專利名稱：：細(xì)粒狀多晶磨蝕材料的制作方法細(xì)粒狀多晶磨蝕材料發(fā)明背景本發(fā)明涉及多晶金剛石。多晶金剛石是用于各種工件的加工、鉆孔應(yīng)用和用作磨損部件的優(yōu)選材料。該材料的優(yōu)點包括其優(yōu)良的硬度，金剛石是人們已知的最硬的材料，這導(dǎo)致其優(yōu)良的耐磨性。優(yōu)良的耐磨性反過來賦予了各種優(yōu)點，包括例如在應(yīng)用中增加的工具或切割機壽命、較少的停歇時間、優(yōu)良的工件精加工和性能。由于金剛石的硬度，因此其也是脆的。這使得其不適合于許多應(yīng)用，因為其容易破裂。通過制造多晶金剛石(PCD)可以顯著地降低該固有的脆性一其中將金剛石的晶粒燒結(jié)在一起以形成含有連續(xù)互生的金剛石網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的多晶結(jié)構(gòu)。為了實現(xiàn)金剛石互生，在合成期間通常存在催化材料一已知為金剛石催化劑/溶劑。該催化劑/溶劑通常是鈷、鎳、鐵或者含有一種或多種這些金屬的合金，優(yōu)選鎳并且更優(yōu)選鈷。最終結(jié)果是催化劑/溶劑填充金剛石晶粒之間的空隙的連續(xù)金剛石骨架。PCD通常在升高的溫度和壓力條件(HPHT)下制造，在該條件下金剛石顆粒結(jié)晶學(xué)穩(wěn)定。為了進一步降低脆性，可以將該多晶金剛石結(jié)構(gòu)安置于硬金屬基材上以形成多晶金剛石坯塊，由此在PCD后面提供一平臺，將其置于壓制下并且顯著減少了由于脆性的故障。硬金屬背襯的PCD工具提供了顯著的加工和鉆孔優(yōu)點并且被廣泛地使用。然而，對于許多應(yīng)用而言PCD工具仍然太脆。發(fā)明概述根據(jù)本發(fā)明的一個方面，提供了一種多晶金剛石磨蝕元件，其包括細(xì)粒狀多晶金剛石材料和第二相，該第二相包含用于該金剛石材料的催化劑/溶劑，其中該多晶金剛石材料的特征在于其具有小于0.60]am的平均催化劑/溶劑平均自由程值和小于0.90的催化劑/溶劑平均自由程的標(biāo)準(zhǔn)誤差。該催化劑/溶劑平均自由程的標(biāo)準(zhǔn)誤差優(yōu)選小于0.85。該多晶金剛石材料優(yōu)選具有約0.1-約10.5fim，更優(yōu)選約0.1-約6.5nm，并且最優(yōu)選約0.1-約2.0|um的平均晶粒尺寸(grainsize)。根據(jù)本發(fā)明的另一個方面，提供了一種用于制造多晶金剛石磨蝕元件的方法的組合物，該組合物包含金剛石顆粒，和用于該金剛石顆粒的金剛石催化劑/溶劑，其中該金剛石顆粒是細(xì)粒狀的，并且其中該催化劑/溶劑包含納米尺寸的顆粒。該催化劑/溶劑通常為鈷、鎳、鐵或者含有一種或多種這些金屬的合金，優(yōu)選鈷。該金剛石顆粒通常為亞微米至微米尺寸的顆粒，其優(yōu)選具有小于約10.5jun，更優(yōu)選小于約6.5pm，最優(yōu)選小于約2.0jim的平均顆粒尺寸(particlesize)，并且優(yōu)選具有大于0.1|Lun的平均顆粒尺寸。該催化劑/溶劑優(yōu)選具有小于約800nm，更優(yōu)選小于約400nm，最優(yōu)選小于約100nm的平均顆粒尺寸，和大于約10nm的平均顆粒尺寸。該催化劑/溶劑的平均顆粒尺寸與金剛石顆粒的平均顆粒尺寸的比例優(yōu)選處于約1:10-約1:1000的范圍內(nèi)，更優(yōu)選處于約1:100-約1:1000的范圍內(nèi)。根據(jù)本發(fā)明的仍然另一個方面，一種制造多晶金剛石磨蝕元件的方法包括以下步驟通過提供基材、將大量金剛石顆粒置于基材表面上而生成未粘結(jié)的組件，其中該金剛石顆粒是細(xì)粒狀的；提供用于金剛石顆粒的金剛石催化劑/溶劑，其中該催化劑/溶劑至少部分包括納米尺寸的顆粒；和使該未粘結(jié)的組件經(jīng)受適合于制造大量金剛石顆粒的多晶金剛石層的升高的溫度和壓力條件?；耐ǔ⑹菬Y(jié)碳化物硬金屬。由大量金剛石顆粒制造多晶金剛石層所需的升高的溫度和壓力條件是本領(lǐng)域公知的。一般而言，這些條件是4-8GPa的壓力和1300-1700。C的溫度。根據(jù)本發(fā)明的仍然另一個方面，提供一種包括如上面詳述的多晶金剛石磨蝕元件的工具或工具插件。優(yōu)選實施方案的詳述本發(fā)明涉及多晶金剛石磨蝕元件及其制造和應(yīng)用。該方法包括以下步驟將大量細(xì)粒狀金剛石顆粒和納米尺寸的催化劑/溶劑材料置于基材表面上并且使該未粘結(jié)的組件經(jīng)受適合于制造大量金剛石顆粒的多晶金剛石層的升高的溫度和壓力條件。該基材將通常是燒結(jié)碳化物基材。該燒結(jié)碳化物載體或基材可以是本領(lǐng)域已知的任一種，例如燒結(jié)碳化鴒、燒結(jié)碳化鉭、燒結(jié)碳化鈦、燒結(jié)碳化鉬或其混合物。由大量金剛石顆粒制造多晶金剛石層所需的升高的溫度和壓力條件是本領(lǐng)域公知的。一般而言，這些條件是4-8GPa的壓力和1300-170(TC的溫度。通過本發(fā)明的方法制造的磨蝕元件將另外存在粘合劑材料。該粘合劑將優(yōu)選是用于所使用的超硬磨蝕制品的催化劑/溶劑。用于金剛石的催化劑/溶劑是本領(lǐng)域公知的；并且優(yōu)選為鈷、鎳、鐵或者含有一種或多種這些金屬的合金。該粘合劑可以在燒結(jié)處理期間通過從基材滲透到大量磨蝕顆粒中而引入，并且在大量磨蝕顆粒中為粒狀形式的混合物。一般而言，該粘合劑將以10-20質(zhì)量％的量存在，但其可以低至6質(zhì)量％。在坯塊成型期間，一些粘合劑金屬將通常滲透到磨蝕坯塊中。制造的多晶金剛石磨蝕元件具有非常細(xì)的散布有金剛石催化劑/溶劑的金剛石晶粒結(jié)構(gòu)。該多晶金剛石材料的特征在于具有小于0.6(Hun的平均催化劑/溶劑平均自由程值和小于0.90的催化劑/溶劑平均自由程的標(biāo)準(zhǔn)誤差。在本發(fā)明的一個優(yōu)選實施方案中，該多晶金剛石材料具有小于0,55jtm的催化劑/溶劑平均自由程值。在本發(fā)明的另一個優(yōu)選實施方案中，該多晶金剛石材料具有小于0.50|iim的催化劑/溶劑平均自由程值。催化劑/溶劑平均自由程的標(biāo)準(zhǔn)誤差優(yōu)選小于0.85,并且通常大于0.70。在本發(fā)明的一個優(yōu)選實施方案中，該標(biāo)準(zhǔn)誤差為0.75-0.85。為了獲得高度均勻的材料，混合到金剛石粉末混合物中的催化劑/溶劑顆粒優(yōu)選為納米尺寸的，更特別地具有約10-約800nm,更優(yōu)選約10-約400nm，最優(yōu)選約10-約100nm的平均顆粒尺寸。金剛石顆粒通常為亞微米至微米尺寸的顆粒，其優(yōu)選具有約0.1-約10.5nm，更優(yōu)選約0.1-約6.5fim，最優(yōu)選約0.1-約2.0pm的平均顆粒尺寸。這樣選擇催化劑/溶劑的平均顆粒尺寸與金剛石顆粒的平均顆粒尺寸的比例使得該比例優(yōu)選處于約1:10-約1:1000的范圍內(nèi)，并且更優(yōu)選處于約1:100-約1:1000的范圍內(nèi)。與金剛石顆?；旌系拇呋瘎?溶劑顆粒的通常為納米尺寸范圍的小尺寸使得催化劑/溶劑能夠更容易作為涂層或薄膜沉積在金剛石顆粒上，其中該催化劑/溶劑通常以池(pools)的形式位于金剛石顆粒之間。這使得在多晶金剛石磨蝕元件中催化劑/溶劑顆粒和金剛石顆粒更好的均勻分散，得到更均勻的結(jié)構(gòu)。通過將非常細(xì)的金剛石顆粒尺寸與高均勻度組合，形成了具有展現(xiàn)出顯著的韌度增加和較低熱擴散率的微型結(jié)構(gòu)的多晶金剛石磨蝕元件。較低的熱擴散率導(dǎo)致較低的導(dǎo)熱率，這促進在多晶金剛石磨蝕元件的切割邊緣上改進的溫度處理。在材料科學(xué)中，韌度可以被定義為材料提供的對裂紋擴展的抗性。在多晶金剛石磨蝕材料中，韌度得自于擴展穿過材料的裂紋將遇到的催化劑/溶劑池的尺寸和頻率。通過增強本發(fā)明的多晶金剛石磨蝕元件的均勻度(即金剛石和催化劑/溶劑材料的分布)以將多晶金剛石磨蝕元這兩種特性最優(yōu)化，材料對裂化擴展的抗性增加并且因此測量的材料韌度增加。多晶金剛石磨蝕元件內(nèi)局部富含金剛石的區(qū)域提供了相互連接的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)使得能夠在具有較低導(dǎo)熱率的富含亞鐵-金屬的區(qū)域周圍迅速傳熱。提高的均勻度將因此通常降低多晶金剛石磨蝕材料的導(dǎo)熱率，這使得更多的熱保留在切割邊緣。因此在加工操作期間產(chǎn)生的較大比例的熱當(dāng)其移動穿過由本發(fā)明的多晶金剛石磨蝕材料制得的工具時有效地傳到切屑上，提供了更有效的熱交換冷卻機理。常識認(rèn)為較高的導(dǎo)熱率將使得在多晶金剛石工具與工件之間的接觸點下產(chǎn)生的熱更有效地分散到金剛石工具中，由此降低切割工具邊緣的溫度。盡管該論據(jù)是有根據(jù)的，但將注意的是工具材料的體積為比在切割操作中其產(chǎn)生的切屑更小的數(shù)量級。因此，盡管較高的導(dǎo)熱率增加了熱耗散到工具中，但在短時間之后可以產(chǎn)生跨越整個工具的溫度，該溫度足夠高而導(dǎo)致切割工具熱分解。因此，通過小心控制微型結(jié)構(gòu)，獲得了具有在應(yīng)用中產(chǎn)生優(yōu)良性能的有利性能的本發(fā)明的多晶金剛石磨蝕元件。特別地發(fā)現(xiàn)相對于使用傳統(tǒng)方法制備的多晶金剛石磨蝕材料相比，本材料的耐磨性顯著提高。本發(fā)明的多晶金剛石磨蝕元件具有在金屬和木材的加工或操作中作為工具插件和作為用于鉆孔的插件的特定應(yīng)用。然而將理解的是本發(fā)明的多晶金剛石磨蝕元件的應(yīng)用并不限于上面列出的那些?？梢灾噩F(xiàn)并且可靠地預(yù)期材料的臨界性能的程度幾乎全部取決于材料結(jié)構(gòu)的均勻度。使用圖像分析的均勻度評價基于圖案識別。用于產(chǎn)生材料均勻度的度量的大多數(shù)方法被用于低體積組分例如鋼鐵中的陶瓷內(nèi)容物的分析。公開的測量均勻度的技術(shù)包括(i)最近的相鄰距離[l]。當(dāng)測量給定相的最近相鄰分布時，將結(jié)果和預(yù)期的無規(guī)泊松(Poisson)分布的均值與方差的均值與方差相比；(ii)面積分?jǐn)?shù)的方差2，3，4；(iii)分析的像域之間晶粒數(shù)目的方差[1，2，3,引。歐洲專利EP0974566A1[5描述了使用冶金、掃描、透射和Auger電子顯微術(shù)測量在包含cBN顆粒的cBN(立方氮化硼)燒結(jié)體中的粘結(jié)相和粘結(jié)cBN顆粒的粘結(jié)相的厚度。對于一定范圍的燒結(jié)材料而言，通過在顯微照片上繪制任意直線而直接測量粘結(jié)相的厚度，并且使用圖像分析以確定粘結(jié)相厚度的平均和標(biāo)準(zhǔn)偏差值。在EP0974566A1[5I中，將粘結(jié)相厚度的標(biāo)準(zhǔn)偏差用作用于評價不同材料混合方法的效率的度量。標(biāo)準(zhǔn)偏差越低，則混合方法在均勻分布粘結(jié)相方面更有效。將理解的是上述分析方法也可用于含有多晶金剛石的材料。在本發(fā)明中，使用圖像分析擴展已知的方法以確定多晶金剛石磨蝕元件的催化劑/溶劑平均自由程的平均和標(biāo)準(zhǔn)偏差值?？梢匀绲暮穸葴y量。通過將標(biāo)準(zhǔn)偏差值O除以總的平均值而確定催化劑/溶劑平均自由程(MFP)的標(biāo)準(zhǔn)誤差值(f7sTD)。較低的標(biāo)準(zhǔn)誤差值將相當(dāng)于燒結(jié)材料中較高的均勻度?，F(xiàn)在將通過以下非限定實施例描述本發(fā)明。實施例為了制造根據(jù)本發(fā)明的燒結(jié)的多晶金剛石磨蝕元件，在行星式球磨機中將鈷形式的納米尺寸的催化劑/溶劑粉末與研磨介質(zhì)和溶劑一起研磨。為了制備適用于本發(fā)明實施例的批量一通常為100g粉末混合物，將催化劑/溶劑粉末與約150g研磨介質(zhì)(4mmWC/Co球)和約20ml溶劑(乙醇)一起研磨。將細(xì)的鈷研磨約1小時以實現(xiàn)高分散。然后加入金剛石以及剩余的研磨介質(zhì)和溶劑，并且再將混合物研磨約8小時。將研磨介質(zhì)篩出，并且通過蒸發(fā)將漿液干燥。本發(fā)明的實施例基于下表l中列出的組成配方1、3和6。出于對比目的，還根據(jù)本領(lǐng)域中已經(jīng)已知的方法制備材料混合物，其中混合的催化劑/溶劑粉末在尺寸上粗得多。這些基于表l中列出的組成配方2、4和5。表1<table>tableseeoriginaldocumentpage10</column></row><table>(注意在某些情形中最終混合物將含有微量的研磨介質(zhì)例如碳化鴒，其在研磨或粉末加工步驟期間被不經(jīng)意地引入。因此最終混合物的金剛石和催化劑/溶劑含量可能稍微與表l中所述的那些不同。)用于以上組成中的催化劑/溶劑是鈷。然而，將理解的是可以使用如上所述的其他合適的催化劑/溶劑。在每一情形中，然后將組成1-6的金剛石催化劑/溶劑粉末混合物置于碳化鎢和鈷硬金屬基材上并且在制造多晶金剛石材料所需的升高的溫度和壓力的條件下燒結(jié)。一般而言，這些條件是4-8GPa的壓力和1300-170(TC的溫度。為了測量燒結(jié)的多晶金剛石磨蝕元件的均勻度，評價這些多晶金剛石磨蝕元件的鈷平均自由程測量的平均值和標(biāo)準(zhǔn)偏差。由每一組成類型制得的樣品的單獨的值示于表2中。如上提及的標(biāo)準(zhǔn)誤差值(OsTD)提供了說明微型結(jié)構(gòu)的均勻度的價值的代表值。顯然，較低的值將表示更加均勻的微型結(jié)構(gòu)。表2<table>tableseeoriginaldocumentpage11</column></row><table>本發(fā)明的多晶金剛石磨蝕元件提高的均勻度使得PCD材料的韌度和強度性能顯著提高。這些臨界性能，特別是PCD韌度的顯著提高被表現(xiàn)出來，在應(yīng)用試驗中提供了顯著的性能優(yōu)點。代表性的性能結(jié)果的概述在下表3和4中示出(對比例為陰影)。在每一情形下，測量本發(fā)明的實施例相對于對比例的性能，例如當(dāng)車削加工18。/。SiAl時觀察到實施例1的耐磨性是對比例2的2.71倍。表3<table>tableseeoriginaldocumentpage12</column></row><table>表4<table>tableseeoriginaldocumentpage12</column></row><table>參考文獻[1Voort，G.F.V.￡Vfl/w^Vigc/"s,eW"g/7A"5^/mr"Wes.MiCon90:AdvancesinVideoTechnologyforMicrostructuralControl,ASTMSTP1094，由Voort，G.F,V.編專耳AmericanSocietyforTestingandMaterials,Philadelphia,1990。[2Missiaen,J.M.&Chaix,M.J.r/re/^附ogew"'(v。//^"wJournalofMicroscopy,Vol.175，pp,195-204，1994。3From,A.&Sandstrom,R./iwa/戶、c/ws^Wd—em'ows0/顯co附6/w^/c"r6o"/"ce附e"^/InternationalJournalofRefractoryMetalsandHardMetals,Vol.14，pp.393-405，1996。4Hubel,R.&Wendrock，H,附/cmstrw"M"fl//fi/ro附ogewe/印卸Z附c^fl誠/戸'51.Prakt.Metallogr.，Vol.31,pp.326-337,1994。5歐洲專利EP0974566Al。權(quán)利要求1.一種多晶金剛石磨蝕元件，其包括細(xì)粒狀多晶金剛石材料和第二相，該第二相包含用于該金剛石材料的催化劑/溶劑，該多晶金剛石材料的特征在于具有小于0.60μm的平均催化劑/溶劑平均自由程值和小于0.90的標(biāo)準(zhǔn)誤差。2.根據(jù)權(quán)利要求1的磨蝕元件，其中催化劑/溶劑平均自由程的標(biāo)準(zhǔn)誤差小于0.85。3.根據(jù)權(quán)利要求1或2的磨蝕元件，其中該多晶金剛石材料具有約0.1-約10.5pm的平均晶粒尺寸。4.根據(jù)權(quán)利要求3的磨蝕元件，其中該多晶金剛石材料具有約0.1-約6.5nm的平均晶粒尺寸。5.根據(jù)權(quán)利要求4的磨蝕元件，其中該多晶金剛石材料具有約0.1-約2.0jam的平均晶粒尺寸。6，根據(jù)權(quán)利要求1-5中任一項的磨蝕元件，其中該第二相至少部分由平均顆粒尺寸約10nm-約800nm的粒狀催化劑/溶劑材料形成。7.根據(jù)權(quán)利要求6的磨蝕元件，其中該粒狀催化劑/溶劑材料具有約lOnm-約400nm的平均顆粒尺寸。8.根據(jù)權(quán)利要求7的磨蝕元件，其中該粒狀催化劑/溶劑材料具有約lOnm-約100nm的平均顆粒尺寸。9.一種用于制造多晶金剛石磨蝕元件的方法的組合物，該組合物包含金剛石顆粒，和用于該金剛石顆粒的金剛石催化劑/溶劑，其中該金剛石顆粒具有小于約10.5pm的平均顆粒尺寸，其中該催化劑/溶劑包含具有小于約800nm的平均顆粒尺寸的顆粒。10.根據(jù)權(quán)利要求9的組合物，其中該金剛石顆粒具有小于約6.5pm的平均顆粒尺寸。11.根據(jù)權(quán)利要求10的組合物，其中該金剛石顆粒具有小于約2.0pm的平均顆粒尺寸。12.根據(jù)權(quán)利要求9-11中任一項的組合物，其中該金剛石顆粒具有大于約O.lpm的平均顆粒尺寸。13.根據(jù)權(quán)利要求9-12中任一項的組合物，其中該催化劑/溶劑顆粒具有小于約400nm的平均顆粒尺寸。14.根據(jù)權(quán)利要求13的組合物，其中該催化劑/溶劑顆粒具有小于約100nm的平均顆凈立尺寸。15.根據(jù)權(quán)利要求9-14中任一項的組合物，其中該催化劑/溶劑顆粒具有大于約10nm的平均顆粒尺寸。16.根據(jù)權(quán)利要求9-15中任一項的組合物，其中催化劑/溶劑顆粒的平均顆粒尺寸與金剛石顆粒的平均顆粒尺寸的比例處于約1:10-約1:1000的范圍內(nèi)。17.根據(jù)權(quán)利要求16的組合物，其中催化劑/溶劑顆粒的平均顆粒尺寸與金剛石顆粒的平均顆粒尺寸的比例處于約1:100-約1:1000的范圍內(nèi)。18.—種制造多晶金剛石磨蝕元件的方法，該方法包括以下步驟通過提供基材、將大量金剛石顆粒置于基材表面上而生成未粘結(jié)的組件，其中該金剛石顆粒是細(xì)粒狀的；提供用于金剛石顆粒的金剛石催化劑/溶劑，其中該催化劑/溶劑至少部分包括納米尺寸的顆粒；和使該未粘結(jié)的組件經(jīng)受適合于由大量金剛石顆粒制造多晶金剛石材料的升高的溫度和壓力條件。19.根據(jù)權(quán)利要求18的方法，其中該金剛石顆粒如權(quán)利要求9-17任一項中所定義。20.根據(jù)權(quán)利要求19的方法，其中該催化劑/溶劑顆粒如權(quán)利要求9-17任一項中所定義。21.根據(jù)權(quán)利要求18-20中任一項的方法，其中該基材是燒結(jié)碳化物硬金屬。22.根據(jù)權(quán)利要求18-21中任一項的方法，其中該基材包括另外的用于金剛石顆粒的催化劑/溶劑。23.根據(jù)權(quán)利要求1-8中任一項的磨蝕元件，根據(jù)權(quán)利要求9-17中任一項的組合物，或者根據(jù)權(quán)利要求18-22中任一項的方法，其中催化劑/溶劑選自鈷、鎳、鐵和包含一種或多種這些金屬的合金。24.根據(jù)權(quán)利要求23的磨蝕元件、組合物或方法，其中該催化劑/溶劑是鈷。全文摘要具有細(xì)粒狀微型結(jié)構(gòu)的多晶金剛石磨蝕元件由細(xì)粒狀金剛石顆粒和催化劑溶劑材料制得，該催化劑溶劑材料的至少一部分為納米尺寸的顆粒形式。該磨蝕元件展現(xiàn)出高均勻性并且展現(xiàn)出顯著的韌度增加和改進的耐磨性。文檔編號B22F7/02GK101273151SQ200680035785公開日2008年9月24日申請日期2006年8月16日優(yōu)先權(quán)日2005年8月16日發(fā)明者A·R·伯吉斯,C·J·比勒陀利烏斯,G·S·彼得斯,P·M·哈登申請人:六號元素(產(chǎn)品)(控股)公司