[發明專利]超硬結構體、工具元件及其制作方法

有效

• 申請號: 201280025535.3
• 申請日: 2012-05-25
• 公開（公告）號: CN103561911A
• 公開（公告）日: 2014-02-05
• 發明（設計）人: S·安德辛;B·H·里斯;F·F·拉克曼;L-I·尼爾松
• 申請（專利權）人: 六號元素有限公司;六號元素有限責任公司
• 主分類號: B24D3/06
• 分類號: B24D3/06;C04B41/00;C22C26/00;E21B10/46
• 代理公司: 中國國際貿易促進委員會專利商標事務所 11038
• 代理人: 李躍龍

技術領域

本發明總體涉及超硬結構體、包括超硬結構體的工具元件及其制造方法。

背景技術

多晶金剛石（PCD）材料和多晶立方氮化硼（PCBN）材料是超硬材料的示例。PCBN材料包括嵌在基體中的立方氮化硼（cBN）材料的晶粒，所述基體可以包括金屬和或陶瓷材料。PCD材料包括金剛石晶粒，其大多數彼此直接結合。超硬構造可以包括PCD或PCBN結構體，所述PCD或PCBN結構體與各燒結碳化物基材一體地形成。一些超硬構造在被處理以形成工具的元件時可能易于變得二維扭曲。

美國專利號6517902公開了一種熱處理形式，其用于預形成具有結合至具有鈷粘合劑的燒結碳化鎢基材的多晶金剛石的表面臺的元件。該基材包括具有至少30體積％的密排六方晶體結構的鈷粘合劑的界面區。

發明內容

提供了一種用于制造處理過的超硬結構體的方法，所述方法包括：提供超硬結構體，所述超硬結構體包括選自多晶立方氮化硼（PCBN）材料或者多晶金剛石（PCD）材料的超硬材料；使所述超硬結構體在大于700攝氏度的處理溫度下在超硬材料熱力學不穩定的處理壓力下（例如在該壓力下其為亞穩的）經受熱處理持續至少約5分鐘的處理時段（時間），以制造所述處理過的超硬結構體。

本公開還設想了所述方法的不同組合和變體，其中以下是非限制性的和非窮盡性的示例。

在示例性方法中，超硬結構體可以在升高的壓力、在環境壓力或在低壓或基本真空下進行熱處理。處理壓力可以是至多約2GPa或至多約1GPa，或者處理壓力可以是至多環境壓力（大氣壓），或壓力可以是低于大氣壓（例如，基本上真空）。

所述方法可包括在超硬材料熱力學穩定的超高壓力和高溫度下燒結超硬材料的多個晶粒以提供超硬結構體，其中超硬材料的晶粒選自包括金剛石或cBN材料的晶粒。

所述方法可以包括：提供基材，所述基材包括燒結碳化物材料，組合含有選自金剛石或cBN的材料的多個超硬晶粒，以形成超硬晶粒的聚集物；將超硬晶粒的聚集物設置在基材表面的鄰近處以提供預燒結的壓塊；使所述預燒結壓塊經受超硬結構體的材料熱力學穩定的超高壓力和高溫度，并制造包括形成為接合到基材的超硬結構體的超硬構造。在某些實施例中，然后可以使超硬構造經受至少約700攝氏度的溫度至少約5分鐘；隨后切割，以制造用于工具的元件。

所述方法可以包括在將溫度保持高于約700攝氏度一段時間（例如至少約5分鐘）的同時使壓力從所述超高壓力減小。所述方法可以包括使壓力從超高壓力減小到超硬材料熱力學不穩定的處理壓力，使溫度降低至高于約700攝氏度的處理溫度持續至少約5分鐘的處理時期以提供處理過的超硬結構體。所述方法可以包括在將溫度保持在從約700攝氏度至約1100攝氏度的范圍中的同時使壓力從所述超高壓力減小到低于約1GPa。所述方法可包括使壓力從超高壓力降低到環境壓力，將超硬結構體冷卻至小于約700攝氏度的溫度，然后在至少約700攝氏度的溫度下處理超硬結構體持續處理時間段。

在一些實施例中，超硬晶粒可以包括金剛石或cBN，超高壓力可以是至少約5GPa，高溫可以是至少約1200攝氏度，且壓力可以降低至低于約1GPa或基本上降低至環境壓力，同時將溫度保持在從約700攝氏度到約1100攝氏度的范圍內。壓力可以迅速降低。示例性方法可以包括以最多約2攝氏度每分鐘或最多約1攝氏度每分鐘的平均冷卻速度將超硬構造的溫度降低至低于約200攝氏度的溫度。示例性方法可包括將壓力從超高壓力降低至環境壓力，并將超硬結構體冷卻至小于約700攝氏度的溫度，然后在至少約700攝氏度的溫度下加熱超硬結構體持續處理時間段。

所述方法可以包括將結合材料引入到聚集物中，所述結合材料能夠使所述超硬晶粒彼此直接結合在一起或通過起到超硬顆粒分散在其中的基體的作用而將所述超硬顆粒結合在一起。所述結合材料可以包括用于超硬材料的催化劑材料和/或能與超硬材料反應的材料。所述超高壓力可以是至少約5GPa，所述高溫度為至少約1200攝氏度。

在一些實施例中，超硬結構體可以包括PCBN材料，所述PCBN材料包括cBN晶粒或基本上由cBN晶粒組成，所述cBN晶粒分散在基體中，所述基體包括包含Ti的材料和包含Al的材料，cBN晶粒的含量是PCBN結構的至少約35體積%，或者是至少約50體積%，且最多約75體積%或最多90體積%。在實施例的一個變體中，除了不可避免的少量的其他物質和雜質，基體可以由包括Ti的材料和包括Al的材料組成（即基本上由包括Ti的材料和包括Al的材料組成）。在該特定的變體中，基體可以基本上由碳化鈦和/或碳氮化鈦和鋁的硼化物和/或鋁的氮化物組成。