[发明专利]多晶金刚石及其制造方法

说明书

技术领域

本发明涉及多晶金刚石及其制造方法，尤其涉及适用于诸如切削钻头、修整器和模具之类的工具以及钎头的、具有高硬度和高强度的多晶金刚石以及这种多晶金刚石的制造方法。

背景技术

对于用于诸如切削钻头、修整器和模具之类的工具以及钎头的常规多晶金刚石，采用铁族元素金属（例如，Fe、Co和Ni）、碳酸盐（例如，CaCO₃）等作为促进原料烧结的烧结剂，并且采用陶瓷（例如，SiC）等作为使原料结合的结合剂。

通过在金刚石呈热力学稳定的高压和高温条件（通常，压力为约5GPa至8GPa，温度为约1300℃至2200℃）下，将作为原料的金刚石粉末与烧结剂一同烧结，从而获得上述多晶金刚石。

如此获得的多晶金刚石中含有所使用的烧结剂。这种烧结剂对多晶金刚石的诸如硬度和强度之类的机械特性以及对耐热性存在较大的影响。

还已知通过酸处理而除去了上述烧结剂的多晶金刚石、以及将具有耐热性的SiC用作结合剂的耐热性优异的烧结金刚石，然而，这些金刚石的硬度和强度较低，并且作为工具材料的机械特性不足。

同时，可以在不使用烧结剂等情况下，在超高压和超高温条件下将非金刚石碳材料（例如，石墨、玻璃碳或无定形碳）直接转化成为金刚石。通过将非金刚石相直接转化成金刚石相并且同时进行烧结，获得了单相的多晶金刚石。

F.P.Bundy,J.Chem.Phys.,38(1963)第631-643页（非专利文献1）、M.Wakatsuki,K.Ichinose,T.Aoki,Japan.J.Appl.Phys.,11(1972)第578-590页（非专利文献2）和S.Naka,K.Horii,Y.Takeda,T.Hanawa,Nature,259(1976)第38页（非专利文献3）公开了这样的多晶金刚石，该多晶金刚石是通过在14GPa至18GPa的这种超高压和3000K或更高的超高温下直接转化作为原料的石墨而获得的。

然而，以上各种多晶金刚石均是通过进行直接电加热而制得的，其中在直接电加热过程中，通过使电流直接流过诸如石墨之类的导电性非金刚石碳材料从而将其加热，这样不可避免地存在未转化的石墨。此外，金刚石的粒度不均匀，并且烧结往往在局部上并不充分。因此，诸如硬度和强度之类的机械特性不足够高，并且仅获得片状多晶，因而未曾实现实际应用。

T.Irifune,H.Sumiya,“New Diamond and Frontier Carbon Technology(新型金刚石和前沿碳技术),”14(2004)第313页（非专利文献4）和Sumiya,Irifune,SEI Technical Review,165(2004)第68页（非专利文献5）公开了一种通过使用高纯度、高结晶度的石墨作为原料，并通过在不低于12GPa且不低于2200℃的超高压超高温条件下间接加热从而进行直接转化和烧结，由此获得致密且高纯度的多晶金刚石的方法。尽管以这种方法获得的金刚石具有非常高的硬度，但是其实际特性（例如，耐磨性、耐崩裂性和抗裂纹扩展性）不足且不稳定。

天然形成的多晶金刚石（黑金刚石、半刚石等）也是已知的，一些这种多晶金刚石被用于钎头。另一方面，这些金刚石的材质差异较大，并且产量较低，因而没有在工业上大量使用。

在一些应用中使用单晶金刚石。然而，因尺度和成本方面的限制，其使用限于超精密工具或精密耐磨工具，并且用途和使用条件受单晶金刚石的劈裂性和机械特性的各向异性的限制。

引用列表

非专利文献

非专利文献1：F.P.Bundy,J.Chem.Phys.,38(1963)第631-643页

非专利文献2：M.Wakatsuki,K.Ichinose,T.Aoki,Japan.J.Appl.Phys.,11(1972)第578-590页

非专利文献3：S.Naka,K.Horii,Y.Takeda,T.Hanawa,Nature,259(1976)第38页

非专利文献4：T.Irifune,H.Sumiya,New Diamond and Frontier Carbon Technology,14(2004)第313页

非专利文献5：Sumiya,Irifune,SEI Technical Review,165(2004)第68页

发明内容

技术问题