[发明专利]多晶金刚石

说明书

技术领域

本发明涉及多晶金刚石（PCD）结构，其具体但不唯一地用于钻入地中，或者破裂或钻入坚硬或耐磨的主体如岩石或沥青中，还涉及制造所述PCD结构的方法。

背景技术

钻入地中所用的钻头的刀具嵌件可包含结合至烧结碳化物基材上的多晶金刚石（PCD）层。多晶金刚石（PCD）是超硬材料（也被称为超级磨料）的实例，其包含大量基本上共生的金刚石颗粒，该金刚石颗粒形成骨架体并限定金刚石颗粒之间的间隙。PCD材料可包含至少约80vol(体积)%的金刚石，并且可在金刚石催化剂材料存在的情况下，通过使金刚石颗粒聚集体经受高于约5Gpa的超高压力和至少约1200°C的温度而制备，所述金刚石催化剂材料为在金刚石比石墨热力学更稳定的压力和温度下能够促进金刚石颗粒直接共生的材料。一些金刚石催化剂材料可在环境压力下，特别是在升高的温度下促进金刚石向石墨的转化。该催化剂材料的实例为钴、铁、镍和包括这些中任意几种的特定合金。PCD可以形成在烧结钴碳化钨基材上，该基材可提供用于PCD的钴催化剂材料源。PCD材料中的间隙可以至少部分用金刚石催化剂材料进行填充。

PCD是极其坚硬和耐磨的，这是其在一些最极端的机加工和钻削并且需要高生产率的条件下成为优选工具材料的原因。包含作为填充材料的特定金刚石催化剂材料的PCD的缺点可能是在约400°C以上其相对差的热稳定性。催化剂材料可以在升高的温度下，特别是在大于约750°C的温度下，如在PCD坯块的制造和使用中可能经历的温度下，促使PCD破裂。

英国专利号No.1598837公开了通过在酸中煮沸，从包含结合至烧结钴碳化钨层的PCD层的PCD坯块中除去金属相浸渍剂材料。在浸入酸中之前，围绕所述坯块浇注环氧树脂，通过用砂纸磨掉所述层表面上的所有塑料，使金刚石层的表面暴露。

美国专利申请公开号No.20050115744公开了包含与金属基材整体形成的主体的PCD元件的制造方法，所述主体包含结合的金刚石晶体，还公开了催化材料。通过对主体进行处理，从而使其体积中基本上没有催化材料来实施处理，同时容许催化材料保留在主体的至少一些剩余体积中，且同时当对主体进行处理时容许基材基本上保持不受影响。

美国专利申请公开号No.20080142276公开了包含主体和基材的热稳定超硬材料坯块的制造方法。所述方法包括如下步骤：通过从其上除去催化剂材料而形成热稳定的多晶金刚石主体；使沿着主体和基材的接口表面设置的互补表面特征互相对齐以使得其互相啮合；并使主体结合至基材。

美国专利申请公开号No.20090178855公开了制造热稳定的PCD（TSP）。首先，使用已知的烧结方法在基材上的非均匀界面处形成多晶金刚石层。在对基材上的PCD层进行烧结后，除去基材从而暴露非均匀的界面。然后必要时对PCD层进行浸出(leach)，以形成合适的TSP层。

美国专利申请公开号No.20080185189公开了在第二HPHT（高压、高温）烧结步骤中将浸出的PCD坯块连接至基材。

美国专利申请公开号No.2008230280公开了通过处理多晶金刚石主体，以除去结合在一起的金刚石晶体间的间隙区域内配置的溶剂催化剂材料，然后用替代材料置换该溶剂催化剂材料而制造PCD结构的方法。

美国专利申请公开号No.20100012390公开了当通过滤出钴或其他粘合剂-催化材料而生产热稳定的PCD元件时，浸出过程也除去了烧结碳化物基材。另外，因为不存在整体基材或其他可结合的表面，在操作中安装所用的材料存在严重困难。随后在高压高温环境下将浸出的PCD元件结合至碳化钨基材导致金刚石层和基材之间的突然过渡，使得金刚石层在界面处在很低的应力下容易大规模断裂。

存在对具体但不唯一地用于钻地的，具有增强的抗断裂性的热稳定PCD结构的需要。

发明内容

从第一个方面来看，本发明提供制造多晶金刚石（PCD）结构的方法，所述方法包括提供包含由烧结材料烧结在一起的碳化物颗粒的烧结碳化物基材；使烧结碳化物基材经受第一压力处理；处理基材以便从与由基材限定的边界邻近的基材至少一个区域中除去至少一些烧结材料；使基材经受第二压力处理，在边界处与含金刚石结构接触或结合至含金刚石结构。