一种用于处理多晶金刚石材料的方法包括使所述多晶金刚石材料经受浸滤过程和热分解过程。
【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】相关申请的交叉引用本申请要求于2013年12月30日提交的美国临时申请No.61/922,054和于2014年12月10日提交的美国申请No.14/566,039的权益，这两篇申请均通过引用整体并入本文。
技术介绍
超硬材料常用于切割工具和凿岩工具中。多晶金刚石材料即为一种这样的超硬材料，而且因其良好的耐磨性和硬度而著称。为了形成多晶金刚石，在高压和高温下烧结(HPHT烧结)金刚石颗粒，以产生超硬多晶结构。催化剂材料在HPHT烧结之前添加到金刚石颗粒混合物中和/或在HPHT烧结期间渗入到金刚石颗粒混合物中以促进金刚石晶体在HPHT烧结期间交互生长，从而形成多晶金刚石(PCD)结构。传统地用作催化剂的金属包括溶剂金属催化剂，例如元素周期表中的第VIII族的元素，包含钴、铁和镍及其组合和合金。HPHT烧结后，所得PCD结构包含彼此结合的金刚石晶体或晶粒的互连网络，催化剂材料占据结合的金刚石晶体之间的间隙空间或孔。可以在基体的存在下HPHT烧结金刚石颗粒混合物，以形成与基体结合的PCD复合片(compact)。所述基体还可用作在烧结期间渗入金刚石颗粒混合物中的金属催化剂的来源。用于形成PCD体的催化剂材料的量表示强度、韧性和耐冲击性与硬度、耐磨性和热稳定性的期望特性之间的折衷。尽管较高的金属催化剂含量一般提高所得PCD体的强度、韧性和耐冲击性，但该较高的金属催化剂含量也降低PCD体的硬度、耐磨性以及热稳定性。这种权衡使得难以提供具有期望水平的硬度、耐磨性、热稳定性、强度、耐冲击性及韧性以满足特定应用的服务要求的PCD，所述特定应用例如在地下钻井装置中使用的切割和/或磨削元件。热稳定性可在磨削或切割操作期间尤其相关。在切割和/或磨削应用期
间，传统的PCD体在暴露于高温时可能容易受到热降解损伤。该易损性是由设置在PCD体间隙内的金属催化剂的热膨胀性与晶间结合的金刚石的热膨胀性之间存在的差造成的。已知该热膨胀差始于低至400℃的温度，并且可诱导对金刚石的晶间结合不利的热应力并最终导致形成裂纹，这样的裂纹可以使PCD结构易于损坏。因此，这样的特性是不利的。传统PCD材料已知存在的另一种热降解形式是也与PCD体的间隙区域中金属催化剂的存在和金属催化剂与金刚石晶体附着相关的热降解形式。具体地，已知金属催化剂随着温度升高导致金刚石非期望的催化相变(将其转化为一氧化碳、二氧化碳或石墨)，从而限制可以使用PCD体的温度。为了改善PCD材料的热稳定性，已将碳酸盐催化剂用于形成PCD。用碳酸盐催化剂形成的PCD在下文中称为“碳酸盐PCD”。在烧结之前将碳酸盐催化剂与金刚石颗粒混合，并在烧结期间促进金刚石晶粒的生长。当使用碳酸盐催化剂时，在利用升高温度形成的多晶金刚石中的金刚石仍然稳定，而不是被转化为二氧化碳、一氧化碳或石墨。因而，碳酸盐PCD比用金属催化剂形成的PCD更为热稳定。然而，碳酸盐催化剂本身随温度升高经受分解反应，转化成金属氧化物。具体地，碳酸盐分解成CO或CO2气体，导致在高于400℃的温度下加热时碳酸盐PCD材料释气。该释气可引起邻接面体积膨胀和非期望的空隙、气泡或膜，导致超硬材料的缺陷和裂纹以及降低的耐磨性。此外，当分解的气体不能快速地从碳酸盐PCD层释放时，在碳酸盐PCD层中可能形成裂纹。为了快速释放热产生的气体，碳酸盐PCD层内最好具有大的孔径分布。然而，碳酸盐PCD层中大的孔径分布将因金刚石体积量降低而劣化碳酸盐PCD耐磨性。如果碳酸盐PCD层紧密地具有小孔分布(例如，具有小于5重量％预混碳酸盐的PCD)，则难以避免内部热裂纹。
技术实现思路
提供本
技术实现思路
部分是为了介绍一系列概念，这些概念在下面的详细说明中进一步被描述。本
技术实现思路
部分无意于标识所要求保护的主题的关
键或必要特征，也无意于用于帮助限制所要求保护的主题的范围。在一个实施例中，提供了一种用于处理多晶金刚石材料的方法。该方法包括获得包含结合的晶体的多晶金刚石材料，其中所述晶体之间的间隙空间中具有碳酸盐催化剂材料；使所述多晶金刚石材料经受浸滤过程或热分解过程，并随后使所述多晶金刚石材料经受浸滤过程和热分解过程中的另一个过程。在一些实施例中，使所述多晶金刚石材料经受热分解过程包括使所述多晶金刚石材料经受至少400℃的温度。在一些实施例中，使所述多晶金刚石材料经受浸滤过程包括将所述多晶金刚石材料暴露于酸。在另一实施例中，提供了一种用于处理多晶金刚石材料的方法，包括获得包含结合的晶体的多晶金刚石材料，在所述晶体的间隙空间中具有碳酸盐催化剂材料，并且使所述多晶金刚石材料同时经受浸滤过程和热分解过程。在一个实施例中，使所述多晶金刚石经受热分解过程包括使所述多晶金刚石材料经受至少400℃的温度。在另一实施例中，使所述多晶金刚石材料经受浸滤过程包括将所述多晶金刚石材料暴露于酸。附图说明图1示出根据一个实施例的碳酸盐多晶金刚石材料的材料微观结构示意图(尺寸被放大，而且不一定按比例)。图2是含有金刚石颗粒和碳酸盐PCD的高压高温烧结包封壳的横截面图。图3是可用于浸滤的压力容器的横截面图。图4是根据一个实施例的用于从碳酸盐PCD中除去碳酸盐的方法的流程图。具体实施方式本公开内容涉及超硬材料，更特别地涉及用经浸滤和热分解的碳酸盐催化剂形成的超硬材料以及形成所述超硬材料的方法。为了清楚起见，本文所用术语“PCD”是指在HPHT烧结过程期间使用金属催化剂形成的传统多晶金刚石，其中，用占据结合的金刚石晶体之间的间隙空间或孔的催化剂材料形成结合的金刚石晶体的微观结构。术语“碳酸盐PCD”是指用
碳酸盐催化剂形成的PCD，其中，用占据结合的金刚石晶体之间的间隙空间或孔的碳酸盐催化剂材料形成结合的金刚石晶体的微观结构。碳酸盐PCD材料10的区域示意性地示于图1中。碳酸盐PCD材料10具有多晶微观结构，包括彼此结合的多个金刚石晶粒或晶体14，金刚石晶体之间具有间隙空间或孔18。该多晶微观结构通过在碳酸盐催化剂的存在下使金刚石颗粒经受HPHT烧结过程而形成。在一个实施例中，HPHT烧结过程包括施加约70kbar或更高的压力和高于2000℃的温度。在另一实施例中，HPHT烧结过程包括施加约65kbar或更高的压力和高于1800℃的温度。在该温度和压力下，该碳酸盐催化剂材料熔化并渗入金刚石颗粒混合物中。该催化剂促进金刚石晶体在HPHT烧结过程期间直接结合，从而形成碳酸盐PCD。结果是具有占据金刚石晶粒14之间的间隙空间18的碳酸盐催化剂材料16的碳酸盐PCD材料。在一个实施例中，碳酸盐PCD材料中的金刚石晶粒14的尺寸为约1至20微米。在一个实施例中，通过在存在碳酸盐催化剂(例如碳酸镁，MgCO3，也称为菱镁矿)的情况下使一定体积的超硬材料颗粒(例如，一定体积的金刚石颗粒)经受HPHT烧结过程来形成碳酸盐PCD体。在图2所示的一个实施例中，通过如下方式来形成碳酸盐PCD体20：将金刚石颗粒14与碳酸盐催化剂16混合，将它们置于由耐火材料(例如，铌或钼)制成的烧结包封壳28中，并进行HPHT烧结以产生碳酸盐PCD体。在一个实施例中，将含有碳酸盐催化剂的金刚石颗粒邻接基体(例如，碳化钨基体)HPHT烧结，以形成连接至基体的碳酸盐PCD体。在这样的一本文档来自技高网...
【技术保护点】
一种用于处理多晶金刚石材料的方法，包括：使所述多晶金刚石材料经受浸滤过程或热分解过程，所述多晶金刚石材料包含结合的晶体，在所述晶体之间的间隙空间中具有碳酸盐催化剂材料；和然后使所述多晶金刚石材料经受所述浸滤过程和所述热分解过程中的另一个过程。
【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2013.12.30 US 61/922,054;2014.12.10 US 14/566,0391.一种用于处理多晶金刚石材料的方法，包括：使所述多晶金刚石材料经受浸滤过程或热分解过程，所述多晶金刚石材料包含结合的晶体，在所述晶体之间的间隙空间中具有碳酸盐催化剂材料；和然后使所述多晶金刚石材料经受所述浸滤过程和所述热分解过程中的另一个过程。2.根据权利要求1所述的方法，其中，使所述多晶金刚石材料经受所述热分解过程包括使所述多晶金刚石材料经受至少400℃的温度。3.根据权利要求1所述的方法，其中，使所述多晶金刚石材料经受所述浸滤过程包括将所述多晶金刚石材料暴露于酸。4.根据权利要求3所述的方法，其中，使所述多晶金刚石材料经受所述浸滤过程包括使所述多晶金刚石材料在压力容器中时经受所述酸。5.根据权利要求4所述的方法，其中，使所述多晶金刚石材料经受所述浸滤过程包括在所述压力容器中包含能够实现吸收和吸附二氧化碳中的至少一种的至少一种试剂。6.根据权利要求4所述的方法，其中，使所述多晶金刚石材料经受所述浸滤过程包括对所述压力容器排气。7.根据权利要求4所述的方法，其中，所述压力容器包含钽。8.根据权利要求4所述的方法，其中，所述压力容器包含含钽的涂层。9.根据权利要求4所述的方法，其中，所述压力容器由含石墨的材料
\t制成。10.根据权利要求1所述的方法，...
【专利技术属性】
技术研发人员：Y·鲍，J·D·贝尔纳普，L·赵，
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
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