在存在诸如碳酸盐催化剂的非金属催化剂的情况下HPHT烧结金刚石颗粒。形成无结合剂的PCD体230可以包括使碳经受超高的HPHT烧结工艺而没有催化剂材料，或在化学气相沉积(CVD)工艺中沉积金刚石层。形成经浸滤的K?体240可以包括在HPHT烧结工艺之后化学地处理PCD体，以去除形成在结合的金刚石晶体之间的空隙空间或孔隙中的催化剂材料的至少一部分。在每种情况下，可以形成一个或多个热稳定PCD体，用于并入至切割元件中(例如，参见图4-12)。
[0069]该方法200还包括诸如通过激光切割或电火花加工(EDM)在热稳定P⑶中形成孔眼(例如，轴向通孔、台阶状的槽口或任意其他合适形状的开口)250。在热稳定PCD体中形成孔眼250可以包括在热稳定P⑶体中形成孔260或形成槽口 270。在一个实施例中，该方法200还可以包括诸如通过铣削或机加工在基体中形成孔眼。该方法200还可以包括形成诸如销或有槽口的夹具的紧固构件。可以通过诸如挤压加工或HPHT烧结的任意合适的工艺形成紧固构件。
[0070]该方法200还包括将紧固构件插入到热稳定P⑶体中的孔眼(例如，轴向通孔或台阶状的槽口 )中280。该方法200还包括将紧固构件结合至基体290，由此将热稳定P⑶体连接至基体。在一个实施例中，在第一 HPHT烧结工艺中执行形成热稳定PCD体，在随后的第二 HPHT烧结工艺中执行紧固元件与基体的结合。在一个实施例中，紧固元件与基体的结合290包括将热稳定PCD体、紧固构件和基体放置在压机(例如，六面顶压机、压带机、环状压机等)中，且执行HPHT工艺(例如，范围在大约5.5GPa与7GPa之间的压力，以及范围在大约1340°C与1550 °C之间的温度)。
[0071]根据一个实施例，在图17中示出了将热稳定P⑶体连接至基体的方法300。该方法300包括获得选自无结合剂的PCD、非金属催化剂的PCD和经浸滤的PCD的组的热稳定P⑶体310。该方法300还可以包括在热稳定P⑶体中形成孔眼320和在基体中形成孔眼330。在一个实施例中，在热稳定P⑶体中形成孔眼320包括形成轴向通孔，在基体中形成孔眼330包括形成通常与热稳定P⑶体中的轴向通孔同心的圆柱形凹口。在一个实施例中，在基体中形成孔眼330还包括在基体的界面表面中形成多个半球形凹陷。
[0072]在一个实施例中，该方法300包括将多个球支承件插入到多个半球形凹陷中。该方法300还包括将紧固构件插入到热稳定P⑶体中的孔眼中以及基体中的孔眼中340。该方法300还包括将紧固构件结合至基体350，由此将热稳定PCD体连接至基体以形成切割元件。在一个实施例中，将紧固元件与基体结合350包括将热稳定PCD体、紧固构件和基体放置在压机中(例如，六面顶压机、压带机、环状压机等)，并且执行HPHT工艺(例如，范围在大约5.5GPa与7GPa之间的压力，以及范围在大约1340°C与1550°C之间的温度)。在一个实施例中，将热稳定PCD体可旋转地连接至基体。
[0073]在一个实施例中，虽然将热稳定P⑶体连接至基体的方法200、300可以分别包括上述的和图16和17中所示的每个任务，但是，在其他实施例中，可以没有其中一个或多个任务和/或可以执行另外的任务。此外，在根据一个实施例的将热稳定PCD体连接至基体的方法中，可以分别按照图13和14中所描绘的顺序执行任务。然而，本公开并不局限于此，并且可以按任意其他合适的次序执行任务。例如，在一个实施例中，在基体中形成孔眼的任务之前，执行在热稳定PCD体中形成孔眼的任务，然而，在另一实施例中，在热稳定PCD体中形成孔眼的任务之前，执行在基体中形成孔眼的任务。
[0074]图4-15所示的超硬体被形成为用于包含到切割工具中的切割元件。图18示出包含切割元件401的钻头400，该切割元件包括通过紧固构件404连接至基体403的热稳定PCD体402。钻头400包括钻头本体405，其可由基质材料形成，例如，渗入有合金结合剂材料的碳化钨粉末，或可以是机加工的刚体。钻头本体405包括在一端处的螺纹连接部406，用于将钻头400耦合至钻柱组件。钻头本体405的相反端包括具有切割元件支撑结构的钻头面409。在一个实施例中，切割元件支撑结构包括自钻头面409向外延伸并且圆周地设置在钻头面409周围的多个刀片407。每个刀片407包括多个切割器容器408，以接收并支撑设置在其中的切割元件401。钻头400可以被用于高温的凿岩作业。在其他实施例中，其他类型的钻井工具或切割工具可以包含具有形成切割元件的切割边缘的至少一部分的热稳定PCD体的切割元件，诸如例如，旋转钻头或牙轮钻头，冲击钻头或锤钻头，或剪切切割器。
[0075]尽管上面已经详细地描述了仅几个示例实施例，但是，本领域技术人员将意识到，在实际上不背离本发明的情况下，示例实施例中的许多修改是可能的。因此，所有这些修改都旨在被包括在如下权利要求中所定义的本公开的范围内。申请人的表达意图是不援引美国法典第35条112款的第6段用于本文的任何权利要求的任何限制，除了那些在权利要求与明确地使用词“用于...的装置”相关联的功能。此外，尽管本公开已经描述了用于机械地将热稳定多晶金刚石(PCD)体(例如，无结合剂的PCD、非金属催化剂的PCD和经浸滤的PCD)连接至基体的紧固构件，但是，本领域技术人员将意识到，本公开同样地适用于多晶金刚石(PCD)体和多晶立方氮化硼(PCBN)体。此外，可以用热兼容的碳化硅结合剂形成热稳定多晶金刚石(PCD)体。此外，在一个实施例中，仅多晶金刚石(PCD)体的一部分是热稳定PCD。例如，仅PCD体的一部分可以被浸滤并且PCD体的剩余部分可以是传统的PCD (例如，PCD体的工作面可以是经浸滤的PCD，而PCD体的界面表面可以是传统的PCD)。
【主权项】
1.一种切割兀件，包括: 多晶金刚石体，其具有工作面和与所述工作面相反的界面表面； 所述多晶金刚石体中的孔眼，其在所述工作面与所述界面表面之间延伸； 具有界面表面的基体； 紧固元件，其延伸通过所述多晶金刚石体中的所述孔眼；以及 在所述紧固元件的至少一部分与所述基体的至少一部分之间、在所述紧固元件和所述基体之间的界面处的冶金结合。
2.根据权利要求1所述的切割元件，其中，所述多晶金刚石体选自基本上由无结合剂的多晶金刚石体、非金属催化剂的多晶金刚石体、经浸滤的多晶金刚石体、碳酸盐多晶金刚石体和多晶立方氮化硼体组成的组。
3.根据权利要求1所述的切割元件，其中，所述多晶金刚石体的至少一部分选自基本上由无结合剂的多晶金刚石体、非金属催化剂的多晶金刚石体、经浸滤的多晶金刚石体、碳酸盐多晶金刚石体和多晶立方氮化硼体组成的组。
4.根据权利要求1所述的切割元件，其中，所述紧固元件包括第一碳化物材料，所述基体包括第二碳化物材料，所述第一碳化物材料不同于所述第二碳化物材料。
5.根据权利要求1所述的切割元件，其中，所述紧固元件包括第一碳化物材料，所述基体包括第二碳化物材料，所述第一碳化物材料与所述第二碳化物材料相同。
6.根据权利要求1所述的切割元件，其中，所述紧固元件包括具有钴结合剂基质的烧结碳化钨材料。
7.根据权利要求1所述的切割元件，其中，通过产生大约5.5GPa与7GPa之间的压力和大约1340 °C与1550°C之间的温度的高压高温烧结形成所述冶金结合。
8.根据权利要求1所述的切割元件，还包括所述紧固元件的至少一部分与所述多晶金刚石体的至少一部分之间的冶金结合。
9.根据权利要求1所述的切割元件，其中，所述孔眼是在所述多晶金刚石体的所述工作面与所述界面表面之间延伸的孔。
10.根据权利要求9所述的切割元件，还包括碳化物基体中的自所述基体的界面表面向下延伸的圆柱形凹口，其中，所述紧固元件是具有头部和自所述头部延伸的轴部的销，所述轴部延伸通过所述孔并且进入所述圆柱形凹口中，所述头部突出到所述工作面的一部分之上。
11.根据权利要求1所述的切割元件，其中，所述孔眼是沿所述多晶金刚石体的外周的至少一部分延伸的槽口。
12.根据权利要求11所述的切割元件，其中，所述紧固元件是与所述槽口大致互补的楔形夹具。
13.根据权利要求1所述的切割元件，还包括: 位于所述基体的界面表面中的多个半球形凹陷，其中，所述凹陷以圆形图案设置；以及 多个球支承件，它们安置在所述半球形凹陷中，其中，热稳定多晶体的界面表面与所述多个球支承件可滑动地接合，以便将所述多晶金刚石体可旋转地连接至所述基体。
14.一种钻头，其包括本体，所述本体上安装有如权利要求1所述的切割元件。
15.一种用紧固构件将热稳定多晶金刚石体连接至基体的方法，所述方法包括: 获得具有孔眼的热稳定多晶金刚石体，其中，所述热稳定多晶金刚石体选自基本上由无结合剂的多晶金刚石体、非金属催化剂的多晶金刚石体、经浸滤的多晶金刚石体、碳酸盐多晶金刚石体和多晶立方氮化硼体组成的组； 获得基体； 将所述紧固构件插入到所述孔眼中；以及 高压、高温烧结所述紧固构件、所述热稳定多晶金刚石体和所述基体，以在所述紧固构件和所述基体之间形成冶金结合。
16.根据权利要求15所述的方法，其中，获得所述热稳定多晶金刚石体包括形成所述热稳定多晶金刚石体和在所述热稳定多晶金刚石体中形成所述孔眼。
17.根据权利要求16所述的方法，其中，获得所述热稳定多晶金刚石体包括在高温和高压下烧结金刚石颗粒和非金属催化剂，以形成非金属催化剂的多晶金刚石。
18.根据权利要求16所述的方法，其中，获得所述热稳定多晶金刚石体包括使碳在没有催化剂材料的情况下经受超高压、高温烧结工艺，以形成无结合剂的多晶金刚石。
19.根据权利要求16所述的方法，其中，获得所述热稳定多晶金刚石体包括: 使金刚石粉末和催化剂经受高压、高温烧结工艺，以形成多晶金刚石体；以及 处理所述多晶金刚石体的一部分，以去除结合的金刚石晶体之间的间隙区域中的催化剂材料的大部分，以形成经浸滤的多晶金刚石。
20.根据权利要求15所述的方法，其中，高压、高温烧结所述紧固构件、所述热稳定多晶金刚石体和所述基体以在所述紧固构件与所述基体之间形成冶金结合包括:产生大约.5.5GPa与7GPa之间的压力和大约1340°C与1550°C之间的温度。
【专利摘要】本公开涉及包含被用于地下钻井应用的多晶金刚石体的切割工具，更具体地，涉及一种通过紧固构件连接至基体以形成切割元件的多晶金刚石体。多晶金刚石体可以是无结合剂的多晶金刚石、非金属催化剂的多晶金刚石、经浸滤的多晶金刚石、碳酸盐多晶金刚石或多晶立方体氮化硼。多晶金刚石体包括孔眼，紧固构件延伸通过孔眼并通过HPHT工艺冶金结合至基体。
【IPC分类】B24D3-10, E21B10-46
【公开号】CN104812988
【申请号】CN201380061913
【发明人】F·于
【申请人】史密斯国际有限公司
【公开日】2015年7月29日
【申请日】2013年9月19日
【公告号】CA2888354A1, EP2909418A1, US20140110180, WO2014065965A1