CN103261564A - 具有低热膨胀系数的合金作为pdc催化剂和黏合剂 - Google Patents

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CN103261564A CN2011800436532A CN201180043653A CN103261564A CN 103261564 A CN103261564 A CN 103261564A CN 2011800436532 A CN2011800436532 A CN 2011800436532A CN 201180043653 A CN201180043653 A CN 201180043653A CN 103261564 A CN103261564 A CN 103261564A
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Abstract

一种切割台包括晶格结构和催化剂材料，所述催化剂材料沉积在所述晶格内形成的空穴内。在形成所述晶格的烧结过程中，所述催化剂材料沉积在所述空穴内。所述催化剂材料的热膨胀系数低于钴的热膨胀系数。所述催化剂材料是以下材料中的任意一种：铬、钽、钌、钴的合金、第VIII族金属和至少一种非催化剂金属的合金、两种或更多种第VIII族金属的合金、或低共熔合金。在某些实施方式中，所述催化剂材料的热导率大于钴的热导率。在某些实施方式中，所述切割台与基材相结合，所述基材由基材材料和黏合剂材料形成。在一些实施方式中，所述黏合剂材料和所述催化剂材料是相同的；然而在其它实施方式中，它们是不同的。

Description

具有低热膨胀系数的合金作为PDC催化剂和黏合剂
相关申请
本申请要求2010年7月14日提交的题为“具有低热膨胀系数的合金作为PDC催化剂和黏合剂”（"Alloys With Low Coefficient Of Thermal Expansion AsPDC Catalysts And Binders"）的美国临时专利申请第61/364,122号的优先权，该文献通过参考纳入本文。
技术领域
本发明一般性涉及多晶金刚石压实体("PDC")切割体（cutters）；更具体而言，本发明涉及具有改进的热稳定性的PDC切割体。
背景技术
多晶金刚石压实体("PDC")已被用于工业应用，包括凿岩应用和金属机械加工应用。此类压实体已证实与一些其它类型的切割元件相比有优势，例如较好的耐磨性和抗冲击性。所述PDC可在高压高温("HPHT")条件（称作“金刚石稳定区域”）下，在存在催化剂/溶剂的条件下，通过将单独的金刚石颗粒烧结在一起而形成，所述高温高压条件通常为大于40千巴并且在1200-2000℃之间，所述催化剂/溶剂能促进金刚石-金刚石的结合。经烧结的金刚石压实体的催化剂/溶剂的一些例子是钴、镍、铁和其它第VIII族金属。通常，PDC的金刚石含量大于70体积％，通常约80-95％。根据一个例子，无背衬的（unbacked）PDC可通过机械加工与工具结合（未显示）。或者，所述PDC可与基材结合，从而形成PDC切割体，所述PDC切割体通常可插入井下工具(例如钻头或绞刀)内（未显示）。
图1显示了根据现有技术，具有多晶金刚石（("PCD"）切割台110或压实体的PDC切割体100的侧视图。尽管在示例性实施方式中描述了PCD切割台110，其它类型的切割台（包括立方氮化硼("CBN")压实体）被用于其它类型的切割体。参考图1，所述PDC切割体100通常包括PCD切割台110和基材150，所述基材150与所述PCD切割台110相连接。所述PCD切割台110的厚度约为千分之一百英寸（2.5毫米）；然而，该厚度可根据其中使用PCD切割台110的应用而变化。
所述基材150包括顶面152、底面154和基材外壁156，所述基材外壁156从所述顶面152的周缘延伸至所述底面154的周缘。所述PCD切割台110包括切割面112、相背面114和PCD切割台外壁116，所述切割台外壁116从所述切割面112的周缘延伸至所述相背面114的周缘。所述PCD切割台110的相背面114与所述基材150的顶面152相连接。通常而言，使用高压高温("HPHT")按压使所述PCD切割台110与所述基材150相连。然而，可使用本领域普通技术人员已知的其它方法使所述PCD切割台110与所述基材150相连。在一个实施方式中，在所述PCD切割台110与所述基材150连接后，所述PCD切割台110的切割面112与所述基材的底面154基本平行。另外，所述PDC切割体100已显示为具有正圆圆柱形；然而，在其它实施方式中可将所述PDC切割体100成形为其它几何形状或非几何形状。在某些实施方式中，所述相背面114和所述顶面152基本平坦；然而，在其它实施方式中所述相背面114和所述顶面152可为非平面的。另外，根据一些示例性实施方式，至少围绕着所述PCD切割台110的周缘形成斜面（未显示）。
根据一个例子，所述PDC切割体100通过以下方法形成：独立地形成所述PCD切割台110和所述基材150，然后使所述PCD切割台110与所述基材150相结合。或者，首先形成基材150，然后通过将多晶金刚石粉末放置于顶面152之上，并对该多晶金刚石粉末和基材150进行高温高压法，从而使PCD切割台110形成于基材150的顶面152之上。或者，基材150和PCD切割台110几乎同时形成并结合在一起。尽管已简单提及形成PDC切割体100的一些方法，但是可使用本领域普通技术人员已知的其它方法。
根据形成PDC切割体100的一个例子，形成PCD切割台110，通过对金刚石粉末层以及碳化钨和钴粉末的混合物施加HPHT条件使PCD切割台110与基材150相结合。通常将钴与碳化钨混合，并放置在待形成基材150的位置。金刚石粉末置于钴和碳化钨混合物的顶部，并将金刚石粉末放置在待形成PCD切割台110的位置。然后对整个粉末混合物施加HPHT条件，从而使钴熔化并促进碳化钨的粘结(cementing)或结合，以形成基材150。熔化的钴也会扩散或渗透(infiltrate)至金刚石粉末，并作为合成金刚石和形成PCD切割台110的催化剂。因此，钴同时作为使碳化钨粘结的黏结剂并且作为使金刚石粉末烧结以形成金刚石-金刚石结合(bond)的催化剂/溶剂。钴还能促进在PCD切割台110和经粘结的碳化钨基材150之间形成强结合。
钴已成为PDC制造方法中的优选组分。基于传统的PDC制造方法中使用钴相关的大量知识，传统的PDC制造方法使用钴作为形成基材150的黏合剂材料，并且还作为金刚石合成的催化剂材料。大量的知识和对方法的需求共同使得钴同时作为黏结剂材料和催化剂材料。然而，如本领域所已知，可使用其它金属（例如铁、镍、铬、锰和钽）作为金刚石合成的催化剂。当使用这些其它金属作为金刚石合成以形成PCD切割台110的催化剂时，钴或一些其它材料（例如镍、铬或铁）通常用作使碳化钨粘结以形成基材150的黏合剂材料。尽管已提供了一些材料（例如碳化钨和钴）作为例子，但可将本领域普通技术人员已知的其它材料用于形成基材150、PCD切割台110，并在基材150和PCD切割台110之间形成结合。
图2是根据现有技术的图1的PCD切割台110的微结构示意图。参考图1和2，PCD切割台110具有金刚石颗粒210，在金刚石颗粒210之间形成的间隙空间212，以及沉积在间隙空间212内的钴214。在烧结过程中，在碳-碳键之间形成间隙空间212或空穴，并且所述间隙空间212或空穴位于金刚石颗粒210之间。钴214扩散至金刚石粉末中导致钴214沉积在这些间隙空间212内，在烧结过程中在PCD切割台110内形成所述间隙空间212。
当PCD切割台110形成后，已知当温度达到临界温度时PCD切割台110很快磨损。该临界温度约为750℃，并且当PCD切割台110切割岩层或其它已知材料时会达到所述临界温度。我们认为高的磨损速率是由于以下原因造成的：金刚石颗粒210和钴214之间的热膨胀率的差异，以及发生在钴214和金刚石颗粒210之间化学反应或石墨化。金刚石颗粒210的热膨胀系数约为1.0×10-6毫米-1×开尔文-1（"mm-1K-1"），而钴214的热膨胀系数约为13.0×10-6mm-1K-1。因此，在大于该临界温度的温度下，与金刚石颗粒210相比，钴214的膨胀快得多，从而使得金刚石颗粒210之间的结合不稳定。在大于750℃的温度下PCD切割台110发生热降解，并且其切割效率显著下降。
人们已致力于在这些高温条件下减缓PCD切割台的磨损。这些努力包括进行PCD切割台110的酸浸提法，该方法从间隙空间212中除去钴214。常规浸提法涉及酸溶液的存在（未显示），该溶液与沉积在PCD切割台110的间隙空间212内的钴214发生反应。根据常规浸提法的一个例子，将PDC切割体100放置在酸溶液中，使得PCD切割台110的至少一部分浸没在所述酸溶液中。所述酸溶液沿着PCD切割台110的外表面与钴214发生反应。所述酸溶液在PCD切割台110的内部缓慢向内移动，并与钴214持续反应。然而，随着酸溶液进一步向内移动，反应副产物变得越来越难以除去；因此浸提速率显著下降。出于该原因，浸提过程持续时间和浸提深度之间需要折衷，其中随着浸提过程持续时间增加，成本会增加。因此，所述浸提深度通常约为0.2毫米，但可或多或少取决于PCD切割台110要求和/或成本限制。钴214的除去缓解了由于金刚石颗粒210和钴214之间的热膨胀率差异以及由于石墨化所造成的问题。然而，浸提法十分昂贵，并且对PCD切割台110还存在不利影响，例如强度损失。
附图说明
结合附图，通过参考以下某些示例性实施方式的描述可最好地理解本发明的上述以及其它特征和方面，其中：
图1显示了根据现有技术，具有PCD切割台的PDC切割体的侧视图；
图2是根据现有技术，图1的PCD切割台110的微结构示意图；
图3A是根据本发明的示例性实施方式，预烧结的PDC切割体的侧视图；
图3B是根据本发明的示例性实施方式，由对图3A的预烧结的PDC切割体进行烧结而形成的PDC切割体的侧视图；
图4A是根据本发明的另一个示例性实施方式，预烧结的PDC切割体的侧视图；
图4B是根据本发明的另一个示例性实施方式，由对图4A的预烧结的PDC切割体进行烧结而形成的PDC切割体的侧视图；
图5是根据本发明的示例性实施方式，钴和元素X的相图。
所述附图仅展示了本发明的示例性实施方式，因此，不应认为对本发明的保护范围构成限制，因为本发明还包括其他同等有效的实施方式。
示例性实施方式的简要详述
本发明总体上涉及多晶金刚石压实体("PDC")切割体；更具体而言，本发明涉及具有改进的热稳定性的PDC切割体。尽管下文结合PDC切割体提供了示例性实施方式的描述，本发明的替代实施方式可应用于其它类型的切割体或压实体，包括但不限于，多晶氮化硼("PCBN")切割体或PCBN压实体。如前所述，所述压实体可安装在基材上以形成切割体或直接安装在工具上用于进行切割过程。参考附图并通过阅读以下非限制性示例性实施方式的描述来更好地理解本发明，其中通过类似的附图标记表示各图的类似部分，并且简要描述如下。
图3A是根据本发明的示例性实施方式的预烧结的PDC切割体300的侧视图。图3B是根据本发明的示例性实施方式，由对图3A的预烧结的PDC切割体300进行烧结而形成的PDC切割体350的侧视图。图3A和3B提供了形成所述PDC切割体350的一个实施例。参考图3A和3B，所述预烧结的PDC切割体300包括基材层310和PCD切割台层320，而所述PDC切割体350包括基材360和PCD切割台370。所述基材层310放置在所述预烧结的PDC切割体300的底部，并在进行所述烧结过程后形成所述基材360。所述PCD切割台层320被放置在所述基材层310的顶部，并在进行所述烧结过程后形成所述PCD切割台370。因此，所述PCD切割台370被放置在所述基材360的顶部。
所述基材层310由基材粉末332和黏合剂/催化剂材料334的混合物形成。所述基材粉末332是碳化钨粉末；然而，根据其它示例性实施方式，由本领域普通技术人员已知的其它合适的材料形成基材粉末332并不偏离示例性实施方式的范围和精神。所述黏合剂/催化剂材料334是能够作为所述基材粉末310的黏合剂材料以及作为所述金刚石粉末336的催化剂材料的任何材料，或者是形成所述PCD切割台层320的任何其它材料。另外，所述黏合剂/催化剂材料334的热膨胀系数小于钴的热膨胀系数，和/或所述黏合剂/催化剂材料334的热导率高于钴的热导率。钴的热膨胀系数约为13.0×10-6mm-1K-1。钴的热导率约为100.0瓦/（米×开尔文）("W/(mK)")。所述黏合剂/催化剂材料334的一些例子包括但不限于：铬；钽；钌；钴的某些合金，例如钴/钼、钴/铬(chromium)、或钴/镍/铬(chrome)；第VIII族金属和至少一种非催化剂金属的某些合金；以及两种或更多种第VIII族金属的某些合金，其中所述合金得到热膨胀系数的净降低和/或热导率的净提高。一旦具有本发明的优点，可由本领域普通技术人员确定合适的合金的其它例子。所述黏合剂/催化剂材料334包括任意低共熔合金(eutectic alloy)或近似低共熔合金，所述合金能有效作为金刚石合成的催化剂材料，同时具有比钴低的热膨胀系数和/或比钴高的热导率。将近似低共熔合金定义为包括这样的合金组合物：所述合金组合物在所述低共熔组成加上或减去10原子重量％的范围内，只要不超过钴的熔点即可。
如果所述黏合剂/催化剂材料334具有比钴低的热膨胀系数，形成所述PCD切割台370的碳碳键比使用钴的情况下更稳定，这是因为所述黏合剂/催化剂材料334与钴相比以较小的速率膨胀。因此，在相同的温度下，与耐受钴的膨胀相比，所述碳-碳键能够更好地耐受所述黏合剂/催化剂材料334的膨胀。如果与钴相比所述黏合剂/催化剂材料334具有更高的热导率，当使用该黏合剂/催化剂材料334以形成所述PCD切割台370时，与使用钴相比，该PCD切割台370内产生的热能更好地耗散。因此，当使用所述黏合剂/催化剂材料334以形成所述PCD切割台370时，所述PCD切割台370能够耐受更多的热生成以及进而耐受更高的温度。
在施加高温高压条件后，所述基材层310形成所述基材360。所述基材层310包括顶层表面312、底层表面314和基材层外壁316，所述基材层外壁316从所述顶层表面312的周缘延伸至所述底层表面314的周缘。根据一个示例性实施方式，使所述基材层310成形成正圆圆柱形，但也可以成形成其它几何形状或非几何形状。
所述PCD切割台层320由金刚石粉末336形成；然而可使用本领域普通技术人员已知的其它合适的材料，而不偏离示例性实施方式的范围和精神。尽管未示出，根据一些示例性实施方式，所述PCD切割台层320包括金刚石粉末336和所述黏合剂/催化剂材料334。在施加高压高温条件后，所述PCD切割台层320形成所述PCD切割台370。所述PCD切割台层320包括切割层表面322、相对层表面324和PCD切割台层外壁326，所述切割台层外壁326从所述切割层表面322的周缘延伸至所述相对层表面324的周缘。
在所述预烧结的PDC切割体300形成后，对所述预烧结的PDC切割体300施加高压高温条件，以形成所述PDC切割体350。在HPHT条件中，所述黏合剂/催化剂材料334在所述基材层310内发生液化，并进入或渗透至所述PCD切割台层320。所述黏合剂/催化剂材料334作为所述基材粉末332的黏合剂材料，然后使所述基材粉末332粘结或结合，以形成粘结的基材粉末382。所述烧结过程完成后，该烧结的基材粉末382连同散布其中的所述黏合剂/催化剂材料334，形成所述基材360。所述液化的黏合剂/催化剂材料334从所述基材层310扩散至所述PCD切割台层320内，并且所述液化的黏合剂/催化剂材料334还作为所述PCD切割台层320内的金刚石粉末336的催化剂材料。所述黏合剂/催化剂材料334促进了金刚石晶体共生，从而使所述金刚石粉末336转化为金刚石晶格386。所述金刚石晶格386包括间隙空间（未显示），该间隙空间与所述间隙空间212（图2）类似，所述间隙空间212在烧结过程中形成。所述黏合剂/催化剂材料334沉积在这些间隙空间内。因此，在所述烧结过程完成后，所述金刚石晶格386连同沉积在所述间隙空间内的黏合剂/催化剂材料334，形成所述PCD切割台370。尽管在所述PCD切割台370内形成所述金刚石晶格386，但当使用不同于金刚石粉末336的其它材料时，在所述PCD切割台370内形成其它晶格。所述黏合剂/催化剂材料334还促进在所述PCD切割台370和所述基材360之间形成结合。
当所述基材360和所述PCD切割层370完全形成并且所述基材360与所述PCD切割层370结合后，所述PDC切割体350形成。所述基材360包括顶面362、底面364和基材外壁366，所述基材外壁366从所述顶面362的周缘延伸至所述底面364的周缘。所述基材360包括烧结的基材粉末382和散布其中的黏合剂/催化剂材料334。根据一个示例性实施方式，使所述基材层360成形成正圆圆柱形，但可以根据所述PDC切割体350的应用使其成形成其它几何形状或非几何形状。
所述PCD切割台370包括切割面372、相背面374和PCD切割台外壁376，所述切割台外壁376从所述切割面372的周缘延伸至所述相背面374的周缘。所述PCD切割台370包括所述金刚石晶格386和沉积在间隙空间内的黏合剂/催化剂材料334，所述间隙空间形成于所述金刚石晶格386内。所述相背面374与所述顶面362相结合。根据一些示例性实施方式，围绕着所述PCD切割台370的周缘形成斜面（未显示）。
根据本领域普通技术人员已知的方法，使所述PCD切割台370与所述基材360相结合。在一个实施例中，所述PDC切割体350通过以下方法形成：独立地形成所述PCD切割台370和所述基材360，然后使所述PCD切割台370与所述基材360相结合。在另一个实施例中，首先形成所述基材360，然后通过将多晶金刚石粉末336放置于所述顶面362之上并对所述多晶金刚石粉末336和所述基材360进行高温高压过程，从而使得所述PCD切割台370形成于所述基材360的顶面362之上。
在一个示例性实施方式中，在所述PCD切割台370与所述基材360连接后，所述PCD切割台370的切割面372与所述基材360的底面364基本平行。另外，所述PDC切割体350已显示为具有正圆圆柱形形状；然而，在其它示例性实施方式中可将所述PDC切割体350成形为其它几何形状或非几何形状。在某些示例性实施方式中，所述相背面374和所述顶面362基本平坦；然而，在其它示例性实施方式中所述相背面374和所述顶面362可为非平面的。
图4A是根据本发明的另一个示例性实施方式，预烧结的PDC切割体400的侧视图。图4B是根据本发明的另一个示例性实施方式，由对图4A的预烧结的PDC切割体400进行烧结而形成的PDC切割体450的侧视图。图4A和4B提供了形成所述PDC切割体450的一个实施例。参考图4A和4B，所述预烧结的PDC切割体400包括基材层410和PCD切割台层420，而所述PDC切割体450包括基材460和PCD切割台470。所述基材层410放置在所述预烧结的PDC切割体400的底部，并在进行所述烧结过程后形成所述基材460。所述PCD切割台层420被放置在所述基材层410的顶部，并在进行所述烧结过程后形成所述PCD切割台470。因此，所述PCD切割台470被放置在所述基材460的顶部。
所述基材层410由基材粉末432和黏合剂材料434的混合物形成。所述基材粉末432是碳化钨粉末；然而，根据一些其它示例性实施方式，由本领域普通技术人员已知的其它合适的材料形成基材粉末432并不偏离示例性实施方式的范围和精神。所述黏合剂材料434是能够作为所述基材粉末410的黏合剂的任意材料。所述黏合剂材料434的一些例子包括但不限于：钴、镍、铬和铁。在施加高温高压条件后，所述基材层410形成所述基材460。所述基材层410包括顶层表面412、底层表面414和基材层外壁416，所述基材层外壁416从所述顶层表面412的周缘延伸至所述底层表面414的周缘。根据一个示例性实施方式，使所述基材层410成形成正圆圆柱形，但也可以成形成其它几何形状或非几何形状。
所述PCD切割台层420由金刚石粉末436和催化剂材料438的混合物形成。尽管使用金刚石粉末436来形成所述PCD切割台层420，但可使用本领域普通技术人员已知的其它合适材料而不偏离示例性实施方式的范围和精神。所述催化剂材料438是能够作为形成所述PCD切割台层420的金刚石粉末436的催化剂的任意材料，或者是能够作为用于形成所述PCD切割台470的任意其他材料的催化剂的任意材料。另外，所述催化剂材料438的热膨胀系数小于钴的热膨胀系数，和/或所述催化剂材料438的热导率高于钴的热导率。钴的热膨胀系数约为13.0×10-6mm-1K-1。钴的热导率约为100.0W/(mK)。所述催化剂材料438的一些例子包括但不限于：铬；钽；钌；钴的某些合金，例如钴/钼、钴/铬、或钴/镍/铬；第VIII族金属和至少一种非催化剂金属的某些合金；以及两种或更多种第VIII族金属的某些合金，其中所述合金得到热膨胀系数的净降低和/或热导率的净提高。一旦具有本发明的优点，可由本领域普通技术人员确定合适的合金的其它例子。所述催化剂材料438包括任意低共熔合金或近似低共熔合金，所述合金能有效作为金刚石合成的催化剂，同时具有比钴低的热膨胀系数和/或比钴高的热导率。
如果所述催化剂材料438具有比钴低的热膨胀系数，形成所述PCD切割台470的碳碳键比使用钴的情况下更稳定，这是因为所述催化剂材料438与钴相比以较小的速率膨胀。因此，在相同的温度下，与耐受钴的膨胀相比，所述碳-碳键能够更好地耐受所述催化剂材料438的膨胀。如果与钴相比所述催化剂材料438具有更高的热导率，当使用该催化剂材料438以形成所述PCD切割台470时，与使用钴相比，该PCD切割台470内产生的热能更好地耗散。因此，当使用所述催化剂材料438以形成所述PCD切割台470时，所述PCD切割台470能够耐受更多的热生成以及进而耐受更高的温度。
根据一些示例性实施方式，所述催化剂材料438的熔点低于所述黏合剂材料434的熔点。可用作所述黏合剂材料434的钴的熔点约为1495℃。根据一些示例性实施方式，所述黏合剂材料434和所述催化剂材料438是不同的材料；然而，根据一些示例性实施方式，所述黏合剂材料434和所述催化剂材料438可为相同的材料。在施加高压高温条件后，所述PCD切割台层420形成所述PCD切割台470。所述PCD切割台层420包括切割层表面422、相对层表面424和PCD切割台层外壁426，所述切割台层外壁426从所述切割层表面422的周缘延伸至所述相对层表面424的周缘。根据一些示例性实施方式，围绕着所述PCD切割台470的周缘形成斜面（未显示）。
根据示例性实施方式，其中所述催化剂材料438的熔点低于所黏合剂材料434的熔点，当所述预烧结的PDC切割体400形成后，对所述预烧结的PDC切割体400施加高压高温条件，以形成所述PDC切割体450。在所述HPHT条件下，将温度首先升温至第一温度，所述第一温度是根据一些示例性实施方式的催化剂材料438的熔点。根据一些示例性实施方式，所述第一温度高于所述催化剂材料438的熔点，但保持为低于第二温度，将在下文中详细讨论所述第二温度。所述第一温度可在所述第一温度和所述第二温度之间的范围内变化。在该第一温度下，所述催化剂材料438在所述PCD切割台层470内发生液化，并促进金刚石晶体共生，从而使所述金刚石粉末436转化为金刚石晶格486。所述金刚石晶格486包括间隙空间（未显示），该间隙空间与所述间隙空间212（图2）类似，所述间隙空间212在烧结过程中形成。所述催化剂材料438沉积在这些间隙空间内。因此，在所述烧结过程完成后，所述金刚石晶格486连同沉积在所述间隙空间内的催化剂材料438，形成所述PCD切割台470。尽管在所述PCD切割台470内形成所述金刚石晶格486，但当使用不同于金刚石粉末436的其它材料时，在所述PCD切割台470内形成其它晶格。
当所述PCD切割台470形成后，然后将温度从所述第一温度升温至至少第二温度，所述第二温度是所述黏合剂材料434的熔点或一些其它高于所述黏合剂材料434熔点的更高温度。所述黏合剂材料434在所述基材层410内发生液化，并促进所述基材粉末432的粘结，从而使所述基材粉末432转化为粘结的基材粉末482。所述烧结过程完成后，该粘结的基材粉末482连同散布其中的所述黏合剂材料434，形成所述基材460。所述黏合剂材料434和/或所述催化剂材料438促进了在所述PCD切割台470和所述基材460之间形成结合。
当所述基材460和所述PCD切割层470完全形成并且所述基材460与所述PCD切割层470结合后，所述PDC切割体450形成。所述基材460包括顶面462、底面464和基材外壁466，所述基材外壁466从所述顶面462的周缘延伸至所述底面464的周缘。所述基材460包括烧结的基材粉末482和散布其中的黏合剂材料434。根据一个示例性实施方式，使所述基材层460成形成正圆圆柱形，但可以根据所述PDC切割体450的应用使其成形成其它几何形状或非几何形状。
所述PCD切割台470包括切割面472、相背面474和PCD切割台外壁476，所述切割台外壁476从所述切割面472的周缘延伸至所述相背面474的周缘。所述PCD切割台470包括所述金刚石晶格486和沉积在间隙空间内的催化剂材料438，所述间隙空间形成于所述金刚石晶格486内。所述相背面474与所述顶面462相结合。
根据本领域普通技术人员已知的方法，使所述PCD切割台470与所述基材460相结合。在一个实施例中，所述PDC切割体450通过以下方法形成：独立地形成所述PCD切割台470和所述基材460，然后使所述PCD切割台470与所述基材460相结合。在另一个实施例中，首先形成所述基材460，然后通过将多晶金刚石粉末436放置于所述顶面462之上并对所述多晶金刚石粉末436和所述基材460进行高温高压过程，从而使得所述PCD切割台470形成于所述基材460的顶面462之上。
在一个示例性实施方式中，在所述PCD切割台470与所述基材460连接后，所述PCD切割台470的切割面472与所述基材460的底面464基本平行。另外，所述PDC切割体450已显示为具有正圆圆柱形形状；然而，在其它示例性实施方式中可将所述PDC切割体450成形为其它几何形状或非几何形状。在某些示例性实施方式中，所述相背面474和所述顶面462基本平坦；然而，在其它示例性实施方式中所述相背面474和所述顶面462可为非平面的。
如前所述，根据一些示例性实施方式，所述黏合剂/催化剂材料334（图3）和所述催化剂材料438是钴或一些其它第VIII族金属的合金，所述第VIII族金属具有比钴低的热膨胀系数和/或比钴高的热导率。合金是两种或更多种元素以溶液或化合物形式的组合，其中的至少一种为金属，并且所得的材料合金具有金属性质。与纯金属不同，许多合金不具有单一熔点。相反，许多合金具有温度范围，在该温度范围中所述材料在一个较低的温度下开始熔化，并在另一个较高的温度下完全熔化。因此，在合金的熔化过程中，当对所述材料施加介于两个温度之间的温度时，所述材料是固相和液相的混合物。所述合金开始熔化的温度被称作固相点，而所述合金完全熔化的温度被称作液相点。然而，还如前所述并根据一些示例性实施方式，所述黏合剂/催化剂材料334（图3）和催化剂材料438是低共熔合金或近似低共熔合金，所述低共熔合金或近似低共熔合金具有比钴低的热膨胀系数和/或比钴高的热导率。低共熔合金被制造成在单一熔点温度下而不是在一个温度范围内熔化。所述低共熔合金是由两种或更多种元素的混合物形成的合金，所述低共熔合金的熔点比用于形成所述低共熔合金的任意元素的熔点低。在一个实施例中，通过制备形成所述合金或低共熔合金的两种或更多种元素的均匀混合物来形成所述合金或低共熔合金。通过相图上的低共熔点来鉴定待获得低共熔合金的组分的合适比例，这将在关于图5的详细描述中讨论。
下表I中提供了可与钴合金化以形成低共熔合金的元素的列表，所述低共熔合金的所得热膨胀系数比钴的热膨胀系数低。表I中提供了元素碳和钴作为参考，这是由于碳被用于形成所述PCD切割台，而钴是典型的催化剂材料438或黏合剂/催化剂材料334（图3），所述催化剂材料438或黏合剂/催化剂材料334沉积于所述PCD切割台370和470中的碳键之间形成的间隙空间内。因此，在本发明的示例性实施方式中，用作所述催化剂材料438或所述黏合剂/催化剂材料334（图3）的低共熔合金应具有比单独钴低的所得热膨胀系数和/或比单独钴高的所得热导率。尽管选择钴作为合金元素中的一种，根据其它示例性实施方式，可选择任意其它第VIII族金属作为合金元素。
表I.
元素 符号 Co-Eu 热膨胀 熔点 热导率
C ×10-6m·m-1·K-1 C W/(m·K)
碳 C 1.0 3675 900.00
硅 Si 1195 2.6 1410 149.00
钨 W 1471 4.5 3407 173.00
钼 Mo 1335 4.8 2617 138.00
铬 Cr 1402 4.9 1857 93.90
锇 Os 1590 5.1 3027 87.60
锆 Zr 1232 5.7 1852 22.60
铪 Hf 1270 5.9 2227 23.00
硼 B 6.0 2300 27.40
锗 Ge 810 6.0 938 60.20
铼 Re 1520 6.2 3180 48.00
铈 Ce 6.3 798 11.30
钽 Ta 1276 6.3 2996 57.50
铱 Ir 6.4 2443 147.00
钌 Ru 1390 6.4 2250 117.00
镨 Pr 541 6.7 931 12.50
铌 Nb 1237 7.3 2468 53.70
铑 Rh 1390 8.2 1966 150.00
钒 V 1242 8.4 1902 30.70
钛 Ti 1020 8.6 1660 21.90
铂 Pt 1430 8.8 1772 71.60
钆 Gd 650 9.4 1312 10.60
钕 Nd 566 9.6 1016 16.50
镝 Dy 714 9.9 1407 10.70
镏 Lu 9.9 1663 16.40
钪 Sc 790 10.2 1539 15.80
铽 Tb 960 10.3 1357 11.10
钇 Y 715 10.6 1526 17.20
钷 Pm 11.0 931 17.90
锑 Sb 623 11.0 631 24.40
钍 Th 975 11.0 1755 54.00
钬 Ho 770 11.2 1470 16.20
铍 Be 11.3 1287 200.00
铁 Fe 1476 11.8 1535 80.40
钯 Pd 1219 11.8 1552 71.80
镧 La 500 12.1 920 13.40
铒 Er 800 12.2 1522 14.50
钐 Sm 575 12.7 1072 13.30
钴 Co 13.0 1495 100.00
如上表所示，提供了各元素的“Co-Eu”值、“热膨胀”值、“熔点”值以及“热导率”值。所述“Co-Eu”值是当相应元素根据低共熔组成与钴形成合金时的低共熔熔化温度或低共熔熔点。所述“热膨胀”值是相应元素的热膨胀系数。这些热膨胀系数小于钴的热膨胀系数。当所述元素与钴形成合金后，所述合金的所得热膨胀系数小于钴的热膨胀系数。因此，所述低共熔合金的热膨胀系数也小于钴的热膨胀系数。所述“熔点”值是相应元素的熔点。如上所示，当相应元素与钴形成合金时的低共熔熔化温度小于钴和所述相应元素的熔点。所述“热导率”值是相应元素的热导率。这些热导率值高于或低于钴的热导率。当所述元素与钴形成合金时，所述合金的所得热导率值在所述相应元素的热导率和钴的热导率之间。因此，根据所述PDC切割体350和450待用于的应用，可适当地选择待用作所述催化剂材料438和所述黏合剂/催化剂材料334(图3)的合金或低共熔合金，以使其具有较低的热膨胀系数和/或较高的热导率。
图5是根据本发明的示例性实施方式，钴和元素X500的相图。尽管提供了钴和元素X500的相图作为一个示例性实施方式的实施例，根据其它示例性实施方式，可使用钴和一种或多种其它元素或者第VIII族元素与一种或多种其它元素的不同相图用于获得低共熔点，这将在下文中进一步详细描述。参考图5，钴和元素X500的相图包括组成轴510、温度轴520、液相线534、固相线536和低共熔点538。
所述组成轴510位于x-轴上，并表示用作所述催化剂材料和/或所述黏合剂/催化剂材料的合金的组成。所述组成以元素X的原子重量百分数来衡量。沿着所述组成轴510从左到右，元素X的组成增加。因此，在所述组成轴510的最左端，所述材料是100％钴。相反地，在所述组成轴510的最右端，所述材料是100％元素X。所述组成轴510包括低共熔组成540，这将在下文进一步描述中讨论。
所述温度轴520位于y-轴，并表示可在所述合金上施加的各种温度。所述温度以摄氏度来衡量。沿着所述温度轴520从上至下，所述温度降低。所述温度轴520包括钴熔化温度532、元素X熔化温度530以及低共熔熔化温度539，这将在下文进一步描述中讨论。所述钴熔化温度532是含有100％钴的材料熔化的温度。所述元素X熔化温度530是含有100％元素X的材料熔化的温度。
钴和元素X500的相图提供了关于以下方面的信息：钴和元素X合金的不同相，以及在何组成和温度下，存在这些不同相。这些相包括总液相550（“液体”）、总固相552（“固体”）、钴浆液相554（“L+Cos”）、元素X浆液相556（“L+Xs”）、钴固相558（“Cos”）以及元素X固相560（“Xs”）。当钴和元素X都完全是液相形式时，出现所述总液相550。当钴和元素X都完全是固相形式时，出现所述总固相552。当所述材料含有悬浮于浆液（所述浆液也包含液体钴）中的钴晶体时，出现钴浆液相554。当所述材料含有悬浮于浆液（所述浆液也包含液体元素X）中的元素X晶体时，出现所述元素X相556。当所有钴是固相形式并且至少一部分的所述元素X是液相形式时，出现所述钴固相558。当所有元素X是固相形式并且至少一部分的钴是液相形式时，出现所述元素X固相560。
所述液相线534从钴熔化温度532延伸至低共熔点538，然后延伸至所述元素X熔化温度530。所述液相线534表示所述合金完全熔化并形成液体的温度。因此，在高于所述液相线534的温度下，所述合金完全是液体。所述固相线536也从钴熔化温度532延伸至低共熔点538，然后延伸至所述元素X熔化温度530。所述固相线536位于所述液相线534的下方（除了在所述低共熔点538处）。所述固相线536表示所述合金开始熔化的温度。因此，在低于所述固相线536的温度下，所述合金完全是固体。在所述低共熔点538，所述液相线534与所述固相线536交叉。在所述相图500上将所述低共熔点538定义为所述低共熔温度539和所述低共熔组成540的交叉点。所述低共熔组成540是所述合金具有以下特征时的组成：所述合金表现为单一化学组成，并且具有在单一温度下所述总固相转变为总液相的熔点。因此，使用所述低共熔合金用于所述催化剂材料和/或所述黏结剂/催化剂材料的一个益处在于，所述低共熔合金表现为单一组成。
尽管详细描述了各示例性实施方式，应理解适用于一个实施方式的任意特征和修改也适用于其它实施方式。另外，尽管参考具体实施方式对本发明进行了描述，这些描述不旨在构成对本发明的限制。参考所述示例性实施方式的描述，所述实施方式的各种改进以及本发明的其它实施方式对本领域普通技术人员来说应是显而易见的。本领域的普通技术人员应理解，所揭示的观念和具体实施方式可以方便地被用作改进或设计实现本发明的同样目的的其他结构或方法的基础。本领域的普通技术人员还应认识到这种等价结构没有偏离所附权利要求书中提出的本发明的精神和范围。因此，预期所述权利要求将涵盖落入本发明范围内的任意此类改进或实施方式。

Claims (28)

1.一种切割台，该切割台包括：
在其中形成间隙空间的晶格结构；以及
催化剂材料，所述催化剂材料在形成所述晶格结构的烧结过程中沉积在所述间隙空间内，所述催化剂材料促进所述晶格结构的生长，所述催化剂材料的热膨胀系数低于钴的热膨胀系数。
2.如权利要求1所述的切割台，其特征在于，所述催化剂材料选自下组：铬、钽和钌。
3.如权利要求1所述的切割台，其特征在于，所述催化剂材料选自下组：钴的合金、第VIII族金属和至少一种非催化剂金属的合金、以及两种或更多种第VIII族金属的合金。
4.如权利要求1所述的切割台，其特征在于，所述催化剂材料包括低共熔合金，所述低共熔合金包括低共熔组合物。
5.如权利要求1所述的切割台，其特征在于，所述催化剂材料包括近似低共熔合金。
6.如权利要求1所述的切割台，其特征在于，所述催化剂材料的热导率大于钴的热导率。
7.如权利要求1所述的切割台，其特征在于，所述晶格结构包括多晶金刚石。
8.一种切割体，所述切割体包括：
包含顶面的基材；
切割台，该切割台包括：
切割面；
与所述顶面相连接的相背面；
切割台外壁，所述切割台外壁从所述相背面的周缘延伸至所述切割面的周缘；
在其中形成间隙空间的晶格结构；以及
催化剂材料，所述催化剂材料在形成所述晶格结构的烧结过程中沉积在所述间隙空间内，所述催化剂材料促进所述晶格结构的生长，所述催化剂材料的热膨胀系数低于钴的热膨胀系数。
9.如权利要求8所述的切割体，其特征在于，所述催化剂材料选自下组：铬、钽和钌。
10.如权利要求8所述的切割体，其特征在于，所述催化剂材料选自下组：钴的合金、第VIII族金属和至少一种非催化剂金属的合金、以及两种或更多种第VIII族金属的合金。
11.如权利要求8所述的切割体，其特征在于，所述催化剂材料包括低共熔合金，所述低共熔合金包括低共熔组合物。
12.如权利要求8所述的切割体，其特征在于，所述催化剂材料包括近似低共熔合金。
13.如权利要求8所述的切割体，其特征在于，所述催化剂材料的热导率大于钴的热导率。
14.如权利要求8所述的切割体，其特征在于，所述晶格结构包括多晶金刚石。
15.如权利要求8所述的切割体，其特征在于，所述基材由基材粉末和黏合剂材料形成，所述黏合剂材料使所述基材粉末粘结以形成所述基材，所述黏合剂材料与所述催化剂材料相同。
16.如权利要求15所述的切割体，其特征在于，所述催化剂材料源自所述基材并渗透至所述切割台中。
17.如权利要求8所述的切割体，其特征在于，所述基材由基材粉末和黏合剂材料形成，所述黏合剂材料使所述基材粉末粘结以形成所述基材，所述黏合剂材料与所述催化剂材料不同。
18.如权利要求17所述的切割体，其特征在于，所述催化剂材料的熔点低于所述黏合剂材料的熔点。
19.一种制造切割体的方法，该方法包括：
形成切割台，所述切割台包括：
在其中形成间隙空间的晶格结构；以及
催化剂材料，所述催化剂材料在形成所述晶格结构的烧结过程中沉积在所述间隙空间内，所述催化剂材料促进所述晶格结构的生长，所述催化剂材料的热膨胀系数低于钴的热膨胀系数；
形成基材；以及
使所述切割台与基材结合。
20.如权利要求19所述的方法，其特征在于，所述催化剂材料选自下组：铬、钽和钌。
21.如权利要求19所述的方法，其特征在于，所述催化剂材料选自下组：钴的合金、第VIII族金属和至少一种非催化剂金属的合金、以及两种或更多种第VIII族金属的合金。
22.如权利要求19所述的方法，其特征在于，所述催化剂材料包括低共熔合金，所述低共熔合金包括低共熔组合物。
23.如权利要求19所述的方法，其特征在于，所述催化剂材料包括近似低共熔合金。
24.如权利要求19所述的方法，其特征在于，所述催化剂材料的热导率大于钴的热导率。
25.如权利要求19所述的方法，其特征在于，所述晶格结构包括多晶金刚石。
26.如权利要求19所述的方法，其特征在于，形成所述基材的步骤包括:
使基材粉末和黏合剂材料混合在一起，以形成基材混合物；
将压力和温度升高至第一温度范围，以使所述黏合剂材料液化，并使所述黏合剂材料粘结所述基材粉末。
27.如权利要求19所述的方法，其特征在于，形成所述切割台的步骤包括:
将金刚石粉末放置在所述基材的顶部；
使所述液化的黏合剂材料从所述基材渗透至所述金刚石粉末中；以及
将所述金刚石粉末转化为所述晶格结构，其中所述黏合剂材料和所述催化剂材料相同。
28.如权利要求19所述的方法，其特征在于，形成所述切割台的步骤包括:
使金刚石粉末和催化剂材料混合在一起，以形成PCD台混合物；
将所述混合物放置在所述基材的顶部；
将压力和温度升高至第二温度范围，以使所述催化剂材料液化；以及
使所述催化剂材料对所述金刚石粉末进行烧结，以形成所述晶格结构，
其中所述黏合剂材料和所述催化剂材料不同，并且其中所述第二温度范围小于所述第一温度范围，以及其中所述第二温度范围低于所述黏合剂材料的熔点。
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