[发明专利]粘结的和粘结的/烧结的高强度磨料多晶体及其生产方法

说明书

本发明涉及用于刀具的高强度磨料切割零件，更具体底说，涉及粘结的和粘结的/烧结的切割零件和涂敷有金属的金刚石与立方氮化硼晶体形成的加衬压块，及其生产方法。

由金刚石或立方氮化硼（“CBN”）晶体组成的复合多晶研磨体或压块作为切割零件被广泛地用于钻头尖、磨削或切割工具、切削工具、木工工具和拨丝模等工业领域。这种压块表明了优于单晶切割零件的性质，如更好的耐磨性和抗冲击性。

在被视作“金刚石稳定区域”、其典型取值范围高于40千巴和1200-2000℃的高温高压（“HPHT”）条件下，在促进金刚石-金刚石粘结的催化剂/溶剂存在下使金刚石颗粒烧结在一起可形成压块。

商业上可得到的烧结金刚石压块具有各种微观结构。例如根据U.S.Patent    No    3，609，818可以形成对高达约700-750℃的温度稳定的未浸渍的多晶金刚石（“PCD”）压块。在该专利中，使金刚石粉末与石墨粉末和金属催化剂/溶剂（如钴）混合，并经HPHT条件形成一种具有烧结的金刚石-金刚石键的多晶压块。用于烧结金刚石压块的催化剂/溶剂包括钴、镍、铁、其它Ⅷ族金属和含有这些金属的合金。金刚石压块通常具有高于70%（体积）的金刚石含量，典型的是具有80-95%。可以使无衬的压块机械地粘结到刀具体上。

例如，根据U.S.Patent    Nos    3，767，371、3，742，489和4，403，015的方法，可以生产出多晶CBN的烧结压块。用于CBN的催化剂/溶剂包括铝或含镍、钴、铁、锰或铬的铝合金。

通过使金刚石粉末层与碳化钨和钴的粉末混合物经HPHT条件下处理，可以使这种压块粘结到基体（如粘结的碳化钨）上。在工艺过程中钴扩散到所说的金刚石粉末中，因此对于金刚石形成金刚石-金刚石键的烧结起着溶剂/催化剂的作用，并且对碳化钨起着粘结剂的作用。通过这种方法，在金刚石层和粘结的碳化钨的界面处形成牢固结合。参见，例如U.S.Patent    Nos.3，745，623和4，403，015。

烧结压块的强度和耐磨性可以类似于或优于单晶金刚石，但是这些特性会因受热而衰减，在高于750℃的温度下，它们的切割效率明显变坏。人们相信这是由于在高温下金刚石和催化剂/溶剂相之间的不均匀热膨胀导致的热应力和催化剂引起的金刚石石墨化所造成的。压块和衬底之间的不同的膨胀率还会引起在其界面处分层或破裂。

具有改进热稳定性的压块叙述于U.S.Patent    No.4，224，380中，该专利描述了一种从压块中浸出大部分催化剂/溶剂，生产基本无金属的无衬粘合的金刚石-金刚石粘结的磨料压块的方法。该金刚石压块包括70-90%（体积）的金刚石、0.05-30%（体积）的催化剂/粘结剂，和5-30%（体积）的空隙。无衬的或独立式浸出的压块对高达1200℃为热稳定的，并且无明显结构降解现象发生。这种压块以“Geoset”商品名出售。这种压块稍微有点脆。

Geoset的多孔性也可能是脆弱、降低压块强度、耐磨性和抗冲突性的根源。在U.S.Patent    4，636，253中，通过在HPHT处理之前，向金刚石粉末中加入选自元素周期表的ⅣA、ⅤA或ⅥA族的金属或碳化物和铁族金属降低压块的孔隙率。然后浸出大部分铁族金属。通过这种方法，这种压块的空隙率被降低到7%或更低。

具有改进热稳定性的烧结金刚石压块的另一个例子公开于英国专利申请No.2，158，086中。该压块中包括约80-90%（体积）的多晶金刚石物质和约10-20%（体积）的硅和/或碳化硅第二相。在HPHT处理过程中，硅被渗透到压块中。这种压块被认为在真空、惰性或还原气氛条件下能够承受1200℃的温度，但是硅或碳化硅会增加压块的脆性。

影响烧结多晶压块的性质的另一个特性为其晶体的粒度。粒度越小，压块的耐磨性越好，因为在应力状态下只有小颗粒部分削去。小颗粒的压块提供精细研磨，在机械加工应用中是优选的。

但是，具有太细的结构和高度金刚石-金刚石粘合的压块所起的作用更象一个大单晶而不象小晶体的聚集体。所得到的与这种密实的金刚石-金刚石粘合相联系的硬度和高弹性模量使得这种压块易于破裂扩张。因此，足够的应力会引起大规模破裂，而使整个压块破碎。