[其他]金剛石表面金屬化的技術(shù)

在審

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 101985000000286
• 申請(qǐng)日: 1985-04-01
• 公開(kāi)（公告）號(hào): CN85100286B
• 公開(kāi)（公告）日: 1987-01-21
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 林增棟
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 林增棟
• 代理公司: 北京大學(xué)專利事務(wù)所
• 代理人: 陳美章

金剛石表面金屬化的技術(shù)。屬于金剛石顆粒及粉末包覆的技術(shù)領(lǐng)域。本發(fā)明采用沉積法、電鍍法或冶金化學(xué)包覆等方法，在金剛石表面上包金屬覆碳化物膜、合金層及電鍍金屬層三層不同結(jié)構(gòu)的覆層。解決了金剛石不能與一般低熔點(diǎn)合金粘結(jié)和浸潤(rùn)的困難。這種金屬化的金剛石可同一般金屬粉粒一樣保存和應(yīng)用，大幅度提高了金剛石工具的使用壽命，將開(kāi)拓出廣闊的應(yīng)用前景。

本發(fā)明屬于金剛石顆粒及粉末包覆的新技術(shù)領(lǐng)域。

我國(guó)天然金剛石產(chǎn)量有限，自從六十年代末及七十年代初，人造金剛石及其工具的研制作為國(guó)家重大新技術(shù)推廣以來(lái)，金剛石工具已在我國(guó)的許多工業(yè)部門廣泛應(yīng)用，成為重要的高效率工具。估算使用金剛石的年消耗量已超過(guò)300～400萬(wàn)克拉。

由于金剛石顆粒細(xì)小，一般工業(yè)用金剛石顆粒在0.1～5毫米之間。絕大部分金剛石工具需依靠金屬（或塑料等）為基體，將金剛石細(xì)粒粘合在一起而成為各種不同的金剛石工具，實(shí)現(xiàn)對(duì)工件的加工，由于金剛石與金屬的界面能很高，使得金剛石與一般金屬的浸潤(rùn)性及粘結(jié)能力很差，作為基體的金屬不能對(duì)金剛石有機(jī)的粘結(jié)，那么金剛石在使用過(guò)程中就易于脫落。如果我國(guó)每年投入200萬(wàn)克拉金剛石制造各種孕鑲金剛石工具，估算將有30%左右（60萬(wàn)克拉）稀缺又昂貴的金剛石將流失于金剛石鉆頭鉆進(jìn)的鉆井中，金剛石磨具的磨削、金剛石鋸片的開(kāi)料等工序中。這相當(dāng)于每年將有幾百萬(wàn)美元白白浪費(fèi)。

提高金屬合金對(duì)金剛石的粘結(jié)和浸潤(rùn)，一直為國(guó)內(nèi)外金剛石制造部門所重視。

1958年美國(guó)通用電器公司報(bào)導(dǎo)了用鈦的氫化物（TiH₂）加入到銀銅合金中。由于加熱，氫化物熱分解出原子態(tài)的鈦而實(shí)現(xiàn)對(duì)金剛石的焊接。有專利GB864420 1961，GB932739 1963將氫化鈦（或氫化鋯）或其涂添加入到低熔點(diǎn)合金中，用于金剛石工具的制造。但是這種方法隨著鈦、鋯原子析出的同時(shí)，氫氣伴隨而產(chǎn)生，這種細(xì)小的氫氣泡往往成為金屬基體對(duì)金剛石粘結(jié)的障礙。

而后出現(xiàn)了用鈦、鋯粉末制成的涂添，噴附于金剛石表面上，然后在10^-3～10^-5托高真空下與低熔點(diǎn)合金燒結(jié)，以實(shí)現(xiàn)基體對(duì)金剛石的焊接（6），但是對(duì)于細(xì)小金剛石，欲均勻涂覆0.2～0.3毫米厚的鈦粉是很難實(shí)現(xiàn)的，所以這個(gè)工藝沒(méi)有得到推廣應(yīng)用。

此后人們對(duì)含有鈦、鋯、鉻、釩的銅合金作了工作。研制成了一系列含有上述元素的銅、銀合金，在10^-3～10^-5托的高真空之下，這些合金對(duì)金剛石有良好的浸潤(rùn)性及粘結(jié)力，因而用到金剛石工具的制造之中（J.of Material Science，1975，Vol 10 P 1833）。但是這一系列的工作要求整個(gè)工件在高真空中制造，有很大的局限性。

在分析國(guó)內(nèi)外資料的基礎(chǔ)上，可以看到解決一般低熔點(diǎn)合金對(duì)金剛石的粘結(jié)能力，成為金剛石工具制造工藝的關(guān)鍵，是提高金剛石工具壽命的重要技術(shù)。1973年本人完成人造金剛石鉆頭研制后，開(kāi)展了金屬與金剛石粘結(jié)的研究。此后本人與合作者，利用快速加熱熱壓工藝，加鈦于銅基合金中，在非真空條件下實(shí)現(xiàn)對(duì)金剛石的粘結(jié)。另外，初步探明了加鈦的銅合金與金剛石粘結(jié)界面的微觀結(jié)構(gòu)。以上工作之綜合“金剛石粘結(jié)技術(shù)及應(yīng)用的研究”已于1983年底，由專家在北京鑒定，認(rèn)為該項(xiàng)工作“有科學(xué)及實(shí)用價(jià)值，填補(bǔ)了國(guó)內(nèi)的空白。”

但綜上所述的國(guó)內(nèi)外工作均有很大的局限性，其原因在于迄今為止，金剛石工具制造方法都是把金剛石、強(qiáng)碳化物生成元素以及其它合金粉末混合在一起。采用粉末冶金的方法，在相同條件下將它們粘結(jié)在一起制成工具。這必然會(huì)帶來(lái)一系列的缺點(diǎn)，例如：

1.加入的強(qiáng)碳化物生成元素鈦、鋯、鉻、釩等均是十分活潑的金屬。如鈦的安全燒結(jié)至少在10^-3托以上真空中，而且它易于氫化、氮化，無(wú)法使用保護(hù)氣氛。我們自己采用的快速熱壓法只適用于小尺寸金剛石工具的制造。象金剛石砂輪、鋸片、地質(zhì)鉆頭以至于大型石油鉆頭，若用熱壓，加熱時(shí)間至少需3～5分鐘，甚至半小時(shí)。這樣，在預(yù)熱過(guò)程中，鈦等活潑金屬的氧化則是不可避免的。