切削元件、用于制造这种切削元件的方法和包含这种切削元件的工具的制作方法
【专利说明】切削元件、用于制造这种切削元件的方法和包含这种切削 元件的工具
[0001] 本申请是申请号为 201080028742. 5 (PCT//US2010/035686),申请日为 2010 年 05 月20日，发明名称为"切削元件、用于制造该种切削元件的方法和包含该种切削元件的工 具"的发明专利申请的分案申请。
技术领域
[0002] 本发明涉及用于地下钻探应用的包含多晶金刚石体的切削元件，并更具体地涉及 具有高金刚石含量的多晶金刚石体，该些金刚石体构造成与现有的多晶金刚石体相比提供 热稳定性和耐磨性的改进的特性，同时保持期望程度的耐冲击性
【背景技术】
[0003] 现有技术中已知的多晶金刚石（PCD)材料由能经受高压和高温条件（"HPHT烧结 过程"）的金刚石颗粒（或晶体）W及催化剂材料构成。该种PCD材料已知具有高度耐磨 性，从而使它们对于期望高度耐磨性的诸如用于机加工的切削工具和地下采矿和钻探中的 耐磨和切削元件的该种工业应用来说是一种普遍的材料选择。在该种应用场合中，传统的 PCD材料可W表面层或体的形式来提供，W赋予切削工具期望水平的耐磨性。
[0004] 传统地，PCD切削元件包括基体和与其附连的PCD体或层。用于该种切削元件应 用的基体包括诸如粘结的碳化鹤（例如，WC-Co)的碳化物。该种传统的PCD体利用催化剂 材料来便于金刚石颗粒之间的晶间结合并将PCD体结合到在下面的基体。传统上用作催化 剂的金属经常从包括钻、铁、媒、其组合物及其合金的溶剂金属催化剂中选择。
[0005] 用于形成PCD体的催化剂材料的量代表了在强度/粗趟度/耐冲击性的期望特性 与硬度/耐磨性/热稳定性之间的折衷。尽管高金属催化剂含量通常增加所得PCD体的强 度、粗趟度和耐冲击性，但该种较高的金属催化剂含量也减小PCD体的硬度和对应的耐磨 性W及热稳定性。因此，该些被不利地影响的特性最终限制了提供具有期望水平的硬度、耐 磨性、热稳定性、强度、耐冲击性和粗趟度的PCD体来满足特定应用场合（诸如，用于地下钻 探装置中的切削和/或耐磨元件）的服务需求的能力。
[0006] 用于某些应用场合的PCD体的特别期望的特性是在磨损或切削操作过程中改善 的热稳定性。传统PCD体所存在的一个已知问题是，当暴露于升高温度的切削和/或磨损 应用场合时它们易于热降解。该个弱点来自于填隙式设置在PCD体内的溶剂金属催化剂材 料的热膨胀特性与晶间结合的金刚石的热膨胀特性之间的差异。该种不同的热膨胀已知 在低至40(TC就开始，并可引发对于金刚石的晶间结合有害的热应力并最终导致形成能使 PCD结构易于失效的裂缝。因此，该种表现是不期望的。
[0007] 传统PCD材料已知存在的另一种形式的热降解也与溶剂金属催化剂存在于PCD体 的填隙区域内W及溶剂金属催化剂粘附到金刚石晶体有关。具体来说，已知溶剂金属催化 剂随着温度增大而引起金刚石内不期望的催化相转化（使金刚石转化成一氧化碳、二氧化 碳或石墨），由此将PCD体的实际使用限制到75(TC。
[0008] 热降解会导致PCD体的碎裂、散裂、局部断裂和/或剥落。该些问题可通过在PCD 体内形成微裂缝然后微裂缝贯穿PCD体延伸而引起。微裂缝可由在PCD体内出现的热应力 形成。
[0009] 美国专利第6, 601，662号662专利"）涉及包括具有改善的耐磨性的PCD体 的切削元件及制造该种切削元件的方法。所述切削元件具有金刚石体积密度大于85%的 PCD体并包含在PCD体内与工作表面相邻的、基本上没有催化剂材料的填隙基底。' 662专 利公开了为了实现足够水平的耐磨性，增大金刚石的体积密度导致基本上没有催化剂材料 的填隙基底的深度减小。美国专利第7, 493, 973号973专利"）涉及包括具有高金刚 石含量的PCD体的切削元件，其处理成提供抗磨损性和热稳定性的改善的特性，同时保持 期望程度的耐冲击性。使用粗粒的金刚石颗粒，诸如具有平均粒度为约0. 03毫米或更大的 金刚石颗粒来获得高金刚石含量。'973专利也公开了 PCD体的待处理区域（使其基本上没 有催化剂材料）的金刚石体积含量将影响获得期望水平的性能（诸如耐磨性）所需的处理 深度。特别是，'973专利公开了了对于金刚石含量大于约93% (体积）（％ V)，处理的平均 深度小于0. 08mm(毫米）（80微米/微米），而对于金刚石含量为至少95% (体积）（％ V)， 处理的平均深度至多为0. 03mm (毫米）（30微米/微米）。
[0010] 尽管相对于用于形成切削元件的PCD体已作了许多工作，但仍期望PCD体开发成 具有在诸如耐磨性和热稳定性的特性方面更大的改进，同时不牺牲期望的强度、粗趟度或 耐冲击性，该特别是对于困难的钻探应用场合。
[0011] 困难的钻探应用的例子包括诸如在东得克萨斯盆地和地热应用场合中发现的那 些的研磨沙岩。
【发明内容】
[0012] 本发明涉及用于地下钻探场合的包含多晶金刚石体的切割元件，并更具体地涉及 具有高金刚石含量的多晶金刚石体，该些金刚石体构造成与现有的多晶金刚石体相比能提 供热稳定性和耐磨性的改善的特性，同时保持期望程度的耐冲击性在此公开的各种实施例 中，具有高金刚石含量的切削元件包括更改的PCD结构和/或更改的界面（PCD体与基体之 间），W提供优越的性能。
[0013] 在一实施例中，切削元件包括多晶金刚石体，其包括；界面表面；与界面表面相 对的顶面；与顶面相交的切削边缘；W及包括多个结合起来的金刚石晶体和金刚石晶体 之间的填隙区域的材料微结构。微结构的接近切削边缘的第一区域包括基本上没有催化 剂材料的多个填隙区域，且第一区域从切削边缘延伸到至少300微米的深度。微结构的 接近界面表面的第二区域包括多个填隙区域，该些填隙区域包括设置在其中的催化剂材 料。第一区域包括小于25微米的烧结平均粒度。第一区域具有至少一种下述特性：小于 (0. 1051) ?(平均粒度A-0. 3737)的显孔隙率；或小于（0. 251) ?(平均粒度A-0. 2691)的 浸出重量损失；或大于（0.9077) ?(平均粒度A〇. 0221)的金刚石体积分数，其中所述平均 粒度的单位是微米。
[0014] 在一实施例中，切削元件包括多晶金刚石体，该金刚石体包括界面表面；与界面表 面相对的顶面；与顶面相交的切削边缘；W及包括多个结合起来的金刚石晶体和金刚石晶 体之间的填隙区域的材料微结构。微结构的接近切削边缘的第一层包括第一金刚石体积分 数，而微结构的接近界面表面的第二层包括至少小于第一金刚石体积分数2%的第二金刚 石体积分数。第一层具有至少一种下述特性；小于（0.1051) ?(平均粒度A-0. 3737)的显 孔隙率；或小于（0. 251) ?(平均粒度A-0. 2691)的浸出重量损失；或大于（0. 9077) ?(平 均粒度A〇. 0221的第一金刚石体积分数）的第一金刚石体积分数，其中平均粒度的单位是 微米。
[0015] 在一实施例中，切削元件包括多晶金刚石体，其包括；界面表面；与界面表面相对 的顶面；与顶面相交的切削边缘；W及包括多个结合起来的金刚石晶体和金刚石晶体之间 的填隙区域的材料微结构。微结构的接近切削边缘的第一区域包括基本上没有催化剂材 料的填隙区域。界面表面包括小于0.7的突起比。第一区域包括小于25微米的烧结平均 粒度W及至少一种如下特性：小于（0. 1051) ?(平均粒度A-0. 3737)的显孔隙率；或小于 (0. 251) ?(平均粒度A-0. 2691)的浸出重量损失；或大于（0. 9077) ?(平均粒度A〇. 0221) 的金刚石体积分数，其中平均粒度的单位的微米。
[0016] 在一实施例中，切削元件包括具有界面表面的基体，其中，基体包括小于约11% (重量）的钻含量；W及形成于基体的界面表面上的多晶金刚石体。多晶金刚石体包括界 面表面；与界面表面相对的顶面；与顶面相交的切削边缘；W及包括多个结合起来的金刚 石晶体和金刚石晶体之间的填隙区域的材料微结构。一部分多晶金刚石体具有至少一种如 下特性：小于（0. 1051) ?(平均粒度A-0. 3737)的显孔隙率；或小于（0. 251) ?(平均粒度 A-0. 2691)的浸出重量损失；或大于（0.9077) ?(平均粒度A〇. 0221)的金刚石体积分数， 其中平均粒度的单位是微米。
[0017] 在一实施例中，切削元件包括W大于5. 4吉帕斯卡佑Pa)的烧结冷腔室压力烧结 的多晶金刚石体，而多晶金刚石体包括；界面表面；与界面表面相对的顶面；与顶面相交的 切削边缘；W及包括多个结合起来的金刚石晶体和金刚石晶体之间的填隙区域的材料微结 构。微结构的接近切削边缘的第一区