[發明專利]在金剛石與基材之間具有晶粒生長抑制劑層的細的多晶金剛石復合片

有效

• 申請號: 201280048502.0
• 申請日: 2012-08-23
• 公開（公告）號: CN103842067A
• 公開（公告）日: 2014-06-04
• 發明（設計）人: 鮑亞華;S·L·赫曼
• 申請（專利權）人: 六號元素有限公司
• 主分類號: B01J3/06
• 分類號: B01J3/06;C30B29/04;C01B31/06;B24D3/10;B23B27/20;B23B7/02;E21B10/46;E21B10/567;E21B10/573
• 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

本發明涉及用于切削工具的多晶金剛石復合片（compact），并且更特別地涉及具有晶粒生長抑制劑層和減少的異常晶粒生長的非常細的多晶金剛石復合片。

背景技術

燒結的多晶金剛石材料以其良好的耐磨性和機械強度而出名，并且經常用于切削工具和巖石鉆具中。為了形成多晶金剛石（PCD），在高壓和高溫下燒結（HPHT燒結）金剛石顆粒以制備超硬的多晶金剛石結構。可在燒結前向金剛石顆粒混合物添加催化劑材料例如鈷或另一種金屬和/或其可在燒結期間滲入金剛石顆粒混合物以促進在HPHT燒結期間金剛石晶體的共生。所得的PCD結構包括彼此接合的互連金剛石晶體或晶粒的網絡，催化劑材料占據接合的金剛石晶體之間的空間或空隙。可在基材存在下HPHT燒結金剛石顆粒混合物以形成與基材接合的PCD復合片。

超細PCD，例如具有尺寸為約1微米或更小的燒結金剛石晶粒的PCD，以其優異的機械性質和性能而出名。然而，由于金剛石顆粒的小尺寸，超細的燒結PCD難以產生。非常小的金剛石顆粒具有大的表面積與體積的比率，并且在燒結期間該大的表面積與體積的比率可引起金剛石晶體的異常晶粒生長。特別地，在HPHT燒結期間，非常細的金剛石顆粒可互連并且生長成非常大的金剛石晶粒，生長成比粉末混合物中初始金剛石晶粒的尺寸大很多倍的尺寸。因此，燒結的材料是不均勻的，因為PCD結構被大的異常晶粒生長的區域中斷。晶粒尺寸的這種差異和均勻多晶結構的缺乏劣化了燒結的PCD材料的性能和材料特性。難以實現具有非常細的金剛石顆粒混合物（例如0.5微米或更小的平均顆粒尺寸）的均勻多晶結構。在這種尺寸下或小于這種尺寸，在HPHT燒結后異常晶粒生長是常見的。

因此，已知向金剛石顆粒混合物提供晶粒生長抑制劑以在HPHT燒結期間限制大的異常金剛石晶體的生長。在HPHT燒結期間，晶粒生長抑制劑占據金剛石顆粒之間的邊界處的空間并且防止顆粒在一起生長成更大的晶粒尺寸。可在燒結前使晶粒生長抑制劑與金剛石顆粒物理摻混，或通過物理氣相沉積（PVD）或化學氣相沉積（CVD）來沉積。

然而，在具有超細金剛石晶粒的PCD中繼續觀察到異常晶粒生長，特別是沿著PCD與基材之間的邊界。因此，仍然需要具有減少的異常晶粒生長的超細燒結PCD復合片和用于制造其的方法。

發明內容

本公開涉及用于切削工具和巖石鉆具的多晶金剛石復合片，并且更特別地涉及具有晶粒生長抑制劑層和減少的異常晶粒生長的非常細的多晶金剛石復合片。在一個實施方案中，提供了制造具有均勻的燒結晶粒尺寸的超細PCD材料的方法。所述方法包括提供超細金剛石顆粒的混合物，并且在一個實施方案中金剛石顆粒尺寸小于1微米，例如尺寸小于0.5微米。所述方法還包括在金剛石顆粒混合物上方以松散的粉末形式均勻分布晶粒生長抑制劑層。所述晶粒生長抑制劑可為含鈦的顆粒例如TiCN、TiN和/或TiC，并且晶粒生長抑制劑的顆粒尺寸為約500納米或者更小，例如尺寸為100納米或更小。所述方法還包括在晶粒生長抑制劑粉末層上方放置基材，然后HPHT燒結這三種組分以制備與基材接合的具有均勻金剛石晶體晶粒尺寸的燒結PCD結構。

在一個實施方案中，制造多晶金剛石材料的方法包括鄰近于金剛石顆粒的混合物放置納米尺寸的晶粒生長抑制劑顆粒的粉末層。金剛石顆粒的混合物具有約1微米或更小的平均顆粒尺寸。所述方法還包括鄰近于粉末層放置基材，并且在高壓和高溫下燒結金剛石顆粒的混合物和晶粒生長抑制劑顆粒的粉末層以產生多晶結構的燒結的金剛石晶粒。燒結的金剛石晶粒具有約1微米或更小的平均尺寸。

在一個實施方案中，多晶金剛石復合片包括具有一種材料顯微組織的多晶金剛石本體，所述材料顯微組織具有多個接合在一起的金剛石晶粒以及金剛石晶粒之間的間隙區域。所述復合片還包括具有碳化鎢和催化劑金屬的基材，和多晶金剛石本體與基材之間的晶粒生長抑制劑層。晶粒生長抑制劑層包括散布于鎢和催化劑金屬之間的多個含鈦的顆粒。含鈦的顆粒尺寸小于800納米。晶粒生長抑制劑層在相對側與基材和多晶金剛石本體接合，并且厚度為約20-100微米。燒結的金剛石晶粒具有約1微米或更小的平均尺寸。

附圖說明

圖1是顯示根據本公開的一個實施方案制造具有均勻的燒結晶粒尺寸的超細PCD材料的方法的流程圖。

圖2顯示了具有異常晶粒生長的燒結PCD材料放大的橫截面視圖。

圖3A-3D顯示了根據本公開的一個實施方案具有均勻的燒結晶粒尺寸的燒結PCD復合片放大的橫截面視圖（具有增大的放大倍數）。