耐熱性金剛石復合燒結體及其制造方法技術

耐熱性金剛石復合燒結體，其特征在于，由平均粒徑２００ｎｍ或以下的超微粒合成金剛石粉末的燒結體構成，該燒結體是在沒有燒結助劑的情況下燒結、由金剛石結晶和生成的微量非金剛石碳構成的復合燒結體，其維氏硬度是８５ＧＰａ或以上。（*該技術在2023年保護過期，可自由使用*）

Heat resistant diamond composite sintered body and manufacturing method thereof

Heat resistant composite diamond sintered body, which is characterized in that is composed of an average diameter of 200nm or below the ultrafine particles of synthetic diamond powder sintered body, the sintered body is composite sintered body without sintering additives under the condition of sintering, composed of diamond and non diamond carbon micro crystal formation, its hardness is 85GPa or Vivtorinox above.

【技術實現步驟摘要】
【國外來華專利技術】
本專利技術涉及。
技術介紹
以往，人們已經知道使用通常的超高壓合成裝置可以制造以Co等金屬作為燒結助劑的金剛石燒結體以及以碳酸鹽作為燒結助劑的金剛石燒結體(專利文獻1和2)。另外，人們還知道，完全不使用金屬燒結助劑，而是用堿土金屬的碳酸鹽作為燒結助劑，在比以往更高的壓力和溫度條件下進行燒結，從而獲得耐熱性優異的高硬度金剛石燒結體的合成法(非專利文獻1)。但是，這些燒結體由于熔融碳酸鹽的粘性很高，因而其粒徑比較大，最小也只能限于大約5μm。本專利技術人曾經報導過，將作為CO2-H2O流體相的來源的草酸二水合物添加到碳酸鹽中，制成粉末混合物，在該粉末混合物上疊層粒徑范圍0-1μm的天然金剛石粉末，制造微粒金剛石燒結體的方法(專利文獻3和非專利文獻2、3)，但該制造方法需要2200℃或以上的高溫。另外，本專利技術人還曾報導過，采用同樣的方法燒結更微細的金剛石粉末，例如粒徑范圍0-0.1μm的金剛石粉末的實例(非專利文獻4)。但是，發生了金剛石的異常顆粒長大，無法制造高硬度金剛石燒結體。最近有報導指出，通過由石墨到金剛石的直接轉變反應，在12-25GPa和2000-2500℃的條件下，不使用燒結助劑合成金剛石燒結體，用這種方法可以形成透光性的燒結體(非專利文獻5)。專利文獻1特公昭52-12126號公報專利文獻2特公平4-50270號公報專利文獻3特開2002-187775號公報非專利文獻1Diamond and Related Mater.，vol.5，P34-37，ElsevierScience S.A，1996年非專利文獻2第41屆高壓討論會講演要旨集，第108頁，日本高壓力學會，2000年非專利文獻3Proceedings of the 8th NIRIM International Symposiumon Advanced Materials，P33-34，無機材質研究所，2001年非專利文獻4第42屆高壓討論會講演要旨集，第89頁，日本高壓力學會，2001年非專利文獻5T.Irifune et al.，“Characterization of polycrystallinediamonds synthesized by direct conversion of graphite using multi anvilapparatus”，6th High Pressure Mineral Physics Seminar，28 August，2002，Verbania，Italy專利技術概述在切削刀具領域中，不言而喻，作為高性能的刀具要求耐熱性高，以往要求專門使用單晶體的超精密加工刀具，此外，還要求即使作為珠寶飾品價值也很高的金剛石燒結體。特別是伴隨石油鉆探用的油井鉆頭以及汽車用特殊部件的切削加工的高速化，要求金剛石燒結體工具具有良好的耐熱性。以往，高硬度金剛石燒結體是在5.5-7.7GPa的超高壓條件下進行高壓、高溫燒結來制造的，在制造過程中，不論是金屬類的還是非金屬類，都使用燒結助劑。在使用這樣的燒結助劑制造金剛石燒結體的方法中，用于燒結助劑的物質在高壓、高溫燒結后以固體形態殘留在燒結體中，因而金剛石粒子之間的結合所占的比例減少。與完全不含有燒結助劑的理想的金剛石燒結體相比，這些燒結體的硬度降低，或者殘留在燒結體中的燒結助劑與金剛石發生化學反應，導致燒結體的性能降低。此外，合成完全不含有燒結助劑的燒結體需要非常高的壓力和溫度。如果使用由碳酸鹽-C-O-H液體相構成的燒結助劑，燒結粒徑范圍0-0.1μm的天然金剛石粉末，可以在7.7GPa、1700℃以上的條件下容易地合成在金剛石粒子之間均勻地分布有碳酸鹽的高硬度微粒金剛石燒結體(日本特愿2002-030863號＝日本特開2003-226578號公報)。為了降低以碳酸鹽作為燒結助劑來合成高硬度微粒金剛石燒結體的生產成本，本專利技術人曾經嘗試將平均粒徑100nm的經過氫終端處理的合成金剛石粉末疊層到由碳酸鹽-C-O-H液體相構成的燒結助劑上，在高壓和高溫條件下進行處理以合成金剛石燒結體。將回收的試樣破碎成層狀，碳酸鹽溶液浸滲至半途，由碳酸鹽-C-O-H液體相構成的燒結助劑未能均勻地溶浸至金剛石粉末中。對于造成這種現象的原因進行了分析，結果得出的結論是，由于合成金剛石粉末容易發生塑性變形，金剛石粉末粒子之間的空隙有一部分被壓垮，因而熔融燒結助劑不能均質地進行溶液浸滲。另外，本專利技術人還曾經在完全不使用燒結助劑的系統中，將粒徑范圍0-0.1μm的天然金剛石粉末在7.7GPa和2300℃的條件下進行15分鐘燒結處理，結果發現，由粒徑范圍0-0.1μm的天然金剛石粉末難以合成高硬度金剛石燒結體。本專利技術人使用平均粒徑200nm或以下的合成金剛石粉末作為起始物質，在與使用碳酸鹽等燒結助劑制造金剛石燒結體的高壓、高溫條件相同的制造條件下進行高壓、高溫燒結，結果出人意料地發現沒有發生上面所述的問題，成功地合成完全不含有燒結助劑的、由微細的粒子構成的耐熱性金剛石燒結體。而且，在用這種制造方法得到的燒結體中，不含有微量的非金剛石碳生成物，形成金剛石晶體與非金剛石碳的復合燒結體，使燒結體具有導電性。據推測，由于起始物料的金剛石粉末有一部分變成石墨，從而生成上述非金剛石碳。結果，賦予導電性，放電加工成為可能。此外，還具有以往的金剛石燒結體完全沒有的亮度和光澤。即，本專利技術是(1)耐熱性金剛石復合燒結體，其特征在于，由平均粒徑200nm或以下的超微粒合成金剛石粉末的燒結體構成，該燒結體是不用燒結助劑燒結、由金剛石晶體和生成的微量非金剛石碳構成的復合燒結體，其維氏硬度是85GPa或以上。(2)上述第(1)項所述的耐熱性金剛石復合燒結體的制造方法，其特征在于，將平均粒徑200nm或以下的合成金剛石粉末封入Ta或Mo制成的封殼中，使用超高壓合成裝置，在金剛石的熱力學穩定條件的2100℃或以上溫度和7.7GPa或以上的壓力下對該封殼進行加熱和加壓，燒結金剛石粉末。在金剛石粉末的粒徑大致相同的情況下進行比較時，合成金剛石粉末比天然金剛石粉末更容易發生塑性變形。起始的金剛石粉末的粒徑分布較小的粉末，與粒徑分布較大的粉末相比，粒子之間的空隙大小的分布比較小。因此，在金剛石粉末的粒徑大體上一定的情況下，如果使用平均粒徑盡可能小的合成金剛石粉末作為起始原料，金剛石粒子容易塑性變形，利用較小的金剛石粒子所固有的較大的表面能量作為驅動力，即使完全不使用燒結助劑也可以合成耐熱性金剛石復合燒結體。如果使用平均粒徑超過200nm的較大的合成金剛石粉末，則隨著金剛石粒子的粒徑增大，粒子的表面能減小，金剛石燒結體的合成變得困難。用本專利技術的制造方法合成的耐熱性金剛石燒結體，不僅可以在切削刀具領域中用于高性能的工具以及要求耐熱性的石油鉆頭等工業用途，而且，由于具有金剛石固有的高折射率，并且具有不使用燒結助劑的金剛石燒結體獨有的亮度，容易制造大型燒結體，因而預期還可以用于珠寶飾品等新的用途。本專利技術的制造方法，可以在與以碳酸鹽為燒結助劑的金剛石燒結體同等的壓力、溫度條件下制造，因而容易制造大型的燒結體。附圖說明圖1是示意表示在本專利技術的制造方法中在用于燒結金剛石粉末的燒結體合成用封殼中填充金剛石粉末的狀態的一個例子的剖視圖本文檔來自技高網...

【技術保護點】

【技術特征摘要】
【國外來華專利技術】

【專利技術屬性】
技術研發人員：赤石實，川村啟吾，
申請(專利權)人：獨立行政法人科學技術振興機構，獨立行政法人物質·材料研究機構，
類型：發明
國別省市：