力。在一個(gè)實(shí)施例中，壓力在大約100-160千巴之間，例如，大約150千巴，以及溫度在大約2200-2300°C。例如，當(dāng)燒結(jié)石墨時(shí)，該壓力可以是大約150千巴或大約150-160千巴。當(dāng)燒結(jié)諸如巴克球或其它復(fù)雜的碳結(jié)構(gòu)的其他類型的碳時(shí)，該壓力可以是大約110-120千巴。以供參考，可以以大約55-60千巴執(zhí)行形成PCD的傳統(tǒng)HPHT燒結(jié)。形成的無結(jié)合劑的PCD材料20具有包括結(jié)合至彼此的多個(gè)金剛砂或金剛石晶體21而不具有散置在金剛石晶體21之間的催化劑材料的多晶微結(jié)構(gòu)(即，無結(jié)合劑的PCD材料20的金剛石晶體21直接地結(jié)合至彼此，并且在金剛石晶體21之間基本上沒有間隙或空隙空間)。無結(jié)合劑的PCD材料20基本上是純碳的，金剛石的體積分?jǐn)?shù)大于99%。在一個(gè)實(shí)施例中，無結(jié)合劑的PCD材料20的材料微結(jié)構(gòu)具有至少98%的金剛石體積含量，而在另一實(shí)施例中具有至少或大約99%，在另一實(shí)施例中具有至少或大約99.5%，在另一實(shí)施例中具有至少或大約99.8%，在另一實(shí)施例中具有至少或大約99.9%的金剛石體積含量。在一個(gè)實(shí)施例中，無結(jié)合劑的PCD材料20具有微小的金剛砂尺寸，例如，平均金剛砂尺寸小于I微米，例如，大約50nm或更小。在其他實(shí)施例中，無結(jié)合劑的PCD材料20具有大約1-30微米的平均金剛砂尺寸。
[0035]在另一實(shí)施例中，通過在化學(xué)氣相沉積(CVD)工藝中沉積層以形成具有基本上100%的金剛石體積含量的無結(jié)合劑的PCD材料20，來形成熱穩(wěn)定無結(jié)合劑的金剛石材料。通過在反應(yīng)的環(huán)境中加熱氣體前體來執(zhí)行CVD工藝，這導(dǎo)致前體在基體的表面上反應(yīng)或分解，從而形成所期望的沉積物。該工藝導(dǎo)致基體上的金剛石晶體的生長。
[0036]無結(jié)合劑的PCD是熱穩(wěn)定，因?yàn)槠洳辉馐芙饎偸c催化劑之間的有差別的熱膨脹。無結(jié)合劑的PCD具有一種相，并且因此不存在材料的不同相之間有差別的熱膨脹。因此，由該無結(jié)合劑的PCD材料形成的金剛石體即使在溫度升高的狀態(tài)下也能夠呈現(xiàn)高的強(qiáng)度，而傳統(tǒng)的PCD則受到由于金剛石相與催化劑相的有差別的膨脹的熱降級。
[0037]在圖3中示意性地示出了經(jīng)浸濾的P⑶材料30的區(qū)域。通過使與催化劑混合的金剛石粉末經(jīng)受HPHT燒結(jié)工藝來形成經(jīng)浸濾的P⑶材料30的這個(gè)微結(jié)構(gòu)。形成的P⑶材料具有包括結(jié)合至彼此的多個(gè)金剛砂或金剛石晶體的多晶微結(jié)構(gòu)，催化劑材料占據(jù)金剛石晶體之間的空隙空間或孔隙。隨后，對PCD材料進(jìn)行處理以從所述多個(gè)空隙區(qū)域去除催化劑材料。因此，經(jīng)浸濾的PCD材料30包括多個(gè)結(jié)合在一起的金剛石晶體31和結(jié)合的金剛石晶體31之間的基本上沒有催化劑材料的多個(gè)空隙區(qū)域32。通過將PCD體放置在特氟隆容器中的酸溶液中來執(zhí)行浸濾，該特氟隆容器被裝在密封的不銹鋼壓力容器內(nèi)并且被加熱到160-180°C。通過在這些條件下加熱酸溶液可能實(shí)現(xiàn)100-200psi之間的壓力。用于浸濾的合適的酸溶液包括試劑級酸，該試劑級酸包含大約5.3摩爾/升的HN03和大約9.6摩爾/升的HF的濃度，其通過按體積計(jì)的HN03-15.9摩爾/升(試劑級硝酸):HF_28.9摩爾/升(試劑級氫氟酸):以及水的1:1:1的比率制成。
[0038]在采礦作業(yè)或鉆井作業(yè)期間，鉆頭上的剪切切割器可能會經(jīng)歷高的負(fù)載(例如，在剪切切割器的切割邊緣邊緣上為2500與30001bs)。因此，在熱穩(wěn)定P⑶體與基體之間形成強(qiáng)的結(jié)合可以使剪切切割器能夠忍受這些高的負(fù)載。將熱穩(wěn)定PCD體結(jié)合至基體可能出現(xiàn)挑戰(zhàn)，因?yàn)樵跊]有諸如鈷的傳統(tǒng)催化劑金屬的情況下形成熱穩(wěn)定PCD體。在傳統(tǒng)的PCD中，用于在HPHT燒結(jié)期間方便金剛石生長的金屬溶劑催化劑還在傳統(tǒng)的PCD體與基體之間形成結(jié)合。相比之下，熱穩(wěn)定PCD體缺乏金屬溶劑催化劑來在熱穩(wěn)定PCD體與基體之間形成結(jié)合。非金屬催化劑的PCD包括占據(jù)空隙空間的非金屬催化劑(參見圖1)，無結(jié)合劑的PCD在結(jié)合的金剛石晶體之間沒有空隙空間(參見圖2)，以及經(jīng)浸濾的PCD在結(jié)合的金剛石晶體之間的空隙空間或空隙中基本上沒有催化劑(參見圖3)。因此，非金屬催化劑的PCD和無結(jié)合劑的PCD在結(jié)合的金剛石晶體之間沒有如在傳統(tǒng)的HPHT燒結(jié)期間可用使用基體與PCD之間流動的結(jié)合材料(例如，金屬溶劑催化劑)填充的空的間隙空間。此外，在浸濾了 P⑶體的一部分的實(shí)施例中，經(jīng)浸濾的P⑶體可以在沿經(jīng)浸濾的P⑶體與基體之間的界面表面的結(jié)合的金剛石晶體之間具有催化劑材料。因此，經(jīng)浸濾的PCD可以沒有用在基體與經(jīng)浸濾的PCD體之間流動的結(jié)合材料滲入的空的間隙空間。此外，將PCD體銅焊至基體可由于高的銅焊溫度導(dǎo)致銅焊期間金剛石表面的石墨化，這會破壞PCD結(jié)構(gòu)和PCD體與基體之間的結(jié)合。
[0039]根據(jù)圖4-6中所示的一個(gè)實(shí)施例，經(jīng)由緊固構(gòu)件43將熱穩(wěn)定P⑶體41 (例如，非金屬催化劑的P⑶、無結(jié)合劑的P⑶或經(jīng)浸濾的P⑶)連接至基體42，以形成切割元件40。使用緊固構(gòu)件43將熱穩(wěn)定PCD體41機(jī)械地鎖定至基體42。熱穩(wěn)定PCD體41包括頂面或工作面44、與工作面相反的界面表面45以及在工作面44和界面表面45之間延伸的側(cè)壁46。熱穩(wěn)定P⑶體41還包括側(cè)壁46與工作面44相交的切割邊緣47。切割邊緣47是熱穩(wěn)定PCD體41的諸如地下采礦或鉆井作業(yè)期間接合地層的部分。界面表面45是熱穩(wěn)定PCD體41當(dāng)連接基體42以形成切割元件40時(shí)鄰接基體42的一部分。在另一實(shí)施例中，可以將熱穩(wěn)定PCD體41連接至中間層，并且可以將中間層連接至基體42。
[0040]在一個(gè)實(shí)施例中，在兩個(gè)單獨(dú)的HPHT燒結(jié)工藝中形成切割元件40。在一個(gè)實(shí)施例中，通過在第一 HPHT燒結(jié)工藝中預(yù)形成熱穩(wěn)定P⑶體41并且隨后在第二 HPHT燒結(jié)工藝中經(jīng)由緊固構(gòu)件43將熱穩(wěn)定P⑶體41連接至基體42來形成切割元件40 ( S卩，在執(zhí)行第二HPHT結(jié)合工藝以將熱穩(wěn)定P⑶體41固定至基體42之前，通過HPHT燒結(jié)首先形成熱穩(wěn)定P⑶體41)。在第一 HPHT燒結(jié)工藝中形成的熱穩(wěn)定P⑶體41可以是非金屬催化劑的P⑶(例如，碳酸鹽、硫酸鹽、氫氧化物和氧化鐵)、無結(jié)合劑的PCD或經(jīng)浸濾的PCD。在一個(gè)實(shí)施例中，在預(yù)燒結(jié)的或預(yù)壓緊的P⑶體上執(zhí)行第一 HPHT燒結(jié)工藝，以形成熱穩(wěn)定P⑶體41。隨后在熱穩(wěn)定P⑶體41中形成孔眼48，以接收將熱穩(wěn)定P⑶體41連接至基體42的緊固構(gòu)件43。在圖4和6中所示的實(shí)施例中，孔眼48由在熱穩(wěn)定K?體41的工作面44與界面表面45之間延伸的軸向通孔組成。該通孔沿切割元件40的縱軸線49延伸。在一個(gè)實(shí)施例中，可以通過激光切割、電火花加工(EDM)或現(xiàn)有技術(shù)中已知的任意其他合適的工藝在熱穩(wěn)定P⑶體41中形成孔眼48。在另一實(shí)施例中，可以在第一 HPHT燒結(jié)工藝期間以最終形狀在熱穩(wěn)定P⑶體41中形成孔眼48。
[0041]繼續(xù)參考圖4中所示的實(shí)施例，基體42包括當(dāng)將基體42連接至熱穩(wěn)定P⑶體41以形成切割元件40時(shí)鄰接熱穩(wěn)定PCD體41的界面表面45的界面表面50。在一個(gè)實(shí)施例中，基體42的界面表面50包括用于接收緊固構(gòu)件43的一部分的孔眼51?？赏ㄟ^現(xiàn)有技術(shù)中已知的機(jī)加工技術(shù)或任意其他合適的工藝來在基體42中形成孔眼51?？籽?1形成在基體42的界面表面50上且延伸到基體42中?；w42的界面表面50中的孔眼51是沿切割元件40的縱軸線49向下延伸的大致圓柱形凹口。在一個(gè)實(shí)施例中，基體42中的圓柱形凹口 51與熱穩(wěn)定P⑶體41中的孔眼48同心(S卩，基體42中的孔眼51被配置為與熱穩(wěn)定P⑶體41中的孔眼48軸向?qū)φ?。在一個(gè)實(shí)施例中，基體42中的孔眼51包括下表面52和在下表面52與基體42的界面表面50之間延伸的側(cè)壁53。在一個(gè)實(shí)施例中，基體42中的孔眼51的下表面52與基體42的界面表面50大致平行。在一個(gè)實(shí)施例中，熱穩(wěn)定PCD體41中的孔眼48的直徑基本上等于基體42中的孔眼51的直徑。
[0042]在圖4-6所示的實(shí)施例中，緊固構(gòu)件是具有頭部54和自頭部54向下突出的相對較小的軸部55的銷43。在所示的實(shí)施例中，軸部55與緊固構(gòu)件43的頭部54大致同心。在一個(gè)實(shí)施例中，緊固構(gòu)件43的頭部54通常是盤形的，并且軸部55是大致圓柱形的。在其他實(shí)施例中，銷43的頭部可以是圓頂形的、方形的或任意其他合適的形狀。此外，銷43的軸部55可以具有非圓形的橫截面，例如，大致方形的橫截面。在所示的實(shí)施例中，銷43的頭部54具有分別相反的頂部平面56和平坦底表面57。軸部55自頭部54的底表面57向下突出并且具有與頭部54的底表面57相反的平坦的下表面58。在一個(gè)實(shí)施例中，銷43的軸部55的外徑大致等于熱穩(wěn)定P⑶體41和基體42中各自的孔眼48、51的直徑。在另一實(shí)施例中，銷43的軸部55的外徑稍微小于熱穩(wěn)定P⑶體41和基體42中各自的孔眼48、51的直徑。緊固構(gòu)件43能夠選自包含金屬材料、陶瓷材料、金屬陶瓷材料和它們的組合的組。示例包括諸如WC、W 2C、TiC、VC的碳化物。在一個(gè)實(shí)施例中，緊固構(gòu)件43由燒結(jié)碳化鎢(例如，WC-Co)形成。緊固構(gòu)件43可以由具有碳化鎢聚集體和鈷結(jié)合劑基質(zhì)的基質(zhì)材料形成?？梢酝ㄟ^燒結(jié)或現(xiàn)有技術(shù)中已知的其他技術(shù)形成緊固構(gòu)件43。類似地，基體42能夠選自包括諸如WC、W 2C、TiC、VC的金屬材料、陶瓷材料、金屬陶瓷材料以及它們的組合的組。在一個(gè)實(shí)施例中，基體42由燒結(jié)碳化鎢形成。在一個(gè)實(shí)施例中，緊固構(gòu)件43和基體42基本上由相似的材料形成，但緊固構(gòu)件43和基體42也可以由不同的材料構(gòu)成。在一個(gè)實(shí)施例中，緊固構(gòu)件43和基體42可以由燒結(jié)碳化鎢形成。在一個(gè)實(shí)施例中，緊固構(gòu)件43包括313等級的碳化物(3 μ m的平均WC顆粒尺寸和13%的鈷)以及基體42包括406等級的碳化物(4 μ m的平均WC顆粒尺寸和6%的鈷)。在另一實(shí)施例中，緊固構(gòu)件43包括313等級的碳化物以及基體42包括812等級的碳化物(8 μ m的平均WC顆粒尺寸和12%的鈷)。在又一實(shí)施例中，緊固構(gòu)件43包括406等級的碳化物以及基體42包括313等級的碳化物。在另一實(shí)施例中，緊固構(gòu)件43包括812等級的碳化物以及基體42包括313等級的碳化物。在另一實(shí)施例中，緊固構(gòu)件43和基體42由具有不同結(jié)合劑相的碳化物形成。然而，本公開并不被限制為上述的碳化物等級，而緊固構(gòu)件43和基體42可以包括任意其他合適的碳化物的組合。
[0043]如圖5和6所示，在已經(jīng)在熱穩(wěn)定P⑶體41和基體42中分別形成孔眼48、51之后，以疊置結(jié)構(gòu)將熱穩(wěn)定PCD體41設(shè)置在基體42的頂上，使得熱穩(wěn)定PCD體41中的孔眼48與基體42中的孔眼51軸向地對正。隨后，可以將緊固構(gòu)件43插入通過熱穩(wěn)定P⑶體41中的孔眼48，并且進(jìn)入基體42中的孔眼51 ( g卩，緊固構(gòu)件43縱向地延伸分別通過熱穩(wěn)定P⑶體41和基體42中的孔眼48、51)。在一個(gè)實(shí)施例中，可以用壓配合(摩擦配合)或松配合將緊固構(gòu)件43接收進(jìn)孔眼48和51中。在一個(gè)實(shí)施例中，緊固構(gòu)件43的軸部55的長度L基本上等于加在一起的基體42中的孔眼51的深度D和熱穩(wěn)定P⑶體41的厚度T。因此，如圖6所示，當(dāng)將緊固件43插入到孔眼48、51中時(shí)，緊固構(gòu)件43的頭部54的底表面57鄰接熱穩(wěn)定PCD體41的工作面44，并且緊固構(gòu)件43的軸部55的下表面58鄰接基體42中的孔眼51的下表面52。在另一實(shí)施例中，當(dāng)將緊固件43插入到孔眼48、51中時(shí)，緊固構(gòu)件43的頭部54的底表面57與熱穩(wěn)定PCD體41的工作面44間隔開，并且緊固構(gòu)件4