[发明专利]选择性浸取的切削器

说明书

相关申请的交叉引用

本发明要求享有于2011年4月20日提交的第1106765.9号英国专利申请的优先权，其全部内容在此通过援引而被并入。

技术领域

本发明涉及多晶金刚石切削元件，并且涉及用于浸取（沥取）的方法以及用于制造该多晶金刚石切削元件的方法。

背景技术

为了本说明书的目的，多晶金刚石和类多晶金刚石的元件作为PCD元件是公知的。PCD元件由在相邻的原子之间具有异常短的原子间距的碳基材料形成。一种类型的类似于PCD的类金刚石材料被称为碳氮化合物（CN），其被描述于美国专利第5,775,615号中。一般而言，PCD元件是通过将多种材料的混合物，在高温和高压下加工成内部键合（inter-bonded）的超硬碳基晶体的多晶基体来形成的。PCD元件的共同特点是在其形成期间使用了催化材料，催化材料的残渣经常会对元件在运行时的最大可用操作温度造成限制。

PCD元件的公知的制造形式是两层或多层PCD元件，其中多晶金刚石的端面薄片（facing table）被一体地键合（bonded）到如碳化钨等较小硬度材料的基底上。PCD元件可为一种圆形片或部分圆形片，或者可形成其他形状。这种类型的PCD元件可在需要硬的耐磨以及耐腐蚀的材料的几乎任何应用中使用。PCD元件的基底可被钎焊到载体，载体通常也由烧结碳化钨（cemented tungsten carbide）形成。对于被用作切削元件例如在固定切削器或者旋转切削器的地钻钻头中的PCD，这是在被容纳在钻头的插口中时的普通构造。这些PCD元件通常被称为多晶金刚石切削器（PDC）。

典型地，金刚石薄片中的较高金刚石体积密度以冲击强度为代价来增大耐磨性。然而，现代的PDC典型地利用金刚石薄片与基底之间的复杂几何界面以及其他物理设计构造来提高冲击强度。虽然这样允许耐磨性和冲击强度被同时最大化，但是仍不免有所牺牲。

另一种形式的PCD元件是没有一体基底的单体式PCD元件，其中，多晶金刚石薄片借助机械方式或结合处理被固定到工具或磨损表面。这些PCD元件与上述那些PCD元件的不同之处在于，金刚石颗粒遍布整个元件。这些PCD元件可被机械地保持就位，它们可被嵌入到具有基底的更大的PCD元件中，或者替代性地，它们可借助金属层来制造，该金属层可借助钎焊或者焊接处理来键合。多个这些PCD元件可由单个PCD来制成，例如，如美国专利第4,481,016号和第4,525,179号所示，这两个专利公开的全部内容在此通过援引而被并入。

PCD元件最经常地是通过在高压、高温（HPHT）锻压机中烧结金刚石粉末与合适的结合剂-催化材料来形成的。一种以这种方式形成多晶金刚石的具体方法在美国专利第3,141,746号中被公开，该专利公开的全部内容在此通过援引而并入。在一种普通的用于制造PCD元件的处理中，金刚石粉末被施加到预成形的包含钴的碳化钨基体的表面上。然后，该组件在锻压机中承受非常高的温度和压力。在此处理中，钴从基体迁移到金刚石层中，并且充当结合剂-催化材料，使得金刚石颗粒借助金刚石-金刚石键合（diamond-to-diamond bonding）而彼此结合，并且还使得金刚石层结合到基体。

完成的PCD元件具有至少一个本体，其具有金刚石晶体形成的基体，这些金刚石晶体借助晶间键（intercrystalline bond）而彼此键合，并且在如上所述的包含结合剂-催化材料的晶体之间形成很多空隙。金刚石晶体包括第一连续式金刚石基体，并且上述空隙形成结合剂-催化材料的第二连续式空隙基体。另外，必须存在相对较少的区域，其中，金刚石-金刚石生长已经封装了部分的结合剂-催化材料。这些“岛状区域”不是结合剂-催化材料的连续式空隙基体的一部分。

由于空隙中的钴结合剂-催化材料与金刚石基体之间的热膨胀之差，这样的PCD元件会在约400摄氏度的温度开始承受热退化（thermal degradation）。一旦热膨胀充分，金刚石-金刚石键合就会破裂，并且会出现裂缝和缺口。热膨胀之差还可被称为热膨胀系数差。

而且在多晶金刚石中，在粘附到金刚石基体的那些金刚石晶体上的空隙区域中存在结合剂-催化材料，会引起另一种形式的热退化。由于结合剂-催化材料的存在，会引起金刚石随温度升高而石墨化，从而典型地将操作温度限制在约750摄氏度。

虽然钴是最常用的结合剂-催化材料，可采用包括钴、镍、铁、及其合金的任何Ⅷ族元素。