多晶金刚石结构及其制造方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种超硬结构及这种结构的制造方法，特别但非排除地涉及这样的结 构：其包含附接到基底上的多晶金刚石（PCD)，以及包含该多晶金刚石的工具，特别但非排 除地用于岩石的切削或钻孔，或用于石油及天然气工业中在地面钻孔。
【背景技术】
[0002] 多晶金刚石（PCD)是一种超硬材料（也称为超硬磨料）的示例，其包含大量实质 上互生的（inter-grown)金刚石颗粒，形成了限定金刚石颗粒之间间隙的像骨骼一样的 块。PCD材料典型地包含至少大约80%体积的金刚石以及按照惯例通过使聚合的大量金刚 石颗粒经受大于大约5GPa的超高压以及至少为大约1200°C的温度下形成。全部或部分地 填充所述空隙的材料可被称为填充材料或粘接材料。
[0003]PCD典型地形成于燃烧助剂存在的情况下，诸如钴，其提升了金刚石颗粒的互生 性。用于PCD的适当的燃烧助剂由于其在一定程度上溶解金刚石并催化其重新沉淀的性 能，通常还被称为金刚石的溶解催化剂材料。用于金刚石的溶解催化剂被理解为一种能够 促进金刚石的生长或在金刚石在热力学上稳定的状态的压力和温度下的金刚石颗粒之间 促进金刚石与金刚石的直接互生的材料。因此，烧制的PCD产品之间的间隙可以完全地或 部分地以残留的溶解催化剂材料填充。最典型地，PCD常在钴钨硬质合金基底上形成，其提 供了用于PCD的钴溶解催化剂源。没有促进金刚石颗粒之间的基本相干共生的材料本身可 以形成带有金刚石颗粒的强劲的粘接剂，但不是用于PCD烧结的适当溶液催化剂。
[0004]可以用于形成适当的基底的烧结的钨硬质合金由散布在钴基质中的碳化物粒子 形成，该钴基质通过将钨硬质合金粒子/颗粒以及钴混合在一起然后加热凝固形成。为形 成具有超硬材料层（诸如PCD或PCBN)的切割元件，金刚石粒子或颗粒或CBN颗粒与烧结 的钨硬质合金主体相邻在耐熔的并经受了高压和高温的金属外壳（诸如铌外壳）中设置， 以使金刚石颗粒或CBN颗粒之间的颗粒间粘接出现，形成多晶的超硬金刚石或多晶CBN层。
[0005]在一些情况下，该基底可以在附接到极硬的材料层之前被完全固化，反之在其他 情况下，该基底可以为未固化的，即未完全固化的。在后一种情况下，该基底可以在HTHP烧 结过程中被完全固化。该基底可以为粉末形式并可以在用于烧结极硬材料层的烧结过程中 被固化。
[0006]PCD材料可以被用作研磨坯块，其可以为用于切割、加工、碾轧、研磨、钻探或降解 硬材料或研磨材料，诸如岩石、金属、陶瓷、复合材料以及含木的材料。举例来说，包含PCD 材料的工具插入部可以广泛地用于钻头中，该钻头被用于在石油或天然气工业中在地面钻 孔。超硬工具插入部的使用寿命可以由超硬材料的断裂限制，包括工具插入部的散裂或剥 片或磨损。
[0007]在许多这些应用方式中，P⑶材料的温度可以随着其与岩石或其他工件或主体结 合而提高。PCD材料的机械性能（诸如耐磨性、硬度以及强度）在升高的温度上趋于恶化， 其可以通过PCD材料的主体中的剩余催化剂材料提升。
[0008] 随着对地面钻孔领域的改善生产力的需求提高，对切割岩石的材料提出了更高的 要求。尤其是，提高了抗磨损性和抗冲击性的PCD材料需要实现更快的切割率和更长的工 具寿命。
[0009] 包含P⑶材料的切割元件或工具插入部广泛用于在石油和天然气钻孔工业中在 地面钻孔的钻头，对岩石钻孔以及其他操作需要高的耐磨性和抗冲击性。限定了多晶金刚 石（PCD)磨料刀具的成功的因素中的一个是由于PCD和工作材料之间的摩擦而产生的热 量。这个热量导致了金刚石层的热降解。该热降解通过PCD层的增加的破裂和散裂以及引 发增加的磨损的用石墨涂覆的金刚石的后转化增加了刀具的磨损率。
[0010] 当PCD材料的主体用作诸如以上提到的工具中的研磨料坯块时，因为允许其中设 置研磨料坯块的切割机、钻孔或加工的扩展的应用，改进PCD材料的主体的耐磨性是可取 的。其通过操作变量典型地获得，诸如平均金刚石粒子/颗粒尺寸、全部粘合剂含量、粒子 密度等。改进PCD复合材料的耐磨性的方法常常导致复合材料的抗压性能的降低。
[0011] 举例来说，在技术领域内已知的是通过降低组成的超硬粒子的整体粒子尺寸增加 超硬复合物的耐磨性。然而，典型地，随着这些材料更具耐磨性，其变得更易碎或容易破裂。
[0012] 因此设计用于改进磨损性能的研磨料坯块易于具有更弱的冲击强度或降低的抗 裂性。这种在抗冲击性和耐磨性的特性之间的权衡使得设计优化的研磨坯块结构本身具有 自限性，尤其对于要求高的应用。
[0013] 此外，由于更精细的颗粒结构将典型地包含更多的溶剂/催化剂或金属粘合剂， 当与粗糙的颗粒结构相比时，其趋于呈现减少的热稳定性。精细的颗粒结构的最佳性能的 降低可以在实际应用中引发实质问题，其中增加的耐磨性对于优化的性能仍是需要的。
[0014] 解决这个问题的现有方法典型地具有尝试通过将在超硬研磨层中以各种方式结 合更精细的和更粗糙的超硬粒子等级性能的来达到折中的目的。
[0015] 另一种常规的解决方案是典型地通过酸浸从P⑶材料移除催化剂/溶液或粘接 相。
[0016] 从PCD台（特别是从当前应用所需要的更厚的PCD台上）上移除金属催化剂/溶 液典型地是极其困难并耗费时间的。达到可评估的浸析深度会耗费过长的时间以致其在商 业上难以实施或需要不可取的干扰（诸如对PCD台的极度的酸处理或物理钻孔）。
[0017] 可以进一步领会的是，随着表面特征有利地在使用中被转移，切削器和具有拓 扑形状的切割表面的机械工具切割插入部在各种应用中是有利的，举例来说，工作表面 上的缺口可以通过所述切割机或机械工具工作，和/或在一些情况下起到断肩槽（Chip breaker)的作用。同样地，这样的表面拓扑可以明确地产生与平面切割工具几何形状相比 更好的表面光洁度。然而，诸如PCD或PCBN这样的材料的极度的硬度和耐磨性典型地用做 这样应用中的切割元件或插入部，其会使以所期望使用的表面拓扑特征加工这些材料变得 非常困难和昂贵，例如，作为破肩机或在转移在使用中产生的碎片。
[0018] 存在一种需要，即提供多晶材料的超硬主体，诸如具有实际性能的用于切割的插 入部或加工工具，并提供更有效的方法，用于制造在切割机或插入部中使用的多晶材料的 主体。磨料制品（abrasivecompact)还能获取改进的耐磨性能、抗裂性能和耐冲击性能以 及形成这些复合物的方法，这些都是被高度可取的。
【发明内容】
[0019] 从第一方面看，其提供了一种包含多晶超硬材料的超硬多晶结构，包含：
[0020] 呈现粒间粘接并在其间限定多个间隙区域的大量超硬颗粒，该超硬颗粒具有相关 联的平均自由程；以及
[0021] 非超硬相至少部分地填充多个间隙区域并具有相关联的平均自由程；
[0022] 与非超硬相相关联的平均自由程的中值除以用于非超硬相的（Q3-Q1)大于或等 于0. 5,其中Q1为第一象限以及Q3为第三象限；以及
[0023] 与超硬颗粒相关联的平均自由程的中值除以用于超硬颗粒的（Q3-Q1)小于0.6;
[0024] 其中多晶超硬材料的主体具有第一表面，其具有表面拓扑，其中包含一个或多个 缺口和/或从其延伸的突起。
[0025] 从第二方面看，其提供了一种形成超硬多晶结构的方法，包含：
[0026] 提供大量超硬材料颗粒；以及
[0027] 在约5. 5GPa或更高压力的超高压下，在超硬材料比起石墨更具热力学稳定性的 温度下，在用于超硬颗粒的催化剂/溶剂材料存在的情况下处理预烧结组件，以将超硬材 料颗粒烧结在一起从而形成多晶超硬结构，该超硬颗粒呈现了粒间的粘接并在其间限定了 大量的间隙区域，非超硬相至少部分地填充大量的间隙区域。
[0028] 其中，与非超硬相相关联的平均自由程的中值除以用于非超硬相的（Q3-Q1)大于 或等于0. 50,其中Q1为与非超硬相相关联的平均自由程测量的第一象限以及Q3为与非超 硬相相关联的平均自由程测量的第三象限；以及
[0029] 与超硬颗粒相关联的平均自由程的中值除以用于超硬颗粒的（Q3-Q1)小于0. 60， 其中Q1为与超硬颗粒相关联的平均自由程测量的第一象限以及Q3为与超硬颗粒相关联的 平均自由程测量的第三象限；以及
[0030] 该方法进一步包含在多晶金刚石材料的第一表面中形成非平面表面拓扑，该表面 拓扑包含一个或多个缺口和/或从第一表面延伸的突起。
【附图说明】
[0031] 现在将参考附图通过示例的方式描述非限定性实施例，其中：
[0032] 图1为P⑶材料的主体的微结构的概要图；以及
[0033] 图2为P⑶坯块的概要图，包含粘接到基底的P⑶结构。
【具体实施方式】
[0034] 如现在所使用的，"多晶金刚石"(PCD)材料包含大量金刚石颗粒，其中实质的部分 相互直接粘接并且其中该金刚石的含量至少为材料的80%。在PCD材料的一个实施例中， 金刚石颗粒之间的间隙至少部分地由包含用于金刚石的催化剂的粘合剂材料填充。本文 所用的"间隙"或"间隙区域"是PCD材料的金刚石晶粒之间的区域。在PCD材料的实施例 中，间隙或间隙区域可以基本上或部分地由不是金刚石的材料填充，或者其可以基本是空 着的。PCD材料的实施例可以包含至少一个区域，其中催化剂材料已经从间隙中移除，留下 了金刚石颗粒之间的间隙空间。
[0035] 如此处所使用的，"P⑶结构"包含P⑶材料的主体。
[0036] 如此处使用的，"金属的"材料被理解为包含非合金的或合金的形式的金属以及其 具有金属的典型特性，诸如高导电性。
[0037] 如此处使用的，用于金刚石的"催化剂材料"还可以指代用于金刚石的溶剂/催化 剂材料，意为具有促进金刚石的生长或促进处于金刚石热稳定状态的压力和温度状况下的 金刚石颗粒之间的金刚石与金刚石的直接共生的能力的一种材料。
[0038] 填充或粘接材料被理解为意味着该材料完全地或部分地填充多晶结构之中的孔、 间隙或间隙区域。
[0039] 大量颗粒的多模尺寸分布被理解为意味着该颗粒具有超过一个峰值的尺寸分布， 每个峰值与各自的"模态"相对应。多模态多晶体可以通过提供多于一个的大量颗粒的来 源来制造，每个来源包含具有基本上不同的平均尺寸的颗粒，以及将来自该来源的颗粒或 例子混合在一起。在一个实施例中，该PCD结构可以包含具有多模分布的金刚石颗粒。
[0040] 如