CN102099541B - 一种用于形成切割元件的方法及切割元件 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种用于形成切割元件的方法，其中包括在多晶研磨体的至少一个表面中形成至少一个空腔；将多晶研磨体放置相邻基底，以使至少一个空腔的开口在界面处邻近基底，其中基底的界面表面不与多晶研磨体匹配；及多晶研磨体和基底经受高压/高温条件。
Description
相关申请的交叉引用
本申请根据35U.S.C.§119要求2008年07月17日递交的美国专利申请号61/081,619的优先权，其在此通过参考全部纳入。
技术领域
本发明总体涉及一种多晶金刚石复合物和切削结构。尤其是，本发明涉及具有非平面界面的多晶金刚石切割结构和形成这种非平面界面的方法。
背景技术
多晶金刚石复合片(“PDC”)刀具已被广泛应用在包括岩石钻孔和金属加工工业中多年。在典型的应用中，多晶金刚石(PCD)的复合片(或其他超硬材料)结合到基底材料，基底材料典型地是烧结的金属碳化物以形成切削结构。PCD包括金刚石(通常合成)的多晶块，其结合在一起以形成整体的、坚韧的、高强度块或晶格。由此产生的PCD结构产生增强的耐磨性和硬度特性，使得PCD材料在需要高水平的耐磨性和硬度的侵蚀性磨损和切割应用中非常有用。
可以通过将硬质合金基底放置进入压力容器中形成PDC刀具。金刚石颗粒的混合或者金刚石颗粒和催化剂粘结剂放置在基底的顶部并且在高压、高温条件下处理。在这样做时，金属粘结剂(通常为钴)从基底移出，并且经过金刚石颗粒以促进金刚石颗粒之间的共生。结果，金刚石颗粒变得彼此结合以形成金刚石层，并且金刚石层依次结合到基底。基底通常包括金属碳化复合材料，诸如碳化钨。沉积的金刚石层通常被称为“金刚石切平面(diamond table)”或“研磨层”。
使用PDC刀具的用于土地形成钻井的刮刀钻头的示例在图1中示出。图1示出具有刀具体12的旋转钻头10。刀具体12的下表面形成有多个刀片14， 其通常向外远离钻头16的中心旋转纵轴。多个PDC刀具18沿着每个刀片长度并排设置。由每个刀携带的PDC刀具18的数量可以变化。PDC刀具18单独地焊接到螺柱状载体(或基底)，其可以从碳化钨形成，并且接收和固定到各自的刀片中的插口中。
困扰切削元件和特别是具有诸如PCD、多晶立方氮化硼(PCBN)，或结合在硬质合金基底上的热稳定多晶金刚石(TSP)的超硬度的金刚石切平面的特种切削刀具的共同的问题，是切割切平面的切屑、剥落、部分断裂、开裂或剥离。这问题导致切割切平面早期失效，并且因而，导致刀具的较短寿命。
据认为，这些问题，即金刚石层的切屑、剥落、局部破裂、开裂、脱落的部分原因可能是由于金刚石和基底之间的热膨胀系数的差异。具体来说，这些问题被认为是基底和金刚石之间的界面上的热膨胀系数突然改变造成的。这个突然的改变导致切削层上残留应力的积聚。
硬质合金基底具有比金刚石高的热膨胀系数。在烧结过程中，硬质合金体和金刚石层两者被加热到在金刚石层与硬质合金基底之间形成结合的高温。由于金刚石层和基底降温时，由于其较高的热膨胀系数，基底收缩比金刚石更多。因此，称为热导应力的压力形成在金刚石和主体之间的界面处。
此外，残余应力从烧结后减压形成在金刚石层上。在烧结过程中应用的高压导致碳化物比金刚石层压缩更多。在金刚石烧结在碳化物上并且压力被移除后，碳化物膨胀比金刚石更多，施加拉伸残余应力在金刚石层上。
在试图克服这些问题过程中，许多人转而使用基底和切削层之间的非平面的界面。相信，非平面界面允许热膨胀系数从基底到金刚石切平面逐渐地改变，因此，减少金刚石上残余应力的大小。同样地，人们相信非平面界面允许在从金刚石层到硬质合金基底的压缩中逐渐地改变。
因此，存在适用于非平面界面发展的连续需要，和形成非平面界面的方法，用于具有连接到基底的多晶研磨切割层的切割元件。
发明内容
在一个方面，本文所披露的实施方式涉及一种用于形成切割元件的方 法，其中包括在多晶研磨体的至少一个表面中形成至少一个空腔；将多晶研磨体相邻基底放置，以使至少一个空腔的开口在界面处邻近基底，其中基底的界面表面与多晶研磨体是非匹配的；及使多晶研磨体和基底经受高压/高温条件。
在另一个方面，本文所披露的实施方式涉及一种用于形成切割元件的方法，包括形成连接到基底的多晶金刚石体的多晶金刚石复合片，多晶金刚石复合片的形成包括邻近基底放置金刚石颗粒和催化剂材料的混合物；及使混合物和基底经受高压/高温条件；然后，一旦多晶金刚石复合片形成，从基底分离多晶金刚石体；在被分离的多晶金刚石体的至少一个表面中形成至少一个空腔；将多晶研磨体邻近基底材料放置，以使至少一个空腔的开口邻近基底材料；和使多晶研磨体和基底材料经受高温/高压条件。
在另一个方面，本文所披露的实施方式涉及到一种用于形成切割元件的方法，包括：在多晶研磨体的至少一个表面中形成至少一个空腔；将多晶研磨体邻近基底前体材料放置，以使至少一个空腔的开口邻近基底前体；和使多晶研磨体和基底前体材料经受高压/高温条件。
在另一个方面，本文所披露一种切割元件，包括：多晶研磨体；和连接到多晶研磨体的基底，其中，多晶研磨体包括，在多晶研磨体与基底之间的界面处，形成在其中的至少一个空腔，所述至少一个空腔具有开口，所述开口具有小于1毫米的至少一个尺寸；及其中，基底包括与至少一个空腔配合和匹配的至少一个凸起。
在另一个方面，本文所披露的实施方式涉及一种切割元件，包括：多晶研磨体；和连接到多晶研磨体的基底，其中，多晶研磨体包括，在多晶研磨体与基底之间的界面处，形成在其中的至少一个空腔；和其中，基底包括与至少一个空腔配合或匹配的至少一个凸起，所述至少一个凸起包括不同于剩余基底的材料成分。
从下面的描述和附后权利要求中，本发明的其他方面和优势将显而易见。
附图说明
图1是PDC钻头的图解。
图2A-2E示出本发明的各种实施方式的横截面侧视图。
图3A-3B示出本发明的各种实施方式的顶部图。
图4A-4C为根据本发明的实施方式形成PDC刀具的步骤。
图5A-5D为根据本发明的实施方式形成PDC刀具的步骤。
图6A-6E为根据本发明的实施方式形成PDC刀具的步骤。
具体实施方式
在一个方面，本文所披露的实施方式涉及多晶金刚石(或其他多晶研磨体)切割元件、和在多晶金刚石层和基底之间形成非平面界面的方法。更具体地，本文所披露的实施方式针对在多晶研磨体中形成腔并且将研磨体连接到基底而产生的非平面界面。
本文中所使用的术语“PCD”是指多晶金刚石，通过使用诸如包括在元件周期表第八族中的那些的溶剂金属催化剂，在高压/高温(HPHT)条件下形成。不过，本发明还涉及多晶立方氮化硼(从氮化硼颗粒经受高温高压条件而形成)以及热稳定多晶金刚石。在此所用术语“热稳定多晶金刚石”是指晶间结合(intercrystalline bonded)金刚石，其包括大致不含用于形成PCD的溶剂金属催化剂的已打底(rendered)的体积或区域，或者用于形成PCD的溶剂金属催化剂保持在金刚石体的区域中然而在别的方面反应或者打底，其能力不适合在如上所述的高温处不利地冲击结合的金刚石。
形成多晶研磨体
可以以传统方式形成多晶金刚石体，诸如通过“绿色”颗粒的高压、高温烧结以在颗粒之间产生晶间结合。“烧结”涉及的高压、高温(HPHT)过程。高压、高温(HPHT)过程的示例可以在例如美国专利号4694918，5370195和4525178中发现。简言之，为形成多晶金刚石对象，金刚石结晶颗粒的非烧结块放置在高温高压设备的反应池的金属外壳中。用于这个过程的合适的高温高压(HPHT)设备在美国专利号2947611，2941241，2941248，3609818，3767371，4289503，4673414和4954139中描述。诸如钴或其他第八族的金属催化剂，可以包括有结晶颗粒的非烧结块以促进晶间金刚石到金刚石结合。催化剂金属可以以粉末形式设置并与金刚石颗粒混合，或 者可以在高温高压烧结过程中渗入金刚石颗粒。示例性最低温度是约1200℃并且示例性最低压力约35千巴。典型的处理是在约45千巴的压力和1300摄氏度处。普通技术人员会明白可使用多种温度和压力，并且本发明的范围并不限于具体引用的温度和压力。
用于形成多晶金刚石体的金刚石颗粒的可包括任何类型的金刚石粒子，包括具有宽的范围的粒度的天然或人工合成的金刚石粉末。例如，这类金刚石粉末可以具有从大小为亚微米至100微米的范围内的平均晶粒尺寸，和在其他实施方式中从1至80微米。此外，本领域技术人员将理解金刚石粉末可以包括具有单一或多重模态分布。
此外，用于制备PCD体的金刚石粉可以是人造金刚石粉或天然金刚石粉末。人造金刚石粉众所周知包括少量溶剂金属催化剂材料和夹带在金刚石晶体自身中的其他材料。不同于人造金刚石粉，天然金刚石粉不包括这种溶剂金属催化剂和夹带在金刚石晶体自身中的其他材料。理论上，由于这些材料与溶剂催化剂还必须移除或以其他方式无效，人造金刚石粉中除了溶剂催化剂的材料夹杂物可以操作以削弱或限制所产生的PCD体热稳定打底的程度。由于天然金刚石很大程度上缺乏这些材料，这些材料不必从PCD体移除，并且因此可以获得较高程度的热稳定性。因此，用于要求特别高度热稳定性的应用，本领域技术人员应理解，用于形成PCD的天然金刚石的使用是优选的。金刚石颗粒粉，不论是合成的还是天然的，可结合或已经含有适量的催化剂材料，以实现高温高压处理过程中所需要的晶间的金刚石结合。用于形成PCD体的合适的催化剂材料，包括从元件周期表第八族选出那些溶剂金属，钴(Co)是最常见的，以及这些材料两种或多种合金或混合物。在具体的实施方式中，金刚石颗粒粉和催化剂材料混合按体积可包括85至95％金刚石颗粒粉和剩余量催化剂材料。替换地，金刚石颗粒粉可在不添加溶剂金属催化剂的应用中使用，其中，可以在高温高压处理过程中通过从邻近的基底或将被结合到PCD体的邻近的其他体渗透提供溶剂金属催化剂。
金刚石粉可以与期望的催化剂材料结合，并且反应池然后放置在足以引起金刚石颗粒之间的晶间结合的加工条件下。在期望包括结合到PCD体的基底的PCD复合片形成的情况下，选定的基底在高温高压处理之前装入 与金刚石粉末混合物相邻的容器。此外，在PCD体结合到基底并且基底包括金属溶剂催化剂的情况下，催化金刚石的晶间结合所需要的金属溶剂催化剂可通过渗透提供，在这种情况下不必须在高温高压处理以前将金刚石粉与金属溶剂催化剂混合。
在示例实施方式中，设备被控制以使容器经受包括从5至7GPa范围内的压力和从大约1320至1600℃范围的温度的高温高压处理足够一段时间。在这个高温高压处理过程中，混合物中的催化剂材料融化和渗入金刚石颗粒粉末以方便晶间金刚石结合。在这种晶间金刚石结合的形成过程中，催化剂材料迁移进入在金刚石结合颗粒之间存在的如此形成的PCD体的微结构中的间隙区域。应注意，如果太多额外的非金刚石材料存在于结晶颗粒的粉末块中，在烧结过程中防止明显的晶间结合。明显的晶间烧结没有发生的这种烧结材料不在PCD的限定中。伴随晶间结合的这种形成，多晶金刚石体可以形成，在一个实施方式，具有至少约百分之八十体积金刚石，由催化剂材料占用的金刚石颗粒之间的间隙区域的保持平衡。在其它实施方式中，这种金刚石含量可以包括形成的金刚石体的按体积的至少百分之八十五，和在另一个实施方式中按体积至少百分之九十。然而，本领域技术人员能够明白，在替代的实施方式中可以使用其他金刚石密度。因此，根据本发明使用的多晶金刚石体包括本领域技术中经常提到的“高密度”多晶金刚石。
此外，本领域技术人员会明白，经常通过将金刚石颗粒放置在反应池中的预成型基底上并且烧结，金刚石层被烧结到碳化物基底。然而，本发明没有这样的限制。相反，根据本发明形成的具有腔的多晶金刚石体可以或不可以形成连接至基底。如果多晶金刚石体形成连接至碳化物基底，基底可以从多晶金刚石体移除或分离，以使其中可以形成腔，并且当金刚石体重新连接到基底时能产生非平面界面。
在多个实施方式中，在结合的金刚石颗粒之间的空隙中具有催化剂材料的形成的PCD受到浸出(leaching)过程(腔的形成之前或之后)，据此，催化剂材料从PCD体移除。本文中所使用的术语“移除”是指减少PCD体中催化剂材料的存在，并且应理解意味着为，催化剂材料的实质部分不再留在PCD体。然而，本领域技术人员能够明白，催化剂材料的痕量可以仍处于 间隙区域内和/或连接到金刚石颗粒表面的PCD体的微结构中。替换地，非实际地从PCD体或复合片移除催化剂材料，PCD体或复合片的选定的区域可以以减少或消除催化剂材料以在高温处不利地冲击晶间结合的金刚石的潜能的方式来处理催化剂材料从而热稳定地打底。例如，催化剂可以与另一种材料化学地结合，以使其不再作为催化剂材料，或者可以转变为其他材料，使其再不作为催化剂材料。因此，如本文中所使用的涉及催化剂材料的术语“大致移除全部”或“大致免除”旨在涵盖不同方法，其中催化剂材料可以被处理以不再不利地冲击PCD体中的晶间金刚石或者随温度增加的压缩。
在PCD体已经经受浸出处理后留在材料PCD微观结构中的催化剂材料在诸如处理条件等因素上的量可以变化，例如，包括处理时间，以及腔是否形成在浸出之前或之后。与此同时(代理案号05516/392001)提出的美国专利申请名称为“形成热稳定多晶金刚石刀具的方法”，其转让给本受让人并且通过参考以其整体合并在此，涉及使用形成腔或者其他酸浸入通路以减少浸出时间。此外，本领域技术人员应明白，在某些应用中允许少量催化剂材料留在PCD体中。在具体的实施方式中，PCD体可以按重量地包括多达催化剂材料的百分之一至二。然而，本领域的技术人员会明白，存在于浸出的PCD体中的残留的催化剂的量可能取决于材料的金刚石密度和体的厚度。
常规浸出过程包括将被浸出的对象暴露给浸出剂，如美国专利号4224380所描述，其在此以其整体通过参考并入。在选择的实施方案中，浸出剂可以是弱、强或酸的混合物。在其它实施方式中，浸出剂可以是诸如NaOH或KOH等腐蚀性物质。合适的酸性物可以包括，例如，硝酸、氢氟酸、盐酸、硫酸、磷酸或高氯酸，或这些酸组合。此外，如氢氧化钠和氢氧化钾的焦散线，已经被用于碳化物工业以从碳化复合物中消化金属元素。此外，如需要可以使用其他酸性和碱性浸出剂。本领域普通技术人员会明白的是，浸出剂的摩尔浓度可根据希望的浸出时间、虑及危险等进行调整。
此外，本领域技术人员能够明白，用于多晶金刚石的相同技术可以应用于多晶立方氮化硼(PCBN)。类似多晶金刚石，多晶立方氮化硼(PCBN) 可以通过高温高压的过程经过烧结硼氮化物(典型地立方氮化硼)而形成，类似于用于PCD的那些，以烧结“绿色”粒子在粒子之间产生晶间的结合。立方氮化硼指的是硼原子和氮原子的内部的晶体结构，其中相等晶格点在每个单元的角落处。氮化硼颗粒通常有约一微米的直径并且显示为白色粉末。氮化硼，当最初形成时，有通常石墨状、六方形片状物。当在高温高压(如106磅)处压缩时，立方氮化硼颗粒将形成与金刚石非常相似的硬度，并且在空气中的稳定性高达1400摄氏度。
根据本发明的一个实施方式，PCBN可以包括按体积至少50％的氮化硼含量；在另一个实施方式中按体积至少70％，在另一个实施方式中按体积至少85％。在另一个实施方式中，立方氮化硼含量的范围按体积可以从百分之五十到八十，并且在另一个实施方式中，按体积从80％到99.9％。多晶立方氮化硼的残留量可以包括铝、硅、及其混合物的至少一种，碳化物、氮化物、碳氮化物和周期表的Iva、VA、VIa族的过渡金属硼化物。也可包括铝，硅，碳化物，氮化物，碳氮化物和周期表的IVa、Va和VIa族过渡金属硼化物的混合物和固溶体。
形成非平面界面
因此，在研磨切割层和基底之间具有非平面界面的切割元件的形成可以包括任何上述研磨体。按照惯例，非平面界面的形成包括在基底中形成几何图形，并且在反应罐中结合基底与金刚石(或其它超硬物)粒子并且使罐容物经受高温高压条件以形成多晶结构。然而，本发明的技术依靠在预先形成的多晶层中形成理想的几何图形(空腔)，并且然后将具有理想界面几何图形的多晶层与基底连接(或形成连接到具有理想界面几何图形的多晶层的基底)。
通过移除PCD材料形成的空腔可以包括部分空腔(部分地延伸进入金刚石层的空腔)和/或通腔或通道(延伸金刚石层的整个厚度的腔)。这些空腔中可以使用的切割金刚石领域已知的任何技术形成，例如电火花(EDM)，激光微加工，离子束加工方法(也称为离子轰击蚀刻)等。替换地，腔可以在烧结之前通过结合辅助材料进入金刚石混合物而形成，其中辅助材料可以在浸出之前通过化学或物理方法移除，以使一旦随后被移除，腔存在于多晶金刚石体中。例如，碳化钨辅助材料可形成在金刚石体 中，并且然后随后通过加工或其他物理方法移除，以使留在金刚石体中的空腔允许非平面界面的形成。此外，除碳化钨以外的其他辅助材料，诸如其他陶瓷，也可以容易地使用，只要辅助材料通过物理或化学方法移除。如果辅助材料比切割金刚石更容易移除，使用这种材料是理想的。
参考图2A-2E，示出具有空腔35形成在其中的PCD体的不同的实施方案。如图2A所示，空腔35是通腔或通道，从顶表面31到底表面33延伸PCD体30的整个厚度或深度。在图2B中，空腔35是部分空腔，从底表面33部分地延伸不及顶面31的深度。此外，虽然图2A和2B示出垂直于表面31、33形成的空腔35，本发明不限于此。相反，在图2C和2D所示，这样的空腔35可以与表面31、33成角度地延伸进入或者通过PCD体30。替换地，这样的空腔35可以采取任何几何(规则或不规则)形状或形式，例如包括，具有沿空腔35的长度基本相等或变化(例如，空腔35可以是如图2D和2E所示的微坑)的直径，以及任何波峰、波谷、沟、山脊等，或可以以传统的非平面界面技术形成在基底中的任何其他形状。此外，如通过比较在图2A-2E中显示的各种空腔35的一般的代表尺寸所示，例如在其它设计依据中根据空腔35的形成方法，空腔35可以被选择以具有不同的一般相对尺寸。因此，在一些实施方式中，例如，如图2E所示，空腔35可以被选择为，在空腔和PCD体30的表面33之间的相交处，具有通常大的直径，范围达到刀具直径或PCD体30的直径的二分之一，或可以小于图2A-2D所示。在具体的实施方案中，空腔的直径(或非圆腔开口的一般尺寸)的范围可以从毫米级(在一些实施方式中达到为3毫米)到微米级(小于1毫米和小于50微米)到纳米级(不同的实施方式中下降到100、50或10nm)。在一个更具体的实施方式中，直径范围从10微米到1毫米(或在另一个实施方式中到0.5毫米)的空腔可以形成在金刚石体中。然而，本本领域技术人员能够明白，所选的尺寸可以基于如下因素：诸如PCD体的尺寸、空腔据以形成的技术、对材料的作用和PCD体的机械性能等。如图2D所示，可以制造的空腔的类型、数量、形状、尺寸的各种组合都在本发明的范围内。
此外，形成在PCD体中的空腔的位置和图案也不受限制。例如，如图3A和3B所示，通路35可以采取均匀间隔空腔的任何规则排列或者形成同心圆图案。但是，空腔还可以随机分布在整个PCD体。
此外，如上所述，虽然上面的讨论已经应用于PCD切割元件或主体中，本领域普通技术人员应理解，这些技术可以更普遍适用于需要非平面界面的任何材料。在具体的实施方式中，PCD体可以至少1毫米厚，和在替换的实施方式中至少1.5或2毫米厚。
此外，这样的“独立(free-standing)”PCD体在空腔形成在其中后，PCD体然后可以连接(或再连接)到基底，并且形成了非平面界面，以方便例如连接到钻头、刀具或其他产品用途。再连接的这种方法可以包括在第二高温高压烧结步骤中烧结PCD体与基底，诸如美国专利申请公布号2008/0223623所讨论，其授权给本受让人并且在此通过参考以其全部纳入。用来将金刚石体连接到基底的高温高压烧结可以与上述有关多晶金刚石形成的类似的方式执行，但在具体的实施方案中，这些条件可以包括1350至1500℃的温度范围和4至7GPa的压力范围。当连接PCD体至基底时，PCD体可以被放置以使与空腔的开口相交的表面邻近基底放置。替换地，基底可以在连接阶段形成，通过放置用于形成基底的粉末邻近与空腔的开口相交的表面并且烧结。
因此，PCD体到基底的连接或(再连接)，可以通过放置两块在一起并且二者经受烧结条件以将两个主体连接在一起而实现。在实施方式中，其中通道开口邻近基底上表面放置，在烧结条件过程并且由于烧结条件，一定量来自基底的碳化物材料可以“膨胀”到已经形成在PCD体内空腔的开口空间中，形成非平面界面领域中已知的机械锁(mechanical locking)。替换地，诸如耐火粉(在具体的实施方式中钨或碳化钨粉)的中间或媒介材料可以被用来填补PCD中的至少部分空腔，使得耐火粉末在烧结条件将被烧结和与碳化物基底结合在一起。在一些实施方式中，中间或媒介材料可以还包括一起设置的金刚石颗粒，以使梯度(gradi ent)可以存在于非平面界面处。除了机械锁外，通过在高温高压烧结过程中形成金刚石至金刚石的结合，在空腔中的金刚石颗粒的夹杂物还可以允许用于化学锁(chemical locking)。还可以使用其他中间或媒介材料。
在这样的实施方式中，基底可以具有大致平面上表面或者可以具有非平面但非匹配的上表面。在具有非平面的但非匹配的上表面到基底的实施方式中，金刚石体可以有比存在于基底上表面上的凸起“大”的空腔。因此， 虽然表面是非匹配的(这里的非匹配意味着具有在金刚石体表面与基底表面之间的空腔的尺寸至少10％的间隙)，几何形状将基于在界面处的位置对齐。此外，在这样的实施方式中，中间或媒介材料可用于填充相应空腔和凸起之间的间隙，以帮助连接过程。然而，另一替换例可以依靠基底前体(碳化物粉末和粘结剂材料，如第八族金属)到PCD体的添加剂，在连接过程中形成基底体。
参考图4A-4C，总起来说，示出本发明的处理步骤的实施方式。如图4A所示，多晶体金刚石体30可以形成或提供。替换地，可以形成没有基底的多晶金刚石体30。如上所述，可以实现在多晶金刚石体30中的空腔35的形成(如图4B)。此外，如图4C所示，多晶金刚石体30然后可以通过烧结连接(或再连接)到基底36。在这个连接中，空腔35的开口邻近基底设置，以使在再连接烧结后，基底37的部分填充空腔35的任何预先开口空间从而非平面界面可以形成，。如图4C所示，填充空腔35的预先开口空间的基底37的部分可以以某种方式从基底36的剩余部分变化。这种变化取决于选定的连接技术。具体来说，当中间或媒介材料用于填充空腔35的至少部分时，同被连接的预成形的基底(或从前体基底材料)相比，中间部分材料可以按一些方式变化。这种区别可以存在于结合剂含量、粉末类型(如单独钨或碳化钨或与金刚石粉组合)、数量、颗粒大小、碳化物类型等。如上所述，通过使用中间或媒介材料，其从剩余的基底变化，在界面处可以形成梯度，如上所述。替换地，基底的部分37可以与基底36的剩余部分一致。
参考图5A-5D，总起来说，示出本发明的处理步骤的另一个实施方式。如图5A所示，具有在金刚石颗粒之间的间隙区域的催化材料(如上所述)的多晶体金刚石体30可被形成连接到碳化物基底34。通过在此公开的技术形成空腔35之前(在5C中示出)，多晶金刚石体30可从基底34脱离(如图5B所示)。此外，如图5D所示，多晶金刚石体30可以通过烧结然后连接(或再连接)到基底36，并且形成非平面界面。在图5D所示的实施例中，填充通道35的任何预先的开口空间的基底的部分37可以与基底36的其余部分一致。
参考图6A-6E，总起来说，示出本发明的处理步骤的另一个实施方式。 如图6A所示，具有在金刚石晶粒之间的间隙区域的催化材料的多晶金刚石体30(如上所述)，形成连接到碳化物基底34。在由本文所公开的技术形成空腔35(如图6C所示)以前，多晶金刚石体30可从基底34分离(如图6B所示)。多晶金刚石体30的浸出从间隙区域移除催化材料的至少的大部分，留下具有空隙(void)(不同于空腔35)的多晶金刚石体32(如图6D所示)，空隙分散于以前由催化材料占领的金刚石矩阵或区域。替换地，浸出可以先于在多晶金刚石腔体30中形成空腔35之前进行。此外，如图6E所示，多晶金刚石体32然后可以通过烧结连接(或再连接)到基底36，并且形成非平面界面。在图5D所示的实施方式中，填充通道35的预先开口空间的基底的部分37与基底36的其余部分一致。
本发明的实施方式可以提供下列优点的至少一个。传统的非平面界面可以通过在基底中形成几何表面而形成，然后邻近几何表面放置金刚石粉以在高温高压条件下形成具有配合和匹配表面的金刚石层。根据本公开的实施方式，可以获得非平面界面，通过在金刚石或其他研磨层中形成这种几何表面，并且然后连接基底到预制金刚石层。当期望用于通过处理“独立”的PCD晶片形成热稳定切割元件的非平面界面提高冲击强度和减少分层的发生率时，这种方法可以特别有用。
同时，该发明已经就数量有限的实施方式进行描述，从本公开中获益的本领域技术人员会明白，可以做出不偏离这里披露的发明范围的其他实施方式。因此，本发明的范围应仅由所附权利要求限定。
Claims (31)
1.一种用于形成切割元件的方法，包括：
在预先形成的多晶研磨体的至少一个表面中形成至少一个空腔；
将多晶研磨体邻近基底放置，以使至少一个空腔的开口在界面处邻近基底，其中基底的界面表面与多晶研磨体是非匹配的；及
使多晶研磨体和基底经受高压/高温条件。
2.根据权利要求1所述的方法，其中多晶研磨体包括多晶金刚石，移除催化材料的至少部分的多晶金刚石或者多晶立方氮化硼中的至少一种。
3.根据权利要求2所述的方法，其中，催化材料的部分在预先形成的多晶研磨体的至少一个表面中形成至少一个空腔之前移除。
4.根据权利要求2所述的方法，其中，催化材料的部分在预先形成的多晶研磨体的至少一个表面中形成至少一个空腔之后移除。
5.根据权利要求1所述的方法，还包括：
在至少一个空腔的至少部分中添加中间或媒介材料。
6.根据权利要求5所述的方法，其中，中间或媒介材料包括钨、碳化钨或金刚石粉中的至少一种。
7.根据权利要求1所述的方法，其中，至少一个空腔的开口直径小于3毫米。
8.根据权利要求7所述的方法，其中，至少一个空腔的开口直径小于1毫米。
9.根据权利要求8所述的方法，其中，至少一个空腔的开口直径小于50微米。
10.根据权利要求1所述的方法，其中，在邻近多晶研磨体放置之前，基底的上表面是大致平面。
11.根据权利要求1所述的方法，其中，在邻近多晶研磨体放置之前，基底的上表面是非平面。
12.一种用于形成切割元件的方法，该方法包括如下步骤：
形成连接到基底的多晶金刚石体的多晶金刚石复合片；
从基底分离多晶金刚石体；
在被分离的多晶金刚石体的至少一个表面中形成至少一个空腔；
将多晶金刚石体邻近基底材料放置，以使至少一个空腔的开口邻近基底材料；和
使多晶金刚石体和基底材料经受高温/高压条件，
其中，形成连接到基底的多晶金刚石体的多晶金刚石复合片的步骤包括：邻近基底放置金刚石颗粒和催化剂材料的混合物；及使混合物和基底经受高压/高温条件。
13.根据权利要求12所述的方法，进一步包括：
从多晶金刚石体移除至少部分催化剂材料。
14.根据权利要求12所述的方法，进一步包括：
用中间或媒介材料填充至少一个空腔的至少部分。
15.根据权利要求14所述的方法，其中，中间或媒介材料包括钨、碳化钨或金刚石粉末中的至少一种。
16.根据权利要求12所述的方法，其中，至少一个空腔的开口直径小于3毫米。
17.根据权利要求16所述的方法，其中，至少一个空腔的开口直径小于1毫米。
18.一种用于形成切割元件的方法，包括：
在预先形成的多晶研磨体的至少一个表面中形成至少一个空腔；
将多晶研磨体邻近基底前体材料放置，以使至少一个空腔的开口邻近基底前体；和
使多晶研磨体和基底前体材料经受高压/高温条件。
19.根据权利要求18所述的方法，其中，基底前体材料包括碳化钨粉末和第VIII族金属的混合物。
20.根据权利要求18所述的方法，进一步包括：
使多晶研磨体与浸出剂接触。
21.根据权利要求18所述的方法，其中，至少一个空腔的开口直径小于3毫米。
22.根据权利要求21所述的方法，其中，至少一个空腔的开口直径小于1毫米。
23.一种切割元件，包括：
多晶研磨体；和
连接到多晶研磨体的基底，
其中，多晶研磨体包括，在多晶研磨体与基底之间的界面处，形成在其中的至少一个空腔；和
其中，基底包括与至少一个空腔配合或匹配的至少一个凸起，所述至少一个凸起包括不同于剩余基底的材料成分。
24.根据权利要求23所述的切割元件，其中，多晶研磨体包括下述材料中的至少一种：多晶金刚石、至少部分催化材料从其移除的多晶金刚石和多晶立方氮化硼。
25.根据权利要求23所述的切割元件，其中，所述空腔包括延伸通过多晶研磨体的整个厚度的通道。
26.根据权利要求23所述的切割元件，其中，所述空腔向多晶研磨体内延伸部分厚度。
27.根据权利要求23所述的切割元件，其中，所述至少一个空腔具有开口，所述开口的至少一个尺寸小于50微米。
28.根据权利要求23所述的切割元件，其中，与剩余基底相比至少一个凸起包括更低的粘合剂含量。
29.根据权利要求23所述的切割元件，其中，至少一个凸起包括不同于剩余基底的硬质颗粒。
30.根据权利要求23所述的切割元件，其中，至少一个凸起包括碳化钨和金刚石复合材料。
31.根据权利要求23所述的切割元件，其中，所述至少一个空腔具有开口，所述开口的至少一个尺寸小于1毫米。
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