超硬構(gòu)件及其制造方法
【專利摘要】一種超硬構(gòu)件(1)，其包括基底(30)和形成于所述基底上的超硬材料層(32)。所述基底的界面表面(38)或所述超硬材料層的界面表面中的一個包括：多個間隔開的凸起(44,46)，所述凸起(44)被排列在圍繞所述中心縱軸的環(huán)形的不連續(xù)第一陣列中，并且與所述基底的外圍表面(40)以約1mm?約1.5mm的距離隔開。環(huán)形的不連續(xù)第二陣列中的凸起(46)徑向放置在所述第一陣列中。所述第二陣列中的凸起與所述第一陣列中的凸起之間的空隙徑向?qū)R放置，所述凸起之間的界面表面是基本上平的；并且所述第一陣列中的凸起高于所述第二陣列中的凸起。
【專利說明】
超硬構(gòu)件及其制造方法
技術(shù)領(lǐng)域
[0001 ] 本發(fā)明涉及超硬構(gòu)件(construct 1n)及其制造方法，特別是但并非唯一地涉及構(gòu)件，其包括連接到基底的多晶金剛石(PCD)結(jié)構(gòu)，且其作為切削嵌件或鉆地鉆頭元件使用。
【背景技術(shù)】
[0002 ]多晶超硬材料，如多晶金剛石(P⑶)和多晶立方氮化硼(PCBN)可應(yīng)用于許多工具中，用于切削、機(jī)加工、鉆孔或破碎硬質(zhì)材料或研磨材料，如巖石、金屬、陶瓷、復(fù)合材料和含木材料。具體地，包含PCD材料的切削元件形式的工具嵌件廣泛應(yīng)用于鉆地以抽提油或氣的鉆頭。超硬工具嵌件的工作業(yè)壽命受限于超硬材料的斷裂，包括由于剝落和碎裂，或者工具嵌件的磨損。
[0003]切削元件如用于巖石鉆頭或其他切削工具的那些切削元件通常具有基底形式的主體，其具有界面端/表面；以及超硬材料，其形成切削層，并通過例如燒結(jié)過程鍵合于所述基底的界面表面。所述基底通常由碳化鎢鈷合金形成，有時被稱為燒結(jié)碳化鎢;并且所述超硬材料層通常是多晶金剛石(PCD)、多晶立方氮化硼(PCBN)或熱穩(wěn)定產(chǎn)品TSP材料如熱穩(wěn)定的多晶金剛石。
[0004]多晶金剛石(PCD)是超硬材料(也稱為超硬磨料)的示例，其包含大量的實(shí)質(zhì)上交互生長的金剛石顆粒，形成限定金剛石顆粒之間的間隙的骨架塊。PCD材料典型的包含至少約80體積％的金剛石且通常將金剛石顆粒的聚集塊經(jīng)受例如高于約5GPa的超高壓和至少約1200°C的溫度來制造。完全或部分填充間隙的材料可稱為填充劑或粘合劑材料。
[0005]PCD典型在燒結(jié)助劑如鈷的存在下形成，所述燒結(jié)助劑可促進(jìn)金剛石顆粒的交互生長。對于PCD適合的燒結(jié)助劑也通常稱為金剛石的溶劑-催化劑材料，這是由于其在一定程度上溶解金剛石和催化其再沉淀的功能。金剛石的溶劑-催化劑可理解為這樣的材料，其能夠在金剛石熱力學(xué)穩(wěn)定的溫度和壓力條件下促進(jìn)金剛石生長或在金剛石晶粒之間的直接金剛石對金剛石(diamond-to-diamond)交互生長。因此，燒結(jié)P⑶產(chǎn)物中的間隙可完全或部分以殘余溶劑-催化劑材料填充。更典型的，PCD通常形成于滲鈷的碳化鎢基底上，其為PCD提供鈷溶劑-催化劑來源。沒有促進(jìn)金剛石晶粒之間明顯連貫交互生長的材料可自身與金剛石晶粒形成強(qiáng)的鍵接，但不是PCD燒結(jié)的適合的溶劑-催化劑。
[0006]可用于形成適合基底的燒結(jié)碳化鎢由碳化物顆粒形成，其通過混合碳化鎢粒子/顆粒和鈷然后加熱凝固而分散于鈷基質(zhì)中。為了形成具有超硬材料層如PCD或PCBN的切削元件，將金剛石粒子或顆?；蛘逤BN顆粒與燒結(jié)碳化鎢主體相鄰放置在難熔的金屬外殼如鈮外殼中，并且經(jīng)受高壓和高溫使得金剛石顆?；蛘逤BN顆粒之間發(fā)生顆粒間鍵接，形成多晶超硬金剛石或多晶CBN層。
[0007]在某些情況下，基底可在連接到超硬材料層前完全固化，但在其他情況下，所述基底可以是生坯(green)，即沒有固化完全。在后者的情況下，所述基底可在HTHP燒結(jié)過程中完全固化?；卓梢詾榉勰┬螒B(tài)，且可以在用于燒結(jié)超硬材料層的燒結(jié)過程中凝固。
[0008]鈷具有與金剛石顯著不同的熱膨脹系數(shù)，且由此在使用中加熱多晶金剛石材料時，PCD材料所連接的基底中的鈷膨脹且可使得PCD材料中形成裂紋，導(dǎo)致所述PCD層的劣化。
[0009]為了減少基底和超硬層之間界面上產(chǎn)生的殘余應(yīng)力，基底上的界面表面已知為以多個從平面的界面表面上突起的同心環(huán)形圈形成。由于基底和超硬材料層的熱膨脹系數(shù)不同，當(dāng)切削元件在HTHP燒結(jié)后冷卻時這些層以不同的速率收縮。所述圈的上表面上形成拉伸應(yīng)力區(qū)域，而壓縮應(yīng)力區(qū)域形成于環(huán)之間的斜溝上/內(nèi)。結(jié)果，使用時當(dāng)裂紋開始生長，其可以沿著遭受拉伸應(yīng)力的所述環(huán)形圈的整個上表面環(huán)狀生長，或可以沿著遭受壓縮應(yīng)力的凸起環(huán)之間的整個環(huán)形斜溝生長，導(dǎo)致切削元件的早期破壞。
[0010]還已知，切削元件基底界面包括多個間隔開的凸起，所述凸起具有相對平坦的從平面的界面表面上突起的上表面。
[0011]影響切削元件的普遍問題有超硬材料層的切削、散裂、部分壓裂和開裂。其他的問題為沿著超硬材料層和基底之間的界面開裂，以及沿界面表面裂紋的增長。這些問題可導(dǎo)致超硬材料層的早期破壞以及切削原件更短的工作壽命。因此，需要具有高磨損或高沖擊應(yīng)用中更長工作壽命的切削元件，例如用超硬材料層鉆穿巖石，其中減少或控制其開裂、碎裂和壓裂的可能性。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0012]在第一方面，本發(fā)明提供一種超硬構(gòu)件，其包括:
[0013]基底，其包括外圍表面、界面表面和縱軸；以及
[0014]超硬材料層，其形成于所述基底上，且具有暴露的外表面、從其延伸的外圍表面和界面表面；
[0015]其中所述基底的界面表面或所述超硬材料層的界面表面中的一個包括:
[0016]多個間隔的凸起，其被排列為從所述界面表面突起;所述凸起被排列在圍繞所述中心縱軸的基本上環(huán)形的不連續(xù)第一陣列中，并且與所述基底的外圍表面以約Imm-約
1.5mm的距離隔開，以及基本上環(huán)形的不連續(xù)第二陣列中的凸起徑向在所述第一陣列中；
[0017]所述第二陣列中的凸起與所述第一陣列中的凸起之間的空隙徑向?qū)R放置；
[0018]所述凸起之間的界面表面是基本上平的；且
[0019]其中所述第一陣列中的凸起高于所述第二陣列中的凸起。
[0020]在第二方面，本發(fā)明提供一種鉆地鉆頭，其包括具有安裝于其上的上述超硬構(gòu)件作為切削元件的主體。
【附圖說明】
[0021 ]通過示例描述非限制性實(shí)施方案，且參考如下附圖:
[0022]圖1為從上方觀察的切削元件的實(shí)施方案的透視圖，其顯示基底的剖視圖特征；
[0023]圖2a為圖1的切削元件的基底的透視圖；
[0024]圖2b為圖2a的基底的平面圖；以及
[0025]圖2c為基底沿圖2b所示A-A軸的截面圖。
【具體實(shí)施方式】
[0026]在本文所述的實(shí)施方案中，當(dāng)描述在基底表面上形成凸起或凹陷時，應(yīng)理解為，其可以形成于與基底界面表面交接的超硬材料層的表面上，并且在所述基底上形成相反的特征。另外，應(yīng)理解所述界面表面的反面或反轉(zhuǎn)形成于與基底交接的超硬材料層上，使得兩個界面可以形成匹配。
[0027]本文所用的“超硬材料”指具有至少約28GPa維氏硬度的材料。超硬材料的實(shí)例有金剛石和立方氮化硼(cBN)材料。
[0028]本文所用的“超硬構(gòu)件”指包括多晶超硬材料的主體和與其連接的基底的構(gòu)件。
[0029]本文所用的多晶金剛石(PCD)是一類多晶超硬材料(PCS)材料，其包含大量金剛石晶粒，其主要部分直接相互鍵合且其中金剛石的含量為所述材料的至少約80體積百分?jǐn)?shù)。在PCD材料的一個實(shí)施方案中，金剛石晶粒之間的間隙可至少部分用包含金剛石的催化劑的粘合劑材料填充。本文所用的“間隙”或“間隙區(qū)域”指PCD材料的金剛石顆粒之間的區(qū)域。在PCD材料的實(shí)施方案中，間隙或間隙區(qū)域可基本上或部分用金剛石以外的材料填充，或者它們可以是基本上空的。PCD材料可包括至少一個催化材料從間隙去除的區(qū)域，留下金剛石顆粒的間隙空間。
[0030]本文所用的PCBN(多晶立方氮化硼)材料指一類超硬材料，其包含立方氮化硼(cBN)的顆粒，所述顆粒分散于包含金屬或陶瓷的基質(zhì)中。超硬材料的實(shí)例有PCBN。
[0031 ]超硬材料的“催化劑材料”能夠促進(jìn)所述超硬材料的生長或燒結(jié)。
[0032]本文所用的術(shù)語“基底”指超硬材料層可形成于其上的任何基底。例如，本文所用的“基底”可以是在另一基底上的形成的過渡層。另外，本文所用的術(shù)語“徑向”和“圓周”等不意味著將描述的特征限制為正圓。
[0033]附圖中所示的超硬構(gòu)件I可適合用作例如用于鉆地鉆頭的切削嵌件。
[0034]類似的參考數(shù)字用于標(biāo)識所有附圖中類似的特征。
[0035]在圖1所述實(shí)施方案中，切削元件I包括基底30，其具有形成于基底30上的超硬材料層32。基底可以由硬材料如燒結(jié)碳化鎢形成。超硬材料可以是例如多晶金剛石(PCD)、多晶立方氮化硼(PCBN)或熱穩(wěn)定性產(chǎn)物如熱穩(wěn)定PCD(TSP)?？梢詫⑾髑性蘒裝入鉆頭體例如刮刀鉆頭體(未顯示)。與基底相反的超硬材料的外露的頂端表面形成切削面34，所述切削面是沿著其刀刃36在使用中進(jìn)行切削的表面。
[0036]在基底30的一端為界面表面38，其與附著在該界面表面的超硬材料層32在該界面表面相接?；?0通常為圓柱體，且具有外圍表面40和外圍頂部刀刃41。
[0037]在圖1和圖2a示出的實(shí)施方案中，界面表面38包括多個間隔開的凸起44以及基本上環(huán)形的不連續(xù)的第二或內(nèi)部陣列的凸起46，凸起44被排列在基本上環(huán)形的不連續(xù)的第一陣列中，且與外圍刀刃41以D的距離間隔開；凸起46徑向在第一陣列44內(nèi)。距離D的范圍例如在約 Imm-約 1.5mm。
[0038]如圖2a_2c所示，在這個實(shí)施方案中，將間隔開的凸起44、46排列在兩個陣列中，其分布在圍繞基底30的中心縱軸的兩個基本上圓形的路徑中。此外，雖然內(nèi)部陣列的凸起46看起來更接近外部陣列44，而不是基底的中心縱軸，但是在其他實(shí)施方案中，內(nèi)部陣列的凸起46可以更接近中心縱軸ο
[0039]第二陣列中的凸起46的位置可與第一陣列中的凸起44之間的空隙徑向?qū)R。凸起44、46和空隙可以是交錯的，一個陣列中的凸起與下一個陣列中的空隙重疊。這種界面表面上交錯或不對齊的三維特征分布可幫助分散壓應(yīng)力和張應(yīng)力，和/且減小應(yīng)力場大小，和/或通過阻止裂紋生長的連續(xù)路徑來防止裂紋生長。
[0040]如圖2a_2c所示，在這些實(shí)施方案中，例如凸起44、46之間的界面表面是基本上平面的且所有或大部分凸起44、46的形狀使得所有或大部分凸起的表面并非基本上平行于超硬材料32的切削面34或基底的縱軸延伸的平面。
[0041]凸起44、46可以具有平滑的彎曲上表面或可以具有傾斜的上表面。在一些實(shí)施方案中，凸起44、46可以呈略微的梯形或錐形的形狀，從其突起的最寬處接近界面表面。
[0042]據(jù)信這樣的構(gòu)型擾亂材料中“彈性”波的形成且使裂紋在界面處轉(zhuǎn)向。
[0043]如圖2a_2c所示，凸起44、46在各自基本上環(huán)形的陣列中/周圍的間隔基本上相同，每個凸起44、46在給定的陣列中具有相同的尺寸。但凸起44、46可形成任何期望的形狀，如上述所描述，且以均勻的或非均勻的方式相互分離以改變界面表面38上的應(yīng)力場以形成基本上環(huán)形的同軸不連續(xù)圈。如圖2a-2c的實(shí)施方案所示，外部陣列中的凸起44的尺寸大于內(nèi)部陣列中的凸起的尺寸。
[0044]在圖1和圖2a_2c所示的實(shí)施方案中，外部陣列包括與內(nèi)部陣列一樣數(shù)目的凸起44，例如3個凸起。這使得切削元件I具有假軸對稱，從而為在工具或鉆頭中放置刀具于要使用的位置提供自由度，因?yàn)槠洳灰筇囟ǖ姆较?，且在該?shí)施方案中，沿中軸通過的平面存在反射對稱。將凸起44、46以這樣的方式放置和成形:其抑制一個或多個連續(xù)路徑，沿所述路徑裂紋可穿過界面表面38增長。
[0045]凸起44、46的排列和形狀及其之間的空隙可以影響切削元件I中的應(yīng)力分布，且可以改進(jìn)切削元件I對裂紋生長的抗性，尤其是裂紋沿界面表面38生長，例如通過防止裂紋生長穿過凸起44、46中、附近和上方的應(yīng)力區(qū)或者使裂紋生長偏離凸起44、46中、附近和上方的應(yīng)力區(qū)。
[0046]如圖1的實(shí)施方案所示，基底30的中央縱軸周圍區(qū)域中的超硬材料的深度可以基本上與超硬材料層32外圍的超硬材料的深度相同。這可使得超硬材料的體積和面積暴露于使用中的工作表面，不會隨著磨損的進(jìn)展而顯著減少，從而增加切削元件I的使用壽命。其也可在軸向有載荷的時候協(xié)助穩(wěn)固(stiffen)切削元件I。此外，其可協(xié)助減少或基本上消除使用時形成的溝槽磨損。
[0047]在一個或多個上述實(shí)施方案中，界面表面38的凸起44、46可整體形成，同時基底通過使用適合形狀的模具形成，模具內(nèi)放置形成所述基底的材料的顆粒?？蛇x擇的，界面表面38的凸起44、46可在基底產(chǎn)生后或部分產(chǎn)生后通過創(chuàng)建方法產(chǎn)生，例如通過常規(guī)加工方法，如EDM或激光燒蝕。相似的方法可施用于超硬材料層32以產(chǎn)生相應(yīng)形狀的界面表面以與基底的界面表面形成匹配，或這樣的匹配可以在超硬材料層的界面中產(chǎn)生，通過將超硬材料的顆粒放置在預(yù)形成的基底上，并使組合經(jīng)受燒結(jié)過程，使得超硬材料層中的匹配界面在燒結(jié)過程中形成。
[0048]超硬材料層32可通過例如常規(guī)釬焊技術(shù)或采用常規(guī)高壓和高溫技術(shù)的燒結(jié)連接到基底。
[0049]如果在隨后的加工中，或者經(jīng)受更高溫高壓燒結(jié)過程，超硬材料層32有催化劑材料的部分或完全過濾，刀具產(chǎn)品包括具有上述界面特征的基底和超硬材料層的耐久性和/或其中的彈性應(yīng)力波的減輕可進(jìn)一步增強(qiáng)。可以進(jìn)行過濾，同時超硬材料層32連接到基底，或例如通過從基底分離超硬材料層32，且過濾分離的超硬材料層32。在后一種情況中，在過濾開始后，超硬材料層32可經(jīng)由釬焊技術(shù)或使用高壓和高溫技術(shù)的再燒結(jié)重新連接到基底。
[0050]盡管上文描述和示例了具體的實(shí)施方案，但是應(yīng)理解可以進(jìn)行各種改變和修飾。例如，本文所述的基底可以以示例的方式確定。應(yīng)理解超硬材料可連接到除了碳化鎢基底之外的其他碳化物基底，如由1、1^0、他、￥、!^、了&和(>的碳化物制成的基底。此外，盡管圖l-2c所示的實(shí)施方案描述為，這些附圖中包括具有尖銳邊緣和角的PCD結(jié)構(gòu)，但是實(shí)施方案可包括具有圓形、斜面或倒棱的邊緣或角的PCD結(jié)構(gòu)。這樣的實(shí)施方案可減小內(nèi)應(yīng)力，且因此通過基底的界面或具有獨(dú)特幾何結(jié)構(gòu)的超硬材料層來改進(jìn)切削元件的抗開裂、抗碎裂和抗壓裂性能，延長使用壽命。
【主權(quán)項(xiàng)】
1.一種超硬構(gòu)件，其包括: 基底，其包括外圍表面、界面表面和縱軸；以及 超硬材料層，其形成于所述基底上，且具有暴露的外表面、從其延伸的外圍表面和界面表面； 其中所述基底的界面表面或所述超硬材料層的界面表面中的一個包括: 多個間隔的凸起，其被排列為從所述界面表面突起;所述凸起被排列在圍繞所述中心縱軸的基本上環(huán)形的不連續(xù)第一陣列中，并且與所述基底的外圍表面以約Imm-約1.5mm的距離間隔開;以及基本上環(huán)形的不連續(xù)第二陣列中的凸起徑向在所述第一陣列內(nèi)； 所述第二陣列中的凸起與所述第一陣列中凸起之間的空隙徑向?qū)R放置； 所述凸起之間的界面表面是基本上平的;且 其中所述第一陣列中的凸起高于所述第二陣列中的凸起。2.權(quán)利要求1所述的超硬構(gòu)件，其中所述第一和第二陣列與所述基底是基本上同軸的。3.前述任一項(xiàng)權(quán)利要求所述的超硬構(gòu)件，其中所述第一陣列包括與所述第二陣列基本上相同數(shù)量的凸起。4.前述任一項(xiàng)權(quán)利要求所述的超硬構(gòu)件，其中所述第一和第二陣列中的凸起彼此是交錯的。5.前述任一項(xiàng)權(quán)利要求所述的超硬構(gòu)件，其中所有或大部分所述凸起的一個或多個表面在一個或多個平面中延伸，所述平面基本上不平行于所述超硬材料層的暴露的外表面的平面，和/或在一個或多個平面中延伸，所述平面基本上不平行于所述基底中央縱軸延伸穿過的平面。6.前述任一項(xiàng)權(quán)利要求所述的超硬構(gòu)件，其中所述基底的中央縱軸周圍的超硬材料層的厚度與所述超硬材料層在外圍表面處的厚度基本上相同。7.前述任一項(xiàng)權(quán)利要求所述的超硬構(gòu)件，其中所述超硬材料層包含多晶金剛石。8.前述任一項(xiàng)權(quán)利要求所述的超硬構(gòu)件，其中所述超硬層的暴露的外表面是基本上平面的。9.前述任一項(xiàng)權(quán)利要求所述的超硬構(gòu)件，其中所述基底的界面表面是所述超硬材料層的界面表面的反面或反轉(zhuǎn)，從而兩個界面表面形成匹配。10.前述任一項(xiàng)權(quán)利要求所述的超硬構(gòu)件，其中所述超硬構(gòu)件是切削元件。11.前述任一項(xiàng)權(quán)利要求所述的超硬構(gòu)件，其中所述凸起被排列使得沿中軸通過的平面存在反射對稱。12.—種鉆地鉆頭，其包括具有前述任一項(xiàng)權(quán)利要求所述的超硬構(gòu)件安裝于其上作為切削元件的主體。13.—種形成權(quán)利要求1-11中任一項(xiàng)所述的超硬構(gòu)件的方法。14.一種超硬構(gòu)件，其實(shí)質(zhì)上如本文參照任一實(shí)施方案所述并參照附圖中所示的實(shí)施方案所述。
【文檔編號】E21B10/573GK106068360SQ201480075206
【公開日】2016年11月2日
【申請日】2014年12月17日 公開號201480075206.9, CN 106068360 A, CN 106068360A, CN 201480075206, CN-A-106068360, CN106068360 A, CN106068360A, CN201480075206, CN201480075206.9, PCT/2014/78284, PCT/EP/14/078284, PCT/EP/14/78284, PCT/EP/2014/078284, PCT/EP/2014/78284, PCT/EP14/078284, PCT/EP14/78284, PCT/EP14078284, PCT/EP1478284, PCT/EP2014/078284, PCT/EP2014/78284, PCT/EP2014078284, PCT/EP201478284
【發(fā)明人】大衛(wèi)·克里斯蒂安·鮑斯
【申請人】第六元素研磨劑股份有限公司