CN103752220A - 多晶金刚石 - Google Patents

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Sumitomo Electric Hardmetal Corp
Sumitomo Electric Industries Ltd
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Abstract

本发明的目的在于提供一种能用于多种用途的多晶金刚石，以及包含该多晶金刚石的水射流喷嘴、凹版印刷用刻针工具、刻图仪工具、金刚石切削工具和划线轮。本发明的这一目的是通过这样一种多晶金刚石来实现的，该多晶金刚石是在不需要加入烧结助剂或催化剂的条件下、通过在超高压和高温下对非金刚石碳进行转化和烧结而获得的一种多晶金刚石。该多晶金刚石的特征在于构成所述多晶金刚石的金刚石烧结颗粒的平均粒径大于50nm且小于2500nm，并且金刚石的纯度大于或等于99%，以及该金刚石的D90粒径小于或等于[（平均粒径+0.9×平均粒径）]。

Description

多晶金刚石
本申请是申请日为2009年2月5日、申请号为200980000366.6、发明名称为“多晶金刚石”的申请的分案申请。
技术领域
本发明涉及在不加入烧结助剂或催化剂的条件下、通过对非金刚石碳进行转化和烧结而获得的多晶金刚石。
背景技术
由于天然单晶金刚石和人造单晶金刚石具有优异的性能，因此它们已用于多种用途。包含单晶金刚石的工具为（例如）：水射流喷嘴（专利文献1）、凹版印刷用刻针（专利文献2和3）、刻图仪（专利文献4）、金刚石切削工具（专利文献5和6）、或者划线轮（专利文献7）。
然而，这种单晶金刚石还具有下列性能：其磨耗（不匀磨损）会随着金刚石的晶体取向的改变而发生变化。例如，(111)面和(100)面之间的磨耗量差别极大。因此，当使用工具时，应用于上述这些工具中的单晶金刚石在短时间内仅在特定平面方向上发生磨损，并且无法提供预计效果，这会造成问题。
单晶金刚石还具有沿(111)面发生解理的性能。因此，当单晶金刚石用于在使用时会受到应力作用的工具时，所述工具会发生断裂或破裂，这同样会造成问题。
为了解决单晶金刚石的不匀磨损性能和解理性能，可使用烧结金刚石。这种烧结金刚石是通过将金刚石颗粒与诸如钴之类的金属粘结剂在一起烧结而获得的，因此金属粘结剂便存在于金刚石颗粒之间。金属粘结剂的区域软于金刚石颗粒，因此会在短时间内被磨损。随着粘结剂含量的降低，金刚石颗粒会脱落，从而无法长时间稳定地提供所述效果。另外还存在这样的问题：在金属粘结剂的区域与被加工的金属材料之间会发生粘着损耗，因此不能进行长时间的加工。
为了解决由金属粘结剂引起的问题，可通过使用酸溶解金属粘结剂以除去金属粘结剂，从而制得不含粘结剂的烧结金刚石。然而，金属粘结剂的除去会降低金刚石颗粒间的粘结力，从而极易增加磨耗量。
对于不含金属粘结剂的多晶金刚石而言，存在一种通过化学气相沉积（CVD）法而获得的多晶金刚石。然而，这种多晶金刚石在颗粒间的粘结强度较小，因此具有磨耗量较大的问题。
下面，将对上述工具进行详细描述。
包含单晶金刚石的水射流喷嘴的问题在于：在使用一段时间后，不能继续达到目标切削宽度。
这是由如下机理造成的。在这种由单晶金刚石构成的喷嘴中，喷孔内表面中的金刚石晶体具有朝向周围方向的多种晶体取向。在使用的最初阶段呈圆柱形的喷嘴在易于发生磨耗的平面方向上短时间内发生磨耗。结果，喷嘴不再呈圆柱形，其内表面扩大为诸如六面体形之类的多面体形。
为了解决这种由不匀磨损导致的变形为多面体形的问题，可使用烧结金刚石（专利文献8）。然而，如上所述随着粘结剂含量的降低，会使金刚石颗粒脱落，从而使喷孔扩大。因此，存在无法长时间稳定地提供切削宽度的问题。尤其是，旨在提供更高的切削效率的水射流被设计为在高压下喷射出含有水和硬质颗粒（氧化铝等）的液体。因此便存在如下问题：软于金刚石颗粒的金属粘结剂的区域会在短时间内发生磨损，并且无法长时间稳定地提供切削宽度。
可使用下列方法将不含金属粘结剂的多晶金刚石覆盖于喷嘴的内表面上：通过上述CVD（化学气相沉积）法，在金属喷孔的内表面上覆盖上不含金属粘结剂的金刚石薄膜（专利文献9）。然而，这种金刚石薄膜的磨损寿命较短，并且颗粒间的粘结强度较低，因此具有磨损寿命短的问题。
另一实例为凹版印刷用刻针，其中天然单晶金刚石或人造单晶金刚石被用作刻针的材料（参见专利文献2和3）。然而，可能是由于这种金刚石具有解理的性能，因此存在这样的问题：在使用过程中，这种工具会在应力作用下发生断裂或破裂。由于其具有不匀磨损的性能，因此还存在如下问题：随着工具的使用，这种金刚石在短时间内仅在特定平面方向上发生磨损，因此造成不能进行长时间的加工的问题。
又一实例为包含单晶金刚石的刻图仪。例如，如专利文献4所示，利用多面体形单晶金刚石的多面体顶点（该顶点起到刀刃的作用）来对单晶基板、玻璃基板等进行划刻。通过下列方式制造这种由单晶金刚石构成的刻图仪：对单晶金刚石进行加工使得针对工件（其是待划刻的并且由诸如蓝宝石之类的单晶材料构成）最耐磨耗的(111)面特别置于与待划刻的工件平行对齐的方向上。
然而，如上所述，可能是由于单晶金刚石具有沿(111)面发生解理的性能，因此存在这样的问题：在用于划刻的面稍偏离(111)面时，由单晶金刚石构成的刻图仪便会发生断裂或者不匀磨损。
又一实例为金刚石切削工具，其中天然单晶金刚石或人造单晶金刚石被用作该工具的材料（参见专利文献5和6）。然而，如上所述，由于单晶金刚石具有解理性能和不匀磨损性能，因此这种由单晶金刚石构成的工具存在如下问题：在使用过程中，工具由于应力而发生断裂或破裂，随着工具的使用，该工具在短时间内仅在特定平面方向上发生磨损，并且不能进行长时间的加工。
又一实例为划线轮，其中单晶金刚石被用作该划线轮的材料。例如，如专利文献7所示，使用划线轮的V形刃（该刃起到切削刃的作用），在诸如液晶面板用玻璃之类的脆性材料中形成了刻划线。
然而，与其他工具一样，由于单晶金刚石的解理性能的问题，因此存在这样的问题：在使用过程中，由于应力所述划线轮会发生断裂或破裂。
由于不匀磨损的性能，因此随着工具的使用，这种工具在短时间内仅在特定平面方向上发生磨损，并且存在该工具不能长时间使用的问题。由单晶金刚石构成的划线轮具有V形刃，其中晶体具有沿圆周方向的多个晶体取向。因此，在使用初期呈正圆形的刃会在短时间内在易于磨损的平面方向上发生磨损，并且正圆形变形为多边形。因此，该划线轮便出现了不能继续滚动的问题。
为了解决上述各种工具中存在的解理性能和不匀磨损性能的问题，可将烧结金刚石压实体用作这些工具的材料，其中该压实体含有用作粘结剂的金属（专利文献7和10）。
然而，尽管使用了烧结金刚石，但是仍可能发生如下问题：含有钴等的金属粘结剂的区域软于金刚石颗粒，因此会在短时间内发生磨损，并且在金属粘结剂的区域与被加工的金属材料（如铜）之间会发生粘着损耗，因此不能进行长时间的加工。可通过使用酸溶解金属粘结剂来除去烧结金刚石压实体中的这种金属粘结剂。然而这会降低金刚石颗粒的粘结力，从而极易增加磨耗量。
通过CVD法制得且不含金属粘结剂的多晶金刚石在颗粒间具有较低的粘结强度，因而这种金刚石可能存在磨损寿命短的问题。
[专利文献1]日本未审查专利申请公开No.2000-061897
[专利文献2]日本未审查专利申请公开No.2006-123137
[专利文献3]日本未审查专利申请公开No.2006-518699
[专利文献4]日本未审查专利申请公开No.2005-289703
[专利文献5]日本未审查专利申请公开No.2004-181591
[专利文献6]日本未审查专利申请公开No.2003-025118
[专利文献7]日本未审查专利申请公开No.2007-031200
[专利文献8]日本未审查专利申请公开No.10-270407
[专利文献9]日本未审查专利申请公开No.2006-159348
[专利文献10]国际公开No.2003/051784
发明内容
本发明要解决的问题
鉴于上述问题，本发明的目的是提供一种适用于多种用途的多晶金刚石以及包含这种多晶金刚石的水射流喷嘴、凹版印刷用刻针、刻图仪、金刚石切削工具和划线轮。
具体而言，与含有单晶金刚石以及烧结金刚石压实体（其含有金属粘结剂）的常规工具相比，本发明的目的是提供长时间稳定地提供切削宽度的水射流喷嘴、能够长时间稳定地加工的凹版印刷用刻针、刻图仪、金刚石切削工具和划线轮。
解决问题的方法
为了解决上述问题，本发明的发明人进行了深入研究。最终，他们发现一种多晶金刚石有利地适用于多种用途，这种多晶金刚石不含诸如钴之类的金属粘结剂，其平均粒径大于50nm且小于2500nm，并且纯度大于或等于99%，并且烧结体的D90粒径小于或等于（平均粒径+0.9×平均粒径）。这样，他们完成了本发明。
具体而言，如下所述，本发明涉及多晶金刚石以及包含这种多晶金刚石、并且能够进行长时间稳定地加工的水射流喷嘴、凹版印刷用刻针、刻图仪、金刚石切削工具和划线轮。
<多晶金刚石>
（1）一种多晶金刚石，其是在未加入烧结助剂或催化剂的条件下、通过在超高压和高温下对非金刚石碳进行转化和烧结而获得的，其中构成所述多晶金刚石的烧结金刚石颗粒的平均粒径大于50nm且小于2500nm，并且纯度大于或等于99%，以及所述金刚石的D90粒径小于或等于（平均粒径+0.9×平均粒径）。
（2）根据上述第（1）项所述的多晶金刚石，其中所述烧结金刚石颗粒的D90粒径小于或等于（平均粒径+0.7×平均粒径）。
（3）根据上述第（1）项所述的多晶金刚石，其中所述烧结金刚石颗粒的D90粒径小于或等于（平均粒径+0.5×平均粒径）。
（4）根据上述第（1）至（3）项中任意一项所述的多晶金刚石，其中所述多晶金刚石的硬度大于或等于100GPa。
（5）根据上述第（1）至（4）项中任意一项所述的多晶金刚石，其中所述非金刚石碳为具有石墨型层结构的碳素材料。
<水射流喷嘴>
（6）一种水射流喷嘴（ワォータージェット用オリフィス），其包含根据上述第（1）至（5）项中任意一项所述的多晶金刚石。
（7）根据上述第（6）项所述的水射流喷嘴，其中在所述多晶金刚石中形成有供水射流流体通过的喷孔，该喷孔的内表面的表面粗糙度Ra小于或等于300nm。
（8）根据上述第（6）或（7）项所述的水射流喷嘴，其中在所述多晶金刚石中形成的所述喷孔的直径大于或等于10μm且小于或等于500μm。
（9）根据上述第（6）至（8）项中任意一项所述的水射流喷嘴，其中喷嘴的深度（オリフィス高さ）（L）与在所述多晶金刚石中形成的喷孔的直径（D）的比（L/D）为10至500。
（10）根据上述第（6）或（7）项所述的水射流喷嘴，其中在所述多晶金刚石中形成的所述喷孔的直径大于500μm且小于或等于5000μm。
（11）根据上述第（6）、（7）和（10）项中任意一项所述的水射流喷嘴，其中喷嘴的深度（L）与在所述多晶金刚石中形成的喷孔的直径（D）的比（L/D）为0.2至10。
<凹版印刷用刻针>
（12）一种凹版印刷用刻针，其包含根据上述第（1）至（5）项中任意一项所述的多晶金刚石。
<刻图仪>
（13）一种刻图仪，其包含根据上述第（1）至（5）项中任意一项所述的多晶金刚石。
（14）根据上述第（13）项所述的刻图仪，其中所述刻图仪顶端的切削面为包括三条或多条刃的多边形，并且所述多边形的部分刃或者全部刃被用作刀刃。
<金刚石切削工具>
（15）一种金刚石切削工具，其包含根据上述第（1）至（5）项中任意一项所述的多晶金刚石。
<划线轮>
（16）一种划线轮，其包含根据上述第（1）至（5）项中任意一项所述的多晶金刚石。
发明的效果
本发明的多晶金刚石不会发生不匀磨损，因而适用于多种用途。
与含有单晶金刚石以及烧结金刚石压实体（其含有金属粘结剂）的常规水射流喷嘴相比，本发明的水射流喷嘴能在长时间内稳定地提供切削宽度。
与含有单晶金刚石以及烧结金刚石压实体（其含有金属粘结剂）的常规工具相比，本发明的凹版印刷用刻针、刻图仪、金刚石切削工具和划线轮能进行长时间稳定地加工。
本发明的最佳实施方式
下面，将对本发明的多晶金刚石进行详细地描述。
本发明的多晶金刚石基本上为单相金刚石（纯度大于或等于99%），并且不含诸如钴之类的金属粘结剂。可在没有催化剂或溶剂的条件下、通过在超高压和高温（温度：1800℃至2600℃，压力：12GPa至25GPa）下，将诸如石墨、玻璃碳或无定形碳之类的非金刚石碳用作原料，将该非金刚石碳直接转化并同时烧结来获得这样的多晶金刚石。所得多晶金刚石不会发生在单晶中出现的不匀磨损。
需要注意的是，由用作原料的金刚石粉末或者石墨来制备多晶金刚石的方法是已知的。具体而言，由用作原料的金刚石粉末来制备多晶金刚石的方法、以及通过这些方法获得的多晶金刚石在如下参考文献1至4中有所披露。
[参考文献1]日本未审查专利申请公开No.2006-007677
[参考文献2]日本未审查专利申请公开No.2002-187775
[参考文献3]日本专利No.3855029
[参考文献4]日本未审查专利申请公开No.2004-168554
参考文献1披露了一种多晶金刚石，构成这种多晶金刚石的金刚石颗粒的平均粒径为80nm至1μm，这在本发明限定范围内。然而，参考文献1中所记载的多晶金刚石是通过参考文献2中所描述的方法获得的。参考文献2中记载多晶金刚石是通过如下方法制得的：将金刚石粉末与用作烧结助剂的碳酸盐一同进行烧结，并且烧结后所得的多晶金刚石中仍存留有碳酸盐。因此，参考文献1中所披露的多晶金刚石的结构不同于本发明的多晶金刚石的结构。
参考文献3中披露了另一种将金刚石粉末与烧结助剂一同进行烧结的方法。然而，参考文献3中记载了经IR谱确认，通过该方法获得的多晶金刚石中存留有部分的烧结助剂。因此，这种多晶金刚石的结构也不同于本发明的多晶金刚石的结构。参考文献4记载了参考文献2和3中的烧结体的硬度低于本发明的不含烧结助剂的烧结体的硬度。因此，参考文献4表明本发明的烧结体是优异的。
上述参考文献4还披露了一种未使用烧结助剂的多晶金刚石的制备方法。该方法使用金刚石微粉用作起始材料，并且所得烧结体的粒径小于或等于100nm，这在本发明所限定的范围内。然而，本发明中使用非金刚石碳作为起始材料。具体而言，当使用具有石墨型层结构的碳素材料作为起始材料时，多晶金刚石可具有被称作薄片状结构的特殊结构，而这种结构并不存在于参考文献4的多晶金刚石中。下述参考文献5记载了在具有薄片状结构的区域中，破裂的延伸得以抑制。这表明，与参考文献4中所记载的多晶金刚石相比，本发明的多晶金刚石更不易于发生断裂。
综上，本发明的多晶金刚石的结构完全不同于已公开的那些金刚石烧结体的结构，因此，本发明的多晶金刚石具有远远优于那些已公开的金刚石烧结体的力学特性。
下面是描述获得多晶金刚石的方法的参考文献的例子，其中与本发明一样，在未加入烧结助剂或催化剂的条件下、通过在12GPa或更高的超高压和2200℃或更高的高温下，将用作起始材料的非金刚石碳素材料转化并烧结。
[参考文献5]SEI Technical Review，165（2004）68（Sumiya等人）[参考文献6]日本未审查专利申请公开No.2007-22888
[参考文献7]日本未审查专利申请公开No.2003-292397
由通过上述参考文献5至7中所述方法获得的金刚石制成各种工具，并评价所得工具的性能。可能是由于参考文献5中所述金刚石含有直径为平均粒径的约10倍的异常生长的颗粒，并且参考文献6中所描述的金刚石含有由所添加的粗的原料转化得到的粗的金刚石颗粒，因此评价表明具有这种粗颗粒的部分磨损极快。
随后，对如何除去这种磨损极快的部分进行了深入研究，结果表明需要对构成多晶金刚石的烧结颗粒的直径分布进行控制。因此，那些在对粒径分布进行控制的条件下制得的各种工具不具有磨损极快的颗粒，并且显示了长时间的稳定性能。参考文献7中所记载的金刚石具有异常的颗粒生长，这可能是由于其制备方法与参考文献5中的方法类似。参考文献7中所记载的金刚石具有与参考文献5描述的类似的问题。
上述问题可通过使用这样的多晶金刚石而得以解决，其中构成所述多晶金刚石的烧结颗粒的平均粒径大于50nm且小于2500nm，并且纯度大于或等于99%，以及所述烧结体的D90粒径小于或等于（平均粒径+0.9×平均粒径）。这是由于通过使多晶金刚石的烧结颗粒的D90粒径小于或等于（平均粒径+0.9×平均粒径），异常磨损得以抑制。
本发明中的平均粒径是指通过透射电镜（TEM）而测定的数均粒径。可通过控制起始材料的粒径或烧结条件来控制平均粒径和D90粒径。
下面为满足上述多晶金刚石中的关系的平均粒径和D90粒径的具体数值。
例1：当平均粒径为60nm时，D90粒径小于或等于114nm。
例2：当平均粒径为100nm时，D90粒径小于或等于190nm。
例3：当平均粒径为500nm时，D90粒径小于或等于950nm。
D90粒径更优选为等于或小于（平均粒径+0.7×平均粒径），甚至更优选为等于或小于（平均粒径+0.5×平均粒径）。
当平均粒径小于或等于50nm、或者大于或等于2500nm时，硬度则低于100GPa，并且会在短时间内造成磨损，因此不能长时间稳定地获得切削宽度。
下面，将对本发明的水射流喷嘴进行详细地描述。
由于本发明的喷嘴材料为上述本发明的多晶金刚石，因此本发明的水射流喷嘴中不会发生在由单晶构成的喷嘴中所出现的不匀磨损。
本发明的发明人利用由上述参考文献5至7中的方法获得的金刚石来制备喷嘴，并测定这些喷嘴的切削宽度。测定结果表明，如上所述根据这些参考文献所获得的金刚石含有粗的颗粒，因而对应于这些粗的颗粒的部分磨损极快。在这种情况中，水射流溶剂（ワオータージェット溶媒）在该部分的的流速下降，并且流动方向发生改变。因此，存在如下问题：随着切削时间的流逝，切削宽度降低或增加，并且切削宽度不稳定，因而无法提供所需切削宽度。
本发明人发现，为了稳定地获得所需切削宽度，需要消除这种磨损极快的部分，这通过对烧结体的粒径分布加以控制来实现。具体而言，在由粒径分布得到控制的金刚石构成的喷嘴中，磨损极快的颗粒被除去，所述金刚石为本发明的多晶金刚石，其中该多晶金刚石的平均粒径大于50nm且小于2500nm，并且纯度大于或等于99%，以及所述烧结体的D90粒径小于或等于（平均粒径+0.9×平均粒径）。因此，使用这种喷嘴解决了上述问题，并且使用这种喷嘴可长时间稳定地提供所需的切削宽度。
用于本发明水射流喷嘴的多晶金刚石的平均粒径和D90粒径优选分别满足上述范围。
合人心意的是，根据水射流所用流体中所含的硬质颗粒的平均直径来选择烧结体的D90粒径。当硬质颗粒的平均直径基本上小于或等于烧结体结构的平均粒径时，无法长时间稳定地提供切削宽度。这是由于当硬质颗粒与烧结体结构发生碰撞时，其不是与烧结体颗粒的多个表面碰撞，而是仅与单一一个表面发生碰撞，当该表面具有易于磨损的晶体取向时，该颗粒磨损极快。基于这一原因，将构成喷嘴的烧结体的D90粒径选择为等于或小于硬质颗粒直径的1/10。
下述例子中的具体数值示出了这一情况。
例4：当硬质颗粒的直径为50μm时，D90小于或等于5μm。
构成水射流喷嘴的多晶金刚石的硬度优选大于或等于100GPa。当多晶金刚石的硬度小于100GPa时，喷嘴的寿命较短。
供水射流流体从中通过的喷孔的内表面的表面粗糙度Ra优选等于或小于300nm。当该表面粗糙度Ra大于300nm时，喷嘴的寿命较短。
当在多晶金刚石中形成的喷孔的直径大于或等于10μm且小于或等于500μm时，喷嘴的深度（L）与喷孔直径（D）的比（L/D）优选为10至500。
当在多晶金刚石中形成的喷孔的直径大于或等于500μm且小于或等于5000μm时，喷嘴深度（L）与喷孔直径（D）的比（L/D）优选为0.2至10。
下面，将对本发明的凹版印刷用刻针进行详细地描述。
由于本发明的凹版印刷用刻针的材料为上述本发明的多晶金刚石，因此本发明的凹版印刷用刻针不会发生在由单晶构成的刻针中所出现的不匀磨损。
本发明的发明人利用通过上述参考文献5至7中的方法获得的金刚石来制备刻针，并检查这些刻针的加工性。检查结果表明，如上所述根据这些参考文献所获得的金刚石含有粗的颗粒，因而对应于这些粗的颗粒的部分磨损极快。在这种情况中，存在如下问题：这些部分会在被加工的金属上造成不均匀的划痕，因而无法进行所需加工。
本发明人发现，为了进行所需稳定的加工，需要消除这种磨损极快的部分，这通过对烧结体的粒径分布加以控制来实现。因此制得这样的刻针，该刻针包含本发明的粒径分布得以控制的多晶金刚石。在该刻针中，磨损极快的颗粒被除去，并且使用该刻针会长时间获得所需稳定的加工。
本发明的多晶金刚石包含这样的烧结金刚石颗粒，该烧结金刚石颗粒的D90粒径小于或等于（平均粒径+0.9×平均粒径）。因此，可以抑制异常磨损。
构成凹版印刷用刻针的多晶金刚石的硬度优选大于或等于100GPa。当多晶金刚石的硬度小于100GPa时，该刻针的寿命较短。当平均粒径小于或等于50nm、或者大于或等于2500nm时，硬度则低于100GPa，这样会在短时间内造成磨损，从而无法进行长时间稳定的加工。
下面，将对本发明的刻图仪进行详细地描述。
由于本发明的刻图仪的材料为上述本发明的多晶金刚石，因此本发明的刻图仪不会发生在由单晶构成的刻图仪中所出现的不匀磨损。
上述参考文献1披露了一种由多晶金刚石构成的刻图仪，并且构成这种刻图仪的多晶金刚石的金刚石颗粒的平均粒径为80nm至1μm，这在本发明限定范围内。然而，如上所述，通过参考文献1（参考文献2）中的制法制得的多晶金刚石在烧结后含有残留的碳酸盐。因此，这种多晶金刚石的结构不同于本发明的多晶金刚石的结构。
本发明的发明人利用通过上述参考文献5至7中的方法获得的金刚石来制备刻图仪，并检查这些刻图仪的加工性。检查结果表明，如上所述通过这些参考文献所述的方法而获得的金刚石含有粗的颗粒，因而与这些粗的颗粒对应的部分磨损极快。
本发明人发现，为了进行所需稳定的加工，需要消除这种磨损极快的部分，这通过对烧结体的粒径分布加以控制来实现。因此制得这样的刻图仪，该刻图仪包含本发明的粒径分布得以控制的多晶金刚石。在该刻图仪中，磨损极快的颗粒被除去，并且使用该刻图仪会长时间获得所需稳定的加工。
构成刻图仪的多晶金刚石的硬度优选大于或等于100GPa。当平均粒径小于或等于50nm、或者大于或等于2500nm时，其硬度低于100GPa。当该硬度低于100GPa时会在短时间内造成磨损，从而无法长时间稳定地加工，刻图仪的寿命较短。
下面，将对本发明的金刚石切削工具进行详细地描述。
由于用作本发明的金刚石工具材料的多晶金刚石为上述本发明的多晶金刚石，因而该多晶金刚石基本上为单相金刚石（纯度大于或等于99%），并且不含诸如钴之类的金属粘结剂。因此，本发明的金刚石切削工具不会发生在由包含单晶的金刚石工具中所出现的不匀磨损。
本发明的发明人利用通过上述参考文献5至7中的方法获得的金刚石来制备金刚石工具，并检查这些工具的加工性。检查结果表明，如上所述通过这些参考文献所述的方法而获得的金刚石含有粗的颗粒，因而与这些粗的颗粒对应的部分磨损极快。在这种情况中，存在如下问题：这些部分会在被加工的金属中造成不均匀的划痕，因而无法进行所需加工。
本发明人发现，为了进行所需稳定的加工，需要消除这种磨损极快的部分，这通过对烧结体的粒径分布加以控制来实现。因此制得这样的金刚石工具，该金刚石工具包含本发明的粒径分布得以控制的多晶金刚石。在该工具中，磨损极快的颗粒被除去，并且使用该工具会长时间获得所需稳定的加工。
构成金刚石切削工具的多晶金刚石的硬度优选大于或等于100GPa。当多晶金刚石的硬度小于100GPa时会在短时间内造成磨损，因此无法长时间稳定地加工，且该金刚石工具的寿命较短。
因此，使多晶金刚石的烧结颗粒的平均粒径大于50nm且小于2500nm，并且其硬度大于或等于100GPa。当平均粒径小于或等于50nm、或者大于或等于2500nm时，所述硬度会低于100GPa。
使烧结体颗粒的D90粒径小于或等于（平均粒径+0.9×平均粒径），以抑制异常磨损。
下面，将对本发明的划线轮进行详细地描述。
由于用作本发明划线轮材料的多晶金刚石为上述本发明的多晶金刚石，因而该多晶金刚石基本上为单相金刚石（纯度大于或等于99%），并且不含诸如钴之类的金属粘结剂。因此，本发明的划线轮不会发生在包含单晶的划线轮中所出现的不匀磨损。
本发明的发明人利用通过上述参考文献5至7中的方法而获得的多晶金刚石来制备划线轮，并检查这些划线轮的加工性。检查结果表明，如上所述通过这些参考文献所述的方法而获得的金刚石含有粗的颗粒，因而与这些粗的颗粒对应的部分磨损极快。
本发明人发现，为了进行所需稳定的加工，需要消除这种磨损极快的部分，可通过对烧结体的粒径分布加以控制来实现。因此制得这样的划线轮，该划线轮包含本发明的粒径分布得以控制的多晶金刚石。在该划线轮中，磨损极快的颗粒被除去，并且使用该划线轮会长时间获得所需稳定的加工。
构成划线轮的多晶金刚石的硬度优选大于或等于100GPa。当平均粒径小于或等于50nm、或者大于或等于2500nm时，所述硬度低于100GPa。当该硬度低于100GPa时会在短时间内造成磨损，因此无法长时间稳定地加工，划线轮的寿命较短。
下面参照例子对本发明进行描述，其中本发明的多晶金刚石用作水射流喷嘴、凹版印刷用刻针、刻图仪、金刚石切削工具和划线轮的材料。
下面对实施例和对比例中所用的测量方法和评价方法进行描述。<平均粒径和D90粒径>
使用放大倍数为100,000至500,000的透射电镜，并在拍摄图像的基础上进行图像分析，从而获得烧制石墨材料中的石墨颗粒以及本发明多晶金刚石中的烧结金刚石颗粒的D50粒径（平均粒径）和D90粒径。
下面，将对该方法进行详细地描述。
首先，根据使用透射电镜拍摄的图像，来确定构成烧结体的晶体颗粒的直径的分布。具体而言，对颗粒进行取样并对取样的颗粒进行二值化处理，然后使用图像分析软件（例如，由Scion Corporation研发的Scion Image）计算各颗粒的面积（S）。将其面积与某一颗粒的面积相等的圆的直径（D=2√(S/π)），算做该颗粒的直径（D）。
然后，用数据分析软件（例如，由OriginLab Corporation研发的Origin、由Parametric Technology Corporation研发的Mathchad等）来处理这样获得的粒径分布，从而计算D50粒径和D90粒径。
下述实施例和对比例中所用的透射电镜为Hitachi,Ltd.制造的H-9000。
<硬度>
使用努氏压头在4.9N的测量负荷下来测量实施例和对比例中的硬度。
<表面粗糙度>
通过调节用于抛光喷孔内表面的抛光剂的颗粒直径来对喷孔内表面的表面粗糙度进行调节。使用接触式表面粗糙度测定仪，根据JISB0601来测量表面粗糙度。由于不能将测量探针插入喷孔内，因此按照相同工艺单独制备另一喷嘴，并将其切开以进行测量。
[实施例1]水射流喷嘴
下面将描述根据本发明实施方案的喷嘴的实施例。
实施例1-1至1-3是改变表面粗糙度的例子。实施例1-4至1-6是改变喷孔直径的例子。实施例1-7至1-12是改变平均粒径和D90粒径的例子。实施例1-13和1-14是同时增大平均粒径和喷孔直径的例子。
[实施例1-1]
制备平均粒径为100nm且D90粒径为180nm（其小于或等于(平均粒径+0.9×平均粒径)）的石墨，以将其作为用作金刚石原料的非金刚石碳。在金刚石是热力学稳定的压力条件下将该原料直接转化并烧结为金刚石。这样获得了平均粒径为200nm且D90粒径为370nm的多晶金刚石。这样获得的多晶金刚石的硬度极高，为110GPa。由该多晶材料制备喷嘴，该喷嘴的喷孔直径为200μm，喷嘴深度为5mm，并且喷孔表面的表面粗糙度Ra为290nm。评价该喷嘴的水射流切削性能。测定当喷孔直径扩大至300μm时所经历的切削时间，该时间长达160小时。为了进行对比，还同样评价了由晶体平均粒径为5μm的烧结金刚石（其含有钴粘结剂）制成的喷嘴的切削性能，该时间极短，为约50小时。
[实施例1-2]
制备平均粒径为100nm且D90粒径为180nm（其小于或等于(平均粒径+0.9×平均粒径)）的石墨，以将其作为用作金刚石原料的非金刚石碳。在金刚石是热力学稳定的压力条件下将该原料直接转化并烧结为金刚石。这样获得了平均粒径为200nm且D90粒径为370nm的多晶金刚石。这样获得的多晶金刚石的硬度极高，为110GPa。由该多晶材料制备喷嘴，该喷嘴的喷孔直径为200μm，喷嘴深度为5mm，并且喷孔表面的表面粗糙度Ra为50nm。评价该喷嘴的水射流切削性能。测定当喷孔直径扩大至300μm时所经历的切削时间，该时间长达240小时。为了进行对比，还同样评价了由晶体平均粒径为5μm的烧结金刚石（其含有钴粘结剂）制成的喷嘴的切削性能，该时间极短，为约70小时。
[实施例1-3]
制备平均粒径为100nm且D90粒径为180nm（其小于或等于(平均粒径+0.9×平均粒径)）的石墨，以将其作为用作金刚石原料的非金刚石碳。在金刚石是热力学稳定的压力条件下将该原料直接转化并烧结为金刚石。这样获得了平均粒径为200nm且D90粒径为370nm的多晶金刚石。这样获得的多晶金刚石的硬度极高，为110GPa。由该多晶材料制备喷嘴，该喷嘴的喷孔直径为200μm，喷嘴深度为5mm，并且喷孔表面的表面粗糙度Ra为5nm。评价该喷嘴的水射流切削性能。测定当喷孔直径扩大至300μm时所经历的切削时间，该时间长达520小时。为了进行对比，还评价了由晶体平均粒径为5μm的烧结金刚石（其含有钴粘结剂）构成的喷嘴的相同的切削性能，该时间极短，为约90小时。
[实施例1-4]
制备平均粒径为100nm且D90粒径为180nm（其小于或等于(平均粒径+0.9×平均粒径)）的石墨，以将其作为用作金刚石原料的非金刚石碳。在金刚石是热力学稳定的压力条件下将该原料直接转化并烧结为金刚石。这样获得了平均粒径为200nm且D90粒径为370nm的多晶金刚石。这样获得的多晶金刚石的硬度极高，为110GPa。由该多晶材料制备喷嘴，该喷嘴的喷孔直径为450μm，喷嘴深度为5mm，并且喷孔表面的表面粗糙度Ra为290nm。评价该喷嘴的水射流切削性能。测定当喷孔直径扩大至550μm时的切削时间，该时间长达165小时。为了进行对比，还同样评价了由晶体平均粒径为5μm的烧结金刚石（其含有钴粘结剂）构成的喷嘴的切削性能，该时间极短，为约55小时。
[实施例1-5]
制备平均粒径为100nm且D90粒径为180nm（其小于或等于(平均粒径+0.9×平均粒径)）的石墨，以将其作为用作金刚石原料的非金刚石碳。在金刚石是热力学稳定的压力条件下将该原料直接转化并烧结为金刚石。这样获得了平均粒径为200nm且D90粒径为370nm的多晶金刚石。这样获得的多晶金刚石的硬度极高，为110GPa。由该多晶材料制备喷嘴，该喷嘴的喷孔直径为50μm，喷嘴深度为5mm，并且喷孔表面的表面粗糙度Ra为290nm。评价该喷嘴的水射流切削性能。测定当喷孔直径扩大至100μm时所经历的切削时间，该时间长达210小时。为了进行对比，还同样评价了由晶体平均粒径为5μm的烧结金刚石（其含有钴粘结剂）构成的喷嘴的切削性能，该时间极短，为约75小时。
[实施例1-6]
制备平均粒径为100nm且D90粒径为180nm（其小于或等于(平均粒径+0.9×平均粒径)）的石墨，以将其作为用作金刚石原料的非金刚石碳。在金刚石是热力学稳定的压力条件下将该原料直接转化并烧结为金刚石。这样获得了平均粒径为200nm且D90粒径为370nm的多晶金刚石。这样获得的多晶金刚石的硬度极高，为110GPa。由该多晶材料制备喷嘴，该喷嘴的喷孔直径为15μm，喷嘴深度为7mm，并且喷孔表面的表面粗糙度Ra为290nm。评价该喷嘴的水射流切削性能。测定当喷孔直径扩大至30μm时所经历的切削时间，该时间长达230小时。为了进行对比，还同样评价了由晶体平均粒径为5μm的烧结金刚石（其含有钴粘结剂）构成的喷嘴的切削性能，该时间极短，为约80小时。
[实施例1-7]
制备平均粒径为110nm且D90粒径为175nm（其小于或等于(平均粒径+0.7×平均粒径)）的石墨，以将其作为用作金刚石原料的非金刚石碳。在金刚石是热力学稳定的压力条件下将该原料直接转化并烧结为金刚石。这样获得了平均粒径为230nm且D90粒径为380nm的多晶金刚石。这样获得的多晶金刚石的硬度极高，为115GPa。由该多晶材料制备喷嘴，该喷嘴的喷孔直径为200μm，喷嘴深度为5mm，并且喷孔表面的表面粗糙度Ra为280nm。评价该喷嘴的水射流切削性能。测定当喷孔直径扩大至300μm时所经历的切削时间，该时间长达180小时。
[实施例1-8]
制备平均粒径为95nm且D90粒径为135nm（其小于或等于(平均粒径+0.5×平均粒径)）的石墨，以将其作为用作金刚石原料的非金刚石碳。在金刚石是热力学稳定的压力条件下将该原料直接转化并烧结为金刚石。这样获得了平均粒径为180nm且D90粒径为260nm的多晶金刚石。这样获得的多晶金刚石的硬度极高，为125GPa。由该多晶材料制备喷嘴，该喷嘴的喷孔直径为200μm，喷嘴深度为5mm，并且喷孔表面的表面粗糙度Ra为280nm。评价该喷嘴的水射流切削性能。测定当喷孔直径扩大至300μm时所经历的切削时间，该时间长达210小时。
[实施例1-9]
制备平均粒径为30nm且D90粒径为40nm（其小于或等于(平均粒径+0.5×平均粒径)）的石墨，以将其作为用作金刚石原料的非金刚石碳。在金刚石是热力学稳定的压力条件下将该原料直接转化并烧结为金刚石。这样获得了平均粒径为55nm且D90粒径为80nm的多晶金刚石。这样获得的多晶金刚石的硬度极高，为105GPa。由该多晶材料制备喷嘴，该喷嘴的喷孔直径为200μm，喷嘴深度为5mm，并且喷孔表面的表面粗糙度Ra为250nm。评价该喷嘴的水射流切削性能。测定当喷孔直径扩大至200μm时所经历的切削时间，该时间长达130小时。
[实施例1-10]
制备平均粒径为30nm且D90粒径为40nm（其小于或等于(平均粒径+0.5×平均粒径)）的石墨，以将其作为用作金刚石原料的非金刚石碳。在金刚石是热力学稳定的压力条件下、在比实施例9中所用的时间更长的时间内直接将该原料转化并烧结为金刚石。这样获得了平均粒径为560nm且D90粒径为830nm的多晶金刚石。这样获得的多晶金刚石的硬度极高，为120GPa。由该多晶材料制备喷嘴，该喷嘴的喷孔直径为200μm，喷嘴深度为5mm，并且喷孔表面的表面粗糙度Ra为240nm。评价该喷嘴的水射流切削性能。测定当喷孔直径扩大至300μm时所经历的切削时间，该时间长达160小时。
[实施例1-11]
制备平均粒径为30nm且D90粒径为40nm（其小于或等于(平均粒径+0.5×平均粒径)）的石墨，以将其作为用作金刚石原料的非金刚石碳。在金刚石是热力学稳定的压力条件下、在比实施例9中所用的时间更长的时间内直接将该原料转化并烧结为金刚石。这样获得了平均粒径为1100nm且D90粒径为1600nm的多晶金刚石。这样获得的多晶金刚石的硬度极高，为112GPa。由该多晶材料制备喷嘴，该喷嘴的喷孔直径为200μm，喷嘴深度为5mm，并且喷孔表面的表面粗糙度Ra为250nm。评价该喷嘴的水射流切削性能。测定当喷孔直径扩大至300μm时所经历的切削时间，该时间长达150小时。
[实施例1-12]
制备平均粒径为30nm且D90粒径为40nm（其小于或等于(平均粒径+0.5×平均粒径)）的石墨，以将其作为用作金刚石原料的非金刚石碳。在金刚石是热力学稳定的压力条件下、在比实施例9中所用的时间更长的时间内直接将该原料转化并烧结为金刚石。这样获得了平均粒径为2400nm且D90粒径为3500nm的多晶金刚石。这样获得的多晶金刚石的硬度极高，为102GPa。由该多晶材料制备喷嘴，该喷嘴的喷孔直径为200μm，喷嘴深度为5mm，并且喷孔表面的表面粗糙度Ra为270nm。评价该喷嘴的水射流切削性能。测定当喷孔直径扩大至300μm时所经历的切削时间，该时间长达110小时。
[实施例1-13]
制备平均粒径为30nm且D90粒径为40nm（其小于或等于(平均粒径+0.5×平均粒径)）的石墨，以将其作为用作金刚石原料的非金刚石碳。在金刚石是热力学稳定的压力条件下、在比实施例9中所用的时间更长的时间内直接将该原料转化并烧结为金刚石。这样获得了平均粒径为2400nm且D90粒径为3500nm的多晶金刚石。这样获得的多晶金刚石的硬度极高，为102GPa。由该多晶材料制备喷嘴，该喷嘴的喷孔直径为1500μm，喷嘴深度为5mm，并且喷孔表面的表面粗糙度Ra为270nm。评价该喷嘴的水射流切削性能。测定当喷孔直径扩大至2000μm时所经历的切削时间，该时间长达210小时。
[实施例1-14]
制备平均粒径为30nm且D90粒径为40nm（其小于或等于(平均粒径+0.5×平均粒径)）的石墨，以将其作为用作金刚石原料的非金刚石碳。在金刚石是热力学稳定的压力条件下、在比实施例9中所用的时间更长的时间内直接将该原料转化并烧结为金刚石。这样获得了平均粒径为2400nm且D90粒径为3500nm的多晶金刚石。这样获得的多晶金刚石的硬度极高，为102GPa。由该多晶材料制备喷嘴，该喷嘴的喷孔直径为3500μm，喷嘴深度为0.7mm，并且喷孔表面的表面粗糙度Ra为270nm。评价该喷嘴的水射流切削性能。测定当喷孔直径扩大至4500μm时所经历的切削时间，该时间长达160小时。
[对比例1-1]
制备平均粒径为100nm且D90粒径为180nm（其小于或等于(平均粒径+0.9×平均粒径)）的石墨，以将其作为用作金刚石原料的非金刚石碳。在金刚石是热力学稳定的压力条件下将该原料直接转化并烧结为金刚石。这样获得了平均粒径为200nm且D90粒径为370nm的多晶金刚石。这样获得的多晶金刚石的硬度极高，为110GPa。由该多晶材料制备喷嘴，该喷嘴的喷孔直径为200μm，喷嘴深度为5mm，并且喷孔表面的表面粗糙度Ra为350nm。评价该喷嘴的水射流切削性能。测定当喷孔直径扩大至300μm时所经历的切削时间，该时间较短，为95小时。
[对比例1-2]
制备平均粒径为100nm且D90粒径为210nm（其约为(平均粒径+1.1×平均粒径)）的石墨，以将其作为用作金刚石原料的非金刚石碳。在金刚石是热力学稳定的压力条件下将该原料直接转化并烧结为金刚石。这样获得了平均粒径为200nm且D90粒径为400nm的多晶金刚石。这样获得的多晶金刚石的硬度极高，为112GPa。由该多晶材料制备喷嘴，该喷嘴的喷孔直径为200μm，喷嘴深度为5mm，并且喷孔表面的表面粗糙度Ra为290nm。评价该喷嘴的水射流切削性能。测定当喷孔直径扩大至300μm时所经历的切削时间，该时间较短，为90小时。
[对比例1-3]
制备平均粒径为20nm且D90粒径为37nm（其约等于(平均粒径+0.9×平均粒径)）的石墨，以将其作为用作金刚石原料的非金刚石碳。在金刚石是热力学稳定的压力条件下将该原料直接转化并烧结为金刚石。这样获得了平均粒径为45nm且D90粒径为80nm的多晶金刚石。这样获得的多晶金刚石的硬度为95GPa，因而该多晶金刚石有点软。由该多晶材料制备喷嘴，该喷嘴的喷孔直径为200μm，喷嘴深度为5mm，并且喷孔表面的表面粗糙度Ra为250nm。评价该喷嘴的水射流切削性能。测定当喷孔直径扩大至300μm时所经历的切削时间，该时间较短，为80小时。
[对比例1-4]
制备平均粒径为100nm且D90粒径为180nm（其约等于(平均粒径+0.9×平均粒径)）的石墨，以将其作为用作金刚石原料的非金刚石碳。在长时间内金刚石是热力学稳定的压力条件下将该原料直接转化并烧结为金刚石。这样获得了平均粒径为2700nm且D90粒径为3900nm的多晶金刚石。这样获得的多晶金刚石的硬度为91GPa，因而该多晶金刚石有点软。由该多晶材料制备喷嘴，该喷嘴的喷孔直径为200μm，喷嘴深度为5mm，并且喷孔表面的表面粗糙度Ra为240nm。评价该喷嘴的水射流切削性能。测定当喷孔直径扩大至300μm时所经历的切削时间，该时间较短，为85小时。
表Ⅰ示出了上述实施例和对比例中多晶金刚石的烧结颗粒的平均粒径、D90粒径、系数（K）、硬度以及磨损寿命方面的数值。需要注意的是，系数（K）由下列方程式（1）进行定义。
D90粒径=平均粒径+平均粒径×K…（1）
[表Ⅰ]
Figure BDA0000454994030000221
[实施例2]凹版印刷用刻针
下面将对本发明和对比例的凹版印刷用刻针的实例进行描述。
下面将对刻针的耐磨性的评价方法进行描述。
<耐磨性评价>
由所获得的多晶金刚石制备夹角为120°的刻针。以8kHz的频率驱动该刻针，用该刻针对铜工件进行加工，并测定当一侧刃线部分的磨损深度增至10μm时所经历的加工时间。将该加工时间定义为刻针的磨损寿命，并在此基础上对刻针的耐磨性进行评价。
[实施例2-1]
制备平均粒径为100nm且D90粒径为180nm（其小于或等于(平均粒径+0.9×平均粒径)）的石墨，以将其作为用作金刚石原料的非金刚石碳。在金刚石是热力学稳定的压力条件下将该原料直接转化并烧结为金刚石。这样获得了平均粒径为200nm且D90粒径为370nm的多晶金刚石。这样获得的多晶金刚石的硬度极高，为110GPa。由该多晶金刚石制得的刻针具有长达240小时的磨损寿命。为了进行对比，还同样评价由单晶金刚石构成的刻针的加工性能，其加工时间极短，为约60小时。
[实施例2-2]
制备平均粒径为110nm且D90粒径为175nm（其小于或等于(平均粒径+0.7×平均粒径)）的石墨，以将其作为用作金刚石原料的非金刚石碳。在金刚石是热力学稳定的压力条件下将该原料直接转化并烧结为金刚石。这样获得了平均粒径为230nm且D90粒径为380nm的多晶金刚石。这样获得的多晶金刚石的硬度极高，为115GPa。由该多晶金刚石制得的刻针具有长达280小时的磨损寿命。
[实施例2-3]
制备平均粒径为95nm且D90粒径为135nm（其小于或等于(平均粒径+0.5×平均粒径)）的石墨，以将其作为用作金刚石原料的非金刚石碳。在金刚石是热力学稳定的压力条件下将该原料直接转化并烧结为金刚石。这样获得了平均粒径为180nm且D90粒径为260nm的多晶金刚石。这样获得的多晶金刚石的硬度极高，为125GPa。由该多晶金刚石制得的刻针具有长达320小时的磨损寿命。
[实施例2-4]
制备平均粒径为30nm且D90粒径为40nm（其小于或等于(平均粒径+0.5×平均粒径)）的石墨，以将其作为用作金刚石原料的非金刚石碳。在金刚石是热力学稳定的压力条件下将该原料直接转化并烧结为金刚石。这样获得了平均粒径为55nm且D90粒径为80nm的多晶金刚石。这样获得的多晶金刚石的硬度极高，为105GPa。由这样获得的多晶金刚石制备夹角为120°的刻针。由该多晶金刚石制得的刻针具有长达200小时的磨损寿命。
[实施例2-5]
制备平均粒径为30nm且D90粒径为40nm（其小于或等于(平均粒径+0.5×平均粒径)）的石墨，以将其作为用作金刚石原料的非金刚石碳。在金刚石是热力学稳定的压力条件下、在比实施例4中所用时间更长的时间内直接将该原料转化并烧结为金刚石。这样获得了平均粒径为560nm且D90粒径为830nm的多晶金刚石。这样获得的多晶金刚石的硬度极高，为120GPa。由该多晶金刚石制得的刻针具有长达180小时的磨损寿命。
[实施例2-6]
制备平均粒径为30nm且D90粒径为40nm（其小于或等于(平均粒径+0.5×平均粒径)）的石墨，以将其作为用作金刚石原料的非金刚石碳。在金刚石是热力学稳定的压力条件下、在比实施例5中所用时间更长的时间内直接将该原料转化并烧结为金刚石。这样获得了平均粒径为1100nm且D90粒径为1600nm的多晶金刚石。这样获得的多晶金刚石的硬度极高，为112GPa。由该多晶金刚石制得的刻针具有长达170小时的磨损寿命。
[实施例2-7]
制备平均粒径为30nm且D90粒径为40nm（其小于或等于(平均粒径+0.5×平均粒径)）的石墨，以将其作为用作金刚石原料的非金刚石碳。在金刚石是热力学稳定的压力条件下、在比实施例6中所用时间更长的时间内直接将该原料转化并烧结为金刚石。这样获得了平均粒径为2400nm且D90粒径为3500nm的多晶金刚石。这样获得的多晶金刚石的硬度极高，为102GPa。由该多晶金刚石制得的刻针具有长达150小时的磨损寿命。
[对比例2-1]
制备平均粒径为100nm且D90粒径为210nm（其小于或等于(平均粒径+1.1×平均粒径)）的石墨，以将其作为用作金刚石原料的非金刚石碳。在金刚石是热力学稳定的压力条件下将该原料直接转化并烧结为金刚石。这样获得了平均粒径为200nm且D90粒径为400nm的多晶金刚石。这样获得的多晶金刚石的硬度极高，为112GPa。由该多晶金刚石制得的刻针的磨损寿命较短，为90小时。
[对比例2-2]
制备平均粒径为20nm且D90粒径为37nm（其小于或等于(平均粒径+0.9×平均粒径)）的石墨，以将其作为用作金刚石原料的非金刚石碳。在金刚石是热力学稳定的压力条件下将该原料直接转化并烧结为金刚石。这样获得了平均粒径为45nm且D90粒径为80nm的多晶金刚石。这样获得的多晶金刚石的硬度为95GPa，因而该多晶金刚石有点软。由该多晶金刚石制得的刻针的磨损寿命较短，为85小时。[对比例2-3]
制备平均粒径为100nm且D90粒径为180nm（其小于或等于(平均粒径+0.9×平均粒径)）的石墨，以将其作为用作金刚石原料的非金刚石碳。在金刚石是热力学稳定的压力条件下将该原料直接转化并烧结为金刚石。这样获得了平均粒径为2700nm且D90粒径为3900nm的多晶金刚石。这样获得的多晶金刚石的硬度为91GPa，因而该多晶金刚石有点软。由该多晶金刚石制得的刻针的磨损寿命较短，为70小时。
[对比例2-4]
用单晶金刚石作为原料来制备刻针，并按照与实施例1相同的方式测试其耐磨性，该刻针的磨损寿命为60小时。
表Ⅱ示出了上述实施例和对比例中多晶金刚石的烧结颗粒的平均粒径、D90粒径、系数（K）、硬度以及磨损寿命方面的数值。需要注意的是，系数（K）由上述方程式（1）进行定义。
[表Ⅱ]
Figure BDA0000454994030000261
[实施例3]刻图仪
下面将对本发明以及对比例的刻图仪的实例进行描述。
下面将对刻图仪的耐磨性的评价方法进行描述。
<耐磨性评价>
用所获得的多晶材料制备4点式刻图仪，并对其进行磨损测试，其中在负荷为50g、划刻速度为1cm/分钟、划刻距离为1m的条件下，用该刻图仪对蓝宝石基板进行划刻。根据测试中的磨耗量来评价刻图仪的耐磨性。
[实施例3-1]
制备平均粒径为100nm且D90粒径为180nm（其小于或等于(平均粒径+0.9×平均粒径)）的石墨，以将其作为用作金刚石原料的非金刚石碳。在金刚石是热力学稳定的压力条件下将该原料直接转化并烧结为金刚石。这样获得了平均粒径为200nm且D90粒径为370nm的多晶金刚石。这样获得的多晶金刚石的硬度极高，为110GPa。由该多晶金刚石制得的刻图仪的磨耗量极低，约为由单晶金刚石构成的刻图仪的磨耗量的1/70。
[实施例3-2]
制备平均粒径为110nm且D90粒径为175nm（其小于或等于(平均粒径+0.7×平均粒径)）的石墨，以将其作为用作金刚石原料的非金刚石碳。在金刚石是热力学稳定的压力条件下将该原料直接转化并烧结为金刚石。这样获得了平均粒径为230nm且D90粒径为380nm的多晶金刚石。这样获得的多晶金刚石的硬度极高，为115GPa。由该多晶金刚石制得的刻图仪的磨耗量极低，约为由单晶金刚石构成的刻图仪的磨耗量的1/80。
[实施例3-3]
制备平均粒径为95nm且D90粒径为135nm（其小于或等于(平均粒径+0.5×平均粒径)）的石墨，以将其作为用作金刚石原料的非金刚石碳。在金刚石是热力学稳定的压力条件下将该原料直接转化并烧结为金刚石。这样获得了平均粒径为180nm且D90粒径为260nm的多晶金刚石。这样获得的多晶金刚石的硬度极高，为125GPa。由该多晶金刚石制得的刻图仪的磨耗量极低，约为由单晶金刚石构成的刻图仪的磨耗量的1/90。
[实施例3-4]
制备平均粒径为30nm且D90粒径为40nm（其小于或等于(平均粒径+0.5×平均粒径)）的石墨，以将其作为用作金刚石原料的非金刚石碳。在金刚石是热力学稳定的压力条件下将该原料直接转化并烧结为金刚石。这样获得了平均粒径为55nm且D90粒径为80nm的多晶金刚石。这样获得的多晶金刚石的硬度极高，为105GPa。由该多晶金刚石制得的刻图仪的磨耗量极低，约为由单晶金刚石构成的刻图仪的磨耗量的1/60。
[实施例3-5]
制备平均粒径为30nm且D90粒径为40nm（其小于或等于(平均粒径+0.5×平均粒径)）的石墨，以将其作为用作金刚石原料的非金刚石碳。在金刚石是热力学稳定的压力条件下、在比实施例4中所用时间更长的时间内直接将该原料转化并烧结为金刚石。这样获得了平均粒径为560nm且D90粒径为830nm的多晶金刚石。这样获得的多晶金刚石的硬度极高，为120GPa。由该多晶金刚石制得的刻图仪的磨耗量极低，约为由单晶金刚石构成的刻图仪的磨耗量的1/50。
[实施例3-6]
制备平均粒径为30nm且D90粒径为40nm（其小于或等于(平均粒径+0.5×平均粒径)）的石墨，以将其作为用作金刚石原料的非金刚石碳。在金刚石是热力学稳定的压力条件下、在比实施例5中所用时间更长的时间内直接将该原料转化并烧结为金刚石。这样获得了平均粒径为1100nm且D90粒径为1600nm的多晶金刚石。这样获得的多晶金刚石的硬度极高，为112GPa。由该多晶金刚石制得的刻图仪的磨耗量极低，约为由单晶金刚石构成的刻图仪的磨耗量的1/50。
[实施例3-7]
制备平均粒径为30nm且D90粒径为40nm（其小于或等于(平均粒径+0.5×平均粒径)）的石墨，以将其作为用作金刚石原料的非金刚石碳。在金刚石是热力学稳定的压力条件下、在比实施例6中所用时间更长的时间内直接将该原料转化并烧结为金刚石。这样获得了平均粒径为2400nm且D90粒径为3500nm的多晶金刚石。这样获得的多晶金刚石的硬度极高，为102GPa。由该多晶金刚石制得的刻图仪的磨耗量极低，约为由单晶金刚石构成的刻图仪的磨耗量的1/40。
[对比例3-1]
制备平均粒径为100nm且D90粒径为210nm（其小于或等于(平均粒径+1.1×平均粒径)）的石墨，以将其作为用作金刚石原料的非金刚石碳。在金刚石是热力学稳定的压力条件下将该原料直接转化并烧结为金刚石。这样获得了平均粒径为200nm且D90粒径为400nm的多晶金刚石。这样获得的多晶金刚石的硬度极高，为112GPa。由该多晶金刚石制得的刻图仪的磨耗量约为由单晶金刚石构成的刻图仪的磨耗量的1/4。
[对比例3-2]
制备平均粒径为20nm且D90粒径为37nm（其小于或等于(平均粒径+0.9×平均粒径)）的石墨，以将其作为用作金刚石原料的非金刚石碳。在金刚石是热力学稳定的压力条件下将该原料直接转化并烧结为金刚石。这样获得了平均粒径为45nm且D90粒径为80nm的多晶金刚石。这样获得的多晶金刚石的硬度为95GPa，因而该多晶金刚石有点软。由该多晶金刚石制得的刻图仪的磨耗量约为由单晶金刚石构成的刻图仪的磨耗量的1/3。
[对比例3-3]
制备平均粒径为100nm且D90粒径为180nm（其小于或等于(平均粒径+0.9×平均粒径)）的石墨，以将其作为用作金刚石原料的非金刚石碳。在金刚石是热力学稳定的压力条件下将该原料直接转化并烧结为金刚石。这样获得了平均粒径为2700nm且D90粒径为3900nm的多晶金刚石。这样获得的多晶金刚石的硬度为91GPa，因而该多晶金刚石有点软。由该多晶金刚石制得的刻图仪的磨耗量约为由单晶金刚石构成的刻图仪的磨耗量的1/2。
表Ⅲ示出了上述实施例和对比例中多晶金刚石的烧结颗粒的平均粒径、D90粒径、系数（K）、硬度以及磨耗量方面的数值。需要注意的是，系数（K）由上述方程式（1）进行定义。
[表Ⅲ]
Figure BDA0000454994030000291
[实施例4]金刚石切削工具
下面将对根据本发明实施方案的金刚石切削工具的实例进行描述。
下面将对金刚石切削工具的耐磨性的评价方法进行描述。
<耐磨性评价（工具寿命）>
由实施例和对比例中获得的多晶金刚石制备刃夹角为90°、刃R为100nm的切削工具，并利用这些切削工具在金属板上形成深5μm、间距为5μm的凹槽，其中所述金属板为其上镀覆有镍的铜板。根据切削工具的刃被磨损到剩约1μm时所经历的时间（工具寿命），来对切削工具的耐磨性进行评价。
[实施例4-1]
制备平均粒径为100nm且D90粒径为180nm（其小于或等于(平均粒径+0.9×平均粒径)）的石墨，以将其作为用作金刚石原料的非金刚石碳。在金刚石是热力学稳定的压力条件下将该原料直接转化并烧结为金刚石。这样获得了平均粒径为200nm且D90粒径为370nm的多晶金刚石。这样获得的多晶金刚石的硬度极高，为110GPa。由该多晶金刚石制得的切削工具具有极长的工具寿命，工具寿命为15小时。
[实施例4-2]
制备平均粒径为110nm且D90粒径为175nm（其小于或等于(平均粒径+0.7×平均粒径)）的石墨，以将其作为用作金刚石原料的非金刚石碳。在金刚石是热力学稳定的压力条件下将该原料直接转化并烧结为金刚石。这样获得了平均粒径为230nm且D90粒径为380nm的多晶金刚石。这样获得的多晶金刚石的硬度极高，为115GPa。由该多晶金刚石制得的切削工具具有极长的工具寿命，工具寿命为18小时。
[实施例4-3]
制备平均粒径为95nm且D90粒径为135nm（其小于或等于(平均粒径+0.5×平均粒径)）的石墨，以将其作为用作金刚石原料的非金刚石碳。在金刚石是热力学稳定的压力条件下将该原料直接转化并烧结为金刚石。这样获得了平均粒径为180nm且D90粒径为260nm的多晶金刚石。这样获得的多晶金刚石的硬度极高，为125GPa。由该多晶金刚石制得的切削工具具有极长的工具寿命，工具寿命为20小时。
[实施例4-4]
制备平均粒径为30nm且D90粒径为40nm（其小于或等于(平均粒径+0.5×平均粒径)）的石墨，以将其作为用作金刚石原料的非金刚石碳。在金刚石是热力学稳定的压力条件下将该原料直接转化并烧结为金刚石。这样获得了平均粒径为55nm且D90粒径为80nm的多晶金刚石。这样获得的多晶金刚石的硬度极高，为105GPa。由该多晶金刚石制得的切削工具具有极长的工具寿命，工具寿命为13小时。
[实施例4-5]
制备平均粒径为30nm且D90粒径为40nm（其小于或等于(平均粒径+0.5×平均粒径)）的石墨，以将其作为用作金刚石原料的非金刚石碳。在金刚石是热力学稳定的压力条件下、在比实施例4中所用时间更长的时间内直接将该原料转化并烧结为金刚石。这样获得了平均粒径为560nm且D90粒径为830nm的多晶金刚石。这样获得的多晶金刚石的硬度极高，为120GPa。由该多晶金刚石制得的切削工具具有极长的工具寿命，工具寿命为11小时。
[实施例4-6]
制备平均粒径为30nm且D90粒径为40nm（其小于或等于(平均粒径+0.5×平均粒径)）的石墨，以将其作为用作金刚石原料的非金刚石碳。在金刚石是热力学稳定的压力条件下、在比实施例5中所用时间更长的时间内直接将该原料转化并烧结为金刚石。这样获得了平均粒径为1100nm且D90粒径为1600nm的多晶金刚石。这样获得的多晶金刚石的硬度极高，为112GPa。由该多晶金刚石制得的切削工具具有极长的工具寿命，工具寿命为10小时。
[实施例4-7]
制备平均粒径为30nm且D90粒径为40nm（其小于或等于(平均粒径+0.5×平均粒径)）的石墨，以将其作为用作金刚石原料的非金刚石碳。在金刚石是热力学稳定的压力条件下、在比实施例6中所用时间更长的时间内直接将该原料转化并烧结为金刚石。这样获得了平均粒径为2400nm且D90粒径为3500nm的多晶金刚石。这样获得的多晶金刚石的硬度极高，为102GPa。由该多晶金刚石制得的切削工具具有极长的工具寿命，工具寿命为9小时。
[对比例4-1]
制备平均粒径为100nm且D90粒径为210nm（其小于或等于(平均粒径+1.1×平均粒径)）的石墨，以将其作为用作金刚石原料的非金刚石碳。在金刚石是热力学稳定的压力条件下将该原料直接转化并烧结为金刚石。这样获得了平均粒径为200nm且D90粒径为400nm的多晶金刚石。这样获得的多晶金刚石的硬度极高，为112GPa。由该多晶金刚石制得的切削工具的工具寿命为6小时。
[对比例4-2]
制备平均粒径为20nm且D90粒径为37nm（其小于或等于(平均粒径+0.9×平均粒径)）的石墨，以将其作为用作金刚石原料的非金刚石碳。在金刚石是热力学稳定的压力条件下将该原料直接转化并烧结为金刚石。这样获得了平均粒径为45nm且D90粒径为80nm的多晶金刚石。这样获得的多晶金刚石的硬度为95GPa，因而该多晶金刚石有点软。由该多晶金刚石制得的切削工具的工具寿命为5小时。
[对比例4-3]
制备平均粒径为100nm且D90粒径为180nm（其小于或等于(平均粒径+0.9×平均粒径)）的石墨，以将其作为用作金刚石原料的非金刚石碳。在金刚石是热力学稳定的压力条件下将该原料直接转化并烧结为金刚石。这样获得了平均粒径为2700nm且D90粒径为3900nm的多晶金刚石。这样获得的多晶金刚石的硬度为91GPa，因而该多晶金刚石有点软。由该多晶金刚石制得的切削工具的工具寿命为4小时。
[对比例4-4]
用单晶金刚石作为原料来制备工具，并按照与实施例1相同的方式测试其耐磨性，该工具的工具寿命为3小时。
表Ⅳ示出了上述实施例和对比例中多晶金刚石的烧结颗粒的平均粒径、D90粒径、系数（K）、硬度以及工具寿命方面的数值。需要注意的是，系数（K）由上述方程式（1）进行定义。
[表Ⅳ]
Figure BDA0000454994030000331
[实施例5]划线轮
下面将对根据本发明实施方案的划线轮的实例进行描述。
下面将对划线轮的划刻性能的评价方法进行描述。
<划刻性能评价>
由实施例和对比例中所获得的多晶金刚石制备这样的划线轮，该划线轮的直径为3mm、厚度为0.8mm、并且刃夹角为120°。用这些划线轮对玻璃基板进行划刻，并通过测定划刻距离来评价划线轮的划刻性能。
[实施例5-1]
制备平均粒径为100nm且D90粒径为180nm（其小于或等于(平均粒径+0.9×平均粒径)）的石墨，以将其作为金刚石原料。在金刚石是热力学稳定的压力条件下将该原料直接转化并烧结为金刚石。这样获得了平均粒径为200nm且D90粒径为370nm的多晶金刚石。这样获得的多晶金刚石的硬度极高，为110GPa。评价所得多晶材料的划刻性。最终，利用该多晶金刚石获得了长达约300km的划刻距离。
[实施例5-2]
制备平均粒径为110nm且D90粒径为175nm（其小于或等于(平均粒径+0.7×平均粒径)）的石墨，以将其作为金刚石原料。在金刚石是热力学稳定的压力条件下将该原料直接转化并烧结为金刚石。这样获得了平均粒径为230nm且D90粒径为380nm的多晶金刚石。这样获得的多晶金刚石的硬度极高，为115GPa。评价所得多晶材料的划刻性。最终，利用该多晶金刚石获得了长达约350km的划刻距离。
[实施例5-3]
制备平均粒径为95nm且D90粒径为135nm（其小于或等于(平均粒径+0.5×平均粒径)）的石墨，以将其作为金刚石原料。在金刚石是热力学稳定的压力条件下将该原料直接转化并烧结为金刚石。这样获得了平均粒径为180nm且D90粒径为260nm的多晶金刚石。这样获得的多晶金刚石的硬度极高，为125GPa。评价所得多晶材料的划刻性。最终，利用该多晶金刚石获得了长达约400km的划刻距离。
[实施例5-4]
制备平均粒径为30nm且D90粒径为40nm（其小于或等于(平均粒径+0.5×平均粒径)）的石墨，以将其作为金刚石原料。在金刚石是热力学稳定的压力条件下将该原料直接转化并烧结为金刚石。这样获得了平均粒径为55nm且D90粒径为80nm的多晶金刚石。这样获得的多晶金刚石的硬度极高，为105GPa。评价所得多晶材料的划刻性能。最终，利用该多晶金刚石，获得了长达约250km的划刻距离。
[实施例5-5]
制备平均粒径为30nm且D90粒径为40nm（其小于或等于(平均粒径+0.5×平均粒径)）的石墨，以将其作为金刚石原料。在金刚石是热力学稳定的压力条件下、在比实施例4中所用时间更长的时间内将该原料直接转化并烧结为金刚石。这样获得了平均粒径为560nm且D90粒径为830nm的多晶金刚石。这样获得的多晶金刚石的硬度极高，为120GPa。评价所得多晶材料的划刻性。最终，利用该多晶金刚石获得了长达约230km的划刻距离。
[实施例5-6]
制备平均粒径为30nm且D90粒径为40nm（其小于或等于(平均粒径+0.5×平均粒径)）的石墨，以将其作为金刚石原料。在金刚石是热力学稳定的压力条件下、在比实施例5中所用时间更长的时间内将该原料直接转化并烧结为金刚石。这样获得了平均粒径为1100nm且D90粒径为1600nm的多晶金刚石。这样获得的多晶金刚石的硬度极高，为112GPa。评价所得多晶材料的划刻性。最终，利用该多晶金刚石获得了长达约210km的划刻距离。
[实施例5-7]
制备平均粒径为30nm且D90粒径为40nm（其小于或等于(平均粒径+0.5×平均粒径)）的石墨，以将其作为金刚石原料。在金刚石是热力学稳定的压力条件下、在比实施例6中所用时间更长的时间内将该原料直接转化并烧结为金刚石。这样，便获得了平均粒径为2400nm且D90粒径为3500nm的多晶金刚石。这样获得的多晶金刚石的硬度极高，为102GPa。评价所得多晶材料的划刻性。最终，利用该多晶金刚石获得了长达约190km的划刻距离。
[对比例5-1]
制备平均粒径为100nm且D90粒径为210nm（其小于或等于(平均粒径+1.1×平均粒径)）的石墨，以将其作为金刚石原料。在金刚石是热力学稳定的压力条件下将该原料直接转化并烧结为金刚石。这样获得了平均粒径为200nm且D90粒径为400nm的多晶金刚石。这样获得的多晶金刚石的硬度极高，为112GPa。评价所得多晶材料的划刻性。最终，利用该多晶金刚石仅仅获得了约120km的较短的划刻距离。
[对比例5-2]
制备平均粒径为20nm且D90粒径为37nm（其小于或等于(平均粒径+0.9×平均粒径)）的石墨，以将其作为金刚石原料。在金刚石是热力学稳定的压力条件下将该原料直接转化并烧结为金刚石。这样获得了平均粒径为45nm且D90粒径为80nm的多晶金刚石。这样获得的多晶金刚石的硬度为95GPa，因而该多晶金刚石有点软。评价所得多晶材料的划刻性。最终，利用该多晶金刚石仅仅获得了约110km的较短的划刻距离。
[对比例5-3]
制备平均粒径为100nm且D90粒径为180nm（其小于或等于(平均粒径+0.9×平均粒径)）的石墨，以将其作为金刚石原料。在金刚石是热力学稳定的压力条件下将该原料直接转化并烧结为金刚石。这样获得了平均粒径为2700nm且D90粒径为3900nm的多晶金刚石。评价所得多晶材料的划刻性。最终，利用该多晶金刚石仅仅获得了约90km的较短的划刻距离。
[对比例5-4]
由单晶金刚石制备划线轮，并评价其划刻性。最终，利用该单晶金刚石仅仅获得了100km的较短的划刻距离。
[对比例5-5]
由用金属粘结的烧结金刚石压实体制备划线轮，并评价其划刻性。最终，利用该烧结金刚石压实体仅仅获得了6km的较短的划刻距离。
表Ⅴ示出了上述实施例和对比例中多晶金刚石的烧结颗粒的平均粒径、D90粒径、系数、硬度以及工具寿命方面的数值。需要注意的是，系数（K）由上述方程式（1）进行定义。
[表Ⅴ]
Figure BDA0000454994030000371
工业实用性
与常规单晶金刚石以及含有金属粘结剂的烧结金刚石压实体相比，本发明中所用的多晶金刚石不易于发生不匀磨损，并且能进行长时间稳定的加工。因此，这种多晶金刚石可适用于水射流喷嘴、凹版印刷用刻针、刻图仪、切削工具和划线轮。
与常规喷嘴相比，本发明的水射流喷嘴能够长时间稳定地提供切削宽度，因此其适合用作以在高压下喷射出的含有硬质颗粒（氧化铝等）的流体为水射流、从而对工件进行切削或加工的喷嘴。

Claims (16)

1.一种多晶金刚石，其是在未加入烧结助剂或催化剂的条件下、通过在超高压和高温下对非金刚石碳进行转化和烧结而获得的，其中构成所述多晶金刚石的烧结金刚石颗粒的平均粒径大于50nm且小于2500nm，并且纯度大于或等于99%，以及所述金刚石的D90粒径小于或等于（平均粒径+0.9×平均粒径），其中所述平均粒径为D50粒径。
2.根据权利要求1所述的多晶金刚石，其中所述烧结金刚石颗粒的D90粒径小于或等于（平均粒径+0.7×平均粒径）。
3.根据权利要求1所述的多晶金刚石，其中所述烧结金刚石颗粒的D90粒径小于或等于（平均粒径+0.5×平均粒径）。
4.根据权利要求1所述的多晶金刚石，其中所述多晶金刚石的硬度大于或等于100GPa。
5.根据权利要求1所述的多晶金刚石，其中所述非金刚石碳为具有石墨型层结构的碳素材料。
6.一种水射流喷嘴，其包含根据权利要求1所述的多晶金刚石。
7.根据权利要求6所述的水射流喷嘴，其中在所述多晶金刚石中形成有供水射流流体从中通过的喷孔，该喷孔的内表面的表面粗糙度Ra小于或等于300nm。
8.根据权利要求6所述的水射流喷嘴，其中在所述多晶金刚石中形成的所述喷孔的直径大于或等于10μm且小于或等于500μm。
9.根据权利要求6所述的水射流喷嘴，其中喷嘴的深度（L）与在所述多晶金刚石中形成的喷孔的直径（D）的比（L/D）为10至500。
10.根据权利要求6所述的水射流喷嘴，其中在所述多晶金刚石中形成的所述喷孔的直径大于500μm且小于或等于5000μm。
11.根据权利要求6所述的水射流喷嘴，其中喷嘴的深度（L）与在所述多晶金刚石中形成的喷孔的直径（D）的比（L/D）为0.2至10。
12.一种凹版印刷用刻针，其包含根据权利要求1所述的多晶金刚石。
13.一种刻图仪，其包含根据权利要求1所述的多晶金刚石。
14.根据权利要求13所述的刻图仪，其中位于所述刻图仪顶端的切削面为包括三条或多条刃的多边形，并且所述多边形的部分刃或者全部刃被用作刀刃。
15.一种金刚石切削工具，其包含根据权利要求1所述的多晶金刚石。
16.一种划线轮，其包含根据权利要求1所述的多晶金刚石。
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