專利名稱：改進(jìn)的有涂層多晶金剛石單體及其產(chǎn)品和制造方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明是關(guān)于一種改進(jìn)的人造金剛石產(chǎn)品及其制備方法，更確切地說，是關(guān)于一種改進(jìn)的溫度穩(wěn)定金剛石單體，它可以化學(xué)鍵合到支撐結(jié)構(gòu)，如鉆頭和類似物上。
人們已知有多種類型的人造金剛石產(chǎn)品，并在市場上買得到的。
這些產(chǎn)品之一是一種未浸瀝過的多晶金剛石壓塊，其熱穩(wěn)定性高達(dá)約750℃，參閱美國專利3745623和3608818。
另一種類型的多晶金剛石是一種沒有襯墊的浸瀝過的產(chǎn)品，參見美國專利4224380和4288248，它在高達(dá)1200℃時(shí)是熱穩(wěn)定的。這種多晶金剛石可以經(jīng)受相當(dāng)高的溫度，用于與一種粘合劑合金形成支撐基體，并被稱為“溫度穩(wěn)定多晶金剛石”(TSPCD)。“基體”一詞是用來描述放在溫度穩(wěn)定多晶金剛石單體的周圍或與之接觸的粉末或粘合劑材料，基體是按本申請進(jìn)行處理的。
正如在下文將要敘述的，舉例來說，這種基體可以由有時(shí)被稱為“基體載體”的高致密的陶瓷粉末形成，這類基體可以用作地層鉆孔鉆頭的刀具，也可以由非致密的陶瓷粉末形成，這類可以用作地層鉆孔鉆頭的主體。在兩種情況下，最后的基體是由滲入熔化的粘合劑合金或由固態(tài)燒結(jié)而形成。
典型的浸瀝過的溫度穩(wěn)定多晶金剛石材料是市售的商標(biāo)為GEOSET的產(chǎn)品，而典型的未浸瀝過的溫度穩(wěn)定多晶金剛石是市售的商標(biāo)為SYNDAX的產(chǎn)品。
按照本發(fā)明，提供了一種可以在相當(dāng)?shù)偷臏囟群蛪毫ο屡c支撐結(jié)構(gòu)發(fā)生牢固的化學(xué)鍵合的溫度穩(wěn)定多晶金剛石產(chǎn)品。
一般來說，本發(fā)明的方法包括用能形成碳化物的高熔點(diǎn)過渡金屬涂層溫度穩(wěn)定多晶金剛石單體的步驟，高熔點(diǎn)過渡金屬可選用鎢、鉭或鉬，以鎢為最佳，其次可選雙涂層，例如，可用鎢/鈦，或者鎢/鉻，或者鎳/鈦。
然后，將有涂層的溫度穩(wěn)定多晶金剛石先在真空或惰性氣氛或者還原氣氛中并在形成碳化物的條件下加熱，在與溫度穩(wěn)定多晶金剛石接觸的涂層部分上形成碳化物內(nèi)層，使涂層與溫度穩(wěn)定多晶金剛石化學(xué)鍵合，一般形成的碳化物層的厚度至少要有3微米，最佳范圍是約10至30微米之間。
形成碳化物層的同時(shí)或之后，將有涂層的溫度穩(wěn)定多晶金剛石組裝在支撐基體里并與之化學(xué)鍵合，基體可以由例如粉末碳化鎢經(jīng)液體滲入或固態(tài)燒結(jié)而形成。
“化學(xué)鍵”一詞，這里用來指金剛石和金屬涂層之間通過在界面上碳化物層的媒介所形成的強(qiáng)鍵，以及金屬涂層的外表面和與溫度穩(wěn)定多晶金剛石鍵合的基體之間的強(qiáng)鍵。前者被認(rèn)為是金剛石的碳和碳化物層之間原子對原子的水平鍵。后者被認(rèn)為是冶金鍵，其中，在液態(tài)滲透時(shí)使用粘合劑合金，或者，如果使用固態(tài)燒結(jié)則用基體載體的燒結(jié)材料。


圖1是按照本發(fā)明描述形成溫度穩(wěn)定多晶金剛石的步驟的流程圖。
圖2是按照本發(fā)明說明在涂層中形成的碳化物層的剖面圖。
圖3是放大的局部圖，部分剖視，部分正視，說明了按本發(fā)明的溫度穩(wěn)定多晶金剛石單體和支撐基體之間的改進(jìn)鍵合。
圖4是按照本發(fā)明溫度穩(wěn)定多晶金剛石單體鍵合到支撐結(jié)構(gòu)的透視圖。
圖5a-5d是進(jìn)行三點(diǎn)試驗(yàn)的多種結(jié)構(gòu)和試驗(yàn)方案的簡圖。
圖6是表示根據(jù)本發(fā)明的鍵強(qiáng)度與涂層厚度關(guān)系的曲線。
圖7是根據(jù)本發(fā)明溫度穩(wěn)定多晶金剛石產(chǎn)品一種形式的平面圖。
圖8是圖7中沿線8-8的剖面圖。
按照本發(fā)明，金剛石原料是呈預(yù)定幾何形狀的聚集金剛石顆粒組成的溫度穩(wěn)定多晶金剛石材料。溫度穩(wěn)定多晶金剛石至少含有占體積60%的金剛石聚集體，該產(chǎn)品可以是浸瀝過的或未浸瀝過的，聚集體中具有金剛石與金剛石的結(jié)合，或者金剛石-金屬-金剛石的結(jié)合。
按照本發(fā)明的工藝過程，正如圖1的流程圖所示，溫度穩(wěn)定多晶金剛石原料10最好在氫氣中加熱到800～1000℃，保持10至60分鐘，以使之清潔，如12所示。其它清潔程序也可以使用以有效地除去氧化物和其他表面殘屑。然后經(jīng)過清潔的溫度穩(wěn)定多晶金剛石材料用已知的許多方法中的任何一種進(jìn)行表面涂層。比較好的方法是化學(xué)氣相沉積。另外一種可采用的方法是在熔鹽浴中沉積。所選用的金屬必須是能夠強(qiáng)烈形成碳化物的，如Ⅳa、Ⅴa、Ⅵa、Ⅷ族金屬的任一種或其合金。比較好的有鎢、鉭和鉬，特別是鎢。
這一類物質(zhì)的熔點(diǎn)比后面的工藝過程所用的溫度為高，并且是強(qiáng)的碳化物構(gòu)成物，并與金剛石和涂層物質(zhì)形成強(qiáng)鍵。鈷、鐵和鎳這些金屬由于有使溫度穩(wěn)定多晶金剛石反向轉(zhuǎn)化成碳的趨勢，并有可能引起熱應(yīng)力裂紋而不宜于選用。鋯和鈦可以采用但比較差，因?yàn)樗鼈冊谔岣邷囟葧r(shí)體積膨脹比金剛石大(但小于鈷和鐵)，而且在以后的工藝過程中在通常的大氣中易于氧化損壞，除非有一外涂層保護(hù)。對這些有雙涂層的產(chǎn)品，必須謹(jǐn)慎以保證含有碳化物的涂層有足夠的厚度以防止外圍金屬的滲入，使保護(hù)層遷移或者溶脫形成碳化物的涂層。
如果涂層太薄或?qū)ρ趸饔妹舾袆t在后面的工藝過程中當(dāng)處在氧化環(huán)境時(shí)會(huì)出現(xiàn)問題。由于涂層過薄，基體中的粘合劑會(huì)穿過涂層而破壞多晶金剛石。
如果基底涂層全部都變成碳化物，在適當(dāng)加熱到碳化物形成溫度保持足夠長的時(shí)間以使全部涂層轉(zhuǎn)變成碳化物，則需要一外保護(hù)涂層，例如鎳或銅層，應(yīng)有足夠的厚度以保護(hù)碳化物層。否則在滲透過程中所使用的粘合劑能穿過碳化物層而使多晶金剛石損壞。
化學(xué)氣相沉積可以采用六鹵化物、四鹵化物、五鹵化物，例如已提及的金屬的六-、四-、五溴化物、氯化物、氟化物。溫度穩(wěn)定多晶金剛石表面上的涂層厚度可以不同，但是涂層厚度以不小于約3微米為好，厚度在10～30微米為最佳。
在所述的能形成碳化物的物質(zhì)中，選用鎢有多種理由。它能強(qiáng)烈地形成碳化物，其熱膨脹系數(shù)比其余的過渡元素更接近溫度穩(wěn)定多晶金剛石的熱膨脹系數(shù)，在后續(xù)的工藝過程中不易于產(chǎn)生過度的氧化破壞，在滲透過程中不易被液態(tài)粘合劑合金溶解。
如圖1的虛線所示，在這一點(diǎn)工藝過程中可以采用兩條路線。一種方式如14所示，有涂層的部件進(jìn)行熱處理，由能形成涂層的碳化物形成比較薄的碳化物層。碳化物層的厚度比涂層的厚度為薄，并且小于10微米，而以厚度小于5微米為最佳。
可以在真空、惰性氣氛或還原性氣氛中控制加熱到900℃以上，以實(shí)現(xiàn)碳化物的形成。例如，采用10～-6乇的真空或保護(hù)氣氛，并將部分或部件在1200℃溫度下加熱1小時(shí)。
在這個(gè)加熱過程中，它是在碳化物形成的條件下，一部分碳從溫度穩(wěn)定金剛石擴(kuò)散到涂層，并且也有涂層擴(kuò)散進(jìn)溫度穩(wěn)定多晶金剛石中，在溫度穩(wěn)定多晶金剛石和涂層的界面上形成了比較薄的碳化物層。所制得的溫度穩(wěn)定多晶金剛石單體是一種具有一金屬涂層的外表面涂層，該金屬涂層化學(xué)鍵合到一種中間碳化物層，而后者依次化學(xué)鍵合到溫度穩(wěn)定多晶金剛石基體。如果需要的話，外金屬層的存在使這樣形成的部件能夠焊接在合適的支撐體上。因?yàn)榻饘偻繉踊瘜W(xué)鍵合到碳化物上，后者又依次化學(xué)鍵合到基礎(chǔ)的溫度穩(wěn)定多晶金剛石上。
這樣形成的溫度穩(wěn)定多晶金剛石單體，可以通過固態(tài)金屬燒結(jié)或液態(tài)滲透而鍵合在基體內(nèi)或基體上，如圖1的16所示。
在固態(tài)燒結(jié)的情況下，將具有上述的碳化物層的有涂層的溫度穩(wěn)定多晶金剛石單體燒結(jié)到支撐體，例如粉末鎢，在1200℃和10～-6乇的真空爐內(nèi)保持1小時(shí)。為了加速在上述溫度條件下的化學(xué)鍵合，要燒結(jié)的粉末材料最好混有活化劑。所得的燒結(jié)產(chǎn)物表示在鎢材料和溫度穩(wěn)定多晶金剛石上的鎢涂層之間有鍵，也就是鎢-鎢金屬鍵。因?yàn)檫@個(gè)原因，使用鎳或其他活化劑以加速擴(kuò)散和化學(xué)鍵合。這個(gè)健的機(jī)械性能是很堅(jiān)固的，最終的產(chǎn)品盡管有些脆，但是很好使用的。
最好用液態(tài)滲透來形成基體。在這技術(shù)中通常是在石墨模具中，有涂層并含有碳化物層的溫度穩(wěn)定金剛石單體與基體粉末相接觸，并加熱使金屬粘合劑流經(jīng)粉末，把基體粉末粘結(jié)在一起。在這步驟中，在基體和溫度穩(wěn)定多晶金剛石上的涂層和含碳化物的涂層之間形成了冶金鍵(metallurgicalbond)。
用于液態(tài)滲透碳化物的基體粉末可以是例如，碳化鎢、碳化鈦、碳化鉭或碳化硅。金屬粘合劑材料要選用具有低熔點(diǎn)并在液態(tài)時(shí)能濕潤溫度穩(wěn)定多晶金剛石上的涂層和碳化物顆粒的金屬粘合劑。同時(shí)粘合劑金屬最好具有良好的韌性和強(qiáng)度。這類粘合劑典型的有銅基或鎳基銅焊合金或銅-錫-錳-鎳合金，后者是較好的粘合劑材料。
如圖1的20所示，另一種處理方式包括把有涂層的溫度穩(wěn)定多晶金剛石組裝到支撐結(jié)構(gòu)上，以在涂層中有效地形成碳化物層并使溫度穩(wěn)定多晶金剛石鍵合到支撐結(jié)構(gòu)上。在這種處理方式中，支撐結(jié)構(gòu)沒有后面要述及的緊密基體載體那樣致密，但是對用于例如石油、天然氣鉆頭和巖芯鉆頭等各種產(chǎn)品來說是相當(dāng)滿意的。
關(guān)于說明本發(fā)明最佳方式的附圖，圖2表示溫度穩(wěn)定多晶金剛石單體40。至少在其一個(gè)表面上具有能形成碳化物材料的涂層41。在形成碳化物的溫度范圍內(nèi)和在形成碳化物的條件下處理以后，涂層41基本上由兩部分組成，41a是相當(dāng)薄的碳化物層，該碳化物層鄰近并化學(xué)鍵合到溫度穩(wěn)定多晶金剛石表面上，41b是沒有轉(zhuǎn)化成碳化物但它是化學(xué)鍵合到碳化物層的涂層部分。
在圖3中，將有涂層的溫度穩(wěn)定多晶金剛石50組裝到基體支撐上，如基體鉆頭主體52。三角形單體的全部表面53基本上都處于基體之上。這樣安排是可能的，因?yàn)橐勒毡景l(fā)明在與基體相接觸的溫度穩(wěn)定多晶金剛石表面和相對的基體表面之間有冶金鍵。
有涂層的溫度穩(wěn)定多晶金剛石50可以用通常方式組裝在模具中，并將基體粉末置于模具內(nèi)，然后在升高溫度時(shí)進(jìn)行滲透，這時(shí)在涂層中形成了碳化物層，并且該層冶金地鍵合到基體以形成很強(qiáng)的鍵。
在圖4所示的方式中，有涂層的溫度穩(wěn)定多晶金剛石70表明其形狀基本上是指甲形，其軸向尺寸大于13毫米，橫向尺寸為13毫米。全部前表面72基本上是暴露在主體或者支撐基體73之上，襯體75是為阻止由于沖擊應(yīng)力而產(chǎn)生的斷裂。
與以前的產(chǎn)品相比，本發(fā)明的產(chǎn)品強(qiáng)度大大提高。對圖5a到5d，圖5a簡要圖示三點(diǎn)彎曲試驗(yàn)，在部件100上在箭頭101和102所示的方向加有壓力，而箭頭103所示的另一方向也加有壓力。對通過接頭105或通過連接部件106產(chǎn)生斷裂所需的力進(jìn)行測量，對產(chǎn)生破壞以每平方英寸的磅數(shù)來表示。
圖5b表示按本發(fā)明由三角形溫度穩(wěn)定多晶金剛石單體111，如圖所示，在接點(diǎn)112連接而組成的一種溫度穩(wěn)定多晶金剛石組合體110，連接方法已在前面敘述。部件110是通過燒結(jié)用鎢粉進(jìn)行鎢渡層的3個(gè)克拉(3percarat)的溫度穩(wěn)定多晶金剛石單體而形成的，該鎢粉是壓縮至體積90%。如115所示，在三點(diǎn)試驗(yàn)中，破壞方式是在相連單體之間的連接處，產(chǎn)生破壞的應(yīng)力是每平方英寸21000磅。
圖5c在結(jié)構(gòu)上與5b相似，而部件120是由有鎢涂層的3個(gè)克拉溫度穩(wěn)定多晶金剛石單體所形成的，溫度穩(wěn)定多晶金剛石單體是如上所述，使用銅粘合劑用碳化鎢以液態(tài)滲透的，并按上述進(jìn)行處理。在三點(diǎn)試驗(yàn)中，如125所示，破壞方式是通過溫度穩(wěn)定多晶金剛石，產(chǎn)生破壞的應(yīng)力是每平方英寸26000磅。
圖5d所示的是一機(jī)械嵌鑲結(jié)構(gòu)130，它基本上與120相同，但是其中的溫度穩(wěn)定多晶金剛石單體未經(jīng)涂層，而且其部件采用與形成部件120所使用的同樣碳化鎢和粘合劑，以通常的滲透技術(shù)處理的，在三點(diǎn)試驗(yàn)中，如135所示，破壞是通過連接處，產(chǎn)生破壞的應(yīng)力基本上為每平方英寸零磅。
關(guān)于圖6，是以微米為單位的涂層厚度作橫座標(biāo)，以每平方英寸千磅為單位的鍵強(qiáng)作縱座標(biāo)而繪制的。在曲線上的各點(diǎn)數(shù)據(jù)是由制成樣品試驗(yàn)而所得的真正的試驗(yàn)結(jié)果。試驗(yàn)方案包括將有涂層的部件鍵合到基體支撐結(jié)構(gòu)上并用-剪切工具側(cè)向推壓，并測量產(chǎn)生破壞的力。這些數(shù)據(jù)是對有鎢涂層的3個(gè)克拉三角形溫度穩(wěn)定多晶金剛石單體而言的，除非另有指出。
數(shù)據(jù)點(diǎn)1表示6微米的鎢涂層和每平方英寸約5000磅的鍵強(qiáng)度。數(shù)據(jù)點(diǎn)2表示7微米的碳化鈦涂層，其外面有30～50微米的鎳涂層。曲線在數(shù)據(jù)點(diǎn)1之下的部分其材料的破壞方式是通過涂層。
數(shù)據(jù)點(diǎn)3表示9微米的鎢涂層，其鍵強(qiáng)度約為每平方英寸23000磅。在曲線數(shù)據(jù)點(diǎn)1和3之間的樣品破壞方式是混合的，也就是說，一些通過涂層，一些通過溫度穩(wěn)定多晶金剛石而破壞的。數(shù)據(jù)點(diǎn)4表示15微米的鎢渡層，其鍵強(qiáng)度約為每平方英寸28000磅，而數(shù)據(jù)點(diǎn)5表示20微米涂層，鍵強(qiáng)度約為每平方英寸29000磅。在4和5的每種情況下，破壞是通過溫度穩(wěn)定多晶金剛石。在數(shù)據(jù)點(diǎn)4之后的區(qū)域，可以看到曲線趨向平坦，由此表明，涂層厚度在約為20微米之上繼續(xù)增加，不能顯著地改進(jìn)鍵強(qiáng)度。數(shù)據(jù)表明，厚度大于10微米，破壞方式是通過溫度穩(wěn)定多晶金剛石，而不是通過涂層。在數(shù)據(jù)點(diǎn)1和點(diǎn)3之間的曲線斜率表示6到10微米區(qū)間內(nèi)鍵強(qiáng)有顯著的增加，但有時(shí)可能通過鍵而發(fā)生破壞。
在現(xiàn)有技術(shù)中已知地層穿孔鉆頭體或巖芯鉆頭體可以是多種類型中任何一種，按照對不同構(gòu)造進(jìn)行有效切割的需要來制造不同所需幾何形狀的刀具的能力，按照本發(fā)明是可以實(shí)現(xiàn)的。
如要將一個(gè)或多個(gè)溫度穩(wěn)定多晶金剛石鍵合到基體載體，后者可以依次鍵合到地層穿孔鉆頭體的基體或其他工具的基體，最好將粉末與溫度穩(wěn)定多晶金剛石單體以軸向壓縮方式進(jìn)行壓實(shí)。
壓縮之后，襯體或支撐結(jié)構(gòu)達(dá)到了金屬和/或金屬碳化物和/或磨料顆粒(例如，氧化物或非金屬碳化物)的容積百分比在40%～80%范圍內(nèi)。壓縮后的結(jié)構(gòu)可以通過均衡壓縮而進(jìn)一步壓縮，容積百分比增加到約60%～90%。如該結(jié)構(gòu)要進(jìn)行燒結(jié)，最好進(jìn)行均衡壓縮。
用于形成基體載體的硬陶瓷粉末可以是金屬碳化物，例如碳化鎢、碳化鈦、碳化鉭、碳化鉬和燒結(jié)碳化鎢(碳化鎢與鈷燒結(jié))。另一方面，它也可以由其他硬陶瓷粉末例如，氧化鋁或氮化鈦或氮化硅制成。對用于例如地層穿孔鉆頭中，強(qiáng)度和韌性很重要，最好選用碳化鎢。
如果粉末要進(jìn)行壓縮，最好混入一種暫時(shí)粘合劑材料，它用于涂層粉末材料以便在初始壓縮步驟時(shí)在粉末顆粒之間形成一種臨時(shí)的粘合連結(jié)。多種在升溫時(shí)易于揮發(fā)的有機(jī)聚合的或樹脂型的粘合劑可以采用。石臘是這種材料中比較好的，它易溶于有機(jī)溶劑，相對于碳化鎢來說，石臘量約為2%(重量)。對壓縮的結(jié)構(gòu)，也需要用一種在升溫時(shí)完全揮發(fā)的潤滑劑，以促進(jìn)在各種壓縮操作中的粉末運(yùn)動(dòng)，特別是選用冷的平衡壓縮操作。一種這樣的材料是礦物油，它也可以用暫時(shí)粘合劑溶解以涂層粉末。順便舉個(gè)例，一般的用量是每1000克鑄碳化物為20克石臘，并溶于每1000克鑄碳化物0.2克的丙三醇中。
粉末分散在暫時(shí)粘合劑和潤滑劑的正己烷(對石臘)溶液中，粘合劑和潤滑劑涂復(fù)在粉末上，然后將其干燥并重新研磨成粉末。也可采用現(xiàn)有技術(shù)中的公知技術(shù)的其他涂復(fù)方法。
如果產(chǎn)品包括許多溫度穩(wěn)定金剛石單體，最好使用模板或模具，使溫度穩(wěn)定金剛石單體彼此相對應(yīng)而成型定位。相鄰的溫度穩(wěn)定金剛石單體之間的空隙可以有較大的變化范圍，取決于成型過程和最后產(chǎn)品的特性。溫度穩(wěn)定金剛石單體的側(cè)面間可以留有空隙，保留略小于1密耳至500密耳之間的縫隙，其最佳范圍是6～30密耳(150～750微米)。然后，粉末置于相鄰溫度穩(wěn)定多晶金剛石片的縫隙中，充填并接觸要結(jié)合到組合件的溫度穩(wěn)定多晶金剛石單體的表面。
在有些情況下沒有必要按上述來形成縫隙，因?yàn)闇囟确€(wěn)定多晶金剛石可以按相鄰表面部分以互相接觸方式進(jìn)行組裝，特別是當(dāng)侵蝕不是嚴(yán)重問題時(shí)。如果采用液態(tài)滲透，粘合劑在溫度穩(wěn)定多晶金剛石單體之間穿過，使相鄰有涂層的溫度穩(wěn)定多晶金剛石單體化學(xué)鍵合。
然后，將如此組裝起來的溫度穩(wěn)定多晶金剛石-粉末組合體裝到適宜成型的壓?；蚰＞咧校员爿^好地限定加工后的部件的外部形狀。實(shí)現(xiàn)這個(gè)過程的一種方法是用一個(gè)端部開口的模具，將模具倒轉(zhuǎn)，向上移動(dòng)溫度穩(wěn)定金剛石單體的暫時(shí)組合體進(jìn)入模具的底部，再將模具倒轉(zhuǎn)使正面向上，使組合體在模具的底部，然后添加處理過的粉末材料到所要求的體積。粉末的添加量是與支撐或襯體的厚度和最后產(chǎn)品中金屬的容積百分比有關(guān)。
如果要將溫度穩(wěn)定多晶金剛石結(jié)合到基體載體，在壓模中將組裝材料在每平方英寸10000磅至每平方英寸30000磅的壓力下軸向冷壓，以增加碳化鎢的堆積密度至約50%～65%容積百分比。由于這處理過程的結(jié)果，形成了一種壓縮中間體，它雖然是脆的但仍然可以進(jìn)行小心的處理。如果后續(xù)工藝是固態(tài)燒結(jié)，可以采用每平方英寸10000磅的壓力，所制得產(chǎn)品的堆積密度約為50%容積百分比。
工藝過程可選用的附加步驟是冷均衡壓縮操作，在這過程中，經(jīng)壓縮的中間體在約每平方英寸30000磅的壓力下進(jìn)行5分鐘或更長時(shí)間的均衡冷壓縮。均衡壓縮一般使碳化鎢堆積密度達(dá)到約為62%容積百分比。鎢粉末在固態(tài)燒結(jié)情況下，密度約為65%容積百分比。在這操作中，鎢或碳化物粉末被移動(dòng)并均勻地壓縮至更致密的產(chǎn)品。
圖7和圖8表示為包括6個(gè)初始分離的三角形溫度穩(wěn)定多晶金剛石單體31a到31f的溫度穩(wěn)定多晶金剛石產(chǎn)品30。溫度穩(wěn)定多晶金剛石單體可以在支撐結(jié)構(gòu)內(nèi)或其上面相互結(jié)合，如在32圖示指出，支撐結(jié)構(gòu)可以是滲透的或燒結(jié)的粉末材料。支撐結(jié)構(gòu)可以有不同的尺寸，如斷裂線33所示。
如圖7和圖8中所見，溫度穩(wěn)定多晶金剛石單體包括至少一個(gè)側(cè)面34a，它被置于靠近相鄰溫度穩(wěn)定多晶金剛石單體的側(cè)面34b，但留有一小距離。
用這種技術(shù)制成的刀具與用單一的大金剛石制成的刀具具有同樣的效果，這樣就可以用較小的溫度穩(wěn)定多晶金剛石來制造大的刀具。按照本發(fā)明，溫度穩(wěn)定多晶金剛石單體的典型處理過程列于下面的特例中，并進(jìn)行了說明。
大小為3個(gè)克拉的三角形溫度穩(wěn)定多晶金剛石單體以鎢金屬涂層，如上述，到厚度約為6微米。然后，有涂層的單體在真空爐中加熱(10至-2乇，或在氬氣氛中)，以每分鐘2℃的速率加熱至1100℃，保持1小時(shí)，然后冷卻。
特別在900℃至1100℃之間最好采用慢速加熱，因?yàn)樵谶@加熱階段里在溫度穩(wěn)定多晶金剛石和涂層之間形成了碳化物。這樣形成的碳化物層厚度一般為3微米。
如果快速加熱至1000℃，并保持1.5小時(shí)，形成的碳化物層厚度約為0.3微米，也可以采用每分鐘10℃的速率加熱至碳化物形成溫度。
權(quán)利要求
1.在包括鉆頭體在內(nèi)的地層鉆孔鉆頭中，其改進(jìn)點(diǎn)包括一種碳化物基體形成所述鉆頭體的至少部分外表面，至少一個(gè)溫度穩(wěn)定多晶人造金剛石單體，該單體由所述基體支撐以形成刀具，每個(gè)所述溫度穩(wěn)定多晶人造金剛石單體至少在它與所述基體接觸的表面上有包括能形成碳化物金屬的涂層，厚度至少為3微米，所述涂層包括一種外金屬部份化學(xué)鍵合到所述基體和一種內(nèi)碳化物部份化學(xué)鍵合到所述金剛石單體。
2.如權(quán)利要求1所述的地層鉆孔鉆頭，其中所述鉆頭包括形成多個(gè)刀具的多個(gè)所述多晶金剛石單體。
3.如權(quán)利要求1所述的地層鉆孔鉆頭，其中所述基體包括形成所述多晶人造金剛石切割部件的襯體部分。
4.如權(quán)利要求1所述的地層鉆孔鉆頭，其中所述多晶金剛石單體包括一個(gè)前表面，所述前表面形成切割面并且基本上完全裸露。
5.如權(quán)利要求1所述的地層鉆孔鉆頭，其中所述涂層的能形成碳化物的金屬是鎢。
6.如權(quán)利要求5所述的地層鉆孔鉆頭，其中所述鎢涂層至少有3微米厚。
7.如權(quán)利要求5所述的地層鉆孔鉆頭，其中所述鎢涂層厚度在10微米以上。
8.如權(quán)利要求5所述的地層鉆孔鉆頭，其中在所述金剛石單體和所述基體之間的鍵，能夠承受至少每平方英寸23000磅的應(yīng)力。
9.如權(quán)利要求1所述的地層鉆孔鉆頭，其中所述鉆頭包括多個(gè)所述多晶金剛石單體，所述單體具有予先確定的幾何形狀，至少有些所述單體在所述鉆頭中是彼此相鄰地排列以形成一個(gè)大刀具。
10.由具有予定幾何形狀的溫度穩(wěn)定人造金剛石單體制造溫度穩(wěn)定人造金剛石產(chǎn)品的方法，包括如下步驟用抗氧化的金屬碳化物構(gòu)成物涂復(fù)所述人造金剛石單體的表面，以形成大于10微米厚度的涂層，在形成碳化物的條件下加熱所述有涂層的人造金剛石單體，使與所述金剛石單體接觸的所述涂層部分轉(zhuǎn)化為碳化物，同時(shí)所述涂層的外表面仍為金屬。
11.如權(quán)利要求10所述的方法，其中金屬碳化物的構(gòu)成物是鎢。
12.如權(quán)利要求11所述的方法，其中將所述有涂層的人造金剛石單體組裝到粉末材料上，然后加熱以形成所述碳化物層并使所述粉末形成基體。
13.制造地層鉆孔鉆頭的方法包括以下步驟將多個(gè)溫度穩(wěn)定多晶金剛石單體置于模具內(nèi)的予定位置，這些金剛石單體每一個(gè)都涂有能形成碳化物的金屬涂層，其厚度在3微米以上;至少在所述模具的一部分填入硬陶瓷粉末，所述粉末與全部所述多晶金剛石單體相接觸;用液態(tài)粘合劑合金滲入所述粉末，使所述粉末的顆粒結(jié)合在一起以形成基體，為使所述有涂層的金剛石單體通過冶金鍵結(jié)合到所述基體上，在用所述粘合劑合金滲入所述粉末之前或同時(shí)，所述金屬涂層通過中間金剛石涂層結(jié)合到所述金剛石單體上。
14.如權(quán)利要求13的方法，其中所說的金屬是鎢。
15.如權(quán)利要求14的方法，其中至少有些所述金剛石單體是相鄰排列并彼此鍵合以在所述鉆頭上形成單個(gè)大的刀具。
16.如權(quán)利要求13的方法，其中所述涂層的厚度在約10微米之上。
全文摘要
本發(fā)明是關(guān)于一種改進(jìn)的人造金剛石產(chǎn)品及其制造方法，更具體地說，是關(guān)于一種改進(jìn)的溫度穩(wěn)定金剛石單體，它可以化學(xué)鍵合到例如鉆頭或類似物的支撐結(jié)構(gòu)。
文檔編號B23D61/04GK1034879SQ8810450
公開日1989年8月23日 申請日期1988年6月10日 優(yōu)先權(quán)日1987年6月11日
發(fā)明者陳西華, 里奧·梅里爾, 路易·金·比奇洛, 宋前明 申請人:諾頓公司