[發明專利]通過增強的脫金屬化來浸析超硬材料

在審

• 申請號: 201380080375.7
• 申請日: 2013-12-09
• 公開（公告）號: CN105658576A
• 公開（公告）日: 2016-06-08
• 發明（設計）人: G·E·韋弗
• 申請（專利權）人: 哈里伯頓能源服務公司
• 主分類號: C01B31/06
• 分類號: C01B31/06
• 代理公司: 上海專利商標事務所有限公司 31100
• 代理人: 沙永生;樂洪詠

技術領域

本公開涉及用于使用硫脲溶液增強超硬材料諸如多晶金剛石 (PCD)或立方氮化硼(CBN)的脫金屬化的方法。

背景

超硬材料諸如PCD和CBN可用于多種工業應用諸如巖石地層的 鉆探中。例如，PCD通常用于石油開采和采礦作業兩者中的地下鉆 孔鉆頭中。超硬材料尤其可用于所述應用中，因為它們極其耐磨并且 可抵抗高溫和與其他硬材料(諸如巖石地層)帶來的頻繁沖擊。

PCD通常通過以下方式形成：在存在催化劑材料(諸如第VIII族 金屬或其合金)的條件下使金剛石單晶經歷高溫高壓(HTHP)燒結處 理。在PCD形成過程中，鈷、鎳及其合金尤其可用作催化劑。類似 的基于催化劑的處理可用于形成其他超硬材料。

可為有益的是在形成PCD之后將催化劑從PCD或其他超硬材料 中去除。否則，催化劑與超硬材料之間的熱導和熱膨脹可加速超硬材 料在使用過程中的磨損。

存在多種用于將催化劑從超硬材料中去除的方法，所述方法包括 所謂的酸浸處理和電解處理。

附圖簡述

結合附圖參看以下描述可獲得對本發明實施方案和其優點的更 加完全和透徹的理解，在附圖中：

圖1示出了根據本公開的一個實施方案增強脫金屬化的方法。

詳述

本公開涉及用于使用硫脲溶液增強超硬材料諸如多晶金剛石 (PCD)或立方氮化硼(CBN)的脫金屬化的方法。適用于這些方法的應 用包括從超硬材料中去除目標金屬。目標金屬可以是這樣的金屬：其 直接與硫脲相互作用，從而改善目標金屬從超硬材料中的脫金屬化或 者目標金屬從超硬材料中的浸析。目標金屬還可以是這樣的金屬：其 不直接與硫脲相互作用，盡管如此，但是其由于另一金屬與硫脲的直 接的相互作用而更有效地從超硬材料中浸析。

目標金屬可包括金屬或金屬合金。目標金屬可包括在形成超硬材 料過程中使用的催化劑材料，諸如鈷、鎳或其組合。目標金屬可包括 在形成超硬材料之后隨后被引入到超硬材料中的金屬，諸如在用于形 成超硬材料的最初的HTHP處理之后的一個或多個另外的HTHP處 理過程中引入的第VIII族金屬或其合金。目標金屬可包括除第VIII 族金屬之外的另一種金屬(諸如銅)。

雖然本文在PCD的實施例背景下討論了本公開，但是應用關于 PCD的教導的本領域普通技術人員可通過以下方式對其他超硬材料 (諸如CBN)實現類似的增強的脫金屬化：通過將硫脲溶液與另外適用 于所述超硬材料的浸析方法組合使用。

圖1的過程100示出了用于增強PCD的脫金屬化的代表性方法。 在步驟110中，將PCD放置于硫脲溶液中。PCD含有目標金屬諸如 在其形成過程中使用的或稍后引入的催化劑(諸如第VIII族金屬或金 屬合金)。目標金屬可以是鈷(Co)、鈷合金、鎳(Ni)或鎳合金。目標金 屬可基本上沒有鐵(Fe)或鐵合金。目標金屬可分布在金剛石基體的間 隙中。

如果PCD連接至可被浸析損壞的材料諸如基底(例如碳化鎢基 底)，則可在放置于硫脲溶液中之前對敏感材料進行保護。

硫脲溶液可含有硫脲。如本文所用，除非由具體上下文另有指明， 否則硫脲可包括(SC(NH₂)₂或其取代的變型。例如，硫脲可由以下結 構式表示：

其中R¹、R²、R³和R⁴可獨立地為氫(H)或含有碳(C)、氮(N)、氧 (O)、鹵素、硫(S)或磷(P)的官能團，諸如烷基、烯基、炔基、C-鏈(諸 如C_1-20或C_1-10鏈)、醇、醛、碳酸根、羧酸根、羧酸、酯、醚、甲氧 基、氫過氧基、過氧基、縮醛、縮酮、?；u、芳基、苯基、苯甲基、 酰胺、胺、亞胺、酰亞胺、氰酸根、硝酸根、腈、亞硝酸根、硝基、 亞硝基、吡啶基、鹵代烷、硫化物、亞磺酰基、磺?；喕撬?、硫 氰酸根、硫代羰基或磷酸根基團。R1、R2、R3和R4也可獨立地含 有另一硫醇基。

可針對多種原因來選擇官能團，所述原因包括但不限于有助于增 強脫金屬化作用，或者促進或缺乏對硫脲在PCD中運動的抑制。

硫脲包括其互變異構體：