处理多晶金刚石材料的方法【专利摘要】本发明涉及一种处理具有非金刚石相的多晶金刚石(PCD)材料的方法，该非金刚石相包括金刚石催化剂/溶剂材料，所述方法包括通过将至少部分PCD材料暴露于浸出混合物而从PCD材料中浸出一定量的金刚石催化剂/溶剂。浸出混合物包括盐酸和一种或多种另外的无机酸，在该浸出混合物中盐酸的摩尔浓度大于一种或多种另外的无机酸的摩尔浓度。【专利说明】处理多晶金刚石材料的方法【
技术领域：
】[0001]本公开内容涉及一种处理多晶金刚石(PCD)材料的主体的方法并涉及用于所述处理的混合物。【
背景技术：
】[0002]用于机加工的切割刀具刀片(insert)和其它工具可包含结合至硬质合金(cementedcarbide)基层的一层多晶金刚石(P⑶)。P⑶是一种也被称为超硬磨材料的超硬材料的例子，所述超硬材料具有基本上大于烧结碳化钨的硬度值。[0003]含有P⑶的部件被广泛用于各种工具中，这些工具用于进行切割、机加工、钻孔或降解硬质或研磨性材料，如岩石、金属、陶瓷、复合材料和含木材料。PCD含有基本上共生的金刚石颗粒，这些金刚石颗粒体形成骨架体，其限定这些金刚石颗粒之间的间隙。PCD材料含有至少大约80体积％的金刚石，并且可通过在也被称为金刚石的催化剂材料的烧结助剂存在的情况下，使金刚石颗粒的聚集体经受高于大约5Gpa，典型地为大约5.5Gpa的超高压力和至少大约1200°C，典型地为大约1440°C的温度而制备TCD材料。金刚石的催化剂材料可理解为是在金刚石比石墨更加热力学稳定的压力和温度条件下能促进金刚石颗粒的直接共生的材料。[0004]金刚石的催化剂材料的实例为钴、铁、镍和包括任何一个这些元素的合金的某些合金。PCD可以形成在烧结钴碳化钨基层上，该基层可提供用于该PCD的钴催化剂材料的源。在烧结该PCD材料的主体期间，该硬质合金基层的成分，例如来自烧结钴碳化钨基层的钴，液化并从靠近该金刚石微粒体积的区域流动到这些金刚石微粒之间的间隙区域中。在这个例子中，钴用作催化剂，以有助于结合的金刚石颗粒的形成。可选地，可以在将金刚石微粒和基层进行HPHT处理之前将金属溶剂催化剂与金刚石微粒混合。PCD材料内的间隙可以至少部分地填充有催化剂材料。因此共生金刚石结构包括原始金刚石颗粒以及新析出的或重新生长的金刚石相，其桥接这些原始颗粒。在最终的烧结结构中，催化剂/溶剂材料一般依然留在存在于该烧结金刚石颗粒之间的至少一些间隙内。[0005]该烧结PCD在用于侵蚀性磨损、切割和钻孔应用中具有足够的耐磨性和硬度。[0006]然而，这类ra)烧结坯块(compact)所遇到的公知的问题是:在微结构间隙中残留的溶剂/催化剂材料对该烧结坯块在高温下的性能具有有害的影响，因为相信，在金刚石薄片(table)中溶剂/催化剂的存在降低了在这些升高温度下该金刚石薄片的热稳定性。例如，在金刚石颗粒和溶剂/催化剂之间的热膨胀系数的不同被认为导致了在钻孔或切割作业期间切割元件的该PCD薄片的刻纹或者裂纹。该PCD薄片的刻纹或裂纹可降低切割元件的机械特性或导致切割元件失效。另外，在高温下，金刚石颗粒可能与溶剂/催化剂发生化学分解或反向转化。在极端高温下，部分金刚石颗粒可能转换成一氧化碳、二氧化碳、石墨或其组合物，由此降低了PCD材料的机械特性。[0007]对于这些问题的潜在解决方案是从P⑶材料中移除催化剂/溶剂或粘合剂相。[0008]化学浸出(Ieach)经常被用于从TCD材料的主体的间隙区域中，比如从靠近该TCD的工作表面的区域中，移除金属溶剂催化剂，比如钴。传统的化学浸出技术经常包含高浓度、毒性和/或腐蚀性溶液的使用，比如王水和包括氢氟酸(HF)的混合物，以便从多晶金刚石材料中溶解和移除金属溶剂/催化剂。由于这类混合物是高度毒性的，这些物质的使用会带来严重的健康和安全风险，因此使用这类混合物来处理PCD的工艺必须由专业人员在很好的控制和监控条件下执行，以便最小化这类工艺对操作人员伤害的风险。[0009]另外，一般地，从PCD薄片中，特别是从目前应用所需的较厚PCD薄片中，有效地移除金属催化剂/溶剂的块是极其困难和耗费时间的。一般来说，当前技术集中在取得高金刚石密度的PCD和相应地取得具有极其精细分布的金属催化剂/溶剂池的PCD。该精细网络抵抗浸出剂的渗透，使得残余的催化剂/溶剂经常留在已浸出过的烧结坯块之后。另外，获得可预估的浸出深度可能耗费很长时间从而使得在商业上难以实施，或者要求比如极端的酸处理或者物理钻孔该PCD薄片的不希望的干预。[0010]因此存在通过使用用于处理或加工P⑶材料的主体的技术以克服或基本上改进上述问题的需要。【
发明内容】[0011]根据第一个方案，本发明提供了处理具有包括金刚石催化剂/溶剂材料的非金刚石相的多晶金刚石(PCD)材料的方法，所述方法包括通过将至少部分的PCD材料暴露于浸出混合物而从该PCD材料中浸出一定量的金刚石催化剂/溶剂，所述浸出混合物包括盐酸和一种或多种另外的无机酸，在该浸出混合物中盐酸的摩尔浓度大于一种或多种另外的无机酸的摩尔浓度。[0012]浸出混合物可包括，例如，包括硫酸、磷酸、高氯酸或硝酸中的一种或多种的一种或多种无机酸。[0013]在一些实施例中，盐酸的摩尔浓度为3M或更大。[0014]在一些实施例中，浸出溶液包括除了盐酸之外的两种或多种无机酸的组合，所述两种或多种无机酸的摩尔浓度基本上相同。[0015]所述方法还可包括:在将P⑶材料暴露于浸出混合物的步骤期间，将浸出溶液加热至等于或高于该浸出混合物的沸点温度的温度。[0016]对于约10微米的平均金刚石颗粒尺寸，由酸混合物实现的浸出速率可以在一些实施例中约为每小时10微米。【专利附图】【附图说明】[0017]现在将参考所附附图，只通过举例的方式，来对各种实施例进行更加详细的说明，其中:[0018]图1为用于钻入土地的切割钻头的P⑶切割刀具刀片的示意性透视图；和[0019]图2为图1的PCD切割刀具刀片的示意性截面图以及表示该PCD材料的微观结构的示意性扩展图；[0020]在所有附图中，相同的参考标号表示相同的各个特征。【具体实施方式】[0021]如此处所用，“PCD材料”为含有金刚石颗粒体的材料，其绝大部分是彼此直接地相互结合，并且其中金刚石的含量为该材料的至少大约80%体积。在PCD材料的一个实施例中，金刚石颗粒之间的间隙可以至少部分地采用含有用于金刚石的催化剂和/或非金刚石相的粘结剂材料填充。[0022]如此处所用，“用于金刚石的催化剂材料”是在金刚石比金刚石热力学上更加稳定的压力和温度下，能够促进金刚石的生长或者在金刚石颗粒之间直接的金刚石与金刚石共生的材料。[0023]在此所用的术语“摩尔浓度”，可以指在大约25°C的温度下以mol/L为单位的浓度。例如，在IM的摩尔浓度下含有溶质A的溶液可包括每升溶液中Imol的溶质A。[0024]图1表示用于钻入土地的钻头(未示出)的P⑶切割刀具刀片10，其包括结合至烧结碳化钨基层30的P⑶主体20。[0025]图2为穿过图1的P⑶切割刀具刀片10的截面图。P⑶主体20的微观结构21也被示出，并且包括用于限定金刚石颗粒之间的间隙24的相互结合的金刚石颗粒22的骨架体(skeletalmass),间隙24至少部分被填充有填充剂材料,即包括例如钴、镍或铁的用于金刚石的溶剂/催化剂。[0026]根据该方法的一些实施例，产生了P⑶材料的烧结主体，其具有金刚石与金刚石的结合和同时具有包括分散在其微观结构中的溶剂/催化剂的第二相。使用HpHT条件，可以根据标准方法形成PCD材料主体，以便生产烧结PCD薄片。将由所述方法的实施例所浸出的这些P⑶薄片一般但不唯一地具有约1.5mm至约3.0mm的厚度。[0027]已经发现，在各种应用中，从PCD薄片内移除非粘合剂相，其传统上被称为浸出，是期望的，所述应用例如是期望将多晶金刚石盘再附着到碳化物柱上的情况，其一般伴随有例如为了该再附着能够成功的粘合剂材料的再渗透。碳化物颗粒能够潜在地阻挡沿着其而发生再渗透的路径。这些阻碍避免了在再附着循环期间粘合剂材料的完全再渗透，其反过来对于再附着过程具有有害结果。[0028]并且，在微观结构间隙中溶剂/催化剂材料的残余存在被认为对于高温下PCD烧结坯块的性能具有有害作用，因为所认为的是，在金刚石薄片中的溶剂/催化剂的存在降低了在这些升高温度下金刚石薄片的热稳定性。[0029]关于浸出的反应速率被认为是初始由当酸接触PCD薄片的表面时的化学速率所支配，后来由当酸扩散通过PCD薄片的孔时的扩散速率所支配。[0030]传统上讲，对于从烧结P⑶薄片中移除碳化钨(WC)，HF-HNO3已被示为是最有效的媒质。HF-HNO3的问题是其具有挥发性，并且当加热该酸时，需要特别的技术，例如气体密封技术。如果不提供该技术，则温度的应用将降低HF-HNO3的效能，这是由于HF(其是有毒的)的蒸发和通常为气体的NO种类的形成所导致的，因此，需要酸媒质的频繁补充。而且，如上所述，通常会需要热量以加速浸出过程，从而使得所述处理在商业上可行。另一个问题是HF-HNO3对于大多数容器而言具有腐蚀性，使得反应难于实施。[0031]为了改进P⑶材料主体20的表面的性能和耐热性，至少一部分的金属溶剂催化剂，比如钴，可以从至少一部分的P⑶材料20的间隙22中移除。另外，可以从至少一部分的PCD材料20的主体中移除钨和/或碳化钨。[0032]化学浸出被用于或者从P⑶材料20的主体至离P⑶材料主体的外表面的期望深度的PCD材料20的主体中或者从基本上所有PCD材料20中移除金属溶剂催化剂。在浸出之后，PCD材料20的主体因此可包括基本上没有金属溶剂催化剂的第一体积。然而，少量的溶剂/催化剂可保留在没有接触到浸出处理的间隙中。另外，在浸出之后，PCD材料20的主体也可以包括含有金属溶剂催化剂的体积。在一些实施例中，这一另外的体积可能远离一个或多个P⑶材料20主体的暴露的表面。[0033]可包括例如金属溶剂/催化剂和采取碳化物添加物形式的一个或多个添加物的间隙材料，可以通过将PCD材料暴露于合适的浸出混合物而从PCD材料20主体内的间隙22中浸出。[0034]根据实施例，该浸出混合物包括除了盐酸之外的一种或多种无机酸，其中，存在于浸出混合物中的盐酸的摩尔浓度大于混合物中其它无机酸的摩尔浓度。PCD材料的主体可以以任何合适的方式暴露于这种浸出混合物中，包括例如，通过将至少一部分的PCD材料20的主体浸入到浸出混合物中一段时间。[0035]根据一些实施例，P⑶材料的主体可以在升高的温度下暴露于浸出混合物，例如达到该酸浸出混合物沸腾的温度。在浸出期间将PCD材料的主体暴露于升高的温度可以增加PCD材料可被进行浸出的深度，并减少达到期望浸出深度所需的浸出时间。[0036]如果只有一部分P⑶材料的主体有待被浸出，并且如果主体仍然附着在基层上，则基层可以至少部分被保护层所包围，从而避免浸出溶液在浸出期间化学上破坏PCD材料主体的某些部分和/或附着在其上的基层。这种配置可以提供PCD材料的主体的选择浸出，其可以是有益的。在浸出之后，可以除去保护层或掩模。[0037]另外,在一些实施例中，至少部分的P⑶材料主体和浸出溶液可以暴露于电流、微波辐射和/或超声能量中的至少一种，以便提高PCD材料主体进行浸出时的速率。[0038]适合的无机酸的实例可包括例如硫酸、磷酸、高氯酸或硝酸和/或上述物质的任一组合物或其它无机酸。[0039]在一些实施例中，盐酸可以以大约3M或大于约3M的量存在于浸出混合物中。[0040]参考以下不用于限制目的的实例，对一些实施例进行更加详细的描述。下面的实例提供了与上述实施例相关的更多细节。[0041]实施例1[0042]切割元件，每个包括附着至碳化钨基层的PCD薄片，通过在钴存在下的金刚石微粒的HPHT烧结所形成。烧结的多晶金刚石薄片在结合的金刚石颗粒之间的间隙区域内含有钴。[0043]使用包括盐酸、硝酸、磷酸和硫酸、浸出混合物的总摩尔浓度为4.60M的溶液，来浸出PCD薄片，硝酸、磷酸和硫酸以相等的摩尔浓度存在于该浸出混合物中，并且盐酸以比其它任一种无机酸更大的摩尔浓度例如大约3M存在于该浸出混合物中。[0044]P⑶薄片在酸浸出混合物沸腾的温度下被浸出15小时。[0045]此时，通过X-射线分析，针对该PCD薄片的各个部分，确定该PCD薄片的浸出深度。发现在15个小时后，已取得了270微米的平均浸出深度。[0046]使用该浸出混合物，对另一个相同的P⑶材料主体进行浸出总共25个小时，并且对该PCD薄片的各个部分，使用X-射线分析，再次确定该PCD薄片的浸出深度。发现在25个小时后，已经取得了450微米的平均浸出深度。[0047]实施例2[0048]切割元件，每个包括附着至碳化钨基层的PCD薄片，通过在钴存在下的金刚石微粒的HPHT烧结来形成。该烧结的多晶金刚石薄片在结合的金刚石颗粒之间的间隙区域内含有钴。[0049]使用包括盐酸、硝酸、磷酸和硫酸、浸出混合物的总摩尔浓度为4.87M的溶液来浸出该PCD薄片，硝酸、磷酸、高氯酸和硫酸以相等的摩尔浓度存在于该浸出混合物中，并且盐酸以比其它任一种无机酸更大的摩尔浓度例如大约3M存在于该浸出混合物中。[0050]P⑶薄片在该酸浸出混合物沸腾的温度下被进行浸出10个小时。[0051]此时，通过X-射线分析，对该P⑶薄片的各个部分，确定该P⑶薄片的浸出深度。发现在10个小时后，已取得了250微米的平均浸出深度。[0052]使用该浸出混合物，对另一个相同的P⑶材料主体进行浸出总共33个小时，并且对该PCD薄片的各个部分，通过X-射线分析，再次确定该PCD薄片的浸出深度。发现在33个小时后，已经取得了600微米的平均浸出深度。[0053]当与使用传统的浸出溶液可取得的浸出深度进行比较时，已经确定包括上述浸出混合物的所述实施例可以使更大的浸出效率成为可能，从而可以在更短的时间段内获得更大的浸出深度，例如，与一般在5天内能够浸出相同的PCD主体的传统的酸混合物相比，在20小时内取得了585微米的浸出深度。而且，由于该酸浸出混合物比其它传统的HF-硝酸基的浸出混合物的毒性更小，从而减少了健康和安全处理的问题。[0054]已经提供了上面的说明，使得本领域技术人员能够最好地利用通过此处的实例所说明的实施例的各个方面。该说明不是作为穷举或被限制于所公开的任何精确形式。很多修改和变型是可能的。特别是，尽管该方法的一些实施例已经被说明成为在含有VC添加物的浸出PCD中是有效的，但是该方法可以等同地应用于具有其它添加物的PCD的有效浸出，t匕如，采取其它金属碳化物形式、包括钨、钛、铌、钽、锆、钥或铬的碳化物中的一种或多种的添加物的PCD的有效浸出。【权利要求】1.一种处理具有包括金刚石催化剂/溶剂材料的非金刚石相的多晶金刚石材料，即PCD材料，的方法，所述方法包括通过将至少一部分的所述PCD材料暴露于浸出混合物而从所述PCD材料中浸出一定量的金刚石催化剂/溶剂，所述浸出混合物包括盐酸和一种或多种另外的无机酸，在所述浸出混合物中所述盐酸的摩尔浓度大于所述一种或多种另外的无机酸的摩尔浓度。2.如权利要求1所述的方法，其中将所述PCD暴露于浸出混合物的步骤包括将所述PCD暴露于所述浸出混合物，其中所述一种或多种另外的无机酸包括硫酸、磷酸、高氯酸或硝酸中的一种或多种。3.如上述权利要求中任一项所述的方法，其中所述浸出溶液包括具有大约3M或更大摩尔浓度的盐酸。4.如上述权利要求中任一项所述的方法，其中所述浸出混合物包括除了盐酸之外的两种或多种无机酸的组合，所述两种或多种另外的无机酸的摩尔浓度基本上相同。5.如上述权利要求中任一项所述的方法，进一步包括在将所述PCD材料暴露于所述浸出混合物的步骤中，将所述浸出混合物加热至等于或高于所述浸出混合物的沸点温度的温度。6.如上述权利要求中任一项所述的方法，其中所述金属溶剂催化剂包括钴、镍和铁中的至少一种。7.如上述权利要求中任一项所述的方法，其中所述PCD薄片具有从约1.5mm至约3.0mm的厚度。8.如上述权利要求中任一项所述的方法，其中所述浸出步骤包括从所述PCD材料中浸出钨、钛、铌、钽、锆、钥、铬或钒的碳化物中的一种或多种。9.如上述权利要求中任一项所述的方法，其中对于约10微米的平均金刚石颗粒尺寸，所述酸浸出混合物的浸出速率约为每小时10微米。10.一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材料，即PCD材料，的方法，其基本上正如在附图中所例示并通过之前任一项实施例说明的方法。【文档编号】C22C26/00GK104136641SQ201280070378【公开日】2014年11月5日申请日期:2012年12月20日优先权日:2011年12月29日【发明者】汉弗莱·萨姆克罗·路基萨尼·希特赫比,安德鲁·恩德洛武申请人:第六元素研磨剂股份有限公司