多晶金刚石材料制造技术

提供了多晶金刚石（ＰＣＤ）材料和制造该ＰＣＤ材料的方法。由此制得的ＰＣＤ包含共生的金刚石晶粒构成的骨架金刚石结构并在金刚石晶粒之间限定间隙区域。该骨架金刚石结构含有被金刚石隔绝于该间隙区域的金属碳化物结构体或颗粒。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】多晶金刚石材料
技术介绍
本专利技术涉及多晶金刚石(PCD)材料、其制造方法、包含其的元件、和包含其的工具。多晶金刚石坯块(compact)广泛用于切割、碾磨、磨削、钻孔和其它研磨操作。通 常使用的坯块是包含粘结到硬质合金基材的多晶金刚石(PCD)层。该PCD层具有工作面和 环绕该工作面周边部分的切割刃。多晶金刚石材料在本领域是公知的。常规地，通过将金刚石晶粒与合适的溶剂/ 催化剂组合并对该生坯施以高压和高温以便令该溶剂/催化剂能够促进晶粒间的晶间金 刚石与金刚石的结合来形成P⑶。烧结的P⑶具有足以用于侵蚀性磨损、切割和钻孔用途的 耐磨性和硬度。用于P⑶的溶剂/催化剂通常在第VIII族材料中，Co是最常见的。常规地，P⑶ 含有80至95体积％的金刚石，其余为该溶剂/催化剂材料。当金刚石颗粒与合适的金属溶剂/催化剂组合时，该溶剂/催化剂有助于金刚石 晶粒之间的金刚石与金刚石的结合，获得共生或烧结的结构体。这种共生的金刚石结构体 因此包含原始的或原料金刚石晶粒以及在这些原始晶粒之间桥连或形成颈连(necks)的 新析出的金刚石相。在最终的烧结结构体中，溶剂/催化剂材料存在于烧结金刚石晶粒间 存在的间隙中。但是，这种类型的PCD坯块遇到的公知问题在于，显微组织间隙中残存的溶剂/催 化剂材料在高温下对该坯块的性能产生不利的影响。假定在对热要求高的条件下的性能这 种降低源自于金属-金刚石坯块的两种不同行为。首先源于间隙溶剂/催化剂与烧结金刚石网络的热膨胀特性之间的差异。在远 高于400°C的温度下，金属组分膨胀远大于共生的金刚石网络，并可产生金刚石骨架的微破 裂。这种微破裂在提高的温度下显著降低了结合金刚石的强度。此外，在高压、高温烧结条件下促进金刚石与金刚石结合的溶剂/催化剂材料可 以同样地在提高的温度和降低的压力下以明显的性能结果催化金刚石向石墨的反转。大多 在超过约700°C的温度下观察到这种特殊的作用。结果，在金属溶剂/催化剂存在下烧结的PCD (尽管其具有优异的磨蚀和强度特 性)仍必须保持在低于700°C的温度下。这显然限制了这种材料的潜在工业应用和可以采 用的潜在制造路线。对该问题的潜在解决方案在本领域中是公知的。一类手段集中于使用替代性或改 变的烧结助剂材料。这些材料当存在于最终的烧结结构体中时在高温下表现出显著减小催 化效力并通常具有与烧结金刚石相更匹配的热膨胀行为。但是，这些类型的坯块通常受困 于几个问题。首先，虽然在某些情况下可能实现某些合理的金刚石与金刚石结合程度，但是 这种结合的性质通常比用更常规的金属溶剂/催化剂烧结助剂所实现的更弱。因此相对于 常规的金属基P⑶材料，这些材料的强度和抗磨损性受损。另一种手段想要保留金属催化剂/溶剂烧结PCD的益处，同时阻碍烧结后这些坯块所经历的热劣化机理。其通常集中于后烧结还原或通过化学浸出取出该催化相，或通过 化学反应将该催化相转化为惰性或赋予其惰性。上述问题的解决方案之一是从烧结PCD表 面上除去该溶剂/催化剂。这包括首先烧结该PCD，随后酸处理该PCD以除去溶剂/催化 剂。但是，这是一个多段过程，且在一个步骤中具有更高热稳定性的PCD是有益的。PCT专利申请公开号W02007/017745公开了在低含量的稀土金属硼化物以及金属 硼化物硼化锆、硼化铬、硼化钙和硼化镁的存在下形成PCD材料。这些化合物通过形成金属 氧化物以烧结环境中残余氧气的“吸气剂”的形式原位反应。它们还向烧结环境中引入硼， 其益处在本领域是公知的。采用这些金属硼化物，改善了所得材料的抗磨损性。联合王国专利号GB1376467公开了导电金刚石坯块的制造，其包含与二硼化锆或 二硼化钛(或其混合物)的粘合剂混合并在HpHT条件下烧结的掺杂硼的金刚石或掺杂铍 的cBN粉末。没有预料到与石墨化相关的热稳定性问题，因为在该坯块中不存在常规的金 刚石催化剂/溶剂并因此未预期金刚石与金刚石共生。联合王国专利号GB1496106公开了通过使用常规的金刚石/催化剂/溶剂和单质 硼制造的掺杂硼的P⑶材料，该单质硼以低于1质量％，更优选0. 3至0. 7质量％的量加入。 或者，可以以掺杂硼的金刚石粉末形式引入该硼。讨论的合适的溶剂/催化剂金属体系是 钴、铁、镍、锰、钽及其合金，虽然在本领域中在常规上并不认为钽是金刚石溶剂/催化剂。美国专利号4，907，377公开了含有硼与溶剂催化剂如钽的混合物的P⑶。已知的 是，钽对碳具有高亲和力，并且优选形成碳化物而不是充当金刚石共生的催化剂。其要求保 护的是使用定向的催化剂合金掠过法(swe印through method)实现改善的金刚石共生。其 还要求保护的是，由于硼降低了该坯块的烧结温度，该专利中提及的添加剂赋予该PCD某 些优点，例如改善的PCD的一致性和再现性，以及改善的碳化物寿命。联合王国专利号GBM08735要求保护一种P⑶，其包含结合在一起的金刚石晶体 的第一相和用于促进金刚石结合的溶剂/催化剂材料与和该溶剂/催化剂反应的材料之间 的反应产物的第二相。该反应产物据称具有比该溶剂/催化剂材料更接近于结合的金刚石 的CTE (热膨胀系数)，并因此提供更加热稳定的PCD。加入难熔金属，如钽、钛和锆作为PCD 与WC-Co载体之间的阻挡层，以尽量减少钴渗透入该PCD中，由此改善热稳定性。联合王国专利号描述了一种P⑶坯块，其包含与含Ta、Mo或Ti碳化物 或硼化物或其混合物的第二材料一起烧结的掺杂硼的金刚石。欧洲专利公约专利号1 775 275公开了通过在烧结过程中限制发生不正常的金 刚石晶粒生长而获得的高强度、高耐磨性的细晶粒PCD (金刚石晶粒尺寸小于2微米)。(这 是一个通常发生在更细晶粒的金刚石结构体中的问题，其中细金刚石晶粒的提高的溶解度 会导致熔融的粘合剂的快速过饱和并因此导致非受控金刚石生长。)通常使用金属颗粒实 现晶粒生长的控制，该金属颗粒在令过量碳以金刚石形式析出前通过从该粘合剂相内部形 成碳化物来“吸收”过量的碳。该专利的方法因此包括向粘合剂冶金中纳入细的金属或金 属碳化物颗粒，其随后表现为存在于最终PCD产品的粘合剂相中的亚-0.8微米金属碳化物 颗粒。优选的金属是钛，尽管也描述了使用锆、铪、钒、铌、钽、铬和钼。美国专利号4，231，762公开了具有均勻组织的烧结坯块工具材料。其由被细于一 微米的碳化物结合的细于一微米的金刚石颗粒组成，该碳化物主要由WC组成。该烧结的坯 块包含60体积％的金刚石，余量为细于一微米的WC。用更细的WC颗粒填充细于一微米的金刚石颗粒之间的空隙，并且通过在超压下烧结该混合物，能够获得完全致密的坯块，而无 需液相。由于几乎不存在对于金刚石的晶体生长而言必不可少的液相，并且由于WC颗粒填 充了金刚石颗粒之间的空隙，因此在烧结该金刚石的过程中完全抑制了晶体生长。PCT专利申请公开号W02008/062369公开了制造包含金刚石颗粒与含金属间化合 物的第二相的含金刚石材料(DCM)的原位方法。该方法包括提供在反应时能够产生碳和金 属间化合物的反应物的反应物块，并对该反应物块施以金刚石合成条件。适于该专利技术的反 应包括硅化物/硼化物/氮化物碳析出反应，这些包括生成金属间硅化物或类似的硼化物 或氮化物结构。可以制造第I本文档来自技高网...

【技术保护点】
１．一种多晶金刚石（ＰＣＤ）材料，其包含由共生的金刚石晶粒形成并限定金刚石晶粒之间的间隙区域的骨架金刚石结构，其中该骨架金刚石结构含有被金刚石隔绝于间隙区域的金属碳化物结构体或颗粒。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】...

【专利技术属性】
技术研发人员：K·奈多，
申请(专利权)人：六号元素产品控股公司，
类型：发明
国别省市：ZA