[发明专利]超硬结构体、工具元件及其制作方法

说明书

技术领域

本发明总体涉及超硬结构体、包括超硬结构体的工具元件及其制造方法。

背景技术

多晶金刚石（PCD）材料和多晶立方氮化硼（PCBN）材料是超硬材料的示例。PCBN材料包括嵌在基体中的立方氮化硼（cBN）材料的晶粒，所述基体可以包括金属和或陶瓷材料。PCD材料包括金刚石晶粒，其大多数彼此直接结合。超硬构造可以包括PCD或PCBN结构体，所述PCD或PCBN结构体与各烧结碳化物基材一体地形成。一些超硬构造在被处理以形成工具的元件时可能易于变得二维扭曲。

美国专利号6517902公开了一种热处理形式，其用于预形成具有结合至具有钴粘合剂的烧结碳化钨基材的多晶金刚石的表面台的元件。该基材包括具有至少30体积％的密排六方晶体结构的钴粘合剂的界面区。

发明内容

提供了一种用于制造处理过的超硬结构体的方法，所述方法包括：提供超硬结构体，所述超硬结构体包括选自多晶立方氮化硼（PCBN）材料或者多晶金刚石（PCD）材料的超硬材料；使所述超硬结构体在大于700摄氏度的处理温度下在超硬材料热力学不稳定的处理压力下（例如在该压力下其为亚稳的）经受热处理持续至少约5分钟的处理时段（时间），以制造所述处理过的超硬结构体。

本公开还设想了所述方法的不同组合和变体，其中以下是非限制性的和非穷尽性的示例。

在示例性方法中，超硬结构体可以在升高的压力、在环境压力或在低压或基本真空下进行热处理。处理压力可以是至多约2GPa或至多约1GPa，或者处理压力可以是至多环境压力（大气压），或压力可以是低于大气压（例如，基本上真空）。

所述方法可包括在超硬材料热力学稳定的超高压力和高温度下烧结超硬材料的多个晶粒以提供超硬结构体，其中超硬材料的晶粒选自包括金刚石或cBN材料的晶粒。

所述方法可以包括：提供基材，所述基材包括烧结碳化物材料，组合含有选自金刚石或cBN的材料的多个超硬晶粒，以形成超硬晶粒的聚集物；将超硬晶粒的聚集物设置在基材表面的邻近处以提供预烧结的压块；使所述预烧结压块经受超硬结构体的材料热力学稳定的超高压力和高温度，并制造包括形成为接合到基材的超硬结构体的超硬构造。在某些实施例中，然后可以使超硬构造经受至少约700摄氏度的温度至少约5分钟；随后切割，以制造用于工具的元件。

所述方法可以包括在将温度保持高于约700摄氏度一段时间（例如至少约5分钟）的同时使压力从所述超高压力减小。所述方法可以包括使压力从超高压力减小到超硬材料热力学不稳定的处理压力，使温度降低至高于约700摄氏度的处理温度持续至少约5分钟的处理时期以提供处理过的超硬结构体。所述方法可以包括在将温度保持在从约700摄氏度至约1100摄氏度的范围中的同时使压力从所述超高压力减小到低于约1GPa。所述方法可包括使压力从超高压力降低到环境压力，将超硬结构体冷却至小于约700摄氏度的温度，然后在至少约700摄氏度的温度下处理超硬结构体持续处理时间段。

在一些实施例中，超硬晶粒可以包括金刚石或cBN，超高压力可以是至少约5GPa，高温可以是至少约1200摄氏度，且压力可以降低至低于约1GPa或基本上降低至环境压力，同时将温度保持在从约700摄氏度到约1100摄氏度的范围内。压力可以迅速降低。示例性方法可以包括以最多约2摄氏度每分钟或最多约1摄氏度每分钟的平均冷却速度将超硬构造的温度降低至低于约200摄氏度的温度。示例性方法可包括将压力从超高压力降低至环境压力，并将超硬结构体冷却至小于约700摄氏度的温度，然后在至少约700摄氏度的温度下加热超硬结构体持续处理时间段。

所述方法可以包括将结合材料引入到聚集物中，所述结合材料能够使所述超硬晶粒彼此直接结合在一起或通过起到超硬颗粒分散在其中的基体的作用而将所述超硬颗粒结合在一起。所述结合材料可以包括用于超硬材料的催化剂材料和/或能与超硬材料反应的材料。所述超高压力可以是至少约5GPa，所述高温度为至少约1200摄氏度。

在一些实施例中，超硬结构体可以包括PCBN材料，所述PCBN材料包括cBN晶粒或基本上由cBN晶粒组成，所述cBN晶粒分散在基体中，所述基体包括包含Ti的材料和包含Al的材料，cBN晶粒的含量是PCBN结构的至少约35体积%，或者是至少约50体积%，且最多约75体积%或最多90体积%。在实施例的一个变体中，除了不可避免的少量的其他物质和杂质，基体可以由包括Ti的材料和包括Al的材料组成（即基本上由包括Ti的材料和包括Al的材料组成）。在该特定的变体中，基体可以基本上由碳化钛和/或碳氮化钛和铝的硼化物和/或铝的氮化物组成。