005和尖端1001之间的PCD的体 积甚至更远的位置。这被认为是逐步越来越有利的。此外，注意的是，从图l〇c-图l〇d，功能 工作体积中的拉伸残余应力逐渐变低。并且注意的是，在图l〇d中，功能工作体积中的拉伸 残余应力接近零。另外，对于这范围的示例，横跨功能工作体积的拉伸应力的梯度可非常 低，例如小于约1 〇MPa/mm，其可被认为可忽略不计。
[0109] 在这些示例利用非常靠近轴向的施加载荷压在岩石表面上的应用中，紧邻尖端的 功能工作体积中的这些低拉伸应力会被施加的载荷大部分抵消。显然，在从图l〇c的示例逐 渐移动至由图l〇d表示的示例中，PCD材料的体积从小于硬质金属基体的体积变为大于硬质 金属基体的体积。当PCD材料体积的体积大于粘结的硬质金属基体的体积时，由图10d表示 的示例可具有用于诸如用于牙轮钻头应用的岩石去除体的一些应用的更有利的通常残余 应力分布。然而，如前所述，描述的所有示例优选具有足够硬质金属基体的表面面积以实现 与牙轮钻头壳体或圆锥形辊的足够接合和结合。生成柱形硬质金属基体的长度大于柱形粘 结的硬质金属基体的半径可帮助实现此。另外，当PCD材料体积的体积大于粘结的硬质金属 基体的体积时，PCD材料增加的体积通过对压在岩层上的尖端的质量支撑的增加将强度加 入至整个体。
[0110] 这种示例可期望碎裂、散裂和分层的可能性降低。此外，因为在功能工作体积中和 在功能工作体积附近的残余应力相关的过早破坏现象被归入次要考虑因素，所以这种示例 可允许开发PCD材料(具有在1微米-30微米的范围内的平均金刚石晶粒尺寸)关于加载情形 典型的牙轮钻头应用的特殊性能，其中岩石主要通过压碎动作去除。这些特性主要是通过 诸如约lOOOGPa的弹性模量、大于1200MPa的横向断裂强度和由约9.5ΜΡ &.πΛ5的断裂韧性测 量(KC)表现的足够的耐冲击性的性能测量表现的PCD材料的高刚度的组合。这些测量可利 用本领域中已经认可的技术和技术文献进行。因此，针对牙轮钻头应用的示例中的PCD材料 可具有1微米-30微米范围内的平均晶粒尺寸、与良好共生的金刚石结构均匀，如在三点弯 曲实验中测量的这种横向断裂强度大于1200MPa。在这种范围广泛的PCD材料中，在这种特 殊应用中，具有最尚抗压强度的PCD材料可能是有利的。这意味着，金刚石含量$父尚的PCD材 料类型具有良好的共生性。通常，这些将是具有诸如在10微米-30微米的范围内的较大平均 晶粒尺寸的材料。
[0111]如上所述，用于刮刀钻头应用或牙轮钻头应用的一个或多个示例可具有难熔金属 扩散阻挡屏障材料，其可在高压高温下制造过程期间帮助防止硬质金属基体的熔融粘结金 属和PCD材料体积的熔融催化剂/溶剂金属彼此相互作用。另外，这种材料也可提供PCD材料 体积和粘结的硬质金属基体之间的结合。可用作此目的的典型材料可例如是例如选自钽、 钒、钼、锆、钨及其合金中的一个或多个的任何组合的（例如约20微米-约100微米厚)难熔金 属薄层。在高温高压的制造过程期间，可选择这些难熔金属层使得它们不会熔融，但是经受 暴露至诸如熔融的钴-碳合金的高碳含量的熔融过渡金属。因此，这些过渡金属在过程期间 被部分渗碳。
[0112] 并且，使用PVD技术或CVD技术沉积的一些陶瓷薄层也可帮助为示例中的一个或多 个提供屏障结合层。例如，将PCD材料体积和粘结的硬质金属基体分离的难熔结合界面层可 以是例如选自诸如氮化钛TiN的周期表的IVa、Va或Via族的元素的氮化物的任何组合、大于 约3微米厚度的CVD或PVD沉积的连续陶瓷层。
[0113] 用于刮刀钻头应用还是牙轮钻头应用的示例中的一些可享受在功能工作体积中 和周围的其幅度和梯度强度径向减小的拉伸残余应力分布的好处。此外，主拉伸残余拉应 力最大值可从功能工作体积及其周围显著去除并且远离功能工作体积及其周围。这可在功 能工作体积中和附近提供碎裂和散裂的有益的、显著降低的可能性或概率。可帮助提供这 个的共同特征是当PCD材料体积大并且与粘结的硬质金属基体的体积可比得上或甚至比粘 结的硬质金属基体的体积大时。后者是针对用于牙轮钻头应用的岩石去除体的情况。对于 用于刮刀钻头应用、可被限制为整体直立柱形形状的岩石去除体，PCD材料体积的所需尺寸 通过规定PCD材料体积的厚度是约3mm或更大表达。显示残余应力分布的图7a-图7 c和图 10a-图10d的示例用来说明当PCD材料体积的体积幅度增大时在功能工作体积中的拉伸应 力减小。然而，在图7a-图10d中可观察到，虽然拉伸应力最大值可通过适当大的PCD材料体 积远离功能工作体积，但是它们可仍然作为关注的方面，因为这些最大值可在应用期间有 助于诸如粘结的硬质金属基体的散裂和分层的与冲击有关的破坏的可能性。例如针对刮刀 钻头应用的图7b和图7c中说明这些拉伸应力最大值。它们是被定位在虚线709和形成高拉 伸材料环的柱形自由表面之间的PCD材料体积中的轴向拉伸最大值和被定位在虚线707和 表示将PCD材料体积和粘结的硬质金属基体分离的界面屏障701的线之间的粘结的硬质金 属基体中的组合环状放射状拉伸最大值。
[0114] 同样地，例如针对牙轮钻头应用的图10c和图10d中说明拉伸应力最大值。它们是 在PCD材料体积中的轴向拉伸应力最大值1006和在粘结的硬质金属基体中的组合环状放射 状拉伸最大值1004。如果这些拉伸应力最大值的幅度减小，则可能是有利的。这样做的通用 方法可以是使PCD材料体积的平均热膨胀系数和粘结的硬质金属基板的平均热膨胀系数之 差最小化。这可通过在PCD材料的典型范围（约3.7ppm. l1-约4.4ppm. I1)内选择线性热膨 胀系数相对高的PCD材料结合例如在通常在地下岩石钻探应用中使用的粘结的硬质金属材 料的典型范围（约5. Oppm. °1^-约6. lppm. °1^)内选择线性热膨胀系数相对低的粘结的硬质 金属材料来完成。
[0115] 在以钴为催化剂溶剂金属制成的PCD材料中，处于最高范围的高线性热膨胀系数 可限制PCD材料具有至少9体积％以上的高金属钴含量。在地下岩石钻探应用中通常使用的 粘结的硬质金属等级是在6重量％_14重量％钴的范围内选择的钴粘结的碳化钨等级。热膨 胀系数低的粘结的硬质金属碳化物可被限制至具有至多10重量％ (16.3体积％ )钴的低粘 结金属含量的等级。
[0116] 可使用表现降低的拉伸应力最大值的示例，其中PCD材料的金属网络例如是钴-碳 合金，硬质金属基体的粘结金属例如是钴-钨-碳合金，PCD材料体积的平均金属含量例如是 大于约9体积％ (20重量％ )，硬质金属基体的平均钴含量小于约16.3体积％ (10重量％ )。
[0117] 示例中的一些采用PCD材料的组成和结构在宏观上不变并且横跨PCD材料体积的 尺寸范围均匀的PCD材料体积。粘结的硬质金属基体的组成和结构也可横跨即由用于这些 示例的粘结的硬质金属的一个等级制成的基体的尺寸范围不变。横跨高压高温PCD材料体 的宏观尺寸延伸的残余应力分布可通过将PCD材料的组成横跨体的尺寸分级来改变、操纵 和选择。这可通过分级和改变作为PCD材料体积中的位置的函数的金属组成使得作为PCD材 料体积中的位置的函数的线性热膨胀系数不同来完成。然后，PCD材料在高压高温制造过程 的冷却和降压阶段期间在不同位置的差异收缩导致在不同位置的残余应力。可通过PCD材 料组成和结构的这种位置选择使用这种方法以帮助降低拉伸应力最大值的强度，从而使得 它们不太可能造成诸如破裂、散裂和分层的不期望的与裂纹相关的断裂事件。这可通过以 分级的方式改变横跨PCD材料体积的尺寸的组成和结构和/或通过使用组成和线性热膨胀 系数适当不同的PCD材料的离散相邻体积来完成。
[0118] 操作和控制残余应力分布的这种方法也可适用于粘结的硬质金属基体。同样地， 也可在基体中的各种位置中采用具有不同线性热膨胀系数的不同等级的粘结的硬质金属 材料以有利地降低拉伸残余拉应力。这些教导可适用于此处迄今公开的示例。为了说明这 个，图11a和图lib分别是表示得到的用于刮刀钻头应用和牙轮钻头应用的示例的横截面 图。PCD材料体积和粘结的硬质金属基体分别被标记为1101和1102。界面屏障层材料由线 1103表示。在表示用于刮刀钻头应用的示例的图11a中，功能工作体积是在圆周边缘1104上 的点和虚线1105之间的体积。点1104表示在凿岩应用期间压在岩石上的功能工作体积的初 始部分。在表示用于牙轮钻头应用的示例的图lib中，功能工作体积由在尖端1106和虚线 1105之间的PCD材料的体积表示。尖端1106表示在凿岩应用期间压在岩石上的功能工作体 积的初始部分。
[0119] 在图11 a和图11 b两个图中，体的中央轴线分别在110 6和1112处与PCD材料体积的 自由表面和粘结的硬质金属基体相交。对于图11b，尖端1106也是PCD材料体积的通常凸形 弯曲表面的尖端。在图11a和图lib两个图中，PCD材料体积中的轴向主要的主拉伸残余应力 最大值的位置由1107指示。注意的是，该拉伸应力最大值刚好在PCD材料体积的柱形自由表 面处或附近的界面边界层1103的上方。因此，该拉伸应力最大值形成扩展的圆周位置。在图 11a和图lib中，粘结的硬质金属基体中的组合的环形放射状主要的主拉伸残余应力最大值 的位置由1108指示。注意的是，该拉伸应力最大值刚好位于界面边界层1103下方，该通常高 拉伸应力沿界面1103延伸，使得它在界面1103和体的轴的交叉的方向减小。
[0120]如上所述，在高压高温制造过程结束时压力和温度降低期间，PCD材料体积和粘结 的硬质金属基体都收缩。通常的PCD材料体积的收缩总是小于粘结的碳化物材料体积的收 缩。这是因为通常的PCD材料的线性热膨胀系数总是小于粘结的硬质金属材料的线性热膨 胀系数。在图11a和图lib中的箭头1109和1110分别表示在示例性PCD材料中的界面屏障层 1103的任一侧上的PCD材料体积和粘结的硬质金属基体的径向收缩。注意的是，箭头1109比 箭头1110短，箭头长度的差别指示差异收缩。这种差异收缩的最终结果是弯曲效应，其引起 在PCD材料体积和粘结的硬质金属基体中的残余应力分布。因此，在PCD材料体积中的轴向 主要残余应力最大值1107和在粘结的硬质金属基体中的环形方向放射状主要残余应力最 大值1108由收缩差造成。如果PCD材料体积的材料被改变为位置的函数使得线性热膨胀系 数在远离图11a中的1104和图lib中的1106的大致方向上、在界面屏障1103的大致方向上增 大，则可降低差异收缩和弯曲效应，从而导致应力最大值1107和1108的幅度被减小。该大致 方向由从在凿岩应用期间与岩石的第一接触点1104和1106朝界面屏障层1103延伸的箭头 1111表示。
[0121 ] PCD材料的线性热膨胀系数在远离点朝向将PCD材料体积和粘结的硬质金属基体 分离的界面屏障层的大致方向增大的示例可由于残余应力最大值的减小是有利的，其中点 是在使用中最初压在岩石上的功能工作体积的部分。在PCD材料体积中的任何给定位置处 的PCD材料的线性热膨胀系数的值由在那个给定位置处和附近的PCD材料的元素组成和金 属组分的量确定。当金属类型或合金横跨PCD材料体积的尺寸不变时，线性热膨胀系数单独 随着金属含量变化。金属含量越高，对应于PCD材料的热膨胀系数越大。反过来也是如此。
[0122] 在关于金属类型或合金的PCD材料的金属横跨PCD材料体积的尺寸不变或PCD材料 的金属含量在远离点朝向将PCD材料体积和粘结的硬质金属基体分离的界面屏障层的大致 方向增大的示例可由于残余应力最大值的幅度的减小是有利的，其中点是在使用中最初压 在岩石上的功能工作体积的部分。通常增大在特定方向上横跨宏观尺寸的线性热膨胀系数 的方便方式可以是采用线性热膨胀系数和金属含量不同的PCD材料的离散相邻体积。因此， 适当不同的PCD材料相邻体积的差异收缩可提供整个PCD材料体积的整体收缩的减小。因 此，一个或多个示例可包括包含两个或多个不同PCD材料层的PCD材料体积，最低线性热膨 胀系数和金属含量的第一层从自由表面延伸并且包括功能工作体积，而较高线性热膨胀系 数和金属含量的第二层或后续层将第一层与分离PCD材料体积和粘结的硬质金属基体的界 面屏障分离。使用简单不同PCD材料层的这种示例可很方便地制成并且可显著降低临界残 余应力拉伸最大值的幅度。图12示出证明这一点的示例。
[0123] 图12是用于刮刀钻头应用的示例的半横截面，示例是整个直立柱体形状的岩石去 除体，直径为16mm、总长为16mm，PCD材料体积的厚度为6mm，粘结的硬质金属基体的长度接 近10_。PCD材料体积的整体形状、尺寸和厚度对应于图7b中提供的示例。
[0124] 图12示出示例中如源自有限元分析(FEA)的残余应力分布的形式。在图12中，PCD 材料体积1201包括厚度为3.5mm的第一 PCD材料层1202,其线性热膨胀系数小于厚度为 2.5mm、将第一 PCD材料层与由线1204表示的界面屏障层分离的第二PCD材料层1203的线性 热膨胀系数。形成PCD材料体积1201中的金属网络的催化剂/溶剂金属是钴。第一 PCD材料层 1202的钴含量是6.7体积％而第二PCD材料层的钴含量是11.5体积％。选择包括钴含量为13 重量％和线性热膨胀系数为5.6ppm.1- 1的碳化钨钴粘结硬质金属的粘结的硬质金属基体 1205。在图12中主残余应力分布由通过等应力的轮廓线描绘和分离的一系列灰色阴影体积 呈现。将拉伸残余应力区域和压缩残余应力区域分离的零应力轮廓线由虚线表示，残余压 缩下的体积是交叉影线的。注意的是，在功能工作体积中的主残余应力低。
[0125] 功能工作体积被指示为特定点1206和虚线1207之间的材料的体积。1206是在应用 期间在PCD体积的圆周边缘上选择以最初压在岩石上的特定点。功能工作体积沿圆周自由 表面向下延伸选定的3mm。主拉伸残余应力最大值1208在界面屏障层1204的直接上方的PCD 材料体积的圆周自由表面上的位置处，形成在第二PCD材料层1203中的圆周周围的环。该残 余应力最大值1208以轴向拉伸应力为主并且在位置上对应于图11a中指示的最大拉伸残余 应力1107和图7b中指示的最大拉伸残余应力709。注意的是，在基部和圆周自由表面处的粘 结的硬质金属基体中的主残余应力低，在表观上中性。在从基部朝界面屏障层1204的大致 方向上，拉伸残余应力的幅度逐渐增大并且在界面屏障层1204直接下方达到最大值。该最 大主拉伸残余应力的位置由1209指示。最大拉伸残余应力1209对应于图11a中拉伸应力最 大值1108和在图7b中指示的最大值707。该拉伸残余应力最大值在粘结的硬质金属基体中 的这个位置处以环形放射状拉伸应力分量为主。
[0126] 当图7b中的拉伸应力最大值709和707的幅度使用本领域中熟知的ABAQUS有限元 分析程序与图12中对应的拉伸应力最大值1208和1209的幅度相比较时，发现两个最大值已 经减小了约10%。对于图12的示例的这种减小可被认为是显著的和有利的。在由图12表示、 其中PCD材料体积包括两个或多个不同PCD材料层的示例中，最低线性热膨胀系数和金属含 量的第一层从自由表面延伸并且包含功能工作体积而较高线性热膨胀系数和金属含量的 第二层或后续层将第一层与分离PCD材料体积和粘结的硬质金属基体的界面屏障分离。当 这些临界应力最大值的幅度可被显著减小时，这种示例可对于一些应用有价值。这种减小 可在凿岩应用期间为这些示例中的粘结的硬质金属基体提供分层和破裂的有益的降低趋 势。
[0127] 如上所述，也可采用将粘结的硬质金属基体的性质分等级以降低图11a和图lib中 由箭头1109和1110指示的差异收缩。差异收缩的降低可引起降低在高压高温制造过程结束 时发生的弯曲效应，其可导致已经描述的并由1107和1108指示的拉伸应力最大值的幅度的 有益减小。如果改变粘结的硬质材料的组成和合成性质使得线性热膨胀系数在从基体的基 部的中心点1112朝界面屏障层1103的由箭头1113指示的大致方向上减小，则拉伸残余应力 最大值的幅度的这种减小可发生。因此，示例中的一些可具有在远离体的基部的中心点朝 将PCD材料体积和粘结的硬质金属基体分离的界面屏障层的大致方向上减小的粘结的硬质 金属基体的线性热膨胀系数。如果粘结的硬质金属基体由一种类型的硬质金属材料制成使 得粘结金属和硬质化合物关于金属类型和分子组成不变，则粘结金属的量可在远离体的基 部的中心点朝将PCD材料体积和粘结的硬质金属基体分离的界面屏障层的大致方向上降 低。
[0128] 通常降低在所选的大致方向上横跨宏观尺寸的粘结的硬质金属基体的线性热膨 胀系数的方便方式可以是采用线性热膨胀系数和粘结金属含量不同的粘结的硬质金属材 料的离散相邻体积。就这一点而言，一组示例可使用厚度不同的平行的不同硬质金属材料 层。在例如粘结的硬质金属基体包括两个或多个不同硬质金属材料层的一些示例中，最高 线性热膨胀系数和金属含量的第一层从基