具有抗冲击金刚石体的切割元件的制作方法

背景技术：

本领域中已知的诸如与用于钻探地层的钻头一起使用的切割元件包括设置在碳化物基底上的金刚石表面层或金刚石台面。金刚石台面用于提供相对于下面的基底具有改进的耐磨性和耐磨蚀性的性质，并且该基底用于提供附连结构以便于将切割元件附连到最终使用的机床上，例如钻头等。

这样的已知的切割元件具有由多晶金刚石(pcd)形成的金刚石层或金刚石台面，并且使用诸如wc-co的硬质合金基底。尽管金刚石层用于向切割器提供改进的耐磨性和耐蚀性，例如，当与具有由碳化钨形成的磨损表面的切割元件相比时，在这样的已知切割元件中的金刚石层易于破裂和/或断裂，由于被置于井下钻井条件下并由于这样的使用而受到施加在金刚石层上的冲击力。这样的切割元件的金刚石层中的破裂/断裂和/或裂纹形成是不期望的，因为此起作用以限制或减少切割元件的有效使用寿命。

尝试改善这样的切割元件的使用寿命集中在涉及金刚石体从基底上分层或破裂的问题，并且包括降低金刚石层-基底界面处的残余压缩应力，例如通过热处理切割元件。尽管这样的努力可能在减少或最小化金刚石体从基底上的破裂或分层方面是有用的，但这样的性能增益的提供是以损害由使用期间遇到的冲击力引起的在金刚石台面的表面处的耐磨性和抗破裂性、断裂和/或裂纹发生为代价的，如上所述的，这也可以用于限制切割元件的有效使用寿命。

技术实现要素：

如在此所公开的切割元件包括包含与基底连接的多晶金刚石的金刚石结合体。切割元件可以包括介于金刚石结合体和基底之间的一个或多个过渡层。全部或一部分金刚石结合体可以包含热稳定区域，该热稳定区域已经过处理以从其中移除催化剂材料或使催化剂材料在升高的温度下对金刚石不是催化剂的。

用于形成在此公开的切割元件的基底包括烧结碳化钨，并且可以包括碳化铬。基底具有大于约200oe的矫顽力，并且具有从73％到87％的磁饱和度。在一示例中，基底包含平均晶粒尺寸小于约1微米的碳化物晶粒。切割元件金刚石结合体具有比传统多晶金刚石切割元件高的大于约0.9gpa的压缩应力，并且大于1.2gpa，该增加的压缩应力提供了改进的冲击性能，其延长了切割元件的使用寿命。

通过在催化剂材料的存在下使金刚石晶粒的组合体经受高压/高温处理条件以形成多晶金刚石体并将该多晶金刚石体附连到基底上来制作切割元件。如果需要，切割元件可以是在超高压条件下形成。

提供该发明内容以介绍将在以下详细描述中进一步描述的一些构思的选择。该发明内容不旨在确定所要求保护的主题的关键或基本特征，也不旨在用作限制所要求保护的主题的范围的帮助。

附图说明

如在此公开的切割元件的这些和其它特征和优点将被认识到，因为当结合附图考虑时通过参考下面的详细描述，其变得更好理解，在附图中：

图1示出了如在此所公开的示例性切割元件的透视侧视图；

图2示出了如在此所公开的示例性切割元件的侧视横截面图；

图3示出了如在此所公开的包括热稳定区域的示例性切割元件的侧视横截面图；

图4示出了如在此所公开的具有至少一个过渡层的示例性切割元件的侧视横截面图；

图5示出了用于压缩应力分析的测试构造；

图6是如在此所公开的包括示例性切割元件的旋转锥形钻头的透视图；

图7是如在此所公开的包括示例切割元件的锤钻头的透视图；

图8是如在此所公开的包括示例性切割元件的刮刀钻头的透视图；和

图9是如在此所公开的包括示例性切割元件的钻头的一部分的透视图。

具体实施方式

在一个示例中，如在此所公开的切割元件包括包含多晶金刚石(pcd)的金刚石结合体，其形成切割元件的工作表面或磨损表面。金刚石结合体与经过特殊设计的基底结合，以增强金刚石结合体的压缩应力，从而与包含传统基底的切割元件相比，提供改进的冲击性能度。切割元件金刚石结合体可以包括热稳定区域和/或切割元件可以包括介于金刚石结合体和基底之间的一个或多个中间层。如在此公开的切割元件被设计成提供改进的耐冲击性水平而不损害耐磨性和耐蚀性，由此增加这样的切割元件的操作使用寿命。

图1和2示出了如在此公开的示例性切割元件10，其包括与基底14附连的金刚石结合体12，在一示例中，切割元件具有大致圆柱形形状的侧壁构造。金刚石结合体12包括可沿着体的顶表面16和/或沿体12的侧壁表面存在的工作表面或磨损表面。参照图1和2，取决于具体的最终用途应用，金刚石结合体12可以被构造为具有平面或非平面的顶表面16。在所示的示例中，切割元件金刚石结合体具有非平面的顶表面，例如，构造成圆顶形状的顶表面。应该理解的是，具有其他非平面形状的金刚石结合体被理解为在在此公开的切割元件的范围内。例如，金刚石结合的顶表面可以被构造成具有尖顶几何形状，顶点相对尖锐，形成金刚石台面或表面的尖端，或者顶表面可以被构造为具有凿形尖端(参见图9)，其可以沿着金刚石结合体直径地延伸并且沿着两个平面表面特征的交点形成。

如图2所示，切割元件10可以具有在基底14和金刚石结合体12之间的非平面界面18。理解到，如在此所公开的切割元件可以被构造为具有在基底和金刚石结合体之间的界面，该界面是平面的或者成一些其他非平面构造，例如被成形或包括损害另外的平面界面的一个或多个表面特征或不规则部，并且可能用于在金刚石结合体和基底之间的界面处提供改进程度的机械附连。

金刚石结合体12可以以单层或多层的形式提供，并且在一示例中，金刚石结合体由pcd形成。如图2所示，在一示例中，金刚石结合体12由单个金刚石层形成。理解到，如在此所公开的切割元件可以具有由多于一个金刚石层形成的金刚石结合体。尽管图2的示例示出了其中金刚石结合体12被直接结合或以其他方式直接附连到基底14的切割元件，如在此所公开的切割元件可以包括介于金刚石结合体12和基底14之间的一个或多个中间层或过渡层。

图3示出了包括金刚石结合体22的示例性切割元件20，金刚石结合体22布置在中间层或过渡层24上并与中间层或过渡层24结合，该过渡层24介于金刚石结合体22和基底26之间并结合到基底。尽管已经示出具有介于金刚石结合体和基底之间的一个过渡层的特定示例，但是要理解到，如在此所公开的切割元件可以具有多于一个过渡层，这取决于诸如用以形成金刚石结合体和基底的材料以及特定的最终用途应用的因素。在一示例中，过渡层可以包括pcd并且具有不同于金刚石结合体的金刚石体积含量的金刚石体积含量。

在一示例中，过渡层可具有小于金刚石结合体的金刚石体积含量的金刚石体积含量，和/或可具有大于金刚石结合体中任何这样的其他非金刚石成分的体积含量的其他非金刚石成分的体积含量。在一示例中，过渡层具有小于金刚石结合体的金刚石体积含量的金刚石体积含量和/或包括大于金刚石结合体的体积含量的非金刚石成分材料的体积含量以提供转变在金刚石结合体和基底的不同热膨胀系数之间的过渡。这样的非金刚石成分材料可以包括但不限于钴和金属碳化物或金属碳氮化物的晶粒，例如w，ta，ti的碳化物或碳氮化物或其混合物。例如，金属碳化物可以是碳化钨。

当存在多个中间层或过渡层时，过渡层可以相对于金刚石体积含量建立梯度，其中金刚石体积含量在过渡层之间，远离金刚石结合体移动并朝向基底，降低。包括单个中间层的切割元件还可以在其中包括金刚石含量的梯度，其中中间层的靠近金刚石结合体的区域的金刚石体积含量大于靠近基底的中间层的区域的金刚石体积含量。

在一实施例中，如在此所公开的用于制造切割元件的pcd包括由结合在一起的金刚石晶粒的晶间基质和分散在基质内的多个间隙区域组成的材料微结构，其中间隙区域填充有催化剂材料例如用于在高压/高温(hpht)烧结条件下形成pcd的材料。对制造pcd有用的催化剂材料包括传统的溶剂金属催化剂材料，例如选自cas版本的元素周期表的viii族的那些。在一示例中，基于用于形成pcd的材料的总体积，pcd可具有约80至99，或约82至96百分比的金刚石体积含量。在一示例中，基于用于形成pcd的材料的总体积，pcd可具有约1至20，或约10至18百分比的催化剂体积含量。在一示例中，pcd具有约94.5体积％的金刚石体积含量和约5.5体积％的催化剂含量。用于制造金刚石结合体的金刚石晶粒可具有约30微米或更小，以及约10至30微米的平均金刚石晶粒尺寸。

在一示例中，用于形成如在此所公开的切割元件的pcd包括用于烧结所述切割元件的催化剂材料。在一示例中，催化剂材料可以是钴，铁，镍或其组合。在这样的实施例中，催化剂材料设置在间隙区域内。图4示出了如在此公开的示例性切割元件30，其包括如与基底34附连的金刚石结合体32，其中金刚石结合体的至少一部分已经被处理以从间隙区域移除催化剂材料，使得这样的间隙区域基本上不含催化剂材料，或者处理成使处于这样的间隙区域中的催化剂材料热稳定且不对金刚石起催化作用。以这样的方式处理的金刚石结合体32的部分是热稳定的并且可以被称为热稳定部分或区域36。在一示例中，金刚石结合体32可以包括从工作表面37延伸一部分深度的热稳定区域36，其中未处理的金刚石结合体的剩余区域38包括其中还布置有催化剂材料的间隙区域，其中这样的未处理区域可从热稳定区域36延伸到基底34。如果需要的话，可以对整个金刚石结合体进行处理，以使其完全热稳定，例如，使得贯穿整个金刚石体的间隙区域基本上没有用于烧结金刚石结合体的催化剂材料。在一些实施例中，可使用热稳定的粘合剂材料如碳酸酯作为溶剂催化剂，示例包括但不限于碱金属或碱土金属碳酸盐，如碳酸钙或碳酸镁。

在一示例中，如在此所公开的切割元件具有在顶表面处的厚度大于约0.6mm或大于约0.8mm的金刚石结合体。在一示例中，金刚石台面具有约0.6mm至5mm，约0.6至4mm，或约0.8mm至3mm的厚度。在一示例中，最大的金刚石结合体厚度约为4mm。

如在此公开的切割元件被特别设计成使得金刚石结合体具有在工作表面处测量的高压缩应力，例如在金刚石结合体的顶表面处测量的高压缩应力，与传统的金刚石切割元件相比(例如金刚石增强插入件)。这样的高压缩应力用来在切割元件投入使用时增加金刚石结合体的耐冲击性或冲击性能。在一示例中，如在此所公开的切割元件被设计成具有在工作表面处测量的约0.9gpa或更高以及约1.2gpa或更高的高金刚石结合体压缩应力。

如在此所公开的切割元件包括被认为会引起压缩应力的改善并导致上述改善的耐冲击性和性能的基底。如在此所公开的可用于形成切割元件的基底是与用于形成已知的pcd切割元件的传统烧结碳化钨基底不同的基底。具体而言，用于形成如在此所公开的切割元件的基底包含烧结碳化钨(wc-co)，并且还包含一定量的碳化铬。在一示例中，基于基底的总重量，这样的基底可包含约0.02-2重量％，约0.5-1重量％和小于约1重量％的碳化铬，其中存在于基底中的剩余材料是wc-co。在一示例中，基底可包含约10重量％的钴，并且碳化物晶粒尺寸可具有小于约1微米的平均晶粒直径。用于形成如在此所公开的切割元件的基底的另一个特征是与用于形成已知的pcd切割元件的传统烧结碳化钨基底相比，它们具有高矫顽力。具体而言，如在此所使用的基底具有约200oe或更大的矫顽力，以及约210-300oe的矫顽力。用于形成如在此所公开的切割元件的这样的基底的另一个特征是它们具有比用于形成已知的pcd切割元件的传统烧结碳化钨基底的磁饱和度相对更低的磁饱和度。具体而言，如在此所公开的基底具有低至73％的磁饱和度，并且其可以是约73％至90％。

进行测试是为了评估当与传统的pcd切割元件即使用已知的烧结碳化钨基底形成的pcd切割元件相比时使用如上述公开的基底在形成如在此所公开的切割元件时对沿金刚石结合体的表面测量的压缩应力的影响。在这样的测试中，将如在此所公开制造的切割元件(包括由平均晶粒尺寸为约25至17微米的金刚石晶粒和上述基底形成的金刚石结合体)的压缩应力和包括类似的、但与包含约13重量％的钴且具有2-3微米的平均碳化物晶粒尺寸的传统wc-co基底结合的金刚石结合体的切割元件的压缩应力进行比较。压缩应力根据以下公开的方法(并且在图5中示出)进行测量，该以下公开的方法用于如在此所公开的切割元件和传统的在经受大约625℃的热处理条件之前(出于降低切割元件中的残余应力的目的)并经受这样的热处理条件之后的pcd切割元件二者。测试结果表明，用上述基底制造的如在此所公开的切割元件显示出大于热处理前的传统pcd切割元件的压缩应力的为大约1.2gpa或者140-230mpa的压缩应力，并且显示出大于传统的热处理后的pcd切割元件的压缩应力的为大约0.9gpa或220-330mpa的压缩应力。

如在此所公开的切割元件的金刚石结合体的压缩应力的增加是由于使用如上所公开的基底而引起的令人惊讶和出乎意料的结果。理论上这样的细晶粒基质以不同于传统pcd切割元件基底的方式影响溶剂催化剂材料从基底进入pcd的渗透特性，其进而用于重新分配渗透溶剂催化剂，使得它增加了金刚石结合体的压缩应力。金刚石结合体的压缩应力的这样的增加用于提供改进的冲击性能度，其功能是当切割元件被投入使用时使裂纹发展、破裂或其他与冲击相关的损害对金刚石结合体最小化或消除，由此增加如在此所公开的切割元件的使用寿命。此外，相信在热处理之前如由在此显示的切割元件所显示的压缩应力的增加以及细粒碳化物基底的机械性能(该热处理通常用于降低切割元件的碳化物部分的残余应力)可以是足够的，使得随后的热处理可能对某些最终用途应用是不需要的，从而用于减少与制造切割元件相关的制造时间和成本。

如上所述描述的金刚石结合体的表面压缩应力是例如通过使用如下所述的拉曼光谱被测量如下：

图5示出了对测量这样的测试有用的构造的示意图。激光探针40指向切割元件46的多晶金刚石圆顶44的顶点。金刚石具有单个拉曼活性峰(raman-activepeak)，其在无应力条件下位于ω0＝1332.5cm^-1处。对于多晶金刚石，根据以下关系，该峰值随施加的应力而变化：

其中δω是拉曼频率的偏移，γ是格鲁尼斯常数，等于1.06，b是体积模量，等于442gpa，σh是静水应力。σh被限定为：

其中σ1,σ2和σ3是任意坐标系下的三个正交应力，其总和等于第一应力不变量。在插入件顶点的中心，假定等轴条件是合理的(σ1＝σ2＝σb和σ3＝0)。在这样的情况下，双轴应力σb和峰位移之间的关系由下式给出：

切割元件的特征是使用拉曼光谱和疲劳接触测试。用于收集拉曼光谱的设备采用了工作在785nm的近红外激光器、光纤透镜/采集系统和结合了ccd阵列照相机的光谱仪。通过使用内在拟合软件对实验数据进行高斯曲线拟合来确定峰值中心。高斯表达式由下式给出：

00其中i(x)是作为位置的函数的强度，i0是最大强度，ωc是峰值中心，并且w是峰宽度，即半最大强度处的全宽度。在这个分析中，使用拟合的峰值中心来确定压缩应力。

如在此所公开的切割元件可以通过使包括与基底相邻定位的金刚石晶粒的体积的组合体经受高压/高温(hpht)处理条件来形成。在其中切割元件包括一个或多个过渡层的实施例中，对形成这样的(一个或多个)过渡层有用的前体材料设置在金刚石晶粒与基底之间的组合体内。金刚石晶粒和任何中间层或过渡层材料可以以粉末形式或其他绿色状态形式提供，例如，为其中金刚石晶粒或过渡层材料使用结合剂等被结合在一起的诸如胶带等的结合在一起结构的形式提供，用于便于组装和制造。

简而言之，为了形成金刚石结合体，将未烧结的金刚石晶粒或结晶粒子块置于hpht设备的反应单元的金属外壳或组合体内。金属催化剂(例如钴)和碳化钨粒子可以包含未烧结结晶粒子块或可以存在并从基底提供。任何过渡层可类似地通过将未烧结的包含金刚石粒子、碳化钨和钴的复合材料块置于hpht装置内来形成。基底包含在反应单元中并且定位成邻近用于形成金刚石结合体的金刚石晶粒的体积或邻近任何中间或过渡层前体材料。然后将反应单元置于hpht处理条件下，该处理条件足以引起材料的烧结，以产生pcd金刚石结合体、任何中间层或过渡层，并将如此形成的pcd体结合到基底上。

在一示例性实施例中，如在此所公开的切割元件通过使组合体经受hpht工艺条件而形成，在hpht工艺条件下压力为约5,500-7,000mpa且温度为约1300-2000℃的足够长的时间段足以确保完全烧结的pcd体的形成以及pcd体与基底的附连。在一些情况下，希望如在此所公开的切割元件在包括超高压条件的hpht工艺条件下进行烧结，该超高压条件为大于约7,000mpa，在约7,500至15,000mpa的范围内，处理温度范围为1,500至2500℃。

如在此公开的切割元件可以用于许多不同的应用中，例如用于采矿、切割、机械加工、铣削和施工应用的工具，其中耐磨性、耐蚀性、韧性和机械强度和/或减小的例如由不匹配的热膨胀系数引起的热残余应力的特性是非常需要的。如在此所公开的切割元件特别适合用于机械工具和钻头和采矿钻头，例如用于地下钻探应用中的锥形牙轮钻头，冲击钻头或锤钻头，刮刀钻头，固定刀片钻头等。因此，要理解到，如在此所公开的切割元件可以用于任何上述类型的钻头和采矿钻头中，这取决于具体的最终用途应用。

图6示出了包括如在此所公开的多个切割元件52的岩石钻头50形式的旋转或牙轮钻头。岩石钻头50包括具有三个腿56的体54，以及安装在每个腿的下端上的锥形滚刀58。切割元件或插入件52可以根据上述方法制造。切割元件或插入件52设置在每个锥形滚刀58的表面中，用于支承在被钻的岩层上。

图7示出了如上所述的与冲击钻头或锤钻头60一起使用的切割元件或插入件。锤钻头包括中空的钢体62，其在体的端部上具有螺纹销64，用于将钻头组装到钻柱(未示出)用于钻探油井等。如在此所公开的多个切割元件66设置在体62的头部68的表面中，用于支承正被钻探的地下地层。

图8示出了用于钻探地下地层的刮刀钻头70，其包括多个切割元件72，每个切割元件72附连到从刮刀钻头的头部76延伸的刀片74，用于切割正在被钻的地下地层。

图9示出了用于钻探地下地层的固定刀片刮刀钻头80的一部分，其包括多个切割元件82，每个切割元件附连到刮刀钻头的头部84并从钻头的头部84延伸以用于切割被钻探的地下地层。该示例的切割元件82包括与基底88附连的金刚石结合体86，其中金刚石结合体具有凿形尖端90。

虽然上面仅详细描述了切割元件的一些示例性实施例，但是本领域技术人员将容易地认识到，在实质上不背离在此所公开的构思的情况下，可以在示例性实施例中进行许多修改。因此，所有这样的修改意图被包括在如以下权利要求所限定的本公开的范围内。在权利要求中，装置加功能的语句旨在覆盖在此描述的执行所述功能的结构，不仅是结构等同物，而且是等同结构。因此，尽管钉子和螺钉可能不是结构等同物，因为钉子采用圆柱形表面来将木制部件固定在一起，而螺钉采用螺旋形表面，但在紧固木质部件的环境中，钉子和螺钉可能是等同结构。申请人的明确意图是不援引35u.s.c.§112，第6段中对在此任何权利要求的任何限制，除了权利要求明确使用“用于...的装置”一词以及相关功能的那些以外。