带有增强附着区域的超硬研磨材料、其形成方法和应用
技术领域
本发明涉及一种超硬研磨体，例如热稳定多晶金刚石(TSP)体，其具有含 有碳化钨颗粒的增强附着区域，所述碳化钨颗粒是例如共晶碳化钨颗粒，用于 所述TSP体与连接材料相连，所述连接材料是例如冶金连接材料。本发明进一 步涉及一种超硬研磨元件，其含有通过碳化钨颗粒和连接材料附着于基材上的 所述超硬研磨体。本发明的其他方面还涉及一种包含所述超硬研磨元件的工业 设备，例如掘进机钻头或机床。本发明的实施例进一步涉及上述任意超硬研磨 体、超硬研磨元件和工业设备的形成方法和应用。
背景技术
各种工业设备的部件经常遭受极端情况，如与研磨表面的高冲击接触。例 如，一般为石油开采或采矿目的而在地下钻孔时遭受所述极端情况。金刚石， 由于其非常卓越的耐磨性能，是土壤钻孔和部件遭受极端情况的类似工作最有 效的材料。金刚石异常坚硬，能从与研磨表面的接触点导出热量，并提供在所 述情况下其他的益处。
由于多晶形式的金刚石中金刚石晶体的随机分布，避免了在单晶金刚石晶 体中发现的特别解离面，多晶形式的金刚石比单晶金刚石具有更好的韧性。因 此，在许多钻孔应用或其他极端情况中，多晶金刚石常常是优选的金刚石形式。 在这些情况下，如果表面层是由金刚石制成，典型的由多晶金刚石(PCD)压实 体形式，或其他超硬耐磨材料制成，则设备元件具有较长的使用寿命。
在苛刻条件下使用的元件可包含与基材结合的PCD层。传统PCD的制造 工艺非常费力和昂贵。所述工艺涉及相当于直接在碳化物基材上直接“生长”多 晶金刚石，以形成多晶金刚石合成压实体。所述工艺包括将粘结的碳化物块和 金刚石颗粒与催化粘结剂相混合并放入压制容器中，使用超高压和超高温条件 对其进行循环压制。所述超高温和超高压是小金刚石晶粒形成完整的多晶金刚 石体所必需的。得到的多晶金刚石体与碳化物块紧密结合，产生复合压实体为 与碳化物基材紧密结合的多晶金刚石层的形式。
钴和其他金属催化剂/粘结剂体系促进了多晶金刚石的生长。在晶体生长 完成后，所述催化剂/粘结剂残留在多晶金刚石体的孔隙中。钴或其他金属催化 剂/粘结剂具有比金刚石更大的热膨胀系数。这样，当复合PCD被加热时，例 如，在将碳化物部分附着于另一材料上的钎焊过程中，钻孔过程中，所述金属 催化剂/粘结剂比金刚石更快速地膨胀。因此，当PCD遭受高于临界水平的温 度时，所述膨胀的催化剂/粘结剂会在PCD内部产生压力，会出现贯穿所述多 晶金刚石结构的裂纹。这些裂纹使PCD变弱并最终导致其损坏或失效。含有 催化剂/粘结剂的PCD通常在高于750℃的温度下不是热稳定的，由于所述粘 结剂/催化剂的热膨胀可能出现性能变差，而且会在最低达500℃的温度下的石 墨化或氧化造成金刚石的反向转化。
当基材材料，例如碳化钨，混合到PCD层中时，类似的问题已经被报道。 例如，U.S.4,604,106报道了甚至在PCD层和基材(PCD层形成于所述基材之 上)之间存在包含碳化物的过渡层时，也会出现裂纹。
由于这些或其他影响，通常将催化剂从PCD层的一部分除去，特别是接 近工作表面的部分。除去催化剂的PCD通常可在高达1200℃左右的温度具有 热稳定性。
尽管使用其他可选酸或电解质和液态金属技术的工艺也存在，但是除去催 化剂最常用的工艺是使用强酸浴。通常来讲，使用一种酸基方法从PCD层中 除去催化剂被称为溶浸。酸基溶浸通常首先发生在PCD层的外表面并向内进 行。因此，传统的包含溶浸PCD层的元件经常表现出的特性为从其表面溶浸 至一定深度。大部分催化剂被从中溶浸出的PCD，包括PCD层区域，被称为 TSP。现有溶浸方法的例子由U.S.4,224,380、U.S.7,712,553、U.S.6,544,308、 U.S.20060060392和相关专利或申请提供。
酸溶浸的溶浸也必须被控制，以避免基材之间或基材与金刚石层之间界面 与用于溶浸的酸相接触。酸充分溶浸的多晶金刚石可使耐久性小得多的基材的 严重地退化。对于基材的损伤会破坏PCD元件的物理完整性，可能在使用时 造成其开裂、散开或遭受其他物理失效，也可能引起其他损伤。此外，从基材 和PCD层的界面除去Co会削弱PCD层和基材之间的结合，也会导致PCD元 件在使用过程中的失效。
对于含PCD层的元件溶浸时谨慎控制的需要，严重增加了PCD制造的复 杂性、时间和费用。此外，通常对于PCD元件的溶浸都是成批地进行。确保 适度溶浸的检测可以是破坏性的或非破坏性的。破坏性测试进一步增加了PCD 元件制造的成本。
已经尝试通过单独地溶浸PCD层来避免溶浸完全形成的元件出现的问 题，然后将其附着于基材上。但是，这些尝试未能制造出可用的元件。特别地， 将PCD层附着于基材上的方法在实际使用时未成功，会使得PCD层滑移或分 离。例如，使用钎焊方法生产的元件，如在U.S.4,850,523、U.S.7,487,849、 U.S.6,054,693和SPE 90845“用于钻头的热稳定多晶金刚石刀具”和相关专利、 申请或出版物中所描述的，或机械锁定方法如在U.S.7,533,740或U.S. 4,629,373和相关专利或申请中所描述的，都容易失败。
将PCD层与预成型基材相连接的其他方法在U.S.7,845,438中被描述，但 需要熔融基材上已经存在的材料并用所述材料对PCD层进行渗透。
在其他的方法中，通过使用粘结材料对整个钻头和至少部分PCD层进行 渗透，使溶浸的PCD层被直接附着于钻头的测量区域。虽然这些方法适合将 PCD附着于测量区域，这里在钻头的使用寿命内它不需要被移除，这些方法不 适合将PCD层置于钻头的切割区域，这里PCD是需要替换和旋转的，以提供 常规的钻头寿命。
使用其他的方法，PCD元件，通常相当于集成，被合并入钻头的外表部 分。集成通常用金属涂覆，例如镍(Ni)。集成涂层可提供多种益处，例如在高 温下对金刚石的保护和改善与钻头基质的结合。
某些方法尝试通过以下做法解决所述问题：首先在压力循环中使用无催化 性的烧结助剂形成颗粒与颗粒相结合的研磨颗粒压实体，除去该烧结助剂的金 属副产物以形成空隙网络，然后将这些空隙用无催化性烧结助剂的碳化物副产 物填充，以形成实心体。所述实心体随后在第二次压力循环过程中，通过颗粒 和碳化物副产物与基材的结合被附着于基材上。与如上述的其他附着方法类 似，该方法在获得稳定的附着上也遭遇技术困难。
因此，存在对于包括可旋转或可替换元件的需求，所述元件需要具有充分 良好附着于基底或基材上的溶浸PCD层，例如TSP体，其允许元件在例如掘 进机钻头切割元件所遭受的高温条件下使用。
概述
根据一个实施方式，本发明提供了一种超硬研磨体，其包含具有顶部区域 和增强附着区域的TSP体，其中所述增强附着区域包含占所述增强附着区域总 体积的至少30体积％的碳化钨颗粒。
根据另一实施方式，本发明提供一种超硬研磨元件，其包含具有顶部区域 和增强附着区域的TSP体，其中所述增强附着区域包含占所述增强附着区域总 体积的至少30体积％的碳化钨颗粒，所述TSP体附着的基材，和设置于基材 内部以及所述TSP体的增强附着区域的碳化钨颗粒内部或周围的连接材料。
根据另一实施方式，本发明提供一种包含如上所述超硬研磨元件的掘进机 钻头。
根据另一个实施方式，本发明提供一种形成超硬研磨体的方法，该方法通 过以下方式形成PCD元件：将金刚石晶体的晶粒、催化剂和碳化钨颗粒置于 足够的温度和压力下以形成金刚石体基质和包含催化剂的间隙基质，其中所述 碳化钨颗粒位于一区域内以形成所述PCD元件的增强附着区域，然后从PCD 中溶浸出至少85％的催化剂和碳化钨以形成具有碳化钨颗粒的TSP，所述碳化 钨颗粒位于PCD元件的增强附着区域中，其中碳化钨颗粒的体积为所述增强 附着区域总体积的至少30％。
根据另一个实施方式，本发明提供一种形成超硬研磨元件的方法，该方法 通过以下方式形成PCD元件：将金刚石晶体的晶粒、催化剂和碳化钨颗粒置 于足够的温度和压力下以形成金刚石体基质和包含催化剂的间隙基质，其中所 述碳化钨颗粒位于一区域中以形成所述PCD元件的增强附着区域，从PCD中 溶浸出至少85％的催化剂以形成具有碳化钨颗粒的TSP，所述碳化钨颗粒位于 PCD元件的增强附着区域，其中碳化钨颗粒的体积为所述增强附着区域总体积 的至少30％，然后通过在碳化钨颗粒内部或周围设置连接材料将TSP用冶金 法或微机械法附着在基材上。
附图说明
通过如下与描述本发明实施例的附图相关联的表述，可以得到对本发明实 施方式和有益之处更加完全的理解，其中同样的数字代表相近似的部分，其中：
图1是具有增强附着区域的超硬研磨体的截面侧视图；
图2是溶浸和附着于成型基材之前的在增强附着区域具有碳化钨颗粒的 超硬研磨体的放大截面视图；
图3是具有包含增强附着区域的超硬研磨体的超硬研磨元件的截面侧视 图。
详细说明
本发明涉及一种具有增强附着区域的超硬研磨体，例如TSP体。根据本 发明一种实施方式，所述增强附着区域可包含碳化钨颗粒。所述连接材料可以 渗透到碳化钨颗粒内部或周围从而在增强附着区域和基材之间形成附着，所述 连接材料是例如冶金法连接材料。相应地，本发明还包含一种含有该超硬研磨 体的超硬研磨元件，所述超硬研磨体通过连接材料附着于基材，一种含有该超 硬研磨元件的工业设备，以及该超硬研磨体、超硬研磨元件或设备的形成和使 用方法。
如图1所示，一种超硬研磨体30可包含与顶部区域35相邻的工作表面 33，该顶部区域35与增强附着区域34相邻，该增强附着区域34与附着界面 32相邻。工作表面33和顶部区域35可以包含超硬研磨材料37。增强附着区 域34和附着界面32可以包含超硬研磨材料37以及碳化钨颗粒36。
在一种实施方式中，超硬研磨体30可以包含TSP。TSP可以包含充分溶 浸后在高于750℃的温度显示出热稳定性的任意PCD。例如，根据一些实施方 式，至少85％的催化剂可以从TSP中除去。在其他实施方式中，至少90％、 至少95％、或者甚至至少99％的催化剂可以被除去。在一些实施方式中，超硬 研磨元件30包含TSP，超硬研磨材料37可以包含金刚石。根据其他的实施方 式，超硬研磨元件30可由替代的超硬研磨材料37形成，例如立方氮化硼，或 者由石墨在超高压和高温下直接转化形成的、单相多晶致密的超硬金刚石，如 “高硬度纳米多晶金刚石的显微结构和机械性能(Microstructure and Mechanical Properties of High-Hardness Nano-Polycrystalline Diamonds)，”SEI Technical Review第66期，第85页(2008年4月)中所描述的。
通过允许连接材料存在于碳化钨颗粒内部或周围，增强附着区域34中的 碳化钨颗粒36可以促进TSP附着到基材上。特别地，所述碳化钨颗粒可以促 进超硬研磨体和基材之间通过连接材料形成冶金结合或微机械结合。
在一些实施例中，碳化钨颗粒36的体积可以为增强附着区域34体积的至 少30％、至少40％、或至少50％。在其他实施方式中，所述碳化钨颗粒可以具 有大约20μm-250μm的平均直径。全部碳化钨颗粒的平均直径可以是类似的或 者是可改变的。碳化钨颗粒可以大致为球型，或者其可以为不规则形状或其他 规则形状。
在某些实施方式中，包含TSP和超硬材料37的超硬研磨体30为金刚石， 所述金刚石可具有均匀的晶粒尺寸。但是，在其他实施方式中，所述超硬研磨 体中的晶粒尺寸可以改变。例如，在顶部区域或工作表面可以选择赋予超硬研 磨体有益硬度、耐冲击性或其他性能的晶粒尺寸。在增强附着区域可以选择晶 粒尺寸，以促进连接材料移动进入所述增强附着区域，或在成型时、除去催化 剂时、采用连接材料渗透或使用超硬体时，为增强附着区域提供结构整体性。 在一个实施方式中，在工作表面附近使用细晶粒金刚石，从而赋予更高的耐磨 性，同时在增强附着区域中使用较大晶粒金刚石以增加孔隙率。
根据未显示出的另一个实施方式，碳化钨颗粒36可以改为在溶浸过程中 从增强附着区域34除去溶浸可去除材料时所形成的孔。
根据另一个实施方式，本发明涉及一种超硬研磨体的形成方法，例如上文 所述的超硬研磨体。在一个实施方式中，该方法可以包括通过以下方式形成 PCD体：将天然或合成的金刚石晶粒与催化剂混合，将碳化钨颗粒置于一区域 中以形成增强附着区域，然后对混合物施加高温高压以形成与一成型基材附着 连接或与该基材分离的PCD。图2所示是一种PCD附着于成型基材的实施方 式示例。
在图2中，所述PCD可以包含超硬材料37，例如金刚石体基质，包含催 化剂38和孔3的间隙基质9，以及在某一区域以形成增强附着区域34的碳化 钨颗粒36。在许多实施方式中，所述形成增强附着区域34的区域可以与成型 基材40相邻，但并不是必须在这一位置。此外，与传统PCD形成过程相比， 存在的成型基材40的数量要少得多，或者由于在随后的工艺中将被除去，所 述成型基材甚至可以不存在(未示出)。由此可以进行进一步的挤压法优化。
根据特定的实施方式，所述催化剂可以包括VIII族金属，特别是钴(Co)。 但是，在一些实施方式中，其他的催化剂也可以使用。这些催化剂包括Mg、 Ca、Sr、Ba的碳酸盐及其混合物。由其他催化剂形成的PCD材料如日本早期 公开的74766/1992和114966/1992中所描述，这些文献材料部分参考结合入本 文中。
所述碳化钨颗粒可以包括WC和W2C。所述颗粒可以具有一定尺寸和量， 足以在增强附着区域获得如上描述的所需碳化钨的体积，或者促进连接材料的 相互作用以及TSP体与基材的附着。所述碳化钨颗粒可以由能够经受TSP溶 浸并充分保持完整的任何形式的碳化钨形成，以促进TSP体通过连接材料附着 到基材上。根据一个具体的实施方式，其可以包括共晶碳化钨。图2提供了一 种实施例的显微照片，图中显示了包含球形共晶WC/W2C颗粒(Witeam Commercial(Intl.)，Ltd.，Hong Kong)的TSP体。
所述PCD随后可以通过任何能够从间隙基质中除去催化剂38的工艺进行 溶浸。如果存在成型基材40，所述溶浸工艺也可以将其除去。在一些实施例中， 成型基材的至少一部分可以在溶浸前被除去，例如通过研磨除去。在特定实施 方式中，所述PCD可以使用酸溶浸。所述溶浸工艺可以与传统的溶浸工艺不 同，在溶浸时不需要保护基材或边界区域。例如，可以将PCD或PCD/成型基 材组合简单地放入酸浴中而不使用任何通常所使用的保护组分。甚至酸浴的设 计也可以与传统的酸浴不同。在本发明使用的许多工艺中可以使用一个简单的 酸桶。
使用路易斯酸基溶浸剂的其他溶浸方法也可以被采用。在该方法中，所述 包含催化剂的PCD可被置于路易斯酸基溶浸剂中直至所需量的催化剂被除去。 与传统的溶浸方法相比，该方法可以在较低的温度和压力下进行。所述路易斯 酸基溶浸剂可以包括氯化铁(FeCl3)、氯化铜(CuCl2)以及任选的盐酸(HCl)、或 硝酸(HNO3)、它们的溶液，及其混合物。该溶浸方法的一个示例可以在Ram Ladi 等2011年6月24日申请的US 13/168,733中找到，其名称为“用于溶浸多晶金 刚石元件的化学试剂(CHEMICAL AGENTS FOR LEACHING POLYCRYSTALLINE DIAMOND ELEMENTS)”，其全文参考了结合在本文 中。
当催化剂被从间隙基质中除去时，形成了在增强附着区域34含有碳化钨 颗粒36的超硬研磨体30。
在其他的实施方式中，碳化钨颗粒36可改变为除去溶浸可去除材料后所 存留的孔，因而，在溶浸之前，所述孔可被溶浸可去除材料所填充。所述材料 包括可通过溶浸工艺全部或部分被除去的任意材料，所述溶浸工艺包括例如上 述的溶浸工艺。在一个实施例中，所述材料可以是一种类型的碳化钨或适合用 作成型基材的其他材料。所述溶浸工艺可以从增强附着区域34除去全部的溶 浸可去除材料，或者可以仅除去所述材料的一部分，这样所述孔仍有部分被填 充。
如图3所示，根据另一个实施方式，超硬研磨体30可以在附着界面32 通过连接材料38附着在基材42之上，以形成超硬研磨元件40。连接材料38 可以置于超硬研磨体30的碳化钨颗粒36内部或周围，也可以渗入基材42或 与基材42结合。基材42可以是一种能够促进超硬研磨元件40附着到工业设 备上的材料，如掘进机钻头。例如，基材42可以包括碳化钨。基材42也可以 是工业设备自身的一部分(未示出)。
根据具体的实施方式，连接材料38能够在基材42和超硬研磨体30之间 形成冶金法或微机械法结合。连接材料38可以渗透碳化钨颗粒36或简单地置 于碳化钨颗粒36周围，例如，由于碳化钨颗粒与金刚石相比，前者具有较好 的润湿性能，其可以改善连接材料38在增强附着区域34中的渗透。
根据另一个具体的实施方式，连接材料38可以是钎焊材料，如由任意能 够在超硬研磨体30和基材42之间形成钎焊连接的材料组成的钎焊合金。在特 定的实施方式中，其可以包括VIII族金属，例如锰(Mn)或铬(Cr)，碳化物，或 者钛(Ti)与铜(Cu)或银(Ag)的合金。根据另一个具体的实施方式，连接材料38 可以包括焊接材料，如能够在超硬研磨体30和基材42之间形成焊接结合的焊 接合金。
根据另外一个具体的实施方式，所述连接材料可以包括能够渗透基材的材 料，例如在PCD形成中使用的催化剂，例如VIII族金属，如锰(Mn)或铬(Cr)。 也可以是一种碳化物或在碳化物形成中使用的材料，例如钛(Ti)与铜(Cu)或银 (Ag)的合金。也可以是一种合金，例如镍(Ni)合金或其它金属合金，例如VIII 族金属合金。在某些实施方式中，连接材料38可以是与随后溶浸形成TSP体 的PCD的形成过程中使用的催化剂不同的材料。这样可以易于进行从结合剂 中分离的催化剂的检测。但是，在其他实施方式中，所述渗透材料和催化剂可 以是相同的。在使用渗透材料作为连接材料38的实施方式中，基材42可以在 超硬研磨体30上形成，例如在U.S.13/225,134中所描述的，该文献的材料部 分参考结合在本文中。在其他实施例中，连接材料38可以渗透超硬研磨体30 所附着的预成型基材或设备。连接材料38也能够渗透碳化钨颗粒36，但是这 并不是必需的，具体来说，如碳化钨颗粒36是由与基材42不同类型的碳化钨 所形成时就不是必需的。
虽然图3中的附着表面32显示为平坦表面，但是本发明允许超硬研磨体 与基材的附着具有其他的形状，例如圆锥形或采用传统溶浸超硬研磨元件不易 实现的形状。特别地，非线性形状和空隙也是适合的。
本发明的超硬研磨元件可以是可从超硬研磨表面，例如TSP表面，获益 的任意元件形式。在特定的实施方式中，其可以是用于掘进机钻头的刀具或工 业设备的部件，如工具。此外，虽然图1和3中仅表示出了圆柱形的超硬研磨 体和元件，但是相比使用传统溶浸方法，由于在溶浸时无需对基材进行保护， 本发明允许更多种形状的超硬研磨体和元件形式。例如，超硬研磨元件可以成 型为任意适合其最终应用的形状，如在一些实施例中为圆锥形，变化的圆柱形， 乃至带有角。此外，在一些实施方式中，所述超硬研磨元件的表面可以是凹面、 凸面或不规则的。
根据另一个实施方式，本发明提供一种超硬研磨元件40的形成方法，该 超硬研磨元件包括使用连接材料38通过冶金或微机械连接法附着于基材42的 超硬研磨体30。在所述工艺过程中，连接材料38围绕或渗入超硬研磨体的碳 化钨颗粒36。根据一个实施方式，所述工艺包含将超硬研磨体钎焊或焊接于基 材上。根据另一个实施方式，所述工艺包含用连接材料渗透所述基材。根据另 一个实施方式，所述工艺包含通过用连接材料渗透另一种材料在超硬研磨元件 上形成基材。在任意渗透工艺中，碳化钨颗粒36也可以被连接材料渗透。
本发明的实施方式也包括包含本发明超硬研磨元件的工具。具体的实施方 式包括工业工具和掘进机钻头，例如固定刀具钻头。其他具体的实施例包括耐 磨元件、轴承或高压流体喷嘴。在特定的其他实施方式中，本发明的超硬研磨 元件可以用于掘进机钻头中的引导流体流动或腐蚀控制。例如，其可以用于代 替U.S.7,730,976、U.S.6,510,906或U.S.6,843,333所描述的研磨结构，该文献 的材料部分参考结合入本文中。
由于相比于在与基材相连接的情况下进行溶浸的传统工艺，本发明具有更 大程度从超硬研磨体除去催化剂的能力，本发明的超硬研磨元件能够在多数采 用传统溶浸超硬研磨元件的元件不可用的情况下使用。例如，超硬研磨元件可 在比以传统方式溶浸的类似元件更高的温度下使用。
根据其他的实施方式，碳化钨颗粒36可以改变为孔，连接材料38可以全 部或部分地填充孔，以促进超硬研磨体30附着于基材42上。
当本发明的超硬研磨元件用作掘进机钻头刀具时，其可以代替任何传统溶 浸PCD刀具。在许多实施方式中，其可以通过基材42附着于钻头上。例如， 基材42可以通过钎焊附着于钻头上的空穴。超硬研磨体也可以直接附着在钻 头上，例如直接附着在钻头上而不再附着在基材42上。
当用于钻头的切割部分时，所述刀具的工作表面将比TSP体30的其他部 分更快地磨损。当使用如图3所示的圆盘刀具时，所述刀具可以旋转，从而将 磨损的TSP从工作表面移走，并将未使用的TSP移动至工作表面。根据本发 明的圆盘刀具在其过度磨损无法使用之前可以以这种方式多次旋转。所述附着 和旋转的方法可以是用于传统溶浸PCD刀具的任意方法或其他方法。同样地， 非圆形刀具可以是可转位的，允许其移动替换磨损的工作表面，而不是替换整 个刀具。
除了可旋转之外，传统PCD刀具也可以从钻头上移除。这使得磨损或损 坏的刀具可被替换，或允许替换使用更适用于所钻岩层的不同刀具。这种可替 换刀具的能力极大地延长了掘进机钻头整体的使用寿命，使得其可适用于不同 的岩层。采用根据本发明的超硬研磨元件形成的刀具，也可以使用传统溶浸 PCD刀具所用的方法移除和替换。
虽然如上明确描述的仅是本发明的示例性实施方式，应当意识到，不背离 本发明思想和预期范围对于这些实施例的修改和变化都是可能的。例如，其他 材料也是适用的，特别是，用于由除金刚石外的其他超硬材料形成的超硬研磨 元件。