多層梯度功能性金剛石復(fù)合燒結(jié)體的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明提供一種多層梯度功能性金剛石復(fù)合燒結(jié)體，在最外層的金剛石燒結(jié)體（PCD）與硬質(zhì)合金基體之間設(shè)置多個中間層的結(jié)構(gòu)中，中間層包括金剛石粒子、cBN粒子和金屬粘結(jié)劑，該金屬粘結(jié)劑作為第1組成分為Co、Ni、Fe中的任一種或它們的合金，作為第2組成分為Cr、V、Mo中的任一種或它們的合金，以及作為第3組成分為Al、Mg中的任一種或它們的合金，中間層的金屬粘結(jié)劑中必須包含第1組、第2組、第3組的成分，以及在金剛石粒子的含有比率高的層中，第1組成分的含有比例相對高于第2組、第3組成分的含有比例，在cBN粒子的含有比率高于金剛石粒子的含有比率的層中，第2組成分的含有比例相對高于第1組、第3組成分的含有比例。
【專利說明】多層梯度功能性金剛石復(fù)合燒結(jié)體

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及在硬質(zhì)合金基體與金剛石燒結(jié)體（以下用"PCD"表示)層的中間配置包 括金剛石粒子、立方氮化硼（以下用"cBN"表示)粒子、以及特定的組成的金屬粘結(jié)劑的多個 中間層的梯度功能性金剛石復(fù)合燒結(jié)體。

【背景技術(shù)】
[0002] 本發(fā)明設(shè)想對于圓錐形P⑶鑲齒刀片（*'夕> ^ 7 y )的應(yīng)用，該圓錐形P⑶鑲齒 刀片被安裝在車床用切削工具、使用銑床等的加工工具或者應(yīng)用于礦山挖掘、石油挖掘井 的穿孔等的錘式鉆頭^ 7- 1? 7卜）、旋轉(zhuǎn)鉆頭等上。硬質(zhì)合金（WC-CO合金）制鑲齒刀 片也被使用在挖掘鉆頭上，但在1970年代開發(fā)出了利用具有更優(yōu)異的耐磨損性的PCD的方 法。鑿巖鉆頭需要將鑿巖孔的直徑保持一定，而PCD的優(yōu)異的耐磨損性與該要求對應(yīng)。但 是，最初開發(fā)出的原料存在與硬質(zhì)合金基體的附著性、刀片前端部分的韌性不足導(dǎo)致PCD 刀片破損等的問題。
[0003] 為了處理PCD鑲齒刀片的上述問題，例如在專利文獻(xiàn)1中公開了對于向上凸?fàn)畹?圓錐形硬質(zhì)合金基體配置兩層的中間層，在其上接合PCD層的方法。在該文獻(xiàn)中，作為與硬 質(zhì)合金基體相接的中間層，例如使47體積％的金剛石粒子、3體積％的金屬鈷（Co)和50體 積％的碳化鎢粒子（WC)的混合物形成為380 μ m的層，在其上作為POT側(cè)中間層，使70. 5體 積％的金剛石粒子、4. 5體積％的鈷、25體積％的碳化鎢的混合物形成為250 μ m的層，進(jìn)而 在最外層形成混合了 6體積％的鈷的金剛石粒子的層。
[0004] 實際上，在由鋯和鑰箔制作的特殊形狀容器中依次成型裝填P⑶層、P⑶側(cè)中間 層、硬質(zhì)合金側(cè)中間層、硬質(zhì)合金基體，在密閉了容器之后，用帶狀裝置、立方砧裝置等可實 現(xiàn)金剛石穩(wěn)定的溫度壓力條件的超高壓發(fā)生裝置，在約5-6GPa、約1300-1500°c的條件下， 制作上述PCD層、PCD側(cè)中間層、硬質(zhì)合金側(cè)中間層、硬質(zhì)合金基體成為一體的復(fù)合燒結(jié)體。
[0005] 在專利文獻(xiàn)2中，同樣設(shè)計了與硬質(zhì)合金基體接觸的內(nèi)部區(qū)域、與內(nèi)部區(qū)域接觸 的第一中間區(qū)域、與該第一中間區(qū)域相接的第二中間區(qū)域、以及與第二中間區(qū)域相接的研 磨性硬質(zhì)粒子（ultra-hard abrasive particle,具體說明為金剛石粒子或cBN粒子，優(yōu)選 為金剛石粒子）構(gòu)成的最外層。即，在專利文獻(xiàn)2中，包含被稱為內(nèi)部區(qū)域的層在內(nèi)有三層 被形成在硬質(zhì)合金基體與最外層即優(yōu)選金剛石粒子構(gòu)成的層之間。
[0006] 內(nèi)部區(qū)域為包括比中間層少的研磨性硬質(zhì)粒子、耐熱性粒子、以及金屬結(jié)合劑的 區(qū)域，這里所說的耐熱性粒子選自硅、鉿、鈦、鋯、釩和鈮的碳化物、氧化物、氮化物、鋁的氧 化物、氮化物、cBN、以及鎢、鉭和鑰的碳化物。另外，記載了在內(nèi)部區(qū)域中包括金剛石粒子等 的研磨性硬質(zhì)粒子20-30體積％、80-70體積％的耐熱性粒子和8-10體積％的金屬結(jié)合劑。 此外，記載了含有1種以上的這里所說的鎳、鈷、鐵或這些金屬的合金。
[0007] 在專利文獻(xiàn)2中，描述了第一中間區(qū)域為包括研磨性硬質(zhì)粒子55-45體積％、耐熱 性粒子45-55體積％、再加上5-12體積％的金屬結(jié)合劑的層。
[0008] 在專利文獻(xiàn)2中，描述了第二中間區(qū)域為包括研磨性硬質(zhì)粒子70-80體積％、耐熱 性粒子30-20體積％、再加上3-7體積％的金屬結(jié)合劑的層。另外，在專利文獻(xiàn)2中記載了 外部區(qū)域中的研磨性硬質(zhì)粒子使用以25-75重量％的平均粒徑20-25 μ m的粒子、15-30重 量％的平均粒徑15-24 μ m的粒子、5-45重量％的平均粒徑8-14 μ m的粒子、最小限度5重 量％的平均粒徑8μ以下的粒子的比例混合的物質(zhì)。另外，記載了該區(qū)域中的金屬結(jié)合劑 為約2體積％。
[0009] 另外，在專利文獻(xiàn)2中，作為耐熱性粒子的一例記載了 cBN粒子。另外，在專利文 獻(xiàn)2中引用了由cBN與金屬粘結(jié)劑的混合物制造燒結(jié)體的公知技術(shù)，但該內(nèi)容為在lGPa以 下的cBN粒子在熱力學(xué)上不穩(wěn)定、hBN穩(wěn)定的溫度下合成燒結(jié)體的內(nèi)容，指出了與本件專利 中記載的中間層為金剛石粒子與cBN粒子，制造約5GPaX1300-1500°C燒結(jié)體的內(nèi)容完全 不同。
[0010] 在專利文獻(xiàn)3中，記載了在硬質(zhì)合金基體與最外層的PCD層之間夾著一層區(qū)域的 例子以及夾著兩層區(qū)域的例子。這種情況下，與基體相接的中間層存在分散在連續(xù)的金屬 粘結(jié)劑基質(zhì)中的碳化鎢、碳化鉭、碳化鈦粒子的任意一種，在此基礎(chǔ)上同樣在連續(xù)的金屬粘 結(jié)劑中還混合有金剛石粒子。另外，記載了金屬粘結(jié)劑為鈷或鈷基合金、鎳或鎳基合金、鐵 或鐵基合金。
[0011] 在專利文獻(xiàn)3中，作為在硬質(zhì)合金基體與最外層的PCD層之間夾著兩層區(qū)域的例 子，記載了在最外P⑶層配合75體積％的金剛石粒子、在靠近最外層的中間區(qū)域配合50體 積％的金剛石粒子、在靠近硬質(zhì)合金基體的中間層配合25體積％的金剛石粒子的例子。
[0012] 在專利文獻(xiàn)4中示出了在硬質(zhì)合金基體與最外層的PCD層之間配置兩層的包括 金剛石粒子與碳化鎢粒子以及金屬粘結(jié)劑的中間區(qū)域的例子，具體示出了各層的厚度、各 層金剛石粒子與碳化鎢粒子的體積％。即，最外層的PCD層的厚度為最大ΙΟΟΟμπκ最小 400 μ m，按照PCD層的厚度，最外層和中間層的金剛石與碳化鎢比率不同，該最外層中的碳 化鎢的體積％在前者中為3-7體積％，在后者中為1體積％以下。一般而言，最外層的厚度 少時PCD層的硬度高而韌性相對低。最外層的厚度大時，硬度相對低而富于韌性。
[0013] 在專利文獻(xiàn)5中，示出了配置包括金剛石粒子與碳化鎢粒子以及金屬粘結(jié)劑的中 間區(qū)域的例子。另外，描述了最外層的P⑶層的金剛石粒子的粒徑在2-3 μ m至20 μ m的范 圍內(nèi)選擇適當(dāng)?shù)呐浜?，并隨此調(diào)節(jié)中間層的金剛石粒子和碳化鎢粒子的粒度以及添加的金 屬粘結(jié)劑量，一般而言，作為對象的層的金剛石粒子和碳化鎢粒子的粒徑越小粘結(jié)劑量越 多。例如，公開了最外層PCD中的平均粒徑為5 μ m，粘結(jié)劑添加量為7體積％，碳化鎢量為8 體積％，第2、第3、第4中間層的平均粒徑為12 μ m，碳化鎢體積％從外側(cè)開始為5、40、55體 積％，則靠近內(nèi)部的硬質(zhì)合金基體的碳化鎢的比例增多，中間各層的粘結(jié)劑量在5-9體積％ 之間調(diào)整。
[0014] 專利文獻(xiàn)1 :美國專利第4694918號（B)說明書
[0015] 專利文獻(xiàn)2 :日本專利第4676700號（B)公報
[0016] 專利文獻(xiàn)3 :美國專利申請公開第2011/0017517號（A)說明書
[0017] 專利文獻(xiàn)4 :美國專利申請公開第2011/0031032號（A)說明書
[0018] 專利文獻(xiàn)5 :美國專利申請公開第2011/0031033號（A)說明書
[0019] 在以上專利文獻(xiàn)1-5中，公開了在圓錐形的鑲齒刀片的最外層的PCD層與硬質(zhì)合 金基體之間配置多個中間層的例子。在專利文獻(xiàn)2中并未公開最外層與中間層的具體的組 成等，但示出了最外層PCD層優(yōu)選添加金剛石粒子與少量的碳化鎢(或者還包括鉭、鈦等的 碳化物）以及鎳、鈷、鐵或它們的合金構(gòu)成的粘結(jié)劑。另外，中間層的組成也不變，調(diào)節(jié)金剛 石粒子與碳化鎢粒子以及粘結(jié)劑的比例，目的在于強(qiáng)化硬質(zhì)合金基體與PCD層的結(jié)合。
[0020] 如上所述，在涉及圓錐形的鑲齒刀片的結(jié)構(gòu)的現(xiàn)有技術(shù)中的PCD層與硬質(zhì)合金基 體之間的中間層由金剛石粒子、碳化鎢粒子、以及以鈷為中心的金屬粘結(jié)劑構(gòu)成。其理由在 于硬質(zhì)合金為碳化鎢粒子與鈷構(gòu)成的燒結(jié)體，另一方面，PCD為金剛石粒子與鈷構(gòu)成的燒結(jié) 體，因此為了連接兩者，由金剛石粒子、碳化鎢粒子以及鈷構(gòu)成中間層是最自然的方法。但 是，即使能夠確保組成的連續(xù)性，由于金剛石與碳化鎢具有的性質(zhì)(例如，硬度、熱傳導(dǎo)率、 熱膨脹率等）存在很大不同，因此這也成為梯度功能性金剛石復(fù)合燒結(jié)體的弱點。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0021] 本發(fā)明涉及在硬質(zhì)合金基體與P⑶層的中間配置包括金剛石粒子、CBN粒子、以及 特定的組成的金屬粘結(jié)劑的多個中間層的梯度功能性金剛石復(fù)合燒結(jié)體。在涉及圓錐形 的鑲齒刀片的結(jié)構(gòu)的專利文獻(xiàn)等中示出的現(xiàn)有技術(shù)為在該中間層中，調(diào)節(jié)金剛石粒子、碳 化鎢(或者鉭、鈦等的碳化物）粒子以及鎳、鈷、鐵或它們的合金構(gòu)成的粘結(jié)劑粒子的混合比 例，形成各層，并在超高壓條件(約5GPa、1300-1500°C)下一體燒結(jié)硬質(zhì)合金基體、中間層、 PCD 層。
[0022] 本來形成這種中間層的目的在于，相對于硬質(zhì)合金基體的努氏硬度為約15GPa，若 PCD層的硬度為約40GPa，則使存在的大的差距平均化。另外，可以考慮由于混合在金剛石 粒子中的碳化鎢粒子的耐熱性優(yōu)于金剛石，因此在作業(yè)時中間層破損的概率少也成為選擇 的依據(jù)。
[0023] 但是，在硬質(zhì)合金基體中設(shè)置了中間層的PCD中，重要的觀點還在于，構(gòu)成粒子的 熱膨脹率的均等化不能欠缺。如果將熱膨脹率顯著不同的粒子配置在同一層，則因熱膨脹 的差造成的較大的應(yīng)力而在作業(yè)中產(chǎn)生破損。另外，金剛石粒子的熱膨脹率在約750°C時為 4. 5 X KT6/°C左右，在相同溫度區(qū)域中的碳化鎢粒子的熱膨脹率約為6 X KT6/°C。
[0024] 另外，考察中間層中的碳化鎢粒子與金剛石粒子的附近的情況時，兩者都通過鈷 等金屬粘結(jié)劑保持結(jié)合，在金剛石粒子附近變?yōu)榻咏黀CD的硬度，在碳化鎢粒子附近變?yōu)?接近硬質(zhì)合金的硬度，可以認(rèn)為在同一層內(nèi)產(chǎn)生硬度分布。
[0025] 從以上的觀點來看，在中間層中對金剛石粒子添加的理想粒子優(yōu)選為硬度比金剛 石粒子稍低，而熱膨脹率幾乎同等的物質(zhì)粒子。從該觀點出發(fā)，粒子的熱膨脹率在750°C附 近為約4. 3X10_6/°C，包括金屬粘結(jié)劑的硬度為28-30GPa的cBN最合適。即，在本發(fā)明中， 將在硬質(zhì)合金基體與PCD層之間設(shè)置多個中間層的多層梯度功能性金剛石復(fù)合燒結(jié)體的 中間層的粒子成分限定為限于金剛石與cBN粒子。此外，本發(fā)明所涉及的多層梯度功能性 金剛石復(fù)合燒結(jié)體不僅適用于圓錐形鑲齒刀片，還能夠適用于一般的多層燒結(jié)體。艮P， 如后述的本發(fā)明的實施例中說明所示，還能夠應(yīng)用于在硬質(zhì)合金基板之上層壓包括金剛石 粒子、cBN粒子與金屬粘結(jié)劑的層，在其上重疊 PCD層并一體燒結(jié)的梯度功能性金剛石燒結(jié) 工具。
[0026] 將多層梯度功能性金剛石復(fù)合燒結(jié)體的最外層的PCD層與硬質(zhì)合金基體之間的 中間層的構(gòu)成粒子設(shè)為金剛石粒子與cBN粒子時，選擇對于金剛石粒子間、cBN粒子間、金 剛石粒子與cBN粒子間的結(jié)合中的任何一種都以同等的強(qiáng)度作用的金屬粘結(jié)劑變得重要。 為了金剛石粒子的結(jié)合，在燒結(jié)條件下粘結(jié)劑需要變?yōu)橐合?，碳在其中溶解一些并再次結(jié) 晶為金剛石。即，粘結(jié)劑為碳的溶劑，且必須為再析出金剛石的所謂的催化劑。同樣的情況 也可以描述cBN粒子的結(jié)合。即，cBN粒子的結(jié)合需要作為cBN的溶劑，且向cBN的轉(zhuǎn)換催 化劑的液相。為了使金剛石與cBN粒子結(jié)合，需要作為共通的金剛石和cBN轉(zhuǎn)換催化劑發(fā) 揮作用的粘結(jié)劑。
[0027] 作為金剛石與粘結(jié)劑液相共存時從金剛石中溶解碳，再次作為金剛石再析出的催 化劑性溶劑的代表性的物質(zhì)為鐵、鈷、鎳、鉻、錳等金屬及它們的合金。而且，用于制造 PCD 的粘結(jié)劑的代表性的物質(zhì)為鈷。鈷從金剛石中溶解碳時，在約5. 3GPa、1320°C產(chǎn)生液相。例 如，由于在5. 8GPa約1320°C -1560°C之間，溶解的碳結(jié)晶為金剛石，因此對于合成PCD燒結(jié) 體為合適的條件。
[0028] 假設(shè)使液相的鈷作用于金剛石粒子與cBN粒子的混合物時，在某種程度能夠達(dá)到 金剛石粒子之間的結(jié)合，但在cBN粒子間、金剛石與cBN粒子間不會產(chǎn)生牢固的結(jié)合。鈷量 多時，從cBN中僅有硼成分溶解于鈷，其在再析出的過程中易于產(chǎn)生向hBN的逆變換，有可 能析出對于cBN粒子間結(jié)合有害的低壓相hBN。另外，即使不產(chǎn)生逆變換，由于在結(jié)合cBN 粒子間的液相成分中僅存在極少量的氮，因此cBN粒子的結(jié)合變?nèi)酢?br> [0029] 含有一些鋁的鈷粘結(jié)劑對于cBN粒子的燒結(jié)是有效的，這一見解對于本領(lǐng)域技術(shù) 人員來說是公知的技術(shù)(例如，參照專利文獻(xiàn)6 :美國專利第3918219號說明書)。另外，記 載了在以鈷等過渡金屬元素為中心的粘結(jié)劑的主成分中添加的鋁在專利文獻(xiàn)6中為約1重 量％至約33重量％。
[0030] 使這種公知的包括對CBN燒結(jié)體制作有效的鋁的鈷粘結(jié)劑作用于金剛石、cBN粒 子混合體時，在鋁量少的范圍內(nèi)，僅金剛石粒子結(jié)合，在cBN粒子間不產(chǎn)生強(qiáng)的結(jié)合。粘結(jié) 劑中的鋁量為5-6重量％以上時，cBN粒子間的結(jié)合得到強(qiáng)化，但金剛石粒子難以產(chǎn)生結(jié)合。 這大概可以認(rèn)為是由于存在大量的鋁時，溶解的碳與鋁反應(yīng)，生成碳化鋁等，引起妨礙再次 轉(zhuǎn)換為金剛石的催化劑作用的下降。
[0031] 本發(fā)明中，作為在金剛石粒子、CBN粒子及其混合粒子系中也能確保幾乎同等的 粒子間的結(jié)合的金屬粘結(jié)劑的組成，將鈷、鎳、鐵中的任一種或它們的合金選擇為第1組成 分，將鉻、釩、鑰中的任一種或它們的合金選擇為第2組成分，將鋁、鎂中的任一種或它們的 合金選擇為第3組成分。特別是在金剛石粒子的重量％為cBN粒子的重量％的約2倍以上 時，需要重視金剛石粒子間的結(jié)合，擴(kuò)大第1組成分的組成比，相對地減少第2組成分和第 3組成分的組成比。相對于第1組成分，第2組成分和第3組成分的組成比變大時，無法得 到具有強(qiáng)硬的金剛石粒子間的結(jié)合的燒結(jié)體，cBN粒子的溶解、再析出反應(yīng)優(yōu)先進(jìn)行，在金 剛石粒子中與鋁反應(yīng)，變?yōu)樘蓟X。
[0032] 相反重視cBN粒子間的結(jié)合，cBN粒子的質(zhì)量％為金剛石粒子的質(zhì)量％的約2倍 以上時，相對于第1組成分，擴(kuò)大第2、第3組成分的相對組成比。相對于第2組成分和第3 組成分，第1組成分的組成比變大時，cBN粒子的再析出反應(yīng)不進(jìn)行，易于產(chǎn)生向hBN的逆 變換，有可能析出對cBN粒子間結(jié)合有害的低壓相hBN。另外，即使不產(chǎn)生逆變換，由于在結(jié) 合cBN粒子間的液相成分中僅存在極少量的氮，因此cBN粒子的結(jié)合變?nèi)酢?br> [0033] 本發(fā)明根據(jù)上述見解而完成，涉及在硬質(zhì)合金基體與PCD層的中間配置包括金剛 石粒子、cBN粒子及特定的組成的金屬粘結(jié)劑的一層或多個中間層的梯度功能性金剛石復(fù) 合燒結(jié)體，具有以下的方案。
[0034] (1) 一種多層梯度功能性金剛石復(fù)合燒結(jié)體，具備：硬質(zhì)合金制的基體；多晶金剛 石燒結(jié)體層，形成在上述基體上，燒結(jié)金剛石粒子和粘結(jié)劑而成；以及中間層，形成在上述 基體與上述多晶金剛石燒結(jié)體層之間，包括二層以上的子中間層，其特征在于，上述多晶金 剛石燒結(jié)體層所包含的上述粘結(jié)劑為Co、Ni、Fe中的任一種或它們的合金，上述子中間層 燒結(jié)包括金剛石粒子、cBN粒子和金屬粘結(jié)劑的混合物而成，上述子中間層中含有的上述金 屬粘結(jié)劑包括Co、Ni、Fe中的任一種或它們的合金構(gòu)成的第1組成分、Cr、V、Mo中的任一 種或它們的合金構(gòu)成的第2組成分、以及Al、Mg中的任一種或它們的合金構(gòu)成的第3組成 分。
[0035] (2)根據(jù)上述（1)所述的多層梯度功能性金剛石復(fù)合燒結(jié)體，其特征在于，從靠近 上述多晶金剛石燒結(jié)體層的層開始按順序設(shè)為第1子中間層、第2子中間層、……、第N子 中間層(其中，N > 2)時，子中間層的層數(shù)編號越增加，越使位于各層內(nèi)的金剛石粒子相對 于cBN粒子的含有比率連續(xù)下降。
[0036] (3)根據(jù)上述（1)所述的多層梯度功能性金剛石復(fù)合燒結(jié)體，其特征在于，作為上 述子中間層的金剛石粒子相對于cBN粒子的質(zhì)量比的含有比率，在與上述多晶金剛石燒結(jié) 體層相接的子中間層中最高，在與上述硬質(zhì)合金基體相接的子中間層中最低，且在層厚方 向上低于在上述多晶金剛石燒結(jié)體層側(cè)相接的子中間層，高于在上述基體側(cè)相接的子中間 層。
[0037] (4)根據(jù)上述（2)或（3)所述的多層梯度功能性金剛石復(fù)合燒結(jié)體，其特征在于， 在上述子中間層之中的、作為上述金剛石粒子相對于上述金剛石粒子和上述cBN粒子的總 質(zhì)量的質(zhì)量比的含有比率高于作為所述cBN粒子相對于所述金剛石粒子和所述cBN粒子 的總質(zhì)量的質(zhì)量比的含有比率的子中間層中，上述第1組成分的含有比例分別高于上述第 2組成分和上述第3組成分的含有比例，在上述子中間層之中的、作為上述金剛石粒子相對 于上述金剛石粒子和上述cBN粒子的總質(zhì)量的質(zhì)量比的含有比率低于作為所述cBN粒子相 對于所述金剛石粒子和所述cBN粒子的總質(zhì)量的質(zhì)量比的含有比率的子中間層中，上述第 2組成分的含有比例分別高于上述第1組成分和上述第3組成分的含有比例。
[0038] (5)根據(jù)上述（2)或（3)所述的多層梯度功能性金剛石復(fù)合燒結(jié)體，其特征在于， 在上述子中間層之中的、作為上述金剛石粒子相對于上述金剛石粒子和上述cBN粒子的總 質(zhì)量的質(zhì)量比的含有比率高于作為所述cBN粒子相對于所述金剛石粒子和所述cBN粒子的 總質(zhì)量的質(zhì)量比的含有比率的子中間層中，上述第1組成分的含量為3. 2?6. 0質(zhì)量％，上 述第2組成分的含量為0. 6?1. 7質(zhì)量％，上述第3組成分的含量為0. 04?0. 15質(zhì)量％， 在上述子中間層之中的、作為上述金剛石粒子相對于上述金剛石粒子和上述cBN粒子的總 質(zhì)量的質(zhì)量比的含有比率低于作為所述cBN粒子相對于所述金剛石粒子和所述cBN粒子的 總質(zhì)量的質(zhì)量比的含有比率的子中間層中，上述第1組成分的含量為4. 1?4. 6質(zhì)量％，上 述第2組成分的含量為2. 3?2. 7質(zhì)量％，上述第3組成分的含量為0. 04?0. 15質(zhì)量％。
[0039] (6)根據(jù)上述（1)至（3)中所述的多層梯度功能性金剛石復(fù)合燒結(jié)體，其特征在 于，上述子中間層的上述金屬粘結(jié)劑中的上述第1組成分、第2組成分和上述第3組成分各 自的比例為，上述第1組成分為40質(zhì)量％以上小于90質(zhì)量％,上述第2組成分為8質(zhì)量％ 以上小于60質(zhì)量％，上述第3組成分為1質(zhì)量％以上小于10質(zhì)量％。
[0040] (7)根據(jù)上述（1)至（3)中的任一項所述的多層梯度功能性金剛石復(fù)合燒結(jié)體，其 特征在于，相對于上述子中間層的上述金剛石粒子與上述cBN粒子的合計含量，上述金屬 粘結(jié)劑的合計含量的質(zhì)量比為3/100?18/100的范圍。
[0041] (8)根據(jù)上述（1)至（3)中的任一項所述的多層梯度功能性金剛石復(fù)合燒結(jié)體，其 特征在于，相對于上述子中間層的上述金剛石粒子與上述cBN粒子的合計含量，上述金屬 粘結(jié)劑的合計含量的質(zhì)量比為5/100?12/100的范圍。
[0042] (9)根據(jù)上述（1)至（4)中的任一項所述的多層梯度功能性金剛石復(fù)合燒結(jié)體，其 特征在于，上述多晶金剛石燒結(jié)體層的平均層厚為200 μ m至1000 μ m，上述中間層的平均 層厚為 200μπι 至 ΙΟΟΟμ--。
[0043] (10)根據(jù)上述（1)至（3)中的任一項所述的多層梯度功能性金剛石復(fù)合燒結(jié)體， 其特征在于，上述多晶金剛石燒結(jié)體層的上述金剛石粒子包括粒子尺寸為4 μ m至20 μ m的 第一金剛石粒子與粒子尺寸為〇. 5 μ m至4 μ m的第二金剛石粒子，上述第一金剛石粒子與 上述第二金剛石粒子的質(zhì)量比為100:0至50:50。
[0044] (11)根據(jù)上述（1)至（3)中的任一項所述的多層梯度功能性金剛石復(fù)合燒結(jié)體， 其特征在于，上述子中間層的上述金剛石粒子包括粒子尺寸為0. 5 μ m至20 μ m的第三金剛 石粒子，上述子中間層的上述cBN粒子的粒子尺寸為0. 5 μ m至20 μ m。
[0045] 下面，對本發(fā)明進(jìn)行說明。
[0046] 圖1是作為本發(fā)明的梯度功能性金剛石復(fù)合燒結(jié)體的一個方式的多層構(gòu)成的圓 錐形鑲齒刀片的剖面示意圖。在圖1中，1為外側(cè)的PCD層（第1層），2A為第1子中間層， 2B為第2子中間層，2C為第3子中間層。3為硬質(zhì)合金基體。4為使用鋯、鉭、鈦、鑰等金屬 箔的內(nèi)側(cè)為圓錐形狀的樣品容器。
[0047] 圖2是作為本發(fā)明的梯度功能性金剛石復(fù)合燒結(jié)體的其他方式的多層PCD燒結(jié)體 的概觀圖。在圖2中，在PCD層與硬質(zhì)合金基板之間設(shè)置一層中間層，但當(dāng)然也可以進(jìn)一步 增加中間層的層數(shù)，設(shè)置多層中間層。
[0048] 在本發(fā)明中，在圖1的鉆頭結(jié)構(gòu)的多層梯度功能性金剛石復(fù)合燒結(jié)體中，從最外 層的P⑶層1開始向內(nèi)部配置第1子中間層2A、第2子中間層2B、第3子中間層2C的三層 的中間層2,優(yōu)選例如將cBN粒子相對于（金剛石+cBN)質(zhì)量的質(zhì)量％ (即，lOOXcBN粒子 的質(zhì)量八金剛石+cBN)質(zhì)量）在第1子中間層2A中設(shè)為8-20%，在第2子中間層2B中設(shè) 為20-60%，在第3子中間層2C中設(shè)為70-90%時，、各中間層的金屬粘結(jié)劑的組成比在第1 子中間層2A中為第1組成分80-90質(zhì)量％，第2組成分8-20質(zhì)量％，第3組成分1-2質(zhì)量％ 左右。
[0049] 在第2子中間層2B中第1組成分60-70質(zhì)量％，第2組成分26-36質(zhì)量％，第3組 成分2-4質(zhì)量％，在第3子中間層2C中第1組成分40-50質(zhì)量％，第2組成分40-60質(zhì)量％， 第3組成分2-5質(zhì)量％左右。如此，為了使包括金剛石粒子與cBN粒子這兩者的粒子系的 燒結(jié)均等地進(jìn)行，選擇調(diào)整了第1組成分、第2組成分、第3組成分的組成比的金屬粘結(jié)劑。
[0050] 將第1組成分設(shè)為小于40質(zhì)量％時，燒結(jié)金剛石粒子時所需要的量不足，第1組 成分催化劑并未分布在整個區(qū)域，強(qiáng)硬的金剛石粒子之間的結(jié)合組織變得不均勻的可能性 高。另一方面，第1組成分超過90質(zhì)量％時，由于僅有cBN中的硼成分優(yōu)先溶解，cBN粒子 之間的結(jié)合反應(yīng)所需要的氮成分變得極少，因此只能得到弱的cBN的結(jié)合。
[0051] 第2組成分小于8質(zhì)量％，則cBN的溶解?再析出反應(yīng)變慢，cBN粒子之間的結(jié)合 組織變得不均勻。相反，第2組成分超過60質(zhì)量％時，催化劑（粘結(jié)劑）整體的熔點上升， 金剛石和cBN變得難以燒結(jié)。
[0052] 第3組成分小于1質(zhì)量％，則不進(jìn)行cBN的再析出，相反，第3組成分超過5質(zhì)量％ 時，金剛石與鋁反應(yīng)，變?yōu)樘蓟X。其結(jié)果是妨礙了金剛石粒子之間的結(jié)合所需要的反應(yīng)。
[0053] 另外，將金剛石和cBN的粒子成分的合計質(zhì)量％(G)與金屬粘結(jié)劑的合計質(zhì)量％(B) 之比設(shè)為G:B時，G:B值的范圍為100:3至100:18,優(yōu)選在100:5-100:12的范圍。B的比 小于3,則使燒結(jié)體整體燒結(jié)所需要的粘結(jié)劑量不足，發(fā)生未燒結(jié)部分，成為具有不均勻的 組織的弱的燒結(jié)體。另一方面，B的比超過18時，由于粘結(jié)劑量過多，部分地以金屬粘結(jié)劑 完全包圍金剛石粒子或cBN粒子的形式存在，妨礙金剛石和cBN粒子之間的結(jié)合。其結(jié)果 是與金剛石或cBN粒子的結(jié)合力減弱，只能得到?jīng)]有硬度的燒結(jié)體。
[0054] 金屬粘結(jié)劑優(yōu)選使用5-10 μ m左右的尺寸的各金屬的粉末，將這些用振動球磨機(jī) 等混合機(jī)充分混合粉碎，使整體成為5μπι以下的混合粉末而使用。進(jìn)而，在第1組和第2 組中使用多種金屬時，進(jìn)一步優(yōu)選將這些調(diào)整為熔融霧化的合金粉末，并將這些同樣混合 粉碎。
[0055] 在該中間層中使用的金剛石粉末、cBN粉末的平均粒度大概在0. 5?20μπι之間選 擇，為了提高成型時的填充密度、調(diào)整燒結(jié)體的粒度分布，有效的是混合粗粒與細(xì)粒。此外， 各中間層的厚度最大也為約1000 μ m左右，薄時為150 μ m左右，因此中間層的厚度薄時，與 此相應(yīng)地，金剛石粒子和cBN粒子的平均粒度應(yīng)大概為0. 5?20 μ m。
[0056] 進(jìn)行稱量以使與各中間層相應(yīng)的、金剛石粒子、cBN粒子、以及金屬粘結(jié)劑粉末為 預(yù)先設(shè)定的組成，通過最佳的混合器充分混合，這種情況下，為了如所設(shè)計那樣成型薄的中 間層，能夠添加石蠟、樟腦系的成型后可加熱去除的成型粘結(jié)劑。
[0057] 在使用鋯、鉭、鈦、鑰等金屬箔的內(nèi)側(cè)為圓錐形狀的樣品容器中按照P⑶層（第1 層）、第1子中間層、第2子中間層、第3子中間層、…、第N子中間層的順序成型各種粉末， 最終填充硬質(zhì)合金基體之后，密閉容器，裝填到超高壓燒結(jié)裝置中。
[0058] 通過上述中間層的層數(shù)編號越增加，越使位于各層內(nèi)的金剛石粒子相對于cBN粒 子的含有比率連續(xù)下降，減少金剛石粒子間的結(jié)合，從而越靠近硬質(zhì)合金基體側(cè)越使中間 層的硬度連續(xù)降低。如此，一邊將燒結(jié)體整體的熱膨脹率的變化控制在最小限度，一邊進(jìn)行 各中間層的硬度和韌性的調(diào)整。
[0059] 換言之，作為上述子中間層的金剛石粒子與cBN粒子的質(zhì)量比的含有比率，在與 上述多晶金剛石燒結(jié)體層相接的子中間層中最高，在與上述硬質(zhì)合金基體相接的子中間層 中最低，且在層厚方向上低于與上述多晶金剛石燒結(jié)體層側(cè)相接的層，高于與上述基體側(cè) 相接的層。
[0060] 各中間層中的金剛石粒子的含有率固定或越靠近硬質(zhì)合金基體側(cè)金剛石粒子的 含有率越增加時，越靠近硬質(zhì)合金基體側(cè)，則中間層的硬度越高，會在作業(yè)中發(fā)生破損等。 另外，通過增加金剛石粒子之間的結(jié)合，從而燒結(jié)體中的殘余應(yīng)力升高，有可能以沿著各中 間層的界面的形狀發(fā)生裂紋。
[0061] 使用的超高壓燒結(jié)裝置能夠使用帶狀裝置、立方砧裝置等金剛石粉末合成用裝 置。超高壓燒結(jié)條件為在約5GPa、1300-1500°C，一體燒結(jié)填充到圖1所示的樣品容器中的 硬質(zhì)合金基體、中間層、P⑶層。
[0062] 本發(fā)明的特征在于選定cBN粒子作為在PCD層與硬質(zhì)合金基體的中間層的金剛石 粒子中添加的粒子。據(jù)此，通過在基體與PCD層的中間混合與金剛石粒子具有幾乎相同的 熱膨脹系數(shù)的cBN粒子，從而對于在作業(yè)時發(fā)生的熱應(yīng)力的降低有效。另外，通過在PCD層 相接的區(qū)域中添加 cBN粒子，從而具有防止PCD層的金剛石粒子的異常粒子生長的效果。 [0063] 在本發(fā)明的多層梯度功能性金剛石復(fù)合燒結(jié)體中，在作業(yè)時發(fā)生的熱應(yīng)力的降低 對于本工具的破損和工具表面的磨損寬度的下降有效。另外，在多層復(fù)合燒結(jié)體的各層的 界面發(fā)生金剛石粒子等的異常粒子生長時，導(dǎo)致界面結(jié)合強(qiáng)度的顯著下降，產(chǎn)生界面的剝 離等不令人滿意的工具的破損。在比較例中使用的包括金剛石粒子與碳化鎢粒子以及金屬 粘結(jié)劑的多層梯度功能性金剛石復(fù)合燒結(jié)體中，具有如下缺點，即易于出現(xiàn)遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于本發(fā) 明例的熱應(yīng)力的發(fā)生和界面附近的金剛石粒子或碳化鎢粒子異常粒子生長造成的界面強(qiáng) 度劣化。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0064] 圖1是作為本發(fā)明的一個方式，表不PCD鑲齒刀片的剖面概略不意圖。
[0065] 圖2是作為本發(fā)明的其他方式，表示多層PCD燒結(jié)體的剖面概略示意圖。
[0066] 圖3是表示本發(fā)明例2的第2子中間層的微細(xì)結(jié)構(gòu)的SEM(BSE)像。
[0067] 圖4是在本發(fā)明例6的硬質(zhì)合金基板與P⑶層之間插入的、包括金剛石粒子和cBN 粒子的中間層的邊界附近的SEM(BSE)像。
[0068] 圖5是表示比較例1的第2子中間層的微細(xì)結(jié)構(gòu)的SEM(BSE)像。
[0069] 圖6是比較例2的多層P⑶燒結(jié)體的硬質(zhì)合金基板與包括金剛石粒子與WC粒子 以及Co粘結(jié)劑的中間層的邊界附近的SEM(BSE)像。
[0070] 【符號說明】
[0071] 1外側(cè)的PCD層（第一層）
[0072] 2中間層
[0073] 2A第1子中間層
[0074] 2B第2子中間層
[0075] 2C第3子中間層
[0076] 3硬質(zhì)合金基體
[0077] 4使用高熔點金屬箔（Zr、Ta、Ti、Mo等）的樣品容器

【具體實施方式】
[0078] 下面，對于適于多層燒結(jié)工具和錘式鉆頭、旋轉(zhuǎn)鉆頭等的本發(fā)明的梯度功能 性金剛石復(fù)合燒結(jié)體、即在硬質(zhì)合金基體與PCD層之間設(shè)置以金剛石粒子與cBN粒子為主 體的中間層的本發(fā)明的梯度功能性金剛石復(fù)合燒結(jié)體，根據(jù)實施例進(jìn)行具體說明。
[0079]【實施例】
[0080] 本發(fā)明例1:
[0081] 作為硬質(zhì)合金基體，使用一端具有圓錐面的直徑13mm長度約8mm的硬質(zhì)合金 (JISV60)基體，在如表1所示的條件下，在層壓了鋯、鉭的樣品容器中填充粉末和硬質(zhì)合金 基體，在真空中焊接密閉粉末容器。樣品容器通過帶狀裝置，在5. 8GPa、1450°C保持10分鐘 并燒結(jié)，從而制作包括PCD層、第1子中間層、第2子中間層、第3子中間層、硬質(zhì)合金基體 的圖1所示的一體的燒結(jié)體構(gòu)成的多層PCD鑲齒刀片。
[0082] 表1中示出該多層PCD鑲齒刀片的、各層的平均厚度、各層的粒子尺寸與配合組 成、金屬粘結(jié)劑組成以及混合比例等。
[0083]【表1】
[0084]

【權(quán)利要求】
1. 一種多層梯度功能性金剛石復(fù)合燒結(jié)體，具備： 硬質(zhì)合金制的基體； 多晶金剛石燒結(jié)體層，形成在所述基體上，燒結(jié)金剛石粒子和粘結(jié)劑而成；以及 中間層，形成在所述基體與所述多晶金剛石燒結(jié)體層之間，包括二層以上的子中間層， 其特征在于， 所述多晶金剛石燒結(jié)體層中所包含的所述粘結(jié)劑為Co、Ni、Fe中的任一種或它們的合 金， 所述子中間層是燒結(jié)包括金剛石粒子、cBN粒子和金屬粘結(jié)劑的混合物而成， 所述子中間層中含有的所述金屬粘結(jié)劑包括Co、Ni、Fe中的任一種或它們的合金構(gòu)成 的第1組成分、Cr、V、Mo中的任一種或它們的合金構(gòu)成的第2組成分、以及Al、Mg中的任一 種或它們的合金構(gòu)成的第3組成分。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的多層梯度功能性金剛石復(fù)合燒結(jié)體，其特征在于，從靠近所 述多晶金剛石燒結(jié)體層的層開始按順序設(shè)為第1子中間層、第2子中間層、……、第N子中 間層時，子中間層的層數(shù)編號越增加，越使位于各層內(nèi)的金剛石粒子相對于cBN粒子的含 有比率連續(xù)下降，其中，N彡2。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的多層梯度功能性金剛石復(fù)合燒結(jié)體，其特征在于，作為所述 子中間層的金剛石粒子相對于cBN粒子的質(zhì)量比的含有比率，在與所述多晶金剛石燒結(jié)體 層相接的子中間層中最高，在與所述硬質(zhì)合金基體相接的子中間層中最低，且在層厚方向 上低于在所述多晶金剛石燒結(jié)體層側(cè)相接的子中間層，高于在所述基體側(cè)相接的子中間 層。
4. 根據(jù)權(quán)利要求2或3所述的多層梯度功能性金剛石復(fù)合燒結(jié)體，其特征在于，在所述 子中間層之中的、作為所述金剛石粒子相對于所述金剛石粒子和所述cBN粒子的總質(zhì)量的 質(zhì)量比的含有比率高于作為所述cBN粒子相對于所述金剛石粒子和所述cBN粒子的總質(zhì)量 的質(zhì)量比的含有比率的子中間層中，所述第1組成分的含有比例分別高于所述第2組成分 和所述第3組成分的含有比例， 在所述子中間層之中的、作為所述金剛石粒子相對于所述金剛石粒子和所述cBN粒子 的總質(zhì)量的質(zhì)量比的含有比率低于作為所述cBN粒子相對于所述金剛石粒子和所述cBN粒 子的總質(zhì)量的質(zhì)量比的含有比率的子中間層中，所述第2組成分的含有比例分別高于所述 第1組成分和所述第3組成分的含有比例。
5. 根據(jù)權(quán)利要求2或3所述的多層梯度功能性金剛石復(fù)合燒結(jié)體，其特征在于，在所述 子中間層之中的、在作為所述金剛石粒子相對于所述金剛石粒子和所述cBN粒子的總質(zhì)量 的質(zhì)量比的含有比率高于作為所述cBN粒子相對于所述金剛石粒子和所述cBN粒子的總質(zhì) 量的質(zhì)量比的含有比率的子中間層中，所述第1組成分的含量為3. 2?6. 0質(zhì)量％，所述第 2組成分的含量為0. 6?1. 7質(zhì)量％，所述第3組成分的含量為0. 04?0. 15質(zhì)量％， 所述子中間層之中，在作為所述金剛石粒子相對于所述金剛石粒子和所述cBN粒子的 總質(zhì)量的質(zhì)量比的含有比率低于作為所述cBN粒子相對于所述金剛石粒子和所述cBN粒子 的總質(zhì)量的質(zhì)量比的含有比率的子中間層中，所述第1組成分的含量為4. 1?4. 6質(zhì)量％， 所述第2組成分的含量為2. 3?2. 7質(zhì)量％，所述第3組成分的含量為0. 04?0. 15質(zhì)量％。
6. 根據(jù)權(quán)利要求1至3中的任一項所述的多層梯度功能性金剛石復(fù)合燒結(jié)體，其特征 在于，所述子中間層的所述金屬粘結(jié)劑中的所述第1組成分、所述第2組成分和所述第3組 成分各自的比例為，所述第1組成分為40質(zhì)量％以上且小于90質(zhì)量％，所述第2組成分為 8質(zhì)量％以上且小于60質(zhì)量％，所述第3組成分為1質(zhì)量％以上且小于10質(zhì)量％。
7. 根據(jù)權(quán)利要求1至3中的任一項所述的多層梯度功能性金剛石復(fù)合燒結(jié)體，其特征 在于，相對于所述子中間層的所述金剛石粒子與所述cBN粒子的合計含量，所述金屬粘結(jié) 劑的合計含量的質(zhì)量比為3/100?18/100的范圍。
8. 根據(jù)權(quán)利要求1至3中的任一項所述的多層梯度功能性金剛石復(fù)合燒結(jié)體，其特征 在于，相對于所述子中間層的所述金剛石粒子與所述cBN粒子的合計含量，所述金屬粘結(jié) 劑的合計含量的質(zhì)量比為5/100?12/100的范圍。
9. 根據(jù)權(quán)利要求1至4中的任一項所述的多層梯度功能性金剛石復(fù)合燒結(jié)體，其特征 在于，所述多晶金剛石燒結(jié)體層的平均層厚為200μπι至ΙΟΟΟμ--， 所述中間層的平均層厚為200 μ m至1000 μ m。
10. 根據(jù)權(quán)利要求1至3中的任一項所述的多層梯度功能性金剛石復(fù)合燒結(jié)體，其特征 在于，所述多晶金剛石燒結(jié)體層的所述金剛石粒子包括粒子尺寸為4 μ m至20 μ m的第一金 剛石粒子與粒子尺寸為〇. 5 μ m至4 μ m的第二金剛石粒子， 所述第一金剛石粒子與所述第二金剛石粒子的質(zhì)量比為1〇〇:〇至50:50。
11. 根據(jù)權(quán)利要求1至3中的任一項所述的多層梯度功能性金剛石復(fù)合燒結(jié)體，其特 征在于，所述子中間層的所述金剛石粒子包括粒子尺寸為0. 5 μ m至20 μ m的第三金剛石粒 子， 所述子中間層的所述cBN粒子的粒子尺寸為0. 5 μ m至20 μ m。
【文檔編號】B22F7/06GK104057094SQ201410105537
【公開日】2014年9月24日 申請日期:2014年3月20日 優(yōu)先權(quán)日:2013年3月22日
【發(fā)明者】瓦多約·阿罕默迪·?？? 松尾俊彥, 寺倉稚晃, 福長修 申請人:三菱綜合材料株式會社