Pdc切割器的高溫高加熱速率處理的制作方法

Pdc切割器的高溫高加熱速率處理的制作方法
【專利摘要】本發明提供PDC切割器的高溫高加熱速率處理。一種用于降低出現在組件中的殘余應力的后制備方法和設備。該組件包括襯底、耦接至襯底的聚晶結構和出現在其中的殘余應力。該方法包括從組件類別獲得組件，確定組件類別的組件結構上損壞的臨界溫度和臨界時間周期，基于臨界溫度和臨界時間周期確定熱處理溫度和熱處理時間周期，及在熱處理時間周期內將來自組件類別的一個或多個剩余組件加熱至熱處理溫度。該設備包括限定加熱腔室的加熱器和位于加熱腔室中的熔池。組件放置在預加熱的熔池中并且在加熱處理時間周期的加熱至熱處理溫度期間與氧氣隔離。
【專利說明】PDC切割器的高溫高加熱速率處理
[0001]相關申請
[0002]本申請涉及2010年4月6日提交的美國專利申請N0.12/754，784 “PDC，PCBN或其它超硬材料插入物聲發射韌性測試”(Acoustic Emission Toughness Testing ForPDC, PCBN, Or Other Hard Or Superhard Material Inserts),其通過參考并入本文。
【技術領域】
[0003]本發明大體涉及具有聚晶結構的切割器；并且更具體地，涉及用于降低出現在切割器中的殘余應力的后制備方法和設備，以及涉及在其制備之后一旦經歷處理就具有降低的殘余應力的切割器。
【背景技術】
[0004]聚晶金剛石復合片(PDC)已經被用于包括鑿巖應用和金屬加工應用的工業領域中。這種復合片已經相對于其他類型的切割元件表現出優勢，例如更好的耐磨性和沖擊阻力。在存在促進金剛石-金剛石結合的催化劑/溶劑的情況下，可以通過在被稱為“金剛石穩定范圍”的高壓和高溫(HPHT)條件下將單個金剛石顆粒燒結在一起而形成roc，“金剛石穩定范圍”典型地在40千巴之上以及在1200攝氏度和2000攝氏度之間。用于燒結金剛石復合片的催化劑/溶劑的一些實例是鈷、鎳、鐵和其他第8族金屬。PDC通常具有大于70%體積百分比的金剛石含量，其中80%至98%是典型的。根據一個實例，無襯的PDC可以機械結合至工具(未示出)。備選地，將PDC結合至襯底，從而形成PDC切割器，該切割器典型地嵌入或安裝至測井下井儀(未示出)，例如鉆頭或鉆孔器。
[0005]圖1根據現有技術示出了具有聚晶金剛石(P⑶)切割臺110或復合片的PDC切割器100的側視圖。即使在示例性實施方式中描述了 PCD切割臺110，將包括聚晶氮化硼(PCBN)復合片的其它類型的切割臺使用在備選類型的切割器中。參照圖1，PDC切割器100典型地包括P⑶切割臺110和耦接至P⑶切割臺110的襯底150。P⑶切割臺110為大約10萬分之一英寸(2.5毫米)厚；然而,厚度根據使用P⑶切割臺110的應用可變化。
[0006]襯底150包括頂面152、底面154和從頂面152的軸線延伸至底面154的周線的襯底外壁156。P⑶切割臺110包括切割面112、相對面114和從切割面112的周線延伸至相對面114的周線的P⑶切割臺外壁116。P⑶切割臺110的相對面114耦接至襯底150的頂面152。典型地，P⑶切割臺110使用高壓和高溫(HPHT)按壓耦接至襯底150。然而，可以使用所屬領域技術人員已知的其他方法將PCD切割臺110耦接至襯底150。在一個實施方式中，一旦將P⑶切割臺110耦接至襯底150，P⑶切割臺150的切割面112基本上就平行于襯底的底面154。附加地，將PDC切割器100圖示為具有正圓柱形形狀；然而，在其他示例性實施方式中，將PDC切割器100成形為其他幾何或非幾何形狀。在某些示例性實施方式中，相對面114和頂面152基本上是平面的；然而，在其他示例性實施方式中，相對面114和頂面152是非平面的。附加地，根據一些示例性實施方式，圍繞切割面112的至少一部分周線形成斜面(未示出)。、[0007]根據一個實例，通過獨立地形成P⑶切割臺110和襯底150然后將P⑶切割臺110結合至襯底150而形成PDC切割器100。備選地，開始形成襯底150，隨后通過將聚晶金剛石粉末放置在頂面152上并使聚晶金剛石粉末和襯底150經受高溫和高壓工藝而將P⑶切割臺110形成在襯底150的頂面152上。備選地，大約同時將襯底150和P⑶切割臺110形成和結合在一起。雖然已經簡單提及了一些形成PDC切割器100的方法，但是可以使用所屬領域技術人員已知的其他方法。
[0008]根據形成PDC切割器100的一個實例，通過使金剛石粉末層和碳化鎢和鈷粉的混合物經歷HPHT條件而將P⑶切割臺110形成和結合至襯底150。鈷典型地與碳化鎢混合并被定位在形成襯底150的位置處。金剛石粉末放置在鈷和碳化物混合物的頂部并且被定位在形成P⑶切割臺110的位置處。然后，使整個粉末混合物經歷HPHT條件，從而使得鈷熔化并促進碳化鎢的膠接或粘合以形成襯底150。熔化的鈷也擴散或滲透到金剛石粉末中，并且充當合成金剛石結合鍵以及形成PCD切割臺110的催化劑。因此，鈷既充當膠接碳化鎢的粘合劑，又充當燒結金剛石粉末以形成金剛石-金剛石結合鍵的催化劑/溶劑。鈷還促進PCD切割臺110和膠接的碳化鎢襯底150之間的有力結合。
[0009]鈷已經成為PDC制備工藝的優選元素。傳統的PDC制備工藝使用鈷作為形成襯底150的粘合劑材料以及作為金剛石合成的催化劑材料，原因在于在這些工藝中大量知識涉及使用鈷。大量知識和工藝需要之間的共同作用導致使用鈷作為粘合劑材料和催化劑材料。然而，如本領域所已知那樣，可以使用諸如鐵、鎳、鉻、錳和鉭的備選金屬以及其他合適的材料作為金剛石合成的催化劑。當使用這些備選材料作為金剛石合成的催化劑以形成P⑶切割臺110時，典型地，使用鈷或諸如鎳鉻合金或鐵的一些其他材料作為粘合劑材料以使碳化鎢膠接形成襯底150。雖然，已經作為實例提供了諸如碳化鎢和鉻的一些材料，但是可以使用所屬領域技術人員已知的其他材料來形成襯底150、PCD切割臺110以及形成襯底150和PCD切割臺110之間的結合。
[0010]圖2是根據現有技術的圖1的P⑶切割臺110的示意性微結構圖。參照圖1和2，P⑶切割臺110具有結合至其他金剛石顆粒210的金剛石顆粒210、形成在金剛石顆粒210之間的一個或多個間隙空間212以及沉積在間隙空間212中的鈷214。在燒結工藝中，間隙空間212或空隙形成在碳-碳結合鍵之間并且位于金剛石顆粒210之間。鈷214擴散進金剛石粉末中導致鈷214沉積在這些間隙空間212中，這些間隙空間在燒結工藝中形成在PCD切割臺110中。
[0011]一旦P⑶切割臺110形成并置于運行狀態，熟知P⑶切割臺110在溫度達到臨界溫度時快速磨損。該臨界溫度為大約750攝氏度并且當PCD切割臺110切割巖層或其他已知材料時就能達到。高磨損速率被認為是由金剛石顆粒210和鈷214之間的熱膨脹速率的差異，以及發生在鈷214和金剛石顆粒210之間的化學反應或石墨化導致的。金剛石顆粒210的熱膨脹系數為大約1.0xlO-6毫米―1 ?開爾文―1 (mm 1IT1),而鈷214的熱膨脹系數為大約13.0xl0_6mm 1K'因此，鈷214在溫度超過該臨界溫度時比金剛石顆粒210膨脹快很多，從而使得金剛石顆粒210之間的結合不穩定。P⑶切割臺110通常在溫度超過大約750攝氏度時變得熱退化，并且其切割效率顯著降低。
[0012]不管使用哪種工藝來制備PDC切割器100，在PDC切割器100冷卻之后，在TCD切割臺110、襯底150上和兩者之間的界面處都產生熱殘余應力。這些熱殘余應力通常至少是由于P⑶切割臺110和襯底150之間不同的熱膨脹速率形成的。P⑶切割臺110和襯底150上產生的熱殘余應力通常能夠在鉆井條件下導致PDC切割器100破裂或分層。
[0013]已經努力降低形成的殘余應力并提高切割器的韌性。典型地，切割器在空氣或惰性氣體環境中在從500°C高至700°C范圍的溫度下進行熱循環大約幾個小時。切割器的溫度緩慢地提高至500°C至700°C等級，將該溫度保持一段時間周期(大于30分鐘)，然后緩慢降低以避免熱沖擊。在循環期間在不毀壞切割器的情況下溫度達到得越高，降低切割器中殘余應力所獲得的結果越好。然而，這些應力釋放循環的效率受到在不具有負面影響金剛石層或切割面的整體性的情況下能夠達到的最大溫度的限制。降低這些殘余應力供給roc切割器具有更好的結構整體性并可持續更長的時間。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0014]在結合附圖進行閱讀時，參考某些示例性實施方式的下面的描述，最好地理解本發明的前述或其他特征和方面，其中:
[0015]圖1根據現有技術示出了具有PCD切割臺的PDC切割器的側視圖；
[0016]圖2是根據現有技術的圖1的PCD切割臺的示意性微結構圖；
[0017]圖3是根據本發明的示例性實施方式圖示殘余應力降低方法的流程圖；
[0018]圖4是根據本發明的示例性實施方式圖示臨界溫度和時間周期確定方法的流程圖；
[0019]圖5是根據本發明示例性實施方式圖示經歷各種溫度和時間循環的若干組件的結構整體性的圖表；
[0020]圖6是根據本發明 的示例性實施方式圖示高溫熱處理工藝的流程圖；
[0021]圖7是根據本發明的另一示例性實施方式圖示高溫熱處理工藝的流程圖；
[0022]圖8A是根據本發明的示例性實施方式的處于閉合取向的熔爐的透視圖；
[0023]圖SB是根據本發明的示例性實施方式的處于打開取向的圖8A的熔爐的透視圖，其帶有定位在熔爐中的熔池；
[0024]圖9A是根據本發明的示例性實施方式示出當處理溫度保持恒定時AETT分數和處理時間之間的關系的曲線圖；以及
[0025]圖9B是根據本發明的示例性實施方式示出當處理時間保持恒定時AETT分數和處理溫度之間的關系的曲線圖。
[0026]附圖僅僅圖示了本發明的示例性實施方式，因而并不看作其范圍的限制，因為本發明可以允許其他等效實施方式。
【具體實施方式】
[0027]本發明大體涉及具有聚晶結構的切割器；并且更具體地，涉及用于降低出現在切割器中的殘余應力的后制備方法和設備，以及涉及在其制備之后一旦經歷處理就具有降低的殘余應力的切割器。雖然以下結合聚晶金剛石復合片(PDC)切割器提供了示例性實施方式的說明，但是可以將本發明的備選實施方式應用于具有包括但不限于聚晶氮化硼(PCBN)切割器或PCBN復合片的聚晶結構的其他類型的切割器或組件。如前所述，復合片可安裝至襯底以形成切割器，或者可直接安裝至用于執行切割工藝的工具。通過參照附圖閱讀下面的非限制性示例性實施方式的說明更好地理解本發明，其中每幅圖的相似部件用相似的參考標號表不，并且如下簡要描述。
[0028]圖3是根據本發明的示例性實施方式圖示殘余應力降低方法300的流程圖。雖然圖3示出了以某個順序描繪的系列步驟，但是可以重新布置一個或多個步驟的順序，將其組合成更少的步驟，和/或將其拆分成比其他示例性實施方式中所示更多的步驟。參照圖3，殘余應力降低方法300在步驟310開始。一旦開始步驟310，殘余應力降低方法300進行至步驟320。
[0029]在步驟320，從組件類別獲得一個或多個組件。每個組件包括襯底、耦接至襯底的聚晶結構和在其中形成的多個殘余應力。一個組件實例是上述PDC切割器100 (圖1)，然而，其他組件可以用來代替PDC切割器100 (圖1)。在一些示例性實施方式中，根據制備聚晶結構的晶粒尺寸將組件歸類在組件類別里。然而，在其他示例性實施方式中，可以使用一些其他選擇標準將組件歸類到不同組件類別。來自相同組件類別的組件典型地展現出相似的特性，從而使得來自一個組件的聚晶結構的韌性和整體性對來自相同組件類別的其他組件的韌性和整體性的是可預測的。這里提及的襯底類似于上述襯底150(圖1)，因此為了簡要不再重復。這里提及的聚晶結構類似于上述PCD切割臺110(圖1)，因此為了簡要不再重復。雖然在前已描述了這些組件，但是在不背離示例性實施方式的范圍和精神的情況下，可以使用其他相似類型的組件。以上也已經描述了殘余應力的形式，為了簡要不再重復。殘余應力形成在襯底的聚晶結構中，并且在聚晶結構和襯底的界面處。殘余應力量的增加導致組件韌性減少，并且在鉆井處理期間所見的較高溫度下變得容易損壞。減小殘余應力的量有利于這些組件，例如PDC切割器，因為它們能夠在較高溫下運行較長周期，因而提供較大的返利。
[0030]在某些備選的示例性實施方式中，將所屬領域技術人員已知的一個或多個過渡層設置在聚晶結構和襯底之間。此外，在某些備選的示例性實施方式中，組件的聚晶結構的至少一部分具有至少一些催化劑材料，該催化劑材料通過濾取工藝或其他催化劑去除工藝從其中去除。一些濾取工藝對于所屬領域技術人員而言是已知的，但是在不背離示例性實施方式的范圍和精神的情況下，可以將任 何濾取工藝或電化學去除工藝用在組件上以從聚晶結構去除催化劑材料。
[0031]殘余應力降低方法300進行至步驟330。在步驟330，在組件上執行臨界溫度和時間周期確定方法，以確定組件類別的臨界溫度和臨界時間周期。臨界溫度和臨界時間周期分別是組件結構上損壞時的溫度和時間周期。以下將參照圖4和5進一步詳細地描述臨界溫度和時間周期。
[0032]殘余應力降低方法300進行至步驟340。在步驟340，基于臨界溫度和臨界時間周期確定用于組件類別的熱處理溫度和熱處理時間周期。根據一些示例性實施方式，將熱處理溫度確定為大約臨界溫度的95%。根據一些示例性實施方式，將熱處理時間周期確定為大約臨界時間周期的95%。在某些示例性實施方式中，熱處理溫度范圍從臨界溫度的大約95%至大約98%，但是保持在750°C以上。在其他示例性實施方式中，熱處理溫度范圍從臨界溫度的大約95%至大約98%，但是保持在850°C以上。在某些示例性實施方式中，熱處理時間周期范圍從臨界時間周期的大約30%至大約98%。在其他示例性實施方式中，熱處理時間周期范圍從臨界時間周期的大約30%至大約98%，但是小于30分鐘。例如，如果臨界溫度為850°C并且臨界時間周期為10分鐘，那么熱處理溫度可以是800°C，其高于750°C的下限，并且熱處理時間周期可以是5分鐘。因此，熱處理溫度和熱處理時間周期均落在該可接受的范圍內。備選地，在其他示例性實施方式中，臨界溫度或臨界時間周期中的一個對應地變為熱處理溫度或熱處理時間周期，而另一個降低到上述范圍中任何一個點。因此，根據上述提供的實例，熱處理溫度可以是850°C，其與臨界溫度相同，且熱處理時間周期可以是5分鐘，其是臨界時間周期的50%。備選地，在再一示例性實施方式中，臨界溫度或臨界時間周期中的一個降低至上述提供的范圍，而只要已經測試過組合并且結果表明組件的更好結構整體性或者出現在其中較少的殘余應力，當確定熱處理溫度和熱處理時間周期時，就降低、保持或者甚至增加臨界溫度或臨界時間周期中的另一個。
[0033]在其他示例性實施方式中，將熱處理溫度確定為比臨界溫度小大約50°C。根據一些示例性實施方式，將熱處理時間周期確定為比臨界時間周期小大約5分鐘。在某個示例性實施方式中，熱處理溫度范圍從比臨界溫度小大約10°C至大約100°C，但是保持高于750°C。在其他示例性實施方式中，熱處理溫度范圍從比臨界溫度小大約10°C至大約100°C，但保持高于850°C。在某些示例性實施方式中，熱處理時間周期范圍從比臨界時間周期小大約2分鐘至大約10分鐘。在其他示例性實施方式中，熱處理時間周期范圍從比臨界時間周期小大約2分鐘至大約10分鐘，但是小于30分鐘。例如，如果臨界溫度為850°C并且臨界時間周期為10分鐘，則熱處理溫度可以是800°C，其高于750°C的下限，并且熱處理時間周期可以是5分鐘。因此，熱處理溫度和熱處理時間周期均落在可接受的范圍內。備選地，在其他示例性實施方式中，臨界溫度或臨界時間周期中的一個對應地變為熱處理溫度或熱處理時間周期，而另一個降低至上述范圍中的任何一個點。因此，根據上述提供的實例，熱處理溫度可以是850°C，其與臨界溫度相同，并且熱處理時間周期可以是5分鐘，其比臨界時間周期小5分鐘。備選地，在再一示例性實施方式中，臨界溫度或臨界時間周期中的一個降低至上述提供的范圍，而只要已經測試過組合并且結果表明組件的更好結構整體性或者出現在其中較少的殘余應力，當確定熱處理溫度和熱處理時間周期時，就降低、保持或者甚至增加臨界溫度或臨界時間周期中的另一個。
[0034]根據一些示例性實施方式，熱處理溫度范圍從大約750°C至大約900°C，并且熱處理時間周期范圍從大約30秒至小于30分鐘。根據一些其他示例性實施方式，熱處理溫度范圍從大約750°C至大約900°C，并且熱處理時間周期范圍從大約30秒至小于15分鐘。根據再一些其他示例性實施方式，熱處理溫度范圍從大約750°C至大約900°C，并且熱處理時間周期范圍從大約30秒至小于10分鐘。根據進一步示例性實施方式，熱處理溫度范圍從大約800°C至大約900°C，并且熱處理時間周期范圍從大約30秒至小于15分鐘。根據進一步示例性實施方式，熱處理溫度范圍從大約850°C至大約900°C，并且熱處理時間周期范圍從大約30秒至小于15分鐘。根據一些進一步的示意性實施方式，熱處理溫度范圍從大約850°C至大約900°C，并且熱處理時間周期范圍從大約30秒至小于30分鐘。
[0035]殘余應力降低方法300進行至步驟350。在步驟350，在一個或多個剩余組件上執行高溫熱處理工藝。在高溫熱處理工藝期間，將來自組件類別的一個或多個剩余組件在大約一段熱處理時間周期內加熱至大約熱處理溫度。 以下將參照圖6-8B進一步詳細地描述高溫熱處理工藝。
[0036]殘余應力降低方法300進行至步驟360。在步驟360，殘余應力降低方法300結束。根據某些示例性實施方式，在一個或多個剩余組件上執行高溫熱處理工藝之后，去除(通過濾取工藝或電化學工藝)來自一個或多個組件的聚晶結構的部分催化劑材料。備選地，在一個或多個剩余組件上執行高溫熱處理工藝之前，去除(通過濾取工藝或電化學工藝)來自一個或多個組件的聚晶結構的部分催化劑材料。
[0037]圖4是根據本發明的示例性實施方式圖示臨界溫度和時間周期確定方法330 (如以上在殘余應力降低方法300所提及)的流程圖。雖然圖4示出了以某個順序描繪的系列步驟，但是可以重新布置一個或多個步驟的順序，將其組合成更少的步驟，和/或將其拆分成比其他示例性實施方式中所示更多的步驟。參照圖4，臨界溫度和時間周期確定方法330在步驟410開始。一旦開始步驟410，臨界溫度和時間周期確定方法330進行至步驟420。
[0038]在步驟420，在第一溫度和時間循環期間加熱和冷卻第一組件。第一溫度和時間循環包括溫度組件和時間周期組件。例如，如果第一溫度和時間循環為800°C 5分鐘，則溫度組件為800°C且時間周期組件為5分鐘。因此，在該實例中，將第一組件加熱至800°C，保持在該溫度5分鐘，然后進行冷卻。在一些示例性實施方式中，第一組件的開始溫度為大約室溫，而在其他示例性實施方式中，第一組件的開始溫度為大約_150°C至大約_200°C，或者范圍從環境溫度至_200°C中的任何一點。在一些示例性實施方式中，逐漸加熱，而在其他示例性實施方式中，快速加熱，從而使得例如在數分鐘內，例如在2至10分鐘內將第一組件從室溫加熱至800°C。在該實例中，可以將組件放入已經處于期望溫度的腔室或熔池中，從而使得該組件快速達到期望溫度。還在一些其他備選的示例性實施方式中，可以將第一組件預加熱至期望溫度，然后逐漸和/或快速加熱至該80(TC溫度。在某些示例性實施方式中，預加熱的期望溫度范圍在500°C至600°C之間，然而，該范圍在其他示例性實施方式中是不同的。進一步地，在某些示例性實施方式中，讓第一組件在環境空氣中逐步冷卻至室溫。備選地，更加快速地執行冷卻，例如在數分鐘內。
[0039]臨界溫度和時間 周期確定方法330進行至步驟430。在步驟430，確定第一組件的結構整體性。根據一些示例性實施方式，組件的結構整體性可相比于組件的硬度。在某些實施方式中，使用聲發射檢測裝置(未示出)確定結構整體性，該裝置在2010年4月6日提交的名稱為 “Acoustic Emission Toughness Testing For PDC, PCBN, Or Other Hard OrSuperhard Material Inserts”的美國專利申請號12/754，784中詳細描述,其通過參考整體并入本文。在其他示例性實施方式中，第一組件的結構整體性由其他已知的方法、設備和系統確定。在一些示例性實施方式中，在相同的第一溫度和時間循環期間多次執行步驟420和430，例如10次，以獲得統計學上有意義的樣本。例如，在某些示例性實施方式中，獲得平均25%和75%的百分數。
[0040]臨界溫度和時間周期確定方法330進行至步驟440。在步驟440，在不同的溫度和時間循環期間加熱和冷卻不同組件。該不同的溫度和時間循環包括溫度組件和時間周期組件，其中溫度組件和時間周期組件中的至少一個不同于第一溫度和時間循環的溫度組件和時間周期組件。例如，不同的溫度和時間循環可以是850°C 10分鐘，其中溫度組件和時間周期組件均不同于第一溫度和時間循環的溫度組件和時間周期組件。在另一實例中，不同的溫度和時間循環可以是850°C 5分鐘，其中僅溫度組件不同于第一溫度和時間循環的溫度組件。因此，根據以上提供的實例中的一個，將不同組件加熱至850°C，保持在該溫度10分鐘，然后進行冷卻。在一些示例性實施方式中，不同組件的開始溫度為大約室溫，而在其他示例性實施方式中，不同組件的開始溫度為大約-150°C至大約-200°C，或者范圍從環境溫度至-200°C中的任何一點。在一些示例性實施方式中，逐漸加熱，而在其他示例性實施方式中，快速加熱，從而使得例如在數分鐘內，例如在5至10分鐘內將不同組件從室溫加熱至850°C。還在一些其他備選的示例性實施方式中，可以將不同組件預加熱至期望溫度，然后逐漸和/或快速加熱至該850°C溫度。在某些示例性實施方式中，預加熱的期望溫度范圍在500V至600°C之間，然而，該范圍在其他示例性實施方式中是不同的。進一步地，在某些示例性實施方式中，讓不同組件在環境空氣中逐步冷卻至室溫。備選地，更加快速地執行冷卻，例如在數分鐘內。
[0041]臨界溫度和時間周期確定方法330進行至步驟450。在步驟450，確定不同組件的結構整體性。如上所提及，根據一些示例性實施方式，組件的結構整體性可相比于組件的硬度。在某些實施方式中，使用聲發射檢測裝置(未示出)確定結構整體性，該裝置在2010年4 月 6 日提交的名稱為“Acoustic Emission Toughness Testing For PDC, PCBN, Or OtherHard Or Superhard Material Inserts”的美國專利申請號12/754，784中詳細描述,其通過參考整體并入本文。在其他示例性實施方式中，不同組件的結構整體性由其他已知的方法、設備和系統確定。在一些不例性實施方式中，在相同的第一溫度和時間循環期間多次執行步驟440和450，例如10次，以獲得統計學上有意義的樣本。例如，在某些示例性實施方式中，獲得平均25%和75%的百分數。
[0042]臨界溫度和時間周期確定方法330進行至步驟460。在步驟460，加熱和冷卻不同組件和確定不同組件的結構整體性一直繼續，直到確定引起組件的結構整體性失敗的最低的不同溫度和時間循環。最低的不同溫度和時間循環提供臨界溫度和臨界時間周期。
[0043]臨界溫度和時間周期確定方法330進行至步驟470。在步驟470，臨界溫度和時間周期確定方法330結束。
[0044] 圖5是根據本發明的示例性實施方式圖示經歷各種溫度和時間循環522的若干組件505的結構整體性的圖表500。圖5圖形地表示臨界溫度和時間周期確定方法330 (圖4)的至少一部分。參照圖5，圖表500包括溫度和時間循環軸520和結構整體性軸510。溫度和時間循環軸520包括一個或多個溫度和時間循環522，其中每個溫度和時間循環522包括溫度組件523和時間周期組件524。結構整體性軸510包括針對一個或多個組件505測量的結構整體性值512。結構整體性數據點530通過使用上述聲發射檢測裝置來測量組件505的結構整體性值512或硬度獲得。然而，如在前所述，可以使用所屬領域技術人員已知的其他裝置和方法確定組件的結構整體性。每個結構整體性數據點530繪制在圖表500上。來自相同組件類別的若干組件505具有其在一定溫度和時間循環522下處理之后測量的結構整體性值512。在一些示例性實施方式中，在每個溫度和時間循環522內獲得用于10個組件505的結構整體性512，然而，在其他示例性實施方式中，在每個溫度和時間循環522內測量的組件數量更大或更小。在一些示例性實施方式中，在圖表500中針對每個溫度和時間循環522示出了 25%記號550,50%記號552 (或平均數)和75%記號554。25%記號550和75%記號554之間的區域被畫上陰影。使用這種圖表500斷定數據分散的量，并且數據分散的量可以是每個溫度和時間循環522內的最高和最低結構整體性值512之間的差值中的一個或多個、25%記號550和75%記號554之間的范圍或者由圖表500制成的一些相似的觀察數據。因此，較少的數據分散表現代表組件的更好的結構整體性，因而代表其中較少的殘余應力。附加地，或者代替數據分散的量，可以使用平均的或中間的結構整體性值確定結構整體性。
[0045]僅根據圖5，在經歷三個不同溫度和時間循環522的組件505上測量結構整體性值512。第一溫度和時間循環522A稱為“A”并且還沒有被加熱處理。因此，溫度組件523是環境溫度，并且時間周期組件524為O分鐘。經歷第一溫度和時間循環522A的組件的結構整體性值512展現一些分散。第二溫度和時間循環522B稱為“800C10分鐘”。因此，溫度組件523為800°C，并且時間周期組件524為10分鐘。經歷第二溫度和時間循環522B的組件的結構整體性值512比經歷第一溫度和時間循環522A的組件展現更少的分散。因此，經歷第二溫度和時間循環522B的組件比經歷第一溫度和時間循環522A的組件更加穩定和結實。第三溫度和時間循環522C稱為“850C5分鐘”。因此，溫度組件523為850°C，并且時間周期組件524為5分鐘。經歷第三溫度和時間循環522C的組件的結構整體性值512比經歷第一溫度和時間循環522A和第二溫度和時間循環522B中任一個的組件展現更多的分散。因此，經歷第三溫度和時間循環522C的組件比經歷第一溫度和時間循環522A或第二溫度和時間循環522B的組件穩定性差并且結實性差，或者結構上被損壞。根據圖5，臨界溫度598為850°C，并且臨界時間周期599為5分鐘，當組件變得結構上損壞時，其是溫度和時間循環522的溫度組件523和時間周期組件524。因此，根據圖5并且根據以上提供的說明，熱處理溫度590和熱處理時間周期591分別可以是800°C和10分鐘。
[0046]圖6是根據本發明的示例性實施方式圖示高溫熱處理工藝350的流程圖。雖然圖6示出了以某個順序描繪的系列步驟，但是可以重新布置一個或多個步驟的順序，將其組合成更少的步驟，和/或將其拆分成比其他示例性實施方式中所示更多的步驟。參照圖6，高溫熱處理工藝350在步驟610開始。一旦開始步驟610，高溫熱處理工藝350進行至步驟620。
[0047]在步驟620，將一個或多個剩余組件加熱至大約熱處理溫度。剩余組件類似于以上所述的組件，并且來自相同或相似的組件類別。因此，確定用于組件的熱處理溫度也可應用于剩余組件，并且當在熱處理時間周期期間達到熱處理溫度時，剩余組件的結構整體性將不被損壞。剩余組件典型 地開始于環境溫度，并逐漸地和/或快速地加熱至熱處理溫度。以上詳細描述了熱處理溫度的確定，出于簡要不再重復。備選地，將剩余組件逐漸地和/或快速地加熱至中間溫度，然后再次逐漸地和/或快速地加熱至處理溫度。中間溫度是自開始溫度和熱處理溫度之間選擇的溫度。剩余組件的溫度可以保持處于中間溫度一段時間周期。在再一示例性實施方式中，剩余組件的開始溫度可以低于環境溫度，例如在-100°C和-200°c之間。
[0048]高溫熱處理工藝350進行至步驟630。在步驟630，在大約熱處理時間周期內將一個或多個剩余組件保持在大約熱處理溫度。以上詳細描述了熱處理時間周期的確定，出于簡要不再重復。
[0049]高溫熱處理工藝350進行至步驟640。在步驟640，將一個或多個剩余組件冷卻。在某些示例性實施方式中，將一個或多個組件在空氣中逐漸冷卻。在其他示例性實施方式中，將一個或多個剩余組件逐漸地和/或快速地冷卻至環境溫度。
[0050]高溫熱處理工藝350進行至步驟650。在步驟650，高溫熱處理工藝350結束。
[0051]圖7是根據本發明的另一示例性實施方式圖示高溫熱處理工藝350的流程圖。雖然圖7示出了以某個順序描繪的系列步驟，但是可以重新布置一個或多個步驟的順序，將其組合成更少的步驟，和/或將其拆分成比其他示例性實施方式中所示更多的步驟。參照圖7，高溫熱處理工藝350在步驟710開始。一旦開始步驟710，高溫熱處理工藝350進行至步驟720。
[0052]在步驟720，熔池定位在熔爐內。熔池和熔爐均在圖8A和8B中示出，并且以下將進一步詳細討論。簡要提及，熔池包括在其中放置熔料的托盤。根據一些示例性實施方式，熔池是具有在其中放置焊料的焊劑槽。熔料用于控制熔爐中的空氣，并且一旦組件被放置到熔池中就防止氧氣接觸組件。熔料的一些實例包括但不限于溶融的銅、熔融的錫、氯化鈉、硼硅酸鹽或者能夠高效傳熱的其他材料。
[0053]高溫熱處理工藝350進行至步驟730。在步驟730，將熔爐和熔池預加熱至大約熱處理溫度。之前已經詳細地描述了熱處理溫度的確定，出于簡要這里不再重復。
[0054]高溫熱處理工藝350進行至步驟740。在步驟740，將一個或多個剩余組件放置在預加熱熔池中。將組件整體浸入在熔料中，從而使得在工藝的該部分組件不接觸氧氣。
[0055]高溫熱處理工藝350進行至步驟750。在步驟750，在熱處理時間周期內將一個或多個剩余組件保持在大約熱處理溫度。以上詳細描述了熱處理時間周期的確定，出于簡要這里不再重復。根據一些示例性實施方式，熱處理周期為大約5至7分鐘，但是在其他示例性實施方式中，該熱處理周期是不同的。
[0056]高溫熱處理工藝350進行至步驟760。在步驟760，將一個或多個剩余組件從熔爐去除。根據一些示例性實施方式，除了從熔爐去除之外，還將一個或多個剩余組件從熔池去除。例如，使用V形夾子或其他合適的裝置將剩余切割器從熔爐和熔池去除。然而，在其他示例性實施方式中，通過將整個熔池從熔爐去除而將一個或多個組件從熔爐去除。
[0057]高溫熱處理工藝350進行至步驟770。在步驟770，冷卻一個或多個剩余組件。在某些示例性實施方式中，將一個或 多個組件在空氣中逐漸冷卻。在其他示例性實施方式中，逐漸地和/或快速地將一個或多個剩余組件冷卻回環境溫度。
[0058]高溫熱處理工藝350進行至步驟780。在步驟780，高溫熱處理工藝350結束。
[0059]根據一些備選的示例性實施方式，代替熔池或除熔池之外，熔爐使用不同的方法和/或設備來獲得用于將被放置在其中的組件的無氧環境。例如，熔池能夠在真空條件、氬條件、氖條件或其他惰性氣體環境中運行。此外，在上述提及的工藝中使用誘導器(induction unit)，其中氣體將被引入到誘導器的腔室中。氣體是例如氬，但是在其他示例性實施方式中，是其他氣體。對于所屬領域技術人員而言，這些誘導器是已知的，出于簡要這里不再詳細描述。
[0060]圖8A是根據本發明的示例性實施方式的處于閉合取向805的熔爐800的透視圖。圖8B是根據本發明的示例性實施方式的出于打開取向807的熔爐800的透視圖，其帶有定位在其中的熔池850。參照圖8A和8B，熔爐800包括基座810、一個或多個加熱元件820和封蓋830。依然參考圖8A和8B，熔池850包括托盤860和熔料870。
[0061]基座810包括在其中限定空腔814的一個或多個壁812。根據一些示例性實施方式，基座810包括成形為矩形構造的4個壁812 ;然而，在備選的示例性實施方式中，可以形成其他形狀。基座810使用能夠承受高溫(例如可以根據本公開內容看到的850°C至900°C)的材料制備。[0062]在空腔814中，一個或多個加熱元件820耦接至壁812并且被取向為將熱引導進空腔814中。這些加熱元件820能夠將空腔814中的溫度提升至至少臨界溫度。根據一些示例性實施方式，使用外部電源890給加熱元件820供電，外部電源890可以耦接至基座810 ;但是，在其他示例性實施方式中，電源可以位于其他位置。
[0063]封蓋830可去除地定位在空腔814上方。根據一些示例性實施方式，封蓋830使用一個或多個鉸鏈832耦接至基座810。典型地，使用與制備壁812相同或相似的材料制備封蓋830。圖8A示出了處于閉合取向805的封蓋830，從而封蓋830的底面833放置在空腔814上方并且鄰近于基底810的頂面811。相反地，圖SB示出了處于打開取向807的封蓋830，從而現在的空腔814是可見的。
[0064]熔池850插入在熔池800的空腔814內。如在前所提及，熔池850包括托盤860和熔料870。托盤860的尺寸適合在熔池800的空腔814內。托盤860還包括在其中限定托盤空腔864的一個或多個托盤壁862。托盤860使用合適的材料制備，該合適的材料在經受上述工藝期間的溫度時不會損壞。
[0065]熔料870插入在托盤空腔864內，并且填充至一深度，使得當放置在托盤空腔864時熔料870完全包圍組件。熔料870的一個實例是硼硅酸鹽；但是，在不背離示例性實施方式的精神和范圍的情況下，可以使用其他合適的材料，例如某些磷酸鹽、錫、銅和氯化鈉。
[0066]圖9A是根據本發明的示例性實施方式示出當處理溫度930保持恒定時AETT分數910和處理時間920之間的關系的曲線圖900。參照圖9A，曲線圖900包括聲發射韌性檢測(AETT)分數軸910、處理時間軸920和時間限制曲線940。AETT分數軸910由y軸表示。處理時間軸920由X軸表示并且以分鐘為單位。時間限制曲線940圖示在曲線圖900上。在確定時間限制曲線940時，將處理溫度930保持恒定，同時使若干切割器或具有聚晶結構的組件經歷各種處理時 間920。然后在AETT檢測程序下檢測熱處理切割器以獲得每個熱處理切割器的對應AETT分數910。AETT檢測程序在2010年4月6日提交的名稱為“Acoustic Emission Toughness Testing For PDC, PCBN, Or Other Hard Or SuperhardMaterial Inserts”的美國專利申請N0.12/754，784中描述，其已經通過參考并入本文。將每個切割器的每個AETT分數910和對應的處理時間920繪制在曲線圖900上。然后，通過給每個測試的處理時間920的每個最高AETT分數910配置拋物線插值確定時間限制曲線940。
[0067]根據圖9A，在各個處理時間920和恒定的處理溫度930測試相同類型和品種的多個切割器。處理溫度930保持在恒定900°C。在0.5分鐘熱處理14個切割器。在0.75分鐘熱處理14個切割器。在2分鐘加熱處理12個切割器。雖然在不同時間熱處理特定數量的切割器，但是可以測試任何數量的切割器，使得獲得統計上有意義的樣本。然后，測試熱處理切割器以確定其各自的AETT分數910。將每個切割器的每個AETT分數910和對應的處理時間920繪制在曲線圖900上。然后通過給每個測試的處理時間920的每個最高AETT分數910配置拋物線插值確定時間限制曲線940。根據一些示例性實施方式，時間限制曲線940被確定為y=300299x2-729973x+698432。根據時間限制曲線940，處理0.5分鐘的切割器具有比處理0.75分鐘的切割器大的AETT分數。因此，處理0.75分鐘的切割器結構上比處理0.5分鐘的切割器好。因此，處理2分鐘的切割器結構上比處理0.5分鐘的切割器或者處理0.75分鐘的切割器差。在時間限制曲線940上的最低點找到熱處理時間周期591。因此，如曲線圖900確定，在900°C，熱處理溫度590為900°C，熱處理時間周期591為大約
1.22分鐘。
[0068]圖9B是根據本發明的示例性實施方式示出在處理時間920保持恒定時AETT分數910和處理溫度930之間的關系的曲線圖950。參照圖9B，曲線圖950包括聲發射韌性測試(AETT)分數軸910、處理溫度軸920和溫度限制曲線990。AETT分數軸910由y軸表示。處理溫度軸930由X軸表示并且以攝氏度為單位。溫度限制曲線990圖示在曲線圖950上。在確定溫度限制曲線990時，將處理時間920保持恒定，同時使若干切割器或具有聚晶結構的組件經歷各種處理溫度930。然后在AETT檢測程序下檢測熱處理切割器以獲得每個熱處理切割器的對應AETT分數910。AETT檢測程序在2010年4月6日提交的名稱為“Acoustic Emission Toughness Testing For PDC, PCBN, Or Other Hard Or SuperhardMaterial Inserts”的美國專利申請N0.12/754，784中描述，其已經通過參考并入本文。將每個切割器的每個AETT分數910和對應的處理溫度930繪制在曲線圖950上。然后，通過給每個測試的處理溫度930的每個最高AETT分數910配置拋物線插值確定溫度限制曲線990。
[0069]根據圖9B，在各個處理溫度930和恒定的處理時間920測試相同類型和品種的多個切割器。處理時間920保持在恒定10分鐘。在800°C熱處理11個切割器。在825°C加熱處理14個切割器。在850°C熱處理19個切割器。雖然在不同溫度熱處理特定數量的切割器，但是可以測試任何數量的切割器，使得獲得統計上有意義的樣本。然后，測試熱處理切割器以確定其各自的AETT分數910。將每個切割器的每個AETT分數910和對應的處理溫度930繪制在曲線圖950上。然后通過給每個測試的處理溫度930的每個最高AETT分數910配置拋物線插值確定溫度限制曲線990。根據一些示例性實施方式，溫度限制曲線990被確定為y=2310.5x2-(4E+6) x+(2E+9)。根據溫度限制曲線990，在800°C處理的切割器具有比在825°C處理的切割器大的AETT分數。因此，在825°C處理的切割器結構上比在800°C處理的切割器好。附加地，在850°C處理的切割器具有比在800°C處理的切割器或者在825°C處理的切割器大的AETT分數。因此，850°C處理的切割器結構上比在800°C處理的切割器或者處在825°C處 理的切割器差。在溫度限制曲線990的最低點找到熱處理溫度590。因此，如曲線圖950確定，在10分鐘，熱處理時間周期591為10分鐘，熱處理溫度590為大約823 °C。
[0070]本文公開的本發明的一些實施方式代表在聚晶復合片金剛石(P⑶)切割器應力釋放高溫循環方面的基本提高。根據不同PCD的組成物和顆粒尺寸分布(晶粒尺寸)，將熱處理時間周期和熱處理溫度的唯一組合限定為執行最有利的應力釋放循環。
[0071]雖然已經詳細描述了每個示例性實施方式，但是應該解釋可應用于一個實施方式的任何特征和修改也可應用于其他實施方式。此外，雖然已經參照特定實施方式描述了本發明，但是這些描述并不意指限制意義上的解釋。一旦參考示例性實施方式的描述，對于所屬領域技術人員而言，公開的實施方式的各種修改以及本發明的備選實施方式將變得顯而易見。所屬領域技術人員應該理解，公開的概念和特定實施方式可以容易地用作修改或設計執行與本發明相同目的的其他結構或方法的基礎。所屬領域技術人員應該意識到這種等效結構并不背離所附權利要求闡述的本發明的精神和范圍。因此，應該預料到權利要求將覆蓋落入本發明的范圍內的任何這樣的修改或實施方式。
【權利要求】
1.一種用于降低出現在組件中的殘余應力的后制備方法，所述方法包括: 從組件類別獲得一個或多個組件，每個組件包括襯底、耦接至襯底的聚晶結構和在其中形成的多個殘余應力； 使用所述一個或多個組件確定組件類別的臨界溫度和臨界時間周期，所述臨界溫度和臨界時間周期是當組件變得結構上損壞時的溫度和時間周期； 基于所述臨界溫度和臨界時間周期確定組件類別的熱處理溫度和熱處理時間周期；以及 對一個或多個剩余組件執行高溫熱處理工藝，其中在大約熱處理時間周期內將所述一個或多個剩余組件加熱至大約熱處理溫度， 其中所述組件和所述剩余組件是組件類別的代表。
2.根據權利要求1所述的方法，其中所述熱處理溫度為臨界溫度的一定百分比。
3.根據權利要求2所述的方法，其中所述熱處理溫度范圍從臨界溫度的大約85%至大約98%，并且大于750°C。
4.根據權利要求 2所述的方法，其中所述熱處理溫度范圍從臨界溫度的大約85%至大約98%，并且大于850°C。
5.根據權利要求1所述的方法，其中所述熱處理溫度范圍從低于臨界溫度大約10°C至大約100°C，并且大于750°C。
6.根據權利要求1所述的方法，其中所述熱處理溫度范圍從低于臨界溫度大約10°C至大約100°C，并且大于850°C。
7.根據權利要求1所述的方法，其中所述熱處理時間周期為臨界時間周期的一定百分比。
8.根據權利要求7所述的方法，其中所述熱處理時間周期范圍從臨界時間周期的大約30%至大約98%，并且小于30分鐘。
9.根據權利要求7所述的方法，其中所述熱處理時間周期范圍從臨界時間周期的大約30%至大約98%，并且小于大約10分鐘。
10.根據權利要求1所述的方法，其中所述熱處理溫度和熱處理時間周期中的至少一個分別小于臨界溫度和臨界時間周期，而另一個分別等于或大于臨界溫度和臨界時間周期，在確定組件類別的臨界溫度和臨界時間周期時測試熱處理溫度和熱處理時間周期。
11.根據權利要求1所述的方法，其中使用所述一個或多個組件確定組件類別的臨界溫度和臨界時間周期包括: 在第一溫度和時間循環期間加熱和冷卻第一組件，所述第一溫度和時間循環包括溫度組件和時間周期組件； 確定第一組件的結構整體性； 在不同溫度和時間循環期間加熱和冷卻不同組件，所述不同溫度和時間循環包括不同于所述第一溫度和時間循環的溫度組件和時間周期組件的溫度組件和時間周期組件中的至少一個； 確定不同組件的結構整體性；以及 繼續加熱和冷卻不同組件并且確定不同組件的結構整體性，直到確定導致不同組件的結構整體性失敗的最低的不同溫度和時間循環，最低的不同溫度和時間循環提供臨界溫度和臨界時間周期。
12.根據權利要求1所述的方法，其中對一個或多個剩余組件執行高溫熱處理工藝包括: 將一個或多個剩余組件加熱至大約熱處理溫度； 在大約熱處理時間周期內將所述一個或多個剩余組件保持在大約熱處理溫度；以及 冷卻所述一個或多個剩余組件。
13.根據權利要求12所述的方法，其中將一個或多個剩余組件加熱至大約熱處理溫度包括: 將一個或多個剩余組件加熱至中間溫度；以及 將所述一個或多個剩余組件從中間溫度加熱至熱處理溫度。
14.根據權利要求13所述的方法，其中將所述一個或多個剩余組件從中間溫度加熱至熱處理溫度是快速的。
15.根據權利要求12所述的方法，其中將所述一個或多個剩余組件加熱至熱處理溫度是快速的。
16.根據權利要求12所述的方法，其中將所述一個或多個剩余組件加熱至大約熱處理溫度包括將所述一個或多個剩余組件降至包括熔料的熔池中，熔料的溫度處于熱處理溫度，所述一個或多個剩余組件被熔料包圍。
17.根據權利要求16所述的方法，其中熔料包括熔融的金屬、氯化鈉和硼硅酸鹽中的至少一個。
18.根據權利要求12所述的方法，其中利用誘導器執行將一個或多個剩余組件加熱至大約熱處理溫度。
19.根據權利要求1所述的方法，還包括在對所述一個或多個剩余組件執行高溫熱處理工藝之后，從所述一個或多個組件的聚晶結構去除至少一部分的催化劑材料。
20.根據權利要求1所述的方法，還包括在對所述一個或多個剩余組件執行高溫熱處理工藝之前，從所述一個或多個組件的聚晶結構去除至少一部分的催化劑材料。
21.一種用于降低出現在組件中的殘余應力的后制備方法，所述方法包括: 獲得一個或多個組件，每個組件包括襯底、耦接至襯底的聚晶結構和在其中形成的多個殘余應力；以及 在熱處理時間周期內使組件經歷熱處理溫度， 其中所述熱處理溫度范圍從大約750°C至大約900°C，以及所述熱處理時間周期小于15分鐘。
22.根據權利要求21所述的方法，其中所述熱處理時間周期范圍在大約30秒和大約10分鐘之間。
23.根據權利要求21所述的方法，其中所述熱處理溫度范圍從800°C至大約850°C，以及所述熱處理時間周期范圍在大約30秒和大約10分鐘之間。
24.根據權利要求21所述的方法，其中在熱處理時間周期內使組件經歷熱處理溫度包括: 將組件降至包括熔料的熔池中，所述熔料的溫度處于熱處理溫度，所述組件被熔料包圍。
25.根據權利要求24所述的方法，其中所述熔料包括熔融的金屬、氯化鈉和硼硅酸鹽中的至少一個。
26.根據權利要求21所述的方法，其中在熱處理時間周期內使組件經歷熱處理溫度發生在小于15分鐘內。
27.一種用于降低出現在組件中的殘余應力的后制備方法，所述方法包括: 獲得一個或多個組件，每個組件包括襯底、耦接至襯底的聚晶結構和在其中形成的多個殘余應力； 獲得熔爐和在其中包括熔料的熔池，所述熔池放置在熔爐中并且被加熱至熱處理溫度； 在熱處理時間周期內將每個組件放置在熔池內，每個組件完全地浸入在熔池中；以及 將每個組件從熔爐去除。
28.根據權利要求27所述的方法，其中所述熱處理時間周期范圍從750°C至大約900°C，并且所述熱處理時間周期小于15分鐘。
29.—種后制備熱處理切割器，包括: 襯底； 耦接至襯底的聚晶結構；以及 出現在襯底和聚晶結構中的 多個殘余應力，該殘余應力的量與出現在后制備熱處理工藝之前的殘余應力的量相比降低，所述后制備熱處理工藝包括: 在熱處理時間周期內使切割器經歷熱處理溫度；以及 讓切割器冷卻以形成后制備熱處理切割器， 其中所述熱處理溫度范圍從750°C至大約900°C，并且所述熱處理時間周期小于15分鐘。
30.根據權利要求29所述的后制備熱處理切割器，其中在熱處理時間周期內使切割器經歷熱處理溫度包括: 將所述切割器降至包括熔料的熔池內，所述熔料的溫度處于熱處理溫度，所述切割器被熔料包圍。
31.根據權利要求30所述的后制備熱處理切割器，其中所述熔料包括熔融的金屬、氯化鈉和硼硅酸鹽中的至少一個。
【文檔編號】C21D9/00GK103468912SQ201310117634
【公開日】2013年12月25日 申請日期:2013年4月7日 優先權日:2012年4月5日
【發明者】F·貝林, V·欽塔曼內尼 申請人:威達國際工業有限合伙公司