[发明专利]多晶金刚石

说明书

技术领域

本发明涉及多晶金刚石、其制备方法以及包含其的元件和工具，特别地但不是专有地用于机加工、钻孔或破解坚硬或耐磨的材料。

背景技术

超硬材料例如金刚石以宽泛的形式用来机加工、钻孔和破解坚硬或耐磨的工件或本体。超硬材料可作为包含形成骨架组织的超硬材料晶粒的直接烧结块的单晶或多晶组织而提供，这可限定晶粒之间的间隙网络。多晶金刚石(PCD)是包含金刚石晶粒的共格(coherent)烧结块的超硬材料。金刚石含量可通常为至少约80体积％，并且形成限定间隙网络的骨架块。所述间隙可包含含有钴的填料材料。为了改变PCD材料的某些性质，可完全或部分移除填料材料。多个商业开发的PCD材料具有至少约1微米的平均金刚石晶粒尺寸。还已知包含具有约0.1微米至约1.0的平均尺寸的金刚石晶粒的PCD，并且已经公开了包含具有约5nm至100nm的平均尺寸的纳米晶粒尺寸金刚石晶粒的PCD。

PCD极其坚硬和耐磨，这是其在一些最极端的机加工和钻孔条件下并且需要高生产率的地方是优选的工具材料的原因。遗憾的是，PCD遭受几个缺点，其中一些与所通常使用的金属粘结剂材料有关。例如，金属粘结剂可在某些应用例如木头的高速机加工中腐蚀。此外，金属或金属合金相对柔软并且易于磨损，从而降低了PCD材料的平均耐磨性。

可争议地，PCD的一个问题方面是其在大于约400摄氏度时相对差的热稳定性，因为PCD元件在烧结后的两个阶段中可经历几百摄氏度。在工具制作工艺期间，可通过钎焊将PCD元件附着至载体，这涉及将钎焊合金加热到超过其熔点。在使用中，PCD在工作表面处的温度于某些应用例如旋转钻岩中可达到1,000摄氏度。热量倾向于以三种主要的方式劣化PCD，通过诱发由金刚石、粘结剂和基材的热膨胀差异产生的热应力；通过诱发金刚石转变为石墨，石墨是在环境压力下碳的热力学稳定相；以及通过氧化反应。前者的机制被认为在大于400摄氏度下变得重要，并且当温度增加时，变得极其地更显著。在后者的机制变得更显著的温度取决于与金刚石相关的粘结剂材料的性质、数量和空间分布。选择最通常使用的粘结剂金属，因为它们在超高压下催化金刚石的烧结。遗憾的是，这些相同的金属在较低的压力下还可催化金刚石转变成石墨(或“石墨化”)的逆过程。在粘结剂是Co的典型情况下，认为显著的石墨化于空气中在大于约750摄氏度下发生。一个重要的挑战是设计使PCD更耐火的方法，因此其结构完整性、硬度和耐磨性在增加的较高温度下得到维持。一种方法包括通过酸浸从PCD的一部分损耗粘结剂，留下在间隙区域中基本上不含粘结剂的PCD多孔层。

如现有技术所熟知的，在烧结助剂存在下，通过使金刚石晶粒的聚集块经受超高压力和温度条件可制得PCD材料，在该条件下金刚石是热力学稳定的。烧结助剂可称为用于金刚石的溶剂/催化剂材料，其例子是金属例如钴(Co)、镍(Ni)、铁(Fe)或一些包含任何这些的合金。超高压力可为至少约5.5GPa，并且温度可为约至少约1,350摄氏度。在烧结过程期间，PCD组织可整体结合到Co-固结的碳化钨(WC)基材，在其期间来自基材的钴可渗入位于与其相对的金刚石晶粒的聚集块中，并且Co可促进烧结金刚石晶粒。可在基材和金刚石晶粒的聚集块之间布置金属层或箔，使得该层可提供协助或以其它方式影响烧结过程的熔融金属源。

欧洲专利号1775275公开了包含分散在粘结剂内的少量碳化物形成添加剂的PCD，该碳化物形成添加剂例如钛、锆、铪、钒、铌、钽、铬和钼。

美国专利号5,370,195公开了包含分散在位于间隙区域内的Co粘结剂内的碳-氮化物和金属碳化物的第二硬颗粒的PCD层。

美国专利公开号2008/0302579公开了具有改善的热稳定性的PCD，这归因于在晶界相中间结合一起的金刚石晶体内存在金属间化合物或碳化物。

美国专利号7,473,287公开了在金刚石晶粒的结合骨架块内具有间隙的热稳定的PCD，第一和第二材料位于该间隙内。第一材料是由溶剂/催化剂和另一种材料之间的反应形成的反应产物，并且该反应产物可具有比未反应的溶剂/催化剂的热膨胀系数相对更接近金刚石的热膨胀系数。

发明内容

本发明的目的是提供具有增强耐磨性的多晶金刚石，以及结合该多晶金刚石的元件和工具。

如在本文中使用的，多晶金刚石(PCD)是包含大量基本上共生的金刚石晶粒从而形成金刚石晶粒之间限定间隙的骨架组织的材料，该材料包含至少80体积％的金刚石。