具有耐腐蚀性的超硬结构的制作方法
【专利说明】
【背景技术】
[0001]使用包括由诸如金刚石、多晶金刚石(PCD)、立方氮化硼(cBN)、多晶立方氮化硼(PcBN)的超硬材料形成的本体的超硬结构是本领域中公知的。这种结构的一个例子可见于切割元件的形式，该切割元件包含接合至金属部件或基体上的超硬部件或本体。在这样的切削元件中，磨损或切削部分由超硬部件形成，并且提供所述金属部件用于将所述切割元件附接至所期望的磨损和/或切割装置。在这种已知的结构中，超硬部件可以由上述的那些超硬材料形成，该超硬材料提供比所述金属部件更强的耐磨损性。
[0002]使用PCD作为用于形成这样的结构的超硬材料是本领域公知的。PCD是在合适的催化剂材料(例如从元素周期表的第VID族中选出的溶剂催化剂金属)存在时通过将一定体积的金刚石晶粒置于高压/高温(HPHT)条件下形成的。通常情况下，用于形成PCD的溶剂催化剂材料的来源是所述金属基体，其中，所述溶剂催化剂材料作为该基体的一部分存在，其在HPHT处理期间从所述基体迀移并渗入相邻的金刚石本体。所得的结构是包含接合到所述基体上的P⑶本体的P⑶复合片。
[0003]多年来，在提供热稳定性、耐磨性和耐磨损性的增强性能方面已经对这样的超硬结构的PCD本体部分作出了很多改进，因而延长了这类超硬结构的有效使用寿命，使得所述结构的使用寿命现在由其他元件支配。例如，已经发现，这种超硬结构的基体部分，因为它们是借助于改进的PCD本体而经受延长了的使用寿命，当其经受长期暴露于钻井作业期间的钻肩及泥浆射流时，遭受由于长期暴露于井下引起的侵蚀损坏。这种侵蚀损坏最终导致超硬结构的失效，从而有效地限制了使用寿命。
【发明内容】
[0004]如本文所述的超硬结构包括金刚石本体，所述金刚石本体包括晶粒间结合的金刚石的基质相以及分散于所述基质相内的多个间隙区域。所述结构包括附接于所述金刚石本体的第一金属基体以及附接于所述第一金属基体的第二金属基体。所述第一及第二基体选自于如下组:金属材料、陶瓷材料、金属陶瓷材料及它们的组合。所述第一及第二基体各包含第一硬颗粒相及第二结合剂材料相。所述第二金属基体包含平均颗粒尺寸不同于所述第一基体中的硬颗粒的平均颗粒尺寸的硬颗粒。所述第一基体具有有助于在高压/高温条件中烧结所述金刚石本体的材料成分，并且当置于最终应用中时，所述第二基体的材料成分具有比所述第一基体更高程度的耐腐蚀性。在一个示例性实施例中，所述金刚石本体经高压/高温处理形成，并且在此处理期间，所述第一基体整体附接于所述金刚石本体，并且所述第二基体附接于所述第一基体。所述第一基体可以包含大于第二基体中的结合剂材料的量的结合剂材料量。在一个示例性实施例中，所述第一基体的厚度小于所述金刚石本体的厚度的约1/2，并且在其他实施例中，小于所述金刚石本体的厚度的约1/4。提供本
【发明内容】
部分是为了介绍一系列概念，其将在下面的详细描述中进一步描述。本
【发明内容】
不旨在标识所要求保护的主题的关键或必要特征，也不旨在用于帮助限制所要求保护的主题的范围。
【附图说明】
[0005]参考下图描述超硬结构的实施例:
[0006]图1是如本文所述的示例性实施例的超硬结构的侧截面图；
[0007]图2是另一示例性实施例的超硬结构的侧截面图；
[0008]图3是如本文所述的被实施为剪切切割器的超硬结构的侧立体图；
[0009]图4是包含图3中的多个剪切切割器的刮刀钻头的侧立体图；
[0010]图5是如本文所述的以镶齿示例的超硬结构的侧立体图；
[0011]图6是包含图5中的多个镶齿的旋转锥钻头的侧立体图；
[0012]图7是包含图5中的多个镶齿的冲击或震击钻头的侧立体图；以及
[0013]图8a及8b是如本文所述的示例性实施例超硬结构的侧截面图，显示出不同的PCD本体界面结构。
【具体实施方式】
[0014]如本文所述的超硬结构包含由多晶金刚石(PCD)形成的金刚石结合本体。所述金刚石结合本体可以包括热稳定多晶金刚石(TSP)的区域，其中，所述区域可以或可以不包含渗入材料。所述超硬结构包含接合到金刚石结合本体的渗入基体以及结合到所述渗入基体的服务基体，其中，所述服务基体是专门设计的，其具有被设计为提供相比与传统的PSD结构共同使用的传统基体改善的耐腐蚀性的材料成分。
[0015]尽管上文已经描述了本体是金刚石结合本体，但是应该理解，该本体也可以由除金刚石外的超硬材料形成。如本文所述，术语“超硬”应理解为指的是，那些在本领域中公知的具有约4000HV或更大的晶粒硬度的材料。这样的超硬材料可以包括由固结的材料形成的那些能够在高于约750°C的温度下(对于某些应用来说高于约1000°C )呈现物理稳定性的材料。这样的超硬材料可以包括但不限于:金刚石，立方氮化硼(cBN)，金刚石状碳、铌硼，铝锰硼化物及在硼-氮-碳相图中显示出类似于cBN和其他陶瓷材料的硬度值的其他材料。
[0016]PCD是由上文所述的通过在催化剂材料存在时将一定体积的金刚石晶粒置于HPHT条件下的方式形成的超硬材料。所述催化剂材料可以是溶剂催化剂金属，例如选自周期表第VIII族的一种或多种。如本文所述，术语“催化剂材料”指的是最初用来在用于形成PCD的HPHT条件下促进金刚石-金刚石结合或烧结的材料。PCD的材料微观结构具有晶粒间结合的金刚石的基质相以及多个分散于所述基质相内的间隙区域，其中，所述催化剂材料布置于所述间隙区域中。
[0017]通过从所述PCD移除催化剂材料形成了 TSP，以便剩余的金刚石结构基本不含催化剂材料。TSP的材料微观结构的特征为晶粒间结合的金刚石的基质相以及多个空的间隙区域。如果需要，所述空的间隙区域可以填充如下文所述的所需的替代材料或渗入剂材料。TSP可以包含被处理过以防止其当所述金刚石本体承受高温条件时以催化方式作用的催化剂材料。TSP还可以包括使用非金属热稳定溶剂催化剂(例如碳化物、氧化物和硫化物)烧结的金刚石晶粒。TSP还可以是使用CVD法合成或直接由石墨源合成的100%金刚石材料。所述TSP源可以用作先前合成材料。
[0018]用于形成所述金刚石结合本体的金刚石晶粒可以包括具有平均颗粒直径尺寸在从亚微米大小至100微米范围内(在约I至80微米范围内)的天然和/或合成金刚石粉末。所述金刚石粉末可以含有具有单或多模态尺寸分布的晶粒。在一个示例性实施例中，所述金刚石粉末的平均颗粒尺寸大约是20微米。在所使用的金刚石粉末具有不同尺寸的晶粒的情况下，通过传统的工艺例如通过球磨机或磨碎机将所述金刚石晶粒混合在一起足够时间，以确保良好的均勾分布。
[0019]清洁所述金刚石晶粒粉末，以通过在真空或减压环境中进行高温处理来提高粉末的烧结性。将所述金刚石粉末混合物加载至所需容器内，该容器用于放置于合适的HPHT固结和烧结装置中。
[0020]在HPHT处理期间，催化剂材料例如溶剂金属催化剂等与所述金刚石粉末组合。在一个实施例中，催化剂材料通过从所需基体即渗入基体的渗入而提供，所述基体在HPHT处理之前被定位于所述金刚石粉末附近，并且包括作为组成材料的催化剂材料。可以用作用于渗入催化剂材料的源的合适的基体可包括那些用于形成传统PCD材料的基体，且可以以粉末、生坯状态和/或已烧结形式提供。这种基体的特征在于它包括金属溶剂催化剂，其能够融化并渗入金刚石粉末的相邻空间中，以便于在HPHT处理中金刚石晶粒的结合。在一个示例实施例中，催化剂材料为钴(Co)，用于提供催化剂材料的基体为含钴基体