專利名稱：磨料復(fù)合片的制作方法
磨料復(fù)合片
背景技術(shù)：
本發(fā)明涉及磨料復(fù)合片(compact)。
磨料復(fù)合片廣泛地用于切削、碾磨、研磨、鉆孔和其它磨削操作。 磨料復(fù)合片由大量結(jié)合成粘著多晶密聚體的超硬顆粒(典型為金剛石) 構(gòu)成。這些磨料復(fù)合片的磨料顆粒含量高并且通常存在大量的直接的 顆粒與顆粒的結(jié)合或接觸。通常在提高的溫度和壓力條件下燒結(jié)磨料 復(fù)合片，在所述條件下，金剛石在結(jié)晶學(xué)上或熱力學(xué)上是穩(wěn)定的。
一些磨料復(fù)合片還可以具有包含催化劑/溶劑或粘合劑材料的第 二相。對于特定類型的優(yōu)質(zhì)多晶金剛石復(fù)合片，該第二相典型為金屬 例如鈷、鎳、鐵或包含一種或多種這些金屬的合金。
可在美國專利No. 3， 745， 623; 3， 767， 371和3， 743， 489的描述中 找到復(fù)合磨料復(fù)合片的例子。
當(dāng)金剛石顆粒與合適的金屬溶劑/催化劑組合時(shí)，這種溶劑/催化 劑促進(jìn)金剛石晶粒之間的金剛石與金剛石結(jié)合，產(chǎn)生交互生長或燒結(jié) 的結(jié)構(gòu)。在最終的燒結(jié)結(jié)構(gòu)中，溶劑/催化劑材料保持存在于燒結(jié)金剛 石晶粒之間存在的間隙內(nèi)。這些特定的PCD結(jié)構(gòu)表現(xiàn)出極大提高的抗 磨蝕性和硬度性能，使其非常適合于侵蝕性的磨損和切削應(yīng)用。
然而，這種PCD復(fù)合片所經(jīng)歷的公知問題是顯微組織間隙中殘存 溶劑/催化劑材料在高溫下對復(fù)合片的性能具有有害作用。據(jù)認(rèn)為，在 熱要求高的條件下這種性能降低是由金屬-金剛石復(fù)合片的兩種不同 行為引起的。
首先由間隙溶劑/催化劑和燒結(jié)金剛石網(wǎng)絡(luò)之間的熱膨脹特性差 異引起。在比400。C顯著更高的溫度下，金屬組分比交互生長金剛石 網(wǎng)絡(luò)膨脹顯著更多并且可產(chǎn)生金剛石結(jié)構(gòu)的微破裂。這種微破裂在提 高的溫度下顯著降低結(jié)合金剛石的強(qiáng)度。另外，在高壓、高溫?zé)Y(jié)條件下促進(jìn)金剛石與金剛石結(jié)合的溶劑/ 催化劑金屬材料同樣可在提高的溫度和降低的壓力下催化金剛石到石
墨的轉(zhuǎn)化并產(chǎn)生明顯的效能結(jié)果。通常在超過約700。C的溫度下觀測 到這種特別作用。
結(jié)果，在金屬溶劑/催化劑存在下燒結(jié)的PCD必須保持處于低于 700t:的溫度，盡管其具有優(yōu)異的磨蝕和強(qiáng)度特性。這顯著限制了這種 材料的潛在工業(yè)應(yīng)用和可用于將它們納入工具中的可能制造途徑。
這種問題的可能解決方案在本領(lǐng)域中是眾所周知的。 一種方法集 中在使用備選的或改變的燒結(jié)輔助材料。這些材料在存在于最終燒結(jié) 結(jié)構(gòu)中時(shí)，在高溫下表現(xiàn)出顯著降低的逆催化(retrocatalytic)功 效并且熱膨脹行為典型與燒結(jié)金剛石相的那些熱膨脹行為匹配得更 好。例如，US 4, 793, 828描述了具有基于非催化劑/溶劑的基質(zhì)相的 PCD復(fù)合片，所述基體相由硅和/或碳化硅構(gòu)成。通過在提高的壓力和 溫度下從硅的粉末或箔源滲透制得這種復(fù)合片。發(fā)現(xiàn)這種復(fù)合片在真 空下或者在還原性氣氛中能夠經(jīng)受1200匸的溫度而不發(fā)生金剛石的 顯著石墨化。
然而，這些類型的復(fù)合片典型地遭受其它問題。雖然在一些情形 中能夠獲得合理程度的金剛石與金剛石接觸，但這種結(jié)合的性質(zhì)典型
些材料的強(qiáng)度和抗磨蝕性與常規(guī)的金屬°基P二材料相比受到損害。另 外，如US6，213，380中所討論，特別是含硅金剛石復(fù)合片對碳化物基 材的結(jié)合存在另外的問題，這是因?yàn)樗鼈儾幌嗳莸囊苯饘W(xué)性質(zhì) (metallurgy)。
最近，另一種PCD變得可用，其中使用非金屬催化劑/溶劑例如 Mg、 Ca、 Sr和Ba的粉狀碳酸鹽(或這些碳酸鹽中的兩種或多種)來 促進(jìn)金剛石燒結(jié)。這種多晶金剛石材料例如在日本專利特開公布 No. 74766/1992和114966/1992中有所描述。這種PCD典型地更加熱 穩(wěn)定，這是由于為了激活非金屬催化劑材料的催化作用而需要的顯著 更高的溫度。然而，因?yàn)樵诔跏夹枰@著更高的溫度和壓力來實(shí)現(xiàn)燒結(jié)，難以按商業(yè)規(guī)模生產(chǎn)這種材料。另外，這種材料因?yàn)榻Y(jié)合相的非
金屬性質(zhì)而經(jīng)歷與其它熱穩(wěn)定PCD材料類似的附著問題。
另 一種方法嘗試保持金屬催化劑/溶劑燒結(jié)的PCD的益處，同時(shí)阻 礙燒結(jié)后這些復(fù)合片經(jīng)歷的熱劣化機(jī)制。該方法典型地集中在燒結(jié)后 通過化學(xué)浸瀝減少或去除催化相；或者通過化學(xué)反應(yīng)使催化相轉(zhuǎn)變或 成為惰性。
美國專利4， 224， 380和4， 288， 248描述了多晶金剛石復(fù)合片，該 復(fù)合片在金屬催化/溶劑存在下進(jìn)行初始燒結(jié)，其中大量的這種催化劑 /溶劑相已從金剛石網(wǎng)絡(luò)浸瀝出。這種浸瀝的產(chǎn)品證明比未浸瀝的產(chǎn)品 更加熱穩(wěn)定。
這種為獲得改善的熱穩(wěn)定性的方法引起若干問題。首先，這些浸 瀝的PCD片由于它們的空的孔隙網(wǎng)絡(luò)而具有顯著增加的表面積，這可 導(dǎo)致提高的易受氧化損害性(特別是在較高的溫度下)。這然后可導(dǎo) 致PCD復(fù)合片在高溫下降低的強(qiáng)度，盡管經(jīng)由不同的機(jī)制。另外，本 申請人:觀測到，可能因?yàn)榻Y(jié)構(gòu)中存在的載體空隙，這種浸瀝PCD具有 更脆的傾向，特別是在工具邊緣，從而導(dǎo)致邊緣碎裂。多孔的浸瀝PCD 復(fù)合片還遭受技術(shù)性連接問題，這是因?yàn)樗鼈內(nèi)员仨氃谑褂们扳F焊到 碳化物基材(在燒結(jié)步驟后，典型地連接碳化物基材產(chǎn)生常規(guī)PCD復(fù) 合片)。這種釬焊步驟在技術(shù)上具有挑戰(zhàn)性并且經(jīng)常在復(fù)合片工具結(jié) 構(gòu)中提供后來的弱位點(diǎn)。
每一種所述類型解決方案中的問題均致使嘗試將更熱穩(wěn)定的PCD 元件或組件與更常規(guī)的金屬基結(jié)構(gòu)一起組合在整個(gè)復(fù)合片中。
US 5， 027，912是這種方法的先驅(qū)，其中公開了具有由不同類型切 削材料的片段形成的切削面的切削部件。例如，第一片段由標(biāo)準(zhǔn)金屬 PCD復(fù)合片形成，而第二片段由熱穩(wěn)定的金剛石產(chǎn)品材料形成。通常 使用各種預(yù)成形或預(yù)燒結(jié)PCD元件，然后將所述元件釬焊或連接到工 具中，從而制得這種工具。在這里仍將經(jīng)歷上文就熱穩(wěn)定型的PCD所
討論的連接問題和復(fù)雜性。
JP 59119500聲稱PCD燒結(jié)材料在僅僅工作面或頂面的化學(xué)浸瀝處理后性能的改進(jìn)。這種處理溶解并除去僅在與工作面直接相鄰的區(qū)
域內(nèi)的金屬催化劑/溶劑基質(zhì)。美國專利6， 544， 308和6， 562， 462還描 述了這樣的PCD復(fù)合片的制造和行為。據(jù)聲稱，這種方法具有優(yōu)點(diǎn)， 因?yàn)槠湓谶B接到碳化物基材的區(qū)域中保持了金屬基PCD的優(yōu)勢，而在 工作面區(qū)域中提供更熱穩(wěn)定的PCD。這種方法似乎具有一些優(yōu)點(diǎn)；然 而，在以下方面存在顯著的技術(shù)困難防止浸瀝處理從塊體PCD除去 金屬催化劑/溶劑材料并且危害碳化物基材本身。另外，這種多步驟制
備方法昂貴且耗時(shí)。
US 6， 248， 447公開了其中將第二熱穩(wěn)定的PCD元件在結(jié)構(gòu)上嵌入 常規(guī)金屬燒結(jié)PCD組件內(nèi)的復(fù)合片結(jié)構(gòu)。這種單獨(dú)形成的PCD元件包 括碳酸鹽作為燒結(jié)催化劑/溶劑，并且至少部分被金屬燒結(jié)PCD的載體 包圍。典型地通過在將預(yù)燒結(jié)的碳酸鹽基元件納入塊體未燒結(jié)復(fù)合片 預(yù)制品之后于第二步驟中燒結(jié)金屬PCD制得最終的復(fù)合片。在這種情 形中，納入的熱穩(wěn)定元件相對于金屬PCD載體本體中存在的金剛石顆 粒的粒徑可謂是宏觀或大尺度的。
US20060266558公開了相似類型的PCD復(fù)合片，該復(fù)合片包括位 于復(fù)合片表面附近的熱穩(wěn)定區(qū)。該熱穩(wěn)定區(qū)由在高于約750'C溫度下 熱穩(wěn)定的固結(jié)材料形成。這種熱穩(wěn)定區(qū)占據(jù)局部的或全部的超硬材料 本體。超硬材料本體可包含各自形成所述本體的不同區(qū)域的不同超硬 材料元件，所述區(qū)域中的至少一個(gè)是熱穩(wěn)定的。將該超硬材料本體連 接到所需基材，在所述本體和基材之間插入中間材料，并且通過高壓/ 高溫處理該中間材料將所述基材和本體接合在一起?？商峁┚哂性?HpHT處理期間分別接合在一起的由相同或不同種超硬材料或不太硬 的材料形成的多個(gè)不同的層、體或區(qū)的超硬材料本體。
這些方法的問題是，任何在空間上受限的熱穩(wěn)定體積將具有受其 在工具中的空間出現(xiàn)(spatial occurence)限制的效能。此外，熱穩(wěn)定 PCD相和金屬基PCD的材料性能之間的顯著差異導(dǎo)致在工具中出現(xiàn)相 當(dāng)大的結(jié)構(gòu)應(yīng)力，這可特別因提高的溫度而加劇。發(fā)明概述
根據(jù)本發(fā)明，提供了多晶金剛石磨料復(fù)合片，該磨料復(fù)合片包含: 結(jié)合的金剛石顆粒的主要多晶金剛石(PCD)材料，以及散布在該主要 PCD材料或其區(qū)域中的次要PCD材料，其特征在于所述次要PCD材料 包含熱穩(wěn)定多晶金剛石(TSPCD)材料的細(xì)粒或微粒。
典型地，TSPCD的細(xì)?；蛭⒘＞鶆蚧蛞恢碌胤稚⒃谥饕狿CD材料 或其區(qū)域內(nèi)。
特別地，主要PCD材料包含在高的壓力和溫度下于細(xì)分散的預(yù)燒 結(jié)TSPCD細(xì)粒或微粒存在下形成的常規(guī)金屬催化劑/溶劑基PCD。作為 替代方案，可以原位形成TSPCD細(xì)?；蛭⒘?，典型為通過在高的壓力 和溫度下進(jìn)行燒結(jié)。
TSPCD的細(xì)粒或微粒優(yōu)選比用于形成主要PCD或金屬PCD的單個(gè) 金剛石顆粒的起始尺寸大，但相對于整個(gè)復(fù)合片尺寸仍具有非常細(xì)微 的尺度。
TSPCD細(xì)?；蛭⒘５淖罴殉叽缢坪跷挥?-500 ym,更優(yōu)選5-250 jam。這些細(xì)?；蛭⒘?nèi)的單個(gè)金剛石晶粒的平均尺寸可為從納米尺寸 一直到約50jjm，其中最佳尺寸可根據(jù)最終所需材料性能而進(jìn)行選擇。 TSPCD細(xì)粒或微粒中的晶粒尺寸分布還可為多峰的。
TSPCD細(xì)粒或微?？梢赃x自多種材料類型例如(但不限于) 非金屬催化劑/溶劑燒結(jié)的PCD; 浸瀝的PCD;和
燒結(jié)陶瓷基質(zhì)中的金剛石顆粒，特別是硅基陶瓷基質(zhì)中的金剛石。
典型地，這些在單獨(dú)的燒結(jié)步驟中產(chǎn)生，破碎或粉碎至合適尺寸， 并然后在燒結(jié)前納入到用于常規(guī)的主要PCD或金屬基PCD的未燒結(jié)粉 末混合料中。作為替代方案，可將用于形成TSPCD細(xì)粒或微粒的前體 材料納入未燒結(jié)粉末混合料中并且在燒結(jié)期間原位形成為TSPCD細(xì)粒 或微粒。
發(fā)現(xiàn)預(yù)燒結(jié)TSPCD的質(zhì)量百分?jǐn)?shù)可從略大于2質(zhì)量°/ 至略小于50量百分?jǐn)?shù)允許調(diào)節(jié)(tailor) 復(fù)合物的特殊性能以適合特定應(yīng)用的需要。還發(fā)現(xiàn)這種方法在改善平 均金剛石晶粒尺寸為50jnm或更小，更優(yōu)選25pm或更小的主要PCD 材料的性能方面具有最顯著的益處。
本發(fā)明將本發(fā)明的磨料復(fù)合片的用途擴(kuò)展到作為磨蝕切削元件， 例如用于基材的切割或磨蝕或者用于鉆孔用途中。
附圖簡要描述


圖1是掃描電子顯微鏡(SEM)圖像，其顯示了實(shí)施例1的多晶金剛 石復(fù)合片(PCD)的顯微組織，其中熱穩(wěn)定多晶金剛石微粒被主要多晶金 剛石基質(zhì)包圍；
圖2是顯示圖1的PCD復(fù)合片和常規(guī)金剛石復(fù)合片之間的熱穩(wěn)定 性差異的柱狀圖3是顯示圖1的PCD復(fù)合片和常規(guī)金剛石復(fù)合片之間的抗氧化 性差異的柱狀圖4是顯示圖1的PCD復(fù)合片和常規(guī)金剛石復(fù)合片之間的抗磨損 性差異的柱狀圖5是顯示實(shí)施例2的多晶金剛石復(fù)合片(PCD)的顯微組織的SEM 圖像，其中熱穩(wěn)定多晶金剛石微粒被主要多晶金剛石基質(zhì)包圍；
圖6是顯示圖5的PCD復(fù)合片和常規(guī)金剛石復(fù)合片之間的熱穩(wěn)定 性差異的柱狀圖；和
圖7是顯示圖5的PCD復(fù)合片和常規(guī)金剛石復(fù)合片之間的抗氧化 性差異的柱狀圖。
實(shí)施方案描述
本發(fā)明涉及在高壓/高溫條件下制造的多晶金剛石磨料復(fù)合片，特 別是超硬多晶金剛石磨料復(fù)合片。該多晶金剛石磨料復(fù)合片的特征在 于主要PCD復(fù)合片材料中另外存在細(xì)分散的熱穩(wěn)定PCD細(xì)粒或微粒。
使主要金剛石顆粒物料經(jīng)受制備磨料復(fù)合片所必需的已知溫度和壓力條件。這些條件典型為合成金剛石磨料顆粒本身所需的那些條件。
通常，所使用的壓力將為40-70千巴，所使用的溫度將為13001C-1700。c。
通常將金剛石復(fù)合片結(jié)合至膠結(jié)碳化物載體或基材形成復(fù)合金剛 石復(fù)合片。為制備這樣的復(fù)合金剛石復(fù)合片，在使金剛石顆粒物料經(jīng) 受復(fù)合片制造所必需的提高的溫度和壓力之前將其置于膠結(jié)碳化物本 體的表面上。膠結(jié)碳化物載體或基材可以是本領(lǐng)域中已知的，例如膠 結(jié)碳化鎢、膠結(jié)碳化鉭、膠結(jié)碳化鈦、膠結(jié)碳化鉬或其混合物。用于 這樣的碳化物的粘合劑金屬可以是本領(lǐng)域中任何已知的，例如鎳、鈷、 鐵、錳或含有一種或多種這些金屬的合金。典型地，這種粘合劑可按
10-20質(zhì)量°/。的量存在，但這可以低至6質(zhì)量％。在復(fù)合片形成期間一
些粘合劑金屬通?？蓾B入金剛石復(fù)合片。
用于本方法的金剛石顆粒可為天然或合成的。顆粒混合物可以是 多峰的，即包含平均晶粒尺寸明顯彼此不同的多個(gè)部分的混合物。"平 均晶粒尺寸，，表示各個(gè)晶粒的尺寸范圍具有代表"平均值"的平均晶 粒尺寸。因此主要量的晶粒將接近于平均尺寸，然而可存在有限數(shù)目 的高于或低于該特定尺寸的晶粒。因此晶粒分布中的峰將處在該特定 尺寸。在燒結(jié)的復(fù)合片中，應(yīng)以類似方式理解術(shù)語"平均晶粒尺寸"。 然而，為描述單個(gè)密聚體或細(xì)粒而使用術(shù)語"平均顆粒尺寸"適用于 整個(gè)物料的尺寸而不適用于構(gòu)成其的各個(gè)晶粒。由該描述的上下文應(yīng) 顯見該差別。
本發(fā)明方法制備的金剛石復(fù)合片還會(huì)存在粘合劑相，該粘合劑相 的形式為用于所使用的金剛石顆粒的催化劑/溶劑。用于金剛石的催化 劑/溶劑是本領(lǐng)域眾所周知的。該粘合劑優(yōu)選是鈷、鎳、鐵或包含一種 或多種這些金屬的合金?？赏ㄟ^在燒結(jié)處理期間滲透入磨料顆粒物料 中或者以細(xì)粒形式作為磨料顆粒物料內(nèi)的混合物引入該粘合劑。滲透
可以產(chǎn)生自提供的填隙片(shim)或粘合劑金屬層或者產(chǎn)生自碳化物 載體。典型使用方法的組合。
在高壓力、高溫處理期間，催化劑/溶劑材料熔化并且遷移穿過復(fù)合片層，充當(dāng)催化劑/溶劑并且因此通過再析出超硬相的形成致使超硬 顆?；ハ嘟Y(jié)合。 一旦制得，復(fù)合片因此包含互相結(jié)合的超硬金剛石顆 粒的粘著基質(zhì)，從而形成具有含上述粘合劑或溶劑/催化劑材料的許多
間隙的超硬多晶金剛石復(fù)合材料。在一個(gè)形式中，超硬金剛石相占75 體積％-95體積％，且溶劑/催化劑材料和其它相占另外5%-25%。
出人奮料地發(fā)現(xiàn)，整個(gè)PCD結(jié)構(gòu)內(nèi)熱穩(wěn)定PCD細(xì)?；蛭⒘５募?xì)碎 分布的另外存在致使PCD在多種熱要求高的應(yīng)用中的行為顯著改善。 這是出人意料的，因?yàn)闀?huì)預(yù)期到可由連續(xù)基質(zhì)(即主要PCD)相確定 復(fù)合片的塊體強(qiáng)度或抗磨損性。另外，TSPCD細(xì)?；蛭⒘]有顯著互 相結(jié)合，并因此預(yù)期到，危害使它們保持在適當(dāng)位置的粘合相將同樣 危害整個(gè)材料。因此預(yù)期到，該塊體材料中發(fā)生的熱劣化將顯著地使 由TSPCD細(xì)?；蛭⒘？闯龅娜魏胃倪M(jìn)相形見絀。然而，似乎即使在相 當(dāng)?shù)偷乃较拢瑯?biāo)準(zhǔn)PCD顯微組織中TSPCD島狀物的出現(xiàn)也可具有顯 著優(yōu)點(diǎn)。TSPCD細(xì)粒在引入它們的體積中的最佳水平似乎為從約2質(zhì) 量％—直到稍微小于50質(zhì)量％,或者更優(yōu)選10質(zhì)量％-40質(zhì)量％。
采用術(shù)語TSPCD來指任何如下的PCD材料，相對于就主要基質(zhì)PCD 所觀測到的而言，該P(yáng)CD材料表現(xiàn)出對較高溫度的任何熱劣化機(jī)制開 始的正移(positive displacements這將典型包括在高于700。C的溫 度下不發(fā)生任何顯著性能劣化的任何PCD材料。
TSPCD細(xì)粒或微?？梢赃x自各種材料類型例如(但不限于) -例如在非金屬催化劑/溶劑如堿金屬或堿土金屬的碳酸鹽、硫酸 鹽或氫氧化物鹽存在下燒結(jié)的PCD;
.浸瀝PCD，即利用標(biāo)準(zhǔn)金屬催化劑/溶劑產(chǎn)生的PCD材料，其中
金屬相隨后通過某種物理-化學(xué)處理被大部分地除去；和
-燒結(jié)陶瓷基質(zhì)中的金剛石顆粒，其中所述陶瓷基質(zhì)可為氧化物、 氮化物、碳化物及其任何組合。
關(guān)于該后一類別的TSPCD材料，特別指出的是其中使用硅基陶瓷 作為基質(zhì)的TSPCD材料。這些基質(zhì)包括碳化硅(SiC)、氮化硅(Si晶) 和衍生的陶瓷例如硅鋁氧氮陶瓷(sialon)及通過硅、碳、氮、鋁、鈦和氧的組合形成的材料。這種材料的優(yōu)選例子是碳化硅基質(zhì)中的金
剛石。該材料類型可以通過如下方式制得在各種溫度和壓力條件(包 括超高壓力(40-90千巴)和在選定壓力下高于硅熔點(diǎn)的溫度)下金剛 石與熔融硅的反應(yīng)，以及僅利用溫度自由燒結(jié)的方法。還可以使用陶 瓷先驅(qū)體聚合物作為前體制得包含硅基陶瓷材料中的金剛石的 TSPCD。在該情形中，所得陶瓷粘合劑可以具有納米晶粒尺寸或非晶體 特性。
還特別受人關(guān)注的是通過在鈦基和鋯基陶瓷例如(但不限于)氮 化鈦、碳化鈦和碳氮化鈦以及一般性過渡金屬的碳化物、氮化物和碳 氮化物中杯金剛石破碎產(chǎn)生的TSPCD細(xì)粒材料。
在本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施方案中，在單獨(dú)的燒結(jié)步驟中制備TSPCD細(xì) 粒，然而這可以不必是高壓或高溫?zé)Y(jié)步驟。典型地，這還可以不在 碳化物基材或背襯存在下。然后可將燒結(jié)的物料破碎或碾磨至合適尺 寸。然后在燒結(jié)之前將其以細(xì)粒或聚結(jié)/微粒狀形式納入用于常規(guī)金屬 基PCD的未燒結(jié)粉末混合料中。
產(chǎn)生根據(jù)本發(fā)明該實(shí)施方案的復(fù)合片的一種方法的特征在于，向 所使用的未燒結(jié)金剛石磨料顆?；旌衔锛尤腩A(yù)燒結(jié)的熱穩(wěn)定PCD細(xì)粒 或密聚體/微粒。該加入過程典型地不需要任何另外的預(yù)合成處理，然 而可以預(yù)期，某些類型的TSPCD細(xì)粒在涂有過渡層或活化涂層以促進(jìn) 易于結(jié)合到塊體PCD基質(zhì)包圍物或者防止TSPCD和主要PCD材料之間 的過度化學(xué)相互作用時(shí)可以起到最好作用。
在本發(fā)明的另外實(shí)施方案中，TSPCD細(xì)?？梢栽恍纬?。在該實(shí) 施方案中，用于形成TSPCD細(xì)粒的前體材料可在燒結(jié)之前納入到所使 用的未燒結(jié)金剛石顆?；旌衔镏?。然后在用于燒結(jié)塊體PCD包圍物的 相同HpHT燒結(jié)循環(huán)期間將這些細(xì)粒原位固結(jié)或燒結(jié)。然而可預(yù)期到這 種方法可受燒結(jié)PCD包圍物所需條件的限制；這樣做可以是有利的。
發(fā)現(xiàn)金剛石磨料復(fù)合片中TSPCD細(xì)?；蛭⒘５淖罴殉叽鐬榧s l-500jam，更優(yōu)選5-250 ja m。當(dāng)所述細(xì)粒過細(xì)時(shí)，似乎在結(jié)構(gòu)內(nèi)顯現(xiàn) 不足以具有明顯效果的粘著TSPCD特性；并且當(dāng)它們過粗時(shí)，由兩種材料類型之間的結(jié)構(gòu)失配引起的應(yīng)力似乎不利地影響復(fù)合片。
并非必須要求將TSPCD細(xì)?；蛭⒘Ｒ氲秸麄€(gè)多晶金剛石復(fù)合材 料中。在僅最接近工作表面的某些區(qū)域內(nèi)的復(fù)合材料具有加入的 TSPCD細(xì)?；蛭⒘r(shí)也可認(rèn)識(shí)到很大的益處。然而，在PCD復(fù)合片的 塊體中典型地要求改善的性能時(shí)，可以要求所有或較大部分的多晶金 剛石復(fù)合材料具有加入的TSPCD細(xì)粒或微粒。為了便于制備，還可優(yōu) 選整個(gè)復(fù)合物塊體是這種類型。
實(shí)施例
現(xiàn)在通過下面的非限定性實(shí)施例說明本發(fā)明 實(shí)施例1
在提高的溫度和壓力條件下使用單質(zhì)硅滲透并且與金剛石晶粒反 應(yīng)以產(chǎn)生SiC-金剛石復(fù)合片來制備常規(guī)的熱穩(wěn)定PCD復(fù)合片。這種情 形中的金剛石晶粒的尺寸為約20jjm。用碳化物基材將該復(fù)合片加以 背襯。然后將燒結(jié)體破碎和碾磨以產(chǎn)生聚結(jié)或燒結(jié)TSPCD的細(xì)粒或微 粒。然后將這些細(xì)?；蛭⒘＿M(jìn)行篩分以獲得所需尺寸即50-150)im的 預(yù)燒結(jié)顆粒或微粒。
然后按照用于常規(guī)PCD合成的典型金剛石粉末混合料制備法制備 金剛石粉末的多峰混合物。該金屬基PCD的平均金剛石晶粒尺寸為約 20 jn m。然后將TSPCD聚結(jié)顆粒以30質(zhì)量％的水平加入到該混合物中并 且進(jìn)行充分混合。然后在典型的壓力和溫度條件下將該粉末混合物燒 結(jié)到標(biāo)準(zhǔn)膠結(jié)WC基材上以產(chǎn)生良好結(jié)合到該基材的多晶金剛石層。
附圖l中顯示的掃描電子顯微鏡(SEM)圖像說明了所得PCD的顯微 組織，其中TSPCD微粒形式的次要PCD材料被主要PCD基質(zhì)包圍。該 顯微照片顯示構(gòu)成次要PCD的微粒或細(xì)粒比主要(金屬基)PCD的單 個(gè)金剛石晶粒大。TSPCD微?；蚣?xì)粒的平均尺寸為100jum，而組分金 剛石晶粒的單個(gè)晶粒尺寸為約20jum。顯微照片中的黑暗區(qū)域表示金 剛石相，灰色區(qū)域表示粘合劑/催化劑鈷，且較亮區(qū)域表示碳化鎢。TSPCD微粒中的灰色區(qū)域表示碳化硅(SiC)。還使用電子衍射謙法(EDS) 來表征樣品中的元素分布。該分析證實(shí)了 TSPCD次要相周圍的較亮區(qū) 域表示存在鈷和硅，其中X-射線衍射(XRD)還證實(shí)了由這兩種金屬形 成CoSL Si的來源是次要相TSPCD以及Co來自主要相中存在的粘合 劑。SEM分析顯示TSPCD微粒合理均勻地分布在整個(gè)主要相PCD結(jié)構(gòu) 中。，，，、、i 、 "， 一， 一 '、," 》'、，，， 、
有以鈷作為第二相的PCD層的常規(guī)復(fù)合金剛石復(fù)合片進(jìn)行對比。如附 圖2中圖解顯示，該測試顯示了本發(fā)明復(fù)合金剛石復(fù)合片的熱穩(wěn)定性 在與標(biāo)準(zhǔn)品(常規(guī)復(fù)合金剛石復(fù)合片)相比時(shí)的明顯改善。然后在抗 氧化性測試中將該實(shí)施例的復(fù)合金剛石復(fù)合片與標(biāo)準(zhǔn)品進(jìn)行對比，在 附圖3中可圖解看出，再次證明顯著優(yōu)于標(biāo)準(zhǔn)的常規(guī)金剛石復(fù)合片。
還在標(biāo)準(zhǔn)花崗巖磨損(抗磨蝕性)測試中將該實(shí)施例的復(fù)合金剛 石復(fù)合片與標(biāo)準(zhǔn)金剛石復(fù)合片對比。如可在附圖4中圖解看出，與標(biāo) 準(zhǔn)品比較，包含次要相TSPCD的PCD顯示抗磨蝕性降低約30%。預(yù)期 可通過進(jìn)一步優(yōu)化納入的次要相TSPCD細(xì)粒的量而顯著改善本發(fā)明材 料的抗磨蝕性。
實(shí)施例2
類似于實(shí)施例1，用約6pm尺寸的金剛石晶粒制備TSPCD細(xì)?；?微粒并且篩分至30-100 jLim的所需尺寸。
然后按照用于常規(guī)PCD合成的典型金剛石粉末混合料制備法制備 金剛石粉末的多峰混合物。該金屬基PCD的平均金剛石晶粒尺寸為約 10 p m。然后將TSPCD微粒以20質(zhì)量％的水平加入到該混合物中并且進(jìn) 行充分混合。之后在典型的HpHT條件下將該粉末混合物燒結(jié)到標(biāo)準(zhǔn)膠 結(jié)碳化鴒基材上以產(chǎn)生良好結(jié)合到基材的多晶金剛石層。
所得材料的SEM分析顯示了所得PCD復(fù)合片的顯微組織，所述PCD 復(fù)合片具有被主要PCD基質(zhì)包圍的典型TSPCD微粒(如附圖5中所示)。 該顯微照片顯示，構(gòu)成次要TSPCD的微?；蚣?xì)粒比主要(金屬)PCD的單個(gè)金剛石晶粒大。在該實(shí)施例中TSPCD細(xì)粒的金剛石晶粒尺寸細(xì) 于周圍的主要PCD區(qū)的金剛石晶粒尺寸。
對該實(shí)施例的燒結(jié)復(fù)合片進(jìn)行熱穩(wěn)定性測試并且將其與常規(guī)復(fù)合 金剛石復(fù)合片進(jìn)行對比。如附圖6中圖解顯示，該測試清楚地顯示出 本發(fā)明復(fù)合金剛石復(fù)合片的熱穩(wěn)定性在與標(biāo)準(zhǔn)的常規(guī)PCD復(fù)合片相比 時(shí)的改善。據(jù)預(yù)期，可通過使用常規(guī)混合技術(shù)改良TSPCD微粒在PCD 復(fù)合片中分布的均勻性來進(jìn)一步改善熱穩(wěn)定性的任何可變性。
還在抗氧化性測試中將該實(shí)施例的復(fù)合金剛石復(fù)合片與標(biāo)準(zhǔn)品進(jìn) 行對比，證明是優(yōu)異的，如在附圖7中圖解可見。
權(quán)利要求
1.多晶金剛石磨料復(fù)合片，包含結(jié)合的金剛石顆粒的主要多晶金剛石(PCD)材料，以及散布在該主要PCD材料或其區(qū)域中的次要PCD材料，其特征在于所述次要PCD材料包含熱穩(wěn)定多晶金剛石(TSPCD)材料的細(xì)粒或微粒。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1的多晶金剛石磨料復(fù)合片，其中所述TSPCD 的細(xì)?；蛭⒘＞鶆蚧蛞恢碌胤稚⒃谒鲋饕狿CD材料或其區(qū)域中。
3. 根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項(xiàng)的多晶金剛石磨料復(fù)合片，其中所 述TSPCD細(xì)粒或孩史粒的尺寸為1-500 m m。
4. 根據(jù)前述權(quán)利要求中任 一 項(xiàng)的多晶金剛石磨料復(fù)合片，其中所 述TSPCD細(xì)?；蚝⒅Я５某叽鐬?-250 jjm。
5. 根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項(xiàng)的多晶金剛石磨料復(fù)合片，其中所 述細(xì)?；蛭⒘?nèi)的單個(gè)金剛石晶粒的平均尺寸在從納米尺寸一直到 50lam的范圍內(nèi)。
6. 根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項(xiàng)的多晶金剛石磨料復(fù)合片，其中所 述TSPCD細(xì)?；蛭⒘Ｖ械木Я３叽绶植际嵌喾宓?。
7. 根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項(xiàng)的多晶金剛石磨料復(fù)合片，其中預(yù) 燒結(jié)TSPCD的質(zhì)量百分?jǐn)?shù)為2質(zhì)量％-50質(zhì)量％。
8. 根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項(xiàng)的多晶金剛石磨料復(fù)合片，其中預(yù) 燒結(jié)TSPCD的質(zhì)量百分?jǐn)?shù)為10質(zhì)量％-40質(zhì)量％。
9. 根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項(xiàng)的多晶金剛石磨料復(fù)合片，其中所 述TSPCD細(xì)粒或微粒包含非金屬催化劑/溶劑燒結(jié)的PCD、浸瀝的PCD、 或在燒結(jié)陶瓷基質(zhì)中的金剛石顆粒、或者它們的組合。
10. 根據(jù)權(quán)利要求9的多晶金剛石磨料復(fù)合片，其中所述非金屬 催化劑/溶劑包含堿金屬或堿土金屬材料的碳酸鹽、硫酸鹽或氫氧化物 鹽。
11. 根據(jù)權(quán)利要求9的多晶金剛石磨料復(fù)合片，其中所述燒結(jié)陶 瓷基質(zhì)包含氧化物、氮化物、碳化物、或硅基陶瓷、或者它們的組合。
12. 根據(jù)權(quán)利要求11的多晶金剛石磨料復(fù)合片，其中所述硅基陶 瓷包含碳化硅、氮化硅、硅鋁氧氮陶瓷、或者通過硅、碳、氮、鋁、 鈦和氧的組合形成的材料。
13. 根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項(xiàng)的多晶金剛石磨料復(fù)合片，其中 所述主要PCD的平均金剛石晶粒尺寸為50jjm或更小。
14. 根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項(xiàng)的多晶金剛石磨料復(fù)合片，其中 所述主要PCD的平均金剛石晶粒尺寸為25 ja m或更小。
15. 根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項(xiàng)的多晶金剛石磨料復(fù)合片，其中 該多晶金剛石磨料復(fù)合片被結(jié)合到膠結(jié)碳化物載體或基材。
16. 適合用于基材的切削或磨蝕或者用在鉆孔用途中的磨蝕切削 元件，所述磨蝕切削元件包含根據(jù)權(quán)利要求1至15中任一項(xiàng)的多晶金 剛石磨料復(fù)合片。
全文摘要
本發(fā)明是關(guān)于多晶金剛石磨料復(fù)合片，該磨料復(fù)合片包含結(jié)合的金剛石顆粒的主要多晶金剛石材料和散布在該主要多晶金剛石材料或其區(qū)域中的次要多晶金剛石材料。本發(fā)明的特征在于所述次要多晶金剛石材料包含熱穩(wěn)定多晶金剛石材料的微?；蚣?xì)粒。本發(fā)明提供了適合于切削或磨蝕基材或者在鉆孔用途中的磨蝕切削元件。
文檔編號(hào)C22C26/00GK101617060SQ200880005386
公開日2009年12月30日 申請日期2008年3月20日 優(yōu)先權(quán)日2007年3月22日
發(fā)明者K·譚克 申請人:六號(hào)元素(產(chǎn)品)(控股)公司