[發(fā)明專利]具有工程化孔隙率的多晶金剛石切削元件和用于制造這種切削元件的方法

有效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201410347593.9
• 申請(qǐng)日: 2010-06-18
• 公開（公告）號(hào): CN104209517B
• 公開（公告）日: 2017-01-04
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 范國江;于峰;方毅;J·丹尼爾·貝爾納普;彼得·T·卡里維奧
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 史密斯國際有限公司
• 主分類號(hào): B22F3/11
• 分類號(hào): B22F3/11;B22F7/08;C22C26/00;E21B10/46;E21B10/50
• 代理公司: 北京德崇智捷知識(shí)產(chǎn)權(quán)代理有限公司11467
• 代理人: 王金雙

技術(shù)領(lǐng)域

切削元件，例如用于牙輪鉆頭中的橫切機(jī)型(shear?cutter?type)切削元件或其他切削工具，通常具有主體(即基片)和超硬材料。超硬材料形成切削元件的切割表面，且基片通常將超硬材料附著到切削工具上。基片通常由碳化鎢-鈷(有時(shí)簡稱為“燒結(jié)碳化鎢”、“碳化鎢”或“碳化物”)制成。超硬材料層為多晶超硬材料，例如多晶金剛石(“PCD”)、多晶立方氮化硼(“PCBN”)或熱穩(wěn)定產(chǎn)品(“TSP”)如熱穩(wěn)定多晶金剛石。超硬材料提供了高于金屬基片的高量級(jí)的耐磨性和/或抗磨損性。?

背景技術(shù)

PCD通過已知的工藝形成，工藝中金剛石晶體與催化劑材料在高壓和高溫下相混合并進(jìn)行燒結(jié)。催化劑材料在燒結(jié)前可混入金剛石粉末中和/或可在燒結(jié)過程中從相鄰的基片滲入金剛石粉末中。高溫高壓燒結(jié)工藝(“HPHT燒結(jié)”)形成了具有晶間結(jié)合金剛石晶體網(wǎng)格的多晶金剛石結(jié)構(gòu)，在結(jié)合金剛石晶體之間的空位或間隙中保留有催化劑材料。?

催化劑材料促進(jìn)并提高了金剛石晶體的晶間結(jié)合。催化劑材料通常是來自元素周期表VIII組中的溶劑催化劑金屬如鈷、鐵或鎳。然而，因?yàn)榇呋瘎┩ǔ１萈CD材料具有更高的熱膨脹系數(shù)，例如，當(dāng)通過使用期間的摩擦加熱來加熱PCD材料時(shí)，燒結(jié)PCD材料中存在的催化劑材料給PCD材料引入了熱應(yīng)力。因而，燒結(jié)PCD經(jīng)受熱應(yīng)力，這限制了切削元件的使用壽命。?

為了解決這一問題，催化劑例如通過浸出(leaching)基本上從PCD材料中去除，以形成TSP。例如，一種已知的方法是通過使燒結(jié)PCD結(jié)構(gòu)經(jīng)受浸出工藝而從燒結(jié)PCD的至少一部分中去除催化劑材料的主要部分，這會(huì)形成基本上沒有催化劑材料的TSP材料部分。如果在HPHT燒結(jié)期間使用了基片，則通常在浸出之前將其去除。?

在形成TSP材料后，為了形成切削元件可將其結(jié)合到新基片上。在該所謂的“再結(jié)合工藝”的過程中，TSP材料和基片經(jīng)受熱和壓力。一種浸滲劑材料(例如來自基片的鈷)滲透到TSP材料中，移入先前由催化劑材料占據(jù)的結(jié)合晶體之間的孔(即空位或間隙空間)(此處共同地或個(gè)別地稱為“孔”)中。該浸滲劑材料從基片滲入TSP層形成了TSP層和基片之間的結(jié)合。再結(jié)合的TSP層可部分地再浸出以改善例如TSP層工作表面處的熱穩(wěn)定性。?

現(xiàn)有的TSP切削元件已知會(huì)因?yàn)榻B劑材料在再結(jié)合工藝的過程中不能充分滲透到TSP層中，導(dǎo)致再結(jié)合TSP層中有殘余孔隙而過早失效。如上所述的，當(dāng)PCD材料浸出形成TSP時(shí)，PCD層中的催化劑材料從金剛石晶體之間的孔中去除。如果這些孔在再結(jié)合工藝中僅部分滲透或并非適當(dāng)?shù)貪B透，則空的孔會(huì)弱化結(jié)合并形成結(jié)構(gòu)裂紋。該部分滲透使TSP刀具在精加工如拋光和研磨期間易于開裂。部分滲透也使再浸出更加困難并弱化了TSP層和基片之間的結(jié)合。因此，正需要一種形成TSP材料的方法，該方法有助于再結(jié)合期間的滲透并改善材料的熱性能和使用壽命。?

發(fā)明內(nèi)容

在示例性實(shí)施方式中，提供了一種通過增加TSP材料與基片界面附近處TSP材料的孔隙率來促進(jìn)浸滲劑材料在TSP材料再結(jié)合到基片上的期間滲透到TSP材料中的方法。在一實(shí)施方式中，該方法包括：在HPHT燒結(jié)前將填充材料或添加劑與金剛石粉末混合物相混合，然后HPHT燒結(jié)金剛石粉末和填充材料混合物以形成多晶金剛石(PCD)。填充材料占據(jù)燒結(jié)PCD?層中的空間，保留在結(jié)合金剛石晶體之間。在HPHT燒結(jié)后，例如通過浸出去除該填充材料，以在結(jié)合金剛石晶體之間形成具有孔的熱穩(wěn)定產(chǎn)品(TSP)。對(duì)金剛石粉末中填充材料的數(shù)量和分布進(jìn)行控制以在TSP層的至少一部分中獲得更大的孔隙率，這使得浸滲劑材料在再結(jié)合期間更完全地滲透。結(jié)果是具有更完全滲透的再結(jié)合TSP切削元件，與通過現(xiàn)有方法形成的TSP相比，導(dǎo)致在TSP層與基片之間有更好的結(jié)合和更長的使用壽命。?

在一實(shí)施方式中，形成再滲透熱穩(wěn)定多晶金剛石切削元件的方法包括混合金剛石顆粒和填充材料以形成金剛石粉末混合物。金剛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較少填充材料的第二部分。第一部分至少是金剛石粉末混合物體積的25％。該方法也包括在高溫高壓下燒結(jié)金剛石粉末混合物以形成多晶金剛石材料，從多晶金剛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熱穩(wěn)定多晶金剛石材料，并將熱穩(wěn)定材料結(jié)合到基片上。結(jié)合包括用來自基片的浸滲劑材料滲透第一部分。在一示例性實(shí)施方式中，第二部分包括凹區(qū)，并且第一部分包括容納在凹區(qū)中的突起。?