[发明专利]超硬金刚石复合物

说明书

发明背景

本发明涉及具有改善的热稳定性的金刚石超硬复合材料。

超硬金刚石复合材料(典型地为磨料复合片形式)广泛地用于切 削、铣磨、研磨、钻孔和其它磨削操作，并且还可以用作轴承表面等。 它们通常含有分散在第二相基质或粘合剂相中的金刚石相(典型地为 金刚石颗粒)。所述基质可以是金属或陶瓷或金属陶瓷。这些颗粒在 通常所用的高压和高温复合片制造过程期间彼此结合，从而形成多晶 金刚石(PCD)。

多晶金刚石(PCD)由于其高的抗磨损性和强度而得到广泛使用。特 别地，其可以用于供地下钻孔使用的钻头中所包括的剪切元件。

通常使用的含有PCD复合磨料复合片(compact)的刀具是包含结 合到基材的PCD层的刀具。这些层中的金刚石颗粒的含量典型地高并 且通常存在大量的直接金刚石与金刚石结合或接触。通常在提高的温 度和压力条件下烧结金刚石复合片，在所述条件下金刚石颗粒是晶体 学或热力学稳定的。

可在美国专利No.3,745,623；3,767,371和3,743,489的描述中 找到复合磨料复合片的例子。

除金刚石颗粒外，这种磨料复合片的PCD层还会典型地含有催化 剂/溶剂或粘合剂相。这典型地为金属粘合剂基质形式，所述基质与细 粒金刚石材料的交互生长(intergrown)网络混合。该基质通常包含 对碳表现出催化或溶剂化活性的金属例如钴、镍、铁或包含一种或多 种这样的金属的合金。

通常通过在胶结碳化物基材上形成金刚石颗粒和溶剂/催化剂、烧 结或粘合剂辅助材料的未结合组合体(assembly)来制备PCD复合磨料 复合片。然后将这种未结合的组合体置于反应包壳(capsule)中，之后 将该包壳置于常规高压/高温设备的反应区中。而后使反应包壳的内含 物经受提高的温度和压力的适宜条件以能够发生整体结构的烧结。

普通做法至少部分地依赖于由作为烧结多晶金刚石所用金属粘合 剂材料源的胶结碳化物产生的粘合剂。然而，在许多情形中，在烧结 前将另外的金属粘合剂粉末与金刚石粉末混合。然后，这种粘合剂相 金属起到用于促进在施加的烧结条件下烧结金刚石部分的液相介质的 作用。

用于形成PCD材料的优选溶剂/催化剂或粘合剂体系的特征在于 金刚石与金刚石的结合(其包括VIIIA族元素例如Co、Ni、Fe和另外 例如Mn的金属)很大程度上是由这些元素在熔融时的高碳溶解性引起 的。这允许一些金刚石材料溶解并且再次以金刚石再析出，因而形成 晶间金刚石结合并同时处于金刚石热力学稳定状态(在高温和高压 下)。这种晶间金刚石与金刚石结合因所产生的PCD材料的高强度和 抗磨损性从而是希望的。

使用这样的溶剂/催化剂的令人遗憾的结果是文献中称作热劣化 的过程。在存在这样的溶剂/催化剂材料的情况下，当在刀具应用或刀 具形成条件下使金刚石复合材料经受典型大于700℃的温度时发生这 种热劣化。该温度通常可严重限制金刚石复合材料的应用，特别是限 制PCD材料在诸如岩石钻孔或材料机加工领域中的应用。

假定通过两种机制发生PCD材料的热劣化：

·第一种归因于金属性溶剂/催化剂粘合剂和交互生长金刚石的热 膨胀系数差异。在提高的温度下，不同膨胀可导致交互生长金刚石的 微开裂。其甚至在超过400℃的温度下可变为特别的顾虑因素。

·第二种归因于金属性溶剂/催化剂在碳体系中的固有催化活性。 金属性粘合剂在被加热到高于约700℃时开始使金刚石转变为非金刚 石碳。这种效应即使在粘合剂仍处于固态时也明显发生。在低压力下， 即在石墨稳定状态中，这导致非金刚石碳、特别是石墨碳的形成，其 形成将最终导致力学性能的整体劣化，从而导致破坏性力学失效。该 第二种机制更为一般地适用于包含溶剂/催化剂材料的金刚石复合材 料，即使这时在这样的材料中不存在显著的金刚石交互生长。

解决这种热劣化问题的最早方法之一公开于US 4,224,380中并且 再次公开于US 6,544,308中，该方法包括通过用酸浸沥或电化学方法 除去溶剂/催化剂，这产生显示出热稳定性改善的多孔PCD材料。然而， 这种产生的多孔性导致PCD材料的力学性能的劣化。此外，浸沥处理 不能够完全除去被晶间金刚石结合完全包围的隔离溶剂/催化剂池。因 此，认为浸沥方法导致性能的损害。