技术领域
[0001] 本
发明总体涉及超硬结构体、包括超硬结构体的工具元件及其制造方法。
背景技术
[0002]
多晶金刚石（PCD）材料和多晶
立方氮化硼（PCBN）材料是超硬材料的示例。PCBN材料包括嵌在基体中的立方氮化硼（cBN）材料的晶粒，所述基体可以包括金属和或陶瓷材料。PCD材料包括金刚石晶粒，其大多数彼此直接结合。超硬构造可以包括PCD或PCBN结构体，所述PCD或PCBN结构体与各
烧结碳化物基材一体地形成。一些超硬构造在被处理以形成工具的元件时可能易于变得二维扭曲。
[0003] 美国
专利号6517902公开了一种
热处理形式，其用于预形成具有结合至具有钴
粘合剂的烧结碳化钨基材的多晶金刚石的表面台的元件。该基材包括具有至少30体积％的密排六方
晶体结构的钴粘合剂的界面区。
发明内容
[0004] 提供了一种用于制造处理过的超硬结构体的方法，所述方法包括：提供超硬结构体，所述超硬结构体包括选自多晶立方氮化硼（PCBN）材料或者多晶金刚石（PCD）材料的超硬材料；使所述超硬结构体在大于700摄氏度的处理
温度下在超硬材料热
力学不稳定的处理压力下（例如在该压力下其为亚稳的）经受热处理持续至少约5分钟的处理时段（时间），以制造所述处理过的超硬结构体。
[0005] 本公开还设想了所述方法的不同组合和变体，其中以下是非限制性的和非穷尽性的示例。
[0006] 在示例性方法中，超硬结构体可以在升高的压力、在环境压力或在低压或基本
真空下进行热处理。处理压力可以是至多约2GPa或至多约1GPa，或者处理压力可以是至多环境压力（
大气压），或压力可以是低于大气压（例如，基本上真空）。
[0007] 所述方法可包括在超硬材料
热力学稳定的超高压力和高温度下烧结超硬材料的多个晶粒以提供超硬结构体，其中超硬材料的晶粒选自包括金刚石或cBN材料的晶粒。
[0008] 所述方法可以包括：提供基材，所述基材包括烧结碳化物材料，组合含有选自金刚石或cBN的材料的多个超硬晶粒，以形成超硬晶粒的聚集物；将超硬晶粒的聚集物设置在基材表面的邻近处以提供预烧结的压
块；使所述预烧结压块经受超硬结构体的材料热力学稳定的超高压力和高温度，并制造包括形成为接合到基材的超硬结构体的超硬构造。在某些
实施例中，然后可以使超硬构造经受至少约700摄氏度的温度至少约5分钟；随后切割，以制造用于工具的元件。
[0009] 所述方法可以包括在将温度保持高于约700摄氏度一段时间（例如至少约5分钟）的同时使压力从所述超高压力减小。所述方法可以包括使压力从超高压力减小到超硬材料热力学不稳定的处理压力，使温度降低至高于约700摄氏度的处理温度持续至少约5分钟的处理时期以提供处理过的超硬结构体。所述方法可以包括在将温度保持在从约700摄氏度至约1100摄氏度的范围中的同时使压力从所述超高压力减小到低于约1GPa。所述方法可包括使压力从超高压力降低到环境压力，将超硬结构体冷却至小于约700摄氏度的温度，然后在至少约700摄氏度的温度下处理超硬结构体持续处理时间段。
[0010] 在一些实施例中，超硬晶粒可以包括金刚石或cBN，超高压力可以是至少约5GPa，高温可以是至少约1200摄氏度，且压力可以降低至低于约1GPa或基本上降低至环境压力，同时将温度保持在从约700摄氏度到约1100摄氏度的范围内。压力可以迅速降低。示例性方法可以包括以最多约2摄氏度每分钟或最多约1摄氏度每分钟的平均冷却速度将超硬构造的温度降低至低于约200摄氏度的温度。示例性方法可包括将压力从超高压力降低至环境压力，并将超硬结构体冷却至小于约700摄氏度的温度，然后在至少约700摄氏度的温度下加热超硬结构体持续处理时间段。
[0011] 所述方法可以包括将结合材料引入到聚集物中，所述结合材料能够使所述超硬晶粒彼此直接结合在一起或通过起到超硬颗粒分散在其中的基体的作用而将所述超硬颗粒结合在一起。所述结合材料可以包括用于超硬材料的催化剂材料和/或能与超硬材料反应的材料。所述超高压力可以是至少约5GPa，所述高温度为至少约1200摄氏度。
[0012] 在一些实施例中，超硬结构体可以包括PCBN材料，所述PCBN材料包括cBN晶粒或基本上由cBN晶粒组成，所述cBN晶粒分散在基体中，所述基体包括包含Ti的材料和包含Al的材料，cBN晶粒的含量是PCBN结构的至少约35体积%，或者是至少约50体积%，且最多约75体积%或最多90体积%。在实施例的一个变体中，除了不可避免的少量的其他物质和杂质，基体可以由包括Ti的材料和包括Al的材料组成（即基本上由包括Ti的材料和包括Al的材料组成）。在该特定的变体中，基体可以基本上由碳化
钛和/或碳氮化钛和
铝的
硼化物和/或铝的氮化物组成。
[0013] 在一些实施例中，所述方法可包括提供包括烧结到烧结碳化物基材上的PCBN结构的构造，并在基本上是非
氧化性的气氛中将所述构造加热至约800摄氏度至900摄氏度的范围中的处理温度持续至少约30分钟。
[0014] 在一些实施例中，超硬结构体可包括热稳定的多晶金刚石（PCD）结构或基本由其组成。所述PCD结构的至少一定体积在暴露于超过约400摄氏度的温度后不显现出硬度的显著恶化。所述PCD结构包含小于约2重量％的催化活性形式的用于金刚石的催化剂金属。PCD材料中包含的金刚石晶粒之间的间隙可以基本上是空的空间。PCD材料的间隙可以至少部分地填充有陶瓷材料例如SiC或碳酸盐化合物。PCD结构可以包括其中用于金刚石的催化剂材料被耗尽的区域。
[0015] 在示例性方法的某些变体中，处理时间段可以被分成的较短的时间段，即，其可以被超硬结构体的冷却分成彼此分离的子时间段，且累积处理时间段可以为至少约5分钟、至少约15分钟或至少约30分钟。
[0016] 如任一前述
权利要求所述的方法，其中超硬结构体被接合到包括烧结碳化物材料的基材。例如，超硬结构体可以通过来自包含在基材中的烧结碳化物的粘合剂材料结合到基材。该方法可以包括提供包括在超硬构造中的超硬结构体，其中超硬结构体可以被形成为接合到包括烧结碳化物材料的基材，并将超硬构造进行处理以提供处理过的超硬构造。
[0017] 在一些实施例中，处理时间段可以是至少约15分钟，至少约30分钟或超过60分钟。处理温度可以是至少约750摄氏度，或至少约800摄氏度。
[0018] 该方法可包括以每分钟最多约100摄氏度的平均淬火速度将超硬结构体从处理温度冷却（淬火）。
[0019] 该方法可以包括进一步的处理，所述进一步的处理包括将处理过的超硬结构体或超硬构造加热至至少约700摄氏度的温度持续至少约1分钟的时间段。
[0020] 在制造处理过的超硬构造的方法的一个特定实施例中，提供了包括烧结至烧结碳化物基材上的PCBN结构的PCBN的构造，并在基本上非氧化性气氛（例如真空）中将其加热至约800摄氏度至约900摄氏度的温度范围中持续至少约30分钟。该温度可以是低于约1250摄氏度。
[0021] 在一些示例性方法中，处理过的超硬结构体可以以最多约50摄氏度每秒、最多约20摄氏度每秒或最多约10摄氏度每秒的平均淬火速度冷却至最高约200摄氏度的温度、最高约100摄氏度的温度或
环境温度。在该方法的一个变体中，超硬结构体可以以最多约10摄氏度每分钟或最多约5摄氏度每分钟的速度从处理温度冷却至低于约500摄氏度，并在一个变体中，超硬结构体可以以约2摄氏度每分钟的速度从至多约600摄氏度冷却到至多约400摄氏度。在该方法的一个变体中，可以使超硬结构体从至多约450摄氏度更迅速地冷却至环境温度。在特定的实施例中，可以使处理过的超硬结构体在空气中或在氮中冷却。
冷却速率可能会根据超硬结构体的温度而变化，可以随着温度的降低而升高。
[0022] 在一些实施例中，超硬结构体可以是大体盘形的，且具有例如至少约20mm、至少约40mm、或至少约60mm的直径或侧长度的尺度。超硬结构体和基材的组合厚度可以是至少约
1.5mm、至少约2mm，且最多约10mm或最多约7mm。超硬结构体的厚度可以为至少约0.5mm，且基材的厚度可以是至少约2mm。基材的厚度可以是最多约10mm。在其他实施例中，处理过的超硬结构体可能有盘状以外的形状，且可以是例如大致柱形或多边形。
[0023] 在一个实施例中，所述方法可以包括加工所述处理过的超硬结构体以形成用于工具的元件，且可以将所述用于工具的元件进一步加工以形成用于机床或其他切割或钻孔工具的插入件。例如，处理过的超硬结构体可以通过激光、电火花加工（EDM）或其他装置切割，以形成用于工具的元件，且可例如通过
研磨进一步加工所述用于工具的元件。热处理后切割处理过的超硬结构体很可能会导致具有改进尺寸公差（与热处理前切割超硬结构体相比）的用于工具的元件。
[0024] 该方法可以包括加工（如切割）处理过的超硬结构体，以形成用于工具的超硬元件，所述工具例如是机床或其他切割或钻孔工具。
[0025] 该方法可以包括提供包括超硬结构体的用于工具的超硬元件，将所述超硬元件在大于700摄氏度的处理温度下加热至少约1分钟的处理（时间）时间段以造处理过的超硬元件。
[0026] 在一些实施例中，超硬结构体可以被接合到烧结碳化物基材，所述烧结碳化物基材包括碳化钨（WC）颗粒和粘合剂材料，所述粘合剂材料包括钴（Co），所述WC颗粒具有至少约0.5微米的平均尺寸D，在基材中的WC颗粒的含量是至少约75重量%或至少约85重量%且最多约95重量%，在基材之中的粘合剂材料的含量是约5重量%且最大约25重量％。在一个具体的变体中，WC颗粒可具有至多约10微米的平均尺寸D。烧结碳化物材料的
热膨胀-6 -6系数可为至少约5.2×10 /K。烧结碳化物材料的
热膨胀系数可以是至多约7×10 /K。
[0027] 处理温度在一段时间内可以在从约700摄氏度到约900摄氏度的范围内。以小时为单位的处理时间段可以是至少约（0.8×D）-0.15，并且最多是（4.3×D）-1.7。烧结碳化物的粘合剂材料可以含至少约10重量％的钨（W），所述钨是
固溶体形式或包括根据式CoxWyCz的化合物的分散颗粒，其中x是从1到7的范围内的值。在一个具体的变体中，基材的磁矩（或磁
饱和度）可以为通常包括纯Co或Co和Ni的
合金的粘结材料的理论价值的至少约70％和/或至多约85％。因此，例如，当粘合剂基本上由钴组成时，基材的磁饱和度可3 3
以为至少约0.7×201.9μT.m/kg×[Co]=[Co]×141μT.m/kg;至多约0.85×201.9μT.
3 3
m/kg×[Co]=[Co]×172μT.m/kg，其中[Co]是烧结碳化物材料中的Co的重量分数。
[0028] 示例性的烧结碳化物材料可包括在从约4微米至约20微米或至约10微米的范围-1.2中的平均尺寸D的WC颗粒，并且可以具有至少约1.1×(100×[Co]) /D+3.3)的磁
矫顽力Hc（单位为kA/米），其中D的单位是微米，[Co]是烧结碳化物材料中的Co的重量分数。其它的示例性烧结碳化物材料可以包括WC颗粒，该WC颗粒具有在从约0.2微米至约4微米-1.2
的范围中的平均尺寸D和至少约1.1×(200×[Co]) /D+3.3)的磁矫顽力Hc（单位为kA/米），其中D的单位是微米，[Co]是烧结碳化物材料中的Co的重量分数。
[0029] 示例性的处理可能具有超硬结构体、超硬构造和/或由其获得的用于工具的工具元件的改进的尺寸控制的方面。
附图说明
[0030] 下面参照附图说明非限制性实施例，其中：
[0031] 图1示出了示例性超硬构造的透视图;
[0032] 图2示出了示例性独立的（free-standing）超硬结构体的透视图;
[0033] 图3示出了示例性超硬结构体的平面图，而示例性的超硬元件从其切出;和[0034] 图4示出了示例性工具插入件的透视图，其包括超硬元件。
具体实施方式
[0035] 参照图1，示例性超硬构造10可以包括超硬结构体12，所述超硬结构体12形成为接合到烧结碳化物基材14。参照图2，示例性超硬结构体12可以是独立而非接合到烧结碳化物基材。
[0036] 参照图3，处理过的超硬结构体10可以被切割，和或被以其它方式加工以制造用于工具插入件的超硬元件30。图4示出了工具插入件40，其包括超硬元件30，所述超硬元件30接合到承载体42。
[0037] 提供PCBN结构的示例性方法可以在美国专利号7867438中找到。在一些实施例中，超硬结构体可能会被形成为接合到基材，且被包括在超硬构造中，在其他实施例中，超硬结构体可以是基本上独立的，而不是接合到基材。
[0038] 希望不局限于特定的理论，对所公开的处理过的超硬构造进行热处理可能具有释放其中的残余
应力的效果，所述残余应力可能是由于超硬结构体和基材的热膨胀性质的差异而引起的。由于在超高压力和高温进行烧结后对元件冷却的双金属影响，这样的差异甚至可能导致被处理过的超硬结构体的弯曲。另一种理论可能是：对所公开的处理过的超硬构造进行热处理导致烧结碳化物基材中的显微组织的变化，如某些材料相析出非常小的晶粒（如纳米尺寸的晶粒）。如果热处理的温度基本上低于约700℃，则
热能可能不足以获得益处，如果热处理的时间段基本上小于约5分钟，则在处理过的超硬构造中产生的变化的范围或程度可能不够。如果温度过高，则超硬结构体可以基本上被降解。
[0039] 下面更详细地描述非限制性实施例，并总结于下表。
[0040]
[0041] 实施例1
[0042] 由包括将cBN晶粒和基体材料直接烧结到基材上的方法提供了包括PCBN结构的处理过的超硬构造，所述PCBN接合到烧结碳化物基材。基材为直径约为约50mm、厚度约为4.5mm的盘的形式，其包括分散在包括钴的粘合剂中的碳化钨（WC）晶粒，所述碳化钨晶粒的平均尺寸为约1微米。在基材中的WC晶粒的含量是约94重量%，6重量％的余量是基体
3 3
材料。烧结碳化物材料的磁饱和度在7.8G.cm/g至9.5G.cm/g的范围内，磁矫顽力的范围-6
是从15.1kA/m到17.5kA/m，热膨胀系数为约5.4×10 /K。
[0043] 将碳氮化钛粉末与Al粉末混合，其中碳氮化钛和Al粉末之间的重量比为90:10。粉末混合物被加热、
粉碎，并且用
有机溶剂研磨。按比例添加平均晶粒尺寸为约1微米的cBN粉末，以在混合物中获得65体积％的cBN。从测量研磨前和研磨后研磨介质的重量差异可知，研磨过的粉末中含有研磨引起的少量的碳化钨。
[0044] 研磨后，在真空下干燥浆料，并将其形成为基材上的层以形成预烧结压块。将预烧结压块组装成用于超高压力的包封体并经受约5GPa的压力和约1300摄氏度的温度持续几分钟，以形成包括一体接合至基材的PCBN材料的烧结层的构造，使之冷却至环境温度。PCBN材料包括嵌入在基体内的约65体积％的cBN，所述基体包括碳氮化钛和铝的硼化物。
[0045] 在真空条件下将PCBN构造放入炉中，在约120分钟的时间段中加热到约850℃的温度，保持该温度约60分钟。然后将温度在约350分钟的时间段中降低至约500摄氏度，然后在约5分钟内降低至约490摄氏度，最后将氮气吹入炉中，且使PCBN元件冷却至环境温度。
[0046] 实施例2
[0047] 提供如在实施例1中的PCBN构造，不同之处在于，PCBN层中的cBN晶粒的含量为约60体积％，cBN晶粒的平均尺寸为约1微米，并且在基材中的WC晶粒的含量是约87重3 3
量％，13重量％的余量为基体材料。烧结碳化物材料的磁饱和度在18.4G.cm/g到20G.cm/-6
g的范围内，磁矫顽力在9kA/m到10.5kA/m的范围中，热膨胀系数是约6.8×10 /K。
[0048] 实施例3
[0049] 提供如在实施例1中的PCBN构造，不同之处在于，PCBN层中的cBN晶粒的含量为约50体积％，cBN晶粒的平均尺寸为约1微米，且在基材中的WC晶粒的含量是约87重量％，13重量％的余量为基体材料。
[0050] 实施例4
[0051] 由包括将cBN晶粒和基体直接烧结到基材上的方法提供了包括PCBN结构的处理过的超硬构造，所述PCBN结构接合到烧结碳化物基材。基材为直径约为50mm且厚度约为4.5mm的盘的形式，其包括碳化钨（WC）晶粒，所述碳化钨晶粒分散在包括钴的粘合剂中。在基材中的WC晶粒的含量是约87重量%，约13重量％的余量是粘合剂材料。
[0052] 将碳氮化钛粉末与Al粉末混合，其中的碳氮化钛和Al粉末之间的重量比为90:10。将粉末混合物加热、粉碎、并且用
有机溶剂研磨。按比例添加平均尺寸为约1微米的CBN粉末，以在混合物中获得50体积％的CBN，进一步研磨混合物。研磨后干燥浆料并形成生坯。
[0053] 研磨后，在真空下干燥浆料，并将其形成为在基材上的层以形成预烧结压块。将预烧结压块组装成用于超高压力的包封体并经受约5GPa的压力和约1300摄氏度的温度几分钟，以形成包括一体接合至基材的PCBN材料的烧结层。PCBN材料包括嵌入在基体内的约50体积％的cBN，所述基体包括碳氮化钛和铝的硼化物。
[0054] 本文所用的某些术语的简要说明如下。
[0055] 如本文所用，“超硬”或超级硬材料的维氏硬度为至少约25GPa。合成和天然的金刚石，多晶金刚石（PCD），立方氮化硼（cBN晶体），多晶cBN（PCBN）材料是超硬材料的示例。合成金刚石（也称为人造金刚石）是已经生产的金刚石材料。PCD结构包括PCD材料或基本由PCD材料组成，PCBN结构包括PCBN材料或基本由PCBN材料组成。超硬材料的其它示例包括某些
复合材料，所述复合材料包括由包括陶瓷材料例如碳化
硅（SiC）的基体或者由烧结碳化物材料保持在一起的金刚石或cBN晶粒，所述烧结碳化物材料例如是钴结WC材料（例如，如在美国专利号5453105或6919040所说明的）。例如，某些碳化硅结合的金刚石的材料可以包括至少约30体积％的金刚石晶粒，所述金刚石晶粒分散在SiC基体（其可能含有少量的碳化硅之外的形式的Si）中。碳化硅结合的金刚石材料的示例描述在美国专利号
7008672、6709747、6179886、6447852、和
国际申请的公开号WO2009/013713中。
[0056] PCBN材料包括立方氮化硼（cBN）晶粒，所述晶粒分散在包括金属或陶瓷材料的基体中。例如，PCBN材料可包括至少约35体积％或至少约50体积％的分散在基体材料中的cBN晶粒，所述基体材料包括含Ti的化合物（例如碳化钛、氮化钛、碳氮化钛）和/或含Al的化合物（如氮化铝）和/或含有金属如Co和/或W的化合物。PCBN材料的某些变体（或“等级”）可包括至少约80体积％或甚至至少约90体积％cBN晶粒。
[0057] 多晶金刚石（PCD）材料包括大量金刚石晶粒（即多个的聚集物），其主要部分是直接彼此键合的，并且其中金刚石的含量是材料的至少约80体积％。金刚石晶粒间的间隙可以至少部分地填充有粘合剂材料，所述粘合剂材料包含用于合成金刚石的催化剂材料，或者所述间隙可以是基本上是空的。用于合成金刚石的催化剂材料能够促进合成金刚石晶粒的生长，和/或在合成或天然金刚石热力学稳定的温度和压力下促进合成或天然金刚石晶粒的直接交互生长。用于金刚石的催化剂材料的实例是Fe、Ni、Co、Mn和包括其的某些合金。包括PCD材料的超硬结构体可包括至少一个区域，从该区域催化剂材料已被从间隙中移除，在金刚石晶粒间留下间隙空白。PCD材料可通过包括提供具有适于该等级的尺寸分布的金刚石晶粒的聚集物块体（mass）的工艺制造，任选将催化剂材料或添加剂材料引入该聚集物块体中，并在用于金刚石的催化剂材料的源的存在下使该聚集物块体经受金刚石比
石墨更具热力学
稳定性且催化剂材料熔融的压力和温度。在这些条件下，熔融的催化剂材料可以从源渗透到聚集物块体中，且可能会在烧结工艺中促进金刚石晶粒之间的直接交互生长，以形成PCD结构。聚集物块体可能包括松散的金刚石晶粒或由粘合剂材料保持在一起的金刚石晶粒。不同的PCD等级可能有不同的显微组织和不同的机械性能，如弹性（或杨氏）模量E、
弹性模量、横向断裂强度（TRS）、韧性（如所谓K1C韧性）、硬度、
密度和热膨胀系数（CTE）。不同的PCD等级在使用中的性能也可不同。例如，不同的PCD等级的磨损率和耐断裂性可能不同。
[0058] 热稳定的PCD材料中的至少一部分或体积在暴露于高于约400摄氏度或甚至高于约700摄氏度的温度后并不显现出明显的结构劣化或硬度或耐磨损性的恶化。例如，含有小于约2重量％的用于金刚石的催化剂金属例如催化活性形式（如单质形式）的Co、Fe、Ni、Mn的PCD材料可以是热稳定的。基本不具有催化活性形式的催化剂材料的PCD材料是热稳定PCD的实例。PCD材料（其中间隙基本上是空的或至少部分地填充有陶瓷材料诸如SiC或盐材料诸如碳酸盐化合物）可以例如是热稳定的。所描述的热稳定PCD可以是具有至少一个显著区域的PCD结构，用于金刚石的催化剂材料已经从其中耗尽或其中催化剂材料呈较少催化活性的形式。
[0059] 如上所述，可以通过在适合的粘合剂材料或催化剂材料的存在下将多个金刚石或cBN晶粒烧结到基材（如烧结碳化物基材）上来提供PCD材料和PCBN材料。如此制造的PCD或PCBN结构可能被形成为接合到基材，成为包括在各结构形成为烧结体的工艺期间结合到基材的PCD或PCBN结构的构造的一体部分。
[0060] 烧结碳化物材料包括金属碳化物（如碳化钨（WC）或碳化钛（TiC））的颗粒，所述颗粒分散在粘合剂材料中，所述粘合剂材料包括金属诸如钴（Co）、镍（Ni）或金属合金。所述的粘合剂相可以将碳化物颗粒粘结在一起作为烧结压块。烧结碳化物材料可具有不同的组成。在一些实施例中，烧结碳化物材料可含有至少约0.1重量％至约10重量％的
钒（V）、铬（Cr）、钽（Ta）、钛（Ti）、钼（Mo）、铌（Nb）和或铪（Hf），其可能是在粘合剂材料中的固溶体形式和/或碳化物形式。纳米颗粒可被分散在粘合剂材料中，并且可以包括V、Cr、Ta、Ti、Mo、Nb、和或Hf。在一些实施例中，该烧结碳化物可以含有至少0.01重量%和至多为5重量%中的一种或多种选自Ru、Rh、Pd、Re、Os、In、和/或Pt的金属。测量磁特性可用于间接测量烧结碳化物材料的显微组织和性能的方面。磁矫顽力（或简称矫顽力或矫顽性）和磁矩（或磁饱和度）用于这些目的。
