具有改善的附接強度的超硬結構的制作方法
【專利說明】
【背景技術】
[0001]使用包括接合在一起的超硬與金屬部件的結構是本領域中公知的。這種結構的一個例子可見于切割元件的形式，該切割元件包括接合至金屬部件上的超硬部件。在這樣的切割元件的實施例中，磨損或切割部分由所述超硬部件形成，并且所述切割元件的金屬部分被附接至磨損和/或切割裝置。在這種已知的結構中，超硬部件可以由諸如多晶金剛石(PCD)、多晶立方氮化硼(PcBN)等多晶材料制成，該材料具有比所述金屬部件更高程度的耐磨損性。
[0002]在特定的例子中，所述超硬部件可以是經(jīng)過處理以使其基本不含用于在高壓/高溫條件下形成/燒結P⑶的催化劑材料(例如選自元素周期表第VIII族的金屬)的P⑶，且包括結合在一起的金剛石晶體。被處理為基本不含所述催化劑材料的PCD被稱為熱穩(wěn)定的多晶金剛石(TSP)，因為已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，所述催化劑材料的移除通過消除了隨著溫度升高時可能對所述金剛石本體的有效使用壽命有不利影響的不希望的退化及熱膨脹不匹配而改善了所得金剛石本體的熱穩(wěn)定性。
[0003]盡管TSP提供了所需要的熱穩(wěn)定性的改進，但是現(xiàn)有的TSP的一個公知的問題是它的本體內缺少催化劑材料，從而妨礙了后續(xù)通過溶劑催化劑滲入將TSP本體附接到金屬基體上。此外，這樣的TSP本體具有的熱膨脹系數(shù)與典型地滲入或以其它方式附接到PCD本體上的傳統(tǒng)基體材料(如像的WC-Co等的金屬陶瓷)顯著不同。為了提供一種可以容易地適用于許多期望的應用中的TSP復合片，高度需要將這些基體附接到所述TSP本體上。但是，由于TSP本體與基體之間不同的熱膨脹性，以及由于基本不含催化劑材料導致的TSP本體的弱潤濕性，使得很難將TSP本體結合到傳統(tǒng)使用的基體上。因此，一些TSP本體直接附接或安裝到所需的最終用途的設備上，而不存在相接基體。
[0004]眾所周知，可以通過使用公知的具有相對低熔點及低屈服強度的活性硬焊材料將TSP本體附接到所需的金屬基體上。結合活性硬焊材料的公知的限制與TSP本體的固有的弱潤濕性，可知形成于所述TSP本體與所述基體之間硬焊接合連接，不如通過滲透而形成于傳統(tǒng)的PCD與金屬基體之間的連接強壯。由于所述硬焊材料的屈服強度較低，所得結構的使用壽命減少，這將導致TSP本體和基體在工作期間分層。

【發(fā)明內容】

[0005]本文所述的超硬結構包括金剛石結合本體，所述金剛石結合本體包括結合在一起的金剛石晶粒的基質相以及置于所述結合在一起的金剛石晶粒之間的多個間隙區(qū)域。所述間隙區(qū)域基本不含用于在高壓/高溫條件下燒結金剛石結合本體的催化劑材料。金屬材料設置于所述金剛石本體的基體界面表面上。在一個示例性實施例中，所述金屬材料具有碳化物成分。在一個示例性實施例中，所述金屬材料的層厚在約0.1至10微米范圍內。所述結構進一步包括與所述金剛石結合本體連接的基體。所述基體可以包括碳化物成分。所述基體通過置于所述金屬材料與基體之間的硬焊接合部被附接于所述金剛石結合本體。由與所述基體及金屬材料反應的非活性硬焊材料形成所述硬焊接合部。在一個示例性實施例中，在所述非活性硬焊材料的熔點下且無高壓條件下形成所述硬焊接合部。這樣的超硬結構的金剛石結合本體是在高壓/高溫條件下制成的。處理如此形成的本體的基體界面表面，使該表面上包括所述金屬材料層。在大約所述硬焊材料的熔點下且無高壓條件下通過包含所述非活性硬焊材料的硬焊接合部將金屬基體附接到所述金剛石結合本體上。如果需要，在附接所述基體之前可以執(zhí)行滲碳處理。提供本
【發(fā)明內容】
部分是為了介紹一系列概念，其將在下面的詳細描述中進一步描述。本
【發(fā)明內容】
不旨在標識所要求保護的主題的關鍵或必要特征，也不旨在用于幫助限制所要求保護的主題的范圍。
【附圖說明】
[0006]參考下圖描述超硬結構的實施例:
[0007]圖1是金剛石結合本體的一部分的視圖，其已經(jīng)被處理為移除了用于形成金剛石結合本體的催化劑材料；
[0008]圖2是金剛石結合本體的立體圖，其已經(jīng)被處理為移除了用于形成金剛石結合本體的催化劑材料；
[0009]圖3是金剛石結合本體的截面?zhèn)纫晥D，其包括設置于本體基體界面表面上的金屬材料；
[0010]圖4是如本文所述的超硬結構的截面?zhèn)纫晥D，其包括設置于本體基體界面表面上的金屬材料的金剛石結合本體，并進一步包括置于之間形成硬焊接合部并將基體結合至所述本體的硬焊材料；
[0011]圖5是如本文所述的以鑲齒形式實施的超硬結構的側視圖；
[0012]圖6是包括圖5中示出的多個鑲齒的旋轉錐鉆頭的側立體圖；
[0013]圖7是包括圖5中示出的多個鑲齒的沖擊或震擊鉆頭的側立體圖；
[0014]圖8是如本文所述的以剪切切割器形式實施的超硬結構的立體圖；以及
[0015]圖9是包括圖8中示出的多個剪切切割器的刮刀鉆頭的側立體圖。
【具體實施方式】
[0016]本文所公開的超硬及金屬結構包括熱穩(wěn)定的多晶金剛石(TSP)結合本體，該本體基本不含最初用于燒結所述本體的催化劑材料，并且被專門設計為適于通過硬焊接合而以如下方式附接于基體或最終應途裝置:提供了比傳統(tǒng)的TSP結構增強的附接強度。
[0017]如本文所述，術語“超硬”應理解為指的是那些在本領域中公知的具有約4000HV或更大的晶粒硬度的材料。這樣的超硬材料可以包括由固結材料構成的那些能夠在高于約750°C、對于某些應用來說高于約1000°C的溫度下展現(xiàn)出物理穩(wěn)定性的材料。這樣的超硬材料可包括但不限于:金剛石、立方氮化硼(cBN)、金剛石狀碳、次氧化硼、鋁錳硼化物及在硼-氮-碳相圖中顯示出類似于cBN及其他陶瓷材料的硬度值的其他材料。
[0018]一旦已處理多晶金剛石(P⑶)而移除了最初用于在高壓/高溫(HPHT)條件下燒結或形成所述PCD的催化劑材料(例如上文所述的第VIII族物質)，其便是用于形成所述超硬部件的有用材料。如本文所述，術語“催化劑材料”是指最初用來在HPHT處理條件下促進用于形成所述PCD的金剛石-金剛石結合或燒結的材料。
[0019]TSP具有這樣的材料微觀結構，其特征為包括結合在一起的金剛石晶?；蚓w的多晶基質相以及存在于所述基質內的間隙區(qū)域中的多個空隙或空孔，所述間隙區(qū)域布置于所述結合在一起的金剛石晶粒間。最初通過將鄰近的金剛石晶?；蚓w在HPHT處理條件下結合在一起，形成所述TSP材料。使用合適的催化劑材料(例如選自元素周期表第VIII族的金屬溶劑催化劑)促進所述金剛石晶粒在HPHT條件下結合在一起，從而形成傳統(tǒng)的PCD,其包括布置于所述多個空隙或孔內的催化劑材料。
[0020]能用于形成所述TSP部件或本體的金剛石晶?？梢园ㄆ骄皆趶膩單⒚状笮≈?00微米范圍內、例如在約I至80微米范圍內的天然和/或合成金剛石粉末。所述金剛石粉末可以含有具有單或多模態(tài)尺寸分布的晶粒。在一個示例性實施例中，金剛石粉末的平均粒徑大約是20微米。在所使用的金剛石粉末具有不同尺寸的晶粒的情況下，通過傳統(tǒng)的工藝例如通過球磨機或磨碎機將所述金剛石晶粒混合在一起足夠時間，以確保良好的均勻分布。
[0021]清潔金剛石晶粒粉末，以通過在高溫、真空或減壓時的處理提高粉末的燒結性。將所述金剛石粉末混合物加載至所需容器內，該容器用于放置于合適的HPHT固結和燒結裝置中。
[0022]在HPHT處理期間，成粉末的形式的期望的催化劑材料例如溶劑金屬催化劑可與金剛石粉末組合，以在HPHT處理期間便于金剛石結合，和/或催化劑材料可以通過從鄰近金剛石粉末定位且包括催化劑材料的基體的滲入提供?？梢杂米饔糜跐B入催化劑材料的源的合適的基體可包括那些用于形成傳統(tǒng)P⑶材料的基體，且可以以是粉末、生坯狀態(tài)和/或已燒結形式提供。這種基體的特征在于它包括金屬溶劑催化劑，所述金屬溶劑催化劑能夠融化并滲入金剛石粉末的相鄰區(qū)域，以便于在HPHT處理中金剛石晶粒結合在一起。在一個示例實施例中，催化劑材料為鈷(Co)，可用于提供催化劑材料的基體為含鈷金屬陶瓷，例如WC-Co0
[0023]金剛石粉末混合物可以以包括與結合劑組合的金剛石粉末的生坯狀態(tài)部件或混合物的形式提供，以提供適合的材料產品，例如，成金