CN104395547A - 具有多晶立方体氮化硼过渡层的热稳定多晶金刚石 - Google Patents

Abstract

本公开涉及包含用于地下钻井应用的多晶金刚石体的切割工具，更具体地讲，涉及一种接合到基体以形成切割元件的热稳定多晶金刚石体。热稳定多晶金刚石体可以是无结合剂多晶金刚石或非金属催化剂多晶金刚石。同样还提供了一侧结合到多晶金刚石体、另一侧结合到基体的多晶立方体氮化硼层。

Description

具有多晶立方体氮化硼过渡层的热稳定多晶金刚石

背景技术

超硬材料通常被用在切割工具和岩石钻井工具中。多晶金刚石材料就是其中一种这样的超硬材料，并且以其良好的耐磨性和硬度而闻名，这使其成为在诸如用于机加工的切割工具以及在地下采矿和钻井中使用的切割元件的工业应用中普遍选择的材料。

为了形成多晶金刚石，金刚石颗粒在高压和高温下烧结(HPHT烧结)以产生超硬多晶结构。在烧结之前将催化剂材料添加到金刚石颗粒混合物中和/或在烧结过程中渗透金刚石颗粒混合物以在HPHT烧结过程中提高金刚石晶体的共生，从而形成多晶金刚石(PCD)结构。通常用作催化剂的金属从选自元素周期表VIII组的溶剂金属催化剂的组中选取，包括钴、铁和镍以及它们的组合和合金。在HPHT烧结之后，产生的PCD结构包括彼此结合的相互连接的金刚石晶体网，其中，催化剂材料占据结合的金刚石晶体之间的间隙空间或孔。金刚石颗粒混合物可以在基体存在的情况下烧结，以形成结合到基体的PCD体。基体还可以用作在烧结过程中渗透到金刚石颗粒混合物中的金属催化剂的源。

用于特定应用的PCD体所期望具有的特性为在磨损或切割操作过程中提高的热稳定性。传统的PCD体已知存在的问题在于，当它们暴露于升高的温度时容易热降级。这种易损性是由存在于分布在PCD体内的间隙内的溶剂金属催化剂材料的热膨胀特性和晶间结合的金刚石的热膨胀特性之间的差引起的。这种热膨胀差公知从低到400℃的温度开始，同时能够引发对金刚石的晶间结合产生不利影响的热应力并且最终导致产生使PCD结构易于受损的裂缝。此外，溶剂金属催化剂已知能够在金刚石内引起不期望的随着温度升高而发生的催化相变(将其转化成一氧化碳、二氧化碳或石墨)，由此限制了PCD体在大约750℃下的实际使用。

在高温下提高性能的热稳定PCD材料已经取得了发展。然而，其难以在热稳定PCD材料和基体之间形成用于连接到切割工具的结合。

发明内容

本公开涉及包含用于地下钻井应用的多晶金刚石体的切割工具，更具体地讲，涉及一种接合到基体以形成切割元件的热稳定多晶金刚石(PCD)体。

在一个实施例中，切割元件包括热稳定多晶金刚石体。热稳定PCD体可以是无结合剂PCD或非金属催化剂PCD，例如碳酸盐PCD。同样还提供了一侧结合到PCD体、另一侧结合到基体的PCBN层。在一个实施例中，提供了一种用于将热稳定多晶金刚石体接合到基体的方法。该方法包括形成热稳定PCD体，其可以是无结合剂PCD或非金属催化剂PCD。该方法包括将热稳定多晶金刚石体结合到多晶立方体氮化硼体上，并且将多晶立方体氮化硼体结合到碳化物基体上。

本发明内容用于介绍在下面的详细说明中进一步描述的选取的概念。本发明内容不是用于确定要求保护的主题的关键或本质特征，也不是用于帮助限定要求保护的主题的范围。

附图说明

热稳定PCD材料的实施例参照所附的图进行描述。在全部的附图中相同的附图标记指代相同的特征和部件。

图1示出了根据一个实施例的热稳定碳酸盐PCD材料的一个区域。

图2示出了根据一个实施例的热稳定无结合剂PCD材料的一个区域。

图3示出了根据一个实施例的包含热稳定PCD体的切割元件。

图4示出了根据一个实施例的包含热稳定PCD体的切割元件。

图5示出了根据一个实施例的包含热稳定PCD体的切割元件。

图6示出了根据一个或多个实施例的用于将热稳定PCD体结合到基体的示例性方法。

图7示出了根据一个或多个实施例的用于将热稳定PCD体结合到基体的示例性方法。

图8示出根据一个实施例的包含切割元件的示例性装置。

具体实施方式

本公开涉及包含用于地下钻井应用的多晶金刚石材料的切割工具，更具体地，涉及一种接合到基体以形成切割元件的热稳定多晶金刚石(PCD)体。在一个实施例中，热稳定PCD材料可以是非金属催化剂PCD，或者无结合剂PCD。PCD体通过多晶立方体氮化硼(PCBN)过渡层结合到碳化物基体上。PCBN过渡层提供与热稳定PCD体和碳化物基体两者的结合。

后面公开的内容涉及各种实施例。公开的实施例具有广泛的应用，并且对任何实施例的讨论仅仅是为了说明该实施例，而不是意味着公开的范围，包括权利要求，被限定在该实施例或者该实施例的特征。

在后面整个说明书和权利要求中，特定的术语指代具体的特征或部件。如本领域技术人员能够意识到的，不同的人会使用不同的名字来指代相同的特征或部件。本文献并不是用于区分仅仅是名字不同的部件或特征。附图并不一定要成比例。在这里，特定的特征和部件可以被示出按比例放大或在某种程度上只是示意性的并且为了清晰和简明起见，常规元件的一些细节并没有示出。

如这里所使用的，为了方便起见，多个对象、结构元件、组成元件和/或材料可以列在同一个列表中。然而，这些列表应该被理解为好像每个列表部分被独立地确定为单独且唯一的部分。因此，任何一个单独的这种列表部分不应该仅仅基于它们出现在同一个组中而没有相反的标记而被理解为实际上与相同列表里的任何其它部分相当。

作为参考被包含在这里任何专利、公开或其它公开材料的整体或部分的范围仅限于包含的材料不会与在本公开中提出的现有的限定、说明或其它公开材料相冲突。如此以及对于必须的范围来说，这里提出的公开替代通过引用包含于此的任何冲突材料。作为参考被包含在这里但是与这里提出的现有的限定、说明或其它公开材料相冲突的任何材料或其部分被包含在这里的范围仅仅限于在包含的材料和现有的公开材料之间不会发生冲突的范围。

为了清晰起见，如这里使用的，术语“传统的PCD”所指的是在HPHT烧结过程中使用传统的金属催化剂形成的传统的多晶金刚石，这种多晶金刚石形成这种结合的金刚石晶体的微结构，其中，金属催化剂材料占据结合的金刚石晶体之间的间隙空间或孔。

“非金属催化剂PCD”所指的是在HPHT烧结过程中使用非金属催化剂形成的PCD材料，其形成结合的金刚石晶体的微结构，其中，非金属催化剂占据结合的金刚石晶体之间的间隙空间或孔。非金属催化剂的例子包括碳酸盐、硫酸盐(例如，MgSO₄)、氢氧化物(例如，Mg(OH)₂)以及氧化铁(例如，FeTiO3)。碳酸盐催化剂可以是任何I类或II类(Group I或者Group II)碳酸盐，例如碳酸镁、碳酸钙、碳酸锂或碳酸钠，或碳酸盐的组合。“无结合剂PCD”所指的是不使用催化剂形成的多晶金刚石基体，例如通过在超高压力和温度下将石墨直接转换成金刚石。这里使用的“热稳定PCD”所指的是非金属催化剂PCD或无结合剂PCD。在一个实施例中，热稳定PCD选自基本上由无结合剂PCD和非金属催化剂PCD构成的组。

在一个实施例中，热稳定PCD材料为非金属催化剂PCD，例如碳酸盐PCD。在烧结前，非金属催化剂与金刚石粉末混合，并且在烧结过程中促进金刚石晶体的增长。当使用非金属催化剂时，金刚石在多晶金刚石形式中随着温度上升到1200℃还保持稳定，而不是转换成二氧化碳、一氧化碳或石墨。因此，非金属催化剂PCD是热稳定的。

在另一个实施例中，非金属催化剂PCD由大约90-98％金刚石(体积比)以及非金属催化剂材料构成，总的理论密度至少为98％，并且在另一个实施例中至少为99％。碳酸盐PCD材料10的一个区域在图1中示意性地示出。碳酸盐PCD材料10具有多晶微结构，其包括彼此结合的多个金刚砂或晶体12，在金刚石晶体12之间具有间隙空间或孔。

这种多晶微结构通过使金刚石粉末在具有碳酸盐催化剂(或者，在其它实施例中，为另一种非金属催化剂)的情况下经受HPHT烧结过程而形成。在一个实施例中，HPHT烧结过程包括施加大约70kbar或更大的压力以及大约2000到2500℃的温度。在这种温度和压力下，非金属催化剂材料融化且渗透通过金刚石粉末混合物。催化剂促进了金刚石晶体在HPHT烧结过程中的生长，从而形成了碳酸盐PCD。由此产生的是碳酸盐PCD材料，其中，碳酸盐催化剂材料16占据金刚石晶体12之间的间隙空间14。在一个实施例中，碳酸盐PCD材料中的金刚石晶体12的尺寸大约为1-50微米，并且通过了至少90％的金刚石体积含量。在另一个实施例中，碳酸盐PCD的金刚石体积含量为至少95％。在另一个实施例中，金刚石晶体12的尺寸小于1微米。

在一个实施例中，热稳定PCD材料为无结合剂PCD。无结合剂PCD是不使用催化剂材料形成的。产生的金刚石材料具有均匀的晶间金刚石微结构，在金刚石晶体间没有散布有催化剂材料。由此，无结合剂金刚石体不存在金刚石和催化剂之间的热膨胀差。无结合剂PCD是热稳定的。

根据本公开的一个实施例，无结合剂PCD材料20的一个区域示意性地在图2中示出。无结合剂PCD材料20具有多晶微结构，其包括彼此结合的多个金刚砂或晶体22。如图2所示，这种材料微结构基本上没有位于金刚石晶体22之间的缝隙或间隙空间。金刚石晶体22彼此直接结合到一起。无结合剂PCD材料20基本上为纯碳，其中，金刚石的体积比例大于99％。在金刚石晶体22之间基本上没有结合剂相或催化剂材料。

这种无结合剂PCD材料20被描述为“基本上”没有缝隙和间隙空间，并且“基本上”为100％的金刚石，以考虑无结合剂PCD材料20内可能具有小的缺陷和偏差，在一些金刚石晶体之间可能留下小的缝隙或空间。在一个实施例中，无结合剂PCD材料的材料微结构的金刚石体积含量至少为98％，在另一个实施例中至少或大约为99％，在另一个实施例中至少或大约为99.5％，在另一个实施例中至少或大约为99.8％，在另一个实施例中至少或大约为99.9％，在另一个实施例为100％。在一个实施例中，无结合剂PCD材料20具有细粒度金刚石晶粒尺寸，例如平均金刚石晶粒尺寸小于1微米，例如大约50nm或更小。无结合剂PCD也可称作“纳米PCD”。在其它实施例中，无结合剂PCD材料20的平均晶粒尺寸为大约1-30微米。

为了形成诸如图2所示的材料20的无结合剂金刚石材料，成石墨、巴克球(buckeyballs)或其它碳结构的形式的碳在没有催化剂材料的条件下经受HPHT烧结过程。在一个实施例中，该过程包括在超高温度和压力下进行HPHT烧结，该温度和压力高于在形成PCD的传统HPHT烧结过程中施加的温度和压力。在一个实施例中，该压力位于大约100-160kbar，例如大约150kbar，并且该温度大约为2200-2300℃。例如，当烧结石墨时，压力可以是大约150kbar，或者大约150-160kbar。当烧结其它类型的碳、例如巴克球或其它复杂碳结构时，压力可为大约110-120kbar。作为参考，传统的用于形成PCD的HPHT烧结可以在大约50-60kbar的压力下进行。

该方法将石墨(或其它碳形式)相转换成多晶金刚石。也就是说，在HPHT烧结过程中，无需借助催化材料的帮助就可以将石墨转换成多晶金刚石。一旦HPHT烧结完成，形成热稳定多晶金刚石基质，其包括如上所述的彼此结合到一起、基本上没有间隙空间的金刚石晶体。

在另一个实施例中，热稳定无结合剂金刚石材料20通过在化学气相沉淀(CVD)过程中沉积层而形成，用于形成具有基本上为100％的金刚石体积含量的无结合剂PCD材料。该CVD过程通过在反应环境中加热气体先质而进行，这使得先质在基体的表面上反应或分解，形成想要的沉淀。该过程在基体上生成金刚石晶体。

无结合剂PCD材料20由于其均匀的金刚石含量，因而天性就是热稳定的。无结合剂PCD材料20具有一种相态，因此不存在材料的不同相态间的热膨胀差。因此，由这种无结合剂PCD材料20形成的金刚石体即使在高的温度下也具有高强度，而传统的PCD由于金刚石和催化剂相之间具有不同的膨胀性而会遭受热降级。

在一个实施例中，热稳定PCD体(例如无结合剂PCD或非金属催化剂PCD)通过如图3所示的多晶立方体氮化硼(PCBN)过渡层连接到基体上。图3示出了包含结合到基体34的超硬体32的切割元件30。该超硬体32包括热稳定PCD体36和PCBN体或层38。PCBN体38用作热稳定PCD体36和基体34之间的过渡层。

PCBN层38有助于热稳定PCD体36和基体34之间的结合。如上所述，根据公开的实施例，热稳定PCD体36在无传统催化剂材料、例如钴的情况下形成。作为对比，在形成传统的PCD时，在HPHT烧结过程中被用于帮助金刚石生长的金属溶剂催化剂也在基体和传统的PCD体之间形成结合。然而，对于热稳定PCD体36而言，没有这种金属溶剂催化剂在热稳定PCD体和基体之间形成结合。

将热稳定PCD体直接结合到基体上是一个挑战。无结合剂PCD基本上在结合的金刚石晶体之间没有间隙空间(参见图2)，并且非金属催化剂PCD包括占据空间的非金属催化剂(参见图1)。因此，热稳定PCD体基本上没有空的间隙空间可像传统的HPHT烧结过程中那样被在基体和PCD体之间流动的结合材料(例如金属溶剂催化剂)填充。此外，将PCD体硬焊到基体可能在高硬焊温度下进行焊接的过程中使金刚石表面石墨化。石墨不会在基体和PCD体之间形成牢固的结合。此外，尝试将非金属催化剂金刚石粉末混合物直接烧结到传统的基体上可能导致基体的金属渗透到金刚石粉末层中，取代非金属催化剂。例如，当使用碳酸盐催化剂时，基体的钴可能渗透到金刚石粉末层中，因为钴的融化温度比碳酸盐低。这种渗透可能降低PCD体的热稳定性。

根据一个实施例，可以通过在热稳定PCD体和基体之间设置PCBN体而形成结合。PCBN层用作能够同时结合到热稳定PCD体和基体的过渡层。在一个实施例中，PCBN层硬焊到基体。硬焊材料与PCBN材料反应，沿着PCBN晶粒表面形成硼化物和氮化物层。这在PCBN层和基体之间形成牢固的化学结合。

参照图3，PCBN体38被设置用于提高热稳定PCD体36和基体34之间的结合。在一个实施例中，PCBN层38被设置为位于热稳定PCD体36和基体34之间的圆柱形体或盘。热稳定PCD体36包括具有切割边缘42的顶部或工作表面40。与工作表面40相反的是交界面44，热稳定PCD体36在这里与PCBN层38接触。在PCBN体的相反侧上为与基体的第二交界面46。PCBN层38具有相反的顶部和底部表面，顶部表面与热稳定PCD体36在交界面44处接触，底部表面与基体34在第二交界面46处接触。

PCBN层可以是金属结合PCBN、陶瓷结合PCBN或者无结合剂PCBN(具有微量六方氮化硼的立方体氮化硼，其由六方碳化硼直接烧结转变得到)。PCBN可以通过HPHT烧结，或者通过CVD工艺在热稳定PCD的表面上形成PCBN材料涂层形成。

PCBN体可以与热稳定PCD体和基体以各种方式结合。在一个实施例中，热稳定PCD体和PCBN体通过HPHT烧结形成，PCBN体随后硬焊到基体上。HPHT烧结可在一个或两个过程中进行。在另一个实施例中，PCBN体可以通过HPHT烧结结合到基体上。

在一个实施例中，热稳定PCD体和PCBN体在一个HPHT烧结过程中被烧结到一起。例如，金刚石粉末与非金属催化剂混合，并且接着在罐中与CBN粉末(具有合适的金属或陶瓷结合剂)相邻放置。该罐接着经受HPHT烧结条件以形成结合到一起的热稳定PCD和PCBN。在HPHT烧结过程中，在热稳定PCD体和PCBN体之间形成结合。在一个实施例中，PCBN与陶瓷结合剂(例如钛结合剂)一起烧结。陶瓷结合剂与CBN反应以在CBN层内形成反应结合，从而形成PCBN。结合还发生在CBN和金刚石层之间的交界面处。当超硬体被冷却时，PCBN体和热稳定PCD体被烧结并且结合到一起。在另一个实施例中，PCBN与金属结合剂、例如钴一起烧结。在HPHT烧结过程中，钴结合剂熔化并且流过CBN层，这促进了PCBN的形成。钴可以到达与金刚石层的交界面，并且润湿金刚石的表面以在金刚石和PCBN之间形成结合。在一个实施例中，无结合剂PCD和无结合剂PCBN还可以在一个超高压力HPHT烧结过程中被烧结和结合到一起。

在一个实施例中，PCBN层还可包括PCD。在这种情况下，通过金刚石粉末和CBN粉末以及结合剂材料的混合物形成该层。在HPHT烧结过程中，CNB粉末形成PCBN，并且金刚石粉末形成PCD，这产生结合到热稳定PCD层的PCBN和PCD的混合层。采用CBN粉末通过HPHT烧结形成PCBN在现有技术中有很多记载。

在一个实施例中，热稳定PCD体和PCBN体在两个单独的HPHT烧结过程中被烧结到一起。热稳定PCD在形成非金属催化剂PCD或无结合剂PCD的第一HPHT烧结过程中形成。随后，热稳定PCD体与CBN粉末(以及合适的结合剂)组合并且被放入压机中。接着进行第二HPHT烧结过程将CBN转换成PCBN并且将PCBN结合到热稳定PCD。在一个实施例中，PCBN与陶瓷结合剂(例如钛基结合剂)一起烧结。第二HPHT烧结过程产生结合到热稳定PCD体的PCBN层。在热稳定PCD和PCBN体形成并且结合到一起之后，PCBN接着被硬焊到基体以形成切割元件。

在一个实施例中，热稳定PCD体、PCBN体以及基体在一个HPHT烧结过程中被烧结到一起。例如，金刚石粉末与非金属催化剂混合，并且接着被放置成与CBN粉末(具有合适的金属或陶瓷结合剂)相邻，CBN粉末在罐中被放置成与基体相邻。该罐接着经受HPHT烧结条件以形成结合到与基体结合的PCBN层的热稳定PCD。在HPHT烧结过程中，钴可以从基体渗透到PCBN层中。钴的渗透深度可小于PCBN层的厚度，使得钴不会到达金刚石层。在一个实施例中，钴可以被允许到达金刚石层，并且在一个实施例中甚至可以部分渗透进入金刚石层中。

根据一个实施例的切割元件31如图4所示。切割元件31包括结合到基体34的热稳定PCD体36，在二者之间具有PCBN体38。在图4中，PCBN体38通过硬焊层48被结合到基体34。硬焊层48可包括活性硬焊材料(例如钛、硅或其它碳化物或氧化物成分)或者钝性硬焊材料。活性和钝性硬焊材料是本领域公知的。

图3和4所示的切割元件包括超硬体，超硬体包含有热稳定PCD体用以形成超硬体的切割边缘或工作表面的至少一部分。在一个实施例中，热稳定PCD体形成超硬体的工作表面和/或切割边缘的至少一部分，例如至少5％的切割边缘(对金刚石体的圆周进行测量)。例如，如下面参照图5更详细描述的，热稳定PCD体36A可以形成超硬体的工作表面和/或切割边缘的一部分。

根据一个实施例的切割元件33在图5中示出。切割元件33包括结合到基体34的超硬体32。超硬体32包括结合到PCBN体38的一个或多个热稳定PCD体36、36A。热稳定PCD体被PCBN体38部分(36A)或完全(36)包围，并且可形成或可不形成超硬体32的切割边缘42的一部分。超硬体32可以通过预形成热稳定PCD体36、36A(例如通过HPHT烧结)、接着将它们如期望地设置在CBN粉末层中或内并且使组合体经历HPHT烧结过程以形成PCBN和将热稳定PCD体36、36A结合到PCBN体38来形成。这种HPHT烧结过程可以在具有基体34的情况下进行，或者超硬体32可随后例如通过硬焊结合到基体34。

基体34可选自包括金属材料、陶瓷材料、金属陶瓷材料及它们组合的组。例子包括碳化物，例如WC、W 2C、TiC、VC。在一个实施例中，基体可以由烧结碳化钨形成。

如上所述，热稳定PCD体和PCBN体可在一个HPHT烧结过程中形成在一起，或者热稳定PCD体可以在第一HPHT烧结过程中形成，并且可在第二HPHT烧结过程中被结合到PCBN体。其它各种变化也是可以的。例如，可以首先形成热稳定PCD体(如上所述，通过HPHT烧结，或者无结合剂PCD的CVD沉积)，PCBN层接着可以通过CVD工艺在热稳定PCD体的表面上形成。在CVD工艺中，活性气体在基体上形成氮化硼的立方体相并且生长。

当PCBN通过HPHT烧结形成时，HPHT烧结可以在具有基体的情况下进行以将PCBN体结合到基体上。PCBN体可以与陶瓷结合剂或金属结合剂，或者它们的混合物一起烧结。当使用陶瓷和金属结合剂的混合物时，它们可以均匀或非均匀地分布在PCBN层中，例如在与基体相邻的地方提供更高的金属结合剂浓度，在与PCD体相邻的地方提供更高的陶瓷结合剂浓度。当使用金属结合剂(例如钴)时，其可从相邻的基体渗透到PCBN层中。钴流动通过PCBN层且在基体和PCBN体之间形成整体的结合。当钴到达热稳定PCD体时，由于在热稳定PCD体内基本上没有空的间隙空间，因此能够基本上或完全防止其流到PCD体中。在一个实施例中，钴沿着PCBN层和热稳定PCD体之间的交界面流动且沿着交界面形成结合。当切割元件被冷却时，钴被固定到位，沿着PCBN体和热稳定PCD体之间的该交界表面被结合。

图6示出了根据一个实施例的将热稳定PCD体结合到碳化物基体的方法。该方法包括形成热稳定PCD体102。这可包括形成非金属催化剂PCD体(104)或者形成无结合剂PCD体(106)。如上所讨论的，形成非金属催化剂PCD(104)可包括在具有非金属催化剂的情况下HPHT烧结金刚石颗粒。形成无结合剂PCD(106)可包括使碳经历没有催化剂材料的超高HPHT烧结过程，或者在化学气相沉积(CVD)过程中沉积金刚石层。在每种情况下，可以形成一个或多个热稳定PCD体，用于结合到切割元件中(例如，参见图3-5)。

该方法还包括将热稳定PCD体结合到PCBN体(108)。在一个实施例中，形成热稳定PCD体(102)与将PCD体结合到PCBN体(108)同时进行，例如在单个HPHT烧结过程中。例如，金刚石粉末和非金属催化剂的混合物可以与CBN粉末(以及选取的催化剂)组合并且经历HPHT烧结过程。HPHT烧结过程在两个体中的每一个中产生多晶结构，并且将它们结合到一起。热稳定PCD体形成为与PCBN体相邻。作为另一个例子，在一个实施例中，金刚石粉末和非金属催化剂的混合物与预烧结的PCBN体组合，并且经历HPHT烧结过程。金刚石粉末由此被烧结到PCBN体的表面上，这形成结合到PCBN体的热稳定PCD体。

在一个实施例中，形成热稳定PCD体(102)在将热稳定PCD体结合到PCBN体(108)之前进行。热稳定PCD体可以单独地在第一操作中形成，例如在第一HPHT烧结过程，或第一CVD过程中。热稳定PCD体接着在一个单独的过程，例如HPHT烧结过程或CVD过程中被结合到PCBN体。

再次参照图6，该方法还包括将PCBN体结合到基体(110)。在一个实施例中，这包括将PCBN体硬焊到基体。硬焊在热稳定PCD体已经结合到PCBN体之后进行。

在一个实施例中，将热稳定PCD体结合到PCBN体与将PCBN体结合到基体同时进行。例如，这可包括在具有基体的情况下HPHT烧结PCBN体。热稳定PCD体可以放置成挨着或被CBN粉末层包围，CBN粉末层放置成挨着基体。该组合物经历HPHT烧结过程。HPHT烧结过程产生同时结合到热稳定PCD体和基体的PCBN。

图7示出了一种示例性的方法。该方法包括获取热稳定PCD体(114)。热稳定PCD体可以是非金属催化剂PCD或无结合剂PCD。该方法包括将热稳定PCD体HPHT烧结到PCBN体(116)或者在具有基体的情况下将热稳定PCD体HPHT烧结到PCBN体(118)。对于前者，热稳定PCD体被放置在具有CBN颗粒的罐中，按照期望的用于超硬体的配置放置。也就是说，PCD体可以设置在CBN层的一侧上，或者可以部分或完全地被CBN层包围(参见图5)。组合物接着被HPHT烧结，这形成PCBN并且在热稳定PCD体和PCBN体之间形成结合。接着，该方法包括将PCBN体硬焊到基体120(120)。

对于后一方法，HPHT烧结过程在具有基体的情况下进行(118)。在这种情况下，HPHT烧结过程产生两种结合-位于PCBN体和热稳定PCD体之间的第一结合，以及位于PCBN体和基体之间的第二结合。

在另一个实施例中，该方法包括获取热稳定PCD体(114)，所述热稳定PCD体可以是非金属催化剂PCD或无结合剂PCD。该方法还包括将热稳定PCD体烧结到传统的PCD体上。该方法进一步包括将传统的PCD体HPHT烧结到PCBN体(116)上或者在具有基体的情况下(118)将传统的PCD体HPHT烧结到PCBN体(116)。随后，该方法包括将PCBN体硬焊到基体上(120)。

图3-5所示的超硬体被形成为结合到切割工具中的切割元件。图8示出了包含切割元件的刮刀钻头50，切割元件包括通过PCBN层结合到基体的热稳定PCD体。刮刀钻头50可包括多个切割元件30，每一个均连接到沿着刮刀钻头延伸的刀片52。刮刀钻头可以被用于高温岩石钻井作业。在其它实施例中，其它类型的钻井或切割工具包含具有形成切割元件的切割边缘的至少一部分的热稳定PCD体的切割元件，例如旋转式或滚轮式牙轮钻头，或者冲击或锤式钻头。在一个实施例中，切割元件为剪切切割器。

尽管本公开已经参照有限数量的实施例进行了描述，但享有本公开的益处的本领域技术人员可意识到，可以得出其它实施例和修改而实质上不会脱离本公开的范围。这些实施例和修改被包括在如所附的权利要求所限定的本公开的范围内。

尽管上面仅对少数示例性实施例进行了详细描述，但本领域技术人员可容易地意识到，在示例性实施例中进行许多修改是可能的而实质上不会脱离本公开。因此，全部的这些修改没有实质性地脱离本发明。因此，全部的这些修改都被包括在所附的权利要求中限定的本公开的范围内。本申请明确不引用35U.S.C.112,段落6对这里的任何权利要求进行限制，除了权利要求明确表示将“用于…的装置”与相关的功能一起使用。

Claims (20)

1.一种切割元件，包括：

包括材料微结构的至少一个热稳定多晶金刚石体，所述材料微结构包括结合到一起的多个金刚石晶体，其中，热稳定多晶金刚石体选自实质上由无结合剂多晶金刚石体和非金属催化剂多晶金刚石体构成的金刚石体的组；

包括多晶立方体氮化硼的多晶立方体氮化硼层，所述多晶立方体氮化硼层被结合到热稳定多晶金刚石体且具有交界表面；以及

基体，

其中，多晶立方体氮化硼层的交界表面被结合到基体。

2.权利要求1的切割元件，其中，所述至少一个热稳定多晶金刚石体包括非金属催化剂多晶金刚石体，其中，非金属催化剂材料选自实质上由碳酸盐、硫酸盐、氢氧化物以及氧化铁构成的组，并且材料微结构进一步包括位于金刚石晶体之间的间隙区域，所述非金属催化剂材料占据所述间隙区域。

3.权利要求1的切割元件，其中，所述至少一个热稳定多晶金刚石体包括无结合剂多晶金刚石。

4.权利要求3的切割元件，其中，无结合剂多晶金刚石包括至少98％的金刚石体积含量。

5.权利要求1到4任意一项的切割元件，其中，多晶立方体氮化硼层通过硬焊层被结合到基体。

6.权利要求1到4任意一项的切割元件，其中，多晶立方体氮化硼层通过高压高温烧结被结合到基体。

7.权利要求1到6任意一项的切割元件，其中，多晶立方体氮化硼层包括多晶立方体氮化硼和多晶金刚石的混合物。

8.权利要求1到7任意一项的切割元件，其中，所述至少一个热稳定多晶金刚石体包括多个金刚石体，其中至少一个金刚石体被多晶立方体氮化硼层包围。

9.权利要求1到7任意一项的切割元件，其中，所述至少一个热稳定多晶金刚石体包括顶部表面、与顶部表面相接的切割边缘以及与顶部表面相反的底部表面，其中，热稳定多晶金刚石体的底部表面被结合到多晶立方体氮化硼层。

10.权利要求1到9任意一项的切割元件，其中，多晶立方体氮化硼层包括陶瓷结合剂或金属结合剂。

11.一种剪切切割器，包括：

热稳定多晶金刚石体，包括：

交界表面；

与交界表面相反的顶部表面；

处于顶部表面处的切割边缘；以及

包括结合到一起的多个金刚石晶体的材料微结构；

具有相反的第一和第二表面的多晶立方体氮化硼过渡层；

位于多晶立方体氮化硼过渡层的第一表面与多晶金刚石体的交界表面之间的第一结合部；

基体；以及

位于多晶立方体氮化硼过渡层的第二表面与基体之间的第二结合部，

其中，热稳定多晶金刚石体选自实质上由无结合剂多晶金刚石体和非金属催化剂多晶金刚石体构成的金刚石体的组。

12.权利要求11的剪切切割器，其中，第一结合部包括陶瓷结合剂。

13.权利要求11或12的剪切切割器，其中，第二结合部包括硬焊部。

14.权利要求11或12的剪切切割器，其中，第二结合部通过高压高温烧结形成。

15.一种用于将热稳定多晶金刚石体接合到基体的方法，包括：

将热稳定多晶金刚石体结合到多晶立方体氮化硼体；以及

将多晶立方体氮化硼体结合到基体。

16.权利要求15的方法，进一步包括：通过在高温和高压下烧结金刚石颗粒和非金属催化剂以形成非金属催化剂热稳定多晶金刚石来形成热稳定多晶金刚石体。

17.权利要求15的方法，进一步包括：通过使碳在没有催化剂材料的情况下经历超高压、高温烧结过程以形成无结合剂热稳定多晶金刚石来形成热稳定多晶金刚石体。

18.权利要求15到17任意一项的方法，其中，将热稳定多晶金刚石体结合到多晶立方体氮化硼体包括在高温和高压下烧结与立方体氮化硼颗粒接触的热稳定多晶金刚石体。

19.权利要求15到18任意一项的方法，其中，将多晶立方体氮化硼体结合到碳化物基体包括使用硬焊。

20.权利要求15到18任意一项的方法，其中，将多晶立方体氮化硼体结合到碳化物基体包括在高温和高压下烧结与基体接触的立方体氮化硼颗粒。