多晶超硬構(gòu)造及其制造方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及包含多晶金剛石（P⑶）材料主體的多晶超硬構(gòu)造和制造熱穩(wěn)定的多 晶金剛石構(gòu)造的方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 用于機(jī)械加工的刀具插入件和其他工具可以包含結(jié)合到燒結(jié)碳化物基底的多晶 金剛石（PCD)層。PCD是超硬材料的示例，也被稱(chēng)為超研磨材料。
[0003] 包含PCD的部件可用于各種切削、機(jī)加工、鉆孔或敲碎硬質(zhì)或研磨材料如巖石、金 屬、陶瓷、復(fù)合材料和含木材料的工具中。PCD包含大量基本上共生的金剛石顆粒，所述金剛 石顆粒形成限定金剛石顆粒間的間隙的骨豁體（skeletalmass)。P⑶材料典型地包含占 其體積至少約80%的金剛石并且可以通過(guò)使金剛石顆粒的聚集體在燒結(jié)助劑的存在下經(jīng) 受大于約5GPa，典型地約5. 5GPa的超高壓力和至少約1200°C，典型地約1440°C的溫度來(lái)制 造，所述燒結(jié)助劑也被稱(chēng)為用于金剛石的催化劑材料。用于金剛石的催化劑材料可以理解 為是在金剛石在熱力學(xué)上比石墨更穩(wěn)定的壓力和溫度條件下能夠促進(jìn)金剛石顆粒的直接 共生的材料。
[0004] 用于金剛石的催化劑材料典型地包括任何VIII族元素并且常見(jiàn)示例是鈷、鐵、鎳 和包括任何這些元素的合金的某些合金。PCD可以在鈷-燒結(jié)碳化鎢基底上形成，該基底 可以為PCD提供鈷催化劑材料的來(lái)源。在PCD材料主體燒結(jié)期間，燒結(jié)-碳化物基底的組 分如在鈷-燒結(jié)碳化鎢基底的情況下的鈷液化并從鄰近大量金剛石顆粒的區(qū)域快速移動(dòng) (sweep)到金剛石顆粒間的間隙區(qū)域中。在該示例中，鈷充當(dāng)催化劑來(lái)促進(jìn)粘結(jié)金剛石顆粒 的形成?？蛇x擇地，金屬_溶劑催化劑可以在金剛石顆粒和基底經(jīng)受HPHT過(guò)程之前與金剛 石顆?；旌?。在PCD材料內(nèi)的間隙可以至少部分地充滿催化劑材料。共生的金剛石結(jié)構(gòu)因 此包含原始金剛石顆粒和新沉淀的或重新生長(zhǎng)的金剛石相，該金剛石相結(jié)合（bridge)原 始顆粒。在最終的燒結(jié)結(jié)構(gòu)中，催化劑/溶劑材料通常會(huì)殘留在存在于燒結(jié)金剛石顆粒之 間的至少一些間隙中。
[0005] 已知的與這種傳統(tǒng)PCD坯塊共存的問(wèn)題是當(dāng)在切削和/或磨損程序期間被暴露在 高溫下時(shí)，它們易遭受熱降解。有人認(rèn)為這是由于，至少部分由于在顯微結(jié)構(gòu)的間隙中存在 殘留溶劑/催化劑材料，這由于在間隙溶劑金屬催化劑材料的熱膨脹特性和晶間粘結(jié)金剛 石的熱膨脹特性之間存在的差異而在高溫下對(duì)PCD坯塊的性能有不利影響。已知這種不同 的熱膨脹在約400°C的溫度下會(huì)發(fā)生，并且被認(rèn)為在金剛石與金剛石粘結(jié)中會(huì)引起斷裂的 發(fā)生，并且最終導(dǎo)致在PCD結(jié)構(gòu)中形成裂縫和碎片。PCD臺(tái)中的碎裂或破裂在鉆孔或切削操 作中可能降低切削元件的機(jī)械性能或?qū)е虑邢髟氖?，從而致使PCD結(jié)構(gòu)不適合進(jìn)一 步使用。
[0006] 已知的與傳統(tǒng)PCD材料共存的熱降解的另一種形式是也被認(rèn)為與間隙區(qū)域中的 溶劑金屬催化劑的存在和溶劑金屬催化劑對(duì)金剛石晶體的粘附有關(guān)的一種形式。具體地， 在高溫下，金剛石顆?？梢耘c溶劑/催化劑進(jìn)行化學(xué)分解或逆向轉(zhuǎn)化（back-conversion)。 在極高溫度下，溶劑金屬催化劑被認(rèn)為在金剛石中引起了不期望的催化相位變換以致部分 金剛石顆粒可以轉(zhuǎn)化為一氧化碳、二氧化碳、石墨或其組合，從而降低PCD材料的機(jī)械性能 并將P⑶材料的實(shí)際應(yīng)用限制到約750°C。
[0007] 嘗試在常規(guī)P⑶材料中解決這種不期望的熱降解形式在本領(lǐng)域中是已知的。通 常，這些嘗試都集中在與傳統(tǒng)P⑶材料相比具有改進(jìn)的熱穩(wěn)定性的P⑶主體的形成上。一 種生產(chǎn)具有改進(jìn)的熱穩(wěn)定性的PCD主體的已知技術(shù)包括，在形成PCD主體后例如使用化學(xué) 浸出去除全部或部分的溶劑催化劑材料。從金剛石晶格結(jié)構(gòu)去除催化劑/粘合劑使得多晶 金剛石層更耐熱。
[0008] 由于切削元件典型操作的不利環(huán)境，期望具有改進(jìn)的耐磨性、強(qiáng)度和斷裂韌性的 切削層的切削元件。然而，當(dāng)PCD材料制造地更耐磨時(shí)，例如通過(guò)從金剛石基質(zhì)中的間隙去 除殘余催化劑材料，PCD材料典型地變得更加易碎且容易破裂并且因此易于損害或減小抗 破裂性。
[0009] 因此需要克服或基本上改善上述問(wèn)題以提供具有增強(qiáng)的抗破裂和剝落的PCD材 料。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0010] 從第一方面看，本發(fā)明提供了包含多晶金剛石（PCD)材料主體和在形成多晶金剛 石材料的交互粘結(jié)的金剛石顆粒之間的多個(gè)間隙區(qū)域的多晶超硬構(gòu)造；該P(yáng)CD材料主體包 括：
[0011] 沿主體的外側(cè)部分放置的工作表面；
[0012] 基本上不含溶劑/催化材料的第一區(qū)域；第一區(qū)域沿大體上垂直于沿工作表面延 伸的平面的平面從工作表面延伸進(jìn)入PCD材料主體中一個(gè)深度；以及
[0013] 遠(yuǎn)離在多個(gè)間隙區(qū)域中包含溶劑/催化材料的工作表面的第二區(qū)域；
[0014] 沿與第二區(qū)域的交界面附著到P⑶材料主體的基底；
[0015] 在工作表面和PCD材料主體的外圍側(cè)表面之間延伸并限定在斜面和外圍側(cè)表面 的交叉部的切削邊緣的斜面；斜面具有高度，該高度為垂直于沿工作表面延伸的平面的平 面在斜面與工作表面的交叉點(diǎn)和斜面與PCD材料主體的外圍側(cè)表面的交叉點(diǎn)之間的長(zhǎng)度； 其中：
[0016] 第一區(qū)域的深度大于斜面的高度；以及
[0017] 其中，沿從P⑶主體的斜面和外圍側(cè)表面的交叉點(diǎn)以約65°到約75°之間的角度 延伸至第一和第二區(qū)域之間的交界面的平面的第一長(zhǎng)度為第一區(qū)域的深度的約60%到約 300 %之間。
[0018] 從第二方面看，本發(fā)明提供了用于制造熱穩(wěn)定的多晶金剛石構(gòu)造的方法，包含以 下步驟：
[0019] 加工沿交界面附著于基底的多晶金剛石主體，該多晶金剛石主體包含多個(gè)交互粘 結(jié)的金剛石顆粒和設(shè)置在其之間的間隙區(qū)域，以形成在沿主體的外側(cè)部分放置的工作表面 和主體的外圍側(cè)表面之間延伸的斜面；
[0020] 處理P⑶主體，以從金剛石主體的第一區(qū)域去除溶劑/催化劑材料，而允許溶劑/ 催化劑材料留在金剛石主體的第二區(qū)域中；第一區(qū)域從工作表面沿大體上與工作表面沿其 延伸的平面垂直的平面延伸進(jìn)入P⑶材料主體中一深度；
[0021] 斜面限定在斜面和外圍側(cè)表面的交叉處的切削邊緣；斜面具有高度，該高度為垂 直于沿工作表面延伸的平面的平面在斜面與工作表面的交叉點(diǎn)和斜面與PCD材料主體的 外圍側(cè)表面的交叉點(diǎn)之間的長(zhǎng)度；其中：
[0022] 處理步驟還包括控制第一區(qū)域的深度大于斜面的高度；以及
[0023] 進(jìn)一步包括控制處理步驟，以便沿從P⑶主體的斜面和外圍側(cè)表面的交叉點(diǎn)以約 65°到約75°之間的角度延伸至第一和第二區(qū)域之間的交界面的平面的第一長(zhǎng)度為第一 區(qū)域的深度的約60%到約300%之間。
[0024] 在一些實(shí)施例中，第一區(qū)域的深度在約400 ym到約1400 ym之間，或在約500 ym 到約1400 y m之間；或在約600 y m到約1400 y m之間；或在約800 y m到約1400 y m之間； 或在約850 ym到約1400 ym之間；或在約800 ym到約1200 ym之間。
【附圖說(shuō)明】
[0025] 本發(fā)明將僅通過(guò)示例的方式并參照附圖更詳細(xì)地描述多種實(shí)施例，其中：
[0026] 圖1是P⑶材料主體的顯微結(jié)構(gòu)示意圖；
[0027] 圖2是包含粘結(jié)至基底的P⑶結(jié)構(gòu)的P⑶坯塊的示意圖；
[0028] 圖3a至3c是通過(guò)根據(jù)示出應(yīng)用中的逐步磨損的實(shí)施例的圖2的一部分P⑶結(jié)構(gòu) 的橫截面示意圖；
[0029] 圖4是包括第一結(jié)構(gòu)和第二結(jié)構(gòu)的示例性組件的側(cè)面示意圖；
[0030] 圖5是用于制造超硬構(gòu)造的部分示例性壓力和溫度循環(huán)的示意圖；
[0031] 圖6至圖10是用于制造P⑶構(gòu)造的部分示例性壓力和溫度循環(huán)的示意圖；
[0032] 圖Ila至Ilb是不同金剛石密度的P⑶材料主體的實(shí)施例的拋光部的顯微圖（在 底片中所示）的過(guò)程圖像；
[0033] 圖12是在一個(gè)實(shí)施例的立式鍵床測(cè)試（vertical borer test)中針對(duì)切割長(zhǎng)度 的磨痕面積的圖；以及
[0034] 圖13在另一個(gè)實(shí)施例的立式鏜床測(cè)試中針對(duì)切割長(zhǎng)度的磨痕面積的圖。
【具體實(shí)施方式】
[0035] 參照?qǐng)D1，P⑶材料主體10包含直接交互粘結(jié)的金剛石顆粒12和在金剛石顆粒12 之間的間隙14的骨骼體，該間隙14可以至少部分地填充填充材料或粘合劑材料。填充材 料可以包括例如鈷、鎳或鐵或可替代地可以包括一個(gè)或多個(gè)其它非金剛石相添加物，例如， 如鈦、鎢、鈮、鉭、鋯、鉬、鉻或釩，填充材料中的一種或多種上述物質(zhì)的含量可以是例如，在 使用Ti的情況下約為填充材料的重量的1 %，在使用V的情況下，填充材料中V的含量約為 填充材料的重量的2%，以及在使用W的情況下，填充材料中W的含量約為填充材料的重量 的 20%。
[0036]公開(kāi)號(hào)為W02008/096314的PCT申請(qǐng)公開(kāi)了涂覆金剛石顆粒的方法，以能夠形 成多晶超硬磨料元件或復(fù)合材料，包括基質(zhì)中的金剛石的多晶超硬磨料元件，所述金剛石 從材料中選擇，所述材料從包括VN、VC、HfC、NbC、TaC、Mo 2C、WC的組中選擇。公開(kāi)號(hào)為 TO2011/141898的PCT申請(qǐng)也公開(kāi)了 P⑶和形成包含添加物如碳化釩的P⑶的方法以尤其 改善耐磨性。
[0037] 同時(shí)希望不受到任何特定理論的約束，填充材料內(nèi)的金屬添加劑的組合可以被認(rèn) 為在使用中具有更好分散在PCD材料內(nèi)產(chǎn)生和擴(kuò)散的裂紋的能量的作用，導(dǎo)致PCD材料的 改進(jìn)的磨損性能和增強(qiáng)的抗沖擊性和抗斷裂性，并且因此延長(zhǎng)在一些應(yīng)用中的工作壽命。
[0038] 根據(jù)一些實(shí)施例，制造的PCD材料的燒結(jié)體具有金剛石與金剛石的粘結(jié)并具有第 二相，所述第二相包含催化劑/溶劑和通過(guò)WC (碳化鎢）的顯微結(jié)構(gòu)與另外的非金剛石相 碳化物如VC -起或代替另外的非金剛石相碳化物如VC分散的WC。PCD材料主體可以根據(jù) 標(biāo)準(zhǔn)化方法形成，例如，如在公開(kāi)號(hào)為W02011/141898的PCT申請(qǐng)中所述的使用HpHT條件 來(lái)產(chǎn)生燒結(jié)P⑶臺(tái)。
[0039] 圖2和圖3a到3c示出了作為用于地殼鉆探（boring into the earth)的鉆頭 (未示出）的刀具插入件使用的多晶復(fù)合構(gòu)造20的實(shí)施例。多晶復(fù)合坯塊或構(gòu)造20包括 超硬材料如PCD材料主體22,在界面24整體粘結(jié)至基底30?；?0可以由硬質(zhì)材料如燒 結(jié)碳化物材料組成并且例如可以是燒結(jié)碳化鎢、燒結(jié)碳化鉭、燒結(jié)碳化鈦、燒結(jié)碳化鉬或其 混合物。用于這種碳化物的粘合劑金屬例如可以是鎳、鈷、鐵或含有一種或多種這些金屬的 合金。典型地，該粘合劑會(huì)以10-20%質(zhì)量的數(shù)量存在，但是這可以低至6%的質(zhì)量或更少。 一些粘合劑金屬可能在形成坯塊20期間滲入多晶金剛石材料主體22。
[0040] 超硬材料例如可以是多晶金剛石（P⑶）。
[0041] 切削元件20在使用中可以安裝到鉆頭主體（bit body)如刮刀鉆頭主體（未示 出）中。與基底30相對(duì)的超硬材料22的暴露的上表面形成工作表面34,該工作表面34是 在使用中沿著該表面的邊緣36執(zhí)行切削的表面。
[0042] 基底30例如可以是一般圓柱形的并且具有外圍表面和外圍上邊緣。
[0043] 刀具元件20的暴露表面包括在使用中也充當(dāng)前面的工作表面34。斜面44在工作 表面34和切削邊緣36以及刀具的側(cè)面或柱面（barrel) 42的至少一部分之間延伸，切削邊 緣36是由斜面44和側(cè)面42的邊緣限定的。
[0044] 刀具的工作表面或"前面"34是表面或多個(gè)表面，當(dāng)?shù)毒弑挥糜趶闹黧w切削材料 時(shí)，被切下的材料碎片從該表面或多個(gè)表面上流動(dòng)，前面34引導(dǎo)新形成的碎片的流動(dòng)。該 表面34通常被稱(chēng)為刀具的上表面或工作表面。在本發(fā)明中，"碎片"是在使用中由刀具從主 體的工作表面去除的主體的碎片。
[0045] 在本發(fā)明中，刀具的"側(cè)面"42是越過(guò)在被刀具切削的材料主體上產(chǎn)生的表面的刀 具的表面或多個(gè)表面并且通常被認(rèn)為是刀具的側(cè)面或柱面。側(cè)面42可以提供距主體的間 隙并且可以包括多個(gè)側(cè)面。
[0046] 在本發(fā)明中，"切削邊緣" 36在使用中旨在執(zhí)行切削主體。
[0047] 在本發(fā)明中，"磨痕"是在使用中由于刀具的磨損通過(guò)去除大量切削材料形成的刀 具的表面。側(cè)面可以包含磨痕。當(dāng)在使用中刀具磨損時(shí)，材料可以從最近的切削邊緣逐漸去 除，從而當(dāng)磨痕形成時(shí)不斷地重新確定切削邊緣、前面和側(cè)面的位置和形狀。在本發(fā)明中， 可以理解術(shù)語(yǔ)"切削邊緣"指的是如上功能性限定的在刀具磨損過(guò)程直到刀具失效的任何 具體的階段或多個(gè)階段包括但不限于處于基本上未磨損或未使用狀態(tài)的刀具的實(shí)際的切 削邊緣。
[0048] 參照?qǐng)D3a到3c，斜面44在臨近切削邊緣36和側(cè)面42的結(jié)構(gòu)中形成。前面34因 此通過(guò)從切削邊緣36延伸到前面34的斜面44連接到側(cè)面42上，并且位于與垂直于刀具 縱軸延伸的平面的平面呈預(yù)定角度9的平面中。在一些實(shí)施例中，這個(gè)倒角可達(dá)45°左 右。斜面44的垂直高度例如可以在350 ym和450 ym之間，如400 ym左右。
[0049] 圖3a到3c是使用下面詳細(xì)描述的技術(shù)已經(jīng)被處理以從金剛石顆粒之間的間隙 空間去除殘留溶劑/催化劑的PCD構(gòu)造20的示意表示圖。從工作表面34朝向溶劑/催 化劑已經(jīng)基本被去除的基底30的界面24的P⑶層22中的深度Y被稱(chēng)為浸出深度（leach depth)。根據(jù)實(shí)施例，該深度Y至少大于斜面44的垂直高度。本申請(qǐng)人已經(jīng)想到，出人意 料的是，在應(yīng)用中使用PCD構(gòu)造過(guò)程中，這有助于控制剝落事件。
[0050] 此外，在一些實(shí)施方案中，沿以約65°到75°之間的角度P從側(cè)面42(即P⑶構(gòu) 造20在使用中與巖石的第一接觸點(diǎn)的外圍側(cè)邊緣，也就是切削邊緣36)延伸的平面的長(zhǎng)度 X為Y的長(zhǎng)度的約60%到約300%之間。本申請(qǐng)人已經(jīng)想到，這在使用中有助于管理構(gòu)造20 的熱磨損事件。上述X和大于斜面的垂直高度的Y的組合有助于管理剝落和熱磨損事件， 以增加P⑶構(gòu)造20的工作壽命。
[0051] 另外，在一些實(shí)施方案中，P⑶主體的浸出的第一區(qū)域沒(méi)有一直延伸穿過(guò)工作表面 34的直徑延伸，而是僅延伸距離Z穿過(guò)工作表面至工作表面的邊緣和斜面44的頂部的交叉 處。在一些實(shí)施例中，距離Z在約2mm到約6mm之間。
[0052] 在一些實(shí)施例中，Y為至少約450 y m或約500 y m或約600 y m至約1200 y m或約 1300 y m 或約 1400 y m。
[0053] 圖3a中的第一接觸點(diǎn)36是第一次使用時(shí)切削邊緣的第一位置。當(dāng)?shù)毒吣p時(shí)， 刀具上的磨損是由虛線45到第二虛線46表示的位置的移動(dòng)示出的，如圖3a到3c所示，伴 有由參考數(shù)字36a和36b表示的切削邊緣的移動(dòng)。圖3b用表示切削的起點(diǎn)的第一虛線45 和表示超硬材料的逐漸磨損的第二虛線46示出了第一階段。
[0054] 圖3c示出了額外使用之后刀具的進(jìn)一步磨損并通過(guò)PCD材料示出了磨痕的進(jìn)展。 磨損因此僅在PCD的浸出區(qū)域進(jìn)行。
[0055] 同時(shí)不希望受到理論的約束，可以想到裂紋具有在P⑶中沿P⑶的浸出區(qū)域和非 浸出區(qū)域之間的界面擴(kuò)散的傾向。通常，一旦磨損到達(dá)斜面44的頂端，這可能會(huì)導(dǎo)致剝落， 然而，如圖3c所示，當(dāng)此時(shí)磨痕保持在PCD的浸出區(qū)域時(shí)，剝落不太可能發(fā)生，因?yàn)槟ズ凵?未到達(dá)PCD的浸出區(qū)域和非浸出區(qū)域之間的界面，裂紋傾向于沿該界面?zhèn)鞑コ跏紕兟洹?br>[0056] 圖1至圖3c的刀具例如可以如下所述制造。
[0057] 在本發(fā)明中，"生坯"是包含待被燒結(jié)的顆粒和將顆粒保持在一起的部件的主體， 如粘合劑，例如有機(jī)粘合劑。
[0058] 超硬構(gòu)造的實(shí)施例可以通過(guò)制備包含超硬材料的顆粒和粘合劑如有機(jī)粘合劑的 生坯的方法來(lái)制造。該生坯也可以包含用于促進(jìn)超硬顆粒的燒結(jié)的催化劑材料。生坯可以 通過(guò)將顆粒與粘合劑結(jié)合以及使它們形成為具有與所要燒結(jié)主體基本相同的總體形狀的 主體以及烘干粘合劑來(lái)制造。至少一些粘合劑材料可以通過(guò)例如將其燒掉來(lái)去除。生坯可 以通過(guò)包括壓實(shí)過(guò)程、注射或其他方法如鑄造、擠壓、沉積成型等方法來(lái)形成。生坯可以由 包含顆粒和粘結(jié)劑的組件構(gòu)成，例如，該組件可以片、塊或盤(pán)的形式存在，并且生坯本身可 以由多個(gè)生坯構(gòu)成。
[0059] 用于制造生坯的方法的一個(gè)實(shí)施例包括提供流延成型片材，每個(gè)片材例如包含 多個(gè)與粘合劑粘結(jié)在一起的金剛石顆粒，如水基有機(jī)粘合劑，以及將片材堆疊在彼此的頂 部和支撐體的頂部。包含具有不同顆粒尺寸分布、金剛石含量或添加劑的金剛石顆粒的不 同片材可以被有選擇地堆疊以實(shí)現(xiàn)所需的結(jié)構(gòu)。片材可以通過(guò)本領(lǐng)域中已知的方法來(lái)制 造，如擠壓或流延成型方法，其中包含金剛石顆粒和粘合劑材料的懸浮液被鋪設(shè)在