多晶金剛石體、切削工具、耐磨工具、磨削工具以及用于制造多晶金剛石體的方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及多晶金剛石體、切削工具、耐磨工具、磨削工具，以及用于制造多晶金 剛石體的方法。更具體地，本發(fā)明涉及用作切削工具、耐磨工具、和磨削工具的多晶金剛石 體，并且涉及切削工具、耐磨工具、磨削工具，以及用于制造多晶金剛石體的方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 通過使用鈷（Co)等金屬和碳化硅（SiC)等陶瓷作為燒結(jié)助劑和粘合劑來獲得用 于常規(guī)金剛石工具的燒結(jié)金剛石體。此外，日本專利公開No. 4-074766和日本專利公開 No. 4-114966公開了（例如）使用碳酸鹽作為燒結(jié)助劑。根據(jù)這些文獻(xiàn)，通過在使金剛石熱 力學(xué)穩(wěn)定的穩(wěn)定高壓高溫條件下（通常，壓力為5至8GPa、溫度為1300°C至2200°C)將金 剛石粉末與燒結(jié)助劑和粘合劑一起燒結(jié)從而得到燒結(jié)金剛石體。另一方面，天然存在的多 晶金剛石體（黑金剛石和半鋼石）也是已知的，其中的一些被用作鉆頭。然而，由于這些多 晶金剛石體的材料質(zhì)量變化明顯并且數(shù)量有限，因此它們不常用于工業(yè)目的。
[0003] 使用燒結(jié)助劑所得到的多晶金剛石體中含有所用的燒結(jié)助劑，其可能起到促進(jìn)金 剛石的石墨化的催化劑的作用。由此，所得到的多晶金剛石體的耐熱性變差。此外，當(dāng)對所 述多晶金剛石體進(jìn)行加熱時，由于催化劑和金剛石之間熱膨脹的差異，因而容易出現(xiàn)微小 的裂紋。結(jié)果，多晶金剛石體的機械性能變差。
[0004] 還已知這樣的多晶金剛石體，該多晶金剛石體中存在于金剛石顆粒的晶界處的金 屬被除去，以提高其耐熱性。盡管這種方法將耐熱溫度提高至約1200°c，但是所述多晶體變 為多孔狀，因此強度進(jìn)一步降低。使用SiC作為粘合劑所獲得的多晶金剛石體具有高耐熱 性，然而由于金剛石顆粒沒有粘結(jié)在一起，因此其具有低強度。
[0005] 另一方面，已知這樣一種方法，其中在超高壓和高溫下使非金剛石碳（例 如石墨、無定形碳等）直接轉(zhuǎn)化成金剛石而不使用催化劑和/或溶劑，并且同時燒 結(jié)（直接轉(zhuǎn)化和燒結(jié)法）。例如，J.Chem.Phys.，38(1963)631-643 頁、Japan.J.Appl. Phys.，11 (1972)578-590 頁、和Nature259(1976)38 頁表明，在 14GPa至 18GPa的超高壓力 和3000K以上的高溫下，通過使用石墨作為起始原料得到了多晶金剛石體。
[0006] 然而，在根據(jù)J.Chem.Phys.，38 (1963) 631-643 頁、Japan.J.Appl. Phys.，11 (1972)578-590頁、和Nature259(1976)38頁的全部的多晶金剛石體的制造中， 使用了通過直接通電進(jìn)行加熱的方法，其中直接使電流通過導(dǎo)電性非金剛石碳（例如石墨 等）從而對其進(jìn)行加熱。這樣得到的多晶金剛石體中含有殘余的非金剛石碳（例如石墨 等），并且還含有晶粒尺寸不均勻的金剛石。結(jié)果，該多晶金剛石體的硬度和強度差。
[0007] 因此，為 了提高硬度和強度，NewDiamondandFrontierCarbon Technology(14 (2004) 313 頁）以及SEITechnicalReview(165 (2004) 68 頁）給出 了通過 直接轉(zhuǎn)化和燒結(jié)法來獲得致密且高純度的多晶金剛石體的方法，其中在12GPa以上的超高 壓和2200°C以上的高溫下間接加熱作為原料的高純度石墨。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0008] 在根據(jù)NewDiamondandFrontierCarbonTechnology(14 (2004) 313 頁）以及 SEITechnicalRevieW(165(2004)68頁）的多晶金剛石體的制造中，降低了燒結(jié)溫度，以獲 得用于（例如）超精密加工中的具有小粒徑的多晶金剛石體。結(jié)果，多晶體不能充分燒結(jié)， 并且其強度降低。此外，如果金剛石顆粒的粒徑小，則其韌性降低，這使得所得工具容易碎 裂。
[0009] 因此，本發(fā)明的目的是解決上述問題，并提供具有韌性且粒徑小的多晶金剛石體， 并且提供切削工具、耐磨工具、磨削工具，以及用于制造所述多晶金剛石體的方法。
[0010] 根據(jù)本發(fā)明一個方面的多晶金剛石體中含有金剛石顆粒。所述金剛石顆粒的平均 粒徑為50nm或更小。在23°C±5°C、4.9N的測試負(fù)荷下的努氏硬度測量中，所述多晶金剛 石體的努氏壓痕的對角線中較短對角線的長度B與較長對角線的長度A的比值為0. 080或 更小，其中該比值表示為比值B/A。
[0011] 根據(jù)本發(fā)明另一個方面的用于制造多晶金剛石體的方法包括以下步驟：準(zhǔn)備粒徑 為0. 5ym或更小的非金剛石碳粉作為起始原料；并且在滿足以下條件的溫度和壓力下將 所述非金剛石碳粉轉(zhuǎn)化成金剛石顆粒并將所述金剛石顆粒燒結(jié)：當(dāng)P表示壓力（GPa)且T 表示溫度（°C)時，P彡 0? 0000168T2-0. 086H+124;T彡 2300 ;并且P彡 25。
[0012] 根據(jù)上述內(nèi)容，提供了一種具有韌性且粒徑小的多晶金剛石體，并提供了切削工 具、耐磨工具、磨削工具，以及用于制造所述多晶金剛石體的方法。
[0013] 結(jié)合附圖，通過以下對本發(fā)明的詳細(xì)描述，本發(fā)明的上述及其它目的、特征、方面 和優(yōu)點將變得更加明顯。
【附圖說明】
[0014] 圖1為用于說明努氏壓痕的圖。
【具體實施方式】
[0015] [本發(fā)明實施方案的描述]
[0016] 本發(fā)明人進(jìn)行了廣泛的研究以解決上述問題，并且發(fā)現(xiàn)，當(dāng)使具有0. 5ym或更小 粒徑的非金剛石碳粉（如石墨等）在高溫高壓下直接轉(zhuǎn)化為金剛石顆粒時，能夠獲得具有 韌性且具有精細(xì)結(jié)構(gòu)的多晶金剛石體。
[0017] [1]根據(jù)本發(fā)明一個方面的多晶金剛石體包含金剛石顆粒，所述金剛石顆粒的平 均粒徑為50nm或更小，并且在23°C±5°C、4. 9N的測試負(fù)荷下的努氏硬度的測量中，所述 多晶金剛石體的努氏壓痕的對角線中較短對角線的長度B與較長對角線的長度A的比值為 0.080或更小，其中該比值表示為比值B/A。這種多晶金剛石體具有韌性，并且具有形成該 多晶金剛石體的金剛石顆粒的小粒徑。
[0018] [2]所述金剛石顆粒的平均粒徑優(yōu)選為30nm或更小。進(jìn)一步降低平均粒徑使得所 述多晶金剛石體更適合用于需要小粒徑的應(yīng)用。
[0019] [3]優(yōu)選地，根據(jù)X射線衍射，所述金剛石顆粒的（220)面的X射線衍射強度I_ 與（111)面的X射線衍射強度1(111)的比值大于等于0. 1小于等于0. 3,其中該比值表示為 比值I_/I_。這使得所述多晶體各向同性，這樣當(dāng)多晶體用作工具等時，可以減小局部 磨損。
[0020] [4]根據(jù)本發(fā)明另一方面的切削工具包含上述多晶金剛石體。因此，切削工具可用 于切削各種材料。
[0021] [5]根據(jù)本發(fā)明又一方面的耐磨工具包含上述多晶金剛石體。該耐磨工具可用于 加工各種材料。
[0022] [6]根據(jù)本發(fā)明又一方面的磨削工具包含上述多晶金剛石體。該磨削工具可用于 磨削各種材料。
[0023] [7]根據(jù)本發(fā)明又一方面的用于制造多晶金剛石體的方法包括這樣的步驟：準(zhǔn)備 粒徑為0. 5ym或更小的非金剛石碳粉作為起始原料；以及在滿足以下條件的溫度和壓力 下將所述非金剛石碳粉轉(zhuǎn)化成金剛石顆粒并將所述金剛石顆粒燒結(jié)，當(dāng)P表示壓力（GPa) 且T表示溫度（°C)時，P多 0? 0000168T2-0. 086H+124;T<