PDC切割器的高温高加热速率处理 |
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| 申请号 | CN201310117634.0 | 申请日 | 2013-04-07 | 公开(公告)号 | CN103468912A | 公开(公告)日 | 2013-12-25 |
| 申请人 | 威达国际工业有限合伙公司; | 发明人 | F·贝林; V·钦塔曼内尼; | ||||
| 摘要 | 本 发明 提供PDC 切割器 的高温高加热速率处理。一种用于降低出现在组件中的残余应 力 的后制备方法和设备。该组件包括衬底、耦接至衬底的聚晶结构和出现在其中的残余 应力 。该方法包括从组件类别获得组件，确定组件类别的组件结构上损坏的临界 温度 和临界时间周期，基于 临界温度 和临界时间周期确定 热处理 温度和热处理时间周期，及在热处理时间周期内将来自组件类别的一个或多个剩余组件加热至热处理温度。该设备包括限定加热腔室的加热器和位于加热腔室中的熔池。组件放置在预加热的熔池中并且在加热处理时间周期的加热至热处理温度期间与 氧 气隔离。 | ||||||
| 权利要求 | 1.一种用于降低出现在组件中的残余应力的后制备方法，所述方法包括： |
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| 说明书全文 | PDC切割器的高温高加热速率处理[0001] 相关申请 [0002] 本申请涉及2010年4月6日提交的美国专利申请No.12/754,784“PDC,PCBN或其它超硬材料插入物声发射韧性测试”（Acoustic Emission Toughness Testing For PDC,PCBN,Or Other Hard Or Superhard Material Inserts），其通过参考并入本文。 技术领域背景技术[0004] 聚晶金刚石复合片（PDC）已经被用于包括凿岩应用和金属加工应用的工业领域中。这种复合片已经相对于其他类型的切割元件表现出优势，例如更好的耐磨性和冲击阻力。在存在促进金刚石-金刚石结合的催化剂/溶剂的情况下，可以通过在被称为“金刚石稳定范围”的高压和高温（HPHT）条件下将单个金刚石颗粒烧结在一起而形成PDC，“金刚石稳定范围”典型地在40千巴之上以及在1200摄氏度和2000摄氏度之间。用于烧结金刚石复合片的催化剂/溶剂的一些实例是钴、镍、铁和其他第8族金属。PDC通常具有大于70%体积百分比的金刚石含量，其中80%至98%是典型的。根据一个实例，无衬的PDC可以机械结合至工具（未示出）。备选地，将PDC结合至衬底，从而形成PDC切割器，该切割器典型地嵌入或安装至测井下井仪（未示出），例如钻头或钻孔器。 [0005] 图1根据现有技术示出了具有聚晶金刚石（PCD）切割台110或复合片的PDC切割器100的侧视图。即使在示例性实施方式中描述了PCD切割台110，将包括聚晶氮化硼（PCBN）复合片的其它类型的切割台使用在备选类型的切割器中。参照图1，PDC切割器100典型地包括PCD切割台110和耦接至PCD切割台110的衬底150。PCD切割台110为大约10万分之一英寸（2.5毫米）厚；然而，厚度根据使用PCD切割台110的应用可变化。 [0006] 衬底150包括顶面152、底面154和从顶面152的轴线延伸至底面154的周线的衬底外壁156。PCD切割台110包括切割面112、相对面114和从切割面112的周线延伸至相对面114的周线的PCD切割台外壁116。PCD切割台110的相对面114耦接至衬底150的顶面152。典型地，PCD切割台110使用高压和高温（HPHT）按压耦接至衬底150。然而，可以使用所属领域技术人员已知的其他方法将PCD切割台110耦接至衬底150。在一个实施方式中，一旦将PCD切割台110耦接至衬底150，PCD切割台150的切割面112基本上就平行于衬底的底面154。附加地，将PDC切割器100图示为具有正圆柱形形状；然而，在其他示例性实施方式中，将PDC切割器100成形为其他几何或非几何形状。在某些示例性实施方式中，相对面114和顶面152基本上是平面的；然而，在其他示例性实施方式中，相对面114和顶面152是非平面的。附加地，根据一些示例性实施方式，围绕切割面112的至少一部分周线形成斜面（未示出）。 [0007] 根据一个实例，通过独立地形成PCD切割台110和衬底150然后将PCD切割台110结合至衬底150而形成PDC切割器100。备选地，开始形成衬底150，随后通过将聚晶金刚石粉末放置在顶面152上并使聚晶金刚石粉末和衬底150经受高温和高压工艺而将PCD切割台110形成在衬底150的顶面152上。备选地，大约同时将衬底150和PCD切割台110形成和结合在一起。虽然已经简单提及了一些形成PDC切割器100的方法，但是可以使用所属领域技术人员已知的其他方法。 [0008] 根据形成PDC切割器100的一个实例，通过使金刚石粉末层和碳化钨和钴粉的混合物经历HPHT条件而将PCD切割台110形成和结合至衬底150。钴典型地与碳化钨混合并被定位在形成衬底150的位置处。金刚石粉末放置在钴和碳化物混合物的顶部并且被定位在形成PCD切割台110的位置处。然后，使整个粉末混合物经历HPHT条件，从而使得钴熔化并促进碳化钨的胶接或粘合以形成衬底150。熔化的钴也扩散或渗透到金刚石粉末中，并且充当合成金刚石结合键以及形成PCD切割台110的催化剂。因此，钴既充当胶接碳化钨的粘合剂，又充当烧结金刚石粉末以形成金刚石-金刚石结合键的催化剂/溶剂。钴还促进PCD切割台110和胶接的碳化钨衬底150之间的有力结合。 [0009] 钴已经成为PDC制备工艺的优选元素。传统的PDC制备工艺使用钴作为形成衬底150的粘合剂材料以及作为金刚石合成的催化剂材料，原因在于在这些工艺中大量知识涉及使用钴。大量知识和工艺需要之间的共同作用导致使用钴作为粘合剂材料和催化剂材料。然而，如本领域所已知那样，可以使用诸如铁、镍、铬、锰和钽的备选金属以及其他合适的材料作为金刚石合成的催化剂。当使用这些备选材料作为金刚石合成的催化剂以形成PCD切割台110时，典型地，使用钴或诸如镍铬合金或铁的一些其他材料作为粘合剂材料以使碳化钨胶接形成衬底150。虽然，已经作为实例提供了诸如碳化钨和铬的一些材料，但是可以使用所属领域技术人员已知的其他材料来形成衬底150、PCD切割台110以及形成衬底150和PCD切割台110之间的结合。 [0010] 图2是根据现有技术的图1的PCD切割台110的示意性微结构图。参照图1和2，PCD切割台110具有结合至其他金刚石颗粒210的金刚石颗粒210、形成在金刚石颗粒210之间的一个或多个间隙空间212以及沉积在间隙空间212中的钴214。在烧结工艺中，间隙空间212或空隙形成在碳-碳结合键之间并且位于金刚石颗粒210之间。钴214扩散进金刚石粉末中导致钴214沉积在这些间隙空间212中，这些间隙空间在烧结工艺中形成在PCD切割台110中。 [0011] 一旦PCD切割台110形成并置于运行状态，熟知PCD切割台110在温度达到临界温度时快速磨损。该临界温度为大约750摄氏度并且当PCD切割台110切割岩层或其他已知材料时就能达到。高磨损速率被认为是由金刚石颗粒210和钴214之间的热膨胀速率的差异，以及发生在钴214和金刚石颗粒210之间的化学反应或石墨化导致的。金刚石颗粒-6 -1 -1 -1 -1210的热膨胀系数为大约1.0x10 毫米 ·开尔文 （mm K ），而钴214的热膨胀系数为大-6 -1 -1 约13.0x10 mm K 。因此，钴214在温度超过该临界温度时比金刚石颗粒210膨胀快很多，从而使得金刚石颗粒210之间的结合不稳定。PCD切割台110通常在温度超过大约750摄氏度时变得热退化，并且其切割效率显著降低。 [0012] 不管使用哪种工艺来制备PDC切割器100，在PDC切割器100冷却之后，在PCD切割台110、衬底150上和两者之间的界面处都产生热残余应力。这些热残余应力通常至少是由于PCD切割台110和衬底150之间不同的热膨胀速率形成的。PCD切割台110和衬底150上产生的热残余应力通常能够在钻井条件下导致PDC切割器100破裂或分层。 [0013] 已经努力降低形成的残余应力并提高切割器的韧性。典型地，切割器在空气或惰性气体环境中在从500℃高至700℃范围的温度下进行热循环大约几个小时。切割器的温度缓慢地提高至500℃至700℃等级，将该温度保持一段时间周期（大于30分钟），然后缓慢降低以避免热冲击。在循环期间在不毁坏切割器的情况下温度达到得越高，降低切割器中残余应力所获得的结果越好。然而，这些应力释放循环的效率受到在不具有负面影响金刚石层或切割面的整体性的情况下能够达到的最大温度的限制。降低这些残余应力供给PDC切割器具有更好的结构整体性并可持续更长的时间。附图说明 [0014] 在结合附图进行阅读时，参考某些示例性实施方式的下面的描述，最好地理解本发明的前述或其他特征和方面，其中： [0015] 图1根据现有技术示出了具有PCD切割台的PDC切割器的侧视图； [0016] 图2是根据现有技术的图1的PCD切割台的示意性微结构图； [0018] 图4是根据本发明的示例性实施方式图示临界温度和时间周期确定方法的流程图； [0019] 图5是根据本发明示例性实施方式图示经历各种温度和时间循环的若干组件的结构整体性的图表； [0021] 图7是根据本发明的另一示例性实施方式图示高温热处理工艺的流程图； [0022] 图8A是根据本发明的示例性实施方式的处于闭合取向的熔炉的透视图； [0023] 图8B是根据本发明的示例性实施方式的处于打开取向的图8A的熔炉的透视图，其带有定位在熔炉中的熔池； [0024] 图9A是根据本发明的示例性实施方式示出当处理温度保持恒定时AETT分数和处理时间之间的关系的曲线图；以及 [0025] 图9B是根据本发明的示例性实施方式示出当处理时间保持恒定时AETT分数和处理温度之间的关系的曲线图。 [0026] 附图仅仅图示了本发明的示例性实施方式，因而并不看作其范围的限制，因为本发明可以允许其他等效实施方式。 具体实施方式[0027] 本发明大体涉及具有聚晶结构的切割器；并且更具体地，涉及用于降低出现在切割器中的残余应力的后制备方法和设备，以及涉及在其制备之后一旦经历处理就具有降低的残余应力的切割器。虽然以下结合聚晶金刚石复合片（PDC）切割器提供了示例性实施方式的说明，但是可以将本发明的备选实施方式应用于具有包括但不限于聚晶氮化硼（PCBN）切割器或PCBN复合片的聚晶结构的其他类型的切割器或组件。如前所述，复合片可安装至衬底以形成切割器，或者可直接安装至用于执行切割工艺的工具。通过参照附图阅读下面的非限制性示例性实施方式的说明更好地理解本发明，其中每幅图的相似部件用相似的参考标号表示，并且如下简要描述。 [0028] 图3是根据本发明的示例性实施方式图示残余应力降低方法300的流程图。虽然图3示出了以某个顺序描绘的系列步骤，但是可以重新布置一个或多个步骤的顺序，将其组合成更少的步骤，和/或将其拆分成比其他示例性实施方式中所示更多的步骤。参照图3，残余应力降低方法300在步骤310开始。一旦开始步骤310，残余应力降低方法300进行至步骤320。 [0029] 在步骤320，从组件类别获得一个或多个组件。每个组件包括衬底、耦接至衬底的聚晶结构和在其中形成的多个残余应力。一个组件实例是上述PDC切割器100（图1），然而，其他组件可以用来代替PDC切割器100（图1）。在一些示例性实施方式中，根据制备聚晶结构的晶粒尺寸将组件归类在组件类别里。然而，在其他示例性实施方式中，可以使用一些其他选择标准将组件归类到不同组件类别。来自相同组件类别的组件典型地展现出相似的特性，从而使得来自一个组件的聚晶结构的韧性和整体性对来自相同组件类别的其他组件的韧性和整体性的是可预测的。这里提及的衬底类似于上述衬底150（图1），因此为了简要不再重复。这里提及的聚晶结构类似于上述PCD切割台110（图1），因此为了简要不再重复。虽然在前已描述了这些组件，但是在不背离示例性实施方式的范围和精神的情况下，可以使用其他相似类型的组件。以上也已经描述了残余应力的形式，为了简要不再重复。残余应力形成在衬底的聚晶结构中，并且在聚晶结构和衬底的界面处。残余应力量的增加导致组件韧性减少，并且在钻井处理期间所见的较高温度下变得容易损坏。减小残余应力的量有利于这些组件，例如PDC切割器，因为它们能够在较高温下运行较长周期，因而提供较大的返利。 [0030] 在某些备选的示例性实施方式中，将所属领域技术人员已知的一个或多个过渡层设置在聚晶结构和衬底之间。此外，在某些备选的示例性实施方式中，组件的聚晶结构的至少一部分具有至少一些催化剂材料，该催化剂材料通过滤取工艺或其他催化剂去除工艺从其中去除。一些滤取工艺对于所属领域技术人员而言是已知的，但是在不背离示例性实施方式的范围和精神的情况下，可以将任何滤取工艺或电化学去除工艺用在组件上以从聚晶结构去除催化剂材料。 [0031] 残余应力降低方法300进行至步骤330。在步骤330，在组件上执行临界温度和时间周期确定方法，以确定组件类别的临界温度和临界时间周期。临界温度和临界时间周期分别是组件结构上损坏时的温度和时间周期。以下将参照图4和5进一步详细地描述临界温度和时间周期。 [0032] 残余应力降低方法300进行至步骤340。在步骤340，基于临界温度和临界时间周期确定用于组件类别的热处理温度和热处理时间周期。根据一些示例性实施方式，将热处理温度确定为大约临界温度的95%。根据一些示例性实施方式，将热处理时间周期确定为大约临界时间周期的95%。在某些示例性实施方式中，热处理温度范围从临界温度的大约95%至大约98%，但是保持在750℃以上。在其他示例性实施方式中，热处理温度范围从临界温度的大约95%至大约98%，但是保持在850℃以上。在某些示例性实施方式中，热处理时间周期范围从临界时间周期的大约30%至大约98%。在其他示例性实施方式中，热处理时间周期范围从临界时间周期的大约30%至大约98%，但是小于30分钟。例如，如果临界温度为850℃并且临界时间周期为10分钟，那么热处理温度可以是800℃，其高于750℃的下限，并且热处理时间周期可以是5分钟。因此，热处理温度和热处理时间周期均落在该可接受的范围内。备选地，在其他示例性实施方式中，临界温度或临界时间周期中的一个对应地变为热处理温度或热处理时间周期，而另一个降低到上述范围中任何一个点。因此，根据上述提供的实例，热处理温度可以是850℃，其与临界温度相同，且热处理时间周期可以是5分钟，其是临界时间周期的50%。备选地，在再一示例性实施方式中，临界温度或临界时间周期中的一个降低至上述提供的范围，而只要已经测试过组合并且结果表明组件的更好结构整体性或者出现在其中较少的残余应力，当确定热处理温度和热处理时间周期时，就降低、保持或者甚至增加临界温度或临界时间周期中的另一个。 [0033] 在其他示例性实施方式中，将热处理温度确定为比临界温度小大约50℃。根据一些示例性实施方式，将热处理时间周期确定为比临界时间周期小大约5分钟。在某个示例性实施方式中，热处理温度范围从比临界温度小大约10℃至大约100℃，但是保持高于750℃。在其他示例性实施方式中，热处理温度范围从比临界温度小大约10℃至大约100℃，但保持高于850℃。在某些示例性实施方式中，热处理时间周期范围从比临界时间周期小大约2分钟至大约10分钟。在其他示例性实施方式中，热处理时间周期范围从比临界时间周期小大约2分钟至大约10分钟，但是小于30分钟。例如，如果临界温度为850℃并且临界时间周期为10分钟，则热处理温度可以是800℃，其高于750℃的下限，并且热处理时间周期可以是5分钟。因此，热处理温度和热处理时间周期均落在可接受的范围内。备选地，在其他示例性实施方式中，临界温度或临界时间周期中的一个对应地变为热处理温度或热处理时间周期，而另一个降低至上述范围中的任何一个点。因此，根据上述提供的实例，热处理温度可以是850℃，其与临界温度相同，并且热处理时间周期可以是5分钟，其比临界时间周期小5分钟。备选地，在再一示例性实施方式中，临界温度或临界时间周期中的一个降低至上述提供的范围，而只要已经测试过组合并且结果表明组件的更好结构整体性或者出现在其中较少的残余应力，当确定热处理温度和热处理时间周期时，就降低、保持或者甚至增加临界温度或临界时间周期中的另一个。 [0034] 根据一些示例性实施方式，热处理温度范围从大约750℃至大约900℃，并且热处理时间周期范围从大约30秒至小于30分钟。根据一些其他示例性实施方式，热处理温度范围从大约750℃至大约900℃，并且热处理时间周期范围从大约30秒至小于15分钟。根据再一些其他示例性实施方式，热处理温度范围从大约750℃至大约900℃，并且热处理时间周期范围从大约30秒至小于10分钟。根据进一步示例性实施方式，热处理温度范围从大约800℃至大约900℃，并且热处理时间周期范围从大约30秒至小于15分钟。根据进一步示例性实施方式，热处理温度范围从大约850℃至大约900℃，并且热处理时间周期范围从大约30秒至小于15分钟。根据一些进一步的示意性实施方式，热处理温度范围从大约850℃至大约900℃，并且热处理时间周期范围从大约30秒至小于30分钟。 [0035] 残余应力降低方法300进行至步骤350。在步骤350，在一个或多个剩余组件上执行高温热处理工艺。在高温热处理工艺期间，将来自组件类别的一个或多个剩余组件在大约一段热处理时间周期内加热至大约热处理温度。以下将参照图6-8B进一步详细地描述高温热处理工艺。 [0036] 残余应力降低方法300进行至步骤360。在步骤360，残余应力降低方法300结束。根据某些示例性实施方式，在一个或多个剩余组件上执行高温热处理工艺之后，去除（通过滤取工艺或电化学工艺）来自一个或多个组件的聚晶结构的部分催化剂材料。备选地，在一个或多个剩余组件上执行高温热处理工艺之前，去除（通过滤取工艺或电化学工艺）来自一个或多个组件的聚晶结构的部分催化剂材料。 [0037] 图4是根据本发明的示例性实施方式图示临界温度和时间周期确定方法330（如以上在残余应力降低方法300所提及）的流程图。虽然图4示出了以某个顺序描绘的系列步骤，但是可以重新布置一个或多个步骤的顺序，将其组合成更少的步骤，和/或将其拆分成比其他示例性实施方式中所示更多的步骤。参照图4，临界温度和时间周期确定方法330在步骤410开始。一旦开始步骤410，临界温度和时间周期确定方法330进行至步骤420。 [0038] 在步骤420，在第一温度和时间循环期间加热和冷却第一组件。第一温度和时间循环包括温度组件和时间周期组件。例如，如果第一温度和时间循环为800℃5分钟，则温度组件为800℃且时间周期组件为5分钟。因此，在该实例中，将第一组件加热至800℃，保持在该温度5分钟，然后进行冷却。在一些示例性实施方式中，第一组件的开始温度为大约室温，而在其他示例性实施方式中，第一组件的开始温度为大约-150℃至大约-200℃，或者范围从环境温度至-200℃中的任何一点。在一些示例性实施方式中，逐渐加热，而在其他示例性实施方式中，快速加热，从而使得例如在数分钟内，例如在2至10分钟内将第一组件从室温加热至800℃。在该实例中，可以将组件放入已经处于期望温度的腔室或熔池中，从而使得该组件快速达到期望温度。还在一些其他备选的示例性实施方式中，可以将第一组件预加热至期望温度，然后逐渐和/或快速加热至该800℃温度。在某些示例性实施方式中，预加热的期望温度范围在500℃至600℃之间，然而，该范围在其他示例性实施方式中是不同的。进一步地，在某些示例性实施方式中，让第一组件在环境空气中逐步冷却至室温。备选地，更加快速地执行冷却，例如在数分钟内。 [0039] 临界温度和时间周期确定方法330进行至步骤430。在步骤430，确定第一组件的结构整体性。根据一些示例性实施方式，组件的结构整体性可相比于组件的硬度。在某些实施方式中，使用声发射检测装置（未示出）确定结构整体性，该装置在2010年4月6日提交的名称为“Acoustic Emission Toughness Testing For PDC,PCBN,Or Other Hard Or Superhard Material Inserts”的美国专利申请号12/754,784中详细描述，其通过参考整体并入本文。在其他示例性实施方式中，第一组件的结构整体性由其他已知的方法、设备和系统确定。在一些示例性实施方式中，在相同的第一温度和时间循环期间多次执行步骤420和430，例如10次，以获得统计学上有意义的样本。例如，在某些示例性实施方式中，获得平均25%和75%的百分数。 [0040] 临界温度和时间周期确定方法330进行至步骤440。在步骤440，在不同的温度和时间循环期间加热和冷却不同组件。该不同的温度和时间循环包括温度组件和时间周期组件，其中温度组件和时间周期组件中的至少一个不同于第一温度和时间循环的温度组件和时间周期组件。例如，不同的温度和时间循环可以是850℃10分钟，其中温度组件和时间周期组件均不同于第一温度和时间循环的温度组件和时间周期组件。在另一实例中，不同的温度和时间循环可以是850℃5分钟，其中仅温度组件不同于第一温度和时间循环的温度组件。因此，根据以上提供的实例中的一个，将不同组件加热至850℃，保持在该温度10分钟，然后进行冷却。在一些示例性实施方式中，不同组件的开始温度为大约室温，而在其他示例性实施方式中，不同组件的开始温度为大约-150℃至大约-200℃，或者范围从环境温度至-200℃中的任何一点。在一些示例性实施方式中，逐渐加热，而在其他示例性实施方式中，快速加热，从而使得例如在数分钟内，例如在5至10分钟内将不同组件从室温加热至850℃。还在一些其他备选的示例性实施方式中，可以将不同组件预加热至期望温度，然后逐渐和/或快速加热至该850℃温度。在某些示例性实施方式中，预加热的期望温度范围在500℃至600℃之间，然而，该范围在其他示例性实施方式中是不同的。进一步地，在某些示例性实施方式中，让不同组件在环境空气中逐步冷却至室温。备选地，更加快速地执行冷却，例如在数分钟内。 [0041] 临界温度和时间周期确定方法330进行至步骤450。在步骤450，确定不同组件的结构整体性。如上所提及，根据一些示例性实施方式，组件的结构整体性可相比于组件的硬度。在某些实施方式中，使用声发射检测装置（未示出）确定结构整体性，该装置在2010年4月6日提交的名称为“Acoustic Emission Toughness Testing For PDC,PCBN,Or Other Hard Or Superhard Material Inserts”的美国专利申请号12/754,784中详细描述，其通过参考整体并入本文。在其他示例性实施方式中，不同组件的结构整体性由其他已知的方法、设备和系统确定。在一些示例性实施方式中，在相同的第一温度和时间循环期间多次执行步骤440和450，例如10次，以获得统计学上有意义的样本。例如，在某些示例性实施方式中，获得平均25%和75%的百分数。 [0042] 临界温度和时间周期确定方法330进行至步骤460。在步骤460，加热和冷却不同组件和确定不同组件的结构整体性一直继续，直到确定引起组件的结构整体性失败的最低的不同温度和时间循环。最低的不同温度和时间循环提供临界温度和临界时间周期。 [0043] 临界温度和时间周期确定方法330进行至步骤470。在步骤470，临界温度和时间周期确定方法330结束。 [0044] 图5是根据本发明的示例性实施方式图示经历各种温度和时间循环522的若干组件505的结构整体性的图表500。图5图形地表示临界温度和时间周期确定方法330（图4）的至少一部分。参照图5，图表500包括温度和时间循环轴520和结构整体性轴510。温度和时间循环轴520包括一个或多个温度和时间循环522，其中每个温度和时间循环522包括温度组件523和时间周期组件524。结构整体性轴510包括针对一个或多个组件505测量的结构整体性值512。结构整体性数据点530通过使用上述声发射检测装置来测量组件 505的结构整体性值512或硬度获得。然而，如在前所述，可以使用所属领域技术人员已知的其他装置和方法确定组件的结构整体性。每个结构整体性数据点530绘制在图表500上。 来自相同组件类别的若干组件505具有其在一定温度和时间循环522下处理之后测量的结构整体性值512。在一些示例性实施方式中，在每个温度和时间循环522内获得用于10个组件505的结构整体性512，然而，在其他示例性实施方式中，在每个温度和时间循环522内测量的组件数量更大或更小。在一些示例性实施方式中，在图表500中针对每个温度和时间循环522示出了25%记号550、50%记号552（或平均数）和75%记号554。25%记号550和75%记号554之间的区域被画上阴影。使用这种图表500断定数据分散的量，并且数据分散的量可以是每个温度和时间循环522内的最高和最低结构整体性值512之间的差值中的一个或多个、25%记号550和75%记号554之间的范围或者由图表500制成的一些相似的观察数据。因此，较少的数据分散表现代表组件的更好的结构整体性，因而代表其中较少的残余应力。附加地，或者代替数据分散的量，可以使用平均的或中间的结构整体性值确定结构整体性。 [0045] 仅根据图5，在经历三个不同温度和时间循环522的组件505上测量结构整体性值512。第一温度和时间循环522A称为“A”并且还没有被加热处理。因此，温度组件523是环境温度，并且时间周期组件524为0分钟。经历第一温度和时间循环522A的组件的结构整体性值512展现一些分散。第二温度和时间循环522B称为“800C10分钟”。因此，温度组件523为800℃，并且时间周期组件524为10分钟。经历第二温度和时间循环522B的组件的结构整体性值512比经历第一温度和时间循环522A的组件展现更少的分散。因此，经历第二温度和时间循环522B的组件比经历第一温度和时间循环522A的组件更加稳定和结实。第三温度和时间循环522C称为“850C5分钟”。因此，温度组件523为850℃，并且时间周期组件524为5分钟。经历第三温度和时间循环522C的组件的结构整体性值512比经历第一温度和时间循环522A和第二温度和时间循环522B中任一个的组件展现更多的分散。因此，经历第三温度和时间循环522C的组件比经历第一温度和时间循环522A或第二温度和时间循环522B的组件稳定性差并且结实性差，或者结构上被损坏。根据图5，临界温度 598为850℃，并且临界时间周期599为5分钟，当组件变得结构上损坏时，其是温度和时间循环522的温度组件523和时间周期组件524。因此，根据图5并且根据以上提供的说明，热处理温度590和热处理时间周期591分别可以是800℃和10分钟。 [0046] 图6是根据本发明的示例性实施方式图示高温热处理工艺350的流程图。虽然图6示出了以某个顺序描绘的系列步骤，但是可以重新布置一个或多个步骤的顺序，将其组合成更少的步骤，和/或将其拆分成比其他示例性实施方式中所示更多的步骤。参照图6，高温热处理工艺350在步骤610开始。一旦开始步骤610，高温热处理工艺350进行至步骤 620。 [0047] 在步骤620，将一个或多个剩余组件加热至大约热处理温度。剩余组件类似于以上所述的组件，并且来自相同或相似的组件类别。因此，确定用于组件的热处理温度也可应用于剩余组件，并且当在热处理时间周期期间达到热处理温度时，剩余组件的结构整体性将不被损坏。剩余组件典型地开始于环境温度，并逐渐地和/或快速地加热至热处理温度。以上详细描述了热处理温度的确定，出于简要不再重复。备选地，将剩余组件逐渐地和/或快速地加热至中间温度，然后再次逐渐地和/或快速地加热至处理温度。中间温度是自开始温度和热处理温度之间选择的温度。剩余组件的温度可以保持处于中间温度一段时间周期。在再一示例性实施方式中，剩余组件的开始温度可以低于环境温度，例如在-100℃和-200℃之间。 [0048] 高温热处理工艺350进行至步骤630。在步骤630，在大约热处理时间周期内将一个或多个剩余组件保持在大约热处理温度。以上详细描述了热处理时间周期的确定，出于简要不再重复。 [0049] 高温热处理工艺350进行至步骤640。在步骤640，将一个或多个剩余组件冷却。在某些示例性实施方式中，将一个或多个组件在空气中逐渐冷却。在其他示例性实施方式中，将一个或多个剩余组件逐渐地和/或快速地冷却至环境温度。 [0050] 高温热处理工艺350进行至步骤650。在步骤650，高温热处理工艺350结束。 [0051] 图7是根据本发明的另一示例性实施方式图示高温热处理工艺350的流程图。虽然图7示出了以某个顺序描绘的系列步骤，但是可以重新布置一个或多个步骤的顺序，将其组合成更少的步骤，和/或将其拆分成比其他示例性实施方式中所示更多的步骤。参照图7，高温热处理工艺350在步骤710开始。一旦开始步骤710，高温热处理工艺350进行至步骤720。 [0052] 在步骤720，熔池定位在熔炉内。熔池和熔炉均在图8A和8B中示出，并且以下将进一步详细讨论。简要提及，熔池包括在其中放置熔料的托盘。根据一些示例性实施方式，熔池是具有在其中放置焊料的焊剂槽。熔料用于控制熔炉中的空气，并且一旦组件被放置到熔池中就防止氧气接触组件。熔料的一些实例包括但不限于溶融的铜、熔融的锡、氯化钠、硼硅酸盐或者能够高效传热的其他材料。 [0053] 高温热处理工艺350进行至步骤730。在步骤730，将熔炉和熔池预加热至大约热处理温度。之前已经详细地描述了热处理温度的确定，出于简要这里不再重复。 [0054] 高温热处理工艺350进行至步骤740。在步骤740，将一个或多个剩余组件放置在预加热熔池中。将组件整体浸入在熔料中，从而使得在工艺的该部分组件不接触氧气。 [0055] 高温热处理工艺350进行至步骤750。在步骤750，在热处理时间周期内将一个或多个剩余组件保持在大约热处理温度。以上详细描述了热处理时间周期的确定，出于简要这里不再重复。根据一些示例性实施方式，热处理周期为大约5至7分钟，但是在其他示例性实施方式中，该热处理周期是不同的。 [0056] 高温热处理工艺350进行至步骤760。在步骤760，将一个或多个剩余组件从熔炉去除。根据一些示例性实施方式，除了从熔炉去除之外，还将一个或多个剩余组件从熔池去除。例如，使用V形夹子或其他合适的装置将剩余切割器从熔炉和熔池去除。然而，在其他示例性实施方式中，通过将整个熔池从熔炉去除而将一个或多个组件从熔炉去除。 [0057] 高温热处理工艺350进行至步骤770。在步骤770，冷却一个或多个剩余组件。在某些示例性实施方式中，将一个或多个组件在空气中逐渐冷却。在其他示例性实施方式中，逐渐地和/或快速地将一个或多个剩余组件冷却回环境温度。 [0058] 高温热处理工艺350进行至步骤780。在步骤780，高温热处理工艺350结束。 [0059] 根据一些备选的示例性实施方式，代替熔池或除熔池之外，熔炉使用不同的方法和/或设备来获得用于将被放置在其中的组件的无氧环境。例如，熔池能够在真空条件、氩条件、氖条件或其他惰性气体环境中运行。此外，在上述提及的工艺中使用诱导器（induction unit），其中气体将被引入到诱导器的腔室中。气体是例如氩，但是在其他示例性实施方式中，是其他气体。对于所属领域技术人员而言，这些诱导器是已知的，出于简要这里不再详细描述。 [0060] 图8A是根据本发明的示例性实施方式的处于闭合取向805的熔炉800的透视图。图8B是根据本发明的示例性实施方式的出于打开取向807的熔炉800的透视图，其带有定位在其中的熔池850。参照图8A和8B，熔炉800包括基座810、一个或多个加热元件820和封盖830。依然参考图8A和8B，熔池850包括托盘860和熔料870。 [0061] 基座810包括在其中限定空腔814的一个或多个壁812。根据一些示例性实施方式，基座810包括成形为矩形构造的4个壁812；然而，在备选的示例性实施方式中，可以形成其他形状。基座810使用能够承受高温（例如可以根据本公开内容看到的850℃至900℃）的材料制备。 [0062] 在空腔814中，一个或多个加热元件820耦接至壁812并且被取向为将热引导进空腔814中。这些加热元件820能够将空腔814中的温度提升至至少临界温度。根据一些示例性实施方式，使用外部电源890给加热元件820供电，外部电源890可以耦接至基座810；但是，在其他示例性实施方式中，电源可以位于其他位置。 [0063] 封盖830可去除地定位在空腔814上方。根据一些示例性实施方式，封盖830使用一个或多个铰链832耦接至基座810。典型地，使用与制备壁812相同或相似的材料制备封盖830。图8A示出了处于闭合取向805的封盖830，从而封盖830的底面833放置在空腔814上方并且邻近于基底810的顶面811。相反地，图8B示出了处于打开取向807的封盖830，从而现在的空腔814是可见的。 [0064] 熔池850插入在熔池800的空腔814内。如在前所提及，熔池850包括托盘860和熔料870。托盘860的尺寸适合在熔池800的空腔814内。托盘860还包括在其中限定托盘空腔864的一个或多个托盘壁862。托盘860使用合适的材料制备，该合适的材料在经受上述工艺期间的温度时不会损坏。 [0065] 熔料870插入在托盘空腔864内，并且填充至一深度，使得当放置在托盘空腔864时熔料870完全包围组件。熔料870的一个实例是硼硅酸盐；但是，在不背离示例性实施方式的精神和范围的情况下，可以使用其他合适的材料，例如某些磷酸盐、锡、铜和氯化钠。 [0066] 图9A是根据本发明的示例性实施方式示出当处理温度930保持恒定时AETT分数910和处理时间920之间的关系的曲线图900。参照图9A，曲线图900包括声发射韧性检测（AETT）分数轴910、处理时间轴920和时间限制曲线940。AETT分数轴910由y轴表示。处理时间轴920由x轴表示并且以分钟为单位。时间限制曲线940图示在曲线图900上。在确定时间限制曲线940时，将处理温度930保持恒定，同时使若干切割器或具有聚晶结构的组件经历各种处理时间920。然后在AETT检测程序下检测热处理切割器以获得每个热处理切割器的对应AETT分数910。AETT检测程序在2010年4月6日提交的名称为“Acoustic Emission Toughness Testing For PDC,PCBN,Or Other Hard Or Superhard Material Inserts”的美国专利申请No.12/754,784中描述，其已经通过参考并入本文。将每个切割器的每个AETT分数910和对应的处理时间920绘制在曲线图900上。然后，通过给每个测试的处理时间920的每个最高AETT分数910配置抛物线插值确定时间限制曲线940。 [0067] 根据图9A，在各个处理时间920和恒定的处理温度930测试相同类型和品种的多个切割器。处理温度930保持在恒定900℃。在0.5分钟热处理14个切割器。在0.75分钟热处理14个切割器。在2分钟加热处理12个切割器。虽然在不同时间热处理特定数量的切割器，但是可以测试任何数量的切割器，使得获得统计上有意义的样本。然后，测试热处理切割器以确定其各自的AETT分数910。将每个切割器的每个AETT分数910和对应的处理时间920绘制在曲线图900上。然后通过给每个测试的处理时间920的每个最高AETT分数910配置抛物线插值确定时间限制曲线940。根据一些示例性实施方式，时间限制曲线2 940被确定为y=300299x-729973x+698432。根据时间限制曲线940，处理0.5分钟的切割器具有比处理0.75分钟的切割器大的AETT分数。因此，处理0.75分钟的切割器结构上比处理0.5分钟的切割器好。因此，处理2分钟的切割器结构上比处理0.5分钟的切割器或者处理0.75分钟的切割器差。在时间限制曲线940上的最低点找到热处理时间周期591。 因此，如曲线图900确定，在900℃，热处理温度590为900℃，热处理时间周期591为大约 1.22分钟。 [0068] 图9B是根据本发明的示例性实施方式示出在处理时间920保持恒定时AETT分数910和处理温度930之间的关系的曲线图950。参照图9B，曲线图950包括声发射韧性测试（AETT）分数轴910、处理温度轴920和温度限制曲线990。AETT分数轴910由y轴表示。处理温度轴930由x轴表示并且以摄氏度为单位。温度限制曲线990图示在曲线图950上。在确定温度限制曲线990时，将处理时间920保持恒定，同时使若干切割器或具有聚晶结构的组件经历各种处理温度930。然后在AETT检测程序下检测热处理切割器以获得每个热处理切割器的对应AETT分数910。AETT检测程序在2010年4月6日提交的名称为“Acoustic Emission Toughness Testing For PDC,PCBN,Or Other Hard Or Superhard Material Inserts”的美国专利申请No.12/754,784中描述，其已经通过参考并入本文。将每个切割器的每个AETT分数910和对应的处理温度930绘制在曲线图950上。然后，通过给每个测试的处理温度930的每个最高AETT分数910配置抛物线插值确定温度限制曲线 990。 [0069] 根据图9B，在各个处理温度930和恒定的处理时间920测试相同类型和品种的多个切割器。处理时间920保持在恒定10分钟。在800℃热处理11个切割器。在825℃加热处理14个切割器。在850℃热处理19个切割器。虽然在不同温度热处理特定数量的切割器，但是可以测试任何数量的切割器，使得获得统计上有意义的样本。然后，测试热处理切割器以确定其各自的AETT分数910。将每个切割器的每个AETT分数910和对应的处理温度930绘制在曲线图950上。然后通过给每个测试的处理温度930的每个最高AETT分数910配置抛物线插值确定温度限制曲线990。根据一些示例性实施方式，温度限制曲线2 990被确定为y=2310.5x-(4E+6)x+(2E+9)。根据温度限制曲线990，在800℃处理的切割器具有比在825℃处理的切割器大的AETT分数。因此，在825℃处理的切割器结构上比在 800℃处理的切割器好。附加地，在850℃处理的切割器具有比在800℃处理的切割器或者在825℃处理的切割器大的AETT分数。因此，850℃处理的切割器结构上比在800℃处理的切割器或者处在825℃处理的切割器差。在温度限制曲线990的最低点找到热处理温度 590。因此，如曲线图950确定，在10分钟，热处理时间周期591为10分钟，热处理温度590为大约823℃。 [0070] 本文公开的本发明的一些实施方式代表在聚晶复合片金刚石（PCD）切割器应力释放高温循环方面的基本提高。根据不同PCD的组成物和颗粒尺寸分布（晶粒尺寸），将热处理时间周期和热处理温度的唯一组合限定为执行最有利的应力释放循环。 [0071] 虽然已经详细描述了每个示例性实施方式，但是应该解释可应用于一个实施方式的任何特征和修改也可应用于其他实施方式。此外，虽然已经参照特定实施方式描述了本发明，但是这些描述并不意指限制意义上的解释。一旦参考示例性实施方式的描述，对于所属领域技术人员而言，公开的实施方式的各种修改以及本发明的备选实施方式将变得显而易见。所属领域技术人员应该理解，公开的概念和特定实施方式可以容易地用作修改或设计执行与本发明相同目的的其他结构或方法的基础。所属领域技术人员应该意识到这种等效结构并不背离所附权利要求阐述的本发明的精神和范围。因此，应该预料到权利要求将覆盖落入本发明的范围内的任何这样的修改或实施方式。 |
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