BRPI1010002B1 - Elemento de diamante policristalino, método para fabricar um elemento de diamante policristalino, inserto de diamante policristalino para uma ferramenta, ferramenta, e, broca de perfuração rotativa - Google Patents

Abstract

"elemento de diamante policristalino, método para fabricar um elemento de diamante policristalino, inserto de diamante policristalino para uma ferramenta, ferramenta, e, broca de perfuração rotativa" uma forma de realização de um inserto de diamante policristalino (pcd) compreende uma forma de realização de um elemento de pcd unido a um substrato de carbeto cimentado em uma interface. o elemento de pcd tem superficies de diamante internas que definem interstícios entre elas. o elemento de pcd compreende uma região mascarada ou passivada e uma região não mascarada ou não passivada, a região não mascarada ou não passivada que definem um limite com o substrato, o limite sendo a interface. pelo menos um pouco das superficies de diamante internas da região mascarada ou passivada contatam uma meio de mascaramento ou passivação, e um pouco ou todos dos interstícios da região mascarada ou passivada e da região não mascarada ou não passivada são pelo menos parcialmente enchidos com um material infiltrante.

Description

“ELEMENTO DE DIAMANTE POLICRISTALINO, MÉTODO PARA FABRICAR UM ELEMENTO DE DIAMANTE POLICRISTALINO, INSERTO DE DIAMANTE POLICRISTALINO PARA UMA FERRAMENTA, FERRAMENTA, E, BROCA DE PERFURAÇÃO ROTATIVA”

CAMPO DA INVENÇÃO [1] Esta invenção diz respeito aos elementos, corpos e insertos de ferramentas de diamante policristalino (PCD), particularmente para o uso em ferramentas para perfuração na terra, e a um método para fabricar os elementos de PCD.

FUNDAMENTOS [2] Os insertos cortadores para brocas de perfuração para o uso na perfuração na terra podem compreender uma camada de diamante policristalino (PCD) ligada a um substrato de carbeto cementado. Tais insertos cortadores podem ser indicados como compactos de diamante policristalino (PDC).

[3] O PCD é um exemplo de um material extremamente duro, também chamado de extremamente abrasivo, que compreende o emaranhado de uma massa de grãos de diamante substancialmente, formando uma massa estrutural que define os interstícios entre os grãos de diamante. O material de PCD compreende pelo menos cerca de 80 % em volume de diamante e pode ser fabricado submetendo-se uma massa agregada de grãos de diamante a uma pressão ultra-alta de mais do que cerca de 5 GPa e temperatura de pelo menos cerca de 1.200 graus centígrados na presença de um auxiliar de sinterização.

[4] Os auxiliares de sinterização adequados para PCD também podem ser indicados com um material catalisador para diamante. O material catalisador para diamante é entendido ser um material que é capaz de promover o emaranhamento direto dos grãos de diamante em uma condição de pressão e temperatura na qual diamante é mais estável do ponto de vista

Petição 870190011631, de 04/02/2019, pág. 12/56 / 39 termodinâmico do que o grafite. Um pouco de material catalisador para diamante pode promover a conversão do diamante a grafite na pressão ambiente, particularmente em temperaturas elevadas. Os exemplos de materiais catalisadores para diamante são cobalto, ferro, níquel e algumas ligas incluindo qualquer um destes. O PCD pode ser formado em um substrato de carbeto de tungstênio cementado com cobalto, o qual pode fornecer uma fonte de material catalisador de cobalto para o PCD. Os interstícios com PCD podem ser pelo menos parcialmente preenchidos com um material, que pode ser indicado como um aglutinante ou um material preenchedor. Em particular, os interstícios podem ser total ou parcialmente preenchidos com um material catalisador para diamante.

[5] Os componentes que compreendem o PCD são usados em uma ampla variedade de ferramentas para cortar, maquinar, perfurar ou degradas materiais duros os abrasivos tais como rocha, metal, cerâmicas, compósitos e materiais contendo madeira. Por exemplo, os corpos de PCD são comumente usados como insertos cortadores em brocas de perfuração usados para a perfuração na terra na indústria de perfuração de óleo e gás. Os corpos de PCD também são usados para maquinar e triturar os corpos contendo metais, tais como podem ser usados na indústria de automóveis. Em muitas destas aplicações, a temperatura do material de PCD se torna elevada ao passo que este engrena em uma formação rochosa, objeto a usinar ou corpo com alta energia.

[6] O PCD é extremamente duro e resistente à abrasão, razões as quais este é o material de ferramenta preferido em alguma das condições de maquinação e perfuração mais extremas, e onde a alta produtividade é necessária. Uma desvantagem do PCD que contém certos materiais catalisadores para diamante como um material preenchedor pode ser sua estabilidade térmica relativamente baixa acima de cerca de 400 graus centígrados. O material catalisador pode promover a degradação do PCD em

Petição 870190011631, de 04/02/2019, pág. 13/56 / 39 temperaturas elevadas, particularmente em temperaturas maiores do que cerca de 750 graus centígrados, como pode ser experimentado na fabricação e uso de compactos de PCD.

[7] O número de Patente US 7.377.341 divulga as construções compactas extremamente duras termicamente estáveis que compreende um corpo formado a partir de um material extremamente duro tal como PCD, incluindo uma região termicamente estável posicionada adjacente a uma superfície de trabalho do corpo. O material de corpo extremamente duro pode ser ligado a um substrato desejado, formando deste modo um compacto, e um material intermediário podem ser interpostos entre o substrato e o corpo. O material intermediário pode ser um que não infiltra no corpo do material extremamente duro durante o processamento de alta pressão/alta temperatura e que pode operar como uma barreira para prevenir a migração de materiais constituintes a partir do substrato ao corpo de material extremamente duro.

[8] A Patente US N^o 7.473.287 divulga os materiais de diamante policristalino termicamente estáveis que compreendem uma primeira do material que inclui uma pluralidade de cristais de diamante ligados juntos, e uma segunda fase do material que inclui um produto de reação formado entre um aglutinante/material catalisador usados para facilitar a ligação do cristal de diamante e um material que é reativo com o aglutinante/material catalisador. Uma camada de barreira pode ser colocada entre o material PCD e um substrato para prevenir a infiltração indesejada de cobalto excedente nesta contida que pode afetar adversamente a estabilidade térmica do material de PCD resultante.

[9] A Publicação do Pedido de Patente US N^o 2007/0079994 divulga compactos ligados com diamantes termicamente estáveis que incluem um corpo ligado a diamante que compreende uma região termicamente estável que se estende a uma distância abaixo de uma superfície do corpo ligado ao diamante. A região termicamente estável tem uma micro-estrutura

Petição 870190011631, de 04/02/2019, pág. 14/56 / 39 de material que compreende uma primeira fase de matriz de cristais de diamantes unidos, e uma segunda fase interposta dentro da primeira fase de matriz. A segunda fase compreende um ou mais produtos de reação formados entre um ou mais materiais infiltradores e os cristais de diamante em condições de alta pressão/alta temperatura (HPHT). O infiltrador ou material de substituição podem incluir um ou mais dos seguintes elementos: Si, Cu, Sn, Zn, Ag, Au, Ti, Cd, Al, Mg, Ga, Ge, os quais também podem ser usados em compostos contendo catalisadores de materiais solventes convencionais (metais de transição) onde o catalisador solvente é tornado inativo através da reação com um outro material.

[10] O PCD é extremamente duro e resistente à abrasão, razões as quais este é o material de ferramenta preferido em alguma das condições de maquinação e perfuração mais extremas, e onde a alta produtividade é necessária. Uma desvantagem do PCD que contém certos materiais catalisadores para diamante como um material preenchedor pode ser sua estabilidade térmica relativamente baixa acima de cerca de 400 graus centígrados. O material catalisador pode promover a degradação do PCD em temperaturas elevadas, particularmente em temperaturas maiores do que cerca de 750 graus centígrados, como pode ser experimentado na fabricação e uso de compactos de PCD.

[11] O número de Patente US 7.377.341 divulga as construções compactas extremamente duras termicamente estáveis que compreende um corpo formado a partir de um material extremamente duro tal como PCD, incluindo uma região termicamente estável posicionada adjacente a uma superfície de trabalho do corpo. O material de corpo extremamente duro pode ser ligado a um substrato desejado, formando deste modo um compacto, e um material intermediário podem ser interpostos entre o substrato e o corpo. O material intermediário pode ser um que não infiltra no corpo do material extremamente duro durante o processamento de alta pressão/alta temperatura

Petição 870190011631, de 04/02/2019, pág. 15/56 / 39 e que pode operar como uma barreira para prevenir a migração de materiais constituintes a partir do substrato ao corpo de material extremamente duro.

[12] A Patente US N^o 7.473.287 divulga os materiais de diamante policristalino termicamente estáveis que compreendem uma primeira do material que inclui uma pluralidade de cristais de diamante ligados juntos, e uma segunda fase do material que inclui um produto de reação formado entre um aglutinante/material catalisador usados para facilitar a ligação do cristal de diamante e um material que é reativo com o aglutinante/material catalisador. Uma camada de barreira pode ser colocada entre o material PCD e um substrato para prevenir a infiltração indesejada de cobalto excedente nesta contida que pode afetar adversamente a estabilidade térmica do material de PCD resultante.

[13] A Publicação do Pedido de Patente US N^o 2007/0079994 divulga compactos ligados com diamantes termicamente estáveis que incluem um corpo ligado a diamante que compreende uma região termicamente estável que se estende a uma distância abaixo de uma superfície do corpo ligado ao diamante. A região termicamente estável tem uma micro-estrutura de material que compreende uma primeira fase de matriz de cristais de diamantes unidos, e uma segunda fase interposta dentro da primeira fase de matriz. A segunda fase compreende um ou mais produtos de reação formados entre um ou mais materiais infiltradores e os cristais de diamante em condições de alta pressão/alta temperatura (HPHT). O infiltrador ou material de substituição podem incluir um ou mais dos seguintes elementos: Si, Cu, Sn, Zn, Ag, Au, Ti, Cd, Al, Mg, Ga, Ge, os quais também podem ser usados em compostos contendo catalisadores de materiais solventes convencionais (metais de transição) onde o catalisador solvente é tornado inativo através da reação com um outro material.

[14] A Publicação do Pedido de Patente US Número 2008/0115421 divulga um método de fabricar um artigo extremamente abrasivo, em que pelo

Petição 870190011631, de 04/02/2019, pág. 16/56 / 39 menos uma porção das regiões intersticiais de um corpo de diamante policristalino pré-sinterizado pode ser infiltrado com silício, a partir de um material contendo silício. Pelo menos uma porção de catalisador solvente metálico localizado dentro de pelo menos uma porção das regiões intersticiais do corpo de diamante policristalino pré-sinterizado pode ser deslocada em uma massa porosa. O silício e o corpo de diamante policristalino présinterizado são reagidos para formar o carbeto de silício dentro de pelo menos uma porção das regiões intersticiais.

[15] Há uma necessidade de fornecer um elemento de diamante policristalino (PCD) tendo estabilidade térmica aumentada. Também existe uma necessidade quanto fornecer um elemento de PCD tendo estabilidade térmica melhorada combinada com resistência aumentada à fratura.

Sumário [16] Um propósito da invenção é fornecer um elemento de diamante policristalino (PCD) tendo estabilidade térmica aumentada, e um outro propósito da invenção é fornecer um método para fabricar os mesmos.

[17] Um primeiro aspecto da invenção fornece um elemento de diamante policristalino (PCD) tendo superfícies de diamante internas, as superfícies de diamante internas as quais definem interstícios entre estes; o elemento de PCD que compreende uma região mascarada ou passivada e uma região não mascarada ou não passivada, a região não mascarada ou não passivada que definem um limite com uma outra região ou corpo, e estendendo uma profundidade de entre cerca de 5 mícrons e cerca de 600 mícrons do limite, em que pelo menos um pouco das superfícies de diamante internas da região mascarada ou passivada comunicam um meio de mascaramento ou passivação, e em que um pouco ou todos os interstícios da região mascarada ou passivada e da região não mascarada ou não passivada são pelo menos parcialmente preenchidos com um material infiltrador.

[18] Em uma forma de realização, o elemento de PCD é ligado a

Petição 870190011631, de 04/02/2019, pág. 17/56 / 39 um substrato em uma interface e a região não passivada ou não mascarada é adjacente à interface. Em algumas formas de realização, o limite definido pela região não mascarada ou não passivada é a interface entre o elemento de PCD e o substrato, a região não mascarada ou não passivada estendendo uma profundidade da interface, a profundidade sendo de no máximo cerca de 400 mícrons, de no máximo cerca de 200 mícrons, de no máximo cerca de 100 mícrons, de no máximo cerca de 50 mícrons, de no máximo cerca de 10 mícrons ou ainda de no máximo cerca de 5 mícrons. Em algumas formas de realização, a região não mascarada ou não passivada se estende a uma profundidade no elemento de PCD a partir da interface entre o elemento de PCD e o substrato, a profundidade sendo de pelo menos cerca de 5 mícrons, pelo menos cerca de 10 mícrons, pelo menos cerca de 50 mícrons, pelo menos cerca de 100 mícrons, ou ainda pelo menos cerca de 200 mícrons.

[19] Em uma forma de realização, pelo menos um pouco das superfícies de diamante internas da região mascarada ou passivada são revestidas com um meio de mascaramento ou passivação.

[20] Em uma forma de realização, um pouco ou todos os interstícios da região mascarada ou passivada e da região não mascarada ou não passivada são pelo menos parcialmente preenchidos com um material infiltrador tendo substancialmente a mesma composição.

[21] Em uma forma de realização, a região termicamente estável é próxima a uma superfície periférica do elemento de PCD. Em uma forma de realização, o elemento de PCD tem uma superfície periférica e uma região geralmente anular adjacente à superfície periférica, pelo menos parte da região anular sendo termicamente estável e sendo mascarada ou passivada.

[22] Em uma forma de realização, o material infiltrador compreende um material catalisador para diamante, e em uma forma de realização, o material catalisador compreende cobalto, ferro ou níquel, ou uma liga incluindo qualquer um destes elementos. Em uma forma de

Petição 870190011631, de 04/02/2019, pág. 18/56 / 39 realização, o infiltrador compreende um material que não é um material catalisador para diamante, e em algumas formas de realização, o material infiltrador compreende silício ou alumínio.

[23] Em algumas formas de realização, o meio de mascaramento ou passivação compreende um sal inerte, material precursor cerâmico, material precursor organometálico ou material carbonáceo. Em algumas formas de realização, o meio de mascaramento ou passivação é um material cerâmico selecionado de carbeto de silício, carbeto de titânio, carbeto de tantálio, carbeto de tungstênio, carbeto de háfnio, carbeto de molibdênio, carbeto de zircônio, carbeto de vanádio e carbeto de alumínio. Em uma forma de realização, o meio de mascaramento ou passivação, ou pelo menos uma porção deste, é formado através da reação de um material precursor de mascaramento ou passivação e diamante das superfícies de diamante internas. Em algumas formas de realização, o material precursor de mascaramento ou passivação compreende silício, titânio, tantálio, tungstênio, háfnio, molibdeno, zircônio, vanádio ou alumínio. Em algumas formas de realização, o restante do material precursor de mascaramento ou passivação permanece dentro dos interstícios do elemento de PCD e também podem funcionar como um meio de mascaramento ou passivação.

[24] Em algumas formas de realização, os interstícios dentro da região mascarada ou passivada são de pelo menos cerca de 50 por cento, pelo menos cerca de 70 por cento, pelo menos cerca de 80 por cento ou ainda pelo menos cerca de 90 por cento preenchidos com carbeto de silício ou carbeto de alumínio.

[25] Em uma forma de realização, pelo menos 40 por cento da área de superfície total das superfícies de diamante internas da região mascarada ou passivada são revestidos com o meio de mascaramento ou passivação.

[26] Em uma forma de realização, a região mascarada ou passivada é localizada adjacente a uma superfície de trabalho ou superfície periférica, ou

Petição 870190011631, de 04/02/2019, pág. 19/56 / 39 ambas, do elemento de PCD.

[27] Em algumas formas de realização, a região mascarada ou passivada se estende em uma profundidade no elemento de PCD de uma superfície de trabalho, a profundidade sendo de no máximo de cerca de 1.000 mícrons, de no máximo cerca de 500 mícrons ou de no máximo cerca de 100 mícrons. Em algumas formas de realização, a região mascarada ou passivada se estende em uma profundidade no elemento de PCD de uma superfície de trabalho, a profundidade sendo de pelo menos cerca de 5 mícrons, pelo menos cerca de 10 mícrons, pelo menos cerca de 50 mícrons, pelo menos cerca de 100 mícrons, ou ainda pelo menos cerca de 200 mícrons.

[28] Em uma forma de realização, a região termicamente estável está na forma de um estrato ou camada. Em algumas formas de realização, a região mascarada ou passivada está na forma de uma camada ou extrato que se estende a uma profundidade de pelo menos cerca de 40 mícrons, pelo menos cerca de 100 mícrons ou ainda pelo menos cerca de 200 mícrons de uma superfície de trabalho.

[29] As formas de realização da invenção podem ter a vantagem de estabilidade térmica melhorada combinada com a resistência aumentada à fratura, que pode resultar de tensões residuais reduzidas.

[30] Em uma forma de realização, o material infiltrador é disperso através de pelo menos um pouco da região mascarada ou passivada e é substancialmente isolada do ponto de vista químico e substancialmente incapacita de interagir quimicamente com o PCD através meio de mascaramento ou passivação revestido.

[31] Em uma forma de realização, a região mascarada ou passivada e a região termicamente estável sobrepõem-se umas às outras. Em uma forma de realização, a região mascarada ou passivada é adjacente à região termicamente estável do elemento de PCD.

[32] Em uma forma de realização, o elemento de PCD compreende

Petição 870190011631, de 04/02/2019, pág. 20/56 / 39 uma região termicamente estável que é separada de uma região do elemento de PCD contendo um material catalisador através de uma barreira, a barreira compreendendo um meio de mascaramento ou passivação.

[33] Em uma forma de realização, a barreira está na forma de um estrato ou camada.

[34] Em uma forma de realização, o elemento de PCD é unido a um substrato e a região contendo um material catalisador é adjacente ao substrato.

[35] Em uma forma de realização, a região porosa se estende por todo o elemento de PCD.

[36] As formas de realização da invenção possuem a vantagem da estabilidade térmica melhorada. As formas de realização da invenção têm a vantagem da estabilidade térmica melhorada e tensão interna reduzida, ambas as quais sozinhas ou em combinação podem estender a vida de trabalho do compacto de PCD.

[37] Um segundo aspecto da invenção fornece um método para fornecer um elemento de PCD; o método incluindo fornecer um corpo de PCD tendo superfícies de diamante internas, as superfícies de diamante internas as quais definem os interstícios, o corpo de PCD contendo uma região termicamente estável e uma região porosa, em que pelo menos um pouco dos interstícios contém poros pelo menos parcialmente não preenchidos; introduzir um meio de mascaramento ou passivação próximo ou na região termicamente estável; e introduzindo pelo menos um material infiltrador na região porosa, o meio de mascaramento ou passivação pelo menos parcialmente isolando o diamante da região termicamente estável a partir da interação química com o pelo menos um material infiltrador.

[38] Em uma forma de realização da invenção, um ciclo de temperatura controlado é utilizado em uma tal maneira como para permitir uma quantidade suficiente ou certa do meio de mascaramento ou passivação ou seu precursor a ser introduzido próximo ou na região termicamente estável

Petição 870190011631, de 04/02/2019, pág. 21/56 / 39 antes do pelo menos um material infiltrador fundido e infiltrando no corpo de PCD poroso.

[39] Em uma forma de realização, a região termicamente estável é pelo menos parcialmente porosa, e em uma forma de realização, a região porosa e a região termicamente estável completam ou parcialmente se sobrepõe, ocupando um volume comum dentro do corpo de PCD. Em uma forma de realização, a região termicamente estável é pelo menos parcialmente porosa e o método inclui introduzir o meio de mascaramento ou passivação preenchendo-se parte ou a maioria dos poros com o meio de mascaramento ou passivação.

[40] Em uma forma de realização, o método inclui introduzir o material de mascaramento ou passivação na parte ou na maioria de uma região porosa disposta adjacente a uma região termicamente estável, a máscara ou material de passivação funcionando como uma barreira para o material infiltrador, e depois introduzindo um material infiltrador no corpo de PCD; a máscara ou materiais de passivação prevenindo que o material infiltrador interaja com a região termicamente estável.

[41] Em uma forma de realização, o método incluindo revestir um pouco ou substancialmente todas as superfícies de diamante internas da região termicamente estável, pelo menos parcialmente, com um meio de mascaramento ou passivação tal como um material inerte de modo a mascarar ou passivar a região termicamente estável, totalmente ou em partes.

[42] Em uma forma de realização, pelo menos 40 por cento da área de superfície total das superfícies de diamante internas da região mascarada ou passivada são revestidos com o meio de mascaramento ou passivação.

[43] Em uma forma de realização, a região mascarada ou passivada é localizada adjacente a uma superfície de trabalho ou superfície periférica, ou ambas, do elemento de PCD.

[44] Em algumas formas de realização, a região mascarada ou

Petição 870190011631, de 04/02/2019, pág. 22/56 / 39 passivada se estende em uma profundidade no elemento de PCD de uma superfície de trabalho, a profundidade sendo de no máximo de cerca de 1.000 mícrons, de no máximo cerca de 500 mícrons ou de no máximo cerca de 100 mícrons. Em algumas formas de realização, a região mascarada ou passivada se estende em uma profundidade no elemento de PCD de uma superfície de trabalho, a profundidade sendo de pelo menos cerca de 5 mícrons, pelo menos cerca de 10 mícrons, pelo menos cerca de 50 mícrons, pelo menos cerca de 100 mícrons, ou ainda pelo menos cerca de 200 mícrons.

[45] Em uma forma de realização, a região termicamente estável está na forma de um estrato ou camada. Em algumas formas de realização, a região mascarada ou passivada está na forma de uma camada ou extrato que se estende a uma profundidade de pelo menos cerca de 40 mícrons, pelo menos cerca de 100 mícrons ou ainda pelo menos cerca de 200 mícrons de uma superfície de trabalho.

[46] As formas de realização da invenção podem ter a vantagem de estabilidade térmica melhorada combinada com a resistência aumentada à fratura, que pode resultar de tensões residuais reduzidas.

[47] Em uma forma de realização, o material infiltrador é disperso através de pelo menos um pouco da região mascarada ou passivada e é substancialmente isolada do ponto de vista químico e substancialmente incapacita de interagir quimicamente com o PCD através meio de mascaramento ou passivação revestido.

[48] Em uma forma de realização, a região mascarada ou passivada e a região termicamente estável sobrepõem-se umas às outras. Em uma forma de realização, a região mascarada ou passivada é adjacente à região termicamente estável do elemento de PCD.

[49] Em uma forma de realização, o elemento de PCD compreende uma região termicamente estável que é separada de uma região do elemento de PCD contendo um material catalisador através de uma barreira, a barreira

Petição 870190011631, de 04/02/2019, pág. 23/56 / 39 compreendendo um meio de mascaramento ou passivação.

[50] Em uma forma de realização, a barreira está na forma de um estrato ou camada.

[51] Em uma forma de realização, o elemento de PCD é unido a um substrato e a região contendo um material catalisador é adjacente ao substrato.

[52] Em uma forma de realização, a região porosa se estende por todo o elemento de PCD.

[53] As formas de realização da invenção possuem a vantagem da estabilidade térmica melhorada. As formas de realização da invenção têm a vantagem da estabilidade térmica melhorada e tensão interna reduzida, ambas as quais sozinhas ou em combinação podem estender a vida de trabalho do compacto de PCD.

[54] Um segundo aspecto da invenção fornece um método para fornecer um elemento de PCD; o método incluindo fornecer um corpo de PCD tendo superfícies de diamante internas, as superfícies de diamante internas as quais definem os interstícios, o corpo de PCD contendo uma região termicamente estável e uma região porosa, em que pelo menos um pouco dos interstícios contém poros pelo menos parcialmente não preenchidos; introduzir um meio de mascaramento ou passivação próximo ou na região termicamente estável; e introduzindo pelo menos um material infiltrador na região porosa, o meio de mascaramento ou passivação pelo menos parcialmente isolando o diamante da região termicamente estável a partir da interação química com o pelo menos um material infiltrador.

[55] Em uma forma de realização da invenção, um ciclo de temperatura controlado é utilizado em uma tal maneira como para permitir uma quantidade suficiente ou certa do meio de mascaramento ou passivação ou seu precursor a ser introduzido próximo ou na região termicamente estável antes do pelo menos um material infiltrador fundido e infiltrando no corpo de PCD poroso.

Petição 870190011631, de 04/02/2019, pág. 24/56 / 39 [56] Em uma forma de realização, a região termicamente estável é pelo menos parcialmente porosa, e em uma forma de realização, a região porosa e a região termicamente estável completam ou parcialmente se sobrepõe, ocupando um volume comum dentro do corpo de PCD. Em uma forma de realização, a região termicamente estável é pelo menos parcialmente porosa e o método inclui introduzir o meio de mascaramento ou passivação preenchendo-se parte ou a maioria dos poros com o meio de mascaramento ou passivação.

[57] Em uma forma de realização, o método inclui introduzir o material de mascaramento ou passivação na parte ou na maioria de uma região porosa disposta adjacente a uma região termicamente estável, a máscara ou material de passivação funcionando como uma barreira para o material infiltrador, e depois introduzindo um material infiltrador no corpo de PCD; a máscara ou materiais de passivação prevenindo que o material infiltrador interaja com a região termicamente estável.

[58] Em uma forma de realização, o método incluindo revestir um pouco ou substancialmente todas as superfícies de diamante internas da região termicamente estável, pelo menos parcialmente, com um meio de mascaramento ou passivação tal como um material inerte de modo a mascarar ou passivar a região termicamente estável, totalmente ou em partes.

[59] Em uma forma de realização, o método inclui isolar quimicamente de modo substancial o diamante da interação química com o material infiltrador.

[60] Em uma forma de realização, o método inclui introduzir o material infiltrador no corpo de diamante policristalino simultaneamente com introdução do meio de mascaramento ou passivação próximo ou na região termicamente estável. Em uma forma de realização, o método inclui introduzir o meio de mascaramento ou passivação próximo ou na região termicamente estável e depois introduzir o material infiltrador no corpo de

Petição 870190011631, de 04/02/2019, pág. 25/56 / 39 diamante policristalino. Em uma forma de realização, o material infiltrador é introduzido em um volume do corpo de PCD, o volume sendo de pelo menos 10 por cento do volume total do corpo de PCD.

[61] Em uma forma de realização, o corpo do diamante policristalino é integralmente ligado a um substrato, o qual pode compreender um material de carbeto cementado, durante a mesma etapa em que o material infiltrador é introduzido, e em uma forma de realização, o substrato fornece a fonte do material infiltrador, o qual pode compreender cobalto.

[62] Em uma forma de realização, o corpo de PCD é unido em uma interface a um substrato que compreende carbeto de tungstênio cementado, e em uma forma de realização, o material infiltrador é introduzido em um volume do corpo de PCD é próxima a uma superfície do corpo de PCD, a superfície sendo remota da ou oposta à interface, o volume tendo uma profundidade da superfície de pelo menos cerca de 0,1 mm.

[63] Em uma forma de realização, o método inclui remover o material catalisador dos interstícios de um corpo de PCD. Em uma forma de realização, a região termicamente estável é isenta ou substancialmente isenta de material catalisador.

[64] Em uma forma de realização, o material infiltrador é um material catalisador. Mais preferivelmente o material infiltrador compreende cobalto, ferro ou níquel, ou uma liga incluindo qualquer um destes elementos.

[65] Em uma forma de realização, o método inclui remover o material catalisador de substancialmente o volume inteiro do corpo de PCD, deste modo fornecendo um corpo de PCD termicamente estável que é altamente poroso.

[66] As formas de realização do método da invenção possuem a vantagem de permitir que um corpo de PCD seja infiltrado com um material catalisador sem substancialmente reduzir a estabilidade térmica da região termicamente estável.

Petição 870190011631, de 04/02/2019, pág. 26/56 / 39 [67] Em uma forma de realização do método em que o corpo de PCD é unido a um substrato durante a etapa de infiltração, o material catalisador tal como cobalto dentro do substrato pode infiltrar em poros dentro do corpo de PCD, que pode promover a formação de uma ligação forte entre o corpo de PCD e substrato.

[68] As formas de realização do método da invenção possuem a vantagem de produzir os compactos de PCD tendo tanto estabilidade térmica aumentada quanto tensão interna reduzida, que pode estender a vida de operação do compacto de PCD. A infiltração do material catalisador a uma profundidade dentro do corpo de PCD pode reduzir a tensão interna que pode ser gerada quando dois corpos tendo propriedades termodinâmicas muito diferentes estão unidos. A simples ligação de superfície a superfície de um corpo de diamante termicamente estável a um substrato de carbeto cementado pode resultar em tensões termos-mecânica significantes próximas à interface entre estes, o que pode levar à falha dos compactos tanto durante a fabricação quanto no uso, tornando tais compactos não econômicos.

[69] As formas de realização do método que inclui revestir as superfícies internas de diamante o corpo de PCD na região mascarada ou passivada possuem a vantagem de que uma microestrutura geralmente porosa pode ser retida. Isto pode permitir a infiltração do material infiltrador na microestrutura porosa enquanto mantendo o material catalisador isolado da região termicamente estável. Isto pode preservar a estabilidade térmica de pelo menos parte do corpo de PCD.

[70] As formas de realização do método da invenção possuem a vantagem de que a natureza e o tipo de substrato de carbeto usado no produto final podem ser diferentes daquele usado na fabricação do corpo de PCD de partida. Isto pode permitir o uso de um substrato mais adequado para sinterizar o corpo de PCD de partida, e depois o uso de um substrato diferente que pode ser mais adequado para o produto terminado. Em outras palavras, o

Petição 870190011631, de 04/02/2019, pág. 27/56 / 39 substrato das formas de realização do produto final não é limitado àquele usado para sinterizar o corpo de PCD e pode ser selecionado para ter propriedades melhores para o uso em uma dada aplicação.

[71] Um terceiro aspecto da invenção fornece um inserto de PCD para uma ferramenta, o inserto que compreende uma forma de realização de um elemento de PCD de acordo com a invenção.

[72] Um quarto aspecto da invenção fornece uma ferramenta que compreende uma forma de realização de um inserto de acordo com um aspecto da invenção.

[73] Em algumas formas de realização, a ferramenta é para maquinar, perfurar, cortar ou de outro modo que forma ou degrada um objeto a usinar duro ou abrasivo ou outro corpo, tal como rocha, concreto, asfalto, metal ou materiais de compósito duro. Em algumas formas de realização, a ferramenta é uma broca para perfuração para o uso na perfuração da terra, perfuração de rochas ou degradação de rochas, ao passo que pode ser usado nas indústrias perfuração e de mineração de óleo e gás. Em uma forma de realização, a ferramenta é uma broca tipo pá rotativa para o uso na perfuração da terra e perfuração da rocha na indústria de óleo e gás.

[74] Um quinto aspecto da invenção fornece uma broca de furadeira rotativa contendo uma pluralidade de insertos de PCD, cada qual compreende uma respectiva forma de realização de um elemento de PCD de acordo com a invenção.

Texto explicativo das figuras [75] As formas de realização não limitantes da invenção serão agora descritas em maiores detalhes, somente por via de exemplo, com referência às figuras em anexo, das quais:

[76] A FIG 1 apresenta uma visão transversal longitudinal esquemática de uma forma de realização de um elemento de PCD.

[77] A FIG 2 apresenta uma visão transversal expandida

Petição 870190011631, de 04/02/2019, pág. 28/56 / 39 esquemática de uma região da forma de realização apresentada na FIG 1.

[78] Da FIG 3 até a FIG 6 é apresentada as visões transversais longitudinais esquemáticas das formas de realização dos elementos de PCD.

[79] A FIG 7A apresenta visões em perspectiva esquemática dos componentes usados em uma forma de realização de um método para a fabricação de compactos ou insertos de PCD.

[80] A FIG 7B apresenta uma visão em perspectiva esquemática de um compacto ou inserto de PCD.

[81] A FIG 8 apresenta uma visão em perspectiva de uma broca de furadeira rotativa para a perfuração na terra.

[82] As mesmas referências em todas as figuras se referem às mesmas características, a menos que de outro modo indicado.

Descrição Detalhada das Formas de Realização [83] Como aqui usado, uma “máscara” é uma barreira física que é capaz de retardar ou prevenir a difusão ou reações químicas através desta.

[84] Como aqui usado, “meio de mascaramento” ou “material de mascaramento” é um meio ou material que é adequado para formar uma máscara ou funcionamento como uma máscara.

[85] Como aqui usado, um “meio de passivação” é um meio que é capaz de retardar ou prevenir algumas reações químicas ou transformações de fases, tais como a transformação de diamante para grafite.

[86] Como aqui usado, o termo “não passivada ou não mascarada” em relação a uma região de um corpo de PCD significa que a região é substancialmente isenta do meio de mascaramento ou passivação substancialmente presente dentro de uma região mascarada ou passivada do corpo de diamante policristalino.

[87] Como aqui usado, o termo “interstícios” é entendido significar “interstícios ou regiões intersticiais”. Os interstícios podem ser preenchidos ou não preenchido, ou parcialmente preenchidos com um aglutinante ou

Petição 870190011631, de 04/02/2019, pág. 29/56 / 39 material preenchedor.

[88] Com relação à FIG 1 e FIG 2, uma forma de realização de um inserto de PCD 200 compreende uma forma de realização de um elemento de PCD 100 unido a um substrato de carbeto cementado 220 em uma interface 116. A forma de realização do elemento de PCD 100 tem superfícies de diamante internas 102, as superfícies de diamante internas 102 que definem os interstícios 104 entre estes. O elemento de PCD 100 compreende uma região mascarada ou passivada 111 e uma região não mascarada ou não passivada 112, a região não mascarada ou não passivada 112 que definem um limite 116 com o substrato 220, o limite sendo a interface (ambas indicadas pela referência 116), e estendendo uma profundidade de entre cerca de 5 mícrons e cerca de 600 mícrons do limite 116, em que pelo menos um pouco das superfícies de diamante internas 102b da região mascarada ou passivada 111 comunicam um meio de mascaramento ou passivação, e em que um pouco ou todos dos interstícios 104b da região mascarada ou passivada 111 e da região não mascarada ou não passivada 112 é pelo menos parcialmente preenchido com um material infiltrador.

[89] Com relação à FIG 3 até a FIG 6, as formas de realização dos elementos de PCD 100 são unidas ao substrato de carbeto cementados 220 para formar as formas de realização dos insertos de PCD 200 tendo respectivas superfícies de trabalho 114. Os elementos de PCD 100 possuem cada um, uma respectiva região mascarada ou passivada 111, em que os interstícios microscópicos (não mostrados) são substancialmente preenchidos com um meio de mascaramento ou passivação, e uma região não mascarada ou não passivada 112, próxima ao substrato 220. As formas de realização apresentadas na FIG 3, FIG 4 e FIG 5 cada uma compreende uma respectiva outra região 113, em que ambos os meios de mascaramento ou passivação, ou precursores destes, e o material catalisador estão presentes.

[90] Na forma de realização apresentada na FIG 3, o volume da

Petição 870190011631, de 04/02/2019, pág. 30/56 / 39 região mascarada ou passivada 111 é substancialmente maior do que da região não mascarada ou não passivada 112.

[91] Na forma de realização apresentada na FIG 4, o volume da região mascarada ou passivada 111 é substancialmente menor do que aquela da região não mascarada ou não passivada 112.

[92] Na forma de realização apresentada na FIG 5, o elemento de PCD 100 é ligado ao substrato 220 por intermédio de uma camada intermediária 225. A camada intermediária 225 compreende os grãos de diamante, carbeto metálico e um metal.

[93] Na forma de realização apresentada na FIG 6, o elemento de PCD 100 compreende uma região porosa 115, próxima à superfície de trabalho 114. Os interstícios microscópicos (não mostrados) dentro da região porosa 115 são substancialmente isentos do meio de mascaramento ou passivação e de material catalisador. A região mascarada ou passivada 111 é localizada no intermédio da região porosa 115 e na região não mascarada ou não passivada 112.

[94] As formas de realização dos elementos de PCD ou insertos da invenção podem ter aplicação particular como elementos cortadores para brocas de perfuração, em cujas aplicações a estabilidade térmica aumentada pode estender a vida de trabalho da ferramenta.

[95] Como aqui usado, um material catalisador para diamante é um material que é capaz de promover a precipitação, crescimento e/ou sinterização, junto dos grãos de diamante sob uma condição de pressão e temperatura em que o diamante é mais termodinamicamente estável do que o grafite. Os exemplos de materiais catalisadores para diamante são ferro, níquel, cobalto, manganês e algumas ligas incluindo qualquer um destes elementos. Alguns materiais catalisadores para diamante são capazes de promover a conversão do diamante em grafite na pressão ambiente, particularmente em temperaturas elevadas.

Petição 870190011631, de 04/02/2019, pág. 31/56 / 39 [96] Como aqui usado, “termicamente estável” quando usado em relação a um corpo ou elemento de PCD ou região neste é entendido significar que o PCD dentro daquela região tem resistência melhorada à degradação em temperaturas elevadas, particularmente, em temperaturas na faixa de cerca de 400 graus centígrados a cerca de 800 graus centígrados. Em algumas formas de realização, isto pode ser obtido se menos do que cerca de 10 % da área das superfícies de diamante internas do corpo ou porção deste está em contato com um material catalisador que é capaz de promover a conversão do diamante em grafite na pressão ambiente.

[97] Em uma forma de realização, a região termicamente estável é adjacente a uma superfície de trabalho ou periférica, ou adjacente a uma superfície de trabalho e periférico do elemento de PCD.

[98] Com relação à FIG 7A, uma forma de realização de um método para fabricar um elemento de PCD inclui fornecer um inserto de PCD 300 que foi fabricado usando um método pressão ultra-alta e temperatura alta (HPHT) bem conhecido na técnica. O inserto 300 compreende um elemento de PCD 310 totalmente ligado a um substrato de metal duro de carbeto cementado 320. Os interstícios microscópicos (não mostrados) do elemento de PCD 310 são substancialmente preenchidos com material catalisador de cobalto. Pelo menos uma parte do elemento de PCD 310 é separada do inserto 300 para produzir um corpo de PCD 311. Uma maneira de separar o elemento de PCD 310 é triturar o substrato 320. O corpo de PCD 311 é tratado para remover o material catalisador dos interstícios para produzir um elemento poroso e termicamente estável de PCD 312. O elemento poroso de PCD 312 é depois comunicado em um lado com um segundo substrato de carbeto cementado 340 e no lado oposto com uma fonte de 330 do meio de mascaramento ou passivação, ou um precursor para um meio de mascaramento ou passivação. A fonte 330 pode estar na forma de uma folha ou disco finos, ou pó. O substrato 340 inclui os grãos de carbeto de tungstênio

Petição 870190011631, de 04/02/2019, pág. 32/56 / 39 e um aglutinante de metal de cobalto, o aglutinante metálico sendo capaz de agir como um material catalisador para promover o crescimento e sinterização dos grãos de diamante. O elemento poroso de PCD 312, deste modo “intercalado” entre o substrato 340 e a folha ou disco 330 é tratado em uma pressão ultra-alta em um excesso de cerca de 5 GPa em uma temperatura suficientemente alta parta fundir o meio de mascaramento ou passivação ou seu precursor e para fundir o aglutinante de metal de cobalto do substrato 340, resultando em um pouco da sua infiltração como um material infiltrador no elemento poroso de PCD 312. O ciclo de temperatura pode ser controlado de tal maneira como para permitir que alguma quantidade ou suficiente do meio de mascaramento ou passivação ou seu precursor a ser introduzido no elemento poroso de PCD 312 antes do material aglutinante do metal de cobalto e infiltrando no elemento poroso de PCD 312. Depois do seu tratamento, o inserto resultante é removido e processado até dimensões finais e tolerâncias para produzir uma forma de realização de um inserto terminado de PCD 200 apresentado na FIG 7B, que compreende um elemento de PCD 100 unido a um substrato de carbeto cementado 220.

[99] Uma forma de realização do método da invenção inclui comunicar o corpo de PCD com uma fonte do meio de mascaramento ou passivação, ou de um material precursor de máscara ou passivação, e com uma fonte do material infiltrador. Em uma forma de realização, o corpo de PCD tem uma espessura entre um par de superfícies opostas de pelo menos cerca de 1,5 mm ou pelo menos cerca de 1,8 mm, um dos pares comunicados com uma fonte do meio de mascaramento ou passivação, ou de um material precursor de máscara ou passivação, e o outro do par comunicado com uma fonte de material infiltrador.

[100] Uma forma de realização do método da invenção inclui aquecer uma fonte do meio de mascaramento ou passivação, ou de um material precursor de máscara ou passivação, a uma temperatura dentro da

Petição 870190011631, de 04/02/2019, pág. 33/56 / 39 faixa entre o ponto de fusão do meio de mascaramento ou passivação, ou o material precursor de máscara ou passivação, e o ponto de fusão do material infiltrador, mantendo a temperatura dentro desta faixa por um período de tempo suficiente para a introdução do meio de mascaramento ou passivação, ou o material precursor de máscara ou passivação, a ser completado. Em uma forma de realização, a temperatura é depois aumentada para mais do que o ponto de fusão do material infiltrador por um período de tempo para a introdução do material infiltrador a ser completado.

[101] Uma forma de realização do método inclui comunicar uma superfície de um corpo de PCD poroso com uma fonte de silício, comunicando uma outra superfície do corpo de PCD com uma fonte de cobalto para formar uma montagem, submetendo a montagem a uma pressão de pelo menos cerca de 5,5 GPa, aquecendo a montagem a uma temperatura na range acima o ponto de fusão de silício na pressão e abaixo do ponto de fusão do cobalto na pressão, mantendo a temperatura dentro da sua faixa por um período de tempo de pelo menos cerca de 2 minutos ou pelo menos cerca de 3 minutos, e depois de aumentar a temperatura até acima do ponto de fusão do cobalto na pressão.

[102] Uma forma de realização do método inclui comunicar uma superfície de corpo de PCD poroso com uma fonte de alumínio, comunicando uma outra superfície do corpo de PCD com uma fonte de cobalto para formar uma montagem, submetendo a montagem a uma pressão de pelo menos cerca de 5,5 GPa, aquecendo a montagem a uma temperatura na faixa acima do ponto de fusão do alumínio na pressão e abaixo do ponto de fusão do cobalto na pressão, mantendo a temperatura dentro desta faixa por um período de tempo de pelo menos cerca de 1 minuto ou pelo menos cerca de 2 minutos, e depois aumentando a temperatura até acima do ponto de fusão do cobalto na pressão.

[103] Em algumas formas de realização, o período de tempo é de no máximo cerca de 15 minutos ou ainda de no máximo cerca de 10 minutos.

Petição 870190011631, de 04/02/2019, pág. 34/56 / 39 [104] O corpo de PCD sinterizado pode ser produzido em um forno de pressão ultra-alta sinterizando juntos os grãos de diamante na presença de um material catalisador para diamante em uma pressão de pelo menos cerca de 5,5 GPa e uma temperatura de pelo menos cerca de 1.300 graus centígrados. O catalisador pode compreender um material catalisador de diamante do tipo de metal de transição convencional, tal como cobalto, ferro ou níquel, ou algumas ligas destes. O corpo de PCD sinterizado, como um todo ou pelo menos uma região deste, pode ser depois tornado termicamente estável, por exemplo, através da remoção da maioria do material catalisador aglutinante do corpo de PCD ou região desejada usando lixiviação ácida ou um outro processo similar conhecido na técnica.

[105] O material catalisador presente no corpo de PCD 311 pode ser removido através de qualquer um dos vários métodos conhecidos na t técnica, tal como gravação eletrolítica, técnicas de evaporação, lixiviação ácida (por exemplo, através da imersão em um ácido fluorídrico contendo uma substância líquida, ácido nítrico ou misturas destes) ou por intermédio de gás de cloro, como divulgado na Publicação de Patente Internacional Número WO 2007/042920, ou através de um outro método (por exemplo, como divulgado na Patente Sul Africana Número 2006/00378).

[106] Em uma forma de realização do método, dois corpos de PCD porosos, similares ao elemento poroso 312 na FIG 7A são fornecidos. Um dos corpos de PCD porosos é infiltrado ou permeado com um precursor para um meio de mascaramento ou passivação. Preferivelmente, o precursor é um metal que, quando na fase fundida ou gasosa, reage prontamente com o carbono para formar um carbeto. O precursor pode ser introduzido nos poros do corpo de PCD poroso através da comunicação de um corpo do material precursor com o elemento de PCD e aquecendo no vácuo ou atmosfera inerte até uma temperatura acima do ponto de fusão do precursor, e permitindo que o precursor fundido infiltre no corpo de PCD poroso. Se o precursor é um

Petição 870190011631, de 04/02/2019, pág. 35/56 / 39 bom formador de carbeto (por exemplo, Si ou Ti), então este pode reagir com carbono a partir do diamante para formar um meio de mascaramento ou passivação de carbeto. O corpo de PCD mascarado ou passivado resultante é depois colocado em contato com o outro corpo de PCD poroso, que por sua vez é colocado em contato com um substrato de metal duro contendo uma fonte de material catalisador tal como cobalto. O corpo de PCD poroso, deste modo “intercalado” entre o substrato de metal duro e o elemento de PCD mascarado ou passivado, é tratado em uma pressão ultra-alta em um excesso de cerca de 5 GPa em uma temperatura suficientemente alta para fundir o aglutinante metálico do substrato, resultando em um pouco da sua infiltração no elemento de PCD poroso. Depois deste tratamento, o inserto resultante é removido e processado até dimensões e tolerâncias finais para produzir um inserto de PCD terminado.

[107] Em uma forma de realização do método, um inserto de PCD similar ao inserto de PCD 300 na FIG 7A, é fornecido. A região próxima à superfície de trabalho do elemento de PCD é substancialmente isenta de material catalisador por intermédio de um método conhecido na técnica, resultando em uma região porosa. Um meio de mascaramento ou passivação, ou precursor para um meio de mascaramento ou passivação, é introduzido nos poros da região porosa para formar um revestimento nas superfícies de diamante internas. Por exemplo, o meio ou seu precursor pode ser introduzido na forma de vapor de modo a revestir a maior quantidade possível da área de superfície do diamante, ainda melhor substancialmente toda a área de superfície do diamante, com um revestimento de proteção fino do meio de mascaramento ou passivação. Os parâmetros do método de introdução podem ser controlados para reter a porosidade dentro da região, o volume de poro médio tem sido reduzido através do volume do revestimento o meio de mascaramento ou revestimento de passivação depositados. Um material catalisador é depois infiltrado nos poros restantes da região mascarada ou

Petição 870190011631, de 04/02/2019, pág. 36/56 / 39 passivada. Isto pode ser feito comunicando-se uma fonte de material catalisador com a superfície de trabalho do elemento de PCD, montando o inserto de PCD e a fonte em uma cápsula de um tipo usado para a sinterização por HPHT de PCD, e submetendo a montagem a uma pressão e temperatura ultra-altas e em que o material catalisador seja fundido o diamante seja termodinamicamente mais estável do que o grafite. Em algumas formas de realização, a pressão é de pelo menos cerca de 5,5 GPa, pelo menos cerca de 6 GPa ou de pelo menos cerca de 6,5 GPa. Em uma forma de realização, a pressão é de cerca de 6,8 GPa.

[108] A introdução de um meio de mascaramento ou passivação ou um precursor destes pode ser completa, em que a maioria da porosidade aberta da região mascarada ou passivada do corpo de PCD é preenchida ou tornada muito não porosa através da introdução de outra fase ou fases, consequentemente bloqueando a infiltração; ou pode ser parcial, em que somente as superfícies expostas da microestrutura de diamante são mascaradas ou passivadas, com porosidade restante com base m volume significante, mas que resulta em um emaranhamento da microestrutura ou estrutura de diamante que é altamente isolada da interação química e física com a frente do material infiltrador ou de ligação.

[109] O meio de mascaramento ou passivação pode ser removível, por exemplo, através de um tratamento químico pouco adequado antes o uso no compacto final, ou se o inerte ou ainda benéfico pode ser deixado dentro do produto.

[110] Vários métodos de introduzir uma máscara ou meio de passivação ou seus precursores podem ser usados. Estes incluem o uso de uma fase gasosa, por exemplo, de Ti, Si, W e outros, para revestir o material de PCD na região ou nas regiões destes que são necessárias ser isentas de material infiltrador. Alternativamente, os poros ou vazios da estrutura podem ser preenchidos, total ou parcialmente, com um sal inerte ou fase de cerâmica. Os

Petição 870190011631, de 04/02/2019, pág. 37/56 / 39 sais ou cerâmicas adequados podem ser aqueles que não fundem em condições de HPHT, ou são submetidos às mudanças de fase significantes que podem comprometer a integridade estrutural da estrutura de PCD. Outro método que envolve o tratamento das superfícies internas da porosidade usando uma modificação química da superfície tal que a umectação química através da frente de infiltração seja prevenida ou impedida, também é antecipado.

[111] Os exemplos não limitantes das tecnologias para introduzir a máscara ou meio de passivação na porosidade da estrutura de diamante incluem:

• Deposição de Camada Atômica (ALD) para revestir as superfícies de diamante internas da porosidade aberta;

• infiltração com um polímero ou solução polimérica précerâmico líquido que é subsequentemente convertido a uma fase de cerâmica através de um processo de cura e subsequente formação de cera;

• o uso de vias de sol gel ou outras vias químicas com base em solução para depositar ou formar as fases adequadas na porosidade do PCD, que podem precisar de tratamentos de calor e/ou gás subsequentes para obter as fases desejadas.

[112] A deposição da Camada Atômica (ALD) pode formar revestimentos extremamente homogêneos nas superfícies que, como um resultado, são camadas de barreira muito boas, mesmo que somente para algumas das camadas atômicas (por exemplo, 25). Além disso, a química pode ser controlada camada por camada, permitindo que revestimentos multifuncionais sejam facilmente aplicados. O ALD pode ter vantagens sobre outras técnicas de deposição de película fina, porque as películas que crescem em ALD estão substancialmente em concordância com o corpo revestido, isentas de furos e quimicamente ligadas ao corpo revestido. Com o ALD é possível depositar revestimentos uniformes em espessura dentro de valas profundas, meios porosos e partículas adjacentes. Tal método de revestimento

Petição 870190011631, de 04/02/2019, pág. 38/56 / 39 de ALD é divulgado, por exemplo, no Pedido de Patente US Número 2008/0073127.

[113] Outro método alternativo exemplar para introduzir um meio de mascaramento ou passivação em uma região porosa dentro de um elemento de PCD é infiltrar um polímero pré-cerâmico, ou outro material precursor organometálico adequado, nos poros (ver, por exemplo, as Patentes dos Estados Unidos 5.649.984 e 5.690.706, e as referências nestas citadas, para informação). Os polímeros pré-cerâmicos líquidos existem, os quais podem ser convertidos a cerâmicas através de um processo de cura e a subsequente formação de cera. Em particular, alguns sistemas poliméricos pré-cerâmicos líquidos de Si-C-N podem ser mais adequados para a infiltração nos corpos de PCD porosos e o subsequente tratamento, como é conhecido na técnica, para convertes o polímero em um material cerâmico, particularmente carbo-nitreto de silício, como também é bem conhecido na técnica. A infiltração de um polímero pré-cerâmico no PCD poroso é vantajosamente realizada no vácuo e auxiliada através da aplicação de uma temperatura elevada e/ou pressão de menos do que cerca de 30 MPa.

[114] Outro método para introduzir o material de máscara ou passivação em uma região porosa dentro de um elemento de PCD inclui um método de sol gel (ver, por exemplo, o método para depositar carbeto de metal em diamante divulgado na WO 2006/032982, e os métodos de revestimento como descrito na WO 2006/032984 e WO 2007/088461). Em uma forma de realização particular, um sal inerte tal como CaCo3, por exemplo, é infiltrado no elemento de PCD poroso por intermédio de um método de sol gel. As funções de sal inerte para limitar a subsequente infiltração do material catalisador em uma pressão e temperatura ultra-altas, resultando em uma região do PCD em que os pores são substancialmente preenchidos com o sal e uma segunda região em que os poros são substancialmente preenchidos com um material catalisador. O sal pode ser

Petição 870190011631, de 04/02/2019, pág. 39/56 / 39 prontamente removido a partir do elemento de PCD depois da etapa de infiltrar novamente por intermédio da dissolução em água, deixando uma região porosa dentro do PCD.

[115] Outros métodos podem ser usados para introduzir um meio de mascaramento ou passivação em um corpo de PCD poroso. Em uma forma de realização de exemplo de tal método alternativo, um elemento de PCD poroso pode ser infiltrado ou permeado com um vapor de hexafluoreto de tungstênio, resultando na deposição do tungstênio dentro dos poros. Pelo menos um pouco do tungstênio pode reagir com o carbono do diamante para formar WC, que é um meio de passivação adequado. Visto que o tungstênio não reagido também é um meio de mascaramento ou passivação adequados, a formação de WC pode não ser essencial. Os métodos conhecidos na técnica de revestimentos de diamante e metalização podem ser usados (ver, por exemplo, as Patentes dos Estados Unidos 7.022.403; 5.346.719; 5.062.865; e 5.062.865). Os métodos de deposição de vapor podem ser usados de maneira similar para introduzir Si, Cr ou Ti nos interstícios de um elemento poroso de PCD, resultando em um carbeto, nitreto, boreto, carbo-nitreto ou boro-nitreto de silício, cromo ou titânio, pelo menos parcialmente revestindo as superfícies do diamante. Tais métodos são bem conhecidos na técnica de revestimento de diamante por intermédio da deposição de vapor física (PVD) e deposição de vapor química (CVD). Ver, por exemplo, a WO 2005/078041, os números de patentes US 5.024.680 e 5.221.969, e Número de Patente Européia EP 0 467 404, que são aqui incorporadas por referência.

[116] Em uma forma de realização exemplar, a porosidade pode ser preenchida total ou parcialmente com um material contendo carbono que não diamante. Isto pode na presença de material catalisador ser convertido a PCD durante uma etapa subsequente de submeter o corpo de PCD a uma pressão ultra-alta, resultando na densidade de diamante aumentada na porção externa da camada e PCD e consequentemente em estabilidade térmica aumentada. A

Petição 870190011631, de 04/02/2019, pág. 40/56 / 39 infiltração com um material contendo carbono pode ser efetuada através da infiltração de vapor química do carbono de grafite amorfo fornecido em baixa pressão usando hidrocarbonetos gasosos incluindo metano, etano ou etileno. A infiltração também pode ser obtida através da infiltração de fase líquida em alta pressão usando hidrocarbonetos líquidos, incluindo cera, piche e betume ou através da impregnação com carbono em alta pressão usando fulerenos.

[117] Em outra forma de realização exemplas, uma camada intermediária pode ser fornecida, por exemplo, entre o substrato e o corpo de PCD. A função da camada intermediária pode ser principalmente para reduzir as tensões internas dentro do elemento de PCD e, portanto, minimizar o risco de fraturas. Tais camadas intermediárias são bem conhecidas na técnica e várias camadas intermediárias para os insertos de PCD foram divulgadas (por exemplo, a Patente US 5.370.195 e US Número de Pedido e Patente US 20070186483 A1).

[118] O processo de máscara ou passivação pode ser conduzido em uma tal maneira como para deixar ou tornar porosa uma região adjacente ao substrato ou superfície de suporte para garantir a ótima ligação durante a etapa de ligação de HPHT.

[119] A região mascarada ou passivada pode ser formada entre a região termicamente estável e a região porosa adjacente ao substrato ou região de suporte, contanto que esta aja como uma barreira para qualquer fase de ligação infiltrador do substrato ou suporte, prevenindo esta de comunicar ou interagir de qualquer modo com a região termicamente estável.

[120] Uma região adjacente a uma superfície periférica do elemento de PCD pode ser tratada para formar uma região anular termicamente estável substancialmente isenta de material catalisador. Em uma forma de realização exemplar alternativa, a região passivada ou mascarada pode estar localizada intermediária à região termicamente estável, adjacente à superfície de trabalho e/ou periferia, e a região porosa adjacente à superfície a ser ligada ao

Petição 870190011631, de 04/02/2019, pág. 41/56 / 39 substrato. As várias regiões são tipicamente fornecidas na forma de camadas.

[121] Preferivelmente, a etapa de máscara ou passivação não serão carregadas sob condições de HPHT, e, portanto, constituirão um tratamento separado do corpo de PCD poroso sob condições de temperatura e pressão moderadas antes de ser ligados ao substrato ou corpo de suporte.

[122] Em uma forma de realização exemplar do método da invenção, a união ou ligação de um corpo de PCD previamente sinterizado ou emaranhado termicamente estável tendo ligação de diamante a diamante substancial na sua microestrutura a um suporte adequado, tal como um substrato de carbeto cementado, é fornecida de tal maneira como para manter ou preservar a estabilidade térmica do PCD, particularmente na superfície de trabalho superior do elemento abrasivo resultante. Consequentemente, a necessidade quanto qualquer tratamento ou modificação subsequentes do corpo de PCD de modo a melhorar ou obter a estabilidade térmica final da região adjacente à superfície de trabalho ou de maneira periférica pode ser removida ou significantemente reduzida. No uso, os elementos de PCD podem ser expostos a temperaturas elevadas devido aos eventos de fricção na superfície de trabalho ou externa. Portanto, é tipicamente nesta região que a estabilidade térmica deve ser preservada.

[123] O fornecimento de um grau de porosidade no corpo de PCD pode auxiliar em facilitar a ligação do corpo de PCD ao substrato. A porosidade em uma região do PCD que comunicará o substrato pode permitir uma melhor ligação entre o substrato e o corpo de PCD por causa da infiltração da fase cimentada ou uma outra fase de ligação adequada do corpo de substrato ou a região de interface no corpo de PCD. Enquanto desejando não estar ligado por uma hipótese particular, a porosidade pode facilitar uma ação capilar que pode retirar a fase de ligação na microestrutura de PCD e maximizar a força da ligação entre os dois corpos durante o processo de ligação.

X [124] Àquele habilitado na técnica apreciará que os elementos de

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PCD e insertos de uma ampla variedade de formas e tamanhos pode ser feito, dependendo do tipo de aplicação. Os insertos podem ser particularmente vantajosos quando usados nas aplicações onde o inserto pode ser submetido a altas temperaturas, e, portanto, onde a alta estabilidade térmica é importante. Tal uso é para as brocas de furadeira rotativa usadas para perfurar rochas e perfuração da terra na indústria de óleo e gás [125] Com relação à FIG 8, uma forma de realização de uma broca de furadeira rotativa 800 para perfuração da terra inclui, por exemplo, uma pluralidade de insertos de PCD 600 como previamente aqui descrito com relação à FIG 1. A broca de furadeira rotativa 800 para perfuração de terra inclui um corpo de broca 802 que é segurado a uma haste 804 tendo uma porção de conexão rosqueada 806 (por exemplo, uma porção de conexão rosqueada 806 conforme os padrões da indústria tais como aqueles promulgados pelo American Petroleum Institute (API)) para obter a broca para perfuração 800 a uma coluna de perfuração (não mostrada). O corpo da broca 802 pode compreender um material de compósito de matriz de partícula ou uma liga metálica tal como aço. O corpo da broca 802 pode ser preso à haste 804 através de uma ou mais de uma conexão rosqueada, uma solda, e uma liga de latão na interface entre estes. Em algumas formas de realização, o corpo da broca 802 pode ser preso à haste, 804, indiretamente por intermédio de um metal bruto ou extensão entre estes, como conhecido na técnica.

[126] O corpo da broca 802 pode incluir vias de passagem de fluido interno (não mostrado) que se estende entre a face 803 do corpo da broca 802 e um furo longitudinal (não mostrado), que se estende através da haste 804, uma extensão 808 e parcialmente através do corpo da broca 802. Os insertos de bocais 824 também podem ser fornecidos na face 803 do corpo da broca 802 dentro das vias de passagem de fluido interno. O corpo da broca 802 também pode incluir uma pluralidade de lâminas 816 que são separadas por calhas de refugo 818. Em algumas formas de realização, o corpo da broca 802

Petição 870190011631, de 04/02/2019, pág. 43/56 / 39 pode incluir buchas de desgaste de calibre 822 e nós de desgaste 828. Uma pluralidade de insertos de PCD, que são geralmente indicados por um numeral de referência 600 na FIG 8, podem ser montados na face 803 do corpo da broca 802 nas bolsas de elemento de corte 812 as quais que estão localizadas ao longo de cada uma das lâminas 816.

[127] Os insertos 600 são posicionados para cortar uma formação subterrânea sendo perfurada enquanto a broca de perfuração, 800, é rotacionada sob peso na broca (WOB) em um buraco de perfuração em torno de centrelina, L800.

[128] As formas de realização dos insertos de PDC da presente invenção também podem ser usadas como trímeros indicadores de nível, e podem ser usadas em outros tipos de ferramentas de perfuração na terra. Por exemplo, as formas de realização de insertos da presente invenção também podem ser usadas em cones como brocas de perfuração de cone de rolo, em escareadores, moinhos, brocas bi-centrais, brocas irregulares, brocas de núcleo, e as então chamadas brocas híbridas que incluem tanto cortadores fixos quanto os cortadores de rolo.

Exemplos [129] A invenção será agora descrita, somente por via de exemplo, com referência aos seguintes exemplos não limitantes.

Exemplo 1 [130] Um inserto de PCD adequado para o uso em uma broca rotatória para perfuração de óleo e gás e tendo um diâmetro de cerca de 16 mm foi fornecido. O inserto foi substancialmente cilíndrico quanto à forma e compreendido de uma camada de PCD integralmente ligada a um substrato de WC cementado com Co. A camada de PCD foi de cerca de 2,3 mm de espessura e compreendida de grãos de diamante sinterizados com um tamanho de grão médio de menos do que cerca de 20 mícrons e com uma distribuição e tamanho de grãos que foi capaz de ser resolvida em pelo menos três picos ou

Petição 870190011631, de 04/02/2019, pág. 44/56 / 39 modos distintos. Os interstícios entre os grãos de diamante do PCD foram preenchidos com Co, um material catalisador originado a partir do substrato de metal duro durante a etapa de sinterizar o PCD. A camada de PCD foi separada do substrato por intermédio de EDM de arame (maquinaria de descarga elétrica), fornecendo um corpo de PCD tendo uma forma geralmente semelhante a um disco. Substancialmente todo o Co foi depois removido do corpo de PCD imergindo-o em uma mistura de ácido fluorídrico e nítrico por vários dias, resultando em um corpo de PCD poroso separado. O corpo de PCD poroso foi tratado por calor no vácuo de modo a remover (isso é “gás de saída”) qualquer impureza residual orgânica que pode estar presente.

[131] O corpo de PCD poroso foi colocado em uma superfície plana de um outro substrato e cilíndrico que compreende carbeto de tungstênio cementado com cobalto, e um disco fino de silício colocado no topo do disco de PCD poroso, e esta montagem foi carregada em uma cápsula para um forno de pressão ultra-alta (ou prensa de alta temperatura). Embora um disco de silício tenha sido usado nesse exemplo, uma camada de pó de silício pode ser usada. O disco de silício era menor do que 1 mm de espessura e foi limpado de modo ultra-sônico em um banho de acetona. A montagem foi submetida a uma pressão ultra-alta de maior do que cerca de 5,5 GPa, em que o diamante é termodinamicamente estável. A temperatura foi aumentada a cerca de 1.220 graus centígrados, que foi maior do que ponto de fusão do silício em uma pressão, e mantida entre esta temperatura e cerca de 1.320 graus centígrados, que é aproximadamente o ponto fusão de cobalto na pressão, por um período de 3 minutos. Este período foi determinado através da experimentação a ser suficiente para o silício para fundir e infiltrar no corpo de PCD a uma profundidade do substrato de mais do que cerca de 100 mícrons e menos do que cerca de 400 mícrons. A temperatura foi depois aumentada até cerca de 1.400 graus centígrados e mantida neste nível por cerca de 5 minutos. Deste modo, o corpo de PCD poroso foi re-infiltrado a

Petição 870190011631, de 04/02/2019, pág. 45/56 / 39 uma profundidade de entre 100 e 400 mícrons com cobalto fundido do substrato e silício fundido a partir da superfície oposta, e simultaneamente ligada ao substrato.

[132] Depois da etapa de re-infiltração, o inserto foi recuperado e dividido em duas partes junto com um plano axial, produzindo duas superfícies transversais. Uma dessas superfícies foi polida e analisada por intermédio de MEV (microscopia eletrônica de varredura). Foi descoberto que o silício infiltrou o PCD a uma profundidade de várias centenas de mícrons e substancialmente todos reagiram com carbono a partir do diamante para formar SIC. Os interstícios próximos à lateral do PCD ligado ao substrato foram substancialmente preenchidos com Co, que infiltraram do substrato, e havia uma camada entre as camadas ricas em silício e as camadas ricas em cobalto em que os interstícios foram substancialmente preenchidos tanto com Co quanto Si. Uma outra análise revelou que os dissilicietos de cobalto estavam presentes dentro da camada intermediária.

Exemplo 2 [133] Um corpo PCD poroso pode ser preparado como no Exemplo 1 e o silício pode ser introduzido em um pouco dos poros antes do tratamento em pressão ultra-alta. Isto pode ser feito colocando-se o disco de PCD poroso em recipiente de grafite e dispondo uma folha de silício no topo desta, a folha de silício a qual foi limpa de maneira ultra-sônica em um banho de acetona. O recipiente pode ser colocado em um forno e seus conteúdos aquecidos em um vácuo a cerca de 1.550° C, fazendo com que a folha de silício funda e infiltre o disco de PCD. Quando o corpo de PCD é removido do forno depois da reinfiltração, é antecipado que os interstícios serão preenchidos com carbeto de silício e uma quantidade menor de silício não reagido até uma profundidade de cerca de 200 mícrons.

[134] Tal corpo de PCD parcialmente infiltrado pode ser colocado em um carbeto de tungstênio cementado com substrato de cobalto, com o lado

Petição 870190011631, de 04/02/2019, pág. 46/56 / 39 não infiltrado (isto é, o lado do PCD em que os interstícios são substancialmente vazios e o corpo de PCD é poroso) no contato com uma superfície do substrato. Esta montagem de disco de PCD e substrato pode ser depois submetida a uma pressão ultra-alta de mais do que cerca de 5,5 GPa e uma temperatura de mais do que cerca de 1.500° C para produzir um inserto de PCD.

Exemplo 3 [135] Um corpo de PCD poroso pode ser preparado como no Exemplo 1 e o silício pode ser introduzido em alguns dos poros antes do tratamento em pressão ultra-alta. Somente uma película ultrafina do silício pode ser depositada em uma superfície plana do disco de PCD por intermédio da pulverização catódica. A massa do silício depositado deve ser calculada ser apenas suficiente por 10 % dos poros a ser preenchidos com carbeto de silício, e consequentemente para fornecer somente o silício suficiente para infiltrar o PCD a uma profundidade de cerca de 10 % da sua espessura, isto é, a uma profundidade de cerca de 230 mícrons a partir da superfície plana, deixando os poros restantes substancialmente vazios. Esta massa, quando calculada, será tipicamente de cerca de 12 miligramas, fornecendo uma película de cerca de 23 mícrons de espessura, a espessura da película sendo tão uniforme quanto possível através da superfície de PCD.

[136] O PCD revestido por silício pode ser depois colocado em um recipiente de grafite, com a superfície externa distante da base do recipiente de grafite (isto é, na superfície de topo), e o recipiente é então colocado em um forno. O recipiente e seus conteúdos devem ser aquecidos em um vácuo até 1.550° C, esta temperatura sendo acima do ponto de fusão do silício, para produzir um inserto de PCD.

Exemplo 4 [137] Um corpo PCD poroso foi preparado como descrito no Exemplo 1. O corpo de PCD poroso foi colocado em uma superfície plana de um substrato cilíndrico que compreende carbeto de tungstênio cementado com

Petição 870190011631, de 04/02/2019, pág. 47/56 / 39 cobalto, e uma camada de pó de alumínio foi introduzida no topo do disco de PCD poroso. A camada de pó de alumínio tinha uma massa de cerca de 135 mg e o tamanho médio do pó foi na faixa de cerca de 5 mícrons a 20 mícrons. Embora o pó de alumínio fosse usado neste exemplo, um disco ou folha de alumínio também podem ser usados. A massa do pó de alumínio foi estimada corresponder a um volume totalmente denso de alumínio equivalente a cerca de 10 por cento do corpo de PCD. Esta montagem foi carregada em uma cápsula para um forno de pressão ultra-alta (ou prensa de alta temperatura). A camada de alumínio foi de menos do que cerca de 1 mm de espessura. A montagem foi submetida a uma pressão ultra-alta de mais do que cerca de 5,5 GPa, em que o diamante é termodinamicamente estável. A temperatura foi aumentada a cerca de 900 graus centígrados, que foi maior do que o ponto de fusão do alumínio na pressão, e mantida entre esta temperatura e cerca de 1.330 graus centígrados, que foi o ponto de fusão do cobalto na pressão, por um período de 1 minuto. Este período foi determinado pela experimentação ser suficiente para o alumínio fundir e infiltrar no corpo de PCD a uma profundidade do substrato de mais do que cerca de 100 mícrons e menos do que cerca de 400 mícrons. A temperatura foi depois aumentada a cerca de 1.500 graus centígrados e mantida neste nível por cerca de 5 minutos. Deste modo, o corpo de PCD poroso foi reinfiltrado a uma profundidade de entre 100 e 400 mícrons com cobalto fundido a partir do substrato e o alumínio fundido da superfície oposta, e simultaneamente ligado ao substrato.

[138] Depois da etapa de re-infiltração, o inserto foi recuperado e dividido em duas partes junto um plano axial, produzindo duas superfícies transversais. Uma dessas superfícies foi polida e analisada por intermédio de MEV (microscopia eletrônica de varredura), revelando que o PCD foi bem ligado com o substrato. Outra análise por intermédio da espectroscopia de dispersão de energia (EDS) e outras técnicas revelaram que substancialmente todos os interstícios dentro de uma região do PCD além de cerca de 150

Petição 870190011631, de 04/02/2019, pág. 48/56 / 39 mícrons da interface com o substrato foram preenchidos com carbeto de alumínio. Uma quantidade menor de outros compostos contendo alumínio e cobalto foi observada por toda esta região. Os interstícios de PCD dentro de cerca de 150 mícrons do substrato foram preenchidos principalmente com cobalto, embora evidentemente houvesse um pouco de alumínio.

[139] Outros insertos de teste foram fabricados como acima e submetidos a um teste de desgaste, que envolveu o uso de insertos, adequadamente preparados como seria apreciado por aquele habilitado na técnica, para triturar um bloco de granito montado em um dispositivo de trituração de torre pequena. A camada de PCD apresentou excelente resistência ao desgaste e estabilidade térmica. Como um controle, um inserto de PCD foi fabricado usando um corpo de PCD o qual não foi infiltrado com alumínio. A medida de desempenho neste foi a distância do corte de granito antes do início da “fricção”, em que a profundidade do corte no granito começa a diminuir, indicando uma eficácia de corte diminuída. A distância foi cerca de 750 mm no caso do inserto de controle e na faixa de cerca de 3.500 mm a cerca de 6.200 mm no caso do inserto de teste.

Exemplo 5 [140] Um disco de PCD poroso pode ser preparado usando o processo descrito no Exemplo 1 e alumínio pode ser introduzido nos poros antes do tratamento na pressão ultra-alta. Isto pode ser pode feito colocandose o disco de PCD poroso em um recipiente de grafite, e dispondo uma folha de alumínio no topo desta, a folha de alumínio tendo sido limpa de maneira ultra-sônica em um banho de acetona. O recipiente pode ser depois colocado me um forno e seus teores aquecidos em um vácuo acima do ponto de fusão do alumínio, isto é, a cerca de 900 graus centígrados, fazendo com que a folha de alumínio funda e infiltre o disco de PCD.

Exemplo 6 [141] Um disco de PCD poroso pode ser preparado usando o

Petição 870190011631, de 04/02/2019, pág. 49/56 / 39 processo descrito no Exemplo 1 e o alumínio pode ser introduzido nos poros antes do tratamento em pressão ultra-alta através do depósito de uma película muito fina de alumínio em uma superfície plana do disco de PCD por intermédio de pulverização catódica. A massa do alumínio depositado pode ser calculada para ser suficiente apenas para 10 % dos poros a ser preenchidos com carbeto de alumínio, e consequentemente para fornecer apenas alumínio suficiente para infiltrar o PCD a uma profundidade de cerca de 10 % de sua espessura, isto é, uma profundidade de cerca de 230 mícrons da superfície plana, deixando os poros restantes substancialmente vazios. Esta massa pode ser de cerca de 14 miligramas, fornecendo uma película de cerca de 23 mícrons de espessura, a espessura da película sendo tão uniforme quanto possível através da superfície do PCD.

[142] O PCD revestido com alumínio pode ser colocado em um recipiente de grafite, com a superfície revestida, longe da base do recipiente de grafite (isto é, na superfície de topo), e o recipiente colocado em um forno. O recipiente e seus conteúdo podem ser então aquecidos em um vácuo até 900 graus centígrados, esta temperatura sendo acima do ponto de fusão do alumínio e aquela em que o carbeto de alumínio se forma prontamente quando em contato com uma fonte de carbono. Isto resultaria no corpo de PCD mascarado tendo um estrato de cerca de 230 mícrons de espessura que compreende carbeto de alumínio nos interstícios.

[143] O corpo de PCD mascarado pode ser depois montado em uma cápsula, a terminação do corpo de PCD oposta ao estrato estando em contato com um substrato de carbeto cementado com cobalto, ou outra fonte de cobalto, e submetida a uma pressão de pelo menos cerca de 5,5 GPa e uma temperatura de pelo menos cerca de 1.350 graus centígrados. O cobalto infiltraria da fonte na região porosa do PCD, mas não no estrato contendo o carbeto de alumínio, resultando em um elemento de PCD termicamente estável.

Claims (26)

1. REIVINDICAÇÕES

   1. Elemento de diamante policristalino (PCD) (100) tendo superfícies de diamante internas, as superfícies de diamante internas (102) definindo interstícios (104) entre elas, caracterizado pelo fato de que compreende uma região mascarada ou passivada (111) e uma região não mascarada ou não passivada (112), a região não mascarada ou não passivada (112) definindo uma interface (116) com uma outra região ou corpo (220), e estendendo uma profundidade entre 5 mícrons e 600 mícrons da interface (116), em que uma pluralidade das superfícies de diamante internas (102b) da região mascarada ou passivada (111) contatam um meio de mascaramento ou passivação, a região mascarada ou passivada (111) se estende a uma profundidade no elemento de PCD a partir de uma superfície de trabalho, a profundidade sendo no máximo de 1.000 mícrons e pelo menos de 5 mícrons, e em que uma pluralidade dos interstícios (104b) da região mascarada ou passivada (111) e da região não mascarada ou não passivada (112) são pelo menos parcialmente preenchidos com um material infiltrante.
2. 2. Elemento de PCD (100) de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que uma pluralidade das superfícies de diamante internas (102b) da região mascarada ou passivada (111) é revestido com um meio de mascaramento ou passivação.
3. 3. Elemento de PCD (100) de acordo com a reivindicação 1 ou 2, caracterizado pelo fato de que uma pluralidade dos interstícios (104b) da região mascarada ou passivada (111) e da região não mascarada ou não passivada (112) são pelo menos parcialmente preenchidos com um material infiltrante tendo a mesma composição.
4. 4. Elemento de PCD (100) de acordo com qualquer uma das reivindicações precedentes, caracterizado pelo fato de que o material infiltrante compreende silício ou alumínio.
5. 5. Elemento de PCD (100) de acordo com qualquer uma das

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   2 / 5 reivindicações de 1 a 4, caracterizado pelo fato de que o material infiltrante compreende um material catalisador para diamante.
6. 6. Elemento de PCD (100) de acordo com qualquer uma das reivindicações precedentes, caracterizado pelo fato de que o meio de mascaramento ou passivação é um material cerâmico selecionado de carbeto de silício, carbeto de titânio, carbeto de tantálio, carbeto de tungstênio, carbeto de háfnio, carbeto de molibdênio, carbeto de zircônio, carbeto de vanádio e carbeto de alumínio.
7. 7. Elemento de PCD (100) de acordo com qualquer uma das reivindicações precedentes, caracterizado pelo fato de que os interstícios (104b) dentro da região mascarada ou passivada (111) são no mínimo 50 por cento preenchidos com carbeto de silício ou carbeto de alumínio.
8. 8. Elemento de PCD (100) de acordo com qualquer uma das reivindicações precedentes, caracterizado pelo fato de que pelo menos 40 por cento da área de superfície total das superfícies de diamante internas (102b) da região mascarada ou passivada (111) são revestidos com o meio de mascaramento ou passivação.
9. 9. Elemento de PCD (100) de acordo com qualquer uma das reivindicações precedentes, caracterizado pelo fato de que o elemento de PCD (100) é unido a um substrato (220) em uma interface (116), a interface da região não mascarada ou não passivada (112) formando a interface com o substrato (220), a região não mascarada ou não passivada (112) estendendo uma profundidade no elemento de PCD (100) a partir da interface (116), a profundidade sendo no máximo de 400 mícrons e pelo menos 5 mícrons.
10. 10. Elemento de PCD (100) de acordo com qualquer uma das reivindicações precedentes, caracterizado pelo fato de que compreende uma região termicamente estável, em que a região mascarada ou passivada (111) define uma barreira entre a região termicamente estável e a região não mascarada ou não passivada (112) do elemento de PCD (100).

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11. 11. Método para fabricar o elemento de diamante policristalino (PCD) (100) como definido na reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que inclui fornecer um corpo de PCD tendo superfícies de diamante internas (102), as superfícies de diamante internas (102) definindo interstícios (104), o corpo de PCD contendo uma região termicamente estável e uma região porosa (115), em que uma pluralidade dos interstícios (104) são parcialmente não preenchidos; introduzir um meio de mascaramento ou passivação próximo ou dentro da região termicamente estável; e introduzir pelo menos um material infiltrante dentro da região porosa (115), o meio de mascaramento ou passivação pelo menos parcialmente isolando o diamante da região termicamente estável de interação química com o pelo menos um material infiltrante, em que um ciclo de temperatura controlada é utilizado em uma tal maneira a permitir que suficiente ou uma certa quantidade do meio de mascaramento ou passivação ou seu precursor seja introduzida próximo ou dentro da região termicamente estável antes de pelo menos um material infiltrante que funde e infiltra no corpo de PCD poroso.
12. 12. Método de acordo com a reivindicação 11, caracterizado pelo fato de que a região termicamente estável é pelo menos parcialmente porosa.
13. 13. Método de acordo com a reivindicação 11 ou 12, caracterizado pelo fato de que inclui revestir uma pluralidade das superfícies de diamante internas (102b) da região termicamente estável, pelo menos parcialmente, com um meio de mascaramento ou passivação.
14. 14. Método de acordo com qualquer uma das reivindicações de 11 a 13, caracterizado pelo fato de que inclui isolar quimicamente o diamante de interação química com o material infiltrante.
15. 15. Método de acordo com qualquer uma das reivindicações de 11 a 14, caracterizado pelo fato de que o corpo de PCD (100) é totalmente poroso.

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16. 16. Método de acordo com qualquer uma das reivindicações de 12 a 15, caracterizado pelo fato de que o método inclui introduzir o meio de mascaramento ou passivação sob condições de alta pressão e alta temperatura (HPHT) em uma pressão de pelo menos 5,5 GPa e uma temperatura de pelo menos 1.300 graus centígrados.
17. 17. Método para fabricar o elemento de diamante policristalino (PCD) (100) como definido na reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que inclui fornecer um corpo de PCD (100) tendo superfícies de diamante internas (102), as superfícies de diamante internas (102) definindo interstícios (104), o corpo de PCD (100) contendo uma região termicamente estável e uma região porosa (115), em que uma pluralidade dos interstícios (104b) são parcialmente não preenchidos; introduzir um meio de mascaramento ou passivação próximo ou dentro da região termicamente estável; e introduzir pelo menos um material infiltrante dentro da região porosa (115), o meio de mascaramento ou passivação pelo menos parcialmente isolando o diamante da região termicamente estável de interação química com o pelo menos um material infiltrante.
18. 18. Método de acordo com a reivindicação 17, caracterizado pelo fato de que inclui introduzir o meio de mascaramento ou passivação em uma fase de gás ou vapor, como uma fase inerte de sal ou cerâmica, ou usar a modificação química de superfície das superfícies de diamante internas na região mascarada ou passivada.
19. 19. Método de acordo com a reivindicação 18, caracterizado pelo fato de que o método inclui introduzir o meio de mascaramento ou passivação pela deposição da camada atômica, infiltração com um polímero pré-cerâmico líquido ou solução polimérica, usando um sol gel ou outro trajeto químico com base em solução, ou um vapor que compreende uma composição metálica.

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20. 20. Método de acordo com a reivindicação 19, caracterizado pelo fato de que inclui introduzir hexafluoreto de tungstênio como um vapor, para depositar deste modo tungstênio como o meio de mascaramento ou passivação.
21. 21. Método de acordo com qualquer uma das reivindicações de 12 a 20, caracterizado pelo fato de que inclui introduzir o material infiltrante dentro de um volume do corpo de PCD (100), o volume sendo pelo menos 10 por cento do volume total do corpo de PCD (100).
22. 22. Método de acordo com qualquer uma das reivindicações de 12 a 21, caracterizado pelo fato de que inclui introduzir o material infiltrante dentro de um volume do corpo de PCD (100) que está próximo de uma superfície (114) do corpo de PCD (100), a superfície (114) sendo remota da ou oposta à interface (116), o volume tendo uma profundidade da superfície (114) de pelo menos 0,1 mm.
23. 23. Método de acordo com qualquer uma das reivindicações de 12 a 22, caracterizado pelo fato de que a região mascarada ou passivada define uma barreira entre a região termicamente estável e o material infiltrante.
24. 24. Inserto de diamante policristalino (PCD) (200) para uma ferramenta, caracterizado pelo fato de que compreende um elemento de PCD (100) como definido em qualquer uma das reivindicações de 1 a 10.
25. 25. Ferramenta, caracterizada pelo fato de que compreende um inserto de diamante policristalino (PCD) (200) como definido na reivindicação 24.
26. 26. Broca de perfuração rotativa, caracterizada pelo fato de que contém uma pluralidade de insertos (200), cada inserto sendo como definido na reivindicação 24.