專利名稱:一種粗顆粒高強度燒結(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驗室階段。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度金剛石的技術(shù)，是按預(yù)定要求的粒度和強度及外形，采用特制的基體，在高壓下形成一種新型粗顆粒高強度金剛石，是代替相應(yīng)粒度高強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)劑整體強度、強化金剛石燒結(jié)過程等來達(dá)到預(yù)定粒度和強度的要求，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與所用材料強度的關(guān)系式為VD= (σB-σBD)/(σB-σD) ，式中σB為特制基體的強度，σBD為含有多個粗顆粒高強度金剛石特制基體的強度，σD為粗顆粒高強度金剛石的強度，粗顆粒的下限粒度高強度是指(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度金剛石的技術(shù)，是按預(yù)定要求的粒度和強度，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度多晶金剛石的基體。
本發(fā)明按預(yù)定粒度和強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度多晶金剛石和立方氮化硼等超硬材料。
實例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毫米的粗顆粒高強度金剛石。
權(quán)利要求
1.一種粗顆粒高強度燒結(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度多晶金剛石。
2.一種按權(quán)利要求
1所述的粗顆粒高強度燒結(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，強度屬高強度要求的范圍，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。可在困難和特難條件下工作。
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