CN107532458A

CN107532458A - 超硬结构及其制造方法

Info

Publication number: CN107532458A
Application number: CN201680012637.XA
Authority: CN
Inventors: 奈德瑞·堪; 塞蒂格茵·萨利希
Original assignee: Element Six UK Ltd
Current assignee: Element Six UK Ltd
Priority date: 2015-02-28
Filing date: 2016-02-26
Publication date: 2018-01-02
Also published as: RU2017133614A; RU2017133614A3; KR20170108067A; ZA201705539B; EP3261837A1; WO2016135332A1; JP2018513928A; US20180036696A1; GB201603398D0; GB2539746A; JP6585179B2

Abstract

一种多晶超硬结构(30)，其包括：第一区域(34)，其包括热稳定的多晶超硬材料主体，所述主体具有形成工作表面(4)的暴露表面，以及外围侧边缘(6)；第二区域(32)，其形成所述第一区域的基底；以及第三区域(36)，其至少部分介于所述第一区域和第二区域之间，其中所述第三区域包括一种材料，所述材料比具有包含钴的粘合剂‑催化剂相的多晶金刚石材料更加耐酸，和/或比烧结碳化物材料更加耐酸。

Description

超硬结构及其制造方法

技术领域

本公开涉及一种超硬结构和所述结构的制作方法，特别地但不唯一地涉及包括附接至基底的多晶金刚石(PCD)结构的结构以及包括这种结构的工具，特别地但不唯一地用在岩体破碎(rock degradation)或钻孔或用于钻探到地面中。

背景技术

多晶超硬材料如多晶金刚石(PCD)和多晶立方氮化硼(PCBN)可被用于多种工具，所述工具用于切割、机械加工、钻孔或破碎硬质或研磨材料如岩石、金属、陶瓷、复合材料和含木材料。特别是，包含PCD材料的切割元件(cutting element)形式的工具嵌件被广泛用于进行地面钻探以开采石油或天然气的钻头。超硬工具嵌件的工作寿命可受包括通过剥落和裂口的超硬材料的断裂或者工具嵌件的磨损限制。

诸如在岩石钻头中使用的切割元件或其它切割工具通常具有呈基底形式的主体，其具有界面端/表面和超硬材料，所述超硬材料形成切割层，所述切割层例如通过烧结工艺结合至基底的界面表面。基底通常由有时被称为烧结碳化钨的碳化钨-钴合金构成，且超硬材料层典型地为多晶金刚石(PCD)、多晶立方氮化硼(PCBN)或热稳定产品TSP材料如热稳定多晶金刚石。

多晶金刚石(PCD)是超硬材料的(也称为超硬磨料材料或极硬材料)，超硬材料包括大量基本上共生的金刚石晶粒，形成限定于金刚石晶粒之间的间隙的骨架块。PCD材料典型地包含至少约80体积％的金刚石，并且通常通过使金刚石晶粒的聚集块经受例如大于约5GPa的超高压力和至少约1,200℃的温度来进行制造。全部或部分地填充所述间隙的材料可被称为填料或粘合剂材料。

PCD典型地在烧结助剂如钴的存在下形成，烧结助剂促进金刚石晶粒的共生。用于PCD的适合的烧结助剂由于其在一定程度上溶解金刚石并催化其再沉淀的功能，通常也被称为用于金刚石的溶剂-催化剂材料。用于金刚石的溶剂-催化剂被理解为能够在金刚石热力学稳定的压力和温度条件下促进金刚石的生长或在金刚石晶粒之间直接的金刚石对金刚石的共生的材料。因此在烧结的PCD产品内的间隙中可以全部或部分地填充有剩余的溶剂-催化剂材料。最典型地，PCD常在钴-烧结碳化钨基底上形成，其提供了用于PCD的钴溶剂-催化剂源。不促进金刚石晶粒之间基本连贯共生的材料本身可与金刚石晶粒形成强的结合，但对于PCD烧结其并非适合的溶剂-催化剂。

可以用于形成适当的基底的烧结碳化钨由散布在钴基质中的碳化物颗粒通过将碳化钨颗粒/晶粒以及钴混合在一起然后加热凝固形成。为了形成带有诸如PCD或PCBN的超硬材料层的切割元件，金刚石颗粒或晶粒或CBN晶粒被放置与诸如铌罩体的难熔金属罩体中的烧结碳化钨主体相邻并且经受高压和高温使得金刚石晶粒或CBN晶粒之间发生晶间结合，形成多晶超硬金刚石或多晶CBN层。

在一些情况下，基底可以在附着于超硬材料层之前充分固化，而在其它情况下，基底可以是生的(green)，即未完全固化。在后一种情况下，基底可以在HTHP烧结工艺中充分固化。基底可以是粉末形式，并可以在用于烧结超硬材料层的烧结工艺中进行固化。

随着对地面钻探领域的改善生产力的需求提高，对切割岩石的材料提出了更高的要求。具体而言，需要具有改善的耐磨性和耐冲击性的PCD材料来实现更快的切割速率和更长的工具寿命。

包括PCD材料的切割元件或工具嵌件被广泛应用于石油和天然气开采工业中的地面钻探用钻头。岩石钻孔石和其它操作需要高的耐磨性和耐冲击性。限制多晶金刚石(PCD)耐磨刀具成功的一个因素是由于PCD和加工材料之间的摩擦而产生的热量。这种热量导致金刚石层的热降解(thermal degradation)。由于PCD层的破裂和剥落增加以及导致磨损增加的金刚石到石墨的逆转化，热降解增加了刀具的磨损速率。

用于改善PCD复合材料的耐磨性的方法常常导致复合材料的耐冲击性降低。

在刀具中使用的PCD和PCBN的最耐磨品级通常因为剥落而不合格，剥落在刀具已经磨损之前导致刀具的灾难性断裂。剥落被认为由从切割工具的工作区域扩展至顶部自由表面的裂纹引起。在使用这些刀具期间，裂纹扩展直到它们达到发生灾难性故障的临界长度，即当PCD或PCBN的大部分以脆化的方式断开。部件或结构的灾难性故障表明裂纹扩展以达到给定的结构材料的“临界裂纹长度”。“临界裂纹长度”是裂纹的可接受长度，超出其可接受长度，裂纹的扩展变得不可控制导致与部件的剩余非工作区无关的灾难性故障。因此，在使用传统烧结的PCD和PCBN期间遇到裂纹的快速扩展会导致工具寿命更短。

此外，尽管它们的强度高，但是多晶金刚石(PCD)和PCBN材料由于它们断裂韧性低通常易受冲击断裂的影响。提高断裂韧性而不对材料的高强度和耐磨性产生不利影响是具有挑战性的任务。

因此，需要具有良好或改进的耐磨性，耐断裂性和耐冲击性的超硬复合材料以及形成这种复合材料的方法。

发明内容

从第一方面看，提供一种多晶超硬结构结构，其包括：

第一区域，其包括热稳定的多晶超硬材料主体，所述主体具有形成工作表面的暴露表面，以及外围侧边缘；

第二区域，其形成所述第一区域的基底；以及

第三区域，其至少部分介于所述第一区域和第二区域之间；

其中：

所述第三区域包括材料，所述材料比具有包含钴的粘合剂-催化剂相的多晶金刚石材料更加耐酸，和/或比烧结碳化物材料材料更加耐酸。

在一些示例中，所述第三区域可延伸至和形成所述工作表面的部分。

从另一方面看，提供一种具有暴露的工作表面的多晶超硬结构，其包括︰

第一区域，其包括热稳定的多晶超硬材料主体，所述主体具有形成所述工作表面一部分的自由外表面。

第二区域，其形成所述第一区域的基底；以及

第三区域，其至少部分介于所述第一区域和第二区域之间；

其中：

所述第三区域包括陶瓷材料，所述陶瓷材料的断裂韧性为约4MPa√m至约15MPa√m之间，所述第三区域延伸至和形成所述工作表面的另一部分。

从另一方面看，本发明提供了一种工具，其包括如上定义的多晶超硬结构，所述工具用于切割、铣削(milling)、研磨(grinding)、钻孔(drilling)、地面钻探(earthboring)、岩石钻孔(rock drilling)或其它磨料应用。

所述工具可以包括，例如用于地面钻探或岩石钻孔的钻头、用于石油和天然气钻探行业的旋转固定切割头、或者滚锥钻头、开孔工具、膨胀工具(expandable tool)、钻孔器或其它地面钻探工具。

从另一个方面看，本发明提供了一种包含如上定义的多晶超硬结构的钻头、刀具或用于其的部件。

附图说明

多个版本将通过示例的方式并参照附图进行说明，其中：

图1是用于地面钻探的钻头的PCD切割元件或结构的立体图；

图2是PCD微结构的常规部分的示意性截面图，所述PCD微结构具有填充有非金刚石相材料的相互结合金刚石晶粒之间的间隙；

图3是超硬结构的第一示例的示意性截面图；

图4是超硬结构第二示例的示意性截面图；

图5是超硬结构第三示例的示意性截面图；

图6是图5的超硬结构的示意性俯视图；

图7是超硬结构的第四示例的示意性截面图；

图8是图7的超硬结构的示意性俯视图；

图9是图5的超硬结构的示意性另选俯视图；

图10是超硬结构的第五示例的示意性截面图；

图11是超硬结构的第六示例的示意性截面图；

图12是形成图10的超硬结构的步骤顺序的示意性截面图。

图13是超硬结构的第七示例的示意性截面图；以及

图14是超硬结构的第八示例的示意性截面图；

在所有附图中，相同的参考指相同的一般特征。

具体实施方式

如本文所用，“超硬材料”是维氏硬度至少约为28GPa的材料。金刚石和立方氮化硼(cBN)材料是超硬材料的示例。

如本文所用，“超硬结构”是指含有多晶超硬材料主体的结构。在这种结构中，基底可以附接至其上。

如本文所用，多晶金刚石(PCD)是一类多晶超硬(PCS)材料，其包含大量金刚石晶粒，其中的大部分是直接彼此相互结合的，并且其中金刚石的含量为所述材料的至少约80体积％。在PCD材料的一个示例中，金刚石晶粒之间的间隙可以至少部分地填充有包含用于金刚石的催化剂的粘合剂材料。如本文所用，“间隙”或“间隙区域”是PCD材料的金刚石晶粒之间的区域。在PCD材料的示例中，间隙或间隙区域可以基本上或部分地填充有金刚石以外的材料，或者它们可以是基本上空的。PCD材料可以包括至少一个区域，从该区域中催化剂材料已从间隙中除去，留下金刚石晶粒之间的填隙空位。

用于超硬材料的“催化剂材料”能够促进超硬材料的生长或烧结。

如本文所用，术语“基底”是指在其上形成超硬材料层的任何基底。例如，如本文所使用的“基底”可以是形成在另一个基底上的过渡层。

如本文所用，术语“一体成型”是指彼此连续生产并且不被不同种类的材料分离的区域或部分。

如本文所用，术语“难熔金属”应理解为包括那些熔点高于2,123K(1,850℃)的元素，例如铌、钼、钽、钨、铼、钛、钒、铬、锆、铪、钌、锇和铱。

图1是PCD超硬结构的示意图，如切割元件1包括基底3，超硬材料层2在所述基底3上形成。所述基底3可由诸如烧结碳化钨的硬材料形成。所述超硬材料2可以是如高密度多晶金刚石(PCD)，其包括至少95体积％的金刚石。所述切割元件1可被安装至诸如刮刀钻头主体(未示出)的钻头主体中并且可适合例如用作用于钻入地面中的钻头的刀具嵌件。

与基底背对的超硬材料的暴露的顶表面形成又称工作表面的切割面4，这是沿其边缘6在使用中进行切割的表面。

所述基底3的一端是界面表面8。如图1所示，所述基底3通常为圆柱形并且具有外围表面10和外围顶部边缘12。

所述超硬材料可以是例如多晶金刚石(PCD)，而所述超硬颗粒或晶粒可以是天然的和/或合成的。

所述基底3可以由如烧结碳化物材料的硬材料形成和可以是例如烧结碳化钨、烧结碳化钽、烧结碳化钛、烧结碳化钼或其混合物。用于这种适合形成所述基底3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，这种粘合剂会以数量为10到20的质量％存在，但是这可以低至6质量％或更少。所述粘合剂金属中的一些可以在坯块1形成期间渗入到多晶超硬材料2的主体中。

在一些示例中，所述多晶超硬材料主体2可以是如由高于95体积％的金刚石形成的高密度PCD。这种PCD主体可以使用已知方法形成，例如通过在约8GPa和以上的烧结压力下烧结具有粘合剂催化剂的金刚石晶粒，就如美国专利申请US 2010/0084196号中所述。

在一些示例中，所述多晶超硬材料2主体可由高密度PCD形成，所述高密度PCD包括纳米金刚石晶粒和粘合剂催化剂的烧结块，就如美国专利申请US 2005/019114号中所述。

在一些示例中，可根据已知方法形成高密度或不含粘合剂的PcBN和由纳米材料形成的PcBN结构。

在一些PCD材料的示例中，金刚石晶粒之间的间隙可以至少部分地填充有包含用于金刚石的催化剂的粘合剂材料。如本文所用，“间隙”或“间隙区域”是PCD材料的金刚石晶粒之间的区域。在PCD材料的示例中，间隙或间隙区域可以基本上或部分地填充有金刚石以外的材料，或者它们可以是基本上空的。所述PCD材料可以包括至少一个区域，从该区域中催化剂材料已从间隙中除去，留下金刚石晶粒之间的填隙空位。

多晶复合材料结构1用作切割元件时，可被安装到钻头主体如刮刀钻头主体(未示出)中。

所述多晶复合材料结构1的工作表面或“前刀面”4是表面或多个表面，当刀具被用于从主体切割材料时，被切下的材料碎片从该表面或多个表面上流动，前刀面4引导新形成的碎片的流动。由于所述工作表面4是用于与其边缘6一起对主体进行切割的表面，所以这前刀面4通常也称为切割元件的顶面或工作表面，可以理解本文所用的术语“切割边缘”指的是如上功能性限定的在刀具磨损过程直到刀具失效的任何具体的阶段或多个阶段包括但不限于处于基本上未磨损或未使用状态的刀具的实际的切削边缘。

如本文所用，“碎片”是从主体的工作表面移除的主体的碎片，所述主体在使用中被所述多晶复合材料结构1切割。

如本文所用，“磨痕”是在使用中由于刀具的磨损通过移除大量切割材料形成的刀具的表面。侧面可以包含磨痕。当在使用中刀具磨损时，材料可以从最近的切割边缘逐渐移除，从而当磨痕形成时不断地重新确定切割边缘、前刀面和侧面的位置和形状。

烧结金属碳化物基底在组成上可以是常规的，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。在一些示例，所述金属碳化物是碳化钨。

所述超硬材料层2可以包括PCBN。包括PCBN的部件主要用于加工金属。PCBN材料包括立方氮化硼(cBN)晶粒的烧结块。PCBN材料的cBN含量可以是至少约40体积％。当PCBN中的cBN含量为至少约70体积％时，可存在cBN晶粒间的基本上直接接触。当cBN含量在坯块约40体积％-约60体积％范围时，然后，cBN晶粒间的直接接触的程度是有限的。PCBN可通过使cBN颗粒块与粉末状基质相一起经受cBN比六边形的氮化硼hBN热力学更稳定的温度和压力而制成。PCBN的耐磨性小于PCD的耐磨性，其可比PCD更适于不同的应用。

如本文所用，PCD或PCBN品级是PCD或PCBN材料，其根据在PCD的情况下金刚石晶粒的体积含量和尺寸，或在PCBN的情况下cBN晶粒的体积含量和尺寸；晶粒之间的间隙区域的体积含量；和可存在于间隙区域中材料的组分表征。超硬材料的品级可通过工艺制成，该工艺包括提供具有适于其品级的尺寸分布的超硬晶粒的聚集块，可选地将催化剂材料或添加剂材料引入至聚集块中，在用于超硬材料的催化剂材料源存在的情况下，使聚集块经受如下的压力和温度，在此压力和温度下，超硬晶粒比石墨(在金刚石的情况下)或hBN(在CBN的情况下)更热力学稳定，并且在此压力和温度下，催化剂材料是熔融的。在这些条件下，熔融的催化剂材料可从源渗入至聚集块并有可能在烧结工艺中促进金刚石晶粒之间的直接共生，以形成多晶超硬结构。聚集块可包括松散的超硬晶粒或通过粘合剂材料保持在一起的超硬晶粒。在金刚石的情况下，金刚石晶粒可以是天然或合成的金刚石晶粒。

不同品级的诸如多晶金刚石的超硬材料可具有不同的微观结构和不同的机械性能，例如弹性(或杨氏)模量E(elastic(or Young’s)modulus E)、弹性模量(modulus ofelasticity)、横向断裂强度(TRS)、韧性(诸如所谓的K_IC韧性)、硬度、密度和热膨胀系数(CTE)。不同的PCD品级在使用中也表现不同。例如，不同PCD品级的磨损速率和抗断裂性可能不同。

在PCD的情况下，PCD品级可包括填充有包括钴金属的材料的间隙区域，钴金属是用于金刚石的催化剂材料的。

在图1中的切割元件中示出的多晶超硬结构2可包括例如一个或多个PCD品级。

如图2所示，在常规多晶复合材料结构1的形成过程中，在超硬材料的晶粒22(例如在PCD的情况下是金刚石晶粒)之间的间隙24，可以至少部分地填充有非超硬相材料。这种非超硬相材料，也称为填充材料，可包括残留的催化剂/粘合剂材料，例如钴、镍或铁，也可以或替代地包括一种或多种非超硬相添加剂。

公开号为WO2008/096314的PCT申请公开了涂覆金刚石颗粒的方法，以能够形成多晶超硬磨料组件或复合材料，包括基质中的金刚石的多晶超硬磨料组件，所述基质的材料包括VN、VC、HfC、NbC、TaC、Mo₂C、WC的一个或多个。公开号为WO2011/141898的PCT申请也公开了PCD和形成包含添加物如碳化钒的PCD的方法以尤其改善耐磨性。

希望不受到任何特定理论的约束同时，填充材料内的金属添加剂的组合可以被认为在使用中具有更好分散在PCD材料内产生和扩散的裂纹的能量的作用，导致PCD材料的改进的磨损性能和增强的抗冲击性和抗断裂性，并且因此延长在一些应用中的工作寿命。

超硬材料的晶粒可以为例如金刚石晶粒或颗粒。在烧结之前的初始混合中，它们可以例如为双模态的，即，该进料包含金刚石晶粒的粗粒部分和金刚石晶粒的细粒部分的混合物。在一些实施例中，粗粒部分可具有例如约10至60微米的平均颗粒/晶粒尺寸范围。“平均颗粒或晶粒尺寸”是指单个颗粒/晶粒具有一个尺寸范围，该尺寸范围具有表示“平均值”的平均颗粒/晶粒尺寸。所述细粒部分的平均颗粒/晶粒尺寸小于所述粗粒部分的尺寸。例如，细粒部分的平均晶粒尺寸可为粗粒部分的尺寸的约1/10到6/10之间，并在一些实施例中，范围可为例如约0.1到20微米。

在一些示例中，粗粒部分与细粒部分的重量比的范围是粗超硬晶粒占约50％-约97％，细粒部分可占约3％-约50％重量比。在其它示例中，粗粒部分对细粒部分的重量比将在约70:30至约90:10的范围内。

在其它示例中，粗粒部分对细粒部分的重量比可在例如约60:40至约80:20的范围内。

在一些示例中，粗粒和细粒部分的粒径分布不重迭，并且在一些实施例中，在组成多峰分布的分別的粒度级之间，坯块的不同尺寸的成分隔开一个数量级。

一些示例由超硬材料的粗粒和细粒部分之间的宽双峰尺寸分布组成，但是一些示例可包括三个或甚至四个或更多的尺寸模式，其可例如通过尺寸数量级分离，例如，平均颗粒尺寸为20微米、2微米、200nm和20nm的颗粒尺寸的共混物。

将金刚石颗粒/晶粒的尺寸变为细粒部分、粗粒部分或介于两者间的其它尺寸可通过已知方法如喷射粉碎较大金刚石晶粒和类似的方法来完成。

在一些示例中，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。在一些示例中，粘合剂/催化剂/烧结助剂可以是钴。

图3至14是通过超硬结构1的示意性截面图。

在第一示例中，如图3所示，所述超硬结构30包括超硬材料层34，所述层形成前刀面或切割表面4，并具有切割边缘6、基底32，以及位于所述超硬材料层34和基底32之间的区域36。所述基底和中间区域36的界面37是基本上非平面的，所述中间区域36和超硬材料层34之间的界面38也是基本上非平面的。图3的示例中的所述中间区域36可是例如陶瓷材料，其断裂韧性为约4MPa√m至约15MPa√m之间，或是例如包括难熔金属的材料，所述形成中间区域36的材料比具有钴的粘合剂-催化剂相的多晶金刚石材料更加耐酸，和/或比烧结碳化物材料更加耐酸。在图3的示例中，所述中间区域36不形成工作表面的部分，但由超硬材料的区域隔开。另外，所述中间区域36穿过所述带有基底32的界面37延伸，并且将所述超硬层34从基底32隔开。

图4中所示的超硬结构40的示例与图3所示的不同之处在于，超硬材料44和基底42之间的界面48是基本上平面的，而如图3所示基底42和中间区域46之间的界面47是基本上非平面的。所述中间区域46可是例如陶瓷材料，其断裂韧性为约4MPa√m至约15MPa√m之间，或是例如包括难熔金属的材料，所述形成中间区域36的材料比具有粘合剂-催化剂相(钴)的多晶金刚石材料更加耐酸，和/或比烧结碳化物材料更加耐酸。

在图5所示的超硬结构50的示例中，中间区域56是例如断裂韧性为约4MPa√m至约15MPa√m之间的陶瓷材料，或是包括难熔金属的材料，所述材料比具有粘合剂-催化剂相如钴粘合剂相的多晶金刚石材料更耐酸，和/或烧结碳化物材料介于基底52和超硬材料层54之间。所述中间区域56延伸至和形成所述超硬结构50的工作表面4的部分。如图6中的俯视图所示，所述超硬层围绕陶瓷材料56的中间区域的外围外表面形成环形部分。中间区域56和基底52之间的界面57是基本上非平面的，而中间区域56和超硬材料层54之间的界面58也是基本上平面的，所述界面是凹弧形的。

图7中所示的超硬结构60的示例和图5中所示的不同之处在于，如图7中的截面图的倾斜平面所示，超硬材料层64和中间区域66之间的界面68是倾斜的而不是凹弧形的，所述中间区域66从而包括从基底突出并穿过超硬材料层64到切割面4的截顶圆锥体。在图7的示例中，所述中间区域66可例如是陶瓷材料，其断裂韧性为约4MPa√m至约15MPa√m之间，或例如是包括难熔金属的材料，所述形成中间区域66的材料比具有钴的粘合剂-催化剂相的多晶金刚石材料更加耐酸，和/或比烧结碳化物材料更加耐酸。

所述中间区域66介于所述基底62和超硬材料层64之间。所述中间区域66延伸至和形成所述超硬结构60的工作表面4的部分。如图6和图8的俯视图所示，所述超硬层可以围绕所述中间区域66的外围外表面形成环形部分，或所述超硬材料层64可以段的形式围绕所述中间区域66的切割边缘。所述中间区域66和基底62之间的界面67可以如图7所示是基本上非平面的，或可以是基本上平面的。这种结构的优点可以是，所述结构在使用后可旋转使得不同切割边缘可被提供给待切割的表面，而且这些段在使用过程中也可用于限制对所述结构的有限区域的损坏。

在一些示例中，例如图9所示，特别是在中间区域延伸至和形成切割面4的部分的情况下，所述中间区域和超硬材料层之间的界面可以是脊状或开槽的，所述脊或凹槽例如从所述切割面4延伸到所述结构的侧面。

在图10所示的超硬结构80的示例中，所述结构包括由第一中间区域86和第二中间区域88从超硬材料层84隔开的基底82。在所示示例中，所述基底82和第二中间区域之间的界面89是基本上非平面的，所述第一和第二中间区域86和88之间的界面87是基本上平面的，并且所述第一中间区域86和超硬材料层84之间的界面85是基本上非平面的。所述第一和第二中间区域86和88的任意一个或两个可以是例如断裂韧性为介乎约4MPa√m和约15MPa√m之间的陶瓷材料，或是例如包括难熔金属的材料，所述形成中间区域36的材料比具有钴粘合剂-催化剂相的多晶金刚石材料更耐酸，和/或是烧结碳化物材料，或是包括至少一种过渡金属的金属陶瓷材料。所述第二中间区域可以例如包括TRS为约200MPa或更大的材料。

虽然不希望受特定理论的束缚，但是人们相信，有了邻近所述基底82的第二中间区域88，可以消除在所述基底82和第一中间区域86之间的CTE的突然变化，从而通过最小化不同组分的层之间的残余应力有助于抑制破裂和/或烧结的超硬层84从所述基底脱层。

在图11所示的示例中，超硬材料90包括基底92、超硬材料层94和位于所述超硬材料层94和基底92之间的中间区域96，所述中间区域96隔开所述超硬材料层94和基底92。所述基底和中间区域96之间的界面97在所示示例中是基本上非平面的，所述中间区域96和超硬材料层94之间的界面98也是基本上非平面的，并且可以包括一个或多个凹槽或脊以提供两层之间的互锁配合。

在一些示例中，例如在图3至图11中所示的任何一个或多个示例中，所述中间区域36、46、56、66、86、96中的材料可以例如具有约6MPa√m至约10MPa√m之间的断裂韧性。在一些示例中，所述中间区域36、46、56、66、86、96的材料可以例如具有约800MPa至约2500MPa之间的TRS，而在一些示例中，所述TRS可为约1000MPa至约2500MPa之间。

在一个或多个示例中，所述中间区域36、46、56、66、86、96具有的金属含量可例如为约10wt％或更小，或约5wt％或更小，或约4wt％或更小、或约3wt％或更小，或约1wt％或更小，而在其它示例中，所述中间区域36、46、56、66、86、96可以例如基本上不含金属。

在根据示例中的任何一个或多个的多晶超硬结构中，所述超硬材料34、44、54、64、72、84、94包括热稳定的材料，例如热稳定的PCD，且可具有约95体积％至约100体积％的金刚石含量。所述热稳定的超硬材料层可以例如基本上不含用于金刚石的催化剂材料，所述区域形成所述热稳定的第一区域，并可以例如包含至多2wt％的用于金刚石的催化剂材料。

在一些示例中，所述热稳定的超硬材料层包括不含粘合剂的PCD材料和/或化学气相沉积(CVD)金刚石和/或由纳米金刚石晶粒形成的多晶超硬材料。

在一些示例中，所述形成中间区域36、46、56、66、74、86、96的材料可以包括金属陶瓷材料和/或PcBN、金属超合金、氮化硅基材料、氧化锆基材料、氮化硅、碳化硅、氧化铝、碳化钛、氮化钛、硼化钛、碳化钨、硼化钛、氮化铝、硼化铝、钛超合金的任何一种或多种。在一些示例中，所述形成中间区域36、46、56、66、74、86、96的材料可以包括难熔金属，所述难熔金属例如包括铌、钼、钽、钨、铼、钛、钒、铬、锆、铪、钌、锇和铱或其合金的任何一种或多种。在一些示例中，所述形成中间区域36、46、56、66、74、86、96的材料可以包括氧化物、氮化物、碳化物、碳氮化物的一种或多种，和/或钽、钛、锆、铪、钒、铌、钼、钨、铬、铼、锰、铜之中一种或多种的碳氧化物。

在任何一个或多个示例中，所述超硬结构具有纵向轴，所述中间区域36、46、56、66、86、96沿平行于纵向轴的平面的厚度可以例如是约1mm至约6.5mm之间，而所述中间区域36、46、56、66、86、96可以通过钎焊接头和/或烧结接头沿各自的界面结合至超硬材料层和/或第二中间区域88，和/或至基底32、42、52、62、82、92。

用于制造热稳定的超硬层34、44、54、64、84、94的超硬材料的晶粒可以例如是金刚石晶粒或颗粒，或例如是cBn晶粒或颗粒。在烧结之前的初始混合中，它们可以是例如双模态的，即进料包括超硬晶粒的粗粒部分和超硬晶粒的细粒部分的混合物。在一些实施例中，粗粒部分可具有例如约10至60微米的平均颗粒/晶粒尺寸范围。“平均颗粒或晶粒尺寸”是指单个颗粒/晶粒具有一个尺寸范围，该尺寸范围具有表示“平均值”的平均颗粒/晶粒尺寸。细粒部分的平均颗粒/晶粒尺寸小于粗粒部分的尺寸，例如，在粗粒部分的尺寸的约1/10到6/10之间，并在一些实施方案中实施例范围为例如约0.1到20微米。

在超硬材料为多晶金刚石材料的示例中，用于形成多晶金刚石材料的金刚石晶粒可以是天然或人工合成的。

在一些示例中，多晶超硬材料是PCBN和包括cBN的超硬颗粒或晶粒。

在一些示例中，用于协助诸如金刚石晶粒的超硬材料晶粒的结合的粘合剂催化剂/溶剂可包括钴和/或诸如铁或镍的一些其它铁族元素或其合金。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实例。在一些示例中，粘合剂/催化剂/烧结助剂可以是Co。

示例的超硬结构可被如下制造。

如本文所用，“生坯”是包含待被烧结的晶粒和将晶粒保持在一起的部件的主体，如粘合剂，例如有机粘合剂。

超硬结构的示例可通过生坯的制备方法制造，其中生坯包括超硬材料的晶粒或颗粒、非反应相和诸如有机粘合剂的粘合剂。生坯还可包括用于促进超硬晶粒烧结的催化剂材料。生坯可通过如下制作：将晶粒或颗粒与粘合剂/催化剂结合；将它们形成具有与预期的烧结坯体一般形状大体上相同的一般形状的坯体；以及干燥粘合剂。至少一些粘合剂材料可以通过例如将其烧掉来移除。生坯可通过包括压实工艺、注塑工艺或诸如模塑、挤出，沉积成形方法的其它方法的方法形成。

基底和中间区域优选地预先形成。在一些示例中，基底可通过将诸如碳化钨的硬材料的晶粒的生坯压成所需的形状，在形状一个自由端处包括界面特征，且将生坯烧结以形成基底组件。在可选的示例中，基底界面特征可由硬材料的烧结圆筒体加工以形成用于界面特征的期望的几何形状。基底可例如包括结合有诸如钴、镍或铁或其混合物的催化剂材料的WC颗粒。用于超硬结构、包括预成型的基底和诸如金刚石晶粒或立方氮化硼晶粒的超硬材料颗粒的生坯可被放置在基底上以形成预烧结组件，其可被封装在如在本领域中已知的用于超高压炉的容器中。具体地，例如粉末形式的超磨粒被放置在例如由铌、钽或钛制成的金属杯内。预成型的基底和中间区域被放置在杯内并被静液压地压入超硬粉末中使得必需的粉末块被压在预成型的碳化物基底的界面特征周围以形成预复合物。然后，预复合物在约1050℃下被除气。预复合物通过将第二杯放置在另一端被封闭，预复合物通过冷等静压压制或EB焊接被密封。然后，预复合物被烧结以形成沿带有基底的界面结合至基底的超硬材料的烧结坯体。

在一些示例中，超硬晶粒可以是金刚石晶粒，基底可以是钴-烧结碳化钨，基底中的钴是用于烧结金刚石晶粒的催化剂源。预烧结组件可以包含催化剂材料的额外源。

在一个示例中，方法可包括将包含预烧结组件的容器装入冲床中，并使生坯经受在超硬材料处于热力学稳定时的超高压力和温度下以烧结超硬晶粒。在一些示例中，生坯可包括金刚石晶粒，组件经受的压力至少为约5GPa，和温度至少为约1300℃。在一些示例中，组件经受的压力至少为约5.5-6Gpa，但是在一些示例中它可以为约7.7GPa或更大。且在一些示例中，在烧结工艺中使用的温度也可以为约1400至约1500℃。

方法的一个版本可包括通过例如在PCT申请公开号WO2009/128034中公开的方法制造金刚石复合结构，PCT申请公开号WO2009/128034中公开的方法具有在烧结之前将诸如0-3wt％的钴的金属粘合剂形式的催化剂材料与金刚石晶粒混合的附加步骤。包含金刚石颗粒和诸如钴的金属粘合剂材料的粉末共混物可通过将这些颗粒结合并将它们共混来制备。有效的粉末制备技术可用于混合粉末，如潮湿的或干燥的多方位混合、行星式球磨机和高剪切混合匀质器。在一个示例中，金刚石颗粒的平均尺寸可以为从约1微米至至少约50微米，它们可通过将粉末混合或在一些情况下用手一起搅拌粉末与其它颗粒结合。在所述方法的一个版本中，粉末共混物中可以包括适合于随后转化为粘合剂材料的前体材料，并且在所述方法的一个版本中，金属粘合剂材料可以以适合于渗透到生坯中的方式被引入。粉末共混物可以被放置在冲模或模具中并且被压实以形成生坯，例如通过单轴压缩或其它压缩方法，如冷等静压压制(CIP)。生坯可以经受在本领域中已知的烧结工艺以形成烧结制品。在一个版本中，方法可包括将包括预烧结组件的容器装入冲床中，对生坯经受在超硬材料处于热力学稳定时的超高压力和温度下以烧结超硬晶粒。

烧结后，多晶超硬结构可以被研磨到目标尺寸并且如果需要可以包括在所生产的多晶超硬材料的主体上具有高度大约为0.4mm的45°斜面。

在PCD的示例中，烧结的制品可经受在金刚石热稳定时的压力和温度下的随后处理以将非金刚石碳的一些或全部往回转化成金刚石并生成金刚石复合结构。可以使用金刚石合成领域中众所周知的超高压力炉并且对于第二烧结工艺，该压力可以为至少约5.5GPa，该温度可以为至少约1,250℃。

用于金刚石的溶剂/催化剂可以通过各种方法引入到金刚石晶粒的聚集块中，包括混合粉末形式的溶剂/催化剂材料和金刚石晶粒，在金刚石晶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渗透溶剂/催化剂材料进入聚集块。将用于金刚石的溶剂/催化剂如钴沉积到金刚石晶粒的表面上的方法在本领域中是已知的，其包括化学气相沉积(CVD)、物理气相沉积(PVD)、溅射镀膜、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，以及晶粒的特性。

在一个示例中，诸如钴的粘合剂/催化剂可通过首先沉积前体材料，然后将所述前体材料转化为包含元素金属钴的材料被沉积在金刚石晶粒的表面上。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晶粒的表面上：

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PCT专利公开号WO2006/032982中描述的方法来实现。然后例如可通过如下所述的热分解反应将碳酸钴转化为钴和水：

CoCO₃→CoO+CO₂

CoO+H₂→Co+H₂O

在另一示例中，钴粉末或诸如碳酸钴这样的钴的前体可以与金刚石晶粒混合。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。

在一些示例中，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颗粒形成，所述粘合剂材料包括Co、Ni和Cr的合金。所述碳化钨颗粒可以形成为占基底的至少70wt％和至多95wt％。所述粘合剂材料可以包含约10-50wt％％之间的Ni、约0.1至10wt％之间的Cr，其余重量百分比包含Co。

以下将参考附图更详细的描述示例，其在此提供仅为说明目的而非意在限定。

示例1

图3、4、11的超硬结构可以如下所述形成。

在Nb杯的底部放置钴盘(厚度为200微米)。将平均粒径为20微米的约2克的金刚石粉装入杯中。将包括99.7％氧化铝的陶瓷材料的预成型主体插入金刚石粉末中。预成型陶瓷具有从金刚石晶粒的端面延伸至约1mm的突出部。将包含13％Co的预成型烧结碳化物基底放置在杯中的预成型陶瓷材料邻近。组件被Ti帽双重盖着(double cupped)，并在1100℃下被除气约30分钟。将单元密封并在5.7GPa的压力和约1450℃的温度下烧结至少30秒以形成PCD结构。所述PCD结构在烧结后被回收，并完全加工为接近2.5mm的金刚石台厚度(从切割表面到带有陶瓷材料的中间区域的界面)，直径为约16.00mm，整体高度为约13.00mm(包括基底)。

对所述PCD结构进行诸如酸沥滤的后烧结处理以从形成多晶金刚石层的超硬晶粒之间的间隙去除残留粘合剂。所述中间区域的材料比包括间隙Co和/或烧结WC的PCD更耐酸损伤，所述超硬结构30、40、90包括基底32、42、92，其在沥滤过程中被密封或遮蔽或其它形式的屏障保护不与酸接触，以及热稳定的超硬材料层34、44、94，其由中间区域36、46、96与所述基底32、42、92分隔。可通过所述材料在沸腾的HCl和水的混合物中30小时后是否更耐酸损伤，并确定中间区域的材料比起始重量减少了少于10％，其中HCl形成所述酸沥滤混合物的20％，水形成剩余的80％，以确定所述中间区域的材料的耐酸性比包含间隙钴和/或WC的PCD更高。

示例2

图5至9的超硬结构可以如下形成。

在Ta杯的底部放置在厚度接近约300微米的含有5wt％Fe的钴盘。然后将约1.5克的平均粒径为约10微米的金刚石粉末装入杯中。将包含约99.7％氧化铝的陶瓷材料的预成型主体插入金刚石粉末中。将如图5至9的示例所示具有包括约13％Co的所需界面的预成型烧结碳化物基底放置在陶瓷材料主体邻近。组件被钢罐双重盖着，并在1100℃下被真空除气约30分钟，并被密封。将所述组件置于高温高压装置中，并在约8.0GPa的压力和约1450℃的温度下烧结至少30秒以形成烧结的PCD结构。所述PCD结构被回收并完全加工为2.5mm的金刚石台厚度，直径为约16.00mm，所述超硬结构包括基底的整体高度为约13.00mm。如图5至9所示，陶瓷材料的主体延伸至和形成所述结构的工作表面的部分，并可以例如具有3mm的轴向厚度。

对所述PCD结构进行诸如酸沥滤的后烧结处理以从形成多晶金刚石层的超硬晶粒之间的间隙去除残留粘合剂。所述中间区域的材料比包括间隙Co和/或烧结WC的PCD更耐酸损伤，所述超硬结构50、60、70包括基底52、62，其在沥滤过程中被密封或遮蔽或其它形式的屏障保护不与酸接触，以及热稳定的超硬材料层54、64、72，其由中间区域56、66、74从所述基底52、62分隔。可通过所述材料在沸腾的HCl和水的混合物中30小时后是否更耐酸损伤，并确定中间区域的材料比起始重量减少了少于10％，其中HCl形成所述酸沥滤混合物的20％，水形成剩余的80％，以确定所述中间区域的材料的耐酸性比包含间隙钴和/或WC的PCD更高。

示例3

图10的超硬结构可以如下形成。

在Nb杯的底部放置钴盘(具有约200微米的厚度)。然后将约1.8克的平均粒径为约6微米的金刚石粉末装入杯中。将包含约99.7％氧化铝的陶瓷材料的预成型主体插入金刚石粉末中。陶瓷材料的预成型主体具有从金刚石晶粒的端面延伸至约1.2mm的突出部。将包含厚度为约50微米的TiC-NiMo的预成型盘放置在陶瓷材料的主体邻近，在杯中的金属陶瓷盘上设置包含烧结碳化物如WC和约13wt％Co的预成型基底。组件被双重盖着，并在1100℃下被真空除气约30分钟，并被密封。将所述组件置于高温高压装置中，并在约7.5GPa的压力和约1450℃的温度下烧结至少30秒以形成烧结的PCD结构。所述烧结的PCD结构被回收、处理和分析。所述PCD结构可完成为具有2.2mm的金刚石层厚度，约16mm的直径和约12mm的整体高度(包括基底)。

如图10所示，陶瓷材料的主体从所述结构的工作表面分开例如多至约1mm，并可例如具有约3mm的轴向厚度。

对所述PCD结构进行诸如酸沥滤的后烧结处理以从形成多晶金刚石层的超硬晶粒之间的间隙去除残留粘合剂。所述中间区域的材料比包含间隙Co和/或烧结WC的PCD更耐酸损伤，所述超硬结构80包括基底82，其在沥滤过程中被密封或遮蔽或其它形式的屏障保护不与酸接触，以及热稳定的超硬材料层84，其由中间区域86和中间金属陶瓷区域88从所述基底82分隔。可通过所述材料在沸腾的HCl和水的混合物中30小时后是否更耐酸损伤，并确定中间区域的材料比起始重量减少了少于10％，其中HCl形成所述酸沥滤混合物的20％，水形成剩余的80％，以确定所述中间区域的材料的耐酸性比包含间隙钴和/或WC的PCD更高。

TiC-NiMo盘可有助于改善烧结碳化物基底和陶瓷材料主体之间的粘附力。

示例4

图3、4和11的超硬结构可以可选地如下形成。

在Nb杯的底部放置包含约13wt％Co的烧结碳化物形成的盘(厚度为3mm)。然后将约1.8克的平均粒径为约15微米的金刚石粉末装入杯中。将碳化硅陶瓷材料的预成型主体插入金刚石粉末中。预成型的SiC陶瓷材料具有从金刚石晶粒的端面延伸至约1mm的突出部。将包含约11％Co的预成型烧结碳化物基底放置在陶瓷材料主体邻近。组件被双重盖着，并在1100℃下被真空除气约30分钟，并被密封。将所述组件置于高温高压装置中，并在约7.2GPa的压力和约1450℃的温度下烧结至少30秒以形成烧结的PCD结构。然后，所述烧结的PCD结构被回收、处理和分析。所述PCD结构可完成为具有如2.5mm的金刚石层厚度，如约16mm的直径和约13mm的包括基底的整体高度。

对所述PCD结构进行诸如酸沥滤的后烧结处理以从形成多晶金刚石层的超硬晶粒之间的间隙去除残留粘合剂。所述中间区域的材料比包括间隙Co和/或烧结WC的PCD更耐酸损伤，所述超硬结构30、40、90包括基底32、42、92，其在沥滤过程中被密封或遮蔽或其它形式的屏障保护不与酸接触，以及热稳定的超硬材料层34、44、94，其由中间区域36、46、96从所述基底32、42、92分隔。可通过所述材料在沸腾的HCl和水的混合物中30小时后是否更耐酸损伤，并确定中间区域的材料比起始重量减少了少于10％，其中HCl形成所述酸沥滤混合物的20％，水形成剩余的80％，以确定所述中间区域的材料的耐酸性比包含间隙钴和/或WC的PCD更高。

示例5

图5至9的超硬结构可以可选地如下形成。

在Nb杯的底部放置包含约5wt％Fe的300微米厚的Co盘。然后将约1.5克的平均粒径为约25微米的金刚石粉末装入杯中。将包含约99.7wt％氧化铝的具有约9mm直径和约1.5mm高度的预成型氧化铝盘放置于所述金刚石粉末的中心和顶部。然后将约3克的氧化铝粉末放置在所述氧化铝盘的顶部。将包含约13wt％Co的预成型烧结WC基底放置在所述氧化铝盘的邻近。组件被双重盖着，并在1100℃下被真空除气约30分钟，并被密封。将所述组件置于高温高压装置中，并在约6.5GPa的压力和约1450℃的温度下烧结至少30秒以形成烧结的PCD结构。所述烧结的PCD结构被回收、处理和分析。从所述切割表面沿刀具的外围侧边缘至带有基底的界面测量，所述PCD结构可完成为具有如2.5mm的金刚石层厚度。所述氧化铝陶瓷区域暴露在和形成所述PCD结构中心处的工作表面的部分。

示例6

图5至9的超硬结构可以可选地如下形成。

在Nb杯的底部放置包含约5wt％Fe的钴盘(具有300微米的厚度)。然后将约1.8克的平均粒径为约12微米的金刚石粉末装入杯中。将包含约70wt％氧化铝和约30wt％TiC的具有约9mm直径和约1.5mm厚度的预成型氧化铝盘放置于所述金刚石粉末的中心和顶部。在所述氧化铝-TiC盘上的杯中放置约1.5克包含99.9％纯度的约90wt％氧化铝粉末和约10wt％平均粒径为约30微米的金刚石的混合物。将具有13wt％Co的烧结碳化物基底放置在杯中氧化铝-金刚石粉末混合物的邻近。组件被双重盖着，并在1100℃下被真空除气约30分钟，并被密封。将所述组件置于高温高压装置中，并在约6.0GPa的压力和约1450℃的温度下烧结至少30秒以形成烧结的PCD结构。所述烧结的PCD结构被回收、处理和分析。从所述工作表面沿所述结构的外围侧边缘至带有基底的界面测量，所述PCD结构可完成为具有如2.5mm的PCD厚度。所述氧化铝陶瓷区域暴露在和形成所述结构中心的工作表面的部分。刀具的总直径可以为约16mm，高度为约13mm。

对所述PCD结构进行诸如酸沥滤的后烧结处理以从形成多晶金刚石层的超硬晶粒之间的间隙去除残留粘合剂。所述中间区域的材料比包含间隙Co和/或烧结WC的PCD更耐酸损伤，所述超硬结构50、60、70包括基底52、62，其在沥滤过程中被密封或遮蔽或其它形式的屏障保护不与酸接触，以及热稳定的超硬材料层54、64、72，其由中间区域56、66、74从所述基底52、62分隔。可通过所述材料在沸腾的HCl和水的混合物中30小时后是否更耐酸损伤，并确定中间区域的材料比起始重量减少了少于10％，其中HCl形成所述酸沥滤混合物的20％，水形成剩余的80％，以确定所述中间区域的材料的耐酸性比包含间隙钴和/或WC的PCD更高。

在另一示例中，例如图12中所示，可以改变在最终结构的烧结之前将部件装入杯中的顺序，使得可以最初将用于中间区域的预成型材料102放置在杯中，并可将金刚石晶粒103放置在其中，之后是预成型烧结碳化物基底100。然后如以上示例中所述烧结所述组件以形成初始PCD结构。可以例如通如EDM或激光技术将基底100沿着线A-A从烧结的PCD层103移除，并且可以对PCD层102和中间区域103进行诸如酸沥滤的处理过程，以从PCD材料的间隙中除去残留的催化剂粘合剂，并且使其热稳定。然后，可以直接将具有与其结合的中间区域102的TS PCD 103重新连接到新的基底107上(如图13所示，其中基底和中间区域之间有基本上平面的界面，或如图14所示，其中基底和中间区域之间有基本上非平面的界面)，或通过例如可以是以上关于图10所述的金属陶瓷材料形成的另一中间层106。这可以例如通过钎焊来实现。

在另一些示例中，可用约100MPa至约200MPa的热压和约1500℃的温度，在高压中将预成形的中间区域结合到预成型的基底上。然后可以在真空下用例如Ticusil^TM钎焊膏在约900℃的温度下，将所述组件钎焊到完全沥滤的的PCD台上。然后可以将所述结构加工成所需的最终尺寸。

虽然不希望受特定理论的束缚，但是人们相信在由韧性和/或强度与未沥滤PCD相若的材料形成的一个或多个中间区域的示例中，所述中间区域对TS超硬层提供了良好的支撑，特别是例如人们已知沥滤常规PCD通常会减少所述PCD的强度高达约30％。所述中间区域可以例如被成形为适合超硬结构的特定最终应用，以保证TS超硬材料的大表面可以在切割边缘呈现，从而随时磨痕的进行，所述磨痕被容纳在由韧性和坚固的陶瓷支撑中间区域支撑的TS区域中。中间区域的突出部与超硬层相比具有更高的耐冲击性，从而起到阻止裂纹的作用以避免在使用超硬结构期间剥落或灾难性故障。

中间区域和TS超硬层的尺寸和形状可被调整以适应超硬材料的最终应用。可相信的是，在无需显著损害材料的整体耐磨性的情况下提高抗剥落性，这对于PCD和PCBN切割工具是可期望的。

在试验期间对磨痕扩展的观察表明，材料的生成大的磨痕而不出现脆型微裂缝(例如剥落或裂口)的能力，导致了较长的工具寿命。

因此，可形成例如具有高耐磨性和断裂性能组合的PCD材料的示例。

所述超硬结构可通过例如研磨被完成以提供PCD组件，其基本上呈圆筒形并且具有基本上平面的工作表面或通常是圆顶形的、尖的、圆锥形的或截头圆锥形的工作表面。PCD组件可适于在例如用于地面钻探的旋转剪切钻头(或刮刀钻头)、用于冲击钻头或采矿或沥青降解用截齿中使用。

当各种版本已经参考多个被描述时，本领域内的技术人员将会理解各种变化可以被做出以及等同物可以被其中的组件替代以及这些并非意在限制所公开的特定的版本。例如，为了使PCD热稳定，可以用酸处理附着中间区域的PCD结构，以从金刚石晶粒之间滤去催化剂材料，或者通过其它方法如电化学方法来实现。

Claims

1.一种多晶超硬结构，其包括：

第二区域，其形成所述第一区域的基底；以及

第三区域，其至少部分介于所述第一区域和第二区域之间；其中：

所述第三区域包括一种材料，所述材料比具有包含钴的粘合剂-催化剂相的多晶金刚石材料更加耐酸，和/或比烧结碳化物材料材料更加耐酸。

2.根据权利要求1所述的多晶超硬结构，其中所述第三区域延伸至和形成所述工作表面的部分。

3.根据前述权利要求中任一项所述的多晶超硬结构，其中所述第三区域的材料的断裂韧性为约4MPa√m到约15MPa√m之间。

4.根据前述权利要求中任一项所述的多晶超硬结构，其中所述第三区域具有外围外表面，所述第一区域围绕所述第三区域的外围外表面的至少一部分延伸。

5.根据前述权利要求中任一项所述的多晶超硬结构，其中所述第一区域包括位于所述第三区域的一个或多个凹槽中的一段或多段。

6.根据前述权利要求中任一项所述的多晶超硬结构，其中所述第三区域的材料包括难熔金属。

7.根据权利要求6所述的多晶超硬结构，其中所述难熔金属包括铌、钼、钽、钨、铼、钛、钒、铬、锆、铪、钌、锇和铱或其合金的任何一种或多种。

8.根据权利要求1至5中任一项所述的多晶超硬结构，其中所述第三区域的材料包括金属陶瓷材料。

9.根据权利要求1至5中任一项所述的多晶超硬结构，其中所述第三区域的材料包括陶瓷材料。

10.根据权利要求1至5和9中任一项所述的多晶超硬结构，其中所述第三区域的材料包括PcBN、金属超合金、氮化硅基材料、氧化锆基材料、氮化硅、碳化硅、氧化铝、碳化钛、氮化钛、硼化钛、碳化钨、硼化钛、氮化铝、硼化铝、钛超合金的任何一种或多种。

11.根据权利要求1至5中任一项所述的多晶超硬结构，其中所述第三区域的材料包括氧化物、氮化物、碳化物、碳氮化物的一种或多种，和/或钽、钛、锆、铪、钒、铌、钼、钨、铬、铼、锰、铜之中一种或多种的碳氧化物。

12.一种具有暴露的工作表面的多晶超硬结构，其包括：

第二区域，其形成所述第一区域的基底；以及

13.根据前述权利要求中的任一项所述的多晶超硬结构，其中所述第三区域的材料的断裂韧性为约6MPa√m至约10MPa√m之间。

14.根据前述权利要求中的任一项所述的多晶超硬结构，其中所述第三区域的材料的TRS为约600MPa至约2500MPa之间。

15.根据前述权利要求中的任一项所述的多晶超硬结构，其中所述第三区域的材料的TRS为约1000MPa至约2500MPa之间。

16.根据前述权利要求中的任一项所述的多晶超硬结构，其中所述第三区域的金属含量为约10wt％或更小。

17.根据前述权利要求中的任一项所述的多晶超硬结构，其中所述第三区域的金属含量为约4wt％或更小。

18.根据前述权利要求中的任一项所述的多晶超硬结构，其中所述第三区域的金属含量为约5wt％或更小。

19.根据前述权利要求中的任一项所述的多晶超硬结构，其中所述第三区域的金属含量为约3wt％或更小。

20.根据前述权利要求中的任一项所述的多晶超硬结构，其中所述第三区域基本不含金属。

21.根据前述权利要求中的任一项所述的多晶超硬结构，其中所述第一区域的金刚石含量为约95体积％至约100体积％之间。

22.根据前述权利要求中的任一项所述的多晶超硬结构，其中所述第一区域基本不含用于金刚石的催化剂材料，所述区域形成所述热稳定的第一区域。

23.根据权利要求22所述的多晶超硬结构，其中所述热稳定的第一区域包含多达2％重量百分比的用于金刚石的催化剂材料。

24.根据前述权利要求中的任一项所述的多晶超硬结构，其中所述热稳定的第一区域包含不含粘合剂的PCD材料。

25.根据前述权利要求中的任一项所述的多晶超硬结构，其中所述热稳定的第一区域包含CVD金刚石。

26.根据前述权利要求中的任一项所述的多晶超硬结构，其中所述热稳定的第一区域包括由纳米金刚石晶粒形成的多晶超硬材料。

27.根据前述权利要求中的任一项所述的多晶超硬结构，其中所述第一区域沿第一界面结合到所述第二区域，而所述第二区域沿第二界面结合到第三区域，其中所述第一或第二界面中的任意一个或两个是基本非平面的。

28.根据权利要求27所述的多晶超硬结构，其中所述第一或第二界面中的任意一个或两个其中或沿面具有一个或多个凹槽或通道。

29.根据前述权利要求中的任一项所述的多晶超硬结构，其中所述结构具有纵向轴，所述第三区域的厚度沿平行于所述纵向轴的平面为约1mm至约6.5mm之间。

30.根据前述权利要求中的任一项所述的多晶超硬结构，其中所述第三区域通过钎焊接头和/或烧结接头分别沿所述第一和/或第二界面结合到所述第一区域和/或第二区域。

31.根据前述权利要求中的任一项所述的多晶超硬结构，进一步包括第四区域，其至少部分介于所述第三区域和基底之间，或所述第一区域和第二区域之间。

32.根据权利要求31所述的多晶超硬结构，其中所述第四区域包括金属陶瓷材料。

33.根据权利要求31或32所述的多晶超硬结构，其中所述第四区域包括至少一种过渡金属化合物。

34.根据权利要求31至33中任一项所述的多晶超硬结构，其中所述第四区域包括TRS为约200MPa或更大的材料。

35.根据前述权利要求中的任一项所述的多晶超硬结构，其中所述第三区域从所述基底朝所述工作表面延伸，所述第三区域具有外围外表面，所述第一区域围绕所述第三区域的外围外表面延伸。

36.根据权利要求35所述的多晶超硬结构，其中所述多晶超硬材料的主体具有沿外围侧边缘从所述工作表面至与基底的界面至少约为3mm的厚度；和

其中所述第三区域的至少部分具有在沿所述结构的纵向轴延伸的平面中测量的至少约3mm的厚度。

37.根据前述权利要求中的任一项所述的多晶超硬结构，其中所述第三区域延伸至和形成所述工作表面的部分。

38.根据前述权利要求中的任一项所述的多晶超硬结构，其中所述第三区域延伸至距离所述切割面约0.5mm或更少的距离。

39.根据前述权利要求中的任一项所述的多晶超硬结构，其中所述多晶超硬材料的主体包括天然金刚石晶粒和/或合成金刚石晶粒和/或立方氮化硼晶粒。

40.根据前述权利要求中的任一项所述的多晶超硬结构，其中所述基底由烧结碳化物材料形成。

41.根据权利要求40所述的多晶超硬结构，其中所述烧结碳化物基底包括通过粘合剂材料结合在一起的碳化钨颗粒。

42.根据权利要求41所述的多晶超硬结构，其中所述粘合剂材料包括Co、Ni和Cr或其合金中的一种或多种。

43.根据前述权利要求中的任一项所述的多晶超硬结构，其中所述第一区域热稳定区域从沿所述外围侧边缘的所述工作表面的深度为至少约3.5mm或更大。

44.一种用于钻探地面的旋转剪切钻头或用于冲击钻头的多晶超硬结构，其包括前述权利要求中的任一项所述的多晶超硬结构。

45.一种工具，其包含根据权利要求1到43的任意一项所述的多晶超硬结构，所述工具用于切割、铣削、研磨、钻孔、地面钻探、岩石钻孔或其它磨料应用。

46.根据权利要求45所述的工具，其中所述工具包括用于地面钻探或岩石钻孔的钻头。

47.根据权利要求45所述的工具，其中所述工具包含用于石油及天然气钻孔的旋转固定切割头。

48.根据权利要求45所述的工具，其中所述工具为滚锥钻头、开孔工具、膨胀工具、钻孔器或其它地面钻探工具。

49.一种包含根据权利要求1到43中的任一项所述的多晶超硬结构的钻头或刀具或其部件。

50.一种参照与在附图中说明的实施例一样的任何一个实施例的基本上如前面描述的多晶超硬结构。

51.一种参照与在附图中说明的实施例一样的任何一个实施例的基本上如前面描述的多晶超硬结构的制作方法。