專利名稱：具有工程化孔隙率的多晶金剛石切削元件和用于制造這種切削元件的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
切削元件，例如用于牙輪鉆頭中的橫切機型(shear cutter type)切削元件或其他切削工具，通常具有主體(即基片)和超硬材料。超硬材料形成切削元件的切割表面，且基片通常將超硬材料附著到切削工具上。基片通常由碳化鎢-鈷(有時簡稱為“燒結(jié)碳化鎢”、 “碳化鎢”或“碳化物”)制成。超硬材料層為多晶超硬材料，例如多晶金剛石(“PCD”)、多晶立方氮化硼(“PCBN”)或熱穩(wěn)定產(chǎn)品(“TSP”)如熱穩(wěn)定多晶金剛石。超硬材料提供了高于金屬基片的高量級的耐磨性和/或抗磨損性。
背景技術(shù)：
P⑶通過已知的工藝形成，工藝中金剛石晶體與催化劑材料在高壓和高溫下相混合并進(jìn)行燒結(jié)。催化劑材料在燒結(jié)前可混入金剛石粉末中和/或可在燒結(jié)過程中從相鄰的基片滲入金剛石粉末中。高溫高壓燒結(jié)工藝(“HPHT燒結(jié)”)形成了具有晶間結(jié)合金剛石晶體網(wǎng)格的多晶金剛石結(jié)構(gòu)，在結(jié)合金剛石晶體之間的空位或間隙中保留有催化劑材料。催化劑材料促進(jìn)并提高了金剛石晶體的晶間結(jié)合。催化劑材料通常是來自元素周期表VIII組中的溶劑催化劑金屬如鈷、鐵或鎳。然而，因為催化劑通常比P⑶材料具有更高的熱膨脹系數(shù)，例如，當(dāng)通過使用期間的摩擦加熱來加熱PCD材料時，燒結(jié)PCD材料中存在的催化劑材料給PCD材料引入了熱應(yīng)力。因而，燒結(jié)PCD經(jīng)受熱應(yīng)力，這限制了切削元件的使用壽命。為了解決這一問題，催化劑例如通過浸出(leaching)基本上從P⑶材料中去除， 以形成TSP。例如，一種已知的方法是通過使燒結(jié)P⑶結(jié)構(gòu)經(jīng)受浸出工藝而從燒結(jié)P⑶的至少一部分中去除催化劑材料的主要部分，這會形成基本上沒有催化劑材料的TSP材料部分。如果在HPHT燒結(jié)期間使用了基片，則通常在浸出之前將其去除。在形成TSP材料后，為了形成切削元件可將其結(jié)合到新基片上。在該所謂的“再結(jié)合工藝”的過程中，TSP材料和基片經(jīng)受熱和壓力。一種浸滲劑材料(例如來自基片的鈷)滲透到TSP材料中，移入先前由催化劑材料占據(jù)的結(jié)合晶體之間的孔(即空位或間隙空間)(此處共同地或個別地稱為“孔”)中。該浸滲劑材料從基片滲入TSP層形成了 TSP層和基片之間的結(jié)合。再結(jié)合的TSP層可部分地再浸出以改善例如TSP層工作表面處的熱穩(wěn)定性?，F(xiàn)有的TSP切削元件已知會因為浸滲劑材料在再結(jié)合工藝的過程中不能充分滲透到TSP層中，導(dǎo)致再結(jié)合TSP層中有殘余孔隙而過早失效。如上所述的，當(dāng)PCD材料浸出形成TSP時，PCD層中的催化劑材料從金剛石晶體之間的孔中去除。如果這些孔在再結(jié)合工藝中僅部分滲透或并非適當(dāng)?shù)貪B透，則空的孔會弱化結(jié)合并形成結(jié)構(gòu)裂紋。該部分滲透使TSP刀具在精加工如拋光和研磨期間易于開裂。部分滲透也使再浸出更加困難并弱化了 TSP層和基片之間的結(jié)合。因此，正需要一種形成TSP材料的方法，該方法有助于再結(jié)合期間的滲透并改善材料的熱性能和使用壽命。CN 102482919 A說明書2/11 頁

發(fā)明內(nèi)容
在示例性實施方式中，提供了一種通過增加TSP材料與基片界面附近處TSP材料的孔隙率來促進(jìn)浸滲劑材料在TSP材料再結(jié)合到基片上的期間滲透到TSP材料中的方法。 在一實施方式中，該方法包括在HPHT燒結(jié)前將填充材料或添加劑與金剛石粉末混合物相混合，然后HPHT燒結(jié)金剛石粉末和填充材料混合物以形成多晶金剛石(POT)。填充材料占據(jù)燒結(jié)PCD層中的空間，保留在結(jié)合金剛石晶體之間。在HPHT燒結(jié)后，例如通過浸出去除該填充材料，以在結(jié)合金剛石晶體之間形成具有孔的熱穩(wěn)定產(chǎn)品(TSP)。對金剛石粉末中填充材料的數(shù)量和分布進(jìn)行控制以在TSP層的至少一部分中獲得更大的孔隙率，這使得浸滲劑材料在再結(jié)合期間更完全地滲透。結(jié)果是具有更完全滲透的再結(jié)合TSP切削元件，與通過現(xiàn)有方法形成的TSP相比，導(dǎo)致在TSP層與基片之間有更好的結(jié)合和更長的使用壽命。在一實施方式中，形成再滲透熱穩(wěn)定多晶金剛石切削元件的方法包括混合金剛石顆粒和填充材料以形成金剛石粉末混合物。金剛石粉末混合物包括具有至少填充材料的第一部分和具有比第一部分較少填充材料的第二部分。第一部分至少是金剛石粉末混合物體積的25%。該方法也包括在高溫高壓下燒結(jié)金剛石粉末混合物以形成多晶金剛石材料，從多晶金剛石材料中去除填充材料以形成在第一部分中具有增高的孔隙率的熱穩(wěn)定多晶金剛石材料，并將熱穩(wěn)定材料結(jié)合到基片上。結(jié)合包括用來自基片的浸滲劑材料滲透第一部分。在一示例性實施方式中，第二部分包括凹區(qū)，并且第一部分包括容納在凹區(qū)中的突起。在另一實施方式中，切削元件包括基片和結(jié)合到基片上的熱穩(wěn)定多晶金剛石主體。熱穩(wěn)定多晶金剛石主體包括工作表面；包括有多個結(jié)合在一起的金剛石晶體和金剛石晶體之間孔的材料顯微結(jié)構(gòu)，該孔基本上沒有催化劑材料；基片附近材料顯微結(jié)構(gòu)的第一部分；以及工作表面附近材料顯微結(jié)構(gòu)的第二部分。第一部分包括在金剛石晶體之間孔中的浸滲劑材料。第一部分包括第一孔隙率，并且第二部分包括第二孔隙率，當(dāng)無浸滲劑測量這種孔隙率時，孔隙率差異為至少1.6%。在示例性實施方式中，第二部分包括凹區(qū)，并且第一部分包括容納在凹區(qū)中的突起。在另一示例性實施方式中，提供了一種切削元件，其包括有基片以及結(jié)合到基片上的熱穩(wěn)定多晶金剛石主體。熱穩(wěn)定多晶金剛石主體包括與基片相對的工作表面，包括有多個結(jié)合在一起的金剛石晶體和金剛石晶體之間孔的材料顯微結(jié)構(gòu)，該孔基本上沒有催化劑材料。熱穩(wěn)定多晶金剛石主體也包括在基片附近且包括有突起的材料顯微結(jié)構(gòu)的第一部分，以及在工作表面附近且包括容納突起的凹區(qū)的材料顯微結(jié)構(gòu)的第二部分。第一部分在金剛石晶體之間的一個或多個孔中包括有浸滲劑材料。當(dāng)無浸滲劑測量這種孔隙率時， 該材料顯微結(jié)構(gòu)在第一部分與第二部分之間具有孔隙率差異。在一示例性實施方式中，凹區(qū)與所述突起互補。在另一示例性實施方式中，突起為圓頂形。在又一示例性實施方式中， 第一部分具有比第二部分更大的孔隙率。在又一示例性實施方式中，材料顯微結(jié)構(gòu)在第一部分與第二部分之間具有至少1. 6%的孔隙率差異。在還一示例性實施方式中，提供了一種井下工具，其包括工具主體和至少一種上述示例性實施方式的切削元件。在一示例性實施方式中，井下工具為鉆頭，例如為刮刀鉆頭。


圖1為根據(jù)本發(fā)明的實施方式形成再滲透TSP切削元件的方法的流程圖。圖2是根據(jù)本發(fā)明的實施方式的多晶金剛石材料中孔的圖示。圖3是根據(jù)現(xiàn)有技術(shù)的切削元件的橫截面圖。圖4A是根據(jù)本發(fā)明的示例性實施方式的切削元件的橫截面圖。圖4B是根據(jù)本發(fā)明的示例性實施方式的切削元件的橫截面圖。圖4C是根據(jù)本發(fā)明的示例性實施方式的切削元件的橫截面圖。圖5是包括根據(jù)本發(fā)明的示例性實施方式的切削元件的刮刀鉆頭主體的透視圖。
具體實施例方式在示例性實施方式中，提供了一種通過提高TSP材料與基片的界面附近的TSP材料的孔隙率來促進(jìn)浸滲劑材料在將TSP材料再結(jié)合到基片期間滲透到TSP材料中的方法。 在一實施方式中，該方法包括在HPHT燒結(jié)前將填充材料或添加劑(此處共同地或單獨地稱為“填充材料”)與金剛石粉末混合物進(jìn)行混合，然后HPHT燒結(jié)金剛石粉末和填充材料混合物以形成多晶金剛石(P⑶)。填充材料占據(jù)了燒結(jié)TOD層中的空間，保留在結(jié)合的金剛石晶體之間。在HPHT燒結(jié)后，該填充材料例如通過浸出去除，以形成具有結(jié)合金剛石晶體之間孔的熱穩(wěn)定產(chǎn)品(TSP)。對金剛石粉末中填充材料的數(shù)量和分布進(jìn)行控制以在至少一部分TSP層中獲得更大孔隙率，這使得浸滲劑材料在再結(jié)合期間更完全地滲透到TSP中?？诪榻B劑材料在再結(jié)合工藝期間提供了通道并促使浸滲劑從基片運動到TSP層中。結(jié)果是具有更完全滲透的再結(jié)合TSP切削元件，導(dǎo)致TSP層與基片之間更好地結(jié)合以及比通過現(xiàn)有方法形成的TSP更長的使用壽命。因此，在HPHT燒結(jié)之前在金剛石粉末混合物中包含填充材料或添加劑使TSP層中的孔隙率能受控制。根據(jù)本發(fā)明的示例性實施方式的形成再滲透TSP切削元件的方法顯示在圖1中。 該方法包括將金剛石粉末混合物與填充材料或添加劑110相混合。金剛石粉末混合物是期望的晶粒大小的金剛石晶體的混合物。該混合物可包括均勻晶粒大小的金剛石晶體，或者多種晶粒大小的混合物。金剛石晶體通常以粉末形式提供且混合起來在金剛石層中形成期望的晶粒大小分布。金剛石可以是天然的和/或合成的。示例性的金剛石晶體大小在約1 至40微米的范圍內(nèi)。任選地，例如來自元素周期表VIII組的金屬，例如鈷的催化劑材料也可添加到該混合物中以促進(jìn)在HPHT燒結(jié)期間的晶間結(jié)合?？商鎿Q地或另外地，催化劑材料可在HPHT燒結(jié)期間從相鄰的基片滲透到金剛石層中。例如，來自碳化鎢基片的鈷可在HPHT 燒結(jié)期間移入金剛石層中。金剛石、催化劑和填充材料可混合起來在遍及金剛石層中形成填充材料的期望分布。例如，在基片最近的金剛石層的區(qū)域中提供較大數(shù)量的填充材料，以便在浸出后(更詳細(xì)地如下所述)增加該區(qū)域中的孔隙率?；旌峡砂殡S著球磨、機械混合或其他已知方法。在金剛石和填充材料以期望的分布混合在一起后，該方法然后包括將金剛石混合物放置在用于燒結(jié)的耐火金屬外殼中，例如鈮罐中。該方法包括在高溫高壓燒結(jié)這些材料 (“HPHT燒結(jié)”或“HTHP燒結(jié)”)112。高壓可以是5，OOOMPa或更大(熱室壓力)，且高溫可以是約1，300°C至1，500°C或更高。通過壓力的液壓測量的高壓可以是約10. Asi。在一實施方式中，金剛石混合物放置在基片如碳化鎢基片附近并對金剛石混合物和基片進(jìn)行HPHT燒結(jié)。在另一實施方式中，金剛石混合物在沒有基片時進(jìn)行HPHT燒結(jié)。當(dāng)存在基片時，來自基片的催化劑材料例如鈷在HPHT燒結(jié)期間移入金剛石晶體之間的空間中。催化劑材料在HPHT燒結(jié)期間促進(jìn)晶體的生長和結(jié)合以形成多晶金剛石結(jié)構(gòu)。本文中使用的術(shù)語“催化劑材料”指代這樣的材料，它最初用于在起始的用于形成PCD 的HPHT過程期間促進(jìn)金剛石與金剛石的結(jié)合或燒結(jié)。在一實施方式中，填充材料是額外量的催化劑，使得與金剛石混合的該材料的總量既用作催化劑以形成PCD，又用作填料最終增加TSP材料的孔隙率。HPHT燒結(jié)112形成如圖2中所示的多晶結(jié)構(gòu)，其中金剛石晶體22結(jié)合在一起，催化劑材料M和填充材料沈保持分散在金剛石晶體22之間的孔觀中。再參考圖1，該方法還包括從P⑶114中去除(例如通過浸出)催化劑材料和填充材料以形成TSP材料。顯然地，如果在HPHT燒結(jié)期間使用基片，那么在浸出之前要將其從PCD層中去除。浸出可通過將PCD材料浸入浸出劑(例如酸洗)中特定的時間段來完成或者通過其他已知的浸出方法如電解法、液態(tài)金屬溶解法等來完成。在一實施方式中，基本上所有的催化劑和填充材料從 PCD層中去除，盡管痕量或殘余量可剩余。在一實施方式中，PCD層從PCD層的工作表面浸出到大約2500微米的深度。在一實施方式中，浸出條件包括在大氣壓力下、溫度40°C 士2°C將P⑶主體的區(qū)域與足夠量的混合酸接觸?；旌纤崾?0%體積的第一酸溶液和50%體積的第二酸溶液。第一酸溶液是5. 3mol/L的HNO3 (試劑級硝酸)。第二酸溶液是9.6 mol/L的HF (試劑級氫氟酸)。在一個或多個實施方式中，也可以使用用于去除催化劑材料和填充材料的加快技術(shù)， 且可以結(jié)合使用本文提及的浸出技術(shù)以及結(jié)合其他的常規(guī)浸出工藝。這些加快技術(shù)包括加壓、升溫和/或超聲波能量，可用于在獲得催化劑和填充材料的相同去除量時減少處理的時間量，從而提高生產(chǎn)效率。在一實施方式中，浸出過程可通過在大于約5巴的加壓條件下進(jìn)行如上所述的相同浸出過程來加速，在其他實施方式中該壓力范圍為約10至50巴。這種加壓條件可通過在壓力容器等中進(jìn)行浸出過程來完成。例如在一實施方式中，浸出通過將P⑶樣品放置在聚四氟乙烯容器內(nèi)的酸溶液中完成，該容器容納在密封不銹鋼壓力器具中并加熱到160至180°C。適合用于這種浸出工藝的容器購自Bergoff Products & Instruments GmbH，Eningen，德國。經(jīng)發(fā)現(xiàn)在浸出中可滿意地作用于形成TSP的標(biāo)準(zhǔn)酸溶液由試劑級酸制成，且包括濃度為約5. 3mol/L的HNO3和約 9. 6mol/L 的 HF,這是以 1:1:1 體積比的 HNO3 - 15. 9 mol/L (硝酸):HF - 28. 9 mol/ L (氫氟酸)水制成的。浸出完成可通過X射線照相法進(jìn)行驗證，以證實酸混合物穿透樣品且沒有宏觀尺寸的催化劑金屬區(qū)域殘留。然后，通過交替暴露于上述壓力器具中的去離子水(可溶硝酸鹽的稀釋)并使樣品在室溫經(jīng)受超聲波(不可溶氧化物的去除)來清除樣品的殘余材料例如硝酸鹽和不可溶氧化物?？梢岳斫獾氖?，精確的浸出條件可以且將隨著這些因素如使用的浸出劑以及材料和金剛石主體的燒結(jié)特性而變化。關(guān)于可用浸出方法的其他信息披露在共同待審的美國專利申請?zhí)?2/784，460中，其內(nèi)容在此以引用的方式并入。一旦將催化劑和填充材料去除，結(jié)果就是TSP。TSP具有的材料微觀結(jié)構(gòu)，其特征是結(jié)合在一起的金剛石晶體的多晶相和許多在結(jié)合金剛石晶體之間的基本上空的空位和孔。由于在上述浸出過程中催化劑和填充材料的去除，這些空位和孔基本上是空的。因此，
8在浸出后，催化劑和填充材料被去除，且孔基本上是空的。本文使用的術(shù)語“去除”指代在金剛石層的間隙區(qū)域中特定材料存在量的減少，例如用于在燒結(jié)或HPHT過程期間開始形成金剛石主體的催化劑材料，或填充材料，或在P⑶主體中存在的金屬碳化物(金屬碳化物， 例如碳化鎢，可通過添加到用于形成P⑶主體的金剛石混合物(例如由球磨金剛石粉末)中或者通過由用于形成PCD主體的基片滲透而存在)存在量的減少?？梢岳斫庖馕吨囟ú牧?例如催化劑材料)的主要部分不再殘留在PCD主體的間隙區(qū)域中，例如將材料去除使得 PCD主體內(nèi)的空位或孔基本上是空的。然而，可以理解的是，一些少量的材料仍會殘留在間隙區(qū)域內(nèi)的PCD主體的微觀結(jié)構(gòu)中和/或仍附著在金剛石晶體的表面上。在浸出后，孔基本上沒有催化劑材料和填充材料。本文使用的術(shù)語“基本上沒有” 可理解為意味著去除了特定材料，但仍然有一些少量的特定材料殘留在PCD主體的間隙區(qū)域內(nèi)。在實施例的實施方式中，對rcD主體進(jìn)行處理，使得超過98wt% (處理區(qū)域的％w)將催化劑材料從受處理區(qū)域內(nèi)的間隙中去除，特別是至少99%w，更特別是至少99. 5%w已將催化劑材料從受處理區(qū)域內(nèi)的間隙中去除。1至2%w的金屬可能殘留，其大部分被限制在金剛石再生長的區(qū)域中(金剛石-金剛石結(jié)合)，且不一定通過化學(xué)浸出可去除。例如，浸出后痕量的填充材料可保留在孔中。在HPHT燒結(jié)期間，填充材料占據(jù)金剛石晶體之間的空間并當(dāng)去除填充材料時形成另外的空位或孔。在一實施方式中，填充材料設(shè)置在金剛石混合物的部分中，以形成具有孔隙率提高的第一部分和第二部分的TSP材料。在一實施方式中，在燒結(jié)和浸出后，孔占據(jù)大約或至少1%體積的孔隙率提高部分。申請人已經(jīng)確定，即使低百分量的孔也導(dǎo)致滲透的改善。在另一實施方式中，孔占據(jù)大約或至少0.5%體積的孔隙率提高部分。在另一實施方式中，孔隙率提高部分(基片附近)的孔隙率大于TSP (工作表面附近)第二部分的孔隙率的至少1.6%，正如下面所述。也就是說，TSP的兩個部分之間的孔隙率差異至少為1.6% (例如，第一部分可具有9. 0%的孔隙率，第二部分具有7. 4%的孔隙率)。 再參照圖1，該方法還包括再結(jié)合TSP材料到基片116上。在實施方式中，基片包括作為其材料組分之一的金屬溶劑，該金屬溶劑能夠熔化并滲透進(jìn)TSP材料中。在一實施方式中，基片是具有鈷粘合劑(WC-C0)的碳化鎢，且鈷用作再結(jié)合過程中的金屬溶劑浸滲劑。 在其他實施方式中，可使用其他浸滲劑如其他金屬或金屬合金。例如，以粉狀、箔狀或膜狀而添加的浸滲劑可設(shè)置在TSP和基片之間以滲透入TSP層和基片并促進(jìn)這兩個層的結(jié)合。 浸滲劑可以是來自基片的鈷和另一添加的浸滲劑的組合。本文使用的術(shù)語“浸滲劑”指的是除了用于起始形成PCD材料的催化劑材料和除了加入到金剛石粉末混合物中形成工程化孔隙率的填充材料以外的材料，盡管它可能是與這兩種之一相同類型的材料。浸滲劑可包括元素周期表VIII組中的材料。浸滲劑材料在再結(jié)合期間滲透到TSP中以將TSP結(jié)合到新基片中。將TSP結(jié)合到基片上包括將TSP和基片放入HPHT組件中并在高溫高壓下壓制以將TSP材料結(jié)合到基片上。HPHT再結(jié)合116具有與HPHT燒結(jié)112不同的持續(xù)時間、溫度和壓力(例如，再結(jié)合期間的溫度和壓力比燒結(jié)期間可能要低)。在該最終的再結(jié)合步驟期間， 浸滲劑將滲透入浸出的TSP材料，移入到金剛石晶體之間的孔(通過填充材料留下的)中并用作將TSP層結(jié)合到基片上的膠。任選地，在再結(jié)合后，浸滲劑可以從再結(jié)合的TSP材料118 (本文稱為“再浸出”的過程)的一部分，例如從進(jìn)行切割并經(jīng)受高摩擦熱的那一部分中去除，以改善TSP層那一部分的熱穩(wěn)定性。例如，在一實施方式中，基本上所有的浸滲劑從TSP層的暴露的切割表面18 (參見圖4A)中去除到一定深度，但并非始終貫穿TSP層到基片。因此，更接近基片的滲透的一部分TSP層仍將浸滲劑保持在金剛石晶體之間的空位中。這里浸滲劑的存在提高了滲透的TSP層與基片的結(jié)合。滲透的TSP切割元件然后可納入到切削工具，例如采礦、切割、機械加工、研磨和施工應(yīng)用的工具中，其中，熱穩(wěn)定性、耐磨性和抗磨損性以及降低的熱應(yīng)力是所期望的。例如，本發(fā)明的切削元件可以納入到機械加工工具和井下工具以及鉆孔和采礦鉆頭如牙輪鉆頭和刮刀鉆頭。圖5示出了納入到刮刀鉆頭片主體20中的具有基片12和再滲透的TSP層 14的切削元件10。在一實施方式中，切削元件10是設(shè)置在工具主體上的橫切機。如上所述，一些現(xiàn)有技術(shù)的TSP切削元件因再結(jié)合期間TSP層的不完整滲透而導(dǎo)致過早失效，特別是在具有較高金剛石密度的TSP材料中。TSP層的中心區(qū)域通常是最難滲透的?，F(xiàn)有技術(shù)的切削元件40顯示在圖3中。切削元件40包括基片42和TSP主體44。 然而，來自基片的浸滲劑材料僅部分地滲透了 TSP主體44，移入最靠近基片12的區(qū)域44a 中?；瑢γ娴腡SP主體的區(qū)域44b并不被滲透，或者僅部分地被滲透，導(dǎo)致該區(qū)域中的孔或空位是空的。正如圖3中所示，滲透的區(qū)域4 具有倒圓頂形或U形，外部表面46附近比中央?yún)^(qū)域48中浸滲劑更深入移入TSP主體44。該U形浸滲劑圖案可通過TSP主體44 的側(cè)面周圍的潤濕效應(yīng)來說明。如上所述，金剛石粉末和基片放入用于HPHT燒結(jié)的耐火金屬外殼，例如鈮罐中。當(dāng)在高壓壓制該罐時，來自該罐的耐火金屬如鈮與PCD主體的外緣和側(cè)面相互作用。然后，在再結(jié)合過程中，該TSP層側(cè)表面46周圍殘留的金屬形成潤濕效應(yīng)并幫助浸滲劑從基片向上移動。因此，浸滲劑跟隨著鈮(或其他罐材料)并成U形或倒圓頂形移過TSP層，如圖3中所示。另外，現(xiàn)有技術(shù)中，在HPHT燒結(jié)期間于POT層中形成的天然金屬梯度還不足以在隨后的再結(jié)合期間進(jìn)行滲透。在與基片的HPHT燒結(jié)期間，金剛石粉末的收縮受到基片存在的影響。結(jié)果是PCD在基片附近具有較低的金剛石密度和較高的金屬含量?，F(xiàn)有技術(shù)已經(jīng)形成的PCD刀具，其在HPHT燒結(jié)后金屬含量從基片附近的約19. 8%w改變?yōu)檫h(yuǎn)離基片的約 16. 6%w，這在浸出后形成了小的孔隙率梯度(例如小于1. 5%的孔隙率差異)。然而，仍然觀察到浸出后的不完全滲透，特別是在具有高金剛石密度的TSP中。在本文描述的實施方式中，孔隙率通過在燒結(jié)前添加填充材料而增加，這形成不同于HPHT燒結(jié)期間通過粉末收縮產(chǎn)生的自然梯度的金屬含量梯度和孔結(jié)構(gòu)?，F(xiàn)有技術(shù)TSP主體44的中心區(qū)域48可在再結(jié)合期間不充分地被滲透。申請人已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，通過在TSP層的該區(qū)域中提供更大和或更多的孔，TSP層的該中心區(qū)域能夠更完全地被滲透。增加TSP層的孔隙率導(dǎo)致較好的滲透，因為它提供了浸滲劑可通過的更多的孔。 浸滲劑更容易移入具有較大孔徑的TSP中。相應(yīng)地，根據(jù)上述的方法，本發(fā)明的示例性實施方式中，HPHT燒結(jié)前將填充材料添加到金剛石粉末混合物中以增加基片最近處TSP層中孔的孔徑和/或孔的數(shù)量。根據(jù)實施方式的切削元件10顯示在圖4A中。切削元件10包括在界面16處結(jié)合到TSP主體14上的基片12。TSP主體14包括比相對于基片(工作表面18附近)的第二區(qū)域或第二層14b有更大孔隙率的基片附近的第一區(qū)域或第一層14a。在該實施方式中，兩層14a、14b之間的界面15是圓頂形，孔隙率提高的層Ha在TSP主體14的中心中比外表面處延伸入TSP主體中要深。也就是說，孔隙率提高的層Ha在中心比在外表面處更靠近TSP層的工作表面18。 該幾何結(jié)構(gòu)抵消了圖3中所示的現(xiàn)有技術(shù)切削元件中看到的倒圓頂滲透。如上所述，在外表面46上殘留的罐材料的幫助下，浸滲劑傾向于以倒圓頂形的形狀移入現(xiàn)有技術(shù)的TSP層中?？紫堵试黾拥牡谝粚?4a的圓頂形(圖2A中所示)促使浸滲劑移入TSP層的中心，其中通常它是最難滲透的。因此，可以相信，浸滲劑向TSP層的移入可沿循例如圖4A中的虛線 13的路徑；也就是說，由于第一層1 中孔隙率的增加，它可以移入具有不明顯的倒圓頂形的TSP主體中。TSP主體14中第一層1 的圓頂形可通過在HPHT燒結(jié)前在金剛石粉末混合物中形成生成凹區(qū)來形成。形成第二層14b的金剛石粉末在中心內(nèi)凹成碗形或倒圓頂形。然后，將會形成第一層Ha的具有填充材料的金剛石粉末，沉積在凹下的/碗形金剛石層上并填充凹區(qū)。形成第二層14b的金剛石粉末沒有填充材料，或者具有比形成第一層14a的粉末更少的填充材料?；胖迷谠摻饎偸吞畛浠旌衔?即第一層14a)的頂部上，且然后 HPHT燒結(jié)材料。結(jié)果是具有圓頂形部分的PCD層，在結(jié)合的金剛石晶體之間具有額外的填充材料。當(dāng)去除該填充材料留下孔時，結(jié)果是具有孔隙率提高的、圓頂形第一層14a的TSP 材料。在其他實施方式中，孔隙率提高的第一層具有其他形狀。在圖4B中，切削元件10' 包括TSP主體14，該主體具有孔隙率提高的第一層1 和孔隙率沒有增加的上覆的第二層 14b。圖4B中這兩個層之間的界面15是平面的或平坦的。在一實施方式中，第一層14a 小于第二層14b，且在另一實施方式中，它是更大的，在再一實施方式中，兩個層是相同的尺寸，每個層都占據(jù)著TSP主體14的一半。在圖4C中，切削元件10'‘包括整體孔隙率提高的TSP主體14，而不是兩個單獨的層，之一的孔隙率提高。在其他的實施方式中，孔隙率提高的層14a向上延伸進(jìn)入TSP層的中心區(qū)域，但未必是如圖4A中所示的圓頂形。其他三維的幾何形狀可用于在TSP主體的中心區(qū)域中形成另外的孔，以幫助滲透。在一實施方式中，孔隙率提高層Ha為TSP主體14體積的至少25%。 在又一實施方式中，層Ha為TSP主體14體積的約50%，且層14b為約50%。在層1 本身內(nèi)，在一實施方式中孔占據(jù)該部分體積的約1%。在圖4A至4C中所示的每個實施方式中，如上所述，具有孔隙率提高層的TSP主體再結(jié)合到基片上，然后任選地進(jìn)行再浸出并納入到切削工具中?？紫堵侍岣叩牟糠挚梢允荰SP主體的不連續(xù)部分，具有與較低孔隙率的鄰近部分的步進(jìn)式界面。不同孔隙率的兩個、三個或更多個部分可包括在TSP主體中，每個部分遠(yuǎn)離具有較低孔隙率的基片。這些部分可以是通過堆疊兩個或多個金剛石粉末層然后再進(jìn)行上述HPHT燒結(jié)形成的遠(yuǎn)離基片的層，該金剛石粉末層由具有較少填充材料或不同填充材料的金剛石粉末混合物形成。在排列這些堆疊層中，TSP主體的孔隙率和從而它的滲透特性能夠得到控制。作為替代地，孔隙率可隨著貫穿TSP主體的梯度而降低。在HPHT燒結(jié)前， 金剛石粉末和填充材料混合物可隨著降低填充材料顆粒尺寸或隨著降低填充顆粒的數(shù)量來排列，以形成降低的孔隙率梯度。因此，通過改變填充材料的尺寸、數(shù)量和類型，孔隙率梯度或孔隙率層能夠在TSP主體中形成。
添加到金剛石粉末混合物中以增加得到的TSP層孔隙率的填充材料或添加劑可以是鈷、碳化鎢、碳化硅、元素周期表中非VIII組中的金屬，任何其他的溶劑金屬催化劑如鎳或鐵或這些的合金，或者例如通過浸出工藝可去除的任何其他碳化物或金屬。填料應(yīng)該可通過某種酸混合物或化學(xué)或熱處理進(jìn)行消化以從燒結(jié)的PCD主體中去除填料。填料也可以是這些材料的混合物。在一實施方式中，為了控制孔隙率，基片附近的填料為鈷，且加入到金剛石粉末混合物中的鈷顆粒的尺寸約為1. 5至2微米。在另一示例性實施方式中，填料為碳化鎢，碳化鎢顆粒約為0.6微米。在示例性實施方式中，具有填充材料的金剛石粉末部分包括至少5wt%的填充材料。在另一實施方式中，該金剛石粉末部分包括至少10wt%的填充材料，且在另一實施方式中，至少為15wt%。例如，當(dāng)碳化鎢用作填充材料時，金剛石粉末可包括5wt%，10wt%或15wt%的碳化鎢，或者5至15wt%該范圍內(nèi)的任何百分比。填充材料的顆粒尺寸可進(jìn)行選擇以控制燒結(jié)和浸出后得到的孔結(jié)構(gòu)。可加入細(xì)顆粒子的填充材料以形成細(xì)小的、分散孔的分布。較大顆粒的填充材料可加入來形成較大的，較少分散的孔。在另一實施方式中，填充材料為鈷，且鈷同時用作催化劑和填料。也就是說，鈷顆?？杉尤氲浇饎偸勰┗旌衔镏屑茸鳛榇呋瘎┎牧蟻泶龠M(jìn)晶體間金剛石結(jié)合，又作為填充材料來形成期望的孔隙率。在從燒結(jié)的PCD中浸出該鈷(或其他催化劑材料)之前，PCD層包括至少的鈷，或者在另一實施方式中約4至10wt%的鈷。在其他實施方式中，填充材料是與催化劑材料不同的材料。例如，填充材料可以是碳化鎢，且催化劑材料可以是鈷，碳化鎢的重量百分?jǐn)?shù)如上所述。碳化鎢填料和鈷催化劑均可在燒結(jié)前混合到金剛石粉末混合物中。在一實施方式中，具有碳化鎢填料的金剛石粉末混合物的部分包括5襯％的碳化鎢顆粒。在一些應(yīng)用中，期望使用不同于催化劑材料的填充材料，因為大量加入的催化劑材料會降低金剛石的密度和得到的燒結(jié)刀具的耐磨性。不同于催化劑材料的填料可用來增加TSP主體中的孔隙率，同時保持期望數(shù)量的催化劑材料?，F(xiàn)有技術(shù)的TSP切削元件和本發(fā)明實施方式的TSP滲透產(chǎn)率的比較表明滲透的提高。以下提供的數(shù)據(jù)如示可通過不同壓力下的HPHT燒結(jié)金剛石粉末獲得。對于每種壓力， 燒結(jié)至少200個單層的切削元件。TSP滲透產(chǎn)率通過確定這些燒結(jié)切削元件的百分比而得至IJ，這些燒結(jié)切削元件在再結(jié)合后的TSP主體頂部表面處存在有浸滲劑材料。添加洲鈷時， 這些試驗中金剛石顆粒的平均粒徑為12微米。沒有任何填充材料(單層TSP主體)的用于切削元件的TSP滲透產(chǎn)率經(jīng)發(fā)現(xiàn)如下
權(quán)利要求
1.一種形成熱穩(wěn)定多晶金剛石切削元件的方法，包括混合金剛石顆粒與填充材料以形成金剛石粉末混合物，其中所述金剛石粉末混合物包括具有填充材料的第一部分和具有比第一部分更少填充材料的第二部分，所述第一部分為至少金剛石粉末混合物體積的25% ；在高溫高壓燒結(jié)金剛石粉末混合物以形成多晶金剛石材料；從所述多晶金剛石材料中去除填充材料以形成熱穩(wěn)定多晶金剛石材料，其在第一部分和第二部分之間具有至少1. 6%的孔隙率差異；將所述熱穩(wěn)定材料結(jié)合到基片上，其中，結(jié)合包括用來自基片的浸滲劑材料滲透第一部分。
2.如權(quán)利要求1所述的方法，其中結(jié)合包括排列熱穩(wěn)定材料和基片，使得所述熱穩(wěn)定材料的第一部分緊鄰基片。
3.如權(quán)利要求1所述的方法，其中，所述填充材料包括鈷。
4.如權(quán)利要求1所述的方法，其中，所述填充材料包括碳化鎢。
5.如權(quán)利要求4所述的方法，其中，在第一部分中所述填充材料包括5wt%的碳化鎢。
6.如權(quán)利要求1所述的方法，其中，混合金剛石顆粒和填充材料包括在金剛石粉末混合物中形成填充材料的數(shù)量梯度。
7.如權(quán)利要求1所述的方法，其中，所述第一部分在基片最近處形成熱穩(wěn)定材料的第一層，且所述第二部分在基片相對處形成熱穩(wěn)定材料的第二層。
8.如權(quán)利要求7所述的方法，其中，所述第一層和第二層大約是相同的尺寸。
9.如權(quán)利要求1所述的方法，其中，金剛石粉末的第一部分具有圓頂形狀。
10.如權(quán)利要求1所述的方法，其中，所述第二部分包括有凹區(qū)，且所述第一部分包括有突起，所述突起容納在所述凹區(qū)中。
11.如權(quán)利要求1所述的方法，其中，所述第一部分具有至少4wt%的填充材料。
12.如權(quán)利要求1所述的方法，其中，在去除填充材料后，所述第一部分包括占據(jù)第一部分體積約9%的孔。
13.如權(quán)利要求1所述的方法，其中，所述孔隙率差異為至少2.6%。
14.一種切削元件，包括 基片；和結(jié)合到基片上的熱穩(wěn)定多晶金剛石主體， 其中所述熱穩(wěn)定多晶金剛石主體包括 相對基片的工作表面；材料顯微結(jié)構(gòu)，包括多個結(jié)合在一起的金剛石晶體，和金剛石晶體之間的孔，所述孔基本上沒有催化劑材料；所述材料顯微結(jié)構(gòu)的第一部分接近基片并具有孔隙率；和所述材料顯微結(jié)構(gòu)的第二部分接近工作表面并具有孔隙率， 其中所述第一部分占據(jù)所述多晶金剛石主體體積的至少25%， 其中所述第一部分在金剛石晶體之間的一個或多個孔中包含有浸滲劑材料，且其中所述材料顯微結(jié)構(gòu)在沒有所述浸滲劑測量所述孔隙率時，在所述第一部分和第二部分之間具有至少1. 6%的孔隙率差異。
15.如權(quán)利要求14所述的切削元件，其中所述第一部分包括多晶金剛石主體的第一層，且所述第二部分包括多晶金剛石主體的第二層，且其中所述第一層和第二層在界面相遇。
16.如權(quán)利要求15所述的切削元件，其中所述界面為圓頂形。
17.如權(quán)利要求15所述的切削元件，其中所述界面是平的。
18.如權(quán)利要求15所述的切削元件，其中所述第二層包括有凹區(qū)，且其中所述第一層包括有容納在所述凹區(qū)內(nèi)的突起。
19.如權(quán)利要求14所述的切削元件，其中所述孔隙率差異為至少2.6%。
20.如權(quán)利要求14所述的切削元件，其中所述孔隙率差異為至少3.4%。
21.如權(quán)利要求14所述的切削元件，其中第一部分中的一個或多個孔包括痕量的填充材料，所述填充材料選自由碳化鎢、碳化硅和不在元素周期表VIII組中的金屬組成的組中。
22.如權(quán)利要求21所述的切削元件，其中所述填充材料為碳化鎢。
23.如權(quán)利要求14所述的切削元件，其中所述第二部分在金剛石晶體之間的一個或多個孔中包括有浸滲劑材料。
24.如權(quán)利要求23所述的切削元件，其中所述工作表面在金剛石晶體之間的一個或多個孔中包括有浸滲劑材料。
25.如權(quán)利要求14所述的切削元件，其中所述第一部分包括有第一層，所述第二部分包括有第二層，且其中所述第一層與第二層都約為多晶金剛石主體體積的50%。
26.一種井下工具，包括工具主體和其上設(shè)置的至少一個如權(quán)利要求14所述的切削元件。
27.如權(quán)利要求沈所述的井下工具，其中所述井下工具包括有鉆頭。
28.一種切削元件，包括基片；和結(jié)合到基片上的熱穩(wěn)定多晶金剛石主體，其中所述熱穩(wěn)定多晶金剛石主體包括相對基片的工作表面；材料顯微結(jié)構(gòu)，包括多個結(jié)合在一起的金剛石晶體，和金剛石晶體之間的孔，所述孔基本上沒有催化劑材料；所述材料顯微結(jié)構(gòu)的接近基片的第一部分具有孔隙率并包括有突起；和所述材料顯微結(jié)構(gòu)的接近工作表面的第二部分具有孔隙率并包括有容納所述突起的凹區(qū)，其中所述第一部分在金剛石晶體之間的一個或多個孔中包括有浸滲劑材料，和其中所述材料顯微結(jié)構(gòu)在沒有所述浸滲劑測量所述孔隙率時，在所述第一部分和第二部分之間具有孔隙率差異。
29.如權(quán)利要求觀所述的切削元件，其中所述第一部分與第二部分之間的孔隙率差異為至少1. 6%ο
30.如權(quán)利要求28所述的切削元件，其中所述凹區(qū)與所述突起是互補的。
31.如權(quán)利要求觀所述的切削元件，其中所述突起為圓頂形。
32.如權(quán)利要求28所述的切削元件，其中所述第一部分具有比所述第二部分更大的孔隙率。
33.一種井下工具，包括工具主體和其上設(shè)置的至少一個如權(quán)利要求28所述的切削元件。
34.如權(quán)利要求33所述的井下工具，其中，所述井下工具包括有鉆頭。
全文摘要
本發(fā)明提供了一種通過提高TSP材料與基片界面附近處TSP材料的孔隙率來促進(jìn)浸滲劑材料在將TSP材料再結(jié)合到基片期間滲透進(jìn)TSP材料中的方法。本發(fā)明也提供了通過這種方法形成的切削元件和包括該切削元件的井下工具。
文檔編號B22F7/06GK102482919SQ201080036092
公開日2012年5月30日 申請日期2010年6月18日 優(yōu)先權(quán)日2009年6月18日
發(fā)明者J·丹尼爾·貝爾納普, 于峰, 彼得·T·卡里維奧, 方毅, 范國江 申請人:史密斯國際有限公司