程渗入PCD体积导致PCD材料体积的整个厚度被限制至通常 小于3mm 〇
[0046] 此处描述的一些示例提供不存在这种与熔融金属渗透相关的关于PCD材料体积尺 寸和厚度的限制的装置。为了向PCD材料体积尺寸提供相对不受限制的级别，PCD材料所需 的金属可独立地来源于硬质金属基体的粘结金属并且与硬质金属基体的粘结金属分离。任 何一般简单形状直到由可用的高压高温设备限定的尺寸的P⑶材料体积可通过为来自颗粒 金刚石的起始质量与金属颗粒紧密并且均匀地结合的PCD材料提供必要的金属制成。因此， PCD材料体积的金属成分和硬质金属基体的粘结金属彼此独立、独立地衍生并且在高压高 温过程中不相互作用。此外，在此处描述的示例的岩石去除元件中，PCD材料体积和硬质金 属基体的金属成分是显著不同并且被预先选择为它们的元素组成不同。
[0047] 硬质金属基体的熔融粘合剂金属可被防止渗入复合材料的多晶金刚石体积，实现 PCD体积和硬质金属基体体积的这种冶金学的分离和隔离的手段的示例是在所述体积之间 提供能够防止基体的熔融金属和PCD材料体积的显著交叉污染的屏障层603。可以这种方式 操作的屏障层可包括具有明显高于用于PCD材料的催化剂/溶剂金属的熔点以及硬质金属 基体的粘合剂金属的熔点的材料。另外，这种金属可与用于PCD材料的催化剂/溶剂金属和 用于硬质金属基体的熔融粘合剂金属缓慢地合金化和反应。后一点可帮助为PCD材料和基 体材料提供足够的屏障行为以及结合行为。可满足这些行为的金属的示例可包括包含钽、 钒、铌、钼、锆的难熔金属及其合金。
[0048] 诸如氮化物、硼化物和碳化物的一些陶瓷材料也可满足所要求的标准。这种陶瓷 的一些示例是氮化钽、氮化钛、氮化铝、氮化硅及混合氮化物。在一些示例中，可使用50微 米-500微米厚的连续锆金属屏障层或结合层。在一些示例中，屏障层可包括50微米厚的钽 金属层或锆金属层。并且，在一些实施例中，周期表的IVa、Va和/或Via族的元素和B、Si和A1 的薄层氮化物/硼化物和/或碳化物，包括例如了 &^82、2沾2^113丨必4^182和2冰、难熔金 属、固体溶液例如(Ti，Al)N及其混合物可被使用并且可使用物理气相沉积(PVD)或化学气 相沉积(CVD)技术来应用。在一些示例中，PCD体积和硬质金属基体之间的屏障层可包括厚 度大于约3微米的连续氮化钛(TiN)层。当PCD层和基体之间的界面几何形状具有非平面几 何形状时，这些屏障的薄层可具有特别的效用。
[0049] 因此，示例可包括将多晶材料体积结合至粘结的硬质金属基体的界面，其由源自 难熔材料的第三材料的薄层组成，第三材料的薄层作为在高压高温过程期间硬质金属基体 的熔融的粘结材料的金属扩散阻挡屏障材料和多晶金刚石材料体积的熔融的催化剂烧结 助剂。
[0050] PCD材料体积的金属成分和硬质金属基体的粘结金属彼此独立，其是由于屏障材 料层的存在在高压高温过程期间防止彼此相互作用的结果。
[0051] PCD材料体积和硬质金属基体的粘结金属的冶金学的这种独立性可帮助允许针对 用于PCD材料体积和硬质金属基体中的每个的特别期望的组成和性质独立地预选这些金属 成分中的每个。这与PCD材料体积的金属完全地或部分地源自硬质金属基体的粘结金属的 大多数的常规现有技术PCD形成对比。例如，可期望基于粘结金属开发耐腐蚀等级的碳化钨 硬质金属。这种耐腐蚀性经常且通常通过用诸如镍和铬的元素合金化钴粘结金属或用更耐 腐蚀合金完全替换它来实现。这些合金化剂很可能不是PCD材料体积的金属的理想的或所 希望的成分。就这一点而言，诸如铬的元素和其它稳定的碳化物形成金属将在PCD材料体积 的金属网络中始终并且必定形成析出碳化物。这种析出的碳化物很可能不期望地改变PCD 材料体积的属性。
[0052]与此相反，此处所描述的一些示例可在不经受PCD材料体积的这种潜在不期望的 冶金学的情况下允许开发基体材料的大大扩展范围。另一个示例很可能是使用粘结有用于 基体的镍硬质金属材料的碳化钛同时开发已经确定的简单钴PCD材料体积冶金学。因此，大 大扩展的材料设计能力与PCD材料体积的冶金学和粘结的硬质金属基体的冶金学相互依赖 的常规现有技术相比是可能实现的。
[0053]因此，在一些示例中，PCD材料体积的金属成分和硬质金属基体的粘结金属彼此独 立、独立地衍生、在高压高温过程期间不相互作用、通过测量可区分并且被预先选择为关于 合金组成不同。因为PCD材料体积的金属的作用是充当用于金刚石从溶液再结晶的熔融催 化剂/溶剂，所以PCD材料体积的金属成分可以是能够充当用于金刚石从溶液再结晶的催化 剂/溶剂的高碳含量的过渡金属合金。这些包括例如诸如钴、镍、铁、锰的过渡金属及其合 金。高碳含量的钴可以是用于PCD网络的形成的催化剂/溶剂。相反地，硬质金属基板的粘结 金属将已充当用于碳化物硬质材料的烧结的液相。因此，这种粘结金属将倾向于是含有硬 质金属碳化物和碳化物固溶体的金属元素或元素的合金。典型的这种粘结金属是例如用于 基于碳化钨钴的硬质金属的钴钨固溶体或用于基于碳化钛镍的硬质金属的钛镍固溶体。即 使PCD材料体积的金属成分和硬质金属基体的粘结金属都是主要的并且是诸如钴的基本上 相同的金属元素，但是它们在这个示例中通过测量可区分。前者与用于后者的钴钨合金相 比将是高碳钴合金。一些示例的P c D材料体积的金属成分和硬质金属基体的粘结金属可被 预选为关于它们的合金组成不同。PCD材料体积的金属成分可使用现有技术中熟知的标准 分析技术被示出合金组成不同。这些技术包括在扫描电子显微镜上的能量色散分析(EDS)、 X射线衍射和湿化学分析。
[0054]在普通刮刀钻头地下凿岩中已经观察到，当诸如在图6中示意地描绘的那些的柱 形岩石去除元件的寿命不是通过过早碎裂和散裂确定时，在寿命结束时的功能工作体积的 典型尺寸使得剩余磨痕沿柱形表面的筒向下延伸3mm左右。这在图6中由虚线604和柱体的 筒的交点指示。在这种情况下，岩石去除体的寿命已经通过正常磨损行为而不是通过宏观 断裂确定。这是一种理想状况，因为诸如碎裂和散裂的宏观断裂是可变的不受控制的过早 破坏。然而，必须强调的是，根据本发明人的经验，常规现有技术岩石去除元件设计具有主 要通过碎裂和散裂宏观裂纹相关的现象来确定的它们的寿命。此处描述的示例可帮助提供 通过其可达到期望的正常磨损主导行为的手段。就这一点而言，任何给定示例的残余应力 分布将是主要的考虑因素。更具体地，创造了一些示例，其特征是降低拉伸应力最大值、将 这些最大值偏离功能工作体积周围和减小功能工作体积中和附近的拉伸应力梯度。通过这 种方式，在使用中可降低宏观裂纹扩展的可能性。
[0055] 俗称为刀具的最普通的常规岩石去除元件通常都是带有在筒处一般约2.5mm、很 少和特殊地约的P⑶材料体积尺寸的直立圆形柱体。直径和长度通常根据下面表1 中给出的规格来选择。
[0056]
[0057] 塑
[0058] 所述示例可针对标准配置中的任何一个。1616配置将用于举例说明可适用于表1 中的所有配置的各种特征。
[0059] PCD材料体积可被制成任何预定的尺寸。在还指定平坦的平面界面边界的1616示 例的上下文中，PCD材料体积因此可被选择为具有在总长度的限制内的任何厚度。图7a、图 7b和图7c是给出用于1616配置的残余应力分布的主要特征并且分别比较厚度是2mm、5mm和 8_的PCD材料体积的半剖面示意图。提供的应力分布给出主残余应力的信息，因此，没有信 息被提供在应力方向的任何给定位置处。残余应力分布信息使用现有技术中熟知的ABACUS 有限元分析(FEA)计算机程序包和一般工程实践产生。用于分析的PCD材料和粘结的硬质金 属材料的性质如下。在分析中使用的PCD材料和粘结的硬质金属材料的弹性模量分别是 1020GPa和550GPa。分析中使用的PCD材料和粘结的碳化物材料的热膨胀的线性系数分别是 tOlppnflT1和δ.δρρπ^ΙΓ1。线701表示来源于难熔屏障材料的平面界面边界第三材料的薄 层。为了这次分析的目的，不包括关于这个边界结合薄层的细节，因为PCD材料和粘结的硬 质金属基体两者中的残余应力分布的一般半定量和定性性质不被这种详细信息明显改变。 然而，这种边界结合薄层可操作以使跨越边界的应力局部分级。虚线702表示最终磨痕表面 的位置，即，在寿命结束时功能工作体积的最终程度。因此，在使用期间逐渐被磨损的材料 从线702延伸至PCD材料体积的圆周边缘703上的位置，该PCD材料体积的圆周边缘703指示 在使用开始时岩石去除元件或刀具的第一接触点。
[0060] 如已经提到的，根据发明人的经验，在寿命结束时功能工作体积的尺寸被选择为 处于柱形面的筒的垂直向下约3mm。
[0061]最终磨痕702相对于柱形筒的垂直线的角度704取决于相对于岩石表面的所选倾 角。该角度被选择为20°以用于此分析的目的并且是在实践中使用的典型角度。这意味着在 寿命结束时功能工作体积沿顶部平坦表面距703的径向程度将是约1. 1mm。
[0062] 705标注的线表示在粘结碳化物基体中的主拉伸等应力轮廓线。这条线和基体的 基部和筒自由表面之间的体积由非常低量级的主拉伸应力场占据。在705和表示屏障层701 的线之间，在屏障701的方向上存在当接近屏障层时随着变得越来越强的应力梯度的增加 而在幅度上增加的主拉伸应力场。线706表示中间主等应力轮廓线。
[0063]虚线707指示在屏障层701的正下方的基体材料中的最大主拉伸应力的位置。注意 的是，主应力在粘结的硬质金属碳化物中的所有位置处拉伸。PCD材料体积中的线708表示 将处于压缩的PCD材料的阴影线体积与占据PCD材料体积的剩余部分的普通拉伸场分离的 零应力轮廓线。709和710分别指示主拉伸应力最大值的两个位置。主拉伸应力最大值709占 据在屏障层701的稍微上方的PCD材料体积的圆周筒表面处的位置。这个主拉伸应力最大值 709以轴向拉伸应力为主。主拉伸应力最大值710占据PCD材料体积的平坦顶部自由表面上 的位置。这个主拉伸应力最大值710以径向拉伸应力为主。
[0064]在厚度为2mm的PCD材料体积的图7a中，应注意的是，表示在寿命结束时的最终磨 痕的虚线702与边界层701相交并且延伸至粘结的硬质金属基体的高拉伸区域中。此外，虚 线702和虚线703之间的材料的体积即功能工作体积包含拉伸最大应力709。所以，在应用期 间的功能工作体积逐渐磨损期间，朝线702平行移动的磨痕将与轴向拉伸最大值709相交， 然后与粘结的硬质金属基体707中的屏障层701下方的高拉伸位置相交。
[0065]发明人已经观察到，当磨痕与这种拉伸应力最大值和高拉伸应力梯度相交时，宏 观裂纹在由普通残余应力场和梯度引导的PCD材料体积中的磨痕的后面扩展。这种裂纹可 能导致碎裂和散裂以及使这些岩石去除元件或刀具的使用寿命过早结束。因此，在一些应 用中，可不希望在图7a中描绘的PCD构造，因为最终磨痕位置702跨越边界701并且延伸至粘 结的硬质金属基体中。
[0066]相比之下，图7b说明厚度为5mm的P⑶材料体积的示例。注意的是，功能工作体积关 于位置和级别不变。在这个示例中，最终磨痕位置702不跨越边界701，因此不延伸至粘结的 硬质金属基体中。此外，在图7b的示例中的功能工作体积不包括拉伸应力最大值710,且因 此占据大大降低了残余应力和梯度的体积。这种示例可能更有利，因为现在可显著降低导 致碎裂和散裂的宏观裂纹扩展至自由表面的可能性。
[0067]图7b的示例和图7a的PCD构造的区别因素是最终磨痕702与屏障边界层701的交叉 和相交。一般而言，最终磨痕位置702与边界层701不交叉和相交的示例可能是有利的。在这 些刮刀钻头示例的使用中功能工作体积被认为是不变的，使得最终磨痕702在柱形刀具的 圆周筒表面下方延伸约3mm，因此，PCD材料体积从其圆周边缘轴向沿柱体的弯曲筒的厚度 为3mm或更大的示例是此处描述的示例中的一些的特征。
[0068] 当考虑PCD材料体积中的残余应力分布特征时，在图7c中描绘的PCD材料体积厚度 为8mm和粘结的硬质金属基体也为8mm的示例指示对图7b的实施例的进一步改进，因为拉伸 最大值709和710从功能工作体积的位置被进一步偏移。此外，当PCD材料体积的厚度增加 时，在功能工作体积中的拉伸应力梯度逐渐降低。这可通过考虑在功能工作体积中分别表 示在轴向和径向拉伸应力梯度的方向的箭头711和箭头712被进一步说明。
[0069] 表2给出平均主拉伸应力梯度711和712的估计值。可看出，这些估计值指示，当PCD 材料体积的厚度从2mm增大至8mm时，拉伸应力梯度711以数量级逐渐减小而拉伸应力梯度 712以约4的倍数逐渐减小。因此，这种分析指示当PCD材料体积的厚度从约3mm增大时，在功 能工作体积中的破坏性小的拉伸残余应力分布可逐渐发展。
[0070]
[0071] 整
[0072]当PCD材料体积的厚度变得越来越大时，拉伸应力最大值709和710在PCD材料体积 的自由表面处逐渐变得越来越远离功能工作体积的有益偏移的趋势可继续。然而，当PCD材 料体积的厚度变得更大时，在粘结的硬质金属基体中的主拉伸应力可在在幅度上和程度上 增大。这可通过当P⑶材料体积的厚度分别从2mm变化至5mm，从5mm变化至8mm时比较用于图 7a、图7b和图7c的最大主拉伸应力707看出。注意的是，这个最大主拉伸应力的程度逐渐扩 张并且沿边界层701扩展。这个最大主拉伸应力707以在环箍方向即沿圆周方向的主拉伸应 力为主。然后，形成并且延伸至该区域中的裂纹将趋于在直径方向上分离硬质金属基体。这 对于PCD材料层与粘结的硬质金属基体相比较大的情况的确被观察到。
[0073]此外，也可从图7a、图7b和图7c的比较看出，当硬质金属基体的厚度或长度变小 时，从基体的基部朝界面边界701延伸的主拉伸应力梯度显著增加。这是逐渐不令人满意的 情况，其进一步增加导致岩石去除元件损坏的裂纹在粘结的硬质金属基体中扩展的可能 性。
[0074]发明人凭经验已经发现，当P⑶材料的体积小于整个岩石去除体的体积的50%时， SP，当PCD材料体积的厚度与从体的圆周边缘沿柱体的弯曲筒表面测量的粘结的硬质金属 基体的长度或厚度之比小于1.0时，可大大减少硬质金属基体的直径分裂的发生。
[0075] 对于如图7a、图7b和图7c中说明的直径为16mm且长度为16mm的直立圆形柱体，这 可被表达为使得PCD材料体积是具有厚度为3mm或以上的柱形层以及边界层和粘结的硬质 金属基体的组合厚度为8mm或更大，PCD材料体积边界和粘结的硬质金属基体之间的界面是 平坦的、平面的并且平行于PCD岩石去除体的基部。这意味着PCD材料体积层的厚度对于这 些构造在3mm和8mm之间。
[0076] 更一般而言，对于在表1中列出、包含直径范围在12mm-20mm内并且体的整体长度 在llmm-20mm内的柱体的结构，PCD材料体积是具有厚度为3mm或更大的柱形层并且结合边 界层和粘结的硬质金属基体的组合厚度为8mm或更大，PCD材料体积和粘结的硬质金属基体 之间的粘合界面是平坦的、平面的并且平行于柱形岩石去除体的基部。
[0077]示例中的一些的P⑶的优点和好处之一是所得的PCD材料显示出非常高的均匀度， 因为金刚石网络体积与金属网络体积之比在与金刚石晶粒尺寸直接相关的级别和以上级 别在空间上恒定并且不变。这可通过产生均匀混合有精确确定量的金属颗粒的金刚石颗粒 的起始颗粒质量使得金属总是小于金刚石颗粒尺寸来实现。方法可涉及将金刚石颗粒悬浮 在液体中以及使用于所需金属的前体化合物在金刚石颗粒的表面上成核和生长。然后，前 体化合物通过在还原炉环境中热处理被方便地转化成附接至金刚石表面的纯金属。具体 地，通过这种方法在所得的PCD材料中可获得的均匀性可在大于平均金刚石晶粒尺寸的10 倍的级别下证明和测量。对在这种均匀材料的情况下的金刚石晶粒尺寸分布的进一步约束 是最大晶粒尺寸小于平均金刚石晶粒尺寸的3倍。如果它们至少包含功能工作体积，则这种 均匀的PCD材料可具有最好的效用。就这一点而言，均匀性可允许避免引起基于不均匀性缺 陷结构的局部应力发生。反过来，这可允许残余应力最小化方面的充分开发。
[0078] 因此，在示例中的一些中，至少包含功能工作体积的PCD材料是均匀的，因为金刚 石网络体积与金属网络体积之比在空间上恒定并且不变，其中均匀性在大于平均晶粒尺寸 的10倍的级别下测量，最大金刚石晶粒尺寸小于平均金刚石晶粒尺寸的3倍。
[0079] 被应用至示例的残余应力相关的标准可允许诸如碎裂和散裂的宏观裂纹相关行 为的可能性降低使得它们成为次要考虑因素。在岩石去除应用期间，用于针对刮刀钻头应 用的这些示例的性能的主要考虑因素现在可被认为是正常磨损行为。然后，可有利地开发 显示提高的耐磨性的PCD材料组合物和结构。
[0080]