專利名稱：聚晶金剛石復(fù)合片以及相關(guān)的方法和應(yīng)用的制作方法
聚晶金剛石復(fù)合片以及相關(guān)的方法和應(yīng)用相關(guān)申請的交叉引用本申請要求在2009年10月29日提交的美國專利申請No. 12/608, 155的優(yōu)先權(quán)，在此通過引用將其整體并入本文。
背景技術(shù)：
耐磨的超硬磨料復(fù)合片被用于各種機(jī)械應(yīng)用中。例如，聚晶金剛石復(fù)合片(“PDC”)(polycrystalline diamond compact)被用于鉆具(例如,切削元件、修孔器等)、機(jī)加工設(shè)備、軸承裝置、拉絲機(jī)具和其它的機(jī)械裝置中。PDC已得到特殊應(yīng)用，作為在旋轉(zhuǎn)鉆頭(如牙輪鉆頭和固定切削刃鉆頭)中的超硬磨料切削元件。PDC切削元件通常包括常被稱為金剛石臺的超硬磨料金剛石層。使用高壓·/高溫(“HPHT”)工藝形成金剛石臺并將其與基底接合。PDC切削元件也可被直接硬釬焊到預(yù)先形成的凹部、槽口或在鉆頭本體內(nèi)形成的其它接納部中?；壮３？杀挥测F焊或以另外方式接合到附加部件，例如柱型背襯。旋轉(zhuǎn)鉆頭通常包括附著于鉆頭本體上的若干roc切削元件。還已知的是可使用承載roc的栓釘作為PDC切削元件，這時(shí)通過壓力配合、硬釬焊或其它的方式將栓釘(Stud)固定于在鉆頭本體中形成的容座內(nèi)來將其安裝到旋轉(zhuǎn)鉆頭的鉆頭本體上。一般通過如下方式來制造常規(guī)的roc :將燒結(jié)碳化物基底放入具有大量金剛石顆粒的容器內(nèi)，所述金剛石顆粒被置于所述燒結(jié)碳化物基底鄰近。可以將若干這種容器裝載到HPHT壓力機(jī)中。然后在HPHT條件下在催化劑材料的存在下處理所述基底和所述大量金剛石顆粒，所述催化劑材料引起金剛石顆粒相互接合從而形成接合在一起的金剛石晶粒的基質(zhì)，該基質(zhì)限定出與基底接合的聚晶金剛石(“PCD”)臺。催化劑材料通常是被用于促進(jìn)金剛石顆粒的交互生長的金屬-溶劑催化劑(例如，鈷、鎳、鐵、或其合金)。在一種常規(guī)的方法中，在HPHT處理期間，燒結(jié)碳化物基底的組分(例如來自鈷燒結(jié)的碳化鎢基底的鈷)液化并從所述大量金剛石顆粒鄰近的區(qū)域掃掠(sweep)到金剛石顆粒之間的間隙區(qū)域中。鈷充當(dāng)催化劑從而促進(jìn)金剛石顆粒之間的交互生長，這導(dǎo)致形成接合一起的金剛石晶粒，這些金剛石晶粒在其間表現(xiàn)出金剛石與金剛石接合。通常，在使金剛石顆粒和基底經(jīng)受HPHT處理之前，可將溶劑催化劑與金剛石顆?；旌?。P⑶臺中金屬溶劑催化劑的存在被認(rèn)為降低P⑶臺在高溫下的熱穩(wěn)定性。例如，據(jù)認(rèn)為在鉆進(jìn)或切削操作期間，金剛石晶粒與金屬溶劑催化劑之間的熱膨脹系數(shù)差異導(dǎo)致PCD臺的碎裂或開裂，這會使PCD臺的力學(xué)性能劣化或引起失效。另外，一些金剛石晶粒會通過與金屬溶劑催化劑的交互作用而經(jīng)歷化學(xué)損壞或轉(zhuǎn)變回石墨。在提高的高溫下，部分金剛石晶粒會轉(zhuǎn)變成一氧化碳、二氧化碳、石墨、或其組合，由此使PCD臺的力學(xué)性能劣化?！N用于改善F1DC的P⑶臺的熱穩(wěn)定性的方法是通過酸浙濾(acid leaching)從PCD臺中至少部分地去除金屬溶劑催化劑。用于形成PDC另一種常規(guī)方法包括單獨(dú)形成燒結(jié)PCD臺，隨后對該燒結(jié)PCD臺進(jìn)行浙濾，以便從接合在一起的金剛石晶粒之間的間隙區(qū)域去除溶劑催化劑。可將浙濾的PCD臺接合到基底，并且在獨(dú)立的HPHT處理中用非催化劑材料(如硅)進(jìn)行浸滲。硅可浸滲浙濾PCD臺的間隙區(qū)域并與金剛石晶粒反應(yīng)形成碳化硅，溶劑催化劑已被從該間隙區(qū)域浙濾。盡管存在許多不同的roc，但是，PDC的制造商和用戶繼續(xù)尋求表現(xiàn)改善的韌性、耐磨性、熱穩(wěn)定性、易加工性或前述性能組合的roc。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的實(shí)施方案涉及PDC和以有利于去除在此類PDC的PCD臺制造中使用的金屬溶劑催化劑的方式制造roc的方法。在一種實(shí)施方案中，PDC包括基底和P⑶臺，該P(yáng)⑶臺包括工作表面和相對的與基底接合的界面表面。PCD臺包括限定間隙區(qū)域的多個(gè)接合金剛石晶粒。該P(yáng)⑶臺還包括浙濾第一體積，該浙濾第一體積從工作表面向內(nèi)延伸并且包括位于其間隙區(qū)域至少一部分中的金屬浸滲劑(infiltrant)。該浙濾第一體積的金屬浸滲劑可以按小于0.85wt% (“重量％”)的濃度存在。P⑶臺還包含從界面表面向內(nèi)延伸的第二體積。該第二體積的間隙區(qū)域包括位于其中的金屬浸滲劑。 在一種實(shí)施方案中，公開了一種制造浙濾P⑶臺的方法。該方法包括將多個(gè)金剛石顆粒與多個(gè)犧牲顆?；旌弦孕纬苫旌衔?。該方法還包括在金屬溶劑催化劑的存在下燒結(jié)所述混合物以形成PCD臺。該P(yáng)CD臺包含犧牲材料，所述犧牲材料包括所述多個(gè)犧牲顆粒、所述多個(gè)金剛石顆粒與所述多個(gè)犧牲顆粒的至少一種反應(yīng)產(chǎn)物、或其組合。該方法還包括從所述P⑶臺浙濾至少一部分金屬溶劑催化劑和至少一部分犧牲材料。在一種實(shí)施方案中，公開了一種制造浙濾roc的方法。該方法包括鄰近基底設(shè)置混合物。該混合物包括多個(gè)金剛石顆粒和多個(gè)犧牲顆粒。該方法還包括使所述混合物和基底經(jīng)受HPHT處理，以便在金屬溶劑催化劑的存在下燒結(jié)所述多個(gè)金剛石顆粒，從而在基底上形成P⑶臺。該P(yáng)⑶臺包含犧牲材料，所述犧牲材料包括所述多個(gè)犧牲顆粒、所述多個(gè)金剛石顆粒與所述多個(gè)犧牲顆粒的至少一種反應(yīng)產(chǎn)物、或其組合。該方法還包括從所述PCD臺的體積中浙濾至少一部分金屬溶劑催化劑和至少一部分犧牲材料。在一種實(shí)施方案中，公開了另一種制造浙濾roc的方法。該方法包括將多個(gè)金剛石顆粒與多個(gè)犧牲顆?；旌弦孕纬苫旌衔?。該方法還包括在金屬溶劑催化劑的存在下燒結(jié)該混合物從而形成PCD臺。該P(yáng)CD臺包含犧牲材料，所述犧牲材料包括所述多個(gè)犧牲顆粒、所述多個(gè)金剛石顆粒與所述多個(gè)犧牲顆粒的至少一種反應(yīng)產(chǎn)物、或其組合。該方法還包括從該P(yáng)⑶臺浙濾至少一部分金屬溶劑催化劑和至少一部分犧牲材料，使得金屬溶劑催化劑以少于O. 85wt%的濃度存在于其中。該方法還包括將浙濾PCD臺定位于基底鄰近以形成組件。該方法還包括使所述組件經(jīng)受HPHT處理以便用金屬浸滲劑浸滲該浙濾P⑶臺。在一種實(shí)施方案中，PDC包括燒結(jié)碳化鎢基底和與該燒結(jié)碳化鎢基底接合的預(yù)燒結(jié)PCD臺。該預(yù)燒結(jié)PCD臺包括工作表面和相對的與燒結(jié)碳化鎢基底接合的界面表面。該預(yù)燒結(jié)PCD臺包括多個(gè)接合的金剛石晶粒，這些晶粒限定出多個(gè)間隙區(qū)域。該預(yù)燒結(jié)PCD臺包括從工作表面向內(nèi)延伸的第一體積，所述第一體積基本上不含金屬溶劑催化劑以及鎢或碳化鎢中的至少一種。該預(yù)燒結(jié)PCD臺還包括從界面表面向內(nèi)延伸的第二體積，該第二體積包含以填隙方式位于其接合金剛石晶粒之間的鎢或碳化鎢中的至少一種。在一種實(shí)施方案中，制造roc的方法包括在燒結(jié)碳化鎢基底和至少部分浙濾的PCD臺之間設(shè)置金屬浸滲劑層以形成組件，所述至少部分浙濾的PCD臺在其中包括多個(gè)間隙區(qū)域。該金屬浸滲劑層基本上不含鎢、碳化鎢、或其組合。該方法還包括使所述組件經(jīng)受HPHT處理以便用來自金屬浸滲劑層的第一金屬浸滲劑浸滲該間隙區(qū)域的第一部分，和用來自包含鎢、碳化鎢、或或其組合的燒結(jié)碳化鎢基底的第二金屬浸滲劑浸滲該間隙區(qū)域的第二部分。在一種實(shí)施方案中，制造roc的方法包括在金屬浸滲劑層和燒結(jié)碳化鎢基底之間設(shè)置至少部分浙濾的PCD臺以形成組件，所述至少部分浙濾的PCD臺在其中包含多個(gè)間隙區(qū)域。金屬浸滲劑層基本上不含鎢、碳化鎢、或其組合。該方法還包括使所述組件經(jīng)受HPHT處理以便使來自金屬浸滲劑層的第一金屬浸滲劑浸滲所述間隙區(qū)域的第一部分，并且用來自包含鎢、碳化鎢、或其組合的燒結(jié)碳化鎢基底的第二金屬浸滲劑浸滲所述間隙區(qū)域的第二部分。在一種實(shí)施方案中，制造roc的方法包括形成具有P⑶臺(其中包括多個(gè)間隙區(qū)域)、基底、位于基底與PCD臺之間的金屬浸滲劑層和位于PCD臺鄰近的排放區(qū)(dumpregion)的組件。該P(yáng)CD臺的至少一部分間隙區(qū)域包括金屬溶劑催化劑和含鶴材料。該方法還包括使所述組件經(jīng)受HPHT處理，以便用來自金屬浸滲劑層的第一金屬浸滲劑浸滲 所述間隙區(qū)域的第一部分，并且用來自基底的第二金屬浸滲劑浸滲所述間隙區(qū)域的第二部分，由此使基本上所有的含鎢材料轉(zhuǎn)移到排放區(qū)中。該方法還包括將其中含有轉(zhuǎn)移的含鎢材料的排放區(qū)去除。在一種實(shí)施方案中，制造roc的方法包括至少貼近基底放置金剛石顆粒的物料。該方法還包括用第一金屬溶劑催化劑材料浸滲金剛石顆粒物料的第一部分，以便燒結(jié)該第一部分并形成第一P⑶體積。該方法還包括用第二金屬溶劑催化劑浸滲所述金剛石顆粒物料的第二部分，以便燒結(jié)所述第二部分并形成第二 PCD體積，所述第二金屬溶劑催化劑的可浙濾性小于所述第一金屬溶劑催化劑。所述第一 PCD體積和所述第二 PCD體積限定了P⑶臺。該方法還包括將所述P⑶臺接合到基底。該方法還包括從P⑶臺浙濾出第一金屬溶劑催化劑材料，以形成浙濾區(qū)域。在一些實(shí)施方案中，該方法還包括用浸滲劑浸滲所述浙濾區(qū)域，所述浸滲劑諸如硅、硅合金或至少一種堿金屬碳酸鹽。其它實(shí)施方案涉及在各種制品和裝置中利用公開的roc的應(yīng)用，例如旋轉(zhuǎn)鉆頭、軸承裝置、拉絲模具、機(jī)加工裝置和其它的制品和裝置。來自任一所公開實(shí)施方案中的特征可以不受限制地相互組合使用。另外，通過考慮下面的詳細(xì)描述和附圖，本公開的其它特征和優(yōu)點(diǎn)對于本領(lǐng)域技術(shù)人員來說將是清楚的。


附圖顯示出本發(fā)明的幾個(gè)實(shí)施方案，其中，在不同的視圖或附圖所示的實(shí)施方案中，相同的附圖標(biāo)記指代相同的要素或特征。圖1A、圖1B、圖1D、圖IE和圖IF是圖解制造TOC的方法的各種實(shí)施方案中的不同階段以及如此形成的roc的截面圖。圖IC是圖IB中所示的PDC的等視距圖。圖2A-2F是圖解制造TOC的方法的各種實(shí)施方案中的不同階段以及如此形成的PDC的截面圖。
圖3A-3C是圖解制造I3DC的方法的各種實(shí)施方案中的不同階段和如此形成的I3DC的截面圖。圖4A-4D是圖解制造I3DC的方法的各種實(shí)施方案中的不同階段和如此形成的I3DC的截面圖。圖5A-5C是圖解制造I3DC的方法的各種實(shí)施方案中的不同階段和如此形成的I3DC的截面圖。圖6是可使用所公開的PDC實(shí)施方案中的一種或多種的旋轉(zhuǎn)鉆頭的實(shí)施方案的等視距圖。圖I是圖6中所示的旋轉(zhuǎn)鉆頭的頂視圖(top elevation view)。
具體實(shí)施例方式本發(fā)明的實(shí)施方案涉及PDC和制造PDC^PrcD臺的方法，其方式有利于去除在此類roc的PCD臺的制造中使用的金屬溶劑催化劑。本文公開的PDC實(shí)施方案可用于各種應(yīng)用，例如旋轉(zhuǎn)鉆頭、軸承裝置、拉絲模具、機(jī)加工裝置和其它制品和裝置。圖1A-1F示出制造PDC的方法的各種實(shí)施方案中的不同階段以及如此形成的roc。根據(jù)關(guān)于圖1A-1F描述的各種實(shí)施方案，通過用犧牲顆粒燒結(jié)金剛石顆粒來形成PDC的PCD臺，所述犧牲顆粒有利于從如此形成的P⑶臺除去金屬溶劑催化劑。參照圖1A，可通過鄰近于基底106的界面表面104放置混合物102來形成組件100。混合物102可包括多個(gè)金剛石顆粒和多個(gè)犧牲顆粒。如下面更詳細(xì)所述，該犧牲顆粒有利于從混合物102中去除用于催化PCD臺形成的金屬溶劑催化劑。例如，所述犧牲顆粒在混合物中的存在濃度可以為大于Owt %至約15wt%、約I. Owt %至約IOwt %、約
I.Owt % 至約 5wt %、約 I. 5wt % 至約 2. 5wt %、約 I. Owt % 至約 2. Owt %、或約 2. Owt %,余量為金剛石顆粒。發(fā)明人目前認(rèn)為，相對少量(例如，少于約5wt%、少于約3wt%、或少于約2wt% )的犧牲顆粒在不明顯影響PCD臺的磨損性能的情況下增加浙濾PCD臺的可及性(accessibility)。犧牲顆?？杀憩F(xiàn)約亞微米到約10 μ m、約亞微米到約5 μ m、小于約5 μ m、約亞微米到約2 μ m、約亞微米到約I μ m、小于約I μ m、或諸如約IOnm-約IOOnm的納米尺寸的平均顆粒尺寸(例如，平均直徑)。可由熔化溫度比用以催化從金剛石顆粒形成PCD的金屬溶劑催化劑的熔化溫度更高并且可通過浙濾處理從如此形成的P⑶浙濾的任何材料制成犧牲顆粒。所述犧牲顆粒可選自由金屬、合金、碳化物、及其組合制成的顆粒，且這些金屬、合金、碳化物、及其組合的熔化溫度比用以催化從金剛石顆粒形成PCD的金屬溶劑催化劑的熔化溫度更高并且可通過浙濾處理從如此形成的PCD浙濾。例如，所述犧牲顆?？蛇x自由熔化溫度比用以催化從金剛石顆粒形成PCD的金屬溶劑催化劑的熔化溫度更高并且可通過浙濾處理從如此形成的PCD浙濾的難熔金屬(例如，鈮、鑰、鉭、鎢、錸、鉿、和其合金)、其它金屬或合金制成的顆粒，以及其組合。作為另一例子，犧牲顆?？蛇x自熔化溫度比用以催化從金剛石顆粒形成P⑶的金屬溶劑催化劑的熔化溫度更高并且可通過浙濾處理從如此形成的P⑶浙濾的鈦、釩、鉻、鐵、鋯、鈮、鑰、鉿、鉭、鎢、錸、任何其它金屬或合金、任何上述金屬的合金、任何上述金屬或合金的碳化物、以及它們的組合的顆粒。例如，在更具體的實(shí)施方案中，所述犧牲顆?？蛇x自鶴顆粒和/或碳化鶴顆粒。
在一些實(shí)施方案中，用于催化P⑶形成的金屬溶劑催化劑可以在用以形成P⑶的HPHT工藝期間擴(kuò)散和/或相互擴(kuò)散到犧牲顆粒中。注意，雖然上述的犧牲顆粒是無機(jī)的(例如，金屬、合金或碳化物)，但是在其它的實(shí)施方案中，可以使用有機(jī)犧牲材料。例如，有機(jī)犧牲材料可以是蠟、聚乙二醇、其混合物、其組合或其它適宜的犧牲材料?；旌衔?02的金剛石顆?？杀憩F(xiàn)相對較大的尺寸和至少一個(gè)相對較小的尺寸。本文中所使用的短語“相對較大”和“相對較小”指的是相差至少兩倍的顆粒尺寸(例如，30μπι和15 μ m)(通過任何適當(dāng)?shù)姆椒?。根據(jù)各種實(shí)施方案，金剛石顆?？砂ū憩F(xiàn)出相對較大尺寸(例如,30 μ m、20 μ m、15 μ m、12 μ m、10 μ m、8 μ m)的部分和表現(xiàn)至少一個(gè)相對較小尺寸(例如，6 μ m、5 μ m、4 μ m、3 μ m、2 μ m、I μ m、0. 5 μ m、小于 O. 5 μ m、0. I μ m、小于O. I μ m)的另一部分。在一種實(shí)施方案中，金剛石顆?？砂ū憩F(xiàn)約10 μ m至約40 μ m的相對較大尺寸的部分和表現(xiàn)約I μ m至約4 μ m的相對較小尺寸的另一部分。在一些實(shí)施方案中，金剛石顆粒可包含三種或更多種不同的尺寸(例如，一個(gè)相對較大尺寸和兩個(gè)以上的相對較小尺寸)，但不限于此。 基底106可包括燒結(jié)碳化物，但不限于此，例如以鐵、鎳、鈷或其合金燒結(jié)的碳化鎢、碳化鈦、碳化鉻、碳化鈮、碳化鉭、碳化釩或其組合。例如，在一種實(shí)施方案中，基底106包含鈷燒結(jié)碳化鎢。雖然基底106的界面表面104被示為是基本上平坦的，但是該界面表面104可表現(xiàn)出所選的非平面形貌。組件100可被放置在壓力傳遞介質(zhì)中，例如難熔金屬罐、石墨結(jié)構(gòu)、葉蠟石(pyrophyllite)或其它壓力傳遞結(jié)構(gòu)。該壓力傳遞介質(zhì)(包含組件100在內(nèi))可經(jīng)受使用HPHT壓力機(jī)的HPHT處理，從而產(chǎn)生對于金剛石穩(wěn)定的溫度和壓力條件。該HPHT處理的溫度可為至少約1000°C (例如，約1300°C至約1600°C )，并且該HPHT處理的壓力可以為至少
4.OGPa (例如，約5. OGPa至10. OGPa、約6. OGPa至約8. 5GPa等)，持續(xù)足以用來自基底106的金屬溶劑催化劑(即，金屬浸滲劑)浸滲該混合物106從而形成I3DC 108的時(shí)間。浸滲的金屬溶劑催化劑催化從金剛石顆粒形成P⑶以便形成圖IB和圖IC中所示的P⑶臺110。例如，來自鈷燒結(jié)碳化鎢基底的鈷可浸滲到混合物102中以催化PCD臺110的形成。該P(yáng)CD臺110與基底106 —體化形成(即，通過燒結(jié)在基底106上的前體材料來形成)。P⑶臺110包括多個(gè)直接接合在一起的金剛石晶粒，這些晶粒在其間表現(xiàn)出金剛石與金剛石接合(例如，Sp3接合)。作為金屬溶劑催化劑浸滲的結(jié)果，P⑶臺110通過強(qiáng)的接合(如冶金接合)與基底102的界面表面104接合。P⑶臺110包括上部工作表面112、側(cè)表面114和在其間延伸的斜面116?？稍谛纬蒔⑶臺110之后在其中機(jī)加工斜面116或者可在PCD臺110中預(yù)先形成斜面116。一般而言，在混合物102中使用的犧牲顆粒的平均顆粒尺寸越小，則納入PCD臺110中的金屬溶劑催化劑的濃度越大。P⑶臺110的接合在一起的金剛石晶粒限定了多個(gè)間隙區(qū)域。這些間隙區(qū)域包括犧牲材料(例如，碳化鎢晶粒)和/或位于其中的浸滲金屬溶劑催化劑。所述犧牲材料可包括由犧牲顆粒形成的至少一種反應(yīng)產(chǎn)物(所述犧牲顆粒在HPHT處理期間至少部分與金剛石顆粒反應(yīng))和/或存在于混合物102中的犧牲顆粒。例如，鎢犧牲顆粒至少部分與金剛石顆粒反應(yīng)從而形成碳化鎢晶粒。與如果不使用犧牲顆粒形成PCD臺110的情形相比，納入到PCD臺110中的金屬溶劑催化劑的濃度可更大。當(dāng)基底106包括鈷燒結(jié)碳化鎢顆粒時(shí)，鈷合金浸滲到混合物102中并且以填隙方式位于接合在一起的金剛石晶粒之間。鈷合金可包括與鈷固溶的鎢，并且可包括碳化鎢析出物。參照圖1D，使圖IB和圖IC中所示的roc 108的P⑶臺110與酸接觸，以便從間隙區(qū)域浙濾至少一部分金屬溶劑催化劑和至少一部分犧牲材料，從而形成浙濾的第一體積118，并且將相對未受影響的下方的PCD臺110稱為第二體積120。適宜的酸包括但不限于稀硝酸(例如，約O. 5M至約I. 5M)、濃硝酸(例如，約4M至約5M)、氫氟酸、或其混合物。例如，可使P⑶臺110與這些酸中的任何酸接觸持續(xù)約2-7天(例如，3、5或7天)或者甚至持續(xù)幾周(例如，約2-4周)。由于可能以與水之間的反應(yīng)產(chǎn)物形式形成氧化鎢，并且碳化鎢可溶于氫氟酸中，因此氫氟酸可增強(qiáng)碳化鎢晶粒的去除。浙濾的第一體積118從工作表面112、側(cè)表面114和斜面116向內(nèi)延伸到浙濾深度d。雖然浙濾深度d被顯示為在整個(gè)浙濾第一體積118內(nèi)是均勻的，但是在一些實(shí)施方案中，浙濾深度d可在P⑶臺110的斜面116和側(cè)表面114處或附近的周邊體積中減小。殘留在浙濾第一體積118內(nèi)的金屬溶劑催化劑的濃度可以為小于O. 85wt %、 約大于Owt %至約O. 80wt %、約大于Owt %至約O. 75wt %、約O. 20wt %至約O. 75wt %、約 O. 20wt % 至約 O. 65wt %、約 O. 20wt % 至約 O. 55wt %、約 O. 3wt % 至約 O. 55wt %、或約
O.50wt%至約O. 78wt%。浙濾的第一體積118的浙濾深度d可以為約250 μ m至約400 μ m、約250 μ m至約350 μ m、約250 μ m至約300 μ m或約250 μ m至約275 μ m。發(fā)明人目前認(rèn)為，在PCD臺110中存在犧牲材料(例如，碳化鎢晶粒)可增加接合在一起的金剛石晶粒之間的間隙區(qū)域的體積，由此增加酸的浙濾效率。換而言之，酸更好地接近以填隙方式位于接合在一起的金剛石晶粒之間的金屬溶劑催化劑，由此，與如果不使用混合物102的犧牲顆粒制造PCD臺110的情況相比，允許待浙濾/去除的金屬溶劑催化劑的量增加。一般而言，在混合物102中使用的犧牲顆粒的平均顆粒尺寸越小，則PCD臺110中的間隙區(qū)域的體積越大。如上文所述，在一些實(shí)施方案中，基底102可包括鈷燒結(jié)的碳化鎢顆粒。在這些實(shí)施方案中，盡管在浸滲的鈷合金中存在可能使得鈷合金更難以浙濾的鎢，但是由于犧牲材料預(yù)先占據(jù)一些間隙區(qū)域而致的增加的間隙區(qū)域體積或可及性仍允許更有效地從PCD臺110去除金屬溶劑催化劑。可使用若干不同的分析技術(shù)來確定浙濾第一體積118中的殘余金屬溶劑催化劑的濃度。例如，可以使用能量色散譜(例如，EDAX)、波長分散X射線光譜(例如，WDX)和/或盧瑟福背散射譜來確定浙濾第一體積118中的金屬溶劑催化劑的量。也可基于浙濾第一體積118的磁性能來確定浙濾第一體積118中的金屬溶劑催化劑的濃度。例如，可通過放電機(jī)加工、研磨、或其組合去除基底106和第二體積120以形成PCD樣品。可使用反復(fù)法來確定PCD樣品中的金屬溶劑催化劑的具體磁飽和常數(shù)?？梢苑磸?fù)選擇PDC樣品中的金屬溶劑催化劑的具體磁飽和常數(shù)的值，直到通過使用所選值通過市售的K0ERZIMAT CS I. 096儀器的分析軟件計(jì)算的金屬溶劑催化劑濃度基本上匹配通過另一分析技術(shù)(例如能量色散譜、波長分散X射線光譜、盧瑟福背散射譜、或其組合)確定的金屬溶劑催化劑濃度。在一些實(shí)施方案中，為了增強(qiáng)H)C 308的耐磨性，浸滲劑/替換材料可填充第一浙濾體積118的間隙區(qū)域。參照圖1E，浸滲劑材料的層122可位于工作表面112鄰近。在一種實(shí)施方案中，層122可包含娃顆?；蛲薜谋∑?。在另一實(shí)施方案中,層122可包含娃和另一成分例如鈷、鐵、鎳、或其合金，使得在浸滲到浙濾第一體積118的間隙區(qū)域中時(shí)形成硅合金。在另一實(shí)施方案中，層122可包含與鈷、鐵、鎳或其組合合金化的硅合金。在又一實(shí)施方案中，層122可包含堿金屬碳酸鹽,例如Li、Na或K的至少一種堿金屬碳酸鹽。在美國專利申請12/185,457中公開了各種堿金屬碳酸鹽材料，這里通過引用將其整體并入本文。圖IE中所示的處理中(in-process)結(jié)構(gòu)可經(jīng)受足以熔化所述層122的HPHT處理,使得浸滲劑/替換材料浸滲到所述浙濾第一體積118的間隙區(qū)域中從而形成圖IF所示的浸滲第一體積118'。在層122包含硅的實(shí)施方案中，在HPHT浸滲處理期間浸滲到浙濾第一體積118中的硅與金剛石晶粒反應(yīng)，從而形成以填隙方式位于所述接合在一起的金剛石晶粒之間的碳化娃。在層122包含一種或多種堿金屬碳酸鹽的實(shí)施方案中,浸滲過的間隙區(qū)域可包括一種或多種堿金屬碳酸鹽、一種或多種堿金屬氧化物、或其組合。圖2A-2F是圖解“二步驟’TDC的制造方法的各種實(shí)施方案中的不同階段以及如此 形成的PDC的截面圖。根據(jù)參照圖2A-2F描述的各種實(shí)施方案，通過在第一 HPHT處理中用犧牲顆粒燒結(jié)金剛石顆粒來形成P⑶臺，將如此形成的P⑶臺浙濾，并且在第二 HPHT處理中可將浙濾過的PCD臺與基底接合。參照圖2A，提供包括多個(gè)金剛石顆粒和多個(gè)犧牲顆粒的混合物200。例如，所述犧牲顆粒在混合物中的存在濃度可以為大于0wt%至約l.Owt1^至約10wt%、約
I.Owt%至約 5wt%、約 I. 5wt%至約 2. 5wt%、約 I. Owt%至約 2. Owt%、或約 2. Owt%,余量是金剛石顆粒。犧牲顆粒可選自本文公開的任何犧牲顆粒和/或材料，并且可表現(xiàn)出上文關(guān)于犧牲顆粒所公開的平均顆粒尺寸中的任何平均顆粒尺寸。金剛石顆?？杀憩F(xiàn)出本文所公開的任何金剛石顆粒尺寸和分布。在一種實(shí)施方案中，犧牲顆粒的平均顆粒尺寸可以小于金剛石顆粒的平均顆粒尺寸?？蓪⒒旌衔?00鄰近于金屬溶劑催化劑放置，例如金屬溶劑催化劑的層202。在一種實(shí)施方案中，金屬溶劑催化劑的層202可包含鐵、鎳、鈷、或其合金。在一種實(shí)施方案中，作為層202的替代或者在層202以外，可通過如下方式提供金屬溶劑催化劑將金屬溶劑催化劑顆粒與金剛石顆粒和犧牲顆?；旌?、浸滲來自燒結(jié)碳化物基底的金屬溶劑催化劑(例如，來自鈷燒結(jié)碳化鎢基底的鈷)、或前述方式的組合?？蓪⒒旌衔?00和層202放入適當(dāng)?shù)膲毫鬟f介質(zhì)中，并且經(jīng)受第一 HPHT處理，該第一 HPHT處理使用HPHT壓力機(jī)且使用與用以處理圖IA所示的組件100的相同或類似的HPHT處理?xiàng)l件。在該第一 HPHT處理期間，混合物200被浸滲以來自層202的金屬溶劑催化劑(即金屬浸滲劑)從而形成PCD臺。該金屬溶劑催化劑催化從金剛石顆粒形成PCD，從而形成PCD臺。該P(yáng)CD臺包括多個(gè)直接接合在一起的金剛石晶粒,這些金剛石晶粒在其間表現(xiàn)出金剛石與金剛石接合(例如，Sp3接合)。該P(yáng)CD臺的接合在一起的金剛石晶粒限定了多個(gè)間隙區(qū)域。這些間隙區(qū)域包括犧牲材料(例如，碳化鎢晶粒)和/或位于其中的浸滲的金屬溶劑催化劑。該犧牲材料可包括由所述犧牲顆粒(其在HPHT處理期間與金剛石顆粒至少部分反應(yīng))形成的至少一種反應(yīng)產(chǎn)物和/或存在于混合物200中的犧牲顆粒。例如，當(dāng)存在時(shí)，鎢犧牲顆?？芍辽俨糠值嘏c金剛石顆粒反應(yīng)從而形成碳化鶴晶粒。如此形成的PCD臺表現(xiàn)出的金剛石晶粒尺寸分布可與本文公開的任何金剛石顆粒分布相同或類似。例如，金剛石晶?？尚∮诩s30 μ m、小于約20 μ m、小于約15 μ m、小于約12 μ m、小于約10 μ m、小于約8 μ m、約10 μ m至約30 μ m、或約15 μ m至約19 μ m。在一些實(shí)施方案中，金剛石晶?？砂ū憩F(xiàn)相對較大平均晶粒尺寸(例如，30 μ m、20 μ m、15 μ m、12 μ m、10 μ m、8 μ m)的部分和表現(xiàn)至少一種相對較小平均晶粒尺寸(例如，6μπι、5μηι、4 μ m、3 μ m、2 μ m、I μ m、0. 5 μ m、小于 O. 5 μ m、0. I μ m、小于 0· I μ m)的另一部分。參照圖2B，使P⑶臺與酸接觸以便從間隙區(qū)域中浙濾至少一部分金屬溶劑催化劑和至少一部分犧牲材料，從而形成至少部分浙濾的P⑶臺 204。適宜的酸包括但不限于稀硝酸(例如，約O. 5M至約I. 5M)、濃硝酸(例如，約4M至約5M)、氫氟酸、或其混合物。至少部分浙濾的P⑶臺204包括第一表面206和相對的第二表面208，且間隙區(qū)域被浙濾出金屬溶劑催化劑和犧牲材料，使得這些間隙區(qū)域形成至少部分相互連接的孔隙的網(wǎng)絡(luò)，其被配置為允許流體在第一表面206和第二表面208之間流動或流通。側(cè)表面210在第一表面206和第二表面208之間延伸。在浙濾之后殘留于浙濾過的PCD臺204中的金屬溶劑催化劑的濃度可為小于O. 85wt %、約大于Owt %至約O. 80wt %、約大于Owt %至約O. 75wt %、約O. 20wt %至約 O. 75wt %、約 O. 20wt % 至約 O. 65wt %、約 O. 20wt % 至約 O. 55wt %、約 O. 3wt % 至約O. 55wt%、或約 O. 50wt% 至約 O. 78wt%。參照圖2C，可通過在基底106的界面表面104鄰近放置至少部分浙濾的P⑶臺204的第二表面208，來形成組件212。雖然基底106的界面表面104被顯示為是基本上平坦的，但是界面表面104可表現(xiàn)非平坦的形貌，并且所述至少部分浙濾的PCD臺204的第二表面208可表現(xiàn)相應(yīng)構(gòu)造的非平面形貌。組件212可被包封在適當(dāng)?shù)膲毫鬟f介質(zhì)中，并且通過經(jīng)受第二 HPHT處理，所述第二 HPHT處理使用與第一 HPHT處理相同或類似的條件。在所述第二 HPHT處理期間，所述至少部分浙濾的P⑶臺106被來自基底106的金屬浸滲劑所浸滲從而形成圖2D所示的浸滲PCD臺204'(即，預(yù)燒結(jié)的PCD臺)。例如，來自鈷燒結(jié)碳化鎢基底的鈷可在所述第二 HPHT處理期間浸滲所述至少部分浙濾的PCD臺204?；?06在冷卻時(shí)與浸滲的P⑶臺204'接合從而形成圖2D中也示出的I3DC 214。如圖2D所示，可通過例如研磨來機(jī)加工所述浸滲的P⑶臺204'，以形成在第一表面206 (即，工作表面)和側(cè)表面210之間延伸的斜面216。在另一實(shí)施方案中，可在浸滲之前的至少部分浙濾的PCD臺204中形成斜面116。即使不進(jìn)行浙濾，圖2D中所示的浸滲的P⑶臺204'也可表現(xiàn)優(yōu)異的熱穩(wěn)定性，該熱穩(wěn)定性優(yōu)于一體化形成于燒結(jié)碳化物基底上并被浙濾到約80 μ m至約100 μ m深度的常規(guī)形成的PCD臺的熱穩(wěn)定性。例如，浸滲的PCD臺204'可在車床測試中(例如，垂直轉(zhuǎn)塔車床試驗(yàn))能夠切削花崗巖工件至少約600m的距離而不失效，例如約900m至約2300m、約1500m至約2000m或約2000m至約2300m?？捎糜诖_定浸滲PCD臺204'的熱穩(wěn)定性的立式轉(zhuǎn)塔車床試驗(yàn)的適宜參數(shù)的例子是約I. 27mm的TOC的切削深度、約20度的TOC的傾角(rake angle)、約I. 524mm/轉(zhuǎn)的PDC的進(jìn)刀量、約I. 78m/sec的被切削工件的切削速度，并且工件可由具有914mm外徑和254mm內(nèi)徑的Barre花崗巖制成。在一些實(shí)施方案中，浸滲的P⑶臺204'可被浙濾到所選的深度d，以進(jìn)一步改善PDC 214的熱穩(wěn)定性。參照圖2E，可使圖2D中所示的浸滲的P⑶臺204'與本文公開的任何酸接觸，以便從間隙區(qū)域中浙濾金屬浸滲劑，從而形成浙濾的第一體積218。相對未受影響的下層浸滲P⑶臺20V被標(biāo)為第二體積220。浙濾的第一體積118從加工表面208、側(cè)表面210和斜面216向內(nèi)延伸到浙濾深度d。雖然浙濾深度d被顯示為在整個(gè)浙濾第一體積218上是均勻的，但是在一些實(shí)施方案中，浙濾深度d可在浸滲P⑶臺20V的斜面216和側(cè)表面210處和附近的周邊體積中減小。在浙濾之后殘留于浙濾的第一體積218中的金屬浸滲體的濃度可以為小于O. 8wt %、約大于 Owt % 至約 O. 75wt %、約 O. 20wt % 至約 O. 75wt %、約 O. 20wt % 至約O. 65wt %、約 O. 20wt % 至約 O. 55wt %、約 O. 30wt % 至約 O. 55wt %、或約 O. 50wt % 至約
O.78wt%。浙濾的第一體積218的浙濾深度d可以為約250 μ m至約400 μ m、約250 μ m至約350 μ m、約250 μ m至約300 μ m、或約250 μ m至約275 μ m。目前認(rèn)為，在至少部分浙濾的PCD臺204的制造中使用犧牲顆粒增加了所述至少部分浙濾的PCD臺204中的接合在一起的金剛石晶粒之間的間隙區(qū)域的體積。所述至少部分浙濾的PCD臺204中的增加的體積還有助于在第HPHT處理之后從中去除金屬浸滲劑。
對于參照圖1A-1F描述的實(shí)施方案而言,在一些實(shí)施方案中，基底102可包括鈷燒結(jié)的碳化鎢顆粒。在這些實(shí)施方案中，盡管在浸滲的鈷合金中存在鎢(其通常使鈷合金更難以去除)，但是由于接合在一起的金剛石晶粒之間的間隙區(qū)域體積增加，因此甚至在犧牲材料已被去除之后，形成至少部分浙濾的PCD臺204且其中納入犧牲顆粒仍能增強(qiáng)從浸滲P⑶臺204'的金屬溶劑催化劑的去除。參照圖2F，在一些實(shí)施方案中，為了增強(qiáng)浙濾第一體積218的耐磨性，浸滲劑/替換材料可填充浙濾第一體積218的間隙區(qū)域，從而形成浸滲第一體積218’?？梢允褂脜⒄請DIE和圖IF所述的任何浸滲劑/替換材料和處理來對浙濾第一體積218進(jìn)行浸滲。圖3A-3C是圖解用于制造PDC的方法的各種實(shí)施方案中的不同階段和如此形成的PDC的截面圖。根據(jù)參照圖3A-3C所述的各種實(shí)施方案，如此形成的PDC的PCD臺可包括基本上不含鎢和/或碳化鎢的區(qū)域以便有利于從中去除金屬浸滲劑。參照圖3A，可通過在燒結(jié)的碳化鎢基底304和至少部分浙濾的P⑶臺306之間設(shè)置金屬浸滲劑層302來形成組件300。所述至少部分浙濾的P⑶臺306包括工作表面308、位于金屬溶劑催化劑層302鄰近的相對的界面表面310、和在工作表面308和界面表面310之間延伸的側(cè)表面311。所述至少部分浙濾的PCD臺306還包括事先被金屬溶劑催化劑占據(jù)的多個(gè)間隙區(qū)域，所述金屬溶劑催化劑用于初始催化所述至少部分浙濾PCD臺306的形成并且形成在工作表面308和界面表面310之間延伸的至少部分互連的孔隙的網(wǎng)絡(luò)?？墒褂脿奚w粒、以與圖2B所示的至少部分浙濾PCD臺204相同的方式來形成所述至少部分浙濾的PCD臺306，或者可以在不使用犧牲顆粒的情況下來形成所述至少部分浙濾的PCD臺306。應(yīng)當(dāng)注意，所述至少部分浙濾的P⑶臺306可包括在工作表面306和側(cè)表面311之間延伸的斜面。該斜面和/或一部分側(cè)表面311也可充當(dāng)工作表面或區(qū)域。金屬浸滲劑層302可包含鈷、鎳、鐵、或其合金，并且也可基本上不含鎢和/或碳化鎢。在一種實(shí)施方案中，金屬浸滲劑層302可包含基本上純鈷(例如，包含大于約95被％的鈷的鈷基材料)或者基本上不含鎢和/或碳化鎢的鈷合金。在更具體的實(shí)施方案中，金屬浸滲劑層302可包含基本上純鈷或鈷合金的薄片，該薄片基本上不含鎢和/或碳化鎢。例如，基本上純鈷可以是商業(yè)純鈷。在另一更具體的實(shí)施方案中，金屬浸滲劑層302可包含通過有機(jī)粘接劑保持在一起的鈷顆粒從而形成鈷顆粒的生材層(green layer),且所述鈷顆?；旧喜缓u和/或碳化鎢。燒結(jié)碳化鎢基底304可包含鈷燒結(jié)的碳化鎢材料。所述燒結(jié)碳化鎢基底304還可包括碳化鎢以外的燒結(jié)碳化物，包括但不限于用鈷、鐵、鎳、或其合金燒結(jié)的碳化鈦、碳化銀、碳化鉻、碳化鉭、碳化鑰;、或任何前述碳化物的組合?？蓪⒔M件300放入適宜的壓力傳遞介質(zhì)中，并且經(jīng)受使用HPHT壓力機(jī)的HPHT處理，以產(chǎn)生金剛石在其中穩(wěn)定的溫度和壓力條件。該HPHT處理的處理?xiàng)l件可以與形成圖IB中所示的roc 108所用的處理?xiàng)l件相同或類似。在該HPHT處理期間，對至少部分浙濾的PCD臺306進(jìn)行浸滲以形成浸滲的PCD臺306’，并且在冷卻時(shí)與燒結(jié)碳化鎢基底304接合從而形成PDC 312。在該HPHT處理期間，第一金屬浸滲劑(例如，基本上不含鎢和/或碳化鎢的商業(yè)純鈷)從金屬浸滲劑層302浸滲并且占據(jù)P⑶臺306’的從工作表面308向內(nèi)延伸的第一體積314中的間隙區(qū)域的顯著部分。該HPHT處理的溫度還足以熔化承載有鎢和/或碳化·鎢的基底304的第二金屬浸滲劑(例如，來自鈷燒結(jié)碳化鎢基底的鈷)。PCD臺306’的第二體積316從界面表面310向內(nèi)延伸，并且其間隙區(qū)域被來自含有鎢和/或碳化鎢的基底304的液化的第二金屬浸滲劑所浸滲。例如，第二金屬浸滲劑可作為燒結(jié)組分存在于基底304中，并且可包含在第二體積316的浸滲期間從基底304掃掠到鎢和/或碳化鎢中的鈷、鎳、鐵、或其合金。在一些實(shí)施方案中，可選擇金屬浸滲劑層302的體積，使得第一體積314與第二體積316相比相對較厚，并且，來自金屬浸滲劑層302的第一金屬浸滲劑占據(jù)P⑶臺306’的至少大部分間隙區(qū)域。作為在HPHT處理期間鎢和/或碳化鎢隨第二金屬浸滲劑掃掠到第二體積316中的結(jié)果，在PCD臺306’的第二體積316的間隙區(qū)域中存在若干不同的相。例如，可在第二體積316的間隙區(qū)域中存在下列相中的一種或多種包含鎢作為合金化元素的金屬合金(例如鈷-鎢合金)(其由第二金屬浸滲劑與來自基底304的鎢合金化而形成)、基本上純的鎢、或碳化鎢(例如，WC和/或W2C)。當(dāng)基底304包括碳化鉻和/或碳化鉭時(shí)，第二體積316的間隙區(qū)域中也可存在一種或多種下列相鉻、碳化鉻、鉭、或碳化鉭。參照圖3C，為了改善roc 312的熱穩(wěn)定性，占據(jù)第一體積314中的間隙區(qū)域的第一金屬浸滲劑可從工作表面308被浙濾到浙濾深度d。在一種實(shí)施方案中，可執(zhí)行該浙濾處理持續(xù)至少約2天到約7天，以從第一體積314中去除基本上所有第一金屬浸滲劑。由于第一體積314中的第一金屬浸滲劑基本上不含鎢和/或碳化鎢，因此與如果用包括鎢和/或碳化鎢的金屬浸滲劑材料完全浸滲所述至少部分浙濾的PCD臺306的情形相比，可相對更快且更有效地執(zhí)行浙濾。例如，可以使用本文公開的酸中的任何酸來浙濾第一體積314中的第一金屬浸滲劑。盡管從第一體積314浙濾第一金屬浸滲劑，仍可存在殘余量的第一金屬浸滲劑。此外，第一體積可被鑒別為基本上不含鶴和/或碳化鶴。在一種實(shí)施方案中，可從第二體積316去除一部分第二金屬浸滲劑以便提高熱穩(wěn)定性。在圖3C所示的圖解實(shí)施方案中，浙濾深度d可大致延伸第一體積314的整個(gè)厚度(其可大于約200 μ m)。在另一實(shí)施方案中,浙濾深度d可以為約50 μ m-約500 μ m。在一些實(shí)施方案中，浙濾深度d可部分延伸到第二體積316中，并且可除去一部分第二金屬浸滲劑。在一些實(shí)施方案中，為了提高所述浙濾第一體積218的耐磨性，浸滲/替換材料可填充浙濾第一體積314的間隙區(qū)域?？墒褂脜⒄請DIE和圖IF所述的浸滲劑/替換材料和處理中的任何材料和處理來浸滲所述浙濾第一體積314。在另一實(shí)施方案中，可通過使組件經(jīng)受HPHT處理來形成具有表現(xiàn)與P⑶臺306’相同或類似構(gòu)造的P⑶臺的roc，其中使至少部分浙濾rcD臺306位于金屬浸滲劑層302和燒結(jié)碳化鎢基底304之間。在這種實(shí)施方案中使用的HPHT條件可與對圖3A中所示的組件300進(jìn)行HPHT處理所用的HPHT條件相同或類似。在HPHT處理之后，可按上文參照圖3C所述那樣對如此形成的PDC進(jìn)行浙濾。圖4A-4D是圖解說明制造PDC的方法的各種實(shí)施方案中的不同階段和如此形成的PDC的截面圖。根據(jù)參照圖4A-4D所述的各種實(shí)施方案，如此形成的PDC的P⑶臺包括一種或多種金屬浸滲劑，所述金屬浸滲劑替代事先占據(jù)的并用于形成PCD臺的金屬溶劑催化齊U。參照圖4A，可通過如下方式形成組件400 :在基底402和PCD臺404之間設(shè)置金屬浸滲 劑層302，并進(jìn)一步在P⑶臺404鄰近設(shè)置催化劑排放區(qū)406。由于通過在鎢和/或碳化鎢的存在下燒結(jié)金剛石顆粒形成rcD臺404，因此rcD臺404包括被包含鎢和/或碳化鎢的金屬溶劑催化劑占據(jù)的多個(gè)間隙區(qū)域。例如，可通過如下方式形成PCD臺404 :在金剛石穩(wěn)定的適宜HPHT條件下使鈷與鎢和/或碳化鎢一起從鈷燒結(jié)碳化鎢基底浸滲到金剛石顆粒物料中，并隨后通過磨削、研磨、放電機(jī)加工、其組合或其它適宜的去除處理從如此形成的P⑶臺404去除鈷燒結(jié)碳化鎢基底。P⑶臺404包含直接接合在一起的金剛石晶粒，這些金剛石晶粒在其間表現(xiàn)出金剛石與金剛石接合(例如Sp3接合)。接合在一起的金剛石晶粒限定出間隙區(qū)域，且用于促進(jìn)金剛石顆粒燒結(jié)的金屬溶劑催化劑位于在該間隙區(qū)域內(nèi)?；?02可包括但不限于燒結(jié)碳化物，該燒結(jié)碳化物包括以鐵、鎳、鈷、或其合金燒結(jié)的碳化鈦、碳化鈮、碳化鉻、碳化鉭、碳化釩或任何前述碳化物的組合。在一種實(shí)施方案中，基底402可包含鈷燒結(jié)的碳化鎢材料。排放區(qū)406可包含陶瓷顆粒物料。例如，排放區(qū)406可包含未燒結(jié)的碳化硅顆粒、未燒結(jié)的氧化鋁顆粒、或其組合。組件400可經(jīng)受HPHT處理，該HPHT處理使用的HPHT條件與用于HPHT處理圖IA所示的組件100的HPHT條件相同或類似。該HPHT處理使金屬浸滲劑層302、基底402中的第二金屬浸滲劑和POT臺404中的金屬溶劑催化劑液化。在該HPHT處理中，來自第一金屬浸滲劑層302的第一金屬浸滲劑浸滲到P⑶臺404中，并且來自基底402的第二金屬浸滲劑在第一金屬浸滲劑之后浸滲到P⑶臺404中。第一金屬浸滲劑和第二金屬浸滲劑使先前占據(jù)PCD臺404的間隙區(qū)域的金屬溶劑催化劑轉(zhuǎn)移到排放區(qū)406中。參照圖4B，浸滲的P⑶臺表示為P⑶臺408。該P(yáng)⑶臺408包括第一體積410，其具有被第一金屬浸滲劑占據(jù)的間隙區(qū)域的第一部分；和與基底402鄰近的第二體積412，該第二體積具有被第二金屬浸滲劑占據(jù)的其間隙區(qū)域的第二部分。當(dāng)基底402包含燒結(jié)碳化鎢基底時(shí)，當(dāng)?shù)诙饘俳B劑浸滲到PCD臺404中時(shí)它可掃掠鎢和/或碳化鎢。先前占據(jù)PCD臺404的間隙區(qū)域的金屬溶劑催化劑可連同先前處于PCD臺404中的基本上所有的鎢和/或碳化鎢一起轉(zhuǎn)移到排放區(qū)406中。與PCD臺408接合的排放區(qū)406和該排放區(qū)406的陶瓷顆粒可通過先前占據(jù)PCD臺404的間隙區(qū)域的浸滲的金屬溶劑催化劑被接合在一起。
參照圖4C，可使用適宜的材料去除工藝從K 臺408分離所述排放區(qū)406。例如，可使用研磨處理、磨削處理、放電機(jī)加工、或其組合來去除該排放區(qū)406。在一些實(shí)施方案中，也可去除一部分PCD臺408。例如，當(dāng)并非所有的事先占據(jù)PCD臺404的金屬溶劑催化劑轉(zhuǎn)移到排放區(qū)406中時(shí)，可去除P⑶臺408的一部分。參照圖4D，可對占據(jù)第一體積410中的間隙區(qū)域的第一金屬浸滲劑進(jìn)行浙濾，達(dá)到距P⑶臺408的工作表面414的浙濾深度d。在一種實(shí)施方案中，可執(zhí)行浙濾處理持續(xù)約2-7天，以便從第一體積410中去除基本上所有的第一金屬浸滲劑。由于第一體積410中的第一金屬浸滲劑基本上不含鎢和/或碳化鎢，因此與如果用包含鎢和/或碳化鎢的金屬浸滲劑材料完全浸滲所述至少部分浙濾PCD臺408的情形相比，可以相對更快地執(zhí)行浙濾。例如，可以使用本文公開的酸中的任何酸來浙濾第一體積410中的第一金屬浸滲劑。在一種實(shí)施方案中，可在浙濾處理中去除來自第二體積412的第二金屬浸滲劑的一部分。在圖4D所示的圖解實(shí)施方案中，浙濾深度d可大致延伸第一體積410的整個(gè)厚度，該厚度可大于約200 μ m。在另一實(shí)施方案中，浙濾深度d可以為約50μηι-500μηι。在 一些實(shí)施方案中，浙濾深度d可部分延伸到第二體積412中，并且可去除一部分第二金屬浸滲劑。在一些實(shí)施方案中，為了提高浙濾第一體積410的耐磨性，浸滲劑/替換材料可填充浙濾第一體積410的間隙區(qū)域。為了浸滲所述浙濾第一體積218使用參照圖IE和圖IF描述的浸滲劑/替換材料和處理中的任何材料和處理。圖5A-5C是圖解用于制造PDC的方法的各種實(shí)施方案中的不同階段和如此形成的PDC的截面圖。根據(jù)參照圖5A-5C描述的各種實(shí)施方案，可使用兩種不同的金屬溶劑催化劑(其中的一種比另一種更易浙濾)來形成如此形成的roc的P⑶臺。參照圖5A，可通過如下方式形成組件500 :在基底502與未燒結(jié)金剛石顆粒504物料之間設(shè)置第一金屬溶劑催化劑層502并進(jìn)一步設(shè)置與金剛石顆粒504 (例如，金剛石粉末)鄰近的第二金屬溶劑催化劑層506。金剛石顆粒504可表現(xiàn)本文公開的任何金剛石顆粒尺寸和金剛石顆粒尺寸分布。第一金屬溶劑催化劑層502包含第一金屬溶劑催化劑材料，并且第二金屬溶劑催化劑層506包含第二金屬溶劑催化劑材料，所述第二金屬溶劑催化劑材料的可浙濾性小于第一金屬溶劑催化劑材料。在一種實(shí)施方案中，第一金屬溶劑催化劑材料可包含鈷基材料(例如，至少約50wt%鈷)，并且第二金屬溶劑催化劑材料可包含鈷-鎢合金。在一種實(shí)施方案中，第一金屬溶劑催化劑材料可包含鈷基材料，并且第二金屬溶劑催化劑材料可包含鎳基材料(例如，至少約50wt%鎳)。例如，所述鈷基材料可以是商業(yè)純鈷并且所述鎳基材料可以是商業(yè)純鎳或鎳合金。在又一實(shí)施方案中，所述第一金屬溶劑催化劑材料可包含鈷基材料并且第二金屬溶劑催化劑材料可包含鐵基材料(例如，至少約50wt%鐵)。例如，所述鐵基材料可以是商業(yè)純鐵或鐵合金。在各種實(shí)施方案的任一項(xiàng)中，層502和層506中的每一個(gè)可以是顆粒的生材層或者所選組成的薄片的形式。組件500可經(jīng)受使用HPHT處理，該HPHT處理使用與用于HPHT處理圖IA所示的組件100的相同或類似的HPHT條件。該HPHT處理的溫度足以液化第一金屬溶劑催化劑層502和第二金屬溶劑催化劑層506。參照圖5B，PDC 508可由如下方式形成第一和第二金屬溶劑催化劑材料浸滲到金剛石顆粒504中以燒結(jié)金剛石顆粒504并催化P⑶臺510形成。P⑶臺510在從HPHT處理冷卻時(shí)與基底402接合。第一金屬溶劑催化劑材料浸滲到金剛石顆粒504中，從而實(shí)現(xiàn)第一部分金剛石顆粒504的燒結(jié)并且形成包含接合在一起的金剛石晶粒(例如，Sp3金剛石與金剛石接合)的P⑶臺510的第一 P⑶體積512，所述金剛石晶粒限定出間隙區(qū)域，且這些間隙區(qū)域被第一金屬溶劑催化劑材料占據(jù)。第二金屬溶劑催化劑浸滲到金剛石顆粒504中，從而實(shí)現(xiàn)第二部分金剛石顆粒504的燒結(jié)并且形成包含接合在一起的金剛石晶粒(例如，Sp3金剛石與金剛石接合)的P⑶臺510的第二 P⑶體積514，所述金剛石晶粒限定出間隙區(qū)域，且這些間隙區(qū)域被第二金屬溶劑催化劑材料占據(jù)。在第一和第二 P⑶體積512和514之間可存在界面區(qū)域(未示出)。具有不確定厚度的接合區(qū)域(未示出)在PCD臺510和基底402之間提供強(qiáng)的接合(例如，冶金接合)。接合區(qū)域包括由基底402提供的浸滲劑(例如，金屬溶劑催化劑接合組分)，在HPHT處理期間跟隨第二金屬溶劑催化劑材料的浸滲，所述浸滲劑掃掠到P⑶臺510或金剛石顆粒504中。在一種實(shí)施方案中，可省略第二金屬溶劑催化劑層506。在這種實(shí)施方案中,第二金屬溶劑催化劑材料可在HPHT處理期間從基底402被掃掠。例如，基底402可包含鈷燒結(jié) 的碳化鎢基底，其中鈷掃掠到承載有鎢和/或碳化鎢的第二部分金剛石顆粒504，并且，第一金屬溶劑催化劑材料可包含基本上不含鎢和/或碳化鎢的鈷。參照圖5C，以填隙方式位于第一 P⑶體積512中的接合在一起的金剛石晶粒之間的第一金屬溶劑催化劑材料可從PCD臺510被浙濾，從而形成基本上沒有第一金屬溶劑催化劑材料的浙濾區(qū)域515。但是，甚至在浙濾之后，也會在第一 P⑶體積512中存在殘余量的第一金屬溶劑催化劑材料?？蓮牡诙?P⑶體積514中的第二金屬溶劑催化劑材料識別和區(qū)分這種殘余的第一金屬溶劑催化劑材料。浙濾區(qū)域515具有從工作表面516測量的浙濾深度d，使得基本上所有的第一金屬溶劑催化劑材料被去除。在圖5C所示的圖解實(shí)施方案中，浙濾深度d可大致延伸所述第一 P⑶體積512的整個(gè)厚度，該厚度可大于約200 μ m。在另一實(shí)施方案中，浙濾深度d可以為約50 μ m至約500 μ m。在一些實(shí)施方案中，浙濾深度d可部分延伸到第二 P⑶體積514中，并且一部分第二金屬浸滲劑可被去除。在一些實(shí)施方案中，為了提高浙濾第一體積410的耐磨性，浸滲劑/替換材料可填充浙濾第一 PCD體積512的間隙區(qū)域?？墒褂脜⒄請DIE和圖IF所述的任何浸滲劑/替換材料、反應(yīng)產(chǎn)物和處理來浸滲所述浙濾第一 PCD體積512。所公開的PDC實(shí)施方案可用于許多不同的應(yīng)用中，這些應(yīng)用包括但不限于用于旋轉(zhuǎn)鉆頭(圖6和圖7)、止推軸承裝置、徑向軸承裝置、地下鉆進(jìn)系統(tǒng)和拉絲模具、人工關(guān)節(jié)、機(jī)加工元件和散熱器。應(yīng)當(dāng)強(qiáng)調(diào)的是，上述各種應(yīng)用僅僅是可使用所述PDC實(shí)施方案的應(yīng)用的一些例子。可想到其它應(yīng)用，例如在摩擦攪拌焊接工具中使用所公開的PDC實(shí)施方案。圖6是旋轉(zhuǎn)鉆頭600的實(shí)施方案的等視距圖，并且圖7是旋轉(zhuǎn)鉆頭600的實(shí)施方案的頂視圖。旋轉(zhuǎn)鉆頭600包括根據(jù)任一前述PDC實(shí)施方案配置的至少一個(gè)roc。旋轉(zhuǎn)鉆頭600包含鉆頭本體602和用于將鉆頭本體602連接到鉆柱的帶螺紋銷釘連接608，該鉆頭本體包括具有前導(dǎo)面606的在徑向和縱向延伸的刀片604。鉆頭本體602限定出用于通過繞縱軸610的旋轉(zhuǎn)和鉆頭上重量的施加鉆入地下巖層中的前端結(jié)構(gòu)?？蓪⒏鶕?jù)任一上述PDC實(shí)施方案(例如，圖ID所示的roc)配置的至少一個(gè)PDC切削元件固定到鉆頭本體602上。參照圖6，多個(gè)roc 612被固定于刀片604上。例如，各roc 612可包括與基底616接合的P⑶臺614。更一般而言，roc 612可不受限制地包含本文公開的任何roc。另外，如希望的話，在一些實(shí)施方案中，大量的roc 612可是常規(guī)的結(jié)構(gòu)。并且，如本領(lǐng)域公知的那樣，周邊鄰近的刀片604在其間限定所謂的廢料狹縫618。另外，旋轉(zhuǎn)鉆頭600可包括用于將鉆井流體(drilling fluid)從旋轉(zhuǎn)鉆頭600的內(nèi)部傳送到TOC 612的多個(gè)噴嘴腔620。圖6和圖7僅不加限制地描繪出使用至少一個(gè)切削元件的旋轉(zhuǎn)鉆頭的一種實(shí)施方案，該切削元件包含根據(jù)所公開實(shí)施方案制造和構(gòu)建的roc。使用旋轉(zhuǎn)鉆頭600來代表許多鉆地工具或鉆進(jìn)工具，包括但不限于例如，取芯鉆頭、牙輪鉆頭、固定切削刃鉆頭、偏心鉆頭、雙中心鉆頭、擴(kuò)孔器、擴(kuò)孔器翼、或任何其它的包括roc的井下工具。也可在切削技術(shù)以外的應(yīng)用中利用本文公開的roc。例如，可以在絲線模具、軸承、人工關(guān)節(jié)、鑲嵌體、切削元件、和散熱器中使用所公開的PDC實(shí)施方案。因此，可以在包括至少一個(gè)超硬磨料元件或復(fù)合片的制造物品中使用本文公開的任何roc。因此，可以在一般使用至少一個(gè)常規(guī)roc的任何裝置或結(jié)構(gòu)中使用本文公開的 PDC的實(shí)施方案。在一種實(shí)施方案中，被組裝形成止推軸承裝置的轉(zhuǎn)子和定子可分別包含 根據(jù)本文所公開的任何實(shí)施方案配置的一個(gè)或多個(gè)roc，并且可被操作組裝為井下鉆進(jìn)組件。美國專利 US4, 410，054、US4, 560，014、US5, 364，192、US5, 368，398 和 US 5，480，233 (通過引用將其每一篇的公開內(nèi)容整體并入本文)公開了地下鉆進(jìn)系統(tǒng)，這些系統(tǒng)中可以加入利用本文公開的超硬磨料復(fù)合片的承載裝置。本文公開的非圓柱形roc的實(shí)施方案也可形成散熱器、絲線模具、軸承元件、切削元件、切削嵌體(例如，在牙輪型鉆頭上)、機(jī)加工嵌體、或本領(lǐng)域公知的任何其它制造物品的全部或局部。在美國專利US 4，811，801、US
4,268, 276,US 4, 468, 138,US 4, 738, 322,US 4, 913, 247,US 5, 016, 718,US 5, 092, 687,US
5,120, 327,US 5, 135, 06UUS 5, 154, 245,US 5，180, 022,US 5, 460, 233,US 5，544，713 和US 6，793，681中公開了可使用本文公開的任何非圓柱形I3DC的制造物品的其它例子，通過引用將這些專利每一篇的公開內(nèi)容并入本文。下述加工例進(jìn)一步提供了與上述一些特定實(shí)施方案相關(guān)的細(xì)節(jié)。比較加工例I根據(jù)以下過程形成200個(gè)浙濾的P⑶臺。將平均顆粒尺寸為約19 μ m的金剛石顆粒的混合物放置在鈷燒結(jié)碳化鎢基底鄰近。將混合物和基底置于葉蠟石管內(nèi)，并且在高壓六面頂壓機(jī)中在約1400°C的溫度和約5-7GPa的壓力下進(jìn)行HPHT處理從而形成P⑶臺。通過磨削在HPHT處理之后從如此形成的P⑶臺去除基底。將分離的P⑶臺浸入氫氟酸和硝酸的混合物中，以便從中浙濾鈷。使用由KOERZ IMAT CS I. 096儀器進(jìn)行的矯頑力測量來確定殘留于浙濾P⑶臺中的鈷量。殘留于浙濾P⑶盤中的最小鈷量為O. 8720wt%。加工例2根據(jù)以下過程形成200個(gè)浙濾的P⑶臺。形成鎢顆粒與平均顆粒尺寸約19 μ m的金剛石顆粒的混合物。鎢顆粒為該混合物的約2wt%。將混合物放置在鈷燒結(jié)碳化鎢基底鄰近。將該混合物和基底置于葉蠟石管內(nèi)，并且在高壓六面頂壓機(jī)中在約1400°C的溫度和約5-7GPa的壓力下進(jìn)行HPHT處理從而形成P⑶臺。通過磨削在HPHT處理之后從如此形成的PCD臺去除基底。將分離的PCD臺浸入氫氟酸和硝酸的混合物中，以便從中浙濾鈷。通過使用由K0ERZIMAT CS I. 096儀器進(jìn)行的矯頑力測量來確定殘留于浙濾P⑶臺中的鈷量。殘留于浙濾POT盤中的最小鈷量為O. 7381wt%。因此與比較加工例I相比，發(fā)現(xiàn)在加工例2中使用鎢顆粒促進(jìn)了對PCD臺中的浸滲鈷的浙濾。雖然本文公開了各種方面和實(shí)施方案，但是可想到其它的方面和實(shí)施方案。本文公開的各種方面和實(shí)施方案是出于解釋的目的而并不是意圖進(jìn)行限制。因此，本文(包括權(quán)利要求書)中使用的措詞“包括”、“具有”和其變體(例如，“包括”和“具有”)應(yīng)具有與措詞“包含”及其變體(例如，“包含”和“含有”)相同的含義?！?br> 權(quán)利要求
1.一種聚晶金剛石復(fù)合片，包括 基底；和 聚晶金剛石臺，該聚晶金剛石臺包括工作表面和相對的與基底接合的界面表面，該聚晶金剛石臺包括限定出間隙區(qū)域的接合的金剛石晶粒，該聚晶金剛石臺還包括 浙濾第一體積，該浙濾第一體積從工作表面向內(nèi)延伸并包括位于所述浙濾第一體積的至少一部分間隙區(qū)域中的金屬浸滲劑，所述浙濾第一體積的金屬浸滲劑的存在濃度為小于O. 85wt% ;和 從界面表面向內(nèi)延伸的第二體積，該第二體積的間隙區(qū)域包括位于其中的金屬浸滲劑。
2.根據(jù)權(quán)利要求I的聚晶金剛石復(fù)合片，其中所述浙濾第一體積中的金屬浸滲劑的濃度為約O. 20wt%至約O. 50wt%。
3.根據(jù)權(quán)利要求I的聚晶金剛石復(fù)合片，其中所述浙濾第一體積中的金屬浸滲劑的濃度為約O. 50wt%至約O. 78wt%。
4.根據(jù)權(quán)利要求I的聚晶金剛石復(fù)合片，其中所述浙濾第一體積的金屬浸滲劑包含選自下列中的至少一種鐵，鎳，鈷，及其合金。
5.根據(jù)權(quán)利要求I的聚晶金剛石復(fù)合片，還包含位于所述浙濾第一體積的至少一部分間隙區(qū)域中的替換材料。
6.根據(jù)權(quán)利要求I的聚晶金剛石復(fù)合片，其中， 所述聚晶金剛石臺的浙濾第一體積基本上不含鎢或碳化鎢中的至少一種；并且， 所述聚晶金剛石臺的第二體積包含以填隙方式位于其接合的金剛石晶粒之間的鎢或碳化鎢中的至少一種。
7.根據(jù)權(quán)利要求I的聚晶金剛石復(fù)合片，其中所述聚晶金剛石臺是預(yù)燒結(jié)的聚晶金剛石臺或者與基底一體化形成。
8.一種旋轉(zhuǎn)鉆頭，該旋轉(zhuǎn)鉆頭包括根據(jù)權(quán)利要求1-7中任一項(xiàng)所述的聚晶金剛石復(fù)合片配置的至少一個(gè)聚晶切削元件。
9.一種浙濾的聚晶金剛石臺，包含 多個(gè)接合的金剛石晶粒，這些晶粒限定出多個(gè)間隙區(qū)域；和 位于所述間隙區(qū)域的至少一部分中的金屬材料，該金屬材料的存濃度少于所述浙濾的聚晶金剛石臺的O. 85wt%。
10.根據(jù)權(quán)利要求9的浙濾的聚晶金剛石臺，其中所述濃度為約O.20wt%至約O. 50wt % ο
11.一種制造浙濾的聚晶金剛石臺的方法，包括 混合多個(gè)金剛石顆粒與多個(gè)犧牲顆粒以形成混合物； 在金屬溶劑催化劑的存在下燒結(jié)所述混合物，從而形成聚晶金剛石臺，該聚晶金剛石臺包括位于其中的犧牲材料，其中該犧牲材料包括所述多個(gè)犧牲顆粒、所述多個(gè)金剛石顆粒與所述多個(gè)犧牲顆粒的至少一種反應(yīng)產(chǎn)物、或其組合；和 從所述聚晶金剛石臺中浙濾至少一部分金屬溶劑催化劑和至少一部分犧牲材料。
12.根據(jù)權(quán)利要求11的方法，其中所述多個(gè)犧牲顆粒包含由選自下組中的至少一種制成的顆粒鈦、銀、鉻、鐵、錯(cuò)、銀、鑰、鉿、鉭、鶴、錸、其合金以及其碳化物。
13.根據(jù)權(quán)利要求11的方法，其中所述多個(gè)犧牲顆粒在混合物中的存在濃度是約大于O至約5wt% ο
14.根據(jù)權(quán)利要求11的方法，其中從所述聚晶金剛石臺中浙濾至少一部分金屬溶劑催化劑和至少一部分犧牲材料包括從所述聚晶金剛石臺中浙濾至少一部分金屬溶劑催化齊U，使得金屬溶劑催化劑以低于O. 85wt%的濃度存在于其中。
15.一種制造浙濾聚晶金剛石復(fù)合片的方法，包括 鄰近于基底放置混合物，其中所述混合物包括多個(gè)金剛石顆粒和多個(gè)犧牲顆粒； 使所述混合物和基底經(jīng)受高壓/高溫處理，以便在金屬溶劑催化劑的存在下燒結(jié)所述多個(gè)金剛石顆粒，從而在基底上方形成聚晶金剛石臺，其中所述聚晶金剛石臺包含犧牲材料，該犧牲材料包括所述多個(gè)犧牲顆粒、所述多個(gè)金剛石顆粒與所述多個(gè)犧牲顆粒的至少一種反應(yīng)產(chǎn)物、或其組合；和 從聚晶金剛石臺的體積中浙濾至少一部分金屬溶劑催化劑和至少一部分犧牲材料。
16.根據(jù)權(quán)利要求15的方法，其中所述多個(gè)犧牲顆粒包含由選自下列中的至少一種制成的顆粒鈦、銀、鉻、鐵、錯(cuò)、銀、鑰、鉿、鉭、鶴、錸、其合金以及其碳化物。
17.根據(jù)權(quán)利要求15的方法，其中所述多個(gè)犧牲顆粒在混合物中的存在濃度是約大于O至約5wt% ο
18.根據(jù)權(quán)利要求15的方法，其中從所述聚晶金剛石臺浙濾至少一部分金屬溶劑催化劑和至少一部分所述多個(gè)犧牲顆粒包括從所述聚晶金剛石臺中浙濾至少一部分金屬溶劑催化劑，使得金屬溶劑催化劑以低于O. 85wt%的濃度存在于其中。
19.一種制造浙濾聚晶金剛石復(fù)合片的方法，包括 使多個(gè)金剛石顆粒與多個(gè)犧牲顆粒混合以形成混合物； 在金屬溶劑催化劑的存在下燒結(jié)所述混合物以形成聚晶金剛石臺，其中所述聚晶金剛石臺包含犧牲材料，該犧牲材料包括所述多個(gè)犧牲顆粒、所述多個(gè)金剛石顆粒與所述多個(gè)犧牲顆粒的至少一種反應(yīng)產(chǎn)物、或其組合； 從所述聚晶金剛石臺中浙濾至少一部分金屬溶劑催化劑和至少一部分犧牲材料，使得所述金屬溶劑催化劑以少于O. 85wt%的濃度存在于其中； 將浙濾的聚晶金剛石臺放置在基底鄰近以形成組件； 使所述組件經(jīng)受高壓/高溫處理從而用金屬浸滲劑浸滲所述浙濾的聚晶金剛石臺；和 從所述浸滲的聚晶金剛石臺的區(qū)域中浙濾金屬浸滲劑。
20.根據(jù)權(quán)利要求19的方法，其中所述混合物的所述多個(gè)犧牲顆粒包含選自鎢顆粒和碳化鎢顆粒中的至少一種。
21.根據(jù)權(quán)利要求19的方法，其中所述混合物的所述多個(gè)犧牲顆粒以約大于O至約5wt %的濃度存在于所述混合物中。
全文摘要
本發(fā)明的實(shí)施方案涉及聚晶金剛石復(fù)合片(“PDC”)和以有利于去除在此類PDC的聚晶金剛石臺的制造中使用的金屬溶劑催化劑的方式制造聚晶金剛石臺和PDC的方法。在一種實(shí)施方案中，可以將犧牲顆粒與金剛石顆?；旌?，其有利于在瀝濾其間從燒結(jié)的聚晶金剛石臺中去除金屬溶劑催化劑。
文檔編號B22F7/06GK102844135SQ201080059095
公開日2012年12月26日 申請日期2010年10月20日 優(yōu)先權(quán)日2009年10月29日
發(fā)明者M·N·薩尼, J·J·岡薩雷斯, A·E·達(dá)德森, D·莫克霍巴德亞 申請人:美國合成公司