專利名稱：多晶金剛石及其制造方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及多晶金剛石及其制造方法，尤其涉及適用于諸如切削鉆頭、修整器和模具之類的工具以及釬頭的、具有高硬度和高強(qiáng)度的多晶金剛石以及這種多晶金剛石的制造方法。
背景技術(shù)：
對于用于諸如切削鉆頭、修整器和模具之類的工具以及釬頭的常規(guī)多晶金剛石，采用鐵族元素金屬(例如，F(xiàn)e、Co和Ni)、碳酸鹽(例如，CaCO3)等作為促進(jìn)原料燒結(jié)的燒結(jié)齊U，并且采用陶瓷(例如，SiC)等作為使原料結(jié)合的結(jié)合劑。通過在金剛石呈熱力學(xué)穩(wěn)定的高壓和高溫條件(通常，壓力為約5GPa至SGPaJ^度為約1300°C至2200°C)下，將作為原料的金剛石粉末與燒結(jié)劑一同燒結(jié)，從而獲得上述 多晶金剛石。如此獲得的多晶金剛石中含有所使用的燒結(jié)劑。這種燒結(jié)劑對多晶金剛石的諸如硬度和強(qiáng)度之類的機(jī)械特性以及對耐熱性存在較大的影響。還已知通過酸處理而除去了上述燒結(jié)劑的多晶金剛石、以及將具有耐熱性的SiC用作結(jié)合劑的耐熱性優(yōu)異的燒結(jié)金剛石，然而，這些金剛石的硬度和強(qiáng)度較低，并且作為工具材料的機(jī)械特性不足。同時，可以在不使用燒結(jié)劑等情況下，在超高壓和超高溫條件下將非金剛石碳材料(例如，石墨、玻璃碳或無定形碳)直接轉(zhuǎn)化成為金剛石。通過將非金剛石相直接轉(zhuǎn)化成金剛石相并且同時進(jìn)行燒結(jié)，獲得了單相的多晶金剛石。F. P. Bundy, J. Chem. Phys. , 38 (1963)第 631-643 頁(非專利文獻(xiàn) I)、M. ffakatsuki, K. Ichinose, T. Aoki, Japan. J. Appl. Phys. , 11 (1972)第 578-590 頁(非專利文獻(xiàn) 2)和 S. Naka, K. Horii, Y. Takeda, T. Hanawa, Nature, 259 (1976)第 38 頁(非專利文獻(xiàn)3)公開了這樣的多晶金剛石，該多晶金剛石是通過在14GPa至18GPa的這種超高壓和3000K或更高的超高溫下直接轉(zhuǎn)化作為原料的石墨而獲得的。然而，以上各種多晶金剛石均是通過進(jìn)行直接電加熱而制得的，其中在直接電加熱過程中，通過使電流直接流過諸如石墨之類的導(dǎo)電性非金剛石碳材料從而將其加熱，這樣不可避免地存在未轉(zhuǎn)化的石墨。此外，金剛石的粒度不均勻，并且燒結(jié)往往在局部上并不充分。因此，諸如硬度和強(qiáng)度之類的機(jī)械特性不足夠高，并且僅獲得片狀多晶，因而未曾實現(xiàn)實際應(yīng)用。T. Irifune, H. Sumiya, “New Diamond and Frontier Carbon Technology (新型金剛石和前沿碳技術(shù))，” 14(2004)第313頁(非專利文獻(xiàn)4)和Sumiya, Irifune, SEITechnical Review, 165 (2004)第68頁(非專利文獻(xiàn)5)公開了一種通過使用高純度、高結(jié)晶度的石墨作為原料，并通過在不低于12GPa且不低于2200°C的超高壓超高溫條件下間接加熱從而進(jìn)行直接轉(zhuǎn)化和燒結(jié)，由此獲得致密且高純度的多晶金剛石的方法。盡管以這種方法獲得的金剛石具有非常高的硬度，但是其實際特性(例如，耐磨性、耐崩裂性和抗裂紋擴(kuò)展性)不足且不穩(wěn)定。天然形成的多晶金剛石(黑金剛石、半剛石等)也是已知的，一些這種多晶金剛石被用于釬頭。另一方面，這些金剛石的材質(zhì)差異較大，并且產(chǎn)量較低，因而沒有在工業(yè)上大
量使用。在一些應(yīng)用中使用單晶金剛石。然而，因尺度和成本方面的限制，其使用限于超精密工具或精密耐磨工具，并且用途和使用條件受單晶金剛石的劈裂性和機(jī)械特性的各向異性的限制。引用列表非專利文獻(xiàn)非專利文獻(xiàn)I F. P. Bundy, J. Chem. Phys.，38 (1963)第 631-643 頁 非專利文獻(xiàn)2M. ffakatsuki, K. Ichinose, T. Aoki, Japan. J. Appl. Phys. , 11 (1972)第 578-590 頁非專利文獻(xiàn)3 S. Naka, K. Horii, Y. Takeda, T. Hanawa, Nature, 259(1976)第 38 頁非專利文獻(xiàn)4:T. Irifune, H. Sumiya, "New Diamond and Frontier CarbonTechnology, ^14(2004)第 313 頁非專利文獻(xiàn)5 Sumiya, Irifune, SEI Technical Review, 165(2004)第 68 頁

發(fā)明內(nèi)容
技術(shù)問題為了解決現(xiàn)有技術(shù)中的上述問題而進(jìn)行了本發(fā)明，并且本發(fā)明的目的是提供具有高硬度和高強(qiáng)度的多晶金剛石以及制造這種多晶金剛石的方法，其中該多晶金剛石適于用作諸如切削鉆頭、修整器和模具之類的工具以及釬頭。解決問題的方案本發(fā)明借助以下研究發(fā)現(xiàn)而得以完成對于包含立方金剛石和六方金剛石、且六方金剛石與立方金剛石的比值處于規(guī)定范圍內(nèi)的多晶金剛石，其硬度和強(qiáng)度要高于六方金剛石與立方金剛石比值不在該規(guī)定范圍內(nèi)的多晶金剛石。S卩，本發(fā)明涉及了一種包含立方金剛石和六方金剛石的多晶金剛石，其中所述六方金剛石的(100)面的X射線衍射峰強(qiáng)度與所述立方金剛石的(111)面的X射線衍射峰強(qiáng)度的比值(h/c比值)不低于0. 01%。此外，本發(fā)明借助以下研究發(fā)現(xiàn)而得以完成在不添加任何燒結(jié)劑和結(jié)合劑的情況下，通過在金剛石呈熱力學(xué)穩(wěn)定的壓力和溫度條件下直接燒結(jié)石墨化度不高于規(guī)定值的非金剛石碳材料，從而制造出上述h/c比值處于上述規(guī)定范圍內(nèi)的多晶金剛石。即，本發(fā)明涉及一種制造多晶金剛石的方法，其包括以下步驟制備石墨化度小于或等于0. 58的非金剛石碳材料；以及在不添加任何燒結(jié)劑和結(jié)合劑的情況下，在金剛石呈熱力學(xué)穩(wěn)定的壓力和溫度條件下將所述非金剛石碳材料直接轉(zhuǎn)化為立方金剛石和六方金剛石，并進(jìn)行燒結(jié)。本發(fā)明的有益效果如上文所述，本發(fā)明提供了具有高硬度和高強(qiáng)度的多晶金剛石以及制造這種多晶金剛石的方法，該多晶金剛石適于用作諸如切削鉆頭、修整器和模具之類的工具以及釬頭。
具體實施例方式(第一實施方案)根據(jù)本發(fā)明的一個實施方案的多晶金剛石包含立方金剛石(下文稱作C-金剛石)和六方金剛石(下文稱作h-金剛石)，并且h-金剛石的(100)面的X射線衍射峰強(qiáng)度與C-金剛石的(111)面的X射線衍射峰強(qiáng)度的比值(下文稱作h/c比值)不低于0.01%。與不含有h-金剛石(即，h/c比值為0%)的多晶金剛石、或h/c比值低于0. 01%的多晶金剛石相比，本發(fā)明實施方案中的h/c比值不低于0. 01%的多晶金剛石具有更高的硬度和強(qiáng)度，具體而言具有更高的強(qiáng)度、抗裂強(qiáng)度、耐磨性等。這里，C-金剛石指具有立方晶體結(jié)構(gòu)的金剛石，并且h_金剛石指具有六方晶體結(jié)構(gòu)的金剛石?？筛鶕?jù)通過X射線衍射測得的衍射峰圖案來區(qū)分C-金剛石和h-金剛石。即，在含有C-金剛石和h-金剛石的多晶金剛石的X射線衍射中，獲得了 C-金剛石衍射峰圖案 和h-金剛石衍射峰圖案混合在一起的圖案。在本專利申請中，h-金剛石與C-金剛石的比值由h/c比值表述，該h/c比值為h-金剛石的(100)面的X射線衍射峰強(qiáng)度與C-金剛石的(111)面的X射線衍射峰強(qiáng)度的比值。(第二實施方案)本發(fā)明另一實施方案的多晶金剛石的制造方法包括以下步驟制備石墨化度不高于0. 58的的非金剛石碳材料；以及在不添加任何燒結(jié)劑和結(jié)合劑的情況下，在金剛石呈熱力學(xué)穩(wěn)定的壓力和溫度條件下將所述非金剛石碳材料直接轉(zhuǎn)化為立方金剛石和六方金剛石，并進(jìn)行燒結(jié)。根據(jù)本實施方案中多晶金剛石的制造方法，獲得了具有高硬度和高強(qiáng)度(具體而言具有高強(qiáng)度、高橫向強(qiáng)度、高耐磨性等)的多晶金+剛石，該多晶金剛石包含C-金剛石(立方金剛石)和h-金剛石(六方金剛石)，并且h/c比值(h-金剛石的(100)面的X射線衍射峰強(qiáng)度與C-金剛石的(111)面的X射線衍射峰強(qiáng)度的比值)不低于0.01%。(非金剛石碳材料的制備步驟)本發(fā)明實施方案中的多晶金剛石制造方法首先包括制備石墨化度不高于0. 58的非金剛石碳材料的步驟。對本發(fā)明制備步驟中制得的非金剛石碳材料沒有特別的限制，只要其石墨化度不高于0. 58、并且為除金剛石之外的其他碳材料即可。具有低石墨化度的石墨(例如，粉碎的石墨)、無定形碳材料(例如，無定形碳和玻璃碳)或其混合物均是適用的。這里，通過如下方法確定非金剛石碳材料的石墨化度P。對非金剛石碳材料進(jìn)行X射線衍射，測得作為非金剛石碳材料的石墨的(002)面的晶面間距Clcitl2，并且基于以下方程式(I)計算非金剛石碳材料的亂層結(jié)構(gòu)部分的比值P。d002 = 3. 440-0. 086 X (l_p2) (I)基于以下方程式(2)，由如此獲得的亂層結(jié)構(gòu)部分的比值p計算石墨化度P。P=l-p …(2)從抑制晶粒生長的角度看，非金剛石碳材料優(yōu)選不含有作為雜質(zhì)的鐵族元素金屬。此外，從抑制晶粒生長和促進(jìn)向金剛石轉(zhuǎn)化的角度看，作為雜質(zhì)的氫(H)、氧(0)等的含量優(yōu)選較低。
(將非金剛石碳材料轉(zhuǎn)化為C-金剛石和h_金剛石并且燒結(jié)非金剛石碳材料的步驟)本發(fā)明實施方案中的多晶金剛石制造方法還包括以下步驟在不添加任何燒結(jié)劑和結(jié)合劑的情況下，在金剛石呈熱力學(xué)穩(wěn)定的壓力和溫度條件下將上述非金剛石碳材料直接轉(zhuǎn)化為立方金剛石和六方金剛石，并進(jìn)行燒結(jié)。通過在不添加任何燒結(jié)劑和結(jié)合劑的情況下，將上述非金剛石碳材料置于金剛石呈熱力學(xué)穩(wěn)定的壓力和溫度條件下，所述非金剛石碳材料直接轉(zhuǎn)化成C-金剛石和h_金剛石，同時被燒結(jié)，由此獲得h/c比值不低于0. 01%的、具有高硬度和高強(qiáng)度的多晶金剛石。這里，燒結(jié)劑指促進(jìn)充當(dāng)原料的材料燒結(jié)的催化劑，可列舉鐵族元素金屬(例如，Co、Ni和Fe)、碳酸鹽(例如，CaCO3)等。結(jié)合劑指用于使充當(dāng)原料的材料結(jié)合的材料，可列舉陶瓷，例如SiC。金剛石呈熱力學(xué)穩(wěn)定的壓力和溫度條件指在碳系材料中，金剛石相為熱力學(xué)穩(wěn)定相的壓力和溫度條件?？梢栽诓惶砑尤魏螣Y(jié)劑和結(jié)合劑的情況下進(jìn)行燒結(jié)的這種壓力和溫度條件尤其是指這樣的條件壓力不低于12GPa且溫度為2000°C至2600°C，并且優(yōu)選為壓力不低于16GPa且溫度為2200°C至2300°C。對本發(fā)明實施方案中的多晶金剛石制造方法中所用的高壓高溫發(fā)生裝置沒有特別的限制，只要其為能夠達(dá)到金剛石相呈熱力學(xué)穩(wěn)定相的壓力和溫度條件的裝置即可，然而從提高生產(chǎn)率和可操作性的角度來看，優(yōu)選帶式發(fā)生裝置或多頂砧式(multi-anviltype)發(fā)生裝置。另外，對用以容納作為原料的非金剛石碳材料的容器沒有特別的限制，只要其由耐高壓和高溫的材料制成即可，例如，可適當(dāng)?shù)厥褂肨a等。實施例(實施例I至6，對比例I至2)如表I中所示，制備了具有不同的石墨化度和粒度的多種石墨粉末以作為非金剛石碳材料。隨后，使用高壓高溫發(fā)生裝置，在不添加任何燒結(jié)劑和結(jié)合劑的情況下，于壓力為16GPa且溫度為2200°C的條件下(其為金剛石呈熱力學(xué)穩(wěn)定的壓力和溫度)對上述多種非金剛石碳材料中的每一種進(jìn)行高溫高壓處理。對所獲得的多種多晶金剛石中的每種多晶金剛石的硬度、橫向強(qiáng)度和耐磨性加以評價。硬度是通過使用Knoop硬度計，在施加4. 9N的負(fù)荷并持續(xù)10秒的條件下測得的Knoop硬度。橫向強(qiáng)度通過借助三點彎曲強(qiáng)度測試儀而測得的。耐磨性是通過使用金剛石研磨機(jī)，在負(fù)荷設(shè)定為3kg/mm2的條件下而測得的，其以將實施例I中的值定義為I. 0時的相對值示出。這里，相對值越高，表示耐磨性越高。結(jié)果匯總于表I中。表I
權(quán)利要求
1.一種多晶金剛石,包含 立方金剛石；以及六方金剛石，所述六方金剛石的(100)面的X射線衍射峰強(qiáng)度與所述立方金剛石的(111)面的X射線衍射峰強(qiáng)度的比值不低于0.01%。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的多晶金剛石，其在大于或等于800°C且小于或等于1200°C的溫度范圍內(nèi)的抗裂強(qiáng)度為其在室溫下的抗裂強(qiáng)度的90%以上。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的多晶金剛石，其在大于或等于1000°C且小于或等于1200°C的溫度范圍內(nèi)的抗裂強(qiáng)度大于其在室溫下的抗裂強(qiáng)度。
4.根據(jù)權(quán)利要求I所述的多晶金剛石，其在800°C下的硬度為其在室溫下的硬度的80%以上。
5.一種劃片器，包括由根據(jù)權(quán)利要求I至4中任一項所述的多晶金剛石構(gòu)成的前端部分， 所述前端部分具有三個或四個尖端。
6.一種劃線輪，包括由根據(jù)權(quán)利要求I至4中任一項所述的多晶金剛石構(gòu)成的輪。
7.—種修整器，包括由根據(jù)權(quán)利要求I至4中任一項所述的多晶金剛石構(gòu)成的前端部分。
8.—種拉絲模具，包含根據(jù)權(quán)利要求I至4中任一項所述的多晶金剛石。
9.一種噴嘴，包括由根據(jù)權(quán)利要求I至4中任一項所述的多晶金剛石構(gòu)成的孔。
10.一種磨削工具，包括由根據(jù)權(quán)利要求I至4中任一項所述的多晶金剛石構(gòu)成的磨削刃。
11.一種切削工具，包括由根據(jù)權(quán)利要求I至4中任一項所述的多晶金剛石構(gòu)成的切削刃。
12.—種旋轉(zhuǎn)切削工具，包括由根據(jù)權(quán)利要求I至4中任一項所述的多晶金剛石構(gòu)成的切削刃。
13.—種捆絲導(dǎo)向器，由根據(jù)權(quán)利要求I至4中任一項所述的多晶金剛石構(gòu)成。
14.一種制造多晶金剛石的方法，包括如下步驟 制備石墨化度小于或等于0. 58的非金剛石碳材料；以及在不添加任何燒結(jié)劑和結(jié)合劑的情況下，在金剛石呈熱力學(xué)穩(wěn)定的壓力和溫度條件下將所述非金剛石碳材料直接轉(zhuǎn)化為立方金剛石和六方金剛石，并進(jìn)行燒結(jié)。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種多晶金剛石，其包含立方金剛石；以及六方金剛石，所述六方金剛石的(100)面的X射線衍射峰強(qiáng)度與所述立方金剛石的(111)面的X射線衍射峰強(qiáng)度的比值不低于0.01%。此外，本發(fā)明制造多晶金剛石的方法包括以下步驟制備石墨化度小于或等于0.58的非金剛石碳材料；以及在不添加任何燒結(jié)劑和結(jié)合劑的情況下，在金剛石呈熱力學(xué)穩(wěn)定的壓力和溫度條件下將所述非金剛石碳材料直接轉(zhuǎn)化為立方金剛石和六方金剛石，并進(jìn)行燒結(jié)。
文檔編號C01B31/06GK102712478SQ201180005940
公開日2012年10月3日 申請日期2011年8月10日 優(yōu)先權(quán)日2010年8月19日
發(fā)明者佐藤武, 山本佳津子, 有元桂子, 角谷均 申請人:住友電氣工業(yè)株式會社