专利名称:一种粗颗粒高强度烧结多晶金刚石及其制备方法和用途的制作方法
本发明涉及一种粗颗粒高强度烧结的多晶金刚石及其制备方法和用途。
目前，粗颗粒(0.3-1.2毫米)、高强度金刚石的研制方法主要有三种。第一种是在高压生长磨料级(0.3毫米左右及以下)金刚石的样品装配基础上，即片状触媒和石墨多层装配，修改某些工序，如分段升压升温和增长保温时间等，来控制金刚石的成核率和生长速度，以提高原有试样中金刚石晶体的粒度比和质量。关于这种高压生长法在“晶体生长”(科学出版社，1981)第十章人造金刚石第585-595和614-615页中已有描述。这种方法存在的问题是工艺复杂、质量难以保证、成品率不高、高压容器寿命下降，特别是随着粒度增粗就更显出其存在的问题，因此成本高而停留在实验室阶段。第二种是高压下获得的大颗粒多晶金刚石破碎后经分选可得到部分粗颗粒金刚石并在一定范围内获得应用。这种方法存在的问题是工艺上有一定难度、强度波动范围较大、外形和粒度难以按预定要求控制、所要求的某一粒度的成品率难以保证。第三种是高压下烧结粗颗粒金刚石，这是在高压下烧结大颗粒金刚石工艺基础上改变装样孔径，采用石墨片上打出多孔，装料后进行高压烧结可得到粗颗粒金刚石。这种方法可以控制外形和粒度的要求，周期较短，但工艺复杂、装料不便、样品强度不高、成品率不高。所以目前也没有获得成功。冶金、地质、建材和石油等工业部门大量采用粗颗粒、高强度天然金刚石鑲制孕鑲钻头和锯片，在困难和特难条件下工作取得较高的效益。目前，只能用0.3毫米以下的高强度来局部代用相应粒度的天然金刚石。至于0.3毫米以上的，主要是0.5-1.2毫米的粗颗粒、高强度天然金刚石还不能用人造的进行代替。
本发明不同于已有研制粗颗粒高强度金刚石的技术，是按预定要求的粒度和强度及外形，采用特制的基体，在高压下形成一种新型粗颗粒高强度金刚石，是代替相应粒度高强度天然金刚石的一种好材料。
高压下影响烧结金刚石过程的因素很多，而在烧结粗颗粒金刚石过程中显出很大的影响。例如在烧结大颗粒金刚石样品装配中采用碳管炉装料，金刚石原料比较集中在碳管内部中心且所占比例较大，对于因固体介质加压引起的切变应力等因素尚不够敏感。而在烧结粗颗粒金刚石中采用多孔碳片装料和作炉体就使得这种因素达到敏感程度，以至样品的成品率和强度不高，失去使用价值。本发明采用特制基体来控制金刚石的粒度、调剂整体强度、强化金刚石烧结过程等来达到预定粒度和强度的要求，同时还在鑲制和使用过程中对所形成的金刚石起保护和支承作用。关于金刚石原料和特制基体的单位体积比例VD与所用材料强度的关系式为VD= (σB-σBD)/(σB-σD) ，式中σB为特制基体的强度，σBD为含有多个粗颗粒高强度金刚石特制基体的强度，σD为粗颗粒高强度金刚石的强度，粗颗粒的下限粒度高强度是指(1.5-2.0)×104公斤/平方厘米，随着粒度增粗该值可降到1.0×104公斤/平方厘米。还可以参照这种关系式估算这种金刚石在基体中的粒数。
本发明不同于已有研制粗颗粒高强度金刚石的技术，是按预定要求的粒度和强度，选用特制基体，它的组分由(MoW)C、WC、TiC、Co、Ni、Fe、Mn、Cr物质不同组合而成的，它内含有相应于所要求粗颗粒金刚石粒度的孔径，使各种细粒(包括磨料级)金刚石在高压高温下在基体内形成一种粗颗粒高强度多晶金刚石。图1为样品装配的剖面图。图中，1是特制基体，2是细粒金刚石原料，3是碳管炉。装有细粒金刚石原料的特制基体，按一个或多个装入碳管炉中，再把碳管炉经净化处理后装进高压高温介质叶蜡石的试样孔里。组装后在压力60-90缶巴和温度1500-2500℃及保温15-40秒作用下，可获得一个或多个含有粗颗粒高强度多晶金刚石的基体。
本发明按预定粒度和强度要求选用特制基体，把细粒金刚石原料在高压高温下形成粗颗粒高强度多晶金刚石，其显微组织致密，金刚石颗粒间界面、金刚石和基体间界面结合牢固。适于在冶金、地质、建材、机械和石油工业部门鑲制成钻进工具如钻头和切割工具如锯片，在困难或特难条件下工作。含有粗颗粒高强度多晶金刚石的基体可作为鑲制工具的基元，可用表鑲的方法达到孕鑲工具的效果，在鑲制工具和使用过程中基体对内含粗颗粒高强度多晶金刚石起支承和保护作用。此外，本发明提供的粗颗粒高强度多晶金刚石，其原料便宜、来源可靠、生产周期短、工艺简便、鑲制方便等。本发明提供的方法也可来制备在粗颗粒尺寸范围以外的高强度多晶金刚石和立方氮化硼等超硬材料。
实例1如图1所示，碳管炉直径为φ10-12毫米，高为10-12毫米，内径为φ8-9毫米，内装一个或两个装有细粒金刚石原料的特制基体。基体含有(MoW)C、TiC、Co、Ni，内含5-10个φ1.0毫米的尖孔。组装后在高压高温容器中先预压预热，再升压至70-77千巴和升温达1700℃，保温15-30秒。降温卸压后可取出一个或两个直径为φ6.0-7.5毫米、高为3.0-5.0毫米的样品，内含粒度为0.8毫米的粗颗粒高强度金刚石。
权利要求
1.一种粗颗粒高强度烧结多晶金刚石的制备方法，其特征在于按预定要求的粒度和强度选用特制基体，它的组分由(MoW)C、WC、TiC、Co、Ni、Fe、Mn物质不同组合而成的，它内含有相应于所要求粗颗粒金刚石粒度的孔径，使各种细粒(包括磨料级)金刚石在高压高温下在基体内形成一种粗颗粒高强度多晶金刚石。
2.一种按权利要求
1所述的粗颗粒高强度烧结多晶金刚石的制备方法，其特征在于采用通常的高压容器的正常工作压力如55-65千巴、采用多级六压砧高压容器的正常工作压力如55-100千巴，和由碳管炉产生的温度如1500-2500℃。
3.一种按权利要求
1、2所述的粗颗粒高强度烧结多晶金刚石的制备方法，其特征在于碳管炉可装一个或多个基体样品，可得一个或多个这种基体，它内含有粗颗粒高强度多晶金刚石。
4.一种按权利要求
1、2所述的粗颗粒高强度烧结多晶金刚石的制备方法，其特征在于基体内含的孔径可以大于粗颗粒尺寸的要求，如1.2-10毫米，以获得优质大颗粒多晶金刚石。
5.一种粗颗粒高强度烧结多晶金刚石，其特征在于它存在于特制基体中，其粒度可在粗颗粒尺寸范围，如0.3-1.2毫米，强度属高强度要求的范围，如(1.0-2.0)×104公斤/平方厘米，其显微组织致密、颗粒间界面结合牢固。
6.一种含有粗颗粒高强度多晶金刚石的基体，其特征在于可鑲制钻头、锯片等工具，用表鑲的方法达到孕鑲的效果。可在困难和特难条件下工作。
专利摘要
本发明提供一种粗颗粒高强度烧结多晶金刚石及其制备方法和用途。按预定要求的粒度和强度选用特制基体，使细粒金刚石原料在高压高温下形成一种粗颗粒高强度多晶金刚石，其显微组织致密，颗粒间界面结合牢固。适于镶制成钻进工具如钻头和切割工具如锯片，在困难或特难条件下工作。这种金刚石，其原料便宜、来源可靠、生产周期短、工艺简便、镶制方便。
文档编号C01B31/00GK86104032SQ86104032
公开日1987年12月23日 申请日期1986年6月14日
发明者沈主同, 池用谦, 孙帼显, 张青哲, 王文君 申请人:中国科学院物理研究所导出引文BiBTeX, EndNote, RefMan