[发明专利]多晶金刚石磨蚀元件及其制造方法

说明书

发明背景

本发明涉及多晶金刚石磨蚀元件、制造该多晶金刚石磨蚀元件和掺入它们的多晶金刚石磨蚀坯块(compact)的方法。

多晶金刚石磨蚀坯块(PDC)被广泛用于切割、磨碎、碾磨、钻孔和其他磨蚀应用。普遍使用的PDC是包含与烧结碳化物基材粘结的多晶金刚石(PCD)层的一类。该PCD层表现出工作表面和在工作表面外围的一部分周围的切割边。

多晶金刚石通常包含大量含有显著量的直接金刚石/金刚石连接的金刚石颗粒，并且通常具有第二相，该第二相含有金刚石催化剂/溶剂例如钴、镍、铁或者含有一种或多种这些金属的合金，优选镍并且更优选钴。

PDC通常在金刚石颗粒晶体学稳定的升高的温度和压力条件(HPHT)下制得。

将各种形式的硼加入超硬磨蚀坯块例如PDC和烧结碳化物中是公知的。已经描述了一些优点，例如熔点的降低-这使得能够在较低的压力和温度(＜＝1200℃，JP1021032)下伴随着较少的金刚石石墨化而进行烧结(US4,902,652；JP1017836)、提高的溶剂基质硬度(GB1456765；US5,181,938)、提高的断裂韧度和耐腐蚀性(US4,961,780；US6,098,731)、低的电阻率(GB1376467)和改进的坯块复制能力(GB1496106；US4,907,377)。

然而，上述专利参考文件中没有一篇考虑了氧在烧结过程中的作用。在本领域中公知氧的存在妨碍了烧结过程，由此导致最终坯块较低的耐磨性。氧通常以在金刚石颗粒上的表面氧化物或者在与金刚石粉末混合的金属颗粒中的表面氧化物或溶解的氧的形式引入预烧结的坯块。出于该原因，在烧结的多晶金刚石磨蚀坯块制造中的标准实践是在HPHT烧结步骤之前在真空下将金刚石粉末混合物脱气，以尝试除去金刚石颗粒上或者加入金刚石粉末中的任何金属颗粒上的任何表面氧化物。该方法仅仅在某种程度上是成功的，因为微量的氧仍然残留以致于必然在烧结期间存在一些氧，这对烧结过程是不利的。

较早提及的现有技术忽略了该获得有效烧结的重要方面。即使在US4,961,780中-其中要求加入氧化硼以提高断裂韧度和耐腐蚀性，也没有提及通过氧化硼添加剂引入体系的氧的有害效应。

在JP9142932中，提及了由于高的氧化硼或硼酸含量而烧结的金刚石坯块的强度和耐磨性退化，但除了将硼-氧添加剂的量限制在小于30体积％之外没有提及克服该问题的方法。

发明概述

根据本发明的一个方面，提供了一种多晶金刚石磨蚀元件，其包含金刚石材料的约0.01-约4wt％的至少一种金属或金属化合物，该金属选自镁、钙、铝、锶、钇、锆、铪、铬和稀土金属，特别是铈和镧。

优选地，金属选自稀土金属，特别是铈和/或镧。

以金刚石材料的重量计，金属或金属化合物优选以小于约2％，更优选小于约1.0％，并且最优选小于约0.7％的量存在，并且优选以大于约0.01％，更优选大于约0.1％，并且最优选大于约0.2％的量存在。其将以足以与存在的微量氧反应形成稳定的金属氧化物的量存在，尽管这将不一定包括大块金属物种形成。

该多晶金刚石磨蚀元件优选包含硼，硼是用于磨蚀元件制造中的烧结助剂。

金属或金属化合物可以分布遍及多晶金刚石材料，或者其可以位于其一个或多个离散区域中，例如在邻近磨蚀元件的工作表面的层中。

根据本发明的另一个方面，一种制造多晶金刚石磨蚀元件的方法包括以下步骤：提供大量金刚石颗粒和至少一种金属硼化物源以形成未粘结的组件，该金刚石颗粒优选与催化材料源一起提供，其中该至少一种金属硼化物的金属组分是强的氧吸气剂(清除剂)，和将该未粘结的组件经受适合于制造多晶金刚石磨蚀元件的升高的温度和压力条件。

该金属硼化物的金属组分的氧化物具有高熔点，通常＞2000℃，并且金属优选选自镁、钙、铝、锶、钇、锆、铪、铬和稀土金属，特别是铈和镧。特别地，稀土金属硼化物在本发明中是有利的。

该未粘结的组件优选包括基材，当未粘结的组件烧结时其制得了多晶金刚石磨蚀坯块。

基材将通常为烧结碳化物基材，其还将通常为催化材料源。一些附加的催化材料可以通常以包含金刚石催化剂/溶剂的第二相形式与金刚石颗粒混合。

由大量金刚石颗粒制得多晶金刚石层所需的升高的温度和压力条件是本领域公知的。一般而言，这些条件是4-8GPa的压力和1100-1700℃的温度。

附图简述

现在将仅仅通过例子参照附图更详细地描述本发明，其中：