CN102223973B - 聚晶金刚石复合片元件，包含其的工具及其制造方法 - Google Patents

聚晶金刚石复合片元件，包含其的工具及其制造方法 Download PDF

Info

Publication number
CN102223973B
CN102223973B CN200980146657.6A CN200980146657A CN102223973B CN 102223973 B CN102223973 B CN 102223973B CN 200980146657 A CN200980146657 A CN 200980146657A CN 102223973 B CN102223973 B CN 102223973B
Authority
CN
China
Prior art keywords
base material
pcd
diamond
carbide
substrate
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Active
Application number
CN200980146657.6A
Other languages
English (en)
Other versions
CN102223973A (zh
Inventor
G·J·戴维斯
M·C·恩赞玛
R·W·N·尼伦
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
No. six element (trademark) Co.
Element Six Abrasives SA
Original Assignee
Element Six Production Pty Ltd
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Element Six Production Pty Ltd filed Critical Element Six Production Pty Ltd
Publication of CN102223973A publication Critical patent/CN102223973A/zh
Application granted granted Critical
Publication of CN102223973B publication Critical patent/CN102223973B/zh
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Images

Classifications

    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B22—CASTING; POWDER METALLURGY
    • B22F—WORKING METALLIC POWDER; MANUFACTURE OF ARTICLES FROM METALLIC POWDER; MAKING METALLIC POWDER; APPARATUS OR DEVICES SPECIALLY ADAPTED FOR METALLIC POWDER
    • B22F7/00—Manufacture of composite layers, workpieces, or articles, comprising metallic powder, by sintering the powder, with or without compacting wherein at least one part is obtained by sintering or compression
    • B22F7/06—Manufacture of composite layers, workpieces, or articles, comprising metallic powder, by sintering the powder, with or without compacting wherein at least one part is obtained by sintering or compression of composite workpieces or articles from parts, e.g. to form tipped tools
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B24—GRINDING; POLISHING
    • B24D—TOOLS FOR GRINDING, BUFFING OR SHARPENING
    • B24D3/00—Physical features of abrasive bodies, or sheets, e.g. abrasive surfaces of special nature; Abrasive bodies or sheets characterised by their constituents
    • B24D3/02—Physical features of abrasive bodies, or sheets, e.g. abrasive surfaces of special nature; Abrasive bodies or sheets characterised by their constituents the constituent being used as bonding agent
    • B24D3/04—Physical features of abrasive bodies, or sheets, e.g. abrasive surfaces of special nature; Abrasive bodies or sheets characterised by their constituents the constituent being used as bonding agent and being essentially inorganic
    • B24D3/06—Physical features of abrasive bodies, or sheets, e.g. abrasive surfaces of special nature; Abrasive bodies or sheets characterised by their constituents the constituent being used as bonding agent and being essentially inorganic metallic or mixture of metals with ceramic materials, e.g. hard metals, "cermets", cements
    • B24D3/10—Physical features of abrasive bodies, or sheets, e.g. abrasive surfaces of special nature; Abrasive bodies or sheets characterised by their constituents the constituent being used as bonding agent and being essentially inorganic metallic or mixture of metals with ceramic materials, e.g. hard metals, "cermets", cements for porous or cellular structure, e.g. for use with diamonds as abrasives
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B22—CASTING; POWDER METALLURGY
    • B22F—WORKING METALLIC POWDER; MANUFACTURE OF ARTICLES FROM METALLIC POWDER; MAKING METALLIC POWDER; APPARATUS OR DEVICES SPECIALLY ADAPTED FOR METALLIC POWDER
    • B22F7/00—Manufacture of composite layers, workpieces, or articles, comprising metallic powder, by sintering the powder, with or without compacting wherein at least one part is obtained by sintering or compression
    • B22F7/06—Manufacture of composite layers, workpieces, or articles, comprising metallic powder, by sintering the powder, with or without compacting wherein at least one part is obtained by sintering or compression of composite workpieces or articles from parts, e.g. to form tipped tools
    • B22F7/062—Manufacture of composite layers, workpieces, or articles, comprising metallic powder, by sintering the powder, with or without compacting wherein at least one part is obtained by sintering or compression of composite workpieces or articles from parts, e.g. to form tipped tools involving the connection or repairing of preformed parts
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B23—MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • B23B—TURNING; BORING
    • B23B27/00—Tools for turning or boring machines; Tools of a similar kind in general; Accessories therefor
    • B23B27/14—Cutting tools of which the bits or tips or cutting inserts are of special material
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B23—MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • B23B—TURNING; BORING
    • B23B27/00—Tools for turning or boring machines; Tools of a similar kind in general; Accessories therefor
    • B23B27/14—Cutting tools of which the bits or tips or cutting inserts are of special material
    • B23B27/148—Composition of the cutting inserts
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B24—GRINDING; POLISHING
    • B24D—TOOLS FOR GRINDING, BUFFING OR SHARPENING
    • B24D18/00—Manufacture of grinding tools or other grinding devices, e.g. wheels, not otherwise provided for
    • B24D18/0009—Manufacture of grinding tools or other grinding devices, e.g. wheels, not otherwise provided for using moulds or presses
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C22—METALLURGY; FERROUS OR NON-FERROUS ALLOYS; TREATMENT OF ALLOYS OR NON-FERROUS METALS
    • C22C—ALLOYS
    • C22C26/00—Alloys containing diamond or cubic or wurtzitic boron nitride, fullerenes or carbon nanotubes
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C22—METALLURGY; FERROUS OR NON-FERROUS ALLOYS; TREATMENT OF ALLOYS OR NON-FERROUS METALS
    • C22C—ALLOYS
    • C22C29/00—Alloys based on carbides, oxides, nitrides, borides, or silicides, e.g. cermets, or other metal compounds, e.g. oxynitrides, sulfides
    • C22C29/02—Alloys based on carbides, oxides, nitrides, borides, or silicides, e.g. cermets, or other metal compounds, e.g. oxynitrides, sulfides based on carbides or carbonitrides
    • C22C29/06—Alloys based on carbides, oxides, nitrides, borides, or silicides, e.g. cermets, or other metal compounds, e.g. oxynitrides, sulfides based on carbides or carbonitrides based on carbides, but not containing other metal compounds
    • E—FIXED CONSTRUCTIONS
    • E21—EARTH DRILLING; MINING
    • E21B—EARTH DRILLING, e.g. DEEP DRILLING; OBTAINING OIL, GAS, WATER, SOLUBLE OR MELTABLE MATERIALS OR A SLURRY OF MINERALS FROM WELLS
    • E21B10/00—Drill bits
    • E21B10/46—Drill bits characterised by wear resisting parts, e.g. diamond inserts
    • E—FIXED CONSTRUCTIONS
    • E21—EARTH DRILLING; MINING
    • E21B—EARTH DRILLING, e.g. DEEP DRILLING; OBTAINING OIL, GAS, WATER, SOLUBLE OR MELTABLE MATERIALS OR A SLURRY OF MINERALS FROM WELLS
    • E21B10/00—Drill bits
    • E21B10/46—Drill bits characterised by wear resisting parts, e.g. diamond inserts
    • E21B10/56—Button-type inserts
    • E21B10/567—Button-type inserts with preformed cutting elements mounted on a distinct support, e.g. polycrystalline inserts
    • E21B10/573—Button-type inserts with preformed cutting elements mounted on a distinct support, e.g. polycrystalline inserts characterised by support details, e.g. the substrate construction or the interface between the substrate and the cutting element
    • E21B10/5735—Interface between the substrate and the cutting element
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B22—CASTING; POWDER METALLURGY
    • B22F—WORKING METALLIC POWDER; MANUFACTURE OF ARTICLES FROM METALLIC POWDER; MAKING METALLIC POWDER; APPARATUS OR DEVICES SPECIALLY ADAPTED FOR METALLIC POWDER
    • B22F2999/00—Aspects linked to processes or compositions used in powder metallurgy
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B23—MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • B23B—TURNING; BORING
    • B23B2226/00—Materials of tools or workpieces not comprising a metal
    • B23B2226/31—Diamond
    • B23B2226/315—Diamond polycrystalline [PCD]
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C22—METALLURGY; FERROUS OR NON-FERROUS ALLOYS; TREATMENT OF ALLOYS OR NON-FERROUS METALS
    • C22C—ALLOYS
    • C22C2204/00—End product comprising different layers, coatings or parts of cermet
    • E—FIXED CONSTRUCTIONS
    • E21—EARTH DRILLING; MINING
    • E21B—EARTH DRILLING, e.g. DEEP DRILLING; OBTAINING OIL, GAS, WATER, SOLUBLE OR MELTABLE MATERIALS OR A SLURRY OF MINERALS FROM WELLS
    • E21B10/00—Drill bits
    • E21B10/46—Drill bits characterised by wear resisting parts, e.g. diamond inserts
    • E21B10/56—Button-type inserts
    • E21B10/567—Button-type inserts with preformed cutting elements mounted on a distinct support, e.g. polycrystalline inserts

Abstract

本发明涉及PCD复合片元件，该元件包含在界面整体粘结于烧结碳化物基材的PCD结构，该PCD结构包含共格粘结的金刚石晶粒，金刚石晶粒具有不大于15微米的平均尺寸；烧结碳化物基材包含分散在金属粘结剂中的碳化物颗粒，碳化物颗粒包含金属的碳化物复合物；其中在基材中的点处，金属粘结剂的量与金属的量的比率从平均值至多偏离20％平均值。本发明还涉及制备PDC复合片元件的方法，该元件包含整体粘结至烧结碳化物形成的基材的PCD结构；该方法包括在基材的粘结表面处或接近基材的粘结表面处向基材中引入过量的碳源以形成碳化的基材；使金刚石晶粒聚集体与碳化基材接触；并在金刚石的溶剂/催化剂材料存在下烧结金刚石晶粒；其中在聚集体中的金刚石晶粒的平均尺寸不大于30微米。

Description

聚晶金刚石复合片元件,包含其的工具及其制造方法
技术领域
本发明涉及包含粘结于烧结碳化物基材的PCD结构的聚晶金刚石(PCD)复合片，涉及包含其的工具及其制造方法。
背景技术
聚晶金刚石(PCD)是包含大量共生的金刚石晶粒和金刚石晶粒之间间隙的超硬材料。PCD典型地通过使金刚石晶粒的聚集体经受至少约5.5GPa的超高压力和至少约1400摄氏度温度制备。如本文所用的，术语聚晶金刚石或PCD应理解意指包含至少80体积％金刚石晶粒的材料，其基本部分是直接内粘结(inter—bonded)的，可替代地称为共格粘结(coherently bonded)的。整体或部分填充到间隙的材料称为填充材料。PCD典型地在烧结助剂如钴的存在下形成，钴促进金刚石晶粒的共生。烧结助剂通常称为金刚石的溶剂／催化剂材料，因为其作用是将金刚石溶解到某种程度并催化其重新析出。将金刚石的溶剂／催化剂材料理解为能促进金刚石生长并在金刚石热力学稳定的温度和压力下形成金刚石与金刚石直接粘结的材料。通常，优选的溶剂／催化剂材料为Fe、Ni、Co和Mn以及包括任何这些的合金。结果，在烧结PCD产品内的间隙整体或部分被残余溶剂／催化剂材料填充。典型地，PCD经常形成于钴结碳化钨硬质合金基材上，其为PCD提供了钴溶剂／催化剂的来源。
将PCD用于各种各样的工具，这些工具用于切削、机加工、钻削或破裂硬质或研磨材料如岩石、金属、陶瓷、复合材料和含木的材料。例如，在油气钻探工业所用的钻地钻头内广泛使用PCD插入件。在许多这些应用中，当PCD材料作用于岩层、工件或高能物体时其温度变得升高。遗憾的是，PCD的机械性能如硬度和强度趋于在高温下劣化，很大程度上是因为残余溶剂／催化剂材料在其内分散。
美国专利4,694,914披露了一种插入件，该插入件包括至少一个含有聚晶金刚石的外层和至少一个在聚晶金刚石层和烧结碳化物本体之间的过渡层。过渡层包含复合材料，该复合材料含有金刚石晶体、钴和预烧结的碳化钨颗粒。
美国专利4,694,918披露了一种插入件，该插入件包括烧结金属碳化物插入件本体、聚晶金刚石外层和至少一个复合材料的过渡层。该复合材料包括聚晶金刚石和预烧结金属碳化物颗粒。
Delwiche等(Petroleum Division，v40，and DrillingTechnology1992，1992，p51—60，American Society of MechanicalEngineers)披露了用于油气钻探的PCD插入件，其中PCD层被安装到基材上，该基材包含支撑部件，该支撑部件含有分散在烧结碳化物基体内的粗金刚石晶粒。
需要提供复合PCD复合片，该PCD复合片包含PCD结构，特别是由细或超细的金刚石晶粒形成的PCD结构，其粘结于烧结碳化物基材并在接近PCD结构与烧结碳化物基材的界面处具有降低的缺陷。
发明概述
根据本发明的第一个方面，提供PCD复合片元件，该元件包含在界面处整体粘结于烧结碳化物基材的PCD结构；该PCD结构包含共格粘结的金刚石晶粒，所述金刚石晶粒具有不大于约30微米，优选不大于约20微米，更优选不大于约15微米，更优选不大于约10微米，再更优选不大于约5微米，进一步更优选不大于约2微米，更加优选不大于约1微米的平均尺寸；烧结碳化物基材包含分散在金属粘结剂中的碳化物颗粒，碳化物颗粒包含金属的碳化物化合物；其中在基材中的点(point)处，金属粘结剂的量与金属的量的比率从平均值偏离至多约20％的平均值。
在一个实施方案中，从界面到基材中至少2mm深度，在基材中的点处，金属粘结剂的量与金属的量的比率从平均值偏离至多约20％的平均值。
已发现，本发明该方面的实施方案展现出在PCD结构与基材之间的界面附近处降低的过大晶粒生长，并认为在PCD结构内平均金刚石晶粒尺寸越低则越有利。
在本发明该方面的一个实施方案中，在基材中的点处，金属粘结剂的量与金属的量的比率从平均值偏离至多约10％的平均值。
在某些实施方案中，金刚石晶粒的平均尺寸可为至少约0.05微米或至少约0.1微米。
在某些实施方案中，碳化物颗粒的金属可为难熔金属如w、或甚至Ti、Ta或Cr，并且在某些实施方案中，金属粘结剂包含金刚石的溶剂／催化剂，如Co。
在某些实施方案中，金刚石颗粒分散在基材的表面区域内或基本上遍布整个基材内。在某些实施方案中，根据情况，在表面区域内或基材内金刚石颗粒的含量可不大于表面区域内或基材内的该材料的约6wt％或不大于约5.5wt％。在某些实施方案中，在表面区域内或基材内的金刚石颗粒含量可以为至少约0.1wt％或至少约0.3wt％。基材的表面区域可从界面延伸至少约1mm，至少约2mm，或甚至至少3mm的深度。在某些实施方案中，表面区域从界面延伸并具有至少2倍于PCD结构的体积或至少3倍于PCD结构的体积。在某些实施方案中，从界面延伸的表面区域的体积可以是PCD结构的体积的至少10倍。
在某些实施方案中，分散在基材或基材表面区域内的金刚石颗粒具有0.1-100微米、0.卜50微米或甚至0.卜20微米的平均尺寸。在某些实施方案中，金刚石颗粒可基本上均匀分散遍布在基材中或基材表面区域中。这可有助于在界面区域中均匀降低与晶粒生长相关的缺陷发生。
在某些实施方案中，基材内或基材表面区域内的金刚石含量可为至少1体积％、至少2体积％并小于20体积％，为卜15体积％或为1-10体积％。已发现在这些范围内的金刚石含量可足以显著降低接近界面的某些缺陷。
在某些实施方案中，PCD结构包含第一和第二区域，第一区域中的金刚石晶粒的平均尺寸比第二区域中的金刚石晶粒平均尺寸大；第一区域接近基材并且第二区域远离基材。在一个实施方案中，第二区域确定工作表面。在某些实施方案中，在PCD结构第一区域中的金刚石晶粒平均尺寸可大于2微米，并且在PCD结构第二区域中的金刚石晶粒平均尺寸可为0.01微米-1.5微米或0.01微米-1微米。对于非常细晶粒的PCD结构，这些实施方案可显著降低接近PCD结构与基材之间界面的晶粒生长缺陷的出现。非常细的晶粒(小于约2微米)的PCD结构可能是期望的，因为它们具有某些期望的机械性能，如增加的韧性。
PCD结构可具有从与基材的界面至少1mm的轴向厚度。
从界面至PCD结构至少0.5mm的深度，更优选至少0.75mm的深度并更优选至少1mm的深度，在PCD结构中的点处，金属粘结剂的量与碳的量的比率可基本上在平均值的附近恒定。在一个实施方案中，在PCD结构中的点处，金属粘结剂的量与碳的量的比率偏离平均值至多20％的平均值，更优选至多约10％的平均值。
基材可具有至少1mm的厚度，至少1.5mm或至少5mm的厚度。
PCD结构中的金刚石晶粒可具有多形态尺寸分布。在某些实施方案中，PCD结构的粘结金刚石晶粒具有特征在于如下的尺寸分布：至少50％的晶粒具有大于5微米的平均尺寸，并且至少20％的晶粒具有10—15微米的平均尺寸。PCD结构的实施方案具有多形态金刚石晶粒尺寸分布，以及在这些范围内的平均晶粒尺寸，已发现其具有足够的强度以更好地保持在粘结(例如通过钎焊)到基材后的关键性能和它们的机械完整性。
在一个实施方案中，多个PCD或富金刚石的指状物(fingers)从PCD结构向基材中延伸，更优选多个PCD指状物从PCD结构向基材中延伸，指状物通常为细长结构。在某些实施方案中，至少PCD指状物之一具有至少20微米、至少30微米、或至少40微米的长度。
根据本发明的PCD复合片元件的实施方案可用根据本发明一个方面的方法的实施方案进行制备。
将过量的碳理解为超过用于烧结PCD的聚集体中提供的金刚石晶粒的金刚石且也超过以烧结碳化物的碳化物形式所包括的碳(化学计量过量)的碳。因此，碳化的基材或碳化的基材组件是包括过量碳的基材或基材组件。
生坯是本领域已知的术语，并且是指要用来烧结但还没有被烧结的制品。其通常自支撑并且通常具有预期成品制品的形状。生坯典型地通过在容器中组合多个颗粒，然后将其压缩形成自支撑的制品而成形。
可将碳以多种方式中的任何一种引入基材中，在一个实施方案中，采用包括如下的方法制备了基材预成型体：在制备烧结碳化物的起始粉末中引入金刚石颗粒以形成起始粉末掺混物；通过在模具中压缩成形起始粉末掺混物以形成生坯；并在大于约1400摄氏度的温度下在小于约1GPa的施加压力下烧结生坯以制备烧结的基材。在该碳化物烧结步骤期间，至少某些金刚石颗粒完全或部分转变为石墨，因为压力低于金刚石热力学稳定的压力。
金刚石热力学稳定的烧结压力优选为至少约5.5GPa并且温度优选为至少约1,400摄氏度。
在某些实施方案中，碳以石墨粉末的形式引入基材中。
在某些实施方案中，碳以含碳气体的形式引入基材中，使其渗透或渗入基材。
在某些实施方案中，将包含碳的材料喷到基材表面上。特别是，含钴、碳和钨的粉末可通过热喷涂沉积到基材表面上。
在某些实施方案中，基材用过量的碳源如石墨涂覆。
在某些实施方案中，基材从起始的碳化物粉末制备，该碳化物粉末具有例如以炭黑形式的高碳含量。
在某些实施方案中，通过在制备准备用于烧结的生坯过程中避免去除某些碳，制备了具有高碳含量的基材。典型地，在烧结前将生坯热处理以去除粘结剂或压制助剂材料，并在该过程中去除碳。在一个实施方案中，该过程没有完全完成，在生坯内留下粘结剂源的至少一些碳。
未粘结或自由流动的金刚石晶粒的尺寸分布通过激光衍射方法测量，其中晶粒悬浮在流体介质中，并且通过将激光束引向悬浮体获得光学衍射谱。衍射谱通过计算机软件分析，并且尺寸分布用当量圆直径表示。实际上，将晶粒处理为球形，并且尺寸分布用等效球的直径表示。来自英国Malvern Instrumens Ltd的MastersizerTM设备可用于该目的。
大量晶粒的多形态尺寸分布理解意指晶粒具有由多于一个峰形成的尺寸分布，每个峰对应于各自的“模式”。多形态聚晶本体典型地通过提供多于一个多个晶粒源制备，每个源包含具有基本上不同平均尺寸的晶粒，并且将来自不同源的晶粒一起掺混。掺混晶粒的尺寸分布的测量典型地表明不同的峰对应不同的模式。当晶粒一起烧结以形成聚晶体本体时，它们的尺寸分布进一步改变，因为晶粒彼此相压并且碎裂，导致晶粒尺寸的整体降低。然而，从烧结制品的图像分析，晶粒的多模式通常仍然是清晰明显的。
为了获得PCD内金刚石晶粒尺寸的测量值，采用称为“当量圆直径，，的方法。在该方法中，采用PCD材料的抛光表面的扫描电子显微镜(SEM)图像。放大倍数和对比度对于在图像内可确认至少几百个金刚石晶粒应为足够。在图像中，金刚石晶粒可从金属相区分开，对于每个单独的金刚石晶粒，当量圆的尺寸可通过常规的图像分析软件确定。然后将收集的这些圆的分布进行统计学评价。在本文中称为PCD材料内的金刚石平均晶粒尺寸的地方，应理解其是指平均的当量圆直径。
“粘结剂池”是指在邻接界面的PCD结构内存在的区域，该区域具有的粘结剂材料(典型的Co)含量比PCD结构内平均的或所需的含量显著更高。在该池区域内的金刚石含量可比已知PCD复合片内的小50％，特别是那些具有厚度大于约1毫米的烧结碳化物基材以及厚度大于约0.6毫米的PCD结构的复合片。池是一个问题，特别是在具有相对厚的基材和PCD结构的PCD复合片中。在邻接界面的基材内出现相应区域，其中粘结剂材料的含量低于对于基材的平均值。这有时称作“粘结剂剥离区”。粘结剂池和贫化可能是不期望的，因为其与几种相关缺陷有关，包括所谓的“羽状物”缺陷和过大的金刚石晶粒生长，并且因为其降低邻接界面的区域中的复合片的抗磨蚀性能。在界面处降低的抗磨蚀性导致PCD结构的凹进，其可被环境中存在的腐蚀促进材料加速。
羽状物缺陷是在接近界面的PCD结构内形成的相对大的金属碳化物晶粒。不想受理论的束缚，认为在本发明的实施方案中可减少羽状物，因为在烧结步骤期间从基材向PCD渗透的材料具有降低的钨含量或基本上不合钨。
本发明方法的实施方案也可导致降低的PCD内金刚石的过大晶粒生长，金刚石晶粒起始聚集体越细，这越是问题。因为这一原因，当在PCD内的平均晶粒尺寸小时，该方法特别有利。不受理论的束缚，当熔化的粘结剂材料如钴的羽状物侵入金刚石层并且该羽状物具有相对低的碳含量时，细金刚石晶粒易于溶解并在较大的晶粒上再析出，导致接近PCD结构与基材之间界面的过大的金刚石晶粒生长。所得的晶粒可比起始的晶粒尺寸大一个数量级。然而，当粘结剂材料含有相对多的碳时，如同在烧结步骤前将过量的碳源引入基材的情况，那么较细晶粒的溶解受到抑制或延迟，并且相反，碳均匀析出到所有晶粒上。由于该析出扩散遍及许聚晶粒，因此几乎没有过大晶粒生长或降低了过大晶粒生长。
将基本恒定理解比率是具有至少68％、或甚至90％或95％统计置信区间的恒定值的含义。
基材内粘结剂材料的量与基材内碳化物材料的量的比率，以及PCD结构内粘结剂材料的量与金刚石的量的比率可以以重量比率、体积比率或分别表明粘结剂材料和碳化物材料、或粘结剂材料和金刚石相对量的其它比率表示。比率可以表示为百分数。
当基材在邻接与PCD结构的界面的区域内含有金刚石颗粒时，已发现出现“反向羽状物”类型，此处PCD“指状物”从PCD结构延伸至该区域内。假设这些指状物可导致接近界面处降低的内应力以及降低的结构剥离发生率。指状物的尺寸可通过选择引入基材生坯内的金刚石颗粒的尺寸控制；通常，所需的指状物越长，金刚石颗粒应该越大。指状物的数量以及某种程度上它们的尺寸通过引入基材的金刚石颗粒的数量控制。
根据本发明的第二个方面，提供了制备聚晶金刚石复合(PDC)复合片元件的方法，该元件包含整体粘结至由烧结碳化物形成的基材的聚晶金刚石(PCD)结构；该方法包括：在基材的粘结表面处或接近基材的粘结表面处向基材中引入过量的碳源以形成碳化的基材或碳化的基材组件；使金刚石晶粒聚集体与邻接或接近粘结界面的碳化基材或碳化基材组件接触以形成未粘结的组件；并在金刚石的溶剂/催化剂材料存在下、在金刚石热力学稳定的温度和压力下烧结金刚石晶粒以形成PCD；其中在聚集体中的金刚石晶粒的平均尺寸不大于约30微米。
在聚集体中的金刚石晶粒的平均尺寸可不大于约20微米，优选不大于约15微米，甚至更优选不大于约10微米，再更优选不大于约5微米，进一步更优选不大于约2微米，并甚至更优选不大于约1微米。优选地，在聚集体中的金刚石晶粒的平均尺寸是至少约0.05微米，更优选至少约0.1微米。
已发现，本发明的实施方案降低接近粘结表面的过大晶粒生长，并平均金刚石晶粒尺寸越低，可能甚至越有利。
在一个实施方案中，该方法包括形成碳化的基材，其中过量的碳源被包括在或引入基材的体积中。在某些实施方案中，过量碳源基本上分散遍布在碳化基材的整个体积中。在其它实施方案中，过量的碳源分散在接近或邻接粘结表面的表面区域中。
优选地，在碳化基材的表面区域或基本上整个碳化基材内的过量碳源的平均含量不大于在表面区域或基材内材料的约10wt％，更优选不大于约6wt％，并再更优选不大于约5.5wt％。优选地，在表面区域或整个碳化基材内的过量碳源的含量是该区域内材料的至少约0.1wt％，并更优选至少约0.3wt％。在某些实施方案中，表面区域从粘结表面延伸到至少约1mm、至少约2mm、或甚至至少3mm的深度。在某些实施方案中，表面区域具有至少2倍于PCD结构或至少3倍于PCD结构的体积。在某些实施方案中，表面区域的体积可以是PCD结构的体积的至少10倍。
在引入碳的区域内的总基材材料用重量百分数表示。
在一个实施方案中，在聚集体中的金刚石晶粒具有多形态尺寸分布。
优选地，过量碳源是含碳材料如炭黑粉末或石墨，而不是金属碳化物。在一个实施方案中，过量碳源可来自于已转变为非金刚石材料的金刚石。这类材料可基本上由碳组成并且可基本上不向基材或PCD中引入不想要的材料。在某些实施方案中，过量的碳源可以以有机分子的形式。在某些实施方案中，过量的碳源可以以气体的形式引入，例如有机分子气体如甲烷。
在一个实施方案中，该方法包括：将以微粒或粒料形式的过量碳源与用于烧结碳化物的原料组合，将组合体成形为基本上自支撑的生坯，并在金刚石热力学不稳定的压力下烧结生坯以形成碳化的基材，在某些实施方案中，烧结碳化物的原料包含碳化钨晶粒和包含钴的晶粒。
该方法可包括：将金刚石晶粒与烧结碳化物的原料组合，将组合体成形为基本上自支撑的生坯；使生坯经受至少500摄氏度的温度和金刚石热力学不稳定的压力以形成碳化的基材。金刚石颗粒可以整体或部分转变为非金刚石材料，特别是石墨。在一个实施方案中，在烧结PCD步骤期间，基本上所有已转变的金刚石再转变为金刚石。已发现该实施方案导致PCD指状物延伸至基材中，其可导致PCD与基材的改善的粘结并降低剥离的发生。
在本发明该方面的一个实施方案中，该基材基本上没有金刚石。
在包括由转变石墨形成的金刚石颗粒的基材的实施方案中，例如其中过量的碳源是石墨，在至少每个金刚石颗粒周边体积内金刚石颗粒可几乎没有或基本没有塑性变形。在某些实施方案中，金刚石颗粒基本上没有塑性变形。
在某些实施方案中，过量碳源可沉积到基材的粘结表面上以形成碳化的基材或碳化的基材组件。在某些实施方案中，过量碳源可通过热或其它喷涂方法沉积到基材的粘结表面上。在一个实施方案中，可将包含难熔金属如钨的盘或膜放置在过量碳沉积源的上方以形成碳化的基材组件。
该方法可包括向金刚石晶粒聚集体中引入金属碳化物或者金属碳化物的一种或多种前体。更优选地，该方法包括向金刚石晶粒聚集体中引入难熔金属碳化物颗粒，例如碳化钨、碳化钽、碳化铌或碳化钒。在某些实施方案中，该方法包括以非碳化物化合物或以单质形式向金刚石晶粒聚集体中引入用于金属碳化物的难熔金属前体，例如钨、钽、铌或钒。在可将过量碳源引向或引入基材的方法实施方案中，金属碳化物向金刚石晶粒聚集体的引入(直接地或通过一种或多种前体的引入)，可显著提高烧结PCD结构的抗磨蚀或抗腐蚀性。
在某些实施方案中，金属碳化物或者用于金属碳化物的一种或多种前体可以通过将颗粒与金刚石晶粒掺混以微粒形式引入金刚石晶粒的聚集体中。
在某些实施方案中，烧结碳化物包含被金属粘结剂粘接在一起的金属碳化物晶粒，该金属粘结剂包含金刚石的溶剂/催化剂材料，如钴。在烧结步骤期间，这些金属粘结剂可渗透金刚石颗粒的聚集体，并且用作金刚石的烧结助剂。
已发现本发明的实施方案降低或消除在邻接与基材的界面处的PCD内的金属粘结剂材料池，以及邻接粘结表面/界面的基材内的金属粘结剂材料的相应损耗，并可降低或消除与接近粘结表面的碳化物或金刚石晶粒生长相关的某些缺陷。
根据本发明的第三个方面，提供用于钻头例如钻地钻头的PCD刀具插入件，该PCD刀具插入件包含根据本发明的PCD复合片元件。
根据本发明的第四个方面，提供用于钻地的钻头，该钻头包含根据本发明的PCD工具插入件。
如在油气钻探行业所进行的钻地在刀具插入件上施加强大的力，并且根据本发明的PCD刀具插入件在使用中可展现出降低的失效率。
附图说明
现在，将参照附图描述非限制性实施方案：其中
图1显示了(a)PCD复合片元件实施方案的透视图示意图，以及两个实施方案的纵向侧横截面视图示意图，(b)和(c)。
图2—7是PCD复合片元件的实施方案的透视图示意图。
图8显示了对于PCD材料实施方案内金刚石晶粒的细晶粒双形态尺寸分布，多个晶粒与当量圆直径晶粒尺寸的关系的图片。
图9显示了对于PCD材料实施方案内金刚石晶粒，多个晶粒与当量圆直径晶粒尺寸的关系的图片。
图10显示了PCD和基材内粘结剂含量以及碳含量与从PCD工作表面的深度的函数关系示意图，分为现有技术PCD复合片的情况以及本发明实施方案的情况。
图11显示了钴对钨含量的比率与从与PCD结构的界面至基材内的距离的函数关系的图片，分为根据本发明实施方案的情况(显示为实方块的数据)和根据现有技术的对照的情况(显示为未填充的菱形数据)。
图12显示了钴对碳含量的比率与从PCD结构的界面至PCD结构的距离的函数关系的图片，分为根据本发明实施方案的情况(显示为实方块的数据)和根据现有技术的对照的情况(显示为填充的菱形数据)。
图13显示了粘结界面的横截面的扫描电子显微照片，该界面在PCD结构和用金刚石强化的钴结WC硬质合金基材之间。
实施方案详述
参考图1，聚晶金刚石复合片(PCD)元件100的实施方案包含PCD结构110，其在界面125处整体粘结至烧结碳化物基材120。在某些实施方案中，该界面在(a)所示的实施方案之间。PCD结构110具有轴向厚度tPCD并且基材120具有轴向厚度tsub，轴向厚度从PCD结构110之间的界面125测量，用标为“轴”的线表示轴向。在(b)所示的实施方案中，界面125基本上是平坦的，并且在(c)所示的实施方案中，界面125是非平坦的，并且PCD结构110具有至少两个厚度tPCD-1和tPCD-2。
参考图2，聚晶金刚石复合片(PCD)元件100的实施方案包含PCD结构110，其在界面125处整体粘结至烧结碳化物基材120，并且该PCD结构包含第一区域112和第二区域111，第一区域112中的金刚石晶粒平均尺寸比第二区域111中的金刚石晶粒平均尺寸大；第一区域112接近基材120，并且第二区域111远离基材120。
参考图3，聚晶金刚石复合片(PCD)元件100的实施方案包含PCD结构110，其在界面125处整体粘结至烧结碳化物基材120，其中基材120包括在从界面延伸至一定深度的表面区域221内分散的金刚石颗粒。基材120的剩余区域122基本上没有金刚石。在某些实施方案中，该深度为至少1毫米，至少2毫米或至少3毫米。在某些实施方案中，基材的表面区域121具有至少2倍于PCD结构110的体积，至少3倍于PCD结构110的体积，或甚至是PCD结构110的体积的至少10倍。
参考图4，本发明方法的实施方案包括在粘结表面225处或接近粘结表面225处向基材220引入过量碳源以形成碳化的基材组件250；使金刚石晶粒的聚集体210与邻近或接近粘结表面225的碳化基材组件250接触以形成未粘结的组件200；其中过量碳源以石墨形式分散在基材220表面区域221中，表面区域从接近粘结表面125向一定深度延伸。在某些实施方案中，该深度为至少1毫米，至少2毫米或至少3毫米。参考图5，过量碳源以石墨形式基本分散在基材220的整个体积中。
参考图6，本发明方法的实施方案包括在粘结界面225处或接近粘结界面225向基材220引入过量碳源以形成碳化的基材组件250；使金刚石晶粒的聚集体210与邻近或接近粘结界面225的碳化基材组件250接触以形成未粘结的组件200；其中过量碳源230沉积在基材的粘结表面125上。参考图7，本发明方法的实施方案包括将含钨的盘或膜240放置在过量碳沉积源230上方。
例如，图8显示了对于PCD材料实施方案内金刚石晶粒的细晶粒双形态尺寸分布，多个晶粒与当量圆直径晶粒尺寸的关系的图片；并且图9显示了对于多形态PCD材料实施方案内金刚石晶粒，多个晶粒与当量圆直径晶粒尺寸的关系的图片。
具有如图8所示的金刚石晶粒尺寸分布的PCD材料是可从本发明特别受益的PCD材料实施方案的实施例，其中在烧结PCD内金刚石晶粒的平均尺寸为约1.5-约6微米，并且尺寸分布可分解为至少两个不同的峰。图8显示了当量圆直径的分布，没有将Saltykov修正应用于将从二维图像数据获得的尺寸分布转化为三维的晶粒尺寸分布。
参考图9，在现有技术PCD复合片210和根据本发明实施方案的PCD复合片220内，将相对(如重量百分数)钴含量200以各自定性的特征进行了对比。在本发明的某些实施方案中，显著降低了粘结剂池。在某些实施方案中，基本上降低了羽状物缺陷的发生。图9还示出了在现有技术的PCD复合片410和根据本发明实施方案的PCD复合片420内对应的相对碳含量400，以各自定性的特征进行了对比。用110所表示的图片中区域对应于PCD结构，并且用121表示的区域对应于碳化物基材。
图10显示了对于本发明的实施方案(显示为实方块的数据)以及现有技术的对照(显示为未填充的菱形的数据)，钴对钨的比率与从与PCD结构的界面至基材的轴向距离的函数关系的图片。界面对应于0毫米。在本发明的实施方案中，从界面到基材体内的比率(显示为实方块)基本上保持恒定，数据的标准偏差小于平均值M的约5％。上下标准偏差分别表示为SU和SL，上下百分数界限或M(1+20％)和M(1-20％)分别表示为LU和LL。对于根据现有技术制备的对照材料，钴和钨的平均比率在大致1.5毫米深度范围内是显著较低的，显著并且系统地小于基材体内的平均值，并且从界面约1毫米的深度内小于下限M(1-20％)。这称为“贫化区”。
图11显示了对于本发明的实施方案(显示为实方块的数据)以及现有技术的对照(显示为未填充的菱形的数据)，钴对碳的比率与从与基材的界面至PCD结构的轴向距离的函数关系的图片。界面对应于0毫米。在本发明的实施方案中，从界面到PCD结构体内，甚至从界面的第一个0.2毫米内的该比率(显示为实方块)基本上保持恒定，而在对照材料中该比率急剧增加至大于M(1+20％)，对应于在邻近界面的PCD结构内的粘结剂池。
参考图12，显示了跨界面区域的SEM显微照片，该界面在根据本发明实施方案的PCD复合片的PCD结构40和烧结碳化物基材50之间。基材50含有金刚石颗粒46。包含连续的聚晶金刚石并具有约30-50微米长度的“指状物”45从PCD结构40向基材50延伸。
如前面提及，本发明的实施方案可包含相对厚的PCD包覆体和基材，在烧结步骤中不需要使用更高的温度。通常，PCD层越厚，烧结温度必须越高以便促进来自基材的熔化溶剂／催化剂材料渗透整个PCD层。如果这不发生，则严重后果是“软点”缺陷的存在，其中远离界面的金刚石晶粒没有足够被烧结。遗憾的是，较高的烧结温度导致邻接界面的金刚石的过量溶解，并可导致以过大的针状金属碳化物晶粒形式的羽状物缺陷。另一方面，较高的烧结温度趋于促进过大金刚石晶粒生长，其也是不期望的。在PCD结构相对薄的地方，这较少是个问题，因为PCD结构越薄，避免软点的最小烧结温度越低。然而，许多应用要求PCD结构为几个毫米厚并且基材为几十个毫米厚。特别地，在油气工业中钻地和钻石所用的PCD复合片包含相对厚的PCD包覆体和基材。
现在，将通过下面的非限制性实施例描述本发明。
实施例1
通过将金刚石颗粒、碳化钨(WC)粉末和钴粉末掺混，将经掺混的混合物成形为压制的生坯，并使生坯经受常规的碳化物烧结处理，制备了用作PCD复合片的基材表面区域的第一基材元件。金刚石颗粒具有0.75—1.5微米的平均尺寸，并占经掺混的混合物的3wt％。将WC粉末和钴粉末预混，钴占WC-Co预混物的13wt％并且WC颗粒具有约1—4微米的平均尺寸。使WC-Co混合物中包含约2wt％的有机压制助剂。将掺混的粉末混合物在环境温度单轴向压制以形成基本为柱形的生坯，将其在1,400摄氏度下常规地烧结2小时形成烧结制品。在烧结过程的结束时，金刚石颗粒已完全转变为石墨。在最后的机加工后，基材具有约17.4毫米的直径和约6毫米的高度。
采用与第一基材元件同样的方式并用同样的原料制备了用作基本上没有金刚石的基材区域的第二基材元件，但不同的是，不引入金刚石，并且第二基材元件的高度为约7毫米。
将第一基材元件放在第二基材元件的顶部，第一和第二基材元件基本上对齐(in registrution)以形成基材组件，其上表面是第一基材元件的暴露端面。
将包含未粘结的金刚石晶粒聚集体的层沉积到烧结制品的基材组件端面的上表面以形成未粘结的组件。金刚石晶粒具有约0.5微米的平均尺寸并用钴涂覆，钴占聚集体的5wt％。然后使涂覆的晶粒在富氢气氛中在850摄氏度下经受热处理以便用氢封端(terminate)表面。
将未粘结的组件装配到如本领域所知的超高压炉所用的包封内。使包封经受约5.5GPa的压力和约1,400摄氏度的温度约5分钟的时间。烧结后，第一和第二基材元件已烧结在一起，并且将PCD复合片以常规方式处理以形成具有约15.9毫米直径的插入件和具有约1.7—2.1毫米厚度的PCD结构。
将插入件用扫描电镜(SEM)分析。特别值得注意是邻接PCD和基材之间的界面没有可分辨的钴粘结剂的“池”，而这是已知插入件的典型特征，特别是那些具有相对厚PCD和基材的那些(其中插入件是个例子)。样品显示出在基材的烧结碳化物和PCD之间突兀的过渡。此外，在接近界面的PCD层内没有观察到如现有插入件中所出现的大量过大金刚石或WC晶粒。
实施例2
通过将金刚石颗粒、碳化钨(WC)粉末和钴粉末掺合，将经掺混的混合物成形为压制的生坯，并使生坯经受常规的碳化物烧结处理，制备了基材PCD复合片。金刚石颗粒具有约22微米的平均尺寸，并占经掺混的混合物的约5.8wt％。将WC粉末和钴粉末预混，钴占WC-Co预混物的13wt％，并且WC颗粒具有1-4微米的平均尺寸。使WC-Co混合物中包含约2wt％的有机压制助剂。将经掺混的粉末混合物在环境温度下单轴向压制以形成基本为柱形的生坯，将其在1,400摄氏度下常规烧结2小时以形成烧结制品。在烧结过程的结束时，金刚石颗粒已完全转变为石墨。在最后的机加工后，基材具有约17.4毫米的直径并且具有约13毫米的高度。
将包含未粘结的金刚石晶粒聚集体的层沉积到烧结制品的基材的上表面上以形成未粘结的组件。用于聚集体的原料金刚石粉末通过掺混来自三种源的金刚石晶粒制备，每种源具有不同的平均晶粒尺寸分布。
将未粘结的组件装配到如本领域所知的超高压炉的包封内。使包封经受约5.5GPa的压力和约1,400摄氏度的温度约5分钟的时间。烧结后，第一和第二基材元件已烧结在一起，并且将PCD复合片元件以常规的方式处理以形成具有约15.9毫米直径的插入件和具有约1.7-2.1毫米厚度的PCD结构。
将插入件用扫描电镜(SEM)分析。在纵向穿过PCD结构和基材之间界面的抛光横截面的几个点进行了材料的分析。测量了在基材内从接近界面到基材体内的几个不同点处的钨(W)和钴(Co)的含量，并且测量了在PCD结构内从接近界面到基材体内的几个不同点处的碳(C)和钴(Co)含量。这些测量的结果在图11和图12分别表示为比率与从界面的距离的函数关系。特别值得注意的是邻接PCD和基材之间界面没有大量的钴粘结剂的“池”，而这是已知插入件的典型特征，特别是那些具有相对厚PCD和基材的插入件。样品显示出在基材的烧结碳化物和PCD之间的突兀的组分过渡。此外，在接近界面的PCD层内基本上没有观察到如现有插入件中所出现的过大金刚石或WC晶粒。
实施例3
如实施例2制备了基材PCD复合片，但不同的是，金刚石颗粒具有约2微米的平均尺寸并且占掺混的混合物的约2.7wt％。将实施例2中所描述的包含未粘结的金刚石晶粒聚集体的层沉积到烧结制品基材的上表面上以形成未粘结组件，将其如实施例2进行烧结以形成PCD复合片元件。
如实施例2，观察到在邻接PCD和基材之间界面没有大量的钴粘结剂的“池”，并且在接近界面的PCD层内基本上没有观察到过大金刚石或WC晶粒。
实施例4
采用如实施例1的第一基材元件同样的方式并用同样的原料制备了PCD复合片的基材，但不同的是基材的高度为13毫米。换句话说，整个基材具有与实施例1所描述的第一基材元件基本上相同的组成、形状和直径。
将未粘结的金刚石晶粒的聚集体层沉积到基材的端面上以形成未粘结的组件。金刚石晶粒具有超细双形态分布，具有约0.1-1微米的平均尺寸并且涂覆有钴，钴占聚集体的5wt％。然后使涂覆的晶粒在富氢气氛中在850摄氏度下经受热处理以便用氢封端表面。
将未粘结的组件装配到如本领域所知的超高压炉的包封内。使包封经受约5.5GPa的压力和约1,400摄氏度的温度约5分钟的时间。烧结后，将PCD复合片以常规的方式处理以形成具有约15.9毫米直径的插入件和具有约1.7-2.1毫米厚度的PCD结构。
将插入件用扫描电镜(SEM)分析。特别值得注意的是邻接PCD和基材之间的界面没有可分辨的钴粘结剂的池。样品显示出在基材的烧结碳化物和PCD之间突兀的过渡。此外，在接近界面的PCD层内基本上观察到如现有插入件中所出现的大量过大金刚石或WC晶粒。
实施例5
采用如实施例1的第一基材元件同样的方式并用同样的原料制备PCD复合片的基材，但不同的是，基材的高度为13毫米。换句话说，整个基材具有与实施例1所描述的第一基材元件基本上相同的组成、形状和直径。
将由未粘结的金刚石晶粒聚集体形成的第一金刚石层沉积到基材的端面上，并将由未粘结的金刚石晶粒聚集体形成的第二金刚石层沉积到第一层上以形成未粘结的组件。第一金刚石层具有约0.5毫米的平均厚度，并且第二金刚石层具有约2.5毫米的平均厚度，第一金刚石层夹在基材和第二金刚石层之间。第一金刚石层的金刚石晶粒具有细晶粒双形态分布，并且第二金刚石层的金刚石晶粒具有超细晶粒分布。第二金刚石层的金刚石晶粒已用钴涂覆，钴占聚集体的5wt％，然后使其在富氢气氛中在850摄氏度下经受热处理以便用氢封端表面。
将未粘结的组件装配到如本领域所知的超高压炉的包封内。使包封经受约5.5GPa的压力和约1,400摄氏度的温度约5分钟的时间。烧结后，将PCD复合片以常规的方式处理以形成具有约15.9毫米直径的插入件和具有约2.2毫米厚度的PCD结构。
将插入件用扫描电镜(SEM)分析。特别值得注意的是邻接PCD和基材之间界面没有可分辨的钴粘结剂池。样品显示出在基材的烧结碳化物和PCD之间突兀的过渡。此外，在接近界面的PCD层内没有观察到如现有插入件中所出现的大量过大金刚石或WC晶粒。
实施例6
如同实施例2，但不同的是，使包封经受约6.8GPa的压力和约1,500摄氏度的温度约5分钟的时间。
尽管前面对统一的超硬材料、生产方法、以及它们的各种应用的描述包含许多特定情况，但这不应该被解释为限制本发明的范围，而只是作为提供一些示范性实施方案的说明。类似的，可以设计本发明的其它实施方案，这不偏离本发明的精神和范围。因此，本发明的范围，仅通过所附的权利要求和它们的法律等效体而不是通过前述说明书所表明和限制。所有对本发明的添加、删除和修改，如本文所披露，落入权利要求的含义和范围的都将被包括进来。

Claims (10)

1.制备聚晶金刚石复合(PDC)片元件的方法，该元件包含整体粘结至由烧结碳化物形成的基材的聚晶金刚石(PCD)结构；该方法包括：在基材的粘结表面处或接近基材的粘结表面处向基材中引入过量的碳源以形成碳化的基材或碳化的基材组件；使金刚石晶粒聚集体与邻接或接近粘结界面的碳化基材或碳化基材组件接触以形成未粘结的组件；并在金刚石的溶剂/催化剂材料存在下、在金刚石热力学稳定的温度和压力下烧结金刚石晶粒以形成PCD；其中在聚集体中的金刚石晶粒的平均尺寸不大于10微米。
2.根据权利要求1的方法，包括在基材的粘接表面处或接近基材的粘接表面处向基材区域内引入至少0.1wt％的过量碳源，其中以在引入碳的区域内的总基材材料的重量百分比表示重量百分数。
3.根据权利要求1和2中任一项的方法，包括由具有多形态尺寸分布的金刚石晶粒形成聚集体。
4.根据权利要求1或2的方法，其中过量碳源为炭黑粉末或石墨的形式。
5.根据权利要求1或2的方法，包括在基材的粘结表面处或接近基材的粘结表面处向基材引入金刚石，并且将至少一些金刚石转变为石墨以用作过量碳源。
6.根据权利要求1或2的方法，包括将以微粒或粒料形式的过量碳源与用于烧结碳化物的原料结合，将结合体成形为基本上自支撑的生坯，并在金刚石热力学不稳定的压力下烧结生坯。
7.根据权利要求1或2的方法，包括：将金刚石晶粒与用于烧结碳化物的原料结合，将结合体成形为基本上自支撑的生坯，使生坯经受至少500摄氏度的温度和金刚石热力学不稳定的压力。
8.根据权利要求1或2的方法，包括：向金刚石晶粒聚集体中引入难熔金属碳化物颗粒，难熔金属碳化物颗粒选自碳化钨、碳化钽、碳化铌和碳化钒，和/或向金刚石晶粒聚集体中引入金属碳化物的难熔金属前体，该难熔金属选自为非碳化物化合物或以单质形式的钨、钽、铌和钒。
9.用于钻头的PCD刀具插入件，该PCD刀具插入件包含根据权利要求1-8中任一项的方法形成的PCD复合片元件。
10.钻地钻头，其包含根据权利要求1的方法形成的PCD刀具插入件。
CN200980146657.6A 2008-10-21 2009-10-21 聚晶金刚石复合片元件，包含其的工具及其制造方法 Active CN102223973B (zh)

Applications Claiming Priority (3)

Application Number Priority Date Filing Date Title
GB0819257.7 2008-10-21
GBGB0819257.7A GB0819257D0 (en) 2008-10-21 2008-10-21 Insert for an attack tool
PCT/IB2009/054645 WO2010046860A1 (en) 2008-10-21 2009-10-21 A polycrystalline diamond composite compact element, tools incorporating same and method for making same

Publications (2)

Publication Number Publication Date
CN102223973A CN102223973A (zh) 2011-10-19
CN102223973B true CN102223973B (zh) 2014-02-19

Family

ID=40097748

Family Applications (2)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN200980146657.6A Active CN102223973B (zh) 2008-10-21 2009-10-21 聚晶金刚石复合片元件，包含其的工具及其制造方法
CN200980146446.2A Active CN102224317B (zh) 2008-10-21 2009-10-21 攻击工具的插入件、制造该插入件的方法以及包含该插入件的工具

Family Applications After (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN200980146446.2A Active CN102224317B (zh) 2008-10-21 2009-10-21 攻击工具的插入件、制造该插入件的方法以及包含该插入件的工具

Country Status (14)

Country Link
US (6) US9566688B2 (zh)
EP (2) EP2342418B1 (zh)
JP (2) JP2012506493A (zh)
KR (1) KR20110099684A (zh)
CN (2) CN102223973B (zh)
AU (1) AU2009305930A1 (zh)
BR (1) BRPI0919645A2 (zh)
CA (1) CA2741197C (zh)
CL (1) CL2011000883A1 (zh)
GB (1) GB0819257D0 (zh)
PE (1) PE20120222A1 (zh)
RU (1) RU2532932C2 (zh)
WO (2) WO2010046863A1 (zh)
ZA (1) ZA201103168B (zh)

Families Citing this family (46)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US7036611B2 (en) 2002-07-30 2006-05-02 Baker Hughes Incorporated Expandable reamer apparatus for enlarging boreholes while drilling and methods of use
GB0819257D0 (en) * 2008-10-21 2008-11-26 Element Six Holding Gmbh Insert for an attack tool
US8069937B2 (en) 2009-02-26 2011-12-06 Us Synthetic Corporation Polycrystalline diamond compact including a cemented tungsten carbide substrate that is substantially free of tungsten carbide grains exhibiting abnormal grain growth and applications therefor
US8505654B2 (en) * 2009-10-09 2013-08-13 Element Six Limited Polycrystalline diamond
US10030450B2 (en) 2010-04-14 2018-07-24 Baker Hughes Incorporated Polycrystalline compacts including crushed diamond nanoparticles, cutting elements and earth boring tools including such compacts, and methods of forming same
US20110278074A1 (en) * 2010-05-14 2011-11-17 Kaveshini Naidoo Polycrystalline diamond
BR112012033027A2 (pt) * 2010-06-24 2016-12-20 Baker Hughes Inc elemento de corte de ferramentas de sondagem, ferramentas de sondagem incluindo tais elementos de corte, e métodos de formação de elementos de corte para ferramentas de sondagem
GB2482151A (en) 2010-07-21 2012-01-25 Element Six Production Pty Ltd Method of making a superhard construction
US8882869B2 (en) * 2011-03-04 2014-11-11 Baker Hughes Incorporated Methods of forming polycrystalline elements and structures formed by such methods
US9062505B2 (en) 2011-06-22 2015-06-23 Us Synthetic Corporation Method for laser cutting polycrystalline diamond structures
WO2013028821A1 (en) * 2011-08-23 2013-02-28 Smith International, Inc. Fine polycrystalline diamond compact with a grain growth inhibitor layer between diamond and substrate
GB201117335D0 (en) * 2011-10-07 2011-11-23 Element Six Abrasives Sa Method of processing a composite body
US9149777B2 (en) 2011-10-10 2015-10-06 Baker Hughes Incorporated Combined field assisted sintering techniques and HTHP sintering techniques for forming polycrystalline diamond compacts and earth-boring tools
GB201118739D0 (en) * 2011-10-31 2011-12-14 Element Six Abrasives Sa Tip for a pick tool, method of making same and pick tool comprising same
US9482056B2 (en) * 2011-12-30 2016-11-01 Smith International, Inc. Solid PCD cutter
EP2644299B2 (en) 2012-03-29 2022-01-26 Seco Tools Ab Cemented carbide body and method for manufacturing the cemented carbide body
US9493991B2 (en) 2012-04-02 2016-11-15 Baker Hughes Incorporated Cutting structures, tools for use in subterranean boreholes including cutting structures and related methods
GB201210678D0 (en) * 2012-06-15 2012-08-01 Element Six Abrasives Sa Polycrystalline diamond structure
GB201210876D0 (en) * 2012-06-20 2012-08-01 Element Six Abrasives Sa Inserts and method for making same
US8986406B2 (en) 2012-12-07 2015-03-24 Rusty Petree Polycrystalline diamond compact with increased impact resistance
US10501998B1 (en) 2013-01-04 2019-12-10 Us Synthetic Corporation Polycrystalline diamond compacts and applications therefor
US9346149B1 (en) * 2013-01-04 2016-05-24 Us Synthetic Corporation Polycrystalline diamond compacts and applications therefor
US10279454B2 (en) 2013-03-15 2019-05-07 Baker Hughes Incorporated Polycrystalline compacts including diamond nanoparticles, cutting elements and earth- boring tools including such compacts, and methods of forming same
GB201305483D0 (en) * 2013-03-26 2013-05-08 Nov Downhole Eurasia Ltd Cutting element
GB201322837D0 (en) * 2013-12-23 2014-02-12 Element Six Ltd Polycrystalline chemical vapour deposited diamond tool parts and methods of fabricating mounting and using the same
CN104727752B (zh) * 2013-12-18 2017-12-26 中国石油化工股份有限公司 一种聚晶金刚石复合齿及其制造方法和一种钻头
KR101690516B1 (ko) * 2014-02-04 2016-12-28 일진다이아몬드(주) 다중 다결정 다이아몬드 소결체를 구비하는 다결정 다이아몬드 컴팩트 및 그 제조방법
US10287825B2 (en) * 2014-03-11 2019-05-14 Smith International, Inc. Cutting elements having non-planar surfaces and downhole cutting tools using such cutting elements
JP6641925B2 (ja) * 2014-11-27 2020-02-05 三菱マテリアル株式会社 掘削チップおよび掘削ビット
JP6701742B2 (ja) * 2015-01-14 2020-05-27 三菱マテリアル株式会社 掘削チップおよび掘削ビット
CN107848031A (zh) 2015-08-05 2018-03-27 哈利伯顿能源服务公司 火花等离子体烧结的聚晶金刚石复合片
US10843975B2 (en) 2015-08-05 2020-11-24 Halliburton Energy Services, Inc. Spark plasma sintered polycrystalline diamond
CN105751610B (zh) * 2016-03-18 2018-11-23 四川瑞迩超硬材料有限公司 一种聚晶金刚石复合片
CN105772733B (zh) * 2016-03-25 2018-08-17 河南四方达超硬材料股份有限公司 一种超厚金刚石层的聚晶金刚石复合片的制造方法
KR101692224B1 (ko) * 2016-09-13 2017-01-03 황광모 수동 굴착기기
KR102188627B1 (ko) * 2016-11-15 2020-12-08 스미또모 덴꼬오 하드메탈 가부시끼가이샤 절삭 공구
GB201622474D0 (en) * 2016-12-31 2017-02-15 Element Six (Uk) Ltd Superhard constructions & methods of making same
RU185481U1 (ru) * 2017-08-15 2018-12-06 Акционерное общество "Тульское научно-исследовательское геологическое предприятие" (АО "Тульское НИГП") Породоразрушающая вставка
EP3717701B1 (en) 2017-11-27 2023-06-14 Dynatech Systems, Inc. Milling-drumless system for material removal and method of fabricating a milling-drumless system for material removal
RU180771U1 (ru) * 2018-02-20 2018-06-22 Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Брянский государственный аграрный университет" Резец дорожной фрезы
JP7120524B2 (ja) * 2018-06-19 2022-08-17 住友電工ハードメタル株式会社 ダイヤモンド接合体及びダイヤモンド接合体の製造方法
GB201918378D0 (en) * 2019-12-13 2020-01-29 Element Six Uk Ltd Polycrystalline diamond with iron-containing binder
GB201919480D0 (en) * 2019-12-31 2020-02-12 Element Six Uk Ltd Polycrystalline diamond constructions & methods of making same
GB201919479D0 (en) * 2019-12-31 2020-02-12 Element Six Uk Ltd Polycrystalline diamond constructions & methods of making same
USD940767S1 (en) 2020-01-24 2022-01-11 Dynatech Systems, Inc. Cutter head for grinding machines and the like
CN113770363B (zh) * 2021-09-14 2023-06-09 四川科力特硬质合金股份有限公司 一种梯度硬质合金砂磨机零部件的制备方法

Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN86103664A (zh) * 1985-04-29 1987-02-04 史密斯国际公司 改进的复合多晶态金刚石压坯
US5158148A (en) * 1989-05-26 1992-10-27 Smith International, Inc. Diamond-containing cemented metal carbide
CN1200077A (zh) * 1995-09-08 1998-11-25 史密斯国际公司 生成超硬材料多晶层的方法
CN101273151A (zh) * 2005-08-16 2008-09-24 六号元素（产品）（控股）公司 细粒状多晶磨蚀材料

Family Cites Families (48)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US3660050A (en) * 1969-06-23 1972-05-02 Du Pont Heterogeneous cobalt-bonded tungsten carbide
DE3005587A1 (de) * 1980-02-15 1981-08-20 Kernforschungsanlage Jülich GmbH, 5170 Jülich Verfahren zur herstellung von formkoerpern
SU911003A1 (ru) * 1980-05-26 1982-03-07 Всесоюзный научно-исследовательский и проектный институт тугоплавких металлов и твердых сплавов Породоразрушающа вставка дл буровых долот
SE457537B (sv) * 1981-09-04 1989-01-09 Sumitomo Electric Industries Diamantpresskropp foer ett verktyg samt saett att framstaella densamma
US4525178A (en) * 1984-04-16 1985-06-25 Megadiamond Industries, Inc. Composite polycrystalline diamond
US4694918A (en) 1985-04-29 1987-09-22 Smith International, Inc. Rock bit with diamond tip inserts
FR2585760B1 (fr) * 1985-07-30 1987-09-25 Alsthom Dispositif deviateur pour forage, colonne de forage pour forage a deviations et procede de forage de puits avec deviations
US4811801A (en) * 1988-03-16 1989-03-14 Smith International, Inc. Rock bits and inserts therefor
US5151107A (en) * 1988-07-29 1992-09-29 Norton Company Cemented and cemented/sintered superabrasive polycrystalline bodies and methods of manufacture thereof
SE9004123D0 (sv) * 1990-12-21 1990-12-21 Sandvik Ab Diamantimpregnerat haardmaterial
JP2544895Y2 (ja) * 1991-06-10 1997-08-20 東芝タンガロイ株式会社 削孔用のビットチップおよびこれを組込んだ削孔ビット
CN1030093C (zh) * 1991-11-12 1995-10-18 新钴碳化钨硬质合金公司 冷镦制造的中部真空钻头及其制造方法
US5304342A (en) * 1992-06-11 1994-04-19 Hall Jr H Tracy Carbide/metal composite material and a process therefor
ZA935524B (en) * 1992-08-05 1994-02-24 De Beers Ind Diamond Abrasive product
US5370195A (en) * 1993-09-20 1994-12-06 Smith International, Inc. Drill bit inserts enhanced with polycrystalline diamond
JPH08222669A (ja) * 1995-02-10 1996-08-30 Fuji Dies Kk ヒートシンク及びその製法
US5470807A (en) * 1995-03-17 1995-11-28 Industrial Technology Research Institute Chromium carbide based ceramics composite block gauge
JP3309897B2 (ja) 1995-11-15 2002-07-29 住友電気工業株式会社 超硬質複合部材およびその製造方法
US5885372A (en) * 1996-10-02 1999-03-23 Nanodyne Incorporated Multi-step process to incorporate grain growth inhibitors in WC-Co composite
US6315065B1 (en) * 1999-04-16 2001-11-13 Smith International, Inc. Drill bit inserts with interruption in gradient of properties
US6214079B1 (en) * 1998-03-25 2001-04-10 Rutgers, The State University Triphasic composite and method for making same
JP2000054007A (ja) * 1998-07-31 2000-02-22 Sumitomo Electric Ind Ltd ダイヤモンド焼結体及びその製造方法
US6315066B1 (en) * 1998-09-18 2001-11-13 Mahlon Denton Dennis Microwave sintered tungsten carbide insert featuring thermally stable diamond or grit diamond reinforcement
US6220375B1 (en) 1999-01-13 2001-04-24 Baker Hughes Incorporated Polycrystalline diamond cutters having modified residual stresses
US6499547B2 (en) 1999-01-13 2002-12-31 Baker Hughes Incorporated Multiple grade carbide for diamond capped insert
WO2001021862A1 (fr) * 1999-09-22 2001-03-29 Sumitomo Electric Industries, Ltd. Diamant enrobe, son procede de preparation et materiau composite contenant ce diamant
US6258139B1 (en) * 1999-12-20 2001-07-10 U S Synthetic Corporation Polycrystalline diamond cutter with an integral alternative material core
GB2365025B (en) * 2000-05-01 2004-09-15 Smith International Rotary cone bit with functionally-engineered composite inserts
WO2002012578A2 (en) * 2000-08-08 2002-02-14 Element Six (Pty) Ltd. Method of producing an abrasive product containing cubic boron nitride
EP1309732B1 (en) * 2000-08-08 2005-04-20 Element Six (PTY) Ltd Method of producing an abrasive product containing diamond
JP4954429B2 (ja) 2000-09-20 2012-06-13 キャムコ、インターナショナル、（ユーケイ）、リミテッド 触媒物質を枯渇させた表面を有する多結晶ダイヤモンド
UA74009C2 (en) * 2000-09-20 2005-10-17 Camco Int Uk Ltd Polycrystalline diamond element
AU7423001A (en) 2000-09-20 2002-04-02 Schlumberger Holdings Polycrystalline diamond with a surface depleted of catalyzing material
ATE325675T1 (de) * 2000-10-19 2006-06-15 Element Six Pty Ltd Verfahren zur herstellung eines abrasiven verbundkörpers
JP2001293603A (ja) * 2001-02-28 2001-10-23 Mitsubishi Materials Corp 気相合成ダイヤモンド被覆切削工具
JP3648205B2 (ja) * 2001-03-23 2005-05-18 独立行政法人石油天然ガス・金属鉱物資源機構 石油掘削用トリコンビットのインサートチップおよびその製造方法ならびに石油掘削用トリコンビット
GEP20063922B (en) * 2002-01-30 2006-09-11 Element Six Pty Ltd Composite abrasive compact
US20050210755A1 (en) * 2003-09-05 2005-09-29 Cho Hyun S Doubled-sided and multi-layered PCBN and PCD abrasive articles
KR100568970B1 (ko) * 2004-01-13 2006-04-07 일진다이아몬드(주) 고경도 소결체의 제조방법
JP2005281759A (ja) * 2004-03-29 2005-10-13 Kyocera Corp 超高圧焼結構造体、超高圧複合焼結構造体およびその製造方法、並びに切削工具
GB0426143D0 (en) * 2004-11-26 2004-12-29 Element Six Ltd Rigid three-dimensional components
US7350601B2 (en) * 2005-01-25 2008-04-01 Smith International, Inc. Cutting elements formed from ultra hard materials having an enhanced construction
US7694757B2 (en) * 2005-02-23 2010-04-13 Smith International, Inc. Thermally stable polycrystalline diamond materials, cutting elements incorporating the same and bits incorporating such cutting elements
CA2786820C (en) * 2005-03-03 2016-10-18 Smith International, Inc. Fixed cutter drill bit for abrasive applications
US7487849B2 (en) 2005-05-16 2009-02-10 Radtke Robert P Thermally stable diamond brazing
KR20090086999A (ko) 2006-10-31 2009-08-14 엘리먼트 씩스 (프로덕션) (피티와이) 리미티드 다결정질 다이아몬드 연마 콤팩트
US7998573B2 (en) * 2006-12-21 2011-08-16 Us Synthetic Corporation Superabrasive compact including diamond-silicon carbide composite, methods of fabrication thereof, and applications therefor
GB0819257D0 (en) * 2008-10-21 2008-11-26 Element Six Holding Gmbh Insert for an attack tool

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN86103664A (zh) * 1985-04-29 1987-02-04 史密斯国际公司 改进的复合多晶态金刚石压坯
US5158148A (en) * 1989-05-26 1992-10-27 Smith International, Inc. Diamond-containing cemented metal carbide
CN1200077A (zh) * 1995-09-08 1998-11-25 史密斯国际公司 生成超硬材料多晶层的方法
CN101273151A (zh) * 2005-08-16 2008-09-24 六号元素（产品）（控股）公司 细粒状多晶磨蚀材料

Also Published As

Publication number Publication date
CL2011000883A1 (es) 2011-09-02
US9566688B2 (en) 2017-02-14
US20110226532A1 (en) 2011-09-22
EP2358490A1 (en) 2011-08-24
PE20120222A1 (es) 2012-03-19
KR20110099684A (ko) 2011-09-08
JP2012506493A (ja) 2012-03-15
GB0819257D0 (en) 2008-11-26
BRPI0919645A2 (pt) 2015-12-08
CN102223973A (zh) 2011-10-19
ZA201103168B (en) 2012-09-26
EP2342418A1 (en) 2011-07-13
AU2009305930A1 (en) 2010-04-29
US20200353591A1 (en) 2020-11-12
CN102224317A (zh) 2011-10-19
WO2010046860A1 (en) 2010-04-29
WO2010046863A1 (en) 2010-04-29
CA2741197A1 (en) 2010-04-29
US20180333825A1 (en) 2018-11-22
US20220226965A1 (en) 2022-07-21
RU2532932C2 (ru) 2014-11-20
US20160207168A1 (en) 2016-07-21
US20110253459A1 (en) 2011-10-20
EP2342418B1 (en) 2013-05-08
CN102224317B (zh) 2015-08-05
CA2741197C (en) 2017-12-05
JP2012506508A (ja) 2012-03-15
RU2011119897A (ru) 2012-11-27

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CN102223973B (zh) 聚晶金刚石复合片元件，包含其的工具及其制造方法
CN105229255B (zh) 超硬结构体及其制造方法
CA2556052C (en) Polycrystalline diamond composite constructions comprising thermally stable diamond volume
JP5129956B2 (ja) 複合材料
CN105392584A (zh) 超硬结构及其制作方法
CN110157967A (zh) 超硬结构体及其制造方法
US20220371962A1 (en) Superhard constructions and methods of making same
US11794245B2 (en) Superhard constructions and methods of making same
US20190330118A1 (en) Super hard constructions & methods of making same
US20150165590A1 (en) Superhard constructions and methods of making same
GB2519671A (en) Superhard constructions & methods of making same
US20190344351A1 (en) Superhard constructions and methods of making same
US20200269321A1 (en) Superhard constructions & methods of making same
US20190337855A1 (en) Superhard constructions and methods of making same
GB2559485A (en) Superhard constructions & methods of making same
US20200262761A1 (en) Superhard constructions & methods of making same
US20200361000A1 (en) A polycrystalline super hard construction and a method of making same

Legal Events

Date Code Title Description
C06 Publication
PB01 Publication
C10 Entry into substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
C14 Grant of patent or utility model
GR01 Patent grant
TR01 Transfer of patent right
TR01 Transfer of patent right

Effective date of registration: 20171225

Address after: Luxemburg Luxemburg

Patentee after: ELEMENT SIX ABRASIVES S.A.

Address before: Irish Claire

Patentee before: No. six element (trademark) Co.

Effective date of registration: 20171225

Address after: Irish Claire

Patentee after: No. six element (trademark) Co.

Address before: South Africa springs

Patentee before: ELEMENT SIX (PRODUCTION) (Pty) Ltd.