[发明专利]超硬结构

说明书

技术领域

本发明涉及超硬构造，其具体但不唯一地涉及包含多晶金刚石（PCD）结构的构造，还用作钻入地中所用的钻头的刀具嵌件。

背景技术

多晶超硬构造，例如多晶金刚石（PCD）和多晶立方氮化硼（PCBN），可以被广泛地用于多种工具，用于切割、机加工、钻孔或降解例如岩石、金属、陶瓷、复合材料和含木材料的硬的或磨蚀性的材料。例如，包括PCD材料的工具嵌件被广泛地用于开采石油或天然气中用于钻入地面的钻头。超硬工具嵌件的使用寿命可能受到超硬材料的破碎的限制，包括通过剥落和切削，或所述工具嵌件的磨损。

美国专利申请6,258,139公开了一种多晶金刚石复合片（PDC），其中硬质合金基材被设置成具有多个凹槽，其中多个金刚石核心的突起部被烧结在内。所述金刚石核心的突起部和金刚石表面区域可以是相同的金刚石材料，或不相同的金刚石材料的部分。所述PDC优选地通过放置一个硬质合金基材而制造，所述硬质合金基材在一罐组件中具有设置的腔体。金刚石晶体或晶粒被放置到所述硬质合金基材内的腔体中。额外的硬质合金被放置在腔体内的金刚石上。然后，额外的金刚石被放置在完成与封闭了金刚石核心的基材上。所述硬质合金金刚石地区被施加高压力和高温度以烧结到所述PDC结构。

存在对如钻入岩石的高磨损，高冲击的应用下具有延长工作寿命的超硬构造的需要。

发明内容

从第一个方面来看，本发明提供制造超硬构造的方法，所述方法包括提供多晶超硬（PCS）结构，所述多晶超硬结构包含超硬材料的结合晶粒，提供一个包含超硬材料的晶粒的聚集体，提供一个具有被配置为用于容纳所述PCS结构的凹槽的基材;所述PCS结构和位置与所述PCS结构相邻或与超硬结构邻接的超硬晶粒的聚集体被放置到凹槽，以形成未连接组件;施加压力和热力到所述未连接组件以连接所述聚集体到所述PCS结构，并形成超硬构造。

在一个实施方案中，所述方法包括提供一个用于所述PCS结构和所述聚集体之间的界面附近的超硬晶粒的催化剂材料源。在一个实施方案中，所述催化剂材料可以包括钴，铁，镍或锰，或由其组成的合金。

在一个实施方案中，所述凹槽可以被配置为容纳所述PCS结构和至少一个额外的结构。在一些实施方案中，所述额外的结构可以包括PCS结构或硬质合金结构，或所述额外的结构可以由PCS结构或硬质合金结构组成。在一个实施方案中，所述方法可包括将至少一个额外的PCS结构放置到凹槽，与所述PCS结构接触，并所述PCS结构和所述额外的PCS结构彼此烧结。

在一个实施方案中，所述方法包括直接烧结所述聚集体到所述PCS结构。在一个实施方案中，所述方法包括在所述未连接组件上施加足够的压力和热力一段时段，使所述PCS结构的超硬晶粒直接结合到所述聚集体的超硬晶粒。

在一些实施方案中，所述方法可以包括结合所述PCS结构或所述聚集体到所述基材，或结合所述PCS结构和所述聚集体到所述基材。

在一些实施方案中，所述基材，所述PCS结构或所述聚集体，或其组合可以包括用于超硬晶粒的催化剂材料。在一些实施方案中，至少一部分的所述PCS结构或所述聚集体可能是基本上不含用于超硬晶粒的催化剂材料，或整个PCS结构或聚集体可能是基本上不含针对超硬晶粒的催化剂材料。

在一个实施方案中，所述聚集体可以包括结合的超硬晶粒，在另一实施例中，所述聚集体可以包括基本上未结合的超硬晶粒。在一个实施例中，所述聚集体可以包括由粘合剂材料保持在一起的超硬晶粒。在一个实施方案中，所述聚集体可以包括PCS结构或由PCS结构组成。

在一些实施方案中，所述PCS结构可以包括PCD材料或由PCD材料组成，并且在一个实施方案中，所述超硬晶粒可以包括金刚石晶粒。在一个实施方案中，所述聚集体可以包括PCD材料。在一些实施方案中，所述PCS结构或所述聚集体，或两者，可以是热稳定的PCD。

在一个实施方案中，所述基材可以包括烧结碳化钨材料，并且在一个实施例中，所述基材可以包含用于金刚石的催化剂材料。

在一个实施方案中，所述方法包括提供第一多晶金刚石（PCD）结构，提供第二PCD结构，提供硬质合金基材，所述硬质合金基材具有配置以容纳所述第二PCD结构的凹槽。将所述第二PCD结构和位置与所述第二PCD结构相邻的所述第一PCD结构放置到所述凹槽，以形成未连接组件；施加至少为约5.5GPa的压力和加热到至少约1250摄氏度的温度到未连接组件，以将第一PCD结构连接到第二PCD结构，从而产生PCD的构造。