[发明专利]超硬结构及其制造方法

说明书

技术领域

本发明涉及包括多晶材料本体的超硬结构、制造超硬结构的方法以及包括多晶超硬结构的耐磨元件。

背景技术

可在对一定量具有选定的平均晶粒尺寸和尺寸分布的金刚石颗粒施加高压和高温的同时使其接触预先存在的硬金属基体从而制造多晶金刚石材料(PCD)。在这个过程中使用的典型压力在4到7GPa之间，但是高达10GPa的更高压力在实践上也是可行的。所采用的温度高于硬质金属基体的过渡金属粘结剂在这样的压力下的熔点。对于使用碳化钨/钴基体的常见情况，高于1395℃的温度足以熔化粘结剂中的金属，例如钴，其渗入所述一定量的金刚石颗粒内，可以使金刚石颗粒发生烧结。所生成的PCD材料可被认为金刚石被结合的晶粒与粘合剂的互相贯穿网状物的连续网状物，例如钴基金属合金。然后再通过将压力和温度降低到室内条件对这样形成的PCD材料（其形成结合到基体上的PCD台）淬火。在温度淬火期间，粘合剂中的金属凝固，并且使PCD台与基体结合在一起。在这些条件下，PCD台和基体可被认为相互处于热弹性平衡状态。

典型地，但不是唯一地，用于钻孔、钻削或采矿业应用的切削元件或刀具包括以结合到较大基体或本体上的金刚石台形式存在的多晶金刚石（PCD）材料层，所述较大基体或本体通常由碳化钨/钴烧结金属制造。具有配套的碳化物基体的这种刀具传统上并通常被制造为具有多晶金刚石层或台的直圆柱状，所述多晶金刚石层或台的厚度范围为0.5mm到5.0mm，但是更多地是在1.5mm到2.5mm之间。硬金属基体的典型地为8mm到16mm长。常用的直圆柱刀具的直径在8mm到20mm的范围内。

在各种应用中也使用其它的PCD结构（比如一般的圆顶状和拾取状元件），这些应用为例如钻削、采矿和路面铺设应用。通常，在这种具有金属碳化物的元件上形成PCD材料外层，该PCD材料外层被用作结合到这种元件上的基体。此外，基体通常是此类结构的最大部分。

通常地，使用此类刀具的钻头类型被叫做切削型钻头。在这种类型的钻头内，若干个PCD刀具布置在钻头本体上，以便每个PCD台的一部分顶部外围边缘在岩层上磨损。由于钻头的旋转，每个刀具的每个PCD台的顶部外围边缘经历加载和随后的磨损过程，该磨损过程导致有限量的PCD材料被逐渐去除。PCD台上的磨损区域被称为磨痕。

在钻削操作期间，PCD刀具的性能在很大程度上是通过在PCD台中的裂纹的萌生与扩散而确定的。朝向刀具自由表面扩散并与之相交的裂纹会导致刀具裂开，此时大块的PCD从PCD台上折断。这种现象的结果是可能减少钻头的使用寿命，并且可能导致刀具的灾难性故障。

期望能阻止或抑制任何裂纹的形成，或使裂纹发生偏斜而不会通过PCD台的本体扩散到自由表面，从而延长刀具的使用寿命。

国际专利申请WO2004/111284公开了一种复合材料，该复合材料包括多个核芯和合适的粘合剂，每个核芯包括单个PCD微粒，这些核芯被分散在基体里，该基体包覆该单个微粒。基体由等级不同于核芯的PCD材料形成。

其它已知的解决方案直接或间接地涉及例如通过特定层设计的方式处理裂纹行为的限制方式。

对于常规的解决方案，需要多晶超硬材料具有有利的残余应力分布，其能够改善不期望的裂纹扩散并因此缓减散裂。

发明内容

从第一方面看，本发明提供了一种超硬结构，包括：

多晶超硬材料本体，该本体包括：

第一区域；以及

第二区域，第二区域与超硬结构的外露表面相邻，第二区域包括金刚石或立方氮化硼，当第二区域包括金刚石材料时第二区域的密度大于3.4×10³kg/m³；并且

其中，形成第一和第二区域的一种或多种材料具有不同的热膨胀系数，第一和第二区域被设置成使得其热膨胀系数之间的差别在与所述外露表面相邻的第二区域中引起压缩；以及其中，第一区域或另外的区域具有多晶本体的最大热膨胀系数，并且该第一区域或另外的区域通过由具有较小热膨胀系数的一种或多种材料形成的第二区域或一个或多个另外的区域而与多晶超硬材料本体的外围自由表面分开；其中，各区域包括多个多晶超硬材料晶粒。

从第二方面看，本发明提供了一种制造多晶超硬结构的方法，该方法包括：

a)形成多晶材料的第一区域；

b)形成与作为外露表面的第一区域相邻的、多晶材料的第二区域，第二区域包括多晶金刚石或立方氮化硼；其中，形成第一和第二区域的一种或多种材料在物理性质上具有一个或多个差别；