耐冲击性增强的多晶金刚石刀具的制作方法

专利名称：耐冲击性增强的多晶金刚石刀具的制作方法
技术领域：
本发明涉及作为耐机磨材料的超硬切割元件。具体地说，本发明涉及用于岩石钻的多晶金刚石和立方氮化硼切割元件。
背景技术：
磨料压制体被广泛用于切磨、研磨、钻孔和其它研磨操作。磨料压制体通常由粘结成粘附的硬集聚体的多晶金刚石和/或立方氮化硼(CBN)颗粒组成。在高温度和压力条件下制成磨料压制体，在该条件下金刚石或立方氮化硼磨料颗粒是结晶学稳定的。已发现复合压制体用作钻头的切割元件或刀具的特定用途。
用于岩石钻、加工耐磨材料和需要高耐磨性的其它操作的钻头通常由许多固定于固定器的多晶砂轮切割元件组成。参见专利US4109737和5379854，其所述的钻头具有碳化钨支承块(stud)(基体)，该支承块所具有的多晶金刚石压制体在切割元件的外表面上。接着通常通过静配合进入退刀槽而将许多这些切割元件装入钻头、比如旋转钻头的冠部。
在现有技术中，改进多晶金刚石刀具的耐冲击性的尝试集中于几种方法之一。欧洲专利EP0546725公开了将大金刚石晶体用于具有高耐冲击性的PCD切割工具的PCD基质中。该方法已改进了耐冲击性，但是其代价是明显降低了耐磨性。
另一种方法的目的是通过修正基体的几何形状而将多晶金刚石刀具及其所连接的基体之间的残余应力状态降至最低，该基体通常是碳化钨(参见例如专利US5875862、5351772、6029760和5829541)。
在另外一种方法中，在烧结之前调整多晶金刚石粉的粒径分布以得到耐冲击性(专利US5135061和5607024)。但是，该方法的代价是明显降低了切割元件的耐磨性。
申请人已发现通过控制金刚石晶体的物理性能、特别是粒径分布、长宽比和晶体韧度，可改进切割元件的性能、具体地说是耐冲击性，同时依旧可维持理想的耐磨性能。

发明内容
本发明涉及用于切割元件的预烧结金刚石，其特征在于大于约60微米的大单晶、大于约0.80的长宽比、和约50或更大的高韧度指数晶体。
本发明还涉及改进切割元件耐冲击性的方法，该方法利用的金刚石晶体具有大于约60微米的粒径分布、大于约0.80的长宽比和约50或更大的高韧度指数晶体。


图1表示本发明一个实施方式的SEM显微照片，其金刚石晶体具有大体上轮廓分明的立方八面体形状。
图2A表示利用金刚石晶体的一个本发明实施方式的高致密基质的SEM显微照片。
图2B表示现有技术中常规烧结金刚石晶体的基质的SEM显微照片。
图3A表示经10X耐冲击性测试后的现有技术切割元件。
图3B表示经10X耐冲击性测试后的本发明切割元件的一个实施方式。
具体实施例方式
本发明涉及切割元件，用于包括在地下岩层中钻孔或取岩芯的旋转钻头在内的机磨材料。本发明适用于许多不同类型的旋转钻头，包括刮刀钻头、牙轮钻头和冲击钻头。
通过举例，主要就切割元件来描述本发明，该切割元件包括通常是圆片形式的预成形元件，该预成形元件包括超硬材料的切面，该切面具有前切面、外周面和背面，切面的背面粘接于硬度低于超硬材料的材料基体上。
尽管可得到和可以使用其它的超硬材料例如立方氮化硼，但切面通常包含金刚石晶体。通常由胶结的碳化钨来形成较低硬度材料的基体，并且在高压高温成形压力机中形成切割元件的过程中将切面和基体粘结在一起。这种成形方法是众所周知的，在此不做描述。可直接将预成形的切割元件安装在钻头体上，或将其粘结至例如也是胶结的碳化钨的载体圆盘，之后将该载体插入钻头体的插口中。可由金属、通常是钢来加工钻头体，或通过粉末冶金工艺由渗滤的碳化钨基质来形成钻头体。
在一个实施方式中，通过在形成PDC刀具的HTHP烧结工艺中使两个或多个不同的碳化物圆盘连结起来形成基体。碳化物圆盘彼此间的粘结剂含量、碳化物晶粒尺寸或碳化物合金含量可以不同。在另一个实施方式中，因此可选择和设置碳化物圆盘，以产生基体中的材料含量梯度，其可修正并且提供所需的切面性能。
形成切面的金刚石簇的产生方法是提供碳源和许多生长中心颗粒，每个生长中心颗粒包括组分颗粒的粘结块，通过使碳源和生长中心颗粒与溶剂/催化剂接触来产生反应块，使反应块经历适于晶体生长的高温和高压条件，并且自反应块回收许多金刚石簇来作为离散的实体。碳源可以是石墨、HPHT(高温高压)合成的金刚石、气相沉积(CVD)的金刚石或天然金刚石、或其中的两种或多种的组合或本领域已知的其它碳源。
可由许多供应商得到市售的金刚石晶体，供应商包括例如GeneralElectric Company、Debeers Industrial Diamond Division或Dennis Tool Company。用于PCD合成的典型金刚石具有小于45的TI、约0.7的长宽比和集中在30微米周围的宽PSD。
申请人已发现在HPHT工艺过程中，选择金刚石晶体的物理性能可得到HPHT压制体所需要的体积、机械和热性能。具体地说，申请人已发现一种改进切割工具耐冲击性能的方法，该方法通过控制金刚石的物理性能例如金刚石粒径分布(PSD)、长宽比和晶体的韧度来使高温和高压烧结后金刚石的堆积密度和烧结性能最佳。
在本发明的一个实施方式中，如图2A所示，本发明的后烧结PCD所含的全部晶体在高度致密的基质中粘结在一起，这与图2B所示的非晶形结构的常规烧结PCD不同。
粒径分布(“PSD”)。金刚石压制体的制造可受到该压制体孔隙度的影响，控制该孔隙度的方法有多种。例如，可改变颗粒化的前体微粒金刚石的粒径分布(PSD)来调整在HPHT工艺中形成的压制体的孔隙度。一般的原则是，非常窄的PSD会比为了最大堆积而经优化的宽PSD(例如，直径范围为几十微米至亚微米尺寸的颗粒)得到远为更多孔的结构。
在本发明的一个实施方式中，通过利用PSD大于50微米的单晶金刚石来赋予PCD韧度。在第二个实施方式中，金刚石晶体具有约60-100微米的PSD。在第三个实施方式中，金刚石晶体具有约70-90的PSD范围。在第四个实施方式中，PSD大于等于75。在第五个实施方式中，PSD小于等于95。
长宽比。本发明的金刚石晶体具有相对大的长宽比。在本发明的一个实施方式中，金刚石晶体具有大于等于0.80的平均长宽比。在第二个实施方式中，长宽比大于等于0.85。在第三个实施方式中，平均长宽比大于等于0.87。
在本发明的一个实施方式中，金刚石晶体具有如图1所示的大体上轮廓分明的立方八面体形状。在第二个实施方式中，晶体可具有大长宽比的包括椭圆体在内的各种形状。在第三个实施方式中，晶体基本上是二维形状比如薄层和/或薄片。在另外一个实施方式中，晶体基本上是一维形状，例如棒状、纤维和/或针状。
晶体韧度。由韧度指数“TI”表示金刚石晶体韧度。通过将2克拉材料置入有钢球的小皿、激烈搅拌固定量的时间、并且相应于特定尺寸的特定起始重量测量某一尺寸产生的碎片重量来测量TI。所用钢球的尺寸和搅拌时间随着金刚石磨料晶粒的尺寸而变化。在一个实施例中，将特定量的材料与7.94mm直径的钢球一起放入2ml的小皿中，放在振动试验器上并且进行特定时间段(30.0±0.3秒)的研磨，之后用90μm的筛网过筛，该特定量的材料已过了139μm的筛网并且留在107μm的筛网上，即相当于120/140的尺寸。留在90μm筛网上的晶体量被表示为基于起始晶体的重量百分数。
在本发明的一个实施方式中，通过利用TI值大于或等于约50的高韧度指数金刚石晶体而赋予了改进的耐冲击性。在第二个实施方式中，金刚石晶体的特征是具有大于或等于约55的TI。在第三个实施方式中，金刚石晶体的特征是具有大于或等于约60的TI。
其它参数。在本发明的一个实施方式中，也可利用本领域已知的手段来额外调节耐冲击和耐磨性，例如向多晶金刚石颗粒中加入钴具有增加成分耐冲击性的效果。
在本发明的一个实施方式中，金刚石体构成切割元件的＞30体积％并且粘结剂-催化剂材料构成切割元件的＜70体积％。在本发明的另一个实施方式中，切割元件包括＞50体积％的尺寸大于30微米的大单晶金刚石。在另外一个实施方式中，刀具体中金刚石的体积密度大于约70体积％。在本发明的另一实施方式中，实验数据表明与现有技术的刀具相比，新的高性能刀具的耐冲击性提高了50％。
本发明的PCD切割元件可用于钻头，用来在岩面上钻孔或取岩芯。在另一个实施方式中，该切割元件的形式可以是三角形、长方形或用作加工操作的嵌入式刀的其它形状的材料。在第三个实施方式中，该切割元件可用于其它的应用，比如空心型材挤压模、滑动轴承和用于使表面粗糙的压头等。应理解的是，需要高耐冲击性和优异耐磨性的多晶金刚石的应用会受益于利用本发明金刚石晶体的切割元件。
实施例。以下的实施例仅是有助于本发明教导的工作的典型代表，本发明不受以下实施例的限制。
利用了从General Electric Company of Worthington，OH得到的高等级MBG晶体，它具有67的TI值和长宽比约0.97的立方八面体形金刚石，并且具有80微米直径为中心的PSD。在含钴14％的碳化钨基体上、利用金刚石晶体来合成直径为9-22mm并且高度为3-25mm尺寸范围的各种圆柱形PCD刀具。立方八面体形金刚石占据的体积比较低长宽比金刚石颗粒占据的体积小约10％。通过压制，金刚石变成峰值在60、20和1微米的三模态PSD。
为了进行对比测试，利用了从General Electric Company ofWorthington，OH得到的商品名称为TITAN的相同尺寸的标准刀具。
测量了本发明烧结刀具和现有技术标准刀具的磨蚀、冲击和Parkson Mill数据并且列于如下。
冲击数据冲击降落测试是测量相对于厚度进料类型和界面/碳化钨特性/组分的刀具韧度。所有的测试部件具有大于约0.2mm、小于1.0mm径向或与定位基底成45°的碳化物斜面。测试中，将刀具(锐边)以20度角固定安装于钢固定器中。金刚石切面脱离固定器(夹力)。钢挡料板靠在金刚石切面上(由海绵支撑的该板在金刚石上与之单点接触)。使接触面积为1平方英寸的351b重量自由降落至该板，从而使冲击能量通过板传递至刀具的刀刃。首先以3.25”的降落进行测试。成功降落10次后，重量释放高度增加至6.5”(26.2焦耳)，并且每次降落后检测刀具的受损程度。
本发明刀具经过32轮实验后得到的导致初始失效的平均冲击强度是279.6焦耳，其标准偏差是97.5焦耳。在初始失效后的另一组实验(共4次)中，导致初始失效的平均冲击强度是620.8焦耳，其标准偏差是68.75焦耳。与现有技术的刀具相比，本发明的刀具表现出惊人的明显改进。利用现有技术刀具的17轮实验得到的导致初始失效的冲击强度是155.3焦耳，其标准偏差是83.60焦耳。
图3A和3B比较了现有技术的标准刀具(图3A)和该实施例高性能刀具(图3B)。如图所示，本发明的高性能刀具即使在653焦耳下看到极小的冲击损伤(具有细微的裂纹失效)，而标准刀具在157焦耳时表现出大范围的金刚石切面散裂。
Parson Mill耐冲击测试该测试是评估刀具在斜面部件上的性能，每个斜面部件具有大于约0.2mm、小于1.0mm径向或与定位基底成45°的碳化物斜面。金刚石切面具有0.012”的斜面。该测试中，将刀具(削边)样品安装在钢固定器中，与工件的刀面角是7度径向/12度轴向。旋转刀具并且以320rpm的切割速度和约3”/分钟(7.62cm/min)的进料速度以间段的方式切割花岗岩工件，切割的深度是0.150”并且横向距离是0.010”。当金刚石切面失效时停止该测试，并且对冲击次数进行计数(进入剖面的)。
轮次# 工具平均效率 工具总效率样品类型17942.9 8896.3 现有技术23292.3 2556.3 现有技术37158.6 6394.4 现有技术43683.3 3191.4 现有技术58519.6 5590.2 现有技术65455.2 7082.5 现有技术74225 4050.6 高冲击88519.5 5590.2 高冲击93378.8 2753.3 高冲击10 4475.7 3105.5 高冲击11 4169.1 3336 高冲击12 3038.8 2596.7 高冲击耐磨测试该测试测量耐磨性，每个部件具有大于约0.2mm、小于1.0mm径向或与定位基底成45°的碳化物斜面。首先将花岗岩剖面(log)装配至车床。将刀具(锐边)安装在钢固定器中。使刀具(刀面角是10度)以300表面英尺每分钟(sfpm)的速度通过旋转的剖面达0.010”的切割深度。每次通过剖面后测量刀具磨损面的尺寸。测量自剖面除去的材料体积。将所得值绘成曲线，从而得到刀具的耐磨性。
已计算了刀具的耐磨性，进行了统计分析并且示于下面的方差分析表中。高性能刀具和标准刀具之间的p-值表示磨蚀的差别，虽然有点低，但是并不明显。当测试本发明的刀具时，有意思的是注意到整个晶体带走材料的剖面处存在条纹或凹槽。该特征表明除去的材料体积大于利用典型的二维测量计算的值。
平均方差分析 为了解释的目的已公开阐述了一些优选实施方式。但是，上述说明不限制本发明的范围。因此，本领域技术人员不背离所要求保护的创造性思路可作出各种修正、适应性修改和等同替换。本文参考引用上述所有的专利、专利申请、文章和教科书。
权利要求
1.一种预成形的切割元件，含有超硬多晶材料体，其包括许多金刚石晶体，其中所述金刚石晶体具有约60-100微米的粒径分布范围；至少约50的韧度指数；和约0.80或更大的平均长宽比。
2.权利要求1的切割元件，其中所述多晶体包括许多金刚石晶体，其具有约70-90微米的粒径分布范围。
3.权利要求2的切割元件，其中所述多晶体包括许多金刚石晶体，其具有至少0.85的平均长宽比。
4.权利要求2的切割元件，其中所述多晶体包括许多金刚石晶体，其具有至少约60的韧度指数。
5.一种工具，它包括权利要求1的预成形的切割元件。
6.权利要求1的预成形的切割元件，其中将切割元件安装在钻头的切割面上。
7.权利要求1的预成形的切割元件，还包括适于用作加工操作中嵌入式刀的切割面。
8.权利要求1的预成形的切割元件，在高压高温操作形成切割元件之前，还含有添加剂材料。
全文摘要
公开了一种磨料压制层，其中压制层含有体积大于30％的大单晶金刚石，并且其中所述金刚石晶体的特征在于具有轮廓分明的立方八面体形状(长宽比大于0.87)和高的韧度指数晶体(TI大于50)。
文档编号C04B35/52GK1474029SQ0313688
公开日2004年2月11日 申请日期2003年5月21日 优先权日2002年5月21日
发明者S·R·斯奈德, S R 斯奈德, T·M·拉夫特里, 拉夫特里 申请人:通用电气公司