專利名稱：粘結(jié)的和粘結(jié)的/燒結(jié)的高強(qiáng)度磨料多晶體及其生產(chǎn)方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及用于刀具的高強(qiáng)度磨料切割零件，更具體底說，涉及粘結(jié)的和粘結(jié)的/燒結(jié)的切割零件和涂敷有金屬的金剛石與立方氮化硼晶體形成的加襯壓塊，及其生產(chǎn)方法。
由金剛石或立方氮化硼(“CBN”)晶體組成的復(fù)合多晶研磨體或壓塊作為切割零件被廣泛地用于鉆頭尖、磨削或切割工具、切削工具、木工工具和撥絲模等工業(yè)領(lǐng)域。這種壓塊表明了優(yōu)于單晶切割零件的性質(zhì)，如更好的耐磨性和抗沖擊性。
在被視作“金剛石穩(wěn)定區(qū)域”、其典型取值范圍高于40千巴和1200-2000℃的高溫高壓(“HPHT”)條件下，在促進(jìn)金剛石-金剛石粘結(jié)的催化劑/溶劑存在下使金剛石顆粒燒結(jié)在一起可形成壓塊。
商業(yè)上可得到的燒結(jié)金剛石壓塊具有各種微觀結(jié)構(gòu)。例如根據(jù)U.S.PatentNo3，609，818可以形成對高達(dá)約700-750℃的溫度穩(wěn)定的未浸漬的多晶金剛石(“PCD”)壓塊。在該專利中，使金剛石粉末與石墨粉末和金屬催化劑/溶劑(如鈷)混合，并經(jīng)HPHT條件形成一種具有燒結(jié)的金剛石-金剛石鍵的多晶壓塊。用于燒結(jié)金剛石壓塊的催化劑/溶劑包括鈷、鎳、鐵、其它Ⅷ族金屬和含有這些金屬的合金。金剛石壓塊通常具有高于70%(體積)的金剛石含量，典型的是具有80-95%?？梢允篃o襯的壓塊機(jī)械地粘結(jié)到刀具體上。
例如，根據(jù)U.S.PatentNos3，767，371、3，742，489和4，403，015的方法，可以生產(chǎn)出多晶CBN的燒結(jié)壓塊。用于CBN的催化劑/溶劑包括鋁或含鎳、鈷、鐵、錳或鉻的鋁合金。
通過使金剛石粉末層與碳化鎢和鈷的粉末混合物經(jīng)HPHT條件下處理，可以使這種壓塊粘結(jié)到基體(如粘結(jié)的碳化鎢)上。在工藝過程中鈷擴(kuò)散到所說的金剛石粉末中，因此對于金剛石形成金剛石-金剛石鍵的燒結(jié)起著溶劑/催化劑的作用，并且對碳化鎢起著粘結(jié)劑的作用。通過這種方法，在金剛石層和粘結(jié)的碳化鎢的界面處形成牢固結(jié)合。參見，例如U.S.PatentNos.3，745，623和4，403，015。
燒結(jié)壓塊的強(qiáng)度和耐磨性可以類似于或優(yōu)于單晶金剛石，但是這些特性會(huì)因受熱而衰減，在高于750℃的溫度下，它們的切割效率明顯變壞。人們相信這是由于在高溫下金剛石和催化劑/溶劑相之間的不均勻熱膨脹導(dǎo)致的熱應(yīng)力和催化劑引起的金剛石石墨化所造成的。壓塊和襯底之間的不同的膨脹率還會(huì)引起在其界面處分層或破裂。
具有改進(jìn)熱穩(wěn)定性的壓塊敘述于U.S.PatentNo.4，224，380中，該專利描述了一種從壓塊中浸出大部分催化劑/溶劑，生產(chǎn)基本無金屬的無襯粘合的金剛石-金剛石粘結(jié)的磨料壓塊的方法。該金剛石壓塊包括70-90%(體積)的金剛石、0.05-30%(體積)的催化劑/粘結(jié)劑，和5-30%(體積)的空隙。無襯的或獨(dú)立式浸出的壓塊對高達(dá)1200℃為熱穩(wěn)定的，并且無明顯結(jié)構(gòu)降解現(xiàn)象發(fā)生。這種壓塊以“Geoset”商品名出售。這種壓塊稍微有點(diǎn)脆。
Geoset的多孔性也可能是脆弱、降低壓塊強(qiáng)度、耐磨性和抗沖突性的根源。在U.S.Patent4，636，253中，通過在HPHT處理之前，向金剛石粉末中加入選自元素周期表的ⅣA、ⅤA或ⅥA族的金屬或碳化物和鐵族金屬降低壓塊的孔隙率。然后浸出大部分鐵族金屬。通過這種方法，這種壓塊的空隙率被降低到7%或更低。
具有改進(jìn)熱穩(wěn)定性的燒結(jié)金剛石壓塊的另一個(gè)例子公開于英國專利申請No.2，158，086中。該壓塊中包括約80-90%(體積)的多晶金剛石物質(zhì)和約10-20%(體積)的硅和/或碳化硅第二相。在HPHT處理過程中，硅被滲透到壓塊中。這種壓塊被認(rèn)為在真空、惰性或還原氣氛條件下能夠承受1200℃的溫度，但是硅或碳化硅會(huì)增加壓塊的脆性。
影響燒結(jié)多晶壓塊的性質(zhì)的另一個(gè)特性為其晶體的粒度。粒度越小，壓塊的耐磨性越好，因?yàn)樵趹?yīng)力狀態(tài)下只有小顆粒部分削去。小顆粒的壓塊提供精細(xì)研磨，在機(jī)械加工應(yīng)用中是優(yōu)選的。
但是，具有太細(xì)的結(jié)構(gòu)和高度金剛石-金剛石粘合的壓塊所起的作用更象一個(gè)大單晶而不象小晶體的聚集體。所得到的與這種密實(shí)的金剛石-金剛石粘合相聯(lián)系的硬度和高彈性模量使得這種壓塊易于破裂擴(kuò)張。因此，足夠的應(yīng)力會(huì)引起大規(guī)模破裂，而使整個(gè)壓塊破碎。
生產(chǎn)細(xì)粒壓塊所需的細(xì)金剛石粉末原料還會(huì)引起原料處理和加工問題，這些問題會(huì)降低產(chǎn)量并導(dǎo)致產(chǎn)品質(zhì)量不穩(wěn)定。致密的粉末阻止催化劑/溶劑的浸透，因而難于燒結(jié)細(xì)粒晶體。這種細(xì)粒晶體的增大的表面積會(huì)增加它們對表面雜質(zhì)的敏感性，同時(shí)小粒晶體的清洗和壓緊也是困難的。在希望得到較大壓塊時(shí)或在所要求的金剛石原料粒度小于6微米時(shí)，這些問題更為嚴(yán)重。細(xì)粒金剛石壓塊也會(huì)象上述壓塊那樣受到同樣的熱限制。
除用于壓塊中之外，高強(qiáng)度磨料顆粒還被用來浸透磨料切割零件(如砂輪和鋦條)。例如，U.S.PatentNo.2，818，850公開了用碳化鎢粉末、鈷和金剛石粉末形成切割零件。還可參見U.S.PatentNo.2，796，706。在這種混合物中的金剛石濃度典型地為小于40%。金剛石的存在改進(jìn)了碳化物基體的切割效率，但具有較高金剛石濃度的高強(qiáng)度磨料壓塊最好。另外，由于金剛石似乎通過較弱的機(jī)械結(jié)合力即可被固著在碳化鎢基體上，當(dāng)該支承基體被腐蝕掉時(shí)，這種小金剛石磨料易于失去。
為了改進(jìn)金剛石磨料對碳化物基體的粘合，用金屬(如鎢、鉭、鉻、鈮或鉬)涂敷金剛石顆粒。U.S.PatentNo.3，871，840和3，841，852采用化學(xué)氣相沉積對分散在金屬基體中的金剛石磨料進(jìn)行金屬涂敷。這種涂敷的金剛石構(gòu)成約25%的磨料產(chǎn)物。但是，PCD在硬度、耐磨性和應(yīng)用范圍方面仍是優(yōu)越的。
最近，U.S.PatentNo.4，378，975公開了一種高強(qiáng)度磨料顆粒高達(dá)40%(產(chǎn)品體積)的磨料產(chǎn)品。這種顆粒優(yōu)選地用鉻和耐摩外層(如鎳/鐵基合金)涂敷。使這種顆粒在鎳/鉻基體合金中粘結(jié)在一起，該基體的熔點(diǎn)低于1100℃。這種磨料產(chǎn)品的形成是通過混合經(jīng)過涂敷的高強(qiáng)度磨料顆粒和合金粉末，在室溫下加壓形成一種未燒結(jié)狀態(tài)的產(chǎn)品，在遠(yuǎn)低于金剛石穩(wěn)定區(qū)域，約950-1000℃下，燒結(jié)該未燒結(jié)狀態(tài)產(chǎn)品。鉻涂層可以高達(dá)顆粒重量的10%，而包括耐磨涂層在內(nèi)，經(jīng)過涂敷的顆粒的直徑可以是未經(jīng)過涂敷顆粒的2-3倍。產(chǎn)品的低金剛石濃度注定了它的性能與PCD相似，并且其熱穩(wěn)定性低。與不同成分的粉末相連的混合和壓實(shí)問題可能阻礙金剛石顆粒在這種基體中的均勻分布，這會(huì)導(dǎo)致其機(jī)械和熱性質(zhì)不均勻。
金屬涂層還可被施用于金剛石濃度較高的產(chǎn)品中。例如，U.S.PatentNo.3，879，901敘述了固著在可以包括硅的鐵合金基體中的由鈦和鉬涂敷的金剛石磨料形成的65%金剛石的壓塊。這種基體還可以包括具有10%鈷的粘結(jié)碳化鎢。使這種金剛石磨料與基體粉末混合，在HPHT條件下經(jīng)加工形成壓塊。這種壓塊不加襯底。而由于熱失調(diào)和逆轉(zhuǎn)變，存在于基體中的鈷、鐵或鎳將會(huì)引起熱不穩(wěn)定性，但在這種相對低的金剛石濃度下可能不是個(gè)問題。但是，如果提高金剛石的濃度，所得到的產(chǎn)品將可能具有低熱穩(wěn)定性。
U.S.PatentNo.3，650，714描述了一種用鈦或鋯薄層涂敷天然金剛石產(chǎn)品以改進(jìn)它們與金屬、樹脂或陶瓷基體的粘結(jié)的方法。這種金屬涂層可高達(dá)經(jīng)過涂敷的金剛石體積的5%?？梢约尤腈嚮蜚~的附加層以防止鈦或鋯薄層的氧化，或可以在非氧化氣氛中進(jìn)行后續(xù)加工。但是，業(yè)已發(fā)現(xiàn)，這種薄層會(huì)被在后續(xù)加工中使用的液體粘合劑滲透，而使這種金屬涂層剝蝕。歐洲專利申請No.0，211，642還敘述了具有鈦或鉻薄層的金屬涂層多晶金剛石切割零件改進(jìn)了對切割刀具的鉆頭體的碳化鎢基體的粘附。
本發(fā)明提供了一種熱穩(wěn)定的高強(qiáng)度磨料切割零件及其制造方法。這種切割零件包括許多獨(dú)立的金屬涂敷的高強(qiáng)度磨料顆粒，其中相鄰顆粒之間的金屬涂層粘結(jié)到相鄰的顆粒上，形成粘結(jié)基體。在金剛石高強(qiáng)度磨料的情況下，這種金屬涂層應(yīng)為一種碳化物的形成體，可選自ⅣA、ⅤA、ⅥA族的金屬或它們的合金。作為涂層的金屬優(yōu)選的是鎢、鉭和鉬，最優(yōu)選的為鎢。
在一個(gè)優(yōu)選實(shí)施例中，基體可以進(jìn)一步包括改進(jìn)金屬涂層之間粘結(jié)的粘結(jié)劑。為了保持壓塊的熱穩(wěn)定性，優(yōu)選的是具有與金剛石相近熱膨脹性質(zhì)的粘結(jié)劑，如硅。其次，雖然具有降低的機(jī)械和熱性能，也可以使用催化劑/溶劑(如鈷)或非催化劑金屬(如銅)。
視具體情況而定，粒度小于經(jīng)過涂敷的高強(qiáng)度磨料的未經(jīng)涂敷的高強(qiáng)度磨料顆?？杀环稚⒃诮?jīng)過涂敷的磨料顆粒之間的空隙中。在粘結(jié)劑存在下，這種未經(jīng)涂敷的顆粒可以粘結(jié)在一起，生產(chǎn)出一種粘結(jié)的/燒結(jié)的切割零件。
根據(jù)本發(fā)明的另一方面，所說的金屬涂敷的高強(qiáng)度磨料顆?？赡馨ň哂懈倪M(jìn)耐磨性的熱穩(wěn)定的多晶細(xì)粒燒結(jié)聚集體。
本發(fā)明的切割零件可以是獨(dú)立式的或者加襯的。獨(dú)立式的高強(qiáng)度磨料切割零件可以在側(cè)面上具有可銅焊層，以改進(jìn)對刀具支承基體的粘合。由于它們具有相當(dāng)高的熱穩(wěn)定性和銅焊性，根據(jù)發(fā)明制造的切割零件具有廣泛的用途。這種切割零件可用于鉆頭尖，磨削或切割工具、機(jī)械加工工具和木工工具以及拔絲模。本發(fā)明的切割零件所含的高強(qiáng)度磨料顆粒至少約為壓塊體積的70%，最好是至少80%。
根據(jù)本發(fā)明的方法，將大量的金屬涂敷的高強(qiáng)度磨料顆粒置于模具中，并使其經(jīng)高溫高壓處理，使相鄰顆粒的金屬涂層粘結(jié)在一起。在一個(gè)優(yōu)選實(shí)施方案中，可以使這種經(jīng)過涂敷的顆粒在HPHT期間與一種粘結(jié)劑相接觸，其方法是通過粘結(jié)劑粉末與經(jīng)過涂敷的顆?；旌匣蛘咴谀Ｖ朽徑?jīng)過涂敷的顆粒附近放置一個(gè)粘結(jié)劑層以便在HPHT下進(jìn)行滲透。在另一個(gè)實(shí)施方案中，可以使未經(jīng)過涂敷的高強(qiáng)度磨料顆粒在HPHT之前與經(jīng)過涂敷的顆粒相混合。襯底或可銅焊層的粉末或園片也可以在HPHT之前插入模中。
通過在形成壓塊之前涂敷這種高強(qiáng)度磨料，基本避免了這種高強(qiáng)度磨料顆粒之間的自身結(jié)合。我們相信金剛石-金剛石的粘結(jié)是先有技術(shù)的壓塊中存在的一些問題(在沖擊負(fù)荷下大規(guī)模破裂)的原因。這種金屬涂層還顯著地保護(hù)金剛石免于催化劑金屬的作用，其中的催化劑金屬可以存在于基體中或從襯底中擴(kuò)散出來。這使得在后面的高溫作用期間的金剛石到石墨的石墨化或逆轉(zhuǎn)變，即燒結(jié)多晶壓塊的熱不穩(wěn)定性的一個(gè)根源最小化。這種金屬涂層還賦予這種壓塊足夠的導(dǎo)電性，使得它可以通過常規(guī)的移動(dòng)式有線放電加工機(jī)床(travellingwireelectricaldischargemachine)切割。
但是，在本發(fā)明的方法中，相鄰顆粒的金屬涂層之前的粘結(jié)是通過燒結(jié)形成的，對于高強(qiáng)度磨料顆粒，所得到的結(jié)構(gòu)被稱為“粘結(jié)的”，因?yàn)樗鼈儽徽辰Y(jié)到基體支承結(jié)構(gòu)上。這里所用的“燒結(jié)”指的是在HPHT條件下金剛石-金剛石或CBN-CBN粘合的形成。


圖1為本發(fā)明的粘結(jié)金剛石切割零件的拋光表面的掃描電子顯微照片;
圖2為本發(fā)明的粘結(jié)的/燒結(jié)的金剛石切割零件的拋光表面的顯微照片;
圖3為根據(jù)本發(fā)明利用經(jīng)過涂敷的細(xì)粒燒結(jié)金剛石聚集體的粘結(jié)的/燒結(jié)的金剛石切割零件的顯微照片;
圖4a表示了具有和不具有可銅焊層的本發(fā)明的獨(dú)立式切割零件的各種形狀;和圖4b表示了本發(fā)明的襯底壓塊。
本發(fā)明的高強(qiáng)度切割零件包括用一種碳化物形成體涂敷的或粘結(jié)到一種碳化物形成體上的高強(qiáng)度磨料顆粒，其中的碳化物形成體選自ⅣA、ⅤA或ⅥA族元素或它們的合金。在本發(fā)明方法中，在金剛石形成區(qū)域的高溫高壓下使相鄰顆粒的涂層粘結(jié)到一起，形成由涂敷的金屬和/或它的碳化物組成的粘結(jié)基體。下面更詳細(xì)地描述本發(fā)明的方法。圖1的顯微照片表示放大160倍的本發(fā)明切割零件的例子。
用于涂敷金剛石顆粒的優(yōu)選金屬有鎢、鉭和鉬。最好的是鎢，因?yàn)樗寡趸谛纬商蓟锏倪^渡金屬中它的熱膨脹性最接近于金剛石，并且它具有高熔點(diǎn)。鉭和鉬在較低的程度上共有這些性質(zhì)。對于涂敷CBN優(yōu)選的是鉭和鈦，因?yàn)樗鼈兪橇己玫呐鸹锖偷镄纬审w，并且具有相似于CBN的熱膨脹特性。
在暴露于PHT條件下期間或在熱處理之前，作為與金剛石的碳(CBN的硼或氮)反應(yīng)的結(jié)果，金屬涂敷的內(nèi)表面形成一種碳化物(硼化物或氮化物)層。取決于涂層的厚度和工藝條件，涂層的其余部分可能反應(yīng)形成碳化物、硼化物或氮化物，或者如果涂層足夠厚，可能會(huì)剩余金屬。因此使固定金剛石高強(qiáng)度磨料顆粒在一起的結(jié)合力可能采取金剛石到碳化物到金屬到碳化物到金剛石的形式，或者可能采取金剛石到碳化物到金剛石的形式。在這兩種情況下，形成牢固的化學(xué)鍵。雖然并不完全清楚，但是我們相信金剛石和金屬碳化物之間的鍵是金剛石的碳和碳化物之間的原子鍵。
這種涂層的體積可以是經(jīng)過涂敷的金剛石體積的4-30%。壓塊的金剛石濃度大于切割零件體積的約70%，最好大于80%。優(yōu)選的涂層體積約為經(jīng)過涂敷金剛石體積的8-12%。10%體積的涂層近似地相當(dāng)于平均粒徑為100微米的金剛石上1.5微米厚的涂層。較厚的金屬涂層將會(huì)造成壓塊中較低的金剛石濃度，相應(yīng)地降低所需的性質(zhì)，如強(qiáng)度和耐磨性。另一方面，如果該涂層太薄，在本發(fā)明方法中的HPHT處理期間可能形成增多的金剛石-金剛石鍵，而導(dǎo)致潛在的不穩(wěn)定性如脆性和逆轉(zhuǎn)變。
下面討論的本發(fā)明方法中的經(jīng)過涂敷的顆粒的壓實(shí)和處理會(huì)引起一些金屬涂層的剝落問題，這將使金剛石燒結(jié)到相鄰的金剛石上。但是并沒有足夠的能對壓塊的性質(zhì)產(chǎn)生破壞性影響的金剛石與金剛石的鍵合。
最好，這種切割零件的基體進(jìn)一步包括一種粘結(jié)劑，該粘結(jié)劑改進(jìn)粘結(jié)結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度和降低其空隙率。這種粘結(jié)劑潤濕金屬涂層，有助于涂層之間鍵的形成。取決于粘結(jié)劑，也能與金屬涂層發(fā)生化學(xué)的和/或機(jī)械粘合。這種粘結(jié)劑可高達(dá)壓塊體積的18%。
優(yōu)選的粘結(jié)劑是硅或含有硅或硼的化合物，如氮化硅(Si3N4)，碳化硅(SiC)和硼化硅(BC)。這些優(yōu)選的粘結(jié)劑具有接近于金剛石的熱膨脹特性，從而降低了潛在的熱應(yīng)力。另外，這些粘結(jié)劑對金剛石只有很小的催化作用，以及任何暴露的金剛石的逆轉(zhuǎn)變?yōu)樽钚　?br> 硅是最優(yōu)選的粘結(jié)劑，因?yàn)樗臒崤蛎浥c金剛石最符合。事實(shí)上，如下面實(shí)施例說明的，結(jié)合有硅粘結(jié)劑的壓塊具有可與常規(guī)的獨(dú)立式浸出的PCD切割刀具相比擬的熱穩(wěn)定性。硅與基體中的鎢和碳化鎢反應(yīng)，形成碳化硅(SiC)和硅化鎢(例如Si2W)，它提高了壓塊的整體強(qiáng)度。硅還可以與經(jīng)過金屬涂層剝落而暴露出來的金剛石反應(yīng)形成碳化物。在先有技術(shù)的含硅熱穩(wěn)定壓塊中經(jīng)常碰到的脆性問題，通過基體的金屬/金屬碳化物部分的存在而得到緩解，使得壓塊為可延展的。
由于金剛石被涂敷，只有極少量的金剛石暴露，我們相信催化劑/溶劑粘結(jié)劑(如鈷、鎳或鐵或者其它Ⅷ族金屬)也可以用來降低由于在高于750℃的溫度下使用期間的逆轉(zhuǎn)變造成的高溫不穩(wěn)定性。在高達(dá)約700℃的條件下，利用鈷的切割零件比硅的切割零件更堅(jiān)固。在更高的溫度下，由于熱不穩(wěn)定性使切割零件強(qiáng)度減弱。利用鈷作粘結(jié)劑的獨(dú)立或切割零件在低于800℃的應(yīng)用場合將是常規(guī)獨(dú)立式PCD的良好代用品。小于切割零件體積含量4%的催化劑/溶劑就足以獲得涂層顆粒間的牢固粘合，這種低濃度稍微使由催化劑粘結(jié)劑引起的熱不穩(wěn)定性有所緩和。其中鈷作粘結(jié)劑的切割零件的橫斷面分析表明金剛石和鈷有些接觸，除由于涂層剝落金剛石暴露所造成的接觸外。這告訴我們一些鈷通過金屬/金屬碳化物涂層進(jìn)行擴(kuò)散。下面討論的試驗(yàn)表明本發(fā)明的含鈷的加襯切割零件高達(dá)至少1000℃下是熱穩(wěn)定的。這是優(yōu)于先有技術(shù)的加襯PCD切割零件的熱穩(wěn)定性，并且本發(fā)明的加襯切割零件提供了一個(gè)良好的替換物。利用鈷作粘結(jié)劑的本發(fā)明的其它實(shí)施方案可顯示出高于1100℃的熱穩(wěn)定性。這些將在下面討論。
像銅、錫或其它ⅠB、ⅡB、ⅢB或ⅣB族金屬和它們的合金這樣的金屬也可以用作粘結(jié)劑。這些金屬的熔點(diǎn)比討論的其它粘結(jié)劑低，因此，所得到的壓塊的熱穩(wěn)定性也比討論的其它實(shí)施方案的壓塊低。另外，銅和同類金屬和合金不與顆粒上的涂層發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，所以只提供與金屬涂層的機(jī)械鍵合。這一原因多少會(huì)降低其耐磨性。
硅和鈦的組合體(例如硅/鈦合金)也可以用作粘結(jié)劑，而且具有良好的結(jié)果。
在本發(fā)明的另一優(yōu)選實(shí)施方案中，切割零件附加地包括一種或多種未經(jīng)涂敷的粒度較小的高強(qiáng)度磨料顆粒的粉末，它們位于經(jīng)過涂敷的顆粒之間的空隙中。這些較小的顆粒多達(dá)切割零件體積的20%，由此降低其空隙率和其金剛石含量。這種未經(jīng)涂敷的顆粒在粘結(jié)劑存在下燒結(jié)在一起，并粘結(jié)到第一和第二相的基體上。利用兩種不同粒度顆粒的切割零件可以稱作為雙模態(tài)(bimodal)。如果加入另外一種小顆粒高強(qiáng)度磨料粉，這種切割零件可稱為三模態(tài)(trimodal)。具有粘結(jié)/燒結(jié)結(jié)構(gòu)的三模態(tài)切割零件的放大160倍的顯微照片示于圖2中。
多模態(tài)壓塊中的粘結(jié)金屬/金屬碳化物結(jié)構(gòu)可以是完全由高強(qiáng)度磨料顆粒上的金屬涂層形成的，它與具有少量未經(jīng)涂敷顆粒的碳形成碳化物。為了改善與未經(jīng)涂敷顆粒的結(jié)合，還可以在HPHT之前向混合物中加入金屬(如鎢)的細(xì)粉。為了達(dá)到充分分散，所加入的金屬粉末的標(biāo)稱直徑應(yīng)為小于用于分散的最小未經(jīng)涂敷顆粒粒度的任何粒度。
這種經(jīng)涂敷的高強(qiáng)度磨料顆粒呈直徑小于1微米到近1000微米的近似園球狀，典型的是由10-200微米的經(jīng)涂敷顆粒構(gòu)成的壓塊。為了更好地充填，優(yōu)選使用粒度均勻的經(jīng)涂敷顆粒，但這并不是必須的。在一個(gè)平均直徑為90微米的經(jīng)涂敷顆粒樣品中，例如，近80%的顆?？梢允?5-95微米，剩余顆粒的粒度在上述范圍之外。
這種較小的未經(jīng)涂敷金剛石可以具有任何小于經(jīng)涂敷顆粒的粒度。但是，發(fā)現(xiàn)采用振動(dòng)充填方法時(shí)，當(dāng)這種較小的顆粒為相鄰較大的顆粒粒度的約1/6-1/9時(shí)，混合和充填效果更好。業(yè)已發(fā)現(xiàn)，這種顆粒粒度之間的關(guān)系可以改進(jìn)當(dāng)較小顆粒嵌入較大顆粒之間的空隙時(shí)的切割零件的充填密度，因此這種關(guān)系是優(yōu)選的。如圖2所示，較小的未經(jīng)涂敷顆粒的存在，會(huì)稍微增大較大的經(jīng)涂敷顆粒之間的距離。
根據(jù)本發(fā)明的另一方面，這種經(jīng)過金屬涂敷的金剛石顆?？赡茏陨硇纬蔁Y(jié)的細(xì)粒多晶聚集體，以提高耐磨性。另外，這種壓塊與討論的其它實(shí)施方案相同。這種聚集體分粒大致均勻，具有約20-1000微米的標(biāo)稱直徑。優(yōu)選的范圍為約50-250微米。細(xì)粒聚集體的使用相對于常規(guī)壓塊提高了耐磨性，同時(shí)粘結(jié)基體減小了在細(xì)粒燒結(jié)壓塊中經(jīng)常遇到的破裂擴(kuò)張的危險(xiǎn)性。圖3為本發(fā)明壓塊的放大80倍的顯微照片，該壓塊由經(jīng)過涂敷的細(xì)粒燒結(jié)金剛石聚集體組成。
獨(dú)立式切割零件在它的一個(gè)或多個(gè)側(cè)面具有一可銅焊薄層，以便在室溫條件下粘結(jié)到刀具的支承碳化鎢基體上。該薄層可以是一個(gè)0.020英寸層的抗氧化碳化物形成體層，其中的碳化物形成體如鎢、鈦或鉬或它們的碳化物如碳化鎢。優(yōu)選的是碳化物形成體和它們的碳化物，因?yàn)樗鼈兪悄透g的。它們還與切割零件和基體形成良好的金屬鍵。這種可銅焊層的使用使得在非HPHT條件下即可粘結(jié)到刀具基體上。圖4a表示了具有和不具有可銅焊層的本發(fā)明的獨(dú)立式切割零件。在PCD壓塊的相對側(cè)面上具有可銅焊層的夾層結(jié)構(gòu)也可以如圖4a所示形成。這種夾層結(jié)構(gòu)在木材加工工業(yè)中特別有用。
本發(fā)明的切割零件也可以粘結(jié)到一個(gè)襯底上，形成一個(gè)加襯的壓塊體。粘結(jié)的碳化鎢是一種優(yōu)選的襯底。由硅化合物如Si3N4或碳化硅或其它含硅或含硼化物組成的陶瓷基體也可以使用。圖4b表示了本發(fā)明的加襯底的壓塊。在圖4a和4b中所示的切割零件可用于鉆頭尖、磨削或切割刀具。機(jī)加工和木加工的工具以及拔絲模。類似于圖4a和4b中所示壓塊的金剛石產(chǎn)品也可以用作軸承零件，例如用于油/氣定向鉆探中使用的井底鉆探發(fā)動(dòng)機(jī)的軸承。圖4a和4b中所示的切割零件可以用一個(gè)移動(dòng)式有線放電加工機(jī)床(“EDM”)制成所需的外形或輪廓。一般情況下，這種體系使用垂直走線通過電火花腐蝕來切割導(dǎo)電材料。當(dāng)切割線接近工件時(shí)，從切割線放出電火花，從工件表面侵蝕出小塊材料。這種侵蝕出來的材料用去離子水從工件上沖洗掉。
由多晶金剛石壓塊制成的傳統(tǒng)熱穩(wěn)定切割零件不能用EDM機(jī)切割，因?yàn)樗鼈儾痪哂凶銐虻膶?dǎo)電性。Geoset壓塊不含有任何導(dǎo)電的金屬填隙式成分，但是在從DeBeers得到的Sgndax-3多晶金剛石壓塊中Si/SiC的存在使它們不適宜用EDM體系來切割。這些壓塊的金剛石-金剛石的自身鍵合特性也使它們難以用EDM切割系統(tǒng)進(jìn)行切割。它們通常就地形成一種特定的形狀，或者用激光切出一形狀。但是，本發(fā)明的切割零件中的金屬基體提供了足夠的導(dǎo)電性，使它們能夠用常規(guī)的EDM機(jī)切割出任何所需形狀或輪廓。
在本發(fā)明的另一方面，根據(jù)這里講的HPHT技術(shù)(包括，例如使用在這里所述的粘結(jié)劑，然后用機(jī)械方法粉碎生產(chǎn)出一種由粉碎的聚集體形成的磨料粒)可以制造出一種熱穩(wěn)定的粘結(jié)PCD產(chǎn)品。這種粉碎的聚集體可以進(jìn)一步球磨以及粉碎成均勻的更細(xì)的磨料粒。然后由這種粉碎的聚集體形成的磨料?？梢杂酶鞣N篩目尺寸的篩子(10/20，20/35，35/50，50/60，60/80等)分級(jí)。然后可以用適當(dāng)?shù)娜軇┣逑催@種分級(jí)的材料，視具體情況而定再利用標(biāo)準(zhǔn)涂敷技術(shù)用一種或多種形成碳化物的金屬(如鎢、鉬、鉻、鈦、鈮或鋯)層涂敷。這些粉碎的聚集體上的涂層厚度可以約為5-10微米，最好約10-20微米。這種粉碎的聚集料可以化學(xué)地結(jié)合在基體刀具體中。例如，60/80粒度的粉碎的聚集料在砂輪中是有用的，但是10/20粒度的粉碎的聚集料對于用作鋦條和鉆頭尖是有用的。
本發(fā)明的加襯底壓塊顯示出高達(dá)至少1000℃的熱穩(wěn)定性，該壓塊優(yōu)于熱穩(wěn)定性高達(dá)800℃的常規(guī)加襯壓塊。參見下面的實(shí)施例1-7，和表Ⅰ。所公開的不同的實(shí)施方案以不同的方法提高了熱穩(wěn)定性。例如，如實(shí)例1所示，加襯底的三模態(tài)壓塊對于高達(dá)1100℃是熱穩(wěn)定的。盡管這種現(xiàn)象的原因并不十分清楚，但是我們相信細(xì)粒未經(jīng)涂敷高強(qiáng)度磨料顆粒和基體的鎢和碳化鎢的混合物可能形成一個(gè)過渡層，其熱穩(wěn)定性介于鈷(從襯底擴(kuò)散到壓塊中)的基體與金剛石二者之間，而降低了一些熱應(yīng)力。在包括最大直徑小于約4微米的細(xì)微的未經(jīng)涂敷的高強(qiáng)度磨料粉的多模態(tài)壓塊中顯示了這種在熱穩(wěn)定性方面的改進(jìn)。
加襯底的壓塊的熱穩(wěn)定性還可以根據(jù)本發(fā)明使用一個(gè)薄配合層(compliantlayer)來改進(jìn)，其中的配合層的厚度高達(dá)500微米，最好是40-100微米，該配合層處于切割零件和襯底之間，在兩部分之間起著傳熱作用。這種配合層包括一種與ⅣA、ⅤA或ⅥA族金屬(如鉭)混合的粒度為0.5-10微米的細(xì)高強(qiáng)度磨料粉。另一方面，這種配合層包括一種平均粒徑為0.5-10微的細(xì)高級(jí)磨料粉，該磨料顆粒已用ⅣA、ⅤA或ⅥA族金屬(如鉭)的薄層涂敷。這種配合層有助于避免切割零件和襯底之間的離層，也有助防止在HPHT期間鈷的擴(kuò)散。下面實(shí)施例3的試驗(yàn)表明了這種類型的壓塊在1000℃以下是穩(wěn)定的。
如下面方法中討論的，利用硅作粘結(jié)劑，通過在粘結(jié)的碳化鎢襯底和壓塊之間放置硅園片或硅粉末層形成的壓塊顯示出高于1100℃的熱穩(wěn)定性(實(shí)施例5)。相信這種硅層阻止HPHT期間鈷進(jìn)入壓塊的擴(kuò)散。
硼摻雜的金剛石也可以用作高強(qiáng)度磨料顆粒，并且它們在熱穩(wěn)定性方面可能優(yōu)于非硼摻雜的金剛石。但是，同時(shí)由于質(zhì)量的不穩(wěn)定性使得它們的使用不可靠。
為了用在本發(fā)明的方法中，高強(qiáng)度磨料顆?？梢杂媒饘偻ㄟ^已知的常規(guī)方法(如化學(xué)氣相沉積或?yàn)R射法)涂敷。例如可以在700℃下用六氟化鎢進(jìn)行3小時(shí)的鎢化學(xué)氣相沉積。
涂敷后，在真空或還原氣氛(如氫)中，通過在950-1150℃下高溫焙燒2小時(shí)來使這種顆粒清潔。這種高溫處理還會(huì)引起高強(qiáng)度磨料顆粒與金屬涂層之間發(fā)生化學(xué)鍵合，形成碳化物、硼化物或氮化物層。
根據(jù)本發(fā)明制造切割零件的方法是將經(jīng)過涂敷的高強(qiáng)度磨料顆粒放于一個(gè)模中，然后使該模經(jīng)金剛石形成區(qū)域內(nèi)的高溫高壓條件處理。合適的模為鉭杯，可以輕輕地拍打或振蕩該模以便使顆粒沉積。壓力和溫度分別典型的是40-80千巴和1200-2000℃，時(shí)間為5-60分鐘。一般優(yōu)選的是15分鐘。這種高壓使顆粒層壓縮和壓實(shí)，減少制成壓塊中空隙率的氣孔。在HPHT條件下，金屬涂層相互粘結(jié)并且粘結(jié)到金剛石上形成粘結(jié)的基體。
在一個(gè)優(yōu)選的方法中，在HPHT處理之前，將一種粘結(jié)劑放入模中。這種粘結(jié)劑最好以一個(gè)園片的形式放置于模中與高強(qiáng)度磨料顆粒相鄰的位置，以便在HPHT處理期間進(jìn)行滲透。優(yōu)選的是將這種粘結(jié)園片放在高強(qiáng)度磨料顆粒的一側(cè)，因?yàn)楫?dāng)它滲透時(shí)，粘結(jié)劑可以吸收和傳遞沉淀在壓塊的一端并可被磨掉的雜質(zhì)。如果從兩端進(jìn)行滲透，這些雜質(zhì)傾向于在壓塊的中間濃縮，而提供潛在的不穩(wěn)定源。另一方面，這種粘結(jié)劑可以涂在被金屬涂敷的高強(qiáng)度磨料顆粒上或通過例如屬于本領(lǐng)域公知內(nèi)容并且將于下文進(jìn)行進(jìn)一步詳細(xì)討論的振動(dòng)填充技術(shù)與呈粉末狀的高強(qiáng)度磨料顆粒粒合。難于在經(jīng)過涂敷的顆粒中得到粉末的均勻分布，但是這可以通過本方法的高溫高壓條件得到某種程度的緩解。粘結(jié)劑的潤濕和HPHT處理的高壓會(huì)引起輕微的顆粒重排，使得進(jìn)一步沉積和填充。
當(dāng)在獨(dú)立式切割零件中使用硅作粘結(jié)劑時(shí)，滲透應(yīng)在金屬涂層之間顯著粘結(jié)之前發(fā)生。這可以通過在至少1300℃，55千巴下進(jìn)行15分鐘的HPHT處理來實(shí)現(xiàn)。因?yàn)樵谶@一壓力下硅的熔點(diǎn)為1200-1300℃，所以在金屬涂層之間發(fā)生顯著粘結(jié)之前硅將熔化和滲透。這種硅可以通過首先潤濕金屬涂層來改善它們的粘結(jié)。
如果使用象鈷這樣的催化劑溶劑作粘結(jié)劑，在該方法中最好在HPHT之前使粘結(jié)劑粉末與經(jīng)過涂敷的顆?；旌?。在此不介紹其滲透，因?yàn)殡y于控制滲入壓塊中鈷的量。
在該方法的另一實(shí)施方案中，在HPHT處理之前向模中加入粒度小于經(jīng)過涂敷顆粒的未涂敷的高強(qiáng)度磨料顆粒。如上所述，如果使用一種粒度的未經(jīng)過涂敷顆粒，這種較小顆粒的粒度優(yōu)選的是較大的經(jīng)過涂敷的顆粒粒度的1/6-1/9。如果要制造三模態(tài)切割零件，最好是最小的未經(jīng)過涂敷的顆粒為中等粒度顆粒粒度的1/6-1/9。這種顆粒的組合體可以均勻地混合并且用例如先有技術(shù)中已知的“純振動(dòng)充填技術(shù)”(True-VibrationalPackingTechnigue)緊密地填充。AcousticPowerSystemsCorporation生產(chǎn)的由2MHZFunctionWaveTek發(fā)生器(型號(hào)20)控制的DualModeTM能量放大器(PowerAmplifier)，型號(hào)APS114，Perma-Dyne振蕩器，型號(hào)APS120S，可用來提供混合和填充所需的適當(dāng)振動(dòng)。在下面的實(shí)施例中給出了這種機(jī)器的操作參數(shù)。這種最小的顆?？赡苋绱思?xì)小以致于它們能浮起，而防止了它們在振動(dòng)期間在其它顆粒之間的分布。這些細(xì)顆?？梢詰腋≡诩状贾?，然后倒入較大顆粒的混合物中。然后使整個(gè)混合物振動(dòng)，甲醇將有助于細(xì)顆粒在較大顆粒中的填隙式分布。然后蒸除甲醇。
在本發(fā)明方法的另一實(shí)施方案中，經(jīng)過涂敷的高強(qiáng)度磨料顆?？梢允羌?xì)粒的燒結(jié)聚集體。例如，燒結(jié)的磨料聚集體可以通過下列方法形成，該方法是粉碎和篩分商業(yè)上可得到的熱穩(wěn)定的燒結(jié)多晶金剛石壓塊(如Geoset或Syndax)或燒結(jié)的多晶CBN(“PCBN”)(如BZN或amborite)。從其它應(yīng)用中得到的用過的或破裂的PCD壓塊也可以用作原料。通過利用商業(yè)上的PCD壓塊或其碎片，可以避免使用細(xì)粒粉末中固有的制造問題。
為了制備用于本發(fā)明的壓塊中的多晶聚集顆粒，將燒結(jié)的PCD壓塊粉碎到所需的粒度，然后通過在酸(如王水，一種3份小時(shí)硝酸和1份鹽酸的濃溶液)中煮沸來徹底清洗。然后將這些磨料粒用去離子水漂洗，之后在高溫下干燥。在約1300℃、10-5乇下高真空焙燒1小時(shí)除去氧、水和雜質(zhì)。然后將這種PCD磨料粒視具體情況而定是否用化學(xué)添加劑、陶瓷添加劑或金屬添加劑處理以降低其空隙率。用常規(guī)的涂敷技術(shù)進(jìn)行金屬涂敷后，以在此描述的對單晶涂敷顆粒的同樣方法，對這種經(jīng)過涂敷的磨料粒進(jìn)行處理。
在HPHT處理之前，可以將包括抗氧化劑碳化物形成體或其碳化物的粉末或園片加入到模子中金剛石顆粒的一側(cè)，以便在獨(dú)立壓塊上形成可銅焊層。
可以在HPHT之前將一種襯底層材料放置于切割零件的相鄰位置以形成一種加襯的壓塊。這襯底可以包括一種預(yù)型的粘結(jié)碳化鎢園片或與鈷混合的碳化鎢粉末，或不同陶瓷襯底的園片或粉末。當(dāng)制造粘結(jié)碳化鎢加襯的壓塊時(shí)，由于難于控制在HPHT處理期間滲入壓塊中的鈷的量，因此必須容許高于2%(體積)。
通過在HPHT處理之前在襯底和壓塊顆粒之間放置一個(gè)硅園片。可以使來自襯底的鈷滲透阻止到某種程度。這種硅應(yīng)在鈷(在55千巴下熔點(diǎn)為1400℃)擴(kuò)散之前發(fā)生滲透。在一種方法中，用10分鐘將HPHT槽加熱到1300℃，使硅熔化并顯著滲透。然后用5分鐘將溫度提高到1450℃，以便充分地粘合碳化鎢襯底以及使該襯底粘結(jié)到顆粒上。另一種方法，可以在1450℃下進(jìn)行15分鐘的HPHT處理。
為了提高熱穩(wěn)定性，在HPHT處理之前，還可以將含有細(xì)微高強(qiáng)度磨料粉末和金屬粉末的混合物或經(jīng)過金屬涂敷的細(xì)微高強(qiáng)度磨料粉末的配合層放置于襯底與顆?；旌衔镏g。也可以使用含硅或硼的化合物的層。
下列實(shí)施例說明本發(fā)明方法和所得到的產(chǎn)品。在每個(gè)實(shí)施例中制備的切割零件和壓塊是由約82%(體積)的金剛石、5%(體積)的金屬鍍層和12%(體積)的粘結(jié)材料組成。實(shí)施例1-7包括加襯的壓塊。耐磨性試驗(yàn)結(jié)果列于表Ⅰ中。
實(shí)施例1在一個(gè)LindbergBox爐中，使0.6g的具有150微米標(biāo)稱直徑和3微米厚鎢涂層的金剛石顆粒通過在真空或還原氣氛下于950-1150℃下高溫焙燒2小時(shí)進(jìn)行清潔。然后將它們裝入一個(gè)保護(hù)的鉭杯中。將該杯放入由Wanetek2MHzFunctionGeneratorModel20控制的APS120S永久性磁鐵電力振動(dòng)充填臺(tái)的固定裝置中。將0.16g具有22微米標(biāo)稱直徑的未經(jīng)過涂敷的金剛石顆粒在王水中煮沸清洗，然后用去離子水漂洗。然后將這種未經(jīng)過涂敷的金剛石顆粒在氫氣氣氛中于1050℃下干燥和焙燒2小時(shí)。將它們加到杯子中，并通過振動(dòng)使其分散在較大的經(jīng)過涂敷金剛石顆粒的空隙中。將這種粉末填充在12-24PSi壓力下，通過300-500Hz，1-2g加速度。1-5微米的振幅下進(jìn)行3-5分鐘。將0.1g的粒度為0.5-1微米的第三種超細(xì)的未經(jīng)過涂敷金剛石粉末用類似的方法清洗并將其懸浮于甲醇中。將該懸浮液加到杯中，并通過振動(dòng)使其分散在剩下的間隙中。甲醇有助于這種小顆粒進(jìn)入混合物的擴(kuò)散。所得到的混合物的金剛石含量為80%(體積)。
將一個(gè)鈷粘結(jié)的碳化鎢襯底園片(鈷含量約13-16%(重量)整齊地放在杯內(nèi)的金剛石層的頂上。將該反應(yīng)杯裝入一個(gè)HPHT槽裝置中，在55千巴下經(jīng)15分鐘將其加熱到1450℃。將得到的三模態(tài)碳化鎢支承的粘結(jié)/燒結(jié)體從裝置中取出，然后用常規(guī)方法如表面研磨、磨光和外徑研磨等方法，將其精加工成具有理想形狀的產(chǎn)品。
通過檢測各種溫度下壓塊的磨損比值(在切割期間磨掉的巖石的體積對磨掉的壓塊的體積的比值)來測定壓塊的耐磨性和熱穩(wěn)定性。用一個(gè)夾子將精加工的壓塊裝在刀具架上。用該車床濕切Barre花崗巖以測定室溫下的磨損比值，其中車床的切削速度為300sfm，(每分鐘表面進(jìn)程)、每圈切削深度0.005英寸進(jìn)程為0.012英寸。然后將壓塊取出，在一個(gè)封閉的石墨容器內(nèi)于800℃下熱處理20分鐘。然后將它再次固定在刀具架上以便進(jìn)行另外的耐磨性試驗(yàn)。在850-1000℃之間每50℃間隔以及在1100℃和1200℃的溫度下重復(fù)這種方法。在每次結(jié)構(gòu)降級(jí)(如破裂或切割零件與襯底離層等)熱處理后，檢測產(chǎn)品測定殘存熱穩(wěn)定性。熱降級(jí)并不是經(jīng)常肉眼可測的，特別是當(dāng)接近熱臨界溫度時(shí)。在這種情況下，熱不穩(wěn)定性是由降低的耐磨性表示出來的。對常規(guī)的PCD刀具(如GE2541)和DeBeersImprovedSyndrill進(jìn)行類似的試驗(yàn)用于比較。
結(jié)果表明盡管有來自襯底的鈷的存在，這種三模態(tài)的壓塊在高達(dá)1100℃時(shí)都是熱穩(wěn)定的，由于介面離層常規(guī)的加襯PCD刀具在約825℃下就會(huì)損壞。如上討論的，這種壓塊所顯示的高熱穩(wěn)性可能是由于細(xì)高強(qiáng)度磨料晶體起著熱膨脹緩沖劑的作用的緣故。
實(shí)施例2將0.9g用3微米鎢層涂敷的150微米的金剛石顆粒用上述方法清洗，然后與鈷粘結(jié)碳化鎢園片一同裝入鉭杯中。使金剛石進(jìn)行無振動(dòng)充填，將裝好的杯如實(shí)例1那樣進(jìn)HPHT處理。所得到的粘結(jié)金剛石結(jié)構(gòu)構(gòu)成了含有小量鈷的鎢和碳化鎢的粘結(jié)金屬/金屬碳化物支承結(jié)構(gòu)。
如實(shí)施例1所述的試驗(yàn)表示了低于900℃的熱穩(wěn)定性。它比常規(guī)的粘結(jié)碳化鎢加襯的PCD壓塊好，但沒有實(shí)施例1的壓塊好。
實(shí)施例3將0.4g的具有2微米鎢涂層的150微米的硼摻雜的金剛石如上所述清潔處理，然后將其裝入一個(gè)鉭杯中，并在其頂上放入0.65g的50%(體積)的4微米的細(xì)金剛石粉末和50%(體積)的1微米的細(xì)鉭粉末的混合物。在杯中的粉末層上整齊放入鈷粘結(jié)的碳化鎢園片，再進(jìn)行HPHT處理。
得的壓塊在碳化鎢與襯底的界面處含有一個(gè)具有細(xì)粒燒結(jié)的PCD配合層的粘結(jié)的PCD層。根據(jù)實(shí)施例1中所述方法的試驗(yàn)表明這種樣品在高達(dá)1050℃時(shí)都是熱穩(wěn)定的。
實(shí)施例4-7將下列粒度的鎢涂敷的金剛石原料進(jìn)行清潔處理并裝入鉭杯中以用于下面的每個(gè)實(shí)施例中。將一個(gè)0.010英寸厚的純硅層放在金剛石層上，接著在其上放上一個(gè)鈷粘結(jié)的碳化鎢園片。HPHT在1300℃進(jìn)行10分鐘，在1450℃下進(jìn)行5分鐘。
實(shí)施例40.9g具有0.1微米鎢涂層的40微米的金剛石。
50.9g具有0.7微米鎢涂層的40微米的金剛石。
60.9g具有3微米鎢涂層的150微米的金剛石。
71.0g具有2.5微米鎢涂層的300微米的金剛石。
如實(shí)施例1所述的試驗(yàn)表明與普通的PCD壓塊比較具有改進(jìn)的熱穩(wěn)性和耐磨性。在實(shí)施例5-7中表示出較大的改進(jìn)，它們具有比實(shí)施例4更厚的鎢涂層。壓塊的熱穩(wěn)定性是通過防止鈷擴(kuò)散的硅的摻入保持的。襯底與壓塊之間離層在約1050℃(與常規(guī)壓塊約為850℃時(shí)發(fā)生離層的情形形成對比)下發(fā)生。這種硅粘結(jié)劑的附加物降低了該壓塊的空隙率，改進(jìn)了它的整體強(qiáng)度。這些結(jié)果列于下表1中。類似于實(shí)施例4-7，但是不同的金剛石原料和控制的HPHT工藝溫度的WC-加襯的切割零件的后續(xù)試驗(yàn)表示出高達(dá)1150℃的熱穩(wěn)定和更高的磨損比。作為一個(gè)實(shí)施例，由具有0.7微米厚的W-涂層的平均粒度為40微米的金剛石制成的WC-加襯壓塊在1200℃損壞之前在各種溫度下表示出下列磨損比2.0×105(室溫)、1.6×105(800℃)、1.5×105(1000℃)、1.3×105(1050℃)、2.0×105(1100℃)、1.1×105(1150℃)。
如下面所述的制備下列實(shí)施例的獨(dú)立式壓塊對其進(jìn)行試驗(yàn)。用實(shí)施例1中所述的方法在900-1200℃之間每間隔100℃對這些樣品進(jìn)行試驗(yàn)的結(jié)果列于表Ⅱ中。
實(shí)施例8將0.6g具有2微米鎢涂層的175微米硼摻雜的金剛石顆粒和0.25g的22微米的未經(jīng)過涂敷的金剛石如上所述進(jìn)行清潔處理，然后使其與作為粘結(jié)劑的0.15g標(biāo)稱直徑為0.1-0.9微米的Si3N4粉末混合。將該混合物在鉭杯中振動(dòng)，然后如實(shí)施例1那樣進(jìn)行HPHT處理。
所得到的獨(dú)立式粘合的粘結(jié)壓塊與市售的獨(dú)立式金剛石燒結(jié)壓塊(如GE2102和2164)相比表示出低于1200℃可比擬的熱穩(wěn)定性，但該壓塊表示出較低的磨損比。Syndax-3壓塊由于它的高脆性在試驗(yàn)期間破裂了。
實(shí)施例9和10將1.7g的具有0.25微米厚鎢涂層的粒度為70微米的硼摻雜的人造金剛石顆粒進(jìn)行清潔處理后裝入鉭杯中。將一個(gè)鈷園片(5.7%(重量)的鐵)放在金剛石層的頂上。形成的獨(dú)立式切割零件具有混合的粘結(jié)和燒結(jié)結(jié)構(gòu)。這種薄金屬涂層和鈷造成一些金剛石-金剛石鍵合。
在實(shí)施例10中，用類似的方法制備300g的具有5微米鎢涂層的粒徑為175微米的硼摻雜的人造金剛石顆粒，隨后產(chǎn)生一種具有均勻分散在鎢/碳化鎢基體中的鈷的粘結(jié)體。這種較厚的鎢涂層防止了金剛石-金剛石鍵的形成。
試驗(yàn)結(jié)果表明在室溫下具有可與普通壓塊相比擬的磨損比，但破壞是在約800℃開始。大規(guī)模的結(jié)構(gòu)降級(jí)在1000℃左右發(fā)生，這可能由于鈷與金剛石之間的熱膨脹失調(diào)及逆轉(zhuǎn)變所致。橫斷面樣品的分析表明鈷與金剛石的表面接觸，暗示在加工期間有鈷通過該金屬涂層的擴(kuò)散，以及由于壓實(shí)所造成的涂層剝落之類的現(xiàn)象發(fā)生。在低溫應(yīng)用中本發(fā)明利用鈷的獨(dú)立式切割零件作為常規(guī)PCD壓塊的良好替換物。
實(shí)施例11-17將下列粒度的經(jīng)鎢涂敷的金剛石顆粒進(jìn)行清洗處理并裝入鉭杯中，并且在金剛石的頂上或在頂上或底下放入硅粉末或硅的園片(如下面所述的)。在實(shí)施例12-14中，還包括所述材料的可銅焊層。
實(shí)施例112.7g具有7.0微米鎢涂層的70微米的硼摻雜金剛石，放在其頂上的含有10%(重量)的0.23g金硅粉混合物;
122.1g具有1.0微米鎢涂層的90微米的金剛石，放在其頂上的500微米厚的硅園片，1.5g標(biāo)稱直徑為12微米的鎢粉末;
132g具有1.0微米鎢涂層的90微米的金剛石，放在其頂上和底下的250微米的硅園片，于一個(gè)硅層相鄰放置的500微米厚的鉬園片;
141.9g具有1.5微米鎢涂敷的90微米的金剛石，放于其上的500微米厚的硅園片，1.5g放于硅層之上的標(biāo)稱直徑為12微米的鎢粉末;
151.8g具有0.5微米鎢涂層的90微米的金剛石，放于其上的500微米的硅園片;
162.3g具有2微米鎢涂層的175微米的金剛石，放于其上的500微米的硅;
171.9g具有2微米鎢涂層的300微米的金剛石，放于其上的250微米的硅園片。
磨損比數(shù)據(jù)示于表Ⅱ中，它們與市售壓塊的數(shù)據(jù)相類似。使用標(biāo)準(zhǔn)銀釬料銅焊合金如HandyandHarmanCo的Easy-F1045使樣品14牢固地銅焊到碳化鎢園片上。將其基體放在Ingstron機(jī)器的固定裝置上對該樣品進(jìn)行剪切試驗(yàn)。向切割零件側(cè)施加一個(gè)逐漸增大的力，直到它從基體上分離下來?？辜魪?qiáng)度或造成分離的力為18000psi。
下列實(shí)施例說明作為壓塊的原料，細(xì)粒燒結(jié)的多晶金剛石壓塊的應(yīng)用。將這種聚集體在王水中煮沸清洗，然后用去離子水漂洗。將它們干燥，在約1300℃和10-5乇下真空焙燒1小時(shí)，然后用鎢涂敷至所述厚度。用上述同樣方法清凈涂層的顆粒。用實(shí)施例1的方法進(jìn)行試驗(yàn)，這些樣品的試驗(yàn)結(jié)果列于表Ⅲ中。
實(shí)施例18將0.8g的具有4微米厚鎢涂層的200微米PCD粉碎聚集料裝入Ta杯中。將鈷粘結(jié)的碳化鎢(含鈷6%(重量))襯底園片整齊地安放在金剛石層的上面。
在1450℃和55千巴下HPHT處理10分鐘，得到一種碳化鎢支承的粘結(jié)/燒結(jié)壓塊，將該壓塊如實(shí)施例1中所述的方法進(jìn)行精加工。
與表Ⅰ中試驗(yàn)的常規(guī)加襯刀具相比較，表示出稍高的熱穩(wěn)定性和類似的耐磨性。在每種情況下結(jié)構(gòu)性破壞開始于約900℃。在約825℃時(shí)，該壓塊的界面層在碳化鎢/金剛石界面處發(fā)生破裂(離層)。
實(shí)施例19將0.8g的250微米粉碎的PCD聚集料用5微米的鎢涂敷，然后裝入鉭杯中。將一個(gè)0.010英寸厚的純硅園片放于金剛石層之上，再加上一個(gè)鈷粘結(jié)的碳化鎢園片。如實(shí)施例18進(jìn)行HPHT處理。
試驗(yàn)結(jié)果表示出這種粘結(jié)/燒結(jié)壓塊在接近1100℃的溫度下是熱穩(wěn)定的，在1100℃下金剛石層開始表現(xiàn)出破裂，但沒有明顯的界面層分離。
實(shí)施例20將2.4g用4微米的鎢涂敷的200微米PCD聚集原料裝入鉭杯。將一個(gè)0.020英寸厚的硅園片放于金剛石層之上，并如上處理。得到一種獨(dú)立式粘結(jié)壓塊，與表Ⅱ相比表明這種切割零件具有高于市售產(chǎn)品(如GE′sGeoseDeBeers′Syndax-3)的耐磨性和熱穩(wěn)定性。
表Ⅲ在各種溫度下燒結(jié)多晶聚集原料的磨損比實(shí)施例室溫800℃850℃1000℃1100℃1200℃18 1.6×1051.3×105離層19 5.7×1051.0×1051.2×10520 4.2×1056.6×105
實(shí)施例21在這一實(shí)施例中，使用硅鈦合金作為粘結(jié)劑。制備含90%(重量)的Si和10%(重量)的Ti的Si/Ti合金。將0.020英寸厚的Si/Ti合金園片放置于用1微米厚鎢層涂敷的90微米(平均)的金剛石原料之上。對反應(yīng)杯裝置如上所述進(jìn)行HPHT處理，形成用于耐磨性試驗(yàn)的獨(dú)立式PCD壓塊。發(fā)現(xiàn)磨損比在室溫下為3.1×105，1000℃下為3.4×105和1200℃下為1.8×105。
實(shí)施例22將1.7g平均粒徑為90微米的金剛石原料用0.5微米的鉬涂敷、在氮?dú)鈿夥罩羞M(jìn)行清潔處理，并裝入鉭杯。將一個(gè)0.020英寸厚的硅園片放置于金剛石層之上，并在該Si園片上放置一個(gè)0.004英寸厚的鉭園片。然后在Ta園片上鉗緊該杯來封住物料。然后將裝置在約55千巴，約1450℃下處理約15分鐘。得到一種獨(dú)立式粘結(jié)壓塊，并通過(rocklathegraniteturningtest)進(jìn)行耐磨性試驗(yàn)。其結(jié)果列于下面。
表Ⅳ在各種溫度下經(jīng)鉬涂敷的金剛石原料磨損比樣品室溫1000℃1200℃1 1.8×1051.5×1051.1×1052 2.9×1051.4×1051.7×1053 2.2×1051.8×1051.2×1054 2.4×1051.6×1051.6×105平均 2.33×1051.58×1051.4×105
實(shí)施例23如上所述在一個(gè)模中制備直徑為0.530英寸厚度為0.100英寸的獨(dú)立式切割零件。然后，將這種切割零件在Charmilles/AndrewsModelEF-320移動(dòng)式有線放電加工機(jī)床上以2.8英寸/小時(shí)的切割速度切成圖4a所示的形狀。使用銅和黃銅兩種線(直徑均為0.01英寸)效果良好。由于它們的高熱穩(wěn)定性、均勻?qū)щ娦院涂摄~焊性，這些切割零件可以通過已知常規(guī)工具制造方法(如銅焊或基質(zhì)金屬/粘結(jié)劑滲透)結(jié)合到各種不同類型的工具上。即使沒有可粘結(jié)層的獨(dú)立式PCD產(chǎn)品，使用市售的黃銅合金(例如WestgoCo.公司的Incusil和Ticusil兩種黃銅合金)證明了它對常規(guī)Co/WC基體的可銅焊性。
本發(fā)明的切割零件和加襯的壓塊優(yōu)于或類似于它們先有技術(shù)中的產(chǎn)品。利用硅作粘結(jié)劑的本發(fā)明獨(dú)立式切割零件高達(dá)1200℃時(shí)都是熱穩(wěn)定的，并沒有顯著結(jié)構(gòu)破壞或明顯石墨化的跡象。參見實(shí)施例9和11-17。這是可與常規(guī)PCD壓塊(如Geoset和Syndax-3)的熱穩(wěn)定性相比擬的。本發(fā)明的具有粘結(jié)碳化鎢襯底和硅浸滲劑的加襯壓塊在1000℃以下是熱穩(wěn)定的。利用細(xì)金剛石粉末的三模態(tài)以及單一粒度細(xì)粒加襯壓塊在高達(dá)1150℃時(shí)都是熱穩(wěn)定性。沒有硅浸滲劑的配合層的使用表明了熱穩(wěn)定性高達(dá)1000℃。參見實(shí)施例1-7。這些壓塊與在750-850℃下就發(fā)生熱破壞的先有技術(shù)的加襯PCD壓塊(如GE2541和Syndrill)(如表1所示)相比表示出了優(yōu)異的熱穩(wěn)定性。包括經(jīng)過涂敷的細(xì)粒燒結(jié)聚集體的切割零件和加襯壓塊與常規(guī)的PCD壓塊相比，表現(xiàn)出更高的耐磨性，和類似的或更高的熱穩(wěn)定性。參見表Ⅲ。另外，由于基質(zhì)的存在，本發(fā)明比常規(guī)的PCD壓塊更能阻止破裂擴(kuò)張。這種粘結(jié)的金屬/金屬碳化物支承結(jié)構(gòu)還降低了壓塊的硬度和彈性模量，與常規(guī)的PCD壓塊比較，改進(jìn)了它的抗沖擊性。這種金屬基體還降低了利用硅的先有技術(shù)壓塊的脆性。
權(quán)利要求
1.一種熱穩(wěn)定的高強(qiáng)度磨料產(chǎn)品，該產(chǎn)品包括許多獨(dú)立的經(jīng)金屬涂敷的高強(qiáng)度磨料顆粒，所說的金屬選自ⅣA、VA或ⅣA族和它們的合金，所說的涂層在粘結(jié)物質(zhì)中使所說的高強(qiáng)度磨料顆粒粘結(jié)在一起形成基體，所說的高強(qiáng)度磨料顆粒包括所說的粘結(jié)物質(zhì)體積的至少70%。
2.一種如權(quán)利要求1所述的高強(qiáng)度磨料產(chǎn)品，其中的粘結(jié)物質(zhì)為預(yù)定形狀的，所說的金屬涂層包括所說的粘結(jié)物質(zhì)體積的約4～30%。
3.一種如權(quán)利要求1或2所述的高強(qiáng)度磨料產(chǎn)品，其中的涂層將所說的高強(qiáng)度磨料顆粒粘結(jié)到粘結(jié)物質(zhì)中形成導(dǎo)電基體，以使得這種物質(zhì)可以用有線放電機(jī)切割。
4.一種如權(quán)利要求3所述的高強(qiáng)度磨料產(chǎn)品，其中所說的基體進(jìn)一步包括一種粘結(jié)劑，該粘合劑位于所說金屬涂敷的顆粒之間的空隙中。
5.一種如權(quán)利要求4所述的高強(qiáng)度磨料產(chǎn)品，其中所說的粘結(jié)劑為硅。
6.一種如權(quán)利要求4所述的高述的高強(qiáng)度磨料產(chǎn)品，其中所說的粘結(jié)劑為一種硅和鈦的混合物。
7.一種如權(quán)利要求4所述的高強(qiáng)度磨料產(chǎn)品，其中所說的粘結(jié)劑為一種含硅或硼的化合物。
8.一種如上述任一權(quán)利要求所述的高強(qiáng)度磨料產(chǎn)品，其中所說的金屬選自鎢、鉭和鉬。
9.一種如權(quán)利要求8所述的高強(qiáng)度磨料產(chǎn)品，其中所說的金屬為鎢。
10.一種如上述任一權(quán)利要求所述的高強(qiáng)度磨料產(chǎn)品，其中所說的金屬涂層構(gòu)成所說產(chǎn)品體積的約4-30%。
11.一種如權(quán)利要求10所述的高強(qiáng)度磨料產(chǎn)品，其中所說的金屬涂層構(gòu)成所說產(chǎn)品體積的約8-10%。
12.一種如上述任一權(quán)利要求所述的高強(qiáng)度磨料產(chǎn)品，該產(chǎn)品包括粒度小于所說涂敷的高強(qiáng)度磨料顆粒的未經(jīng)涂敷的高強(qiáng)度磨料顆粒，所說的未經(jīng)過涂敷的顆粒被分散在所說的經(jīng)涂敷的顆粒之中。
13.一種如上述任一權(quán)利要求所述的高強(qiáng)度磨料產(chǎn)品，其中的磨料產(chǎn)品包括大量的均勻粒度的磨料粒，每個(gè)所說的磨料粒包括許多分立的金屬涂敷的高強(qiáng)度磨料顆粒。
14.一種如權(quán)利要求13所述的高強(qiáng)度磨料產(chǎn)品，其中所說的磨料粒的粒度為10/20目。
15.一種如權(quán)利要求13所述的高強(qiáng)度磨料產(chǎn)品，其中所說的磨料粒的粒度為20/35目。
16.一種如權(quán)利要求13所述的高強(qiáng)度磨料產(chǎn)品，其中所說的磨料粒的粒度為35/40目。
17.一種如權(quán)利要求13所述的高強(qiáng)度磨料產(chǎn)品，其中所說的磨料粒的粒度為50/60目。
18.一種如權(quán)利要求13所述的高強(qiáng)度磨料產(chǎn)品，其中所說的磨料粒的粒度為60/80目。
19.一種如權(quán)利要求13～18中任一項(xiàng)所述的高強(qiáng)度磨料產(chǎn)品，該產(chǎn)品包括一個(gè)所說磨料粒上的第二金屬涂層，所說的第二金屬選自ⅣA、ⅤA或ⅥA族或它們的合金，所說的第二金屬涂層為5-100微米厚。
20.一種如權(quán)利要求19所述的高強(qiáng)度磨料產(chǎn)品，其中所說的第二金屬涂層為10-20微米厚。
21.一種如上述任一權(quán)利要求所述的產(chǎn)品，其中的高強(qiáng)度磨料顆粒包括單晶金剛石，多晶金剛石或立方碳化硼。
22.一種如上述任一權(quán)利要求所述的產(chǎn)品，該產(chǎn)品包括粘結(jié)到所說粘結(jié)體上的襯底件。
23.一種如權(quán)利要求22所述的高強(qiáng)度磨料產(chǎn)品，其中所說的襯底件包括含硅化合物的陶瓷基體。
24.一種如權(quán)利要求22或23所述的高強(qiáng)度磨料產(chǎn)品，其中所說的襯底件包括粘結(jié)的碳化鎢。
25.一種如權(quán)利要求22～24中任一項(xiàng)所述的產(chǎn)品，該產(chǎn)品包括所說的粘結(jié)體和所說的襯底件之間的配合層。
26.一種如上述任一權(quán)利要求所述的產(chǎn)品，以切割零件形式使用時(shí)，該零件包括一個(gè)可銅焊層，該可銅焊層在所述的切割零件的至少一側(cè)，所說的可銅焊層包括抗氧化碳化物形成體或其碳化物。
27.一種如權(quán)利要求26所述的產(chǎn)品，其中所說的可銅焊層包括鎢、鉬、鈦、或碳化鎢。
28.一種如權(quán)利要求26或27所述的產(chǎn)品，其中所說的可銅焊層位于所說的切割零件的相對側(cè)面上。
29.一種如權(quán)利要求1-28中任一項(xiàng)所述的高強(qiáng)度磨料產(chǎn)品，其中所說的產(chǎn)品是用于鉆頭尖的切割零件。
30.一種如權(quán)利要求1～28中任一項(xiàng)所述的高強(qiáng)度磨料產(chǎn)品，其中所說的產(chǎn)品是用于磨削工具的切割零件。
31.一種如權(quán)利要求1～28中任一項(xiàng)所述的高強(qiáng)度磨料產(chǎn)品，其中所說的產(chǎn)品是用于機(jī)械加工工具的切割零件。
32.一種如權(quán)利要求1～28中任一項(xiàng)所述的高強(qiáng)度磨料產(chǎn)品，其中所說的產(chǎn)品是用于木工工具的切割零件。
33.一種如權(quán)利要求1～28中任一項(xiàng)所述的高強(qiáng)度磨料產(chǎn)品，其中所說的產(chǎn)品是用于拔絲模切割零件。
34.一種如權(quán)利要求1～28中任一項(xiàng)所述的高強(qiáng)度磨料產(chǎn)品，其中所說的產(chǎn)品是用于切削工具的切割零件。
35.一種如權(quán)利要求1～28中任一項(xiàng)所述的高強(qiáng)度磨料產(chǎn)品，其中所說的產(chǎn)品是軸承零件。
36.一種生產(chǎn)任一上述權(quán)利要求所述的高強(qiáng)度磨料產(chǎn)品的方法，該方法包括將大量的分立金屬涂敷的高強(qiáng)度磨料顆粒放于一個(gè)模中，所說的金屬為元素周期表中ⅣA，ⅤA或ⅥA族金屬或任何所說金屬的合金，使所說模中的內(nèi)含物經(jīng)高溫高壓處理，以使所說涂敷的顆粒的金屬涂層粘結(jié)到相鄰?fù)糠箢w粒的金屬涂層上形成粘結(jié)體。
37.一種如權(quán)利要求36所述的方法，該方法包括在對所述的模進(jìn)行所說的高壓和高溫處理之前，向所說的模中插入粘結(jié)劑。
38.一種如權(quán)利要求36或37所述的方法，該方法包括使所說的粘結(jié)體粉碎成分立的磨料粒。
39.一種如權(quán)利要求38所述的方法，該方法包括篩分選擇所說的分立的磨料粒來生產(chǎn)均勻粒度的磨料粒。
40.一種如權(quán)利要求39所述的方法，其中通過使所述的分立的磨料粒通過一個(gè)篩子進(jìn)行粒度選擇。
41.一種如權(quán)利要求36-40中任一項(xiàng)所述的方法，該方法包括在所說的處理步驟之前使未經(jīng)過涂敷的高強(qiáng)度磨料顆粒分散在所說的經(jīng)過涂敷的高強(qiáng)度磨料顆粒中，所說的未經(jīng)過涂敷的顆粒小于所說的經(jīng)過涂敷的高強(qiáng)度磨料顆粒。
42.一種如權(quán)利要求36-41中任一項(xiàng)所述的方法，進(jìn)一步包括用一種經(jīng)過金屬涂敷所說的磨料粒，所說的金屬選自ⅣA、ⅤA或ⅥA族或它們的合金。
43.一種如權(quán)利要求36-42中任一項(xiàng)所述的方法，其中所說的涂層的高強(qiáng)度磨料顆粒為燒結(jié)的多晶聚集體。
44.一種如任一實(shí)施例中所述的熱穩(wěn)定的高強(qiáng)度磨料產(chǎn)品。
45.一種如任一實(shí)施例中所述的生產(chǎn)高強(qiáng)度磨料粒的方法。
46.根據(jù)權(quán)利要求36～43和45中任一項(xiàng)所述方法生產(chǎn)的高強(qiáng)度磨料粒。
全文摘要
本發(fā)明公開了高程度磨料切割零件、加襯壓塊及其制造方法，其中在HPHT條件下使經(jīng)過金屬涂敷的高強(qiáng)度磨料顆粒燒結(jié)。
文檔編號(hào)E21B10/567GK1040164SQ8910618
公開日1990年3月7日 申請日期1989年7月29日 優(yōu)先權(quán)日1988年7月29日
發(fā)明者喬漢山, 宋秦民, 利奧·莫里爾, 陳西華, 弗朗克·希拉格 申請人:諾頓公司