專利名稱：磨料壓塊的制作方法
磨料壓塊
背景技術(shù)：
本發(fā)明涉及磨料壓塊(compact)。
磨料壓塊廣泛地用于切削、粉碎、研磨、鉆孔和其它磨削操作。 磨料壓塊由大量結(jié)合成粘著多晶聚結(jié)體的超硬顆粒(通常是金剛石或
立方氮化硼)構(gòu)成。磨料壓塊的磨料粒(abrasive particle)含量高 并且通常存在大量的直接顆粒與顆粒的結(jié)合或接觸。磨料壓塊通常在 提高的溫度和壓力條件下進(jìn)行燒結(jié)，在所述條件下磨料粒在晶體學(xué)上 或熱力學(xué)上是穩(wěn)定的，而不論其是金剛石或立方氮化硼。
一些磨料壓塊還可以具有包含催化劑/溶劑或粘合劑材料的第二 相。對于多晶金剛石壓塊，該第二相典型地是金屬例如鈷、鎳、鐵或 包含一種或多種這樣的金屬的合金。對于PCBN壓塊，該粘合劑材料通 常包含各種陶瓷化合物。
磨料壓塊傾向于是脆性的，并且在使用中經(jīng)常通過將它們結(jié)合至 膠結(jié)碳化物基材或載體而加以負(fù)載。這些負(fù)載的磨料壓塊在本領(lǐng)域中 被稱作復(fù)合磨料壓塊。復(fù)合磨料壓塊可原樣用于磨削工具的工作面。 切削表面或切削刃典型地由距離膠結(jié)碳化物載體最遠(yuǎn)的超硬層的表面 限定。
可在美國專利No. 3， 745， 623; 3， 767， 371和3， 743， 489的描述中 找到復(fù)合磨料壓塊的例子。
通常通過將形成磨料壓塊所必需的組分以細(xì)粒形式置于膠結(jié)碳化 物基材上制得復(fù)合磨料壓塊。典型地操作這些組分的組合物以便獲得 所需的最終結(jié)構(gòu)。除超硬顆粒外，所述組分還可包含溶劑/催化劑粉末、 燒結(jié)或粘合劑輔助材料。將這種未結(jié)合的組合體(assembly)置于反應(yīng) 包套(capsule)中，然后將該包套置于常規(guī)高壓/高溫設(shè)備的反應(yīng)區(qū)中。 而后使反應(yīng)包套的內(nèi)含物經(jīng)受提高的溫度和壓力的適宜條件。希望改善超硬磨削層的耐磨性，因?yàn)檫@允許用戶對更大量的工件 進(jìn)行切削、鉆孔或機(jī)加工，而不發(fā)生切削元件的磨損。這典型地通過
控制例如超硬顆粒平均粒度(grain size)、總粘合劑含量、超硬顆
粒密度等的變量得以實(shí)現(xiàn)。
例如，本領(lǐng)域中公知通過減小組分超硬顆粒的總體粒度提高超硬 復(fù)合物的耐磨性。然而，典型地，因?yàn)檫@些材料更加抗磨損，因此它 們變得更脆或傾向于破裂。為了改善的磨損性能而設(shè)計(jì)的磨料壓塊將 因此傾向于具有差的沖擊強(qiáng)度或減小的抗散裂性。抗沖擊性和耐磨性 之間的這種折衷使得設(shè)計(jì)優(yōu)化的磨料壓塊結(jié)構(gòu)(特別是用于要求高的 應(yīng)用)固有地是自限制性的。
另夕卜，因?yàn)檩^細(xì)的晶粒組織將典型地包含較多的溶劑/催化劑或金 屬粘合劑，它們在與較粗的晶粒組織相比時(shí)傾向于表現(xiàn)出降低的熱穩(wěn) 定性。較細(xì)晶粒組織的最佳行為的這種降低在實(shí)際應(yīng)用中可引起大問 題，在所述應(yīng)用中，就最佳性能而言依然需要提高的耐磨性。
解決該問題的現(xiàn)有技術(shù)方法典型涉及嘗試通過在超硬磨料層中以 各種方式將較細(xì)和較粗的超硬顆粒等級的性能合并來獲得折衷。
本領(lǐng)域中公知的方法之一涉及在超硬層內(nèi)使用宏觀結(jié)構(gòu)，例如層 或環(huán)形物，所述宏觀結(jié)構(gòu)包括具有不同平均粒度的分離區(qū)。
美國專利No. 4， 311，490描述了一種磨料壓塊，其中結(jié)合的磨料粒 包含接鄰碳化物載體的粗層和位于該粗層上作為切削表面的細(xì)層。
美國專利No. 4, 861,350描述了包含結(jié)合至膠結(jié)碳化物載體的磨 料壓塊的工具部件，在該工具部件中磨料壓塊具有通過聯(lián)鎖的共同邊 界連接的兩個(gè)區(qū)。 一個(gè)區(qū)為該工具部件提供切削刃或切削點(diǎn)，而另一 個(gè)區(qū)結(jié)合至膠結(jié)碳化物載體。在該工具部件的一個(gè)實(shí)施方案中，提供 切削刃或切削點(diǎn)的區(qū)具有超硬磨料粒，該磨料粒比其它區(qū)中的超硬磨 料粒更細(xì)。
美國專利No. 5， 645， 617還教導(dǎo)了在復(fù)合物結(jié)構(gòu)中使用各自具有 不同平均顆粒尺寸的層。在這種情形中，對該結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)置，使得較 細(xì)粒度層鄰接碳化物載體，而較粗粒度層構(gòu)成切削表面。據(jù)稱這種設(shè)置允許較好的燒結(jié)行為，該行為產(chǎn)生具有改善的性能能力的壓塊。
美國專利No. 6， 187， 068教導(dǎo)了將超硬顆粒分隔成具有不連續(xù)顆 粒尺寸區(qū)的橫向隔開的區(qū)域而非層。聲稱由較細(xì)尺寸顆粒形成的區(qū)域 提供較高的耐磨性以及因此較低的磨損速率。結(jié)合較粗尺寸顆粒的區(qū) 域，聲稱獲得了有益的磨損模式。
美國專利No. 6， 193， 001教導(dǎo)了在切削層與基材層之間或者切削 層與各種中間過渡層之間使用宏觀非均勻界面。這些層典型具有不同 材料類型或者可具有不同物理性能例如粒度。通過將各個(gè)互連的片材 或區(qū)域進(jìn)行模壓，然后在燒結(jié)前以坯體狀態(tài)成型，產(chǎn)生所述層或區(qū)域。
這些方法的問題是，不同材料類型的區(qū)域在尺寸上比單獨(dú)晶粒的 尺度仍大很多，即大幾倍。因此各個(gè)區(qū)域仍受到包含的材料的總耐磨 性和抗沖擊性的限制。與其說獲得細(xì)晶粒組織和粗晶粒組織的最佳性 能結(jié)合，不如說壓塊因此趨于承受二者的弱點(diǎn)。另外，不連續(xù)顆粒尺 寸區(qū)域的不同性能可以沿區(qū)域間邊界產(chǎn)生大的應(yīng)力，該邊界本身可導(dǎo) 致多晶材料的致毀斷裂。
至上述方法的典型區(qū)域。這通常涉及對交織或壓緊在一起的不同材料 相的微觀結(jié)構(gòu)單元的排序。美國專利No. 6, 696， 137; 6， 607， 835 ; 6, 451, 442和6,841, 260描述了這種實(shí)施方案的幾種預(yù)合成途徑。典 型地，這些途徑涉及將坯體狀態(tài)的復(fù)合材料擠壓和/或交織在一起并然 后將其壓緊成三維結(jié)構(gòu)。所有這些途徑都是極度技術(shù)密集型的且因此 花費(fèi)很大。另外，由于預(yù)合成操作的限制，它們依賴于相當(dāng)復(fù)雜的化 學(xué)組合物，這些組合物傾向于對材料性能具有不利作用。
美國專利No. 7， 070， 635公開了一種多晶金剛石元件，其包含分散 在較粗晶粒金剛石基質(zhì)中的細(xì)金剛石聚集體。據(jù)稱該結(jié)構(gòu)通過使沖擊 損壞偏向較小的碎裂現(xiàn)象而非更顯著的散裂現(xiàn)象而獲得改善的行為。 該結(jié)構(gòu)的問題是，雖然沖擊損壞可得到較好控制，但壓塊的耐磨性仍 受控于較粗晶?；|(zhì)，且因此傾向于不足以用于高要求的應(yīng)用。
解決獲得較粗和較細(xì)晶粒組織之間最佳的性能結(jié)合的問題的另一
6方法在于，使用不同尺寸的超硬晶粒的緊密粉末混合物。在燒結(jié)最終 壓塊前典型地將它們盡可能混合均勻。超硬顆粒的雙峰分布(包含兩 種顆粒尺寸粒級)和多峰分布(包含三種以上粒級)在本領(lǐng)域中均是 已知的。
美國專利No. 4, 604, 106描述了包含已在超高溫度和壓力下燒結(jié) 在一起的預(yù)膠結(jié)碳化物片和散布金剛石晶體的至少一個(gè)層的復(fù)合多晶 金剛石壓塊。在一個(gè)實(shí)施方案中，使用65°/。的尺寸為4-8 jim的顆粒 和35%的尺寸為0.5-1 jum的金剛石顆?；旌衔?。該方法的具體問題 是鈷膠結(jié)碳化物降低超硬層部分的耐磨性。
美國專利No. 4, 636, 253教導(dǎo)了使用雙峰分布來獲得改善的磨蝕 切削元件。將粗金剛石(顆粒尺寸大于3 ium)和細(xì)金剛石(顆粒尺 寸小于l jam)結(jié)合，使得粗部分占超硬顆粒質(zhì)量的60-90%，細(xì)部分 為余量。該粗部分也可以具有三峰分布。
美國專利No. 5， 011， 514描述了熱穩(wěn)定的金剛石壓塊，該壓塊包含 多個(gè)單獨(dú)地涂覆金屬的金剛石顆粒，其中相鄰顆粒間的金屬涂層互相 結(jié)合形成膠結(jié)基質(zhì)。金屬涂層的例子是碳化物形成體例如鴒、鉭和鉬。 在金剛石合成溫度和壓力條件下單獨(dú)地將涂覆金屬的金剛石顆粒結(jié) 合。該專利還公開了將涂覆金屬的金剛石顆粒與位于該涂覆顆粒之間 間隙中的未涂覆的較小尺寸的金剛石顆粒混合。據(jù)稱，較小的顆粒降 低孔隙率并且提高壓塊的金剛石含量。描述了雙峰壓塊(兩種不同的 顆粒尺寸)和三峰壓塊(三種不同的顆粒尺寸)的實(shí)施例。
美國專利No. 5， 468， 268和5， 505, 748描述了由包含超硬顆粒尺寸 的混合物的物料制造超硬壓塊。這種方法的使用具有展寬或拓寬顆粒 的尺寸分布的作用，從而允許更緊密的壓實(shí)以及使粘合劑池(binder pool)(其中存在粘合劑)的形成最小化。
美國專利No. 5, 855, 996描述了包含不同尺寸金剛石的多晶金剛 石壓塊。具體地，其描述了將亞微米尺寸金剛石顆粒與較大尺寸金剛 石顆?；旌显谝黄鹨援a(chǎn)生更加致密壓實(shí)的壓塊。
美國專利申請No. 2004/0062928還描述了制造多晶金剛石壓塊的方法，其中金剛石顆?；旌衔锇s60-90%的粗部分(具有約l5-70 jam平均顆粒尺寸)和細(xì)部分(其平均顆粒尺寸小于所述粗部分的平 均顆粒尺寸的約二分之一)。據(jù)稱該共混物產(chǎn)生改善的材料行為。
這種一般方法的問題是，當(dāng)與粗粒度部分或細(xì)粒度部分單獨(dú)對比 時(shí)，有可能在改善耐磨性和抗沖擊性的同時(shí)，這些性能仍傾向于受到 損害，即該共混物在與較細(xì)粒度材料單獨(dú)對比時(shí)具有降低的耐磨性， 在與較粗粒度部分對比時(shí)具有降低的抗沖擊性。因此，使用顆粒尺寸 的緊密混合物可簡單地獲得平均中間顆粒尺寸的性能。
因此非常希望開發(fā)這樣的磨料壓塊，即它們可獲得與較粗粒度材 料一致的改善的抗沖擊性和疲勞抵抗性，同時(shí)仍保持較細(xì)粒度材料的 優(yōu)異耐磨性。
發(fā)明概述
根據(jù)本發(fā)明的第一方面，提供了一種磨料壓塊，其包含具有較粗 平均顆粒粒度的第 一部分超硬磨料粒和具有較細(xì)平均顆粒粒度的第二
部分超硬磨料粒，第一部分較粗粒度超硬磨料粒非滲透性 (percolatively)地分布遍及第二部分較細(xì)粒度的超硬磨料顆粒。
本發(fā)明還提供了制造磨料壓塊的方法，該方法包括使超硬磨料粒 物料經(jīng)受適合于制備磨料壓塊的提高的溫度和壓力條件的步驟，該方 法的特征在于，超硬顆粒物料具有第 一部分超硬磨料粒和第二部分超 硬磨料粒，所述第一部分超硬磨料粒具有較粗的平均顆粒尺寸，所述 第二部分超硬磨料粒具有較細(xì)的平均顆粒尺寸，第一部分較粗超硬磨 料粒非滲透性地分布遍及第二部分較細(xì)顆粒超硬磨料。
根據(jù)本發(fā)明的另外方面，提供了這樣的磨料壓塊其包含平均顆 粒粒度小于約10 Mm的超硬磨料粒、具有較粗平均顆粒粒度的第一部 分超硬磨料粒和具有較細(xì)平均顆粒粒度的第二部分超硬磨料粒，第一 部分較粗粒度超硬磨料粒非滲透性地分布遍及第二部分較細(xì)粒度超硬磨料。
在本發(fā)明的這一方面，典型地以50/50混合物提供較粗和較細(xì)超硬磨料粒，較粗部分的平均顆粒粒度為約8. 5-10 lum，優(yōu)選約9.5 ji m，而較細(xì)部分的平均顆粒粒度為約1. 0-2. 5 )nm，優(yōu)選約1. 5 ium。
本發(fā)明擴(kuò)展了本發(fā)明的磨料壓塊作為磨蝕切削元件的用途(例如 用于基材的切削或磨蝕)或者鉆孔用途。
優(yōu)選實(shí)施方案的描述
本發(fā)明針對于在高溫/高壓條件下制造的磨料壓塊，特別是超硬多 晶磨料壓塊。該磨料壓塊的特征在于，它們包括非滲透性地分布遍及
較細(xì)粒度部分的超硬顆粒中的較粗粒度部分的超硬顆粒，所述較細(xì)粒 度部分的超硬顆?？梢钥醋鬏^細(xì)粒度超硬顆?；|(zhì)，以這種方式在很 大程度上將單獨(dú)的較粗晶?；ハ喔綦x。
因此磨料壓塊的復(fù)合材料表現(xiàn)為散布有較大晶粒的高耐磨較細(xì)粒 度材料基質(zhì)，從而提供比單獨(dú)或以另外方式進(jìn)行結(jié)合的兩種組分的行 為更有利的耐磨性和抗沖擊性。
超硬磨料?？梢允墙饎偸蛄⒎降?，然而優(yōu)選金剛石顆粒。
使超硬磨料粒物料經(jīng)受制備磨料壓塊所必需的已知溫度和壓力條 件。這些條件典型地是合成磨料粒本身所需的那些條件。通常，所使 用的壓力為40-70千巴，所使用的溫度為1300。C-1600°C。
通常且優(yōu)選地，磨料壓塊將具有粘合劑。粘合劑優(yōu)選是用于所使 用的超硬磨料粒的催化劑/溶劑。用于金剛石和立方氮化硼的催化劑/ 溶劑在本領(lǐng)域中是公知的。對于金剛石，粘合劑優(yōu)選為鈷、鎳、鐵或 包含一種或多種這些金屬的合金。
當(dāng)使用粘合劑時(shí)，特別是對于金剛石壓塊，在壓塊制備期間可使 其滲入磨料粒物料內(nèi)。粘合劑填隙片或?qū)涌捎糜谠撃康?。作為替代?并且優(yōu)選地，粘合劑是細(xì)粒形式并且混有磨料粒物料。
通常將磨料壓塊(特別是對于金剛石壓塊)結(jié)合至膠結(jié)碳化物載 體或基材形成復(fù)合磨料壓塊。為制備這樣的復(fù)合磨料壓塊，在使磨料 粒物料經(jīng)受壓塊制造所必需的提高的溫度和壓力的條件前將其置于膠 結(jié)碳化物本體的表面上。所述膠結(jié)碳化物載體或基材可以是本領(lǐng)域中
9任何已知的，例如膠結(jié)碳化鎢、膠結(jié)碳化鉭、膠結(jié)碳化鈦、膠結(jié)碳化 鉬或其混合物。用于這些碳化物的粘合劑金屬可以是本領(lǐng)域中任何已 知的，例如鎳、鈷、鐵或包含一種或多種這些金屬的合金。典型地，
該粘合劑可按10-20質(zhì)量°/。的量存在，但這可以低至6質(zhì)量％。粘合劑
金屬中的一些通常可在壓塊形成期間滲入磨料壓塊。
產(chǎn)生本發(fā)明壓塊的方法的典型特征在于所使用的磨料?；旌衔铩?本方法中使用的超硬顆?？梢允翘烊换蚝铣傻?。混合物是雙峰的，即 包含較粗部分和較細(xì)部分的混合物，它們地平均顆粒尺寸是明顯彼此 不同的。用"平均顆粒尺寸"表示個(gè)體顆粒的尺寸范圍具有代表"平 均值"的平均顆粒尺寸。因此主要量的顆粒將接近于平均尺寸，盡管 存在有限數(shù)目的高于或低于該特定尺寸的顆粒。因此顆粒分布的峰將 處在該特定尺寸。各超硬顆粒尺寸部分的尺寸分布本身典型地是單峰 的，但在某些情況中可以是多峰的。在燒結(jié)的壓塊中，應(yīng)以類似方式 理解術(shù)語"平均顆粒粒度"。
選擇超硬顆粒的混合物以便產(chǎn)生其中較粗粒度顆粒互相隔離的最 終壓塊結(jié)構(gòu)。典型地，這種隔離可表示為如下復(fù)合物結(jié)構(gòu)中較粗晶 粒的排列是非滲透性的。因此，不存在穿過互連或直接相鄰的較粗晶 粒從復(fù)合物一側(cè)或表面到另一側(cè)或表面的連續(xù)路徑。
可使用滲透理論來描述多相復(fù)合物(即包含至少兩種不連續(xù)材料 相的復(fù)合物)的行為。其中這些材料在暴露于能量流或物質(zhì)流時(shí)其響 應(yīng)或性能具有差異，可使用滲透理論來解釋完全多相復(fù)合物在暴露于 能量流或物質(zhì)流時(shí)的總體行為。
例如，考慮到將高電導(dǎo)率顆粒埋入低電導(dǎo)率基質(zhì)相中的體系，如 果在復(fù)合物內(nèi)不存在導(dǎo)電組分形成的連續(xù)路徑，則預(yù)料到本體的相對 低的總電導(dǎo)率。然而，高于一定體積分?jǐn)?shù)的導(dǎo)電顆粒時(shí)，存在形成跨 越該本體長度的連續(xù)導(dǎo)電路徑的顯著可能性。這時(shí)，該本體將開始表 現(xiàn)出高的電導(dǎo)率。在該臨界體積分?jǐn)?shù)(其取決于幾種因素例如導(dǎo)電顆 粒的形狀和分布)時(shí)，則稱該材料在導(dǎo)電相方面實(shí)際上是滲透性的。 低于該體積分?jǐn)?shù)(稱作滲透閾值)時(shí)，則稱該本體是非滲透性的。因此，關(guān)于任何細(xì)粒相是滲透性的本體將易于含有跨越所述本體長度的 該顆粒類型的不間斷連接鏈。然而，低于該滲透閾值時(shí)，形成連續(xù)滲 透性路徑的可能性非常罕見，因?yàn)轶w積分?jǐn)?shù)不夠高。
在本發(fā)明中，發(fā)現(xiàn)該滲透性閾值是雙峰超硬復(fù)合物的最佳結(jié)構(gòu)的 限制因素。因此，本發(fā)明的超硬復(fù)合物結(jié)構(gòu)的特征在于，該結(jié)構(gòu)關(guān)于 較粗粒度超硬顆粒部分是非滲透性的。在

圖1中對此進(jìn)行了另外說明，
該圖是本發(fā)明的磨料壓塊的最佳結(jié)構(gòu)10的示意圖，所述磨料壓塊包含 分布在較細(xì)粒度顆粒14的基質(zhì)中的較粗粒度顆粒12。D是較粗粒度顆 粒12的平均顆粒直徑，X是各個(gè)較粗粒度顆粒12中心之間的平均距 離。在非滲透性結(jié)構(gòu)中，平均值X將超過平均值D,這表示，平均而 言，存在較粗粒度顆粒12之間的最小接觸。應(yīng)注意，甚至對于低分?jǐn)?shù) 的較粗顆粒，可產(chǎn)生許多如下的情形其中較粗顆?？蓤F(tuán)簇在一起形 成跨越幾個(gè)顆粒直徑的連續(xù)鏈，然而存在跨越任意形狀本體長度的鏈 的可能性仍將接近于零。
本領(lǐng)域中已知，在主要較細(xì)粒度基質(zhì)復(fù)合物中產(chǎn)生的較大晶?？?充當(dāng)缺陷(flaw)。所述較大晶粒通過充當(dāng)早期失效點(diǎn)而將趨于損害 結(jié)構(gòu)且因此損害較細(xì)粒度材料的性能。因此可預(yù)料到，包含分散在明 顯較細(xì)粒度基質(zhì)中的粗晶粒的結(jié)構(gòu)將不具有優(yōu)于單獨(dú)較細(xì)粒度材料的 結(jié)構(gòu)優(yōu)點(diǎn)。然而，出人意料地發(fā)現(xiàn)，充分隔離的、優(yōu)選均勻或良好分 布的較粗晶粒排列可產(chǎn)生具有優(yōu)異行為的材料。假定這些迄今未知的 優(yōu)點(diǎn)產(chǎn)生于最終結(jié)構(gòu)中粗晶粒間的內(nèi)在隔離(implied separation)， 這確保該材料表現(xiàn)為兩種組分均不弱化最終行為的真實(shí)復(fù)合物結(jié)構(gòu)。 另外，較細(xì)粒度超硬復(fù)合物部分的燒結(jié)行為的有利改善可能是由存在 的較粗晶粒引起的。
可基于與組分顆粒的特性有關(guān)的多種因素例如尺寸或形狀來確定 超硬壓塊的滲透性閾值。本發(fā)明最優(yōu)選的總體顆粒尺寸小于20 jam。 在這些尺寸下，發(fā)現(xiàn)較粗部分的滲透閾值典型地小于60°/。粗顆粒，其 余包含較細(xì)部分。較粗部分的更優(yōu)選體積分?jǐn)?shù)小于約55%，且最優(yōu)選 為50%左右。在較粗顆粒分?jǐn)?shù)變得過小時(shí)，則通常未觀測到行為的改善。因此較粗粒度組分應(yīng)超過至少約20%。
還發(fā)現(xiàn)較粗和較細(xì)粒度顆粒的尺寸之間存在著優(yōu)選比例。當(dāng)較粗 顆粒尺寸與較細(xì)顆粒尺寸的比例為2: 1至10: 1，更優(yōu)選3: 1至8: 1， 且最優(yōu)選5: 1至7: 1時(shí)，似乎產(chǎn)生最優(yōu)的配置。
本發(fā)明的另外方面是這種結(jié)構(gòu)類型在總體的較細(xì)平均粒度(即細(xì) 部分和粗部分二者的平均)典型地小于10 Mm下的應(yīng)用。
在本發(fā)明的一個(gè)優(yōu)選實(shí)施方案中，提供了具有較細(xì)部分和較粗部 分的50/50金剛石顆粒混合物，所述較細(xì)部分的平均顆粒粒度為約 1-2.5 jjm，優(yōu)選約1.5 ym，且較粗部分的平均顆粒粒度為約8. 5-10 kim,優(yōu)選約9. 5 iam。向該金剛石粉末混合物混入另外1質(zhì)量°/。的鈷 催化劑/溶劑粉末，因?yàn)榘l(fā)現(xiàn)這有助于獲得該體系的最佳燒結(jié)過程。當(dāng) 與僅由單一的多晶金剛石粒級制成的復(fù)合物相比時(shí)，以及當(dāng)與具有相 同的總體平均粒度的復(fù)合物相比時(shí)，該復(fù)合物結(jié)構(gòu)兼具有優(yōu)異的耐磨 性和抗沖擊性。
在本發(fā)明的又一優(yōu)選的實(shí)施方案中，提供了具有較細(xì)部分和較粗 部分的50/50金剛石顆粒混合物，所述較細(xì)部分的平均顆粒粒度為約 0. 5-1.0 inm，優(yōu)選約0.7 jum，且較粗部分的平均顆粒粒度為約4-6 jum，優(yōu)選約4. 5 jam。向該金剛石粉末混合物混入另外1質(zhì)量％的鈷 催化劑/溶劑粉末，因?yàn)榘l(fā)現(xiàn)這有助于獲得該體系的最佳燒結(jié)過程。當(dāng) 與僅由單一的多晶金剛石粒級制成的復(fù)合物相比時(shí)，以及當(dāng)與具有相 同的總體平均粒度的復(fù)合物相比時(shí)，該復(fù)合物結(jié)構(gòu)兼具有優(yōu)異的耐磨 性和抗沖擊性。
現(xiàn)通過下面的非限定性實(shí)施例說明本發(fā)明
實(shí)施例1
制備合適的雙峰金剛石粉末混合物。在球磨機(jī)中用WC研磨介質(zhì)于 甲醇漿料中將足以在最終金剛石混合物中達(dá)到1質(zhì)量％量的亞微米鈷 粉末進(jìn)行初始解團(tuán)聚1小時(shí)。然后以在最終混合物中達(dá)到49. 5質(zhì)量％ 的量向該漿料中加入平均粒度為1. 5 ium的細(xì)部分金剛石粉末。引入
12另外的研磨介質(zhì)并且進(jìn)一步加入甲醇以獲得合適的漿料；將此漿料研
磨另外1小時(shí)。然后以在最終混合物中達(dá)到49. 5質(zhì)量％的量加入平均 粒度約9. 5 jam的粗部分金剛石。再次用另外的甲醇和研磨介質(zhì)補(bǔ)充 漿料，然后研磨另外2小時(shí)。將漿料從球磨機(jī)中取出并干燥以獲得金 剛石粉末混合物。
然后將該金剛石粉末混合辨放入合適的HpHT容器中，鄰接WC基 材并且在常規(guī)HpHT條件下燒結(jié)以獲得最終磨料壓塊。
圖2顯示了該樣品在不同放大倍率下的兩張掃描電子顯微照片， 這些照片說明了粗晶粒在較細(xì)粒度基質(zhì)內(nèi)的滲透性分布。將粗顆?；?相隔離的平均作用是明顯的，特別是在2500 x的較高放大倍率下。
在標(biāo)準(zhǔn)的基于應(yīng)用的測試中對該壓塊進(jìn)行測試，在該測試中該壓 塊顯示出高于現(xiàn)有技術(shù)壓塊(其具有單峰分布的相似的平均金剛石粒 度)的顯著性能改善。圖3顯示了本發(fā)明的壓塊20相比于現(xiàn)有技術(shù)壓 塊30(WC基材32;多晶金剛石層34;磨痕36 )在相同測試階段的相 對性能的圖像，本發(fā)明的壓塊20包含WC基材22和具有磨痕26的多 晶金剛石層24，其中現(xiàn)有技術(shù)壓塊30的提高的磨損速率和碎裂跡象 極其明顯。
實(shí)施例2
類似于實(shí)施例l制備雙峰金剛石混合物，區(qū)別在于所使用的金剛 石粒度分別對于細(xì)部分為0. 7 iam和對于粗部分為4. 5 ium。以相同的 方式制備金剛石壓塊并在類似情形下進(jìn)行測試。當(dāng)與具有類似粒度的 單峰的現(xiàn)有技術(shù)刀具相比時(shí)，其也在基于應(yīng)用的測試中顯示出性能的 顯著改善。
權(quán)利要求
1. 磨料壓塊，其包含具有較粗平均顆粒粒度的第一部分超硬磨料粒和具有較細(xì)平均顆粒粒度的第二部分超硬磨料粒，第一部分較粗粒度超硬磨料粒非滲透性地分布遍及第二部分較細(xì)粒度超硬磨料粒。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1的磨料壓塊，其中該磨料壓塊具有小于20 ji m的總體平均顆粒粒度。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1或2的磨料壓塊，其中第一部分超硬磨料粒占 磨料壓塊的小于約60%。
4. 根據(jù)權(quán)利要求3的磨料壓塊，其中第一部分超硬磨料粒占壓塊 的超硬磨料相的小于約55%。
5. 根據(jù)權(quán)利要求1至4中任一項(xiàng)的磨料壓塊，其中第一部分超硬 磨料粒占壓塊的超硬磨料相的大于約20%。
6. 根據(jù)權(quán)利要求1至5中任一項(xiàng)的磨料壓塊，其中第一部分超硬 磨料粒占壓塊的超硬磨料相的約50%。
7. 根據(jù)權(quán)利要求1至6中任一項(xiàng)的磨料壓塊，其中第一部分的各 個(gè)超硬磨料粒的中心之間的平均距離X大于第一部分的各個(gè)超硬磨料 粒的平均顆粒直徑D。
8. 根據(jù)權(quán)利要求1至7中任一項(xiàng)的磨料壓塊，其中第一部分超硬 磨料粒的平均尺寸與第二部分超硬磨料粒的平均尺寸之比大于2: 1。
9. 根據(jù)權(quán)利要求8的磨料壓塊，其中第一部分超硬磨料粒的平均 尺寸與第二部分超硬磨料粒的平均尺寸之比大于3: 1。
10. 根據(jù)權(quán)利要求1至9中任一項(xiàng)的磨料壓塊，其中第一部分超 硬磨料粒的平均尺寸與第二部分超硬磨料粒的平均尺寸之比小于 10: 1。
11. 根據(jù)權(quán)利要求10的磨料壓塊，其中第一部分超硬磨料粒的平 均尺寸與第二部分超硬磨料粒的平均尺寸之比小于6: 1。
12. 根據(jù)權(quán)利要求11的磨料壓塊，其中第一部分超硬磨料粒的平 均尺寸與第二部分超硬磨料粒的平均尺寸之比小于5: 1。
13. 磨料壓塊，其包含平均顆粒粒度小于約10 jam的超硬磨料 粒、具有較粗平均顆粒粒度的第一部分超硬磨料粒和具有較細(xì)平均顆 粒粒度的第二部分超硬磨料粒，第 一部分較粗粒度超硬磨料粒非滲透 性地分布遍及第二部分較細(xì)粒度超硬磨料粒。
14. 根據(jù)權(quán)利要求13的磨料壓塊，其中以通常50/50的混合物提 供較粗超硬磨料粒和較細(xì)超硬磨料粒，較粗部分的平均顆粒粒度為約 8.5-10 jLim，較細(xì)部分的平均顆粒粒度為約1. 0-2. 5 n m。
15. 根據(jù)權(quán)利要求14的磨料壓塊，其中較粗部分的平均顆粒粒度 為約9. 5 jum。
16. 根據(jù)權(quán)利要求14或15的磨料壓塊，其中較細(xì)部分的平均顆 粒粒度為約1. 5 jLim。
17. 根據(jù)權(quán)利要求13的磨料壓塊，其中以通常50/50的混合物提 供較粗超硬磨料粒和較細(xì)超硬磨料粒，較粗部分的平均顆粒粒度為約 4-6 jam,較細(xì)部分的平均顆粒粒度為約0. 5-1 p m。
18. 根據(jù)權(quán)利要求14的磨料壓塊，其中較粗部分的平均顆粒粒度 為約4. 5 |i m。
19. 根據(jù)權(quán)利要求14或15的磨料壓塊，其中較細(xì)部分的平均顆 津立并立度為約0. 7 ju m。
全文摘要
在高壓/高溫條件下制造的磨料壓塊、尤其是超硬多晶磨料壓塊，且其特征在于它們包括非滲透性地分布遍及較細(xì)粒度部分超硬顆粒中的較粗粒度部分超硬顆粒，該較細(xì)粒度部分超硬顆?？梢钥醋鬏^細(xì)粒度超硬顆粒基質(zhì)，使得在很大程度上將單獨(dú)的較粗顆?；ハ喔綦x。因此其表現(xiàn)為散布有較大晶粒的高耐磨性較細(xì)顆粒材料基質(zhì)，從而提供比單獨(dú)或以另外方式進(jìn)行結(jié)合的該兩種組分的行為更有利的耐磨性和抗沖擊性。
文檔編號C22C26/00GK101506397SQ200780031607
公開日2009年8月12日 申請日期2007年7月27日 優(yōu)先權(quán)日2006年7月28日
發(fā)明者G·J·戴維斯, M·C·馬賽特 申請人:六號元素(產(chǎn)品)(控股)公司