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　　申请号：201180067587

　　申请人：第六元素研磨剂股份有限公司

　　摘要：本发明涉及一种包括多晶超硬材料本体的超硬结构，多晶超硬材料本体包括第一区域和第二区域。第二区域与超硬结构的外露表面相邻，并包括金刚石材料或立方氮化硼，当第二区域包括金刚石材料时，第二区域的密度大于3.4×103kg/m3。形成第一和第二区域的材料具有热膨胀系数差，第一和第二区域设置成使得该热膨胀系数差在与外露表面相邻的第二区域中引起压缩。第一区域/另外的区域具有多晶本体的最大热膨胀系数，并通过由较低热膨胀系数的材料形成的第二区域或一个或多个另外的区域，部分地与本体的外围自由表面分开。这些区域包括多个多晶超硬材料晶粒。第二区域在外围是不连续的，在外围具有缺口，由最大热膨胀系数的材料形成的区域的一部分，通过该缺口延伸至超硬结构的自由表面。本发明还公开了一种制造这种结构的方法。

　　独立权利要求：1.一种超硬结构，其包括：多晶超硬材料本体，其包括：第一区域；以及第二区域，第二区域与超硬结构的外露表面相邻，第二区域包括金刚石材料或立方氮化硼，当第二区域包括金刚石材料时，第二区域的密度大于3.4×103kg/m3；其中，形成第一和第二区域的一种或多种材料具有热膨胀系数差，第一和第二区域设置成使得该热膨胀系数差在与外露表面相邻的第二区域中引起压缩；并且其中第一区域或另外的区域具有多晶本体的最大热膨胀系数，并通过由较低热膨胀系数的一种或多种材料形成的第二区域或一个或多个另外的区域，部分地与多晶超硬材料本体的外围自由表面分开，其中，这些区域包括多个多晶超硬材料晶粒；并且其中，第二区域在外围是不连续的，在外围具有缺口，由最大热膨胀系数的材料形成的区域的一部分，通过该缺口延伸到超硬结构的自由表面。

　　2.根据权利要求1所述的超硬结构，其中，第一区域和第二区域具有一个或多个另外的物理特性差异。

　　3.根据权利要求2所述的超硬结构，其中，一个或多个另外的物理特性差异包括形成第一和第二区域的一种或多种材料的弹性模量差异。

　　4.根据上述权利要求中任一项所述的超硬结构，其中，多晶超硬材料本体包括多晶金刚石材料。

　　5.根据上述权利要求中任一项所述的超硬结构，还包括沿着界面结合到多晶材料本体面上的基底。

　　6.根据权利要求5所述的超硬结构，其中，基底是由碳化物材料形成的。

　　7.根据权利要求5或6所述的超硬结构，进一步包括第三区域、第四区域、第五区域和第六区域，第一至第六区域是轴对称的，第二至第六区域与第一区域相邻，第二至第六区域中的每个区域具有比第一区域低的热膨胀系数；其中：a）第一区域位于第二区域和基底之间；b）第三区域与第一区域相邻并位于基底和多晶材料本体的界面处，第三区域位于第一区域和基底之间并形成多晶材料本体的外围自由表面的一部分；c）第四区域与第三区域相邻并位于多晶超硬材料的外围自由表面处；d）第五区域与第四区域和第二区域相邻，并将第二区域与第四区域分开；e）第六区域与第一区域相邻，并将第一区域与基底分开。

　　8.根据权利要求7所述的超硬结构，其中，第二区域、第三区域、第四区域、第五区域或第六区域中的任意一个或多个是外围不连续的，在外围具有一个或多个缺口，由最大热膨胀系数的材料形成的区域的一部分，通过该缺口延伸到超硬结构的自由表面。

　　9.根据权利要求7或8所述的超硬结构，其中，第二区域至第六区域中的每一个区域是由不同热膨胀系数的一种或多种材料制造的。

　　10.根据权利要求7或8所述的超硬结构，其中，第六区域是由超硬结构中具有最大热膨胀系数的材料形成的。

　　11.根据权利要求10所述的超硬结构，其中，形成第一区域、第二区域、第三区域、第四区域和第五区域的材料具有不同的热膨胀系数。

　　12.根据权利要求7所述的超硬结构，其中，第一和第六区域是由相同材料形成的，并且具有最大热膨胀系数，形成第一区域和第六区域的材料具有大于形成第二区域、第三区域、第四区域和第五区域一种或多种材料的热膨胀系数。

　　13.根据权利要求7所述的超硬结构，其中，第二区域、第三区域、第四区域和第五区域是由具有不同热膨胀系数的一种或多种材料形成的。

　　14.根据权利要求5至13中任一项所述的超硬结构，其中，第一区域是由超硬结构中具有最大热膨胀系数的材料形成的，第一区域在多晶材料本体和基底的界面处围绕超硬结构的中心轴基本对称地设置，并通过第二区域与超硬材料的自由表面分开，而延伸通过其中的一个或多个缺口至超硬材料的自由表面，第二区域是由超硬结构中具有最小热膨胀系数的材料形成的。

　　15.根据权利要求14所述的超硬结构，其中，第一区域被细分成多于一个的单独体积，所有体积通过至少一种较小热膨胀系数的材料与超硬结构的外围自由表面分开。

　　16.根据权利要求15所述的超硬结构，其中，一个或多个单独体积是由超硬结构中最大热膨胀系数的材料形成的，且是环形的。

　　17.根据上述权利要求中任一项所述的超硬结构，进一步包括位于第一区域和第二区域之间的第三体积，第三体积是由与形成第二区域的材料的热膨胀系数不同的材料形成的。

　　18.根据权利要求17所述的超硬结构，其中，第三体积是由热膨胀系数在形成第二区域的材料的热膨胀系数和超硬结构中具有最大热膨胀系数材料的区域的热膨胀系数之间的材料形成。

　　19.根据权利要求18所述的超硬结构，其中，一个或多个由最大热膨胀系数的材料形成的环形体积被分割，具有一个或多个不连续部分。

　　20.根据上述权利要求中任一项所述的超硬结构，进一步包括附接到外围自由边缘的一个或多个材料分割部分，该外围自由边缘由多晶材料本体邻接和紧靠。

　　21.根据上述权利要求中任一项所述的超硬结构，其中，由最大热膨胀系数的材料形成的区域的体积占多晶材料本体的总体积的约30%至95%。

　　22.根据上述权利要求中任一项所述的超硬结构，其中，具有最大热膨胀系数的材料的热膨胀系数与相邻区域中材料的热膨胀系数的差别至少为约0.3×10-6/℃。

　　23.根据权利要求22所述的超硬结构，其中，多晶材料本体是多晶金刚石材料，并且由具有最大热膨胀系数的材料形成的区域是由相对于其它区域中的一种或多种多晶金刚石材料具有最大金属含量的多晶金刚石材料形成的。

　　24.根据权利要求23所述的超硬结构，其中，在每个体积内多晶金刚石材料中的金属含量是约10%体积比或更少。

　　25.根据权利要求23或24所述的超硬结构，其中，在区域之间的金属含量差异是至少约1.0%体积比。

　　26.根据上述权利要求中任一项所述的超硬结构，其中，多晶材料本体包括金属成分，金属成分是过渡金属合金。

　　27.根据权利要求1至25中任一项所述的超硬结构，其中，多晶材料本体包括金属成分，金属成分是钴合金。

　　28.根据上述权利要求中任一项所述的超硬结构，其中，多晶材料本体包括金属成分，其中金属成分是热膨胀系数小于约4×10-6/℃的合金。

　　29.根据上述权利要求中任一项所述的超硬结构，其中，多晶材料本体包括金属成分，金属成分包含改变多晶材料热膨胀系数的第二相材料。

　　30.根据权利要求29所述的超硬结构，其中，第二相材料包括金属碳化物。

　　31.根据权利要求30所述的超硬结构，其中，金属碳化物包括碳化钨或碳化硅。

　　32.根据权利要求29所述的超硬结构，其中，第二相包括氧化物陶瓷。

　　33.根据权利要求32所述的超硬结构，其中，氧化物陶瓷包括氧化铝，Al2O3，氧化锆，ZrO2中的一种或多种。

　　34.根据上述权利要求中任一项所述的超硬结构，其中，一个或多个区域由包含复合材料的金刚石形成。

　　35.根据权利要求34所述的超硬结构，其中，复合材料包括金刚石-陶瓷复合材料。

　　36.根据权利要求1所述的超硬结构，其中，多晶材料本体包括多于三个由不同热膨胀系数的材料形成的区域，其中，所述区域之间的边界基本平行，并且所述区域具有相同的几何形状。

　　37.根据上述权利要求中任一项所述的超硬结构，其中，热膨胀系数在多晶材料本体的相邻区域上以逐步方式改变。

　　38.根据权利要求5所述的超硬结构，其中，在多晶材料本体和基底之间的界面是非平面的。

　　39.根据权利要求5所述的超硬结构，其中，在多晶材料本体和基底之间的界面基本上是凸形的。

　　40.根据上述权利要求中任一项所述的超硬结构，其中，多晶材料本体具有倒角的外围边缘。

　　41.根据上述权利要求中任一项所述的超硬结构，其中，多晶材料本体自由表面的一部分或整个自由表面包括已经全部或部分去除金属含量的层。

　　42.根据上述权利要求中任一项所述的超硬结构，其中，多晶材料本体自由表面的一部分或整个自由表面包括已经全部或部分去除金属含量至介于50微米和500微米深度范围的层。

　　43.根据上述权利要求中任一项所述的超硬结构，其中，该超硬结构经过550至750℃温度范围内的应力消除热处理。

　　44.一种用于制造多晶超硬结构的方法，其包括：a）形成多晶材料的第一区域；b）形成与第一区域相邻的并作为外露表面的多晶材料的第二区域，第二区域在外围是不连续的，第二区域包括多晶金刚石或立方氮化硼；其中形成第一区域和第二区域的一种或多种材料具有一个或多个物理特性差异；c）使第一区域和第二区域经受大于4GPa的压力和高于1200℃的温度并持续预定时间；以及d）降低压力和温度至环境条件，以使所述一个或多个物理特性差异在与外露表面相邻的第二区域中引起压缩；其中，第一区域或另外的区域具有多晶本体的最大热膨胀系数，并且通过由具有较低热膨胀系数的材料形成的第二区域或一个或多个另外的区域，部分地与多晶超硬材料本体的外围自由表面分开，并通过第二区域中的缺口延伸到超硬结构的自由表面；以及其中，这些区域包括多个多晶超硬材料晶粒。

　　45.根据权利要求44所述的方法，其中所述一个或多个物理特性差异是形成第一区域和第二区域的一种或多种材料的热膨胀系数的差异和/或弹性模量的差异。

　　46.根据权利要求44或45所述的方法，进一步包括：在使第一区域和第二区域经受压力和温度的步骤之前，将第一区域、第二区域和基底放置在容器内的步骤；其中使第一区域和第二区域经受压力和温度的步骤包括使容纳第一区域、第二区域以及基底的容器经受所述压力和温度。

　　47.根据权利要求46所述的方法，其中，将基底放入容器的步骤包括将由烧结金属碳化物形成的基底放入容器内。

　　48.根据权利要求47所述的方法，其中，将基底放入容器的步骤包括将由钴钨硬质合金形成的基底放入容器内。

　　49.根据上述权利要求46至48中任一项所述的方法，进一步包括形成第三区域、第四区域、第五区域和第六区域的步骤，第一至第六区域是轴对称的，第二至第六区域与第一区域相邻，并且第二至第六区域中的每一个区域具有低于第一区域的热膨胀系数。

　　50.根据权利要求49所述的方法，包括：a.将第一区域设置在第二区域和基底之间；b.将第三区域设置在邻近第一区域，并位于基底和多晶材料本体之间的界面，第三区域位于并形成多晶材料本体外围自由表面的一部分，并位于第一区域和基底之间；c.将第四区域设置在邻近第三区域，并位于多晶超硬材料的外围自由表面处；d.将第五区域设置在邻近第四区域和第二区域，并将第二区域与第四区域分开；以及e.将第六区域设置在邻近第一区域，并将第一区域与基底分开。

　　51.一种包括权利要求1至43中任一项所述的超硬结构的钻头或刀具或用于钻头或刀具的组件。

　　52.一种基本如参考在附图中阐释的实施例的任意一个实施方式所描述的形成超硬结构的方法。

　　53.一种基本如参考在附图中阐释的实施例的任意一个实施方式所描述的超硬结构。

　　54.一种基本如参考在附图中阐释的实施例的任意一个实施方式所描述的钻头或刀具或用于钻头或刀具的组件。