CN109195730B - 多晶金刚石结构 - Google Patents

Abstract

公开了多晶金刚石结构，所述多晶金刚石结构由金刚石粒的混合物形成，所述金刚石粒包括第一体积的细粒度金刚石粒和第二体积的粗粒度金刚石粒。所述细粒度金刚石粒部分地石墨化，并且所述粗粒度金刚石粒未石墨化。所述金刚石粒的混合物在存在烧结助剂的情况下经受高压/高温烧结工艺条件，从而形成多晶金刚石。所述多晶金刚石结构中的粗粒度金刚石粒之间的接触区域基本上不含石墨。

Description

多晶金刚石结构

相关申请的交叉引用

本申请要求提交于2016年6月28日的美国临时申请号62/355,434的优先权和权益，该申请的全文以引用方式并入本文。

背景技术

本领域已知的多晶金刚石(PCD)材料由金刚石粒或晶体和烧结助剂形成，并且通过高压/高温(HP/HT)工艺合成。已知此类PCD材料具有高度的耐磨性，使其成为需要这种高度的耐磨性的工业应用(诸如用于加工和磨损的切割工具，以及地下采矿和钻井中的切割元件)中普遍地使用的材料选择。在此类应用中，常规的PCD材料可以以例如与切割和钻井工具一起使用的切割元件的表面层或材料主体的形式提供，以赋予其所期望的耐磨水平。

传统上，此类应用中使用的PCD切割元件是通过将一层或多层这种基于PCD的材料施加到这种基于PCD的材料的主体、或形成这种基于PCD的材料的主体以与合适的基底材料附接而形成。已知的示例性PCD切割元件可以包括基底、PCD表面层或主体，以及任选地一个或多个过渡或中间层，以改善PCD表面层或主体与下面的基底支撑层之间的结合和/或提供这两者之间的过渡性质。此类切割元件应用中使用的基底包括碳化物，诸如渗碳碳化钨(WC-Co)。

发明内容

在一些实施方案中，如本文公开的多晶金刚石结构由金刚石粒的混合物形成，所述金刚石粒包括：第一体积的细粒度金刚石粒，所述第一体积的细粒度金刚石粒具有约0.01微米至6微米的平均粒度；以及第二体积的粗粒度金刚石粒，所述第二体积的粗粒度金刚石粒具有大于6微米的平均粒度。所述细粒度金刚石粒部分地石墨化，并且所述粗粒度金刚石粒未石墨化。所述金刚石粒的混合物还可以包含烧结助剂，其中所述烧结助剂的全部可以与所述部分地石墨化的细粒度金刚石粒熔合在一起。在一个示例中，基于所述第一体积的金刚石粒和所述第二体积的金刚石粒的总体积，所述混合物包含占少部分体积含量的所述细粒度金刚石粒和占大部分含量的所述粗粒度金刚石粒。

在一些实施方案中，所述多晶金刚石结构通过使所述金刚石粒的混合物在存在所述烧结助剂的情况下经受高压/高温烧结工艺条件而形成。所得到的多晶金刚石结构包括结合在一起的金刚石粒，其中所述结合在一起的金刚石粒包括所述粗粒度金刚石粒和所述细粒度金刚石粒，所述粗粒度金刚石粒大多彼此结合在一起，所述细粒度金刚石粒大多插置在所述结合在一起的粗粒度金刚石粒之间存在的间隙区域内。所述多晶金刚石结构中的粗粒度金刚石晶粒之间的接触区域基本上不含石墨。所述间隙区域可以包括或可以不包括烧结助剂。所述多晶金刚石结构可以包括附接于其的金属基底。

在一些实施方案中，如本文公开的多晶金刚石结构可以通过以下方式形成：将一定体积的细粒度金刚石粒与烧结助剂组合；以及使所述体积的细粒度金刚石粒和所述烧结助剂经受适于使所述细粒度金刚石粒部分地石墨化的条件。将所述部分地石墨化的细粒度金刚石粒与基本上不含石墨或非石墨化的粗粒度金刚石粒组合以形成混合物。使所述混合物经受高压/高温工艺条件来烧结所述金刚石粒以形成所述多晶金刚石结构。

提供本发明内容是为了介绍将在以下具体实施方式中进一步描述的一些概念。本发明内容既不意在识别所要求保护的主题的关键或必要特征，也不意在用来帮助限制所要求保护的主题的范围。

附图说明

参考本说明书、权利要求和附图，可更好地理解如本文公开的PCD结构的这些及其它特征和优点，在附图中：

图1是根据本申请的实施方案制备的金刚石粒组合物的示意图；

图2是根据本申请的实施方案的包括连结到基底的图1的PCD材料的PCD结构的透视侧视图；

图3是根据本申请的实施方案的在已经被处理来使从工作表面延伸了一定深度的区域热稳定之后的图2的PCD结构的透视侧视图；

图4是根据本申请的实施方案的图3的PCD结构的剖视侧视图；

图5是根据本申请的实施方案的邻近工作表面截取的图3的PCD结构的PCD材料微结构的一部分的示意图；

图6是根据本申请的实施方案的呈切割镶刀的形式的PCD结构的透视侧视图；

图7是包括多个图6的切割镶刀的牙轮钻头的透视侧视图；

图8是包括多个图6的切割镶刀的冲击或锤钻头的透视侧视图；

图9是根据本申请的实施方案的呈剪切刀具的形式的PCD结构的透视图；以及

图10是包括多个图9的剪切刀具的刮刀钻头的透视侧视图。

具体实施方式

如本说明书所使用，术语多晶金刚石及其缩写“PCD”在本文中用于指代通过使单个金刚石晶体或颗粒以及烧结助剂经受足够高的压力和足够高的温度条件来使相邻的金刚石晶体之间发生晶间结合以形成结合在一起的金刚石晶体的网络而产生的所得材料。如本文公开的PCD材料被设计成显示金刚石粒之间的增强的结合程度，以及增强的结构均匀性，从而与常规的PCD材料相比而产生高强度和高耐磨性的性质。

改善PCD材料的强度和耐磨性的常规尝试集中在使用具有多峰粒度分布的金刚石粒，包括使用亚微米粒度金刚石粒以在所得到的PCD材料中获得更高的金刚石分数或含量以及金刚石晶体的更强烈的结合。在这种常规的尝试中，金刚石晶体共生的推动力是根据增加碳原子在用于烧结的烧结助剂中的溶解度。正如在具有金刚石稳定性的压力-温度(P-T)区域中，碳原子从石墨到烧结助剂中的溶解度更高，金刚石粒的部分石墨化显著地增加了金刚石晶体共生的推动力。在另一个方面，在施加超出烧结助剂所能达到的高压的阶段，金刚石粒的表面上的石墨区域可能被捕集在相邻晶粒之间，因此，这样的石墨区域可能在烧结之后保留在最终产品中作为晶界的一部分。在金刚石粒边界处存在这样的石墨区域会显著地降低PCD材料的强度和耐磨性。

本申请的实施方案包括以在促成改善的晶间结合的同时使不想要的晶界缺陷的密度最小化以产生具有改善的金刚石结合和结构均匀性水平的PCD材料的方式制造的PCD结构。在一些实施方案中，这通过某些金刚石粒的选择性部分石墨化与其它金刚石粒的未石墨化结合而实现。在一个示例中，这种部分石墨化发生于在高压/高温条件下烧结金刚石粒之前。具体地，在一个示例中，期望的是，部分地石墨化的金刚石粒具有比非石墨化金刚石粒更细的粒度。

就此而言可用于部分石墨化的示例性细粒度金刚石粒包括具有亚微米平均粒度(例如，约0.1微米至6微米、约0.8微米至4微米、或约1微米至3微米)的那些。根据特定最终用途应用和所期望的PCD组合物性质，部分地石墨化的细粒度金刚石粒可以具有单一粒度分布或可具以有多峰粒度分布。在一个示例中，细粒度金刚石粒可以包括两种粒度分布，第一种具有亚微米粒度，而第二种具有约2微米至6微米的平均粒度。

如本文所使用，用于限定细粒度金刚石粒石墨化的程度的术语“部分”，应理解为表示细粒度金刚石粒未完全地石墨化，即，细粒度金刚石粒未完全转化为石墨。如本文公开的石墨化金刚石粒是指金刚石粒的总体积的约2％至60％(例如，约5％至40％或约10％至30％)已经被转化为石墨和/或一些其它非金刚石形式的碳。

可以通过使金刚石粒石墨化的任何已知技术将细粒度金刚石粒部分地石墨化。在一个示例中，通过使细粒度金刚石粒经受高温，诸如通过在惰性或真空气氛中在约700℃至1400℃的温度下进行加热，使细粒度金刚石粒石墨化。如上指出，虽然已公开了特定石墨化方法，但是将理解，本领域已知的用于部分地石墨化金刚石粒的所有方法都被认为是在本公开的范围内。细粒度金刚石粒可以在不同条件下并使用可用于提供所期望的部分地石墨化的金刚石粒的不同的石墨化剂来石墨化，例如，可以通过使用石墨化剂(诸如金刚石烧结助剂、含氧气体等)来促进部分石墨化。

在一个示例中，期望的是，在存在烧结助剂的情况下将细粒度金刚石粒部分地石墨化，这促进了在HP/HT过程期间将金刚石粒烧结成PCD，以及在常压和高温下金刚石的石墨化。在一个示例中，烧结助剂可以选自由用于烧结PCD的溶剂金属催化剂(诸如来自元素周期表第VIII族的金属)组成的组。示例性烧结助剂包括但不限于钴、镍、铁、锰及其组合和/或合金。在一个示例中，钴用作烧结助剂。

在一个示例中，用于石墨化的烧结助剂可以以粉末的形式提供，其在经受可用于实现部分石墨化的工艺条件之前与细粒度金刚石粒混合在一起或以其它方式组合。在另一个示例中，可以用烧结助剂涂覆细粒度金刚石粒，而不是与其混合。用烧结助剂涂覆细粒度金刚石粒以用于随后的部分石墨化可操作来提供在细粒度金刚石粒的质量中更均匀的烧结助剂分布，以及在材料之间的更广泛的接触，这会产生在石墨化过程期间更强烈的石墨化，并且在随后的HP/HT烧结状况期间提供更强烈的重结晶过程。在另一个实施方案中，细粒度金刚石粒可以用烧结助剂涂覆并与相同或不同的烧结助剂混合。在一个示例中，烧结助剂可以具有与细粒度金刚石粒的粒度大致相同或比细粒度金刚石粒的粒度小的粒度。

在一个示例中，与细粒度金刚石粒组合(例如，涂覆、混合或其组合)的烧结助剂的量可以是足以使细粒度金刚石粒部分地石墨化但不足以用于在之后将所有金刚石粒烧结成PCD材料的量。在这种情况下，额外量的烧结助剂可以用于促进在HP/HT过程期间的金刚石粒的烧结。在一个示例中，可用于在HP/HT过程期间烧结一定体积的金刚石粒(包括部分地石墨化的细粒度金刚石粒和非石墨化金刚石粒)和/或将所得到的PCD材料附接到基底的任何额外的烧结助剂可以在烧结之前以粉末等的形式添加，或者可以在HP/HT过程期间从基底(例如，金属基底，诸如包括烧结助剂成分的WC-Co)渗透到金刚石粒中。如果将额外的烧结助剂添加到金刚石体积(呈混合物的形式或通过渗透)以用于烧结，那么这种额外的烧结助剂可以与用于使细粒度金刚石粒部分地石墨化的那些相同或不同。

在出于烧结的目的使金刚石粉末的体积与烧结助剂混合的示例中，烧结助剂的重量含量可以是所得到的PCD材料的总重量计的约0.5重量％至20重量％或约1重量％至5重量％。在用于通过HP/HT过程烧结金刚石体积的烧结助剂的全部或部分通过从外部源或基底渗透来提供的示例中，烧结助剂的重量含量可以是所得到的PCD材料的总重量的大于约5重量％、约6重量％至20重量％和约8重量％至15重量％。

根据本申请的一个实施方案，将部分地石墨化的细粒度金刚石粒与非石墨化金刚石粒组合，以形成金刚石体积来用于在HP/HT处理期间烧结。在一个示例中，部分地石墨化的细粒度金刚石粒可以是用于形成PCD结构的金刚石粒的总重量的约2重量％至50重量％、5重量％至30重量％和约10重量％至25重量％。在一个示例性实施方案中，与部分地石墨化的细粒度金刚石粒组合的非石墨化金刚石粒具有比部分地石墨化的细粒度金刚石粒更大的粒度，并且可以具有大于约8微米的平均粒度，并被称为粗粒度金刚石粒。

在一个示例中，粗粒度金刚石粒可以具有为约8微米至100微米、范围为约10微米至50微米和范围为约12微米至30微米的粒度。根据特定的源和/或特定最终用途应用，粗粒度金刚石粒可以具有单峰粒度分布或多峰粒度分布。在一个示例中，所使用的粗粒度金刚石粒可以具有在约8微米与16微米之间、或在约10微米与22微米之间、或在约12微米与30微米之间的粒度分布。虽然已呈现了粗粒度金刚石粒的特定粒度分布，但是将理解，这种粒度分布或“切割”的宽度或窄度可以并将根据特定的源而变化，并且都理解为包括在本公开的范围内。

如本文公开的PCD结构可以通过以上述方式部分地石墨化一定体积的细粒度金刚石粒并然后将部分地石墨化的金刚石粒与一定体积的粗粒度金刚石粒组合以获得总金刚石体积来制备。可以将烧结助剂添加到总金刚石体积以促进烧结，或者可以透过渗透基底提供用于烧结的烧结助剂。虽然金刚石体积被公开为用于HP/HT处理的粉末形式，但是将理解，金刚石体积可以以生坯态零件(诸如带等)的形式提供，其中出于形成具有适于最终用途应用的特定形状的PCD材料的目的，金刚石粒由合适的结合剂材料结合在一起。例如，当用于形成在地下钻头切割或磨损元件上的工作表面时，金刚石体积或混合物可以形成为将覆盖切割元件的PCD主体的表面部分或形成切割元件的PCD主体的形状。在另一个实施方案中，金刚石体积或混合物可以被构造成整个切割元件的形状。

然后将呈粉末或生坯态的形式的总金刚石体积和任何烧结助剂装载到合适的容器或器皿中以放置到HP/HT装置中。出于提供烧结助剂的目的和/或出于提供包括用于附接PCD结构的基底的PCD结构以用于特定最终用途应用的目的，可以将烧结助剂的另一个源或基底邻近总金刚石体积定位。出于将压块附接到切割或磨损工具的目的，可用作用于形成PCD结构的基底的合适的材料包括常规地用作常规的PCD压块的基底的那些。

合适的基底材料包括由金属材料、陶瓷材料、金属陶瓷材料及其组合形成的那些。在一个示例性实施方案中，基底以预成型状态提供。在另一个实施方案中，基底可以以基底前体粉末的混合物的形式提供，或者可以以生坯态零件的形式提供。在一个示例性实施方案中，基底包括呈金属溶剂的形式的烧结助剂，其能够在处理期间渗透到相邻的金刚石粉末体积中以促进金刚石-金刚石结合来形成PCD主体，并且使PCD主体附接到基底。合适的金属溶剂包括上文参考烧结助剂讨论的那些。在一个实施方案中，金属溶剂是Co，并且基底材料包括WC-Co。

在以生坯态零件的形式提供金刚石体积的示例中，在烧结之前可能需要预热过程以在烧结之前脱蜡或驱除结合剂。然后操作HP/HT装置以提供可用于将一定体积的金刚石粒烧结成PCD材料并将PCD材料附接或连结到任何相邻基底的温度和压力条件。在一个示例中，控制HP/HT装置，使得容器经受HP/HT过程(包括范围为5GPa至7GPa的压力和范围为约1320℃至1600℃的温度)达约50秒至500秒的一段时间。

在一个实施方案中，根据本文公开的方法产生的PCD结构具有材料微结构，材料微结构的特征在于晶间金刚石结合相或结合在一起的粗粒度金刚石粒的基质，以及分散在基质内的结合的粗粒度金刚石粒之间的多个间隙区域，间隙区域包括剩余的细粒度金刚石粒和烧结助剂。根据一个实施方案，由于细粒度金刚石粒在烧结过程之前部分地石墨化，而粗粒度金刚石粒未石墨化，因此PCD结构中的粗粒度金刚石粒之间的结合或接触区域基本上不含或不包括任何石墨点，从而使PCD结构具有改善的强度和耐磨性。

因此，在一个实施方案中，如本文公开的PCD结构消除与如上讨论的增加金刚石晶体共生的那些常规的尝试相关联的负面影响，此类负面影响是造成PCD材料的强度和耐磨性降低的粗粒度金刚石粒的石墨化。如本文公开的PCD结构不仅避免粗化粒度金刚石粒的石墨，而且由于因更容易地将来自部分地石墨化的细金刚石粒的碳原子溶解在烧结助剂中而产生更强烈的晶界生长过程，在它们之间实现更扩展的结合。

根据特定最终用途，如本文公开的PCD结构可以具有大于约85％以及约93体积％至99体积％的金刚石体积含量。如果需要，如本文公开的PCD结构可以包括两个或更多个不同的层或区域，每个层或区域具有不同的金刚石体积含量，其中层中的至少一个包含如上文公开的PCD材料。在一个示例中，这种PCD结构可以具有在结构表面附近的具有第一金刚石体积含量的第一PCD层或区域，以及在第一PCD层下方的具有与第一金刚石体积含量不同的第二金刚石体积含量的第二PCD层或区域，例如，其中第一金刚石体积含量大于第二金刚石体积含量。在一个示例中，第一PCD层可以由如本文公开的PCD材料形成，并且第二PCD层可以由具有不同粒度和/或不同程度的部分石墨化的金刚石粒和/或不同含量的烧结助剂形成，或者可以是常规的PCD材料。将理解，这些仅是包括不同的PCD层或区域的PCD结构的几个示例，并且包括不同的PCD层或区域的PCD结构的其它示例被理解为在本公开的范围内。

如果需要，如本文公开的PCD结构可以具有在PCD主体内变化的金刚石体积含量，其中根据主体的适应特定最终用途应用的所期望的最终用途机械性质，金刚石体积含量的这种变化可以以阶梯变化的形式提供，或者可以以梯度变化的形式提供。因此，将理解，如本文公开的PCD结构可以整个包括恒定的金刚石体积含量，或者可以被构造为包括具有变化或不同的金刚石体积含量的一个或多个区域。

图1示出了根据本申请的实施方案的如本文公开的金刚石粒组合物10的示意图，金刚石粒组合物10包括粗粒度金刚石粒12，以及部分地石墨化的细粒度金刚石粒13和设置在粗粒度金刚石粒12之间的烧结助剂14。

图2示出了如本文公开的PCD结构16，PCD结构16包括由上述PCD材料制成的PCD主体18，PCD主体18一体地连结到基底20。在该示例中，PCD结构16具有沿着PCD主体的顶部部分定位的大体上平坦的工作表面22。将理解，如本文公开的PCD结构(包括附接到基底的PCD主体)可以在PCD主体与基底之间具有非平坦界面，并且所有这种非平坦界面几何形状被理解为在如本文公开的PCD结构的范围内。另外，根据特定用途应用，PCD主体的侧表面24的全部或部分也可以用作工作表面。虽然已示出了特定示例性PCD结构，即，具有大体上平坦的工作表面和圆柱形外壁表面的PCD结构，但是将理解，PCD结构的特定配置可以并将根据特定最终用途应用而变化，并且配置的这种变化旨在落入本公开的范围内。

一旦形成，就可以对PCD结构进行处理以使所期望的区域或整个PCD结构相对更热稳定。在一个示例中，在PCD结构的特定区域将被处理为热稳定的情况下，这种热稳定区域可以从PCD主体的工作表面22和/或24延伸了部分深度。该处理可以例如通过经由合适的工艺(例如，经由酸浸、王水浴、电解工艺或其组合)从选定区域去除基本上所有的烧结助剂来执行。在另一个实施方案中，不是实际上从PCD主体的目标区域去除烧结助剂，而是通过以减少或消除烧结助剂在高温下不利地影响在该区域内的晶间结合的金刚石的可能性的方式处理烧结助剂来使目标区域热稳定。

例如，烧结助剂可以与另一种材料化学地结合以使其不再在高温下充当金刚石石墨化的促进剂，或者可以被转化或反应以形成另一种材料，这种材料同样使其不再充当金刚石石墨化的促进剂。因此，如本文所使用，提及烧结助剂所用的术语“基本上全部去除”或“基本上不含”意图包括可相对于烧结助剂处理PCD主体以便不再在高温下不利地影响PCD主体或压块中的晶间金刚石的不同方法。

在使PCD主体的部分区域热稳定的示例中，这种热稳定区域从PCD主体的表面(例如，工作、磨损或切割表面)延伸了确定深度，而与工作或切割表面取向无关。同样，将理解，工作或切割表面可以包括PCD主体的多于一个表面部分。PCD主体内的热稳定区域的精确深度可以并将根据许多因素(诸如特定最终用途应用，以及PCD主体的待处理的区域中的金刚石体积含量或密度)而变化。

在一个示例中，可以通过从PCD主体的工作、磨损或切割表面延伸了小于约0.7mm、小于约0.6mm和小于约0.4mm的平均深度的热稳定区域来实现所期望的程度的热稳定性，所期望的程度的热稳定性提供适于某些最终用途应用的性能性质。在这样的示例中，热稳定区域可以从工作、磨损或切割表面的至少一部分延伸了约0.2mm至约0.6mm和约0.3mm至约0.5mm的平均深度。对于其它更极限的最终用途应用，可以通过从PCD主体的工作、磨损或切割表面延伸了大于0.7mm、约0.7mm至约1mm或更大的平均深度的热稳定区域来实现所期望的程度的热稳定性。

将理解，热稳定区域距工作或切割表面的深度被表示为通过沿着该区域以预选间隔进行多次测量并然后确定所有的点的平均值而得到的标称平均值。在PCD主体或压块内在该热稳定区域之外的剩余区域应理解为仍含有烧结助剂。

另外，当待处理的PCD主体附接到基底上时，期望的是，待热稳定的区域的选定深度为是PCD主体中剩余的含烧结助剂的区域具有足够深度而不会在HP/HT过程期间不利地影响PCD主体与基底之间形成的附接或结合(例如，通过烧结助剂渗透)。在一个示例中，期望的是，PCD主体内的未处理区域或剩余区域具有一定厚度，该厚度足以保持在PCD主体与基底之间的所期望的结合强度。在一个示例性实施方案中，PCD主体内的未处理区域可以延伸至少约0.01mm的距离，如从基底测量。然而，将理解，邻近基底的含有烧结助剂的PCD区域的精确厚度可以并将根据PCD主体的金刚石粒粒度和金刚石密度以及预期用途应用而变化。

在一个示例性实施方案中，通过将一个或多个所期望的工作表面暴露于酸浸出剂，从PCD主体的选定区域中去除基本上所有的烧结助剂，从而使PCD主体的选定区域热稳定。一般，在通过HP/HT过程制造PCD主体或压块之后，使一个或多个所识别的表面(例如，工作、磨损或切割表面)与酸浸出剂接触足够长的时段以产生所期望的浸出或烧结助剂耗尽深度。在一个示例中，合适的浸出剂包括氢氟酸(HF)、盐酸(HCl)、硝酸(HNO₃)及其混合物。

图3和图4示出了如本文公开的PCD结构在其已经被处理来使PCD主体的选定区域热稳定之后的实施方案。在该示例中，PCD结构26包括热稳定区域28，热稳定区域28从PCD主体32的工作或切割表面30延伸了选定深度“D”。PCD主体32的从热稳定区域28延伸到基底36的剩余区域34包括烧结助剂。

图5以横截面示出了如本文公开的PCD主体的材料微结构38，并且更具体地，示出了包括PCD主体的热稳定区域的微结构的截面。热稳定区域包括多晶金刚石，多晶金刚石包括多个结合在一起的金刚石粒40，以及金刚石粒之间的间隙区域42的网络，间隙区域42现在基本上不含烧结助剂。包括不含烧结助剂的间隙区域的热稳定区域被示出为从PCD主体的工作或切割表面44延伸了一定距离或深度“D”。在一个示例性实施方案中，通过对包括PCD主体的零件(例如，PCD压块)进行横切并使用足够的放大级别来识别第一区域与第二区域之间的界面且采取测量的平均值来识别和测量深度“D”。

本申请的PCD主体的如此形成的热稳定区域不经受常规PCD中遇到的热降解，从而产生改善的热特性。PCD主体的从深度“D”延伸的剩余区域具有包括PCD的材料微结构，如上所述且图1中示出，该材料微结构包括设置在间隙区域内的烧结助剂46。

如上指出，由如本文公开的PCD材料形成的PCD主体上的工作、磨损或切割表面的位置、大小和定向可以并将根据特定工作、磨损或切割应用而变化。在一个示例中，PCD主体提供作为PCD结构的一部分，该PCD结构被配置为用于地下钻头中的切割元件，工作、磨损或切割表面可以延伸超过图4中所示的PCD主体的上表面并沿着主体的一部分或沿着主体的整个侧表面延伸。

可以处理如本文公开的PCD结构以使整个PCD主体或层热稳定，在这种情况下，整个PCD主体或层经受上文公开的类型的处理，以从主体去除烧结助剂或以其它方式使其非活性以免于金刚石石墨化。在这样的示例中，可以在处理过程之前或期间去除用于制造PCD结构的任何基底，并且如果需要，可以在已经使PCD主体热稳定以满足特定最终用途应用的附接需要之后将另一基底附接到PCD主体。另一基底可以由上文指出的相同类型的材料形成，并且可以通过HP/HT过程或通过足以提供与PCD主体的所期望的附接的其它过程来附接到热稳定PCD主体。

如本文公开的PCD材料和结构可以用于多种不同应用，诸如用于形成用于采矿、切割、加工和建筑应用的工具的切割和/或磨损元件，其中高强度和高耐磨性的组合性质是非常期望的。如本文公开的PCD结构特别地适于形成在机床以及地下钻井和采矿钻头(诸如牙轮钻头、冲击或锤钻头、金刚石钻头和剪切刀具)中使用的部件上的工作、磨损和/或切割表面。

图6示出了以在牙轮钻头或冲击或锤钻头中的磨损或切割应用中使用的镶刀76的形式提供的PCD主体的实施方案。例如，此类PCD镶刀76被构造成具有基底78，基底78由上文公开的基底材料中的一种或多种形成，其附接到由使用部分地石墨化的细粒度金刚石粒的PCD材料形成的PCD主体80。在该特定实施方案中，镶刀76包括具有圆顶形工作表面82的PCD主体。镶刀76可以被压制或加工成所期望的形状。将理解，如本文公开的PCD结构也可以用于形成具有除上文具体地描述且图6中所示的几何形状之外的几何形状的镶刀。

图7示出了呈岩石钻头84的形式的旋转或牙轮钻头，其包括多个上文公开且图6中所示的磨损或切割PCD镶刀76。岩石钻头84包括主体86，主体86具有从其延伸的三个支腿88，以及安装在每个支腿的下端上的牙轮刀具椎体90。镶刀76与上文描述的那些相同(包括由如本文讨论的PCD材料形成的PCD本体)，并且提供在每个刀具椎体90的表面中以用于支承在被钻探的岩层上。

图8示出了与冲击或锤钻头92一起使用的上文描述且图6中所述的PCD镶刀。锤钻头一半包括中空钢体94，中空钢体94在主体的端部上具有带螺纹销96以用于将钻头组装到钻柱(未示出)上来用于钻探油井等。多个镶刀76提供在主体94的头部98的表面中以用于支承在被钻探的地下地层上。

图9示出了例如与用于钻探地下地层的刮刀钻头一起使用的呈剪切刀具100的形式的如本文公开的PCD结构。PCD剪切刀具100包括PCD主体102，PCD主体102如上所述被烧结或以其它方式附接到刀具基底104。PCD主体102包括工作或切割表面106，工作或切割表面106由使用部分地石墨化的小粒度金刚石粒制成的PCD材料形成。如上讨论且如上所示，剪切刀具的工作或切割表面可以从上表面延伸到限定上表面的圆周边缘的斜表面。将理解，如本文公开的PCD结构可以用于形成具有不同于在上文具体地描述且图9中所示的几何形状的剪切刀具。

图10示出了包括多个上文所述且图9中所示的PCD剪切刀具100的刮刀钻头108。剪切刀具各自附接到刀片110，刀片110从刮刀钻头的头部112延伸以用于切割被钻探的地下地层。由于本申请的PCD剪切刀具包括金属基底，因此它们是通过常规方法(诸如通过钎焊或焊接)附接到刀片。

虽然上文仅详细地描述了PCD结构、用于制造PCD结构的方法和包括PCD结构的装置的几个示例性实施方案，但是本领域的技术人员将容易地了解，在不实质上脱离如本文公开的构思的情况下，许多修改在示例性实施方案中是可能的。因此，所有此类修改旨在包括在如以下权利要求书所限定的本公开的范围内。在权利要求中，构件加功能条款旨在涵盖本文描述为执行所陈述的功能的结构，并且不仅涵盖结构等效物、而且涵盖等效结构。因此，虽然钉子和螺钉可能不是结构等效物，因为钉子采用圆柱形表面来将木制零件固定在一起，而螺钉采用的是螺旋形表面，但是在紧固木制零件的环境下，钉子和螺钉可能是等效结构。除了权利要求中明确地将字词“用于……的构件”与相关功能一起使用的那些之外，申请人明确地表明无意援引构件加功能型要求作为对本文中的权利要求中的任一项的任何限制。

Claims (20)

1.一种用于烧结多晶金刚石结构的金刚石粒组合物，所述金刚石粒组合物包含：

第一体积的细粒度金刚石粒，所述细粒度金刚石粒具有0.01微米至6微米的平均粒度，其中所述细粒度金刚石粒部分地石墨化；以及

第二体积的粗粒度金刚石粒，所述粗粒度金刚石粒具有大于6微米的平均粒度，其中所述粗粒度金刚石粒未石墨化。

2.如权利要求1所述的金刚石粒组合物，其中金刚石粒组合物还包含烧结助剂。

3.如权利要求2所述的金刚石粒组合物，其中所述烧结助剂的全部与所述部分地石墨化的细粒度金刚石粒熔合在一起。

4.如权利要求2所述的金刚石粒组合物，其中所述烧结助剂选自由以下组成的组：铁、钴、镍、锰及其组合。

5.如权利要求1所述的金刚石粒组合物，其中基于所述第一体积的金刚石粒和所述第二体积的金刚石粒的总体积，所述组合物包含2体积％至50体积％的所述细粒度金刚石粒。

6.如权利要求1所述的金刚石粒组合物，其中基于所述第一体积的金刚石粒和所述第二体积的金刚石粒的总体积，所述组合物包含占少部分体积含量的所述细粒度金刚石粒和占大部分含量的所述粗粒度金刚石粒。

7.一种多晶金刚石结构，所述多晶金刚石结构通过使如权利要求1所述的金刚石粒组合物在存在烧结助剂的情况下经受高压/高温烧结工艺条件而形成，其中所述多晶金刚石结构中的粗粒度金刚石粒之间的接触区域不含石墨。

8.如权利要求7所述的多晶金刚石结构，其中所述粗粒度金刚石粒之间的所述接触区域不含石墨。

9.一种多晶金刚石结构，所述多晶金刚石结构包括：

多晶金刚石体，所述多晶金刚石体包含结合在一起的金刚石粒，其中所述结合在一起的金刚石粒包括粗粒度金刚石粒和细粒度金刚石粒，所述粗粒度金刚石粒大多彼此结合在一起，所述细粒度金刚石粒大多插置在所述结合在一起的粗粒度金刚石粒之间存在的间隙区域内，其中用于形成所述结构的所述细粒度金刚石粒在烧结之前部分地石墨化，并且其中所述粗粒度金刚石粒之间的接触区域不含石墨。

10.如权利要求9所述的多晶金刚石结构，其中所述间隙区域还包括烧结助剂。

11.如权利要求9所述的多晶金刚石结构，其中基于所述细粒度金刚石粒和所述粗粒度金刚石粒的总体积，所述多晶金刚石体包含2体积％至50体积％的细粒度金刚石粒。

12.如权利要求9所述的多晶金刚石结构，其中所述细粒度金刚石粒具有在0.1微米至6微米之间的平均粒度，并且其中所述粗粒度金刚石粒具有大于8微米的平均粒度。

13.一种用于钻探地下地层的钻头，所述钻头包括主体和与所述主体可操作地连接的多个切割元件，其中所述切割元件包括如权利要求9所述的多晶金刚石结构，并且其中金属基底与所述金刚石体连结在一起。

14.一种用于制造多晶金刚石结构的方法，所述方法包括：

将一定体积的细粒度金刚石粒与烧结助剂组合；

使所述体积的细粒度金刚石粒和所述烧结助剂经受适于使所述细粒度金刚石粒部分地石墨化的条件；

将所述部分地石墨化的细粒度金刚石粒与不含石墨的粗粒度金刚石粒组合以形成混合物；以及

使所述混合物经受高压/高温工艺条件来烧结所述金刚石粒以形成多晶金刚石。

15.如权利要求14所述的方法，其中在将所述体积的细粒度金刚石粒与所述烧结助剂组合期间，所述烧结助剂呈与所述细粒度金刚石粒混合在一起的颗粒的形式。

16.如权利要求14所述的方法，其中将所述体积的细粒度金刚石粒与所述烧结助剂组合包括将所述烧结助剂作为涂层提供在所述细粒度金刚石粒的外表面上。

17.如权利要求14所述的方法，其中使所述体积的细粒度金刚石粒经受石墨化条件包括将所述细粒度金刚石粒暴露于700℃至1400℃的高温。

18.如权利要求14所述的方法，其中所述细粒度金刚石粒具有0.01微米至6微米的平均粒度，并且所述烧结助剂具有与所述细粒度金刚石粒相同或比所述细粒度金刚石粒小的平均粒度。

19.如权利要求14所述的方法，所述方法还包括在经受高压/高温工艺条件之前将所述混合物邻近金属基底放置以使所述多晶金刚石连结到所述基底。

20.如权利要求14所述的方法，其中所述多晶金刚石结构主要包含结合在一起的粗粒度金刚石粒，并且其中所述结合在一起的粗粒度金刚石粒之间的接触区域不含石墨。

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