带有增强附着区域的超硬研磨材料、其形成方法和应用
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种超硬研磨体，例如热稳定多晶金刚石(TSP)体，其具有含有碳化钨颗粒的增强附着区域，所述碳化钨颗粒是例如共晶碳化钨颗粒，用于所述TSP体与连接材料相连，所述连接材料是例如冶金连接材料。本发明进一步涉及一种超硬研磨元件，其含有通过碳化钨颗粒和连接材料附着于基材上的所述超硬研磨体。本发明的其他方面还涉及一种包含所述超硬研磨元件的工业设备，例如掘进机钻头或机床。本发明的实施例进一步涉及上述任意超硬研磨体、超硬研磨元件和工业设备的形成方法和应用。
【背景技术】
[0002]各种工业设备的部件经常遭受极端情况，如与研磨表面的高冲击接触。例如，一般为石油开采或采矿目的而在地下钻孔时遭受所述极端情况。金刚石，由于其非常卓越的耐磨性能，是土壤钻孔和部件遭受极端情况的类似工作最有效的材料。金刚石异常坚硬，能从与研磨表面的接触点导出热量，并提供在所述情况下其他的益处。
[0003]由于多晶形式的金刚石中金刚石晶体的随机分布，避免了在单晶金刚石晶体中发现的特别解离面，多晶形式的金刚石比单晶金刚石具有更好的韧性。因此，在许多钻孔应用或其他极端情况中，多晶金刚石常常是优选的金刚石形式。在这些情况下，如果表面层是由金刚石制成，典型的由多晶金刚石(PCD)压实体形式，或其他超硬耐磨材料制成，则设备元件具有较长的使用寿命。
[0004]在苛刻条件下使用的元件可包含与基材结合的P⑶层。传统P⑶的制造工艺非常费力和昂贵。所述工艺涉及相当于直接在碳化物基材上直接“生长”多晶金刚石，以形成多晶金刚石合成压实体。所述工艺包括将粘结的碳化物块和金刚石颗粒与催化粘结剂相混合并放入压制容器中，使用超高压和超高温条件对其进行循环压制。所述超高温和超高压是小金刚石晶粒形成完整的多晶金刚石体所必需的。得到的多晶金刚石体与碳化物块紧密结合，产生复合压实体为与碳化物基材紧密结合的多晶金刚石层的形式。
[0005]钴和其他金属催化剂/粘结剂体系促进了多晶金刚石的生长。在晶体生长完成后，所述催化剂/粘结剂残留在多晶金刚石体的孔隙中。钴或其他金属催化剂/粘结剂具有比金刚石更大的热膨胀系数。这样，当复合PCD被加热时，例如，在将碳化物部分附着于另一材料上的钎焊过程中，钻孔过程中，所述金属催化剂/粘结剂比金刚石更快速地膨胀。因此，当PCD遭受高于临界水平的温度时，所述膨胀的催化剂/粘结剂会在PCD内部产生压力，会出现贯穿所述多晶金刚石结构的裂纹。这些裂纹使PCD变弱并最终导致其损坏或失效。含有催化剂/粘结剂的PCD通常在高于750°C的温度下不是热稳定的，由于所述粘结剂/催化剂的热膨胀可能出现性能变差，而且会在最低达500°C的温度下的石墨化或氧化造成金刚石的反向转化。
[0006]当基材材料，例如碳化钨，混合到P⑶层中时，类似的问题已经被报道。例如，U.S.4，604，106报道了甚至在P⑶层和基材(P⑶层形成于所述基材之上)之间存在包含碳化物的过渡层时，也会出现裂纹。
[0007]由于这些或其他影响，通常将催化剂从PCD层的一部分除去，特别是接近工作表面的部分。除去催化剂的P⑶通常可在高达1200°c左右的温度具有热稳定性。
[0008]尽管使用其他可选酸或电解质和液态金属技术的工艺也存在，但是除去催化剂最常用的工艺是使用强酸浴。通常来讲，使用一种酸基方法从P⑶层中除去催化剂被称为溶浸。酸基溶浸通常首先发生在PCD层的外表面并向内进行。因此，传统的包含溶浸PCD层的元件经常表现出的特性为从其表面溶浸至一定深度。大部分催化剂被从中溶浸出的PCD，包括PCD层区域，被称为TSPo现有溶浸方法的例子由U.S.4，224，380、U.S.7，712，553、U.S.6，544，308、U.S.20060060392和相关专利或申请提供。
[0009]酸溶浸的溶浸也必须被控制，以避免基材之间或基材与金刚石层之间界面与用于溶浸的酸相接触。酸充分溶浸的多晶金刚石可使耐久性小得多的基材的严重地退化。对于基材的损伤会破坏PCD元件的物理完整性，可能在使用时造成其开裂、散开或遭受其他物理失效，也可能引起其他损伤。此外，从基材和PCD层的界面除去Co会削弱PCD层和基材之间的结合，也会导致PCD元件在使用过程中的失效。
[0010]对于含P⑶层的元件溶浸时谨慎控制的需要，严重增加了 P⑶制造的复杂性、时间和费用。此外，通常对于PCD元件的溶浸都是成批地进行。确保适度溶浸的检测可以是破坏性的或非破坏性的。破坏性测试进一步增加了 PCD元件制造的成本。
[0011]已经尝试通过单独地溶浸P⑶层来避免溶浸完全形成的元件出现的问题，然后将其附着于基材上。但是，这些尝试未能制造出可用的元件。特别地，将PCD层附着于基材上的方法在实际使用时未成功，会使得PCD层滑移或分离。例如，使用钎焊方法生产的元件，如在 U.S.4，850，523、U.S.7，487，849、U.S.6，054，693 和 SPE 90845 “用于钻头的热稳定多晶金刚石刀具”和相关专利、申请或出版物中所描述的，或机械锁定方法如在U.S.7，533，740或U.S.4，629，373和相关专利或申请中所描述的，都容易失败。
[0012]将P⑶层与预成型基材相连接的其他方法在U.S.7，845，438中被描述，但需要熔融基材上已经存在的材料并用所述材料对PCD层进行渗透。
[0013]在其他的方法中，通过使用粘结材料对整个钻头和至少部分PCD层进行渗透，使溶浸的PCD层被直接附着于钻头的测量区域。虽然这些方法适合将PCD附着于测量区域，这里在钻头的使用寿命内它不需要被移除，这些方法不适合将PCD层置于钻头的切割区域，这里PCD是需要替换和旋转的，以提供常规的钻头寿命。
[0014]使用其他的方法，PCD元件，通常相当于集成，被合并入钻头的外表部分。集成通常用金属涂覆，例如镍(Ni)。集成涂层可提供多种益处，例如在高温下对金刚石的保护和改善与钻头基质的结合。
[0015]某些方法尝试通过以下做法解决所述问题:首先在压力循环中使用无催化性的烧结助剂形成颗粒与颗粒相结合的研磨颗粒压实体，除去该烧结助剂的金属副产物以形成空隙网络，然后将这些空隙用无催化性烧结助剂的碳化物副产物填充，以形成实心体。所述实心体随后在第二次压力循环过程中，通过颗粒和碳化物副产物与基材的结合被附着于基材上。与如上述的其他附着方法类似，该方法在获得稳定的附着上也遭遇技术困难。
[0016]因此，存在对于包括可旋转或可替换元件的需求，所述元件需要具有充分良好附着于基底或基材上的溶浸PCD层，例如TSP体，其允许元件在例如掘进机钻头切割元件所遭受的高温条件下使用。
[0017]概述
[0018]根据一个实施方式，本发明提供了一种超硬研磨体，其包含具有顶部区域和增强附着区域的TSP体，其中所述增强附着区域包含占所述增强附着区域总体积的至少30体积％的碳化钨颗粒。
[0019]根据另一实施方式，本发明提供一种超硬研磨元件，其包含具有顶部区域和增强附着区域的TSP体，其中所述增强附着区域包含占所述增强附着区域总体积的至少30体积％的碳化钨颗粒，所述TSP体附着的基材，和设置于基材内部以及所述TSP体的增强附着区域的碳化