專利名稱：Tsp切削刀具的界面設(shè)計(jì)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明大體上涉及一種地層鉆探設(shè)備的切削元件。更具體地說(shuō)，本發(fā)明涉及一種切削刀具的界面設(shè)計(jì)。
背景技術(shù)：
不同種類和形狀的地層鉆頭被用于地層鉆探行業(yè)。地層鉆頭的鉆頭體有很多種特征，例如巖心、刀翼以及延伸至鉆頭內(nèi)部的切削槽和附著在鉆頭體牙輪。在鉆探的應(yīng)用和地層結(jié)構(gòu)不同時(shí)，需要根據(jù)鉆頭切削行為的類別以及對(duì)不同地層結(jié)構(gòu)的適用范圍來(lái)選擇所用鉆頭的類別。刮刀鉆頭通常指“固定的切削鉆頭”，它包括鉆頭體上附有切削元件的鉆頭，并且通常是鋼制鉆頭，或者胎體材料鉆頭，例如粘合料的包裹碳化鎢材料。刮刀鉆頭通常被定義為不含活動(dòng)件的鉆頭。然而，在該技術(shù)領(lǐng)域中，刮刀鉆頭有很多種類和制作方法。例如，將包括金剛石在內(nèi)的摩擦材料均勻鑲嵌在鉆頭體材料中得到的刮刀鉆頭通常被稱作“孕鑲”鉆頭。以超硬質(zhì)的切削表面層或“面板”(一般是由聚晶金剛石或聚晶氮化硼材料制成)沉積或接合在底層上形成切削元件的鉆頭在該技術(shù)領(lǐng)域中被稱作聚晶金剛石復(fù)合片(“roc”)鉆頭。PDC鉆頭可以很輕松地鉆入軟質(zhì)地層，但是它卻通常被用于鉆探硬度適中或者磨損性的地層。PDC鉆頭以小型刀具進(jìn)行剪切行為，從而可以在不深入地層的情況下切割巖石。由于透入深度比 較淺，因而通過(guò)鉆頭的高速旋轉(zhuǎn)來(lái)達(dá)到較高的鉆探速率。在PDC鉆頭中，聚晶金剛石復(fù)合(roc)刀具位于由刀翼從鉆頭體中延伸形成的切削槽上，并且通常被釬焊在切削槽內(nèi)表面。PCD刀具沿著鉆頭體刀翼的前緣分布，因而當(dāng)鉆頭體在旋轉(zhuǎn)時(shí)，PDC刀具會(huì)接觸并鉆削地層。在使用時(shí)，PDC刀具會(huì)受到很大的，特別是前后方向的作用力。此外，鉆頭與PDC刀具也會(huì)受到巨大的摩擦力。在某些情況下，沖擊、振動(dòng)以及侵蝕力都會(huì)導(dǎo)致一個(gè)或多個(gè)刀具的損失或者刀翼斷裂，從而造成鉆頭失效。典型的PDC刀具上，都有一種聚晶金剛石(“roc”)(或者其他超硬質(zhì)材料，例如聚多晶立方氮化硼)復(fù)合片被接合在通常為燒結(jié)的金屬硬質(zhì)合金的底層材料上，以形成切削結(jié)構(gòu)。PCD包括金剛石顆粒的多晶塊或者由多個(gè)晶體構(gòu)成的，一體的、粗糙的、高強(qiáng)度的塊狀物或格狀物。得到的PCD結(jié)構(gòu)在抗磨性和硬度方面都有很好的改善，這使得PCD材料可以很好地應(yīng)用在有著蔓延性磨損現(xiàn)象和切割作業(yè)這種需要耐磨性和硬度的場(chǎng)合。P⑶可以通過(guò)將一定量的金剛石顆粒在高溫高壓(“HPHT”)下，以燒結(jié)用酸或粘合劑處理而得到。傳統(tǒng)上，燒結(jié)用酸或粘度計(jì)以溶劑金屬催化劑材料的形式引入，例如一種或多種元素周期表中的VIII族元素。在高溫高壓處理之前，可以在金剛石顆粒中混入這種溶劑金屬催化劑，并且/或者通過(guò)將以溶劑金屬催化劑為主要成分的底層物質(zhì)在HPHT過(guò)程中滲入來(lái)獲得。傳統(tǒng)的PDC刀具通常由燒結(jié)硬質(zhì)合金底層放入高溫高壓反應(yīng)器內(nèi)制得。反應(yīng)器中，通過(guò)將金剛石顆粒混合物或金剛石顆粒和催化粘合劑放置在底層的頂部，可以在底層頂部得到金剛石層。然后將反應(yīng)器裝入經(jīng)過(guò)配置和調(diào)整可以對(duì)其施加HPHT條件的HPHT裝置。這種情況下，金屬粘合劑會(huì)從底層遷移出來(lái)，穿過(guò)金剛石顆粒，從而促進(jìn)金剛石顆粒間的共生長(zhǎng)。因此，金剛石顆粒會(huì)彼此相連，從而形成一個(gè)金剛石層，并且牢牢地粘合在底層上。這種底層通常含有金屬硬質(zhì)合金復(fù)合材料，例如碳化鎢。沉積的金剛石體通常被稱為“金剛石層”、“金剛石板”或者“摩料層”?，F(xiàn)有技術(shù)下的一例含有多個(gè)超硬工作表面刀具的PDC鉆頭如圖1所示。鉆頭100由一個(gè)上端有螺紋的鉆桿160和切削端140組成。切削端140通常包括多個(gè)環(huán)繞著鉆頭旋轉(zhuǎn)軸L (也被稱為縱向軸或中心軸)，并且從鉆頭體110向外放射狀伸展的肋條或刀翼120。切削元件，或者說(shuō)刀具180以一個(gè)固定角度方向，相對(duì)于工作表面190呈放射狀分布，鑲嵌在刀翼120上，并且與被鉆入的地層結(jié)構(gòu)有設(shè)定好的縱向前角和橫向前角。鉆頭體110上，在刀翼120中間的，通常被成為區(qū)域有多個(gè)噴嘴130，它們通常被稱為“凹槽”或“流道”。噴嘴130通常被調(diào)整使得可以與管口相連接。噴嘴130可以讓鉆井液在刀翼120之間，從鉆頭處沿著一定的方向，以一定的速率流出，從而潤(rùn)滑并冷卻鉆頭100，刀翼120和刀具180。在鉆頭100旋轉(zhuǎn)并鉆穿地層結(jié)構(gòu)時(shí)，鉆井液還可以清洗并且去除鉆屑。如果不滿足適當(dāng)?shù)牧黧w特性，在鉆探作業(yè)時(shí)，刀具冷卻不足會(huì)導(dǎo)致刀具失效。流道的設(shè)置可以為鉆井液提供額外的通道，并且使地層切削能夠穿過(guò)鉆頭100流向井口(圖中未顯示)O傳統(tǒng)的P⑶由85-95%體積的金剛石和適當(dāng)比例的粘合材料組成，粘合材料處于粘接在一起的金剛石的縫隙中。被用于粘合材料制作PCD的通常包括VIII族元素，其中又以鈷(Co)最為常見(jiàn)。傳統(tǒng)的P⑶在溫 度高達(dá)700-750°C下仍然穩(wěn)定，超過(guò)這個(gè)溫度會(huì)導(dǎo)致TCD的永久性損傷和結(jié)構(gòu)失效。特別的，PCD與加工材料間的摩擦產(chǎn)生的熱量會(huì)導(dǎo)致PCD以破裂的形式發(fā)生熱損壞，并且這還會(huì)導(dǎo)致金剛石層的破碎以及金剛石層與底層的剝離。這種PCD的劣化是由于，以鈷為代表的粘合劑的熱膨脹系數(shù)與金剛石的相比有很大的不同。PCD受熱時(shí)，鈷與金剛石框架的會(huì)以不同的倍率膨脹，這會(huì)導(dǎo)致金剛石框架結(jié)構(gòu)的破裂并且使PCD劣化。高的作業(yè)溫度還會(huì)使金剛石轉(zhuǎn)化為石墨，從而導(dǎo)致微結(jié)構(gòu)整體性的損失、強(qiáng)度的損失以及更快的磨損。為了克服上述問(wèn)題，強(qiáng)酸被用來(lái)從金剛石框架結(jié)構(gòu)(的某一薄層或整個(gè)結(jié)構(gòu)體)中“萃取”鈷，從而至少降低了在加熱或冷卻過(guò)程中，因?yàn)榻饎偸c鈷膨脹率不同而造成的損壞。“萃取”過(guò)程的例子可以在例如美國(guó)專利Nos.4，288，248與4，104，344等中找到。簡(jiǎn)單地說(shuō)，一種強(qiáng)酸，通常是硝酸或者幾種強(qiáng)酸(例如硝酸與氫氟酸)的混合物被用來(lái)處理金剛石板，并且會(huì)將至少一定比例的助催化劑從PDC復(fù)合板中除去。通過(guò)萃取掉鈷，可以得到熱穩(wěn)定性聚晶(“TSP”)金剛石。在某一特定的實(shí)施例中，只有一定比例的金剛石復(fù)合板被萃取，以在對(duì)抗沖擊性影響較小的情況下，得到熱穩(wěn)定性。本申請(qǐng)中所用到的熱穩(wěn)定多晶(“TSP”)包含以上兩種(即部分萃取和全部萃取)復(fù)合物。萃取后留下的空隙體積可以通過(guò)進(jìn)一步強(qiáng)化，或者通過(guò)另一種材料的再滲透來(lái)降低。關(guān)于在滲透的例子，可以在美國(guó)專利 N0.5，127,923 中找到。然而，上文中描述的一些發(fā)生在P⑶刀具上的問(wèn)題，例如產(chǎn)生碎屑、碎片、局部斷裂、切削板破裂或剝落，也同樣發(fā)生在TSP刀具或其他固定在滲碳硬質(zhì)合金底層上，含有超硬類金剛石切削板，例如聚多晶立方氮化硼的刀具的使用中。據(jù)觀察，硬質(zhì)合金底層很可能有著比金剛石層(即P⑶或TSP)更高的熱膨脹系數(shù)。特別地，TSP材料的熱膨脹系數(shù)與傳統(tǒng)底層材料(例如硬質(zhì)合金-鈷復(fù)合底層)的差距非常大。因此，例如在燒結(jié)的過(guò)程中，滲碳硬質(zhì)合金底層與金剛石層都被加熱至一定溫度，以在金剛石層與滲碳碳化底層之間產(chǎn)生粘合。在金剛石層與底層冷卻的過(guò)程中，由于硬質(zhì)合金的高熱膨脹系數(shù)，底層比金剛石收縮的更多。因而，本文提到的應(yīng)力，即熱致應(yīng)力或殘余應(yīng)力，是在金剛石層與底層之間的界面上形成的。并且，金剛石層與硬質(zhì)合金底層間收縮程度的不同引起的應(yīng)力在這兩種刀具上都會(huì)出現(xiàn)。此外，在很多公開的現(xiàn)有技術(shù)中，因?yàn)閭鹘y(tǒng)底層材料與TSP間熱膨脹系數(shù)的差異，使得人們直接將TSP體嵌入在設(shè)備上而不是將其固定在底層上。尤其是考慮到TSP體與底層間的熱膨脹系數(shù)差異較大，并且TSP體金剛石表面由于缺少溶劑金屬催化劑導(dǎo)致其極差的可潤(rùn)濕性，這都使TSP很難與傳統(tǒng)底層材料接合在一起。更須注意的是，金剛石層與底層間體積彈性模量的不匹配，會(huì)導(dǎo)致金剛石層中殘余應(yīng)力的產(chǎn)生。具體來(lái)說(shuō)，在燒結(jié)過(guò)程的高壓作用下，由于硬質(zhì)合金的體積模量比較低，它會(huì)比金剛石層收縮得更厲害。在金剛石被燒結(jié)到硬質(zhì)合金上、壓力撤除以后，硬質(zhì)合金則會(huì)試圖比金剛石膨脹得更多，從而對(duì)金剛石層產(chǎn)生一個(gè)拉伸殘余應(yīng)力。由于金剛石與底層材料通常都有著很高的模量(即硬度)，這些應(yīng)力也會(huì)誘發(fā)更大的應(yīng)力，從而最終導(dǎo)致材料失效。(由熱膨脹系數(shù)不同導(dǎo)致的)冷卻效應(yīng)以及(由體積模量不同導(dǎo)致的)壓力釋放效應(yīng)會(huì)互相作用。在通常的燒結(jié)條件下，冷卻效應(yīng)要比壓力釋放效應(yīng)要強(qiáng)，從而使金剛石層與硬質(zhì)合金底層產(chǎn)生不同的凈收縮。為了避免以上問(wèn)題，一些現(xiàn)有技術(shù)在底層材料與金剛石切削層之間采取非平面界面的(“NPI”)設(shè)計(jì)。然而，在將一個(gè)預(yù)定型的金剛石層與碳化鎢底層燒結(jié)時(shí)，NPI卻更加困難難以獲得，這是因?yàn)樵谄ヅ浣饎偸c底層間的非平面表面時(shí)，一點(diǎn)點(diǎn)的不精確都會(huì)造成金剛石層的破裂。一些現(xiàn)有技術(shù)的實(shí)施例試圖通過(guò)在非平面表面之間使用粉狀的底層材料，例如硬質(zhì)合金粉末，以提高預(yù)定型金剛石層與底層匹配精度。圖2A和2B顯示了現(xiàn)有技術(shù)下切削元件的示例。圖2A中，切削元件200在金剛石板220與硬質(zhì)合金底層270之間有一個(gè)傳統(tǒng)的平面界面202。圖2B中所示的切削元件200則在金剛石板220與硬質(zhì)合金底層270之間有一個(gè)傳統(tǒng)的NPI 202。底層270的一部分延伸進(jìn)入金剛石板220。在現(xiàn)有技術(shù)的一個(gè)具有代表性的實(shí)施例中，底層270可以先預(yù)定型成為硬質(zhì)合金體，再將金剛石粉末和選擇性添加的催化材料放置于底層270的上表面。HPHT過(guò)程中，在切削元件200之上，金剛石與金剛石接合在一起形成了金剛石板220。盡管現(xiàn)有技術(shù)下的NPI，例如圖2B中的例子，與如圖2A所示有著平面界面的切削元件相比，可以減小殘余應(yīng)力的值，但現(xiàn)有技術(shù)下的金剛石切削元件結(jié)構(gòu)依然會(huì)在殘余應(yīng)力的作用下失效。因此，市 場(chǎng)上依然存在著提高切削元件壽命的需求。

發(fā)明內(nèi)容
一方面，現(xiàn)有技術(shù)下，有關(guān)制造切削元件的方法的公開實(shí)施例都包括底層的制造，底層上中間層的制造，金剛石板的制造以及使金剛石板位于中間層之上，并使中間層處于基與金剛石板之間的定位步驟。中間層包括一個(gè)有著一定厚度的基座部分以及一個(gè)厚度為He的環(huán)狀部分，因此在這里，中間層的厚度Ht便等于基座厚度與環(huán)厚度的和。金剛石板則包括一個(gè)直徑為D1，厚度為He的切削層以及一個(gè)直徑為D2，厚度為Hp的突出層。另一方面，本發(fā)明有關(guān)于一種切削元件，它包含一個(gè)金剛石層和與其裝在一起的底層。金剛石板包括一個(gè)直徑為D1,厚度為He的切削層以及一個(gè)直徑為D2,厚度為Hp的突出層。底層則包括底層的本體部分以及一個(gè)位于底層體和金剛石層之間的中間層。這個(gè)中間層包括有著一定厚度的基座部分以及一個(gè)厚度為Hk的環(huán)，并且中間層的厚度％等于基座厚度與環(huán)厚度的和。一個(gè)非平面界面位于金剛石板與中間層之間，其突出部分由切削層一直延伸至底層內(nèi)。本發(fā)明的其他方面和優(yōu)勢(shì)將在接下來(lái)的描述以及附帶的權(quán)利要求中加以描述。


圖1表不一種傳統(tǒng)刮刀鉆頭的側(cè)視圖；圖2A與圖2B表示現(xiàn)有技術(shù)下的一種金剛石切削元件的橫截面視圖；圖3為本發(fā)明的金剛石切削元件的一個(gè)實(shí)施例的橫截面視圖；圖4為本發(fā)明的金剛石切削元件的另一個(gè)實(shí)施例的橫截面視圖；圖5為本發(fā)明的金剛石切削元件的又一個(gè)實(shí)施例的橫截面視
圖6表示切削刀具所受到的壓力；以及圖7A-7C表示本發(fā)明的傳統(tǒng)切削刀具與TSP切削刀具的橫截面視圖。
具體實(shí)施例方式本發(fā)明關(guān)于一種在界面設(shè)計(jì)上有所改進(jìn)的切削元件。具體來(lái)說(shuō)，是一個(gè)關(guān)于非平面界面(“NPI”)的實(shí)施例，它處在切削元件的金剛石板與底層材料之間。金剛石板可被預(yù)定型成為聚晶金剛石(PCD)或熱穩(wěn)定性聚晶金剛石(TSP)板，這種板包含一個(gè)切削層與一個(gè)從切削層延伸進(jìn)入底層的突出體。在本申請(qǐng)中，術(shù)語(yǔ)“PCD”指一種聚晶金剛石，這種聚晶金剛石是在高溫/高壓(“HPHT”)條件下，使用溶劑金屬催化劑，例如元素周期表中VIII族，而制成的。本申請(qǐng)中術(shù)語(yǔ)“熱穩(wěn)定聚晶金剛石”或“TSP”指一種晶粒間接合在一起的金剛石，這種金剛石要么包含可以認(rèn)為大體上不含有用以形成PCD的溶劑金屬催化劑的區(qū)域，要么包含有剩余的用以PCD的溶劑金屬催化劑的區(qū)域，但該區(qū)域內(nèi)的溶劑金屬催化劑可以認(rèn)為不足以對(duì)高溫下接合的金剛石造成不利影響，就像上文討論的一樣。通常情況下，聚晶金剛石復(fù)合(roc)體或其它超硬材料與通常是燒結(jié)金屬碳化物的底層材料相接合以形成切削結(jié)構(gòu)。這種PDC體通常包括，傳統(tǒng)PCD，高密度PDC (金剛石體積含量在92%以上)，TSP金剛石(大體上不含第二相)以及/或者含有熱穩(wěn)定性第二相的PCD。底層上的附加物使得PDC刀具可以通過(guò)傳統(tǒng)方法，例如釬焊，焊接等，固定在切削和/或磨損裝置上。如果沒(méi)有底層，PDC體必須通過(guò)干涉配合接在切削和/或磨損裝置，而這是不實(shí)用的，也不能提供足夠強(qiáng)的附著力以保證較長(zhǎng)的時(shí)候壽命。本申請(qǐng)所描述的實(shí)施例與TSP切削刀具有關(guān)，這種切削刀具可以用于向下鉆進(jìn)工具，例如刮刀鉆頭或鉸刀等。此外，在傳統(tǒng)的應(yīng)用中，可以通過(guò)將金剛石粉末或金剛石粉末與催化材料放置在底層表面，并以燒結(jié)過(guò)程，例如HPHT過(guò)程處理此集合體，從而得到金剛石體。在這些實(shí)施例中，金剛石體形成的同時(shí)即被固定在底層之上。而根據(jù)本發(fā)明，一個(gè)預(yù)燒結(jié)(即預(yù)定型)的金剛石體在形成之后才被固定在底層上。本申請(qǐng)中所使用的預(yù)定型金剛石體指一種金剛石體，例如P⑶或TSP，它在被固定到底層上之前就已經(jīng)完成金剛石與金剛石間的接合。根據(jù)本發(fā)明，底層包括兩個(gè)區(qū)域:底層體以及中間層。本文所用的術(shù)語(yǔ)“底層”指這兩個(gè)區(qū)域(底層體和中間層)在形成切削元件(例如，通過(guò)HPHT過(guò)程處理后)時(shí)所處的狀態(tài)。本文中術(shù)語(yǔ)“底層體”與“中間層”用來(lái)形容底層的成分，指的是它們?cè)谛纬汕邢髟?例如，在底層體與中間層通過(guò)HPHT過(guò)程形成TSP切削元件之前)所處的狀態(tài)。底層體可以被預(yù)定型成為固體，這種固體通常包括一個(gè)金屬碳化物復(fù)合材料(例如:碳化鎢)以及金屬粘合劑(例如，鈷或其他VIII族金屬)。中間層可以由與底層體相同的材料制成，也可以由其它金屬碳化物復(fù)合材料制成。并且，中間層在與金剛石層相接合之前可以是粉末或/和固體形態(tài)。圖3顯示了與本發(fā)明一致的切削元件300的橫截面圖。切削元件300由一個(gè)切削面340和一個(gè)與切削刃330相交的側(cè)面350.切削面340和切削刃330相接并切出一個(gè)工作表面，例如井眼。切削元件300還包括一個(gè)底層體360，一個(gè)預(yù)定型的金剛石板320以及一個(gè)位于底層體360與金剛石板320的中間層380。在切削元件300的結(jié)構(gòu)上，底層體360和中間層380被統(tǒng)稱為底層。例如，在某些實(shí)施例中，一個(gè)切削元件可以由一個(gè)預(yù)定型的金剛石板、一個(gè)中間層和一個(gè)底層體通過(guò)HPHT過(guò)程制得，而此時(shí)的中間層和底層體則在這個(gè)HPHT過(guò)程中形成底層。然而，在下文中，切削元件300的組成成分都會(huì)按照它們制成切削元件之前的形式予以描述。特別地，中間層·380包括一個(gè)基座部分382和一個(gè)環(huán)狀部分384，其中，環(huán)狀部分384的厚度為Hk，基座部分的厚度為Hb。中間層380的厚度Ht等于環(huán)厚度Hk與基座厚度Hb的和。預(yù)定型的金剛石板320包括一個(gè)切削層322和一個(gè)從切削層322延伸到中間層380中的突出層324，從而構(gòu)成了一個(gè)位于金剛石板320和中間層380之間的非平面界面305。突出層的厚度Hp與環(huán)的厚度Hk相等，而這個(gè)厚度也等于基座部分382與切削層322的距離。此外，如圖3所述，包括環(huán)狀部分384和基座部分382的中間層380以粉末的形式(圖中點(diǎn)畫區(qū)域)放置于預(yù)定型過(guò)的金剛石板320和底層體360之間。例如，在某些實(shí)施例中，中間層可由疏松I的預(yù)燒結(jié)碳化物粉末，比如碳化鶴，以及用于金剛石燒結(jié)的催化材料(例如鈷、鎳和鐵)形成，或者由碳化鎢，一種來(lái)自周期表VIII的元素以及立方氮化硼或金剛石增強(qiáng)體形成。然而，在其它的實(shí)施例中，如圖4所示，環(huán)狀部分可以是固體形態(tài)，而基座部分則是粉末態(tài)。參照?qǐng)D3，金剛石板320的切削層322有一個(gè)切削面340和一個(gè)切削層側(cè)面326，切削面340與切削側(cè)面326相交形成一個(gè)切削刃330.鑒于切削層側(cè)面326作為切削元件側(cè)表面350暴露在外面，本申請(qǐng)中切削層322也可以表示金剛石板320暴露在外面的部分。切削層322半徑為D1，裸露部分厚度為He。突出層324的半徑為D2，厚度為HP。突出層324與金剛石板320在環(huán)狀部分384中配合在一起，從而并不露出切削元件的側(cè)表面350，因此
D1要大于D2。在本發(fā)明的范圍之內(nèi)，切削層的直SD1與突出層的直徑仏的設(shè)計(jì)使01/1)2的比值在大約0.3與大約0.9之間。某些實(shí)施例中，D1ZiD2的比值則在大約0.7到大約0.85之間較優(yōu)。D1ZiD2比值的最優(yōu)范圍會(huì)隨著切削層322和突出層324的尺寸變化。此外，環(huán)的厚度He與中間層380的總厚度Ht的比值處在大約0.1到大約0.7之間。在某些實(shí)施例中，HK/HT的比值則在大約0.3到大約0.6之間較優(yōu)。由于環(huán)厚度Hk與突出層厚度Hp相等，He/Ht的值也同樣等于HP/HT。He/Ht或HP/HT值的最優(yōu)范圍會(huì)隨著切削層322的厚度，即暴露厚度He變化。例如，一個(gè)切削層322的厚度He可以在大約0.06到大約0.10英寸之間變化,而在另一些實(shí)施例中，范圍則在大約0.07到大約0.09英寸之間。在切削層322的厚度He可在大約0.06到大約0.10英寸之間變化的實(shí)施例中，突出層厚度Hp與切削層厚度He的比(Hp/He)則處在大約
0.1與大約0.7之間，而總厚度Ht則會(huì)根據(jù)突出層的厚度Hp的值變化從而獲得較優(yōu)的HP/HTt匕。在較優(yōu)的實(shí)施例中，例如，當(dāng)切削層厚度He的值在大約0.08至大約0.085英寸之間變化時(shí)，突出層的厚度Hp則在大約0.03到大約0.04英寸之間變化。本公開中的發(fā)明很有優(yōu)勢(shì)的一點(diǎn)在于，可以在以本文中的數(shù)值改變D2ZiD1, HP/HT(即Ηκ/Ητ)和/或仏/$(即He/Hk)值的基礎(chǔ)上通過(guò)對(duì)切削元件NPI·的設(shè)計(jì)，使切削元件在地層與預(yù)定型金剛石板間的殘余應(yīng)力值得到降低。根據(jù)本發(fā)明其他的實(shí)施例，中間層的基座部分可以由疏松I的預(yù)燒結(jié)碳化物粉末制得，而環(huán)狀部分則可以由與金剛石突出層大小相配的固體碳化物環(huán)制得。如圖4所示，用來(lái)依照本發(fā)明方法制成切削元件400的元素包括底層體460、金剛石板420，以及位于底層體460與金剛石板420之間的中間層480。底層體460以預(yù)燒結(jié)碳化物的形式提供。中間層則包括基座部分482與環(huán)狀部分484，其中，基座部分482由疏松的碳化物粉末制成，環(huán)狀部分484則由固體碳化物環(huán)制成。具體來(lái)說(shuō)，疏松的預(yù)燒結(jié)碳化物粉末，例如含鈷碳化鎢被放置在基座層482中，位于底層體的上表面461上。預(yù)定型固體碳化物環(huán)484被放置在由碳化物粉末形成的基座層482之上。金剛石層420包括切削層422和突出層424，則被放置在基座層482和環(huán)狀部分484之上，從而使突出層424從切削層422延伸至中間層480。金剛石板420、中間層480以及底層體460則被燒結(jié)以形成切削元件400，其中，非平面界面405則在金剛石板420和碳化物中間層480之間形成。在本發(fā)明的范圍內(nèi)，底層體與中間層可由相同或者不同的底層材料制得。本文所使用的底層材料通常為金屬碳化物復(fù)合材料，例如碳化鎢與元素周期表VIII族的金屬粘合劑形成的復(fù)合材料。在某些實(shí)施例中，底層體與中間層可由同樣的金屬碳化物復(fù)合材料制成，例如含鈷碳化鎢。在另一些實(shí)施例中，根據(jù)應(yīng)用情況的不同，例如需要釬焊或者高抗摩擦性，底層體與中間層則可由不同的金屬碳化復(fù)合物制成。另外，本發(fā)明的NPI的形狀設(shè)計(jì)如下。例如圖5表示一個(gè)根據(jù)本發(fā)明的方法，用來(lái)制成切削元件的元素的橫截面圖。切削元件500有一個(gè)切削面540和一個(gè)側(cè)表面550，其中側(cè)表面550是由切削元件500的金剛石板520、中間層580以及底層體560的外表面共同構(gòu)成的。并且中間層580由基座部分582和環(huán)狀部分584組成，其中基座部分582包括底部582a、側(cè)壁582b和頂部582c，而環(huán)狀部分則包括基座界面584a、外側(cè)壁584b、金剛石界面584c以及內(nèi)側(cè)壁584d。基座部分582的底部582a和頂部582c與環(huán)狀部分584的基座界面584a和金剛石界面584c都大體上為平面并且平行，如圖5所示，但其他的實(shí)施例并不都是如此?；糠?82的側(cè)壁582b與環(huán)狀部分的內(nèi)外壁584d和584b都大體上呈圓環(huán)面。具體來(lái)說(shuō)，如圖5所示的實(shí)施例，基座部分582的側(cè)壁582b與環(huán)狀部分584的外側(cè)壁584b有著大致相同的圓柱形狀與直徑，盡管其厚度可能不同。環(huán)狀部分584內(nèi)壁584d的直徑要比外壁584b的直徑要小。如圖5所示，內(nèi)壁584d在豎直方向上，從外壁584向切削元件500的中心傾斜，從而使底 座界面584a的面積大于金剛石界面584c的面積,而外壁584b則是一個(gè)豎直的面。因此，在某些實(shí)施例中，環(huán)狀結(jié)構(gòu)584的橫截面會(huì)呈現(xiàn)梯形的結(jié)構(gòu)。然而，如圖4所示，另一些實(shí)施例中的環(huán)狀結(jié)構(gòu)則有著平行的內(nèi)外壁，因而其基座界面與金剛石界面面積相等，環(huán)狀部分的橫截面呈矩形。環(huán)形部分584的內(nèi)壁584d與基座部分582的頂部形成里一個(gè)角α。角α的大小會(huì)在90°至150°之間變化。如圖5所示，角α大于90°。而在其他的實(shí)施例中，如圖3和圖4所示，在環(huán)狀部分384，484與基座部分382，483之間形成的角α則為90°。環(huán)狀部分與中間層的基座部分所形成的夾角α，取決于形成各部分所使用的材料。例如，在某些環(huán)狀部分由固體預(yù)定型碳化物構(gòu)成的實(shí)施例中，環(huán)狀部分的內(nèi)壁可以被預(yù)定型成大致上豎直的平面(與環(huán)狀部分的外壁平行)，從而使預(yù)定型環(huán)狀部分和基座部分相交而成的夾角α約等于90°。然而，在另一些采用疏松粉末制成環(huán)狀結(jié)構(gòu)的實(shí)施例中，粉末會(huì)向中間層的基座部分流動(dòng)，從而制成有傾斜內(nèi)壁的環(huán)狀部分。在這些實(shí)施例中，環(huán)狀部分的傾斜內(nèi)壁會(huì)與基座部分形成大小為90°到150°的α角。在本發(fā)明的范圍內(nèi)，實(shí)施例包括一個(gè)中間層，這個(gè)中間層至少有一部分是由疏松的底層材料粉制成的。如圖3所示，所有的中間層都是由疏松的底層材料粉制成的。而圖4和圖5的實(shí)施例中，中間層的基座由疏松的粉末材料制成，而環(huán)狀部分則為預(yù)定型過(guò)的固體。在其他的實(shí)施例中，中間層的環(huán)狀部分則是由疏松的粉末材料制成，而基座部分則為預(yù)定型過(guò)的固體。根據(jù)本發(fā)明的內(nèi)容，疏松的粉末材料與預(yù)定型過(guò)的固體材料的其他組合也可以被用來(lái)制成實(shí)施例的中間層。本發(fā)明也包括由整個(gè)固體碳化物制成的底層(包括底層體與中間層部分)。本發(fā)明中，中間層至少有一部分是由疏松的粉末材料(例如粉狀碳化鎢)的實(shí)施例，為了更好地進(jìn)行定性和匹配，也可能使用有機(jī)粘合劑(例如石蠟、聚乙烯醇、聚乙烯醇縮丁醛等)。這些粘合劑會(huì)在接下來(lái)的形成切削元件的時(shí)候被燒盡除去。本公開的發(fā)明發(fā)現(xiàn)，通過(guò)將金剛石層的一部分深入到底層中(而不是像現(xiàn)有技術(shù)的實(shí)施例中，將底層的一部分深入到金剛石中)，燒結(jié)應(yīng)力的值可以被減少，而界面的殘余應(yīng)力則被逆轉(zhuǎn)。具體來(lái)說(shuō)，剪切刀具收縮所產(chǎn)生的燒結(jié)應(yīng)力，以及金剛石板與碳化物底層熱膨脹系數(shù)不同造成的殘余應(yīng)力都在刀具上導(dǎo)致里總的殘余應(yīng)力。而依照本發(fā)明制成的ΝΡΙ，其總殘余應(yīng)力則被降低。此外，通過(guò)本申請(qǐng)描述的NPI設(shè)計(jì)，還會(huì)使總應(yīng)力的分布予以改善。例如，金剛石突出層會(huì)使殘余應(yīng)力轉(zhuǎn)向而朝向碳化物底層，從而減少刀具切削刃所受的殘余應(yīng)力的影響。此外，使用金剛石板突出體這一設(shè)計(jì)會(huì)減少底層粉末的使用，從而降低粉末收縮引起的體積收縮。通常狀態(tài)下，一個(gè)有預(yù)定型金剛石板與底層相連的刀具，在HPHT過(guò)程之后，會(huì)由于金剛石板與底層熱膨脹的不匹配導(dǎo)致收縮應(yīng)力的產(chǎn)生。如圖6所示，收縮力690的大小通常向著預(yù)定型金剛石層620與底層670間的界面602越變?cè)酱?，且方向始終朝向刀具600的中心軸L。此外，界面附近的金剛石材料會(huì)受到張應(yīng)力的作用，而底層則受到收縮應(yīng)力。然而，依照本發(fā)明的方法，通過(guò)NPI的使用，可以使應(yīng)力分散，從而提高刀具的使用壽命。例如，根據(jù)圖7A-C所示，一個(gè)有著依照本發(fā)明方法制得的，含NPI的TSP切削刀具，與一個(gè)含傳統(tǒng)NPI的P⑶切削刀具，以及一個(gè)含平面界面的傳統(tǒng)TSP切削刀具三者相互比較。具體來(lái)說(shuō)，圖7A表示一個(gè)有著傳統(tǒng)NPI702的P⑶切削元件700的橫截面圖；圖7B表示一個(gè)有著平面界面702的傳統(tǒng)TSP切削刀具700的橫截面圖；圖7C則表示一個(gè)，根據(jù)本發(fā)明的方法制得的，有著NPI 702的TSP刀具700的橫截面圖。如圖所示，在界面702附近的金剛石材料會(huì)受到張應(yīng)力704，而底層則受到壓縮應(yīng)力706。有利的是，通過(guò)按照本發(fā)明實(shí)施例的方法制成NPI，在界面702附近的預(yù)定型金剛石板720中的張應(yīng)力會(huì)將任何的界面間應(yīng)力引向底層770，因此可以避免在如圖7B所示的刀具中所發(fā)生的線性界面間剝離，以及如圖7A所示刀具中所發(fā)生的切削刃過(guò)早損耗。此外，當(dāng)?shù)讓臃勰┎牧显诮饎偸甯浇褂脮r(shí)，在依照本發(fā)明制得的NPI中，金剛石板的突出部分可以減小在HPHT過(guò)程中粉末的致密化/收縮所產(chǎn)生的收縮應(yīng)力。在這之外，在依照本發(fā)明實(shí)施例制得的，含NPI設(shè)計(jì)的TSP切削刀具中，總殘余應(yīng)力的減小是非常顯著的。具體來(lái)說(shuō)，在底層上重新鍵合形成預(yù)燒結(jié)金剛石板的TSP切削刀具，其殘余收縮應(yīng)力要比由金剛石粉末形成的傳統(tǒng)切削刀具要小得多，這是由于在傳統(tǒng)切削刀具的形成中金剛石粉末的致密化和催化材料的損耗所引起的。相似地，如果在底層體與預(yù)燒結(jié)TSP之間引入一層粉末化的底層材料(中間層)，TSP刀具的殘余收縮應(yīng)力會(huì)大幅增加。有利的是，通過(guò)依照本發(fā)明的方法制成含NPI的TSP切削刀具，刀具的殘余應(yīng)力分布得以改善，繼而增加刀具的使用壽命。
盡管已經(jīng)通過(guò)有限個(gè)數(shù)的實(shí)施例描述了本發(fā)明，熟悉此領(lǐng)域的專業(yè)人士在本文的幫助下會(huì)意識(shí)到，其他制造出來(lái)的實(shí)施例并沒(méi)有超出本公開發(fā)明的范疇。因此，本發(fā)明的范疇只能被所附的權(quán)利要求限定。
權(quán)利要求
1.一種制成切削元件的方法，該方法包括 制成底層體； 制成一個(gè)位于底層體的上的中間層，這個(gè)中間層包括 一個(gè)有著基座厚度的基座； 一個(gè)有著環(huán)厚度Hk的環(huán)狀部分；并且 其中中間層的厚度Ht等于基座厚度與環(huán)厚度的和； 制成一個(gè)金剛石板，這個(gè)金剛石板包括 一個(gè)有著切削層直徑D1和切削層厚度He的切削層； 一個(gè)有著突出層直徑D2和突出層厚度Hp的突出層；并且 將金剛石板放置于中間層之上，使中間層位于底層體與金剛石板中間。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的方法，進(jìn)一步包括以HPHT過(guò)程處理底層體，中間層以及金剛石板。
3.根據(jù)權(quán)利要求I所述的方法，其中金剛石板由熱穩(wěn)定聚晶金剛石組成。
4.根據(jù)權(quán)利要求I所述的方法，進(jìn)一步包括制成環(huán)狀部分內(nèi)表面與基座部分上表面相交而成的夾角，其中，這個(gè)夾角的大小至少是90°。
5.根據(jù)權(quán)利要求2所述的方法，其中夾角的大小在90到150°之間。
6.根據(jù)權(quán)利要求I所述的方法，其中Ηκ/Ητ的比值在大約O.I與大約O. 7之間。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的方法，其中Ηκ/Ητ的比值在大約O.3與大約O. 6之間。
8.根據(jù)權(quán)利要求I所述的方法，其中D^D1的比值在大約O.3與大約O. 9之間。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的方法，其中D2ZiD1的比值在大約O.7與大約O. 85之間。
10.根據(jù)權(quán)利要求I所述的方法，其中切削層的厚度在大約O.06到大約O. 10英寸之間。
11.根據(jù)權(quán)利要求10所述的方法，其中切削層的厚度在大約O.07到大約O. 09之間。
12.根據(jù)權(quán)利要求I所述的方法，其中環(huán)狀部分與基座至少有一個(gè)是由疏松的粉末化底層材料制成的。
13.根據(jù)權(quán)利要求12所書的方法，其中由疏松粉末化底層材料制成碳化鎢。
14.根據(jù)權(quán)利要求I所述的方法，其中底層體和中間層由同樣的底層材料制成。
15.根據(jù)權(quán)利要求I所述的方法，其中底層體和中間層由不同的底層材料制成。
16.根據(jù)權(quán)利要求I所述的方法，其中Hp/He的比值在大約O.I與大約O. 7之間。
17.一種切削元件，這種切削元件包括 一個(gè)金剛石板，這個(gè)金剛石板包括 一個(gè)有著切削層半徑D1和切削層厚度He的切削層；以及 一個(gè)有著突出層半徑D2和突出層厚度Hp的突出層； 一個(gè)上面放置著金剛石板的底層，該底層包括 一個(gè)底層體；以及 一個(gè)位于底層體與金剛石板之間的中間層，此中間層包括 一個(gè)有著基座厚度的基座； 一個(gè)有著環(huán)厚度Hk的環(huán)狀部分；并且 其中中間層的厚度Ht等于基座厚度與環(huán)厚度的和；以及一個(gè)在金剛石板與中間層之間形成的非平面界面，其中突出部分由切削層延伸至底層。
18.根據(jù)權(quán)利要求17所述的切削元件，進(jìn)一步包括一個(gè)在環(huán)狀部分的內(nèi)表面與基座部分的上表面的交線上形成的角度,其中該角度的大小至少為90°。
19.根據(jù)權(quán)利要求18所述的切削元件，其中該角度的大小在90到150°之間。
20.根據(jù)權(quán)利要求17所述的切削元件，其中Ηκ/Ητ的比值在大約O.I與大約O. 7之間。
21.根據(jù)權(quán)利要求20所述的切削元件，其中Ηκ/Ητ的比值在大約O.3與大約O. 6之間。
22.根據(jù)權(quán)利要求17所述的切削元件，其中D2ZiD1的比值在大約O.3與大約O. 9之間。
23.根據(jù)權(quán)利要求22所述的切削元件，其中D2ZiD1的比值在大約O.7與大約O. 85之間。
24.根據(jù)權(quán)利要求17所述的切削元件，其中切削層的厚度在大約O.06到大約O. 10英寸之間。
25.根據(jù)權(quán)利要求24所述的切削元件，其中切削層的厚度在大約O.07到大約O. 09英寸之間。
26.根據(jù)權(quán)利要求17所述的切削元件，其中環(huán)狀部分與基座部分中至少有一個(gè)是由疏松的粉末化底層材料制成的。
27.根據(jù)權(quán)利要求26所述的切削元件，其中疏松的粉末狀底層材料由預(yù)燒結(jié)碳化物制成。
28.根據(jù)權(quán)利要求17所述的切削元件，其中底層體與中間層由相同的底層材料制成。
29.根據(jù)權(quán)利要求17所述的切削元件，其中底層體與中間層由不同的底層材料制成。
30.根據(jù)權(quán)利要求17所述的切削元件，其中Hp/He的比值在大約O.I與大約O. 7之間。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種制成切削元件的方法，其中該方法包括以下步驟制成底層體；制成一個(gè)位于底層體的上的中間層；制成一個(gè)金剛石板；以及將金剛石板放置于中間層之上，使中間層位于底層體與金剛石板中間。中間層具有一個(gè)有著基座厚度的基座和一個(gè)有著環(huán)厚度HR的環(huán)狀部分，其中中間層的厚度HT等于基座厚度與環(huán)厚度的和。金剛石板具有一個(gè)有著切削層直徑D1和切削層厚度HE的切削層和一個(gè)有著突出層直徑D2和突出層厚度HP的突出層。
文檔編號(hào)E21B10/43GK103237952SQ201180051590
公開日2013年8月7日 申請(qǐng)日期2011年10月28日 優(yōu)先權(quán)日2010年10月28日
發(fā)明者于峰, 方毅 申請(qǐng)人:史密斯運(yùn)輸股份有限公司