具有高的韧度和高的耐磨性的多晶金刚石材料的制作方法
具有高的韧度和高的耐磨性的多晶金刚石材料的制作方法
【专利说明】具有高的初度和高的耐磨性的多晶金刚石材料
[0001] 本申请是申请日为2010年8月6日、申请号为201080044957. 6 (PCT/ US2010/044657)、发明名称为"具有高的初度和高的耐磨性的多晶金刚石材料"的发明专利 申请的分案申请。
[0002] 相关申请的交叉引用
[0003] 本申请要求2009年8月7日提交的美国专利申请No. 61/232, 134的优先权，该美 国专利申请通过引用整体并入此处。
技术领域
[0004] 在此公开的实施例总体上设及用于钻头、例如牙轮钻头和震击钻头中的多晶金刚 石镶齿。更具体地讲，本发明设及具有包括金刚石、金属碳化物和钻的外层的多晶金刚石镶 止 凶〇
【背景技术】
[0005] 在典型的钻井操作中，钻头转动，同时前行到±壤或岩石地层中。地层通过钻头上 的切削元件切削，且切屑通过钻井流体的循环被从井眼冲送出，所述钻井流体通过钻柱向 下累送，且在钻柱与井壁之间的环隙中向着井眼的顶部回流。钻井流体通过钻杆中的通道 给送到钻头，且通过钻头的切削面中的喷嘴向外喷出。喷出的钻井流体通过喷嘴被向外高 速引导，W帮助切削、冲送出切屑和冷却切削器元件。
[0006] 具有多种类型的钻头，包括牙轮钻头、震击钻头和刮刀钻头。牙轮钻头包括适于连 接到可转动的钻柱的钻头本体，且包括至少一个"牙轮"，所述牙轮可转动地安装到现有技 术中通常提及到的悬臂轴或轴颈支承轴。每个牙轮又支撑多个切削元件，所述切削元件切 削和/或压碎井眼的壁或底部，从而使钻头前行。切削元件，或镶齿或锐齿，在钻井过程中 与地层接触。震击钻头通常包括一体式本体，该本体具有冠部。该冠部包括挤压在其中的 镶齿，用于循环地"震击"和抵靠着正被钻的地层转动。
[0007] 根据钻头上的镶齿的类型和位置，镶齿会执行不同的切削功能，该样，在使用过程 中也经受不同的加载条件。两种耐磨镶齿已经被开发用作牙轮钻头和震击钻头上的镶齿： 碳化鹤镶齿和多晶金刚石镶齿。碳化鹤镶齿由烧结碳化鹤形成；碳化鹤颗粒散布在钻粘合 剂基质中。多晶金刚石镶齿通常包括作为基体的烧结碳化鹤本体和在镶齿的顶部上直接结 合到碳化鹤基体的多晶金刚石（叩CD")层。与较软的、较初性的碳化鹤镶齿相比，由PCD 材料形成的外层可提供改善的耐磨性。
[000引根据钻头上的镶齿的类型和位置，镶齿会执行不同的切削功能，该样，在使用过程 中也经受不同的加载条件。两种耐磨镶齿已经被开发用作牙轮钻头和震击钻头上的镶齿： 碳化鹤镶齿和多晶金刚石镶齿。碳化鹤镶齿由烧结碳化鹤形成；碳化鹤颗粒散布在钻粘合 剂基质中。多晶金刚石镶齿通常包括作为基体的烧结碳化鹤本体和在镶齿的顶部上直接结 合到碳化鹤基体的多晶金刚石（叩CD")层。与较软的、较初性的碳化鹤镶齿相比，由PCD 材料形成的外层可提供改善的耐磨性。
[0009]PCD层通常包括金刚石和金属，且它们的量高达层的大约20%的重量比，w便于 金刚石晶间结合和层彼此之间W及与底下的基体的结合。PCD中采用的金属通常从钻、铁 或镶和/或它们的混合物或合金中选择，且可包括诸如铺、粗、铭和/或它们的混合物或合 金的金属。然而，尽管较高的金属催化剂含量通常会增大最终的PCD材料的初度，但较高的 金属含量也会降低PCD材料硬度，从而，限制了W下灵活性：能够提供既具有期望水平的硬 度、又具有期望水平的初度的PCD涂层。此外，当变量被选择用于增大PCD材料的硬度时， 通常脆度也会增大，从而，降低了PCD材料的初度。
[0010] 尽管多晶金刚石层极其硬和耐磨，但多晶金刚石镶齿在正常操作过程中仍可能失 效。失效通常为W下S种常见形式中的一种：磨损、疲劳和冲击破裂。由于PCD相对于地层 的滑动，会出现磨损情况，且作为失效模式其突出特性与地层的磨损特性W及其他因素例 如地层硬度或强度和在与地层接触过程中设及的相对滑动的量有关。过高的接触应力和高 的温度W及非常不利的井下环境也趋向于引起金刚石层的严重磨损。疲劳机理是；初始产 生于PCD层上的表面裂纹逐渐传播到PCD层下方的材料中，直到裂缝长度足W散裂或剥离。 最后，冲击机理是：初始产生于PCD层上的表面裂纹或内部裂缝睹然传播到PCD层下方的材 料中，直到裂纹长度足W引起镶齿的散裂、剥离或突变失效。
[0011] 在切削元件的制造过程中，材料通常经受高压/高温（"HPHT")条件下的烧结，该 可导致潜在的问题，包括：不相似的元素结合到彼此和各种组分的扩散，该使得复合物上产 生残余应力。残余应力诱发复合物可通常在钻井条件下导致镶齿破裂、破碎或层离。
[0012] 由于接触而引起的外部负载趋向于引起金刚石层的失效例如破碎、散裂和剥离。 制造过程所产生的内部应力、例如热残余应力趋向于引起金刚石层与基体或过渡层之间的 层离，或由于沿着分界面初始产生并向外传播的裂纹，或由于初始发生于金刚石层中和沿 着分界面剧烈地传播的裂缝。
[0013] 金刚石层的冲击、磨损和疲劳寿命可通过增大金刚石厚度、从而增大金刚石体积 增大。然而，金刚石体积的增大导致形成在金刚石/基体分界面上的残余应力幅度的增大， 该会加速层离。所述残余应力幅度的增大被认为是由于在烧结过程之后冷却过程中金刚石 与碳化物基体的热收缩的差异引起的。在金刚石粘合到基体的冷却过程中，金刚石比碳化 物基体收缩较小的量，该会导致金刚石/基体分界面上的残余应力。残余应力与金刚石相 对于基体的体积的体积成比例。
[0014] 因此，希望构造一种用于剧烈切削和/或钻井应用中的镶齿结构，其提供期望的 PCD硬度和耐磨性，且与传统的PCD材料和镶齿结构相比，具有提高的断裂初度和抗剥离性 能。
【发明内容】
[0015] 在一个方面，在此公开的实施例设及一种切削元件，包括；基体；W及设置在切削 元件的最外端上的由多晶金刚石材料构成的外层，其中，多晶金刚石材料具有；多个互连的 金刚石颗粒；W及设置在结合的金刚石颗粒之间的多个间隙区域，其中，所述多个间隙区域 包含多种金属碳化物相和多种金属粘合剂相，所述多种金属碳化物相和多种金属粘合剂相 一起形成多种金属相，其中，多种金属碳化物相由多个金属碳化物颗粒形成；其中，所述多 个互连的金刚石颗粒形成多晶金刚石材料的至少大约60-至多大约80 %的重量；W及多种 金属碳化物相占多种金属相的至少50%的重量。
[0016] 在另一方面，在此公开的实施例设及一种切削元件，包括；基体；W及设置在切削 元件的最外端上的由多晶金刚石材料构成的外层，其中，多晶金刚石材料具有；多个互连的 金刚石颗粒；W及设置在结合的金刚石颗粒之间的多个间隙区域，其中，所述多个间隙区域 包含多种金属碳化物相和多种金属粘合剂相，所述多种金属碳化物相和多种金属粘合剂相 一起形成多种金属相，其中，多种金属碳化物相由多个金属碳化物颗粒形成；其中，所述多 个互连的金刚石颗粒形成多晶金刚石材料的至少大约70 %的重量；W及多种金属碳化物 相占多种金属相的至少50%的重量。
[0017] 本发明的其他方面和优点将显见于下面的描述和权利要求书中。
【附图说明】
[0018] 图1示出了根据本公开的切削元件的一个实施例的图示。
[0019] 图2是牙轮钻头的侧视图。
[0020] 图3是震击钻头的侧视图。
[0021] 图4示出了根据本公开的切削元件的一个实施例的图示。
【具体实施方式】
[0022] 在一个方面中，在此公开的实施例设及用于钻头、例如牙轮钻头和震击钻头或其 它切削工具中的多晶金刚石镶齿。更具体地讲，在此公开的实施例设及用于钻头或其它切 削工具中的具有外层的切削元件，所述外层包括预定量的多晶金刚石和最优的金属碳化物 与钻的比率。特别地，本公开的实施例设及该样的切削元件，所述切削元件具有减小的热残 余应力W及增大的初性和耐磨性，从而提高和延长了切削元件的使用寿命。在特殊实施例 中，该种外层可用在具有至少一个过渡层的切削元件上。
[0023] 参看图1，图1中示出了根据本公开的一个实施例的切削元件。如图1所示，切削 元件40包括多晶金刚石外层44,所述外层形成与待切削的地层或其它地下层接触的工作 表面或外露表面。在多晶金刚石外层44下方具有基体42。尽管图1中没有示出过渡层，但 一些实施例可W包括一个、两个、=个、甚至更多个过渡层，如下所述。
[0024] 上面描述的多晶金刚石外层可包括金刚石颗粒构成的本体，其中，一种或多种金 属相可出现于设置在金刚石颗粒之间的每个间隙区域中。特别地，在此所使用的"多晶金刚 石"或"多晶金刚石材料"是指该=维网状或格状布置的结合在一起的金刚石粒。具体地讲， 金刚石与金刚石的结合通过高温/高压过程经由金属（例如钻）被催化，其中，金属保持在 颗粒之间的区域中。根据向可被催化的金刚石颗粒的暴露情况W及温度/压力条件，添加 到金刚石颗粒的金属粘合剂颗粒可起着催化剂和/或粘合剂的作用。为了该申请的目的， 当金属粘合剂称作金属粘合剂时，并不是必然意味着，还没有执行催化功能，当金属称作金 属催化剂时，并不是必然意味着，还没有执行粘合功能。
[0025] 然而，间隙区域中存在的金属粘合剂不是可能出现的唯一金属相。相反，在此所使 用的金属相是指，间隙区域中存在的任何包含金属的相。因此，对金属相的引述可指金属粘 合剂相或金属碳化物相，且多个间隙区域中存在的多种金属相被定义为包括位于所有间隙 区域中的多种金属粘合剂相和多种金属碳化物（或碳氮化物）相。然而，每个间隙区域可 单独包含金属粘合剂相和/或金属碳化物相。从而，金属粘合剂相和金属碳化物相一起形 成金属相。而且，金属粘合剂相和金属碳化物相分别由金属粘合剂颗粒和金属碳化物（或 碳氮化物）颗粒形成。
[0026] 根据本公开的实施例，金属相可被设计成具有至少50%的重量比的由金属碳化物 形成的金属相。在间隙区域中存在的金属相中使用该种高水平的碳化物可产生具有高的硬 度（和耐磨性/耐磨损性）W及高的断裂初度的多晶金刚石材料。具体地讲，包括根据本公 开的实施例的外层的切削元件在一个实施例中可具有超过3000HV的硬度值、在另一个实 施例中可具有超过3500HV的硬度值。而且，包括根据本公开的实施例的外层的切削元件还 可具有提高的初度。循环疲劳寿命数据良好地表示断裂初度。例如，包括根据本公开的实 施例的外层的切削元件可与参考切削元件或相比的切削元件（具体地讲，下表中给出的相 比的切削元件1，具有80%重量比的金刚石、19%重量比的Co和1%重量比的WC的组分） 相比，且本公开的切削元件的疲劳寿命可具有超过相比的切削元件疲劳的100%的增大的 疲劳寿命。与相比的切削元件相比，其他实施例可具有超过30 %或超过50 %的疲劳寿命提 高。因此，与相比的切削元件相比，本公开的实施例可超过初度、疲劳和耐磨性的基准。
[0027] 根据多晶金刚石外层所期望的相对耐磨损性/初性，某一量的金刚石颗粒和/或 金属粘合剂颗粒可被添加有金属粘合剂的金属碳化物颗粒替换，W产生具有硬度和初性的 多晶金刚石外层。
[002引多晶金刚石层中的金刚石含量可例如取决于所期望的特殊性能，但在各个特殊实 施例中，可在宽的范围下为多晶金刚石材料的至少60%的重量比，且可高到多晶金刚石材 料的80或85%的重量比。例如，当期望初性稍微较高的金刚石体时，金刚石含量可为多晶 金刚石材料的60-68%的重量比。相反，当期望稍微较硬的金刚石体时，金刚石含量可为上 限大约为85%的重量比的至少70%的重量比（在更特殊的实施例中，为至少80 %的重量 比）。然而，在其他特殊实施例中，金刚石含量可为68-75%的重量比的范围内。
[0029] 根据金刚石含量，显而易见的是，金属相（金属粘合剂和金属碳化物）的总含量可 变化；然而，根据本公开的实施例，两种类型的金属相之间的比值可被选择为；至少50%的 重量比的金属碳化物和不超过50%的重量比的金属粘合剂。在特殊的实施例中，金属碳化 物部分可占金属相的至少55%的重量比，在更特殊的实施例中，，金属碳化物部分可占金属 相的至少60%的重量比。然而，本领域的技术人员在阅读本申请中包含的本发明的教导之 后应当理解，该量必须小于100%，因为在多晶金刚石材料中必须具有最小量的钻来催化金 刚石与金刚石结合的形成。在一些实施例中，金属粘合剂可占金属相的至少25%的重量比， 但在其他实施例中也可低到12%的重量比。金属粘合剂的特定的最小量（相对于金属碳化 物）可取决于总的金刚石含量，其中，较低的金刚石含量比具有较高的金刚石含量的多晶 金刚石材料具有较低的下限。
[0030] 如上所述，金属碳化物（或碳氮化物）相可在间隙区域中占金属相的至少50% 的重量比。金属碳化物相可由选自W下一组元素的碳化物的颗粒形成；鹤（W)、铁（Ti)、粗 (化)、铭（化）、钢（Mo)、魄（佩）、饥（V)、給化f)和错狂r)。相对于整个多晶金刚石材料 (不是仅金属相），金属碳化物可W层的方式存在，其量为总多晶金刚石材料的大约7-35% 的重量比。在特殊实施例中，金属碳化物颗粒可具有小于2ym的平均颗粒尺寸。然而，粉 末在烧结过程中聚集和结合在一起，W填充该空间。因此，在均匀的微观结构中，碳化物相 的尺寸可几乎与金刚石的颗粒尺寸一样大，或为5-30微米。然而，碳化物尺寸最终可基于 层的期望性能W及其他层组分选择。例如，在一个实施例中，可期望由该种碳化物颗粒形成 的金属碳化物相的平均尺寸小于它们结合到的金刚石颗粒的平均尺寸。附加性地，间隙区 域的平均尺寸、即结合的金刚石颗粒之间的距离也优选小于金刚石颗粒的平均尺寸。因此， 碳化物颗粒尺寸也可基于正使用的特殊的金刚石颗粒尺寸选择。
[0031] 如上所述，外层还包括处于间隙区域中的金属粘合剂。该种金属可包括第VIII族 金属，包括Co、Fe、Ni和它们的组合。相对于整个多晶金刚石材料（不是仅相对于金属相）， 金属粘合剂可W层的方式存在，且其量为整个多晶总金刚石材料的5-20%的重量比。本领 域的技术人员在阅读本申请中所包含的本发明的教导之后应当理解，外层中使用的粘合剂 的量可基于为金属相选择的碳化物量W及金刚石含量。
[0032] 在一个实施例中，用于形成多晶金刚石外层的金刚石平均颗粒尺寸可在宽的范围 内为大约2-30微米，在另一个实施例中小于大约20微米，在又一实施例中小于大约15微 米。然而，在其他各种特殊的实施例中，平均颗粒尺寸可W为大约2-8微米、大约4-8微米、 大约10-12微米或大约10-20微米。还可想到，根据外层的特殊应用和期望性能，可 在宽的 范围内选择其他特殊的窄的范围。而且，W下也处于本公开内；颗粒不必是单峰分布的，而 是可为双峰分布的或多峰分布的。
[0033] 在某些实施例中，外层的厚度可为大约0. 006英寸。在其他更优选的实施例中，外 层的厚度可为大约0. 016英寸或更大。如在此所使用的，任何多晶金刚石层的厚度是指相 应层的最大厚度，因为金刚石层的厚度可在层内变化。具体地讲，如在此通过引用整体并入 本说明书中的美国专利No. 6, 199, 645所示，W下内容也处于本公开的范围内：多晶金刚石 层的厚度可变化，使得该厚度在切削元件的关键区域内最大。特别地，W下也处于本公开的 范围内：多晶金刚石层可变化或收缩减小，使得它在层上具有非均匀的厚度。厚度的该种变 化通常可在产生非均匀的接合部中通过使用镶齿体/基体的非均匀上表面产生。
[0034] 镶齿体或基体可由合适的材料例如碳化鹤、碳化粗或碳化铁形成。在基体中，金属 碳化物粒由金属粘合剂的基质支撑。从而，各种粘合金属可位于基体中，例如钻、镶、铁、它 们的合金或它们的混合物。在一个特殊的实施例中，镶齿体或基体可由碳化鹤和钻的烧结 的碳化鹤复合结构形成。然而，公知的是，除了碳化鹤和钻W外，也可使用各种金属碳化物 合成物和粘合剂。因此，对使用碳化鹤和钻的描述仅是示例性的目的，而不是用于限制碳化 物或粘合剂使用类型。
[0035] 如上所述，本公开的切削元件可具有至少一个过渡层。所述至少一个过渡层可包 括金刚石粒、金属粘合剂和金属碳化物或碳氮化物颗粒的复合物。本领域的技术人员在阅 读本申请中所包含的本发明的教导之后应当理解，金刚石和金属碳化物或碳氮化物颗粒的 相对量可表示层内的金刚石与金刚石结合的程度。
[0036] 多晶金刚石外层与镶齿体/基体之间的至少一个过渡层的存在可在热膨胀系数 和弹性方面产生梯度变化，从而使层之间的热膨胀系数和弹性的急剧变化最小化，而该种 急剧变化会促使PCD层与镶齿体/基体裂开和剥离。该种梯度变化可包括外层与过渡层之 间的金刚石含量的梯度变化，该金刚石含量从外层向着镶齿体降低，且与金属碳化物含量 相关，所述金属碳化物含量从外层向着镶齿体增大。
[0037] 因此，所述至少一个过渡层可W包括金刚石粒，金属粘合剂，和诸如鹤、粗、铁、铭、 钢、饥、魄、給、错的碳化物或碳氮化物颗粒或它们的混合物的碳化物或碳氮化物颗粒的复 合物，所述颗粒可包括角形或球形颗粒。当使用碳化鹤时，W下也处于本公开的范围内；该 种颗粒可包括烧结碳化鹤（WC/Co)、化学计量碳化鹤（WC)、诱铸碳化鹤（WC/W2C)或碳化鹤 和钻的等离子喷涂合金（WC-Co)。在一个特殊的实施例中，可使用烧结碳化鹤或化学计量碳 化鹤，对于化学计量碳化鹤，其尺寸高达6微米，对于烧结颗粒，其尺寸为5-30微米（或高 达所述层的金刚石颗粒尺寸）。众所周知，除了碳化鹤和钻W外，也可使用各种金属碳化物 或碳氮化物合成物和粘合剂。因此，对过渡层中使用碳化鹤和钻的描述仅是说明性的目的， 而不是用于限制用于过渡层中的金属碳化物/碳氮化物或粘合剂的类型。而且，根据需要， 相同或类似的碳化物/碳氮化物颗粒类型可处于外层中，如上所述。
[003引存在于所述至少一个过渡层中的碳化物（或碳氮化物）量可在所述至少一个过渡 层的大约25-90%的重量比（或者10-80%的体积比）的范围内变化。如上所述，过渡层的 使用可允许在外层与过渡层之间产生金刚石和碳化物含量的梯度变化，金刚石含量从外层 向着镶齿体减小，且与金属碳化物含量相关，所述金属碳化物含量从外层向着镶齿体增大。 然而，对该特殊的范围没有限制。相反，任何范围均可用于在层之间形成碳化物梯度变化。 而且，如果碳化物含量在外层与一个或多个过渡层之间增大，金刚石含量可相应地在外层 与一个或多个过渡层之间降低。
[0039] 根据本公开的实施例形成的切削元件可由于整个切削元件中存在金属碳化物与 钻的最佳比值而产生明显较小的内部热残余应力。具体地讲，通常存在于基体、过渡层、外 层和它们之间的接合部中的残余应力由于存在均匀地分布在结合的金刚石颗粒中且至少 部分充填在结合的金刚石颗粒之间的空隙中的金属碳化物相、钻相和它们的组合而明显降 低。
[0040] 而且，通过控制金属碳化物与钻的比值和增大总金刚石含量，可调整切削元件的 耐磨等级和破裂初度，从而，改善切削元件和钻头的寿命。具体地讲，通过在基体上设置包 括增大体积的金刚石颗粒、最优比值的金属碳化物与钻、和预定最大体积的钻的外层，可优 化切削元件的初度和耐磨性，进而提高了切削元件的总的寿命。
[0041] 在此使用的多晶金刚石层是指该样一种结构，该结构包括通过粒间的金刚石结合 而保持在一起的金刚石颗粒，该通过W下方式形成；在HPHT设备的反应间的金属包封壳内 放置某一质量的未烧结的金刚石晶体颗粒并使各个金刚石晶体经受足够高的压力和足够 高的温度（在HPHT条件下烧结）而使得在相邻金刚石晶体之间产生晶间结合。金属催化 剂、例如钻或其它第VIII族金属可包括在所述某一质量的未烧结的晶体颗粒内，W促进金 刚石与金刚石之间的晶间结合。催化剂材料可成粉末的形式提供且可与金刚石粒混合，或 可在HPHT烧结过程中渗入到金刚石粒中。
[0042] 然后，反应间被放置在足W引起金刚石颗粒之间的晶间结合的处理条件下。应当 指出，如果太多的另外的非金刚石材料、例如碳化鹤或钻存在于所述某一质量的成粉末状 的晶体颗粒中，则会在烧结过程中阻止显著的晶间结合。还未出现显著的晶间结合的该种 已被烧结的材料不处于PCD的定义内。
[0043] 过渡层可类似地通过将包含金刚石颗粒、碳化鹤和钻的某一质量的未烧结的复合 材料放置在HPHT设备中形成。然后，反应间放置在足W使材料烧结的处理条件下，W产生 过渡层。附加性地，预成型的金属碳化物基体可被包括。在该种情况下，处理条件可将烧 结的晶体颗粒接合到金属碳化物基体上。类似地，具有一个或多个过渡层连接到其上的 基体可在该过程中用于添加另一过渡层或多晶金刚石层。用于该过程的合适的HPHT设 备描述于美国专利 2, 947, 611、2, 941，241、2, 941，248、3, 609, 818、3, 767, 371、4, 289, 503、 4, 673, 414 和 4,954, 139 中。
[0044] 一个示例性最小温度为大约1200°C，一个示例性最小压力为大约35千己。典型的 处理过程处于大约45-55千己的压力下和大约1300-1500°C的温度下。给定的实施例中的 最小足够温度和压力可取决于其他参数、例如催化材料、例如钻的存在性。通常，金刚石晶 体在金刚石催化剂材料、例如钻存在的情况下经受HPHT烧结，W形成整体的、坚初的、高强 度的质量体或晶格。催化剂、例如钻可用于促进金刚石颗粒的再结晶和晶格结构的形成，从 而，在金刚石晶格结构中，钻颗粒通常发现在间隙空间中。本领域的技术人员可W理解，可 使用各种温度和压力，且本公开的范围不限于具体描述的温度和压力。
[0045] HPHT处理的应用将使得金刚石晶体烧结和形成多晶金刚石层。类似地，HPHT应用 于复合材料将使得金刚石晶体和碳化物颗粒烧结，使得它们不再成可彼此分离的分离颗粒 的形式。而且，在HPHT过程中，所有层彼此结合和结合到基体上。
[0046]W下也处于 本公开的范围内：多晶金刚石外层可例如通过用浸出剂（通常为强 酸）浸洗金刚石层而可使得至少一部分金属催化剂从其去除。在一个特殊的实施例中，金 刚石层的至少一部分可被浸洗，W在不损失耐冲击性的情况下获得热稳定性。
[0047]此外，本申请在其组成部分中W重量百分比表示已被烧结的部分。一种用于确定 特殊的切削元件的重量百分比的方法是，从切削元件切出被抛光的样品，且执行该区域的 原子量扫描，且推出切削元件的整个体积的重量百分比。此外，预烧结的粉末重量百分比也 可表示已被烧结的部分。
[0048]示例性实施例
[0049] W下例子W表的形式提供，W帮助证明根据本公开的教导的外层中可能存在的变 化。此外，尽管每个例子被指出一种外层配方，但W下也处于本公开的范围内；更多或更少 的过渡层可包括在外层与碳化物镶齿体（基体）之间。本领域的技术人员应当理解，该些 例子不是用于限制，而是在本公开的范围内也可存在其他组分变化。
[00 加]
【主权项】
1. 一种切削元件，包括： 基体；以及 设置在切削元件的最外端上的由多晶金刚石材料构成的外层，其中，多晶金刚石材料 具有： 多个互连的金刚石颗粒；以及 设置在结合的金刚石颗粒之间的多个间隙区域，其中，所述多个间隙区域包含多种金 属碳化物相和多种金属粘合剂相，所述多种金属碳化物相和多种金属粘合剂相一起形成多 种金属相，其中，多种金属碳化物相由多个金属碳化物颗粒形成； 其中，所述多个互连的金刚石颗粒形成多晶金刚石材料的至少大约60-至多大约85% 的重量；以及多种金属碳化物相占多种金属相的至少35%的重量。
2. 如权利要求1所述的切削元件，其特征在于，所述多个互连的金刚石颗粒形成多晶 金刚石材料的至少大约60% -至多大约68%的重量。
3. 如权利要求1所述的切削元件，其特征在于，所述多个互连的金刚石颗粒形成多晶 金刚石材料的至少大约68% -至多大约72%的重量。
4. 如权利要求1所述的切削元件，其特征在于，所述多种金属粘合剂相占多种金属相 的至少12%的重量。
5. 如权利要求4所述的切削元件，其特征在于，所述多种金属粘合剂相占多种金属相 的至少25%的重量。
6. 如权利要求1所述的切削元件，其特征在于，金刚石颗粒的平均尺寸大于金属碳化 物相的平均尺寸。
7. 如权利要求1所述的切削元件，其特征在于，多晶金刚石材料具有至少3000HV的硬 度。
8. 如权利要求1所述的切削元件，其特征在于，多晶金刚石材料具有至少3500HV的硬 度。
9. 如权利要求1所述的切削元件，其特征在于，结合的金刚石颗粒之间的平均距离小 于金刚石颗粒的平均颗粒尺寸。
10. 如权利要求1所述的切削元件，其特征在于，所述切削元件还包括设置在基体与外 层之间的至少一个过渡层，其中，所述至少一个过渡层包括金刚石颗粒、金属碳化物和金属 粘合剂。
11. 如权利要求10所述的切削元件，其特征在于，所述至少一个过渡层的金刚石含量 小于外层的金刚石含量。
12. 如权利要求10所述的切削元件，其特征在于，所述至少一个过渡层的金属碳化物 含量大于外层的金属碳化物含量。
13. -种切削元件，包括： 基体；以及 设置在切削元件的最外端上的由多晶金刚石材料构成的外层，其中，多晶金刚石材料 具有： 多个互连的金刚石颗粒；以及 设置在结合的金刚石颗粒之间的多个间隙区域，其中，所述多个间隙区域包含多种金 属碳化物相和多种金属粘合剂相，所述多种金属碳化物相和多种金属粘合剂相一起形成多 种金属相，其中，多种金属碳化物相由多个金属碳化物颗粒形成； 其中，所述多个互连的金刚石颗粒形成多晶金刚石材料的至少大约60%的重量；以及 多种金属碳化物相占多晶金刚石材料的大约7%至35%的重量。
14. 如权利要求13所述的切削元件，其特征在于，所述多种金属碳化物相占多种金属 相的至少35%的重量。
15. 如权利要求13所述的切削元件，其特征在于，所述多种金属碳化物相占多种金属 相的至少50%的重量。
16. 如权利要求13所述的切削元件，其特征在于，所述多种金属粘合剂相占多种金属 相的至少12%的重量。
17. 如权利要求16所述的切削元件，其特征在于，所述多种金属粘合剂相占多种金属 相的至少25%的重量。
18. 如权利要求13所述的切削元件，其特征在于，所述多个互连的金刚石颗粒形成多 晶金刚石材料的至少大约75%的重量。
19. 如权利要求13所述的切削元件，其特征在于，所述多个互连的金刚石颗粒形成多 晶金刚石材料的不超过大约85%的重量。
20. 如权利要求13所述的切削元件，其特征在于，所述切削元件还包括设置在基体与 外层之间的至少一个过渡层，其中，所述至少一个过渡层包括金刚石颗粒、金属碳化物和金 属粘合剂。
21. 如权利要求20所述的切削元件，其特征在于，所述至少一个过渡层的金刚石含量 小于外层的金刚石含量。
22. 如权利要求20所述的切削元件，其特征在于，所述至少一个过渡层的金属碳化物 含量大于外层的金属碳化物含量。
23. 一种钻头，包括： 工具本体以及至少一个切削元件，所述切削元件包括： 基体；以及 设置在切削元件的最外端上的由多晶金刚石材料构成的外层，其中，多晶金刚石材料 具有： 多个互连的金刚石颗粒；以及 设置在结合的金刚石颗粒之间的多个间隙区域，其中，所述多个间隙区域包含多种金 属碳化物相和多种金属粘合剂相，所述多种金属碳化物相和多种金属粘合剂相一起形成多 种金属相，其中，多种金属碳化物相由多个金属碳化物颗粒形成； 其中，所述多个互连的金刚石颗粒形成多晶金刚石材料的至少大约60%的重量；以及 多种金属碳化物相占多种金属相的至少35%的重量。
【专利摘要】一种具有高的韧度和高的耐磨性的多晶金刚石材料。一种切削元件，包括：基体；以及设置在切削元件的最外端上的由多晶金刚石材料构成的外层，其中，多晶金刚石材料具有：多个互连的金刚石颗粒；以及设置在结合的金刚石颗粒之间的多个间隙区域，其中，所述多个间隙区域包含多种金属碳化物相和多种金属粘合剂相，所述多种金属碳化物相和多种金属粘合剂相一起形成多种金属相，其中，多种金属碳化物相由多个金属碳化物颗粒形成；其中，所述多个互连的金刚石颗粒形成多晶金刚石材料的至少大约60-至多大约85％的重量；以及多种金属碳化物相占多种金属相的至少35％的重量。
【IPC分类】E21B10-46, E21B10-56, E21B10-42
【公开号】CN104712252
【申请号】CN201510021638
【发明人】F·贝林, 方毅, M·斯图尔特, N·A·莫里克, P·T·卡里沃
【申请人】史密斯国际有限公司
【公开日】2015年6月17日
【申请日】2010年8月6日
【公告号】CA2770377A1, CN102648328A, CN102648328B, US8579053, US20110031037, US20140060938, WO2011017590A2, WO2011017590A3
【专利说明】具有高的初度和高的耐磨性的多晶金刚石材料
[0001] 本申请是申请日为2010年8月6日、申请号为201080044957. 6 (PCT/ US2010/044657)、发明名称为"具有高的初度和高的耐磨性的多晶金刚石材料"的发明专利 申请的分案申请。
[0002] 相关申请的交叉引用
[0003] 本申请要求2009年8月7日提交的美国专利申请No. 61/232, 134的优先权，该美 国专利申请通过引用整体并入此处。
技术领域
[0004] 在此公开的实施例总体上设及用于钻头、例如牙轮钻头和震击钻头中的多晶金刚 石镶齿。更具体地讲，本发明设及具有包括金刚石、金属碳化物和钻的外层的多晶金刚石镶 止 凶〇
【背景技术】
[0005] 在典型的钻井操作中，钻头转动，同时前行到±壤或岩石地层中。地层通过钻头上 的切削元件切削，且切屑通过钻井流体的循环被从井眼冲送出，所述钻井流体通过钻柱向 下累送，且在钻柱与井壁之间的环隙中向着井眼的顶部回流。钻井流体通过钻杆中的通道 给送到钻头，且通过钻头的切削面中的喷嘴向外喷出。喷出的钻井流体通过喷嘴被向外高 速引导，W帮助切削、冲送出切屑和冷却切削器元件。
[0006] 具有多种类型的钻头，包括牙轮钻头、震击钻头和刮刀钻头。牙轮钻头包括适于连 接到可转动的钻柱的钻头本体，且包括至少一个"牙轮"，所述牙轮可转动地安装到现有技 术中通常提及到的悬臂轴或轴颈支承轴。每个牙轮又支撑多个切削元件，所述切削元件切 削和/或压碎井眼的壁或底部，从而使钻头前行。切削元件，或镶齿或锐齿，在钻井过程中 与地层接触。震击钻头通常包括一体式本体，该本体具有冠部。该冠部包括挤压在其中的 镶齿，用于循环地"震击"和抵靠着正被钻的地层转动。
[0007] 根据钻头上的镶齿的类型和位置，镶齿会执行不同的切削功能，该样，在使用过程 中也经受不同的加载条件。两种耐磨镶齿已经被开发用作牙轮钻头和震击钻头上的镶齿： 碳化鹤镶齿和多晶金刚石镶齿。碳化鹤镶齿由烧结碳化鹤形成；碳化鹤颗粒散布在钻粘合 剂基质中。多晶金刚石镶齿通常包括作为基体的烧结碳化鹤本体和在镶齿的顶部上直接结 合到碳化鹤基体的多晶金刚石（叩CD")层。与较软的、较初性的碳化鹤镶齿相比，由PCD 材料形成的外层可提供改善的耐磨性。
[000引根据钻头上的镶齿的类型和位置，镶齿会执行不同的切削功能，该样，在使用过程 中也经受不同的加载条件。两种耐磨镶齿已经被开发用作牙轮钻头和震击钻头上的镶齿： 碳化鹤镶齿和多晶金刚石镶齿。碳化鹤镶齿由烧结碳化鹤形成；碳化鹤颗粒散布在钻粘合 剂基质中。多晶金刚石镶齿通常包括作为基体的烧结碳化鹤本体和在镶齿的顶部上直接结 合到碳化鹤基体的多晶金刚石（叩CD")层。与较软的、较初性的碳化鹤镶齿相比，由PCD 材料形成的外层可提供改善的耐磨性。
[0009]PCD层通常包括金刚石和金属，且它们的量高达层的大约20%的重量比，w便于 金刚石晶间结合和层彼此之间W及与底下的基体的结合。PCD中采用的金属通常从钻、铁 或镶和/或它们的混合物或合金中选择，且可包括诸如铺、粗、铭和/或它们的混合物或合 金的金属。然而，尽管较高的金属催化剂含量通常会增大最终的PCD材料的初度，但较高的 金属含量也会降低PCD材料硬度，从而，限制了W下灵活性：能够提供既具有期望水平的硬 度、又具有期望水平的初度的PCD涂层。此外，当变量被选择用于增大PCD材料的硬度时， 通常脆度也会增大，从而，降低了PCD材料的初度。
[0010] 尽管多晶金刚石层极其硬和耐磨，但多晶金刚石镶齿在正常操作过程中仍可能失 效。失效通常为W下S种常见形式中的一种：磨损、疲劳和冲击破裂。由于PCD相对于地层 的滑动，会出现磨损情况，且作为失效模式其突出特性与地层的磨损特性W及其他因素例 如地层硬度或强度和在与地层接触过程中设及的相对滑动的量有关。过高的接触应力和高 的温度W及非常不利的井下环境也趋向于引起金刚石层的严重磨损。疲劳机理是；初始产 生于PCD层上的表面裂纹逐渐传播到PCD层下方的材料中，直到裂缝长度足W散裂或剥离。 最后，冲击机理是：初始产生于PCD层上的表面裂纹或内部裂缝睹然传播到PCD层下方的材 料中，直到裂纹长度足W引起镶齿的散裂、剥离或突变失效。
[0011] 在切削元件的制造过程中，材料通常经受高压/高温（"HPHT")条件下的烧结，该 可导致潜在的问题，包括：不相似的元素结合到彼此和各种组分的扩散，该使得复合物上产 生残余应力。残余应力诱发复合物可通常在钻井条件下导致镶齿破裂、破碎或层离。
[0012] 由于接触而引起的外部负载趋向于引起金刚石层的失效例如破碎、散裂和剥离。 制造过程所产生的内部应力、例如热残余应力趋向于引起金刚石层与基体或过渡层之间的 层离，或由于沿着分界面初始产生并向外传播的裂纹，或由于初始发生于金刚石层中和沿 着分界面剧烈地传播的裂缝。
[0013] 金刚石层的冲击、磨损和疲劳寿命可通过增大金刚石厚度、从而增大金刚石体积 增大。然而，金刚石体积的增大导致形成在金刚石/基体分界面上的残余应力幅度的增大， 该会加速层离。所述残余应力幅度的增大被认为是由于在烧结过程之后冷却过程中金刚石 与碳化物基体的热收缩的差异引起的。在金刚石粘合到基体的冷却过程中，金刚石比碳化 物基体收缩较小的量，该会导致金刚石/基体分界面上的残余应力。残余应力与金刚石相 对于基体的体积的体积成比例。
[0014] 因此，希望构造一种用于剧烈切削和/或钻井应用中的镶齿结构，其提供期望的 PCD硬度和耐磨性，且与传统的PCD材料和镶齿结构相比，具有提高的断裂初度和抗剥离性 能。
【发明内容】
[0015] 在一个方面，在此公开的实施例设及一种切削元件，包括；基体；W及设置在切削 元件的最外端上的由多晶金刚石材料构成的外层，其中，多晶金刚石材料具有；多个互连的 金刚石颗粒；W及设置在结合的金刚石颗粒之间的多个间隙区域，其中，所述多个间隙区域 包含多种金属碳化物相和多种金属粘合剂相，所述多种金属碳化物相和多种金属粘合剂相 一起形成多种金属相，其中，多种金属碳化物相由多个金属碳化物颗粒形成；其中，所述多 个互连的金刚石颗粒形成多晶金刚石材料的至少大约60-至多大约80 %的重量；W及多种 金属碳化物相占多种金属相的至少50%的重量。
[0016] 在另一方面，在此公开的实施例设及一种切削元件，包括；基体；W及设置在切削 元件的最外端上的由多晶金刚石材料构成的外层，其中，多晶金刚石材料具有；多个互连的 金刚石颗粒；W及设置在结合的金刚石颗粒之间的多个间隙区域，其中，所述多个间隙区域 包含多种金属碳化物相和多种金属粘合剂相，所述多种金属碳化物相和多种金属粘合剂相 一起形成多种金属相，其中，多种金属碳化物相由多个金属碳化物颗粒形成；其中，所述多 个互连的金刚石颗粒形成多晶金刚石材料的至少大约70 %的重量；W及多种金属碳化物 相占多种金属相的至少50%的重量。
[0017] 本发明的其他方面和优点将显见于下面的描述和权利要求书中。
【附图说明】
[0018] 图1示出了根据本公开的切削元件的一个实施例的图示。
[0019] 图2是牙轮钻头的侧视图。
[0020] 图3是震击钻头的侧视图。
[0021] 图4示出了根据本公开的切削元件的一个实施例的图示。
【具体实施方式】
[0022] 在一个方面中，在此公开的实施例设及用于钻头、例如牙轮钻头和震击钻头或其 它切削工具中的多晶金刚石镶齿。更具体地讲，在此公开的实施例设及用于钻头或其它切 削工具中的具有外层的切削元件，所述外层包括预定量的多晶金刚石和最优的金属碳化物 与钻的比率。特别地，本公开的实施例设及该样的切削元件，所述切削元件具有减小的热残 余应力W及增大的初性和耐磨性，从而提高和延长了切削元件的使用寿命。在特殊实施例 中，该种外层可用在具有至少一个过渡层的切削元件上。
[0023] 参看图1，图1中示出了根据本公开的一个实施例的切削元件。如图1所示，切削 元件40包括多晶金刚石外层44,所述外层形成与待切削的地层或其它地下层接触的工作 表面或外露表面。在多晶金刚石外层44下方具有基体42。尽管图1中没有示出过渡层，但 一些实施例可W包括一个、两个、=个、甚至更多个过渡层，如下所述。
[0024] 上面描述的多晶金刚石外层可包括金刚石颗粒构成的本体，其中，一种或多种金 属相可出现于设置在金刚石颗粒之间的每个间隙区域中。特别地，在此所使用的"多晶金刚 石"或"多晶金刚石材料"是指该=维网状或格状布置的结合在一起的金刚石粒。具体地讲， 金刚石与金刚石的结合通过高温/高压过程经由金属（例如钻）被催化，其中，金属保持在 颗粒之间的区域中。根据向可被催化的金刚石颗粒的暴露情况W及温度/压力条件，添加 到金刚石颗粒的金属粘合剂颗粒可起着催化剂和/或粘合剂的作用。为了该申请的目的， 当金属粘合剂称作金属粘合剂时，并不是必然意味着，还没有执行催化功能，当金属称作金 属催化剂时，并不是必然意味着，还没有执行粘合功能。
[0025] 然而，间隙区域中存在的金属粘合剂不是可能出现的唯一金属相。相反，在此所使 用的金属相是指，间隙区域中存在的任何包含金属的相。因此，对金属相的引述可指金属粘 合剂相或金属碳化物相，且多个间隙区域中存在的多种金属相被定义为包括位于所有间隙 区域中的多种金属粘合剂相和多种金属碳化物（或碳氮化物）相。然而，每个间隙区域可 单独包含金属粘合剂相和/或金属碳化物相。从而，金属粘合剂相和金属碳化物相一起形 成金属相。而且，金属粘合剂相和金属碳化物相分别由金属粘合剂颗粒和金属碳化物（或 碳氮化物）颗粒形成。
[0026] 根据本公开的实施例，金属相可被设计成具有至少50%的重量比的由金属碳化物 形成的金属相。在间隙区域中存在的金属相中使用该种高水平的碳化物可产生具有高的硬 度（和耐磨性/耐磨损性）W及高的断裂初度的多晶金刚石材料。具体地讲，包括根据本公 开的实施例的外层的切削元件在一个实施例中可具有超过3000HV的硬度值、在另一个实 施例中可具有超过3500HV的硬度值。而且，包括根据本公开的实施例的外层的切削元件还 可具有提高的初度。循环疲劳寿命数据良好地表示断裂初度。例如，包括根据本公开的实 施例的外层的切削元件可与参考切削元件或相比的切削元件（具体地讲，下表中给出的相 比的切削元件1，具有80%重量比的金刚石、19%重量比的Co和1%重量比的WC的组分） 相比，且本公开的切削元件的疲劳寿命可具有超过相比的切削元件疲劳的100%的增大的 疲劳寿命。与相比的切削元件相比，其他实施例可具有超过30 %或超过50 %的疲劳寿命提 高。因此，与相比的切削元件相比，本公开的实施例可超过初度、疲劳和耐磨性的基准。
[0027] 根据多晶金刚石外层所期望的相对耐磨损性/初性，某一量的金刚石颗粒和/或 金属粘合剂颗粒可被添加有金属粘合剂的金属碳化物颗粒替换，W产生具有硬度和初性的 多晶金刚石外层。
[002引多晶金刚石层中的金刚石含量可例如取决于所期望的特殊性能，但在各个特殊实 施例中，可在宽的范围下为多晶金刚石材料的至少60%的重量比，且可高到多晶金刚石材 料的80或85%的重量比。例如，当期望初性稍微较高的金刚石体时，金刚石含量可为多晶 金刚石材料的60-68%的重量比。相反，当期望稍微较硬的金刚石体时，金刚石含量可为上 限大约为85%的重量比的至少70%的重量比（在更特殊的实施例中，为至少80 %的重量 比）。然而，在其他特殊实施例中，金刚石含量可为68-75%的重量比的范围内。
[0029] 根据金刚石含量，显而易见的是，金属相（金属粘合剂和金属碳化物）的总含量可 变化；然而，根据本公开的实施例，两种类型的金属相之间的比值可被选择为；至少50%的 重量比的金属碳化物和不超过50%的重量比的金属粘合剂。在特殊的实施例中，金属碳化 物部分可占金属相的至少55%的重量比，在更特殊的实施例中，，金属碳化物部分可占金属 相的至少60%的重量比。然而，本领域的技术人员在阅读本申请中包含的本发明的教导之 后应当理解，该量必须小于100%，因为在多晶金刚石材料中必须具有最小量的钻来催化金 刚石与金刚石结合的形成。在一些实施例中，金属粘合剂可占金属相的至少25%的重量比， 但在其他实施例中也可低到12%的重量比。金属粘合剂的特定的最小量（相对于金属碳化 物）可取决于总的金刚石含量，其中，较低的金刚石含量比具有较高的金刚石含量的多晶 金刚石材料具有较低的下限。
[0030] 如上所述，金属碳化物（或碳氮化物）相可在间隙区域中占金属相的至少50% 的重量比。金属碳化物相可由选自W下一组元素的碳化物的颗粒形成；鹤（W)、铁（Ti)、粗 (化)、铭（化）、钢（Mo)、魄（佩）、饥（V)、給化f)和错狂r)。相对于整个多晶金刚石材料 (不是仅金属相），金属碳化物可W层的方式存在，其量为总多晶金刚石材料的大约7-35% 的重量比。在特殊实施例中，金属碳化物颗粒可具有小于2ym的平均颗粒尺寸。然而，粉 末在烧结过程中聚集和结合在一起，W填充该空间。因此，在均匀的微观结构中，碳化物相 的尺寸可几乎与金刚石的颗粒尺寸一样大，或为5-30微米。然而，碳化物尺寸最终可基于 层的期望性能W及其他层组分选择。例如，在一个实施例中，可期望由该种碳化物颗粒形成 的金属碳化物相的平均尺寸小于它们结合到的金刚石颗粒的平均尺寸。附加性地，间隙区 域的平均尺寸、即结合的金刚石颗粒之间的距离也优选小于金刚石颗粒的平均尺寸。因此， 碳化物颗粒尺寸也可基于正使用的特殊的金刚石颗粒尺寸选择。
[0031] 如上所述，外层还包括处于间隙区域中的金属粘合剂。该种金属可包括第VIII族 金属，包括Co、Fe、Ni和它们的组合。相对于整个多晶金刚石材料（不是仅相对于金属相）， 金属粘合剂可W层的方式存在，且其量为整个多晶总金刚石材料的5-20%的重量比。本领 域的技术人员在阅读本申请中所包含的本发明的教导之后应当理解，外层中使用的粘合剂 的量可基于为金属相选择的碳化物量W及金刚石含量。
[0032] 在一个实施例中，用于形成多晶金刚石外层的金刚石平均颗粒尺寸可在宽的范围 内为大约2-30微米，在另一个实施例中小于大约20微米，在又一实施例中小于大约15微 米。然而，在其他各种特殊的实施例中，平均颗粒尺寸可W为大约2-8微米、大约4-8微米、 大约10-12微米或大约10-20微米。还可想到，根据外层的特殊应用和期望性能，可 在宽的 范围内选择其他特殊的窄的范围。而且，W下也处于本公开内；颗粒不必是单峰分布的，而 是可为双峰分布的或多峰分布的。
[0033] 在某些实施例中，外层的厚度可为大约0. 006英寸。在其他更优选的实施例中，外 层的厚度可为大约0. 016英寸或更大。如在此所使用的，任何多晶金刚石层的厚度是指相 应层的最大厚度，因为金刚石层的厚度可在层内变化。具体地讲，如在此通过引用整体并入 本说明书中的美国专利No. 6, 199, 645所示，W下内容也处于本公开的范围内：多晶金刚石 层的厚度可变化，使得该厚度在切削元件的关键区域内最大。特别地，W下也处于本公开的 范围内：多晶金刚石层可变化或收缩减小，使得它在层上具有非均匀的厚度。厚度的该种变 化通常可在产生非均匀的接合部中通过使用镶齿体/基体的非均匀上表面产生。
[0034] 镶齿体或基体可由合适的材料例如碳化鹤、碳化粗或碳化铁形成。在基体中，金属 碳化物粒由金属粘合剂的基质支撑。从而，各种粘合金属可位于基体中，例如钻、镶、铁、它 们的合金或它们的混合物。在一个特殊的实施例中，镶齿体或基体可由碳化鹤和钻的烧结 的碳化鹤复合结构形成。然而，公知的是，除了碳化鹤和钻W外，也可使用各种金属碳化物 合成物和粘合剂。因此，对使用碳化鹤和钻的描述仅是示例性的目的，而不是用于限制碳化 物或粘合剂使用类型。
[0035] 如上所述，本公开的切削元件可具有至少一个过渡层。所述至少一个过渡层可包 括金刚石粒、金属粘合剂和金属碳化物或碳氮化物颗粒的复合物。本领域的技术人员在阅 读本申请中所包含的本发明的教导之后应当理解，金刚石和金属碳化物或碳氮化物颗粒的 相对量可表示层内的金刚石与金刚石结合的程度。
[0036] 多晶金刚石外层与镶齿体/基体之间的至少一个过渡层的存在可在热膨胀系数 和弹性方面产生梯度变化，从而使层之间的热膨胀系数和弹性的急剧变化最小化，而该种 急剧变化会促使PCD层与镶齿体/基体裂开和剥离。该种梯度变化可包括外层与过渡层之 间的金刚石含量的梯度变化，该金刚石含量从外层向着镶齿体降低，且与金属碳化物含量 相关，所述金属碳化物含量从外层向着镶齿体增大。
[0037] 因此，所述至少一个过渡层可W包括金刚石粒，金属粘合剂，和诸如鹤、粗、铁、铭、 钢、饥、魄、給、错的碳化物或碳氮化物颗粒或它们的混合物的碳化物或碳氮化物颗粒的复 合物，所述颗粒可包括角形或球形颗粒。当使用碳化鹤时，W下也处于本公开的范围内；该 种颗粒可包括烧结碳化鹤（WC/Co)、化学计量碳化鹤（WC)、诱铸碳化鹤（WC/W2C)或碳化鹤 和钻的等离子喷涂合金（WC-Co)。在一个特殊的实施例中，可使用烧结碳化鹤或化学计量碳 化鹤，对于化学计量碳化鹤，其尺寸高达6微米，对于烧结颗粒，其尺寸为5-30微米（或高 达所述层的金刚石颗粒尺寸）。众所周知，除了碳化鹤和钻W外，也可使用各种金属碳化物 或碳氮化物合成物和粘合剂。因此，对过渡层中使用碳化鹤和钻的描述仅是说明性的目的， 而不是用于限制用于过渡层中的金属碳化物/碳氮化物或粘合剂的类型。而且，根据需要， 相同或类似的碳化物/碳氮化物颗粒类型可处于外层中，如上所述。
[003引存在于所述至少一个过渡层中的碳化物（或碳氮化物）量可在所述至少一个过渡 层的大约25-90%的重量比（或者10-80%的体积比）的范围内变化。如上所述，过渡层的 使用可允许在外层与过渡层之间产生金刚石和碳化物含量的梯度变化，金刚石含量从外层 向着镶齿体减小，且与金属碳化物含量相关，所述金属碳化物含量从外层向着镶齿体增大。 然而，对该特殊的范围没有限制。相反，任何范围均可用于在层之间形成碳化物梯度变化。 而且，如果碳化物含量在外层与一个或多个过渡层之间增大，金刚石含量可相应地在外层 与一个或多个过渡层之间降低。
[0039] 根据本公开的实施例形成的切削元件可由于整个切削元件中存在金属碳化物与 钻的最佳比值而产生明显较小的内部热残余应力。具体地讲，通常存在于基体、过渡层、外 层和它们之间的接合部中的残余应力由于存在均匀地分布在结合的金刚石颗粒中且至少 部分充填在结合的金刚石颗粒之间的空隙中的金属碳化物相、钻相和它们的组合而明显降 低。
[0040] 而且，通过控制金属碳化物与钻的比值和增大总金刚石含量，可调整切削元件的 耐磨等级和破裂初度，从而，改善切削元件和钻头的寿命。具体地讲，通过在基体上设置包 括增大体积的金刚石颗粒、最优比值的金属碳化物与钻、和预定最大体积的钻的外层，可优 化切削元件的初度和耐磨性，进而提高了切削元件的总的寿命。
[0041] 在此使用的多晶金刚石层是指该样一种结构，该结构包括通过粒间的金刚石结合 而保持在一起的金刚石颗粒，该通过W下方式形成；在HPHT设备的反应间的金属包封壳内 放置某一质量的未烧结的金刚石晶体颗粒并使各个金刚石晶体经受足够高的压力和足够 高的温度（在HPHT条件下烧结）而使得在相邻金刚石晶体之间产生晶间结合。金属催化 剂、例如钻或其它第VIII族金属可包括在所述某一质量的未烧结的晶体颗粒内，W促进金 刚石与金刚石之间的晶间结合。催化剂材料可成粉末的形式提供且可与金刚石粒混合，或 可在HPHT烧结过程中渗入到金刚石粒中。
[0042] 然后，反应间被放置在足W引起金刚石颗粒之间的晶间结合的处理条件下。应当 指出，如果太多的另外的非金刚石材料、例如碳化鹤或钻存在于所述某一质量的成粉末状 的晶体颗粒中，则会在烧结过程中阻止显著的晶间结合。还未出现显著的晶间结合的该种 已被烧结的材料不处于PCD的定义内。
[0043] 过渡层可类似地通过将包含金刚石颗粒、碳化鹤和钻的某一质量的未烧结的复合 材料放置在HPHT设备中形成。然后，反应间放置在足W使材料烧结的处理条件下，W产生 过渡层。附加性地，预成型的金属碳化物基体可被包括。在该种情况下，处理条件可将烧 结的晶体颗粒接合到金属碳化物基体上。类似地，具有一个或多个过渡层连接到其上的 基体可在该过程中用于添加另一过渡层或多晶金刚石层。用于该过程的合适的HPHT设 备描述于美国专利 2, 947, 611、2, 941，241、2, 941，248、3, 609, 818、3, 767, 371、4, 289, 503、 4, 673, 414 和 4,954, 139 中。
[0044] 一个示例性最小温度为大约1200°C，一个示例性最小压力为大约35千己。典型的 处理过程处于大约45-55千己的压力下和大约1300-1500°C的温度下。给定的实施例中的 最小足够温度和压力可取决于其他参数、例如催化材料、例如钻的存在性。通常，金刚石晶 体在金刚石催化剂材料、例如钻存在的情况下经受HPHT烧结，W形成整体的、坚初的、高强 度的质量体或晶格。催化剂、例如钻可用于促进金刚石颗粒的再结晶和晶格结构的形成，从 而，在金刚石晶格结构中，钻颗粒通常发现在间隙空间中。本领域的技术人员可W理解，可 使用各种温度和压力，且本公开的范围不限于具体描述的温度和压力。
[0045] HPHT处理的应用将使得金刚石晶体烧结和形成多晶金刚石层。类似地，HPHT应用 于复合材料将使得金刚石晶体和碳化物颗粒烧结，使得它们不再成可彼此分离的分离颗粒 的形式。而且，在HPHT过程中，所有层彼此结合和结合到基体上。
[0046]W下也处于 本公开的范围内：多晶金刚石外层可例如通过用浸出剂（通常为强 酸）浸洗金刚石层而可使得至少一部分金属催化剂从其去除。在一个特殊的实施例中，金 刚石层的至少一部分可被浸洗，W在不损失耐冲击性的情况下获得热稳定性。
[0047]此外，本申请在其组成部分中W重量百分比表示已被烧结的部分。一种用于确定 特殊的切削元件的重量百分比的方法是，从切削元件切出被抛光的样品，且执行该区域的 原子量扫描，且推出切削元件的整个体积的重量百分比。此外，预烧结的粉末重量百分比也 可表示已被烧结的部分。
[0048]示例性实施例
[0049] W下例子W表的形式提供，W帮助证明根据本公开的教导的外层中可能存在的变 化。此外，尽管每个例子被指出一种外层配方，但W下也处于本公开的范围内；更多或更少 的过渡层可包括在外层与碳化物镶齿体（基体）之间。本领域的技术人员应当理解，该些 例子不是用于限制，而是在本公开的范围内也可存在其他组分变化。
[00 加]
【主权项】
1. 一种切削元件，包括： 基体；以及 设置在切削元件的最外端上的由多晶金刚石材料构成的外层，其中，多晶金刚石材料 具有： 多个互连的金刚石颗粒；以及 设置在结合的金刚石颗粒之间的多个间隙区域，其中，所述多个间隙区域包含多种金 属碳化物相和多种金属粘合剂相，所述多种金属碳化物相和多种金属粘合剂相一起形成多 种金属相，其中，多种金属碳化物相由多个金属碳化物颗粒形成； 其中，所述多个互连的金刚石颗粒形成多晶金刚石材料的至少大约60-至多大约85% 的重量；以及多种金属碳化物相占多种金属相的至少35%的重量。
2. 如权利要求1所述的切削元件，其特征在于，所述多个互连的金刚石颗粒形成多晶 金刚石材料的至少大约60% -至多大约68%的重量。
3. 如权利要求1所述的切削元件，其特征在于，所述多个互连的金刚石颗粒形成多晶 金刚石材料的至少大约68% -至多大约72%的重量。
4. 如权利要求1所述的切削元件，其特征在于，所述多种金属粘合剂相占多种金属相 的至少12%的重量。
5. 如权利要求4所述的切削元件，其特征在于，所述多种金属粘合剂相占多种金属相 的至少25%的重量。
6. 如权利要求1所述的切削元件，其特征在于，金刚石颗粒的平均尺寸大于金属碳化 物相的平均尺寸。
7. 如权利要求1所述的切削元件，其特征在于，多晶金刚石材料具有至少3000HV的硬 度。
8. 如权利要求1所述的切削元件，其特征在于，多晶金刚石材料具有至少3500HV的硬 度。
9. 如权利要求1所述的切削元件，其特征在于，结合的金刚石颗粒之间的平均距离小 于金刚石颗粒的平均颗粒尺寸。
10. 如权利要求1所述的切削元件，其特征在于，所述切削元件还包括设置在基体与外 层之间的至少一个过渡层，其中，所述至少一个过渡层包括金刚石颗粒、金属碳化物和金属 粘合剂。
11. 如权利要求10所述的切削元件，其特征在于，所述至少一个过渡层的金刚石含量 小于外层的金刚石含量。
12. 如权利要求10所述的切削元件，其特征在于，所述至少一个过渡层的金属碳化物 含量大于外层的金属碳化物含量。
13. -种切削元件，包括： 基体；以及 设置在切削元件的最外端上的由多晶金刚石材料构成的外层，其中，多晶金刚石材料 具有： 多个互连的金刚石颗粒；以及 设置在结合的金刚石颗粒之间的多个间隙区域，其中，所述多个间隙区域包含多种金 属碳化物相和多种金属粘合剂相，所述多种金属碳化物相和多种金属粘合剂相一起形成多 种金属相，其中，多种金属碳化物相由多个金属碳化物颗粒形成； 其中，所述多个互连的金刚石颗粒形成多晶金刚石材料的至少大约60%的重量；以及 多种金属碳化物相占多晶金刚石材料的大约7%至35%的重量。
14. 如权利要求13所述的切削元件，其特征在于，所述多种金属碳化物相占多种金属 相的至少35%的重量。
15. 如权利要求13所述的切削元件，其特征在于，所述多种金属碳化物相占多种金属 相的至少50%的重量。
16. 如权利要求13所述的切削元件，其特征在于，所述多种金属粘合剂相占多种金属 相的至少12%的重量。
17. 如权利要求16所述的切削元件，其特征在于，所述多种金属粘合剂相占多种金属 相的至少25%的重量。
18. 如权利要求13所述的切削元件，其特征在于，所述多个互连的金刚石颗粒形成多 晶金刚石材料的至少大约75%的重量。
19. 如权利要求13所述的切削元件，其特征在于，所述多个互连的金刚石颗粒形成多 晶金刚石材料的不超过大约85%的重量。
20. 如权利要求13所述的切削元件，其特征在于，所述切削元件还包括设置在基体与 外层之间的至少一个过渡层，其中，所述至少一个过渡层包括金刚石颗粒、金属碳化物和金 属粘合剂。
21. 如权利要求20所述的切削元件，其特征在于，所述至少一个过渡层的金刚石含量 小于外层的金刚石含量。
22. 如权利要求20所述的切削元件，其特征在于，所述至少一个过渡层的金属碳化物 含量大于外层的金属碳化物含量。
23. 一种钻头，包括： 工具本体以及至少一个切削元件，所述切削元件包括： 基体；以及 设置在切削元件的最外端上的由多晶金刚石材料构成的外层，其中，多晶金刚石材料 具有： 多个互连的金刚石颗粒；以及 设置在结合的金刚石颗粒之间的多个间隙区域，其中，所述多个间隙区域包含多种金 属碳化物相和多种金属粘合剂相，所述多种金属碳化物相和多种金属粘合剂相一起形成多 种金属相，其中，多种金属碳化物相由多个金属碳化物颗粒形成； 其中，所述多个互连的金刚石颗粒形成多晶金刚石材料的至少大约60%的重量；以及 多种金属碳化物相占多种金属相的至少35%的重量。
【专利摘要】一种具有高的韧度和高的耐磨性的多晶金刚石材料。一种切削元件，包括：基体；以及设置在切削元件的最外端上的由多晶金刚石材料构成的外层，其中，多晶金刚石材料具有：多个互连的金刚石颗粒；以及设置在结合的金刚石颗粒之间的多个间隙区域，其中，所述多个间隙区域包含多种金属碳化物相和多种金属粘合剂相，所述多种金属碳化物相和多种金属粘合剂相一起形成多种金属相，其中，多种金属碳化物相由多个金属碳化物颗粒形成；其中，所述多个互连的金刚石颗粒形成多晶金刚石材料的至少大约60-至多大约85％的重量；以及多种金属碳化物相占多种金属相的至少35％的重量。
【IPC分类】E21B10-46, E21B10-56, E21B10-42
【公开号】CN104712252
【申请号】CN201510021638
【发明人】F·贝林, 方毅, M·斯图尔特, N·A·莫里克, P·T·卡里沃
【申请人】史密斯国际有限公司
【公开日】2015年6月17日
【申请日】2010年8月6日
【公告号】CA2770377A1, CN102648328A, CN102648328B, US8579053, US20110031037, US20140060938, WO2011017590A2, WO2011017590A3
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