申請號：201180067587

　　申請人：第六元素研磨劑股份有限公司

　　摘要：本發明涉及一種包括多晶超硬材料本體的超硬結構，多晶超硬材料本體包括第一區域和第二區域。第二區域與超硬結構的外露表面相鄰，并包括金剛石材料或立方氮化硼，當第二區域包括金剛石材料時，第二區域的密度大于3.4×103kg/m3。形成第一和第二區域的材料具有熱膨脹系數差，第一和第二區域設置成使得該熱膨脹系數差在與外露表面相鄰的第二區域中引起壓縮。第一區域/另外的區域具有多晶本體的最大熱膨脹系數，并通過由較低熱膨脹系數的材料形成的第二區域或一個或多個另外的區域，部分地與本體的外圍自由表面分開。這些區域包括多個多晶超硬材料晶粒。第二區域在外圍是不連續的，在外圍具有缺口，由最大熱膨脹系數的材料形成的區域的一部分，通過該缺口延伸至超硬結構的自由表面。本發明還公開了一種制造這種結構的方法。

　　獨立權利要求：1.一種超硬結構，其包括：多晶超硬材料本體，其包括：第一區域；以及第二區域，第二區域與超硬結構的外露表面相鄰，第二區域包括金剛石材料或立方氮化硼，當第二區域包括金剛石材料時，第二區域的密度大于3.4×103kg/m3；其中，形成第一和第二區域的一種或多種材料具有熱膨脹系數差，第一和第二區域設置成使得該熱膨脹系數差在與外露表面相鄰的第二區域中引起壓縮；并且其中第一區域或另外的區域具有多晶本體的最大熱膨脹系數，并通過由較低熱膨脹系數的一種或多種材料形成的第二區域或一個或多個另外的區域，部分地與多晶超硬材料本體的外圍自由表面分開，其中，這些區域包括多個多晶超硬材料晶粒；并且其中，第二區域在外圍是不連續的，在外圍具有缺口，由最大熱膨脹系數的材料形成的區域的一部分，通過該缺口延伸到超硬結構的自由表面。

　　2.根據權利要求1所述的超硬結構，其中，第一區域和第二區域具有一個或多個另外的物理特性差異。

　　3.根據權利要求2所述的超硬結構，其中，一個或多個另外的物理特性差異包括形成第一和第二區域的一種或多種材料的彈性模量差異。

　　4.根據上述權利要求中任一項所述的超硬結構，其中，多晶超硬材料本體包括多晶金剛石材料。

　　5.根據上述權利要求中任一項所述的超硬結構，還包括沿著界面結合到多晶材料本體面上的基底。

　　6.根據權利要求5所述的超硬結構，其中，基底是由碳化物材料形成的。

　　7.根據權利要求5或6所述的超硬結構，進一步包括第三區域、第四區域、第五區域和第六區域，第一至第六區域是軸對稱的，第二至第六區域與第一區域相鄰，第二至第六區域中的每個區域具有比第一區域低的熱膨脹系數；其中：a）第一區域位于第二區域和基底之間；b）第三區域與第一區域相鄰并位于基底和多晶材料本體的界面處，第三區域位于第一區域和基底之間并形成多晶材料本體的外圍自由表面的一部分；c）第四區域與第三區域相鄰并位于多晶超硬材料的外圍自由表面處；d）第五區域與第四區域和第二區域相鄰，并將第二區域與第四區域分開；e）第六區域與第一區域相鄰，并將第一區域與基底分開。

　　8.根據權利要求7所述的超硬結構，其中，第二區域、第三區域、第四區域、第五區域或第六區域中的任意一個或多個是外圍不連續的，在外圍具有一個或多個缺口，由最大熱膨脹系數的材料形成的區域的一部分，通過該缺口延伸到超硬結構的自由表面。

　　9.根據權利要求7或8所述的超硬結構，其中，第二區域至第六區域中的每一個區域是由不同熱膨脹系數的一種或多種材料制造的。

　　10.根據權利要求7或8所述的超硬結構，其中，第六區域是由超硬結構中具有最大熱膨脹系數的材料形成的。

　　11.根據權利要求10所述的超硬結構，其中，形成第一區域、第二區域、第三區域、第四區域和第五區域的材料具有不同的熱膨脹系數。

　　12.根據權利要求7所述的超硬結構，其中，第一和第六區域是由相同材料形成的，并且具有最大熱膨脹系數，形成第一區域和第六區域的材料具有大于形成第二區域、第三區域、第四區域和第五區域一種或多種材料的熱膨脹系數。

　　13.根據權利要求7所述的超硬結構，其中，第二區域、第三區域、第四區域和第五區域是由具有不同熱膨脹系數的一種或多種材料形成的。

　　14.根據權利要求5至13中任一項所述的超硬結構，其中，第一區域是由超硬結構中具有最大熱膨脹系數的材料形成的，第一區域在多晶材料本體和基底的界面處圍繞超硬結構的中心軸基本對稱地設置，并通過第二區域與超硬材料的自由表面分開，而延伸通過其中的一個或多個缺口至超硬材料的自由表面，第二區域是由超硬結構中具有最小熱膨脹系數的材料形成的。

　　15.根據權利要求14所述的超硬結構，其中，第一區域被細分成多于一個的單獨體積，所有體積通過至少一種較小熱膨脹系數的材料與超硬結構的外圍自由表面分開。

　　16.根據權利要求15所述的超硬結構，其中，一個或多個單獨體積是由超硬結構中最大熱膨脹系數的材料形成的，且是環形的。

　　17.根據上述權利要求中任一項所述的超硬結構，進一步包括位于第一區域和第二區域之間的第三體積，第三體積是由與形成第二區域的材料的熱膨脹系數不同的材料形成的。

　　18.根據權利要求17所述的超硬結構，其中，第三體積是由熱膨脹系數在形成第二區域的材料的熱膨脹系數和超硬結構中具有最大熱膨脹系數材料的區域的熱膨脹系數之間的材料形成。

　　19.根據權利要求18所述的超硬結構，其中，一個或多個由最大熱膨脹系數的材料形成的環形體積被分割，具有一個或多個不連續部分。

　　20.根據上述權利要求中任一項所述的超硬結構，進一步包括附接到外圍自由邊緣的一個或多個材料分割部分，該外圍自由邊緣由多晶材料本體鄰接和緊靠。

　　21.根據上述權利要求中任一項所述的超硬結構，其中，由最大熱膨脹系數的材料形成的區域的體積占多晶材料本體的總體積的約30%至95%。

　　22.根據上述權利要求中任一項所述的超硬結構，其中，具有最大熱膨脹系數的材料的熱膨脹系數與相鄰區域中材料的熱膨脹系數的差別至少為約0.3×10-6/℃。

　　23.根據權利要求22所述的超硬結構，其中，多晶材料本體是多晶金剛石材料，并且由具有最大熱膨脹系數的材料形成的區域是由相對于其它區域中的一種或多種多晶金剛石材料具有最大金屬含量的多晶金剛石材料形成的。

　　24.根據權利要求23所述的超硬結構，其中，在每個體積內多晶金剛石材料中的金屬含量是約10%體積比或更少。

　　25.根據權利要求23或24所述的超硬結構，其中，在區域之間的金屬含量差異是至少約1.0%體積比。

　　26.根據上述權利要求中任一項所述的超硬結構，其中，多晶材料本體包括金屬成分，金屬成分是過渡金屬合金。

　　27.根據權利要求1至25中任一項所述的超硬結構，其中，多晶材料本體包括金屬成分，金屬成分是鈷合金。

　　28.根據上述權利要求中任一項所述的超硬結構，其中，多晶材料本體包括金屬成分，其中金屬成分是熱膨脹系數小于約4×10-6/℃的合金。

　　29.根據上述權利要求中任一項所述的超硬結構，其中，多晶材料本體包括金屬成分，金屬成分包含改變多晶材料熱膨脹系數的第二相材料。

　　30.根據權利要求29所述的超硬結構，其中，第二相材料包括金屬碳化物。

　　31.根據權利要求30所述的超硬結構，其中，金屬碳化物包括碳化鎢或碳化硅。

　　32.根據權利要求29所述的超硬結構，其中，第二相包括氧化物陶瓷。

　　33.根據權利要求32所述的超硬結構，其中，氧化物陶瓷包括氧化鋁，Al2O3，氧化鋯，ZrO2中的一種或多種。

　　34.根據上述權利要求中任一項所述的超硬結構，其中，一個或多個區域由包含復合材料的金剛石形成。

　　35.根據權利要求34所述的超硬結構，其中，復合材料包括金剛石-陶瓷復合材料。

　　36.根據權利要求1所述的超硬結構，其中，多晶材料本體包括多于三個由不同熱膨脹系數的材料形成的區域，其中，所述區域之間的邊界基本平行，并且所述區域具有相同的幾何形狀。

　　37.根據上述權利要求中任一項所述的超硬結構，其中，熱膨脹系數在多晶材料本體的相鄰區域上以逐步方式改變。

　　38.根據權利要求5所述的超硬結構，其中，在多晶材料本體和基底之間的界面是非平面的。

　　39.根據權利要求5所述的超硬結構，其中，在多晶材料本體和基底之間的界面基本上是凸形的。

　　40.根據上述權利要求中任一項所述的超硬結構，其中，多晶材料本體具有倒角的外圍邊緣。

　　41.根據上述權利要求中任一項所述的超硬結構，其中，多晶材料本體自由表面的一部分或整個自由表面包括已經全部或部分去除金屬含量的層。

　　42.根據上述權利要求中任一項所述的超硬結構，其中，多晶材料本體自由表面的一部分或整個自由表面包括已經全部或部分去除金屬含量至介于50微米和500微米深度范圍的層。

　　43.根據上述權利要求中任一項所述的超硬結構，其中，該超硬結構經過550至750℃溫度范圍內的應力消除熱處理。

　　44.一種用于制造多晶超硬結構的方法，其包括：a）形成多晶材料的第一區域；b）形成與第一區域相鄰的并作為外露表面的多晶材料的第二區域，第二區域在外圍是不連續的，第二區域包括多晶金剛石或立方氮化硼；其中形成第一區域和第二區域的一種或多種材料具有一個或多個物理特性差異；c）使第一區域和第二區域經受大于4GPa的壓力和高于1200℃的溫度并持續預定時間；以及d）降低壓力和溫度至環境條件，以使所述一個或多個物理特性差異在與外露表面相鄰的第二區域中引起壓縮；其中，第一區域或另外的區域具有多晶本體的最大熱膨脹系數，并且通過由具有較低熱膨脹系數的材料形成的第二區域或一個或多個另外的區域，部分地與多晶超硬材料本體的外圍自由表面分開，并通過第二區域中的缺口延伸到超硬結構的自由表面；以及其中，這些區域包括多個多晶超硬材料晶粒。

　　45.根據權利要求44所述的方法，其中所述一個或多個物理特性差異是形成第一區域和第二區域的一種或多種材料的熱膨脹系數的差異和/或彈性模量的差異。

　　46.根據權利要求44或45所述的方法，進一步包括：在使第一區域和第二區域經受壓力和溫度的步驟之前，將第一區域、第二區域和基底放置在容器內的步驟；其中使第一區域和第二區域經受壓力和溫度的步驟包括使容納第一區域、第二區域以及基底的容器經受所述壓力和溫度。

　　47.根據權利要求46所述的方法，其中，將基底放入容器的步驟包括將由燒結金屬碳化物形成的基底放入容器內。

　　48.根據權利要求47所述的方法，其中，將基底放入容器的步驟包括將由鈷鎢硬質合金形成的基底放入容器內。

　　49.根據上述權利要求46至48中任一項所述的方法，進一步包括形成第三區域、第四區域、第五區域和第六區域的步驟，第一至第六區域是軸對稱的，第二至第六區域與第一區域相鄰，并且第二至第六區域中的每一個區域具有低于第一區域的熱膨脹系數。

　　50.根據權利要求49所述的方法，包括：a.將第一區域設置在第二區域和基底之間；b.將第三區域設置在鄰近第一區域，并位于基底和多晶材料本體之間的界面，第三區域位于并形成多晶材料本體外圍自由表面的一部分，并位于第一區域和基底之間；c.將第四區域設置在鄰近第三區域，并位于多晶超硬材料的外圍自由表面處；d.將第五區域設置在鄰近第四區域和第二區域，并將第二區域與第四區域分開；以及e.將第六區域設置在鄰近第一區域，并將第一區域與基底分開。

　　51.一種包括權利要求1至43中任一項所述的超硬結構的鉆頭或刀具或用于鉆頭或刀具的組件。

　　52.一種基本如參考在附圖中闡釋的實施例的任意一個實施方式所描述的形成超硬結構的方法。

　　53.一種基本如參考在附圖中闡釋的實施例的任意一個實施方式所描述的超硬結構。

　　54.一種基本如參考在附圖中闡釋的實施例的任意一個實施方式所描述的鉆頭或刀具或用于鉆頭或刀具的組件。