TWI568670B - 具有高鑽石鍵結密度的複合鑽石材料 - Google Patents

Description

具有高鑽石鍵結密度的複合鑽石材料

本發明係關於一種高密度複合鑽石材料結構及其製造方法，主要是利用鑽石內含化學元素之不同而產生的耐熱特性之差異，以耐熱特性較高的新穎含硼鑽石微粉取代傳統耐熱性較低的含氮鑽石微粉，改善以往在高溫高壓合成過程中細顆粒鑽石因為不耐高溫而石墨化所導致觸媒無法向上掃躍進而鑽石鍵結大量減少的問題。

隨著鑽石複合片不斷演進，為了提升刀具的磨耗比及耐熱性，因此不斷提升鑽石複合片的合成方式。

最早期有元素六將更多的金屬粉(矽)加入含氮鑽石複合片中，來提高鑽石複合片的耐熱性，但因為鑽石濃度降低至80%，所以導致磨耗比大幅下降。

另外也有另一種產品，是在合成含氮鑽石複合片後，將其表層觸媒(鈷)去除，其原由是因為一般含氮鑽石複合片在進行加工時，複合片表面含氮鑽石顆粒會因為高溫而使觸媒進行逆催化成石墨，進而導致磨耗比下降。但此作法會讓複合片表面布滿孔洞，而且僅有表面能去除觸媒，表層使用完又會遭遇到相同的問題。

因此，最新的做法是在合成時利用不同大小的含氮鑽石顆粒來得到最佳化的堆積密度，藉此提高含氮鑽石的濃度，並防止過多觸媒停留在複合片中。此種方法的缺點則是因為細顆粒含氮鑽石比大顆粒含氮鑽石的耐熱性低了100-200度，會在合成時因為不夠耐熱而變成石墨並堵住觸媒向上掃躍的機會，造成含氮鑽石顆粒間沒有機會造成鍵結，在研磨刃口時，會因為研磨阻力把大顆粒鑽石拉下來而造成崩邊，無法提供被加工物較佳的粗糙度。

此外，傳統含氮鑽石複合片在做成刀具時，具有加工成形困難、焊接加工時耐熱性差、磨耗比差的缺點。

本發明人已於2010年取得「一種用高溫高壓和成的含硼金剛石複合片」(專利號：ZL 2009 2 0069585.7)。但含硼鑽石成本較高，雖有較耐高溫的特性，但在鑽石鍵結形成上跟一般含氮鑽石無異。

因此，有必要提供一種耐高溫、具有高鑽石鍵結密度的的複合鑽石材料，來克服習知技術的缺點。

本發明利用大顆粒含氮鑽石，與小顆粒含硼鑽石的耐溫點相似的特性，達到共溫時同時形成鑽石鍵結，以此原理形成最大量的鑽石鍵結。

本發明尤其提供一種具有高鑽石鍵結特性的鑽石複合片結構及其製造方法，其係利用大顆粒含氮鑽石，與小顆粒含硼鑽石的耐溫點相似的特性，達到共溫時同時形成鑽石鍵結，以此原理形成最大量的鑽石鍵結，達到高鑽石鍵結密度的鑽石複合片。

根據本發明，可確實克服傳統含氮鑽石複合片在做成刀具時，加工成形困難、焊接加工時耐熱性差、磨耗比差的缺點。

本發明之詳細特徵及優點，將可藉由以下實施方式說明及附圖而易於瞭解。

1‧‧‧鑽石層

2‧‧‧硬質層

3‧‧‧含氮的鑽石微粉

4‧‧‧含硼的鑽石微粉

圖1為本發明結構之側視示意圖。

圖2為本發明結構之俯視示意圖。

圖3為本發明之結構示意圖其顯示鑽石層細部組成。

如圖1至3所示，本發明包括鑽石層1與硬質層2，兩者相互結合成一鑽石複合片。

鑽石層1為一鑽石複合材料，其包括含氮的鑽石微粉3及含硼的鑽石微粉4。含氮的鑽石微粉3中的含氮鑽石顆粒尺寸，較含硼的鑽石微粉4中的含硼鑽石顆粒尺寸大。含氮鑽石顆粒尺寸較佳為500奈米到60微米。含硼鑽石顆粒尺寸為100奈米到20微米。硬質層2可為例如碳化鎢合金層等的硬質合金層，其可於壓製製程時，保護鑽石層1在冷卻時不會因為內應力太大而裂開。

含氮的鑽石微粉3、及含硼之小鑽石顆粒4具有耐溫點相似的特性，兩者達到共溫時會同時形成鑽石鍵結。因此，將含氮的鑽石微粉3及含硼之小鑽石顆粒4以一定比例混和，加以燒結，可形成最大量的鑽石鍵結，以獲得高鑽石鍵結密度的複合鑽石材料。

較佳的是，含硼鑽石與含氮鑽石的體積比為1：99至1：1之間。

鑽石層1與硬質層2結合而成的複合片中，鑽石層厚度較佳約為0.1釐米至10釐米。該硬質層厚度較佳約為0釐米至100釐米。

圖2顯示壓制成品的示意圖，較佳成片狀。可按所需要求成形。圖3為鑽石複合片，其中鑽石層1的細部構造圖，可見大顆粒鑽石與小顆粒的鑽石緊密堆積在一起，黑線與黑線交疊處即為會產生鑽石鍵結的部分。圖4顯示本發明鑽石鍵結的原理。

根據本案一較佳實施例，該合成的複合片中，鑽石層1可因含硼鑽石耐熱溫度高於含氮鑽石，在合成過程中會有效填補原單一種類鑽石微粉所產生的孔洞，將鑽石密度提升為90%至百分之99%。

在高溫高壓合成中，需要添加觸媒使鑽石顆粒與鑽石顆粒交接處可以逆催化為石墨，再於後續合成過程中將石墨催化為鑽石；此觸媒中通常含有鈷，會在高溫的工作環境下讓鑽石如同合成過程中的反應被逆催化為石墨，體積膨脹為原始鑽石的三倍，讓鑽石材料鍵結部位受到擠壓而破裂，導致工具壽命降低。透過本專利所述之增加鑽石鍵結比例並且減少鈷含量的合成，可以有效提升鑽石材料的壽命和耐熱的特性。

根據前述，本發明利用大顆粒含氮鑽石，與小顆粒含硼鑽石的耐溫點相似的特性，達到共溫時同時形成鑽石鍵結，以此原理形成最大量的鑽石鍵結，而為習知技術帶來長足的進步。

因此，本發明亦提供一種複合鑽石材料及硬質合金層合成的複合片的製造方法，含有以下步驟：

(1)將含氮的鑽石微粉3與含硼的鑽石微粉4以一定比例混和，而成一用構來成鑽石層1的混合物；

(2)將該混合物與硬質層2組合成一合成塊；

(3)將合成塊放在鑽石專用壓機中，在高壓高溫下燒結，而獲得複合鑽石材料及硬質層合成的複合片。其中，燒結條件較佳為壓力5-7GPa、溫度1,400-1,600℃。

(4)將成合後的複合片的鑽石層1磨平、拋光得到成品。

(5)硬質層可以經過後處理將之完全移除。

1‧‧‧鑽石層

2‧‧‧硬質層

3‧‧‧含氮的鑽石微粉

4‧‧‧含硼的鑽石微粉

Claims (6)

1. 一種鑽石複合片，其由複合鑽石材料及硬質層合成，其具有經高溫高壓燒結而成的鑽石鍵結結構，該鑽石鍵結結構包括含氮鑽石顆粒及含硼鑽石顆粒，其中：該含氮鑽石顆粒尺寸，較含硼鑽石顆粒尺寸大；且其中：該含硼鑽石顆粒位於相鄰的含氮鑽石顆粒之間，而成大顆的含氮鑽石顆粒與小顆的含硼鑽石顆粒緊密堆積在一起的結構。
2. 如請求項1所述之鑽石複合片，其中含氮鑽石顆粒尺寸為500奈米到60微米；含硼鑽石顆粒尺寸為100奈米到20微米。
3. 如請求項1或2所述之鑽石複合片，其中含硼鑽石顆粒與含氮鑽石顆粒的體積比為1：99至1：1之間。
4. 如請求項1所述之鑽石複合片，其包括：一鑽石層，該鑽石層具有如請求項1至請求項3任一項所述之複合鑽石材料；及一硬質層，其在該高溫高壓下與該鑽石層結合。
5. 如請求項4所述之的鑽石複合片，該鑽石層厚度約為0.1釐米至10釐米。
6. 如請求項4所述之鑽石複合片，該硬質層厚度約為0釐米至100釐米。