專(zhuān)利名稱(chēng)：金剛石工具的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及金剛石工具和制備金剛石工具的方法。
背景技術(shù)：
對(duì)于任何應(yīng)用，當(dāng)選擇工具材料時(shí)使用者必須考慮多個(gè)因素。這樣的因素包括成本、韌性、磨損速率/硬度、加工所需的工作表面如切削刃的能力、有用壽命、和對(duì)要加工的材料具有的化學(xué)效應(yīng)的惰性。理想的工具材料是既堅(jiān)硬又有韌性的工具材料。耗損應(yīng)用中使用的材料的這兩種性質(zhì)經(jīng)常在兩個(gè)相互垂直的軸上呈現(xiàn)。簡(jiǎn)而言之，磨損是每單位的操作移除的材料量的量度。韌性是材料對(duì)裂紋擴(kuò)展的耐受性的量度。持續(xù)不斷的需要提供較堅(jiān)硬、較有韌性、較強(qiáng)并且較耐磨的材料。還持續(xù)不斷的需要提供較快、較精確和較清潔的制備方法，這意味著成本效率和改善的性能。本發(fā)明的某些實(shí)施方案的目的是至少部分解決這些需要中的一些。對(duì)于很多優(yōu)質(zhì)性能的切削、鉆孔、研磨和拋光工具，金剛石材料是精選的材料。在很多行業(yè)中包括各種金屬、石頭和木工行業(yè)，在工具作業(yè)解決方案中使用金剛石材料。實(shí)例包括航空和汽車(chē)制造、家具制備、采石、建筑、采礦和挖隧道、礦物加工和油氣行業(yè)。金剛石的硬度性質(zhì)使其成為就磨損而言的最佳材料。然而，在工具的工作溫度下金剛石在應(yīng)力下塑性變形的有限能力導(dǎo)致與更韌性的材料如鋼相比更快速的裂紋擴(kuò)展。先前改善金剛石持久性的嘗試涉及改變形成金剛石材料的方法或在形成材料后處理金剛石材料。例如，WO 01/79583教導(dǎo)了用于改善金剛石型工具的持久性以提高沖擊強(qiáng)度和斷裂韌性的工藝。該工藝涉及將離子注入金剛石型工具的表面中。離子注入是一種材料工程工藝，通過(guò)該工藝可將材料的離子注入另一種固體中，從而改變固體的物理性質(zhì)。在通常情況下，將離子注入至10納米-I微米的深度。W001/79583教導(dǎo)了透過(guò)金剛石表面至O. 02 μ m-o. 2 μ m深度的離子注入。優(yōu)選的離子包括鉻、鎳、釕、鉭、鈦和釔。US 4184079和GB 1588445還教導(dǎo)了通過(guò)用足夠能量的離子轟擊金剛石以透過(guò)金剛石表面使金剛石韌化的方法。建議了各種離子，包括碳、氮和氫離子。描述了離子在金剛石晶格中形成位錯(cuò)網(wǎng)絡(luò)，從而抑制金剛石的微裂隙(miCTocleavage)。還描述了可將位錯(cuò)限制于金剛石晶體表面以下10納米-I微米的深度，以便在其表面上形成硬表皮。教導(dǎo)了離子劑量應(yīng)該產(chǎn)生非常少，在IO16-IO18離子cm_2范圍內(nèi)，并且具有10keV-10MeV、更優(yōu)選小于IOOkeV的能量，使得通過(guò)轟擊而注入的物質(zhì)對(duì)金剛石材料沒(méi)有不利的影響。由于金剛石的離子轟擊導(dǎo)致表面的非晶化和軟化(除非維持溫度高得足以保持晶體結(jié)構(gòu))，因而教導(dǎo)在離子轟擊期間使用至少500°C的溫度。GB 1588418公開(kāi)了用于改善工業(yè)金剛石的磨損性質(zhì)的工藝。該工藝包括將離子注入金剛石表面中。出于該目的，建議了碳和氮離子。US 4012300公開(kāi)了通過(guò)使顆粒經(jīng)受福照來(lái)改變磨料顆粒、特別是金剛石和立方氮化硼顆粒的脆性的方法。建議了質(zhì)子、中子和伽馬輻照，其中優(yōu)選中子。
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WO 2005/088283不涉及提高金剛石材料的韌性和/或耐磨性，但是公開(kāi)了使用輻照用于探測(cè)顆粒中金剛石的存在。該方法涉及用高能光子輻照顆粒以誘發(fā)光子/碳原子核反應(yīng)。WO 99/48107還涉及誘發(fā)碳原子核反應(yīng)的方法。在WO 99/48107中，使用高能輻照(16MeV-32MeV)引起一些碳原子至硼的原子核嬗變，以形成用于電子裝置應(yīng)用的電活性點(diǎn)。教導(dǎo)了優(yōu)選使用光子并且特別是伽馬射線完成高能輻照，但是通過(guò)使用其它的輻照源如電子也可完成高能輻照。本發(fā)明的某些實(shí)施方案的目的是改善金剛石工具的韌性和/或耐磨性。本發(fā)明的某些實(shí)施方案的另一個(gè)目的是避免與上述方法相關(guān)的問(wèn)題中的一些問(wèn)題。

發(fā)明內(nèi)容
根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)方面，提供了一種方法，其包括選擇金剛石材料；用電子輻照金剛石材料以提高金剛石材料的韌性和/或耐磨性；和將金剛石材料加工成一個(gè)或多個(gè)金剛石工具構(gòu)件，其中所述輻照包括控制輻照的能量和劑量，以提供具有多個(gè)孤立空位點(diǎn)缺陷的金剛石材料，所述孤立空位點(diǎn)缺陷具有I X IO14-I X IO22個(gè)空位/cnT3的濃度。已知輻照和/或退火金剛石材料可改變它的顏色。參見(jiàn)例如EP 0615 954 AUEPO 316 856 和“The Type Classification System ofDiamonds and Its Importance inGemology”，Gems and Gemology, Vo I. 45，No. 2，pp96_lll, 2009。此外，從 WO 99/48107 了解到高能輻照(16MeV-32MeV)可引起一些碳原子至硼的原子核嬗變，以形成用于電子裝置應(yīng)用的電活性點(diǎn)。此外，還從US4184079、GB1588445、GB 1588418和US4012300 了解到使用離子注入或用質(zhì)子、中子或伽馬輻照來(lái)輻照，可改變金剛石材料的韌性和/或磨損特性。然而，本發(fā)明人沒(méi)有注意到任何現(xiàn)有技術(shù)顯示根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施方案的電子輻照可導(dǎo)致金剛石工具構(gòu)件性能的顯著改善。觀察到韌性和/或耐磨性的顯著提高。此外，以磨損裂痕形成的方式的改善導(dǎo)致本發(fā)明的實(shí)施方案的金剛石工具構(gòu)件提供改善的表面光潔度。由本發(fā)明人使用電子輻照獲得的金剛石工具構(gòu)件性能的顯著改善是出乎意料并且非常重要的效果。出乎意料的是，發(fā)現(xiàn)電子輻照給予金剛石工具構(gòu)件性能這樣的改進(jìn)是因?yàn)楦鶕?jù)本發(fā)明的某些實(shí)施方案的電子輻照傾向于將單一碳原子從它們?cè)诮饎偸w基質(zhì)中的晶格位置上敲出以形成孤立空位。相比之下，中子、質(zhì)子和較重的離子輻照傾向于用足夠的能量將碳原子從它們的晶格位置上敲出從而將它們的晶格位置上的其它碳原子敲出，導(dǎo)致所謂的級(jí)聯(lián)損害(cascade damage)。這導(dǎo)致金剛石晶體基質(zhì)內(nèi)的缺陷簇和應(yīng)力/應(yīng)變區(qū)域,其可用于抑制裂紋擴(kuò)展并且提高韌性。雖然不受理論約束，但是似乎根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施方案的電子輻照通過(guò)與關(guān)于中子、質(zhì)子和較重離子的上述機(jī)制不同的機(jī)制提高金剛石材料的韌性和/或耐磨性。似乎通過(guò)將空位點(diǎn)缺陷、更特別是孤立空位點(diǎn)缺陷引入金剛石晶格結(jié)構(gòu)中，電子輻照可提高韌性和/或耐磨性，并且這些空位可充當(dāng)金剛石晶格中的裂紋終止體(Stop)。鑒于上述內(nèi)容，為了形成大量這樣的點(diǎn)缺陷，輻照金剛石材料是有利的。發(fā)現(xiàn)使用電子輻照可形成合適濃度的空位缺陷。電子輻照可引入近均勻濃度的空位，同時(shí)使級(jí)聯(lián)損害例如空位鏈的形成最少化?？瘴稽c(diǎn)缺陷可以處于中性(v°)和負(fù)電荷狀態(tài)(V—)。總空位濃度([VT] = [V0] + [VI )可以在以下范圍內(nèi)I X IO14-I X IO22 個(gè)空位 /cm' I X IO14-I X IO21 個(gè)空位 /cm3、I X IO14-I X IO20 個(gè)空位 /cm3、I X IO15-I X 1021cnT3、5 X IO15-I X 102。個(gè)空位 /cnT3、I X IO15-I X IO19 個(gè)空位 /cm3、I X IO15-I X IO18 個(gè)空位 /cm3、I X IO15-I X IO17 個(gè)空位 /cm3、I X 1016-5 X IO19 個(gè)空位 /cnT3、或 5 X IO16-I X IO19 個(gè)空位 /cnT3 或 I X IO16-I X IO17 個(gè)空位 /
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cm ο例如使用具有以下劑量率的電子輻照可形成這樣濃度的缺陷1X 1015e7cm2或更大、I X 1016e /cm2-l X 1019e /cm2、I X 1017e /cm2-1 X 1019e /cm2、或 2 X 1017e /cm2-1 X 1019e /cm2。所述輻照可具有以下能量30keV或更高、O. lMeV_12MeV、0. 5MeV_10MeV、或 lMeV_8MeV。根據(jù)某些實(shí)施方案，輻照優(yōu)選高于導(dǎo)致金剛石材料顏色改變的能量和劑量率。輻照保持低于會(huì)導(dǎo)致金剛石材料非晶化的能量和劑量率也是有利的。非晶化對(duì)金剛石材料的機(jī)械性質(zhì)有不利的影響。通常，輻照劑量越長(zhǎng)，將引入更多的空位缺陷。然而，空位引入的速率可根據(jù)起始材料的性質(zhì)而改變。在根據(jù)本發(fā)明的某些實(shí)施方案的輻照期間，保持金剛石材料的溫度相對(duì)低。例如，溫度可為500° C或更低、400° C或更低、300° C或更低、200° C或更低、100° C或更低、或者50° C或更低。為了保持溫度下降，在輻照期間可積極冷卻金剛石材料。保持溫度相對(duì)低是有利的，因?yàn)闇囟鹊奶岣呖蓪?dǎo)致空位缺陷的數(shù)密度降低。該方法除了通過(guò)電子輻照來(lái)處理以外還可包括退火金剛石材料的任選步驟。在輻照步驟之前、期間或之后或其任何組合，可進(jìn)行退火步驟。在某些應(yīng)用中，可優(yōu)選在輻照之前進(jìn)行退火步驟，因?yàn)樵谳椪罩笸嘶鸩襟E可導(dǎo)致空位缺陷的減少?？稍?600° C或更高、1800° C或更高、2200° C或更高、或者2400° C或更高的溫度下進(jìn)行退火。本發(fā)明的實(shí)施方案可包括輻照和相對(duì)低溫的退火的組合，或輻照和高壓高溫退火的組合。實(shí)施方案還考慮了重復(fù)劑量的輻照和/或重復(fù)退火的可能性。即，可進(jìn)行多于一次的退火和/或輻照步驟。例如，可將金剛石材料退火，然后用電子輻照，隨后退火。還可進(jìn)行交替的輻照和退火步驟。或者，至少在輻照之后可不使金剛石材料暴露于任何顯著的退火步驟。顯著的退火步驟意指顯著并可測(cè)量地改變材料性質(zhì)的退火步驟。對(duì)于某些應(yīng)用，相對(duì)低溫的退火可為有利的。在使用中，金剛石材料可變熱，并且安裝金剛石工具構(gòu)件的大多數(shù)方法還包括在例如900°C下的釬焊。因此，低溫退火對(duì)于保證使用中金剛石工具構(gòu)件的恒定性能可為有用的。例如，在1500° C或更低、1300° C或更低、1200° C或更低、1100° C或更低、或約1000° C的溫度下的低溫退火對(duì)于某些應(yīng)用可為有用的。可在加工形成一個(gè)或多個(gè)工具構(gòu)件之前、期間或之后進(jìn)行輻照。該加工可涉及處理、研磨、切削和/或成形金剛石材料以形成一個(gè)或多個(gè)金剛石工具構(gòu)件，每個(gè)工具構(gòu)件具有工作表面例如刀刃。例如，該加工可包括形成以下物件之一耐磨零件、打磨機(jī)、拉絲模、計(jì)量石(gauge stone)、和刀具。該方法還可包括將一個(gè)或多個(gè)金剛石工具構(gòu)件并入一種或多種工具中并且可在該并入步驟之前、期間或之后進(jìn)行輻照。在將材料并入工具中之前輻照金剛石材料是有利的，因?yàn)橛奢椪账碌捻g性和/或耐磨性的提高可在將金剛石材料并入工具中所涉及的加工步驟期間降低金剛石材料被損壞的可能性。此外，工具中的其它部件可受輻照而損壞并且如果在將金剛石材料并入工具中之前輻照金剛石材料則可避免該損壞。例如，已知輻照可降低金屬材料例如鋼的韌性。此外，如果在工具制造之前將金剛石預(yù)處理，則不需要以任何方式改變 用于形成使用金剛石材料的工具的現(xiàn)有制造工藝。另一方面，在將金剛石材料并入工具中之后輻照金剛石材料具有優(yōu)點(diǎn)可將現(xiàn)有的金剛石工具進(jìn)行處理以提高它們的韌性和/或耐磨性。此外，可將輻照導(dǎo)向工具內(nèi)需要提高韌性和/或耐磨性的特定部分的金剛石材料。這避免了需要輻照在使用中可無(wú)需具有提高的韌性和/或耐磨性的其它部分的金剛石材料。除了改善工具的韌性和/或耐磨性以外，金剛石的韌性和/或硬度的提高還可允許以不同的方式加工金剛石材料。例如，韌性的提高可允許將金剛石材料加工成用于較精確切削的較鋒利的刃，而在加工期間或在使用中沒(méi)有刃開(kāi)裂或碎落?？捎秒娮虞椪战饎偸牧现罥 μ m或更大、10 μ m或更大、100 μ m或更大、500 μ m或更大、或者Imm或更大的深度?？捎秒娮迂灤┙饎偸目偤穸榷椪战饎偸牧稀＿€可使金剛石材料在材料多于一個(gè)側(cè)面上暴露于電子輻照。例如，可使金剛石板材在兩個(gè)主面上均暴露以獲得均勻暴露的電子輻照。類(lèi)似地，在輻照期間可使多個(gè)小顆粒振動(dòng)，使得顆粒滾動(dòng)并且在它們的表面上方接受對(duì)電子輻照適度均勻的暴露。在輻照期間的樣品轉(zhuǎn)動(dòng)或在輻照之后重復(fù)的轉(zhuǎn)動(dòng)可協(xié)助貫穿金剛石材料的體積獲得輻照和/或協(xié)助獲得相對(duì)均勻分布的點(diǎn)缺陷。本發(fā)明的某些實(shí)施方案相對(duì)于現(xiàn)有技術(shù)離子注入方法的一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是，本發(fā)明的實(shí)施方案可為更加成本有效的。這是因?yàn)槟承?shí)施方案提供金剛石材料的整體處理，而不僅是表面處理。因此，在將金剛石材料加工成工具構(gòu)件并且將工具構(gòu)件并入工具中之前，可完成電子輻照。此外，可對(duì)大體積的材料構(gòu)件施加整體處理，而僅有相對(duì)簡(jiǎn)單的處理要求。例如，金剛石構(gòu)件不需要細(xì)心安裝于如對(duì)于很多表面處理所需的某個(gè)方向上。相比之下，現(xiàn)有技術(shù)離子注入方法需要在金剛石材料加工之后進(jìn)行。這是因?yàn)楝F(xiàn)有技術(shù)離子注入方法通常僅在接近金剛石材料表面處導(dǎo)致韌性的提高。通過(guò)例如切削、成形和/或研磨金剛石材料將材料加工成工具構(gòu)件將移除這樣的材料經(jīng)處理的表面。本發(fā)明的某些實(shí)施方案的另一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是可再加工工具構(gòu)件而不需要再處理工具構(gòu)件。另一個(gè)優(yōu)點(diǎn)在于在加工以形成工具構(gòu)件之前的電子輻照可以改善通過(guò)加工可獲得的工作表面。例如，可將具有提高韌性的經(jīng)電子輻照的金剛石材料加工成用于較精確切削的較鋒利的切削刃，而在加工期間沒(méi)有使切削刃碎落或開(kāi)裂。本發(fā)明的某些實(shí)施方案與例如用中子輻照相比的又一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是電子輻照在放射性意義上不使材料“變熱”。根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施方案的金剛石材料可為天然金剛石或合成金剛石。合成金剛石可由高壓高溫(HPHT)方法或由化學(xué)氣相沉積(CVD)方法形成。金剛石材料可為單晶、多晶、砂粒(grit)、類(lèi)金剛石碳(DLC)或復(fù)合金剛石材料例如分散于金屬基體(通常為鈷并且稱(chēng)為P⑶)或無(wú)機(jī)基體(例如碳化硅并且稱(chēng)為骨架粘結(jié)的金剛石或ScD)中的金剛石晶粒。金剛石材料可包含具有以下尺寸的晶體Inm或更大、IOOnm或更大、500nm或更大、I微米或更大、5微米或更大、O. 5mm或更大、Imm或更大、3mm或更大、或者IOmm或更大。金剛石材料可包含一個(gè)或多個(gè)晶體并且可形成具有至少一個(gè)高達(dá)例如200mm或更大的尺寸(例如在多晶金剛石板材或圓蓋體中)的本體。本發(fā)明特別適用于HPHT和CVD金剛石。然而，也可將某些實(shí)施方案施加至天然金剛石。根據(jù)本發(fā)明的某些實(shí)施方案，金剛石材料可為Ia型、Ib型、IIa型、或IIb型中的任一種。對(duì)于Ib型金剛石獲得了良好的結(jié)果。通過(guò)輻照單晶Ib型金剛石獲得了特別好的結(jié)果。金剛石材料可具有以下孤立氮含量1000ppm或更小、600ppm或更小、300ppm或更小、200ppm或更小、150ppm或更小、50ppm或更小、IOppm或更小、5ppm或更小、Ippm或更小、O. 5ppm或更小、O. Ippm或更小、或者O. Olppm或更小。根據(jù)某些實(shí)施方案,可使用電子輻照提高可為更脆性的低氮含量金剛石材料的韌性。然而，認(rèn)為氮的存在是有益的并且其可與電子輻照組合使用以改善韌性。即，電子輻照和氮以兼容的方式來(lái)提供更有韌性、更耐磨的材料。對(duì)于HPHT金剛石材料，使用具有30-300ppm孤立(單一取代的)氮濃度的材料獲得了良好的結(jié)果。雖然可假設(shè)類(lèi)似的氮含量對(duì)于CVD金剛石材料是所需的，但是實(shí)際上與CVD金剛石生長(zhǎng)相關(guān)的其它因素可限制氮含量。因此，實(shí)際上對(duì)于CVD金剛石材料優(yōu)選O. 08-50ppm的孤立(單一取代的)氮濃度。相比之下，對(duì)于天然Ia型金剛石材料，200-2000ppm的氮含量是優(yōu)選的。該差別可能是因?yàn)榈苑e聚的形式存在于這樣的天然金剛石材料中并且因此表現(xiàn)得與包含單一取代氮的經(jīng)電子輻照的材料不同。優(yōu)選地，電子輻照使金剛石工具構(gòu)件的有用壽命比未處理的金剛石工具構(gòu)件的壽命增加10%或更多、優(yōu)選20%或更多、更優(yōu)選50%或更多。除了提高金剛石工具的韌性和/或耐磨性以外，本發(fā)明的實(shí)施方案的電子輻照處理還具有制備具有更多所需的顏色的金剛石工具構(gòu)件的額外效果。特定顏色的工具是有用的，因?yàn)轭伾€涉及其性能，因而除了性能優(yōu)勢(shì)以外還給予本發(fā)明的工具獨(dú)特的顏色標(biāo)記。傳統(tǒng)地，合成金剛石工具構(gòu)件通常包含顏色為黃色的金剛石材料。通過(guò)從黃色、最優(yōu)選深黃色的金剛石材料開(kāi)始并且輻照黃色的金剛石材料以便提高韌性和/或耐磨性，獲得了特別好的結(jié)果。輻照還可改變黃色金剛石材料的顏色。除了輻照以外，還可取決于起始材料的準(zhǔn)確類(lèi)型和是否進(jìn)行退火步驟，獲得多種顏色。例如，當(dāng)根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施方案受輻照時(shí)，無(wú)色或近無(wú)色的CVD金剛石變成藍(lán)色。如果受輻照并且隨后被加熱至高于約700°C的溫度，則取決于輻照和退火處理，初始為無(wú)色或近無(wú)色的CVD金剛石可變成無(wú)色、橙色、棕色或粉紅色顏色。相比之下，當(dāng)根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施方案受輻照(取決于劑量)時(shí)，黃色的HPHT Ib型金剛石可變成綠色。如果受輻照并且隨后被加熱至高于約700°C的溫度，則黃色的HPHT Ib型金剛石可變成紅色或紫色顏色(取決于輻照和退火)。在某些切削應(yīng)用中，發(fā)現(xiàn)通過(guò)輻照HPHT Ib型金剛石獲得的綠色金剛石給出特別好的結(jié)果。此外，例如當(dāng)超過(guò)某個(gè)溫度持續(xù)一定長(zhǎng)度的時(shí)間時(shí)，根據(jù)本發(fā)明的某些實(shí)施方案的金剛石材料的顏色可改變。該顏色變化可用作品質(zhì)控制指示和/或金剛石工具構(gòu)件需要更換的指示。例如，根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施方案的綠色HPHT Ib型金剛石工具構(gòu)件在高溫下延長(zhǎng)使用后可變成紅色/紫色。這可充當(dāng)金剛石工具構(gòu)件需要更換和/或是否存在由例如安裝或工具設(shè)計(jì)具有的制造問(wèn)題所致的過(guò)度加熱并且因此是否發(fā)生過(guò)度加熱的指示。


為了較好的理解本發(fā)明并且為了顯示可如何實(shí)施本發(fā)明，現(xiàn)在參考附圖以?xún)H舉例的方式描述本發(fā)明的實(shí)施方案，其中圖I說(shuō)明了實(shí)施根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施方案的方法所涉及的基本步驟；圖2說(shuō)明了實(shí)施根據(jù)本發(fā)明的另一個(gè)實(shí)施方案的方法所涉及的基本步驟；和
圖3說(shuō)明了實(shí)施根據(jù)本發(fā)明的另一個(gè)實(shí)施方案的方法所涉及的基本步驟。
具體實(shí)施例方式圖I說(shuō)明了實(shí)施根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施方案的方法所涉及的基本步驟。用電子輻照金剛石材料10以形成具有提高的韌性和/或耐磨性的金剛石材料12。隨后例如使用激光或機(jī)械刀具切削金剛石材料12以形成一個(gè)或多個(gè)金剛石工具構(gòu)件14。然后將一個(gè)或多個(gè)金剛石材料構(gòu)件14釬焊至載體16以形成金剛石工具。圖2說(shuō)明了實(shí)施根據(jù)本發(fā)明的另一個(gè)實(shí)施方案的方法所涉及的基本步驟。例如使用激光或機(jī)械刀具切削金剛石材料20以形成一個(gè)或多個(gè)金剛石工具構(gòu)件22。然后輻照一個(gè)或多個(gè)金剛石工具構(gòu)件22以形成經(jīng)輻照的金剛石工具構(gòu)件24。隨后將一個(gè)或多個(gè)經(jīng)輻照的金剛石工具構(gòu)件24釬焊至載體26以形成金剛石工具。圖3說(shuō)明了實(shí)施根據(jù)本發(fā)明的另一個(gè)實(shí)施方案的方法所涉及的基本步驟。例如使用激光或機(jī)械刀具切削金剛石材料30以形成一個(gè)或多個(gè)金剛石工具構(gòu)件32。然后將一個(gè)或多個(gè)金剛石工具構(gòu)件32釬焊至載體34以形成金剛石工具。隨后輻照一個(gè)或多個(gè)金剛石工具構(gòu)件34以形成經(jīng)輻照的金剛石工具構(gòu)件36。本發(fā)明所描述的實(shí)施方案提供了提高包含金剛石材料的工具的韌性和/或耐磨性的方法，該方法包括用電子輻照金剛石材料以提高韌性和/或耐磨性。輻照處理在金剛石材料中形成空位缺陷。電子輻照(例如小于或等于12MeV)通常以孤立形式引入空位。這些空位可處于中性(V°)和負(fù)電荷狀態(tài)(V—)。輻照后的總空位濃度([ντ] = [ν°] + [ν_])應(yīng)該優(yōu)選在以下范圍內(nèi)
IX IO14-I X IO22 個(gè)空位 /cnT3、I X IO15-I X IO21 個(gè)空位 /cnT3、5 X IO15-I X IO20 個(gè)空位 /cnT3、
IX 1016-5 X IO19個(gè)空位/cm'或5 X IO16-I X IO19個(gè)空位/cnT3?？墒褂弥貜?fù)的工藝來(lái)探尋優(yōu)化的缺陷水平。可輻照、測(cè)試、再輻照材料等以探尋對(duì)于用于特定類(lèi)型的工具構(gòu)件和工具應(yīng)用的特定金剛石材料的優(yōu)化缺陷水平。通常用在O. lMeV-12MeV能量范圍內(nèi)的束源進(jìn)行電子輻照。優(yōu)選的能量是在氮摻雜的金剛石中引入近均勻濃度的空位同時(shí)使級(jí)聯(lián)損害例如空位鏈的形成最少化的能量。對(duì)于這里報(bào)道的結(jié)果，發(fā)現(xiàn)4. 5MeV提供了在這兩個(gè)因素之間的良好折中。因素如金剛石溫度、束能、束通量甚至起始金剛石的性質(zhì)可影響對(duì)于固定的實(shí)驗(yàn)輻照裝置和時(shí)間所產(chǎn)生的[VT]。通常用在環(huán)境條件 300K下安裝的樣品進(jìn)行輻照，在施加輻照期間僅具有最小的溫度上升(例如小于100K)。然而，因素如束能和束通量可導(dǎo)致樣品加熱。優(yōu)選地保持樣品盡可能地冷(在一些情況下在77K下的均勻低溫冷卻為有利的)以使高劑量率成為可能，而不損害溫度控制并且因而使輻照時(shí)間最少化。出于商業(yè)原因這是有利的?？衫霉庾V測(cè)量空位濃度。例如，為了測(cè)量孤立空位的濃度，使用液氮冷卻樣品在77K下獲得了光譜，因?yàn)樵谠摐囟认乱?jiàn)到分別可歸因于中性和帶負(fù)電荷的孤立空位的在741nm和394nm處的尖銳峰。用于本說(shuō)明書(shū)中孤立空位的濃度計(jì)算的系數(shù)是由G. DaviesinPhysica B 273-274(1999) 15-23提出的那些系數(shù)(如下表I所詳述)。在表I中，“A”是在77K下測(cè)量的零聲子轉(zhuǎn)變線中的積分吸收(meV cnT1)，吸收系數(shù)以cnT1計(jì)并且光子能量以meV計(jì)。濃度以cnT3計(jì)。
表I
缺陷標(biāo)度(calibration)V'A腿=(4. 8 ±0.2) X 10_16[V]V0AGR1=(1.2±0. 3)x 10_16[V°]本發(fā)明的實(shí)施方案中使用的金剛石材料可為天然金剛石、HPHT金剛石和CVD金剛石。將理解，天然金剛石、HPHT金剛石和CVD金剛石具有它們自身獨(dú)特的結(jié)構(gòu)和功能特性，因而術(shù)語(yǔ)“天然”、“HPHT”和“CVD”不僅意指金剛石材料的形成方法而且還意指材料本身的特定結(jié)構(gòu)和功能特性。例如，通過(guò)位錯(cuò)結(jié)構(gòu)，合成的CVD金剛石材料可明確區(qū)別于使用HPHT技術(shù)合成的合成金剛石材料。在合成的CVD金剛石中，位錯(cuò)通常穿過(guò)近似垂直于基材的初始生長(zhǎng)表面的方向，即當(dāng)基材為(001)基材時(shí)，位錯(cuò)近似與
方向平行排列。在使用HPHT技術(shù)合成的合成金剛石材料中，在籽晶的表面(通常為接近于{001}的表面)上形核的位錯(cuò)通常在〈110〉方向上生長(zhǎng)。因而通過(guò)例如在X射線物相照片中觀察到它們不同的位錯(cuò)結(jié)構(gòu)可區(qū)分這兩種類(lèi)型的材料。合成的CVD金剛石材料可顯著區(qū)別于使用HPHT技術(shù)合成的合成金剛石材料的另一方法是通過(guò)探測(cè)金屬夾雜物的存在，這樣的夾雜物因合成工藝而被納入HPHT合成的材料中，所述金屬夾雜物源自用作溶劑催化劑金屬的金屬例如鐵、鈷或鎳等。這些夾雜物尺寸可改變，通常從小于I μ m至大于100 μ m。使用立體顯微鏡(例如Zeiss DV4)可觀察在該尺寸范圍內(nèi)的較大夾雜物；而使用冶金顯微鏡(例如Zeiss “Axiophot”)中的透射光可觀察在該尺寸范圍內(nèi)的較小夾雜物?？捎糜谠谕ㄟ^(guò)CVD和HPHT方法制備的合成金剛石之間提供顯著區(qū)別的另一種方法為光致發(fā)光光譜(PU。在HPHT合成的材料的情況下，包含來(lái)自合成工藝中使用的催化劑金屬(通常為過(guò)渡金屬)的原子(例如鎳、鈷或鐵等)的缺陷經(jīng)常存在并且通過(guò)PL對(duì)這樣的缺陷的探測(cè)顯著表明該材料由HPHT方法合成。本發(fā)明的實(shí)施方案中使用的金剛石材料可為Ia型、Ib型、IIa型或IIb型。Ia型和Ib型金剛石包含氮。在Ia型中，氮原子形成各種類(lèi)型的聚集缺陷，而在Ib型金剛石中，氮原子傾向于作為單一雜質(zhì)而孤立。Ia型金剛石可為無(wú)色、棕色、粉紅色和紫色。天然Ib型金剛石可為深黃色(“淡黃色”)、橙色、棕色或微綠色的。IIa型和IIb型金剛石不包含氮(嚴(yán)格地說(shuō)，總是存在一些氮但是I I型金剛石中的水平比I型金剛石中低得多)。IIa型和IIb型金剛石區(qū)別在于IIb型金剛石包含作為雜質(zhì)的硼。II型金剛石從無(wú)色改變至深藍(lán)色、粉紅色或棕色。金剛石的顏色由晶體結(jié)構(gòu)內(nèi)缺陷的數(shù)目、類(lèi)型和分布決定。如果在金剛石材料中存在細(xì)分散的金屬顆粒，則也可引入顏色。晶體缺陷包括位錯(cuò)、微裂紋、孿晶界、點(diǎn)缺陷和小角度晶界。因此，例如金剛石的顏色將取決于雜質(zhì)如氮和硼的類(lèi)型和分布以及其它缺陷如位錯(cuò)的類(lèi)型和分布。在金剛石中存在很多的不同類(lèi)型和小類(lèi)的缺陷。例如，單獨(dú)存在多種不同類(lèi)型的氮缺陷，每種氮缺陷具有其自身的光譜特性。通過(guò)本發(fā)明的實(shí)施方案形成的工具可用于很多應(yīng)用，包括切削、研磨、拋光、鉆孔和/或拉絲。迄今為止，對(duì)于切削應(yīng)用和拉絲獲得了特別好的結(jié)果。
可將工具中的金剛石材料配置成多個(gè)可能的晶體學(xué)取向，包括2-點(diǎn)、3-點(diǎn)和4-點(diǎn)晶體，其分別對(duì)應(yīng)于{110}、{111}和{100}晶體學(xué)平面。在拉絲工具中對(duì)于3-點(diǎn)HPHT Ib型金剛石和在切削工具中對(duì)于2-點(diǎn)HPHT Ib型金剛石獲得了特別好的結(jié)果。任選地，由單一扇區(qū)的金剛石材料形成金剛石工具構(gòu)件的工作表面。根據(jù)一種設(shè)置，用電子輻照黃色的Ib型HPHT合成金剛石。使用例如在IsotronPlc發(fā)現(xiàn)的儀器在4. 5MeV、20mA下在50%掃描寬度下進(jìn)行電子輻照2小時(shí)。提供給樣品的總劑量為1.95X1018e7cm2。金剛石材料顏色變成綠色。盡管當(dāng)將材料釬焊至載體以形成工具時(shí)材料經(jīng)受短暫的加熱步驟，但是沒(méi)有進(jìn)行顯著的退火步驟。在切削應(yīng)用和拉絲應(yīng)用中測(cè)試經(jīng)輻照的金剛石材料。切削測(cè)試顯示經(jīng)輻照的金剛石優(yōu)于天然鉆石并且遠(yuǎn)比任何其它的合成或天然金剛石的2-點(diǎn)或4-點(diǎn)鉆石好。拉絲測(cè)試也顯示對(duì)于經(jīng)輻照的材料改善的性能。經(jīng)輻照的金剛石材料在使用中比標(biāo)準(zhǔn)的合成金剛石劣化得慢得多。此外，在經(jīng)輻照的材料中沒(méi)有觀察到在使用中有時(shí)在合成或天然金剛石材料中形成的線和刮痕。還在飛刀切削(fly cutting)應(yīng)用中的四個(gè)經(jīng)輻照的2_點(diǎn)HPHT金剛石工具上完成跟蹤(trail)。使用例如在Isotronplc發(fā)現(xiàn)的儀器在4. 5MeV、20mA下在50%掃描寬度下進(jìn)行電子輻照2小時(shí)，提供給樣品的總劑量為1.95X1018e7cm2。使用標(biāo)準(zhǔn)釬焊(在900°C下2-3分鐘)將工具構(gòu)件安裝到標(biāo)準(zhǔn)碳化鎢柄上。它們用于飛刀切削應(yīng)用、加工用于金屬光學(xué)應(yīng)用例如0)2激光鏡的銅和鋁。這樣的中斷切削是特別好的測(cè)試，因?yàn)樵诠ぞ邩?gòu)件上存在重復(fù)的沖擊。與未處理的HPHT金剛石相比，經(jīng)輻照的HPHT工具構(gòu)件的工具壽命有約50%的改進(jìn)。根據(jù)另一設(shè)置，用電子輻照無(wú)色或近無(wú)色的單晶CVD金剛石板材以形成藍(lán)色的材料。該材料可用于例如形成刀刃。可使用例如激光從空白板材切削出刀刃?？扇芜x地在約700°C下退火藍(lán)色的材料以形成橙色/淡棕色的材料。雖然參考優(yōu)選的實(shí)施方案已經(jīng)特別示出和描述了本發(fā)明，但是本領(lǐng)域技術(shù)人員將理解可做出形式和細(xì)節(jié)上的各種改變，而不偏離由所附的權(quán)利要求確定的本發(fā)明的范圍。
權(quán)利要求
1.一種方法，其包括選擇金剛石材料；用電子輻照金剛石材料以提高金剛石材料的韌性和/或耐磨性；和將金剛石材料加工成一個(gè)或多個(gè)金剛石工具構(gòu)件，其中所述輻照包括控制輻照的能量和劑量，以提供具有多個(gè)孤立空位點(diǎn)缺陷的金剛石材料，所述孤立空位點(diǎn)缺陷具有I X IO14-I X IO22個(gè)空位/cm3的濃度。
2.根據(jù)權(quán)利要求I的方法，其中在加工之前、期間或之后進(jìn)行輻照。
3.根據(jù)任一在前權(quán)利要求的方法，其中所述選擇包括選擇以下材料中的一種或多種天然金剛石材料、合成金剛石材料、高壓高溫(HPHT)金剛石材料、化學(xué)氣相沉積(CVD)金剛石材料、單晶金剛石材料、多晶金剛石材料、類(lèi)金剛石碳材料、金剛石、Ib型金剛石材料和復(fù)合金剛石材料。
4.根據(jù)任一在前權(quán)利要求的方法，其中所述輻照包括輻照金剛石材料至Iym或更大、 10 μ m或更大、100 μ m或更大、500 μ m或更大、Imm或更大的深度、或者貫穿金剛石材料的總厚度的深度。
5.根據(jù)任一在前權(quán)利要求的方法，其中在500°C或更低、400° C或更低、300° C或更低、200° C或更低、100° C或更低、或者50° C或更低的溫度下進(jìn)行輻照。
6.根據(jù)任一在前權(quán)利要求的方法，還包括在輻照期間冷卻金剛石材料。
7.根據(jù)任一在前權(quán)利要求的方法，其中所述輻照包括具有以下能量的輻照30keV或更高、O. lMeV_12MeV、0. 5MeV_10MeV、或 lMeV_8MeV。
8.根據(jù)任一在前權(quán)利要求的方法，其中所述輻照包括具有以下劑量率的電子輻照I X 1015e/cm2 或更大、I X 1016e/cm2_l X 1019e/cm2、I X 1017e/cm2_l X 1019e/cm2、或2 X 1017e /cm2-l X 1019e /cm2。
9.根據(jù)任一在前權(quán)利要求的方法，其中孤立空位點(diǎn)缺陷具有以下范圍內(nèi)的濃度I X IO15-I X IO21 個(gè)空位 /cm3,5 X IO15-I X IO20 個(gè)空位 /cm3、I X 1016_5 X IO19 個(gè)空位 /cm3、或5 X IO16-I X IO19 個(gè)空位 /cm3。
10.根據(jù)任一在前權(quán)利要求的方法，其中所述輻照包括低于這樣的能量和劑量率的輻照該能量和劑量率會(huì)導(dǎo)致金剛石材料非晶化。
11.根據(jù)任一在前權(quán)利要求的方法，其中所述輻照包括高于這樣的能量和劑量率輻照金剛石材料該能量和劑量率導(dǎo)致金剛石材料的顏色改變。
12.根據(jù)任一在前權(quán)利要求的方法，還包括退火該金剛石材料。
13.根據(jù)權(quán)利要求12的方法，其中在輻照之前、期間或之后進(jìn)行退火。
14.根據(jù)權(quán)利要求12或13的方法，其中在1600°C或更高、1800° C或更高、2200° C或更高、或者2400° C或更高的溫度下進(jìn)行退火。
15.根據(jù)權(quán)利要求1-11中任一項(xiàng)的方法，其中不使金剛石材料暴露于顯著的退火步驟。
16.根據(jù)任一在前權(quán)利要求的方法，其中所述輻照包括以下之一在用電子輻照期間轉(zhuǎn)動(dòng)金剛石材料；或用電子輻照金剛石材料、轉(zhuǎn)動(dòng)金剛石材料和用電子輻照金剛石材料。
17.根據(jù)任一在前權(quán)利要求的方法，其中所述加工包括成形金剛石材料以形成工作表面。
18.根據(jù)任一在前權(quán)利要求的方法，其中加工包括形成以下之一耐磨零件、打磨機(jī)、拉絲模、計(jì)量石、和刀具。
19.根據(jù)任一在前權(quán)利要求的方法，還包括將一個(gè)或多個(gè)金剛石工具構(gòu)件并入一種或多種工具中。
20.根據(jù)權(quán)利要求19的方法，其中在并入之前、期間或之后進(jìn)行輻照。
21.—種工具構(gòu)件，其包含經(jīng)電子輻照以提高金剛石材料的韌性和/或耐磨性的金剛石材料，其中金剛石材料包含具有I X IO14-I X IO22個(gè)空位/cm_3濃度的孤立空位點(diǎn)缺陷。
22.根據(jù)權(quán)利要求21的工具構(gòu)件，其中空位點(diǎn)缺陷具有以下范圍內(nèi)的濃度I X IO15-I X IO21 個(gè)空位 /cm3,5 X IO15-I X IO20 個(gè)空位 cnT3、I X 1016_5X IO19 個(gè)空位 /cm3、或5 X IO16-I X IO19 個(gè)空位 /cm3。
23.根據(jù)權(quán)利要求21或22的工具構(gòu)件，其中金剛石材料為藍(lán)色、橙色、棕色、綠色、紅色或紫色。
24.根據(jù)權(quán)利要求21-23中任一項(xiàng)的工具構(gòu)件，其中配置金剛石材料以在使用中改變顏色，以指示工具構(gòu)件需要更換和/或存在過(guò)度加熱。
25.根據(jù)權(quán)利要求21-24中任一項(xiàng)的工具構(gòu)件，其中工具構(gòu)件為以下之一耐磨零件、打磨機(jī)、拉絲模、側(cè)刃金剛石、和刀具。
26.—種工具構(gòu)件，其使用根據(jù)權(quán)利要求1-20中任一項(xiàng)的方法制造。
27.—種工具，其包含一個(gè)或多個(gè)根據(jù)權(quán)利要求21-26中任一項(xiàng)的工具構(gòu)件。
28.電子輻照對(duì)提高用于工具應(yīng)用的金剛石材料的韌性和/或耐磨性的用途，其包括控制輻照的能量和劑量以提供具有多個(gè)孤立空位點(diǎn)缺陷的金剛石材料，所述孤立空位點(diǎn)缺陷具有I X IO14-I X IO22個(gè)空位/cm-3的濃度。
29.經(jīng)電子輻照的金剛石材料在工具應(yīng)用中的用途，其中所述金剛石材料包含具有I X IO14-I X IO22個(gè)空位/cm_3濃度的孤立空位點(diǎn)缺陷。
全文摘要
一種方法，其包括選擇金剛石材料；用電子輻照金剛石材料以提高金剛石材料的韌性和/或耐磨性；和將金剛石材料加工成一個(gè)或多個(gè)金剛石工具構(gòu)件，其中所述輻照包括控制輻照的能量和劑量以提供具有多個(gè)孤立空位點(diǎn)缺陷的金剛石材料，所述孤立空位點(diǎn)缺陷具有1×1014-1×1022個(gè)空位/cm-3的濃度。
文檔編號(hào)C09K3/14GK102939261SQ201180027261
公開(kāi)日2013年2月20日 申請(qǐng)日期2011年6月1日 優(yōu)先權(quán)日2010年6月3日
發(fā)明者D·J·特維切, S·L·蓋根, N·伯金絲, G·A·斯卡司布魯克 申請(qǐng)人:六號(hào)元素有限公司