CN101823164B - 切割元件 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及切割元件。切割元件包括多层的多晶体金刚石部分(42)，多晶体金刚石部分(42)粘合于硬度比其低的材料的衬底(44)上，所述多晶体金刚石部分(42)限定了填隙空位矩阵，靠近其工作表面(46)的所述金刚石层(42)的第一区域的填隙空位基本上没有催化材料，远离工作表面(46)的金刚石层(42)的第二区域的填隙空位则包含了催化材料。

Description

切割元件
发明领域
本发明涉及一种切割元件，更具体地涉及一种适合使用在用于形成钻孔的钻头上的切割元件。
背景技术
一种使用在钻头上的切割元件包含一系列的超硬材料，例如多晶体金刚石，其被粘合硬度比其低的材料的衬底上，硬度比其低的材料例如碳化钨。这种类型的切割元件是公知的，而且以一定范围的形状和尺寸在一定范围的应用中被使用。
所述类型的切割元件经过高温、高压过程制造，其中碳化钨衬底部分、金刚石粉末以及粘结催化剂(例如采用钴的形式)都暴露在高温、高压的条件下，导致在金刚石粉末的金刚石晶体之间形成化学键，从而形成了同样粘结于衬底部分的多晶体金刚石层。
多晶体金刚石层限定了包括粘结催化剂材料的填隙空位矩阵(matrix of interstitial volumes)。已经发现从切割元件的工作表面附近的至少填隙空位中移去粘结催化剂材料是有益处的，例如WO02/24603和WO02/24601所描述的，这种处理会导致工作表面具有改进的耐腐蚀性和抗冲击性。
在使用中，所述金刚石层外露的、未经处理的部分往往比经过处理的部分磨损得更快，其结果是形成了未支撑的、凸起的边缘，这种效果在经过处理的层中更为明显，即，当粘结催化剂移除之后，仅形成了金刚石层总深度相对小的部分。在这样的构造中，有未支撑的边缘断裂的风险。本发明的一个目的在于提供一种切割元件，其能减少这种缺陷所带来的影响。
发明内容
根据本发明其提供了一种切割元件，所述切割元件包含多层的多晶体金刚石部分，所述部分至少具有第一层和第二层，所述金刚石部分粘合到硬度比其低的材料的衬底上，所述金刚石部分限定了一个填隙空位矩阵，邻近其工作表面的所述金刚石部分的第一区域的所述填隙空位基本上没有催化材料，远离工作表面的所述金刚石部分的第二区域的所述填隙空位包含催化材料。
所述第一和第二层可以包含不同尺寸的金刚石颗粒。例如，所述第一层可以包含细颗粒，而粗颗粒被包含在所述第二层中。
所述第一层可以包含第一多模金刚石层，所述第二层可以包含第二多模金刚石层。同样可以设置例如是单模形式的第三层。
所述第一层可以具有第一厚度，第二层可以具有第二且不同的厚度。所述第一厚度优选的小于所述第二厚度。例如，所述第一厚度可以为大约0.08mm，所述第二厚度可以为大约0.10mm。也可设置第三层，所述第三层具有第三厚度，第三厚度优选地大于所述第一和第二厚度。例如，所述第三厚度可以为大约0.12mm。
所述金刚石部分可以具有高达大约2mm的厚度。
所述第一层优选的具有第一金刚石体积密度，所述第二层也具有第二且不同的金刚石体积密度。所述第一金刚石体积密度优选地大于所述第二金刚石体积密度。例如，所述第一金刚石体积密度可以大约为98％，同时所述第二金刚石体积密度可以为从94％到98％的范围内。第三层可以进行设置，优选的具有第三且较低的金刚石体积密度，优选地小于94％。
所述层可以平行于工作表面设置。可选择的是，所述层可以是同心设置，或者设置成延伸经过所述部分。
所述第一区域可以延伸穿过第一和第二层的至少一部分。可选地，其可以延伸穿过仅仅第一层的部分，或者可以延伸至第二层的深度。
所述工作表面可以包含端工作表面区域和边工作表面区域。所述第一区域可以设置成仅靠近所述端工作表面区域，或者可选地可设置成靠近端工作表面和边工作表面的至少一部分，或者仅仅靠近边工作表面的至少一部分。
附图说明
本发明将通过实施例的方式，参考如下的附图，进一步进行描述。在附图中：
附图1是公知钻头的透视图。
附图2图示描述了公知的切割元件。
附图3是剖面简图，描述了公知的切割元件的金刚石层的一部分。
附图4是剖面图，描述了根据本发明的一个实施例的切割元件。
附图5相似于附图4，描述了磨损状态下的切割元件。
附图6-9图示描述了根据本发明的不同实施例。
具体实施方式
首先参见附图1，其描述了包含设置了多个向外延伸刀片14的钻头体12的钻头。每个刀片14的边缘或者前缘16支撑着多个切割元件18。所述切割元件18被设置成，在使用中，钻头10绕其轴线20的转动同时轴线导向的驱动装载负载施加在钻头上则导致切割元件18接合且承靠这种成型，刨削、切屑、耐磨或者以其它方式从所述构造中移除材料，因此延伸通过钻头10钻出的钻孔。
如附图2所示，每个切割元件18包含衬底22，其完整地粘合于超硬材料的部分24。所述超硬材料是多晶体金刚石，衬底22是硬度比其低的材料，例如碳化钨。
多晶体金刚石部分24具有端工作表面26，其由金刚石晶体28构成，在金刚石晶体28之间形成填隙空位矩阵或空间30(见附图3)。部分24通过处理以使设置在靠近工作表面26的第一区域32的填隙空位或者空间30中基本上没有钴催化材料34，远离工作表面26的部分24的第二区域36的填隙空位或者空间30则包含了催化材料34。
附图4示出了根据本发明的一个实施例的切割元件40。该切割元件40适合使用在附图1所示的钻头上，但应该能理解其也可以使用在另外的钻头构造上。如附图2所示的切割元件18，本发明的切割元件40包含多晶体金刚石部分42，其完整地粘合于硬度比其低的材料的衬底44，例如碳化钨上。部分42限定了端工作表面46。部分42的第一区域48靠近工作表面46，其经过处理能从填隙空位中移除钴催化剂，所述填隙空位形成于部分42的金刚石晶体之间，以致于第一区域48基本上没有催化材料50。远离工作表面46的部分42的第二区域56没有经过处理，所以在填隙空位中包含了催化材料。
部分42的第一区域48本身是多层的结构，包含靠近工作表面46的第一层58；第二中间层60；以及远离工作表面46的第三层62。所述第一层58、第二层60同样是多层的形式，第三层62的金刚石材料是单层的形式。第一层58具有不同的厚度，优选地小于第二层60的厚度。例如第一层58可以是大约0.08mm的第一厚度，同时第二层具有大约0.10mm的第二厚度。第三层62可以是大约0.12mm的厚度，总体上，金刚石部分42可以具有总计大约2mm的厚度。
第一层58优选地具有不同的、且优选地比第二层60更高的金刚石体积密度。例如第一层58可以具有大约98％的金刚石体积密度，同时第二层60的密度可以处于从94％到98％之间。第三层62可以是更低的金刚石体积密度，例如低于94％。第一层58可以具有比第二层60更细的颗粒形状，第二层60继而可以具有比第三层62更细的颗粒形状。
这样的结构优势在于，在使用中，当切割元件40磨损了，部分42将趋向于形成一系列不同尺寸等级，从而为形成工作表面46的部分42的一部分提供支承，如附图5所示。如此形成的切割元件40具有良好的耐腐蚀性和抗冲击性，在使用中非常适合，例如，适合用在钻头的径向外部件上。
第一、第二和第三层58、60、62通过使金刚石粉末适合地成层而很容易形成，该粉末材料在切割元件的形成中使用。例如，在将容器和其内容物暴露在如上文概略描述用于制造切割元件的高温高压之前，不同的金刚石粉末材料的层可以倒入容器中，同植入物一起形成了衬底和粘合催化剂。
尽管前面描述的切割元件40充分使用了不同金刚石体积密度、层的厚度、颗粒形状和金刚石结构的效果，但应该能理解，本发明的益处也可以通过仅仅使用前面涉及的效果中的一个或者两个来达到。
在附图4和5所示的结构中，第一区域48经过处理后，从填隙空位上移除了基本上所有的催化材料，该区域48从工作表面46延伸到达远离工作表面46的第三层62的边界深度。但是，也不必要这样，且附图6示出了这样的一种结构，第一区域48延伸达到穿过第二层60的深度。在本发明的范围内另外的深度也是可以的。例如，第一区域48可以延伸至穿过第一层58的深度，或者延伸达到第一层58和第二层60之间的边界。
附图7示出了相似于附图6的构造，但工作表面46包含了端工作表面区域70和边或者外围工作表面区域72，第一区域48顺着靠近工作表面区域70、72的至少部分延伸，该区域在附图7中以阴影区域74表示。同样的，第一区域48从端工作表面区域70和边工作表面区域72所延伸达到的深度是可以改变的。
在附图4-7所示的结构中，层58、60、62平行于端工作表面46的平面。另外的结构也是可以的。例如附图8示出了一种结构，在该结构中，不同金刚石材料的层76、78延伸跨过部分46，层76、78垂直于端工作表面46的平面；且附图9示出了一种结构，在该结构中，层80和82进行同心排列。在上述任一情形中。第一和第二区域可以设置成如附图4-7所示的任一种结构，以及根据前面描述的变形。
在不偏离本发明的范围的情况下，前面描述的结构可以有多种改进和变形。

Claims (18)

1.一种切割元件，所述切割元件包含多层的多晶体金刚石部分；所述多晶体金刚石部分具有工作表面，其包括端工作表面以及包括绕所述多晶体金刚石部分的外围且从端工作表面延伸到端工作表面下方一定深度处的边工作表面；所述多晶体金刚石部分至少具有靠近端工作表面且由边工作表面所包围的第一层和具有位于第一层下方的第二层，第一层中的金刚石颗粒的尺寸与第二层中的金刚石颗粒的尺寸不同，所述第一层和第二层通过暴露在高温高压的条件下而粘合于比其硬度低的材料的衬底上；所述多晶体金刚石部分限定了填隙空位矩阵，其中靠近所述工作表面的所述金刚石部分的第一区域的填隙空位基本上没有催化材料，而远离工作表面的金刚石部分的第二区域的填隙空位则包含催化材料；所述金刚石部分的第一区域从所述端工作表面延伸经过所述第一层和至少一部分的第二层；所述第一层和第二层形成一系列不同尺寸等级，并且靠近端工作表面的第一层的半径大于第二层的半径。
2.如权利要求1所述的元件，其特征在于，第一层包含相对精细的颗粒，而第二层包含相对粗糙的颗粒。
3.如权利要求1所述的元件，其特征在于，第一层是多层的形式。
4.如权利要求3所述的元件，其特征在于，第二层是多层的形式。
5.如权利要求1所述的元件，其特征在于，第一层具有第一厚度，第二层具有与第一厚度不同的第二厚度。
6.如权利要求5所述的元件，其特征在于，第一厚度小于第二厚度。
7.如权利要求6所述的元件，其特征在于，第一厚度大约是0.08mm，第二厚度大约是0.10mm。
8.如权利要求5所述的元件，还包括厚度大于第一和第二层的第三层。
9.如权利要求8所述的元件，其特征在于，第三层厚度大约是0.12mm。
10.如权利要求5所述的元件，其特征在于，第一层具有第一金刚石体积密度，第二层具有与第一金刚石体积密度不同的第二金刚石体积密度。
11.如权利要求10所述的元件，其特征在于，第一金刚石体积密度大于第二金刚石体积密度。
12.如权利要求5所述的元件，其特征在于，第一金刚石体积密度大约为98％，同时第二金刚石体积密度处于从94％到98％的范围。
13.如权利要求10所述的元件，还包括具有更低的第三金刚石体积密度的第三层。
14.如权利要求1所述的元件，其特征在于，第一和第二层设置成平行于所述端工作表面。
15.如权利要求1所述的元件，其特征在于，第一和第二层设置成垂直于所述端工作表面。
16.如权利要求1所述的元件，其特征在于，第一和第二层同心设置。
17.一种切割元件，所述切割元件包含多层的多晶体金刚石部分；所述多晶体金刚石部分具有工作表面，其包括端工作表面以及包括绕所述多晶体金刚石部分的外围且从端工作表面延伸到端工作表面下方一定深度处的边工作表面；所述多晶体金刚石部分具有靠近端工作表面且由边工作表面所包围的第一层、位于第一层下方的第二层、以及比第一和第二层硬度低的材料的衬底，其中第一层包含具有第一金刚石体积密度的金刚石粉末，第二层包含具有与第一金刚石体积密度不同的第二金刚石体积密度的金刚石粉末；金刚石粉末限定了填隙空位矩阵，其中所述金刚石部分的第一区域的填隙空位基本上没有催化材料，而金刚石部分的第二区域的填隙空位则包含催化材料；所述金刚石部分的第一区域延伸经过所述第一层和至少一部分的第二层，所述第一层和第二层形成一系列不同尺寸等级，并且靠近端工作表面的第一层的半径大于第二层的半径；所述第一层和第二层通过暴露在高温高压的条件下而粘合于所述衬底上。
18.如权利要求17所述的切割元件，还包括具有第三金刚石粉末密度的第三层。
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