[发明专利]具有工程化孔隙率的多晶金刚石切削元件和用于制造这种切削元件的方法

说明书

技术领域

切削元件，例如用于牙轮钻头中的横切机型(shear cutter type)切削元件或其他切削工具，通常具有主体(即基片)和超硬材料。超硬材料形成切削元件的切割表面，且基片通常将超硬材料附着到切削工具上。基片通常由碳化钨-钴(有时简称为“烧结碳化钨”、“碳化钨”或“碳化物”)制成。超硬材料层为多晶超硬材料，例如多晶金刚石(“PCD”)、多晶立方氮化硼(“PCBN”)或热稳定产品(“TSP”)如热稳定多晶金刚石。超硬材料提供了高于金属基片的高量级的耐磨性和/或抗磨损性。 

背景技术

PCD通过已知的工艺形成，工艺中金刚石晶体与催化剂材料在高压和高温下相混合并进行烧结。催化剂材料在烧结前可混入金刚石粉末中和/或可在烧结过程中从相邻的基片渗入金刚石粉末中。高温高压烧结工艺(“HPHT烧结”)形成了具有晶间结合金刚石晶体网格的多晶金刚石结构，在结合金刚石晶体之间的空位或间隙中保留有催化剂材料。 

催化剂材料促进并提高了金刚石晶体的晶间结合。催化剂材料通常是来自元素周期表VIII组中的溶剂催化剂金属如钴、铁或镍。然而，因为催化剂通常比PCD材料具有更高的热膨胀系数，例如，当通过使用期间的摩擦加热来加热PCD材料时，烧结PCD材料中存在的催化剂材料给PCD材料引入了热应力。因而，烧结PCD经受热应力，这限制了切削元件的使用寿命。 

为了解决这一问题，催化剂例如通过浸出(leaching)基本上从PCD材料中去除，以形成TSP。例如，一种已知的方法是通过使烧结PCD结构经受浸出工艺而从烧结PCD的至少一部分中去除催化剂材料的主要部分，这会形成基本上没有催化剂材料的TSP材料部分。如果在HPHT烧结期间使用了基片，则通常在浸出之前将其去除。 

在形成TSP材料后，为了形成切削元件可将其结合到新基片上。在该所谓的“再结合工艺”的过程中，TSP材料和基片经受热和压力。一种浸渗剂材料(例如来自基片的钴)渗透到TSP材料中，移入先前由催化剂材料占据的结合晶体之间的孔(即空位或间隙空间)(此处共同地或个别地称为“孔”)中。该浸渗剂材料从基片渗入TSP层形成了TSP层和基片之间的结合。再结合的TSP层可部分地再浸出以改善例如TSP层工作表面处的热稳定性。 

现有的TSP切削元件已知会因为浸渗剂材料在再结合工艺的过程中不能充分渗透到TSP层中，导致再结合TSP层中有残余孔隙而过早失效。如上所述的，当PCD材料浸出形成TSP时，PCD层中的催化剂材料从金刚石晶体之间的孔中去除。如果这些孔在再结合工艺中仅部分渗透或并非适当地渗透，则空的孔会弱化结合并形成结构裂纹。该部分渗透使TSP刀具在精加工如抛光和研磨期间易于开裂。部分渗透也使再浸出更加困难并弱化了TSP层和基片之间的结合。因此，正需要一种形成TSP材料的方法，该方法有助于再结合期间的渗透并改善材料的热性能和使用寿命。 

发明内容

在示例性实施方式中，提供了一种通过增加TSP材料与基片界面附近处TSP材料的孔隙率来促进浸渗剂材料在TSP材料再结合到基片上的期间渗透到TSP材料中的方法。在一实施方式中，该方法包括：在HPHT烧结前将填充材料或添加剂与金刚石粉末混合物相混合，然后HPHT烧结金刚石粉末和填充材料混合物以形成多晶金刚石(PCD)。填充材料占据烧结PCD 层中的空间，保留在结合金刚石晶体之间。在HPHT烧结后，例如通过浸出去除该填充材料，以在结合金刚石晶体之间形成具有孔的热稳定产品(TSP)。对金刚石粉末中填充材料的数量和分布进行控制以在TSP层的至少一部分中获得更大的孔隙率，这使得浸渗剂材料在再结合期间更完全地渗透。结果是具有更完全渗透的再结合TSP切削元件，与通过现有方法形成的TSP相比，导致在TSP层与基片之间有更好的结合和更长的使用寿命。 

在一实施方式中，形成再渗透热稳定多晶金刚石切削元件的方法包括混合金刚石颗粒和填充材料以形成金刚石粉末混合物。金刚石粉末混合物包括具有至少4wt％填充材料的第一部分和具有比第一部分较少填充材料的第二部分。第一部分至少是金刚石粉末混合物体积的25％。该方法也包括在高温高压下烧结金刚石粉末混合物以形成多晶金刚石材料，从多晶金刚石材料中去除填充材料以形成在第一部分中具有增高的孔隙率的热稳定多晶金刚石材料，并将热稳定材料结合到基片上。结合包括用来自基片的浸渗剂材料渗透第一部分。在一示例性实施方式中，第二部分包括凹区，并且第一部分包括容纳在凹区中的突起。