具有多晶立方体氮化硼过渡层的热稳定多晶金刚石制造技术

本公开涉及包含用于地下钻井应用的多晶金刚石体的切割工具，更具体地讲，涉及一种接合到基体以形成切割元件的热稳定多晶金刚石体。热稳定多晶金刚石体可以是无结合剂多晶金刚石或非金属催化剂多晶金刚石。同样还提供了一侧结合到多晶金刚石体、另一侧结合到基体的多晶立方体氮化硼层。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】【专利摘要】本公开涉及包含用于地下钻井应用的多晶金刚石体的切割工具，更具体地讲，涉及一种接合到基体以形成切割元件的热稳定多晶金刚石体。热稳定多晶金刚石体可以是无结合剂多晶金刚石或非金属催化剂多晶金刚石。同样还提供了一侧结合到多晶金刚石体、另一侧结合到基体的多晶立方体氮化硼层。【专利说明】具有多晶立方体氮化硼过渡层的热稳定多晶金刚石
技术介绍
超硬材料通常被用在切割工具和岩石钻井工具中。多晶金刚石材料就是其中一种这样的超硬材料，并且以其良好的耐磨性和硬度而闻名，这使其成为在诸如用于机加工的切割工具以及在地下采矿和钻井中使用的切割元件的工业应用中普遍选择的材料。 为了形成多晶金刚石，金刚石颗粒在高压和高温下烧结(HPHT烧结)以产生超硬多晶结构。在烧结之前将催化剂材料添加到金刚石颗粒混合物中和/或在烧结过程中渗透金刚石颗粒混合物以在HPHT烧结过程中提高金刚石晶体的共生，从而形成多晶金刚石(PCD)结构。通常用作催化剂的金属从选自元素周期表VIII组的溶剂金属催化剂的组中选取，包括钴、铁和镍以及它们的组合和合金。在HPHT烧结之后，产生的PCD结构包括彼此结合的相互连接的金刚石晶体网，其中，催化剂材料占据结合的金刚石晶体之间的间隙空间或孔。金刚石颗粒混合物可以在基体存在的情况下烧结，以形成结合到基体的PCD体。基体还可以用作在烧结过程中渗透到金刚石颗粒混合物中的金属催化剂的源。 用于特定应用的PCD体所期望具有的特性为在磨损或切割操作过程中提高的热稳定性。传统的PCD体已知存在的问题在于，当它们暴露于升高的温度时容易热降级。这种易损性是由存在于分布在PCD体内的间隙内的溶剂金属催化剂材料的热膨胀特性和晶间结合的金刚石的热膨胀特性之间的差引起的。这种热膨胀差公知从低到400°C的温度开始，同时能够引发对金刚石的晶间结合产生不利影响的热应力并且最终导致产生使PCD结构易于受损的裂缝。此外，溶剂金属催化剂已知能够在金刚石内引起不期望的随着温度升高而发生的催化相变(将其转化成一氧化碳、二氧化碳或石墨)，由此限制了 PCD体在大约750°C下的实际使用。 在高温下提高性能的热稳定rcD材料已经取得了发展。然而，其难以在热稳定rcD材料和基体之间形成用于连接到切割工具的结合。
技术实现思路
本公开涉及包含用于地下钻井应用的多晶金刚石体的切割工具，更具体地讲，涉及一种接合到基体以形成切割元件的热稳定多晶金刚石(PCD)体。 在一个实施例中，切割元件包括热稳定多晶金刚石体。热稳定P⑶体可以是无结合剂P⑶或非金属催化剂P⑶，例如碳酸盐P⑶。同样还提供了一侧结合到P⑶体、另一侧结合到基体的PCBN层。在一个实施例中，提供了一种用于将热稳定多晶金刚石体接合到基体的方法。该方法包括形成热稳定PCD体，其可以是无结合剂PCD或非金属催化剂PCD。该方法包括将热稳定多晶金刚石体结合到多晶立方体氮化硼体上，并且将多晶立方体氮化硼体结合到碳化物基体上。 本
技术实现思路
用于介绍在下面的详细说明中进一步描述的选取的概念。本
技术实现思路
不是用于确定要求保护的主题的关键或本质特征，也不是用于帮助限定要求保护的主题的范围。 【专利附图】【附图说明】 热稳定PCD材料的实施例参照所附的图进行描述。在全部的附图中相同的附图标记指代相同的特征和部件。 图1示出了根据一个实施例的热稳定碳酸盐P⑶材料的一个区域。 图2示出了根据一个实施例的热稳定无结合剂PCD材料的一个区域。 图3示出了根据一个实施例的包含热稳定P⑶体的切割元件。 图4示出了根据一个实施例的包含热稳定P⑶体的切割元件。 图5示出了根据一个实施例的包含热稳定P⑶体的切割元件。 图6示出了根据一个或多个实施例的用于将热稳定PCD体结合到基体的示例性方法。 图7示出了根据一个或多个实施例的用于将热稳定PCD体结合到基体的示例性方法。 图8示出根据一个实施例的包含切割元件的示例性装置。 【具体实施方式】 本公开涉及包含用于地下钻井应用的多晶金刚石材料的切割工具，更具体地，涉及一种接合到基体以形成切割元件的热稳定多晶金刚石(PCD)体。在一个实施例中，热稳定P⑶材料可以是非金属催化剂P⑶，或者无结合剂P⑶。P⑶体通过多晶立方体氮化硼(PCBN)过渡层结合到碳化物基体上。PCBN过渡层提供与热稳定PCD体和碳化物基体两者的结合。 后面公开的内容涉及各种实施例。公开的实施例具有广泛的应用，并且对任何实施例的讨论仅仅是为了说明该实施例，而不是意味着公开的范围，包括权利要求，被限定在该实施例或者该实施例的特征。 在后面整个说明书和权利要求中，特定的术语指代具体的特征或部件。如本领域技术人员能够意识到的，不同的人会使用不同的名字来指代相同的特征或部件。本文献并不是用于区分仅仅是名字不同的部件或特征。附图并不一定要成比例。在这里，特定的特征和部件可以被示出按比例放大或在某种程度上只是示意性的并且为了清晰和简明起见，常规元件的一些细节并没有示出。 如这里所使用的，为了方便起见，多个对象、结构元件、组成元件和/或材料可以列在同一个列表中。然而，这些列表应该被理解为好像每个列表部分被独立地确定为单独且唯一的部分。因此，任何一个单独的这种列表部分不应该仅仅基于它们出现在同一个组中而没有相反的标记而被理解为实际上与相同列表里的任何其它部分相当。 作为参考被包含在这里任何专利、公开或其它公开材料的整体或部分的范围仅限于包含的材料不会与在本公开中提出的现有的限定、说明或其它公开材料相冲突。如此以及对于必须的范围来说，这里提出的公开替代通过引用包含于此的任何冲突材料。作为参考被包含在这里但是与这里提出的现有的限定、说明或其它公开材料相冲突的任何材料或其部分被包含在这里的范围仅仅限于在包含的材料和现有的公开材料之间不会发生冲突的范围。 为了清晰起见，如这里使用的，术语“传统的rcD”所指的是在HPHT烧结过程中使用传统的金属催化剂形成的传统的多晶金刚石，这种多晶金刚石形成这种结合的金刚石晶体的微结构，其中，金属催化剂材料占据结合的金刚石晶体之间的间隙空间或孔。 “非金属催化剂P⑶”所指的是在HPHT烧结过程中使用非金属催化剂形成的P⑶材料，其形成结合的金刚石晶体的微结构，其中，非金属催化剂占据结合的金刚石晶体之间的间隙空间或孔。非金属催化剂的例子包括碳酸盐、硫酸盐(例如，MgSO4)、氢氧化物(例如，Mg(OH)2)以及氧化铁(例如，FeTi03)。碳酸盐催化剂可以是任何I类或II类(Group I或者Group II)碳酸盐，例如碳酸镁、碳酸钙、碳酸锂或碳酸钠，或碳酸盐的组合。“无结合剂PCD”所指的是不使用催化剂形成的多晶金刚石基体，例如通过在超高压力和温度下将石墨直接转换成金刚石。这里使用的“热稳定PCD”所指的是非金属催化剂PCD或无结合剂PCD。在一个实施例中，热稳定PCD选自基本上由无结合剂PCD和非金属催化剂PCD构成的组。 在一个实施例中，热稳定rcD材料为非金属催化剂rcD，例如碳酸盐P⑶。在烧结前，非金属催化剂与金刚石粉末混合，并且在烧结过程中促进金刚石晶体的增长。当使用非金属催化剂时，金刚石在多晶金刚石形式中随着温度上升到1200°本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种切割元件，包括：包括材料微结构的至少一个热稳定多晶金刚石体，所述材料微结构包括结合到一起的多个金刚石晶体，其中，热稳定多晶金刚石体选自实质上由无结合剂多晶金刚石体和非金属催化剂多晶金刚石体构成的金刚石体的组；包括多晶立方体氮化硼的多晶立方体氮化硼层，所述多晶立方体氮化硼层被结合到热稳定多晶金刚石体且具有交界表面；以及基体，其中，多晶立方体氮化硼层的交界表面被结合到基体。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】...

【专利技术属性】
技术研发人员：Y·鲍，
申请(专利权)人：史密斯国际有限公司，
类型：发明
国别省市：美国;US