超硬構(gòu)造物、用于制作其的方法和用于加工其的方法
【專利說(shuō)明】超硬構(gòu)造物、用于制作其的方法和用于加工其的方法
[0001]本發(fā)明整體上涉及相對(duì)薄的超硬結(jié)構(gòu)，包含其的構(gòu)造物，以及用于制作和加工其的方法。該超硬結(jié)構(gòu)可以特別(但非排他地)包含聚晶金剛石(PCD)材料、聚晶立方氮化硼(PCBN)材料或結(jié)合碳化硅的金剛石(SCD)材料。
[0002]美國(guó)專利號(hào)4229186公開(kāi)了一種層疊磨料體，其包含通過(guò)金屬層接合的燒結(jié)立方氮化硼(cBN)晶粒層，層疊體的厚度超過(guò)5毫米(mm)并且所述體橫向于厚度的最長(zhǎng)尺寸超過(guò)2毫米(_)。一種制作層疊磨料的方法在于制備坯塊同時(shí)制備層疊體。該方法包括形成粉末或箔形式的具有高于1450攝氏度的熔點(diǎn)的金屬和cBN晶粒的交替層，使所述層經(jīng)受適合于形成燒結(jié)cBN坯塊的提高的溫度和壓力條件。
[0003]美國(guó)專利申請(qǐng)公開(kāi)號(hào)2001/0054332公開(kāi)了平坦復(fù)合材料切削元件，其包括夾在兩個(gè)難熔金屬層之間的cBN材料。
[0004]國(guó)際專利申請(qǐng)公開(kāi)號(hào)2012/007429公開(kāi)了一種制作用于構(gòu)造物例如用于機(jī)加工工具的可轉(zhuǎn)位插入件的層的方法。該方法包括提供包含PCBN或PCD材料的前體體(其可以是實(shí)心柱體形式)，以及切開(kāi)該前體來(lái)提供多個(gè)盤并且通過(guò)研磨、拋光或者進(jìn)一步切削來(lái)加工所述盤以實(shí)現(xiàn)提供該層。
[0005]需要相對(duì)薄且穩(wěn)固的超硬結(jié)構(gòu)、相對(duì)高效地制作它們的方法和加工它們和使用它們制作用于工具的部件的方法。
[0006]從第一方面來(lái)看，提供了一種構(gòu)造物，其包含:具有相互相對(duì)的增強(qiáng)邊界的超硬層，每個(gè)增強(qiáng)邊界與各自的增強(qiáng)結(jié)構(gòu)結(jié)合(該超硬層可說(shuō)成被“夾在”一對(duì)增強(qiáng)層之間)；配置該構(gòu)造物使得每個(gè)增強(qiáng)邊界的等效圓直徑是它們之間的超硬層的平均厚度的至少十倍。該增強(qiáng)結(jié)構(gòu)至少鄰近增強(qiáng)邊界基本上不含具有的熔點(diǎn)低于2000攝氏度的材料。
[0007]通過(guò)本公開(kāi)內(nèi)容設(shè)想示例性構(gòu)造物的各種布置、變化和組合，下面描述了其非限制性、非窮舉性的實(shí)例。
[0008]在一些示例性的布置中，超硬層的平均厚度可以為至少0.5毫米(mm)或至少1_ ；和或該層的平均厚度可以為至多3毫米(mm)、至多2.5mm或至多2mm。
[0009]在一些示例性的布置中，每個(gè)增強(qiáng)邊界的等效圓直徑可以為至少50毫米(mm);和或每個(gè)增強(qiáng)邊界的等效圓直徑可以為至多120毫米(_)。在一些實(shí)例中，該超硬層可以是圓盤形式(在這樣的實(shí)例中，其等效圓直徑將等于其實(shí)際直徑)。
[0010]可以配置一些示例性構(gòu)造物使得增強(qiáng)邊界的等效圓直徑是該超硬層的平均厚度的至少20倍；和或增強(qiáng)邊界的等效圓直徑可以是該超硬層的平均厚度的至多120倍。
[0011]在一些示例性的布置中，該超硬層可以包含或由聚晶金剛石(pro)材料或聚晶立方氮化硼(PCBN)材料組成。
[0012]在一些示例性的布置中，每個(gè)增強(qiáng)結(jié)構(gòu)可以具有至少0.1毫米(mm)或至少0.5mm的平均厚度；和或每個(gè)增強(qiáng)結(jié)構(gòu)可以具有至多5毫米(mm)或至多1_的平均厚度。在一些實(shí)例中，至少一個(gè)增強(qiáng)結(jié)構(gòu)可以是圓盤形式；兩個(gè)增強(qiáng)結(jié)構(gòu)可以是圓盤形式，其可具有相同的厚度或不同的厚度。
[0013]在一些實(shí)例中，至少一個(gè)增強(qiáng)結(jié)構(gòu)可包含處于單質(zhì)金屬形式或包括在合金、金屬間化合物材料或化學(xué)化合物中的鉬(Mo)、鈮(Nb)、鉭(Ta)、鎢(W)和錸(Re)。例如，該增強(qiáng)結(jié)構(gòu)可包含處于單質(zhì)金屬形式或包括在合金、金屬間化合物材料或化學(xué)化合物中的鉬。
[0014]在一些示例性的布置中，至少一個(gè)增強(qiáng)結(jié)構(gòu)可以通過(guò)包含包括碳(C)、硼(B)或氮(N)的化學(xué)化合物的中間層與超硬層化學(xué)結(jié)合。例如，該強(qiáng)化結(jié)構(gòu)可以包含碳化鉬、氮化鉬或硼化鉬。
[0015]在一些示例性的裝置中，至少一個(gè)增強(qiáng)結(jié)構(gòu)可以包含第一和第二層，第二層在第一層和該超硬層之間，第二層的一個(gè)邊界與該超硬層結(jié)合并且第二層的相對(duì)邊界與第一層結(jié)合。在一些實(shí)例中，由于來(lái)自超硬晶粒的材料和在燒結(jié)過(guò)程之前包含在增強(qiáng)層中的材料之間的化學(xué)反應(yīng)(其中一些可存在于包含在示例性構(gòu)造物中的增強(qiáng)結(jié)構(gòu)中)，第二層可在燒結(jié)該超硬層的過(guò)程期間產(chǎn)生。在一些實(shí)例中，第二層可包含碳化物、氮化物或硼化物化學(xué)化合物材料，包括包含在第一層中的包含在第一層中的一種類型的材料和來(lái)自該超硬晶粒的材料。
[0016]在一些實(shí)例中，每個(gè)增強(qiáng)結(jié)構(gòu)至少鄰近各自增強(qiáng)邊界可以基本上不含用于超硬層的燒結(jié)促進(jìn)材料來(lái)源。在一些實(shí)例中，每個(gè)增強(qiáng)結(jié)構(gòu)可以基本不含鈷(Co)、鐵(Fe)、鎳(Ni)、錳(Μη)、招(Α1)或鈦(Ti)的其可以與超硬晶粒反應(yīng)的形式的來(lái)源。在一些實(shí)例中，超硬層可以包含金剛石晶粒并且增強(qiáng)結(jié)構(gòu)至少鄰近端表面可以基本上不含鈷(Co)、鐵(Fe)、鎳(Ni)、錳(Μη)和或硅(Si)的來(lái)源。在一些實(shí)例中，超硬層可以包含cBN晶粒并且增強(qiáng)結(jié)構(gòu)至少鄰近端表面可以基本上不含鋁(A1)、鈦(Ti)和或鈷(Co)。
[0017]在一些實(shí)例中，增強(qiáng)結(jié)構(gòu)可具有至少約100吉帕(GPa)、至少約200吉帕(GPa)或至少約300吉帕(GPa)的平均楊氏模量。
[0018]在一些實(shí)例中，在海平面大氣壓力下增強(qiáng)結(jié)構(gòu)可具有至少約500兆帕(MPa)的拉伸強(qiáng)度。
[0019]在一些實(shí)例中，在海平面大氣壓力下增強(qiáng)結(jié)構(gòu)可具有至少1000兆帕(MPa)的平均維氏硬度。
[0020]在一些實(shí)例中，至少一個(gè)增強(qiáng)結(jié)構(gòu)可以能夠通過(guò)釬焊合金材料接合到本體。
[0021]從第二方面來(lái)看，提供了一種制作如在前權(quán)利要求任一項(xiàng)所述的構(gòu)造物的方法，該方法包括:
[0022]提供包含多個(gè)超硬晶粒和燒結(jié)促進(jìn)材料來(lái)源的聚集層，將該聚集層配置成具有一對(duì)相互相對(duì)的邊界和在邊界之間的平均厚度，適用于形成要包含在該構(gòu)造物中的超硬層(考慮到在燒結(jié)過(guò)程期間將可能發(fā)生的致密化和化學(xué)反應(yīng))；
[0023]提供至少兩個(gè)增強(qiáng)結(jié)構(gòu)，每個(gè)具有接觸區(qū)域，鄰近該接觸區(qū)域增強(qiáng)結(jié)構(gòu)基本上不含具有的熔點(diǎn)小于2000攝氏度的材料；
[0024]設(shè)置單元組件使得所述每個(gè)增強(qiáng)結(jié)構(gòu)的接觸區(qū)域鄰接聚集層的各自邊界并且具有要包含在該構(gòu)造物中的超硬層的平均厚度的至少10倍的等效圓直徑；
[0025]將該單元組件封裝在用于超高壓力壓機(jī)設(shè)備的封殼中，以提供封裝的預(yù)燒結(jié)堆疊體；和
[0026]使封裝的預(yù)燒結(jié)堆疊體經(jīng)受超高燒結(jié)壓力和足夠高的燒結(jié)溫度并且持續(xù)足夠的燒結(jié)時(shí)間以形成該構(gòu)造物(包含在對(duì)應(yīng)于接觸區(qū)域的增強(qiáng)區(qū)域處與增強(qiáng)結(jié)構(gòu)結(jié)合的燒結(jié)聚晶超硬層)。
[0027]通過(guò)本公開(kāi)內(nèi)容設(shè)想該方法的各種布置、組合和變化，下面描述了其非限制性且非窮舉性的實(shí)例。
[0028]在一些實(shí)例中，每個(gè)接觸區(qū)域的等效圓直徑可以為50-120毫米(mm)。
[0029]在一些實(shí)例中，接觸區(qū)域的等效圓直徑可以為要包含在該構(gòu)造物中的超硬層的平均厚度的20-120倍。
[0030]在一些實(shí)例中，超硬晶?？梢园蛴山饎偸牧匣騝BN材料組成，任一者可以是單晶或晶體集成物的形式。
[0031]在一些實(shí)例中，超硬晶?？梢园蛴蒫BN材料組成，并且燒結(jié)促進(jìn)材料來(lái)源可以包含處于單質(zhì)形式或包括在化學(xué)化合物中的鋁(A1)、鈦(Ti)、鈷(Co)或鎳(Ni)或包括這些中任何的組合。
[0032]在一些實(shí)例中，超硬晶粒可以包含或由金剛石材料組成，并且燒結(jié)促進(jìn)材料來(lái)源可以包含或由處于單質(zhì)形式或包括在化學(xué)化合物中的鈷(Co)、鐵(Fe)、錳(Mn)、鎳(Ni)或娃(Si)或包括這些中任何的組合組成。
[0033]在一些實(shí)例中，聚集層的邊界和增強(qiáng)結(jié)構(gòu)的接觸區(qū)域可以為基本上圓形的。
[0034]在一些實(shí)例中，聚集層的厚度在其整個(gè)體積中可變化不超過(guò)10%或5%。
[0035]在一些實(shí)例中，聚集層可以具有至少1.0毫米(mm)的平均厚度；和或聚集層可以具有至多3.5毫米(mm)的平均厚度。
[0036]在一些實(shí)例中，每個(gè)增強(qiáng)結(jié)構(gòu)可以具有至少0.05毫米(mm)或至少1_的平均厚度；和或每個(gè)增強(qiáng)結(jié)構(gòu)可以具有至多5毫米(mm)或至多4_的平均厚度。
[0037]在一些實(shí)例中，增強(qiáng)結(jié)構(gòu)可以包含或由能夠與來(lái)自超硬晶粒的材料反應(yīng)并且因此與它們化學(xué)結(jié)合的材料組成。在其中聚集層包含cBN晶粒的示例性構(gòu)造物中，該增強(qiáng)結(jié)構(gòu)可以包含能夠與硼和或氮形成化學(xué)鍵的材料。在示例性構(gòu)造物中，聚集層包含或由金剛石晶粒組成，增強(qiáng)結(jié)構(gòu)可以包含能夠與碳形成化學(xué)鍵的材料。例如，包含或由鉬組成的增強(qiáng)結(jié)構(gòu)可適合于包含cBN和或金剛石晶粒的增強(qiáng)超硬層。
[0038]在一些實(shí)例中，增強(qiáng)結(jié)