A.发明领域

本发明的多个实施例主要涉及非平面轴承、轴承部件、座圈、座圈部件及 制造这些部件的方法。更具体地说，本发明的一些实施例包括轴承和/或座圈， 这些轴承和/座圈具有由金刚石、立方氮化硼和其他超硬材料全部或部分制作的 接触表面、滚动表面或滑动表面(或这几种表面的组合)。所述实施例可利用 多种类型的金刚石，包括自然金刚石、单晶金刚石、多晶金刚石结合体及通过 化学蒸发沉积工艺和物理蒸发沉积工艺所制作的金刚石。本发明的实施例包括 对轴承或座圈的金刚石部分进行处理、定形和抛光的方法，包括对金刚石表面 进行处理、定形和抛光。就如在本申请中通常应用的那样，术语“轴承单元” 可包括轴承、座圈、滚珠、滚柱、轴承杯、轴承罩、衬套、轴、轴颈和/或与其 他部件滚动或滑动结合(或二者的组合)的任何相关部件。

B.对相关技术的描述

该部分将对与非平面轴承、轴承部件、座圈、座圈部件相关的技术进行描 述。

本发明的不同实施例涉及将金刚石和其他超硬表面应用到轴承和轴承元件 上。这些轴承和轴承元件包括滑动及滚动轴承元件和轴承座圈。轴承是机械装 置大量部件中的必需部分。在这些不同的应用中，轴承承受较高的向心力、直 接的冲击载荷且在机械装置中必需减小摩擦和能量损失。此外，它们必须保持 部件的机械对准并保持机械装置的精密度和精度。任何轴承的应用，不管是承 受磨损、高负荷、较高的维护要求和/或复杂润滑需要的滑动轴承还是滚动轴承 (亦或是滑动和滚动的组合)均可从本发明的实施例中受益。本发明的实施例 也具有其他用途。

典型的轴承类型可包括具有座圈的滚珠轴承、具有座圈或导槽的滚柱轴承 及滑动元件轴承。所有这些轴承均可包括保持轴的对准所需的径向或套式轴承 以及进行轴向力传输所需的推力轴承。滚柱轴承可执行与上述功能相同类型的 功能，所述滚柱包括柱式滚柱、锥形滚柱、针式滚柱、鼓形滚柱(对称式及不 对称式)。滑动元件轴承可包括一些装置例如衬套、轴颈、滚珠轴承部件及被 限定在机械装置中的结合轴承部件。

制作轴承部件所用的材料是根据特定应用的机械要求来确定的。人们希望 这些材料具备的性能包括：耐久性、抗破碎和磨损、耐热、特别是与轴承中常 用的金属相比具有较低热膨胀系数、较低的摩擦系数以与非润滑剂进行滑动接 触以及对任何润滑剂具有亲和性以提高轴承的机械操作性能。多种类型的润滑 剂和润滑系统均可被用来提高轴承的操作性能且可增大其耐久性和功能的持久 性。由于润滑剂增大了轴承系统的复杂程度，因此，使用很少润滑剂或不用润 滑剂的这种能力是人们所希望的。

可使用的润滑剂包括：固体介质如石墨、钼、PTFE、具有相同成分的粉 末状介质、流体介质，所述流体介质包括水、碳氢化合物、碳氟化合物、碳氢 化合物的卤化物、复杂的碳氢化合物如脂肪和脂肪酸、含有硅树脂的润滑剂及 其他任何液体。在一些应用中，用于润滑的液体可产生磨损和/或腐蚀，例如在 油井钻孔装置中，或在流体泵系统中可产生腐蚀。

在转动、结合或滑动的动态机械装置或静止机械装置中，轴承可实现多种 功能。这些功能包括但不限于：承受较高的负载、保持对准精度、保持机械运 动的较低摩擦系数及承受较高的冲击载荷。此外，所述轴承经常在恶劣的环境 中需执行不同的功能，例如在高温和/或存在腐蚀性化学物质的环境下、侵蚀性 环境下或其他任何不利的环境下。

适于轴承用途的理想材料应具有较高的硬度、较高的抗磨损强度、较低的 机械摩擦系数、化学性能稳定、具有热稳定性和较高的热传导性能。当前用于 制作轴承和座圈所用的材料包括较硬的非铁合金、硬化处理的钢、陶瓷、塑料 (包括聚乙烯)、晶体材料如碳化硅、氮化钛和氧化铝。所有这些材料由于易 于磨损、在负荷下易产生变形、易于破损、在侵蚀环境下易产生退化及热裂解 而受限于上述环境中的应用。

轴承的磨损和退化会使机械部件丧失对准而进一步加速其他金属部件的磨 损和/或破坏、产生更多的热量，从而进一步加速轴承的磨损而最终使其报废。

金刚石的抗磨损能力超过上述任一种材料。此外，金刚石具有所需的热稳 定性、热传导性能、化学稳定性及抗破坏硬度以提高轴承的性能。在下表中将 多晶金刚石的性能与制作轴承面所用的其他材料的性能进行了比较。

表1

金刚石和其他材料的比较   材料   特定   重量   硬度(努   氏硬度)   热传导性   (W/mK)   CTE(×10  -6in/in℃)  Young模数  (×    106psi)   Possion’s   比率   Bulk模数   (×     106pi)   烧结多晶金   刚石   3.5-4.0   7500-   10400   900-2600   1.0-4.8  120   0.7-0.22   65-82   烧结立方体   氮化硼   3.48   3500-4500   800   1.0-4.0  100-110   0.20-0.22   55-65   碳化硅   3.00   2500   84   4.7-5.3  58   0.17   30   氧化铝   3.50   2000   8   7.8-8.8  53-55   0.24   34-35   碳化钨(含   10％的钴)   14.6   2200   112   6.0  80-90   0.22   48-54   钴铬合金   8.20   278-351   11.2-14.3   11-16  33-35   0.293-0.306   27-30   Ti6Al4V   4.43   309   6.6-17.5   11  15-17   0.26-0.36   11-20   氮化硅   3.20   14.2   15.7   1.8-3.7  27-46   0.2-0.27   15-33

现有轴承具有的一个特殊问题是在将具有足够硬度的一种第三基体磨损微 粒引入轴承环境中时会产生急剧加速磨损的趋势。

现有技术中的缺陷和广泛的限制清楚显示出这样一种需要，即需要改进的 轴承、轴承部件、座圈、座圈部件及这些部件的制作方法。

III.发明内容

在许多方式中，多晶金刚石结合体是用于轴承的一种理想材料。目前，多 晶金刚石结合体大部分被应用于机械用途的需求如钻孔和岩石的切割。不幸地 是，没有人将本发明的多晶金刚石结合体用于制造典型的非平面轴承。

本发明一些实施例的目的是为非平面滚动或滑动(或滚动和滑动的组合) 轴承提供部件，与现有技术中的轴承相比，这种轴承具有增强的抗磨损性、减 小的摩擦系数、对不利的环境具有增强的抵抗性能、且在不损坏的情况下具有 增大的承受较高负荷和较高冲击力的能力。本发明的一个特征在于：轴承和/或 座圈的活动结合表面上/内布置有金刚石和其他超硬材料。

本发明一些优选实施例的目的是提供轴承和座圈，与类似用途中所用的现 有轴承相比，这些轴承和座圈在没有润滑或润滑显著减少的情况下仍可很好地 工作。金刚石即使在通常的状态下仍具有良好的传热性能是众所周知的，烧结 多晶金刚石显示了极好的热稳定性。在将处于多晶金刚石结合体内晶隙内的金 属除去的情况下，则提高了部件的耐热能力。在本发明的一些实施例中，利用 美国专利No.5,127,923；No.4,163,769；No.4,104,344所披露的工艺可制作出具有 很高热稳定性的金刚石，上述这些专利文献在本申请中均作为参考而被结合使 用。

本发明一些实施例的另一个目的是提供具有较高化学稳定性和热稳定性的 轴承和轴承元件，与现有技术中的轴承及类似的应用相比，它们可以更好的方 式运行。因此，本发明的轴承和座圈不仅由于具有较低的摩擦系数和较高的热 传导性而避免了热量的积聚，而且由于其具有良好的热稳定性而可阻止热量所 造成的损坏。

本发明一些实施例的再一个目的是提供利用金刚石和其他超硬材料所制作 的轴承。本发明的金刚石和其他超硬材料可实现本申请中所陈述的不同目的。

本发明一些实施例的再一个目的是提供对平面类型和非平面类型轴承和座 圈的润滑剂具有较高亲和性的轴承和座圈，与现有的轴承和座圈相比，这种类 型的轴承和座圈具有较低的摩擦损失。金刚石具有非常高的表面能量是公知的 技术，这是使其非常湿润而易于润滑。与现有技术相比，该特征在本发明的装 置中提供了改进的效用、耐久性和功能。

本发明的另一个目的是提供具有较高热量传输性能的轴承、轴承元件和座 圈，这样就可将热量更有效地从接触表面上传输出去而提高了轴承的耐久性、 效用和较长的使用寿命。因此，就增大了轴承的使用寿命且可保持任何润滑剂 的完整性。

本发明一些实施例的目的是提供精密轴承以适用于需要高精度和高精确性 的用途中。与现有的轴承相比，本发明的轴承和座圈由于非常低的磨损和较高 的硬度和强度而可在更长的时间内保持精度和精确性。

本发明一些实施例的目的是提供球型、筒型、轴型、套型及针型的转动或 滚动轴承而抵靠结合在座圈或其他相接触的轴承面上，其中，至少一些接触表 面为金刚石或另一种超硬材料。金刚石或超硬材料可布置在整个接触表面上或 只布置在一部分表面上，例如在一个接触表面上使用分隔式金刚石。

本发明一些优选实施例的目的是提供包括有滚动元件的轴承，所述滚动元 件包括有连续布置或以分隔形式布置的金刚石或其他超硬材料。这些轴承和滚 动元件可与座圈或其他相对的轴承面相结合，所述轴承面由非金刚石材料如氧 化铝、钢、碳化钨、碳化硅和聚合物等制成。

本发明的一些实施例的目的是使用具有结合在滚动元件上的金刚石或其他 超硬材料的座圈，所述滚动元件具有非金刚石表面如氧化铝、钢、碳化钨、硬 处理的钢、碳化硅、聚合物及其他材料。

本发明一些优选实施例的目的是使用这样的座圈，即金刚石或其他超硬材 料以分隔的形式嵌合在座圈上。金刚石或其他超硬材料可以是圆形或接近圆形 的嵌套部件、平行四边形部件、六角形部件、正方形部件、径向的正方形部件， 或者是上述结构形式和其他几何结构的组合。

本发明一些优选实施例的目的是使用滚动元件，这些滚动元件具有以分隔 形式布置的金刚石或其他超硬材料轴承面，包括圆形的或多面体结构。圆形或 多面体结构可包括处于轴承元件表面上的超硬材料条或带，所述超硬材料条或 带以所需的不同几何结构形式布置，例如为径线或纬线形、螺旋形、同心圆形、 直线形或其他形式。

本发明一些实施例的另一个目的是提供适用于径向及推力用途的滚柱轴 承，这种轴承包括柱形滚柱、鼓形滚柱、非对称鼓形滚柱和具有锥形截面的锥 形滚柱。

本发明一些实施例的目的是提供在恶劣的环境下如腐蚀或浸蚀环境下能够 抵抗化学侵袭和破坏的轴承。金刚石和其他优选超硬材料的性质即可对恶劣的 环境具有抵抗力。

本发明一些实施例的另一个目的是提供其几何结构在冲击负荷下可防止破 坏的轴承。

本发明的另一个目的是提供其几何结构的每单位尺寸可承受较高负荷且不 受损坏的轴承。

本发明一些实施例的目的是提供其几何结构在承受较高的负荷的情况下具 有较长使用寿命的轴承，这种轴承在上述情况下不受显著磨损和破坏，并保持 其精度或精确度，同时保持较低的摩擦系数。

本发明一些实施例的目的是提供轴承、座圈和轴承部件的制造、精加工方 法。

本发明一些实施例的目的是为轴承提供部件，即使在没有润滑剂的情况 下，这些部件也使轴承具有增强的抗磨损能力和减小的摩擦系数，从而使轴承 部件的使用寿命最大。本发明一些实施例的特征是利用不同类型的金刚石和其 他超硬材料来制作轴承面，包含金刚石在内的所述超硬材料具有非常高的抗磨 损性且具有非常低的摩擦系数。为实现本申请的目的，所使用的一种材料的努 氏(Knoop)硬度至少约为4000。所述材料包括烧结多晶金刚石和其他金刚石、 与金刚石相似的材料、立方体氮化硼及纤维锌氮化硼。

本发明一些实施例的目的是提供一种轴承部件，这种轴承部件不会由于使 用或磨损的原因而产生大量的碎屑或磨损微粒。本发明一些实施例的特征在于 使用多晶金刚石结合体或其他超硬材料来形成轴承部件的至少一个活动结合表 面，从而产生较低的摩擦系数且使轴承部件的磨损时间较长，且在使用过程中 产生非常少或几乎不产生碎屑或微粒，这种特征会破坏研磨的第三基体，而对 轴承造成的损坏最小或不造成损坏。

本发明一些实施例的目的是利用人类已知的最硬材料即金刚石、立方体氮 化硼和其他超硬材料来使轴承部件对目前人们所知道的磨损产生最高的抗磨损 性。本发明的一个特征在于：一些优选实施例利用烧结多晶金刚石(“PCD”) 和烧结多晶金刚石结合体(“PDC”)来形成轴承面。为实现本申请的目的， 一种多晶金刚石结合体包括附加在基底材料上的一定体积的PCD，所述PCD 不管是通过化学方式还是物理方式或是二者的结合而附着在所述基底材料上。 多晶金刚石在抛光处理之后具有特别高的硬度且在任何已知的材料中具有最低 的摩擦系数。因此，本发明的优势在于：轴承部件的寿命远远超过现有的金属 轴承和/或陶瓷轴承的寿命。多晶金刚石结合体可通过多种方式来制作，包括： 在压制过程中采用高温、高压烧结的方式、化学蒸发沉积的方式、物理蒸发沉 积的方式及其他一些方式。

本发明一些实施例的目的是提供非平面金刚石和超硬轴承部件表面。本发 明的不同实施例提供了新颖的非平面型轴承面且可由多晶金刚石结合体来制 作。

本发明一些实施例的目的是提供一种非平面多晶金刚石结合体轴承面的制 作方法。本申请中披露了用于材料的制备和多晶金刚石结合体制作的不同方法 以生产非平面多晶金刚石结合体轴承面，这些表面包括但不仅限于凹进的和凸 出的球型轴承面。

本发明一些实施例的目的是提供将非平面超硬轴承面粗略定形的方法。在 本申请中披露了新颖的加工技术以实现所述的定形。

本发明一些实施例的目的是提供将非平面超硬轴承面进行精抛光的方法， 本申请披露了新颖抛光技术可将超硬结合体轴承面高度抛光而使其具有较低的 摩擦系数。

本发明的上述目的、特征和优点仅是解释性和显示性的，因此，读者仅利 用本发明或将本发明与其他技术进行组合便可自然认识到本发明的优势。本领 域的普通技术人员在阅读本申请的说明书、权利要求并观察本申请的附图的情 况下可明确本发明的其他目的、特征和优点。

IV.附图说明

图1A显示了本发明的一个滚珠轴承元件。

图1B显示了本发明的一个短圆柱滚子轴承元件。

图1C显示了本发明的一个针式滚柱轴承元件。

图1D显示了本发明的一个圆锥滚子轴承元件。

图1E显示了本发明的一个对称鼓形滚柱轴承元件。

图1F显示了本发明的一个非对称鼓形滚柱轴承元件。

图2A-1和2A-2显示了具有内外座圈和隔离环的一个径向滚珠轴承组件。

图2B-1和2B-2显示了一个滚柱推力轴承。

图2C-1和2C-2显示了一个滚珠轴承，该滚珠轴承具有布置在一个基底上 的金刚石表面。

图2D-1和2D-2显示了一个滚珠轴承，在该滚珠轴承的表面上布置有分 隔式的轴承插入部分或补块。

图2E-1和2E-2显示了一个滚珠轴承，该滚珠轴承的部分具有将多晶金刚 石结合体或其他超硬材料固定安装到一个球形的基底球中形成的表面。

图2F-1和2F-2显示了由多晶金刚石或其他超硬材料构成的一个球。

图2G-1和2G-2显示了一个滚珠轴承，该滚珠轴承具有固定在基底球中 的金刚石条、金刚石带或不连续的金刚石图案。

图2H、2H-1和2H-2显示了一个径向滚珠轴承组件。

图2K和2K-1显示了一个短圆柱滚子轴承组件。

图2L-1和2L-2显示了具有径向以四边形形式分隔的轴承座圈的一个径向 滚珠轴承。

图2M-1和2M-2显示了一个推力轴承。

图2P-1和2P-2显示了插入图2M-1和2M-2所示座圈中所用的一个金刚 石结合插入部。

图2Q和2Q-1显示了本发明的一个推力轴承。

图2R-1和2R-2显示了一个推力轴承，这种推力轴承具有成角度内置的金 刚石部分或其他超硬材料部分。

图2S-1和2S-2显示了在图2R-1和2R-2所示的推力轴承中所用的一个成 角度部分。

图2T-1和2T-2显示了一个推力轴承座圈，该座圈具有内置在适当推力轴 承座圈基底内的多个圆形或椭圆形轴承元件。

图3A-3U显示了在本发明的一些实施例中所需的基底表面的局部剖视特 征。

图4A显示了在将金刚石原料和基底烧结生成多晶金刚石结合体之前与金 属合金相邻的一定量的金刚石原料。

图4B显示了一个烧结的多晶金刚石结合体，其中，显示了金刚石料、基 底及处于金刚石料和基底之间的过渡区。

图4BB显示了一个烧结的多晶金刚石结合体，其中，从基底金属至金刚 石料存在连续的梯度过渡。

图4C在利用CVD或PVD方式处理以在基底上形成一定量的金刚石之前 的一个基底。

图4D显示了通过CVD或PVD方式处理而形成的一个金刚石结合体。

图5A和5B显示了双层基底以制作球形或部分为球形的多晶金刚石结合 体。

图5C-5G显示了用于制作球形或部分为球形的多晶金刚石结合体所用的 另一种基底结构，这种基底具有连续的分隔式轴承面。

图6A-1和6A-2显示了用于制作凸出式球形多晶金刚石结合体所用的一 个组件。

图B-1和6B-2显示了用于制作凹进式球形多晶金刚石结合体所用的一个 基底。

图7显示了一种装置，该装置可被用于在烧结之前添加金刚石原料。

图7A显示了一个熔烧周期，用于在烧结之前将包装材料从金刚石粉末或 研磨料上除去。

图8和图8A显示了一个预结合组件，该组件可被用于在烧结之前减小金 刚石原料中的孔隙或自由空间。

图8B显示了一个立体压制的砧座，该砧座可被用于烧结金刚石。

图9显示了一个凸出式球形部件如一个滚珠轴承的EDM粗加工。

图10显示了一个凹进式球形部件如一个座圈或座圈的一部分的EDM粗 加工。

图11显示了对凸出式球部件如一个滚珠轴承进行研磨和抛光处理。

图12显示了对凹进式球部件如一个座圈或座圈的部分进行研磨和抛光处 理。

图13显示了利用一台无心磨床将一个金刚石轴承滚压为球形和所需的尺 寸。

V.对优选实施例的详细描述

下面将参考附图对本发明不同的元件进行描述。应认识到：本发明的结构 和原理不仅适用于所显示的实施例，而且适用于多种其它类型的活动结合表 面，来完成超硬材料和超硬部件的生产、定形和精加工，且利用超硬活动结合 表面和超硬部件来进行装置的生产、定形和精加工。轴承部件和其他轴承面设 计领域内的技术人员应认识到本发明的不同实施例及其原理适用于除本申请所 显示实施例之外的轴承部件、轴承面和装置。

A.本发明的轴承和座圈结构

下面将以例子的形式对根据本发明原理制作的一些优选轴承和座圈结构进 行描述。在本申请后面的部分中将对制作轴承和座圈所用的适当材料及制造、 定形和最终完成的工艺进行更详细的描述。对本领域熟知的人员应认识到本发 明的结构和原理不仅适用于所显示的具体例子，而且适用于其他类型的活动结 合表面包括滑动轴承和滚动轴承，且适用于其他用途所用的超硬材料和超硬部 件的生产。

图1A显示了本发明的一个滚珠轴承元件101。

图1B显示了本发明的一个柱形滚柱轴承元件102。

图1C显示了本发明的一个针式滚柱轴承元件103。

图1D显示了本发明的一个圆锥滚子轴承元件104。

图1E显示了本发明的一个对称鼓形滚柱轴承元件105。

图1F显示了本发明的一个非对称鼓形滚柱轴承元件106。

每个轴承元件101-106均可根据需要而由固态PCD、多晶金刚石结合体 或其他金刚石或超硬材料来制造。

图2A-1和2A-2显示了具有内外座圈隔离环的一个径向滚珠轴承组件 107。外座圈1、内座圈3、轴承滚珠元件2和隔离环4用于将轴承容装在轴承 组件内，图中还显示了这些部件的结合情况。滚珠2或座圈1、3的接触表面 可全部或部分为金刚石或超硬材料。

图2B-1和2B-2显示了一个滚柱推力轴承。轴承滚珠元件6滚动且与座圈 5、7及轴承隔离环8相结合。滚珠或座圈的接触表面可全部或部分为金刚石或 超硬材料。

图2C-1和2C-2显示了一个滚珠轴承109，所显示的该滚珠轴承109可以 是一个多晶金刚石结合体而包括布置在基底10上的一个金刚石表面9。该实施 例包括一个连续的金刚石表面层，但是，该金刚石表面也可以是不连续的。所 述基底可以是本申请中所述的其他任何适当的基底。

本发明的一些实施例可包括通过蒸发沉积方式(如化学蒸发沉积方式或物 理蒸发沉积方式)所装载的多晶金刚石结合体表面、金刚石表面、多晶立体氮 化硼结合体或其他超硬材料。金刚石或其他超硬材料表面可装载到一个适当的 耐久性基底上，所述耐久性基底可包括适当的耐久性金属、陶瓷材料、合成材 料或晶体材料。在一个优选的应用中，所述表面层包括施加到金属基底上的多 晶金刚石结合体。这就意味着金刚石是通过化学处理的方式结合到基底上而为 轴承提供超硬的低摩擦、耐久且使用寿命长的活动结合表面。在轴承的应用中， 所述表面结构将被加工得具有适当的精确度和精度而象平滑玻璃那样具有非常 低的摩擦系数。金刚石非常硬且具有特别低的摩擦系数。因此，在使用金刚石 时，金刚石表面层和与该表面层相结合的任何部件之间的磨损在很长的时间内 可被忽略，从而使部件具有非常长的耐久性。此外，由于作为一个结合体而构 造的金属基底上的金刚石表面具有非常高的硬度，因此，滚动轴承元件具有非 常高的断裂韧度，从而成为能够在工作循环部分承受峰值载荷和冲击的所希望 的轴承元件。

图2D-1和2D-2显示了一个滚珠轴承110，在该滚珠轴承110的表面12 上布置有轴承插入部分11而形成不连续的金刚石表面。插入部11可以非常高 的精度和精确度布置在基底材料上。图中所显示的滚珠轴承的轴承面可通过基 底材料条带而分隔为相单个金刚石区或其他超硬材料区。具有这种条带和补块 结构(如一个多面体或圆形的分隔表面)的圆球构造为一些基底金属的制造工 艺提供了一些优势，且在高冲击条件下具有一些优势。金刚石或超硬材料的每 个轴承部分均在峰值载荷下独立承受瞬时变形而不造成金刚石分隔段或超硬材 料分隔段的破损。

图2E-1和2E-2显示了具有插入部14的一个滚珠轴承111。插入部14可 以是具有多晶金刚石表面或其他超硬材料表面的多晶金刚石结合体。插入部14 可被固定安装到球形基底球15或其他所需结构上的接收部中。所述插入部或 插入件可由多晶金刚石结合体或其他超硬材料制成。每个插入部可以是连续相 的超硬材料、或是由在基底上的超硬材料轴承面形成的结合体如多晶金刚石结 合体。该插入部可被粘合、焊接或机械性地固定到基底结构上，优选固定到适 当的接收部中而只露出超硬的轴承面。高质量的曲面和球形表面在本申请中是 通过下文中所述的最终精加工工艺来实现的。分隔式轴承面的这种形成方式在 不使用连续轴承面的情况下可制作非常大的球形和/或弯曲轴承面。多晶金刚石 结合体元件生产中的尺寸限制或许会阻碍这种较大轴承元件的制造。

图2F-1和2F-2显示了由固态或成连续相的多晶金刚石或其他超硬材料构 成的一个球件112。该球件112在没有分隔基片的情况下由固态金刚石或超硬 材料制成。球件112在内部具有成连续相的金刚石。这种连续相轴承元件的实 施例可由多晶金刚石、多晶立体氮化硼或其他超硬材料制成。从化学电磁性能 及结构方面来看，这种结构具有一些优势。

图2G-1和2G-2显示了一个滚珠轴承113，该滚珠轴承113具有布置在基 底18上的金刚石17或其他超硬材料的条、带或不连续图案。球件113上的金 刚石表面可以是处于任何所需结构中的规则或不规则不连续图案，如为同心圆 形、螺旋形、纬线形、径线形或其他形状。这种结构对于上述分隔式轴承面均 具有一些优势。

图2H、2H-1和2H-2显示了一个径向滚珠轴承组件114。图2j显示了图 2I中的轴承114在2j-2j位置处的另一个剖视图。轴承组件114包括一个外座 圈20和一个内座圈22，其中的每个座圈均可具有连续的金刚石或其他超硬的 活动结合表面21。可用多种制造技术将金刚石层施加到轴承面上，所述制造技 术包括在座圈处直接制造PDC、化学蒸发沉积技术和物理蒸发沉积技术。此外， 在需要或希望的情况下，内座圈、外座圈或二者均可由PDC结构整体制成。 在座圈为PDC时，滚柱轴承元件也可为PDC或另一种超硬材料或另一种非超 硬材料。

图2K和2K-1显示了一个短圆柱滚子轴承组件127。该轴承组件127包括 内座圈33、外座圈34和圆筒轴承35。圆筒轴承35包括一个基底和一个外超 硬结合面37。轴承35在具有超硬结合面37的衬套36内转动。衬套和轴承由 一个保持件38保持。

图2L-1和2L-2显示了具有径向以四边形形式分隔的轴承座圈的一个径向 滚珠轴承组件115。图中所示的径向四边形形式分割的轴承面23具有超硬轴承 面。图中显示了内座圈151和滚珠轴承150。滚珠轴承元件或四边形形式分隔 的轴承面或上述二者可由金刚石或其他超硬材料制作。利用独立的轴承面如四 边形形式的分隔部分从制造的角度来说是具有优势的。在一些制造条件下，与 将座圈的整个轴承面制作为整体式PDC或超硬部件相比，制作单独的PDC或 超硬分隔部分，然后将其组装在作为座圈的轴承面的适当基底上较为容易且便 宜。

图2M-1和2M-2显示了具有分隔式金刚石或其他超硬材料轴承面的一个 推力轴承座圈116，所述金刚石或其他超硬材料轴承面布置在处于基底上的一 个圆形嵌套内置部28(圆形的分隔部)中。嵌套内置部28中均具有一个弧形 的回缩部27。每个内置部均可制作成多晶金刚石结合体，即在其基底上具有一 定量的金刚石。该内置部安装在以嵌套形式并置的一个基底上。另一种情况为： 该内置部可由呈连续相的材料制成。对于一些轴承的使用和一些制造环境来 说，与将整个轴承面制作为一个整体式部件相比，制造所述内置部并将其组装 到一个基底上是更容易和便宜的。

图2P-1和2P-2显示了一个独立的轴承分隔部，该分隔部可被用于如前面 的附图所示的应用中。分隔部119包括布置在基底121上的一定量的金刚石123c 或其他超硬材料，分隔部119也可由成连续相的超硬材料制成。所示的分隔部 119的几何结构通常为圆形，该分隔部119具有一个凹弧部122以与其他分隔 部相嵌套而提供形成连续的轴承面120。图中所示由数字符号123a和123b指 示的分隔部119的侧部通常相平行但不与轴承面或底部123d或分隔部119相 垂直以与处于轴承或座圈中的相邻分隔部更好地配合和卡持。

图2Q和2Q-1显示了具有附着在基底25上的连续金刚石24或其他超硬 材料的一个推力轴承124。

图2R-1和2R-2显示了一个推力轴承125，这种推力轴承125具有利用金 刚石或其他超硬材料的成角度内置部分29。每个成角度内置座圈轴承部分或元 件29均与相邻的轴承元件并列布置且适当固定，例如通过铜焊的方式固定到 推力轴承的基底31上。每个部分29可为超硬材料的连续相，或它可包括布置 在基底30上的一个超硬材料层32如多晶金刚石结合体层。

附图2v和2w显示了在图2t和2u所示轴承或其他应用中所用的一个单个 成角度部分29的前视图和侧视图。该轴承部分29具有倾斜侧29a和29b以内 置在与其他轴承部分相并置的基底上。图中所示的轴承部分29的顶部29c和 底部29d呈弧形，但也可构造成其他形式。所述部分29可以是超硬材料的连 续相，或者它可包括布置在基底29f如多晶金刚石结合体中的一定量的超硬材 料29e。

图2S-1和2S-2显示了在轴承中所用的一个成角度部分29。该轴承部分29 具有倾斜侧29a和29b以内置在与其他轴承部分相并置的基底上。图中所示的 轴承部分29的顶部29c和底部29d呈弧形，但也可构造成其他形式。所述部 分29可以是超硬材料的连续相，或者它可包括布置在基底29f如多晶金刚石结 合体中的一定量的超硬材料29e。

图2T-1和2T-2显示了一个推力轴承座圈126，该座圈126具有内置在适 当推力轴承座圈基底32内的多个相分隔轴承元件31。轴承元件31可为圆形、 椭圆形或其他任何所需的形状。所述轴承元件可为布置在基底上的多晶金刚石 结合体、连续相的多晶金刚石、其他连续相的超硬材料或其他超硬材料。轴承 元件31可通过适当的技术附加在基底32上，如通过铜焊、粘合、粘结、压制、 焊接、机械配合、机械附加等方式。轴承元件31可直接相互相邻布置以提供 连续的超硬轴承面，或者，轴承元件可相互间隔而在它们之间存在基底31的 条带。

本发明的一个目的是将金刚石和/或其他超硬材料以不同的几何结构结合 到滚动元件和/或座圈的轴承面上以提高结合有轴承元件的机械装置的耐久性、 可靠性和精度。此外，本发明内容的实现将消除轴承和/或座圈在腐蚀环境中机 械功能的衰减，增大其抗磨损性、消除对作为轴承单元部件的复杂润滑系统的 需要，并增强对较高负荷和冲击载荷的抵抗力。

利用本发明的内容和优选材料所制作的轴承可具有良好的热稳定性和尺寸 上的稳定性且具有良好的耐腐蚀性，且具有较低的摩擦系数，并具有非常高的 抗磨损和尺寸衰变的能力。

本发明的结构和方法可被适用到任何领域中的不同类型的轴承、座圈及轴 承活动结合表面上。根据本发明的内容所制作产品的一些额外的例子包括径向 滚珠轴承、径向滚柱轴承、滚珠推力轴承、滚柱推力轴承、轴衬、衬套、座圈 及其他任何活动结合表面。本发明的一些实施例包括在活动结合表面之一上嵌 合金刚石，所嵌合的金刚石厚度从亚微米至约3000微米或更多。本发明的一 些实施例包括一个较硬的多晶金刚石部件，例如一个较硬的多晶金刚石球或一 个较硬的多晶金刚石窝。在这些情况下，金刚石的嵌合尺寸等于部件的尺寸。

对于利用具有基底的多晶金刚石结合体的球轴承部件以及窝式轴承部件来 说，人们希望这些部件易于制造，在本发明的大部分优选实施例中，嵌合的多 晶金刚石的厚度从小于约5微米至大于约2毫米。其他金刚石轴承部件表面及 其他超硬轴承面的厚度可在小于约1微米至大于约100微米的范围内，或可按 照上述内容使用较硬的多晶金刚石部件。

在本发明的不同实施例中，部件的尺寸和轴承面的几何结构和尺寸可被设 计得满足特定用途的需要而不同于本申请所述的情况。

B.在优选的轴承部件中附加金刚石

1.金刚石基底界面的属性

在本发明的优选实施例中，多晶金刚石结合体在活动结合表面和基底材料 之间提供了独特的化学键性能和机械卡持性能。

本发明的一些优选的轴承部件结构利用一种多晶金刚石结合体以适用于至 少一个轴承和座圈部件。使用多晶金刚石结合体的轴承或座圈部件在基底材料 和金刚石晶体之间具有化学键性。这种结构的结果是在基底和金刚石嵌合层之 间具有非常强的联结性。

在本申请的下述内容中将对PDC的优选制造方法进行描述。简单地说， 该方法涉及：将金刚石晶体相互烧结在一起且在高温、高压下将金刚石晶体烧 结到基底上。在最佳实施例中，最终定型的部件在金刚石与基底的结合面上存 在残存的张力，该张力不超过基底、金刚石或金刚石与基底结合面的张力。

图4A和4B表示制造多晶金刚石结合体所涉及的物理和化学工艺。

在图4A中，显示了在进行烧结前与含有金属的基底410相邻放置的一定 量的金刚石原料430(例如金刚石粉末或金刚石晶体)。在金刚石原料430的 区域中可看到单个金刚石晶体431，且在单个金刚石晶体431之间存在胞间隙 432。如果需要的话，可将一定量的溶剂—催化剂金属放置到所述胞间隙432 中。

基底410可以是适当的纯金属或合金2，或多种金属或合金、金属或合金 的复合结构、或者是含有适当金属或合金的联结性碳化物，作为联结成分的物 质可为例如为附着有钴的碳化钨。所述基底最好是具有较高张紧强度的金属。 当最终加工部件的金刚石与基底结合面处的残留应力不超过基底、金刚石或金 刚石与基底结合面的张力时，则会产生一种非常强且耐久性的部件。由于所引 用的这种基底会在烧结过程中产生膨胀，而在烧结完成时收缩，从而使最终加 工部件的基底的尺寸比烧结之前小0.01％-1.0％。

图中显示了单个金刚石晶体及金属基底中的连续的金属晶体。金刚石粉末 和基底材料之间的结合面420是嵌合的金刚石与基底进行联结的关键区域。在 本发明的一些实施例中，在结合面420处布置有与金刚石和基底不同的第三种 材料的界层。当这种结合界层材料存在时可起到多种作用，包括但不仅限于： 提高嵌合金刚石和基底的粘着力、减小金刚石—基底结合面处的残存应力区 域。

如图4A所示，金刚石粉末或晶体一旦与基底组装在一起，该组件就会承 受下文中将描述的高压和高温以将金刚石晶体与金刚石晶体联结并附着到基底 上。将烧结的多晶金刚石嵌合料附着到基底上所产生的结构称为多晶金刚石结 合体(PDC)。此处所用的术语“结合体”是指两种不同材料如金刚石晶体和 基底金属的复合结构。在烧结过程中，取代金刚石晶体所使用的结合有立体氮 化硼晶体的一种类似结构称为多晶立体氮化硼结合体(PCBNC)。本申请中 所述的用于制造并加工PDC结构和部件的多种工艺也可以类似的方式来加工 PCBNC。在本发明的一些实施例中，PCBNC可代替PDC。

图4B显示了在高压和高温下将金刚石原料烧结到基底上之后所得到的一 个多晶金刚石结合体401。在PDC结构中存在容量可辨认的基底402、容量可 辨认的嵌合金刚石403及处于嵌合金刚石和容纳有金刚石晶体和基底原料的基 底之间的一个过渡区404。图中还显示了基底材料的晶体微粒405和金刚石的 烧结或附着晶体406。

在进行不经意的检测中，图4B中所示的最终结合体包括附加在基底402 上的金刚石403的固态嵌合部及一个不连续的边界。但是，在进行精密的检测 时，可显示出处于嵌合的金刚石403和基底402之间的一个过渡区404。该过 渡区代表了嵌合金刚石和基底之间的界面梯度，即金刚石原料和金属成分之间 的逐渐过渡率。该过渡区的成分从基底侧的低金刚石成分转变为在烧结金刚石 侧所接近纯金刚石成分。这种过渡区的存在将嵌合金刚石和基底之间的应力散 布开。

在过渡区中，金刚石晶体和基底金属混合在一起，且在金刚石和金属之间 形成化学键。从过渡区404至金刚石嵌合部403，金属的集中度降低且被限定 为溶剂—催化剂金属，这种金属充填处于烧结的金刚石嵌合结构403中的空间 或称为开口407的三维条带形结构。在空间或称为开口407中所发现的溶剂— 催化剂金属在烧结过程中被从基底中除去或在烧结之前成为添加到金刚石原料 上的溶剂—催化剂金属。

在烧结过程中会产生三种类型的化学键：金刚石与金刚石的键、金刚石与 金属的键、金属与金属的键。在金刚石嵌合料中，在金刚石微粒部分溶解在溶 剂—催化剂金属中然后联结在一起时，则会产生金刚石与金刚石的键(sp3碳 键)。在基底及金刚石嵌合料中，由高压、高温的烧结工艺形成金属—金属键。 在过渡区中，在金刚石和溶剂—催化剂金属之间产生金刚石与金属的键。

这些不同的化学键与由金刚石嵌合料如金刚石结构的空间间隙中的金刚石 嵌合料所产生的机械卡持的组合在金刚石嵌合料和基底之间产生了非常大的联 结力。在金刚石结构中存在空间间隙，这些间隙中通常充填有溶剂—催化剂金 属，从而在多晶金刚石中形成溶剂—催化剂金属带。这种联结结构有益于结合 体的非凡的断裂韧度，金刚石嵌合料中的金属带使能量减小，从而使金刚石结 构中的初始裂纹停止蔓延。所述过渡区和金属带结构使结合体在嵌合金刚石和 基底材料之间具有材料性能梯度，而进一步有利于结合体的特别硬度。该过渡 区也可根据其特征而被称为结合部、梯度过渡区、复合梯度区或复合梯度。该 过渡区在其整个厚度上分散金刚石/基底的应力以降低明显的线性结合面的较高 应力。由于金刚石和基底材料存在压力和热膨胀性能的差别，因此，在完成高 压/高温的烧结过程时则由于压力和温度的降低而会产生残留应力。

金刚石烧结过程是在特别高的压力和温度下进行的。根据本发明人在经验 上和理论上的最好理解，金刚石烧结工艺是按照下述顺序进行的。将容装有为 联结金刚石粉末或晶体(金刚石原料)和基底的一个压力箱加热至高于基底410 的包装金属熔点的一个温度，金刚石原料就流入或渗入处于相邻的金刚石晶体 406之间的空间间隙407中。金刚石粉末在压力差的驱动力作用下产生扩散而 充注所述空间中，且在金刚石晶体406的表面能量或在较大表面积的毛细作用 下推入所述空间中。随着温度的继续升高，来自金刚石晶体表面的碳原子溶入 熔融金属的间隙中而形成碳溶液。

在适当的温度和压力处，金刚石变为热力学上所称谓的碳的多晶同素异形 体。在所述溶液由于Cd(碳金刚石)而变为超饱和状态时，来自该溶液的碳开 始结晶为金刚石而附着到金刚石晶体的表面上，且与相邻的金刚石晶体相联 结，从而以金刚石—金刚石键的形式形成为烧结多晶金刚石结构406。所述填 隙金属充填其余的空间而在毛细作用力和驱动力的作用下于嵌合金刚石中形成 带形格栅结构407。由于所述填隙金属在形成碳原子溶液和降低致动能量方面 起到很重要的作用，因此，该金属被称作为溶剂—催化剂金属。所述致动能量 用于形成多晶金刚石结构的溶解/沉淀反应。

图4BB显示了一个具有基底480和金刚石481的烧结多晶金刚石结合体， 但其中存在从基底金属至金刚石的集中梯度或过渡区482。在这样一种结合体 中，梯度过渡区可以是整个结合体或是该结合体的一部分。

在本发明的一些实施例中，可在烧结之前将一定量的溶剂—催化剂金属与 金刚石原料相结合。目前已发现：在形成较厚的PCD层、固态PDC结构或在 利用多模式细粒金刚石时，这种结合是必需的，所述多模式细粒金刚石用在金 刚石粉末中存在微小的残留自由空间。在上述各种情况下，通过充注或扩散机 构所进入的溶剂—催化剂金属不足以作为溶剂—催化剂来调节烧结过程。可通 过直接添加粉末的方式来添加这种金属，或者，可通过在工作场所利用研磨机 生产金属粉末，或通过己知的化学方式来减少沉积在金刚石晶体上的金属盐。 所添加的金属质量可在小于1％至大于35％的范围内。所添加的金属可与基底 中的金属或合金的相同，或者也可由于其材料和机械性能而选择不同的金属或 合金。在烧结之前的金刚石原料与溶剂—催化剂金属的比例的例子包括下述质 量比：70∶30、85∶15、90∶10、95∶15。

当将金刚石烧结到基底上而具有一个结合界面层时，没有来自基底的溶剂 —催化剂金属渗入金刚石嵌合料中并参加烧结过程。在这种情况下，如果界面 层材料是由可用作为溶剂—催化剂的适当材料、金属或合金构成的，该界面层 材料则可用作为充填材料以调节金刚石的烧结过程。在所需的边界层材料不能 用作为溶剂—催化剂的其他情况下，可将下文中所述的适当量的溶剂—催化剂 金属粉末添加到上述金刚石晶体原料中。在缺少基底金属源的情况下，金刚石 烧结工艺所用的溶剂—催化剂金属必需完全从所添加的金属粉末中供应。所述 界面材料与基底材料化学键，且与金刚石嵌合料和/或金刚石嵌合料中所添加的 溶剂—催化剂金属化学键。其余烧结和制造工艺与常用的溶剂—催化剂充填烧 结和制造工艺相同。

为简单和清楚地描述本发明的目的，所述的基底、过渡区、嵌合金刚石均 为清楚显示的层。但是，实现下述内容是很重要的：即最终烧结形成的物体由 一种复合的结构构成，这种复合结构的特征是从基底材料至金刚石嵌合料存在 连续的梯度式过渡而非具有明显的不连续边界层，因此称为术语“结合体”。

除上述烧结过程之外，适用于这种轴承用途的金刚石部件也可被构造成不 具有基底的固态多晶金刚石结构。这种结构是通过将与上述所添加的适当量的 溶剂—催化剂金属粉末相结合的金刚石粉末放置到具有一种形状的难熔金属容 器(特别是Ta、Nb、Zr或Mo)中来形成的，所述形状与最终加工部件的所 需形状相对应。然后将这种组件进行烧结处理。但是，在缺少基底金属源的情 况下，金刚石烧结工艺所用的溶剂—催化剂金属必需完全由所添加的金属粉末 供应。在高温、高压下进行处理且加工之后，则可将这样形成的轴承部用作为 或联结到金属基底上以用作为完整的轴承部件结合部。

烧结是嵌合金刚石与基底材料形成具有较强耐久性联结的一种优选方法。 也可利用能够将嵌合金刚石联结到基底上的其他方法。目前，这些方法所形成 的联结不象通过烧结工艺所产生的联结那样强或耐久。也可利用这些方法直接 在基底上形成适用于轴承部件的金刚石结构。可生产具有或不具有基底的多晶 金刚石嵌合料，而后将其在一个位置处附加到轴承部件上，从而形成一个轴承 面。可通过任何适当的方式来实现这种附加，包括焊接、铜焊、烧结、扩散式 焊接、扩散式粘合、惰性焊接、粘合剂粘合，或利用紧固件如螺纹、螺栓或铆 钉。在将无基底的嵌合金刚石附加到其他物体上的情况下，利用这些方法如铜 焊、扩散式焊接/粘合或惰性焊接可能是最适合的。

2.形成金刚石轴承面的其他方法

虽然高温/高压烧结是产生金刚石轴承面的优选方法，但也可利用产生一 定量金刚石的其他方法。例如，可利用化学蒸发沉积(CVD)处理法或物理蒸 发沉积(PVD)处理法。化学蒸发沉积(CVD)处理法通过使有机分子产生热 裂解而将碳原子团沉积到一个基底上，从而产生一个金刚石层。物理蒸发沉积 (PVD)处理法是通过电处理而从源材料中射出碳原子团并沉积到基底上，而 在基底上形成金刚石晶体结构。

化学蒸发沉积(CVD)处理法和物理蒸发沉积(PVD)处理法比烧结处 理具有一些优势。烧结处理是在大型、昂贵的压力机中、在高压(例如40-68 千巴)和高温(例如1200-1500摄氏度)下进行的。由于高压介质的流动和 变形以及基底材料可能产生变形，因此，利用烧结工艺就难于得到并保持所需 的部件形状。

相反，化学蒸发沉积(CVD)处理法和物理蒸发沉积(PVD)处理法则 是在空气压力或较低的压力下进行的，因此，就不需要压力介质，且不会产生 基底的变形。

烧结工艺的另一个劣势为：该工艺在烧结的多晶金刚石结合体中难于实现 一些几何结构。但是，在使用化学蒸发沉积(CVD)处理法或物理蒸发沉积 (PVD)处理法时，产生碳原子团所用的气体相态可完全与被涂敷的物体的形 状相一致，这样就易于实现所需的非平面形状。

烧结多晶金刚石结合体的另一个潜在的劣势为：由于金刚石与基底之间的 热膨胀系数和模数存在差别而使最终加工的部件具有较大的残存应力。虽然残 存的应力可被用于提高部件的强度，但所述残存应力也存在着劣势。在使用化 学蒸发沉积(CVD)处理法或物理蒸发沉积(PVD)处理法时可将残存的应力 降至最小，这是因为化学蒸发沉积(CVD)处理法或物理蒸发沉积(PVD)处 理法在制造过程中不涉及明显的压力过渡(例如在高温高压烧结中从约40- 68Kbar至大气压力)。

对多晶金刚石结合体进行烧结处理的另一个潜在的劣势在于：现在发现很 少有基底适于烧结。在现有技术中常用的基底为碳化钨。在本发明中，非平面 部件是用其他基底制成的。但是，在利用化学蒸发沉积(CVD)处理法或物理 蒸发沉积(PVD)处理法时可将人造金刚石放置到多种基底上，所述基底包括 钛、大部分碳化物、硅、钼等。这是因为化学蒸发沉积(CVD)涂覆工艺或物 理蒸发沉积(PVD)涂覆工艺的温度和压力足够低而使金刚石和基底之间的热 膨胀系数和模数差不象在高温、高压的烧结工艺中那样重要。

在烧结多晶金刚石结合体的制造过程中存在的另一个困难为：当制造的部 件的尺寸变大时，压力机的尺寸也必需增大。金刚石的烧结只能在一定的压力 和温度下进行，例如在上述的温度和压力下进行。为制造更大的烧结多晶金刚 石结合体，压力机的冲压力(登记吨位)和工具(例如模具和砧座)的尺寸必 需增大以得到进行烧结所需的压力。但是增大压力机的尺寸和容量比仅增大部 件的尺寸要困难。由于压力机加工所用制造工艺的原因而会对压力机的尺寸造 成实际的尺寸限制。

压力机工具通常是由渗碳处理的碳化钨制作的。为制作所述工具，在一个 真空熔炉内对渗碳的碳化钨进行烧结处理，然后在一个较热的等静压力(HIP) 装置中进行处理。所述等静压力必需在保持全部的碳化钨温度一致的情况下进 行以得到一致的物理质量。这些要求对多晶金刚石结合体烧结所用的压力机加 工尺寸增加了实际的限制。这些加工尺寸限制也可对压制尺寸产生限制。

化学蒸发沉积(CVD)和物理蒸发沉积(PVD)制造装置的尺寸可以很 小的限制成比例增大，这样就可使它们生产几乎任何尺寸的多晶金刚石结合 体。

化学蒸发沉积(CVD)和物理蒸发沉积(PVD)工艺还具有一些优势， 这是因为它们允许对施加到基底上的涂覆金刚石的厚度和均匀性进行精确控 制。可在500-1000摄氏度范围内对温度进行调节，且可在小于1大气压的范 围内对压力进行调节以得到所需的金刚石涂覆厚度。

化学蒸发沉积(CVD)工艺和物理蒸发沉积(PVD)工艺的另一个优势 在于：它们允许随着工艺的进行对制造过程进行监控。在工件的制造完成之前 可打开CVD或PVD反应器，这样就可确定施加到部件上的金刚石涂覆层的厚 度和质量。根据已被施加的金刚石涂覆层的厚度，则可计算制造完成的时间。 另外，如果没有达到所需的涂覆质量，则可中断制造过程以节省时间和金钱。

相反，在一个熔炉内进行多晶金刚石结合体的烧结是不能被中断的，烧结 过程也不能被监控。压制过程必需进行完毕且只能在该过程完毕之后对部件进 行检测。

CVD处理是在一种被称为反应器的装置中进行的。一个基本的CVD反应 器包括四个部分。反应器的第一部分是一个或多个空气入口。空气入口可根据 是在将空气引入腔室之前将空气进行预先混合还是在腔室中将空气进行第一次 混合来进行选择。反应器的第二部分是用于产生热能的一个或多个动力源。一 个第二动力源可被用于均匀地加热基底材料以实现金刚石在基底上的均匀涂 覆。反应器的第三部分是一个载物台或称为平台，基底可放置于其上。在CVD 处理过程中将用金刚石涂覆基底。所用的载物台包括一个固定的载物台、一个 输送载物台、一个旋转载物台和一个振动载物台。必需选择适当的载物台来实 现所需的金刚石涂覆质量和均匀性。反应器的第四部分是一个出口以将废气从 腔室中除去。在气体与基底进行反应之后，必需尽快将气体从腔室中除去，这 样气体就不参加其他的反应，若其参加其他反应则会对金刚石的涂覆有害。

CVD反应器是根据所用的动力源分类的。选择动力源以形成所需的反应 器，从而进行金刚石薄膜沉积。一些CVD类型包括：等离子区辅助微波反应 器、热丝反应器、电子束反应器、单个、两个或多激光束反应器、弧射反应器 和直流电反应器。这些反应器在下述方式上存在差别：即向气体施加热能的方 式不同，以及它们将气体分解为进行金刚石沉积所需的种类的分解效率不同。 也可利用一列激光束在高压腔室中进行现场的加热。另外，可利用一排光学纤 维将光线传输至腔室中。

CVD反应器工作的基本过程如下：将一个基底放置到反应器腔室中。通 过一个或多个空气入口将反应剂导入腔室中。对于金刚石的化学蒸发沉积 (CVD)来说，最好将甲烷(CH4)和氢气(H2)以预混合的方式导入腔室 中。也可利用任何碳基气体来取代甲烷，在碳基气体中可使用具有sp3结合键 的碳。可将其他气体添加到气流中以控制金刚石薄膜的质量、沉积温度、所获 得的结构和增长速度。这些所述的其他气体包括氧气、二氧化碳、氩气、卤族 气体及其他气体。

腔室中的气压最好保持为约100torr。进入腔室的气体流速：对于甲烷来 说最好为每分钟10标准立方厘米，对于氢气来说最好为每分钟100立方厘米。 腔室中的气体混合物的比例范围最好为氢气占90-99.5％，甲烷占0.5-10％。

当将气体导入腔室时对其进行加热。可通过多种方式来实现所述的加热。 在等离子区辅助加热工艺中，通过使气体流经等离子区来加热。此外，开始气 体流经一系列导线如在热丝反应器中布置的导线。

将甲烷和氢气加热可将其分解为多种自由的原子团。通过复杂的反应混 合，碳就沉积在基底上而与其他碳相结合，并通过SP3的联结而形成多晶金刚 石。腔室中的氢原子产生反应且将氢原子从附加在基底表面上的甲基原子团中 除去以产生氢分子，这样就留下清洁的固态表面以使自由的原子团进一步沉 积。

如果基底表面促进sp2碳结合键的形成，或者如果气体混合比、流速、基 底温度或其他因素不适当，则会在基底上形成石墨而非金刚石。

在CVD反应器、处理工艺与PVD反应器、处理工艺之间存在很多相似 性。PVD反应器与CVD反应器的不同之处在于它们产生的沉积物不同及其沉 积物的物理特征不同。在PVD反应器中，将一个原材料盘用作为热源而不象 在CVD反应器中那样具有一个独立的热源。PVD反应器在原材料盘上产生电 压差以从原材料中产生并射出碳原子团。反应器以高能离子轰击原材料。当高 能离子与原材料相撞击时，它们使所需的碳原子团从原材料中激射出来。所述 碳原子团从原材料径向射入所述腔室中。然后，碳原子团自己就沉积到其所在 路径中的物件包括载物台、反应器本身和基底上。

参考图4C，图中显示了一种适当材料的基底440，该基底440具有一个 沉积表面441，金刚石可通过CVD或PVD工艺过程沉积在该沉积表面441上。 图4D显示了基底440和沉积面441，一定量的金刚石442已通过CVD或PVD 工艺过程而沉积到沉积面441上。在金刚石和基底中均存在一个较小的过渡区 443。与图4B相比，从图中可看到：沉积到基底上的CVD或PVD金刚石缺 少烧结多晶金刚石结合体的更宽的倾斜过度区，这是因为在CVD或PVD工艺 过程中没有溶剂—催化剂金属通过嵌合金刚石料。

CVD和PVD处理工艺均可在视线下实现金刚石的沉积。在处理过程中提 供一些方式(如振动和转动)来暴露出进行需沉积金刚石的所有表面。如果使 用一个振动载物台，轴承面将随着载物台上下振动，从而使所有的轴承面均暴 露给自由的原子团源。

可利用多种方式通过CVD或PVD工艺而将金刚石涂覆到柱形物体上。 如果利用等离子区辅助微波工艺来进行金刚石的沉积，接收金刚石的物体必需 直接处于等离子区下面以得到最高质量和最均匀的金刚石涂覆层。可利用一个 旋转或传输载物台而将各个轴承面暴露给等离子区以进行金刚石涂覆。在载物 台旋转或移动时，轴承面的所有部分均直接处于等离子区之下以进行涂覆，且 通过这种方式得到足够均匀的涂层。

如果利用热丝CVD处理工艺，应将轴承面放置到一个静止的载物台上。 导线或细丝(典型的是钨丝)排列布置在载物台上，这样它们的覆盖面就包括 将被涂覆的轴承面。可选择细丝和轴承面之间的距离及细丝之间的距离以便在 细丝正下方实现均匀的金刚石涂覆。

利用CVD和PVD工艺、或利用金刚石涂覆基底、或通过产生随意标准 量的金刚石，则可制造金刚石轴承面，该轴承面将在以后安装使用。可通过CVD 或PVD工艺在一种两步骤操作中来产生随意标准量的金刚石。首先，在适当 基底如硅、钼、钨或其他物质上沉积金刚石薄膜。其次，将金刚石薄膜从基底 上释放下来。

在需要时，可将金刚石薄膜部分切除，例如通过使用Q转换的钇铝柘榴 石(YAG)激光进行切除。虽然金刚石对于钇铝柘榴石(YAG)激光是透明 的，但通常仍存在足够量的sp2键合的碳(如在石墨中所发现的那样)允许进 行切割。如果不需要，则可用碳基墨水在金刚石薄膜上划出一条线。所述线足 以允许进行切割，一旦开始进行切割，则可缓慢地向前进行切割。

在将适当尺寸的金刚石从金刚石薄膜上切掉之后，则可将金刚石薄膜附加 到所需的物体上以形成轴承面。例如，可将金刚石通过焊接、扩散粘合、粘合 剂粘合、机械固定或在高压、高温中由压力机进行联结而附加到基底上。

虽然基底上的CVD和PVD金刚石未显示出象在烧结的多晶金刚石结合 体中方向的梯度过渡区，但可进行CVD和PVD工艺处理以将金属结合到嵌合 金刚石中。如上所述，将金属结合到嵌合金刚石中可提高嵌合金刚石和基底的 粘合度并可加强多晶金刚石结合体。结合到嵌合金刚石中的金刚石可被用于形 成所具有的热膨胀系数和可压缩性均与纯金刚石不同的一种嵌合金刚石，这样 就使嵌合金刚石的断裂韧度比纯金刚石的断裂韧度要高。与金属相比，金刚石 的热膨胀系数和可压缩性较低。因此，嵌合金刚石中的金属和金刚石的存在实 现了更高且更像金属那样的热膨胀系数，并使嵌合金刚石的平均可压缩性比纯 金刚石要高。这样，就降低了嵌合金刚石和基底结合面处的残留应力，且不太 可能使嵌合金刚石与基底产生分层。

纯金刚石晶体也具有较低的断裂韧度。因此，在纯金刚石中，在形成较小 的裂纹时，整个金刚石部件就会完全损坏。相比较而言，金属具有较高的断裂 韧度且在有较大裂纹的情况下也不会完全损坏。将金属结合到嵌合金刚石中会 得到比纯金刚石更高的断裂韧度。在具有空间间隙的嵌合金刚石中，与空间间 隙中存在金属，如果在金刚石中形成裂缝，裂缝就会蔓延至容纳有金属的空间 间隙，裂纹就会在金属处停止，从而避免完全的损坏。由于具有这种特征，与 纯金刚石相比，在其空间间隙中具有金属的嵌合金刚石在不损坏的情况下能承 受更高的作用力和工作负荷。

金刚石—金刚石键会随着嵌合金刚石中金属含量的增大而减小。可通过执 行CVD和PVD工艺过程而建立一个过渡区。但是，轴承面优选具有纯的多 晶金刚石以具有较低的磨损性能。

通常形成的CVD和PVD金刚石不具有充填有金属的大量空间间隙。因 此，与烧结的多晶金刚石结合体相比，大部分CVD和PVD金刚石较脆或具 有更低的断裂韧度。CVD和PVD金刚石可能在嵌合金刚石和基底之间存在 最大的残留应力。但是，可形成其中结合有金属的CVD和PVD金刚石薄膜 而具有均匀的或功能性的梯度比率。

将金属加入CVD或PVD金刚石中所用的一种方法是利用两种不同的原 材料以在一个CVD或PVD金刚石生产过程中将所述两种材料沉积到一个基 底上。不管是用CVD、PVD还是二者的结合均可使用这种方法。

将金属结合入CVD金刚石薄膜中所用的另一种方法是化学蒸发渗透。这 种工艺首先产生一个多孔的材料层，然后通过化学蒸发渗透来填充这些孔。多 孔层的厚度应接近等于所需的均匀层或梯度层的厚度。孔的尺寸和分布情况可 被用于控制所述层的最终成分。蒸发渗透中的沉积首先发生在多孔层和基底之 间的结合面处。随着沉积的继续进行，材料沉积所沿着的结合面从基底向外移 动以填充多孔层中的孔。在增大的结合面向外移动时，通过相对于加热器移动 物品或通过相对于增大的结合面移动加热器来保持沿着结合面的沉积温度。物 品外侧和增大的结合面之间的多孔区必需被保持在不促使材料(孔填充材料或 不需要的反应产品)沉积的一定温度。在该区域中进行沉积太早封闭孔且会阻 止所需材料在内孔中的渗透和沉积。这样会使具有开口孔的基底具有较差的物 理性能。

制造本发明的轴承面和部件可用的其他制造工艺包括能量束，例如激光能 以使基底中的构成要素气化，且使这些构成要素以一种新的方式如以金刚石涂 层的形式重新沉积在基底上。作为一个例子，可得到或生产包含碳、碳化物或 其他所需构成元素的金属基底、聚合物基底或其他基底。适当的能量如激光能 可被施加到基底上以使构成元素从基底中移动至基底表面，该基底表面与向基 底施加能量的区域相邻。向在基底表面上集中的构成元素连续施加的能量可被 用于使一些构成要素气化。然后，被气化的构成要素与另一种元素产生反应以 改变被气化的构成元素的性能和结构。

接下来，被气化和反应的构成元素(可以是金刚石)可被扩散入基底表面 中。在基底表面上可产生一个独立的涂层，该涂层所具有的化学成分与气化和 反应的构成元素可相同或不同。另外，被扩散入基底中的一些改变的构成元素 可被再次气化和反应而作为一个涂层沉积到基底上。通过这种工艺及不同的工 艺过程，在基底上可形成适当的涂层如金刚石、立体氮化硼、类似金刚石的碳、 B4C、SiC、TiC、TiB、cCN、Cr3C2、Si3N4。

在其他制造环境中，可使用高温激光、电镀、喷镀、激光激励的等离子沉 积或其他方式将一定量的金刚石、类似金刚石的材料、较硬的材料或超硬材料 布置到作为轴承面的一个位置中。

借鉴本申请所披露的内容，本领域的技术人员可理解通过此处所述的任一 制造方法形成金刚石轴承面而在基底上形成高质量的金刚石所必需的装置、材 料和工艺条件。

C.制造具有优选结构的金刚石部件

这部分内容提供与制造本发明优选的结构有关的信息。此处所描述的原理 可被用于制造任何类型的轴承面。

1.问题的本质

在轴承部件之外的领域中，特别是在岩石钻孔切割的领域中有时会用到多 晶金刚石结合体。从历史上来说，这些切割器的形状为在其一端具有圆柱形的 平面嵌合金刚石。切割器的金刚石表面远小于大部分轴承部件中的轴承面。这 样，多晶金刚石切割器的结构和制造方法就不能直接适用于轴承部件。

制造轴承部件存在的特殊问题是如何产生具有复杂形状的多晶金刚石结合 体，例如凹形、凸球形、圆柱形等。为对此处的申请进行讨论，下面主要对凹 形及凸球形部件的制造进行描述。在球形多晶金刚石结合体的制造过程中，对 称是加载、密封和压制/烧结过程中的一个主要考虑对象。球形部件设计需要在 制造部件过程中径向施加压力。在下面将详细描述的高压烧结过程中，全部的 偏移必需从将被制造的圆球中心沿着一个发散弧进行以实现所述球形结构。为 在高温/高压压制过程中得到这种结构，必需产生一个等静压力区。在制造这种 球形部件的过程中，如果存在任何偏应力部分，则会使部件产生变形且会使制 造的部件无用。

在制造球形多晶金刚石结合体过程中必需特别考虑的问题将在下文中进行 描述。

a.模数

大部分多晶金刚石结合体包括嵌合金刚石和基底。金刚石和基底的材料性 能应具有相容性，但在形成多晶金刚石结合体的过程中所用的高温、高压烧结 工艺会使部件具有过高的残留应力。例如，对于利用碳化钨作为基底的多晶金 刚石结合体来说，烧结金刚石的Yong氏模数约为120百万p.s.i，而渗有钴的 碳化钨的模数约为90百万p.s.i。所述模数是指标汇的应力曲线相对于材料应 力的斜度。Bulk模数是指均衡张力相对于均衡应力的比率，或是指材料的单位 体积减小量与所施加的压力或应力之比。

由于金刚石和大部分基底材料具有较高的模数，多晶金刚石结合体的一个 非常小的应力或偏移会产生非常大的应力。如果所述应力超过金刚石或基底的 屈服强度，部件将损坏。最强的多晶金刚石结合体不一定存在应力释放。与应 力释放部件相比，在具有最佳残留应力分布的多晶金刚石结合体中，需要更多 的能量来引起破损。因此，必需注意基底和金刚石之间的模数差而用于设计具 有最大强度的部件，从而使其具有足够的耐磨损性和断裂韧度。

b.热膨胀系数

金刚石和基底的不同程度在于它们相对于温度变化是怎样变形的，所述温 度也影响它们的机械相容性。热膨胀系数“CTE”是指在单位温度变化时的单 位尺寸变化量、或是指材料在受热时的扩展性能或在冷却时的收缩性能。当材 料经受一种相态变化时，根据初始相态中的CTE得到的计算值是不能应用的。 应注意到：当在应用具有不同CTE和模数的材料结合体时，它们在相同的应 力下表现为不同的应力。

多晶金刚石的热膨胀系数(在上下文中称为CTE)大约为每度材料(μin/in ℃)的每英寸2-4微英寸(10-6英寸)。相反，碳化物的CTE约为6-8μin/in ℃。虽然这些值从数字上来看比较接近，但在向基底和金刚石的组合物施加几 百度的温度梯度时，较高模数的影响会产生非常高的残留应力区。与球形部件 或具有轴承部件所用其他复杂结构的球形部件的制造相比较，热膨胀系数中的 差别在具有平面嵌合金刚石的柱形多晶金刚石结合体中是一个很小的问题。在 制造球形多晶金刚石结合体时，金刚石和基底之间的CTE中的差别可产生较 高的残留应力，从而在高压/高温烧结过程中的任何时候会引起嵌合金刚石、基 底或二者裂开和损坏。

c.膨胀应力(dilatoric)和偏应力

在烧结过程中，金刚石和基底组件将经受自由体积的减少。下文中将详述 的烧结过程涉及使基底和金刚石钻件承受通常在约40-68千巴范围内的压力。 这种压力将使基底的体积减小。金刚石和/基底也可产生一些几何学上的扭曲。 产生几何扭曲的应力被称为偏应力，而使体积改变的应力称为膨胀(dilatoric) 应力。在均衡系统中，偏应力的量为零，而只有膨胀应力部分存在。在设计和 烧结具有复杂几何结构的多晶金刚石部件(如凹形及凸球形多晶金刚石结合 体)的过程中若不能考虑到所有这些应力因素，则可能会导致处理过程的失败。

d.金刚石原料的自由团减少

由于金刚石原料的物理性质的原因，除非在烧结之前对金刚石原料进行特 定的准备，否则会存在大量的自由团。因此就需要尽可能减小金刚石中的自由 团，如果金刚石原料中存在的自由团太多，则不能进行烧结。如果使用具有足 够偏移量的压力机，也可在烧结过程中消减自由团。在减少金刚石原料中的自 由团的任何工艺过程中保持所需的金刚石及基底均匀结构是很重要的，否则会 产生变形或有缺陷的部件。

e.溶剂—催化剂金属的选择

在不使用溶剂—催化剂金属的情况下而在高温、高压压力机中形成合成金 刚石此时不是一种可行的方法。需要溶剂—催化剂金属来实现合成金刚石中的 所需晶体形式。所述溶剂—催化剂金属首先优选从金刚石原料晶体的尖锐接触 点处溶解碳。然后将碳重新结晶为金刚石点阵缝隙中的金刚石，该点阵具有金 刚石—金刚石结合键而足以形成固体。在基底上的分布的固体此处称为多晶嵌 合金刚石。溶剂—催化剂金属也促进了与基底原子形成化学键。

将溶剂—催化剂金属添加到金刚石原料中所用的一种优选方法是在高压、 高温烧结过程中将其从含有溶剂—催化剂金属的基底上冲刷下来。也可将粉末 状的溶剂—催化剂金属在烧结之前添加到金刚石原料中，特别是在需要较厚的 嵌合金刚石的情况下。也可利用一种研磨方法而在烧结之前将溶剂—催化剂金 属添加到金刚石原料中。如果使用的溶剂—催化剂金属太多或太少，则会使所 产生的部件缺乏所需的机械性能，因此，选择所添加的溶剂—催化剂金属的量 及其选择将其添加到适于制造特殊部件所用金刚石原料上的添加方法是很重要 的。

f.金刚石原料微粒的尺寸和分布

加工金刚石产品的磨损特性整体上是与金刚石原料的尺寸相关联的，且与 微粒的分配有关。适当尺寸的金刚石原料和微粒分配的选择依赖于试件的设备 要求及其工作环境的要求。如果使用较小的金刚石原料晶体，则可提高多晶金 刚石的耐磨损性且可得到高度金刚石—金刚石键合的嵌合金刚石。

虽然可利用单一形态的金刚石原料来制作多晶金刚石，但利用多种形态的 原料可增大压实强度和耐磨损性。金刚石原料的大尺寸晶体和小尺寸晶体的组 合使用可提供具有较高压实强度和耐磨损性的部件，这部分是由于较大金刚石 晶体之间的空间间隙可填充有较小的金刚石晶体。在烧结过程中，较小的晶体 将溶解且以某种方式再沉淀而将所有金刚石晶体键合成一个坚固且致密键合的 结合体。

g.金刚石原料装载方法

金刚石原料在装载之前或装载过程中受到的污染会使烧结过程失败。必需 非常小心以确保金刚石原料及所添加的溶剂—催化剂金属或包装物在烧结之前 保持清洁。

为准备进行烧结，则需准备用于装载的清洁的金刚石原料、基底和容器件。 将金刚石原料和基底放置到一个难熔的金属容器中，该金属容器被称作为一个 “罐”而将其所容装的物质与外界污染物密封隔离。金刚石原料和基底在进行 高压、高温烧结时存留在所述罐中以形成多晶金刚石结合体。该罐最好在高温 下通过电子束进行焊接密封且呈真空状态。

需装载足够的金刚石集合体(粉末或微粒)以防备高压、高温烧结过程中 的线性收缩。将金刚石原料装载到一个罐中进行烧结所用的方法影响到最终加 工部件的形状和公差。特别地，整个罐中的金刚石原料的填充密度应尽量均匀 以产生高质量的烧结多晶金刚石结合体结构。在装载过程中，通过阶段性的添 加和填充则可避免金刚石的粘连。

金刚石原料的密度在装载后的均匀程度会影响多晶金刚石结合体的几何结 构。与将结合有粘结剂的金刚石进行加载然后再用随后的工艺将粘合剂除去的 情况相比，在较干的形式下装载金刚石原料也会影响所加工的多晶金刚石结合 体的特性。为对金刚石进行预压缩以进行烧结，则应在均衡条件下施加预压缩 压力。

h.基底原料的选择

与大部分可能的基底原料相比，金刚石的独特材料性能及其模数和CTE 的相对差别使适当多晶金刚石基底的选择成为了一个艰难的任务。当考虑对基 底的生物适应性的额外限制时，这种选择变得更加困难。大部分具有生物适应 性的金属不适应合成金刚石的材料性能。金刚石和基底之间的材料性能的较大 差异对成功制造具有所需强度和耐久性的多晶金刚石部件提出了挑战。与多晶 金刚石相比，即使非常硬的基底也显得很软。基底和金刚石不仅必需能够承受 烧结压力和烧结温度，而且必需能够在不产生分层、裂缝或其他损坏状态的情 况下回复至室温和大气压力。此外，即使在被认为能够相容的那些材料中，只 使用那些能够满足支配措施的材料来生产例如轴承部件这样的产品也是很有利 的。

选择基底材料需要考虑部件的用途、所需的冲击阻力和强度以及在烧结过 程中将被结合到嵌合金刚石中的溶剂—催化剂金属的量。必需根据材料性能来 选择基底材料，所述材料性能与将形成的嵌合金刚石的材料性能具有相容性。

i.基底几何结构

在本发明中，优选将多晶金刚石结合体制作为球形、半球形、部分球形、 弧形及其他复杂的凹进和凸出的几何结构，然后进行切割、加工并最终定型为 端头、杯件、座圈其他轴承部件表面、其他轴承面和其他耐磨损表面。形成这 种部件需要考虑基底的独特结构。特别地，所需最终产品的球形几何结构需要 在烧结过程中沿着从将被制作的球的中心开始的一个发散弧而向基底和金刚石 原料施加作用力。

此外，考虑是使用具有平滑表面的基底还是使用具有地形学特征的表面是 很重要的。基底表面可形成为具有多种地形学特征而将嵌合金刚石以化学键合 及机械卡持的形式固定到基底上。利用基底上的地形学特征为化学键合提供了 更大的表面积，通过地形学特征提供的机械卡持则可产生更强、更耐久的部件。

2.优选材料和制造工艺

本发明人已发现并确定用于构造可在轴承部件中所用的优选多晶金刚石结 合体的材料和制造工艺。利用与下述方法和材料不同的方法和工艺也可生产本 发明的轴承面。

下文中制造多晶金刚石结合体所必需采取的步骤如基底材料和结构的选 择、金刚石原料的选择、装载及烧结方法虽然是以独立的步骤形式列举出的， 但这些步骤将会相互影响，没有一个步骤会独立于其他步骤，所有的步骤必需 被标准化以确保制造工艺过程的成功进行。

a.选择基底材料

为制造任何多晶金刚石部件，则应选择适当的基底。为生产在轴承部件中 应用的多晶金刚石部件，本发明人优选利用在下表中列举出的基底。

表2

适于轴承应用的一些基底   基底   合金名称   说明   钛   Ti6/4(TiAlVa)   ASTM F-1313(TiNbZr)   ASTM F-620   ASTM F-1580   TiMbHf   Nitinol(TiNi+其他)   在装载金刚石原料之前优选将较薄的钽屏障层   布置到钛基底上   钴铬合金   ASTM F-799   含有钴、铬和钼。锻造产品   钴铬合金   ASTM F-90   含有钴、铬、钨和镍   钴铬合金   ASTM F-75   含有钴、铬和钼。铸造产品   钴铬台金   ASTM F-562   含有钴、铬、钼和镍   钴铬合金   ASTM F-563   含有钴、铬、钼、钨和镍   钽   ASTM F-560(非合金)   难熔金属   铂   多种名称   铌   ASTM F-67(非合金)   难熔金属   Maganese   多种名称   可包含Cr，Ni，Mg，钼   含钴的碳化钨   WC   含钴铬合金的碳化钨   含CoCr的WC   含钴铬合金的碳化铬   含CoCr的CrC   钴铬合金的碳化硅   含CoCr的SiC   熔融的碳化硅   SiC   钴铬钼合金   CoCrMo   在装载金刚石原料之前将一个较薄的钨层或钨   钴层布置到基底上   不锈钢   多种名称

所用的CoCr优选为CoCrMo或CoCrW。前面所给出的基底只是一些例 子。除这些基底之外，也可利用其他适当的材料作为基底来构造轴承部件及其 他轴承面。

在将钛用作为基底时，发明人有时优选在钛基底上布置一个较薄的钽屏障 层。该钽屏障层可阻止钛合金与金刚石原料中所用的钴合金相混合。如果钛合 金和钴合金相混合，在高温、高压的烧结过程中将会形成一种有害的低熔点金 属间化合物。钽屏障层联结到钛钴合金上且联结到含有钴溶剂—催化剂金属的 多晶金刚石上。这样，利用具有钽屏障层和具有钴溶剂—催化剂金属的金刚石 原料的钛基底制作的多晶金刚石结合体就非常坚硬且可良好形成。另外，钛基 底可布置有α-氧化涂层，氧化层或氧化合成物形成的屏障层可阻止低熔点金 属的形成。

如果使用钴铬钼合金基底，优选在装载金刚石原料之前于所述基底上布置 钨层或较薄的钨和钴层以控制烧结过程中碳化铬(CrC)的形成。

除上表中列举的材料之外，也可利用其他适当的基底来形成多晶金刚石轴 承面。此外，还可在本发明的范围内形成不使用基底的金刚石轴承面。还可使 用本申请中列举的任何超硬材料及其他轴承原料来形成轴承面，其中，不需要 对基底进行表面处理。此外，如果需要利用除多晶金刚石之外的一种类型的金 刚石或碳，基底的选择则不同。例如，如果利用化学蒸发沉积方式或物理蒸发 沉积方式来生成金刚石轴承面，则需要适于制造环境和所用成分的基底。

在本发明的一些实施例中，基底和金刚石层的物理性能的差别会使基底在 烧结过程中产生明显的膨胀，然后在烧结完成时，基底会收缩。这样，在烧结 之后，在一些情况下，基底的尺寸会比烧结之前小0.01％-1.0％。这样的结果 可能会对在一些应用如轴承杯中将基底从嵌合金刚石上除去产生有利的效果。 或者，这种结果会在基底和嵌合金刚石之间产生残留应力，如果进行正确的处 理，则会加强最终产生的部件。

b.基底几何结构的确定

1.)通用的基底外形

所选择的基底几何结构应适用于被制造的结合体且适用于所用的材料。为 制造如在本发明的一些实施例中优选的凹球形杯、座圈或凸球形端头，则需要 选择一种能简化所述部件的制造的一种基底几何结构。为确保形成适当的金刚 石且避免结合体的变形，在烧结过程中施加到金刚石和基底上的作用力必需严 格施加。因此，优选的基底结构通常为球形，所述基底在接触表面处具有制造 轴承杯或座圈、端头或任何其他球形部件所用的金刚石原料。

如上所述，合成金刚石与所用的大部分基底材料的材料性能中存在很大的 不一致性。特别地，模数和CTE是所关注的两项。但在相互结合使用时，一 些基底可形成稳定且坚硬的球形多晶金刚石结合体。下表列举了一些优选基底 材料的物理性能。

表3

一些优选基底的材料性能   基底材料   Young(杨氏)模   数(×106psi)  BULK模数(×106)   CTE(×106in/in℃)   Ti6/4   15-17  11-20   5.4   CoCrMo   33-35  27-30   16.9   CoCrW   35.5  35   16.3

只使用钛或钴铬合金基底来制造球形多晶金刚石结合体会使嵌合金刚石产 生裂缝或会使基底与嵌合金刚石相分离。特别地，钛在高压、高温烧结过程中 所呈现出来的主要性能为可压缩性而钴铬合金在烧结过程中的主要性能为 CTE。在本发明的一些实施例中，可利用两层或多层的基底来实现制造过程中 及制造后的尺寸稳定性。

参考下表，下表中列举了制造球形多晶金刚石结合体所用的基底材料的一 些组合。

表4

制造凸出的PCD球体所用的球形基底的组合   基底芯   基底壳   说明   Ti6/4 ASTM F-136球   CoCr ASTM F-799   在钛上布置有α-氧化涂层或在钛上布置钽屏障层   Ti6/4 ASTM F-136球   CoCr ASTM F-90   在钛上布置有α-氧化涂层或在钛上布置钽屏障层   CoCr ASTM F-799球   Ti6/4 ASTM F-136   在钛上布置钽屏障层   CoCr ASTMF-90球   Ti6/4 ASTM F-136   在钛上布置钽屏障层   CoCrASTM F-799球   无   如下所述，利用基底表面的地形学特征   Al2O3陶瓷芯球   无

α-氧化涂层杯用于阻止钛与钴铬合金产生反应。钽屏障层的厚度可在约 0.002-0.010英寸的范围内，而0.008英寸是最理想的。

上述双片基底可被用于实现球形部件中的尺寸稳定性。双片基底可克服金 刚石和基底之间的CTE和模数中的差别。利用具有多层的基底来克服材料以 不同的速率膨胀和收缩，如果材料以不同的速率膨胀和收缩这个问题不能解决 则会使金刚石产生裂缝。

具有至少两个不同基底材料层的球形基底可被用于稳定所述部件并阻止基 底从嵌合金刚石上收缩，这样就可成功地制造出球形的多晶金刚石结合体。

参考图5A-5F，图中显示了本发明中制造通常为球形的多晶金刚石结合 体所用的不同基底。图5A和5B显示了双层基底。

在图5A中得到被用作为基底壳或基底外层且由基底材料制作的固体的第 一球501。所述第一球501的尺寸是这样布置的：即外表面上具有嵌合金刚石 的第一球的尺寸约为部件在最终精加工之前的尺寸。一旦得到这种基底的第一 球501，则在其中心处钻出一个孔502。该孔502最好是通过钻孔、切割、冲 击或其他方式形成的，这样，孔502的终点503为半球形。这种结果优选通过 利用具有圆形或球形端部的钻头或端部研磨器来实现，所述圆形或球形端部具 有所需的半径和曲率。

然后得到基底材料的第二球504。该第二球504小于第一球501而被放置 在第一球501中的孔502内。球501、504的基底材料优选是从上面所列举的 那些材料中选择出的。所述基底材料也可为其他适当的材料。第二球504和孔 502及其终点503应紧密地配合在一起而在其间没有较大的公差或间隙。

优选采用与第一球501相同的基底材料来形成或得到一个插头505。插头 505具有第一端505a和第二端505b，在第一端505a和第二端505b之间布置 有基底材料以填充孔502中由与孔终点503相邻的第二球504所占据部分之外 的孔502。插头505的第一端505a处最好具有一个凹形的半球形接收部506， 这样，插头505可紧密地贴靠第二球504的半个球形表面。插头505通常为柱 形。然后向基底钻件装载金刚石原料507且在高压、高温下对其进行烧结以形 成球形的多晶金刚石结合体，所述基底组件包括放置在另一个部件内的基底 球。

参考附图5B，图中显示了制造本发明球形多晶金刚石结合体所用的另一 种基底结构。选择由适当基底材料制作的内芯球550。然后选择外基底第一半 球551和外基底第二半球552。外基底第一半球551和外基底第二半球552中 的每一个均形成得具有形状和尺寸均确定的半球形接收部551a、552a以围绕 内芯球550的外部放置，从而封闭且包裹内芯球550。内芯球550和半球551、 552的基底材料优选从上述表格所列举的材料中选出或采用其他适当的材料。

在将半球和内芯球组装到一起的情况下，可围绕半球的外部装载金刚石原 料553且进行高温、高压处理以形成球形的多晶金刚石结合体。

虽然图5A、5B显示了双层基底，但可利用多层基底(3层或更多层)来 制作多晶金刚石结合体或多晶立方氮化硼结合体。基底材料、基底结构、基底 表面地形学特征和具有由相同或不同材料制作的多个层(2层或更多)的基底 的选择至少部分依赖于基底的热—机械性能、基底的压力—机械性能以及基底 的压力—机械性能。

参考图5C，图中显示了制造常用球形多晶金刚石结合体所用的另一种基 底结构。基底520总体上为球形。该球的表面包括基底的地形学表面以提高嵌 合金刚石在基底上的固定程度。该基底具有在其表面上形成的多个凹部521。 每个凹部521形成为三个不同标准的凹部521a、521b、521c。所述凹部显示为 同心圆，每个所述凹部的深度基本相等，但其深度也可变化，所述圆也不必是 同心的，凹部的形状也不必为圆形。图中显示的凹壁521d、521e、521f与所述 凹部的径向轴线相平行，该轴线与该球的理论上的球端点的切线相垂直，但如 果需要的话也可具有不同的定位。如图所示，基底球522的表面除上述凹部之 外不具有地形学特征，但可根据需要而具有凸起、凹进或其他变形。凹部521 的宽度和深度尺寸可根据所制造的多晶金刚石结合体而改变。

金刚石原料可被装载到基底球520的外部，且在金刚石稳定压力下将该结 合物进行烧结以产生一个球形多晶金刚石结合体。如上所述，利用通常为球形 的基底上的基底表面地形学特征可在嵌合金刚石和基底之间进行很好联结，从 而可利用单层的基底来制作多晶金刚石结合体。这是由于通过基底表面的地形 学特征实现了基底和嵌合金刚石之间的卡持作用。

参考图5D，图中显示了分隔式球形基底523。该基底具有多个围绕其外 表面而等距离间隔的表面凹部524。所示的这些凹部形成有三种不同的深度标 准。第一个深度标准524a形成为预定的深度且围绕其外周而形成为五角形形 状。第二个深度标准524b为圆形且形成为预定的深度，该预定的深度不同于 五边形的预定深度。第三个深度标准524c为圆形且形成为预定的深度，该深 度不同于上述的其他深度。另外，所述凹部也可形成有只有一种深度、且可均 为五角形或为一种混合形状。所述凹部可通过基底球加工而成。

参考图5E，图中显示了用于制作多晶金刚石结合体所用的另一种基底结 构的剖视图。显示了一种多晶金刚石结合体525。该结合体525为球形。结合 体525包括烧结到基底527上的嵌合金刚石526。基底的远端侧526a部分为球 形而在其近端侧527b为穹隆形。另外，基底527的近端侧527b可被描述为部 分球形，但其所基于的球的半径尺寸小于基底的远端侧527a所基于的球的半 径。顶部527c和底部527d中的每一个均形成为便于从近端侧527b的基底部 分球过渡为远端侧527a的基底部分球的形状。这种基底结构的优势在于：它 使基底的一部分暴露出以进行钻孔和固定附加部件而不会对多晶嵌合金刚石的 残留应力区造成干涉。这种结构还使基底的一部分上没有烧结基底，从而允许 基底在烧结过程中产生膨胀而不会破坏嵌合金刚石。但是，基底球的超过180 度的外周上布置有金刚石，这样，该部件就可被用作为一个端头或其他活动结 合表面。

参考图5F，图中显示了制作多晶金刚石结合体所用的另一种基底结构的 剖视图。图中显示的多晶金刚石结合体528具有嵌合金刚石529和基底530。 该基底具有地形学特征531以提高金刚石与基底的结合强度。该地形学特征可 包括通过凹部533或狭道相间隔的矩形凸起532。该基底的远端侧形成为半径 为r的球。基底的近端侧530b形成为半径为r’的一个球，其中，r＞r’。通常在 所有的嵌合金刚石之下通常可进行表面的变更。

参考图5G，图中显示了一个轴承部件的端头535。该端头535包括烧结 到基底536上的嵌合金刚石536。该基底被构造为具有凸伸圆柱形的一个球。 端头535这样形成，从而使一定量的基底从球形端头中凸伸出来而形成一个颈 部538和附加部537，该附加部537可通过任何已知的方式如自锁锥形配合、 焊接、螺纹或其他附加机构而附加到一个适当的基底上。预先形成于基底导航 的颈部538的用途是用于制作多晶金刚石结合体535，从而在多晶金刚石结合 体上提供附加点，使用该附加点则不会干扰结合体的残留应力区。

上述的基底结构和基底形状及其变化和派生出的结构之一均可被用于制造 在承载轴承或活动结合表面环境中所用的多晶金刚石结合体。

在本发明的不同实施例中可使用单层的基底。如上所述，在本发明的其他 实施例中可使用双层的基底。但是，根据所用部件的性能，人们希望使用包括 有三层、四层或更多层的基底。这种多层基底在本发明的范围内是易于理解的。

制作杯件、座圈或其他凹球形、半球形或部分为球形的本发明多晶金刚石 结合体所用的优选基底结构与制作凸出的球形多晶金刚石结合体所用的基底几 何结构是不同的。下面参考图6A-1、6A-2和6B-2-6C，图中显示了用于制作 凹球形多晶金刚石结合体(如在杯件或座圈中所用的结合体)所用的优选组件。 基底601(和601a、601b)优选为柱形，且在其一端中形成有一个半球形接收 部602(和602a、602b)。

图中布置有两个基底柱601a、601b，这样它们的半球形接收部602a、602b 相邻而在其间形成一个球形的腔604。由适当基底材料制作的一个球603放置 在该腔604中。金刚石料605布置在处于球603的外部与基底柱601a、601b 的接收部602a、602b的凹进表面之间的腔604中。将该组件放置在一个难熔 罐610中以进行烧结。该罐具有第一柱610a和第二柱601b。这两个柱件在唇 部611处相结合。

在这种组件烧结完成之后，可沿着中线606而将该组件切开、切割或进行 滚圆处理以形成第一杯件或座圈组件607a及第二杯件或座圈组件607b。制造 柱件602a、602b所优选的基底材料为CoCrMo(ASTM F-799)和CoCrW(ASTM F-90)，而制造球603所优选的基底材料为CoCrMo(ASTM F-799)，当然也可使 用任何适当的基底材料包括上面的表格中所列举的一些材料。

虽然在上面的内容中描述了制造凹进及凸出球形多晶金刚石结合体所用的 两层基底，但在制造球形多晶金刚石结合体的过程中也可使用由超过两层的材 料构成的基底或由一种类型的材料构成的基底。

2.)基底表面形状

被形成为多晶金刚石结合体的基底根据用途而可有利地包括基底表面的地 形学特征。不管是使用单片、双片还是多片式基底，人们均希望变更基底表面 或为基底提供地形学特征以增大金刚石的总表面积，从而增大基底与金刚石的 接触并提供嵌合金刚石的机械卡持。

在基底上布置地形学特征用于变更基底表面结构或轮廓，而使基底表面从 形成为单个平面或非平面结构所应成为的基底表面结构或轮廓上产生变更。基 底表面的地形学特征可包括一种或多种不同类型的地形学特征以产生凸出、凹 进或等高线特征，从而增大嵌合金刚石与基底的表面机械互锁性或防止裂缝的 产生。

基底表面地形学特征或基底表面的变更情况具有不同的功能。利用基底地 形学特征可增大嵌合金刚石和基底之间的接触的总基底表面积。与不存在基底 表面地形学特征的情况相比，嵌合金刚石和基底之间的增大的接触表面积会在 嵌合金刚石和基底之间产生大量的化学键，从而得到更坚硬的多晶金刚石结合 体。

基底表面的地形学特征还用于在基底和嵌合金刚石之间产生机械互锁。机 械互锁是通过基底地形学特征的本质来实现的，并可提高多晶金刚石结合体的 强度。

基底表面的地形学特征还可被用于在较大的表面积上且在大量的金刚石及 基底材料上分配多晶金刚石结合体的残留应力区。这种更大的分配可被用于将 应力保持低于产生初始裂纹和/或裂纹蔓延的极限。所述裂纹产生于金刚石本身 以及基底本身中的嵌合金刚石/基底结合面处。

基底表面的地形学特征增大了梯度结合面的深度或增大了嵌合金刚石与基 底之间的过渡区，以在组合的结合体结构的更长分隔部上分配残留应力区并得 到一个更硬的部件。

变更的基底表面可被用于产生烧结的多晶金刚石结合体，该烧结多晶金刚 石结合体的残留应力增大了金刚石层的硬度并产生一个更坚硬的多晶金刚石结 合体，与没有表面地形学特征的情况相比，这种多晶金刚石结合体对破损具有 更大的抗力。这是因为为了破坏金刚石层，则需首先克服部件中的残留应力， 然后再克服嵌合金刚石的强度。

基底表面的地形学特征对由嵌合金刚石所接收到的作用力进行重新分配。 基底表面地形学特征使通过金刚石层传输的作用力从单个的作用力矢量沿着多 个作用力矢量进行再次传输。沿着基底进行的这种作用力的重新分配避免了这 样情况的发生，即基底材料比嵌合金刚石以更快的速率产生变形，这种变形的 差别会在嵌合金刚石中引起裂纹和损坏。

基底表面地形学特征可被用于减小金刚石和基底之间的应力区的强度以得 到更硬的部件。

基底表面地形学特征还可被用于在多晶金刚石结合体结构上分配应力区以 减小结构单位体积上的应力。

基底表面地形学特征还可被用于通过在制造过程中将基底压紧在嵌合金刚 石的边缘上而使嵌合金刚石与基底机械互锁。榫头形、半球形及透镜(lentate) 形的变更情况用于提供作用力矢量以在基底径向膨胀(dilitate)而冷却的过程 中压紧并提高嵌合金刚石与基底的嵌合。

基底表面地形学特征还可被用于实现所制造的形式。如在本申请中所提到 的那样，金刚石与所选择的基底之间的热膨胀系数和描述中的差别会导致多晶 金刚石结合体在制造过程中的失败。对某些部件来说，在使用基底表面地形学 特征时，可得到基底和嵌合金刚石之间的更强的结合，从而能够成功地制造多 晶金刚石结合体。但是，如果利用具有简单基底表面而非具有特殊基底表面地 形学特征的基底来制造具有相同尺寸的类似部件，则由于金刚石和基底的热膨 胀系数或模数存在差别，而会使嵌合金刚石产生裂缝或与基底相分离。

基底表面地形学特征的例子包括：波浪形、槽形、山脊形或其他纵向的表 面特征(任何形状可纵向、横向、以所需的角度相交叉、以随意的形式且以几 何的形式布置)、三维的纹理形、球形的分隔凹槽形、球形的分隔凸起形、三 角凹进形、三角凸出形、弧状凹进形、弧状凸出形、部分球状凹进形、部分球 状凸出形、柱状凹进形、柱状凸出形、矩形凹进形、矩形凸出形、具有n(n 为整数)个侧面的多边形凹进形、具有n(n为整数)个侧面的多边形凸出形、 山脊状格栅形、具有突出结构的格栅形、漩涡形、乳头形、凸起、肋条、窗口 形、槽形、截面为圆形的钵或山脊形、三角形、弧形、正方形、多边形、曲面 形或为其他形状。可利用形成上述这些形式的技术例如加工、压制、挤压、冲 击、注模及其他技术来实现所需的基底地形学特征。虽然只为说明的目的，在 图中显示了基底地形学特征上的一些尖锐拐角或其他结构，在实际中，人们希 望所有拐角均具有较小的半径以得到具有较高耐久性的部件。

附图3A-3U显示了基底表面的几种可能的变更情况。参考附图3A，图中 所示布置在一个柄上的球结构体现了凹进及凸出的基底表面地形学特征。图中 所示的端头380具有烧结在基底383上的嵌合金刚石382。基底383的表面地 形学特征包括凹进的弧形槽384及从基底上的一点向外发散的凸弧形脊部 385。金刚石382覆盖基底表面地形学特征，这样，与仅使用简单的圆形基底 的情况相比，则可使嵌合金刚石与基底之间的接触面积更大。

图3B显示了施加到图3A中的端头380上的作用力的再分配情况。当作 用力F1施加到端头380上时，如图所示，作用力F1沿着作用力矢量F2、F3 进行再分配。这样，虽然在嵌合金刚石382上接收到一个单个的作用力矢量， 但该作用力矢量被分解为更小的作用力而被传输到基底383。作用力的这种再 分配减小了嵌合金刚石和基底的变形速度之间存在差别的可能性，从而减小了 嵌合金刚石产生裂纹并损坏的机会。

图3C显示了在一个球和杯件或座圈轴承组件中的端头上使用基底表面地 形学特征。杯件或座圈386安装在所需的结构387中。杯件或座圈386具有附 加到基底389上的多晶嵌合金刚石388。端头390包括布置在基底392上的一 个多晶金刚石391层。

基底392的基底表面地形学特征包括定位布置的槽393，当使用轴承部件 时，槽393通常垂直定位布置。主作用力矢量F1通常与槽393相平行。所使 用的作用力区394布置在杯件或座圈之上。所利用的基底表面地形学特征包括 槽，所述槽在使用中的轴承实现较宽的作用力再分配时通常垂直定位。

图3D显示了由适当基底材料制作的凸出球350球350具有一条极性轴线 351和有一个赤道似的圆352。在球350的变面中形成有多个变更表面353。变 更表面以相靠近的偏移结构的形式布置。所述变更表面为柱形的凹面且其直径 在从小于约0.001英寸至超过约0.750的范围内，且所述柱形凹面在深度可在 从小于约0.001英寸至大于0.750英寸的范围内，或为所需要的其他尺寸。利 用激光可产生非常小的基底表面地形学特征。在本发明的大部分实施例中，基 底表面地形学特征将覆盖嵌合金刚石下面的约1％-约99％的基底表面。基底 表面地形学特征的深度约为部件半径的1％-50％。沿着基底表面的切线所测 量到的离散基底表面地形学特征为部件半径的约1％-50％。

图3E显示了利用具有变更的基底表面如图3A中所示的基底表面的球形 基底所形成的多晶金刚石结合体的剖面。结合体360具有烧结到基底362上的 一个金刚石层361。基底362具有变更表面363，在该变更表面363中存在金 刚石361。变更表面363附近区域中的基底在作用力线F1、F2方向中卡持金 刚石，这样就对多晶金刚石结合体的化学键增添了机械卡持的优势，从而产生 非常坚固的部件。

图3F显示了基底378上的基底表面凸出圆形凸起379或乳头部。所显示 的该乳头部或凸起为圆形或弧形。图3G显示了基底375上的基底表面凸出脊 部377和槽376。图3H所示的基底374具有凸出的脊部373及处于脊部373 之间的圆形或弧形槽372。通过在球形基底上加工截面为圆形的槽则可制作出 这种基底表面结构。脊部377为在已被加工出的槽之间剩下的基底材料。

图3I显示了一个凸出球形基底320。在没有特定的基底表面地形学特征的 情况下，基底320为由圆323所示的一个简单球形。这种基底320包括在其外 表面上的圆形或弧状波形，即采用凸出的脊部322和凹进的槽321的形状。

图3J显示了一个凸出的球形基底324。基底324包括凸出的矩形结构325 而在基底324的表面上形成格栅形。在各个凸出结构325之间存在间隙、槽、 沟或狭道326。

图3K显示了一个基底327。这种基底具有由虚线圆328所指示的简单凸 出球形，但也可被加工成目前图中呈现的形式。基底327具有在其表面中形成 的多边形329以产生特定的地形学特征而与嵌合金刚石相结合。

图3L显示了在其表面上形成有多个凹部331的通常为球形的基底330。 基底球330的表面334除凹部331之外为球形。所述凹部具有圆形的上缘335、 圆形的底部332及所需深度的侧壁333。根据需要，所述凹部的上缘335的最 大直径的尺寸可等于或大于同一凹部的底部332的最大直径。如果所述的两个 直径相同，所述凹部则为柱形。如果上缘335的直径大于底部333的直径，所 述凹部则为锥台形。金刚石可以层的形式结合到图3L的基底上且嵌合金刚石 的厚度完全覆盖基底的外表面。在这种情况下，金刚石层在凹部之上的区域中 的厚度大于在其他区域中的厚度。如果使用这样的金刚石层，则从外观上来看， 则不可辨识出基底表面地形学特征。另外，可只将金刚石结合到凹部中而将凹 部之间的基底暴露出来。在图3Q中将以更详细的内容描述这种结构。

图3M显示了在其表面上具有多个凸起337的通常为球形的基底球336。 基底球336的表面338除凸起337之外为球形。所述凸起具有圆形的下缘339、 圆形的上缘340及所需高度的侧壁341。凸起顶部342可为任何所需的形状如 平坦形、穹隆形、部分为球形、弧形或其他形状。根据需要，所述下缘339和 上缘340的直径可不同。如果所述的两个直径相同且侧壁341为竖直状态，所 述凸起总体上为柱形。如果下缘339的直径大于上缘340的直径，所述凸起总 体上则为锥台形。金刚石层附加到图3M所示的基底上且金刚石层完全覆盖基 底的变形之处及其之间的区域。在这种结构中，从外观上则不能辨识出基底表 面的变化情况。另外，可只将金刚石附加到基底表面变化处之间的基底上，从 而形成具有暴露基底材料的不连续区域的暴露金刚石网或称为网络。

图3N显示了包括有金刚石层343和基底344的球形多晶金刚石结合体 342。基底344具有地形学表面变化。这种表面变化包括在基底中形成的燕尾 形凹部345。在燕尾形凹部中形成多晶金刚石以在金刚石层和基底之间形成紧 密的机械互锁。通过在不具有燕尾形的基底表面中形成凹部则可得到这种结 构。在烧结过程中，基底和金刚石层之间的燕尾形互锁可由于金刚石和基底材 料之间的热膨胀系数和模数的差别而形成。

附图30显示了具有金刚石层346和基底347的一个部分为球形的多晶金 刚石结合体3343。金刚石层346代表一个连续的金刚石负荷支承和活动活动结 合表面。形成有表面地形学特征的基底347与金刚石层进行更强的结合。基底 347具有在其外表面上形成的半球形或透镜(lentate)变形348。图中所示的变 形为在基底表面上的凹进的部分为球形的凹部。在所述凹部349中形成多晶金 刚石。在烧结过程中，当多晶金刚石结合体冷却时，基底就径向膨胀(dilatate)。 这种变面表形的半球形凹部提供有作用力矢量而压紧并提高金刚石层和基底之 间的结合，从而在金刚石层和基底之间实现更强的结合。这样，由于金刚石和 基底之间的CTE差别且由于基底表面地形学特征而在金刚石层和基底之间就 产生了机械卡持或互锁。

图3P显示了一个部分为球形的多晶金刚石结合体3320。该结合体3320 具有金刚石层3321及基底3322。基底3322具有地形学特征即具有截面为三角 形的脊部3323和槽3324。使用这些基底表面地形学特征就如在本申请的别处 描述的那样而在金刚石和基底之间提供一个梯形结合面或过渡区。本发明人发 现在具有基底地形学特征的多晶金刚石结合体中的梯度结合面的深度通常大于 具有单个表面的基底所构成的多晶金刚石结合体的梯度结合面深度。因此，具 有基底地形学特征的多晶金刚石结合体中的残留应力区是在一个更长的复合结 合体结构段上分布的且是在更多的金刚石和基底材料上分布的。这种结果则使 多晶金刚石结合体比不利用基底表面地形学特征所得到的多晶金刚石结合体更 坚固且更稳定。

图3Q显示了一个部分为球形的多晶金刚石结合体。该结合体包括形成有 金刚石结合部、凹部或称为凹陷351的基底390。在烧结时，在所述凹部351 中形成多晶金刚石349以产生具有不连续或分隔金刚石区的一个负荷支承和活 动活动结合表面。在金刚石区349之间，即在负荷支承和活动活动结合表面上 暴露有基底材料350。在抛光完成之后，硬度低于金刚石的基底材料将使暴露 的基底350减压，从而提供一个负荷支承和活动活动结合表面，在该轴承和活 动结合表面上，由金刚石区349进行主要的接触和结合。如果需要的话，可将 暴露的基底350加工或抛光而进行足够的减压，以作为将润滑液与负荷支承和 活动活动结合表面相连通的一个通道。

图3R显示了具有基底353和金刚石层354的圆球352。基底353包括接 收部355以接收一个附加机构。金刚石层354的覆盖面小于基底353的整个表 面。如图所示，金刚石层354具有半球形结构。基底353的赤道部上已制备出 一个环形槽或环356。在环形槽356的区域中，金刚石层354较厚且占据或充 塞环形槽356以在金刚石层354的边缘处产生较强的粘合。

图3S显示了一个杯件或座圈357，该杯件或座圈357具有基底358及金 刚石层负荷支承和活动活动结合表面359。基底358具有唇部360，唇部360 在杯件或座圈357内的位置中与金刚石层359互锁。虽然可在多晶金刚石结合 体烧结之前在基底358中形成唇部360结构，但也可在烧结过程中通过基底材 料的膨胀来形成或增强所述唇部360。该唇部减小或降低了金刚石层359与基 底358最外径向结合面处的边缘效应而提供更强、更耐久的部件。

图3T显示了通常为球形的基底362，在该基底362的表面上具有多个截 短的金字塔形或多角形凸起360。基底球362的表面364除凸起363部分之外 总体上为球形。所述凸起具有正方形或矩形的下周365、一个正方形或矩形的 上周366和所需高度的侧壁364。凸起顶部366可不一致以在下周和上周之间 形成多个不同的角度。如果所述的两个外周尺寸相同且侧壁367是直的，所述 凸起则具有总体上为正方形或矩形的形状。如果上周366的尺寸小于下周的尺 寸，所述凸起总体上则为剪切的金字塔形。如果上周366的尺寸大于下周365 的尺寸，该凸起总体上则为倒放的金字塔形。金刚石层可附加在图3T的基底 上，这样金刚石层就可完全覆盖变化的基底表面及其之间的区域。在这种结构 中，从外观上来看，不容易辨识出基底表面的变化。另外，金刚石可只附加在 变化的基底表面之间，从而形成具有不连续暴露基底材料区域的暴露金刚石网 或金刚石网络。

图3U显示了一个总体上为球形的基底368，在其表面上形成有多个凹部 369。基底球368的表面370除凹部369之外为球形。所述凹部具有正方形或 矩形的上周371、一个正方形或矩形的下周372和所需深度的侧壁373。根据 需要，凹部的最大上外周371与该凹部的下周372可具有相同的尺寸。如果上 述上周和下周的周长相同，该凹部则具有矩形的形状。如果上周371的尺寸大 于下周372的周长尺寸，该凹部则为倒放的剪切金字塔形。金刚石可以层的形 式附加在图3U所示的基底上，且其厚度能够完全覆盖基底的外表面。在这种 情况下，金刚石层在凹部之上的区域中的厚度大于在其他区域中的厚度。如果 利用这样的金刚石层，从外观上来看，则不能辨识出基底表面的地形学特征。 另外，可只将金刚石附着在所述凹部中而留下凹部之间暴露的基底。

虽然在凸出球形基底中显示了多种基底地形学特征，但这些表面地形学特 征也可被施加到凸出的球形基底表面上、其他非平面基底表面上及平坦的基底 表面上。基底表面地形学特征可以是图中所示特征的变化或变更情况，也可使 用能够增大部件强度或耐久性的其他基底地形学特征。

c.金刚石原料的选择

可预见到典型的金刚石微粒在小于1微米或大于100微米的范围内。但是， 在本发明的一些实施例中，可使用象1毫微米那样小的金刚石微粒。更小的金 刚石微粒优选用于制作更平滑的轴承面。通常情况下，金刚石微粒的尺寸在 0.5-2.0微米或0.1-10微米的范围内。在一些实施例中，金刚石微粒优选为粗糙 的球形。金刚石原料可包括添加多种所需的金属(该内容在其他部分进行描 述)，例如SiC、SiN2、TiN、TB2等。

在下表中显示了优选的金刚石原料

表3

双型金刚石原料的例子   材料   量   4-8微米金刚石   约90％   0.5-1.0微米金刚石   约9％   碳氮化钛粉末   约1％

在烧结过程中，这种配方与较小及较大的金刚石晶体相混合，较小的晶体 将溶解，然后再结晶而形成具有较大金刚石晶体的格子结构。在金刚石原料中 可选择地包含有碳氮化钛粉末以阻止金刚石微粒在烧结过程中的过度增长，从 而产生具有较小金刚石晶体的最终产品。

在下表中提供了另一种金刚石原料的例子。

表4

三型金刚石原料的例子   材料   量   尺寸X金刚石晶体   约90％   尺寸0.1X金刚石晶体   约9％   尺寸0.01X金刚石晶体   约1％

上述三形态金刚石原料可使用具有第一尺寸或直径“X”、第二尺寸0.1X 和第三尺寸0.01X的任何适当的金刚石原料。金刚石晶体的这种比例可使原料 理论上的包装密度约为89％，能够封闭大部分空间间隙且在最终的多晶金刚石 结合体中形成最硬的金刚石层。

在下表中提供了另一种金刚石原料的例子。

表5

三型金刚石原料的例子   材料   量   尺寸X金刚石晶体   约88-92％   尺寸0.1X金刚石晶体   约8-12％   尺寸0.01X金刚石晶体   约0.8-1.2％

在下表中提供了另一种金刚石原料的例子。

表6

三型金刚石原料的例子   材料   量   尺寸X金刚石晶体   约85-95％   尺寸0.1X金刚石晶体   约5-15％   尺寸0.01X金刚石晶体   约0.5-1.5％

在下表中提供了另一种金刚石原料的例子。

表7

三型金刚石原料的例子   材料   量   尺寸X金刚石晶体   约80-90％   尺寸0.1X金刚石晶体   约10-20％   尺寸0.01X金刚石晶体   约0-2％

在本发明的一些实施例中，所用的金刚石原料为最大尺寸约为100毫微米 或更小一些的金刚石粉末。在本发明的一些实施例中，金刚石原料优选具有一 些溶剂—催化剂金属以在烧结过程中起到辅助作用，虽然在一些应用的烧结过 程中将大量的溶剂—催化剂金属清除出去。

d.溶剂金属的选择

上面已提到在烧结过程中将溶剂金属从金刚石原料的基底上除去以溶解一 些金刚石晶体，这样，它们以后可再结晶并形成金刚石—金刚石键合的栅格网 络，即体现为多晶金刚石。但是，只有在需要从基底上辅助清除溶剂—催化剂 金属时才优选在金刚石原料中包含一些溶剂—催化剂金属。

传统情况下，钴、镍和铁被用作为溶剂金属以制作多晶金刚石。但是，在 轴承部件中，溶剂金属必须具有双向适应性。本发明人优选采用一种溶剂金属 如CoCrMo或CoCrW。也可将铂和其他材料用作为附着剂。

不仅向金刚石原料添加溶剂金属很重要，而且使溶剂金属具有适当比例并 使其与金刚石原料均匀混合也是很重要的。本发明人优选使用86％的金刚石原 料和15％的溶剂金属(重量比)，但可预见到所用的金刚石原料与溶剂金属的 比例包括：5∶95，10∶90，20∶80，30∶70，40∶60，50∶50，60∶40，65∶35，75∶25，80∶20， 90∶10，95∶5，97∶3，98∶2，99∶1，99.5∶0.5，99.7∶0.3，99.8∶0.2。99.9∶0.1及其他 比例。

为使金刚石原料与溶剂—催化剂金属相混合，首先将被混合的一定量的金 刚石原料和溶剂金属一起放置到混合碗状物如由所需的溶剂—催化剂金属制作 的混合碗状物中。然后利用干甲醇和研磨球以适当的速度(如200rpm)将金 刚石原料与溶剂金属的混合物研磨适当的时间如30分钟。研磨球、混合设备 及混合碗状物优选采用溶剂—催化剂金属制成。然后将甲醇倒出而将金刚石原 料与研磨球相分离。在熔炉中燃烧氢气产生1000摄氏度的温度并燃烧约1小 时以烘干和清洁金刚石原料。然后准备将金刚石原料进行加载和烧结。另外， 也可在清洁的状态下将金刚石原料保存。用于烘烤的适当的熔炉还包括氢离子 熔炉和真空炉。

e.金刚石原料的装载

所用的金刚石原料装载技术对于最终产品的成功制作是很关键的。如上所 述，金刚石原料需以均匀的密度装载以产生无变形的部件。

参考图7，图中显示了实施优选的装载技术所用的一种装置。该装置包括 具有纵轴线702的一根旋杆701，该旋杆可围绕其纵轴线进行转动。旋杆701 的端部703与将被制作的部件的尺寸和形状相匹配。例如，如果将被制作的部 件为端头、或杯件或座圈，该旋杆端部703则为半球形。

压环704具有一个孔705，旋杆701可凸伸过该孔701。具有空腔707的 模件或容器706也与将被制作的部件的尺寸和形状相匹配。

为装载金刚石原料，将旋杆放置到一个钻机卡盘中而使其与模件的中心点 对准。利用一个设置螺杆来控制与模件的空腔相关联的旋杆止动深度并利用一 个转盘指示器进行监控。

将模件充满已知量的金刚石原料材料。然后将旋杆围绕其纵轴线进行转动 并下降至空腔内预定的深度。在该运行过程中，旋杆与金刚石原料相接触并对 其进行重新整理。然后停止旋杆的转动并将其锁定在所在位置中。

然后，将压环围绕旋杆的外侧下降至一点而使压环与模腔中的金刚石原料 相接触。压环与金刚石相接触的部分为圆形。将压环上下运动以压实金刚石。 这种类型的压实用于将金刚石材料以相同的密度分布在空腔中且在各阶段中防 止金刚石的粘连。利用压环来捣实金刚石使样品赤道部周围的金刚石密度非常 均匀且与空腔极端区域中的密度相同。在这种构造中，金刚石以真实的球形烧 结且使所产生的部件在接近公差的情况下保持球形。

保持金刚石原料密度均匀所用的另一种方法是使用粘合剂。将一种粘合剂 添加到适当量的金刚石原料中，然后将混合料压制到一个容器中。可用的一些 粘合剂包括乙烯丁缩醛、聚甲基丙烯酸甲酯、乙烯甲醛、乙烯氯化醋酸盐、聚 乙烯、乙烷基纤维素、甲基松香酸、石蜡、聚丙烯碳酸盐和聚乙烯甲基丙烯酸。

在本发明的一个优选实施例中，金刚石原料的粘合工艺包括四个步骤。首 先制备一种粘合剂溶液。可通过下述步骤来制备粘合剂溶液：即将约5-25％ 的可塑剂添加到多个颗粒(丙稀碳酸盐)中，并将该混合物在溶剂如2-丁酮 中来制成重量比为20％的溶液。

可使用的可塑剂为非水性增塑剂，包括：乙二醇，邻苯二甲酸二丁酯，邻 苯二甲酸苄酯丁酯，邻苯二甲酸烷基酯苄酯，邻苯二甲酸二乙基己酯，邻苯二 甲酸二异壬基酯，邻苯二甲酸二甲酯，二苯二酯二苯甲酸酯，混合的二醇二苯 甲酸酯，2-乙基己基二苯基二苯甲酸酯，磷酸2-乙基己基二苯酯，磷酸异癸 基二苯酯，磷酸三甲酚酯，磷酸三丁氧基乙酯，己二酸二己酯，三苯六甲酸三 异辛酯，邻苯二甲酸二辛酯，环氧化亚麻籽油，环氧化豆油，柠檬酸乙酰基三 乙酯，碳酸乙丙稀酯，邻苯二甲酸酯，硬脂酸丁酯，甘油，聚烷基二醇，草酸 二乙酯，石蜡，三乙二醇。也可使用其他增塑剂。

可使用的溶剂包括2-丁酮，二氯甲烷，氯仿，1，2-二氯乙烷，三氯乙烯， 乙酸甲酯，乙酸乙酯，乙酸乙烯酯，碳酸异丙稀酯，乙酸正丙酯，异腈，二甲 基甲酰胺，丙腈，n-甲基-2-吡咯烷酮，冰乙酸，二甲基亚砜，丙酮，甲乙 酮，环己酮，含氧溶剂80a，己内酯，丁内酯，四氢呋喃，1，4-二恶烷，环氧 丙烷，溶纤剂乙酸酯，2-甲氧基乙醚，苯，苯乙烯，二甲苯，乙醇，甲醇， 甲苯，环己烷，氯代烃，酯，酮，醚，乙苯，和不同的烃。也可使用其他适当 的溶剂。

其次，将金刚石与粘合剂溶液相混合。可将金刚石添加到粘合剂溶液中以 得到约为2-25％(该百分比不是针对2丁酮计算出的)粘合剂溶液。

第三步，将金刚石和粘合剂的混合物进行烘干处理。烘干处理可通过将金 刚石与粘合剂溶液的混合物放置到真空烤炉中在约50摄氏度的温度下烘烤约 24小时以将所有的2-丁酮溶剂除去来实现。第四，将金刚石和粘合剂压制成 形。当将金刚石和粘合剂从烤炉中除去时，金刚石与粘合剂呈可被打碎的块状， 然后利用一种压制机将其压制为所需的形状。一根所需结构的压制轴可与粘合 的金刚石相接触而将其压成所需的形状。当金刚石和粘合剂的压制完成时，则 将所述压制轴撤回。压制之后的金刚石与粘合剂的优选最终密度至少约 2.6g/cm3。

如果使用不稳定的粘合剂，则应在烧结之前将已定形的金刚石除去。将已 定形的金刚石放置到一个熔炉中且将粘合物质气化或热处理足够长的时间，从 而不会留下粘合剂。外部金刚石或基底的污染会降低多晶金刚石结合体的质 量，因此必须非常小心以确保在烤制过程中将污染物和粘合剂除去。装料、时 间与温度的组合对于粘合剂的有效热处理是很关键的。对于上面所给出的粘合 剂例子来说，将粘合剂除去所优选采用的粘合消除工艺如下所述。参考图7A 并阅读下文内容应是很有帮助的。

首先，将定形的金刚石和粘合剂从周围环境温度加热至约摄氏500度。所 述温度优选每分钟增加约2摄氏度直至达到约500摄氏度。第二，将粘合剂和 定形金刚石的温度保持约500摄氏度约2小时的时间。第三，再次增大金刚石 的温度。所述温度最好以约每分钟4度而从约摄氏500度增大至约摄氏950的 温度。第四，将温度保持在约摄氏950度约6小时的时间。第五，然后以每分 钟约2摄氏度的温度降而回复至周围大气温度。

在本发明的一些实施例中，希望利用适当的处理工艺如喷模工艺来预先制 成金刚石料。金刚石料可包括一种或多种尺寸的金刚石晶体、溶剂—催化剂金 属和其他成分以控制金刚石的再结晶及溶剂—催化剂金属的分布。在部件的最 终弯曲形状为平坦形、凸出隆形或锥形时，对金刚石原料的处理不困难。但是， 如本申请中所述，当所需部件的最终弯曲形状具有复杂的轮廓时，在利用粉状 金刚石原料的情况下很难提供均匀厚度和精度的多晶金刚石结合体的形状。在 这种情况下，人们希望在烧结之前对金刚石原料进行预先处理。

如果希望在将金刚石原料装载到一个容器中进行烧结之前对金刚石原料进 行预先处理，而不是将粉状金刚石原料放置到容器中进行处理，上述内容中所 述的步骤的变化如下。首先，就如所述的那样，将一种适当的粘合剂添加到金 刚石原料中，可选择性地将溶剂—催化剂金属和其他成分添加到金刚石原料 中。粘合剂应是根据一些特征所选择出的一种聚合物，所述特征包括熔点、在 不同溶剂中的溶解性及CTE。在粘合剂中可包含一种或多种聚合物。粘合剂也 可包括所需的一种弹性体/或溶剂以得到所需的粘性、液流特征和喷模特征。被 添加至原料中的粘合剂体积优选等于或稍大于在稍微压实粉末中的胞间隙的测 量体积。由于粘合剂通常由一些材料如具有较高CTE的材料有机聚合物构成， 因此，应计算所希望的喷模温度量。粘合剂和金刚石原料应充分混合以确保混 合的均匀性。在受热时，粘合剂和金刚石原料具有充分的流动特征以在高压喷 模过程中流动。然后在压力下将受热的金刚石原料和粘合剂的混合物喷注到所 需形状的模件中。然后，模铸的部件在模件中冷却直至该步骤完毕，然后可将 模件打开而将部件取出。根据所需要的最终多晶金刚石结合体的几何结构，可 产生一个或多个模制金刚石料部件且将其放置到一个容器中以进行多晶金刚石 结合体的烧结。此外，利用该方法可将金刚石原料模制成所需的形式且将其在 烧结过程中使用之前存储较长的一端时间，这样就简化了制作工艺且使生产变 得更有效。

根据需要，可将粘合剂从喷模模制的金刚石料中除去。可利用多种不同的 方法来实现上述效果。例如，通过简单的真空或氢炉处理则可将粘合剂从金刚 石料结构中除去。在这种方法中，金刚石料结构在真空环境或在非常低的氢压 力(降低)的环境中被加热至所需的温度。随着温度的升高，粘合剂将被气化 而从金刚石料结构中除去。然后将该结构从加热炉中除去。在使用氢气时，氢 气有助于保持金刚石原料结构的金刚石晶体表面的高度清洁和化学活性。

将粘合剂从金刚石料结构中除去所用的另一种方法是利用具有不同分子重 量的两种或多种聚合体(例如聚乙烯)。在经过最初的喷模处理之后，将金刚 石原料结构放置在溶剂液中而将低分子重量的聚合物除去，只留下较高分子重 量的聚合物以保持金刚石原料结构的形状。然后将金刚石原料结构放置到一个 加热炉中以进行真空或压力非常低的氢化处理，从而除去具有较高分子重量的 聚合物。

在压力组件中组装所述结构以进行多晶金刚石结合体烧结之前可预先从金 刚石料结构中除去部分或全部粘合剂。另外，可将包括有金刚石原料结构的压 力组件放置到加热炉中以进行真空处理或压力非常低的氢化处理并除去粘合 剂。

可选择金刚石原料并进行装载以在金刚石层中产生不同类型的梯度。这些 梯度包括一个界面梯度金刚石层、一个增加的梯度金刚石层和一个连续梯度的 金刚石层。

如上所述，如果在基底附近装载一种类型或混合的金刚石原料，将金刚石 中的溶剂—催化剂除去将在金刚石层的梯度过渡区中产生一个界面梯度。

在烧结之前通过在不同的层中装载具有不同特征(金刚石微粒尺寸、金刚 石微粒的分布、金属含量等)的金刚石原料，则可产生一个增长梯度的金刚石 层。例如，选择一种基底，将其中所含的溶剂—催化剂金属占60％(重量比) 的第一种金刚石原料装载到与基底相邻的第一层中。然后，将其中所含的溶剂 —催化剂金属占40％(重量比)的第二种金刚石原料装载到与所述第一层相邻 的第二层中。可选择的情况为：可利用辅助的金刚石原料层。例如，可将其中 所含的溶剂—催化剂金属占20％(重量比)的第三种金刚石原料装载到与所述 第二层相邻的第三层中。

通过在一种方式中装载金刚石原料则可产生具有连续梯度的金刚石层，在 所述方式中，其中的特征从金刚石层中的一个深度至另一个深度会产生连续的 变化。例如，金刚石微粒尺寸会从基底附近的较大尺寸(以在金刚石中产生较 大空间间隙)变化为金刚石轴承面附近的较小尺寸，从而使部件与基底具有较 强的粘合度，但该部件却具有摩擦非常低的轴承面。

不同层的金刚石原料可具有相同或不同的金刚石微粒尺寸和分布。在不同 层中的金刚石原料中所含的溶剂—催化剂金属的重量比从约0％变化至超过约 80％。在一些实施例中，金刚石原料中不添加溶剂—催化剂金属，即从基底中 将溶剂—催化剂金属除去以进行烧结。利用多个金刚石原料层，所述层具有不 同的金刚石微粒尺寸和分布、不同重量比的溶剂—催化剂金属或二者均具有， 这样就可使制作的金刚石层在与基底的结合面处而非在负荷支承和活动活动结 合表面处具有不同的物理特征。这样就可使所制作的多晶金刚石结合体具有与 其基底牢固粘合的金刚石层，这种多晶金刚石结合体在负荷支承和活动活动结 合表面处具有良好的性能特征而得到较低摩擦的结合、抗冲击能力和耐久性。

f.金刚石原料中自由容积的减小

就如在前面所述的那样，人们希望在烧结之前将金刚石原料中的自由容积 除去。本发明人发现在生产球形凹进和凸出部件时，这是一种非常有用的处理。 但是，如果使用具有足够砧板行程的压制机来进行高压、高温烧结，该步骤则 不是必须的。金刚石原料中的自由容积最好减小，这样可使所产生的金刚石原 料具有至少约95％的理论密度，该密度最好接近97％的理论密度。

参考图8和图8A，图中显示了对金刚石进行预压紧以减小自由容积所用 的一种组件。在附图中，金刚石原料被用于制作一种凸出球形多晶金刚石部件。 该组件可被用于预压紧金刚石原料以制作其他复杂形状的多晶金刚石结合体。

所示的组件包括一个作为压力传输中介的立方体801。立方体是由焦磷酸 盐或其他适当的压力传输材料如一种合成压力介质制作的以承受来自具有砧板 的立方体压制机的压力，所述砧板同时推压所述立方体的六个表面。如果该步 骤使用皮带式压制机，则可使用柱形单元而不是立方体。

立方体801中具有柱形腔802或穿过其中的通道。柱形腔802的中心将接 收球形难熔金属容器810，在容器810中装载有受到预压紧的金刚石原料806。

容器810由两个半球形容器810a、810b组成，其中的一个半球形容器遮 挡另一个以形成微小的唇部812。该容器优选采用适当的难熔金属如铌、钽、 钼等。所述容器通常为两个半球，其中的一个稍大以接收滑入其内的另一个半 球从而完全封装金刚石原料。在稍大的容器中布置有一个扣接区或称为唇部以 使较小的容器满意地配合于其中。利用适当的密封剂如干六角形硼硅酸盐或一 种合成压力介质来密封容器的接缝。所述密封剂形成一种障碍以防止含盐的压 力介质从容器中渗出。也可利用等离子焊、激光焊接或电子束工艺对容器的接 缝进行焊接处理。

在含有金刚石原料806的容器810周围布置有具有适当形状的成对含盐拱 盖804、807。在附图所示的例子中，含盐拱盖均具有一个半球形空腔805、806 以接收容装有球形金刚石原料806的容器810。含盐拱盖、容器以及金刚石原 料组装在一起，这样含盐拱盖就封装金刚石原料。一对柱状含盐盘803、809 组装在含盐拱盖804、807的外部上。上述所有部件均安装在压力介质立方体801 的孔802中。

在适当的压力(例如约40-68Kbar)下将整个焦磷酸盐立方体组件放置 到压制机中对金刚石进行预压紧以备烧结。该步骤不需要加热。

g.准备加热器组件

为烧结已组装并装载了上述金刚石原料的多晶金刚石，则需要热量和压 力。热量是由部件在压制机中承受压力时由电能产生的。利用一种现有技术中 的加热器组件来提供所需的热量。

将容装有已装载和预压紧金刚石原料的一个难熔金属容器放置到加热器组 件中。利用拱盖封装所述容器。拱盖优选采用已被预压紧至约90-95％理论密 度的白盐(NaCl)。利用这种密度的盐来保持烧结系统的高压并保持被加工部 件结构上的稳定性。含盐拱盖可被放置到一个石墨加热器管状组件中。加热器 组件的盐和石墨部分优选在一个真空烤炉中在至少23torr的真空度下以超过100 摄氏度的温度烘烤约1小时，从而消除在加热器组件施加之前所吸收的水份。 在加热器组件构造中可用的其他材料包括固态或叶片形石墨、无定形碳、锰碳、 难熔金属和高电阻金属。

一旦将电能施加到加热器管上，加热器管将产生在高温高压操作中形成多 晶金刚石结构所需的热量。

h.进行烧结所需压力组件的制备

加热器组件一旦制备完毕，则可将其放置到压力组件中以在高温高压下的 压制器中进行烧结。可利用一种立体压制机或一种皮带压制机来实现这个目 的，压力组件的变化在一定程度上依赖于所用压制机的类型。压力组件接收来 自压制机的压力并将其传输至金刚石原料，这样，在均衡的条件下可进行金刚 石的烧结。

如果使用立体压制机，适当压力传输介质如焦磷酸盐的立方体则将容纳加 热器组件。如果在皮带压制机中进行烧结，则可使用蜂窝式压力介质。在立方 体和加热器组件之间可使用盐来作为压力传输介质。在立方体上可使用热电耦 来监控烧结过程中的温度。内部布置有加热器组件的立方体被认为是压力组件 且被放置到一个压制机中进行烧结。

i.将金刚石原料烧结为多晶金刚石

包含有难熔金属的上述压力组件具有被装载和预压紧的金刚石原料且被放 置到适当的压制机中。在本发明的情况下优选采用的压制机类型为立方体压制 机(例如盖压制机具有六个砧座表面)以沿着六个不同方向的3条轴线将高压 传输至所述组件。另外，可利用一种皮带压制机和一个柱形容器来实现类似的 效果。参考附图8B，图中显示了一个6砧座立方体压制机820。砧座821、822、 823、824、825、826布置在一个压力组件830的周围。

为准备进行烧结，将整个压力组件放置到一个立体压制机中并最初加压至 约40-68Kbar。所用的压力依据所生产的产品并需根据经验来确定。然后向压 力组件施加电力以使温度优选达到在小于约1145或1200摄氏度至超过约1500 摄氏度的范围内。优选在两个相对的砧座表面上使用约5800瓦的电能以产生 加热器组件所需的电流，从而产生所需的热量。一旦达到所需的温度，则使压 力组件在砧座表面上承受约每平方英寸1百万磅的压力。压力组件的部件将所 述压力传输至金刚石原料，将这些条件保持约3-12分钟，但可在少于1分钟 至超过30分钟之内变化。多晶金刚石结合体的烧结在在均衡环境中进行，在 这种环境中，只允许压力传输部件体积改变而不允许产生其他的变形。烧结循 环一旦完成，则进行约90秒的冷却，然后将压力卸载。之后将多晶金刚石结 合体除去以进行定型加工。

将具有弯曲、混合或复杂形状的烧结多晶金刚石结合体从压力组件中除去 是很简单的，这是因为在本发明优选实施例中所述的金刚石和外围金属之间存 在材料性能的差别。这种结构通常称为本发明的模件释放系统。

在所述模件释放系统中结合有一个或多个下述部件的处理：

(1)在多晶金刚石结合体部件和模件之间存在的一个中间材料层阻止多 晶金刚石结合体粘合到模件表面上。

(2)一种模制材料在合成条件下不粘合到多晶金刚石结合体上。

(3)在多晶金刚石结合体合成循环的最后阶段或在结束时，在网状凹进 多晶金刚石结合体结构的情况下，模制材料产生收缩而远离多晶金刚石结合 体，或者在网状凸出多晶金刚石结合体结构的情况下，模制材料产生膨胀延伸 而远离多晶金刚石结合体。

(4)模件的形状在多晶金刚石结合体合成过程中也同时被用作为一个有 用的清除金属来源。

作为一个例子，下述内容在制作多晶金刚石结合体中通过使用所需的凹形 结构而利用一个模件释放系统来生产半球形杯件或座圈。模件表面收缩而远离 最终的网状凹形结构，模件表面用作为多晶金刚石结合体合成过程中所用的溶 剂—催化剂金属来源，模件表面与多晶金刚石结合体之间存在较差的粘合性 能。

在形成例如在球形轴承部件或凹窝形轴承部件中的活动结合表面所用的凹 进半球形杯件或座圈的情况下，使用了两种不同的方法。在第一种方法中，由 钴铬合金(ASTM F-799)球构成的模件被用作为基底，而在其周围布置有多 晶金刚石结合体材料层，该基底被容装在一个外部容器中。由一种材料如云母 或受压的六角形氮化硼(HBN)构成的分离器布置在模制球的半球处以在合成 过程结束时将两个凹进的半球形多晶金刚石结合体部件分开。在多晶金刚石结 合体合成的过程中，钴铬合金球的尺寸由于该工艺过程内在温度的升高而增 大。也可向多晶金刚石结合体合成工艺过程供应溶剂—催化剂清除金属。

在模制球周围形成多晶金刚石结合体壳之后，由于模制球在冷却和压力减 小的情况下产生收缩而与两个半球形多晶金刚石结合体杯件或座圈相分离。 CoCr的收缩力将超过金刚石与CoCr的联结强度，从而可进行清洁的分离且产 生与分离的球形CoCr球相邻的多晶金刚石杯件或座圈。

作为一种选择，在多晶金刚石结合体部件和模件表面可使用一个中间材料 层。这种中间材料应为这样一种材料，即可收缩而远离最终的网状凹进多晶金 刚石结合体结构以实现模件与多晶金刚石结合体的分离。

在形成半球形杯件或座圈中所用的第二种模件释放方法与第一种方法相 似。但是，在第二种方法中，模件为经渗碳处理的碳化钴钨合金球且涂覆有一 个六角形氮化硼薄层。在多晶金刚石结合体的合成过程中，碳化钨球的尺寸由 于该过程内在温度的升高而增大。在模制球的周围形成多晶金刚石结合体壳之 后，模制球由于冷却收缩而与所述两个半球形多晶金刚石结合体杯件或座圈相 分离。六角形氮化硼阻止多晶金刚石结合体层和碳化钨球之间的粘合，从而实 现清洁的分离。

j.将溶剂—催化剂金属从PCD中除去

如果需要，可将烧结的多晶金刚石胞间隙中存留的溶剂—催化剂金属除 掉。将溶剂—催化剂金属除去是通过现有技术中已知的化学滤取方式来实现 的。在将溶剂—催化剂金属从金刚石层中的胞间隙中除去之后，金刚石层在高 温下将具有更高的稳定性。这是由于没有催化剂与金刚石产生反应而造成损 坏。如果溶剂—催化剂材料不是具有生物适应性的，则希望将金刚石胞间隙中 的溶剂—催化剂除去。

在将溶剂—催化剂金属从金刚石层中滤取掉之后，可换为另一种金属、或 金属复合物以形成热稳定性金刚石，这种金刚石比经滤取的多晶金刚石更坚 固。如果需要通过如惰性焊接方式将合成金刚石或多晶金刚石结合体焊接到基 底上或其他表面上，则需要利用热稳定性金刚石，这是由于这种金刚石可抵抗 由焊接过程所产生的热量。

3.精加工方法及其所用装置

一旦将多晶金刚石结合体烧结完毕，则优选采用一种机械精加工工艺来制 备最终产品。下面将以定型多晶金刚石结合体的形式来解释所优选的精加工步 骤，但所述精加工步骤也可被用于定型其他任何轴承面或其他任何类型的部 件。

在本发明之前，合成金刚石工业所面临的问题是精加工平坦表面及加工出 较薄的金刚石结合体边缘。在现有技术中仍未研究出将大量金刚石从球形表面 上除去的方法或将那些表面加工成高精度的球形、高精度尺寸及表面定型所用 的方法。

a.超硬柱形和平坦结构的精加工

为在弯曲和球形超硬表面所用的大部分优选精加工技术中提供更好的前 景，下面将对其他精加工技术进行描述。

(1)抛光

利用铸铁或铜旋转盘上的金刚石微粒湿浆将较大平面(例如直径达到约 70mm)上的材料除去。可对尺寸大小在约3mm至约70mm范围内的圆柱涂覆 端进行抛光处理以产生平坦表面。抛光处理通常较慢且深度及层面的厚度尺寸 不易控制，虽然可将平整度和表面精度保持得非常接近公差。

(2)研磨

充满金刚石的研磨轮可被用于定形柱形表面和平坦表面。根据所需除去材 料的类型不同(例如，柱形无中心研磨或边缘研磨)则研磨轮通常可用以不同 的形状粘合的树脂。多晶金刚石结合体是很难研磨的，较大的多晶金刚石结合 体表面几乎不可能被研磨。因此，人们希望所需进行的研磨最少，研磨通常被 限定在较窄的边缘处或周界处，或使尺寸确定的端部涂覆PDC的柱件变得尖 锐或加工工具插入件。

(3)电火花放电研磨(EDG)

在较大直径(例如达到约70mm)平坦表面上进行电火花放电研磨可对多 晶金刚石结合体进行粗加工。这种技术通常涉及使带有正电流的旋转碳轮在带 有负电动势的多晶金刚石结合体平坦表面上进行运转。对EDG加工的自动控 制是通过对一些变量如火花频率、电压等进行控制来保持多晶金刚石结合体材 料的适当电蚀。与抛光或研磨相比，对于除去大量的金刚石来说，EDG通常 是一种更有效的方法。在EDG进行完毕之后，必须对所述表面进行抛光或整 平处理以除去由EDG处理所遗留下的受热区域或再铸层。

(4)金属丝电加工(WEDM)

WEDM被用于从较大的柱形或平坦件上切割具有不同形状和尺寸的超硬 部件。典型地，在PDC精加工中，最常使用WEDM的是加工工具所用的切削 端和插入件及油井钻头所用的再定型切割器。

(5)磨光

将超硬表面磨光至非常高的公差可通过含有金刚石的高速磨光机来实现。 高速和高摩擦温度的组合可通过这种方式来加工出一个PDC表面，同时保持 高度的平整性，从而产生镜子般的外观且具有精密的尺寸精度。

b.对一个球形的几何结构进行精加工

与精加工一个平坦表面或一个柱形缘边缘相比，精加工一个球形的表面(凹 球形或凸球形)会带来更大的问题。被加工的球的整个表面积是具有类似半径 的柱件的圆端整个表面积的4倍，这样就需要除去4倍量的多晶金刚石结合体 材料。球形表面的性质使得传统处理技术如抛光、研磨及其他技术变得不可使 用，这是因为这些处理技术适用于加工平坦及柱形表面。一个圆球上的接触点 应是与球体的边缘相切的接触点，这样在单位时间内只能将少量的材料除去， 从而需要适当增大所需的加工时间。另外，与加工其他形状物体相比，加工球 形物体所需的处理设备的设计和类型及其工具必须更精密以更接近公差。球形 加工设备还需要更大的调节度以将工件和工具入口、出口定位。

下面将执行的步骤用于加工一个球形、圆形或弓形表面。

(1)粗加工

优选利用一种特制的放电加工装置粗加工出最初的表面尺寸。参考图9， 图中显示了对多晶金刚石结合体球903进行粗加工。转子902围绕其纵轴线(图 中所示的Z轴线)进行连续转动。将被粗加工的球903附加在转子902的轴上。 电极901所具有的一个接触端901A被定形以容纳将被粗加工的部件。在这种 情况下，接触端901A具有部分为球形的形状。电极901围绕其纵轴线(图中 所示的Y轴)连续转动。电极901的纵轴线相对于转子902的纵轴线Z的定 位角度β被调整以根据需要而使电极901从球件903的整个球形表面上除去材 料。

因此，电极901和球件903围绕不同的轴线进行转动。轴线的调节可被用 于实现将被粗加工的部件进行接近完美的球形运动。这样，该过程则可产生一 个几乎完美的球形部件。该方法可产生具有高精度球形且非常接近公差的多晶 金刚石结合体球形表面。通过对被引入电蚀工艺的电流大小进行控制，则可减 小热影响区的深度和大小。在对多晶金刚石结合体进行加工的情况下，热影响 区的深度可保持在约3-5微米，且可通过具有金刚石的研磨和抛光轮容易地 将其除去。

参考图10，图中显示了一个凸出的球形多晶金刚石结合体1003如一个伞 状杯件或座圈的粗加工。所布置的转子1002围绕其纵轴线(图中所示Z轴) 进行连续转动。将被粗加工的部件1003附加在转子1002的一根轴上。具有接 触端1001A的一个电极1001的形状确定以容纳将被粗加工的部件。电极1001 围绕其纵轴线(图中所示Y轴)进行连续旋转。相对于转子1002的纵轴线Z 而以角度β定位的电极1001的纵轴线Y的角度定位被调整以根据需要而使电 极1001从杯件或座圈1003的整个球形表面上除去材料。

在本发明的一些实施例中，可连续使用多个放电电极来加工一个部件。可 以组装线的形式而使用放电设备的电池来执行上述步骤。

(2)加工研磨和抛光处理

一旦通过上述方式或通过其他方法将球形表面(凹进形或凸出形)粗加工 出来，则可对部件进行精研磨和抛光处理。研磨是将在电极加工后剩余的多晶 金刚石结合体材料中的受热区除去。利用与图9和图10所示结构相同的旋转 结构可保持部件的球形形状，同时提高其表面加工特征。

参考图11，从图中可看到转子1101利用一根轴来保持将被加工的部件 1103，在这种情况下将被加工的部件1103为一个凸出球。转子1101围绕其纵 轴线(图中所示的Z轴线)进行连续转动。所布置的研磨或抛光轮1102围绕 其纵轴线(图中所示的X轴)连续转动。运动部件1103与运动的研磨或抛光 轮1102相接触。转子1101相对于研磨或抛光轮1102的定位角β可被调整且 摆动以影响部件(球件或凹窝件)整个表面的研磨或抛光且保持其球形。

参考图12，从图中可看到转子1102利用一根轴来保持将被加工的部件 1203，在这种情况下将被加工的部件1203为一个凸出杯件或座圈。转子1201 围绕其纵轴线(图中所示的Z轴线)进行连续转动。所布置的研磨或抛光轮1202 围绕其纵轴线(图中所示的X轴)连续转动。运动部件1203与运动的研磨或 抛光轮1202相接触。如果需要，转子1201相对于研磨或抛光轮1202的定位 角β可被调整且摆动以影响部件整个表面球形部分的研磨或抛光。

在本发明的优选实施例中，进行研磨所利用的粒子尺寸根据标准ANSI B74.16-1971而在100-150范围内变化，进行研磨所利用的粒子尺寸可在240 -1500范围内变化，虽然粒子尺寸可根据使用者的偏好来选择。进行研磨所用 的轮速应由使用者根据粒子大小及将被研磨的材料来调整以实现所需的材料去 除速率。可利用小量的试验来确定进行研磨所需的适当轮速。

就如在本发明中所需的那样，可利用金刚石研磨中空格栅来抛光金刚石或 超硬轴承面。金刚石研磨中空格栅包括具有金刚石阵列的中空管，在所述阵列 中可发现金属、陶瓷和树脂(聚合物)。

如果一个金刚石表面被抛光，然后优选将抛光所用的轮速调整以使温度升 高或使热量在金刚石表面上积聚。这种热量积聚将使磨光的金刚石晶体产生非 常平滑如镜子般的低摩擦表面。在金刚石的抛光过程中，将材料实际除去不象 通过金刚石微粒相互摩擦进行高温研磨作用而将所述表面中的亚微米微粒除去 那样重要。进行研磨通常需要最小每分钟6000英尺的表面速度并结合非常高 的压力。表面速度在每分钟4000英尺-10000英尺的范围内被认为是最需要的 范围。根据施加到将被抛光的金刚石的压力，则可在从约每分钟500线性英尺 -20000线性英尺的范围内进行抛光处理。

须对工件施加压力以提高将被抛光的部件的温度并从而得到最需要的镜子 般的抛光，但所述温度不能被增大至使树脂粘合衰退的温度点，否则树脂将堆 积在金刚石上，所述树脂用于将金刚石抛光轮阵列保持在一起。过多的热量也 会对金刚石表面产生不必要的损坏。

在被抛光的金刚石表面上保持稳定的冷却剂流(如水)、保持适当的轮速 如每分钟6000线性英尺、并对金刚石施加足够的压力而使热量积聚但不能损 坏所述轮或损坏金刚石、对抛光处理进行计时，上述这些步骤均是很重要的， 且均需根据所用的特定设备和被抛光的特定部件来确定和调整。通常情况下被 抛光金刚石的表面温度不允许超过800摄氏度或超出使金刚石损坏的温度。对 金刚石表面的精加工也称为磨光通常是在摄氏650度-750度的范围内进行 的。

在抛光过程中使加工表面具有最低的摩擦系数是很重要的，这样可产生低 摩擦且具有较长耐久性的活动结合表面。优选的情况为：一旦在轴承面中形成 金刚石或其他超硬表面，然后则将该表面的Ra值抛光至0.3-0.005微米。可接 受的抛光Ra值应在0.5-0.005微米或更少的范围内。轴承部件的元件可在组装 之前单独抛光或在组装之后作为一个整体抛光。抛光多晶金刚石结合体和其他 超硬材料所用的其他方法可与本发明轴承部件的活动结合表面一起起作用，且 与本发明的目标结合得到平滑表面，优选具有的Ra值在0.01-0.005微米的平 滑表面。

参考附图13，多晶金刚石结合体轴承1302由无心磨压成球形形式和尺寸。 轴承1302放置在支撑轨1305上且通过橡胶复合调节轮1304与旋转的金刚石 磨压轮1303相接触。磨压轮1303和调节轮1304的转动使轴承1302相对于磨 压轮1303的表面进行转动。调节轮1304由于其具有较软的塑性表面而具有较 大的摩擦部分，该调节轮1304使球件1302以较高的速度进行转动并将球件1302 以非常大的压力压靠在金刚石磨压轮1303上，从而可通过磨蚀而将材料从球 件1302的表面上除去。金刚石磨压轮1303和球件1302之间较小的切点使球 件1302上的较高位置点等待磨压，当球件1302沿着轨道1305前后移动时， 则对球件1302表面上的交叉路径进行滚压。调整轮1304朝着金刚石磨压轮1303 的进给速度决定了金刚石球件1302表面上的滚压路径的宽度。较高的进给速 度如每分钟0.001英寸的进给速度比较低的进给速度如每分钟0.0001英寸的较 低进给速度产生的路径要宽。因此，粗加工速度可在0.0001-0.0040英寸/分钟 之间变化，而精加工速度在0.00003-0.0005英寸/分钟之间变化，或按照由使用 者所选择的速度。可利用螺旋槽对调整轮1304和金刚石磨压轮1303进行调节 以易于球件1302沿着轨道1305进行水平运动和转动。熟悉无中心磨压领域的 那些人员会认识到可利用不同的方法、设备和磨压轮类型来磨压金刚石球件。

按照上述内容，根据本发明原理所制作的结构将提供较强和耐久的低摩擦 轴承面以适用于包括轴承部件在内的多种用途。

结合多个具体的实施例已对本发明进行了显示和描述，本领域的技术人员 应认识到：在不脱离由本申请的内容和权利要求所限定的原理的情况下可对本 发明作出变更和变化。在不脱离本发明实质和必要特征的情况下也可以其他特 殊的形式来实现本发明。在上述各个方面中所述的实施例只是显示性的而非限 定性的。因此，由本发明的附加权利要求而非上述内容来限定本发明的范围。 在权利要求含义的范围内或与权利要求等同的范围内所作的任何变化均包含在 本发明的范围内。

1、发明背景