多晶超硬构件及其制造方法技术

本发明专利技术公开了一种多晶超硬构件，所述多晶超硬构件包含多晶金刚石材料主体(20，51，52)、工作表面(34)、基本不含溶剂/催化剂材料的第一区域(51)和远离工作表面的第二区域(52)，其中所述第一区域沿基本垂直于所述工作表面延伸的平面的平面从所述工作表面延伸进入到所述主体中一个深度(Y)，所述第二区域在多个所述空隙区域中包含溶剂/催化剂材料。基底(30)沿与第二区域的界面(24)附接至所述主体。斜面在主体的外围侧表面和工作表面之间延伸。所述第一区域的深度在所述第一区域和外侧表面的交叉部处朝向所述工作表面逐渐变小，使得第一区域在外围侧表面的深度(Y’)小于第一区域大部分的深度。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】
本专利技术涉及包含多晶金刚石(PCD)材料主体(body)的多晶超硬构件(construction)和制造热稳定的多晶金刚石构件的方法。
技术介绍
用于机械加工(machining)的切削器嵌件(cutter insert)和其他工具可以包含结合到烧结碳化物基底的多晶金刚石(PCD)层。PCD是超硬材料的示例，也被称为超研磨材料。包含PCD的组件可用于各种切削(cutting)、机械加工、钻孔(drilling)或破碎(degrading)硬质或研磨材料如岩石、金属、陶瓷、复合材料和含木材料的工具中。PCD包含大量基本上共生的金刚石颗粒(grain)，所述金刚石颗粒形成限定金刚石颗粒之间的间隙的骨骼体(skeletal mass)。PCD材料典型地包含占其体积至少约80％的金刚石并且可以通过使金刚石颗粒的聚集体(aggregated mass)在烧结助剂的存在下经受大于约5GPa，典型地约5.5GPa的超高压力和至少约1200℃，典型地约1440℃的温度来制造，所述烧结助剂也被称为用于金刚石的催化剂材料。用于金刚石的催化剂材料可以理解为是在金刚石在热力学上比石墨更稳定的压力和温度条件下能够促进金刚石颗粒的直接共生的材料。用于金刚石的催化剂材料典型地包括任何VIII族元素并且常见示例是钴、铁、镍和包括任何这些元素的合金的某些合金。PCD可以在钴-烧结碳化钨基底上形成，该基底可以为PCD提供钴催化剂材料的来源。在PCD材料主体烧结期间，烧结-碳化物基底的组分如在钴-烧结碳化钨基底的情况下的钴液化并从邻近金刚石粒子(particle)的体积(volume)的区域快速移动(sweep)到金刚石粒子之间的间隙区域中。在该示例中，钴充当催化剂来促进键合(bonded)金刚石颗粒的形成。可选择地，金属-溶剂催化剂可以在金刚石粒子和基底经受HPHT过程之前与金刚石粒子混合。在PCD材料内的间隙可以至少部分地填充有催化剂材料。共生的金刚石结构(structure)因此包含原始金刚石颗粒和新沉淀的或重新生长的金刚石相，该金刚石相桥接(bridge)原始颗粒。在最终的烧结结构中，催化剂/溶剂材料通常会残留在存在于烧结金刚石颗粒之间的至少一些间隙中。已知的与这种传统PCD坯块(compact)共存的问题是当在切削和/或磨损应用期间被暴露在高温下时，它们易遭受热降解。有人认为这是由于，至少部分由于在显微结构的间隙中存在残留溶剂/催化剂材料，这由于在间隙溶剂金属催化剂材料的热膨胀特性和晶间键合金刚石的热膨胀特性之间存在的差异而在高温下对PCD坯块的性能有不利影响。已知这种不同的热膨胀在约400℃的温度下会发生，并且被认为在金刚石与金刚石键合中会引起断裂的发生，并且最终导致在PCD结构中形成裂缝和碎片。PCD台(table)中的碎裂或开裂在钻孔或切削操作中可能降低切削元件的机械性能或导致切削元件的失效，从而致使PCD结构不适合进一步使用。已知的与传统PCD材料共存的热降解的另一种形式是也被认为与间隙区域中的溶剂金属催化剂的存在和溶剂金属催化剂对金刚石晶体的粘附有关的一种形式。具体地，在高温下，金刚石颗粒可以与溶剂/催化剂进行化学分解或逆向转化(back-conversion)。在极高温度下，溶剂金属催化剂被认为在金刚石中引起了不期望的催化相位变换以致部分金刚石颗粒可以转化为一氧化碳、二氧化碳、石墨或其组合，从而降低PCD材料的机械性能并将PCD材料的实际应用限制到约750℃。尝试在常规PCD材料中解决这种不期望的热降解形式在本领域中是已知的。通常，这些尝试都集中在与传统PCD材料相比具有改进的热稳定性的PCD主体的形成上。一种生产具有改进的热稳定性的PCD主体的已知技术包括，在形成PCD主体后例如使用化学浸出去除全部或部分的溶剂催化剂材料。从金刚石晶格结构去除催化剂/粘合剂使得多晶金刚石层更耐热。由于切削元件典型操作的不利环境，期望具有改进的耐磨性、强度和断裂韧性的切削层的切削元件。然而，当PCD材料制造地更耐磨时，例如通过从金刚石基质中的间隙去除残余催化剂材料，PCD材料典型地变得更加易碎且容易破裂并且因此易于损害或减小抗破裂(spalling)性。因此需要克服或基本上改善上述问题以提供具有增强的抗破裂和碎裂(chipping)的PCD材料。
技术实现思路
从第一方面看，本专利技术提供了包含多晶金刚石(PCD)材料主体和在形成多晶金刚石材料的交互键合的金刚石颗粒之间的多个间隙区域的多晶超硬构件；该PCD材料主体包括：沿主体的外侧部分放置的工作表面；基本上不含溶剂/催化材料的第一区域；所述第一区域沿基本上垂直于沿工作表面延伸的平面的平面从工作表面延伸进入PCD材料主体中一个深度；以及远离在多个间隙区域中包含溶剂/催化材料的工作表面的第二区域；沿与所述第二区域的界面处附接(attach)到PCD材料主体的基底；在PCD材料主体的外围侧表面和工作表面之间延伸并限定在斜面(chamfer)和外围侧表面的交叉部(intersection)的切削边缘的斜面；其中：所述第一区域的深度逐渐向位于所述第一区域与外围侧表面的交叉部处的工作表面变小，使得所述第一区域在外围侧表面的深度小于第一区域大部分的深度。从第二方面看，本专利技术提供了用于制造热稳定的多晶金刚石构件的方法，包含以下步骤：加工沿界面处附接于基底的多晶金刚石主体，所述多晶金刚石主体包含多个交互键合的金刚石颗粒和设置在其之间的间隙区域，以形成在沿主体的外侧部分放置的工作表面和主体的外围侧表面之间延伸的斜面；处理PCD主体，以从金刚石主体的第一区域去除溶剂/催化剂材料，而允许溶剂/催化剂材料留在金刚石主体的第二区域中；斜面限定在斜面和外围侧表面的交叉部的切削边缘；其中：处理步骤还包括在从所述工作表面0μm到约300μm之间的位置处对PCD主体进行掩蔽(masking)；以及从第一区域中的间隙区域去除溶剂/催化剂的步骤包括在第一区域除去溶剂/催化剂达到这样的深度：所述深度逐渐向位于所述第一区域的与外围侧表面的交叉部处的工作表面变小，使得所述第一区域在外围侧表面的深度小于第一区域的大部分的深度。附图说明本专利技术将仅通过示例的方式并参照附图更详细地描述多种实施例，其中：图1是PCD材料主体的显微结构示意图；图2是包含键合至基底的PCD结构的PCD坯块的示意图；图3是通过根据实施例的图2的一部分PCD结构的横截面示意图；图4是在处理期间被保持在支撑部结构的图2的PCD切削器的横截面示意图；和图5是实施例的立式镗床测试(vertical borer test)中磨痕面积相对切削长度的曲线图。具体实施方式参照图1到图3，多晶超硬构件10包含直接交互键合的金刚石颗粒12和在金刚石颗粒12之间的间隙14的骨骼体，该间隙14可以至少部分地填充填充材料或粘合材料。填充材料可以包括例如钴、镍或铁或可替代地可以包括一个或多个其它非金刚石相添加物，例如，如钛、钨、铌、钽、锆、钼、铬或钒。填充材料中的一种或多种上述物质的含量可以是例如，在使用Ti的情况下约为填充材料的重量的1％，在使用V的情况下，填充材料中V的含量约为填充材料的重量的2％，以及在使用W的情况下，填充材料中W的含量约为填充材料的重量本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种包含多晶金刚石(PCD)材料主体的多晶超硬构件，所述多晶金刚石(PCD)材料主体包含在形成所述多晶金刚石材料的交互键合的金刚石颗粒之间的多个间隙区域；所述PCD材料主体包括：工作表面，其沿主体的外侧部分放置；第一区域，其基本不含溶剂/催化剂材料；所述第一区域沿基本垂直于所述工作表面延伸的平面的平面从所述工作表面延伸进入所述PCD材料主体中一个深度；和第二区域，其远离所述工作表面，所述工作表面在多个所述空隙区域中包含溶剂/催化剂材料；基底，其沿着第二区域的界面附接至PCD材料的主体；斜面，其在所述PCD材料主体的外围侧表面和工作表面之间延伸，并在所述斜面和所述外围侧表面的交叉部处限定切削边缘，其中：所述第一区域的深度在所述第一区域和外围侧表面的交叉部处朝向所述工作表面逐渐变小，使得第一区域在外围侧表面的深度小于第一区域大部分的深度。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2013.12.12 GB 1321991.01.一种包含多晶金刚石(PCD)材料主体的多晶超硬构件，所述多晶金刚石(PCD)材料主体包含在形成所述多晶金刚石材料的交互键合的金刚石颗粒之间的多个间隙区域；所述PCD材料主体包括：工作表面，其沿主体的外侧部分放置；第一区域，其基本不含溶剂/催化剂材料；所述第一区域沿基本垂直于所述工作表面延伸的平面的平面从所述工作表面延伸进入所述PCD材料主体中一个深度；和第二区域，其远离所述工作表面，所述工作表面在多个所述空隙区域中包含溶剂/催化剂材料；基底，其沿着第二区域的界面附接至PCD材料的主体；斜面，其在所述PCD材料主体的外围侧表面和工作表面之间延伸，并在所述斜面和所述外围侧表面的交叉部处限定切削边缘，其中：所述第一区域的深度在所述第一区域和外围侧表面的交叉部处朝向所述工作表面逐渐变小，使得第一区域在外围侧表面的深度小于第一区域大部分的深度。2.如权利要求1所述的多晶超硬构件，其中所述第一区域与所述外围侧表面在所述斜面的某一位置相交。3.如权利要求1所述的多晶超硬构件，其中所述第一区域与所述外围侧表面在离所述切削边缘至少约100微米的位置相交。4.如权利要求1所述的多晶超硬构件，其中所述第一区域与所述外围侧表面在离所述切削边缘至少约50到100微米的位置相交。5.如权利要求1所述的多晶超硬构件，其中所述第一区域与所述外围侧表面在离所述切削边缘少于约50微米的位置相交。6.如前述权利要求中任一项所述的多晶超硬构件，其中所述主体中具有从所述工作表面约250微米到650微米之间的的深度的大部分金刚石颗粒具有基本不含催化剂材料的表面，剩余颗粒与催化剂材料接触。7.如前述权利要求中任一项所述的多晶超硬构件，其中所述基底与所述第二区域之间的界面基本是平的，或者基本是不平的并包括突出到所述PCD材料主体或基底的一个或其他或从所述PCD材料主体或基底的一个或其他延伸的一个或多个特征。8.如前述权利要求中任一项所述的多晶超硬构件，其中所述第一和/或第二区域包括两种以上金刚石颗粒尺寸的金刚石颗粒。9.如前述权利要求中任一项所述的多晶超硬构件，其中所述金刚石颗粒包括天然和/或合成的金刚石颗粒。10.如前述权利要求中任一项所述的多晶超硬构件，其中所述第二区域中的所述溶剂/催化剂包含钴，和/或一种以上其他铁族元素，如铁或镍，或其合金，和/或一种以上元素周期表中第IV-VI族金属的碳化物、氮化物、硼化物和氧化物。11.如前述权利要求中任一项所述的多晶超硬构件，其中所述第二区域中的所述溶剂/催化剂为在形成所述PCD构件时烧结PCD主体所用的溶剂/催化剂。12.如前述权利要求中任一项所述的多晶超硬构件，其中所述多晶金刚石材料的主体具有约2.5毫米到约3.5毫米以上的厚度。13.如前述权利要求中任一项所述的多晶超硬构件，其中所述PCD主体包含基于所述金刚石主体的总体积至少约90％到95％之间的体积比的金刚石。14.一种钻地的切削器，其包括如前述权利要求中任一项所述的多晶超硬构件。15.用于钻地的旋转剪切机钻头、冲击钻头、采矿或破坏沥青的截齿的PCD元件，其包含如权利要求1到13中任一项所述的多晶超硬构件。16.用于钻地的钻头或钻头组件，其包含如权利要求1到13中任...

【专利技术属性】
技术研发人员：迈克尔·费希利，
申请(专利权)人：第六元素有限公司，
类型：发明
国别省市：爱尔兰;IE