[发明专利]多晶金刚石复合坯块元件，包含其的工具及其制造方法

说明书

技术领域

本发明涉及包含粘结于烧结碳化物基材的PCD结构的多晶金刚石(PCD)复合坯块，涉及包含其的工具及其制造方法。

背景技术

多晶金刚石(PCD)是包含大量共生的金刚石晶粒和金刚石晶粒之间间隙的超硬材料。PCD典型地通过使金刚石晶粒的聚集体经受至少约5.5GPa的超高压力和至少约1400摄氏度温度制备。如本文所用的，术语多晶金刚石或PCD应理解意指包含至少80体积％金刚石晶粒的材料，其基本部分是直接内粘结(inter-bonded)的，可替代地称为共格粘结(coherently bonded)的。整体或部分填充到间隙的材料称为填充材料。PCD典型地在烧结助剂如钴的存在下形成，钴促进金刚石晶粒的共生。烧结助剂通常称为金刚石的溶剂/催化剂材料，因为其作用是将金刚石溶解到某种程度并催化其重新析出。将金刚石的溶剂/催化剂材料理解为能促进金刚石生长并在金刚石热力学稳定的温度和压力下形成金刚石与金刚石直接粘结的材料。通常，优选的溶剂/催化剂材料为Fe、Ni、Co和Mn以及包括任何这些的合金。结果，在烧结PCD产品内的间隙整体或部分被残余溶剂/催化剂材料填充。典型地，PCD经常形成于钴结碳化钨硬质合金基材上，其为PCD提供了钴溶剂/催化剂的来源。

将PCD用于各种各样的工具，这些工具用于切削、机加工、钻削或破裂硬质或研磨材料如岩石、金属、陶瓷、复合材料和含木的材料。例如，在油气钻探工业所用的钻地钻头内广泛使用PCD插入件。在许多这些应用中，当PCD材料作用于岩层、工件或高能物体时其温度变得升高。遗憾的是，PCD的机械性能如硬度和强度趋于在高温下劣化，很大程度上是因为残余溶剂/催化剂材料在其内分散。

美国专利4,694,914披露了一种插入件，该插入件包括至少一个含有多晶金刚石的外层和至少一个在多晶金刚石层和烧结碳化物本体之间的过渡层。过渡层包含复合材料，该复合材料含有金刚石晶体、钴和预烧结的碳化钨颗粒。

美国专利4,694,918披露了一种插入件，该插入件包括烧结金属碳化物插入件本体、多晶金刚石外层和至少一个复合材料的过渡层。该复合材料包括多晶金刚石和预烧结金属碳化物颗粒。

Delwiche等(Petroleum Division，v 40，and Drilling Technology 1992，1992，p51-60，American Society of Mechanical Engineers)披露了用于油气钻探的PCD插入件，其中PCD层被安装到基材上，该基材包含支撑部件，该支撑部件含有分散在烧结碳化物基体内的粗金刚石晶粒。

需要提供复合PCD坯块，该PCD坯块包含PCD结构，特别是由细或超细的金刚石晶粒形成的PCD结构，其粘结于烧结碳化物基材并在接近PCD结构与烧结碳化物基材的界面处具有降低的缺陷。

发明概述

根据本发明的第一个方面，提供PCD复合坯块元件，该元件包含在界面处整体粘结于烧结碳化物基材的PCD结构；该PCD结构包含共格粘结的金刚石晶粒，所述金刚石晶粒具有不大于约30微米，优选不大于约20微米，更优选不大于约15微米，更优选不大于约10微米，再更优选不大于约5微米，进一步更优选不大于约2微米，更加优选不大于约1微米的平均尺寸；烧结碳化物基材包含分散在金属粘结剂中的碳化物颗粒，碳化物颗粒包含金属的碳化物化合物；其中在基材中的点(point)处，金属粘结剂的量与金属的量的比率从平均值偏离至多约20％的平均值。

在一个实施方案中，从界面到基材中至少2mm深度，在基材中的点处，金属粘结剂的量与金属的量的比率从平均值偏离至多约20％的平均值。

已发现，本发明该方面的实施方案展现出在PCD结构与基材之间的界面附近处降低的过大晶粒生长，并认为在PCD结构内平均金刚石晶粒尺寸越低则越有利。

在本发明该方面的一个实施方案中，在基材中的点处，金属粘结剂的量与金属的量的比率从平均值偏离至多约10％的平均值。

在某些实施方案中，金刚石晶粒的平均尺寸可为至少约0.05微米或至少约0.1微米。

在某些实施方案中，碳化物颗粒的金属可为难熔金属如W、或甚至Ti、Ta或Cr，并且在某些实施方案中，金属粘结剂包含金刚石的溶剂/催化剂，如Co。