CN1250481C - 具有催化材料减少的工作表面的高体积密度的聚晶金刚石 - Google Patents

Abstract

公开一种聚晶金刚石或类金刚石元件，它具有极大改善的耐磨性能，而且没有冲击强度的损失。这些元件是采用一种粘结剂-催化材料在一个高温高压(HTHP)工序中形成的。所述PCD元件具有一个带有大量粘结的金刚石或类金刚石晶体形成一种连续的金刚石基质的主体，其金刚石体积密度大于85%。在所述金刚石晶体之间的间隙形成一种含有一种催化材料的连续间隙基质。所述金刚石基质表面是在所述HTHP处理中形成的，并与一种含有所述催化材料的金属基体整体粘结在一起。所述金刚石基质主体具有一个工作表面，其中在邻近所述工作表面的主体中的间隙基质部分是基本不含所述催化材料的，而剩余的间隙基质含有所述催化材料。典型地，所述金刚石基质表面主体的低于约70%是不含所述催化材料的。

Description

具有催化材料减少的工作表面 的高体积密度的聚晶金刚石

技术领域

本发明涉及一种可用于耐磨、切割、拉丝、和其它需要工程超硬表面应用的超硬聚晶材料元件。本发明特别涉及具有很大改善的耐磨性能的聚晶金刚石和类聚晶金刚石(统称为PCD)元件以及它们的制备方法。

背景技术

为了便于说明，已知将聚晶金刚石和类聚晶金刚石元件称为PCD元件。PCD元件是由相邻原子间具有特别短的原子间距的碳基体料制成的。一种类似于PCD的类聚晶金刚石材料，称作为氮化碳(CN)，公开在US5776615中。一般地，PCD元件是由一种混合材料，在高温和高压下加工为一种内部粘结的超硬碳基晶体的聚晶基质而制成的。PCD元件的一个共同特性是在它们的形成过程中使用催化材料，在使用时，它们的残余物经常会对所述元件的最大可用工作温度产生一定的约束影响。

一种公知的人造形式PCD元件，是一种两层或多层PCD元件，其中，聚晶金刚石的一个饰面表面(facing table)是整体结合到一种低硬度材料如碳化钨的基体之上的。所述PCD元件，可为一种圆形或半圆形片，或者，可制成其它适合应用的形状，如中空模、散热片、摩擦轴承、阀门表面、压锥、机床心轴等。这种类型的PCD元件，可用于几乎所有需要硬的耐磨和耐腐蚀的应用之中。所述PCD元件的基体，可硬焊到一种支座上，它经常是由粘结的碳化钨组成的。对于用作切割元件的PCD’s来说，这是一种常用的结构，例如，被容纳在所述钻头插口中或固定到一个用于机械加工的机床的柱上的固定切削刃或牙轮地钻钻头。这些PCD元件通常被称作聚晶金刚石刀片(PDC)。

在制造这些PDC元件的方法中，存在有许多种变型。例如，在制备方法中可以利用平均金刚石粒径的变化范围来增进其耐磨性能，如US4861350、US5468268和US5545748中所述，可将它们公开的全部内容并入本文中。而且，用来在PDC的工作表面中或共上提供耐磨性能的方法，公开在US5135061和US5607024中，可将它们引用公开的全部内容并入本文中。但是，由于所述耐磨性能随着所述金刚石的平均粒径改变而变化，所以，在这些设计中冲击强度与耐磨性能之间存在着固有的折衷方案(trade-off)。其结果是，具有较高耐磨性能的PDC元件，将会倾向于具有差的冲击强度，这对用于钻削应用的PDC’s来说，通常是不可接受的。

典型地，在所述金刚石表面中的较高金刚石体积密度，是以牺牲冲击强度为代价而提高耐磨强度的。但是，现代PDC元件通常是采用在所述金刚石表面和所述基体间的常用复杂几何界面以及其它物理设计构造，以改善所述冲击强度。尽管这可允许耐磨性能和冲击强度可以同时得到最大化，但是，折衷方案仍然存在，而且在本发明之前的过去数年中没有明显的变化。

另一种形式的PCD元件，是一种没有整体基体的单一PCD元件，其中，一个聚晶金刚石平面是通过机械方法或一种粘结方法固定到一个刀具或耐磨表面之上。这些PCD元件不同于上述的元件，因为金刚石微粒是存在于整个元件之中。这些PCD元件，可以机械固定就位，它们可嵌入一个更大的具有基体的PCD元件之中，或者，作为一种替代方案，它们可采用一种金属层制造而成，它们可采用一种钎焊法或焊接法结合在一起。大量的这些PCD元件，可由一种单一PCD制成，例如，如US4481016和US4525179中所示，可将它们所有已经公开的内容在此引作参考。

PCD元件最经常地是通过在高压、高温压锻机中烧结金刚石粉末与一种合适的粘结剂-催化材料制成的。一种具体的用来形成这种聚晶金刚石的方法，公开在US3141746中，可将它所公开的全部内容在此引作参考。在一种常用的制备PCD元件的方法，金刚石粉末是涂敷到一种预制的结合有钴的碳化钨基体的表面之上。这种部件接着在一个压锻机中经受一个非常高的温度和压力的处理。在此过程中，钴从所述基体迁移到所述金刚石层中，并充当粘结剂-催化材料，使得所述金刚石微粒通过金刚石-金刚石键而彼此粘结，从而也使得所述金刚石层结合到所述基体之上。

完成的PCD元件，具有至少一种主体，该主体具有彼此粘结的金刚石晶体基质，其具有许多含有如上所述的粘结剂-催化材料的间隙。所述金刚石晶体含有第一连续金刚石基质，且所述间隙形成第二连续的含有所述粘结剂-催化材料的间隙基质。而且，必需存在较少量的区域，其中，金刚石-金刚石生长已经封装了部分所述粘结剂-催化材料。这些“岛状物”不是所述粘结剂-催化材料的连续间隙基质的一部分。

在一种常用形式中，所述金刚石主体占85％-95％体积，而所述粘结剂-催化材料占另外5-15％。这类元件容易热退化，这是由于在所述间隙的钴粘结剂-催化材料与金刚石基质之间，在约400℃温度时就开始存在不同的热膨胀。当达到足够的膨胀，所述金刚石-金刚石键就可能会断裂，就会产生裂纹和碎片。

在聚晶金刚石中，在所述粘结到所述金刚石基质的金刚石晶体上的间隙区域中存在所述粘结剂-催化材料，会引起另一种形式的热退化。由于所述粘结剂-催化材料的存在，所述金刚石在温度升高时会开始石墨化，典型地限制所述操作温度在约750℃。

尽管钴是最为常用的粘结剂-催化材料，但是，可采用包括钴、镍、铁和它们的合金的任意VIII族元素。

为了降低热退化，称作“热稳定”的聚晶金刚石元件已经生产出来，作为预制的PCD元件，用于切割和/或耐磨元件，如US4224380所述，可将其所公开的全部内容在此引作参考。在一种热稳定PCD元件中，在常规聚晶金刚石中的钴或其它粘结剂-催化材料，在形成之后，从所述连续间隙基质中被浸出。许多种用来浸出所述粘结剂-催化材料的方法是公知的。部分浸出方法，例如公开在US4572722和US4797241之中，可将它们所公开的全部内容在此引作参考。

尽管浸出所述粘结剂-催化材料可以提高所述金刚石的耐高温性能至约1200℃，但是，这种浸出方法也除去了所述粘结的碳化物基体。而且，由于没有整体基体或其它可粘结的表面，使得在操作使用时安装这类材料变得非常困难。

用来生产这种“热稳定”PCD元件的方法，通常制备得到相对低的金刚石体积密度，其水平通常约为80体积％或更低。这种低金刚石体积密度能够保证进行完全浸出处理，但是，最终的成品部件通常在冲击强度方面是相对弱的。所述低体积密度通常是通过使用一种混合处理并使用相对少量具有平均粒径约15微米或更低的金刚石晶体而获得的。这些小颗粒通常在处理之前用一种催化材料进行涂敷。所述混合处理可使得所述金刚石颗粒被广泛地分隔在最终的制品中，并且，它们用于金刚石-金刚石键合的外表面积的较少百分点，通常是低于50％，从而具有低的冲击强度。

在这些所谓“热稳定”聚晶金刚石部件中，对于缺少后来连接到一种加工刀具上的一种合适的可粘结基体，已经由多种方法得以解决。一种将一种可粘结基体连接到一种“热稳定”聚晶金刚石预制品的这类方法，公开在US4944772之中，可将其所公开的内容在此引作参考。在这种方法中，先制造出一种多孔性聚晶金刚石预制品，接着，它在存在一种催化材料下于高温和压力下与一种其它材料的阻挡层进行再烧结，理论上，所述阻挡层可以防止所述催化材料再次浸润所述多孔性聚晶金刚石预制品。所得到的制品通常在所述预制品和所述阻挡层之间具有一个突变，从而在使用时引起应力集中问题。这种制品应该认为是一种连接的复合体而不是整体主体。

其它相似的将一种可粘结基体连接到“热稳定”聚晶金刚石部件上的方法，公开在US4871377和US5127923之中，可将它们所公开的全部内容在此引作参考。应认为，所有这些方法的弱点是所述聚晶金刚石预制品中金刚石-金刚石键在所述高温和压力下的再烧结处理中的退化。可以认为，这种破坏/分裂，通常还可将最终制品的冲击强度降低至低于所述预制品的不可接受的低水平。

在一种替代形式的热稳定聚晶金刚石中，是采用硅作为所述催化材料。采用一种硅催化材料制成聚晶金刚石的方法，与上述方法是非常相似的，不同之处在于合成温度和压力不同，所述硅的大部分反应形成碳化硅，而它不是一种有效的催化材料。其耐热性能得到一定改善，但是，仍然会发生热退化，这是由于仍留有一些残余的硅，它们通常是均匀地分布在所述间隙基质的间隙之中。而且，对于这种PCD元件，也存在着安装困难的问题，因为不存在可粘结的表面。

最近，可以利用另一种PCD，其中，在烧结所述金刚石粉末时，是采用碳酸盐如Mg，Ca，Sr和Ba的碳酸盐粉末作为所述粘结剂-催化材料。这类PCD较之先前类型的PCD元件，通常具有很高的耐磨性能和硬度。但是，所述材料是难以工业规模进行生产的，这是因为与常规和热稳定聚晶金刚石情形相比，它需要非常高的压力进行烧结。其一个结果就是，采用这种方法制备得到的聚晶金刚石主体小于常规聚晶金刚石元件。而且，由于在所述间隙中仍留有残余的粘结剂-催化材料，热退化仍然可能会发生。而且，由于不存在整体基体或其它可粘结表面，要将这种材料安装到工作表面之上是很困难的。

把热稳定PCD’s与安装系统结合起来以应用它们改善的温度稳定性的努力，还没有取得预期的成功，这是由于它们具有低的冲击强度。例如，在US4726718、US5199832、US5025684、US5238074、US5009963中公开了多种安装多层PCD元件的方法，可将它们所公开的全部内容引入到本文之中。尽管这些设计中多数已经取得了商业成功，但是，所述设计在结合高的耐磨损和/或耐磨蚀性同时保持在非热稳定PCD中可获得的韧性水平方面不是特别有效的。

其它类型的用于表面的金刚石或类金刚石涂层，公开在US4976324、US5213248、US5337844、US5379853、US5496638、US5523121、US5624068中，可将它们所公开的全部内容引入到本文之中。相似的涂层还公开在GB2268768、PCT96/34131，和EPC500253、787820、860515之中，用于高负荷刀具表面。在这些公开物中，金刚石和/或类金刚石涂层，是涂敷到用于耐磨损和/或耐腐蚀的表面之上。

在多数上述申请之中，是采用物理气相沉积(PVD)和/或化学气相沉积(CVD)方法，来涂敷所述金刚石或类金刚石涂层的。PVD和CVD金刚石涂敷方法，是众所周知的，例如，它们公开在US5439492、US4707384、US4645977、US4504519、US4486286之中，可将它们并入在本文中。

采用金刚石或类金刚石涂层以涂敷表面的PVD和/或CVD方法，例如，也可用来在一个表面上提供一组紧密压实的外延取向的金刚石晶体或其它超硬晶体。尽管这些材料具有非常高的金刚石密度，但是，由于它们是紧密压实的，使得在相邻晶体之间没有大量的金刚石-金刚石键，从而使得它们整体上是很脆弱的，当施加高的剪切负荷时，它们易于破碎。其结果是，尽管这些涂层具有非常高的金刚石密度，但是，它们倾向于机械性能差，从而使得它们在用于高负荷应用如切割元件、轴承装置、耐磨元件和模具时，具有非常差的冲击强度和耐磨性能。

人们还尝试着提高这些金刚石或类金刚石涂层的韧性和耐磨性能，通过涂敷到一种碳化钨基体上并接着在高压、高温环境下进行处理，如US5264283、US5496638、US5624068所述，可将它们所公开的内容全部并入本文。尽管这类加工处理可以改善所述金刚石层的耐磨性能，但是，在所述高密度金刚石层和所述基体之间的突变，使得所述金刚石层在非常低的应变，类似于在具有阻挡层的复合结构中遇到的上述问题时就会在所述界面处容易地发生大规模的断裂。这将转化为在使用时具有非常差的韧性和抗冲击性能。

当采用钴或其它VIII族金属粘结剂-催化材料制成的PCD元件相互紧靠着作为轴承材料时，已经发现在使用时其磨擦系数倾向于提高。如在此将其所有公开内容引作参考的US5560716和系列的EP617207中所述，已经发现从所述PCD轴承元件的表面中除去(利用盐酸消除)所述富钴磨擦膜(它在使用时易于形成)，将暂时减轻这个问题。很显然，当两个PCD元件相互靠着作为轴承时，在操作过程中，所述钴的一部分从所述PCD表面迁移到所述轴承的负载区域，引起提高磨擦。目前人们认为，这种钴的来源，可能是所述轴承元件加工处理的残余副产物，这是由于酸擦拭修理不能有效地除去所述钴至所述表面下的任何明显深度。

因为所述钴仅从所述PCD的表面被除去，所以，在这些轴承元件中发生热退化时的温度没有有效变化。因此，所述粘结剂-催化材料的有害作用仍然保持，且所述金刚石层的热退化由于存在所述催化材料，仍然还会发生。

发明简述

本发明提供一种超聚晶金刚石或类金刚石元件，它具有极大改善的耐磨性能而没有冲击强度的损失。为了便于说明，统称为PCD元件，这些元件是采用一种粘结剂-催化材料在高温、高压(HTHP)处理中制成的。所述PCD元件，具有大量部分粘结的金刚石或类金刚石晶体，其形成一种连续的金刚石基质主体，其具有的金刚石体积密度大于85％。在所述金刚石晶体间的间隙，其形成一种连续的含有催化材料的间隙基质。在所述HTHP处理过程中，所述金刚石基质平面形成并整体地结合到一含有所述催化材料的基体上。

具体而言，本发明提供一种含有一超硬聚晶材料的主体的预制切割元件，它含有大量与一种金属基体整体形成的粘结金刚石晶体、大量存在于所述金刚石晶体之间的间隙区域和一种催化材料，所述主体具有至少90体积％的金刚石密度和一切割表面，其中，邻近所述切割表面的第一间隙区域是耗尽所述催化材料的，而在所述主体与所述基体接触的部分中的第二间隙区域含有所述催化材料，其中，所述第一间隙区域延伸到所述切割表面之下，所述第二间隙区域具有的平均厚度大于0.15mm。

所述金刚石基质主体具有一个工作表面，其中，在邻近所述工作表面的所述主体中的间隙基质的部分，是基本不含所述催化材料的，而剩余的间隙基质含有所述催化材料。典型地，所述金刚石基质平面主体的少于约70％是不含所述催化材料的。

所述基本不含所述催化材料的工作表面，不会遭受在所述工作表面的其它区域遭遇的热退化，从而可改善耐磨性能，而不会损失冲击强度。在切割元件中，所述处理的工作表面可为所述主体饰面表面的一部分、所述主体的周边表面的一部分、或所有这些表面的一部分。

在另一种实施方式中，所述催化材料为钴或其它铁族金属，所述减少所述催化材料的方法，是在一种酸刻蚀工艺中从一PCD元件的表面附近的间隙中将它浸出。可以预期，从所述表面中除去所述催化材料的方法，也可通过放电作用、或其它电子或电镀方法、或通过蒸发作用进行。

公开了又一种制造一种PCD元件的方法，其中，所述元件包括与一金属基体整体形成的主体，所述主体包括粘结金刚石晶体和催化材料。所述处理是通过处理所述主体使其某一体积中基本不含所述催化材料并同时允许所述催化材料保留在至少部分所述主体剩余体积之中，并允许所述基体在处理所述主体时保持基本不受影响。

公开了一种元件，它含有大量的部分粘结的金刚石晶体、一种催化材料和一种间隙基质；所述主体具有一个工作表面。在邻近所述工作表面主体中的间隙基质，基本不含所述催化材料，而剩余间隙基质中含有所述催化材料。

相似地，公开了一种PCD元件，它具有催化材料、间隙基质、和具有一工作表面的主体。邻近所述工作表面的主体中的间隙基质，基本是不含所述催化材料的，而剩余的间隙基质含有所述催化材料。

此外，公开了一种PCD元件，它具有一带一个工作表面的主体。在远离所述工作表面的主体的第一体积中含有一种催化材料，在邻近所述工作表面的主体的第二体积，是基本不含所述催化材料的。

还公开了一种PCD元件，它包括一种含有与一种金属基体整体形成的主体的金刚石。所述主体具有至少85体积％的金刚石密度(byvolume diamond density)和一种间隙基质。邻近一个工作表面的主体中的间隙基质是基本不含所述催化材料的，而所述主体与所述基体接触的间隙区域之处，含有所述催化材料并具有大于0.15mm的平均厚度。

此外，公开了一种PCD元件，它包括一种具有与一种金属基体整体形成的工作表面的粘结的金刚石的主体。所述主体具有至少85体积％的金刚石密度。在远离所述工作表面的主体的第一体积中含有一种催化材料，在邻近所述工作表面的主体的第二体积，是基本不含所述催化材料的。

还公开了一种PCD元件，它包括一种与一种金属基体整体形成的主体。所述主体具有大量具有表面的粘结的金刚石晶体和一种催化材料。所述主体还具有至少85体积％的金刚石密度。在所述主体中的至少30％晶体与所述催化材料接触，并且，在距离一个工作表面至少0.1mm深度之内的剩余晶体中的大部分的表面，是基本不含所述催化材料的。

另外，公开了一种预制切割元件。所述切割元件包括一种具有大量与一种金属基体整体形成的部分粘结的超硬晶体的超硬聚晶材料的主体、大量存在于所述超硬晶体之间的间隙区域和一种催化材料。所述主体具有至少85体积％的金刚石密度和一个切割表面。在邻近所述切割表面的至少一部分的间隙区域，是基本不含所述催化材料的，而剩余间隙区域的至少30％含有所述催化材料。

本发明所述PCD可用于耐磨、切割、拉丝、和其它需要工程超硬表面应用的超硬聚晶材料元件。具体的应用是用作固定切削刃型或牙轮型的旋转式钻头中的切割元件，用作中空模、散热片、摩擦轴承、阀门表面、压锥、机床心轴等。本发明所述PCD元件，可用来加工磨损的木材产物、含铁材料和非铁材料以及非常硬或腐蚀的工程材料如石头和沥青等。

附图简要说明

图1A为本发明一种典型的PCD元件。

图1B为本发明一种典型的PCD，用作切割元件。

图2为一种采用本发明所述一种PCD元件的固定切削刃旋转式钻头的侧视图。

图3为一种采用本发明所述一种PCD元件的牙轮旋转式钻头的透视图。

图4为一种用于采用本发明所述PCD元件的机床中的嵌件的透视图。

图5为一种用于牙轮钻头和固定切削刃钻头中的圆顶状PCD元件的透视图。

图6为现有技术的一种PCD元件表面的显微照片，用来说明所述间隙区域中的粘结剂-催化材料。

图7为本发明所述PCD元件的一个显微照片，用来说明在所述间隙区域中具有一种催化材料的第一部分和所述间隙区域中没有所述催化材料的第二部分。

图8为现有技术的一种PCD元件的显微结构示意图，用来说明所述粘结金刚石晶体，它具有间隙区域和单个晶体的随机晶体取向。

图9为如图7所示本发明所述PCD元件的一个显微结构示意图，用来表明所述不含催化材料区域相对于所述PCD元件表面的深度。

图10为本发明所述PCD元件的多个实施方式的相对磨耗指数的曲线。

图11A为本发明所述PCD元件的一个封装的PCD实施方式的前视图。

图11B为本发明所述PCD元件的另一个封装的PCD实施方式的截面图。

图11C为本发明所述PCD元件的又一个封装的PCD实施方式的截面图。

图12A为本发明所述PCD元件另一种实施方式的CVD/PVD涂敷表面的透视图。

图12B为如图12A所示本发明所述PCD元件的实施方式的晶体结构的放大透视图。

图13为一种具有本发明所述PCD元件的拉丝模的截面图。

图14为一种具有本发明所述PCD元件的散热片的透视图。

图15为一种具有本发明所述PCD元件的轴承的透视图。

图16A和16B为一种具有本发明所述PCD元件的阀门的配合件的前视图。

图17A为一种具有本发明所述PCD元件的压锥的侧视图。

图17B为一种具有本发明所述PCD元件的冲床的部分截面图。

图18为一种具有本发明所述PCD元件的测量装置的透视图。

图19为用来说明现有技术切割元件与本发明切割元件的典型耐磨性能相对耐冲击性能的曲线。

发明的详细描述及优选实施方式

本发明所述聚晶金刚石或类金刚石材料(PCD)元件2，如图1A所示。所述PCD元件2具有大量部分粘结的超硬金刚石或类金刚石的晶体60，(如图7和9所示)一种催化材料64、和一种由在所述晶体60中的间隙62所形成的间隙基质68。所述元件2还具有一个或多个工作表面4，且所述金刚石晶体60和所述间隙62形成所述PCD元件2的所述主体8的体积。优选地，所述元件2是与一种金属基体6整体形成的，典型地是碳化钨与一种钴粘结材料。为了有效地用于耐磨应用中，在所述主体8中的金刚石体积密度，必须大于85体积％，优选是高于90％。

所述工作表面4为所述PCD主体8的任意部分，它在操作中可以与将要加工的物体进行接触。在本说明书中，在讨论所述工作表面4时，应该能够理解，它适用于所述主体8的任意部分，它们可能是暴露的和/或用作一个工作表面。而且，所有工作表面4的任意部分，在其中和其自身，都是一个工作表面。

在制造过程中，在高温和高压(HTHP)条件下，在所述晶体60中的间隙62填充有所述催化材料64，接着在所述晶体60中形成键合。在所述制造过程的下一个步骤中，部分所述催化材料64有选择地从部分所述间隙62中被减少。其结果是，远离所述工作表面4的所述PCD元件2的主体8的第一体积，含有所述催化材料64，且邻近所述工作表面4的主体8的第二体积，基本是不含所述催化材料64。所述基本不含所述催化材料64的间隙62，是由标记66表示的。

因此，邻近至少一部分所述工作表面4的主体8的间隙基质68是基本不含所述催化材料64的，而剩余的间隙基质68含有所述催化材料64。如前所述，所述PCD元件2优选是在所述HPHT处理中结合到一个低硬度材料的基体6上，通常是粘结的碳化钨或其它金属材料，但是，基体6的使用不是必须的。

由于所述邻近所述工作表面4的主体是基本不含所述催化材料64的，基本上降低了所述粘结剂-催化材料64的有害作用，所以由于所述催化材料64的存在而引起的所述工作表面4的热退化作用，就可得到有效地消除。其结果是得到一种新型PCD元件2，它具有近似于所谓热稳定PCD元件的增强的热性能，同时可保持所述传统PDC元件的韧性、制造方便性、和结合能力。这可转化为切割应用中的较高耐磨损性能、在散热片应用中的较高热传递能力、在轴承应用中的较高负荷能力、在阀门应用中的较低表面形变性能，以及有利地应用在包括中空模、压锥、机床心轴和磨损元件等大量其它应用中。所述新型PCD元件2的具体应用的细节，随后在本说明书中将作更为详细的讨论。

现在参考图6现有技术PCD元件的显微照片，以及图8现有技术PCD元件的显微结构示意图，众所周知，所述金刚石或类金刚石晶体60存在着无序的晶相取向，如由每个晶体60解理面的平行线所示。可以看出，邻近晶体60与其中的孔隙空间62结合在一起。由于所述解理面是以与邻近晶体60不同的方向进行取向的，所以，基本上不存在用于金刚石破碎的直接路径。这种结构可允许PCD材料能够在其中通常有高冲击负荷的超负荷环境中很好地工作。

在用高温高压压煅机结合所述晶体60的处理中，所述晶体60中孔隙空间62，被一种粘结剂-催化材料64所填充。正是这种催化材料64，使得能够在所述压煅机中于相对低的压力和温度下在邻近金刚石晶体60之间形成粘结。

现有技术PCD元件具有至少一种相互粘结的晶体60的连续基质，它具有许多含有一种粘结剂-催化材料64的间隙62，通常为钴或其它VIII族元素。所述晶体60含有一种第一金刚石连续基质，所述间隙62形成一种称为间隙基质68的第二连续基质，其含有所述粘结剂-催化材料。另外，需要存在较少量的区域，其中所述金刚石-金刚石生长已经封装了部分所述粘结剂-催化材料。这些岛状物不是所述粘结剂-催化材料64的所述连续间隙基质68的一部分。

参见图7和9，它是本发明所述PCD元件2的横截面示意图。所述PCD元件2可按照与如上所述现有技术PCD元件相同方式制成。在一个优选实施方式中，在预清洁操作之后或在所述制造方法之后的任意时间，所述PCD元件2的工作表面4、70、72，按一种可从所述邻近主体中除去部分所述粘结剂-催化材料的方法进行加工。其结果是在邻近所述工作表面的所述金刚石晶体60间的间隙62，是基本不含所述催化材料64，由标记66表示。所述不含所述催化材料64的工作表面4、70、72部分，不易受在所述PCD其它区域遭遇的热退化的影响，从而获得改善的热性能。

本发明所述PCD元件2的主体8中的平均金刚石体积密度，其范围约为85-99％。所述高金刚石体积密度可通过使用具有一定颗粒尺寸范围的金刚石晶体60而获得，其平均颗粒尺寸范围约30-60微米。尽管也可使用许多其它尺寸范围和百分点，典型地，所述金刚石混合物可含有在5-15微米范围的20％-60％的金刚石晶体60、在25-40微米范围的20％-40％金刚石晶体60、和在50-80微米范围的20％-40％金刚石晶体60。这种大金刚石晶体和小金刚石晶体60的混合物，可允许所述金刚石晶体60具有其外表面面积的相对高的百分点贡献于金刚石-金刚石键合，通常接近95％，从而具有相对高的表面耐磨性能。

存在有许多种用来从所述间隙62中除去或减少所述催化材料64的方法。在一种方法中，所述催化材料64是钴或其它铁族材料，所述除去所述催化材料64的方法是在一个酸蚀刻处理中从接近PCD元件2的工作表面4、70、72的间隙62中将其浸出，至大于约0.2mm的深度。从接近所述表面中除去所述催化材料64的方法，可以通过放电、或其它电子或电镀方法或蒸发方法实现。

在另一种用于从所述间隙62中减少所述催化材料64的方法中，所述催化材料64可通过使它与另一种材料进行化学结合如合金化而被减少，从而使得它不再充当催化材料。在这种方法中，一种材料可仍然保留在所述金刚石晶体60的间隙之中，但是，该材料不再充当一种催化材料64-有效地将它除去。

在又一种用于从所述间隙62中减少所述催化材料64的方法中，所述催化材料64是通过使其转化为一种不再充当催化材料的材料而将它除去的。这种方法可通过晶体结构变化、晶相变化、机械“加工”、热处理或其它方法而得以实现。这种方法可应用于非金属或非反应活性催化材料。而且，一种材料仍然可以保留在所述金刚石晶体的间隙62之中，但该材料不再充当一种催化材料64-有效地除去所述催化材料。

一旦邻近所述工作表面4、70、72的催化材料64已经变得是无效时，本发明所述PCD元件2就不再易受到在现有技术PCD元件中经常发生的热退化的影响。如前所述，存在有已知由所述催化材料64引起的热退化两种模式。第一热退化模式是在低至约400℃温度时开始的，它是归因于在所述间隙62中的催化材料64与所述晶体60之间存在不同的热膨胀。在充分膨胀时，所述金刚石-金刚石键合就会断裂，并形成裂纹和碎片。

第二热退化模式是在约750℃时开始的。这种模式是由所述粘结剂-催化材料64在接近750℃时接触所述晶体60并使所述晶体60石墨化的催化能力所引起的。当所述晶体60进行石墨化时，它们经历很大的体积增大，从而与所述主体4断裂和不再粘结。即使在所述金刚石晶体60表面上的催化材料64的数个微米的涂层，也能引起这种热退化模式。

因此，本领域技术人员应该能够理解，为了获得最大的利益，所述催化材料64必须要从所述金刚石晶体60中的间隙62以及所述金刚石晶体60表面中除去。如果所述催化材料64从所述金刚石晶体60表面和所述间隙62中都被除去，则在该区域所述金刚石晶体60的热退化开始温度就会达到1200℃。

但是，这种双退化模式，提供了一些未曾预期的利益。例如，在许多应用中，设计所述工作表面的磨损速率是受人欢迎的。在本发明中，这可通过如在需要最大耐磨性能区域中改变所述处理方法而得以实现，所述催化材料可从所述间隙62和所述金刚石晶体60的表面中被减少。在其中需要较低耐磨损性能的区域，例如在一个自动磨锐刀具中，这些区域应该进行处理以便从所述间隙62中减少所述催化材料64，但是，如果不是全部的话，可以允许部分金刚石晶体60仍然保持与所述催化材料接触。

应该可以清楚地看到，从所述金刚石晶体60表面除去，是比从所述间隙62中除去所述催化材料64更为困难的。为此，根据为有效降低热退化而采用的减少所述催化材料的方法，从所述工作表面4中减少所述催化材料64的深度，可根据所述用来减少所述催化材料64的方法而变化。

在某些应用中，改善所述热临界值在高于400℃但低于750℃是足够的，因此，一种较低强度催化材料64减少方法是容许的。其结果是，可以理解，存在大量催化材料64减少方法的组合，它们可应用来获得特定应用所需要的催化材料64减少的水平。

在本发明中，当所述术语“基本不含”是指所述间隙62、所述间隙基质68、或所述主体8的体积中的催化材料64，应该能够理解，大多数(如果不是全部的话)邻近金刚石晶体60的表面，仍然具有一个所述催化材料64的涂层。相似地，当所述术语“基本不含”是指在所述金刚石晶体60表面上的催化材料64时，在所述邻近间隙62中仍然存在催化材料64。

由于所述催化材料64被除去或减少，所以，热退化的两种主要机理就不会存在。但是，已经发现，所述催化材料64必须被除去的深度，应当足以允许所述粘结晶体60能够带走由热事件产生的热量至低于所述晶体60(在该处存在有所述催化材料64)的退化温度。

在一系列的实验室测试中，将热量输入到构造为切割元件10的一个PCD元件2中。由于这种测试是设计作为这些切割元件的标准磨损测试，所以，它提供了所述催化材料64除去各种不同深度的适当对比的切割元件10。在这些测试中，需要慎重小心，以确保所述减少方法从所述间隙62和从所述金刚石晶体60表面除去所述催化材料64。所述测试是这样设计的，可使得可重复输入的热量施加到所述PCD切割元件10的切割边缘持续一段已知的时间。

一旦所述测试结束，就对磨耗指数进行计算。所述磨耗指数越高，则其耐磨性能就越好。由于所述测试的性质，可以设想，提高的磨耗指数值表示所述切割元件10的工作表面70、72具有提高的耐热退化性能。

由图10曲线图中的曲线A可以看出，当所述催化材料64减少深度达到0.1mm时，所述切割元件10的磨耗指数结果有显著的提高。因此，对于通用于切割元件10中的热输入类型来说，当所述催化材料64在被从间隙62和从所述金刚石晶体60表面除去时，0.1mm深度是距离所述工作表面4、70、72的临界减少深度。

在其它测试中，当切割元件10是由一种用来除去所述催化材料64的更为经济方法制成时，认为所述磨损相对减少深度的关系如图10中曲线“B”所示。用于这些切割元件中所述催化材料64减少方法，不如曲线“A”的方法用于从所述金刚石晶体60表面除去所述催化材料64有效。因此，它不是有效的，直到从所述间隙62除去大部分所述催化材料64达到约0.2mm深度，在该处所述磨损率提高到曲线“A”的水平。已经发现，这些切割元件10的冲击强度与未处理元件相比基本没有变化。

现在参见图19，为了形象地说明本发明在保持冲击强度同时在耐磨性能方面改善的对比，一种典型的公知且广泛确立用于现有技术切割元件的耐冲击性能相对耐磨性能的关系由曲线W所示。在所述曲线上的P点相对地说明本发明的切割元件的性能。可以看出，P位于所述曲线右上角区域，对于本领域技术人员来说，它说明在保持冲击强度的同时，切割元件在耐磨性能方面有显著和实质性的改善。

可以认为，在某些有利的地方，如图10曲线“C”所示的磨损率相关的热退化，可以设计到PCD元件2中。例如，使远离接触中心的弯曲切割元件10的边缘较所述中心点更快地磨损，是理想的。这将会倾向于保持所述切割元件的弯曲形状，而不是使它变为一个平坦的表面。

改善的耐热退化性能，可改善磨损率，这是因为金刚石是一种极其良好的热导体。如果在工作表面4、70、72的磨擦事件引起一个突然的极大热量输入，则所述粘结的金刚石晶体就会在远离所述事件的所有方向上传导所述热量。这将会允许在所述材料中存在一个非常高的温度梯度，可能为1000℃/mm或更高。这样陡的梯度将会使得所述工作表面4、70、72能够达到950℃，但不会引起明显的热退化(如果直到距离所述热源刚好0.2mm深度，邻近所述工作表面的间隙62和所述金刚石晶体60表面基本不含所述催化材料64时)。

应该清楚，所述温度梯度将会根据所述晶体60的尺寸和晶体间粘结量而变化。一种有利的表征它的方法是所述主体8中金刚石的体积密度。在常规制造方法中，随着所述金刚石体积密度增大，在所述材料中的可能温度梯度也会增大。这暗示着，除了增大的金刚石体积密度之外，其它方面等同于在图10中曲线“B”的材料，随后可制备出接近于图10中曲线“A”的磨耗指数。

在用于地钻钻头的切割元件10的现场测试中，从所述间隙62中基本除去所有催化材料64达到距离一个工作表面4、70、72约0.2-0.3mm的距离D，在耐磨方面可以获得显著的改善，结合有钻入速率提高40％，且耐磨性能提高了40％，而不损耗冲击强度。耐磨性能的改善表明由于催化材料64引起热退化，金刚石晶体的磨损大大降低。所述钻入速率提高被认为是归因于所述切割元件由于耐磨性能提高而能够保持“更锋利”更长时间的能力。

但是，可以认为，当所述主体8的金刚石体积密度从85％-90％的范围提高到95％-99％的范围时，所需要的产生一特定磨耗指数的距离D将会减小。因此，也可以认为，小于0.1mm的距离D可能会在一种主体的金刚石密度接近99％的切割元件中，提供与主体中具有85-90％金刚石体积密度的0.2-0.3mm的D距离大致相同的磨耗指数。

当从所述间隙62中除去所述催化材料64，所述放在下面的基体6、32不受影响是非常重要的。所以，至少所述金刚石层的一部分具有存留在所述间隙62中的所述催化材料64，也是非常重要的。已经发现，当从一种具有与所述基体6、32的平面界面的平坦表面中减少所述催化材料64时，一种含有所述催化材料64的最小厚度约0.15mm的薄层是必须保留的，以保证所述放在下面的基体6、32不受影响。

量化PDC’s的这种含量是困难的，因为所述减少方法和所述基体的某些交互作用是容许的，以及几何结构将会是复杂的。但是，一种用来量化它的方法是与所述基体6、32接触的所述主体8的部分，必须具有留存在所述间隙62中的所述催化材料64，其平均厚度大于0.15mm。

另一种用来量化它的方法是表示留存在所述间隙62中催化材料64的最小量，以体积百分比表示。已经知道，对于一种非常薄的平坦金刚石层，在一种0.5mm厚主体中需要一个0.15mm含所述催化材料64的薄层。所以，对于本发明的PDC来说，假定所述主体8体积的最小30％必须具有含所述催化材料64的间隙62，是合理的，特别是对于通常使用的PDC刀片的尺寸范围来说。

还存在其它可能的PCD元件构造，它们可从如上所述的减少或除去所述催化材料64中获益。如图11A、11B和11C所示，本发明的另一种实施方式为一种复合PCD元件102。所述PCD元件102具有一个主体108，它带有一种VIII族粘结剂-催化材料作为第二预制PCD元件110嵌入在其中。所述嵌入的PCD元件110可与所述封装PCD元件120的工作表面104齐平，如图11A所示，或者，它可全部嵌入在所述封装PCD元件120之中，如图11B所示。这种嵌入的PCD元件110，是在一种采用Mg，Ca，Sr和Ba的粉末碳酸盐作为所述粘结剂-催化材料的方法中制成的，它被制成一种复合PCD元件，如共同转让的未决美国专利申请号09/390074中所述，可在此引作参考。

在此实施方式中，由于所述嵌入预制PCD元件110是在较高压力下形成的，所以所述金刚石密度可以制成是高于所述封装PCD元件120的密度。在此构造中，由于所述嵌入PCD元件110具有一种具有较高活性温度的催化材料，举例来说，它们可以有利地用来减少仅仅所述封装PCD元件120工作表面中的所述催化材料。而且，所述嵌入PCD元件110可放置在所述封装PCD元件120之中，以充分利用所述嵌入PCD元件110的较高耐冲击性能并具有所述封装元件120的改善的耐磨损性能。

如图9、11A、11B和11C所示，所述元件102具有大量部分粘结的金刚石晶体60、催化材料64和具有一个工作表面104的主体108。邻近所述工作表面104的主体的体积112，具有明显高于所述主体108中其它地方114的金刚石密度，且所述体积112是基本不含所述催化材料64的。

多个嵌入的PCD元件110可以布置在所述复合元件100中，如图11C所示，它们是以这样一种方式进行布置的，使得能够获得最好的冲击性能和改善的磨损性能。

减少所述嵌入PCD元件110中的催化材料以及所述封装PDC元件120中的催化材料，是理想的。这种结合将会提供一种元件，它具有在商用金刚石元件中能够获得的最高可能的冲击强度以及最高可能的耐磨损性能。

在图12A和12B中，给出了本发明另一种实施方式的PCD元件202。在此实施方式中，所述PCD元件202首先是按现有技术方法制成的。在已经制成一个表面之后，采用一种CVD或PVD方法，以便提供沉积在所述PCD元件202的一部分210上的一个未来工作表面204上的一系列紧密堆集外延取向的金刚石晶体260。所述组件接着进行高压高温处理，从而使所述沉积金刚石晶体260和所述原始PCD中的所述金刚石晶体相互形成金刚石-金刚石键合。这种金刚石-金刚石键合可能归因于存在从所述原始PCD元件202的表面浸入的所述催化材料64。

在经过清洁之后，所述工作表面204的一部分，进行处理以便从所述CVD或PVD沉积层中减少所述催化材料64。最终制品是这样一种PCD元件，它具有一部分的工作表面204，其体积214的金刚石密度大于所述PCD元件202的其它表面280的密度。该高金刚石密度的区域214随后减少所述催化材料64。所述PCD元件202的其它表面的部分，也可减少粘结剂-催化材料。

一般地，如图11A、11B、11C、12A和12B所示的元件102、202，它们可标记为PCD元件102、202，它们具有一个带有工作表面104、204的主体108、208。邻近所述工作表面104、204的金刚石密度明显高于所述主体108、208中其它地方密度，且是基本不含所述催化材料64的。

本发明所述PCD元件2的一个特别有用的应用，是如图1B、4和5所示的切割元件10、50、52。所述PCD切割元件10、50、52的工作表面，可为一种顶点工作表面70和/或周边工作表面72。图1B所述PCD切割元件10是这样一种元件，它可典型地用于固定切削刃型旋转钻头12中，或用于其它类型钻井工具的保径钻头。图5所示PCB切割元件50，可以成型为圆顶形39。这种类型的PCD切割元件，具有一个延伸基部51，用于插入到一牙轮钻头38或两种旋转钻头12、38的主体中的插口(socket)之中，下面将对它们作详细的描述。

图4所示PCD切割元件52，适合用于一种机械加工方法中。尽管图4所述切割元件52的构造是长方形的，但是，本领域技术人员应该能够理解，这种元件可以是三角形的、四边形的或许多其它适合加工难以采用常规工具进行加工的高度磨损制品的形状。

所述PCD切割元件10，可为一种固定切削刃旋转钻头12的预制切割元件10(如图2所示)。所述钻头的钻头体14，是由大量刮刀16形成的，它们通常是从所述钻头的旋转中心纵向轴18向外延伸的。沿着每个刮刀的正面20并排地间隔的是本发明所述的大量PCD切割元件10。

典型地，所述PCD切割元件10具有一个呈圆形小片的主体，它具有一个薄的所述金刚石或类金刚石(PCD)材料的前饰面表面30，在一高压高温压煅机中结合到一种低硬度材料如粘结碳化钨或其它金属材料的基体32上。所述切割元件10经预制后接着通常结合到一个基本上圆柱形的支座34上，所述支座也可是由粘结碳化钨形成的，或者，作为一种替代方案，它可直接连接到所述刮刀上。所述PCD切割元件10具有工作表面70和72。

所述圆柱形支座34被容纳在所述刮刀16的一个相应形状的插口或凹槽中。所述支座34通常是经过焊接或热压安装在所述插口中。在操作中，所述固定切削刃钻头12进行旋转，并施加重量。这将强迫所述切割元件10进入到被钻孔的土地之中，从而实现切割和/或钻孔作用。

所述PCD切割元件10，也可应用到所述钻头12的计量区域(gaugeregion)36上，提供一种计量铰孔作用并保护所述钻头12免于在所述计量区域36过度磨损。为了尽可能近地间隔这些切割元件10，将这些元件切割成如所示的长方形形状之类的形状是理想的，它们将更易于安装在所述计量区域36中。

在第二种实施方式中，本发明所述切割元件50(如图5所示)，位于如图3所示的牙轮型钻头38上。牙轮钻头38典型地具有一个或多个截顶的滚动圆锥刀具40、41、42，其布置在所述钻头主体46的支柱44上的一个支承轴上。所述切割元件50可安装为成排地布置在滚动刀具40、41、42上的大量镶入式截坯刀(cutting insert)中的一个或多个，或者，可替代的是，所述PCD切割元件50可沿着所述钻头38的支柱44进行布置。所述PCD切割元件50具有一个主体，它是呈结合到一低硬度基体37之上的金刚石或类金刚石材料的一个饰面表面35的形式。在本发明此实施方式中，所述饰面表面35是呈一种圆顶表面39的形式，并具有工作表面70和72。因此，在所述饰面表面35与所述基体37之间经常存在有多个过渡层，以有助于更均匀地分散在制造过程中所产生的应力，这些是本领域技术人员公知的。

在操作中，所述牙轮钻头38进行旋转，并施加重量。这将强迫在所述成排滚动圆锥刀具40、41、42中的所述镶入式截坯刀50进入到土地之中，并且当所述钻头36进行旋转时，所述滚动刀具40、41、42进行旋转，从而实现钻孔作用。

在另一种实施方式中，本发明所述PCD切割元件52是呈三角形、长方形或适合用于加工操作中镶入式截坯刀的其它形状的材料。在此实施方式中，所述切割元件52具有一个主体，它是呈结合到一种低硬度基体56之上的金刚石或类金刚石材料的一个饰面表面54的形式，其具有工作表面70和72。典型地，所述切割元件52接着将被切割为大量的更小的小片，它们随后连接到一个嵌件(insert)58上(它是安装在一个机床的工具架中的)。所述切割元件52，可通过硬焊、粘结、焊接或夹紧而被连接到所述嵌件之上。在一高温高压制造方法中，最终将所述切割元件52制成为所述嵌件形状也是可行的。

如图13-18所示，本发明所述PCD元件2、102、202，也可用于其它应用，如中空模，例如用作拉丝模，图13中，采用本发明所述一种PCD元件302的300。利用PCD元件2、102、202的优良热传递性能和其电绝缘性能作为带有本发明PCD元件312的散热片310，也是可行的。

其它的应用包括带有一个PCD轴承元件322的磨擦轴承320，如图15所示，和具有本发明PCD元件342的表面342的阀340、344的配合件，如图16A和16B所示。另外，用于划线、硬度计、表面粗加工等的压锥360，也可具有如图17A所示的本发明的PCD元件362。冲床370也可具有一个或两个由本发明所述PCD材料制成的模372、374，如图17B所示。而且，机床心轴382和其它类型的用于测量装置380的磨损元件，如图18所示，也可由本发明所述PCD元件制成。应该能够理解，聚晶金刚石的几乎每种应用都将会从本发明所述催化材料减少的PCD元件中获益。

尽管本发明已经对于附图进行了说明，但是，应该能够明白，在本发明所述范围和精神之内，除了本文已经给出或建议的这些之外，也可作出其它和另外改进。

Claims (10)

1.一种含有一超硬聚晶材料的主体的预制切割元件，它含有大量与一种金属基体整体形成的粘结金刚石晶体、大量存在于所述金刚石晶体之间的间隙区域和一种催化材料，所述主体具有至少90体积％的金刚石密度和一切割表面，其中，邻近所述切割表面的第一间隙区域是基本上不含所述催化材料的，而在所述主体与所述基体接触的部分中的第二间隙区域含有所述催化材料，其中，所述第一间隙区域延伸到所述切割表面之下，所述第二间隙区域具有的平均厚度大于0.15mm。

2.如权利要求1所述的预制切割元件，其中所述切割元件是安装在一种固定切削刃旋转钻头的切割面上。

3.如权利要求1所述的预制切割元件，其中所述切割元件是安装在一种牙轮钻头的主体上。

4.如权利要求1所述的预制切割元件，包括一种具有所述切割表面的切割元件，适合用作机械加工中的镶入式截坯刀。

5.如权利要求1所述的预制切割元件，其中所述基体是带有一种铁族粘结剂材料的碳化钨。

6.如权利要求1所述的预制切割元件，其中所述第一间隙区域延伸到所述切割表面之下至少所述金刚石晶体平均直径的深度。

7.如权利要求1所述的预制切割元件，其中所述第一间隙区域延伸到所述切割表面之下至少0.1mm的深度。

8.如权利要求1所述的预制切割元件，其中所述金刚石晶体具有的平均粒径范围为30-60微米。

9.如权利要求1所述的预制切割元件，其中留存在所述主体的第二间隙区域中的大于50％的量的所述催化材料粘附到金刚石晶体的表面之上。

10.如权利要求1所述的预制切割元件，其中，在所述主体第二间隙区域中的催化材料的量随着与所述第一间隙区域的距离而连续减少。

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