CN114270060B - 用于金刚石对金刚石反应材料轴承接合的材料处理 - Google Patents

Abstract

提供了一种设备，该设备包括定位成与金刚石反应材料的相对轴承表面滑动接合的金刚石轴承表面。相对的轴承表面经由材料处理硬化。

Description

用于金刚石对金刚石反应材料轴承接合的材料处理

相关申请的交叉引用

本申请要求于2019年5月29日提交的题为“Material Treatments for Diamond-on-Diamond Reactive Material Bearing Engagements(用于金刚石对金刚石反应材料轴承接合的材料处理)”的美国专利申请第16/425,758号(未决)的权益，该专利本身是于2018年7月30日提交的题为“Cam Follower with Polycrystalline Diamond EngagementElement(带多晶金刚石接合元件的凸轮从动件)”的美国专利申请第16/049,588号(未决)的部分继续专利申请(CIP)，其全部内容以参见的方式纳入本文。本申请也是2018年7月30日提交的题为“Polycrystalline Diamond Radial Bearing(多晶金刚石径向轴承)”的美国专利申请第16/049,608号(未决)的部分继续专利申请(CIP)，其全部内容以参见的方式纳入本文。本申请也是2018年7月30日提交的题为“Polycrystalline Diamond ThrustBearing and Element Thereof(多晶金刚石推力轴承及其元件)”的美国专利申请第16/049,617号(未决)的部分继续专利申请(CIP)，其全部内容以参见的方式纳入本文。

技术领域

本公开涉及包括表面处理的材料处理，这种处理用于具有金刚石对金刚石反应材料(例如，金刚石对钢)轴承接合的设备，和包括设备的系统，以及制造和使用设备的方法，轴承包括凸轮从动件、径向轴承、推力轴承。

背景技术

许多部件包括多个表面，这些表面相对于彼此处于运动接合。包括这种表面的一些示例性部件是轴承，包括凸轮从动件、径向轴承和推力轴承。

凸轮从动件用于将从凸轮传递的运动转换到另一个部件。例如，圆柱形凸轮的旋转运动可以通过凸轮从动件转换为线性运动。凸轮从动件用于与大量机构中的凸轮接合，机构包括内燃机、阀、泵、压缩机、机床、织物加工设备、井下旋转导向系统、井下搅拌器和钻孔机，比如在美国专利申请第15/430,254号(‘254申请)中公开的钻孔机，以及其它机构。于2017年2月10日提交的题为“Drilling Machine(钻孔机)”的‘254申请全文以参见的方式纳入本文。

凸轮从动件分为两大类，包括滚子凸轮从动件和非滚子凸轮从动件。对于滚子凸轮从动件，采用轭安装或螺柱安装滚动构件。这些滚动构件为轴衬类型，或采用滚珠、滚子或滚针轴承或其组合。非滚子凸轮从动件分为刀刃式、平面式或弯靴形，其有时也称为蘑菇形。下面的表1列出了各种凸轮从动件，包括相关的缺点。

表1

由碳化钨支承或不支承的热稳定多晶金刚石(TSP)和多晶金刚石复合片(PDC或PCD)有时用于工具，比如金刚石工具。包括热稳定的多晶金刚石和多晶金刚石复合片的多晶金刚石被认为禁止用于加工黑色金属和其它金属、金属合金、复合材料、表面硬化、涂层或含有超过痕量金刚石催化剂或溶剂元素的镀层，包括钴、镍、钌、铑、钯、铬、锰、铜、钛或钽。此外，这种先前对使用多晶金刚石的禁忌延伸到了所谓的“超级合金”，包括含有超过微量的金刚石催化剂或溶剂元素的铁基、钴基和镍基超级合金。典型地用于加工这种材料的表面速度典型地在约0.2m/s至约5m/s的范围内。尽管这些表面速度不是特别高，但诸如在切削尖端处产生的载荷和伴随温度往往超过了金刚石的石墨化温度(即，约700℃)，在存在有金刚石催化剂或溶剂元素的情况下，这可能导致诸如金刚石刀具之类的部件的快速磨损和失效。在不受理论约束的情况下，具体的失效机制被认为是由碳轴承金刚石与正在加工的碳吸引材料的化学作用造成的。关于多晶金刚石用于金刚石催化剂或含溶剂的金属或合金加工的禁忌的示例性参考文献是美国专利第3,745,623号，其全文以参见的方式纳入本文。长期以来，避免使用多晶金刚石加工含金刚石催化剂或含金刚石溶剂的材料，导致在与此类材料接触的所有应用中避免使用多晶金刚石。

铜和钛典型地不在通用电气早期的金刚石合成文档中列出，但后来被添加。相关参考文献包括Dobrzhinetskaya和Green，II国际地质评论卷49，2007的“DiamondSynthesis from Graphite in the Presence of Water and SiO₂(在水和SiO2存在下由石墨合成金刚石)”；和孙等人在《中国科学》1999年8月的“高压高温下金刚石合成的非金属催化剂”。

本申请的应用技术背景的附加的重要参考资料来自《International Journal ofMachine Tools&Manufacture(国际机床与制造杂志)》46和47的标题为“Polishing ofpolycrystalline diamond by the technique of dynamic friction(通过动态摩擦技术抛光多晶金刚石)，第1部分：界面温升预测”和“第2部分，材料移除机构”2005年和2006年。这些参考文献报告了PDC面的动态摩擦抛光，该抛光利用在载荷下与碳吸附钢盘的干式滑动接触。这些参考文献中的主要发现表明，抛光速率对滑动速率的敏感性高于载荷，并且随着金刚石表面光洁度的提高，钢盘和金刚石表面之间的热化学反应速率显著降低。作者还参考了先前的结论，即在27MPa(兆帕)的压力下，当滑动速度低于10.5m/s时，钢盘和PDC面之间不发生热化学反应。这些参考文献以参见的方式纳入本文，就好像全文列出一样。

径向轴承用于工具、机器和部件中以承受载荷。多晶金刚石径向轴承已经开发出来，这种轴承的多晶金刚石轴承表面与非铁超硬材料相配合，或者更常见的是，与紧密匹配的互补多晶金刚石表面相配合。关于与超硬材料或与匹配的多晶金刚石接触的多晶金刚石径向轴承的示例性参考文献是授予McPherson并转让给史密斯国际公司(SmithInternational Inc.)的美国专利第4,764,036号，其全部内容以参见的方式纳入本文。如本领域技术人员将理解的，硬度可使用布氏(Brinell)标度来确定，比如根据ASTM E10-14。

所谓的高性能多晶金刚石轴承具体地为恶劣环境设计，比如井下钻探和泵送环境或风力涡轮机能源单元，并利用滑动、匹配、重叠的多晶金刚石元件。这需要大量的多晶金刚石元件，每个元件都成形为具有精确的外部轮廓。例如，安装在转子上的多晶金刚石元件成形为具有与转子外径基本上匹配的凸形外轮廓。定子多晶金刚石元件成形为具有与定子的内径基本上匹配的凹形外部轮廓。多晶金刚石元件的这种成形需要精确且昂贵，例如需要使用放电加工(EDM)、激光或金刚石磨削进行切割。然后必须将多晶金刚石元件安装在精确的位置、精确的对准和精确的规定高度或暴露处，以确保配合的滑动接合。此类部件的目标是将多晶金刚石元件作为承受区域进行全面接触。因此，用于制备这种多晶金刚石元件的工艺既昂贵又耗时，并且有很大的导致零件报废的变化可能。当多晶金刚石元件抵靠彼此相互旋转时，对准和/或暴露的失败可能会产生所谓的“边缘碰撞”，从而产生断裂的元件并最终导致轴承故障。

已经提出了使用多晶金刚石的较便宜的径向轴承，其中几乎全周向阵列的波状多晶金刚石元件安装在转子上，而超硬材料安装在定子上。尽管这种方法比前面描述的方法需要更少的多晶金刚石元件，但它仍然需要转子安装元件的轮廓。此外，此类所谓的超硬材料往往比本文公开的金刚石反应材料更易碎并且更容易受到冲击损坏。

推力轴承用于工具、机器和部件中，以至少主要是承受轴向载荷。随着时间的推移，随着多晶金刚石轴承的开发，轴承制造商将多晶金刚石轴承表面与有色金属、即所谓的超硬材料相匹配，或者更常见的是，与紧密面对的互补多晶金刚石表面相匹配。图20描绘了推力轴承2000的局部剖视图，其具有多晶金刚石与多晶金刚石的界面。关于多晶金刚石推力轴承的示例性参考文献是授予Nagel的美国专利第4,468,138号；授予Geczy的美国专利第4,560,014号；授予Gonzalez的美国专利第9,702,401号；以及Offenbacher的美国防卫性公告T102,90，其全部内容以参见的方式本文。

具体地为诸如井下钻探和泵送之类的恶劣环境或风力涡轮机能源单元设计的高性能多晶金刚石轴承典型地利用滑动、匹配、重叠的多晶金刚石元件。这需要大量的多晶金刚石元件，每一个都与一组相对的多晶金刚石元件精确地平面接合。多晶金刚石元件必须安装在准确规定的高度或暴露处，以确保配合滑动接合。现有技术中的目标是将多晶金刚石元件在承受区域的两个面上进行全面接触。当多晶金刚石元件相互旋转时，对准和/或暴露的失败可能会产生点载荷、不均匀的载荷分配或“边缘碰撞”，从而产生断裂元件并最终导致轴承失效。多晶金刚石比金刚石反应材料(在下文定义)更脆且更容易受到冲击损坏。

以下的表2汇总了包括抛光的多晶金刚石的各种材料在干燥、静态和润滑、静态两种状态下的摩擦系数，其中“第一材料”相对于“第二材料”运动，以确定第一材料的摩擦系数(CoF)。

表2*

*参考资料包括机械手册；Sexton TN，Cooley CH的用于井下油气钻具的多晶金刚石推力轴承，Wear 2009；267：1041-5。

需要强调的是，上述数值是基于在空气中的干运转。显然，如果在液体冷却、润滑的环境中运行，则可以在不开始热化学反应的情况下获得更高的速度和载荷。此外，值得注意的是经过抛光的多晶金刚石面的热化学响应较低。

发明内容

本公开的一实施例包括一种在设备中承受载荷的方法。该方法包括将轴承表面与相对的轴承表面接合。轴承表面包括抛光的多晶金刚石。相对的轴承表面包括金刚石反应材料。金刚石反应材料被硬化。

本公开的另一实施例包括一种设备。该设备包括轴承表面，该轴承表面包括抛光的多晶金刚石。该设备包括相对的轴承表面，该相对的轴承表面包括金刚石反应材料。金刚石反应材料被硬化。轴承表面和相对的轴承表面可运动地接合。

本公开的一些方面包括凸轮组件以及包括凸轮组件的设备、系统和机器，该凸轮组件包括凸轮和凸轮从动件。凸轮包括相对的金刚石反应接合表面。凸轮从动件包括多晶金刚石元件。多晶金刚石元件包括与凸轮的相对的接合表面接合的接合表面。

本公开的附加方面包括使用这种凸轮从动件、凸轮组件以及包括凸轮组件的设备、系统和机器的方法。该方法包括提供包括多晶金刚石元件的凸轮从动件，该多晶金刚石元件包括其上的接合表面。该方法包括将接合表面与凸轮的相对的金刚石反应接合表面接合。

本公开的一些方面包括径向轴承组件，该径向轴承组件包括多晶金刚石元件。每个多晶金刚石元件包括与相对的接合表面滑动接合的接合表面。相对的接合表面由至少一些金刚石反应材料形成或包括至少一些金刚石反应材料。

本公开的其它方面包括一种在部件之间，包括在转子和定子之间进行交界接合的方法。该方法包括提供包括多晶金刚石元件的径向轴承组件，每个多晶金刚石元件具有接合表面。该方法包括在转子和定子之间与多晶金刚石元件进行交界接合，使得接合表面与包括至少一些金刚石反应材料的相对的接合表面滑动接合。

本公开的其它方面包括一种设计用于转子和定子的径向轴承组件的方法。径向轴承组件包括多晶金刚石元件，每个多晶金刚石元件包括与相对的接合表面滑动接合的接合表面，该相对的接合表面由至少一些金刚石反应材料形成或包含至少一些金刚石反应材料。该方法包括确定转子和定子的最大滑动速度是否小于预设限制(例如，10.5m/s)。如果最大滑动速度小于预设限制，则该方法包括选择定子和转子内的径向轴承组件的构造。该方法包括基于在定子和转子内的径向轴承组件的选定构造中的选定数量的多晶金刚石元件并且基于预期载荷来计算每个多晶金刚石元件的最大接触压力。计算出的最大接触压力可选地乘以安全系数。该方法包括确定可选地乘以安全系数的计算出的最大接触压力是否低于预设的最大允许压力。如果确定计算出的最大接触压力低于预设的最大允许压力，则该方法包括在定子和转子内的径向轴承组件的选定构造上部署至少最小数量的多晶金刚石元件。如果多晶金刚石元件的数量适配定子和转子内的径向轴承组件的选定构造，则该方法包括制造径向轴承组件、转子和定子的组件。

本公开的一些方面包括推力轴承组件。推力轴承组件包括具有多晶金刚石元件的推力面。多晶金刚石元件在其上具有接合表面。推力轴承组件包括相对的推力面，该相对的推力面由至少一些金刚石反应材料形成或包括至少一些金刚石反应材料。推力面与相对的推力面联接，使得接合表面与相对的推力面接触。

本公开的其它方面包括一种承受轴向载荷的方法。该方法包括将推力面与相对的推力面相联接。推力面包括与其联接的多晶金刚石元件。多晶金刚石元件在其上具有接合表面。相对的推力面由至少一些金刚石反应材料形成或包括至少一些金刚石反应材料。推力面与相对的推力面联接，使得接合表面与相对的推力面接触。

本公开的另一方面包括一种推力轴承组件，该推力轴承组件包括限定推力面的推力环。多晶金刚石元件与推力面联接并限定接合表面。推力轴承组件还包括限定相对的推力面的相对的推力环。相对的推力环由至少一些金刚石反应材料形成或包括至少一些金刚石反应材料。接合表面与相对的推力面接触。

附图说明

为了可以更详细地理解本公开的系统、设备和/或方法的特征和优点的方式，可以通过参考构成本说明书一部分的附图中所示的其实施例来获得上面简要概括的更具体的描述。然而，应注意，附图仅示出了各种示例性实施例，因此不应被视为对所公开概念的限制，因为其还可以包括其它有效的实施例。

图1是根据本公开的某些方面的凸轮从动件的等距视图；

图2A是根据本公开的某些方面的包括与凸轮转子滑动接合的凸轮从动件的凸轮组件的等距视图；

图2B是图2A的凸轮组件的剖视图；

图3是根据本公开的某些方面的包括凸轮从动件的凸轮组件的剖视图，该凸轮从动件具有与凸轮滑动接合的平坦多晶金刚石元件；

图4是根据本公开的某些方面的包括凸轮从动件的凸轮组件的剖视图，该凸轮从动件具有与凸轮滑动接合的圆顶形多晶金刚石元件；

图5描绘了与凸轮接合而没有边缘接触或点接触的凸轮从动件；以及

图6描绘了具有固体润滑剂源的凸轮组件。

图7是示出了使用本文公开的技术的一般评价标准的流程图。

图8A是本申请技术的一实施例的转子和定子径向轴承组件的局部侧视图。

图8B是图8A的转子和定子径向轴承组件沿着线A-A剖取的剖视图。

图9A是本申请技术的一实施例的转子和定子径向轴承组件的局部侧视图。

图9B是图9A的组件沿着线B-B剖取的剖视图。

图10A是本申请技术的一实施例的转子和定子径向轴承组件的局部侧视图。

图10B是图4A的组件沿着线C-C剖取的剖视图。

图11A是本申请技术的一实施例的转子和定子径向轴承组件的局部侧视图。

图11B是图11A的组件沿着线D-D剖取的剖视图。

图12A是本申请技术的一实施例的转子和定子径向轴承组件的局部侧视图。

图12B是图12A的组件沿着线E-E剖取的剖视图。

图13A是本申请技术的一实施例的转子和定子径向轴承组件的局部侧视图。

图13B是图13A的组件沿着线F-F剖取的剖视图。

图14A是本申请技术的一实施例的转子和定子径向轴承组件的局部侧视图。

图14B是图14A的组件沿着线G-G剖取的剖视图。

图15A是本申请技术的一实施例的转子和定子径向轴承组件的局部侧视图。

图15B是图15A的组件沿着线H-H剖取的剖视图。

图16A是本申请技术的一实施例的转子和定子径向轴承组件的局部侧视图。

图16B是图16A的组件沿着线I-I剖取的剖视图。

图17A是本申请技术的一实施例的转子和定子径向轴承组件的局部侧视图。

图17B是图17A的组件沿着线J-J剖取的剖视图。

图18A是本申请技术的一实施例的转子和定子径向轴承组件的局部侧视图。

图18B是图18A的组件沿着线K-K剖取的剖视图。

图19A是本申请技术的一实施例的转子和定子径向轴承组件的局部侧视图。

图19B是图19A的组件沿着线L-L剖取的剖视图。

图20是现有技术的多晶金刚石与多晶金刚石界面推力轴承的局部剖视图。

图21A是本申请技术的一实施例的推力轴承的多晶金刚石推力面的俯视图。

图21B是图21A的多晶金刚石推力面与由至少一些金刚石反应材料形成或包括至少一些金刚石反应材料的相对推力面滑动接触的侧视图。

图22A是本申请技术的一实施例的推力轴承的多晶金刚石推力面的俯视图。

图22B是图23A的多晶金刚石推力面与由至少一些金刚石反应材料形成或包括至少一些金刚石反应材料的相对推力面滑动接触的侧视图。

图23是本申请技术的一实施例的示例性多晶金刚石元件的侧视图。

图24是本申请技术的一实施例的示例性多晶金刚石元件的侧视图。

图25是本申请技术的一实施例的示例性多晶金刚石元件的侧视图。

图26是本申请技术的一实施例的示例性多晶金刚石元件的侧视图。

图27是本申请技术的一实施例的示例性多晶金刚石元件的侧视图。

图28是没有边缘处理的具有尖角的多晶金刚石元件的侧视图。

图29A是经过边缘处理的多晶金刚石元件和相对的推力面之间的边缘接触的简化描绘。

图29B是未经过边缘处理的具有尖角的多晶金刚石元件和相对的推力面之间的边缘接触的简化描绘。

图30A描绘了在表面处理之前的轴承表面。

图30B描绘了在表面处理之后的图30A的轴承表面。

图31A描绘了在材料处理之前的轴承主体。

图31B描绘了在材料处理之后的图31A的轴承主体。

图32是示例3的轴在抛光期间的载荷和CoF的图表。

图33A-33E是示例3的轴的图像和示意图。

现在将参照示出各种示例性实施例的附图更全面地描述根据本公开的系统、设备和方法。然而，根据本公开的概念可以以许多不同的形式体现，并且不应被解释为受到本文阐述的所示实施例的限制。相反，提供这些实施例使得本公开将是彻底和完整的，并且将向本领域技术人员充分传达各种概念的范围以及最佳和优选的实践模式。

具体实施方式

本公开的某些实施例包括具有彼此运动接合的包括轴承表面的多个表面(例如，金刚石与钢接合)的设备，比如凸轮从动件、径向轴承、推力轴承，以及包括设备的系统，以及制造、组装和使用设备的方法。本公开的一些实施例提供了材料处理(例如，表面处理)的设备、处理材料的方法、以及制造、组装和使用设备的方法。

定义、示例和标准

研磨和抛光－如本文所用，如果表面具有20μin(微英寸)或约20μin的表面光洁度，例如范围为约18到约22μin的表面光洁度，则将该表面定义为“高度研磨”。如本文所用，如果表面具有小于约10μin、或从约2μin到约10μin的表面光洁度，则将该表面定义为“抛光”。如本文所用，如果表面具有小于约2μin、或约0.5μin到小于约2μin的表面光洁度，则将该表面定义为“高度抛光”。如本领域技术人员将理解的，表面光洁度可以用轮廓仪或原子力显微镜测量。抛光至表面光洁度为0.5μin的多晶金刚石的摩擦系数约为表面光洁度为20-40μin的标准研磨多晶金刚石的一半。授予Lund等人的美国专利号5,447,208和美国专利号5,653,300提供了与多晶金刚石抛光相关的公开内容，其全部内容以参见的方式纳入本文。

金刚石反应材料－如本文所用，“金刚石反应材料”是包含多于痕量的金刚石催化剂或金刚石溶剂的材料。如本文所用，包含多于“痕量”金刚石催化剂或金刚石溶剂的金刚石反应材料包含至少2重量％(wt.％)的金刚石反应材料。在某些方面中，本文公开的金刚石反应材料包含2到100wt.％、或5到95wt.％、或10到90wt.％、或15到85wt.％、或20到80wt.％、或25到75wt.％、或25到70wt.％、或30到65wt.％、或35到60wt.％、或40到55wt.％、或45到50wt.％的金刚石催化剂或金刚石溶剂。如本文所用，“金刚石催化剂”是诸如在载荷下和在等于或超过金刚石的石墨化温度(即，约700℃)的温度下能够催化多晶金刚石石墨化的化学元素、化合物或材料。如本文所用，“金刚石溶剂”是诸如在载荷下和在等于或超过金刚石的石墨化温度的温度下能够溶解多晶金刚石的化学元素、化合物或材料。因此，金刚石反应材料包括在负载下以及温度达到或超过金刚石的石墨化温度的情况下，可导致由多晶金刚石形成的部件的磨损、有时是快速磨损以及失效的材料，比如金刚石尖端工具。金刚石反应材料包括但不限于金属、金属合金和含有超过痕量金刚石催化剂或溶剂元素的复合材料。在某些方面，金刚石反应材料呈硬面、涂层或镀层的形式。例如但不限于，金刚石反应材料可以是铁、钴、镍、钌、铑、钯、铬、锰、铜、钛、钽、铝或其合金。在一些实施例中，金刚石反应材料是钢或铸铁。在一些方面，金刚石反应材料是超合金，包括但不限于铁基、钴基和镍基超合金。在某些方面，金刚石反应材料不是和/或不包括(即，特别排除)所谓的“超硬材料”。

超硬材料－如本领域技术人员所理解的，“超硬材料”是由材料硬度定义的一类材料，其可根据布氏、洛氏(Rockwell)、努氏(Knoop)和/或维氏(Vickers)标度确定。例如，超硬材料包括通过维氏硬度试验测量的硬度值超过40吉帕斯卡(GPa)的材料。如本文所用，超硬材料包括至少与碳化钨砖和/或烧结碳化钨一样硬的材料，这种材料比如是根据这些硬度标度中的一个，比如布氏标度确定的材料。本领域技术人员应当理解，布氏标度测试可例如根据ASTM E10-14进行；维氏硬度测试可例如根据ASTM E384进行；洛氏硬度测试可例如根据ASTM E18进行；并且努氏硬度测试可例如根据ASTM E384进行。本文公开的“超硬材料”包括但不限于瓷砖碳化钨(例如，瓷砖或硬质合金)、渗透碳化钨基体、碳化硅、氮化硅、立方氮化硼和多晶金刚石。因此，在某些方面，“金刚石反应材料”部分或完全由比超硬材料更软(硬度更低)的材料(例如，金属、金属合金、复合材料)组成，比如根据诸如布氏标度之类的这些硬度测试中的一个确定的比碳化钨(例如，瓷砖或硬质合金)更硬的材料。如本领域技术人员将理解的，硬度可使用布氏标度来确定，比如根据ASTM E10-14。如本领域技术人员将理解的，“超合金”是一种可以承受高温的高强度合金。

接合表面—如本文所用，“接合表面”是指材料(例如，多晶金刚石或金刚石反应材料)的表面，其定位和布置在组件内(例如，轴承组件内)，使得在组件的操作中，接合表面在组件的两个部件之间(例如，在定子和转子之间或在推力面和相对的推力面之间或在凸轮和凸轮从动件之间)进行交界。“接合表面”在本文中也可称为“轴承表面”、“推力轴承表面”、“轴向轴承表面”、“推力面”、“相对的接合表面”或其它表面，这取决于具体的应用。

多晶金刚石—在一些实施例中，本文公开的多晶金刚石元件的直径例如可小至3毫米(约1/8英寸)或大至75毫米(约3英寸)，这取决于应用以及所接合的凸轮的构造和直径。本文公开的一些多晶金刚石元件将具有从8毫米(约5/16英寸)到25毫米(约1英寸)的直径。本领域技术人员将理解，多晶金刚石元件不限于这些具体尺寸并且可根据具体应用而在尺寸和形状上变化。在一些方面，多晶金刚石元件通过非浸取、浸取、浸取和回填、经由化学气相沉积(CVD)的涂覆或以本领域已知的各种方式处理。在某些应用中，本文所公开的多晶金刚石元件在外多晶金刚石表面和支撑碳化钨块之间具有增加的钴含量过渡层。在一些应用中，本文公开的多晶金刚石元件可不受碳化钨支承并且可以是基本上“独立”的离散的多晶金刚石主体，其直接安装(例如，安装到凸轮从动件主体或轴承部件上)。在多晶金刚石元件是平坦面或圆顶多晶金刚石元件的实施例中，多晶金刚石元件能够以允许多晶金刚石元件绕其自身的轴线旋转的方式安装。参考Shen等人的美国专利第8,881,849号作为提供多晶金刚石元件的方法的非限制性示例，该方法提供了多晶金刚石元件在与金刚石反应材料面接触的同时围绕其自身的轴线旋转。

在某些实施例中，本文公开的多晶金刚石元件不成形为精确地符合相对的接合表面。在某些实施例中，多晶金刚石元件的接合表面的滑动界面接触面积小于多晶金刚石元件的总表面积的80％、或小于75％、或小于70％、或小于60％。如本文所用，接合表面的“接触面积”是指接合表面的与相对的接合表面接触的表面积。

尽管多晶金刚石元件最常的形状是圆柱形，但应理解，本申请的技术可以用正方形、矩形、椭圆形、本文参考附图描述的任何形状或本领域已知的任何其他合适的形状的多晶金刚石元件来实践。

在某些方面中，多晶金刚石元件经过边缘半径处理。多晶金刚石元件的边缘半径处理在本领域中是众所周知的。在采用平面或凹面多晶金刚石元件的本申请技术的一些实施例中，优选对这种多晶金刚石元件采用边缘半径处理。采用边缘半径处理的一个目的是减少或避免在给定多晶金刚石元件与相对的接合表面(例如，弯曲表面)的线性接合区域的外部边界处外边缘切割或划线的可能性。

硬化和非硬化材料和表面——如本文所用，“硬化材料”是已经经过硬化的材料，从而导致至少在材料表面处的材料硬度增加，其中硬度根据布氏、洛氏、努氏和/或维氏标度确定。即材料在硬化前具有第一硬度，在硬化后材料具有第二硬度，其中第二硬度比第一硬度更硬。硬度的增加可以遍及整个材料，或者可以是材料的仅部分的硬度增加，比如在材料的一个或多个表面处增加硬度。如本文别处更详细描述的，可使用各种方法来增加材料的硬度，要么均匀地遍及材料，要么在材料的表面处不连续地增加硬度。以下更详细描述的一些示例性工艺包括冷加工和加工硬化工艺，比如打磨和喷丸强化；以及热处理工艺，比如通过硬化、表面硬化和零下、低温、深度冷冻处理。

如本文所用，“非硬化材料”是尚未经过硬化的材料，使得材料的硬度不增加。

镀层、非镀层、涂覆和非涂覆表面—如本文所用，“镀层表面”和“涂覆表面”分别是经过镀层或涂覆的表面，从而导致在表面上存在镀层或涂层。如本文别处更详细描述的，可使用各种工艺将镀层或涂层施加至表面。以下更详细描述的一些示例性工艺包括电镀和化学镀，包括镀铬；磷化；包括物理气相沉积(PVD)和化学气相沉积(CVD)的气相沉积；以及阳极氧化。

如本文所用，“非镀层表面”和“非涂覆表面”分别是没有经过镀层或涂覆的表面，使得该表面分别没有镀层或涂层。

包层—如本文所用，“包覆表面”是经过包覆的表面，从而导致在表面上存在包层。如本文别处更详细描述的，可使用各种工艺将包层施加至表面。以下更详细描述的一些示例性工艺包括滚焊、激光熔覆和爆炸焊接。

如本文所用，“非包层表面”是尚未经过包层的表面，使得该表面上没有包层。

凸轮从动件

本公开的某些方面包括凸轮从动件和凸轮组件，以及包括它们的设备和系统，以及它们的使用方法。凸轮从动件可以是固定的凸轮从动件。在一些这样的方面，固定凸轮从动件具有比现有固定型凸轮从动件更低的摩擦系数。

本文公开的凸轮从动件可具有比现有滚子型凸轮从动件更高的载荷能力。因此，在一些方面，本文公开的凸轮从动件比现有的滚子型从动件更坚固且更持久。

参考图1描述了根据本公开的某些方面的凸轮从动件。凸轮从动件105包括凸轮从动件主体104。凸轮从动件主体104可由本领域技术人员已知的多种材料中的任何一种构成。凸轮从动件主体104具有第一端106和第二端108。本领域技术人员将理解，凸轮从动件主体104不限于如图1所示的具体形状，并且可以是多种其它合适形状中的任何一种，这取决于具体应用和用途。

在第二端108处，凸轮从动件主体104联接于由多晶金刚石组成的多晶金刚石元件102或与多晶金刚石元件102成一体。在一些方面，多晶金刚石元件102通过由碳化钨支承或不支承的热稳定的多晶金刚石或多晶金刚石复合片组成。

多晶金刚石元件102经由附连部103附连于凸轮从动件主体104。多晶金刚石元件102可经由多种附连方法中的任一种附连于凸轮从动件主体104，包括但不限于胶合、铜焊、LS结合、压配或本领域已知的其它附连方式或方法。

多晶金刚石元件102包括接合表面101。接合表面101可以是多晶金刚石层。接合表面101可以是平坦表面，如图1所示。在其他方面，接合表面101不是平坦表面。在一些方面，接合表面101是多晶金刚石元件102的表面，该表面已经被研磨或抛光，可选地被高度研磨或高度抛光。尽管至少在一些应用中高度抛光的多晶金刚石是优选的，但本公开的范围不限于高度抛光的多晶金刚石元件，并且包括高度研磨或抛光的多晶金刚石元件。在一些方面，接合表面101具有0.5μin至40μin、或2μin至30μin、或5μin至20μin、或8μin至15μin或它们之间的任何范围的表面光洁度。

虽然多晶金刚石元件102示出为大致成形为定位在凸轮从动件主体104的第二端108上的圆盘，但是本领域技术人员将理解多晶金刚石元件102可以是多种形状中的任何一种并且可以根据其具体应用和用途布置在处于其它构造的凸轮从动件主体104上。

凸轮从动件－组件

本公开的某些方面包括凸轮组件以及包括凸轮组件的设备和系统，以及其使用方法，凸轮组件包括与凸轮(凸轮部件)接合的凸轮从动件。参考图2A-6描述了根据本公开的某些方面的凸轮组件。在图2A-6中，类似的附图标记指代类似的元件。例如，示例性凸轮从动件在图1中用附图标记“105”标识并且在图2A和2B中用附图标记“205”标识。

图2A是凸轮组件200的等距视图，图2B是凸轮组件200的剖视图。参考图2A和2B，凸轮组件200包括凸轮从动件205。与凸轮从动件105一样，凸轮从动件205包括具有第一端206和第二端208的凸轮从动件主体204，其中多晶金刚石元件202经由附连部203在第二端208处联接于凸轮从动件主体204。凸轮从动件205的接合表面201与凸轮216的相对的接合表面211滑动接合，凸轮216在此示出为凸轮转子。虽然凸轮216在图2A中被描绘为凸轮转子，但是本领域技术人员将理解本文公开的凸轮可以是各种滑动或旋转部件中的任何一种。

在一些方面，当与相对的接合表面211接合时，由接合表面201限定的平坦表面可相对于由相对的接合表面211限定的表面成一定角度，使得少于整个接合表面201与相对的接合表面211接合。根据本公开的一方面，接合表面201是平面多晶金刚石元件的示例。

在图2B中的207处示出了凸轮旋转中心线。随着凸轮216围绕旋转中心线207旋转，相对的接合表面211横跨接合表面201滑动地运动，同时与接合表面接合。相对的接合表面211以及可选地整个凸轮106可由金刚石反应材料构成。

在一些方面，相对的接合表面包括或由至少2wt.％，或者从2到100wt.％、或5到95wt.％、或10到90wt.％、或15到85wt.％、或20到80wt.％、或25到75wt.％、或25到70wt.％、或30到65wt.％、或35到60wt.％、或40到55wt.％、或45到50wt.％的金刚石反应材料组成。

图3是根据本公开的一个方面的凸轮组件300的剖视图，该凸轮组件包括示例性平坦多晶金刚石凸轮从动件305。根据本公开的一个方面，凸轮从动件305与示例性凸轮316的金刚石反应材料滑动接合。随着凸轮316围绕旋转中心线307旋转，相对的接合表面311在接合表面301上滑动地运动。

图4是凸轮组件400的剖视图，该凸轮组件包括具有圆顶形多晶金刚石元件402的凸轮从动件405，其中接合表面401与凸轮416的相对的接合表面411滑动接合，同时凸轮416围绕旋转中心407旋转。

凸轮从动件－多晶金刚石元件

在本公开的某些方面，提供了避免多晶金刚石元件和凸轮之间的边缘接触或点接触。例如，如果凸轮凸角几何形状使得仅与多晶金刚石发生面接触，则平面多晶金刚石元件可用于交界(即，接合表面和相对的接合表面之间的接合)。在其他方面，不同的、有时更复杂的凸轮凸角几何形状可能需要不同形状的多晶金刚石元件，比如圆顶形、半球形、卵形、圆柱形、抛物面形、半径尖端圆锥形、圆形尖端凿形或其它形状的多晶金刚石元件。无论多晶金刚石元件的具体形状如何，都可以使用本领域已知的方法对多晶金刚石元件进行研磨或抛光。参考图5，描绘了凸轮从动件505，其中接合表面501与凸轮516的相对的接合表面511接触。多晶金刚石元件的边缘或点503不与相对的接合表面511接触(即，避免边缘接触或点接触)。

凸轮从动件－固体润滑剂源

在某些应用中，多晶金刚石元件及其与相对的凸轮接合表面滑动交界的接合表面可经由固体润滑剂源增强。固体润滑剂源可以是例如但不限于石墨或六方氮化硼棒或夹杂物，或通电或未通电，其与包括至少一些金刚石反应材料的相对的凸轮接合表面接触。图6描绘了示例性凸轮组件600，该凸轮组件与图3的相同，除了凸轮组件600包括与相对的接合表面311接触的固体润滑剂源650。

凸轮从动件－相对的接合表面处理

在一些方面，金刚石反应材料的相对的接合表面用碳来预饱和(例如，在与接合表面接合之前)。这种预饱和降低了金刚石反应材料通过多晶金刚石表面的石墨化来吸引碳的能力。金刚石反应材料表面的预饱和可经由本领域已知的任何方法来完成。

在一些方面，相对的接合表面渗硼、渗硼或表面硬化。在不受理论束缚的情况下，可以相信相对的接合表面的这种处理提高了其性能。

凸轮从动件－应用

本文公开的凸轮从动件和凸轮组件可用于各种应用中的任一种，包括诸如内燃机之类的高性能应用，包括但不限于柴油发动机、汽油发动机以及高性能汽车和赛艇发动机；钻孔机；各种加工工具；以及其它应用。在某些方面，本文公开的凸轮从动件是能够诸如在井下环境中的恶劣环境中可靠应用的高性能凸轮从动件。本文所公开的凸轮从动件可以是高性能凸轮从动件，其能够应用于非润滑、多尘和/或真空环境中，包括但不限于采矿、航空航天、非大气、气旋或农业环境。

在某些应用中，本文公开的凸轮从动件可以与金刚石反应材料滑动接合而操作，而不发生石墨化以及多晶金刚石部件的相关磨损和故障。

径向轴承

本公开的某些方面包括径向轴承和径向轴承组件，以及包括它们的设备和系统，以及它们的使用方法。为方便起见，以下描述呈现了外定子部件和内转子部件。然而，本领域技术人员将理解，在本文公开的每种示例性实施例中，内部件可保持静止并且外部件可旋转。此外，本领域技术人员将理解，尽管本公开的描述涉及转子和定子构造，但本文公开的技术不限于此类应用，并且可应用于各种其它应用，包括具有内外座圈的离散轴承，其中外座圈和内座圈都旋转，或者外座圈和内座圈中的一个或另一个保持静止。

径向轴承－多晶金刚石与金刚石反应材料的交界

在一些方面，本公开提供了将转子和定子之间的接合部与和金刚石反应材料接触的多晶金刚石元件交界。例如，多晶金刚石元件可定位和布置在定子上，以用于与转子滑动接触，其中转子由至少一些金刚石反应材料形成或包括至少一些金刚石反应材料。替代地，多晶金刚石元件可定位和布置在转子上，以用于与定子滑动接触，其中定子由至少一些金刚石反应材料形成或包括至少一些金刚石反应材料。多晶金刚石元件可具有用于与金刚石反应材料的相对的接合表面接合的接合表面。

在一些方面，相对的接合表面包括或由至少2wt.％，或者从2到100wt.％、或5到95wt.％、或10到90wt.％、或15到85wt.％、或20到80wt.％、或25到75wt.％、或25到70wt.％、或30到65wt.％、或35到60wt.％、或40到55wt.％、或45到50wt.％的金刚石反应材料组成。

在某些应用中，对多晶金刚石元件或至少其接合表面进行研磨或抛光，可选地为高度研磨或高度抛光。尽管至少在一些应用中高度抛光的多晶金刚石是优选的，但本公开的范围不限于高度抛光的多晶金刚石元件，并且包括高度研磨或抛光的多晶金刚石元件。

径向轴承－评估标准

图7描绘了用于在干燥、无润滑环境中使用本申请的技术的象征性概括评价标准集的流程图700。如框701所示，首先评估应用中的最大滑动速度是否小于10.5m/s。如本文所用，“滑动速度”，也称为“滑动界面速度”，是接触的两个部件相对于彼此运动的速度(例如，与定子接触的转子相对于定子运动的速度)。

如果确定最大滑动速度不小于10.5m/s，则如框702所示，由于滑动速度太高的缘故，确定评估的应用不是使用多晶金刚石元件与金刚石反应材料滑动接合的候选者。本领域技术人员将理解，在润滑或潮湿环境中，滑动界面速度可显著高于干燥、非润滑环境中的滑动界面速度(如本文所评估的)。

如果确定最大滑动速度小于10.5m/s，则如框703所示，多晶金刚石元件的构造(例如，形状、尺寸和布置)根据手头的具体应用来选择。框703阐述了用于在各种轴承构造中与金刚石反应材料滑动接合的各种非限制性多晶金刚石元件构造。例如，可选择平坦多晶金刚石元件用于与圆柱形转子接合的定子上，该圆柱形转子由至少一些金刚石反应材料形成或包括至少一些金刚石反应材料；可选择凸形多晶金刚石元件用于与圆柱形转子接合的定子上，该圆柱形转子由至少一些金刚石反应材料形成或包括至少一些金刚石反应材料；可选择具有凹表面或至少略微凹的表面的多晶金刚石元件用于与圆柱形转子接合的定子，该圆柱形转子由至少一些金刚石反应材料形成或包括至少一些金刚石反应材料；可选择具有凸表面或至少略微凸的表面的多晶金刚石元件用于与圆柱形定子接合的转子上，该圆柱形定子由至少一些金刚石反应材料形成或包括至少一些金刚石反应材料；可选择凿形多晶金刚石元件用于与带凹槽转子接合的定子上，该带凹槽转子由至少一些金刚石反应材料形成或包括至少一些金刚石反应材料；可选择圆顶形或半球形多晶金刚石元件用于与带凹槽转子接合的定子上，该带凹槽转子由至少一些金刚石反应材料形成或包括至少一些金刚石反应材料；可选择平坦多晶金刚石元件用于与锥形转子接合的锥形定子上，该锥形转子由至少一些金刚石反应材料形成或包括至少一些金刚石反应材料；可选择具有凸表面或至少略微凸的表面的多晶金刚石元件用于与锥形转子接合的锥形定子上，该锥形转子由至少一些金刚石反应材料形成或包括至少一些金刚石反应材料；可选择具有凸表面或至少略微凸的表面的多晶金刚石元件用于与锥形定子接合的锥形转子上，该锥形定子由至少一些金刚石反应材料形成或包括至少一些金刚石反应材料；可选择具有凹表面或至少略微凹的表面的多晶金刚石元件用于与锥形转子接合的锥形定子上，该锥形转子由至少一些金刚石反应材料形成或包括至少一些金刚石反应材料；可选择具有凸表面或至少略微凸的表面的多晶金刚石元件用于与球形定子接合的球形转子上，该球形转子由至少一些金刚石反应材料形成或包括至少一些金刚石反应材料；或者可选择具有平坦、凸表面或至少略微凸的表面的多晶金刚石元件用于与球形转子接合的球形定子上，该球形转子由至少一些金刚石反应材料形成或包括至少一些金刚石反应材料。本领域技术人员将会理解，本公开不限于这些具体选择的形状和轮廓，并且转子、定子、多晶金刚石元件和其它特定应用部件的形状(包括表面轮廓)可根据特定应用而变化。

在选择构造后，如框703中所述，计算每个多晶金刚石元件的最大接触压力。如框704中所述，每个多晶金刚石元件的最大接触压力是基于多晶金刚石元件的数量和包括径向载荷、轴向载荷、弯曲载荷或其它载荷的预期载荷计算出的。最大接触压力可通过本领域技术人员已知的方法确定。

在计算每个多晶金刚石元件的最大接触压力之后，计算出的每个多晶金刚石元件的最大压力乘以安全系数，如框705中所述。例如，在框704中确定的最大压力之上的安全系数的应用可根据设计者的判断来设置和应用。因此，如果应用安全系数，则相对于每个多晶金刚石元件的最大接触压力而言，每个多晶金刚石元件提供减小的压力。

在框706中，确定计算出的最大压力是否低于设备预期循环的最大允许压力。如本领域技术人员将理解的，金刚石反应材料的疲劳是限制因素。载荷位于金刚石/金刚石反应材料(例如金属)界面处。组件中的PDC元件越多，金属上的瞬时载荷就越低。在框706中，S-N曲线(接触应力对循环)可以用于有助于进行确定。

如果根据框706确定计算出的压力不低于最大允许压力，则如框707所示，将附加的多晶金刚石元件部署至框703中选择的设计构造。在部署这些附加的多晶金刚石元件之后，根据框704和705评估由此修改的设计构造，然后再次根据框706的标准进行评估。

如果根据框706确定计算出的压力低于最大允许压力，则随后如框708中所示，通过将至少如先前框701-706所示的最少数量的多晶金刚石元件部署到框703的所选设计构造的部件上来创建建议的设计构造(例如，将最少数量的多晶金刚石元件附连到定子或转子上)。

在框709，确定根据框708的最小数量的多晶金刚石元件是否适配框703的所选构造。如果确定最小数量的多晶金刚石元件将适配框703的所选构造，则生产转子和定子中的轴承组件，如框110所示。如果确定最小数量的多晶金刚石元件将不适配框703的所选构造，则框703的所选构造根据框702被确定为不是的使用多晶金刚石元件与金刚石反应材料滑动接合的候选者。

如果所需的最小数量的多晶金刚石元件不适配最初选择的设计构造，则轴承构造的设计者也将具有从框703选择替代轴承构造的选项(未示出)。替代地，可以降低安全系数以减少所需的最小多晶金刚石元件的数量。本领域的技术人员将会理解，图7中列出的标准只是示例性的，可根据特定应用评估其它标准，并且对于至少一些应用，在不脱离本公开的范围的情况下，可省略图7中阐述的一些标准。

现在将参考图8A-19B描述各种示例性转子和定子径向轴承组件。在图8A-19B中，类似的附图标记指代类似的元件。例如，示例性组件在图8A和8B中用附图标记“800”标识并且在图9A和9B中用附图标记“900”标识。

径向轴承－具有平坦多晶金刚石元件的定子

图8A是转子和定子径向轴承组件的局部侧视图，并且图8B是图8A的转子和定子径向轴承组件沿着线A-A剖取的剖视图。参考图8A和8B两者，将描述转子和定子径向轴承组件800。

转子和定子径向轴承组件800包括与转子803接合的定子802。四个平坦多晶金刚石元件801装配到定子802中以提供定子802和转子803之间的滑动接合，其中转子803由至少一些金刚石反应材料形成或包括至少一些金刚石反应材料。多晶金刚石元件801部署(例如，机械装配)在加载端口804内的定子802中，加载端口是在定子主体811中形成和/或定位在定子主体内的端口。例如而非限制性地，每个多晶金刚石元件801可经由本领域技术人员已知的方法压配、胶合、铜焊、螺纹或以其它方式安装在定子802(或在其它应用中是转子)上。本领域技术人员将理解，本公开不限于这些具体的附连方法或定子主体内的端口的使用，并且多晶金刚石元件可通过各种方法中的任一种附连于定子或转子。进一步地，虽然示出为包括等间距的平坦多晶金刚石元件，但本领域技术人员将理解多晶金刚石元件的数量、间距、装备、形状和尺寸可根据任何数量的各种设计标准而变化，包括但不限于图7中规定的标准。在一些方面，多晶金刚石元件通过由碳化钨支承或不支承的热稳定的多晶金刚石或多晶金刚石复合片组成。

每个多晶金刚石元件801包括接合表面813(此处示出为平坦表面)，并且转子803包括相对的接合表面815。多晶金刚石元件801定位在定子802上与转子803牢固接触，以限制转子803的横向运动，同时允许转子803在操作期间自由滑动旋转。多晶金刚石元件801定位和布置成使得接合表面813与相对的接合表面815接触(例如，滑动接触)。因此，接合表面813和相对的接合表面815使转子803和定子802之间的滑动接触部交界。

图8A和8B描绘了诸如将用于井下泵或马达中的转子和定子。然而，本领域技术人员将理解，用于其它应用的径向轴承以及离散的径向轴承可根据本公开以相同或相似的方式设计和制造。这种离散轴承的非限制性近侧尺寸和远侧尺寸由图8A中所示的虚线805指示。如图8B所示，可选地，在转子803中提供通孔807，该通孔可以用于例如离散轴承中。如从图8B明显看出的，多晶金刚石元件801部署在定子802中以径向支承转子803并提供与转子803的滑动接合。

尽管图8A和8B描绘了包括四个多晶金刚石元件801的组件，但本领域技术人员将理解可使用少于四个多晶金刚石元件，比如三个多晶金刚石元件，或多于四个多晶金刚石元件，这取决于具体的应用和构造，比如定子或转子上的多晶金刚石元件的可用空间。进一步地，尽管图8A和8B示出了多晶金刚石元件801的单个周向组，但是本领域技术人员将理解，多晶金刚石元件的一个或多个附加的周向组可部署在定子(或转子)中以增加轴承组件的横向支承和横向承载能力。

径向轴承－具有凸形多晶金刚石元件的定子

图9A和9B描绘了转子和定子径向轴承组件900，其与图8A和8B的基本相似，不同之处在于多晶金刚石元件901具有凸形接合表面913而不是图8A和8B的平坦、平面接合表面。

参考图9A和9B，转子和定子径向轴承900包括凸形多晶金刚石元件901，这些凸形多晶金刚石元件装配到定子902的定子主体911中以提供与转子903的滑动接合，转子由至少一些金刚石反应材料形成或包括至少一些金刚石反应材料。多晶金刚石元件901通过加载端口904部署在定子902中，并且可使用本领域技术人员已知的方法压配、胶合、铜焊、螺纹或以其它方式安装。多晶金刚石元件901放置到与转子903的牢固接触位置中，以限制转子903的横向运动，同时允许转子903在操作期间自由滑动旋转。如从图9B明显看出的，多晶金刚石元件901部署在定子902中以径向支承转子903并提供与转子903的滑动接合。图9B还示出了诸如可以在离散轴承中使用的可选的通孔907。

尽管图9A和9B描绘了诸如将用于井下泵或马达中的转子和定子，但是能够以相同或基本相同的方式设计和制造其它组件，包括离散的径向轴承组件。这种离散轴承的非限制性近侧尺寸和远侧尺寸由虚线905指示。进一步地，尽管图9A和9B示出了四个多晶金刚石元件901，但本领域技术人员将理解，在定子902中可部署更少(例如，三个)或更多的多晶金刚石元件。此外，尽管图9A和9B示出了多晶金刚石元件901的单个周向组，但是本领域技术人员将理解，多晶金刚石元件的一个或多个附加的周向组可部署在定子中以增加轴承组件的横向支承和横向承载能力。

与组件800一样，在操作中，接合表面913与相对的接合表面915接合以承受转子903和定子902之间的载荷。

具有凹形多晶金刚石元件的定子

图10A和10B描绘了转子和定子径向轴承组件1000，其与图8A-9B的基本相似，不同之处在于多晶金刚石元件1001具有凹形或至少略微凹形的接合表面1013，而不是图8A和8B的平坦、平面接合表面或图9A和9B的凸形接合表面。

略微凹形的多晶金刚石元件1001装配到定子1002的定子主体1011中以提供与转子1003的滑动接合。多晶金刚石元件1001通过加载端口1004部署在定子1002中。多晶金刚石元件1001可使用本领域技术人员已知的方法压配、胶合、铜焊、螺纹或以其它方式安装。多晶金刚石元件1001放置到与转子1003的牢固接触位置中，以限制转子1003的横向运动，同时允许转子1003在操作期间自由滑动旋转。

与组件900一样，在操作中，接合表面1013与相对的接合表面1015接合以承受转子1003和定子1002之间的载荷。每个多晶金刚石元件1001的至少略微的凹面与凹面的轴线定向，与转子1003的周向旋转一致；从而确保多晶金刚石元件1001和转子1003之间没有边缘接触，并提供多晶金刚石元件1001和转子1003之间的通常与凹面的最深部分的线性区域接触。即，多晶金刚石元件1001和转子1003之间的接合仅由接合表面1013和相对的接合表面1015交界，使得多晶金刚石元件1001的边缘或点1017不与转子1003接触。由此，在多晶金刚石元件1001和转子1003之间仅发生线性区域接触，而没有边缘或点接触。如从图10B明显看出的，多晶金刚石元件1001部署在定子1002中以径向支承转子1003并提供与转子1003的滑动接合。图10B还示出了诸如可以在离散轴承中使用的可选的通孔1007。

尽管图10A和10B描绘了诸如将用于井下泵或马达中的转子和定子，但是能够以相同或基本相同的方式设计和制造包括离散的径向轴承组件的组件。这种离散轴承的非限制性近侧尺寸和远侧尺寸由虚线1005指示。进一步地，尽管图10A和10B示出了四个多晶金刚石元件1001，但本领域技术人员将理解，在定子1002中可以部署更少(例如，三个)或更多的多晶金刚石元件。此外，尽管图10A和10B示出了多晶金刚石元件1001的单个周向组，但是本领域技术人员将理解，多晶金刚石元件的一个或多个附加的周向组可部署在定子中以增加轴承组件的横向支承和横向承载能力。

径向轴承－具有凸面多晶金刚石元件的转子

图11A和11B描绘了转子和定子径向轴承组件1100，其基本上类似于图9A和9B的组件，除了具有凸圆顶形接合表面1113的多晶金刚石元件1101安装在转子1103上而不是定子上。

凸形多晶金刚石元件1101装配到转子1103的转子主体1123中以提供与定子1102的滑动接合，定子由至少一些金刚石反应材料形成或包括至少一些金刚石反应材料。多晶金刚石元件1101在凹穴1104中部署在转子1103中，凹穴形成和/或定位在转子主体1123中。多晶金刚石元件1101可使用本领域技术人员已知的方法压配、胶合、铜焊、螺纹或以其它方式安装。多晶金刚石元件1101放置到与定子1102的牢固接触位置中，以限制转子1103的横向运动，同时允许转子1103在操作期间自由滑动旋转。如从图11B明显看出的，多晶金刚石元件1101部署在转子1103中以径向支承定子1102并提供与定子的滑动接合。图11B还示出了诸如可以在离散轴承中使用的可选的通孔1107。

尽管图11A和11B描绘了诸如将用于井下泵或马达中的转子和定子，但是能够以相同或相似的方式设计和制造其它组件，包括离散的径向轴承组件。这种离散轴承的非限制性近侧尺寸和远侧尺寸由虚线1105指示。进一步地，尽管图11A和11B示出了四个多晶金刚石元件1101，但将理解的是，在转子1103中可以部署更少(例如，三个)或更多的多晶金刚石元件。此外，尽管图11A和11B示出了多晶金刚石元件1101的单个周向组，但是本领域技术人员将理解，多晶金刚石元件的一个或多个附加的周向组可部署在转子中以增加轴承组件的横向支承和横向承载能力。

因此，与图8A-10B所示的实施例相反，在图11A和11B所示的实施例中，接合表面1113在转子1103上，而相对的接合表面1115在定子1102上。

径向轴承－具有凿形多晶金刚石元件的定子

图12A和12B描绘了转子和定子径向轴承组件1200，其中凿形多晶金刚石元件1201装配到定子1202的定子主体1211中以提供与转子1203的滑动接合，转子由至少一些金刚石反应材料形成或包括至少一些金刚石反应材料。多晶金刚石元件1201通过加载端口1202部署在定子1204中，加载端口在定子主体1211中形成和/或定位在定子主体中。多晶金刚石元件1201可使用本领域技术人员已知的方法压配、胶合、铜焊、螺纹或以其它方式安装。

多晶金刚石元件1201放置到转子1203的径向/推力表面凹槽1206内的牢固接触位置中，以限制转子1203的横向和轴向运动，同时允许转子1203在操作期间自由滑动旋转。凿形多晶金刚石元件1201定位、布置、成形、定尺寸和定向为滑动接合到转子1203的配合的径向/推力表面凹槽1206中。凿形多晶金刚石元件1201包括接合表面(由凿形多晶金刚石元件1201限定)，该接合表面与相对的接合表面接触，此处相对的接合表面是径向/推力表面凹槽1206的表面。从图12B可以明显看出，凿形多晶金刚石元件1201部署在定子1202中以径向和轴向支承转子1203并提供与转子的滑动接合。图12B还描绘了诸如可以在离散轴承中使用的可选的通孔1207。图12A和12B所示的实施例还可充当转子捕获部。

尽管图12A和12B描绘了诸如将用于井下泵或马达中的转子和定子，但是能够以相同或相似的方式设计和制造其它组件，包括离散的径向轴承组件。这种离散轴承的非限制性近侧尺寸和远侧尺寸由虚线1205指示。进一步地，尽管图12A和12B描绘了四个多晶金刚石元件1201，但本领域技术人员将理解，在定子1202中可以部署更少(例如，三个)或更多的多晶金刚石元件。此外，尽管图12A和12B描绘了多晶金刚石元件1201的单个周向组，但是本领域技术人员将理解，多晶金刚石元件的一个或多个附加的周向组可部署在定子中以增加轴承组件的横向和轴向支承以及横向和轴向承载能力。

具有圆顶形或半球形多晶金刚石元件的定子

图13A和13B描绘了转子和定子径向轴承组件1300，其基本上类似于图13A和13B的组件，除了多晶金刚石元件1301具有圆顶形或半球形接合表面1313，而不是凿形多晶金刚石元件。

圆顶形或半球形多晶金刚石元件1301装配到定子1302的定子壳体1311中以提供与转子1303的滑动接合。多晶金刚石元件1301通过加载端口1304部署在定子1302中，加载端口在定子主体1311中形成和/或定位在定子主体中。多晶金刚石元件1301可使用本领域技术人员已知的方法压配、胶合、铜焊、螺纹或以其它方式安装。多晶金刚石元件1301放置到相对于转子1306的径向/推力表面凹槽1303的牢固接触位置中，以限制转子1303的横向和轴向运动，同时允许转子1303在操作期间自由滑动旋转。圆顶形或半球形多晶金刚石元件1301滑动地接合转子1303的配合的径向/推力表面凹槽1306。圆顶形或半球形多晶金刚石元件1301限定接合表面，这些接合表面与相对的接合表面接触，此处相对的接合表面是径向/推力表面凹槽1306的表面。如从图13B明显看出的，圆顶形或半球形多晶金刚石元件1301部署在定子1302中以径向和轴向支承转子1303并提供与转子的滑动接合。图13B还示出了诸如可以在离散轴承中使用的可选的通孔1307。图13A和13B所示的实施例还可充当转子捕获部。

尽管图13A和13B描绘了诸如将用于井下泵或马达中的转子和定子，但是能够以相同或相似的方式设计和制造其它组件，包括离散的径向轴承组件。这种离散轴承的非限制性近侧尺寸和远侧尺寸由虚线1305指示。进一步地，尽管图13A和13B描绘了四个多晶金刚石元件1301，但本领域技术人员将理解，在定子1302中可以部署更少(例如，三个)或更多的多晶金刚石元件。此外，尽管图13A和13B描绘了多晶金刚石元件的单个周向组，但是本领域技术人员将理解，多晶金刚石元件的一个或多个附加的周向组可部署在定子中以增加轴承组件的横向和轴向支承以及横向和轴向承载能力。

径向轴承－具有平坦多晶金刚石元件的定子

图14A和14B描绘了包括平坦多晶金刚石元件1401的转子和定子径向轴承组件1400，平坦多晶金刚石元件装配到定子1402的定子主体1411中以提供与转子1403的滑动接合，转子由至少一些金刚石反应材料形成或包括至少一些金刚石反应材料。多晶金刚石元件1401通过加载端口1404部署在定子1402中，加载端口在定子主体1411中形成和/或定位在定子主体中。多晶金刚石元件1401可使用本领域技术人员已知的方法压配、胶合、铜焊、螺纹或以其它方式安装。

多晶金刚石元件1401放置到相对于转子1403的径向/推力锥形凹槽1406的牢固接触位置中，以限制转子1403的横向运动和向上的轴向运动，同时允许转子1403在操作期间自由滑动旋转。

平坦多晶金刚石元件1401与转子1403的配合径向/推力锥形表面滑动接合，使得接合表面1413与相对的接合表面1406接触和交界。如从图14B明显看出的，多晶金刚石元件1401部署在定子1402中以径向和轴向支承转子1403并提供与转子的滑动接合。

尽管图14A和14B描绘了四个多晶金刚石元件1401，但本领域技术人员将理解，在定子1402中可以部署更少(例如，三个)或更多的多晶金刚石元件。进一步地，尽管图14A和14B描绘了多晶金刚石元件1401的单个周向组，但将理解的是，多晶金刚石元件的一个或多个附加的周向组可部署在定子中以增加轴承组件的横向和轴向支承以及横向和轴向承载能力。

径向轴承－具有凸形多晶金刚石元件的定子

图15A和15B描绘了转子和定子径向轴承组件1500，其与图14A和14B的基本相似，不同之处在于多晶金刚石元件1501具有凸形接合表面1513而不是平坦接合表面。

凸形多晶金刚石元件1501装配到定子1502的定子主体1511中以提供与转子1503的滑动接合。多晶金刚石元件1501通过加载端口1504部署在定子1502中，加载端口在定子主体1511中形成和/或定位在定子主体中。多晶金刚石元件1501可使用本领域技术人员已知的方法压配、胶合、铜焊、螺纹或以其它方式安装。

凸形多晶金刚石元件1501与转子1503的径向/推力锥形凹槽1506一起放置到牢固接触位置中，以限制转子1503的横向运动和向上的轴向运动，同时允许转子1503在操作期间自由滑动旋转。多晶金刚石元件1501与转子1503的配合径向/推力锥形表面滑动接合，使得接合表面1513与相对的接合表面1506接触和交界。

如从图15B明显看出的，凸形多晶金刚石元件1501部署在定子1502中以径向和轴向支承转子1503并提供与转子的滑动接合。

尽管图15A和15B描绘了四个多晶金刚石元件1501，但本领域技术人员将理解，在定子1502中可以部署更少(例如，三个)或更多的多晶金刚石元件。进一步地，尽管图15A和15B描绘了多晶金刚石元件1501的单个周向组，但是本领域技术人员将理解，多晶金刚石元件的一个或多个附加的周向组可部署在定子中以增加轴承组件的横向和轴向支承以及横向和轴向承载能力。

径向轴承－具有凸形多晶金刚石元件的转子

图16A和16B描绘了包括凸形多晶金刚石元件1600的转子和定子径向和推力轴承组件1601，凸形多晶金刚石元件装配到转子1603的转子主体1623中以提供与定子1602的滑动接合，定子由至少一些金刚石反应材料形成或包括至少一些金刚石反应材料。多晶金刚石元件1601在凹穴1604中部署在转子1603中，凹穴形成到和/或定位在转子主体1623中。多晶金刚石元件1601可使用本领域技术人员已知的方法压配、胶合、铜焊、螺纹或以其它方式安装。

凸形多晶金刚石元件1601放置到定子1602的径向/推力锥形凹槽1606内的牢固接触位置中，以限制转子1603的横向运动和向上的轴向运动，同时允许转子1603在操作期间自由滑动旋转。凸形多晶金刚石元件1601与定子1602的配合的径向/推力锥形表面滑动接合，使得接合表面1613与相对的接合表面1606接触和交界。如从图16B明显看出的，凸形多晶金刚石元件1601部署在转子1603中以径向和轴向支承主材料定子1602并提供与定子的滑动接合。

尽管图16A和16B描绘了四个多晶金刚石元件1601，但本领域技术人员将理解，在转子1603中可以部署更少(例如，三个)或更多的多晶金刚石元件。进一步地，尽管图16A和16B描绘了多晶金刚石元件1601的单个周向组，但是本领域技术人员将理解，多晶金刚石元件的一个或多个附加的周向组可部署在转子中以增加轴承组件的横向和轴向支承以及横向和轴向承载能力。

径向轴承－具有平坦多晶金刚石元件的定子

图17A和17B描绘了包括凹形或至少略微凹形的多晶金刚石元件1701的转子和定子径向和推力轴承组件1700，这些多晶金刚石元件装配到定子1702的定子主体1711中以提供与转子1703的滑动接合，转子由至少一些金刚石反应材料形成或包括至少一些金刚石反应材料。多晶金刚石元件1701通过加载端口1704部署在定子1702中，加载端口形成和/或定位成穿过定子。多晶金刚石元件1701可使用本领域技术人员已知的方法压配、胶合、铜焊、螺纹或以其它方式安装。

多晶金刚石元件1701放置到转子1703的径向/推力锥形凹槽1706内的牢固接触位置中，以限制转子1703的横向运动和向上的轴向运动，同时允许转子1703在操作期间自由滑动旋转。多晶金刚石元件1701与凹部的轴线定向，与转子1703的轴向旋转一致，以确保没有边缘或点接触，从而确保通常仅与凹部的最深部分线性区域接触。略微凹形的多晶金刚石元件1701与转子1703的径向/推力锥形表面滑动接合，使得接合表面1713与相对的接合表面1706接触和交界。

如从图17B明显看出的，略微凹形的多晶金刚石元件1701部署在定子1702中以径向和轴向支承转子1703并提供与转子的滑动接合。

尽管图17A和17B描绘了四个多晶金刚石元件1701，但本领域技术人员将理解，在定子1702中可以部署更少(例如，三个)或更多的多晶金刚石元件。进一步地，尽管图17A和17B示出了多晶金刚石元件1701的单个周向组，但是本领域技术人员将理解，多晶金刚石元件的一个或多个附加的周向组可部署在定子中以增加轴承组件的横向和轴向支承以及横向和轴向承载能力。

径向轴承－具有凸形多晶金刚石元件的转子

图18A和18B描绘了包括凸形多晶金刚石元件1801的转子和定子径向和推力轴承组件1800，凸形多晶金刚石元件装配到转子1803的转子主体1823中以提供与定子1802的滑动接合。多晶金刚石元件1801在凹穴1804中部署在转子1803中，凹穴形成到和/或定位在转子主体1823中。多晶金刚石元件1801可使用本领域技术人员已知的方法压配、胶合、铜焊、螺纹或以其它方式安装。

凸形多晶金刚石元件1801放置到定子1802的径向/推力凹形弯曲表面1806内的牢固接触位置中，以限制转子1803的横向运动和向上的轴向运动，同时允许转子1803在操作期间自由滑动旋转。凸形多晶金刚石元件1801与定子1802的配合的径向/推力凹形弯曲表面滑动接合，使得接合表面1813与径向/推力凹形弯曲表面1806接合。在图18A和18B的实施例中，径向/推力凹形弯曲表面1806是或形成相对的接合表面。在组件1800中，凸形多晶金刚石元件1801上的接触区域是大致圆形的。然而，本领域技术人员将理解，多晶金刚石元件不限于具有这样的接触区域。

如从图18B明显看出的，凸形多晶金刚石元件1801部署在转子1803中以径向和轴向支承定子1802并提供与定子的滑动接合。

尽管图18A和18B描绘了四个多晶金刚石元件1801，但本领域技术人员将理解，在转子1803中可以部署更少(例如，三个)或更多的多晶金刚石元件。进一步地，尽管图18A和18B描绘了多晶金刚石元件1801的单个周向组，但是本领域技术人员将理解，多晶金刚石元件的一个或多个附加的周向组可部署在转子中以增加轴承组件的横向和轴向支承以及横向和轴向承载能力。

径向轴承－具有平坦多晶金刚石元件的定子

图19A和19B描绘了包括平坦(或圆顶形，未示出)多晶金刚石元件1900的转子和定子径向和推力轴承组件1901的局部侧视图，这些多晶金刚石元件装配到定子1902的定子主体1911中以提供与转子1903的滑动接合，转子由至少一些金刚石反应材料形成或包括至少一些金刚石反应材料。多晶金刚石元件1901通过加载端口1904部署在定子1902中，加载端口在定子主体1911中形成和/或定位在定子主体中。多晶金刚石元件1901可使用本领域技术人员已知的方法压配、胶合、铜焊、螺纹或以其它方式安装。

多晶金刚石元件1901与转子1903的径向/推力凸形弯曲表面1906一起放置到牢固接触位置中，以限制转子1903的横向运动和向上的轴向运动，同时允许转子1903在操作期间自由滑动旋转。径向/推力凸形弯曲表面1906是或形成相对的接合表面。多晶金刚石元件1901与转子1903的径向/推力凸形弯曲表面1906滑动接合，使得接合表面1913与相对的接合表面(即，径向/推力凸形弯曲表面1906)接合。在组件1900中，平坦或圆顶形多晶金刚石元件上的接触区域典型地是圆形的。然而，本领域技术人员将理解，多晶金刚石元件可具有不同的接触区域。

如从图19B明显看出的，平坦多晶金刚石元件1901部署在定子1902中以径向和轴向支承转子1903并提供与转子的滑动接合。

尽管图19A和19B示出了四个多晶金刚石元件1901，但本领域技术人员将理解，在定子1902中可以部署更少(例如，三个)或更多的多晶金刚石元件。进一步地，尽管图19A和19B描绘了多晶金刚石元件1901的单个周向组，但是本领域技术人员将理解，多晶金刚石元件的一个或多个附加的周向组可部署在定子中以增加轴承组件的横向和轴向支承以及横向和轴向承载能力。

如从8A-19B明显看出的，本公开的一些方面包括高性能径向轴承，其包含与由至少一些金刚石反应材料形成或包括至少一些金刚石反应材料的弯曲或圆柱形表面滑动接合的多晶金刚石元件。一些这样的方面包括高性能径向轴承，其中包含转子的金刚石反应材料与优选地安装在定子上的三个或更多个多晶金刚石元件成滑动接触。定子的多晶金刚石元件优选地是平坦的，但也可以是略微凹形的、凸形的或三者的任意组合。定子的多晶金刚石元件的表面轮廓不需要并且优选地不匹配定子的周缘曲线。尽管三个或更多个多晶金刚石元件是优选的，但本申请的技术可用少至一个或两个多晶金刚石元件来实践，比如在多晶金刚石元件用于减少水平定向的容积泵中定子的重力低侧上的或定向钻孔组件划线侧对面的磨损和摩擦的情况下。

在某些应用中，本文公开的轴承组件构造成抵抗推力载荷。本文公开的轴承组件的至少一些实施例能够同时处理径向载荷和推力载荷的分量。

所公开的轴承组件的至少一些实施例在经济上是可行的并且具有相对大的直径。

径向轴承－PCD元件的形状、尺寸和布置

在一些应用中，径向轴承具有安装在转子(或定子)上与定子(或转子)滑动接触的一个或多个凸形波状多晶金刚石元件。

在一些应用中，多晶金刚石元件沿着轴承部件部署成环。一非限制性示例是部署在定子的远侧部分上的五个平坦多晶金刚石元件的环和部署在定子的近侧部分上的五个平坦多晶金刚石元件的另一个环。因此，可以部署高性能多晶金刚石元件轴承组件，以确保沿着定子/转子界面的长度稳定操作，同时与现有组件中使用的总多晶金刚石元件相比需要更少的总多晶金刚石元件。

多晶金刚石元件可以在轴承组件内以任何型式、布局、间距或交错布置以提供期望的支承，而无需担心需要与相对轴承部件上的多晶金刚石元件接合表面的重叠接触。

径向轴承－接合表面的接触区域

一个关键性能标准是，多晶金刚石元件被构造并定位成排除与相对接合表面或部件的任何边缘接触或点接触。对于放置在定子上的平坦多晶金刚石元件，此类多晶金刚石元件典型地经历与转子的不全面接触。即，随着转子抵靠多晶金刚石元件旋转，接合表面接触区域小于整个面。对于安装在转子或定子上的至少略微圆顶形或凸形的多晶金刚石元件，此类多晶金刚石元件呈现出小的、大致为圆形的接合表面接触区域。如果安装在转子或定子上的凸形多晶金刚石元件是马鞍形的，此类多晶金刚石元件呈现出小的线性接合表面接触区域。对于部署在定子上的略微凹形的多晶金刚石元件，在每个多晶金刚石元件上呈现出稍微窄的线性接合表面接触区域。

径向轴承－PCD元件安装

多晶金刚石元件可经由本领域已知的方法直接安装于轴承元件(例如，定子或转子)，包括但不限于铜焊、胶合、压配、热缩装配或螺纹。此外，多晶金刚石元件可安装在一个或多个单独的环中。然后可经由本领域已知的方法将一个或多个环部署在轴承元件(转子或定子)上，包括但不限于铜焊、胶合、压配、热缩装配或螺纹。平面或圆顶形多晶金刚石元件可安装成允许它们围绕它们自己的轴线旋转。

径向轴承－相对的接合表面的处理

在一些方面，金刚石反应材料的相对的接合表面用碳来预饱和(例如，在与接合表面接合之前)。这种预饱和降低了金刚石反应材料通过多晶金刚石表面的石墨化来吸引碳的能力。金刚石反应材料表面接触区域的预饱和可经由本领域已知的任何方法来完成。

径向轴承－固体润滑剂源

在某些应用中，被通电或未通电的固体润滑剂源，例如石墨或六方氮化硼棒或夹杂物，与由至少一些金刚石反应材料形成或包括至少一些金刚石反应材料的相对的接合表面接触。

径向轴承－应用

本文公开的轴承组件可形成机器或其它设备或系统的一部分。在一些这样的方面，定子的近端可通过螺纹连接、焊接或本领域已知的其它连接方式连接于另一个部件，例如钻杆或马达壳体。在一些方面，如果轴承组件用于井下应用，则转子的远端可通过推力轴承增大并且可承载用于附连钻头的螺纹连接部，或者转子的远端可以是直接形成和/或定位在转子的心轴的端部上的钻头。部件连接不限于井下应用，并且可以应用于其它应用，例如风力涡轮发电机或海洋应用。

此外，本文所述的轴承组件的离散版本可用于广泛的其它应用，包括但不限于重型设备、汽车、涡轮机、变速器、轨道车、计算机硬盘驱动器、离心机、医疗设备、泵、和马达。

在某些方面，本文公开的轴承组件适合在恶劣环境(例如，井下)中部署和使用。在一些这样的方面，轴承组件比其中多晶金刚石接合表面与另一个多晶金刚石接合表面接合的轴承组件更不容易发生断裂。在某些方面，与包括有与另一个多晶金刚石接合面接合的多晶金刚石接合面的轴承组件相比，这种适合恶劣环境的径向轴承提供增强的服务价值。此外，本文公开的轴承组件能够以比使用包括与另一个多晶金刚石接合表面接合的多晶金刚石接合表面的轴承组件时所需的间距更大的距离间隔开。

在某些应用中，本文公开的轴承组件可以诸如在井下应用中充当转子捕获部。

在润滑环境中，轴承组件可受益于润滑剂的流体动力效应，在轴承组件的运动元件和静止元件之间产生间隙。

推力轴承

本公开的某些实施例包括推力轴承和推力轴承组件，以及包括它们的设备和系统，以及制造、组装和使用它们的方法。在推力轴承中，一个推力面由至少一些多晶金刚石形成或包括至少一些多晶金刚石，而另一个相对的推力面由至少一些金刚石反应材料形成或包括至少一些金刚石反应材料。

推力轴承－多晶金刚石与金刚石反应材料的交界

在一些方面，本公开提供了将推力面和相对的推力面之间的接合与和金刚石反应材料接触的多晶金刚石元件交界。例如，多晶金刚石元件可定位和布置在一个推力面上，以用于与另一个相对的推力面接触，其中另一个相对的推力面由至少一些金刚石反应材料形成或包括至少一些金刚石反应材料。多晶金刚石元件可具有用于与金刚石反应材料的相对的接合表面接合的接合表面。

在一些方面，相对的接合表面包括或由至少2wt.％，或者从2到100wt.％、或5到95wt.％、或10到90wt.％、或15到85wt.％、或20到80wt.％、或25到75wt.％、或25到70wt.％、或30到65wt.％、或35到60wt.％、或40到55wt.％、或45到50wt.％的金刚石反应材料组成。

在某些应用中，对多晶金刚石元件或至少其接合表面进行研磨或抛光，可选地为高度研磨或高度抛光。尽管至少在一些应用场合中高度抛光的多晶金刚石是优选的，但本公开的范围不限于高度抛光的多晶金刚石元件，并且包括高度研磨或抛光的多晶金刚石元件。

示例性推力轴承

现在转向附图，现在将描述推力轴承的示例性、非限制性实施例。在所有附图中，类似的附图标记表示类似的元件。例如，在图21A和21B中，附图标记2102指多晶金刚石元件的接合表面，并且在图22A和22B中，附图标记2202指多晶金刚石元件的接合表面。

图21A描绘了根据本申请技术的一实施例的具有推力轴承2101的推力环2120的俯视图。推力面2120(也称为多晶金刚石推力面)包括嵌入推力面2120内、附连于推力面2120或以其它方式与推力面2120联接和/或接合的多晶金刚石元件2102。多晶金刚石元件2102可经由本领域已知的方法直接安装于推力面2120，包括但不限于铜焊、胶合、压配、热缩装配或螺纹。虽然推力面2120示出和描述为具有三个多晶金刚石元件2102，但是本领域技术人员将理解，推力面2120可包括多于或少于三个多晶金刚石元件2102。此外，虽然示出了均匀间隔开，但本领域技术人员将理解多晶金刚石元件2102之间的间隔可以是均匀的或不均匀的。进一步地，本领域技术人员将理解多晶金刚石元件2102之间的间距可大于或小于图21A中所示的。

每个多晶金刚石元件2102包括接合表面2122。接合表面2122可以是研磨的、抛光的、高度研磨的或高度抛光的多晶金刚石的表面层。在一些方面，接合表面2122可以是平坦的或凸形的。

图21B描绘了推力轴承组件2100，该推力轴承组件包括与相对的推力环2103的相对的推力面2104滑动接触的推力环2120的推力面2101。推力环2103和相对的推力面2104由至少一些金刚石反应材料形成或包括至少一些金刚石反应材料。因此，在操作中，当推力轴承组件2100承受载荷时，接合表面2122与相对的推力面2104(也称为相对的接合表面)滑动接触。

虽然推力环2120和2103都示出为具有环的形状，但是本领域技术人员将理解本文公开的推力面可形成在适合于推力轴承的其它形状的推力部件上，这取决于具体的应用。

图22A描绘了根据本申请技术的一实施例的具有推力面2201的推力环2220的俯视图，多个多晶金刚石元件2202与推力面联接。在该实施例中，推力面2201设置有十二个多晶金刚石元件2202，每个具有接合表面2222。

图22B描绘了推力轴承组件2200的侧视图，该推力轴承包括与推力面2204滑动接触的图22A的推力面2201，使得接合表面2222与相对的推力面2204滑动接触，该相对的推力面2204由至少一些金刚石反应材料形成或包括至少一些金刚石反应材料。

推力轴承－具有边缘半径的多晶金刚石层

图23描绘了本申请技术的一实施例的示例性多晶金刚石元件2302的侧视图。在该示例中，多晶金刚石元件2302包括由碳化钨基底2326支承的多晶金刚石层2324。金刚石-基底界面线以2305表示。

与多晶金刚石层2324和碳化钨基底2326之间的界面相对(即，与金刚石-基底界面线2305相对)，接合表面2322形成在多晶金刚石层2324上。接合表面2322可以是已经被研磨、抛光、高度研磨或高度抛光的多晶金刚石层2324的顶表面。如图所示，从金刚石-基底界面线2305到接合表面2322，在边缘2328旁边，多晶金刚石层2324具有相对显著的边缘半径2306。本领域技术人员将理解，本文公开的多晶金刚石层不限于该特定形状并且不限于被支承在碳化钨上或根本不被支承。

推力轴承－具有弧形边缘的多晶金刚石层

图24描绘了本申请技术的一实施例的示例性多晶金刚石元件2402的侧视图。在该示例中，多晶金刚石层2424由碳化钨基底2426支承，并在金刚石-基底界面线2405处与碳化钨基底交界。多晶金刚石元件2402与多晶金刚石元件2402基本相似，除了与边缘半径2406相比，多晶金刚石层2424具有更多的弧形边缘2407。如本领域已知的，多晶金刚石层2424的弧形边缘2407可经由弧形边缘处理来提供。还示出了侧边缘2428。

推力轴承－具有大边缘半径的多晶金刚石层

图25描绘了本申请技术的一实施例的示例性多晶金刚石元件2502的侧视图。在该示例中，多晶金刚石层2524由碳化钨基底2526支承，其中金刚石-基底界面线示出为2505。多晶金刚石元件2502与多晶金刚石元件2502基本上相似，除了多晶金刚石层2524具有大半径边缘2507。如本领域已知的，大半径边缘2507可经由大半径边缘处理来提供。还示出了侧边缘2528。

推力轴承－具有更大的边缘半径的多晶金刚石层

图26描绘了本申请技术的一实施例的示例性多晶金刚石元件2602的侧视图。在该示例中，多晶金刚石层2624由碳化钨基底2626支承，其中金刚石-基底界面线示出为2605。多晶金刚石元件2602与多晶金刚石元件2502基本上相似，除了多晶金刚石层2624具有甚至更大的半径边缘2609，该更大的半径边缘可通过大半径边缘处理来提供，如本领域已知的。在该示例中，边缘半径不是如在多晶金刚石元件2502中的情况那样在多晶金刚石层2624上开始，而是在切点2610处的碳化钨基底2626中开始。还示出了侧边缘2628。

推力轴承－具有多部件边缘的多晶金刚石层

图27描绘了本申请技术的一实施例的示例性多晶金刚石元件2702的侧视图。在该示例中，多晶金刚石层2724由碳化钨基底2726支承，其中金刚石-基底界面线示出为2705。多晶金刚石层2724已经经由多部件边缘处理进行处理，包括连接于倒角2712的边缘半径2711，倒角连接于附加的边缘半径2713。

因此，在一些实施例中，本申请的推力轴承是高性能推力轴承，其中相对的推力面的金刚石反应材料与安装在另一个推力面上的至少一个多晶金刚石元件滑动接触。推力面的(一个或多个)多晶金刚石元件优选地是平坦的，但也可以是凸形的。进一步地，尽管三个或更多个多晶金刚石元件是优选的，但本申请的技术可用少至一个或两个多晶金刚石元件来实践。即使使用与相对的金刚石反应材料表面滑动接触的单个多晶金刚石元件也可能导致推力轴承表面(推力面)之间的摩擦系数降低并且可起到破坏或减少表面之间的磨损的作用。

本文公开的推力轴承的至少一些实施例适用于恶劣环境。与具有多晶金刚石与多晶金刚石接合的推力轴承相比，本文公开的推力轴承的至少一些实施例不易受到多晶金刚石断裂的影响。因此，由本申请的技术提供的推力轴承是适合恶劣环境的推力轴承，与具有多晶金刚石与多晶金刚石接合的推力轴承相比，其提供了更高的服务价值。

推力轴承－排除边缘接触

本文公开的推力轴承的至少一些实施例的关键性能标准是(一个或多个)多晶金刚石轴承元件以排除多晶金刚石轴承元件和由至少一些金刚石反应材料形成或包括至少一些金刚石反应材料的相对部件(即，相对推力面)之间的任何边缘接触的方式构造(即，定位、布置)。实现这一关键性能标准的一种优选方法是采用具有较大边缘半径的多晶金刚石元件。多晶金刚石元件的边缘半径使得如果一个或两个推力面发生倾斜或错位，则多晶金刚石元件的边缘半径将对由至少一些金刚石反应材料形成或包括至少一些金刚石反应材料的相对推力面呈现钝表面，而不是呈现可能导致金刚石活性材料表面的机加工或切割或划线的锋利边缘。在不限制本公开的情况下，在某些实施例中，传统的倒角多晶金刚石边缘处理不是优选的。

参考图23-27所示和描述的多晶金刚石边缘处理提供了钝化相应多晶金刚石元件的原本平面(接合表面2322、2422、2522、2622、2722)的边缘的非限制性方法。平面边缘的这种钝化避免了诸如在多晶金刚石推力面(接合面)和金刚石反应材料的相对推力面中的任何一个经历倾斜或错位的情况下在相对的推力面之间发生机加工或切割。如果发生这种倾斜或错位，并且多晶金刚石元件的多晶金刚石层具有如图28所示的锋利边缘2830，而不是经过处理的边缘，则锋利边缘2830可能会机加工、切割或以其它方式与相对的推力面不期望地接合。在图28中对多晶金刚石元件2802的描绘中还示出了接合表面2822、侧边缘2828、多晶金刚石层2824、金刚石-基底界面线2805和碳化钨基底2826。

图29A和29B分别示出了边缘处理的多晶金刚石元件和未边缘处理的多晶金刚石元件的使用。图29A描绘了推力轴承组件2900a的一部分，示出了与推力环2903a滑动接触的多晶金刚石元件2902a(仅示出了其中的一部分)。在图29A中，推力环2903a相对于多晶金刚石元件2902a倾斜或错位，使得由推力面2904a限定的平面相对于由接合表面2922a限定的平面成角度。因此，推力面2904a与多晶金刚石元件2902a的边缘2950接合。

类似于图29A，图29B描绘了推力轴承组件2900b的一部分，示出了与推力环2903b滑动接触的多晶金刚石元件2902b(仅示出了其中的一部分)。在图29B中，推力环2903b相对于多晶金刚石元件2902b倾斜或错位，使得由推力面2904b限定的平面相对于由接合表面2922b限定的平面成角度。因此，推力面2904b与多晶金刚石元件2902b的边缘2930接合。然而，由于多晶金刚石元件2902a经过边缘处理，因此与锋利边缘2930相比，边缘2950更钝。由于边缘2930是锋利的，所以边缘2930可能机加工、切割或以其它方式与推力面2904b不期望地接合。然而，由于边缘2950是钝的，因此在图29A所示的实施例中减少或消除了这种机加工或切割的发生。

在某些方面，本文公开的推力轴承包括多晶金刚石层，该多晶金刚石层具有至少为0.050英寸半径的边缘半径。在某些方面，本文公开的推力轴承包括多晶金刚石层，该多晶金刚石层的边缘半径为至少0.060英寸半径、或至少0.070英寸半径、或至少0.080英寸半径、或至少0.090英寸半径。

推力轴承－多晶金刚石元件－形状、尺寸和布置

在一些应用中，多晶金刚石元件沿着轴承部件部署成环(即，推力环)。本技术的多晶金刚石轴承元件可围绕部署的推力面部署成环。非限制性示例是五个平面多晶金刚石轴承元件的环，用于与由至少一些金刚石反应材料形成或包括至少一些金刚石反应材料的相对的推力面接合。在不受理论的束缚的情况下，具有多晶金刚石推力面对多晶金刚石推力面(与多晶金刚石推力面对金刚石反应材料推力面相反)的类似推力轴承可能需要超过20个甚至30个总多晶金刚石元件承受轴向载荷。因此，本申请的技术的一些实施例提供的多晶金刚石推力轴承在各个多晶金刚石元件之间具有比在具有多晶金刚石推力面与多晶金刚石推力面接触的推力轴承中可实现的更大的间距。使用本申请的技术，多晶金刚石元件能够以任何型式、布局、间距或交错布置以提供期望的支承，而无需担心需要与相对轴承面上的多晶金刚石元件的重叠接触。

推力轴承－PCD元件安装

如前所述，多晶金刚石元件可经由本领域已知的方法直接安装于轴承元件(例如，推力环)，包括但不限于铜焊、胶合、压配、热缩装配或螺纹。多晶金刚石元件可安装在一个或多个单独的环中。然后可经由本领域已知的方法将一个或多个环部署在轴承元件上，包括但不限于铜焊、胶合、压配、热缩装配或螺纹。

平面或圆顶形多晶金刚石元件可安装成允许它们围绕它们自己的轴线旋转。

推力轴承－相对的接合表面的处理

在一些方面，金刚石反应材料的相对的接合表面用碳来预饱和(例如，在与接合表面接合之前)。这种预饱和降低了金刚石反应材料通过多晶金刚石表面的石墨化来吸引碳的能力。金刚石反应材料表面接触区域的预饱和可经由本领域已知的任何方法来完成。

在某些应用中，被通电或未通电的固体润滑剂源，例如石墨或六方氮化硼棒或夹杂物，与由至少一些金刚石反应材料形成或包括至少一些金刚石反应材料的相对的接合表面接触。

在润滑环境中，轴承组件可受益于润滑剂的流体动力效应，在轴承组件的运动元件和静止元件之间产生间隙。

材料处理

本公开的某些实施例包括用于处理材料或其表面的处理工艺，包括具有彼此运动接触的接合表面和相对接合表面的设备的材料和表面，以及具有通过此类处理工艺进行处理的材料或表面的设备。本文公开的处理工艺可用于处理本文公开的包括金刚石反应材料的相对接合表面。本文公开的处理工艺可应用于本文所示和描述的任何设备，包括图1-6的凸轮从动件组件(及其部分)、图8A-19B的径向轴承组件(及其部分)和图21A-29B的推力轴承组件(及其部分)。例如，参考图1-29B，可用本文公开的处理工艺进行处理的一些示例性材料和表面是相对的接合表面211(图2A和2B)、相对的接合表面311(图3和6)、相对的接合表面411(图4)、相对的接合表面511(图5)、相对的接合表面815(图8A和8B)、相对的接合表面915(图9A和9B)、相对的接合表面1015(图10A和10B)、相对的接合表面1115(图11A和11B)、相对的接合表面1215(图12A和12B)、相对接合表面1315(图13A和13B)、相对的接合表面1415(图14A和14B)、相对的接合表面1515(图15A和15B)、相对的接合表面1615(图16A和16B)、相对的接合表面1715(图17A和17B)、相对的接合表面1815(图18A和18B)，相对的接合表面1915(图19A和19B)，相对的接合表面2104(图21A和21B)、相对的接合表面2204(图22A和22B)以及相对的接合表面2904a和2904b(图29A和29B)。

在一些具体实施例中，经过本文公开的材料处理的相对接合表面是或包括钢或另一种金刚石反应材料，并且接合表面是或包括多晶金刚石。

可用于处理金刚石反应材料或至少其相对的轴承表面的某些材料处理包括在纳入的美国专利申请第16/049,588号；第16/049,608号；和第16/049,617号中描述的材料处理，包括在相对的轴承表面上应用固体润滑剂，比如石墨或六方氮化硼；用碳对相对的轴承表面进行预饱和；以及经过渗硼、渗氮或其它表面硬化处理的相对的轴承表面。将石墨或其它形式的碳施加到相对的轴承表面上可提供碳的牺牲层，如下文更详细描述的。

在一些实施例中，金刚石反应材料或其表面通过一种或多种材料处理被硬化、被处理以增加耐腐蚀性、或其组合。例如，金刚石反应材料可以被硬化、镀层、涂覆、包覆或其组合。可用于处理金刚石反应材料及其表面的一些示例性材料处理包括但不限于：冷加工或加工硬化，比如打磨和喷丸强化；热处理，比如通过硬化、表面硬化或低温处理；镀层或涂层，比如物理气相沉积(PVD)、化学气相沉积(CVD)、镀铬、磷化或阳极氧化；以及包覆。

冷加工/加工硬化

在一些实施例中，金刚石反应材料或至少其相对的接合表面经受塑性变形以硬化金刚石反应材料并使其表面平滑。可使用的一些示例性塑性变形工艺包括加工硬化，包括冷加工。

“加工硬化”(有时称为应变硬化)是通过材料的塑性变形来强化材料的工艺，这是材料晶体结构中位错的结果。一些加工硬化工艺是冷加工或冷成型工艺，其中材料在低于该材料再结晶温度的温度下进行处理(例如，在环境温度下)。金属的加工硬化增加了金属的硬度、屈服强度和抗拉强度，并增加了金属的疲劳寿命(抗疲劳性)。

在一些实施例中，当金刚石接合表面和金刚石反应材料相对接合表面彼此接合并且相对于彼此运动时，它们之间的这种可运动接合导致相对接合表面的加工硬化。即，表面的这种可运动接合所涉及的热力和机械力至少在金刚石反应材料的表面处导致金刚石反应材料的塑性变形。这种塑性变形导致在金刚石反应材料的晶体结构内至少在相对的接合表面处发生位错。因此，包括这种接合表面和相对接合表面的部件的操作导致至少相对接合表面的加工硬化。

加工硬化–打磨

一种特殊类型的加工硬化是“打磨”。为了打磨表面，该表面与另一个表面滑动接触。在这种滑动接触期间，两个表面(例如，本文公开的接合表面和相对的接合表面)的接合和交界导致至少一个表面的塑性变形，从而使打磨的表面平滑和光亮以及硬化打磨的表面。当表面上的接触应力超过表面材料的屈服强度时，就发生塑性变形。打磨的表面可表现出更高的抗疲劳失效、腐蚀和应力腐蚀能力；减少的视觉缺陷和孔隙率；以及表面压缩残余应力。

在一些实施例中，由于当与相对的接合表面接合时接合表面的滑动运动(例如，在凸轮从动件在凸轮转子上滑动或径向轴承元件相对于轴承表面滑动的情况下)而发生相对接合表面的打磨。

在一些实施例中，对包括金刚石反应材料的相对接合表面进行打磨。如根据布氏、洛氏、努氏和/或维氏标度确定的，打磨的相对接合表面相对于打磨之前的相对接合表面表现出增加的硬度，以及改进的表面光洁度(即，更平滑的表面)。打磨方法对于本领域技术人员来说是众所周知的，并且将不再进一步详细描述。

加工硬化–喷丸强化

另一种类型的加工硬化是“喷丸强化”，它在材料表面提供压缩残余应力层。为了对表面进行喷丸强化，通常用“喷丸”(颗粒)撞击该表面，该喷丸可由金属、玻璃或陶瓷组成。喷丸以足以导致材料塑性变形的力至少在材料表面处撞击表面。在一些实施例中，相对的接合表面在与接合表面接合之前经过喷丸强化。

因此，在一些实施例中，金刚石反应材料的相对接合表面经由诸如打磨或喷丸强化之类的非研磨工艺进行硬化和/或表面平滑处理，这与诸如抛光之类的研磨工艺相反。喷丸强化的方法对于本领域技术人员来说是众所周知的，并且将不再进一步详细描述。

热处理

在一些实施例中，金刚石反应材料或至少其相对的接合表面经受热处理以硬化金刚石反应材料。可使用的一些示例性热处理工艺包括穿透硬化、表面硬化和低温处理。

热处理—穿透硬化

“穿透硬化”涉及对材料进行淬火，从而导致材料的硬度增加。穿透硬化导致材料在整个材料主体中大致均匀的硬化，而不是仅在材料表面处。为了对材料进行穿透硬化，将材料加热，然后淬火，然后再加热或回火。

因此，在一些实施例中，与仅在金刚石反应材料的相对接合表面处硬化(例如，经由表面硬化)相反，金刚石反应材料在整个材料中被硬化(例如，经由穿透硬化)。穿透硬化的方法对于本领域技术人员来说是众所周知的，并且将不再进一步详细描述。

热处理—表面硬化

“表面硬化”导致设备的表面硬化，而在其表面下方不发生设备的显著硬化。本文公开的表面硬化可包括渗碳、渗氮、渗氰、渗碳氮化和渗硼。在一些实施例中，本文公开的表面硬化包括火焰硬化、感应硬化或激光硬化。在一些实施例中，表面硬化涉及将物质引入到金刚石反应材料的表面上并且进行加热，使得该物质迁移到金刚石反应材料中。例如，渗碳、渗氮和渗硼可包括将外部元素溶解到钢(例如，具有0.3％碳或更少碳的相对低碳钢)的表面中，从而在其上产生硬壳。这导致金刚石反应材料在物质已迁移到金刚石反应材料中的表面处硬化。例如，可以将碳或含碳物质引入到金刚石反应材料的相对接合表面上并加热，使得金刚石反应材料的表面层富含碳内容物并由此硬化。因此，表面硬化可包括将材料添加到金刚石反应材料中的工艺(例如，添加碳)。在一些实施例中，表面硬化包括火焰硬化、感应硬化或激光硬化，其中金属的表面被硬化而不在其中引入外部碳或其它元素。例如，含有足够量碳的钢(例如，具有0.3％或更多碳的相对高碳钢)可通过火焰、感应或激光硬化进行表面硬化。

在一些实施例中，相对的接合表面在与接合表面接合之前经过表面硬化。表面硬化的方法对于本领域技术人员来说是众所周知的，并且将不再进一步详细描述。

热处理—低温处理

在一些实施例中，金刚石反应材料经受冷或低温处理，比如深度冷冻，以硬化金刚石反应材料或至少其相对的接合表面。例如，可将金刚石反应材料冷却(例如，使用液态或气态氮)至-100°F至-300°F范围内的温度。除了增加硬度之外，这样的处理可为金刚石反应材料或至少相对的接合表面提供增加的耐磨性。低温处理的方法对于本领域技术人员来说是众所周知的，并且将不再进一步详细描述。

外层—镀层、涂覆和包覆

如上所述，加工硬化和热处理工艺是对金刚石反应材料进行处理以导致金刚石反应材料本身表现出的物理特性(例如硬度)发生变化的工艺。然而，在一些实施例中，将附加材料添加到金刚石反应材料上或之上以提供某些特性。附加材料可例如以镀层、涂覆或包覆的形式添加到金刚石反应材料上。例如，相对于在其上没有附加材料的金刚石反应材料的耐腐蚀性，附加材料可为金刚石反应材料提供增加的耐腐蚀性。

外层—镀铬

一种示例性镀层工艺可以包括电镀，比如经由将相对薄的铬层电镀到金刚石反应材料的相对接合表面上来对金刚石反应材料的相对接合表面进行电镀铬或镀铬，从而提供相对于电镀铬或镀铬之前的耐腐蚀性和/或表面硬度具有增加的耐腐蚀性和/或增加的表面硬度的相对接合表面。镀层方法对于本领域技术人员来说是众所周知的，并且将不再进一步详细描述。

外层—磷化

为金刚石反应材料的相对接合表面提供外层的另一示例性工艺包括磷化。在磷化中，金属磷酸盐层通过酸-金属反应在金刚石反应材料的相对接合表面上形成，以提供至少暂时的腐蚀保护。磷化方法对于本领域技术人员来说是众所周知的，并且将不再进一步详细描述。

外层—气相沉积

在一些实施例中，经由气相沉积，比如CVD或PVD来在金刚石反应材料的相对接合表面上提供外层。在一些实施例中，在CVD工艺期间使用等离子体，有时称为等离子体气相沉积。

气相沉积涉及将一种组分从气相沉积到另一种固体组分的表面上，从而在其上形成沉积层。在一些实施例中，相对的接合表面在与接合表面接合之前经过气相沉积。可沉积到相对的接合表面上以在其上形成沉积层的一种示例性组分是碳。气相沉积的方法对于本领域技术人员来说是众所周知的，并且将不再进一步详细描述。

碳牺牲层

例如，碳牺牲层可沉积到相对的接合表面上。如本文所用，“碳牺牲层”是指定位在相对的接合表面和接合表面的金刚石之间的碳层，使得当相对的接合表面和接合表面在或高于金刚石石墨化温度(即，约700℃)时可运动地接合时，金刚石反应材料和碳牺牲层之间的反应优先于或至少在接合表面的金刚石石墨化之前发生。即，因为碳牺牲层位于金刚石的接合表面和金刚石反应材料的相对接合表面之间，所以碳牺牲层比接合表面的金刚石更接近金刚石反应材料，因此更容易与其反应。碳牺牲层可经由气相沉积或另一种方法来提供，比如固体润滑剂的应用或碳的预饱和，如本文别处所述。因此，金刚石反应材料的相对接合表面可在其上具有碳牺牲层。碳牺牲层可包括碳或含碳分子或组合物。在一实施例中，金刚石反应材料的相对接合表面可用碳预饱和(例如，在与接合表面接合之前)，从而形成牺牲碳层，使得金刚石反应材料通过多晶金刚石表面的石墨化吸引碳的能力降低。

外层—包覆

在一些实施例中，通过包覆相对的接合表面来在相对的接合表面上提供外层。相对的接合表面可用多种材料中的任何一种包覆，包括不是金刚石反应材料的材料。例如，相对的接合表面可包覆有比金刚石反应材料具有更高耐腐蚀性的材料。包覆方法对于本领域技术人员来说是众所周知的，并且将不再进一步详细描述。

外层—阳极氧化

在一些实施例中，金刚石反应材料的相对接合表面经受阳极氧化处理，以增加相对接合表面的耐腐蚀性、耐磨性和/或硬度。阳极氧化的方法对于本领域技术人员来说是众所周知的，并且将不再进一步详细描述。

虽然已经描述了各种材料处理工艺，但它们几乎不涉及从金刚石反应材料中移除材料(打磨和喷丸强化)，并且涉及向金刚石反应材料中添加材料(外层和表面硬化)，但材料处理不仅限于此类工艺。在一些实施例中，金刚石反应材料以使得材料从金刚石反应材料中移除的方式进行处理，比如经由使金刚石反应材料经受抛光或浸出工艺。

材料处理方法

在一些实施例中，提供了用于使用本文公开的一种或多种材料处理工艺，包括本文公开的加工硬化/冷加工、热处理和外层应用(例如，镀层、涂覆、包覆)来处理金刚石反应材料或至少其相对的接合表面的方法。例如，金刚石反应材料(或相对的接合表面)可被处理以使金刚石反应材料(或相对的接合表面)具有增加的硬度、耐腐蚀性或其组合。虽然本文公开的各种材料处理工艺是单独描述的，但可将所述材料处理工艺中的一种或多种进行组合。例如，相对的接合表面可被表面硬化，然后打磨、穿透硬化然后喷丸强化，或者材料处理工艺的任何其它组合。

在一些实施例中，相对的接合表面在与接合表面接合之前经受材料处理工艺。例如，相对的接合表面可在与接合表面接合之前被穿透硬化和/或喷丸强化。在其它实施例中，相对的接合表面在与接合表面接合之后经受材料处理工艺。例如，使接合表面与相对的接合表面运动地(例如，滑动地)接合导致相对接合表面的打磨。即，在一些应用中，将接合表面与相对的接合表面运动地(例如，滑动地)接合可产生足够的机械力和/或热力以导致相对的接合表面被打磨。

在一些实施例中，该方法包括使相对的接合表面塑性变形，从而导致相对的接合表面的硬化、相对的接合表面的表面平滑化(即，改进的表面光洁度)或其组合。这样的方法可包括对相对的接合表面进行打磨或喷丸强化，或另一种加工硬化或冷加工工艺。

在一些实施例中，该方法包括对金刚石反应材料进行热处理，以增加金刚石反应材料的硬度和/或耐腐蚀性。

在一些实施例中，该方法包括在相对的接合表面上或上方添加一个或多个外层以为相对的接合表面提供附加的特性，例如硬度和/或耐腐蚀性的增加。

在一些实施例中，该方法不包括诸如抛光或浸出之类的材料移除工艺。

在一些实施例中，金刚石反应材料被处理以提供在整个金刚石反应材料中表现出的特性变化(例如，硬度的增加)。在一些这样的实施例中，特性的变化在整个金刚石反应材料中均匀地(或大致均匀地)表现出来。例如，通过硬化使整个金刚石反应材料的硬度大致均匀地增加。在图31B中示出在整个金刚石反应材料中表现出的这种特性变化的示例。

在其它实施例中，金刚石反应材料被处理以提供仅在金刚石反应性材料的表面处并且直到低于金刚石反应性材料的整个深度的金刚石反应性材料表面下方的离散深度表现出的特性变化(例如硬度的增加)。即，在这样的实施例中，在金刚石反应材料表面下方的某个深度处，没有表现出由材料处理提供的特性变化。例如，表面硬化提供了金刚石反应材料在表面处以及到表面以下的离散深度的离散硬化。在图30B中示出在整个金刚石反应性材料的表面处表现出的这种特性变化的示例。

预打磨表面

某些实施例提供了预打磨的相对接合表面。如本文所用，“预打磨的”相对接合表面是在操作使用之前，例如在现场部署(例如，为操作使用而在井下部署)之前已经经受打磨的相对接合表面。相对的接合表面可被打磨的量足以使相对的接合表面在与接合表面可运动地接合时维持基本上恒定的摩擦系数(CoF)。通过对轴承表面进行预打磨，包括该轴承表面的设备可具有更长的使用寿命，因为表面的相对容易变形的部分(例如，粗糙部)由于塑性变形而不再存在。通过这种预打磨提供的较低的CoF和消除表面的相对容易变形的部分，包括接合和相对接合表面的部件或设备将在这些表面之间表现出较少的“松动”。

材料处理的设备

本公开的一些实施例包括一种设备，该设备包括金刚石接合表面和金刚石反应材料的相对接合表面，其中接合表面和相对的接合表面彼此运动地(例如，滑动地)接触(即，接合表面和相对接合表面中的至少一个在与另一表面接触时相对于另一表面运动)，并且其中金刚石反应材料(或至少相对的接合表面)经受材料处理以增加硬度、耐腐蚀性或其组合。在一些这样的实施例中，接合表面和相对的接合表面是诸如凸轮从动件组件、径向轴承组件或推力轴承组件之类的轴承组件的表面。在一些这样的实施例中，金刚石反应材料(或至少相对的接合表面)被加工硬化、热处理或者处理以在其上具有外层。

图30A和30B分别描绘了在材料处理之前和之后的一示例性相对接合表面。参考图30A，部件3000a包括材料3002，比如钢或另一种金刚石反应材料。部件3000包括相对的接合表面3004a，其是轴承表面。参考图30B，部件3000已经经受了一种或多种材料处理，如本文所公开的(例如，加工硬化/冷加工、热处理和外层的施加)，从而形成包括处理层3006的经处理的表面3004b。在一些实施例中，处理层3006是与材料3002不同的材料组合物。在其它实施例中，处理层3006是与材料3002相同或基本上相同的组合物。例如，处理层3006可以是已经经历加工硬化(例如，打磨或喷丸强化)的材料层3002。在一些实施例中，处理层3006是不同于材料3002的第二材料层，其已经诸如经由涂覆、镀层、包覆或气相沉积而沉积到材料3002上。在一些实施例中，处理层3006是材料3002的一部分，其已经经由材料处理工艺被修改以在至少一种特性(例如，增加的硬度)上与材料3002的其余部分不同。在一些这样的实施例中，处理层3006是已经经受诸如渗碳、渗氮、渗氰或渗碳氮化之类的表面硬化的材料层3002。处理层3006可以是硬化金刚石反应材料层。例如，处理层3006可以是加工硬化的金刚石反应材料的层，比如打磨或喷丸强化的金刚石反应材料；或热处理的金刚石反应材料，比如表面硬化的金刚石反应材料。处理层3006可以是附加材料的外层，比如镀层、涂层、磷化层、阳极氧化层、包层或沉积层。如本文所用，如果材料或表面已经经受加工硬化，则材料或表面被“加工硬化”，如果材料或表面已经经受热处理，则材料或表面被“热处理”，如果材料或表面已经经受表面硬化，则材料或表面被“表面硬化”，如果材料或表面已经经受穿透硬化，则材料或表面被“穿透硬化”，并且如果材料或表面经过低温处理，则材料或表面被“低温处理”。处理层3006可以是碳牺牲层。

如图30A和30B所示，在一些实施例中，仅外层(处理层3006)被处理以表现出期望的特性，比如增加的硬度，而材料3002的其余部分相对于材料处理之前保持不变。可提供离散处理层3006的一些示例性材料处理包括打磨、喷丸强化、表面硬化、镀铬、阳极氧化、磷化、CVD、PVD和包覆。

在其它实施例中，如图31A和31B所示，整个材料3002相对于处理前表现出修改的特性(例如，增加的硬度)。可提供经处理的材料3106的示例性材料处理包括穿透硬化。在一些这样的实施例中，处理的材料3106表现出均匀的特性(例如，均匀的硬度)，并且在其它实施例中，处理的材料3106不表现出均匀的特性。

在一些实施例中，相对的接合表面被处理为具有16μin或更小、或12μin或更小、或8μin或更小的表面光洁度。

材料处理的选择

可基于具体的应用来选择本文公开的一种或多种材料处理中的哪一种应用于金刚石反应材料。可以是选择材料处理的因素的一些考虑因素包括但不限于材料处理的财务成本、应用的严重性(例如，操作中相对轴承表面上的预期载荷或操作环境的腐蚀性程度)或其组合。例如，对于某些应用，实施冷加工/加工硬化的经济成本可能低于实施镀层/涂覆，实施镀层/涂覆的经济成本可能低于热处理。对于更严苛的应用，热处理可为轴承表面提供比冷加工/加工硬化更高的耐磨性，而冷加工/加工硬化可为轴承表面提供比镀层/涂覆更高的耐磨性。这样的考虑不限于本公开，并且仅用于示例性目的，因为不同的处理在不同的操作和环境条件下具有不同的处理磨损的能力。

示例

以下示例示出了本公开的具体示例。应当理解，这些示例是借助说明而给出的，并不旨在限制说明书或权利要求书。

示例1－凸轮从动件

为了开发和评估用于各种应用的固定凸轮从动件界面，比如用于“钻孔机”技术或与“钻孔机”技术一起使用，如‘254申请中所公开的，申请人设计并构建了先进的测试台。测试台采用每分钟200转的电动齿轮马达驱动硬面铁质定子壳体内的硬面铁质转子心轴。心轴沿着其长度的中途结合非硬面的偏置凸轮缸。通过使用容积泵向转子/定子组件馈送循环流体。候选凸轮从动机构放置成与转子心轴的凸轮缸密封接触并承受载荷。使用测试台，候选凸轮从动机构在500至3000lbf(磅力)的载荷下在清水或含沙钻井液中进行了生存能力和磨损测试。

所执行的测试包括在旋转下与平面多晶金刚石接触的高载荷面线性区域中的弯曲铁质表面的测试。该测试在多晶金刚石的表面上产生了略微变色的赫兹接触区域线，沿着多晶金刚石的整个1/2英寸宽的面宽约0.250英寸。在不受理论束缚的情况下，接触区域的宽度可能是系统振动的结果，并且可能是黑色金属在载荷下的轻微变形的结果。通过计算，在任何给定时间点，1/2英寸的多晶金刚石元件面上的总接触面积约为多晶金刚石元件面总面积的7％。测试中采用的构造表明，即使是多晶金刚石元件表面的小表面积也能处理很大的载荷。因此，可以设计和制造有效的多晶金刚石元件凸轮从动件，而不需要多晶金刚石元件与主材料凸轮表面的全面接触。

对滑动界面的各种构造执行了测试。以下的表3总结了一些进行的测试及其结果。

表3

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测试1和2总结了单个钢珠在载荷下在钢盖中滚动的失败测试。测试3总结了在钢盖中由单个抛光多晶金刚石元件支承的钢珠的更成功测试的结果。测试4总结了在钢盖中由三个抛光的多晶金刚石元件阵列支承的单个钢珠的非常成功的测试。测试5到9总结了越来越严格的测试，每个单独的抛光多晶金刚石元件与旋转的铁质凸轮表面滑动接触。测试10总结了单个抛光的多晶金刚石元件与单个未抛光的多晶金刚石元件的对比试验，每个都与旋转的含铁凸轮表面滑动接触。测试表明，当使用未抛光的多晶金刚石元件时，摩擦系数显著增加。在不受理论的束缚的情况下，表3中呈现的条件和结果被认为是多晶金刚石在金刚石反应材料上的潜在用途的象征，并且不应被视为限制或完全涵盖本文公开的方法、系统和设备。

进行的大量和广泛的测试表明，铁质凸轮缸能够与抛光的多晶金刚石表面滑动接触，而不产生有害影响或明显的化学相互作用。与所谓的超硬材料相比，黑色金属材料因其易于获得、易于成型和机加工、更高的弹性和更低的成本而对轴承应用具有吸引力。

申请人进行的测试已经确定，即使在相对高的载荷和每分钟高转速下，也可以在多晶金刚石和金刚石反应材料凸轮之间实现成功的凸轮从动件交界或载荷交界。测试的关键发现是，只要不将多晶金刚石元件置于被认为会导致机械加工和化学相互作用的边缘接触或点接触，多晶金刚石元件就可以在许多商业和工业应用所需的典型载荷和速度下与金刚石反应材料滑动接触。如本文所公开的，测试的出人意料的成功导致了新的高性能凸轮从动件的开发。申请人测试的这种出人意料的和令人惊讶的成功也导致了新的高性能径向轴承和推力轴承的开发。

申请人已经发现，多晶金刚石，尤其是抛光的多晶金刚石提供了具有足够低的滑动摩擦系数的凸轮从动件接合表面以应用于广泛的凸轮机构，同时还避免了对小型运动部件的要求和密封润滑的需要。鉴于使用多晶金刚石与金刚石反应材料直接滑动接合的传统禁忌，这些发现是相反的，并且是令人惊讶和出乎意料的。

在不受理论的束缚的情况下，在操作中，在液体冷却、润滑的环境中运行凸轮和凸轮从动件允许在不开始热化学反应的情况下获得更高的速度和载荷。进一步地，已经抛光的多晶金刚石面尤其提供较低的热化学反应。

普通凸轮材料所经历的PSI(磅力每平方英寸)通常为58,000PSI至226,000PSI。在不受理论的束缚的情况下，对于如本文公开的具有1/2英寸直径PDC凸轮从动件的凸轮PDC组件在凸轮PDC组件的操作期间被认为可以施加10,000至15,000磅的力，对于至少一些实施例，该组件的有用工作寿命大约为1,000,000至循环。当在等于150,000PSI的3000磅力下运行时，本文公开的组件的至少一些实施例被认为可运行1,000,000至100,000,000次循环的生命周期。

从以上提供的描述和附图可以容易地理解，本申请的表面对表面接合技术可以在广泛的应用中采用，包括在井下环境中的应用。本文提供的技术还具有对其它工业应用的广泛应用。

此外，虽然在该示例中关于凸轮从动件的表面和凸轮的表面之间的接合示出和描述，但是本领域技术人员将理解本公开不限于该具体应用，并且本文公开的概念可应用于与金刚石材料表面接合的任何金刚石反应材料表面之间的接合。

示例2－附加测试

在示例1的后续部分中，在载荷和相对于平坦多晶金刚石面旋转的情况下对球形铁质滚珠的附加测试在多晶金刚石元件的中心产生了一个小的、大约0.030直径的变色赫兹接触区域。如在实施例1的接触解释中，在不受理论束缚的情况下，变色的直径被认为是由于测试设备中的轻微振动和黑色金属在载荷下的轻微变形的结果。

发现在径向轴承中应用多晶金刚石元件可以采用远远少于元件的整个表面，并且仍然承受很大的载荷。这一发现意味着可以设计和制造包含径向轴承的有效多晶金刚石元件，而不需要多晶金刚石元件与相对表面的全面接触。在本申请的技术中采用这一发现意味着可以制造径向轴承，其对所使用的多晶金刚石元件的加工少得多，并且显著降低了边缘碰撞的风险，或引发对金刚石反应材料相对表面的加工的风险。

示例3－打磨

在示例3中，由金刚石反应材料(钢)制成的轴承表面在与抛光的金刚石轴承表面的运动接合下受到20k磅力的力(径向载荷)，如历时80小时的图32的图表所示。在轴承表面的测试期间，确定轴承表面的摩擦系数，这也在图32的图表中绘制，其中载荷是图表中的上线，而CoF是图表中的下线。如从图32明显看出的，存在约20小时的摩擦系数下降的初始阶段。在最初的大约20小时载荷支承后，摩擦系数达到相对稳定的状态条件，其中轴承表面的摩擦系数基本上没有进一步下降，而在最后60小时的测试中基本上维持恒定。

发现通过这种打磨改善了轴承表面。在不受理论的束缚的情况下，金属轴承表面上的粗糙部在这种打磨期间被认为是被冷加工或塑性变形，从而产生与打磨之前相比具有相对更平滑的表面光洁度的相对更硬的轴承表面。还发现，随着轴承表面的表面光洁度变得更平滑(更低的表面光洁度)，金刚石和金刚石反应材料之间的摩擦系数降低。据观察，罗克韦尔C(HRC)从32增加到38。此外，表面光洁度约为16μin或更小。

图33A和33B示出了在该测试期间打磨的座圈的图像。如从图像中明显看出的，箭头所示的抛光座圈比基底金属更加抛光。在该测试之前，图33A中所示的整个轴都涂覆有黑色磷酸盐，但黑色磷酸盐不再存在于打磨的座圈中。在不受理论的束缚的情况下，黑色磷酸盐涂层在该测试期间被认为相对较早地磨损。表4示出了在此测试期间获得的基底金属和轴承座圈的平均硬度，其中很明显，在80小时的测试期间，轴承座圈的硬度增加了6HRC。示出了沿着轴承座圈相对于基底金属的尺寸变化。基底金属是未打磨的表面。

表4－平均硬度

材料	平均硬度(HRC)
		基底金属	32
80小时后的轴承座圈	38

图33C是重新加工以预打磨轴承区域的轴的图像。轴的轴承区域预打磨至8μin的表面光洁度。未打磨的侧面也用箭头表示。

图33D是图33C的轴的示意图，指示四个径向位置：A、B、C和D。位置B和C已打磨，位置A和D未打磨。表5列出了每个区域的平均HRC。

表5－平均硬度

位置	平均硬度(HRC)
		A	31
B	38
		C	37
D	32

如从表5明显看出的，打磨部位的硬度相对于未打磨部位的硬度有所增加。

图33E描绘了在承受34k磅力的径向载荷10小时之后的具有图33C和33D的预打磨轴承区域的重新加工的轴。发现相对于预打磨轴承区域的其余部分，沿着轴承座圈没有可测得的尺寸变化。因此，对轴承表面进行预打磨提供了一种轴承表面，该轴承表面能够在沿轴承座圈不发生尺寸变化或至少沿着轴承座圈不发生显著尺寸变化的情况下操作。

尽管已经详细描述了本实施例和优点，但是应当理解，在不脱离本公开的精神和范围的情况下，可以在其中进行各种改变、替换和变更。此外，本申请的范围不限于说明书中描述的过程、机器、制造、物质组合物、手段、方法和步骤的特定实施例。如本领域普通技术人员将从公开内容中容易理解的，根据本公开内容，可以利用执行与这里描述的相应实施例基本相同的功能或实现与这里描述的相应实施例基本相同的结果的目前存在的或以后将要开发的过程、机器、制造、物质组合物、手段、方法或步骤。因此，所附权利要求书旨在将这样的过程、机器、制造、物质组合物、手段、方法或步骤包括在它们的范围内。

Claims (78)

1.一种在设备中承载载荷的方法，所述方法包括：

将金刚石轴承表面与金属轴承表面运动接合；

其中，所述金刚石轴承表面包括抛光的多晶金刚石；以及

其中，所述金属轴承表面包含金属，该金属含有基于金属总重量的至少2重量％的金刚石催化剂或金刚石溶剂，其中，所述金属被硬化。

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述金属在所述金属轴承表面处被硬化。

3.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述金属在整个所述金属中被硬化。

4.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述金属在所述金刚石轴承表面与所述金属轴承表面接合之后被硬化。

5.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述金属在所述金刚石轴承表面与所述金属轴承表面接合之前被硬化。

6.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述金属轴承表面具有16μin或更小的表面光洁度。

7.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述金属通过使所述金属轴承表面上的粗糙部塑性变形而硬化，并且其中，使所述粗糙部塑性变形降低了所述金属轴承表面的表面光洁度。

8.如权利要求1所述的方法，其特征在于，通过对所述金属轴承表面进行加工硬化来硬化所述金属。

9.如权利要求8所述的方法，其特征在于，所述加工硬化包括打磨所述金属轴承表面。

10.如权利要求9所述的方法，其特征在于，所述打磨包括以滑动接触的方式接合所述金刚石轴承表面和所述金属轴承表面。

11.如权利要求10所述的方法，其特征在于，所述金属轴承表面经由与所述金刚石轴承表面的滑动接触被打磨，至少直到所述金刚石轴承表面和所述金属轴承表面之间的摩擦系数达到稳态条件。

12.如权利要求8所述的方法，其特征在于，所述加工硬化包括对所述金属轴承表面进行喷丸强化。

13.如权利要求1所述的方法，其特征在于，通过对所述金属进行热处理来硬化所述金属。

14.如权利要求13所述的方法，其特征在于，所述热处理包括穿透硬化、表面硬化或低温处理。

15.如权利要求1所述的方法，其特征在于，还包括在所述金属轴承表面上提供材料外层。

16.如权利要求15所述的方法，其特征在于，提供所述材料外层包括将所述材料外层镀层或涂覆到所述金属轴承表面上。

17.如权利要求16所述的方法，其特征在于，提供所述材料外层包括镀层，其中，所述镀层包括将铬层镀铬到所述金属轴承表面上。

18.如权利要求15所述的方法，其特征在于，提供所述材料外层包括对所述金属轴承表面进行磷化处理以在所述金属轴承表面上形成金属磷酸盐层。

19.如权利要求15所述的方法，其特征在于，提供所述材料外层包括经由气相沉积将所述外层沉积到所述金属轴承表面上。

20.如权利要求19所述的方法，其特征在于，所述气相沉积包括化学气相沉积或物理气相沉积。

21.如权利要求15所述的方法，其特征在于，提供所述材料外层包括包覆所述金属轴承表面。

22.如权利要求15所述的方法，其特征在于，提供所述材料外层包括对所述金属轴承表面进行阳极氧化。

23.如权利要求1所述的方法，其特征在于，还包括在所述金属轴承表面上提供碳牺牲层。

24.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述设备包括轴承组件，所述轴承组件包括所述金刚石轴承表面和所述金属轴承表面，其中，所述轴承组件是凸轮组件、径向轴承组件或推力轴承组件。

25.如权利要求1所述的方法，还包括将所述轴承组件部署到井下环境中，其中，在部署所述轴承组件之前对所述金属轴承表面进行预打磨。

26.一种设备，所述设备包括：

金刚石轴承表面，所述金刚石轴承表面包括打磨的多晶金刚石；

金属轴承表面，所述金属轴承表面包含金属，该金属含有基于金属总重量的至少2重量％的金刚石催化剂或金刚石溶剂，其中，所述金属被硬化；以及

其中，所述金刚石轴承表面和所述金属轴承表面可运动地接合。

27.如权利要求26所述的设备，其特征在于，所述金属包括在所述金属轴承表面处的硬化层。

28.如权利要求26所述的设备，其特征在于，所述金属在整个所述金属中被硬化。

29.如权利要求26所述的设备，其特征在于，所述金属轴承表面具有16μin或更小的表面光洁度。

30.如权利要求26所述的设备，其特征在于，所述金属轴承表面被加工硬化。

31.如权利要求30所述的设备，其特征在于，所述金属轴承表面被打磨。

32.如权利要求30所述的设备，其特征在于，所述金属轴承表面被喷丸强化。

33.如权利要求26所述的设备，其特征在于，所述金属被热处理。

34.如权利要求33所述的设备，其特征在于，所述金属被穿透硬化、表面硬化或低温处理。

35.如权利要求26所述的设备，其特征在于，还包括在所述金属轴承表面上的材料外层。

36.如权利要求35所述的设备，其特征在于，所述材料外层包括镀层或涂层。

37.如权利要求36所述的设备，其特征在于，所述材料外层包括镀层，其中，所述镀层包括镀铬。

38.如权利要求35所述的设备，其特征在于，所述材料外层包括金属磷酸盐层。

39.如权利要求35所述的设备，其特征在于，所述材料外层包括气相沉积层。

40.如权利要求35所述的设备，其特征在于，所述材料外层包括包层。

41.如权利要求36所述的设备，其特征在于，所述材料外层包括阳极氧化层。

42.如权利要求26所述的设备，其特征在于，还包括在所述金属轴承表面上提供碳牺牲层。

43.如权利要求26所述的设备，其特征在于，所述设备包括轴承组件，所述轴承组件包括所述金刚石轴承表面和所述金属轴承表面，其中，所述轴承组件是凸轮组件、径向轴承组件或推力轴承组件。

44.如权利要求26所述的设备，其特征在于，所述金属接合表面是预打磨的。

45.一种制造轴承的方法，该方法包括：

提供多晶金刚石轴承元件，该多晶金刚石轴承元件具有金刚石轴承表面；

研磨或抛光金刚石轴承表面；

提供具有金属轴承表面的相对轴承元件，其中金属轴承表面包含金属，该金属含有基于金属总重量的至少2重量％的金刚石催化剂或金刚石溶剂；

硬化金属轴承表面；以及

将金刚石轴承表面与金属轴承表面运动接合。

46.如权利要求45所述的方法，其特征在于，所述金刚石催化剂或金刚石溶剂是铁、铜、钴、镍、钛或它们的组合。

47.如权利要求45所述的方法，其特征在于，所述金属是金属合金。

48.如权利要求45所述的方法，其特征在于，所述金属是钢。

49.如权利要求45所述的方法，其特征在于，所述金属比超硬材料软。

50.如权利要求45所述的方法，其特征在于，研磨或抛光金刚石轴承表面，使得金刚石轴承表面的表面光洁度至多为20μin Ra。

51.一种制造轴承的方法，该方法包括：

提供多晶金刚石轴承元件，该多晶金刚石轴承元件具有金刚石轴承表面；

研磨或抛光金刚石轴承表面；

提供具有金属轴承表面的相对轴承元件，其中金属轴承表面包含金属，该金属含有基于金属总重量的至少2重量％的铁、钴、镍、钌、铑、钯、铬、锰、铜、钛、钽或它们的组合；

硬化金属轴承表面；以及

将金刚石轴承表面与金属轴承表面运动接合。

52.如权利要求51所述的方法，其特征在于，研磨或抛光金刚石轴承表面，使得金刚石轴承表面的表面光洁度至多为20μin Ra。

53.一种使用轴承的方法，该方法包括：

在设备中提供轴承组件；

其中轴承组件包括具有金刚石轴承表面的多晶金刚石轴承元件和具有金属轴承表面的相对轴承元件，其中金刚石轴承表面与金属轴承表面运动接合；

其中金属轴承表面包含金属，该金属含有至少2重量％的金刚石催化剂或金刚石溶剂；

其中金属轴承表面经过硬化处理；以及

将具有轴承组件的设备部署到井下环境中，其中金属轴承表面在部署具有轴承组件的设备之前被预抛光。

54.如权利要求53所述的方法，其特征在于，金刚石轴承表面具有至多20μin Ra的表面光洁度。

55.一种使用轴承的方法，该方法包括：

在设备中提供轴承组件；

其中轴承组件包括具有金刚石轴承表面的多晶金刚石轴承元件和具有金属轴承表面的相对轴承元件，其中金刚石轴承表面与金属轴承表面运动接合；

其中金属轴承表面包含金属，该金属含有基于金属总重量的至少2重量％的铁、钴、镍、钌、铑、钯、铬、锰、铜、钛、钽或它们的组合；

其中金属轴承表面经过硬化处理；以及

将具有轴承组件的设备部署到井下环境中，其中金属轴承表面在部署具有轴承组件的设备之前被预抛光。

56.如权利要求55所述的方法，其特征在于，金刚石轴承表面具有至多20μin Ra的表面光洁度。

57.一种轴承组件，该轴承组件包括：

具有金刚石轴承表面的多晶金刚石元件，所述金刚石轴承表面经过研磨或抛光处理；

具有金属轴承表面的相对轴承元件，该金属轴承表面包含金属，该金属含有基于金属总重量的至少2重量％的金刚石催化剂或金刚石溶剂；

其中金属轴承表面经过硬化处理；以及

其中金刚石轴承表面与金属轴承表面运动接合。

58.如权利要求57所述的轴承组件，其特征在于，所述金刚石催化剂或金刚石溶剂是铁、铜、钴、镍、钛或它们的组合。

59.如权利要求57所述的轴承组件，其特征在于，所述金属是金属合金。

60.如权利要求57所述的轴承组件，其特征在于，所述金属是钢。

61.如权利要求57所述的轴承组件，其特征在于，所述金属比超硬材料软。

62.如权利要求57所述的轴承组件，其特征在于，金刚石轴承表面具有至多20μin Ra的表面光洁度。

63.一种轴承组件，该轴承组件包括：

具有金刚石轴承表面的多晶金刚石元件，所述金刚石轴承表面经过研磨或抛光处理；

具有金属轴承表面的相对轴承元件，该金属轴承表面包含金属，该金属含有基于金属总重量的至少2重量％的铁、钴、镍、钌、铑、钯、铬、锰、铜、钛、钽或它们的组合；

其中金属轴承表面经过硬化处理；以及

其中金刚石轴承表面与金属轴承表面运动接合。

64.如权利要求63所述的轴承组件，其特征在于，金刚石轴承表面具有至多20μin Ra的表面光洁度。

65.一种包括轴承元件的系统，该系统包括：

具有金属轴承表面的第一部件，该金属轴承表面包含金属，该金属含有基于金属总重量的至少2重量％的金刚石催化剂或金刚石溶剂；

第二部件；

第二部件上的多晶金刚石轴承元件，该多晶金刚石轴承元件上具有金刚石轴承表面，所述金刚石轴承表面经过研磨或抛光处理；

其中金刚石轴承表面与金属轴承表面运动接合；以及

其中金属轴承表面被硬化。

66.如权利要求65所述的系统，其特征在于，所述第二部件是凸轮从动件，所述第一部件是凸轮。

67.如权利要求66所述的系统，其特征在于，所述凸轮是转子。

68.如权利要求67所述的系统，其特征在于，所述凸轮和凸轮从动件是内燃机、钻孔机或加工工具的部件。

69.如权利要求65所述的系统，其特征在于，所述多晶金刚石轴承元件是径向轴承。

70.如权利要求69所述的系统，其特征在于，所述第一和第二部件中的一个是转子，所述第一和第二部件中的另一个是定子。

71.如权利要求65所述的系统，其特征在于，所述多晶金刚石轴承元件是推力轴承。

72.如权利要求65所述的系统，其特征在于，所述金刚石催化剂或金刚石溶剂是铁、钴、镍、铜、钛或它们的组合。

73.如权利要求65所述的系统，其特征在于，金刚石轴承表面具有至多20μin Ra的表面光洁度。

74.一种包括轴承元件的系统，该系统包括：

具有金属轴承表面的第一部件，该金属轴承表面包含金属，该金属含有基于金属总重量的至少2重量％的铁、钴、镍、钌、铑、钯、铬、锰、铜、钛、钽或它们的组合；

第二部件；

第二部件上的多晶金刚石轴承元件，该多晶金刚石轴承元件上具有金刚石轴承表面，所述金刚石轴承表面经过研磨或抛光处理；

其中金刚石轴承表面与金属轴承表面运动接合；以及

其中金属轴承表面被硬化。

75.如权利要求74所述的系统，其特征在于，金刚石轴承表面具有至多20μin Ra的表面光洁度。

76.一种制造轴承的方法，该方法包括：

提供金刚石轴承表面，该金刚石轴承表面包括多晶金刚石，所述金刚石轴承表面经过研磨或抛光处理；

提供金属轴承表面，该金属轴承表面包含金属，该金属含有基于金属总重量的至少2重量％的金刚石催化剂或金刚石溶剂；

硬化金属轴承表面；以及

将金刚石轴承表面与金属轴承表面运动接合。

77.一种使用轴承的方法，该方法包括：

提供轴承组件，该轴承组件包括与金属轴承表面滑动接合的金刚石轴承表面，其中该金刚石轴承表面包括多晶金刚石，其中该金属轴承表面包含金属，该金属含有基于金属总重量的至少2重量％的金刚石催化剂或金刚石溶剂；以及

将轴承组件部署到井下环境中，其中在部署轴承组件之前抛光金属轴承表面。

78.一种设备，该设备包括：

金刚石轴承表面，该金刚石轴承表面包括多晶金刚石，所述金刚石轴承表面经过研磨或抛光处理；

金属轴承表面，其中该金属轴承表面包含金属，该金属含有基于金属总重量的至少2重量％的金刚石催化剂或金刚石溶剂；

其中金属轴承表面被硬化；以及

其中所述金刚石轴承表面和金属轴承表面滑动接合。