CN103582737A - 在pdc/tsp切割器上的用于促进浸滤的涂层 - Google Patents

Abstract

公开了一种切割元件，其包括：具有切割面和金刚石层侧表面的多晶金刚石层；附着至该多晶金刚石层的基体，该基体具有底表面和基体侧表面；位于金刚石层与该基体之间的接合面；以及屏蔽罩，其至少覆盖该切割元件的该底表面和该基体侧表面。

Description

在PDC/TSP切割器上的用于促进浸滤的涂层

技术领域

本文公开的实施例总体上涉及多晶金刚石复合材料以及切割结构体。更特别地，本文公开的实施例涉及浸滤多晶金刚石切割元件的方法。

背景技术

多晶金刚石紧密体（polycrystalline diamond compact，PDC）切割器在包括凿岩以及金属机械加工的工业应用中已经使用很多年了。在通常的应用中，多晶金刚石（polycrystalline diamond，PCD）（或其它的超硬材料）的紧密体粘结到基体材料上用以形成切割结构体，该基体材料通常是烧结的金属碳化物。PCD包括金刚石（通常是合成的）的多晶块体，该金刚石粘结在一起用以形成整体的、坚韧的、高强度的块体或晶格。所得的PCD结构产生增强的耐磨性和硬度的特性，从而使得PCD材料对于需要高水平的耐磨性和硬度的强力磨碎和切割应用来说是非常有用的。

PDC切割元件可以通过放置硬质碳化物基体到压制机的容器中形成。将金刚石粒体或金刚石粒体与催化粘结剂的混合物放置在基体之上，且在高压、高温条件下处理。如此操作后，金属粘结剂（通常是钴）从基体迁移，且通过金刚石粒体，用以促进金刚石粒体之间的交互生长。结果，金刚石粒体变得彼此粘结用以形成金刚石层，且该金刚石层进而粘结到基体上。基体通常包括金属碳化物复合材料，例如碳化钨。沉积的金刚石层通常称为“金刚石台”或“研磨层”。

常规的PCD包括85-95体积百分比的金刚石和其余的粘结剂材料，该粘结剂材料存在于PCD中、在粘结的金刚石粒体之间的空隙之内。通常用于形成PCD的粘结剂材料包括VIII族元素，其中，钴（Co）是最常用的粘结剂材料。

使用PDC切割器的用于地层钻井的切削型钻头的一个实例在图1中示出。图1示出了具有钻头体12的旋转钻头10。钻头体12的底面形成有多个刀片14，所述刀片大体上远离钻头的旋转中心纵轴16向外延伸。多个PDC切割器18沿着每个刀片的长度并排布置。由每个刀片携带的PDC切割器18的数量可以变化。PDC切割器18单独被钎焊至可以由碳化钨形成的桩状承载件（或基体），且容纳和固定于各个刀片的凹座之内。

确定PDC切割器的寿命的一个重要因素是在切割器接触点处的热量的产生，特别是在PDC层的暴露部分处的热量的产生，该热量由在PCD与工作材料之间的摩擦产生。这个热量对PCD引起破裂形式的热损坏（由于热膨胀系数的不同），这会导致多晶金刚石层的剥落、在多晶金刚石与基体之间的脱层以及金刚石向石墨的反向转换（这会引起快速的研磨磨损）。常规PDC切割器的热操作范围通常是700℃或更少。

如上所述，在高达700℃的温度下常规多晶金刚石是稳定的，在观测的温度增长之后，可能对多晶金刚石引起永久的损坏和结构失效。在多晶金刚石中的这种劣化是由于与金刚石相比，粘结剂材料、钴的热膨胀系数的显著不同所引起的。加热多晶金刚石，钴和金刚石晶格将以不同的速率膨胀，这可能引起在金刚石晶格结构中形成破裂，并导致多晶金刚石的劣化。但是，热疲劳不仅仅发生在温度大于700℃时。相反，不同的膨胀（在钴与金刚石之间的）甚至在温度低至300-400℃时也会发生，这仍会在金刚石体中引起热疲劳。进一步地，对多晶金刚石的损坏也可能缘由一些金刚石至金刚石结合的缺失所引起（缘由石墨化工艺的起始），从而导致微结构完整性的缺失与强度的缺失。

为了克服这个问题，可以使用强酸来从金刚石晶格结构（或者薄体积或整个压片）“浸滤”粘结剂，用以至少减少加热时不同速率下自加热金刚石-粘结剂复合材料所经历的损坏。“浸滤”工艺的实例可以在例如美国专利号4,288,248和4,104,344中找到。简短地讲，强酸，通常是硝酸或一些强酸（例如硝酸与氢氟酸）的组合可以用于处理金刚石台，从而从PDC复合材料去除至少一部分的钴-催化剂。通过浸滤掉粘结剂，形成热稳定多晶（thermally stable polycrystalline，TSP）金刚石。在特定的实施例中，仅仅浸滤选择的部分的金刚石复合材料，以获得热稳定性而不会缺失耐冲击性。本文所使用的术语“TSP”包括上述（即，部分和全部浸滤）化合物的两者。在浸滤之后仍然存在的空隙体积可以通过促进合并或通过用辅助材料填充该体积来减少，例如通过现有技术中已知的、且在美国专利号5,127,923中描述的工艺进行，该专利在本文中以参考的形式引用其全部内容。

因此，在浸滤工艺中存在用于发展加速浸滤工艺和/或减少内在危险的方法和器械的持续需求。

发明内容

在一个方面，本文公开的实施例涉及一种切割元件，其包括：具有切割面和金刚石层侧表面的多晶金刚石层；附着至多晶金刚石层的基体，该基体具有底表面和基体侧表面；位于金刚石层与该基体之间的接合面；以及屏蔽罩，其至少覆盖该切割元件的该底表面和该基体侧表面。

在另一个方面，本文公开的实施例涉及一种用于浸滤切割元件的方法，包括：提供切割元件，所述切割元件包括基体和附着至所述基体的多晶金刚石层；使用屏蔽罩至少遮蔽所述切割元件的基体部分，留下所述切割元件的所述金刚石层的未遮蔽部分；将被遮蔽的切割元件放置在浸滤剂中，其中，至少所述切割元件的未遮蔽部分接触所述浸滤剂；以及从所述浸滤剂中取出所述被遮蔽的切割元件。

在另一个方面，本文公开的实施例涉及一种浸滤切割元件的方法，包括：提供切割元件，其包括基体和附着至所述基体的多晶金刚石层；至少将所述切割元件的基体部分安装在预形成的屏蔽罩中，留下所述切割元件的所述金刚石层的未遮蔽部分；将切割元件放置在浸滤剂中，其中，至少所述切割元件的未遮蔽部分接触所述浸滤剂；以及从所述浸滤剂中取出所述切割元件。

通过下文的说明书和所附权利要求书，本发明的其它方面和优点将是显而易见的。

附图说明

图1是PCD钻头的图例。

图2示出了PCD切割元件。

图3是根据本公开的实施例的被遮蔽的PCD切割元件的剖视图。

图4A-B示出了根据本公开的实施例的被遮蔽的PCD切割元件的侧视图。

图5A-B是用于形成根据本公开的实施例的被遮蔽的PCD切割元件的步骤的图例。

图6是根据本公开的实施例的被遮蔽的切割元件的剖视图。

具体实施方式

本文描述的实施例涉及多晶金刚石切割元件以及涉及浸滤该多晶金刚石切割元件的方法。本公开的多晶金刚石切割元件包括碳化物基体以及附着至其上的多晶金刚石层。下文描述的浸滤方法包括保护该碳化物基体免于浸滤工艺。

本文使用的术语“PCD”表示已在高压/高温（HPHT）条件下通过使用溶剂型金属催化剂（例如包括在周期表的VIII族中的那些）形成的多晶金刚石。本文使用的术语“热稳定多晶金刚石”（TSP）表示晶间结合的金刚石，其包括这样的体积或区域，该体积或区域已经被使得基本上没有用于形成PCD的所述溶剂型金属催化剂，或者用于形成PCD的所述溶剂型金属催化剂仍然保留在该金刚石本体的该区域中，但以其他方式反应或使得其不能如上讨论地在升高的温度下不利地影响该结合的金刚石。

参考图2，PCD切割元件20具有附着至基体24上的多晶金刚石（PCD）层22。基体24具有底表面25和基体侧表面26。PCD层具有切割面27和金刚石层侧表面28。接合面23在PCD层22与基体24之间形成。金刚石层侧表面28与基体侧表面26一起形成PCD切割元件的外表面。本公开的PCD切割元件的外表面可以在本文中称为“外侧表面”、“侧表面”、“外圆周表面”、或类似的称谓。

形成多晶金刚石

PCD层可以用常规的方式形成，例如通过“绿”颗粒的HPHT烧结用以在颗粒之间产生晶间结合。“HPHT”工艺的实例可以在例如美国专利号4,694,918；5,370,195；和4,525,178中找到。简单地讲，为了形成PCD，金刚石晶体颗粒的未烧结的块体放置于HPHT器械的反应单元的金属外壳之内。金属催化剂、例如钴或其他VIII族金属可以包括在晶体颗粒的未烧结的块体中，用以促进晶间金刚石至金刚石结合。催化剂材料可以以粉末的形式提供且与金刚石粒体混合，或者可以在HPHT烧结期间渗透进入金刚石粒体中。典型的最小温度是大约1200℃，典型的最小压力是大约35kbar。通常的工艺是在大约45kbar和1300℃下。普通技术人员将理解，也可以使用不同的温度和压力，且本发明的范围不限于特定引用的温度和压力。

可用于形成PCD的金刚石粒体可以包括任何类型的金刚石颗粒，包括天然的或合成的具有宽范围粒体尺寸的金刚石粉末。例如，上述的金刚石粉末可以具有从亚微米尺寸至100微米范围内的平均粒体尺寸，且在其它实施例中是从1至80微米。进一步地，本领域技术人员将理解，金刚石粉末可以包括具有单种形态或多种形态分布的粒体。

合成的金刚石粉末已知包括少量的溶剂型金属催化剂材料且和夹带在金刚石晶体自身之内的其它材料。与合成的金刚石粉末不同，天然的金刚石粉末不包括上述的溶剂型金属催化剂材料和夹带在金刚石晶体之内的其它材料。理论上，在合成的金刚石粉末中除了溶剂催化剂以外的材料可导致损害或限制最终的PCD本体可达到的热稳定的水平，因为这些材料与溶剂催化剂一起也必须被移除或以其他方式被抑制。

金刚石粒体粉末（无论是合成的还是天然的）可以与期望量的催化剂材料组合或已包括期望量的催化剂材料，以在HPHT工艺期间促进期望的晶间金刚石结合。可用于形成PCD本体的合适的催化剂材料包括选自周期表VIII族的那些溶剂型金属，其中，钴（Co）是最常用的，以及可以是这些材料中的两种或更多种的混合物或合金。在特定的实施例中，金刚石粒体粉末和催化剂材料混合物可以包括85-95%体积的金刚石粒体粉末以及剩余量的催化剂材料。可选地，金刚石粒体粉末可以在应用中使用而无需添加溶剂型金属催化剂，其中，该溶剂型金属催化剂可以通过在HPHT工艺期间从将结合至PCD本体的邻近的基体或邻近的其它结构体的渗透来提供。

金刚石粉末可以在反应单元中与期望的催化剂材料组合，然后反应单元放置在足够引起金刚石颗粒之间的晶间结合的工艺条件之下。在期望形成包括结合至PCD本体的基体的PCD致密物的情况下，选择的基体在HPHT工艺之前邻近于金刚石粉末混合物装载至容器中。此外，在PCD本体将结合至基体且基体包括金属溶剂催化剂的情况下，需要用于催化金刚石的晶间结合的该金属溶剂催化剂可以通过渗透来提供，在这种情况下，可以不需要在HPHT工艺之前混合金刚石粉末与金属溶剂催化剂。

在HPHT工艺期间，混合物中的催化剂材料融化，且渗透金刚石粒体粉末，以促进晶间金刚石结合。在上述晶间金刚石结合形成期间，催化剂材料可以迁移至如此形成的PCD本体的微结构之内的空隙区域中，该空隙区域存在于金刚石结合粒体之间。应该注意，如果过多的附加的非金刚石材料存在于晶体颗粒的变成粉末的物质中，显著的晶间结合在烧结工艺期间会被阻止。其中显著的晶间结合还未发生的上述的烧结材料不在PCD的定义之内。在形成这种晶间结合之后，这样的一种PCD本体可以形成，其在一个实施例中具有至少大约80的体积百分比的金刚石，其中，金刚石粒体之间的空隙区域的剩余部分由催化剂材料占据。在其它实施例中，上述的金刚石含量可以占形成的PCD本体的至少85的体积百分比，在另一个实施例中是至少90的体积百分比。但是，本领域技术人员将理解，在不同的实施例中，可以使用其它金刚石密度（或金刚石密度的梯度）。例如，在一些实施例中，根据本公开的被浸滤的PCD本体包括本领域中所谓的“高密度”PCD，其是指一种具有至少90的体积百分比的金刚石含量的金刚石本体。但是，在其它实施例中，用在本公开的方法中的高密度PCD也可以具有至少92的体积百分比至97的体积百分比的密度。本领域技术人员将理解，通常，随着金刚石密度增加，浸滤时间（以及潜在的不能有效浸滤的能力）近似地增加。

遮蔽切割元件

PCD层可以在PCD层的形成期间或在形成PCD层之后附着至基体。本文公开的实施例可以具有碳化物基体，例如硬质碳化钨基体，该硬质碳化钨基体由分散在粘结金属基质、例如铁、镍或钴中的碳化钨颗粒形成。

一旦PCD层附着至基体，然后屏蔽罩可以提供至切割元件，使得该屏蔽罩覆盖基体的至少整个外表面。在本公开的实施例中，屏蔽罩也可以覆盖金刚石层的外侧表面的一部分。如本文中使用的，“屏蔽罩”是指遮蔽涂层、预形成屏蔽罩或设定（institute）屏蔽罩，其涂覆切割元件的一部分的外表面用以保护被遮蔽的部分免于浸滤环境。在特定的实施例中，术语“屏蔽罩”可以与术语“遮蔽涂层”或“涂层”互换。在下文描述的其它的实施例中，术语“屏蔽罩”可以与术语“预形成的屏蔽罩”或“设定屏蔽罩”互换。

参考图3，PCD切割器30具有附着至基体34的PCD层32。基体34具有底表面35和基体侧表面36。PCD层具有切割面37和金刚石层侧表面38。接合面33在PCD层32与基体34之间形成。基体侧表面36与金刚石层侧表面38形成PCD切割器30的外圆周表面。此外，如图3中所示，金刚石层侧表面38与切割面37的相交部形成切割边缘39，其在此情况中是斜面。屏蔽罩31施加至PCD切割器30的外表面，使得其覆盖基体的整个底表面35且自底表面35沿着PCD切割器30的外圆周表面向上朝向切割面37延伸一个距离D，用以覆盖整个基体侧表面36和一部分金刚石层侧表面38。

在一些实施例中，屏蔽罩可以自底表面围绕切割元件的外侧表面延伸一致的距离。在其它的实施例中，屏蔽罩可以施加至切割元件的外表面，使得该屏蔽罩自底表面围绕切割元件的外圆周表面朝向切割元件的切割面延伸非一致的距离。例如，参考附图4A和4B，被遮蔽的切割元件示出具有沿着切割元件的侧表面向上延伸的屏蔽罩。在图4A中，屏蔽罩41围绕切割元件40的外侧表面延伸相同的距离D，使得屏蔽罩具有与切割面47平行的平坦顶端41a。在图4B中，屏蔽罩41顺着切割元件40的侧表面向上沿着切割元件40的外圆周表面延伸不同但连续的距离D1、D2、等，使得屏蔽罩41具有倾斜的顶端41a（即，与切割面不平行）。屏蔽罩的顶部可以形成其他非平面的或非连续的形状，其均在本公开的范围之内。例如，在一些实施例中，切割元件的未遮蔽的部分可以设计为具有特殊的形状或深度（自切割面），使得在浸滤未遮蔽部分时，在PCD切割元件中的残留应力被最小化。

屏蔽罩可以通过提供屏蔽涂层至切割元件的外表面而施加至切割元件。根据本公开的实施例，屏蔽涂层可以包括类金刚石碳（diamond-likecarbon，DLC）材料。文本所使用的术语“DLC”或“类金刚石碳”是指无定形含碳涂层，其具有显著量的（如果不是全部）sp³杂化，其中，其余的是sp²杂化。尽管金刚石传统上以立方晶体结构形成，但由于高能工艺（即，PE-CVD等）而形成的立方与六边形晶格结构的混合（逐层混合），DLC是无定形的。因此，尽管DLC能够包含纯的sp³碳和/或sp³与sp²碳的混合物，但它不具有长程晶序且被称为“无定形的”。DLC屏蔽涂层可以通过化学气相沉积（CVD）方法施加至切割元件的外表面，所述化学气相沉积包括例如等离子增强化学气相沉积（PE-CVD）和空心阴极PE-CVD。

为了施加DLC屏蔽涂层，碳前驱体，例如甲烷、乙炔、丁烷、甲苯等，可以用作源气体。涂层的特性可以通过改变源气体与氢的含量而通过在涂层中调整sp³（金刚石）、sp²（石墨）以及sp¹（线性）结合杂化率来定制。例如，最高的sp³率（最类金刚石）通过甲烷获得，但是与较高的碳分子相比这也可以提供较低的沉积速率和较高的压缩应力，限制膜的厚度至大约5000埃。向DLC基质的特定掺杂剂（例如硅或氧化硅）的添加可以改善热稳定性且可以降低压缩应力。有机基的前驱体、例如六甲基二硅氧烷可以与氢前驱体混合，以引入这些掺杂剂。

此外，也可以沉积多层涂层，这也在本公开的范围之内。例如，为了产生厚的沉积涂层，沉积工艺可以通过以下方式修改：沉积薄的基于甲烷的层，随后使用较高的沉积速率、较低的压力前驱体例如甲苯，或者通过较高的能量离子轰击以增加粘附且减少应力。可选地，几个层，包括DLC和非DLC层，可以沉积在切割元件上。例如，多个层可以在DLC顶层之下施加至切割元件，以促进粘附。

进一步地，根据本公开的实施例的屏蔽涂层可以包括宽范围的惰性材料，它们能够在升高的温度和压力之下经受强酸攻击。例如，本公开的屏蔽涂层可以包括耐化学空气干燥油墨、耐化学紫外线固化油墨、聚四氟乙烯、以及微波固化材料。由上述材料制成的屏蔽涂层可以通过例如溅射涂层、物理气相沉积、CVD、或其它喷雾涂层方法来施加。

此外，可以沉积多层涂层，这也在本公开的范围之内。根据一些具有多层涂层的实施例，第一层可以涂覆大部分的切割元件，第二层可以仅涂覆切割元件与第一层之间的接合区域、或潜在的缝隙。例如，参考附图6，屏蔽涂层61可以在屏蔽罩顶端61a处具有位于屏蔽罩61与切割元件60之间的潜在的缝隙、或裂缝。在上述的情况下，涂层或屏蔽罩材料的第二层68可以施加至屏蔽罩的顶端61a，以密封任何的潜在裂缝。有利地，第一层可以提供工艺保护，而第二层可以进一步阻止工艺材料免于侵入被保护的区域。第二层可以根据需要由相同的材料或不同类型的材料形成，以便在接合区域处提供足够的密封。在具有多层涂层的其它实施例中，第一层可以被施加用以仅涂覆切割元件的被保护的区域，第二层可以被施加用以密封第一层中的任何潜在的空洞或孔洞，即，第二层可以施加至在第一层上。

沉积的屏蔽涂层可以取决于层的数目，但一般可以小于200微米。尤其，屏蔽涂层可以被施加而使得屏蔽罩具有从大约1微米至大约200微米范围内的厚度。在其它实施例中，屏蔽涂层可以具有从大约0.5微米至大约20微米范围内的厚度。尽管较薄的涂层可以减少费用以及剥落的可能性，但在涂层内部的缺陷可以引起浸滤酸渗入。较厚的涂层可以改善涂层的连续性且阻挡上述的酸泄露。因此，屏蔽涂层的厚度可以取决于例如涂层的类型以及将被涂覆的表面的表面粗糙度。

有利地，通过用屏蔽涂层至少遮蔽切割元件的基体部分，围绕切割元件的被遮蔽的部分形成了保护性的密封，因此防护其免于浸滤环境。浸滤环境尽管有益于在切割元件中形成TSP，但可能有害于切割元件的基体部分。尤其，浸滤剂可以移除粘结材料或与其反应，该粘结材料将基体保持在一起。通过使用屏蔽涂层在基体上形成阻挡层，浸滤剂不能够攻击或弱化基体。

根据本公开的其他实施例，预形成的屏蔽罩可以围绕PCD切割元件安装，用以在浸滤工艺期间至少保护PCD切割元件的基体。本文所使用的“预形成的屏蔽罩”是指这样一种材料，其已被挤压成一个杯子的形状，切割元件紧密地安装在该杯子中。预形成的屏蔽罩也可以称作荚状件、包壳、套管、或其它类似的术语。预形成的屏蔽罩与上文描述的屏蔽涂层不同之处在于，预形成的屏蔽罩保持其形状（即，保持杯子的形状）。预形成的屏蔽罩可以具有特殊的特性，该特性允许预形成的屏蔽罩通过使用热量、紫外线辐射、微波等以围绕切割元件的封装装置的形式减小尺寸或收缩。但是，类似于上文描述的屏蔽涂层，预形成的屏蔽罩覆盖或遮挡至少切割元件的基体的外表面，以保护其免于浸滤环境。

尤其，预形成的屏蔽罩可以通过将聚氯乙烯或其它合适的材料、例如任何耐酸材料、高温材料和/或塑料例如聚偏二氟乙烯挤压成杯子的形状而形成。挤压成型预形成的屏蔽罩的方法包括任何本领域技术人员已知的方法，包括例如热成型、管材挤压成型、或吹膜挤压成型方法。一旦预形成的屏蔽罩围绕切割元件安装，第二层材料可以施加在预形成的屏蔽罩与切割元件之间的接合部区域处，以提供附加的密封保护，例如上文描述的。

现在参考附图5A和5B，示出了用预形成的屏蔽罩遮蔽的PCD切割元件。在图5A中，预形成的屏蔽罩51挤压成为一个杯子的形状，其具有底部51c和与底部51c垂直延伸的圆柱状的壁51b。壁51b具有厚度t和高度H。根据本公开的实施例，预形成的屏蔽罩可以具有壁厚度t。厚度t可以基于预形成的屏蔽罩材料的随时间抵挡工艺化学攻击的能力、和工艺的温度以及预形成的屏蔽罩材料的温度限制来确定。具有附着至基体54的多晶金刚石层52的PCD切割器50可以然后通过以下方式安装进入预形成的屏蔽罩51中：首先通过预形成的屏蔽罩51的顶端51a插入切割器50、基体54端。预形成的屏蔽罩51可被制造成使内部直径仅仅稍大于切割器50的直径，因此在预形成的屏蔽罩51与切割器50之间提供紧密的安装。如图5B中所示，预形成的屏蔽罩51至少覆盖基体，且延伸到金刚石层52的一部分上。在一些实施例中，预形成的屏蔽罩可以具有仅覆盖基体的壁高度H。在其它实施例中，壁高度可以延伸超过基体的外表面至距离金刚石层的切割表面大约1至1.5mm。

根据本公开的实施例，预形成的屏蔽罩可以通过以下方式围绕切割元件安装：插入切割元件进入预形成的屏蔽罩中，然后放置该组件在真空中，并且施加热量至预形成的屏蔽罩，以围绕切割元件紧固预形成的屏蔽罩。应该理解，根据用于制作预形成的屏蔽罩的材料的类型，不同的真空压力以及温度可以用于收缩安装预形成的屏蔽罩至切割元件上。密封工艺，如上文描述的，可以然后用于密封预形成的屏蔽罩的顶部至切割元件的外表面。

根据本公开的其他实施例，设定屏蔽罩可以围绕PCD切割元件形成，以在浸滤工艺期间至少保护PCD切割元件的基体。本文所使用的“设定屏蔽罩”是指这样一种材料，其通过注射成型或本领域中已知的类似的做法包围一个或多个切割元件。设定屏蔽罩可以由如上文描述的保护性的屏蔽罩材料、例如塑料、耐酸材料和/或高温材料制造。用设定屏蔽罩包围一个或多个切割元件的方法可以包括，例如，装入一个或多个切割元件至单个块体或固定件中。用于形成设定屏蔽罩的保护性的材料可以然后围绕该一个或多个切割元件注射进入该块体或固定件中用以包围切割元件，因此形成设定屏蔽罩。有利地，通过使用注射成型做法形成设定屏蔽罩，一个或多个切割元件可以在单个工艺期间用保护性的材料涂覆，因此减少了工艺时间。

浸滤

当根据本公开的实施例遮蔽了PCD切割元件时，被遮蔽的切割元件可以经受浸滤工艺。在屏蔽罩与PCD切割元件之间形成的密封阻挡浸滤剂接触、进而会阻挡从由屏蔽罩保护的切割元件的那部分移除材料。因此，根据本公开的实施例当被遮蔽的PCD切割元件经受浸滤工艺时，催化剂材料仅仅从PCD切割元件的未遮蔽的那部分移除，该未遮蔽的部分至少包括PCD层的一部分。

本文所使用的术语“移除”是指减少PCD层中的催化剂材料，且被理解成表示大部分的催化剂材料不再存在于被浸滤后的PCD中。但是，本领域技术人员将理解，微量的催化剂材料可以仍然保留在被浸滤后的PCD层的微结构中的空隙区域之内和/或附着至金刚石粒体的表面。可选地，不是实际从PCD层的被浸滤部分移除催化剂材料，PCD层的选择区域也可以通过以以下方式处理催化剂材料被使得热稳定：减少或消除在升高的温度下催化剂材料不利地影响晶间结合的金刚石的可能性。例如，催化剂材料可以与另一种材料化学结合，以使其不再作为催化剂材料（或与金刚石具有较差的热失配），或者可以转换成为另一种材料，所述另一种材料再一次使其不再作为催化剂材料（或者与金刚石具有较差的热失配）。因此，本文中针对催化剂材料使用的术语“移除大体上全部”或“基本上没有”旨在覆盖不同的方法，其中，催化剂材料可以被处理成在增加的温度下在PCD层的被浸滤部分中不再不利地影响晶间金刚石。

在PCD层已经受浸滤处理之后残留在PCD微结构中的催化剂材料的量可以例如随多种因素、例如处理条件（包括处理时间）变化。进一步地，本领域的技术人员将理解，在特定的应用中，允许少量的催化剂材料保留在PCD层的被浸滤区域中，这可以是可接受或需要的。在特定的实施例中，PCD层的被浸滤区域可以包括高至1-2重量百分比的催化剂材料。但是，本领域的技术人员将理解，PCD层的被浸滤区域中存在的残留催化剂的量可以与材料的金刚石的密度以及被浸滤区域的厚度有关。

如上文所描述的，常规的浸滤工艺包含使目标暴露成用浸滤剂来浸滤，例如在美国专利号4,224,380中所描述的，在本文中以参考的形式引用其全部内容。在选择的实施例中，浸滤剂可以是弱的、强的、或混合的酸。在其它的实施例中，浸滤剂可以是苛性材料，例如NaOH或KOH。合适的酸可以包括：例如，硝酸、氢氟酸、盐酸、硫酸、磷酸或高氯酸、或这些酸的组合。此外，可以根据需要使用其它的酸和基本的浸滤剂。本领域的普通技术人员将理解，浸滤剂的摩尔浓度可以根据期望浸滤的时间、有关危险的考虑等来调整。

根据本公开的实施例的已被遮蔽的PCD切割元件可以通过传统的方法浸滤。例如，被遮蔽的PCD切割元件可以放置在浸滤剂溶液中，其中，被遮蔽的PCD切割元件放置在溶液容器中，使PCD层面向容器的底部，因而PCD层可以全部浸入在浸滤剂中。其它典型的浸滤方法也可以在浸滤剂中浸入PCD层之外包括使PCD切割元件经受增大的压力和/或增大的温度。

在本公开的一个实施例中，被遮蔽的PCD切割元件可以在浸滤工艺期间保持在适当位置，以确保更容易控制将PCD层暴露给浸滤溶液。尤其，被遮蔽的PCD切割元件可以在浸滤剂溶液之上保持在适当位置，使得特定量的PCD层（即，距PCD层的切割面的一致的距离）浸入在浸滤剂中。在浸滤工艺期间将被遮蔽的PCD切割元件保持在适当位置的方法可以包括使用磁性捕获装置。例如，根据本公开的实施例的被遮蔽的PCD切割元件可以通过磁性捕获装置保持，使得浸入在浸滤剂溶液的区域包括期望浸滤深度的距离。在一些实施例中，期望浸滤深度的范围可以为从大约1000微米至距PCD层的切割面大约2/3的金刚石台的厚度。在其它的实施例中，期望浸滤深度的范围可以为从大约600微米至大约800微米。

磁性捕获装置可以是内部嵌有强磁体的固定件、模壳（form）、框架、或其它形状，所述磁体可用于在化学工艺过程期间（一旦被涂覆或遮蔽时）吸引和保持切割元件到适当位置。被保护的切割元件可以被保持成将它们悬挂在液相化学制品中或者以其他方式保持和暴露至气相或雾相化学制品，以进行处理。在其它的实施例中，强磁体也可以用于制造用于在屏蔽罩的施加、固化等期间、以及然后再一次在屏蔽罩移除工艺期间保持切割元件的固定件或装置。在使用磁性捕获装置的实施例中，磁体可以由装置外壳或由其它装置保护而免于遭受工艺环境（包括在施加屏蔽罩、浸滤、以及移除屏蔽罩的期间）。

移除涂层

根据本公开的实施例，在浸滤切割元件的未遮蔽的部分时，屏蔽罩可以通过热的、机械的、或其它的工艺来移除。将引起屏蔽罩材料损坏或弱化的工艺可以用于移除屏蔽罩，所述工艺可以基于时间、费用、以及屏蔽罩材料对损坏的敏感性来选择。例如，根据本公开的一些实施例，屏蔽罩可以通过喷砂或研磨移除，该喷砂或研磨用以破坏切割元件的表面与屏蔽罩之间的结合。

有利地，通过根据本公开的实施例浸滤被遮蔽的PCD切割元件，可以对浸滤的PCD切割元件的尺寸和形状执行更好的控制。例如，现有技术中PCD切割元件部分地浸滤的方式通常限制于在暴露至浸滤剂的PCD部分与PCD切割元件的其余部分之间的接合面是平面的情况。但是，本公开的实施例可以使将被浸滤的PCD切割元件具有弯曲的或者其它非平面的未遮蔽部分。因此，可以定向PCD切割元件的较高的应力区域，且可根据本文公开的实施例进行选择性地浸滤。进一步地，通过使用DLC材料遮蔽切割元件，DLC屏蔽罩提供了对浸滤酸、和对增加的工艺温度和压力的抵抗能力，同时也能够与切割元件形成强的结合。

虽然本发明参看有限数量的实施例进行了描述，但受益于本公开，本领域技术人员将理解，能够设计出其它的实施例而不脱离如本文公开的本发明的范围。因此，本发明的保护范围应仅由所附权利要求限制。

Claims (24)

1.一种切割元件，包括：

多晶金刚石层，其包括：

切割面；以及

金刚石层侧表面；

基体，其附着至所述多晶金刚石层，该基体包括：

底表面；以及

基体侧表面；以及

接合面，其位于所述金刚石层与所述基体之间；以及

屏蔽罩，其至少覆盖所述切割元件的所述底表面和所述基体侧表面。

2.根据权利要求1所述的切割元件，其中，所述屏蔽罩是可移除的。

3.根据权利要求1所述的切割元件，其中，所述屏蔽罩包括类金刚石碳。

4.根据权利要求1所述的切割元件，其中，所述屏蔽罩包括耐化学空气干燥油墨。

5.根据权利要求1所述的切割元件，其中，所述屏蔽罩包括耐化学紫外线固化油墨。

6.根据权利要求1所述的切割元件，其中，所述屏蔽罩包括聚四氟乙烯。

7.根据权利要求1所述的切割元件，其中，所述屏蔽罩被密封至所述切割元件。

8.根据权利要求1所述的切割元件，其中，所述屏蔽罩包括顶端，所述顶端大体上平行于所述切割面。

9.根据权利要求1所述的切割元件，其中，所述屏蔽罩包括顶端，所述顶端是非平面的。

10.一种用于浸滤切割元件的方法，包括：

提供切割元件，所述切割元件包括基体和附着至所述基体的多晶金刚石层；

使用屏蔽罩至少遮蔽所述切割元件的基体部分，留下所述切割元件的所述金刚石层的未遮蔽部分；

将被遮蔽的切割元件放置在浸滤剂中，其中，至少所述切割元件的未遮蔽部分接触所述浸滤剂；以及

从所述浸滤剂中取出所述被遮蔽的切割元件。

11.根据权利要求10所述的方法，进一步包括移除所述屏蔽罩。

12.根据权利要求10所述的方法，其中，所述将被遮蔽的切割元件放置在浸滤剂的步骤进一步包括将所述被遮蔽的切割元件保持在适当位置。

13.根据权利要求12所述的方法，其中，所述被遮蔽的切割元件由磁性捕获装置保持在适当位置。

14.根据权利要求10所述的方法，其中，所述屏蔽罩包括类金刚石碳。

15.根据权利要求10所述的方法，其中，所述屏蔽罩包括选自以下的材料：耐化学空气干燥油墨和耐化学紫外线固化油墨。

16.根据权利要求10所述的方法，其中，所述屏蔽罩包括设定屏蔽罩。

17.根据权利要求10所述的方法，其中，遮蔽步骤包括通过注塑成型用屏蔽罩材料包围所述切割元件。

18.一种浸滤切割元件的方法，包括：

提供切割元件，其包括基体和附着至所述基体的多晶金刚石层；

至少将所述切割元件的基体部分安装在预形成的屏蔽罩中，留下所述切割元件的所述金刚石层的未遮蔽部分；

将切割元件放置在浸滤剂中，其中，至少所述切割元件的未遮蔽部分接触所述浸滤剂；以及

从所述浸滤剂中取出所述切割元件。

19.根据权利要求18所述的方法，其中，所述安装步骤进一步包括：

将所述预形成的屏蔽罩和所述切割元件放置在真空中且加热所述预形成的屏蔽罩，以紧固围绕所述切割元件的所述预形成的屏蔽罩。

20.根据权利要求18所述的方法，进一步包括密封所述预形成的屏蔽罩至所述切割元件。

21.根据权利要求18所述的方法，进一步包括移除所述预形成的屏蔽罩。

22.根据权利要求18所述的方法，所述预形成的屏蔽罩包括聚氯乙烯。

23.根据权利要求18所述的方法，其中，所述将切割元件放置在浸滤剂中的步骤进一步包括将所述切割元件保持在适当位置。

24.根据权利要求23所述的方法，其中，被遮蔽的切割元件由磁性捕获装置保持在适当位置。

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