專利名稱:一種粗顆粒高強(qiáng)度燒結(jié)多晶金剛石及其制備方法和用途的制作方法
本發(fā)明涉及一種粗顆粒高強(qiáng)度燒結(jié)的多晶金剛石及其制備方法和用途。
目前，粗顆粒(0.3-1.2毫米)、高強(qiáng)度金剛石的研制方法主要有三種。第一種是在高壓生長磨料級(0.3毫米左右及以下)金剛石的樣品裝配基礎(chǔ)上，即片狀觸媒和石墨多層裝配，修改某些工序，如分段升壓升溫和增長保溫時間等，來控制金剛石的成核率和生長速度，以提高原有試樣中金剛石晶體的粒度比和質(zhì)量。關(guān)于這種高壓生長法在“晶體生長”(科學(xué)出版社，1981)第十章人造金剛石第585-595和614-615頁中已有描述。這種方法存在的問題是工藝復(fù)雜、質(zhì)量難以保證、成品率不高、高壓容器壽命下降，特別是隨著粒度增粗就更顯出其存在的問題，因此成本高而停留在實(shí)驗(yàn)室階段。第二種是高壓下獲得的大顆粒多晶金剛石破碎后經(jīng)分選可得到部分粗顆粒金剛石并在一定范圍內(nèi)獲得應(yīng)用。這種方法存在的問題是工藝上有一定難度、強(qiáng)度波動范圍較大、外形和粒度難以按預(yù)定要求控制、所要求的某一粒度的成品率難以保證。第三種是高壓下燒結(jié)粗顆粒金剛石，這是在高壓下燒結(jié)大顆粒金剛石工藝基礎(chǔ)上改變裝樣孔徑，采用石墨片上打出多孔，裝料后進(jìn)行高壓燒結(jié)可得到粗顆粒金剛石。這種方法可以控制外形和粒度的要求，周期較短，但工藝復(fù)雜、裝料不便、樣品強(qiáng)度不高、成品率不高。所以目前也沒有獲得成功。冶金、地質(zhì)、建材和石油等工業(yè)部門大量采用粗顆粒、高強(qiáng)度天然金剛石鑲制孕鑲鉆頭和鋸片，在困難和特難條件下工作取得較高的效益。目前，只能用0.3毫米以下的高強(qiáng)度來局部代用相應(yīng)粒度的天然金剛石。至于0.3毫米以上的，主要是0.5-1.2毫米的粗顆粒、高強(qiáng)度天然金剛石還不能用人造的進(jìn)行代替。
本發(fā)明不同于已有研制粗顆粒高強(qiáng)度金剛石的技術(shù)，是按預(yù)定要求的粒度和強(qiáng)度及外形，采用特制的基體，在高壓下形成一種新型粗顆粒高強(qiáng)度金剛石，是代替相應(yīng)粒度高強(qiáng)度天然金剛石的一種好材料。
高壓下影響燒結(jié)金剛石過程的因素很多，而在燒結(jié)粗顆粒金剛石過程中顯出很大的影響。例如在燒結(jié)大顆粒金剛石樣品裝配中采用碳管爐裝料，金剛石原料比較集中在碳管內(nèi)部中心且所占比例較大，對于因固體介質(zhì)加壓引起的切變應(yīng)力等因素尚不夠敏感。而在燒結(jié)粗顆粒金剛石中采用多孔碳片裝料和作爐體就使得這種因素達(dá)到敏感程度，以至樣品的成品率和強(qiáng)度不高，失去使用價值。本發(fā)明采用特制基體來控制金剛石的粒度、調(diào)劑整體強(qiáng)度、強(qiáng)化金剛石燒結(jié)過程等來達(dá)到預(yù)定粒度和強(qiáng)度的要求，同時還在鑲制和使用過程中對所形成的金剛石起保護(hù)和支承作用。關(guān)于金剛石原料和特制基體的單位體積比例VD與所用材料強(qiáng)度的關(guān)系式為VD= (σB-σBD)/(σB-σD) ，式中σB為特制基體的強(qiáng)度，σBD為含有多個粗顆粒高強(qiáng)度金剛石特制基體的強(qiáng)度，σD為粗顆粒高強(qiáng)度金剛石的強(qiáng)度，粗顆粒的下限粒度高強(qiáng)度是指(1.5-2.0)×104公斤/平方厘米，隨著粒度增粗該值可降到1.0×104公斤/平方厘米。還可以參照這種關(guān)系式估算這種金剛石在基體中的粒數(shù)。
本發(fā)明不同于已有研制粗顆粒高強(qiáng)度金剛石的技術(shù)，是按預(yù)定要求的粒度和強(qiáng)度，選用特制基體，它的組分由(MoW)C、WC、TiC、Co、Ni、Fe、Mn、Cr物質(zhì)不同組合而成的，它內(nèi)含有相應(yīng)于所要求粗顆粒金剛石粒度的孔徑，使各種細(xì)粒(包括磨料級)金剛石在高壓高溫下在基體內(nèi)形成一種粗顆粒高強(qiáng)度多晶金剛石。圖1為樣品裝配的剖面圖。圖中，1是特制基體，2是細(xì)粒金剛石原料，3是碳管爐。裝有細(xì)粒金剛石原料的特制基體，按一個或多個裝入碳管爐中，再把碳管爐經(jīng)凈化處理后裝進(jìn)高壓高溫介質(zhì)葉蠟石的試樣孔里。組裝后在壓力60-90缶巴和溫度1500-2500℃及保溫15-40秒作用下，可獲得一個或多個含有粗顆粒高強(qiáng)度多晶金剛石的基體。
本發(fā)明按預(yù)定粒度和強(qiáng)度要求選用特制基體，把細(xì)粒金剛石原料在高壓高溫下形成粗顆粒高強(qiáng)度多晶金剛石，其顯微組織致密，金剛石顆粒間界面、金剛石和基體間界面結(jié)合牢固。適于在冶金、地質(zhì)、建材、機(jī)械和石油工業(yè)部門鑲制成鉆進(jìn)工具如鉆頭和切割工具如鋸片，在困難或特難條件下工作。含有粗顆粒高強(qiáng)度多晶金剛石的基體可作為鑲制工具的基元，可用表鑲的方法達(dá)到孕鑲工具的效果，在鑲制工具和使用過程中基體對內(nèi)含粗顆粒高強(qiáng)度多晶金剛石起支承和保護(hù)作用。此外，本發(fā)明提供的粗顆粒高強(qiáng)度多晶金剛石，其原料便宜、來源可靠、生產(chǎn)周期短、工藝簡便、鑲制方便等。本發(fā)明提供的方法也可來制備在粗顆粒尺寸范圍以外的高強(qiáng)度多晶金剛石和立方氮化硼等超硬材料。
實(shí)例1如圖1所示，碳管爐直徑為φ10-12毫米，高為10-12毫米，內(nèi)徑為φ8-9毫米，內(nèi)裝一個或兩個裝有細(xì)粒金剛石原料的特制基體?；w含有(MoW)C、TiC、Co、Ni，內(nèi)含5-10個φ1.0毫米的尖孔。組裝后在高壓高溫容器中先預(yù)壓預(yù)熱，再升壓至70-77千巴和升溫達(dá)1700℃，保溫15-30秒。降溫卸壓后可取出一個或兩個直徑為φ6.0-7.5毫米、高為3.0-5.0毫米的樣品，內(nèi)含粒度為0.8毫米的粗顆粒高強(qiáng)度金剛石。
權(quán)利要求
1.一種粗顆粒高強(qiáng)度燒結(jié)多晶金剛石的制備方法，其特征在于按預(yù)定要求的粒度和強(qiáng)度選用特制基體，它的組分由(MoW)C、WC、TiC、Co、Ni、Fe、Mn物質(zhì)不同組合而成的，它內(nèi)含有相應(yīng)于所要求粗顆粒金剛石粒度的孔徑，使各種細(xì)粒(包括磨料級)金剛石在高壓高溫下在基體內(nèi)形成一種粗顆粒高強(qiáng)度多晶金剛石。
2.一種按權(quán)利要求
1所述的粗顆粒高強(qiáng)度燒結(jié)多晶金剛石的制備方法，其特征在于采用通常的高壓容器的正常工作壓力如55-65千巴、采用多級六壓砧高壓容器的正常工作壓力如55-100千巴，和由碳管爐產(chǎn)生的溫度如1500-2500℃。
3.一種按權(quán)利要求
1、2所述的粗顆粒高強(qiáng)度燒結(jié)多晶金剛石的制備方法，其特征在于碳管爐可裝一個或多個基體樣品，可得一個或多個這種基體，它內(nèi)含有粗顆粒高強(qiáng)度多晶金剛石。
4.一種按權(quán)利要求
1、2所述的粗顆粒高強(qiáng)度燒結(jié)多晶金剛石的制備方法，其特征在于基體內(nèi)含的孔徑可以大于粗顆粒尺寸的要求，如1.2-10毫米，以獲得優(yōu)質(zhì)大顆粒多晶金剛石。
5.一種粗顆粒高強(qiáng)度燒結(jié)多晶金剛石，其特征在于它存在于特制基體中，其粒度可在粗顆粒尺寸范圍，如0.3-1.2毫米，強(qiáng)度屬高強(qiáng)度要求的范圍，如(1.0-2.0)×104公斤/平方厘米，其顯微組織致密、顆粒間界面結(jié)合牢固。
6.一種含有粗顆粒高強(qiáng)度多晶金剛石的基體，其特征在于可鑲制鉆頭、鋸片等工具，用表鑲的方法達(dá)到孕鑲的效果?？稍诶щy和特難條件下工作。
專利摘要
本發(fā)明提供一種粗顆粒高強(qiáng)度燒結(jié)多晶金剛石及其制備方法和用途。按預(yù)定要求的粒度和強(qiáng)度選用特制基體，使細(xì)粒金剛石原料在高壓高溫下形成一種粗顆粒高強(qiáng)度多晶金剛石，其顯微組織致密，顆粒間界面結(jié)合牢固。適于鑲制成鉆進(jìn)工具如鉆頭和切割工具如鋸片，在困難或特難條件下工作。這種金剛石，其原料便宜、來源可靠、生產(chǎn)周期短、工藝簡便、鑲制方便。
文檔編號C01B31/00GK86104032SQ86104032
公開日1987年12月23日 申請日期1986年6月14日
發(fā)明者沈主同, 池用謙, 孫幗顯, 張青哲, 王文君 申請人:中國科學(xué)院物理研究所導(dǎo)出引文BiBTeX, EndNote, RefMan