切削元件、用于制造這種切削元件的方法和包含這種切削元件的工具的制作方法
【專利說明】切削元件、用于制造這種切削元件的方法和包含這種切削 元件的工具
[0001] 本申請是申請?zhí)枮?201080028742. 5 (PCT//US2010/035686),申請日為 2010 年 05 月20日，發(fā)明名稱為"切削元件、用于制造該種切削元件的方法和包含該種切削元件的工 具"的發(fā)明專利申請的分案申請。
技術(shù)領(lǐng)域
[0002] 本發(fā)明涉及用于地下鉆探應(yīng)用的包含多晶金剛石體的切削元件，并更具體地涉及 具有高金剛石含量的多晶金剛石體，該些金剛石體構(gòu)造成與現(xiàn)有的多晶金剛石體相比提供 熱穩(wěn)定性和耐磨性的改進(jìn)的特性，同時保持期望程度的耐沖擊性
【背景技術(shù)】
[0003] 現(xiàn)有技術(shù)中已知的多晶金剛石（PCD)材料由能經(jīng)受高壓和高溫條件（"HPHT燒結(jié) 過程"）的金剛石顆粒（或晶體）W及催化劑材料構(gòu)成。該種PCD材料已知具有高度耐磨 性，從而使它們對于期望高度耐磨性的諸如用于機(jī)加工的切削工具和地下采礦和鉆探中的 耐磨和切削元件的該種工業(yè)應(yīng)用來說是一種普遍的材料選擇。在該種應(yīng)用場合中，傳統(tǒng)的 PCD材料可W表面層或體的形式來提供，W賦予切削工具期望水平的耐磨性。
[0004] 傳統(tǒng)地，PCD切削元件包括基體和與其附連的PCD體或?qū)?。用于該種切削元件應(yīng) 用的基體包括諸如粘結(jié)的碳化鶴（例如，WC-Co)的碳化物。該種傳統(tǒng)的PCD體利用催化劑 材料來便于金剛石顆粒之間的晶間結(jié)合并將PCD體結(jié)合到在下面的基體。傳統(tǒng)上用作催化 劑的金屬經(jīng)常從包括鉆、鐵、媒、其組合物及其合金的溶劑金屬催化劑中選擇。
[0005] 用于形成PCD體的催化劑材料的量代表了在強(qiáng)度/粗趟度/耐沖擊性的期望特性 與硬度/耐磨性/熱穩(wěn)定性之間的折衷。盡管高金屬催化劑含量通常增加所得PCD體的強(qiáng) 度、粗趟度和耐沖擊性，但該種較高的金屬催化劑含量也減小PCD體的硬度和對應(yīng)的耐磨 性W及熱穩(wěn)定性。因此，該些被不利地影響的特性最終限制了提供具有期望水平的硬度、耐 磨性、熱穩(wěn)定性、強(qiáng)度、耐沖擊性和粗趟度的PCD體來滿足特定應(yīng)用場合（諸如，用于地下鉆 探裝置中的切削和/或耐磨元件）的服務(wù)需求的能力。
[0006] 用于某些應(yīng)用場合的PCD體的特別期望的特性是在磨損或切削操作過程中改善 的熱穩(wěn)定性。傳統(tǒng)PCD體所存在的一個已知問題是，當(dāng)暴露于升高溫度的切削和/或磨損 應(yīng)用場合時它們易于熱降解。該個弱點來自于填隙式設(shè)置在PCD體內(nèi)的溶劑金屬催化劑材 料的熱膨脹特性與晶間結(jié)合的金剛石的熱膨脹特性之間的差異。該種不同的熱膨脹已知 在低至40(TC就開始，并可引發(fā)對于金剛石的晶間結(jié)合有害的熱應(yīng)力并最終導(dǎo)致形成能使 PCD結(jié)構(gòu)易于失效的裂縫。因此，該種表現(xiàn)是不期望的。
[0007] 傳統(tǒng)PCD材料已知存在的另一種形式的熱降解也與溶劑金屬催化劑存在于PCD體 的填隙區(qū)域內(nèi)W及溶劑金屬催化劑粘附到金剛石晶體有關(guān)。具體來說，已知溶劑金屬催化 劑隨著溫度增大而引起金剛石內(nèi)不期望的催化相轉(zhuǎn)化（使金剛石轉(zhuǎn)化成一氧化碳、二氧化 碳或石墨），由此將PCD體的實際使用限制到75(TC。
[0008] 熱降解會導(dǎo)致PCD體的碎裂、散裂、局部斷裂和/或剝落。該些問題可通過在PCD 體內(nèi)形成微裂縫然后微裂縫貫穿PCD體延伸而引起。微裂縫可由在PCD體內(nèi)出現(xiàn)的熱應(yīng)力 形成。
[0009] 美國專利第6, 601，662號662專利"）涉及包括具有改善的耐磨性的PCD體 的切削元件及制造該種切削元件的方法。所述切削元件具有金剛石體積密度大于85%的 PCD體并包含在PCD體內(nèi)與工作表面相鄰的、基本上沒有催化劑材料的填隙基底。' 662專 利公開了為了實現(xiàn)足夠水平的耐磨性，增大金剛石的體積密度導(dǎo)致基本上沒有催化劑材料 的填隙基底的深度減小。美國專利第7, 493, 973號973專利"）涉及包括具有高金剛 石含量的PCD體的切削元件，其處理成提供抗磨損性和熱穩(wěn)定性的改善的特性，同時保持 期望程度的耐沖擊性。使用粗粒的金剛石顆粒，諸如具有平均粒度為約0. 03毫米或更大的 金剛石顆粒來獲得高金剛石含量。'973專利也公開了 PCD體的待處理區(qū)域（使其基本上沒 有催化劑材料）的金剛石體積含量將影響獲得期望水平的性能（諸如耐磨性）所需的處理 深度。特別是，'973專利公開了了對于金剛石含量大于約93% (體積）（％ V)，處理的平均 深度小于0. 08mm(毫米）（80微米/微米），而對于金剛石含量為至少95% (體積）（％ V)， 處理的平均深度至多為0. 03mm (毫米）（30微米/微米）。
[0010] 盡管相對于用于形成切削元件的PCD體已作了許多工作，但仍期望PCD體開發(fā)成 具有在諸如耐磨性和熱穩(wěn)定性的特性方面更大的改進(jìn)，同時不犧牲期望的強(qiáng)度、粗趟度或 耐沖擊性，該特別是對于困難的鉆探應(yīng)用場合。
[0011] 困難的鉆探應(yīng)用的例子包括諸如在東得克薩斯盆地和地?zé)釕?yīng)用場合中發(fā)現(xiàn)的那 些的研磨沙巖。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0012] 本發(fā)明涉及用于地下鉆探場合的包含多晶金剛石體的切割元件，并更具體地涉及 具有高金剛石含量的多晶金剛石體，該些金剛石體構(gòu)造成與現(xiàn)有的多晶金剛石體相比能提 供熱穩(wěn)定性和耐磨性的改善的特性，同時保持期望程度的耐沖擊性在此公開的各種實施例 中，具有高金剛石含量的切削元件包括更改的PCD結(jié)構(gòu)和/或更改的界面（PCD體與基體之 間），W提供優(yōu)越的性能。
[0013] 在一實施例中，切削元件包括多晶金剛石體，其包括；界面表面；與界面表面相 對的頂面；與頂面相交的切削邊緣；W及包括多個結(jié)合起來的金剛石晶體和金剛石晶體 之間的填隙區(qū)域的材料微結(jié)構(gòu)。微結(jié)構(gòu)的接近切削邊緣的第一區(qū)域包括基本上沒有催化 劑材料的多個填隙區(qū)域，且第一區(qū)域從切削邊緣延伸到至少300微米的深度。微結(jié)構(gòu)的 接近界面表面的第二區(qū)域包括多個填隙區(qū)域，該些填隙區(qū)域包括設(shè)置在其中的催化劑材 料。第一區(qū)域包括小于25微米的燒結(jié)平均粒度。第一區(qū)域具有至少一種下述特性：小于 (0. 1051) ?(平均粒度A-0. 3737)的顯孔隙率；或小于（0. 251) ?(平均粒度A-0. 2691)的 浸出重量損失；或大于（0.9077) ?(平均粒度A〇. 0221)的金剛石體積分?jǐn)?shù)，其中所述平均 粒度的單位是微米。
[0014] 在一實施例中，切削元件包括多晶金剛石體，該金剛石體包括界面表面；與界面表 面相對的頂面；與頂面相交的切削邊緣；W及包括多個結(jié)合起來的金剛石晶體和金剛石晶 體之間的填隙區(qū)域的材料微結(jié)構(gòu)。微結(jié)構(gòu)的接近切削邊緣的第一層包括第一金剛石體積分 數(shù)，而微結(jié)構(gòu)的接近界面表面的第二層包括至少小于第一金剛石體積分?jǐn)?shù)2%的第二金剛 石體積分?jǐn)?shù)。第一層具有至少一種下述特性；小于（0.1051) ?(平均粒度A-0. 3737)的顯 孔隙率；或小于（0. 251) ?(平均粒度A-0. 2691)的浸出重量損失；或大于（0. 9077) ?(平 均粒度A〇. 0221的第一金剛石體積分?jǐn)?shù)）的第一金剛石體積分?jǐn)?shù)，其中平均粒度的單位是 微米。
[0015] 在一實施例中，切削元件包括多晶金剛石體，其包括；界面表面；與界面表面相對 的頂面；與頂面相交的切削邊緣；W及包括多個結(jié)合起來的金剛石晶體和金剛石晶體之間 的填隙區(qū)域的材料微結(jié)構(gòu)。微結(jié)構(gòu)的接近切削邊緣的第一區(qū)域包括基本上沒有催化劑材 料的填隙區(qū)域。界面表面包括小于0.7的突起比。第一區(qū)域包括小于25微米的燒結(jié)平均 粒度W及至少一種如下特性：小于（0. 1051) ?(平均粒度A-0. 3737)的顯孔隙率；或小于 (0. 251) ?(平均粒度A-0. 2691)的浸出重量損失；或大于（0. 9077) ?(平均粒度A〇. 0221) 的金剛石體積分?jǐn)?shù)，其中平均粒度的單位的微米。
[0016] 在一實施例中，切削元件包括具有界面表面的基體，其中，基體包括小于約11% (重量）的鉆含量；W及形成于基體的界面表面上的多晶金剛石體。多晶金剛石體包括界 面表面；與界面表面相對的頂面；與頂面相交的切削邊緣；W及包括多個結(jié)合起來的金剛 石晶體和金剛石晶體之間的填隙區(qū)域的材料微結(jié)構(gòu)。一部分多晶金剛石體具有至少一種如 下特性：小于（0. 1051) ?(平均粒度A-0. 3737)的顯孔隙率；或小于（0. 251) ?(平均粒度 A-0. 2691)的浸出重量損失；或大于（0.9077) ?(平均粒度A〇. 0221)的金剛石體積分?jǐn)?shù)， 其中平均粒度的單位是微米。
[0017] 在一實施例中，切削元件包括W大于5. 4吉帕斯卡佑Pa)的燒結(jié)冷腔室壓力燒結(jié) 的多晶金剛石體，而多晶金剛石體包括；界面表面；與界面表面相對的頂面；與頂面相交的 切削邊緣；W及包括多個結(jié)合起來的金剛石晶體和金剛石晶體之間的填隙區(qū)域的材料微結(jié) 構(gòu)。微結(jié)構(gòu)的接近切削邊緣的第一區(qū)