[发明专利]多晶金刚石材料

说明书

发明背景

本发明涉及多晶金刚石(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PCD。烧结的PCD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PCD的溶剂/催化剂通常在第VIII族材料中，Co是最常见的。常规地，PCD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℃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℃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℃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PCD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WO2007/017745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PCD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。