[发明专利]细粒状多晶磨蚀材料

说明书

发明背景

本发明涉及多晶金刚石。

多晶金刚石是用于各种工件的加工、钻孔应用和用作磨损部件的优选材料。该材料的优点包括其优良的硬度，金刚石是人们已知的最硬的材料，这导致其优良的耐磨性。优良的耐磨性反过来赋予了各种优点，包括例如在应用中增加的工具或切割机寿命、较少的停歇时间、优良的工件精加工和性能。

由于金刚石的硬度，因此其也是脆的。这使得其不适合于许多应用，因为其容易破裂。通过制造多晶金刚石(PCD)可以显著地降低该固有的脆性-其中将金刚石的晶粒烧结在一起以形成含有连续互生的金刚石网状结构的多晶结构。为了实现金刚石互生，在合成期间通常存在催化材料-已知为金刚石催化剂/溶剂。该催化剂/溶剂通常是钴、镍、铁或者含有一种或多种这些金属的合金，优选镍并且更优选钴。最终结果是催化剂/溶剂填充金刚石晶粒之间的空隙的连续金刚石骨架。PCD通常在升高的温度和压力条件(HPHT)下制造，在该条件下金刚石颗粒结晶学稳定。

为了进一步降低脆性，可以将该多晶金刚石结构安置于硬金属基材上以形成多晶金刚石坯块，由此在PCD后面提供一平台，将其置于压制下并且显著减少了由于脆性的故障。硬金属背衬的PCD工具提供了显著的加工和钻孔优点并且被广泛地使用。

然而，对于许多应用而言PCD工具仍然太脆。

发明概述

根据本发明的一个方面，提供了一种多晶金刚石磨蚀元件，其包括细粒状多晶金刚石材料和第二相，该第二相包含用于该金刚石材料的催化剂/溶剂，其中该多晶金刚石材料的特征在于其具有小于0.60μm的平均催化剂/溶剂平均自由程值和小于0.90的催化剂/溶剂平均自由程的标准误差。

该催化剂/溶剂平均自由程的标准误差优选小于0.85。

该多晶金刚石材料优选具有约0.1-约10.5μm，更优选约0.1-约6.5μm，并且最优选约0.1-约2.0μm的平均晶粒尺寸(grain size)。

根据本发明的另一个方面，提供了一种用于制造多晶金刚石磨蚀元件的方法的组合物，该组合物包含金刚石颗粒，和用于该金刚石颗粒的金刚石催化剂/溶剂，其中该金刚石颗粒是细粒状的，并且其中该催化剂/溶剂包含纳米尺寸的颗粒。

该催化剂/溶剂通常为钴、镍、铁或者含有一种或多种这些金属的合金，优选钴。

该金刚石颗粒通常为亚微米至微米尺寸的颗粒，其优选具有小于约10.5μm，更优选小于约6.5μm，最优选小于约2.0μm的平均颗粒尺寸(particle size)，并且优选具有大于0.1μm的平均颗粒尺寸。

该催化剂/溶剂优选具有小于约800nm，更优选小于约400nm，最优选小于约100nm的平均颗粒尺寸，和大于约10nm的平均颗粒尺寸。

该催化剂/溶剂的平均颗粒尺寸与金刚石颗粒的平均颗粒尺寸的比例优选处于约1∶10-约1∶1000的范围内，更优选处于约1∶100-约1∶1000的范围内。

根据本发明的仍然另一个方面，一种制造多晶金刚石磨蚀元件的方法包括以下步骤：通过提供基材、将大量金刚石颗粒置于基材表面上而生成未粘结的组件，其中该金刚石颗粒是细粒状的；提供用于金刚石颗粒的金刚石催化剂/溶剂，其中该催化剂/溶剂至少部分包括纳米尺寸的颗粒；和使该未粘结的组件经受适合于制造大量金刚石颗粒的多晶金刚石层的升高的温度和压力条件。

基材通常将是烧结碳化物硬金属。

由大量金刚石颗粒制造多晶金刚石层所需的升高的温度和压力条件是本领域公知的。一般而言，这些条件是4-8GPa的压力和1300-1700℃的温度。

根据本发明的仍然另一个方面，提供一种包括如上面详述的多晶金刚石磨蚀元件的工具或工具插件。

优选实施方案的详述

本发明涉及多晶金刚石磨蚀元件及其制造和应用。该方法包括以下步骤：将大量细粒状金刚石颗粒和纳米尺寸的催化剂/溶剂材料置于基材表面上并且使该未粘结的组件经受适合于制造大量金刚石颗粒的多晶金刚石层的升高的温度和压力条件。该基材将通常是烧结碳化物基材。该烧结碳化物载体或基材可以是本领域已知的任一种，例如烧结碳化钨、烧结碳化钽、烧结碳化钛、烧结碳化钼或其混合物。