[发明专利]高韧性热稳定的聚晶金刚石

说明书

技术领域

本发明一般地涉及聚晶金刚石复合片（PDC）刀具；更具体来说，涉及具有改善的热稳定性和韧性的PDC刀具。

背景技术

聚晶金刚石复合片（“PDC”）被用于工业应用，包括凿岩应用和金属加工应用。已经证实这些复合片具有以下优势，例如比一些其他类型的切割元件更好的耐磨性和抗冲击性。已经开发了许多不同的PDC等级试图同时获得最好的耐磨性和抗冲击性。所述PDC可在称为“金刚石稳定区域”的高压和高温（HPHT）条件下通过将单个金刚石颗粒烧结到一起形成，该“金刚石稳定区域”通常超过40千巴，在1,200摄氏度和2,000摄氏度之间，在促进金刚石-金刚石结合的催化剂/溶剂存在下。通常用于烧结金刚石复合片的一些催化剂/溶剂的例子是钴，镍，铁，及其他第VIII族金属。通常PDC的金刚石含量大于70体积%，一般约为80%-95%。根据一个例子，无衬的PDC可机械地结合在工具上（未显示）。或者，PDC可与基材结合，从而形成PDC刀具，该PDC刀具通常可插入向下钻进工具（未显示），如钻头或钻孔器。

图1显示了根据现有技术，具有聚晶金刚石(PCD)切割台110，或复合片的PDC刀具100的侧视图。虽然在示例性的实施方式中描述了PCD切割台110，但其他类型的切割台，包括立方体氮化硼(CBN)复合片被用于其他类型的刀具。参考图1，PCD刀具100一般包括PCD切割台110及连接PCD切割台110的基材150。所述PCD切割台110的厚度约为0.1英寸（2.5毫米）；但是厚度可根据要使用PCD切割台110的应用而变化。

所述基材150包括顶表面152，底表面154及基材外壁156，所述基材外壁156从顶表面152的边缘延伸至底表面154的边缘。PCD切割台110包括切割面112，对立面114，以及从切割面112边缘延伸至对立面114边缘的PCD切割台外壁116。所述PCD切割台110的对立面114和基材150的顶表面152连接。一般地，使用高压和高温(HPHT)压制机来连接PCD切割台110和基材150。但是，也可以用本领域技术人员已知的其他方法来连接PCD切割台110和基材150。在一个实施方式中，在将PCD切割台110与基材150连接时，PCD切割台110的切割面112基本上平行于基材的底表面154。此外，说明了PDC刀具100是正圆柱形状；但是，在其他实施方式中，PDC刀具100被制成其他几何的或非几何形状。在某些实施方式中，对立面114和顶表面152基本上是平面的；但是，在其他实施方式中，对立面114和顶表面152可以是非平面的。此外，根据一些示例性的实施方式，至少沿PCD切割台110的边缘形成斜角（未显示）。

根据一个例子，所述PDC刀具100是分别通过形成PCD切割台110和基材150，然后将PCD切割台110和基材150结合而形成的。或者，首先形成基材150，然后通过将聚晶金刚石粉末放在顶表面152上并使聚晶金刚石粉末和基材150经受高温高压过程，在基材150的顶表面152上形成PCD切割台110。或者，基材150和PCD切割台110大约是在相同的时间形成并结合在一起的。虽然已简略地提及一些形成PDC刀具100的方法，但是也可以使用本领域一般技术人员已知的其他方法。

根据形成PDC刀具100的一般例子，通过在压制机内将金刚石粉末层和碳化钨及钴粉末的混合物置于HPHT条件下以形成PCD切割台110并与基材150结合。所述HPHT条件一般是压力等于或大于55千巴，温度等于或大于1300摄氏度。所述钴一般与碳化钨混合并置于基材150形成处。将金刚石粉末放在钴和碳化钨混合物的顶部并置于PCD切割台110形成处。然后，全部粉末混合物在压制机内经受HPHT条件，使得钴液化并促进碳化钨粘接或粘合以形成基材150。液化的钴还从基材150扩散或渗透入金刚石粉末中并起了合成金刚石与形成PCD切割台110的催化剂的作用。在金刚石粉末烧结过程期间，金刚石粉末中的碳溶解到液化的钴中，接着再次沉淀以产生金刚石-金刚石结合，然后形成PCD切割台110。所述钴同时用作粘合剂以粘接碳化钨并作为催化剂/溶剂以烧结金刚石粉末来形成金刚石-金刚石结合物。所述钴还促进形成PCD切割台110和粘接的碳化钨基材150之间的强结合。该传统的方法（其中催化剂/溶剂，例如钴液化，然后用液化的催化剂/溶剂将金刚石粉末完全地烧结）被定义为液相压力辅助烧结法。在压制机内，催化剂/溶剂处于液相中约60%或更长的时间。