[发明专利]超硬结构及其制造方法

说明书

超硬结构包括：基底，所述基底包括外围表面、界面表面和在平面中延伸的纵向轴；和超硬材料层，所述超硬材料层形成在基底上并且具有露出的外表面、从其延伸的外围表面和界面表面。基底的界面表面或者超硬材料层的界面表面中的一个包括：布置成从所述界面表面凸出的一个或多个凸起，所述一个或多个凸起从基底的外围表面分隔开；和在外围侧边缘和界面表面之间延伸的外围凸缘。所述外围凸缘相对于基本上垂直于纵向轴延伸穿过的平面的平面倾斜约5度至约30度。

技术领域

本文涉及超硬结构及其制造方法，更具体地但不唯一地涉及包括附接到基底的多晶金刚石(PCD)结构，并将其作为用于钻头的切削嵌件或元件来钻入地面的结构。

背景技术

多晶超硬材料(例如多晶金刚石(PCD)和多晶立方氮化硼(PCBN))可以用于多种工具，所述工具用于切割、机械加工、钻孔或破碎硬质或研磨材料，例如岩石、金属、陶瓷、复合材料和含木材料。特别是，包括PCD材料的切割元件形式的工具嵌件被广泛用于进行地面钻探以开采石油或天然气的钻头。超硬工具嵌件的工作寿命可受超硬材料的断裂限制，包括通过剥落和碎裂，或者工具嵌件的磨损。

诸如在岩石钻头中使用的切割元件或其他切割工具通常具有呈基底形式的主体，其具有界面端/表面和超硬材料，所述超硬材料形成切割层，所述切割层例如通过烧结工艺结合至基底的界面表面。基底通常由有时被称为烧结碳化钨的碳化钨-钴合金构成，并且超硬材料层典型地为多晶金刚石(PCD)、多晶立方氮化硼(PCBN)或热稳定产品TSP材料，例如热稳定多晶金刚石。

多晶金刚石(PCD)是超硬材料(也称为超硬磨料)的示例，其包括大量基本上共生的金刚石晶粒，形成了限定金刚石晶粒间间隙的骨架体(skeletal mass)。PCD材料典型地包括至少大约80％体积比的金刚石以及通常通过使金刚石晶粒的聚集体经受大于大约5GPa的超高压以及至少为大约1,200℃的温度下形成。全部或部分地填充所述间隙的材料可被称为填料或粘合剂材料。

PCD典型地在烧结助剂(例如钴)的存在下形成，烧结助剂促进金刚石晶粒的共生。用于PCD的适合的烧结助剂由于其在一定程度上溶解金刚石并催化其再沉淀的功能，通常也被称为用于金刚石的溶剂-催化剂材料。用于金刚石的溶剂-催化剂被理解为能够在金刚石热力学稳定的压力和温度条件下促进金刚石的生长或在金刚石晶粒之间直接的金刚石对金刚石的共生的材料。因此在烧结的PCD产品内的间隙中可以全部或部分地填充有剩余的溶剂-催化剂材料。最典型地，PCD常在钴-烧结碳化钨基底上形成，其提供了用于PCD的钴溶剂-催化剂源。不促进金刚石晶粒之间基本连贯共生的材料本身可与金刚石晶粒形成强的结合，但对于PCD烧结其并非适合的溶剂-催化剂。

可以用于形成适当的基底的烧结碳化钨由散布在钴基质中的碳化物颗粒通过将碳化钨颗粒/晶粒以及钴混合在一起然后加热凝固而形成。为了形成带有诸如PCD或PCBN的超硬材料层的切割元件，金刚石颗粒或晶粒或CBN晶粒被放置与难熔金属罩体(例如铌罩体)中的烧结碳化钨主体相邻并且经受高压和高温使得金刚石晶粒或CBN晶粒之间发生晶间结合，形成多晶超硬金刚石或多晶CBN层。

在一些情况下，基底可以在附接到超硬材料层之前充分固化，而在其他情况下，基底可以是生的(green)，即未完全固化。在后一种情况下，基底可以在HTHP烧结工艺中充分固化。基底可以是粉末形式，并可以在用于烧结超硬材料层的烧结工艺中进行固化。

钴具有明显不同于金刚石的热膨胀系数，因此，在使用过程中一旦加热多晶金刚石材料，PCD材料所附接的基底上的钴膨胀，并且可以引起在PCD材料中形成裂纹，导致PCD层的劣化。