[发明专利]低压粘结金刚石聚晶体及其制造方法

说明书

本发明是关于人造金刚石的改良及其制造方法。热稳定性高的金刚石聚合晶体可藉本发明粘合成不同形状、大小及厚薄的组合体。该组合体由化学键坚固地粘合在一起而形成一整体。整个组合体也可紧固地粘结在其他支持体上。制造这种结合体不需一般合成金刚石所需的超高压及高温处理，因此最后所形成的组合体的尺寸不受高压腔体的限制，其制造费用也较低。

本申请是美国专利系号06/921，364的延续。该申请于1986年10月20日提出。

不同的人造金刚石商品已经存在。通常这些产品使用于材料的加工方面。例如钻头、锯片、切刀、磨轮、拉丝模、成型模、轴承面、整形工具及研磨材料。

这些金刚石产品的性质有所不同。其中一类通称为金刚石聚晶。金刚石聚晶有两种，一种只能稳定至温度700至750℃（见美国专利3，745，623和3，608，818）。这种聚晶由金刚石-金刚石键粘结而成，而且附在硬质合金的支持体上。这种聚晶又称覆合片，通常是在超高压和高温下金刚石稳定区，由含钴的硬质合金和金刚石一次合成。合成的压力在50千巴以上，温度在1200℃以上。由于金刚石体含钴，因此热稳定性低于700至750℃。覆合片可具不同的形状，例如圆形、半圆形及方形等。覆合片通常以焊结方式粘结在工具体上，工具体可为钢体或硬质合金烧铸体。覆合片的尺寸可小至数毫米（mm），或大到50毫米以上（见美国专利申请系号906，169相同申请人于1986年11月11日提出）。覆合片因需在金刚石稳定区合成，其尺寸受高压腔体的限制。由于生产费用高，有些覆合片采用较薄的硬质合金支持体以增加高压腔体的使用效率。这种较薄的支持体常需焊结在另一块硬质合金体上，以增加长度以便使用（见美国专利4，200，159）。

覆合片常使用于油井或采矿用钻头上。钻头若为钢体，覆合片通常以过高压合成方式固定在钻头上。但钢体钻头因不耐钻井泥浆的侵蚀，故使用上常以硬质合金的浇铸体代替。钻头若为硬质合金的浇铸体时，覆合片必须以低熔点合金焊结固定。在焊结过程中，金刚石体必须保持在温度750℃以下以免受到损伤。

除了覆合片外，另一种类的金刚石聚晶具有较高的热稳定性，通常可使用到温度1200℃，这种热稳定性聚晶没有附着的支持体。热稳定性聚晶又分为两类。第一类的内含钴已由酸溶去而提高其热稳定性。由于钴的溶去，金刚石体含有约百分之十五的气孔。因为如此，其抗冲速强度比较差。这一类的商业产品以美国G·E·公司的GEOSET商标为代表。另一类热稳定性金刚石聚晶体由硅或碳化硅粘结而成。这种聚晶不含钴或含极少量钴。因为不需用酸去除含钴，因此没有气孔。这一类聚晶以南非Dc    Beers公司的SYNDAX-3商标为代表。中国生产的金刚石聚晶也属此类。

热稳定性聚晶，因可耐温高达1200℃，因此可直接用于硬质合金浸渍渗透法形成的浇铸体内，不需焊结即可附着于工具体上。而且由于其耐热性高，故可用以切割较硬质的岩层。热稳定性的聚晶（以下简称：TSPCD），通常颗粒较小且不带支持体。形状则包括圆形、方形、三角形等多种。

由于TSPCD较小，有时必须加以组合成一整体使用。在这种组合过程中，因金刚石无法粘结在金属体上，故通常只能以围绕方式加以固定。例如，以热压法将金属成形固定金刚石（见美国专利系号797，058;794，569及797，569分别于1985年11月4日及14日，及1984年11月13日提出，专利权所有人与本申请者相同）。

由于这种组合体是由个别小块TSPCD固定而成，因此不具备整个大块的特性，而具有整个大块特性的覆合片，却不具备热稳定性，因此两者都没有理想的性质。组合块除了因个体不相联接，在使用中会逐个损耗外，由于不能直接粘结在金属上，也形成了整个组合外形和尺寸的限制。

组合块中的个体通常会在周围的金属部分侵蚀后脱落，因此也不具有整块聚晶实体不脱落的特性。由于此项缺点，TSPCD若能以化学键粘结固定并结合在硬质合金的支持体上，其性能必优于目前使用的组合体。而且由于TSPCD的热稳定性，整个组合体可用直接渗透法一次浇铸，省掉焊接的麻烦。这种优点是大块覆合片所没有的。