[发明专利]包含热稳定性多晶金刚石材料的元件以及用来形成该元件的方法和组件

说明书

技术领域

本发明涉及包含超硬磨料(super abrasive)体的超硬磨料元件，所述超硬磨料体(例如热稳定性多晶金刚石(TSP)体)通过浸渗剂材料与基底结合。在更具体的实施方式中，所述TSP体可以基本不含有浸渗剂材料，仅在与基底接触的TSP体表面附近存在少量浸渗剂材料。在一些实施方式中，所述浸渗剂材料也可以渗透入基底，在其中起粘合剂的功能。本发明也涉及形成超硬磨料元件的方法，所述超硬磨料元件包含使用浸渗剂材料与基底结合的TSP体。在特定的实施方式中，所述方法可以包括通过以下方式来形成超硬磨料元件:在同时包含TSP的模具中，在存在浸渗剂材料的情况下形成基底。

背景技术

各种工业装置的组件经常用于极端条件，例如与磨擦性表面的高冲击性接触。例如，这种极端条件通常在以石油提取或开采为目的的地下钻井过程中遇到。金刚石具有卓越无比的耐磨性，是用于大地钻井和使组件接触极端条件的类似活动的最有效材料。金刚石极其坚硬，能够将热量从磨料表面的接触点传递走，并且可以提供在这种情况下的其他优势。

由于多晶金刚石晶体的随机分布，多晶形式的金刚石与单晶金刚石相比韧性增加，这避免了在单晶金刚石晶体中发现的特定切割平面。因此，在很多钻井应用或其他极端条件下，多晶金刚石通常是优选的金刚石形式。如果装置元件的表面层由金刚石(特别是多晶金刚石(PCD)密实体的形式)制成或由其他超硬磨料材料制成，那么所述装置元件在这些条件下有更长的使用寿命。

用于苛刻条件的元件可以包含与基材结合的PCD层。传统的PCD生产工艺非常严格并且极为昂贵。所述工艺称作直接在碳化物基材上“生长”多晶金刚石，以形成多晶金刚石复合密实体。所述工艺涉及将与催化剂粘合剂混合的、粘结(cemented)的碳化物片件和金刚石颗粒置于挤压机容器中，并对其施加超高压力和温度条件的压力循环。需要对小的金刚石颗粒施加超高温度和压力才能形成整体化的多晶金刚石体。所得的多晶金刚石体也与碳化物片件密切结合，造成了与碳化物基材紧密结合的多晶金刚石层形式的复合密实体。

PCD的问题来自使用钴或其他金属催化剂/粘合剂体系以促进多晶金刚石的生长的过程。晶体生长完成之后，所述催化剂/粘合剂保留在多晶金刚石体的孔中。因为钴或其他金属催化剂/粘合剂的热膨胀系数比金刚石高，当所述复合密实体例如在钎焊工艺(通过此工艺将碳化物部分与其他材料连接)或在实际应用中加热时，所述金属催化剂/粘合剂的膨胀率会高于金刚石。结果，当对PCD施加高于临界水平的温度时，膨胀的催化剂/粘合剂会在整个多晶金刚石结构中造成裂纹。这些裂纹会减弱PCD的强度，并且能最终造成破坏或故障(failure)。

由于存在这些影响或其他影响，人们通常从PCD层的一部分(特别是在工作表面附近的部分)中除去催化剂。尽管也存在使用替代的酸或电解和液体金属技术的其他工艺，但是除去催化剂的最常见工艺是使用强酸浴。通常，使用酸法从PCD层除去催化剂的做法称作浸出(leaching)。酸法浸出通常首先在PCD层的外表面发生，并向内延伸进行。因此，包含经浸出操作的PCD层的传统元件经常表现出的特点为浸出到了距其表面某深度之处。大部分催化剂被浸出的PCD(包含PCD层的区域)称作热稳定性PCD(TSP)。现有的浸出方法的示例在U.S.4,224,380；U.S.7,712,553；U.S.6,544,308；U.S.20060060392和有关专利或申请中提供。

也必需对酸浸出进行控制，以避免基材或者基材和金刚石层之间的表面与用于浸出的酸之间的接触。足以浸出多晶金刚石的酸会造成抗性差得多的基材发生严重降解。对基材的损伤会损害PCD元件的物理完整性，并且在使用时可能造成裂纹、瓦解、或其他物理故障，后者还可能会造成其他破坏。

包含PCD层的元件需要进行仔细控制的浸出，这显著增加了PCD生产中的复杂性、时间和费用。另外，浸出通常对分批的PCD元件进行。确保合适浸出的测试是有破坏性的，并且必需在各个批次中的代表性元件上进行。由于需要进行这种破坏性测试，进一步增加了PCD元件的生产成本。