Pcd元件及其制造方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明總體設(shè)及鉆頭及其它地面接合產(chǎn)品中使用的聚晶金剛石元件領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002] 為改善鉆頭等鉆地工具上切削元件的性能，切削元件的一個(gè)或多個(gè)磨耗表面或作 業(yè)表面由附接至基底的聚晶金剛石復(fù)合片（roc)形式的一層聚晶金剛石（PCD)制成。運(yùn)層 PCD經(jīng)常被稱為"金剛石臺(tái)"或"金剛石冠"。PCD層的常見基底為燒結(jié)碳化鶴。雖然PDC很 硬，抗磨損能力強(qiáng)，但通常相對(duì)較脆?；淄ǔ殂@固結(jié)碳化鶴合金，雖然不如PDC硬，但初 性更強(qiáng)，因而具有更好的抗沖擊性。結(jié)合至初性基底的硬臺(tái)的復(fù)合結(jié)構(gòu)適用于鉆孔和其它 井下應(yīng)用。
[0003] 對(duì)于許多磨耗性應(yīng)用來說，立方氮化棚（CBN)是PCD的適合替代物，因此，除非另 有說明，否則文中提到的聚晶金剛石或PCD和聚晶金剛石復(fù)合片或PDC，同樣也指CBN和由 CBN制成的復(fù)合片。
[0004] 聚晶金剛石復(fù)合片通過W下方法制成：將被稱為"金剛石磨粒"的粉狀聚晶金剛石 顆粒與一種或多種粉狀金屬催化劑和其它材料混合，將混合物成形為復(fù)合片，再在高溫高 壓下燒結(jié)。金屬催化劑促進(jìn)相鄰金剛石顆粒之間形成金剛石對(duì)金剛石的結(jié)合。雖然鉆或鉆 合金是最常見的催化劑，但第VIII族的其它金屬，如儀、鐵及其合金也可W用作催化劑。燒 結(jié)過程產(chǎn)生結(jié)合金剛石催化劑臺(tái)或主體，其被描述為在金剛石顆粒之間具有填隙空位或空 間的連續(xù)、接觸或一體的金剛石基質(zhì)（matrix)或晶格。所述填隙空位至少部分用金屬催化 劑填充。
[0005] 對(duì)于具有燒結(jié)碳化金屬基底的切削器或其它磨耗元件，尤其是井下工具中使用的 元件來說，PDC-般是通過將靠近諸如碳化鶴等金屬碳化物基底材料的金剛石磨粒和金屬 催化劑填充在模具中形成。之后，通過向模具施加高溫高壓燒結(jié)PDC材料。基底材料中的 金屬催化劑一般為鉆或鉆合金，在燒結(jié)過程中，金屬催化劑掃掠（sweep)進(jìn)入并滲入金剛 石磨粒中。金屬催化劑增強(qiáng)金剛石顆粒之間的結(jié)合，同時(shí)還在單個(gè)步驟中將得到的PDC結(jié) 合至基底。
[0006] PDC和基底的復(fù)合物可W用許多不同的方式制成。所述復(fù)合物可W包括過渡層，在 過渡層中，金屬碳化物和金剛石與其它元素混合，W增強(qiáng)結(jié)合并減少PDC和基底之間的應(yīng) 力。除非另有說明，否則本文中提到的金屬碳化物基底包括具有過渡層的基底。
[0007] 由于金剛石基質(zhì)中存在催化劑金屬，燒結(jié)的PCD呈現(xiàn)出熱不穩(wěn)定性。金屬催化劑 與金剛石相比具有更大的膨脹系數(shù)。在使用切削器時(shí)，剛性金剛石結(jié)構(gòu)的填隙空間內(nèi)包含 的催化劑的熱膨脹可能導(dǎo)致結(jié)構(gòu)破裂，損害臺(tái)的結(jié)構(gòu)整體性。殘留的金屬催化劑也可能導(dǎo) 致PDC內(nèi)的金剛石晶體開始石墨化，運(yùn)會(huì)弱化PCD結(jié)構(gòu)。
[000引為了提高PDC的熱穩(wěn)定性，大比例，通常為50 %W上，經(jīng)常為70 % -85 %，也可能是 更高比例的催化劑至少從靠近經(jīng)受由摩擦導(dǎo)致的最高溫度的一個(gè)或多個(gè)作業(yè)面的金剛石 結(jié)構(gòu)的區(qū)域移除。
[0009] 所述金屬催化劑通過浸出過程移除。所述浸出過程包括：將PDC置于強(qiáng)酸中，所 述強(qiáng)酸的實(shí)例包括硝酸、氨氣酸、鹽酸或高氯酸及它們的組合。在一些情況下，可W加熱并 /或攬動(dòng)所述酸混合物，W加速浸出過程。在任何情況下，所述浸出過程都可W將催化劑金 屬，如鉆，轉(zhuǎn)化為能夠通過水性介質(zhì)，即酸，從金剛石臺(tái)移除的可溶性鹽。
[0010] 移除鉆會(huì)降低PDC的初度，從而降低其抗沖擊性。浸出也可W移除將臺(tái)粘合或結(jié) 合至基底的臺(tái)/基底界面附近的一些鉆，從而影響基底和/或基底與金剛石界面接合的強(qiáng) 度或整體性。為了優(yōu)化切削器的結(jié)構(gòu)完整性，只從距PDC的一個(gè)或多個(gè)作業(yè)表面測量的一 定深度或距離處的PDC移除催化劑。例如，鉆頭切削元件的作業(yè)表面是設(shè)計(jì)或旨在用于接 合巖層的切削器表面。對(duì)于PDC切削器，其通常為金剛石冠或臺(tái)的上表面、至少一部分側(cè)表 面、W及上表面和側(cè)表面之間的斜邊、倒圓過渡或適形過渡（如果有的話）。一般地，只有 PDC的上作業(yè)表面暴露于浸出浴?？蒞使用罩和封條保護(hù)基底免受酸的影響。浸出深度取 決于金剛石材料的微結(jié)構(gòu)、使用的浸出溶液W及浸出時(shí)間。
[0011] 用于浸出的酸可能毒性很大，浸出過程可能需要很多個(gè)小時(shí)至很多個(gè)星期來浸出 切削器。浸出過程需要由經(jīng)過訓(xùn)練的操作者仔細(xì)處理材料W及復(fù)雜的設(shè)備，運(yùn)些大大增加 了生產(chǎn)切削器的成本。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0012] 經(jīng)高壓高溫處理生產(chǎn)的燒結(jié)金剛石復(fù)合片一般包含殘留在顆粒間的催化劑材料， 運(yùn)在工作條件下會(huì)損害復(fù)合片的結(jié)構(gòu)完整性。用兼容性更強(qiáng)的材料移除或替換催化劑材料 可W擴(kuò)大金剛石復(fù)合片的工作溫度范圍，并大大降低加工成本。本發(fā)明使用金屬溶劑溶解 金剛石復(fù)合片中的固體催化劑。使用溶劑金屬可W既環(huán)保且毒性低。
[0013] 本發(fā)明的一方面，一種具有填隙空間的固結(jié)金剛石復(fù)合片包括復(fù)合片第一部分和 復(fù)合片第二部分，所述復(fù)合片第一部分在填隙空間中具有催化劑金屬，所述復(fù)合片第二部 分在填隙空間中具有溶劑金屬。
[0014] 在本發(fā)明的另一可選方面，一種用于地面接合工具的切削器包括基底，其結(jié)合至 具有填隙空間的金剛石臺(tái)，其中，所述填隙空間的至少一部分由溶劑金屬占據(jù)。
[0015] 在本發(fā)明的另一可選方面，一種處理燒結(jié)金剛石的方法包括加熱溶劑金屬，W及 用所述溶劑金屬浸泡所述燒結(jié)金剛石的至少一部分。
[0016] 在本發(fā)明的一些實(shí)施方式中，金剛石中的殘留催化劑是鉆，所述鉆被填隙空間 中的溶劑金屬，如嫁、錫和/或其它金屬溶解。在一些實(shí)施方式中，溶劑金屬被加熱至 600°c-75(rc之間，優(yōu)選超過650°C?？蒞在真空或惰性氣體環(huán)境中加熱溶劑金屬。當(dāng)在 真空或惰性氣體環(huán)境中完成加熱時(shí)，在將金剛石復(fù)合片暴露于溶劑金屬之前，所述溶劑金 屬可W加熱至高達(dá)1500°C的溫度。在一些實(shí)施方式中，金剛石復(fù)合片和/或切削器用諸如 銅、嫁、錫、嫁銅錫合金或其它元素或合金材料處理，W改善溶解過程。
[0017] 在一些實(shí)施方式中，填隙空間內(nèi)的鉆被移除或體積被減少。在一些實(shí)施方式中，鉆 至少部分被溶劑金屬替換，從而在金剛石經(jīng)處理的部分中，催化劑的重量小于溶劑。在一些 實(shí)施方式中，鉆至少部分被溶劑金屬置換或替換，且在金剛石經(jīng)處理的部分中，催化劑占據(jù) 的體積小于溶劑。在一些實(shí)施方式中，鉆至少部分被溶劑金屬替換，且在金剛石經(jīng)處理的部 分中，催化劑占據(jù)的體積小于催化劑和溶劑體積的25%。
[0018] 燒結(jié)后，留在燒結(jié)聚晶金剛石（PCD)結(jié)構(gòu)中的金屬催化劑從所述結(jié)構(gòu)的至少一部 分，如靠近其一個(gè)或多個(gè)作業(yè)表面的部分，通過用溶劑金屬移除和替換來移除，所述溶劑金 屬烙點(diǎn)低于金屬催化劑，且優(yōu)選低于最終產(chǎn)物的操作溫度。在一些實(shí)施方式中，溶劑為選自 由嫁、銅、錫構(gòu)成的組的一種或多種金屬。
[0019] 運(yùn)種靠近PCD結(jié)構(gòu)的作業(yè)表面的金屬催化劑至少部分被溶劑金屬替換的PCD結(jié)構(gòu) 具有改善的熱穩(wěn)定性。即使溶劑金屬的熱膨脹系數(shù)不同于燒結(jié)PCD，液相溶劑金屬也不會(huì)向 燒結(jié)PCD基質(zhì)施加膨脹力或壓力，從而避免PCD結(jié)構(gòu)內(nèi)產(chǎn)生可W導(dǎo)致破裂的應(yīng)力。嫁、錫和 銅不能與碳溶混，不會(huì)加重金剛石的石墨化。
[0020] 移除并用烙點(diǎn)更低的溶劑金屬替換PCD結(jié)構(gòu)內(nèi)金屬催化劑的方法的典型實(shí)例包 括：用烙點(diǎn)低于金屬催化劑的溶劑金屬將金屬催化劑溶劑化或溶解，W及一旦溶入金屬溶 劑，允許金屬催化劑擴(kuò)散至浴內(nèi)且允許溶劑金屬擴(kuò)散至金剛石臺(tái)內(nèi)，從而實(shí)現(xiàn)催化劑從PCD 結(jié)構(gòu)中移除并用溶劑金屬替換催化劑。用于溶解或溶劑化諸如鉆和鉆合金的金屬催化劑的 具有更低烙點(diǎn)的金屬實(shí)例包括：嫁、銅、錫、鋼、鋼、巧、鉛、儒、祕、針、鐘、隸及它們的合金。
[0021] 包括燒結(jié)PCD結(jié)構(gòu)的磨耗結(jié)構(gòu)的典型實(shí)例包括用于鉆頭或包括碳化鶴基底的較 刀（reamer)的切削器，所述燒結(jié)PCD結(jié)構(gòu)至少包括靠近包含烙點(diǎn)低于用于燒結(jié)PCD的催化 劑的金屬的PCD表面的區(qū)域。
[0022] 用于浸出催化劑的酸不是金屬基酸，且通常包含氣、氯、硫、氮。在溶解催化劑時(shí)， 運(yùn)些酸沒有留在填隙空間內(nèi)的殘留金屬成分。對(duì)于本發(fā)明的目的來說，置換催化劑是指移 除催化劑并使其遠(yuǎn)離填隙空間擴(kuò)散。對(duì)于本發(fā)明的目的來說，替換催化劑是指移除催化劑 并使其遠(yuǎn)離填隙空間擴(kuò)散，并在填隙空間內(nèi)催化劑的位置移入溶劑分子。
【附圖說明】
[002引圖1為PDC刮刀鉆頭的立體圖。
[0024] 圖2A為PDC切削器的立體圖。
[00巧]圖2B為PDC切削器的側(cè)視圖。
[0026] 圖2C為PDC切削器的端視圖。
[0027] 圖3為部分PCD的截面視圖，其中填隙空間中具有催化劑。
[0028] 圖4為圖3所示PCD內(nèi)催化劑溶解的示意圖。
[0029] 圖5為圖3所示PCD的一部分的截面視圖，其中填隙空間中具有催化劑和溶劑。
[0030] 圖6為具有催化劑和溶劑的切削器的截面視圖。
[0031]