多晶超硬構造及其制造方法
【專利摘要】一種多晶超硬構造，包括具有兩層或兩層以上的多晶超硬材料的主體。第一層在一種或多種特性上與第二層不同。主體具有大于約1.8毫米的厚度?；渍辰Y至所述兩層或多層中的至少一層，基底的界面或主體的界面中的一個包括一個或多個從所述界面突出的凸起，凸起的高度從所述界面的最低點測量在約0.2mm到約2.0mm之間，一個或多個從所述界面延伸。超硬材料的主體的至少部分基本上不含用于超硬材料的催化劑材料，所述部分形成熱穩(wěn)定區(qū)域并從所述多晶超硬材料的主體的工作表面延伸至少約300微米的深度。
【專利說明】
多晶超硬構造及其制造方法
技術領域
[0001]本發(fā)明涉及多晶超硬構造及其制造方法，特別是但不限于包括結合到基底(substrate)的多晶金剛石(P⑶)結構的構造，以及包括這些構造的工具，特別是但不限于用于巖石降解(degradat1n)或鉆孔，或者用于在石油和天然氣工業(yè)中鉆入地殼(boringinto the earth)。
【背景技術】
[0002]多晶金剛石(P⑶)是超硬材料(也被稱為超研磨材料)的示例。P⑶包括大量基本上共生的金剛石顆粒，所述金剛石顆粒形成限定金剛石顆粒間的間隙的骨架塊(skeletalmass) I⑶材料典型地包括占其體積至少約80%的金剛石，并且通常可以通過使金剛石顆粒的聚集塊經(jīng)受例如大于約5GPa的超高壓力，和至少約1200°C的溫度來制造。完全或部分填充該間隙的材料可以稱為填料或粘合劑材料。
[0003]PCD通常在燒結助劑如鈷的存在下形成，所述燒結助劑促進了金剛石晶粒的互生。適于PCD的燒結助劑通常也稱為金剛石的溶劑-催化劑材料，這是由于其在一定程度上溶解金剛石并催化其再沉淀的功能。用于金剛石的溶劑-催化劑理解為是能夠在金剛石熱動力學穩(wěn)定的壓力和溫度條件下促進金剛石生長或金剛石晶粒之間的直接金剛石-金剛石互生的材料。因此，在燒結PCD產物的間隙中可以完全或部分填充有殘余溶劑-催化劑材料。最通常地，PCD常常在鈷-燒結碳化鎢基底上形成，該基底提供了用于PCD的鈷溶劑-催化劑的源。不能促進金剛石晶粒之間的實質性相關互生的材料本身可以構成與金剛石晶粒的牢固鍵合，但是并非適于PCD燒結的溶劑-催化劑。
[0004]可用于形成合適基底的碳化媽硬質合金(cemented tungsten carbide)通過將碳化鎢顆粒/晶粒和鈷混合在一起并隨后加熱以凝固而由分散在鈷基質中的碳化物顆粒構成，鈷一般包括總基底組成的13重量或以上。為了形成具有超硬材料層如PCD或PCBN的切割元件，金剛石顆?；蚓Я；駽BN晶粒在難熔金屬外殼如鈮外殼中鄰近該碳化鎢硬質合金本體放置并施以高壓和高溫，使得發(fā)生金剛石晶?；駽BN晶粒之間的晶粒間接合，形成多晶超硬金剛石或多晶CBN層。
[0005]在一些情況下，該基底可以在連接至超硬材料層之前完全固化，而在其它情況下，該基底可以是生坯，也就是說沒有完全固化。在后一種情況下，該基底可以在HTHP燒結過程中完全固化。該基底可以為粉末形式，并可以在用于燒結該超硬材料層的燒結過程中凝固。
[0006]PO)材料可作為研磨還塊用于多種用于切割(cutting)、機加工(machining)、研磨(milling)、磨碎鉆孔(grinding)、鉆孔(drilling)或降解(degrading)硬質或磨蝕性材料如巖石、金屬、陶瓷、復合材料和含木材料的工具。例如，包括PCD材料的工具插入件廣泛用于石油和天然氣鉆井行業(yè)中用于鉆入地殼的鉆頭。超硬工具的插入件的工作壽命可受超硬材料的斷裂(fracture)或者工具插入件的磨損限制，斷裂包括通過剝落(spall ing)和碎裂(chipping)的斷裂。
[0007]在許多這些應用中，隨著其與巖石或其他工件或物體接合(engage)，所述PCD材料的溫度可能升高。PCD材料的機械性能如耐磨性、硬度和強度在高溫下趨向于惡化，并且惡化可能被PCD材料主體中的殘余催化劑促進。
[0008]隨著用于在地殼鉆探現(xiàn)場提高生產率的日益增加的驅動，對用于切割巖石的材料的需求日益增加。具體來說，需要具有提高的耐磨性和耐沖擊性的PCD材料以實現(xiàn)更快的切割速度和更長的工具壽命。
[0009]包括PCD材料的切割元件或工具插入件廣泛用于石油和天然氣鉆井行業(yè)中用于鉆入地殼的鉆頭，其中巖石鉆孔(rock drilling)和其它操作需要高耐磨蝕性與耐沖擊性。限制多晶金剛石(PCD)磨料刀具成功的因素之一是由于PCD與加工材料之間摩擦而生成熱。這種熱導致金剛石層的熱降解。通過提高的PCD層的開裂與剝落以及金剛石反向轉化為石墨，造成提高的磨料損耗，該熱降解提高了該刀具的磨耗率。
[0010]希望改善PCD材料主體作為如上述那些工具的磨料還塊(abrasive compact)時的耐磨性，因為這允許磨料坯塊所在的刀具、鉆頭或機器的擴展用途。這典型地通過控制例如平均金剛石粒子/顆粒尺寸、總粘合劑含量、粒子密度等的變量得以實現(xiàn)。用于提高PCD復合材料的耐磨性的方法常常導致復合材料的耐沖擊性的降低。
[0011 ]例如，本領域中公知通過減小組分超硬顆粒的總體粒度來提高超硬復合物的耐磨性。然而，典型地，因為這些材料被制成為更加抗磨損，因此它們變得更脆或傾向于斷裂。
[0012]為了改善的磨損性能而設計的磨料坯塊將因此傾向于具有差的沖擊強度或減小的抗剝落性。耐沖擊性和耐磨性之間的這種折衷使得設計優(yōu)化的磨料坯塊結構，特別是用于要求高的應用，固有地是自限制性的。
[0013]另外，因為較細的晶粒結構將典型地包含較多的溶劑/催化劑或金屬粘合劑，它們在與較粗的晶粒結構相比時傾向于表現(xiàn)出降低的熱穩(wěn)定性。較細晶粒結構的最佳行為的這種降低在實際應用中可引起大問題，在所述應用中，就最佳性能而言依然需要提高的耐磨性。
[0014]仍有需要提供多晶材料的超硬主體如用于具有有效性能的刀具或機床工具的插入件(insert)，以及提供制備用于這些刀具或插入件的多晶材料主體的有效方法。能同時達到耐磨性及抗斷裂和耐沖擊性的改善屬性的磨料還塊(abrasive compact)以及形成這種復合材料的方法是非常期望的。
[0015]發(fā)明簡述
[0016]從第一方面看，本發(fā)明提供了一種多晶超硬構造，其包括:
[0017 ]多晶超硬材料的主體，所述超硬材料的主體包括:
[0018]兩層或多層，其包括表現(xiàn)出顆粒間粘結并限定其間的多個間隙區(qū)域的各自團塊(mass)的超硬顆粒;所述兩層或多層中的第一層在一種或多種特性上與所述兩層或多層中的第二層不同；
[0019]所述多晶超硬材料的主體具有大于約1.8毫米的厚度，并具有暴露的外表面，所述外表面形成工作表面、由此延伸的外周表面和界面；
[0020]沿界面粘結至所述兩層或多層中的至少一層的基底;所述基底包括外周表面、界面并具有縱軸;其中所述基底的界面或所述多晶超硬材料的主體的界面中的一個包括一個或多個從所述界面突出的凸起，所述一個或多個凸起的高度從所述界面的最低點測量在約0.2mm到約2.0mm之間，所述一個或多個凸起從所述界面延伸;并且
[0021]其中所述多晶超硬材料的主體至少部分基本上不含用于所述超硬材料的催化劑材料，所述部分形成熱穩(wěn)定區(qū)域并從所述多晶超硬材料的主體的工作表面延伸至少約300微米的深度。
[0022]從第二方面看，本發(fā)明提供了一種形成多晶超硬構造的方法，包括:
[0023]提供超硬材料顆粒的第一團塊(mass)；
[0024]提供超硬材料顆粒的第二團塊;所述顆粒的第一團塊與所述顆粒的第二團塊在一種或多種特性上不同；
[0025]提供基底，所述基底包括外周表面、界面并具有縱軸；
[0026]在用于所述超硬顆粒的催化劑/溶劑材料存在的條件下，在約5.5GPa或更高的超高壓力和所述超硬材料比石墨更加熱穩(wěn)定的溫度下處理所述預燒結組件以將所述超硬材料顆粒燒結在一起形成多晶超硬構造，所述多晶超硬構造包括由相鄰區(qū)域內的顆粒的第一和第二團塊形成的超硬材料主體，所述超硬顆粒表現(xiàn)出顆粒間粘結并且在其間限定出多個間隙區(qū)域，非超硬相至少部分填充多個所述間隙區(qū)域;所述多晶超硬材料的主體具有大于約1.8mm的厚度并具有暴露的外表面、沿其延伸的外周表面和界面，所述外表面形成工作表面；
[0027]其中所述基底的界面或所述多晶超硬材料的主體的界面中的一個包括設置為從所述界面突出的一個或多個凸起，所述一個或多個凸起從所述界面的最低點測量的高度在約0.2mm到2.0mm之間，所述一個或多個凸起從所述界面延伸；以及
[0028]處理所述多晶超硬材料的至少部分以從所述間隙區(qū)域去除殘留催化劑/粘結劑形成基本不含用于超硬材料的催化劑/粘結材料的區(qū)域，所述部分形成熱穩(wěn)定區(qū)域并從所述多晶超硬材料的主體的工作表面延伸至少約300微米的深度。
【附圖說明】
[0029]本發(fā)明將僅通過示例的方式并參照附圖更詳細地描述多種實施例，其中:
[0030]圖1是P⑶材料主體的顯微結構示意圖；
[0031 ]圖2是包括粘結至基底的P⑶結構的P⑶坯塊的示意圖；
[0032]圖3是穿過刀具元件的實施例的示意性橫截面；
[0033]圖4a是圖3的刀具元件的基底的透視圖；
[0034]圖4b是圖4a的基底的示意性平面圖；
[0035]圖4c是沿圖4b所示的軸A-A的基底的示意性橫截面;和
[0036]圖5是實施例和常規(guī)PO)刀具的立式鍵床測試(vertical borer test)中磨痕面積相對切割長度的曲線圖。
[0037]發(fā)明詳述
[0038]如本發(fā)明所用，“多晶金剛石”(P⑶)材料包括金剛石顆粒的團塊(mass)，其中很大部分是直接相互粘合的，并且其中金剛石的含量為材料的至少約80體積百分比。在PCD材料的一個實施例中，金剛石顆粒之間的間隙可能至少部分填充含用于金剛石的催化劑的粘合劑材料。本發(fā)明中所使用的“間隙”或“間隙區(qū)±或”是PCD材料的金剛石顆粒之間的區(qū)域。在PCD材料的實施例中，間隙或間隙區(qū)域可以基本地或部分地填充與金剛石材料不同的材料，或者他們可能基本是空的。PCD材料的實施例可包括至少一個區(qū)域，其中催化劑材料已經(jīng)從間隙去除，在金剛石顆粒之間留下空洞的間隙。
[0039]如本發(fā)明所用，“P⑶結構”包括P⑶材料的主體。
[0040]如本發(fā)明所用，“金屬”材料理解為含有非合金或合金形式的金屬并且其具有金屬屬性，例如高電導率。
[0041 ]如本發(fā)明所用，用于金剛石的“催化劑材料”也可被稱為用于金剛石的溶劑/催化劑材料，是一種能夠在一定壓力和溫度條件下在金剛石顆粒之間促進金剛石生長或直接的金剛石-金剛石共生的材料，在所述壓力和溫度條件下金剛石是熱穩(wěn)定的。
[0042]填充劑或膠粘劑材料理解為完全或部分地填充多晶結構中的細孔、間隙或間隙區(qū)域的材料。
[0043]顆粒團塊的多峰(mult1-modal)尺寸分布理解為所述顆粒具有包括多于一個峰的尺寸分布，每個峰對應一個單獨的模式(mode)。多峰多晶主體通過提供多于一種來源的多個顆粒來制備，每個來源含有具有大體上不同的平均尺寸的顆粒，并且將來自所述來源的顆粒或粒子混合在一起。在一個實施例中，所述PCD結構可含有具有多峰分布的金剛石顆粒。
[0044]在本發(fā)明中，“超硬材料”是具有至少約28GPa維氏硬度的材料。金剛石和立方氮化硼(cBN)材料是超硬材料的示例。
[0045]在本發(fā)明中，“超硬構造”是指包括多晶超硬材料的主體的構造。在這種構造中，基底可以附接至其上，或者該多晶材料的主體可以是無支撐的(free-standing)和無背襯的。
[0046]在本發(fā)明中，PCBN(多晶立方氮化硼)材料指一類在含金屬或陶瓷的基質中分散有立方氮化硼(cBN)顆粒的超硬材料。PCBN是超硬材料的一個例子。
[0047]本發(fā)明中所用的術語“基底”指的是在其上方形成該超硬材料層的任何基底。例如，本文中所用的“基底”可以是在另一基底上方形成的過渡層。另外，本發(fā)明中所用的術語“徑向”和“周向”及類似術語并不意味限于描述為完美圓環(huán)的特征。
[0048]在本發(fā)明中，術語“一體成型”的區(qū)域或部分是彼此連續(xù)生產并且不被不同種類的材料分離。
[0049]相似參考數(shù)字被用于確定所有附圖中的相似特征。
[0050]參考圖1，P⑶材料的主體1包括直接互相粘合的超硬材料顆粒12的團塊和顆粒12之間的間隙14，所述間隙可至少部分地由填料或粘合劑材料填充。圖2顯示了用作刀具的超硬復合材料還塊20的實施例，所述刀具包括在界面(interface) 24處整體粘合到基底30的超硬材料主體22?；?0可以由例如硬質合金材料(cemented carbide material)形成，硬質合金材料可以是例如碳化媽硬質合金(cemented tungsten carbide)、碳化鉭硬質合金(cemented tantalum carbide)、碳化欽硬質合金(cemented titanium carbide)、碳化鉬硬質合金(cemented molybdenum carbide)或它們的混合物。用于這些碳化物的粘合劑金屬可以是，例如鎳、鈷、鉻、鐵或含有一種或多種這些金屬的合金。典型地，這種粘結劑以10到20質量％存在，但其可以低至6質量％或更少。一些粘結劑金屬在坯塊20形成期間可浸潤(inf i I trate)多晶超硬材料的主體22。
[0051 ]圖2的坯塊20可在使用時被附接至用于石油和天然氣鉆井作業(yè)的鉆頭(未示出)。
[0052]超硬材料的主體22有一個自由暴露的表面36，該表面是，沿其邊緣，在使用中執(zhí)行切割的表面。
[0053]超硬材料的主體22包括兩層或多層，所述兩層或多層不同在關于一種或多種特性如熱膨脹系數(shù)(CTE)、相對超硬材料顆粒的顆粒尺寸以及化學組成。在一些實施例中，超硬材料的主體22包括第一層38和第二層39，第一層形成切割表面，第二層與第一層38粘結并具有與基底30形成界面24的表面。第一層38和第二層39在上述提到的一種或多種特性上不同，這些特性可包括例如，第一層38由具有比第二層39的超硬顆粒小的平均顆粒尺寸的超硬材料顆粒形成。
[0054]在一些實施例中，第一層38可以包括具有約20微米或更小的平均顆粒尺寸的超硬顆粒，并且第二層39可以例如，包括具有大于約10微米或大于約20微米的平均顆粒尺寸的超硬顆粒。
[0055]在本發(fā)明所描述的實施例中，當凸起或凹部被描述為在基底表面上形成時，應理解為它們可以在與基地界面(interface surface)交界的超硬材料層的表面上形成，并具有與基底30上形成的相反特征。此外，應該理解的是，在與基底30交界的超硬材料層上形成界面24的負片(negative)或反轉(reversal )，使得兩個界面形成匹配的配合。
[0056]如圖2到4c所示，基底30的至少一端為與超硬材料層22交界的界面24，超硬材料層22在界面處附接至所述基底?；?0通常為圓柱形并具有外周表面(peripheral surface)40和頂部外周表面(peripheral top surface)42。
[0057]在圖3和圖4a示出的實例中，界面24包括多個間隔開的凸起44，凸起44被設置在基本上環(huán)形不連續(xù)的第一隊列中并在頂部外周表面42上與外周表面44隔開距離D，第二或內部基本上環(huán)形不連續(xù)的隊列的凸起46徑向位于第一隊列44的內部。距離D例如在約Imm到約
1.5mm范圍內。
[0058]如圖4a到4c所示，在該實例中隔開的凸起44、46設置在兩個隊列中，這兩個隊列設置在圍繞基底30的中心縱軸的基本環(huán)形路徑中。并且，內部隊列的凸起46被示為離外部隊列44比離基底30的中心縱軸更近，在其他實例中內部隊列的凸起46可能離中心縱軸更近。
[0059 ]第二隊列中的凸起46可以定位成與第一隊列中的凸起44之間的空間徑向對齊。凸起44、46及空間可以是交錯的，一個隊列中的凸起與另一個隊列中的空間重疊。這種界面上三維特征的交錯的或非對齊的分布有助于分配壓縮應力和拉伸應力，和/或減小應力場大小，和/或通過預防裂縫生長的連續(xù)路徑來阻止裂縫生長。
[0060]如圖4a到4c所示，在這些實例中，凸起44、46之間的界面是，例如，實質上平坦的并且凸起44、46的全部或多數(shù)成形為使得凸起的表面的全部或多數(shù)不是實質上平行于超硬材料22的切割面(cutting face)36或基底的縱軸延伸穿過的平面。
[0061]凸起44、46可具有平滑的彎曲上表面或具有傾斜的上表面。在一些實例中，凸起44、46可為輕微的梯形或錐形形狀，在鄰近其突出的界面處最寬。
[0062]這樣的構造可能擾亂材料中的“彈性”波形成并使界面處的裂縫偏斜。
[0063]在圖4a到4c中，凸起44、46在各個基本上環(huán)形隊列中/圍繞各個基本上環(huán)形隊列基本上相等地彼此隔開，給定隊列中的每個凸起44、46具有相同的尺寸(dimens 1n)。然而，凸起44、46可以形成為任何期望的形狀，如上述描述，并以一致或不一致的方法彼此隔開來改變界面24上的應力場以形成基本上環(huán)形同心的不連續(xù)環(huán)。如圖4a到4c的實例中所示出，夕卜部隊列中的凸起44比內部隊列中的凸起在尺寸上更大。
[0064]在圖3和圖4a到4c所示出的實例中，外部隊列與內部隊列包括相同數(shù)量的凸起44，例如三個凸起。這允許坯塊20具有假的軸對稱從而提供在工具或鉆頭中定位刀具的自由，在所述工具或鉆頭中其被如同其不需要特別定位來使用，并且在這個實施例中，沿中心軸穿過的平面呈反射對稱。凸起44、46定位并成形為使得凸起44、46抑制一個或多個連續(xù)路徑，沿著這些路徑裂縫可蔓延穿過界面24。
[0065]凸起44、46的排列和形狀以及它們之間的空間可能影響坯塊20中的壓力分布并可能對改善切割元件的抗裂縫生長能力產生影響，特別是沿界面24的裂縫生長，例如通過抑制沿圍繞凸起44、46或在其中或其上的壓力區(qū)域的裂縫生長或使裂縫轉向。
[0066]如圖3所示，在圍繞基底30的中心縱軸的區(qū)域中的超硬材料的深度可能基本上與在超硬材料的主體22的邊緣的超硬材料的深度相同。這可能使在使用中暴露于工作表面的超硬材料的體積和面積不會隨磨損的發(fā)展顯著減小，從而改善了坯塊20的使用壽命。它也可以幫助當承受軸向載荷時加強坯塊20。此外，它可以幫助減少或基本上消除使用期間的溝槽磨損形成過程的可能性。
[0067]在上述所述的一個或多個實例中，界面24的凸起44、46可以一體形成，同時通過使用適當形狀的模具形成基底30，要形成所述基底30的材料的顆粒放置在所述模具中。或者是在已制造或部分制造基底30后，可制造界面24的凸起44、46，所述基底30的制造可通過制造過程，例如，通過傳統(tǒng)的加工過程，如EDM或激光燒蝕來制造。類似的程序可以應用到超硬材料的主體22來制造相應的形狀界面，所述形狀界面用于形成與基底30匹配的配合，或者可能通過將超硬材料的顆粒放置到預成型基底30上并將所述聯(lián)合體進行燒結使得在燒結期間形成超硬材料層中的匹配界面從而在超硬材料的主體22中制造這樣一個匹配的配合。
[0068]超硬材料的主體22可以通過例如，傳統(tǒng)的釬焊技術或通過使用傳統(tǒng)的高壓和高溫技術，附接(attached)到基底30上。
[0069]作為包括基底30和超硬材料的主體22的刀具，如果超硬材料的主體22在后續(xù)處理中部分地或完全地浸出催化劑材料，或者進行進一步高壓高溫燒結處理，坯塊的耐久性可能進一步加強，其中超硬材料的主體具有上述的界面特征和/或其中彈性應力波的緩解。在超硬材料的主體22附接至基底30，或例如通過將超硬材料的主體22從基底30分離并浸出分離的超硬材料的主體22的同時，可執(zhí)行浸出操作。在后一種情況下，浸出發(fā)生后，超硬材料的主體22可以使用例如釬焊技術或使用高溫高壓技術再次燒結被重新附接到基底30。
[0070]在一些實施例中，從界面24的最低點到凸起44、46的最高頂點(height)測量的凸起44、46的高度在約0.2mm到約0.8mm之間。
[0071 ]由于從界面24的最低點到凸起44、46的最高頂點測量的凸起44、46的高度在約
0.2mm到約Imm例如約0.8mm之間，這使得超硬材料的主體22被浸出到大于約700微米或甚至比約Imm更大的深度。
[0072]對于高沖擊力的應用，將從界面24的最低點到凸起44、46的最高頂點測量的凸起
44、46的最高高度增加到例如在約Imm到約2mm之間可能是有利的。
[0073 ] 對超硬材料的主體22的總厚度可以是約2.2mm到約4mm或更大。
[0074]在一些實施例中，基底30包括約12重量％的鈷或更少，并且在一些實施例中是在約9重量％至10重量％之間的鈷。
[0075]在一些實施例中，超硬材料的主體22可以包括，例如，最多20重量％的納米金剛石粉末形式的納米金剛石添加物、鹽體系、硼化物以及T1、V、Nb或金屬鈀或鎳的任一種的金屬碳化物中的一種或多種。
[0076]超硬材料的晶?？赡苁抢缃饎偸w粒或粒子。在燒結之前的初始混合物中，它們可能是，例如，雙峰的，也就是說，供應物(feed)包括一個金剛石粗顆粒級分(fract1n)和一個金剛石細顆粒級分的混合物。在一些實施例中，粗級分可以具有，例如，從約10至60微米的平均顆粒/粒子尺寸范圍?！捌骄w粒或粒子尺寸”意思是，獨立的顆粒/粒子有代表“平均”一個尺寸范圍的平均顆粒/粒子尺寸。細級分的平均顆粒/粒子尺寸小于粗級分的尺寸，例如在粗級分的尺寸的約1/10至6/10之間，并可以，在一些實施例中，例如在約0.1至20微米之間的范圍內。
[0077]在一些實施例中，粗金剛石級分的重量比從約50%到約97%，細金剛石級分的重量比可從約3%至約50%。在其它實施例中，粗級分與細級分的重量比范圍從約70:30到90:10。
[0078]在進一步的實施例中，粗級分與細級分的重量比范圍可從約60:40到約80:20。
[0079]在一些實施例中，粗級分與細級分的粒徑分布不重疊，并且在一些實施例中坯塊的不同尺寸的組分在產生多峰分布的獨立尺寸級分之間以數(shù)量級分離。
[0080]實施例由超硬材料的粗、細級分之間的至少一個寬雙峰尺寸分布組成，但一些實施例可包括三個甚至四個或更多的尺寸模式，其可能，例如，在尺寸上以數(shù)量級分離，例如，平均顆粒尺寸為20微米、2微米、200nm和20nm的粒子的混合。
[0081]金剛石顆粒/粒子的大小分成細級分、粗級分或之間的其他尺寸，可通過已知方法，如較大金剛石顆?；蝾愃莆锏臍饬鞣鬯?jet-mi 11 ing)。
[0082]在超硬材料是多晶金剛石材料的實施例中，用于形成多晶金剛石材料的金剛石顆粒可以是天然的或合成的。
[0083]在一些實施例中，粘結劑催化劑/溶劑可包括鈷或其他鐵族元素，如鐵或鎳，或其合金。元素周期表中IV-VI族金屬的碳化物、氮化物、硼化物和氧化物為非金剛石材料的其他例子，非金剛石材料可被添加到燒結混合料中。在一些實施例中，粘合劑/催化劑/燒結助劑可以是鈷。
[0084]燒結金屬碳化物基底在組成上可以是傳統(tǒng)的，因此，可以包括任何的IVB、VB、或VIB族金屬，這些金屬是在鈷、鎳或鐵或其合金的粘合劑的存在下壓緊和燒結的。在一些實施例中，所述的金屬碳化物是碳化鎢。
[0085]現(xiàn)在描述了一種生產P⑶坯塊20的方法的例子包括超硬材料的主體22，如圖1到4C所示。
[0086]在一些實施例中，附加燒結助劑/粘合劑/催化劑的超硬材料的主體22和基底材料30均作為粉末來應用，并且同時在單一超高壓/高溫處理中燒結。在超硬顆粒包括金剛石并且基底30由碳化物材料形成的例子中，形成基底30的金剛石顆粒和碳化物團塊放置在高溫高壓反應室組件中并進行高溫高壓處理。所選擇的高溫高壓處理條件足以影響磨料顆粒的相鄰顆粒之間的晶間結合以及，任選的，所述燒結的金屬碳化物支持件中的燒結顆粒的加入。在一個實施例中，處理條件通常包括施加至少約1200°C的溫度和大于約5GPa超高壓約3至120分鐘。
[0087]在一些實施例中，在超硬多晶材料燒結期間，在高溫高壓的壓機被結合在一起之前基底30可以在分離過程中預燒結。
[0088]在進一步的實施例中，基底30和多晶超硬材料的主體22是預先形成的。例如，超級硬顆粒/粒子的雙峰或多峰供應物與可選的也為粉末形式的碳酸粘合劑-催化劑混合在一起，并將該混合物裝入一個適當形狀的罐中，然后被置于極高的壓力和溫度的壓機。通常情況下，壓力至少5GPa，溫度至少為約1200攝氏度。然后將預先形成的多晶超硬材料的主體放置在預先形成的碳化物基底(包括粘結劑催化劑)的上表面的合適位置，并將所述裝配體(assembly)放置在一個適當形狀的罐中。然后將裝配體置于高的壓力和溫度的壓機，溫度和壓力再次分別為至少約1200°C和至少約5GPa或更多。在這一過程中的溶劑/催化劑從基底迀移到超硬材料的主體并作為粘合劑-催化劑來影響層中的共生，并且?guī)椭鷮⒍嗑С膊牧蠈咏Y合到基底。燒結過程也用于將超硬多晶材料的主體結合到基底上。
[0089]基底30形成一個支撐體，該支撐體可包括硬質合金(cemented carbide)，其中的膠合劑或粘合劑材料包括用于金剛石的催化劑材料，如鈷。在一些實施例中，第一和第二層
38、39可以由含金剛石的薄片形成，并且可以提供一個杯子用于將含金剛石的薄片組裝到基底30上。第一和第二組圓盤可以層疊到杯子的底部。在該方法的一個版本中，基本上松散的金剛石顆粒的層可以被填充到光盤的最上面。然后可首先將支撐體近端插入杯子并推動支撐體抵靠到基本上松散的金剛石顆粒，使它們輕輕地移動并根據(jù)支撐體的非平面端部的形狀將它們自己定位形成預燒結組件。
[0090]預燒結組件可以被放置到用于超高壓的小艙中并且置于至少約5.5GPa的超高壓和至少約1300攝氏度的高溫下來燒結金剛石顆粒并形成PCD元件，所述PCD元件包括整體連接到支撐體的PCD結構。在一個版本的方法中，當在超高壓和高溫下處理預燒結組件時，支撐體中的粘結材料恪化并浸潤(inf i I trate)金剛石顆粒的地層(strata)。來自支撐體的恪融催化劑材料的存在很可能通過彼此共生促進金剛石晶粒燒結來形成一個整體的、分層的PCD結構。
[0091]該方法在一些版本中，聚集塊可能包括基本松散的金剛石顆粒，或者金剛石顆粒通過粘合劑材料維持在一起。多峰顆粒的聚集塊可以是顆粒、圓盤(disc)、圓片(wafer)或薄片(sheet)的形式，并可能包含用于金剛石的催化劑材料和/或用于減少異常金剛石晶粒的生長的添加劑，例如，或者聚集塊可以基本上不含催化劑材料或添加劑。在一些實施例中，聚集塊可以組裝到硬質合金支撐體。
[0092]在一些實施例中，預燒結組件可置于至少為6GPa、至少約6.5GPa、至少約7GPa或甚至至少約7.7GPa或更大的壓力下。
[0093]在燒結過程中使用有期望的設置(configurat1n)的沖壓機以在基底30和PCD材料的主體22的界面42上形成一個或多個凹部和/或凸起38，在燒結之前以該設置捶打成碳化物顆粒，或者可以，例如使用如電火花加工(EDM)或激光消融的技術在燒結后形成以達到預期的表面拓撲結構以適于應用，在該應用中使用了坯塊。
[0094]在一些實施例中，將超硬材料的顆粒放置到罐中燒結的步驟可以包括提供多個包括顆粒的薄片，并將罐中的薄片層疊形成兩層38、39超硬顆粒的聚集塊。在其他實施例中，可使用沉淀或電泳沉積技術將超硬材料的顆粒沉積到罐中。
[0095]在形成燒結的多晶材料的主體后，施加完成處理來處理超硬材料的主體22以從至少一些結合顆粒之間的空隙中去除燒結催化劑。特別是，可從PCD結構22的區(qū)域中去除催化劑材料，所述區(qū)域與工作面或側面或工作表面和側面二者相鄰。這可以通過用酸處理PCD結構22來從金剛石顆粒之間溶出催化劑材料，也可通過其他方法如電化學方法?；旧隙嗫椎臒岱€(wěn)定的地區(qū)可從PCD結構22的工作表面36，例如擴展至少約300微米或至少約600微米或至少約800微米或至少約1000微米的深度。在一些例子中，該基本上多孔的區(qū)域可以包括最多2重量％的催化劑材料。
[0096]在硬質合金基底不含有足量的用于金剛石的溶劑/催化劑，且PCD結構在超高壓燒結過程中完整地形成在基底上的實施例中，溶劑/催化劑材料可以包括在或被引入來自不同于硬質合金基底的材料源的金剛石顆粒的聚集塊中。該溶劑/催化劑材料可以包括僅在超高壓燒結步驟之前和超高壓燒結過程中從基底滲入到金剛石顆粒的聚集塊中的鈷。但是，在鈷或其它溶劑/催化劑材料在基底中的含量較低的實施例中，特別是當其低于硬質合金材料的約11重量％時，則可能需要提供另外的源以確保聚集塊的良好燒結，以形成PCD。
[0097]用于金剛石的溶劑/催化劑可以通過各種方法被引入到金剛石顆粒的聚集塊中，包括混合粉末形式的溶劑/催化劑材料和金剛石顆粒，在金剛石顆粒的表面上沉積溶劑/催化劑材料，或者在燒結步驟之前或作為燒結步驟的部分從不同于基底的材料源中滲透溶劑/催化劑材料進入聚集塊。將用于金剛石的溶劑/催化劑如鈷沉積到金剛石顆粒的表面上的方法在本領域中是已知的，并且其包括化學氣相沉積(CVD)、物理氣相沉積(PVD)、濺射鍍膜、電化學方法、化學涂覆方法和原子層沉積(ALD)。應該理解的是，每種方法的優(yōu)點和缺點取決于燒結助劑材料和待沉積的涂覆結構的性質，以及顆粒的特性。
[0098]在一個實施例中，可通過以下方法將鈷沉積在金剛石顆粒的表面上:首先沉積前體材料，然后將前體材料轉化為包括元素金屬鈷的材料。例如，在第一步驟中，可使用以下反應將碳酸鈷沉積在金剛石顆粒的表面上:
[0099 ] Co (NO3) 2+Na2C03^CoC03+2NaN03
[0100]用于金剛石的鈷或其它溶劑/催化劑的碳酸鹽或其它前體的沉積可以通過在公開號TO2006/032982的PCT專利中描述的方法來實現(xiàn)。然后例如可通過如下所述的熱分解反應將碳酸鈷轉化為鈷和水:
[0101]CoC03^Co0+C02
[0102]Co0+H2^Co+H20
[0103]在本發(fā)明的方法的另一個實施例中，鈷粉或鈷的前體如碳酸鈷，可以與金剛石顆粒混合。當使用溶劑/催化劑如鈷的前體時，可能有必要熱處理所述材料，以在燒結聚集塊之前，進行反應以生成元素形式的溶劑/催化劑材料。
[0104]如上所述，為協(xié)助改善燒結結構的熱穩(wěn)定性，可以從與其的表面相鄰的多晶層的區(qū)域中去除催化材料。一般情況下，該表面將在多晶層的與基底相對的一側上，并將提供用于多晶金剛石層的工作表面。可以使用目前已知的方法如電解蝕刻，以及酸浸和蒸發(fā)技術去除催化材料。
[0105]根據(jù)以上描述的方法形成的多晶主體可具有許多應用。例如，它們可以被用作機床的插入件，其中刀具結構包括根據(jù)一個或多個實施例的多晶超硬材料的主體。
[0106]參考以下示例對實施例進行更詳細地描述，這些示例僅用于說明并且不是為了限制本發(fā)明的范圍。
實施例
[0107]這個非限制性的例子示出了形成坯塊20的方法。
[0108]將總量約1.81克的具有大約12.6微米的平均晶粒大小并且摻入I重量％的具有約I到3微米平均直徑的鈷粉的金剛石粉末放置在金屬杯的底部。將塑料塞子放置到金屬杯上，將金屬杯、粉末和塞子振蕩壓緊給定時間段。小心移除塞子，注意不要影響金剛石粉末的平的表面。這樣形成燒結產品的第一層38。
[0109]為形成第二層39，將總量約1.16克的具有大約25.3微米的平均晶粒大小并且摻入I重量％的具有約I到3微米直徑的鈷粉的金剛石粉末倒入金屬杯中的金剛石粉末的第一層的上面，并使用另一個較短的塑料塞子下壓。然后，所述塞子、金剛石粉末和杯子被進一步振蕩壓緊。在這個壓緊周期的最后，將塞子移除，并將預成型的碳化鎢圓柱插入到杯子中以形成基底30。額外的金屬杯被壓在該單元上，以完成預壓緊組件。
[0110]然后將預壓緊組件置于至少約5.5GPa的超高壓和至少約1250攝氏度的溫度下將基底主體中包括的鈷熔化并將金剛石顆粒彼此燒結形成包括連接到基底的PCD結構的復合坯塊。在燒結后，PCD結構可以根據(jù)其預期用途進一步加工。例如，它可以進一步通過研磨和/或拋光處理。它也可能接受進一步的處理，如酸處理以消除共生的金剛石晶粒之間的間隙區(qū)域的殘余鈷。從PCD結構去除大量的鈷的可能會大幅增加PCD結構的熱穩(wěn)定性，并可能會降低PCD材料的降解的風險。
[0111]這樣形成的P⑶主體22具有總厚度3毫米左右的兩層38、39。
[0112]為生產硬質合金的預成型主體以形成復合坯塊20的基底30，通過混合形成生坯，例如，WC顆粒與鈷，所述鈷均勻分散在混合物中足以制造具有約9-11重量％的鈷的燒結產品。還含有少量如約1-2重量％的PEG作為粘合劑。生坯在約1400°(:被燒結約I到2小時的保持時間，首先在氫氣環(huán)境中燒掉PEG，然后在真空中進行最終硬質合金燒結。制造預成型基底30的全部燒結時間可能是例如約24小時。
[0113]在燒結之前，使用具有期望界面設計的沖壓機將生坯壓入模架中，在本例中使用圖4a到圖4c的設計，其中在室溫且高達例如約200MPa的壓力條件下凸起44、46的高度在
0.8mm到3mm范圍內。
[0114]為檢測根據(jù)以上方法獲得的燒結多晶產品的耐磨性，形成第一實施例產品(根據(jù)以上方法制造的)并將所述燒結產品浸出足夠的浸出時間(例如約100小時)以實現(xiàn)約900微米的浸出深度。為了比較，制造具有從工作表面約900微米的浸出深度的傳統(tǒng)浸出產品，所述傳統(tǒng)浸出產品由含金剛石顆粒的PCD單層形成，所述金剛石顆粒含約50重量％具有約4微米平均顆粒尺寸的金剛石顆粒和約50重量％具有約12微米平均顆粒尺寸的金剛石顆粒。
[0115]然后對所述兩個坯塊的金剛石層進行拋光和立式鏜磨測試。在該測試中，測量磨損平面面積按刀具元件通過鉆入工件的數(shù)量。圖5圖示了獲得的結果。所述結果提供了相對切割長度標識總磨損面積的指示。
[0116]可以看出，根據(jù)實施例1形成的PCD坯塊相比測試坯塊均能達到明顯更大的切割長度，在本實施例中，比平均切割長度性能提高21 %。
[0117]在一些實施例中，根據(jù)以上描述的方法形成的多晶體可用作鉆地的刀具，或作為用于鉆地的旋轉剪切機刀頭的PCD元件，或者用于沖擊鉆頭或采礦或瀝青降解的截齒(pick)。換句話說，用于鉆地的鉆頭或鉆頭元件可能含有根據(jù)一個或多個實施例的多晶超硬材料的主體。
[0118]雖然已描述和圖示了特定的實施例，但需明白，對于其中的元件可以作出各種變化和改動且可被等同物替換，并且這些實施例并不意圖限制所公開的具體實施例。例如，此處描述的基底已通過實施例的方式確定。應當明白，超硬材料可附接至除碳化鎢基底以外的其他碳化物基底上，例如由1、1^、10、他、￥、把3&、(>的碳化物制造的基底。此外，雖然在圖1到圖2c描繪含有具有鋒利邊緣和拐角的PCD結構，實施例可能含有具有圓弧的(rounded)、斜刃的(bevelled)或倒角的(chamfered)邊緣和拐角的PO)結構。這樣的實施例可減少內壓力，并因此通過基底的界面或具有獨特幾何形狀的超硬材料層改善對刀具元件的開裂(cracking)、碎裂(chipping)和破碎(fracturing)的抵抗。
[0119]此外，該實施例不僅限于圖3到圖4c描述的界面設置(i n t e r f a c econfigurat1n)，還可以是在界面表面42上形成的任何凸起/凹槽排列。
[0120]此外，用于刀具結構和插入物的多個實施例形狀及組合被設想公開。刀具結構可以包括天然或合成的金剛石材料。金剛石材料的例子包括多晶金剛石(PCD)材料、熱穩(wěn)定PO)材料、結晶金剛石材料(crystalline diamond material)、通過化學氣相沉積(CVD)方法制造的金剛石材料或碳化娃結合的金剛石(silicon carbide bonded diamond)，并且在其他一個或多個實施例中，此處描述的超硬多晶結構可能會形成用于鉆地的旋轉剪切機刀頭(rotary shear bit)、沖擊鉆頭或用于采礦或瀝青降解的截齒(pick)中的一個或多個的PCD元件。
【主權項】
1.一種多晶超硬構造，其包括 多晶超硬材料的主體，所述多晶超硬材料的主體包括: 兩層或多層，其包括表現(xiàn)出顆粒間粘結并限定其間的多個間隙區(qū)域的超硬顆粒的各自團塊;所述兩層或多層中的第一層在一種或多種特性上與所述兩層或多層中的第二層不同； 所述多晶超硬材料的主體具有大于約1.8毫米的厚度，并具有暴露的外表面、沿其延伸的外周表面和界面，所述外表面形成工作表面， 沿界面粘結至所述兩層或多層中的至少一層的基底;所述基底包括外周表面、界面并具有縱軸;其中所述基底的界面或所述多晶超硬材料的主體的界面中的一個包括一個或多個從所述界面突出的凸起，所述一個或多個凸起的高度從所述界面的最低點測量在約0.2mm到約2.0mm之間，所述一個或多個凸起從所述界面延伸;并且 其中所述多晶超硬材料的主體至少部分基本上不含用于所述超硬材料的催化劑材料，所述部分形成熱穩(wěn)定區(qū)域并從所述多晶超硬材料的主體的工作表面延伸至少約300微米的深度。2.如權利要求1所述的多晶超硬構造，其中所述多晶超硬材料的主體具有約2.2mm到約4mm之間的厚度。3.如權利要求2所述的多晶超硬構造，其中所述多晶超硬材料的主體具有約3.0mm到約4.0mm之間的厚度。4.如前述權利要求中任一項所述的多晶超硬構造，其中所述一種或多種特性包括所述超硬材料的平均顆粒尺寸、熱膨脹系數(shù)、超硬材料顆粒尺寸分布、和超硬材料組成中的一項或多項。5.如前述權利要求中任一項所述的多晶超硬構造，其中所述第一層包括多晶超硬材料的主體的工作表面并包括具有比第二層的超硬材料的平均顆粒尺寸小平均顆粒尺寸的多晶超硬材料。6.如權利要求5所述的多晶超硬構造，其中所述第一層中的超硬材料的平均顆粒尺寸小于約20微米并且第二層中的超硬材料的平均顆粒尺寸大于約20微米。7.如前述權利要求中任一項所述的多晶超硬構造，其中所述超硬顆粒包括天然的和/或人造的金剛石顆粒，所述多晶超硬構造形成多晶金剛石構造。8.如前述權利要求中任一項所述的多晶超硬構造，其中所述熱穩(wěn)定區(qū)域從所述多晶超硬材料的主體的工作表面延伸約300微米到約1000微米的深度。9.如前述權利要求中任一項所述的多晶超硬構造，其中所述熱穩(wěn)定區(qū)域從所述多晶超硬材料的主體的工作表面延伸約350微米到約700微米的深度。10.如權利要求1到7中任一項所述的多晶超硬構造，其中所述熱穩(wěn)定區(qū)域從所述多晶超硬材料的主體的工作表面延伸約500微米到約1000微米的深度。11.如權利要求1到7中任一項所述的多晶超硬構造，其中所述熱穩(wěn)定區(qū)域從所述多晶超硬材料的主體的工作表面延伸至少約700微米的深度。12.如前述權利要求中任一項所述的多晶超硬構造，其中所述一個或多個凸起的高度在約0.3mm到約1.0mm之間。13.如前述權利要求中任一項所述的多晶超硬構造，其中所述凸起設置在沿所述基底的中心縱軸的一個或多個基本徑向的隊列中。14.如權利要求13所述的多晶超硬構造，其中所述凸起設置在第一隊列和第二隊列中，所述第二隊列徑向設置于所述第一隊列內。15.如權利要求14所述的多晶超硬構造，其中所述第一隊列和第二隊列與所述基底基本同軸。16.如權利要求14或15中任一項所述的多晶超硬構造，其中所述第一隊列包括基本為所述第二隊列的凸起的數(shù)量兩倍的凸起。17.如權利要求14到16中任一項所述的多晶超硬構造，其中所述第一隊列和第二隊列的凸起彼此交錯。18.如權利要求13到17中任一項所述的多晶超硬構造，其中所述凸起設置在圍繞所述中心縱軸的基本上環(huán)形不連續(xù)的第一隊列和徑向位于所述第一隊列中的凸起的基本上環(huán)形不連續(xù)的第二隊列中，其中所述第一隊列與所述基底的外周表面間隔約Imm到約1.5_的距離； 所述第二隊列中的凸起被放置與第一隊列凸起之間的間隔徑向對齊； 所述凸起的界面為基本平面;并且 其中所述第一隊列的凸起具有比所述第二隊列中的凸起更高的高度。19.如權利要求1到17中任一項所述的多晶超硬構造，其中所述間隔的凸起之間的界面的全部或大部分是非弧面的并且在沒有基本平行于所述超硬材料層的暴露的外表面的平面的一個或多個平面中延伸。20.如權利要求1到17或19中任一項所述的多晶超硬構造，其中所述間隔的凸起之間的界面的全部或大部分在一個或多個平面中延伸，所述一個或多個平面沒有基本平行于所述基底的中心縱軸延伸穿過的平面。21.如前述權利要求中任一項所述的多晶超硬構造，其中全部或大部分的所述凸起的表面的一個或多個在一個或多個平面中延伸，所述一個或多個平面沒有基本平行于所述超硬材料層的暴露的外表面的平面和/或沒有基本平行于所述基底的中心縱軸延伸穿過的平面。22.如前述權利要求中任一項所述的多晶超硬構造，其中在所述基底的中心縱軸周圍的所述超硬材料層的厚度基本等于在所述外周表面的所述超硬材料層的厚度。23.如權利要求1到12中任一項所述的多晶超硬構造，其中所述凸起在所述基底的界面或所述超硬材料層的界面中的一個上隨機排列。24.如前述權利要求中任一項所述的多晶超硬構造，其中所述基底包括通過粘結材料粘結在一起的硬質合金顆粒，所述粘結材料形成基底的約9重量％到約11重量％。25.如前述權利要求中任一項所述的多晶超硬構造，其中所述基底包括碳化鎢硬質合金。26.如前述權利要求中任一項所述的多晶超硬構造，其中所述基底包括含Co和/或Co、Ni和Cr的合金的粘結材料。27.如前述權利要求中任一項所述的多晶超硬構造，其中所述多晶超硬構造包括以下成分的一種或多種: 多達20重量％的納米金剛石粉顆粒形式的納米金剛石添加劑； 鹽； T1、V或Nb中至少一個的硼化物或金屬碳化物;或金屬Pd或Ni中的至少一個。28.—種用于地殼鉆探的旋轉剪機刀頭或用于沖擊鉆頭的多晶超硬構造，包括粘結至硬質合金支撐體的如前述權利要求中任一項所述的多晶超硬構造。29.—種包括如權利要求1到27中任一項所述的多晶超硬構造的工具，所述工具用于切割、粉碎、研磨、鉆孔、地面鉆孔、巖石鉆孔或其他磨料應用。30.如權利要求29所述的工具，其中所述工具包括用于地面鉆孔或巖石鉆孔的鉆頭。31.如權利要求29所述的工具，其中所述工具包括用于石油和天然氣鉆井的旋轉固定刀頭。32.如權利要求29所述的工具，其中所述工具為滾錐鉆頭、開孔工具、擴張工具、絞刀或其他地面鉆孔工具。33.—種包括如權利要求1到27中任一項所述的多晶超硬構造的鉆頭或刀具或它們的零件。34.一種形成多晶超硬構造的方法，包括: 提供超硬材料顆粒的第一團塊； 提供超硬材料顆粒的第二團塊;所述顆粒的第一團塊與所述顆粒的第二團塊在一種或多種特性上不同； 提供基底，所述基底包括外表面、界面并具有縱軸； 在用于所述超硬顆粒的催化劑/溶劑材料存在的條件下，在約5.5GPa或更高的超高壓力和所述超硬材料比石墨更加熱穩(wěn)定的溫度下處理所述預燒結組件以將所述超硬材料顆粒燒結在一起形成多晶超硬構造，所述多晶超硬構造包括由相鄰區(qū)域內的顆粒的第一和第二團塊形成的超硬材料主體，所述超硬顆粒表現(xiàn)出顆粒間粘結并且在其間限定出多個間隙區(qū)域，非超硬相至少部分填充多個所述間隙區(qū)域;所述多晶超硬材料的主體具有大于約1.8_的厚度并具有形成工作表面的暴露的外表面、沿其延伸的外周表面和界面； 其中所述基底的界面或所述多晶超硬材料的主體的界面中的一個包括設置為從所述界面突出的一個或多個凸起，所述一個或多個凸起從所述界面的最低點測量的高度在約0.2mm到2.0mm之間，所述一個或多個凸起從所述界面延伸；以及 處理所述多晶超硬材料的主體的至少部分以從所述間隙區(qū)域去除殘留催化劑/粘結劑形成基本不含用于超硬材料的催化劑/粘結材料的區(qū)域，所述部分形成熱穩(wěn)定區(qū)域并從所述多晶超硬材料的主體的工作表面延伸至少約300微米的深度。35.如權利要求34所述的方法，其中所述多晶超硬材料的主體具有約2.2mm到約4mm之間的厚度。36.如權利要求34所述的方法，其中所述多晶超硬材料的主體具有約3.0mm到約4.0mm之間的厚度。37.如權利要求34到36任一項所述的方法，其中所述一種或多種特性包括所述超硬材料的平均顆粒尺寸、熱膨脹系數(shù)、超硬材料顆粒尺寸分布、和超硬材料組成中的一項或多項。38.如權利要求34到37任一項所述的方法，其中所述超硬顆粒的第一團塊一旦燒結形成含多晶超硬材料的主體的工作表面的層;并且其中提供所述顆粒的第一團塊的步驟包括提供用于形成第一團塊的顆粒，所述用于形成第一團塊的顆粒具有比顆粒的第二團塊的超硬材料的平均顆粒尺寸小的平均顆粒尺寸。39.如權利要求38所述的方法，其中所述提供所述顆粒的第一團塊的步驟包括提供具有小于約20微米的平均顆粒尺寸的超硬顆粒;并且提供顆粒的第二團塊的步驟包括提供具有大于約20微米的平均顆粒尺寸的超硬顆粒。40.如權利要求34到39任一項所述的方法，其中所述超硬顆粒包括天然的和/或合成的金剛石顆粒，所述多晶超硬構造形成多晶金剛石構造。41.如權利要求34到40任一項所述的方法，其中所述處理步驟包括產生熱穩(wěn)定區(qū)域，所述熱穩(wěn)定區(qū)域從所述多晶超硬材料的主體的工作表面延伸約300微米到約1000微米的深度。42.如權利要求34到40任一項所述的方法，其中所述處理步驟包括產生熱穩(wěn)定區(qū)域，所述熱穩(wěn)定區(qū)域從所述多晶超硬材料的主體的工作表面延伸約350微米到約700微米的深度。43.如權利要求34到40任一項所述的方法，其中所述處理步驟包括產生熱穩(wěn)定區(qū)域，所述熱穩(wěn)定區(qū)域從所述多晶超硬材料的主體的工作表面延伸約500微米到約1000微米的深度。44.如權利要求34到40任一項所述的方法，其中所述處理步驟包括產生熱穩(wěn)定區(qū)域，所述熱穩(wěn)定區(qū)域從所述多晶超硬材料的主體的工作表面延伸至少約700微米的深度。45.如權利要求34到44任一項所述的方法，其中所述一個或多個凸起的高度在約0.3mm到約1.0mm之間。46.如權利要求34到45任一項所述的方法，其中所述凸起設置在圍繞所述中心縱軸的基本上環(huán)形不連續(xù)的第一隊列和徑向位于所述第一隊列中的凸起的基本環(huán)狀不連續(xù)的第二隊列中，其中所述第一隊列與所述基底的外周表面間隔約Imm到約1.5mm的距離； 所述第二隊列中的凸起被放置與第一隊列凸起之間的間隔徑向對齊； 所述凸起的界面為基本平面;并且 其中所述第一隊列的凸起具有比所述第二隊列中的凸起更高的高度。47.如權利要求34到46任一項所述的方法，其中所述提供基底的步驟包括提供一種包括通過粘結材料粘結在一起的硬質合金顆粒的基底，所述粘結材料形成基底的約9 %到約11%。48.如權利要求34到47任一項所述的方法，其中使所述超硬顆粒受壓力處理的步驟包括使所述顆粒受大于約6.SGPa的壓力處理。49.基本如根據(jù)任一實施例描述的多晶超硬構造，所述實施例以【附圖說明】。50.基本如根據(jù)任一實施例描述的形成多晶超硬構造的方法，所述實施例以【附圖說明】。
【文檔編號】C04B37/00GK106029608SQ201480075757
【公開日】2016年10月12日
【申請日】2014年12月17日
【發(fā)明人】羅杰·威廉·奈杰爾·尼倫, 奈德瑞·堪, 漢弗萊·塞斯比, 大衛(wèi)·鮑斯, 德里克·尼爾姆斯
【申請人】第六元素有限公司, 貝克休斯公司