DIAMANTE POLICRISTALINO CON UNA SUPERFICIE REDUCIDA DE MATERIAL CATALIZADOR.

Un elemento de diamante policristalino elemento que comprende un cuerpo de cristales de diamante enlazados unidos a un substrato de material menos duro,

una superficie de trabajo sobre el cuerpo, en el que un primer volumen del cuerpo lejano de la superficie de trabajo contiene un material catalizador, un segundo volumen del cuerpo adyacente a la superficie de trabajo está sustancialmente libre del material catalizador, el material catalizador remanente dentro del segundo volumen del cuerpo disminuye de manera continua con la distancia del primer volumen y se adhiere a las superficies de los cristales de diamante, en el que el segundo volumen se extiende hasta una profundidad de al menos 0,1 mm de la superficie de trabajo

Diamante policristalino con una superficie reducida de material catalizador.

Antecedentes de la invención

La invención se refiere a elementos de material policristalino superduros para desgaste, corte, extracción, y otras aplicaciones donde las superficies superduras de ingeniería son necesarias. La invención particularmente se refiere a elementos de diamante policristalino y de tipo diamante policristalino (llamado colectivamente PCD) con una resistencia al desgaste mejorada en gran medida y los procedimientos de fabricación de ellos.

Se conocen los elementos de diamante policristalino y de tipo diamante policristalino, para los propósitos de esta memoria descriptiva, como Elementos de PCD. Los elementos de PCD se forman a partir de materiales basados en carbono con excepcionalmente cortas distancias interatómicas entre los átomos vecinos. Un tipo de material de tipo diamante policristalino se conoce como nitruro de carbono (CN) descrito en la Patente de Estados Unidos Nº. 5.776.615. Otra forma, más comúnmente usada de PCD se describe en más detalle más adelante. En general, los elementos de PCD se forman a partir de materiales procesados bajo alta temperatura y alta presión en una matriz policristalina de cristales basados en carbono superduros interligados. Una característica común de los elementos de PCD es el uso de materiales catalizadores durante su formación, el resto a partir del cual, a menudo impone un limite sobre el máximo usado útil que trabaja a temperatura del elemento mientras está en servicio.

Una forma bien conocida, fabricada de elemento de PCD es un elemento de PCD de dos capas o múltiples capas donde una tabla enfrente de diamante policristalino está unida integralmente a un sustrato de menos material duro, tal como carburo de tungsteno. El elemento de PCD puede estar en la forma de un comprimido circular o en parte circular, o se puede formar en otras formas, adecuadas para aplicaciones tales como troqueles huecos, disipadores de calor, cojinetes de fricción, superficies de válvulas, indentores, mandriles de herramientas, etc. Elementos de PCD de este tipo se pueden usar en casi cualquier aplicación donde se requiere un material duro resistente al desgaste y erosión. El sustrato del elemento de PCD se puede soldar fuertemente a un vehículo, a menudo también de carburo de tungsteno cementado. Esto es una configuración común para los PCD usados como elementos de corte, por ejemplo en partes de taladro de tierra de cortador fijo o cortador rodante cuando se recibe en una encajadura de una parte del taladro, o cuando se fija a un puesto en una herramienta de la máquina para trabajar a máquina. Estos elementos de PCD se llaman típicamente los PDC.

Otra forma de elemento de PCD es un elemento de PCD unitario sin un sustrato integral donde una mesa de diamante policristalino se fija a una herramienta o superficie de desgaste mediante medios mecánicos o un procedimiento de unión. Estos elementos de PCD difieren de los anteriores en que las partículas de diamante están presentes a lo largo de todo el elemento. Estos elementos de PCD pueden mantenerse en el sitio mecánicamente, pueden estar incrustados dentro de un elemento de PCD mayor que tiene un sustrato, o, como alternativa, se pueden fabricar con una capa metálica que puede estar unida con un procedimiento de soldadura fuerte o soldadura. Una pluralidad de estos elementos de PCD se puede preparar a partir de un único PCD, como se muestra, por ejemplo, en las Patentes de Estados Unidos números 4.481.016 y 4.525.179 incorporadas en el presente documento por referencia para todo lo que desvelan.

Los elementos de PCD están muy a menudo formados por polvo de diamante de sinterización con un catalizador de material de unión adecuado a alta presión, prensado a alta temperatura. Un procedimiento particular de formación de este diamante policristalino se describe en la Patente de Estados Unidos Nº 3.141.746 incorporada en el presente documento por referencia para todo lo que desvela. En un procedimiento común para fabricar los elementos de PCD, se aplica polvo de diamante a la superficie de un sustrato de carburo de tungsteno formado previamente que incorpora cobalto. El ensamblaje se somete después a una temperatura muy alta y presión en una prensa. Durante este procedimiento, el cobalto migra desde el sustrato en la capa de diamante y actúa como un material catalizador de unión, provocando que las partículas de diamante se unan entre sí con la unión de diamante a diamante, y también provocando que la capa de diamante se una al sustrato.

El elemento de PCD completado tiene al menos una matriz de cristales de diamante unidos entre sí con muchos intersticios que contienen un metal de material catalizador de unión metal como se ha descrito anteriormente. Los cristales de diamante comprenden una primera matriz continua de diamante, y los intersticios de una segunda matriz continua de intersticios que contienen el material catalizador de unión. Además, son necesariamente una áreas relativamente pocas donde el desarrollo de diamante a diamante tiene encapsulado algo de material catalizador de unión. Estas "islas" no participan de la matriz intersticial del material catalizador de unión.

En una forma común, el elemento de diamante constituye un 85% a 95% en volumen y el material catalizador de unión el otro 5% a 15%. Tal elemento se puede someter a degradación térmica debido a la expansión térmica diferencial entre el material catalizador de unión de cobalto intersticial y matriz de diamante que comienza a temperaturas de aproximadamente 400 grados C. Tras la expansión suficiente la unión diamante a diamante se puede romper y agrietar y se pueden producir virutas.

También en el diamante policristalino, la presencia del material catalizador de unión en las regiones intersticiales que se adhieren a los cristales de diamante de la matriz de diamante conduce a otra forma de degradación térmica. Debido a la presencia del material catalizador de unión, el diamante ocasiona que se grafitice a medida que la temperatura aumenta, típicamente limitando la temperatura de operación hasta aproximadamente 750 grados Centígrados.

Aunque el cobalto se usa la mayoría de las veces como el material catalizador de unión, se puede usar cualquier elemento del grupo VIII, incluyendo cobalto, níquel, hierro, y sus aleaciones.

Para reducir la degradación térmica, los llamados componentes de diamante policristalino "térmicamente estables" se han producido como elementos de PCD preformados para elementos de corte y/o resistentes al desgaste, como se describe en la patente de Estados Unidos Nº 4.224.380 incorporada en el presente documento por referencias para todo lo que desvela. En un tipo de elemento de PCD "térmicamente estable" el cobalto u otro material catalizador de unión en diamante policristalino convencional se extrae por lixiviación a partir de la matriz intersticial continua después de la formación. Aunque esto puede incrementar la resistencia a la temperatura del diamante hasta aproximadamente 1200 grados C, el procedimiento de lixiviación también elimina el sustrato de carburo cementado. Además, debido a que no existe sustrato integral u otra superficie que se pueda unir, existen graves dificultades en el montaje de tal material para uso en la operación.

Los procedimientos de fabricación para este elemento de PCD "térmicamente estable" típicamente producen densidades de diamante relativamente bajas, del orden de 80% o menos. Esta baja densidad de diamante permite un procedimiento de lixiviación completo, pero la parte resultante terminada es típicamente relativamente débil en la resistencia al impacto.

En una forma alternativa de diamante policristalino térmicamente estable, se usa el silicio como el material catalizador. El procedimiento para preparar diamante policristalino con un material catalizador de silicio es completamente similar al descrito anteriormente, excepto que en las temperaturas y presiones de síntesis, la mayoría del silicio se hace reaccionar para formar carburo de silicio, que no es un material catalizador eficaz. Se mejora algo la resistencia térmica, pero todavía se produce la degradación térmica debido a algo de silicio residual remanente, en general distribuido de manera uniforme en los intersticios de la matriz intersticial. De nuevo, existen problemas de montaje con este tipo de elemento de PCD debido a que no existe superficie que se pueda unir.

Más recientemente, ha llegado a estar disponible un...

1. Un elemento de diamante policristalino elemento que comprende un cuerpo de cristales de diamante enlazados unidos a un substrato de material menos duro, una superficie de trabajo sobre el cuerpo, en el que un primer volumen del cuerpo lejano de la superficie de trabajo contiene un material catalizador, un segundo volumen del cuerpo adyacente a la superficie de trabajo está sustancialmente libre del material catalizador, el material catalizador remanente dentro del segundo volumen del cuerpo disminuye de manera continua con la distancia del primer volumen y se adhiere a las superficies de los cristales de diamante, en el que el segundo volumen se extiende hasta una profundidad de al menos 0,1 mm de la superficie de trabajo.

2. El elemento de diamante policristalino de la Reivindicación 1, en el que el segundo volumen se extiende hasta una profundidad de entre aproximadamente 0,2 mm y aproximadamente 0,3 mm de la superficie de trabajo.

3. El elemento de diamante policristalino de la Reivindicación 1, en el que el segundo volumen del cuerpo tiene una densidad de volumen media de los cristales de diamante unidos que es mayor que una densidad de volumen media de los cristales de diamante unidos del cuerpo entero.

4. El elemento de diamante policristalino de Reivindicación 1, en el que el cuerpo comprende una matriz intersticial, y en el que una parte de la matriz intersticial localizada dentro del primer volumen contiene el material catalizador, y la parte de la matriz intersticial localizada dentro del segundo volumen está sustancialmente libre del material catalizador.

5. El elemento de diamante policristalino de Reivindicación 1, en el que los cristales de diamante en el segundo volumen alejados del primer volumen tienen menos material catalizador que se adhiere a sus superficies que los cristales de diamante en el segundo volumen que son adyacentes al primer volumen.

6. El elemento de diamante policristalino de Reivindicación 1, en el que el elemento menos duro es carburo de tungsteno cementado.

7. Un Elemento de PCD según la Reivindicación 1, que comprende un elemento de corte preformado que tiene una tabla enfrente y una superficie de corte, en el que la superficie de trabajo comprende una superficie de la superficie de corte.

8. Un Elemento de PCD según la Reivindicación 7, en el que el elemento de corte está montado tras una cara de corte de un elemento de perforación de tipo corte fijo.

9. Un Elemento de PCD según la Reivindicación 7, en el que el elemento de corte está montado tras un cuerpo de elemento de perforación de tipo corte rodante.

10. Un Elemento de PCD según la Reivindicación 1, que comprende un elemento de corte con una superficie de corte adaptada para s uso como una inserción de corte en una operación de trabajo a máquina, en el que la superficie de trabajo comprende una parte de la superficie de corte.

11. Un Elemento de PCD según la Reivindicación 1, que comprende un troquel de extracción, en el que la superficie de trabajo comprende una parte de la superficie de contacto del troquel de extracción.

12. Un Elemento de PCD según la Reivindicación 1, que comprende un disipador de calor.

13. Un Elemento de PCD según la Reivindicación 1, que comprende un dispositivo seleccionado entre el grupo constituido por una superficie de válvula, indentor, mandril de herramientas, y elemento de desgaste para un dispositivo de medición.