[发明专利]聚晶化学气相沉积的金刚石工具部件以及制造、安装和使用其的方法

说明书

一种用于聚晶CVD合成金刚石工具的聚晶CVD合成金刚石工件，该聚晶CVD合成金刚石工件包含：工作表面；和后部安装表面；其中后部安装表面的平均横向晶粒尺寸不小于10μm，并且其中所述工作表面包括：(a)较小的金刚石晶粒，相比于后部安装表面而言；(b)10nm至15μm的平均横向晶粒尺寸；和(c)由聚焦在工作表面上的激光产生的拉曼信号，其表现出一个或多个下列特征：(1)在1332cm^‑1处的sp3碳峰，其具有不大于8.0cm^‑1的半峰全宽，(2)在1550cm^‑1处的sp2碳峰，其高度不大于1332cm^‑1处的sp3碳峰高度的20％，当使用633nm的拉曼激发源时在背景减扣之后；和(3)在1332cm^‑1处的sp3碳峰不小于使用785nm的拉曼激发源的拉曼光谱中的局部背景强度的10％。

技术领域

本发明的一些实施方案涉及聚晶化学气相沉积(CVD)的金刚石工具部件。本发明的一些其它实施方案涉及制造聚晶CVD金刚石工件、将所述聚晶CVD金刚石工件安装在支架中从而形成聚晶CVD金刚石工具部件、以及使用所述聚晶CVD金刚石工具部件的方法。

背景技术

对于任何应用，在选择工具材料时，使用者必须考虑许多因素。这些因素包括：成本；韧性；磨损率/硬度；加工期望工作表面诸如切削刃的能力；有效寿命；所需的尺寸和几何形状；以及对于要被加工的材料的化学作用的惰性。

理想的工具材料是既硬且韧的材料。用于磨损应用的材料的这两种性能通常呈现在两个垂直轴上。很简单，磨损是每单位操作除去的材料量的测量。韧性是材料对裂纹扩展的抵抗性的量度。对于提供更硬、更韧、更强且更耐磨的材料存在持续的需求。

金刚石材料对于许多高性能切削工具、钻孔工具、磨削工具和抛光工具是特选的材料。金刚石材料用于跨一系列行业的工具方案，包括各种金属、石材、电子、木材加工行业。实例包括航空航天和汽车制造、家具生产、石材开采、建筑、采矿和隧道、矿物加工、电子元件和器件制造、以及石油和天然气行业。金刚石工具部件的例子包括：耐磨部件；整修机(dressers)；拉丝模；规格石(gauge stone)；和刀具如刀片或包含切削刃的其它部件。

金刚石的硬度性质使得它成为磨损方面的终极材料。但是，与更加韧性的材料如钢相比，金刚石在工具的工作温度于应力下塑性变形的有限能力导致更快的裂纹扩展。改善金刚石耐久性的先前尝试涉及要么调整形成金刚石材料的方法(例如通过改变氮含量)，要么在形成金刚石材料之后处理该金刚石材料(例如通过辐照和/或退火)。已经发现，这些方法可用于改善金刚石工具的韧性和/或耐磨性。

金刚石工具通常包括安装在支架中的金刚石工件，可使用例如金属材料制造该支架。可使用天然、CVD合成、或HPHT(高压高温)合成金刚石材料的单晶体来制造金刚石工件。作为替代，金刚石工件可以包含通过粘结剂材料基质接合的多个金刚石晶粒(例如硅粘结的金刚石)，或者使用金属溶剂通过金刚石-金刚石结合，例如使用钴金属溶剂形成的PCD(HPHT聚晶金刚石)，后者通常含有残存金属溶剂材料，虽然这可在合成之后以不同程度从材料中浸出。仍然作为替代，可使用如下聚晶CVD合成金刚石材料制造金刚石工件：该聚晶CVD合成金刚石材料包含作为CVD生长方法的结果通过金刚石-金刚石结合直接结合在一起的多个金刚石晶粒，不使用任何金属溶剂。

上述金刚石材料具有不同的物理特性并且用于特定应用的金刚石材料的类型将取决于该应用所需的特性。

虽然许多应用需要具有如前所述的改善的韧性和/或耐磨性的金刚石材料，一些金刚石工具应用需要在被该金刚石工具加工的材料上提供非常精细的表面光洁度的能力。例如，用于电子器件的金属器件封装为了装饰目的可能要求非常精细的表面光洁度。此类应用还要求具有如下工作表面的金刚石工具部件，该工作表面具有特定的最小尺寸。

本发明实施方案的目的是提供如下金刚石工具部件：该金刚石工具部件能够提供非常精细的表面光洁度，同时还提供某些商业应用所需的足够大的尺寸。