[发明专利]具有非催化材料添加物的多晶金刚石刀具及其制造方法

说明书

公开了用于旋转钻头的多晶金刚石刀具及其制造方法。多晶金刚石压坯(100)包含具有工作表面、界面表面和周边表面的多晶金刚石主体。所述多晶金刚石压坯还包含沿着所述界面表面结合到所述多晶金刚石主体上的基材。所述多晶金刚石主体的非金刚石体积分数在所述界面表面处大于在所述工作表面处。

技术领域

本公开内容大体涉及由超硬磨料制成的刀具，并且更特别地涉及由具有用于提高的耐磨性的非催化材料添加物的多晶金刚石制成的刀具，以及其制造方法。

背景技术

多晶金刚石(“PCD”)压坯用于各种机械应用中，例如用于材料去除操作中，用作轴承面，以及用于拉丝操作中。PCD压坯通常用于石油工业中以去除井下钻探中的材料。PCD压坯形成为切削元件，大量切削元件附接到钻头，例如，牙轮钻头和固定刀具钻头。

PCD刀具通常包含超级磨料金刚石层，被称为多晶金刚石主体，多晶金刚石主体附接到基材。多晶金刚石主体可以在高压高温(HPHT)工艺中形成，其中金刚石晶粒保持在使金刚石颗粒彼此结合的压力和温度下。

如通常所知的，在存在催化剂材料的情况下将金刚石颗粒引入HPHT工艺，当经受HPHT工艺的条件时，所述催化剂材料促进金刚石间结合的形成。所述催化剂材料可以包埋在支撑基材中，例如具有钴的烧结碳化钨基材中。催化剂材料可以从支撑基材渗入金刚石颗粒。在HPHT工艺之后，金刚石颗粒可以烧结至彼此并附接到支撑基材。

尽管催化剂材料在HPHT工艺期间促进金刚石间结合的形成，但是在HPHT工艺完成后，在烧结金刚石主体中存在的催化剂材料可降低多晶金刚石主体在高温下的稳定性。一些金刚石晶粒在高温下可经历逆向转化成为较软的非金刚石形式的碳(例如，石墨或无定形碳)。此外，热膨胀系数的不匹配可在金刚石晶格中诱导应力，从而在金刚石主体中引起微裂纹。金刚石的逆向转化和由热膨胀系数不匹配诱导的应力可加速PCD刀具在操作期间的韧性、耐磨性和/或热稳定性的降低。

因此，期望呈现增加的韧性、耐磨性和/或热稳定性的多晶金刚石刀具。

发明内容

在一个实施方式中，多晶金刚石压坯包含具有工作表面、界面表面和周边表面的多晶金刚石主体。所述多晶金刚石压坯还包含沿着所述界面表面结合到所述多晶金刚石主体的基材。所述多晶金刚石主体的非金刚石体积分数在所述界面表面处大于在所述工作表面处。

在另一实施方式中，多晶金刚石压坯包含具有工作表面、界面表面和周边表面的多晶金刚石主体。所述多晶金刚石压坯还包含沿着所述界面表面结合到所述多晶金刚石主体的基材。所述多晶金刚石主体呈现一定浓度的非催化材料，所述浓度在所述工作表面处低于在所述界面表面处。

在又一实施方式中，制造多晶金刚石压坯的方法包括：组装形成单元组件，所述形成单元组件具有定位于杯内的金刚石颗粒，具有催化材料的第一基材，所述第一基材定位成靠近所述金刚石颗粒，和围绕所述杯和所述第一基材的压力传递介质。所述方法还包括使所述形成单元组件及其内容物经受第一高压高温工艺以烧结所述金刚石颗粒形成金刚石间结合，并且以形成包含结合到所述第一基材的多晶金刚石主体的多晶金刚石复合材料，其中所述多晶金刚石复合材料包含定位成靠近所述第一基材的中间级界面表面和定位成远离所述第一基材的中间级工作表面。所述方法还包括从所述多晶金刚石主体去除基本上所有的所述第一支撑基材，从所述多晶金刚石主体中浸出至少一部分的可及催化材料，定位所述多晶金刚石主体使得所述中间级工作表面定位成靠近第二基材，并且使所述多晶金刚石主体和所述第二基材经受第二高压高温工艺以使所述多晶金刚石主体沿着界面表面结合到所述第二基材。

附图说明

当结合附图阅读时，将更好地理解前述发明内容以及以下详细描述的实施方式。应该理解，所描述的实施方式不限于示出的具体布置和手段。

图1是根据本文示出或描述的一个或多个实施方式的PCD刀具的示意性侧视横截面图；