在鉆削刀具上提供無催化劑的金剛石層的制作方法【專利說明】[0001]
技術(shù)領(lǐng)域：
和工業(yè)應(yīng)用性[0002]本公開內(nèi)容涉及提供不含Co、W或其它金屬的燒結(jié)的多晶金剛石(PCD)。可以使所述PCD完全不含金屬或在從幾微米到數(shù)百微米范圍內(nèi)厚度的頂層上不含金屬。此外，在不使用酸的情況下制造所述無催化劑的層，所述酸常常是危險的且使用成本高。[0003]在用于制造P⑶本身的高壓和高溫(HPHT)燒結(jié)工藝期間可以產(chǎn)生這種無催化劑的層。本發(fā)明的益處包括提供如下的PCD，所述PCD是熱穩(wěn)定的，具有改進的耐磨性，且與用于提供無催化劑的PCD的現(xiàn)有方法相比，可以更廉價且更安全地制造。[0004]通過在金屬催化劑(例如鈷，Co)存在下，在高壓和高溫(HPHT)下燒結(jié)金剛石粒子形成P⑶。典型的HPHT條件包括等于或大于約45千巴的壓力和等于或大于約1400°C的溫度。源自所述金剛石粒子的碳被所述金屬催化劑分離并然后從所述金屬催化劑再沉淀為金剛石。所述金屬催化劑的存在有助于形成粒子間金剛石的生長，其將所述金剛石粒子結(jié)合在一起成為燒結(jié)的壓坯。然而，所述金屬催化劑在所述HPHT燒結(jié)工藝之后保留在所述PCD壓坯中，且當(dāng)將所述壓坯用于切削和機械加工應(yīng)用時，所述金屬催化劑的存在對PCD的性能是有害的。特別地，當(dāng)用于預(yù)期應(yīng)用時，所述PCD壓坯中金屬催化劑的存在可能對所述P⑶具有有害的影響。[0005]這是因為在巖石或金屬切削加工期間產(chǎn)生的摩擦熱促進金剛石向石墨的反向轉(zhuǎn)化，由此造成過早磨損。此外，由于金剛石與金屬之間的熱膨脹系數(shù)(CTE)不同，所以隨著所述壓坯被加熱，金屬將更加膨脹，并由此在所述金剛石壓坯中誘發(fā)微裂紋并導(dǎo)致過早失效。認為從所述燒結(jié)的PCD中去除金屬對于緩解這些問題是有效的。[0006]提供無催化劑的PCD的其它方式是在升高的壓力下進行燒結(jié)，如Sumiya中所述的。(Sumiya，H.等人，在靜態(tài)高壓下由石墨直接合成的多晶金剛石的微結(jié)構(gòu)特征(Microstructurefeaturesofpolycrystallinediamondsynthesizeddirectlyfromgraphiteunderstatichighpressure).材料科學(xué)雜志(JournalofMaterialsScience)，2004年，39卷，445-450頁)。然而，燒結(jié)條件如此苛刻(>15GPa，>2300°C)以至于該方法對于工業(yè)規(guī)模生產(chǎn)在經(jīng)濟上不可行。又一種方式是通過化學(xué)氣相沉積(CVD)合成金剛石。然而，金剛石的形成速率，即沉積速率，在0.1μm/小時的數(shù)量級上，使得該技術(shù)對于工業(yè)規(guī)模生產(chǎn)在經(jīng)濟上不可行。[0007]因此，如可以看出的，需要一種熱穩(wěn)定、無催化劑、耐磨損且強的PCD，其可以在不使用酸浸提的條件下經(jīng)濟地進行制造。[0008]發(fā)明概述[0009]在一個示例性實施方案中，工具用切削元件可以包含:基材；結(jié)合到所述基材的多晶金剛石臺(table);和附連到所述多晶金剛石臺的基本上不含催化材料的金剛石塊體(volume)，其中所述多晶金剛石臺夾在所述基材與所述基本上不含催化材料的金剛石塊體之間。[0010]在另一個示例性實施方案中，制造切削元件的方法可以包括如下步驟:將金剛石塊體安置在基材與石墨烯之間；和將所述石墨烯燒結(jié)到所述金剛石塊體與所述基材上。在燒結(jié)過程中，石墨烯被轉(zhuǎn)化為金剛石。[0011]在再一個示例性實施方案中，制造切削元件的方法可以包括如下步驟:將金剛石塊體安置到基材上；以遠離所述基材與金剛石塊體相鄰的方式布置小球；燒結(jié)所述小球以形成粘附至所述金剛石塊體并固定到所述基材的層。[0012]要理解，上述一般說明和下列詳細說明兩者都是示例性的和說明性的，且旨在對請求保護的發(fā)明提供進一步說明。[0013]附圖簡述[0014]圖1描繪了根據(jù)示例性實施方案的多晶金剛石刀具(roc)的透視圖；[0015]圖2是根據(jù)示例性實施方案的經(jīng)機械加工的PDC刀具的示意性橫截面圖；[0016]圖3是根據(jù)示例性實施方案的石墨烯小球、金剛石粉末和碳化鎢基材在鉭杯中的布置的橫截面圖；[0017]圖4是根據(jù)示例性實施方案的制造切削元件的方法；[0018]圖5是根據(jù)另一個示例性實施方案的在碳化鎢基材上的石墨烯小球和經(jīng)燒結(jié)的金剛石壓坯在鉭杯中的布置的橫截面圖；[0019]圖6是顯示在高壓高溫?zé)Y(jié)之后檢測到碳和鈷兩者的SEM圖像和相應(yīng)的EDS光譜；[0020]圖7是提供在斑(spot)I和斑2的暗區(qū)域中形成金剛石的肯定確認的拉曼光譜；[0021]圖8是顯示利用Co由石墨烯(暗區(qū)域)形成金剛石的SEM圖像，其中較亮區(qū)域表示下面的roc；[0022]圖9是圖7的放大的SEM圖像和相應(yīng)的EDS光譜，其顯示在所述暗區(qū)域中檢測到非常少的Co;和[0023]圖10是精加工的PDC的磨損體積對除去的體積或巖石的圖。與標(biāo)準刀具相比，壓制有石墨烯的刀具顯示了改進的耐磨性。[0024]發(fā)明詳述[0025]在對本方法、系統(tǒng)和材料進行說明之前，要理解，本公開內(nèi)容不限于所描述的特定方法、系統(tǒng)和材料，因為這些可以變化。還要理解，說明書中使用的術(shù)語僅是為了描述特定版本或?qū)嵤┓桨傅哪康?，不旨在限制范圍。例如，如本文中所使用的，除非上下文明確表明是另外的情況，否則單數(shù)形式“一個”、“一種”和“所述”包括復(fù)數(shù)形式。另外，如本文中所使用的詞“包含”意欲指“包括但不限于”。除非另有限定，否則本文中所使用的所有技術(shù)和科學(xué)術(shù)語都具有與本領(lǐng)域普通技術(shù)人員所通常理解的相同的含義。[0026]除非另有指示，否則說明書和權(quán)利要求書中使用的表達成分的量，性質(zhì)如尺寸、重量，反應(yīng)條件等的所有數(shù)值都應(yīng)理解為在所有情況下都由術(shù)語“約”來修飾。因此，除非表明相反情況，否則在如下說明書和所附權(quán)利要求書中提出的數(shù)值參數(shù)是近似值，其可根據(jù)本發(fā)明尋求獲得的期望性質(zhì)而變化。最起碼地，且不試圖應(yīng)用等同原則來限制權(quán)利要求書的范圍，各個數(shù)值參數(shù)應(yīng)至少根據(jù)報道的有效數(shù)字的位數(shù)并通過應(yīng)用普通的舍入技術(shù)來解釋。[0027]如本文中所使用的，術(shù)語“約”是指所使用數(shù)的數(shù)值的±10%。因此，約50%是指在45%?55%的范圍內(nèi)。當(dāng)術(shù)語“基本上不含”用于表示在空隙、空隙基質(zhì)中或多晶元件主體如多晶金剛石的塊體中的催化劑時，應(yīng)理解，如果不是全部的話，相鄰金剛石晶體的表面中的許多仍具有催化劑涂層。同樣地，當(dāng)術(shù)語“基本上不含”用于表示金剛石晶體表面上的催化劑時，仍可能有催化劑存在于相鄰的空隙中。[0028]如本文中所使用的，術(shù)語“石墨烯”是指石墨碳的形式，其中碳原子排列在2維六角形晶格中，其可以薄至I個原子層(〈lnm)。這些層也能夠作為多個堆疊片存在。所述石墨烯粒子具有非常高的長寬比，從而厚度(z軸)能夠在10nm(納米)的數(shù)量級上，而‘X’和‘I，的維度能夠在100μm(微米)的數(shù)量級上。所述材料的氧含量可以為約1.0%至約5.0%，在某些實施方案中為約1.2%至約2.0%且在某些實施方案中為約1.4%。[0029]使用第一HPHT法制造了燒結(jié)的PDC刀具，所述PDC刀具代表結(jié)合到碳化鎢-鈷基材(WC-Co)的多晶金剛石塊體。在制造之后，通過研磨和拋光將所有的PDC刀具成形至直徑為13mm且高度為8mm的圓柱形。多晶金剛石臺的厚度為約2mm。最后，在各個刀具的多晶金剛石臺的頂部邊緣上制造斜面(0.5mm,45°)。在完成成形之后，使用SiC珠通過噴砂對刀具的表面進行清潔。[0030]在HoribaLabRAMHR儀器上進行拉曼光譜法，所述儀器使用785nm和532nm激光激發(fā)，采用600光柵和ΙΟΟμπι至100ym的孔徑，。使用50X的物鏡，且采集時間為每次10秒，累計20次。[0031]采用25kV加速電壓，在4500HitachiSEM上進行掃描電子顯微法(SEM)和元素分析(EDS)。利用具有固態(tài)檢測器的OxfordXMAX完成EDS。[0032]示例性實施方案公開了工具用切削元件和制造所述切削元件的方法。在示例性實施方案中，可以將由石墨烯或富勒烯制成的小球裝載入鉭杯中。所述富勒烯可以包括例如C6tlX7tl、碳納米管?？梢韵蛟摫蟹湃虢饎偸勰┗蚪?jīng)燒結(jié)的金剛石臺和碳化鎢基材?？梢詫⒃摻M件裝載入HPHT池中并在高達75千巴和高達1600°C下壓制?；厥盏牟糠?recoveredpart)具有金剛石層，其頂部不含鈷或其他金屬催化劑。[0033]圖1顯不了根據(jù)不例性實施方案的圓柱形PDC刀具12的不意性透視圖，所述圓柱形PDC刀具12是在高壓高溫(HPHT)工藝中利用諸如鈷的催化材料制造的。PDC刀具12可以包含:基材20，其由硬性金屬、合金或復(fù)合材料如硬質(zhì)合金或鈷燒結(jié)的碳化鎢(WC-Co)制成；和多晶金剛石復(fù)合材料塊體21?？梢詫DC刀具的毛坯之后機械加工成期望的形狀和尺寸。[0034]圖2顯示了根據(jù)示例性實施方案的經(jīng)機械加工的PDC刀具12的側(cè)視圖。多晶金剛石復(fù)合材料21可以還包括結(jié)合到基材20的多晶金剛石臺34和附連到多晶金剛石臺34的基本上不含催化材料的金剛石塊體33。多晶金剛石臺34可以夾在基材20與基本上不含催化材料的金剛石塊體33之間。所述多晶金剛石臺可以富含催化劑，是因為催化劑在所述HPHT工藝之后留下，并沿界面22在基材20與金剛石塊體33之間粘附性地附連或接合到所述基材。所述催化材料可以在制造多晶金剛石臺34中作為燒結(jié)助劑存在。很經(jīng)常地，催化劑如鈷金屬或其合金可以在多晶金剛石臺34的HPHT制造中作為金剛石鍵形成助劑存在。[0035]基本上不含催化材料的多晶金剛石塊體33可以在高壓高溫下轉(zhuǎn)化自石墨烯、富勒烯。不期望束縛于任何特定理論，可能出現(xiàn)如下情況:在高壓高溫下，在石墨烯或富勒烯的碳原子上的P電子可能會吸引石墨稀上的每個其它碳原子而使得所述碳縮攏(pucker)，由此當(dāng)從石墨稀或富勒稀的Sp2碳鍵形成sp3碳鍵時形成金剛石材料。[0036]仍在圖2中，PDC刀具12可以包含工作表面23，所述工作表面23包括平坦上表面24和側(cè)表面26。PDC刀具12還可以包含在外圍邊緣處的斜面25。如同所理解的，此處所述的PDC刀具的形狀不限制當(dāng)前公開內(nèi)容的范圍，且PDC刀具可以具有多種形狀。[0037]在一個示例性實施方案中，當(dāng)前第1頁1 2