具有改善的附接强度的超硬结构的制作方法
【专利说明】
【背景技术】
[0001]使用包括接合在一起的超硬与金属部件的结构是本领域中公知的。这种结构的一个例子可见于切割元件的形式，该切割元件包括接合至金属部件上的超硬部件。在这样的切割元件的实施例中，磨损或切割部分由所述超硬部件形成，并且所述切割元件的金属部分被附接至磨损和/或切割装置。在这种已知的结构中，超硬部件可以由诸如多晶金刚石(PCD)、多晶立方氮化硼(PcBN)等多晶材料制成，该材料具有比所述金属部件更高程度的耐磨损性。
[0002]在特定的例子中，所述超硬部件可以是经过处理以使其基本不含用于在高压/高温条件下形成/烧结P⑶的催化剂材料(例如选自元素周期表第VIII族的金属)的P⑶，且包括结合在一起的金刚石晶体。被处理为基本不含所述催化剂材料的PCD被称为热稳定的多晶金刚石(TSP)，因为已经发现，所述催化剂材料的移除通过消除了随着温度升高时可能对所述金刚石本体的有效使用寿命有不利影响的不希望的退化及热膨胀不匹配而改善了所得金刚石本体的热稳定性。
[0003]尽管TSP提供了所需要的热稳定性的改进，但是现有的TSP的一个公知的问题是它的本体内缺少催化剂材料，从而妨碍了后续通过溶剂催化剂渗入将TSP本体附接到金属基体上。此外，这样的TSP本体具有的热膨胀系数与典型地渗入或以其它方式附接到PCD本体上的传统基体材料(如像的WC-Co等的金属陶瓷)显著不同。为了提供一种可以容易地适用于许多期望的应用中的TSP复合片，高度需要将这些基体附接到所述TSP本体上。但是，由于TSP本体与基体之间不同的热膨胀性，以及由于基本不含催化剂材料导致的TSP本体的弱润湿性，使得很难将TSP本体结合到传统使用的基体上。因此，一些TSP本体直接附接或安装到所需的最终用途的设备上，而不存在相接基体。
[0004]众所周知，可以通过使用公知的具有相对低熔点及低屈服强度的活性硬焊材料将TSP本体附接到所需的金属基体上。结合活性硬焊材料的公知的限制与TSP本体的固有的弱润湿性，可知形成于所述TSP本体与所述基体之间硬焊接合连接，不如通过渗透而形成于传统的PCD与金属基体之间的连接强壮。由于所述硬焊材料的屈服强度较低，所得结构的使用寿命减少，这将导致TSP本体和基体在工作期间分层。
【发明内容】
[0005]本文所述的超硬结构包括金刚石结合本体，所述金刚石结合本体包括结合在一起的金刚石晶粒的基质相以及置于所述结合在一起的金刚石晶粒之间的多个间隙区域。所述间隙区域基本不含用于在高压/高温条件下烧结金刚石结合本体的催化剂材料。金属材料设置于所述金刚石本体的基体界面表面上。在一个示例性实施例中，所述金属材料具有碳化物成分。在一个示例性实施例中，所述金属材料的层厚在约0.1至10微米范围内。所述结构进一步包括与所述金刚石结合本体连接的基体。所述基体可以包括碳化物成分。所述基体通过置于所述金属材料与基体之间的硬焊接合部被附接于所述金刚石结合本体。由与所述基体及金属材料反应的非活性硬焊材料形成所述硬焊接合部。在一个示例性实施例中，在所述非活性硬焊材料的熔点下且无高压条件下形成所述硬焊接合部。这样的超硬结构的金刚石结合本体是在高压/高温条件下制成的。处理如此形成的本体的基体界面表面，使该表面上包括所述金属材料层。在大约所述硬焊材料的熔点下且无高压条件下通过包含所述非活性硬焊材料的硬焊接合部将金属基体附接到所述金刚石结合本体上。如果需要，在附接所述基体之前可以执行渗碳处理。提供本
【发明内容】
部分是为了介绍一系列概念，其将在下面的详细描述中进一步描述。本
【发明内容】
不旨在标识所要求保护的主题的关键或必要特征，也不旨在用于帮助限制所要求保护的主题的范围。
【附图说明】
[0006]参考下图描述超硬结构的实施例:
[0007]图1是金刚石结合本体的一部分的视图，其已经被处理为移除了用于形成金刚石结合本体的催化剂材料；
[0008]图2是金刚石结合本体的立体图，其已经被处理为移除了用于形成金刚石结合本体的催化剂材料；
[0009]图3是金刚石结合本体的截面侧视图，其包括设置于本体基体界面表面上的金属材料；
[0010]图4是如本文所述的超硬结构的截面侧视图，其包括设置于本体基体界面表面上的金属材料的金刚石结合本体，并进一步包括置于之间形成硬焊接合部并将基体结合至所述本体的硬焊材料；
[0011]图5是如本文所述的以镶齿形式实施的超硬结构的侧视图；
[0012]图6是包括图5中示出的多个镶齿的旋转锥钻头的侧立体图；
[0013]图7是包括图5中示出的多个镶齿的冲击或震击钻头的侧立体图；
[0014]图8是如本文所述的以剪切切割器形式实施的超硬结构的立体图；以及
[0015]图9是包括图8中示出的多个剪切切割器的刮刀钻头的侧立体图。
【具体实施方式】
[0016]本文所公开的超硬及金属结构包括热稳定的多晶金刚石(TSP)结合本体，该本体基本不含最初用于烧结所述本体的催化剂材料，并且被专门设计为适于通过硬焊接合而以如下方式附接于基体或最终应途装置:提供了比传统的TSP结构增强的附接强度。
[0017]如本文所述，术语“超硬”应理解为指的是那些在本领域中公知的具有约4000HV或更大的晶粒硬度的材料。这样的超硬材料可以包括由固结材料构成的那些能够在高于约750°C、对于某些应用来说高于约1000°C的温度下展现出物理稳定性的材料。这样的超硬材料可包括但不限于:金刚石、立方氮化硼(cBN)、金刚石状碳、次氧化硼、铝锰硼化物及在硼-氮-碳相图中显示出类似于cBN及其他陶瓷材料的硬度值的其他材料。
[0018]一旦已处理多晶金刚石(P⑶)而移除了最初用于在高压/高温(HPHT)条件下烧结或形成所述PCD的催化剂材料(例如上文所述的第VIII族物质)，其便是用于形成所述超硬部件的有用材料。如本文所述，术语“催化剂材料”是指最初用来在HPHT处理条件下促进用于形成所述PCD的金刚石-金刚石结合或烧结的材料。
[0019]TSP具有这样的材料微观结构，其特征为包括结合在一起的金刚石晶粒或晶体的多晶基质相以及存在于所述基质内的间隙区域中的多个空隙或空孔，所述间隙区域布置于所述结合在一起的金刚石晶粒间。最初通过将邻近的金刚石晶粒或晶体在HPHT处理条件下结合在一起，形成所述TSP材料。使用合适的催化剂材料(例如选自元素周期表第VIII族的金属溶剂催化剂)促进所述金刚石晶粒在HPHT条件下结合在一起，从而形成传统的PCD,其包括布置于所述多个空隙或孔内的催化剂材料。
[0020]能用于形成所述TSP部件或本体的金刚石晶粒可以包括平均粒径在从亚微米大小至100微米范围内、例如在约I至80微米范围内的天然和/或合成金刚石粉末。所述金刚石粉末可以含有具有单或多模态尺寸分布的晶粒。在一个示例性实施例中，金刚石粉末的平均粒径大约是20微米。在所使用的金刚石粉末具有不同尺寸的晶粒的情况下，通过传统的工艺例如通过球磨机或磨碎机将所述金刚石晶粒混合在一起足够时间，以确保良好的均匀分布。
[0021]清洁金刚石晶粒粉末，以通过在高温、真空或减压时的处理提高粉末的烧结性。将所述金刚石粉末混合物加载至所需容器内，该容器用于放置于合适的HPHT固结和烧结装置中。
[0022]在HPHT处理期间，成粉末的形式的期望的催化剂材料例如溶剂金属催化剂可与金刚石粉末组合，以在HPHT处理期间便于金刚石结合，和/或催化剂材料可以通过从邻近金刚石粉末定位且包括催化剂材料的基体的渗入提供。可以用作用于渗入催化剂材料的源的合适的基体可包括那些用于形成传统P⑶材料的基体，且可以以是粉末、生坯状态和/或已烧结形式提供。这种基体的特征在于它包括金属溶剂催化剂，所述金属溶剂催化剂能够融化并渗入金刚石粉末的相邻区域，以便于在HPHT处理中金刚石晶粒结合在一起。在一个示例实施例中，催化剂材料为钴(Co)，可用于提供催化剂材料的基体为含钴金属陶瓷，例如WC-Co0
[0023]金刚石粉末混合物可以以包括与结合剂组合的金刚石粉末的生坯状态部件或混合物的形式提供，以提供适合的材料产品，例如，成金