[发明专利]在金刚石与基材之间具有晶粒生长抑制剂层的细的多晶金刚石复合片有效
申请号: | 201280048502.0 | 申请日: | 2012-08-23 |
公开(公告)号: | CN103842067A | 公开(公告)日: | 2014-06-04 |
发明(设计)人: | 鲍亚华;S·L·赫曼 | 申请(专利权)人: | 六号元素有限公司 |
主分类号: | B01J3/06 | 分类号: | B01J3/06;C30B29/04;C01B31/06;B24D3/10;B23B27/20;B23B7/02;E21B10/46;E21B10/567;E21B10/573 |
代理公司: | 中国国际贸易促进委员会专利商标事务所 11038 | 代理人: | 李跃龙 |
地址: | 爱尔兰*** | 国省代码: | 爱尔兰;IE |
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摘要: | |||
搜索关键词: | 金刚石 基材 之间 具有 晶粒 生长 抑制剂 多晶 复合 | ||
技术领域
本发明涉及用于切削工具的多晶金刚石复合片(compact),并且更特别地涉及具有晶粒生长抑制剂层和减少的异常晶粒生长的非常细的多晶金刚石复合片。
背景技术
烧结的多晶金刚石材料以其良好的耐磨性和机械强度而出名,并且经常用于切削工具和岩石钻具中。为了形成多晶金刚石(PCD),在高压和高温下烧结(HPHT烧结)金刚石颗粒以制备超硬的多晶金刚石结构。可在烧结前向金刚石颗粒混合物添加催化剂材料例如钴或另一种金属和/或其可在烧结期间渗入金刚石颗粒混合物以促进在HPHT烧结期间金刚石晶体的共生。所得的PCD结构包括彼此接合的互连金刚石晶体或晶粒的网络,催化剂材料占据接合的金刚石晶体之间的空间或空隙。可在基材存在下HPHT烧结金刚石颗粒混合物以形成与基材接合的PCD复合片。
超细PCD,例如具有尺寸为约1微米或更小的烧结金刚石晶粒的PCD,以其优异的机械性质和性能而出名。然而,由于金刚石颗粒的小尺寸,超细的烧结PCD难以产生。非常小的金刚石颗粒具有大的表面积与体积的比率,并且在烧结期间该大的表面积与体积的比率可引起金刚石晶体的异常晶粒生长。特别地,在HPHT烧结期间,非常细的金刚石颗粒可互连并且生长成非常大的金刚石晶粒,生长成比粉末混合物中初始金刚石晶粒的尺寸大很多倍的尺寸。因此,烧结的材料是不均匀的,因为PCD结构被大的异常晶粒生长的区域中断。晶粒尺寸的这种差异和均匀多晶结构的缺乏劣化了烧结的PCD材料的性能和材料特性。难以实现具有非常细的金刚石颗粒混合物(例如0.5微米或更小的平均颗粒尺寸)的均匀多晶结构。在这种尺寸下或小于这种尺寸,在HPHT烧结后异常晶粒生长是常见的。
因此,已知向金刚石颗粒混合物提供晶粒生长抑制剂以在HPHT烧结期间限制大的异常金刚石晶体的生长。在HPHT烧结期间,晶粒生长抑制剂占据金刚石颗粒之间的边界处的空间并且防止颗粒在一起生长成更大的晶粒尺寸。可在烧结前使晶粒生长抑制剂与金刚石颗粒物理掺混,或通过物理气相沉积(PVD)或化学气相沉积(CVD)来沉积。
然而,在具有超细金刚石晶粒的PCD中继续观察到异常晶粒生长,特别是沿着PCD与基材之间的边界。因此,仍然需要具有减少的异常晶粒生长的超细烧结PCD复合片和用于制造其的方法。
发明内容
本公开涉及用于切削工具和岩石钻具的多晶金刚石复合片,并且更特别地涉及具有晶粒生长抑制剂层和减少的异常晶粒生长的非常细的多晶金刚石复合片。在一个实施方案中,提供了制造具有均匀的烧结晶粒尺寸的超细PCD材料的方法。所述方法包括提供超细金刚石颗粒的混合物,并且在一个实施方案中金刚石颗粒尺寸小于1微米,例如尺寸小于0.5微米。所述方法还包括在金刚石颗粒混合物上方以松散的粉末形式均匀分布晶粒生长抑制剂层。所述晶粒生长抑制剂可为含钛的颗粒例如TiCN、TiN和/或TiC,并且晶粒生长抑制剂的颗粒尺寸为约500纳米或者更小,例如尺寸为100纳米或更小。所述方法还包括在晶粒生长抑制剂粉末层上方放置基材,然后HPHT烧结这三种组分以制备与基材接合的具有均匀金刚石晶体晶粒尺寸的烧结PCD结构。
在一个实施方案中,制造多晶金刚石材料的方法包括邻近于金刚石颗粒的混合物放置纳米尺寸的晶粒生长抑制剂颗粒的粉末层。金刚石颗粒的混合物具有约1微米或更小的平均颗粒尺寸。所述方法还包括邻近于粉末层放置基材,并且在高压和高温下烧结金刚石颗粒的混合物和晶粒生长抑制剂颗粒的粉末层以产生多晶结构的烧结的金刚石晶粒。烧结的金刚石晶粒具有约1微米或更小的平均尺寸。
在一个实施方案中,多晶金刚石复合片包括具有一种材料显微组织的多晶金刚石本体,所述材料显微组织具有多个接合在一起的金刚石晶粒以及金刚石晶粒之间的间隙区域。所述复合片还包括具有碳化钨和催化剂金属的基材,和多晶金刚石本体与基材之间的晶粒生长抑制剂层。晶粒生长抑制剂层包括散布于钨和催化剂金属之间的多个含钛的颗粒。含钛的颗粒尺寸小于800纳米。晶粒生长抑制剂层在相对侧与基材和多晶金刚石本体接合,并且厚度为约20-100微米。烧结的金刚石晶粒具有约1微米或更小的平均尺寸。
附图说明
图1是显示根据本公开的一个实施方案制造具有均匀的烧结晶粒尺寸的超细PCD材料的方法的流程图。
图2显示了具有异常晶粒生长的烧结PCD材料放大的横截面视图。
图3A-3D显示了根据本公开的一个实施方案具有均匀的烧结晶粒尺寸的烧结PCD复合片放大的横截面视图(具有增大的放大倍数)。
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