高强度金钢石-SiC压坯及其制造方法技术

本发明专利技术提供了具有少于约2重量%的未反应Si和少于约1重量%的石墨的碳化硅（SiC）键合金刚石压坯，及其制造方法。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】专利技术人TomEasley
和工业适用性本公开提供了具有低水平的未反应硅和石墨的金刚石压坯的制造工艺/方法。本公开还包括由本文中公开的新方法制造的金刚石压坯，以及利用由所述新方法制造的金刚石压坯的工具。
技术介绍
金刚石压坯经常包含约85体积％以上的金钢石晶粒，所述晶粒在它们的接触点互相键合。这些压坯(以下称为聚晶金刚石或PCD)最经常还含有约15体积％以下的催化剂金属，例如Co或Fe。这些金刚石压还经常被形成为附着于WC基底的O. 5至5mm厚的层,或作为固体的独立体。形成这些金刚石压坯需要超过55千巴的操作压力。 例如，美国专利5，010，043 (“’043专利”)公开了 SiC键合金刚石压坯，其具有足够高度的研磨性、硬度和机械强度以致容许将所述压坯用于切割、机械加工、碾磨、钻孔、磨碎以及加工硬和超硬质的材料，所述材料包括现代陶瓷例如碳化硅、碳化硼、氮化硅、赛纶陶瓷、氧化铝、部分稳定氧化锆和氧化铍，金属材料例如碳化钨、碳化钛、硼化钛、以及高温镍和钴基合金，以及非常硬的天然矿物质和岩石例如宝石和半宝石、石英岩、花岗岩和条带状铁形成物(banded iron formations)。’ 043专利公开了其中描述的SiC键合金刚石压坯包含约2重量％未反应的硅、约23%SiC和可测出量的石墨，所述石墨基本上大于零，但少于I重量％。所述SiC键合金刚石压坯的余量，约72%至约76%，是金钢石。’ 043专利的压坯在约10至约40千巴的优选反应压力和1400° C至1600° C的优选反应温度下以10至30分钟的时间产生。’ 043专利公开了可以使用高达1800° C的温度约3-5分钟来产生更完全的从Si到SiC的反应，但是在这种温度下，倾向于形成超过期望量的石墨。专利技术概要本公开描述了具有少于约I重量％残留石墨和少于约2重量％未反应Si的SiC键合金刚石压坯，以及制备所述金刚石压坯的方法。在具体实施方式中，本公开提供了制备碳化硅(“SiC”)键合金刚石压坯的方法，所述方法包括烧结混合物，所述混合物包含金钢石、硅(Si)、和任选选自Si3N4、AIN、hBN及其组合的至少一种组分，其中所述烧结发生在约10至约80千巴的压力下、约1600° C至约1800° C的温度下；以及其中所述烧结实行至少约10分钟。在具体的实施方式中，所述混合物在烧结期间与固体或粉末Si的团块接触。在某些实施方式中，所述混合物和/或固体团块还可以包括选自Ti、Hf、Nb、Zr、Ta、W、Mo、V、U、Th、Sc、Be、Re、Rh、Ru、Ir、Os、P t 及其组合的元素。在一种实施方式中，所述方法的温度大约为1690° C。在另一种实施方式中，Si的d95小于约30微米。本公开进一步提供了由本文中描述的方法制备的SiC键合金刚石压坯，其中所述SiC键合金刚石压坯的未反应Si的含量少于约2重量％并且石墨的含量少于约I重量％。在一些实施方式中，所述压坯的强度为至少约700MPa。在一些实施方式中，所述SiC键合金刚石压还的未反应Si的含量少于约1.5重量％。在其他实施方式中，未反应Si的含量少于约I重量％。再在其他的实施方式中，所述SiC键合金刚石压坯的石墨含量少于约O. I重量％。在某些实施方式中，所述金刚石压坯在约1690° C的温度下形成。本专利技术还提供了碳化硅(“SiC”)键合金刚石压坯的制备方法。这种方法包括烧结混合物，所述混合物包含金钢石、硅(Si)、和任选选自Si3N4、AIN、hBN及其组合的至少一种组分，其中所述烧结发生在约10至约80千巴的压力下、约1400° C至约1600° C的温度下；以及其中Si的d95小于约30 μ m。在一些实施方式中，所述混合物在烧结期间与固体或粉末Si的团块接触。在一些实施方式中，所述混合物和/或Si团块还包含选自Ti、Hf、Nb、Zr、Ta、W、Mo、V、U、Th、Sc、Be、Re、Rh、Ru、Ir、Os、Pt及其组合的元素。在一些实施方式中，Si的d95小于约10 μ m。在其他实施方式中，Si的d95为大约7. 5μπι。在一些实施方式中，烧结法的温度是约1600° C。本公开进一步提供了由本文中公开的方法制备的SiC键合金刚石压坯，其中所述SiC键合金刚石压坯的未反应Si的含量少于约2重量％并且石墨的含量少于约I重量％。在一些实施方式中，所述压坯的强度为至少约700MPa。在一些实施方式中，未反应Si的含量少于约I. 5重量％。在其他实施方式中，未反应Si的含量少于约I重量％。在一些实施方式中，石墨的含量少于约O. I重量％。在一些实施方式中，强度为至少约800MPa。本公开还提供了包含约60至约90重量％的金钢石、约10至40重量％的SiC、少于约2重量％的未反应Si和少于约I重量％的石墨的SiC键合金刚石压还。在一些实施方式中，金钢石占所述压坯的约81至约82重量％ ；SiC占所述压坯的约17至约18重量％ ;以及未反应Si占所述压还的少于约I. I重量％。在一些实施方式中，未反应Si占所述SiC键合金刚石压还的少于约O. 9重量％。在一些实施方式中，石墨少于约O. I重量％。附图简述前述的概要，以及下面实施方式的详细说明，在结合附图阅读时将得到更好的理解。为了说明的目的，在图中显示了各种实施方式。然而，应该理解，所描绘的实施方式不限于所显示的精确排列和工具。图I描绘了功率和测量温度相关性的校正曲线。图2描绘了温度对密度、时间的等值线图。图3描绘了 Si重量％对温度、时间的等值线图。图4描绘了对于给定的Si与金钢石的混合物而言，烧结温度与SiC金刚石压坯中未反应Si (重量％)之间的关系。图5描绘了由本文描述的方法制备的产品的强度与所述产品中未反应Si的重量％之间的关系。图6是显示SiC金刚石压坯强度与用来生产所述压坯的硅粉的粒度之间的关系的图。图7是根据本文描述的方法使用d95为31微米的硅粉制备的金刚石压坯的光学显微照片。图8是根据本文描述的方法使用d95为7. 6微米的硅粉制备的金刚石压坯的光学显微照片。具体实施例方式制备SiC键合金刚石压坯的现有方法需要在反应时间大于约5分钟的情况下反应温度低于约1600° C，或者在反应温度超过约1600° C的情况下反应时间低于约5分钟。这些周期时间与温度的必要性受到要将起始材料中金钢石材料的石墨化减到最小以及确 保更完全地利用Si这样的优先选择的支配。本公开提供了利用尚未被报导的周期时间、温度和Si晶粒尺寸来最小化SiC键合金刚石压坯中硅含量和石墨含量二者的方法。具体地说，本公开提供了残留石墨少于约I重量％和未反应Si少于约2重量％的SiC键合金刚石压坯的制备方法。在具体的实施方式中，SiC金刚石压坯包含少于约O. I重量％的石墨并且具有少于约I重量％的Si含量。所述方法包括高压/高温(“HP/HT”)烧结由金钢石、Si粉和任选的选自Si3N4、AIN、和六方氮化硼(以下称为“hBN”)的一种或多种添加剂组成的混合物，其中任选所述混合物在烧结之前已经与Si团块接触。Si团块可以是固体或粉末。烧结在高压盒中实行。一般而言，包含Si、金钢石和任选的添加剂的粉末混合物(“所述混合物”)，可以包含约60重量％至约97重量％的本文档来自技高网...

【技术保护点】

【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：托马斯·查尔斯·伊斯黎，
申请(专利权)人：戴蒙得创新股份有限公司，
类型：
国别省市：