[發明專利]聚晶金剛石復合片以及相關的方法和應用

有效

• 申請號: 201080059095.4
• 申請日: 2010-10-20
• 公開（公告）號: CN102844135A
• 公開（公告）日: 2012-12-26
• 發明（設計）人: M·N·薩尼;J·J·岡薩雷斯;A·E·達德森;D·莫克霍巴德亞
• 申請（專利權）人: 美國合成公司
• 主分類號: B22F3/24
• 分類號: B22F3/24;B22F5/00;B22F7/06;C22C26/00
• 代理公司: 中國國際貿易促進委員會專利商標事務所 11038
• 代理人: 李帆

相關申請的交叉引用

本申請要求在2009年10月29日提交的美國專利申請No.12/608,155的優先權，在此通過引用將其整體并入本文。

背景技術

耐磨的超硬磨料復合片被用于各種機械應用中。例如，聚晶金剛石復合片(“PDC”)(polycrystalline?diamond?compact)被用于鉆具(例如，切削元件、修孔器等)、機加工設備、軸承裝置、拉絲機具和其它的機械裝置中。

PDC已得到特殊應用，作為在旋轉鉆頭(如牙輪鉆頭和固定切削刃鉆頭)中的超硬磨料切削元件。PDC切削元件通常包括常被稱為金剛石臺的超硬磨料金剛石層。使用高壓/高溫(“HPHT”)工藝形成金剛石臺并將其與基底接合。PDC切削元件也可被直接硬釬焊到預先形成的凹部、槽口或在鉆頭本體內形成的其它接納部中。基底常常可被硬釬焊或以另外方式接合到附加部件，例如柱型背襯。旋轉鉆頭通常包括附著于鉆頭本體上的若干PDC切削元件。還已知的是：可使用承載PDC的栓釘作為PDC切削元件，這時通過壓力配合、硬釬焊或其它的方式將栓釘(stud)固定于在鉆頭本體中形成的容座內來將其安裝到旋轉鉆頭的鉆頭本體上。

一般通過如下方式來制造常規的PDC：將燒結碳化物基底放入具有大量金剛石顆粒的容器內，所述金剛石顆粒被置于所述燒結碳化物基底鄰近。可以將若干這種容器裝載到HPHT壓力機中。然后在HPHT條件下在催化劑材料的存在下處理所述基底和所述大量金剛石顆粒，所述催化劑材料引起金剛石顆粒相互接合從而形成接合在一起的金剛石晶粒的基質，該基質限定出與基底接合的聚晶金剛石(“PCD”)臺。催化劑材料通常是被用于促進金剛石顆粒的交互生長的金屬-溶劑催化劑(例如，鈷、鎳、鐵、或其合金)。

在一種常規的方法中，在HPHT處理期間，燒結碳化物基底的組分(例如來自鈷燒結的碳化鎢基底的鈷)液化并從所述大量金剛石顆粒鄰近的區域掃掠(sweep)到金剛石顆粒之間的間隙區域中。鈷充當催化劑從而促進金剛石顆粒之間的交互生長，這導致形成接合一起的金剛石晶粒，這些金剛石晶粒在其間表現出金剛石與金剛石接合。通常，在使金剛石顆粒和基底經受HPHT處理之前，可將溶劑催化劑與金剛石顆粒混合。

PCD臺中金屬溶劑催化劑的存在被認為降低PCD臺在高溫下的熱穩定性。例如，據認為在鉆進或切削操作期間，金剛石晶粒與金屬溶劑催化劑之間的熱膨脹系數差異導致PCD臺的碎裂或開裂，這會使PCD臺的力學性能劣化或引起失效。另外，一些金剛石晶粒會通過與金屬溶劑催化劑的交互作用而經歷化學損壞或轉變回石墨。在提高的高溫下，部分金剛石晶粒會轉變成一氧化碳、二氧化碳、石墨、或其組合，由此使PCD臺的力學性能劣化。

一種用于改善PDC的PCD臺的熱穩定性的方法是：通過酸瀝濾(acid?leaching)從PCD臺中至少部分地去除金屬溶劑催化劑。用于形成PDC另一種常規方法包括：單獨形成燒結PCD臺，隨后對該燒結PCD臺進行瀝濾，以便從接合在一起的金剛石晶粒之間的間隙區域去除溶劑催化劑。可將瀝濾的PCD臺接合到基底，并且在獨立的HPHT處理中用非催化劑材料(如硅)進行浸滲。硅可浸滲瀝濾PCD臺的間隙區域并與金剛石晶粒反應形成碳化硅，溶劑催化劑已被從該間隙區域瀝濾。

盡管存在許多不同的PDC，但是，PDC的制造商和用戶繼續尋求表現改善的韌性、耐磨性、熱穩定性、易加工性或前述性能組合的PDC。

發明內容

本發明的實施方案涉及PDC和以有利于去除在此類PDC的PCD臺制造中使用的金屬溶劑催化劑的方式制造PDC的方法。在一種實施方案中，PDC包括基底和PCD臺，該PCD臺包括工作表面和相對的與基底接合的界面表面。PCD臺包括限定間隙區域的多個接合金剛石晶粒。該PCD臺還包括瀝濾第一體積，該瀝濾第一體積從工作表面向內延伸并且包括位于其間隙區域至少一部分中的金屬浸滲劑(infiltrant)。該瀝濾第一體積的金屬浸滲劑可以按小于0.85wt％(“重量％”)的濃度存在。PCD臺還包含從界面表面向內延伸的第二體積。該第二體積的間隙區域包括位于其中的金屬浸滲劑。

在一種實施方案中，公開了一種制造瀝濾PCD臺的方法。該方法包括將多個金剛石顆粒與多個犧牲顆粒混合以形成混合物。該方法還包括在金屬溶劑催化劑的存在下燒結所述混合物以形成PCD臺。該PCD臺包含犧牲材料，所述犧牲材料包括所述多個犧牲顆粒、所述多個金剛石顆粒與所述多個犧牲顆粒的至少一種反應產物、或其組合。該方法還包括從所述PCD臺瀝濾至少一部分金屬溶劑催化劑和至少一部分犧牲材料。