多晶金剛石材料的多個(gè)主體在浸出期間的支撐結(jié)構(gòu)的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明設(shè)及一種用于在處理過程中保持PCD材料的主體的支撐結(jié)構(gòu)W及一種處 理多晶金剛石（PCD)材料的主體的方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 用于機(jī)械加工的刀具插入件和其他工具可W包含結(jié)合到燒結(jié)碳化物基底的多晶 金剛石（PCD)層。PCD是超硬材料的示例，也被稱為超研磨材料，其硬度值明顯大于燒結(jié)碳 化鶴的硬度值。
[000引包含PCD的部件用于各種切削、機(jī)械加工、鉆孔或敲碎諸如巖石、金屬、陶瓷、復(fù)合 材料和含木材料的硬質(zhì)或研磨材料的工具中。PCD包含大量基本上交互生長的金剛石顆粒， 所述金剛石顆粒形成限定金剛石顆粒間的間隙的骨骼體（skeletalmass)。PCD材料包含 占其體積至少約80%的金剛石并且可W通過使金剛石顆粒的聚集體在燒結(jié)助劑的存在下 經(jīng)受大于約5GPa、典型地約5. 5GI^a的超高壓力和至少約1200°C、典型地約1440°C的溫度來 制造，所述燒結(jié)助劑也被稱為用于金剛石的催化劑材料。用于金剛石的催化劑材料可W理 解為是在金剛石在熱力學(xué)上比石墨更穩(wěn)定的壓力和溫度條件下能夠促進(jìn)金剛石顆粒的直 接交互生長的材料。
[0004] 用于金剛石的催化劑材料的示例是鉆、鐵、儀和包括任何運(yùn)些元素的合金的特定 合金。PCD可W在鉆-燒結(jié)碳化鶴基底上形成，該基底可W為PCD提供鉆催化劑材料的來 源。 陽0化]在PCD材料的主體燒結(jié)期間，諸如來自鉆-燒結(jié)碳化鶴基底的鉆的燒結(jié)-碳化物 基底的組分液化并從鄰近大量金剛石顆粒的區(qū)域快速移動(dòng)（sweep)到金剛石顆粒間的間 隙區(qū)域中。在該示例中，鉆充當(dāng)催化劑來促進(jìn)粘結(jié)金剛石顆粒的形成。可選擇地，金屬-溶 劑催化劑可W在金剛石顆粒和基底經(jīng)受HPHT過程之前與金剛石顆?；旌?。在PCD材料內(nèi) 的間隙可W至少部分地充滿催化劑材料。交互生長的金剛石結(jié)構(gòu)因此包含原始金剛石顆粒 和新沉淀的或重新生長的金剛石相，該金剛石相結(jié)合化ridge)原始顆粒。在最終的燒結(jié)結(jié) 構(gòu)中，催化劑/溶劑材料通常會(huì)殘留在燒結(jié)金剛石顆粒之間的至少一些間隙中。
[0006] 燒結(jié)PCD具有足夠的耐磨性和硬度W用于蔓延性磨損、切削和鉆孔應(yīng)用中。然而， 具有運(yùn)種類型的PCD巧塊的眾所周知的問題是顯微結(jié)構(gòu)的間隙中殘留的溶劑/催化劑材料 在高溫下對(duì)巧塊的性能具有不利影響，運(yùn)是因?yàn)槿藗冋J(rèn)為金剛石臺(tái)中溶劑/催化劑的存在 會(huì)降低金剛石臺(tái)在運(yùn)些提高的溫度下的熱穩(wěn)定性。例如，金剛石顆粒和溶劑/催化劑之間 的熱膨脹系數(shù)的差異被認(rèn)為導(dǎo)致在鉆孔或切削操作期間切削元件的PCD臺(tái)的碎裂或破裂。 PCD臺(tái)的碎裂或破裂可W降低切削元件的機(jī)械性能或?qū)е虑邢髟氖?。此外，在高?下，金剛石顆?？蒞與溶劑/催化劑進(jìn)行化學(xué)分解或逆向轉(zhuǎn)化化ack-conversion)。在極高 的溫度下，部分金剛石顆粒可轉(zhuǎn)化為一氧化碳、二氧化碳、石墨或其組合，從而降低PCD材 料的機(jī)械性能。
[0007] 運(yùn)些問題的潛在解決方案是從PCD材料中去除催化劑/溶劑或粘結(jié)相。
[000引化學(xué)浸出常用于從PCD材料的主體的間隙區(qū)域例如從鄰近PCD的工作表面的區(qū)域 去除諸如鉆的金屬-溶劑催化劑。傳統(tǒng)的化學(xué)浸出技術(shù)常設(shè)及諸如王水和包括氨氣酸（HF) 的混合物的高濃縮的、有毒的和/或腐蝕性溶液的使用，W從多晶金剛石材料溶解和去除 金屬-溶劑/催化劑。因?yàn)檫\(yùn)種混合物是高毒性的，所W其使用具有嚴(yán)重的健康和安全風(fēng) 險(xiǎn)，因此，使用運(yùn)種混合物處理PCD的過程必須由專業(yè)人員在良好的控制和監(jiān)控條件下執(zhí) 行，W將對(duì)運(yùn)種過程的操作者的損害風(fēng)險(xiǎn)降到最小。
[0009] 隨著解決上述問題的可選的浸出混合物的發(fā)展，已注意到，在浸出混合物中用于 支撐PCD材料的傳統(tǒng)固定裝置的使用存在問題，運(yùn)是因?yàn)橛糜谛纬苫蛲扛策\(yùn)種固定裝置的 諸如PTFE的傳統(tǒng)材料或在一次或兩次使用后或在浸出過程本身期間將會(huì)快速分解。因?yàn)?許多原因運(yùn)是不可取的，因?yàn)楸３指鼡Q固定裝置昂貴且耗時(shí)。而且，如果分解發(fā)生在處理過 程本身期間，則可導(dǎo)致正在浸出的PCD元件不得不被廢棄。此外，如果發(fā)生腐蝕性酸浸出混 合物泄漏，則可能引起潛在的健康和安全風(fēng)險(xiǎn)。
[0010] 此外，傳統(tǒng)的固定裝置通常僅能使單一的PCD元件定位在浸出混合物中并在任何 時(shí)間在浸出混合物中浸出。
[0011] 因此需要通過提供支撐的固定裝置來克服或基本上改善上述問題，所W該固定裝 置在使用期間不分解，尤其不與用于處理或加工PCD材料的主體的特定混合物結(jié)合，并且 該固定裝置提高浸出過程的效率。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0012] 從第一方面看，本發(fā)明提供一種用于PCD元件的支撐結(jié)構(gòu)，其包括：
[0013] 支撐部和多個(gè)密封元件，在所述支撐部中可定位多個(gè)PCD元件，并且所述多個(gè)密 封元件位于支撐結(jié)構(gòu)中，且每個(gè)密封元件被構(gòu)造為在浸出過程期間保護(hù)相關(guān)的PCD元件的 非浸出部分，所述支撐部由聚酬基塑料材料形成并涂覆有聚酬基塑料材料。
[0014] 從第二方面看，提供一種處理具有包括金剛石催化劑/溶劑和/或一種或多種金 屬碳化物的非金剛石相的多晶金剛石（PCD)材料的多個(gè)主體的方法，所述方法包括：
[0015] 在由聚酬基塑料材料形成或涂覆有聚酬基塑料材料的支撐部中定位待處理的PCD 材料的主體；
[0016] 在PCD材料的主體和支撐部之間形成密封罩（closure)，W將待處理的PCD材料的 主體的區(qū)域與非待處理的區(qū)域隔開；
[0017] 將PCD材料的主體和支撐部插入到浸出容器中，所述浸出容器包含一些浸出混合 物；
[0018] 通過使至少一部分PCD材料暴露到浸出混合物，將一些金剛石催化劑/溶劑和/ 或一種或多種金屬碳化物從PCD材料中浸出。
[0019] 在一些實(shí)施例中，浸出混合物包括用水稀釋的硝酸和一種或多種另外的無機(jī)酸， 所述硝酸包括約2-5重量％之間的硝酸和水混合物。
【附圖說明】
[0020] 現(xiàn)在將僅通過示例的方式并參照附圖更詳細(xì)地描述各種實(shí)施例，其中：
[0021] 圖1是用于地殼鉆探化oringintotheearth)的切削鉆頭的PCD刀具插入件的 示意性透視圖；
[0022] 圖2是圖1的PCD刀具插入件的示意性橫截面和示出PCD材料的微觀結(jié)構(gòu)的示意 性展開圖；
[0023]圖3是在處理過程期間保持在支撐結(jié)構(gòu)中的圖1的PCD刀具的部分示意性橫截 面；
[0024] 圖4是實(shí)施例的支撐結(jié)構(gòu)的上方的示意性透視圖； 陽0巧]圖5是圖4的支撐結(jié)構(gòu)的示意性俯視圖；
[0026] 圖6a和化是通過圖4和圖5的堆疊的支撐結(jié)構(gòu)的示意性橫截面視圖；
[0027] 圖7a-7d是根據(jù)一個(gè)或多個(gè)實(shí)施例的可選的堆疊的支撐結(jié)構(gòu)的上方的透視圖；
[0028] 圖7e-化分別是圖7a-7d中的按照堆疊結(jié)構(gòu)所示的單個(gè)支撐結(jié)構(gòu)的俯視圖；并且
[0029] 圖8是浸出容器中的堆疊的支撐結(jié)構(gòu)的側(cè)視圖。
[0030] 在所有附圖中，相同的參考編號(hào)表示各自相同的特征。
【具體實(shí)施方式】
[0031] 如在此所使用的/'PCD材料"是包括大量金剛石顆粒的材料，所述材料的很大一部 分直接互相交互粘合并且在所述材料中金剛石的含量至少為約80體積％材料。在PCD材 料的一個(gè)實(shí)施例中，金剛石顆粒之間的間隙可至少部分地充滿有包括用于金剛石和/或非 金剛石相的催化劑的粘合劑材料。
[0032] 如在此所使用的，"用于金剛石的催化劑材料"是在金剛石在熱力學(xué)上比金剛石更 穩(wěn)定的壓力和溫度下能夠促進(jìn)金剛石的生長或金剛石顆粒間的直接的金剛石與金剛石的 共生的材料。
[0033] 如在此所使用的術(shù)語"摩爾濃度"指的是在大約25°C的溫度下的單位濃度mol/L。 例如，摩爾濃度為1M的包括溶質(zhì)A的溶液每升溶液包括Imol的溶質(zhì)A。
[0034] 圖1示出了用于地殼鉆探的鉆頭（未示出）的PCD刀具插入件10,其包括粘合到 燒結(jié)碳化鶴基底30的PCD主體20。
[0035] 圖2是圖1的通過PCD刀具插入件10的橫截面。還示出了PCD主體