金刚石颗粒的加工方法

本发明涉及金刚石颗粒的加工方法。

将金刚石颗粒用于制造金刚石工具如砂轮、砂轮修整器具、含金刚石的首饰加工工具或扫描用的含金刚石探针等设备时，一般情况下，金刚石颗粒与周围粘结材料之间具有足够的密着强度是特别重要的。

作为金刚石工具的粘结材料可用金属、金属合金、玻璃、陶瓷或合成树脂。这些粘结材料中的大部分对金刚石表面都没有表示出粘附作用。或者说它们的粘结力比较弱。因此在大多数情况下，它们只能起到将金刚石颗粒包在里面的作用。特别是金属作为粘结材料时是这样。如果金属合金中含有一种以上的组分能与金刚石表面产生化学反应或扩散到金刚石表层内则是例外。这种活性金属结合材料会将金刚石表面破坏到不同程度，一部分金刚石碳素被金属侵蚀掉，从而使金刚石表面变粗糙。这样形成金刚石颗粒与粘合材料互相啮合，从而改进了它们之间的密着。金刚石颗粒进入金属键的粘合反应要在比较高的温度，即超过900℃进行。但是，在后续的冷却期间，金刚石键产生以后，金属中吸收或溶解的碳素几乎完全再沉淀在金刚石与金属粘合材料之间的界面层上。它们可能是石墨层或非晶形碳或脆性的碳化物，强度都很差，因而达不到有效地改善金刚石颗粒与粘结材料之间密着程度的目的。沉淀出的碳素层甚至会减弱粘结材料与金刚石颗粒之间的密着强度。

将金刚石颗粒埋在金属粉末基料中进行烧结也可以使金刚石表面被腐蚀而变得粗糙，这种金属粉末由铁或钴或它们的合金组成，这是众所周知的。将烧结的合金在950℃到1150℃之间的温度下进行加工时就会发现这种对金刚石表面的腐蚀。

另一种已知的方法是将金刚石颗粒裸露着放在炉中加热。炉中气体为氧或含氧的气体如空气，则约从600℃开始金刚石颗粒就会被侵蚀。这是一种金刚石中的碳素缓慢燃烧成一氧化碳的过程，在这一过程中金刚石表面一部分物质由于氧化而消失，形成细小的侵蚀坑。

例如用硝酸钾KNO3熔融物在500℃或更高的温度下处理金刚石表面，可以获得相似的金刚石表面的初始侵蚀结果。

上述各种侵蚀过程或其他能使表面粗糙的方法都不能获得满意的效果。一方面，这是由大于900℃的反应温度引起的，在这样的温度下，不仅金刚石表面受到侵蚀，同时也降低了晶体的内部强度。特别是人工合成的金刚石晶体，一般情况下，它总含有微量制造时用作催化剂的金属。这些催化剂残余在高于900℃的温度下会使金刚石重新石墨化，甚至由于残余的金属与金刚石对比一般膨胀系数比较大，会导致部分金刚石晶体的胀裂。

另一方面，各种已知的方法还有一个重要的缺点，就是金刚石晶体要除去相当多的物质才能在晶体表面形成足够满意的粗糙程度。因为粗化或侵蚀法都是表面磨损加工，它们不是按照平行于晶体表面的方向进行的。这会制成相当大量的不希望出现的金刚石晶体损失。例如加工粒度约为500微米的金刚石颗粒，处理后要损失按重要计算的10%。这是相当可观的价值损失。某些已知的粗化方法制成的重量损失甚至达到30%。

本发明的目的是提供一种粗化的方法。这种方法可以在低于900℃的温度下进行，物料损失则要求最大不超过5%。形成的表面形状是由大量的小孔确定的，这些小孔的深度在大多数情况下较它们的直径大。也就是在表面上形成大量的侵蚀坑及侵蚀毛细管道。它们可具有不同的形状，并含有尽可能多的凹蚀由此使其进入粘合材料到理想的范围进行啮合以改善金刚石在粘结材料中的密着强度。

本发明解决这一问题的方法是为使金刚石颗粒的表面积增大到至少原 来表面积的两倍以上，将金刚石颗粒埋在金属粉末中，在温度高于700℃下，通入氢或含氢的气流使金刚石颗粒表面形成大量的气孔。

本方法的动力学机理尚未得出最后的明确说明。从以各种不同的方式进行这种加工过程得到的结果可以总结为：首先是金刚石中的碳素扩散到与金刚石表面接触的金属颗粒中。另一方面金属将氢活化，由此后者与溶解在金属中的碳化结合成甲烷（CH4）。甲烷又被氢气流冲洗出去。结果，参加反应的金属又恢复了吸收另外的碳素的能力，使金刚石中的碳能继续不断地通过与金属的接触点扩散到金属内。而且金属颗粒中的碳不会达到饱和。就是这样，金属颗粒通过接触点在金刚石表面上侵蚀而形成所要求的良好的表面形状。

按照本发明预处理的金刚石颗粒特别适于用电沉积金属结合。用这种方法制成的金刚石工具与用其他方法制成的对比，使用寿命可延长100%以上。

用通常所谓的涂敷法在金刚石颗粒涂布的金属，例如含磷的镍或含磷的钴等金属也可用来涂镀在按上述方法预处理过的金刚石上获得最佳的密着效果。涂镀后再结合在如金属或合成树脂之类的粘结材料中也可在很大程度上提高制品的质量。

含有润湿活化添加剂的液态金属，如含钛的铜/银合金也可很好地渗入用上述的方法处理过的金刚石表面的凹槽中而形成优越的粘合键。

此外，还可用微晶玻璃作为粘结材料，该材料通常含有一种在加工过程中熔化后低表面张力的玻璃。

本发明的侵蚀方法也可用来处理天然的金刚石，不过它特别适用于处理人工合成的金刚石。

如果天然金刚石颗粒是由较大块的金刚石破碎生产的，它们一般具有不规则的表面。这种金刚石的断裂面已具有适合于与粘结剂啮合的性能。通过本发明的处理方法可使它的表面更粗糙些还可进一步提高啮合及粘合 效果。

合成金刚石通常具有结晶面，部分是平行的平面。合成金刚石的生长过程愈均匀，它的几何形状也愈规则。通常呈立方八面体的形状。特别均匀生长成的金刚石晶体，在大多数情况下，纯度很高，强度也很大。但是，这些有利的特性只在晶体与粘结材料十分牢固结合的条件下才能充分发挥。但是正规成长的晶体的平整表面会产生与粘结材料啮合不良的结果。因而这种合成金刚石晶体只能采用本发明的高级粗化方法进行处理，才可显著提高它的经济效益。一种用来精整砂轮的加工工具将这种效果显示得十分明显。它是将金刚石晶体包裹在电镀沉积镍金属粘结剂中。这种情况同样适用于将金刚石晶体埋在由金属粉末制成的基体中，该金刚石晶体先用一种能润湿金刚石的熔融合金侵透。这种合金例如由银及铜组成，并加钛作为添加剂。

本发明的侵蚀操作的进行具有下列特点：将金刚石晶体埋在很细的金属粉末中，粉末的粒度在20微米以下，最好是在5微米到0.5微米范围内。作为容器可用煅烧用的小瓷舟。也可用别的容器，条件是能让气流通过。容器放入炉中后，气体持续从物料上流过。优先使用的是管式炉。炉中通过的是氢或含氢的混合气体。最好是用含99%的纯氢。作为金属粉末可用铁、钴、镍或它们的混合物或合金。如果温度至少保持在700℃，这种加热处理方法可将金刚石晶体制成优良的表面粗糙程度。温度愈高，获得的表面愈粗糙。但是温度超过900℃就会降低质量。因为这时金刚石的内部强度也会降低。使用的温度在700℃到900℃之间时，处理时间一般30分钟就已足够。当然反应时间可按要求在比较大的范围内变化。

用这种特殊的加热处理后，将金属粉末用酸，例如硝酸与盐酸洗去。得到粗化的表面和洗净的金刚石就可进行进一步加工。

实现本发明的实例可结合下列附图加以说明。图中示出：

图1：放大100倍的金刚石颗粒。

图2：粗化后的金刚石颗粒的片断，放大500倍。

图3：金刚石颗粒表面的一小部分，放大5000倍。

图4：金刚石颗粒的部分横断面。

图中示出的金刚石颗粒（1）为一颗合成金刚石。呈立方八面体形并具有均匀排列的表面。金刚石表面已经过人工处理将原来的表面积放大了若干倍。处理的方法就是将金刚石颗粒放在金属粉末内，在炉中加热到850℃并通入氢。处理后，金刚石（1）的表面出现许多小气孔（2）。气孔是向外开放的，粘结材料可渗入气孔中，在里面凝固后就像生了根。从而很大程度增强了粘结剂与金刚石之间的密着和显着扩大了接触面积。