[发明专利]多晶金刚石

说明书

本发明提供一种PCD主体，其包括相互结合的金刚石颗粒的骨架体，所述金刚石颗粒之间限定有间隙。至少一些间隙含有包括用于金刚石的金属催化剂材料的填充材料，所述填充材料包括Ti、W及选自由V、Y、Nb、Hf、Mo、Ta、ZrCr、Zr和稀土元素组成的组的附加元素M。在填充材料中Ti的含量为至少0.1wt%且至多20wt%。在填充材料中M的含量为填充材料的至少0.1wt%且至多20wt%，并且在填充材料中W的含量为填充材料的至少5wt%且至多50wt%。

技术领域

本发明涉及多晶金刚石（PCD）主体和特别地但不唯一地用于钻入地中或破裂岩石的包括PCD主体的工具或工具元件。

背景技术

含有多晶金刚石（PCD）的工具元件广泛用于各种工具中进行切削、机加工、钻削或破裂硬质或研磨性材料如岩石、金属、陶瓷、复合体和含木材料。PCD含有大量基本上共生的金刚石颗粒并形成骨架体，其限定金刚石颗粒之间的间隙。PCD材料含有至少约80vol(体积)%的金刚石，并且可通过在烧结助剂，也称为金刚石催化剂材料存在的情况下，使金刚石颗粒聚集体经受高于约5Gpa的超高压力和至少约1200°C的温度而制备。金刚石催化剂材料可理解为在金刚石比石墨更加热力学稳定的压力和温度条件下能促进金刚石颗粒直接共生的材料。一些金刚石催化剂材料可在环境压力，特别是在升高的温度下促进金刚石向石墨的转化。金刚石催化剂材料的实例为钴、铁、镍和包括这些中任意几种的特定合金。PCD可以在烧结钴碳化钨基材上形成，该基材可提供PCD的钴催化剂材料的来源。PCD材料中的间隙可以至少部分用催化剂材料进行填充。含有作为填充材料的特定金刚石催化剂材料的PCD的缺点可能是在升高温度下其耐磨性下降。

美国专利No.6,651,757公开了一种嵌件，其包括具有接触部分的暴露的表面，所述接触部分包括PCD材料。在优选的实施方案中，被称为“第二相”材料的附加材料被加入金刚石晶体中，从而降低晶体间的结合。第二相材料可以是金属如W、V或Ti。

美国专利No.7,553,350公开了一种高强度和高耐磨的烧结金刚石物体，其包括具有至多2微米的平均颗粒尺寸的烧结金刚石颗粒和作为剩余部分的粘结剂相。粘结剂相含有含量为至少0.5%质量且小于50%质量的至少一种选自由钛、锆、铪、钒、铌、钽、铬和钼组成的组的元素，并含有含量为至少50%质量且小于99.5%质量的钴。在一个实施方案中，烧结金刚石物体的选自由Ti、Zr、Hf、V、Nb、Ta、Cr和Mo组成的组的至少一种元素为Ti，且在粘结剂相中Ti的含量优选为至少0.5%质量且小于20%质量。添加剂的目的是抑制细小金刚石颗粒的异常生长。PCD材料具体用于由车刀代表的切削工具、铣削工具、端铣刀、耐磨工具、拉模、机床和应用于电子材料如电子零件中。

特别地在切削或钻削进岩石的应用中，存在对具有增强的抗冲击性和良好耐磨性的PCD材料的需求。

发明内容

从第一个方面来看，本发明提供了一种PCD主体，该PCD主体包括相互结合的金刚石颗粒的骨架体，所述金刚石颗粒之间限定有间隙，至少一些所述间隙含有包括用于金刚石的金属催化剂材料如钴、铁、锰或镍的填充材料，所述填充材料包括Ti、W及选自由V、Y、Nb、Hf、Mo、Ta、Cr、Zr和稀土元素如Ce和La组成的组的附加元素M；在所述填充材料中Ti的含量为所述填充材料的至少约0.1wt%或至少约0.5wt%且至多约10wt%或至多约20wt%；在所述填充材料中M的含量为所述填充材料的至少约0.1wt%或至少约0.5wt%且至多约10wt%或至多约20wt%；并且在所述填充材料中W的含量为所述填充材料的至少约5wt%或至少约10wt%且至多约30wt%或至多约50wt%。

在一个实施方案中，M为选自由V、Y、Nb、Hf、Mo、Ta、Cr和Zr组成的组。在一些实施方案中，附加金属M为V，且Ti和V的组合含量为所述填充材料的至少约0.5wt%或至少约1wt%且至多约5wt%或至多约10wt%。在一些实施方案中，填充材料包括至少约50wt%的钴，至少约70wt%的钴，至少约90wt%的钴或至少约95wt%的钴，且在一个实施方案中，填充材料包括至多约99wt%的钴。