在金刚石与基材之间具有晶粒生长抑制剂层的细的多晶金刚石复合片的制作方法

在金刚石与基材之间具有晶粒生长抑制剂层的细的多晶金刚石复合片的制作方法
【专利摘要】本发明涉及用于切削工具和岩石钻具的多晶金刚石复合片，并且更特别地涉及具有晶粒生长抑制剂层和减少的异常晶粒生长的非常细的多晶金刚石复合片。一种制造这样的多晶金刚石材料的方法包括邻近于具有约1微米或更小的平均颗粒尺寸的金刚石颗粒的混合物放置纳米尺寸的晶粒生长抑制剂颗粒的粉末层并且在高压和高温下烧结以产生多晶结构的烧结金刚石晶粒。该烧结金刚石晶粒具有约1微米或更小的平均尺寸。
【专利说明】在金刚石与基材之间具有晶粒生长抑制剂层的细的多晶金
刚石复合片
【技术领域】
[0001]本发明涉及用于切削工具的多晶金刚石复合片(compact)，并且更特别地涉及具有晶粒生长抑制剂层和减少的异常晶粒生长的非常细的多晶金刚石复合片。
【背景技术】
[0002]烧结的多晶金刚石材料以其良好的耐磨性和机械强度而出名，并且经常用于切削工具和岩石钻具中。为了形成多晶金刚石(P⑶)，在高压和高温下烧结(HPHT烧结)金刚石颗粒以制备超硬的多晶金刚石结构。可在烧结前向金刚石颗粒混合物添加催化剂材料例如钴或另一种金属和/或其可在烧结期间渗入金刚石颗粒混合物以促进在HPHT烧结期间金刚石晶体的共生。所得的PCD结构包括彼此接合的互连金刚石晶体或晶粒的网络，催化剂材料占据接合的金刚石晶体之间的空间或空隙。可在基材存在下HPHT烧结金刚石颗粒混合物以形成与基材接合的PCD复合片。
[0003]超细PCD，例如具有尺寸为约I微米或更小的烧结金刚石晶粒的PCD，以其优异的机械性质和性能而出名。然而，由于金刚石颗粒的小尺寸，超细的烧结PCD难以产生。非常小的金刚石颗粒具有大的表面积与体积的比率，并且在烧结期间该大的表面积与体积的比率可引起金刚石晶体的异常晶粒生长。特别地，在HPHT烧结期间，非常细的金刚石颗粒可互连并且生长成非常大的金刚石晶粒，生长成比粉末混合物中初始金刚石晶粒的尺寸大很多倍的尺寸。因此，烧结的材料是不均匀的，因为PCD结构被大的异常晶粒生长的区域中断。晶粒尺寸的这种差异和均匀多晶结构的缺乏劣化了烧结的P⑶材料的性能和材料特性。难以实现具有非常细的金刚石颗粒混合物(例如0.5微米或更小的平均颗粒尺寸)的均匀多晶结构。在这种尺寸下或小于这种尺寸，在HPHT烧结后异常晶粒生长是常见的。
[0004]因此，已知向金刚石颗粒混合物提供晶粒生长抑制剂以在HPHT烧结期间限制大的异常金刚石晶体的生长。在HPHT烧结期间，晶粒生长抑制剂占据金刚石颗粒之间的边界处的空间并且防止颗粒在一起生长成更大的晶粒尺寸。可在烧结前使晶粒生长抑制剂与金刚石颗粒物理掺混，或通过物理气相沉积(PVD)或化学气相沉积(CVD)来沉积。
[0005]然而，在具有超细金刚石晶粒的PCD中继续观察到异常晶粒生长，特别是沿着PCD与基材之间的边界。因此，仍然需要具有减少的异常晶粒生长的超细烧结PCD复合片和用于制造其的方法。

【发明内容】

[0006]本公开涉及用于切削工具和岩石钻具的多晶金刚石复合片，并且更特别地涉及具有晶粒生长抑制剂层和减少的异常晶粒生长的非常细的多晶金刚石复合片。在一个实施方案中，提供了制造具有均匀的烧结晶粒尺寸的超细PCD材料的方法。所述方法包括提供超细金刚石颗粒的混合物，并且在一个实施方案中金刚石颗粒尺寸小于I微米，例如尺寸小于0.5微米。所述方法还包括在金刚石颗粒混合物上方以松散的粉末形式均匀分布晶粒生长抑制剂层。所述晶粒生长抑制剂可为含钛的颗粒例如TiCN、TiN和/或TiC，并且晶粒生长抑制剂的颗粒尺寸为约500纳米或者更小，例如尺寸为100纳米或更小。所述方法还包括在晶粒生长抑制剂粉末层上方放置基材，然后HPHT烧结这三种组分以制备与基材接合的具有均匀金刚石晶体晶粒尺寸的烧结PCD结构。
[0007]在一个实施方案中，制造多晶金刚石材料的方法包括邻近于金刚石颗粒的混合物放置纳米尺寸的晶粒生长抑制剂颗粒的粉末层。金刚石颗粒的混合物具有约I微米或更小的平均颗粒尺寸。所述方法还包括邻近于粉末层放置基材，并且在高压和高温下烧结金刚石颗粒的混合物和晶粒生长抑制剂颗粒的粉末层以产生多晶结构的烧结的金刚石晶粒。烧结的金刚石晶粒具有约I微米或更小的平均尺寸。
[0008]在一个实施方案中，多晶金刚石复合片包括具有一种材料显微组织的多晶金刚石本体，所述材料显微组织具有多个接合在一起的金刚石晶粒以及金刚石晶粒之间的间隙区域。所述复合片还包括具有碳化钨和催化剂金属的基材，和多晶金刚石本体与基材之间的晶粒生长抑制剂层。晶粒生长抑制剂层包括散布于钨和催化剂金属之间的多个含钛的颗粒。含钛的颗粒尺寸小于800纳米。晶粒生长抑制剂层在相对侧与基材和多晶金刚石本体接合，并且厚度为约20-100微米。烧结的金刚石晶粒具有约I微米或更小的平均尺寸。
【专利附图】

【附图说明】
[0009]图1是显示根据本公开的一个实施方案制造具有均匀的烧结晶粒尺寸的超细PCD材料的方法的流程图。
[0010]图2显示了具有异常晶粒生长的烧结PCD材料放大的横截面视图。
[0011]图3A-3D显示了根据本公开的一个实施方案具有均匀的烧结晶粒尺寸的烧结P⑶复合片放大的横截面视图(具有增大的放大倍数)。
[0012]图4A显示了根据本公开的一个实施方案在烧结前基材、金刚石粉末混合物和晶粒生长抑制剂层的立体图(出于清楚，将尺寸放大且不按比例)。
[0013]图4B显示了根据本公开的一个实施方案的烧结P⑶复合片。
[0014]图5显示了尖端具有从根据本公开的一个实施方案的超细PCD材料切割的块体的切削工具插件。
【具体实施方式】
[0015]本公开涉及用于切削工具和岩石钻具的多晶金刚石复合片，并且更特别地涉及具有晶粒生长抑制剂层和减少的异常晶粒生长的非常细的多晶金刚石复合片。在一个实施方案中，提供了制造具有均匀的烧结晶粒尺寸的超细PCD材料的方法。所述方法包括提供超细金刚石颗粒的混合物，并且在一个实施方案中金刚石颗粒尺寸小于I微米，例如尺寸小于0.5微米。所述方法还包括在金刚石颗粒混合物上方以松散的粉末形式分布晶粒生长抑制剂层。所述晶粒生长抑制剂可为含钛的颗粒例如TiCN、TiN和/或TiC，并且晶粒生长抑制剂的颗粒尺寸为500纳米或者更小,例如尺寸为100纳米或更小。所述方法还包括在晶粒生长抑制剂粉末层上方放置基材，然后HPHT烧结这三种组分以制备与基材接合的具有均匀的金刚石晶体晶粒尺寸的烧结PCD结构。
[0016]在整个本公开和权利要求书中，提到的碳氮化物、氮化物和碳化物例如TiCN、TiN和TiC包括化学计量比以及非化学计量比的化合物。即，这些化合物包括具有1:1比例以及其它比例的元素的化合物。例如，提到的TiN包括TiNx，其中0〈x ( I。提到的TiC包括TiCx,其中0〈x≤I。提到的TiCN包括TiCxNy，其中0〈x≤I且0〈y≤I。
[0017]在图1中显示了根据本公开的一个实施方案制造具有减少的异常晶粒生长的超细PCD材料的方法。根据该实施方案，所述方法包括提供超细金刚石颗粒的混合物110。如本文中使用的，提到的“超细”金刚石颗粒混合物包括具有约I微米或更小的平均颗粒尺寸的混合物。在一个实施方案中，超细的金刚石颗粒混合物包括甚至更小例如约0.5微米或更小的平均颗粒尺寸。所述金刚石颗粒混合物包括均匀分布的处于该尺寸范围内的颗粒掺混物,例如尺寸在0-0.5微米之间变化的颗粒掺混物，并且在另一个实施方案中尺寸为0-1微米之间变化，并且在另一个实施方案中尺寸在0.5-1微米之间变化。以粉末形式提供金刚石颗粒混合物，其中各种金刚石颗粒均匀地掺混在一起。
[0018]如图1所示，所述方法还包括提供基材112，并且提供晶粒生长抑制剂颗粒的粉末混合物114。所述基材可为烧结碳化钨盘，其在HPHT烧结期间将与PCD层接合以提供对烧结PCD复合片的支撑。所述基材还提供在烧结期间渗入PCD层中的催化剂材料源，以促进金刚石颗粒通过金刚石晶体生长的接合。晶粒生长抑制剂混合物包括TiC、或TiCN、或TiN或这些的组合的纳米尺寸的颗粒，其具有处于均匀分布的约500nm或更小并且在一些实施方案中200nm或更小或在一些实施方案中IOOnm或更小的尺寸，如下所更加详细描述的。在一个实施方案中，晶粒生长抑制剂混合物包括具有约800纳米或更小的尺寸的颗粒。
[0019]接着，所述方法包括将晶粒生长抑制剂粉末布置成金刚石混合物与基材之间的均匀层116。这可通过首先在耐火金属罐中将超细的金刚石粉末混合物布置成平面的、均匀的层完成。金刚石颗粒层可具有约Imm至1.5mm的厚度。接着，称取晶粒生长抑制剂颗粒的粉末层并且随后铺展在金刚石颗粒混合物上方。还将该粉末层布置成具有约80微米至100微米的厚度的平面的、均匀的层。可以以松散地压实的粉末盘来提供晶粒生长抑制剂粉末。仔细称取这些粉末层、金刚石和晶粒生长抑制剂以提供所需量的每种材料。将基材放置在晶粒生长抑制剂层上方。在图4A中显示了这三种组分，为了清楚而将尺寸放大(未按比例)。图4A显示了金刚石粉末混合物312’，在晶粒生长抑制剂粉末层314’下方，在基材316’下方表示在烧结前)。在耐火金属罐中以这种顺序布置这三种组分用于HPHT烧结。还可以以相反的顺序布置这三种组分。
[0020]任选地，在HPHT烧结前将晶粒生长抑制剂粉末层和金刚石层部分或略微压实，以促进金刚石层中均匀的显微组织并且在金刚石层上方均匀地铺展晶粒生长抑制剂粉末层。可通过将粉末层放置于在约100M Pa下的液压机中来提供压实。在这样的压实后，粉末晶粒生长抑制剂层可具有理论密度的约30-70% (例如理论密度的55%左右)的密度。晶粒生长抑制剂层中的颗粒保持彼此不连续，彼此接触但并不彼此牢固接合或与邻近层牢固接合。在烧结前，晶粒生长抑制剂颗粒没有彼此化学接合或与任何邻近层化学接合。晶粒生长抑制剂颗粒没有在固体涂层或膜中结合在一起，并且没有彼此附接。尽管由于颗粒之间弱的相互作用(例如范德华力)颗粒本身可集合(clump)在一起,但是颗粒没有接合在一起。将颗粒之间的相互作用和接触限制于此，这源自松散的粉末材料的混合和压实。
[0021]再次参考图1，所述方法包括HPHT烧结三种组分118-金刚石粉末混合物、晶粒生长抑制剂层和基材。在一个实施方案中，HPHT烧结包含在1300-1650°C的提高温度下在5-8GPa的压力下压制所述组分。在一个实施方案中，将压力提高至完全烧结压力(5-8GPa)，并且随后将热提高至烧结温度(1300-1650°C)，同时维持高压。烧结在这样的高温下发生。在烧结后，将压机冷却，并且随后释放压力。在图4B中显示了所得的烧结金刚石复合片310，其具有与烧结基材316接合的烧结PCD层312，在基材与PCD层之间的界面处具有烧结的晶粒生长抑制剂层314。
[0022]在放置晶粒生长抑制剂层前，可向金刚石混合物添加催化剂材料。例如，可在掺混晶粒生长抑制剂前通过湿化学法用钴颗粒(作为催化剂材料)涂覆金刚石颗粒。应该理解晶粒生长抑制剂材料不同于促进PCD结构形成的催化剂材料。
[0023]金刚石颗粒与基材之间的晶粒生长抑制剂颗粒的粉末层304抑制了金刚石层与基材之间界面处的异常晶粒生长。非常细的金刚石颗粒倾向于沿着金刚石颗粒与基材之间界面处的异常晶粒生长。在烧结期间，来自基材的金属例如钴在高的热和压力下液化并且从基材流入金刚石粉末层中。来自基材的流动的钴金属沿基材与金刚石粉末层之间的界面产生富钴区域。该区域中大量的钴润湿了金刚石颗粒并且促进了在烧结期间新金刚石晶体的形成，并且可导致快速、异常的金刚石晶粒生长，形成非常大的金刚石晶粒。
[0024]在实施方案中，基材与金刚石颗粒之间的晶粒生长抑制剂颗粒的粉末层充当阻挡层并且减缓液体钴渗透流入金刚石层中的速率，防止液体钴在界面附近的金刚石区域中的大量初始积累。将晶粒生长抑制剂颗粒布置在减缓液体钴的流动但不完全阻止流动的粉末层中。液体钴移动通过晶粒生长抑制剂层并且以较缓慢且更加受控的速率缓慢渗入金刚石粉末混合物中。在这种较缓慢的扩散速率下，以更加受控的方式将金刚石颗粒烧结在一起，因为它们每个都单个被液体钴润湿。由于这些单个金刚石颗粒被润湿和熔融，附近的其它金刚石颗粒可能还没有被液体钴完全润湿，并且因而它们较少可能熔融在一起。因此，避免了在这些颗粒中的快速晶粒生长。此外，与没有晶粒生长抑制剂层的烧结相比，在相对较低的钴百分比下发生金刚石晶粒的生长。因此，金刚石晶粒生长得更加均匀，并且减少了快速的异常晶粒生长。
[0025]因此晶粒生长抑制剂颗粒层减缓了液体催化剂从基材的流动，同时该层的粉末布置还使催化剂通过该层流入金刚石混合物中，以促进正常金刚石晶粒的受控的生长。在一个实施方案中，以粉末层而不是完全致密的层或固体涂层例如通过PVD或CVD提供的涂层来提供晶粒生长抑制剂。相反地，以粉末形式的不连续的颗粒的混合物实施，而不是接合的固体层。在该粉末层中，颗粒彼此接触，并且随着压力升高，它们可变得彼此压碎或变形。然而，它们没有化学接合在一起。此外，与基材和金刚石层分离地提供晶粒生长抑制剂粉末层，而不是与这些层中的任何层接合。
[0026]可将晶粒生长抑制剂粉末层与粘结剂预混合以协助将粉末均匀地铺展在金刚石层上方。粘结剂的实例包括石蜡、聚乙二醇和其它与陶瓷粉末一起使用的常见有机粘结剂。然而，在其它实施方案中，在烧结前在晶粒生长抑制剂层中不包括粘结剂或其它添加剂，并且晶粒生长抑制剂层完全由晶粒生长抑制剂颗粒组成，而没有其它组分。在一个实施方案中，晶粒生长抑制剂粉末层缺少任何的超硬颗粒例如金刚石或立方氮化硼(CBN)。
[0027]除了减缓液体钴流入金刚石层中的速率以外，晶粒生长抑制剂颗粒还通过移动入金刚石层中来减少异常晶粒生长。在HPHT烧结期间晶粒生长抑制剂颗粒部分溶入液态钴相中。液态钴携带部分溶解的和未溶解的晶粒生长抑制剂颗粒随其进入金刚石层中。因此，流入金刚石中的钴在碳化钛或类似的晶粒生长抑制剂材料中是富集的。已知钛(或其它陶瓷材料)与金刚石和钴的存在减少了金刚石晶粒之间的快速晶粒生长。
[0028]在一个实施方案中，晶粒生长抑制剂颗粒是纳米尺寸(下面进一步限定)的含钛的颗粒，将其布置成厚度为约50-100微米例如厚度为约80-100微米或约50-60微米的均匀粉末层(在烧结前)。在一个实施方案中，晶粒生长抑制剂层厚度为至多500微米，并且在另一个实施方案中，其厚度不小于10微米。晶粒生长抑制剂层可具有10-500微米例如约40-100微米或约50-60微米的厚度。可根据基材的钴含量改变晶粒生长抑制剂层的厚度。在一个实施方案中，基材的钴含量为约14%，并且晶粒生长抑制剂层(在烧结前)具有约10-500微米、或40-100微米或50-60微米的厚度。该层应该具有足以有效地控制催化剂(例如钴)从基材到金刚石层中的流动的厚度。
[0029]含钛的颗粒可为碳化钛(TiC)、碳氮化钛(TiCxNy)或氮化钛(TiN)。在每种情况下，将含钛的颗粒布置成均质的均匀粉末混合物，并且随后在烧结前将该松散的粉末混合物铺展在金刚石混合物上方。在一个实施方案中，所述粉末混合物仅限于一种类型的含钛的粉末，例如仅TiC或仅TiCxNy或仅TiN。在其它实施方案中，所述粉末混合物可包含这些颗粒的掺混物(TiC和/或TiCxNy和/或TiN)。此外，在其它实施方案中，代替含钛的颗粒，还可使用其它的碳化物、碳氮化物或氮化物族作为晶粒生长抑制剂，例如元素周期表中所有IVB, VB和VIB族金属即T1、V、Cr、Zr、Nb、Mo、Hf、Ta和W的碳化物、氮化物和碳氮化物。整个本公开中，在确定钛时，应当理解可提供这些金属中的任何一种。将(IVB、VB和VIB族金属的)这些碳化物、碳氮化物和氮化物族统称为晶粒生长抑制剂颗粒。
[0030]在一个实施方案中，将晶粒生长抑制剂粉末混合物限于仅碳化物、碳氮化物或氮化物颗粒。即，所述粉末混合物仅是这些颗粒的均质混合物。例如，在一个实施方案中，所述粉末混合物限于含钛的颗粒。即，在烧结前提供的晶粒生长抑制剂粉末混合物中包括的唯一颗粒是含钛的颗粒例如TiC、TiCxNy或TiN。
[0031]在一个实施方案中，晶粒生长抑制剂的颗粒的平均尺寸小于平均金刚石颗粒尺寸。在一个实施方案中，基本上所有的晶粒生长抑制剂颗粒小于平均金刚石颗粒尺寸，并且在另一个实施方案中小于基本上所有的金刚石颗粒。在一个实施方案中，晶粒生长抑制剂颗粒约等于或小于平均金刚石颗粒尺寸。在另一个实施方案中，晶粒生长抑制剂颗粒小于(例如以约一个数量级小于)平均金刚石颗粒尺寸。在另一个实施方案中，金刚石颗粒尺寸为约I微米或更小，例如约0.5微米或更小，并且晶粒生长抑制剂颗粒尺寸为约100纳米或更小。在另一个实施方案中，晶粒生长抑制剂颗粒尺寸为约10至约200纳米之间，平均颗粒尺寸为约50纳米。如本文中使用的，术语“纳米尺寸的”意指尺寸为约1-500纳米，例如约200纳米或更小,或100纳米或更小,或例如尺寸为约50纳米。这些小颗粒具有相对大的表面积，其有助于控制钴通过晶粒生长抑制剂层的流动。在另一个实施方案中，晶粒生长抑制剂颗粒可为较大的，例如尺寸为至多800纳米，或至多I微米。
[0032]根据图1的方法制造超细P⑶本体，并且在图3A-C中显示了结果。图3A显示了根据本公开的一个实施方案的烧结PCD复合片的放大的横截面视图。如图3A所示，烧结的结构包括P⑶层12、晶粒生长抑制剂层14和碳化钨(WC)基材16。晶粒生长抑制剂层14介于另两层之间。图3B和3C显示了在更大的放大倍数下的相同结构。
[0033]在该实施例中，金刚石粉末混合物包括小于0.5微米的平均颗粒尺寸。使用碳化钛(TiC)颗粒作为晶粒生长抑制剂。在烧结前，以TiC颗粒的均匀粉末层布置晶粒生长抑制剂层。在烧结后，该层包括TiC颗粒以及从基材16扩散入层14中的一些钴和碳化钨。在烧结后，晶粒生长抑制剂14厚度为约60-70微米。在一个实施方案中，在烧结期间压制晶粒生长抑制剂层，并且在烧结期间厚度减少约40%。因此，在一个实施方案中，晶粒生长抑制剂层在烧结前厚度为约100微米，并且在烧结后厚度为约60-70微米。在其它的实施方案中晶粒生长抑制剂层在烧结后厚度为约20-100微米。
[0034]如图3A-3C所示，烧结的P⑶层12包括均匀的组织，基本上不含异常的金刚石晶粒生长，并且没有可见的处于与金刚石晶体相同级别上的晶粒生长抑制剂颗粒的聚集。为了对比，在图2中显示了具有异常晶粒生长的PCD材料。图2显示了与碳化钨基材216接合的PCD层212。沿着PCD层与基材之间的界面，PCD显微组织包括大区域的异常晶粒生长220。这些异常的金刚石晶粒尺寸显著大于周围的金刚石晶体的尺寸。
[0035]图3D显示了烧结后晶粒生长抑制剂层14的放大视图。烧结的晶粒生长抑制剂层包括介于富集含钛的颗粒的区域14B与钴之间的富集钨和钴的区域14A。在HPHT烧结期间来自基材的钴和钨扩散进入并通过晶粒生长抑制剂层，并且这些颗粒中的一些可保持陷于晶粒生长抑制剂层内的晶粒生长抑制剂颗粒之间。因为初始以粉末层提供晶粒生长抑制剂层，所以来自基材的钴和钨能够通过该层，导致散布于钨和钴(或其它催化剂金属)之间的烧结层14。在一个实施方案中，钨和钴(或其它催化剂金属)均匀分散在整个烧结层14中。当使用TiC作为晶粒生长抑制剂时，烧结的晶粒生长抑制剂层形成钴烧结的TiC-WC。在一个实施方案中，该烧结层14具有约20-100微米的厚度，并且在另一个实施方案中为约50-70微米。
[0036]在一个实施方案中，烧结的晶粒生长抑制剂层(即在HPHT烧结后的层)包括约1-25原子％的钨、20-70原子％的钛、2-35原子％的钴，并且余量为碳和氮。随着在HPHT烧结期间催化剂组分通过并且破碎粉末晶粒生长抑制剂层，这些组分可均匀地分散在整个烧结的晶粒生长抑制剂层中，或者它们可成团(clump )和聚集。
[0037]在一个实施方案中，通过图1的方法形成的烧结rcD材料具有均匀的显微组织,这意味着其基本上不含处于金刚石晶体的尺寸级别上的晶粒生长抑制剂的可见的聚集，并且基本上不含异常晶粒生长(参见图3C，其显示了放大的PCD显微组织)。约95%的烧结金刚石晶粒尺寸为约I微米或更小。最大的烧结金刚石晶粒为约5微米或更小，或者在另一个实施方案中为约3微米或更小。在另一个实施方案中，烧结金刚石晶粒具有约0.5微米的平均尺寸，最大的烧结金刚石晶粒为约I微米。
[0038]上述的方法提供了晶粒生长抑制剂颗粒的粉末层并且实现了有效的晶粒生长抑制。超细的PCD表现出优异的耐磨性和机械强度并且在切削工具应用如耐磨铝合金机加工、石墨复合材料机加工和钛机加工中表现优异。在钻探、车削和研磨应用中也可使用PCD材料。
[0039]图5显示了根据本公开的一个实施方案的尖端具有从超细PCD材料切割的块体410的切削工具插件420。切削插件420包括烧结碳化物插件本体412，并且将从超细的烧结PCD切割的尖块410与本体412在本体的角处焊接。可在用于切削应用如车削或研磨的机床中安装切削插件420。插件420的PCD尖块410提供了用于优异的切削性能的韧性和耐磨性的组合。在一个实施方案中，可将超细的PCD材料纳入用于钻探应用的剪切切削机中。
[0040]尽管针对各种实施方案描述和说明了本发明，但是应理解其不限于此，因为在本文中可以做出改变和变化，而这些改变和变化处于如下面请求保护的本发明的完全的意图范围内。
【权利要求】
1.一种制造多晶金刚石材料的方法，其包括: 邻近于金刚石颗粒的混合物放置纳米尺寸的晶粒生长抑制剂颗粒的粉末层，所述金刚石颗粒的混合物具有约I微米或更小的平均颗粒尺寸； 邻近于粉末层放置基材；和 在高压和高温下烧结金刚石颗粒的混合物和晶粒生长抑制剂颗粒的粉末层以产生多晶结构的烧结金刚石晶粒， 其中烧结金刚石晶粒具有约I微米或更小的平均尺寸。
2.权利要求1的方法，其中所述金刚石颗粒具有约0.5微米或更小的平均颗粒尺寸。
3.权利要求1的方法，其中所述纳米尺寸的晶粒生长抑制剂颗粒的粉末层包含IVB、VB或VIB族金属的碳化物、氮化物或碳氮化物。
4.权利要求1的方法，其中所述晶粒生长抑制剂颗粒具有小于200纳米的颗粒尺寸。
5.权利要求4的方法，其中所述晶粒抑制剂颗粒具有小于100纳米的平均颗粒尺寸。
6.权利要求1的方法，其中最大的烧结金刚石晶粒尺寸不大于3微米。
7.权利要求1的方法，其中所述晶粒生长抑制剂颗粒的粉末层包含晶粒生长抑制剂颗粒的均质混合物。
8.权利要求1的方法，其还包括在烧结期间携带一部分晶粒生长抑制剂颗粒进入金刚石颗粒的混合物中。
9.权利要求1的方法，其还包括在烧结期间降低催化剂从基材渗入金刚石颗粒的混合物中的速率。
10.权利要求1的方法，其还包括在烧结前部分压实晶粒生长抑制剂和金刚石颗粒，其中所述晶粒生长抑制剂具有理论密度的30%-70%的密度。
11.权利要求1的方法，其中所述晶粒生长抑制剂颗粒具有的平均颗粒尺寸小于所述金刚石颗粒的平均尺寸颗粒尺寸。
12.权利要求1的方法，其中所述晶粒生长抑制剂是含钛的颗粒，其仅包含一种类型的选自基本上由TiC、TiCxNy和TiN组成的群组的含钛的颗粒。
13.权利要求1的方法，其中所述晶粒生长抑制剂是含钛的颗粒，其包含选自基本上由TiC、TiCxNy和TiN及其组合组成的群组的含钛的颗粒。
14.一种多晶金刚石材料，其通过权利要求1-13中任一项的方法制造。
15.—种多晶金刚石复合片,其包含: 包含一种材料显微组织的多晶金刚石本体，所述材料显微组织包含多个接合在一起的金刚石晶粒以及金刚石晶粒之间的间隙区域； 包含钨和催化剂金属的基材；和 多晶金刚石本体与基材之间的晶粒生长抑制剂层，所述晶粒生长抑制剂层包含多个散布于钨和催化剂金属之间的含钛的颗粒， 其中含钛的颗粒尺寸小于800纳米， 其中晶粒生长抑制剂层在相对侧与基材和多晶金刚石本体接合，并且厚度为约20-100微米；和 其中所述金刚石晶粒具有约I微米或更小的平均尺寸。
16.权利要求15的多晶金刚石复合片，其中所述晶粒生长抑制剂层包含约1-25原子％的钨、20-70原子％的钛、2-35原子％的钴，并且余量为碳和氮。
17.权利要求16的多晶金刚石复合片，其中钨、钛和钴均匀地分散在整个晶粒生长抑制剂层中。
18.权利要求15的多晶金刚石复合片，其中晶粒生长抑制剂层在相对侧与基材和多晶金刚石本体接合，并且厚度为约50-70微米。
19.权利要求15的多晶金刚石复合片，其中所述金刚石晶粒具有0.5微米或更小的平均尺寸。
20.一种切削工具， 其包含工具本体和至少一个设置于其上的如权利要求15-19中任一项所述的多晶金刚石复合片。
【文档编号】E21B10/46GK103842067SQ201280048502
【公开日】2014年6月4日 申请日期:2012年8月23日 优先权日:2011年8月23日
【发明者】鲍亚华, S·L·赫曼 申请人:六号元素有限公司