NO331639B1

NO331639B1 - Polykrystallinsk diamant med hoy volumdensitet og med arbeidsflater hovedsakelig uten katalyserende materiale

Info

Publication number: NO331639B1
Application number: NO20031253A
Authority: NO
Inventors: Peter Raymond Hughes; Nigel Dennis Griffin
Original assignee: Camco Int Uk Ltd
Priority date: 2000-09-20
Filing date: 2003-03-19
Publication date: 2012-02-13
Also published as: NO20031254D0; NO20031253D0; IL154979A; NO20031254L; EP1191001A2; IL154978A0; DE60119646D1; NO20031253L; IL154979A0; NO331036B1; DE60119646T2; EP1191001A3; IL154978A; EP1191001B1

Abstract

Det omtales en polykrystallin-diamant eller diamantlignende element med betydelig forbedret slitemotstand uten tap av slagstyrke. Disse elementene er formet med et bindekatalyserende material i en høytemperatur, høytrykks- (HTHP)-prosess. PCD-elementet har et legeme med et antall bundne diamant eller diamantlignende krystaller som danner en sammenhengende diamantmatrise som har en diamant-volumdensitet større enn 85%. Små mellomrom blant diamant-krystallene danner en sammenhengende interstitial matrise inneholdende et katalyserende material. Diamantmatriselaget er formet og integrert bundet med et metallisk substrat inneholdende det katalyserende materialet under HTHP-prosessen. Diamant-matriselegemet har en arbeidsoverflate, hvor en del av den interstitiale matrisen i legemet tilstøtende arbeidsoverflaten hovedsakelig er fri for det katalyserende materialet, og den gjenværende interstitiale matrisen inneholder det katalyserende materialet. Vanligvis er mindre enn omtrent 70% av legemet til diamant-matriselaget fritt for det katalyserende materialet.

Description

Foreliggende oppfinnelse vedrører preform-skjæreelement omfattende et legeme av superhardt polykrystallinsk material omfattende et antall bundne diamantkrystaller integralt formet med et metallisk substrat, et antall interstitiale regioner blant diamantkrystallene og et katalyserende material.

Oppfinnelsen vedrører superharde polykrystallin-materialelementer for slitasje, kutting, trekking, og andre applikasjoner hvor konstruerte superharde overflater er nødvendig. Oppfinnelsen vedrører særlig polykrystallin-diamant og polykrystallin-diamantlignende (samlet kalt PCD)-elementer med betydelig forbedret slitemotstand, og fremgangsmåter for fremstilling av dem.

Polykrystallindiamant og polykrystallin-diamantlignende elementer er kjent, for denne beskrivelsen, som PCD-elementer. PCD-elementer er dannet fra karbonbaserte materialer med eksepsjonelt kort interatomisk avstand mellom naboatomer. Én type diamantlignende material tilsvarende til PCD er kjent som karbonitrid (CN), beskrevet i

US-Patent Nr 5.776.615. I hovedsak er PCD-elementer dannet av en blanding av materialer behandlet ved høytemperatur og høytrykk til en polykrystallinsk blanding av intrafor-bundet superharde karbonbaserte krystaller. Et fellestrekk med PCD-elementer er bruk av katalyserende materialer ved deres dannelse, hvor rester ofte medfører en grense på den maksimalt nyttige driftstemperaturen til elementet under bruk.

Som nærmeste kjente teknikk vises det til WO 00/28106 A som omhandler en metode for dannelse av polykrystallinske materialer med en superhard overflate, hvilket gjøres ved å fjerne katalyserende materiale fra overflaten for deretter å belegge overflaten med hardt materiale ved bruk av CVD metoden.

Som velkjent er en fremstilt form av PCD-element et tolags eller flerlags PCD-element hvor et utovervendende lag av polykrystallindiamant er integrert forbundet med et substrat av mindre hardt materiale, så som wolframkarbid. PCD-elementet kan være i form av en sirkulær eller delvis sirkulær tablett, eller kan være formet til andre former, egnet for applikasjoner så som hule former, kjølelegemer, friksjonslagre, ventiloverflater, innsnittsutstyr, verk-tøyskjerner, etc. PCD-elementer av denne type kan benyttes i nesten hvilken som helst applikasjon hvor et hardt slite- og nedslitningsmotstandsdyktig material er nød-vendig. Substratet til PCD-elementet kan bli hardloddet til et holdeelement, ofte også av sementert wolframkarbid. Dette er en vanlig sammenstilling for PCD som benyttes som skjæreelementer, f.eks. i en fast skjærekrone eller valse-skjærekrone for jordboring når mottatt i en sokkel til borekronen, eller når festet til en stang i et maskin-verktøy for maskinering. Disse PCD-elementene er typisk kalt polykrystallin-diamantskjærere (PDC).

Det er utall variasjoner i fremgangsmåter for fremstilling av disse PDC-elementene. F.eks. kan ulike verdier av gjennomsnittlige diamantpartikkelstørrelser benyttes ved fremstilling for å forbedre sliteegenskaper som kjent i US-Patent Nr 4.861.350, 5.468.268 og 5.545.748. Også metoder for å frembringe et område av slitemotstand over, eller inn i arbeidsoverflaten til en PDC er kjent i US-Patent Nr 5.135.061 og 5.607.024. Imidlertid på pga. at slitemotstanden varieres ved å endre gjennomsnittlig størrelse på diamantpartiklene er der en avveining mellom slagstyrke og slitemotstand i disse konstruksjonene. Som en konsekvens vil PDC-elementer med høyest slitemotstand ha en tendens til å ha dårlig slagstyrke, som for PDCer som benyttes i boreapplikasjoner ofte er uakseptabel.

Typisk vil ofte høyere diamant-volum-densitet i diamantplaten øke slitemotstand på påkostning av slagstyrke. Imidlertid benytter vanligvis moderne PDC-elementer ofte komplekse geometriske grenseflater mellom diamantplaten og substratet så vel som andre fysiske designkonfigurasjoner for å forbedre slagstyrken. Selv om dette muliggjør for slitemotstand og slagstyrke til å være samtidig maksimert, eksisterer det fremdeles en avveining, og har ikke betydelig endret seg i de siste årene før foreliggende oppfinnelse.

En annen form for PCD-element er et enhetlig PCD-element uten et integrert substrat hvor en plate av polykrystallin-diamant er festet til et verktøy eller slite-overflate ved mekaniske midler eller en forbindelsespro-sess. Disse PCD-elementene skiller seg fra de ovenfor, ved at diamantpartiklene er tilstedeværende gjennom hele elementet. Disse PCD-elementene kan holdes på plass mekanisk, de kan settes fast med et større PCD-element som har et substrat, eller alternativt kan de fremstilles med et metall-lag som kan være sammenføyd med en lodde- eller sveiseprosess. Et antall av disse PCD-elementene kan fremstilles fra en enkel PCD, som vist f.eks. i US-Patent Nr 4.481.016 og 4.525.179.

PCD-elementer blir som oftest formet ved sintring av diamantpulver med et egnet binde-katalyserende material i en høytrykks, høytemperaturpresse. I én bestemt frem-gangsmåte for å forme denne polykrystallindiamanten er omtalt i US-Patent Nr 3.141.746. I én kjent prosess for fremstilling av PCD-elementer blir diamantpulver påført overflaten til et forhåndsformet wolframkarbidsubstrat-inneholdende kobolt. Denne sammenstillingen ble deretter utsatt for svært høy temperatur og trykk i en presse. Under denne prosessen migrerer kobolten fra substratet inn i diamantlaget og virker som et binde-katalyserende material, som forårsaker at diamantpartiklene binder seg til hverandre med diamant-til-diamant binding, og forårsaker også at diamantlaget binder seg til substratet. Det fullførte PCD-elementet har minst ett legeme med en matrise av diamantkrystaller bundet til hverandre med mange små mellomrom som inneholder et binde-katalyserende material som omtalt ovenfor. Diamantkrystallene omfatter en første sammenhengende matrise av diamant, og de små mellomrommene danner en andre sammenhengende matrise av mellomrom som inneholder det binde-katalyserende materialet. I tillegg er det nødvendigvis relativt få områder hvor diamant-til-diamantveksten er omkapslet noe av det binde-katalyserende materialet. Disse «øyene» er ikke del av den sammenhengende interstitiale matrisen til det binde-katalyserende materialet.

I én vanlig form utgjør diamantlegemet 85-95 % av volumet og det binde-katalyserende materialet de andre 5-15 %. Et slikt element kan utsettes for termisk degradering pga. ulik termisk utvidelse mellom det interstitiale kobolt binde-katalyserende materialet og diamantmatrisen som begynner ved temperaturer på omtrent 400°C. I en tilstrekkelig utvidelse kan diamant-til-diamant bindingen revne, og sprekker og oppflising kan oppstå.

Også i polykrystallindiamant kan tilstedeværelse av binde-katalyserende material i de interstitiale regionene tilstøtende til diamantkrystallene til diamantmatrisen føre til andre former for termisk degradering. Pga. tilstedeværelse av det binde-katalyserende materialet, forårsakes diamant og grafittiseres ettersom temperaturen øker, som vanligvis begrenser driftstemperatur til omtrent 750°C.

Selv om kobolt vanligvis er mest brukt som binde-katalyserende materiale, kan hvilken som helst gruppe VTIIelement, omfattende kobolt, nikkel, jern og legeringer derav, benyttes.

For å redusere termisk degradering, er såkalte «termisk stabile» polykrystallindiamant-komponenter blitt produsert som preform PCD-elementer for skjære- og/eller slitesterke elementer, som omtalt i US-Patent Nr 4.224.380. I én type termisk-stabilt PCD-element er kobolt eller annet binde-katalyserende material i konvensjonell polykrystallin-diamant ekstrahert fra den sammenhengende interstitiale matrisen etter dannelsen. Et utall metoder for ekstrahering av binde-katalyserende material er kjent. Noen ekstraheringsmetoder er omtalt, f.eks. i US-Patent Nr 4.572.722 og 4.797.241.

Selv om ekstrahering av det binde-katalyserende materialet kan øke temperaturmotstanden til diamanten til omtrent 1200°C, fjerner også ekstraheringsprosessen sementert karbidsubstrat. I tillegg, pga. at det ikke er noe integrert substrat, eller andre bindbare overflater, er det store vanskeligheter ved montering av slikt material for anvendelse under drift.

Fremstillingsmetodene for disse «termisk stabile» PCD-elementene frembringer typisk relativt lave diamant-volum-densiteter, typisk i området 80 volum% eller mindre. Denne lave diamant-volumdensiteten muliggjør en gjennomgående ekstraheringsprosess, men den resulterende ferdigstilte del er vanligvis relativt svak angående slagstyrke. Lav-volumdensiteten er vanligvis oppnådd ved å anvende en tilsetningsprosess og å benytte relativt små diamantkrystaller med gjennomsnittlig partikkelstørrelse på omtrent 15 mikron eller mindre. Disse små partiklene er vanligvis belagt med et katalyserende material før prosessering. Tilsetningsprosessen forårsaker at diamantpartiklene blir bredt adskilt i det ferdige produktet og med en relativt liten prosentdel av deres ytre overflate-områder utsatt for diamant-til-diamant binding, ofte mindre enn 50 %, noe som medfører den lave slagstyrken.

I disse såkalte «termisk stabile» polykrystallin-diamant-komponentene er mangel på egnet bindbart substrat for senere tilkobling til et arbeidsverktøy blitt berørt av flere metoder. Én slik metode for å feste et bindbart substrat til en «termisk stabil» polykrystallin-diamant-preform er vist i US-Patent Nr 4.944.772. I denne prosessen blir først en porøs polykrystallin-diamant-preform fremstilt, og deretter blir den re-sintrert ved frembringelse av et katalyserende material ved høye temperaturer og trykk med et bærelag av andre materialer som, i teorien, motvirker det katalyserende materialet fra å re-infiltrere den porøse polykrystallin-diamant-preformen. Det resulterende produktet har vanligvis en brå overgang mellom preformen og bærelaget, noe som forårsaker problematiske spenningskonsentrasjoner under bruk. Dette produktet betraktes mer som en sammenføyd kompositt enn et integrert legeme.

Andre tilsvarende prosesser for å feste et bindbart substrat til «termisk stabile» polykrystallin-diamant-komponenter er vist i US-Patent Nr 4.871.377 og 5.127.923. Det antas at svakheten til alle disse prosessene er degraderingen til diamant-til-diamant bindingene i den polykrystallinske diamant-preformen fra høytemperatur og trykk-resintreringsprosessen. Det antas at denne ødeleggelsen/splittelsen hovedsakelig videre reduserer slagstyrken til sluttproduktet til et uakseptabelt lavt nivå under det til preformen.

I en alternativ form til termisk stabil poly-krystallin-diamant blir silisium benyttet som katalyserende materiale. Prosessen for å fremstille polykrystallindiamant med et silisiumkatalyserende material er svært lik til det som er beskrevet ovenfor, unntatt at ved oppbyggingstempe-raturer og trykk, blir det meste av silisiumet påvirket til å danne silisiumkarbid, som ikke er et effektivt katalyserende material. Den termiske motstanden er noe forbedret, men termisk degradering oppstår fremdeles pga. noe restsilisium som er gjenværende, vanligvis jevnt fordelt i de små mellomrommene til den interstitiale matrisen. Igjen er det monteringsproblemer med denne type PCD-elementer pga. at det ikke er noen bindbar overflate.

Nylig er en videre type PCD blitt tilgjengelig hvori karbonater, så som pulveraktige karbonater av Mg, Ca, Sr og Ba benyttes som binde-katalyserende material ved sintring av diamantpulveret. PCD av denne type har typisk større slitemotstand og hardhet enn tidligere typer PCD-elementer. Imidlertid er materialet vanskelig å produsere på kommersiell basis siden mye høyere trykk er nødvendig for sintring enn i tilfellet med konvensjonell og termisk stabil polykrystallindiamant. Ett resultat av dette er at legemer av polykrystallindiamant produsert ved denne metoden er mindre enn konvensjonelle polykrystallin-diamant-elementer. Igjen kan termisk reaksjon oppstå pga. restbinderkatalyserende material som er gjenværende i de små mellomrommene. Igjen pga. at det ikke er noe integrert substrat eller annen bindbar overflate, er det vanskeligheter ved å montere dette materialet til en arbeidsoverflate.

Andre anstrengelser for å kombinere termisk stabil PCD med monteringssystemer for å benytte deres forbedrede temperaturstabilitet har ikke vært så suksessfull som ønsket pga. deres lave slagstyrke. F.eks. er ulike måter for å montere et antall PCD-elementer vist i US-Patent Nr 4.726.718, 5.199.832, 5.025.684, 5.238.074 og 6.009.963. Selv om mange av disse konstruksjonene har hatt kommersiell suksess, har konstruksjonene ikke vært særlig suksessfulle i kombinasjon med høy slite- og/eller avslitningsmotstand som samtidig opprettholder nivå av hardhet oppnåelig i ikketermisk stabil PCD.

Andre typer diamant eller diamantlignende belegg for overflater er omtalt i US-Patent Nr 4.976.324, 5.213.248, 5.337.844, 5.379.853, 5.496.638, 5.523.121 og 5.624.068. Tilsvarende belegg er også omtalt i GP Patent-Publikasjon Nr 2.268.768, PCT Publikasjon Nr 96/34.131 og EPC Publika sjonene Nr 500.253, 787.820, 860.515 for høyt belastede arbeidsoverflater. I disse publikasjonene er diamant og/ eller diamantlignende belegg vist påført overflater for slitasje og/eller nedslitningsmotstand.

I mange av de ovenfor nevnte applikasjonene anvendes fysisk dampavsetning (PVD) og/eller kjemisk dampavsetning (CVD)-prosesser for å påføre det diamant- eller diamantlignende belegget. PVD og CVD-diamant-belegningsprosesser er velkjent og er f.eks. beskrevet i US-Patent Nr 5.439.492, 4.707.384, 4.645.977, 4.504.519 og 4.486.286.

PVD og/eller CVD-prosesser for å belegge overflater med diamant eller diamantlignende belegg kan f.eks. benyttes for å frembringe et tettpakket sett av epitaksialt-orienterte krystaller av diamant eller andre superharde krystaller på en overflate. Selv om disse materialene har svært høy diamantdensitet fordi de er så tettpakkede, er det ingen betydelig mengde diamant-til-diamant binding mellom tilstøtende krystaller, som gjør dem i hovedsak svært svake og utsatt for brudd når høye skjærkrefter påføres. Resultatet er at selv om disse beleggene har svært høye diamantdensiteter, har de en tendens til å være mekanisk svake, noe som forårsaker svært dårlig slag-hardhet og avslitningsmotstand når benyttet i høyt belastede applikasjoner så som med skjæreelementer, bæreanordninger, sliteelementer og former.

Noen forsøk er gjort for å forbedre hardhet og slitemotstand til disse diamant- eller diamantlignende beleggene ved påføring av et wolframkarbidsubstrat og etterfølgende prosessering ved høytemperatur, høytrykks-omgivelser som omtalt i US-Patent Nr 5.264.283, 5.496.638 og 5.624.068. Selv om denne type prosessering kan forbedre slitemotstand til diamantlaget, vil den brå overgangen mellom høydensitets-diamantlaget og substratet gjøre diamantlaget mottakelig for massebrudd ved grensesnittet ved svært lave spenninger, tilsvarende som de ovenfor nevnte problemene som oppstår med komposittstrukturer som har bærelag. Dette omformes igjen til svært dårlig hardhet og slagmotstand under bruk.

Når PCD-elementer fremstilt med et kobolt eller andre gruppe VTII-metallbinde-katalyserende material blir benyttet mot hverandre som lagermaterial, ble det funnet at friksjonskoeffisienten hadde en tendens til å øke ved bruk. Som omtalt i US-Patent Nr 5.560.716, og i samsvar med Europeisk Patentsøknad Nr 617.207, ble det funnet at fjerning (ved bruk av en saltsyreavtørkning) av koboltrik tribofilm, som har en tendens til å bygges opp under bruk fra overflaten til PCD-lagerelementet, hadde en tendens til midlertidig å dempe dette problemet. Det ble spekulert om at noe av koboltet fra PCD ved overflaten migrerer til lastoverflaten til lageret under drift, noe som forårsaker økt friksjon når to PCD-elementer virker mot hverandre som lagre. Det antas nå at kilden til dette koboltet kan være en produktrest fra sluttprosessen av lagerelementene, ettersom syreavtørkningsmidlet ikke effektivt kan fjerne kobolt i en betydelig dybde under overflaten.

Pga. at kobolt kun fjernes fra overflaten til PCD er det ingen effektiv endring innen temperaturene hvorved termisk degradering oppstår i disse lagerelementene. De skadelige effektene til binde-katalysatormaterialet gjenstår derfor, og termisk degradering av diamantlaget pga. tilstedeværelse av det katalyserende materialet oppstår fremdeles.

Et PCD element i følge oppfinnelsen er angitt i det selv-stendige krav 1, og er kjennetegnet ved at legemet har minst en 90 % ved volum diamantdensitet og en skjæreoverflate, der en første interstitial region tilstøtende minst en del av skjæreoverflaten er hovedsakelig fri for det katalyserende material, og en andre interstitial region i en del av legemet i kontakt med substratet inneholder det katalyserende material, hvori den første interstitiale regionen strekker seg under skjæreoverflaten og den andre interstitiale regionen har en gjennomsnittlig tykkelse større enn 0,15 mm.

Alternative utførelser er angitt i respektive uselv-stendige krav 2-11.

Skjæreelementet kan være montert på en skjæreflate til en fast, roterende skjærborekrone. Alternativt kan skjæreelementet være montert på et legeme til en valseskjærborekrone.

Preform-skjæreelementet kan omfatte et skjæreelement med skjæreoverflaten innrettet for anvendelse som et skjæreinnlegg i en maskineringsoperasjon.

Substratet kan være wolframkarbid med et jerngruppe-bindematerial.

Den første interstitiale regionen kan strekke seg under skjæreoverflaten til en dybde av minst en gjennomsnittlig diameter til diamantkrystallene. Videre kan den første interstitiale regionen strekker seg under skjæreoverflaten til en dybde av minst omtrent 0,1 mm.

Diamantkrystallene kan ha en gjennomsnittlig partikkel-størrelse i et område av omtrent 30 mikron til omtrent 60 mikron.

En hoveddel av det katalyserende materialet gjenværende i den andre interstitiale regionen til legemet kan feste seg til overflatene til diamantkrystallene.

En mengde av katalyserende material i den andre interstitiale regionen til legemet kan vedvarende avta ved økende avstand fra det første volumet.

Den første interstitiale regionen kan omfatte mer enn 30 % av legemet fjernt fra arbeidsoverflaten.

PCD-elementene ifølge foreliggende oppfinnelse kan benyttes for slitasje, kutting, trekking, og andre applikasjoner hvor konstruerte diamantoverflater er nødvendig. Spesifikke applikasjoner er som skjæreelementer i roterende borekroner både i fastskjæretype og rulle-skjæretype, som hule former, kjølelegemer, friksjonslagre, ventiloverflater, innsnittsutstyr, verktøykjerner, etc. PCD-elementet ifølge foreliggende oppfinnelse kan benyttes for å maskinere harde treprodukter, jernholdige- og ikke-jernholdige materialer og også svært harde eller slitesterke konstruksjonsmaterialer så som stein og asfalt og lignende. Fig. IA viser et typisk PCD-element ifølge foreliggende oppfinnelse. Fig. IB viser et typisk PCD-element ifølge foreliggende oppfinnelse vist som et skjæreelement. Fig. 2 viser en perspektivtegning av en fast skjære-roterende borekrone som anvender et PCD-element ifølge foreliggende oppfinnelse. Fig. 3 viser en perspektivtegning av en rulleskjære-roterende borekrone som anvender et PCD-element ifølge foreliggende oppfinnelse. Fig. 4 viser en perspektivtegning av et innlegg som anvendes i maskinverktøy som benytter PCD-elementet ifølge foreliggende oppfinnelse. Fig. 5 viser en perspektivtegning av et kuppelformet PCD-element egnet for bruk både i rulleskjærborekroner og i faste skjærborekroner. Fig. 6 viser en mikrofotografering av overflaten til et PCD-element av kjent teknikk og viser det binde-katalyserende materialet i de interstitiale regionene. Fig. 7 viser en mikrofotografering av PCD-elementet ifølge foreliggende oppfinnelse og viser en første del med et katalyserende material i de interstitiale regionene og en andre del uten det katalyserende materialet i de interstitiale regionene. Fig. 8 viser en mikrostruktur-presentasjon av et PCD-element av kjent teknikk, som viser de bundne diamant-krystallene, med de interstitiale regionene og den til-feldige krystallografiske orienteringen til de individuelle krystallene. Fig. 9 viser en mikrostruktur-presentasjon av PCD-elementet ifølge foreliggende oppfinnelse som vist i Fig. 7, som indikerer dybden til det katalyserende materiales frie region relativt til overflaten av PCD-elementet. Fig. 10 viser en graf av relativ sliteindeks til flere utførelser av PCD-elementet ifølge foreliggende oppfinnelse. Fig. 11A viser et riss av en innkapslet PCD-utførelse av PCD-elementet ifølge foreliggende oppfinnelse. Fig. 11B viser et snitt av en annen innkapslet PCD-utførelse av PCD-elementet ifølge foreliggende oppfinnelse. Fig. 11C viser et snitt av en videre annen innkapslet PCD-utførelse av PCD-elementet ifølge foreliggende oppfinnelse. Fig. 12A viser en perspektivtegning av en CVD/PVD påført overflate for en annen utførelse av PCD-elementet ifølge foreliggende oppfinnelse. Fig. 12B viser et forstørret perspektiv av krystall-strukturen til utførelsen av PCD-elementet ifølge foreliggende oppfinnelse som vist i Fig. 12A. Fig. 13 viser et delvis snitt av en vaiertrekkingsform med et PCD-element ifølge foreliggende oppfinnelse. Fig. 14 viser en perspektivtegning av et kjølelegeme med et PCD-element ifølge foreliggende oppfinnelse. Fig. 15 viser en perspektivtegning av et lager med et PCD-element ifølge foreliggende oppfinnelse. Fig. 16A og 16B viser sett forfra motsvarende deler til en ventil med et PCD-element ifølge foreliggende oppfinnelse. Fig. 17A viser et riss av et innsnittutstyr med et PCD-element ifølge foreliggende oppfinnelse. Fig. 17B viser et delvis riss av en stanse med et PCD-element ifølge foreliggende oppfinnelse. Fig. 18 viser en perspektivtegning av en måleanordning med et PCD-element ifølge foreliggende oppfinnelse. Fig. 19 viser en graf som representerer typisk abrasiv slitemotstand i forhold til slagmotstand til kjente skjæreelementer sammenlignet med et skjæreelement ifølge foreliggende oppfinnelse.

Polykrystallindiamant eller diamantilignende material (PCD) element 2 til foreliggende oppfinnelse er vist i

Fig. IA. PCD-elementet 2 har et antall delvis bundne superharde, diamant, eller diamantilignende krystaller 60,

(vist i fig. 7 og 9), et katalyserende material 64, og en interstitial matrise 68 formet av små mellomrom 62 blant krystallene 60. Elementet 2 har også én eller flere arbeidsoverflater 4 og diamantkrystallene 60 og de små mellomrommene 62 danner volumet til legemet 8 til PCD-elementet 2. Foretrukket er elementet 2 integrert formet med et metallisk substrat 6, typisk wolframkarbid med et kobolt-bindematerial. For å være effektivt når brukt i en abrasiv sliteapplikasjon, må volumdensiteten til diamanten i legemet 8 være større enn 90 volum%.

Arbeidsoverflaten 4 er hvilken som helst del av PCD-legemet 8 som, i drift, kan komme i kontakt med objektet som skal bearbeides. I denne beskrivelsen, når arbeidsoverflaten 4 er omtalt, må det forstås at det medfører hvilken som helst del av legemet 8 som kan være utsatt for og/eller brukt som arbeidsoverflate. Videre er hvilken som helst del av én av arbeidsoverflåtene 4, i- og for seg selv, en arbeidsoverflate.

Under fremstilling, ved høytemperatur og høytrykks-betingelser (HTHP), vil de små mellomrommene 62 blant krystallene 60 fylles med det katalyserende materialet 64 fulgt av bindinger som dannes blant krystallene 60. I et videre trinn i fremstillingen blir noe av det katalyserende materialet 64 selektivt trukket ut fra noen av de små mellomrommene 62. Resultatet er at et første volum til legemet 8 til PCD-elementet 2 som fjernes fra arbeids-overf laten 4 inneholder det katalyserende materialet 64, og et andre volum til legemet 8 tilstøtende arbeidsoverflaten 4 er hovedsakelig fritt for katalyserende material 64. De små mellomrommene 62 som er hovedsakelig fri for det katalyserende materialet 64 er indikert ved nummer 66.

Den interstitiale matrisen 68 til legemet 8 tilstøtende i det minste en del av arbeidsoverflaten 4 er derfor hoved-sakelig fri for det katalyserende materialet 64, og den gjenværende interstitiale matrisen 68 inneholder det katalyserende materialet 64. Som tidligere omtalt er PCD-elementet 2 foretrukket bundet i HPHT-prosessen til et substrat 6 av mindre hardt material, vanligvis sementert wolframkarbid eller annet metallisk material, men bruk av et substrat 6 er ikke nødvendig.

Pga. at legemet tilstøtende arbeidsoverflaten 4 hoved-sakelig er fritt for katalyserende material 64, er de skadelige effektene til det binde-katalyserende materialet 64 hovedsakelig redusert, og termisk degradering av arbeidsoverflaten 4 pga. tilstedeværelse av katalyserende material 64 er effektivt eliminert. Resultatet er et nytt PCD-element 2 som har forbedrede termiske egenskaper tilnærmende det til de såkalte termisk stabile PCD-elementer, men som samtidig opprettholder hardhet, enkel fremstilling, og bindemulighet til tradisjonelle PDC-elementer. Dette betyr høyere slitemotstand i skjære-applikasjoner, høyere varmeoverføringskapasitet i kjøle-legemeapplikasjoner, høyere lastkapasitet i lager-applikasjoner, færre overflateforstyrrelser i ventil-applikasjoner, og har fordeler i et utall andre applikasjoner omfattende hule former, innsnittsutstyr, verktøykjerner, og sliteelementer. Disse fordelene oppnås uten tap av slagstyrke i elementene. Detaljer på spesifikke applikasjoner til det nye PCD-elementet 2 skal omtales mer detaljert senere i beskrivelsen.

Viser nå til mikro-fotograferingen av kjent teknikk PCD-element i Fig. 6, og også mikrostrukturpresentasjonen av et PCD-element av kjent teknikk i Fig. 8, det er velkjent at det er en tilfeldig krystallografisk orientering av diamant, eller diamantilignende krystaller 60 som vist ved de parallelle linjene som representerer spalteplanene til hvert krystall 60. Som det kan ses er tilstøtende krystaller 60 blitt bundet sammen med interstitiale rom 62 blant dem. Pga. at spalteplanene er orientert i ulike retninger på tilstøtende krystaller 60 er det hovedsakelig ingen rett bane tilgjengelig for diamantbrudd. Denne strukturen muliggjør for PCD-materialer å virke bra i eks-treme belastningsmiljøer hvor høy slagbelastning er vanlig.

I prosessen med å binde krystallene 60 i en høytemperatur, høytrykkspresse, blir de interstitiale rommene 62 blant krystallene 60 fylt med et binde-katalyserende material 64. Det er dette katalyserende materialet 64 som muliggjør for forbindelsene å bli dannet mellom tilstøtende diamantkrystaller 60 ved relativt lave trykk og temperaturer i pressen.

Det kjente PCD-elementet har minst én sammenhengende matrise av krystaller 60 bundet til hverandre med de mange små mellomrommene 62 inneholdende et binde-katalyserende material 64, vanligvis kobolt eller andre gruppe VIII-elementet. Krystallene 60 omfatter en første sammenhengende matrise av diamant, og de små mellomrommene 62 danner en andre sammenhengende matrise kjent som den interstitiale matrisen 68, inneholdende det binde-katalyserende materialet. I tillegg er det nødvendigvis relativt få områder hvor diamant-til-diamant-vekst har innkapslet noe av det binde-katalyserende materialet. Disse «øyene» er ikke del av den sammenhengende interstitiale matrisen 68 til det binde-katalyserende materialet 64.

Viser nå til fig. 7 og 9, hvor det er vist et tverrsnitt av PCD-elementet 2 ifølge foreliggende oppfinnelse. PCD-elementet 2 kan være frembrakt på samme måte som kjente PCD-elementer beskrevet ovenfor. I en foretrukket utfør-else, etter en forhåndsrenseoperasjon, eller en tid deretter i fremstillingsprosessen, blir arbeidsoverflåtene 4, 70, 72 til PCD-elementet 2 behandlet på en måte som fjerner en del av det binde-katalyserende materialet fra det tilstøtende legemet. Resultatet er at de små mellomrommene 62 blant diamantkrystallene 60 tilstøtende arbeidsoverflaten hoved-sakelig blir fri for det katalyserende materialet 64 indikert ved nummer 66. Delen av arbeidsoverflaten 4, 70, 72 som er fri for det katalyserende materialet 64 er ikke utsatt for den termiske degraderingen som oppstår i de andre områdene til PCD, noe som resulterer i forbedret termisk karakteristikk.

Den gjennomsnittlige diamant-volumdensiteten i legemet 8 til PCD-elementet 2 ifølge foreliggende oppfinnelse varierer fra omtrent 90 % til omtrent 99 %. Den høye diamant-volumdensiteten oppnås ved bruk av diamantkrystaller 60 med et spekter av partikkelstørrelser, med en gjennomsnittlig partikkelstørrelse som varierer fra omtrent 30 til omtrent 60 mikron. Typisk kan diamantblandingen omfatte 20 % til 60 % diamantkrystaller 60 i 5-15 mikron størrelse, 20 % til 40 % diamantkrystaller 60 i 25-40 mikron størrelse, og 20 % til 40 % diamantkrystaller 60 i 50-80 mikrondiameter-størrelse, selv om et utall andre størrelsesområder og prosentandeler kan benyttes. Denne blandingen av større og mindre diamantkrystaller 60 muliggjør for diamantkrystallene 60 å ha en relativt høy prosentandel av deres ytre overflateområde utsatt for diamant-til-diamant binding, ofte tilnærmende 95 %, noe som bidrar til en relativt høy avslitningsmotstand.

Det er mange metoder for å fjerne eller trekke ut det katalyserende materialet 64 fra de små mellomrommene 62. I én metode er det katalyserende materialet 64 kobolt, eller annet jerngruppematerial, og metodene for å fjerne det katalyserende materialet 64 er å ekstrahere det fra de små mellomrommene 62 nær arbeidsoverflaten 4, 70, 72 til et PCD-element 2 i en syre-etseprosess til en dybde av større enn omtrent 0,2 mm. Det er også mulig at metoden for å fjerne det katalyserende materialet 64 fra nær overflaten kan utføres ved elektrisk utladning, eller annen elektrisk eller galvanisk prosess eller ved fordampning.

I en annen metode for å trekke ut det katalyserende materialet 64 fra de små mellomrommene 62 blir det katalyserende materialet 64 trukket ut ved å kombinere det kjemisk, så som legering, med et annet material slik at det ikke lenger virker som et katalyserende material. I denne metoden kan et material være gjenværende i de små mellomrommene blant diamantkrystallene 60, men dette materialet virker ikke lenger som et katalyserende material 64, det er dermed effektivt fjernet.

I en videre annen metode for å trekke ut det katalyserende materialet 64 fra de må mellomrommene 62 blir det katalyserende materialet 64 fjernet ved å forårsake at det omformes til et material som ikke lenger virker som et katalyserende material. Dette kan oppnås ved en krystall-strukturendring, faseendring, mekanisk «bearbeidelse», termisk behandling, eller andre behandlingsmetoder. Denne metoden kan anvendes på ikke-metalliske eller ikke-reaktive katalyserende materialer. Igjen kan et material være gjenværende i de små mellomrommene 62 blant diamant-krystallene, men materialet virker ikke lenger som et katalyserende material 64, som frembringer effektiv fjerning av det katalyserende material.

Straks det katalyserende materialet 64 tilstøtende arbeidsoverflaten 4, 70, 72 er gjort ineffektivt, er PCD-elementet 2 ifølge foreliggende oppfinnelse ikke lenger utsatt for den type termisk degradering kjent for å oppstå i kjente PCD-elementer. Som tidligere omtalt er to måter for termisk degradering kjent som forårsakes av det katalyserende material 64. Den første måten av termisk degradering begynner ved temperaturer så lavt som omtrent 400°C og oppstår pga. ulik termisk utvidelse mellom det katalyserende materialet 64 i de små mellomrommene 62 og krystallene 60. Ved tilstrekkelig utvidelse kan diamant-til-diamant bindingen sprekke og sprekker og skår kan oppstå.

Den andre måten av termisk degradering begynner ved temperaturer på omtrent 750°C. Denne måten er forårsaket av den katalyserende muligheten for binde-katalysatormaterialet 64 til å klebe seg til krystallene 60, og forårsaker at krystallene 60 grafittiseres ettersom temperaturen overgår omtrent 750°C. Ettersom krystallene 60 grafittiseres, undergår de en stor volumøkning som resulterer i sprekker og oppløsning fra legemet 4. Selv et belegg på noen få mikroner av det katalyserende materialet 64 på overflatene til diamantkrystallene 60 kan muliggjøre denne måten for termisk degradering.

Det skal derfor forstås av en fagmann at for maksimal effekt må det katalyserende materialet 64 fjernes både fra de små mellomrommene 62 blant diamantkrystallene 60 og så vel fra overflatene til diamantkrystallene 60. Hvis det katalyserende materialet 64 fjernes både fra overflatene til diamantkrystallene 60 og fra de små mellomrommene 62 vil start av termisk degradering for diamantkrystallene i det området nærme seg 1200°C.

Denne doble degraderingen frembringer imidlertid noen uventede fordeler. F.eks., i mange applikasjoner er det ønskelig å konstruere sliteraten til arbeidsoverflaten. I foreliggende oppfinnelse kan dette oppnås ved å endre be-handlingsprosessen slik at i områder som krever maksimal slitemotstand, blir det katalyserende materialet trukket ut både fra de små mellomrommene 62 og overflatene til diamantkrystallene 60. I områder hvor mindre slitemotstand er ønskelig, f.eks. i selvslipende verktøy, kan disse områdene behandles for således å trekke ut det katalyserende materialet 64 hovedsakelig fra de små mellomrommene 62, men som tillater noen, hvis ikke alle, av diamant-krystallene 60 å være i kontakt med det katalyserende materialet.

Det er tydelig at det er vanskeligere å fjerne det katalyserende materialet 64 fra overflatene til diamantkrystallene 60, enn fra de små mellomrommene 62. Av denne grunn, avhengig av måten hvordan det katalyserende materialet er trukket ut, for og effektiv å redusere termisk degradering, kan dybden på uttrekking av det katalyserende materialet 64 fra arbeidsoverflaten 4 variere avhengig av metoden brukt for å trekke ut det katalyserende materialet 64.

I noen applikasjoner er forbedring av den termiske terskelverdien til over 400°C, men mindre enn 750°C, tilstrekkelig, og derfor er en mindre intens uttrekkings-prosess av det katalyserende materialet 64 mulig. Som en konsekvens skal det forstås at det er et antall kombina-sjoner av uttrekkingsmetoder for det katalyserende materialet 64 som kan anvendes for å oppnå det nivå av uttrekking av det katalyserende materialet 64 som er nødvendig for en spesifikk applikasjon.

I denne beskrivelsen, når uttrykket «hovedsakelig fri» benyttes som referanse til det katalyserende materialet 64 i de små mellomrommene 62, den interstitiale matrisen 68, eller i et volum til legemet 8, skal det forstås at mange, om ikke alle av overflatene til de tilstøtende diamant-krystallene 60, fremdeles kan ha et belegg av det katalyserende materialet 64. Likeledes når uttrykket «hovedsakelig fri» benyttes som referanse til det katalyserende materialet 64 på overflaten til diamant-krystallene 60, kan det fremdeles være katalyserende material 64 tilstedeværende i de tilstøtende små mellomrommene 62.

Når det katalyserende materialet 64 er fjernet eller trukket ut, er to hovedmekanismer for termisk degradering ikke lenger tilstedeværende. Imidlertid er det blitt funnet at det katalyserende materialet 64 må fjernes til en dybde tilstrekkelig til å muliggjøre at de bundne krystallene 60 leder vekk varme generert av en termisk hendelse til under degraderingstemperaturen til krystallene 60 når det katalyserende materialet 64 er tilstedeværende.

I et sett av laboratorietester, ble varme innført i et PCD-element 2 konfigurert som et skjæreelement 10. Siden denne testen var konstruert som en standard slitetest for disse skjæreelementene, frembrakte den en grunngitt sammenligning av skjæreelementene 10 med ulike dybder til fjerning av det katalyserende materialet 64. I disse testene var man nøye for å sikre at uttrekkingsprosessen fjernet det katalyserende materialet 64 både fra de små mellomrommene 62 og fra overflatene til diamantkrystallene 60. Testen var konstruert slik at en repeterbar innføring av varme ble påført skjærekanten til PCD-skjæreelementet

10 for en kjent tidsperiode.

Straks testen var fullført ble en sliteindeks kalkulert. Jo høyere sliteindeks, desto bedre var slitemotstanden. Pga. testens natur ble det antatt at et økt slite-indeksnummer indikerte økt motstand mot termisk degradering av arbeidsoverflåtene 70, 72 til skjæreelementet 10.

Som det kan ses i kurve A i grafen i Fig. 10 er det en dramatisk økning i sliteindeksresultat for skjæreelementene 10 når det katalyserende materialet 64's uttrekkingsdybde nærmet seg 0,1 mm. Derfor er, for typer av varmeinnføring som er vanlig i skjæreelementer 10, en dybde på 0,1 mm den kritiske uttrekkingsdybde fra arbeidsoverflaten 4, 70, 72, når det katalyserende materialet fjernes både fra de små mellomrommene 62 og fra overflatene til diamantkrystallene 60.

I andre tester, på skjæreelementer 10 fremstilt med en mer økonomisk prosess for å fjerne det katalyserende materialet 64, antas slite-versus-dybde på uttrekking å nærme seg det som er vist i kurve «B» til Fig. 10. Uttrekkingsprosessen av det katalyserende materialet 64 som benyttes i disse skjæreenhetene var ikke så effektiv for å fjerne det katalyserende materialet 64 fra overflatene til diamantkrystallene 60 som prosessen i kurve «A». Det var derfor ikke inntil mesteparten av det katalyserende materialet 64 var fjernet fra de små mellomrommene 62 til en dybde av omtrent 2 mm at sliteraten forbedret seg tilsvarende til kurve «A». Det ble funnet at slagstyrken til disse skjæreelementene 10 hovedsakelig var uendret fra ubehandlede elementer.

Viser nå til at i Fig. 19, for visuelt å demonstrere sammenligning av oppfinnelsens forbedring i slitemotstand og som samtidig opprettholder slagstyrke, er en typisk slagmotstand VS abrasiv slitemotstandskurve velkjent og veletablert for kjente skjæreelementer indikert ved kurven W. Punktet P på grafen indikerer relativt egenskapene til skjæreelementet ifølge foreliggende oppfinnelse. Som det kan ses ligger P på det øvre høyre hjørneområdet til grafen, som for en fagmann representerer en betydelig og reell forbedring i slitemotstand til skjæreelementene, mens slagstyrken samtidig opprettholdes.

Det antas at termisk degradering relatert til sliterater som vist i kurve «C» i Fig. 10 kan konstrueres inn i PCD-elementene 2 hvor det er nyttig. F.eks. kan det være ønskelig å ha kantene til buede skjæreelementer 10 fjernt fra kontaktsenteret for at de skal slites hurtigere enn senterpunktet. Dette vil bevare den kurvede formen til skjæreelementet, i stedet for at det blir en flat overflate .

Forbedret termisk degraderingsmotstand forbedrer sliterater pga. at diamant er en ekstremt god termisk leder. Hvis en friksjonshendelse på arbeidsoverflaten 4, 70, 72 forårsaket en plutselig, ekstrem varme-input, ville de bundne diamantkrystallene lede varme i alle retninger vekk fra punktet. Dette vil tillate en ekstremt høy temperatur-gradient gjennom materialet, muligens 1000°C pr. mm eller høyere. En så bratt gradient som dette tillater arbeids- overflatene 4, 70, 72 å nå 950°C, og ikke forårsake betydelig termisk degradering av de små mellomrommene 62, og overflatene til diamantkrystallene 72 tilstøtende arbeidsoverflaten er hovedsakelig fri for det katalyserende materialet 64 til en dybde på bare 0,2 mm fra varme-kilden .

Det bør være tydelig at temperaturgradienten vil variere avhengig av krystallstørrelsen 60 og mengde intrakrystall-binding. Én enkel måte å karakterisere dette på er volumdensiteten til diamanten i legemet 80. Under normale frem-stillingsmetoder, ettersom volumdensitet til diamanten øker, øker også den potensielle temperaturgradienten gjennom materialet. Dette medfører at et material ellers likt til det som frembringer kurve «B» i Fig. 10, bortsett fra en økt diamant-volumdensitet, vil følgelig frembringe en sliteindeks nærmere til kurve «A» i Fig. 10.

I felttester av skjæreelementene 10 for jordborekroner, frembrakte fjerning av hovedsakelig alt av det katalyserende materialet 64 fra de små mellomrommene 62 til en avstand D av omtrent 0,2 mm til omtrent 0,3 mm fra en arbeidsoverflate 4, 72, 70 dramatiske forbedringer i slitemotstand, med en kombinasjon av 40 % økning i penetreringsrate og en 40 % forbedring i slitemotstand uten tap av slagstyrke. Forbedringen i slitemotstand indikerer at nedslitning av diamantkrystallene 60 pga. det katalyserende materialets 64 påførte termiske degradering ble dramatisk redusert. Raten på penetreringsøkning antas å være pga. muligheten til skjæreelementet å være «skarpere» lengre pga. økt slitemotstand.

Det antas imidlertid at ettersom volumdensitet til diamanten i legemet 8 økte fra 85-90 % -området til 95-99 % området, vil avstanden D nødvendig for å frembringe en bestemt sliteindeks bli redusert. Derfor antas det også at en avstand D på mindre enn 0,1 mm kan frembringe omtrent den samme sliteindeks i et skjæreelement med en diamanttetthet til legemet som nærmer seg 99 % som 0,2 mm til 0,3 mm D-avstand i et legeme med 85 % til 95 % diamant-volumdensitet.

Det er viktig ved fjerning av det katalyserende materialet 64 fra de små mellomrommene 62 at det underliggende substrat 632 ikke påvirkes. Det er derfor svært viktig at minst en del av diamantlaget har det katalyserende materialet 64 gjenværende i de små mellomrommene 62. Det er funnet at ved uttrekking av det katalyserende materialet 64 fra en flat overflate med et plant grense-snitt med substratet 6, 32, må et lag med minimumstykkelse på omtrent 0,15 mm inneholdende det katalyserende materialet 64 være gjenværende for å sikre at det underliggende substrat 6, 32 ikke påvirkes.

Mengdeangivelse av denne mengden for PDCer er i hovedsak problematisk, fordi noe påvirkning av uttrekkingsprosessen og substratet kan tolereres, og geometriske former kan være komplekse. Imidlertid er én måte å mengdeangi dette på at delen av legemet 8 som er i kontakt med substratet 6, 32 må ha det katalyserende materialet 64 gjenværende i de små mellomrommene 62 i en gjennomsnittlig tykkelse på større enn 0,15 mm.

En annen måte å tallgi dette på, er å uttrykke minimum mengde katalyserende material 64 gjenværende i de små mellomrommene 62 som volum%. Det er kjent at med et svært tynt, flatt diamantlag, er et 0,15 mm lag inneholdende det katalyserende materialet 64 nødvendig i et 0,5 mm tykt legeme. Det er derfor rimelig å anta at et minimum på 30 % av volumet til legemet 8 må ha små mellomrom 62 som inneholder det katalyserende materialet 64 for PDC-elementer ifølge foreliggende oppfinnelse, særlig med størrelses-områdene på typisk brukte PCD-skjærere.

Det er andre mulige konstruksjoner av PCD-elementer som trekker fordel fra uttrekking eller fjerning av det katalyserende materialet 64 som omtalt ovenfor. Som vist i fig. 11A, 11B og 11C er en annen utførelse av foreliggende oppfinnelse et sammensatt PCD-element 102. PCD-elementet 102 har et legeme 108 med en gruppe VIII binde-katalyserende material med et andre preformet PCD-element 110 fastsatt i det. Det fastsatte PCD-elementet 110 kan være plant med arbeidsoverflaten 104 til det omliggende PCD-elementet 120 som vist i Fig. 11A, eller det kan være fastsatt

fullstendig i det omliggende PCD-element 120 som vist i

Fig. 11B. Dette fastsatte PCD-elementet 110 er fremstilt i en prosess som benytter pulveraktige karbonater av Mg, Ca, Sr og Ba som binde-katalyserende material, og er utformet til et sammensatt PCD-element som omtalt i den saminn-leverte US-Patentsøknad Nr 09/390.074.

I denne utførelsen, siden det fastsatte preformede PCD-elementet 110 er utformet ved høyere trykk, kan diamanttetthet gjøres høyere enn det til det omliggende PCD-elementet 120. I denne konstruksjonen, siden det fastsatte PCD-elementet 110 har et katalyserende material med en høyere aktiveringstemperatur, kan det f.eks. være nyttig å trekke ut det katalyserende materialet kun i arbeidsoverflaten til det omliggende PCD-elementet 120. Videre kan det fastsatte PCD-elementet 110 være posisjonert i det omliggende PCD-elementet 120 for å utnytte den høyere slagmotstanden til det fastsatte PCD-elementet 110 kombinert med den forbedrede slitemotstanden til det omliggende elementet 120.

Som vist i fig. 9, 11A, 11B og 11C, har elementet 102 et antall delvis bundne diamantkrystaller 60, et katalyserende material 64 og et legeme 108 med en arbeidsoverflate 104. Volumet 112 til legemet tilstøtende arbeidsoverflaten 104 har en betydelig høyere diamanttetthet enn andre steder 114 i legemet 108, og volumet 112 er hovedsakelig fritt for katalyserende material 64.

Flere fastsatte PCD-elementer 110 kan anordnes i det sammensatte elementet 100, som vist i Fig. 11C, på en måte hvor det beste både av slagmotstand og forbedret slitemotstand kan realiseres.

Det kan være ønskelig å trekke ut det katalyserende materialet i det fastsatte PCD-elementet 110 så vel som det katalyserende materialet i det omliggende PDC-elementet 120. Denne kombinasjonen vil frembringe et element med den høyest mulige slagstyrke kombinert med høyest mulig slitemotstand tilgjengelig i diamantelementer for kommersiell bruk.

I fig. 12A og 12B er en annen utførelse av PCD-elementet 202 til foreliggende oppfinnelse vist. I denne utførelsen er PCD-elementet 202 først formet i henhold til kjent teknikk. Etter at en overflate er blitt preparert, blir en CVD eller PVD-prosess benyttet for å frembringe et tettpakket sett av epitaksialt orienterte krystaller av diamant 260 avsatt på en fremtidig arbeidsoverflate 204 på en del 210 til PCD-elementet 202. Denne sammenstillingen blir deretter utsatt for en høytrykks-høytemperaturprosess hvorved de avsatte diamantkrystallene 260 former diamant-tildiamant bindinger med hverandre, og til diamant-krystallene i hoved-PCD. Denne diamant-til-diamant bindingen er mulig pga. tilstedeværelse av det katalyserende materialet 64 som påføres fra overflaten til hoved-PCD-elementet 202.

Etter rengjøring blir en del av arbeidsoverflaten 204 behandlet for å utrekke det katalyserende materialet 64 fra CVD- eller PVD-avsatt lag. Sluttproduktet er et PCD-element med én del av en arbeidsoverflate 204 med et volum 214 med en mye høyere diamantdensitet enn det til de andre overflatene 280 til PCD-elementet 202. Denne regionen 214 av høy diamantdensitet blir etterfølgende uttrekt for katalyserende material 64. Deler av de andre overflatene 280 til PCD-elementet 202 kan trekkes ut for binde-katalyserende material så vel.

I hovedsak kan elementene 102, 202 vist i fig. 11A, 11B, 11C, 12A og 12B karakteriseres som PCD-element 102, 202 som har et legeme 108, 208 med en arbeidsoverflate 104, 204. Diamantdensiteten tilstøtende arbeidsoverflaten 104, 204 er vesentlig høyere enn andre steder i legemet 108, 208, og er hovedsakelig fri for det katalyserende materialet 64.

Én særdeles nyttig applikasjon for PCD-elementet 2 til foreliggende oppfinnelse er som skjæreelementer 10, 50, 52 som vist i fig. IB, 4 og 5. Arbeidsoverflaten til PCD-skjæreelementet 10, 50, 52 kan være en topp arbeidsoverflate 70 og/eller en periferisk arbeidsoverflate 72. PCD-skjæreelementet 10 i Fig. IB er ett som typisk kan benyttes i faste, roterbare skjæreborekroner 12, eller for styrebeskyttelse i andre typer nedihullsverktøy. PCD-skjæreelementet 50 vist i Fig. 5 kan være formet som en kuppel 39. Denne type skjæreelement har en forlenget base 51 for innføring inn i sokler i en valseskjærborekrone 38 eller inn i legemet til begge typer av roterende borekroner 12, 38 som skal beskrives mer detaljert. PCD-skjæreelementet 52 i Fig. 4 er innrettet for bruk i maskineringsprosesser. Selv om sammenstillingen av skjæreelementet 52 i Fig. 4 er rektangulær, skal det forstås av en fagmann at dette elementet kan være triangulært, firkantet eller mange andre former egnet for maskinering av svært abrasive produkter som er vanskelig å maskinere med konvensjonelt verktøy.

PCD-skjæreelementet 10 kan være et preform-skjæreelement 10 til en fast, roterende skjæreborekrone 12 (som vist i

Fig. 2). Kronelegemet 14 til borekronen er utformet med et antall blader 16 som hovedsakelig strekker seg utover vekk fra den sentrale langsgående rotasjonsaksen 18 til borekronen. Med innbyrdes avstand og side-ved-side langs den ledende overflaten 20 til hvert blad er et antall av PCD-skjæreelementene 10 ifølge foreliggende oppfinnelse.

Vanligvis har PCD-skjærelementet 10 et legeme i form av en sirkulær tablett med en tynn fremovervendt flate 30 av diamant eller diamantilignende (PCD) material, forbundet i en høytrykk, høytemperatur-presse til et substrat 32 av mindre hardt material så som sementert wolframkarbid eller andre metalliske materialer. Skjæreelementet 10 er preformet og deretter vanligvis forbundet på en hovedsakelig syndrisk bærer 32 som også er formet fra sementert wolframkarbid, eller kan alternativt være festet direkte til bladet. PCD-skjæreelementet 10 har arbeidsoverflater 70 og 72.

Den sylindriske bæreenheten 34 er mottatt i en korre-sponderende formet sokkel eller spor i bladet 16. Bæreelementet 34 vil vanligvis være hardloddet eller krymptilpasset i sokkelen. I drift blir den faste skjær-borekronen 12 rotert og vekt påføres. Dette presser skjæreelementene 10 inn i jorden som bores, og frembringer en skjære- og/eller borereffekt.

PCD-skjæreelementene 10 kan også anvendes på sporområdet

36 til kronen 12 for å frembringe en sporopprømmingseffekt så vel som å beskytte kronen 12 fra betydelig slitasje fra sporområdet 36. For å anordne disse skjæreelementene 10 så nært adskilt som mulig, kan det være ønskelig å beskjære

elementene til former, så som den rektangulære formen vist, og som mer enkelt passer inn i sporområdet 36.

I en andre utførelse er skjæreelementet 50 (som vist i

Fig. 5) til foreliggende oppfinnelse på en valseskjære-type-borekrone 38, vist i Fig. 3. En valseskjærborekrone 38 har typisk én eller flere avkortede kone valseskjæreelementer 40, 41, 42 montert på en lagerspindel på beinet

44 til kronelegemet 46. Skjæreelementene 50 kan være montert som én eller av et antall skjæreinnlegg anordnet i rader på valseskjæreenhetene 40, 41, 42, eller alternativt kan PCD-skjæreelementene 50 være anordnet langs beinet 44 til kronen 38. PCD-skjæreelementet 50 har et legeme i form av en utovervendt flate 35 av diamant eller diamantlignende material bundet til et mindre hardt substrat 37. Den utovervendende flaten 35 i denne utførelsen av foreliggende oppfinnelse er i form av en kuppelformet overflate 39 og har arbeidsoverflater 70 og 72. Følgelig er det ofte et antall overgangslag mellom den utovervendte flaten og substratet 37 for å hjelpe til med å distribuere jevnere spenninger som genereres under fremstilling, som er velkjent for en fagmann.

I drift blir valseskjærborekronen 38 rotert og vekt påføres. Dette presser skjæreinnleggene 50 inn i radene av de kone valseskjæreelementer 40, 41, 42 inn i jorden, og ettersom kronen 36 roteres, dreier valseskjæreenhetene 40, 41, 42, noe som frembringer en boreeffekt.

I en annen utførelse er PCD-skjæreelementet 52 ifølge foreliggende oppfinnelse i form av et trekantet, firkantet eller annen form av material for anvendelse som skjæreinnlegg i maskineringsoperasjoner. I denne utførelsen har skjæreelementet 52 et legeme i form av en utovervendt flate 54 av diamant eller diamantlignende material bundet til et mindre hardt substrat 56 med arbeidsoverflater 70 og 72. Vanligvis ville skjæreelementet 52 deretter bli oppdelt i et antall mindre stykker som etterfølgende blir festet til et innlegg 58 som er montert i verktøyholderen til maskineringsverktøyet. Skjæreelementet 52 kan festes til innlegget ved hardlodding, limforbindelser, sveising eller klemming. Det er også mulig å sluttforme skjæreelementet 52 i formen til innlegget i en høytemperatur, høytrykksfremstillingsprosess.

Som vist i fig. 13-18 kan PCD-elementene 2, 102, 202 ifølge foreliggende oppfinnelse også anvendes for andre applikasjoner så som hule former, f.eks. vist som en vaiertrekkeform 300 i Fig. 13 som anvender et PCD-element 302 ifølge foreliggende oppfinnelse. Det kan også være ønskelig å benytte den meget gode varmeoverførings-kapasiteten til PCD-elementet 2, 102, 202 sammen med dets elektriske isolasjonsegenskaper som et kjølelegeme 310 med et PCD-element 312 ifølge foreliggende oppfinnelse.

Andre applikasjoner omfatter friksjonslagre 320 med et PCD-lagerelement 322 vist i Fig. 15 og de innbyrdes like delene til en ventil 340, 344 med overflater 342 som har et PCD-element 342 ifølge foreliggende oppfinnelse, som vist i fig. 16A og 16B. I tillegg kan innsnittsutstyr 360 for risseenheter, hardhetstestere, overflatebehandling, etc. ha PCD-elementer 362 ifølge foreliggende oppfinnelse som vist i Fig. 17A. Presser 370 kan ha én eller begge formene 372, 374 fremstilt av PCD-materialet ifølge foreliggende oppfinnelse, som vist i Fig. 17B. Også verktøy-kjerner 382 og andre typer sliteelementer for måle-anordninger 380, vist i Fig. 18, kan være fremstilt av PCD-elementer ifølge foreliggende oppfinnelse. Det skal forstås at nesten enhver applikasjon for polykrystallin-diamant vil trekke fordel fra de katalyserende material-uttrekte PCD-elementene ifølge foreliggende oppfinnelse.

Selv om foreliggende oppfinnelse er blitt beskrevet med hensyn til de vedlagte tegninger, skal det forstås at andre og videre modifikasjoner bortsett fra de som er vist og foreslått heri, kan utføres innenfor rammen av foreliggende oppfinnelse.

Claims

1. Preform-skjæreelement omfattende et legeme av superhardt polykrystallinsk material omfattende et antall bundne diamantkrystaller (60) integralt formet med et metallisk substrat (6), et antall interstitiale regioner (62) blant diamantkrystallene (60) og et katalyserende material (64),karakterisert vedat legemet har minst 90 % ved volum diamantdensitet og en skjæreoverflate, der en første interstitial region tilstøtende minst en del av skjæreoverflaten er hoved-sakelig fri for det katalyserende material (64), og en andre interstitial region i en del av legemet i kontakt med substratet inneholder det katalyserende material (64), hvori den første interstitiale regionen strekker seg under skjæreoverflaten og den andre interstitiale regionen har en gjennomsnittlig tykkelse større enn 0,15 mm.

2. Preform-skjæreelement i samsvar med krav 1,karakterisert vedat skjæreelementet er montert på en skjæreflate til en fast, roterende skjærborekrone.

3. Preform-skjæreelement i samsvar med krav 1,karakterisert vedat skjæreelementet er montert på et legeme til en valseskjærborekrone.

4. Preform-skjæreelement i samsvar med krav 1,karakterisert vedå omfatte et skjæreelement med skjæreoverflaten innrettet for anvendelse som et skjæreinnlegg i en maskineringsoperasjon.

5. Preform-skjæreelement i samsvar med krav 1,karakterisert vedat substratet er wolframkarbid med et jerngruppe-bindematerial.

6. Preform-skjæreelement i samsvar med krav 1,karakterisert vedat den første interstitiale regionen strekker seg under skjæreoverflaten til en dybde av minst en gjennomsnittlig diameter til diamantkrystallene.

7. Preform-skjæreelement i samsvar med krav 1,karakterisert vedat den første interstitiale regionen strekker seg under skjæreoverflaten til en dybde av minst omtrent 0,1 mm.

8. Preform-skjæreelement i samsvar med krav 1,karakterisert vedat diamantkrystallene (60) har en gjennomsnittlig partikkelstørrelse i et område av omtrent 30 mikron til omtrent 60 mikron.

9. Preform-skjæreelement i samsvar med krav 1,karakterisert vedat en hoveddel av det katalyserende materialet (64) gjenværende i den andre interstitiale regionen til legemet fester seg til overflatene til diamantkrystallene (60).

10. Preform-skjæreelement i samsvar med krav 1,karakterisert vedat en mengde av katalyserende material (64) i den andre interstitiale regionen til legemet vedvarende avtar ved økende avstand fra det første volumet.

11. Preform-skjæreelement i samsvar med krav 1,karakterisert vedat den første interstitiale regionen omfatter mer enn 30 % av legemet fjernt fra arbeidsoverflaten.