[发明专利]金刚石工具

说明书

技术领域

本发明涉及金刚石工具和制备金刚石工具的方法。

背景技术

对于任何应用，当选择工具材料时使用者必须考虑多个因素。这样的因素包括：成本、韧性、磨损速率/硬度、加工所需的工作表面如切削刃的能力、有用寿命、和对要加工的材料具有的化学效应的惰性。

理想的工具材料是既坚硬又有韧性的工具材料。耗损应用中使用的材料的这两种性质经常在两个相互垂直的轴上呈现。简而言之，磨损是每单位的操作移除的材料量的量度。韧性是材料对裂纹扩展的耐受性的量度。

持续不断的需要提供较坚硬、较有韧性、较强并且较耐磨的材料。还持续不断的需要提供较快、较精确和较清洁的制备方法，这意味着成本效率和改善的性能。本发明的某些实施方案的目的是至少部分解决这些需要中的一些。

对于很多优质性能的切削、钻孔、研磨和抛光工具，金刚石材料是精选的材料。在很多行业中包括各种金属、石头和木工行业，在工具作业解决方案中使用金刚石材料。实例包括航空和汽车制造、家具制备、采石、建筑、采矿和挖隧道、矿物加工和油气行业。

金刚石的硬度性质使其成为就磨损而言的最佳材料。然而，在工具的工作温度下金刚石在应力下塑性变形的有限能力导致与更有韧性的材料如钢相比更快速的裂纹扩展。

先前改善金刚石持久性的尝试涉及改变形成金刚石材料的方法或在形成材料后处理金刚石材料。例如，WO 01/79583教导了用于改善金刚石型工具的持久性以提高冲击强度和断裂韧性的工艺。该工艺涉及将离子注入金刚石型工具的表面中。离子注入是一种材料工程工艺，通过该工艺可将材料的离子注入另一种固体中，从而改变固体的物理性质。在通常情况下，将离子注入至10纳米-1微米的深度。WO01/79583教导了透过金刚石表面至0.02μm-0.2μm深度的离子注入。优选的离子包括铬、镍、钌、钽、钛和钇。

US 4184079和GB 1588445还教导了通过用足够能量的离子轰击金刚石以透过金刚石表面使金刚石韧化的方法。建议了各种离子，包括碳、氮和氢离子。描述了离子在金刚石晶格中形成位错网络，从而抑制金刚石的微裂隙（microcleavage）。还描述了可将位错限制于金刚石晶体表面以下10纳米-1微米的深度，以便在其表面上形成硬表皮。教导了离子剂量应该非常少，在10¹⁶-10¹⁸离子cm^-2范围内，并且具有10keV-10MeV、更优选小于100keV的能量，使得通过轰击而注入的物质对金刚石材料没有不利的影响。由于金刚石的离子轰击导致表面的非晶化和软化（除非维持温度高得足以保持晶体结构），因而教导在离子轰击期间使用至少约500℃的温度。

GB 1588418公开了用于改善工业金刚石的磨损性质的工艺。该工艺包括将离子注入金刚石表面中。出于该目的，建议了碳和氮离子。

US 4012300公开了通过使颗粒经受辐照来改变磨料颗粒、特别是金刚石和立方氮化硼颗粒的脆性的方法。建议了质子、中子和伽马辐照，其中优选中子。

本发明的某些实施方案的目的是改善金刚石工具的韧性和/或耐磨性。本发明的某些实施方案的另一个目的是避免与上述方法相关的问题中的一些问题。

发明内容

根据本发明的一个方面，提供了一种方法，其包括：

选择金刚石材料；

用中子辐照金刚石材料以提高金刚石材料的韧性和/或耐磨性；和

将金刚石材料加工成一个或多个金刚石工具构件，

其中所述辐照包括用中子辐照金刚石材料，其中至少50%的中子具有1.0keV-12MeV的能量，

其中所述辐照包括控制辐照的能量和剂量，以提供具有多个孤立空位点缺陷的金刚石材料，所述孤立空位点缺陷具有1×10¹⁴1×10²⁰个空位/cm^-3的浓度。