CN106164017B - 复合烧结体 - Google Patents

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Abstract

复合烧结体包括第一相和第二相。所述第一相为金刚石相，所述第二相为使用至少一种元素或化合物或这两者所形成的相，并且所述第二相向所述第一相施加应变。所述第二相的含量为大于0ppm且小于等于1000ppm。由此，提供了具有高耐磨性、高局部耐磨性和高耐崩裂性的含金刚石的复合烧结体。

Description

复合烧结体
技术领域
本发明涉及含金刚石的复合烧结体。
背景技术
金刚石是存在于地球上的物质中具有最高硬度的物质，因此，已使用含有金刚石的烧结体作为耐磨工具和切削工具等的材料。
日本专利公开No.2003-292397(专利文献1)公开了一种金刚石多晶体，它是一种由金刚石构成的多晶体，其中该金刚石是由石墨型层状结构的碳物质在未添加烧结助剂和催化剂的情况下在高温高压下转化并烧结而得到的，其中金刚石的平均粒径为100nm以下并且纯度为99％以上。日本专利公开No.2003-292397(专利文献1)还公开了一种通过将非金刚石碳物质置于包括间接加热装置的压力单元中并进行加热加压，从而通过不添加烧结助剂和催化剂的直接转化来制造金刚石多晶体的方法。
国际公开No.2009/099130(专利文献2)公开了一种金刚石多晶体，它是通过非金刚石型碳在不添加烧结助剂和催化剂的情况下在超高温超高压下转化并烧结而获得的，其中形成该金刚石多晶体的烧结金刚石颗粒的平均粒径大于50nm且小于2500nm，并且纯度为99％以上，并且金刚石的D90粒径为(平均粒径+平均粒径×0.9)以下。
日本专利公开No.9-142933(专利文献3)公开了一种金刚石烧结体，其包含0.1体积％至30体积％的由稀土元素的氧化物和/或碳氧化物和/或碳化物构成的物质，并且余量为金刚石。
日本专利公开No.2005-239472(专利文献4)公开了一种具有高强度和高耐磨性的金刚石烧结体，其包含平均粒径为2μm以下的烧结金刚石颗粒，并且余量为结合相，其中，金刚石烧结体中烧结金刚石颗粒的含量比例为80体积％以上98体积％以下，并且结合相包含钴和选自由钛、锆、铪、钒、铌、钽、铬和钼所构成的组中的至少一种或多种元素；该结合相中钴的含量比例为50质量％以上且小于99.5质量％；该结合相中所述至少一种或多种元素的含量比例为0.5质量％以上且小于50质量％；并且所述选自由钛、锆、铪、钒、铌、钽、铬和钼所构成的组中的至少一种或多种元素以平均粒径为0.8μm以下的碳化物颗粒的形式存在，该碳化物颗粒的结构是非连续的，并且相邻的金刚石颗粒彼此相互结合。
引用列表
专利文献
专利文献1：日本专利公开No.2003-292397
专利文献2：国际公开No.2009/099130
专利文献3：日本专利公开No.9-142933
专利文献4：日本专利公开No.2005-239472
发明内容
技术问题
当将日本专利公开No.2003-292397(专利文献1)和国际公开No.2009/099130(专利文献2)中公开的金刚石多晶体应用到作为耐磨工具的拉丝模时，拉丝时的拉出阻力会增大，并且由于模具中的局部磨损，使得拉丝后的线径减少并且可能导致断丝频繁发生。当将该金刚石多晶体应用到作为切削工具中的水刀(water jet)时，由于喷嘴孔部分的严重磨损，可能会导致工具使用寿命的缩短。
当将日本专利公开No.9-142933(专利文献3)和日本专利公开No.2005-239472(专利文献4)中公开的金刚石烧结体应用到作为耐磨工具的拉丝模时，由于烧结体中的金属碳化物和金属，使得摩擦系数升高，因而拉丝阻力可能会增大，拉丝后的线径可能会减少并且断丝可能会频繁发生。当将该金刚石烧结体应用到旋转工具时，由于烧结体中的金属碳化物和金属，使得摩擦系数升高，因而切削阻力可能会增加，并且可能会发生工具断裂。当将该金刚石烧结体应用于切削工具时，由于烧结体中的金属碳化物和金属，使得摩擦系数升高，因此切削阻力增加，并且会发生过度振动并且可能无法获得平滑的切削面。当将该金刚石烧结体应用于挖掘用刀头时，由于烧结体中的金属的线膨胀使得发生内部破坏，由此可能会使得工具使用寿命缩短。
本发明致力于解决上述问题，其目的在于提供具有高耐磨性、高局部耐磨性和高耐崩裂性的含金刚石的复合烧结体。
[解决问题的方案]
本发明的复合烧结体为包含第一相和第二相的复合烧结体，其中第一相为金刚石相，第二相为由一种以上的元素或化合物或这两者所形成的相，并且第二相向第一相施加应变，第二相的含量为大于0ppm且小于等于1000ppm。
本发明的效果
由于本发明复合烧结体具有上述构成，因此提高了耐磨性、局部耐磨性和耐崩裂性。
具体实施方式
本发明实施方案的说明
首先，将本发明实施方案(以下也表示为“本实施方案”)的概要列为以下(1)至(5)从而进行说明。
(1)根据本发明实施方案的复合烧结体为包含第一相和第二相的复合烧结体，其中第一相为金刚石相，第二相为由一种以上的元素或化合物或这两者所形成的相，并且第二相向第一相施加应变，第二相的含量为大于0ppm且小于等于1000ppm。
由于根据本发明实施方案的复合烧结体具有上述构成，因此提高了耐磨性、局部耐磨性和耐崩裂性，并且可以抑制龟裂的发生。
(2)在根据本实施方案的复合烧结体中，第二相的线膨胀系数优选高于第一相的线膨胀系数。由此，进一步提高了复合烧结体的耐磨性、局部耐磨性和耐崩裂性。
(3)在根据本实施方案的复合烧结体中，形成第一相的颗粒的平均粒径优选为1000nm以下。由此，进一步提高了复合烧结体的耐磨性、局部耐磨性和耐崩裂性。
(4)在根据本实施方案的复合烧结体中，形成第二相的颗粒的平均粒径优选为500nm以下。由此，进一步提高了复合烧结体的耐磨性、局部耐磨性和耐崩裂性，并且可以抑制龟裂的发生。
(5)在根据本实施方案的复合烧结体中，为了提高耐磨性，复合烧结体的努普硬度优选为60GPa以上。
[本发明实施方案的详细说明]
虽然将在下面更详细地描述根据本实施方案的复合烧结体，但本实施方案不限于此。
(复合烧结体)
根据本实施方案的复合烧结体为包括第一相和第二相的复合烧结体。第一相为金刚石相，第二相为由一种以上的元素或化合物或这两者所形成的相，并且第二相向第一相施加应变。第二相的含量为大于0ppm且小于等于1000ppm。
除了第一相和第二相以外，上述复合烧结体还可包含其它成分，如烧结助剂和催化剂。
在通过SEM(扫描电子显微镜)或TEM(透射电子显微镜)对复合烧结体的截面(一个任意指定的截面，以下同)的观察中，存在的金刚石相被识别为明亮视野，并且通过组成分析和晶体结构分析对其存在加以证实。
从提高复合烧结体的局部耐磨性和耐崩裂性的观点出发，形成金刚石相的颗粒的平均粒径优选为1000nm以下，并且更优选为500nm以下。此外，形成金刚石相的颗粒的平均粒径为50nm以上，并且优选为200nm以上。此处，形成金刚石相的颗粒的平均粒径通过如下方式获得：在通过SEM或TEM观察复合烧结体的截面时，在能够区分金刚石相、第二相和这二者之间的晶界的条件下拍摄照片，随后进行图像处理(例如二值化)以计算形成金刚石相的各颗粒的面积的平均值，然后计算具有与该面积相同的面积的圆的直径。
在根据本实施方案的复合烧结体中，第二相为由一种以上的元素或化合物或这两者所形成的相，并且第二相向第一相施加应变。在复合烧结体的使用中，上述第二相由于摩擦热而发生线膨胀，从而对金刚石基体施加压缩应力，由此提高了基体的硬度并且减少了磨损。
第二相的线膨胀系数优选高于第一相的线膨胀系数。由此，可以进一步增强提高硬度和降低磨损的效果。通过使用以下方法来进行第二相的线膨胀系数的测定。首先，通过使用SEM和TEM方法来确定复合烧结体第二相的组成和晶体结构。接着，另外制备具有该组成的原料，并且通过使用所期望的方法制作仅包括第二相的烧结体。最后，通过使用JISR1618方法来测定所得烧结体，从而得到线膨胀系数。
上述第二相的例子可包括SiC、Al、Ti和V等。
为了防止由于第一相或第二相的过度膨胀而在复合烧结体中发生龟裂和断裂，复合烧结体中第二相的含量为1000ppm以下，并且优选为700ppm以下。为了减少第二相中的摩擦和磨损，复合烧结体中第二相的含量更加优选为500ppm以下。此外，为了向金刚石相施加适当的压缩应力，第二相的含量大于0ppm，优选为100ppm以上并且更优选为400ppm以上。在通过SEM或TEM对复合烧结体的截面的观察中，复合烧结体中存在的第二相被识别为暗视野，并且通过组成分析和X射线衍射对其存在加以证实。
为了抑制由于第一相或第二相的过度膨胀而在复合烧结体中发生局部龟裂，形成第二相的颗粒的平均粒径优选为500nm以下。此外，为了减少第二相中的局部磨损，形成第二相的颗粒的平均粒径优选为100nm以下。此外，从提高结构硬度的观点出发，形成第二相的颗粒的平均粒径为10nm以上，并且优选为50nm以上。此处，形成第二相的颗粒的平均粒径通过如下方式获得：在通过SEM或TEM观察复合烧结体的截面时，在能够区分金刚石相、第二相和这二者之间的晶界的条件下拍摄照片，随后进行图像处理(例如二值化)以计算形成第二相的各颗粒的面积的平均值，然后计算具有与该面积相同的面积的圆的直径。
为了提高复合烧结体的耐磨性，根据本实施方案的复合烧结体的努普硬度优选为60GPa以上，并且更优选为80GPa以上。此处，努普硬度是通过使用努普压头并在9.8N(1.0kgf)的测定载荷下进行测定的。
[制造复合烧结体的方法]
对根据本实施方案的复合烧结体的制造方法没有特别地限制。然而，为了通过有效的方式并以低成本制造具有高耐磨性、高局部耐磨性和高耐崩裂性的复合烧结体，根据本实施方案的复合烧结体的制造方法优选包括下述步骤：
(a)原料准备步骤，其中准备原料非金刚石碳、原料金刚石和形成第二相的物质的混合物，或者准备原料非金刚石碳和形成第二相的物质的混合物。
(b)复合烧结体形成步骤，其中在形成金刚石相的温度和压力的条件下，通过烧结前述原料从而形成复合烧结体。
为了形成均质的复合烧结体，在原料制备步骤中所制备的原料非金刚石碳和原料金刚石优选为粉末。此外，为了形成高质量的复合烧结体，原料非金刚石碳优选为石墨或无定形碳。
在复合烧结体形成步骤中，对烧结条件没有特别的限制，只要烧结条件为能够形成金刚石相的温度和压力条件即可。然而，为了有效形成金刚石相，温度为1800℃以上、压力为8GPa以上16GPa以下的条件是优选的，并且温度为2000℃以上2200℃以下、压力为11GPa以上14GPa以下的条件是更优选的。对于用来产生这样的高温和高压的高温高压发生装置没有特别的限制，并且高温高压发生装置的例子包括带型装置、立方体(cubic)型装置和分割球型装置等。
实施例
(实施例1)
1.原料的准备
准备通过将400ppm的碳化硅添加到石墨粉末中而获得的混合粉末作为原料。
2.复合烧结体的形成
通过使用高温高压发生装置，将前述混合粉末在温度为2300℃温度且压力为13GPa的烧结条件下烧结100分钟，从而得到复合烧结体。
3.复合烧结体性能的评价
通过对复合烧结体的一个截面进行SEM观察和X射线衍射，从而识别和确认复合烧结体中的金刚石相和第二相。由前述SEM观察来计算第二相的含量。由此得到第二相的含量为300ppm。由前述的SEM观察来计算形成金刚石相的颗粒的平均粒径。于是，形成金刚石相的颗粒的平均粒径为300nm。由前述SEM观察来计算形成第二相的颗粒的平均粒径。由此得到形成第二相的颗粒的平均粒径为60nm。使用努普压头在9.8N的载荷下测定复合烧结体的努普硬度。由此得到复合烧结体的努普硬度为75GPa。此外，金刚石相的线膨胀系数为1.1×10-6/K，并且碳化硅相的线膨胀系数为6.6×10-6/K。
此外，使用这种复合烧结体制造开口尺寸为20μm的拉丝模，并以1000m/分钟的拉丝速率对SUS(不锈钢)进行拉丝。直到拉丝模的开口尺寸扩大到20.5μm时的断丝频率显著减少到常规技术中的断丝频率的五分之一。
此外，将该复合烧结体钎焊到超硬基体金属上，从而制作尖端角为80°并且尖端曲率半径(R)为80nm的切削工具，并且在30mm厚的铜板上镀覆20μm厚的镍从而得到镀镍金属板，在该金属板上以10μm的间距形成5μm深度的沟槽。当切削工具的尖端的磨损达1μm时，通过崩裂量来评价尖端部分的缺损状态(龟裂和崩裂)。由此得到，崩裂量显著减少至常规技术中的崩裂量的一半。
应当理解的是，在此公开的实施方案和实施例是说明性的，其在任何方面都不是限制性的。本发明的范围是由权利要求书而非前述说明限定，其旨在包括与权利要求书等同范围和意义内的任何变型。

Claims (5)

1.一种复合烧结体，包含第一相和第二相，
所述第一相为金刚石相，
所述第二相为由一种以上的元素或化合物或这两者所形成的相，并且所述第二相向所述第一相施加应变，
所述第二相的含量为大于0ppm且小于等于1000ppm，
所述第二相包括SiC。
2.根据权利要求1所述的复合烧结体，其中，
所述第二相的线膨胀系数的值大于所述第一相的线膨胀系数的值。
3.根据权利要求1或2所述的复合烧结体，其中，
形成所述第一相的颗粒的平均粒径为1000nm以下。
4.根据权利要求1或2所述的复合烧结体，其中，
形成所述第二相的颗粒的平均粒径为500nm以下。
5.根据权利要求1或2所述的复合烧结体，其中，
所述复合烧结体的努普硬度为60GPa以上。
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