金刚石工具件制造技术

高压力高温度HPHT金刚石工具件和制备HPHT金刚石工具件的方法。该HPHT金刚石工具件的至少一部分包含大于30％的聚集氮中心与C‑氮中心之比。该方法包括辐照HPHT金刚石材料以在金刚石晶体晶格中引入空位，退火该HPHT金刚石材料使得该HPHT金刚石材料的至少一部分包含大于30％的聚集氮中心与C‑氮中心之比，和加工该HPHT金刚石材料以形成HPHT金刚石工具件。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】金刚石工具件
本专利技术涉及金刚石工具件和制作合成金刚石工具件的方法。专利技术背景对于任何应用而言，当选择工具材料时使用者必须考虑许多因素。这样的因素包括：成本、韧性、磨损速率/硬度、加工所期望工作表面(例如切割边缘)的能力、可用寿命、和对与待加工材料的化学影响的惰性。理想的工具材料是又硬又韧的材料。在磨损消耗应用中使用的材料的这两种性质经常存在于两个垂直的轴上。非常简单，磨损是测量每单位操作所去除的材料量。韧性是材料耐裂纹扩展性的量度。需要提供更硬、更韧、更强和更耐磨损的材料。还不间断的需要提供更快、更精准和更清洁的制备方法，其意味着成本效率和改进的性能。本专利技术某些实施方案的目的是至少部分解决一些这些需求。金刚石材料是用于许多优质性能的切割、钻孔、研磨和抛光工具的所选材料。金刚石材料使用在包括各种金属、石材和木材加工产业的一系列产业的工具解决方案中。实例包括航空和汽车制造、家具生产、石材开采、建筑、采矿和隧道挖掘、矿物加工和油气产业。金刚石的硬度性质使其特别适合于耐磨损性材料。然而，在工具工作温度下处于应力下的金刚石有限的塑性变形能力导致与更韧材料例如钢相比更快速的裂纹扩展。以前改进金刚石持久度的尝试已经包括改变成型金刚石材料的方法或在成型材料之后处理金刚石材料。例如，WO01/79583教导了改进金刚石型工具耐久度以提高冲击强度和断裂韧性的方法。该方法包括将离子注入金刚石型工具的表面中。离子注入是材料工程工艺，通过该工艺可将材料离子注入另一种固体中，由此改变固体的物理性质。在典型的环境下将离子注入至10纳米至1微米范围内的深度。WO01/79583教导了渗透金刚石表面至0.02μm至0.2μm范围内深度的离子注入。优选的离子包括铬、镍、钌、钽、钛和钇。US4184079和GB1588445还教导了通过使用具有足以渗透金刚石表面的能量的离子轰击金刚石从而增韧金刚石的方法。提出的各种离子包括碳离子、氮离子和氢离子。描述了离子在金刚石晶体晶格中形成位错网络由此抑制金刚石的微解理。还描述了可将位错限制至金刚石晶体表面以下从10nm至1μm的深度以便至其表面上的硬皮。教导了离子的剂量应产生非常小，在1016至1018个离子cm-2范围内，并具有在10keV至10MeV范围内，更优选小于100keV的能量，使得由轰击注入的物质对金刚石材料没有有害影响。由于金刚石的离子轰击导致表面的非晶化和软化，除非温度保持足够高以维持晶体结构，否则教导在离子轰击过程中使用至少500℃的温度。GB1588418公开了改进工业金刚石的磨损特性的方法。该方法包括将离子注入金刚石表面中。为此目的提出碳离子和氮离子。US4012300公开了通过使颗粒经受辐照来改变磨粒(特别是金刚石和立方氮化硼颗粒)的脆性的方法。提出质子辐射、中子辐射和伽马辐射，其中优选中子。本专利技术某些实施方案的目的是改进金刚石工具的韧性和/或耐磨损性。本专利技术某些实施方案的进一步目的是避免与前述方法有关的一些问题。专利技术概述目的是提供具有改进的机械性质的HPHT金刚石工具件。根据第一方面，提供了高压力高温度HPHT金刚石工具件，其中该HPHT金刚石工具件的至少一部分包含大于30％的聚集氮中心与C-氮中心之比。发现这样的工具件与没有大于30％的聚集氮中心与C-氮中心之比的相似工具件相比具有改进的耐磨损性和耐破碎性。作为选择，聚集氮中心包含任何A中心和B中心。该部分是任选地HPHT金刚石工具件体积的至少40％，并且可基本上是工具件的整个体积。作为选择，HPHT金刚石工具件是单晶HPHT金刚石工具件。或者，HPHT金刚石工具件可包含多晶金刚石PCD。在此情况下，PCD任选地含有粘合剂材料。作为选择，该HPHT金刚石工具件的该部分包含选自以下任何的氮含量：大于百万分之300、大于百万分之350和大于百万分之400。作为进一步选择，该HPHT金刚石工具件的该部分包含选自以下任何的氮含量：不大于百万分之800和不大于百万分之600。聚集氮中心与C-氮中心之比任选地大于40％。作为进一步选择，聚集氮中心与C-氮中心之比大于50％。HPHT金刚石工具件任选地选自以下一者：耐磨零件、修整器、拉丝模具、测量石(gaugestone)、切割器和雕刻工具。根据第二方面，提供了包含至少一种如以上在第一方面所述的HPHT金刚石工具件的工具。根据第三方面，提供了制备HPHT金刚石工具件的方法。辐照HPHT金刚石材料以在金刚石晶体晶格中引入空位。然后退火HPHT金刚石材料使得HPHT金刚石材料的至少一部分包含大于30％的聚集氮中心与C-氮中心之比。然后加工HPHT金刚石材料以形成HPHT金刚石工具件。作为选择，在至少800℃的温度下在惰性环境中进行退火。作为替代性选择，使用在至少1300℃的温度和至少4.5GPa的压力下的高压力高温度工艺进行退火。注意可在加工之前、在加工过程中或在加工之后进行辐照，但是必须在辐照步骤之后进行退火。作为选择，辐照包括辐照金刚石材料至选自以下任何的深度：1μm或更大，10μm或更大，100μm或更大，500μm或更大，1mm或更大，和贯穿该金刚石材料的总厚度。任选地在以下温度下进行辐照：500℃或更小，400℃或更小，300℃或更小，200℃或更小，100℃或更小，或50℃或更小。该方法任选地还包括在辐照过程中冷却金刚石材料。辐照步骤任选地包括使用具有选自以下任何的能量辐照：30keV或更大，0.1MeV至12MeV，0.5MeV至10MeV，和1MeV至8MeV。辐照步骤任选地包括使用具有选自以下任何的剂量率的电子辐照：1×1015e-/cm2或更大，1×1016e-/cm2至1×1019e-/cm2，1×1017e-/cm2至1×1019e-/cm2，和2×1017e-/cm2至1×1019e-/cm2。加工步骤任选地包括成型HPHT金刚石材料以形成工作表面。作为选择，加工步骤包括形成以下任一者：耐磨零件、修整器、拉丝模具、测量石、切割器和雕刻工具。附图简要描述为了更好地理解本专利技术并显示可如何实现本专利技术，现将仅参考附图通过实例的方式描述本专利技术的实施方案，其中：图1示意说明金刚石晶体晶格中氮的子位置(substation)；图2是显示示例性步骤的流程图；和图3是显示替代的示例性步骤的流程图。某些实施方案的详细描述以下描述是指金刚石晶体晶格中取代的氮。这种类型的金刚石通常称作1型金刚石，并且氮通常占据三种主要构型之一的晶体晶格中的位置。氮可形成A中心、B中心或C中心。这些类型的氮取代示于图1中，为了清楚起见，图1以二维显示金刚石晶体晶格。碳原子用黑圈表示而氮原子用白圈表示。“A”中心由中性的最近邻的取代碳原子的氮原子对组成。主要以A形式的含有氮的金刚石被分类为IaA型。图1显示具有两个A中心的晶格。“B”中心是由四个取代碳原子的氮原子包围的碳空位。主要以B形式的含有氮的金刚石被分类为IaB型。“C”中心是晶体晶格中单个的取代氮原子，与另一个取代氮原子没有有序关系。主要以C形式的含有氮的金刚石被分类为Ib型。Ia型金刚石可为无色的、棕色的、粉色的和紫色的。天然Ib型金刚石可为深黄色的(“金丝雀色”)、橙色的、棕色的或带绿色的。IIa型和IIb型金刚石含有可忽略本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.高压力高温度HPHT金刚石工具件，其中该HPHT金刚石工具件的至少一部分包含大于30％的聚集氮中心与C‑氮中心之比。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2016.05.17 GB 1608669.61.高压力高温度HPHT金刚石工具件，其中该HPHT金刚石工具件的至少一部分包含大于30％的聚集氮中心与C-氮中心之比。2.根据权利要求1的HPHT金刚石工具件，其中该聚集氮中心包含任何A中心和B中心。3.根据权利要求1或2的任一项的HPHT金刚石工具件，其中该部分是该HPHT金刚石工具件体积的至少40％。4.根据权利要求1、2或3的任一项的HPHT金刚石工具件，其中该HPHT金刚石工具件是单晶HPHT金刚石工具件。5.根据权利要求1、2或3的任一项的HPHT金刚石工具件包含多晶金刚石PCD。6.根据权利要求5的HPHT金刚石工具件，其中该PCD含有粘合剂材料。7.根据权利要求1-6的任一项的HPHT金刚石工具件，其中该HPHT金刚石工具件的该部分包含选自以下任何的氮含量：大于百万分之300、大于百万分之350和大于百万分之400。8.根据权利要求1-7的任一项的HPHT金刚石工具件，其中该HPHT金刚石工具件的该部分包含选自以下任何的氮含量：不大于百万分之800和不大于百万分之600。9.根据权利要求1-8的任一项的HPHT金刚石工具件，其中该聚集氮中心与C-氮中心之比大于40％。10.根据权利要求1-9的任一项的HPHT金刚石工具件，其中该聚集氮中心与C-氮中心之比大于50％。11.根据权利要求1-10的任一项的HPHT金刚石工具件，其中该HPHT金刚石工具件选自以下一者：耐磨零件、修整器、拉丝模具、测量石、切割器和雕刻工具。12.工具，包含至少一种根据权利要求1-11的任一项的HPHT金刚石工具件。13.制备高压力高温度HPHT金刚石工具件的方法，该方法包括：辐照HPHT金刚石材料以在金刚石晶体晶格中引入空位；退火该HPHT金刚石材料使得该HPHT金刚石材料的至少一部分包含大于30％的聚集氮中心与C-氮中心之比；和加工该HPHT金...

【专利技术属性】
技术研发人员：F·斯库夫斯，J·霍尔，R·博德金，
申请(专利权)人：六号元素英国有限公司，
类型：发明
国别省市：英国,GB