超硬材料的切割元件、其形成方法和包含其的钻头的制作方法
超硬材料的切割元件、其形成方法和包含其的钻头的制作方法
【专利说明】
【背景技术】
[0001]超硬材料经常用于切割工具和凿岩工具中。多晶金刚石材料是一种这样的超硬材料，并且因其好的耐磨性和硬度而闻名，使其成为应用于诸如机加工的切割工具和地下采矿和钻井中的研磨和切割元件的工业应用中的流行材料的选择。
[0002]为形成多晶金刚石，高压、高温烧结(HPHT烧结)金刚石颗粒，以生成超硬的多晶结构。为了在HPHT烧结期间促进金刚石晶体的共生，可在烧结之前将催化剂材料添加到金刚石颗粒混合物和/或在烧结期间使催化剂材料渗入金刚石颗粒混合物中，以形成多晶金刚石(PCD)结构。传统上被用作催化剂的金属选自可溶解的金属催化剂组，该可溶解的金属催化剂组选自周期表的VIII族，包括钴、铁和镍以及它们的组合和它们的合金。在HPHT烧结之后，产生的PCD结构包括彼此结合的互相连接的金刚石晶体的网络，催化剂材料占据结合的金刚石晶体之间的空隙空间或孔隙。在存在基体的情况下，可以HPHT烧结金刚石颗粒混合物，以形成结合至基体的PCD体。基体还可以充当在烧结期间渗入到金刚石颗粒混合物中的金属催化剂的源。
[0003]用于某些应用的PCD体的所期望的特性是在磨削或切割作业期间改善的热稳定性。已知的与传统的PCD体共存的问题是当它们暴露于升高的温度时易受热降级的侵害。这个易损性起因于存在于填隙地设置在PCD体内的可溶解的金属催化剂材料的热膨胀特性与晶间结合的金刚石的热膨胀特性之间的差别。已知由这种有差异的热膨胀所引起的材料的损坏开始于像400°C—样低的温度，并且能够诱发热应力，该热应力对于金刚石的晶间结合是不利的，并且最终导致能使PCD结构易受破坏的裂缝的形成。进一步地，已知可溶解的金属催化剂随着温度的增加在金刚石中导致不期望的催化相变(将其转变为石墨)，由此将P⑶体的实际使用限制到大约750°C。
[0004]已经开发了热稳定P⑶材料，以改善高温性能。然而，可能难于在热稳定P⑶材料与基体之间形成结合来用于附连到切割工具上。由于热稳定PCD材料的高脆度和高硬度，在PCD体或碳化物上机加工诸如螺纹的传统特征是不可行的。因此，难于通过传统的机械方法连接热稳定PCD材料和基体。
【发明内容】
[0005]本公开涉及包含被用于地下钻井应用的多晶金刚石体的切割工具，更特别地，涉及一种通过一个或多个紧固元件被连接至基体以形成切割元件的热稳定多晶金刚石(PCD)体。在一个实施例中，切割元件包括用紧固元件机械地连接至碳化物基体的热稳定多晶金刚石体。热稳定PCD体可以是无结合剂的PCD、诸如碳酸盐PCD的非金属催化剂的PCD或经浸滤的PCD。在一个实施例中，提供了一种用于将热稳定多晶金刚石体连接至基体的方法。所述方法包括形成热稳定PCD体，其可以是无结合剂的PCD、非金属催化剂的PCD或经浸滤的PCD。所述方法包括在所述热稳定PCD体中形成用于接收所述紧固元件的孔眼，以及将所述紧固元件插入到所述孔眼中。所述方法还包括将所述热稳定PCD体和紧固元件安置在所述基体上。所述方法还包括使所述热稳定PCD、所述紧固元件以及所述基体经受高压高温(HPHT)烧结，以将紧固构件结合至所述基体。
[0006]提供该
【发明内容】
，以引入以下在详细描述中所进一步描述的选出的概念。该
【发明内容】
既不旨在确定所要求保护的主题的关键或必要的特征，也不旨在用于限制所要求保护的主题的范围。
【附图说明】
[0007]参考附图描述机械地紧固至基体的热稳定PCD材料的实施例。在所有附图中使用相同的附图标记表示相似的特征和部件。
[0008]图1示出根据一个实施例的热稳定非金属催化剂的PCD材料的一个区域。
[0009]图2示出根据一个实施例的热稳定无结合剂的PCD材料的一个区域。
[0010]图3示出根据一个实施例的热稳定经浸滤的P⑶材料的一个区域。
[0011]图4示出根据一个实施例的具有热稳定PCD体、基体和紧固构件的切割元件的分解图。
[0012]图5示出根据一个实施例的具有热稳定PCD体、基体和紧固构件的切割元件的透视图。
[0013]图6示出根据一个实施例的具有热稳定PCD体、基体和紧固构件的切割元件的剖视图。
[0014]图7示出根据一个实施例的具有热稳定PCD体、基体和紧固构件的切割元件的分解图。
[0015]图8示出根据一个实施例的具有热稳定PCD体、基体和紧固构件的切割元件的透视图。
[0016]图9示出根据一个实施例的具有热稳定PCD体、基体和紧固构件的切割元件的剖视图。
[0017]图10示出根据一个实施例的具有热稳定PCD体、基体和紧固构件的切割元件的分解图。
[0018]图11示出根据一个实施例的具有热稳定PCD体、基体和紧固构件的切割元件的透视图。
[0019]图12示出根据一个实施例的具有热稳定PCD体、基体和紧固构件的切割元件的剖视图。
[0020]图13示出根据一个实施例的具有热稳定PCD体、基体和紧固构件的切割元件的分解图。
[0021]图14示出根据一个实施例的具有热稳定PCD体、基体和紧固构件的切割元件的透视图。
[0022]图15示出根据一个实施例的具有热稳定PCD体、基体和紧固构件的切割元件的剖视图。
[0023]图16示出根据一个或多个实施例的用于将热稳定P⑶体紧固至基体的(多个)示例方法。
[0024]图17示出根据一个或多个实施例的用于将热稳定P⑶体紧固至基体的(多个)示例方法。
[0025]图18示出根据一个实施例的包含切割元件的示例设备。
【具体实施方式】
[0026]本公开涉及包含用于地下钻井应用的多晶金刚石体的诸如钻头上的剪切切割器的切割工具，更特别地，涉及一种通过一个或多个紧固元件连接至基体以形成切割元件的热稳定多晶金刚石(PCD)体。在一个实施例中，热稳定PCD材料可以是无结合剂的PCD、非金属催化剂的PCD或经浸滤的PCD。热稳定PCD体包括用于接收将热稳定PCD体固定至基体的紧固元件的孔眼。随后，将紧固元件冶金地结合至基体以机械方式将PCD体紧固至基体。还可以将紧固元件冶金地结合至P⑶体。
[0027]以下公开是指向各种实施例的。所公开的实施例具有广泛应用，并且对所有实施例的讨论仅意味着对那个实施例的描述，而不旨在暗示包括权利要求的本公开的范围被限制为那个实施例或限制为那个实施例的特征。
[0028]在遍布以下描述和权利要求中使用某些术语指特定特征或部件。如本领域技术人员将意识到，不同的人可以通过不同的名字指相同的特征或部件。该文档不旨在区别仅在名字方面不同的部件或特征。不必按比例绘图。可以按比例夸张的或以稍微示意的形式示出本文的某些特征和部件，并且为了清楚和简明而未示出传统元件的某些细节。
[0029]如在本文所使用的，为了方便起见，可以在通用列表中呈现出多个条目、结构元件、组成元件和/或材料。然而，这些列表应当被解读为犹如所述列表的每个成员分别被视作单独的且唯一的成员。因此，在没有相反的指示的情况下，这种列表的任何成员都不应当只是基于它们在通用的组中的表示而被解释为实际上等同于相同列表的任意其他成员。
[0030]被声明通过引用被全部或部分地结合到本文的所有专利、出版物或其他公开材料仅在被结合的材料不与存在的定义、陈述或在该公开中阐明的其他公开材料相冲突的程度上被结合到本文。同样地，并且到必要的程度，如在本文所阐明的公开取代通过引用被结合到本文的所有冲突的材料。被声明通过引用被结合到本文、但其与存在的定义、陈述或本文所阐明的其他公开材料相冲突的所有材料或其部分将仅在那个被结合的材料与存在的公开材料之间不出现冲突的程度上被结合。
[0031]为了清楚，如本文所使用的术语“传统的P⑶”是指在HPHT烧结工艺期间已经借助于传统的金属催化剂形成的传统的多晶金刚石，从而形成具有占据结合的金刚石晶体之间的空隙空间或孔隙的金属催化剂材料的结合的金刚石晶体的微观结构。
[0032]“非金属催化剂的P⑶”是指在HPHT烧结工艺期间已经借助于非金属催化剂形成的PCD材料，从而形成具有占据结合的金刚石晶体之间的空隙空间或孔隙的非金属催化剂材料的结合的金刚石晶体的微结构。非金属催化剂的示例包括碳酸盐(例如，MgCO3)、硫酸盐(例如，MgSO4)、氢氧化物(例如，Mg(OH)2)以及氧化铁(例如，FeT13)。碳酸盐催化剂可以是任意的I族或II族的碳酸盐，例如，碳酸镁、碳酸钙、碳酸锂或碳酸钠或碳酸盐的组合。“无结合剂的PCD”是指不使用催化剂，例如通过在超高压力和温度下将石墨直接转变为金刚石来形成多晶金刚石基质。“经浸滤的P⑶”是指在HPHT烧结工艺之后已经被处理以去除形成在结合的金刚石晶体之间的空隙区域中的催化剂材料的至少一部分的PCD材料，因此包括基本上没有催化剂材料的多个空隙区域(即，结合的金刚石晶体之间的空隙区域基本上是空的空隙或孔隙)。如本文所使用的“热稳定PCD”意指非金属催化剂的PCD、无结合剂的PCD或经浸滤的PCD。在一个实施例中，热稳定PCD选自基本上由非金属催化剂的P⑶、无结合剂的P⑶和经浸滤的P⑶组成的组。用于执行HPHT烧结工艺的合适的设备的示例包括六面顶压机、压带机和环状压机。
[0033]图1中示意性地示出了非金属催化剂的PCD材料10的区域。通过使与诸如碳酸盐的非金属催化剂相混合的金刚石粉末经受HPHT烧结工艺来形成非金属催化剂的PCD材料10的这个微结构。在一个实施例中，HPHT烧结工艺包括施加大约70千巴或更大的压力以及大约2，000至2，500 0C的温度。在这个温度和压力下，非金属催化剂材料熔化并渗透入金刚石粉末混合物。该催化剂在HPHT烧结工艺期间促进金刚石晶体的生长，从而形成非金属的PCD。形成的非金属催化剂的PCD材料10具有包括结合至彼此的多个金刚砂或金刚石晶体11的多晶微结构，诸如碳酸盐的非金属催化剂材料12占据金刚石晶体11之间的空隙空间或孔隙。当使用非金属催化剂时，随着温度升高到1200°C金刚石以多晶金刚石形式保持热稳定，而不是被转变为石墨。此外，非金属催化剂可以热分解并产生气体。因此，随着温度的升高，由于PCD与非金属催化剂之间的热膨胀的不匹配而造成的材料损坏是可以忽略的。在一个实施例中，非金属的PCD材料10中的金刚石晶体11的尺寸为大约1-50微米。在另一实施例中，金刚石晶体11的尺寸小于I微米。在一个实施例中，非金属催化剂的PCD材料10由按体积计大约90-98%的金刚石组成。在另一个实施例中，非金属催化剂的PCD材料10具有至少99%的金刚石体积含量。在另一个实施例中，非金属催化剂的PCD材料10具有至少95%的金刚石体积含量。在另一个实施例中，非金属催化剂的PCD材料10具有至少90%的金刚石体积含量。
[0034]图2中示意性地示出了无结合剂的P⑶材料20的区域。通过使碳(例如，石墨、巴克球或其它碳结构)在不具有催化剂材料的情况下经受超高温度和压力的烧结工艺来形成无结合剂的PCD材料20的该微结构。在一个实施例中，该工艺包括超高温度和压力下的HPHT烧结，所述温度和压力高于形成PCD的传统HPHT烧结期间所施加的温度和压 力。在一个实施例中，压力在大约100-160千巴之间，例如，大约150千巴，以及温度在大约2200-2300°C。例如，当烧结石墨时，该压力可以是大约150千巴或大约150-160千巴。当烧结诸如巴克球或其它复杂的碳结构的其他类型的碳时，该压力可以是大约110-120千巴。以供参考，可以以大约55-60千巴执行形成PCD的传统HPHT烧结。形成的无结合剂的PCD材料20具有包括结合至彼此的多个金刚砂或金刚石晶体21而不具有散置在金刚石晶体21之间的催化剂材料的多晶微结构(即，无结合剂的PCD材料20的金刚石晶体21直接地结合至彼此，并且在金刚石晶体21之间基本上没有间隙或空隙空间)。无结合剂的PCD材料20基本上是纯碳的，金刚石的体积分数大于99%。在一个实施例中，无结合剂的PCD材料20的材料微结构具有至少98%的金刚石体积含量，而在另一实施例中具有至少或大约99%，在另一实施例中具有至少或大约99.5%，在另一实施例中具有至少或大约99.8%，在另一实施例中具有至少或大约99.9%的金刚石体积含量。在一个实施例中，无结合剂的PCD材料20具有微小的金刚砂尺寸，例如，平均金刚砂尺寸小于I微米，例如，大约50nm或更小。在其他实施例中，无结合剂的PCD材料20具有大约1-30微米的平均金刚砂尺寸。
[0035]在另一实施例中，通过在化学气相沉积(CVD)工艺中沉积层以形成具有基本上100%的金刚石体积含量的无结合剂的PCD材料20，来形成热稳定无结合剂的金刚石材料。通过在反应的环境中加热气体前体来执行CVD工艺，这导致前体在基体的表面上反应或分解，从而形成所期望的沉积物。该工艺导致基体上的金刚石晶体的生长。
[0036]无结合剂的PCD是热稳定，因为其不遭受金刚石与催化剂之间的有差别的热膨胀。无结合剂的PCD具有一种相，并且因此不存在材料的不同相之间有差别的热膨胀。因此，由该无结合剂的PCD材料形成的金刚石体即使在温度升高的状态下也能够呈现高的强度，而传统的PCD则受到由于金刚石相与催化剂相的有差别的膨胀的热降级。
[0037]在图3中示意性地示出了经浸滤的P⑶材料30的区域。通过使与催化剂混合的金刚石粉末经受HPHT烧结工艺来形成经浸滤的P⑶材料30的这个微结构。形成的P⑶材料具有包括结合至彼此的多个金刚砂或金刚石晶体的多晶微结构，催化剂材料占据金刚石晶体之间的空隙空间或孔隙。随后，对PCD材料进行处理以从所述多个空隙区域去除催化剂材料。因此，经浸滤的PCD材料30包括多个结合在一起的金刚石晶体31和结合的金刚石晶体31之间的基本上没有催化剂材料的多个空隙区域32。通过将PCD体放置在特氟隆容器中的酸溶液中来执行浸滤，该特氟隆容器被装在密封的不锈钢压力容器内并且被加热到160-180°C。通过在这些条件下加热酸溶液可能实现100-200psi之间的压力。用于浸滤的合适的酸溶液包括试剂级酸，该试剂级酸包含大约5.3摩尔/升的HN03和大约9.6摩尔/升的HF的浓度，其通过按体积计的HN03-15.9摩尔/升(试剂级硝酸):HF_28.9摩尔/升(试剂级氢氟酸):以及水的1:1:1的比率制成。
[0038]在采矿作业或钻井作业期间，钻头上的剪切切割器可能会经历高的负载(例如，在剪切切割器的切割边缘边缘上为2500与30001bs)。因此，在热稳定P⑶体与基体之间形成强的结合可以使剪切切割器能够忍受这些高的负载。将热稳定PCD体结合至基体可能出现挑战，因为在没有诸如钴的传统催化剂金属的情况下形成热稳定PCD体。在传统的PCD中，用于在HPHT烧结期间方便金刚石生长的金属溶剂催化剂还在传统的PCD体与基体之间形成结合。相比之下，热稳定PCD体缺乏金属溶剂催化剂来在热稳定PCD体与基体之间形成结合。非金属催化剂的PCD包括占据空隙空间的非金属催化剂(参见图1)，无结合剂的PCD在结合的金刚石晶体之间没有空隙空间(参见图2)，以及经浸滤的PCD在结合的金刚石晶体之间的空隙空间或空隙中基本上没有催化剂(参见图3)。因此，非金属催化剂的PCD和无结合剂的PCD在结合的金刚石晶体之间没有如在传统的HPHT烧结期间可用使用基体与PCD之间流动的结合材料(例如，金属溶剂催化剂)填充的空的间隙空间。此外，在浸滤了 P⑶体的一部分的实施例中，经浸滤的P⑶体可以在沿经浸滤的P⑶体与基体之间的界面表面的结合的金刚石晶体之间具有催化剂材料。因此，经浸滤的PCD可以没有用在基体与经浸滤的PCD体之间流动的结合材料渗入的空的间隙空间。此外，将PCD体铜焊至基体可由于高的铜焊温度导致铜焊期间金刚石表面的石墨化，这会破坏PCD结构和PCD体与基体之间的结合。
[0039]根据图4-6中所示的一个实施例，经由紧固构件43将热稳定P⑶体41 (例如，非金属催化剂的P⑶、无结合剂的P⑶或经浸滤的P⑶)连接至基体42，以形成切割元件40。使用紧固构件43将热稳定PCD体41机械地锁定至基体42。热稳定PCD体41包括顶面或工作面44、与工作面相反的界面表面45以及在工作面44和界面表面45之间延伸的侧壁46。热稳定P⑶体41还包括侧壁46与工作面44相交的切割边缘47。切割边缘47是热稳定PCD体41的诸如地下采矿或钻井作业期间接合地层的部分。界面表面45是热稳定PCD体41当连接基体42以形成切割元件40时邻接基体42的一部分。在另一实施例中，可以将热稳定PCD体41连接至中间层，并且可以将中间层连接至基体42。
[0040]在一个实施例中，在两个单独的HPHT烧结工艺中形成切割元件40。在一个实施例中，通过在第一 HPHT烧结工艺中预形成热稳定P⑶体41并且随后在第二 HPHT烧结工艺中经由紧固构件43将热稳定P⑶体41连接至基体42来形成切割元件40 ( S卩，在执行第二HPHT结合工艺以将热稳定P⑶体41固定至基体42之前，通过HPHT烧结首先形成热稳定P⑶体41)。在第一 HPHT烧结工艺中形成的热稳定P⑶体41可以是非金属催化剂的P⑶(例如，碳酸盐、硫酸盐、氢氧化物和氧化铁)、无结合剂的PCD或经浸滤的PCD。在一个实施例中，在预烧结的或预压紧的P⑶体上执行第一 HPHT烧结工艺，以形成热稳定P⑶体41。随后在热稳定P⑶体41中形成孔眼48，以接收将热稳定P⑶体41连接至基体42的紧固构件43。在图4和6中所示的实施例中，孔眼48由在热稳定K?体41的工作面44与界面表面45之间延伸的轴向通孔组成。该通孔沿切割元件40的纵轴线49延伸。在一个实施例中，可以通过激光切割、电火花加工(EDM)或现有技术中已知的任意其他合适的工艺在热稳定P⑶体41中形成孔眼48。在另一实施例中，可以在第一 HPHT烧结工艺期间以最终形状在热稳定P⑶体41中形成孔眼48。
[0041]继续参考图4中所示的实施例，基体42包括当将基体42连接至热稳定P⑶体41以形成切割元件40时邻接热稳定PCD体41的界面表面45的界面表面50。在一个实施例中，基体42的界面表面50包括用于接收紧固构件43的一部分的孔眼51。可通过现有技术中已知的机加工技术或任意其他合适的工艺来在基体42中形成孔眼51。孔眼51形成在基体42的界面表面50上且延伸到基体42中。基体42的界面表面50中的孔眼51是沿切割元件40的纵轴线49向下延伸的大致圆柱形凹口。在一个实施例中，基体42中的圆柱形凹口 51与热稳定P⑶体41中的孔眼48同心(S卩，基体42中的孔眼51被配置为与热稳定P⑶体41中的孔眼48轴向对正)。在一个实施例中，基体42中的孔眼51包括下表面52和在下表面52与基体42的界面表面50之间延伸的侧壁53。在一个实施例中，基体42中的孔眼51的下表面52与基体42的界面表面50大致平行。在一个实施例中，热稳定PCD体41中的孔眼48的直径基本上等于基体42中的孔眼51的直径。
[0042]在图4-6所示的实施例中，紧固构件是具有头部54和自头部54向下突出的相对较小的轴部55的销43。在所示的实施例中，轴部55与紧固构件43的头部54大致同心。在一个实施例中，紧固构件43的头部54通常是盘形的，并且轴部55是大致圆柱形的。在其他实施例中，销43的头部可以是圆顶形的、方形的或任意其他合适的形状。此外，销43的轴部55可以具有非圆形的横截面，例如，大致方形的横截面。在所示的实施例中，销43的头部54具有分别相反的顶部平面56和平坦底表面57。轴部55自头部54的底表面57向下突出并且具有与头部54的底表面57相反的平坦的下表面58。在一个实施例中，销43的轴部55的外径大致等于热稳定P⑶体41和基体42中各自的孔眼48、51的直径。在另一实施例中，销43的轴部55的外径稍微小于热稳定P⑶体41和基体42中各自的孔眼48、51的直径。紧固构件43能够选自包含金属材料、陶瓷材料、金属陶瓷材料和它们的组合的组。示例包括诸如WC、W 2C、TiC、VC的碳化物。在一个实施例中，紧固构件43由烧结碳化钨(例如，WC-Co)形成。紧固构件43可以由具有碳化钨聚集体和钴结合剂基质的基质材料形成。可以通过烧结或现有技术中已知的其他技术形成紧固构件43。类似地，基体42能够选自包括诸如WC、W 2C、TiC、VC的金属材料、陶瓷材料、金属陶瓷材料以及它们的组合的组。在一个实施例中，基体42由烧结碳化钨形成。在一个实施例中，紧固构件43和基体42基本上由相似的材料形成，但紧固构件43和基体42也可以由不同的材料构成。在一个实施例中，紧固构件43和基体42可以由烧结碳化钨形成。在一个实施例中，紧固构件43包括313等级的碳化物(3 μ m的平均WC颗粒尺寸和13%的钴)以及基体42包括406等级的碳化物(4 μ m的平均WC颗粒尺寸和6%的钴)。在另一实施例中，紧固构件43包括313等级的碳化物以及基体42包括812等级的碳化物(8 μ m的平均WC颗粒尺寸和12%的钴)。在又一实施例中，紧固构件43包括406等级的碳化物以及基体42包括313等级的碳化物。在另一实施例中，紧固构件43包括812等级的碳化物以及基体42包括313等级的碳化物。在另一实施例中，紧固构件43和基体42由具有不同结合剂相的碳化物形成。然而，本公开并不被限制为上述的碳化物等级，而紧固构件43和基体42可以包括任意其他合适的碳化物的组合。
[0043]如图5和6所示，在已经在热稳定P⑶体41和基体42中分别形成孔眼48、51之后，以叠置结构将热稳定PCD体41设置在基体42的顶上，使得热稳定PCD体41中的孔眼48与基体42中的孔眼51轴向地对正。随后，可以将紧固构件43插入通过热稳定P⑶体41中的孔眼48，并且进入基体42中的孔眼51 ( g卩，紧固构件43纵向地延伸分别通过热稳定P⑶体41和基体42中的孔眼48、51)。在一个实施例中，可以用压配合(摩擦配合)或松配合将紧固构件43接收进孔眼48和51中。在一个实施例中，紧固构件43的轴部55的长度L基本上等于加在一起的基体42中的孔眼51的深度D和热稳定P⑶体41的厚度T。因此，如图6所示，当将紧固件43插入到孔眼48、51中时，紧固构件43的头部54的底表面57邻接热稳定PCD体41的工作面44，并且紧固构件43的轴部55的下表面58邻接基体42中的孔眼51的下表面52。在另一实施例中，当将紧固件43插入到孔眼48、51中时，紧固构件43的头部54的底表面57与热稳定PCD体41的工作面44间隔开，并且紧固构件4 3的轴部55的下表面58与基体42中的孔眼51的下表面52间隔开。随后，将热稳定P⑶41、紧固构件43和基体42放置到压机中(例如，六面顶压机、压带机、环状压机等)，以及然后执行第二 HPHT工艺以用紧固构件43机械地将热稳定P⑶体41固定至基体42。在第二 HPHT工艺之后，紧固构件43的底表面57和紧固构件43的下表面58分别邻接表面44、52。在一个实施例中，可以在范围在大约5.5GPa与7GPa之间的压力和范围在大约1300°C和1550°C之间的温度下执行第二 HPHT工艺。在另一实施例中，可以在大约5GPa下执行第二 HPHT工艺。
[0044]在第二 HPHT工艺期间，紧固构件43变得易延展，并且易于从较高的压力区域流向较低的压力区域。在一个实施例中，销43的轴55能够在该压力下径向地膨胀并且分别流入热稳定K?体41和基体42中的孔眼48、51中。以这种方式，第二 HPHT工艺使得紧固构件43与基体42之间在轴55和基体42中的孔眼51之间的界面处产生冶金结合。具体地讲，在轴55的外表面与基体42中的孔眼51的侧壁53之间以及在轴55的下表面58与基体42中的孔眼51的下表面52之间形成冶金结合。根据第二 HPHT工艺的条件，冶金结合还可以形成在热稳定PCD体41与紧固构件43之间的界面处。在一个实施例中，碳化物紧固构件43在第二 HPHT工艺期间变得易延展，并且紧固构件43的一部分渗入到热稳定P⑶体41的结合的金刚石晶体之间的空隙区域中。在一个或多个实施例中，紧固构件43的钴结合剂基质在第二 HPHT工艺期间进入液态并且浸渍或渗入到设置在PCD体41的结合的金刚石晶体之间的空隙区域中，由此在紧固构件43与PCD体41之间形成冶金结合。此外，在一个实施例中，结合可以沿相应的界面表面45、50形成在热稳定PCD体41与碳化物基体42之间。因此，形成在紧固构件43与基体42之间的结合机械地将热稳定PCD体41固定至基体42。此外，靠着热稳定PCD体41的工作面44的紧固构件43的头部54提供将热稳定PCD体41固定至基体42的压力。
[0045]上述冶金结合还避免了紧固构件43、P⑶体41与基体42之间的，以其他方式结合超硬体与基体时会产生的，尖锐接触点和高应力集中的区域。因为碳化物紧固构件43和基体42可以在HPHT工艺期间变得易延展，所以碳化物可以流动并填入PCD体41与紧固构件43之间、P⑶体41与基体42之间、以及紧固构件43与基体42之间的任何缝隙。因此，在HPHT工艺期间碳化物至各种缝隙的流动趋向于在P⑶体41、紧固构件43与基体42之间产生光滑的界面，由此防止切割元件40的各个部件之间的尖点接触或线接触。
[0046]尽管用平坦的界面表面45、50分别示出P⑶体41和基体42，但是界面表面也可以是非平坦的。在一个或多个实施例中，基体42的界面表面50可以包括一个或多个突出物(例如，圆顶表面)，且PCD体41的界面表面45可以包括用于接收突出物的一个或多个相应的凹陷(例如，凹槽)。突出物与凹陷被配置为将P⑶体41连接至基体42。
[0047]在图7-9中所示的实施例中，通过用紧固构件73机械地将热稳定P⑶体71连接至基体72来形成切割元件70。在一个实施例中，通过在第一 HPHT烧结工艺中预形成热稳定P⑶体71，并且随后在第二 HPHT烧结工艺中经由紧固构件73机械地将热稳定P⑶体71连接至基体72来形成切割元件70。在第一 HPHT烧结工艺中形成的热稳定P⑶体71可以是非金属催化剂的PCD (包括碳酸盐、硫酸盐、氢氧化物和氧化铁)、无结合剂的PCD或经浸滤的PCD。在一个实施例中，在预烧结的或预压紧的PCD体上执行第一 HPHT烧结工艺，以形成热稳定P⑶体71。热稳定P⑶体71包括工作面74、与工作面74相反的界面表面75以及在工作面74和界面表面75之间延伸的侧壁76。热稳定P⑶体71还包括侧壁76与工作面74相交处的切割边缘77。
[0048]随后，在热稳定P⑶体71中形成孔眼78，以接收将热稳定P⑶体71固定至基体72的紧固构件73。在图7-9所示的实施例中，热稳定PCD体71中的孔眼是在热稳定PCD体71的工作面74与界面表面75之间延伸的槽口 78。槽口 78由自侧壁76向内成锥形收缩的两个相对的壁段79、80组成。两个相对的壁段79、80在沿侧壁76的较宽的开口与热稳定PCD体71的中心附近的较窄的开口之间成锥形。在所示的实施例中，开口的较窄的端包括在两个壁段79、80之间延伸的内部壁段81。壁段79、80、81 —起在热稳定P⑶体71中形成被截头的V形开口。
[0049]在图7所示的实施例中，槽口 78包括被配置为与夹具73的一部分互锁的梯形凸缘82。梯形凸缘82在三个边上由两个锥形的壁段79、80和内部壁段81限界。梯形凸缘82的第四个边由在两个锥形的壁段79、80之间延伸的垂直的壁段83所界定。垂直的壁段83位于内部壁段81与热稳定P⑶体71的侧壁76中的开口之间。凸缘82自界面表面75并且向热稳定P⑶体71的工作面74向上延伸。凸缘82的上表面84相对于热稳定P⑶体71的工作面74凹进。在一个实施例中，热稳定P⑶体71的厚度T’大约于凸缘82的厚度D’的两倍。然而，可以理解，凸缘82的厚度D’可以包括任意比例的热稳定P⑶体71的厚度T’。在一个实施例中，凸缘82的厚度D’对应于热稳定PCD体71的未被浸滤以从结合的金刚石晶体之间的空隙区域去除催化剂材料的那部分。即，在一个实施例中，在工作面74与凸缘82的上表面84之间形成的凹口对应于热稳定P⑶体71被浸滤的深度。可以通过激光切割、电火花加工(EDM)或现有技术中已知的任意其他合适的工艺在热稳定PCD体71中形成槽口 78。在另一实施例中，可以在第一 HPHT烧结工艺中在热稳定P⑶体71中形成槽口 78。
[0050]继续参考图7-9中所示的实施例，紧固构件由被配置为机械地将热稳定PCD体71固定至基体72的楔形夹具73组成。夹具73通常与热稳定P⑶体71中的槽口形的开口 78互补，以便配置夹具73坐落在槽口 78中。此外，夹具73的一部分被配置为叠覆热稳定P⑶体71中的槽口 78的一部分，由此形成将热稳定P⑶体71固定至基体72的搭接接合。
[0051]在图7-9所示的实施例中，夹具73由两个锥形的壁段85、86、弓形侧壁87和与侧壁87相反的端壁88组成。夹具73还包括上表面89和与上表面89相反的界面表面90。夹具73在较宽的侧壁87与相对较窄的端壁88之间成锥形。此外，夹具由侧壁87附近的相对较厚的部分91与端壁88附近的相对较薄的部分92组成。在较厚的部分91与较薄的部分92之间形成台阶93。在一个实施例中，夹具73的较厚的部分91通常等于热稳定PCD体71的厚度T’。在一个实施例中，较薄的部分92的厚度与凸缘82的厚度加在一起通常等于热稳定PCD体71的厚度T’。夹具73的较薄的部分92形成被配置为接合凸缘82的唇部。楔形夹具73围绕切割元件70的边缘延伸一角度α。在一个实施例中，楔形夹具73可以围绕切割元件70的边缘延伸大约10°与90°之间的一角度α。在一个实施例中，楔形夹具围绕切割元件的边缘延伸一大约45°的角度α。在另一实施例中，楔形夹具73可以围绕切割元件70的边缘延伸一大于90°、例如，270°的角度α。在一个实施例中，在钻头上定位切割元件70的方向，使得例如在地下钻井或采矿作业期间热稳定PCD体71的切割边缘77接合地层(即，可以在钻头上定位切割元件70的方向，使得夹具73在钻井或采矿作业期间不接合地层)。可以通过诸如挤压成型或HPHT烧结的任意合适的工艺形成夹具73。夹具73可以选自包含金属材料、陶瓷材料、金属陶瓷材料和它们的组合的组。示例包括诸如WC、W 2C、TiC、VC的碳化物。在一个实施例中，夹具73由烧结碳化钨形成。类似地，基体72能够选自包括诸如WC、W 2C、TiC、VC的金属材料、陶瓷材料、金属陶瓷材料以及它们的组合的组。在一个实施例中，基体72由烧结碳化钨形成。在一个实施例中，夹具73和基体72基本上由相似的材料形成，但夹具73和基体72也可以由不相似的材料形成并且仍落在本公开的范围和精神内。在一个实施例中，夹具73和基体72可以由烧结碳化钨形成。
[0052]如图8和9所示，在已经在热稳定P⑶体71中形成槽口 78之后，夹具73坐落在槽口 78中，唇部92和凸缘82处于互锁或搭接接合配置。当将夹具73接收在热稳定P⑶体71中的槽口 78中时，唇部92的下表面94安置在凸缘82的上表面84上。此外，如图9所示，夹具73的台阶93和端壁段88分别邻接槽口 78的垂直的壁段83和内部壁段81。夹具73的锥形壁段85、86分别邻接槽口 78的锥形壁段79、80。在另一实施例中，夹具73的台阶93、端壁段88和锥形壁段85、86分别与热稳定P⑶体71的垂直的壁段83、内部壁段81和锥形壁段79、80间隔开。此外，如图9所示，夹具73的上表面89基本上与热稳定P⑶体71的工作面74共面，并且夹具73的界面表面90基本上与基体72的界面表面95共面。
[0053]随后，将热稳定P⑶体71和夹具73设置在基体72的界面表面95上。热稳定P⑶体71和夹具73 —起基本上与基体72的界面表面95共同延伸。随后，将热稳定P⑶体71、夹具73和基体72放置到压机中(例如，六面顶压机、压带机、环状压机等)，并且然后执行第二 HPHT工艺以用夹具73机械地将热稳定P⑶体71固定至基体72。在一个实施例中，可以在范围在大约5.5GPa与7GPa之间的压力和范围在大约1340°C和1550°C之间的温度下执行第二 HPHT工艺。在另一实施例中，可以在大约5GPa下执行第二 HPHT工艺。在一个实施例中，在HPHT工艺期间所施加的将夹具73结合至基体72的温度和压力基本上类似于形成热稳定P⑶体71的HPHT烧结工艺期间所施加的温度和压力。在第二 HPHT工艺期间，沿夹具73的界面表面90在夹具73与基体72之间形成冶金结合。根据第二 HPHT工艺的条件，冶金结合还可以形成在热稳定PCD体71与夹具73之间的界面处。在一个实施例中，碳化物夹具73在第二 HPHT工艺期间变得易延展，并且夹具73的一部分渗入到热稳定P⑶体71的结合的金刚石晶体之间的空隙区域中，由此在PCD体71与夹具73之间形成冶金结合。此外，在一个实施例中，结合可以沿相应的界面表面75、95形成在热稳定PCD体71与碳化物基体72之间。因此，夹具73与基体72之间的冶金结合和夹具73与槽口 78的互锁配置机械地将热稳定P⑶体71固定至基体72。
[0054]在图10-12所示的另一实施例中，通过用紧固构件133机械地将热稳定P⑶体131连接至基体132来形成切割元件130。如上所述，通过在第一 HPHT烧结工艺中预形成热稳定P⑶体131、随后在第二 HPHT烧结工艺中经由紧固构件133机械地将热稳定P⑶体131连接至基体132来形成切割元件130。热稳定P⑶体131包括工作面134、与工作面134相反的界面表面135以及在工作面134和界面表面135之间延伸的侧壁136。热稳定P⑶体131还包括侧壁136与工作面134相交处的切割边缘137。
[0055]在图10-12的所示实施例中，在热稳定P⑶体131中形成具有锥形凸缘139的开口138， 以接收将热稳定P⑶体131固定至基体132的紧固构件133。锥形凸缘139在P⑶体131的中心附近的较厚的部分与最接近侧壁136的较薄的部分之间成锥形。将意识到，将图10和12中所示的PCD体中的开口 138变成锥形，而不是参考图7和9的如上述的变成槽口。锥形凸缘139还包括被配置为接合紧固构件133的一部分的倾斜的界面表面140 (图12)，如下所述。可以通过激光切割、电火花加工(EDM)或现有技术中已知的任意其他合适的工艺形成K?体131中的开口 138。还可以在第一 HPHT烧结工艺期间形成开口 138。
[0056]继续参考图10-12，紧固构件是被配置为机械地将热稳定P⑶体131固定至基体132的锥形楔子133。将意识到，图10和12中所示的锥形楔子133包括倾斜的界面表面141，而不是参考图7和9的上述的夹具73的台阶式的轮廓。锥形楔子133的倾斜的界面表面141通常匹配或互补于锥形凸缘139的倾斜的界面表面140的形状。锥形楔子133通常互补于热稳定P⑶体131中的开口 138，使得锥形楔子133被配置为坐落在开口 138中。如图12中所示，锥形凸缘139被配置为被锥形楔子133的一部分重叠。也就是说，锥形楔子133的一部分被配置为叠覆热稳定P⑶体131中的锥形凸缘139的一部分，由此形成将热稳定P⑶体131固定至基体132的搭接接合。如图12中所示，当将锥形楔子133接收进P⑶体131中的开口 138中时，楔子133的倾斜界面表面141安置在锥形凸缘139的倾斜的界面表面140上。可以通过诸如挤压加工、HPHT烧结、激光切割或电火花加工(EDM)的任意合适的工艺形成锥形楔子133。此外，楔子133的锥形形状可以通过磨削方便形成锥形楔子 133。
[0057]在将锥形楔子133设置在P⑶体131中的开口 138中之后，然后将锥形楔子133和P⑶体131堆叠在基体132的界面表面142上。在一个实施例中，锥形凸缘139不完全延伸至P⑶体131的侧壁136，以便锥形楔子133的非锥形的界面表面部分143安置在基体132的界面表面142上。随后执行第二 HPHT工艺，以用锥形楔子133机械地将热稳定P⑶体131固定至基体132。可以在范围在大约5.5GPa与7GPa之间的压力和范围在大约1340°C和1550°C之间的温度下执行第二 HPHT工艺。在第二 HPHT工艺期间，沿基体132和锥形楔子133各自的界面表面142、143在锥形楔子133与基体132之间形成冶金结合。根据第二 HPHT工艺的条件，冶金结合还可以形成在热稳定P⑶体131与锥形楔子133之间、以及沿各自的界面表面135、142形成在热稳定P⑶体131与基体132之间。因此，锥形楔子133与基体132之间的冶金结合和锥形楔子133与锥形凸缘139的叠覆配置机械地将热稳定P⑶体131固定至基体132。
[0058]在图13-15所示的实施例中，通过用紧固构件103可旋转地将热稳定P⑶体101连接至基体102来形成切割元件100。热稳定PCD体101被配置为在作业期间围绕切割元件100的纵轴线109旋转(箭头108)。热稳定P⑶体101包括工作面104、与工作面104相反的界面表面105以及在工作面104和界面表面105之间延伸的侧壁106。热稳定P⑶体101还包括侧壁106与工作面104相交处的切割边缘107。切割边缘107是热稳定P⑶体101的诸如在地下采矿或钻井作业期间接合地层的部分。可旋转地安装至基体102的热稳定P⑶体101相对于地层呈现旋转的切割边缘107，例如在地下采矿或钻井作业期间，这可以降低切割元件100的磨损并且由此延长切割元件100的寿命。S卩，图13-15中所示的切割元件100的切割边缘107被配置为当其接触地层时旋转(箭头108)，这促进切割边缘107的均匀磨损，并且易于防止切割边缘107的特定局部区域中的过度磨损。
[0059]在一个实施例中，通过在第一 HPHT烧结工艺中预形成热稳定P⑶体101、随后在第二 HPHT烧结工艺中使用紧固构件103机械地将热稳定P⑶体101连接至基体102来形成切割元件100。如上所述，在第一 HPHT烧结工艺中形成的热稳定P⑶体101可以是非金属催化剂的PCD (例如，碳酸盐、硫酸盐、氢氧化物和氧化铁)、无结合剂的PCD或经浸滤的PCD。
[0060]随后，在热稳定P⑶体101和基体102中分别形成孔眼110、111，以接收可旋转地将热稳定P⑶体101连接至基体102的紧固构件103。在一个实施例中，热稳定P⑶体101中的孔眼由沿切割元100的纵轴线109延伸的轴向通眼110组成，以及基体102中的孔眼是与轴向通孔110同心的大致圆柱形凹口 111。基体102中的圆柱形凹口 111由下表面112和在基体102的下表面112与界面表面114之间延伸的侧壁113组成。
[0061]在图13和15所示的实施例中，基体102的界面表面114包括一个或多个成凹形的凹陷部分，例如，半球形凹陷115。在一个实施例中，以与圆柱形凹口 111同心的圆形图样设置半球形凹陷115。在一个实施例中，基体102的界面表面114可以包括大约四个与二十个之间的等距离隔开的半球形凹陷115。在一个实施例中，半球形凹陷115被配置为接收球支承件，热稳定P⑶体101被配置为在球支承件上旋转(箭头108)。可以通过现有技术中已知的机加工工艺形成基体102的界面表面114中的半球形凹陷115。
[0062]在图13-15所示的实施例中，紧固构件由具有头部117和自头部117向下延伸的相对较小的轴部118的销103组成。紧固构件103的头部117具有相反的顶部表面119和底表面120。轴118的外径可以稍微小于热稳定K?体101中的通孔110的直径，以便热稳定P⑶体101可以绕销103旋转。相比，轴118的外径可以基本上等于基体102中的圆柱形凹口 111的直径，以方便紧固构件103与基体102之间的结合。因此，在一个实施例中，热稳定P⑶体101中的通孔110的直径可以稍微大于基体102中的圆柱形凹口 111的直径。
[0063]在已经在热稳定P⑶体101和基体102中分别形成孔眼110、111、并且已经将球支承件116插入到半球形凹陷115中之后，将热稳定P⑶体101设置在基体102的顶上并且轴向对正孔眼110、111。如图15所示，当将热稳定P⑶体101设置在基体102上时，热稳定P⑶体101的界面表面105可旋转地接触球支承件116的一部分。在已经将热稳定P⑶体101与基体102轴向地对正之后，可以将销103插入通过热稳定P⑶体101中的通孔110并且进入到基体102中的圆柱形凹口 111中。
[0064]在一个实施例中，小的缝隙可以存在于销103的头部117的底表面120与热稳定P⑶体101的工作面104之间。该缝隙被配置为在作业期间允许热稳定P⑶体101绕着销103旋转(箭头108)。在另一实施例中，紧固构件的头部的底表面邻接热稳定PCD体的工作面。类似地，可以在销103与通孔110之间形成环状缝隙，以便热稳定P⑶体101被配置为在作业期间绕着销103旋转(箭头108)。此外，如图15中所示，销103的轴118的底表面121邻接基体102中的圆柱形凹口 111的下表面112。此外，轴118的外表面接合圆柱形凹口 111的侧壁113。
[0065]随后，将热稳定P⑶体101、销103和基体102放置到压机中(例如，六面顶压机、压带机、环状压机等)，并且然后执行第二 HPHT工艺(例如，范围在大约5.0GPa与5.5GPa之间的压力，以及范围在大约1300°C与1350°C之间的温度)以用销103可旋转地将热稳定P⑶体101连接至基体102。在第二 HPHT工艺期间，销103变得易延展，并且在销103与基体102之间在轴118与基体102中的圆柱形凹口 111之间的界面处形成冶金结合。因此，在销103与基体102之间形成的冶金结合机械地将热稳定P⑶体101固定至基体102。此夕卜，热稳定P⑶体101的界面表面105可滑动地与凹进基体102中的多个轴承116相接合，以便可旋转地将热稳定P⑶体101连接至基体102。因此，P⑶体101被配置为在使用切割元件100的钻井或采矿作业期间绕着销103旋转(箭头108)。此外，在第二 HPHT工艺期间可以提供粉末或带形式的隔离物，以避免在销103与PCD体101之间或在PCD体101与球支承件116之间产生结合，这种结合将易于抵抗PCD体101相对于基体102的旋转(箭头108)。隔离物可以包括在第二 HPHT工艺的压力与温度条件下不与钴进行反应的任意成分，例如，氮化硼(h-BN)或氧化铝(Al2O3)。在第二 HPHT工艺之后可以去除绝缘物，以允许P⑶体101的自由旋转(箭头108)。
[0066]销103可以选自包含金属材料、陶瓷材料、金属陶瓷材料和它们的组合的组。示例包括诸如WC、W 2C、TiC, VC的碳化物。在一个实施例中，销103由烧结碳化钨组成。类似地，基体102能够选自包括诸如WC、W 2C、TiC、VC的金属材料、陶瓷材料、金属陶瓷材料以及它们的组合的组。在一个实施例中，基体102由烧结碳化钨组成。在一个实施例中，销103和基体102基本上由相似的材料形成，但销103和基体102也可以由不相似的材料形成并且仍落在本公开的范围和精神内。在一个实施例中，销103和基体102可以由烧结碳化钨形成。
[0067]在一个实施例中，如图13-15所示，切割元件100可以包括设置在P⑶体101与基体102之间的保持板150。保持板150被配置为保持球支承件116(即，保持板150被配置为防止球支承件116无意地从基体102中的凹陷115里移出)。在所示的实施例中，保持板150是具有分别相反的顶表面151和底表面152的圆板。保持板150的底表面152被配置为邻接基体102的界面表面114。保持板还包括被配置为接收将P⑶体101固定至基体102的销103的轴向通孔153。在一个实施例中，轴向通孔153的直径基本上等于基体102中的圆柱形凹口 111的直径。保持板150还包括被配置为接收球支承件116的多个径向设置的通孔154。径向设置的孔154被配置为与基体102中的凹陷115对正。如图15中所示，球支承件116被配置为延伸到保持板150的顶表面151之上，以便PCD体101的下表面105接合球支承件116。在一个实施例中，保持板150能够选自包括诸如WC、W 2C、TiC、VC的金属材料、陶瓷材料、金属陶瓷材料以及它们的组合的组。在一个实施例中，保持板150由诸如313等级的碳化物、406等级的碳化物、812等级的碳化物或任意其他合适的碳化物的烧结碳化钨组成。在另一实施例中，保持板150可以由与销103相同的材料形成，但保持板150和销103也可以由不同的材料形成。可以在上述的第二 HPHT工艺期间将保持板150冶金地结合至基体102。在一个实施例中，可以提供不具有保持板150的切割元件100。
[0068]根据一个实施例，在图16中示出了将热稳定P⑶体连接至基体的方法200。该方法200包括形成热稳定P⑶体210，其可以包括形成非金属催化剂的P⑶体220、形成无结合剂的PCD体230或形成经浸滤的PCD体240。如上所述，形成非金属催化剂的PCD体220可以包括 在存在诸如碳酸盐催化剂的非金属催化剂的情况下HPHT烧结金刚石颗粒。形成无结合剂的PCD体230可以包括使碳经受超高的HPHT烧结工艺而没有催化剂材料，或在化学气相沉积(CVD)工艺中沉积金刚石层。形成经浸滤的K?体240可以包括在HPHT烧结工艺之后化学地处理PCD体，以去除形成在结合的金刚石晶体之间的空隙空间或孔隙中的催化剂材料的至少一部分。在每种情况下，可以形成一个或多个热稳定PCD体，用于并入至切割元件中(例如，参见图4-12)。
[0069]该方法200还包括诸如通过激光切割或电火花加工(EDM)在热稳定P⑶中形成孔眼(例如，轴向通孔、台阶状的槽口或任意其他合适形状的开口)250。在热稳定PCD体中形成孔眼250可以包括在热稳定P⑶体中形成孔260或形成槽口 270。在一个实施例中，该方法200还可以包括诸如通过铣削或机加工在基体中形成孔眼。该方法200还可以包括形成诸如销或有槽口的夹具的紧固构件。可以通过诸如挤压加工或HPHT烧结的任意合适的工艺形成紧固构件。
[0070]该方法200还包括将紧固构件插入到热稳定P⑶体中的孔眼(例如，轴向通孔或台阶状的槽口 )中280。该方法200还包括将紧固构件结合至基体290，由此将热稳定P⑶体连接至基体。在一个实施例中，在第一 HPHT烧结工艺中执行形成热稳定PCD体，在随后的第二 HPHT烧结工艺中执行紧固元件与基体的结合。在一个实施例中，紧固元件与基体的结合290包括将热稳定PCD体、紧固构件和基体放置在压机(例如，六面顶压机、压带机、环状压机等)中，且执行HPHT工艺(例如，范围在大约5.5GPa与7GPa之间的压力，以及范围在大约1340°C与1550 °C之间的温度)。
[0071]根据一个实施例，在图17中示出了将热稳定P⑶体连接至基体的方法300。该方法300包括获得选自无结合剂的PCD、非金属催化剂的PCD和经浸滤的PCD的组的热稳定P⑶体310。该方法300还可以包括在热稳定P⑶体中形成孔眼320和在基体中形成孔眼330。在一个实施例中，在热稳定P⑶体中形成孔眼320包括形成轴向通孔，在基体中形成孔眼330包括形成通常与热稳定P⑶体中的轴向通孔同心的圆柱形凹口。在一个实施例中，在基体中形成孔眼330还包括在基体的界面表面中形成多个半球形凹陷。
[0072]在一个实施例中，该方法300包括将多个球支承件插入到多个半球形凹陷中。该方法300还包括将紧固构件插入到热稳定P⑶体中的孔眼中以及基体中的孔眼中340。该方法300还包括将紧固构件结合至基体350，由此将热稳定PCD体连接至基体以形成切割元件。在一个实施例中，将紧固元件与基体结合350包括将热稳定PCD体、紧固构件和基体放置在压机中(例如，六面顶压机、压带机、环状压机等)，并且执行HPHT工艺(例如，范围在大约5.5GPa与7GPa之间的压力，以及范围在大约1340°C与1550°C之间的温度)。在一个实施例中，将热稳定PCD体可旋转地连接至基体。
[0073]在一个实施例中，虽然将热稳定P⑶体连接至基体的方法200、300可以分别包括上述的和图16和17中所示的每个任务，但是，在其他实施例中，可以没有其中一个或多个任务和/或可以执行另外的任务。此外，在根据一个实施例的将热稳定PCD体连接至基体的方法中，可以分别按照图13和14中所描绘的顺序执行任务。然而，本公开并不局限于此，并且可以按任意其他合适的次序执行任务。例如，在一个实施例中，在基体中形成孔眼的任务之前，执行在热稳定PCD体中形成孔眼的任务，然而，在另一实施例中，在热稳定PCD体中形成孔眼的任务之前，执行在基体中形成孔眼的任务。
[0074]图4-15所示的超硬体被形成为用于包含到切割工具中的切割元件。图18示出包含切割元件401的钻头400，该切割元件包括通过紧固构件404连接至基体403的热稳定PCD体402。钻头400包括钻头本体405，其可由基质材料形成，例如，渗入有合金结合剂材料的碳化钨粉末，或可以是机加工的刚体。钻头本体405包括在一端处的螺纹连接部406，用于将钻头400耦合至钻柱组件。钻头本体405的相反端包括具有切割元件支撑结构的钻头面409。在一个实施例中，切割元件支撑结构包括自钻头面409向外延伸并且圆周地设置在钻头面409周围的多个刀片407。每个刀片407包括多个切割器容器408，以接收并支撑设置在其中的切割元件401。钻头400可以被用于高温的凿岩作业。在其他实施例中，其他类型的钻井工具或切割工具可以包含具有形成切割元件的切割边缘的至少一部分的热稳定PCD体的切割元件，诸如例如，旋转钻头或牙轮钻头，冲击钻头或锤钻头，或剪切切割器。
[0075]尽管上面已经详细地描述了仅几个示例实施例，但是，本领域技术人员将意识到，在实际上不背离本发明的情况下，示例实施例中的许多修改是可能的。因此，所有这些修改都旨在被包括在如下权利要求中所定义的本公开的范围内。申请人的表达意图是不援引美国法典第35条112款的第6段用于本文的任何权利要求的任何限制，除了那些在权利要求与明确地使用词“用于...的装置”相关联的功能。此外，尽管本公开已经描述了用于机械地将热稳定多晶金刚石(PCD)体(例如，无结合剂的PCD、非金属催化剂的PCD和经浸滤的PCD)连接至基体的紧固构件，但是，本领域技术人员将意识到，本公开同样地适用于多晶金刚石(PCD)体和多晶立方氮化硼(PCBN)体。此外，可以用热兼容的碳化硅结合剂形成热稳定多晶金刚石(PCD)体。此外，在一个实施例中，仅多晶金刚石(PCD)体的一部分是热稳定PCD。例如，仅PCD体的一部分可以被浸滤并且PCD体的剩余部分可以是传统的PCD (例如，PCD体的工作面可以是经浸滤的PCD，而PCD体的界面表面可以是传统的PCD)。
【主权项】
1.一种切割兀件，包括: 多晶金刚石体，其具有工作面和与所述工作面相反的界面表面； 所述多晶金刚石体中的孔眼，其在所述工作面与所述界面表面之间延伸； 具有界面表面的基体； 紧固元件，其延伸通过所述多晶金刚石体中的所述孔眼；以及 在所述紧固元件的至少一部分与所述基体的至少一部分之间、在所述紧固元件和所述基体之间的界面处的冶金结合。
2.根据权利要求1所述的切割元件，其中，所述多晶金刚石体选自基本上由无结合剂的多晶金刚石体、非金属催化剂的多晶金刚石体、经浸滤的多晶金刚石体、碳酸盐多晶金刚石体和多晶立方氮化硼体组成的组。
3.根据权利要求1所述的切割元件，其中，所述多晶金刚石体的至少一部分选自基本上由无结合剂的多晶金刚石体、非金属催化剂的多晶金刚石体、经浸滤的多晶金刚石体、碳酸盐多晶金刚石体和多晶立方氮化硼体组成的组。
4.根据权利要求1所述的切割元件，其中，所述紧固元件包括第一碳化物材料，所述基体包括第二碳化物材料，所述第一碳化物材料不同于所述第二碳化物材料。
5.根据权利要求1所述的切割元件，其中，所述紧固元件包括第一碳化物材料，所述基体包括第二碳化物材料，所述第一碳化物材料与所述第二碳化物材料相同。
6.根据权利要求1所述的切割元件，其中，所述紧固元件包括具有钴结合剂基质的烧结碳化钨材料。
7.根据权利要求1所述的切割元件，其中，通过产生大约5.5GPa与7GPa之间的压力和大约1340 °C与1550°C之间的温度的高压高温烧结形成所述冶金结合。
8.根据权利要求1所述的切割元件，还包括所述紧固元件的至少一部分与所述多晶金刚石体的至少一部分之间的冶金结合。
9.根据权利要求1所述的切割元件，其中，所述孔眼是在所述多晶金刚石体的所述工作面与所述界面表面之间延伸的孔。
10.根据权利要求9所述的切割元件，还包括碳化物基体中的自所述基体的界面表面向下延伸的圆柱形凹口，其中，所述紧固元件是具有头部和自所述头部延伸的轴部的销，所述轴部延伸通过所述孔并且进入所述圆柱形凹口中，所述头部突出到所述工作面的一部分之上。
11.根据权利要求1所述的切割元件，其中，所述孔眼是沿所述多晶金刚石体的外周的至少一部分延伸的槽口。
12.根据权利要求11所述的切割元件，其中，所述紧固元件是与所述槽口大致互补的楔形夹具。
13.根据权利要求1所述的切割元件，还包括: 位于所述基体的界面表面中的多个半球形凹陷，其中，所述凹陷以圆形图案设置；以及 多个球支承件，它们安置在所述半球形凹陷中，其中，热稳定多晶体的界面表面与所述多个球支承件可滑动地接合，以便将所述多晶金刚石体可旋转地连接至所述基体。
14.一种钻头，其包括本体，所述本体上安装有如权利要求1所述的切割元件。
15.一种用紧固构件将热稳定多晶金刚石体连接至基体的方法，所述方法包括: 获得具有孔眼的热稳定多晶金刚石体，其中，所述热稳定多晶金刚石体选自基本上由无结合剂的多晶金刚石体、非金属催化剂的多晶金刚石体、经浸滤的多晶金刚石体、碳酸盐多晶金刚石体和多晶立方氮化硼体组成的组； 获得基体； 将所述紧固构件插入到所述孔眼中；以及 高压、高温烧结所述紧固构件、所述热稳定多晶金刚石体和所述基体，以在所述紧固构件和所述基体之间形成冶金结合。
16.根据权利要求15所述的方法，其中，获得所述热稳定多晶金刚石体包括形成所述热稳定多晶金刚石体和在所述热稳定多晶金刚石体中形成所述孔眼。
17.根据权利要求16所述的方法，其中，获得所述热稳定多晶金刚石体包括在高温和高压下烧结金刚石颗粒和非金属催化剂，以形成非金属催化剂的多晶金刚石。
18.根据权利要求16所述的方法，其中，获得所述热稳定多晶金刚石体包括使碳在没有催化剂材料的情况下经受超高压、高温烧结工艺，以形成无结合剂的多晶金刚石。
19.根据权利要求16所述的方法，其中，获得所述热稳定多晶金刚石体包括: 使金刚石粉末和催化剂经受高压、高温烧结工艺，以形成多晶金刚石体；以及 处理所述多晶金刚石体的一部分，以去除结合的金刚石晶体之间的间隙区域中的催化剂材料的大部分，以形成经浸滤的多晶金刚石。
20.根据权利要求15所述的方法，其中，高压、高温烧结所述紧固构件、所述热稳定多晶金刚石体和所述基体以在所述紧固构件与所述基体之间形成冶金结合包括:产生大约.5.5GPa与7GPa之间的压力和大约1340°C与1550°C之间的温度。
【专利摘要】本公开涉及包含被用于地下钻井应用的多晶金刚石体的切割工具，更具体地，涉及一种通过紧固构件连接至基体以形成切割元件的多晶金刚石体。多晶金刚石体可以是无结合剂的多晶金刚石、非金属催化剂的多晶金刚石、经浸滤的多晶金刚石、碳酸盐多晶金刚石或多晶立方体氮化硼。多晶金刚石体包括孔眼，紧固构件延伸通过孔眼并通过HPHT工艺冶金结合至基体。
【IPC分类】B24D3-10, E21B10-46
【公开号】CN104812988
【申请号】CN201380061913
【发明人】F·于
【申请人】史密斯国际有限公司
【公开日】2015年7月29日
【申请日】2013年9月19日
【公告号】CA2888354A1, EP2909418A1, US20140110180, WO2014065965A1
【专利说明】
【背景技术】
[0001]超硬材料经常用于切割工具和凿岩工具中。多晶金刚石材料是一种这样的超硬材料，并且因其好的耐磨性和硬度而闻名，使其成为应用于诸如机加工的切割工具和地下采矿和钻井中的研磨和切割元件的工业应用中的流行材料的选择。
[0002]为形成多晶金刚石，高压、高温烧结(HPHT烧结)金刚石颗粒，以生成超硬的多晶结构。为了在HPHT烧结期间促进金刚石晶体的共生，可在烧结之前将催化剂材料添加到金刚石颗粒混合物和/或在烧结期间使催化剂材料渗入金刚石颗粒混合物中，以形成多晶金刚石(PCD)结构。传统上被用作催化剂的金属选自可溶解的金属催化剂组，该可溶解的金属催化剂组选自周期表的VIII族，包括钴、铁和镍以及它们的组合和它们的合金。在HPHT烧结之后，产生的PCD结构包括彼此结合的互相连接的金刚石晶体的网络，催化剂材料占据结合的金刚石晶体之间的空隙空间或孔隙。在存在基体的情况下，可以HPHT烧结金刚石颗粒混合物，以形成结合至基体的PCD体。基体还可以充当在烧结期间渗入到金刚石颗粒混合物中的金属催化剂的源。
[0003]用于某些应用的PCD体的所期望的特性是在磨削或切割作业期间改善的热稳定性。已知的与传统的PCD体共存的问题是当它们暴露于升高的温度时易受热降级的侵害。这个易损性起因于存在于填隙地设置在PCD体内的可溶解的金属催化剂材料的热膨胀特性与晶间结合的金刚石的热膨胀特性之间的差别。已知由这种有差异的热膨胀所引起的材料的损坏开始于像400°C—样低的温度，并且能够诱发热应力，该热应力对于金刚石的晶间结合是不利的，并且最终导致能使PCD结构易受破坏的裂缝的形成。进一步地，已知可溶解的金属催化剂随着温度的增加在金刚石中导致不期望的催化相变(将其转变为石墨)，由此将P⑶体的实际使用限制到大约750°C。
[0004]已经开发了热稳定P⑶材料，以改善高温性能。然而，可能难于在热稳定P⑶材料与基体之间形成结合来用于附连到切割工具上。由于热稳定PCD材料的高脆度和高硬度，在PCD体或碳化物上机加工诸如螺纹的传统特征是不可行的。因此，难于通过传统的机械方法连接热稳定PCD材料和基体。
【发明内容】
[0005]本公开涉及包含被用于地下钻井应用的多晶金刚石体的切割工具，更特别地，涉及一种通过一个或多个紧固元件被连接至基体以形成切割元件的热稳定多晶金刚石(PCD)体。在一个实施例中，切割元件包括用紧固元件机械地连接至碳化物基体的热稳定多晶金刚石体。热稳定PCD体可以是无结合剂的PCD、诸如碳酸盐PCD的非金属催化剂的PCD或经浸滤的PCD。在一个实施例中，提供了一种用于将热稳定多晶金刚石体连接至基体的方法。所述方法包括形成热稳定PCD体，其可以是无结合剂的PCD、非金属催化剂的PCD或经浸滤的PCD。所述方法包括在所述热稳定PCD体中形成用于接收所述紧固元件的孔眼，以及将所述紧固元件插入到所述孔眼中。所述方法还包括将所述热稳定PCD体和紧固元件安置在所述基体上。所述方法还包括使所述热稳定PCD、所述紧固元件以及所述基体经受高压高温(HPHT)烧结，以将紧固构件结合至所述基体。
[0006]提供该
【发明内容】
，以引入以下在详细描述中所进一步描述的选出的概念。该
【发明内容】
既不旨在确定所要求保护的主题的关键或必要的特征，也不旨在用于限制所要求保护的主题的范围。
【附图说明】
[0007]参考附图描述机械地紧固至基体的热稳定PCD材料的实施例。在所有附图中使用相同的附图标记表示相似的特征和部件。
[0008]图1示出根据一个实施例的热稳定非金属催化剂的PCD材料的一个区域。
[0009]图2示出根据一个实施例的热稳定无结合剂的PCD材料的一个区域。
[0010]图3示出根据一个实施例的热稳定经浸滤的P⑶材料的一个区域。
[0011]图4示出根据一个实施例的具有热稳定PCD体、基体和紧固构件的切割元件的分解图。
[0012]图5示出根据一个实施例的具有热稳定PCD体、基体和紧固构件的切割元件的透视图。
[0013]图6示出根据一个实施例的具有热稳定PCD体、基体和紧固构件的切割元件的剖视图。
[0014]图7示出根据一个实施例的具有热稳定PCD体、基体和紧固构件的切割元件的分解图。
[0015]图8示出根据一个实施例的具有热稳定PCD体、基体和紧固构件的切割元件的透视图。
[0016]图9示出根据一个实施例的具有热稳定PCD体、基体和紧固构件的切割元件的剖视图。
[0017]图10示出根据一个实施例的具有热稳定PCD体、基体和紧固构件的切割元件的分解图。
[0018]图11示出根据一个实施例的具有热稳定PCD体、基体和紧固构件的切割元件的透视图。
[0019]图12示出根据一个实施例的具有热稳定PCD体、基体和紧固构件的切割元件的剖视图。
[0020]图13示出根据一个实施例的具有热稳定PCD体、基体和紧固构件的切割元件的分解图。
[0021]图14示出根据一个实施例的具有热稳定PCD体、基体和紧固构件的切割元件的透视图。
[0022]图15示出根据一个实施例的具有热稳定PCD体、基体和紧固构件的切割元件的剖视图。
[0023]图16示出根据一个或多个实施例的用于将热稳定P⑶体紧固至基体的(多个)示例方法。
[0024]图17示出根据一个或多个实施例的用于将热稳定P⑶体紧固至基体的(多个)示例方法。
[0025]图18示出根据一个实施例的包含切割元件的示例设备。
【具体实施方式】
[0026]本公开涉及包含用于地下钻井应用的多晶金刚石体的诸如钻头上的剪切切割器的切割工具，更特别地，涉及一种通过一个或多个紧固元件连接至基体以形成切割元件的热稳定多晶金刚石(PCD)体。在一个实施例中，热稳定PCD材料可以是无结合剂的PCD、非金属催化剂的PCD或经浸滤的PCD。热稳定PCD体包括用于接收将热稳定PCD体固定至基体的紧固元件的孔眼。随后，将紧固元件冶金地结合至基体以机械方式将PCD体紧固至基体。还可以将紧固元件冶金地结合至P⑶体。
[0027]以下公开是指向各种实施例的。所公开的实施例具有广泛应用，并且对所有实施例的讨论仅意味着对那个实施例的描述，而不旨在暗示包括权利要求的本公开的范围被限制为那个实施例或限制为那个实施例的特征。
[0028]在遍布以下描述和权利要求中使用某些术语指特定特征或部件。如本领域技术人员将意识到，不同的人可以通过不同的名字指相同的特征或部件。该文档不旨在区别仅在名字方面不同的部件或特征。不必按比例绘图。可以按比例夸张的或以稍微示意的形式示出本文的某些特征和部件，并且为了清楚和简明而未示出传统元件的某些细节。
[0029]如在本文所使用的，为了方便起见，可以在通用列表中呈现出多个条目、结构元件、组成元件和/或材料。然而，这些列表应当被解读为犹如所述列表的每个成员分别被视作单独的且唯一的成员。因此，在没有相反的指示的情况下，这种列表的任何成员都不应当只是基于它们在通用的组中的表示而被解释为实际上等同于相同列表的任意其他成员。
[0030]被声明通过引用被全部或部分地结合到本文的所有专利、出版物或其他公开材料仅在被结合的材料不与存在的定义、陈述或在该公开中阐明的其他公开材料相冲突的程度上被结合到本文。同样地，并且到必要的程度，如在本文所阐明的公开取代通过引用被结合到本文的所有冲突的材料。被声明通过引用被结合到本文、但其与存在的定义、陈述或本文所阐明的其他公开材料相冲突的所有材料或其部分将仅在那个被结合的材料与存在的公开材料之间不出现冲突的程度上被结合。
[0031]为了清楚，如本文所使用的术语“传统的P⑶”是指在HPHT烧结工艺期间已经借助于传统的金属催化剂形成的传统的多晶金刚石，从而形成具有占据结合的金刚石晶体之间的空隙空间或孔隙的金属催化剂材料的结合的金刚石晶体的微观结构。
[0032]“非金属催化剂的P⑶”是指在HPHT烧结工艺期间已经借助于非金属催化剂形成的PCD材料，从而形成具有占据结合的金刚石晶体之间的空隙空间或孔隙的非金属催化剂材料的结合的金刚石晶体的微结构。非金属催化剂的示例包括碳酸盐(例如，MgCO3)、硫酸盐(例如，MgSO4)、氢氧化物(例如，Mg(OH)2)以及氧化铁(例如，FeT13)。碳酸盐催化剂可以是任意的I族或II族的碳酸盐，例如，碳酸镁、碳酸钙、碳酸锂或碳酸钠或碳酸盐的组合。“无结合剂的PCD”是指不使用催化剂，例如通过在超高压力和温度下将石墨直接转变为金刚石来形成多晶金刚石基质。“经浸滤的P⑶”是指在HPHT烧结工艺之后已经被处理以去除形成在结合的金刚石晶体之间的空隙区域中的催化剂材料的至少一部分的PCD材料，因此包括基本上没有催化剂材料的多个空隙区域(即，结合的金刚石晶体之间的空隙区域基本上是空的空隙或孔隙)。如本文所使用的“热稳定PCD”意指非金属催化剂的PCD、无结合剂的PCD或经浸滤的PCD。在一个实施例中，热稳定PCD选自基本上由非金属催化剂的P⑶、无结合剂的P⑶和经浸滤的P⑶组成的组。用于执行HPHT烧结工艺的合适的设备的示例包括六面顶压机、压带机和环状压机。
[0033]图1中示意性地示出了非金属催化剂的PCD材料10的区域。通过使与诸如碳酸盐的非金属催化剂相混合的金刚石粉末经受HPHT烧结工艺来形成非金属催化剂的PCD材料10的这个微结构。在一个实施例中，HPHT烧结工艺包括施加大约70千巴或更大的压力以及大约2，000至2，500 0C的温度。在这个温度和压力下，非金属催化剂材料熔化并渗透入金刚石粉末混合物。该催化剂在HPHT烧结工艺期间促进金刚石晶体的生长，从而形成非金属的PCD。形成的非金属催化剂的PCD材料10具有包括结合至彼此的多个金刚砂或金刚石晶体11的多晶微结构，诸如碳酸盐的非金属催化剂材料12占据金刚石晶体11之间的空隙空间或孔隙。当使用非金属催化剂时，随着温度升高到1200°C金刚石以多晶金刚石形式保持热稳定，而不是被转变为石墨。此外，非金属催化剂可以热分解并产生气体。因此，随着温度的升高，由于PCD与非金属催化剂之间的热膨胀的不匹配而造成的材料损坏是可以忽略的。在一个实施例中，非金属的PCD材料10中的金刚石晶体11的尺寸为大约1-50微米。在另一实施例中，金刚石晶体11的尺寸小于I微米。在一个实施例中，非金属催化剂的PCD材料10由按体积计大约90-98%的金刚石组成。在另一个实施例中，非金属催化剂的PCD材料10具有至少99%的金刚石体积含量。在另一个实施例中，非金属催化剂的PCD材料10具有至少95%的金刚石体积含量。在另一个实施例中，非金属催化剂的PCD材料10具有至少90%的金刚石体积含量。
[0034]图2中示意性地示出了无结合剂的P⑶材料20的区域。通过使碳(例如，石墨、巴克球或其它碳结构)在不具有催化剂材料的情况下经受超高温度和压力的烧结工艺来形成无结合剂的PCD材料20的该微结构。在一个实施例中，该工艺包括超高温度和压力下的HPHT烧结，所述温度和压力高于形成PCD的传统HPHT烧结期间所施加的温度和压 力。在一个实施例中，压力在大约100-160千巴之间，例如，大约150千巴，以及温度在大约2200-2300°C。例如，当烧结石墨时，该压力可以是大约150千巴或大约150-160千巴。当烧结诸如巴克球或其它复杂的碳结构的其他类型的碳时，该压力可以是大约110-120千巴。以供参考，可以以大约55-60千巴执行形成PCD的传统HPHT烧结。形成的无结合剂的PCD材料20具有包括结合至彼此的多个金刚砂或金刚石晶体21而不具有散置在金刚石晶体21之间的催化剂材料的多晶微结构(即，无结合剂的PCD材料20的金刚石晶体21直接地结合至彼此，并且在金刚石晶体21之间基本上没有间隙或空隙空间)。无结合剂的PCD材料20基本上是纯碳的，金刚石的体积分数大于99%。在一个实施例中，无结合剂的PCD材料20的材料微结构具有至少98%的金刚石体积含量，而在另一实施例中具有至少或大约99%，在另一实施例中具有至少或大约99.5%，在另一实施例中具有至少或大约99.8%，在另一实施例中具有至少或大约99.9%的金刚石体积含量。在一个实施例中，无结合剂的PCD材料20具有微小的金刚砂尺寸，例如，平均金刚砂尺寸小于I微米，例如，大约50nm或更小。在其他实施例中，无结合剂的PCD材料20具有大约1-30微米的平均金刚砂尺寸。
[0035]在另一实施例中，通过在化学气相沉积(CVD)工艺中沉积层以形成具有基本上100%的金刚石体积含量的无结合剂的PCD材料20，来形成热稳定无结合剂的金刚石材料。通过在反应的环境中加热气体前体来执行CVD工艺，这导致前体在基体的表面上反应或分解，从而形成所期望的沉积物。该工艺导致基体上的金刚石晶体的生长。
[0036]无结合剂的PCD是热稳定，因为其不遭受金刚石与催化剂之间的有差别的热膨胀。无结合剂的PCD具有一种相，并且因此不存在材料的不同相之间有差别的热膨胀。因此，由该无结合剂的PCD材料形成的金刚石体即使在温度升高的状态下也能够呈现高的强度，而传统的PCD则受到由于金刚石相与催化剂相的有差别的膨胀的热降级。
[0037]在图3中示意性地示出了经浸滤的P⑶材料30的区域。通过使与催化剂混合的金刚石粉末经受HPHT烧结工艺来形成经浸滤的P⑶材料30的这个微结构。形成的P⑶材料具有包括结合至彼此的多个金刚砂或金刚石晶体的多晶微结构，催化剂材料占据金刚石晶体之间的空隙空间或孔隙。随后，对PCD材料进行处理以从所述多个空隙区域去除催化剂材料。因此，经浸滤的PCD材料30包括多个结合在一起的金刚石晶体31和结合的金刚石晶体31之间的基本上没有催化剂材料的多个空隙区域32。通过将PCD体放置在特氟隆容器中的酸溶液中来执行浸滤，该特氟隆容器被装在密封的不锈钢压力容器内并且被加热到160-180°C。通过在这些条件下加热酸溶液可能实现100-200psi之间的压力。用于浸滤的合适的酸溶液包括试剂级酸，该试剂级酸包含大约5.3摩尔/升的HN03和大约9.6摩尔/升的HF的浓度，其通过按体积计的HN03-15.9摩尔/升(试剂级硝酸):HF_28.9摩尔/升(试剂级氢氟酸):以及水的1:1:1的比率制成。
[0038]在采矿作业或钻井作业期间，钻头上的剪切切割器可能会经历高的负载(例如，在剪切切割器的切割边缘边缘上为2500与30001bs)。因此，在热稳定P⑶体与基体之间形成强的结合可以使剪切切割器能够忍受这些高的负载。将热稳定PCD体结合至基体可能出现挑战，因为在没有诸如钴的传统催化剂金属的情况下形成热稳定PCD体。在传统的PCD中，用于在HPHT烧结期间方便金刚石生长的金属溶剂催化剂还在传统的PCD体与基体之间形成结合。相比之下，热稳定PCD体缺乏金属溶剂催化剂来在热稳定PCD体与基体之间形成结合。非金属催化剂的PCD包括占据空隙空间的非金属催化剂(参见图1)，无结合剂的PCD在结合的金刚石晶体之间没有空隙空间(参见图2)，以及经浸滤的PCD在结合的金刚石晶体之间的空隙空间或空隙中基本上没有催化剂(参见图3)。因此，非金属催化剂的PCD和无结合剂的PCD在结合的金刚石晶体之间没有如在传统的HPHT烧结期间可用使用基体与PCD之间流动的结合材料(例如，金属溶剂催化剂)填充的空的间隙空间。此外，在浸滤了 P⑶体的一部分的实施例中，经浸滤的P⑶体可以在沿经浸滤的P⑶体与基体之间的界面表面的结合的金刚石晶体之间具有催化剂材料。因此，经浸滤的PCD可以没有用在基体与经浸滤的PCD体之间流动的结合材料渗入的空的间隙空间。此外，将PCD体铜焊至基体可由于高的铜焊温度导致铜焊期间金刚石表面的石墨化，这会破坏PCD结构和PCD体与基体之间的结合。
[0039]根据图4-6中所示的一个实施例，经由紧固构件43将热稳定P⑶体41 (例如，非金属催化剂的P⑶、无结合剂的P⑶或经浸滤的P⑶)连接至基体42，以形成切割元件40。使用紧固构件43将热稳定PCD体41机械地锁定至基体42。热稳定PCD体41包括顶面或工作面44、与工作面相反的界面表面45以及在工作面44和界面表面45之间延伸的侧壁46。热稳定P⑶体41还包括侧壁46与工作面44相交的切割边缘47。切割边缘47是热稳定PCD体41的诸如地下采矿或钻井作业期间接合地层的部分。界面表面45是热稳定PCD体41当连接基体42以形成切割元件40时邻接基体42的一部分。在另一实施例中，可以将热稳定PCD体41连接至中间层，并且可以将中间层连接至基体42。
[0040]在一个实施例中，在两个单独的HPHT烧结工艺中形成切割元件40。在一个实施例中，通过在第一 HPHT烧结工艺中预形成热稳定P⑶体41并且随后在第二 HPHT烧结工艺中经由紧固构件43将热稳定P⑶体41连接至基体42来形成切割元件40 ( S卩，在执行第二HPHT结合工艺以将热稳定P⑶体41固定至基体42之前，通过HPHT烧结首先形成热稳定P⑶体41)。在第一 HPHT烧结工艺中形成的热稳定P⑶体41可以是非金属催化剂的P⑶(例如，碳酸盐、硫酸盐、氢氧化物和氧化铁)、无结合剂的PCD或经浸滤的PCD。在一个实施例中，在预烧结的或预压紧的P⑶体上执行第一 HPHT烧结工艺，以形成热稳定P⑶体41。随后在热稳定P⑶体41中形成孔眼48，以接收将热稳定P⑶体41连接至基体42的紧固构件43。在图4和6中所示的实施例中，孔眼48由在热稳定K?体41的工作面44与界面表面45之间延伸的轴向通孔组成。该通孔沿切割元件40的纵轴线49延伸。在一个实施例中，可以通过激光切割、电火花加工(EDM)或现有技术中已知的任意其他合适的工艺在热稳定P⑶体41中形成孔眼48。在另一实施例中，可以在第一 HPHT烧结工艺期间以最终形状在热稳定P⑶体41中形成孔眼48。
[0041]继续参考图4中所示的实施例，基体42包括当将基体42连接至热稳定P⑶体41以形成切割元件40时邻接热稳定PCD体41的界面表面45的界面表面50。在一个实施例中，基体42的界面表面50包括用于接收紧固构件43的一部分的孔眼51。可通过现有技术中已知的机加工技术或任意其他合适的工艺来在基体42中形成孔眼51。孔眼51形成在基体42的界面表面50上且延伸到基体42中。基体42的界面表面50中的孔眼51是沿切割元件40的纵轴线49向下延伸的大致圆柱形凹口。在一个实施例中，基体42中的圆柱形凹口 51与热稳定P⑶体41中的孔眼48同心(S卩，基体42中的孔眼51被配置为与热稳定P⑶体41中的孔眼48轴向对正)。在一个实施例中，基体42中的孔眼51包括下表面52和在下表面52与基体42的界面表面50之间延伸的侧壁53。在一个实施例中，基体42中的孔眼51的下表面52与基体42的界面表面50大致平行。在一个实施例中，热稳定PCD体41中的孔眼48的直径基本上等于基体42中的孔眼51的直径。
[0042]在图4-6所示的实施例中，紧固构件是具有头部54和自头部54向下突出的相对较小的轴部55的销43。在所示的实施例中，轴部55与紧固构件43的头部54大致同心。在一个实施例中，紧固构件43的头部54通常是盘形的，并且轴部55是大致圆柱形的。在其他实施例中，销43的头部可以是圆顶形的、方形的或任意其他合适的形状。此外，销43的轴部55可以具有非圆形的横截面，例如，大致方形的横截面。在所示的实施例中，销43的头部54具有分别相反的顶部平面56和平坦底表面57。轴部55自头部54的底表面57向下突出并且具有与头部54的底表面57相反的平坦的下表面58。在一个实施例中，销43的轴部55的外径大致等于热稳定P⑶体41和基体42中各自的孔眼48、51的直径。在另一实施例中，销43的轴部55的外径稍微小于热稳定P⑶体41和基体42中各自的孔眼48、51的直径。紧固构件43能够选自包含金属材料、陶瓷材料、金属陶瓷材料和它们的组合的组。示例包括诸如WC、W 2C、TiC、VC的碳化物。在一个实施例中，紧固构件43由烧结碳化钨(例如，WC-Co)形成。紧固构件43可以由具有碳化钨聚集体和钴结合剂基质的基质材料形成。可以通过烧结或现有技术中已知的其他技术形成紧固构件43。类似地，基体42能够选自包括诸如WC、W 2C、TiC、VC的金属材料、陶瓷材料、金属陶瓷材料以及它们的组合的组。在一个实施例中，基体42由烧结碳化钨形成。在一个实施例中，紧固构件43和基体42基本上由相似的材料形成，但紧固构件43和基体42也可以由不同的材料构成。在一个实施例中，紧固构件43和基体42可以由烧结碳化钨形成。在一个实施例中，紧固构件43包括313等级的碳化物(3 μ m的平均WC颗粒尺寸和13%的钴)以及基体42包括406等级的碳化物(4 μ m的平均WC颗粒尺寸和6%的钴)。在另一实施例中，紧固构件43包括313等级的碳化物以及基体42包括812等级的碳化物(8 μ m的平均WC颗粒尺寸和12%的钴)。在又一实施例中，紧固构件43包括406等级的碳化物以及基体42包括313等级的碳化物。在另一实施例中，紧固构件43包括812等级的碳化物以及基体42包括313等级的碳化物。在另一实施例中，紧固构件43和基体42由具有不同结合剂相的碳化物形成。然而，本公开并不被限制为上述的碳化物等级，而紧固构件43和基体42可以包括任意其他合适的碳化物的组合。
[0043]如图5和6所示，在已经在热稳定P⑶体41和基体42中分别形成孔眼48、51之后，以叠置结构将热稳定PCD体41设置在基体42的顶上，使得热稳定PCD体41中的孔眼48与基体42中的孔眼51轴向地对正。随后，可以将紧固构件43插入通过热稳定P⑶体41中的孔眼48，并且进入基体42中的孔眼51 ( g卩，紧固构件43纵向地延伸分别通过热稳定P⑶体41和基体42中的孔眼48、51)。在一个实施例中，可以用压配合(摩擦配合)或松配合将紧固构件43接收进孔眼48和51中。在一个实施例中，紧固构件43的轴部55的长度L基本上等于加在一起的基体42中的孔眼51的深度D和热稳定P⑶体41的厚度T。因此，如图6所示，当将紧固件43插入到孔眼48、51中时，紧固构件43的头部54的底表面57邻接热稳定PCD体41的工作面44，并且紧固构件43的轴部55的下表面58邻接基体42中的孔眼51的下表面52。在另一实施例中，当将紧固件43插入到孔眼48、51中时，紧固构件43的头部54的底表面57与热稳定PCD体41的工作面44间隔开，并且紧固构件4 3的轴部55的下表面58与基体42中的孔眼51的下表面52间隔开。随后，将热稳定P⑶41、紧固构件43和基体42放置到压机中(例如，六面顶压机、压带机、环状压机等)，以及然后执行第二 HPHT工艺以用紧固构件43机械地将热稳定P⑶体41固定至基体42。在第二 HPHT工艺之后，紧固构件43的底表面57和紧固构件43的下表面58分别邻接表面44、52。在一个实施例中，可以在范围在大约5.5GPa与7GPa之间的压力和范围在大约1300°C和1550°C之间的温度下执行第二 HPHT工艺。在另一实施例中，可以在大约5GPa下执行第二 HPHT工艺。
[0044]在第二 HPHT工艺期间，紧固构件43变得易延展，并且易于从较高的压力区域流向较低的压力区域。在一个实施例中，销43的轴55能够在该压力下径向地膨胀并且分别流入热稳定K?体41和基体42中的孔眼48、51中。以这种方式，第二 HPHT工艺使得紧固构件43与基体42之间在轴55和基体42中的孔眼51之间的界面处产生冶金结合。具体地讲，在轴55的外表面与基体42中的孔眼51的侧壁53之间以及在轴55的下表面58与基体42中的孔眼51的下表面52之间形成冶金结合。根据第二 HPHT工艺的条件，冶金结合还可以形成在热稳定PCD体41与紧固构件43之间的界面处。在一个实施例中，碳化物紧固构件43在第二 HPHT工艺期间变得易延展，并且紧固构件43的一部分渗入到热稳定P⑶体41的结合的金刚石晶体之间的空隙区域中。在一个或多个实施例中，紧固构件43的钴结合剂基质在第二 HPHT工艺期间进入液态并且浸渍或渗入到设置在PCD体41的结合的金刚石晶体之间的空隙区域中，由此在紧固构件43与PCD体41之间形成冶金结合。此外，在一个实施例中，结合可以沿相应的界面表面45、50形成在热稳定PCD体41与碳化物基体42之间。因此，形成在紧固构件43与基体42之间的结合机械地将热稳定PCD体41固定至基体42。此外，靠着热稳定PCD体41的工作面44的紧固构件43的头部54提供将热稳定PCD体41固定至基体42的压力。
[0045]上述冶金结合还避免了紧固构件43、P⑶体41与基体42之间的，以其他方式结合超硬体与基体时会产生的，尖锐接触点和高应力集中的区域。因为碳化物紧固构件43和基体42可以在HPHT工艺期间变得易延展，所以碳化物可以流动并填入PCD体41与紧固构件43之间、P⑶体41与基体42之间、以及紧固构件43与基体42之间的任何缝隙。因此，在HPHT工艺期间碳化物至各种缝隙的流动趋向于在P⑶体41、紧固构件43与基体42之间产生光滑的界面，由此防止切割元件40的各个部件之间的尖点接触或线接触。
[0046]尽管用平坦的界面表面45、50分别示出P⑶体41和基体42，但是界面表面也可以是非平坦的。在一个或多个实施例中，基体42的界面表面50可以包括一个或多个突出物(例如，圆顶表面)，且PCD体41的界面表面45可以包括用于接收突出物的一个或多个相应的凹陷(例如，凹槽)。突出物与凹陷被配置为将P⑶体41连接至基体42。
[0047]在图7-9中所示的实施例中，通过用紧固构件73机械地将热稳定P⑶体71连接至基体72来形成切割元件70。在一个实施例中，通过在第一 HPHT烧结工艺中预形成热稳定P⑶体71，并且随后在第二 HPHT烧结工艺中经由紧固构件73机械地将热稳定P⑶体71连接至基体72来形成切割元件70。在第一 HPHT烧结工艺中形成的热稳定P⑶体71可以是非金属催化剂的PCD (包括碳酸盐、硫酸盐、氢氧化物和氧化铁)、无结合剂的PCD或经浸滤的PCD。在一个实施例中，在预烧结的或预压紧的PCD体上执行第一 HPHT烧结工艺，以形成热稳定P⑶体71。热稳定P⑶体71包括工作面74、与工作面74相反的界面表面75以及在工作面74和界面表面75之间延伸的侧壁76。热稳定P⑶体71还包括侧壁76与工作面74相交处的切割边缘77。
[0048]随后，在热稳定P⑶体71中形成孔眼78，以接收将热稳定P⑶体71固定至基体72的紧固构件73。在图7-9所示的实施例中，热稳定PCD体71中的孔眼是在热稳定PCD体71的工作面74与界面表面75之间延伸的槽口 78。槽口 78由自侧壁76向内成锥形收缩的两个相对的壁段79、80组成。两个相对的壁段79、80在沿侧壁76的较宽的开口与热稳定PCD体71的中心附近的较窄的开口之间成锥形。在所示的实施例中，开口的较窄的端包括在两个壁段79、80之间延伸的内部壁段81。壁段79、80、81 —起在热稳定P⑶体71中形成被截头的V形开口。
[0049]在图7所示的实施例中，槽口 78包括被配置为与夹具73的一部分互锁的梯形凸缘82。梯形凸缘82在三个边上由两个锥形的壁段79、80和内部壁段81限界。梯形凸缘82的第四个边由在两个锥形的壁段79、80之间延伸的垂直的壁段83所界定。垂直的壁段83位于内部壁段81与热稳定P⑶体71的侧壁76中的开口之间。凸缘82自界面表面75并且向热稳定P⑶体71的工作面74向上延伸。凸缘82的上表面84相对于热稳定P⑶体71的工作面74凹进。在一个实施例中，热稳定P⑶体71的厚度T’大约于凸缘82的厚度D’的两倍。然而，可以理解，凸缘82的厚度D’可以包括任意比例的热稳定P⑶体71的厚度T’。在一个实施例中，凸缘82的厚度D’对应于热稳定PCD体71的未被浸滤以从结合的金刚石晶体之间的空隙区域去除催化剂材料的那部分。即，在一个实施例中，在工作面74与凸缘82的上表面84之间形成的凹口对应于热稳定P⑶体71被浸滤的深度。可以通过激光切割、电火花加工(EDM)或现有技术中已知的任意其他合适的工艺在热稳定PCD体71中形成槽口 78。在另一实施例中，可以在第一 HPHT烧结工艺中在热稳定P⑶体71中形成槽口 78。
[0050]继续参考图7-9中所示的实施例，紧固构件由被配置为机械地将热稳定PCD体71固定至基体72的楔形夹具73组成。夹具73通常与热稳定P⑶体71中的槽口形的开口 78互补，以便配置夹具73坐落在槽口 78中。此外，夹具73的一部分被配置为叠覆热稳定P⑶体71中的槽口 78的一部分，由此形成将热稳定P⑶体71固定至基体72的搭接接合。
[0051]在图7-9所示的实施例中，夹具73由两个锥形的壁段85、86、弓形侧壁87和与侧壁87相反的端壁88组成。夹具73还包括上表面89和与上表面89相反的界面表面90。夹具73在较宽的侧壁87与相对较窄的端壁88之间成锥形。此外，夹具由侧壁87附近的相对较厚的部分91与端壁88附近的相对较薄的部分92组成。在较厚的部分91与较薄的部分92之间形成台阶93。在一个实施例中，夹具73的较厚的部分91通常等于热稳定PCD体71的厚度T’。在一个实施例中，较薄的部分92的厚度与凸缘82的厚度加在一起通常等于热稳定PCD体71的厚度T’。夹具73的较薄的部分92形成被配置为接合凸缘82的唇部。楔形夹具73围绕切割元件70的边缘延伸一角度α。在一个实施例中，楔形夹具73可以围绕切割元件70的边缘延伸大约10°与90°之间的一角度α。在一个实施例中，楔形夹具围绕切割元件的边缘延伸一大约45°的角度α。在另一实施例中，楔形夹具73可以围绕切割元件70的边缘延伸一大于90°、例如，270°的角度α。在一个实施例中，在钻头上定位切割元件70的方向，使得例如在地下钻井或采矿作业期间热稳定PCD体71的切割边缘77接合地层(即，可以在钻头上定位切割元件70的方向，使得夹具73在钻井或采矿作业期间不接合地层)。可以通过诸如挤压成型或HPHT烧结的任意合适的工艺形成夹具73。夹具73可以选自包含金属材料、陶瓷材料、金属陶瓷材料和它们的组合的组。示例包括诸如WC、W 2C、TiC、VC的碳化物。在一个实施例中，夹具73由烧结碳化钨形成。类似地，基体72能够选自包括诸如WC、W 2C、TiC、VC的金属材料、陶瓷材料、金属陶瓷材料以及它们的组合的组。在一个实施例中，基体72由烧结碳化钨形成。在一个实施例中，夹具73和基体72基本上由相似的材料形成，但夹具73和基体72也可以由不相似的材料形成并且仍落在本公开的范围和精神内。在一个实施例中，夹具73和基体72可以由烧结碳化钨形成。
[0052]如图8和9所示，在已经在热稳定P⑶体71中形成槽口 78之后，夹具73坐落在槽口 78中，唇部92和凸缘82处于互锁或搭接接合配置。当将夹具73接收在热稳定P⑶体71中的槽口 78中时，唇部92的下表面94安置在凸缘82的上表面84上。此外，如图9所示，夹具73的台阶93和端壁段88分别邻接槽口 78的垂直的壁段83和内部壁段81。夹具73的锥形壁段85、86分别邻接槽口 78的锥形壁段79、80。在另一实施例中，夹具73的台阶93、端壁段88和锥形壁段85、86分别与热稳定P⑶体71的垂直的壁段83、内部壁段81和锥形壁段79、80间隔开。此外，如图9所示，夹具73的上表面89基本上与热稳定P⑶体71的工作面74共面，并且夹具73的界面表面90基本上与基体72的界面表面95共面。
[0053]随后，将热稳定P⑶体71和夹具73设置在基体72的界面表面95上。热稳定P⑶体71和夹具73 —起基本上与基体72的界面表面95共同延伸。随后，将热稳定P⑶体71、夹具73和基体72放置到压机中(例如，六面顶压机、压带机、环状压机等)，并且然后执行第二 HPHT工艺以用夹具73机械地将热稳定P⑶体71固定至基体72。在一个实施例中，可以在范围在大约5.5GPa与7GPa之间的压力和范围在大约1340°C和1550°C之间的温度下执行第二 HPHT工艺。在另一实施例中，可以在大约5GPa下执行第二 HPHT工艺。在一个实施例中，在HPHT工艺期间所施加的将夹具73结合至基体72的温度和压力基本上类似于形成热稳定P⑶体71的HPHT烧结工艺期间所施加的温度和压力。在第二 HPHT工艺期间，沿夹具73的界面表面90在夹具73与基体72之间形成冶金结合。根据第二 HPHT工艺的条件，冶金结合还可以形成在热稳定PCD体71与夹具73之间的界面处。在一个实施例中，碳化物夹具73在第二 HPHT工艺期间变得易延展，并且夹具73的一部分渗入到热稳定P⑶体71的结合的金刚石晶体之间的空隙区域中，由此在PCD体71与夹具73之间形成冶金结合。此外，在一个实施例中，结合可以沿相应的界面表面75、95形成在热稳定PCD体71与碳化物基体72之间。因此，夹具73与基体72之间的冶金结合和夹具73与槽口 78的互锁配置机械地将热稳定P⑶体71固定至基体72。
[0054]在图10-12所示的另一实施例中，通过用紧固构件133机械地将热稳定P⑶体131连接至基体132来形成切割元件130。如上所述，通过在第一 HPHT烧结工艺中预形成热稳定P⑶体131、随后在第二 HPHT烧结工艺中经由紧固构件133机械地将热稳定P⑶体131连接至基体132来形成切割元件130。热稳定P⑶体131包括工作面134、与工作面134相反的界面表面135以及在工作面134和界面表面135之间延伸的侧壁136。热稳定P⑶体131还包括侧壁136与工作面134相交处的切割边缘137。
[0055]在图10-12的所示实施例中，在热稳定P⑶体131中形成具有锥形凸缘139的开口138， 以接收将热稳定P⑶体131固定至基体132的紧固构件133。锥形凸缘139在P⑶体131的中心附近的较厚的部分与最接近侧壁136的较薄的部分之间成锥形。将意识到，将图10和12中所示的PCD体中的开口 138变成锥形，而不是参考图7和9的如上述的变成槽口。锥形凸缘139还包括被配置为接合紧固构件133的一部分的倾斜的界面表面140 (图12)，如下所述。可以通过激光切割、电火花加工(EDM)或现有技术中已知的任意其他合适的工艺形成K?体131中的开口 138。还可以在第一 HPHT烧结工艺期间形成开口 138。
[0056]继续参考图10-12，紧固构件是被配置为机械地将热稳定P⑶体131固定至基体132的锥形楔子133。将意识到，图10和12中所示的锥形楔子133包括倾斜的界面表面141，而不是参考图7和9的上述的夹具73的台阶式的轮廓。锥形楔子133的倾斜的界面表面141通常匹配或互补于锥形凸缘139的倾斜的界面表面140的形状。锥形楔子133通常互补于热稳定P⑶体131中的开口 138，使得锥形楔子133被配置为坐落在开口 138中。如图12中所示，锥形凸缘139被配置为被锥形楔子133的一部分重叠。也就是说，锥形楔子133的一部分被配置为叠覆热稳定P⑶体131中的锥形凸缘139的一部分，由此形成将热稳定P⑶体131固定至基体132的搭接接合。如图12中所示，当将锥形楔子133接收进P⑶体131中的开口 138中时，楔子133的倾斜界面表面141安置在锥形凸缘139的倾斜的界面表面140上。可以通过诸如挤压加工、HPHT烧结、激光切割或电火花加工(EDM)的任意合适的工艺形成锥形楔子133。此外，楔子133的锥形形状可以通过磨削方便形成锥形楔子 133。
[0057]在将锥形楔子133设置在P⑶体131中的开口 138中之后，然后将锥形楔子133和P⑶体131堆叠在基体132的界面表面142上。在一个实施例中，锥形凸缘139不完全延伸至P⑶体131的侧壁136，以便锥形楔子133的非锥形的界面表面部分143安置在基体132的界面表面142上。随后执行第二 HPHT工艺，以用锥形楔子133机械地将热稳定P⑶体131固定至基体132。可以在范围在大约5.5GPa与7GPa之间的压力和范围在大约1340°C和1550°C之间的温度下执行第二 HPHT工艺。在第二 HPHT工艺期间，沿基体132和锥形楔子133各自的界面表面142、143在锥形楔子133与基体132之间形成冶金结合。根据第二 HPHT工艺的条件，冶金结合还可以形成在热稳定P⑶体131与锥形楔子133之间、以及沿各自的界面表面135、142形成在热稳定P⑶体131与基体132之间。因此，锥形楔子133与基体132之间的冶金结合和锥形楔子133与锥形凸缘139的叠覆配置机械地将热稳定P⑶体131固定至基体132。
[0058]在图13-15所示的实施例中，通过用紧固构件103可旋转地将热稳定P⑶体101连接至基体102来形成切割元件100。热稳定PCD体101被配置为在作业期间围绕切割元件100的纵轴线109旋转(箭头108)。热稳定P⑶体101包括工作面104、与工作面104相反的界面表面105以及在工作面104和界面表面105之间延伸的侧壁106。热稳定P⑶体101还包括侧壁106与工作面104相交处的切割边缘107。切割边缘107是热稳定P⑶体101的诸如在地下采矿或钻井作业期间接合地层的部分。可旋转地安装至基体102的热稳定P⑶体101相对于地层呈现旋转的切割边缘107，例如在地下采矿或钻井作业期间，这可以降低切割元件100的磨损并且由此延长切割元件100的寿命。S卩，图13-15中所示的切割元件100的切割边缘107被配置为当其接触地层时旋转(箭头108)，这促进切割边缘107的均匀磨损，并且易于防止切割边缘107的特定局部区域中的过度磨损。
[0059]在一个实施例中，通过在第一 HPHT烧结工艺中预形成热稳定P⑶体101、随后在第二 HPHT烧结工艺中使用紧固构件103机械地将热稳定P⑶体101连接至基体102来形成切割元件100。如上所述，在第一 HPHT烧结工艺中形成的热稳定P⑶体101可以是非金属催化剂的PCD (例如，碳酸盐、硫酸盐、氢氧化物和氧化铁)、无结合剂的PCD或经浸滤的PCD。
[0060]随后，在热稳定P⑶体101和基体102中分别形成孔眼110、111，以接收可旋转地将热稳定P⑶体101连接至基体102的紧固构件103。在一个实施例中，热稳定P⑶体101中的孔眼由沿切割元100的纵轴线109延伸的轴向通眼110组成，以及基体102中的孔眼是与轴向通孔110同心的大致圆柱形凹口 111。基体102中的圆柱形凹口 111由下表面112和在基体102的下表面112与界面表面114之间延伸的侧壁113组成。
[0061]在图13和15所示的实施例中，基体102的界面表面114包括一个或多个成凹形的凹陷部分，例如，半球形凹陷115。在一个实施例中，以与圆柱形凹口 111同心的圆形图样设置半球形凹陷115。在一个实施例中，基体102的界面表面114可以包括大约四个与二十个之间的等距离隔开的半球形凹陷115。在一个实施例中，半球形凹陷115被配置为接收球支承件，热稳定P⑶体101被配置为在球支承件上旋转(箭头108)。可以通过现有技术中已知的机加工工艺形成基体102的界面表面114中的半球形凹陷115。
[0062]在图13-15所示的实施例中，紧固构件由具有头部117和自头部117向下延伸的相对较小的轴部118的销103组成。紧固构件103的头部117具有相反的顶部表面119和底表面120。轴118的外径可以稍微小于热稳定K?体101中的通孔110的直径，以便热稳定P⑶体101可以绕销103旋转。相比，轴118的外径可以基本上等于基体102中的圆柱形凹口 111的直径，以方便紧固构件103与基体102之间的结合。因此，在一个实施例中，热稳定P⑶体101中的通孔110的直径可以稍微大于基体102中的圆柱形凹口 111的直径。
[0063]在已经在热稳定P⑶体101和基体102中分别形成孔眼110、111、并且已经将球支承件116插入到半球形凹陷115中之后，将热稳定P⑶体101设置在基体102的顶上并且轴向对正孔眼110、111。如图15所示，当将热稳定P⑶体101设置在基体102上时，热稳定P⑶体101的界面表面105可旋转地接触球支承件116的一部分。在已经将热稳定P⑶体101与基体102轴向地对正之后，可以将销103插入通过热稳定P⑶体101中的通孔110并且进入到基体102中的圆柱形凹口 111中。
[0064]在一个实施例中，小的缝隙可以存在于销103的头部117的底表面120与热稳定P⑶体101的工作面104之间。该缝隙被配置为在作业期间允许热稳定P⑶体101绕着销103旋转(箭头108)。在另一实施例中，紧固构件的头部的底表面邻接热稳定PCD体的工作面。类似地，可以在销103与通孔110之间形成环状缝隙，以便热稳定P⑶体101被配置为在作业期间绕着销103旋转(箭头108)。此外，如图15中所示，销103的轴118的底表面121邻接基体102中的圆柱形凹口 111的下表面112。此外，轴118的外表面接合圆柱形凹口 111的侧壁113。
[0065]随后，将热稳定P⑶体101、销103和基体102放置到压机中(例如，六面顶压机、压带机、环状压机等)，并且然后执行第二 HPHT工艺(例如，范围在大约5.0GPa与5.5GPa之间的压力，以及范围在大约1300°C与1350°C之间的温度)以用销103可旋转地将热稳定P⑶体101连接至基体102。在第二 HPHT工艺期间，销103变得易延展，并且在销103与基体102之间在轴118与基体102中的圆柱形凹口 111之间的界面处形成冶金结合。因此，在销103与基体102之间形成的冶金结合机械地将热稳定P⑶体101固定至基体102。此夕卜，热稳定P⑶体101的界面表面105可滑动地与凹进基体102中的多个轴承116相接合，以便可旋转地将热稳定P⑶体101连接至基体102。因此，P⑶体101被配置为在使用切割元件100的钻井或采矿作业期间绕着销103旋转(箭头108)。此外，在第二 HPHT工艺期间可以提供粉末或带形式的隔离物，以避免在销103与PCD体101之间或在PCD体101与球支承件116之间产生结合，这种结合将易于抵抗PCD体101相对于基体102的旋转(箭头108)。隔离物可以包括在第二 HPHT工艺的压力与温度条件下不与钴进行反应的任意成分，例如，氮化硼(h-BN)或氧化铝(Al2O3)。在第二 HPHT工艺之后可以去除绝缘物，以允许P⑶体101的自由旋转(箭头108)。
[0066]销103可以选自包含金属材料、陶瓷材料、金属陶瓷材料和它们的组合的组。示例包括诸如WC、W 2C、TiC, VC的碳化物。在一个实施例中，销103由烧结碳化钨组成。类似地，基体102能够选自包括诸如WC、W 2C、TiC、VC的金属材料、陶瓷材料、金属陶瓷材料以及它们的组合的组。在一个实施例中，基体102由烧结碳化钨组成。在一个实施例中，销103和基体102基本上由相似的材料形成，但销103和基体102也可以由不相似的材料形成并且仍落在本公开的范围和精神内。在一个实施例中，销103和基体102可以由烧结碳化钨形成。
[0067]在一个实施例中，如图13-15所示，切割元件100可以包括设置在P⑶体101与基体102之间的保持板150。保持板150被配置为保持球支承件116(即，保持板150被配置为防止球支承件116无意地从基体102中的凹陷115里移出)。在所示的实施例中，保持板150是具有分别相反的顶表面151和底表面152的圆板。保持板150的底表面152被配置为邻接基体102的界面表面114。保持板还包括被配置为接收将P⑶体101固定至基体102的销103的轴向通孔153。在一个实施例中，轴向通孔153的直径基本上等于基体102中的圆柱形凹口 111的直径。保持板150还包括被配置为接收球支承件116的多个径向设置的通孔154。径向设置的孔154被配置为与基体102中的凹陷115对正。如图15中所示，球支承件116被配置为延伸到保持板150的顶表面151之上，以便PCD体101的下表面105接合球支承件116。在一个实施例中，保持板150能够选自包括诸如WC、W 2C、TiC、VC的金属材料、陶瓷材料、金属陶瓷材料以及它们的组合的组。在一个实施例中，保持板150由诸如313等级的碳化物、406等级的碳化物、812等级的碳化物或任意其他合适的碳化物的烧结碳化钨组成。在另一实施例中，保持板150可以由与销103相同的材料形成，但保持板150和销103也可以由不同的材料形成。可以在上述的第二 HPHT工艺期间将保持板150冶金地结合至基体102。在一个实施例中，可以提供不具有保持板150的切割元件100。
[0068]根据一个实施例，在图16中示出了将热稳定P⑶体连接至基体的方法200。该方法200包括形成热稳定P⑶体210，其可以包括形成非金属催化剂的P⑶体220、形成无结合剂的PCD体230或形成经浸滤的PCD体240。如上所述，形成非金属催化剂的PCD体220可以包括 在存在诸如碳酸盐催化剂的非金属催化剂的情况下HPHT烧结金刚石颗粒。形成无结合剂的PCD体230可以包括使碳经受超高的HPHT烧结工艺而没有催化剂材料，或在化学气相沉积(CVD)工艺中沉积金刚石层。形成经浸滤的K?体240可以包括在HPHT烧结工艺之后化学地处理PCD体，以去除形成在结合的金刚石晶体之间的空隙空间或孔隙中的催化剂材料的至少一部分。在每种情况下，可以形成一个或多个热稳定PCD体，用于并入至切割元件中(例如，参见图4-12)。
[0069]该方法200还包括诸如通过激光切割或电火花加工(EDM)在热稳定P⑶中形成孔眼(例如，轴向通孔、台阶状的槽口或任意其他合适形状的开口)250。在热稳定PCD体中形成孔眼250可以包括在热稳定P⑶体中形成孔260或形成槽口 270。在一个实施例中，该方法200还可以包括诸如通过铣削或机加工在基体中形成孔眼。该方法200还可以包括形成诸如销或有槽口的夹具的紧固构件。可以通过诸如挤压加工或HPHT烧结的任意合适的工艺形成紧固构件。
[0070]该方法200还包括将紧固构件插入到热稳定P⑶体中的孔眼(例如，轴向通孔或台阶状的槽口 )中280。该方法200还包括将紧固构件结合至基体290，由此将热稳定P⑶体连接至基体。在一个实施例中，在第一 HPHT烧结工艺中执行形成热稳定PCD体，在随后的第二 HPHT烧结工艺中执行紧固元件与基体的结合。在一个实施例中，紧固元件与基体的结合290包括将热稳定PCD体、紧固构件和基体放置在压机(例如，六面顶压机、压带机、环状压机等)中，且执行HPHT工艺(例如，范围在大约5.5GPa与7GPa之间的压力，以及范围在大约1340°C与1550 °C之间的温度)。
[0071]根据一个实施例，在图17中示出了将热稳定P⑶体连接至基体的方法300。该方法300包括获得选自无结合剂的PCD、非金属催化剂的PCD和经浸滤的PCD的组的热稳定P⑶体310。该方法300还可以包括在热稳定P⑶体中形成孔眼320和在基体中形成孔眼330。在一个实施例中，在热稳定P⑶体中形成孔眼320包括形成轴向通孔，在基体中形成孔眼330包括形成通常与热稳定P⑶体中的轴向通孔同心的圆柱形凹口。在一个实施例中，在基体中形成孔眼330还包括在基体的界面表面中形成多个半球形凹陷。
[0072]在一个实施例中，该方法300包括将多个球支承件插入到多个半球形凹陷中。该方法300还包括将紧固构件插入到热稳定P⑶体中的孔眼中以及基体中的孔眼中340。该方法300还包括将紧固构件结合至基体350，由此将热稳定PCD体连接至基体以形成切割元件。在一个实施例中，将紧固元件与基体结合350包括将热稳定PCD体、紧固构件和基体放置在压机中(例如，六面顶压机、压带机、环状压机等)，并且执行HPHT工艺(例如，范围在大约5.5GPa与7GPa之间的压力，以及范围在大约1340°C与1550°C之间的温度)。在一个实施例中，将热稳定PCD体可旋转地连接至基体。
[0073]在一个实施例中，虽然将热稳定P⑶体连接至基体的方法200、300可以分别包括上述的和图16和17中所示的每个任务，但是，在其他实施例中，可以没有其中一个或多个任务和/或可以执行另外的任务。此外，在根据一个实施例的将热稳定PCD体连接至基体的方法中，可以分别按照图13和14中所描绘的顺序执行任务。然而，本公开并不局限于此，并且可以按任意其他合适的次序执行任务。例如，在一个实施例中，在基体中形成孔眼的任务之前，执行在热稳定PCD体中形成孔眼的任务，然而，在另一实施例中，在热稳定PCD体中形成孔眼的任务之前，执行在基体中形成孔眼的任务。
[0074]图4-15所示的超硬体被形成为用于包含到切割工具中的切割元件。图18示出包含切割元件401的钻头400，该切割元件包括通过紧固构件404连接至基体403的热稳定PCD体402。钻头400包括钻头本体405，其可由基质材料形成，例如，渗入有合金结合剂材料的碳化钨粉末，或可以是机加工的刚体。钻头本体405包括在一端处的螺纹连接部406，用于将钻头400耦合至钻柱组件。钻头本体405的相反端包括具有切割元件支撑结构的钻头面409。在一个实施例中，切割元件支撑结构包括自钻头面409向外延伸并且圆周地设置在钻头面409周围的多个刀片407。每个刀片407包括多个切割器容器408，以接收并支撑设置在其中的切割元件401。钻头400可以被用于高温的凿岩作业。在其他实施例中，其他类型的钻井工具或切割工具可以包含具有形成切割元件的切割边缘的至少一部分的热稳定PCD体的切割元件，诸如例如，旋转钻头或牙轮钻头，冲击钻头或锤钻头，或剪切切割器。
[0075]尽管上面已经详细地描述了仅几个示例实施例，但是，本领域技术人员将意识到，在实际上不背离本发明的情况下，示例实施例中的许多修改是可能的。因此，所有这些修改都旨在被包括在如下权利要求中所定义的本公开的范围内。申请人的表达意图是不援引美国法典第35条112款的第6段用于本文的任何权利要求的任何限制，除了那些在权利要求与明确地使用词“用于...的装置”相关联的功能。此外，尽管本公开已经描述了用于机械地将热稳定多晶金刚石(PCD)体(例如，无结合剂的PCD、非金属催化剂的PCD和经浸滤的PCD)连接至基体的紧固构件，但是，本领域技术人员将意识到，本公开同样地适用于多晶金刚石(PCD)体和多晶立方氮化硼(PCBN)体。此外，可以用热兼容的碳化硅结合剂形成热稳定多晶金刚石(PCD)体。此外，在一个实施例中，仅多晶金刚石(PCD)体的一部分是热稳定PCD。例如，仅PCD体的一部分可以被浸滤并且PCD体的剩余部分可以是传统的PCD (例如，PCD体的工作面可以是经浸滤的PCD，而PCD体的界面表面可以是传统的PCD)。
【主权项】
1.一种切割兀件，包括: 多晶金刚石体，其具有工作面和与所述工作面相反的界面表面； 所述多晶金刚石体中的孔眼，其在所述工作面与所述界面表面之间延伸； 具有界面表面的基体； 紧固元件，其延伸通过所述多晶金刚石体中的所述孔眼；以及 在所述紧固元件的至少一部分与所述基体的至少一部分之间、在所述紧固元件和所述基体之间的界面处的冶金结合。
2.根据权利要求1所述的切割元件，其中，所述多晶金刚石体选自基本上由无结合剂的多晶金刚石体、非金属催化剂的多晶金刚石体、经浸滤的多晶金刚石体、碳酸盐多晶金刚石体和多晶立方氮化硼体组成的组。
3.根据权利要求1所述的切割元件，其中，所述多晶金刚石体的至少一部分选自基本上由无结合剂的多晶金刚石体、非金属催化剂的多晶金刚石体、经浸滤的多晶金刚石体、碳酸盐多晶金刚石体和多晶立方氮化硼体组成的组。
4.根据权利要求1所述的切割元件，其中，所述紧固元件包括第一碳化物材料，所述基体包括第二碳化物材料，所述第一碳化物材料不同于所述第二碳化物材料。
5.根据权利要求1所述的切割元件，其中，所述紧固元件包括第一碳化物材料，所述基体包括第二碳化物材料，所述第一碳化物材料与所述第二碳化物材料相同。
6.根据权利要求1所述的切割元件，其中，所述紧固元件包括具有钴结合剂基质的烧结碳化钨材料。
7.根据权利要求1所述的切割元件，其中，通过产生大约5.5GPa与7GPa之间的压力和大约1340 °C与1550°C之间的温度的高压高温烧结形成所述冶金结合。
8.根据权利要求1所述的切割元件，还包括所述紧固元件的至少一部分与所述多晶金刚石体的至少一部分之间的冶金结合。
9.根据权利要求1所述的切割元件，其中，所述孔眼是在所述多晶金刚石体的所述工作面与所述界面表面之间延伸的孔。
10.根据权利要求9所述的切割元件，还包括碳化物基体中的自所述基体的界面表面向下延伸的圆柱形凹口，其中，所述紧固元件是具有头部和自所述头部延伸的轴部的销，所述轴部延伸通过所述孔并且进入所述圆柱形凹口中，所述头部突出到所述工作面的一部分之上。
11.根据权利要求1所述的切割元件，其中，所述孔眼是沿所述多晶金刚石体的外周的至少一部分延伸的槽口。
12.根据权利要求11所述的切割元件，其中，所述紧固元件是与所述槽口大致互补的楔形夹具。
13.根据权利要求1所述的切割元件，还包括: 位于所述基体的界面表面中的多个半球形凹陷，其中，所述凹陷以圆形图案设置；以及 多个球支承件，它们安置在所述半球形凹陷中，其中，热稳定多晶体的界面表面与所述多个球支承件可滑动地接合，以便将所述多晶金刚石体可旋转地连接至所述基体。
14.一种钻头，其包括本体，所述本体上安装有如权利要求1所述的切割元件。
15.一种用紧固构件将热稳定多晶金刚石体连接至基体的方法，所述方法包括: 获得具有孔眼的热稳定多晶金刚石体，其中，所述热稳定多晶金刚石体选自基本上由无结合剂的多晶金刚石体、非金属催化剂的多晶金刚石体、经浸滤的多晶金刚石体、碳酸盐多晶金刚石体和多晶立方氮化硼体组成的组； 获得基体； 将所述紧固构件插入到所述孔眼中；以及 高压、高温烧结所述紧固构件、所述热稳定多晶金刚石体和所述基体，以在所述紧固构件和所述基体之间形成冶金结合。
16.根据权利要求15所述的方法，其中，获得所述热稳定多晶金刚石体包括形成所述热稳定多晶金刚石体和在所述热稳定多晶金刚石体中形成所述孔眼。
17.根据权利要求16所述的方法，其中，获得所述热稳定多晶金刚石体包括在高温和高压下烧结金刚石颗粒和非金属催化剂，以形成非金属催化剂的多晶金刚石。
18.根据权利要求16所述的方法，其中，获得所述热稳定多晶金刚石体包括使碳在没有催化剂材料的情况下经受超高压、高温烧结工艺，以形成无结合剂的多晶金刚石。
19.根据权利要求16所述的方法，其中，获得所述热稳定多晶金刚石体包括: 使金刚石粉末和催化剂经受高压、高温烧结工艺，以形成多晶金刚石体；以及 处理所述多晶金刚石体的一部分，以去除结合的金刚石晶体之间的间隙区域中的催化剂材料的大部分，以形成经浸滤的多晶金刚石。
20.根据权利要求15所述的方法，其中，高压、高温烧结所述紧固构件、所述热稳定多晶金刚石体和所述基体以在所述紧固构件与所述基体之间形成冶金结合包括:产生大约.5.5GPa与7GPa之间的压力和大约1340°C与1550°C之间的温度。
【专利摘要】本公开涉及包含被用于地下钻井应用的多晶金刚石体的切割工具，更具体地，涉及一种通过紧固构件连接至基体以形成切割元件的多晶金刚石体。多晶金刚石体可以是无结合剂的多晶金刚石、非金属催化剂的多晶金刚石、经浸滤的多晶金刚石、碳酸盐多晶金刚石或多晶立方体氮化硼。多晶金刚石体包括孔眼，紧固构件延伸通过孔眼并通过HPHT工艺冶金结合至基体。
【IPC分类】B24D3-10, E21B10-46
【公开号】CN104812988
【申请号】CN201380061913
【发明人】F·于
【申请人】史密斯国际有限公司
【公开日】2015年7月29日
【申请日】2013年9月19日
【公告号】CA2888354A1, EP2909418A1, US20140110180, WO2014065965A1
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