人造金刚石合成块的制作方法

本实用新型涉及超硬材料技术领域，尤其涉及一种人造金刚石合成块。

背景技术：

人造金刚石聚晶广泛应用于地质钻探、石油开采、宝石加工、机械加工、拉丝模具、修整工具等领域。现有的人造金刚石聚晶产品通常采用几种热膨胀系数接近金刚石的结合剂和金刚石粉末在高温高压下烧结而成。这种传统人造金刚石聚晶的耐热性较好，但是由于添加的结合剂较多，结合剂的重量比通常达到15％～20％，导致人造金刚石聚晶产品的耐磨性较低，磨耗比通常只有30000～100000，产品寿命短限制了其应用。再者，由于添加的结合剂较多，烧结后的产品内部组织金刚石颗粒堆积的致密程度较差，产品经抛光后的光洁度较差，难以满足部分特殊领域对于产品光洁度的要求。

技术实现要素：

本实用新型的一个主要目的在于克服上述现有技术的至少一种缺陷，提供一种结合剂占比较少而使耐磨性较高的人造金刚石合成块。

为实现上述目的，本实用新型采用如下技术方案：

根据本实用新型的一个方面，提供一种人造金刚石合成块。其中，所述人造金刚石合成块包括外壳、碳模、至少一层金刚石粉末层和至少一层结合剂层以及两个导电圈。所述外壳呈筒状结构并具有筒腔。所述碳模设于所述外壳的筒腔内，且所述碳模具有容置空间。所述金刚石粉末层和所述结合剂层分别设于所述碳模的容置空间内，且所述金刚石粉末层和所述结合剂层交替层叠布置。所述导电圈设于所述外壳的筒腔内，所述两个导电圈分别位于所述碳模的上方和下方。其中，所述人造金刚石合成块被配置为经由高温高压烧结而形成人造金刚石聚晶。

根据本实用新型的其中一个实施方式，所述金刚石粉末层与所述结合剂层的重量比为90:10～97:3。

根据本实用新型的其中一个实施方式，所述金刚石粉末层的金刚石颗粒的粒度为30μm～40μm。

根据本实用新型的其中一个实施方式，所述结合剂层包含500目以下的金属硅粉。

根据本实用新型的其中一个实施方式，所述人造金刚石合成块包括一层所述金刚石粉末层和一层所述结合剂层，所述结合剂层设于所述碳模的容置空间的底部，所述金刚石粉末层设于所述结合剂层顶部与所述碳模的容置空间的顶部之间。

根据本实用新型的其中一个实施方式，所述金刚石粉末层和所述结合剂层的层状结构的铺设方向垂直于所述外壳的筒状结构的轴线方向。或者，所述金刚石粉末层和所述结合剂层的层状结构的铺设方向平行于所述外壳的筒状结构的轴线方向。或者，所述金刚石粉末层和所述结合剂层的层状结构的铺设方向与所述外壳的筒状结构的轴线方向相对倾斜布置。

根据本实用新型的其中一个实施方式，所述金刚石粉末层的金刚石颗粒的表面设有镀层。

根据本实用新型的其中一个实施方式，所述镀层的厚度为0.1μm～1.5μm。

根据本实用新型的其中一个实施方式，所述镀层的材质包含钛、钨或者钛钨合金。

根据本实用新型的其中一个实施方式，所述镀层被配置为采用真空环境中的镀覆工艺设于所述金刚石粉末层的金刚石颗粒的表面。

由上述技术方案可知，本实用新型提出的人造金刚石合成块的优点和积极效果在于：

本实用新型提出的人造金刚石合成块包括外壳、碳模、金刚石粉末层、结合剂层和导电圈。碳模设于外壳的筒腔内。金刚石粉末层和结合剂层分别设于碳模的容置空间内且交替层叠布置。据此，通过将金刚石粉末与结合剂以交替布置的层状结构设置在碳模的容置空间内的设计，相比于现有合成块的将金刚石粉末与多种结合剂混合后填充入碳模的设计，本实用新型能够显著降低人造金刚石合成块的碳模内填充的结合剂的占比，从而提升人造金刚石聚晶产品的耐磨性，进而延长产品寿命。

附图说明

通过结合附图考虑以下对本实用新型的优选实施方式的详细说明，本实用新型的各种目标、特征和优点将变得更加显而易见。附图仅为本实用新型的示范性图解，并非一定是按比例绘制。在附图中，同样的附图标记始终表示相同或类似的部件。其中：

图1是根据一示例性实施方式示出的一种人造金刚石合成块的剖视图。

附图标记说明如下：

100.人造金刚石合成块；

110.金刚石粉末层；

120.结合剂层；

130.碳模；

140.外壳；

150.导电圈。

具体实施方式

体现本实用新型特征与优点的典型实施例将在以下的说明中详细叙述。应理解的是本实用新型能够在不同的实施例上具有各种的变化，其皆不脱离本实用新型的范围，且其中的说明及附图在本质上是作说明之用，而非用以限制本实用新型。

在对本实用新型的不同示例性实施方式的下面描述中，参照附图进行，所述附图形成本实用新型的一部分，并且其中以示例方式显示了可实现本实用新型的多个方面的不同示例性结构、系统和步骤。应理解的是，可以使用部件、结构、示例性装置、系统和步骤的其他特定方案，并且可在不偏离本实用新型范围的情况下进行结构和功能性修改。而且，虽然本说明书中可使用术语“之上”、“之间”、“之内”等来描述本实用新型的不同示例性特征和元件，但是这些术语用于本文中仅出于方便，例如根据附图中所述的示例的方向。本说明书中的任何内容都不应理解为需要结构的特定三维方向才落入本实用新型的范围内。

参阅图1，其代表性地示出了采用本实用新型提出的人造金刚石合成块100的剖视图。在该示例性实施方式中，本实用新型提出的人造金刚石合成块100是以应用于地质钻探、石油开采、宝石加工、机械加工、拉丝模具、修整工具等领域的人造金刚石合成块为例进行说明的。本领域技术人员容易理解的是，为将本实用新型的人造金刚石合成块100应用于其他类型的装置或其他工艺中，而对下述的具体实施方式做出多种改型、添加、替代、删除或其他变化，这些变化仍在本实用新型提出的人造金刚石合成块100的原理的范围内。

如图1所示，在本实施方式中，本实用新型提出的人造金刚石合成块100主要包括外壳140、碳模130、一层金刚石粉末层110、一层结合剂层120以及两个导电圈150。具体而言，外壳140大致呈筒状结构(例如圆筒状结构)并具有筒腔。碳模130设置在外壳140的筒腔内，且碳模130具有容置空间。金刚石粉末层110和结合剂层120分别设置在碳模130的容置空间内，且金刚石粉末层110和结合剂层120交替层叠布置。其中，金刚石粉末层110是由金刚石粉末呈层状结构地铺设在碳模130的容置空间内而成，结合剂层120是由结合剂呈层状结构地铺设在碳模130的容置空间内而成。导电圈150设置在外壳140的筒腔内，两个导电圈150分别位于碳模130的上方和下方。据此，通过将金刚石粉末与结合剂以交替布置的层状结构设置在碳模130的容置空间内的设计，相比于现有合成块的将金刚石粉末与多种结合剂混合后填充入碳模的设计，本实用新型能够显著降低人造金刚石合成块的碳模内填充的结合剂的占比，从而提升人造金刚石聚晶产品的耐磨性，进而延长产品寿命。

较佳地，在本实施方式中，金刚石粉末层110与结合剂层120的重量比，即设置在碳模130的容置空间内的金刚石粉末与结合剂的重量比，可以优选为90:10～97:3。

较佳地，在本实施方式中，金刚石粉末层110的金刚石颗粒的粒度可以优选为30μm～40μm。

较佳地，在本实施方式中，结合剂层120可以优选地包含500目以下的金属硅粉。

较佳地，如图1所示，在本实施方式中，本实用新型提出的人造金刚石合成块100可以优选地包括一层金刚石粉末层110和一层结合剂层120。具体而言，该层结合剂层120设置在碳模130的容置空间的底部(以图中示出的上下方向定义的底部及与其相对的顶部)，金刚石粉末层110设置在结合剂层120的顶部与碳模130的容置空间的顶部之间。在其他实施方式中，本实用新型提出的人造金刚石合成100块亦可包含多层金刚石粉末层110和多层结合剂层120。并且，基于金刚石粉末层110与结合剂层120交替层叠布置的结构设计，当金刚石粉末层110和结合剂层120分别为多层时，金刚石粉末层110和结合剂层120的层数可以相差1或相等，使得每一层(不包括设于碳模130的容置空间的顶部和底部的两层)金刚石粉末层110上下相邻的均为结合剂层120，也使得每一层(不包括设于碳模130的容置空间的顶部和底部的两层)结合剂层120上下相邻的均为金刚石粉末层110，均不以本实施方式为限。

较佳地，如图1所示，在本实施方式中，金刚石粉末层110和结合剂层120的层状结构的铺设方向可以优选地垂直于外壳140的筒状结构的轴线方向，即沿图中的水平方向布置。由于外壳140为筒状结构，并优选为圆筒状结构，且碳模130外部大致呈柱状结构，并优选为圆柱状结构，因此本实施方式中将金刚石粉末层110和结合剂层120沿垂直于外壳140的轴线的方向布置，能够使金刚石粉末层110和结合剂层120的填充与层状结构的形成更加方便和准确。在其他实施方式中，金刚石粉末层110和结合剂层120的层状结构的铺设方向亦可平行于外壳140的筒状结构的轴线方向。或者，金刚石粉末层110和结合剂层120的层状结构的铺设方向还可与外壳140的筒状结构的轴线方向相对倾斜布置。

较佳地，在本实施方式中，金刚石粉末层110的金刚石颗粒的表面可以优选地设置有镀层。通过上述设计，本实用新型能够提升金刚石颗粒堆积的致密程度，从而提升人造金刚石聚晶经抛光后的光洁度，还可使得本实用新型能够满足部分特殊领域对于产品光洁度的要求。再者，由于镀层的设计，能够进一步使金刚石粉末层110与结合剂层120的重量比增大，从而进一步提升人造金刚石聚晶的耐磨性，进而进一步延长产品使用寿命。

进一步地，基于镀层的设计，在本实施方式中，镀层的厚度可以优选为0.1μm～1.5μm。

进一步地，基于镀层的设计，在本实施方式中，镀层的材质可以优选地包含钛、钨或者钛钨合金。

进一步地，基于镀层的设计，在本实施方式中，镀层可以优选地采用真空环境中的镀覆工艺设于金刚石粉末层110的金刚石颗粒的表面。例如，可以选择磁控溅射法、电弧离子镀法或者真空微蒸发镀法等。据此，能够有效保护金刚石粉末在镀覆过程中不被烧伤。

在此应注意，附图中示出而且在本说明书中描述的人造金刚石合成块仅仅是能够采用本实用新型原理的许多种人造金刚石合成块中的几个示例。应当清楚地理解，本实用新型的原理绝非仅限于附图中示出或本说明书中描述的人造金刚石合成块的任何细节或人造金刚石合成块的任何部件。

基于上述对本实用新型提出的人造金刚石合成块的一示例性实施方式的详细说明，以下将结合图1对该人造金刚石合成块的制备方法进行示例性说明。

在本实施方式中，本实用新型提出的人造金刚石合成块的制备方法至少包括以下步骤：

提供金刚石粉末；

预处理金刚石粉末，在金刚石粉末的金刚石颗粒表面镀覆镀层，镀层的材质包含金属；以及

组装合成块，将经过预处理的金刚石粉末与结合剂置入碳模，再将碳模置入叶腊石块而组装成合成块。

较佳地，在本实施方式中，在预处理金刚石粉末的步骤中，对金刚石粉末的镀覆工艺可以优选地在真空环境内进行。据此，能够有效保护金刚石粉末在镀覆过程中不被烧伤。

进一步地，基于在真空环境内对金刚石粉末进行预处理的设计，在本实施方式中，在真空环境中预处理金刚石粉末的步骤中，可以优选地采用磁控溅射法、电弧离子镀法或者真空微蒸发镀法在金刚石粉末的金刚石颗粒表面镀覆镀层。

较佳地，在本实施方式中，金刚石粉末的金刚石颗粒表面镀覆的镀层的厚度可以优选为0.1μm～1.5μm。需说明的是，镀层的厚度可以根据金刚石粉末的粒度进行选择，亦可根据其他需要进行选择，镀层的厚度可以在上述优选范围内选择，亦可根据对产品粉料粒径的要求进行选择。

较佳地，在本实施方式中，镀层的材质可以将热膨胀系数与金刚石相近的金属或合金作为优选，例如镀层的材质可以优选地包含钛、钨或者钛钨合金等。在其他实施方式中，镀层的材质亦可选择其他金属或合金，并不以本实施方式为限。

较佳地，在本实施方式中，在组合合成块的步骤中，可以优选地将经过预处理的金刚石粉末与结合剂按照90:10～97:3的重量比置入碳模。需说明的是，由于本实用新型包含预处理金刚石粉末的步骤，利用在金刚石粉末的金刚石颗粒表面镀覆一层金属材质的镀层，使得相比于现有工艺进一步增大金刚石粉末与结合剂的重量比成为可能。以现有工艺中的金刚石粉末与结合剂的重量比为80:20～85:15为例，本实用新型的金刚石粉末与结合剂的重量比至少可以达到85:15以上。

较佳地，如图1所示在本实施方式中，在组合合成块100的步骤中，是将经过预处理的金刚石粉末与结合剂以交替布置的层状结构置入到碳模130中。据此，填充后的碳模130中具有一层镀覆金刚石粉末层110和一层结合剂层120。在其他实施方式中，基于金刚石粉末与结合剂的交替布置的层状结构的设计，填充在碳模130中的金刚石粉末与结合剂亦可分别为多层，且两者的层数可以相等，亦可相差为一。当然，亦可将任意两层金刚石粉末或任意两层结合剂相邻设置，并不以本实施方式为限。

进一步地，如图1所示，基于金刚石粉末与结合剂的交替布置的层状结构的设计，同时基于填充后的碳模130中具有一层镀覆金刚石粉末层110和一层结合剂层120的设计，在本实施方式中，在图1示出的上下方向上，结合剂层120设置在碳模130的容置空间的底部，镀覆金刚石粉末层110设置在结合剂层120之上，且镀覆金刚石粉末层110与结合剂层120均大致呈水平布置的层状结构。在其他实施方式中，镀覆金刚石粉末层110与结合剂层120亦可采用其他布置形式，例如竖直布置、倾斜布置等，并不以本实施方式为限。

较佳地，在本实施方式中，结合剂的材质可以优选地热膨胀系数与金刚石相近的材料作为优选，例如结合剂的材质可以优选地包含硅、硼、硅的碳化物、硼的碳化物、硅的氧化物或者硼的氧化物等，且结合剂的上述材料可以优选地采用99％的纯度。在其他实施方式中，结合剂的材质亦可选择其他材料，并不以本实施方式为限。

另外，本实用新型提出的人造金刚石合成块还可经由高温高压烧结制成人造金刚石聚晶。其中，如图1所示，在本实施方式中，在烧结合成块100的步骤中，可以优选地利用六面顶压机对合成块100进行高温高压烧结，使得碳模130中的结合剂熔化并与金刚石粉末混合。然后，将烧结后的合成块100的碳模130、叶腊石块140、导电钢圈150去除，从而得到人造金刚石聚晶。

较佳地，在本实施方式中，对合成块进行高温高压烧结的烧结温度可以优选为1300℃～1700℃。

较佳地，在本实施方式中，对合成块进行高温高压烧结的烧结压力为5gpa～6gpa。

配合参阅图1，在一个具体实施例中，基于本实用新型的上述设计构思，可以采用以下具体步骤制备人造金刚石合成块，进而制备人造金刚石聚晶：

如图1所示，选用一种金刚石粉末，其金刚石颗粒的粒度为30μm～40μm，通过真空镀覆方法在其表面镀覆厚度约为0.7μm的金属钛镀层。选用500目以下的金属硅粉作为结合剂，其纯度大于99.9％。先在碳模130底部铺设一层重量比占比4％的金属硅粉的结合剂层120，然后在结合剂层120上方再铺设一层重量比占比96％的镀覆后的金刚石粉末，形成镀覆金刚石粉末层110，铺满刮平。将装好料的碳模130、导电钢圈150放入到叶腊石块140中组装成合成块100。将组装好的合成块100放入到六面顶压机中，通过调节工艺，在温度1300℃～1700℃、压力5gpa～6gpa下进行烧结，烧结后去除碳模130、导电钢圈150和叶腊石块140，得到人造金刚石聚晶。另外，可以将制得的人造金刚石聚晶进行表面处理后可用于测试及后期用户使用。

综上所述，本实用新型提出的人造金刚石合成块包括外壳、碳模、金刚石粉末层、结合剂层和导电圈。碳模设于外壳的筒腔内。金刚石粉末层和结合剂层分别设于碳模的容置空间内且交替层叠布置。据此，通过将金刚石粉末与结合剂以交替布置的层状结构设置在碳模的容置空间内的设计，相比于现有合成块的将金刚石粉末与多种结合剂混合后填充入碳模的设计，本实用新型能够显著降低人造金刚石合成块的碳模内填充的结合剂的占比，从而提升人造金刚石聚晶产品的耐磨性，进而延长产品寿命。

以上详细地描述和/或图示了本实用新型提出的人造金刚石合成块的示例性实施方式。但本实用新型的实施方式不限于这里所描述的特定实施方式，相反，每个实施方式的组成部分和/或步骤可与这里所描述的其它组成部分和/或步骤独立和分开使用。一个实施方式的每个组成部分和/或每个步骤也可与其它实施方式的其它组成部分和/或步骤结合使用。在介绍这里所描述和/或图示的要素/组成部分/等时，用语“一个”、“一”和“上述”等用以表示存在一个或多个要素/组成部分/等。术语“包含”、“包括”和“具有”用以表示开放式的包括在内的意思并且是指除了列出的要素/组成部分/等之外还可存在另外的要素/组成部分/等。此外，权利要求书及说明书中的术语“第一”和“第二”等仅作为标记使用，不是对其对象的数字限制。

虽然已根据不同的特定实施例对本实用新型提出的人造金刚石合成块进行了描述，但本领域技术人员将会认识到可在权利要求的精神和范围内对本实用新型的实施进行改动。