TWI735227B - 複合聚晶鑽石片及其組成與製作方法 - Google Patents

Abstract

一種複合聚晶鑽石片，包含數個鑽石顆粒、數個含硼鑽石顆粒，及添加材，該添加材均勻分布在該等鑽石顆粒與含硼鑽石顆粒的間隙，並選自奈米碳材及氧化硼粉末的至少一種，該奈米碳材至少部分與該等鑽石顆粒及含硼鑽石顆粒產生鍵結，增強該複合聚晶鑽石片的硬度與導熱性質，使本發明在進行切削時能保持熱穩定，以避免發生逆催化而使鍵結強度下降；該氧化硼粉末能提升該複合聚晶鑽石片的耐磨性而延長使用壽命，並減少該等含硼鑽石顆粒的使用量，進而降低生產成本。此外，本發明還提供該複合聚晶鑽石片的材料組成與製作方法。

Description

複合聚晶鑽石片及其組成與製作方法

本發明是有關於一種可用於切削的鑽石切割片，特別是指一種由複合材料組成的聚晶鑽石片及其組成與製作方法。

聚晶鑽石因其晶體結構及強力的共價鍵結，擁有極高的硬度，因此業界經常使用聚晶鑽石片作為耐磨元件或切削刀具，但由於經常被用來切削硬度高且難以加工的物品，所以仍有很高的磨損率。

為了更進一步提升聚晶鑽石片的硬度及耐磨度，通常會選擇在聚晶鑽石中添加含硼聚晶鑽石以製作出由複合材料所構成的含硼聚晶鑽石片，當使用該含硼聚晶鑽石片進行切削時，其表面因摩擦而產生大量的熱，此時，含硼聚晶鑽石中所含有的硼元素會氧化形成氧化硼(B₂O₃)，且氧化硼能提升該含硼聚晶鑽石片的硬度並降低摩擦阻力，進而增強其耐磨耗性，使該含硼聚晶鑽石片的使用壽命延長，然而，含硼聚晶鑽石的添加量越多，會使得該含硼聚 晶鑽石片的製造成本大幅提升。此外，由於該含硼聚晶鑽石中含有微量的鈷元素，且該含硼聚晶鑽石片在進行切削時會因摩擦而產生熱，鈷元素在受熱後會產生逆催化，影響到該含硼聚晶鑽石片本身的晶格結構而使鍵結強度下降，反而使該含硼聚晶鑽石片的硬度下降，因此容易造成磨損。

因此，本發明的目的，即在提供一種複合聚晶鑽石組成，可提升其導熱性質、硬度，及耐磨度。

於是，本發明複合聚晶鑽石組成包含數個鑽石顆粒、數個含硼鑽石顆粒，及添加材。

該添加材選自氧化硼粉末及奈米碳材的其中至少一種。

其中，以該複合聚晶鑽石組成的重量百分比為100wt%，該等鑽石顆粒的含量介於0.5~99.4wt%，該等含硼鑽石顆粒的含量介於0.5~99.4wt%，且該添加材的含量介於0.1~20wt%。

此外，本發明的另一目的，即在提供一種複合聚晶鑽石片的製作方法。

於是，本發明複合聚晶鑽石片的製作方法包含一準備步驟，及一燒結步驟。

該準備步驟是先準備一如前所述的複合聚晶鑽石組成， 並將其混合後備用。

該燒結步驟是將該混合後的複合聚晶鑽石組成置於一承載基材上，並在一預定壓力及溫度條件下靜壓燒結該複合聚晶鑽石組成，使其結合形成一複合聚晶鑽石片

又，本發明的另一目的，即在提供一種複合聚晶鑽石片，能提升其硬度與耐磨度，進而延長使用壽命。

於是，本發明複合聚晶鑽石片是經由如前所述的製作方法所製得，其中，該添加材位於該等鑽石顆粒及該等含硼鑽石顆粒之間。

本發明的功效在於：該添加材均勻分布在該等鑽石顆粒與該等含硼鑽石顆粒的間隙，其中，該奈米碳材增強該複合聚晶鑽石片的硬度與導熱性質，使本發明在進行切削時能均勻散熱並維持熱穩定，以避免鍵結強度下降；該氧化硼粉末的添加能減少該等含硼鑽石顆粒的使用量，並提升該複合聚晶鑽石片的耐磨度以降低其汰換頻率，進而降低生產成本。

1:鑽石顆粒

2:含硼鑽石顆粒

3:添加材

31:奈米碳材

32:氧化硼粉末

41:準備步驟

42:燒結步驟

5:承載基材

6:複合聚晶鑽石片

本發明的其他的特徵及功效，將於參照圖式的實施方式中清楚地呈現，其中：圖1是一流程圖，說明本發明複合聚晶鑽石片的製作方法的一 實施例；圖2是一示意圖，說明本發明複合聚晶鑽石片的一實施例；及圖3是一局部示意圖，輔助說明圖2中A的放大圖，說明該實施例的組成結構。

本發明複合聚晶鑽石組成的一實施例，包含數個鑽石顆粒1、數個含硼鑽石顆粒2，及添加材3。

該等鑽石顆粒1的粒徑介於500nm~50μm，且以該複合聚晶鑽石組成的重量百分比為100wt%計，該等鑽石顆粒1的含量介於0.5~99.4wt%。

該等含硼鑽石顆粒2的粒徑介於100nm~15μm，且含量介於整體組成的0.5~99.4wt%，其中，該等含硼鑽石顆粒2具有硼元素及微量的鈷元素分布於其中。由於該等鑽石顆粒1及含硼鑽石顆粒2的製法為本技術領域者習知，因此，不再多加說明。

在一些實施例中，該等鑽石顆粒1的含量占整體組成50~99wt%，該等含硼鑽石顆粒2的含量為1~50wt%，此時該複合聚晶鑽石組成擁有最佳的硬度及耐磨度。

該添加材3選自奈米碳材31(如奈米碳管、奈米碳球，或石墨烯等)及氧化硼粉末32的其中至少一種，其含量占整體組成的 0.1~20wt%。

在一些實施例中，該添加材3的含量占整體組成的0.1~10wt%。

其中，當該奈米碳材31粉末的含量介於0.1~10wt%，該複合聚晶鑽石組成擁有最佳的導熱性質；該氧化硼粉末32的含量介於0.1~10wt%，此時整體材料組成擁有最佳的抗摩擦力。

要說明的是，該添加材3也可以全部皆由奈米碳材31或是全部皆由氧化硼粉末32構成。

參閱圖1及圖2，茲將利用前述複合聚晶鑽石組成的該實施例製得複合聚晶鑽石片6的製作方法說明如下。

首先，進行一準備步驟41，事先準備前述的複合聚晶鑽石組成，並充分地混合。

隨後，進行一燒結步驟42，將已混合的該複合聚晶鑽石組成置於一硬質的承載基材5上，且該承載基材5是以碳與鎢組成的化合物作為構成材料，並在壓力為4~20GPa、環境溫度為1200~2800℃的外在條件下進行靜壓燒結，且燒結時間為0.5~8小時，使該複合聚晶鑽石組成結合，形成一複合聚晶鑽石片6(如圖2所示)。在該燒結步驟42中由於該鑽石顆粒1與該含硼鑽石顆粒2同為由碳原子所組成金剛石結構，因此在接觸面間的原子能相互作用以形成強力的鍵結，而該奈米碳材31與鑽石為同素異形體，因此， 當該複合聚晶鑽石組成含有奈米碳材31時，在燒結過程中，部分的奈米碳材31會與鑽石顆粒1及含硼鑽石顆粒2形成共價鍵結，而可提升製成之複合聚晶鑽石片6的導熱性質。

此外，要說明的是，在一些實施例中，該複合聚晶鑽石組成的壓製過程可以是透過在一具有預定形狀的壓鑄模具進行靜壓燒結，使該複合聚晶鑽石組成可依該壓鑄模具的設計而於壓製後即形成具特定形狀的該複合聚晶鑽石片6，或是，將該複合聚晶鑽石組成壓製成平板狀，而在該燒結步驟42後，還可再依需求進行切割成特定形狀等後續加工。

參閱圖2及圖3，本發明該複合聚晶鑽石片6是透過前述的製作方法所製得，該複合聚晶鑽石片6的局部結構如圖3所示，由於本發明的添加材3是在壓製前與鑽石顆粒1及含硼鑽石顆粒2混合，因此，該添加材3散佈於該等鑽石顆粒1與該等含硼鑽石顆粒2之間的間隙，其中，氧化硼粉末32會使該複合聚晶鑽石片6的摩擦阻力降低而減少磨耗，因此，可有效提升其耐磨性；此外，由於部分的奈米碳材31與該等鑽石顆粒1及該等含硼鑽石顆粒2具有共價鍵結，且相較於該等鑽石顆粒1及該等含硼鑽石顆粒2，該奈米碳材31因晶體結構而具有更大的晶格振動自由徑，使熱可以透過晶格振動傳遞，進而增強該複合聚晶鑽石片6的導熱性。

相較於習知含硼聚晶鑽石片在切削作業時，與被切削物 之間因摩擦而使接觸表面的溫度提高，使該等含硼聚晶鑽石所具有的鈷元素因受熱而對於該含硼聚晶鑽石本身的晶格鍵結產生逆催化反應，導致金剛石結構石墨化，使該含硼聚晶鑽石片本身的鍵結強度下降，而容易產生磨損。使用本發明複合聚晶鑽石片6進行切削時，透過均勻分布於該複合聚晶鑽石片6中的奈米碳材31增加導熱性質，而得以在切削時維持熱穩定，避免該等含硼鑽石顆粒2中的鈷元素因受熱產生逆催化，而讓鍵結強度下降的情形發生，且該奈米碳材31本身的硬度極高，因此在增加導熱性的同時，亦提高了該複合聚晶鑽石片6的硬度。

此外，習知的含硼聚晶鑽石片與被切削物之間因摩擦而產生高溫時，含硼鑽石所具有的硼元素可因受熱而於含硼鑽石顆粒表面形成氧化硼，而可藉由氧化硼減少與被切削物之間的摩擦阻力。與習知含硼聚晶鑽石片相比，在具有相近含量的含硼鑽石顆粒2的情況下，在本發明中，因透過添加氧化硼粉末32，因此能更加減小與被切削物之間的摩擦阻力，而可進一步增加該複合聚晶鑽石片6的耐磨性，並延長使用壽命約30%左右，亦降低在加工產業中汰換的頻率。也就是說，在抗磨耗能力相近的情形下，該複合聚晶鑽石片6的構成材料中，該等含硼鑽石顆粒2的含量較低，因此能有效減少製造成本。

綜上所述，本發明透過以後添加方式添加奈米碳材31或 氧化硼粉末32，因此，本發明複合聚晶鑽石片6的添加材3會分布於該等鑽石顆粒1及該等含硼鑽石顆粒2之間，利用該奈米碳材31增加複合聚晶鑽石片6的硬度與導熱性，因此在進行切削時能維持熱穩定性，避免該複合聚晶鑽石片6的鍵結強度受到逆催化的影響而下降；透過該氧化硼粉末32的添加，能直接增強該複合聚晶鑽石片6的耐磨性，使其使用壽命延長，並減少該等含硼鑽石顆粒2的使用量，因而有效降低生產成本，故確實能達成本發明的目的。

惟以上所述者，僅為本發明的實施例而已，當不能以此限定本發明實施的範圍，凡是依本發明申請專利範圍及專利說明書內容所作的簡單的等效變化與修飾，皆仍屬本發明專利涵蓋的範圍內。

1:鑽石顆粒

2:含硼鑽石顆粒

3:添加材

31:奈米碳材

32:氧化硼粉末

5:承載基材

6:複合聚晶鑽石片

Claims (8)

1. 一種複合聚晶鑽石組成，包含：數個鑽石顆粒；數個含硼鑽石顆粒；及添加材，至少包括奈米碳材，其中，以該複合聚晶鑽石組成的重量百分比為100wt%，該等鑽石顆粒的含量介於0.5~99.4wt%，該等含硼鑽石顆粒的含量介於0.5~99.4wt%，該添加材的含量介於0.1~20wt%。
2. 如請求項1所述的複合聚晶鑽石組成，其中，該添加材的含量介於0.1~10wt%。
3. 如請求項1所述的複合聚晶鑽石組成，其中，該添加材還包括氧化硼粉末。
4. 如請求項1所述的複合聚晶鑽石組成，其中，該鑽石顆粒的粒徑介於500nm~50μm，該含硼鑽石顆粒的粒徑介於100nm~15μm。
5. 一種複合聚晶鑽石片的製作方法，包含：一準備步驟，準備一如請求項1所述的複合聚晶鑽石組成，將其混合後備用；一燒結步驟，將該混合後的複合聚晶鑽石組成置於一承載基材上，並在一預定壓力及溫度條件下靜壓燒結該複合聚晶鑽石組成，使其結合形成一複合聚晶鑽石片。
6. 如請求項5所述複合聚晶鑽石片的製作方法，其中，該燒結步驟是在壓力介於4~20GPa，溫度介於1200~2800℃的條件下，靜壓燒結0.5~8小時。
7. 一種如請求項5所述的製作方法製得的複合聚晶鑽石片，其中，該添加材位於該等鑽石顆粒及該等含硼鑽石顆粒之間。
8. 如請求項7所述所述的複合聚晶鑽石片，其中，該添加材包括奈米碳材，且至少部分的奈米碳材與該等鑽石顆粒及該等含硼鑽石顆粒具有共價鍵結。

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