用于高壓/高溫?zé)Y(jié)的無基體的pcd片的制作方法
【專利摘要】一種形成切割元件的方法可包括：使至少含有包含金剛石粉末的容器和一體積的高熔融溫度的非反應(yīng)性材料的第一壓機(jī)經(jīng)受第一高壓高溫?zé)Y(jié)條件，以形成包括由結(jié)合在一起的金剛石晶粒以及位于結(jié)合在一起的金剛石晶粒之間的多個(gè)間隙空間構(gòu)成的金剛石基質(zhì)的燒結(jié)的多晶金剛石片；以及使含有所述燒結(jié)的多晶金剛石片和基體的第二壓機(jī)經(jīng)受第二高壓高溫條件，從而將所述片附接到基體，以形成具有位于基體上的多晶金剛石層的切割元件。
【專利說明】用于高壓/高溫?zé)Y(jié)的無基體的PCD片
[0001]相關(guān)申請的交叉引用
[0002]本申請要求于2013年12月30日提交的美國臨時(shí)申請?zhí)?1/922,039和于2014年12月10日提交的美國申請?zhí)?4/566，195的權(quán)益，通過參引方式將它們的全部內(nèi)容包含于此。
技術(shù)領(lǐng)域
[0003]多晶金剛石緊密體(PDC)切割器在包括鑿巖以及金屬機(jī)加工的工業(yè)應(yīng)用中已經(jīng)使用很多年了。通常，多晶金剛石(PCD)或其它超硬材料的緊密體結(jié)合到基體材料上以形成切割結(jié)構(gòu)，該基體材料例如是諸如燒結(jié)碳化鎢的燒結(jié)金屬碳化物。PCD包括金剛石的多晶質(zhì)量體，其結(jié)合在一起以形成整體的、堅(jiān)韌的、高強(qiáng)度的質(zhì)量體或晶格。所得的PCD結(jié)構(gòu)產(chǎn)生耐磨和硬度的增強(qiáng)特性，使得PCD材料對于需要高水平的耐磨性和硬度的強(qiáng)力磨削和切割應(yīng)用來說是非常有用的。為了用于石油工業(yè)，PCD切割元件被設(shè)置為專門設(shè)計(jì)的切割元件的形式，例如被配置為與地下鉆孔裝置附接的PCD片。
[0004]PDC切割器可以通過將燒結(jié)碳化物基體放置到壓機(jī)的容器中形成。金剛石晶?；蚪饎偸勰┡c催化結(jié)合劑的混合物放置在基體之上，并在高壓高溫(HPHT)條件下處理。如此操作后，金屬結(jié)合劑(通常是鈷)從基體迀移并通過金剛石晶粒以促進(jìn)金剛石晶粒之間的交互生長。結(jié)果，所述金剛石晶粒變得彼此結(jié)合以形成金剛石層，所述金剛石層也結(jié)合到基體。所述基體通常包括金屬碳化物復(fù)合材料，例如碳化鎢。沉積的金剛石層通常稱為“金剛石臺”或“研磨層” ο術(shù)語“顆?！笔侵冈跓Y(jié)超硬磨料前使用的粉末，而術(shù)語“晶?！笔侵笩Y(jié)之后可以辨別的超硬磨料區(qū)域。
[0005]通常，P⑶可以包括85-95體積百分比的金剛石，其余部分為結(jié)合劑材料，該結(jié)合劑材料存在于PCD中、在結(jié)合的金剛石晶粒之間存在的空隙之內(nèi)。用于形成常規(guī)的PCD的結(jié)合劑材料包括元素周期表第VIII族的金屬，例如鈷、鐵或鎳和/或它們的混合物或合金，其中鈷是最常用的結(jié)合劑材料。然而，雖然更高的金屬含量增加了所得PCD材料的韌性，但是更高的金屬含量也降低了 PCD材料的硬度，從而限制了能夠提供具有所需水平的硬度和韌性的PCD涂層的靈活性。此外，當(dāng)選擇變量以增加PCD材料的硬度時(shí)，也增加了脆性，從而降低了PCD材料的韌性。
[0006]圖1簡要地示出了傳統(tǒng)的PCD材料100的微觀結(jié)構(gòu)。如圖所示，P⑶材料100包括彼此結(jié)合以形成晶間金剛石基質(zhì)第一相的多個(gè)金剛石晶粒120。用于在燒結(jié)過程內(nèi)促進(jìn)金剛石間的結(jié)合的催化劑/結(jié)合劑材料140，例如鈷，分散于金剛石基質(zhì)第一相之間形成的間隙區(qū)域內(nèi)。特別地，如圖1所示，結(jié)合劑材料140在整個(gè)PCD材料100的微觀結(jié)構(gòu)上不是連續(xù)的。相反，PCD材料100的微觀結(jié)構(gòu)可在PCD晶粒間具有均勻分布的結(jié)合劑。因此，經(jīng)傳統(tǒng)的PCD材料的裂縫擴(kuò)展往往會(huì)通過更小韌性和脆性的金剛石晶粒，無論是穿晶通過金剛石晶粒/結(jié)合劑界面150還是沿晶通過金剛石晶粒/金剛石晶粒界面160。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0007]提供本
【發(fā)明內(nèi)容】
是為了介紹一系列概念，這些概念在下面的詳細(xì)說明中進(jìn)一步描述。本
【發(fā)明內(nèi)容】
不旨在標(biāo)識所要求保護(hù)的主題的關(guān)鍵或必要特征，也不旨在用于輔助限制所要求保護(hù)的主題的范圍。
[0008]在一個(gè)方面，本發(fā)明的實(shí)施例涉及一種形成切割元件的方法，包括:使至少含有包含金剛石粉末的容器和一體積的高熔融溫度的非反應(yīng)性材料的第一壓機(jī)經(jīng)受第一高壓高溫?zé)Y(jié)條件，以形成包括由結(jié)合在一起的金剛石晶粒以及位于結(jié)合在一起的金剛石晶粒之間的多個(gè)間隙空間構(gòu)成的金剛石基質(zhì)的燒結(jié)的多晶金剛石片；以及使含有所述燒結(jié)的多晶金剛石片和基體的第二壓機(jī)經(jīng)受第二高壓高溫條件，從而將所述片附接到基體，以形成具有位于基體上的多晶金剛石層的切割元件。
[0009]在另一方面，本文公開的實(shí)施例涉及一種形成切割元件的方法，包括:在耐熔金屬容器中放置第一組合，所述第一組合包括鄰近于催化劑材料層(例如，獨(dú)立的催化劑材料層)的一體積的金剛石粉末;將含有所述第一組合的耐熔金屬容器與鄰近于所述耐熔金屬容器的一體積的高熔融溫度的非反應(yīng)性材料相組合，以形成第二組合;使第二組合經(jīng)受第一高壓高溫?zé)Y(jié)條件，以形成包括由結(jié)合在一起的金剛石晶粒以及位于結(jié)合在一起的金剛石晶粒之間的多個(gè)間隙空間構(gòu)成的金剛石基質(zhì)的燒結(jié)的多晶金剛石片，所述多晶金剛石片包括催化劑材料;使所述燒結(jié)的多晶金剛石片經(jīng)受第一浸濾過程，使得所述催化劑材料基本上被從多晶金剛石片移除，以形成基本上不含催化劑材料的浸濾后的多晶金剛石片；以及使浸濾后的多晶金剛石片和基體經(jīng)受第二高壓高溫條件，使得所述片附接到基體，以形成具有位于基體上的多晶金剛石層的切割元件。
[0010]從下面的說明和所附權(quán)利要求，所要求保護(hù)的主題的其它方面和優(yōu)點(diǎn)將會(huì)變得明顯。
【附圖說明】
[0011]參考附圖描述本發(fā)明的實(shí)施例。相同的附圖標(biāo)記在整個(gè)附圖中用于指示相同的特征和部件。
[0012]圖1示出了傳統(tǒng)形成的多晶金剛石的微觀結(jié)構(gòu)。
[0013]圖2和3示出了根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例的用于形成多晶金剛石體的簡圖。
[0014]圖4示出了一個(gè)roc鉆頭。
【具體實(shí)施方式】
[0015]總體上，本文公開的實(shí)施例涉及多晶金剛石(“PCD”)片(或體)，具體地，涉及在沒有使用被定位成在高壓高溫?zé)Y(jié)處理中附接到PCD片的基體的情況下制造PCD片的方法。因此，本發(fā)明的方法可涉及在高熔融溫度的非反應(yīng)性材料、例如強(qiáng)背材料以及可選的催化劑材料存在時(shí)在高壓高溫?zé)Y(jié)條件下從金剛石粉末形成PCD片。如本文所討論的，所得到的PCD片可以可選地經(jīng)受一個(gè)或多個(gè)附加的處理步驟，例如浸濾以除去催化劑材料，和/或經(jīng)受第二高壓高溫?zé)Y(jié)條件以將所述片附接到基體。
[0016]在一個(gè)或多個(gè)實(shí)施例中，多晶金剛石片或體可以由包括金剛石粉末和鄰近于高熔融溫度的非反應(yīng)性材料設(shè)置的催化劑材料的組合形成。所述多晶金剛石體可以以常規(guī)方式形成，例如通過高壓高溫?zé)Y(jié)“還體”顆粒來創(chuàng)建顆粒之間的晶間結(jié)合，但“還體”顆粒包含高熔融溫度的非反應(yīng)性材料。簡要地說，為了形成多晶金剛石片，金剛石晶體顆粒的未燒結(jié)質(zhì)量體被放置于高壓高溫裝置的反應(yīng)單元的金屬外殼內(nèi)。金屬催化劑，例如鈷或其它第VIII族金屬，包括鈷、鎳或鐵，可被包括于晶體顆粒的未燒結(jié)質(zhì)量體中，以促進(jìn)晶間金剛石與金剛石的結(jié)合。然而，同樣在本發(fā)明的范圍之內(nèi)的是，可以單獨(dú)使用或組合使用其它催化劑材料。所述催化劑材料可以以粉末的形式提供并與金剛石晶?；旌?，或在HPHT燒結(jié)過程中可滲入到金剛石晶粒中，例如從不同層的催化劑材料滲入。使該組合經(jīng)受HPHT條件可導(dǎo)致相鄰的金剛石晶體之間發(fā)生晶間結(jié)合，以形成由金剛石與金剛石的結(jié)合和多個(gè)分散在該結(jié)合在一起的金剛石晶粒之間的間隙區(qū)域構(gòu)成的網(wǎng)絡(luò)或基質(zhì)相。在用于促進(jìn)所述金剛石晶粒結(jié)合在一起的溶劑催化劑材料存在時(shí)，可用于由金剛石粉末形成多晶金剛石的HPHT燒結(jié)條件可包括1350至2000°C之間的溫度和5000兆帕或更高的壓力。
[0017]如本文所使用的，術(shù)語“耐熔金屬容器”是經(jīng)受HPHT處理的壓力傳遞介質(zhì)。耐熔金屬容器充當(dāng)容器內(nèi)容物(金剛石粉末)和容器外的任何材料之間的屏障，所以在HPHT處理期間，金剛石與容器外的材料之間沒有反應(yīng)。
[0018]可用于形成多晶金剛石體的金剛石晶粒可以包括任何類型的金剛石顆粒，包括具有寬范圍的粒徑的天然或合成金剛石粉末。例如，這樣的金剛石粉末可以具有從亞微米至100微米范圍內(nèi)的平均粒徑，或在其它實(shí)施例中平均粒徑在從I至80微米范圍內(nèi)。此外，金剛石粉末可以包括具有單峰或多峰分布的晶粒。
[0019]在另一個(gè)實(shí)施例中，金剛石粉末混合物可以以包括含有結(jié)合劑的金剛石粉末的坯體狀態(tài)部分或混合物的形式提供，例如以金剛石帶或其它可形成/可確認(rèn)的金剛石混合物產(chǎn)品的形式提供，以方便制造過程。在該金剛石粉末以這樣的坯體狀態(tài)部分的形式提供的情況下，有利的是，在HPHT固結(jié)和燒結(jié)之前進(jìn)行預(yù)加熱處理，以驅(qū)除結(jié)合劑材料。在一個(gè)示例性實(shí)施例中，由上述HPHT處理得到的PCD體的金剛石體積含量可以在從約85 %至95 %的范圍內(nèi)。對于某些應(yīng)用，可能期望有高達(dá)約98%的較高的金剛石體積含量。
[0020]在該HPHT處理過程中，混合物中的催化劑材料熔化并滲入金剛石晶粒粉末中，以促進(jìn)晶間金剛石結(jié)合。在這樣的晶間金剛石結(jié)合的形成過程中，催化劑材料可以迀移到如此形成的PCD體的微觀結(jié)構(gòu)內(nèi)的存在于金剛石結(jié)合晶粒之間的間隙區(qū)域中。應(yīng)當(dāng)指出的是，如果太多額外的非金剛石材料存在于晶體顆粒的粉末化的質(zhì)量體中，則在燒結(jié)處理過程中可阻止明顯的晶間結(jié)合。例如，其中還沒有發(fā)生明顯的晶間結(jié)合的這種燒結(jié)材料不在PCD的定義之內(nèi)。在形成晶間結(jié)合之后，可以形成多晶金剛石體，其在一個(gè)實(shí)施例中具有至少約80體積百分比的金剛石，剩余的是被催化劑材料占據(jù)的金剛石晶粒之間的間隙區(qū)域。在其它實(shí)施方案中，這樣的金剛石含量可以占所形成的金剛石體的至少85體積百分比，或在又一個(gè)實(shí)施例中占至少90體積百分比。然而，本領(lǐng)域的術(shù)人員將認(rèn)識到，在替代實(shí)施例中也可以使用其它金剛石密度。因此，根據(jù)本發(fā)明所使用的多晶金剛石體包括本領(lǐng)域中經(jīng)常所稱的“高密度”多晶金剛石。
[0021]如上所述，除了金剛石粉末和催化劑材料外，本發(fā)明的PCD結(jié)構(gòu)還可以在存在高熔融溫度的非反應(yīng)性材料的情況下形成。圖2示意性示出了用于制造本發(fā)明的PCD材料的部件組合的一個(gè)例子。如圖所示，金剛石粉末204被放置在金屬反應(yīng)容器208中。此外，容器208(例如，含有金剛石粉204，以及在一個(gè)實(shí)施方案中，含有金剛石粉末204和可選的催化劑材料的耐熔金屬容器)與高熔融溫度的非反應(yīng)性物質(zhì)206組合。在該所示的實(shí)施例中，高熔融溫度的非反應(yīng)性材料206被放置在所述容器208外并鄰近于所述容器;然而，其他實(shí)施例可包括將高熔融溫度的非反應(yīng)性材料206放置在容器208內(nèi)。在一些實(shí)施例中，容器208可以基本上包括金剛石粉204和催化劑材料，并且該容器208不包括基體材料，例如WC或WC-Co。容器208和高熔融溫度的非反應(yīng)性材料206的組合被放置在電阻加熱管202中經(jīng)受HPHT燒結(jié)條件。盡管沒有特別示出，但是在本發(fā)明的范圍之內(nèi)的是，電阻加熱管202可包括加載于其中的多個(gè)容器208(含有金剛石粉204)。另外，根據(jù)電阻加熱管202所包含的容器208的數(shù)量，可能還需要使用多個(gè)高熔融溫度的非反應(yīng)性材料206。當(dāng)使金剛石粉末204經(jīng)受HPHT燒結(jié)條件時(shí)，多個(gè)金剛石顆粒結(jié)合在一起以形成燒結(jié)的PCD片。另外，由于金剛石粉末被設(shè)置于反應(yīng)容器中但沒有基體或基體材料，因此所形成的PCD片是沒有結(jié)合于其上的基體的獨(dú)立體。
[0022]在所示的實(shí)施例中，PCD片是通過使用高熔融溫度的非反應(yīng)性材料形成的，更具體說，是通過使用強(qiáng)背材料形成的。如本文所使用的，術(shù)語“強(qiáng)背材料”應(yīng)理解為那些能夠在HPHT燒結(jié)條件期間充當(dāng)壓機(jī)的填料從而最大化所述粉末的坯體狀態(tài)的材料。如本文所使用的，強(qiáng)背材料被放置在反應(yīng)容器之外。高熔融溫度的非反應(yīng)性材料通?？砂◤?qiáng)背材料以及能夠不與PCD片反應(yīng)或不結(jié)合到PCD片并因此可以在容器之內(nèi)或之外被組合的其它材料。通常，盡管期望將最大數(shù)量的反應(yīng)容器(含有金剛石粉末)放置到壓機(jī)中以最大化在單個(gè)壓制步驟中所形成的PCD片的數(shù)量，但這樣做會(huì)由于在HPHT燒結(jié)條件期間材料收縮導(dǎo)致壓機(jī)內(nèi)的壓力降低。因此，通過向壓機(jī)中引入不可壓縮的“填料”，仍然可以獲得高的內(nèi)部單元壓力。這樣，在壓機(jī)中加入高熔融溫度的非反應(yīng)性材料，例如強(qiáng)背材料，與不使用高熔融溫度的非反應(yīng)性材料的壓機(jī)相比可使內(nèi)部單元壓力有1%至20%的范圍內(nèi)的增加。
[0023]因此，高熔融溫度的非反應(yīng)性材料或強(qiáng)背材料可以表現(xiàn)出以下性質(zhì)中的一種或多種:I)是高熔融溫度的非反應(yīng)性材料;2)具有HPHT燒結(jié)處理中所使用的溫度以上的熔融溫度;3)比其它材料更少可壓縮;4)在HPHT燒結(jié)處理過程中不發(fā)生反應(yīng);5)在壓機(jī)容器中基本上維持其原始體積;和6)具有400千牛/平方毫米以上的彈性模量和90%以上的體積密度。強(qiáng)背材料屬于碳化物、氮化物、碳氮化物、陶瓷材料、金屬材料、包括非催化材料如WC-Cu、WC-Cu合金的金屬陶瓷材料等的族，包括具有400千牛/平方毫米以上的彈性模量和90%以上的體積密度的其它材料，但也可在所述反應(yīng)容器中使用在低于約2200°的溫度下不促進(jìn)金剛石顆粒變化或相互作用的其它材料作為高熔融溫度的非反應(yīng)性材料。根據(jù)所選擇的高熔融溫度的非反應(yīng)性材料或強(qiáng)背材料的類型，強(qiáng)背材料可被放置在放有金剛石粉末的容器之外，但鄰近容器，從而阻止強(qiáng)背材料與金剛石發(fā)生反應(yīng)。同樣在本發(fā)明的范圍之內(nèi)的是，對于強(qiáng)背材料在壓機(jī)中相對于反應(yīng)容器的放置沒有限制。因此，諸如容器-強(qiáng)背-容器或強(qiáng)背-容器-容器-強(qiáng)背的組合或任何其他變型都是可能的。
[0024]有利的是，本發(fā)明的發(fā)明人發(fā)現(xiàn)了一種方法，通過使用放置在反應(yīng)容器外以防止與金剛石粉末發(fā)生反應(yīng)的高熔融溫度的非反應(yīng)性材料(在一些實(shí)施方案中為強(qiáng)背材料)來最大化在燒結(jié)處理過程中的壓力單元。在壓機(jī)內(nèi)包括這樣的材料可減少和/或最小化由于金剛石體積的減少而在燒結(jié)處理過程中引起的內(nèi)部單元壓力降低量。這樣，使用相等的液壓壓力，當(dāng)包括強(qiáng)背或其它高熔融溫度的非反應(yīng)性材料時(shí)內(nèi)部單元壓力可以變化0.?-ο.5GPa，而不具有高熔融溫度的非反應(yīng)性材料的內(nèi)部單元壓力可以變化0.5-1.0GPa，這取決于金剛石粉末體積和強(qiáng)背體積的比值。因而具有和不具有高強(qiáng)背材料的內(nèi)部單元壓力的總變化范圍可以為從0.1到1.0GPa。
[0025]根據(jù)一些實(shí)施例，催化劑材料可以被放置為與耐火金屬容器內(nèi)的金剛石混合物分離且不預(yù)混合的一個(gè)獨(dú)立層。例如，現(xiàn)在參照圖3，金剛石粉末304可以被放置在金屬反應(yīng)容器308中。此外，獨(dú)立的一層催化劑材料310與金剛石粉末304組合地也放置在容器308中。容器308(含有金剛石粉末304和催化劑材料310，并且在一個(gè)實(shí)施例中，由金剛石粉末304和催化劑材料310組成)與高熔融溫度的非反應(yīng)性材料306組合。在該所示的實(shí)施例中，高熔融溫度的非反應(yīng)性材料306被放置于容器308外并靠近容器308;然而，其它實(shí)施例可以包括將高熔融溫度的非反應(yīng)性材料306放置于容器308中。容器308與高熔融溫度的非反應(yīng)性材料306的組合被放置于電阻加熱管302中經(jīng)受HPHT燒結(jié)條件。盡管沒有特別示出，但是特別在本發(fā)明的范圍之內(nèi)的是，電阻加熱管302可包括加載于其中的多個(gè)容器308(含有金剛石粉304和催化劑材料310)。另外，根據(jù)電阻加熱管302所包含的容器308的數(shù)量，可能還需要使用多個(gè)高熔融溫度的非反應(yīng)性材料306。當(dāng)使金剛石粉末304和催化劑材料310經(jīng)受HPHT燒結(jié)條件時(shí)，催化劑材料310熔融并滲透金剛石顆粒，催化金剛石晶粒間的晶間結(jié)合以形成燒結(jié)的PCD片。另外，由于金剛石粉末設(shè)置于反應(yīng)容器中而沒有基體或基體材料，因此所形成的PCD片是沒有結(jié)合于其上的基體的獨(dú)立體。所述催化劑材料可以以金屬箔或金屬盤的形式提供。其它實(shí)施例包括作為與鎢和/或碳化鎢粉末的混合物提供的催化劑材料。在各種實(shí)施例中，催化劑材料可具有占預(yù)混合材料的10-100的重量百分比。
[0026]此外，根據(jù)上述方法形成PCD片之后，P⑶片可以可選地經(jīng)受一個(gè)或多個(gè)附加處理。例如，所形成的PCD片可以隨后附著到基體上，例如通過第二高壓高溫處理。根據(jù)附著途徑，還可能需要在HPHT燒結(jié)之前從PCD片除去催化劑材料。在一個(gè)或多個(gè)其它實(shí)施例中，可以在沒有隨后將PCD片附著到基體上的情況下執(zhí)行至少部分地移除所述催化劑材料。
[0027]在示例性實(shí)施例中，催化劑材料通過合適的工藝被從P⑶體移除，例如通過諸如通過酸浸濾或王水浴的化學(xué)處理、諸如通過電解處理的電化學(xué)處理、通過液體金屬溶解技術(shù)、通過在液相燒結(jié)處理過程中將現(xiàn)有第二相材料清除并用另一種替換的液態(tài)金屬滲透技術(shù)、或通過它們的組合。如本文所使用的，術(shù)語“移除”用來指代溶劑金屬催化劑材料在PCD片中的減少存在，并且被理解為是指，大部分溶劑金屬催化劑材料不再存在于PCD片內(nèi)。然而，應(yīng)該理解的是，少量溶劑金屬催化劑材料仍可能留在PCD片的微觀結(jié)構(gòu)中的間隙區(qū)域內(nèi)和/或附著在金剛石晶體的表面上。另外，術(shù)語“基本上不含”，如本文所使用的指代在溶劑金屬催化劑材料已經(jīng)被移除之后的剩余PCD片，應(yīng)被理解為是指可能仍有一些少量溶劑金屬催化劑殘留于PCD體中，如上面提到的。
[0028]在示例性實(shí)施例中，所述溶劑金屬催化劑材料通過酸浸技術(shù)被從PCD體的整個(gè)或期望區(qū)域移除。合適的酸包括硝酸、氫氟酸、鹽酸、硫酸、磷酸、高氯酸、或這些酸的組合。另夕卜，諸如氫氧化鈉和氫氧化鉀的腐蝕劑已被用于碳化物工業(yè)來溶解來自碳化物復(fù)合材料的金屬元素。此外，如需要，可以使用其它酸性和堿性浸出劑。本領(lǐng)域普通技術(shù)人員將理解，根據(jù)所需浸出時(shí)間、對危險(xiǎn)的考量等可調(diào)節(jié)浸出劑的摩爾濃度。
[0029]PCD體經(jīng)過浸濾處理后殘留在材料微觀結(jié)構(gòu)中的催化劑材料的量將會(huì)根據(jù)例如移除處理的效率、金剛石基質(zhì)材料的尺寸和密度、或PCD體內(nèi)將要保留的任何溶劑催化劑材料的期望量的因素而變化。例如，在某些應(yīng)用中可能期望允許少量的溶劑金屬催化劑材料留存于PCD體中。在一個(gè)示例性實(shí)施例中，可能期望該P(yáng)CD體包括不超過I體積百分比的溶劑金屬催化劑材料。此外，本領(lǐng)域技術(shù)人員將理解，在某些應(yīng)用是可能接受或者期望允許少量的催化劑材料留存于PCD體中。在一個(gè)特殊的實(shí)施例中，PCD體可以包括高達(dá)1-2重量百分比的催化劑材料。
[0030]通過浸濾出催化劑(例如鈷)，可形成熱穩(wěn)定多晶(TSP)金剛石。在某些實(shí)施例中，選定部分的金剛石復(fù)合材料被浸濾，以獲得熱穩(wěn)定性而不會(huì)失去耐沖擊性。如本文所用的，術(shù)語TSP包括這兩種(即部分地和完全地被浸濾)化合物。浸濾后剩余的間隙體積可以通過進(jìn)一步固結(jié)或通過用輔助材料填充該體積而減少。多晶金剛石體的浸濾從間隙區(qū)域移除了至少大部分的催化材料，留下其中具有空隙的多晶金剛石體。此外，被浸濾的PCD片然后可通過HPHT燒結(jié)附接到基體上，以便于附接到例如鉆頭、切割工具、或其他最終應(yīng)用設(shè)備上。當(dāng)被浸濾的PCD片通過HPHT工藝附接到基體上時(shí)，一個(gè)或多個(gè)實(shí)施例可以包括移除在整個(gè)PCD片中的基本上所有的催化劑材料。
[0031 ]雖然傳統(tǒng)的P⑶催化劑，例如包括鈷的第VIII族的溶劑催化劑，可以用于形成P⑶，但是也可以使用其它催化劑。例如，可以使用諸如碳酸鎂的碳酸鹽催化劑。這樣的催化劑可以通過已知的浸濾方法被浸出(例如被分解)。
[0032]在預(yù)成形的片結(jié)合到基體上的第二HPHT處理過程中，由基體提供的浸滲劑材料可被液化，并可以滲透到PCD片中進(jìn)入先前結(jié)合在一起的金剛石晶粒之間的在催化劑材料被從PCD片移除前含有催化劑材料的間隙區(qū)域中。在該浸滲和隨后的冷卻過程中，PCD片結(jié)合到基體，從而形成具有連接到基體上的多晶金剛石層的切割元件。此外，根據(jù)所述切割元件的最終應(yīng)用(和預(yù)期溫度)以及所使用的浸滲劑的類型，也可能期望從多晶金剛石層的間隙區(qū)域移除至少一部分浸滲劑材料，例如通過使用上述技術(shù)。在這樣的處理中，應(yīng)該注意的是，該浸滲劑可以期望地從PCD層的工作(上和側(cè))表面的給定深度中移除，例如從至少50微米和多達(dá)I毫米或更多的深度中移除，這取決于所期望的材料特性、切割元件尺寸等。
[0033]在一個(gè)示例性實(shí)施例中，設(shè)備被控制為使得所述容器經(jīng)受HPHT處理足夠長的時(shí)間，HPHT處理包括從5到7GPa范圍內(nèi)的壓力和從1320到2000°C范圍內(nèi)的溫度。在一些實(shí)施例中，第二HPHT處理的壓力可以大于第一HPHT處理的壓力，在其他實(shí)施例中，第二HPHT處理的壓力可以小于第一 HPHT處理的壓力。雖然已經(jīng)為該第二 HPHT處理提供了特定的壓力和溫度范圍，但是應(yīng)當(dāng)理解的是，根據(jù)例如基體中所使用的浸滲劑材料的類型和/或量，這樣的處理?xiàng)l件可以并會(huì)變化。在HPHT處理完成后，將容器從HPHT設(shè)備移除，并且包括結(jié)合在一起的PCD體和基體的組合體被從容器中取出。
[0034]在一個(gè)示例性實(shí)施例中，用于形成PCD緊密體的基體由金屬陶瓷材料，例如包含用于填充PCD體的浸滲劑材料的WC-Co形成。用于基體的合適的材料包括但不限于，金屬、陶瓷、和或硬質(zhì)合金。合適的浸滲劑材料包括元素周期表中的第VIII族金屬或它們的合金，包括鐵、鎳、鈷、或它們的合金。PCD體與基體的附接或(重新附接)可以通過將該兩零件放置于耐火金屬罐中并使這兩零件經(jīng)受燒結(jié)條件以將這兩個(gè)零件結(jié)合在一起而實(shí)現(xiàn)。
[0035]通過在碳化物基體上燒結(jié)多晶金剛石，然后除去基體，浸出催化劑并重新附接基體而形成的常規(guī)PCD片受到殘余應(yīng)力的限制。然而，本發(fā)明的發(fā)明人發(fā)現(xiàn)，沒有碳化物基體時(shí)燒結(jié)的PCD片可以節(jié)省制造成本并控制殘余應(yīng)力和材料平整度。有利的是，本發(fā)明的發(fā)明人發(fā)現(xiàn)，用作壓機(jī)單元的填料的非壓縮高熔融溫度的非反應(yīng)性材料最大化或增加了在所述單元中的內(nèi)壓。根據(jù)本發(fā)明的一些實(shí)施例，通過將強(qiáng)背材料放置于常規(guī)耐火金屬容器(含有金剛石顆粒和在HPHT燒結(jié)處理中使用的催化劑)外并鄰近于該容器，通?？梢栽谒鋈萜骷皦簷C(jī)內(nèi)獲得高壓。此外，多個(gè)容器的金剛石粉末可以與一個(gè)或多個(gè)體積的強(qiáng)背材料組合到單個(gè)壓機(jī)單元中。這些獨(dú)立的容器組合可以與在它們之間的高溫非反應(yīng)性材料一起堆疊到石墨加熱器管中。由于在第一燒結(jié)處理中沒有碳化物基體，因此可以包括更多總體積的金剛石用于HPHT燒結(jié)，而不會(huì)在內(nèi)部單元中出現(xiàn)由于金剛石體積減少導(dǎo)致的壓力減下。傳統(tǒng)地，由于腔室尺寸的限制，可裝入HPHT單元中的部件數(shù)量有限。因此，使用強(qiáng)背材料或其它高溫非反應(yīng)性材料允許更多的部件裝入到HPHT裝置中用于燒結(jié)，進(jìn)而又降低了制造成本并提高生產(chǎn)量。此外，由于較少的研磨時(shí)間，沒有碳化物且具有較平坦的表面，還可以縮短完工時(shí)間。根據(jù)預(yù)混到金剛石混合物或浸滲源中的粉末，所述片在重新結(jié)合階段之前也可以被浸濾得快兩倍。
[0036]此外，在PCD片由作為箔或盤提供的催化劑材料形成且單元壓力通過添加強(qiáng)背材料或其它高溫非反應(yīng)性材料作為填料來保持的一個(gè)或多個(gè)實(shí)施例中，與傳統(tǒng)的包括混合到粉末中的催化劑材料的PCD材料相比，PDC片顯示出顯著的熱穩(wěn)定性改進(jìn)，從而顯示出改善的使用壽命。本發(fā)明的PCD片可用于形成許多不同的應(yīng)用中的磨削和/或切割元件，例如井下或其它切割工具。例如，本發(fā)明的PCD片可以特別適合于在例如用于鉆地層的鉆頭上的那些應(yīng)用中用作在石油和天然氣工業(yè)中使用的磨削和/或切割元件。
[0037]例如，圖4示出具有鉆頭本體12的旋轉(zhuǎn)鉆頭10。鉆頭本體12的面形成有多個(gè)葉片14，其從鉆頭10的中心縱向旋轉(zhuǎn)軸線16大體向外延伸。多個(gè)roc切割器18沿著每個(gè)刀片的長度并列設(shè)置，使得切割器18的工作表面(即接觸并切割被鉆的地層的表面)被定位在刀片14的前導(dǎo)面處并面向鉆頭的旋轉(zhuǎn)方向。在一個(gè)或多個(gè)實(shí)施例中，PDC切割器可使用本文所公開的方法形成。
[0038]盡管上面已經(jīng)詳細(xì)描述了少量示例性實(shí)施例，但是本領(lǐng)域技術(shù)人員可以容易地意識到，示例性實(shí)施例可以進(jìn)行許多修改而不會(huì)實(shí)質(zhì)上脫離本發(fā)明。因此，全部的這些改變都旨在包含于本發(fā)明的范圍內(nèi)。在權(quán)利要求書中，功能性限定從句用于覆蓋這里描述的執(zhí)行列舉的功能的結(jié)構(gòu)并且不僅僅是結(jié)構(gòu)性等價(jià)物，而且還是等價(jià)性結(jié)構(gòu)物。因此，盡管釘子和螺絲可能不是結(jié)構(gòu)性等價(jià)物，因?yàn)獒斪硬捎弥鎸⒛举|(zhì)部件固定到一起，而螺絲采用螺旋面，但是在固定木質(zhì)部件的條件下，釘子和螺絲可以是等價(jià)性結(jié)構(gòu)物。本申請的明確目的在于不援引35U.S.C.§112第6段對本文的權(quán)利要求作任何限定，除非在權(quán)利要求中明確地將詞語“用于…的裝置”和相關(guān)的功能一起使用。
【主權(quán)項(xiàng)】
1.一種形成切割元件的方法，包括: 使至少含有包含金剛石粉末的容器和一體積的高熔融溫度的非反應(yīng)性材料的第一壓機(jī)經(jīng)受第一高壓高溫?zé)Y(jié)條件，以形成包括由結(jié)合在一起的金剛石晶粒以及位于結(jié)合在一起的金剛石晶粒之間的多個(gè)間隙空間構(gòu)成的金剛石基質(zhì)的燒結(jié)的多晶金剛石片；以及 使含有所述燒結(jié)的多晶金剛石片和基體的第二壓機(jī)經(jīng)受第二高壓高溫條件，從而將所述片附接到基體，以形成具有位于基體上的多晶金剛石層的切割元件。2.如權(quán)利要求1所述的方法，其中，在使第二壓機(jī)經(jīng)受第二高壓高溫條件的過程中，所述片與基體的附接使得由所述基體提供的浸滲劑材料滲透到所述多晶金剛石片內(nèi)的間隙空間中。3.如權(quán)利要求2所述的方法，進(jìn)一步包括:處理所述切割元件，以移除駐留在所述多晶金剛石層內(nèi)的間隙空間中的至少一部分浸滲劑材料。4.如權(quán)利要求1所述的方法，其中，所述高熔融溫度的非反應(yīng)性材料是強(qiáng)背材料。5.如權(quán)利要求4所述的方法，其中，所述強(qiáng)背材料設(shè)置于包含金剛石粉末的罐體外且鄰近所述罐體。6.如權(quán)利要求4所述的方法，其中，所述強(qiáng)背材料是過渡金屬碳化物材料。7.如權(quán)利要求1所述的方法，其中，所述第一壓機(jī)中裝載有多個(gè)包含金剛石粉末的容器。8.如權(quán)利要求1所述的方法，其中，所述第二高壓高溫條件的壓力高于所述第一高壓高溫條件的壓力。9.如權(quán)利要求1所述的方法，其中，第一高壓高溫?zé)Y(jié)條件及第二高壓高溫?zé)Y(jié)條件包括高達(dá)2000 °C的溫度和高達(dá)8GPa的壓力。10.—種形成切割元件的方法，包括: 在耐熔金屬容器中放置第一組合，所述第一組合包括鄰近于獨(dú)立的催化劑材料層的一體積的金剛石粉末； 將含有所述第一組合的耐熔金屬容器與鄰近于所述耐熔金屬容器的一體積的高熔融溫度的非反應(yīng)性材料相組合，以形成第二組合； 使第二組合經(jīng)受第一高壓高溫?zé)Y(jié)條件，以形成包括由結(jié)合在一起的金剛石晶粒以及位于結(jié)合在一起的金剛石晶粒之間的多個(gè)間隙空間構(gòu)成的金剛石基質(zhì)的燒結(jié)的多晶金剛石片，所述多晶金剛石片包括催化劑材料； 使所述燒結(jié)的多晶金剛石片經(jīng)受第一浸濾過程，使得所述催化劑材料基本上被從多晶金剛石片移除，以形成基本上不含催化劑材料的浸濾后的多晶金剛石片；以及 使浸濾后的多晶金剛石片和基體經(jīng)受第二高壓高溫條件，使得所述片附接到基體，以形成具有位于基體上的多晶金剛石層的切割元件。11.如權(quán)利要求10所述的方法，其中，在將所述片附接到所述基體的過程中，由所述基體提供的浸滲劑材料滲透到所述多晶金剛石片內(nèi)的間隙空間中。12.如權(quán)利要求11所述的方法，其中，所述切割元件經(jīng)受第二浸濾過程，以從所述多晶金剛石層內(nèi)的間隙空間移除至少一部分浸滲劑材料。13.如權(quán)利要求10所述的方法，其中，所述催化劑材料以金屬箔或金屬盤的形式提供。14.如權(quán)利要求10所述的方法，其中，所述催化劑材料是第VIII族的金屬。15.如權(quán)利要求10所述的方法，其中，所述第一高壓高溫?zé)Y(jié)條件足以使得所述催化劑材料熔化并滲透到所述體積的金剛石粉末中。16.如權(quán)利要求10所述的方法，其中，催化劑材料層包括密度為30-100%的催化劑。17.如權(quán)利要求10所述的方法，其中，所述第二高壓高溫條件的壓力高于第一高壓高溫條件的壓力。18.如權(quán)利要求10所述的方法，其中，第一高壓高溫?zé)Y(jié)條件及第二高壓高溫?zé)Y(jié)條件包括高達(dá)2000 °C的溫度和高達(dá)8GPa的壓力。19.如權(quán)利要求1O所述的方法，其中，高熔融溫度的非反應(yīng)性材料是強(qiáng)背材料。20.如權(quán)利要求19所述的方法，其中，所述強(qiáng)背材料是過渡金屬碳化物材料。
【文檔編號】B22F3/12GK105980088SQ201480075229
【公開日】2016年9月28日
【申請日】2014年12月15日
【發(fā)明人】Y·鮑, R·K·艾爾
【申請人】史密斯國際有限公司