CN110697703A - 通过增强的脱金属化来浸析超硬材料 - Google Patents

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Abstract

本公开涉及用于使用硫脲溶液增强超硬材料诸如多晶金刚石(PCD)或立方氮化硼(CBN)的脱金属化的方法。所述硫脲溶液可含有硫脲和酸诸如适用于浸析的布朗斯特酸。所述硫脲可包括硫脲或取代的硫脲，包括其互变异构体。在足以从超硬材料的至少一部分中去除至少期望的量的金属诸如在PCD或CBN的形成过程中使用的催化剂的时间内和条件下，可将所述超硬材料暴露于硫脲溶液。

Description

通过增强的脱金属化来浸析超硬材料
技术领域
本公开涉及用于使用硫脲溶液增强超硬材料诸如多晶金刚石(PCD)或立方氮化硼(CBN)的脱金属化的方法。
背景
超硬材料诸如PCD和CBN可用于多种工业应用诸如岩石地层的钻探中。例如，PCD通常用于石油开采和采矿作业两者中的地下钻孔钻头中。超硬材料尤其可用于所述应用中，因为它们极其耐磨并且可抵抗高温和与其他硬材料(诸如岩石地层)带来的频繁冲击。
PCD通常通过以下方式形成：在存在催化剂材料(诸如第VIII族金属或其合金)的条件下使金刚石单晶经历高温高压(HTHP)烧结处理。在PCD形成过程中，钴、镍及其合金尤其可用作催化剂。类似的基于催化剂的处理可用于形成其他超硬材料。
可为有益的是在形成PCD之后将催化剂从PCD或其他超硬材料中去除。否则，催化剂与超硬材料之间的热导和热膨胀可加速超硬材料在使用过程中的磨损。
存在多种用于将催化剂从超硬材料中去除的方法，所述方法包括所谓的酸浸处理和电解处理。
附图简述
结合附图参看以下描述可获得对本发明实施方案和其优点的更加完全和透彻的理解，在附图中：
图1示出了根据本公开的一个实施方案增强脱金属化的方法。
详述
本公开涉及用于使用硫脲溶液增强超硬材料诸如多晶金刚石(PCD)或立方氮化硼(CBN)的脱金属化的方法。适用于这些方法的应用包括从超硬材料中去除目标金属。目标金属可以是这样的金属：其直接与硫脲相互作用，从而改善目标金属从超硬材料中的脱金属化或者目标金属从超硬材料中的浸析。目标金属还可以是这样的金属：其不直接与硫脲相互作用，尽管如此，但是其由于另一金属与硫脲的直接的相互作用而更有效地从超硬材料中浸析。
目标金属可包括金属或金属合金。目标金属可包括在形成超硬材料过程中使用的催化剂材料，诸如钴、镍或其组合。目标金属可包括在形成超硬材料之后随后被引入到超硬材料中的金属，诸如在用于形成超硬材料的最初的HTHP处理之后的一个或多个另外的HTHP处理过程中引入的第VIII族金属或其合金。目标金属可包括除第VIII族金属之外的另一种金属(诸如铜)。
虽然本文在PCD的实施例背景下讨论了本公开，但是应用关于PCD的教导的本领域普通技术人员可通过以下方式对其他超硬材料(诸如CBN)实现类似的增强的脱金属化：通过将硫脲溶液与另外适用于所述超硬材料的浸析方法组合使用。
图1的过程100示出了用于增强PCD的脱金属化的代表性方法。在步骤110中，将PCD放置于硫脲溶液中。PCD含有目标金属诸如在其形成过程中使用的或稍后引入的催化剂(诸如第VIII族金属或金属合金)。目标金属可以是钴(Co)、钴合金、镍(Ni)或镍合金。目标金属可基本上没有铁(Fe)或铁合金。目标金属可分布在金刚石基体的间隙中。
如果PCD连接至可被浸析损坏的材料诸如基底(例如碳化钨基底)，则可在放置于硫脲溶液中之前对敏感材料进行保护。
硫脲溶液可含有硫脲。如本文所用，除非由具体上下文另有指明，否则硫脲可包括(SC(NH2)2或其取代的变型。例如，硫脲可由以下结构式表示：
Figure BDA0002244570740000031
其中R1、R2、R3和R4可独立地为氢(H)或含有碳(C)、氮(N)、氧(O)、卤素、硫(S)或磷(P)的官能团，诸如烷基、烯基、炔基、C-链(诸如C1-20或C1-10链)、醇、醛、碳酸根、羧酸根、羧酸、酯、醚、甲氧基、氢过氧基、过氧基、缩醛、缩酮、酰基卤、芳基、苯基、苯甲基、酰胺、胺、亚胺、酰亚胺、氰酸根、硝酸根、腈、亚硝酸根、硝基、亚硝基、吡啶基、卤代烷、硫化物、亚磺酰基、磺酰基、亚磺酸、硫氰酸根、硫代羰基或磷酸根基团。R1、R2、R3和R4也可独立地含有另一硫醇基。
可针对多种原因来选择官能团，所述原因包括但不限于有助于增强脱金属化作用，或者促进或缺乏对硫脲在PCD中运动的抑制。
硫脲包括其互变异构体：
Figure BDA0002244570740000032
以及其他互变异构体，其中R1、R2、R3和R4的位置可变化。
可使用不同硫脲的混合物。在具体实施方案中，硫脲可以是硫脲、甲基硫脲、乙基硫脲、二异丙基硫脲、苯基硫脲、萘基硫脲、邻甲苯基硫脲或二邻甲苯基硫脲。
硫脲溶液还可含有适用于将目标金属从PCD中浸析出来的酸。所述酸可包括在不存在硫脲条件下适用于浸析的酸，或者只在存在硫脲条件下能够浸析的酸。所述酸可以是布朗斯特酸(Bronstead acid)(H+供体)，诸如盐酸(HCl)、硫酸(H2SO4)、磷酸(H3PO4)、硝酸(HNO3)、氢溴酸(HBr)、高氯酸(HClO4)、氢氟酸(HF)，以及其任何组合。
硫脲溶液中的酸和硫脲的浓度可基于具体使用的酸和硫脲以及在步骤120中待采用的预期处理来进行调节。
一般来说，可使用另外适用于PCD浸析的酸浓度。例如，总酸浓度可以在1M与10M之间。如果期望，在与不含硫脲的浸析溶液相比没有使得浸析速率或实现的总浸析量降低的情况下，可降低酸浓度。
硫脲浓度可以是大约10-6M至10-1M。对于给定的酸量，硫脲的增强的脱金属化作用可在较高的硫脲浓度下达到稳定平台。
接着，在步骤120中使PCD和硫脲溶液经历浸析处理。所述浸析处理可在多个条件(包括当前用于浸析的条件)中的任一个下发生。例如，浸析处理120可以在室温和大气压下进行。其还可在高温(诸如小于100℃的温度)和大气压下进行。如果浸析处理120在处于100℃或高于100℃的高温下进行，则其可在高压下发生。浸析处理120还可在小于100℃的温度下在高压下发生。温度可限于不使硫脲发生大量的热降解的那些温度。
在具体的实施方案中，浸析处理120可在针对硫脲溶液中的至少一种酸的回流条件下发生。在另一实施方案中，不存在明显的硫脲分解的条件下，浸析处理120可在90℃与350℃之间的温度和在5巴至345巴的压力下发生。
浸析处理120可进行预测的或已知的时间长度，从而实现期望的目标金属去除量。在各个实施方案中，至少70％、至少85％或至少95％的催化剂可从PCD或PCD的特定部分(诸如其工作表面)中去除。这可产生热稳定的多晶金刚石(TSP)。在其他实施方案中，可将目标金属从PCD的表面(诸如工作表面或侧表面)去除至一定深度。在所述实施方案中，到一定深度处去除的目标金属的量也可为至少70％、至少85％或至少95％。
在具体的实施方案中，浸析处理可在48小时与3个月之间，更具体地在80小时与500小时之间的时间段进行。
与在仅存在溶液的酸组分条件下可进行的浸析处理120相比，在存在硫脲溶液的条件下进行的浸析处理120可在更短的时间内实现期望的浸析量。在具体的实施方案中，浸析处理120可在减少5％、10％或25％的时间内进行。
在不将本发明限于特定的作用方法情况下，硫脲可通过与PCD中的目标金属反应来增强脱金属化。具体地，硫脲或其在存在酸的条件下形成的分解产物可吸附到目标金属的表面上。在那里，其可形成接着易于与酸反应的活化位点。例如，硫脲可分解以释放出H2S，H2S可被吸附在目标金属上以产生与目标金属表面的其余部分相比为阳极的位点。硫脲的其他富含硫分解产物可类似地被吸附在目标金属的表面上。硫脲或分解产物可通过与目标金属相互作用而被消耗，或者其可在目标金属与酸反应时被释放并且然后可自由地被吸附到目标金属表面的另一部分上。
在一些情况下，硫脲或分解产物在目标金属表面上吸附可形成保护性膜。可选择硫脲溶液的酸组分或浸析处理120的条件使得保护性膜得到克服并且不干扰酸和目标金属的反应。
通过硫脲溶液得到的总体浸析速率可是由反应可控的脱金属化过程和扩散可控的过程的组合产生的结果。硫脲的添加使得去除速率向反应可控的过程偏移，这可加速浸析。
在一些实施方案中，硫脲溶液可改善对不直接与硫脲相互作用的目标金属的浸析。例如，通过改善不直接与硫脲相互作用的金属的脱金属化，硫脲溶液可使游离的其他酸与目标金属反应并且将目标金属从PCD中去除。
在完成浸析处理120之后，可进行任选的洗涤处理130。在洗涤处理130中，可使用洗涤溶液将硫脲溶液中的一种或多种组分诸如酸或残余的目标金属或其他金属从PCD中部分地或大体上去除。洗涤溶液可含有酸或酸的组合，所述酸为诸如以上关于硫脲(thriourea)溶液所述的任何酸。洗涤溶液也可含有硫脲。洗涤溶液可基本上由水组成。
在浸析处理120或洗涤处理130之后，如果进行的话，则可发生任选的评价140。在评价140过程中，可评估PCD的浸析量。评价140可包括非破坏性或破坏性测试。如果采用破坏性测试，则其只可在从多个单元中取出的代表性PCD单元上进行，所述多个单元共同地经历步骤110至130。
另外，评价步骤140可用于针对给定的PCD类型来确定合适的硫脲溶液和浸析条件。
如果进行评价步骤140并且PCD没有被适当地浸析，则其可返回至步骤110。
如果进行评价步骤140并且PCD被适当地浸析，或者如果省略评价步骤140，则可进行任选的步骤150，在步骤150的过程中，将目标金属或其他金属从硫脲溶液中去除。许多金属(诸如钴)是昂贵的且处于高需求并且还可能是有毒的。因此，出于多种原因考虑，其回收可为有益的。通常可通过增大硫脲溶液的pH直到金属发生沉淀来回收金属。例如，当使用钴时，将pH调节为7或更高通常足以导致沉淀。任何残余硫脲或分解产物将残留在溶液中，或者在与金属发生沉淀的情况下将往往在金属上形成涂层，所述涂层可被洗掉或者可另外通过熔融金属将其容易地去除。
虽然已详细描述本公开和其优点，但应理解，可以在不脱离如由所附权利要求书界定的本公开的精神和范围的情况下，在本文中进行各种改变、替代和更改。

Claims (22)

1.一种将目标金属从超硬材料中去除的方法，所述方法包括：
在足以从所述超硬材料的至少一部分中去除至少70％的所述目标金属的时间内和条件下，将所述超硬材料暴露于硫脲溶液，所述硫脲溶液包含至少一种硫脲和至少一种酸。
2.如权利要求1所述的方法，其中所述超硬材料包括多晶金刚石(PCD)。
3.如权利要求1所述的方法，其中所述目标金属包括在形成所述超硬材料的过程中使用的催化剂。
4.如权利要求3所述的方法，其中所述催化剂包括第VIII族金属或其合金。
5.如权利要求3所述的方法，其中所述催化剂包括钴、钴合金、镍、镍合金或其组合。
6.如权利要求3所述的方法，其中所述催化剂基本上没有铁或铁合金。
7.如权利要求1所述的方法，其中所述硫脲溶液包含在10-6M与10-1M之间的硫脲。
8.如权利要求1所述的方法，其中所述硫脲包括：
Figure FDA0002244570730000011
其中R1、R2、R3和R4独立地为氢(H)或含有碳(C)、氮(N)、氧(O)、卤素、硫(S)或磷(P)的官能团。
9.如权利要求8所述的方法，其中R1、R2、R3和R4独立地为烷基、烯基、炔基、C-链诸如C1-20或C1-10链、醇、醛、碳酸根、羧酸根、羧酸、酯、醚、甲氧基、氢过氧基、过氧基、缩醛、缩酮、酰基卤、芳基、苯基、苯甲基、酰胺、胺、亚胺、酰亚胺、氰酸根、硝酸根、腈、亚硝酸根、硝基、亚硝基、吡啶基、卤代烷、硫化物、亚磺酰基、磺酰基、亚磺酸、硫氰酸根、硫代羰基、硫醇基或磷酸根基团。
10.如权利要求1所述的方法，其中所述硫脲包括硫脲的混合物。
11.如权利要求1所述的方法，其中所述硫脲包括硫脲、甲基硫脲、乙基硫脲、二异丙基硫脲、苯基硫脲、萘基硫脲、邻甲苯基硫脲或二邻甲苯基硫脲。
12.如权利要求1所述的方法，其中所述硫脲溶液包含在1M与10M之间的酸。
13.如权利要求1所述的方法，其中所述酸包括盐酸(HCl)、硫酸(H2SO4)、磷酸(H3PO4)、硝酸(HNO3)、氢溴酸(HBr)、高氯酸(HClO4)或氢氟酸(HF)。
14.如权利要求1所述的方法，其中所述时间为在48小时与3个月之间。
15.如权利要求1所述的方法，其中所述时间为在80小时与500小时之间。
16.如权利要求1所述的方法，其中所述足以从所述超硬材料的至少一部分中去除至少70％的所述目标金属的条件包括针对所述酸中的至少一种的回流条件。
17.如权利要求1所述的方法，其中所述足以从所述超硬材料的至少一部分中去除至少70％的所述目标金属的条件包括室温和大气压。
18.如权利要求1所述的方法，其中所述足以从所述超硬材料的至少一部分中去除至少70％的所述目标金属的条件包括在90℃与350℃之间的温度。
19.如权利要求1所述的方法，其中所述足以从所述超硬材料的至少一部分中去除至少70％的所述目标金属的条件包括在5巴至345巴之间的压力。
20.如权利要求1所述的方法，其还包括在暴露于所述硫脲溶液之后在洗涤溶液中洗涤所述超硬材料。
21.如权利要求1所述的方法，其还包括在暴露于所述硫脲溶液之后评价所述超硬材料以确定在所述超硬材料的至少一部分中残留的目标金属的量。
22.如权利要求21所述的方法，其还包括如果在所述超硬材料的至少一部分中残留超过30％的所述目标金属，则重复所述暴露步骤。
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