本发明提供了一种机加工基材的方法，所述方法包括步骤：使用工具以断 续机加工、冲击机加工或它们的组合操作来机加工基材，所述工具包括工具部 件，该工具部件包含具有工作表面的多晶金刚石层、包含金属并且沿着界面粘 结于多晶金刚石层工作表面的较软层，并且邻近该界面的多晶金刚石层的区域 包含来自较软层的一些金属。
较软层为工具部件提供了比多晶金刚石软的层。由于一些金属已扩散进入 与该较软层的界面邻近的多晶金刚石区域并且存在于多晶金刚石的该区域中， 因此该较软层牢固地粘结于多晶金刚石的工作表面。以第二相存在于多晶金刚 石中的一些金属也将扩散到该较软层中。因而，在该较软层和多晶金刚石之间 的粘结本质上是扩散粘结。例如，可以在多晶金刚石的制备期间产生这样的粘 结，即，产生该较软层并且在这样的制备期间将其原位粘结于多晶金刚石。使 用例如US 5,883,021中所述的合成后涂覆或沉积方法不能得到这样的牢固粘 结，在所述方法中，在苛刻条件下很可能发生碳化物层的剥离。
已经发现，在使用断续和/或冲击机加工应用来机加工基材的方法中，将较 软顶层提供于金刚石材料改善了工具部件的性能。此类机加工的典型应用是： 复合材料(包括木材)、铝合金、铸铁、钛合金、耐热超合金(HRSA)和淬火钢 的铣削、锯切和铰孔。冲击机加工的另一应用是在钻探石油和天然气中。在这 种应用中，钻头必须钻进穿过各种类型的岩层(具有不同的性质)，从而在切削 刃上产生冲击载荷。钻头旋转也将在切削刃上产生冲击载荷。某些车削应用也 可能需要断续或冲击机加工。一种这样的应用是用PCBN车削淬火钢。在该应用 中，月牙洼形成在工具的前刀面上从而产生较小的楔角，这进而降低了切削刃 的强度。过去，在工业中试图通过在切削刃上施加倒棱和珩磨头来对其加以弥 补，并通过这样做来增大镶嵌件的楔角。可能需要断续或冲击耐受性的两种其 它车削应用是车削钛和耐热超合金，其中在切削刃上有形成缺口的趋势。过去， 在工业中通过增大刀尖(nose)的半径或通过改变镶嵌件的接近角来对其加以 弥补。
轻软层的金属可以是多种金属中的任一种，但优选是过渡金属。合适的过 渡金属的例子是钼、铪、铬、铌、钽、钛和钨。过渡金属中的镍和铜以及铂也 被认为是适于实施本发明的特别合适的金属。
较软层的金属可以按金属、金属的碳化物、氮化物、硼化物、硅化物、或 碳氮化物或它们的两种或更多种的组合而存在。较软层的金属优选以金属、金 属碳化物或它们的组合存在。更加优选地，较软层的主要组成为：碳化物形式 的金属和少量金属形式的金属，以及来自多晶金刚石的金属，即在多晶金刚石 中以第二相存在的金属诸如钴。
较软层可仅延伸跨工作表面的一部分或跨整个工作表面。
多晶金刚石层的工作表面优选是该层的上表面，并且与该层的另一个表面 相交，从而在交线处限定切削点或切削刃。较软层优选从切削刃或切削点延伸 跨过工作表面的至少一部分。
较软层的厚度将根据所进行的机加工操作的性质和基材的性质而改变。通 常，较软层具有至多100微米的厚度。较软层优选具有至少50微米的厚度。用 于钻探岩层的优选厚度为200到300微米。
在本发明的工具部件中粘结于多晶金刚石层工作表面的较软层可以在该工 具部件的制备中原位产生。在这样的方法中，将用于产生多晶金刚石层的部件 置于金属杯状物或壳体中，然后使所述金属杯状物或壳体经受产生多晶金刚石 所需的提高的温度和压力的条件。一些所述金属杯状物或壳体在制备期间附着 或粘结于多晶金刚石的外表面。作为替代，可以放置意图形成较软层的金属层 使其与杯状物或壳体中的未粘结的金刚石颗粒相接触。来自壳体、杯状物或层 的一些金属在制备过程中将扩散进入多晶金刚石。相似地，来自多晶金刚石的 一些金属(例如钴)将扩散进该较软层。
金刚石层的工作表面可为平滑的、抛光的或粗糙的或不规则的。当工作表 面是粗糙的或不规则的时候，这可能是由于工作表面经历喷砂或相似处理。
可以对较软层的暴露的上表面进行抛光。对较软层的抛光明显比对金刚石 层表面的抛光容易得多。
多晶金刚石层优选地粘结于基材或载体。该基材优选为烧结碳化物基材。基 材的碳化物优选为碳化钨、碳化钽、碳化钛或碳化铌。优选通过现有技术中已 知的方法将超细碳化物用于制备烧结碳化物。
附图说明
图1是在本发明的方法中所使用的工具部件的实施方案的一部分的截面侧 视图。
图2是用于制备本发明方法所用工具部件的包封预制件的局部截面示意图， 和
图3是粘结于多晶金刚石层的较软顶层的显微照片，图解了其各个区域。

本发明从而提供了一种使用改良的工具部件以断续和/或冲击机加工操作 来机加工基材的改良方法。由粘结于多晶金刚石层工作表面的较软层产生的其 它优点是：
粘结于较硬磨料层的较软层在磨损的初始阶段产生了切削刃的自磨圆 (self-rounding)或自珩磨效果。这进而将提高切削刃的强度并且缩短磨合磨 损阶段。可以通过提高或降低较软层的硬度来控制磨圆程度。该层的材料也将 填充多晶金刚石层的边缘的孔隙和凹坑从而导致较少的磨损诱发位点。在初始 磨圆过程后，该较软顶层可以磨损成为断屑槽的形状。
抛光的较软顶层将在工作表面上产生相对于现有技术的多晶金刚石产品较 少的瑕疵。该较软层还将快速变形以便在初始切削阶段期间提供更强的、更加 磨圆的刃。通常，金属层相对于多晶金刚石还将具有更高的断裂韧性。较弱侵 蚀性抛光的方法将在多晶金刚石表面中导致较低的应力。所有这些因素将减少 剥落、碎裂和开裂的频率与严重程度，特别是在基材的断续和/或冲击性机加工 中。
现在将参照附图中的图1来描述本发明。图1显示了工具部件的切削刃部 分，该工具部件可用于根据本发明的利用断续和/或冲击机加工来机加工基材的 方法中。
参照图1，用于本发明的方法中的工具部件包含沿着界面14粘结有多晶金 刚石层12的烧结碳化物基材10。多晶金刚石层12具有作为工具部件的工作表 面的上表面16。该上表面16沿着限定工具部件的切削刃的线与侧表面18相交。
较软层20粘结于工作表面16。该较软层20延伸到切削刃18。该较软层20 是上述的类型并且含有金属。来自层20中的一些该金属将存在于由虚线标识的 多晶金刚石层的区域22中。来自多晶金刚石层12的一些金属将存在于较软层 20中。因此，扩散粘结存在于较软层20和多晶金刚石层12之间。
通过下述实施例进一步说明本发明。
实施例1
将金刚石颗粒的物料放置在具有钴作为粘结相的烧结碳化物基材上。将这 种未粘结的物料放置在钼壳体内，并且该壳体放置在常规的高压/高温装置的反 应区中。使壳体中的内含物承受约1400℃的温度和约5GPa的压力。将这些条 件维持足够长的时间，以便产生具有粘结到烧结碳化物基材的表面和相反的暴 露表面的多晶金刚石层。该多晶金刚石层具有含钴的第二相。
将该壳体从反应区中移出。钼/碳化钼层粘结于多晶金刚石的外表面。通过 研磨去掉该钼/碳化钼层的外部区域，留下比多晶金刚石软的材料薄层，其粘结 于该多晶金刚石层的主表面之一。
该较软层具有100微米的厚度。使用EDS的分析显示，该较软层主要由碳 化钼和次要量的钼金属以及来自烧结碳化物基材的钴组成。使用同样的EDS分 析发现，与较软层的界面邻近的多晶金刚石区域包含钼。较软层和多晶金刚石 层之间的粘结牢固。从碳化物承载的多晶金刚石制备多个切削工具部件，这样 的切削工具镶嵌件具有由附图所示的结构。在测试中发现，这些切削工具部件 在木材加工和金属加工应用中是有效的。没有发生较软层的剥离。
实施例2
将金刚石颗粒的物料放置在具有钴作为粘结相的烧结碳化物基材上。所述 金刚石颗粒的平均尺寸(按等效直径计)为约6微米(使用Malvern Mastersizer 进行测量)，且大多数颗粒大于约2微米并且小于约22微米。将该未粘结的物 料放置在铌壳体中，该铌壳体的平均壁厚为约250微米，将该铌壳体本身放置 在钛壳体中，该钛壳体具有约150微米的壁厚。将这种被双重包封的反应物料 置于常规的高压/高温设备的反应区中。使壳体的内容物经受约1400℃的温度和 约5GPa的压力。将这些条件维持足够的时间以便产生多晶金刚石层，该多晶金 刚石层具有粘结到烧结碳化物基材的表面以及相反的暴露表面。该压力和温度 循环典型地应用于在石油和天然气工业中的岩石钻孔用PCD刀具的烧结中。多 晶金刚石层具有含钴的第二相。在这个实施例中使用的金刚石和碳化物基材(在 细成和尺寸方面)是通常用于制造适用于石油和天然气钻头的PCD镶嵌件的那 些金刚石和碳化物基材。包封的预制件(即在经受高的温度和压力之前)的示 意图显示在图2中。
从反应区中移出壳体。包含铌/碳化铌和钴的第一层粘结于多晶金刚石的外 表面。该层具有约55微米的厚度，并且其本身包含至少两个层部分，最接近PCD 层的部分比远离该PCD层的部分相对更富含碳。具有约189微米厚度并且主要 包含铌金属的第二层粘结于第一层。具有约77微米厚度并且主要包含钛的第三 层粘结于第二层。在主要含铌的第二层和主要含钛的第三层之间观察到相对较 薄的同时包含钛和铌金属的层。观测到的层结构显示在图3中，其中PCD层由 标识“C/Co”(即金刚石和钴)标记。
通过研磨去除钛层的外部区域，留下比粘结于多晶金刚石层的主要表面之 一的多晶金刚石更软的材料层。制造四个如此涂覆的PCD刀具镶嵌件，并且磨 掉每个镶嵌件的外部区域较软涂层的不同厚度，留下具有以下厚度铌的部件：0 微米(即，通过研磨去除较软层，直到PCD层的最外面的金刚石刚刚露出的程 度)，10微米，50微米和150微米。这些镶嵌件均未在工作部位的边缘倒棱， 并且没有发生较软层的剥离。通过砂岩铣削测试操作对这些镶嵌件进行对比测 试，该测试操作适合于测定指示它们在某些类型的岩石钻孔中的可能相对性能 的品质因数。这种测试涉及砂岩工件的铣削，并且品质因数定义如下：在镶嵌 件不再发生任何有意义的铣削作用之前，经铣削的总滑动距离。使用的砂岩是 所谓的Naboomspruit砂岩，并且铣削条件如下：
·1140rpm的主轴速度
·设为2.5mm的切削深度
·50％中断(即，刀具铣削工件的半圆区域，当它反复地旋转进入或离开这 种作用时，所述刀具50％的时间在进行切削作用，50％的时间未进行切削作用)。
据发现，“至失效的距离”品质因数作为较软层厚度的函数而单调增加，并 且在150微米厚的较软层情形中该品质因数几乎是整个较软层被去除了的镶嵌 件的该品质因数的两倍。四个镶嵌件中每一个的至失效的距离(舍入成最接近 的50mm)如表1所示：
表1
  较软层厚度(微米)   至失效的距离(mm)   0   2,700   10   3,250   50   3,900   150   6,900
以相同方式制造与上述镶嵌件(即，较软层的厚度分别为0、10、50和150 微米)基本上相同的另外四个镶嵌件，并且使用每个镶嵌件的工作部分的相对 端经受两种不同的磨损测试(即，使用每个镶嵌件进行两种磨损测试，使得每 种测试的效果不会干扰另一种的效果)。第一种磨损测试涉及Paarl花岗岩的所 谓的立式转塔车床机加工(也可称为“立式镗床测试”)，Paarl花岗岩是一种非 常耐磨、坚硬和不均匀类型的岩石，而第二种测试涉及车床机加工Paarl花岗 岩。这些测试中的磨损品质因数是由于去除给定体积的工件材料而在PCD层中 出现的磨痕。在去除特定的、增量体积的工件材料直到约0.5×10-3m3最大值之 后，测量该磨痕的深度。在具有不同较软层厚度的镶嵌件之间，没有观察到磨 损品质因数的系统区别(在误差棒(error bar)之内)。值得一提的是，由于 花岗岩的不均匀的组成和结构，花岗岩的连续模式机加工与断续切削具有相似 性，该花岗岩包含具有不同硬度的不同种类岩石颗粒的集合体。在PCD刀具上 的效果与极高频率的断续/冲击模式机加工的效果相似。
该实施例显示具有较软层的PCB在严重断续(从而是冲击性的)铣削操作 中导致改善的PCD刀具寿命，在高耐磨材料的连续模式机加工中也没有明显的 降低。
实施例3
按实施例2制造另一组PCD刀具镶嵌件并且进行测试，不同之处在于金刚 石颗粒的平均尺寸是约12微米，且大多数颗粒的尺寸大于约2微米且小于约25 微米。砂岩铣削测试结果如表2所示(至失效的距离舍入成最接近的50mm)。
表2
  较软层厚度(微米)   失效距离(mm)   0   2,600   10   2,900   50   4,550   150   4,800
这些结果显示了使用较厚的较软层的优点。
再次，没有观察到在磨损性能方面的系统区别。