金剛石多晶體及其制造方法、以及工具的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及金剛石多晶體、其制造方法、以及工具。具體而言，本發(fā)明涉及用于滑動部件的金剛石多晶體、其制造方法、以及由該金剛石多晶體制成的工具。
【背景技術(shù)】
[0002]一直以來，由于金剛石具有極高的硬度和優(yōu)異的耐磨性，因此其已被用于以拉模為代表的滑動部件。
[0003]例如，日本專利公開N0.09-124394披露了一種耐磨部件，其中通過CVD法用金剛石膜包覆充當(dāng)基體的物質(zhì)。
[0004]此外，日本專利公開N0.2009-174039披露了一種滑動部件，其中通過等離子化學(xué)氣相沉積法用金剛石狀碳膜包覆基材的表面。
[0005]引用列表
[0006]專利文獻(xiàn)
[0007]專利文獻(xiàn)1:日本專利公開N0.09-124394
[0008]專利文獻(xiàn)2:日本專利公開N0.2009-174039

【發(fā)明內(nèi)容】

[0009]技術(shù)問題
[0010]然而，當(dāng)金剛石的滑動面的溫度極高時(shí)會迅速磨損。例如，當(dāng)由金剛石制成的拉模的拉絲速度增加時(shí)，金剛石的磨損迅速進(jìn)行。據(jù)認(rèn)為這是由于滑動面的溫度高，金剛石會與氧或被加工部件發(fā)生反應(yīng)，從而發(fā)生所謂的反應(yīng)磨損。因此，當(dāng)將金剛石用于滑動部件時(shí)，滑動部件的壽命較短。
[0011]本發(fā)明旨在解決前述問題。本發(fā)明的主要目的是提供一種金剛石多晶體、其制造方法、以及工具，其中在滑動時(shí)該金剛石多晶體的壽命長于常規(guī)金剛石多晶體。
[0012]解決問題的手段
[0013]在根據(jù)本發(fā)明的金剛石多晶體中，添加有至少一種這樣的元素，該元素的氧化物的熔點(diǎn)小于或等于1000°c，并且晶粒的平均粒徑小于或等于500nm。
[0014]根據(jù)本發(fā)明的工具可以使用根據(jù)本發(fā)明的金剛石多晶體。
[0015]在本發(fā)明的一個(gè)方面中，制造金剛石多晶體的方法包括如下步驟:通過將石墨原料與混合用原料混合以制備混合物，其中該混合用原料含有這樣的元素，該元素的氧化物的熔點(diǎn)小于或等于1000°c ;通過粉碎并混合所述混合物以制備碳材料；以及將所述碳材料直接轉(zhuǎn)化為金剛石多晶體。
[0016]在本發(fā)明的另一方面中，制造金剛石多晶體的方法包括如下步驟:通過用這樣的覆層包覆石墨原料的粉末表面，以制備具有覆層的碳材料，其中該覆層含有這樣的元素，該元素的氧化物的熔點(diǎn)小于或等于1000°c ;以及將所述具有覆層的碳材料直接轉(zhuǎn)化為金剛石多晶體。
[0017]發(fā)明的有益效果
[0018]根據(jù)本發(fā)明，可提供金剛石多晶體、其制造方法、以及使用該金剛石多晶體的工具，其中該金剛石多晶體在滑動時(shí)具有更長的壽命。
[0019]附圖簡要說明
[0020]圖1為示出了根據(jù)本發(fā)明實(shí)施方案的制造金剛石多晶體的方法的流程圖。
[0021]圖2為示出了根據(jù)本發(fā)明實(shí)施方案的制造金剛石多晶體的方法的變型的流程圖。
[0022]圖3為示出了本發(fā)明實(shí)施例1至3中的模具的圖。
【具體實(shí)施方式】
[0023][本申請的發(fā)明的實(shí)施方案的描述]
[0024]本發(fā)明的發(fā)明人為了解決上述問題進(jìn)行了深入研宄，結(jié)果發(fā)現(xiàn)通過將這樣的金剛石多晶體用于滑動部件，可使滑動部件具有更長的壽命，其中在該金剛石多晶體中，添加有至少一種這樣的元素，該元素的氧化物的熔點(diǎn)小于或等于1000°c，并且該金剛石多晶體中晶粒的平均粒徑小于或等于500nm。
[0025](I)在根據(jù)本發(fā)明實(shí)施方案的金剛石多晶體中，添加有至少一種這樣的元素，該元素的氧化物的熔點(diǎn)小于或等于1000°c，并且晶粒的平均粒徑小于或等于500nm。
[0026]由此，可抑制金剛石的磨損，并且金剛石多晶體在滑動時(shí)可具有更長的壽命。
[0027](2)上述金剛石多晶體可包括第二相，該第二相包含選自由所述元素的單質(zhì)、碳化物和氧化物所構(gòu)成的組中的至少一者，并且該第二相排布于作為第一相的所述晶粒的晶界處。在晶界附近可獲得大于或等于90GPa的努氏硬度。此處，表述“晶界附近”是指第一相中這樣的區(qū)域:當(dāng)在該區(qū)域中通過利用微型努氏壓頭在0.5N的測試負(fù)荷下進(jìn)行努氏硬度測量時(shí)，努氏壓痕不會越過晶界并且不會抵達(dá)(例如)作為第二相的另一相鄰晶粒。需要注意的是，在該情況中，可在第一相的任何區(qū)域中獲得大于或等于90GPa的努氏硬度。作為上述元素，可添加大于或等于0.05ppm且小于或等于50ppm的鉻。作為上述元素，可添加大于或等于20ppm且小于或等于60ppm的鉬。作為上述元素，可添加大于或等于0.05ppm且小于或等于80ppm的猛。作為上述元素，可添加總計(jì)大于或等于0.1ppm且小于或等于10ppm的鉻和錳。作為上述元素，可添加總計(jì)大于或等于0.05ppm且小于或等于200ppm的硼。
[0028]根據(jù)本發(fā)明實(shí)施方案的工具可使用根據(jù)本發(fā)明實(shí)施方案的金剛石多晶體。
[0029]在本發(fā)明實(shí)施方案的一個(gè)方面中，制造金剛石多晶體的方法包括如下步驟:通過將石墨原料與混合用原料混合以制備混合物，其中該混合用原料含有這樣的元素，該元素的氧化物的熔點(diǎn)小于或等于1000°c ;通過粉碎并混合所述混合物以制備碳材料；以及將所述碳材料直接轉(zhuǎn)化為金剛石多晶體。
[0030]由此，可制備上述金剛石多晶體。
[0031]在制備混合物的上述步驟中，可使作為上述混合用原料的、選自由所述元素的單質(zhì)、碳化物和氧化物構(gòu)成的組中的至少一者與石墨原料混合。
[0032]在本發(fā)明實(shí)施方案的另一方面中，制造金剛石多晶體的方法包括如下步驟:通過用這樣的覆層包覆石墨原料的粉末表面以制備具有覆層的碳材料，其中該覆層含有這樣的元素，該元素的氧化物的熔點(diǎn)小于或等于1000°c ;以及將所述具有覆層的碳材料直接轉(zhuǎn)化為金剛石多晶體。
[0033]由此，可制造上述金剛石多晶體。
[0034]在制備具有覆層的碳材料的上述步驟中，可通過濺射法用所述元素包覆所述石墨原料的粉末的表面。在制備具有覆層的碳材料的上述步驟中，覆層可包含選自由所述元素的單質(zhì)、碳化物和氧化物構(gòu)成的組中的至少一者。作為上述元素，可選自由硼、砷、鉻、鉬和錳所構(gòu)成的組中的至少一者。在直接轉(zhuǎn)化的上述步驟中，通過在這樣的條件下燒結(jié)所述碳材料從而將所述碳材料直接轉(zhuǎn)化為金剛石，該條件為壓力大于或等于1GPa且小于或等于30GPa、并且溫度大于或等于1500°C且小于或等于3000°C。
[0035][本申請的發(fā)明的實(shí)施方案的詳述]
[0036]下面，將對本發(fā)明的實(shí)施方案進(jìn)行說明。在本實(shí)施方案的金剛石多晶體中，添加了鉻(Cr)作為元素，該元素的氧化物的熔點(diǎn)小于或等于1000°C，并且作為第一相的晶粒的平均粒徑小于或等于500nm。Cr包含在第二相中，該第二相排布于作為第一相的晶粒的晶界處。此處，第一相由基本上不包含粘合劑、燒結(jié)助劑、催化劑等的金剛石單相制成。另一方面，第二相基本上不包含粘合劑、燒結(jié)助劑和催化劑等，并且由Cr的單質(zhì)、碳化物或氧化物制成。
[0037]即，本實(shí)施方案的金剛石多晶體具有空隙極少的緊密堆積的結(jié)晶結(jié)構(gòu)，其中，由金剛石單相制成、并且平均粒徑小于或等于500nm的晶粒彼此間牢固地直接結(jié)合在一起。在上述晶粒的晶界處形成了含有所述添加元素的第二相。因此，上述金剛石多晶體即使在高溫下仍具有優(yōu)異的硬度性能。
[0038]當(dāng)上述金剛石多晶體中的形成第二相的Cr因滑動等而暴露于金剛石多晶體的表面并被加熱時(shí)，Cr會與周圍的氧發(fā)生反應(yīng)并生成氧化鉻(CrO3)。由于003的熔點(diǎn)為197°C，因此當(dāng)金剛石多晶體被加熱至該熔點(diǎn)以上時(shí)，該氧化物會熔融為液體。因此，當(dāng)將該金剛石多晶體用作工具并在被加工部件上滑動時(shí)，因滑動而產(chǎn)生的摩擦熱會使氧化鉻液化，因而金剛石多晶體與被加工部件在它們之間的接觸面的至少一部分處相互接觸，并且，液化的氧化鉻介于其間。由此，上述接觸面的摩擦系數(shù)下降，從而減少了金剛石多晶體的磨損量。因而可實(shí)現(xiàn)更長的滑動壽命。
[0039]上述金剛石多晶體中的Cr濃度為大于或等于0.05ppm且小于或等于50ppm。由此，即使在晶界附近，金剛石多晶體仍能具有高硬度(努氏硬度大于或等于90GPa)，并且還可實(shí)現(xiàn)由Cr帶來的上述效果。需要注意的是，在Cr濃度小于0.05ppm的金剛石多晶體中，并未顯著表現(xiàn)出由Cr帶來的上述效果。另一方面，對于Cr濃度大于50ppm的金剛石多晶