[發(fā)明專利]具有非催化材料添加物的多晶金剛石刀具及其制造方法

在審

• 申請?zhí)枺?/td>: 201680073467.6
• 申請日: 2016-12-15
• 公開（公告）號: CN108367355A
• 公開（公告）日: 2018-08-03
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 張凱
• 申請（專利權(quán)）人: 戴蒙得創(chuàng)新股份有限公司
• 主分類號: B22F3/14
• 分類號: B22F3/14;B24D3/10;C22C26/00;B22F5/00
• 代理公司: 中原信達知識產(chǎn)權(quán)代理有限責(zé)任公司 11219
• 代理人: 郭國清;穆德駿

公開了用于旋轉(zhuǎn)鉆頭的多晶金剛石刀具及其制造方法。多晶金剛石壓坯(100)包含具有工作表面、界面表面和周邊表面的多晶金剛石主體。所述多晶金剛石壓坯還包含沿著所述界面表面結(jié)合到所述多晶金剛石主體上的基材。所述多晶金剛石主體的非金剛石體積分?jǐn)?shù)在所述界面表面處大于在所述工作表面處。

技術(shù)領(lǐng)域

本公開內(nèi)容大體涉及由超硬磨料制成的刀具，并且更特別地涉及由具有用于提高的耐磨性的非催化材料添加物的多晶金剛石制成的刀具，以及其制造方法。

背景技術(shù)

多晶金剛石(“PCD”)壓坯用于各種機械應(yīng)用中，例如用于材料去除操作中，用作軸承面，以及用于拉絲操作中。PCD壓坯通常用于石油工業(yè)中以去除井下鉆探中的材料。PCD壓坯形成為切削元件，大量切削元件附接到鉆頭，例如，牙輪鉆頭和固定刀具鉆頭。

PCD刀具通常包含超級磨料金剛石層，被稱為多晶金剛石主體，多晶金剛石主體附接到基材。多晶金剛石主體可以在高壓高溫(HPHT)工藝中形成，其中金剛石晶粒保持在使金剛石顆粒彼此結(jié)合的壓力和溫度下。

如通常所知的，在存在催化劑材料的情況下將金剛石顆粒引入HPHT工藝，當(dāng)經(jīng)受HPHT工藝的條件時，所述催化劑材料促進金剛石間結(jié)合的形成。所述催化劑材料可以包埋在支撐基材中，例如具有鈷的燒結(jié)碳化鎢基材中。催化劑材料可以從支撐基材滲入金剛石顆粒。在HPHT工藝之后，金剛石顆粒可以燒結(jié)至彼此并附接到支撐基材。

盡管催化劑材料在HPHT工藝期間促進金剛石間結(jié)合的形成，但是在HPHT工藝完成后，在燒結(jié)金剛石主體中存在的催化劑材料可降低多晶金剛石主體在高溫下的穩(wěn)定性。一些金剛石晶粒在高溫下可經(jīng)歷逆向轉(zhuǎn)化成為較軟的非金剛石形式的碳(例如，石墨或無定形碳)。此外，熱膨脹系數(shù)的不匹配可在金剛石晶格中誘導(dǎo)應(yīng)力，從而在金剛石主體中引起微裂紋。金剛石的逆向轉(zhuǎn)化和由熱膨脹系數(shù)不匹配誘導(dǎo)的應(yīng)力可加速PCD刀具在操作期間的韌性、耐磨性和/或熱穩(wěn)定性的降低。

因此，期望呈現(xiàn)增加的韌性、耐磨性和/或熱穩(wěn)定性的多晶金剛石刀具。

發(fā)明內(nèi)容

在一個實施方式中，多晶金剛石壓坯包含具有工作表面、界面表面和周邊表面的多晶金剛石主體。所述多晶金剛石壓坯還包含沿著所述界面表面結(jié)合到所述多晶金剛石主體的基材。所述多晶金剛石主體的非金剛石體積分?jǐn)?shù)在所述界面表面處大于在所述工作表面處。

在另一實施方式中，多晶金剛石壓坯包含具有工作表面、界面表面和周邊表面的多晶金剛石主體。所述多晶金剛石壓坯還包含沿著所述界面表面結(jié)合到所述多晶金剛石主體的基材。所述多晶金剛石主體呈現(xiàn)一定濃度的非催化材料，所述濃度在所述工作表面處低于在所述界面表面處。

在又一實施方式中，制造多晶金剛石壓坯的方法包括：組裝形成單元組件，所述形成單元組件具有定位于杯內(nèi)的金剛石顆粒，具有催化材料的第一基材，所述第一基材定位成靠近所述金剛石顆粒，和圍繞所述杯和所述第一基材的壓力傳遞介質(zhì)。所述方法還包括使所述形成單元組件及其內(nèi)容物經(jīng)受第一高壓高溫工藝以燒結(jié)所述金剛石顆粒形成金剛石間結(jié)合，并且以形成包含結(jié)合到所述第一基材的多晶金剛石主體的多晶金剛石復(fù)合材料，其中所述多晶金剛石復(fù)合材料包含定位成靠近所述第一基材的中間級界面表面和定位成遠離所述第一基材的中間級工作表面。所述方法還包括從所述多晶金剛石主體去除基本上所有的所述第一支撐基材，從所述多晶金剛石主體中浸出至少一部分的可及催化材料，定位所述多晶金剛石主體使得所述中間級工作表面定位成靠近第二基材，并且使所述多晶金剛石主體和所述第二基材經(jīng)受第二高壓高溫工藝以使所述多晶金剛石主體沿著界面表面結(jié)合到所述第二基材。

附圖說明

當(dāng)結(jié)合附圖閱讀時，將更好地理解前述發(fā)明內(nèi)容以及以下詳細(xì)描述的實施方式。應(yīng)該理解，所描述的實施方式不限于示出的具體布置和手段。

圖1是根據(jù)本文示出或描述的一個或多個實施方式的PCD刀具的示意性側(cè)視橫截面圖；