[发明专利]多晶金刚石复合坯块

说明书

技术领域

本发明涉及多晶金刚石复合坯块、包含其的工具及其制造和使用方法。

背景技术

多晶金刚石(polycrystalline diamond，PCD)是包含大量共生金刚石颗粒以及金刚石颗粒之间间隙的超硬材料，也称为超级磨料。PCD可通过使金刚石颗粒聚集体经受超高压力和温度而制备。整体或部分填充到间隙的材料可称为填充剂材料。PCD可在促进金刚石颗粒共生的烧结助剂如钴的存在下形成。烧结助剂为用于金刚石的溶剂/催化剂材料，具有将金刚石溶解至某种程度并催化其重新析出的作用。用于金刚石的溶剂/催化剂可理解为能促进金刚石生长的材料或于金刚石热力学稳定的压力和温度条件下在金刚石颗粒之间促进金刚石与金刚石直接共生的材料。结果，烧结PCD产品中的间隙整体或部分被残余的溶剂/催化剂材料填充。PCD可形成于钴烧结的碳化钨基材上，其可为PCD提供钴溶剂/催化剂的来源。

PCD可广泛用于各种工具中进行切削、机加工、钻削或破裂硬质或研磨性材料如岩石、金属、陶瓷、复合材料和含木材料。例如PCD元件可作为钻头上的切削元件用于在石油和天然气钻探行业进行钻地。在许多这些应用中，PCD材料作用于岩层、工件或高能物体时其温度会升高。很遗憾，PCD的机械性能如硬度和强度在高温下趋于劣化，这很大程度是由于残余溶剂/催化剂材料在其内部分散的结果。

美国专利No.3,745,623公开了一种PCD元件，其包括粘结至碳化物烧结体的多晶金刚石层，所述碳化物烧结体包括94wt％的碳化钨和6wt％的钴。美国专利No.4,380,471公开了可用作PCD元件基材的各种等级的烧结碳化钨，包括来自范围的下列等级：44A、90、883和999，其分别含有6wt％、10wt％、6wt％和3wt％的钴。美国专利No.5,304,342讨论了对于给定的应用，最好是提供尽可能硬的WC-Co烧结碳化物基材，从而将PCD层的偏差最小化并降低PCD失效的可能性。但是，如果弹性模量太高，钻削过程中该插件易于折断。

美国专利No.5,667,028讨论了作为旋转钻头，PCD刀具的PDC切削层边缘接触并“切”开被钻削的构造体。同时，暴露的刀具体部分也接触构造体的表面。该接触会侵蚀刀具体。其公开了一种改进的多晶金刚石复合体(″PDC″)刮刀钻头刀具，其包括多个切削表面，其中至少两个不相邻，从而改善了使用寿命。该PDC刀具还会发生流体侵蚀。

美国专利No.5,431,239公开了一种复合栓柱结构，其结构截面上具有不同的材料特征，以提供硬材料的耐磨性和耐断裂性即所谓的断裂韧性。在一个实施方案中，栓柱包括由具有更高或改善断裂韧性材料组成的内核，所述材料如大颗粒尺寸碳化钨或高钴含量的碳化钨，外围有坚硬耐磨材料的外层。典型的材料是含钴量低的烧结碳化钨。尽管钴可为6％，但优选钴的范围为约9-12％。在烧结碳化钨中钴含量范围通常为6-20％。高钴含量是指大于约15％。碳化物颗粒尺寸和钴含量均可变化以便设计强度和高断裂韧性。切削面通常由超硬材料如多晶金刚石制造。

美国专利No.6,216,805公开了一种切削元件，其包括含有耐侵蚀和耐磨材料的基底。所述切削元件的切削端被构造为固定有超级磨料的切削台。在一个实施方案中，基底由耐侵蚀和耐磨材料制造。例如，基底可包括碳化物(例如，碳化钨)和粘结剂材料(例如，钴)。当使用相对较多粘结剂制造基底时，基底的耐侵蚀性和耐磨性降低。具有较小颗粒碳化物的烧结碳化物结构通常也更耐侵蚀和耐磨，但硬度、可塑性和耐冲击性小于由较大颗粒碳化物形成的烧结碳化物结构。

美国专利No.6,258,139公开了一种在基材中具有金刚石内核的PDC(多晶金刚石坯块)，从而当基材经过足够的侵蚀后提供另外用于暴露的金刚石。其还公开了具有碳化物内核的PDC，该内核完全由PDC刀具的金刚石区包围，以避免金刚石区的高拉伸应力。

Freinkel公开了颗粒尺寸范围为1.6μm-2.2μm的WC，从而优化了烧结WC的耐侵蚀性(“烧结WC侵蚀中的能量损失机制”(“Energy loss mechanisms in the erosion of cemented WC”)，Scripta Metallurgica，23，1989，pp.659-664)。

美国专利No.7,017,677讨论了现有用于剪切刀具的基材，其通常由颗粒尺寸范围为约1-3μm、钴含量范围为约9-16wt％的烧结碳化钨颗粒形成，其硬度范围为约86-89Ra。