KR102020014B1 - 다결정 다이아몬드 공구를 제조하는 재료 편석 유도 방법 - Google Patents

다결정 다이아몬드 공구를 제조하는 재료 편석 유도 방법 Download PDF

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Abstract

다결정 다이아몬드 컴팩트(PDC) 커터를 제조하는 재료 편석 유도 방법은 일 면에서 최대 WC 농도로부터 타 면에서 최대 다이아몬드 농도로 점진적인 조성 구배를 갖는 다결정 다이아몬드/텅스텐 탄화물(WC) 복합체 재료를 형성한다. 상기 조성 구배는 점진적이기 때문에 열 팽창 계수의 불일치가 거의 없거나 전혀 없으므로 PDC 커터의 서비스 수명이 향상된다.

Description

다결정 다이아몬드 공구를 제조하는 재료 편석 유도 방법
본 발명은 일반적으로 공구를 제조하는 것에 관한 것으로, 보다 상세하게는 굴착용 드릴 비트(earth-boring drill bit)의 커터(cutter)와 같은 다결정 다이아몬드 컴팩트(polycrystalline diamond compact: PDC) 공구에 관한 것이다.
지면 아래에 놓여 있는 오일과 가스와 같은 탄화수소를 회수하기 위해 지하 형성물(subterranean formation)에 유정 보어(wellbore)를 형성하기 위해 다양한 유형의 도구들이 사용된다. 이러한 도구의 예는 회전 드릴 비트, 홀 오프너(hole opener), 리머(reamer) 및 코어 비트(coring bit)를 포함한다. 회전 드릴 비트는 비트 몸체(bit body)에 고정된 다결정 다이아몬드 컴팩트(PDC) 커터를 구비할 수 있는 고정 커터 드릴 비트를 포함한다. 그리하여, PDC 커터를 갖는 이러한 비트는 통상적으로 PDC 비트라고 지칭된다. PDC 비트는 다결정 다이아몬드와 초경합금(cemented-tungsten carbide)(WC) 기재(substrate)로 형성된 PDC 커터를 포함한다. 코발트(Co) 또는 니켈(Ni)과 같은 일정 양의 소결 보조제가 일반적으로 PDC를 형성하기 위해 고온 고압(high-temperature, high pressure: HTHP) 공정을 수행할 때 포함된다. 소결 보조제는 PDC를 형성하는데 사용된 원래의 HTHP 공정 동안 다이아몬드-다이아몬드 결합을 형성하는데 이들 재료가 참여하는 것으로 인해 이 기술 분야에서 비공식적으로 "촉매 작용을 하는" 재료 또는 "촉매(catalyst)(들)"라고 지칭될 수 있다. 이러한 소위 촉매의 일정 양이 다이아몬드 테이블(diamond table)을 형성한 후에 다이아몬드 테이블 내에 남아있을 수 있다.
이러한 PDC 커터(다결정 다이아몬드, WC 및 촉매)에 존재하는 상이한 재료들은 상당히 상이한 열 팽창 계수(coefficient of thermal expansion: CTE)를 가질 수 있다. PDC 커터는 드릴링 동안 큰 온도 변화와 사이클을 경험한다. 전통적으로 제조된 PDC 커터에서 서로 다른 재료 상(phase)들 사이의 CTE의 불일치는 온도 사이클 동안 바람직하지 못한 큰 응력을 생성할 수 있는데 이는 잠재적인 파손 모드로 인해 PDC 커터의 서비스 수명에 악영향을 미칠 수 있다. 침출(leaching) 공정이 종종 원래의 HTHP 공정 동안 소결 보조제로서 원래 포함된 잔류 코발트 또는 다른 재료의 일정 부분을 제거하기 위해 수행된다. 이것은 전술한 것과 같은 CTE 불일치의 바람직하지 않은 영향을 감소시킬 수 있다.
본 발명의 실시예 및 그 장점의 보다 완전한 이해는 동일한 참조 번호들이 유사한 구성 요소들을 지칭하는 본 발명의 특정 실시예를 도시하는 첨부 도면들과 관련하여 취해진 이하의 상세한 설명을 참조함으로써 파악될 수 있을 것이다.
도 1은 2개의 미립자 상(particulate phase)을 갖는 편석 유도 반응기(induced segregation reactor)의 일 실시예의 단면도;
도 2는 고체-상 바인더(solid-phase binder)를 사용하여 PDC 커터를 제조하는 방법의 일 실시예의 흐름도;
도 3은 유체-상 바인더(fluid-phase binder)를 사용하여 PDC 커터를 제조하는 방법의 일 실시예의 흐름도;
도 4a 및 도 4b는 PDC 커터를 제조하기 위해 HTHP 공정을 위한 조립체의 실시예의 단면도; 및
도 5는 본 명세서에 설명된 방법에 따라 제조된 적어도 하나의 PDC 커터를 포함하는 굴착용 드릴 비트의 일 실시예를 도시하는 도면.
본 발명은 굴착용 드릴 비트에 사용되는 PDC 커터를 제조하는 재료 편석 유도 방법에 관한 것이다.
다음 약어들이 본 명세서에 걸쳐 사용된다:
HTHP - 고온 고압
PDC - 다결정 다이아몬드 컴팩트
CTE - 열 팽창 계수(coefficient of thermal expansion)
GIL - 구배 계면 층(gradient interfacial layer)
TSP - 열적으로 안정된 다결정(thermally stable polycrystalline)
원소 및 화합물은 코발트의 경우 Co, 텅스텐 탄화물의 경우 WC와 같은 표준 약어를 사용하여 축약된다.
PDC 커터는 HTHP 공정을 사용하여 WC와 같은 기재에 결합된 PDC 층을 가질 수 있다. PDC 커터가 사용될 때 PDC 층과 기재 사이의 CTE 불일치로 인해 온도 사이클 동안 응력이 발생할 수 있다. 이러한 응력으로 인해 PDC 커터가 손상되거나 파손될 수 있다. 이러한 문제를 해결하기 위한 이전의 시도는 서로 다른 2개의 재료를 브레이징(brazing)을 통해 결합하거나 또는 다수의 이산 구배 층을 사용하는 것에 의해 결합시키는 것에 의존하였다. 그러나 CTE 불일치 및 그로 인해 열에 의해 유도된 응력 집중은 상이한 층들 사이에서 여전히 발생한다.
PDC 비트에 사용되는 것과 같은 PDC 커터를 제조하는 재료 편석 유도 방법은 PDC 커터의 구성 축(compositional axis)을 따라 CTE 불일치를 감소시키는 비교적 점진적인(smooth) 조성 구배를 제공할 수 있다. 본 명세서에 개시된 재료 편석 유도 방법은 경제적으로 실현 가능하고 공업적 규모에 적합할 수 있다. 본 명세서에 개시된 재료 편석 유도 방법은 다이아몬드 입자 크기에 기초하여 조절될 수 있는 비교적 점진적인 조성 구배 구조를 구현할 수 있다. 본 명세서에 개시된 재료 편석 유도 방법은 보다 높은 열적 안정성 및 증가된 수명과 같은 고유한 성능 장점을 갖는 PDC 비트용 PDC 커터를 생성하여, 탄화수소 생산 동작의 속도를 높이고 드릴링 장비 및 서비스의 비생산 시간을 단축시킬 수 있다.
PDC 커터의 2가지 주요 구성 요소, 즉 다결정 다이아몬드 및 WC는 분말 배합물(powder blend)이라고도 지칭되는 미립자 배합물을 소결 및 압축(compaction)하는 것에 의해 널리 제조된다. 본 명세서에 개시된 재료 편석 유도 방법은 동일한 원료를 사용하여, 하나의 단일 부품 내에 기재가-풍부한 재료(예를 들어, WC)로부터 다결정 다이아몬드가-풍부한 재료로 점진적인 조성 전이를 생성하기 위해, 그린-상태(green-state)라고도 지칭되는, 소결되지 않은 미립자 혼합물에서 편석을 유도한다. 그 결과 이에 대응하여 점진적인 조성 전이는 형성된 구배를 따라 벌크 CTE서 점진적인 전이를 나타낸다. 그 결과 생성된 단일 부품은 실질적으로 국부화된 CTE 불일치를 갖지 않기 때문에 그 결과 생성된 단일 부품은 조기 파손을 야기할 수 있는 열적으로 유도된 국부화된 응력 집중을 나타내지 않는다. 따라서, 본 명세서에 개시된 재료 편석 유도 방법은 미립자 형태의 원료를 포함하는 그린-상태 재료에서 원하는 편석을 달성한다. 최종 원하는 형태로 성형한 후, 최종-경화된 상태에서 그린-상태의 조성 편석을 유지하면서 그린-상태의 재료는 압축되고 소결될 수 있다.
본 발명은 한 면에 다결정 다이아몬드 절삭 면(cutting surface)을 갖고 반대쪽 면에 기재 재료를 갖는 부품 또는 부분을 포함하는 PDC 커터와 관련하여 설명되었지만, 이 기술 분야에 통상의 지식을 가진 자라면 상이한 PDC 부품이 본 명세서에 개시된 방법을 사용하여 형성될 수 있다는 것을 인식할 수 있을 것이다.
기재는 텅스텐 탄화물(WC 또는 W 2 C)과 같은 초경합금(cemented carbide)을 포함할 수 있다. 기재는 VIII 족 금속 또는 금속 합금, 특히 코발트(Co) 또는 코발트(Co) 합금과 같은 금속 또는 금속 합금을 더 포함할 수 있다.
이제 도면을 참조하면, 도 1은, 유동층(fluidized bed) 편석, 진동 층(vibratory bed) 편석, 및 전기 영동을 이용한 편석을 포함하지만 이들로 국한되지 않는 본 명세서에 개시된 다양한 편석 유도 방법에 따라 달성될 수 있는 그린-상태 혼합물(101)을 형성하기 위한 편석 유도 반응기(100)의 개략도이다. 도 1은 개략적인 도면이고, 축척에 맞게 도시된 것은 아니다. 편석 유도 반응기(100)는 백색으로 도시된 제1 미립자 상 및 흑색으로 도시된 제2 미립자 상을 갖는 그린 상태 혼합물(101)의 유동층 편석을 수행하기 위한 유동층 반응기로서 도시된다. 다양한 실시예에서, 진동 층 편석 또는 전기 영동 편석은 편석 유도 반응기(100)를 사용하여 추가적으로 또는 대안적으로 수행될 수 있다.
동작시, 제1 미립자 상, 제2 미립자 상 및 다른 첨가제들이 반응기 용기(108) 내로 도입될 수 있다. 예를 들어, 고체-상 바인더가 사용될 때, 이 바인더는 편석 유도 전에 제1 미립자 상 및 제2 미립자 상으로 반응기 용기(108) 내로 도입될 수 있다. 액체-상 바인더가 사용되는 경우, 바인더는 편석 유도 후에 반응기 용기(108) 내로 도입될 수 있다. 상이한 실시예에서, 반응기 용기(108)의 내용물은 다양한 순서로 도입될 수 있다. 일부 경우, 각 상 및 첨가제를 위한 개개 원료들은 반응기 용기(108) 내로 별도로 도입된다. 다른 경우에, 예를 들어 주어진 농도 또는 미립자 크기를 갖는 원료의 혼합물이 수득되고 미리-혼합된 형태로 반응기 용기(108)에 도입될 수 있다.
반응기 용기(108) 내에서 원료들은 분배기(110)를 사용하여 하나의 구획에서 분리될 수 있다. 메쉬 스크린과 같은 추가적인 분리기들이 또한 반응기 용기(108) 내의 상이한 위치들에 사용될 수 있다. 유입 가스(112)가 도입될 때, 분배기(110)는 반응기 용기(108)의 내용물이 원하는 균일한 가스 흐름을 경험하고 이에 의해 유출 가스(114)가 방출되는 것을 보장할 수 있다. 유동층 편석의 경우, 유입 가스(112)가 반응기 용기(108) 내에서 임계 속도를 달성할 때, 반응기 용기(108)의 미립자 내용물은 유동화되고, 유동화될 때 강화된 이동성으로 인해 편석이 시작할 수 있다. 구체적으로, 동일한 밀도를 갖는 입자의 경우, 유동화될 때에는 보다 큰 크기의 입자들이 반응기 용기(108)의 바닥으로 떨어지는 경향이 있는 반면, 동일한 크기를 갖는 입자의 경우, 유동화될 때에는 밀도가 더 높은 입자들이 반응기 용기(108)의 바닥으로 떨어지는 경향이 있다.
진동 층 편석의 경우, 유동화는 유입 가스(112)에 추가하여 또는 유입 가스의 대안으로 반응 용기(108) 내에 진동을 도입함으로써 달성될 수 있다. 진동 층 편석에서, 초음파 진동을 발생시키는 압전 트랜스듀서와 같은 진동 소스가 반응기 용기(108)에서 편석 유도를 수행하여 편석된 혼합물을 생성하는데 사용된다.
전기 영동 편석의 경우, 개개의 입자들이 충전될 수 있고, 유입 가스(112)에 추가하여 반응기 용기(108) 내에 전계가 인가되어 반응기 용기(108)에서 편석 유도를 수행하여 편석된 혼합물을 생성할 수 있다.
편석 유도 반응기(100)를 사용하여 유동화하기 위한 다양한 공정 파라미터는 사용된 특정 편석 유도 방법에 기초하여 선택될 수 있는 것으로 이해된다. 예를 들어, 반응기 용기(108) 내의 온도 및 압력은 편석 유도 동안 원하는 값으로 조절될 수 있다. 일부 실시예에서, 반응기 용기(108) 내의 공정 파라미터는 반응기 용기(108)의 내용물 조성에 기초하여, 예를 들어, 고체-상 바인더가 사용되는지 또는 액체-상 바인더가 사용되는지에 따라 선택된다.
편석 유도의 원하는 정도 또는 범위가 반응기 용기(108) 내에서 달성되면, 사용시 다른 유동화 수단과 함께 유입 가스(112)가 턴 오프되어 반응기 용기(108)의 내용물이 유동화 및 붕괴되는 것을 정지시킬 수 있다. 일 실시예에서, 고체-상 바인더가 사용될 때, 내용물은 냉각되어 그린-상태 혼합물(101)을 형성할 수 있다. 다른 실시예에서, 액체-상 바인더가 사용되는 경우, 편석 유도 후에 액체 바인더가 도입되어 그린-상태 혼합물(101)을 형성할 수 있다.
그린-상태 혼합물(101)은, 도시된 바와 같이, 도 1의 예시적인 실시예에서 유출 가스(114)가 후속하는 바에 따라 편석 유도 반응기(100)의 중심 축을 따라 제1 미립자 상(백색)과 제2 미립자 상(흑색) 사이에 조성 구배를 나타낸다. 특정 실시예에서, 제1 미립자 상은 다결정 다이아몬드를 포함할 수 있는 반면, 제2 미립자 상은 WC를 포함할 수 있다. 제1 미립자 상 및 제2 미립자 상의 입자 크기는 상이한 실시예에서 달라질 수 있으며, 각 미립자 상마다 상이할 수 있는 것으로 이해된다. 실제, 제1 미립자 상 및 제2 미립자 상의 입자 크기는 최종 하나의 단일화된 부품에서 상이한 특성을 달성하기 위해 상이한 실시예에서 변조될 수 있다. 더욱이, 다양한 유형의 바인더가 그린-상태 혼합물(101)에 첨가될 수 있으며, 이는 설명의 명확성을 위해 도 1에 도시되지 않았다.
구체적으로, 그린-상태 혼합물(101)의 일 단부에서, 제1 부분(102)에는 제1 미립자 상이 상대적으로 풍부한 농도로 존재할 가질 수 있다. 일부 실시예에서, 제1 부분(102)의 적어도 일부는 제2 미립자 상을 포함하지 않을 수 있다. 제2 부분(104)에서 농도 구배는 제1 부분(102)으로부터 멀어지는 방향으로 제2 미립자 상의 농도가 증가하면서 시작될 수 있다. 따라서, 제2 부분(104)은 제1 미립자 상 및 제2 미립자 상을 모두 포함한다. 그린-상태 혼합물(101)에서 제1 부분(102)과 반대쪽 단부에 있는 제3 부분(106)에는 제2 미립자 상이 상대적으로 풍부한 농도로 존재할 수 있다. 일부 실시예에서, 제3 부분(106)의 적어도 일부는 제1 미립자 상을 포함하지 않을 수 있다. 특정한 농도 구배가 도 1에 도시되어 있지만, 원하는 바에 따라 선형, 포물선, 지수 함수 또는 다른 구배와 같은 다양한 유형의 농도 구배가 그린-상태 혼합물(101)에서 달성될 수 있다.
액체 바인더, 편석 액 또는 용매와 같은 액체가 편석 유도 동안 도입될 때, 편석된 혼합물이 그린-상태 재료로 압밀(consolidated) 되기 전에 과량의 액체가 제거되거나 건조될 수 있다. 그린-상태 재료에서, 원하는 조성 구배는 최종 소결 전에 미립자 상을 고정(immobilize)시키는 바인더에 의해 보존된다. 따라서, 그린-상태 재료는 일반적으로 제조되는 최종 PDC 커터보다 더 큰 크기 및 더 낮은 밀도를 갖는다. 그린-상태 재료는 원하는 형상으로 형성되고 나서, 최종 HTHP 소결 공정을 거쳐 PDC 비트용 PDC 커터를 형성할 수도 있다.
이제 도 2를 참조하면, 고체-상 바인더를 사용하여 PDC 커터를 제조하는 방법(200)의 일 실시예의 흐름도가 도시된다. 방법(200)에 도시된 동작들은 상이한 실시예들에서 재배열되거나 생략될 수 있는 것으로 이해된다.
방법(200)은 단계(204)에서 도 1의 편석 유도 반응기(100)와 같은 반응기에서 다결정 다이아몬드 미립자 및 WC 미립자를 고체 상 바인더와 결합시킴으로써 시작될 수 있다. 반응기는 또한 반응기 용기라고 지칭될 수 있다. 반응기는, 전술한 바와 같이, 유동층 편석 공정, 진동 층 편석 공정 및 전기 영동 편석 공정 중 적어도 하나의 편석 공정을 지원하거나 구현할 수 있다.
사용된 WC 미립자는 5 내지 20 중량%의 Co와 같은 적절한 양의 Co를 포함할 수 있으며, 이는 나중에 다결정 다이아몬드 입자들을 서로 결합시키는 촉매로서 작용한다. 일부 실시예에서, 코발트(Co), 니켈(Ni), 철(Fe) 또는 이들의 합금과 같은 VIII 족 금속 또는 합금 및 이들의 임의의 조합을 포함하는 촉매가 첨가될 수 있다. 별도의 상으로 존재하는 경우, 촉매는 다결정 다이아몬드 미립자와 크기가 유사한 입자로 존재할 수 있다.
일부 실시예에서, 고체 상 바인더는 단계(204) 전에 다결정 다이아몬드 미립자와 WC 미립자 중 적어도 하나에 도포되는 코팅물로서 도입된다. 바인더 코팅물의 두께 및 다결정 다이아몬드 미립자와 WC 미립자의 각 크기는 원하는 조성 구배를 얻기 위해 또는 다른 목적을 위해 변할 수 있다. 상이한 실시예에서, 상이한 크기의 입자(또는 분말)의 특정 분포(또는 혼합물)가 다결정 다이아몬드 미립자, WC 미립자 또는 이들 둘 모두에서 사용된다. 사용되는 미립자 크기는 다양할 수 있으며, 하나 이상의 미립자 크기가 사용될 수 있다. 미립자 크기는 예를 들어 입자를 하나 이상의 사이징 체(sizing sieve)에 통과시키거나 임의의 다른 방법에 의해 결정될 수 있다. 입자는 100 ㎛, 90 ㎛, 80 ㎛, 70 ㎛, 60 ㎛, 50 ㎛, 40 ㎛, 30 ㎛, 20 ㎛, 15 ㎛, 12 ㎛, 10 ㎛, 8 ㎛, 4 ㎛, 2 ㎛, 1 ㎛, 0.5 ㎛, 0.5 ㎛ 미만, 0.1 ㎛, 또는 0.1 ㎛ 미만, 또는 이들의 다양한 조합 등과 같은 다양한 크기를 포함할 수 있다.
일부 실시예에서, 고체 상 바인더는 단계(204)에서 반응기에서 다결정 다이아몬드 미립자 및 WC 미립자와 혼합되는 제3 미립자(또는 분말)이다. 바인더는 수지일 수 있다. 바인더 이외에, 후속하는 소결 공정 동안 Co의 이동 또는 확산 능력을 변경하기 위해 다른 재료가 단계(204)에서 첨가되거나 바인더와 미리 결합될 수 있는데, 이는 후술된 후속 HTHP 공정이 공정 변수의 변화율 면에서 제한될 수 있기 때문이다. 특히, 촉매가 계면 층을 통해 TSP로 과도하게 침윤(infiltration)되면 구배를 감소시켜 열 안정성을 감소시킬 수 있다. 바인더에 첨가되거나 바인더에 포함될 수 있는 Co 이동 억제제의 예는 특히 700 ℃를 초과하는 소결 공정 동안 탄화물을 형성할 수 있는, 특히 실리콘, 붕소, 티타늄, 하프늄, 지르코늄, 니오븀, 바나듐을 포함한다. 이러한 금속 이동 억제제는 다이아몬드의 소결을 도와주면서, 특히 규소 탄화물, 붕소 탄화물 등과 같은 그 자체로 극히 단단한 연마제인 결합 매트릭스를 생성할 수 있다. 또한, 이러한 결합 매트릭스는 다이아몬드와 거의 동일한 CTE를 가질 수 있고 화학적으로 비활성이어서 다이아몬드가 흑연으로 역변환되는 것에 촉매 작용을 하지 않는다. 또한, 결합 매트릭스의 존재로 인해 컴팩트의 횡방향 파열 강도(rupture strength)가 손상되지 않을 수 있다. 비-촉매 소결 보조제를 사용하는 것이 기재와 관련하여 설명되었지만, 기재가 사용되지 않는 상황에서 연마 컴팩트에 결합 매트릭스를 형성하는 것과 같은 다른 사용도 가능하다.
다양한 실시예에서, 구배 계면 층(gradient interfacial layer: GIL)은 적어도 하나의 추가적인 구성 요소 및 적어도 하나의 층을 갖게 추가적으로 형성될 수 있다. GIL의 조성 및 위치는 원하는 수준의 확산을 달성하기 위해 온도, 압력 및 다른 파라미터와 함께 조절될 수 있다.
비-촉매 소결 보조제가 특정 구현 예에서 사용될 수 있다. 비-촉매 소결 보조제는 코발트(촉매)의 것보다 낮은 융점을 초고압에서 가질 수 있고, 원소 실리콘 또는 그 합금을 포함할 수 있다. 비-촉매 소결 보조제는 간극(interstices)을 통해 컴팩트로 침윤될 수 있고, 가열 및 압력 사이클 동안 코발트가 기재로부터 방출되거나 침윤되기 전에 탄화물 형태 또는 비-촉매성 규화물 또는 붕화물 형태로 변환될 수 있다. 예를 들어, 적절한 양의 비-촉매 소결 보조제를 기재로부터 제거된 컴팩트의 표면에 인접하게 위치시킴으로써, 컴팩트 내의 간극은 HTHP 프레스 내의 온도가 약 1500 ℃의 코발트의 융점에 도달하는 시간까지 소결 보조제의 탄화물 형태로 원하는 범위로 충전될 수 있다. 이러한 방식으로, 방출시 코발트의 침윤 정도가 완화될 수 있다. 또한, 비-촉매 소결 보조제는 코발트와 접촉하기 전에 탄화물 또는 규화물 또는 붕화물 형태로 변환되기 때문에, 컴팩트와 기재 사이의 결합 억제 화학 반응이 방지될 수 있다. 다양한 실시예에서, 촉매 침윤 율의 다른 변형 수단이 사용될 수 있다.
다음 바인더 재료가 고체 형태로 도입되는 범위에서, 바인더는 에틸렌 비닐 아세테이트, 고밀도 폴리에틸렌, 저밀도 폴리에틸렌 및 폴리프로필렌과 같은 폴리올레핀; 에틸렌 에틸 아크릴레이트, 그래프트된 말레산 무수물 및 이오노머와 같은 작용화된 폴리올레핀; 카르나우바(carnauba), 꿀벌 왁스 및 꿀벌 왁스 블렌드와 같은 왁스; 열가소성 폴리우레탄; 폴리-아릴-에테르-에테르-케톤; 무수물 그래프트된 스티렌계 블록 공중합체와 같은 작용화된 스티렌계 블록 공중합체; 및 로진의 펜타에리스리톨 에스테르, 말레산 무수물로 변성된 로진의 글리세로-에스테르, 부분적으로 수소화된 검 로진(gum rosin), 발사믹 수지, 에스테르화된 열가소성 수지, 부분 중합된(이합체화된) 로진, 지방족 탄화수소 수지, 지방족 탄화수소 수지, 방향족 변성된 지방족 탄화수소 수지, 및 지환족 탄화수소 수지, 및 방향족 변성된 지환족 탄화수소 수지와 같은 점착제로 구성될 수 있다. 바인더는 평균 직경 또는 가장 긴 치수가 100 ㎛인 입자와 같은 입자로 존재할 수 있다.
상이한 실시예에서, 다른 바인더 재료는 다양한 조합으로 사용될 수 있다. 일부 실시예에서, 바인더는 수성 중합체, 겔화 중합체 및 무기 중합체를 포함하는 상이한 중합체를 포함할 수 있다. 겔화를 위한 중합체는 폴리비닐 알콜, 폴리에틸렌 글리콜, 폴리사카라이드(polysaccharide), 알긴산염, 셀룰로오스 또는 이들의 조합물을 포함하는 상이한 중합체를 포함할 수 있으며 수성일 수 있다. 무기 중합체 바인더는 실리콘을 포함할 수 있다. 일부 바인더는 왁스, 천연 오일, 광물 오일, 합성 오일 또는 이들의 혼합물을 포함할 수 있다. 특정 유기 바인더 재료의 예는 아세테이트(폴리에틸렌-부틸 아세테이트(PEBA), 에틸렌 비닐 아세테이트(EVA), 에틸렌 에틸 아세테이트), 글리콜 및 알콜(폴리에틸렌 글리콜(PEG), 폴리 비닐 알콜(PVA)), 카보네이트(폴리에틸렌 카보네이트(PEC), 폴리알킬렌 카보네이트(PAC), 폴리카보네이트, 폴리프로필렌 카보네이트(PPC)), 아크릴릭스(아크릴, 비닐 아크릴(PVA), 및 스티렌 아크릴), 및 폴리스티렌(PS), 폴리메틸 메타크릴레이트, 나일론, 폴리비닐 염화물, 폴리부텐, 및 폴리에스테르를 포함할 수 있다. 상이한 실시예에서, 바인더 재료는 HTHP 공정을 거친 후 최소량의 잔류물("숯"으로도 지칭됨)을 남기도록 선택될 수 있다.
그 다음, 단계(206)에서, 편석된 혼합물을 형성하기 위해 다결정 다이아몬드 미립자 및 WC 미립자의 편석 유도가 반응기에서 수행된다. 사용된 편석 공정의 유형 및 바인더 재료의 선택에 따라, 온도, 압력, 흐름률, 진동 주파수, 전류, 전압 등과 같은 하나 이상의 공정 파라미터가 편석 유도 동안 변경되거나 설정될 수 있다. 일부 경우에, 용매와 같은 추가적인 공정 첨가제가 편석 유도 동안 도입될 수 있다.
단계(206)의 완료시에, 편석된 혼합물은 도 1에 도시된 바와 같이 최종 PDC 요소에서와 같이 다결정 다이아몬드 및 WC의 조성 구배를 나타낸다. 조성 구배는 비-제한적인 예시적인 구배로서 40% 내지 60%의 다결정 다이아몬드, 1% 내지 5%의 다결정 다이아몬드 또는 90% 내지 98%의 다결정 다이아몬드와 같은 좁은 구배이고 나머지 부분은 WC로 구성된다는 것이 주목된다. 조성 구배는, 제1 면 또는 에지에서 편석된 혼합물이 다이아몬드가-풍부하거나 실질적으로 순수한 다이아몬드이고, 조성 구배의 반대쪽 단부에 있는 제2 면 또는 에지에서 편석된 혼합물은 WC가-풍부하거나 실질적으로 순수 WC이도록, 1% 초과 내지 99% 미만의 다결정 다이아몬드와 같은 넓은 구배일 수 있다.
추가적인 액체 첨가제가 단계(206)에서 사용될 때, 단계(208)는 단계(206) 후에 선택적으로 수행될 수 있다. 단계(208)에서, 편석된 혼합물의 액체 부분이 선택적으로 존재할 때 제거될 수 있다. 단계(208)는 반응기로부터 액체 부분을 제거하기 위해 (진공, 기체 흐름, 열 등을 사용하여) 기화, 배수, 또는 다른 공정 방법을 포함할 수 있다.
이후 단계(206) 또는 단계(208) 후에, 편석된 혼합물은 단계(210)에서 그린-상태 재료를 형성하도록 압밀된다. 단계(210)에서, 바인더는 다결정 다이아몬드 미립자와 WC 미립자를 고정시키기 위한 다양한 수단을 사용하여 분산되고 경화될 수 있으며, 이에 의해 조성 구배를 나타내는 기계적으로 및 화학적으로 안정된 그린-상태 재료를 생성할 수 있다. 단계(210)에서 압밀은 바인더를 응고(fix) 또는 경화시키기 위해 열, 압력, 방사선 또는 이들의 조합을 적용하는 단계를 포함할 수 있다. 그린-상태 재료에서, 바인더 재료는 다결정 다이아몬드 미립자 및 WC 미립자에 결합될 뿐만 아니라 다른 바인더 재료와 함께 결합된다. 다른 실시예에서, 그린-상태 재료는 상대적으로 낮은 다공성을 가질 수 있다. 그린-상태 재료는 다수의 최종 PDC 커터 부품이 제조될 수 있도록 단계(210)에서 벌크 재료로서 형성될 수 있다.
단계(212)에서, 그린-상태 재료는 원하는 형상으로 형성될 수 있다. 그린-상태 재료는 다양한 공정을 사용하여 기계 가공되거나 절단될 수 있다. 그린-상태 부분은 슬래브(slab), 판(plate), 막대(rod), 예비 성형품(preform) 또는 원재료(stock) 형태일 수 있다. 그린-상태 부분에 사용하기에 적합한 성형 및 형성 방법은 절삭, 전자빔, 단조, 열 처리 및 쇼트 피닝(shot peening)을 포함한다. 단계(204 내지 212)는 방법(200)의 후속 동작 또는 단계와 독립적으로 산업적 규모로 수행될 수 있다는 것이 주목된다. 이러한 방식으로, 그린-상태 재료의 원하는 형상은 나중에 저장되어 사용될 수 있는 반-완성된 제품으로 미리 제조될 수 있고, 이는 단계(204 내지 212)를 수행하는 최적의 경제적 규모를 구현함으로써 방법(200)의 경제적 장점에 상당히 기여할 수 있다.
최종적으로, 단계(214)에서 PDC 커터를 형성하기 위해 HTHP 소결 공정이 사용될 수 있다. PDC 커터는 단계(214)에서 2-층 또는 3-층 요소로 형성될 수 있다(또한 도 4a 및 도 4b 참조). 단계(214)에서 HTHP 소결 공정은 바인더를 제거하는 동시에 그린-상태 재료 내의 다결정 다이아몬드 미립자 및 WC 미립자를 함께 소결시키기 위해 단일 온도 및 압력 사이클을 포함할 수 있다. 일부 실시예에서, 최종 온도 및 압력 사이클을 다결정 다이아몬드 미립자 및 WC 미립자를 함께 소결하는데 사용하는 동안, 먼저 중간 온도 및 압력 사이클을 수행하여 그린-상태 재료로부터 바인더를 제거할 수 있다. HTHP 공정 동안, 바인더는 사용된 바인더의 유형에 따라 다양한 화학 공정에 의해 제거될 수 있다. 바인더는 (예를 들어, 휘발성 유기 화합물의 경우) 화학적으로 분해되거나 탄소로 환원될 수 있으며, 이 탄소는 HTHP 공정 동안 다이아몬드 구조물에 혼입된다. 바인더는 증발하여 가스로서 방출될 수 있다. 바인더의 일부 작은 잔류 부분 또는 부산물은 최소 임계값과 같은 허용 가능한 농도 한계 내에 남아 있을 수 있다.
HTHP 공정의 온도는 적어도 1000 ℃, 적어도 1200 ℃ 또는 적어도 1600 ℃ 일 수 있고, 압력은 적어도 4.0 GPa, 5.0 GPa 내지 15 GPa 또는 7.5 GPa 내지 11 GPa일 수 있다. HTHP 공정은 도 1에 도시된 바와 같이 WC 미립자로 소결된 조성 구배를 형성하기 위해 다결정 다이아몬드 미립자를 소결시키기에 충분한 시간 기간 동안 발생할 수 있다. 일 예에서, 고온 고압 공정의 압력은 8 GPa 내지 10 GPa이며 온도는 1150 ℃ 내지 1450 ℃이다. HTHP 공정에서 사용된 상기 압력 값은 초고압 프레스로부터의 압력을 전달하는 압력 전달 매체 내의 압력을 지칭한다.
HTHP 공정 동안, 그린-상태 재료에 존재하는 촉매는 액화되어, 소결된 다결정 다이아몬드를 형성하도록 직접 결합된 다이아몬드 그레인(grain)들이 형성되는 것에 촉매 작용을 한다. 단계(214)의 주어진 실시예에서, 추가적인 침출 단계는 HTHP 공정 후에 남아 있는 임의의 촉매 또는 바인더를 제거하기 위해 수행될 수 있다. 이러한 추가적인 침출은 가능한 한 다결정 다이아몬드 층으로 연장되거나, 또는 다결정 다이아몬드 상(phase)의 작업 표면 또는 측면 표면과 같은 표면에 한정될 수 있다.
소결 후에, PDC 커터는 랩핑(lapping) 공정과 같은 평탄화 공정을 거칠 수 있다. 대안적으로, 연삭(grinding) 공정은 부착을 위해 대응하는 비-평면 표면을 갖는 다른 요소에 결합하기 위한 비-평면 표면을 생성하는데 사용될 수 있다.
본 명세서에 설명된 PDC 요소는 최종 PDC 커터를 형성하기 전에 품질 검사를 받을 수 있다. 품질 검사는 시각적, 음파적, 방사선 검사, 예를 들어, 컴퓨터 단층 촬영(CT), 및 비-방사선 검사를 포함할 수 있다.
이제 도 3을 참조하면, 유체-상 바인더를 사용하여 PDC 커터를 제조하는 방법(300)의 일 실시예의 흐름도가 도시된다. 방법(300)에 도시된 동작들은 상이한 실시예들에서 재배열되거나 생략될 수 있는 것으로 이해된다.
방법(300)은 단계(304)에서 도 1의 편석 유도 반응기(100)와 같은 반응기에서 다결정 다이아몬드 미립자 및 WC 미립자를 결합함으로써 시작될 수 있다. 반응기는 또한 반응기 용기로 지칭될 수 있다. 반응기는, 전술한 바와 같이, 유동층 편석 공정, 진동 층 편석 공정 및 전기 영동 편석 공정 중 적어도 하나를 지원하거나 구현할 수 있다. 도 2의 방법(200)과 관련하여 전술한 바와 같이, WC 미립자는 촉매를 포함할 수 있거나, 또는 촉매가 추가적인 상으로서 첨가될 수 있다.
이후, 단계(306)에서, 다결정 다이아몬드 미립자 및 WC 미립자의 편석 유도가 편석된 혼합물을 형성하기 위해 반응기에서 수행된다. 사용된 편석 공정의 유형에 따라, 온도, 압력, 흐름률, 진동 주파수, 전류, 전압 등과 같은 하나 이상의 공정 파라미터가 편석 유도 동안 변경되거나 설정될 수 있다.
단계(308)에서, 유체 바인더가 반응기에 도입될 수 있다. 방법(200)에서 사용된 바인더 재료가 유체 형태로 이용 가능한 범위에서, 바인더는 도 2와 관련하여 앞서 나열된 조성물을 포함할 수 있다. 유체 바인더는 액체 상일 수 있거나, 또는 용매 내에 용해된 액체 상일 수 있다. 바인더는 다우 케미칼사(Dow Chemical Company)(Midland, MI, USA)로부터 HYPODTM 폴리올레핀 분산액과 같은 폴리올레핀 분산액일 수 있다. 바인더는 에멀전, 예를 들어, 라텍스일 수 있다. 바인더는 예를 들어 반응기 온도가 사용된 수지의 용융을 제공할 때 수지 용융물일 수 있다.
단계(306)의 완료시, 편석된 혼합물은 도 1에 도시된 바와 같이 최종 PDC 요소에서와 같은 다결정 다이아몬드 및 WC의 조성 구배를 나타낸다. 이 조성 구배는 비-제한적인 예시적인 구배로서 40% 내지 60%의 다결정 다이아몬드, 1% 내지 5%의 다결정 다이아몬드 또는 90% 내지 98%의 다결정 다이아몬드와 같은 좁은 구배이고 나머지 부분은 WC로 구성된다는 것이 주목된다. 조성 구배는, 제1 면 또는 에지에서 편석된 혼합물이 다이아몬드가-풍부하거나 실질적으로 순수한 다이아몬드이고, 조성 구배의 반대쪽 단부의 제2 면 또는 에지에서 편석된 혼합물이 WC가-풍부하거나 또는 실질적으로 순수한 WC이도록, 1% 초과 내지 99% 미만의 다결정 다이아몬드와 같은 넓은 구배일 수 있다.
이후, 단계(309)에서, 반응기 및 편석된 혼합물로부터 과량의 유체가 제거될 수 있다. 과량의 유체는 미사용된 상태로 남아있는 바인더의 용매 또는 액체 부분일 수 있다. 이후, 단계(309) 후에, 편석된 혼합물은 단계(310)에서 그린-상태 재료를 형성하도록 압밀된다. 단계(310)에서 다결정 다이아몬드 미립자 및 WC 미립자를 고정시키기 위한 다양한 수단을 사용하여 바인더는 분산되고 경화되어, 이에 의해 조성 구배를 나타내는 기계적 및 화학적으로 안정된 그린-상태 재료를 생성할 수 있다. 단계(310)에서의 압밀는 바인더를 응고 또는 경화시키기 위해 열, 압력, 복사선 또는 이들의 조합을 적용하는 단계를 포함할 수 있다. 따라서, 단계(310)에서 유체 바인더를 갖는 편석된 혼합물의 압밀은 냉각을 통한 고화(solidification) 또는 경화와 같은 상 변화일 수 있다. 단계(310)에서 유체 바인더를 갖는 편석된 혼합물의 압밀은 경화 또는 가교 결합(가황)과 같은 화학적 변화일 수 있다. 단계(310)에서 유체 바인더를 갖는 편석된 혼합물의 압밀은 용매의 증발과 같은 상 분리일 수 있다.
그린-상태 재료에서, 바인더 재료는 다결정 다이아몬드 미립자 및 WC 미립자에 결합될 뿐만 아니라 다른 바인더 재료와 함께 결합된다. 다른 실시예에서, 그린-상태 재료는 상대적으로 낮은 다공성을 가질 수 있다. 그린-상태 재료는 다수의 최종 PDC 커터 부품이 제조될 수 있도록 단계(310)에서 벌크 재료로서 형성될 수 있다.
방법(300)에서 그린-상태 재료의 처리는 방법(200)과 관련하여 전술한 상응하는 동작 및 단계와 실질적으로 유사할 수 있다. 따라서, 전술한 바와 같이 단계(212 및 214)를 포함하는 방법(300)이 도시된다.
이제 도 4a를 참조하면, PDC 커터를 제조하기 위한 HTHP 공정을 위한 3-층 조립체(400)가 도시된다. 3-층 조립체(400)는 단계(214)에서 HTHP 공정으로 도입될 수 있다. 3-층 조립체(400)는 열적으로 안정된 다결정(TSP) 절삭 층(402), 그린-상태 층(404) 및 WC 기재(406)를 포함할 수 있다. 그린-상태 층(404)은, 도 2 및 도 3에서 단계(214) 후에 형성된 바와 같이 연속적인 조성 구배를 갖는 성형된 그린-상태 재료일 수 있다. 도시된 바와 같이, 3-층 조립체(400)는 본 명세서에 설명된 바와 같이 TSP 절삭 층(402)을 갖는 PDC 커터를 형성하기 위해 WC 기재(406)를 TSP 절삭 층(402)에 결합시키는 그린-상태 층(404)을 포함할 수 있다. WC 기재(406)와 접촉하는 그린-상태 층(404)의 제1 면에서, 그린-상태 층(404)은 연속적인 조성 구배에서 WC의 최대 농도를 가질 수 있다. TSP 절삭 층(402)과 접촉하는 그린-상태 층(404)의 제2 면에서, 그린-상태 층(404)은 연속적인 조성 구배에서 다이아몬드의 최대 농도를 가질 수 있다. 그린-상태 층(404)은 점진적인 조성 구배를 갖는 다결정 다이아몬드/WC 복합체로 변환되기 때문에, 3-층 조립체(400)는 상당한 이산 조성 경계를 갖지 않을 수 있고, 따라서 층(402, 404 및 406)들 중에 및 층들 간에 및 층들 내에 CTE 불매치를 거의 또는 전혀 나타내지 않을 수 있다.
이제 도 4b를 참조하면, PDC 커터를 제조하기 위한 HTHP 공정을 위한 2-층 조립체(401)가 도시된다. 2-층 조립체(401)는 단계(214)에서 HTHP 공정으로 도입될 수 있다. 2-층 조립체(401)는 그린-상태 층(408) 및 WC 기재(410)를 포함할 수 있다. 그린-상태 층(408)은 도 2 및 도 3에서 단계(214) 후에 형성된 바와 같이 연속적인 조성을 갖는 성형된 그린-상태 재료일 수 있다. 도시된 바와 같이, 2-층 조립체(401)는 본 명세서에 설명된 바와 같이 WC가-풍부한 표면에서 WC 기재(410)에 본딩하기 위해 그린-상태 층(408)을 포함할 수 있는 반면, 그린-상태 층(408)의 다이아몬드가-풍부한 표면은 절삭 표면을 형성하는데 사용될 수 있다. WC 기재(410)와 접촉하는 그린-상태 층(408)의 제1 면에서, 그린-상태 층(408)은 연속적인 조성 구배에서 WC의 최대 농도를 가질 수 있다. 그린-상태 층(408)은 점진적인 조성 구배를 갖는 다결정 다이아몬드/WC 복합체로 변환되기 때문에, 2-층 조립체(401)는 상당한 이산 조성 경계를 갖지 않을 수 있고, 따라서 층(408 및 410)들 중에 및 층들 간에 및 층들 내에 CTE 불일치를 거의 또는 전혀 나타내지 않을 수 있다.
이제 도 5를 참조하면, 본 명세서에 설명된 바와 같이, 편석 유도 제조 방법에 따라 형성된 PDC 커터를 포함하는 굴착용 드릴 비트(500)가 도시된다. 도 5에서, 굴착용 드릴 비트(500)는 드릴 비트 몸체(570)에 결합된 복수의 커터(580)를 포함하는 고정 커터 드릴 비트로서 도시된다. 도 5에 도시된 실시예에서, 굴착용 드릴 비트(300)는 5개의 블레이드(502)를 구비한다. 일부 응용에서, 본 발명의 개시 내용을 포함하는 고정 커터 드릴 비트 상에 배치된 블레이드의 수는 4개 내지 8개 이상의 블레이드로 변할 수 있다.
커터(580)들 중 적어도 하나는 본 명세서에 설명된 편석 유도 제조 방법들 중 임의의 방법에 따라 형성된 PDC 커터일 수 있다. 굴착용 드릴 비트(500)는 연장되는 복수의 블레이드(502)를 갖는 비트 몸체(570)를 포함할 수 있다. 비트 몸체(570)는 강철, 강철 합금, 매트릭스 재료 또는 원하는 강도, 인성 및 기계 가공성의 다른 적절한 비트 몸체 재료로 형성될 수 있다. 비트 몸체(570)는 원하는 마모 및 침식 특성을 갖도록 형성될 수 있다. 커터(580)는 본 발명의 방법을 사용하거나 다른 방법을 사용하여 비트 상에 장착될 수 있다. 예를 들어, 커터(580)에 포함된 WC 기재는 블레이드(502)에 브레이징될 수 있다. 커터(580)는 게이지 구역(gage region)(520), 비-게이지 구역, 또는 이들 둘 모두에 위치될 수 있다.
굴착용 드릴 비트(500)와 관련된 드릴링 동작은 비트 몸체(570)가 연관된 드릴 스트링(drill string)(명시적으로 도시되지 않음)의 회전에 응답하여 유정 보어의 바닥(명시적으로 도시되지 않음)에 대해 회전할 때 발생할 수 있다. 관련된 블레이드(502) 상에 배치된 적어도 일부 커터(580)는 다운홀(downhole) 형성부(명시적으로 도시되지 않음) 드릴링의 인접한 부분과 접촉할 수 있다. 다양한 형태 및 형상의 PDC 커터는 또한 노즐 부근 영역, 정크 슬롯(junk slot) 영역, 또는 절삭 제어 구역의 댐핑 또는 깊이 영역을 포함하는 높은 마모 영역과 같은 드릴 비트(500)의 다른 부분(명시적으로 도시되지 않음)에 부착될 수 있다.
본 명세서에 개시된 바와 같이, 다결정 다이아몬드 컴팩트(PDC) 커터를 제조하는 재료 편석 유도 방법은 한 면에서 최대 WC 농도로부터 다른 면에서 최대 다이아몬드 농도로 가는 점진적인 조성 구배를 갖는 다결정 다이아몬드/텅스텐 탄화물(WC) 복합체 재료를 형성할 수 있다. 조성 구배가 점진적이기 때문에 열 팽창 계수의 불일치가 거의 없거나 전혀 없으므로 PDC 커터의 서비스 수명이 향상된다.
일 양태에서, 제1 개시된 방법은 다결정 다이아몬드 컴팩트(PDC) 커터를 제조하는 것이다. 상기 제1 방법은 다결정 다이아몬드 미립자, 기재 재료의 미립자(기재 미립자) 및 바인더를 반응기에 도입하는 단계를 포함한다. 상기 제1 방법에서, 상기 바인더는 실온에서 고체 상 재료이다. 상기 제1 방법은 편석된 혼합물의 축을 따라 상기 다결정 다이아몬드 미립자 및 상기 기재 재료의 미립자의 연속적인 조성 구배를 갖는 편석된 혼합물을 형성하기 위해 상기 반응기에서 상기 다결정 다이아몬드 미립자 및 상기 기재 재료의 미립자의 편석 유도를 수행하는 단계를 더 포함한다. 상기 제1 방법은 상기 바인더가 상기 다결정 다이아몬드 미립자 및 상기 기재 재료의 미립자를 그린-상태 재료로 고정시키는 것을 포함하여 상기 편석된 혼합물을 압밀하여 상기 그린-상태 재료를 형성하는 단계를 더 포함한다. 상기 제1 방법은 HTHP 소결 공정 동안 소결 공정 조건을 적용하여 상기 바인더를 제거하는 것을 포함하여, 상기 그린-상태 재료에 고온 고압(HTHP) 소결 공정을 수행하여 상기 PDC 커터를 형성하는 단계를 더 포함한다.
상기 개시된 실시예들 중 임의의 실시예에서, 상기 제1 방법은 상기 바인더를, 상기 반응기 내로 도입되기 전에, 상기 다결정 다이아몬드 미립자 및 상기 기재 재료의 미립자 중 적어도 하나에 대한 코팅물로서 도포하는 단계를 포함할 수 있다. 상기 제1 방법의 개시된 실시예들 중 임의의 실시예에서, 상기 바인더는 수지일 수 있다. 상기 제1 방법의 개시된 실시예들 중 임의의 실시예에서, 상기 바인더는 상기 HTHP 소결 공정에 사용되는 촉매의 확산을 변경하는 재료를 포함할 수 있다.
상기 제1 방법의 개시된 실시예들 중 임의의 실시예에서, 상기 편석 유도를 수행하는 단계는, 유동층 편석 공정; 진동 층 편석 공정; 및 전기 영동 편석 공정 중 적어도 하나를 사용하는 단계를 포함한다. 상기 제1 방법에서, 상기 기재 재료의 미립자는 텅스텐 탄화물(WC)을 포함할 수 있다.
상기 제1 방법의 개시된 실시예들 중 임의의 실시예에서, 상기 편석 유도를 수행하는 단계는 축의 일 단부에서 WC가-풍부한 상으로 시작하여 상기 축의 타 단부에서 다결정 다이아몬드가-풍부한 상으로 종료하는 연속적인 조성 구배를 갖는 편석된 혼합물을 형성하는 단계를 포함할 수 있다.
상기 개시된 실시예들 중 임의의 실시예에서, 상기 제1 방법은 상기 그린-상태 재료를 원하는 형상으로 기계적으로 형성하는 단계를 포함할 수 있다.
상기 제1 방법의 개시된 실시예들 중 임의의 실시예에서, 상기 HTHP 소결 공정을 수행하는 단계는 상기 그린-상태 재료의 제1 면에서 WC 기재에 인접하게 상기 그린-상태 재료를 배치하는 단계를 포함할 수 있다. 상기 제1 방법에서, 상기 제1 면은 상기 연속적인 조성 구배에서 WC의 최대 농도를 가질 수 있다.
상기 제1 방법의 개시된 실시예들 중 임의의 실시예에서, 상기 HTHP 소결 공정을 수행하는 단계는 상기 제1 면과 반대쪽 상기 그린-상태 재료의 제2 면에 열적으로 안정된 다결정 다이아몬드 기재에 인접하게 상기 그린-상태 재료를 배치하는 단계를 포함할 수 있다. 상기 제1 방법에서, 상기 제2 면은 상기 연속적인 조성 구배에서 다결정 다이아몬드의 최대 농도를 가질 수 있다.
상기 개시된 실시예들 중 임의의 실시예에서, 상기 제1 방법은 상기 HTHP 소결 공정을 수행하기 전에 상기 그린-상태 재료를 제조하고 저장하는 단계를 포함할 수 있다.
상기 제1 방법의 개시된 실시예들 중 임의의 실시예에서, 상기 HTHP 공정을 수행하는 단계는 제1 온도 및 제1 압력이 적용되는 중간 단계를 수행하여 상기 바인더를 제거하는 단계, 및 제2 온도 및 제2 압력이 적용되는 최종 단계를 수행하여 상기 PDC 커터를 소결하는 단계를 포함할 수 있다.
다른 양태에서, 제2 개시된 방법은 다결정 다이아몬드 컴팩트(PDC) 커터를 제조하는 것이다. 상기 제2 방법은 다결정 다이아몬드 미립자 및 기재 재료의 미립자를 반응기에 도입하는 단계를 포함한다. 상기 제2 방법은 편석된 혼합물의 축을 따라 상기 다결정 다이아몬드 미립자 및 상기 기재 재료의 미립자의 연속적인 조성 구배를 갖는 편석된 혼합물을 형성하기 위해 상기 반응기에서 상기 다결정 다이아몬드 미립자 및 상기 기재 재료의 미립자의 편석 유도를 수행하는 단계를 더 포함한다. 상기 제2 방법은 또한 상기 편석 유도를 수행한 후, 상기 반응기에 상기 바인더를 도입하는 단계를 더 포함한다. 상기 제2 방법에서, 상기 바인더는 상기 반응기에서 유체 상 재료이다. 상기 제2 방법은 상기 바인더가 상기 다결정 다이아몬드 미립자 및 상기 기재 재료의 미립자를 상기 그린-상태 재료에 고정시키는 것을 포함하여 상기 편석된 혼합물을 압밀하여 그린-상태 재료를 형성하는 단계를 더 포함한다. 상기 제2 방법은 HTHP 소결 공정 동안 소결 공정 조건을 적용하여 상기 바인더를 제거하는 것을 포함하여, 상기 그린-상태 재료에 상기 고온 고압(HTHP) 소결 공정을 수행하여 상기 다결정 다이아몬드 공구 요소를 형성하는 단계를 더 포함한다.
상기 제2 방법의 개시된 실시예들 중 임의의 실시예에서, 상기 바인더는 액체 상, 분산액, 에멀전 및 수지 용융물 중 적어도 하나를 포함한다.
상기 개시된 실시예들 중 임의의 실시예에서, 상기 제2 방법은 상기 편석된 혼합물을 압밀하기 전에 상기 반응기로부터 과량의 유체를 제거하는 단계를 포함할 수 있다. 상기 제2 방법에서, 상기 편석된 혼합물을 압밀하는 단계는 상 변화를 유도하여 상기 바인더를 고화시키는 단계, 화학적 변화를 유도하여 상기 바인더를 고화시키는 단계 및 상기 바인더를 용해시키는 용매를 제거하는 단계 중 적어도 하나로부터 선택되는 압밀화 메커니즘을 더 포함할 수 있다.
상기 제2 방법의 개시된 실시예들 중 임의의 실시예에서, 상기 편석 유도를 수행하는 단계는 유동층 편석 공정; 진동 층 편석 공정; 및 전기 영동 편석 공정 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.
상기 개시된 실시예들 중 임의의 실시예에서, 상기 제2 방법은 상기 그린-상태 재료를 원하는 형상으로 기계적으로 형성하는 단계를 포함할 수 있다.
상기 제2 방법의 개시된 실시예들 중 임의의 실시예에서, 상기 기재 재료의 미립자는 탄화 텅스텐(WC)을 포함할 수 있다. 상기 개시된 실시예들 중 임의의 실시예에서, 상기 제2 방법은 축의 일 단부에서 WC가-풍부한 상으로 시작하여 상기 축의 타 단부에서 다결정 다이아몬드가-풍부한 상으로 종료하는 연속적인 조성 구배를 갖는 편석된 혼합물을 형성하는 단계를 포함할 수 있다. 상기 제2 방법의 개시된 실시예들 중 임의의 실시예에서, 상기 HTHP 소결 공정을 수행하는 단계는 상기 그린-상태 재료의 제1 면에서 WC 기재에 인접하게 상기 그린-상태 재료를 배치하는 단계를 포함할 수 있다. 상기 제2 방법에서, 상기 제1 면은 상기 연속적인 조성 구배에서 WC의 최대 농도를 가질 수 있다.
상기 제2 방법의 개시된 실시예들 중 임의의 실시예에서, 상기 HTHP 소결 공정을 수행하는 단계는 상기 제1 면과 반대쪽 상기 그린-상태 재료의 제2 면에서 열적으로 안정된 다결정 다이아몬드 기재에 인접하게 상기 그린-상태 재료를 배치하는 단계를 포함할 수 있다. 상기 제2 방법에서, 상기 제2면은 상기 연속적인 조성 구배에서 상기 다결정 다이아몬드의 최대 농도를 가질 수 있다.
상기 개시된 실시예들 중 임의의 실시예에서, 상기 제2 방법은 상기 HTHP 소결 공정을 수행하기 전에 상기 그린-상태 재료를 제조 및 저장하는 단계를 포함할 수 있다.
상기 제2 방법의 개시된 실시예들 중 임의의 실시예에서, 상기 HTHP 공정을 수행하는 단계는 제1 온도 및 제1 압력이 적용되는 중간 단계를 수행하여 상기 바인더를 제거하는 단계, 및 제2 온도 및 제2 압력이 적용되는 최종 단계를 수행하여 PDC 커터를 소결하는 단계를 포함할 수 있다.
본 발명의 예시적인 실시예들이 앞서 구체적으로 설명되었지만, 본 발명의 사상 및 범위를 벗어나지 않고 이들 실시예에 변형 및 변경이 가능한 것으로 이해된다. 예를 들어 다른 산업용 장치에 PDC 커터를 사용하는 것은 드릴 비트의 예를 참조하는 것에 의해 결정될 수 있다.

Claims (21)

  1. 다결정 다이아몬드 컴팩트(polycrystalline diamond compact: PDC) 커터를 제조하는 방법으로서,
    다결정 다이아몬드 미립자, 기재 재료(substrate material)의 미립자, 및 실온에서 고체 상 재료인 바인더를 반응기 내에 도입하는 단계;
    상기 반응기에서 상기 다결정 다이아몬드 미립자 및 상기 기재 재료의 미립자의 편석 유도(induced segregation)를 수행하여, 편석된 혼합물의 축을 따라 상기 다결정 다이아몬드 미립자 및 상기 기재 재료의 미립자의 연속적인 조성 구배를 갖는 상기 편석된 혼합물을 형성하는 단계;
    상기 바인더가 상기 다결정 다이아몬드 미립자 및 상기 기재 재료의 미립자를 그린-상태(green-state) 재료로 고정시키는 것을 포함하여 상기 편석된 혼합물을 압밀(consolidating)하여 상기 그린-상태 재료를 형성하는 단계; 및
    고온 고압(HTHP: high temperature high pressure) 소결 공정 동안 소결 공정 조건을 적용하여 상기 바인더를 제거하는 것을 포함하여, 상기 그린-상태 재료에 상기 고온 고압(HTHP) 소결 공정을 수행하여 상기 PDC 커터를 형성하는 단계를 포함하는, 다결정 다이아몬드 컴팩트 커터를 제조하는 방법.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 바인더를, 상기 반응기 내로 도입되기 전에, 상기 다결정 다이아몬드 미립자 및 상기 기재 재료의 미립자 중 적어도 하나에 대한 코팅물로서 도포하는 단계를 더 포함하는, 다결정 다이아몬드 컴팩트 커터를 제조하는 방법.
  3. 제1항에 있어서, 상기 바인더는 상기 고온 고압(HTHP) 소결 공정에 사용되는 촉매의 이동 또는 확산을 억제하는 재료를 포함하는, 다결정 다이아몬드 컴팩트 커터를 제조하는 방법.
  4. 제1항에 있어서, 상기 편석 유도를 수행하는 것은,
    유동층 편석 공정; 진동 층 편석 공정; 및 전기 영동 편석 공정 중 적어도 하나를 사용하는 것을 더 포함하는, 다결정 다이아몬드 컴팩트 커터를 제조하는 방법.
  5. 제1항에 있어서, 상기 기재 재료의 미립자는 탄화 텅스텐(WC)을 포함하고, 상기 바인더는 수지인, 다결정 다이아몬드 컴팩트 커터를 제조하는 방법.
  6. 제5항에 있어서, 상기 편석 유도를 수행하는 것은,
    상기 축의 일 단부에서 WC가-풍부한 상(WC-rich phase)으로 시작하여 상기 축의 타 단부에서 다결정 다이아몬드가-풍부한 상(polycrystalline diamond-rich phase)으로 종료하는 상기 연속적인 조성 구배를 갖는 상기 편석된 혼합물을 형성하는 것을 더 포함하는, 다결정 다이아몬드 컴팩트 커터를 제조하는 방법.
  7. 제5항에 있어서, 상기 고온 고압(HTHP) 소결 공정을 수행하는 것은,
    상기 그린-상태 재료의 제1 면에서 WC 기재에 인접하게 상기 그린-상태 재료를 배치하는 것을 더 포함하고, 상기 제1 면은 상기 연속적인 조성 구배에서 WC의 최대 농도를 갖는, 다결정 다이아몬드 컴팩트 커터를 제조하는 방법.
  8. 제7항에 있어서, 상기 고온 고압(HTHP) 소결 공정을 수행하는 것은,
    상기 제1 면과 반대쪽인 상기 그린-상태 재료의 제2 면에서 열적으로 안정된 다결정 다이아몬드 기재에 인접하게 상기 그린-상태 재료를 배치하는 것을 더 포함하고, 상기 제2 면은 상기 연속적인 조성 구배에서 다결정 다이아몬드의 최대 농도를 갖는, 다결정 다이아몬드 컴팩트 커터를 제조하는 방법.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 그린-상태 재료를 원하는 형상으로 기계적으로 형성하는 단계를 더 포함하는, 다결정 다이아몬드 컴팩트 커터를 제조하는 방법.
  10. 제1항에 있어서,
    상기 고온 고압(HTHP) 소결 공정을 수행하기 전에 상기 그린-상태 재료를 제조하고 저장하는 단계를 더 포함하는, 다결정 다이아몬드 컴팩트 커터를 제조하는 방법.
  11. 제1항에 있어서, 상기 고온 고압(HTHP) 소결 공정을 수행하는 것은,
    제1 온도 및 제1 압력이 적용되는 중간 단계를 수행하여 상기 바인더를 제거하는 것; 및
    제2 온도 및 제2 압력이 적용되는 최종 단계를 수행하여 PDC 커터를 소결하는 것을 더 포함하는, 다결정 다이아몬드 컴팩트 커터를 제조하는 방법.
  12. 다결정 다이아몬드 컴팩트(PDC) 커터를 제조하는 방법으로서,
    다결정 다이아몬드 미립자 및 기재 재료의 미립자를 반응기 내에 도입하는 단계;
    상기 반응기에서 상기 다결정 다이아몬드 미립자 및 상기 기재 재료의 미립자의 편석 유도를 수행하여, 편석된 혼합물의 축을 따라 상기 다결정 다이아몬드 미립자 및 상기 기재 재료의 미립자의 연속적인 조성 구배를 갖는 상기 편석된 혼합물을 형성하는 단계;
    상기 편석 유도를 수행한 후, 상기 반응기 내에서 유체-상 재료인 바인더를 상기 반응기에 도입하는 단계;
    상기 바인더가 상기 다결정 다이아몬드 미립자 및 상기 기재 재료의 미립자를 그린-상태 재료로 고정시키는 것을 포함하여, 상기 편석된 혼합물을 압밀하여 상기 그린-상태 재료를 형성하는 단계; 및
    고온 고압(HTHP) 소결 공정 동안 소결 공정 조건을 적용하여 상기 바인더를 제거하는 것을 포함하여, 상기 그린-상태 재료에 상기 고온 고압(HTHP) 소결 공정을 수행하여 다결정 다이아몬드 공구 요소를 형성하는 단계를 포함하는, 다결정 다이아몬드 컴팩트 커터를 제조하는 방법.
  13. 제12항에 있어서, 상기 바인더는,
    액체 상;
    분산액;
    에멀전; 및
    수지 용융물 중 적어도 하나를 포함하는, 다결정 다이아몬드 컴팩트 커터를 제조하는 방법.
  14. 제12항에 있어서,
    상기 편석된 혼합물을 압밀하기 전에, 과량의 유체를 상기 반응기로부터 제거하는 단계를 더 포함하고,
    상기 편석된 혼합물을 압밀하는 것은,
    상 변화를 유도하여 상기 바인더를 고화(solidify)시키는 것;
    화학적 변화를 유도하여 상기 바인더를 고화시키는 것; 및
    상기 바인더를 용해시키는 용매를 제거하는 것
    중 적어도 하나로부터 선택된 압밀화 메커니즘을 더 포함하는, 다결정 다이아몬드 컴팩트 커터를 제조하는 방법.
  15. 제12항에 있어서, 상기 편석 유도를 수행하는 것은,
    유동층 편석 공정; 진동 층 편석 공정; 및 전기 영동 편석 공정 중 적어도 하나를 사용하는 것을 더 포함하는, 다결정 다이아몬드 컴팩트 커터를 제조하는 방법.
  16. 제12항에 있어서,
    상기 그린-상태 재료를 원하는 형상으로 기계적으로 형성하는 단계를 더 포함하는, 다결정 다이아몬드 컴팩트 커터를 제조하는 방법.
  17. 제12항에 있어서, 상기 기재 재료의 미립자는 텅스텐 탄화물(WC)을 포함하고, 상기 편석 유도를 수행하는 것은,
    상기 축의 일 단부에서 WC가-풍부한 상으로 시작하여 상기 축의 타 단부에서 다결정 다이아몬드가-풍부한 상으로 종료하는 상기 연속적인 조성 구배를 갖는 상기 편석된 혼합물을 형성하는 것을 더 포함하는, 다결정 다이아몬드 컴팩트 커터를 제조하는 방법.
  18. 제17항에 있어서, 상기 고온 고압(HTHP) 소결 공정을 수행하는 것은,
    상기 그린-상태 재료의 제1 면에서 WC 기재에 인접하게 상기 그린-상태 재료를 배치하는 것을 더 포함하고, 상기 제1 면은 상기 연속적인 조성 구배에서 WC의 최대 농도를 갖는, 다결정 다이아몬드 컴팩트 커터를 제조하는 방법.
  19. 제18항에 있어서, 상기 고온 고압(HTHP) 소결 공정을 수행하는 것은,
    상기 제1 면과 반대쪽 상기 그린-상태 재료의 제2 면에서 열적으로 안정된 다결정 다이아몬드 기재에 인접하게 상기 그린-상태 재료를 배치하는 것을 더 포함하고, 상기 제2 면은 상기 연속적인 조성 구배에서 다결정 다이아몬드의 최대 농도를 갖는, 다결정 다이아몬드 컴팩트 커터를 제조하는 방법.
  20. 제12항에 있어서,
    상기 고온 고압(HTHP) 소결 공정을 수행하기 전에 상기 그린-상태 재료를 제조하고 저장하는 단계를 더 포함하는, 다결정 다이아몬드 컴팩트 커터를 제조하는 방법.
  21. 제12항에 있어서, 상기 고온 고압(HTHP) 소결 공정을 수행하는 것은,
    제1 온도 및 제1 압력이 적용되는 중간 단계를 수행하여 상기 바인더를 제거하는 것; 및
    제2 온도 및 제2 압력이 적용되는 최종 단계를 수행하여 PDC 커터를 소결하는 것을 더 포함하는, 다결정 다이아몬드 컴팩트 커터를 제조하는 방법.
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