[发明专利]包含金属含氧酸盐的聚晶金刚石材料,含氧酸盐选自钼酸盐、钨酸盐、钒酸盐、磷酸盐及其混合物

说明书

技术领域

本公开涉及聚晶金刚石(PCD)材料和制备该材料的方法。

背景技术

用于机床和其它工具的切割插入物可以包含结合至烧结碳化物（cemented carbide）基材的聚晶金刚石(PCD)层。PCD是超硬材料（又称作超硬磨料）的一种实例，其具有显著地大于烧结碳化钨的硬度值。

包含PCD的部件被用在众多类型的用于切割、机加工、钻孔或破碎硬质或耐磨材料例如岩石、金属、陶瓷、复合材料和含有木材的材料的工具中。PCD包含形成骨架物质的大量的基本上交互生长（inter-grown）的金刚石晶粒，其在金刚石晶粒中限定了间隙。PCD材料包含至少约80体积%的金刚石并且可以通过在烧结助剂（又称作用于金刚石的催化剂物质）存在下将聚集的大量金刚石晶粒经受大于约5GPa的超高压和至少约1200℃的温度而制造。用于金刚石的催化剂物质被理解为是能够促进金刚石晶粒在金刚石比石墨更热力学稳定的压力和温度条件下直接交互生长的材料。一些用于金刚石的催化剂物质可能在环境压力下、特别是在升高的温度下促进金刚石向石墨的转化。用于金刚石的催化剂物质的实例是钴、铁、镍和包含这些中的任何的某些合金。可以在钴烧结的碳化钨基材上形成PCD，所述基材可以提供用于PCD的钴催化剂物质的来源。PCD材料内的间隙可以至少部分地用所述催化剂物质填充。

然而，这种类型的PCD材料所遇到的一个公知的问题是所述用于金刚石的催化剂物质，特别是用于金刚石的金属催化剂物质，例如Co、Ni或Fe在所述间隙中的残留存在对PCD材料在高温下的性能产生有害影响。在应用期间，所述PCD材料变热并且热降解，这大部分归因于催化金刚石石墨化和还导致PCD材料中的应力的所述金属催化剂物质的存在，该应力是由于所述金属催化剂物质和所述金刚石显微组织之间的热膨胀的巨大差别所致。

一种解决该问题的方法是典型地通过浸沥（leaching）从PCD材料中除去催化剂物质（本领域中又称作催化剂/溶剂）。

US3,745,623和US4,636,253教导了在浸沥工艺中使用经加热的酸混合物，其中分别使用HF、HCl、和HNO₃和HNO₃和HF的混合物。

US4,288,248和US4,224,380描述了通过在包含HNO₃-HF（硝酸和氢氟酸）的热介质中浸沥PCD台面而除去所述催化剂/溶剂，前述热介质单独使用或与包含HCl-HNO₃（盐酸和硝酸）的第二热介质组合使用。

US2007/0169419描述了一种通过如下方式从PCD台面浸沥出一部分或全部催化剂/溶剂的方法：保护一部分PCD台面不被浸沥并将被保护的PCD台面浸入腐蚀性溶液中以将所述催化剂/溶剂溶解在水和王水中。所述浸沥工艺通过使用超声能量而加速，该超声能量搅动在所述PCD台面和所述腐蚀性溶液之间的界面以加速所述催化剂/溶剂的溶解速率。

US4,572,722公开了一种通过在浸沥工艺之前或期间借助激光切割或火花发射在PCD台面中形成孔而得到加速的浸沥工艺。然后，通过使用常规的酸浸沥技术、电解浸沥和液体锌萃取来浸沥所述PCD台面。

解决该问题的一个替换方法是使用用于金刚石的非金属性催化剂物质，其产生更加热稳定的PCD材料。

JP2795738(B2)描述了在6-12GPa的压力和1700-2500℃的温度下烧结金刚石粉末和金属碳酸盐的混合物而产生由位于烧结金刚石层内的0.1-15vol%的非金属性粘结剂组成的烧结聚晶材料。

JP4114966描述了使用作为烧结助剂添加至金刚石粉末和碱土金属碳酸盐的碳粉末，从而改善所述非金属性体系的可烧结性。

JP2003226578也解决了差的可烧结性问题，其描述了在碳酸盐基的非金属性溶剂/催化剂体系中使用草酸二水合物作为烧结助剂。

JP2002187775描述了添加其它有机化合物以获得烧结的碳酸盐基非金属性PCD，并且类似地在JP6009271中描述了金属碳化物的添加。

发明概述

一般地，本公开涉及具有用于金刚石的非金属性催化剂物质的聚晶金刚石材料。

从第一方面来看，提供了聚晶金刚石材料，其包含表现出粒间结合的大量金刚石颗粒或晶粒和包含用于金刚石的非金属性催化剂物质的粘结剂物质,该用于金刚石的非金属性催化剂物质为金属含氧酸盐（oxoanion）,该含氧酸盐选自钼酸盐、钨酸盐、钒酸盐、磷酸盐及其混合物。