[发明专利]多晶超硬构造及其制造方法

说明书

技术领域

本发明涉及包含多晶金刚石(PCD)材料主体的多晶超硬构造和制造热稳定的多晶金刚石构造的方法。

背景技术

用于机械加工的刀具插入件和其他工具可以包含粘结到烧结碳化物基底的多晶金刚石(PCD)层。PCD是超硬材料的示例，也被称为超研磨材料。

包含PCD的部件可用于各种切削、机加工、钻孔或敲碎硬质或研磨材料如岩石、金属、陶瓷、复合材料和含木材料的工具中。PCD包含大量基本上共生的金刚石颗粒，所述金刚石颗粒形成限定金刚石颗粒间的间隙的骨骼体(skeletal mass)。PCD材料典型地包含占其体积至少约80％的金刚石并且可以通过使金刚石颗粒的聚集体在烧结助剂的存在下经受大于约5GPa，典型地约5.5GPa的超高压力和至少约1200℃，典型地约1440℃的温度来制造，所述烧结助剂也被称为用于金刚石的催化剂材料。用于金刚石的催化剂材料可以理解为是在金刚石在热力学上比石墨更稳定的压力和温度条件下能够促进金刚石颗粒的直接共生的材料。

用于金刚石的催化剂材料典型地包括任何VIII族元素并且常见示例是钴、铁、镍和包括任何这些元素的合金的某些合金。PCD可以在钴-烧结碳化钨基底上形成，该基底可以为PCD提供钴催化剂材料的来源。

在PCD材料主体烧结期间，烧结-碳化物基底的组分如在钴-烧结碳化钨基底的情况下的钴液化并从邻近大量金刚石颗粒的区域快速移动(sweep)到金刚石颗粒间的间隙区域中。在该示例中，钴充当催化剂来促进粘结金刚石颗粒的形成。可选择地，金属-溶剂催化剂可以在金刚石颗粒和基底经受HPHT过程之前与金刚石颗粒混合。在PCD材料内的间隙可以至少部分地充满催化剂材料。共生的金刚石结构因此包含原始金刚石颗粒和新沉淀的或重新生长的金刚石相，该金刚石相结合(bridge)原始颗粒。在最终的烧结结构中，催化剂/溶剂材料通常会残留在存在于烧结金刚石颗粒之间的至少一些间隙中。

已知的与这种传统PCD坯块共存的问题是当在切削和/或磨损程序期间被暴露在高温下时，它们易遭受热降解。有人认为这是由于，至少部分由于在显微结构的间隙中存在残留溶剂/催化剂材料，这由于在间隙溶剂金属催化剂材料的热膨胀特性和晶间粘结金刚石的热膨胀特性之间存在的差异而在高温下对PCD坯块的性能有不利影响。已知这种不同的热膨胀在约400℃的温度下会发生，并且被认为在金刚石与金刚石粘结中会引起断裂的发生，并且最终导致在PCD结构中形成裂缝和碎片。PCD台中的碎裂或破裂在钻孔或切削操作中可能降低切削元件的机械性能或导致切削元件的失效，从而致使PCD结构不适合进一步使用。

已知的与传统PCD材料共存的热降解的另一种形式是也被认为与间隙区域中的溶剂金属催化剂的存在和溶剂金属催化剂对金刚石晶体的粘附有关的一种形式。具体地，在高温下，金刚石颗粒可以与溶剂/催化剂进行化学分解或逆向转化(back-conversion)。在极高温度下，溶剂金属催化剂被认为在金刚石中引起了不期望的催化相位变换以致部分金刚石颗粒可以转化为一氧化碳、二氧化碳、石墨或其组合，从而降低PCD材料的机械性能并将PCD材料的实际应用限制到约750℃。

尝试在常规PCD材料中解决这种不期望的热降解形式在本领域中是已知的。通常，这些尝试都集中在与传统PCD材料相比具有改进的热稳定性的PCD主体的形成上。一种生产具有改进的热稳定性的PCD主体的已知技术包括，在形成PCD主体后例如使用化学浸出移除全部或部分的溶剂催化剂材料。从金刚石晶格结构移除催化剂/粘合剂使得多晶金刚石层更耐热。

由于切削元件典型操作的不利环境，期望具有改进的耐磨性、强度和断裂韧性的切削层的切削元件。然而，当PCD材料制造地更耐磨时，例如通过从金刚石基质中的间隙移除残余催化剂材料，PCD材料典型地变得更加易碎且容易破裂并且因此易于损害或减小抗破裂性。

因此需要克服或基本上改善上述问题以提供具有增强的抗破裂和剥落的PCD材料。

发明内容

从第一方面看，本发明提供了包含多晶金刚石(PCD)材料主体和在形成多晶金刚石材料的相互粘结的金刚石颗粒之间的多个间隙区域的多晶超硬构造；该PCD材料主体包括：

沿主体的外侧部分定位的工作表面；

基本上不含溶剂/催化材料的第一区域；以及

远离工作表面的第二区域，其在多个间隙区域中包含溶剂/催化材料；

其中，第一区域从工作表面延伸进入多晶金刚石材料主体中至少约400μm的深度。

从第二方面看，本发明提供了用于制造热稳定的多晶金刚石构造的方法，其包含下列步骤：