CN103154419B - 超硬结构 - Google Patents

Abstract

一种制造超硬构造的方法，其包括提供多晶超硬（PCS）结构，所述多晶超硬结构包含超硬材料的结合晶粒，以提供包含超硬材料的晶粒的聚集体，并提供具有被配置为用于容纳所述PCS结构的凹槽的基材。所述PCS结构与所述PCS结构相邻的超硬晶粒的聚集体被放置到所述凹槽，以形成未连接组件。然后，所述未连接组件被施加压力和热力以连接所述聚集体到所述PCS结构，并形成超硬构造。

Description

超硬结构

技术领域

本发明涉及超硬构造，其具体但不唯一地涉及包含多晶金刚石（PCD）结构的构造，还用作钻入地中所用的钻头的刀具嵌件。

背景技术

多晶超硬构造，例如多晶金刚石（PCD）和多晶立方氮化硼（PCBN），可以被广泛地用于多种工具，用于切割、机加工、钻孔或降解例如岩石、金属、陶瓷、复合材料和含木材料的硬的或磨蚀性的材料。例如，包括PCD材料的工具嵌件被广泛地用于开采石油或天然气中用于钻入地面的钻头。超硬工具嵌件的使用寿命可能受到超硬材料的破碎的限制，包括通过剥落和切削，或所述工具嵌件的磨损。

美国专利申请6,258,139公开了一种多晶金刚石复合片（PDC），其中硬质合金基材被设置成具有多个凹槽，其中多个金刚石核心的突起部被烧结在内。所述金刚石核心的突起部和金刚石表面区域可以是相同的金刚石材料，或不相同的金刚石材料的部分。所述PDC优选地通过放置一个硬质合金基材而制造，所述硬质合金基材在一罐组件中具有设置的腔体。金刚石晶体或晶粒被放置到所述硬质合金基材内的腔体中。额外的硬质合金被放置在腔体内的金刚石上。然后，额外的金刚石被放置在完成与封闭了金刚石核心的基材上。所述硬质合金金刚石地区被施加高压力和高温度以烧结到所述PDC结构。

存在对如钻入岩石的高磨损，高冲击的应用下具有延长工作寿命的超硬构造的需要。

发明内容

从第一个方面来看，本发明提供制造超硬构造的方法，所述方法包括提供多晶超硬（PCS）结构，所述多晶超硬结构包含超硬材料的结合晶粒，提供一个包含超硬材料的晶粒的聚集体，提供一个具有被配置为用于容纳所述PCS结构的凹槽的基材;所述PCS结构和位置与所述PCS结构相邻或与超硬结构邻接的超硬晶粒的聚集体被放置到凹槽，以形成未连接组件;施加压力和热力到所述未连接组件以连接所述聚集体到所述PCS结构，并形成超硬构造。

在一个实施方案中，所述方法包括提供一个用于所述PCS结构和所述聚集体之间的界面附近的超硬晶粒的催化剂材料源。在一个实施方案中，所述催化剂材料可以包括钴，铁，镍或锰，或由其组成的合金。

在一个实施方案中，所述凹槽可以被配置为容纳所述PCS结构和至少一个额外的结构。在一些实施方案中，所述额外的结构可以包括PCS结构或硬质合金结构，或所述额外的结构可以由PCS结构或硬质合金结构组成。在一个实施方案中，所述方法可包括将至少一个额外的PCS结构放置到凹槽，与所述PCS结构接触，并所述PCS结构和所述额外的PCS结构彼此烧结。

在一个实施方案中，所述方法包括直接烧结所述聚集体到所述PCS结构。在一个实施方案中，所述方法包括在所述未连接组件上施加足够的压力和热力一段时段，使所述PCS结构的超硬晶粒直接结合到所述聚集体的超硬晶粒。

在一些实施方案中，所述方法可以包括结合所述PCS结构或所述聚集体到所述基材，或结合所述PCS结构和所述聚集体到所述基材。

在一些实施方案中，所述基材，所述PCS结构或所述聚集体，或其组合可以包括用于超硬晶粒的催化剂材料。在一些实施方案中，至少一部分的所述PCS结构或所述聚集体可能是基本上不含用于超硬晶粒的催化剂材料，或整个PCS结构或聚集体可能是基本上不含针对超硬晶粒的催化剂材料。

在一个实施方案中，所述聚集体可以包括结合的超硬晶粒，在另一实施例中，所述聚集体可以包括基本上未结合的超硬晶粒。在一个实施例中，所述聚集体可以包括由粘合剂材料保持在一起的超硬晶粒。在一个实施方案中，所述聚集体可以包括PCS结构或由PCS结构组成。

在一些实施方案中，所述PCS结构可以包括PCD材料或由PCD材料组成，并且在一个实施方案中，所述超硬晶粒可以包括金刚石晶粒。在一个实施方案中，所述聚集体可以包括PCD材料。在一些实施方案中，所述PCS结构或所述聚集体，或两者，可以是热稳定的PCD。

在一个实施方案中，所述基材可以包括烧结碳化钨材料，并且在一个实施例中，所述基材可以包含用于金刚石的催化剂材料。

在一个实施方案中，所述方法包括提供第一多晶金刚石（PCD）结构，提供第二PCD结构，提供硬质合金基材，所述硬质合金基材具有配置以容纳所述第二PCD结构的凹槽。将所述第二PCD结构和位置与所述第二PCD结构相邻的所述第一PCD结构放置到所述凹槽，以形成未连接组件；施加至少为约5.5GPa的压力和加热到至少约1250摄氏度的温度到未连接组件，以将第一PCD结构连接到第二PCD结构，从而产生PCD的构造。

在一个实施方案中，所述凹槽可以具有深度为至少约1毫米，或至少约2毫米，并在一个实施方案中，所述凹槽的深度是这样选择的：当所述第二PCD结构放置在所述凹槽，所述第二PCD结构的表面可以基本上与所述基材的端部表面平齐。在一个实施例中，所述第一PCD结构可具有一个盘或芯片的一般形式。

在一个实施方案中，所述PCD构造可以是用于钻入地中或降解岩石的钻头。

附图说明

现在将参考附图详细描述非限制性实施方式。附图中：

图1示出了PCS材料的一个实施方式的微观结构示意图。

图2A示出了用于钻入岩石的钻头的超硬构造的一个实施方案的示意性立体图。

图2B示出了用于产生图2A中所示的超硬构造的实施方案的未连接组件的一个实施方案的一组零件的示意性立体图。

图3A示出了用于钻入岩石的钻头的超硬构造的一个实施方案的示意性立体图。

图3B示出了用于产生图3A中所示的超硬构造的实施方案的未连接组件的一个实施方案的一组零件的示意性立体图。

图4示出了用于产生超硬构造的实施方案的未连接组件的一个实施方案的一组零件的示意性立体图。

在所有附图中，相同的参考标记表示各个相同的特征。

具体实施方式

本文所用的“超硬材料”是具有至少约28GPa的维氏硬度的材料。金刚石和立方氮化硼（cBN）材料是超硬材料的示例。

参照图1，“多晶超硬”（PCS）材料10包括大量的超硬材料晶粒12和在超硬晶粒12之间的空隙14，所述空隙可以至少部分地由填料或粘合剂材料填充，按体积计，所述超硬晶粒12的含量是所述材料的至少约50％。所述晶粒12可以包括金刚石或立方氮化硼（cBN）。本文所用的“超硬构造”指包括多晶超硬材料的构造。

本文所用的多晶金刚石（PCD）是一种包括大量金刚石晶粒的多晶超硬材料（PCS）材料，绝大部分金刚石晶粒是彼此之间直接结合的，并且其中金刚石的体积比含量是所述材料的至少约80％。在所述PCD材料的一个实施方案中，金刚石晶粒间的空隙可以至少部分地由包括用于金刚石的催化剂的粘合剂材料填充。本文所用的“空隙”或“空隙区”是所述PCD材料的金刚石晶粒间的区域。在PCD材料的实施方案中，空隙或空隙区可以大体上或部分地由非金刚石的材料填充，或可以大体上是空的。所述PCD材料的实施方案可以包括至少一个区域，从而催化剂材料已经从空隙中移除，在所述金刚石晶粒间留下晶格间隙。

本文所用的PCBN（多晶立方氮化硼）材料指一种超硬材料，其包括分布在一个包括金属或陶瓷的基质中的立方氮化硼（cBN）的晶粒。所述PCBN是超硬材料的一个例子。

用于超硬材料的“催化剂材料”能够促进超硬材料生长或烧结。

参照图2A，超硬构造20的实施方案包括位于一个大致圆筒状的钴粘结的碳化钨基材的近端42形成的凹槽内的第一PCD结构34，并结合到基材40上。所述凹槽被配置为容纳所述第一PCD结构34。第二PCD结构32可以在界面处36烧结到所述第一PCD结构34的侧面或端部，并在近端42结合到所述基材40上。所述基材40内的钴可以用作烧结金刚石的催化剂材料。所述超硬构造20可以是适合用作钻入地中所用的钻头的刀具嵌件。

参照图2B，一种为参照图2A描述的用于制造超硬构造的一个实施方案的方法可以包括提供在预烧结所述第一PCD结构34的形式的金刚石晶粒的聚集体，提供钴粘结的碳化钨基材40，并将凹槽44形成到所述基材40的近端42。所述凹槽44被配置成容纳第一PCD结构34，其可以例如使用放电加工（EDM）由PCD盘切割出来而形成。所述凹槽44可以具有大约2毫米的深度，以容纳具有厚度为大约2毫米的第一PCD结构34。第二PCD结构32，其可以是盘状的，可以被放置对着所述第一PCD结构34的暴露的表面和对着所述基材40的其它的暴露的近端42，以形成未连接组件。所述基材40可以提供一个钴的源以烧结所述第二PCD结构32到所述第一PCD结构34，并将所述第一PCD结构34结合到所述基材40上。在含有钴的PCD结构34，32的实施方案中，PCD结构34，32可以提供一个钴的源。所述未结合组件然后组装成用于超高压力炉的囊，并经受至少约5.5GPa的压力和至少约1250摄氏度的温度以烧结所述第二PCD结构32到所述第一PCD结构34，并将所述PCD结构32，34连接到所述基材40以形成超硬构造。

参照图3A，超硬构造20的实施方案包括所述第一PCD结构34和位于凹槽内形成到大致圆筒状的基材的侧的额外的PCD结构35，所述凹槽从所述基材的一个近端延伸到一个相对的末端。所述第一和额外的PCD结构34，35可以烧结在一起，以形成一个集成的，延伸的结构40。所述凹槽被配置成容纳所述第一PCD结构34和所述额外的PCD结构35。另外的PCD结构32可以在近端42结合到所述基材40，并于接口36烧结到所述PCD结构34的一个侧面，所述接口36与所述邻面相接。所述基材40可以是钴粘结的碳化钨的形成，并在基材40里的钴可以用作烧结金刚石的催化剂材料。所述超硬构造20可以是适合用作钻入地中所用的钻头的刀具嵌件。

参照图3B，一种为参照图3A描述的用于制造超硬构造的一个实施方案的方法可以包括提供在预烧结第一PCD结构34的形式的金刚石晶粒的聚集体，提供至少一个额外的PCD结构35，提供一个钴粘结的碳化钨基材40，所述钴粘结的碳化钨基材具有一个连接近端42和末端的侧，并形成凹槽44到基材40的侧，所述凹槽从所述近端延伸。在一个版本中，所述凹槽可以从所述基材40的近端42延伸到一个相对的末端。所述凹槽44被配置为容纳第一PCD结构34以及额外的PCD结构35，其可以使用例如放电加工（EDM）由一个或多个的PCD盘切割出来而形成。所述凹槽44可以从所述基材40的侧大体上延伸到所述基材的中心纵向轴线。所述第一PCD结构34可以被放置到所述凹槽44中与所述基材的近端42相邻，并所述额外的PCD结构35可以被放置到彼此层叠的所述凹槽中，其中之一可以邻接所述第一PCD结构。另外的PCD结构32，其可以是一个盘的一般形式，可以被放置到对着所述基材的近端42和对着所述第一PCD结构34的暴露的一侧以形成未连接组件。所述基材40可以提供一个钴的源以烧结所述第二PCD结构32到所述第一PCD结构34，烧结额外的PCD结构35在一起，并将所述PCD结构32，34，35结合到所述基材40上。在一个含有钴的PCD结构32，34，35的实施方案中，它也可能提供一个钴的源。所述未结合组件，然后组装成用于超高压力炉的囊，并经受至少约5.5GPa的压力和至少约1250摄氏度的温度，以烧结所述第二PCD结构32到所述第一PCD结构34，并将所述PCD结构32，34连接到所述基材40以形成超硬构造。

参考图4，一种用于制造超硬构造的一个实施方案的方法包括提供以一对预烧结的PCD结构34的形式的一对金刚石晶粒的聚集体，提供一个具有一个端表面42的钴粘结的碳化钨基材40，并形成凹槽44到所述端表面42，并所述凹槽44被配置以容纳两个PCD结构34，并容纳PCD结构34之间的间隔物构件46。另外的PCD结构32，其可以是盘的一般形式，可以被放置对着一对PCD结构34的暴露的表面和对所述基材40剩余的暴露的端表面42，以形成未连接组件50。所述基材40或间隔物46，或两者，可以提供一种用于烧结另外的PCD结构32到一对PCD结构34，并结合所述一对PCD结构34到所述基材40的钴的源。所述未连接组件然后组装成用于超高压力炉的囊，并经受至少约5.5GPa的压力和至少约1250摄氏度的温度，以烧结所述另外的PCD结构32到所述一对PCD结构34，并将所述PCD结构32，34连接到所述基材40以形成超硬构造。

虽然在图2A，图2B，图3A，图3B和图4所示的实施方案在这些附图中所示包括具有尖锐的边缘和角落的PCD结构，实施方案可以包括具有圆形，斜面或倒角的边缘或角落的PCD结构。这样的实施方案，可以具有的内部应力降低并从而延长工作寿命的优点。

所述方法的一些实施方案可以包括一个具有一个PCS结构的构造，所述PCS结构连接到一个基材，并在其中的PCD结构包括延伸到所述基材的凹槽的突起部，所述突起部可以没有缺点的被制造，所述缺点即为：比起其余的PCS结构，所述突起部不能较好地被烧结上。尽管不希望被任何具体理论束缚，然而使用公知的方法制造这种构造可以具有缺点。所述缺点是由于在烧结过程中，催化剂材料的不均匀流动或不均匀的压力分布，使放置在基材内的凹槽，沟道或井中的超硬晶粒可能不能很好地烧结，这可能会导致强度或耐磨损性降低，并因此减少包含超硬构造的工具的工作寿命。一些实施方案中可能有的优点是，包含所述公开的类型的超硬构造的工具可以具有增强的抗断裂和磨损性，并延长了工作寿命。

现在参考下面的不旨在作为限制的实施例，对实施方案进行更加详细的描述。

实施例1

一个适合用作钻入地中所用的钻头的刀具嵌件的PCD构造被制造。所述PCD构造包括一个PCD体结合到硬质合金基材，所述PCD体包括三个在超高压力和高温下烧结在一起的PCD结构。

如本领域中已知的，提供了一个具有直径为约16毫米和厚度为约2.2毫米的PCD盘。一对PCD结构通过放电加工（EDM）被切割出来，每个PCD结构通常为矩形的，并且具有厚度为约2.2毫米，宽度为约5毫米和长度为约6毫米。半圆形的截面从每个的PCD结构的端部被切割，提供了一个形成在各相应端的半圆形的凹槽。一个包括烧结碳化钨的间隔物构件被制成，所述间隔物构件具有厚度为2.2毫米，并与半圆形的端部配置，以容纳所述PCD的结构的半圆形的端部。

提供一个具有直径为约16毫米，和高度为约1厘米，大致圆筒形状的硬质合金基材，并形成一个在所述基材的近端的大致为矩形的凹槽或狭孔，所述凹槽径向延伸横跨在所述基材的端部。所述凹槽的深度为约2.2毫米，宽度为约5毫米。所述PCD结构和所述间隔物构件被放置到所述基材的凹槽。所述间隔物构件在两个PCD结构之间，所述PCD结构的半圆形端部面向内并邻接所述间隔物构件相应的端部。

提供了如本领域中已知的具有与前两个PCD结构基本上相同的成分的，和具有直径为约16毫米，并厚度为约2.2毫米的另外的PCD盘。所述另外的PCD盘被放置于对着基材的近端和前两个PCD结构的暴露的表面和间隔物构件以形成未连接组件。所述未连接组件组装成用于超高压力炉的囊，并经受约5.5GPa的压力和至少约1350摄氏度的温度约5分钟，以烧结所述未连接的组件的零件成整体结合的构件。

实施例2

一个适合用作钻入地中所用的钻头的刀具嵌件的PCD构造可以包括一个结合到一个硬质合金基材的PCD体，所述PCD体包括两个在超高压力和高温烧结在一起的PCD结构。

如本领域中已知的，可以提供一个具有直径为约16毫米和厚度为约2.2毫米的PCD盘。五个PCD结构，每个具有一个圆筒的楔形部分的一般形状，其可以从盘中通过放电加工（EDM）切割出来，每个的PCD结构具有厚度为约2毫米。

可以提供一个具有大致圆筒形的形状的，直径为约16毫米和高度为约1厘米的硬质合金基材，并且，可以纵向的形成一个楔形的凹槽到所述基材的侧以连接所述基材的近端和末端。所述凹槽可以从侧面延伸到所述基材的中心纵向轴线。所述五个PCD结构可以被放置到所述基材的楔形的凹槽，层叠在彼此的顶部，以填补所述基材中的楔形的凹槽，形成一个从近端延伸到末端的层叠结构。

如本领域中已知的，可以提供另外的具有直径约16毫米和厚度约2.2毫米的PCD盘。所述另外的PCD盘可以放置对着所述基材的近端和对着相邻近端的楔形的PCD结构的暴露的侧，以形成未连接组件。所述未连接组件被组装成用于超高压力炉的囊，并经受约5.5GPa的压力和至少约1350摄氏度的温度约5分钟，以烧结所述未连接的组件的零件成整体结合的构件。

Claims (16)

1.一个制造超硬构造的方法，所述方法包括提供多晶超硬结构，所述多晶超硬结构包含超硬材料的结合晶粒，提供一个包含超硬材料的晶粒的聚集体，提供一个具有被配置为用于容纳所述多晶超硬结构的凹槽的基材和至少一个额外的结构；放置所述多晶超硬结构和所述额外的结构到凹槽，定位超硬晶粒的聚集体与所述多晶超硬结构相邻，以形成未连接组件；然后施加压力和热力到未连接组件以连接所述聚集体到所述多晶超硬结构，并形成超硬构造。

2.如权利要求1所述的方法，其中所述额外的结构包含一个多晶超硬结构。

3.如权利要求1所述的方法，包括将所述额外的结构放置到凹槽与所述多晶超硬结构接触，并在未连接组件上施加足够的压力和热力一段时段，以彼此烧结所述多晶超硬结构和所述额外的结构。

4.如权利要求1所述的方法，包括在未连接组件上施加足够的压力和热力一段时段，使多晶超硬结构的超硬晶粒直接结合到聚集体的超硬晶粒。

5.如权利要求1所述的方法，其中所述基材、所述多晶超硬结构或所述聚集体，或其组合包括用于超硬晶粒的催化剂材料。

6.如权利要求1所述的方法，所述聚集体包含结合的超硬晶粒。

7.如权利要求1所述的方法，所述聚集体包含未结合的超硬晶粒。

8.如权利要求1所述的方法，所述聚集体包含一个多晶超硬结构。

9.如权利要求1所述的方法，所述多晶超硬结构包含多晶金刚石材料，并所述超硬晶粒包含金刚石晶粒。

10.如权利要求1所述的方法，所述聚集体包含多晶金刚石材料。

11.如权利要求1所述的方法，所述多晶超硬结构或所述聚集体，或两者，是热稳定的多晶金刚石。

12.如权利要求1所述的方法，所述基材包含烧结碳化钨材料，并包括用于金刚石的催化剂材料。

13.如权利要求1所述的方法，包括提供第一多晶金刚石结构，提供第二多晶金刚石结构，提供具有配置为用于容纳所述第二多晶金刚石结构的凹槽的硬质合金基材；将所述第二多晶金刚石结构和位于与所述第二多晶金刚石结构相邻的所述第一多晶金刚石结构放置到所述凹槽，以形成未连接组件；施加至少5.5GPa的压力和加热到至少1250摄氏度的温度到未连接组件，以将第一多晶金刚石结构连接到第二多晶金刚石结构，从而产生多晶金刚石的构造。

14.如权利要求13所述的方法，所述凹槽具有深度为至少1毫米。

15.如权利要求1所述的方法，其中所述多晶超硬结构是用于钻入或降解岩石所用的钻头。

16.如权利要求13所述的方法，其中施加压力和热力到未连接组件的步骤包括连接所述多晶金刚石的结构到所述基材，以形成超硬构造。