本發(fā)明涉及含金剛石的復合燒結體。

背景技術：

金剛石是存在于地球上的物質中具有最高硬度的物質，因此，已使用含有金剛石的燒結體作為耐磨工具和切削工具等的材料。

日本專利公開No.2003-292397(專利文獻1)公開了一種金剛石多晶體，它是一種由金剛石構成的多晶體，其中該金剛石是由石墨型層狀結構的碳物質在未添加燒結助劑和催化劑的情況下在高溫高壓下轉化并燒結而得到的，其中金剛石的平均粒徑為100nm以下并且純度為99％以上。日本專利公開No.2003-292397(專利文獻1)還公開了一種通過將非金剛石碳物質置于包括間接加熱裝置的壓力單元中并進行加熱加壓，從而通過不添加燒結助劑和催化劑的直接轉化來制造金剛石多晶體的方法。

國際公開No.2009/099130(專利文獻2)公開了一種金剛石多晶體，它是通過非金剛石型碳在不添加燒結助劑和催化劑的情況下在超高溫超高壓下轉化并燒結而獲得的，其中形成該金剛石多晶體的燒結金剛石顆粒的平均粒徑大于50nm且小于2500nm，并且純度為99％以上，并且金剛石的D90粒徑為(平均粒徑+平均粒徑×0.9)以下。

日本專利公開No.9-142933(專利文獻3)公開了一種金剛石燒結體，其包含0.1體積％至30體積％的由稀土元素的氧化物和/或碳氧化物和/或碳化物構成的物質，并且余量為金剛石。

日本專利公開No.2005-239472(專利文獻4)公開了一種具有高強度和高耐磨性的金剛石燒結體，其包含平均粒徑為2μm以下的燒結金剛石顆粒，并且余量為結合相，其中，金剛石燒結體中燒結金剛石顆粒的含量比例為80體積％以上98體積％以下，并且結合相包含鈷和選自由鈦、鋯、鉿、釩、鈮、鉭、鉻和鉬所構成的組中的至少一種或多種元素；該結合相中鈷的含量比例為50質量％以上且小于99.5質量％；該結合相中所述至少一種或多種元素的含量比例為0.5質量％以上且小于50質量％；并且所述選自由鈦、鋯、鉿、釩、鈮、鉭、鉻和鉬所構成的組中的至少一種或多種元素以平均粒徑為0.8μm以下的碳化物顆粒的形式存在，該碳化物顆粒的結構是非連續(xù)的，并且相鄰的金剛石顆粒彼此相互結合。

引用列表

專利文獻

專利文獻1：日本專利公開No.2003-292397

專利文獻2：國際公開No.2009/099130

專利文獻3：日本專利公開No.9-142933

專利文獻4：日本專利公開No.2005-239472

技術實現(xiàn)要素：

技術問題

當將日本專利公開No.2003-292397(專利文獻1)和國際公開No.2009/099130(專利文獻2)中公開的金剛石多晶體應用到作為耐磨工具的拉絲模時，拉絲時的拉出阻力會增大，并且由于模具中的局部磨損，使得拉絲后的線徑減少并且可能導致斷絲頻繁發(fā)生。當將該金剛石多晶體應用到作為切削工具中的水刀(water jet)時，由于噴嘴孔部分的嚴重磨損，可能會導致工具使用壽命的縮短。

當將日本專利公開No.9-142933(專利文獻3)和日本專利公開No.2005-239472(專利文獻4)中公開的金剛石燒結體應用到作為耐磨工具的拉絲模時，由于燒結體中的金屬碳化物和金屬，使得摩擦系數(shù)升高，因而拉絲阻力可能會增大，拉絲后的線徑可能會減少并且斷絲可能會頻繁發(fā)生。當將該金剛石燒結體應用到旋轉工具時，由于燒結體中的金屬碳化物和金屬，使得摩擦系數(shù)升高，因而切削阻力可能會增加，并且可能會發(fā)生工具斷裂。當將該金剛石燒結體應用于切削工具時，由于燒結體中的金屬碳化物和金屬，使得摩擦系數(shù)升高，因此切削阻力增加，并且會發(fā)生過度振動并且可能無法獲得平滑的切削面。當將該金剛石燒結體應用于挖掘用刀頭時，由于燒結體中的金屬的線膨脹使得發(fā)生內部破壞，由此可能會使得工具使用壽命縮短。

本發(fā)明致力于解決上述問題，其目的在于提供具有高耐磨性、高局部耐磨性和高耐崩裂性的含金剛石的復合燒結體。

[解決問題的方案]

本發(fā)明的復合燒結體為包含第一相和第二相的復合燒結體，其中第一相為金剛石相，第二相為由一種以上的元素或化合物或這兩者所形成的相，并且第二相向第一相施加應變，第二相的含量為大于0ppm且小于等于1000ppm。

本發(fā)明的效果

由于本發(fā)明復合燒結體具有上述構成，因此提高了耐磨性、局部耐磨性和耐崩裂性。

具體實施方式

本發(fā)明實施方案的說明

首先，將本發(fā)明實施方案(以下也表示為“本實施方案”)的概要列為以下(1)至(5)從而進行說明。

(1)根據本發(fā)明實施方案的復合燒結體為包含第一相和第二相的復合燒結體，其中第一相為金剛石相，第二相為由一種以上的元素或化合物或這兩者所形成的相，并且第二相向第一相施加應變，第二相的含量為大于0ppm且小于等于1000ppm。

由于根據本發(fā)明實施方案的復合燒結體具有上述構成，因此提高了耐磨性、局部耐磨性和耐崩裂性，并且可以抑制龜裂的發(fā)生。

(2)在根據本實施方案的復合燒結體中，第二相的線膨脹系數(shù)優(yōu)選高于第一相的線膨脹系數(shù)。由此，進一步提高了復合燒結體的耐磨性、局部耐磨性和耐崩裂性。

(3)在根據本實施方案的復合燒結體中，形成第一相的顆粒的平均粒徑優(yōu)選為1000nm以下。由此，進一步提高了復合燒結體的耐磨性、局部耐磨性和耐崩裂性。

(4)在根據本實施方案的復合燒結體中，形成第二相的顆粒的平均粒徑優(yōu)選為500nm以下。由此，進一步提高了復合燒結體的耐磨性、局部耐磨性和耐崩裂性，并且可以抑制龜裂的發(fā)生。

(5)在根據本實施方案的復合燒結體中，為了提高耐磨性，復合燒結體的努普硬度優(yōu)選為60GPa以上。

[本發(fā)明實施方案的詳細說明]

雖然將在下面更詳細地描述根據本實施方案的復合燒結體，但本實施方案不限于此。

(復合燒結體)

根據本實施方案的復合燒結體為包括第一相和第二相的復合燒結體。第一相為金剛石相，第二相為由一種以上的元素或化合物或這兩者所形成的相，并且第二相向第一相施加應變。第二相的含量為大于0ppm且小于等于1000ppm。

除了第一相和第二相以外，上述復合燒結體還可包含其它成分，如燒結助劑和催化劑。

在通過SEM(掃描電子顯微鏡)或TEM(透射電子顯微鏡)對復合燒結體的截面(一個任意指定的截面，以下同)的觀察中，存在的金剛石相被識別為明亮視野，并且通過組成分析和晶體結構分析對其存在加以證實。

從提高復合燒結體的局部耐磨性和耐崩裂性的觀點出發(fā)，形成金剛石相的顆粒的平均粒徑優(yōu)選為1000nm以下，并且更優(yōu)選為500nm以下。此外，形成金剛石相的顆粒的平均粒徑為50nm以上，并且優(yōu)選為200nm以上。此處，形成金剛石相的顆粒的平均粒徑通過如下方式獲得：在通過SEM或TEM觀察復合燒結體的截面時，在能夠區(qū)分金剛石相、第二相和這二者之間的晶界的條件下拍攝照片，隨后進行圖像處理(例如二值化)以計算形成金剛石相的各顆粒的面積的平均值，然后計算具有與該面積相同的面積的圓的直徑。

在根據本實施方案的復合燒結體中，第二相為由一種以上的元素或化合物或這兩者所形成的相，并且第二相向第一相施加應變。在復合燒結體的使用中，上述第二相由于摩擦熱而發(fā)生線膨脹，從而對金剛石基體施加壓縮應力，由此提高了基體的硬度并且減少了磨損。

第二相的線膨脹系數(shù)優(yōu)選高于第一相的線膨脹系數(shù)。由此，可以進一步增強提高硬度和降低磨損的效果。通過使用以下方法來進行第二相的線膨脹系數(shù)的測定。首先，通過使用SEM和TEM方法來確定復合燒結體第二相的組成和晶體結構。接著，另外制備具有該組成的原料，并且通過使用所期望的方法制作僅包括第二相的燒結體。最后，通過使用JIS R1618方法來測定所得燒結體，從而得到線膨脹系數(shù)。

上述第二相的例子可包括SiC、Al、Ti和V等。

為了防止由于第一相或第二相的過度膨脹而在復合燒結體中發(fā)生龜裂和斷裂，復合燒結體中第二相的含量為1000ppm以下，并且優(yōu)選為700ppm以下。為了減少第二相中的摩擦和磨損，復合燒結體中第二相的含量更加優(yōu)選為500ppm以下。此外，為了向金剛石相施加適當?shù)膲嚎s應力，第二相的含量大于0ppm，優(yōu)選為100ppm以上并且更優(yōu)選為400ppm以上。在通過SEM或TEM對復合燒結體的截面的觀察中，復合燒結體中存在的第二相被識別為暗視野，并且通過組成分析和X射線衍射對其存在加以證實。

為了抑制由于第一相或第二相的過度膨脹而在復合燒結體中發(fā)生局部龜裂，形成第二相的顆粒的平均粒徑優(yōu)選為500nm以下。此外，為了減少第二相中的局部磨損，形成第二相的顆粒的平均粒徑優(yōu)選為100nm以下。此外，從提高結構硬度的觀點出發(fā)，形成第二相的顆粒的平均粒徑為10nm以上，并且優(yōu)選為50nm以上。此處，形成第二相的顆粒的平均粒徑通過如下方式獲得：在通過SEM或TEM觀察復合燒結體的截面時，在能夠區(qū)分金剛石相、第二相和這二者之間的晶界的條件下拍攝照片，隨后進行圖像處理(例如二值化)以計算形成第二相的各顆粒的面積的平均值，然后計算具有與該面積相同的面積的圓的直徑。

為了提高復合燒結體的耐磨性，根據本實施方案的復合燒結體的努普硬度優(yōu)選為60GPa以上，并且更優(yōu)選為80GPa以上。此處，努普硬度是通過使用努普壓頭并在9.8N(1.0kgf)的測定載荷下進行測定的。

[制造復合燒結體的方法]

對根據本實施方案的復合燒結體的制造方法沒有特別地限制。然而，為了通過有效的方式并以低成本制造具有高耐磨性、高局部耐磨性和高耐崩裂性的復合燒結體，根據本實施方案的復合燒結體的制造方法優(yōu)選包括下述步驟：

(a)原料準備步驟，其中準備原料非金剛石碳、原料金剛石和形成第二相的物質的混合物，或者準備原料非金剛石碳和形成第二相的物質的混合物。

(b)復合燒結體形成步驟，其中在形成金剛石相的溫度和壓力的條件下，通過燒結前述原料從而形成復合燒結體。

為了形成均質的復合燒結體，在原料制備步驟中所制備的原料非金剛石碳和原料金剛石優(yōu)選為粉末。此外，為了形成高質量的復合燒結體，原料非金剛石碳優(yōu)選為石墨或無定形碳。

在復合燒結體形成步驟中，對燒結條件沒有特別的限制，只要燒結條件為能夠形成金剛石相的溫度和壓力條件即可。然而，為了有效形成金剛石相，溫度為1800℃以上、壓力為8GPa以上16GPa以下的條件是優(yōu)選的，并且溫度為2000℃以上2200℃以下、壓力為11GPa以上14GPa以下的條件是更優(yōu)選的。對于用來產生這樣的高溫和高壓的高溫高壓發(fā)生裝置沒有特別的限制，并且高溫高壓發(fā)生裝置的例子包括帶型裝置、立方體(cubic)型裝置和分割球型裝置等。

實施例

(實施例1)

1.原料的準備

準備通過將400ppm的碳化硅添加到石墨粉末中而獲得的混合粉末作為原料。

2.復合燒結體的形成

通過使用高溫高壓發(fā)生裝置，將前述混合粉末在溫度為2300℃溫度且壓力為13GPa的燒結條件下燒結100分鐘，從而得到復合燒結體。

3.復合燒結體性能的評價

通過對復合燒結體的一個截面進行SEM觀察和X射線衍射，從而識別和確認復合燒結體中的金剛石相和第二相。由前述SEM觀察來計算第二相的含量。由此得到第二相的含量為300ppm。由前述的SEM觀察來計算形成金剛石相的顆粒的平均粒徑。于是，形成金剛石相的顆粒的平均粒徑為300nm。由前述SEM觀察來計算形成第二相的顆粒的平均粒徑。由此得到形成第二相的顆粒的平均粒徑為60nm。使用努普壓頭在9.8N的載荷下測定復合燒結體的努普硬度。由此得到復合燒結體的努普硬度為75GPa。此外，金剛石相的線膨脹系數(shù)為1.1×10^-6/K，并且碳化硅相的線膨脹系數(shù)為6.6×10^-6/K。

此外，使用這種復合燒結體制造開口尺寸為20μm的拉絲模，并以1000m/分鐘的拉絲速率對SUS(不銹鋼)進行拉絲。直到拉絲模的開口尺寸擴大到20.5μm時的斷絲頻率顯著減少到常規(guī)技術中的斷絲頻率的五分之一。

此外，將該復合燒結體釬焊到超硬基體金屬上，從而制作尖端角為80°并且尖端曲率半徑(R)為80nm的切削工具，并且在30mm厚的銅板上鍍覆20μm厚的鎳從而得到鍍鎳金屬板，在該金屬板上以10μm的間距形成5μm深度的溝槽。當切削工具的尖端的磨損達1μm時，通過崩裂量來評價尖端部分的缺損狀態(tài)(龜裂和崩裂)。由此得到，崩裂量顯著減少至常規(guī)技術中的崩裂量的一半。

應當理解的是，在此公開的實施方案和實施例是說明性的，其在任何方面都不是限制性的。本發(fā)明的范圍是由權利要求書而非前述說明限定，其旨在包括與權利要求書等同范圍和意義內的任何變型。