供了一種制造超硬構(gòu)造的方法，所述構(gòu)造包括：
[0272] 連接到第二結(jié)構(gòu)的第一結(jié)構(gòu)，所述第一結(jié)構(gòu)包含具有第一熱膨脹系數(shù)（CTE)和第 一楊氏模量的第一材料，所述第二結(jié)構(gòu)包含具有第二CTE和第二楊氏模量的第二材料；所 述第一 CTE和所述第二CTE彼此明顯不同，所述第一楊氏模量和所述第二楊氏模量彼此明 顯不同；第一第二材料中的至少一個(gè)包含超硬材料；所述方法包括：
[0273] 形成包含第一材料、第二材料和設(shè)置為能夠?qū)⒌谝缓偷诙牧险辰Y(jié)到一起的粘合 劑材料的組件，所述粘合劑材料包含金屬；使所述組件經(jīng)受粘合劑材料處于液態(tài)的足夠高 的溫度和超硬材料為熱力學(xué)穩(wěn)定的第一壓力；降低壓力至超硬材料為熱力學(xué)穩(wěn)定的第二壓 力，保持足夠高的溫度以維持粘合劑材料處于液態(tài)；降低溫度以凝固粘合劑材料；以及降 低壓力和溫度至環(huán)境條件以提供超硬構(gòu)造。
[0274] 在一些實(shí)施例中，在約25 °C時(shí)，第一或第二材料中的一個(gè)的CTE為至少 約2.5X1(T7°C且最多約5.0X1(T7°C，第一或第二材料中的另一個(gè)的CTE為至少約 3. 5Xl〇-6/°C且最多約 6. 5Xl〇-6/°C。
[0275] 在一些實(shí)施例中，第一或第二材料中的一個(gè)的楊氏模量為至少約500GPa且最多 約1300GPa，第一或第二材料中的另一個(gè)的楊氏模量為至少約800GPa且最多約1600GPa。
[0276] 第一和第二材料的楊氏模量可以例如至少相差約10%。
[0277] 在一些實(shí)施例中，第一和第二材料的CTE可以例如至少相差約10%。
[0278] 所述方法還可以包括在燒結(jié)壓力和燒結(jié)溫度下在燒結(jié)催化劑材料的存在下燒結(jié) 多個(gè)超硬材料的顆粒的聚集體，以形成第二結(jié)構(gòu)。
[0279] 所述方法可以包括將超硬材料的顆粒的聚集體鄰近第一結(jié)構(gòu)設(shè)置并在粘合劑材 料存在下形成預(yù)燒結(jié)組件；使預(yù)燒結(jié)組件經(jīng)受燒結(jié)壓力和燒結(jié)溫度以熔化粘合劑材料并燒 結(jié)超硬材料的顆粒且形成包含多晶超硬材料的第二結(jié)構(gòu)，所述第二結(jié)構(gòu)在熔融狀態(tài)通過(guò)粘 合劑材料與第一結(jié)構(gòu)相連接。
[0280] 在一些實(shí)施例中，第一壓力大致為燒結(jié)壓力。
[0281] 該方法還可以包括提供第一結(jié)構(gòu)，提供包含多晶超硬材料的第二結(jié)構(gòu)，將第一結(jié) 構(gòu)鄰近第二結(jié)構(gòu)放置并形成前期（pre-construction)組件，以及將壓力作用于前期組件， 將壓力從環(huán)境壓力增加至第一壓力。
[0282] 所述方法可以例如包括使多個(gè)超硬材料的顆粒的聚集體經(jīng)受超硬材料能夠燒結(jié) 以形成第二材料的燒結(jié)壓力和燒結(jié)溫度，以及將壓力和溫度降低至環(huán)境條件以提供第二結(jié) 構(gòu)；第一壓力明顯大于燒結(jié)壓力。
[0283] 第二結(jié)構(gòu)可以包含金剛石材料，粘合劑材料包含用于金剛石的催化劑材料。
[0284] 第一和第二結(jié)構(gòu)可以各自包含金剛石材料，粘合劑材料包含用于金剛石的催化劑 材料。
[0285] 在一些實(shí)施例中，第二壓力和第一壓力至少相差約0?5GPa。
[0286] 所述方法還可以包括在超硬材料為熱力學(xué)亞穩(wěn)定的處理溫度和處理壓力下對(duì)超 硬構(gòu)造進(jìn)行進(jìn)一步地?zé)崽幚怼?br>[0287] 超硬材料可以包含金剛石材料，處理溫度為至少約500 °C且處理壓力小于約 lGPa〇
[0288] 所述方法可以包括置存期（holding period)將壓力從第一壓力降低到中間壓力， 然后進(jìn)一步將壓力從中間壓力降低到第二壓力的步驟。
[0289] 第一壓力例如可以為至少約7GPa，中間壓力例如可以為至少約5. 5GPa且小于 約lOGPa，置存期例如可以為至少約1分鐘，第二壓力例如可以為至少約5. 5GPa且最多約 7GPa〇
[0290] 粘合劑材料隨著溫度的降低開(kāi)始固化的壓力例如在一些實(shí)施例中可以大致等于 第二壓力。
[0291] 在其他實(shí)施例中，粘合劑材料隨著溫度的降低開(kāi)始固化的壓力可以明顯小于第二 壓力。
[0292] 在一些實(shí)施例中，第一結(jié)構(gòu)包含鈷-燒結(jié)碳化鎢材料且第二材料包含P⑶材料， 燒結(jié)碳化物材料的CTE在約4. 5X 1(T6到約6. 5X 1(T6/°C的范圍內(nèi)，P⑶材料的CTE在約 3X 1(T6到約5X 1(T6/°C的范圍內(nèi)；燒結(jié)碳化物材料的楊氏模量在約500到約lOOOGPa的范 圍內(nèi)，且POT材料的楊氏模量在約800到約1600GPa的范圍內(nèi)；第一壓力在約6到約lOGPa 的范圍內(nèi)，且第二壓力在約5. 5到約8GPa的范圍內(nèi)。
[0293] 在一些實(shí)施例中，包含在燒結(jié)碳化物材料中的鈷基粘合劑材料開(kāi)始固化的壓力等 于第二壓力。
[0294] 第二壓力例如可以在約6. 5到約7. 5GPa的范圍內(nèi)。
[0295] 在一些實(shí)施例中，第二結(jié)構(gòu)包含P⑶材料且該方法包括在約550到約650°C范圍內(nèi) 的溫度下對(duì)超硬構(gòu)進(jìn)行在約30到約90分鐘范圍內(nèi)的一個(gè)處理周期的進(jìn)一步的熱處理。
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 一種多晶超硬構(gòu)造，其包含多晶金剛石（PCD)材料主體和在形成所述多晶金剛石材 料的相互粘結(jié)的金剛石顆粒之間的多個(gè)間隙區(qū)域；所述PCD材料主體包含： 工作表面，其沿所述主體的外側(cè)部分定位； 第一區(qū)域，其基本上不含溶劑/催化材料；以及 遠(yuǎn)離所述工作表面的第二區(qū)域，其在所述多個(gè)間隙區(qū)域中包含溶劑/催化材料； 其中，所述第一區(qū)域從所述工作表面延伸進(jìn)入所述多晶金剛石材料主體中至少約 400 ym的深度。2. 如權(quán)利要求1所述的多晶超硬構(gòu)造，其中，所述主體在距所述工作表面至少400 ym 的深度中的大部分金剛石顆粒具有基本不含催化材料的表面，其余顆粒接觸催化材料。3. 如上述權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的多晶超硬構(gòu)造，其進(jìn)一步包括沿界面粘結(jié)至所述 P⑶材料主體的基底。4. 如權(quán)利要求3所述的多晶超硬構(gòu)造，其中，所述界面大體上是平面的，或大體上是非 平面的且包含突出進(jìn)入一個(gè)或另一個(gè)所述PCD材料主體或基底的一個(gè)或多個(gè)部分，或從一 個(gè)或另一個(gè)所述PCD材料主體或基底延伸的一個(gè)或多個(gè)部分。5. 如權(quán)利要求3或4所述的多晶超硬構(gòu)造，其中，所述第一區(qū)域與所述界面間隔或與沿 所述界面的所有點(diǎn)延伸的一個(gè)或多個(gè)部分間隔。6. 如權(quán)利要求3-5中任一項(xiàng)所述的多晶超硬構(gòu)造，其中，所述第一區(qū)域在沿所述界面 的一個(gè)或多個(gè)點(diǎn)處與所述界面間隔以下距離： 大于約20 y m ;或 50到200 ym之間。7. 如上述權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的多晶超硬構(gòu)造，其中，所述第一區(qū)域從所述工作表 面延伸以下深度： 至少約400 y m到約800 y m ;或 至少約450 y m到約1200 y m ;或 至少約450 y m到約1400 y m。8. 如上述權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的多晶超硬構(gòu)造，其中，穿過(guò)至少部分所述工作表面 的所述第一區(qū)域的深度是大體恒定的；或穿過(guò)至少部分所述工作表面的所述第一區(qū)域的深 度是變化的。9. 如上述權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的多晶超硬構(gòu)造，其中，所述第一區(qū)域大體上穿過(guò)整 個(gè)所述工作表面延伸；或所述第一區(qū)域僅穿過(guò)部分所述工作表面延伸。10. 如上述權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的多晶超硬構(gòu)造，其中，所述第一和/或第二區(qū)域包 含兩種或多種金剛石顆粒尺寸的金剛石顆粒。11. 如權(quán)利要求10所述的多晶超硬構(gòu)造，其中，所述金剛石顆粒具有相關(guān)的平均自由 程；至少部分填充所述第二區(qū)域中的多數(shù)間隙區(qū)域的所述溶劑/催化劑具有相關(guān)的平均自 由程； 其中，與所述溶劑/催化劑相關(guān)的所述平均自由程的中值除以對(duì)于所述溶劑/催化劑 的（Q3 - Ql)大于或等于0. 5,其中Ql是第一四分位且Q3是第三四分位；以及 與所述金剛石顆粒相關(guān)的所述平均自由程的中值除以對(duì)于所述金剛石顆粒的（Q3 - Ql)小于 0. 6。12. 如權(quán)利要求11所述的多晶超硬構(gòu)造，其中，與所述溶劑/催化劑相關(guān)的所述平均自 由程的中值除以對(duì)于所述溶劑/催化劑的（Q3 - Ql)大于或等于0. 6。13. 如權(quán)利要求11所述的多晶超硬構(gòu)造，其中，與所述溶劑/催化劑相關(guān)的所述平均自 由程的中值除以對(duì)于所述溶劑/催化劑的（Q3 - Ql)大于或等于0. 8。14. 如權(quán)利要求11所述的多晶超硬構(gòu)造，其中，與所述溶劑/催化劑相關(guān)的所述平均自 由程的中值除以對(duì)于所述溶劑/催化劑的（Q3 - Ql)大于或等于0. 83。15. 如權(quán)利要求11-14中任一項(xiàng)所述的多晶超硬構(gòu)造，其中，與所述金剛石顆粒相關(guān)的 所述平均自由程的中值除以對(duì)于所述金剛石顆粒的（Q3 - Ql)小于0. 5。16. 如權(quán)利要求11-15中任一項(xiàng)所述的多晶超硬構(gòu)造，其中，與所述金剛石顆粒相關(guān)的 所述平均自由程的中值除以對(duì)于所述金剛石顆粒的（Q3 - Ql)小于0. 47。17. 如權(quán)利要求11-14中任一項(xiàng)所述的多晶超硬構(gòu)造，其中，與所述金剛石顆粒相關(guān)的 所述平均自由程的中值除以對(duì)于所述金剛石顆粒的（Q3 - Ql)小于0. 4。18. 如上述權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的多晶超硬構(gòu)造，其中，所述金剛石顆粒包含天然的 和/或合成的金剛石顆粒。19. 如上述權(quán)利要求中任一項(xiàng)或多項(xiàng)所述的多晶超硬構(gòu)造，其中，在所述第二區(qū)域中的 所述溶劑/催化劑包含鈷，和/或一種或多種其它的鐵族元素，如鐵或鎳，或其合金，和/或 一種或多種在元素周期表中的IV-VI族金屬的碳化物、氮化物、硼化物和氧化物。20. 如上述權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的多晶超硬構(gòu)造，其中，在所述第二區(qū)域中的所述溶 劑/催化劑是在形成所述PCD構(gòu)造時(shí)用于燒結(jié)所述PCD主體的所述溶劑/催化劑。21. 如上述權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的一種多晶超硬構(gòu)造，其中，至少部分填充所述多個(gè) 間隙區(qū)域的所述溶劑/催化劑形成非金剛石相池，每個(gè)所述的非金剛石相池具有單獨(dú)的橫 截面面積， 其中，所述溶劑/催化劑占所述多晶金剛石材料主體的橫截面的總面積的百分比在約 0到12%之間，并且當(dāng)使用在約1000的放大率和1280X960像素的圖像區(qū)域的圖像分析技 術(shù)進(jìn)行分析時(shí)，在穿過(guò)所述多晶材料主體的橫截面的分析圖像中的所述非金剛石相池的單 個(gè)橫截面面積的平均值小于約0. 7 ym2。22. 如權(quán)利要求21所述的一種多晶超硬構(gòu)造，其中，所述溶劑/催化劑占所述多晶金剛 石材料主體的橫截面的總面積的百分比在約〇到10%之間，并且當(dāng)使用在約1000的放大率 和1280X960像素的圖像區(qū)域的圖像分析技術(shù)進(jìn)行分析時(shí)，在穿過(guò)所述多晶材料主體的橫 截面的分析圖像中的所述非金剛石相池的單個(gè)橫截面面積的平均值小于約0. 7 ym2。23. 如權(quán)利要求21所述的一種多晶超硬構(gòu)造，其中，所述溶劑/催化劑占所述多晶金剛 石材料主體的橫截面的總面積的百分比在約0到8%之間，并且當(dāng)使用在約1000的放大率 和1280X960像素的圖像區(qū)域的圖像分析技術(shù)進(jìn)行分析時(shí)，在穿過(guò)所述多晶材料主體的橫 截面的分析圖像中的所述非金剛石相池的單個(gè)橫截面面積的平均值小于約0. 7 ym2。24. 如權(quán)利要求21-23中任一項(xiàng)所述的一種多晶超硬構(gòu)造，其中，當(dāng)使用在約1000的放 大率和1280X960像素的圖像區(qū)域的圖像分析技術(shù)進(jìn)行分析時(shí)，在穿過(guò)所述多晶材料主體 的橫截面的分析圖像中的所述非金剛石相池的單個(gè)橫截面面積的平均值小于約0. 5 y m2。25. 如權(quán)利要求21-23中任一項(xiàng)所述的一種多晶超硬構(gòu)造，其中，當(dāng)使用在約1000的放 大率和1280X960像素的圖像區(qū)域的圖像分析技術(shù)進(jìn)行分析時(shí)，在穿過(guò)所述多晶材料主體 的橫截面的分析圖像中的所述非金剛石相池的單個(gè)橫截面面積的平均值小于約0. 4 ym2。26. 如權(quán)利要求21-23中任一項(xiàng)所述的一種多晶超硬構(gòu)造，其中，當(dāng)使用在約1000的放 大率和1280X960像素的圖像區(qū)域的圖像分析技術(shù)進(jìn)行分析時(shí)，在穿過(guò)所述多晶材料主體 的橫截面的分析圖像中的所述非金剛石相池的單個(gè)橫截面面積的平均值小于約0. 34 ym2。27. 如上述權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的一種多晶超硬構(gòu)造，其中，所述多晶金剛石材料主 體的最大尺寸為約6mm或更大。28. 如上述權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的一種多晶超硬構(gòu)造，其中，所述多晶金剛石材料主 體的厚度為約〇. 3mm或更大，或約3mm或更大。29. 如上述權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的一種多晶超硬構(gòu)造，其中，所述PCD主體包含占所 述金剛石主體的總體積至少約90%到95%之間的金剛石。30. -種用于地殼鉆探的刀具，其包含如上述權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的多晶超硬構(gòu)造。31. -種用于地殼鉆探的旋轉(zhuǎn)剪機(jī)、用于沖擊鉆頭或用于采礦或?yàn)r青降解的挖掘機(jī)的 P⑶元件，其包含權(quán)利要求1-29中任一項(xiàng)所述的多晶超硬構(gòu)造。32. -種鉆頭或一種用于地殼鉆探的鉆頭的組件，其包含權(quán)利要求1-29中任一項(xiàng)所述 的一種多晶超硬構(gòu)造。33. -種制造熱穩(wěn)定的多晶金剛石構(gòu)造的方法，其包含以下步驟： 處理包含多晶金剛石主體的多晶金剛石構(gòu)造，所述多晶金剛石主體包含多個(gè)相互粘結(jié) 的金剛石顆粒和設(shè)置在其間的間隙區(qū)域，從而從所述金剛石主體的第一區(qū)域移除溶劑/催 化劑材料，同時(shí)允許所述溶劑/催化劑材料留在所述金剛石主體的第二區(qū)域中； 進(jìn)一步包括，在處理步驟期間，控制所述第一區(qū)域的深度以便其從所述金剛石主體的 工作表面延伸至少約400 ym的深度。34. 如權(quán)利要求33所述的方法，其中，所述PCD構(gòu)造進(jìn)一步包含沿界面粘結(jié)至所述PCD 材料主體的基底，所述方法進(jìn)一步包括在所述處理步驟之前的防止所述基底暴露在所述處 理步驟期間使用的處理劑的步驟。35. 如權(quán)利要求34所述的方法，其中，所述處理步驟包括控制所述第一區(qū)域的深度以 便其從所述金剛石主體的工作表面延伸從所述界面或從沿所述界面在所有點(diǎn)延伸的一個(gè) 或多個(gè)部分間隔的深度。36. 如權(quán)利要求33-34中任一項(xiàng)所述的方法，其中，所述處理步驟包括控制所述第一區(qū) 域的深度以便其從所述金剛石主體的工作表面延伸至與所述界面間隔的大于約20 ym或 50到200 ym之間的深度。37. 如權(quán)利要求33-36中任一項(xiàng)所述的方法，其中，所述處理步驟包括控制所述第一區(qū) 域的深度以便其從所述金剛石主體的工作表面延伸至少約400 ym至約800 ym或至少約 400 y m至約1200 y m或至少約400 y m至約1400 y m的深度。38. 如權(quán)利要求33-37中任一項(xiàng)所述的方法，其中，所述處理步驟包括控制穿過(guò)至少部 分所述工作表面的所述第一區(qū)域的深度是大體恒定的；或穿過(guò)至少部分所述工作表面是變 化的。39. 如權(quán)利要求33-38中任一項(xiàng)所述的方法，其中，所述處理步驟包括控制所述處理以 便所述第一區(qū)域大體上穿過(guò)整個(gè)所述工作表面延伸；或所述處理步驟包括遮蔽部分所述工 作表面以便在處理期間所述第一區(qū)域僅穿過(guò)部分所述工作表面而延伸。40. 如權(quán)利要求33-39中任一項(xiàng)所述的方法，其中，在所述處理步驟之前，形成所述PCD 構(gòu)造，所述形成步驟包括： 提供大量金剛石顆粒； 安排所述大量金剛石顆粒以形成預(yù)燒結(jié)組件；以及 在用于所述金剛石顆粒的催化劑/溶劑材料存在下在約5. 5GPa或更高的超高壓力和 所述金剛石材料比石墨更加熱力學(xué)穩(wěn)定的溫度下處理所述預(yù)燒結(jié)組件以將所述金剛石材 料的顆粒燒結(jié)在一起以形成多晶金剛石構(gòu)造。41. 如權(quán)利要求33-40中任一項(xiàng)所述的方法，其中，在所述處理步驟之前，所述方法進(jìn) 一步包括將所述多晶金剛石主體加工至成品尺寸。
【專(zhuān)利摘要】本發(fā)明公開(kāi)了一種多晶超硬構(gòu)造，其包含多晶金剛石(PCD)材料主體和多個(gè)在形成多晶金剛石材料的相互粘結(jié)的金剛石顆粒之間的間隙區(qū)域；該P(yáng)CD材料主體包含：沿主體的外側(cè)部分放置的工作表面；基本上不含溶劑/催化材料的第一區(qū)域；以及遠(yuǎn)離工作表面并在多個(gè)所述間隙區(qū)域中包含溶劑/催化材料的第二區(qū)域。第一區(qū)域從工作表面延伸進(jìn)入多晶金剛石材料主體中至少約400μm的深度。
【IPC分類(lèi)】E21B10/00, C22C26/00, B22F7/06
【公開(kāi)號(hào)】CN104884652
【申請(qǐng)?zhí)枴緾N201380068851
【發(fā)明人】尼德雷特·卡恩, 哈比卜·薩瑞迪克曼
【申請(qǐng)人】第六元素研磨劑股份有限公司
【公開(kāi)日】2015年9月2日
【申請(qǐng)日】2013年11月5日
【公告號(hào)】US20150284827, WO2014068141A1