專利名稱：熱穩(wěn)定聚晶金剛石的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明一般地涉及聚晶金剛石材料。更具體地，本發(fā)明涉及具有熱穩(wěn)定特征的聚晶金剛石材料的組合物及方法。因此，本發(fā)明涉及化學(xué)工程、化學(xué)、冶金學(xué)、材料科學(xué)和石油工程領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
·聚晶金剛石復(fù)合片(polycrystalline diamond compact (F1DC)),也被稱為剪切エ具，是PDC鉆頭(bit)的關(guān)鍵切割組件。此類鉆頭可用于石油鉆井。圖I圖解了作為エ業(yè)中常用多年的在PDC鉆頭上使用的剪切工具。圖2圖解了在鉆孔期間單個切割工具如何與巖層相互作用。可以設(shè)計并制造剪切工具，其中聚晶金剛石覆層20在燒結(jié)碳化鎢基材10上。燒結(jié)碳化鎢基材10給金剛石層20提供剛性支撐。通常，在鉆孔期間，金剛石層沿著其切割表面30與巖層直接接觸，而側(cè)表面40隨著切割工具移動通過巖層而跟隨在后面。金剛石的極其高的耐磨性導(dǎo)致切割工具和鉆頭優(yōu)良的耐用性，這對其他材料已經(jīng)是不可能的。然而，鉆孔技術(shù)的持續(xù)改進和對更高產(chǎn)率的日益増加的需要對進ー步改進切割工具技術(shù)產(chǎn)生強烈需求。尤其，強切割可產(chǎn)生大量的熱，這可有害地影響金剛石材料。例如，少量的燒結(jié)助劑和其他金屬通常存在于聚晶金剛石內(nèi)。隨著這些金屬達到足夠高的溫度，它們可開始催化金剛石轉(zhuǎn)化回碳。多種方法用來將該影響減到最小，如從聚晶金剛石浸提金屬，等等。金屬可提供益處如增加韌性和降低脆性。因此，在獲得更為熱穩(wěn)定的PDC材料和具有高韌性的商業(yè)上有價值材料的它們有效性方面，這些方法是有限的。

發(fā)明內(nèi)容
因此，已經(jīng)認識到，對于產(chǎn)生高質(zhì)量聚晶金剛石材料的組合物和方法存在需要，尤其用在鉆孔應(yīng)用中，所述聚晶金剛石材料展示了増加的熱穩(wěn)定性和耐腐蝕性。因此，本公開提供了這樣的聚晶金剛石材料，其包含燒結(jié)的相互連接并相互結(jié)合的合成的金剛石粒，結(jié)合劑合金位于金剛石粒之間的凹坑(pocket)中。結(jié)合劑合金可具有允許實現(xiàn)這些改進的特殊性質(zhì)。在一方面，結(jié)合劑合金可以在聚晶金剛石的燒結(jié)溫度下是液體，并且可在低于燒結(jié)溫度的溫度(包括室溫)下以固體狀態(tài)形成金屬間化合物合金。作為在低于燒結(jié)溫度的溫度下的固相(ー種或多種)，遍及材料，結(jié)合劑合金也基本都是金屬間的。因此，結(jié)合劑合金和材料不包括基本為元素的金屬相區(qū)或固溶體合金。金屬間化合物合金在那些溫度下在固體狀態(tài)下不具有或幾乎不具有對碳的溶解性。結(jié)合附圖，本發(fā)明的其他特征和優(yōu)點將從下面詳細的說明中明顯可見，所述附圖通過舉例一起闡明本發(fā)明的特征。


圖I是エ業(yè)使用的用于石油鉆井的典型PDC鉆頭的示意圖。本發(fā)明的材料可結(jié)合此類鉆頭使用；圖2是通過如典型地用現(xiàn)有技術(shù)鉆頭發(fā)生的剪切來PDC切割巖層的示意圖；圖3A和3B顯示根據(jù)本發(fā)明的實施方式在配制合適的材料中使用的B_C(3A)和B-Co (3B)的ニ元相圖；圖4A和4B顯示根據(jù)本發(fā)明的實施方式在配制 合適的材料中使用的Al-Co (上)和Al-Cr (下)的ニ元相圖；圖5顯示根據(jù)本發(fā)明的實施方式在配制合適的材料中使用的C-Si的ニ元相圖；圖6顯示根據(jù)本發(fā)明的實施方式在配制合適的材料中使用的Co-Si的ニ元相圖；和圖7顯示根據(jù)本發(fā)明的實施方式在配制合適的材料中使用的C-Co的ニ元相圖。
具體實施例方式現(xiàn)在將參考附圖中圖解的示例性實施方式，并且將在本文中使用具體語言來描述它們。然而應(yīng)當(dāng)理解，不意圖因此限制本發(fā)明的范圍。相關(guān)領(lǐng)域的并了解本公開的技術(shù)人員可想到的、本文中闡明的發(fā)明特性的改變和進ー步改進以及本文中闡明的發(fā)明原理的其他應(yīng)用將被考慮在本發(fā)明的范圍內(nèi)。應(yīng)當(dāng)注意，如在本說明書和所附的權(quán)利要求中使用的，単數(shù)形式“ー個(a) ”、“ー個(an)”、“所述(the)”包括復(fù)數(shù)指代物，除非上下文另外明確指出。因此，例如，提及“一種合金材料Oan alloy material) ”包括一種或多種此類材料,提及“ー層(a layer) ”包括提及ー種或多種此類結(jié)構(gòu)，和提及“ー個燒結(jié)步驟(a sintering step) ”包括提及ー個或多個此
類步驟。在描述和要求保護本發(fā)明吋，將根據(jù)下面闡述的定義使用下面的術(shù)語。如本文使用，“金屬間合金(intermetallic alloy) ”指具有固定的并且已知的式子和對應(yīng)的晶體結(jié)構(gòu)的合金。這與可作為“固溶體合金”存在的合金相對照，“固溶體合金”中ー種或多種元素在最初晶格組分的晶格位置間隨機放置。此類固溶體合金包括未定位在規(guī)則晶格位置處的元素。在許多情況下，金屬間合金的化學(xué)組成可在相當(dāng)窄的組成范圍內(nèi)改變。如本文使用的，“弱碳化物形成劑(weak carbide former) ”指其對碳的化學(xué)親和力比對鎢W、Mo、Cr、Nb、Ti、Ta、V、Zr、Hf和Fe的化學(xué)親和カ更弱的元素。如本文使用的，通過提供可以是“稍高干”或“稍低干”端點的給定值，術(shù)語“約(about)”用來提供數(shù)值范圍端點的靈活性(flexibility)。該術(shù)語的靈活性程度可由具體變量來決定并且在本領(lǐng)域技術(shù)人員基于經(jīng)驗和本文相關(guān)的描述來確定的知識范圍內(nèi)。如本文使用的，術(shù)語“基本上(substantially)”是指完全或接近完全的作用、特征、性質(zhì)、狀態(tài)、結(jié)構(gòu)、項目或結(jié)果的范圍或程度。準確的與絕對完全的可允許偏差程度可在某些情況下取決于具體情形。但是，一般而言，接近完全會使得具有相同的總結(jié)果，如同獲得了絕對完全或總體完全。當(dāng)用在指完全或接近完全缺少作用、特征、性質(zhì)、狀態(tài)、結(jié)構(gòu)、物質(zhì)或結(jié)果的否定含義中吋，“基本上”的使用是同等可適用的。換句話說，“基本不含(substantially free of) ”成分或元素的組合物實際上仍可含有此類物質(zhì)，只要其中沒有可測量的效果。濃度、量和其他數(shù)值數(shù)據(jù)在本文可以以范圍的形式表達或存在。應(yīng)當(dāng)理解，使用這種范圍形式僅僅為了方便和簡明起見，因此其應(yīng)該被靈活地解釋為不但包括被清楚敘述作為范圍限定的數(shù)值，而且包括在該范圍內(nèi)包括的所有単獨的數(shù)值或子范圍，如同每ー數(shù)值和子范圍被明確敘述。作為說明，“約10到約50”的數(shù)值范圍應(yīng)該被解釋為不但包括明確敘述的約10到約50的值，而且包括該所示范圍內(nèi)単獨的值和子范圍。因此，包括在該數(shù)值范圍內(nèi)的是單獨的值如20、30和40以及子范圍如從10到30、從20到40和從30到50等。該相同的原理應(yīng)用于僅敘述一個數(shù)值的范圍。而且，這樣的解釋應(yīng)該適用，而不管描述的范圍或特征的寬度如何。
本發(fā)明人已認識到，開發(fā)可經(jīng)受更高應(yīng)力、更硬巖石和更大沖擊載荷條件的剪切工具是有優(yōu)勢的。因此，剪切工具的典型故障方式是，由于金剛石在高溫下在鈷的存在下石墨化和/或?qū)е挛⒘鸭y的鈷相的腐蝕-氧化而造成的切割工具劣化。結(jié)果，具有傳統(tǒng)鈷催化的結(jié)合劑的聚晶金剛石(PCD)被認為是熱不穩(wěn)定的。因而，改進鉆頭壽命和耐用性允許更深和更硬的鉆孔的新PCD材料在下述詳細說明中被更充分描述。此外，本公開提供了聚晶金剛石復(fù)合片如剪切工具的改進的熱穩(wěn)定性，而沒有損害耐磨性、韌性、制造成本和環(huán)境廢物。傳統(tǒng)的P⑶使用過渡金屬例如Co、Ni和Fe,而主要使用鈷作為催化結(jié)合劑。催化過渡金屬結(jié)合劑在合成金剛石的燒結(jié)期間的作用已被廣泛地研究。此類催化過渡金屬結(jié)合劑的作用包括在高溫下將金剛石溶進金屬結(jié)合劑中并且在存在的金剛石顆粒上或在金剛石顆粒之間的結(jié)合處再沉淀為金剛石。隨著燒結(jié)進行，各個金剛石顆粒成長在一起，形成相互連接的聚晶金剛石的網(wǎng)絡(luò)，結(jié)合劑陷入網(wǎng)絡(luò)內(nèi)。金屬可作為“結(jié)合剤”或在金剛石顆?？紫堕g中的填充物。韌性金屬結(jié)合劑的存在對PCD材料更好的韌性和耐沖擊性是有益的。聚晶金剛石是通過高溫和高壓固結(jié)處理(HTHP)制成的一類超硬材料。P⑶，如在エ業(yè)中使用的，是指由合成金剛石粒和第二相添加劑或金屬元素制成的材料。金剛石粒在它們自身之間是結(jié)合的，以形成基本上連續(xù)的金剛石材料網(wǎng)絡(luò)。第二相添加劑和金屬元素通常是鈷金屬(Co)和碳化鎢(WC)顆粒。Co和WC可以在HTHP處理之前與合成的金剛石粉末混合，或Co可以自WC-Co基材獲得，P⑶在HTHP固結(jié)期間被壓制在WC-Co基材上。在第ニ種情況下，Co隨著燒結(jié)進行遷移或擴散進金剛石顆粒復(fù)合片中。聚晶金剛石材料的組合物通常含有按重量計10%到30%的金屬，例如鈷。次要添加劑可包括WC、TiC、Nb和NbC、Ni、Fe等。對于任何給定粒大小的金剛石相，抗沖擊強度與金屬含量成比例(即，隨著金屬含量増加，抗沖擊強度增加)，而耐磨性與金剛石含量成比例(即，隨著金剛石含量増加，耐磨性増加)并與金剛石粒的大小成反比例。通過改變金屬含量和金剛石顆粒的粒大小以平衡耐磨性和抗沖擊強度，P⑶材料的性質(zhì)可因而被調(diào)整。P⑶具有許多エ業(yè)應(yīng)用。兩個主要應(yīng)用是巖石鉆孔和金屬切割。例如，P⑶用來制造剪切工具。剪切工具是在PDC鉆頭上的切割元件，用于油氣勘探。圖I圖解在PDC鉆頭上使用的剪切工具，其中多個剪切工具被安裝在鉆頭主體上。圖2圖解單個的切割工具在鉆孔期間如何與巖層相互作用。剪切工具被設(shè)計并制造為聚晶金剛石覆蓋層20結(jié)合在燒結(jié)碳化鎢基材10上。燒結(jié)碳化鎢基材10給金剛石層20提供剛性支撐，所述金剛石層20在鉆孔期間與巖層直接接觸。PCD材料是極其耐磨的，其使得切割工具具有優(yōu)良的耐用性并且鉆頭具有其他材料不可能具有的性能。然而，鉆孔技術(shù)的持續(xù)改進和對更高產(chǎn)率不斷增加的需要已沖擊當(dāng)前可用材料的極限。當(dāng)前的剪切工具通常經(jīng)受更高的應(yīng)力、更硬的巖石和更大沖擊載荷條件。結(jié)果，剪切工具的典型故障模式是邊緣破裂(edge chipping)以及最終災(zāi)難性破損。P⑶還用于金屬切割。通常，P⑶被壓制在WC-Co基材上。P⑶層壓坯件接著被切割成小片并被銅焊在另一固體主體上，以結(jié)合成為工具。PCD切割工具用于切割耐磨材料，其包括金屬基體復(fù)合材料，其中加強相例如SiC對工具壽命是非常有害的。一般而言，PCD工具具有遠比燒結(jié)碳化鎢工具或其他陶瓷切割工具更長的工具使用壽命。PCD切割工具還用在木材加工エ業(yè)中。P⑶工具還廣泛用在采礦操作以及構(gòu)建和拆除工具中。P⑶還被認為 是用于生物醫(yī)學(xué)工程應(yīng)用例如人工髖關(guān)節(jié)的合適的候選材料。該適用性至少部分因為PCD是生物相容的并具有比由金屬合金制成的類似組件顯著更久的耐用性。在鉆孔、切割或磨損應(yīng)用中使用PCD的共同理由是基于其極其高的硬度、高的耐磨性和高的導(dǎo)熱性。另ー方面，在這些應(yīng)用期間PCD的常見故障方式是碎裂和災(zāi)難性破損。非常期望改進P⑶材料的耐碎裂性(chipping resistance)和耐破損性。存在不同的機制歸因于P⑶材料的破裂和碎裂過程。在它們之中，對于許多應(yīng)用，發(fā)現(xiàn)鈷相或其他金屬添加劑先腐蝕，這些應(yīng)用包括巖石鉆孔——其中某些地層和鉆井液體是腐蝕性的、金屬切割和木材加工——其中與エ件的化學(xué)相互作用引起金屬損失、以及生物醫(yī)學(xué)應(yīng)用——其中與體液相互作用加速組件劣化。在某種程度上具有結(jié)合劑作用的鈷相先腐蝕和損失的后果是微觀結(jié)構(gòu)弱化、引發(fā)微觀破裂和微觀碎片、以及金剛石粒損失。這些微觀結(jié)構(gòu)劣化的累積效果在微觀水平上表現(xiàn)為PCD材料加速“磨損”或碎裂和災(zāi)難性破損。鈷的先腐蝕還與由PCD材料制成的組件的熱劣化相關(guān)。該情境是可能的，因為在許多應(yīng)用期間切割邊緣處的溫度非常高(>500°C )。在高溫情況下，鈷的先腐蝕或劣化可被加速或加劇。另一明顯因素是碳在鈷相中的溶解度隨溫度升高而増大。如果組件在重復(fù)周期中被長時間暴露于高溫下，金剛石粒溶進鈷金屬中可成為影響組件的機械完整性的重要因素。無論如何，高度期望將防止鈷或粘合劑相先腐蝕和損失的方法。還期望在表面或切割邊緣處——在此工具接合エ件或環(huán)境——保持低溫，以保持PCD材料的完整性和穩(wěn)定性。因此，本公開提供了這樣的聚晶金剛石材料，其包含燒結(jié)的相互連接并相互結(jié)合的合成金剛石粒，結(jié)合劑合金位于金剛石粒之間的凹坑中。結(jié)合劑合金可具有允許實現(xiàn)這些改進的特定性質(zhì)。一方面，在聚晶金剛石的燒結(jié)溫度下，結(jié)合劑合金可以是液體，并可在低于燒結(jié)溫度的溫度(包括在室溫)下以固態(tài)形成金屬間化合物合金。結(jié)合劑合金還在低于燒結(jié)溫度的溫度下遍及材料基本上都是金屬間的。P⑶的典型燒結(jié)溫度在1300°c到1600°C之間。這樣，結(jié)合劑合金和材料不包括基本上為元素的金屬相區(qū)或固溶體合金。固態(tài)的金屬間化合物合金不具有或幾乎不具有對碳的溶解性?？捎兄诮Y(jié)合劑合金的性能的額外考慮因素是選擇在室溫下是固體并溶解I. 0%或更少的量的碳的合金。通過限制結(jié)合劑合金中的碳溶解性，在相對高的溫度下使用期間的rcD的劣化可被避免或最小化。結(jié)合劑合金還可以在從約1300°C到約1600°C的燒結(jié)溫度下是液體。結(jié)合劑合金通?？梢跃哂惺組lxM2y，其中M1是燒結(jié)催化劑，M2是成合金元素，并且每ー個X和y是非零正數(shù)，與合金的各相中的具體原子比相應(yīng)。合適的燒結(jié)催化劑的非限制性例子包括Co、Fe和Ni。在一種實施方式中，M1是Co。在另ー實施方式中，M1是Fe、或Ni或其他過渡金屬。由于結(jié)合劑合金，聚晶金剛石材料可具有高的熱穩(wěn)定性。盡管其他成合金元素可滿足這些標(biāo)準，但合適的成合金元素(M2)的非限制性例子可包括B、Al、Cr、Mn、Si、Y、W、V、Mo、Nb、Ti、Zr、Hf、Ta、Re及其組合。在ー個具體例子中，成合金元素可以是B。這些成合金元素的選擇還需要考慮它們在結(jié)合劑合金中的比例，以便在低溫下避免燒結(jié)催化劑或成合金元素的元素相。ー些痕量的元素相是可接受的，只要其不會可測量地降低材料的熱穩(wěn)定性。實現(xiàn)這些結(jié)果的具體比例很大程度上取決于有關(guān)相行為和選擇系統(tǒng)的相應(yīng)相圖，如用下述若干具體系統(tǒng)圖解的。而且，結(jié)合劑合金和成合金元素尤其不會形成碳化物或是比鎢更弱的碳化物形成劑。在一些情況下，金屬間化合物合金是多相的混合物。典型地，金屬間化合物合金不是固溶體合金。在一種實施方式中，結(jié)合劑合金可選自Co_B、Co-Al、Co-Cr、Co_Mn、Co-Si、Co-Y、 Co-M，其中M是W、V、Mo、Nb和Ti之一或混合物。具體的金屬間化合物可包括但不限于Co3B、Co2B> CoB> Al9Co2' Al13Co4' Al3Co' Al5Co2' AlCo、Al7Cr > Al11Cr2' Al4Cr、Al9Cr4' Al8Cr5' AlCr2'SiC、Co3Si、Co2Si、CoSi、CoSi2 等。含碳體系也可以是合適的。例如,金屬間化合物合金可具有式Mlx-M2y-Cz,其中M1是燒結(jié)催化劑并且M2是成合金元素并且x、y和z對應(yīng)于合金的各相中具體原子比。在另ー實施方式中，結(jié)合劑合金可以是二元的并在燒結(jié)期間成為具有下述結(jié)構(gòu)Co-M-C的三元體系，其中M是B、Al、Cr、Mn、Si、Fe、Ni、Ti、Ta、W、V、Mo、Nb或Ti。一方面，結(jié)合劑合金可以是Co-B，其中硼以至少20%的原子比(摩爾分數(shù))濃度存在于合金中。在一些情況下，硼可以以多于25%的原子比濃度存在。熱穩(wěn)定的聚晶金剛石材料可典型地直接在基材主體上形成。常常使用主要由嵌入鈷金屬基體中的碳化物組成的燒結(jié)碳化物基材，盡管也可使用其他材料，例如但不限于金屬陶瓷。此類材料允許通過銅焊、焊接、機械閉鎖(mechanical latching)、過盈配合或其他機制附著到工具主體上。廣泛種類的工具可使用熱穩(wěn)定聚晶金剛石材料。一方面，工具可選自剪切工具、鉆頭、金屬切割工具、木材加工工具、構(gòu)建工具、拆除工具、牙科工具和生物醫(yī)學(xué)工具。在ー個具體方面中，工具可以是鉆頭。而且，本公開提供了制造熱穩(wěn)定聚晶金剛石材料的方法，包括形成微粒金剛石和結(jié)合劑合金的復(fù)合片，所述結(jié)合劑合金包括燒結(jié)催化劑和選自B、Al、Cr、Mn、Si、Y、W、V、Mo、Nb和Ti的至少ー種成合金元素；以及在高溫和/或高壓下燒結(jié)所述復(fù)合片。燒結(jié)足以形成熱穩(wěn)定聚晶金剛石材料。而且，成合金元素以結(jié)合劑合金在低溫(包括室溫)下以固態(tài)形成金屬間化合物合金的足量存在并且在燒結(jié)后基本上都是金屬間相。本文中用于制造PCD材料的高溫和高壓(HTHP)處理條件與傳統(tǒng)K 的エ業(yè)標(biāo)準相似或相同。金剛石粒尺寸的選擇對于意圖用于不同エ業(yè)應(yīng)用的不同PCD等級可變化。燒結(jié)的基本程序通?？砂凑諅鹘y(tǒng)處理，重要區(qū)別是起始材料的選擇。起始材料通常是微粒和粉末材料，但是還可使用固體板或箔，例如用于結(jié)合劑合金和/或其組分。
例如，可通過使微粒金剛石與微粒結(jié)合劑合金形式的結(jié)合劑合金混合形成復(fù)合片。在這種情況下，顆粒大小可影響混合的均勻性和其中結(jié)合劑合金開始熔化的條件。盡管不是必需的，但微粒金剛石的顆粒大小可在從約亞微米到30微米的范圍，而結(jié)合劑合金的微粒大小可在從約亞微米到約20微米的范圍。粉末材料可以被密切混合，以形成粉末混合物。可以任選地預(yù)壓制混合物，以在燒結(jié)之前形成初始未加工(green)體。任選的有機結(jié)合劑可用來臨時將粉末保持為給定的形狀。此類有機結(jié)合劑在達到燒結(jié)溫度之前在未加エ體形成期間和/或熱步驟期間被驅(qū)出。在另一可選方案中，可通過使微粒金剛石和結(jié)合劑合金分層形成復(fù)合片，以使復(fù)合片具有靠近結(jié)合劑合金層的復(fù)合片金剛石層。結(jié)合劑合金層可被提供為微粒或固體板。在一種實施方式中，復(fù)合片(燒結(jié)的或未燒結(jié)的，或部分燒結(jié)的)可通過混合微粒金剛石與結(jié)合劑合金而不是成合金元素來形成。然后可通過在升高的溫度下接觸含有成合金元素的層引入成合金元素。成合金元素通過擴散遷移至復(fù)合片中，與燒結(jié)催化劑結(jié)合，以原位形成結(jié)合劑合金。
不考慮原材料的具體構(gòu)造如何，預(yù)燒結(jié)體可經(jīng)歷高溫和高壓的燒結(jié)條件。一般地，高溫和/或高壓可對應(yīng)于金剛石材料相圖上的燒結(jié)條件。一方面，燒結(jié)溫度可以從約1300°C到約1600°C。另ー方面，燒結(jié)期間的壓力可以從2GPa到8GPa。在燒結(jié)溫度下，結(jié)合劑合金是液體合金。記住上述討論，提供了改進由PCD材料制成的組件的熱穩(wěn)定性以及耐腐蝕性的方法。多種具體結(jié)合劑合金可用作催化轉(zhuǎn)化劑或結(jié)合剤。作為總方針，結(jié)合劑合金可具有改進最終聚晶材料的熱穩(wěn)定性的特征。ー個考慮是在PCD的燒結(jié)溫度(典型地1300°C到Ieoo0C)下是液體的結(jié)合劑合金。而且，結(jié)合劑合金在低于燒結(jié)溫度的溫度(包括室溫)下以固態(tài)形成金屬間化合物合金。如先前提及的，金屬間化合物合金還不具有對碳的顯著溶解性或不具有對碳的溶解性。合適的結(jié)合劑合金作為金剛石燒結(jié)的催化劑起作用，類似于在傳統(tǒng)PCD材料燒結(jié)中Co單獨所起的作用。合金和合金中的成合金元素根本不會形成碳化物，或者其是比鎢更弱的碳化物形成劑。在一些情況下，合金和成合金元素也是比W、Mo、Cr、Nb、Ti、Ta、V、Zr、Hf和Fe更弱的碳化物形成劑。在低溫下，合金也可以是固溶體合金形式或是固溶體合金與燒結(jié)催化劑的金屬間化合物的混合物。固溶體合金也不具有對碳的顯著溶解性或具有對碳的非常低的溶解性。成合金元素進ー步降低燒結(jié)催化劑例如鈷或其他替代的過渡金屬的熔點。催化結(jié)合劑或轉(zhuǎn)化劑可由其他過渡金屬制成。在室溫下，固體結(jié)合劑基本上由過渡金屬的金屬間合金組成，所述過渡金屬包括Fe、Ni、Co、Ti、V、Cr、Mn、Zr、Nb、Mo、Hf、Ta、W、Al、Si 等。因此，本示例性合金體系包括但不限于下述Co_B、Co-Al、Co-Cr, Co-Μη, Co-Si、Co-Y和Co-M，其中M是W、V、Mo、Nb和Ti之一或混合物。一旦用在P⑶體系中，上述ニ元體系可成為Co-M-C的三元體系，其中M代表上述任ー種。使用Co-B-C作為具有小于50原子百分比(at%)的硼含量的例子。ニ元Co-Β和Co-B-C的三元體系的相圖被顯示在圖3A中和圖3B(和圖7)中，可用來幫助理解三元體系。在PCD燒結(jié)的溫度和壓カ下，鈷將是液態(tài)，B和C在溶液中。由于在燒結(jié)前進行球磨，溶液可含有少量的W，或者W可溶解在來自WC-Co基材的溶液中。液相將促進碳的溶解和再沉淀過程，這是金剛石顆粒的燒結(jié)機制。金剛石顆粒在該過程期間形成金剛石與金剛石結(jié)合。當(dāng)燒結(jié)和隨后的冷卻完成時，仍與硼和碳(和可能W)成合金的鈷金屬將固化。當(dāng)溫度低于大約1110°C吋，固體合金將成為由Co、Co3B, Co2B和/或CoB組成的兩相或多相的混合物，這取決于準確的硼含量，如在圖3B中闡明的。當(dāng)B含量少于30at%吋，結(jié)合劑合金將由鈷金屬和Co3B組成。當(dāng)B%高于30at%，微結(jié)構(gòu)將由Co3B和Co2B組成，然后B%繼續(xù)增加高至50at%，微結(jié)構(gòu)可由Co2B和CoB組成。因而，金屬間合金可具有在約20at%和55at%之間的B,以避免形成顯著量的Co金屬相或元素B。金屬間相(Co3BXo2B和CoB)在接近中等溫度至低溫時不具有對碳的顯著溶解性。但是，Co-B金屬間化合物與碳可形成復(fù)合碳化物是可能的。另ー具體例子包括使用Al-Co合金，其中鋁是成合金元素(M2)并且鈷是燒結(jié)金屬(M1)0取決于每種的重量百分比，X和y的值根據(jù)在圖4A中顯示的相圖而改變?；谠撓鄨D，具有從約32. 5wt%到約73被％鈷的結(jié)合劑合金組合物具有可能合適的金屬間化合物。特別地，A19Co2、A113Co4、A13Co、A15Co2 和 AlCo 分別以約 32. 5wt%、41wt%、43wt%、46wt%、65. 5wt% 和73wt%形成。還有另一具體例子包括使用Al-Cr合金，其中鋁是成合金元素(M2)并且鉻是燒結(jié)金屬(MD。取決于每種的重量百分比，X和y的值根據(jù)在圖4B中顯示的相圖而改變?；谠撓鄨D，具有從約21. 5wt%到約82wt%的鉻的結(jié)合劑合金組合物具有可能合適的金屬間化合物。特別地，Al7Cr, Al11Cr2, Al4Cr、Al9Cr4, Al8Cr5和AlCr2分別以如在相圖中闡明的多種鉻百分比形成?，F(xiàn)在參考圖6，鈷和硅的金屬間合金如描述的使用，鈷作為燒結(jié)金屬(M1)和用硅作為成合金元素(M2)。例如，從約18wt%到約49wt%的硅含量可以是合適的。特別地，形成Co3Si、Co2Si、CoSi 和 CoSi20金屬間相比鈷金屬更具剛性并且更耐腐蝕。金屬間相不具有對固態(tài)碳的顯著溶解性。因此，當(dāng)使用吋，結(jié)合劑相(ー個或多個)不會扮演如傳統(tǒng)標(biāo)準PCD材料中鈷金屬扮演的“劣化”角色。該P⑶材料因而比傳統(tǒng)P⑶材料更具熱穩(wěn)定性。由P⑶材料制成的產(chǎn)品和エ業(yè)工具，例如用于油氣鉆井的剪切工具，會更穩(wěn)定并且具有更長的使用壽命。根據(jù)本發(fā)明用于制造熱穩(wěn)定P⑶的方法相似于制造傳統(tǒng)P⑶的方法。鈷金屬和硼粉末可被預(yù)混合，或鈷與硼的合金粉末可在PCD制造前被生產(chǎn)。根據(jù)標(biāo)準程序，金屬合金粉末可與金剛石粉末混合并被制備用于壓實和燒結(jié)。當(dāng)燒結(jié)時，通常期望減小孔隙率，足以達到エ業(yè)上接受的質(zhì)量標(biāo)準。可允許較高的孔隙率，但材料強度的相應(yīng)減小會被看出。但是，此類較高孔隙率材料也受益于結(jié)合劑合金提供的熱穩(wěn)定性，如前討論的。盡管具體比例可改變，但金屬合金粉末可包含從約lvol%到約20vol%的包括金剛石的混合粉末。成合金元素例如B的來源還可作為單獨的層被放置在Co與金剛石的粉末混合物上。硼(或其他成合金元素)分散進Co中并在終產(chǎn)物中形成期望的金屬間合金。一種實施方式是使用熱穩(wěn)定PCD，用于在PDC鉆頭上使用的剪切工具。熱穩(wěn)定聚晶金剛石材料還可用于齒輪鉆頭上的切割元件，齒輪鉆頭用于油氣鉆井和采礦應(yīng)用。熱穩(wěn)定聚晶金剛石材料還可用來制造金屬切割工具和木材加工工具。熱穩(wěn)定聚晶金剛石材料還可用于構(gòu)建和拆除工具。熱穩(wěn)定聚晶金剛石材料可用于牙科工具以及其他生物工程和生物醫(yī)學(xué)應(yīng)用。具體工具的非限制性例子可包括加工插入物、槽式鉆頭尖部、立銑刀、圓鋸齒鉆頭、砂輪片、切割工具、齒輪鉆頭、坯件、成形的鉆頭等。
應(yīng)當(dāng)理解，上述提及的安排僅闡明本發(fā)明原理的應(yīng)用。在不背離本發(fā)明的精神和范圍的情況下，可作出許多改變和替換安排。雖然已在附圖中顯示出本發(fā)明并與目前認為是本發(fā)明的最實際和說明性實施方式結(jié)合詳盡和詳細地在上文中充分描述，但是本領(lǐng)域普 通技術(shù)人員明白，在不背離如在本文中陳述的本發(fā)明的原理和概念的情況下，可做出許多改變。
權(quán)利要求
1.ー種聚晶金剛石材料，其包含 燒結(jié)的相互連接的并相互結(jié)合的合成金剛石粒；和 位于所述金剛石粒之間的凹坑處的結(jié)合劑合金； 其中所述結(jié)合劑合金在所述聚晶金剛石的燒結(jié)溫度下是液體，在包括室溫的低于所述金剛石粒的燒結(jié)溫度的更低溫度下形成固態(tài)的金屬間化合物合金，并且基本上都是金屬間相。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的聚晶金剛石材料，其中所述結(jié)合劑合金具有式MlxM2y，其中M1是燒結(jié)催化劑，M2是成合金元素。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的聚晶金剛石材料，其中M1選自Co、Fe、Ni及其組合。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的聚晶金剛石材料，其中M1是鈷。
5.根據(jù)權(quán)利要求3所述的聚晶金剛石材料，其中M1是Fe或Ni。
6.根據(jù)權(quán)利要求2所述的聚晶金剛石材料，其中所述成合金元素選自B、Al、Cr、Mn、Si、Y、W、V、Mo、Nb、Ti、Zr、Hf、Ta、Re 及其組合。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的聚晶金剛石材料，其中所述成合金元素是B。
8.根據(jù)權(quán)利要求I所述的聚晶金剛石材料，其中所述金屬間化合物合金是多相并且是Co3B, Co2B和CoB的至少ー種。
9.根據(jù)權(quán)利要求I所述的聚晶金剛石材料，其中所述結(jié)合劑合金不形成碳化物，或者是比鎢更弱的碳化物形成劑。
10.根據(jù)權(quán)利要求I所述的聚晶金剛石材料，其中所述結(jié)合劑合金在包括室溫的低于所述燒結(jié)溫度的溫度下是固體，并且按重量計以1.0%或更少的量溶解碳。
11.根據(jù)權(quán)利要求I所述的聚晶金剛石材料，其中所述金屬間化合物合金是金屬間化合物與較少部分的固溶體合金的混合物。
12.根據(jù)權(quán)利要求I所述的聚晶金剛石材料，其中所述燒結(jié)溫度為約1300°C到約1600 0C O
13.根據(jù)權(quán)利要求I所述的聚晶金剛石材料，其中所述結(jié)合劑合金選自Co-B；Co-Al ；Co-Cr ；Co-Mn ;Co_Si ;Co_Y ;Co_M及其混合物，其中M是W、V、Mo、Nb和Ti之一或它們的混合物。
14.根據(jù)權(quán)利要求I所述的聚晶金剛石材料，其中所述金屬間化合物合金具有式Mlx-M2y-Cz,其中M1是燒結(jié)催化劑，M2是成合金元素，并且x、y和z是對應(yīng)于合金相的非零整數(shù)。
15.根據(jù)權(quán)利要求I所述的聚晶金剛石材料，其中所述鈷合金是二元的并變成由Co-M-C 描述的三元體系，其中 M 是 B、Al、Cr、Mn、Si、Y、W、V、Mo、Nb 或 Ti。
16.根據(jù)權(quán)利要求I所述的聚晶金剛石材料，其中所述結(jié)合劑合金是Co-B，其中所述硼以至少20%摩爾比的濃度存在于合金中。
17.ー種包含根據(jù)權(quán)利要求I所述的聚晶金剛石材料的工具。
18.根據(jù)權(quán)利要求17所述的工具，其中所述工具選自剪切工具、PDC鉆頭、金屬切割エ具、木材加工工具、構(gòu)建工具、拆除工具、牙科工具和生物醫(yī)學(xué)工具。
19.根據(jù)權(quán)利要求17所述的工具，其中所述工具是鉆頭。
20.ー種制造熱穩(wěn)定聚晶金剛石材料的方法，其包含形成微粒金剛石和結(jié)合劑合金的復(fù)合片，所述結(jié)合劑合金包括燒結(jié)催化劑和選自B、Al、Cr、Mn、Si、Y、W、V、Mo、Nb和Ti的至少ー種成合金元素；和 在高溫和/或高壓下燒結(jié)所述復(fù)合片，以形成熱穩(wěn)定聚晶金剛石材料，其中所述成合金元素以使所述結(jié)合劑合金在低于燒結(jié)溫度的溫度下以固態(tài)和室溫下形成金屬間化合物合金的足夠量存在，并且在燒結(jié)之后基本上都是金屬間相。
21.根據(jù)權(quán)利要求20所述的方法，其中，通過混合所述微粒金剛石與所述結(jié)合劑合金形成所述復(fù)合片。
22.根據(jù)權(quán)利要求20所述的方法，其中通過使所述微粒金剛石和所述結(jié)合劑合金分層形成所述復(fù)合片，以使所述復(fù)合片具有靠近所述結(jié)合劑合金的單層的復(fù)合片金剛石單層。
23.根據(jù)權(quán)利要求20所述的方法，其中通過與含有所述成合金元素的層接觸，所述成合金元素在升高的溫度和壓カ下被擴散進預(yù)制的充分燒結(jié)的聚晶金剛石復(fù)合片中，以形成所述熱穩(wěn)定聚晶金剛石材料。
24.根據(jù)權(quán)利要求20所述的方法，其進ー步包括控制所述溫度和/或壓力，以基本上排除溶解按重量計I. 0%或更少的量的固態(tài)碳的結(jié)合劑合金化合物的形成。
全文摘要
本發(fā)明的名稱是“熱穩(wěn)定聚晶金剛石”。本公開提供了涉及聚晶金剛石材料的組合物和方法。在一個實施方式中，聚晶金剛石材料可包含燒結(jié)聚晶金剛石和結(jié)合劑合金，其中結(jié)合劑合金在聚晶金剛石的燒結(jié)溫度下是液體、在低于燒結(jié)溫度的低溫下形成金屬間化合物并且基本上都是金屬間相。
文檔編號B22F7/06GK102836999SQ201210137100
公開日2012年12月26日 申請日期2012年5月4日 優(yōu)先權(quán)日2011年6月23日
發(fā)明者Z·Z·方 申請人:猶他大學(xué)研究基金會