超硬构件及其制造方法
【专利摘要】一种超硬构件，其包括基底和形成于所述基底上的超硬材料层，所述基底包括外围表面、界面表面和纵轴，所述超硬材料层具有形成工作表面的暴露的外表面、从其延伸的外围表面和界面表面。所述基底的所述界面表面或所述超硬材料层的所述界面表面中的一个包括：一个或多个凸起，其排列为从所述界面表面突起，所述一个或多个凸起的高度为约0.2mm至约1.0mm之间，所述高度自所述一个或多个凸起从其上延伸的界面表面的最低点开始测量。
【专利说明】
超硬构件及其制造方法
技术领域
[0001 ] 本发明涉及超硬构件(construct 1n)及其制造方法，特别地但并非唯一地涉及包括连接到基底的多晶金刚石(PCD)结构(structure )，并用作为切削嵌件或钻地钻头元件使用。
【背景技术】
[0002 ]多晶超硬材料，如多晶金刚石(P⑶)和多晶立方氮化硼(PCBN)可应用于许多工具中，其工具用于切削(cutting)、机械加工(machining)、钻孔或破碎硬质材料或研磨材料，如岩石、金属、陶瓷、复合材料和含木材料。具体地，包含PCD材料的切削元件(e I ement)形式的工具嵌件被广泛应用于进行钻地以开采石油或天然气的钻头。超硬工具嵌件的工作寿命受超硬材料的断裂(fracture)，包括由于剥落(spalling)和碎裂(chipping)，或者受工具嵌件的磨损所限。
[0003]切削元件如用于岩石钻头或其他切削工具的那些切削元件通常具有基底(substrate)形式的主体(body)，其基底具有界面端/表面；以及超硬材料，，其通过例如烧结过程形成键合于所述基底的界面表面的切削层。所述基底通常由碳化钨-钴合金形成，有时被称为烧结碳化钨；并且所述超硬材料层通常是多晶金刚石(PCD)、多晶立方氮化硼(P CB N)或热稳定产品T S P材料如热稳定多晶金刚石。
[0004]多晶金刚石(PCD)是超硬材料(也称为超硬磨料)的一个示例，其包含大量基本上交互生长的金刚石颗粒，形成限定金刚石颗粒之间的间隙的骨骼块(skeIetaI mass) 0PCD材料典型的包含至少约80体积％的金刚石并且通常将金刚石颗粒的聚集块经受例如高于约5GPa的超高压和至少约1200°C的温度来制造。完全或部分填充间隙的材料可称为填充剂或粘合剂材料。
[0005]PCD典型在烧结助剂如钴的存在下形成，所述烧结助剂可促进金刚石颗粒的交互生长。对于PCD适合的烧结助剂也通常称为用于金刚石的溶剂-催化剂材料，这是由于其在一定程度上溶解金刚石和催化其再沉淀的功能。用于金刚石的溶剂-催化剂可理解为能够在金刚石热力学稳定的温度和压力条件下促进金刚石生长或在金刚石颗粒之间直接金刚石对金刚石(diamond-to-diamond)交互生长的材料。因此，烧结P⑶产物中的间隙可完全或部分以残余溶剂-催化剂材料填充。更典型的是，PCD通常形成于钴-粘结碳化钨基底上，其为PCD提供钴溶剂-催化剂的来源。没有促进金刚石颗粒之间实质性连贯交互生长的材料可自身与金刚石颗粒粒形成强烈的键接，但对于PCD烧结其并非适合的溶剂-催化剂。
[0006]可用于形成适合基底的烧结碳化钨由碳化物颗粒形成，其通过混合碳化钨粒子/颗粒和钴然后加热凝固而分散于钴基质中。为了形成具有超硬材料层如PCD或PCBN的切削元件，将金刚石粒子或颗粒或者CBN颗粒与烧结碳化钨主体相邻放置在难熔的金属外壳(enclosure)如铌外壳中，并且经受高压和高温使得金刚石颗粒或者CBN颗粒之间发生颗粒间键合(inter-grain bonding)，形成多晶超硬金刚石或多晶CBN层。
[0007]在某些情况下，基底可在连接到超硬材料层前完全固化，但在其他情况下，所述基底可以是生坯(green)的，即没有完全固化。在后者的情况下，所述基底可在HTHP烧结过程中完全固化。基底可以为粉末形态，并且可以在用于烧结超硬材料层的烧结过程中固化。
[0008]钴具有与金刚石显著不同的热膨胀系数，并且由此在使用中加热多晶金刚石材料时，PCD材料所连接的基底中的钴膨胀并且可使得PCD材料中形成裂纹，导致所述PCD层的劣化。
[0009]为了减少基底和超硬层之间于界面上产生的残余应力，基底上的界面表面以多个从平面界面表面上突起的同心环形圈形成是已知的。由于基底和超硬材料层的热膨胀系数不同，当切削元件在HTHP烧结后冷却时这些层以不同的速率收缩。所述圈的上表面上形成拉伸应力区域，而压缩应力区域形成于所述圈之间的斜沟(valley)上/内。结果，使用时当裂纹开始生长，其可以沿着遭受拉伸应力的所述环形圈的整个上表面环状生长，或可以沿着遭受压缩应力的凸起圈之间的整个环形斜沟生长，导致切削元件的早期破坏。
[00?0]还已知，切削元件基底界面包括多个间隔的凸起(project1n)，所述凸起具有相对平坦的从平面的界面表面上突起的上表面。
[0011]影响切削元件的普遍问题有超硬材料层的碎裂、剥落、部分断裂和开裂(cracking)。其他的问题为沿着超硬材料层和基底之间的界面开裂，以及沿界面表面裂纹的增长。这些问题可导致超硬材料层的早期破坏以及切削原件更短的工作寿命。因此，需要具有高磨损或高冲击应用中更长工作寿命的切削元件，例如用减少或控制其开裂、碎裂和断裂的可能性的超硬材料层钻穿岩石。
【发明内容】
[0012]在第一方面，本发明提供一种超硬构件，其包括:
[0013]基底，其包括外围表面、界面表面和纵轴；以及
[0014]超硬材料层，其形成于所述基底上，并且具有形成工作表面的暴露的外表面、从其延伸的外围表面和界面表面；
[0015]其中所述基底的所述界面表面或所述超硬材料层的所述界面表面中的一个包括:
[0016]—个或多个凸起，其排列为从所述界面表面突起，所述一个或多个凸起的高度为约0.2mm至约1.0mm之间，所述高度自所述一个或多个凸起从其上延伸的界面表面的最低点开始测量。
[0017]在第二方面，本发明提供一种钻地钻头，其包括具有任何安装于其上的上述超硬构件作为切削器元件的主体。
【附图说明】
[0018]通过示例描述非限制性实施方案，并且参考如下附图:
[0019]图1为切削元件的透视图；
[0020]图2a为图1自由空间中多个凸起的透视图；
[0021 ]图2b为图1的切削元件基底的示意性平面图；
[0022]图2c为沿图2b所示A-A轴的基底的示意性截面图；以及
[0023]图2d为图1的切削元件基底的示意性透视图。
【具体实施方式】
[0024]在本文所述的实施方案中，当描述在基底表面上形成凸起或凹陷时，应理解为，其反而可以形成于与基底界面表面交接的超硬材料层的表面上，并且在所述基底上形成相反的特征。另外，应理解所述界面表面的反面面或反转形成于与基底交接的超硬材料层上，使得两个界面形成贴合匹配。
[°°25] 如本文所用的“超硬材料”是指具有至少约28GPa维氏硬度(Vickers hardness)的材料。超硬材料的实例有金刚石和立方氮化硼(cBN)材料。
[0026]如本文所用的“超硬构件”是指包括多晶超硬材料的主体和其连接的基底的构件。
[0027]如本文所用的多晶金刚石(PCD)是一类多晶超硬材料(PCS)，其材料包含大量金刚石颗粒，其主要部分直接相互键合并且其中金刚石的含量为所述材料的至少约80体积％。在PCD材料的一个实施方案中，金刚石颗粒之间的间隙可至少部分地用包含用于金刚石的催化剂的粘合剂材料填充。如本文所用的“间隙”或“间隙区域”是指PCD材料的金刚石颗粒之间的区域。在PCD材料的实施方案中，间隙或间隙区域可基本上或部分地用金刚石以外的材料填充，或者它们可以基本上是空的。PCD材料可以包括至少一个区域，从其区域中催化材料已从间隙去除，留下金刚石颗粒之间的间隙空间。
[0028]如本文所用的PCBN(多晶立方氮化硼)材料是指一类超硬材料，其包含分散于包含金属或陶瓷的基质内的立方氮化硼(cBN)的颗粒。PCBN是超硬材料的一个实例。
[0029]用于超硬材料的“催化材料”能够促进所述超硬材料的生长或烧结。
[0030]如本文所用的术语“基底”指在其上形成超硬材料层的任何基底。例如，如本文所用的“基底”可以是形成在另一基底上的过渡层。另外，如本文所用的术语“径向(radial)”和“圆周(circumferential)”和类似的术语并不意味着将描述的特征限制为正圆(perfectcircle)。
[0031]附图中所示的超硬构件I可适合用作例如用于钻地的钻头的切削嵌件。
[0032]类似的参考数字用于标识所有附图中类似的特征。
[0033]在图1所述实施方案中，切削元件I包括基底10，其具有形成于基底10上的超硬材料层12。基底可以由硬材料如烧结碳化钨形成。超硬材料可以是例如多晶金刚石(PCD)、多晶立方氮化硼(PCBN)或热稳定性产品如热稳定PCD(TSP)。可以将削切元件I装入钻头体例如刮刀钻头体(未示出)。与基底相反的超硬材料的暴露的顶端表面形成切削面14，这是沿其边缘16在使用中进行切削的表面。
[0034]在基底10的一端为与超硬材料层12交接的界面表面18，其超硬材料层12连接在该界面表面上。基底10通常为圆柱形的，并且具有外围表面20和外围上边缘22。在图1示出的实施方案中，界面表面18包括多个间隔开的凸起24以及凸起26的第二或内部基本上环形的阵列，凸起24排列在基本上环形的第一阵列中，并且与外围顶边缘22间隔；凸起26在第一阵列24内是径向的。
[0035]如图1和图2a至图2d所示，在这个实施方案中，将间隔开的凸起24、26排列在两个阵列中，两个阵列设置在围绕基底10的中心纵轴的两个基本上圆形路径中。但是，本发明不受限于该几何形状，例如，可以将凸起24、26以有序非环形阵列排列于界面表面18上，或者所述凸起可随机分布于其上而不是以基本上圆形或其他有序阵列排列。此外，在凸起排列于环形阵列中的实施方案中，这些凸起可以为椭圆的或非对称的，或可从基底10的中心纵轴偏离。此外，内部阵列的凸起26被示出为比基底的中心纵轴更接近外部阵列24的同时，在其他实施方案中，内部阵列的凸起26可以更接近中心纵轴。
[0036]第二阵列中的凸起26的位置可与第一阵列中的凸起24之间的空隙径向对齐。凸起
24、26和空隙可以是交错的，一个阵列中的凸起与下一个阵列中的空隙重叠。这种界面表面上交错或不对齐的三维特征分布可帮助分散压缩和拉伸应力，和/或减少应力场大小，和/或通过防止裂纹生长的连续路径来制止裂纹生长。
[0037]如图1和图2a至图2d所示，在这些实施方案中，所有或大部分凸起24、26被成形使得所有或大部分凸起的表面并非基本上平行于超硬材料12的切削面14或者平行于基底的纵轴延伸的平面。而且，在图1至图2d所示的实施方案中，凸起之间空隙的界面表面18是不平均的。其可解释为，但不限于覆盖一个或多个这些空隙为不均匀的、变化的、不规则的、崎岖的、不水平次的和/或不光滑，并且具有波峰(peak)和波谷(trough)。这种排列可认为是用作抑制沿界面表面18的连续裂纹增长以及增加基底10的界面和超硬材料层12的界面之间的接触表面面积。此外，据信这样的配置的作用是扰乱材料中“弹性”波的形成并且使裂纹在界面处偏转(deflect)。使得每个凸起24、26与相邻的凸起分隔的这些空隙或不平均的斜沟可以在一些实施方案中为均匀的，并且在另一些实施方案中为非均匀的。
[0038]凸起24、26可以具有平滑的弯曲上表面或可以具有倾斜的上表面。在一些实施方案中，凸起24、26可以呈略微的梯形或锥形的形状，从其突起的最宽处接近界面表面。
[0039]如图1和图2a至图2d所示，凸起24、26在各自基本上的环形的阵列中/周围的间隔基本上相等，在给定的阵列中的每个凸起24、26具有相同的尺寸。然而，如上述所描述，凸起
24、26可形成任何期望的形状，并且以均匀的或非均匀的方式相互分隔以改变界面表面18上的应力场。如图1和图2的实施方案所示，外部阵列中的凸起24的尺寸大于内部阵列中的凸起。然而，这些相对尺寸可以反转，或在这两个阵列中的凸起24、26可大概具有均匀的尺寸或尺寸的混合。
[0040]凸起24、26的高度为约0.2mm至约0.8mm之间，所述高度从界面表面18的最低点开始测量，至凸起24、26的最大高度。
[0041 ]图1和图2a至图2d的实施方案中示出，外部阵列包含凸起24的数目为内层的两倍，例如分别为10个和5个凸起。这使得切削元件I具有假轴对称(pseudo axi_symmetry)，从而为在工具或钻头中放置切削器于要使用的位置提供自由度，因为其不要求特定的方向。将凸起24、26以这样的方式放置和成形:其抑制一个或多个连续路径，沿所述路径裂纹可穿过界面表面18增长。而且，在一些实施方案中，所有或大部分凸起和/或凸起之间的空隙不具有基本上垂直或平行于期望在使用中施用于切削元件I的任何载荷的任何表面，并且也没有基本上垂直或平行于其任何外表面的任何表面。
[0042]凸起24、26的排列和形状及其之间的空隙可以影响切削元件I中的应力分布，并且可以改进切削元件对裂纹生长的抗性，尤其是沿界面表面18的裂纹生长，例如通过制止裂纹生长横跨凸起24、26中、附近和上方的应力区或者使裂纹生长偏离凸起24、26中、附近和上方的应力区。
[0043]在此实施方案中，所有或大部分凸起24、26不具有任何基本上平行于在其连接的超硬材料层(未示出)的切削面的表面，或者基本上平行于基底纵轴延伸通过的平面的表面。所述凸起24、26可全部具有相同的高度或其中一些凸起的高度可高于另外一些凸起的高度。
[0044]在一个或多个上述实施方案中，界面表面18的特征可整体形成，同时基底通过使用适合形状的模具形成，模具内放置形成所述基底的材料的粒子。可选地，突出部和界面表面18的不平均表面可在基底构建后或通过构建过程的部分方式构建，例如通过常规机械加工程序。相似的程序可施用于超硬材料层12以构建相应形状的界面表面以与基底的界面表面形成贴合匹配。
[0045]超硬材料层12可通过例如常规钎焊技术或采用常规高压和高温技术的烧结连接到基底。
[0046]如果在随后的过程中，或者经受更高温高压烧结过程，超硬材料层12有催化剂材料的部分或完全沥滤过滤，切削器产品包括具有上述界面特征的基底和超硬材料层的耐久性和/或其中的弹性应力波的减轻可进一步增强。可以进行沥滤，同时连接超硬材料层12到基底，或例如通过从基底分离超硬材料层12，并且沥滤分离的超硬材料层12。在后一种情况中，在沥滤发生后，超硬材料层12可经由例如钎焊技术或使用高压和高温技术的重新烧结而重新连接到基底。由于凸起24、26的高度为约0.2mm至Imm之间，例如约0.8mm，所述高度从界面表面18的最低点起开始测量至凸起24、26的最大高度，这使得超硬材料层12被沥滤到大于约700微米的深度或甚至大于约Imm的深度。
[0047]尽管上文描述和示例了具体的实施方案，但是应理解的是可以进行各种变化和修改。例如，本文所述的基底可以以示例的方式被确定。应理解的是超硬材料可连接到除了碳化钨基底之外的其他碳化物基底，如由W、T1、Mo、Nb、V、Hf、Ta和Cr的碳化物制成的基底。此夕卜，尽管图1-图3所示的实施方案在这些附图中描述为包括具有尖锐边缘和角的PCD结构，但是实施方案可包括具有圆形、斜面(bevel led)或倒角(chamfered)的边缘或角的PCD结构。这样的实施方案可减少内应力，并且因此通过基底的界面或具有独特几何形状的超硬材料层来改进切削元件的抗开裂、抗碎裂和抗断裂性能，延长工作寿命。
【主权项】
1.一种超硬构件，其包括: 基底，其包括外围表面、界面表面和纵轴；以及 超硬材料层，其形成于所述基底上，并且具有形成工作表面的暴露的外表面、从其延伸的外围表面和界面表面； 其中所述基底的所述界面表面或所述超硬材料层的所述界面表面中的一个包括: 一个或多个凸起，其排列为从所述界面表面突起；所述一个或多个凸起的高度为约0.2mm-约1.0mm，所述高度自所述一个或多个凸起从其上延伸的界面表面的最低点开始测量。2.权利要求1所述的超硬构件，其中所述一个或多个凸起的高度为约0.3mm-约0.8mm。3.前述任一项权利要求所述的超硬构件，其中间隔开的凸起之间的所有或大部分界面表面为非弯曲的，并且在一个或多个平面中延伸，所述平面基本上不平行于所述超硬材料层的暴露的外表面的平面。4.前述任一项权利要求所述的超硬构件，所述基底具有中心纵轴，其中间隔开的凸起之间的所有或大部分界面表面在一个或多个平面中延伸，所述平面基本上不平行于所述基底的所述中心纵轴延伸穿过的平面。5.前述任一项权利要求所述的超硬构件，其中所述凸起排列在围绕所述基底的所述中心纵轴的一个或多个基本上径向的阵列中。6.权利要求5所述的超硬构件，其中所述凸起排列在第一阵列和第二阵列中，所述第二阵列在所述第一阵列内径向放置。7.权利要求6所述的超硬构件，其中所述第一阵列和第二阵列为基本上与所述基底同轴的。8.权利要求6或7中任一项所述的超硬构件，其中所述第一阵列包含凸起数目基本上为所述第二阵列的两倍。9.权利要求6-8中任一项所述的超硬构件，其中所述第一阵列和第二阵列中的凸起是彼此交错的。10.权利要求1-3中任一项所述的超硬构件，其中所述凸起随机排列在所述基底的界面表面或所述超硬材料层的界面表面中的一个上。11.前述任一项权利要求所述的超硬构件，其中所有或大部分所述凸起的一个或多个表面在一个或多个基本上不平行于所述超硬材料层的暴露的外表面的平面中延伸，和/或在一个或多个基本上不平行于所述基底的中心纵轴延伸穿过的平面中延伸。12.前述任一项权利要求所述的超硬构件，其中所述基底的中心纵轴周围的超硬材料层的厚度基本上与在外围表面处的所述超硬材料层的厚度相同。13.前述任一项权利要求所述的超硬构件，其中所述超硬材料层包含多晶金刚石材料和形成所述多晶金刚石材料的互相键合的金刚石颗粒之间的多个间隙区域;所述超硬材料层包括: 第一区域，其基本上不含溶剂/催化材料；以及 第二区域，其远离包含多个间隙区域内的溶剂/催化材料的工作表面； 其中所述第一区域从所述工作表面向多晶金刚石材料的主体内延伸的深度大于约300微米。14.权利要求13所述的超硬构件，其中所述第一区域从所述工作表面向多晶金刚石材料的主体内延伸的深度为约300微米-约1500微米。15.权利要求13所述的超硬构件，其中所述第一区域从所述工作表面向多晶金刚石材料的主体内延伸的深度为约300微米-约1000微米。16.权利要求13所述的超硬构件，其中所述第一区域从所述工作表面向多晶金刚石材料的主体内延伸的深度为约600微米-约1000微米。17.前述任一项权利要求所述的超硬构件，其中所述超硬层的暴露的外表面基本上是平面的。18.前述任一项权利要求所述的超硬构件，其中所述一个或多个凸起具有相同的高度。19.前述任一项权利要求所述的超硬构件，其包括排列在第一阵列和同轴位于所述第一阵列内的第二阵列中的多个凸起，其中所述第一阵列中的所述凸起的高度大于所述第二阵列中的所述凸起的高度。20.前述任一项权利要求所述的超硬构件，其中任何凸起之间的任何界面表面或没有由所述凸起覆盖的任何界面表面是不平均的。21.前述任一项权利要求所述的超硬构件，其中所述基底的界面表面是所述超硬材料层的界面表面的反面或反转，从而两个界面表面形成贴合匹配。22.前述任一项权利要求所述的超硬构件，其中所述超硬构件是切削器元件。23.—种钻地钻头，其包括具有前述任一项权利要求所述的超硬构件安装于其上作为切削器元件的主体。24.—种形成权利要求1-22中任一项所述的超硬构件的方法。
【文档编号】E21B10/573GK106068362SQ201480075725
【公开日】2016年11月2日
【申请日】2014年12月17日 公开号201480075725.5, CN 106068362 A, CN 106068362A, CN 201480075725, CN-A-106068362, CN106068362 A, CN106068362A, CN201480075725, CN201480075725.5, PCT/2014/78265, PCT/EP/14/078265, PCT/EP/14/78265, PCT/EP/2014/078265, PCT/EP/2014/78265, PCT/EP14/078265, PCT/EP14/78265, PCT/EP14078265, PCT/EP1478265, PCT/EP2014/078265, PCT/EP2014/78265, PCT/EP2014078265, PCT/EP201478265
【发明人】罗杰·威廉·奈杰尔·尼伦, 尼德雷特·卡恩, 汉弗莱·塞斯比, 大卫·鲍斯, 德里克·尼尔姆斯
【申请人】第六元素有限公司, 贝克休斯公司