專利名稱：多晶金剛石磨蝕元件及其制造方法
多晶金剛石磨蝕元件及其制造方法發(fā)明背景本發(fā)明涉及多晶金剛石磨蝕元件、制造該多晶金剛石磨蝕元件和摻入它們的多晶金剛石磨蝕坯塊(compact)的方法。多晶金剛石磨蝕坯塊(PDC)被廣泛用于切割、磨碎、碾磨、鉆孔和 其他磨蝕應(yīng)用。普遍使用的PDC是包含與燒結(jié)碳化物基材粘結(jié)的多晶 金剛石(PCD)層的一類。該P(yáng)CD層表現(xiàn)出工作表面和在工作表面外圍的 一部分周圍的切割邊。多晶金剛石通常包含大量含有顯著量的直接金剛石/金剛石連接 的金剛石顆粒，并且通常具有笫二相，該第二相含有金剛石催化劑/ 溶劑例如鈷、鎳、鐵或者含有一種或多種這些金屬的合金，優(yōu)選鎳并 且更優(yōu)選鈷。PDC通常在金剛石顆粒晶體學(xué)穩(wěn)定的升高的溫度和壓力條件(HPHT) 下制得。將各種形式的硼加入超硬磨蝕坯塊例如PDC和燒結(jié)碳化物中是公 知的。已經(jīng)描述了一些優(yōu)點(diǎn)，例如熔點(diǎn)的降低一 這使得能夠在較低的 壓力和溫度(〈-120(TC， JP1021032)下伴隨著較少的金剛石石墨化而進(jìn) 行燒結(jié)(US4， 902， 652; JP1017836)、提高的溶劑基質(zhì)硬度(GB1456765; US5, 181， 938)、提高的斷裂韌度和耐腐蝕性(US4， 961， 780 ; US6， 098, 731)、低的電阻率(GB1376467)和改進(jìn)的坯塊復(fù)制能力 (GB1496106; US4，907，377)。然而，上述專利參考文件中沒有一篇考慮了氧在燒結(jié)過程中的作 用。在本領(lǐng)域中公知氧的存在妨礙了燒結(jié)過程，由此導(dǎo)致最終坯塊較 低的耐磨性。氧通常以在金剛石顆粒上的表面氧化物或者在與金剛石 粉末混合的金屬顆粒中的表面氧化物或溶解的氧的形式引入預(yù)燒結(jié)的 坯塊。出于該原因，在燒結(jié)的多晶金剛石磨蝕坯塊制造中的標(biāo)準(zhǔn)實(shí)踐是在HPHT燒結(jié)步驟之前在真空下將金剛石粉末混合物脫氣，以嘗試除 去金剛石顆粒上或者加入金剛石粉末中的任何金屬顆粒上的任何表面 氧化物。該方法僅僅在某種程度上是成功的，因?yàn)槲⒘康难跞匀粴埩?以致于必然在燒結(jié)期間存在一些氧，這對(duì)燒結(jié)過程是不利的。較早提及的現(xiàn)有技術(shù)忽略了該荻得有效燒結(jié)的重要方面。即使在 US4， 961， 780中一其中要求加入氧化硼以提高斷裂韌度和耐腐蝕性， 也沒有提及通過氧化硼添加劑引入體系的氧的有害效應(yīng)。在JP9142932中，提及了由于高的氧化硼或硼酸含量而燒結(jié)的金 剛石坯塊的強(qiáng)度和耐磨性退化，但除了將硼-氧添加劑的量限制在小于 30體積％之外沒有提及克服該問題的方法。發(fā)明概述根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)方面，提供了一種多晶金剛石磨蝕元件，其包 含金剛石材料的約0. 01-約4wt。/。的至少一種金屬或金屬化合物，該 金屬選自鎂、鈣、鋁、鍶、釔、鋯、鉿、鉻和稀土金屬，特別是鈰和鑭。優(yōu)選地，金屬選自稀土金屬，特別是鈰和/或鑭。 以金剛石材料的重量計(jì)，金屬或金屬化合物優(yōu)選以小于約2%, 更優(yōu)選小于約1.0%，并且最優(yōu)選小于約0.7%的量存在，并且優(yōu)選以 大于約0.01%，更優(yōu)選大于約0.1%，并且最優(yōu)選大于約0. 2%的量 存在。其將以足以與存在的微量氧反應(yīng)形成穩(wěn)定的金屬氧化物的量存 在，盡管這將不一定包括大塊金屬物種形成。該多晶金剛石磨蝕元件優(yōu)選包含硼，硼是用于磨蝕元件制造中的 燒結(jié)助劑。金屬或金屬化合物可以分布遍及多晶金剛石材料，或者其可以位 于其一個(gè)或多個(gè)離散區(qū)域中，例如在鄰近磨蝕元件的工作表面的層中。根據(jù)本發(fā)明的另一個(gè)方面， 一種制造多晶金剛石磨蝕元件的方法 包括以下步驟提供大量金剛石顆粒和至少一種金屬硼化物源以形成 未粘結(jié)的組件，該金剛石顆粒優(yōu)選與催化材料源一起提供，其中該至 少一種金屬硼化物的金屬組分是強(qiáng)的氧吸氣劑(清除劑)，和將該未粘結(jié)的組件經(jīng)受適合于制造多晶金剛石磨蝕元件的升高的溫度和壓力條 件。該金屬硼化物的金屬組分的氧化物具有高熔點(diǎn)，通?！?000。C，并 且金屬優(yōu)選選自鎂、鉤、鋁、鍶、釔、鋯、鉿、鉻和稀土金屬，特別 是鈰和鑭。特別地，稀土金屬硼化物在本發(fā)明中是有利的。該未粘結(jié)的組件優(yōu)選包括基材，當(dāng)未粘結(jié)的組件燒結(jié)時(shí)其制得了 多晶金剛石磨蝕坯塊?；膶⑼ǔ闊Y(jié)碳化物基材，其還將通常為催化材料源。 一些 附加的催化材料可以通常以包含金剛石催化劑/溶劑的第二相形式與 金剛石顆粒混合。由大量金剛石顆粒制得多晶金剛石層所需的升高的溫度和壓力條 件是本領(lǐng)域公知的。 一般而言，這些條件是4-8GPa的壓力和1100-170(TC的溫度。附圖簡述現(xiàn)在將僅僅通過例子參照附圖更詳細(xì)地描述本發(fā)明，其中

圖1是本發(fā)明多個(gè)優(yōu)選實(shí)施方案的多晶金剛石磨蝕元件的耐磨性相對(duì)于參考的多晶金剛石磨蝕元件的歸一化耐磨性圖；圖2是圖1中提及的本發(fā)明的其中一個(gè)優(yōu)選實(shí)施方案的XRF分析；和圖3是圖1中提及的本發(fā)明的另一個(gè)優(yōu)選實(shí)施方案的XRF分析。 優(yōu)選實(shí)施方案的詳述本發(fā)明涉及多晶金剛石磨蝕元件、摻入它們的坯塊及其制造。本 發(fā)明還開發(fā)了將硼加入多晶金剛石磨蝕坯塊中同時(shí)最小化或消除氧存 在的有害效應(yīng)的優(yōu)點(diǎn)。通過將金屬硼化物加入金剛石粉末發(fā)現(xiàn)觀察到 改進(jìn)的磨蝕元件性能，其中該硼化物的金屬組分是強(qiáng)的氧吸氣劑。這 類金屬硼化物的金屬組分的氧化物通常具有高熔點(diǎn)(>2000匸)。例子是 鎂、鉤、鋁、鍶、釔、鋯、鉿和鉻以及稀土金屬，特別是鈰和鑭。在燒結(jié)過程期間，加入金剛石粉末中的金屬硼化物在燒結(jié)所需的高溫--般為〉i200。c并且通常為iioo- :no(rc下通過溶解在熔融的催化劑/溶劑中而分解。當(dāng)分解時(shí)，硼組分與加入金剛石中的金屬粉 末(通常為鈷)形成合金或者與從燒結(jié)碳化鵠基材滲透到金剛石層的熔 融鈷金屬形成合金，和/或其本身位于晶粒間界上，變得摻入到新近重 新結(jié)晶的金剛石中和/或以一定的方式擴(kuò)散到金剛石顆粒中，以提供現(xiàn) 有技術(shù)中描述的許多優(yōu)點(diǎn)。同時(shí)，金屬硼化物釋放的金屬組分例如鈰 被認(rèn)為優(yōu)先與體系中存在的任何氧結(jié)合，形成了離散的惰性金屬氧化 物顆粒，由此有效地從晶粒間界面上除去氧，在邊界面上氧將影響燒 結(jié)過程。以該方式，獲得通常具有高耐磨性的燒結(jié)金剛石磨蝕坯塊。以金剛石粉末的重量計(jì)，加入金剛石粉末中的金屬硼化物的典型含量小于約4%，優(yōu)選小于約2%,更優(yōu)選小于約1.0%，并且最優(yōu)選 小于約0.7%，并且大于約0.01%，更優(yōu)選大于約0.1%,并且最優(yōu) 選大于約0.2%。對(duì)于每一金屬硼化物類型，最優(yōu)選的含量將是不同 和特定的。金屬硼化物的顆粒尺寸為從納米尺寸的顆粒(IO納米的級(jí) 別)到微米尺寸的顆粒，通常為10iam，并且優(yōu)選0.1iam-2pm。在燒結(jié)之前金屬硼化物可以作為粉末加入到金剛石粉末中并且混合，或者 可以將其本身粒化或者與金剛石粉末一起?；＿€設(shè)想可以例如使用溶膠-凝膠技術(shù)將金屬硼化物涂覆在離散的金剛石顆粒上，或者甚至可 能從含有其作為添加劑的基材中滲出。金屬硼化物源可由不同金屬硼 化物的混合物組成，但總共將合計(jì)不超過金剛石粉末的4wt%。金屬硼化物將分布遍及通常為層形式的多晶金剛石材料的厚度。 作為選擇，其可以位于多晶金剛石材料的離散區(qū)域中，例如在磨蝕元 件的工作表面鄰近的層中。在該情形下，其可以作為粉末或者覆蓋金 剛石層的壓制層，或者作為預(yù)復(fù)合物杯中的內(nèi)涂層，或者作為單獨(dú)混 合的金剛石/金屬硼化物層而存在于預(yù)復(fù)合物中。金剛石顆粒的尺寸為5nm- 100 jam,并且優(yōu)選0. 75 p m - 45 jli m。 金剛石粉末可由在這些范圍內(nèi)的不同尺寸級(jí)分的混合物組成以產(chǎn)生多 峰尺寸分布(如EP0626237和US5， 468， 286中的教導(dǎo))，或者可以僅僅 是這些尺寸中的一種以產(chǎn)生單峰尺寸分布。在HPHT處理期間，可以將溶劑/催化劑相作為加入的金屬粉末而引入金剛石粉末/金屬硼化物混合物中，和/或可以通過從基材/背襯中 滲透而引入。還可能的是在金剛石層與基材之間提供所希望的滲透物(通常是Co、 Ni、 Fe、 Cr或合金)的金屬薄膜(墊片)，以使得在燒結(jié)期 間熔融的金屬薄膜滲入金剛石層。該基材/背襯可以是燒結(jié)的碳化鴒 (例如Co/WC)、金屬陶瓷(例如W/TiC、 W/Ti/Ta或類似材料)，或者多 晶金剛石可以對(duì)其表現(xiàn)出良好粘結(jié)性的任何材料。以金剛石層的體積 計(jì)，溶劑/催化劑將通常以小于30%，并且優(yōu)選為20%或更小而存在 于坯塊中。金剛石層可以負(fù)載在基材上，基材可以是非-平面性質(zhì)的或者可以 是未背襯的以用作獨(dú)立的耐磨材料。其例子是在其中熱穩(wěn)定性重要的 應(yīng)用中，例如在巖石鉆孔應(yīng)用中的刮刀(gauge cutter)或者暴露于高溫下的磨損部件。其中金剛石顆粒嵌入金屬粘結(jié)并且在燒結(jié)期間在金剛石顆粒之間 沒有出現(xiàn)共生的金剛石工具例如鋸片的制造也將從本發(fā)明的方法中獲 益。除了直的圓柱形切割或者磨蝕元件之外，本發(fā)明的多晶金剛石磨 蝕元件還可以為例如半球形刀具的形式，例如子彈、紐扣或螺栓。影響燒結(jié)的金屬滲透物或添加劑可以是在使用金屬粘結(jié)的鋸片制 造中通常使用的鐵、鈷、鎳或其混合物或者合金?，F(xiàn)在將僅僅通過例子參照以下非限定實(shí)施例更詳細(xì)地描述本發(fā)明。實(shí)施例l(對(duì)比例)以下列方式制備大量多晶金剛石坯塊將3g平均顆粒尺寸為22 in m的金剛石粉末放置與碳化鴒基材接觸并且在高的壓力和溫度(約 1300。C和5GPa)下處理。在燒結(jié)之后，將PDC刀具磨蝕至一定的尺寸 并且通過將多晶金剛石切割邊緣壓在高速下旋轉(zhuǎn)的花崗巖棒上而經(jīng)受 磨損試驗(yàn)。由此測(cè)量的耐磨性用作與實(shí)施例2-4中金屬硼化物摻雜的 PDC刀具對(duì)比的基線。實(shí)施例2根據(jù)實(shí)施例l制造多晶金剛石坯塊，但在高的壓力和溫度下燒結(jié)之前加入金剛石粉末重量的0. 5%用量的粒狀二硼化鋁。將這些刀具 的耐磨性與實(shí)施例1中獲得的那些相比，并且表現(xiàn)出平均4%的增大， 這表明由于PDC刀具中二硼化鋁的存在而因此耐磨性提高。 實(shí)施例3根據(jù)實(shí)施例l制造多晶金剛石坯塊，但在高的壓力和溫度下燒結(jié) 之前加入金剛石粉末重量的0. 7%的粒狀六硼化鈰。耐磨性表現(xiàn)出6 %的提高。如圖2中所示，通過XRF分析檢測(cè)出鈰的存在。實(shí)施例4根據(jù)以上方法制造含有0. 7wt。/。的粒狀六硼化鑭的多晶金剛石坯 塊，并且耐磨性表現(xiàn)出6%的提高。如圖3中所示，通過XRF分析檢 測(cè)出鑭的存在。
權(quán)利要求
1.一種多晶金剛石磨蝕元件，其包含金剛石材料的約0.01-約4wt％的至少一種金屬或金屬化合物，該金屬選自鎂、鈣、鋁、鍶、釔、鋯、鉿、鉻和稀土金屬。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1的磨蝕元件，其中金屬選自稀土金屬。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1或2的磨蝕元件，其中金屬是鈰和/或鑭。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1 - 3中任一項(xiàng)的磨蝕元件，其中以金剛石材料 的重量計(jì)，金屬以小于約2%的量存在。
5. 根據(jù)權(quán)利要求4的磨蝕元件，其中以金剛石材料的重量計(jì)，金 屬以小于約0. 7%的量存在。
6. 根據(jù)權(quán)利要求1 - 5中任一項(xiàng)的磨蝕元件，其中以金剛石材料 的重量計(jì)，金屬以大于約0. 1%的量存在。
7. 根據(jù)權(quán)利要求6的磨蝕元件，其中以金剛石材料的重量計(jì)，金 屬以大于約0.2%的量存在。
8. 根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項(xiàng)的磨蝕元件，其進(jìn)一步包含硼。
9. 根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項(xiàng)的磨蝕元件，其中該至少一種金屬 化合物是金屬的氧化物。
10. 根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項(xiàng)的磨蝕元件，其中該至少一種金 屬或金屬化合物分布遍及多晶金剛石材料。
11. 根據(jù)權(quán)利要求1-9中任一項(xiàng)的磨蝕元件，其中該至少一種金 屬或金屬化合物位于其一個(gè)或多個(gè)離散區(qū)域中。
12. 根據(jù)權(quán)利要求11的磨蝕元件，其中該至少一種金屬或金屬化 合物位于鄰近磨蝕元件的工作表面的層中。
13. —種制造多晶金剛石磨蝕元件的方法，其包括以下步驟提供大量金剛石顆粒和至少 一種金屬硼化物源以形成未粘結(jié)的組件，其中該至少一種金屬硼化物的金屬組分是強(qiáng)的氧吸氣劑(清除劑)， 和使該未粘結(jié)的組件經(jīng)受適合于制造多晶金剛石磨蝕元件的升高的 溫度和壓力條件。
14. 根據(jù)權(quán)利要求13的方法，其中該金屬組分的氧化物具有大于 約2000'C的熔點(diǎn)。
15. 根據(jù)權(quán)利要求13或14的方法，其中該金屬組分選自鎂、鈣、 鋁、鍶、釔、鋯、鉿、鉻和稀土金屬。
16. 根據(jù)權(quán)利要求13-15中任一項(xiàng)的方法，其中該至少一種金屬 硼化物選自稀土金屬硼化物。
17. 根據(jù)權(quán)利要求16的方法，其中該至少一種金屬硼化物的金屬 是鈰和/或鑭。
18. 根據(jù)權(quán)利要求13-17中任一項(xiàng)的方法，其中將大量金剛石顆 粒和至少一種金屬硼化物源與催化材料源一起提供以形成未粘結(jié)的組 件。
19. 根據(jù)權(quán)利要求13-18中任一項(xiàng)的方法，其中該未粘結(jié)的組件 進(jìn)一步包括基材，當(dāng)該未粘結(jié)的組件燒結(jié)時(shí)制得了多晶金剛石磨蝕坯 塊。
20. 根據(jù)權(quán)利要求19的方法，其中基材是燒結(jié)碳化物基材。
21. 根據(jù)權(quán)利要求20的方法，其中基材是催化材料源。
22. 根據(jù)權(quán)利要求13-21中任一項(xiàng)的方法，其中將以包含金剛石 催化劑/溶劑的第二相形式的另外的催化材料與金剛石顆粒混合。
23. —種包括根據(jù)權(quán)利要求1 - 12中任一項(xiàng)的多晶金剛石磨蝕元 件或者通過根據(jù)權(quán)利要求13-22中任一項(xiàng)的方法制造的多晶金剛石 磨蝕元件的多晶金剛石磨蝕坯塊。
全文摘要
通過摻入低含量的至少一種金屬硼化物制造的多晶金剛石磨蝕元件，該金屬選自鎂、鈣、鋁、鍶、釔、鋯、鉿和鉻，以及稀土金屬，優(yōu)選鈰和鑭。將硼加入多晶金剛石磨蝕坯塊中的優(yōu)點(diǎn)是充分使用以及同時(shí)最小化或消除氧的存在的有害效果。
文檔編號(hào)B24D3/10GK101267914SQ200680034409
公開日2008年9月17日 申請(qǐng)日期2006年8月11日 優(yōu)先權(quán)日2005年8月11日
發(fā)明者A·H·拉斯, G·J·戴維斯 申請(qǐng)人:六號(hào)元素(產(chǎn)品)(控股)公司