专利名称：切削工具及其使用方法
技术领域：
本发明涉及一种改进的用于硬质材料，比如岩石、石块、混凝土等切削、钻孔或锯切的切削工具。本发明尤其涉及一种含有金刚石复合刀头或刀片的镐、锯和钻，及其使用方法。
背景技术：
在对岩石、石块、混凝土等类似的硬质材料进行挖掘、开采、切削、加工或钻孔的过程中，采用的机器使用各种刀具，在下文中统称为“切削工具”。三种广泛使用的切削工具是镐、锯和钻。
镐在比如采煤和在岩石中开挖隧道的应用场合使用的机器中，镐用作切削工具。术语“镐”(也叫“刮削式刀具”)通常指的是尖头或凿形的岩石切削工具，该刀具通过沿岩石的表面穿入并刮削而切割岩石。镐通常包括钢质柄部，而碳化钨钴材料形成切削刀头。与利用由金刚石或聚晶金刚石复合物(PDC)制成的刀头的刀具形成的精细切割相比，这一过程产生较大的岩石碎块(或“切屑”)。
目前，一件采矿或隧道机器的切削头配装有许多工具架，以便以所需的岩石打击角度(“迎角或攻角”)确定切削工具的取向。切削工具是“饰以花边状的”，即，以用于设计成实现接替切削的模式布置，其中当切削头转动时，每一切削工具通过它所跟随的刀具的动作而利于其加工，类似地，它也有利于随后的每一刀具的加工。这种方法可以使岩石碎块破碎，比每一刀具必须通过未接替切削来开凿未破损的岩石所需的能量更少。
如前所述，普通的镐通常具有碳化钨钴复合材料制成的切削刀头。这些镐具有许多缺点。
主要是，当用于切割磨损性岩石时，碳化钨很快磨损。尖头的碳化钨刀头用于在使用过程中在工具架上转动，从而均匀地分担磨损。实际上，大多数刀头不转动，从而导致出现磨平的现象。即使实际转动的刀头如预期的磨损成锥体，该锥体沿线，而不是在一点接触岩石表面，从而需要比新刀头时更大的作用力来破碎岩石。由于这种磨损，碳化钨刀头仅能有效地切割煤或软质岩石。因此，碳化钨刀头的平均寿命较短，需要经常更换。
很清楚，需要一种使用寿命延长，在其整个使用过程中保持尖头的形状，且其强度大、耐磨损足以切割坚硬岩石比如花岗岩的镐。
锯通过锯切而切削岩石、石块或混凝土的现有技术设备大都包括镶有金刚石的锯轮和岩石轮。
岩石轮是具有尖头的碳化钨镶头的切削元件的大轮，称作“刮削式刀头”，该刀头以削片动作去除岩石。由于碳化钨刀头的磨损特性，岩石轮限于用在强度为100至120Mpa的岩石，比如砂石上。因此，虽然它们可以相当顺利地用在软质岩石上，但岩轮不能用在坚硬岩石上，比如花岗岩。
镶有金刚石的锯轮包括含有作为切削元件的金刚石沙粒的金属基复合材料的周边段。锯切动作是通过突出的微小的金刚石颗粒在岩石上刮削而实现的，该金刚石颗粒导致产生微裂纹。在每一道锯切之后，仅去除了非常少量的岩石，例如几微米，为非常小的碎片。虽然这种锯可以切割坚硬岩石，但该锯切过程是非常消耗能量且非常慢的。
显然，需要一种可用于切割坚硬岩石，但比现有技术的碳化钨岩石轮磨损更慢，且比现有技术的镶有金刚石的锯轮锯切更快并具有更大的能量效率的锯。
钻软质岩石(例如煤、砂岩)的钻孔通常使用含有大型尖头或凿形的碳化钨切削元件的钻头来完成。这种形状的切削元件在本领域称作“刮削式刀头”。这些刮削式刀头利用“削片”动作来工作，每一道去除较大量的岩石碎块，所以钻孔很快。然而，由于碳化钨的快速磨损，在对坚硬岩石比如花岗岩钻孔时这些钻头不实用。
人们已经试图生产在碳化钨上生长一层非常薄的金刚石的碳化钨刀头。然而，这些努力都是不成功的，因为在高温下碳化钨变形或金刚石分解。
目前在坚固(硬)岩石上实现的多数钻孔是使用含有较硬材料、金刚石或聚晶金刚石复合物(PDC)的钻头来实现的。
镶有金刚石的钻头包括镶嵌在金属基复合(MMC)材料上的金刚石碎粒。金刚石镶嵌钻头包括较大的安装在MMC上的天然金刚石。
或者，某些坚硬岩石的钻孔是利用含有聚晶金刚石复合物(PDC)或热稳定PDC的钻头完成的。这些钻头包括安装在碳化钨钴复合物上的PDC盘，从而使这些盘的边缘刮削岩石。
在所有现有技术的含有金刚石或PDC作为切削元件的钻头中，岩石的切割是通过使切削元件刮削岩石的表面而实现的。每一道产生微裂纹，并去除很少的岩石，通常小于每道1/10mm。岩石以微小的碎片形式去除，这一过程是非常消耗能量的。因此钻孔过程缓慢，每道去除少量的岩石，导致钻孔速度仅为每小时1米。
显然需要一种用于对坚硬岩石钻孔的钻头，该钻头坚固且比现有技术的碳化钨钻头磨损速度慢，但比现有技术的含有金刚石或PDC的钻头运行更快且更有效。
现在已经有多种方案来试图制造具有金刚石或聚晶金刚石复合物(PDC)材料制成的刀头的切削工具。
本发明人已经认识到，现有技术的含有金刚石或PDC的切削工具的低效率至少部分在于不能使这种材料形成在本领域称作“刮削式刀头”的尖头或凿形切削本体。尖头的本体能压入岩石表面，并以较大的碎块形式去除岩石，与现有技术的刮削岩石表面产生较小碎块的刮削式刀头所需的能量相比，每一道需要更小的比能。而且，尖头的本体在每一道去除更多的岩石，从而使切削过程更快。
由于所用的模制和机加工工艺的限制，含有金刚石的材料通常仅为非常有限的形状。这些形状是通过激光切割或放电加工(EDM)形成的三角形、方形、矩形和从圆盘切下的半圆柱体及圆柱体。不可能通过直接合成生产尖头的本体，比如锥体。
新一代的金刚石复合材料已经具有优于现有技术复合材料的性能。这些材料称作“高级金刚石复合材料或复合物”(“ADC”)，例如在WO88/07409和WO90/01986中得到描述，在此通过引用而包括其公开内容。
ADC通常由金刚石晶体和硅的混合物形成，在高温高压下使渗入金刚石颗粒之间的硅熔化，并与金刚石中的碳反应而形成碳化硅。该碳化硅在金刚石晶体之间形成强力结合。
金刚石-硅混合物可以在反应过程中位于硅本体附近，以便促使硅渗入混合物中。这种改进是WO88/07409的主题，以使有害的多孔性和微裂纹最小化，并增加密度，从而提高ADC的机械性能。
在WO90/01986描述的另一种改进中，在反应之前，将含有氮和/或磷的材料加入金刚石-硅混合物和/或硅本体(在用到的情况下)中，从而使ADC中产生的碳化硅结合包括大于氮和/或磷的临界值的更大量。该临界值通常为百万分之500。ADC产品具有较低的电阻率-通常小于0.2欧姆-厘米。较低的电阻率是有利的，因为它可以使放电加工(“EDM”)-也称作“线切割”或“电火花腐蚀”-对ADC本体进行成形、加工和机加工。从加工的物体的尺寸和能够生产的形状范围方面来说，EDM远比普通的成形技术比如激光切割更通用。
已经发现，可以将这些ADC材料模制和/或加工成多种形状，包括尖头的本体，比如锥体和弹头体或卵形体。
虽然现在可以利用ADC材料生产有效的形状，但遇到另一问题，即将ADC体有效地连接于刀具本体的装置。刀具本体通常由钢制成，但它们可以包括碳化钨部件。本发明人已经发现，将切削刀头连接于工具本体的普通方法，比如真空钎焊，不能总是形成强度足够的结合，因此所述刀头可能在使用过程中脱落。本发明人已经惊奇地发现使用金属基复合材料将切削刀头结合到刀具本体上产生了强度非常高且有效的结合。
发明内容
本发明提供了一种用于切削坚硬岩石的切削工具，所述切削工具包括一个或多个切削元件，每个元件包括尖头或凿形的本体，该本体包括金刚石复合材料，该金刚石复合材料包括通过碳化硅基体结合在一起的金刚石晶体，该切削元件或每个切削元件安装在包括金属基复合材料的支撑基体中，从而使该切削元件或每个切削元件的尖头或凿刃从所述基体突伸出。
本发明还提供了一种用于切削坚硬岩石的镐，所述镐包括一个或多个切削元件，每个元件包括尖头或凿形的本体，该本体包括金刚石复合材料，该金刚石复合材料包括通过碳化硅基体结合在一起的金刚石晶体，该切削元件或每个切削元件安装在包括金属基复合材料的支撑基体中，从而使该切削元件或每个切削元件的尖头或凿刃从所述基体突伸出。
本发明还提供了一种用于切削坚硬岩石的锯，所述锯包括多个安装在安装在金属复合材料制成的支撑基体中的切削元件，其中每个元件包括尖头或凿形的本体，该本体包括金刚石复合材料，该金刚石复合材料包括通过碳化硅基体结合在一起的金刚石晶体，或每个切削元件安装在金属基复合材料中，从而使每个切削元件的尖头或凿刃从所述基体突伸出。
本发明还提供了一种用于切削坚硬岩石的钻头，所述钻头包括多个安装在金属复合材料制成的支撑基体中的切削元件，其中每个元件包括尖头或凿形的本体，该本体包括金刚石复合材料，该金刚石复合材料包括通过碳化硅基体结合在一起的金刚石晶体，每个切削元件安装在金属基复合材料中，从而使所述切削元件的尖头或凿刃从所述基体突伸出。
可取的是所述切削元件是一尖头的本体。
发明的详细描述因此，本发明已经研制了一种切削工具，该刀具包括含由ADC材料制成的适当的成形本体的切削元件。该切削元件包括用于安装在镐本体上或中的安装部分，以及从该镐本体突伸出且支撑在切削表面上的切削部分。该切削部分的形状可以是锥形、截头锥形、楔形、凿形、弹头形、圆头形、平板、金字塔形、三角形、立方体的拐角、四面体、鹦鹉喙形或雪犁形。
如前所述，虽然现有技术刀具的切削刀头通常通过钎焊工艺连接在刀具本体上，但本发明人已经发现ADC刀头钎焊到WC或钢基体上不能形成强度足够的结合。代之以，本发明人已经惊奇地发现利用金属基复合材料将ADC刀头结合到WC或钢基底上可以形成非常牢固耐用的结合。而且，金属基复合材料形成非常适合在其中嵌入ADC元件的基体。
金属基复合材料的成分可以变化，但通常主要包括铜、锌、银和锡。该复合材料也可含有碳化钨颗粒。这种金属基复合材料适于利用金属粉形成，比如Kennameta1以“Matrix Powders”销售的。一种合适的粉末是P-75S Matrix Powder。金属粉末通过在压力下烧结变成固体金属复合物。在本发明的一种形式中，复合物通过熔化工艺形成，其中金属粉末部分熔化，然后挤压在一起致密化。或者，该复合物可以通过渗透工艺形成，其中在压力下熔融的金属加入粉末中，使熔融金属填充粉末颗粒之间的空隙。
可取的是，至少切削元件的切削部分是圆锥形、弹头形或卵形，其顶端形成切削刀头。可取的是，所述切削元件包括渐细的细长本体和卵形头部。切削元件的整个形状可以类似于22口径的来复枪弹。弹头形切削刀头优于锥形刀头，因为它本来强度就大且不太可能断裂。
可取的是，切削元件的安装部分不是直边形的，而是朝切削刀头渐细。即，安装部分最好是截头锥形，而不是圆柱形，因为截头锥形具有比圆柱形更大的固有强度。
切削元件的另一优选形状是“双锥体”，即在其底部结合在一起的两个圆锥的形状。锥体之一形成安装部分，并容纳在刀具本体上形成的凹槽和/或金属基复合材料中，而另一锥体形成切削部分，且从刀具本体突伸出，用于接触被开凿的岩石。锥体可以高度不同，使更细长的锥体容纳在凹槽和/或MMC中，而短粗的锥体形成切削刀头。双锥体形状是有利的，因为它仅需要最少量的金刚石复合材料，所以制造相对便宜。有利的是，形成切削部分的锥体可以是弹头形或卵形，如前所述，形成比锥形强度更大的切削刀头。
镐可取的是，镐包括在其一端用于安装工具架的钢柄部，而切削元件设在另一端。
可取的是，切削元件的安装部分至少部分容纳在镐本体上形成的凹槽中，因此需要足够细长，以确保切削部分突伸出足够的长度，从而能够实现切削。可取的是，在安装部分和所述凹槽的内表面之间有一间隙，以容纳足够的金属基复合材料，而将切削元件结合在位。通过将切削元件安装在凹槽内，以使随后的结合相当牢固。
容纳切削元件的安装部分的凹槽成形为可以与安装部分的形状互补。因此，在安装部分为截头锥形的情况下，可取的是所述凹槽也是截头锥形，而在安装部分是圆锥形时，所述凹槽也最好是圆锥形。
安装部分和凹槽壁之间的间隙填充将切削元件结合到镐本体上的金属基复合材料。
除钢质部件之外，镐本体还包括碳化钨部件。在该实施例中，可取的是，钢质部件至少形成柄部的一部分，该部分与碳化钨部件钎焊形成容纳切削元件的凹槽。而且，MMC用于将切削刀头结合到镐本体上。
添加的碳化钨具有位于钢和ADC部件之间的中间挠性，从而提高镐的整体强度。而且，MMC也具有介于钢和ADC之间的弹性模量，同样提高整体强度，即使在没有碳化钨的情况下。
本发明人还发现，优良的切削结果是通过采用本发明的镐，以不同于现有技术的镐常用的角度的攻角实现的。
通常，镐定定向在其工具架中，从而，在使用过程中，“迎角”，即被切割的岩石的表面和镐的轴线之间的角度，约为40°至60°。由于主要为WC-Co的切削刀头的特定磨损特性，在以前需要这种角度。
然而，本发明人已经发现，在使用本发明的镐的过程中，在60°以上的迎角下获得了非常好的结果。可取的是，迎角在60°至80°的范围内，更可取的是65°至75°，最好是约70°。由于所述切削元件比现有技术的明显更硬，而使磨损模式不同，所以这种更陡峭的迎角是可行的。而且，已经发现，以普通的小迎角使用本发明的镐的某些实施例，在某些情况下，可能导致切削元件与镐本体分离。然而，通过增加迎角到60°以上，施加到切削刀头上的作用力尽可能地接近镐的转动轴线，所以仅有很小的可能导致切削元件分离的弯曲运动作用在切削刀头上。
锯如前所述，本发明人已经惊奇地发现，金属基复合材料形成非常适合在其中镶嵌ADC切削元件的基体。本发明的锯最好包括大致圆形的锯本体，沿其周边装有切削元件，从而形成切削面。
在一个实施例中，锯本体包括多个弧形的切削段，间隔地接纳于锯本体的周边上。每一切削段通常包括多个安装在MMC中的切削元件，从而切削段共同形成切削面。
在一优选实施例中，锯通过将切削元件直接安装在锯本体的周边形成的孔或开孔中而制成。切削元件利用每一孔中的MMC设定就位。
可取的是，布置在锯上的切削元件是花边状的。即，切削元件以用设计成实现接替切削的模式布置随着锯的转动，每一切削元件通过它所跟随的切削元件的动作而有利于其加工，同样，它也有利于随后的每一切削元件的加工。该方法可以用比每一刀具必须通过未接替切削来开凿完好岩石所需更少的能量，来使岩石碎块破裂。应当指出的是，不可能使现有技术技术的碳化钨切削元件成花边状，因为它们必须相当大，且在同一槽内彼此跟随。使用本发明的锯，可以每道1mm的吃惊速度去除岩石。
普通的WC-Co刮削刀头在使用过程中这样定向，即“迎角”，被切割的岩石的表面和刮削钻头的轴线之间的角度，约40°至60°。由于主要为WC-Co的切削刀头的特定磨损特性，在以前需要这种角度。
然而，本发明人已经发现在使用本发明的锯的过程中，在切削元件安装在锯本体和/或支撑基体上，而使每一切削元件的迎角在60°至80°的范围内的情况下，可以获得非常好的结果。更可取的是，迎角为65°至75°，最好是约70°。由于切削元件比现有技术技术的明显更硬，磨损模式不同，所以这种更陡峭的迎角是可行的。
包括支撑在金属基复合材料上的ADC切削元件的锯具有比现有技术的锯更优良的切削性能。本发明的锯可以非常快地切透坚硬岩石，以每道1毫米向前推进，对于1000rpm的速度，相当于1分钟1米。该切削速度比镶有金刚石的锯要快好多倍，且主要归因于尖头切削元件的压痕和裂纹蔓延的形成过程。这种方法与现有技术任何锯的切削动作明显不同。而且，本发明的锯在岩石上的切槽的宽度明显小于现有技术岩轮产生的，这意味着岩石损耗很少。
本发明的锯的优点总结如下
(i)该锯能切割坚硬的岩石，比如花岗岩，这在以前利用现有技术的刮削式锯是不可能的。
(ii)由于裂纹扩展和碎屑形成的过程，使切割更快，形成大块的碎块，不象使用普通镶有金刚石的锯盘切割岩石时的慢速、微破裂过程。
(iii)可以利用使刮削式刀头成花边状的优点，利用碳化钨刮削式刀头的普通刀具是不可能的，因为后者尺寸较大且在切割过程中它们需要在同一槽内互相跟随。
(iv)与现有技术的具有碳化钨刮削式刀头的锯相比，对于给定的掘进速度，需要更小的力。
(v)类似地，与现有技术的具有碳化钨刮削式刀头的锯相比，对于给定的施加力，掘进速度更高。
(vi)与普通的金刚石锯相比，由于产生大块的碎屑，本发明的锯可以以优良的掘进比能挖掘。
钻头本发明的钻头包括多个切削元件，每一切削元件包括“刮削式刀头”，即ADC材料制成的尖头的本体。每一切削元件包括用于安装在金属基复合材料中的安装部分，以及从支撑基体突伸出且形成切割表面的切削部分。
本发明的钻头可以包括用于钻孔的简单钻头或岩芯钻头。岩芯钻头是环形的，可以钻出环形孔，并形成芯，从而可以取出并检查，以得到所述孔穿过的岩石地质状况信息。
具有不同的用于将岩芯或碎屑从孔中带到表面的方法。钻削流体包括空气、水或泥浆，通常在钻孔过程中循环而冷却钻头，且也可用于将岩石碎屑带到表面。在普通的循环中，钻削流体沿连接于钻头的钻杆管的内侧向下到达孔的底部。在逆循环过程中，钻削流体沿着钻杆管的外侧向下流且沿着钻杆管的内侧向上流，其中钻杆管是双壁管，一个管在另一个内，钻削流体沿管道之间的环形空间向下流动，然后沿中间管向上。
在本发明的一优选实施例中，本发明的钻头用于双管逆循环岩芯钻孔中。钻头包括用于在岩芯钻孔进行过程中将岩芯断成较短长度的岩芯切断器。然后利用钻削流体沿中心管向上将所述长度的岩芯提升到表面。
钻头最好包括环形或圆柱形钻头本体，在本体的一端有多个安装在MMC中的切削元件，从而形成切削面。环形或圆柱形钻头本体具有内壁和外壁，其中最好包括在其内形成的钻削流体通道，在使用过程中钻削流体可以穿过该通道。
如同本发明的锯的情况，钻头的切削元件最好是花边状的。即，切削元件以用来实现接替切削的模式布置随着钻头的转动，每一切削元件通过它所跟随的切削元件的动作而有利于其加工，同样，它也有利于随后的每一切削元件的加工。该方法可以用比每一刀具必须通过未接替切削来挖掘完好岩石所需的更少能量，来使岩石碎块破裂。应当指出的是，不可能使现有技术的碳化钨切削元件成花边状，因为它们必须相当大，且在同一槽内彼此跟随。
利用本发明的钻头，可以以每道1mm的惊人速度去除岩石。
普通的WC-Co刮削式刀头在使用过程中这样定向，即“迎角”，被切割的岩石的表面和刮削钻头的轴线之间的角度约40°至60°。由于主要为WC-Co的切削刀头的特定磨损特性，在以前需要这种角度。
然而，本发明人已经发现在使用本发明的钻头的过程中，在切削元件安装在锯本体和/或支撑基体上，使每一切削元件的迎角在60°至80°的范围内的情况下，可以获得非常好的结果。更可取的是，迎角为65°至75°，最好是约70°。由于切削元件比现有技术的明显更硬，磨损模式不同，所以这种更陡峭的迎角是可行的。
本发明的钻头的优点总结如下(i)该钻头能切割坚硬的岩石，比如花岗岩，这在以前利用现有技术的刮削式钻头是不可能的。
(ii)由于裂纹扩展和碎屑形成的过程，使切割更快，形成大块的碎块，不象使用普通金刚石和PDC钻头切割岩石时的慢速、微破裂过程。
(iii)可以利用刮削式刀头成花边状的优点，利用碳化钨刮削式刀头的普通刀具是不可能的，因为后者尺寸较大且在切割过程中它们需要在同一槽内互相跟随。
(iv)与现有技术的具有碳化钨刮削式刀头的钻头相比，对于给定的掘进速度，需要更小的力。
(v)类似地，与现有技术的具有碳化钨刮削式刀头的钻头相比，对于给定的施加力，掘进速度更高。
(vi)与普通的金刚石和PDC钻头相比，由于产生大块的碎屑，本发明的钻头可以以优良的掘进比能挖掘。
为了使本发明更易于理解，现在参照附图描述其非限制性实施例。
图1是在本发明的切削工具上使用的切削元件示意图；图2是根据本发明的第一实施例的镐的剖面示意图；图3是根据本发明的第二实施例的锯的透视图；图3a是图3中所示锯的切削段的详细透视图；图4是图3中所示锯的改进形式的透视图；图4a是图4中所示锯的周边的详细剖视图；以及图5是本发明的第三实施例的岩芯钻头的透视图。
具体实施例方式
在下面如附图中所示优选实施例的详细描述中，相同的附图标记表示相同的部件。
图1示出了切削元件10的一剖面，该切削元件包括由ADC形成的尖头的本体12。该切削元件10包括基部13、细长的安装部分16和切削部分18，该安装部分适于容纳在刀具本体(未示出)的支撑基体上，该切削部分上形成有切削面或尖头20。切削尖头18是卵形、或弹头形的，而安装部分16的侧边24a、24b从基部13到切削部分18向内逐渐变细。
在图2中，示出的镐110包括切削元件10，该切削元件包括安装在钢制成的镐本体14上的由ADC形成的尖头的本体12。切削元件12包括在图1中所示的结构，在此不再重复。细长的安装部分16安装在镐本体14上的凹槽17中，而切削部分18从凹槽17突伸出且在其上具有切削面，或者尖头20。
将切削元件12结合在镐本体14上的是一层金属基复合(MMC)材料22。
凹槽17的内表面19成形，从而与安装部分16的形状互补，两者之间有足够的间隙，以容纳MMC材料。假定钢和ADC之间的弹性模量有较大的差别，可取的是切削元件12和镐本体14之间没有直接接触，而是通过中间层MMC 22将两者完全分开。
镐本体14还包括用于连接到工具架上的柄部26。
参照图3，锯210包括圆形的锯本体230，该锯本体具有沿其周边间隔开的切削段232，从而形成切削面234。锯本体230具有用于安装在马达驱动轴(未示出)上的中心孔236，从而可以绕轴线X-x转动。
图3a示出了切削段232的细节。切削段232包括位于锯本体230的周边边缘上的内部圆周通道233。切削段232包括多个切削元件10(如图1所示)，该切削元件设定在支撑基体238上，从而形成切削面234。支撑基体238由金属基复合材料组成。该金属基复合材料适于利用Kennametal以“Matrix Powders”销售的金属粉末制成。一种合适的粉末是P-75S Matrix Powder。
切削元件10是“饰以花边状的”，即它们布置在切削面240上，从而在锯210转动时，每一切削元件10利用它所跟随的另一切削元件实现替换切削，而它又对每一随后的切削元件10提供替换切削的机会。而且，每一切削元件10这样取向为，在使用过程中，被切割的岩石表面和切削元件18的轴线之间的角度在60°至80°内。
图4和4a示出了图3和3a中所示的锯实施例的变型。图4和3的锯的相应实施例之间的主要差别是，在图4中切削面234’是整体的，并关于锯本体230’的周边是周向连续的。图4的锯210’是通过直接在锯本体210’上钻孔231’构成的。图4a示出了在锯本体210’的局部剖视图中的孔231’。切削元件10放置在孔231’中，且布置在所需的取向上，利用MMC将切削元件结合在位置上。
现在参照图5，岩芯钻头310包括具有内壁352和外壁354的环形钻头本体350，且多个切削元件，或安装在其上的刮削式刀头10。切削元件10在图1中示出。钻头本体250包括在前端358的切削面356，和用于在后端360处连接钻柱(未示出)的装置。切削元件10设定在于切削面356处的支撑基体361上。所述基体由金属基复合材料组成。金属基复合材料适于利用Kennameta1以“Matrix Powders”销售的金属粉末制成。一种合适的粉末是P-75S Matrix Powder。
钻头本体350还在钻头本体350的内壁352和外壁354中设有钻削流体通道362，用于在使用过程中使钻削流体通过。
而且，切削元件10是“饰以花边状的”，即它们布置在切削面356上，从而使钻头310转动时，每一切削元件10利用它所跟随的另一切削元件实现替换切削，而它又对每一随后的切削元件10提供替换切削的机会。应当指出的是，尽管切削元件的取向不同，但穿过每一切削元件10的尖头的轴线A相对于钻头310的转动轴线X-X成约为70°的角度。
最后，应当理解的是，可以对前面描述的部件的结构和布置进行各种改变、改型和/或添加，而不脱离本发明的主旨或范围。
权利要求
1.一种用于切削坚坚硬岩石石的切削工具，所述切削工具包括一个或多个切削元件，每一切削元件包括尖头或凿形的本体，该本体包括金刚石复合材料，该金刚石复合材料包括通过碳化硅基体结合在一起的金刚石晶体，所述切削元件或每个切削元件安装在包括金属基复合材料的支撑基体中，从而使所述切削元件或每个切削元件的尖头或凿刃从所述基体突伸出。
2.如权利要求1所述的切削工具，其特征在于，所述切削工具是从镐、锯和钻组成的组中选取的。
3.如权利要求1或2所述的切削工具，其特征在于，所述金刚石复合材料是高级金刚石复合物。
4.如前述任一项权利要求所述的切削工具，其特征在于，每一切削元件是尖头的本体，可取的是其中所述切削元件的切削部分是锥形、弹头形或卵形，更可取的是弹头形或卵形。
5.如权利要求4所述的切削工具，其特征在于，所述切削元件还包括渐细的细长本体和形成所述切削部分的头部，所述渐细的细长本体形成用于将所述切削元件安装在所述支撑基体中的安装部分。
6.如权利要求5所述的切削工具，其特征在于，所述细长本体是朝所述切削部分的方向向内渐细的，可取的是截头锥形。
7.如权利要求5所述的切削工具，其特征在于，所述渐细的细长本体是沿离开所述切削部分的方向向内渐细的，可取的是锥形。
8.如前述任一项权利要求所述的切削工具，其特征在于，金属基复合材料主要含有铜、锌、银和锡，可取的是所述金属基复合材料还包括碳化钨颗粒，更可取的是通过熔化制成。
9.如前述任一项权利要求所述的切削工具，其特征在于，所述每一切削元件安装在所述支撑基体上，从而使所述切削元件的攻角大于60°，可取的是在60°至80°的范围内，更可取的是在65°至75°内，尤其可取的是约70°。
10.一种用于切削坚硬岩石的镐，所述镐包括一个或多个切削元件，每个元件包括尖头或凿形的本体，该本体包括金刚石复合材料，该金刚石复合材料包括通过碳化硅基体结合在一起的金刚石晶体，所述切削元件或每个切削元件安装在包括金属基复合材料的支撑基体中，从而使所述切削元件或每个切削元件的尖头或凿刃从所述基体突伸出。
11.如权利要求10所述的镐，其特征在于，所述金刚石复合材料是高级金刚石复合物。
12.如权利要求11或12所述的镐，其特征在于，每一切削元件是尖头的本体，可取的是所述切削元件的切削部分是锥形、弹头形或卵形，更可取的是弹头形或卵形。
13.如权利要求10至12中任一项所述的镐，其特征在于，所述切削元件还包括渐细的细长本体和形成所述切削部分的头部，所述渐细的细长本体形成用于将所述切削元件安装在所述支撑基体中的安装部分。
14.如权利要求10至13中任一项所述的镐，其特征在于，所述细长本体是朝所述切削部分的方向向内渐细的，可取的是截头锥形。
15.如权利要求10至15中任一项所述的镐，其特征在于，所述渐细的细长本体是沿离开所述切削部分的方向向内渐细的，可取的是锥形。
16.如权利要求10至15中任一项所述的镐，其特征在于，金属基复合材料主要含有铜、锌、银和锡，可取的是所述金属基复合材料还包括碳化钨颗粒。
17.如权利要求10至16中任一项所述的镐，其特征在于，所述镐包括镐本体，该本体包括在其一端用于连接到工具架上的柄部，在其另一端设有切削元件。
18.如权利要求17所述的镐，其特征在于，所述切削元件的安装部分至少部分地容纳在镐本体的凹槽中，且通过所述金属基复合材料结合连接在位。
19.如权利要求18所述的镐，其特征在于，所述凹槽成形为与安装部分的形状互补。
20.如权利要求17至19中任一项所述的镐，其特征在于，所述柄部至少部分由钢制成，且所述镐本体最好还包括形成所述凹槽的碳化钨部件。
21.一种使用如权利要求10至20中任一项所述的镐的方法，其包括定位所述镐而使攻角大于60°的步骤。
22.如权利要求21所述的方法，其特征在于，所述攻角在60°至80°的范围内，可取的是在65°至75°内，更可取的是约70°。
23.一种用于切削坚硬岩石的锯，所述锯包括多个安装在安装在金属复合材料制成的支撑基体中的切削元件，其中每个元件包括尖头或凿形的本体，该本体包括金刚石复合材料，该金刚石复合材料包括通过碳化硅基体结合在一起的金刚石晶体，每个切削元件安装在金属基复合材料中，从而使每个所述切削元件的尖头或凿刃从所述基体突伸出。
24.如权利要求23所述的锯，其特征在于，所述金刚石复合材料是高级金刚石复合物。
25.如权利要求23或24所述的锯，其特征在于，每一切削元件是尖头的本体，可取的是所述切削元件的切削部分是锥形、弹头形或卵形，更可取的是弹头形或卵形。
26.如权利要求23至25中任一项所述的锯，其特征在于，所述切削元件还包括渐细的细长本体和形成所述切削部分的头部，所述渐细的细长本体形成用于将所述切削元件安装在所述支撑基体中的安装部分。
27.如权利要求26所述的锯，其特征在于，所述细长本体是朝所述切削部分的方向向内渐细的，可取的是截头锥形。
28.如权利要求26所述的锯，其特征在于，所述渐细的细长本体是沿离开所述切削部分的方向向内渐细的，可取的是锥形。
29.如权利要求23至28中任一项所述的锯，其特征在于，金属基复合材料主要含有铜、锌、银和锡，可取的是所述金属基复合材料还包括碳化钨颗粒。
30.如权利要求23至29中任一项所述的锯，其特征在于，其包括大致圆形的锯本体，所述切削元件安装在其周边上，从而形成切削面。
31.如权利要求30所述的锯，其特征在于，所述切削元件安装在所述锯本体的周边形成的孔中，且利用金属基复合材料结合在位。
32.如权利要求23至31中任一项所述的锯，其特征在于，所述切削元件是饰以花边状的。
33.如权利要求23至32中任一项所述的锯，其特征在于，所述每一切削元件在所述支撑基体上定向，从而在使用过程中使所述元件的轴线和被切割的岩石表面之间的角度大于60°，可取的是在60°至80°的范围内，更可取的是在65°至75°内，尤其可取的是约70°。
34.一种用于切削坚硬岩石的钻头，所述钻头包括多个安装在金属复合材料制成的支撑基体中的切削元件，其中每个切削元件包括尖头或凿形的本体，该本体包括金刚石复合材料，该金刚石复合材料包括通过碳化硅基体结合在一起的金刚石晶体，每个所述切削元件安装在金属基复合材料中，从而使每个所述切削元件的尖头或凿刃从所述基体突伸出。
35.如权利要求34所述的钻头，其特征在于，所述金刚石复合材料是高级金刚石复合物。
36.如权利要求34或35所述的钻头，其特征在于，每一切削元件是尖头的本体，可取的是所述切削元件的切削部分是锥形、弹头形或卵形，更可取的是弹头形或卵形。
37.如权利要求34或36中任一项所述的钻头，其特征在于，所述切削元件还包括渐细的细长本体和形成所述切削部分的头部，所述渐细的细长本体形成用于将所述切削元件安装在所述支撑基体中的安装部分。
38.如权利要求37所述的钻头，其特征在于，所述细长本体是朝所述切削部分的方向向内渐细的，可取的是截头锥形。
39.如权利要求37所述的钻头，其特征在于，所述渐细的细长本体是沿离开所述切削部分的方向向内渐细的，可取的是锥形。
40.如权利要求34至39中任一项所述的钻头，其特征在于，金属基复合材料主要含有铜、锌、银和锡，可取的是所述金属基复合材料还包括碳化钨颗粒。
41.如权利要求34至40所述的钻头，其特征在于，其包括岩芯钻头。
42.如权利要求41所述的钻头，其特征在于，其包括环形或圆柱形钻头本体，该本体具有多个在其一端安装在所述支撑基体上的所述切削元件，从而形成切削面。
43.如权利要求42所述的钻头，其特征在于，所述切削元件是饰以花边状的。
44.如权利要求42或43所述的钻头，其特征在于，每一切削元件在所述支撑基体上定向，从而在使用过程中使所述切削元件的轴线与被切割岩石表面之间的角度大于60°，可取的是在60°至80°的范围内，更可取的是在65°至75°内，尤其可取的是约70°。
45.如权利要求42至44中任一项所述的钻头，其特征在于，所述环形钻头本体具有内壁和外壁，其中在其内具有在使用过程中用于钻削流体通过的钻削流体通道。
46.一种用在如权利要求1至9中任一项所述的切削工具中的切削元件，所述切削元件包括尖头或凿形的本体，该本体包括金刚石复合材料，该金刚石复合材料包括利用碳化硅基体结合在一起的金刚石晶体。
47.一种如在此参照附图描述的切削工具。
全文摘要
一种用于切削坚硬岩石的切削工具，其包括一个或多个切削元件(10)，每一切削元件包括尖头或凿形的本体(12)，该本体包括金刚石复合材料，该金刚石复合材料包括通过碳化硅基体结合在一起的金刚石晶体，切削元件安装在包括金属基复合材料的支撑基体中，从而使切削元件的尖头或凿刃从基体突伸出。
文档编号E21D9/08GK1443267SQ01813087
公开日2003年9月17日 申请日期2001年5月18日 优先权日2000年5月18日
发明者J·N·波兰德, K·邦克, P·E·维利斯 申请人:联邦科学及工业研究组织