專利名稱:耐熱聚晶金剛石及其制造方法和所用模具的制作方法
本發明涉及新的耐熱聚晶金剛石，其制造方法以及制造過程中所用的新型多棱柱形模具。本發明之耐熱聚晶金剛石適合于采用高溫鑲焊或高溫燒結的方法制造鉆頭，拉絲模等工、模具或測頭及其他耐磨器件。
聚晶金剛石是由金剛石晶體聚結在一起的聚集體。聚晶金剛石的金剛石晶粒是無序排列的，因此，聚晶金剛石具有各向同性，其抗沖擊性和磨損均勻性均優于單晶金剛石。用聚晶金剛石制成的工具可在苛刻的條件下工作。例如，聚晶金剛石車刀可用于間斷式切削加工;聚晶金剛石地質鉆頭和石油鉆頭還能適用于鉆探研磨性較強的地層或破碎地層;用聚晶金剛石制成的拉絲模的平均壽命可比用天然金剛石制成的拉絲模高2～5倍。另一方面，制造聚晶金剛石所用的原料已能大量生產，比單晶大顆粒金剛石容易壓制，價格便宜。因此，聚晶金剛石引起了科技界和工業部門的注意，70年代以來獲得了重大發展。
某些美國專利已經介紹了聚晶金剛石的制造方法，其中，有代表性的專利為Lee等的美國專利No 4，168，957和Pope的美國專利No 3，819，814等。
還有一些美國專利介紹了聚晶金剛石產品，其中一些專利涉及到利用硅元素及其合金或化合物作為添加劑的改進聚晶金剛石的性能。這方面的專利有Hall的美國專利No 3，913，280，Strombery的美國專利No 3，574，580，Lee等的美國專利No 4，124，401以及Pope的美國專利No 3，819，814等。
然而已有技術沒有提供高質量的耐高溫聚晶金剛石產品，沒有介紹制造耐熱聚晶金剛石方法，也沒有介紹用直接模壓成型法在高溫高壓下制造耐磨性均勻的多棱柱形(尤其是三棱柱形)聚晶金剛石的方法。
本發明之耐熱聚晶金剛石產品的優點之一是熱穩定性很高，在非氧化性保護氣氛中可耐熱1250℃以上。在高溫加工后，產品的相對耐磨性仍然很好，甚至有時還會有所提高。由于其獨特的優良性能，本發明之產品可采用高溫鑲焊或高溫燒結方法制成工具和其他制品。
本發明提供了一種生產耐熱聚晶金剛石的方法，用該方法生產的耐熱聚晶金剛石的微觀結構不同于已知的聚晶金剛石。
在已有的技術中，采用電火花加工或激光切割的方法制造三棱柱形聚晶金剛石，用這種方法比采用本發明之直接模壓法的成本高得多。也可采用帶有三棱柱形或多棱柱形模腔的園柱形石墨模制造三棱柱形或多棱柱形聚晶金剛石，但用這種模具制造的產品的耐磨性不一致，這是由于模具各部位的壁厚不相等，模腔內壁上各部位的溫度差別較大而造成的。
本發明的主要目的是提供一種新的熱穩定性優良并具有足夠硬度和耐磨性的耐熱聚晶金剛石，從而滿足在高溫下鑲焊或燒結制造耐磨工具及制品的要求。
本發明的另一個目的是提出耐熱聚晶金剛石的制造方法。
本發明的再一個目的是介紹制造不同性能的產品的方法，以便通過控制原料的種類、配比、粒度以及操作條件等因素，使產品的硬度、強度、熱穩定性及耐磨性等性能指標滿足不同用途的要求。
本發明還有一個目的是提供一種具有多棱柱形尤其是三棱柱形模腔的新模具。采用高壓高溫燒結法，用此模具制造的多棱柱形或三棱柱形聚晶金剛石產品其各部位的相對耐磨性是均勻一致的。
本發明的聚晶金剛石含有金剛石晶體、β-碳化硅和元素硅，金剛石晶體均勻地分布在聚晶金剛石中，其表面被β-碳化硅覆蓋，金剛石晶體與β-碳化硅之間由化學鍵結合，β-碳化硅之間互相聯結，并與金剛石晶體共同構成連續性骨架。元素硅填充在上述骨架的空隙中，并與β-碳化硅化學鍵結合和(或)粘合。在聚晶金剛石中，金剛石晶體的重量含量為70～99%，其粒度為1～150微米。
本發明的聚晶金剛石也可含有金剛石晶體，β-碳化硅和含硅難熔物。金剛石晶體均勻地分布在聚晶金剛石中，其表面與碳化硅化學鍵結合，且被β-碳化硅覆蓋。β-碳化硅之間互相聯結，并與金剛石晶體共同構成連續性聚晶金剛石的骨架。含硅難熔物填充在骨架的孔隙中并與β-碳化硅化學鍵結合和(或)粘合。所述含硅難熔物主要由元素硅和選自下述一組物質中的一種或多種物質組成，這些物質是一種或多種元素的硅化物，一種或多種元素與硅的固溶體。碳化硼和碳化硅。上述元素、物質為硼、鈦、鎳、鈷、鋯、鈮、鉬、釩、鉿、鉻、周期表中的鑭系元素或它們的合金。聚晶金剛石中除硅以外的元素，物質、碳化硼和(或)碳化硅的總量小于元素硅和結合的硅的總量。在整個聚晶金剛石的總重量中，金剛石晶體的重量含量為70～99%，其粒度為1～150微米。
本發明還提供了一種制造耐熱聚晶金剛石的方法，該方法包括下述步驟(1)用熔融堿或熔融鹽預處理金剛石晶體粉料;(2)將預處理過的金剛石晶體粉料與硅粉或硅粉和其它物質的混合物均勻地混合，所述其它物質可以是碳化硼、碳化硅，硼、鈦、鎳、鈷、鋯、鈮、鉬、釩、鉿、鉻、鑭系元素以及它們的合金，這些物質能與硅形成難熔物;(3)將混合料裝入具有產品形狀的石墨模;(4)將模具放入預先成型的葉蠟石樣品立方塊的孔中;(5)將上述組裝立方塊放入可產生高溫并可沿三個軸向同時提供高壓的儀器設備中;(6)使模具中的混合物加熱至1400～2000℃，加壓到50千巴以上，在此溫度和壓力條件下，金剛石處在熱力學穩定區或者處于石墨-金剛石熱力學平衡曲線附近;(7)保持上述溫度和壓力一段時間;(8)冷卻;(9)卸壓。
在燒結之前用熔融堿或熔融鹽對金剛石粉料進行預處理，這是制造高質量的耐熱聚晶金剛石的一個重要步驟。由此制得的聚晶金剛石比用未經上述處理的金剛石粉料所制得的聚晶金剛石有許多優點。例如經高溫處理后，前者的耐磨性比后者高得多。
本發明還提供了一種用于制造多棱柱形聚晶金剛石的等壁厚多棱柱形石墨模。這種石墨模的模體是具有相似多邊形模腔的多棱柱體，因此模的壁厚是均勻的。用這種模制得的聚晶金剛石各部位的相對耐磨性是均勻一致的。
通過控制金剛石晶體的粒度分布、硅含量，其它添加劑的選擇，各組分的配比以及燒結溫度和壓力條件，可以制得不同性能的耐熱聚晶金剛石產品。
本發明所用的原料金剛石可以是人造金剛石，含硼人造金剛石，也可以是天然金剛石。金剛石晶體粉料的粒度為1～150微米，最好為1～100微米。粒度范圍主要根據聚晶金剛石產品的用途選擇，既可用單一粒度，也可用混合粒度。如用作切削刀具時，可選用細于50微米的原料，而用作鉆頭時，可選用一部份粗于50微米的原料。當地層硬度和地質情況不同時，所需粒度也有區別。對于軟巖鉆進，以刀具刮削方式為主，伴有磨削，宜用較細粒度以達到較高的致密性;對于中硬巖層，以磨削為主，伴有刮削，宜用較粗粒度的金剛石粉料。
按照本發明的方法，加入添加劑，即硅或硅和其他物質的混合物作為結合劑。所述的“其它物質”可選自下述物質硼(B)，周期表中ⅣB，ⅤB和ⅥB族中的元素。如鈦(Ti)、釩(V)、鉻(Cr)鋯(Zr)、鈮(Nb)和鉬(Mo)等，鑭系元素，鉿(Hf)，周期表中ⅧB族元素，如鎳(Ni)、鈷(Co)等及它們的合金，以及化合物如碳化硅(Sic)和碳化硼(B4C)等。
本發明中，上述作為結合劑的添加劑均為粉料，其粒度細于原料金剛石粉，粒度在1～50微米之間。
可以只選用硅作為添加劑，在這種情況下，原料混合物中，金剛石粉料的重量含量為70～99%，最好為85～95%。
除添加硅粉外，還可選用一種或多種其它物質作為添加劑，優先選用的物質有硼、鈦、鎳、鈷、鋯、鈮、鉬、釩、碳化硅、碳化硼以及它們的混合物。
金剛石粉料與添加劑的配比如下(下述百分含量均為總混合料中各組分的重量含量)組分 含量 優先選用的含量金剛石粉 70～99% 85～95%添加劑硅 1～30% 5～15%硼 0～5% 0～1%鈦 0～15% 0～5%鎳、鈷 0～5% 0～3%鋯、鈮、鉬、釩0～2% 0～2%
碳化硼、碳化硅 0～5% 0～5%添加劑以硅為主要成份，其它各種添加劑的總含量不應超過硅的含量。具體配比應根據產品的用途的不同作不同的選擇。
按照本發明，在金剛石粉與添加劑混合之前，應使用熔融堿或熔融鹽對金剛石粉料進行預處理，預處理后的金剛石粉應與添加劑充分混合，例如可用球磨機使其充分混合。
金剛石的預處理方法如下將固體氫氧化鈉、氫氧化鉀之類的堿，或碳酸鈉、硝酸鈉、硝酸鉀之類的鹽和金剛石粉放入銀坩鍋或其它類似容器中，上述堿或鹽對金剛石粉的重量比為3∶1至6∶1。然后將混合物加熱至堿或鹽的熔融溫度。如果采用鹽，應低于其分解溫度。例如當選用氫氧化鈉、氫氧化鉀、硝酸鈉，或者碳酸鈉和硝酸鈉的混合物時，首先加熱至600～700℃，使其熔融，并在此溫度下保持5分鐘至1小時。待混合物冷卻為固體后，加入熱水以溶解堿或鹽，棄液留粉料，用稀酸(最好用稀鹽酸)洗滌至中性，再用熱水漂洗幾次。然后將金剛石粉烘干，并與添加劑混合，以制造聚晶金剛石。
預處理后的金剛石表面粗糙、有光澤，其中非金屬雜質的重量含量低于0.01%。
在燒結之前用熔融堿或熔融鹽對金剛石粉料進行預處理是制造性能良好的耐熱聚晶金剛石的一個重要步驟，經預處理的金剛石粉制得的聚晶金剛石同未經預處理步驟制得的聚晶金剛石相比，前者耐磨性提高50～100%，而且產品在高溫處理后耐磨性不下降。
附圖的簡要說明如下。
圖1是燒結金剛石用的高壓、高溫裝置及組裝立方塊的立體示意圖，
圖2是圖1所示的組裝立方塊的剖面圖，圖3是本發明產品的微觀結構示意圖，圖4是各種石墨模的剖面圖，圖5表示聚晶金剛石在不同溫度下的相對耐磨性，Q1是本發明的產品在不同溫度下的相對耐磨性曲線。Q2是原有產品的曲線(如Compax，Syndite等產品)。
圖6表示石墨-金剛石的熱力學平衡曲線，及適合于制造本發明之耐熱聚晶金剛石的溫度壓力區。
圖7是本發明之聚晶金剛石的X射線衍射圖。
圖8是本發明之聚晶金剛石產品的顯微照片。
如圖2所示，本發明所用的石墨模主要由三部份組成模體(7)，模腔(8)和上蓋(6)，可由石墨棒或其他石墨燒結制品(如光譜純石墨電極)制造模體和上蓋。模腔的橫截面一般為圓形，也可以為三角形或多角形。預處理過的金剛石粉料和添加劑的混合物應裝入模腔(8)中。
本發明的石墨模可以是圖4(a)所示的單腔模，圖4(b)所示的多腔模或圖4(C)所示的多層模。
圖4(d)所示的三棱柱形石墨模是本發明提供的一種新模具。該模具材料的密度應至少為1.6克/厘米3，肖氏硬度至少為35，石墨化度高于70%。模體可為等壁厚的三棱柱或多棱柱形，其橫截面為模腔橫截面之相似形，因此壁厚是均勻的。用該模具制得的聚晶金剛石的相對耐磨性實質上是均勻的，就是說，其棱邊和側面的耐磨性基本上是一致的。
將金剛石粉和添加劑的混合物裝入模腔(8)后，把石墨模放入圖2所示的預先成型的葉蠟石立方塊(2)的孔中，用耐熱合金片(4)和銅薄片(5)襯墊石墨模的兩端，再用內封葉蠟石的導電鋼圈或鋼帽(3)堵頭。立方塊(2)最好是用葉蠟石制造的。
組裝之后，將上述裝有樣品的立方塊放入能產生燒結金剛石所需要的溫度和壓力的設備中。一種特別適用的設備是圖1所示的六面頂壓機。六面頂面機(20)有三對相同的頂錘(1)。每對相對的頂錘可按相對或相反的方向沿各公共軸直線運動。當六個頂錘匯合時，其六個砧面與組裝立方塊的六個面吻合。三對頂錘中至少有一對是連接電源并與壓機(20)絕緣的。
在六面頂壓機中，通電的頂錘可與組裝立方塊中的導電鋼環或鋼帽(3)接觸。因此電流可以從頂錘經導電鋼環或鋼帽，再經金屬片(4)和銅薄片(5)通到石墨模中。由于石墨的電阻高，產生所需要的高溫。三對頂錘是同時移動的，同時對組裝立方塊施壓直至達到所需的操作壓力。
按照本發明，所用的壓力至少為50千巴，最好為50～80千巴，溫度為1400～2000℃。圖6表示適用的壓力和溫度區域(A)。區域(A)是在金剛石穩定區域內及金剛石-石墨熱力學平衡線附近，而大部份是在金剛石穩定區域之內。上述操作壓力和溫度應保持一段時間，最好保持10秒至幾分鐘。卸壓之前應首先切斷電源，使樣品冷卻至室溫。
可采用各種不同的升壓、升溫方式。一種方式是首先升壓至要求的最高壓力，然后升溫至要求的最高溫度，并在此壓力和溫度下保持一段時間。另一種方式是先升壓至所要求最高壓力的90%，再升溫至要求的最高溫度，然后補充升壓至所要求的最高壓力，并在此壓力和溫度下保持一段時間。第三種方式是首先升壓至要求的最高壓力的90%，然后同時將溫度和壓力升至要求的最高值，并在此壓力和溫度下保持一段時間。
合成過程結束后，從石墨模中取出聚晶金剛石。本發明之聚晶金剛石具有普通聚晶金剛石的一般特征，其晶粒無序排列，無方向性，沒有解理面。但本發明之聚晶金剛石有獨特的結構。如圖3所示，金剛石晶體(10)均勻地分布在聚晶金剛石中，金剛石晶體(10)被β-碳化硅(11)覆蓋和包圍，二者之間化學鍵結合，β-碳化硅(11)與金剛石晶體(10)互相聯結成一體，構成聚晶金剛石的骨架。骨架的孔隙由元素硅或含硅難熔物(9)所填充，含硅難熔物也與β-碳化硅化學鍵結合和(或)粘合。所述含硅難熔物包括如Si-Ni，Si-B-C，Si-Ti-B，Si-Ni-Ti-B之類的多元固溶體以及(或)如Ni5Si2，B4C，TiB和TiSi之類的化合物，或鎳和硅的合金。
x-射線衍射分析證明本發明之聚晶金剛石的確具有上述微觀結構。在圖7中，β-碳化硅的衍射峰是很明顯的。β-碳化硅(SiC)的標準x-射線衍射值及本發明之樣品的實驗值列于表1。
表1實驗值 β-碳化硅的標準值d/n＊I/I0d/n＊I/I0hkl2.52 100 2.51 100 1112.15 20 2.17 20 2001.54 60 1.54 63 2201.32 50 1.31 50 3111.255 5 222
＊Cukαkβ圖8是本發明之聚晶金剛石產品的拋光截面的顯微照片(放大250倍)。通過對其磨光截面的折射率分析，進一步證明了圖3所示的微觀結構及本發明人對其產品結構的說明。
本發明之聚晶金剛石可以在制造過程中直接被模壓為所要求形狀的產品，其長徑比(或縱橫比)為1∶4至8∶1，最好為1∶4至4∶1;可以是片狀或塊狀，截面可以是圓形、三角形、四邊形或其它多邊形。
本發明產品的主要優點是熱穩定性高，在一氧化碳、氫或氮等非氧化性保護氣氛中，能耐熱1250℃以上。經受如此高溫之后，其耐磨性不僅不降低，甚至有時在某種程度上還有所提高。
圖5的曲線表示產品受熱后耐磨性的變化。Q1為本發明之聚晶金剛石產品的相對耐磨性與處理溫度的關系曲線;Q2為普通帶有硬質合金襯底的聚晶金剛石產品的相對耐磨性與處理溫度的關系曲線。曲線Q2表明，處理溫度高于700℃時，普通帶有硬質合金襯底的聚晶金剛石的耐磨性急劇下降;而曲線Q1表明加熱至同樣溫度時，本發明之聚晶金剛石的耐磨性不但沒有降低，有時還有所提高。
本發明之聚晶金剛石可與硬質合金等硬質胎體配合，用高溫粉末冶金法制造各種工具，比如地質和石油鉆探用的各種鉆頭，擴孔器、扶正器等。這種鉆頭既適用于在6～7級以下的軟巖層(如石灰巖、大理石、頁巖等)中鉆進，也適用于在具有粗粒的中硬巖層(如砂巖等)及非均勻的破碎性巖層中鉆進。在后兩種情況下，其效果優于孕鑲或表鑲的天然單晶金剛石鉆頭。本發明之聚晶金剛石也適合于采用高溫鑲焊或高溫燒結方法制造其它工具或制品，如拉絲模，切削刀具，修正筆，測頭以及其它耐磨器件等。
在高溫下，本發明聚晶金剛石表面孔隙中的一部份合金可能由于熔脹而從表面溢出，這有助于聚晶金剛石在鑲焊或粉末冶金時與胎體粘結得更好。
下文舉例說明本發明。
例1所用的金剛石粉料經過分級，本實例所用金剛石粉料的粒度組成(按重量計)為100微米占25%，80微米占25%，40微米占25%，20微米占25%。
將金剛石粉和固體氫氧化鈉以重量比為1∶5的比例放入銀坩鍋中，加熱至650℃使氫氧化鈉熔融，保持熔融30分鐘后使之冷卻為固體。加入熱水溶解氫氧化鈉及鈉鹽，去除液體后，用稀鹽酸洗滌金剛石粉至中性，再用熱水洗滌數次，然后烘干金剛石粉料。
以75∶22∶3的重量比，相應地將預處理過的金剛石粉與純度為99.99%、粒度為1～20微米的硅粉及純度為99.9%的鎳粉混合均勻，放入預先加工好的石墨模，把石墨模裝入圖2所示的葉蠟石立方塊中，再將組裝立方塊放入六面頂壓機中。升壓至55千巴，然后升溫至1600℃，保持此壓力和溫度30秒鐘。在整個樣品冷卻至室溫后再卸壓。
這樣制得的聚晶金剛石具有優良的耐磨性和抗沖擊性，在非氧化性保護氣氛中可耐熱1250℃以上。
例2用鈷粉代替鎳粉，重復例1的制備步驟。所制得的聚晶金剛石的性能與例1的產品性能相同。
例3
金剛石粉料的粒度組成(按重量計)為40微米占30%，20微米占50%，10微米占20%。
按例1的方法預處理金剛石粉料。
相應地按85∶10∶3∶2的重量比將預處理的金剛石粉，純度為99.99%、粒度細于28微米的硅粉，粒度細于28微米的碳化硼粉及純度為99.9%的鎳粉混合均勻，裝入預先加工好的石墨模中，把石墨模裝入圖2所示葉蠟石立方塊，再將組裝立方塊放入六面頂壓機中。升壓至77千巴，然后升溫至2000℃，保持此壓力和溫度40秒鐘。待整個樣品冷卻至室溫后再卸壓。
這樣制得的聚金剛石具有優良的耐磨性和抗沖擊性，在非氧化性保護氣氛中可耐熱1250℃以上。
例4用碳化硅粉代替碳化硼粉，重復例3的制備步驟。所得聚晶金剛石的性能與例3的產品性能相同。
例5用鈷粉代替鎳粉，重復例3的制備步驟。所得聚晶金剛石的性能與例3的產品性能相同。
例6金剛石粉料的粒度組成(按重量計)為60微米占30%，40微米占50%，20微米占20%。
按例1的方法預處理上述金剛石粉料。
相應地按90∶9∶1的方法將預處理過的金剛石粉，純度為99.99%、粒度為1-20微米的硅粉及純度為99.9%的硼粉混合均勻，裝入預處理的石墨模中。把石墨模裝入圖2所示的葉蠟石立方塊中，再把組裝立方塊放入六面頂壓機中。首先升壓至60千巴，然后同時升溫升壓，使溫度升至1900℃，壓力達65千巴，加熱保溫時間共計2分鐘，待整個樣品冷卻至室溫后再卸壓。
這樣制得聚晶金剛石具有優良的耐磨性和抗沖擊性，在非氧化性的保護氣氛中可耐熱1250℃以上。
例7金剛石粉料的粒度范圍為40～60微米。
按照例1所述的方法，預處理金剛石粉料，相應地以85∶13∶2的重量比，將預處理過的金剛石粉，純度為99.99%、粒度為1～20微米的硅粉及純度為99.9%的鎳粉混合均勻，裝入石墨模，把石墨模裝入圖2所示的葉蠟石立方塊中，再把組裝立方塊放入六面頂壓機。首先升壓至60千巴，然后升溫至1850℃，再升壓至65千巴，保持此壓力和溫度50秒鐘。待整個樣品冷卻至室溫后再卸壓。
這樣制得聚晶金剛石具有優良的耐磨性和抗沖擊性，在非氧化性的保護氣氛中可耐熱1250℃以上。
例8用鈷粉代替鎳粉，重復例7的制備步驟。所得聚金剛石的性能與例7的產品性能相同。
例9本實例采用的金剛石粉料的粒度范圍為20～60微米。
按照例1所述的方法預處理金剛石粉料。相應地以85∶13∶1∶1的重量比，將預處理過的金剛石粉，純度為99.99%、粒度為10～40微米的硅粉，純度為99.9%的鈦粉及純度為99.99%的硼粉混合均勻，裝入石墨模中。把石墨模裝入圖2所示的葉蠟石立方塊。再把組裝立方塊放入六面頂壓機，首先升壓70千巴，然后升溫至1900℃，保持此壓力和溫度5分鐘。待整個樣品冷卻至室溫后再卸壓。
這樣制得的聚晶金剛石具有優良的耐磨性和抗沖擊性，在非氧化性的保護氣氛中可耐熱1250℃以上。
例10本實例采用的金剛石粉料的粒度組成(按重量計)為40微米占50%，30微米占30%，10微米占20%。
按照例1所述的方法預處理金剛石粉料，相應地以91∶8∶0.5∶0.5的重量比，將預處理過的金剛石粉，純度為99.99%、粒度為1～10微米的硅粉，純度為99.9%的鈦粉及純度為99.9%的硼粉混合均勻，裝入石墨模中，把石墨模裝入圖2所示的葉蠟石立方塊，再把組裝立方塊放入六面頂壓機。首先升壓至62千巴，然后升溫至1800℃，保持此溫度和壓力1分鐘。待整個樣品冷卻至室溫后卸壓。
這樣制得的聚晶金剛石具有優良的耐磨性和抗沖擊性，在非氧化性的保護氣氛中可耐熱1250℃。
例11本實例所用的金剛石粉料的粒度組成(按重量計)為100微米占10%，40微米占90%。
按照例1所述的方法預處理金剛石粉料。相應地按85∶14∶1的重量比，將預處理過的金剛石粉，純度為99.99%、粒度為10～40微米的硅粉及純度為99%、粒度為10～40微米的鋯粉混合均勻，裝入石墨模中，把石墨模裝入圖2所示的葉蠟石立方塊。再把組裝立方塊放入六面頂壓機。升壓至65千巴，然后升溫至1850℃，保持此溫度和壓力1分鐘。待整個樣品冷卻至室溫后卸壓。
這樣制得的聚晶金剛石具有優良的耐磨性和抗沖擊性，在非氧化的保護氣氛中可耐熱1250℃以上。
例12用鉬粉代替鋯粉，重復例11的制備步驟。所得產品的性能與例11的聚晶金剛石的性能相同。
例13用鈮粉代替鋯粉，重復例11的制備步驟。所得產品的性能與例11的聚晶金剛石的性能相同。
例14用釩粉代替鋯粉，重復例11的制備步驟。所制得的產品的性能與例11的產品性能相同。
例15本實例所用金剛石的粒度組成(按重量計)為80微米占30%，60微米占30%，40微米占40%。
按例1所述的方法預處理金剛石粉。
相應地以70∶30的重量比，將預處理過的金剛石粉與純度為99.99%、粒度為20～40微米的硅粉混合均勻，裝入石墨模中，把石墨模裝入圖2所示的葉蠟石立方塊，再把組裝立方塊放入六面頂壓機中。首先升壓至60千巴，然后升溫至1800℃，維持此壓力和溫度1分鐘。待整個樣品冷卻至室溫后再卸壓。
這樣制得的聚晶金剛石具有優良的耐磨性和抗沖擊性，在非氧化的保護氣氛中可耐熱1250℃以上。
例16本實例所用金剛石粉料的粒度組成(按重量計)為150微米占25%，100微米占25%，60微米占25%，40微米占25%。
相應地按6∶1的重量比，將固體硝酸鈉和金剛石放入銀坩鍋中，加熱至650℃使硝酸鈉熔融，保持熔融溫度20分鐘后使之冷卻為固體。加入熱水溶解硝酸鈉及鈉鹽，去除液體，用稀鹽酸洗滌金剛石粉至中性再用熱水洗滌數次，然后烘干金剛石粉料。
相應地以70∶25∶5的重量比，將預處理過的金剛石粉，純度為99.99%粒度為28～40微米的硅粉及純度為99.9%的鎳粉混合均勻后放入石墨模中。把石墨模放入圖2所示的葉蠟石立方塊，再把組裝立方塊放入六面頂壓機中。升壓至65千巴，然后升溫至1800℃，保持此溫度和壓力2分鐘。待整個樣品冷卻至室溫后卸壓。
這樣制得的聚晶金剛石具有優良的耐磨性和抗沖擊性，在非氧化性保護氣氛中可耐熱1250℃以上。
例17本實例所用金剛石粉料的粒度組成(按重量計)為40微米占25%，28微米占25%，10微米占25%，5微米占25%。
按照例1的方法預處理金剛石粉料。
相應地以90.5∶8.5∶0.5∶0.5的重量比，將預處理過的金剛石粉，純度為99.99%、粒度為1～10微米的硅粉，純度為99.9%的鈦粉及純度為99.9%的硼粉混合均勻，裝入圖4(d)所示的等壁厚三棱柱形石墨模中，石墨模的密度為1.7±0.1克/厘米3，肖氏硬度為55，石墨化度為83%。把三棱柱形的石墨模放入預先成形的葉蠟石立方塊中，并將組裝立方塊放入六面頂壓機中。升壓至60千巴，然后升溫至1750℃，保持此溫度和壓力1分鐘。待整個樣品冷卻至室溫后再卸壓。
這樣制得的聚晶金剛石具有優良的耐磨性和抗沖擊性，在非氧化的保護氣氛中可耐熱1250℃以上。
本實例所得產品為三棱柱形，其棱邊基本平直無凹陷，各部位的相對耐磨性均勻一致，也就是說，棱角處同表面的耐磨性基本上是一致的。
權利要求
1.一種耐熱聚晶金剛石，其特征在于，該聚晶金剛石在保護氣氛中能經受1250℃高溫而不降低耐磨性，它含有金剛石晶體，β-碳化硅和元素硅，金剛石晶體均勻地分布在聚晶金剛石中，其表面被β-碳化硅覆蓋，金剛石晶體與β-碳化硅之間以化學鍵結合，β-碳化硅之間互相聯結并與金剛石晶體共同構成聚晶金剛石的連續性骨架，元素硅填充在上述骨架的空隙中，并與β-碳化硅化學鍵結合(或)粘合；在聚晶金剛石中，金剛石晶體的重量含量為70～99%，粒度為1～150微米。
2.一種耐熱聚晶金剛石，其特征在于，該聚晶金剛石在保護氣氛中能經受1250℃高溫而不降低耐磨性，它含有金剛石晶體，β-碳化硅和含硅難熔物，金剛石晶體均勻地分布在聚晶金剛石中，其表面被β-碳化硅覆蓋，金剛石晶體與β-碳化硅之間以化學鍵結合，β-碳化硅互相聯結，并與金剛石晶體共同構成聚晶金剛石的連續性骨架，含硅難熔物填充在上述骨架的空隙中，并與β-碳化硅化學鍵結合和(或)粘合，所述含硅難熔物主要由元素硅和選自下述一組物質中的一或多種物質組成，這些物質是一種或多種元素的硅化物，一種或多種元素與硅的固溶體，碳化硼，和碳化硅，上述元素和物質為硼、鈦、鎳、鈷、鋯、鈮、鉬、釩、鉿、周期表中的鑭系元素或它們的合金，這些物質在聚金剛石中的總量不多于硅的總量(包括元素硅和結合的硅)。在聚晶金剛石中，金剛石晶體的重量含量約為70～99%，粒度為1～150微米。
3.根據權利要求
1或2所述的耐熱聚晶金剛石，其特征在于，金剛石晶體的(重量)含量為86～95%，粒度為1～100微米。
4.根據權利要求
2所述的耐熱聚晶金剛石，其特征在于所述在空隙內存在的能與硅形成化合物或固溶體的物質為硼、鎳、鈷、鈦、鋯、鈮、鉬或釩。
5.根據權利要求
4所述的耐熱聚晶金剛石，其特征在于，聚晶金剛石中各添加劑的重量含量相應為硼0～5%，鎳0～5%，鈷0～2%，鈮0～2%、銅0～2%，釩0～2%。
6.制造耐熱聚晶金剛石的方法，其特征在于具有以下制備步驟(1)用熔融堿或熔融鹽預處理金剛石粉料，(2)將預處理過的金剛石粉料與硅粉或硅粉和其它能與硅形成難溶物的物質的混合物均勻地混合，(3)將混合物裝入具有產品形狀的模腔中，(4)將模具放入預先成型的葉蠟石立方塊中，(5)將上述葉蠟石組裝立方塊放入可產生高溫和沿三個軸向同時施加高壓的儀器設備中，(6)使模具中的混合物加熱至1400～2000℃，加熱到50千巴以上，(7)保持上述溫度和壓力一段時間，(8)冷卻，(9)卸壓。
7.根據權利要求
6所述的方法，其特征在于，所用的金剛石粉料可以是人造金剛石，含硼的人造金剛石，天然金剛石，其粒度為1～150微米。
8.根據權利要求
6所述的方法，其特征在于，制備步驟1中所述的熔融堿或鹽為氫氧化鈉，或氫氧化鉀，或碳酸鈉，或硝酸鈉，或硝酸鉀或其混合物。
9.根據權利要求
8所述的方法，其特征在于，熔融堿或鹽為氫氧化鈉，或氫氧化鉀，或碳酸鈉與硝酸鈉的混合物。
10.根據權利要求
6所述的方法，其特征在于，預處理金剛石粉料的主要步驟如下(1)在熔融堿或熔融鹽中預處理金剛石粉料5分鐘至1小時，(2)使熔體冷卻為固體，(3)用熱水溶解混合物中的堿及鹽，(4)棄去液體部份，分離出金剛石，(5)用稀酸洗滌金剛石粉料至中性，(6)用熱水漂洗幾次，(7)將水棄去分離出金剛石粉料，(8)干燥金剛石粉料。
11.根據權利要求
10所述的方法，其特征在于，所用的稀酸為稀鹽酸。
12.根據權利要求
6所述的方法，其特征在于，在總混合料中，金剛石粉的(重量)含量為70～99%，其余為粒度小于金剛石粉的硅粉。
13.根據權利要求
12所述的方法，其特征在于，硅粉的粒度為1～50微米。
14.根據權利要求
6所述的方法，其特征在于，在總混合料中，金剛石粉的(重量)含量為70%～99%，其余為硅粉與選自下述一組物質中的一種或多種物質粉料的混合物，這些物質是碳化硼、碳化硅、硼、鈦、鎳、鈷、鋯、鈮、鉬、釩、鉿、鉻、周期表中鑭系元素及它們的合金，其總量少于硅粉，硅粉及所述物質粉料的粒度，均小于金剛石粉料的粒度。
15.根據權利要求
14所述的方法，其特征在于，所說的物質粉料為碳化硼、碳化硅、硼、鈦、鎳、鈷、鋯、鈮、鉬或釩。
16.根據權利要求
15所述的方法，其特征在于，硅粉和其它物質粉料的粒度為1～50微米。
17.根據權利要求
15所述的方法，其特征在于，總混合料中，金剛石粉料的重量含量為85～95%，硅粉的重量含量為5～15%。
18.根據權利要求
6至17中任意一項所述的方法，其特征在于，在總混合料中，各物質的重量含量為碳化硼0～5%，碳化硅0～5%，硼0～5%，鈦0～15%，鎳0～5%，鈷0～5%，鋯0～2%，鈮0～2%，鉬0～2%，釩0～2%。
19.根據權利要求
18所述的方法，其特征在于，在總混料中，各物質的重量含量為碳化硼0～5%，碳化硅0～5%，硼0～1%，鈦0～5%，鎳0～3%，鈷0～3%，鋯0～2%，鈮0～2%，鉬0～2%，釩0～2%。
20.根據權利要求
6至17中任意一項所述的方法，其特征在于，所用的壓力為50～80千巴。
21.根據權利要求
6所述的方法，其特征在于，制備步驟(6)中先升壓至要求的最高壓力，然后升溫至要求的最高溫度，保持此要求的最高壓力和溫度約10秒至10分鐘。
22.根據權利要求
6所述的方法，其特征在于，制備步驟(6)中，首先升壓至要求的最高壓力的90%，再升溫至要求的最高溫度，然后補充升壓至要求的最高壓力，保持此要求的最高壓力和溫度約10秒鐘至10分鐘。
23.根據權利要求
6所述的方法，其特征在于，制備步驟(6)中首先升壓至要求的最高壓力的90%，然后同時將溫度和壓力升至要求的最高值，在此要求的最高壓力和溫度下保持約10秒鐘至10分鐘。
24.制造多棱柱形聚晶金剛石的石墨模，其特征在于，模體為多棱柱形，其壁厚相等，模具之密度至少為1.6g/cm3，肖氏硬度至少為35，石墨化度高于70%。
25.根據權利要求
22所述的方法，其特征在于模體為三棱柱形。
26.按照權利要求
6的方法所制造的耐熱聚晶金剛石。
27.由權利要求
1，2，3，4，5或24的聚晶金剛石所制得的制品。
專利摘要
一種能經受1250℃高溫而不降低耐磨性的耐熱聚晶金剛石。其制備方法主要是用熔融堿或熔融鹽預處理金剛石粉料，將金剛石粉與硅粉或硅粉和其它能與硅形成難熔物的物質粉料混合均勻，然后使混合物在高溫高壓下保持一段時間。本發明還介紹了一種用于制造聚晶金剛石的等壁厚多棱柱形石墨模。本發明之產品適合于采用高溫鑲焊或高溫燒結的方法制造鉆頭、拉絲模等工、模具或其它耐磨器件。
文檔編號B01J3/06GK85106509SQ85106509
公開日1987年2月25日 申請日期1985年8月29日
發明者于鴻昌, 翟中慶, 楊震, 王朝東 申請人:鄭州磨料磨具磨削研究所導出引文BiBTeX, EndNote, RefMan