[发明专利]具有多晶立方体氮化硼过渡层的热稳定多晶金刚石

说明书

背景技术

超硬材料通常被用在切割工具和岩石钻井工具中。多晶金刚石材料就是其中一种这样的超硬材料，并且以其良好的耐磨性和硬度而闻名，这使其成为在诸如用于机加工的切割工具以及在地下采矿和钻井中使用的切割元件的工业应用中普遍选择的材料。

为了形成多晶金刚石，金刚石颗粒在高压和高温下烧结(HPHT烧结)以产生超硬多晶结构。在烧结之前将催化剂材料添加到金刚石颗粒混合物中和/或在烧结过程中渗透金刚石颗粒混合物以在HPHT烧结过程中提高金刚石晶体的共生，从而形成多晶金刚石(PCD)结构。通常用作催化剂的金属从选自元素周期表VIII组的溶剂金属催化剂的组中选取，包括钴、铁和镍以及它们的组合和合金。在HPHT烧结之后，产生的PCD结构包括彼此结合的相互连接的金刚石晶体网，其中，催化剂材料占据结合的金刚石晶体之间的间隙空间或孔。金刚石颗粒混合物可以在基体存在的情况下烧结，以形成结合到基体的PCD体。基体还可以用作在烧结过程中渗透到金刚石颗粒混合物中的金属催化剂的源。

用于特定应用的PCD体所期望具有的特性为在磨损或切割操作过程中提高的热稳定性。传统的PCD体已知存在的问题在于，当它们暴露于升高的温度时容易热降级。这种易损性是由存在于分布在PCD体内的间隙内的溶剂金属催化剂材料的热膨胀特性和晶间结合的金刚石的热膨胀特性之间的差引起的。这种热膨胀差公知从低到400℃的温度开始，同时能够引发对金刚石的晶间结合产生不利影响的热应力并且最终导致产生使PCD结构易于受损的裂缝。此外，溶剂金属催化剂已知能够在金刚石内引起不期望的随着温度升高而发生的催化相变(将其转化成一氧化碳、二氧化碳或石墨)，由此限制了PCD体在大约750℃下的实际使用。

在高温下提高性能的热稳定PCD材料已经取得了发展。然而，其难以在热稳定PCD材料和基体之间形成用于连接到切割工具的结合。

发明内容

本公开涉及包含用于地下钻井应用的多晶金刚石体的切割工具，更具体地讲，涉及一种接合到基体以形成切割元件的热稳定多晶金刚石(PCD)体。

在一个实施例中，切割元件包括热稳定多晶金刚石体。热稳定PCD体可以是无结合剂PCD或非金属催化剂PCD，例如碳酸盐PCD。同样还提供了一侧结合到PCD体、另一侧结合到基体的PCBN层。在一个实施例中，提供了一种用于将热稳定多晶金刚石体接合到基体的方法。该方法包括形成热稳定PCD体，其可以是无结合剂PCD或非金属催化剂PCD。该方法包括将热稳定多晶金刚石体结合到多晶立方体氮化硼体上，并且将多晶立方体氮化硼体结合到碳化物基体上。

本发明内容用于介绍在下面的详细说明中进一步描述的选取的概念。本发明内容不是用于确定要求保护的主题的关键或本质特征，也不是用于帮助限定要求保护的主题的范围。

附图说明

热稳定PCD材料的实施例参照所附的图进行描述。在全部的附图中相同的附图标记指代相同的特征和部件。

图1示出了根据一个实施例的热稳定碳酸盐PCD材料的一个区域。

图2示出了根据一个实施例的热稳定无结合剂PCD材料的一个区域。

图3示出了根据一个实施例的包含热稳定PCD体的切割元件。

图4示出了根据一个实施例的包含热稳定PCD体的切割元件。

图5示出了根据一个实施例的包含热稳定PCD体的切割元件。

图6示出了根据一个或多个实施例的用于将热稳定PCD体结合到基体的示例性方法。

图7示出了根据一个或多个实施例的用于将热稳定PCD体结合到基体的示例性方法。

图8示出根据一个实施例的包含切割元件的示例性装置。

具体实施方式

本公开涉及包含用于地下钻井应用的多晶金刚石材料的切割工具，更具体地，涉及一种接合到基体以形成切割元件的热稳定多晶金刚石(PCD)体。在一个实施例中，热稳定PCD材料可以是非金属催化剂PCD，或者无结合剂PCD。PCD体通过多晶立方体氮化硼(PCBN)过渡层结合到碳化物基体上。PCBN过渡层提供与热稳定PCD体和碳化物基体两者的结合。

后面公开的内容涉及各种实施例。公开的实施例具有广泛的应用，并且对任何实施例的讨论仅仅是为了说明该实施例，而不是意味着公开的范围，包括权利要求，被限定在该实施例或者该实施例的特征。