專利名稱：研磨襯片的制作方法
研磨襯片
背景技術(shù)：
本發(fā)明涉及研磨襯片(abrasive insert)以及特別涉及用于采礦鎬中的牙輪鉆頭型鉆頭和沖擊型鉆頭的研磨襯片。牙輪鉆頭廣泛地用于油，氣以及地?zé)徙@探操作。通常，牙輪鉆頭包括連接到鉆柱的本體，和典型地每個(gè)安裝在鉆頭本體軸頸上的三個(gè)中空錐體切刀，以繞垂直于鉆頭軸的軸旋轉(zhuǎn)。使用時(shí)，隨著錐體接觸被鉆的鉆進(jìn)孔洞的底部，鉆柱和鉆頭本體在鉆進(jìn)孔洞內(nèi)旋轉(zhuǎn)并且使每個(gè)錐體在各自的軸頸上旋轉(zhuǎn)。一種沖擊錘鉆通過使用設(shè)置在鉆機(jī)本體內(nèi)的活塞撞擊鉆頭穿入巖石。這些鉆機(jī)可使用空氣，水或油進(jìn)行操作，但是最常用介質(zhì)是空氣。與巖石的接觸是通過按鈕鉆頭 (button bit)進(jìn)行的，其中一般為在形狀上半球形或彈道式柱形按鈕襯片壓入鉆頭面。沖擊型鉆頭是旋轉(zhuǎn)-沖擊工具，它們的功能是沖擊-破碎被鉆物質(zhì)。用于牙輪鉆頭和沖擊鉆頭的研磨襯片通常由燒結(jié)碳化物制成，特別是燒結(jié)碳化鎢或多晶金剛石(PCD)。多晶金剛石研磨襯片通常接合到燒結(jié)碳化物支撐體或基材上。PCD 研磨襯片比燒結(jié)碳化物研磨襯片具有更大抗磨性的優(yōu)點(diǎn)。鎬在用于例如煤炭開采，貫穿巖石開通隧道以及地表開路這類應(yīng)用中的設(shè)備中用作切削工具。術(shù)語“鎬”一般地意指突出或鑿尖形狀的巖石切削工具，其通過刺穿并刮削巖石表面而切削巖石。鎬一般由帶有形成切削刀片的碳化鎢-鈷或PCD材料的鋼柄組成。P⑶，亦稱為金剛石研磨壓塊，趨于是脆性的，并且在使用這種材料時(shí)經(jīng)常接合到燒結(jié)碳化物基材以提供支撐。這種支撐的研磨壓塊在本領(lǐng)域稱為復(fù)合金剛石研磨壓塊。復(fù)合金剛石研磨壓塊可用作研磨工具的工作表面。多晶立方氮化硼(PCBN)，亦稱為立方氮化硼研磨壓塊，是另一種超硬研磨材料，其在使用時(shí)可以與基材如燒結(jié)碳化物基材接合。使在HPHT條件下接合于燒結(jié)碳化物基材的研磨壓塊在那些條件下達(dá)到或接近平衡狀態(tài)。由于該研磨層與基材不同的熱和機(jī)械/彈性性質(zhì)，使壓塊處于正常溫度和正常壓力條件下在研磨壓塊中引起大的應(yīng)力。綜合影響是使研磨層處于高應(yīng)力狀態(tài)。有限元分析表明研磨層可能在一些區(qū)域處于張力下，同時(shí)在別處處于壓縮下。應(yīng)力的本質(zhì)是生產(chǎn)條件、 研磨層和基材的材料性質(zhì)，以及研磨層和基材之間界面性質(zhì)等復(fù)雜的相互作用。在使用中， 通過破碎、分層及其它機(jī)制預(yù)先使這種受應(yīng)力的研磨壓塊過早失效。即，研磨壓塊由于全部或部分研磨層從研磨壓塊切削表面分離和損失而過早地?fù)p壞，并且殘余應(yīng)力越高，過早失效的概率越大。該問題已在行業(yè)公認(rèn)并且已有若干技術(shù)用以解決問題。已提出各種研磨壓塊結(jié)構(gòu)，其中在研磨層和支撐基材之間的界面包含若干脊、槽、 凹痕或者一種或另一種旨在降低界面對(duì)機(jī)械和熱應(yīng)力的敏感性的粗糙度。在美國(guó)專利 4，784，203,5, 011，515,5, 486，137,5, 564，511,5, 906，246 和 6，148，937 中教導(dǎo)了這種結(jié)構(gòu)。實(shí)際上，這些專利集中關(guān)注于最大可能面積上的殘余應(yīng)力分布。美國(guó)專利6，189，634教導(dǎo)在基材表面上正常的多晶層外還提供圍繞研磨壓塊外圍的多晶金剛石環(huán)，這降低了壓塊中的殘余應(yīng)力。美國(guó)專利6，149，695教導(dǎo)了多晶金剛石圓周環(huán)和非平面輪廓的界面組合。在這種情況下，要求向基材內(nèi)以及多晶金剛石層內(nèi)突出，以平衡并改變殘余應(yīng)力，從而允許研磨壓塊承受更大的施加載荷和切割力。美國(guó)專利 6，189，634在它的眾多實(shí)施方案中教導(dǎo)了類似的應(yīng)力減少方法。美國(guó)專利5，370，717,5, 875，862和6，189，634提供另一個(gè)解決問題的方案從基材延伸一個(gè)或多個(gè)突起穿過研磨層，從而在復(fù)合研磨壓塊工作表面上呈現(xiàn)基材區(qū)域?？砂l(fā)現(xiàn)記載于美國(guó)專禾Ij5, 154, 245,5, 248, 006,5, 743, 346,5, 758, 733, 5，848，657,5, 871，060,5, 890，552,6, 098，730,6, 102，143 和 6，105，694 中的具有非平面界
面的復(fù)合研磨壓塊的進(jìn)一步實(shí)施例。盡管非平面界面與標(biāo)準(zhǔn)平界面相比可以改善襯片對(duì)于分層的阻力，但它們具有若干固有的限制 基材和P⑶層之間的峰值殘余界面應(yīng)力仍然存在，且僅局部性地降低。 不管界面幾何形狀導(dǎo)致固有的弱鍵，但鈷池仍存在于PCD碳化物界面處。當(dāng)使用中間層時(shí)，其基本上不存在。 非平面界面引入不希望的復(fù)雜性到基材生產(chǎn)和隨后通過非線性收縮的高壓燒結(jié)中以及在外形控制中的相關(guān)難度。另一個(gè)試圖解決高度受應(yīng)力的復(fù)合研磨壓塊的問題的方法是，提供一個(gè)或多個(gè)不同性質(zhì)的材料中間層，特別是在基材和研磨層性能之間的熱和機(jī)械/彈性性質(zhì)。這種中間層的目的在于調(diào)節(jié)中間層中的一些應(yīng)力并由此降低研磨層中的殘余應(yīng)力。美國(guó)專利5，510，193例證了該方法，其提供一種燒結(jié)的多晶立方氮化硼的中間層。另一個(gè)例子是美國(guó)專利5，037，704，其允許中間層包含帶有鋁或硅以及至少一種其它組分的立方氮化硼，所述其它組分選自元素周期表4A、5A和6A族元素的碳化物、氮化物以及碳氨化合物。作為另一個(gè)例子，美國(guó)專利4，959，929教導(dǎo)中間層可以包含40%到60體積％ 的立方氮化硼連同碳化鎢以及鈷。在另一方法中，美國(guó)專利5，469，927教導(dǎo)可以采用非平面界面和過渡層的組合。 特別的，該專利描述了使用一種帶有碳化鎢的碾壓多晶金剛石過渡層，以僅碳化鎢顆粒和預(yù)燒結(jié)碳化鎢顆粒的形式。此外，提供鎢金屬以混入過渡層使得過量金屬反應(yīng)以原位形成碳化鎢。在美國(guó)專利3，745，623、4，403，015、4，604，106、4，694，918、4，729，440、 4，807，402、5，370，195、5，469，927、6，258，139 和 6，315，065 以及美國(guó)專利公開 2006/0166615 Al中描述了具有一個(gè)或多個(gè)中間層的復(fù)合金剛石研磨壓塊的其它例子。這些中間層具有局限性，特別是 它們降低P⑶和基材之間的峰值應(yīng)力但是本質(zhì)上微弱； 通常金剛石作為瑕疵，降低強(qiáng)度； 不良的金剛石與燒結(jié)碳化物基材接合，在磨損情況下導(dǎo)致顆粒擠出。

發(fā)明內(nèi)容
根據(jù)本發(fā)明，研磨襯片包含· PCD 或 PCBN 層；以及
燒結(jié)碳化物基材，P⑶或PCBN層通過中間層接合于該燒結(jié)碳化物基材； 包含超硬磨粒與耐火顆粒的接合體的中間層，其中超硬磨粒的平均尺寸等于或小于耐火顆粒的平均尺寸。
具體實(shí)施方案本發(fā)明涉及研磨襯片，其包含復(fù)合研磨壓塊。該研磨襯片的特征在于PCD或PCBN 層與燒結(jié)碳化物基材之間的中間層。該中間層包含超研磨粒與耐火顆粒的接合體，其中超硬磨粒的尺寸等于或小于耐火顆粒的尺寸。在該中間層中，超硬磨粒與耐火顆粒通常以不連續(xù)的實(shí)體存在，帶有很少或沒有或基本沒有共生或直接的顆粒-顆粒接合。還將存在接合相。該接合相通常將會(huì)與P⑶或PCBN層相同或相似。中間層中的超硬磨粒的量通常在10到90范圍內(nèi)，以體積百分?jǐn)?shù)為基礎(chǔ)計(jì)。超硬磨料將為金剛石或立方氮化硼。通常，對(duì)于具有PCD層的研磨襯片，超硬磨粒將為金剛石，并且當(dāng)該層為PCBN層時(shí)，超硬磨料將為立方氮化硼。超硬磨粒的混合物可存在于中間層中。耐火顆?？梢允翘蓟?、氮化物、硼化物或類似耐火顆粒。優(yōu)選碳化物顆粒。超硬磨粒的尺寸等于或小于耐火顆粒的尺寸。當(dāng)超硬磨粒的尺寸小于耐火顆粒的尺寸時(shí)，它們通常將具有10微米，優(yōu)選地5微米或小于耐火顆粒的尺寸的尺寸。中間層厚度將根據(jù)研磨襯片性質(zhì)與目標(biāo)應(yīng)用而變化。通常，中間層厚度將會(huì)在100 到2000，典型200到500微米范圍內(nèi)。本發(fā)明的研磨襯片具有如上限定的在PCD或PCBN層和燒結(jié)碳化物基材之間的中間層。中間層通常具有與PCD或PCBN層接觸并接合的區(qū)域，以及與燒結(jié)碳化物基材表面接觸并且接合的區(qū)域。一個(gè)或多個(gè)附加的中間層也可提供在超級(jí)磨料/碳化物中間層和PCD 或PCBN層之間，和/或在超級(jí)磨料/碳化物中間層和燒結(jié)碳化物基材之間。PCD或PCBN層可以為細(xì)晶粒或粗晶粒型。厚度將根據(jù)層的性質(zhì)和顆粒尺寸變化。 通常，該超級(jí)磨料層的厚度將在0. 1到4毫米范圍內(nèi)。燒結(jié)碳化物基材可以是任何本領(lǐng)域已知的，如燒結(jié)碳化鎢、燒結(jié)碳化鉭、燒結(jié)碳化鉬或燒結(jié)碳化鈦。如本領(lǐng)域已知，這種燒結(jié)碳化物具有接合相，例如鎳、鈷、鐵或包含一種或多種這些金屬的合金。典型地，接合相的存在量以質(zhì)量計(jì)為6到20%。當(dāng)PCD或PCBN層是厚層時(shí)，即具有至少2. 5毫米的厚度，優(yōu)選的是，燒結(jié)碳化物的接合相小于9-10%，優(yōu)選小于8%，例如6%，以質(zhì)量計(jì)。研磨襯片可以具有任何適當(dāng)?shù)男螤?，取決于它的應(yīng)用。例如，研磨襯片可以為帶有上部平的工作表面的盤狀形狀，從而繞它的外圍限定出切削刃。本發(fā)明對(duì)于成形的研磨襯片具有特別的應(yīng)用，例如當(dāng)超級(jí)磨料層呈現(xiàn)提供用于襯片的工作面的子彈或圓頂形狀時(shí)。本發(fā)明的研磨襯片可以由包括如下步驟的方法制備(1)提供燒結(jié)碳化物基材；(2)在基材表面上以層的形式放置超硬磨粒和耐火顆粒的混合物，其中超硬磨粒的平均尺寸等于或小于耐火顆粒的平均尺寸；(3)在超硬磨粒和耐火顆粒層上放置金剛石或立方硼或其混合物以及任選接合相的層；和
(4)使該未接合的組合體(assembly)經(jīng)受壓塊合成條件。將未接合的組合體置于適當(dāng)?shù)姆磻?yīng)容器中，然后將其放入已知的高壓/高溫裝置的反應(yīng)區(qū)中。使反應(yīng)容器的內(nèi)含物經(jīng)受壓塊合成條件，如本領(lǐng)域已知。這些條件一般為壓力5到SGI^a和溫度1300到1600攝氏度。再一次利用本領(lǐng)域已知方法，從反應(yīng)容器中回收接合研磨襯片?，F(xiàn)在將參考以下非限制的實(shí)施例描述本發(fā)明。實(shí)施例1一種研磨襯片，其包含如下生產(chǎn)的根據(jù)本發(fā)明的復(fù)合研磨壓塊。在中間層中的超硬金剛石磨粒的量以體積百分?jǐn)?shù)計(jì)是50。超硬磨料是金剛石。耐火顆粒是碳化物耐火顆粒。超硬金剛石磨粒尺寸是5微米或小于耐火顆粒的尺寸。中間層的厚度是300微米。研磨襯片具有在PCD層和燒結(jié)碳化物基材之間的中間層。該中間層具有與PCD層接觸并接合的區(qū)域以及與燒結(jié)碳化物基材表面接觸并接合的區(qū)域。P⑶為粗晶粒型。該超級(jí)磨料P⑶層的厚度是1. Om0?；牡臒Y(jié)碳化物是燒結(jié)碳化鎢。這種燒結(jié)碳化物具有含鎳合金的接合相。接合相存在量以質(zhì)量計(jì)為10%。研磨襯片具有帶有上部平的工作表面的盤狀形狀，繞它的外圍限定出切削刃。本發(fā)明的研磨襯片由包括如下步驟的方法制備(1)提供燒結(jié)碳化物基材；(2)在基材表面上以層的形式放置金剛石顆粒和碳化物耐火顆粒的混合物；(3)在金剛石顆粒和碳化物耐火顆粒層上放置金剛石磨粒層；和(4)使該未接合的組合體經(jīng)受壓塊合成條件。將未接合的組合體置于適當(dāng)?shù)姆磻?yīng)容器中，然后將其放入已知的高壓/高溫裝置的反應(yīng)區(qū)中。使反應(yīng)容器的內(nèi)含物經(jīng)受壓力和1450攝氏度的溫度壓塊合成條件控制。 再一次利用本領(lǐng)域已知方法從反應(yīng)容器中回收接合的研磨襯片。
權(quán)利要求
1.一種研磨襯片，包含 PCD或PCBN層；以及 燒結(jié)碳化物基材，PCD或PCBN層通過中間層接合于該燒結(jié)碳化物基材上； 包含超硬磨粒和耐火顆粒的接合體的中間層，其中超硬磨粒的平均尺寸等于或小于耐火顆粒的平均尺寸。
2.根據(jù)權(quán)利要求1的研磨襯片，其中超硬磨粒和耐火顆粒以不連續(xù)的實(shí)體存在，沒有或基本上沒有共生或直接的顆粒-顆粒接合。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2的研磨襯片，其中中間層還包含接合相。
4.根據(jù)權(quán)利要求3的研磨襯片，其中接合相與PCD或PCBN層相同或相似。
5.根據(jù)前述任一權(quán)利要求的研磨襯片，其中中間層中的超硬磨粒的量以體積百分?jǐn)?shù)為基礎(chǔ)計(jì)在10到90范圍內(nèi)。
6.根據(jù)前述任一權(quán)利要求的研磨襯片，其中超硬磨粒是金剛石或立方氮化硼或其混合物。
7.根據(jù)前述任一權(quán)利要求的研磨襯片，其中耐火顆粒是碳化物，氮化物，硼化物或類似的耐火顆粒。
8.根據(jù)前述任一權(quán)利要求的研磨襯片，其中超硬磨粒具有10微米或小于耐火顆粒尺寸的尺寸。
9.根據(jù)前述任一權(quán)利要求的研磨襯片，其中中間層厚度在100到2000微米范圍內(nèi)。
10.根據(jù)前述任一權(quán)利要求的研磨襯片，包括提供在超級(jí)磨料/碳化物中間層和PCD或 PCBN層之間，和/或在超級(jí)磨料/碳化物中間層和燒結(jié)碳化物基材之間的一個(gè)或多個(gè)附加的中間層。
11.根據(jù)前述任一權(quán)利要求的研磨襯片，其中PCD或PCBN層為細(xì)晶?；虼志ЯＰ?。
12.根據(jù)前述任一權(quán)利要求的研磨襯片，其中超級(jí)磨料層的厚度在0.1到4毫米范圍內(nèi)。
13.根據(jù)前述任一權(quán)利要求的研磨襯片，其中基材的燒結(jié)碳化物選自燒結(jié)碳化鎢、燒結(jié)碳化鉭、燒結(jié)碳化鉬和燒結(jié)碳化鈦。
14.根據(jù)前述任一權(quán)利要求的研磨襯片，其中接合相的存在量以質(zhì)量計(jì)為6到20%。
15.根據(jù)前述任一權(quán)利要求的研磨襯片，其中當(dāng)PCD或PCBN層具有至少2.5毫米厚度時(shí)，燒結(jié)碳化物的接合相以質(zhì)量計(jì)小于9-10 %。
16.根據(jù)前述任一權(quán)利要求的研磨襯片，其形狀是子彈或圓頂形。
17.用于生產(chǎn)根據(jù)權(quán)利要求1的研磨襯片的方法，該方法包括步驟 提供燒結(jié)碳化物基材； 在基材表面上以層的形式放置超硬磨粒和耐火顆粒的混合物，其中超硬磨粒的平均尺寸等于或小于耐火顆粒的平均尺寸； 在超硬磨粒和耐火顆粒層上放置金剛石或立方硼或其混合物以及任選接合相的層；禾口眷使該未接合的組合體經(jīng)受壓塊合成條件。
18.根據(jù)權(quán)利要求17的方法，其中將來接合的組合體置于適當(dāng)?shù)姆磻?yīng)容器中，然后將其放入已知的高壓/高溫裝置的反應(yīng)區(qū)中。
19.根據(jù)權(quán)利要求17或18的方法，其中使反應(yīng)容器的內(nèi)含物承受5到SGPa的壓力和 1300到1600攝氏度的溫度。
全文摘要
發(fā)明涉及一種研磨襯片，其包含PCD或PCBN層；以及燒結(jié)碳化物基材，PCD或PCBN層通過中間層接合于此；中間層包含超硬磨粒和耐火顆粒接合體，其中超硬磨粒的平均尺寸等于或小于耐火顆粒的平均尺寸，以及襯片的生產(chǎn)方法。
文檔編號(hào)B24D3/06GK102307688SQ201080005355
公開日2012年1月4日 申請(qǐng)日期2010年1月22日 優(yōu)先權(quán)日2009年1月22日
發(fā)明者C·R·瓊克, R·弗雷斯 申請(qǐng)人:六號(hào)元素磨料股份有限公司