多晶金剛石材料的多個主體在浸出期間的支撐結構的制作方法
【技術領域】
[0001] 本發明設及一種用于在處理過程中保持PCD材料的主體的支撐結構W及一種處 理多晶金剛石（PCD)材料的主體的方法。
【背景技術】
[0002] 用于機械加工的刀具插入件和其他工具可W包含結合到燒結碳化物基底的多晶 金剛石（PCD)層。PCD是超硬材料的示例，也被稱為超研磨材料，其硬度值明顯大于燒結碳 化鶴的硬度值。
[000引包含PCD的部件用于各種切削、機械加工、鉆孔或敲碎諸如巖石、金屬、陶瓷、復合 材料和含木材料的硬質或研磨材料的工具中。PCD包含大量基本上交互生長的金剛石顆粒， 所述金剛石顆粒形成限定金剛石顆粒間的間隙的骨骼體（skeletalmass)。PCD材料包含 占其體積至少約80%的金剛石并且可W通過使金剛石顆粒的聚集體在燒結助劑的存在下 經受大于約5GPa、典型地約5. 5GI^a的超高壓力和至少約1200°C、典型地約1440°C的溫度來 制造，所述燒結助劑也被稱為用于金剛石的催化劑材料。用于金剛石的催化劑材料可W理 解為是在金剛石在熱力學上比石墨更穩定的壓力和溫度條件下能夠促進金剛石顆粒的直 接交互生長的材料。
[0004] 用于金剛石的催化劑材料的示例是鉆、鐵、儀和包括任何運些元素的合金的特定 合金。PCD可W在鉆-燒結碳化鶴基底上形成，該基底可W為PCD提供鉆催化劑材料的來 源。 陽0化]在PCD材料的主體燒結期間，諸如來自鉆-燒結碳化鶴基底的鉆的燒結-碳化物 基底的組分液化并從鄰近大量金剛石顆粒的區域快速移動（sweep)到金剛石顆粒間的間 隙區域中。在該示例中，鉆充當催化劑來促進粘結金剛石顆粒的形成。可選擇地，金屬-溶 劑催化劑可W在金剛石顆粒和基底經受HPHT過程之前與金剛石顆粒混合。在PCD材料內 的間隙可W至少部分地充滿催化劑材料。交互生長的金剛石結構因此包含原始金剛石顆粒 和新沉淀的或重新生長的金剛石相，該金剛石相結合化ridge)原始顆粒。在最終的燒結結 構中，催化劑/溶劑材料通常會殘留在燒結金剛石顆粒之間的至少一些間隙中。
[0006] 燒結PCD具有足夠的耐磨性和硬度W用于蔓延性磨損、切削和鉆孔應用中。然而， 具有運種類型的PCD巧塊的眾所周知的問題是顯微結構的間隙中殘留的溶劑/催化劑材料 在高溫下對巧塊的性能具有不利影響，運是因為人們認為金剛石臺中溶劑/催化劑的存在 會降低金剛石臺在運些提高的溫度下的熱穩定性。例如，金剛石顆粒和溶劑/催化劑之間 的熱膨脹系數的差異被認為導致在鉆孔或切削操作期間切削元件的PCD臺的碎裂或破裂。 PCD臺的碎裂或破裂可W降低切削元件的機械性能或導致切削元件的失效。此外，在高溫 下，金剛石顆粒可W與溶劑/催化劑進行化學分解或逆向轉化化ack-conversion)。在極高 的溫度下，部分金剛石顆粒可轉化為一氧化碳、二氧化碳、石墨或其組合，從而降低PCD材 料的機械性能。
[0007] 運些問題的潛在解決方案是從PCD材料中去除催化劑/溶劑或粘結相。
[000引化學浸出常用于從PCD材料的主體的間隙區域例如從鄰近PCD的工作表面的區域 去除諸如鉆的金屬-溶劑催化劑。傳統的化學浸出技術常設及諸如王水和包括氨氣酸（HF) 的混合物的高濃縮的、有毒的和/或腐蝕性溶液的使用，W從多晶金剛石材料溶解和去除 金屬-溶劑/催化劑。因為運種混合物是高毒性的，所W其使用具有嚴重的健康和安全風 險，因此，使用運種混合物處理PCD的過程必須由專業人員在良好的控制和監控條件下執 行，W將對運種過程的操作者的損害風險降到最小。
[0009] 隨著解決上述問題的可選的浸出混合物的發展，已注意到，在浸出混合物中用于 支撐PCD材料的傳統固定裝置的使用存在問題，運是因為用于形成或涂覆運種固定裝置的 諸如PTFE的傳統材料或在一次或兩次使用后或在浸出過程本身期間將會快速分解。因為 許多原因運是不可取的，因為保持更換固定裝置昂貴且耗時。而且，如果分解發生在處理過 程本身期間，則可導致正在浸出的PCD元件不得不被廢棄。此外，如果發生腐蝕性酸浸出混 合物泄漏，則可能引起潛在的健康和安全風險。
[0010] 此外，傳統的固定裝置通常僅能使單一的PCD元件定位在浸出混合物中并在任何 時間在浸出混合物中浸出。
[0011] 因此需要通過提供支撐的固定裝置來克服或基本上改善上述問題，所W該固定裝 置在使用期間不分解，尤其不與用于處理或加工PCD材料的主體的特定混合物結合，并且 該固定裝置提高浸出過程的效率。
【發明內容】
[0012] 從第一方面看，本發明提供一種用于PCD元件的支撐結構，其包括：
[0013] 支撐部和多個密封元件，在所述支撐部中可定位多個PCD元件，并且所述多個密 封元件位于支撐結構中，且每個密封元件被構造為在浸出過程期間保護相關的PCD元件的 非浸出部分，所述支撐部由聚酬基塑料材料形成并涂覆有聚酬基塑料材料。
[0014] 從第二方面看，提供一種處理具有包括金剛石催化劑/溶劑和/或一種或多種金 屬碳化物的非金剛石相的多晶金剛石（PCD)材料的多個主體的方法，所述方法包括：
[0015] 在由聚酬基塑料材料形成或涂覆有聚酬基塑料材料的支撐部中定位待處理的PCD 材料的主體；
[0016] 在PCD材料的主體和支撐部之間形成密封罩（closure)，W將待處理的PCD材料的 主體的區域與非待處理的區域隔開；
[0017] 將PCD材料的主體和支撐部插入到浸出容器中，所述浸出容器包含一些浸出混合 物；
[0018] 通過使至少一部分PCD材料暴露到浸出混合物，將一些金剛石催化劑/溶劑和/ 或一種或多種金屬碳化物從PCD材料中浸出。
[0019] 在一些實施例中，浸出混合物包括用水稀釋的硝酸和一種或多種另外的無機酸， 所述硝酸包括約2-5重量％之間的硝酸和水混合物。
【附圖說明】
[0020] 現在將僅通過示例的方式并參照附圖更詳細地描述各種實施例，其中：
[0021] 圖1是用于地殼鉆探化oringintotheearth)的切削鉆頭的PCD刀具插入件的 示意性透視圖；
[0022] 圖2是圖1的PCD刀具插入件的示意性橫截面和示出PCD材料的微觀結構的示意 性展開圖；
[0023]圖3是在處理過程期間保持在支撐結構中的圖1的PCD刀具的部分示意性橫截 面；
[0024] 圖4是實施例的支撐結構的上方的示意性透視圖； 陽0巧]圖5是圖4的支撐結構的示意性俯視圖；
[0026] 圖6a和化是通過圖4和圖5的堆疊的支撐結構的示意性橫截面視圖；
[0027] 圖7a-7d是根據一個或多個實施例的可選的堆疊的支撐結構的上方的透視圖；
[0028] 圖7e-化分別是圖7a-7d中的按照堆疊結構所示的單個支撐結構的俯視圖；并且
[0029] 圖8是浸出容器中的堆疊的支撐結構的側視圖。
[0030] 在所有附圖中，相同的參考編號表示各自相同的特征。
【具體實施方式】
[0031] 如在此所使用的/'PCD材料"是包括大量金剛石顆粒的材料，所述材料的很大一部 分直接互相交互粘合并且在所述材料中金剛石的含量至少為約80體積％材料。在PCD材 料的一個實施例中，金剛石顆粒之間的間隙可至少部分地充滿有包括用于金剛石和/或非 金剛石相的催化劑的粘合劑材料。
[0032] 如在此所使用的，"用于金剛石的催化劑材料"是在金剛石在熱力學上比金剛石更 穩定的壓力和溫度下能夠促進金剛石的生長或金剛石顆粒間的直接的金剛石與金剛石的 共生的材料。
[0033] 如在此所使用的術語"摩爾濃度"指的是在大約25°C的溫度下的單位濃度mol/L。 例如，摩爾濃度為1M的包括溶質A的溶液每升溶液包括Imol的溶質A。
[0034] 圖1示出了用于地殼鉆探的鉆頭（未示出）的PCD刀具插入件10,其包括粘合到 燒結碳化鶴基底30的PCD主體20。
[0035] 圖2是圖1的通過PCD刀具插入件10的橫截面。還示出了PCD主體