具有多晶立方體氮化硼過渡層的熱穩(wěn)定多晶金剛石的制作方法
【專利摘要】本公開涉及包含用于地下鉆井應(yīng)用的多晶金剛石體的切割工具，更具體地講，涉及一種接合到基體以形成切割元件的熱穩(wěn)定多晶金剛石體。熱穩(wěn)定多晶金剛石體可以是無結(jié)合劑多晶金剛石或非金屬催化劑多晶金剛石。同樣還提供了一側(cè)結(jié)合到多晶金剛石體、另一側(cè)結(jié)合到基體的多晶立方體氮化硼層。
【專利說明】具有多晶立方體氮化硼過渡層的熱穩(wěn)定多晶金剛石

【背景技術(shù)】
[0001]超硬材料通常被用在切割工具和巖石鉆井工具中。多晶金剛石材料就是其中一種這樣的超硬材料，并且以其良好的耐磨性和硬度而聞名，這使其成為在諸如用于機加工的切割工具以及在地下采礦和鉆井中使用的切割元件的工業(yè)應(yīng)用中普遍選擇的材料。
[0002]為了形成多晶金剛石，金剛石顆粒在高壓和高溫下燒結(jié)(HPHT燒結(jié))以產(chǎn)生超硬多晶結(jié)構(gòu)。在燒結(jié)之前將催化劑材料添加到金剛石顆?；旌衔镏泻?或在燒結(jié)過程中滲透金剛石顆粒混合物以在HPHT燒結(jié)過程中提高金剛石晶體的共生，從而形成多晶金剛石(PCD)結(jié)構(gòu)。通常用作催化劑的金屬從選自元素周期表VIII組的溶劑金屬催化劑的組中選取，包括鈷、鐵和鎳以及它們的組合和合金。在HPHT燒結(jié)之后，產(chǎn)生的PCD結(jié)構(gòu)包括彼此結(jié)合的相互連接的金剛石晶體網(wǎng)，其中，催化劑材料占據(jù)結(jié)合的金剛石晶體之間的間隙空間或孔。金剛石顆粒混合物可以在基體存在的情況下燒結(jié)，以形成結(jié)合到基體的PCD體?；w還可以用作在燒結(jié)過程中滲透到金剛石顆?；旌衔镏械慕饘俅呋瘎┑脑?。
[0003]用于特定應(yīng)用的PCD體所期望具有的特性為在磨損或切割操作過程中提高的熱穩(wěn)定性。傳統(tǒng)的PCD體已知存在的問題在于，當它們暴露于升高的溫度時容易熱降級。這種易損性是由存在于分布在PCD體內(nèi)的間隙內(nèi)的溶劑金屬催化劑材料的熱膨脹特性和晶間結(jié)合的金剛石的熱膨脹特性之間的差引起的。這種熱膨脹差公知從低到400°C的溫度開始，同時能夠引發(fā)對金剛石的晶間結(jié)合產(chǎn)生不利影響的熱應(yīng)力并且最終導(dǎo)致產(chǎn)生使PCD結(jié)構(gòu)易于受損的裂縫。此外，溶劑金屬催化劑已知能夠在金剛石內(nèi)引起不期望的隨著溫度升高而發(fā)生的催化相變(將其轉(zhuǎn)化成一氧化碳、二氧化碳或石墨)，由此限制了 PCD體在大約750°C下的實際使用。
[0004]在高溫下提高性能的熱穩(wěn)定rcD材料已經(jīng)取得了發(fā)展。然而，其難以在熱穩(wěn)定rcD材料和基體之間形成用于連接到切割工具的結(jié)合。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本公開涉及包含用于地下鉆井應(yīng)用的多晶金剛石體的切割工具，更具體地講，涉及一種接合到基體以形成切割元件的熱穩(wěn)定多晶金剛石(PCD)體。
[0006]在一個實施例中，切割元件包括熱穩(wěn)定多晶金剛石體。熱穩(wěn)定P⑶體可以是無結(jié)合劑P⑶或非金屬催化劑P⑶，例如碳酸鹽P⑶。同樣還提供了一側(cè)結(jié)合到P⑶體、另一側(cè)結(jié)合到基體的PCBN層。在一個實施例中，提供了一種用于將熱穩(wěn)定多晶金剛石體接合到基體的方法。該方法包括形成熱穩(wěn)定PCD體，其可以是無結(jié)合劑PCD或非金屬催化劑PCD。該方法包括將熱穩(wěn)定多晶金剛石體結(jié)合到多晶立方體氮化硼體上，并且將多晶立方體氮化硼體結(jié)合到碳化物基體上。
[0007]本
【發(fā)明內(nèi)容】
用于介紹在下面的詳細說明中進一步描述的選取的概念。本
【發(fā)明內(nèi)容】
不是用于確定要求保護的主題的關(guān)鍵或本質(zhì)特征，也不是用于幫助限定要求保護的主題的范圍。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0008]熱穩(wěn)定PCD材料的實施例參照所附的圖進行描述。在全部的附圖中相同的附圖標記指代相同的特征和部件。
[0009]圖1示出了根據(jù)一個實施例的熱穩(wěn)定碳酸鹽P⑶材料的一個區(qū)域。
[0010]圖2示出了根據(jù)一個實施例的熱穩(wěn)定無結(jié)合劑PCD材料的一個區(qū)域。
[0011]圖3示出了根據(jù)一個實施例的包含熱穩(wěn)定P⑶體的切割元件。
[0012]圖4示出了根據(jù)一個實施例的包含熱穩(wěn)定P⑶體的切割元件。
[0013]圖5示出了根據(jù)一個實施例的包含熱穩(wěn)定P⑶體的切割元件。
[0014]圖6示出了根據(jù)一個或多個實施例的用于將熱穩(wěn)定PCD體結(jié)合到基體的示例性方法。
[0015]圖7示出了根據(jù)一個或多個實施例的用于將熱穩(wěn)定PCD體結(jié)合到基體的示例性方法。
[0016]圖8示出根據(jù)一個實施例的包含切割元件的示例性裝置。

【具體實施方式】
[0017]本公開涉及包含用于地下鉆井應(yīng)用的多晶金剛石材料的切割工具，更具體地，涉及一種接合到基體以形成切割元件的熱穩(wěn)定多晶金剛石(PCD)體。在一個實施例中，熱穩(wěn)定P⑶材料可以是非金屬催化劑P⑶，或者無結(jié)合劑P⑶。P⑶體通過多晶立方體氮化硼(PCBN)過渡層結(jié)合到碳化物基體上。PCBN過渡層提供與熱穩(wěn)定PCD體和碳化物基體兩者的結(jié)合。
[0018]后面公開的內(nèi)容涉及各種實施例。公開的實施例具有廣泛的應(yīng)用，并且對任何實施例的討論僅僅是為了說明該實施例，而不是意味著公開的范圍，包括權(quán)利要求，被限定在該實施例或者該實施例的特征。
[0019]在后面整個說明書和權(quán)利要求中，特定的術(shù)語指代具體的特征或部件。如本領(lǐng)域技術(shù)人員能夠意識到的，不同的人會使用不同的名字來指代相同的特征或部件。本文獻并不是用于區(qū)分僅僅是名字不同的部件或特征。附圖并不一定要成比例。在這里，特定的特征和部件可以被示出按比例放大或在某種程度上只是示意性的并且為了清晰和簡明起見，常規(guī)元件的一些細節(jié)并沒有示出。
[0020]如這里所使用的，為了方便起見，多個對象、結(jié)構(gòu)元件、組成元件和/或材料可以列在同一個列表中。然而，這些列表應(yīng)該被理解為好像每個列表部分被獨立地確定為單獨且唯一的部分。因此，任何一個單獨的這種列表部分不應(yīng)該僅僅基于它們出現(xiàn)在同一個組中而沒有相反的標記而被理解為實際上與相同列表里的任何其它部分相當。
[0021]作為參考被包含在這里任何專利、公開或其它公開材料的整體或部分的范圍僅限于包含的材料不會與在本公開中提出的現(xiàn)有的限定、說明或其它公開材料相沖突。如此以及對于必須的范圍來說，這里提出的公開替代通過引用包含于此的任何沖突材料。作為參考被包含在這里但是與這里提出的現(xiàn)有的限定、說明或其它公開材料相沖突的任何材料或其部分被包含在這里的范圍僅僅限于在包含的材料和現(xiàn)有的公開材料之間不會發(fā)生沖突的范圍。
[0022]為了清晰起見，如這里使用的，術(shù)語“傳統(tǒng)的rcD”所指的是在HPHT燒結(jié)過程中使用傳統(tǒng)的金屬催化劑形成的傳統(tǒng)的多晶金剛石，這種多晶金剛石形成這種結(jié)合的金剛石晶體的微結(jié)構(gòu)，其中，金屬催化劑材料占據(jù)結(jié)合的金剛石晶體之間的間隙空間或孔。
[0023]“非金屬催化劑P⑶”所指的是在HPHT燒結(jié)過程中使用非金屬催化劑形成的P⑶材料，其形成結(jié)合的金剛石晶體的微結(jié)構(gòu)，其中，非金屬催化劑占據(jù)結(jié)合的金剛石晶體之間的間隙空間或孔。非金屬催化劑的例子包括碳酸鹽、硫酸鹽(例如，MgSO4)、氫氧化物(例如，Mg(OH)2)以及氧化鐵(例如，F(xiàn)eTi03)。碳酸鹽催化劑可以是任何I類或II類(Group I或者Group II)碳酸鹽，例如碳酸鎂、碳酸鈣、碳酸鋰或碳酸鈉，或碳酸鹽的組合?！盁o結(jié)合劑PCD”所指的是不使用催化劑形成的多晶金剛石基體，例如通過在超高壓力和溫度下將石墨直接轉(zhuǎn)換成金剛石。這里使用的“熱穩(wěn)定PCD”所指的是非金屬催化劑PCD或無結(jié)合劑PCD。在一個實施例中，熱穩(wěn)定PCD選自基本上由無結(jié)合劑PCD和非金屬催化劑PCD構(gòu)成的組。
[0024]在一個實施例中，熱穩(wěn)定rcD材料為非金屬催化劑rcD，例如碳酸鹽P⑶。在燒結(jié)前，非金屬催化劑與金剛石粉末混合，并且在燒結(jié)過程中促進金剛石晶體的增長。當使用非金屬催化劑時，金剛石在多晶金剛石形式中隨著溫度上升到1200°c還保持穩(wěn)定，而不是轉(zhuǎn)換成二氧化碳、一氧化碳或石墨。因此，非金屬催化劑PCD是熱穩(wěn)定的。
[0025]在另一個實施例中，非金屬催化劑P⑶由大約90-98%金剛石(體積比)以及非金屬催化劑材料構(gòu)成，總的理論密度至少為98%，并且在另一個實施例中至少為99%。碳酸鹽P⑶材料10的一個區(qū)域在圖1中示意性地示出。碳酸鹽P⑶材料10具有多晶微結(jié)構(gòu)，其包括彼此結(jié)合的多個金剛砂或晶體12，在金剛石晶體12之間具有間隙空間或孔。
[0026]這種多晶微結(jié)構(gòu)通過使金剛石粉末在具有碳酸鹽催化劑(或者，在其它實施例中，為另一種非金屬催化劑)的情況下經(jīng)受HPHT燒結(jié)過程而形成。在一個實施例中，HPHT燒結(jié)過程包括施加大約70kbar或更大的壓力以及大約2000到2500°C的溫度。在這種溫度和壓力下，非金屬催化劑材料融化且滲透通過金剛石粉末混合物。催化劑促進了金剛石晶體在HPHT燒結(jié)過程中的生長，從而形成了碳酸鹽P⑶。由此產(chǎn)生的是碳酸鹽P⑶材料，其中，碳酸鹽催化劑材料16占據(jù)金剛石晶體12之間的間隙空間14。在一個實施例中，碳酸鹽P⑶材料中的金剛石晶體12的尺寸大約為1-50微米，并且通過了至少90%的金剛石體積含量。在另一個實施例中，碳酸鹽P⑶的金剛石體積含量為至少95%。在另一個實施例中，金剛石晶體12的尺寸小于I微米。
[0027]在一個實施例中，熱穩(wěn)定PCD材料為無結(jié)合劑PCD。無結(jié)合劑PCD是不使用催化劑材料形成的。產(chǎn)生的金剛石材料具有均勻的晶間金剛石微結(jié)構(gòu)，在金剛石晶體間沒有散布有催化劑材料。由此，無結(jié)合劑金剛石體不存在金剛石和催化劑之間的熱膨脹差。無結(jié)合劑P⑶是熱穩(wěn)定的。
[0028]根據(jù)本公開的一個實施例，無結(jié)合劑PCD材料20的一個區(qū)域示意性地在圖2中示出。無結(jié)合劑PCD材料20具有多晶微結(jié)構(gòu)，其包括彼此結(jié)合的多個金剛砂或晶體22。如圖2所示，這種材料微結(jié)構(gòu)基本上沒有位于金剛石晶體22之間的縫隙或間隙空間。金剛石晶體22彼此直接結(jié)合到一起。無結(jié)合劑PCD材料20基本上為純碳，其中，金剛石的體積比例大于99%。在金剛石晶體22之間基本上沒有結(jié)合劑相或催化劑材料。
[0029]這種無結(jié)合劑P⑶材料20被描述為“基本上”沒有縫隙和間隙空間，并且“基本上”為100%的金剛石，以考慮無結(jié)合劑PCD材料20內(nèi)可能具有小的缺陷和偏差，在一些金剛石晶體之間可能留下小的縫隙或空間。在一個實施例中，無結(jié)合劑PCD材料的材料微結(jié)構(gòu)的金剛石體積含量至少為98%，在另一個實施例中至少或大約為99%，在另一個實施例中至少或大約為99.5%，在另一個實施例中至少或大約為99.8%，在另一個實施例中至少或大約為99.9%，在另一個實施例為100%。在一個實施例中，無結(jié)合劑P⑶材料20具有細粒度金剛石晶粒尺寸，例如平均金剛石晶粒尺寸小于I微米，例如大約50nm或更小。無結(jié)合劑PCD也可稱作“納米PCD”。在其它實施例中，無結(jié)合劑PCD材料20的平均晶粒尺寸為大約1-30微米。
[0030]為了形成諸如圖2所示的材料20的無結(jié)合劑金剛石材料，成石墨、巴克球(buckeyballs)或其它碳結(jié)構(gòu)的形式的碳在沒有催化劑材料的條件下經(jīng)受HPHT燒結(jié)過程。在一個實施例中，該過程包括在超高溫度和壓力下進行HPHT燒結(jié)，該溫度和壓力高于在形成PCD的傳統(tǒng)HPHT燒結(jié)過程中施加的溫度和壓力。在一個實施例中，該壓力位于大約100-160kbar，例如大約150kbar，并且該溫度大約為2200-2300°C。例如，當燒結(jié)石墨時，壓力可以是大約150kbar，或者大約150_160kbar。當燒結(jié)其它類型的碳、例如巴克球或其它復(fù)雜碳結(jié)構(gòu)時，壓力可為大約110-120kbar。作為參考，傳統(tǒng)的用于形成K?的HPHT燒結(jié)可以在大約50_60kbar的壓力下進行。
[0031]該方法將石墨(或其它碳形式)相轉(zhuǎn)換成多晶金剛石。也就是說，在HPHT燒結(jié)過程中，無需借助催化材料的幫助就可以將石墨轉(zhuǎn)換成多晶金剛石。一旦HPHT燒結(jié)完成，形成熱穩(wěn)定多晶金剛石基質(zhì)，其包括如上所述的彼此結(jié)合到一起、基本上沒有間隙空間的金剛石晶體。
[0032]在另一個實施例中，熱穩(wěn)定無結(jié)合劑金剛石材料20通過在化學(xué)氣相沉淀(CVD)過程中沉積層而形成，用于形成具有基本上為100%的金剛石體積含量的無結(jié)合劑PCD材料。該CVD過程通過在反應(yīng)環(huán)境中加熱氣體先質(zhì)而進行，這使得先質(zhì)在基體的表面上反應(yīng)或分解，形成想要的沉淀。該過程在基體上生成金剛石晶體。
[0033]無結(jié)合劑PCD材料20由于其均勻的金剛石含量，因而天性就是熱穩(wěn)定的。無結(jié)合劑PCD材料20具有一種相態(tài)，因此不存在材料的不同相態(tài)間的熱膨脹差。因此，由這種無結(jié)合劑PCD材料20形成的金剛石體即使在高的溫度下也具有高強度，而傳統(tǒng)的PCD由于金剛石和催化劑相之間具有不同的膨脹性而會遭受熱降級。
[0034]在一個實施例中，熱穩(wěn)定P⑶體(例如無結(jié)合劑P⑶或非金屬催化劑P⑶)通過如圖3所示的多晶立方體氮化硼(PCBN)過渡層連接到基體上。圖3示出了包含結(jié)合到基體34的超硬體32的切割元件30。該超硬體32包括熱穩(wěn)定P⑶體36和PCBN體或?qū)?8。PCBN體38用作熱穩(wěn)定P⑶體36和基體34之間的過渡層。
[0035]PCBN層38有助于熱穩(wěn)定P⑶體36和基體34之間的結(jié)合。如上所述，根據(jù)公開的實施例，熱穩(wěn)定PCD體36在無傳統(tǒng)催化劑材料、例如鈷的情況下形成。作為對比，在形成傳統(tǒng)的PCD時，在HPHT燒結(jié)過程中被用于幫助金剛石生長的金屬溶劑催化劑也在基體和傳統(tǒng)的PCD體之間形成結(jié)合。然而，對于熱穩(wěn)定PCD體36而言，沒有這種金屬溶劑催化劑在熱穩(wěn)定PCD體和基體之間形成結(jié)合。
[0036]將熱穩(wěn)定P⑶體直接結(jié)合到基體上是一個挑戰(zhàn)。無結(jié)合劑P⑶基本上在結(jié)合的金剛石晶體之間沒有間隙空間(參見圖2)，并且非金屬催化劑PCD包括占據(jù)空間的非金屬催化劑(參見圖1)。因此，熱穩(wěn)定PCD體基本上沒有空的間隙空間可像傳統(tǒng)的HPHT燒結(jié)過程中那樣被在基體和PCD體之間流動的結(jié)合材料(例如金屬溶劑催化劑)填充。此外，將PCD體硬焊到基體可能在高硬焊溫度下進行焊接的過程中使金剛石表面石墨化。石墨不會在基體和PCD體之間形成牢固的結(jié)合。此外，嘗試將非金屬催化劑金剛石粉末混合物直接燒結(jié)到傳統(tǒng)的基體上可能導(dǎo)致基體的金屬滲透到金剛石粉末層中，取代非金屬催化劑。例如，當使用碳酸鹽催化劑時，基體的鈷可能滲透到金剛石粉末層中，因為鈷的融化溫度比碳酸鹽低。這種滲透可能降低PCD體的熱穩(wěn)定性。
[0037]根據(jù)一個實施例，可以通過在熱穩(wěn)定P⑶體和基體之間設(shè)置PCBN體而形成結(jié)合。PCBN層用作能夠同時結(jié)合到熱穩(wěn)定PCD體和基體的過渡層。在一個實施例中，PCBN層硬焊到基體。硬焊材料與PCBN材料反應(yīng)，沿著PCBN晶粒表面形成硼化物和氮化物層。這在PCBN層和基體之間形成牢固的化學(xué)結(jié)合。
[0038]參照圖3，PCBN體38被設(shè)置用于提高熱穩(wěn)定P⑶體36和基體34之間的結(jié)合。在一個實施例中，PCBN層38被設(shè)置為位于熱穩(wěn)定P⑶體36和基體34之間的圓柱形體或盤。熱穩(wěn)定PCD體36包括具有切割邊緣42的頂部或工作表面40。與工作表面40相反的是交界面44，熱穩(wěn)定P⑶體36在這里與PCBN層38接觸。在PCBN體的相反側(cè)上為與基體的第二交界面46。PCBN層38具有相反的頂部和底部表面，頂部表面與熱穩(wěn)定PCD體36在交界面44處接觸，底部表面與基體34在第二交界面46處接觸。
[0039]PCBN層可以是金屬結(jié)合PCBN、陶瓷結(jié)合PCBN或者無結(jié)合劑PCBN (具有微量六方氮化硼的立方體氮化硼，其由六方碳化硼直接燒結(jié)轉(zhuǎn)變得到)。PCBN可以通過HPHT燒結(jié)，或者通過CVD工藝在熱穩(wěn)定P⑶的表面上形成PCBN材料涂層形成。
[0040]PCBN體可以與熱穩(wěn)定P⑶體和基體以各種方式結(jié)合。在一個實施例中，熱穩(wěn)定P⑶體和PCBN體通過HPHT燒結(jié)形成，PCBN體隨后硬焊到基體上。HPHT燒結(jié)可在一個或兩個過程中進行。在另一個實施例中，PCBN體可以通過HPHT燒結(jié)結(jié)合到基體上。
[0041 ] 在一個實施例中，熱穩(wěn)定P⑶體和PCBN體在一個HPHT燒結(jié)過程中被燒結(jié)到一起。例如，金剛石粉末與非金屬催化劑混合，并且接著在罐中與CBN粉末(具有合適的金屬或陶瓷結(jié)合劑)相鄰放置。該罐接著經(jīng)受HPHT燒結(jié)條件以形成結(jié)合到一起的熱穩(wěn)定PCD和PCBN0在HPHT燒結(jié)過程中，在熱穩(wěn)定P⑶體和PCBN體之間形成結(jié)合。在一個實施例中，PCBN與陶瓷結(jié)合劑(例如鈦結(jié)合劑)一起燒結(jié)。陶瓷結(jié)合劑與CBN反應(yīng)以在CBN層內(nèi)形成反應(yīng)結(jié)合，從而形成PCBN。結(jié)合還發(fā)生在CBN和金剛石層之間的交界面處。當超硬體被冷卻時，PCBN體和熱穩(wěn)定PCD體被燒結(jié)并且結(jié)合到一起。在另一個實施例中，PCBN與金屬結(jié)合劑、例如鈷一起燒結(jié)。在HPHT燒結(jié)過程中，鈷結(jié)合劑熔化并且流過CBN層，這促進了 PCBN的形成。鈷可以到達與金剛石層的交界面，并且潤濕金剛石的表面以在金剛石和PCBN之間形成結(jié)合。在一個實施例中，無結(jié)合劑PCD和無結(jié)合劑PCBN還可以在一個超高壓力HPHT燒結(jié)過程中被燒結(jié)和結(jié)合到一起。
[0042]在一個實施例中，PCBN層還可包括P⑶。在這種情況下，通過金剛石粉末和CBN粉末以及結(jié)合劑材料的混合物形成該層。在HPHT燒結(jié)過程中，CNB粉末形成PCBN，并且金剛石粉末形成P⑶，這產(chǎn)生結(jié)合到熱穩(wěn)定P⑶層的PCBN和P⑶的混合層。采用CBN粉末通過HPHT燒結(jié)形成PCBN在現(xiàn)有技術(shù)中有很多記載。
[0043]在一個實施例中，熱穩(wěn)定PCD體和PCBN體在兩個單獨的HPHT燒結(jié)過程中被燒結(jié)到一起。熱穩(wěn)定P⑶在形成非金屬催化劑P⑶或無結(jié)合劑P⑶的第一 HPHT燒結(jié)過程中形成。隨后，熱穩(wěn)定PCD體與CBN粉末(以及合適的結(jié)合劑)組合并且被放入壓機中。接著進行第二 HPHT燒結(jié)過程將CBN轉(zhuǎn)換成PCBN并且將PCBN結(jié)合到熱穩(wěn)定P⑶。在一個實施例中，PCBN與陶瓷結(jié)合劑(例如鈦基結(jié)合劑)一起燒結(jié)。第二 HPHT燒結(jié)過程產(chǎn)生結(jié)合到熱穩(wěn)定P⑶體的PCBN層。在熱穩(wěn)定P⑶和PCBN體形成并且結(jié)合到一起之后，PCBN接著被硬焊到基體以形成切割元件。
[0044]在一個實施例中，熱穩(wěn)定P⑶體、PCBN體以及基體在一個HPHT燒結(jié)過程中被燒結(jié)到一起。例如，金剛石粉末與非金屬催化劑混合，并且接著被放置成與CBN粉末(具有合適的金屬或陶瓷結(jié)合劑)相鄰，CBN粉末在罐中被放置成與基體相鄰。該罐接著經(jīng)受HPHT燒結(jié)條件以形成結(jié)合到與基體結(jié)合的PCBN層的熱穩(wěn)定PCD。在HPHT燒結(jié)過程中，鈷可以從基體滲透到PCBN層中。鈷的滲透深度可小于PCBN層的厚度，使得鈷不會到達金剛石層。在一個實施例中，鈷可以被允許到達金剛石層，并且在一個實施例中甚至可以部分滲透進入金剛石層中。
[0045]根據(jù)一個實施例的切割元件31如圖4所示。切割元件31包括結(jié)合到基體34的熱穩(wěn)定P⑶體36，在二者之間具有PCBN體38。在圖4中，PCBN體38通過硬焊層48被結(jié)合到基體34。硬焊層48可包括活性硬焊材料(例如鈦、硅或其它碳化物或氧化物成分)或者鈍性硬焊材料?；钚院外g性硬焊材料是本領(lǐng)域公知的。
[0046]圖3和4所示的切割元件包括超硬體，超硬體包含有熱穩(wěn)定P⑶體用以形成超硬體的切割邊緣或工作表面的至少一部分。在一個實施例中，熱穩(wěn)定PCD體形成超硬體的工作表面和/或切割邊緣的至少一部分，例如至少5 %的切割邊緣(對金剛石體的圓周進行測量)。例如，如下面參照圖5更詳細描述的，熱穩(wěn)定PCD體36A可以形成超硬體的工作表面和/或切割邊緣的一部分。
[0047]根據(jù)一個實施例的切割元件33在圖5中示出。切割元件33包括結(jié)合到基體34的超硬體32。超硬體32包括結(jié)合到PCBN體38的一個或多個熱穩(wěn)定P⑶體36、36A。熱穩(wěn)定PCD體被PCBN體38部分(36A)或完全(36)包圍，并且可形成或可不形成超硬體32的切割邊緣42的一部分。超硬體32可以通過預(yù)形成熱穩(wěn)定P⑶體36、36A(例如通過HPHT燒結(jié))、接著將它們?nèi)缙谕卦O(shè)置在CBN粉末層中或內(nèi)并且使組合體經(jīng)歷HPHT燒結(jié)過程以形成PCBN和將熱穩(wěn)定P⑶體36、36A結(jié)合到PCBN體38來形成。這種HPHT燒結(jié)過程可以在具有基體34的情況下進行，或者超硬體32可隨后例如通過硬焊結(jié)合到基體34。
[0048]基體34可選自包括金屬材料、陶瓷材料、金屬陶瓷材料及它們組合的組。例子包括碳化物，例如WC、W 2C、TiC、VC。在一個實施例中，基體可以由燒結(jié)碳化鎢形成。
[0049]如上所述，熱穩(wěn)定P⑶體和PCBN體可在一個HPHT燒結(jié)過程中形成在一起，或者熱穩(wěn)定P⑶體可以在第一 HPHT燒結(jié)過程中形成，并且可在第二 HPHT燒結(jié)過程中被結(jié)合到PCBN體。其它各種變化也是可以的。例如，可以首先形成熱穩(wěn)定PCD體(如上所述，通過HPHT燒結(jié)，或者無結(jié)合劑P⑶的CVD沉積)，PCBN層接著可以通過CVD工藝在熱穩(wěn)定P⑶體的表面上形成。在CVD工藝中，活性氣體在基體上形成氮化硼的立方體相并且生長。
[0050]當PCBN通過HPHT燒結(jié)形成時，HPHT燒結(jié)可以在具有基體的情況下進行以將PCBN體結(jié)合到基體上。PCBN體可以與陶瓷結(jié)合劑或金屬結(jié)合劑，或者它們的混合物一起燒結(jié)。當使用陶瓷和金屬結(jié)合劑的混合物時，它們可以均勻或非均勻地分布在PCBN層中，例如在與基體相鄰的地方提供更高的金屬結(jié)合劑濃度，在與PCD體相鄰的地方提供更高的陶瓷結(jié)合劑濃度。當使用金屬結(jié)合劑(例如鈷)時，其可從相鄰的基體滲透到PCBN層中。鈷流動通過PCBN層且在基體和PCBN體之間形成整體的結(jié)合。當鈷到達熱穩(wěn)定PCD體時，由于在熱穩(wěn)定PCD體內(nèi)基本上沒有空的間隙空間，因此能夠基本上或完全防止其流到PCD體中。在一個實施例中，鈷沿著PCBN層和熱穩(wěn)定PCD體之間的交界面流動且沿著交界面形成結(jié)合。當切割元件被冷卻時，鈷被固定到位，沿著PCBN體和熱穩(wěn)定PCD體之間的該交界表面被結(jié)入口 ο
[0051]圖6示出了根據(jù)一個實施例的將熱穩(wěn)定PCD體結(jié)合到碳化物基體的方法。該方法包括形成熱穩(wěn)定PCD體102。這可包括形成非金屬催化劑PCD體(104)或者形成無結(jié)合劑PCD體(106)。如上所討論的，形成非金屬催化劑PCD (104)可包括在具有非金屬催化劑的情況下HPHT燒結(jié)金剛石顆粒。形成無結(jié)合劑TCD (106)可包括使碳經(jīng)歷沒有催化劑材料的超高HPHT燒結(jié)過程，或者在化學(xué)氣相沉積(CVD)過程中沉積金剛石層。在每種情況下，可以形成一個或多個熱穩(wěn)定PCD體，用于結(jié)合到切割元件中(例如，參見圖3-5)。
[0052]該方法還包括將熱穩(wěn)定P⑶體結(jié)合到PCBN體(108)。在一個實施例中，形成熱穩(wěn)定PCD體(102)與將PCD體結(jié)合到PCBN體(108)同時進行，例如在單個HPHT燒結(jié)過程中。例如，金剛石粉末和非金屬催化劑的混合物可以與CBN粉末(以及選取的催化劑)組合并且經(jīng)歷HPHT燒結(jié)過程。HPHT燒結(jié)過程在兩個體中的每一個中產(chǎn)生多晶結(jié)構(gòu)，并且將它們結(jié)合到一起。熱穩(wěn)定PCD體形成為與PCBN體相鄰。作為另一個例子，在一個實施例中，金剛石粉末和非金屬催化劑的混合物與預(yù)燒結(jié)的PCBN體組合，并且經(jīng)歷HPHT燒結(jié)過程。金剛石粉末由此被燒結(jié)到PCBN體的表面上，這形成結(jié)合到PCBN體的熱穩(wěn)定P⑶體。
[0053]在一個實施例中，形成熱穩(wěn)定P⑶體(102)在將熱穩(wěn)定P⑶體結(jié)合到PCBN體(108)之前進行。熱穩(wěn)定P⑶體可以單獨地在第一操作中形成，例如在第一 HPHT燒結(jié)過程，或第一 CVD過程中。熱穩(wěn)定PCD體接著在一個單獨的過程，例如HPHT燒結(jié)過程或CVD過程中被結(jié)合到PCBN體。
[0054]再次參照圖6,該方法還包括將PCBN體結(jié)合到基體(110)。在一個實施例中，這包括將PCBN體硬焊到基體。硬焊在熱穩(wěn)定PCD體已經(jīng)結(jié)合到PCBN體之后進行。
[0055]在一個實施例中，將熱穩(wěn)定PCD體結(jié)合到PCBN體與將PCBN體結(jié)合到基體同時進行。例如，這可包括在具有基體的情況下HPHT燒結(jié)PCBN體。熱穩(wěn)定PCD體可以放置成挨著或被CBN粉末層包圍，CBN粉末層放置成挨著基體。該組合物經(jīng)歷HPHT燒結(jié)過程。HPHT燒結(jié)過程產(chǎn)生同時結(jié)合到熱穩(wěn)定PCD體和基體的PCBN。
[0056]圖7示出了一種示例性的方法。該方法包括獲取熱穩(wěn)定P⑶體(114)。熱穩(wěn)定P⑶體可以是非金屬催化劑P⑶或無結(jié)合劑P⑶。該方法包括將熱穩(wěn)定P⑶體HPHT燒結(jié)到PCBN體(116)或者在具有基體的情況下將熱穩(wěn)定P⑶體HPHT燒結(jié)到PCBN體(118)。對于前者，熱穩(wěn)定PCD體被放置在具有CBN顆粒的罐中，按照期望的用于超硬體的配置放置。也就是說，P⑶體可以設(shè)置在CBN層的一側(cè)上，或者可以部分或完全地被CBN層包圍(參見圖5)。組合物接著被HPHT燒結(jié)，這形成PCBN并且在熱穩(wěn)定P⑶體和PCBN體之間形成結(jié)合。接著，該方法包括將PCBN體硬焊到基體120 (120)。
[0057]對于后一方法，HPHT燒結(jié)過程在具有基體的情況下進行(118)。在這種情況下，HPHT燒結(jié)過程產(chǎn)生兩種結(jié)合-位于PCBN體和熱穩(wěn)定P⑶體之間的第一結(jié)合，以及位于PCBN體和基體之間的第二結(jié)合。
[0058]在另一個實施例中，該方法包括獲取熱穩(wěn)定P⑶體(114)，所述熱穩(wěn)定P⑶體可以是非金屬催化劑PCD或無結(jié)合劑PCD。該方法還包括將熱穩(wěn)定PCD體燒結(jié)到傳統(tǒng)的PCD體上。該方法進一步包括將傳統(tǒng)的K?體HPHT燒結(jié)到PCBN體(116)上或者在具有基體的情況下(118)將傳統(tǒng)的P⑶體HPHT燒結(jié)到PCBN體(116)。隨后，該方法包括將PCBN體硬焊到基體上(120)。
[0059]圖3-5所示的超硬體被形成為結(jié)合到切割工具中的切割元件。圖8示出了包含切割元件的刮刀鉆頭50，切割元件包括通過PCBN層結(jié)合到基體的熱穩(wěn)定PCD體。刮刀鉆頭50可包括多個切割元件30，每一個均連接到沿著刮刀鉆頭延伸的刀片52。刮刀鉆頭可以被用于高溫巖石鉆井作業(yè)。在其它實施例中，其它類型的鉆井或切割工具包含具有形成切割元件的切割邊緣的至少一部分的熱穩(wěn)定PCD體的切割元件，例如旋轉(zhuǎn)式或滾輪式牙輪鉆頭，或者沖擊或錘式鉆頭。在一個實施例中，切割元件為剪切切割器。
[0060]盡管本公開已經(jīng)參照有限數(shù)量的實施例進行了描述，但享有本公開的益處的本領(lǐng)域技術(shù)人員可意識到，可以得出其它實施例和修改而實質(zhì)上不會脫離本公開的范圍。這些實施例和修改被包括在如所附的權(quán)利要求所限定的本公開的范圍內(nèi)。
[0061]盡管上面僅對少數(shù)示例性實施例進行了詳細描述，但本領(lǐng)域技術(shù)人員可容易地意識到，在示例性實施例中進行許多修改是可能的而實質(zhì)上不會脫離本公開。因此，全部的這些修改沒有實質(zhì)性地脫離本發(fā)明。因此，全部的這些修改都被包括在所附的權(quán)利要求中限定的本公開的范圍內(nèi)。本申請明確不引用35U.S.C.112，段落6對這里的任何權(quán)利要求進行限制，除了權(quán)利要求明確表示將“用于…的裝置”與相關(guān)的功能一起使用。
【權(quán)利要求】
1.一種切割兀件，包括: 包括材料微結(jié)構(gòu)的至少一個熱穩(wěn)定多晶金剛石體，所述材料微結(jié)構(gòu)包括結(jié)合到一起的多個金剛石晶體，其中，熱穩(wěn)定多晶金剛石體選自實質(zhì)上由無結(jié)合劑多晶金剛石體和非金屬催化劑多晶金剛石體構(gòu)成的金剛石體的組； 包括多晶立方體氮化硼的多晶立方體氮化硼層，所述多晶立方體氮化硼層被結(jié)合到熱穩(wěn)定多晶金剛石體且具有交界表面；以及基體， 其中，多晶立方體氮化硼層的交界表面被結(jié)合到基體。
2.權(quán)利要求1的切割元件，其中，所述至少一個熱穩(wěn)定多晶金剛石體包括非金屬催化劑多晶金剛石體，其中，非金屬催化劑材料選自實質(zhì)上由碳酸鹽、硫酸鹽、氫氧化物以及氧化鐵構(gòu)成的組，并且材料微結(jié)構(gòu)進一步包括位于金剛石晶體之間的間隙區(qū)域，所述非金屬催化劑材料占據(jù)所述間隙區(qū)域。
3.權(quán)利要求1的切割元件，其中，所述至少一個熱穩(wěn)定多晶金剛石體包括無結(jié)合劑多晶金剛石。
4.權(quán)利要求3的切割元件，其中，無結(jié)合劑多晶金剛石包括至少98%的金剛石體積含量。
5.權(quán)利要求1到4任意一項的切割元件，其中，多晶立方體氮化硼層通過硬焊層被結(jié)合到基體。
6.權(quán)利要求1到4任意一項的切割元件，其中，多晶立方體氮化硼層通過高壓高溫燒結(jié)被結(jié)合到基體。
7.權(quán)利要求1到6任意一項的切割元件，其中，多晶立方體氮化硼層包括多晶立方體氮化硼和多晶金剛石的混合物。
8.權(quán)利要求1到7任意一項的切割元件，其中，所述至少一個熱穩(wěn)定多晶金剛石體包括多個金剛石體，其中至少一個金剛石體被多晶立方體氮化硼層包圍。
9.權(quán)利要求1到7任意一項的切割元件，其中，所述至少一個熱穩(wěn)定多晶金剛石體包括頂部表面、與頂部表面相接的切割邊緣以及與頂部表面相反的底部表面，其中，熱穩(wěn)定多晶金剛石體的底部表面被結(jié)合到多晶立方體氮化硼層。
10.權(quán)利要求1到9任意一項的切割元件，其中，多晶立方體氮化硼層包括陶瓷結(jié)合劑或金屬結(jié)合劑。
11.一種剪切切割器，包括: 熱穩(wěn)定多晶金剛石體，包括: 交界表面； 與交界表面相反的頂部表面； 處于頂部表面處的切割邊緣；以及 包括結(jié)合到一起的多個金剛石晶體的材料微結(jié)構(gòu)； 具有相反的第一和第二表面的多晶立方體氮化硼過渡層； 位于多晶立方體氮化硼過渡層的第一表面與多晶金剛石體的交界表面之間的第一結(jié)合部； 基體；以及 位于多晶立方體氮化硼過渡層的第二表面與基體之間的第二結(jié)合部， 其中，熱穩(wěn)定多晶金剛石體選自實質(zhì)上由無結(jié)合劑多晶金剛石體和非金屬催化劑多晶金剛石體構(gòu)成的金剛石體的組。
12.權(quán)利要求11的剪切切割器，其中，第一結(jié)合部包括陶瓷結(jié)合劑。
13.權(quán)利要求11或12的剪切切割器，其中，第二結(jié)合部包括硬焊部。
14.權(quán)利要求11或12的剪切切割器，其中，第二結(jié)合部通過高壓高溫燒結(jié)形成。
15.一種用于將熱穩(wěn)定多晶金剛石體接合到基體的方法，包括: 將熱穩(wěn)定多晶金剛石體結(jié)合到多晶立方體氮化硼體；以及 將多晶立方體氮化硼體結(jié)合到基體。
16.權(quán)利要求15的方法，進一步包括:通過在高溫和高壓下燒結(jié)金剛石顆粒和非金屬催化劑以形成非金屬催化劑熱穩(wěn)定多晶金剛石來形成熱穩(wěn)定多晶金剛石體。
17.權(quán)利要求15的方法，進一步包括:通過使碳在沒有催化劑材料的情況下經(jīng)歷超高壓、高溫燒結(jié)過程以形成無結(jié)合劑熱穩(wěn)定多晶金剛石來形成熱穩(wěn)定多晶金剛石體。
18.權(quán)利要求15到17任意一項的方法，其中，將熱穩(wěn)定多晶金剛石體結(jié)合到多晶立方體氮化硼體包括在高溫和高壓下燒結(jié)與立方體氮化硼顆粒接觸的熱穩(wěn)定多晶金剛石體。
19.權(quán)利要求15到18任意一項的方法，其中，將多晶立方體氮化硼體結(jié)合到碳化物基體包括使用硬焊。
20.權(quán)利要求15到18任意一項的方法，其中，將多晶立方體氮化硼體結(jié)合到碳化物基體包括在高溫和高壓下燒結(jié)與基體接觸的立方體氮化硼顆粒。
【文檔編號】B24D3/10GK104395547SQ201380033800
【公開日】2015年3月4日 申請日期:2013年7月11日 優(yōu)先權(quán)日:2012年7月11日
【發(fā)明者】Y·鮑 申請人:史密斯國際有限公司