金剛石工具的制作方法

專利名稱：金剛石工具的制作方法
技術領域：
本發明涉及金剛石工具和制備金剛石工具的方法。
背景技術：
對于任何應用，當選擇工具材料時使用者必須考慮多個因素。這樣的因素包括成本、韌性、磨損速率/硬度、加工所需的工作表面如切削刃的能力、有用壽命、和對要加工的材料具有的化學效應的惰性。理想的工具材料是既堅硬又有韌性的工具材料。耗損應用中使用的材料的這兩種性質經常在兩個相互垂直的軸上呈現。簡而言之，磨損是每單位的操作移除的材料量的量度。韌性是材料對裂紋擴展的耐受性的量度。持續不斷的需要提供較堅硬、較有韌性、較強并且較耐磨的材料。還持續不斷的需要提供較快、較精確和較清潔的制備方法，這意味著成本效率和改善的性能。本發明的某些實施方案的目的是至少部分解決這些需要中的一些。對于很多優質性能的切削、鉆孔、研磨和拋光工具，金剛石材料是精選的材料。在很多行業中包括各種金屬、石頭和木工行業，在工具作業解決方案中使用金剛石材料。實例包括航空和汽車制造、家具制備、采石、建筑、采礦和挖隧道、礦物加工和油氣行業。金剛石的硬度性質使其成為就磨損而言的最佳材料。然而，在工具的工作溫度下金剛石在應力下塑性變形的有限能力導致與更有韌性的材料如鋼相比更快速的裂紋擴展。先前改善金剛石持久性的嘗試涉及改變形成金剛石材料的方法或在形成材料后處理金剛石材料。例如，WO 01/79583教導了用于改善金剛石型工具的持久性以提高沖擊強度和斷裂韌性的工藝。 該工藝涉及將離子注入金剛石型工具的表面中。離子注入是一種材料工程工藝，通過該工藝可將材料的離子注入另一種固體中，從而改變固體的物理性質。在通常情況下，將離子注入至10納米-1微米的深度。W001/79583教導了透過金剛石表面至O. 02 μ m-o. 2 μ m深度的離子注入。優選的離子包括鉻、鎳、釕、鉭、鈦和釔。US 4184079和GB 1588445還教導了用于通過用足夠能量的離子轟擊金剛石以透過金剛石表面而使金剛石韌化的方法。建議了各種離子，包括碳、氮和氫離子。描述了離子在金剛石晶格中形成位錯網絡，從而抑制金剛石的微裂隙(miCTocleavage)。還描述了可將位錯限制于金剛石晶體表面以下10納米-1微米的深度，以便在其表面上形成硬表皮。教導了離子劑量應該非常少，在IO16-1O18離子cm_2范圍內，并且具有10keV-10MeV、更優選小于IOOkeV的能量，使得通過轟擊而注入的物質對金剛石材料沒有不利的影響。由于金剛石的離子轟擊導致表面的非晶化和軟化(除非維持溫度高得足以保持晶體結構)，因而教導在離子轟擊期間使用至少約500°C的溫度。GB 1588418公開了用于改善工業金剛石的磨損性質的工藝。該工藝包括將離子注入金剛石表面中。出于該目的，建議了碳和氮離子。US 4012300公開了通過使顆粒經受福照來改變磨料顆粒、特別是金剛石和立方氮化硼顆粒的脆性的方法。建議了質子、中子和伽馬輻照，其中優選中子。
US2006065187公開了一種韌性CVD金剛石材料，其在約1050°C -1200°C下在具有約4%N2/CH4的氮與甲烷比例的氣氛中生長并且隨后退火。
US2009110626教導了通過低壓、高溫退火工藝處理的含有氮的單晶CVD金剛石具有高韌性。
本發明的某些實施方案的目的是改善金剛石工具的韌性和/或耐磨性。本發明的某些實施方案的另一個目的是避免與上述方法相關的問題中的一些問題。發明內容
根據本發明的一個方面，提供了一種方法，其包括
選擇金剛石材料；
輻照金剛石材料以提高金剛石材料的韌性和/或耐磨性；和
將金剛石材料加工成一個或多個金剛石工具構件，
其中金剛石材料選自以下材料
具有l-600ppm總的等效孤立氮濃度的HPHT金剛石材料；
具有O. 005-100ppm總的等效孤立氮濃度的CVD金剛石材料；和
具有l-2000ppm總氮濃度的天然金剛石材料，
其中所述輻照包括控制輻照的能量和劑量，以提供具有多個孤立空位點缺陷的金剛石材料，所述孤立空位點缺陷具有I X IO14-1 X IO21個空位/cnT3的濃度。
本發明提出輻照提高金剛石材料的韌性和/或耐磨性的機制與金剛石晶體基質內的氮提高韌性和/或耐磨性的機制之間存在相互作用。盡管該機制沒有完全得到表征， 但是一種可能性是輻照在晶體基質內引入相對均勻分布的空位缺陷，其可充當裂紋終止體 (stop)和/或在金剛石晶體基質內引入應力/應變區域，其可用于抑制裂紋擴展并且提高韌性。晶體基質內的氮雜質可起到捕獲由輻照引入的空位以形成N-V-N或N-V中心。在制造期間和在使用中，金剛石工具構件變熱。因此，由輻照引入的空位在晶體基質內可變成移動的。然而，需要在晶體基質內提供相對均勻分布的空位以充當裂紋終止體。因此，通過保證在晶體基質內存在合適濃度的氮以防止空位在金剛石晶體結構中遷移，可維持由輻照弓I 入的相對均勻分布的空位。空位點缺陷可以處于中性(V°)和負電荷狀態(V—)。總空位濃度([VT] = [V0] + [VI )可以在以下范圍內1X IO14-1 X IO22 個空位 /cm' I X IO14-1 X IO21 個空位 /cm3、I X IO14-1 X IO20 個空位 /cm3、I X IO15-1 X 1021cnT3、5 X IO15-1 X 102。個空位 /cnT3、 I X IO15-1 X IO19 個空位 /cm3、I X IO15-1 X IO18 個空位 /cm3、I X IO15-1 X IO17 個空位 /cm3、 I X 1016-5 X IO19 個空位 /cnT3、或 5 X IO16-1 X IO19 個空位 /cnT3 或 I X IO16-1 X IO17 個空位 /3cm。
除了上述內容，還意識到CVD、HPHT和天然金剛石為具有例如不同氮分布的結構不同的材料。例如天然金剛石傾向于具有聚集的氮缺陷(Ia型)，而合成的CVD和HPHT金剛石材料傾向于具有孤立的氮缺陷(Ib型)。具有不同類型和分布的氮缺陷的材料在經受輻照后表現不同。此外，氮含量可影響其它特性如CVD金剛石生長。因此，與由輻照引入的空位缺陷相互作用而在金剛石材料中需要存在的氮的優化量將根據所輻照的金剛石材料的類型而改變。
鑒于上述內容，并且根據本發明，提出了對于經輻照的材料，HPHT金剛石材料的優化的孤立氮濃度處于l_600ppm的范圍，CVD金剛石材料的優化的孤立氮濃度處于O. 005-100ppm的范圍，并且天然金剛石材料的優化的孤立氮濃度處于l_2000ppm的范圍。使用這樣的材料，輻照和氮以兼容的方式來提供更有韌性、更耐磨的材料。HPHT 金剛石材料可具有 10-300ppm、10-200ppm、50-250ppm、100-200ppm、10-100ppm、或10-50ppm總的等效孤立氮濃度。CVD 金剛石材料可具有 O. 01-50ppm、0. 05_20ppm、0· 08_5ppm、或 O. l_2ppm 總的等
效孤立氮濃度。天然金剛石材料可具有200-2000ppm、500-1500ppm、800-1300ppm、或1000-1200ppm 總氮濃度。要注意的是，上面討論的氮濃度測量為在大部分體積的金剛石材料內的平均濃度。大部分體積可以大于或等于50%、60%、70%、80%、或90%的金剛石材料的總體積。這解釋了不同金剛石生長扇區具有導致濃度變化的不同氮吸收率。可由本領域技術人員已知的技術測量金剛石材料的總的等效孤立氮濃度，例如濃度可由FTIR光譜的一個聲子部分的吸收光譜的退卷積計算該濃度。可使用二次離子質譜(SIMS)確定氮的總濃度，該氮的總濃度包括聚集的氮。輻照可包含電子、中子、X射線、伽馬輻照、質子、或α粒子。輻照應該具有足夠的能量以在金剛石材料中產生可充當裂紋停止體的孤立空位或相對小的簇缺陷。如果輻 照能量相對高或輻照包含相對重的粒子，則用足夠的能量將碳原子從它們的晶格位置上敲出從而將它們的晶格位置上的其它碳原子敲出，導致所謂的級聯損害(cascade damage)。這導致金剛石晶體基質內的缺陷簇和應力/應變區域,其可用于抑制裂紋擴展并且提高韌性。小的簇缺陷是可接受的。然而，如果輻照的能量太高，則級聯損害變得過于強烈并且韌性和/或耐磨性降低。此外，如果輻照的能量太低，則輻照沒有充分透入金剛石材料中以提供金剛石材料的整體處理。鑒于上述內容，為了形成大量相對均勻間隔的孤立空位或小的簇缺陷而不使單一簇尺寸變得太大，輻照金剛石材料是有利的。如果形成簇缺陷，則它們應該優選具有長度不大于50個原子、20個原子、10個原子、不大于5個原子的最大長度。可使用透射電子顯微鏡(TEM)或正電子湮滅技術測量簇缺陷的尺寸。輻照的能量將取決于輻照的類型以及輻照與其在金剛石晶體基質內撞擊的碳原子之間的能量傳遞機制。輻照的劑量也將取決于輻照的類型和每個輻照粒子產生的空位數。可使用重復的工藝來探尋優化的空位缺陷水平。可輻照、測試、再輻照材料等以探尋對于用于特定類型的工具構件和工具應用的特定金剛石材料的優化缺陷水平。根據某些實施方案，輻照優選高于導致金剛石材料顏色改變的能量和劑量率。輻照保持低于會導致金剛石材料非晶化的能量和劑量率也是有利的。非晶化對金剛石材料的機械性質有不利的影響。通常，輻照劑量越長，將引入更多的空位缺陷。然而，空位引入的速率可根據起始材料的性質而改變。對于電子，輻照可具有以下能量30keV或更高、O. lMeV_12MeV、0. 5MeV_10MeV、lMeV-8MeV、或4MeV_6MeV。電子輻照的劑量可為I X IO1Wcm2或更大、I X IO1V/cm2-l X 1019e-/cm2、I X 1017e_/cm2-1 X 1019e_/cm2、或 2 X 1018e_/cm2-1 X 1019e_/cm2。
對于中子，輻照可具有以下能量1.OkeV-12MeV、1. OkeV-lOMeV、100keV_8MeV、 100keV-6MeV、或500keV-4MeV。中子將傾向于在一定能量范圍內分布。因此，至少50%、至少60%、至少70%、或至少80%的中子落入上述范圍之一。中子輻照的劑量可為1X IO14個中子/cm2或更大、I X IO14個中子/cm2-1 X IO18個中子/cm2、I X IO15個中子/cm2_5 X IO17個中子/cm2、或I X IO15個中子/cm2-1 X IO17個中子/cm2。
對于伽馬射線，輻照可具有以下范圍內的能量0. l_12MeV、0. 2_10MeV、或 O. 3-8MeV。伽馬射線輻照的劑量可為5Χ1016γ射線/cm2或更大、I X IO17 Y射線/ cm2-5X IO21 Y 射線 /cm2、或 5 X IO17 Y 射線 /cm2-l X IO21 Y 射線 /cm2。
在根據本發明的某些實施方案的輻照期間，保持金剛石材料的溫度相對低。例如，溫度可為500V或更低、400V或更低、300V或更低、200V或更低、100°C或更低、或者 50°C或更低。為了保持溫度下降，在輻照期間可積極冷卻金剛石材料。保持溫度相對低是有利的，因為溫度的提高可導致空位缺陷的數密度降低。
該方法除了通過輻照來處理以外還可包括退火金剛石材料的任選步驟。在輻照步驟之前、期間或之后或其任何組合，可進行退火步驟。在某些應用中，可優選在輻照之前進行退火步驟，因為在輻照之后退火步驟可導致空位缺陷的減少。可在1600°C或更高、1800°C 或更高、2200 0C或更高、或者2400 0C或更高的溫度下進行退火。本發明的實施方案可包括輻照和相對低溫的退火的組合，或輻照和高壓高溫退火的組合。實施方案還考慮了重復劑量的輻照和/或重復退火的可能性。即，可進行多于一次的退火和/或輻照步驟。例如，可將金剛石材料退火，然后輻照，隨后退火。還可進行交替的輻照和退火步驟。或者，至少在輻照之后可不使金剛石材料暴露于任何顯著的退火步驟。顯著的退火步驟意指顯著并可測量地改變材料性質的退火步驟。低于1800°C的退火可在惰性氣氛中進行，而高于1800°C的退火可需要穩定化的壓力，特別是如果進行長的退火。通常進行退火30秒至50小時。惰性氣氛意指在其下金剛石在退火期間不顯著劣化的氣氛。實例包括氬和氖。
對于某些應用，相對低溫的退火可為有利的。在使用中，金剛石材料可變熱，并且安裝金剛石工具構件的大多數方法還包括在例如900°C下的釬焊。因此，低溫退火對于保證使用中金剛石工具構件的一致性能可為有用的。例如，在1500°C或更低、1300°C或更低、 1200°C或更低、1100°C或更低、或約1000°C的溫度下的低溫退火對于某些應用可為有用的。
可在加工形成一個或多個工具構件之前、期間或之后進行輻照。該加工可涉及處理、研磨、切削和/或成形金剛石材料以形成一個或多個金剛石工具構件，每個工具構件具有工作表面例如刀刃。例如，該加工可包括形成以下物件之一耐磨零件、打磨機、拉絲模、 計量石(gauge stone)、和刀具。例如，工具構件可包含具有大于或等于O. 5mm、1mm、1. 5mm 或2_的長度的切削刃。該方法還可包括將一個或多個金剛石工具構件并入一種或多種工具中并且可在該并入步驟之前、期間或之后進行輻照。
在將材料并入工具中之前輻照金剛石材料是有利的，因為由輻照所致的韌性和/ 或耐磨性的提高可降低在將金剛石材料并入工具中所涉及的 加工步驟期間金剛石材料被損壞的可能性。此外，工具中的其它部件可受輻照而損壞，并且如果在將金剛石材料并入工具中之前輻照金剛石材料則可避免該損壞。例如，已知輻照可降低金屬材料例如鋼的韌性。 此外，如果在工具制造之前將金剛石預處理，則不需要以任何方式改變用于形成使用金剛石材料的工具的現有制造工藝。
另一方面，在將金剛石材料并入工具中之后輻照金剛石材料具有優點可將現有的金剛石工具進行處理以提高它們的韌性和/或耐磨性。此外，還可將輻照導向工具內需要提高韌性和/或耐磨性的特定部分的金剛石材料。這避免了需要輻照在使用中可無需具有提高的韌性和/或耐磨性的其它部分的金剛石材料。除了改善工具的韌性和/或耐磨性以外，金剛石的韌性和/或硬度的提高還可允許以不同的方式加工金剛石材料。例如，韌性的提高可允許將金剛石材料加工成用于較精確切削的較鋒利的刃，而在加工期間或在使用中沒有刃開裂或碎落。可輻照金剛石材料至I μ m或更大、10 μ m或更大、100 μ m或更大、500 μ m或更大、或者Imm或更大的深度。可貫穿金剛石的總厚度而輻照金剛石材料 。還可使金剛石材料在材料多于一個側面上暴露于輻照。例如，可使金剛石板材在兩個主面上均暴露以獲得均勻暴露的輻照。類似地，在輻照期間可使多個小粒子振動，使得粒子滾動并且在它們的表面上方接受對輻照適度均勻的暴露。在輻照期間的樣品轉動或在輻照之后重復的轉動可協助貫穿金剛石材料的體積獲得輻照和/或協助獲得相對均勻分布的空位缺陷。本發明的某些實施方案相對于現有技術離子注入方法的一個優點是本發明的實施方案可為更加成本有效的。這是因為某些實施方案提供金剛石材料的整體處理，而不僅是表面處理。因此，在將金剛石材料加工成工具構件并且將工具構件并入工具中之前，可完成輻照。此外，可對大體積的材料構件施加整體處理，而僅有相對簡單的處理要求。例如，金剛石構件不需要細心安裝于如對于很多表面處理所需的某個方向上。相比之下，現有技術離子注入方法需要在金剛石材料加工之后進行。這是因為現有技術離子注入方法通常僅在接近金剛石材料表面處導致韌性的提高。通過例如切削、成形和/或研磨金剛石材料將材料加工成工具構件將移除這樣的材料經處理的表面。本發明的某些實施方案的另一個優點是可再加工工具構件而不需要再處理工具構件。另一個優點在于，在加工以形成工具構件之前的輻照可改善通過加工可獲得的工作表面。例如，可將具有提高韌性的經輻照的金剛石材料加工成用于較精確切削的較鋒利的切削刃，而在加工期間沒有使切削刃碎落或開
ο根據本發明的實施方案的金剛石材料可為天然金剛石或合成金剛石。合成金剛石可由高壓高溫(HPHT)方法或由化學氣相沉積(CVD)方法形成。金剛石材料可為單晶、多晶、砂粒(grit)、類金剛石碳(DLC)或復合金剛石材料例如分散于金屬基體(通常為鈷并且稱為P⑶)或無機基體(例如碳化硅并且稱為骨架粘結的金剛石或ScD)中的金剛石晶粒。金剛石材料可包含具有以下尺寸的晶體Inm或更大、IOOnm或更大、500nm或更大、I微米或更大、5微米或更大、O. 5mm或更大、Imm或更大、3mm或更大、或者IOmm或更大。金剛石材料可包含一個或多個晶體并且可形成具有至少一個高達例如200mm或更大的尺寸(例如在多晶金剛石板材或圓蓋體中)的本體。本發明特別適用于HPHT和CVD金剛石。然而，也可將某些實施方案施加至天然金剛石。本發明的某些實施方案提出使用中子輻照用于提高具有至少一個Imm或更大、1. 5mm或更大、或者2mm或更大的尺寸的金剛石工具構件的韌性和/或耐磨性。US4012300描述了通過特別是用中子輻照砂粒來降低120/140美國篩號(約O.1mm最大顆粒直徑)或30/40美國篩號(約O. 5mm最大顆粒直徑)的天然金剛石砂粒的脆性(提高脆性指數)的方法。根據 Zhou 等人(Zhou, Y. , Takaha shi, T. , Quesnel, D. J. , Funknebusch, P.D., ^Friability and Crushing Strength ofMicrometer-Size Diamond Abrasives Used in Microgrinding ofOptical Glassj ,Metallurgical and Materials Transactions A, 27A (1996)，1047-1053)，脆性是在壓縮沖擊負載條件下當處于粒料形式的材料的破碎強度的量度。與教導使用中子輻照用于降低小金剛石顆粒的脆性的US 4012300相比，本發明的某些實施方案提出使用輻照用于提高較大的金剛石工具構件的韌性和/或耐磨性。發現輻照可在相對大的金剛石材料構件中形成正確尺寸的缺陷的合適分布，以便提高金剛石工具構件的韌性和/或耐磨性。在US 4012300中既沒有公開也沒有暗示這一點。
根據本發明的某些實施方案，金剛石材料可為Ia型、Ib型、或IIa型中的任一種。
優選地，輻照使金剛石工具構件的有用壽命比未處理的金剛石工具構件的壽命增加10%或更多、優選20%或更多、更優選50%或更多。
除了提高金剛石工具的韌性和/或耐磨性以外，本發明的實施方案的輻照處理還具有制備具有更多所需的顏色的金剛石工具構件的額外效果。特定顏色的工具是有用的， 因為顏色還涉及其性能，因而除了性能優勢以外還給予本發明的工具獨特的顏色標記。傳統地，合成金剛石工具構件通常包含顏色為黃色的金剛石材料。通過從黃色、最優選深黃色的金剛石材料開始并且輻照黃色的金剛石材料以便提高韌性和/或耐磨性，獲得了特別好的結果。輻照還可改變黃色金剛石材料的顏色。除了輻照以外，還可取決于起始材料的準確類型、輻照類型和是否進行退火步驟，獲得多種顏色。例如，當根據本發明的一個實施方案受輻照時，無色或近無色的CVD金剛石可變成藍色或黃綠色。如果受輻照并且隨后被加熱至高于約700°C的溫度，則取決于輻照和退火處理，初始為無色或近無色的CVD金剛石可變成無色、橙色、棕色或粉紅色顏色。相比之下，當根據本發明的一個實施方案受輻照(取決于劑量)時，黃色的HPHT Ib型金剛石可變成綠色。如果受輻照并且隨后被加熱至高于約 700°C的溫度，則黃色的HPHT Ib型金剛石可變成紅色或紫色顏色(取決于輻照和退火)。在某些切削應用中，發現通過輻照HPHT Ib型金剛石獲得的綠色金剛石給出特別好的結果。
此外，例如當超過某個溫度持續一定長度的時間時，根據本發明的某些實施方案的金剛石材料的顏色可改變。該顏色變化可用作品質控制指示和/或金剛石工具構件需要更換的指示。例如，根據本發明的一個實施方案的綠色HPHT Ib型金剛石工具構件在高溫下延長使用后可變成紅色/紫色。這可充當金剛石工具構件需要更換和/或是否存在由例如安裝或工具設計具有的制造問題所致的過度加熱并且因此是否發生過度加熱的指示。


為了較好的理解本發明并且為了顯示可如何實施本發明，現在參考附圖以僅舉例的方式描述本發明的實施方案，其中
圖1說明了實施根據本發 明的一個實施方案的方法所涉及的基本步驟；
圖2說明了實施根據本發明的另一個實施方案的方法所涉及的基本步驟；和
圖3說明了實施根據本發明的另一個實施方案的方法所涉及的基本步驟。
具體實施方式
圖1說明了實施根據本發明的一個實施方案的方法所涉及的基本步驟。輻照金剛石材料10以形成具有提高的韌性和/或耐磨性的金剛石材料12。隨后例如使用激光或機械刀具切削金剛石材料12以形成一個或多個金剛石工具構件14。然后將一個或多個金剛石材料構件14釬焊至載體16以形成金剛石工具。圖2說明了實施根據本發明的另一個實施方案的方法所涉及的基本步驟。例如使用激光或機械刀具切削金剛石材料20以形成一個或多個金剛石工具構件22。然后輻照一個或多個金剛石工具構件22以形成經輻照的金剛石工具構件24。隨后將一個或多個經輻照的金剛石工具構件24釬焊至載體26以形成金剛石工具。圖3說明了實施根據本發明的另一個實施方案的方法所涉及的基本步驟。例如使用激光或機械刀具切削金剛石材料30以形成一個或多個金剛石工具構件32。然后將一個或多個金剛石工具構件32釬焊至載體34以形成金剛石工具。隨后輻照一個或多個金剛石工具構件34以形成經輻照的金剛石工具構件36。本發明所描述的實施方案提供了提高包含金剛石材料的工具的韌性和/或耐磨性的方法，該方法包括輻照金剛石材料以提高韌性和/或耐磨性。輻照處理在金剛石材料中形成空位缺陷，其可由金剛石基質內的氮捕獲。 本發明的實施方案中使用的金剛石材料可為天然金剛石、HPHT金剛石和CVD金剛石。將理解，天然金剛石、HPHT金剛石和CVD金剛石具有它們自身獨特的結構和功能特性，因而術語“天然”、“HPHT”和“CVD”不僅意指金剛石材料的形成方法而且還意指材料本身的特定結構和功能特性。例如，通過位錯結構，合成的CVD金剛石材料可明確區別于使用HPHT技術合成的合成金剛石材料。在合成的CVD金剛石中，位錯通常穿過近似垂直于基材的初始生長表面的方向，即當基材為{001}基材時，位錯近似與
方向平行排列。對于使用HPHT技術合成的合成金剛石材料不是這樣的。因而，通過例如在X射線物相照片中觀察到它們不同的位錯結構可區分這兩種類型的材料。本發明的實施方案中使用的金剛石材料可為Ia型、Ib型、或IIa型。Ia型和Ib型金剛石包含氮。盡管IIa型金剛石通常定義為不包含氮，但是實際上它們可包含低濃度的氮。在Ia型中，氮原子形成各種類型的聚集缺陷，而在Ib型金剛石中，氮原子傾向于作為單一雜質而孤立。Ia型金剛石可為無色、棕色、粉紅色和紫色。天然Ib型金剛石可為深黃色(“淡黃色”)、橙色、棕色或微綠色的。金剛石的顏色由晶體結構內缺陷的數目、類型和分布決定。晶體缺陷包括位錯、微裂紋、孿晶界、點缺陷和小角度晶界。因此，例如金剛石的顏色將取決于雜質如氮的類型和分布以及其它缺陷如位錯的類型和分布。在金剛石中存在很多的不同類型和小類的缺陷。例如，單獨存在多種不同類型的氮缺陷，每種氮缺陷具有其自身的光譜特性。通過本發明的實施方案形成的工具可用于很多應用，包括切削、研磨、拋光、鉆孔和/或拉絲。迄今為止，對于切削應用和拉絲獲得了特別好的結果。可將工具中的金剛石材料配置成多個可能的晶體學取向，包括2-點、3-點和4-點晶體，其分別對應于{110}、{111}和{100}晶體學平面。在拉絲工具中對于3-點HPHT Ib型金剛石和在切削工具中對于2-點HPHT Ib型金剛石獲得了特別好的結果。任選地，由單一扇區的金剛石材料形成金剛石工具構件的工作表面。實施例電子輻照
電子輻照(例如使用具有小于或等于12MeV能量的電子)通常以孤立形式引入空位。這些空位可處于中性(v°)和負電荷狀態(v_)。輻照后的總空位濃度([ντ]=[ν°]+[ν_]) 應該優選在以下范圍內1X IO14-1 X IO21個空位/cm3、I X IO15-1 X IO21個空位/cm3、 5 X IO15-1 X IO20 個空位 /cm3、I X 1016_5 X IO19 個空位 /cm3、或 5 X IO16-1 X IO19 個空位 / cm3。例如使用具有以下劑量率的電子輻照可形成這樣濃度的缺陷lX1015e-/Cm2或更大、I X 1016e-/cm2-l X 1019e_/cm2、I X 1017e_/cm2-1 X 1019e_/cm2、或 2 X 1017e_/cm2-1 X 1019e_/2cm o
電子輻照可具有以下能量30keV或更高、O. lMeV_12MeV、0. 5MeV_10MeV、或 lMeV-8MeV。優選的能量是在氮摻雜的金剛石中引入近均勻濃度的空位同時使級聯損害例如空位鏈的形成最少化的能量。對于這里報道的結果，發現4. 5MeV提供了在這兩個因素之間的良好折中。
因素如金剛石溫度、束能、束通量甚至起始金剛石的性質可影響對于固定的實驗輻照裝置和時間所產生的[VT]。通常用在環境條件 300K下安裝的樣品進行輻照，在施加輻照期間僅具有最小的溫度上升(例如小于100K)。然而，因素如束能和束通量可導致樣品加熱。優選地保持樣品盡可能地冷(在一些情況下在77K下的均勻低溫冷卻為有利的)以使高劑量率成為可能，而不損害溫度控制并且因而使輻照時間最少化。出于商業原因這是有利的。
可利用光譜測量空位濃度。例如，為了測量孤立空位的濃度，使用液氮冷卻樣品在77K下獲得了光譜，因為在該溫度下見到分別歸因于中性和帶負電荷的孤立空位的在 741nm和394nm處的尖銳峰。用于本說明書中孤立空位的濃度計算的系數是由G. Davies in PhysicaB 273-274(1999) 15-23提出的那些系數(如下表I所詳述)。在表I中，“A”是在77K下測量的零聲子轉變線中的積分吸收(meV cnT1)，吸收系數以cnT1計并且光子能量以meV計。濃度以cnT3計。
表I
權利要求
1.一種方法，其包括 選擇金剛石材料； 輻照金剛石材料以提高金剛石材料的韌性和/或耐磨性；和 將金剛石材料加工成一個或多個金剛石工具構件， 其中金剛石材料選自以下材料 具有l-600ppm總的等效孤立氮濃度的HPHT金剛石材料； 具有O. 005-100ppm總的等效孤立氮濃度的CVD金剛石材料；和 具有l-2000ppm總氮濃度的天然金剛石材料,并且 其中所述輻照包括控制輻照的能量和劑量，以提供具有多個孤立空位點缺陷的金剛石材料，所述孤立空位點缺陷具有I X IO14I X IO21個空位/cnT3的濃度。
2.根據權利要求1的方法，其中HPHT金剛石材料具有10-300ppm、10-200ppm、50_250ppm、100-200ppm、10-100ppm、或 10_50ppm 總的等效孤立氮濃度。
3.根據權利要求1的方法，其中CVD金剛石材料具有O.01-50ppm、0. 05-20ppm、O.08-5ppm、或O. l_2ppm總的等效孤立氮濃度。
4.根據權利要求1的方法，其中天然金剛石材料具有200-2000ppm、500-1500ppm、800_1300ppm、或 1000-1200ppm 總氮濃度。
5.根據任一在前權利要求的方法，其中所述輻照包括用電子、中子、X射線、伽馬射線、質子、或α粒子輻照。
6.根據任一在前權利要求的方法，其中所述輻照包括這樣的輻照該輻照具有足夠的能量以產生具有不大于50個原子的最大長度的孤立空位或小的簇缺陷。
7.根據權利要求6的方法，其中所述輻照將多個簇缺陷引入金剛石材料中，每個簇缺陷具有長度不大于20個原子、10個原子或5個原子的最大長度。
8.根據任一在前權利要求的方法，其中所述輻照包括低于這樣的的能量和劑量率的輻照該能量和劑量率會導致金剛石材料非晶化。
9.根據任一在前權利要求的方法，其中所述輻照包括高于這樣的能量和劑量率輻照金剛石材料該能量和劑量率導致金剛石材料顏色的改變。
10.根據任一在前權利要求的方法，其中在加工之前、期間或之后進行輻照。
11.根據任一在前權利要求的方法，其中所述選擇包括選擇以下材料中的一種或多種天然金剛石材料、合成金剛石材料、高壓高溫(HPHT)金剛石材料、化學氣相沉積(CVD)金剛石材料、單晶金剛石材料、多晶金剛石材料、類金剛石碳材料、金剛石、Ib型金剛石材料和復合金剛石材料。
12.根據任一在前權利要求的方法，其中所述輻照包括輻照金剛石材料至Iym或更大、10 μ m或更大、100 μ m或更大、500 μ m或更大、Imm或更大的深度、或者貫穿金剛石材料總厚度的深度。
13.根據任一在前權利要求的方法，其中在500°C或更低、400°C或更低、300°C或更低、200V或更低、100°C或更低、或者50V或更低的溫度下進行輻照。
14.根據任一在前權利要求的方法，還包括 在輻照期間冷卻該金剛石材料。
15.根據任一在前權利要求的方法,還包括退火該金剛石材料。
16.根據權利要求15的方法，其中在輻照之前、期間或之后進行退火。
17.根據權利要求15或16的方法，其中在1600°C或更高、1800°C或更高、2200°C或更高、或者2400°C或更高的溫度下進行退火。
18.根據權利要求1-14中任一項的方法，其中不使金剛石材料暴露于顯著的退火步驟。
19.根據任一在前權利要求的方法，其中所述輻照包括以下之一 在輻照期間轉動金剛石材料；或 輻照金剛石材料、轉動金剛石材料和輻照金剛石材料。
20.根據任一在前權利要求的方法，其中所述加工包括成形金剛石材料以形成工作表面。
21.根據任一在前權利要求的方法，其中加工包括形成以下物件之一耐磨零件、打磨機、拉絲模、計量石、和刀具。
22.根據任一在前權利要求的方法，還包括 將一個或多個金剛石工具構件并入一種或多種工具中。
23.根據權利要求22的方法，其中在并入之前、期間或之后進行輻照。
24.根據任一在前權利要求的方法，其中空位點缺陷具有以下范圍內的濃度I X IO14-1 X IO21 個空位 /cnT3、I X IO15-1 X IO21 個空位 /cnT3、5 X IO15-1 X IO20 個空位 /cnT3、I X 1016-5 X IO19 個空位 /cnT'或 5 X IO16-1 X IO19 個空位 /cnT3。
25.—種工具構件，其包含經輻照以提高金剛石材料的韌性和/或耐磨性的金剛石材料，其中金剛石材料選自以下材料 具有l-600ppm總的等效孤立氮濃度的HPHT金剛石材料； 具有O. 005-100ppm總的等效孤立氮濃度的CVD金剛石材料；和 具有l-2000ppm總氮濃度的天然金剛石材料， 其中金剛石材料包含具有I X IO14-1 X IO21個空位/cnT3濃度的孤立空位點缺陷。
26.根據權利要求25的工具構件，其中HPHT金剛石材料具有10-300ppm、10-200ppm、50_250ppm、100-200ppm、10-100ppm、或 10_50ppm 總的等效孤立氮濃度。
27.根據權利要求25的工具構件，其中CVD金剛石材料具有O.01-50ppm、0. 05_20ppm、O.08-5ppm、或O. l_2ppm總的等效孤立氮濃度。
28.根據權利要求25的工具構件，其中天然金剛石材料具有200-2000ppm、500-1500ppm、800-1300ppm、或 1000-1200ppm 總氮濃度。
29.根據權利要求25-28中任一項的工具構件，其中金剛石材料包含數個空位點缺陷，所述空位點缺陷具有以下范圍內的濃度I X IO15-1 X IO21個空位/cm3、5 X IO15-1 X IO20個空位 /cm3、I X 1016-5 X IO19 個空位 /cm3、或 5 X IO16-1 X IO19 個空位 /cm3。
30.根據權利要求25-28中任一項的工具構件，其中金剛石材料包含多個簇缺陷，所述簇缺陷具有以下范圍內的濃度I X IO14-1 X IO21個簇/W、I X IO15-1 X IO21個簇/cm3、5 X IO15-1 X IO20 個簇 /cm3、I X 1016_5 X IO19 個簇 /cm3、或 5 X IO16-1 X IO19 個簇 /cm3。
31.根據權利要求25-28中任一項的工具構件，其中金剛石材料包含多個簇缺陷，每個簇缺陷具有長度不大于50個原子、20個原子、10個原子或5個原子的最大長度。
32.根據權利要求25或31的工具構件，其中金剛石材料為藍色、橙色、棕色、綠色、紅色、紫色或黑色。
33.根據權利要求25-32中任一項的工具構件，其中配置金剛石材料以在使用中改變顏色，以指示工具構件需要更換和/或存在過度加熱。
34.根據權利要求25-33中任一項的工具構件，其中工具構件為以下物件之一耐磨零件、打磨機、拉絲模、計量石、和刀具。
35.一種工具構件，其使用根據權利要求1-24中任一項的方法制成。
36.一種工具，其包含一個或多個根據權利要求25-35中任一項的工具構件。
37.輻照以提高用于工具應用的金剛石材料的韌性和/或耐磨性的用途，其中金剛石材料選自以下材料 具有l-600ppm總的等效孤立氮濃度的HPHT金剛石材料； 具有O. 005-100ppm總的等效孤立氮濃度的CVD金剛石材料；和 具有l-2000ppm總氮濃度的天然金剛石材料， 其中所述輻照包括控制輻照的能量和劑量以提供具有多個孤立空位點缺陷的金剛石材料，所述孤立空位點缺陷具有I X IO14-1 X IO21個空位/cnT3的濃度。
全文摘要
一種方法，其包括選擇金剛石材料；輻照金剛石材料以提高金剛石材料的韌性和/或耐磨性；和將金剛石材料加工成一個或多個金剛石工具構件，其中金剛石材料選自以下材料具有1-600ppm總的等效孤立氮濃度的HPHT金剛石材料；具有0.005-100ppm總的等效孤立氮濃度的CVD金剛石材料；和具有1-2000ppm總氮濃度的天然金剛石材料，其中所述輻照包括控制輻照的能量和劑量，以提供具有多個孤立空位點缺陷的金剛石材料，所述孤立空位點缺陷具有1×1014-1×1021個空位/cm-3的濃度。
文檔編號C30B33/04GK103038165SQ201180027268
公開日2013年4月10日 申請日期2011年6月1日 優先權日2010年6月3日
發明者D·J·特維切, S·L·蓋根, N·伯金絲, G·A·斯卡司布魯克 申請人:六號元素有限公司