CN106573308A - 一种制造热稳定多晶超硬构件的方法 - Google Patents

Abstract

一种制造热稳定的多晶超硬构件的方法，该构件具有多个交互结合的超硬颗粒和设置其间的间隙区域，以形成具有第一热稳定区域和第二区域的多晶超硬构件，所述第一热稳定区域形成所述构件的部分工作表面的至少一部分，所述方法包括用浸出混合物处理多晶超硬材料以从第一区域中的多个间隙区域去除非超硬相材料。所述处理步骤包括沿着周侧表面的至少一部分向工作表面和/或在所述工作表面处掩蔽多晶超硬构件，以抑制浸出混合物通过超硬构件的周侧表面渗透到超硬构件。该材料优选是PCD，多晶金刚石，并且优选地在形成斜面之后进行浸出。

Description

一种制造热稳定多晶超硬构件的方法

技术领域

本发明涉及一种制造热稳定多晶超硬构件的方法，所述多晶超硬构件包括多晶超硬材料主体，例如多晶金刚石材料(PCD)。

背景技术

用于机械加工(machining)的切削器嵌件(cutter insert)和其他工具可以包含结合到烧结碳化物基底的多晶金刚石(PCD)层。PCD是超硬材料的示例，也被称为超研磨材料。

包含PCD的组件可用于各种切削(cutting)、机械加工、钻孔(drilling)或破碎(degrading)硬质或研磨材料如岩石、金属、陶瓷、复合材料和含木材料的工具中。PCD包含大量基本上共生的金刚石颗粒(grain)，所述金刚石颗粒形成限定金刚石颗粒之间的间隙的骨骼体(skeletal mass)。PCD材料典型地包含占其体积至少约80％的金刚石并且可以通过使金刚石颗粒的聚集团块(aggregated mass)在烧结助剂的存在下经受大于约5GPa，例如约5.5GPa的超高压力和至少约1200℃，典型地约1440℃的温度来制造，所述烧结助剂也被称为用于金刚石的催化剂材料。用于金刚石的催化剂材料可以理解为是在金刚石在热力学上比石墨更稳定的压力和温度条件下能够促进金刚石颗粒的直接共生的材料。

用于金刚石的催化剂材料经常包括VIII族元素并且常见示例是钴、铁、镍和包括任何这些元素的合金的某些合金。PCD可以在钴-烧结碳化钨基底上形成，该基底可以为PCD提供钴催化剂材料的来源。在PCD材料主体烧结期间，烧结-碳化物基底的组分如在钴-烧结碳化钨基底的情况下的钴液化并从邻近金刚石粒子(particle)的体积(volume)的区域快速移动(sweep)到金刚石粒子之间的间隙区域中。在该示例中，钴充当催化剂来促进结合(bonded)金刚石颗粒的形成。可选择地，金属-溶剂催化剂可以在金刚石粒子和基底经受HPHT过程之前与金刚石粒子混合。在PCD材料内的间隙可以至少部分地填充有催化剂材料。共生的金刚石结构(structure)因此包含原始金刚石颗粒和新沉淀的或重新生长的金刚石相，该金刚石相桥接(bridge)原始颗粒。在最终的烧结结构中，催化剂/溶剂材料通常会残留在存在于烧结金刚石颗粒之间的至少一些间隙中。

已知的与这种传统PCD坯块(compact)共存的问题是当在切削和/或磨损应用期间被暴露在高温下时，它们易遭受热降解。有人认为这是由于，至少部分由于在显微结构的间隙中存在残留溶剂/催化剂材料，这由于在间隙溶剂金属催化剂材料的热膨胀特性和晶间结合金刚石的热膨胀特性之间存在的差异而在高温下对PCD坯块的性能有不利影响。已知这种不同的热膨胀在约400℃的温度下会发生，并且被认为在金刚石与金刚石结合中会引起断裂的发生，并且最终导致在PCD结构中形成裂缝和碎片。PCD台(table)中的碎裂或开裂在钻孔或切削操作中可能降低包含PCD台的切削元件的机械性能或导致切削元件的失效，从而致使PCD结构不适合进一步使用。

已知的与传统PCD材料共存的热降解的另一种形式是也被认为与间隙区域中的残留溶剂金属催化剂的存在和溶剂金属催化剂对金刚石晶体的粘附有关的一种形式。具体地，在高温下，金刚石颗粒可以与溶剂/催化剂进行化学分解或逆向转化(back-conversion)。在极高温度下，溶剂金属催化剂被认为在金刚石中引起了不期望的催化相位变换以致部分金刚石颗粒可以转化为一氧化碳、二氧化碳、石墨或其组合，从而降低PCD材料的机械性能并将PCD材料的实际应用限制到约750℃。

尝试在常规PCD材料中解决这种不期望的热降解形式在本领域中是已知的。通常，这些尝试都集中在与上面讨论的传统PCD材料相比具有改进的热稳定性的PCD主体的形成上。一种生产具有改进的热稳定性的PCD主体的已知技术包括，在形成PCD主体后例如使用化学浸出去除全部或部分的溶剂催化剂材料。从金刚石晶格结构去除催化剂/粘合剂使得多晶金刚石层更耐热。

由于切削元件典型操作的不利环境，期望具有改进的耐磨性、强度和断裂韧性的具有切削层的切削元件。然而，当PCD材料被制造成更耐磨时，例如通过从金刚石基质中的间隙去除残留催化剂材料，PCD材料典型地变得更加易碎且容易破裂并且因此易于损害或减小抗破裂(spalling)性。

本申请人已经认识到，裂缝具有沿着交界面(interface)在PCD切削元件中传播的趋势，所述交界面在非金刚石相材料(例如残余催化剂/粘合剂材料)被基本上移除的PCD中的区域之间和相互粘合的金刚石颗粒之间的间隙部分仍有非金刚石相材料的PCD区域之间，即所述PCD的浸出和未浸出区域之间的交界面。本申请人已经认识到，因此需要能够控制产生交界面边界的期望外形(profile)以控制裂纹产生和传播，包括浸出和非浸出区域之间的交界面边界的PCD台(table)中的位置和轮廓(contour)，以使得PCD材料的供应具有增加的抗剥落和碎裂性能。

发明内容

从第一方面来看，提供了一种用于制造热稳定多晶超硬构件的方法，所述多晶超硬构件包括多个交互结合的超硬颗粒和设置在其间的间隙区域，以形成多晶超硬构件，其具有第一热稳定区域和第二区域，所述第一热稳定区域形成所述构件的工作表面的至少一部分，所述方法包括：

用浸出混合物处理所述多晶超硬材料以从所述第一区域中的多个间隙区域去除非超硬相材料；

处理步骤，其包括沿所述周侧表面的至少一部分向所述工作表面和/或在所述工作表面处掩蔽(masking)所述多晶超硬构件，以抑制浸出混合物通过超硬构件的周侧表面渗透到所述超硬构件。

在一些实施例中，所述从第一区域中的间隙区域中去除非超硬相材料的步骤包括：在所述第一区域中去除所述非超硬相材料至一个深度，所述深度在所述第一区域与所述多晶超硬构件的周侧表面的相交处(intersection)朝所述工作表面逐渐变小，使得所述第一区域在所述周侧表面的深度小于第一区域的大部分深度。

在一些例子中，所述方法还包括在用所述浸出混合物处理所述超硬构件的步骤之后，机械加工所述多晶超硬构件，以形成斜面，所述斜面在沿着所述主体的外侧部分定位的工作表面和所述主体的周侧表面之间延伸。

所述多晶超硬构件可由，例如，多晶金刚石材料形成。

在一些实施例中，去除非超硬相材料的所述处理步骤包括从所述第一区域中的所述间隔区域去除溶剂/催化剂。

处理步骤还可以包括，例如在一些实施例中，除了沿所述周侧表面的至少一部分到工作表面掩蔽超硬主体外，还横跨邻近所述工作表面与所述周侧表面的相交处的所述工作表面的一部分掩蔽所述超硬主体，以抑制浸出混合物通过所述超硬构件的周侧表面和所述工作表面的一部分渗透入所述超硬构件。

掩蔽所述多晶超硬构件的步骤可以包括例如用保护层或掩膜(mask)涂覆所述超硬构件，或在所述多晶超硬构件上和/或围绕所述多晶超硬构件放置密封件中的任意一种或多种。

在一些实施例中，所述处理步骤之前，该方法还包括将所述多晶超硬主体机械加工至最终尺寸，而在其他实施例中，这可以发生在处理所述多晶超硬构件步骤之后。

附图说明

现在通过示例的方式并参照附图更详细地描述非限制性实施例：

图1是包括结合到基底上的PCD构造的PCD坯块的示意图；

图2是PCD材料主体的微结构的示意图；

图3是穿过根据实施例的图1的所述PCD坯块的部分的横截面示意图；

图4是在根据实例的处理过程中由支撑结构支持的图3的PCD切削器的剖视示意图；和

图5是在实施例的立式镗床测试(vertical borer test)中磨痕面积相对切削长度的曲线图。

具体实施方式

图1至图3示出一个用作钻地的钻头(未示出)的切削器嵌件的多晶复合构件10的实施例。所述多晶复合坯块或构件10包含在交界面24处一体地结合至基底30的多晶超硬材料主体20。所述超硬材料可以是，例如，多晶金刚石(PCD)和超硬粒子(particle)或颗粒(grain)，可以是天然的或合成的。

所述基底30可由硬质材料如硬质碳化物材料(cemented carbide material)形成，所述硬质碳化物材料可以是，例如，烧结碳化钨、烧结碳化钽、烧结碳化钛、烧结碳化钼或它们的混合物。用于这种适合形成所述基底30的碳化物的粘合剂金属可以是，例如，镍、钴、铁或含有一种或多种这些金属的合金。典型地，该粘合剂会以10-20质量％的量存在，但是这可以低至6质量％或更少。一些粘合剂金属可能在形成坯块10期间渗透入多晶金刚石材料主体20。

如图2所示，在多晶复合构件10形成期间，所述超硬材料的颗粒12(例如在PCD的情况时的金刚石颗粒)之间的间隙14，可以至少部分地填充有非超硬相材料。该非超硬相材料(也称为填充材料)可包含残留的催化剂/粘合剂材料，例如钴、镍或铁，并且也可包括或替换为，一种或多种其它非超硬相添加物，例如，钛、钨、铌、钽、锆、钼、铬或钒。在一些实施例中，填充材料内的一种或多种这些添加元素的含量可以是，例如，为Ti的情况时约占所述填充材料的1重量％，为V的情况时约占所述填充材料的2重量％，以及为W的情况时，所述填充材料内W含量可以是，例如，占填充材料约20重量％。

公开号WO2008/096314的PCT申请公开了涂覆金刚石粒子的方法，以使形成多晶超硬磨料元件或复合材料，包括多晶超硬磨料元件，其在含VN、VC、HfC、NbC、TaC、Mo₂C、WC的一种或多种的基质材料中包括金刚石。公开号WO2011/141898的PCT申请也公开了PCD和形成PCD的方法，所述PCD包含添加剂如碳化钒以改进尤其是耐磨性。

虽然不希望被任何特定理论束缚，填充材料内的金属添加剂的组合可以被认为是具有更好的在使用中的所述PCD材料内分散产生和传播裂纹的能量的效果，从而改变所述PCD材料的磨损特性和增强的抗撞击和破裂特性，从而在某些应用中延长工作寿命。

根据本发明的一些实施例，形成PCD材料的烧结主体具有金刚石-金刚石结合并具有第二相，所述第二相包括通过其微结构和另一非金刚石相碳化物如VC一起分散或代替所述非金刚石相碳化物的WC(碳化钨)和催化剂/溶剂。该PCD材料主体可以根据标准方法来形成，例如描述于公开号WO2011/141898的PCT申请，使用HPHT条件来产生烧结PCD台。

当被用作切削元件时，多晶复合构件10可以安装在钻头主体中使用，如刮刀钻头主体(未示出)。

基底30可以是，例如，大致圆柱形，该圆柱形具有周表面、围顶边缘和远端自由端。

所述超硬材料20的相对于基底30的所述暴露表面形成或包括工作表面34，其也充当使用中的前刀面(rake face)。斜面(chamfer)44通常在工作表面34和切削边缘36与所述切削器的侧面(flank)或柱面(barrel)42的至少一部分之间延伸，所述切削边缘36被斜面44和侧面42的边缘限定。

多晶复合构件10的工作表面或"前刀面"34是一个或多个表面，当切削器用于从主体切削材料时，通过所述表面材料的薄片(chip)被切削为流(cut flow)，所述前刀面34引导新形成的薄片的流。当所述工作表面34是连同其边缘36在使用中旨在进行主体切削，该面34通常也称为切削元件的顶面或工作表面。应当理解，术语"切削边缘"，如在此所使用的，指的是实际的切削边缘，如上面所定义的功能，在切削器磨损发展到切削器失效的任何特定阶段或多于一个阶段，包括但不限于基本上未磨损或未使用状态的切削器。

如本文所使用的，"薄片(chip)"是从被使用中的所述多晶复合构件10切削的工作表面的所述主体移除的主体的片。

在此使用的切削器的"侧面"42为切削器的一个或多个表面，所述切削器经过由切削器切削的材料主体上产生的表面，通常称为切削器的侧面或柱面。侧面42可从主体提供间隙，并且可以包括多于一个的侧面。

如本文中使用的，"磨痕"是由于切削器磨损在使用中通过去除一定量的切削器材料形成的切削器的表面。侧面可以包括磨痕。随着在使用中的切削器磨损，材料可逐渐地从邻近切削边缘去除，从而随着磨痕形成不断地重新定义切削边缘、前刀面和侧面的形状和位置。

参照图3，所述的斜面44形成在邻近切削边缘36和侧面或柱面表面42的结构中。按照惯例，在处理所述PCD主体以去除PCD构件中的残留催化剂/粘合剂材料之前，在所述结构中形成所述斜面44。然而，本申请人已经认识到，可能有利的是在处理PCD主体20以去除残留的催化剂/粘合剂相后再在PCD结构中形成斜面44。下面进行更详细地解释。

前刀面34通过斜面44连接到侧面42，斜面44从切削边缘36延伸到前刀面34，并处于与切削器纵轴延伸平面的垂直平面成预定角度θ的平面中。在一些实施例中，斜面角度达到约45度。斜面44的垂直高度可以是例如，在350μm和450μm之间，例如约400μm。

图3示意性地表示了PCD构件10，PCD构件10已经过使用下面详细描述的技术处理以从金刚石颗粒之间的间隙中去除残留的溶剂/催化剂。在该实施例中，从工作表面34朝向带有基底30的交界面24的PCD层20的深度Y已知为浸出深度，从所述基底30基本上去除溶剂/催化剂。根据一些实施例，该深度Y向工作表面34在与柱面42的相交处逐渐变细，使得在切削器纵轴处的浸出深度大于柱面表面42处的浸出深度Y’。在一些实施例中，浸出区域和非浸出区域之间的边界与斜面44边缘下的切削器的柱面42相交，斜面44在新的/未使用条件下形成切削边缘36。

不希望受到理论的束缚，申请人已经认识到，裂缝具有沿着PCD的浸出区域和未浸出区域之间的交界面在PCD中传播的趋势，因此希望能够控制PCD中的浸出区域和未浸出区域之间的此交界面的位置和外形。特别地，取决于产品的最终用途，可能有利的是具有示于图3的这样的一个例子，其中，该边界向工作表面34逐渐变细，使得在切削器纵轴处的浸出深度大于柱面表面42处的浸出深度，因为这可以辅助管理使用中的构件10热磨损事件和帮助管理破裂(spalling)，所述破裂通过使起始于浸出/未浸出边界的裂纹进入切削器中心从而潜在地延迟破裂的发生并延长构件的工作寿命，在所述浸出/未浸出边界处，该边界与PCD主体20的柱面42相交。这不同于传统的切削器，其中浸出外形(leaching profile)倾向于渐缩远离工作表面并朝向所述基底的远端自由端(distal free end)。此外，在其它实施例中，可能希望在PCD中的浸出和未浸出区域之间获得基本平坦的交界面，通过常规浸出技术实现这一点是困难的。

控制边界交界面50的位置和外形或轮廓，例如，通过PCD主体20确定边界交界面50是基本上平面的，或朝向工作表面34在边界交界面50与柱面42的相交处变窄，以及边界交界面50在柱面42的区域中的锥度，是期望的，因为它能够控制在使用中PCD主体裂纹起始位置和裂纹扩展，并由此可以进行调整以适应预期的PCD构件10的应用。

在一些实例中，在柱面42处的浸出深度是切削边缘36下至少约为100微米，而在其他实例中可以是在切削边缘36下大约50至100微米，在一些实例中是小于约50微米，在其它情况下其与斜面表面44本身相交，取决于多晶复合构件10的预期用途。

如这里所使用的，PCD材料主体20或基底30或PCD材料主体20或基底30的某一部分的厚度是基本上垂直于工作表面34测量的厚度。在一些实例中，PCD结构或PCD材料主体20可具有大致上圆片状、盘状或类似盘状的形状，或为层的普通形式。在一些实例中，PCD材料主体20的厚度可以为至少约2.5到至少4.5mm。在一个实例中，该PCD材料主体20可以具有从约2mm到约3.5mm范围的厚度。

在一些实例中，基底30可以具有圆片、盘或柱的大致形状，并可大致为圆柱形。基底30可具有例如，至少等于或大于所述PCD材料主体20的轴向厚度的轴向厚度，并且可以是例如至少约1mm，至少约2.5mm，至少约3mm，至少约5mm，或甚至至少约10mm或更厚。在一个实例中，基底30的厚度可以为至少2cm。

在一些实例中，PCD材料主体20的最大尺寸约为6mm或更大，例如在某些实例中，PCD材料主体为圆筒形状，主体的直径约为6mm或更大，并且可以，例如至多约为19mm或更大。

如图2所示，通过实例制备的多晶超硬材料主体另外具有非超硬相14，例如存在于至少部分地填充到超硬材料12的互相粘结的粒子或者颗粒之间的多个间隙的粘合剂相。该非超硬相14可以包括用于超硬磨料粒子12的催化剂/溶剂。用于金刚石的催化剂/溶剂在本领域是公知的。在金刚石的情况下，粘合剂可以是，例如，钴、镍、铁或包含这些金属的一种或多种的合金。在烧结处理期间，该粘合剂/催化剂/溶剂可以通过渗透被引入到研磨粒子的团块中，或以颗粒形式作为混合物引入研磨粒子的团块中。渗透可以发生在，例如，从提供的粘合剂金属的垫片(shim)或层，或从碳化物支撑件(carbide support)。在一些实例中，使用混合和渗透方法的组合。

高压高温处理可用来形成多晶超硬材料，在此期间催化剂/溶剂材料熔化并迁移通过坯块层，作为催化剂/溶剂，并使超硬粒子彼此结合。一旦制成，PCD构件因此包括将超硬(如金刚石)粒子彼此结合在一起的连贯基质(coherent matrix)，从而形成具有许多含前面描述的粘合剂材料的池(pool)或间隙的多晶超硬复合材料。实际上，最终的超硬构件因此包括两相复合物，其中所述超硬磨料材料包括一相如在PCD情况下的金刚石相和另一相粘合剂相(非金刚石相)。

在一种形式中，所述超硬相，例如金刚石，构成80％到95％体积比，所述非超硬相(粘合剂相)例如由其它粘合剂材料形成，构成剩余的5％-20％。

粘合剂相的相对分布，和填充这种相的空隙(void)或池的数量，很大程度上是由超硬颗粒的尺寸和形状限定。

在PCD的情况下，粘合剂(非金刚石)相可以有助于提高更脆的磨料相的抗冲击性，但作为粘结相典型地表示所述结构的较弱和较少的耐磨部分，并且大量将倾向于不利地影响耐磨性。另外，粘合剂相也是活性溶剂/催化剂材料，其在所述结构中增加可能损害坯块的热稳定性。

超硬构件的实例，例如图3中所示的那些，可通过如下方法制备。制备包括超硬材料的颗粒和粘合剂如有机粘合剂的生坯(green body)。如本文中所使用的，"生坯"是包含要被烧结的颗粒以及保持所述颗粒保持在一起的手段(如粘合剂，例如有机粘合剂)的主体。

生坯可以包括促进超硬颗粒烧结的催化剂材料。生坯可通过将颗粒与粘合剂混合并将它们形成为一个主体，该主体具有与预期的烧结主体大致相同的大致形状。至少一些所述粘合剂材料可以被干燥和/或通过例如燃烧掉来去除。

生坯可由诸如压实工艺(compaction process)的方法，或注射工艺或其它已知的方法如模塑、挤出或沉积造型方法来形成。在一些实例中，形成生坯的所述组件可以包含以例如，片、块或盘状的粘合剂超硬颗粒，并且生坯本身可以由生的主体形成。

制造生坯的一个实施例可以包括提供流延片材(tape cast sheet)，每个片材包括，例如，通过粘合剂，例如水基有机粘合剂将多个金刚石颗粒结合在一起，并将片材堆叠在彼此顶部，并堆叠在支撑体的顶部，该支撑体形成基底30。包含具有不同尺寸分布、金刚石含量或添加剂的金刚石颗粒的不同片材，可以被选择性地堆叠以获得所需的结构。所述片材可通过本领域中已知的方法，例如挤出或流延的方法制备，其中包含金刚石颗粒和粘合剂材料的浆料被铺设到一个表面上并使其干燥。也可以使用制造金刚石承载片材的其它方法，例如描述于美国专利号5,766,394和6,446,740的方法。用于沉积金刚石承载层的替代方法包括喷涂方法，如热喷涂。

用于所述超硬构件的生坯可被放置到基底上，如烧结碳化物基底上以形成预烧结组件，其可被封装在如本领域公知的用于超高压炉的密封舱(capsule)中。该基底可以提供促进超硬颗粒烧结的催化剂材料源。在一些实例中，超硬颗粒可以是金刚石颗粒，基底可以是钴烧结的碳化钨，所述基底中的钴为用于烧结金刚石颗粒的催化剂源。所述预烧结组件可以包括额外的催化剂材料源。

在所述方法一些版本中，在烧结之前，金刚石粒子/颗粒聚集团块(aggregatedmass)可以被沉积于紧靠所述基底的表面通常为具有至少约0.6mm，至少大约1mm，至少约15mm或甚至至少约2mm的厚度的层的形式。当颗粒在超高压烧结时，金刚石颗粒的团块(mass)的厚度可以明显减少。

超硬颗粒的混合物可以是多峰的，它可以包括具有可辨别地彼此不同平均粒子尺寸的金刚石粒子或颗粒的级分的混合物。典型地，所述级分的数量可以是：

·两种级分的特定情况

·三种或更多种级分

“平均粒子/颗粒尺寸”意味着个别粒子/颗粒具有一个尺寸范围，该尺寸范围具有表示“平均数”的平均粒子/颗粒尺寸。因此，多数的粒子/颗粒与平均尺寸接近，尽管仍有有限数量的粒子/颗粒高于及低于特定尺寸。所述粒子分布中的峰因此位于特定尺寸。每种超硬粒子/颗粒级分的尺寸分布为典型单峰，但在特定情况下可能为多峰。在烧结坯块中，术语“平均粒子/颗粒尺寸”可以类似的方式解释。

在一种版本中，该方法可包括提供一种烧结碳化物基底，将聚集的、基本上未结合的金刚石粒子团块与所述基底的表面接触以形成预烧结组件，将预烧结组件封装在用于超高压炉的密封舱中，使预烧结组件经受超高压力和超硬材料热力学稳定的温度以烧结所述超硬颗粒，例如，压力为至少约5.5GPa及温度为至少大约1250℃。所述烧结产物可由PCD复合坯块元件形成，其包括一体地形成并连接到烧结碳化物基底的PCD结构。在本发明的某些实例中，预烧结组件可以经受至少约为6GPa，至少约6.5GPa，至少约7GPa或甚至至少约7.5GPa的压力。

该方法的版本可包括通过，例如用于制造超硬增强的硬质金属材料的公开号为WO2009/128034的PCT申请中公开的一种方法制造金刚石复合结构。包含金刚石粒子和金属粘合剂材料如钴的粉末共混物可通过将这些粒子合并将它们混合在一起来制备。有效的粉末制备技术可用来混合粉末，如湿式或干式多向混合、行星式球磨、和用均化器的高剪切混合。在一个实例中，金刚石粒子的平均尺寸可以至少约50微米，并且它们可通过混合粉末或，在某些情况下，用手将粉末搅拌在一起来与其它粒子合并。在该方法的一个版本中，适合于随后转换成粘合剂材料的前体材料可被包括在粉末共混物中，在该方法的一个版本中，金属粘合剂材料可以一种适于渗入生坯的形式被引入。粉末混合物可，例如通过单轴压实或其它压实方法，如冷等静压(CIP)被沉积在模或模具中并压实以形成生坯。然后可以将生坯经受现有技术和如上所述的烧结过程以形成烧结制品。

所述烧结制品可以经受随后的在金刚石是热稳定的压力和温度下的处理，以将一些或所有的非金刚石碳逆向转化为金刚石并产生金刚石复合结构。可为第二烧结工艺使用本领域公知的金刚石合成的超高压炉，该压力可以是至少约5.5GPa及温度可以是至少约1250℃。

超硬构件的进一步的例子可通过以下方法制备，所述方法包括提供用于金刚石复合结构的前体结构和PCD结构，将每个结构形成各自互补的形状，将所述PCD结构和金刚石复合结构组装到烧结碳化物基底上以形成未连接的组件，并使所述未连接的组件经受至少约5.5GPa的压力和至少大约1250℃的温度以形成PCD构件。所述前体结构可以包括碳化物粒子和金刚石或非金刚石碳材料，如石墨和包括金属，如钴的粘合剂材料。所述前体结构可以是通过压实含金刚石或非金刚石碳粒子和碳化物材料粒子的粉末共混物和压实粉末共混物形成的生坯。

如上所述，烧结之前起始混合物中的超硬材料的颗粒，如金刚石颗粒或粒子可以是多峰的，例如，双峰的，即所述进料包括金刚石颗粒粗级分和金刚石颗粒细级分的混合物。在一些实施例中，粗级分可具有例如，约10-60微米的平均粒子/颗粒尺寸范围。"平均粒子或颗粒尺寸"是指单独的粒子/颗粒具有表示"平均"的平均粒子/颗粒尺寸的尺寸范围。细级分的平均粒子/颗粒尺寸小于粗级分的尺寸，例如在粗级分的大约1/10至6/10之间，并且在一些实例中，可为例如约0.1至20微米。

在一些实例中，粗金刚石级分与细金刚石级分的重量比为约50％至约97％粗金刚的范围内，细金刚石级分的重量比可以从约3％至约50％。在其它实例中，粗级分与细级分的重量比将在约70∶30至约90∶10的范围内。

在另一实例中，粗级分与细级分的重量比可以从约60：40至约80∶20的范围内。

在一些实例中，粗级分与细级分的粒子尺寸分布不重叠，并且在某些实例中，所述坯块的不同尺寸组分被构成多峰分布的分离尺寸级分之间的一个数量级分离。

所述实例由在超硬材料的粗粒级分和细粒级分之间的至少一个宽双峰尺寸分布组成，但是一些实施例可以包括三个或甚至四个或更多个尺寸峰(size mode)，该尺寸峰例如可以在尺寸上间隔一个数量级，例如，平均粒子尺寸为20μm、2μm、200nm和20nm的粒子尺寸的混合物。

将金刚石粒子/颗粒按尺寸分成细级分、粗级分、或者之间的其他尺寸，可以通过已知的方法如喷射研磨较大的金刚石颗粒和类似方法。

在某些实例中，超硬材料是多晶金刚石材料，用来形成多晶金刚石材料的所述的金刚石颗粒可以是天然的或合成的。

在一些实例中，粘合剂催化剂/溶剂可包含钴或一些其它的铁族元素，如铁或镍或其合金。在元素周期表中的IV-VI族金属的碳化物、氮化物、硼化物和氧化物是可以被加入到烧结混合物中的非金刚石材料的其它示例。在一些实施例中，粘合剂/催化剂/烧结助剂可以是Co。

烧结金属碳化物基底在组成上可以是常规的并且，由此，可以包括任何IVB族、VB族或VIB族金属，其在钴、镍或铁或其合金的粘合剂的存在下被压制并烧结。在一些实例中，金属碳化物是碳化钨。

在一些实例中，例如金刚石和碳化物材料两者的主体加上烧结助剂/粘合剂/催化剂以粉末形式应用，并在单一的UHP/HT过程中同时烧结。将金刚石颗粒和碳化物团块的混合物放置于HP/HT反应池组件(reaction cell assemby)中并进行HP/HT处理。选择的HP/HT处理条件足以实现磨料粒子的相邻颗粒间的晶间结合，以及可选地，烧结粒子与烧结金属碳化物支撑件的结合。在一个实例中，该处理条件通常包括施加至少约1200℃的温度以及超过约5GPa的超高压力约3至120分钟。

在另一实例中，在多晶超硬材料的烧结过程中，可以在于HP/HT压力机中结合到一起之前在单独的步骤中预烧结基底。

在又一实例中，基底和多晶超硬材料主体都进行预成型。例如，超硬颗粒/粒子的双峰进料与任选的也为粉末形式的碳酸盐粘合剂-催化剂混合在一起，并将该混合物填充入适当形状的容器(canister)，然后在压力机中经受极高压力和温度。典型地，该压力至少为5GPa，且温度为至少约1200℃。然后将多晶超硬材料的预成型主体放置于预成型碳化物基底(含有粘合剂催化剂)的上表面上的适当位置，并将组件在适当形状的容器中进行定位。然后使组件在压力机中经受高温和高压，温度和压力的级别仍分别为至少约1200℃和5GPa。在此过程中，溶剂/催化剂从基底迁移到超硬材料主体中并充当粘合剂-催化剂以实现层中的共生，并且还用于将多晶超硬材料层结合到基底上。烧结过程还用于将多晶超硬材料主体结合到基底上。

钴含量低得多的烧结碳化物等级作为用于PCD嵌件的基底的实际应用受限于下列事实，即在烧结过程中，一些Co需要从基底迁移进入PCD层以催化PCD的形成。出于这个原因，在包含较低Co含量的基底材料上制造PCD更为困难，尽管其可能是所希望的。

烧结碳化钨基底的硬度可通过将该基底特别在金刚石热力学稳定的压力和温度下经受超高压和高温来进行增强。硬度增强的幅度可取决于压力和温度条件。特别是，硬度增强可以增加更高的压力。不希望受特定理论的约束的情况下，这被认为是与Co在压制烧结过程中从基底漂移进入PCD有关，因为硬度增强的程度直接取决于基底中Co含量的减少。

在烧结碳化物基底不含有足量的用于金刚石的溶剂/催化剂，且PCD结构在超高压烧结过程中完整地形成在基底上的实施例中，溶剂/催化剂材料可以包括在或被引入来自不同于烧结碳化物基底的材料源的金刚石颗粒的聚集团块中。该溶剂/催化剂材料可以包含仅在超高压烧结步骤之前和超高压烧结过程中从基底渗入到金刚石颗粒的聚集团块中的钴。但是，在钴或其它溶剂/催化剂材料在基底中的含量较低的实施例中，特别是当其低于烧结碳化物材料的约11重量％时，则可能需要提供另外的源以确保聚集团块的良好烧结，以形成PCD。

用于金刚石的溶剂/催化剂可以通过各种方法被引入到金刚石颗粒的聚集团块中，包括混合粉末形式的溶剂/催化剂材料和金刚石颗粒，在金刚石颗粒的表面上沉积溶剂/催化剂材料，或者在烧结步骤之前或作为烧结步骤的一部分从不同于基底的材料源中渗透溶剂/催化剂材料进入聚集团块。将用于金刚石的溶剂/催化剂如钴沉积到金刚石颗粒的表面上的方法在本领域中是已知的，并且其包括化学气相沉积(CVD)、物理气相沉积(PVD)、溅射镀膜(sputter coating)、电化学方法、化学涂覆方法和原子层沉积(ALD)。应该理解的是，每种方法的优点和缺点取决于烧结助剂材料和待沉积的涂覆结构的性质，以及颗粒的特性。

在一个实例中，可通过以下方法将钴沉积在金刚石颗粒的表面上：首先沉积前体材料，然后将前体材料转化为包含元素金属钴的材料。例如，在第一步骤中，可使用以下反应将碳酸钴沉积在金刚石颗粒的表面上：

Co(NO₃)₂+Na₂CO₃→CoCO₃+2NaNO₃

用于金刚石的钴或其它溶剂/催化剂的碳酸盐或其它前体的沉积可以通过在公开号WO2006/032982的PCT专利中描述的方法来实现。然后例如可通过如下所述的热分解(pyrolysis)反应将碳酸钴转化为钴和水：

CoCO₃→CoO+CO₂

CoO+H₂→Co+H₂O

在另一个实例中，钴粉或钴的前体如碳酸钴，可以与金刚石颗粒混合。当使用溶剂/催化剂如钴的前体时，可能有必要热处理所述材料，以在烧结聚集团块之前，进行反应以生成元素形式的溶剂/催化剂材料。

在一些实例中，烧结碳化物基底可由通过粘合剂材料结合在一起的碳化钨粒子形成，该粘合剂材料包括Co、Ni和Cr的合金。该碳化钨粒子可以形成为占基底的至少70重量％和至多95重量％。粘合剂材料可以包含约10至50重量％之间的Ni、约0.1至10重量％之间的Cr，其余重量％包含Co。在一些实例中，烧结碳化物基底离子中的碳化钨粒子的尺寸分布具有以下特征：

·少于17％的碳化物粒子的颗粒尺寸为等于或小于约0.3μm；

·约20-28％之间的碳化钨粒子的颗粒尺寸为约0.3-0.5μm之间；

·约42-56％之间的碳化钨粒子的颗粒尺寸为约0.5-1μm之间；

·小于约12％的碳化钨粒子的颗粒尺寸为大于1μm；以及

·碳化钨粒子的平均颗粒尺寸为约0.6±0.2μm。

在一些实例中，粘合剂另外包含约2-20重量％之间的钨和约0.1-2重量％之间的碳。

与多晶金刚石材料主体的交界面相邻的基底层可以具有例如约100μm的厚度，并可以包含碳化钨颗粒和粘合剂相。该层的特征可为具有通过能量色散X射线显微分析(EDX)测量的下列元素组成：

·约0.5-2.0重量％之间的钴；

·约0.05-0.5重量％之间的镍；

·约0.05-0.2重量％之间的铬；以及

·钨和碳。

在进一步实例中，在元素组成包括约0.5-2.0重量％之间的钴、约0.05-0.5重量％之间的镍以及约0.05-0.2重量％之间的铬的上述层中，剩余部分为钨和碳。

基底层可以进一步包含游离碳(free carbon)。

烧结碳化物材料的磁特性可与重要的结构和组成特征相关。用于测量烧结碳化物中碳含量的最常见的技术是间接测量粘合剂中间接呈成比例的溶解的钨的浓度：粘合剂中溶解的碳含量越高，则粘合剂中溶解的钨浓度越低。粘合剂内钨含量可由测量磁矩σ或磁饱和度M_s来确定，M_s＝4πσ，这些值与钨含量具有相反的关系(Roebuck(1996),“Magneticmoment(saturation)measurements on cemented carbide materials”,Int.J.Refractory Met.,Vol.14,pp.419-424.)。下列公式可用于将磁饱和度Ms与粘合剂中W和C的浓度关联：

M_sα[C]/[W]×重量％Co×201.9，单位为μT.m³/kg

烧结碳化物材料内的粘合剂钴含量可通过本领域中已知的各种方法进行测量，包括间接方法如烧结碳化物材料的磁特性或通过能量色散X射线光谱学(EDX)的更直接的方法，或基于Co的化学浸出的方法。

碳化物颗粒如WC颗粒的平均颗粒尺寸可以通过检查使用扫描电子显微镜(SEM)获得的显微照片或冶金制备的烧结碳化物材料主体的横截面的光学显微镜图像，例如应用平均线性拦截(mean linear intercept)技术来确定。可选地，WC颗粒的平均尺寸可通过测量烧结碳化物材料的磁矫顽力(magnetic coercivity)来间接估算，所述磁矫顽力表示颗粒中间的Co的平均自由程，由该磁矫顽力使用本领域中熟知的简单公式可以计算WC颗粒尺寸。此公式量化了Co-烧结WC烧结碳化物材料的磁矫顽力和Co的平均自由程(free meanpath)之间的相反关系，从而确定平均WC颗粒尺寸。磁矫顽力与MFP具有相反关系。

在本发明中，复合材料如烧结碳化物的“平均自由程”(MFP)是在粘合剂材料内烧结的聚集碳化物颗粒之间平均距离的量度。烧结碳化物材料的平均自由程特征可以使用该材料的抛光部的显微照片进行测定。例如，该显微照片可具有约1000倍的放大率。该MFP可以通过测量在均匀网格上的线和颗粒边界的每个相交处之间的距离来确定。将矩阵(matrix)线段Lm求和，并将颗粒(grain)线段Lg求和。采用两轴的平均矩阵线段长度是“平均自由程”。碳化钨粒子尺寸的多个分布的混合物可能导致MFP值对于相同基质含量的广泛分布。在下面对此进行更详细地解释。

Co粘合剂中W的浓度取决于C含量。例如，在低C含量下W浓度明显更高。Co-烧结WC(WC-Co)材料的Co粘合剂内W浓度和C含量可以由磁饱和度值来确定。烧结碳化钨为其一个示例的硬金属的磁饱和度4πσ或磁矩σ被定义为每单位重量的磁矩或磁饱和度。纯Co的磁矩σ是16.1微特斯拉(micro-Tesla)乘以立方米每千克(μT.m³/kg)，且纯Co的饱和感应，也被称为磁饱和度4πσ，为201.9μT.m³/kg。

在一些实例中，烧结碳化物基底可以具有至少约100Oe且最多约145Oe的平均磁矫顽力，和关于至少约89％至至多约97％的纯Co的特定磁饱和度的磁矩。

所希望的基底中的MFP特性可以通过本领域中已知的几种方法来实现。例如，较低的MFP值可以通过使用较低的金属粘合剂含量来实现。约3重量％钴的实际下限适用于烧结碳化物和常规液相烧结。在烧结碳化物基底经受例如压力超过约5GPa的超高压和高温(例如超过约1400℃)的一个实施例中，可以实现较低含量的金属粘合剂如钴。例如，当钴含量为约3重量％且WC颗粒的平均尺寸为约0.5μm时，MFP将为约0.1μm，并且当WC颗粒的平均尺寸为约2μm时，MFP将为约0.35μm，并且当WC颗粒的平均尺寸为约3μm时，MFP将为约0.7μm。这些平均颗粒尺寸对应于通过产生粒子对数正态分布的自然粉碎工序而获得的单个粉末级别。较高的基质(粘合剂)含量会导致较高的MFP值。

根据粉末处理和混合的细节，通过混合不同的粉末级别来改变颗粒尺寸并改变分布可以实现基底的全谱MFP值。确切的值将必须根据经验确定。

在一些实例中，基底包含Co、Ni和Cr。

用于基底的粘合剂材料可以包括固溶体中至少约0.1重量％到至多约5重量％的V、Ta、Ti、Mo、Zr、Nb和Hf中的一种或多种。

在进一步实例中，多晶金刚石(PCD)复合坯块元件可以包括至少约0.01重量％且至多约2重量％的Re、Ru、Rh、Pd、Re、Os、Ir和Pt中的一种或多种。

一些实例的烧结碳化物主体可以通过提供具有在约0.2μm至约0.6μm范围内的平均当量圆直径(equivalent circle diameter，ECD)尺寸的碳化钨粉末来形成，ECD尺寸分布具有进一步的特征，即小于45％的碳化物粒子具有小于0.3μm的平均尺寸；30％至40％的碳化物粒子具有至少0.3μm且至多0.5μm的平均尺寸；18％至25％的碳化物粒子具有大于0.5μm且至多1μm的平均尺寸；少于3％的碳化物粒子具有大于1μm的平均尺寸。将碳化钨粉末与包含Co、Ni和Cr或碳化铬的粘合剂材料进行研磨，包含在混合粉末中的总碳当量为例如相对于碳化钨的约6％。然后将混合粉末压实以形成生坯，并将生坯进行烧结以产生烧结碳化物主体。

生坯可以在例如至少1400℃且最高1440℃的温度下烧结至少65分钟且最多85分钟的时间。

在一些实例中，包含在烧结碳化物材料中的总碳当量(ETC)相对于碳化钨为约6.12％。

在一些实例中，碳化钨粉末的尺寸分布可具有0.4μm的平均ECD和0.1μm的标准偏差的特征。

在一些实例中，烧结金刚石结构的金刚石含量大于90体积％，该分布的最粗粒级分大于60重量％，且在一些实例中大于70重量％。

在多晶金刚石材料中，单独的金刚石粒子/颗粒在很大程度上通过金刚石桥(bridge)或金刚石颈(neck)结合到相邻的粒子/颗粒上。该单独的金刚石粒子/颗粒保持其一致性(identity)，或通常具有不同的取向。这些单独的金刚石颗粒/粒子的平均颗粒/粒子尺寸可以利用图像分析技术来测定。在扫描电子显微镜上收集图像并使用标准图像分析技术进行分析。从这些图像中，能够提取有代表性的金刚石粒子/颗粒尺寸分布。

通常，多晶金刚石材料的主体将在高温高压(HPHT)处理中产生并结合到烧结碳化物基底上。在这个过程中，对粘合剂相和金刚石粒子进行排列，以使得粘合剂相均匀分布并具有小尺度是有利的。

烧结结构的均匀性或一致性通过对采集到的大量图像进行统计学评价来定义。粘结剂相的分布可通过使用电子显微镜容易地与金刚石相的分布进行区分，然后可用与在EP0974566中公开的方法相类似的方法测定粘合剂相的分布。此方法可对沿几条任意画出的通过显微结构的线的粘结剂相的平均厚度进行统计学评价。对于本领域技术人员来说，这种粘合剂厚度测量也被称为“平均自由程”。对于整体组成或粘合剂含量以及平均金刚石颗粒尺寸相似的两种材料来说，平均厚度较小的材料将更均匀，因为这意味着在金刚石相中粘合剂的“更小尺度”的分布。此外，这种测量的标准偏差越小，结构越均匀。大标准偏差表明粘合剂厚度在显微结构上变化很大，即该结构不均匀，而包含广泛不同的结构类型。

一旦烧结，将所述烧结PCD构件经受合成后处理以协助改善烧结结构的热稳定性，通过从相邻其暴露表面即所述基底相对的工作表面的多晶层的区域去除催化材料。已经发现，从PCD台内去除非粘合剂相，通常被称为浸出，在多种应用中是可取的。显微结构间隙中的残留溶剂/催化剂材料的存在被认为在高温下对PCD坯块的性能有不利影响，因为相信金刚石台中溶剂/催化剂的存在会导致在这些升高的温度下降低金刚石台的热稳定性。因此，希望浸出能提高PCD主体的热稳定性。然而，已知从PCD结构浸出溶剂/催化剂材料可减小其20％到30％之间的断裂韧性和强度。

图4示出了图3的PCD切削器在PCD切削器烧结之后用来控制边界交界面50的所述外形或轮廓的处理过程中被保持在一个支撑结构上。去除所述催化材料可以使用本领域已知的方法例如电解蚀刻、酸浸出或蒸发技术。然而，控制所述实例期望的浸出外形可通过，例如，下面列出的附加步骤得到。

在一些实例中，保护层或掩膜(mask)被涂覆于PCD材料主体，其延伸到工作表面34以及切削边缘处工作表面的一部分，即使残留催化剂/溶剂将从工作表面的该部分去除。在一些实例中，如图4所示，密封元件例如O形环480可以用于抑制浸出混合物从外周表面和切削边缘处的工作表面渗透所述切削器的柱面42，取决于要应用的浸出工艺及浸出过程期间保持所述构件的固定装置。所述保护层、掩膜或密封件被设计成在浸出期间防止浸出液从其外周表面渗透所述柱面42，并且掩膜、保护层或密封件在工作表面36上的定位被认为影响如图3所示的浸出外形，因为它能够控制PCD材料主体的浸出和未浸出部分间的交界面边界50的位置和外形。在浸出后，所述保护层或掩膜可被去除。

用于保护PCD元件非浸出部分并提供掩膜的多种系统已知包括，例如，用保护材料包围所述PCD元件并从被将浸出的区域去除所述掩膜材料，或用掩膜材料涂布元件的不被浸出的部分。然而，传统的浸出技术通常将PCD主体20的柱面42的外表面至少一个部分与之相邻的工作表面的切削部分和边缘直接暴露于酸浸出混合物，所述掩膜、涂层或密封元件通常被定位在PCD主体的柱面的一个位置以使PCD的被浸出部分与PCD元件的不被浸出部分分开，从而将所述柱的PCD主体的柱面浸出部分直接暴露于浸出混合物。本申请人已经认识到，令人惊讶的，抑制浸出混合物从外周表面，包括在切削边缘处和与之相邻的工作表面，渗透切削器的圆柱42区域并取代控制通过PCD主体的其它暴露表面将PCD主体20暴露于酸浸出混合物，提供对浸出区域51和未浸出区域52之间的交界面边界50的位置和轮廓的控制。另外，已认识到，如果在主体最终完成如制造斜面44之前，在PCD主体进行从PCD主体中的间隙去除非超硬相材料的PCD主体处理，可以增强控制。

图4示出了根据一个实例的浸出系统。浸出系统400包括含杯部440的支撑件420，其具有限定孔(aperture)的上轮缘460，将被浸出的PCD构件470设置于所述孔内。密封元件480，如弹性O形环密封件设置于邻近杯部440边缘的凸缘(flange)，或在可位于限定支撑件中的孔的内周壁内的槽(groove)中，并且用于围绕PCD元件100延伸到工作表面的切削边缘处，并且覆盖工作表面的切削边缘处的一部分，所述O形环密封件480的中心点位于PCD构件的工作表面的上方。支撑件420被成形以让PCD元件的区域暴露，所述PCD元件要在处理过程中经受浸出混合物处理。如图4所示的杯440和密封元件480因此被设计成封装基底300的所需表面和所述PCD构件470的不被浸出部分。

在一些实例中，密封元件480可由聚酮基塑料材料如PEEK或其他保护性弹性体材料形成。

如图4所示，该支撑件420被配置为具有圆柱形杯部分440，所述圆柱形杯部分440的内表面直径尺寸被设计成适合同心地围绕在要处理的所述PCD构件470外表面。在其中或其上设置所述密封元件480的所述槽或凸缘沿杯形部分440的端部相邻定位的内缘周向延伸。在另一可替换实施例(未示出)中，所述支撑件420可以被配置为没有槽，并且合适的密封件可以简单地被插入在外和内直径表面的相对相应的PCD构件470与支撑件420之间，例如设置于所述PCD构件的工作表面的顶部，使得当固定在固定装置中时，密封件变形为，以覆盖工作表面的部分和切削边缘，如图4所示。当在切削边缘围绕PCD构件470外侧表面设置使得其也延伸过/围绕切削边缘时，所述密封件480进行操作以在所述PCD元件100和支撑件420之间提供防漏密封以防止与浸出剂的不希望的直接接触。

在用于处理的准备中，支撑件420被轴向地定位在所述PCD构件470并且所述PCD构件470位于支撑件420，所述PCD构件470的工作表面暴露，但PCD主体的柱面与杯状部分440的内侧壁密封接合。以这种方式定位在支撑件420内，所述PCD构件470的工作表面是自由暴露接触所述浸出剂，但浸出剂被阻止从PCD主体的外周表面并在切削边缘处渗透所述PCD主体。如上所述在使用保护涂层的掩膜的情况下，为获得如图3所示的所需的浸出外形，所述密封件480位于邻近PCD构件470的工作表面360的位置，在一些实例中，所述掩膜、阻挡层或密封件480可以部分地延伸跨越PCD层的工作表面。申请人令人惊讶地发现，这种掩膜可进一步控制交界面边界50的轮廓和外形，以减少如图3所示的距离Y'，所述距离Y'可控制交界面边界50与PCD主体的柱面42交界的位置，以及使用中形成的裂纹具有引发及蔓延趋势的区域的交界面形状。

所述PCD构件470与支撑固定装置420形成组件400，其然后被放入合适的容器(未示出)，所述容器包括所需体积的浸出剂。在一些实例中，浸出容器可以是压力容器。

在一些实例中，PCD构件470与支撑固定装置420可以首先置于浸出容器中，然后可加入浸出剂，或在将所述PCD构件470放置在浸出容器中之前，将浸出剂加入到浸出容器中。这个步骤可以人工操作或使用自动系统，例如机器人系统。

该浸出剂可以是任何化学浸出剂。在具体的实例中，它可以是如本文所述的浸出剂。

浸出过程可借助于搅拌浸出剂或其他搅拌方式，例如通过超声方法、振动或翻滚。

浸出可发生在几小时至几个月的时间跨度内。在具体的实例中，可能花费不到一天(24小时)，小于50小时或小于一周。浸出可以在室温或更低的温度，或在升高的温度，例如在浸出混合物的沸点温度下。将PCD材料主体20在浸出期间暴露于高温可增加PCD材料20可被浸出的深度，减少达到期望的浸出深度需要的浸出时间。在一些实例中，浸出处理也可在升高的压力下进行。

另外，在一些实例中，至少一部分该PCD材料主体20和浸出液可被暴露于电流、微波辐射和/或超声能量中的至少一个以增加PCD材料主体20被浸出的速率。

浸出处理工艺的持续时间和条件可以由多种因素确定，其中包括，例如但不限于，使用的浸出剂，PCD构件470被浸出的深度，以及从PCD构件470的浸出部分去除的催化剂的百分比。

在一些实例中，浸出深度Y可以小于0.05mm、小于0.1mm、小于1mm、小于2mm、或小于3mm、或大于0.4mm。在一些实例中，至少85％、至少90％、至少95％、或至少99％的催化剂可被从PCD元件的浸出部去除达到浸出深度。所述浸出深度和催化剂去除量可基于PCD元件100的计划用途来选择。因而，化学浸出可用于从超硬材料主体20中去除金属溶剂催化剂和任何添加剂，可达离PCD材料主体20外表面期望深度，或者在从基本所有超硬材料20去除同时保持图3所示的浸出外形。浸出后，超硬材料主体20可能因此包括基本上不含金属-溶剂催化剂的第一体积。然而，少量催化剂仍残留于浸出过程不能到达的间隙。此外，浸出后超硬材料主体20也包括含金属-溶剂催化剂的体积。在一些实例中，这个进一步体积(furthervolume)可能远离超硬材料主体20的一个或多个暴露表面。

实质上多孔的所述热稳定区域可从PCD结构表面延伸如至少50微米或至少100微米的深度。一些实例具有大于约250微米或更多或者大于约650微米的浸出深度，并且在一些实例中基本所有的催化剂材料被从多晶材料主体中去除，同时保持图3的浸出外形。

应该理解的是，热稳定区域的精确深度依赖于所期望的钻孔或切削特定的最终用途可被选择或改变。

一旦浸出了期望的深度，PCD构件470和支撑夾具420从浸出容器中取出。可在从浸出容器中移除浸出剂之前或之后取出。取出后，PCD构件470可选地经洗涤、清洁或其他处理以去除或中和残留浸出剂。最后，PCD构件470被从支撑夾具420中取出。

所有这些步骤也可人工操作或使用自动化系统，如机器人系统。

如上所述，本申请人已经认识到，在包括例如斜面44的PCD材料主体最终完成前浸出PCD材料主体可能是有利的。因此，在从支撑固定装置420去除浸出的PCD构件470之后，所述PCD构件可以进行进一步的精加工处理，如研磨或磨削以形成，例如，在工作表面34和柱面42之间延伸的斜面。所述斜面的长度和角度将依赖于PCD构件所打算的用途，但可以是，例如，高度大约为0.4mm的45°斜面。

合适的酸浸出的混合物可以包括但不限于HF-HNO3，其可以是一种用于从烧结PCD台去除碳化钨(WC)的有效的介质。可选地，HCl和其它类似的无机酸比HF-HNO3更容易在高温下工作，并且对所述催化剂/溶剂尤其是钴(Co)具有侵蚀性。例如，通常在80小时范围内，取决于温度，HCl可在合理的时间段内从PCD台去除大部分的催化剂/溶剂。

根据一些实例，浸出溶液可以包含一种或多种无机酸和络合剂。在一些实施例中，所述浸出溶液可以包含一种或多种无机酸和稀硝酸。

合适的无机酸的实例可以包括，例如，盐酸、磷酸、硫酸、氢氟酸、和/或前述的无机酸的任何组合。

要通过方法实例浸出的多晶超硬层20可以但不限于具有约1.5mm到约3.5mm的厚度。

由于多种原因，所述PCD元件被浸出位置的控制是重要的。首先，可能希望不从PCD的所有区域去除催化剂，如不暴露于这样极端热的区域或可受益于由催化剂赋予的机械强度的区域。其次，基底通常由材料如碳化钨制成，其对恶劣浸出条件的抵抗力远小于所述金刚石基质的抵抗力。因此，将基底暴露于所述浸出混合物可对基底造成严重损害，经常致使所述PCD元件完全无用。第三，催化剂在PCD中基底附近的存在可以用来帮助增强所述基底和PCD之间交界面的区域，使得在元件使用过程中，所述PCD主体不会从所述基底分离。因此，可能重要的是保护交界面区域远离浸出混合物。

浸出后，可通过常规X射线分析对PCD台的多个部分测定PCD台的浸出深度。此外，PCD构件10中的浸出和非浸出区域之间的边界50的外形可通过包括无损X射线分析和SEM成像技术的多种技术确定，在所述无损X射线分析中切削器在浸出后用X射线照射，在所述SEM成像技术中所述构件的抛光部分可通过电火花线(wire EDM)获得。在显微镜观察如扫描电子显微镜(SEM)的准备工作中，将横截面抛光，并且拍摄一系列显微图像。每个图像可以通过图像分析软件进行分析，以确定横截面的轮廓。

该构件可以通过作为合成后处理的研磨和抛光处理，以提供用于岩石钻孔钻头的嵌件(insert)。

参考以下示例对实施例进行更详细地描述，这些示例仅用于说明并且不是为了限制本发明的范围。

实施例1

首先将足以在最终金刚石混合物中获得2质量％的量的亚微米钴粉在球磨机的甲醇浆体中用WC研磨介质进行1小时解聚(de-agglomerated)。然后将平均颗粒尺寸为2μm的金刚石粉末的细粒级分(fraction)加入到所述浆体中以在最终混合物中获得10质量％的量。引入额外的研磨介质并加入另外的甲醇以获得适合的浆体；将所得物再研磨一小时。然后加入平均颗粒尺寸约20μm的金刚石的粗粒级分以在最终混合物中获得88质量％的量。再对浆体补充另外的甲醇和研磨介质，然后再研磨2小时。将浆体从球磨中去除并干燥，以得到金刚石粉末混合物。

然后将金刚石粉末混合物放入合适的高温高压容器中，使其与碳化钨基底相邻并在约6.8GPa的压力和约1500℃的温度下烧结。

实施例2

首先将足以在最终金刚石混合物中获得2.4质量％的量的亚微米钴粉在球磨机的甲醇浆体中用WC研磨介质进行1小时解聚。然后将平均颗粒尺寸为2μm的金刚石粉末的细粒级分加入到所述浆体中以在最终混合物中获得29.3质量％的量。引入额外的研磨介质并加入另外的甲醇以获得适合的浆体；将所得物再研磨一小时。然后加入平均颗粒尺寸约20μm的金刚石的粗粒级分以在最终混合物中获得68.3质量％的量。再对浆体补充另外的甲醇和研磨介质，然后再研磨2小时。将浆体从球磨中去除并干燥，以得到金刚石粉末混合物。

然后将金刚石粉末混合物放入合适的高温高压容器中，使其与碳化钨基底相邻并在约6.8GPa的压力和约1500℃的温度下烧结。

实施例1和2的所述PCD构件然后单独地放置在如图4所示的固定装置中，并经受如上所述的浸出处理工艺以实现如图3所示的浸出外形。

为了测试根据以上方法形成的烧结多晶产品的耐磨性，进一步控制切削器形成为与实施例1和2的PCD构件具有相同组成，但具有浸出深度基本一致的浸出外形，所述浸出深度延伸跨过所述构件的直径，但在与PCD主体的柱面的相交处向下变细，而不是图3的向上变细的轮廓。然后将金刚石层抛光，并经受垂直镗床测试。在该测试中，磨损平面面积作为切削元件钻入工件的次数的函数测量。获得的结果图示于图5。结果提供总磨痕面积相对切削长度的指示。

可以看出，具有根据图3的浸出轮廓的例子(图5中的CG-B切削器5和CG-B切削器11)形成的PCD坯块能够达到比图5的CG-A切削器3明显更大的切削长度和更小的磨痕面积。

本申请人已经令人惊奇地确定，与传统的预期相反，如果深度Y在与柱面42的相交处向工作表面34逐渐变细，使得在切削器的纵向轴线的浸出深度大于在柱面表面42的浸出深度，这可帮助控制PCD构件使用期间的剥落(spalling)事件，因为裂纹(crack)具有沿PCD的浸出和未浸出区域之间的交界面在PCD中传播的趋势，并且从而对边界50的外形的控制可以辅助管理使用中构件10的热磨损事件，并通过使起始于浸出/未浸出的边界并进入切削器中心的裂纹转向，从而潜在地延迟剥落的开始，延长构件的使用寿命。

此外，申请人已经认识到，通过抑制浸出混合物从其外周表面和切削边缘渗透所述切削器的柱面42及通过其他PCD主体的暴露表面控制PCD主体20暴露于酸浸出混合物，可产生交界面边界50的期望外形，所述外形包括浸出区域51和未浸出区域52之间的交界面边界50的PCD台的位置和轮廓。包括位置和轮廓的交界面边界50的期望外形能够提供具有增加的抗剥落和碎裂能力的PCD材料。本申请人进一步发现，如果在所述主体最终完成例如产生如图3所示的斜面之前在PCD主体上进行从PCD主体的间隙去除非超硬相材料的PCD主体处理，可能实现交界面边界50的位置和轮廓的额外控制。

同时希望不受到任何特定理论的约束，可以确定使用本文描述的条件获得机械强度更大和更耐磨的PCD材料的主体是可能的，当作为切削器使用时，该主体可以显著提高根据本文描述的一些实施例制造的切削器的耐用性。

已提供前述描述使本领域技术人员能够更好地利用在此以示例的方式描述的实施例的各方面。该描述不意图详尽的或限于所公开的任何精确的形式。可进行多种修改和变型。特别地，所描述的方法同样适用于使用其他酸的组合如无机酸和/或络合剂的有效的PCD浸出。此外，虽然已描述的图4所示的固定装置的使用在用于以描述的方法使用特别有效，但当想到其他形状的固定装置时，不应该认为限于所说明和描述的形状的固定装置。

Claims (15)

1.一种制造热稳定多晶超硬构件的方法，所述多晶超硬构件包括多个交互结合的超硬颗粒和设置在其间的间隙区域，以形成多晶超硬构件，其具有第一热稳定区域和第二区域，所述第一热稳定区域形成所述构件的工作表面至少一部分，所述方法包括：

用浸出混合物处理所述多晶超硬材料以从所述第一区域的多个间隙区域中去除非超硬相材料；

处理步骤，其包括沿周侧表面的至少一部分向所述工作表面和/或在所述工作表面处掩蔽所述多晶超硬构件，以抑制浸出混合物通过超硬构件的周侧表面渗透到所述超硬构件。

2.如权利要求1所述的方法，其中所述从所述第一区域中的间隙区域中去除非超硬相材料的步骤包括：在所述第一区域中去除所述非超硬相材料至一个深度，所述深度在所述第一区域与所述多晶超硬构件的周侧表面的相交处朝所述工作表面逐渐变小，使得所述第一区域在所述周侧表面的深度小于第一区域的大部分深度。

3.如前述权利要求中任一项所述的方法，还包括在用所述浸出混合物处理所述超硬构件的步骤之后，机械加工所述多晶超硬构件，以形成斜面，所述斜面在沿着所述主体的外侧部分定位的工作表面和所述主体的周侧表面之间延伸。

4.如前述权利要求中任一项所述的方法，其中所述多晶超硬构件由多晶金刚石材料形成。

5.如权利要求4所述的方法，其中去除非超硬相材料的所述处理步骤包括从所述第一区域中的所述间隔区域去除溶剂/催化剂。

6.如前述权利要求中任一项所述的方法，其中所述处理步骤还包括除了沿所述周侧表面的至少一部分到所述工作表面掩蔽所述超硬主体外，还横跨邻近所述工作表面与所述周侧表面的相交处的所述工作表面的一部分掩蔽所述超硬主体，以抑制浸出混合物通过所述超硬构件的周侧表面和所述工作表面的一部分渗透入所述超硬构件。

7.如前述权利要求中任一项所述的方法，其中掩蔽所述多晶超硬构件的步骤包括例如用保护层或掩膜涂覆所述超硬构件，或在所述多晶超硬构件上和/或围绕所述多晶超硬构件放置密封件中的任意一种或多种。

8.如前述权利要求中任一项所述的方法，其中，所述多晶超硬构件包括所述工作表面与所述构件的周侧表面的相交处的切削边缘，从所述第一区域中的间隙区域去除非超硬相材料的方法包括在所述第一区域中去除非超硬相材料一个深度使得所述第一区域与所述周侧表面在距所述切削边缘至少约100微米的一个位置相交。

9.如权利要求1-7中任一项所述的方法，其中，所述多晶超硬构件包括在所述工作表面与所述构件的周侧表面的相交处的切削边缘，从所述第一区域中的间隙区域去除非超硬相材料的方法包括在所述第一区域中去除非超硬相材料一个深度使得所述第一区域与所述周侧表面在离所述切削边缘约50-100微米的位置相交。

10.如权利要求1-7中任一项所述的方法，其中，所述多晶超硬构件包括在所述工作表面与所述构件的周侧表面的相交处的切削边缘，从所述第一区域中的间隙区域去除非超硬相材料的方法包括在所述第一区域去除非超硬相材料一个深度使得所述第一区域与所述周侧表面在离所述切削边缘少于约50微米的位置相交。

11.如前述权利要求中任一项所述的方法，其中从所述第一区域中的间隙区域去除非超硬相材料的方法包括去除所述材料使得离所述工作表面约250微米到约650微米之间深度的所述主体中的大部分超硬颗粒具有基本不与非超硬相材料接触的表面，剩余的颗粒与非超硬相材料接触。

12.如前述权利要求中任一项所述的方法，其中在所述处理步骤之前，形成所述多晶超硬构件，所述形成步骤包括：

提供金刚石颗粒的团块；

将所述金刚石颗粒的团块排列形成预烧结组件；和

在用于所述金刚石颗粒的溶剂/催化剂材料存在的条件下，在约5.5GPa或更高的超高压和所述金刚石材料比石墨更热力学稳定的温度下处理所述预烧结组件以将所述金刚石材料的颗粒烧结在一起以形成多晶金刚石构件。

13.如前述权利要求中任一项所述的方法，其中在所述处理步骤之前，所述方法还包括将所述多晶超硬主体机械加工为最终尺寸。

14.如权利要求1-12中任一项所述的方法，其中在所述处理步骤之后，所述方法还包括将所述多晶超硬主体机械加工为最终尺寸。

15.基本如根据任一实施例描述的制造热稳定多晶超硬构件的方法，所述实施例以附图说明。