体的基础自由表面延伸，而较低线性热膨胀系数 和金属含量的第二层或后续层将第一层与分离PCD材料体积和粘结的硬质金属基体的界面 屏障分离。
[0129] 图13是基于由图7b表示的示例的形状和尺寸的说明采用不同粘结的硬质金属碳 化物材料的这种适当布置的离散层的潜在好处的示例。在图13中，PCD材料体积1301可包括 例如具有约为4. Oppm. °1^的线性热膨胀系数和约为9体积％ (约20重量％ )的钴含量的均匀 Ρ⑶材料。粘结的硬质金属基体1302包括两个不同材料层1303和1304。这些层之间边界基本 上是平面并且平行于基体的基部。在一些示例中，从基体的基部延伸的层1303可具有约8mm 的厚度、由具有约14重量％ (约22.2体积％ )钴的碳化钨钴硬质金属制成并且可具有约 6. Olppm.T1的线性热膨胀系数。将层1303与界面屏障层1305分离的层1304可具有约2mm的 厚度、可包括具有约6重量％ (10.1体积％ )钴的碳化钨钴硬质金属并且具有约5.09ppm.°1^ 的线性热膨胀系数。在该示例中的主残余应力分布被表示为如之前的与在图7b和图12中展 现的相同的一般定性性质的变化的灰色阴影区域。
[0130]在PCD材料体积1301中的轴向主要的主拉伸残余应力最大值1306的位置对应于在 图7b中的709、图11a中的1107和图12中的1208。在硬质金属基体1302中的环状放射性分量 主要的主拉伸应力最大值1307的位置对应于图7b中的707、图11a中的1108和图12中的 1208。在该示例中进行的有限元分析证明临界拉伸应力最大值1306和1307的幅度与图7b中 的相应最大值709和707相比降低约30%。因此，该示例可被认为示出这些临界拉伸应力幅 度的量级显著减少。这可能是非常有利的，从而导致在凿岩应用期间粘结的硬质金属基体 的分层和破裂的风险和可能性显著降低。
[0131 ]图12和图13的示例可被结合以形成在图14中示出的另一示例。图12的不同PCD材 料的两层布置与图13的不同碳化钨钴硬质金属的两层布置相结合。该示例的有限元分析示 出与图7b中的临界应力最大值709和707、图1 la中的临界应力最大值1107和1108相对应的 主拉伸应力最大值1401和1402的幅度可被减小约60%。在一些应用中，这可被认为显著降 低临界残余应力分布的高度期望的和有益的情况，从而产生在钻探操作期间不可能发生硬 质金属基体的分层和破裂的期望。该示例说明结合PCD材料体积在组成和结构方面的分级 的潜在价值使得PCD材料的线性热膨胀系数在远离点朝向将PCD材料体积和粘结的硬质金 属基体分离的界面屏障层的大致方向上增大，其中点是在使用中最初压在岩石上的功能工 作体积的部分，而硬质金属基体的线性热膨胀系数在远离体的基部的中心点朝向将PCD材 料体积和粘结的硬质金属基体分离的界面屏障层的大致方向上减小。
[0132] 在一些示例中，在PCD材料体积中的金属网络是钴且粘结的硬质金属基体是碳化 妈钻。
[0133] 在图12、图13和图14中示出用于刮刀钻头应用的示例可普遍适用并且包括在牙轮 应用中使用的示例，借此，岩石去除体包括带有形成带有尖端的通常凸形弯曲表面的一端 的直立圆形柱体。在这种示例中的PCD材料体积可从尖端和弯曲自由表面延伸。
[0134] 迄今为止上述的示例中的大多数呈现源自难熔材料的平坦的平面界面屏障的薄 层，其充当作为在高压高温制造过程期间硬质金属基体的熔融的结合材料和多晶材料的熔 融的催化剂溶剂烧结助剂的金属扩散阻挡屏障。然而，在通常复合PCD硬质金属基体体的 PCD材料体积中的残余应力分布可通过采用PCD材料体积和硬质金属基体之间的非平坦、非 平面的界面或边界有利地改变。更明确地，例如如果它们呈现出朝PCD材料体积的通常弧形 凸曲率，则这种非平面界面或边界可具有降低拉伸残余应力最大值的改善价值。
[0135] 运Μ
[0136] 现在更详细地描述一些进一步示例，示例不是旨在限制。
[0137] 示例 1
[0138] 使用刮刀钻头设计和技术制作用于地下凿岩的岩石去除体，其对应于在图14中说 明的示例。该示例是图12的两个柱形PCD材料体积层和图13的两个柱形粘结的硬质金属基 体层的组合。
[0139 ]每个体包括带有形成厚度为6mm的柱形PCD材料体积的一端的直径为16mm、总长度 为16mm的直立圆形柱体，被设置在体的相对柱形端的粘结的硬质金属基体。每个体的PCD材 料体积由厚度为3.5mm从体的平坦顶部圆形自由表面延伸的第一柱形层1202和厚度为 2.5mm将第一 PCD层与现存屏障边界层和粘结的硬质金属基体分离的第二层1203组成。它的 意图是，在使用中第一层会完全包含功能工作体积，其从在体的圆周边缘处的选择点沿PCD 材料体积的筒自由表面向下延伸约3mm，该点是与岩层的初始接触点。
[0140] 该第一层由平均晶粒尺寸接近10微米的多峰PCD材料制成，晶粒尺寸分布从约1微 米延续至30微米。在本上下文中的术语多峰是指通过将平均颗粒尺寸分布不同的5种单独 的粉末结合生产的起始金刚石粉末。第一层由在颗粒尺寸分布上具有单一最大值的5种组 分金刚石粉末制成，因此每一组分是单峰。作为用于金刚石的部分再结晶的催化剂溶剂使 用的金属是钴，从而产生合成PCD材料的互穿网络是高含碳钴。PCD材料的钴含量是6.7体 积％ (15.4重量％ )。已知P⑶材料的这种组合物的线性热膨胀系数是3. Τρρπ^ΙΓ1。
[0141] 该第二层由平均晶粒尺寸接近6微米的多峰PCD材料制成，晶粒尺寸分布从约1微 米延续至20微米。该层由在颗粒尺寸分布上具有单一最大值的三种组分金刚石粉末制成， 因此每一组分是单峰。作为用于金刚石的部分再结晶的催化剂溶剂使用的金属是钴，从而 产生合成PCD材料的互穿金属网络是高含碳钴。P⑶材料的钴含量是11.5体积％ (24.7重 量％ )。已知P⑶材料的组合物的线性热膨胀系数是4. AppmT1。
[0142] 两层硬质金属基体由粘结有钴的碳化钨制成。图14中的基体的基部1303处的层的 长度为8mm，钴含量为14重量％ (22.2体积％)。该级别的硬质金属的线性热膨胀系数是 6. OlppnflT1。图14中将该层与屏障材料的薄层和PCD材料体积分离的层1304的厚度为2mm并 且钴含量为6重量％(10.1体积％)。该级别的硬质金属的线性热膨胀系数是5.09??!11°1('
[0143 ]注意的是，对于这些体，P⑶材料的线性热膨胀系数在远离点朝向将PCD材料体积 和粘结的硬质金属基体分离的界面屏障层的大致方向上增大，其中点是在使用中最初压在 岩石上的功能工作体积的部分，而硬质金属基体的线性热膨胀系数在远离体的基部的中心 点朝将PCD材料体积和粘结的硬质金属基体分离的界面屏障层的大致方向上减小。
[0144]用于金属在这种情况下是钴的前体化合物通过使用可溶性反应物之间的反应同 时将金刚石粉末悬浮在水中被沉淀、成核和生长在金刚石颗粒的表面上。在从悬浮液去除、 干燥和随后的在还原环境中热处理之后，金刚石颗粒表面被修饰在纯金属颗粒中，从而保 证混合金刚石和金属组分的非常高程度的均匀性。
[0145] 用于第一 P⑶层的材料的原料块使用下列工序步骤生产。
[0146] 将100g金刚石粉末悬浮在2.5升去离子水中。金刚石粉末由5种单独的单峰金刚石 级分组成，每个平均颗粒尺寸不同。因此，金刚石粉末被认为是多峰的。l〇〇g的金刚石粉末 如下制作:5g平均颗粒尺寸1.8微米、16g平均颗粒尺寸3.5微米、7g平均颗粒尺寸5微米、44g 平均颗粒尺寸10微米和28g平均颗粒尺寸20微米。该多峰颗粒尺寸分布从约1微米延续至约 30微米。
[0147] 金刚石粉末通过事先酸清洗和去离子水洗涤已经被赋予亲水性。在剧烈搅拌悬浮 液的同时向悬浮液中缓慢加入硝酸钴的水溶液和碳酸钠的单独水溶液。硝酸钴溶液通过将 93g的硝酸钴六水合物晶体Co(N0 3)2 · 6H20溶解于200ml的去离子水中制成。碳酸钠溶液通 过将33.9g的纯无水碳酸钠 Na2C03溶解于200ml的去离子水中制成。硝酸钴和碳酸钠按照下 述方程在溶液中反应，沉淀碳酸钴C〇C0 3，
[0148]
[0149] 在悬浮金刚石粉末颗粒的存在下，利用其亲水表面化学，碳酸钴晶体在金刚石颗 粒表面上成核和生长。用于钴的碳酸钴前体化合物采取修饰金刚石颗粒表面的晶须状晶体 的形式。反应的硝酸钠产物通过几个周期的倾析和去离子水洗涤去除。最后，粉末用在纯乙 醇中洗涤，通过倾析去除乙醇，并在60 °C时在真空下干燥。
[0150] 然后，将干燥的粉末置于带有约5mm深度的松散粉末的氧化铝陶瓷舟皿中并且在 含5%氢气的氩气流动流中加热。炉的最高温度为750°C，保温2小时，然后冷却到室温。这种 炉处理将碳酸钴前体离解并且还原以形成纯钴颗粒，固体溶液中的一些碳修饰金刚石颗粒 的表面。以这种方式保证钴颗粒总是小于金刚石颗粒，而且钴均匀分布。参照文献中的标准 钴碳相图选择热处理条件。在750°C可看出，钴中碳的固溶度低。在这些条件下，非晶非金刚 石碳在此温度下的形成率低，但是在最终金刚石-金属颗粒物块中能检测到微量的非金刚 石碳。带有修饰金刚石颗粒表面的总的15.4重量％的钴金属的多峰金刚石颗粒的合成粉末 块具有暗淡的浅灰色外观。用于第一 PCD材料层的这种粉末原料块在干燥氮气下被存储在 气密容器中以防止修饰金刚石表面的细钴氧化。
[0151] 用于第二P⑶层的材料的原料块使用下列工序步骤生产。
[0152] 将100g金刚石粉末悬浮在2.5升去离子水中。金刚石粉末由3种单独的单峰金刚石 级分组成，每个平均颗粒尺寸不同。因此，金刚石粉末被认为是多峰的。l〇〇g的金刚石粉末 如下制作：18g平均颗粒尺寸4微米、70g平均颗粒尺寸6微米和12g平均颗粒尺寸12微米。多 峰颗粒尺寸分布从约1微米延续至约20微米。
[0153] 除硝酸钴溶液通过将160g的硝酸钴六水合物晶体Co(N03)2 · 6H20溶解于200ml的 去离子水中制成之外，然后进行与用于第一 PCD材料层的原料块的顺序步骤相同的顺序步 骤以将用于钴金属的碳酸钴前体沉淀到金刚石颗粒的表面上。碳酸钠溶液通过将60g的纯 无水碳酸钠 Na2C03溶解于200ml的去离子水中制成。带有修饰金刚石颗粒表面的总的24.7重 量％的钴金属的多峰金刚石颗粒的合成粉末块在干燥氮气下被存储在气密容器中以防止 修饰金刚石表面的细钴氧化。
[0154] 对于每个岩石去除体，所谓的生坯组件使用薄壁钽罐构建。图15示意性地说明生 坯组件的定性和几何布置，附图不是按比例绘制的。
[0155] 用于第一 P⑶材料层1501的2.3g原料颗粒块在单轴硬质金属压制模具中被预压实 至钽罐1503中以在罐的底部形成半致密直立柱形层。然后将用于第二PCD材料层1502的 2.8g原料颗粒块预压实并且放置在罐1503中。
[0156] 然后将2.0mm厚的6重量％ (10.1体积％ )的碳化钨钴硬质金属盘1504插入至钽罐 的底部1506中，随后是8.5mm厚的14重量％ (22.2体积％ )的碳化钨钴硬质金属盘1505。这两 个硬质金属盘一起形成基体。然后，基体的包含钽的端被插入至含金刚石块的罐1503的敞 开端，使得罐的端壁1506将金刚石块和基体分离并且进一步单轴压实以形成组件。在罐的 敞开端适当修整后，组件被插入直径略大的第三罐1507中、使用本领域中熟知的工序真空 脱气并且在真空下密封。为进一步巩固更高的生坯密度并且消除或根本上降低空间密度变 化，然后在200MPa的压力下对罐组件进行冷等静压成型过程。以这种方式生产一些所谓的 生坯组件。
[0157] 注意的是，罐的端壁1506将会形成PCD材料体积和硬质金属基体的金刚石颗粒块 分离。这种约50微米厚的钽端壁的薄层在高压和高温下金刚石PCD层的烧结期间充当对基 体的熔融粘结钴和PCD材料层的熔融钴的屏障。以这种方式，PCD材料体积的金属组分和硬 质金属基体的粘结金属彼此独立、独立地衍生并且在高压高温制造过程期间不相互作用。 在PCD材料体积的高压烧结之后，现存的部分渗碳的钽层将PCD材料体积与基体分离。
[0158] 为了通过金刚石的部分再结晶烧结PCD材料体积的金刚石颗粒，然后每个生坯组 件被放置在如本领域中已经认可的适用于高压高温处理的可压实的陶瓷、盐组分的组件 中。直接包围包封的生坯的材料由诸如氯化钠的剪切强度非常低的材料制成。这提供经受 接近静水条件的压力的生坯。以这种方式，可减轻生坯的压力梯度引起的扭曲。
[0159] 然后，使用如本领域中已经认可的带式高压设备将生坯罐组件经受6GPa的压力和 约1560°C的温度1小时。在高压高温过程的结束阶段期间，温度在几分钟内缓慢降低至约 750°C，保持在该值，然后将压力降低至环境条件。然后在从高压设备提取之前，将高压组件 冷却至环境条件。该过程在高压高温处理的结束阶段期间被认为使周围盐介质在压力去除 期间保持在塑性状态，从而防止或抑制剪切力压在现烧结的PCD体上。
[0160] 然后，通过如本领域已经认可的诸如细金刚石研磨和抛光的精加工工序得到直径 为16mm、长度为16mm的完全致密、直立的柱体。带有两层不同PCD材料和两层不同碳化钨/钴 硬质金属基体、由图14表示的实施例的一些示例以这种方式制备、在实验室岩石去除实验 中很好地执行并且未显示显著的碎裂和散裂行为。
[0161] 示例2
[0162] 使用牙轮钻头设计和技术制作用于地下凿岩的岩石去除体，其对应于在图10d中 说明的示例。每个体包括带有形成通常凸形表面具体地半球体的一端的直立圆形柱体，PCD 材料体积从半球体的尖端1001延伸。硬质金属基体被设置在体的相对柱形端。该基体由具 有12.75重量％钴的钴粘结的碳化钨硬质金属制成。PCD材料体积通过图10d中的线1003指 示、厚度为50微米的部分渗碳的钽界面层与粘结的柱形硬质金属基体分离并且结合至粘结 的柱形硬质金属基体。该层在制造期间充当屏障并且防止硬质金属基体的熔融粘结金属和 PCD材料体积的熔融金属相互作用。体的柱形部分的直径被加工成16_。每个体的总长度如 从尖端1001沿体的轴线至圆形基部的中央测量是27mm WCD材料体积的长度如从尖端1001 至轴线1002与界面层1003的交叉点测量是16mm。碳化钨/钴基体的长度接近11mm。
[0163] PCD材料体积由平均晶粒尺寸接近10微米的多峰PCD材料制成，晶粒尺寸分布从约 1微米延续至30微米。在本上下文中的术语多峰是指通过将平均颗粒尺寸分布不同的5种单 独的粉末结合生产的起始金刚石粉末。每个由在颗粒尺寸分布上具有单一最大值的5种组 分金刚石粉末制成，因此每一组分是单峰。作为用于金刚石的部分再结晶的催化剂溶剂使 用的金属是钴，从而产生合成PCD材料的互穿网络是高含碳钴。PCD材料的钴含量是9体积％ (20质量％)。
[0164] 用于金属在这种情况下是钴的前体化合物通过使用可溶性反应物之间的反应同 时将金刚石粉末悬浮在水中被沉淀、成核和生长在金刚石颗粒的表面上。在从悬浮液去除、 干燥和随后的在还原环境中热处理之后，金刚石颗粒表面被修饰在纯金属颗粒中，从而保 证混合金刚石和金属组分的非常高程度的均匀性。
[0165] 用于该示例的方法的工序连续步骤如下。
[0166] 将100g金刚石粉末悬浮在2.5升去离子水中。金刚石粉末由5种单独的单峰金刚石 级分组成，每个平均颗粒尺寸不同。因此，金刚石粉末被认为是多峰的。l〇〇g的金刚石粉末 如下制作:5g平均颗粒尺寸1.8微米、16g平均颗粒尺寸3.5微米、7g平均颗粒尺寸5微米、44g 平均颗粒尺寸10微米和28g平均颗粒尺寸20微米。该多峰颗粒尺寸分布从约1微米延续至约 30微米。
[0167] 金刚石粉末通过事先酸清洗和去离子水洗涤已经被赋予亲水性。在剧烈搅拌悬浮 液的同时向悬浮液中缓慢加入硝酸钴的水溶液和碳酸钠的单独水溶液。硝酸钴溶液通过将 125g的硝酸钴六水合物晶体Co(N〇3) 2 · 6H20溶解于200ml的去离子水中制成。碳酸钠溶液通 过将45.5g的纯无水碳酸钠 Na2C03溶解于200ml的去离子水中制成。硝酸钴和碳酸钠按照下 述方程在溶液中反应，沉淀碳酸钴C〇C0 3，
[0168]
[0169] 在悬浮金刚石粉末颗粒的存在下，利用其亲水表面化学，碳酸钴晶体在金刚石颗 粒表面上成核和生长。用于钴的碳酸钴前体化合物采取修饰金刚石颗粒表面的晶须状晶体 的形式。反应的硝酸钠产物通过几个周期的倾析和去离子水洗涤去除。最后，粉末用纯乙醇 洗涤，通过倾析去除乙醇，并在60°C时在真空下干燥。
[0170] 然后，将干燥的粉末置于带有约5mm深度的松散粉末的氧化铝陶瓷舟皿中并且在 含5%氢气的氩气流动流中加热。炉的最高温度为750°C，保温