專利名稱:改進(jìn)的復(fù)合多晶態(tài)金剛石壓坯的制作方法
本發(fā)明主要涉及一種耐磨耐沖擊的工件，它用于切削、加工、鉆削及類似作業(yè)中，也用于象磨床止動(dòng)銷、閥門座、噴嘴等易磨損面上。更確切說(shuō)，本發(fā)明涉及的工件是由多晶態(tài)金剛石和燒結(jié)的金屬碳化物在超高壓和超高溫下壓制而成的。
在下面說(shuō)明和權(quán)利要求
中使用的術(shù)語(yǔ)“多晶態(tài)金剛石”縮寫為“PCD”，意指這種材料是使單個(gè)的金剛石晶體，在超高溫和超高壓下，產(chǎn)生晶間鍵合而形成的。一般還使用催化劑粘結(jié)劑來(lái)確保晶間鍵合。這種材料在工藝上也稱為“燒結(jié)金剛石”。
在下面說(shuō)明和權(quán)利要求
中也要使用的術(shù)語(yǔ)“預(yù)燒結(jié)碳化物”，意指這種材料是第IVB、VB或VIB族中任一族的一種金屬元素的碳化物顆粒，在加壓、加熱后得到的固態(tài)的致密的整塊，(經(jīng)常采用鈷、鎳、或鐵以及它們的各種合金作為粘結(jié)劑)。最常用而容易生產(chǎn)的預(yù)燒結(jié)碳化物是含有鈷粘結(jié)劑的碳化鎢。
在許多應(yīng)用中已經(jīng)表明，多晶態(tài)金剛石比單晶態(tài)金剛石有顯著優(yōu)點(diǎn)。具體說(shuō)，PCD比單晶態(tài)金剛石更耐沖擊。對(duì)于單晶金剛石，不但在它的解理面上，較小的力就能引起晶體斷裂，而且其彈性模數(shù)相當(dāng)高，因而耐沖擊性較差。而PCD是由任意取向的單個(gè)晶粒組成，這就減輕了單晶體中解理面引起的問(wèn)題。但是，由于金剛石的彈性模數(shù)較高，PCD的抗沖擊性仍然較低。這種低的抗沖擊性是一個(gè)問(wèn)題。因?yàn)樵谠S多應(yīng)用中，PCD的“磨損”與其說(shuō)是原子層的磨損，倒不如說(shuō)是在微觀或宏觀尺度上發(fā)生的斷裂和剝落引起的。
PCD脆性較大是早已得到公認(rèn)的，因此，第一個(gè)有工業(yè)實(shí)用性的PCD產(chǎn)品，正象美國(guó)專利3745623號(hào)所示，它包括一個(gè)直接粘結(jié)在金剛石層上的金屬底板或基片。到目前為止，最常用的復(fù)合壓坯是在壓制期間通過(guò)高壓高溫，直接將PCD圓盤燒結(jié)到一個(gè)被預(yù)先燒結(jié)的碳化鎢圓盤上形成的。
用一個(gè)單一預(yù)燒結(jié)的碳化物或類似的基片來(lái)支承PCD，這種方式已經(jīng)證明對(duì)連結(jié)PCD確有好處。金剛石比較穩(wěn)定，因此，用普通的釬焊技術(shù)，將PCD連接到工具支撐體上或其它表面上，即使可能，也相當(dāng)困難的。因而只要PCD和金屬基片之間可被釬焊，就可以提供一種設(shè)備將PCD復(fù)合壓坯釬焊到工具支撐體上。
但是，按上述方法，即將PCD層直接連到單個(gè)的平面基片上的復(fù)合壓坯會(huì)產(chǎn)生一些問(wèn)題。問(wèn)題之一是它在某些結(jié)構(gòu)中限制金剛石工具的設(shè)計(jì)。在這些結(jié)構(gòu)中，碳化物基片需要足夠的強(qiáng)度來(lái)支承金剛石層。雖然已經(jīng)做過(guò)某些工作來(lái)擴(kuò)展這種可能性，(見美國(guó)專利4215999號(hào)中，用圓筒形的多晶金剛石燒結(jié)在預(yù)燒結(jié)的碳化物芯體周圍)但是仍然可以想到，用普通的復(fù)合壓坯把PCD用在工具中是很困難的，或者不可能。例如，需要線對(duì)稱的小型砂輪和鉆頭，及其工作面受切向力的作用等旋轉(zhuǎn)工具，還沒(méi)有得到大量采用。
由于碳化物基片的熱膨脹系數(shù)高于PCD，這就產(chǎn)生另一個(gè)問(wèn)題。因?yàn)轭A(yù)燒結(jié)碳化物基片和金剛石層的粘結(jié)是在1300到2000℃溫度區(qū)間內(nèi)同時(shí)形成的，因此復(fù)合壓坯冷卻時(shí)，碳化物基片比金剛石收縮得多，于是產(chǎn)生了應(yīng)力。另外金剛石層的彈性比碳化物基片差，所以在冷卻時(shí)，釬焊時(shí)，或者在復(fù)合壓坯使用時(shí)，這些應(yīng)力常使金剛石層破裂。
另一個(gè)對(duì)支承或連接PCD壓坯的基片的限制，是需要它們?cè)诨瘜W(xué)成份上互相適應(yīng)。具體說(shuō)，基片材料不能與金剛石或催化劑/粘結(jié)劑起有害反應(yīng)，這點(diǎn)十分重要。例如，因?yàn)殍F對(duì)金剛石有很強(qiáng)的溶解和石墨化的趨勢(shì)，所以將PCD燒結(jié)到鋼或其它黑色合金的基片上，即使可能，也是十分困難的。這是很可惜的，否則鋼也能成為良好的基片材料。鋼比燒結(jié)碳化物更容易加工，同時(shí)彈性模數(shù)數(shù)較低，更適合于巖石鉆頭以及類似的承受高沖擊力的地方。鋼的基片更容易焊接，更容易以簡(jiǎn)單的壓配合安裝在工具上。
此外，當(dāng)依靠預(yù)燒結(jié)的碳化物來(lái)增加PCD的耐沖擊時(shí)，金剛石層最好比較薄，以致使它不易從支承體上剝離。這樣，對(duì)金剛石層厚度的限制必然會(huì)影響復(fù)合壓坯的預(yù)期使用壽命和PCD工具的設(shè)計(jì)。
另一個(gè)限制復(fù)合壓坯厚度的問(wèn)題是“拱橋(bridging)”引起的。所謂拱橋是細(xì)粉末受到多向壓力時(shí)產(chǎn)生的一種現(xiàn)象。我們可以看到，受壓的各個(gè)粉末粒子趨于堆積，并形成拱起或“橋”，這樣，壓力常常不能全部達(dá)到受壓粉末的中心。發(fā)明者們已經(jīng)看到，用1微米的金剛石粉末來(lái)制造大于0.06英寸厚的PCD壓坯，PCD塊的心部成形常常不如外部的好。這情況會(huì)引起金剛石層的開裂和產(chǎn)生缺口。
在戴維.R.Hall提出的申請(qǐng)?zhí)枮?00399的共同未決申請(qǐng)中，介紹了一種改進(jìn)的PCD復(fù)合材料，它部分地改進(jìn)了上述的一些問(wèn)題。概括地說(shuō)，該申請(qǐng)介紹的材料包括金剛石晶體和預(yù)燒結(jié)碳化物的混合物，在充分的熱量和壓力下形成在多晶金剛石基體中彌散分布著燒結(jié)碳化物，或者說(shuō)，在燒結(jié)碳化物基體中彌散分布著多晶金剛石。發(fā)明者們已發(fā)現(xiàn)，這種PCD和燒結(jié)碳化物復(fù)合材料的韌性比標(biāo)準(zhǔn)的PCD高，這樣就使它更適用于象地鉆、水泥鋸，以及同類的受強(qiáng)沖擊力的地方。
而且還發(fā)現(xiàn)，向PCD中添加預(yù)燒結(jié)的碳化物后，對(duì)于帶有一個(gè)燒結(jié)碳化物底板的復(fù)合壓坯的性能有好處，特別是因?yàn)閺浬⒃赑CD層中的燒結(jié)碳化物使得PCD層的熱膨脹性能更接近于底板，因此在PCD層和底板之間的界面上由熱膨脹系數(shù)差引起的應(yīng)力會(huì)減少。
此外，還發(fā)現(xiàn)向PCD中夾雜碳化物可減輕拱橋引起的問(wèn)題。特別是，預(yù)燒結(jié)的碳化物不會(huì)明顯壓縮，這樣可改善壓制室中的壓力分布，從而使一個(gè)新的較厚的PCD材料壓制得更好。
雖然，在燒結(jié)碳化物分布濃度低的某些區(qū)域，復(fù)合材料的耐磨性意外地超過(guò)了標(biāo)準(zhǔn)的PCD，但是一般它的耐磨性比標(biāo)準(zhǔn)PCD低。正如所預(yù)料的，燒結(jié)碳化物濃度越高，耐磨性越低。但是，在許多應(yīng)用中，為了增加韌性，犧牲PCD的一些耐磨性也是可取的。當(dāng)然，對(duì)每個(gè)部件，同時(shí)具有最佳的耐磨性和抗沖擊性那將是十分理想的。而且，在某些耐磨件的應(yīng)用中，如PCD軸承中，PCD部件表面的均勻性十分重要，這能使表面以均勻的磨損率磨損。
本發(fā)明介紹一種包括多晶金剛石和燒結(jié)碳化物的，接觸加工材料的復(fù)合體。復(fù)合體的第一層是適合于接觸加工材料的表層。這一層包含多晶金剛石，也就是在足夠高的熱量和壓力下受壓后，使相鄰的金剛石晶體相互鍵合在一起的大量金剛石晶體。復(fù)合體的第二層緊貼第一層，并包含多晶金剛石和燒結(jié)碳化物的混合物，即在足夠的熱量和壓力下受壓后，相鄰的金剛石晶體相互鍵合，并和預(yù)燒結(jié)碳化物鍵合的金剛石晶體和預(yù)燒結(jié)碳化物的混合物，在混合物中金剛石晶體和預(yù)燒結(jié)碳化物互相彌散分布，碳化物或者金剛石晶體是組成該復(fù)合材料的基體。
按照本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施方案，第一層也含有預(yù)燒結(jié)碳化物，但其含量低于第二層，即PCD的在第一層的體積百分?jǐn)?shù)大于它在第二層的體積百分?jǐn)?shù)。
按照本發(fā)明的另一個(gè)實(shí)施方案，將第三層附加到復(fù)合多晶體上。第三層緊貼第二層，它包含PCD和預(yù)燒結(jié)碳化物、它的金剛石含量低于第二層。
按照本發(fā)明的另一個(gè)實(shí)施方案，兩層中每層PCD的體積百分?jǐn)?shù)是不同的。確切地說(shuō)，在第一層，在表層即工作面中，PCD的體積百分?jǐn)?shù)最高，(最好是100%)，并且隨著接近第二層界面而遞減。同樣，在第二層中，在與第一層的界面處，PCD體積百分?jǐn)?shù)最高，并且隨著遠(yuǎn)離界面而遞減。在最佳的實(shí)施方案中，這兩層間的界面是不明顯的。也就是說(shuō)，使金剛石的體積百分?jǐn)?shù)隨著通過(guò)每層的距離而改變，這樣，在第一層在界面處的金剛石體積百分?jǐn)?shù)略微高于，或者甚至等于第二層在界面處的金剛石體積百分?jǐn)?shù)。從而，這實(shí)施方案也可稱為只有一個(gè)多晶層，在這層中，金剛石的體積百分?jǐn)?shù)隨著遠(yuǎn)離表層的距離變化而遞減。要不然，這個(gè)實(shí)施方案也可稱為它有許多薄層，以其表層的金剛石體積百分?jǐn)?shù)最高，其它層的金剛石濃度逐層遞減。
按照本發(fā)明的另一個(gè)實(shí)施方案、復(fù)合體包括二個(gè)以上的明顯層次。在該方案中，每層的金剛石體積百分?jǐn)?shù)相對(duì)一致，而表層最高。
按照本發(fā)明還有的另一個(gè)實(shí)施方案，復(fù)合體有一個(gè)基片，這種基片可包括燒結(jié)碳化物，鋼，或其它金屬的、陶瓷的、金屬陶瓷的材料。在一個(gè)最佳實(shí)施方案中，基片是由燒結(jié)碳化鎢組成。在另一實(shí)施方案中，基片是由鋼或其它鐵合金組成，復(fù)合件在基片和含PCD最近的一層之間還含有一個(gè)預(yù)燒結(jié)碳化物的阻擋層。
按照本發(fā)明還有的另一個(gè)實(shí)施方案，接觸加工材料的表層夾在兩個(gè)PCD和碳化物復(fù)合材料層之間，這種特殊實(shí)施方案非常實(shí)用。例如，扁鉆刀刃上的嵌體，在嵌體中有一個(gè)切削頭從中間層延伸出來(lái)，兩側(cè)的復(fù)合材料將其支承，并幫助扁鉆嵌體附著于鉆軸中。
圖1表示一個(gè)用現(xiàn)有技術(shù)生產(chǎn)的復(fù)合壓坯。
圖2表示一個(gè)制備本發(fā)明的復(fù)合多晶體所使用的模具縱斷面圖。
圖3表示根據(jù)本發(fā)明一個(gè)實(shí)施方案生產(chǎn)的一個(gè)復(fù)合壓坯的透視圖。
圖4是沿圖3中4-4線取的截面圖。
圖5表示金剛石體積百分?jǐn)?shù)隨著遠(yuǎn)離表層方向而遞減的另一實(shí)施方案的截面圖。
圖6表示一個(gè)根據(jù)本發(fā)明另一個(gè)實(shí)施方案生產(chǎn)的鑿巖牙輪鉆嵌體的截面圖。
現(xiàn)在再看附圖，圖1表示一個(gè)用現(xiàn)有技術(shù)生產(chǎn)的復(fù)合壓坯10。它由支承在燒結(jié)碳化物的底板或基片11上的多晶金剛石層12組成。請(qǐng)參看美國(guó)專利3745623。金剛石層12是由單個(gè)的金剛石晶粒組成，這些晶粒已在足夠高的熱量和壓力下，產(chǎn)生晶間鍵合。燒結(jié)碳化物底板11在界面13處與金剛石層12緊密相接。在壓制期間，層11和層12間的界面13上，會(huì)形成一個(gè)很強(qiáng)的化學(xué)鍵合。因?yàn)闊Y(jié)碳化物底板11在冷卻時(shí)收縮比金剛石層12更大，從而在兩層間產(chǎn)生殘余應(yīng)力，這應(yīng)力會(huì)引起金剛石層的早期破裂。
圖2表示一個(gè)壓制裝置20的截面圖，可以用這種裝置來(lái)生產(chǎn)本發(fā)明的多晶金剛石復(fù)合體。壓制裝置20是圓柱形的，并固定在一個(gè)超高壓高溫室的中央孔內(nèi)，如美國(guó)專利3913280(用于立方體壓機(jī))美國(guó)專利3745623(用于帶形壓機(jī))所述。壓制裝置20包括一個(gè)中空管14，在管14上下方分別帶盤15和盤16。管14和盤15、16是作為塑性壓力的傳輸媒介，最好采用壓縮態(tài)Nacl制成，當(dāng)然也可選用滑石和氮化硼六方晶體。
在管14內(nèi)是一個(gè)金屬防護(hù)套17。它也是圓柱形，底端封閉。套17最好是用鉬制成，鉬的熔化溫度高，其它金屬，如鋯、鉭等也很好。盤18作為蓋子放在套17的頂部，盤18經(jīng)常和套17用同樣的金屬制成。
基片21放在保護(hù)套17的底部。在此最佳實(shí)施方案中，基片包含鈷粘結(jié)劑和碳化鎢。已經(jīng)證明，這種成份的基片在化學(xué)上適合于制造多晶態(tài)金剛石用的多種催化劑/粘結(jié)劑體系。其它金屬，陶瓷，金屬陶瓷材料的基片也可使用。例如可以使用鋼或其它鐵合金，但是當(dāng)使用鋼或任何其它化學(xué)上活性的材料或與生產(chǎn)PCD所用的體系不相容的材料時(shí)，就需要在基體和金剛石之間另加一層阻擋層。一層預(yù)燒結(jié)碳化物顆粒層已經(jīng)成功地滿足于這種性能的需要?；?1可以對(duì)生產(chǎn)的壓坯起支承作用，也能用來(lái)將壓坯聯(lián)結(jié)到工具上。
過(guò)渡層24和基片21相鄰，它包括燒結(jié)碳化物顆粒，金剛石晶粒以及用來(lái)形成多晶金剛石的催化劑/粘結(jié)劑材料?？梢杂们蚰シ绞窖心ヮA(yù)燒結(jié)碳化物22和金剛石晶粒23以及合適的催化劑/粘結(jié)劑材料，制成混合物。將混合物倒在金屬套17的基片21上。在此最佳實(shí)施方案中，金剛石晶體23和預(yù)燒結(jié)碳化物22的配比是碳化物約占過(guò)渡層體積的60%。也就是金剛石和催化-粘結(jié)劑大約占體積的40%。
預(yù)燒結(jié)的碳化物22包括燒結(jié)碳化鎢和鈷粘結(jié)劑?，F(xiàn)在，從化學(xué)相容性考慮，認(rèn)為使含有粘結(jié)劑相的燒結(jié)碳化物具有與基片21相同的成份是可取的。但是，為了產(chǎn)生具有與基片21不同性質(zhì)(如彈性模數(shù))的碳化物22，也可能需要改變預(yù)燒結(jié)碳化物中的粘合劑含量。在另一個(gè)實(shí)例中，它有一個(gè)以上的過(guò)渡層，為了達(dá)到相同結(jié)果，在燒結(jié)碳化物中，每層的粘結(jié)劑含量或碳化鎢的粒度可以改變。
預(yù)燒結(jié)的碳化物22的尺寸和形狀變化會(huì)產(chǎn)生不同結(jié)果。形狀可能是規(guī)則的或不規(guī)則的。在預(yù)燒結(jié)碳化物最經(jīng)濟(jì)的原料中，有壓碎的顆?；驀娀痤A(yù)燒結(jié)的顆粒，現(xiàn)在認(rèn)為形狀不規(guī)則更好。在附圖中，為了方便和清楚起見，在這幾張中的碳化物22的尺寸已放大，實(shí)際使用的碳化物最好是小到不放大就看不見的程度。確切地說(shuō)，現(xiàn)在最可取的粒度是325U.S.網(wǎng)目的篩下料。此外，據(jù)認(rèn)為使用的碳化物顆粒最好比金剛石晶體大得多，這樣可減少碳化物對(duì)金剛石晶粒間鍵合的影響。
可用眾所周知的手段來(lái)改變金剛石晶粒23的尺寸，以滿足具體應(yīng)用的需要。在最佳實(shí)施方案中，使用從1到100微米的金剛石混合物，其粒度最好是4到12微米。在該技術(shù)領(lǐng)域：
中，對(duì)于PCD的成型所用的各種催化劑/粘合劑材料也是熟知的。在此最佳實(shí)施方案中，催化劑/粘合劑與包含鈷粉的金剛石晶體相混合，催化劑/粘合劑與金剛石鈷混合物的混合體積比為1∶10。
此外，在層24中用于晶體鍵合的催化劑可能全部來(lái)自存在于預(yù)燒結(jié)碳化物中的粘結(jié)劑。換言之，在預(yù)燒結(jié)碳化物22中的鈷或其它結(jié)劑，在壓制期中可從預(yù)燒結(jié)的碳化物中施放出足夠的數(shù)量，成為金剛石晶體23的催化劑/粘結(jié)劑。
和混合體相鄰的是另一層25，它包括大量的金剛石晶體和適量的催化劑/粘結(jié)劑，最好與過(guò)渡層中相同的那種催化劑/粘結(jié)劑。另外，在層25中的催化劑/粘結(jié)劑的一部份或者全部是由預(yù)燒結(jié)碳化物22中轉(zhuǎn)移過(guò)來(lái)的。層25能直接放在金屬套17中過(guò)渡層24上面，這層25將包含制成的復(fù)合壓坯的工作面或外露表面。
在此實(shí)施方案中，金剛石晶體的尺寸和過(guò)渡層中的相同。但是，因?yàn)檫@層包含了最終壓坯的工作面，所以可以改變金剛石粒度來(lái)滿足具體需要。例如，為提高如精磨和拔絲等工藝中外露表面的光潔度，使用0到5微米的細(xì)金剛石晶粒更為合適。甚至，需要包含兩個(gè)或兩個(gè)以上的金剛石晶體層，頂層是包括最細(xì)的晶體的層。
圖3是根據(jù)本發(fā)明生產(chǎn)的復(fù)合體30的透視圖。物件30包含一個(gè)基底31。物件30適合于做切具、磨具、破碎具、加工刀具以及象軸承那樣需要特別耐磨、耐沖擊的工具。圖上的基片包括鈷粉粘結(jié)碳化鎢的預(yù)燒結(jié)圓盤。如上所述，基體31也可使用其它材料。在許多應(yīng)用中，基體31是被釬焊到工具夾具上或其它支承體上。
過(guò)渡層34和基體31緊密相連。過(guò)渡層34包括多晶態(tài)金剛石37和預(yù)燒結(jié)碳化物36粘結(jié)成的整體混合物。(比圖示中的薄得多)。確切地說(shuō)，過(guò)渡層34包括金剛石晶體，催化劑/粘結(jié)劑和預(yù)燒結(jié)碳化物材料。在足夠高的溫度和壓力下，使相鄰的金剛石晶體互相鍵合，并使金剛石晶體和預(yù)燒結(jié)的碳化物相鍵合。壓制后過(guò)渡層34還含有一定量殘余催化劑/粘結(jié)劑留在多晶結(jié)構(gòu)中。在過(guò)渡層34中，多晶金剛石最佳含量(包括孔隙和殘余催化-粘結(jié)劑)是20～60%，以約40%為最好。由于申請(qǐng)?zhí)枮?00399的共同未決申請(qǐng)書中已討論過(guò)的各種原因，為適合具體的應(yīng)用，該濃度要上下調(diào)整。
緊貼過(guò)渡層34的是，包含暴露面即工作表面39的頂層35。頂層35包含多晶態(tài)金剛石38。具體說(shuō)，PCD38是由大量金剛石晶粒和催化劑/粘結(jié)劑，在足夠高的熱量和壓力下受壓，使相鄰的金剛石晶粒鍵合。催化劑/粘結(jié)劑材料最好是鈷粉，并且存在于過(guò)渡層34及頂層35中，與金剛石體積比為1比10。頂層35的催化劑/粘結(jié)劑的一部份或者全部是從過(guò)渡層34轉(zhuǎn)移過(guò)來(lái)的。
圖4是沿圖3的4-4線截取的剖面圖。過(guò)渡層34和基體31相接于界面32。如上所述，在典型的現(xiàn)有復(fù)合壓坯技術(shù)中，因?yàn)闊崤蛎洸煌?，在基體和PCD層的界面產(chǎn)生應(yīng)力，使得界面成為該結(jié)構(gòu)中的潛在弱點(diǎn)。然而，由于應(yīng)用本發(fā)明的過(guò)渡層34，過(guò)渡層的熱脹性能介于燒結(jié)碳化物基體31和多晶態(tài)金剛石晶體35之間，因而，熱膨脹的問(wèn)題得到改善。這樣在壓坯壓制后的冷卻階段，過(guò)渡層的收縮比PCD層35大，但比基體31小，從而，在復(fù)合壓坯結(jié)構(gòu)中的張力大大減小，尤其在界面32上。
這是一個(gè)重要的優(yōu)點(diǎn)。根據(jù)發(fā)明者的經(jīng)驗(yàn)，在現(xiàn)有壓坯生產(chǎn)工藝中，由于燒結(jié)碳化物基片和PCD層的收縮率不同引起PCD層開裂，將使廢品率高達(dá)30%。與之相比，按本發(fā)明生產(chǎn)的幾批含過(guò)渡層的復(fù)合壓坯，由于開裂造成的廢品率是5%，甚至更少。
圖4也表明了本發(fā)明的另一個(gè)優(yōu)點(diǎn)，可以看到，在基體31和過(guò)渡層34間的界面32上，有一些預(yù)燒結(jié)碳化物36與基體31相鄰接。在壓制期，這些鄰近的碳化物熔入基體31中。因此碳化物和多晶金剛石之間的界面不是一個(gè)平面。從而碳化物基體和PCD層間的潛在應(yīng)力進(jìn)一步減少。
本發(fā)明的另一個(gè)重要優(yōu)點(diǎn)是使產(chǎn)品既能具有PCD和碳化物復(fù)合材料的特點(diǎn)，同時(shí)又保持一個(gè)由100%PCD組成的工作面。它減輕了在過(guò)去生產(chǎn)PCD壓坯時(shí)為保留它最大耐磨性而帶來(lái)的問(wèn)題。含100%PCD的工作面在實(shí)際應(yīng)用中特別重要，象軸承中，常常要求同一質(zhì)地的表面。
圖5是按本發(fā)明的另一個(gè)實(shí)施方案生產(chǎn)的復(fù)合壓坯的截面圖。特別是這個(gè)實(shí)例中不再有兩個(gè)明顯的多晶層，而是只有一個(gè)多晶層53，它包括PCD54和預(yù)燒結(jié)碳化物55的混合物。在外露面即工作面59上PCD濃度最高?？梢钥吹?，PCD54的濃度最好為100%，(包括殘余催化劑/粘結(jié)劑材料)。PCD54的濃度，隨著遠(yuǎn)離外露表面和接近于與基片51相交的交界面52的方向上遞減。也就是說(shuō)，預(yù)燒結(jié)碳化物的體積百分比在該方向上遞增。在界面52上，PCD54的體積百分?jǐn)?shù)最好是0%，或接近0%。
這個(gè)實(shí)施方案也能這樣表示它有許多薄層，隨著遠(yuǎn)離表層即工作面59，PCD濃度依次遞減。實(shí)現(xiàn)該方案的最容易方法是依次向壓制室放置許多薄片，它們的多晶金剛石濃度逐片增加，由此形成了PCD濃度逐漸變化的壓坯50。
另一個(gè)生產(chǎn)逐漸變化壓坯50的方法是非常小心地控制和改變向壓制室添加金剛石和預(yù)燒結(jié)碳化物的量。還有一個(gè)生產(chǎn)方法是十分小心地控制金剛石和預(yù)燒結(jié)碳化物的離心作用。該離心方法可能需要象丙酮那樣的分散媒介，它在壓制前能容易地除掉。
圖6是一個(gè)鑿巖牙輪鉆用的嵌體60的截面圖。它是根據(jù)本發(fā)明另一個(gè)方案生產(chǎn)的。嵌體60包括一個(gè)基體或鑲嵌本體61。在最佳實(shí)施方案中，鑲嵌本體61是由鋼制成的。鋼比燒結(jié)碳化物好，因?yàn)殇撘子谥圃?，能用焊接安裝，彈性模數(shù)更低，從而使嵌體耐沖擊更強(qiáng)，能通過(guò)壓配合裝在鉆頭上。用熟知的技術(shù)，可將鑲嵌本體61加工成合于在巖石牙輪鉆頭的特別的切削結(jié)構(gòu)上使用的形狀。
緊貼鑲嵌本體61的是阻擋層62，它由在壓制期已被熔在一起的預(yù)燒結(jié)碳化鎢顆粒組成。該層起到分隔鋼和多晶金剛石的重要作用。因?yàn)殇撝械蔫F有強(qiáng)烈的擴(kuò)散傾向，從而對(duì)金剛石的石墨化起著催化作用，所以這是十分必要的。如果允許鐵和金剛石接觸，那么在壓制期將會(huì)產(chǎn)生這種反應(yīng)。同時(shí)壓坯在使用中，保持鋼與多晶態(tài)金剛石分離也是十分重要的。如果PCD和鋼相鄰，那么在使用中一旦遇到升溫，就會(huì)產(chǎn)生石墨化。
眾所周知，CBN在熔融的鐵合金液中溶解度低，因此在另一個(gè)實(shí)施方案中用多晶態(tài)CBN作為過(guò)渡層(在壓制期被燒結(jié)上)作為防止碳擴(kuò)散的阻擋層可能是需要的。
如圖5所示，多晶層起著分離作用。這就是說(shuō)，如果預(yù)燒結(jié)碳化物在接觸到基片前濃度漸變到100%，它就可以使用鋼、別的鐵合金、或其它任何不相容的材料作基片了。
另外，過(guò)渡層63緊貼阻擋層62。過(guò)渡層包含預(yù)燒結(jié)碳化物金剛石晶體的混合物。它們已在足夠高的熱量和壓力下受到壓制，而形成一個(gè)燒結(jié)碳化物和多晶金剛石彌散分布的基體。過(guò)渡層中最好包含約40%(體積)的PCD。
工作層64緊貼過(guò)渡層63。該工作層64包含工作面64，工作面64實(shí)際上將與待切割或待粉碎的巖石接觸。工作層64和過(guò)渡層一樣含有另一種預(yù)燒結(jié)碳化物和PCD的混合物。在這一層中，PCD的體積百分?jǐn)?shù)較高，最好為60%。因?yàn)閹r石鉆進(jìn)中嵌體在使用時(shí)受的沖擊力很強(qiáng)，所以現(xiàn)在希望在工作層中含有預(yù)燒結(jié)碳化物。也已看到，碳化物含量高的過(guò)渡層對(duì)增進(jìn)嵌體承受高沖擊力的能力也是有利的。
為了在壓制前將層62、63、64附在鑲嵌本體上，需要用少量的石蠟等作臨時(shí)粘結(jié)劑，來(lái)固定這幾層作壓制前的定位。然而已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，這些混合物沒(méi)有臨時(shí)粘結(jié)劑也能在某種程度上被粘結(jié)和定位，這可能是由于鈷粉催化劑/粘結(jié)劑存在，或許是粉末細(xì)微程度所致。
實(shí)例1將燒結(jié)碳化物放在如上所述的壓制裝置底部?jī)?nèi)?；且粋€(gè)碳化鎢預(yù)燒結(jié)圓盤，其中含有占盤重量14%的鈷粉粘結(jié)劑。該圓盤是從碳化鎢制造公司買來(lái)的，上面打有代號(hào)614。
金剛石晶體，催化劑/粘結(jié)材料和預(yù)燒結(jié)的碳化物的混合物是采用在一個(gè)墊有碳化鎢襯里的球磨機(jī)中碾得很碎的金剛石，鈷粉和預(yù)燒結(jié)的碳化鎢顆粒制取的。產(chǎn)生的混合物的粒度是65%的金剛石為4～8微米，35%的金剛石為0.5～1微米。鈷粉催化劑/粘結(jié)劑占金剛石、鈷混合物重量的13%。預(yù)燒結(jié)碳化物的平均尺寸是30微米，鈷粉粘結(jié)劑含量為11%。預(yù)燒結(jié)碳化物占混合物體積的60%。
在所有實(shí)例中，上述混合物和其它混合物，在800℃下分別經(jīng)過(guò)氫氣和真空的清潔和還原預(yù)處理。再將一層厚度為0.4mm(0.015吋)的該種混合物覆蓋在基片上。
接著，再向過(guò)渡層上覆蓋一層金剛石和鈷粉，其粒度和含鈷量類似過(guò)渡層，厚度為0.4mm。
壓制室放在立方體壓機(jī)的鐵砧間，加壓到60千巴，同時(shí)加熱到1450℃，保持約2分鐘，然后減壓，降溫，使壓制室冷卻。
取出后的壓坯沒(méi)有破裂痕跡，在對(duì)于旋轉(zhuǎn)的花崗巖的磨損試驗(yàn)中，耐磨性類似于標(biāo)準(zhǔn)的PCD壓坯。
實(shí)例2除在頂層中，預(yù)燒結(jié)碳化物的量為40%(體積)外，其余均按實(shí)例1的方法生產(chǎn)。取出后的壓坯也沒(méi)有破裂痕跡。
實(shí)例3除在鋼基片上形成四層之外，其余按實(shí)例1的方法生產(chǎn)。即，先將預(yù)燒結(jié)碳化鎢(即占100%(體積))覆蓋在鋼基片上，厚度為0.25mm。接著再在上面覆蓋一層預(yù)燒結(jié)碳化鎢占體積60%、金剛石晶體及鈷粘結(jié)劑占體積40%的混合物，其厚度與前一層相似。在這層上部再放一層預(yù)燒結(jié)碳化物占40%(體積)和金剛石與鈷粘結(jié)劑占60%(體積)的混合物，厚度為0.25mm。最后再加一層含鈷粉粘結(jié)劑的金剛石其體積百分?jǐn)?shù)為100。取出后的壓坯沒(méi)有破裂痕跡。也沒(méi)有發(fā)現(xiàn)使用鋼基片后產(chǎn)生的不利作用。
應(yīng)當(dāng)指出，雖然全部圖示實(shí)例都包括一個(gè)基片，但在本發(fā)明的PCD復(fù)合壓坯的許多應(yīng)用中并不需要基片。事實(shí)上，本發(fā)明具有可將含碳化物的過(guò)渡層直接釬焊到支承體上的優(yōu)點(diǎn)。就是說(shuō)，因?yàn)楹改苤苯勇?lián)結(jié)復(fù)合材料中的碳化物，所以也能直接焊過(guò)渡層。
還應(yīng)當(dāng)指出，雖然全部圖示例子都表示出組成壓坯的主要表面的一個(gè)工作面，但工作面也有可能是壓坯的次要面。例如，在制備扁鉆嵌體中，PCD含量較高的切削層的兩個(gè)主要側(cè)面是PCD含量較低的復(fù)合層。切削層從該側(cè)面層延伸出來(lái)，并被側(cè)面層所支承。此外，該側(cè)面層也為扁鉆嵌體裝入鉆軸提供了便利條件。
當(dāng)然，上述技術(shù)以及本技術(shù)領(lǐng)域：
由該原始技術(shù)的其它變化都包括在由下面權(quán)利要求
表明的范圍之內(nèi)。
勘誤表
權(quán)利要求
1.一個(gè)接觸加工材料的復(fù)合多晶體，它包括第一層中至少有一個(gè)表層適于接觸加工材料，該第一層包含金剛石晶體，這些晶體是在足夠高的熱量和壓力下受壓后，使相鄰金剛石晶體鍵合在一起而形成的多晶態(tài)金剛石材料，第二層與第一層相接，第二層包含金剛石晶體和預(yù)燒結(jié)碳化物混合物，這些混合物是在足夠高的熱量和壓力下受壓后，使相鄰的金剛石晶體鍵合在一起而形成多晶態(tài)金剛石再和預(yù)燒結(jié)碳化物鍵合在一起而形成的復(fù)合多晶材料，在第二層中，多晶金剛石材料和預(yù)燒結(jié)碳化物互相彌散分布。
2.權(quán)利要求
1中的復(fù)合多晶體還包括支承它的基片。
3.按照權(quán)利要求
2中的復(fù)合多晶體，其中基片是由燒結(jié)碳化物組成。
4.按照權(quán)利要求
2中的復(fù)合多晶體，其中基片由鋼制成。
5.按照權(quán)利要求
1的復(fù)合多晶體，其中在第二層中多晶金剛石材料占總體積的百分?jǐn)?shù)為20至80。
6.按照權(quán)利要求
1的復(fù)合多晶體，其中在第二層中多晶態(tài)金剛石材料占總體積的百分?jǐn)?shù)為35至45。
7.權(quán)利要求
1中的復(fù)合多晶體，其中第二層中的多晶態(tài)金剛石材料的體積百分?jǐn)?shù)是變化的，并且沿遠(yuǎn)離界面的方向呈梯度遞減。
8.一個(gè)接觸工作材料的復(fù)合體，它包括第一層中至少有一個(gè)表層適于接觸加工材料，該第一層包含金剛石晶體和預(yù)燒結(jié)碳化物的第一混合物，該混合物是在足夠高的熱量和壓力下受壓后，使相鄰的金剛石晶體鍵合在一起，形成多晶態(tài)金剛石再與預(yù)燒碳化物鍵合在一起，形成的復(fù)合多晶材料，在第一層中，多晶金剛石材料和預(yù)燒結(jié)碳化物互相彌散分布，第二層與第一層相鄰接，該第二層包含金剛石晶體和預(yù)燒結(jié)碳化物的第二混合物，該混合物是在足夠高的熱量和壓力下受壓后，使相鄰的金剛石晶體鍵合在一起，形成多晶態(tài)金剛石，再與預(yù)燒結(jié)碳化物鍵合在一起，形成的復(fù)合多晶材料，在第二層中，多晶金剛石材料和預(yù)燒結(jié)碳化物相互彌散分布，第一層中，多晶態(tài)金剛石體積百分?jǐn)?shù)高于第二層。
9.權(quán)利要求
8中的復(fù)合多晶體還包括支承它的基片。
10.按照權(quán)利要求
9中的復(fù)合多晶體，其中基片由燒結(jié)碳化物組成。
11.按照權(quán)利要求
9中的復(fù)合多晶體，其中基片由鋼制成。
12.按照權(quán)利要求
8中的復(fù)合多晶體，其中第一層中多晶態(tài)金剛石的總體積百分?jǐn)?shù)為70至98。
13.按照權(quán)利要求
8中的復(fù)合多晶體，其中第二層中多晶態(tài)金剛石的總體積百分?jǐn)?shù)由2至70。
14.按照權(quán)利要求
8中的復(fù)合多晶體，其中第一層中多晶態(tài)金剛石的體積百分?jǐn)?shù)是相對(duì)均勻分布的。
15.按照權(quán)利要求
8中的復(fù)合多晶體，其中第二層中多晶態(tài)金剛石的體積百分?jǐn)?shù)是相對(duì)均勻分布的。
16.按照權(quán)利要求
8中的復(fù)合多晶體，其中第一層中多晶態(tài)金剛石的體積百分比是變化的，并且沿著遠(yuǎn)離表面和接近界面的方向呈梯度遞減。
17.權(quán)利要求
8中的復(fù)合多晶體的第二層中，多晶金剛石的體積百分比是改變的，并且沿著接近界面的方向呈梯度遞增。
18.一個(gè)接觸加工材料的復(fù)合多晶體，它包含金剛石晶體和預(yù)燒結(jié)碳化物的混合物，該混合物在足夠高的熱量和壓力下受壓后，形成帶適于接觸加工材料的表面的復(fù)合多晶體，在該復(fù)合體中，相鄰的金剛石晶體鍵合在一起，形成多晶態(tài)金剛石，再與預(yù)燒結(jié)碳化物鍵合在一起，形成復(fù)合多晶材料，在復(fù)合體中，多晶態(tài)金剛石和預(yù)燒結(jié)碳化物互相彌散分布，同時(shí)多晶態(tài)金剛石的體積百分比也是變化的，它沿著遠(yuǎn)離表面方向而呈梯度遞減。
19.權(quán)利要求
18中的復(fù)合多晶體還包括支承它的基片。
20.按照權(quán)利要求
19中的復(fù)合多晶體，其中的基片由燒結(jié)碳化物組成。
21.按照權(quán)利要求
19中的復(fù)合多晶體，其中的基片由鋼制成。
22.按照權(quán)利要求
18中的復(fù)合多晶體，其中多晶態(tài)金剛石材料的總體積百分?jǐn)?shù)為20至80。
23.按照權(quán)利要求
18中的復(fù)合多晶體，其中多晶態(tài)金剛石材料的總體積百分?jǐn)?shù)為40至50。
24.按照權(quán)利要求
18中的復(fù)合多晶體，其中在表面的多晶態(tài)金剛石材料的體積百分?jǐn)?shù)為90至100。
專利摘要
本發(fā)明介紹一種復(fù)合多晶態(tài)金剛石壓坯，它至少含有一層在足夠的熱量和壓力下，由金剛石晶體和預(yù)燒結(jié)碳化物壓制成相互成彌散分布的復(fù)合多晶材料。在壓坯的工作面和基片間，最好設(shè)置一層該復(fù)合材料作為過(guò)渡層。含工作面的那層也可由該復(fù)合材料組成，只是其多晶金剛石組分的體積百分?jǐn)?shù)比過(guò)渡層高。此外，該壓坯不是分成幾層，而是包含一層復(fù)合材料，其壓坯的工作面上多晶金剛石組分的含量最高，然后沿遠(yuǎn)離工作面方向呈梯度遞減。
文檔編號(hào)B01JGK86103664SQ86103664
公開日1987年2月4日 申請(qǐng)日期1986年4月29日
發(fā)明者戴維·R·霍爾 申請(qǐng)人:史密斯國(guó)際公司導(dǎo)出引文BiBTeX, EndNote, RefMan