聚晶金剛石、聚晶金剛石複合件、其製造方法及各種應用的製作方法

2023-09-21 02:05:25 2

專利名稱：聚晶金剛石、聚晶金剛石複合件、其製造方法及各種應用的製作方法
聚晶金剛石、聚晶金剛石複合件、其製造方法及各種應用
背景技術：
耐磨的超研磨複合件用於多種機械應用中。例如，聚晶金剛石複合件(「PDC」)用於鑽掘工具(如切削元件等)、機械加工設備、軸承設備、拉絲機器和其它機械裝置中。已經發現PDC作為旋轉鑽頭例如牙輪鑽頭和固定切削刃鑽頭中的超研磨切削元件的特殊用途。PDC切削元件通常包括一般稱為金剛石臺的超研磨金剛石層。可利用高壓、 高溫(「HPHT」)工藝形成金剛石臺並使其與基體結合。PDC切削元件也可以直接銅焊在鑽頭體內形成的預成型的袋、承窩或其它容座中。基體通常可以銅焊或以其它方式結合附屬構件，例如圓柱體支座。旋轉鑽頭通常包括固定在鑽頭體上的大量PDC切削元件。還已知裝配有PDC的螺栓在通過壓配、銅焊或以其它方式將該螺栓固定到鑽頭體內形成的容座中從而安裝到旋轉鑽頭的鑽頭體上時可用作PDC切削元件。常規PDC的一般製造方法是將膠結碳化物基底裝入容器中，同時在膠結碳化物基底的相鄰位置處設置大量的金剛石顆粒。多個這樣的柱體可裝載到HPHT壓機中。然後，在催化劑材料存在下，將所述基底和大量金剛石顆粒在HPHT條件下進行處理，使得金剛石顆粒彼此結合形成結合金剛石晶粒基體，其限定與所述基底結合的聚晶金剛石(「PCD」)臺。 催化劑材料通常是金屬溶劑催化劑(例如，鈷、鎳、鐵或它們的合金)，用於促進金剛石顆粒的交互生長。在一個常規方法中，在HPHT過程中，膠結碳化物基質的成分例如鈷-膠結碳化鎢基質中的鈷液化並從所述大量金剛石顆粒的相鄰區域掃入金剛石顆粒之間的間隙區域中。 鈷用作促進金剛石顆粒之間交互生長的催化劑，這導致形成結合金剛石晶粒。通常，可在使金剛石顆粒和基質進行HPHT過程之前將溶劑催化劑與金剛石顆粒混合。溶劑催化劑在PCD臺中的存在被認為降低了 PCD臺在升高溫度下的熱穩定性。例如，金剛石晶粒與溶劑催化劑之間的熱膨脹係數的差異被認為導致了在鑽孔或切削操作過程中PCD臺的碎裂或破裂，這會使PCD臺的機械特性劣化或導致失效。此外，一些金剛石晶粒可經由與溶劑催化劑的相互作用而發生化學分解或反轉變成石墨。在升高的高溫下，金剛石晶粒的一部分可轉化成一氧化碳、二氧化碳、石墨或其組合，由此使PCD的機械特性劣化。一種用於改善PDC的熱穩定性的常規方法是通過酸浸出從PDC的P⑶臺中至少部分移除溶劑催化劑。然而，對於大規模製造而言，從PCD臺中移除溶劑催化劑會相對費時。 此外，耗盡溶劑催化劑可能降低PCD臺的機械強度。儘管可以得到大量不同的PCD材料，但是PCD材料的製造商和用戶仍在尋求表現出改善的機械和/或熱性質的PCD材料。

發明內容
本發明的實施方案涉及表現出提高的金剛石-金剛石結合的P⑶。在一個實施方案中，P⑶包括限定多個間隙區域的多個金剛石晶粒。金屬溶劑催化劑佔據所述多個間隙區域。所述多個金剛石晶粒和所述金屬溶劑催化劑共同可表現出約115奧斯特(「0e」)以上的矯頑磁力和約15高斯· cm3/克(「G · Cm3/g，，)以下的比磁飽和。 在一個實施方案中，P⑶包括限定多個間隙區域的多個金剛石晶粒。金屬溶劑催化劑佔據所述多個間隙區域。所述多個金剛石晶粒和金屬溶劑催化劑共同可表現出約15G · cm3/g以下的比磁飽和。所述多個金剛石晶粒和所述金屬溶劑催化劑限定至少約 0. 050cm3的容積。在一個實施方案中，P⑶包括與基質結合的P⑶臺。所述P⑶臺的至少一部分可包括本文所述的任意PCD實施方案。在一個實施方案中，一種方法包括將平均粒徑為約30 μ m以下的多個金剛石顆粒和金屬溶劑催化劑封閉在傳壓介質中以形成單元組合體。該方法還包括使所述單元組合體經受至少約1000°c的溫度和至少約7. 5GPa的傳壓介質中的壓力以形成P⑶。其它實施方案涉及在不同的製品和設備(例如鑽掘工具、機械加工設備、軸承設備、拉絲機器和其它的製品和設備)中利用所公開的一個或多個PCD的應用。


附圖示出本發明的數個實施方案，其中在附圖所示的不同視圖或實施方案中相同的附圖標記表示相同的要素或特徵。圖IA是配置為磁化P⑶樣品大致達到飽和的磁飽和設備的一個示例的示意圖。圖IB是配置為測量P⑶樣品的飽和磁化強度的磁飽和設備的一個示例的示意圖。圖2是配置為確定PCD樣品的矯頑磁力的矯頑磁力測量設備的一個示例的示意圖。圖3A是包括由本文公開的任意P⑶實施方案所形成的P⑶臺的PDC的一個實施方案的截面圖。圖3B是在約7. 5GPa以上壓力下製造的PDC的P⑶臺和常規形成的PDC的P⑶臺中測量的殘餘主應力對基底厚度的圖。圖4是一種製造圖3A所示的PDC的方法的示意圖。圖5A是可採用一個或更多個所公開的PDC實施方案的旋轉鑽頭的一個實施方案的等距視圖。圖5B是圖5A所示旋轉鑽頭的上正視圖。圖6是可採用一個或更多個所公開的PDC實施方案的止推軸承設備的一個實施方案的等距剖面圖。圖7是可採用一個或更多個所公開的PDC實施方案的徑向軸承設備的一個實施方案的等距剖面圖。圖8是包括圖6所示的止推軸承設備的地下鑽掘系統的一個實施方案的示意性等距剖面圖。圖9是採用根據本文所述原理製造的PDC的拉絲模的一個實施方案的側視截面圖。具體描述本發明的實施方案涉及具有提高的金剛石_金剛石結合的P⑶。本發明人目前認為，隨著在用於製造該PCD的HPHT過程中採用的燒結壓力進一步進入遠離石墨_金剛石平衡線的金剛石穩定區域，金剛石的成核和生長速率增加。這種在金剛石顆粒(對於給定的金剛石顆粒配方)之間的金剛石成核和生長的增加可導致所形成的PCD比在較低燒結壓力下形成的PCD具有相對更低的金屬溶劑催化劑含量、更高的矯頑磁力、更低的比磁飽和、和 /或更低的比磁導率(即，比磁飽和與矯頑磁力之比)。實施方案還涉及具有包含 該P⑶的 P⑶臺的PDC、該P⑶和PDC的製造方法以及該P⑶和PDC在旋轉鑽頭、軸承設備、拉絲模、 機械加工設備和其它製品和設備中的應用。P⑶實施方案根據各個實施方案，在至少約7. 5GPa壓力下燒結的POT可具有1150e以上的矯頑磁力、高度的金剛石_金剛石結合、約15G · cm3/g以下的比磁飽和以及約7. 5重量％ ("wt%")以下的金屬溶劑催化劑含量。P⑶包括經由金剛石-金剛石結合而直接結合在一起的多個金剛石晶粒以限定多個間隙區域。間隙區域的至少一部分或在一些實施方案中的基本全部間隙區域可被金屬溶劑催化劑例如鐵、鎳、鈷或任意前述金屬的合金所佔據。例如，金屬溶劑催化劑可以是包含至少50襯％鈷的鈷基材料，例如鈷合金。金剛石晶粒可具有約50 μ m以下例如約30 μ m以下或約20 μ m以下的平均晶粒尺寸。例如，金剛石晶粒的平均晶粒尺寸可為約ΙΟμπ -約18μπ ，在一些實施方案中，可為約 15μπι-約18 μ m。在一些實施方案中，金剛石晶粒的平均晶粒尺寸可為約IOym以下，例如約2 μ m-約5 μ m或亞微米。金剛石晶粒的金剛石晶粒尺寸分布可表現出單模式或可以是雙模式或更高的晶粒尺寸分布。佔據間隙區域的金屬溶劑催化劑在POT中的含量可為約7. 5wt%以下。在一些實施方案中，金屬溶劑催化劑在P⑶中的含量可為約3wt% -約7. 5wt%，例如約3wt% -約 6wt%。在其它實施方案中，金屬溶劑催化劑在PCD中的含量可低於約3wt%，例如約
-約3wt%或約的殘餘量。通過將金屬溶劑催化劑含量保持在低於約7. 5wt%, PCD可表現出適用於地下鑽掘應用所需的熱穩定性水平。因為金屬溶劑催化劑可以是鐵磁性的，所以可通過測量PCD的某些磁性質來確定 PCD的許多物理特徵。PCD中的金屬溶劑催化劑的含量可與所測量的PCD的比磁飽和相關聯。相對較大的比磁飽和指示PCD中相對較多的金屬溶劑催化劑。P⑶的相鄰金剛石晶粒之間的平均自由程可與所測量的P⑶的矯頑磁力相關聯。 相對大的矯頑磁力指示相對較小的平均自由程。平均自由程代表PCD的相鄰金剛石晶粒之間的平均距離，因此可以是PCD中金剛石-金剛石結合程度的指標。在燒結良好的PCD中， 相對較小的平均自由程可指示相對較多的金剛石_金剛石結合。僅作為一個示例，ASTM B886-03 (2008)提供用於測量比磁飽和的合適標準， 並且ASTM B887-03 (2008) e 1提供用於測量PCD的矯頑磁力的合適標準。雖然ASTM B886-03(2008)和ASTM B887-03 (2008) el 二者均涉及用於測量膠結碳化物材料的磁性質的標準，但是兩個標準均可用來確定P⑶的磁性質。KOERZIMAT CS 1. 096儀器(可商購自 Foerster Instruments of Pittsburgh, Pennsylvania)是可用於測量 PCD 的比磁飽禾口以及矯頑磁力的合適儀器。通常，隨著用於形成PCD的燒結壓力增大，矯頑磁力會增加並且磁飽和會下降。通過結合的金剛石晶粒和金屬溶劑催化劑共同限定的PCD可表現出約1150e以上的矯頑磁力和如約15G · cm3/g以下的比磁飽和所指示的低於約7. 5wt%的金屬溶劑催化劑含量。在一個更具體的實施方案中，P⑶的矯頑磁力可為約1150e-約2500e，P⑶的比磁飽和可為大於OG · cm3/g-約15G · Cm3/g。在一個甚至更具體的實施方案中，P⑶的矯頑磁力可為約 1150e-約1750e，PCD的比磁飽和可為約5G · cm3/g"約15G · cm7g。在另一個甚至更具體的實施方案中，P⑶的矯頑磁力可為約1550e-約1750e，P⑶的比磁飽和可為約IOG · cm3/ g-約15G· Cm3/g。P⑶的比磁導率(即，比磁飽和與矯頑磁力之比)可為約0. 10以下，例如約0. 060-約0. 090。儘管結合的金剛石晶粒的平均晶粒尺寸小於約30 μ m，但P⑶中的金屬溶劑催化劑含量可小於約7. 5wt%，以得到所需的熱穩定性。在一個實施方案中，將平均粒徑為約18 μ m-20 μ m的金剛石顆粒與鈷-膠結碳化鎢基底相鄰放置並使其在約1390°C -約1430°C溫度和約7. SGPa-約8. 5GPa壓力下經歷 HPHT過程。如此形成為與基底結合的P⑶臺的P⑶可具有約1550e-約1750e的矯頑磁力、 約IOG · cm3/g-約15G · cm3/g的比磁飽和以及約5wt% -約7. 5wt%的鈷含量。 在一個或多個實施方案中，PCD中金屬溶劑催化劑的比磁飽和常數可為約 185G · cm3/g-約215G · cm3/g。例如，P⑶中金屬溶劑催化劑的比磁飽和常數可為約 195G · cm3/g-約205G · Cm3/g。應該注意的是，P⑶中金屬溶劑催化劑的比磁飽和常數可以是組成依賴的。通常，隨著燒結壓力升高到高於7. 5GPa,如此形成的P⑶的耐磨性會增加。例如， G比例可為至少約4. 0 X IO6,例如約5. 0 X IO6-約15. 0 X IO6,或更特別地，約8. 0 X IO6-約 15. OX IO60在一些實施方案中，Gttw可為至少約30. OX 106。G為在切削過程中工件被切削的體積與P⑶磨損體積之比。可用於確定P⑶的G tm的合適參數的一個例子是約0. 254mm 的P⑶切削元件的切削深度、約20度的P⑶切削元件的後傾角、約6. 35mm/轉的P⑶切削元件的橫向進磨、約10 Irpm的待切削工件的轉速，並且工件可由具有914mm外直徑和254mm 內直徑的Barre花崗巖製成。在G測試過程中，利用冷卻劑例如水來冷卻工件。除了前述的Gttw外，儘管在P⑶中存在金屬溶劑催化劑，但是P⑶可具有接近於、 基本等同於或大於部分浸出的PCD材料的熱穩定性，該部分浸出的PCD材料通過在較低的燒結壓力(例如，至多約5. 5GPa)下燒結基本相同的金剛石顆粒配方形成的，而且其中金屬溶劑催化劑(例如，鈷)從中浸出至距離工作表面約60 μ m-約100 μ m的深度。P⑶的熱穩定性可通過在垂直車床測試(例如垂直六角車床或垂直鏜床)中測量在不使用冷卻劑的情況下突變失效前在工件中的切削距離來評估。可用於確定PCD熱穩定性的合適參數的實例是約1. 27mm的P⑶切削元件的切削深度、約20度的P⑶切削元件的後傾角、約1. 524mm/ 轉的PCD切削元件的橫向進磨、約1. 78m/秒的待切削工件的切削速度，並且工件可由具有 914mm外直徑和254mm內直徑的Barre花崗巖製成。在一個實施方案中，在上述垂直車床測試中測量的突變失效前在工件中的切削距離可為至少約1300m，例如約1300m-約3950m。通過在例如至多約5. 5GPa壓力和金剛石穩定的溫度下燒結具有與本發明的P⑶ 實施方案相同的金剛石顆粒尺寸分布的金剛石顆粒所形成的PCD可具有約IOOOe以下的矯頑磁力和/或約16G · cm3/g以上的比磁飽和。因此，在本發明的一個或多個實施方案中， PCD具有小於約7. 5襯％的金屬溶劑催化劑含量和比在較低壓力下燒結但具有相同的前體金剛石顆粒尺寸分布和催化劑的PCD更高的金剛石晶粒間的金剛石-金剛石結合量。本發明人目前認為通過在至少約7. 5GPa壓力下燒結金剛石顆粒形成P⑶可促進在燒結中的金剛石顆粒之間的金剛石的成核和生長，使得相比於在例如至多約5. 5GPa壓力和金剛石穩定的溫度下燒結相同的金剛石顆粒分布時的間隙區域容積，如此形成的PCD 的間隙區域容積下降。例如，金剛石可以通過金屬溶劑催化劑(例如，液化的鈷)中溶解的碳滲入燒結中的金剛石顆粒中所提供的碳、部分石墨化的金剛石顆粒、來自基底的碳、來自其他來源的碳(例如，與金剛石顆粒混合的石墨顆粒和/或富勒烯)或前述碳的組合來成核和生長。與至少約7. 5GPa的燒結壓力相結合的金剛石的這種成核和生長可有助於如此形成的PCD具有低於約7. 5wt%的金屬溶劑催化劑含量圖1A、IB和2示意性示出可利用諸如KOERZIMAT CS 1. 096儀器的設備來確定PCD 的比磁飽和和矯頑磁力的方式。圖IA是構造為將P⑶樣品磁化至飽和的磁飽和裝置100的實例的示意圖。磁飽和裝置100包括強度足以將PCD樣品104磁化成飽和的飽和磁體102。 飽和磁體102可以是永磁體或電磁體。在一個所示的實施方案中，飽和磁體102是限定氣溝106的永磁體，並且P⑶樣品104可設置在氣溝106中的樣品支架108上。當P⑶樣品 104輕量時，可以利用例如雙面膠帶或其它粘合劑將其固定到樣品支架108上，使得PCD樣品104不受飽和磁體102的磁場影響而移動，並且P⑶樣品104被磁化至近似飽和。參考圖IB的示意圖，在利用磁飽和裝置100將P⑶樣品104磁化至近似飽和之後， 可利用磁飽和測量裝置120來測量P⑶樣品104的磁飽和。磁飽和測量裝置120包括用於限定通道的赫爾姆霍茨測量線圈122，該通道的尺寸為使得磁化P⑶樣品104可在其中設置在樣品支架124上。在設置於通道中之後，支撐磁化P⑶樣品104的樣品支架124可沿軸向126軸向移動以感應赫爾姆霍茨測量線圈122中的電流。測量電子裝置128與赫爾姆霍茨測量線圈122耦合併構造為基於所測量的穿過赫爾姆霍茨測量線圈122的電流來計算磁飽和。當P⑶樣品104中的金屬溶劑催化劑的組成和磁特徵已知時，測量電子裝置128也可構造為計算PCD樣品104中的磁性材料(例如鐵、鎳、鈷及其合金)的質量百分比。可基於所計算的磁飽和和所測量的PCD樣品104的重量來計算比磁飽和。PCD樣品104中金屬溶劑催化劑的量可利用多種不同的分析技術來確定。例如，可採用能量色散光譜法(例如，EDAX)、波長色散χ射線光譜法(例如，WDX)和/或盧瑟福背散射光譜法來確定PCD樣品104中金屬溶劑催化劑的量。根據需要，P⑶樣品104中金屬溶劑催化劑含量的比磁飽和常數可利用迭代方法確定。可迭代選擇PCD樣品104中金屬溶劑催化劑含量的比磁飽和常數值，直到KOERZIMAT CS 1. 096儀器的分析軟體利用選定值計算得到的金屬溶劑催化劑含量基本匹配通過分析技術(例如能量色散光譜法、波長色散χ射線光譜法和/或盧瑟福背散射光譜法)確定的金屬溶劑催化劑含量為止。圖2是構造為確定P⑶樣品的矯頑磁力的矯頑磁力測量裝置200的示意圖。矯頑磁力測量裝置200包括線圈202和與線圈202耦合的測量電子裝置204。測量電子裝置 204設置為使電流穿過線圈202從而產生磁場。其上有P⑶樣品208的樣品支架206可設置在線圈202中。構造為測量P⑶樣品208的磁化強度的磁化感應器210可與測量電子裝置204耦合併設置在P⑶樣品208附近。在測試期間，線圈202產生的磁場將P⑶樣品208磁化至近似飽和。接著，測量電子裝置204施加電流，使得線圈202產生的磁場逐步反向。磁化感應器210測量由於對 P⑶樣品208施加反向磁場所導致的P⑶樣品208的磁化。測量電子裝置204確定P⑶樣品208的矯頑磁力，其為PCD樣品208的磁化強度為0時反向磁場的測量值。
PCD製造方法的實施方案PCD可通過在金屬溶劑催化劑存在下燒結含有多個金剛石顆粒的坯料形成。金剛石顆粒的平均粒徑可為約50 μ m以下，例如約30 μ m以下、約20 μ m以下、約10 μ m-約18 μ m 或約15μπι-約18 μ m。在一些實施方案中，金剛石顆粒的平均粒徑可為約IOym以下，例如約2 μ m-約5 μ m或亞微米。

在一個實施方案中，金剛石顆粒坯料的金剛石顆粒可包括相對較大的尺寸和至少一個相對較小的尺寸。如本文所用，表述「相對較大」和「相對較小」是指粒徑(任意合適方法得到)相差至少兩倍(例如，30 μ m和15 μ m)。根據各個實施方案，金剛石顆粒坯料可包括具有相對較大尺寸Η^^Π，30μπι、20μπι、15μπι、12μπι、10μπι、8μπι)的部分和具有相對較小尺寸(例如，6 μ m、5 μ m、4 μ m、3 μ m、2 μ m、l μ m、0. 5 μ m、小於 0. 5 μ m、0. 1 μ m、小於 0. 1 μ m)的另一部分。在一個實施方案中，金剛石顆粒坯料可包括具有約IOym-約40 μ m 的相對較大尺寸的部分和具有約1 μ m-4 μ m的相對較小尺寸的另一部分。在一些實施方案中，金剛石顆粒坯料可包括但不限於3種以上的不同尺寸(例如，一種相對較大的尺寸和兩種以上相對較小的尺寸)。應注意的是，如此燒結的金剛石晶粒的尺寸可不同於燒結前金剛石顆粒坯料的平均粒徑，這是由於各種不同的物理過程例如晶粒生長、金剛石顆粒破裂、其它碳源所提供的碳(例如，金屬溶劑催化劑中溶解的碳)或前述因素的組合所致。金屬溶劑催化劑(例如， 鐵、鎳、鈷或其合金)可提供為與金剛石顆粒混合的微粒形式，作為與金剛石顆粒坯料相鄰設置的薄箔或薄片、由包含金屬溶劑催化劑的膠結碳化物基底提供或前述形式的組合。為了有效燒結金剛石顆粒坯料，可將該坯料封閉在傳壓介質例如難熔金屬罐、 石墨結構、葉臘石和/或其它合適的傳壓結構中以形成單元組合體。用於製造PCD的合適的密封墊材料和單元結構的實例公開在美國專利No. 6，338，754和美國專利申請 No. 11/545,929中，其均通過引用全文併入本文。合適的傳壓材料的另一實例是葉臘石，其可商購自南非的Wonderstone Ltd.。利用至少約1000°C溫度(例如，約1100°C -約2200°C 或約12000C -約14500C )的超高壓壓機和至少約7. 5GPa(例如，約7. 5GPa_約15GPa)的傳壓介質中的壓力對其中包括傳壓介質和金剛石顆粒坯料的單元組合體進行HPHT過程， 其持續時間足以在金屬溶劑催化劑存在下將金剛石顆粒燒結在一起並形成包括限定被金屬溶劑催化劑佔據的間隙區域的結合金剛石晶粒的PCD。例如，HPHT過程中採用的傳壓介質至的壓力可為至少約8. OGPa、至少約9. OGPa、至少約10. OGPa、至少約11. OGPa、至少約 12. OGPa 或至少約 14GPa。本文所公開的HPHT過程中的壓力值是指在室溫(例如，約25°C )下利用超高壓壓機施加壓力時在傳壓介質中的壓力，而不是指施加在單元組合體外部的壓力。在燒結溫度下傳壓介質中的實際壓力可略微更高。超高壓壓機可以通過在傳壓介質中嵌入至少一種在已知壓力下改變結構的校準材料例如PbTe、鉈、鋇或鉍從而在室溫下進行校準。此外，任選地，可跨所述至少一種校準材料測量因其相變所導致的電阻變化。例如， 室溫下PbTe在約6. OGPa下表現出相變，而室溫下鉍在約7. 7GPa下表現出相變。合適的壓力校準技術的實例公開在 G. Rousse, S. Klotz, A. M. Saitta, J. Rodriguez-Carvaj al, M. L. McMahon, B. Couzinet, and Μ. Mezouar, 「 Structure of the Intermediate Phase of PbTe at High Pressure, " Physical Review BCondensed Matter and MaterialsPhysics,71,224116(2005)and D.L.Decker, W. A. Bassett, L. Merrill, H. T. Hall, and J. D. Barnett, " High-Pressure Calibration :A Critical Review, " J. Phys. Chem. Ref. Data, 1,3(1972)中。在一個實施方案中，可通過利用砧臺對封閉待燒結的金剛石顆粒的立方體高壓單元組合體施加壓力，在傳壓介質中產生至少約7. 5GPa的壓力，其中每個砧臺對立方體高壓組合體的不同面施加壓力。在一個這樣的實施方案中，砧臺的每個砧臺面的表面積的尺寸可以選擇性地調節以利於對燒結中的金剛石顆粒坯料施加至少約 . 5GPa的壓力。例如，每個砧臺的表面積可小於約12. 0cm2，例如約8cm2-約10cm2。砧臺可由鈷-膠結碳化鎢或具有足夠的壓縮強度的其它材料製成，以有助於在大容量商業化製造環境中減少因反覆使用對其造成的損傷。任選地，作為對選擇性調節每個砧臺面的表面積的替代方案或附加方案，可在立方體高壓單元組合體中嵌入兩個以上的內砧臺以進一步增強壓力。例如，通過引用全文併入本文的論文 W. Utsumi, N. Toyama, S. Endo and F. Ε. Fujita, 「 X-ray diffraction under ultrahigh pressure generated with sintered diamond anvils, " J. App1. Phys.，60，2201 (1986)公開了可在立方體傳壓介質中嵌入燒結的金剛石砧臺以增強超高壓壓機對也嵌入在立方體傳壓介質中的工件所施加的壓力PDC實施方案和PDC的製造方法參考圖3A，PCD實施方案可應用於切削應用、軸承應用或許多其它應用中的PDC。 圖3A是PDC 300的一個實施方案的截面圖。PDC 300包括與P⑶臺304結合的基底302。 P⑶臺304可由根據本文所公開的任意P⑶實施方案的P⑶形成。P⑶臺304具有至少一個工作面306和至少一個橫向尺寸「d」 (例如，直徑)。雖然圖3A示出工作面為基本平坦面，但是工作面306可以是凹面、凸面或其它非平坦幾何形狀。基底302可以是但不限於一般的圓柱體或其它選定的構型。雖然圖3A示出基底302的界面308為基本平坦面，但是界面308可以具有選定的非平坦形態，例如有槽的、脊隆的或其它非平坦界面。基底302可包括但不限於膠結碳化物，例如與鐵、鎳、鈷或其合金膠結的碳化鎢、碳化鈦、碳化鉻、碳化鈮、 碳化鉭、碳化釩或其組合。例如，在一個實施方案中，基底302包括鈷_膠結碳化鎢。圖4是圖3A所示PDC300的製造方法的一個實施方案的示意圖。參考圖4，具有任意前述平均粒徑和分布(例如，約50 μ m以下的平均粒徑)的金剛石顆粒坯料400與基底 302的界面308相鄰設置。如前所述，基底302可包括金屬溶劑催化劑。可利用前文針對本文公開的燒結PCD實施方案所述的條件對金剛石顆粒坯料400和基底302進行HPHT過程。如此形成的PDC 300包括具有由本文所公開的任意P⑶實施方案形成的P⑶的P⑶臺 304，與基 底302整體形成並結合至基底302的界面308。如果基底302包括金屬溶劑催化齊U，則金屬溶劑催化劑可被液化並滲入金剛石顆粒坯料400中以促進金剛石顆粒坯料400 的相鄰金剛石顆粒之間的生長，以形成由在結合金剛石晶粒之間間隙滲入有金屬溶劑催化劑的結合金剛石晶粒體構成的PCD臺304。例如，如果基底302為鈷膠結碳化鎢基底，則來自基底302的鈷可被液化並滲入金剛石顆粒坯料400中以催化P⑶臺304的形成。在用於加工金剛石顆粒坯料400和基底302的超高壓壓機中採用選擇性尺寸調節的砧臺面和/或內砧臺能夠使P⑶臺304的至少一個橫向尺寸「d」形成為約0. 80cm以上。 參考圖3A，例如，所述至少一個橫向尺寸「d」可為約0. 80cm-約3. 0cm，在一些實施方案中， 為約1. 3cm-約1. 9cm或約1. 6cm-約1. 9cm。利用選擇性尺寸調節的砧臺面和/或內砧臺形成的PCD臺304 (或本文公開製造的任意PCD製品)的代表性體積可為至少約0. 050cm3。 例如，該體積可為約0. 25cm3-至少約1. 25cm3或約0. Icm3-至少約0. 70cm3。PDC 300的代表性體積可為0. 4cm3-至少約4. 6cm3，例如約1. Icm3-至少約2. 3cm3。在其它實施方案中，可利用HPHT燒結過程非限制性地單獨形成根據一個實施方案的PCD臺，隨後利用獨立的HPHT結合過程或任何其它的結合技術通過銅焊結合至基底 302的界面308。在另一實施方案中，基底可通過經由化學氣相沉積在單獨形成的P⑶臺上沉積無粘結劑碳化物(例如，碳化鎢)形成。在本文公開的任意實施方案中，可從PCD臺中移除(例如，經由浸出)基本全部的或選定部分的金屬溶劑催化劑。在一個實施方案中，PCD臺中的金屬溶劑催化劑可被移除至距離至少一個外部工作面(例如，工作面306和/或P⑶臺304的側壁工作面)的選定深度處，使得只有部分的間隙區域被金屬溶劑催化劑佔據。例如，可從PDC 300中如此形成的PCD臺304中移除基本全部的或選定部分的金屬溶劑催化劑至距離工作面306的選定深度處。在另一實施方案中，可根據任意所公開的實施方案在第一 HPHT過程中製造POT 臺，從結合金剛石晶粒之間的間隙區域中浸出移除基本全部的金屬溶劑催化劑以及隨後在第二 HPHT過程中結合至基底。在第二 HPHT過程中，來自例如膠結碳化物基底的滲透劑可滲入其中耗盡金屬溶劑催化劑的間隙區域中。例如，滲透劑可以是從鈷_膠結碳化鎢基底中掃出的鈷。在一個實施方案中，第一和/或第二 HPHT過程可在至少約7. 5GPa的壓力下進行。在一個實施方案中，可在第二 HPHT過程後，利用第二酸浸出過程，將滲透劑從滲入的 P⑶臺中浸出。在一些實施方案中，用於製造PDC 300的HPHT過程中所用壓力可足以減少在HPHT 過程中因基底302和P⑶臺304之間熱膨脹失配所發展的在P⑶臺304中的殘餘應力。在該實施方案中，在PDC 300的工作面306上測得的主應力可具有約_345MPa至約OMPa的值，例如約_289MPa。例如，在工作面306上測得的主應力可具有約_345MPa至約OMPa的值。利用HPHT過程在低於約7. 5GPa壓力下製造的常規PDC可得到在其工作面上的主應力為約-1724MPa至約_414MPa，例如約_770MPa的PCD臺。殘餘應力可在PDC 300的PCD臺304的工作面306上測量，如T. P. Lin, M. Hood, G. A. Cooper, and R.H.Smith, " Residual stresses in polycrystalline diamond compacts, 「 J. Am. Ceram. Soc. 77，6，1562-1568 (1994)中所述。更具體而言，可利用與工作面306結合的花瓣應變計來測量殘餘應力。可對不同程度移除的基底302 (例如，從基底 302的背面移除材料)測量這種應變。殘餘應力可根據所測量的殘餘應變數據計算。圖3B是根據本發明實施方案在壓力大於約7. 5GPa下製造的PDC的P⑶臺和常規形成的PDC的PCD臺中測量的殘餘主應力對基底厚度的圖。殘餘主應力利用以上引用的Lin 等人的論文中所描述的技術來測量。曲線310示出在壓力大於約7. 5GPa下製造的PDC的工作面上的測量的殘餘主應力。在壓力大於約7. 5GPa下製造的PDC的厚度尺寸為約1mm，基底的厚度尺寸為約7mm且直徑為約13mm。曲線312示出在壓力小於約7. 5GPa下常規製造的PDC的P⑶臺的工作面上的測量的殘餘主應力。在壓力小於約7. 5GPa下製造的PDC的厚度尺寸為約1mm，基底的厚度尺寸為約7mm且直徑為約13mm。在約7mm的全部基底長度上出現殘餘主應力的最高絕對值。如曲線310和312所示，在用於製造PDC的HPHT過程中採用增加至高於約7. 5GPa的壓力可將其PCD臺中的殘餘主應力的最高絕對值相對於常規製造的PDC減少約60%。例如，在全部基底長度上，在壓力大於約7. 5GPa下製造的P⑶臺中的主殘餘應力的絕對值比常規製造的PDC的PCD臺中的主殘餘應力的絕對值低約60%。以下工作實施例提供關於根據本發明的一些特定實施方案的原理製造的PDC 的PCD臺的磁性質的進一步細節。利用可商購自Foerster Instruments, Pittsburgh, Pennsylvania的KOERZIMAT CS 1. 096儀器來測試表I-IV中列舉的每個P⑶臺的磁性質。 根據ASTM B886-03(2008)測量每個PCD臺的比磁飽和，以及根據ASTM B887-03 (2008) el, 利用KOERZIMAT CS 1. 096儀器測量每個P⑶臺的矯頑磁力。利用能量色散光譜法和盧瑟福背散射光譜法確定受測PCD臺中鈷基金屬溶劑催化劑的量。利用前述的迭代分析，將受測P⑶臺中鈷基金屬溶劑催化劑的比磁飽和常數確定為約201G · Cm3/g。當將201G · cm3/ g的值用作鈷基金屬溶劑催化劑的比磁飽和常數時，利用KOERZIMAT CS 1. 096儀器的分析軟體的受測PCD臺中鈷基金屬溶劑催化劑的計算量基本匹配於利用能量色散光譜法和盧瑟福光譜法的測量值。下表I列出根據上述本發明的某些實施方案的原理製造的P⑶臺。每個P⑶臺的製造過程為在鈮容器中將具有表列的平均金剛石粒徑的金剛石顆粒坯料與鈷-膠結碳化鎢基底相鄰放置，將該容器置於高壓單元介質中，以及利用HPHT立方體壓機對高壓單元介質和容器進行HPHT過程以形成結合至基底的PCD臺。HPHT壓機的每個砧臺的表面積和用於驅動砧臺的液壓線壓力選擇為使得燒結壓力為至少約7. SGPa0 HPHT過程的溫度為約 1400°C，燒結壓力為至少約7. SGPa0列於表I中的燒結壓力是指室溫下高壓單元介質中的壓力，而燒結溫度下的實際燒結壓力認為會更高。在HPHT過程之後，通過研磨掉基底，從基底中移出PCD臺。然而，也可以利用放電機械加工或其他合適的方法來移除基底。表I 根據本發明實施方案製造的PCD臺的選定磁性質
平均金剛石燒結壓力比磁飽和計算矯頑磁力比磁導率
粒徑(μπι) (GPa)(G cm3Zg)_Co wt % (Oe) (G cmVg-Oe)
207.811.155.549130.20.08564
2197.811.645.792170.00.06847
3197.811.855.899157.90.07505
4197.811.155.550170.90.06524
5197.811.435.689163.60.06987
6197.810.675.150146.90.07263
7197.810.765.357152.30.07065
8197.810.225.087145.20.07039
9197.810.125.041156.60.06462
10197.810.725.549137.10.07819
11117.812.526.229135.30.09254
12117.812.786.362130.50.09793
13117.812.696.315134.60.09428
14117.813.206.569131.60.1003 下表II列出所製造的常規ra)臺。表II列出的每個ra)臺的製造方法包括在鈮容器中將具有表列的平均金剛石粒徑的金剛石顆粒坯料與鈷_膠結碳化鎢基底相鄰放置，將該容器置於高壓單元介質中，以及利用HPHT立方體壓機對高壓單元介質和容器進行 HPHT過程以形成結合至基底的PCD臺。HPHT壓機的每個砧臺的表面積和用於驅動砧臺的液壓線壓力選擇為使得燒結壓力為至少約4. 6GPa。除了經歷約1430°C溫度的實施例15、 16、18和19以外，HPHT過程的溫度為約1400°C，燒結壓力為約4. 6GPa。列於表II中的燒結壓力是指室溫下高壓單元介質中的壓力。在HPHT過程之後，通過研磨掉鈷_膠結碳化鎢基底，從鈷-膠結碳化鎢基底中移出PCD臺。表II 數個常規P⑶臺的選定磁性質
權利要求
1.一種聚晶金剛石，包括限定多個間隙區域的多個金剛石晶粒；佔據所述多個間隙區域的金屬溶劑催化劑；其中所述多個金剛石晶粒和所述金屬溶劑催化劑共同表現出約 115奧斯特(「0e」)以上的矯頑磁力，並且其中所述多個金剛石晶粒和所述金屬溶劑催化劑共同表現出約15高斯· cm3/克(「G · Cm3/g，，)以下的比磁飽和。
2.根據權利要求1所述的聚晶金剛石，其中所述矯頑磁力為約1150e-約2500e。
3.根據權利要求1所述的聚晶金剛石，其中所述矯頑磁力為約1150e-約1750e。
4.根據權利要求1所述的聚晶金剛石，其中所述比磁飽和為約5G^mVg-約15G -cm3/g°
5.根據權利要求1所述的聚晶金剛石，其中所述比磁飽和為約IOG^mVg-約15G -cm3/g°
6.根據權利要求1所述的聚晶金剛石，其中所述多個金剛石晶粒和所述金屬溶劑催化劑共同表現出約0. 060-約0. 090的比磁導率。
7.根據權利要求1所述的聚晶金剛石，其中所述多個金剛石晶粒表現出約20μ m以下的平均晶粒尺寸。
8.根據權利要求1所述的聚晶金剛石，其中所述金屬溶劑催化劑的含量為約 Iwt 約3wt%，並且包含鈷、鐵、鎳或它們的合金。
9.根據權利要求1所述的聚晶金剛石，其中所述矯頑磁力為約1550e-約1750e，所述比磁飽和為約IOG · cm3/g-約15G · Cm3/g，所述金屬溶劑催化劑的含量為約5wt% -約 7. 5wt%,並且所述多個金剛石晶粒表現出約18 μ m-約20 μ m的平均晶粒尺寸。
10.一種聚晶金剛石複合件，包括聚晶金剛石臺，所述聚晶金剛石臺的至少一部分包括根據權利要求1-9中任一項所述的聚晶金剛石；以及與所述聚晶金剛石臺結合的基底。
11.根據權利要求10所述的聚晶金剛石複合件，其中所述基底包括碳化鉻。
12.根據權利要求10所述的聚晶金剛石複合件，其中所述聚晶金剛石臺包括浸出區， 其中所述聚晶金剛石臺的至少一部分設置在所述基底和所述浸出區之間。
13.一種旋轉鑽頭，包括鑽頭體，所述鑽頭體包括構造為利於鑽掘地下構造的前端結構；和安裝在片狀結構上的多個切削元件，所述切削元件中的至少一個構造為根據權利要求 10-12中任一項所述的聚晶金剛石複合件。
14.一種方法，包括將平均粒徑為約30 μ m以下的多個金剛石顆粒和金屬溶劑催化劑包封在傳壓介質中以形成單元組合體；和使所述單元組合體經歷至少約1000°C的溫度和至少約7. 5GPa的所述傳壓介質中的壓力以形成聚晶金剛石。
15.根據權利要求14所述的方法，其中所述將平均粒徑為約30 μ m以下的多個金剛石顆粒和金屬溶劑催化劑封閉在傳壓介質中以形成單元組合體包括將其中含有所述金屬溶劑催化劑的膠結碳化物基底與所述多個金剛石顆粒相鄰封閉；和所述使所述單元組合體經歷至少約1000°C的溫度和至少約7. 5GPa的所述傳壓介質中的壓力以形成聚晶金剛石包括使所述基底與包含所述聚晶金剛石的臺結合。
全文摘要
本發明的實施方案涉及具有增強的金剛石-金剛石結合的聚晶金剛石(「PCD」)。在一個實施方案中，PCD包括限定多個間隙區域的多個金剛石晶粒。金屬溶劑催化劑佔據所述多個間隙區域的至少一部分。所述多個金剛石晶粒和所述金屬溶劑催化劑共同表現出約115奧斯特(「Oe」)以上的矯頑磁力和約15高斯·cm3/克(「G·cm3/g」)以下的比磁飽和。其它實施方案涉及採用這種PCD的聚晶金剛石複合件(「PDC」)和形成PCD和PDC的方法以及這種PCD和PDC在旋轉鑽頭、軸承設備和拉絲模中的各種應用。
文檔編號C22C26/00GK102209797SQ200980144539
公開日2011年10月5日 申請日期2009年8月20日 優先權日2008年10月3日
發明者德卜庫馬爾·穆霍帕德亞伊, 肯尼斯·E·貝塔格諾利, 賈森·威金斯, 麥可·A·維爾, 錢江 申請人:美國合成集團公司