Pcd元件及其制造方法
【技术领域】
[0001] 本发明总体设及钻头及其它地面接合产品中使用的聚晶金刚石元件领域。
【背景技术】
[0002] 为改善钻头等钻地工具上切削元件的性能，切削元件的一个或多个磨耗表面或作 业表面由附接至基底的聚晶金刚石复合片（roc)形式的一层聚晶金刚石（PCD)制成。运层 PCD经常被称为"金刚石台"或"金刚石冠"。PCD层的常见基底为烧结碳化鹤。虽然PDC很 硬，抗磨损能力强，但通常相对较脆。基底通常为钻固结碳化鹤合金，虽然不如PDC硬，但初 性更强，因而具有更好的抗冲击性。结合至初性基底的硬台的复合结构适用于钻孔和其它 井下应用。
[0003] 对于许多磨耗性应用来说，立方氮化棚（CBN)是PCD的适合替代物，因此，除非另 有说明，否则文中提到的聚晶金刚石或PCD和聚晶金刚石复合片或PDC，同样也指CBN和由 CBN制成的复合片。
[0004] 聚晶金刚石复合片通过W下方法制成：将被称为"金刚石磨粒"的粉状聚晶金刚石 颗粒与一种或多种粉状金属催化剂和其它材料混合，将混合物成形为复合片，再在高溫高 压下烧结。金属催化剂促进相邻金刚石颗粒之间形成金刚石对金刚石的结合。虽然钻或钻 合金是最常见的催化剂，但第VIII族的其它金属，如儀、铁及其合金也可W用作催化剂。烧 结过程产生结合金刚石催化剂台或主体，其被描述为在金刚石颗粒之间具有填隙空位或空 间的连续、接触或一体的金刚石基质（matrix)或晶格。所述填隙空位至少部分用金属催化 剂填充。
[0005] 对于具有烧结碳化金属基底的切削器或其它磨耗元件，尤其是井下工具中使用的 元件来说，PDC-般是通过将靠近诸如碳化鹤等金属碳化物基底材料的金刚石磨粒和金属 催化剂填充在模具中形成。之后，通过向模具施加高溫高压烧结PDC材料。基底材料中的 金属催化剂一般为钻或钻合金，在烧结过程中，金属催化剂扫掠（sweep)进入并渗入金刚 石磨粒中。金属催化剂增强金刚石颗粒之间的结合，同时还在单个步骤中将得到的PDC结 合至基底。
[0006] PDC和基底的复合物可W用许多不同的方式制成。所述复合物可W包括过渡层，在 过渡层中，金属碳化物和金刚石与其它元素混合，W增强结合并减少PDC和基底之间的应 力。除非另有说明，否则本文中提到的金属碳化物基底包括具有过渡层的基底。
[0007] 由于金刚石基质中存在催化剂金属，烧结的PCD呈现出热不稳定性。金属催化剂 与金刚石相比具有更大的膨胀系数。在使用切削器时，刚性金刚石结构的填隙空间内包含 的催化剂的热膨胀可能导致结构破裂，损害台的结构整体性。残留的金属催化剂也可能导 致PDC内的金刚石晶体开始石墨化，运会弱化PCD结构。
[000引为了提高PDC的热稳定性，大比例，通常为50 %W上，经常为70 % -85 %，也可能是 更高比例的催化剂至少从靠近经受由摩擦导致的最高溫度的一个或多个作业面的金刚石 结构的区域移除。
[0009] 所述金属催化剂通过浸出过程移除。所述浸出过程包括：将PDC置于强酸中，所 述强酸的实例包括硝酸、氨氣酸、盐酸或高氯酸及它们的组合。在一些情况下，可W加热并 /或揽动所述酸混合物，W加速浸出过程。在任何情况下，所述浸出过程都可W将催化剂金 属，如钻，转化为能够通过水性介质，即酸，从金刚石台移除的可溶性盐。
[0010] 移除钻会降低PDC的初度，从而降低其抗冲击性。浸出也可W移除将台粘合或结 合至基底的台/基底界面附近的一些钻，从而影响基底和/或基底与金刚石界面接合的强 度或整体性。为了优化切削器的结构完整性，只从距PDC的一个或多个作业表面测量的一 定深度或距离处的PDC移除催化剂。例如，钻头切削元件的作业表面是设计或旨在用于接 合岩层的切削器表面。对于PDC切削器，其通常为金刚石冠或台的上表面、至少一部分侧表 面、W及上表面和侧表面之间的斜边、倒圆过渡或适形过渡（如果有的话）。一般地，只有 PDC的上作业表面暴露于浸出浴。可W使用罩和封条保护基底免受酸的影响。浸出深度取 决于金刚石材料的微结构、使用的浸出溶液W及浸出时间。
[0011] 用于浸出的酸可能毒性很大，浸出过程可能需要很多个小时至很多个星期来浸出 切削器。浸出过程需要由经过训练的操作者仔细处理材料W及复杂的设备，运些大大增加 了生产切削器的成本。
【发明内容】
[0012] 经高压高溫处理生产的烧结金刚石复合片一般包含残留在颗粒间的催化剂材料， 运在工作条件下会损害复合片的结构完整性。用兼容性更强的材料移除或替换催化剂材料 可W扩大金刚石复合片的工作溫度范围，并大大降低加工成本。本发明使用金属溶剂溶解 金刚石复合片中的固体催化剂。使用溶剂金属可W既环保且毒性低。
[0013] 本发明的一方面，一种具有填隙空间的固结金刚石复合片包括复合片第一部分和 复合片第二部分，所述复合片第一部分在填隙空间中具有催化剂金属，所述复合片第二部 分在填隙空间中具有溶剂金属。
[0014] 在本发明的另一可选方面，一种用于地面接合工具的切削器包括基底，其结合至 具有填隙空间的金刚石台，其中，所述填隙空间的至少一部分由溶剂金属占据。
[0015] 在本发明的另一可选方面，一种处理烧结金刚石的方法包括加热溶剂金属，W及 用所述溶剂金属浸泡所述烧结金刚石的至少一部分。
[0016] 在本发明的一些实施方式中，金刚石中的残留催化剂是钻，所述钻被填隙空间 中的溶剂金属，如嫁、锡和/或其它金属溶解。在一些实施方式中，溶剂金属被加热至 600°c-75(rc之间，优选超过650°C。可W在真空或惰性气体环境中加热溶剂金属。当在 真空或惰性气体环境中完成加热时，在将金刚石复合片暴露于溶剂金属之前，所述溶剂金 属可W加热至高达1500°C的溫度。在一些实施方式中，金刚石复合片和/或切削器用诸如 铜、嫁、锡、嫁铜锡合金或其它元素或合金材料处理，W改善溶解过程。
[0017] 在一些实施方式中，填隙空间内的钻被移除或体积被减少。在一些实施方式中，钻 至少部分被溶剂金属替换，从而在金刚石经处理的部分中，催化剂的重量小于溶剂。在一些 实施方式中，钻至少部分被溶剂金属置换或替换，且在金刚石经处理的部分中，催化剂占据 的体积小于溶剂。在一些实施方式中，钻至少部分被溶剂金属替换，且在金刚石经处理的部 分中，催化剂占据的体积小于催化剂和溶剂体积的25%。
[0018] 烧结后，留在烧结聚晶金刚石（PCD)结构中的金属催化剂从所述结构的至少一部 分，如靠近其一个或多个作业表面的部分，通过用溶剂金属移除和替换来移除，所述溶剂金 属烙点低于金属催化剂，且优选低于最终产物的操作溫度。在一些实施方式中，溶剂为选自 由嫁、铜、锡构成的组的一种或多种金属。
[0019] 运种靠近PCD结构的作业表面的金属催化剂至少部分被溶剂金属替换的PCD结构 具有改善的热稳定性。即使溶剂金属的热膨胀系数不同于烧结PCD，液相溶剂金属也不会向 烧结PCD基质施加膨胀力或压力，从而避免PCD结构内产生可W导致破裂的应力。嫁、锡和 铜不能与碳溶混，不会加重金刚石的石墨化。
[0020] 移除并用烙点更低的溶剂金属替换PCD结构内金属催化剂的方法的典型实例包 括：用烙点低于金属催化剂的溶剂金属将金属催化剂溶剂化或溶解，W及一旦溶入金属溶 剂，允许金属催化剂扩散至浴内且允许溶剂金属扩散至金刚石台内，从而实现催化剂从PCD 结构中移除并用溶剂金属替换催化剂。用于溶解或溶剂化诸如钻和钻合金的金属催化剂的 具有更低烙点的金属实例包括：嫁、铜、锡、钢、钢、巧、铅、儒、祕、针、钟、隶及它们的合金。
[0021] 包括烧结PCD结构的磨耗结构的典型实例包括用于钻头或包括碳化鹤基底的较 刀（reamer)的切削器，所述烧结PCD结构至少包括靠近包含烙点低于用于烧结PCD的催化 剂的金属的PCD表面的区域。
[0022] 用于浸出催化剂的酸不是金属基酸，且通常包含氣、氯、硫、氮。在溶解催化剂时， 运些酸没有留在填隙空间内的残留金属成分。对于本发明的目的来说，置换催化剂是指移 除催化剂并使其远离填隙空间扩散。对于本发明的目的来说，替换催化剂是指移除催化剂 并使其远离填隙空间扩散，并在填隙空间内催化剂的位置移入溶剂分子。
【附图说明】
[002引图1为PDC刮刀钻头的立体图。
[0024] 图2A为PDC切削器的立体图。
[00巧]图2B为PDC切削器的侧视图。
[0026] 图2C为PDC切削器的端视图。
[0027] 图3为部分PCD的截面视图，其中填隙空间中具有催化剂。
[0028] 图4为图3所示PCD内催化剂溶解的示意图。
[0029] 图5为图3所示PCD的一部分的截面视图，其中填隙空间中具有催化剂和溶剂。
[0030] 图6为具有催化剂和溶剂的切削器的截面视图。
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