具有工程化孔隙率的多晶金刚石切削元件和用于制造这种切削元件的方法

专利名称：具有工程化孔隙率的多晶金刚石切削元件和用于制造这种切削元件的方法
技术领域：
切削元件，例如用于牙轮钻头中的横切机型(shear cutter type)切削元件或其他切削工具，通常具有主体(即基片)和超硬材料。超硬材料形成切削元件的切割表面，且基片通常将超硬材料附着到切削工具上。基片通常由碳化钨-钴(有时简称为“烧结碳化钨”、 “碳化钨”或“碳化物”)制成。超硬材料层为多晶超硬材料，例如多晶金刚石(“PCD”)、多晶立方氮化硼(“PCBN”)或热稳定产品(“TSP”)如热稳定多晶金刚石。超硬材料提供了高于金属基片的高量级的耐磨性和/或抗磨损性。
背景技术：
P⑶通过已知的工艺形成，工艺中金刚石晶体与催化剂材料在高压和高温下相混合并进行烧结。催化剂材料在烧结前可混入金刚石粉末中和/或可在烧结过程中从相邻的基片渗入金刚石粉末中。高温高压烧结工艺(“HPHT烧结”)形成了具有晶间结合金刚石晶体网格的多晶金刚石结构，在结合金刚石晶体之间的空位或间隙中保留有催化剂材料。催化剂材料促进并提高了金刚石晶体的晶间结合。催化剂材料通常是来自元素周期表VIII组中的溶剂催化剂金属如钴、铁或镍。然而，因为催化剂通常比P⑶材料具有更高的热膨胀系数，例如，当通过使用期间的摩擦加热来加热PCD材料时，烧结PCD材料中存在的催化剂材料给PCD材料引入了热应力。因而，烧结PCD经受热应力，这限制了切削元件的使用寿命。为了解决这一问题，催化剂例如通过浸出(leaching)基本上从P⑶材料中去除， 以形成TSP。例如，一种已知的方法是通过使烧结P⑶结构经受浸出工艺而从烧结P⑶的至少一部分中去除催化剂材料的主要部分，这会形成基本上没有催化剂材料的TSP材料部分。如果在HPHT烧结期间使用了基片，则通常在浸出之前将其去除。在形成TSP材料后，为了形成切削元件可将其结合到新基片上。在该所谓的“再结合工艺”的过程中，TSP材料和基片经受热和压力。一种浸渗剂材料(例如来自基片的钴)渗透到TSP材料中，移入先前由催化剂材料占据的结合晶体之间的孔(即空位或间隙空间)(此处共同地或个别地称为“孔”)中。该浸渗剂材料从基片渗入TSP层形成了 TSP层和基片之间的结合。再结合的TSP层可部分地再浸出以改善例如TSP层工作表面处的热稳定性。现有的TSP切削元件已知会因为浸渗剂材料在再结合工艺的过程中不能充分渗透到TSP层中，导致再结合TSP层中有残余孔隙而过早失效。如上所述的，当PCD材料浸出形成TSP时，PCD层中的催化剂材料从金刚石晶体之间的孔中去除。如果这些孔在再结合工艺中仅部分渗透或并非适当地渗透，则空的孔会弱化结合并形成结构裂纹。该部分渗透使TSP刀具在精加工如抛光和研磨期间易于开裂。部分渗透也使再浸出更加困难并弱化了 TSP层和基片之间的结合。因此，正需要一种形成TSP材料的方法，该方法有助于再结合期间的渗透并改善材料的热性能和使用寿命。CN 102482919 A说明书2/11 页

发明内容
在示例性实施方式中，提供了一种通过增加TSP材料与基片界面附近处TSP材料的孔隙率来促进浸渗剂材料在TSP材料再结合到基片上的期间渗透到TSP材料中的方法。 在一实施方式中，该方法包括在HPHT烧结前将填充材料或添加剂与金刚石粉末混合物相混合，然后HPHT烧结金刚石粉末和填充材料混合物以形成多晶金刚石(POT)。填充材料占据烧结PCD层中的空间，保留在结合金刚石晶体之间。在HPHT烧结后，例如通过浸出去除该填充材料，以在结合金刚石晶体之间形成具有孔的热稳定产品(TSP)。对金刚石粉末中填充材料的数量和分布进行控制以在TSP层的至少一部分中获得更大的孔隙率，这使得浸渗剂材料在再结合期间更完全地渗透。结果是具有更完全渗透的再结合TSP切削元件，与通过现有方法形成的TSP相比，导致在TSP层与基片之间有更好的结合和更长的使用寿命。在一实施方式中，形成再渗透热稳定多晶金刚石切削元件的方法包括混合金刚石颗粒和填充材料以形成金刚石粉末混合物。金刚石粉末混合物包括具有至少填充材料的第一部分和具有比第一部分较少填充材料的第二部分。第一部分至少是金刚石粉末混合物体积的25%。该方法也包括在高温高压下烧结金刚石粉末混合物以形成多晶金刚石材料，从多晶金刚石材料中去除填充材料以形成在第一部分中具有增高的孔隙率的热稳定多晶金刚石材料，并将热稳定材料结合到基片上。结合包括用来自基片的浸渗剂材料渗透第一部分。在一示例性实施方式中，第二部分包括凹区，并且第一部分包括容纳在凹区中的突起。在另一实施方式中，切削元件包括基片和结合到基片上的热稳定多晶金刚石主体。热稳定多晶金刚石主体包括工作表面；包括有多个结合在一起的金刚石晶体和金刚石晶体之间孔的材料显微结构，该孔基本上没有催化剂材料；基片附近材料显微结构的第一部分；以及工作表面附近材料显微结构的第二部分。第一部分包括在金刚石晶体之间孔中的浸渗剂材料。第一部分包括第一孔隙率，并且第二部分包括第二孔隙率，当无浸渗剂测量这种孔隙率时，孔隙率差异为至少1.6%。在示例性实施方式中，第二部分包括凹区，并且第一部分包括容纳在凹区中的突起。在另一示例性实施方式中，提供了一种切削元件，其包括有基片以及结合到基片上的热稳定多晶金刚石主体。热稳定多晶金刚石主体包括与基片相对的工作表面，包括有多个结合在一起的金刚石晶体和金刚石晶体之间孔的材料显微结构，该孔基本上没有催化剂材料。热稳定多晶金刚石主体也包括在基片附近且包括有突起的材料显微结构的第一部分，以及在工作表面附近且包括容纳突起的凹区的材料显微结构的第二部分。第一部分在金刚石晶体之间的一个或多个孔中包括有浸渗剂材料。当无浸渗剂测量这种孔隙率时， 该材料显微结构在第一部分与第二部分之间具有孔隙率差异。在一示例性实施方式中，凹区与所述突起互补。在另一示例性实施方式中，突起为圆顶形。在又一示例性实施方式中， 第一部分具有比第二部分更大的孔隙率。在又一示例性实施方式中，材料显微结构在第一部分与第二部分之间具有至少1. 6%的孔隙率差异。在还一示例性实施方式中，提供了一种井下工具，其包括工具主体和至少一种上述示例性实施方式的切削元件。在一示例性实施方式中，井下工具为钻头，例如为刮刀钻头。


图1为根据本发明的实施方式形成再渗透TSP切削元件的方法的流程图。图2是根据本发明的实施方式的多晶金刚石材料中孔的图示。图3是根据现有技术的切削元件的横截面图。图4A是根据本发明的示例性实施方式的切削元件的横截面图。图4B是根据本发明的示例性实施方式的切削元件的横截面图。图4C是根据本发明的示例性实施方式的切削元件的横截面图。图5是包括根据本发明的示例性实施方式的切削元件的刮刀钻头主体的透视图。
具体实施例方式在示例性实施方式中，提供了一种通过提高TSP材料与基片的界面附近的TSP材料的孔隙率来促进浸渗剂材料在将TSP材料再结合到基片期间渗透到TSP材料中的方法。 在一实施方式中，该方法包括在HPHT烧结前将填充材料或添加剂(此处共同地或单独地称为“填充材料”)与金刚石粉末混合物进行混合，然后HPHT烧结金刚石粉末和填充材料混合物以形成多晶金刚石(P⑶)。填充材料占据了烧结TOD层中的空间，保留在结合的金刚石晶体之间。在HPHT烧结后，该填充材料例如通过浸出去除，以形成具有结合金刚石晶体之间孔的热稳定产品(TSP)。对金刚石粉末中填充材料的数量和分布进行控制以在至少一部分TSP层中获得更大孔隙率，这使得浸渗剂材料在再结合期间更完全地渗透到TSP中。孔为浸渗剂材料在再结合工艺期间提供了通道并促使浸渗剂从基片运动到TSP层中。结果是具有更完全渗透的再结合TSP切削元件，导致TSP层与基片之间更好地结合以及比通过现有方法形成的TSP更长的使用寿命。因此，在HPHT烧结之前在金刚石粉末混合物中包含填充材料或添加剂使TSP层中的孔隙率能受控制。根据本发明的示例性实施方式的形成再渗透TSP切削元件的方法显示在图1中。 该方法包括将金刚石粉末混合物与填充材料或添加剂110相混合。金刚石粉末混合物是期望的晶粒大小的金刚石晶体的混合物。该混合物可包括均勻晶粒大小的金刚石晶体，或者多种晶粒大小的混合物。金刚石晶体通常以粉末形式提供且混合起来在金刚石层中形成期望的晶粒大小分布。金刚石可以是天然的和/或合成的。示例性的金刚石晶体大小在约1 至40微米的范围内。任选地，例如来自元素周期表VIII组的金属，例如钴的催化剂材料也可添加到该混合物中以促进在HPHT烧结期间的晶间结合。可替换地或另外地，催化剂材料可在HPHT烧结期间从相邻的基片渗透到金刚石层中。例如，来自碳化钨基片的钴可在HPHT 烧结期间移入金刚石层中。金刚石、催化剂和填充材料可混合起来在遍及金刚石层中形成填充材料的期望分布。例如，在基片最近的金刚石层的区域中提供较大数量的填充材料，以便在浸出后(更详细地如下所述)增加该区域中的孔隙率。混合可伴随着球磨、机械混合或其他已知方法。在金刚石和填充材料以期望的分布混合在一起后，该方法然后包括将金刚石混合物放置在用于烧结的耐火金属外壳中，例如铌罐中。该方法包括在高温高压烧结这些材料 (“HPHT烧结”或“HTHP烧结”)112。高压可以是5，OOOMPa或更大(热室压力)，且高温可以是约1，300°C至1，500°C或更高。通过压力的液压测量的高压可以是约10. Asi。在一实施方式中，金刚石混合物放置在基片如碳化钨基片附近并对金刚石混合物和基片进行HPHT烧结。在另一实施方式中，金刚石混合物在没有基片时进行HPHT烧结。当存在基片时，来自基片的催化剂材料例如钴在HPHT烧结期间移入金刚石晶体之间的空间中。催化剂材料在HPHT烧结期间促进晶体的生长和结合以形成多晶金刚石结构。本文中使用的术语“催化剂材料”指代这样的材料，它最初用于在起始的用于形成PCD 的HPHT过程期间促进金刚石与金刚石的结合或烧结。在一实施方式中，填充材料是额外量的催化剂，使得与金刚石混合的该材料的总量既用作催化剂以形成PCD，又用作填料最终增加TSP材料的孔隙率。HPHT烧结112形成如图2中所示的多晶结构，其中金刚石晶体22结合在一起，催化剂材料M和填充材料沈保持分散在金刚石晶体22之间的孔观中。再参考图1，该方法还包括从P⑶114中去除(例如通过浸出)催化剂材料和填充材料以形成TSP材料。显然地，如果在HPHT烧结期间使用基片，那么在浸出之前要将其从PCD层中去除。浸出可通过将PCD材料浸入浸出剂(例如酸洗)中特定的时间段来完成或者通过其他已知的浸出方法如电解法、液态金属溶解法等来完成。在一实施方式中，基本上所有的催化剂和填充材料从 PCD层中去除，尽管痕量或残余量可剩余。在一实施方式中，PCD层从PCD层的工作表面浸出到大约2500微米的深度。在一实施方式中，浸出条件包括在大气压力下、温度40°C 士2°C将P⑶主体的区域与足够量的混合酸接触。混合酸是50%体积的第一酸溶液和50%体积的第二酸溶液。第一酸溶液是5. 3mol/L的HNO3 (试剂级硝酸)。第二酸溶液是9.6 mol/L的HF (试剂级氢氟酸)。在一个或多个实施方式中，也可以使用用于去除催化剂材料和填充材料的加快技术， 且可以结合使用本文提及的浸出技术以及结合其他的常规浸出工艺。这些加快技术包括加压、升温和/或超声波能量，可用于在获得催化剂和填充材料的相同去除量时减少处理的时间量，从而提高生产效率。在一实施方式中，浸出过程可通过在大于约5巴的加压条件下进行如上所述的相同浸出过程来加速，在其他实施方式中该压力范围为约10至50巴。这种加压条件可通过在压力容器等中进行浸出过程来完成。例如在一实施方式中，浸出通过将P⑶样品放置在聚四氟乙烯容器内的酸溶液中完成，该容器容纳在密封不锈钢压力器具中并加热到160至180°C。适合用于这种浸出工艺的容器购自Bergoff Products & Instruments GmbH，Eningen，德国。经发现在浸出中可满意地作用于形成TSP的标准酸溶液由试剂级酸制成，且包括浓度为约5. 3mol/L的HNO3和约 9. 6mol/L 的 HF,这是以 1:1:1 体积比的 HNO3 - 15. 9 mol/L (硝酸):HF - 28. 9 mol/ L (氢氟酸)水制成的。浸出完成可通过X射线照相法进行验证，以证实酸混合物穿透样品且没有宏观尺寸的催化剂金属区域残留。然后，通过交替暴露于上述压力器具中的去离子水(可溶硝酸盐的稀释)并使样品在室温经受超声波(不可溶氧化物的去除)来清除样品的残余材料例如硝酸盐和不可溶氧化物。可以理解的是，精确的浸出条件可以且将随着这些因素如使用的浸出剂以及材料和金刚石主体的烧结特性而变化。关于可用浸出方法的其他信息披露在共同待审的美国专利申请号12/784，460中，其内容在此以引用的方式并入。一旦将催化剂和填充材料去除，结果就是TSP。TSP具有的材料微观结构，其特征是结合在一起的金刚石晶体的多晶相和许多在结合金刚石晶体之间的基本上空的空位和孔。由于在上述浸出过程中催化剂和填充材料的去除，这些空位和孔基本上是空的。因此，
8在浸出后，催化剂和填充材料被去除，且孔基本上是空的。本文使用的术语“去除”指代在金刚石层的间隙区域中特定材料存在量的减少，例如用于在烧结或HPHT过程期间开始形成金刚石主体的催化剂材料，或填充材料，或在P⑶主体中存在的金属碳化物(金属碳化物， 例如碳化钨，可通过添加到用于形成P⑶主体的金刚石混合物(例如由球磨金刚石粉末)中或者通过由用于形成PCD主体的基片渗透而存在)存在量的减少。可以理解意味着特定材料(例如催化剂材料)的主要部分不再残留在PCD主体的间隙区域中，例如将材料去除使得 PCD主体内的空位或孔基本上是空的。然而，可以理解的是，一些少量的材料仍会残留在间隙区域内的PCD主体的微观结构中和/或仍附着在金刚石晶体的表面上。在浸出后，孔基本上没有催化剂材料和填充材料。本文使用的术语“基本上没有” 可理解为意味着去除了特定材料，但仍然有一些少量的特定材料残留在PCD主体的间隙区域内。在实施例的实施方式中，对rcD主体进行处理，使得超过98wt% (处理区域的％w)将催化剂材料从受处理区域内的间隙中去除，特别是至少99%w，更特别是至少99. 5%w已将催化剂材料从受处理区域内的间隙中去除。1至2%w的金属可能残留，其大部分被限制在金刚石再生长的区域中(金刚石-金刚石结合)，且不一定通过化学浸出可去除。例如，浸出后痕量的填充材料可保留在孔中。在HPHT烧结期间，填充材料占据金刚石晶体之间的空间并当去除填充材料时形成另外的空位或孔。在一实施方式中，填充材料设置在金刚石混合物的部分中，以形成具有孔隙率提高的第一部分和第二部分的TSP材料。在一实施方式中，在烧结和浸出后，孔占据大约或至少1%体积的孔隙率提高部分。申请人已经确定，即使低百分量的孔也导致渗透的改善。在另一实施方式中，孔占据大约或至少0.5%体积的孔隙率提高部分。在另一实施方式中，孔隙率提高部分(基片附近)的孔隙率大于TSP (工作表面附近)第二部分的孔隙率的至少1.6%，正如下面所述。也就是说，TSP的两个部分之间的孔隙率差异至少为1.6% (例如，第一部分可具有9. 0%的孔隙率，第二部分具有7. 4%的孔隙率)。 再参照图1，该方法还包括再结合TSP材料到基片116上。在实施方式中，基片包括作为其材料组分之一的金属溶剂，该金属溶剂能够熔化并渗透进TSP材料中。在一实施方式中，基片是具有钴粘合剂(WC-C0)的碳化钨，且钴用作再结合过程中的金属溶剂浸渗剂。 在其他实施方式中，可使用其他浸渗剂如其他金属或金属合金。例如，以粉状、箔状或膜状而添加的浸渗剂可设置在TSP和基片之间以渗透入TSP层和基片并促进这两个层的结合。 浸渗剂可以是来自基片的钴和另一添加的浸渗剂的组合。本文使用的术语“浸渗剂”指的是除了用于起始形成PCD材料的催化剂材料和除了加入到金刚石粉末混合物中形成工程化孔隙率的填充材料以外的材料，尽管它可能是与这两种之一相同类型的材料。浸渗剂可包括元素周期表VIII组中的材料。浸渗剂材料在再结合期间渗透到TSP中以将TSP结合到新基片中。将TSP结合到基片上包括将TSP和基片放入HPHT组件中并在高温高压下压制以将TSP材料结合到基片上。HPHT再结合116具有与HPHT烧结112不同的持续时间、温度和压力(例如，再结合期间的温度和压力比烧结期间可能要低)。在该最终的再结合步骤期间， 浸渗剂将渗透入浸出的TSP材料，移入到金刚石晶体之间的孔(通过填充材料留下的)中并用作将TSP层结合到基片上的胶。任选地，在再结合后，浸渗剂可以从再结合的TSP材料118 (本文称为“再浸出”的过程)的一部分，例如从进行切割并经受高摩擦热的那一部分中去除，以改善TSP层那一部分的热稳定性。例如，在一实施方式中，基本上所有的浸渗剂从TSP层的暴露的切割表面18 (参见图4A)中去除到一定深度，但并非始终贯穿TSP层到基片。因此，更接近基片的渗透的一部分TSP层仍将浸渗剂保持在金刚石晶体之间的空位中。这里浸渗剂的存在提高了渗透的TSP层与基片的结合。渗透的TSP切割元件然后可纳入到切削工具，例如采矿、切割、机械加工、研磨和施工应用的工具中，其中，热稳定性、耐磨性和抗磨损性以及降低的热应力是所期望的。例如，本发明的切削元件可以纳入到机械加工工具和井下工具以及钻孔和采矿钻头如牙轮钻头和刮刀钻头。图5示出了纳入到刮刀钻头片主体20中的具有基片12和再渗透的TSP层 14的切削元件10。在一实施方式中，切削元件10是设置在工具主体上的横切机。如上所述，一些现有技术的TSP切削元件因再结合期间TSP层的不完整渗透而导致过早失效，特别是在具有较高金刚石密度的TSP材料中。TSP层的中心区域通常是最难渗透的。现有技术的切削元件40显示在图3中。切削元件40包括基片42和TSP主体44。 然而，来自基片的浸渗剂材料仅部分地渗透了 TSP主体44，移入最靠近基片12的区域44a 中。基片对面的TSP主体的区域44b并不被渗透，或者仅部分地被渗透，导致该区域中的孔或空位是空的。正如图3中所示，渗透的区域4 具有倒圆顶形或U形，外部表面46附近比中央区域48中浸渗剂更深入移入TSP主体44。该U形浸渗剂图案可通过TSP主体44 的侧面周围的润湿效应来说明。如上所述，金刚石粉末和基片放入用于HPHT烧结的耐火金属外壳，例如铌罐中。当在高压压制该罐时，来自该罐的耐火金属如铌与PCD主体的外缘和侧面相互作用。然后，在再结合过程中，该TSP层侧表面46周围残留的金属形成润湿效应并帮助浸渗剂从基片向上移动。因此，浸渗剂跟随着铌(或其他罐材料)并成U形或倒圆顶形移过TSP层，如图3中所示。另外，现有技术中，在HPHT烧结期间于POT层中形成的天然金属梯度还不足以在随后的再结合期间进行渗透。在与基片的HPHT烧结期间，金刚石粉末的收缩受到基片存在的影响。结果是PCD在基片附近具有较低的金刚石密度和较高的金属含量。现有技术已经形成的PCD刀具，其在HPHT烧结后金属含量从基片附近的约19. 8%w改变为远离基片的约 16. 6%w，这在浸出后形成了小的孔隙率梯度(例如小于1. 5%的孔隙率差异)。然而，仍然观察到浸出后的不完全渗透，特别是在具有高金刚石密度的TSP中。在本文描述的实施方式中，孔隙率通过在烧结前添加填充材料而增加，这形成不同于HPHT烧结期间通过粉末收缩产生的自然梯度的金属含量梯度和孔结构。现有技术TSP主体44的中心区域48可在再结合期间不充分地被渗透。申请人已经发现，通过在TSP层的该区域中提供更大和或更多的孔，TSP层的该中心区域能够更完全地被渗透。增加TSP层的孔隙率导致较好的渗透，因为它提供了浸渗剂可通过的更多的孔。 浸渗剂更容易移入具有较大孔径的TSP中。相应地，根据上述的方法，本发明的示例性实施方式中，HPHT烧结前将填充材料添加到金刚石粉末混合物中以增加基片最近处TSP层中孔的孔径和/或孔的数量。根据实施方式的切削元件10显示在图4A中。切削元件10包括在界面16处结合到TSP主体14上的基片12。TSP主体14包括比相对于基片(工作表面18附近)的第二区域或第二层14b有更大孔隙率的基片附近的第一区域或第一层14a。在该实施方式中，两层14a、14b之间的界面15是圆顶形，孔隙率提高的层Ha在TSP主体14的中心中比外表面处延伸入TSP主体中要深。也就是说，孔隙率提高的层Ha在中心比在外表面处更靠近TSP层的工作表面18。 该几何结构抵消了图3中所示的现有技术切削元件中看到的倒圆顶渗透。如上所述，在外表面46上残留的罐材料的帮助下，浸渗剂倾向于以倒圆顶形的形状移入现有技术的TSP层中。孔隙率增加的第一层14a的圆顶形(图2A中所示)促使浸渗剂移入TSP层的中心，其中通常它是最难渗透的。因此，可以相信，浸渗剂向TSP层的移入可沿循例如图4A中的虚线 13的路径；也就是说，由于第一层1 中孔隙率的增加，它可以移入具有不明显的倒圆顶形的TSP主体中。TSP主体14中第一层1 的圆顶形可通过在HPHT烧结前在金刚石粉末混合物中形成生成凹区来形成。形成第二层14b的金刚石粉末在中心内凹成碗形或倒圆顶形。然后，将会形成第一层Ha的具有填充材料的金刚石粉末，沉积在凹下的/碗形金刚石层上并填充凹区。形成第二层14b的金刚石粉末没有填充材料，或者具有比形成第一层14a的粉末更少的填充材料。基片放置在该金刚石和填充混合物(即第一层14a)的顶部上，且然后 HPHT烧结材料。结果是具有圆顶形部分的PCD层，在结合的金刚石晶体之间具有额外的填充材料。当去除该填充材料留下孔时，结果是具有孔隙率提高的、圆顶形第一层14a的TSP 材料。在其他实施方式中，孔隙率提高的第一层具有其他形状。在图4B中，切削元件10' 包括TSP主体14，该主体具有孔隙率提高的第一层1 和孔隙率没有增加的上覆的第二层 14b。图4B中这两个层之间的界面15是平面的或平坦的。在一实施方式中，第一层14a 小于第二层14b，且在另一实施方式中，它是更大的，在再一实施方式中，两个层是相同的尺寸，每个层都占据着TSP主体14的一半。在图4C中，切削元件10'‘包括整体孔隙率提高的TSP主体14，而不是两个单独的层，之一的孔隙率提高。在其他的实施方式中，孔隙率提高的层14a向上延伸进入TSP层的中心区域，但未必是如图4A中所示的圆顶形。其他三维的几何形状可用于在TSP主体的中心区域中形成另外的孔，以帮助渗透。在一实施方式中，孔隙率提高层Ha为TSP主体14体积的至少25%。 在又一实施方式中，层Ha为TSP主体14体积的约50%，且层14b为约50%。在层1 本身内，在一实施方式中孔占据该部分体积的约1%。在图4A至4C中所示的每个实施方式中，如上所述，具有孔隙率提高层的TSP主体再结合到基片上，然后任选地进行再浸出并纳入到切削工具中。孔隙率提高的部分可以是TSP主体的不连续部分，具有与较低孔隙率的邻近部分的步进式界面。不同孔隙率的两个、三个或更多个部分可包括在TSP主体中，每个部分远离具有较低孔隙率的基片。这些部分可以是通过堆叠两个或多个金刚石粉末层然后再进行上述HPHT烧结形成的远离基片的层，该金刚石粉末层由具有较少填充材料或不同填充材料的金刚石粉末混合物形成。在排列这些堆叠层中，TSP主体的孔隙率和从而它的渗透特性能够得到控制。作为替代地，孔隙率可随着贯穿TSP主体的梯度而降低。在HPHT烧结前， 金刚石粉末和填充材料混合物可随着降低填充材料颗粒尺寸或随着降低填充颗粒的数量来排列，以形成降低的孔隙率梯度。因此，通过改变填充材料的尺寸、数量和类型，孔隙率梯度或孔隙率层能够在TSP主体中形成。
添加到金刚石粉末混合物中以增加得到的TSP层孔隙率的填充材料或添加剂可以是钴、碳化钨、碳化硅、元素周期表中非VIII组中的金属，任何其他的溶剂金属催化剂如镍或铁或这些的合金，或者例如通过浸出工艺可去除的任何其他碳化物或金属。填料应该可通过某种酸混合物或化学或热处理进行消化以从烧结的PCD主体中去除填料。填料也可以是这些材料的混合物。在一实施方式中，为了控制孔隙率，基片附近的填料为钴，且加入到金刚石粉末混合物中的钴颗粒的尺寸约为1. 5至2微米。在另一示例性实施方式中，填料为碳化钨，碳化钨颗粒约为0.6微米。在示例性实施方式中，具有填充材料的金刚石粉末部分包括至少5wt%的填充材料。在另一实施方式中，该金刚石粉末部分包括至少10wt%的填充材料，且在另一实施方式中，至少为15wt%。例如，当碳化钨用作填充材料时，金刚石粉末可包括5wt%，10wt%或15wt%的碳化钨，或者5至15wt%该范围内的任何百分比。填充材料的颗粒尺寸可进行选择以控制烧结和浸出后得到的孔结构。可加入细颗粒子的填充材料以形成细小的、分散孔的分布。较大颗粒的填充材料可加入来形成较大的，较少分散的孔。在另一实施方式中，填充材料为钴，且钴同时用作催化剂和填料。也就是说，钴颗粒可加入到金刚石粉末混合物中既作为催化剂材料来促进晶体间金刚石结合，又作为填充材料来形成期望的孔隙率。在从烧结的PCD中浸出该钴(或其他催化剂材料)之前，PCD层包括至少的钴，或者在另一实施方式中约4至10wt%的钴。在其他实施方式中，填充材料是与催化剂材料不同的材料。例如，填充材料可以是碳化钨，且催化剂材料可以是钴，碳化钨的重量百分数如上所述。碳化钨填料和钴催化剂均可在烧结前混合到金刚石粉末混合物中。在一实施方式中，具有碳化钨填料的金刚石粉末混合物的部分包括5衬％的碳化钨颗粒。在一些应用中，期望使用不同于催化剂材料的填充材料，因为大量加入的催化剂材料会降低金刚石的密度和得到的烧结刀具的耐磨性。不同于催化剂材料的填料可用来增加TSP主体中的孔隙率，同时保持期望数量的催化剂材料。现有技术的TSP切削元件和本发明实施方式的TSP渗透产率的比较表明渗透的提高。以下提供的数据如示可通过不同压力下的HPHT烧结金刚石粉末获得。对于每种压力， 烧结至少200个单层的切削元件。TSP渗透产率通过确定这些烧结切削元件的百分比而得至IJ，这些烧结切削元件在再结合后的TSP主体顶部表面处存在有浸渗剂材料。添加洲钴时， 这些试验中金刚石颗粒的平均粒径为12微米。没有任何填充材料(单层TSP主体)的用于切削元件的TSP渗透产率经发现如下
权利要求
1.一种形成热稳定多晶金刚石切削元件的方法，包括混合金刚石颗粒与填充材料以形成金刚石粉末混合物，其中所述金刚石粉末混合物包括具有填充材料的第一部分和具有比第一部分更少填充材料的第二部分，所述第一部分为至少金刚石粉末混合物体积的25% ；在高温高压烧结金刚石粉末混合物以形成多晶金刚石材料；从所述多晶金刚石材料中去除填充材料以形成热稳定多晶金刚石材料，其在第一部分和第二部分之间具有至少1. 6%的孔隙率差异；将所述热稳定材料结合到基片上，其中，结合包括用来自基片的浸渗剂材料渗透第一部分。
2.如权利要求1所述的方法，其中结合包括排列热稳定材料和基片，使得所述热稳定材料的第一部分紧邻基片。
3.如权利要求1所述的方法，其中，所述填充材料包括钴。
4.如权利要求1所述的方法，其中，所述填充材料包括碳化钨。
5.如权利要求4所述的方法，其中，在第一部分中所述填充材料包括5wt%的碳化钨。
6.如权利要求1所述的方法，其中，混合金刚石颗粒和填充材料包括在金刚石粉末混合物中形成填充材料的数量梯度。
7.如权利要求1所述的方法，其中，所述第一部分在基片最近处形成热稳定材料的第一层，且所述第二部分在基片相对处形成热稳定材料的第二层。
8.如权利要求7所述的方法，其中，所述第一层和第二层大约是相同的尺寸。
9.如权利要求1所述的方法，其中，金刚石粉末的第一部分具有圆顶形状。
10.如权利要求1所述的方法，其中，所述第二部分包括有凹区，且所述第一部分包括有突起，所述突起容纳在所述凹区中。
11.如权利要求1所述的方法，其中，所述第一部分具有至少4wt%的填充材料。
12.如权利要求1所述的方法，其中，在去除填充材料后，所述第一部分包括占据第一部分体积约9%的孔。
13.如权利要求1所述的方法，其中，所述孔隙率差异为至少2.6%。
14.一种切削元件，包括 基片；和结合到基片上的热稳定多晶金刚石主体， 其中所述热稳定多晶金刚石主体包括 相对基片的工作表面；材料显微结构，包括多个结合在一起的金刚石晶体，和金刚石晶体之间的孔，所述孔基本上没有催化剂材料；所述材料显微结构的第一部分接近基片并具有孔隙率；和所述材料显微结构的第二部分接近工作表面并具有孔隙率， 其中所述第一部分占据所述多晶金刚石主体体积的至少25%， 其中所述第一部分在金刚石晶体之间的一个或多个孔中包含有浸渗剂材料，且其中所述材料显微结构在没有所述浸渗剂测量所述孔隙率时，在所述第一部分和第二部分之间具有至少1. 6%的孔隙率差异。
15.如权利要求14所述的切削元件，其中所述第一部分包括多晶金刚石主体的第一层，且所述第二部分包括多晶金刚石主体的第二层，且其中所述第一层和第二层在界面相遇。
16.如权利要求15所述的切削元件，其中所述界面为圆顶形。
17.如权利要求15所述的切削元件，其中所述界面是平的。
18.如权利要求15所述的切削元件，其中所述第二层包括有凹区，且其中所述第一层包括有容纳在所述凹区内的突起。
19.如权利要求14所述的切削元件，其中所述孔隙率差异为至少2.6%。
20.如权利要求14所述的切削元件，其中所述孔隙率差异为至少3.4%。
21.如权利要求14所述的切削元件，其中第一部分中的一个或多个孔包括痕量的填充材料，所述填充材料选自由碳化钨、碳化硅和不在元素周期表VIII组中的金属组成的组中。
22.如权利要求21所述的切削元件，其中所述填充材料为碳化钨。
23.如权利要求14所述的切削元件，其中所述第二部分在金刚石晶体之间的一个或多个孔中包括有浸渗剂材料。
24.如权利要求23所述的切削元件，其中所述工作表面在金刚石晶体之间的一个或多个孔中包括有浸渗剂材料。
25.如权利要求14所述的切削元件，其中所述第一部分包括有第一层，所述第二部分包括有第二层，且其中所述第一层与第二层都约为多晶金刚石主体体积的50%。
26.一种井下工具，包括工具主体和其上设置的至少一个如权利要求14所述的切削元件。
27.如权利要求沈所述的井下工具，其中所述井下工具包括有钻头。
28.一种切削元件，包括基片；和结合到基片上的热稳定多晶金刚石主体，其中所述热稳定多晶金刚石主体包括相对基片的工作表面；材料显微结构，包括多个结合在一起的金刚石晶体，和金刚石晶体之间的孔，所述孔基本上没有催化剂材料；所述材料显微结构的接近基片的第一部分具有孔隙率并包括有突起；和所述材料显微结构的接近工作表面的第二部分具有孔隙率并包括有容纳所述突起的凹区，其中所述第一部分在金刚石晶体之间的一个或多个孔中包括有浸渗剂材料，和其中所述材料显微结构在没有所述浸渗剂测量所述孔隙率时，在所述第一部分和第二部分之间具有孔隙率差异。
29.如权利要求观所述的切削元件，其中所述第一部分与第二部分之间的孔隙率差异为至少1. 6%ο
30.如权利要求28所述的切削元件，其中所述凹区与所述突起是互补的。
31.如权利要求观所述的切削元件，其中所述突起为圆顶形。
32.如权利要求28所述的切削元件，其中所述第一部分具有比所述第二部分更大的孔隙率。
33.一种井下工具，包括工具主体和其上设置的至少一个如权利要求28所述的切削元件。
34.如权利要求33所述的井下工具，其中，所述井下工具包括有钻头。
全文摘要
本发明提供了一种通过提高TSP材料与基片界面附近处TSP材料的孔隙率来促进浸渗剂材料在将TSP材料再结合到基片期间渗透进TSP材料中的方法。本发明也提供了通过这种方法形成的切削元件和包括该切削元件的井下工具。
文档编号B22F7/06GK102482919SQ201080036092
公开日2012年5月30日 申请日期2010年6月18日 优先权日2009年6月18日
发明者J·丹尼尔·贝尔纳普, 于峰, 彼得·T·卡里维奥, 方毅, 范国江 申请人:史密斯国际有限公司