CN102203374A

CN102203374A - 使用碳添加剂的高压烧结

Info

Publication number: CN102203374A
Application number: CN2009801435188A
Authority: CN
Inventors: 周勇; 夏思科; 迈克尔·斯图尔特; 卡洛·维桑泰内
Original assignee: Smith International Inc
Current assignee: Smith International Inc
Priority date: 2008-10-29
Filing date: 2009-10-26
Publication date: 2011-09-28
Also published as: US20100104874A1; ZA201103874B; WO2010053736A2; WO2010053736A3

Abstract

本发明公开了一种用于形成切割元件的方法，该方法包括在压力高于约100,000psi的第一加工条件下对包含碳化物颗粒、含sp²或可转化为sp²的碳添加剂以及金属粘结剂的混合物进行烧结以形成烧结物。还公开了一种用于形成切割元件的方法，该方法包括在压力高于约100,000psi的第一加工条件下对包含金刚石颗粒和含sp²的碳添加剂的混合物进行烧结以形成多晶金刚石层，以及用于形成具有非均匀地分布于其中的金刚石颗粒的切割元件的方法。

Description

使用碳添加剂的高压烧结

发明背景

发明领域

本文中公开的实施方案总体上涉及用于切割工具的复合材料。尤其是，本文中公开的实施方案涉及用于切割工具的复合材料的形成方法。

背景技术

在历史上有两类用于钻凿地层的钻头：刮刀钻头和牙轮钻头。牙轮钻头包括一个或多个以可转动的方式安装在钻头体上的牙轮(roller cone)。这些牙轮上附有多个切割元件以破碎，铲凿和刮出钻洞底部的岩石。有多种可用于穿透地层钻凿井眼的牙轮钻头，其中包括镶齿钻头(insert bit)(例如碳化钨镶齿钻头，TCI)和“铣齿(milled tooth)”钻头。牙轮钻头的钻头体和牙轮按照惯例是用钢制成的。在铣齿钻头中，切割元件或切割齿是钢的并且按照惯例是与牙轮形成为一体的。在镶齿钻头或TCI钻头中，切割元件或镶齿按照惯例是由碳化钨制成的，并且其上可以任选地包括金刚石增强尖端。

术语“刮刀钻头”是指没有活动元件的那些旋转式钻头。刮刀钻头通常用于钻凿各种岩层。刮刀钻头包括钻头体上附有切割元件或切割器的那些钻头，该钻头体可以是钢制钻头体或者由基体材料，例如由粘结材料包裹的碳化钨，制成的基体钻头体。切割器可形成为具有由碳化物，如碳化钨制成的基底或者支架柱螺栓(support stud)；以及沉积或者经由界面表面粘合在基底上的由多晶金刚石材料或多晶氮化硼材料制成的超硬切割表面层或“台”。

多数切割元件包含碳化钨基底，一种硬质材料，分散有能将碳化钨颗粒粘结在一起的粘结组分，优选为钴。当用于钻凿地层时，碳化钨切割元件与被钻地层之间的主要接触在切割元件的外缘。碳化钨切割元件因为其软性导致的过度磨损而趋向于报废。因此，赋予切割元件的所述区域更好的磨损保护是有益的。

与较软的碳化钨镶齿相比，含有金刚石颗粒，如多晶金刚石的外层可以提供这种改良的耐磨性。上述多晶金刚石层典型地包含通过金属基体结合在一起的金刚石颗粒，该基体通常由钴组成。多晶金刚石层与碳化钨基底的连接可通过钎焊实现。

在切割元件的制造过程中，材料典型地在高压和高温下接受烧结。这些制造条件导致不同的材料彼此粘合。由于金刚石层和碳化物之间不同的热膨胀率，冷却后在金刚石和基底层上以及二者之间的界面上引发热残余应力。在金刚石和基底层上引发的残余应力通常会导致镶齿在钻凿条件下破损，断裂或分层。

为了使这些有害影响最小化，各种现有技术已包括：将多晶金刚石层厚度保持在最小；过渡层(例如多晶立方氮化硼)的应用；粗糙界面的应用等。

然而，对应用于钻凿或切割用途的复合材料，提高其材料性质的需求持续存在，尤其是在一些旨在降低出现在金刚石/碳化钨切割元件中的残余应力的技术中。

发明概述

一方面，本文中公开的实施方案与一种形成切割元件的方法相关，该方法包括在压力高于约100,000psi的第一加工条件下烧结包含碳化物颗粒、含sp²或可转化为sp²的碳添加剂以及金属粘结剂的混合物以形成所公开的烧结物。

另一方面，本文中公开的实施方案与一种形成切割元件的方法相关，该方法包括在压力高于约100,000psi的第一加工条件下烧结包含金刚石颗粒和含sp²的碳添加剂的混合物以形成多晶金刚石层。

再一方面，本文中公开的实施方案与一种切割元件相关，该切割元件包括碳化钨基底；和多晶金刚石层；其中单个的金刚石颗粒非均匀地分布在切割元件中。

再一方面，本文中公开的实施方案与一种切割元件相关，该切割元件包括碳化钨基底；和多晶金刚石层，该多晶金刚石层由金刚石颗粒和含sp²的碳添加剂的混合物形成；其中含sp²的碳添加剂非均匀地分布在切割元件中。

本发明的其他方面和优势将在后续的描述和所附权利要求中显而易见。

附图简述

图1A-H显示根据本公开的切割器的各种实施方案。

图2A-D显示根据本公开的镶齿的各种实施方案。

图3是本公开的镶齿的透视侧面示意图。

图4是包含若干图3的镶齿的牙轮钻头的透视侧面图。

图5是包含若干本公开的镶齿的冲击或震击(hammer)钻头的透视侧视图。

图6是本公开的剪切切割器(shear cutter)的透视侧面示意图。

图7是包含若干图6的剪切切割器的刮刀钻头的透视侧面图。

发明详述

本文中公开的实施方案总体上涉及用于切割工具的复合材料及此类复合材料的形成方法。尤其是，本文中公开的实施方案涉及从其中包含碳添加剂的混合物形成切割元件以及对所述混合物进行高压烧结。进一步地，本文中公开的实施方案涉及切割元件(及这种切割元件的形成方法)，该切割元件包括：碳化钨基底，设置于该基底上的多晶金刚石层，其中可将碳添加剂与前体材料混合以影响所得产物的材料性质。

本文中所用“添加剂”是指少量添加于前体切割元件复合材料中，用以改变所形成复合材料性质的材料。本文中所用“碳添加剂”是指可添加到前体切割元件复合材料中碳的晶态和非晶态同素异形体。碳的晶态同素异形体包括：主要含sp²杂化的石墨和主要含sp³杂化的金刚石。碳的非晶态同素异形体包括无定形碳，无定形碳含sp²和sp³杂化的混合物，并且可能具有一些短程结晶有序，但没有长程有序，从而造成其非晶态。因而，通过对前体材料进行高压烧结，碳添加剂中sp³与sp²的比率会得到提升。不过，如果要使用基本是sp³的碳添加剂作为前体材料，则在进行高压高温烧结前，可以采取低压烧结以将sp³键中的一些至少部分地转化为sp²，这样在高压烧结中会有一些sp²键用于转化回sp³。

因此，本文中公开的实施方案与在高压烧结和复合材料成形过程中提高碳添加剂中sp³/sp²杂化的比率(通过将sp²键转化为sp³)相关。碳化钨层或多晶金刚石层之一或二者内可包含此类碳添加剂。

本文中所用术语多晶金刚石及其缩写“PCD”是指通过让单个的金刚石晶体经受充分的高压和高温，以此在相邻金刚石晶粒间产生晶间结合而制得的材料。

进一步地，术语“单个的金刚石颗粒”与术语多晶金刚石相区别，并且是指在碳化钨基体中形成的内嵌式金刚石颗粒(主要含sp³杂化)。此类金刚石颗粒可通过让sp²杂化碳添加剂经受充分的高压和高温，从而发生至少部分sp²杂化向sp³杂化的转化而制得(即，将非金刚石碳添加剂转化为金刚石)。

然而，本文中公开的实施方案也涉及由金刚石颗粒和含sp²的碳添加剂形成的多晶金刚石层，由此在多晶金刚石层的形成过程中，sp²杂化也可转化为sp³碳，并且与初始提供的金刚石颗粒形成互连结合，由此得到与其中没有添加这种含sp²的碳添加剂而形成的多晶金刚石层相比，具有增强结合的多晶金刚石层。

因此，为形成此种复合结构，低压烧结以及高温高压烧结两者都可以使用。特别地，可以对碳化钨组分进行初始的低压高温烧结处理以形成硬质基底(cemented substrate)，随后采用高压高温烧结方法将PCD体与之连接。在高压高温烧结过程中，会发生从碳添加剂中的sp²杂化向分布于碳化钨或金刚石基体的sp³杂化转变。在低压高温烧结过程中(比如按照惯例用来形成碳化钨基底的过程)，至少一部分存在于碳添加剂(可转化为sp²的碳添加剂)中的sp³杂化可转化(石墨化)成sp²，然后该sp²在后续的高压烧结过程中可以转化回sp³。因此，还可以任选包括低压低温烧结以驱除可能用于组装前体材料的任何有机蜡。

此外，本领域普通技术人员应该了解，各种其它实施方案中也可以采用传统的烧结方法与高压、高温方法的任意组合，以及传统的低压烧结方法和高压、高温方法的多次循环。以下表1中显示了各种传统的WC烧结方法以及高压、高温方法。

表1.

本公开的复合材料还经历至少一次高压处理，即压力高于100,000psi，以将前体混合物中存在的sp²碳转变化金刚石颗粒或者sp³碳，以及在多晶金刚石层中形成晶间结合。可以在例如美国专利4,694,918；5,370,195；4,525,178；5,676,496及5,598,621中找到高压、高温(HPHT)方法的实例。因而，对于在碳化钨混合物中提供的含sp²的碳添加剂，所述高压烧结可允许含sp²的碳添加剂发生sp²→sp³转化，即形成分布于碳化钨基体中的金刚石颗粒；而对于在金刚石颗粒中提供的含sp²的碳添加剂，该高压烧结既可相似地允许sp²→sp³转化，也可允许在前体金刚石颗粒及转变后的碳添加剂中形成晶间结合。

在详细的实施方案中，本公开的复合材料经历压力范围为100,000psi至1,500,000psi，温度范围为500℃至1,600℃的加工。在更详细的实施方案中，最低温度为约1200℃，最低压力为约500,000psi。典型的处理可在约650,000至1,000,000psi的压力和1300-1450℃进行。本领域普通技术人员应了解：可以采用不同的温度和压力，并且本发明的范围不受限于具体参考的温度和压力。在一个给定实施方案中，优选的温度和压力可能取决于其它的参数，比如用于促进晶间结合的催化材料如钴的存在。进一步地，在形成多晶金刚石层的过程中，本领域普通技术人员还应该了解的是：举例来说，这样的催化剂或粘结材料可以以金属颗粒的形式与金刚石晶体一起提供，或者可以作为这样的金属材料提供：该金属材料分布于来自其上形成了多晶金刚石层的碳化钨基底的所述层中。

也可以包括其它的高压方法，例如，如美国专利6106957中所描述的快速各向挤压(rapid omnidirectional compaction)(ROC)，所述美国专利通过引用以其全部内容结合在本文中。在所述ROC方法中，将粉末金属工件预成型体(preform)置于陶瓷壳或封中，加热至所需的高温且随后放入压力容器中加压以挤压该预成型体。所述陶瓷壳充当了液态模材料，并且当被置于合适的压力容器内并采用如液压机柱塞对其加压时，陶瓷材料在短的时间间隔内被迅速加压。所述预成型件也由此被迅速地等力地加压并且固结。

除高压烧结之外，所述高压烧结可允许1)晶间结合及形成多晶金刚石层；2)碳化钨基底的形成；及3)提供碳添加剂的sp²→sp³转化，依照本公开的实施方案，各种低压烧结技术例如热等静压加工(hot isotatic processing)(HIP)和真空烧结也可在高压烧结之前使用，。此类低压烧结可与高压烧结结合使用，以形成碳化钨基底和/或将一部分的sp³碳转化为sp²碳。依靠烧结中所采用的压力水平，可发生所需量的sp²→sp³转化。

本领域公知的HIP，描述在例如美国专利5,290,507中，所述美国专利通过引用以其全部内容结合在本文中。等静压通常用于制备接近净尺寸的和各种复杂形状的粉末金属部件。热等静压是在压力容器内容纳的气体(惰性的氩或氦)气氛中进行的。典型情况下，在容器内用炉子对气体气氛及待压粉末加热。HIP常用压力水平可上延至45,000psi，并且温度高达3000℃。对于碳化钨复合材料，典型加工条件包括：温度范围为1200-1450℃及压力范围为800-1,500psi。在热等静压过程中，将待热压的粉末置于气密密封的容器中，该容器在升高的温度下塑性变形。在密封之前，将该容器抽真空，这可能包括一个热放气阶段以除去粉末物质中的残余气体，这些残余气体可能导致不想要的多孔性，高的内部应力，溶解的杂质和/或氧化物形成。

本领域公知的真空烧结，描述在例如美国专利4,407,775中，所述美国专利通过引用以其全部内容结合在本文中。先将待压粉末置于敞口模具或容器中用于固结。随后通过在真空中烧结使所述粉末固化。真空烧结的适宜压力为约10^-3psi或更低。烧结温度必须保持在低于粉末的固相线温度，以避免粉末熔融。本领域普通技术人员应了解：除这些烧结技术之外，其它低压烧结工艺，如惰性气体烧结和热压也包括在本公开的范围之内。

此外，除了高压烧结和低压烧结以外，也可以对所述前体材料中的任一种进行低温预烧结，如本领域所公知的，以去除有机粘结剂等，以及便于操作和组装前体材料以形成根据本公开的各种实施方案的切割元件。因此，在高压烧结之前或在低压烧结(当与高压烧结结合使用时)之前可采用低温预烧结。

示例性复合切割结构体

参见图1A，显示了设计用于刮刀钻头的切割元件的一个实施方案。如图1A所示，切割器(cutter)10包括设置在碳化物基底16上的多晶金刚石切割层12。然而碳化物16并非传统碳化物基底，而是具有分布在其中的金刚石颗粒，该金刚石颗粒由碳添加剂在高压高温烧结过程中的sp²→sp³转化形成。这种含sp²的碳添加剂可以最初在碳化钨/粘结颗粒的混合物中提供，并且在混合物形成碳化钨基底时的整个低压烧结过程中保持分布于其中。本领域技术人员应了解，在这样的实施方案中，多晶金刚石层可通过以下方法制得：将金刚石颗粒(和任选的粘结剂)置于碳化钨颗粒的混合物上(或使混合物成层，或采用诸如生坯或预烧结态的集合)，或置于形成的碳化物基底上(仍然具有分布于其中的含sp²的碳)，或可以通过与具有分布在其中的含sp²的碳添加剂的碳化物基底高压烧结(以将sp²碳转化为sp³碳(形成金刚石))，而将预成型的多晶金刚石层与所述碳化物基底接合。

这样的实施方案可以例如通过至少一次高压烧结而形成；不过，备选的实施方案也可采用低压烧结方法。在采用任选的低压烧结的实施方案中，将被转化为金刚石的sp²碳可以作为含sp²的碳来源于混合物中；或者在这样进行的低压烧结过程中由sp³碳(例如由金刚石)转化/石墨化(至少部分地)为sp²碳。进一步地，本领域技术人员应了解，如果碳化物和金刚石(用于制造金刚石台)的集合经历低压和高压烧结过程，则可以控制低压的条件以避免金刚石颗粒在所述第一低压烧结中完全石墨化。

与图1A相似，用于牙轮钻头的镶齿的一个实施方案显示在图2A中。与切割器10一样，镶齿11包括碳化钨基底16，在所述碳化钨基底16上形成了金刚石尖端切割层12。进一步地，虽然所示镶齿10的几何形状为圆顶形，但是本领域技术人员应该了解，依照本公开的各种实施方案，对可以使用的几何形状不存在限制。而且，本领域技术人员应该了解，如本领域所公知的，本文中公开的任何切割元件也可拥有非平面的界面。

现在来看图1B和2B，显示了切割器10和镶齿11的另外的实施方案。如图1B和2B所示，切割器10和镶齿11可包括传统的碳化钨基底14，在所述碳化钨基底14上可设置聚晶金刚石层18，该聚晶金刚石层18由其中分布了具有sp²的碳添加剂的内含物形成。这样的含sp²的碳添加剂可以最初在金刚石颗粒和任选粘结剂颗粒的混合物中提供，而且可以在高压烧结过程中，当发生晶间结合及形成多晶金刚石层时，转化为sp³碳(即，金刚石)。本领域技术人员需了解，在这种实施方案中，多晶金刚石层可通过以下方法形成：将金刚石颗粒、含sp²的碳添加剂(和任选的粘结剂)置于未烧结的碳化钨颗粒混合物上，置于预成型的(烧结的、生坯的或部分烧结的)碳化物基底上，或可以与碳化钨基底分开形成然后通过与碳化物基底烧结相互接合。与上述过程相似，在形成碳化物基底时，可以任选地地采用低压烧结。

进一步地，虽然图1A-B和2A-B显示了已经将分布在整个金刚石或碳化物层中(即，均匀分布)的含sp²的碳添加剂转化的实施方案，但是本公开并不局限于此。反而，如图1C和2C所示，已转化的含sp²的碳添加剂(即，金刚石颗粒)可以只分布在碳化物基底的一部分中(即，非均匀分布)，由此形成了具有分布在其中的金刚石颗粒的碳化物区域16以及传统碳化物区域14。

同样在本公开范围内的是：含sp²的碳添加剂可以结合在金刚石层以及碳化物基底两者中(或至少在各层的一部分中)。因而，例如，如图1D和2D所示，已转化的含sp²的碳添加剂(金刚石颗粒)只分布在碳化物基底的一部分中(即，非均匀分布)，由此形成了具有分布在其中的金刚石颗粒的碳化物区域16和传统碳化物区域14。与具有分布在其中的金刚石颗粒的碳化物区域16邻近的是多晶金刚石层18，该多晶金刚石层18由其中分布了含sp²的碳添加剂的内含物形成。

此外，本领域专业人员应了解，包括金刚石(由含sp²的碳添加剂形成)在多晶金刚石层中非均匀分布的相似实施方案也在本公开的范围内。此类实施方案可以与上述实施方案相似的方式形成，其中在碳化钨混合物和金刚石混合物中均存在含sp²的碳添加剂(或者可转化为sp²的碳添加剂)。虽然图1D和2D显示了两个分离的碳化钨区域14和16，但是本领域技术人员应了解，已转化的含sp²的碳添加剂的非均匀分布也可以包括所述已转化的添加剂在碳化物基底和/或金刚石层中呈梯度分布。例如，如图1E所示，金刚石颗粒(从含sp²的碳添加剂转化而来)在一部分碳化物基底中呈梯度分布(即，非均匀分布)，由此形成了具有不均匀地分布在其中的金刚石颗粒的的碳化物区域16和传统碳化物区域14。与具有分布在其中的金刚石颗粒的碳化物区域16邻近的是多晶金刚石层18，该多晶金刚石层由其中分布了含sp²的碳添加剂的内含物制得。分布于碳化物区域16中的金刚石，在与金刚石层18临近处最多，并且随着与金刚石层18间的距离的增大而逐渐减少，直至无金刚石分布于其中的碳化物区域14。

此外，虽然图1E显示了在已转化的含sp²的碳添加剂/由添加剂制得的金刚石的自由分布中逐渐或连续的变化，但是本发明不限于此。因而，例如此类已转化的添加剂也可以以非连续的方式分布在切割元件的一部分中，如图1F-1H所示，已转化的添加剂分布的这种非连续变化可采取任意几何或不规则形状，沿三维空间的各方向变化。

碳化物基底可通过将碳化物颗粒与金属催化剂(及sp²或可转化为sp²的碳添加剂，如希望有金刚石颗粒在碳化物基底中分布)混合而形成。碳化物的量可以在约70至96重量％的范围内；而粘结剂的量可以在约4至30重量％的范围内。sp²或可转化为sp²的碳添加剂的量的范围可以为碳化物前体材料混合物重量的0至30重量％。可用于形成本公开的碳化物基底的碳化钨颗粒的类型中包括：铸造碳化钨、粗晶碳化钨、渗碳碳化钨和硬质碳化钨。进一步地，可以用于形成碳化物基底的碳化物颗粒的粒径可以在0.5至20微米的范围内。

如上所述，碳化钨的一种类型是粗晶碳化物。该材料是单晶形式的基本上为化学计量的WC。大多数粗晶碳化钨处于单晶形式，但是在较大颗粒中也可能形成一些双联晶。粗晶碳化钨的制备公开在，例如，美国专利3,379,503和4,834,963中，所述美国专利通过引用结合在本文中。

美国专利6,287,360讨论了渗碳碳化钨的制备，该专利已转让与本专利的受让人，并通过引用结合在本文中。如本领域中所公知，渗碳碳化钨是在高温在保护气氛中，碳进入到钨金属中的固态扩散的产物。渗碳碳化钨颗粒典型地为多晶，即它们由WC团聚体组成。典型的渗碳碳化钨包含至少99.8重量％的碳渗透的WC，其中总碳含量在约6.08至约6.18重量％的范围内。可从H.C.Stark商购的，命名为WC MAS 2000和3000-5000的碳化钨颗粒，是适合用于形成本文中公开的基体钻头体的渗碳碳化钨。所述MAS 2000和3000-5000碳化物具有分别为20和30-50微米的平均尺寸，并且是作为在渗碳工艺中使用的极高温的结果形成的粗粒聚集物。

另一种形式的碳化钨是硬质碳化钨(也称作烧结碳化钨)，其为通过下列方法形成的材料：将碳化钨颗粒，典型地为碳化一钨，与钴颗粒混合；并烧结该混合物。硬质碳化钨的制造方法公开在，例如，美国专利5,541,006和6,908,688中，所述美国专利通过引用结合在本文中。可商购的烧结碳化钨有两种基本形式：碎的和球状的(或丸状的)。碎的烧结碳化钨是通过将烧结组压碎成更细小的颗粒，导致更无规则并且有角的形状而制备的，而丸状烧结碳化钨通常为圆形或球形。

简而言之，在制造硬质碳化钨的典型工艺中，将具有预定尺寸(或在选定尺寸范围内)的碳化钨粉末与适量的钴、镍或其它适宜的粘结剂混合。典型地制备混合物用于以下述两种技术中的任一种进行的烧结：可以将其压制成固体，即通常所说的生坯压坯(green compact)，或备选地，可以将混合物制成颗粒或丸粒，比如通过压过一个筛子，或者鼓转然后过筛以得到或多或少均匀的丸尺寸。随后将这些生坯压片或丸粒在控制气氛的炉子内加热至接近钴(或类似物)的熔点的温度，以使碳化钨颗粒通过金属相结合在一起。碳化钨的烧结小球特别地产生球状烧结碳化钨。碎的硬质碳化钨可进一步从压坯体、或通过将烧结的丸粒粉碎、或通过形成不规则形状的固体而形成。

烧结碳化钨的粒度和质量可以通过以下方法进行裁控：改变碳化钨和钴的初始粒度；控制丸粒尺寸；调节烧结时间和温度；和/或将较大的硬质碳化物反复压碎成更小块直至达到所需大小。在一个实施方案中，将具有在约0.2至约20微米之间的平均粒度的碳化钨颗粒(未烧结的)与钴烧结以形成或球状的或碎的硬质碳化钨。在一个优选实施方案中，由具有约0.8至约7微米的平均粒度的碳化钨颗粒形成硬质碳化钨。在一些实施方案中，硬质碳化钨中存在的钴的量使得所述硬质碳化物包含约6至16重量％的钴。

铸造碳化钨是另一种形式的碳化钨且大概具有在碳化二钨W₂C和碳化一钨WC之间的共晶组成。铸造碳化物典型地通过对与碳相接触的钨进行电阻加热而制得，并且可以两种形式获得：碎的铸造碳化钨和球状铸造碳化钨。在美国专利4,723,996和5,089,182中对球状铸造碳化物颗粒的制备方法进行了描述，所述美国专利通过引用结合在本文中。简而言之，可以将钨置于有孔的石墨坩锅中加热，所得的W₂C和WC共晶混合物可经所述孔滴下。此液体可以在油浴中淬火并且可以随后被粉碎或压碎至所需粒度以形成所述的碎的铸造碳化钨。备选地，将钨和碳的混合物加热至高于其熔点形成恒定流动的流，将该流倾倒在旋转的冷却表面上，典型地是水冷的铸造锥体(casting cone)、管道、或者凹槽转台(concave turntable)。所述熔融流在旋转表面上迅速冷却并形成共晶碳化钨的球状颗粒，该球状颗粒被称为球状铸造碳化钨。

标准的WC和W₂C共晶混合物典型地为约4.5重量％的碳。商业化地用作基体粉末的铸造碳化钨典型地具有约4重量％的亚共晶碳。在本发明的一个实施方案中，用在碳化钨混合物中的铸造碳化钨包含约3.7至约4.2重量％的碳。

可以对本文中公开的各种碳化钨材料加以选择，以提供为特定钻凿用途特制的钻头。例如，用于形成切割元件的碳化钨颗粒的种类、形状和/或尺寸可能影响所形成的切割元件的材料性质，包括，例如，断裂韧性，横向断裂强度以及耐腐蚀性。

本公开的复合材料也可以包含用于压坯(compaction)的粘结剂或催化剂。可以用于形成本公开的各种复合材料的相对延性相的催化材料可包括各种第IVa、Va和VIa族的延性金属和金属合金，包括但不局限于Fe、Ni、Co、Cu、Ti、Al、Ta、Mo、Nb、W、V及其合金，包括与选自C、B、Cr和Mn的材料的合金。在一个特定的实施方案中，复合材料可包含约4至约40重量％的金属粘结剂。如下文所述，此类粘结剂也可以用于形成多晶金刚石层。

多晶金刚石体可以以与传统PCD层的形成相似的方式形成。为了形成多晶金刚石目标物，将一些未烧结的金刚石结晶颗粒置于HPHT设备的反应池的金属外壳内。金属催化剂，如钴或者以上提到的其它金属可以包含在所述一些未烧结的结晶颗粒中，以促进晶间金刚石与金刚石的结合。所述催化材料可以粉末形式提供并与金刚石颗粒混合，或可以在HPHT烧结过程中从邻近的碳化物基底渗透到金刚石颗粒中。

对形成多晶金刚石体有用的金刚石颗粒可以包括任何类型的金刚石颗粒，包括具有宽的颗粒尺寸范围的天然或合成的金刚石粉末。例如，此类金刚石粉末可具有的平均颗粒尺寸范围为从亚微米尺寸到100微米，且在其它实施方案中为1至80微米。进一步地，本领域技术人员应了解，所述金刚石粉末可包括具有单峰或多峰分布的颗粒。

进一步地，将sp²或可转化为sp²的碳添加剂结合到前体材料(碳化物或金刚石的混合物)中时，此类添加剂添加量的范围可以为约0.1至30重量％，且在另一个实施方案中为约2至10重量％。

在一次或多次高压和低压处理之后，如本领域所公知的，在将工件结合到所需应用中之前，可以对切割结构体进行典型的整理处理。本发明的复合材料可用于若干不同用途，例如用于开采和建筑用途的工具，所述用途高度需要高的断裂韧性、耐磨性和硬度等机械性能。本发明的复合材料可用于形成井下切割工具中的耐磨或切割部件，所述井下切割工具包括：牙轮钻头、冲击或震击钻头、刮刀钻头以及若干不同切割工具和机床。

例如，图3示例了依照本公开的一个实施方案使用的一个开采或钻凿钻头镶齿24。参看图4，这种镶齿24可以与牙轮钻头26一起使用，所述牙轮钻头26包括具有三个巴掌(leg)30的体28，以及安装在每个巴掌下端的切割器锥体(cutter cone)32。每个牙轮钻头镶齿24可根据以上描述的方法之一制成。镶齿24设置在切割器锥体32表面，用以对所钻岩层施压。

参见图5，由本公开的复合材料形成的镶齿24也可以与冲击或震击钻头34一起使用，所述冲击或震击钻头34包括中空钢体36，所述中空钢体36的一端有螺纹销38用于将钻头组装到用于钻凿油井等的钻柱(未显示)上。在体36的头40的表面上提供多个镶齿24，用于对所钻地层施压。

参见图6，本公开的复合材料还可用于形成剪切切割器42，该剪切切割器可用来与刮刀钻头一起钻凿地层。更具体地，复合材料可用于在切割器或基底44上形成烧结表面层46。参见图7，刮刀钻头48包含多个此类剪切切割器42，所述剪切切割器42各自附接于从刮刀钻头的头52延伸出来的刮刀50，用于切割所钻地层。在一个具体的实施方案中，如本文中所公开的，切割器42包括经由传统烧结工艺和HTHP工艺形成的碳化物基底(未显示)，以及经多道工艺后附接于其上的金刚石切割面(未显示)。本领域普通技术人员需了解，在不同的实施方案中，由本公开的复合材料形成的其它类型切割元件(如图3中所示的镶齿24)也可以用在刮刀钻头48中。

有利的是，本公开的实施方案可包括下述情况中的一种或多种。传统切割元件在碳化物基底与多晶金刚石切割层之间存在大量残余应力，这会导致断裂和分层。通过在切割元件中结合sp²或可转化为sp²的碳添加剂(和由此形成的金刚石颗粒)，可以实现残余应力的降低，使得断裂和分层的事故减少。例如，本公开所述实施方案可以提供跨越界面的金刚石-金刚石结合，或可以降低由热膨胀系数之间的差异导致的材料不匹配。

进一步地，残余应力典型地随切割元件的直径减小或随金刚石层的厚度增加而升高。通过改变材料组成使残余压力降低，可以获得更厚的金刚石层和/或更小直径的切割元件。对于在碳化物基底中提供sp²或可转化为sp²的碳添加剂(金刚石)的实施方案，金刚石在基底中的形成提高了基底的导热性，从而允许金刚石层在使用过程中更好/更快的冷却。此外，当在用于形成多晶金刚石的前体材料中结合sp²碳添加剂时，可以得到金刚石颗粒间更好的结合。

加之，在牙轮钻头的镶齿中，该镶齿具有其上设置有金刚石薄层的圆顶形或其它几何形状的顶部，通过对下面的碳化钨基底提供至少在其上部中(至少在界面区域内)分布的金刚石颗粒，随着镶齿磨损和磨穿金刚石切割尖端，存在于碳化物中的金刚石可以使镶齿具有更好的耐用性并且避免了在磨穿金刚石切割尖端时耐磨性能的迅速下降。

尽管关于有限数量的实施方案对本发明进行了描述，受益于本公开的本领域技术人员将了解，也可以设计不偏离如本文中所公开发明的范围的其它实施方案。因此，本发明的范围应该仅由所附权利要求限定。

Claims

1.一种用于形成切割元件的方法，所述方法包括：

在压力高于约100,000psi的第一加工条件下，烧结包含碳化物颗粒、含sp²或可转化为sp²的碳添加剂以及金属粘结剂的混合物以形成烧结物。

2.权利要求1所述的方法，所述方法还包括：

在所述第一加工条件前，在压力低于约45,000psi的第二加工条件下烧结所述混合物。

3.权利要求2所述方法，其中所述可转化为sp²的碳添加剂包含金刚石颗粒。

4.权利要求1所述的方法，所述方法还包括：

在所述第一烧结加工条件中，在所述烧结物上形成多晶金刚石层。

5.权利要求4所述的方法，所述方法还包括：

在所述第一加工条件前，在压力低于约45,000psi的第二加工条件下烧结所述混合物以形成烧结物；和

在所述第一加工条件下进行烧结前，向所述烧结物中添加金刚石颗粒。

6.权利要求5所述的方法，其中所述含sp²或可转化为sp²的碳添加剂包含石墨、金刚石颗粒、无定形碳和它们的组合中的至少一种。

7.权利要求3所述的方法，其中所述金刚石颗粒具有随其加入的含sp²的碳添加剂。

8.权利要求4所述的方法，在所述第一加工条件下进行烧结前，将所述混合物和金刚石颗粒集合到两个相邻区域中。

9.权利要求8所述的方法，其中所述含sp²或可转化为sp²的碳添加剂包含含sp²的碳添加剂。

10.权利要求9所述的方法，其中所述含sp²或可转化为sp²的碳添加剂还包含金刚石颗粒。

11.权利要求8所述的方法，其中所述金刚石颗粒具有随其加入的含sp²的碳添加剂。

12.权利要求8所述的方法，所述方法还包括：

在所述第一加工条件前，在压力低于约45,000psi的第二加工条件下烧结所述集合体。

13.权利要求12所述的方法，其中所述含sp²或可转化为sp²的碳添加剂包含石墨、金刚石颗粒、无定形碳和它们的组合中的至少一种。

14.权利要求12所述的方法，其中所述金刚石颗粒具有随其加入的含sp²的碳添加剂。

15.权利要求1所述方法，所述方法还包括：

在所述第一加工条件下烧结的过程中，将预成型的多晶金刚石层附着于所述烧结物上。

16.权利要求1所述的方法，其中所述含sp²或可转化为sp²的碳添加剂非均匀地分布在所述混合物中。

17.权利要求16所述的方法，其中所述非均匀分布是逐渐变化。

18.权利要求16所述的方法，其中所述非均匀分布是不连续变化。

19.权利要求1所述的方法，其中所述含sp²或可转化为sp²的碳添加剂均匀地分布在所述混合物中。

20.一种用于形成切割元件的方法，所述方法包括：

在压力高于约100,000psi的第一加工条件下，烧结包含金刚石颗粒和含sp²的碳添加剂的混合物以形成多晶金刚石层。

21.权利要求20所述的方法，所述方法还包括：

将所述多晶金刚石层接合到碳化物基底上。

22.权利要求21所述的方法，其中在所述第一加工条件下进行所述烧结的过程中发生所述接合，并且其中将所述金刚石颗粒和所述含sp²的碳添加剂的混合物提供在预成型的碳化物基底上。

23.权利要求22所述的方法，其中所述预成型的碳化物基底是生坯、部分烧结的和预烧结的中的一种。

24.权利要求21所述的方法，其中在所述第一加工条件下进行所述烧结的过程中发生所述接合，并且其中所述金刚石颗粒和含sp²的碳添加剂的混合物提供在包含碳化钨颗粒和金属粘结剂的混合物上以形成集合体，并且其中所述方法还包括：

在所述第一加工条件前，在压力低于约45,000psi的第二加工条件下烧结所述集合体以形成碳化物基底。

25.权利要求21所述的方法，其中在所述第一加工条件下进行所述烧结的过程中发生所述接合，并且其中所述方法还包括：

在压力低于约45,000psi的第二加工条件下烧结碳化物颗粒和金属粘结剂的混合物以形成碳化物基底；和

在所述第一加工条件下进行所述烧结前，将所述金刚石颗粒和含sp²的碳添加剂的混合物置于所述碳化物基底上。

26.权利要求20所述的方法，其中所述含sp²的碳添加剂非均匀地分布在所述混合物中。

27.权利要求26所述的方法，其中所述非均匀分布是逐渐变化。

28.权利要求26所述的方法，其中所述非均匀分布是不连续变化。

29.权利要求20所述的方法，其中所述含sp²的碳添加剂均匀地分布在所述混合物中。

30.一种切割元件，所述切割元件包含：

碳化钨基底；和

多晶金刚石层；

其中单个的金刚石颗粒非均匀地分布在所述切割元件中。

31.权利要求30所述的切割元件，其中所述单个的金刚石颗粒分布在整个碳化钨基底中。

32.权利要求30所述的切割元件，其中所述单个的金刚石颗粒非均匀地分布在所述碳化钨基底中。

33.权利要求30所述的切割元件，其中所述单个的金刚石颗粒跨越所述碳化钨基底和所述多晶金刚石层之间的界面分布。

34.权利要求30所述的切割元件，其中所述多晶金刚石层由包含金刚石颗粒和含sp²或可转化为sp²的碳添加剂的混合物形成。

35.一种切割元件，所述切割元件包含：

碳化钨基底；和

多晶金刚石层，所述多晶金刚石层由金刚石颗粒和含sp²的碳添加剂的混合物形成；

其中所述含sp²的碳添加剂非均匀地分布在所述切割元件中。