聚晶金剛石、聚晶金剛石復合件、其制造方法及各種應用技術

本發明專利技術的實施方案涉及具有增強的金剛石－金剛石結合的聚晶金剛石（“ＰＣＤ”）。在一個實施方案中，ＰＣＤ包括限定多個間隙區域的多個金剛石晶粒。金屬溶劑催化劑占據所述多個間隙區域的至少一部分。所述多個金剛石晶粒和所述金屬溶劑催化劑共同表現出約１１５奧斯特（“Ｏｅ”）以上的矯頑磁力和約１５高斯·ｃｍ３／克（“Ｇ·ｃｍ３／ｇ”）以下的比磁飽和。其它實施方案涉及采用這種ＰＣＤ的聚晶金剛石復合件（“ＰＤＣ”）和形成ＰＣＤ和ＰＤＣ的方法以及這種ＰＣＤ和ＰＤＣ在旋轉鉆頭、軸承設備和拉絲模中的各種應用。

【技術實現步驟摘要】
【國外來華專利技術】聚晶金剛石、聚晶金剛石復合件、其制造方法及各種應用
技術介紹
耐磨的超研磨復合件用于多種機械應用中。例如，聚晶金剛石復合件(“PDC”)用于鉆掘工具(如切削元件等)、機械加工設備、軸承設備、拉絲機器和其它機械裝置中。已經發現PDC作為旋轉鉆頭例如牙輪鉆頭和固定切削刃鉆頭中的超研磨切削元件的特殊用途。PDC切削元件通常包括一般稱為金剛石臺的超研磨金剛石層。可利用高壓、 高溫(“HPHT”)工藝形成金剛石臺并使其與基體結合。PDC切削元件也可以直接銅焊在鉆頭體內形成的預成型的袋、承窩或其它容座中。基體通常可以銅焊或以其它方式結合附屬構件，例如圓柱體支座。旋轉鉆頭通常包括固定在鉆頭體上的大量PDC切削元件。還已知裝配有PDC的螺栓在通過壓配、銅焊或以其它方式將該螺栓固定到鉆頭體內形成的容座中從而安裝到旋轉鉆頭的鉆頭體上時可用作PDC切削元件。常規PDC的一般制造方法是將膠結碳化物基底裝入容器中，同時在膠結碳化物基底的相鄰位置處設置大量的金剛石顆粒。多個這樣的柱體可裝載到HPHT壓機中。然后，在催化劑材料存在下，將所述基底和大量金剛石顆粒在HPHT條件下進行處理，使得金剛石顆粒彼此結合形成結合金剛石晶粒基體，其限定與所述基底結合的聚晶金剛石(“PCD”)臺。 催化劑材料通常是金屬溶劑催化劑(例如，鈷、鎳、鐵或它們的合金)，用于促進金剛石顆粒的交互生長。在一個常規方法中，在HPHT過程中，膠結碳化物基質的成分例如鈷-膠結碳化鎢基質中的鈷液化并從所述大量金剛石顆粒的相鄰區域掃入金剛石顆粒之間的間隙區域中。 鈷用作促進金剛石顆粒之間交互生長的催化劑，這導致形成結合金剛石晶粒。通常，可在使金剛石顆粒和基質進行HPHT過程之前將溶劑催化劑與金剛石顆粒混合。溶劑催化劑在PCD臺中的存在被認為降低了 PCD臺在升高溫度下的熱穩定性。例如，金剛石晶粒與溶劑催化劑之間的熱膨脹系數的差異被認為導致了在鉆孔或切削操作過程中PCD臺的碎裂或破裂，這會使PCD臺的機械特性劣化或導致失效。此外，一些金剛石晶粒可經由與溶劑催化劑的相互作用而發生化學分解或反轉變成石墨。在升高的高溫下，金剛石晶粒的一部分可轉化成一氧化碳、二氧化碳、石墨或其組合，由此使PCD的機械特性劣化。一種用于改善PDC的熱穩定性的常規方法是通過酸浸出從PDC的P⑶臺中至少部分移除溶劑催化劑。然而，對于大規模制造而言，從PCD臺中移除溶劑催化劑會相對費時。 此外，耗盡溶劑催化劑可能降低PCD臺的機械強度。盡管可以得到大量不同的PCD材料，但是PCD材料的制造商和用戶仍在尋求表現出改善的機械和/或熱性質的PCD材料。
技術實現思路
本專利技術的實施方案涉及表現出提高的金剛石-金剛石結合的P⑶。在一個實施方案中，P⑶包括限定多個間隙區域的多個金剛石晶粒。金屬溶劑催化劑占據所述多個間隙區域。所述多個金剛石晶粒和所述金屬溶劑催化劑共同可表現出約115奧斯特(“0e”)以上的矯頑磁力和約15高斯· cm3/克(“G · Cm3/g，，)以下的比磁飽和。 在一個實施方案中，P⑶包括限定多個間隙區域的多個金剛石晶粒。金屬溶劑催化劑占據所述多個間隙區域。所述多個金剛石晶粒和金屬溶劑催化劑共同可表現出約15G · cm3/g以下的比磁飽和。所述多個金剛石晶粒和所述金屬溶劑催化劑限定至少約 0. 050cm3的容積。在一個實施方案中，P⑶包括與基質結合的P⑶臺。所述P⑶臺的至少一部分可包括本文所述的任意PCD實施方案。在一個實施方案中，一種方法包括將平均粒徑為約30 μ m以下的多個金剛石顆粒和金屬溶劑催化劑封閉在傳壓介質中以形成單元組合體。該方法還包括使所述單元組合體經受至少約1000°c的溫度和至少約7. 5GPa的傳壓介質中的壓力以形成P⑶。其它實施方案涉及在不同的制品和設備(例如鉆掘工具、機械加工設備、軸承設備、拉絲機器和其它的制品和設備)中利用所公開的一個或多個PCD的應用。附圖說明附圖示出本專利技術的數個實施方案，其中在附圖所示的不同視圖或實施方案中相同的附圖標記表示相同的要素或特征。圖IA是配置為磁化P⑶樣品大致達到飽和的磁飽和設備的一個示例的示意圖。圖IB是配置為測量P⑶樣品的飽和磁化強度的磁飽和設備的一個示例的示意圖。圖2是配置為確定PCD樣品的矯頑磁力的矯頑磁力測量設備的一個示例的示意圖。圖3A是包括由本文公開的任意P⑶實施方案所形成的P⑶臺的PDC的一個實施方案的截面圖。圖3B是在約7. 5GPa以上壓力下制造的PDC的P⑶臺和常規形成的PDC的P⑶臺中測量的殘余主應力對基底厚度的圖。圖4是一種制造圖3A所示的PDC的方法的示意圖。圖5A是可采用一個或更多個所公開的PDC實施方案的旋轉鉆頭的一個實施方案的等距視圖。圖5B是圖5A所示旋轉鉆頭的上正視圖。圖6是可采用一個或更多個所公開的PDC實施方案的止推軸承設備的一個實施方案的等距剖面圖。圖7是可采用一個或更多個所公開的PDC實施方案的徑向軸承設備的一個實施方案的等距剖面圖。圖8是包括圖6所示的止推軸承設備的地下鉆掘系統的一個實施方案的示意性等距剖面圖。圖9是采用根據本文所述原理制造的PDC的拉絲模的一個實施方案的側視截面圖。具體描述本專利技術的實施方案涉及具有提高的金剛石_金剛石結合的P⑶。本專利技術人目前認為，隨著在用于制造該PCD的HPHT過程中采用的燒結壓力進一步進入遠離石墨_金剛石平衡線的金剛石穩定區域，金剛石的成核和生長速率增加。這種在金剛石顆粒(對于給定的金剛石顆粒配方)之間的金剛石成核和生長的增加可導致所形成的PCD比在較低燒結壓力下形成的PCD具有相對更低的金屬溶劑催化劑含量、更高的矯頑磁力、更低的比磁飽和、和 /或更低的比磁導率(即，比磁飽和與矯頑磁力之比)。實施方案還涉及具有包含 該P⑶的 P⑶臺的PDC、該P⑶和PDC的制造方法以及該P⑶和PDC在旋轉鉆頭、軸承設備、拉絲模、 機械加工設備和其它制品和設備中的應用。P⑶實施方案根據各個實施方案，在至少約7. 5GPa壓力下燒結的POT可具有1150e以上的矯頑磁力、高度的金剛石_金剛石結合、約15G · cm3/g以下的比磁飽和以及約7. 5重量％ ("wt%")以下的金屬溶劑催化劑含量。P⑶包括經由金剛石-金剛石結合而直接結合在一起的多個金剛石晶粒以限定多個間隙區域。間隙區域的至少一部分或在一些實施方案中的基本全部間隙區域可被金屬溶劑催化劑例如鐵、鎳、鈷或任意前述金屬的合金所占據。例如，金屬溶劑催化劑可以是包含至少50襯％鈷的鈷基材料，例如鈷合金。金剛石晶粒可具有約50 μ m以下例如約30 μ m以下或約20 μ m以下的平均晶粒尺寸。例如，金剛石晶粒的平均晶粒尺寸可為約ΙΟμπ -約18μπ ，在一些實施方案中，可為約 15μπι-約18 μ m。在一些實施方案中，金剛石晶粒的平均晶粒尺寸可為約IOym以下，例如約2 μ m-約5 μ m或亞微米。金剛石晶粒的金剛石晶粒尺寸分布可表現出單模式或可以是雙模式或更高的晶粒尺寸分布。占據間隙區域的金屬溶劑催化劑在POT中的含量可為約7. 5wt%以下。在一些實施方案中，金屬溶劑催化劑在P⑶中的含量可為約3wt% -約7. 5wt%，例如約3wt% -約 6wt%。在其它實施方案中，金屬溶劑催化劑在PCD中的含量本文檔來自技高網...

【技術保護點】
１．一種聚晶金剛石，包括：限定多個間隙區域的多個金剛石晶粒；占據所述多個間隙區域的金屬溶劑催化劑；其中所述多個金剛石晶粒和所述金屬溶劑催化劑共同表現出約１１５奧斯特（“Ｏｅ”）以上的矯頑磁力，并且其中所述多個金剛石晶粒和所述金屬溶劑催化劑共同表現出約１５高斯·ｃｍ３／克（“Ｇ·ｃｍ３／ｇ”）以下的比磁飽和。

【技術特征摘要】
【國外來華專利技術】...

【專利技術屬性】
技術研發人員：肯尼斯·E·貝塔格諾利，
申請(專利權)人：美國合成集團公司，
類型：發明
國別省市：US