本领域中通常已知的是，高耐磨性不仅与较细的金刚石晶粒尺寸相关联而且与高 金刚石浓度即低金属含量相关联。在用于PCD材料的烧结所需的金属源自从粘结的硬质金 属基体的长程渗透的常规现有技术中，较细的金刚石晶粒尺寸总是与高金属含量相关联。 不能独立地可预选金刚石晶粒尺寸和金属含量。例如，在常规现有技术中，当平均晶粒尺寸 被选择处于10-1微米的范围内时，典型的金属含量从约9体积％逐渐增大至约12体积％。凭 经验，在这种常规现有技术中，无法获得用于具有小于10微米的平均金刚石晶粒尺寸的PCD 材料的低至5体积％的金属含量。
[0081] 相反，在一些示例中，可独立预选金刚石晶粒尺寸分布和金属含量。可利用平均晶 粒尺寸小于10微米、金属含量在5体积％和9体积％之间的细晶PCD材料以帮助开发在功能 工作体积中的PCD材料的高耐磨行为。
[0082] 为了使示例能在很大程度上未改变的牙轮钻头的设计和惯例和实践中使用，用于 牙轮钻头应用的示例的岩石去除体可包括体，其包括带有一端延伸至尖端的直立圆形柱 体，PCD材料体积被轴向不对称地设置为从尖端延伸或邻接尖端，粘结的硬质金属基体被设 置在相对的柱体端。尖端可由通常凸形的弯曲表面或多个表面形成。可选地，尖端可由两个 或多个平坦表面交汇形成尖端的通常凿子形状形成。
[0083] 通常凸形的弯曲表面或多个表面可采用半球体形式，例如分别采用扁长半球体形 式、扁圆半球体形式或半球形式。图8a、图8b和图8c是分别说明可采用这些示例的示意横截 面图。PCD材料体积、粘结的硬质金属基体和结合材料的薄层分别被标记为801、802和803。 P⑶材料体积801从尖端804延伸并且邻接尖端804。注意的是，在这些示例中，将PCD材料801 和粘结的硬质金属基体分离的界面结合材料层803与肩部805下方的柱形筒表面中的体的 自由表面相交，这被限定为延伸至通常凸形弯曲表面中的筒柱形表面的出发线。通常弯曲 表面或多个表面可采取带有圆形尖端的锥体形式，其中圆形尖端的半径是体的柱形部分的 半径的约1/4-1/2。这在图9a的示意横截面图中说明，其中PCD材料体积、粘结的硬质金属基 体和结合材料的薄层分别被标记为901、902和903 J⑶材料体积901从圆形尖端904延伸。
[0084] 另一示例被说明在示出具有形成尖端的通常凿子形状的示例的图9b中。PCD材料 体积、粘结的硬质金属基体和粘合材料的薄层分别被标记为901、902和903。说明的凿子形 状包括带有圆形尖端904的锥形表面905,其由在尖端904汇合的两个对称平坦倾斜表面906 修饰。将PCD材料体积901和粘结的硬质金属基体902分离的界面结合材料层903与肩部907 下方筒中的体的自由表面相交，这被限定为延伸至锥形弯曲表面的筒柱形表面的出发线。 [0085] 在图8a_图8c、图9a和图9b中，界面结合材料层803和903是材料薄层，材料薄层从 在制造期间用于将PCD材料体积801和901与粘结的硬质金属基体802和902分离的屏障层材 料的使用中存在。屏障层材料在高压高温制造过程期间帮助硬质金属基体的熔融粘结金属 与PCD材料体积的熔融催化剂/溶剂金属隔离。
[0086]粘结的硬质金属基体帮助能使为牙轮钻头制造开发的钎焊技术的标准惯例和实 践以基本上不变的形式应用。此外，用于示例的每个设计的所选最小尺寸的基体可帮助能 够存在足够的粘结的硬质金属基体自由表面面积以将足够的结合强度提供至用于接合的 钎焊层。
[0087]利用用于牙轮钻头应用的PCD的现有技术岩石去除元件照惯例开发通常厚度为 1 · Omm-2 · 0mm的rcD材料薄层，以在凸形弯曲表面或多个表面处形成外壳。这在图4中说明。 与此相反，此处描述的示例不限于PCD材料薄层并且可开发可占据与凸形弯曲表面或多个 表面、锥形表面或通常凿子表面的尖端相邻并且邻接的大体积的PCD材料体积。
[0088] 在图8a_图9b中，虚线806和虚线908指示在岩石去除元件或体的寿命结束时在凿 岩应用期间形成的磨痕的最终位置。PCD材料体积801和901的尖端804和904指示首先被制 成压在岩层上的岩石去除体的部分。804和虚线806之间的PCD材料体积807以及904和虚线 908之间的PCD材料体积909分别是在岩石去除应用中的使用期间逐渐磨损的PCD材料的体 积。这些体积807和909随后将被称为功能工作体积。在体积807和909外部的复合体的体积 的剩余部分随后将分别被称为功能支撑体积。功能支撑体积在体的寿命结束时存在并且包 括在寿命结束之后连同界面层803和903和粘结的硬质金属基体802和902-起剩下的PCD材 料体积801和901的一部分。
[0089]对于在图8a_图9b中说明的示例中的每个，PCD材料体积801和901的厚度分别被定 义为在轴向方向上从尖端804和904沿体的轴线至界面结合屏障层803和903的距离。
[0090] 界面结合薄层803和903可以是平坦的并且平行于如图所示的基体的圆形柱体端。 可选地，界面薄层803和903可相对于基体的平坦端自由表面通常弧形弯曲。弧形性质可相 对于基体的这个自由表面凸出。
[0091] 因此，一些示例可包括将PCD材料体积结合至粘结的硬质金属基体的界面、其粘结 的硬质金属基体包括来源于难熔材料的第三材料的层例如薄层，第三材料的层充当作为在 高压高温制造过程期间硬质金属基体的熔融的结合材料和PCD材料的熔融的催化剂溶剂烧 结助剂的金属扩散阻挡屏障材料。
[0092] 在牙轮钻头应用中的岩石去除元件主要通过由岩石表面上的压痕的压碎动作操 作。因此，在这种应用中，压在岩石上的岩石去除元件有必要具有高的抗压强度。典型的牙 轮钻头设计采用带有被插入辊的表面中的突出岩石去除元件的锥形辊。在凿岩期间，锥形 辊在岩石的表面周围滚动使得岩石去除元件的尖端循环压在岩石表面上。因此，这种周期 性旋转动作总是涉及一定程度的冲击载荷，岩石去除元件在这些体的尖端附近和在这些体 的尖端处被暴露至冲击载荷。粘结的硬质金属岩石去除元件传统上已经在这种应用中使 用，因为它们具有用于特别用于软岩层的这种压碎动作的足够的强度和耐冲击性能。然而， 粘结的硬质金属岩石去除元件在这种应用中关于它们的耐磨性性能有所不足并且常常经 受可能限制其有用性的不幸过度磨损。现有技术的系统照惯例包括在粘结的硬质金属岩石 去除元件的尖端处的PCD的相对薄层以通过在尖端处提供大大提高耐磨性试图减轻这种不 足的耐磨性。然而，这些厚度受限的PCD材料(达到约1mm)不能在岩石去除元件的强度方面 提供显著的改善并且由于在PCD层中的不可避免的高拉伸残余应力会经受容易碎裂和散 裂。本申请人已经认识到，这种应力是在制造期间由被结合至粘结的硬质金属基体的PCD层 或体积的不同收缩导致的弯曲效应的结果。
[0093]常规结构的PCD薄层通常涉及功能分级以处理局部高界面应力。因此，这种常规现 有技术可被视为使用PCD将增强的耐磨性提供至将仍然以碳化物的压缩性能为主的牙轮锥 形体。与此相反，此处描述的一些示例通过使用大的PCD材料体积开发超过碳化物的PCD的 优异抗压强度，从而可帮助提高PCD的耐磨性。
[0094]在一些示例中，P⑶材料的实际体积可至少占据功能工作体积。因此，P⑶材料体积 可为岩石去除元件的压碎动作提供所需的强度和耐冲击性。均匀的、烧结良好的PCD材料的 一般整体机械性能可远远优于用于这些目的的通常粘结的硬质金属材料。具体地，在一些 示例中，PCD材料的硬度可比通常在牙轮钻头凿岩应用中使用的通常钴粘结的碳化钨硬质 金属的硬度大2倍-5倍。这意味着示例中的一些的PCD的机械耐磨性可大大高于这种粘结的 硬质金属，而且PCD材料等级的测量抗压强度(大于6700MPa)可比获得的用于大多数钴粘结 的碳化钨硬质金属(例如范围在3500MPa-5500MPa)的抗压强度大。示例中的一些的P⑶材料 的断裂韧性的范围可在9-10.5MPa.nf* 3·5中，其对于这种硬质材料较高。因此，在开发大总体 PCD材料体积的示例中，由于性质的这种组合，它们在本申请中可显示非常良好的行为，其 可远远好于通常的粘结的硬质金属。
[0095]为了帮助能够开发PCD材料的体积性质，在一些示例中的PCD材料体积必须足够大 并且避免诸如在通常现有技术PCD中开发的薄层。此外，具有与在压碎动作期间施加的力的 方向成直角的增加的横截面面积的大块PCD材料可从P W Bridgman2教导的大质量支撑概 念中获益。当PCD材料体积从尖端延伸并且具有通常凸形性质时，用于牙轮凿岩应用的此处 描述的示例中的一些具有这种几何形状。因此，当它们压在岩石上并且压碎岩石时，这些示 例可享受为它们尖端提供大质量支撑的PCD材料的高刚性的好处。在这些应用中这种PCD材 料的非常高的刚性可优于通常粘结的硬质金属显示的刚性。
[0096] 对于牙轮凿岩的一般应用，在示例中的一些中，在体的柱形部分的轴向上从尖端 至与粘结的硬质金属基体的界面的PCD材料体积的厚度等于或大于直立圆形柱体的半径。 在轴向上从尖端延伸的功能工作体积的最大限度可小于PCD材料体积厚度。这帮助实现PCD 材料体积的最小厚度和PCD材料相对于整体岩石去除体体积的最小体积。
[0097] 描述的示例可包括粘结的硬质金属基体。在制造期间为了帮助能够制造被结合至 粘结的硬质金属基体的相对大块PCD材料，对于硬质金属基体的恪融粘结金属来说，被防止 与用于PCD材料体积的烧结所需的熔融催化剂/溶剂金属相互作用可能是有利的。如在用于 刮刀钻头应用的示例的上下文中先前解释的，难熔金属层或一些陶瓷层可在被结合至粘结 的硬质金属基体的PCD材料的制造期间用作金属扩散阻挡屏障。
[0098] 对于牙轮钻头应用，将PCD体积结合至粘结的硬质金属基体的界面可包括例如源 自难熔材料的第三材料薄层，其在高压高温制造过程期间充当作为硬质金属基体的熔融结 合材料和PCD材料的熔融催化剂烧结助剂的金属扩散阻挡屏障材料。因此，PCD材料体积的 金属成分和硬质金属基体的粘结金属可彼此独立、可独立地衍生、在高压高温过程期间无 相互作用、可通过测量区分并且可被预选成关于合金组成不同。
[0099]如上所述，示例的PCD的潜在优点/好处之一可以是得到的PCD材料显示出非常高 的均匀程度，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 别和级别以上在空间上恒定并且不变。为了帮助实现此，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被产生，使得金属总是小于金刚石颗粒尺寸。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。该方法的细节在下面的示例中陈述。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优选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材料可具有提高的效用。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，如上所 述这可允许残余应力最小化方面的充分开发。因此，对于牙轮钻头应用，一些示例性材料的 PCD材料至少包括功能工作体积，并且是均匀的，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约3倍。
[0100]在用于地下凿岩的普通牙轮钻头应用中，岩石去除元件主要通过如图4中指示的 压碎岩石操作。图4示出利用从尖端延伸的常规现有技术PCD材料的薄层(约1mm)的岩石去 除元件的通常示例。虽然在这种现有构造中，益处可来源于超过粘结的硬质金属的PCD的非 常高的耐磨性，但是PCD层的潜在的严重寿命限制分层和碎裂和散裂经常发生。这种宏观裂 纹现象的来源可主要与在PCD材料薄层中和在与PCD材料和粘结的硬质金属之间的结合的 界面紧密相关的粘结的硬质金属基体中的高量级的拉伸残余应力分布相关联。在本公开的 文本中，从岩石去除元件的尖端延伸的功能工作体积中的残余应力分布是主要的考虑因素 并且必须设法减轻诸如碎裂和散裂的宏观裂纹行为。就这一点而言，形成允许制成被结合 至硬质金属基体的大体积PCD材料的一个或多个示例的方法可有很大的好处。
[0101]在图8c中示出的示例是这样的图示，借此，PCD材料体积的通常凸形弯曲表面是半 球形的。
[0102] 图10a-图10d是基于提供PCD材料体积和粘结的硬质金属基体中的残余应力分布 的图8c、通过有限元分析(FEA)所得的一系列示例。这种FEA技术在本领域中已经得到公认 并且提供指示压缩应力场和拉伸应力场、在应力场中的应力最大值的位置和有意义的应力 梯度比较的半定量和定性信息。图l〇a-图10d的示例是针对16mm的柱形直径和从尖端沿轴 线至基部的整个长度为27_的体。这些尺寸被选择为在常规牙轮钻头设计、惯例和实践中 使用的示例。从用于图l〇a_图10d的示例的FEA分析中得出的结论被认为可适用于例如在图 8a_图8c、图9a和图9b中指示的示例的尺寸和形状的变型。
[0103] 特别地，图10a、图10b、图10c和图10d是示出通过灰色阴影区分的主残余应力幅度 的区域的岩石去除体示例的轴向横截面。不同阴影区域之间的边界可被解释为等应力轮廓 线。对于图l〇a、图10b、图10c和图10d，被表达为从尖端1001沿轴线至P⑶材料的界面即至轴 线1002上的边界层的距离的P⑶材料层的厚度分别是2mm、8mm、10mm和16mm。线1003表示将 线上方的PCD材料体积与线下方的粘结的硬质金属基体分离的薄界面结合屏障材料。这种 界面结合屏障材料由于非常薄，所以在这些图中由单线1003表示;边界层材料不会显著改 变提供的残余应力信息。整体压缩的区域或体积由交叉影线指示。在这些指示的压缩区域 之外，各级主拉伸应力由不同的灰色阴影指示。在沿轴线朝界面结合屏障层1003的方向上 的粘结的硬质金属基体中，拉伸应力幅度随着在界面线1003正下方并且由位置1004指示的 拉伸应力最大值增大。在这些实施例中、从尖端1001延伸至虚线1005的恒定厚度的功能工 作体积被认为不变。
[0104]在图10a中，界面结合屏障线1003和功能工作体积的边界1005重合。在这种情况 下，功能工作体积和PCD材料体积是同一个。用于该示例的目的，从1001沿轴线至虚线1005 的功能工作体积的厚度已经被选为2mm。凭本发明人的经验，最临界的拉伸残余应力方面是 在或接近岩石去除体的自由表面处的高拉伸最大值。在图l〇a_图lOd表示的示例中，这些分 别由1004和1006指示。1006表示在或接近PCD材料体积的自由表面处在边界线1003上方的 PCD材料体积中的拉伸最大值。PCD材料体积中的拉伸应力最大值1006以轴向拉伸应力为 主。在图10a的情况下，最大应力1006具有轴向分量和径向分量。在粘结的硬质金属基体中 在界面边界1003正下方的拉伸应力最大值1004以箍形放射状拉伸应力的组合为主。
[0105] 在图10a、图10b、图10c和图10d中，岩石去除体的凸形弯曲表面与柱形筒表面接合 的位置由可被描述为体的肩部的1007指示。肩部可被进一步描述并且定义为延伸至通常凸 形弯曲表面中的柱形筒表面的出发线。
[0106] 在图10b中，肩部位置1007与界面边界线1003和体的自由表面的的交点重合。注意 的是，因为图l〇a、图10b、图10c和图10d被认为是PCD材料体积的厚度和体积逐渐增大，所以 临界拉伸应力位置1004和1006都迅速地远离不变的功能工作体积的位置移动。因为这些临 界点远离功能工作体积移动，所以分层、碎裂和散裂的可能性逐渐变小。特别地，当临界应 力位置1006发生肩部1007下方时，两个临界应力位置1004和1006均可被认为距离不变的功 能工作体积足够远使得功能体积的分层、碎裂和散裂的可能性变得微不足道。
[0107] 在具有用于PCD材料体积的通常凸形弯曲表面、采取半球体形式的一些示例中，这 些示例具有将PCD材料体积和粘结的硬质金属基体分离、与肩部下方的柱形筒表面中的体 的自由表面相交的界面结合材料，这被定义为延伸至PCD材料体积的通常弯曲表面中的筒 柱形表面的出发线。PCD材料体积的通常凸形弯曲表面的半球体形式可以是如在图8a、图8b 和图8c中分别描绘的扁长半球体、扁圆半球体或半球形。
[0108] 图10c和图10d示出主残余应力分布，其中界面结合材料层1003在肩部1007下方的 柱形筒表面处与体的自由表面相交。对于图l〇c-图l〇d，从尖端1001沿轴线1002即至界面结 合线1003的PCD材料厚度分别增大从10mm至16mm。注意的是，临界高拉伸应力最大值1004和 1006的位置现在逐渐移动至距离功能工作体积，即在虚线1