高強度金鋼石-SiC壓坯及其制造方法技術

本發明專利技術提供了具有少于約2重量%的未反應Si和少于約1重量%的石墨的碳化硅（SiC）鍵合金剛石壓坯，及其制造方法。

【技術實現步驟摘要】
【國外來華專利技術】專利技術人TomEasley
和工業適用性本公開提供了具有低水平的未反應硅和石墨的金剛石壓坯的制造工藝/方法。本公開還包括由本文中公開的新方法制造的金剛石壓坯，以及利用由所述新方法制造的金剛石壓坯的工具。
技術介紹
金剛石壓坯經常包含約85體積％以上的金鋼石晶粒，所述晶粒在它們的接觸點互相鍵合。這些壓坯(以下稱為聚晶金剛石或PCD)最經常還含有約15體積％以下的催化劑金屬，例如Co或Fe。這些金剛石壓還經常被形成為附著于WC基底的O. 5至5mm厚的層,或作為固體的獨立體。形成這些金剛石壓坯需要超過55千巴的操作壓力。 例如，美國專利5，010，043 (“’043專利”)公開了 SiC鍵合金剛石壓坯，其具有足夠高度的研磨性、硬度和機械強度以致容許將所述壓坯用于切割、機械加工、碾磨、鉆孔、磨碎以及加工硬和超硬質的材料，所述材料包括現代陶瓷例如碳化硅、碳化硼、氮化硅、賽綸陶瓷、氧化鋁、部分穩定氧化鋯和氧化鈹，金屬材料例如碳化鎢、碳化鈦、硼化鈦、以及高溫鎳和鈷基合金，以及非常硬的天然礦物質和巖石例如寶石和半寶石、石英巖、花崗巖和條帶狀鐵形成物(banded iron formations)。’ 043專利公開了其中描述的SiC鍵合金剛石壓坯包含約2重量％未反應的硅、約23%SiC和可測出量的石墨，所述石墨基本上大于零，但少于I重量％。所述SiC鍵合金剛石壓坯的余量，約72%至約76%，是金鋼石。’ 043專利的壓坯在約10至約40千巴的優選反應壓力和1400° C至1600° C的優選反應溫度下以10至30分鐘的時間產生。’ 043專利公開了可以使用高達1800° C的溫度約3-5分鐘來產生更完全的從Si到SiC的反應，但是在這種溫度下，傾向于形成超過期望量的石墨。專利技術概要本公開描述了具有少于約I重量％殘留石墨和少于約2重量％未反應Si的SiC鍵合金剛石壓坯，以及制備所述金剛石壓坯的方法。在具體實施方式中，本公開提供了制備碳化硅(“SiC”)鍵合金剛石壓坯的方法，所述方法包括燒結混合物，所述混合物包含金鋼石、硅(Si)、和任選選自Si3N4、AIN、hBN及其組合的至少一種組分，其中所述燒結發生在約10至約80千巴的壓力下、約1600° C至約1800° C的溫度下；以及其中所述燒結實行至少約10分鐘。在具體的實施方式中，所述混合物在燒結期間與固體或粉末Si的團塊接觸。在某些實施方式中，所述混合物和/或固體團塊還可以包括選自Ti、Hf、Nb、Zr、Ta、W、Mo、V、U、Th、Sc、Be、Re、Rh、Ru、Ir、Os、P t 及其組合的元素。在一種實施方式中，所述方法的溫度大約為1690° C。在另一種實施方式中，Si的d95小于約30微米。本公開進一步提供了由本文中描述的方法制備的SiC鍵合金剛石壓坯，其中所述SiC鍵合金剛石壓坯的未反應Si的含量少于約2重量％并且石墨的含量少于約I重量％。在一些實施方式中，所述壓坯的強度為至少約700MPa。在一些實施方式中，所述SiC鍵合金剛石壓還的未反應Si的含量少于約1.5重量％。在其他實施方式中，未反應Si的含量少于約I重量％。再在其他的實施方式中，所述SiC鍵合金剛石壓坯的石墨含量少于約O. I重量％。在某些實施方式中，所述金剛石壓坯在約1690° C的溫度下形成。本專利技術還提供了碳化硅(“SiC”)鍵合金剛石壓坯的制備方法。這種方法包括燒結混合物，所述混合物包含金鋼石、硅(Si)、和任選選自Si3N4、AIN、hBN及其組合的至少一種組分，其中所述燒結發生在約10至約80千巴的壓力下、約1400° C至約1600° C的溫度下；以及其中Si的d95小于約30 μ m。在一些實施方式中，所述混合物在燒結期間與固體或粉末Si的團塊接觸。在一些實施方式中，所述混合物和/或Si團塊還包含選自Ti、Hf、Nb、Zr、Ta、W、Mo、V、U、Th、Sc、Be、Re、Rh、Ru、Ir、Os、Pt及其組合的元素。在一些實施方式中，Si的d95小于約10 μ m。在其他實施方式中，Si的d95為大約7. 5μπι。在一些實施方式中，燒結法的溫度是約1600° C。本公開進一步提供了由本文中公開的方法制備的SiC鍵合金剛石壓坯，其中所述SiC鍵合金剛石壓坯的未反應Si的含量少于約2重量％并且石墨的含量少于約I重量％。在一些實施方式中，所述壓坯的強度為至少約700MPa。在一些實施方式中，未反應Si的含量少于約I. 5重量％。在其他實施方式中，未反應Si的含量少于約I重量％。在一些實施方式中，石墨的含量少于約O. I重量％。在一些實施方式中，強度為至少約800MPa。本公開還提供了包含約60至約90重量％的金鋼石、約10至40重量％的SiC、少于約2重量％的未反應Si和少于約I重量％的石墨的SiC鍵合金剛石壓還。在一些實施方式中，金鋼石占所述壓坯的約81至約82重量％ ；SiC占所述壓坯的約17至約18重量％ ;以及未反應Si占所述壓還的少于約I. I重量％。在一些實施方式中，未反應Si占所述SiC鍵合金剛石壓還的少于約O. 9重量％。在一些實施方式中，石墨少于約O. I重量％。附圖簡述前述的概要，以及下面實施方式的詳細說明，在結合附圖閱讀時將得到更好的理解。為了說明的目的，在圖中顯示了各種實施方式。然而，應該理解，所描繪的實施方式不限于所顯示的精確排列和工具。圖I描繪了功率和測量溫度相關性的校正曲線。圖2描繪了溫度對密度、時間的等值線圖。圖3描繪了 Si重量％對溫度、時間的等值線圖。圖4描繪了對于給定的Si與金鋼石的混合物而言，燒結溫度與SiC金剛石壓坯中未反應Si (重量％)之間的關系。圖5描繪了由本文描述的方法制備的產品的強度與所述產品中未反應Si的重量％之間的關系。圖6是顯示SiC金剛石壓坯強度與用來生產所述壓坯的硅粉的粒度之間的關系的圖。圖7是根據本文描述的方法使用d95為31微米的硅粉制備的金剛石壓坯的光學顯微照片。圖8是根據本文描述的方法使用d95為7. 6微米的硅粉制備的金剛石壓坯的光學顯微照片。具體實施例方式制備SiC鍵合金剛石壓坯的現有方法需要在反應時間大于約5分鐘的情況下反應溫度低于約1600° C，或者在反應溫度超過約1600° C的情況下反應時間低于約5分鐘。這些周期時間與溫度的必要性受到要將起始材料中金鋼石材料的石墨化減到最小以及確 保更完全地利用Si這樣的優先選擇的支配。本公開提供了利用尚未被報導的周期時間、溫度和Si晶粒尺寸來最小化SiC鍵合金剛石壓坯中硅含量和石墨含量二者的方法。具體地說，本公開提供了殘留石墨少于約I重量％和未反應Si少于約2重量％的SiC鍵合金剛石壓坯的制備方法。在具體的實施方式中，SiC金剛石壓坯包含少于約O. I重量％的石墨并且具有少于約I重量％的Si含量。所述方法包括高壓/高溫(“HP/HT”)燒結由金鋼石、Si粉和任選的選自Si3N4、AIN、和六方氮化硼(以下稱為“hBN”)的一種或多種添加劑組成的混合物，其中任選所述混合物在燒結之前已經與Si團塊接觸。Si團塊可以是固體或粉末。燒結在高壓盒中實行。一般而言，包含Si、金鋼石和任選的添加劑的粉末混合物(“所述混合物”)，可以包含約60重量％至約97重量％的本文檔來自技高網...

【技術保護點】

【技術特征摘要】
【國外來華專利技術】...

【專利技術屬性】
技術研發人員：托馬斯·查爾斯·伊斯黎，
申請(專利權)人：戴蒙得創新股份有限公司，
類型：
國別省市：