多晶金刚石材料的多个主体在浸出期间的支撑结构的制作方法
【技术领域】
[0001] 本发明设及一种用于在处理过程中保持PCD材料的主体的支撑结构W及一种处 理多晶金刚石（PCD)材料的主体的方法。
【背景技术】
[0002] 用于机械加工的刀具插入件和其他工具可W包含结合到烧结碳化物基底的多晶 金刚石（PCD)层。PCD是超硬材料的示例，也被称为超研磨材料，其硬度值明显大于烧结碳 化鹤的硬度值。
[000引包含PCD的部件用于各种切削、机械加工、钻孔或敲碎诸如岩石、金属、陶瓷、复合 材料和含木材料的硬质或研磨材料的工具中。PCD包含大量基本上交互生长的金刚石颗粒， 所述金刚石颗粒形成限定金刚石颗粒间的间隙的骨骼体（skeletalmass)。PCD材料包含 占其体积至少约80%的金刚石并且可W通过使金刚石颗粒的聚集体在烧结助剂的存在下 经受大于约5GPa、典型地约5. 5GI^a的超高压力和至少约1200°C、典型地约1440°C的溫度来 制造，所述烧结助剂也被称为用于金刚石的催化剂材料。用于金刚石的催化剂材料可W理 解为是在金刚石在热力学上比石墨更稳定的压力和溫度条件下能够促进金刚石颗粒的直 接交互生长的材料。
[0004] 用于金刚石的催化剂材料的示例是钻、铁、儀和包括任何运些元素的合金的特定 合金。PCD可W在钻-烧结碳化鹤基底上形成，该基底可W为PCD提供钻催化剂材料的来 源。 阳0化]在PCD材料的主体烧结期间，诸如来自钻-烧结碳化鹤基底的钻的烧结-碳化物 基底的组分液化并从邻近大量金刚石颗粒的区域快速移动（sweep)到金刚石颗粒间的间 隙区域中。在该示例中，钻充当催化剂来促进粘结金刚石颗粒的形成。可选择地，金属-溶 剂催化剂可W在金刚石颗粒和基底经受HPHT过程之前与金刚石颗粒混合。在PCD材料内 的间隙可W至少部分地充满催化剂材料。交互生长的金刚石结构因此包含原始金刚石颗粒 和新沉淀的或重新生长的金刚石相，该金刚石相结合化ridge)原始颗粒。在最终的烧结结 构中，催化剂/溶剂材料通常会残留在烧结金刚石颗粒之间的至少一些间隙中。
[0006] 烧结PCD具有足够的耐磨性和硬度W用于蔓延性磨损、切削和钻孔应用中。然而， 具有运种类型的PCD巧块的众所周知的问题是显微结构的间隙中残留的溶剂/催化剂材料 在高溫下对巧块的性能具有不利影响，运是因为人们认为金刚石台中溶剂/催化剂的存在 会降低金刚石台在运些提高的溫度下的热稳定性。例如，金刚石颗粒和溶剂/催化剂之间 的热膨胀系数的差异被认为导致在钻孔或切削操作期间切削元件的PCD台的碎裂或破裂。 PCD台的碎裂或破裂可W降低切削元件的机械性能或导致切削元件的失效。此外，在高溫 下，金刚石颗粒可W与溶剂/催化剂进行化学分解或逆向转化化ack-conversion)。在极高 的溫度下，部分金刚石颗粒可转化为一氧化碳、二氧化碳、石墨或其组合，从而降低PCD材 料的机械性能。
[0007] 运些问题的潜在解决方案是从PCD材料中去除催化剂/溶剂或粘结相。
[000引化学浸出常用于从PCD材料的主体的间隙区域例如从邻近PCD的工作表面的区域 去除诸如钻的金属-溶剂催化剂。传统的化学浸出技术常设及诸如王水和包括氨氣酸（HF) 的混合物的高浓缩的、有毒的和/或腐蚀性溶液的使用，W从多晶金刚石材料溶解和去除 金属-溶剂/催化剂。因为运种混合物是高毒性的，所W其使用具有严重的健康和安全风 险，因此，使用运种混合物处理PCD的过程必须由专业人员在良好的控制和监控条件下执 行，W将对运种过程的操作者的损害风险降到最小。
[0009] 随着解决上述问题的可选的浸出混合物的发展，已注意到，在浸出混合物中用于 支撑PCD材料的传统固定装置的使用存在问题，运是因为用于形成或涂覆运种固定装置的 诸如PTFE的传统材料或在一次或两次使用后或在浸出过程本身期间将会快速分解。因为 许多原因运是不可取的，因为保持更换固定装置昂贵且耗时。而且，如果分解发生在处理过 程本身期间，则可导致正在浸出的PCD元件不得不被废弃。此外，如果发生腐蚀性酸浸出混 合物泄漏，则可能引起潜在的健康和安全风险。
[0010] 此外，传统的固定装置通常仅能使单一的PCD元件定位在浸出混合物中并在任何 时间在浸出混合物中浸出。
[0011] 因此需要通过提供支撑的固定装置来克服或基本上改善上述问题，所W该固定装 置在使用期间不分解，尤其不与用于处理或加工PCD材料的主体的特定混合物结合，并且 该固定装置提高浸出过程的效率。
【发明内容】
[0012] 从第一方面看，本发明提供一种用于PCD元件的支撑结构，其包括：
[0013] 支撑部和多个密封元件，在所述支撑部中可定位多个PCD元件，并且所述多个密 封元件位于支撑结构中，且每个密封元件被构造为在浸出过程期间保护相关的PCD元件的 非浸出部分，所述支撑部由聚酬基塑料材料形成并涂覆有聚酬基塑料材料。
[0014] 从第二方面看，提供一种处理具有包括金刚石催化剂/溶剂和/或一种或多种金 属碳化物的非金刚石相的多晶金刚石（PCD)材料的多个主体的方法，所述方法包括：
[0015] 在由聚酬基塑料材料形成或涂覆有聚酬基塑料材料的支撑部中定位待处理的PCD 材料的主体；
[0016] 在PCD材料的主体和支撑部之间形成密封罩（closure)，W将待处理的PCD材料的 主体的区域与非待处理的区域隔开；
[0017] 将PCD材料的主体和支撑部插入到浸出容器中，所述浸出容器包含一些浸出混合 物；
[0018] 通过使至少一部分PCD材料暴露到浸出混合物，将一些金刚石催化剂/溶剂和/ 或一种或多种金属碳化物从PCD材料中浸出。
[0019] 在一些实施例中，浸出混合物包括用水稀释的硝酸和一种或多种另外的无机酸， 所述硝酸包括约2-5重量％之间的硝酸和水混合物。
【附图说明】
[0020] 现在将仅通过示例的方式并参照附图更详细地描述各种实施例，其中：
[0021] 图1是用于地壳钻探化oringintotheearth)的切削钻头的PCD刀具插入件的 示意性透视图；
[0022] 图2是图1的PCD刀具插入件的示意性横截面和示出PCD材料的微观结构的示意 性展开图；
[0023]图3是在处理过程期间保持在支撑结构中的图1的PCD刀具的部分示意性横截 面；
[0024] 图4是实施例的支撑结构的上方的示意性透视图； 阳0巧]图5是图4的支撑结构的示意性俯视图；
[0026] 图6a和化是通过图4和图5的堆叠的支撑结构的示意性横截面视图；
[0027] 图7a-7d是根据一个或多个实施例的可选的堆叠的支撑结构的上方的透视图；
[0028] 图7e-化分别是图7a-7d中的按照堆叠结构所示的单个支撑结构的俯视图；并且
[0029] 图8是浸出容器中的堆叠的支撑结构的侧视图。
[0030] 在所有附图中，相同的参考编号表示各自相同的特征。
【具体实施方式】
[0031] 如在此所使用的/'PCD材料"是包括大量金刚石颗粒的材料，所述材料的很大一部 分直接互相交互粘合并且在所述材料中金刚石的含量至少为约80体积％材料。在PCD材 料的一个实施例中，金刚石颗粒之间的间隙可至少部分地充满有包括用于金刚石和/或非 金刚石相的催化剂的粘合剂材料。
[0032] 如在此所使用的，"用于金刚石的催化剂材料"是在金刚石在热力学上比金刚石更 稳定的压力和溫度下能够促进金刚石的生长或金刚石颗粒间的直接的金刚石与金刚石的 共生的材料。
[0033] 如在此所使用的术语"摩尔浓度"指的是在大约25°C的溫度下的单位浓度mol/L。 例如，摩尔浓度为1M的包括溶质A的溶液每升溶液包括Imol的溶质A。
[0034] 图1示出了用于地壳钻探的钻头（未示出）的PCD刀具插入件10,其包括粘合到 烧结碳化鹤基底30的PCD主体20。
[0035] 图2是图1的通过PCD刀具插入件10的横截面。还示出了PCD主体