[發明專利]包含基本上不含呈現異常晶粒生長的碳化鎢晶粒的經燒結碳化鎢襯底的多晶金剛石復合體及其應用

有效

• 申請號: 201080009237.6
• 申請日: 2010-02-10
• 公開（公告）號: CN102333608A
• 公開（公告）日: 2012-01-25
• 發明（設計）人: 德布庫瑪·穆克霍帕迪艾;肯尼思·E·貝爾塔格諾里;穆罕默德·N·薩尼
• 申請（專利權）人: 美國合成集團公司
• 主分類號: B22F7/06
• 分類號: B22F7/06;E21B10/573
• 代理公司: 北京康信知識產權代理有限責任公司 11240
• 代理人: 李丙林;張英

技術領域

在多種機械應用中使用耐水性多晶金剛石復合體(多晶金剛石復合片，多晶金剛石復合件，“PDC”)。例如，在鉆孔刀具(例如切削元件，規格修整器(gage?trimmers)等)、加工設備、軸承裝置、拉絲機器中以及在其他機械設備中使用PDC。

背景技術

已經發現PDC作為旋轉鉆頭如牙輪鉆頭和固定切削刃鉆頭中的超硬磨料切削元件特別有用。PDC切削元件典型地包括通常被稱為金剛石臺(diamond?table)的超硬磨料金剛石層。所述金剛石臺使用高壓/高溫(“HPHT”)工藝形成并結合至經燒結的碳化物襯底(經燒結的碳化物基板，cemented?carbide?substrate)。所述PDC切削元件可直接銅焊到預制的袋、套、或者其他在鉆頭體內形成的容器中。所述經燒結的碳化物襯底經常可以銅焊或以其他方式接合至附著構件如圓柱狀背襯。旋轉鉆頭典型地包括附著于鉆頭體的大量PDC切削元件。還已知的是，當通過壓配、銅焊或以其他方式將螺栓固定到在鉆頭體中形成的容器中而安裝至旋轉鉆頭的鉆頭體時，可以將攜帶PDC的螺栓用作PDC切削元件。

常規的PDC一般通過將經燒結的碳化鎢襯底置于具有定位在經燒結的碳化鎢襯底表面上的金剛石顆粒的體料(體積，volume)的容器中來制造。可以將大量這種容器裝入HPHT壓力機中。然后，在金剛石臺HPHT條件下對金剛石顆粒的襯底和體料進行處理。在HPHT處理期間，經燒結的碳化鎢襯底的金屬溶劑(metal-solvent)催化劑燒結成分諸如來自鈷燒結的碳化鎢襯底的鈷液化并滲透到金剛石顆粒之間的間隙區域(空隙區域，填隙區域)中。鈷充當用于促進金剛石顆粒之間的共生的催化劑，這導致形成結合的金剛石晶粒的多晶金剛石(“PCD”)臺(臺面)，所述結合的金剛石晶粒在其間具有金剛石到金剛石的結合，所述多晶金剛石(“PCD”)臺結合至經燒結的碳化鎢襯底。在結合的金剛石晶粒之間的間隙區域由金屬溶劑催化劑占據。

在HPHT處理期間，與PCD臺鄰接配置的經燒結的碳化鎢襯底區域中的碳化鎢晶粒可以經歷顯著的異常晶粒生長(“AGG”)。呈現異常晶粒生長的這種碳化鎢晶粒可以從經燒結的碳化鎢襯底突出到PCD臺中，從而當在地下鉆井作業期間裝入時，引入應力集中和/或可以導致PCD臺從經燒結的碳化鎢襯底剝離的缺點。圖1是在掃描電子顯微鏡中在750倍放大倍數下拍攝的PDC的微結構100的顯微照片，其顯示了碳化鎢晶粒102，所述碳化鎢晶粒102呈現出從經燒結的碳化鎢襯底104突出到PCD臺106中的AGG。如圖1中所示，與經燒結的碳化鎢襯底104的其他未受影響的碳化鎢晶粒108相比，碳化鎢晶粒102經歷了顯著的晶粒生長。例如，碳化鎢晶粒102可以是未受影響的碳化鎢晶粒108平均晶粒度的約5至約30倍，并且在一些情況下可能呈現出5∶1的縱橫比。

發明內容

本發明的實施方式涉及包含PCD臺的PDC以及制造這種PDC的方法，所述PCD臺基本上沒有由于碳化鎢晶粒的AGG而形成的缺陷，所述方法通過將PCD臺結合至經燒結的碳化物襯底(基體)或者將PCD臺與經燒結的碳化物襯底一體形成來制造這種PDC，所述經燒結的碳化物襯底在HPHT處理之前包含一種或多種缺碳的含鎢η相。在一個實施方式中，PDC包含含界面表面的經燒結的碳化鎢襯底和結合至所述經燒結的碳化鎢襯底的界面表面的PCD臺，所述界面表面基本上不含呈現AGG的碳化鎢晶粒。所述PCD臺包含限定多個間隙區域的多個結合的金剛石晶粒。所述間隙區域的至少一部分包含設置在其中的金屬溶劑催化劑。在一些實施方式中，所述PCD臺可以基本上不含鉻。在其他實施方式中，所述PCD臺和所述經燒結的碳化鎢襯底可以各自包含鉻。

在一個實施方式中，公開了制造PDC的方法。所述方法包括將多個金剛石顆粒與經燒結的碳化物材料鄰接布置。經燒結的碳化物材料包含一種或多種含鎢η相。所述方法還包括對所述多個金剛石顆粒和所述經燒結的碳化物材料進行HPHT處理以對所述多個金剛石顆粒進行燒結，從而形成PCD臺。在一個實施方式中，經燒結的碳化物材料可以是包含一種或多種含鎢η相的經燒結的碳化物襯底形式。在一個實施方式中，所述經燒結的碳化鎢材料可以是布置在所述多個金剛石顆粒和經燒結的碳化鎢襯底之間的經燒結碳化物顆粒形式。