[发明专利]聚晶金刚石复合片以及相关的方法和应用

说明书

相关申请的交叉引用

本申请要求在2009年10月29日提交的美国专利申请No.12/608,155的优先权，在此通过引用将其整体并入本文。

背景技术

耐磨的超硬磨料复合片被用于各种机械应用中。例如，聚晶金刚石复合片(“PDC”)(polycrystalline diamond compact)被用于钻具(例如，切削元件、修孔器等)、机加工设备、轴承装置、拉丝机具和其它的机械装置中。

PDC已得到特殊应用，作为在旋转钻头(如牙轮钻头和固定切削刃钻头)中的超硬磨料切削元件。PDC切削元件通常包括常被称为金刚石台的超硬磨料金刚石层。使用高压/高温(“HPHT”)工艺形成金刚石台并将其与基底接合。PDC切削元件也可被直接硬钎焊到预先形成的凹部、槽口或在钻头本体内形成的其它接纳部中。基底常常可被硬钎焊或以另外方式接合到附加部件，例如柱型背衬。旋转钻头通常包括附着于钻头本体上的若干PDC切削元件。还已知的是：可使用承载PDC的栓钉作为PDC切削元件，这时通过压力配合、硬钎焊或其它的方式将栓钉(stud)固定于在钻头本体中形成的容座内来将其安装到旋转钻头的钻头本体上。

一般通过如下方式来制造常规的PDC：将烧结碳化物基底放入具有大量金刚石颗粒的容器内，所述金刚石颗粒被置于所述烧结碳化物基底邻近。可以将若干这种容器装载到HPHT压力机中。然后在HPHT条件下在催化剂材料的存在下处理所述基底和所述大量金刚石颗粒，所述催化剂材料引起金刚石颗粒相互接合从而形成接合在一起的金刚石晶粒的基质，该基质限定出与基底接合的聚晶金刚石(“PCD”)台。催化剂材料通常是被用于促进金刚石颗粒的交互生长的金属-溶剂催化剂(例如，钴、镍、铁、或其合金)。

在一种常规的方法中，在HPHT处理期间，烧结碳化物基底的组分(例如来自钴烧结的碳化钨基底的钴)液化并从所述大量金刚石颗粒邻近的区域扫掠(sweep)到金刚石颗粒之间的间隙区域中。钴充当催化剂从而促进金刚石颗粒之间的交互生长，这导致形成接合一起的金刚石晶粒，这些金刚石晶粒在其间表现出金刚石与金刚石接合。通常，在使金刚石颗粒和基底经受HPHT处理之前，可将溶剂催化剂与金刚石颗粒混合。

PCD台中金属溶剂催化剂的存在被认为降低PCD台在高温下的热稳定性。例如，据认为在钻进或切削操作期间，金刚石晶粒与金属溶剂催化剂之间的热膨胀系数差异导致PCD台的碎裂或开裂，这会使PCD台的力学性能劣化或引起失效。另外，一些金刚石晶粒会通过与金属溶剂催化剂的交互作用而经历化学损坏或转变回石墨。在提高的高温下，部分金刚石晶粒会转变成一氧化碳、二氧化碳、石墨、或其组合，由此使PCD台的力学性能劣化。

一种用于改善PDC的PCD台的热稳定性的方法是：通过酸沥滤(acid leaching)从PCD台中至少部分地去除金属溶剂催化剂。用于形成PDC另一种常规方法包括：单独形成烧结PCD台，随后对该烧结PCD台进行沥滤，以便从接合在一起的金刚石晶粒之间的间隙区域去除溶剂催化剂。可将沥滤的PCD台接合到基底，并且在独立的HPHT处理中用非催化剂材料(如硅)进行浸渗。硅可浸渗沥滤PCD台的间隙区域并与金刚石晶粒反应形成碳化硅，溶剂催化剂已被从该间隙区域沥滤。

尽管存在许多不同的PDC，但是，PDC的制造商和用户继续寻求表现改善的韧性、耐磨性、热稳定性、易加工性或前述性能组合的PDC。

发明内容

本发明的实施方案涉及PDC和以有利于去除在此类PDC的PCD台制造中使用的金属溶剂催化剂的方式制造PDC的方法。在一种实施方案中，PDC包括基底和PCD台，该PCD台包括工作表面和相对的与基底接合的界面表面。PCD台包括限定间隙区域的多个接合金刚石晶粒。该PCD台还包括沥滤第一体积，该沥滤第一体积从工作表面向内延伸并且包括位于其间隙区域至少一部分中的金属浸渗剂(infiltrant)。该沥滤第一体积的金属浸渗剂可以按小于0.85wt％(“重量％”)的浓度存在。PCD台还包含从界面表面向内延伸的第二体积。该第二体积的间隙区域包括位于其中的金属浸渗剂。

在一种实施方案中，公开了一种制造沥滤PCD台的方法。该方法包括将多个金刚石颗粒与多个牺牲颗粒混合以形成混合物。该方法还包括在金属溶剂催化剂的存在下烧结所述混合物以形成PCD台。该PCD台包含牺牲材料，所述牺牲材料包括所述多个牺牲颗粒、所述多个金刚石颗粒与所述多个牺牲颗粒的至少一种反应产物、或其组合。该方法还包括从所述PCD台沥滤至少一部分金属溶剂催化剂和至少一部分牺牲材料。