[其他]金剛石表面金屬化的技術

在審

• 申請號: 101985000000286
• 申請日: 1985-04-01
• 公開（公告）號: CN85100286B
• 公開（公告）日: 1987-01-21
• 發明（設計）人: 林增棟
• 申請（專利權）人: 林增棟
• 代理公司: 北京大學專利事務所
• 代理人: 陳美章

金剛石表面金屬化的技術。屬于金剛石顆粒及粉末包覆的技術領域。本發明采用沉積法、電鍍法或冶金化學包覆等方法，在金剛石表面上包金屬覆碳化物膜、合金層及電鍍金屬層三層不同結構的覆層。解決了金剛石不能與一般低熔點合金粘結和浸潤的困難。這種金屬化的金剛石可同一般金屬粉粒一樣保存和應用，大幅度提高了金剛石工具的使用壽命，將開拓出廣闊的應用前景。

本發明屬于金剛石顆粒及粉末包覆的新技術領域。

我國天然金剛石產量有限，自從六十年代末及七十年代初，人造金剛石及其工具的研制作為國家重大新技術推廣以來，金剛石工具已在我國的許多工業部門廣泛應用，成為重要的高效率工具。估算使用金剛石的年消耗量已超過300～400萬克拉。

由于金剛石顆粒細小，一般工業用金剛石顆粒在0.1～5毫米之間。絕大部分金剛石工具需依靠金屬（或塑料等）為基體，將金剛石細粒粘合在一起而成為各種不同的金剛石工具，實現對工件的加工，由于金剛石與金屬的界面能很高，使得金剛石與一般金屬的浸潤性及粘結能力很差，作為基體的金屬不能對金剛石有機的粘結，那么金剛石在使用過程中就易于脫落。如果我國每年投入200萬克拉金剛石制造各種孕鑲金剛石工具，估算將有30%左右（60萬克拉）稀缺又昂貴的金剛石將流失于金剛石鉆頭鉆進的鉆井中，金剛石磨具的磨削、金剛石鋸片的開料等工序中。這相當于每年將有幾百萬美元白白浪費。

提高金屬合金對金剛石的粘結和浸潤，一直為國內外金剛石制造部門所重視。

1958年美國通用電器公司報導了用鈦的氫化物（TiH₂）加入到銀銅合金中。由于加熱，氫化物熱分解出原子態的鈦而實現對金剛石的焊接。有專利GB864420 1961，GB932739 1963將氫化鈦（或氫化鋯）或其涂添加入到低熔點合金中，用于金剛石工具的制造。但是這種方法隨著鈦、鋯原子析出的同時，氫氣伴隨而產生，這種細小的氫氣泡往往成為金屬基體對金剛石粘結的障礙。

而后出現了用鈦、鋯粉末制成的涂添，噴附于金剛石表面上，然后在10^-3～10^-5托高真空下與低熔點合金燒結，以實現基體對金剛石的焊接（6），但是對于細小金剛石，欲均勻涂覆0.2～0.3毫米厚的鈦粉是很難實現的，所以這個工藝沒有得到推廣應用。

此后人們對含有鈦、鋯、鉻、釩的銅合金作了工作。研制成了一系列含有上述元素的銅、銀合金，在10^-3～10^-5托的高真空之下，這些合金對金剛石有良好的浸潤性及粘結力，因而用到金剛石工具的制造之中（J.of Material Science，1975，Vol 10 P 1833）。但是這一系列的工作要求整個工件在高真空中制造，有很大的局限性。

在分析國內外資料的基礎上，可以看到解決一般低熔點合金對金剛石的粘結能力，成為金剛石工具制造工藝的關鍵，是提高金剛石工具壽命的重要技術。1973年本人完成人造金剛石鉆頭研制后，開展了金屬與金剛石粘結的研究。此后本人與合作者，利用快速加熱熱壓工藝，加鈦于銅基合金中，在非真空條件下實現對金剛石的粘結。另外，初步探明了加鈦的銅合金與金剛石粘結界面的微觀結構。以上工作之綜合“金剛石粘結技術及應用的研究”已于1983年底，由專家在北京鑒定，認為該項工作“有科學及實用價值，填補了國內的空白。”

但綜上所述的國內外工作均有很大的局限性，其原因在于迄今為止，金剛石工具制造方法都是把金剛石、強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，在相同條件下將它們粘結在一起制成工具。這必然會帶來一系列的缺點，例如：

1.加入的強碳化物生成元素鈦、鋯、鉻、釩等均是十分活潑的金屬。如鈦的安全燒結至少在10^-3托以上真空中，而且它易于氫化、氮化，無法使用保護氣氛。我們自己采用的快速熱壓法只適用于小尺寸金剛石工具的制造。象金剛石砂輪、鋸片、地質鉆頭以至于大型石油鉆頭，若用熱壓，加熱時間至少需3～5分鐘，甚至半小時。這樣，在預熱過程中，鈦等活潑金屬的氧化則是不可避免的。