DE69715057T2

DE69715057T2 - Polykristalliner Diamantverbundkörper

Info

Publication number: DE69715057T2
Application number: DE69715057T
Authority: DE
Inventors: Eoin M. O'tighearnaigh
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: Diamond Innovations Inc
Priority date: 1996-01-26
Filing date: 1997-01-21
Publication date: 2003-04-17
Anticipated expiration: 2017-01-22
Also published as: JPH106109A; EP0786300B1; KR970059466A; DE69715057D1; US5662720A; EP0786300A1

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf einen gesinterten polykristallinen Diamant(PCD)-Verbundkörper zum Einsatz beim Bohren von Gestein, maschinellen Bearbeiten abriebsbeständiger Metalle und anderen Operationen, die hohe Abriebsbeständigkeit einer Diamant-Oberfläche erfordern. Spezifisch bezieht sich diese Erfindung auf solche Körper, die eine PCD-Schicht umfassen, die durch Verarbeiten bei ultrahohen Drucken und Temperaturen einem Hartmetall-Substrat befestigt ist.
PCD-Presslinge wurden seit vielen Jahren für industrielle Anwendungen eingesetzt, einschließlich dem Bohren von Gestein und der Metallbearbeitung. Einer der Faktoren, die den Erfolg von PCD begrenzen, ist die Festigkeit der Bindung zwischen der polykristallinen Diamantschicht und dem gesinterten Metallcarbid-Substrat. So zeigen, z. B., Analysen der Art des Versagens von Bohrereinsätzen, die für das Bohren tiefer Löcher in Gestein eingesetzt wurden, dass in etwa 33% der Fälle das Versagen der Einsätze oder der Abrieb durch Schichtentrennung des Diamants vom Metallcarbid-Substrat verursacht wurde.
US-PS 3,745,623 (Reissue US-PS 32,380) lehrt die Befestigung von Diamant an Wolframcarbid-Trägermaterial. Dies führt jedoch zu einem Schneidwerkzeug mit relativ geringer Schlagbeständigkeit. Fig. 1, die eine perspektivische Darstellung dieses Verbundkörpers nach dem Stande der Technik wiedergibt, zeigt, dass es einen sehr abrupten Übergang zwischen dem Metallcarbid-Träger und der Schicht aus polykristallinem Diamant gibt. Aufgrund des Unterschiedes in der Wärmeausdehnung von Diamant in der PCD-Schicht und dem Bindermetall, das zum Binden des Metallcarbid-Substrates benutzt wird, existiert eine Spannung von mehr als 200.000 psi zwischen diesen beiden Schichten. Die durch diese Spannung ausgeübte Kraft muss durch die außerordentlich dünne Schicht von Cobalt überwunden werden, die das Bindemedium ist, das die PCD-Schicht am Metallcarbid-Substrat hält. Wegen der sehr hohen Spannung zwischen den beiden Schichten, die über eine flache enge Übergangszone verteilt ist, ist es relativ leicht, dass der Pressling in diesem Bereich bei Schlageinwirkung einer Schichtentrennung unterliegt. Es war außerdem bekannt, dass Schichtentrennungen auch beim Erhitzen und anderen Störungen außer Schlägen auftreten.
Eine Lösung dieses Problems ist in der Lehre der US-PS 4,604,106 vorgeschlagen. Die PS benutzt ein oder mehrere Übergangsschichten, die pulverisierte Mischungen mit verschiedenen Prozentsätzen an Diamant, Wolframcarbid und Cobalt aufweisen, um die durch den Unterschied in der Wärmeausdehnung verursachte Spannung über eine größere Fläche zu verteilen. Ein Problem mit dieser Lösung ist es, dass das "Hindurchdringen" des metallischen Katalysator-Sintermittels durch das freie Cobalt und das Cobalt-gebundene Carbid in der Mischung beeinträchtigt, wird.
US-PS 4,784,023 lehrt das Versehen polykristalliner Diamant-Substrate mit Einschnitten, lehrt jedoch nicht die Verwendung des gemusterten Substrates zur gleichmäßigen Verringerung der Spannung zwischen der Schicht aus polykristallinem Diamant und der Substrat- Trägerschicht. Diese PS erwähnt spezifisch die Benutzung von unterschnittenen (oder Schwalbenschwanz)-Abschnitten von Substrat-Nuten, was zu erhöhter lokalisierter Spannung beiträgt und durch die vorliegende Erfindung streng verboten ist. Fig. 2 zeigt die Region stark konzentrierter Spannungen, die aus der Herstellung von polykristallinen Diamant-Verbundkörpern mit Substraten resultiert, die in einer Schwalbenschwanz-Weise mit Nuten versehen sind. Statt der Verringerung der Spannung zwischen der Schicht aus polykristallinem Diamant und dem metallischen Substrat macht dies die Situation tatsächlich noch schlechter. Und dies deshalb, weil das größere Metallvolumen am Oberteil des Grates sich während der Heizzyklen zu einem größeren Ausmaß ausdehnt und zusammenzieht als der polykristalline Diamant, was den Verbundkörper an den in der Zeichnung gezeigten Stellen 1 und 2 brechen lässt.
Der Nachteil der Benutzung relativ weniger paralleler Nuten mit planaren Seitenwänden ist es, dass die Spannung wieder entlang dem Oberteil und der Basis jeder Nut konzentriert wird und zu einem signifikanten Reißen des metallischen Substrates und der Diamantschicht entlang den Kanten des Oberteils und des Bodens der Nut führt. Dieses Reißen 3 ist in Fig. 3 gezeigt. Als ein Ergebnis ist die Konstruktion eines polykristallinen Diamant-Schneidgerätes nach den Lehren der US-PS 4,784,023 nicht geeignet für Schneidanwendungen, wo wiederholte hohe Schlagkräfte angetroffen werden, wie beim perkussiven Bohren noch bei Anwendungen, wo extremer thermischer Schock von Bedeutung ist.
Die US-PS 4,592,433, die das Versehen von Substraten mit Einschnitten lehrt, ist nicht auf die vorliegende Erfindung anwendbar, da diese Verbundkörper keine feste Diamantplatte auf der gesamten oberen Oberfläche des Substrates aufweisen, und sie daher nicht der gleiche Art von Schichtentrennungs-Versagen ausgesetzt sind. Bei nicht die gesamte Oberfläche abdeckender oberer Schicht aus Diamant können diese Verbundkörper nicht bei den harschen Abriebs-Anwendungen mit anderen in dieser Patentanmeldung erwähnten Presslingen nach dem Stande der Technik und der vorliegenden Erfindung konkurrieren.
Die US-PS 4,629,373 beschreibt die Bildung verschiedener Arten von Unregelmäßigkeiten auf einem Körper aus polykristallinem Diamant ohne ein anhaftendes Substrat. Der Zweck dieser Unregelmäßigkeiten ist es, die Oberfläche des Diamanten zu erhöhen und ein mechanisches Verriegeln zu schaffen, wenn der Diamant später an einen Träger hartgelötet oder in einer Metallmatrix angeordnet wird. Diese PS erwähnt spezifisch, dass Spannung zwischen dem polykristallinen Diamant und dem Metallsubstrat-Träger ein Problem ist, das aus dem Herstellen von Presslingen nach einem Einstufen-Verfahren resultiert. Es schlägt daher vor, dass polykristalline Diamantkörper mit Oberflächen-Unregelmäßigkeiten an Trägermatrices in einer Stufe nach der Fabrikation bei ultrahohen Drucken und Temperaturen befestigt werden. Diese Art von Bindung ist unglücklicherweise von deutlich geringerer Festigkeit als die einer Bindung, die zwischen Diamant und Substrat-Metallen unter Bedingungen hergestellt wird, unter denen Diamant stabil ist. Nach diesem Verfahren hergestellte Presslinge können daher nicht bei starken Schlaganwendungen oder anderen Anwendungen eingesetzt werden, bei denen eine beträchtliche Kraft auf die Platte aus polykristallinem Diamant einwirkt.
Die US-PS 5,011,515 beschreibt die Bildung verschiedener Unregelmäßigkeiten, die von Pyramidengestalt sind, auf einer Substrat-Oberfläche derart, dass der Abstand zwischen diesen Unregelmäßigkeiten größer an der Basis als am Oberteil ist, siehe Fig. 4. Obwohl Spannungen zwischen dem Diamant und dem Metallcarbid-Träger über eine große Fläche ausgebreitet sind, verglichen mit dem Schneidelement nach dem Stande der Technik, wurde durch Fruschour nicht das Ziel der gleichmäßigen Verteilung der Spannungen über die gesamte Region erreicht. Die Spannungen an den schaffen Punkten der pyramidenförmigen Unregelmäßigkeiten wären beträchtlich erhöht, was zur Schichtentrennung und zum Reißen zwischen dem Diamant und dem Metallcarbid-Substrat und zum Reißen innerhalb des Schneidelementes führen kann.
Die US-PS 5,351,772 von Smith lehrt ein Schneidelement, umfassend eine PDC-Diamantplatte, die an ein Wolframcarbid-Substrat gebunden ist, das um den Umfang des Substrates herum beabstandet Stege aufweist. Die Diamantplatten-Tiefe übersteigt die Höhe der Substrat- Stege, sodass eine Schneidoberfläche vollständig aus Diamant vorhanden ist. Siehe Fig. 5. Wie Frushour, lehrt jedoch auch Smith nicht die gleichmäßige Ausbreitung der Spannung zwischen dem Diamant und dem Carbidträger. Die Restspannungen würden an den scharfen Punkten erhöht werden, was zur Schichtentrennung und zum Reißen innerhalb des Schneidelementes führen würde.
US-PS 5,355,969, die als relevantester Stand der Technik angesehen wird, beschreibt ein Schneidelement, bei dem die Grenzfläche zwischen einem Substrat und einer polykristallinen Schicht radial beabstandete Vorsprünge und Vertiefungen aufweist. Auch hier gibt es keine Lehre der gleichmäßigen Ausbreitung der Spannungen zwischen dem Diamant und Carbidträger.
Es wäre erwünscht, einen Verbundpressling zu haben, bei dem die Spannung zwischen dem Diamant und dem Metallcarbid-Substrat gleichmäßig über eine große Fläche ausgebreitet sein könnte und die Befestigung zwischen dem Diamant und dem Metallcarbid derart gefestigt ist, dass die Schlagbeständigkeit des Verbundwerkzeuges ohne Verlust der Bindung von Diamant an Diamant verbessert wird, die aus dem effizienten Hindurchbefördern des Katalysator- Sintermetalls resultiert.
Die Erfindung ist in Anspruch 1 definiert.
Im Gegensatz zum Stand der Technik umfasst das Schneidelement nach der vorliegenden Erfindung eine im Wesentlichen planare Struktur kreisförmigen Querschnittes, umfassend eine PDC-Diamantplatte, die an eine Metallcarbid-Substratschicht gebunden ist. Durch Modifikation der Grenzfläche zur Umfassung mehrerer Reihen bogenförmiger Erhebungen, zwischen denen sich mehrere Reihen ähnlich gestalteter konkaver Ausnehmungen befinden, in denen die Erhebungen aufgehen, befinden sich die Ausnehmungen in gestaffelter Beziehung zu den benachbarten Erhebungen, sodass die vorliegende Erfindung eine Lösung der vorerwähnten Probleme liefert. Die Spannung zwischen dem Diamant und dem Metallcarbid-Substrat ist gleichmäßig verteilt über die gesamte Fläche des Substrates in Kontakt mit dem Diamant, während gleichzeitig die Befestigungsfläche beträchtlich vergrößert wird. Die Oberfläche des Metallcarbid- Substrates ist von einer flachen zweidimensionalen Fläche mit scharfen Punkten zu einem dreidimensionalen Muster in einer solchen Weise geändert, dass der Prozentsatz des Diamants im Verbundkörper kontinuierlich über die Region variiert werden kann, die zwischen dem Metallcarbid-Substrat und der Schicht aus polykristallinem Diamant existiert. Die Dicke der Übergangszone kann ebenso wie der Diamant-Prozentsatz des Querschnittes kontrolliert werden.
Die Oberflächen-Topographie des Metallcarbid-Substrates kann in einer vorbestimmten oder statistischen Weise gemustert werden, doch kann die Montage-Oberfläche des Substrate in einer relativ gleichmäßigen Verteilung nach oben und unten gekrümmt sein. Diese Gleichmäßigkeit verteilt die Spannungen, die aus dem Unterschied in der Wärmeausdehnung zwischen dem Diamant und dem Metallcarbid-Trägermaterial resultieren, gleichmäßig.
Es werden nun beispielhaft Ausführungsformen der Erfindung unter Bezugnahme auf die beigefügte Zeichnung beschrieben, in der:
Fig. 1 eine perspektivische Ansicht eines PCD-Verbundpresslings nach dem Stande der Technik ist,
Fig. 2 eine perspektivische Ansicht eines PCD nach dem Stande der Technik ist, dar ein integral gebundenes Substrat mit unterschnittenen Nuten an der Diamant/Substrat-Grenzfläche aufweist,
Fig. 3 eine perspektivische Ansicht eines Verbundkörpers nach dem Stande der Technik ist, der ähnlich dem in Fig. 2 gezeigten ist mit der Ausnahme, dass die Seitenwandungen der Substrat-Nuten senkrecht zur oberen Oberfläche des Presslings laufen, statt unterschnitten zu sein,
Fig. 4 eine perspektivische Ansicht eines Verbundkörpers nach dem Stande der Technik ist. Die Grenzfläche zwischen den Schichten wird durch Topographie mit Unregelmäßigkeiten gebildet, die winkelförmig angeordnet Seitenwandungen der Art aufweisen, dass die Konzentration von Substratmaterial kontinuierlich und graduell bei tieferem Eindringen in die Diamantschicht abnimmt,
Fig. 5 eine Draufsicht eines Substrates nach dem Stande der Technik ist, das radial sich erstreckende erhabene Stege auf der einen Seite aufweist, an und über der eine PCD-Platte gebildet und befestigt ist, und
Fig. 6A und 6B perspektivische Ansichten der Metallcarbid-Substrate nach der vor fügenden Erfindung sind.
Fig. 6A und 6B zeigen Ausführungsformen dieser Erfindung. Diese Ansichten zeigen die Grenzfläche zwischen der PCD-Diamantschicht und dem Metallcarbid-Substrat. Die Grenzfläche ist kontinuierlich Eikarton-förmig und umfasst abwechselnd konvexe und konkave Oberflächen, die gleichmäßig aber den Querschnitt verteilt sind. Diese Eikarton-förmige Grenzfläche resultiert in einer Zunahme der Kontakt-Oberfläche zwischen dem Diamant und dem Metallcarbid-Substrat. Diese Zunahme der Oberfläche sorgt für eine entsprechende Zunahme der Bindefestigkeit der Diamantschicht am Substrat.
Die Grenzfläche zwischen der PCD-Diamantschicht und dem Metallcarbid-Substrat gibt keinen Anlass zu abrupten Winkeländerungen in irgendeinem Querschnitt. Als ein Ergebnis ist die interne Spannung gleichmäßig innerhalb des PCD-Verbundpresslings verteilt, was die Konzentration von Kraft an den scharfen Punkten bei den Schneidelementen nach dem Stande der Technik, die die Schichtentrennung zwischen der Platte aus polykristallinem Diamant und dem Substrat und das Reißen des Substrates verursacht, vermindert.
Fig. 6A ist eine Querschnittsansicht des Substrates der vorliegenden Erfindung, wo die abwechselnd konvexen und konkaven Oberfläche gleichmäßig über die gesamte Montage-Oberfläche des Metallcarbid-Substrates verteilt sind.
Fig. 6B ist die Querschnittsansicht des Substrates nach der vorliegenden Erfindung, wo nur ein Teil der Montage-Oberfläche die abwechselnd konvexen und konkaven Merkmale aufweist. Die Peripherie der Montage-Oberfläche ist im Wesentlichen flach. Die Montage-Oberfläche an der Peripherie kann auch nach außen und unten zu der Schneidkante hin geneigt sein, sodass die Diamantschicht an der Peripherie dicker ist als in Regionen unmittelbar radial innerhalb der Schneidkante.
Die Oberflächen-Topographie des Metallcarbid-Substrates kann in einer Anzahl von Weisen modifiziert werden, wie durch Schleifen, maschinelles EDM-Bearbeiten, Sandstrahlen, oder Vorformen vor dem Sintern. Die Vertiefungen des Eikarton-förmigen Metallcarbid-Substrates sollten jedoch tief genug sein, um die Spannung über eine genügend dicke Zone auszubreiten, um von Bedeutung zu sein, und das Muster sollte genug Vertiefungen haben, um die Spannung gleichmäßig zu verteilen und die Kontakt-Oberfläche zwischen der PCD-Schicht und der Metallcarbid-Substratschicht genügend zu vergrößern, um eine verbessertes Verbinden zu ergeben.
Die äußere Oberfläche des Verbundpresslings ist hauptsächlich aus Diamant zusammengesetzt. Kubisches Bornitrid und Mischungen von Diamant und kubischem Bornitrid können jedoch anstelle der Diamantschicht in der obigen Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen eingesetzt werden, um einen Pressling für Anwendungen herzustellen, bei dem die chemische Reaktivität von Diamant nachteilig wäre.
Der Verbundkörper wird typischerweise durch anfängliches Herstellen (z. B. durch Sintern) eines Metallcarbid-Substrates mit glatten oberen und unteren Oberflächen hergestellt. Das Substrat kann auch vorgeformt und gesintert werden. Dann wird die Eikarton-Gestalt in einer Oberfläche durch ein geeignetes Schneid- und Ätz-Verfahren gebildet. Das Substrat wird dann in einer konventionellen Presse angeordnet und Körner aus polykristallinem Diamant werden auf die Eikarton-förmige Oberfläche in genügender Menge gebracht, um die Oberfläche zu bedecken und eine weitere Schicht von Körnern oberhalb der Oberfläche zu schaffen. Die Diamantkörner und das Metallcarbid-Substrat werden dann Bedingungen hoher Temperatur und hohem Druckes ausgesetzt, wobei die Körner des Diamant miteinander und mit dem Metallcarbid-Substrat verbunden werden, um eine wirklich integrierte Masse an der Grenzfläche der Diamantschicht und dem Metallcarbid herzustellen. Dieses Druckbinde-Verfahren ist, z. B., der US-PS 3,767,371 von Wenfort Jr. erklärt.
Während der Anwendung von Wärme und Druck in der Presse bewegt sich das Bindermetall, z. B. Cobalt, aus dem Metallcarbid und durch den Diamant durch Flüssigkeits- Diffusion. Dabei sintert das Cobalt die Diamantkörner und nimmt Poren zwischen den Diamantkörnern ein. Es wurde festgestellt, dass es die Eikarton-förmige Grenzfläche dem Metallbinder ermöglicht, gleichmäßiger über die Montage-Oberfläche der PCD-Schicht verteilt zu werden. In dieser Hinsicht sollte klar sein, dass die Anwesenheit der Eikarton-förmigen Grenzfläche die gesamte Kontaktfläche zwischen dem Diamant und dem Metallcarbid erhöht, was die Oberfläche erhöht, aus der das Cobalt fließen kann. Weiter wird der Abstand, über den sich das Cobalt bewegen muss, verringert, da die Carbid-Hügel in die Diamantschicht hinein vorspringen. Auch ist das Cobalt in der Lage, durch die Diamantschicht in drei Dimmensionen statt nur in einer im Wesentlichen einzigen Richtung zu fließen. Folglich ist das Metallcarbid gleichmäßiger durch die Diamantschicht verteilt. Aus oben diskutierten Gründen widersteht eine solche gleichförmige Verteilung der Schaffung von Spannungs-Konzentrationen in der Diamantschicht, wenn der Verbundkörper erhitzt oder abgekühlt wird, weil die Spannungen statistisch gerichtet sind, einander widerstehen und sich somit selbst ausgleichen.
Es sollte auch klar sein, dass ein gemäß der vorliegenden Erfindung gebildeter Verbundkörper die thermischen Spannungen minimiert, die zwischen dem Diamant und dem Metallcarbid auftreten. In dieser Hinsicht sollte klar sein, dass im Falle eines Verbundkörpers nach dem Stande der Technik, der scharfe Punkte an der Grenzfläche zwischen dem Diamant und dem Metallcarbid-Substrat aufweist, die Unterschiede in den Wärmeausdehnungs-Koeffizienten zwischen diesen beiden Komponenten Spannungen an der Grenzfläche, insbesondere an dein scharfen Punkten, erzeugen. Durch Ändern der Geometrie der Diamant/Carbid-Grenzfläche beseitigt die vorliegende Erfindung die scharfen Punkte, die für die Spannungen verletzbar sind. Der Verbundkörper gemäß der vorliegenden Erfindung kann als drei Zonen umfassend angesehen werden, d. h., eine Zone aus Diamant, eine Zone aus Metallcarbid und eine Diamant/Metallcarbid-Grenzfläche. Die Diamant/Metallcarbid-Grenzflächenzone hat somit einen Koeffizienten der Wärmeausdehnung, dessen Wert etwa in der Mitte zwischen den Koeffizienten der Diamant- und Metallcarbid-Zone liegt. Als ein Resultat wirkt die Grenzflächenzone als ein Puffer oder abgestufte Spannungs-Grenzfläche zur Minimierung der Spannungen, die zwischen der Diamant- und Metallcarbid-Zone auftreten.
Es sollte klar sein, dass die vorliegende Erfindung viele der Nachteile, die bisher üblicherweise bei Zusammensetzungen mit scharfen Punkten an der Grenzfläche zwischen dem Diamant und dem Metallcarbid-Substrat auftraten, signifikant vermindert.

Claims

1. Schneidelement, umfassend:

eine polykristalline Materialschicht und

ein Substrat, gebildet aus Metallcarbid, wobei die polykristalline Materialschicht und das Substrat eine Grenzfläche bilden, dadurch gekennzeichnet, dass

die Grenzfläche mehrere Reihen bogenförmiger Erhebungen, durchsetzt mit mehreren Reihen ähnlich geformter konkaver Ausnehmungen, umfasst, in denen die Erhebungen aufgehen, wobei die Ausnehmungen in gestaffelter Beziehung zu den benachbarten Erhebungen stehen.

2. Schneidelement nach Anspruch 1, worin die polykristalline Materialschicht aus Diamanten gebildet ist.

3. Schneidelement nach Anspruch 1, worin die polykristalline Materialschicht auf kubischem Bornitrid gebildet ist.

4. Schneidelement nach Anspruch 1, worin die polykristalline Materialschicht aus einer Mischung von kubischem Bornitrid und Diamanten gebildet ist.

5. Schneidelement nach Anspruch 1, worin die bogenförmigen konkaven und konvexen Teile gleichmäßig verteilt sind.

6. Schneidelement nach Anspruch 1, worin die Grenzfläche weiter eine nach außen geneigte Peripherie umfasst.

7. Schneidoberfläche nach Anspruch 1, worin das Substrat aus Wolframcarbid gebildet ist.

8. Verfahren zum Herstellen eines Schneidelementes, umfassend die Stufen

a) Bilden eines Substrates aus Metallcarbid mit einer Montageoberfläche darauf;

b) Bedecken der Montageoberfläche des Substrates mit einer Schicht aus Diamantkörnern derart, dass die Diamantkörner eine feste Schicht auf dem Substrat bilden, und

c) Anwenden von Wärme und Druck auf das Substrat und die Diamantkörner, um zu verursachen, dass die Diamantkörner aneinander und am Substrat hatten, dadurch gekennzeichnet, daß

d) vor Stufe b) auf der Montageoberfläche des Substrates mehrere Reihen bogenförmiger Erhebungen, durchsetzt mit mehreren Reihen ähnlich geformter konkaver Ausnehmungen, gebildet werden, in denen die Erhebungen aufgehen, wobei die Ausnehmungen in gestaffelter Beziehung zu den benachbarten Erhebungen stehen.

9. Verfahren nach Anspruch 8, worin die Anwendungsstufe das Anwenden von Wärme und Druck umfasst, um das Fließen des Metallcarbids aus dem Substrat und in die Schicht der Diamantkörner zu verursachen,