[发明专利]多晶金刚石磨料压块

说明书

技术领域

本发明涉及多晶金刚石磨料压块(compact)及制备多晶金刚石磨料压块的方法。

发明背景

多晶金刚石磨料压块(PDC)由于多晶金刚石组分的高抗磨损性而广泛地用于切削、打磨、研磨、钻孔和其它磨削操作。它们特别用作供地下钻孔使用的钻头中所包括的剪切元件。通常使用的PDC包含结合到基材的多晶金刚石(PCD)或粘着结合金刚石颗粒的层。这些层中的金刚石颗粒含量通常高，并且通常存在大量直接的金刚石与金刚石的结合或接触。金刚石压块通常在提高的温度和压力条件下进行烧结，在所述条件下金刚石颗粒在晶体学上或热力学上是稳定的。

可在美国专利No.3,745,623；3,767,371和3,743,489的描述中找到复合磨料压块的例子。

PCD层倾向于是相对脆性的，这经常限制工具在应用中的使用期限。因此通常将PCD层结合到金属背衬材料上，该材料充当金刚石复合部分的耐磨载体。到目前为止所得本体的最常见形式是结合到胶结碳化物例如WC-Co的柱面的多晶金刚石的圆盘。通常在高的温度和压力(HpHT)下于金刚石粉末前体的烧结期间原位实现这两种元件的结合。

除金刚石颗粒外，这种类型磨料压块的PCD层还将典型地含有催化剂/溶剂或粘合剂相。这典型为金属粘合剂基质形式，所述基质与细粒金刚石材料的内在网络混合。该基质通常包含对于碳表现出催化或溶剂化活性的金属，例如钴、镍、铁或包含一种或多种这样的金属的合金。

基质或粘合剂相还可含有另外的相。在本发明类型的典型磨料压块中，这些将占最终粘合剂相的小于10质量％。它们的形式可以为随后嵌入在较软金属基质中的另外分离相例如金属碳化物，或者它们的形式可以为主金属相内合金化形式的元素。

通常通过将形成磨料压块所必需的组分以细粒形式置于胶结碳化物基材上制得复合磨料压块。除超硬颗粒外，所述组分还可包含溶剂/催化剂粉末、烧结或粘合剂辅助材料。将这种未结合的组合体(assembly)置于反应包套(capsule)中，然后将该包套置于常规高压/高温设备的反应区中。而后使反应包套的内含物经受提高的温度和压力的适宜条件，以能够发生总体结构的烧结。

普通做法至少部分地依赖于由作为烧结多晶金刚石所用金属粘合剂材料的来源的胶结碳化物产生的粘合剂。然而，在许多情形中，在烧结前将另外的金属粘合剂粉末与金刚石粉末混合。这种粘合剂相金属然后在施加的烧结条件下充当促进金刚石部分烧结的液相介质。

在典型的高压、高温烧结条件下，源自胶结碳化物基材的粘合剂金属相在其渗透金刚石层时，还将随同携带适当水平的源自碳化物层的溶解物质。溶解物质的量受烧结的压力和温度条件的强烈影响——其中较高的温度通常将增加在溶液中的量。当使用优选的WC-Co基材时，这些是W基物质。

在其渗透进入到PCD区域时，溶解的钨材料与来自金刚石层的碳化物反应，并且可作为碳化物基相析出。在某些情况下，这种来自粘合剂的析出以大且不可控的规模发生。其因此表现为数十乃至数百微米大小的粗大WC析出物。它们通常在合成期间在PDC本体的外周缘上或附近形成；并且它们通常(但不一定)倾向于与同碳化物基材的界面区域空间连接。然而，当它们确实形成时，这些析出物的分布倾向于高度不一致地贯穿宏观PCD层。将存在具有极少碳化物析出物(如果有的话)的一些区域；和其中它们所占相对体积极高的某些区。

发现这些WC析出物严重损害压块的研磨性能，这是因为它们通过用较低强度的相替代所需的多晶超硬材料而降低机械强度。另外，PCD中的这些缺陷区域在应用中的载荷下还可充当应力集中源，这则导致PCD材料的过早破裂。

美国专利No.6,915,866讨论了这些缺陷或金属斑的形成以及它们对压块性能可具有的有害影响。在该专利中，据称将碳化铬加入到PCD层中来减少这些析出物的形成。然而，外来物质例如碳化铬的使用本身代表了另外化学和物理异质性的引入。有可能的是，它还可能产生次优的最终结构。由于碳化铬的存在，还可能些许减小金刚石复合物对热劣化的抵抗性。使用碳化铬的另外缺点涉及复合物的可烧结性——其在正常烧结温度下可能受到一定程度的阻碍，且因此可能要求比平常更高的烧结温度以便获得适当水平的烧结。

通过降低用于PDC本体烧结的温度已证明在减少这些粗大析出物出现中取得某些成功。然而，这通常不一定可行，因为这将典型地导致次优的烧结条件和因此的不太充分烧结的PCD。