CN1073016C - 生成超硬材料多晶层的方法 - Google Patents

Abstract

用本法将多晶金刚石层(27)粘合于渗碳的金属碳化物基体(21).将包含金刚石或立方氮化硼粒子的一层浓密的高切实材料(27)置于紧邻金属碳化物基体(21)。由于在多辊法中的高切变压实金刚石粒子变圆而不再带棱角。在高温下，如950℃，除去高切变压实材料中的挥发物并分解粘合剂，在超硬材料粒子层中的碳化物基体上残留下无定形碳或石墨。然后，将基体和层的组件进行高压高温加工，这样，超硬粒子相互生成粘合于金属碳化物基体(21)上的多晶超硬层(27)。此高切变压实材料层还有一个特点是包括大小粒子的粒径分布在层中是均匀的。

Description

生成超硬材料多晶层的方法

本发明一般涉及多晶金刚石复合压实体。

更具体地说，本发明涉及制造多晶金刚石(PCD)或立方氮化硼(PCBN)复合压实体件的方法，这些压实体比在先技术讨论的压实体有很大的改进。本方法结合了高切变压实技术和高温/高压加工而生成强粘合的复合压实体。

由烧结并粘合到渗碳的碳化物基体的超硬粒子组成的复合PCD压实体，众所周知在工业上用作切削工具和钻头铣刀。大多数市场上购得的PCD和PCBN复合压实体是根据美国专利3,745,623的方法制造的，例如，用此法将相当少量的超硬粒子作为薄层(约0.5-1.3毫米)烧结在渗碳的碳化钨基体上。

一般地说，制造压实体的方法是用渗碳的碳化钨物体，其中，碳化钨粒子同钴一起经渗碳处理。将此碳化钨物体置于紧邻金刚石粒子层，并将此混合物置于加压的高温下，在此条件下金刚石是热力学稳定的。从而在渗碳的碳化钨表面产生重结晶和形成多晶金刚石层。此金刚石晶层可以包括碳化钨粒子和/或少量钴。钴促使多晶金刚石生成。如果金刚石层中没有钴，则钴会从渗碳的碳化钨基体渗入。

虽然此法对许多应用是满意的，但还是希望能提供具有更大的抗冲击性、均匀性和容易制造的压实体。而且，当在非平面表面上生成多晶金刚石层时很难找到可用的方法。

本发明提供一种生产PCD复合压实体的方法，此法使用与高温、高压技术相关的在此称作“高切变压实”的方法和技术。高压高温法是指在金刚石或立方氮化硼可热力学稳定存在的足够高的压力和温度下加工。此方法有时是指在超压压力机中进行。压力一般是65千巴或更高，温度可能超过2000℃。此方法的这部分是常用的。

某些加工和众所周知的“带铸法”是相同的。带铸最广泛用于电子工业制造陶瓷涂层、基体和多层结构。在美国专利申请08/026,890中讨论过用高压、高温金刚石带铸法在金属碳化物基体上直接将薄PCD层粘合于预制的平面或非平面表面的方法。

在该法中将陶瓷或金属陶瓷细粉同暂时的有机粘合剂混合。将此混合物混合并研磨成最有利的粘度，然后浇铸或压延成所要求厚度的板(带)。将此带干燥以除去水或有机溶剂。使用暂时的胶结剂，干燥后的带是柔韧的，并且在此状态有足够的强度，可以经受处理和切成所需要的形状以符合相应基体的几何形状。此带/基体的组件最初在真空炉中加热到温度足够高，以驱除暂时的胶结剂和/或粘合剂材料。然后，将温度升高到陶瓷或金属陶瓷可以相互熔合和/或熔合到基体上的温度，这样，得到粘合于基体上的非常均匀的连续的陶瓷或金属陶瓷涂层。

具有改进的抗冲击性或韧性、耐磨性、均匀性和容易制造的PCD或PCBN复合压实体是所希望的。

本发明提供了一种形成粘合于渗碳的金属碳化物基体上的多晶超硬层的改进方法。将包括金刚石或立方氮化硼粒子的一层浓密高切变的压实材料置于紧邻金属碳化物基体。由于高切变压实，超硬材料粒子变成圆形而不再是带棱角的。在高温下，如950℃，高切变压实材料中的挥发物被分解，在碳化物基体上的超硬材料粒子层中留下残余碳。然后，将基体和层的组件进行高压、高温处理，这样，使超硬粒子相互烧结形成多晶超硬层并粘合于金属碳化物基体上。高切变压实材料层还有个特点，就是包括有大小粒子的粒径分布在整个层中是均匀的。

图1是高切变压实材料板的横截面。

图2是用于制造示于图3的本发明具体实施方案的成分的部分截面分解图。

图3是按照本发明制造的凿岩钻头衬垫的横截面图。

图4是用于图2组件中高切变压实材料预制品的平面图。

图5是用于制造高切变压实材料的起硬材料的粒径分布图。

图6是在形成高切变压实材料板后超硬材料的粒径分布图。

图7是在制造高切变压实材料板中经过度撕捏后超硬材料的粒径分布图。

图8是在一端有多晶金刚石层的凿岩钻头衬垫的纵向截面图。

图1列举了由美国加州圣地亚哥(邮编92121)Sorrento ValleyRoad,Suite D的Ragan Technologies公司加工的高切变压实材料板20。高切变压实材料是由超硬材料粒子，如金刚石或立方氮化硼，有机粘合剂，如聚碳酸亚丙基酯，以及可能的残余溶剂，如甲乙酮(MEK)组成。高切变压实材料板用多辊法制备。例如，在多辊高切变压实法的第一次辊压产生约0.25毫米厚的板，然后将板重叠并进行第二次辊压，得到厚度约0.45毫米的板。此板或者经交叠或剪切，并堆积成多层厚度。

此压实法在带上产生高切变力，造成起硬粒子的广泛撕捏，使边角破损，但不劈开粒子并就地产生大量相对较小的粒子。此法还使粒子充分混合从而使整个高切变压实材料中大小粒子的均匀分布。破损使粒子变圆，但没有使大量粒子破碎。

另外，在辊压过程中高切变力还产生高密度板，即约2.5-2.7克/立方厘米，优选为2.6±0.05克/立方厘米的板。此密度是含80％重量的金刚石晶体和20％有机粘合剂板的特征。有时，希望在板中含有碳化钨粒子和/或钴。也有时在板中存在高比例的粘合剂和低比例的金刚石以增加“悬垂性”。板的所要求的密度可以按比例调节，以得到相当的板。

高切变压实材料的特点是高的生密度，从而在烘烤时收缩少。例如，在平面基体上所用的板的密度约为理论密度的70％。由辊压法产生的板的高密度和粒子的均匀分布常在预烧结加热工序中收缩少，并得到很均匀的粒子分布的预烧结的超硬层，这改进了高压、高温法所得到的结果。

图2说明了用于制造PCD复合制件(在此情况下是凿岩钻头的衬垫)的部件分解图。这样的衬垫含有渗碳的碳化钨体21,21可以有如通常用在凿岩钻头中的各种常规形状。为说明此法举一个适当的例子，典型的衬垫具有半球形端22的圆筒体。在本发明实践中制造的“增强衬垫”在半球形端有一层多晶金刚石。

增强的衬垫是在其内部几何形状相补于衬垫的几何形状的杯23中制成的。杯和罩24一般是由铌或其它的难熔金属制成。杯置于一临时模或具有与杯的外形相补的腔的定位装置26中。含金刚石晶体等的一或多层的高切变压实板27置于杯的半球形端。事实上，杯用作成型层的模。

每一这样的层含有预制的高切变压实材料板的型材。如图4所说明的安装在衬垫的半球形端的典型的预制件含有由周围伸向中心的一般具有4个V形凹口28的圆形盘。此凹口可使平整的预制件弯成杯的半球形形式，而不会广泛的折叠、弯曲或厚度加倍。

然后，将衬垫和具有和衬垫相同形状的切口压进杯中，在杯的末端使高切变压实材料层平整成几乎均匀的厚度。当制备轴对称的衬垫等时，这样的切口可以转动以帮助平整高切变压实材料。如果在杯中使用多层的高切变压实材料，优选一次加入一层并平整每层。稍微不同的切口形状可以用于后续层以在杯中增加材料厚度。

在材料平整后，将衬垫置于杯中(如果平整时尚不在那里)，并从模26中将杯除去。

然后，除去在高切变压实材料中的有机粘合剂，在杯中留下金刚石晶体。优选是衬垫置入杯中后除去有机材料，但是也可以在将衬垫置入杯中之前除去有机材料。

通过在真空中将组件加热到温度约1025℃，使高切变压实层(或多层)中的有机材料脱蜡。加热也可以在惰性或还原气体中进行，如氩气或氨中。当用于衬垫的超硬材料或其它物体是立方氮化硼时，后者较有利。

为从高切变压实材料中除去有机粘合剂的传统的脱蜡方法是在温度300-600℃下加热。令人吃惊地发现，在温度至少950℃下加热，由于高温加工，会得到大为增强的效果。此理由尚不完全清楚，但是据认为，增强的效果是由于残留碳使粘合剂材料热分解和脱氧的结果。

预处理含超硬粒子的高切变压实材料的温度优选为950℃或更高。已经发现，例如，对含金刚石材料，在真空中950℃下加热几小时是适宜的。在1025℃短时间加热也得到好的结果。更高的温度可用于立方氮化硼粒子，并可能要求在氨中加热CBN以维持CBN的化学计量并还原表面氧化物。也已经发现，加热速率也很重要，要求加热速率低。据认为，在高加热速率下粘合剂中的挥发物质的挥发会导致瞬间“发泡”。在脱蜡中产生的挥发物不容易从高切变压实板逃逸和引起脱层。2℃/分钟的加热速率与5℃/分钟的加热速率相比，得到的结果大有改进。

一个典型的脱蜡周期，即通过加热从板材除去粘合剂，是以加热速率2℃/分钟加热到温度500℃并将此温度维持在500℃两小时。然后恢复加热，以不高于5℃/分钟的速率加热到950℃，将温度保持在950℃下6小时，随后以2℃/分钟的速度冷却。

加热到并保持在温度约500℃相似于传统的脱蜡。需要缓慢加热，以使粘合剂中的有机物质的分解速率不快于通过超硬材料粒子层分解产物的消散速度。否则会出现脱层。

脱蜡后，将超硬材料层加热到高得多的温度，以便将在高切变压实过程中或之前形成的氧化物还原。在粒子上由有机粘合剂材料分解形成的残留碳可促进氧化物的还原。对金刚石来说，要求至少950℃的温度。立方氮化硼则要求更高的温度。氮化硼粒子上的碳也可促进脱氧。

一旦从高切变压实材料中除去有机粘合剂，将难熔金属罩24置于杯23的开口端周围和之上。罩的内侧合适地安装在环绕着杯的外侧。然后，此组件通过一模，此模将罩“型锻”使其紧密地咬和杯的外侧，有效地将渗碳的碳化物体和金刚石晶体层密封在生成的“罐”内。将这样的组件放在周围环绕以盐的石墨套管加热器中，将加热器放在一块叶蜡石或相似的材料中。这是一种传统的组件，放在高压、高温压机中以在其末端生成具有PCD层的增强的衬垫。

将含有碳化物体和金刚石粒子层的组件放在超压压机中，在此，在压力下加压，如超过35千巴和高达65千巴，在此压力下金刚石应是热力学稳定的，在维持这样的高压下，将压机中的材料短时间加热到高温，直到形成多晶金刚石。在加热周期中，包括在金刚石粒子混合物内的或由渗碳的碳化钨渗入的钴，存在于金刚石块内。为生成多晶金刚石并使颗粒生长，有碳的传质。碳在液体钴相中的溶解促进多晶金刚石的重结晶和固结。

在加压后，从完成的衬垫剥下金属罐。衬垫的圆筒外表面一般要精确地研磨加工，以适于插在凿岩钻头中。

据认为，粘合剂热分解产生的残留碳留在金刚石晶体的表面。这些可以是无定形碳、石墨或其它的低温形式，这些碳在比超压压机较低的温度和压力下是稳定的。拉曼光谱显示出石墨峰，说明有机粘合剂加热生成的碳至少部分以石墨形式存在。这种碳颗粒很细，易溶于钴相中。碳容易溶于钴相中被认为促进了多晶金刚石的重结晶和形成。在金刚石晶体中就地生成的残留碳似乎很重要，因为只是将无定形碳同金刚石晶体混合未显示出同样的结果。

用高切变压实材料达到良好的结果的另一因素涉及在高切变压实材料中金刚石晶体粒径的分布，还涉及到粒子的形状。

过去某些试图利用在有机粘合剂中的超硬材料的板材生成凿岩钻头衬垫，涉及一种制造带铸材料的不同的方法。根据此法，将有机粘合剂和要用的粒子溶于和悬浮于有机或水溶剂中。这种材料的浆液置于一平面上并经砑光得到均匀的厚度。将得到的板温和地加热，以除去大多数溶剂，得到带铸材料板。用这种方法制造的板材用于制造凿岩钻头衬垫是不满意的。

然而，根据本发明，用多辊法制造的板材在材料经过转动辊之间时，使金刚石受到相当的切变力和撕捏。板的高切变压实使金刚石晶体相互磨擦，从而稍稍降低了粒子的粒径。由有机粘合剂相提供的润滑和悬浮被认为对基本上由层的整个厚度提供的高切变力作出了贡献，有利于均匀处理金刚石晶体。

粒子之间的磨损造成破裂，这包括晶体的破裂和边角的磨耗，这使得高切变压实板由于高切变加工而排除了较大的晶体。人们发现，需要将撕捏限制于边角破损，以得到等轴的或圆的粒子，而不是破裂得到具有低表面能量的有棱角的粒子。

在用于生成多晶金刚石的板材中还需要多模式粒径分布。例如，众所周知，在粉状混合物中，存在两种或多种不同的粒径而不是一种粒径时，则具有较好的堆砌密度。用各种尺寸的球可以理解这个原理。例如，当一个容积用足球来填满，将会有一个最大密度。因为，不管如何堆积，球之间总有空隙。如果，有人在用足球填充的容积中加入大理石，将会看到，某些空隙将由这些较小的粒子占有，在容积内总的堆积密度将变大。用三模式的粒径分布比两模式的足球和大理石可得到更高的堆砌密度。

为此，希望开始生成具有粒径非均匀分布的板材。

图5表示任何给定粒径的体积的微分作为粒径函数。这是一对数-线性图，其中，粒径以对数表示。实际上，此曲线表示在给定粒径下粒子的总体积与粒径关系的斜率。

利用三种不同粒径组成最初的混合物。一部分粒子的平均粒径约12微米，另一部分平均粒径约27微米，最大部分的平均粒径约为36微米。用制造此三模式混合物的每种平均粒径范围的金刚石粉含有具有上述平均粒径粒子的混合物，实际粒径环绕平均值呈钟形分布，一般具有细粒的长“尾”。

此混合物在生成高切变压实板之前具有如图5所示的粒径分布，此材料10％体积是12.9微米，换言之，百分之十体积的金刚石粉以“直径”达12.9微米的粒子表示。

将最初的原料粉同有机粘合剂和溶剂混合，得到一均匀的分散体。除去大多数溶剂后得到干糊。金刚石粉与有机固体的比例约为80％的金刚石和20％的有机粘合剂。然后，将干物质在多辊机中撕捏，生成10密耳厚(0.25毫米)的板。然后将多层板堆积，并再次用多辊法撕捏，得到厚度30密耳(0.75毫米)的板。产生的粒径分布如图6所示。(可以指出，在比较图5和6时，两图中纵坐标是不同的。)

由图5和图6可看出，在处理后，粒径原来峰的位置基本保持不变。这说明，粒子基本上未发生破裂。另一方面，细粒子的比例有明显的增加，这说明，大粒子的边角发生破损，这样，大粒子变得更圆。显微镜检察证实了这一观察处理过的物质中的百分之十体积的粒子从12.9降到8.21微米，也说明了细粒子的明显增加。

图7为金刚石粉受到过度高切变压实后的另一粒径分布图。在此情况下，粒径原来的峰值(相似于图5的情况)大幅度消减。与图6中的单调的粒径变化相比，这种粒径分布非常参差不齐。这些数据表明，由于过度撕捏，粒子发生明显的破裂和破损。所得到的粒子带有棱角而不是圆的。这种过度高切变压实优选应避免，因为得到的多晶金刚石层是不太满意的。圆的粒子似乎在最后的PCD中会产生较少的空隙。

可以注意到，在图7中，平均粒径由于破裂而大大改变。这可以与图6比较，图6中的平均粒径在高切变压实后和在原来的混合物中一样或多或少保持不变。这样，满意的高切变压实量应使粒子变圆，而平均粒径不会发生大的变化。

满意而又不会过度的高切变压实量取决于许多变数，如原来的粒径、原来的粒径分布和金刚石与粘合剂的相对比例。当粒子磨圆而又不发生大量破裂和破损时，可得到最好的结果。因为成品板的密度随压实程度增加而增加，所以，密度可以作为所需压实程度的方便的量度。如上指出的，含80％金刚石和20％粘合剂的板的密度或比重优选约为2.6±0.05克/立方厘米。其他组成的板可以得到相同的密度。当超硬材料是立方氮化硼而不是金刚石时，相应的密度也会不同。

当烧结不同大小的金刚石形成多晶金刚石时，热力学驱动力实质上是混合物表面能的降低。通过将具有每单位体积表面能比大粒金刚石较高的小粒金刚石溶解，然后将在大粒晶体上以金刚石形式重新沉积碳时，可以达到目的。由于金刚石颗粒上的碳原子的化学位是颗粒半径的函数，所以小粒子继续溶解，并移向较大颗粒。半径越小，在颗粒上的表面碳原子的化学位越大。反之，具有平坦表面的较大颗粒，碳原子的化学位最大，因为半径是相当大的。碳原子由小粒子浓集在大晶体上，使系统的总能量降到最低。

最初生长的金刚石晶体一般具有平整的表面，结果，表面的碳原子活性最低。另一方面，当在生成高切变压实板过程中金刚石晶体受到研磨和高切变时，某些金刚石晶体由于边角磨损而使表面稍稍变圆。某些可能有平整的破裂表面。可以认为，利用有机物质的板的高切变辊压，不仅将晶体粘合成板，而且还提供了某些润滑，使得晶体不破裂，而只是边角破损，使粒子成圆形。经研磨的晶体据认为表面更活泼，比原来生长的金刚石晶体更易形成多晶金刚石。

用其他方法也可以使粒子变圆。例如，将金刚石粉稍加氧化，由于边角比平面有较高的表面能，所以易于变圆。在高温下充分加热金刚石，也可使某些金刚石石墨化。由于同样的原因，这首先会在边角出现。用这些生成同轴金刚石粒子的方法，不会生成最优堆砌密度的小粒子，事实上，如果已经存在，小粒子也会被氧化。因此，为达到高堆砌密度的多模式粒径分布，可以利用大小粒子的混合物。通过高切变压实优选由边角生成圆粒子和更小粒子，特别是由于在超硬材料层中就地生成了残留碳。

如上所述，由于有机粘合剂的分解在大部分金刚石晶体内生成残留碳也产生可容易重结晶和生成多晶金刚石的高表面能。此碳也有助于超硬材料的脱氧。

通过用化学蒸汽沉积或其他已知的成碳法用碳涂布粒子也可以引入碳以促进超硬材料的脱氧。也可以使含碳蒸汽如甲烷或乙烷同还原气体如氢或氨混合，提供可促使脱氧的碳。应该指出，当氧化金刚石晶体时，在金刚石粉中钴和碳化钨上生成的氧化物会发生脱氧。在金刚石粉中的钴和碳化钨是在制造高切变压实材料板之前由于在球磨金刚石粉过程中磨损而引入的。某些钴和碳化钨也可以在形成高切变压实材料的多辊法中由辊加入。

在此讨论的用高切变压实材料生成凿岩钻头衬垫的技术特别适用于使用过渡层的衬垫。在这样的衬垫中，如图8所示，有一渗碳的碳化钨体31，在其圆端，是一最外层的多晶金刚石32。在最外的PCD层和渗碳的碳化钨体之间是过渡层33。在这样的结构中，最外层基本上完全是多晶金刚石，还有某些来自烧结过程的残留钴。

过渡层由金刚石和碳化钨的混合物开始，在烧结后，形成多晶金刚石和分布于其中的碳化钨以及残留的钴。因为过渡层的组成介于完全是金刚石的外层和完全是碳化钨体之间，所以它具有居中的热膨胀系数和弹性模量。这些性能减少了层间的应力，使得衬垫在应用凿岩钻头中在冲击负荷下较少破碎。在所举的实施方案中衬垫有一单过渡层33。如果需要，可以使用两或多层过渡层，其组成在最外的PCD和最内的渗碳的碳化钨体之间逐渐变化。

高切变压实法特别适用于制造这样的具有一过渡层的衬垫。具有不同组成的高切变压实板如上述制得。为制造衬垫置入杯中的第一层基本上完全是在有机粘合剂中的金刚石晶体，随后放入杯中的板含金刚石晶体和碳化钨粒子的混合物。此方法基本上制得均匀厚度的层并在相邻层之间提供平滑的界面。

高切变压实板材的一个重要特征是能将板悬垂在凸形曲面基体上，与此相补的是能使板平稳地变形为凹面杯。如已提到的，使用相对大比例的粘合剂常使板更易悬垂。利用粘合剂和增塑剂的混合物以软化板也可增加悬垂性。而且，相对薄的板常更易悬垂。因此，为形成具有明显的曲面层，要求使用很好增塑的粘合剂和薄板。结果是，使用许多薄板代替一块厚板会得到很好的效果。

在平整的表面上也发现了同样的结果。这种情况下，将一系列板集成成要求厚度，结果等于或好于单层厚板。其理由尚不完全清楚。

在有机溶剂中优选使用有机粘合剂和增塑剂以制成高切变压实板。不希望用水溶性溶剂和可溶于水溶液介质中的粘合剂，特别是当高切变压实板含钴、碳化钨或立方氮化硼时。残留的氧和/或水对以后的加工是有害的。

典型的粘合剂包括聚乙烯基丁酰、聚甲基丙烯酸甲酯、聚乙烯基甲醛、聚氯乙烯碳酸酯、聚乙烯、乙基纤维素、甲基冷衫糖、石蜡、聚碳酸亚丙酯、聚甲基丙烯酸乙酯等。

可以同这些非水溶性粘合剂使用的增塑剂包括聚乙二醇、邻苯二甲酸二丁酯、邻苯二甲酸苄基丁酯、各种邻苯二甲酸酯、硬脂酸丁酯、甘油、各种烷基二醇衍生物、草酸二乙酯、石蜡、三甘醇和它们各种混合物。

可以使用的可与这些粘合剂和增塑剂相容的各种溶剂包括甲苯、甲乙酮、丙酮、三氯乙烯、乙醇、MIBK(甲基异丁基酮)、环己烷、二甲苯、氯代烃和它们的各种混合物。

一般地说，优选使用氧、水或羟基含量尽量少的粘合剂、增塑剂和溶剂，以使在随后的加工中的氧化减至最低。例如，少用乙醇，因为它含羟基并同水形成共沸物。

在用于制造辊压板的材料的混合物中也可出现少量的各种分散剂、润湿剂和均化剂。

在两次试验中发现，当与用金刚石晶体而不用高切变压实的在先技术相比时，由高切变压实板材制造的在渗碳的碳化钨基体上有一层多晶金刚石的圆盘有明显改进。

这些试验之一是所谓的花岗石块磨耗试验这包含对Barre花岗石转筒表面的机加工。在一典型试验中，花岗石以平均每分钟630表面英尺(192MPM)转速通过一半英寸(13毫米)直径的圆盘刀。切口的平均深度为0.02英寸(0.5毫米)，平均切削率为0.023立方英寸/秒(0.377立方厘米/秒)。在花岗石块磨耗试验中切削工具的后倾角为15°。测定了除去的花岗石块体积与除去的切削工具体积的磨耗比。

不使用高切变压实板材制造的标准PCD切削工具，磨耗比为略低于110⁶。而由高切变压实板材料形成的多晶金刚石层制造的相似的切削工具得到的磨耗比为约2×10⁶。换言之，新的切削工具从花岗石块切削的材料约为过去工具的两倍。

另一个用高切变压实板制造的工具与不用压实板制造的工具进行的试验为磨削冲击试验。在这试验中，在一切刀上装上一直径半英寸(13毫米)的切削圆盘，以机加工Barre花岗石块的表面。切刀绕垂直于花岗石块表面的轴转动，并沿花岗石块的长度方向移动，使在切刀转动部分形成一切口。这是一个严密的试验因为随着切刀的转动圆盘留下被切的表面，然后每一转又遇到切削表面。

在一典型试验中，切刀转速是2800转/分钟(RPM)，切削速度是11,000表面英尺/分钟(235MPM)。切刀沿切口长度移动速度是50英寸/分钟(1.27MPM)。切口深度，即垂直于移动方向的深度，是0.1英寸(2.54毫米)。切削路径，即圆盘距切刀轴的偏距，是1.5英寸(38毫米)。切刀的后倾角是10°。

所用的切刀性能的量度是切刀作废前的切口长度，过去的切刀的多晶金刚石层不用高切变压实技术制造，切刀报废平均为约150英寸(3.8米)。用高切变压实板制造的切刀作废前平均超过185英寸(4.7米)。

未料到的是，磨削冲击试验和花岗石块试验都显示出性能提高。一般的经验是，方法或性能呈不同的变化，耐磨性提高，则抗冲击性降低，或相反。意外的发现是，抗冲击和耐磨性都有提高，特别是在这些试验中发现提高非常大。

上述叙述集中于高切变压实技术用于生成多晶金刚石。此板材的高温脱蜡的残留碳改善了多晶金刚石层的性能。还发现，为制造多晶立方氮化硼层的含立方氮化硼的高切变压实板也由于高切变压实和高温脱蜡而有所改进。据认为，两个因素中的每一个对提高性能都是重要的。一个是在高切变压实的撕捏中使CBN粒子变圆。另一个是在脱蜡后在CBN粒子块中有活性残留碳的存在。众所周知，少量碳会促使多晶立方氮化硼重结晶和形成。高温脱蜡在晶体中留下这种碳，并留下高活性形式的碳。

在高切变压实过程中金刚石或CBN粒子的边角破损也可使得某些金刚石或CBN的立方晶体结构转变成石墨或氮化硼的低温六角形式。六角形相碳或氮化硼的存在据认为各促使PCD或PCBN的形成和重结晶。

除了由高切变压实板的粘合剂充分脱蜡和形成残留碳外，高温脱蜡在高温高压加压之前也起降低粉中氧含量的作用。特别是在加压CBN时，氧被认为对形成良好的多晶超硬材料是有害的。用在板中的粘合剂常包含分子氧。据认为，除去氧化物需要在真空下超过950℃的温度。对用氢或氨除去氧，或在超硬材料是CBN而不是金刚石时，高或低温都是适当的。

为形成多晶超硬材料将高切变压实材料的某些优点结合起来可形成具有比过去可行的更大和更小的晶体的这样的多晶材料。例如，过去的实践是限于形成平均粒径适当大于一微米的多晶金刚石。尚不知道有粒径小到两微米的商业产品。立方氮化硼形成粒径约8微米的多晶材料。平均粒径两微米的材料不会形成具有良好性能的多晶材料。用这样的小粒子得不到良好的性能，可能是由于大的表面积受到污染所致。

在高切变压实后，不管是否如所述的脱蜡和脱氧，具有平均粒径小至约一微米的CBN或金刚石可形成具有高硬度的多晶材料。

而且，过去的商业产品使用了平均粒径不大于90微米。大粒径多晶材料具有良好的韧性，并且是所要求的，但过去未能达到。经高切变压实、高温下脱蜡和脱氧后可以制得平均粒径大于100微米的良好多晶超硬材料。

虽然本叙述是生产高切变压实材料板，但显然也可以制成其他形状。例如，高切变压实技术可以用于预制的绳材。

在这样的技术中，用多辊法通过高切变压实可制成板。然后将板分成窄条，再将窄条在带槽辊之间成型成所要求的形状。得到的绳可以很容易地放在槽中，在高温高压加工后比填入槽中的金刚石晶体收缩少。

另外，可以将带悬垂在或以非平面放在物体上。在另一具体实施方案中，可将带卷到与可放置其的表面相补的截面形状中。

也很明显，可以用冲头和模将高切变压实板加压以制成复杂的形状，例如，在凿岩钻头的衬垫上生成PCD层。由高切变压实板形成各种形状也为用户提供使过程自动化的机会，这些过程由于使用“松散”的粉目前不能自动化。

用或不用自动化，高切变压实板材都能生成优质坚实的部件。例如，在由一层0.75毫米厚的PCD制成的一种平板压实体中，厚度的偏差约为±38微米。用高切变压实板材形成同样产品，厚度的偏差约为1/3。

由于高切变压实材料可以呈板、绳或具有各种形状的部件，这里用的“层”指的是这样的原材料或由其生产的部件，而不管层的厚度是否均匀。

尽管本发明以某些专门具体实施方案方式讨论，但对熟悉本领域的人员来说，许多附加的改进和变革是显而易见的。因此，可以理解，除非特别指出，在本发明所附的权利要求范围内，可以实现本发明。

Claims (24)

1．一种形成多晶超硬材料的方法，包括以下步骤：

混合有机粘合剂和超硬材料粒子；

用多辊法辊压混合的粘合剂和粒子以足够量破碎来自超硬材料粒子的边角的较小粒子，使超硬材料粒子变圆，并形成高切变压实材料层；

将高切变压实材料层设置在紧邻渗碳的金属碳化物基体；

加热除去有机粘合剂，由此留下超硬材料层；以及

在高压高温设备中加工超硬粒子层和金属碳化物基体，以形成粘合于渗碳的金属碳化物基体的多晶超硬层。

2．权利要求1的方法，其中混合工序包括将具有较小平均粒径的第一部分超硬材料粒子和具有较大平均粒径的第二部分超硬材料粒子同粘合剂混合。

3．权利要求1的方法，包括以下步骤：

混合有机粘合剂和超硬材料粒子；

用多辊法辊压混合的粘合剂和粒子以形成板；

将板切成窄条；以及

将窄条置于渗碳的金属碳化物基体的周围的槽中。

4．权利要求1的方法，其中高切变压实材料的密度为2.5-2.7克/厘米³。

5．权利要求1的方法，其中高切变压实材料的密度为2.55-2.65克/厘米³。

6．权利要求1的方法，其中加热步骤包括将温度加热到高于950℃除去有机粘合剂，由此留下超硬材料层。

7．权利要求6的方法，其中加热步骤包括将层加热到足够的温度以形成石墨和无定形碳。

8．权利要求1的方法，其中加热步骤将温度加热到高于1025℃以除去有机粘合剂，由此留下超硬材料层。

9．权利要求1的方法，其中加热步骤包括以每分钟2℃的加热速度加热到温度500℃，保持500℃的温度2小时，然后以每分钟不高于5℃的加热速度将温度加热到950℃以除去有机粘合剂，由此留下超硬材料层。

10．权利要求1的方法，其中加热步骤包括将温度加热到500℃，保持在500℃2小时，然后将温度加热到950℃以除去有机粘合剂，由此留下超硬材料层。

11．权利要求1的方法，包括以下步骤：

将板切成窄条；

辊压窄条以形成新的横截面形状；以及

将新的形状置于渗碳的金属碳化物的相补的槽中。

12．权利要求1的方法，其中在高切变压实材料中超硬粒子的粒径分布包含具有较小平均直径的第一部分粒子和具有相较大平均直径的第二部分粒子，较大部分粒子具有较大平均直径。

13．权利要求1的方法，其中多晶超硬层包含一种选自石墨和无定形碳的材料。

14．权利要求10的方法，其中高切变压实材料的密度约为2.55-2.65克/立方厘米。

15．权利要求1的方法，还包括在第一高切变压实材料层和金属碳化物基体之间形成含超硬粒子、金属碳化物粒子和有机粘合剂的第二高切变压实材料层，以在多晶超硬层和金属碳化物基体之间形成过渡层，此过渡层含有超硬材料和金属碳化物粒子。

16．权利要求15的方法，其中在高切变压实材料中超硬粒子的粒径分布包含具有较小平均直径的第一部分粒子和具有相较大平均直径的第二部分粒子，较大部分粒子具有较大平均直径。

17．权利要求15的方法，其中：

超硬粒子层包括该层中就地形成的少量石墨或无定形碳。

18．权利要求1的方法，包括形成具有平均粒径低于1微米的超硬粒子层。

19．权利要求1的方法，包括形成具有平均粒径大于100微米超硬粒子层。

20．权利要求19的方法，其中加热步骤包括将层加热到足够高的温度，从而由有机粘合剂生成石墨或无定形碳。

21．权利要求19的方法，其中加热步骤包括将层至少加热到温度950℃。

22．权利要求1的方法，包括生成具有多模式平均粒径分布的圆的超硬粒子混合物层。

23．权利要求1的方法，包括以下步骤：

用多辊高切变压实法辊压超硬粒子和有机粘合剂使碳分布于整层，并在高温下分解粘合剂以在层中得到残留碳。

24．权利要求1的方法，其中碳位于超硬材料的表面。

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