多晶超硬材料和其制备方法
【技术领域】
[0001]本发明主要涉及一种用作例如在石油和天然气产业中用于钻井的切割器或用于机械工具的刀片(insert)的多晶超硬材料体，以及其制备方法。
【背景技术】
[0002]已认识到具有成形的拓扑结构的切割表面的切割器和机械工具切割刀片可能在各种应用中有利，同时表面特征在使用中益于转移，例如肩(chip)从由切割器或机械工具加工的工作表面转移，和/或在某些情况中用作断肩器(chip breaker) ο并且，与平面切割工具几何结构相比，这些表面拓扑结构可产生明确更好的表面光洁度(surface finishquality)。然而，通常在这些应用中用作切割元件或刀片的材料如P⑶或PCBN的高硬度和耐磨性，使得要加工可用作例如断肩器或用于转移使用中产生的碎肩的具有期望表面拓扑结构特征的这些材料非常困难和昂贵。
[0003]美国专利号6，106，585公开了一种制作切割元件的方法，其包括通过将大量磨料晶体金刚石或CBN和与磨料晶体接触的大量催化剂金属放入作为防护板金属外壳的小室(cell)或罐子(can)中形成复合块，其中该罐子内部的上表面预形成有凹痕。凹痕表面提供用于在该层上表面形成特征的图案，该特征起到断肩器特征的作用。
[0004]需要提供多晶材料超硬主体如用于切割的刀片或具有有效性能的机械工具，和提供用于制作用作这些切割器或刀片的多晶材料体的更有效方法。
【发明内容】
[0005]从第一方面看，提供一种制作多晶超硬材料体的方法，包括:
[0006]将超硬材料颗粒聚集块放入罐体(canister)中，
[0007]放入与超硬材料颗粒聚集块直接接触或与其间接接触的由陶瓷材料形成的陶瓷层，其中该陶瓷层通过材料中间层与颗粒隔开，该陶瓷层的表面具有表面拓扑结构，该表面拓扑结构在超硬材料颗粒聚集块中压印与表面拓扑材料互补的图案，陶瓷材料和其中存在的中间层材料使得它们不会与超硬材料和/或超硬材料颗粒的烧结催化剂材料发生化学反应；该方法还包括:
[0008]在存在用于超硬材料颗粒的烧结催化剂材料时，且在足以熔化催化剂材料的足够高的温度下，对超硬材料颗粒聚集块和陶瓷层施加大于约5.5GPa的压力；
[0009]烧结颗粒，以形成具有与陶瓷层表面拓扑结构互补的表面拓扑结构的多晶超硬材料体；以及
[0010]从多晶材料体移除该陶瓷层以及如果有的话移除所述中间层。
[0011]如上所述，陶瓷材料可与金刚石材料颗粒直接接触或通过材料的其他层与金刚石材料颗粒分离，所述材料的其它层用作在烧结后帮助从多晶材料移除陶瓷材料。
[0012]该中间层可包含在陶瓷层上的涂层。
[0013]在多晶超硬材料体用作例如用于石油和天然气产业中钻孔的切割器的实施方案中，表面拓扑结构可用于将岩石或泥土从切割器所附接的钻头引离或转移。可替换地或另外地，当多晶超硬材料体用作例如加工工件的切割器或用作用于机械工具的刀片时，该表面拓扑结构可作为适于控制形成的肩的大小和形状的方面的断肩器。这种拓扑结构可包括形成在刀片的把(rake)表面上的凹陷和/或突出特征，如径向的或外围的脊部和槽部。
[0014]本发明设想了用于切割器结构和刀片的多种实例设置或组合。该切割器结构可包含天然的或合成的金刚石材料或cBN材料。金刚石材料的实例包括多晶金刚石(PCD)材料、热稳定性PCD材料、单晶金刚石材料、通过化学气相沉积(CVD)方法制备的金刚石材料或碳化硅结合的金刚石。cBN材料的实例是多晶立方氮化硼(PCBN)。
[0015]从进一步的方面看，提供了在第一表面上具有表面拓扑结构的多晶超硬材料体，该第一表面基本没有来自多晶超硬材料体形成中使用的罐体的材料。
[0016]所公开的实施例方法相对来说不复杂和或更经济有效，并且公开的实施例的刀片和切割器结构具有增强的机械加工或切割性能。
【附图说明】
[0017]现参考附图来描述实施方案，其中:
[0018]图1是具有在多晶超硬材料体和与其附接的基底之间的平面界面的第一切割器结构的示意横截面图；以及
[0019]图2是其中生成的表面拓扑结构是多晶超硬材料体表面周围的倒角形式的第二切割器结构的示意横截面图。
[0020]附图中使用的相同标号指代共同的特征。
【具体实施方式】
[0021]图1和2示出使用时可附接到用于石油和天然气钻孔操作的钻头(未示出)的切割器结构。该切割器结构I包括沿界面3结合至基底4如碳化钨基底的P⑶或PCBN层2。图1中，PCD或PCBN层2具有非平面的表面拓扑结构8的自由表面6。图2中示出的切割器结构与图1中示出的结构不同，因为该表面拓扑结构设置为在其自由表面的PCD层的外周边缘周围形成倒角9。
[0022]图1和2中示出陶瓷冲头(punch) 10，其按压在P⑶或PCBN层2的自由表面上，该冲头10具有与PCD或PCBN层2的自由表面对应的表面拓扑结构12。
[0023]现将简要地解释本文中使用的某些术语和概念。
[0024]本文中使用的“超硬(superhard) ”或超级硬(ultra-hard)材料的维氏硬度(Vickers hardness)为至少约25GPa。合成的和天然的金刚石、多晶金刚石(PO))、立方氮化硼(cBN)和多晶cBN(PCBN)材料是超硬材料的实例。合成金刚石又称为人造金刚石，是已制造的金刚石材料。P⑶结构包括或主要由P⑶材料组成，PCBN结构包括或主要由PCBN材料组成。超硬材料的其它实例包括包含通过含有陶瓷材料如碳化硅(SiC)的基质或硬质合金材料如钴结合的WC材料(例如，如美国专利号5，453，105或6，919，040中所描述的)保持在一起的金刚石或cBN颗粒的某些复合物材料。例如，某些SiC结合的金刚石材料可包含至少约分散于SiC基质(其可含有少量的除SiC以外形式的Si)中的30体积百分比的金刚石颗粒。SiC结合的金刚石材料的实例在美国专利号7，008，672、6，709，747、6，179，886、6，447，852以及国际申请公布号W02009/013713中有描述。
[0025]本文中使用的多晶金刚石(PCD)材料包含大量的金刚石颗粒(多个金刚石颗粒聚集块)，其主要部分直接相互结合，且其中金刚石含量为材料的至少约80体积百分比。金刚石颗粒之间的间隙可利用包含用于合成金刚石的催化剂材料的粘合剂材料至少部分地填充，或其可基本上是空的。
[0026]在合成的或天然的金刚石的热力学稳定性更高于石墨的温度和压力下，用于合成金刚石的催化剂材料能促进合成金刚石颗粒的生长和或合成的或天然的金刚石颗粒的直接相互生长。用于金刚石的催化剂材料的实例是Fe、N1、Co和Mn以及包括这些的某些合金。包含PCD材料的主体可至少包括将催化剂材料从间隙移除的区域，金刚石颗粒之间留有间隙空位。
[0027]PCBN材料包括分散在含有金属或陶瓷材料的基质之内的立方氮化硼(cBN)颗粒。例如，PCBN材料可包含分散在含有含Ti化合物如碳化钛、氮化钛、碳氮化钛和/或含铝化合物如氮化铝和/或含金属如钴和/或钨的化合物的基质材料中的至少约35体积百分比或至少约50体积百分比的cBN颗粒。一些版本(vers1n)(或“等级”)的PCBN材料可包含至少约80体积百分比或甚至至少约90体积百分比的cBN颗粒。
[0028]热稳定性的P⑶材料包含至少一部分或一定量，其在暴露于约400摄氏度以上或甚至约700摄氏度以上的温度之后，其硬度或耐磨性基本没有发生结构劣化或变质。例如，含有用于金刚石的小于约2重量百分比的催化剂金属如以催化活性形式(例如，元素形式)的Co、Fe、N1、Mn的PCD材料可以是热稳定性的。基本不含催化活性形式的催化剂材料的PCD材料是热稳定性PCD的实例。例如，其中间隙基本是空的或至少部分填充有陶瓷材料如SiC或盐材料如碳酸盐化合物的PCD材料是热稳定性的。至少具有显著区域的PCD结构被描述为是热稳定性PCD，用于金刚石的催化剂材料从该显著区域耗尽，或在该显著区域中催化剂材料以与催化剂具有相对较小活性形式。
[0029]如上解释的，可通过在存在适合的粘合剂或催化剂材料时将多个金刚石或cBN颗粒分别烧结至基底，