多晶金刚石材料的主体在浸出期间的支撑结构的制作方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种用于在处理过程中保持P⑶材料的主体的支撑结构以及一种处 理多晶金刚石（P⑶）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以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 化钨的硬度值。
[0003] 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豁体（skeletalmass)。PCD材料包含 占其体积至少约80%的金刚石并且可以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. 5GPa的超高压力和至少约1200°C、典型地约1440°C的温度来 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以理 解为是在金刚石在热力学上比石墨更稳定的压力和温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钴、铁、镍和包括任何这些元素的合金的特定 合金。PCD可以在钴-烧结碳化钨基底上形成，该基底可以为PCD提供钴催化剂材料的来 源。
[0005] 在PCD材料的主体烧结期间，诸如来自钴-烧结碳化钨基底的钴的烧结-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，钴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 剂催化剂可以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 的间隙可以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（bridge)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以用于蔓延性磨损、切削和钻孔应用中。然而， 具有这种类型的PCD坯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 在高温下对坯块的性能具有不利影响，这是因为人们认为金刚石台中溶剂/催化剂的存在 会降低金刚石台在这些提高的温度下的热稳定性。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台的碎裂或破裂可以降低切削元件的机械性能或导致切削元件的失效。此外，在高温 下，金刚石颗粒可以与溶剂/催化剂进行化学分解或逆向转化（back-conversion)。在极高 的温度下，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] 这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。
[0008] 化学浸出常用于从P⑶材料的主体的间隙区域例如从邻近P⑶的工作表面的区域 去除诸如钴的金属-溶剂催化剂。传统的化学浸出技术常涉及诸如王水和包括氢氟酸（HF) 的混合物的高浓缩的、有毒的和/或腐蚀性溶液的使用，以从多晶金刚石材料溶解和去除 金属-溶剂/催化剂。因为这种混合物是高毒性的，所以其使用具有严重的健康和安全风 险，因此，使用这种混合物处理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，以将对这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，这是因为用于形成或涂覆这种固定装置的 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 许多原因这是不可取的，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] 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，所以该固定装 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。
【发明内容】
[0011] 从第一方面看，本发明提供一种用于PCD元件的支撑结构，其包括支撑部和密封 元件，在所述支撑部中可定位PCD元件，并且所述密封元件位于支撑结构中且被构造为在 浸出过程期间保护PCD元件的非浸出部分，所述支撑部由聚酮基塑料材料形成并涂覆有聚 酮基塑料材料。
[0012] 从第二方面看，提供一种PCD元件浸出系统，其包括上面限定的支撑结构和浸出 容器，所述浸出容器被构造为在浸出过程期间包含支撑结构和PCD元件。
[0013] 从第三方面看，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)材料的主体的方法，所述方法包括：
[0014] 在由聚酮基塑料材料形成或涂覆有聚酮基塑料材料的支撑部中定位待处理的PCD 材料的主体；
[0015] 在P⑶材料的主体和支撑部之间形成密封罩（closure)，以将待处理的P⑶材料的 主体的区域与非待处理的区域隔开；
[0016] 将P⑶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；以及
[0017] 通过使至少一部分P⑶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。
[0018] 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】
[0019] 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：
[0020] 图1是用于地壳钻探（boringintotheearth)的切削钻头的P⑶刀具插入件的 示意性透视图；
[0021] 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；以及
[0022] 图3是在处理过程期间保持在支撑结构中的图1的PCD刀具的示意性横截面。
[0023] 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】
[0024] 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。
[0025] 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 稳定的压力和温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。
[0026] 如在此所使用的术语"摩尔浓度"指的是在大约25°C的温度下的单位浓度mol/L。 例如，摩尔浓度为IM的包括溶质A的溶液每升溶液包括Imol的溶质A。
[0027] 图1示出了用于地壳钻探的钻头（未示出）的P⑶刀具插入件10,其包括粘合到 烧结碳化钨基底30的P⑶主体20。
[0028] 图2是图1的通