對硅片開槽的刮片刀有很大的需求。
在本發(fā)明之前極難制造含有均勻分布的金剛石顆粒的極薄工具。本發(fā)明提供一種制造這類工具的可選方法。例如，已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，通過混合金剛石微細(xì)粉末、金屬粉末(例如青銅和鈷)的攪拌物和合適的粘結(jié)劑，可將該材料滾壓成比0.1mm薄的厚度—該厚度比大多數(shù)刮片刀薄。通過燒制該薄片并將其安裝到工具架上可以制造一薄刮片刀。
在上述方案的替代方案中，按照本發(fā)明，已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，可以在不使用模板的情況下實現(xiàn)上述控制分布、多層超磨料構(gòu)形的某些優(yōu)點。較確切地說，磨料顆粒也可混合在基體粉末中并作為該分層片的一部分。此時，磨料顆粒的分布仍然有些隨機(jī)性。即使如此，它們的分布也通常比普通磨料體中的分布更均勻。對于上文背景技術(shù)一節(jié)中說到的磨料顆粒與基體粉末的離析現(xiàn)象，在三維體中比在基本呈兩維的薄片中發(fā)生得更多。對于用變形過程(例如滾壓)制造的薄片，情況更是如此。此時，磨料顆粒通過輥子的剪切作用進(jìn)一步分布在基體中。
本發(fā)明也可用于與制造磨料工具無關(guān)的其它場合。例如，可將植置有金剛石顆粒的石墨或金屬片用作在高壓高溫下生長的金剛石晶種。通常通過將可選的石墨和金屬催化劑(例如鐵、鈷或鎳合金)層壓縮到高壓并加熱到催化劑熔點以上而生產(chǎn)工業(yè)金剛石。然后金剛石在這些層的界面上隨機(jī)成核。所形成的金剛石晶體的質(zhì)量常常受不均勻分布的生長晶體的沖擊的不利影響。因此，形成均勻分布的晶核可大大改善金剛石合成的產(chǎn)量和成本。本發(fā)明可提供具有金剛石晶種的預(yù)定圖形的石墨或金屬催化劑層。如果在制造這些層的過程中引入有機(jī)粘結(jié)劑，可通過在裝入壓機(jī)前在一爐中加熱而去除該有機(jī)粘結(jié)劑。
因此，公開了一種制造性能提高的超磨料工具的改進(jìn)方法。上述說明和示例只用于示出本發(fā)明的某些可能應(yīng)用。本領(lǐng)域普通技術(shù)人員不難理解，本發(fā)明可有廣泛的用途和應(yīng)用場合。在不偏離本發(fā)明范圍的實質(zhì)的情況下，可以明顯及合理地根據(jù)本發(fā)明及其上述說明得到本發(fā)明的不同于上述內(nèi)容的多個實施例和修改以及多種變型、改進(jìn)和等同布置。因此，盡管上文結(jié)合優(yōu)選實施例詳細(xì)說明了本發(fā)明，但應(yīng)看到，該公開對于本發(fā)明只是示意性及示例性的，并且只用于提供本發(fā)明的充分及能操作的公開文本。上述說明不應(yīng)看成對本發(fā)明的限制或?qū)⑵渌袑嵤├⑿薷?、變型、改進(jìn)和等同布置排除在外，本發(fā)明只由所附權(quán)利要求及其等同物限制。
應(yīng)該指出，上述布置只示例出本發(fā)明原理的應(yīng)用。本領(lǐng)域普通技術(shù)人員可在不偏離本發(fā)明精神和范圍的情況下設(shè)計多種修改和替代性布置，并且所附權(quán)利要求適于覆蓋這些修改和布置。因此，盡管上文結(jié)合當(dāng)前被認(rèn)為最實用及優(yōu)選的本發(fā)明實施例特別而詳細(xì)地說明了本發(fā)明，但是本領(lǐng)域普通技術(shù)人員顯然可以理解，在不偏離由權(quán)利要求限定的本發(fā)明的情況下，可以作出包括但不限于尺寸、材料、形狀、形式、功能、操作方式、組件和使用的變型的改進(jìn)。
權(quán)利要求
1.一種制造超磨料工具的方法，包括下列步驟a)提供一基底；和b)按照預(yù)定圖形將多個超磨料顆粒直接釬焊到該基底的暴露表面上。
2.一種按權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，利用釬焊合金實現(xiàn)該釬焊，該釬焊合金包括選自鈦、釩、鉻、鋯、鉬、鎢、錳、鐵、硅、鋁及其混合物或合金的材料。
3.一種按權(quán)利要求2所述的方法，其特征在于，所述釬焊合金包括其重量百分比在約2％和約50％之間的選自鉻、錳、鈦、硅和鋁的材料。
4.一種按權(quán)利要求3所述的方法，其特征在于，所述材料為鉻。
5.一種按權(quán)利要求2所述的方法，其特征在于，所述釬焊合金為非晶態(tài)釬焊片。
6.一種按權(quán)利要求5所述的方法，其特征在于，在所述釬焊步驟之前，該方法還包括下列步驟a)將多個超磨料顆粒以預(yù)定圖形附加到所述基底上；和b)將該非晶態(tài)釬焊合金片放置在該超磨料顆粒上，以使得該超磨料顆粒定位在該非晶態(tài)釬焊片與所述暴露表面之間。
7.一種按權(quán)利要求5所述的方法，其特征在于，在所述釬焊步驟之前，該方法還包括下列步驟a)將多個超磨料顆粒以預(yù)定圖形附加到所述非晶態(tài)釬焊合金片上；和b)將其上附加有超磨料顆粒的非晶態(tài)釬焊合金片放置在基底的暴露表面上，以使得該超磨料顆粒位于該非晶態(tài)釬焊片與該暴露表面之間。
8.一種按權(quán)利要求5所述的方法，其特征在于，在所述釬焊步驟之前，該方法還包括下列步驟a)將所述非晶態(tài)釬焊片放置在基底的暴露表面上；和b)將多個超磨料顆粒以預(yù)定圖形附加到非晶態(tài)釬焊合金片上，以使得該非晶態(tài)釬焊片位于該超磨料顆粒與該暴露表面之間。
9.一種按權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述釬焊步驟包括將釬焊合金和基底加熱到足以將所述超磨料顆粒直接釬焊到該基底上的低于約1100℃的溫度。
10.一種按權(quán)利要求6、7或8中的任一項所述的方法，其特征在于，在所述附加步驟之前，該方法還包括下列步驟a)提供一其中具有孔的預(yù)定圖形的模板；b)在將超磨料顆粒附加到所述非晶態(tài)釬焊片或基底上之前將該模板放置在該非晶態(tài)釬焊片或基底上；c)用超磨料顆粒填充該孔；和d)去除該模板，以使得該超磨料顆粒按照該模板的預(yù)定圖形保留附加就位在該非晶態(tài)釬焊片或基底上。
11.一種按權(quán)利要求10所述的方法，其特征在于，利用粘合劑將所述超磨料顆粒附加到所述非晶態(tài)釬焊片或基底上。
12.一種按權(quán)利要求10所述的方法，其特征在于，每個孔都構(gòu)造成保持一個超磨料顆粒。
13.一種按權(quán)利要求12所述的方法，其特征在于，所述孔的一些孔比其它孔大。
14.一種按權(quán)利要求2所述的方法，其特征在于，所述釬焊合金為粉末狀。
15.一種按權(quán)利要求14所述的方法，其特征在于，在所述釬焊步驟之前，該方法還包括將多個超磨料顆粒以預(yù)定圖形附加到基底的暴露表面上的步驟。
16.一種按權(quán)利要求15所述的方法，其特征在于，在所述附加步驟之前，該方法還包括下列步驟a)將粉末狀釬焊合金與載體劑混合以形成漿體；b)將該漿體施加到基底的暴露表面上；c)提供一其中具有孔的預(yù)定圖形的模板；d)將該模板放置在該釬焊合金上；e)用超磨料顆粒填充該孔；和f)去除該模板，以使得該超磨料顆粒在所述釬焊步驟期間按照該模板的預(yù)定圖形保留附加就位在該釬焊合金上。
17.一種按權(quán)利要求2所述的方法，其特征在于，在所述釬焊步驟之前，該方法還包括下列步驟a)將超磨料顆粒以預(yù)定圖形附加到基底的暴露表面上；和b)將釬焊合金施加到該基底和該超磨料顆粒上。
18.一種按權(quán)利要求17所述的方法，其特征在于，在所述附加步驟之前，該方法還包括下列步驟a)提供一具有對應(yīng)于預(yù)定圖形的多個孔的模板；b)將該模板放置在基底的暴露表面上；c)用超磨料顆粒填充該孔；和d)去除模板，以使得該超磨料顆粒在所述釬焊步驟期間按照該模板的預(yù)定圖形保留就位在暴露表面上。
19.一種按權(quán)利要求17所述的方法，其特征在于，在所述附加步驟之前，該方法還包括下列步驟a)提供一具有對應(yīng)于預(yù)定圖形的多個孔的模板；b)將該模板放置在一轉(zhuǎn)移板上；c)用超磨料顆粒填充該孔；d)去除模板，以使得該超磨料顆粒按照該模板的預(yù)定圖形保留就位在該轉(zhuǎn)移板上；和e)利用該轉(zhuǎn)移板將超磨料顆粒轉(zhuǎn)移到基底的暴露表面上，以使得該超磨料顆粒按照預(yù)定圖形附加在該基底的暴露表面上。
20.一種按權(quán)利要求19所述的方法，其特征在于，通過在用轉(zhuǎn)移板壓向所述暴露表面而向其轉(zhuǎn)移超磨料顆粒之前將粘合劑施加到所述暴露表面上而將該超磨料顆粒附加到該基底的暴露表面上，其中，基底上的粘合劑的粘附力比將超磨料顆粒保持就位在轉(zhuǎn)移板上的力大。
21.一種按權(quán)利要求18或19所述的方法，其特征在于，所述釬焊合金為非晶態(tài)釬焊片。
22.一種按權(quán)利要求18或19所述的方法，其特征在于，所述釬焊合金為粉末狀。
23.一種制造超磨料工具的方法，包括下列步驟a)提供一具有暴露表面的基底；b)提供一具有其重量百分比在約2％和約50％之間的選自鉻、錳、鈦、硅和鋁的材料的非晶態(tài)釬焊合金片；c)按照預(yù)定圖形將多個超磨料顆粒附加到該基底的暴露表面上；d)將該非晶態(tài)釬焊合金片施加到附加在該基底的暴露表面上的超磨料顆粒上；和e)將該非晶態(tài)釬焊合金片加熱到足以熔化該非晶態(tài)釬焊合金片并將該超磨料顆粒直接釬焊到該基底的暴露表面上的低于約1100℃的溫度。
24.一種制造超磨料工具的方法，包括下列步驟a)提供一具有暴露表面的基底；b)按照預(yù)定圖形將多個超磨料顆粒附加到該基底的暴露表面上；c)將具有其重量百分比在約2％和約50％之間、選自鉻、錳、鈦、硅和鋁的材料的粉末狀釬焊合金施加到該基底和該超磨料顆粒上；和d)將該釬焊合金加熱到足以熔化該合金并將該超磨料顆粒直接釬焊到該基底的暴露表面上的低于約1100℃的溫度。
25.一種制造超磨料工具的方法，包括下列步驟a)提供一基體支承材料；和b)利用非晶態(tài)釬焊合金片將多個超磨料顆粒直接釬焊到該基體支承材料的暴露表面上。
26.一種按權(quán)利要求25所述的方法，其特征在于，利用包括選自鈦、釩、鉻、鋯、鉬、鎢、錳、鐵、硅和鋁的材料的釬焊合金實現(xiàn)該釬焊。
27.一種按權(quán)利要求26所述的方法，其特征在于，所述方法還包括下列步驟a)將超磨料顆粒附加到該基體支承材料的暴露表面上；和b)將所述非晶態(tài)釬焊合金片施加到該超磨料顆粒上。
28.一種按權(quán)利要求27所述的方法，其特征在于，利用粘合劑將所述超磨料顆粒附加到該基體支承材料上。
29.一種按權(quán)利要求27所述的方法，其特征在于，還包括下列步驟a)提供多個非晶態(tài)釬焊片；b)提供多個具有暴露表面的基體支承材料；c)將超磨料顆粒附加到該多個基體支承材料上；d)將所述多個非晶態(tài)釬焊片施加到該超磨料顆粒上以形成多個單個的超磨料段；e)將該單個的超磨料段彼此鄰近放置以形成三維工具前體；和f)使該工具前體固結(jié)以形成三維磨料工具段。
30.一種按權(quán)利要求29所述的方法，其特征在于，所述附加步驟還包括以預(yù)定圖形放置所述超磨料顆粒。
31.一種制造超磨料工具的方法，包括下列步驟a)提供多個非晶態(tài)釬焊片；b)提供多個具有暴露表面的基體支承材料層；c)將超磨料顆粒以預(yù)定圖形附加到該多個非晶態(tài)釬焊片上；d)將其上具有超磨料顆粒的該多個非晶態(tài)釬焊片施加到該基體支承材料的暴露表面上以形成多個單個的超磨料段；e)將該單個的超磨料段集合成具有按照預(yù)定圖形的超磨料顆粒三維布置的工具前體；和f)通過將該工具前體加熱到足以熔化該釬焊合金并燒結(jié)該基體支承材料的溫度而使該工具前體固結(jié)。
32.一種超磨料工具，包括a)固態(tài)金屬基底；b)多個超磨料顆粒；和c)使該多個超磨料顆?；瘜W(xué)結(jié)合到該固態(tài)金屬基底上的非晶態(tài)釬焊合金片。
33.一種按權(quán)利要求32所述的超磨料工具，其特征在于，所述釬焊合金包括選自鈦、釩、鉻、鋯、鉬、鎢、錳、鐵、硅和鋁的材料。
34.一種按權(quán)利要求32所述的超磨料工具，其特征在于，所述釬焊合金包括其重量百分比在約2％和50％之間的選自鉻、錳、鈦、硅和鋁的材料。
35.一種按權(quán)利要求32所述的超磨料工具，其特征在于，所述預(yù)定圖形為一格柵。
36.一種按權(quán)利要求32所述的超磨料工具，其特征在于，所述預(yù)定圖形由基本沿該超磨料工具的外邊緣定位的超磨料顆粒構(gòu)成。
37.一種按權(quán)利要求32所述的超磨料工具，其特征在于，所述預(yù)定圖形包括大于其內(nèi)部超磨料顆粒密度的外部超磨料顆粒密度。
38.一種按權(quán)利要求32所述的超磨料工具，其特征在于，所述預(yù)定圖形為一均勻格柵。
39.一種超磨料工具前體，包括a)金屬支承基體；b)放置成與該金屬支承基體接觸的多個超磨料顆粒；和c)放置成與多個超磨料顆粒接觸的非晶態(tài)釬焊合金片。
40.一種超磨料工具前體，包括a)金屬支承基體；b)放置成與該金屬支承基體接觸的非晶態(tài)釬焊合金片；和c)放置在該非晶態(tài)釬焊合金片上的多個超磨料顆粒。
41.一種按權(quán)利要求39或40所述的超磨料工具前體，其特征在于，所述多個超磨料顆粒按照預(yù)定圖形布置。
42.一種按權(quán)利要求39或40所述的超磨料工具前體，其特征在于，所述非晶態(tài)釬焊合金片具有預(yù)定厚度。
43.一種按權(quán)利要求39或40所述的超磨料工具前體，其特征在于，所述工具前體構(gòu)造成用作CMP墊修整器。
44.一種按權(quán)利要求39或40所述的超磨料工具前體，其特征在于，所述超磨料顆粒的粒度為約100-350微米。
45.一種按權(quán)利要求39或40所述的超磨料工具前體，其特征在于，所述超磨料顆粒在該金屬支承基體上方延伸一預(yù)定高度。
全文摘要
本文公開和說明了一種超磨料工具及其制造方法。根據(jù)一方面，超磨料顆粒按照預(yù)定圖形通過釬焊合金化學(xué)結(jié)合到基體支承材料上。該釬焊合金可為粉末、薄片或非晶態(tài)合金片。可利用具有以預(yù)定圖形布置的多個孔的模板將超磨料顆粒放置在給定基底或基體支承材料上。
文檔編號B23D61/18GK1694788SQ03824677
公開日2005年11月9日 申請日期2003年9月29日 優(yōu)先權(quán)日2002年9月27日
發(fā)明者宋簡民 申請人:宋簡民