[其他]金刚石表面金属化的技术

说明书

本发明属于金刚石颗粒及粉末包覆的新技术领域。

我国天然金刚石产量有限，自从六十年代末及七十年代初，人造金刚石及其工具的研制作为国家重大新技术推广以来，金刚石工具已在我国的许多工业部门广泛应用，成为重要的高效率工具。估算使用金刚石的年消耗量已超过300～400万克拉。

由于金刚石颗粒细小，一般工业用金刚石颗粒在0.1～5毫米之间。绝大部分金刚石工具需依靠金属（或塑料等）为基体，将金刚石细粒粘合在一起而成为各种不同的金刚石工具，实现对工件的加工，由于金刚石与金属的界面能很高，使得金刚石与一般金属的浸润性及粘结能力很差，作为基体的金属不能对金刚石有机的粘结，那么金刚石在使用过程中就易于脱落。如果我国每年投入200万克拉金刚石制造各种孕镶金刚石工具，估算将有30%左右（60万克拉）稀缺又昂贵的金刚石将流失于金刚石钻头钻进的钻井中，金刚石磨具的磨削、金刚石锯片的开料等工序中。这相当于每年将有几百万美元白白浪费。

提高金属合金对金刚石的粘结和浸润，一直为国内外金刚石制造部门所重视。

1958年美国通用电器公司报导了用钛的氢化物（TiH₂）加入到银铜合金中。由于加热，氢化物热分解出原子态的钛而实现对金刚石的焊接。有专利GB8644201961，GB9327391963将氢化钛（或氢化锆）或其涂添加入到低熔点合金中，用于金刚石工具的制造。但是这种方法随着钛、锆原子析出的同时，氢气伴随而产生，这种细小的氢气泡往往成为金属基体对金刚石粘结的障碍。

而后出现了用钛、锆粉末制成的涂添，喷附于金刚石表面上，然后在10^-3～10^-5托高真空下与低熔点合金烧结，以实现基体对金刚石的焊接（6），但是对于细小金刚石，欲均匀涂覆0.2～0.3毫米厚的钛粉是很难实现的，所以这个工艺没有得到推广应用。

此后人们对含有钛、锆、铬、钒的铜合金作了工作。研制成了一系列含有上述元素的铜、银合金，在10^-3～10^-5托的高真空之下，这些合金对金刚石有良好的浸润性及粘结力，因而用到金刚石工具的制造之中（J.ofMaterialScience，1975，Vol10P1833）。但是这一系列的工作要求整个工件在高真空中制造，有很大的局限性。

在分析国内外资料的基础上，可以看到解决一般低熔点合金对金刚石的粘结能力，成为金刚石工具制造工艺的关键，是提高金刚石工具寿命的重要技术。1973年本人完成人造金刚石钻头研制后，开展了金属与金刚石粘结的研究。此后本人与合作者，利用快速加热热压工艺，加钛于铜基合金中，在非真空条件下实现对金刚石的粘结。另外，初步探明了加钛的铜合金与金刚石粘结界面的微观结构。以上工作之综合“金刚石粘结技术及应用的研究”已于1983年底，由专家在北京鉴定，认为该项工作“有科学及实用价值，填补了国内的空白。”

但综上所述的国内外工作均有很大的局限性，其原因在于迄今为止，金刚石工具制造方法都是把金刚石、强碳化物生成元素以及其它合金粉末混合在一起。采用粉末冶金的方法，在相同条件下将它们粘结在一起制成工具。这必然会带来一系列的缺点，例如：

1.加入的强碳化物生成元素钛、锆、铬、钒等均是十分活泼的金属。如钛的安全烧结至少在10^-3托以上真空中，而且它易于氢化、氮化，无法使用保护气氛。我们自己采用的快速热压法只适用于小尺寸金刚石工具的制造。象金刚石砂轮、锯片、地质钻头以至于大型石油钻头，若用热压，加热时间至少需3～5分钟，甚至半小时。这样，在预热过程中，钛等活泼金属的氧化则是不可避免的。

2.这种将钛（或锆、铬、钒等）加入到基体中的“合金化”法中，加入的钛等量很多，它与金刚石表面充分作用，会使金刚石表面的碳化物层过份生长，同时还生成了富钛过渡层，加剧了基体与金刚石之间的热应力。于是，虽然金刚石已为合金基体所“粘结”，但因内应力的存在又将易“破裂”。

3.在上述“合金化”法中，由于加入强碳化物生成元素数量多还会使基体材料性能恶化，如使脆性增加，这在一些金刚石工具中是不受欢迎的。

为克服上述缺点，本发明完全采用新的途径来解决。即首先制造表面金属化的金刚石，它可在一般保护气氛中与其它金属合金烧结，制成金刚石工具。表面金属化的金刚石表面上。金属碳化物膜很薄，合金化后能为一般低熔点合金所焊接和浸润，因而可大幅度提高金刚石工具的使用寿命。