MX2011009297A

MX2011009297A - Diamante policristalino.

Info

Publication number: MX2011009297A
Application number: MX2011009297A
Authority: MX
Inventors: John Hewitt Liversage; Humphrey Samkelo Lungisani Sithebe; Danny Eugene Scott; Yvonne Kaveshini Naidoo; Bronwyn Annette Kaiser; Michael Lester Fish
Original assignee: Baker Hughes Inc
Priority date: 2009-03-06
Filing date: 2010-03-08
Publication date: 2012-01-27
Also published as: US20120055717A1; BRPI1010002A2; US20200147759A1; EP2417277A2; BRPI1010002B1; US9297213B2; GB0903822D0; CA2754413C; WO2010100629A2; WO2010100629A3; EP2417277B1; MX352921B; CA2754413A1; US11969860B2; US20230011321A1; US20160167200A1

Abstract

Una modalidad de un inserto de PCD comprende una modalidad de un elemento de PCD unido a un sustrato de carburo cementado en una interfaz. El elemento de PCD tiene superficies de diamante internas que definen intersticios entre ellas. El elemento de PCD comprende una región enmascarada o pasivada y una región no enmascarada o no pasivada, la región no enmascarada o nó pasivada que define un límite con el sustrato, el límite siendo la interfaz. Por lo menos algunas de las superficies internas de la región enmascarada o pasivada se pone en contacto con un medio de enmascaramiento o pasivación y algunos o todos los intersticios de la región enmascarada o pasivada y de la región por lo menos se llenan parcialmente con in material de infiltración.

Description

DIAMANTE POLICRIS ALINO CAMPO Esta invención se refiere a elementos de diamantes policris talinos (PCD, por sus siglas en inglés), cuerpos e insertos de herramientas, particularmente para usarse en herramientas para perforación en la tierra y a un método para producir elementos de PCD.

ANTECEDENTES Los insertos de corte para puntas de perforación con el fin de usarse para perforar tierra pueden comprender una capa de diamante policristalino (PCD) unido a un sustrato de carburo cementado. Dichos insertos de corte pueden denominarse como diamante policristalino compacto (PDC, por sus siglas en inglés).

PCD es un ejemplo de un material superabrasivo, asi llamado, superduro, que comprende un amasa de granos de diamante de crecimiento sustancialmente internos, formando una masa esquelética que define intersticios entre los granos de diamante. El material de PCD comprende por lo menos 0¿80% en volumen de diamante y se pueden hacer sometiendo una masa agregada de granos de diamante a una presión ultra alta de más de aproximadamente 5 GPa y temperaturaa de por lo menos aproximadamente 1,200 grados centígrados en presencia de un auxiliar de concresión.

Los auxiliares de concresión adecuados para PCD también pueden denominarse como un material catalizador par a diamante. El material catalizador para diamante se entiende que es una material que puede promover el crecimiento interno directo para granos de diamante a una condición de presión y temperaturaa a la cual el diamante es termodinámicamente más estable que el grafito. Algunos materiales catalizadores para diamante pueden promover la conversión del diamante grafito a presión diamante, particularmente a temperaturas elevadas. Ejemplos de materiales catalizadores para diamante son cobalto, hierro, níquel y ciertas aleaciones incluyendo cualquiera de estos. PCD puede formarse en un sustrato de carburo de tungsteno cementado con cobalto, que puede proveer una fuente de material de catalizador de cobalto par PCD. Los intersticios con PCD pueden ser llenados por lo menos parcialmente con un material que puede denominarse como un aglutinante o un material de relleno. En particular los intersticios pueden ser completa o parcialmente llenados con material catalizador para diamante.

Los componentes que comprenden PCD se usan en una amplia variedad de herramientas para cortar, trabajar, perforar o degradar materiales duros o abrasivos tales como roca metal, cerámica, materiales mixtos y materiales que contienen madera. Por ejemplo, los cuerpos de PCD se usan comúnmente como insertos de corte en puntas de perforación usadas para perforar la tierra en la industria de perforación petrolera y de gas. Los cuerpos de PCD también se usan para trabajar y moler cuerpos que contienen metales, tales como los que pueden usarse en la industria de manufactura automática. En muchas de estas aplicaciones la temperatura de material de PCD se eleva a medida que se acopla a una formación de roca, pieza de trabajo o cuerpo con alta energía.

PCD es extremadamente duro y resistente a la abrasión, esta es la razón de que es el material de herramienta preferido en algunas de las condiciones de trabajo y perforación más extremas y se requiere alta producti idad. Una desventaja de PCD que contiene ciertos materiales de catalizador par a diamante como un material de relleno puede ser su estabilidad relativamente pobre térmica por arriba de aproximadamente 400 grados centígrados. El material de catalizador puede promover la degradación de PCD a temperatura elevada, particularmente a temperaturas mayores a aproximadamente 750 grados centígrados, como se puede experimentar en la manufactura y uso de compactos de PCD.

El número de patente de Estados Unidos 7,377,341 describe construcciones compactas ultra duras térmicamente estables que comprenden un cuerpo formado de un material ultraduro tal como PCD, incluyendo una región térmicamente estable colocada adyacente a una superficie de trabajo del cuerpo. El cuerpo del material ultraduro puede conectarse a un sustrato deseado, formando asi un material compacto y un material intermedio puede interponerse entre el sustrato y el cuerpo. El material intermedio puede ser uno que no se infiltra en el cuerpo del material ultraduro durante el proceso a altas presiones y altas temperaturas y que puede operar como una barrera para evitar la migración de materiales constituyentes del sustrato al cuerpo del material ultra duro.

El número de patente de Estados Unidos 7,473,287 describe materiales de diamantes policristalinos térmicamente estables que incluyen una pluralidad de cristales de diamante unidos y una segunda fase de materiales que incluyen un producto de reacción formados entre un material aglutinante/catalizador usado para acelerar la unión de cristales de diamante y un material que es reactivo con el material de aglutinante/catalizador. Una capa, de barrera puede colorarse entre el material de PCD y un sustrato para evitar la infiltración no deseada de cobalto extra en el mismo lo cual puede impactar adversamente la estabilidad térmica del material de PCD resultante.

La publicación de solicitud de patente de Estados unidos número 2007/0079994 describe materiales compactos unidos con diamantes térmicamente estables que incluyen un cuerpo unido a diamante que comprende una región térmicamente estable que se extiende una distancia por debajo de una superficie de cuerpo unido por diamantes. La región térmicamente, estable tiene una microestructura de material que comprende una primera fase de matriz de cristales de diamante unidos y una segunda fase interpuesta dentro de la primera fase de matriz. La segunda fase comprende uno o más productos de reacción formados entre uno o más materiales infiltrados y los cristales de diamante a condiciones de alta presión/alta temperatura (HPHT, por sus siglas en inglés) . El material de infiltración o reemplazo puede incluir uno o más de los siguientes elementos. Si, Cu, Sn, Zn, Ag, Au, Ti, Cd, Al, Mg, Ga, Ge, que también se puede usar en los compuestos que contienen materiales de solvente-catalizado convencionales (metales de transición) en donde el catalizador de solvente se vuelve inactivo por la reacción con otro material.

La publicación de solicitud de patente de Estados Unidos número 2008/0115421 describe un método para fabricar un articulo superabrasivo , en el cual por lo menos una porción de las regiones intersticiales de un cuerpo de diamante policristalino previamente concrecionado puede infiltrarse con silicio de un material que contiene silicio. Por lo menos una porción del cata! i zador de solventes metálicos localizado dentro de por lo menos una porción de regiones intersticiales del cuerpo de diamante policristalino previamente concrecionado puede desplazarse en una masa porosa. El silicio y el cuerpo de diamante policristalino previamente concresionado se hacen reaccionar para formar carburo de silicio dentro de por lo menos una porción de las regiones intersticiales.

Existe una necesidad de proveer un elemento de diamante policristalino (PCD) que tiene estabilidad térmica mejorada. También existe la necesita de proveer un elemento de PCD que tiene estabilidad térmica mejorada combinada con resistencia a la fractura mejorada.

SUMARIO Un propósito de la invención es proveer un elemento de diamante policristalino (PCD) que tiene estabilidad térmica mejorada, y un propósito adicional de la invención es proveer un método para formar el mismo.

Un primer aspecto de la invención provee un elemento de diamante policristalino (PCD) que tiene superficies de diamante internas, las superficies de diamante internas definiendo intersticios entre ellos; el elemento de PCD comprendiendo una región enmascarada o pasivada y una región no enmascarada o no pasivada, la región no enmascarada o no pasivada definiendo un limite con otra región o cuerpo y extendiendo una profundidad de entre aproximadamente 5 mieras y alrededor de 600 mieras del limite, en el cual por lo menos alguna de las superficies de diamante internas de la región enmascarada o pasivada hace contacto con un medio de mascara o pasivación y en donde algunos o todos los intersticios de la región enmascarada o pasivada la región no enmascarada o no pasivada por lo menos se llenan parcialmente con un material de infiltración.

En una modalidad, el elemento ele PCD se une a un sustrato en una interfaz y la región no pasivada o no enmascarada es adyacente a la interfaz. En algunas modalidades, el limite definido por la región no enmascarada o no pasivada es la interfaz entre el elemento de PCD y el sustrato, la región no enmascarada o no pasivada extendiéndose una profundidad de la interfaz, la profundidad siendo de cuando muchos de aproximadamente 400 mieras, cuando mucho de aproximadamente 200 mieras, cuando mucho de aproximadamente 100 mieras, cuando mucho de aproximadamente 50 mieras, cuando mucho de aproximadamente 10 mieras o aún cuando mucho de aproximadamente 5 mieras. En algunas modalidades, la región no enmascarada o no pasivada se extiende una profundidad en el elemento de PCD de la interfaz entre el elemento de PCD y el sustrato, la profundidad siendo de por lo menos aproximadamente 5 mieras, por lo menos aproximadamente 10 mieras, por lo menos aproximadamente 50 mieras, por lo menos aproximadamente 100 mieras, o aún por lo menos aproximadamente 200 mieras.

En una modalidad, por lo menos alguna de las superficies de diamante interno de la región enmascarada o pasivada se revisten con un medio de enmascaramiento o pasivación .

En una modalidad, algunos o todos los intersticios de la región enmascarada o pasivada y de la región no enmascarada o no pasivada por lo menos se llenan parcialmente con un material de infiltración que tiene sustancialmente la misma composición .

En una modalidad, la región térmicamente estable se aproxima a la superficie periférica del elemento de PCD. En una modalidad, el elemento de PCD tiene una superficie periférica y una región generalmente anular adyacente a la superficie periférica, por lo menos parte de la región anular siendo térmicamente estable y siendo enmascarada o pasivada.

En una modalidad, el material de infiltración comprende un material catalizador para diamante y en una modalidad, el material catalizador comprende cobalto, hierro o níquel o una aleación que incluye cualquiera de estos elementos. En una modalidad, el infiltrante comprende un material que no es un. material catalizador para diamante y en algunas modalidades, el material de infiltración comprende silicio o aluminio.

En algunas modalidades, el medio de enmascaramiento o pasivación comprende una sal inerte, material precursor de cerámica, material precursor organometálico o material carbonáceo. En algunas modalidades, el medio de enmascaramiento o pasivación es un material de cerámica seleccionado de carburo de silicio, carburo de titanio, carburo de tantalio, carburo de tungsteno, carburo de hafnio, carburo de molibdeno, carburo de zirconio, carburo de vanadio o carburo de aluminio. En una modalidad, el medio de enmascaramiento o pasivación, o por lo menos una porción del mismo, se forma por la reacción de un material precursor de enmascaramiento o pasivación y diamante de las superficies de diamante internas. En algunas modalidades, el material precursor de enmascaramiento o pasivación comprende silicio, titanio, tantalio, tungsteno, hafnio, molibdeno, zirconio, vanadio o aluminio. En algunas modalidades, los remanentes del material precursor de enmascaramiento o pasivación permanecen dentro de intersticios del elemento de PCD y también pueden funcionar como medio de enmascaramiento o pasivación.

En algunas modalidades, los intersticios dentro de la región enmascarada o pasivada por lo menos son de aproximadamente 50 por ciento, por lo menos aproximadamente 70 por ciento, por lo menos aproximadamente 80 por ciento o aún por lo menos aproximadamente 9 por ciento llenados con carburo de silicio o carburo de aluminio.

En una modalidad, por lo menos 40 por ciento del área de superficie total de las superficies de diamante internas de la región enmascara o pasivada se revisten con el medio de enmascaramiento o pasivación.

En una modalidad, la región enmascarada o pasivada se localiza adyacente a una superficie de trabajo o superficie periférica, o ambas, del elemento de PCD.

En algunas modalidades, la región enmascarada o pasivada se extiende una profundidad en el elemento de PCD dése una superficie de trabajo, la profundidad siendo de cuando mucho aproximadamente 1,000 mieras, cuando mucho aproximadamente 500 mieras o cuando mucho aproximadamente 100 mieras. En algunas modalidades, la región enmascarada o pasivada se extiende una profundidad en el elemento de PCD desde una superficie de trabajo, la profundidad siendo de por lo menos aproximadamente 5 mieras, por lo menos aproximadamente 10 mieras, por lo menos aproximadamente 50 mieras, por lo menos de aproximadamente 100 mieras, o aún por lo menos de aproximadamente 200 mieras.

En una modalidad, la región térmicamente estable tiene la forma de un estrato o una capa. En algunas modalidades, la región enmascarada o pasivada tiene la forma de una capa o estrato que se extiende a una profundidad de por lo menos aproximadamente 40 mieras, por lo menos aproximadamente 100 mieras o aún por lo menos aproximadamente 200 mieras de una superficie de trabajo.

Las modalidades de la invención pueden tener la ventaja de estabilidad térmica mejorada combinada con la resistencia mejorada a la fractura, lo cual puede dar como resultado tensiones residuales reducidas.

En una modalidad, el material de infiltración se dispersa a través de por lo menos alguna de la región enmascarada o pasivada y se aisla químicamente de manera sustancial de y sustancialmente es incapaz de interactuar químicamente con el PCD por el medio de enmasca amiento o pasivación revestido.

En una modalidad, la región enmascarada o pasivada y la región térmicamente estable se traslapan entre ellos. En una modalidad, la región enmascarada o pasivada es contigua con la región térmicamente estable del elemento de PCD.

En una modalidad, el elemento de PCD comprende una región térmicamente estable que se separa de una región del elemento de PCD que contiene un material de catalizador por una barrera, la. barrera comprendiendo un medio de enmascaramiento o pasivación.

En una modalidad, la barrera tiene forma de un estrato o capa.

En una modalidad, el elemento de PCD se une a un sustrato y la región que contiene una material catalizador es adyacente al sustrato.

En una modalidad, la región porosa se extiende a través del elemento de. PCD.

Las modalidades de la invención tienen la ventaja de estabilidad térmica mejorada. Las modalidades de la invención tienen la ventaja de estabilidad térmica mejorada y tensión interna reducida, amas de las cuales solas o en combinación, pueden extender la vida de trabajo del material compacto de PCD.

Un segundo aspecto de la invención provee un método para manufacturar un elemento de PCD; el método incluyendo proveer un cuerpo de PCD que tiene superficies de diamante internas, las superficies de diamante internas definiendo intersticios, el cuerpo de PCD conteniendo una región térmicamente estable y una región porosa, en la cual por lo menos algunos de los intersticio contienen poros por lo menos parcialmente no llenos; introduciendo un medio de enmascaramiento o pasivación próximo o en la región térmicamente estable; e introduciendo por lo menos un material de infiltración en la región porosa, el medio de enmascaramiento o pasivación aislando por lo menos parcialmente diamante en la. región, térmicamente estable de la interacción química con por lo menos un material de infiltración .

En una modalidad de la invención, un ciclo de temperatura controlado se emplea de tal manera que permite que se introduzca suficiente o cierta cantidad del medio de enmascaramiento o pasivación o su precursor próximos a la región térmicamente estable antes de que por lo menos un material de infiltración sea fundido e infiltrado en el cuerpo de PCD poroso.

En una modalidad, la región térmicamente estable es por lo menos parcialmente porosa y en una modalidad, la región porosa y la región térmicamente estable se traslapa completa o parcialmente, ocupando un volumen común dentro del cuerpo de PCD. En una modalidad, la región térmicamente estable por lo menos es parcialmente porosa y el método incluye introducir el medio de enmascaramiento pasivación llenando parte o la mayoría de los poros con el medio de enmascaramiento o pasivación.

En una modalidad, el método incluye introducir material de enmascaramiento o pasivación en parte o la mayoría de una región porosa dispuesta adyacente a una región térmicamente estable, el material de enmascaramiento o pasivación funcionando como una barrera para infiltrar material y luego introduciendo un material de infiltración en el cuerpo de PCD; Los materiales de enmascaramiento o pasivación evitando que el material de infiltración interactúen con la región térmicamente estable.

En una modalidad, el método incluye revestir algunas o sustancialmente todas las superficies de diamante interno de la región térmicamente estable, por lo menos parcialmente, con un medio de enmascaramiento o pasivación tal como un material inerte con el fin de enmascarar o pasivar la región térmicamente estable, todo o en parte.

En una modalidad, el método incluye aislar sustancialmente de manera química el diamante de la interacción química con el material de infiltración.

En una modalidad, el método incluye introducir el material de infiltración en el cuerpo de diamante policristalino simultáneamente con la introducción del medio de enmascaramiento o pasivación próximo o en la región térmicamente estable. En una modalidad, el método incluye introducir el medio de enmascaramiento o pasivación. próximo o en la región térmicamente estable y luego introduciendo el material de infiltración en el cuerpo de diamante policristalino. En una modalidad, el material de infiltración se introduce en un volumen del cuerpo de PCD, el volumen por lo menos siendo del 10 por ciento del volumen total del cuerpo de PCD.

En una modalidad, el cuerpo de diamante policristalino se une integralmente a un sustrato, que puede comprender un material de carburo cementado, durante el mismo paso en el cual el material de infiltración se introduce y en una modalidad, el sustrato provee la fuente del material de infiltración, que puede comprender cobalto.

En una modalidad, el cuerpo de PCD se unen en una interfaz a un sustrato que comprende carburo de tungsteno cementado y en una modalidad, el material de infiltración se introduce en un volumen del cuerpo de PCD que está próximo a una superficie del cuerpo de PCD, la superficie siendo remota de u opuesta a la interfaz, el volumen teniendo una profundidad de la superficie de por lo menos aproximadamente 0.1 rnrn .

En una modalidad, el método incluye remover material de catalizador de los intersticios de un cuerpo de PCD. En una modalidad, la región térmicamente estable carece o sustancialmente carece del material de catalizador.

En una modalidad, el material de infiltración es un material catalizador. Más preferiblemente, el material de infiltración comprende cobalto, hierro o níquel, o una aleación que incluye cualquiera de estos elementos.

En una modalidad, el método incluye remover el material catalizador sustancialmente de todo el volumen del cuerpo de PCD, proporcionando asi un cuerpo de PCD térmicamente estable que es poroso.

Las modalidades del método de la invención tiene la ventaja de permitir que un cuerpo de PCD sea infiltrado con un material catalizador sin reducir sustancialmente la estabilidad térmica de la región térmicamente estable.

En una modalidad del método en el cual el cuerpo de PCD se une a un sustrato durante el paso de infiltración, el material de catalizador tal como cobalto dentro del sustrato puede infiltrarse en poros dentro del cuerpo de PCD, que puede promover la formación ele un enlace fuerte entre el cuerpo de PCD y el sustrato.

Las modalidades del método de la invención tiene la ventaja de producir materiales compactos de PCD que tienen estabilidad térmica mejorada y tensión interna reducida, que puede extender la vida de trabajo del material compacto de PCD. La infiltración del material catalizador a una profundidad dentro del cuerpo de PCD puede reducir la tensión interna que puede generarse cuando dos cuerpos que tienen diferentes propiedades termodinámicas se unen. La única unión de superficie a superficie de un cuerpo de diamante térmicamente estable a un sustrato de carburos cementado puede dar como resultado tensinas termomecánicas importantes próximas a la interfaz entre ellas lo cual puede conducir a la falla de los materiales compactos durante la manufactura y en uso, haciendo que dichos materiales compactos son no económicos .

Las modalidades del método que incluyen revestir las superficies de diamante interno del cuerpo de PCD en la región enmascarada o pasivada tienen la ventaja de que se puede retener una microestructura generalmente poros. Esto puede permitir la infiltración de material infiltrante en la microestructura porosa mientras mantiene aislado el material de catalizador de la región térmicamente estable. Esto puede conservar la estabilidad térmica de ro lo menos parte del cuerpo de PCD.

Las modalidades del método de la invención tienen la ventaja de que la naturaleza y tipo de sustrato de carburos usados en el producto final puede ser diferente del usado en la manufactura del cuerpo de partida de PCD. Esto puede permitir el uso de un sustrato más adecuado para concrecionar el cuerpo de partida de PCD y el uso de un sustrato diferente que puede ser más adecuado para el producto terminado. En otras palabras, el sustrato de modalidades del producto final no se limita al usado para concresión del cuerpo de PCD y puede seleccionarse para tener mejores propiedades para usarse en una aplicación dada.

Un tercer aspecto de la invención provee un inserto para una herramienta, el inserto comprendiendo una modalidad de un elemento de PCD de acuerdo con la invención.

Un cuarto aspecto de la invención provee una herramienta que comprende una modalidad de un inserto de acuerdo con. un aspecto de la invención.

En algunas modalidades, la herramienta es para maquinar, perforar, formar orificios, corte o de alguna manera formar o degradar una pieza de trabajo dura o abrasiva u otro cuerpo tal como roca, concreto, asfalto, tal o materiales mixtos duros. En algunas modalidades, la herramienta es una punta de perforación para usarse en excavación terrestre, perforación de rocas o degradación de rocas, puede usarse en las industrias de perforación petrolera y de gases y minería. En una modalidad, la herramienta es una barrena giratoria para usarse en excavación de tierra y perforación de rocas en la industria de petróleo y gas.

Un quinto aspecto de la invención provee una barrena giratoria que contiene una pluralidad de insertos de PCD, cada uno comprendiendo una modalidad respectiva de un elemento de PCD de acuerdo con la invención.

Subtítulos de los Dibujos Las modalidades no limitantes de la invención ahora serán descritas en mayor detalle, a manera de ejemplo únicamente, con referencia a los dibujos anexos, de los cuales : La Figura 1 muestra una vista en sección transversal longitudinal esquemática de una modalidad de un elemento de PCD.

La Figura 2 muestra una vista en sección transversal expandida esquemática de una región de la modalidad mostrada en la Figura 1.

La Figura 3 a la Figura 6 muestra vistas en sección transversal longitudinal esquemática de las modalidades de los elementos de PCD.

La Figura 7A muestra vistas en perspectiva esquemática de los componentes usados en una modalidad de un método de manufactura de materiales compactos o insertos de PCD.

La Figura 7B muestra una vista en perspectiva esquemática de un material compacto o inserto de PCD.

La Figura 8 muestra una vista en perspectiva de una barrena giratoria para excavar la tierra.

Las mismas referencias en todos los dibujos se refieren a los mismos aspectos, a menos que se indique de otra manera.

DESCRIPCIÓN DETALLADA DE LAS MODALIDADES Como se usa en la presente, un "enmascaramiento" es una barrera, física que puede retardar o prevenir la difusión o reacciones químicas a través de las mismas.

Corno se usa en la presente, "medio de enmascaramiento" es un medio o material que es adecuado para formar un enmascaramiento o funciona como un enmascaramiento.

Como se usa en la presente, un "medio de pasivación" es un medio que puede retardar o prevenir ciertas reacciones químicas o transformaciones de fase, tales como la transformación de un diamante a grafito.

Corno se usa en la presente, el término no pasivada o no enmascarado" en elevación con una región de un cuerpo de PCD significa que la región es sustancialmente libre del medio de enmascaramiento o pasivación sustancialmente presente dentro de una región enmascarada o pasivada del cuerpo de diamante policristalino .

Como se usa en la presente, el término "intersticios" se entiende que significa "intersticios o regiones intersticiales". Los intersticios pueden estar llenas o no llenos, o llenados parcialmente con un aglutinante o material de relleno.

Con referencia a la Figura 1 y la Figura 2, una modalidad de un inserto de PCD 200 comprende una modalidad de un elemento de PCD 100 unido a un sustrato de carburo cementado 220 en una interfaz 116. La modalidad del elemento de PCD 100 tiene superficies de diamante internas 102, las superficies de diamante internas 102 definiendo intersticios 104 entre ellas. El elemento de PCD 100 comprende una región enmascarada o pasivada 111 y una región no enmascarada o no pasivada 112, la región no enmascarada o no pasivada 112 definiendo un límite 116 con el sustrato 220, el límite siendo la interfaz (indicadas por la referencia 116) y extendiéndose una profundidad entre aproximadamente 5 mieras y alrededor de 600 mieras del límite 116 en el cual por lo menos algunas de las superficies de diamantes internas 102b de la región enmascarada o pasivada 111 se ponen en contacto con un medio de enmascaramiento pasivación y en donde algunos o todos los intersticios 104b de la región enmascarada o pasivada 111 y de la región no enmascarada o no pasivada 112 por lo menos se llenan parcialmente con un material de infiltración.

Con referencia la Figura 3 a la Figura 6, las modalidades de los elementos de PCD 100 se unen a sustratos de carburo cementados 220 para formar modalidades de los insertos de PCD 200 teniendo superficies de trabajo respectivas 114. Los elementos de PCD 100 tienen cada uno una región enmascarada o pasivada 111 respectiva, en donde los intersticios microscópicos (no mostrados) se llenan sustancialmente con un medio de enmascaramiento o pasivación y una región no enmascarada o no pasivada 112, próxima al sustrato 220. Las modalidades mostradas en la Figura 3, Figura 4 y Figura 5 comprende cada una región adicional respectiva 113, en la cual tanto el medio de enmascaramiento como de pasivación, o precursor de los mismos y el material catalizador están presente.

En la modalidad mostrada en la Figura 3, el volumen de la región enmascarada o pasivada 111 es sustancialmente mayor que la región no enmascarada o no pasivada 112.

En la modalidad mostrada en la. Figura 4, el volumen de la región enmascarada o pasivada 111 es sustancialmente menor que la región no enmascarada o no pasivada 112.

En la modalidad mostrada en la Figura 5, el elemento de PCD 100 se une al sustrato 220 vía una capa intermedia 225. La capa intermedia 225 comprende granos de diamante, carburo metálico y un metal.

En la modalidad mostrada en la Figura 6, el elemento de PCD comprende una región porosa 115 próxima a la superficie de trabajo 114. Los intersticios microscópicos (no mostrados) dentro de la región porosa 115 carecen sustancialmente de medio de enmascaramiento o posición y de un material de catalizador. La región enmascarada o pasivada 111 se localiza intermedia a la región porosa 115 y la región no enmascarada o no pasivada 112.

Las modalidades de los elementos de PCD o insertos de la invención pueden tener aplicación particular como elementos de corte para barrenas en cuyas aplicaciones la estabilidad térmica mejorada puede extender la vida de trabajo de la herramienta.

Como se usa en la presente, un material catalizador para diamante es un material que puede promover la precipitación, crecimiento y/o concresión de granos de diamante bajo una condición de presión y temperatura a la cual el diamante es más termodinámicamente estable que el grafito. Ejemplos de materiales catalizadores para diamante son hierro, níquel, cobalto, manganeso y ciertas aleaciones que incluye cualquiera de estos elementos. Algunos materiales ele catalizador para diamante pueden promover la conversión de diamante en grafito a presión ambiente, particularmente a temperaturas elevadas.

Como se usa en la presente, "térmicamente estable" como se usa en relación con un cuerpo de PCD o elemento o región en el mismo se entiende que el PCD dentro de la región tiene resistencia mejorada a la degradación a temperaturas elevadas, particularmente temperaturas en el rango de aproximadamente 400 grados centígrados a aproximadamente 800 gados centígrados. En algunas modalidades, esto se puede lograr si menos de aproximadamente 10% de las superficies de diamante internas del cuerpo o porción del sino se pone en contacto con un material catalizador que puede promover la conversión de diamante en grafito a presión ambiente.

En una modalidad, la región térmicamente estable es adyacente a una superficie de periferia de trabajo, o adyacente a una superficie y periferia de trabajo del elemento ele PCE.

Con referencia a la Figura 7A, una modalidad de un método para formar un elemento de PCD incluye proveer un inserto de PCD 300 que se ha manufacturado usando un método de presión ultra alta y temperatura alta (HPHT) bien conocido en la materia. El inserto 300 comprende un elemento de PCD 310 unido integralmente a un sustrato de metales duros de carburo cementado 320. Los intersticios microscópicos (no mostrados) del elemento de PCD 310 se llenan sustancialmente con material de catalizador de cobalto. Por lo menos una parte de elemento de PCD 310 se separa del inserto 300 para dar un cuerpo de PCD 311. Una manera de separar el elemento de PCD 310 es triturar el sustrato 320. El cuerpo de PCD 311 se trata para remover el material de catalizador de los intersticios para dar un elemento de PCD poroso y térmicamente estable 312. El elemento de PCD 312 se pone en contacto en un lado con un segundo sustrato de carburo cementado 340 y en el lado puesto con una fuente 330 de medio de enmascaramiento o pasivación, o un precursor para un medio de enmascaramiento o pasivación. La fuente 330 puede tener la forma de una hoja o disco delgado, o polvo. El sustrato 340 incluye granos de carburo de tungsteno y un aglutinante de metal de cobalto, el aglutinante de metal es capaz de actuar como un material de catalizador para promover el crecimiento y concresión de granos de diamante. El elemento de PCD poroso 312, "emparedado" entre el sustrato 340 y la hoja o disco 330 se trata a. una presión ultra alta en exceso de aproximadamente 5GPa a temperaturas suficientemente altas para fundir el medio de enmascaramiento o pasivacíón o su precursor y fundir el aglutinante de metal de cobalto del sustrato 340, dando como resultado alguna infiltración de manera que el material de infiltración en el elemento de PCD poroso 312. El ciclo de temperatura puede controlarse de tal manera que permite suficiente o cierta cantidad del medio de enmascaramiento o pasivación o su precursor que será introducido en el elemento de PCD poroso 312 antes de que el material de aglutinante de metal de cobalto se funda e infiltre en el elemento de PCD poroso 312. Después de este tratamientos el inserto resultante se remueve y procesa a dimensiones y tolerancias para producir una modalidad de un inserto de PCD terminado 200 mostrado en la Figura 7B, comprendiendo un elemento de PCD 100 unido a un sustrato de carburo cementado 220.

Una modalidad del método de la invención incluye el contacto del cuerpo de PCD con una fuente de medio de enmascaramiento o pasivación o de un material de precursor de enmascaramiento o pasivación y con una fuente de material de infiltración. En una modalidad, el cuerpo de PCD tiene un grosor entre un par de superficies opuestas de por lo menos aproximadamente 1.5 mm o por lo menos aproximadamente 1.8 mm, uno del par en contacto con una fuente ele medio de enmascaramiento o pasivación o de un material de precursor de enmascaramiento o pasivación y el otro par en contacto con una fuente de material de infiltración.

Una modalidad del método de la invención incluye calentar una fuente de medio de enmascaramiento o pasivación o de un material precursor de enmascaramiento o pasivación, a una temperatura dentro del rango entre el punto de fusión del medio de enmascaramiento pasivación, o el material precursor de enmascaramiento o pasivación y el punto de fusión del material de infiltración, manteniendo la temperatura dentro de este rango durante un periodo de tiempo suficiente para la introducción del medio de enmascaramiento o pasivación o el material precursor de enmascaramiento o pasi ación, para ser completado. En una modalidad, la temperatura se incrementa a más del punto de fusión del material de infiltración durante un tiempo para la introducción del material de infiltración que será completado.

Una modalidad del método incluye poner en contacto una superficie de un cuerpo de PCD poroso con una fuente de silicio, en contacto con otra superficie del cuerpo de PCD con una fuente de cobalto para formar un ensamble, sometiendo el ensamble a una presión de por lo menos aproximadamente 5.5GPa, calentando el ensamble a una temperatura en el rango por arriba del punto de fusión, de silicio a una. presión y por debajo del punto de fusión de cobalto a la presión, manteniendo la temperatura dentro de este rango durante un tiempo de por lo menos aproximadamente 2 minutos o por lo menos alrededor de 3 minutos y luego incrementado la temperatura a más del punto de fusión de cobalto a. la presión .

Una modalidad del método incluye poner en contacto una superficie de un cuerpo de PCD poroso con una fuente de aluminio, el contacto con otra superficie del cuerpo de PCD con una fuente de cobalto para formar un ensamble, sometiendo el ensamble a una presión de por lo menos aproximadamente 5.5 GPa, calentando el ensamble a una temperatura en el rango por arriba del punto de fusión de aluminio a la presión y por debajo del punto de fusión de cobalto a la presión, manteniendo la temperatura dentro del rango durante un tiempo de por lo menos aproximadamente 1 minuto o por lo menos aproximadamente 2 minutos y luego incrementando la temperatura por arriba del punto de fusión de cobalto a la presión .

En algunas modalidades, el tiempo por lo menos es de aproximadamente 15 minutos o aún cuando mucho aproximadamente 10 minutos.

El cuerpo de PCD concrecionado puede producirse en un horno de presión ultra-alta concrecionando granos de diamante en presencia de un material catalizador para un diamante a una presión de por lo menos aproximadamente 5.5GPa y una temperatura de por lo menos aproximadamente 1,300 grados centígrados. El material de catalizador puede comprender un material de catalizador de diamante del tipo de metal de transición convencional tal como cobalto, hierro o níquel, o ciertas aleaciones del mismo. El cuerpo de PCD concrecionado, en su totalidad o por lo menos en una región del mismo, puede volverse térmicamente estable, por ejemplo, mediante la remoción de la mayoría de material de catalizador aglutinante del cuerpo de PCD o región deseada usando lixiviación de ácido u otro proceso similar conocido en la materia .

El material de catalizador presente en el cuerpo de PCD 311 puede removerse por cualquier método diferente conocida en la materia, tal como grabado electrolítico, técnicas de evaporación, lixiviación de ácido (por ejemplo por inmersión en un licor que contiene ácido fluorhídrico, ácido nítrico o sus mezclas) o por medio de gas cloro, como se describe en la publicación de patente internacional número'' P2007 /042920 , o cualquier otro método (v.gr., como se describe en el número de patente sudafricana 2006/00378) .

En una modalidad del método, se proveen dos cuerpos de PCD porosos, similares al elemento poroso 312 en. la Figura 7A. Uno de los cuerpos de PCD porosos se infiltra o permea con un precursor para un medio de enmascaramiento o pasivación. Preferiblemente, el precursor en un metal que, cuando está en fase fundida o gaseosa, reacciona fácilmente con carbono para formar un carburo. El precursor puede introducirse en los poros del cuerpo de PCD poroso por el contacto con un cuerpo del material precursor con el elemento de PCD y calentando en una atmosfera de vacio o inerte a una temperatura por arriba del punto de fusión del precursor y permitiendo que el precursor fundido se infiltre en el cuerpo de PCD poroso. Si el precursor es un buen formador de carburos (v.gr., Si o Ti), entonces puede reaccionar con carbono del diamante para formar un medio de enmascaramiento o pasivación de carburo. El cuerpo de PCD enmascarado o pasivado resultante se coloca luego en contacto con el otro cuerpo de PCD poroso, que a su vez se coloca en contacto con el sustrato de metal duro que contiene una fuente de material de catalizador tal como cobalto. El cuerpo de PCD poroso, "emparedado" entre el sustrato de metal duro y el elemento de PCD enmascarado o pasivado, se trata a una presión ultra-alta en exceso de aproximadamente 5 GPa a una temperatura suficientemente alta para fundir el aglutinante metálico del sustrato, dando como resultado alguna infiltración en el elemento de PCD poroso. Después de este tratamiento, el inserto resultante se retira y procesa para dimensiones y tolerancias finales para producir un inserto de PCD terminado.

En una modalidad del método, se provee un inserto de PCD similar al inserto de PCD 300 en la Figura 7A. Una región próxima a la superficie de trabajo del elemento de PCD se agota sustancialmente del material de catalizador por un método conocido en la materia, dando como resultado que la región sea porosa.. Un medio de enmascaramiento o pasivación, o precursor para un medio de enmascaramiento o pasivación, se introduce en los poros de la región porosa para formar un revestimiento en las superficies de diamante interno. Por ejemplo, el medio o su precursor pueden introducirse en forma de vapor con el fin de revestir cuanto más sea posible del área superficial de diamante, aún sustancialmente toda el área superficial, con un revestimiento protector del medio de enmascaramiento pasivación. Los parámetros del método de introducción pueden controlarse para reten porosidad, dentro de la región, el volumen de poro promedio habiéndose reducido por el volumen del revestimiento el medio de enmascaramiento o pasivación depositado. Un material de catalizador entonces se infiltra en los poros restantes de la región, enmascarada o pasivada. Esto puede realizarse por el contacto de una fuente de material de catalizador con la superficie de trabajo del elemento de PCD, ensamblando el inserto de PCD y la fuente en una cápsula de una clase usada para concrecionar HPHT de PCD y sometiendo el ensamble a una presión y temperatura ultra-alta a la cual el material de catalizador se funde y el diamante es termodinámicamente más estale que el grafito. En alguna modalidad, la presión por lo menos es de 5.5 GPa, por lo menos aproximadamente 6GPa o por lo menos aproximadamente 6.5 GPa. En una modalidad, la presión es de aproximadamente 6.8 GPa.

La introducción de un medio de enmascaramiento o pasivación o un precursor del mismo puede completarse, en cuanto la mayoría de la porosidad abierta de la región enmascarada o pasivada del cuerpo de PCD se llenan o vuelve no porosa en gran parte por la introducción de una fase o fases adicionales, por lo tanto bloqueando la infiltración; o puede ser parcial en cuanto a que solo las superficies expuestas de la. microestructura de diamante se enmascaran o pasivan, con porosidad basada en volumen significativa estante, pero dando como resultado un esqueleto o microestructura de diamante de crecimiento interno que se aisla en gran parte de la interacción química y física, con el material de infiltración o unión en la parte frontal.

El medio de enmascaramiento o pasivación puede ser removible, por ejemplo, por algún tratamiento químico adecuado antes de usarse en el material compacto final, o si se deja inerte o aún benéfico dentro del producto.

Se pueden usar varios métodos para introducir el medio de enmascaramiento o pasivación o sus precursores. Estos incluyen el uso de una fase gaseosa, por ejemplo, de Ti, Si, W y similares, para revestir el material de PC Denla región o regiones del mismo que se requieren para estar libres del material de infiltración. Alternativamente , los poros o espacios vacíos de la estructura puede llenare, ya sea completa o parcialmente, con una sal inerte o fase cerámica. Las sales adecuadas o cerámicas pueden ser aquellas que no se funden, a condiciones de HPHT, o se someten a cambios de fase importantes que pueden comprender la integridad estructural del esqueleto de PCD. También se anticipa un enfoque adicional que implica el tratamiento de superficies internas de la porosidad usando una modificación de química de superficie de manera que la humectación química, por la parte frontal de infiltración se evita u oculta.

• El Depósito de Capa Atómica (ALD, por sus siglas en inglés) para revestir las superficies de diamante interno de la porosidad abierta; ß Infiltración con un polímero o solución polimérica pre-cerámica líquida que se convierte subsiguientemente a una fase de cerámica a través de un proceso de curación y ceramitización subsiguiente; ß uso de rutas de gel soluble u otras rutas químicas basadas en solución para depositar o formar fases adecuadas en la porosidad en PCD, que pueden requerir tratamientos de calor y/o gas subsiguientes para lograr las fases deseadas.

El Depósito de Capa Atómica (ALD) pueden formar revestimientos extremadamente homogéneos en superficies que, como resultado, son capas de barreras muy buenas, aun solo por unas cuantas capas atómicas (por ejemplo 25) . Además, la química puede ser controlada capa por capa, permitiendo que los revestimientos multifuncionales pueden aplicarse fácilmente. ALD puede tener ventajas sobre otras técnicas de depósito de película delgada debido a que las películas de desarrollo de ALD se conforman sustancialmente con el cuerpo revestido, libre de orificio de perno y unido químicamente al cuerpo revestido. Con ALD es posible depositar revestimientos uniformes en grosores dentro de zanjas profundas, medios poroso y particular circundantes. Dicho método de revestimiento de ALD se describe, por ejemplo, en la publicación de patente de Estados Unidos número 2008/0073127.

Un enfoque alternativo de ejemplo adicional para introducir un medio de enmascaramiento o pasivación en una región porosa dentro de un elemento de PCD es infiltrar un polímero de precerámica, u otro material precursor organometálico adecuado, en los poros (ver, por ejemplo, patentes de Estados Unidos números 5,649,948 y 5,690,706, y las referencias aquí citadas, para información de antecedentes). Los polímeros precerámicos líquidos existen de manera que pueden convertirse a cerámicos a través de un proceso de curación y cerametización subsiguiente. En particular, ciertos sistemas poliméricos precerámicos líquidos de Si-C-N pueden ser más adecuados para infiltración en cuerpos de PCD porosos y tratamiento subsiguiente, como se sabe en la materia, para convertir el polímero en un material cerámico, particularmente carbo-nitruro de silicio, como se sabe bien en la materia. La infiltración de un polímero precerámico en PCD poroso se lleva a cabo ventajosamente a vacío y se auxilia por la aplicación de una temperatura y/o presión elevados menor a aproximadmente 30 MPa.

Otro método para introducir el material de enmascaramiento o pasivación en una región porosa dentro de un elemento de PCD incluye un método de gel soluble (ver, por ejemplo, el enfoque para depositar carburo metálico en diamante descrito en WO 2006/032982 y métodos de revestimiento como se describe en WO 2006/032984 y WO 2007/088461) . En una modalidad particular, una sal inerte tal como CaCOi, por ejemplo, se infiltra en el elemento de PCD poroso por medio de un enfoque de gel soluble. La sal inerte funciona para limitar la infiltración subsiguiente de material catalizador a una presión y temperatura ultra alta, dando como resultado una región de PD en. donde los poros se llenan sustancialmente con la sal y una segunda región en donde los poros se -llenan sustancialmente con un material catalizador. La sal puede removerse fácilmente del elemento de PCD después del paso de reinfiltración por medio de disolución en agua, dejando una región poros a dentro de PCD.

Otros métodos se pueden usar para introducir un medio de enmascaramiento o pasivación en un cuerpo de PCD poroso. En una modalidad ilustrativa de un enfoque alternativo, un elemento de PCD poroso puede infiltrarse o perrnearse con un vapor de hexafluoruro de tungsteno, dando como resultado el depósito de tungsteno dentro de los poro. Por lo menos algo del tungsteno puede reaccionar con carbono del diamante para formar WC, que es un medio de pasivación adecuado. Dado que el tungsteno sin reaccionar también es un medio de enmascaramiento o pasivación adecuado, la formación de WC puede no ser esencial. Los métodos conocidos en la materia de revestimientos de diamante y metalización se pueden usar (véase, por ejemplo, patentes de Estados Unidos números 7,022,403; 5,346,719; 5,062,865; y 5,062,865). Los enfoques de depósito de vapor pueden usarse similarmente e introduciendo Si, Cr o Ti en los intersticios de un elemento de PCD poroso, dando como resultado un carburo, nitruro, boruro, carbonitruro o boronitruro de silicio, cromo, o titanio, por lo menos revistiendo parcialmente las superficies de diamante. Dichos métodos son bien conocidos en la materia de revestimiento de diamante por medio de depósito de vapores físicos (PVD) y depósito de vapor químico (CVD) . Véase, por ejemplo, O 2005/078041, números de patentes de E.U./A. 5,024,680 y 5,221,969 y número de patente europea EP 0 467 404, que se incorporan aquí por referencia.

En una modalidad ilustrativa, la porosidad puede llenarse completa o parcialmente con. un material que contiene carbono sin diamante. Esto, en presencia de material de catalizador, se puede convertir a. PCD durante un paso subsiguiente de someter el cuerpo de PCD a una presión ultra alta, dando como resultado densidad de diamante incrementada en la porción externa de la capa de PCD y por lo manto estabilidad térmica incrementada. La infiltración con un material que contiene carbono puede lograrse por infiltración de vapor química de carbón grafitico amorfo suministrado a baja presión usando hidrocarburos gaseosos incluyendo metano, etano o etileno. La infiltración también puede lograrse por infiltración en fase líquida a alta presión usando hidrocarburos líquidos, incluyendo cera, brea y bitumen o por impregnación con carbono a alta presión usando rellenos.

En una modalidad ilustrativa adicional, una capa intermedia puede proveerse, por ejemplo entre el sustrato y el cuerpo de PCD. La función de la capa intermedia puede reducir principalmente las tensiones internas dentro del elemento de PCD y por lo tanto reducen al mínimo el riesgo de f actura. Dichas capas intermedias son bien conocidas en la materia y varias capas intermedias para insertos de PCD han sido descritas (v.gr. , patente de E.U.A. 5,370,195 y publicación de patente de E.U.A. Número US 2007-0186483 Al).

El proceso de enmascaramiento o pasivación puede llevarse a cabo de tal manera que dejen o vuelvan porosa una región adyacente al sustrato o superficie de soporte para asegurar la unió óptima durante el paso de unión de HPHT.

La región enmascarada o pasivada puede formarse entre la región térmicamente estable y la región porosa adyacente a la región, de sustrato o soporte, siempre y cuando acá corno una barrera a cualquier fase de unión infiltrándose del sustrato o soporte, evitando pone en contacto interactuar de cualquier manera con la región térmicamente estable.

Una región adyacente a una superficie periférica del elemento de PCD puede tratarse para formar una región anular térmicamente estable sustancialmente libre de material de catalizador. En una modalidad ilustrativa alternativa, la región pasivada o enmascarad puede localizarse intermedia a la región térmicamente estable, adyacente a la superficie y/o periferia de trabajo y la región porosa adyacente a la superficie que será unida al sustrato. Las diferentes regiones normalmente se proveen en una forma de capa.

Preferiblemente, el paso de enmascaramiento o pasivación no será llevado a cabo bajo condiciones de HPHT y por lo tanto constituirán un tratamiento separado del cuerpo de PCD poroso bajo condiciones de temperatura y presión moderadas antes de que se una al cuerpo del sustrato o soporte .

En una modalidad ilustrativa del método de la invención, la adhesión o unión de un cuerpo de PCD previamente concresionado o térmicamente desarrollado de manera interna que tiene unión de diamante a diamante sustancial en su microetructura a un soporte adecuado, tal como un sustrato de carburo cementado, se provee de tal manera que mantenga o conserve la estabilidad térmica de PCD, particularmente a una superficie de trabajo superior del elemento abrasivo resultante. Por lo tanto, la necesidad del tratamiento subsiguiente o la modificación del cuerpo de PCD con el fin de mejorar u obtener estabilidad térmica final de la región adyacente a la superficie de trabajo o periferia quede removerse o reducirse significativamente. En uso, los elementos de PCD pueden exponerse a temperaturas elevadas debido a los eventos de fricción a la superficie de trabajo o externa. Por lo tanto, normalmente en esta región que puede conservar la estabilidad térmica.

La provisión de un grado de porosidad en el cuerpo de PCD puede ayudar a facilitar la unión del cuerpo de PCD al sustrato. La porosidad en unan región de PC estará en contacto con el sustrato puede permitir mejor unión entre el sustrato y el cuerpo de PCD debido a la infiltración de la fase de cementado u otra fase de unión adecuada del cuerpo de sustrato la región de interfaz en el cuerpo de PCD. Mientras que se desea no estar unido por una hipótesis particular, la porosidad puede facilitar una acción capilar que puede extraer la fase de unión en la microestructura de PCD y aumentar la resistencia de la unión entre dos cuerpos durante el proceso de unión.

El experto en la materia apreciará que los elementos e insertos de un amplio rango de formas y tamaños puede crearse, dependiendo del tipo de aplicación. Los insertos pueden ser particularmente ventajoso cuando se usan en aplicaciones en donde el inserto se puede someter a altas temperaturas y por lo tanto en donde es importante la alta estabilidad térmica. Dicho usado es para barrenas giratorias usadas para perforación de rocas y excavación en tierra en la industria petroleras y de gases.

Con referencia a la Figura 8, una modalidad de una barrena giratoria para excavación en tierra 800 incluye, por ejemplo, una pluralidad de insertos de PCD 600 como se describió previamente con referencia a la Figura 1. La barrena giratoria para excavación en tierra 800 incluye un cuerpo de barrena 802 que se asegura a un vástago 804 que tiene una porción de conexión roscada 806 (v.gr. , una porción de conexión roscada 806 conformándose a las normas de la industria tal como los promulgados por el instituto de Petróleo Americana (API) ) para unir la barrena 800 a una cadena de perforación (no mostrada) . El cuerpo de la barrena ¦802 puede comprender un material mixto de matriz de partículas o una aleación de metal tal como acero. El cuerpo de la barrena 802 puede asegurarse a la flecha 804 por uno o más de una conexión, roscada, una soldadura y una aleación de latón en la interfaz entre ellos. En algunas modalidades , el cuerpo de la barrena 802 puede asegurarse al vástago 804, indirectamente a manera de un manto metálico o extensión entre ellos, como se conoce en la materia.

El cuerpo de barrena 802 puede incluir pasajes de fluido internos (no mostrados) que se extienden entre la cara 803 del cuerpo de la barrena 802 y un orificio longitudinal (no mostrado), que se extiende a través del vástago 804, una extensión 808 y parcialmente a través del cuerpo de barrena 802. Los insertos de boquilla 824 también pueden proveerse en la cara 803 del cuerpo de barrena 802 dentro de pasajes de fluido internos. El cuerpo de barrena 802 pueden incluir además una pluralidad de aspas 816 que se separan por ranuras de basura 818. En algunas modalidades, el cuerpo de barrena 802 puede incluir tapones de uso de tapones de desgaste de medición 822 y nudos de desgaste 828. Una pluralidad de insertos PCD, que generalmente se indican por el número de referencia 600 en la Figura 8, puede montarse en. la cara 803 del cuerpo de barrena 802 en las bolsas de elementos de corte 812 que se localizan a lo largo de cada aspa 816.

Los insertos 600 se colocan para cortar una formación subterránea que se perfora mientras que la barrena 800 se hace girar bajo el peso en la barrena (WOB, por sus siglas en inglés) en un orificio alrededor de la linea central, L800.

Las modalidades de insertos de DC de la presente invención también pueden usarse como recortadores de indicadores, y pueden usarse en otros tipos de herramientas de perforación a tierra. Por ejemplo, las modalidades de insertos de la presente invención también pueden usarse en conos de barrenas de conos de rodillo, en fresadoras, molinos barrenas de dos centros, barrenas excéntricas, barrena de núcleo y barrenas híbridas así llamadas que incluye cuchillas fijas y cuchillas giratorias.

EJEMPLOS La invención ahora será descrita a manera de ejemplo únicamente con referencia a los siguientes ejemplos no limitantes.

EJEMPLO 1 Se proporcionó un. inserto de PCD adecuado para usarse en una barrena giratoria para perforación petrolera y de gas y que tiene un diámetro de aproximadamente 16 mm. El inserto fue sustancialmente de forma cilindrica y está comprendido de una capa de PCD unida integralmente a un sustrato de C cementado. La capa de PCD fue de aproximadamente 2.3 mm de grosor y estuvo comprendida de granos de diamante concrecionado con un tamaño de grano promedio menor a aproximadamente 20 mieras y con una distribución de tamaño de grano que fue capaz de resolverse en por lo menos tres picos diferentes, o modos. Los intersticios entre los granos de diamante de PCD se llenaron con Co, un material catalizador originado del sustrato de metales duros durante el paso de concreción de PCD. La capa de PCD se separó del sustrato por medio de EDM de cables (maquinado de electrodescarga) proporcionando un cuerpo de PCD que tiene una forma similar a disco. Sustancialmente todo el Co se removió del cuerpo de PCD sumergiéndolo en una mezcla de ácido fluorhídrico y nítrico durante varios días, dando como resultado un cuerpo de PCD separado, poroso. El cuerpo de PC poroso se trató por calor a vacío con el fin de remover (es decir, "desgasificar") las impurezas orgánicas residuales que pueden estar presentes.

El cuerpo de PCD poroso se colocó en una superficie plana de otro sustrato cilindrico que comprende carburo de tungsteno cementado con cobalto y un disco delgado de silicio colocado en la parte superior del disco de PCD poroso y este ensamble se cargó en una cápsula de un horno de presión ultra-alta (o presión a temperatura alta) . Aunque un disco de silicio se usó en este ejemplo, se puede usar una capa de polvo de silicio. El disco de silicio fue menor a 1 mm de groso ry se limpió ultrasónicamente en un baño de acetona. El ensamble se sometió a una presión ultra-alta mayor a aproximadamente 5.5GPa, en cuyo diamante es termodinámicamente estable. La temperatura se incrementó a aproximadamente 1,220 grados centígrados, que fue mayor al punto de fusión de silicio a la presión y se mantuvo entre esta temperatura y a aproximadamente 1,320 grados centígrados, que es aproximadamente el unto de fusión de cobalto a la presión, durante un tiempo de 3 minutos. Este período se ha determinado por experimentación que será suficiente para el silicio para fundirse e infiltrare en el cuerpo de PCD a una profundidad del sustrato mayor a aproximadamente 100 mieras y menos de aproximadamente 400 mieras. La temperatura se incrementó a aproximadamente 1,400 grados centígrados y se mantuvo a este nivel durante aproximadamente 6 minutos. De esta manera, el cuerpo de PCD poroso se re-infiltró a una profundidad de entre 100 y 400 mieras con cobalto fundido del sustrato y silicio fundido de la superficie opuesta y simultáneamente unido al sustrato.

Después del paso de reinfiltración, el inserto se recubrió y dividió en dos partes a lo largo de un plano axial, produciendo dos superficies en sección transversal. Una de estas superficies se pulió y analizó por medio de SEM (microscopía electrónica de barrido) . Se encontró que el silicio se infiltra a PCD a una profundidad de varios cientos de mieras y sustancialmente reaccionó con el carbono del diamante para formar SIC. Los intersticios cerca del lado de PD unido al sustrato se llenaron sustancialmente con Co, que se infiltró del sustrato y hubo una capa entre las capas ricas en silicio y ricas en cobalto en las cuales se llenaron sustancialmente los intersticios con Co y Si. El análisis adicional reveló que el disulfuro de cobalto estuvo presente dentro de la capa intermedia.

EJEMPLO 2 Un cuerpo de PCD poroso se puede preparar como en el Ejemplo 1 y el silicio puede introducirse en algunos de los poros antes del tratamiento a una presión ultra-alta. Esto se puede realizar colocando el disco de PCD poroso en un recipiente de grafito y disponiendo una hoja de silicio en la parte superior del mismo, la hoja de silicio habiendo sido limpiada ultrasónicamente en un baño de acetona. El recipiente se puede colocar en un horno y sus contenidos calentarse en un vacío a aproximadamente 1,500°C, ocasionando que la hoja de silicio se funda e infiltre el disco de PCD. Cuando el cuerpo de PCD se remueve del horno después de la reinfiltración, se anticipa que los intersticios serán llenados con carburo de silicio y una cantidad menor de silicio sin reaccionar a una profundidad de próximamente 200 mieras .

Dicho cuerpo de PCD infiltrado parcialmente puede colocarse en un sustrato de carburo de tungsteno cementado con cobalto, con el lado n infiltrado (es decir, el lado de P de n el cual los intersticios están sustancialmente varios y el cuerpo de PCD es poroso) en contacto con una superficie del sustrato. Este ensamble de disco de PCD y sustrato puede someterse a una presión ultra-alta mayor a aproximadamente 5.5GPa y una temperatura mayor a aproximadamente 1,500°C para dar un inserto de PCD.

EJEMPLO 3 Un cuerpo de PCD poroso puede preparase como en el Ejemplo 1 y se puede introducir silicio en algunos de los poros antes del tratamiento a presión ultra-alta. Solo una película muy delgada de silicio puede depositarse en una superficie planta del disco de PCD por medio de salpicadura a chorro. La masa del silicio depositado deberá calcularse para ser suficiente para que el 10% de los poros sean llenados con carburo de silicio y consecuentemente proporciones silicio suficiente para infiltrar el PCD a una profundidad de aproximadamente 10% de su grosor, es decir, a una profundidad de aproximadamente 230 mieras de la superficie plana, dejando los poros restantes sustancialmente vacíos. Esta masa, cuando se calcula normalmente será de aproximadamente 12 miligramo dando una película de aproximadamente 23 mieras de grosor, el grosor de la película siendo tan uniforme como sea posible a través de la superficie de PCD.

El PCD revestido con silicio puede colocarse en un recipiente de gráfico, con la superficie revestida lejana a la base del recipiente de grafito (es decir, en la superficie superior) y el recipiente colocándose en un horno. El recipiente y sus contenidos deberán calentados en un vacío a 1,550°C, esta temperatura estando por arriba del punto de fusión de silicio, para dar un inserto de PCD.

EJEMPLO 4 Un cuerpo de PCD poroso se preparó como se describió en el Ejemplo 1. El. cuerpo de PCD poroso siendo colocado en una superficie plana de un sustrato cilindrico comprendiendo carburo de tungsteno cementado con cobalto y una capa de polvo de aluminio se introdujo en la parte superior del disco de PCD poroso. La capa de polvo de aluminio tuvo una masa de aproximadamente 135 mg y el tamaño medio del polvo estuvo en la escala de aproximadamente 5 mieras a 20 mieras. Aunque el polvo de aluminio se uso en este ejemplo, un disco u hoja de aluminio también puede usarse. La masa del polvo de aluminio se estimó que corresponde a un volumen de densidad completa de aluminio equivalente a aproximadamente 10 por ciento del volumen del cuerpo de PCD. El ensamble se cargó en una cápsula para horno de presión ultra-alta (o presión a temperatura alta) . La capa de aluminio fue menor a aproximadamente 1 rnm de grosor. El ensamble se sometió a una presión ultra-alta mayor a aproximadamente 5.5 GPa, a la cual el diamante es termodinámicamente estable. La temperatura se incrementó a aproximadamente 900 grados centígrados, que fue mayor al punto de fusión de aluminio a la presión y mantenida entre esta temperatura y a aproximadamente 1330 grados centígrados, que fue el punto de fusión de cobalto a la presión, durante 1 minuto. Este período se desminó por experimentación para ser suficiente para que el aluminio se funda e infiltre en el cuerpo de PCD a una profundidad del sustrato mayor aproximadamente 100 mieras y menor a aproximadamente 400 mieras. La temperatura se incremento a aproximadamente 1,500 grados centígrados y se mantuvo a este nivel durante aproximadamente 5 minutos. De esta manera, el cuerpo de PcD poroso se reinfiltró a una profundidad de entre 100 y 400 mieras con cobalto fundido del sustrato y aluminio fundido de la superficie opuesta y simultáneamente se unió al sustrato.

Después del paso de reinfiltración, el inserto se recubrió y dividió en dos partes a lo largo de un plano axial, produciendo dos superficies en secón transversal. Una de estas superficies se pulió y analizó por medio de SEM (microscopía de barrido electrónico) , revelando que PCD se unió al sustrato. El análisis adicional por medio de espectroscopia dispersiva de energía (EDS) y otras técnicas reveló que y que sustancialmente todos los intersticios dentro de una región de PCD además de aproximadamente 150 mieras de la interfaz con el sustrato se llenaron con carburo de aluminio. Una cantidad menor de otros compuestos que contienen aluminio y cobalto se observaron través de esta región. Los intersticios de PCD dentro de aproximadamente 150 mieras del sustrato se llenaron principalmente con cobalto aunque fue evidente algo de aluminio.

Los insertos de prueba adicionales se hicieron como antes y se sometieron a prueba de desgaste, que está implicada usando los insertos, preparados adecuadamente como se puede apreciar por la persona, experta, para moler un bloque de granito montado en un aparato de molido de torre vertical. La capa de PCD exhibió excelente resistencia al desgaste y estabilidad térmica. Como un control, un inserto de PCD se hizo usando un cuerpo de PCD que no se infiltró con aluminio. La medición de desempeño en esta prueba fue la distancia de granito cortado antes del inicio de "frotación", en el cual la profundidad del corte en el granito empieza a disminuir, indicando efectividad de corte disminuida. Esta distancia fue de aproximadamente 750 mm en el caso de insertar control y en el rango de aproximadamente 3,500 mm a alrededor de 6,200 mm en el caos de inserto de prueba.

EJEMPLO 5 Un. disco de PCD poroso puede prepararse usando el proceso descrito en el Ejemplo 1 y aluminio puede introducirse en los poros antes del tratamiento a presión ultra-alta. Esto se puede realizar colocando el disco de PCD poroso en un recipiente de grafito y disponiendo una hoja de aluminio en la parte superior de esto, la hoja de aluminio habiendo sido limpiada ultrasónicamente en un baño de acetona. El recipiente puede colocarse en un horno y sus contenidos calentarse en un vacio por arriba del punto de fusión de aluminio, es decir, a aproximadamente 900 grados centígrados, ocasionando que la hoja de aluminio se funda e infilt e al disco de PCD.

EJEMPLO 6 Un disco de PCD poroso puede prepararse usando el proceso descrito en el Ejemplo 1 y el aluminio se puede introducir en los poros antes del tratamiento a presión ultra-alta depositando una película muy delgada de aluminio en una superficie plana del disco de PCD por medio de rociado a chorro. La masa del aluminio depositada se puede calcular para ser suficiente para que el 10% de los poros sea llenado con carburo de aluminio y consecuentemente proporciona solo suficiente aluminio para infiltrar el PCD a una profundidad de aproximadamente 10% de su grosor, es decir, a una profundidad de aproximadamente 230 mieras desde la superficie plana, dejando los poros restantes sustancialmente vacíos. Esta masa puede ser de aproximadamente 14 miligramos, proveyendo una película de aproximadamente 23 mieras de grosor, el grosor de la película siendo tan uniforme como sea posible a través de la superficie de PCD.

El PCD revestido con aluminio se puede colocar en un recipiente de grafito, con la superficie revestida remota de la base del recipiente de grafito fes decir, en la superficie superior) y el recipiente colocado en un horno. El recipiente y su contenido se puede calentar en un varío de 900 grados centígrados, esta temperatura estando por arriba del punto de fusión. de aluminio y uno en el cual el carburo de aluminio se forma fácilmente cuando está en contacto con una fuente de carbono. Esto puede dar como resultado el cuerpo de PCD enmascarado teniendo un estrato de aproximadamente 230 mieras de groso comprendiendo carburo de aluminio en los intersticios.

El cuerpo de PCD enmascarados puede ensamblarse en una cápsula, el extremo del cuerpo de PCD opuesto al estrato estando en contacto con un sustrato de carburo de cobalto cementado, u otra fuente de cobalto y se sometió a una presión de por lo menos aproximadamente 5.5 GPa y una temperatura de por lo menos aproximadamente 1,350 grados centígrados. El cobalto puede infiltrarse de la fuente en la región porosa de PCD pero no en el estrato conteniendo el carburo de aluminio, dando como resultado el. elemento de PCD térmicamente estable.

Claims

REIVINDICACIONES

1. - Un elemento de diamante policristalino (PCD) que tiene superficies de diamante internas, las superficies de diamante internas definiendo intersticios entre ellos, el elemento de PCD comp endiendo una región enmascarada o pasivada y una región no enmascarada o no pasivada, la región no enmascarada o no pasivada definiendo un limite con otra región o cuerpo y extendiéndose una profundidad de entre 5 mieras y 600 mieras desde el limite, en. el cual por lo menos algunas de las superficies de diamante internas de la región enmascaramiento o pasivación y en donde algunos o todos los intersticios de la región enmascarada o pasivada y de la región no enmascarada o no pasivada por lo menos se llaman parcialmente con un material de infiltración.

2. - Un elemento de PCD de acuerdo con la reivindicación 1, en el cual por lo menos algunas de las superficies de diamante internas de la región enmascarada o pasivada se revisten con un medio de enmascaramiento o de pasivación.

3. - Un elemento de PCD de acuerdo con la reivindicación 1 o reivindicación 2, en el cual algunos o todos los intersticios de la región enmascarada o pasivada y de la región no enmascarada o no pasivada por lo menos se llenan parcialmente con un material de infiltración que tiene la misma composición.

4. - Un elemento de PCD de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en el cual el material de infiltración comprende silicio o aluminio.

5. - Un elemento de PCD de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones anteriores a 4, en el cual el material de infiltración comprende un material de catalizador para diamante .

6.- Un elemento de PCD de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en el cual el medio de enmascaramiento o pasivación es un material de cerámica seleccionado de carburo de silicio, carburo de titanio, carburo de tantalio, carburo de tungsteno, carburo de hafnio, carburo de molibdeno, carburo de zirconio, carburo de vanadio y carburo de aluminio.

7. - Un elemento de PCD de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en el cual los intersticios dentro de la región enmascarada o pasivada por lo menos se llenan el 50 por ciento con carburo de silicio o carburo de aluminio .

8. - Un elemento de PCD de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en el cual por lo menos el 40 por ciento del área superficial total de las superficies de diamante de interfaz de la región enmascarada o pasivada se reviste con el medio de enmascaramiento o pasivación.

9. - Un elemento de PCD de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones anteriores, el elemento de PCD estando unido a un sustrato en una interfaz, el limite de la región no enmascarada o no pasivada estando definido por la interfaz, la región enmascarada o no pasivada extendiéndose una profundidad en el elemento de PCD de la interfaz, la profundidad siendo de cuando mucho 400 y por lo menos 5 mieras .

10. - Un elemento de PCD de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en el cual la región enmascarada o pasivada se extiende una profundidad en el elemento de PCD de una superficie de trabajo, la profundidad siendo de cuando mucho 1,000 mieras y por lo menos 5 mieras.

11. - Un elemento de PCD de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones anteriores, el elemento de PCD comprendiendo una región térmicamente estable, en la cual la región enmascarada o pasivada define una barrera ente la región térmicamente estable y la región no enmascarada o no pasivada del elemento de PCD.

12. - Un método para manufacturar un elemento de PCD, el método incluyendo proveer un cuerpo de PCD que tiene superficies de diamante internas, las superficies de diamante internas definiendo intersticios, el cuerpo de PCD que contienen una región térmicamente estable y una región porosa, en la cual por lo menos algunos ele los intersticios contienen poros parcialmente no llenados; introduciendo un medio de enmascaramiento o pasivación próximo o en la región térmicamente estable; e int oduciendo por lo menos una material de infiltración en la región de poro, el medio de enmascaramiento o pasivación aislando por lo menos parcialmente el diamante de la región térmicamente estable de la interacción química con por lo menos una material de infiltración, en donde un ciclo de temperatura controlado se emplea de tal forma que permite que suficiente o cierta cantidad del medio de enmascaramiento o pasivación o su precursor sea introducido próximo o en la región térmicamente estable antes de que se funda o infiltre por lo menos un material de infiltración e infiltrando el cuerpo de PCD poroso .

13.- Un método de acuerdo con la rei indicación 12, en el cual la región térmicamente estable por lo menos es parcialmente porosa.

14.- Un método de acuerdo con la reivindicación 12 o reivindicación 13, el método ' incluyendo revertir algunas o todas las superficies de diamante internas a la región térmicamente estable, por lo menos parcialmente con un medio de enmascaramiento o pasivación.

15.- Un método de «acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones 12 a 14, el método incluyendo aislador químicamente diamante de la interacción química con el material de infiltración.

16.- Un método de acuerdo con cualquiera de las rei indicaciones 12 a 15, en el cual el cuerpo de PCD es poroso .

17. - Un método para manufacturar un elemento de PCD; el método incluyendo proveer un cuerpo de PCD que tiene superficies de diamante internas, las superficies de diamante internas definiendo intersticios, el cuerpo de PCD conteniendo una región térmicamente estable y una región porosa, en la cual por lo menos algunos de los intersticios contienen poros no llenados por lo menos parcialmente; introduciendo un medio de enmascaramiento o pasivación próximo o en la región térmicamente estable; y después introduciendo por lo menos un material de infiltración en la región porosa, el medio de enmascaramiento o pasivación aislando por lo menos parcialmente el diamante de la región térmicamente estale de la interacción química con por lo menos un material de infiltración.

18. - Un método de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones 12 a 17, el método incluyendo introducir el medio de enmascaramiento o pasivación bajo condiciones de HPHT.

19. - un método para manufacturar un elemento de PCD, el método incluyendo proveer un cuerpo de PCD que tiene superficies internas de diamante, la superficies internas de diamante definiendo intersticios, el cuerpo de PCD conteniendo una región térmicamente estable y una región porosa, en la cual por lo menos algunos de los intersticios contienen poros por lo menos parcialmente no llenados, introduciendo un medio de enmascaramiento o pasivación próximo o en la región térmicamente estable; e introduciendo por lo menos un material de infiltración en la región porosa, el medio de enmascaramiento o pasivación aislando por lo menos parcialmente la región térmicamente estable de la interacción química con por lo menos un material de infiltración, el medio de enmascaramiento o pasivación siendo introducido próximo o en la región térmicamente estable bajo condiciones diferentes a condiciones de HPHT.

20. - Un método de acuerdo con la rei indicación 19, el método incluyendo introducir el medio de enmascaramiento o pasivación en una fase gaseosa o de vapor, como una sal inerte o fase de cerámica, o usando modificación de química superficial de las superficies de diamante internas en la región enmascarada o pasivada.

21. - Un método de acuerdo con la reivindicación 20, el método incluyendo introducir el medio de enmascaramiento o pasivación por el depósito de capa atómica, infiltración con un polímero de preceramica liquido o solución polimérica, usando un gel en solución u otra ruta química basada en solución o un vapor que comprende una composición metálica.

22.- Un mé odo de acuerdo con la reivindicación 21, el método incluyendo introducir hexafluoruro de tungsteno como un vapor, para depositar así tungsteno como el medio de enmascaramiento o pasivación.

23.- Un método de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones 12 a 22, el método incluyendo introducir el material de infiltración en un volumen del cuerpo de PCD, el volumen siendo por lo menos 10 por ciento del volumen total del cuerpo de PCD.

24. - Un método de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones 12 a 23, el método incluyendo introducir el material de infiltración en un volumen del cuerpo de PCD que está próximo a una superficie del cuerpo de PCD, la superficie estando remota de la interfaz opuesta, el volumen teniendo una profundidad de la superficie de por lo menos 0.1 mm.

25. - Un método de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones 12 a 24, en el cual la región enmascarada o pasivada define una berrera entre la región térmicamente estable y el material de infiltración.

26.- Un inserto de PCD para una herramienta, el inserto comprendiendo un elemento de PCD de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones 1 a 11.

27. - Una herramienta comprendiendo un inserto de PCD de acuerdo con la reivindicación 26.

28. - Una barrena giratoria conteniendo una pluralidad de insertos, cada, inserto siendo de conformidad con la reivindicación 26.