[发明专利]超硬结构及其制造方法

说明书

一种超硬多晶结构，其包括由大量超硬晶粒和非超硬相形成的多晶的超硬材料的主体，所述超硬晶粒表现出晶间结合并在其间限定出多个间隙区域，所述非超硬相至少部分地填充多个所述间隙区域，并具有大于大约0.65的相关的形状因子，和沿着界面结合到超硬材料的主体的基底，所述基底具有与界面相邻的区域，所述区域包括粘结料，其份量比基底的其余部分少至少5％。

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，并用作钻入地下的钻头的刀具嵌件或元件的结构。

背景技术

多晶的超硬材料，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钻入地下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结料。

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烧结工艺期间充分固化。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期间进行固化。

在地面钻探领域中对改善生产力的驱动力的不断增加使得对用于切割岩石的材料的需求不断增加。具体而言，需要具有改善的耐磨性和耐冲击性的PCD材料来实现更快的切割速率和更长的工具寿命。

用于岩石钻孔和其他操作的切割元件需要高耐磨性和耐冲击性。限制多晶金刚石(PCD)耐磨刀具成功的其中一个因素是由于PCD和工作材料之间的摩擦而产生的热量。这种热量导致金刚石层的热降解(thermal degradation)。由于PCD层的破裂和剥落增加以及导致磨损增加的金刚石到石墨的逆转化，热降解增加了刀具的磨损速率。