[发明专利]多晶金刚石

说明书

技术领域

本发明涉及一种多晶金刚石(PCD)材料，制备该材料的方法和含有该材料的工具，特别但不专用于钻地。

背景技术

多晶金刚石(PCD)材料包含大量共生金刚石晶粒以及在金刚石晶粒之间的间隙。可以通过在烧结助剂例如钴的存在下使金刚石晶粒聚集体经受高的温度和压力来制备PCD，该烧结助剂可以促进金刚石晶粒的共生。烧结助剂也可以称为用于金刚石的催化剂材料。烧结的PCD材料内部的间隙可以全部地或部分地填有残留的催化剂材料。PCD可以在钴结碳化钨硬质合金基材上成形，该基材可以提供用于PCD的钴催化剂材料的钴源。

PCD材料可用在多种用于切削、机加工、钻孔或破碎硬质或磨料材料，例如岩石、金属、陶瓷、复合材料和含木质材料的很多种工具中。例如，包含PCD材料的工具插入件(insert)在油气钻探工业中被广泛地应用于钻地的钻头内。在许多应用中，PCD材料当其与岩石或其它工件或具有高能量的物体接合时其温度会升高。遗憾地，在高温度下PCD材料的机械性能例如抗磨蚀性、硬度和强度会趋于劣化，这可以由其体内的残留催化剂材料改善。

Akaishi等在Material Science and Engineering A(1988)，第05/106卷，第1和2期，517-523页中公开一种具有细晶粒的均匀显微组织的良好烧结的金刚石，当具有1-5体积％的Co或Ni添加剂的金刚石粉末作为起始材料时，在7.7GPa和2000℃下合成该金刚石。

欧洲专利公开号EP1931594公开了一种制备烧结状态的颗粒的算术平均尺寸低于1微米的多晶金刚石(PCD)物体的方法，其中催化剂金属包含铁族元素如钴，且烧结压力在约2.0GPa至7.0GPa之间。

美国专利公开号2005/0133277公开了使用65千巴的烧结压力和1400℃的温度制备的PCD。

工业上存在对具有提高的抗磨蚀性的多晶金刚石材料的需求。

发明概述

本发明一方面提供包含金刚石晶粒的多晶金刚石(PCD)材料，所述金刚石晶粒具有大于约60％，大于60.5％，至少约61.5％或者甚至至少约65％的平均金刚石晶粒的接触率(contiguity)。在本发明的一些实施方案中，金刚石晶粒具有最多约80％或最多约77％的平均金刚石晶粒的接触率。在本发明的一个实施方案中，平均金刚石晶粒的接触率可以在60.5％至约77％的范围内，在一个实施方案中，平均金刚石晶粒的接触率可以在61.5％至约77％的范围内。

在本发明的一些实施方案中，金刚石晶粒接触率的标准偏差可为最多约4％接触率，最多约3％接触率或最多约2％接触率。

在本发明的一些实施方案中，PCD材料的体积可为至少约0.5mm²，至少约75mm²，至少约150mm²或至少约300mm²。

在本发明的一个实施方案中，金刚石晶粒可具有这样的尺寸分布特征：至少约50％的晶粒的平均尺寸大于约5微米。在一些实施方案中，至少约15％或至少约20％的晶粒具有在约10微米至约15微米的范围内的平均尺寸。

在本发明的一个实施方案中，PCD材料可包含具有多模态尺寸分布的金刚石晶粒。

在本发明的一些实施方案中，金刚石晶粒可具有大于0.5微米或大于1微米，和最多约60微米，最多约30微米，最多约20微米，最多约15微米或最多约7微米的平均尺寸。在本发明的一些实施方案中，PCD材料可包含平均尺寸为最多约15微米，低于约10微米或最多约8微米的金刚石晶粒。在本发明的一些实施方案中，金刚石晶粒可具有在约0.5微米至约20微米的范围内，在约0.5微米至约10微米的范围内，或者在约1微米至约7微米的范围内的平均尺寸。

在本发明的一些实施方案中，PCD材料中的金刚石含量可为PCD材料的至少约88体积％，至少约90体积％或至少约91体积％。在一个实施方案中，金刚石的含量可为PCD材料的至多约99体积％。在本发明的一些实施方案中，PCD材料的金刚石含量可以在PCD材料的约88体积％至约99体积％范围内，或者在约90体积％至约96体积％范围内。