超硬材料的切割元件、其形成方法和包含其的鉆頭的制作方法
【專利說明】
【背景技術】
[0001]超硬材料經(jīng)常用于切割工具和鑿巖工具中。多晶金剛石材料是一種這樣的超硬材料，并且因其好的耐磨性和硬度而聞名，使其成為應用于諸如機加工的切割工具和地下采礦和鉆井中的研磨和切割元件的工業(yè)應用中的流行材料的選擇。
[0002]為形成多晶金剛石，高壓、高溫燒結(HPHT燒結)金剛石顆粒，以生成超硬的多晶結構。為了在HPHT燒結期間促進金剛石晶體的共生，可在燒結之前將催化劑材料添加到金剛石顆?；旌衔锖?或在燒結期間使催化劑材料滲入金剛石顆?；旌衔镏?，以形成多晶金剛石(PCD)結構。傳統(tǒng)上被用作催化劑的金屬選自可溶解的金屬催化劑組，該可溶解的金屬催化劑組選自周期表的VIII族，包括鈷、鐵和鎳以及它們的組合和它們的合金。在HPHT燒結之后，產生的PCD結構包括彼此結合的互相連接的金剛石晶體的網(wǎng)絡，催化劑材料占據(jù)結合的金剛石晶體之間的空隙空間或孔隙。在存在基體的情況下，可以HPHT燒結金剛石顆粒混合物，以形成結合至基體的PCD體?；w還可以充當在燒結期間滲入到金剛石顆?；旌衔镏械慕饘俅呋瘎┑脑?。
[0003]用于某些應用的PCD體的所期望的特性是在磨削或切割作業(yè)期間改善的熱穩(wěn)定性。已知的與傳統(tǒng)的PCD體共存的問題是當它們暴露于升高的溫度時易受熱降級的侵害。這個易損性起因于存在于填隙地設置在PCD體內的可溶解的金屬催化劑材料的熱膨脹特性與晶間結合的金剛石的熱膨脹特性之間的差別。已知由這種有差異的熱膨脹所引起的材料的損壞開始于像400°C—樣低的溫度，并且能夠誘發(fā)熱應力，該熱應力對于金剛石的晶間結合是不利的，并且最終導致能使PCD結構易受破壞的裂縫的形成。進一步地，已知可溶解的金屬催化劑隨著溫度的增加在金剛石中導致不期望的催化相變(將其轉變?yōu)槭?，由此將P⑶體的實際使用限制到大約750°C。
[0004]已經(jīng)開發(fā)了熱穩(wěn)定P⑶材料，以改善高溫性能。然而，可能難于在熱穩(wěn)定P⑶材料與基體之間形成結合來用于附連到切割工具上。由于熱穩(wěn)定PCD材料的高脆度和高硬度，在PCD體或碳化物上機加工諸如螺紋的傳統(tǒng)特征是不可行的。因此，難于通過傳統(tǒng)的機械方法連接熱穩(wěn)定PCD材料和基體。

【發(fā)明內容】

[0005]本公開涉及包含被用于地下鉆井應用的多晶金剛石體的切割工具，更特別地，涉及一種通過一個或多個緊固元件被連接至基體以形成切割元件的熱穩(wěn)定多晶金剛石(PCD)體。在一個實施例中，切割元件包括用緊固元件機械地連接至碳化物基體的熱穩(wěn)定多晶金剛石體。熱穩(wěn)定PCD體可以是無結合劑的PCD、諸如碳酸鹽PCD的非金屬催化劑的PCD或經(jīng)浸濾的PCD。在一個實施例中，提供了一種用于將熱穩(wěn)定多晶金剛石體連接至基體的方法。所述方法包括形成熱穩(wěn)定PCD體，其可以是無結合劑的PCD、非金屬催化劑的PCD或經(jīng)浸濾的PCD。所述方法包括在所述熱穩(wěn)定PCD體中形成用于接收所述緊固元件的孔眼，以及將所述緊固元件插入到所述孔眼中。所述方法還包括將所述熱穩(wěn)定PCD體和緊固元件安置在所述基體上。所述方法還包括使所述熱穩(wěn)定PCD、所述緊固元件以及所述基體經(jīng)受高壓高溫(HPHT)燒結，以將緊固構件結合至所述基體。
[0006]提供該
【發(fā)明內容】
，以引入以下在詳細描述中所進一步描述的選出的概念。該
【發(fā)明內容】
既不旨在確定所要求保護的主題的關鍵或必要的特征，也不旨在用于限制所要求保護的主題的范圍。
【附圖說明】
[0007]參考附圖描述機械地緊固至基體的熱穩(wěn)定PCD材料的實施例。在所有附圖中使用相同的附圖標記表示相似的特征和部件。
[0008]圖1示出根據(jù)一個實施例的熱穩(wěn)定非金屬催化劑的PCD材料的一個區(qū)域。
[0009]圖2示出根據(jù)一個實施例的熱穩(wěn)定無結合劑的PCD材料的一個區(qū)域。
[0010]圖3示出根據(jù)一個實施例的熱穩(wěn)定經(jīng)浸濾的P⑶材料的一個區(qū)域。
[0011]圖4示出根據(jù)一個實施例的具有熱穩(wěn)定PCD體、基體和緊固構件的切割元件的分解圖。
[0012]圖5示出根據(jù)一個實施例的具有熱穩(wěn)定PCD體、基體和緊固構件的切割元件的透視圖。
[0013]圖6示出根據(jù)一個實施例的具有熱穩(wěn)定PCD體、基體和緊固構件的切割元件的剖視圖。
[0014]圖7示出根據(jù)一個實施例的具有熱穩(wěn)定PCD體、基體和緊固構件的切割元件的分解圖。
[0015]圖8示出根據(jù)一個實施例的具有熱穩(wěn)定PCD體、基體和緊固構件的切割元件的透視圖。
[0016]圖9示出根據(jù)一個實施例的具有熱穩(wěn)定PCD體、基體和緊固構件的切割元件的剖視圖。
[0017]圖10示出根據(jù)一個實施例的具有熱穩(wěn)定PCD體、基體和緊固構件的切割元件的分解圖。
[0018]圖11示出根據(jù)一個實施例的具有熱穩(wěn)定PCD體、基體和緊固構件的切割元件的透視圖。
[0019]圖12示出根據(jù)一個實施例的具有熱穩(wěn)定PCD體、基體和緊固構件的切割元件的剖視圖。
[0020]圖13示出根據(jù)一個實施例的具有熱穩(wěn)定PCD體、基體和緊固構件的切割元件的分解圖。
[0021]圖14示出根據(jù)一個實施例的具有熱穩(wěn)定PCD體、基體和緊固構件的切割元件的透視圖。
[0022]圖15示出根據(jù)一個實施例的具有熱穩(wěn)定PCD體、基體和緊固構件的切割元件的剖視圖。
[0023]圖16示出根據(jù)一個或多個實施例的用于將熱穩(wěn)定P⑶體緊固至基體的(多個)示例方法。
[0024]圖17示出根據(jù)一個或多個實施例的用于將熱穩(wěn)定P⑶體緊固至基體的(多個)示例方法。
[0025]圖18示出根據(jù)一個實施例的包含切割元件的示例設備。
【具體實施方式】
[0026]本公開涉及包含用于地下鉆井應用的多晶金剛石體的諸如鉆頭上的剪切切割器的切割工具，更特別地，涉及一種通過一個或多個緊固元件連接至基體以形成切割元件的熱穩(wěn)定多晶金剛石(PCD)體。在一個實施例中，熱穩(wěn)定PCD材料可以是無結合劑的PCD、非金屬催化劑的PCD或經(jīng)浸濾的PCD。熱穩(wěn)定PCD體包括用于接收將熱穩(wěn)定PCD體固定至基體的緊固元件的孔眼。隨后，將緊固元件冶金地結合至基體以機械方式將PCD體緊固至基體。還可以將緊固元件冶金地結合至P⑶體。
[0027]以下公開是指向各種實施例的。所公開的實施例具有廣泛應用，并且對所有實施例的討論僅意味著對那個實施例的描述，而不旨在暗示包括權利要求的本公開的范圍被限制為那個實施例或限制為那個實施例的特征。
[0028]在遍布以下描述和權利要求中使用某些術語指特定特征或部件。如本領域技術人員將意識到，不同的人可以通過不同的名字指相同的特征或部件。該文檔不旨在區(qū)別僅在名字方面不同的部件或特征。不必按比例繪圖?？梢园幢壤鋸埖幕蛞陨晕⑹疽獾男问绞境霰疚牡哪承┨卣骱筒考?，并且為了清楚和簡明而未示出傳統(tǒng)元件的某些細節(jié)。
[0029]如在本文所使用的，為了方便起見，可以在通用列表中呈現(xiàn)出多個條目、結構元件、組成元件和/或材料。然而，這些列表應當被解讀為猶如所述列表的每個成員分別被視作單獨的且唯一的成員。因此，在沒有相反的指示的情況下，這種列表的任何成員都不應當只是基于它們在通用的組中的表示而被解釋為實際上等同于相同列表的任意其他成員。
[0030]被聲明通過引用被全部或部分地結合到本文的所有專利、出版物或其他公開材料僅在被結合的材料不與存在的定義、陳述或在該公開中闡明的其他公開材料相沖突的程度上被結合到本文。同樣地，并且到必要的程度，如在本文所闡明的公開取代通過引用被結合到本文的所有沖突的材料。被聲明通過引用被結合到本文、但其與存在的定義、陳述或本文所闡明的其他公開材料相沖突的所有材料或其部分將僅在那個被結合的材料與存在的公開材料之間不出現(xiàn)沖突的程度上被結合。
[0031]為了清楚，如本文所使用的術語“傳統(tǒng)的P⑶”是指在HPHT燒結工藝期間已經(jīng)借助于傳統(tǒng)的金屬催化劑形成的傳統(tǒng)的多晶金剛石，從而形成具有占據(jù)結合的金剛石晶體之間的空隙空間或孔隙的金屬催化劑材料的結合的金剛石晶體的微觀結構。
[0032]“非金屬催化劑的P⑶”是指在HPHT燒結工藝期間已經(jīng)借助于非金屬催化劑形成的PCD材料，從而形成具有占據(jù)結合的金剛石晶體之間的空隙空間或孔隙的非金屬催化劑材料的結合的金剛石晶體的微結構。非金屬催化劑的示例包括碳酸鹽(例如，MgCO3)、硫酸鹽(例如，MgSO4)、氫氧化物(例如，Mg(OH)2)以及氧化鐵(例如，F(xiàn)eT13)。碳酸鹽催化劑可以是任意的I族或II族的碳酸鹽，例如，碳酸鎂、碳酸鈣、碳酸鋰或碳酸鈉或碳酸鹽的組合?！盁o結合劑的PCD”是指不使用催化劑，例如通過在超高壓力和溫度下將石墨直接轉變?yōu)榻饎偸瘉硇纬啥嗑Ы饎偸|?！敖?jīng)浸濾的P⑶”是指在HPHT燒結工藝之后已經(jīng)被處理以去除形成在結合的金剛石晶體之間的空隙區(qū)域中的催化劑材料的至少一部分的PCD材料，因此包括基本上沒有催化劑材料的多個空隙區(qū)域(即，結合的金剛石晶體之間的空隙區(qū)域基本上是空的空隙或孔隙)。如本文所使用的“熱穩(wěn)定PCD”意指非金屬催化劑的PCD、無結合劑的PCD或經(jīng)浸濾的PCD。在一個實施例中，熱穩(wěn)定PCD選自基本上由非金屬催化劑的P⑶、無結合劑的P⑶和經(jīng)浸濾的P⑶組成的組。用于執(zhí)行HPHT燒結工藝的合適的設備的示例包括六面頂壓機、壓帶機和環(huán)狀壓機。
[0033]圖1中示意性地示出了非金屬催化劑的PCD材料10的區(qū)域。通過使與諸如碳酸鹽的非金屬催化劑相混合的金剛石粉末經(jīng)受HPHT燒結工藝來形成非金屬催化劑的PCD材料10的這個微結構。在一個實施例中，HPHT燒結工藝包括施加大約70千巴或更大的壓力以及大約2，000至2，500 0C的溫度。在這個溫度和壓力下，非金屬催化劑材料熔化并滲透入金剛石粉末混合物。該催化劑在HPHT燒結工藝期間促進金剛石晶體的生長，從而形成非金屬的PCD。形成的非金屬催化劑的PCD材料10具有包括結合至彼此的多個金剛砂或金剛石晶體11的多晶微結構，諸如碳酸鹽的非金屬催化劑材料12占據(jù)金剛石晶體11之間的空隙空間或孔隙。當使用非金屬催化劑時，隨著溫度升高到1200°C金剛石以多晶金剛石形式保持熱穩(wěn)定，而不是被轉變?yōu)槭４送?，非金屬催化劑可以熱分解并產生氣體。因此，隨著溫度的升高，由于PCD與非金屬催化劑之間的熱膨脹的不匹配而造成的材料損壞是可以忽略的。在一個實施例中，非金屬的PCD材料10中的金剛石晶體11的尺寸為大約1-50微米。在另一實施例中，金剛石晶體11的尺寸小于I微米。在一個實施例中，非金屬催化劑的PCD材料10由按體積計大約90-98%的金剛石組成。在另一個實施例中，非金屬催化劑的PCD材料10具有至少99%的金剛石體積含量。在另一個實施例中，非金屬催化劑的PCD材料10具有至少95%的金剛石體積含量。在另一個實施例中，非金屬催化劑的PCD材料10具有至少90%的金剛石體積含量。
[0034]圖2中示意性地示出了無結合劑的P⑶材料20的區(qū)域。通過使碳(例如，石墨、巴克球或其它碳結構)在不具有催化劑材料的情況下經(jīng)受超高溫度和壓力的燒結工藝來形成無結合劑的PCD材料20的該微結構。在一個實施例中，該工藝包括超高溫度和壓力下的HPHT燒結，所述溫度和壓力高于形成PCD的傳統(tǒng)HPHT燒結期間所施加的溫度和壓