[发明专利]聚晶金刚石复合片、其制造方法和各种应用

说明书

相关申请的交叉引用

本专利申请是优先权日为2010年1月21日、发明名称为“聚晶金刚石复合片、其制造方法和各种应用”的中国发明专利申请第201080061915.3号(国际专利申请号为PCT/US2010/059619)的分案申请。

本申请要求在2010年1月21日提交的美国专利申请No.12/690,998的优先权，通过引用将其整体并入本文。

技术领域

本发明涉及聚晶金刚石复合片领域。

背景技术

耐磨的超硬磨料复合片被用于各种机械应用中。例如，聚晶金刚石复合片(“PDC”)(polycrystallinediamondcompact)被用于钻具(例如，切削元件、修孔器等)、机加工设备、轴承装置、拉丝机具和其它的机械装置中。

PDC已得到特殊应用，作为在旋转钻头(如牙轮钻头和固定切削刃钻头)中的超硬磨料切削元件。PDC切削元件通常包括常被称为金刚石台的超硬磨料金刚石层。可使用高压、高温(“HPHT”)工艺形成金刚石台并将其与基底接合。PDC切削元件也可被直接钎焊到在旋转钻头的钻头本体内形成的预制的凹部、槽口或其它容座中。基底常常可被钎焊或以另外方式连接到附加部件，例如柱型背衬。旋转钻头通常包括固定于钻头本体上的若干PDC切削元件。还可使用承载PDC的栓钉作为PDC切削元件，这时通过压力配合、钎焊或其它的方式将栓钉(stud)固定于在钻头本体中形成的容座内来将其安装到旋转钻头的钻头本体上。

一般通过如下方式来制造常规的PDC：将烧结碳化物基底放入具有大量金刚石颗粒的容器内，所述金刚石颗粒被置于所述烧结碳化物基底邻近。可以将若干这种容器(cartridge)装载到HPHT压机中。然后在HPHT条件下在催化剂材料的存在下处理所述基底和所述大量金刚石颗粒，所述催化剂材料引起金刚石颗粒相互接合从而形成接合的金刚石晶粒的基质，其限定出与基底接合的聚晶金刚石(“PCD”)台。催化剂材料通常是被用于促进金刚石颗粒的交互生长的金属溶剂催化剂(例如，钴、镍、铁、或其合金)。例如，在HPHT过程期间，烧结碳化物基底的组分(例如来自钴烧结的碳化钨基底的钴)液化并从所述大量金刚石颗粒邻近的区域扫掠(sweep)到金刚石颗粒之间的间隙区域中。钴充当催化剂从而促进金刚石颗粒之间的交互生长，这导致形成接合的金刚石晶粒。

由于PCD台和烧结碳化物基底之间的不同热膨胀系数和弹性模量，可能在PCD台和烧结碳化物基底的不同区域内形成变化幅度的残余应力。这样的残余应力可在冷却以及从HPHT过程释放压力之后保留在PCD台和烧结碳化物基底中。这些复杂应力可集中在PCD台/基底界面附近。在PCD台和烧结碳化物基底之间的界面处的残余应力可导致在冷却时或在随后于热应力和外加力下使用期间PDC的过早失效。

为了帮助减少PCD台从烧结碳化物基底的分离(de-bonding)，一些PDC设计者已使得接合至PCD台的烧结碳化物基底的界面表面非常不平坦。例如，已建议和/或使用各种非平坦的基底界面表面，诸如多个间隔的突起物、蜂窝型突起物图案和各种其它构造。

发明内容

本发明的实施方案涉及表现出增强的金刚石与金刚石接合的PCD。在一种实施方案中，PCD包括多个金刚石晶粒，所述多个金刚石晶粒限定出多个间隙区域。金属溶剂催化剂占据所述多个间隙区域的至少一部分。所述多个金刚石晶粒和金属溶剂催化剂共同可表现出约115奥斯特(Oe)以上的矫顽力和约15高斯·cm³/克(“G·cm³/g”)以下的比磁饱和。

在一种实施方案中，PCD包括多个金刚石晶粒，所述多个金刚石晶粒限定出多个间隙区域。金属溶剂催化剂占据所述多个间隙区域。所述多个金刚石晶粒和金属溶剂催化剂共同可表现出约15G·cm³/g以下的比磁饱和。所述多个金刚石晶粒和金属溶剂催化剂限定出至少约0.050cm³的体积。

在一种实施方案中，制造PCD的方法包括：将表现出约30微米以下的平均颗粒尺寸的多个金刚石颗粒和金属溶剂催化剂包封在压力传递介质中，以便形成单元组件。该方法进一步包括使该单元组件经受至少约1000℃的温度和至少约7.5GPa的压力传递介质中的压力，以便形成PCD。