CN102656334A - 具有改进的过渡结构的高度耐磨的金刚石镶齿 - Google Patents

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Abstract

一种用于钻头的镶齿可包括：金属碳化物本体；位于镶齿的最外端上的由多晶金刚石材料构成的外层，多晶金刚石材料包括多个互连的第一金刚石粒以及位于互连的第一金刚石粒之间的间隙区域中的第一粘合剂材料；以及位于金属碳化物本体与外层之间的至少一个过渡层，所述至少一个过渡层包括由第二金刚石粒、第一金属碳化物颗粒和第二粘合剂材料构成的复合物，其中，第二金刚石粒与第一金刚石粒相比具有较大的颗粒尺寸。

Description

具有改进的过渡结构的高度耐磨的金刚石镶齿
相关申请的交叉引用
本申请要求2009年8月7日提交的美国专利申请No.61/232,125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
在此公开的实施例总体上涉及用于钻头、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，本发明涉及具有外层和至少一个过渡层的多晶金刚石镶齿。
背景技术
在典型的钻井操作中，钻头转动，同时前行到土壤或岩石地层中。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泵送，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，以帮助切削、冲送出切屑和冷却切削器元件。
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，或镶齿或铣齿，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。
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，这样，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：碳化钨镶齿和多晶金刚石镶齿。碳化钨镶齿由烧结碳化钨形成：碳化钨颗粒散布在钴粘合剂基质中。多晶金刚石镶齿通常包括作为基体的烧结碳化钨本体和在镶齿的顶部上直接结合到碳化钨基体的多晶金刚石(“PCD”)层。与较软的、较韧性的碳化钨镶齿相比，由PCD材料形成的外层可提供改善的耐磨性。
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，以便于金刚石晶间结合和层彼此之间以及与底下的基体的结合。PCD中采用的金属通常从钴、铁或镍和/或它们的混合物或合金中选择，且可包括诸如锰、钽、铬和/或它们的混合物或合金的金属。然而，尽管较高的金属含量通常会增大最终的PCD材料的韧度，但较高的金属含量也会降低PCD材料硬度，从而，限制了以下灵活性：能够提供既具有期望水平的硬度、又具有期望水平的韧度的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材料的韧度。
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。失效通常为以下三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以及其他因素例如地层硬度或强度和在与地层接触过程中涉及的相对滑动的量有关。过高的接触应力和高的温度以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，直到裂缝长度足以散裂或剥离。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陡然传播到PCD层下方的材料中，直到裂纹长度足以引起镶齿的散裂、剥离或突变失效。
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。
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，这会加速层离。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，这会导致金刚石/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。
用于解决凸形切削器元件的层离问题的主要方法是，在超硬的材料层与基体之间增添由具有热学性能和弹性性能的材料制成的过渡层，其施加在整个基体突出部表面上。这些过渡层具有降低接合面处的残余应力、从而提高镶齿的抗层离的能力的作用。
过渡层已经明显减小了有害残余应力的幅度，因此已经相应地增大了镶齿在应用中的耐用性。然而，基本失效模式仍保留。这些失效模式涉及三种机理的复杂组合：PCD的磨损、初始发生于表面的疲劳裂缝的生长以及冲击引起的失效。
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，具有提高的断裂韧度和抗剥离性能。
发明内容
一个方面，在此公开的多个实施例涉及一种用于钻头的镶齿，所述镶齿可包括：金属碳化物本体；位于镶齿的最外端上的由多晶金刚石材料构成的外层，多晶金刚石材料包括多个互连的第一金刚石粒以及位于互连的第一金刚石粒之间的间隙区域中的第一粘合剂材料；以及位于金属碳化物本体与外层之间的至少一个过渡层，所述至少一个过渡层包括由第二金刚石粒、第一金属碳化物颗粒和第二粘合剂材料构成的复合物，其中，第二金刚石粒与第一金刚石粒相比具有较大的颗粒尺寸。
另一方面，在此公开的多个实施例涉及一种用于钻头的镶齿，所述镶齿可包括：金属碳化物本体；位于镶齿的最外端上的由多晶金刚石材料构成的外层，多晶金刚石材料包括多个互连的第一金刚石粒和位于互连的第一金刚石粒之间的间隙区域中的第一粘合剂材料；以及位于金属碳化物本体和外层之间的至少一个过渡层，所述至少一个过渡层包括由第二金刚石粒、第一金属碳化物颗粒和第二粘合剂材料构成的复合物，其中，第二金刚石粒与第一金刚石粒相比具有较小的颗粒尺寸。
又一方面，在此公开的多个实施例涉及一种用于钻头的镶齿，所述镶齿可包括：金属碳化物本体；位于镶齿的最外端上的由多晶金刚石材料构成的外层，多晶金刚石材料包括多个互连的第一金刚石粒和位于互连的第一金刚石粒之间的间隙区域中的第一粘合剂材料，所述多个第一金刚石粒占外层的91.5％以上的体积比；以及位于金属碳化物本体与外层之间的至少一个过渡层，所述至少一个过渡层包括由第二金刚石粒、第一金属碳化物或碳氮化物颗粒和第二粘合剂材料构成的复合物；以及其中，第二金刚石粒与第一金刚石粒相比具有较大的颗粒尺寸。
还一方面，在此公开的多个实施例涉及一种用于钻头的镶齿，所述镶齿可包括：金属碳化物本体；位于镶齿的最外端上的由多晶金刚石材料构成的外层，多晶金刚石材料包括多个互连的第一金刚石粒和位于互连的第一金刚石粒之间的间隙区域中的第一粘合剂材料和第一金属碳化物颗粒；以及位于金属碳化物本体与外层之间的至少一个过渡层，所述至少一个过渡层包括由第二金刚石粒、第二金属碳化物颗粒和第二粘合剂材料构成的复合物，其中，第二金刚石粒比第一金刚石粒具有更大的颗粒尺寸；以及其中，第一金属碳化物颗粒具有小于大约1微米的平均碳化钨颗粒尺寸。
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
图1示出了使用本公开的切削元件的牙轮钻头。
图2示出了使用本公开的切削元件的震击钻头。
图3示出了根据本公开的一个实施例的切削元件。
图4示出了相对耐磨测试的结果。
图5示出了相对耐磨测试的结果。
具体实施方式
在一个方面中，在此公开的实施例涉及用于钻头、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，在此公开的实施例涉及多晶金刚石镶齿，该镶齿具有多晶金刚石外层和至少一个过渡层。尽管用于在硬度/耐磨性与韧度之间实现平衡的传统方法涉及改变用于形成多晶金刚石层的材料(金刚石、金属和碳化物)的配方，但本发明的实施例考虑整个镶齿结构，包括选择外层并结合地选择所述至少一个过渡层，该过渡层的至少一个配方组分具有过渡变化。特别地，本公开的实施例依赖外层与至少一个过渡层之间的金刚石颗粒尺寸的梯度变化。
参看图3，图3中示出了根据本公开的一个实施例的切削元件。如图3所示，切削元件30包括多晶金刚石外层32，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32下方，三个过渡层，外过渡层34、中间过渡层36和内过渡层38，设置在多晶金刚石外层32与基体33之间。尽管图3中示出了三个过渡层，但一些实施例仅可包括一个或两个过渡层，或可包括三个以上的过渡层。
多晶金刚石外层可包括金刚石颗粒构成的本体，所述金刚石颗粒结合在一起，以形成三维金刚石网，其中，金属相可存在于设置在金刚石颗粒之间的间隙区域中。特别地，在此所使用的“多晶金刚石”或“多晶金刚石材料”是指，该三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(例如钴)被催化，其中，金属保持在颗粒之间的区域中。因此，根据向可被催化的金刚石颗粒的暴露情况以及温度/压力条件，添加到金刚石颗粒的金属颗粒可起着催化剂和/或粘合剂的作用。为了该申请的目的，当金属组分称作金属粘合剂时，并不是必然意味着，还没有执行催化功能，当金属组分称作金属催化剂时，并不是必然意味着，还没有执行粘合功能。
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公开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。通常，过渡层的使用可使得在外层与过渡层之间产生金刚石含量的梯度变化，该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，除了在外层与过渡层之间使用金刚石/金属碳化物含量的梯度变化以外，本公开的实施例还在层之间提供金刚石颗粒尺寸的梯度变化和/或在层之间提供碳化物穴部(pocket)和/或颗粒尺寸的梯度变化。因此，在外层与所述至少一个过渡层之间，金刚石含量、碳化物含量、金刚石颗粒尺寸和碳化钨颗粒和/或穴部尺寸中的一种或多种存在区别。在特殊的实施例中，金刚石含量、碳化物含量和金刚石颗粒尺寸中的每种均存在区别。在一个不同的特殊实施例中，金刚石含量、碳化物含量、金刚石颗粒尺寸和碳化钨穴部和/或颗粒尺寸中的每种均存在差别。以下也处于本公开的范围内：在层之间也可包括粘合剂含量的梯度变化。
当使用多个过渡层时，可在外层与过渡层中的至少一个过渡层之间提供梯度变化。因此，以下一个实施例也在本公开的范围内：该实施例包括三个过渡层，至少在外层与外过渡层之间可具有金刚石的梯度变化，其中，中间过渡层和内过渡层可独立地选择成与外过渡层相比具有相同或梯度变化的金刚石颗粒尺寸。可选地，梯度变化可存在于外层和中间过渡层内(其中，外过渡层与外层具有大致相同的金刚石平均颗粒尺寸和/或碳化钨平均颗粒和/或穴部尺寸)。
在各种实施例中，金刚石颗粒尺寸的梯度变化可导致金刚石颗粒尺寸从外过渡层向着镶齿体/基体的增大。本申请的发明人理论推导出：金刚石颗粒尺寸的增大可由于散布在金刚石结构中的金属相的分布的差别而产生甚至更坚韧的过渡层(与具有相同的金刚石颗粒尺寸的过渡层相比)。特别地，在颗粒尺寸与韧度之间具有正比关系，在颗粒尺寸与强度之间具有反比关系。细颗粒尺寸PCD通常具有高的强度和低的韧度，而粗颗粒PCD通常具有高的韧度和低的强度。较粗的金刚石颗粒结构可降低金刚石表面积和增大粘合剂穴部的尺寸，这可以是一种用于提高的韧度和耐冲击性的有利结构。这种坚韧的过渡层与高耐磨性的外层的组合产生一种总镶齿结构，该镶齿结构提高了金刚石镶齿的刚度和韧度同时保持耐磨损性。
因此，例如，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，平均颗粒尺寸可以为大约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，以下也处于本公开内：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。在一实施例中，根据为外层所选择的平均颗粒尺寸，所述至少一个过渡层的颗粒尺寸可被选择成大于外层的颗粒尺寸。
然而，尽管上面的描述讨论了使用从外层到至少一个过渡层(向着镶齿体/基体)增大的金刚石颗粒尺寸，但以下也处于本公开的范围内：可在外金刚石层中比在至少一个过渡层中提供更大的颗粒尺寸。例如，较粗的金刚石级外层与具有较细的金刚石级的至少一个过渡层的组合使用可在烧结之后的冷却过程中在两层之间产生收缩差异。具体地讲，(与相邻的过渡层相比)具有较粗的金刚石粒的外层的使用可导致过渡层的较大收缩(与外层相比)，这使得外层压缩。在这种实施例中，可选地包括多于一个的过渡层，该过渡层可具有比细金刚石颗粒过渡层的金刚石颗粒尺寸粗的金刚石颗粒尺寸。
如上所述，除了形成多晶金刚石层的微观结构的金刚石以外，三维微观结构也可包括金属粘合剂(或催化剂)以及可选地包括金属碳化物，所述金属碳化物设置在金刚石网的间隙区域中。在一个特殊的实施例中，金属粘合剂可以至少大约3％的体积比的量提供在多晶金刚石外层中。在其他特定的实施例中，金属粘合剂可以大约3-10％、至少大约5％的体积比或至少大约8％的体积比的量提供。用于特殊的外层的金属粘合剂含量可例如基于金刚石颗粒尺寸和层中的金属碳化物的存在性/存在量。通常，具有较细的金刚石粒的PCD可具有较高的耐磨性但具有较低的韧度，从而，可期望增大具有较细颗粒的层的粘合剂含量，以增大韧度。相反地，当使用较粗的金刚石粒、即大于10微米时，层可借助于较大的金刚石颗粒尺寸而获得一些韧度，从而可不太需要金属粘合剂。然而，根据层的期望性能也可使用更多或更少的粘合剂。在至少一个过渡层中的金刚石粒大于外层的金刚石粒的特殊实施例中，可期望外层具有至少91.5％的体积比，在另一实施例中，具有至少93％的体积比。而且，在至少一个过渡层中的金刚石粒小于外层的金刚石粒的一个实施例中，可期望外层具有不超过90.5％的体积比，在另一个实施例中具有不超过89％的体积比。
因此，以下也处于本公开的范围内：多晶金刚石外层可包括金刚石和金属碳化物(或碳氮化物)与金属催化剂/粘合剂的复合物。在外层中包括金属碳化物的实施例中，在这些实施例中的一个实施例中，可包括至多大约40％的体积比、至多大约9％的体积比的金属碳化物，在另一个实施例中，小于大约7％的体积比的金属碳化物，在其他实施例中，小于大约3％的体积比的金属碳化物。这些类型的颗粒可包括钨、钽、钛、铬、钼、钒、铌、铪、锆的碳化物或碳氮化物颗粒或它们的混合物。当使用碳化钨时，以下也处于本公开的范围内：这种颗粒可包括烧结碳化钨(WC/Co)、碳化钨(WC)、浇铸碳化钨(WC/W2C)或碳化钨和钴的等离子喷涂合金(WC-Co)，它们可共同称作碳化钨粉末。在一个特殊的实施例中，对于外层和过渡层来说，也可使用烧结碳化钨或碳化钨，在另一个示例性实施例中其具有例如小于大约15微米、小于大约6微米、小于大约2微米的平均粉末颗粒尺寸范围，在又一示例性实施例中小于大约1微米，在另一个实施例中大约为0.5-3微米。在一个更特殊的实施例中，当所述粉末由烧结碳化钨颗粒形成时，烧结碳化钨颗粒可由各个碳化钨粒形成，所述碳化钨粒具有小于大约2微米的平均颗粒尺寸，或在一个更特殊的实施例中，小于大约1微米的平均颗粒尺寸。在一个可选的实施例中，当粉末由碳化钨颗粒形成时，那些碳化钨颗粒可具有小于大约1微米、或在一个更特殊的实施例中小于大约1微米的平均颗粒尺寸。在其他实施例中，一个或多个过渡层可包括较大的粉末和/或碳化钨颗粒尺寸。
在混合和/或HPHT烧结过程中，碳化物粉末可在HPHT烧结过程中结块和接合在一起，以填充金刚石粒之间的空间。这些结块物可在此称作微观结构中的碳化钨的“穴部”。在外层中，在均匀的微观结构中，在一个实施例中，结块的碳化物颗粒、即碳化物穴部的尺寸可取决于平均粉末尺寸，但在一个特殊的实施例中，结块的碳化物粒的尺寸可小于金刚石的颗粒尺寸，或在特殊的实施例中，可小于5微米、在一个更特殊的实施例中可小于2微米，或在一个更为特殊的实施例中可为大约1-2微米。在第一过渡层中，在均匀的微观结构中，在一个实施例中，碳化物的平均穴部尺寸可大于10微米，其中，穴部尺寸通常为大约5-300微米，在一个更特殊的实施例中，平均穴部尺寸为大约10-30微米。在随后过渡层中，随着碳化物的体积百分比的增大，碳化物颗粒可形成金刚石粒散布在其中的基质，而不是金刚石基质内的穴部。然而，碳化物尺寸可最终基于层的期望性能以及其他层组分选择。
在一个实施例中，外层与一个或多个过渡层之间的粉末选择可以是相同的；然而，在另一个实施例中，一个或多个过渡层的粉末尺寸可大于外层的粉末尺寸。可选地，粉末尺寸的梯度变化可存在于外层与中间过渡层或内过渡层之间(外过渡层与外层具有大致相同的粉末尺寸)。
众所周知，除了碳化钨和钴以外，可使用各种金属碳化物或碳氮化物化合物和粘合剂。从而，对在过渡层中使用碳化钨和钴的描述仅用于说明目的，而不是用于限制在过渡层中使用的金属碳化物/碳氮化物或粘合剂的类型。当使用烧结碳化钨颗粒时，颗粒中的金属含量例如可为4-8％的重量比，但根据它们所包含到的层的期望性能也可为大于8％或小于4％的重量比。
多晶金刚石外层可在一个实施例中具有至少0.006英寸的厚度，在其他实施例中具有至少0.20英寸或0.040英寸的厚度。在特殊的实施例中，多晶金刚石外层可比所述至少一个过渡层具有较小的厚度。金刚石外层和所述至少一个过渡层的厚度的选择可例如取决于特殊的层配方，如2009年8月7日与本申请同时提交的属于本受让人的发明名称为“Diamond andTransition Layer Construction with Improved Thickness Ratio(具有改善的厚度比的金刚石和过渡层结构)”的美国专利申请61-232,122(代理人案号05516/431001)中所述，该专利申请通过引用整体包括在此。然而，根据特殊的层配方，也可期望外层比至少一个过渡层具有更大的厚度。
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，以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，以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。厚度的这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。
所述至少一个过渡层可以包括金刚石粒，金属粘合剂，和诸如钨、钽、钛、铬、钼、钒、铌、铪、锆的碳化物或碳氮化物颗粒或它们的混合物的复合物，所述颗粒可包括角形或球形颗粒。当使用碳化钨时，以下也处于本公开的范围内：这种颗粒可包括烧结碳化钨(WC/Co)、化学计量碳化钨(WC)、浇铸碳化钨(WC/W2C)或碳化钨和钴的等离子喷涂合金(WC-Co)。过渡层中的碳化物的尺寸范围可包括上面针对外层所述的那些尺寸范围。而且，众所周知，除了碳化钨和钴以外，也可使用各种金属碳化物或碳氮化物组分和粘合剂。因此，对过渡层中使用碳化钨和钴的描述仅用于说明目的，而不是用于限制过渡层中使用的金属碳化物/碳氮化物或粘合剂的类型。
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15-80％体积比之间变化。如上所述，过渡层的使用可使得外层与过渡层之间的金刚石和碳化物含量产生梯度变化，金刚石含量从外层向着镶齿体减小，且与金属碳化物含量关联，所述金属碳化物含量从外层向着镶齿体增大。从而，根据使用的过渡层的数目，可确定特殊层的碳化物含量。例如，外过渡层可具有15-35％体积比、20-40％体积比或小于40％体积比的碳化物含量，而中间层可具有较大的碳化物含量，例如35-55％体积比、35-50％体积比、40-50％体积比或小于60％体积比。最内过渡层可具有更高的碳化物含量，例如55-75％体积比、60-80％体积比、50-70％体积比或小于80％体积比。然而，对特殊的范围没有限制。相反，任何范围均可用于形成层之间的碳化物梯度变化。
所述至少一个过渡层中的金属粘合剂含量可处于至少大约5％体积比的量下，在其他特殊的实施例中处于5-20％体积比的量下。过渡层的金属粘合剂含量的选择可例如部分依赖于金刚石颗粒尺寸、期望韧度、期望梯度和结合功能。
而且，如上所述，特殊实施例可具有金刚石颗粒尺寸的梯度变化，这使得金刚石颗粒尺寸从外过渡层向着镶齿体/基体增大。因此，尽管多晶金刚石外层的金刚石颗粒尺寸可在宽的范围内为2-30微米，但所述至少一个过渡层的金刚石颗粒尺寸的选择依赖于为外层选择的金刚石颗粒尺寸，但可在宽的范围内例如为4-50微米。
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，而这种急剧变化会促使PCD层与镶齿体/基体裂开和剥离。
以下也处于本公开的范围内：切削元件可包括单个过渡层，所述单个过渡层内具有金刚石/碳化物含量的梯度变化。单个过渡层内的梯度变化可通过现有技术中公知的多种方法产生，所述方法包括美国专利4,694,918中描述的那些方法，该美国专利在此通过引用整个包括在本说明书中。
镶齿体或基体可由合适的材料例如碳化钨、碳化钽或碳化钛形成。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，例如钴、镍、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钨和钴的烧结的碳化钨复合结构形成。然而，公知的是，除了碳化钨和钴以外，也可使用各种金属碳化物合成物和粘合剂。因此，对使用碳化钨和钴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。
在此使用的多晶金刚石层是指这样一种结构，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，这通过以下方式形成：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、例如钴或其它第VIII族金属可包括在所述某一质量的未烧结的晶体颗粒内，以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。
然后，反应间被放置在足以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、例如碳化钨或钴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这种已被烧结的材料不处于PCD的定义内。
过渡层可类似地通过将包含金刚石颗粒、碳化钨和钴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，反应间放置在足以使材料烧结的处理条件下，以产生过渡层。附加性地，预成型的金属碳化物基体可被包括。在这种情况下，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。
一个示例性最小温度为大约1200℃，一个示例性最小压力为大约35千巴。典型的处理过程处于大约45-55千巴的压力下和大约1300-1400℃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、例如钴的存在性。通常，金刚石晶体在金刚石催化剂材料、例如钴存在的情况下经受HPHT烧结，以形成整体的、坚韧的、高强度的质量体或晶格。催化剂、例如钴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，钴颗粒通常发现在间隙空间中。本领域的技术人员可以理解，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。
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。
以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，以在不损失耐冲击性的情况下获得热稳定性。
期望这种复合材料显示出这种改善的性能，而不会不利地影响PCD固有的耐磨性。期望这种复合材料适用于诸如切削工具、牙轮钻头、冲击钻头或震击钻头、刮刀钻头和其他采矿、建筑和机加工应用场合，其中，期望具有提高的断裂韧度的性能。
示例性实施例
以下例子以表的形式提供，以帮助证明根据本公开的教导的镶齿层结构中可能存在的变化。此外，尽管每个例子给出了一种外层以及三个过渡层，但以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，这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镶齿层结构变化。
例子1
Figure BDA0000150843900000131
例子2
Figure BDA0000150843900000132
例子3
Figure BDA0000150843900000133
例子4
Figure BDA0000150843900000134
例子5
Figure BDA0000150843900000135
例子6
Figure BDA0000150843900000136
例子7
例子8
Figure BDA0000150843900000142
例子9
Figure BDA0000150843900000143
例子10
Figure BDA0000150843900000144
例子11
Figure BDA0000150843900000145
根据本公开制造的镶齿被产生而具有位于碳化物基体顶部上的外层和三个过渡层，其具有下例子12中列出的最终微观结构中的组分。相比镶齿被产生而也具有外层和两个过渡层，其具有下例子13中列出的最终微观结构中的组分。
例子12
Figure BDA0000150843900000151
例子13
Figure BDA0000150843900000152
每个镶齿的样本在20Hz的较低的循环载荷下和0.1的R比值(最小载荷/最大载荷)下经受压缩疲劳测试，其具有100000次循环的目标测试寿命。每个样品达到(目标测试寿命或疲劳)的循环次数示于下表14中。
表14
  样本编号   例子12   例子13
  1   500,000   900,000
  2   1,000,000(无失效)   500,000
  3   1,000,000(无失效)   1,000,000(无失效)
  4   1,000,000(无失效)   600,000
  5   1,000,000(无失效)   600,000
  6   1,000,000(无失效)
  7   500,000
  8   100,000
  9   300,000
  10   200,000
  11   400,000
  12   100,000
  平均值   900,000   516,667
每个镶齿的两个样本也在淹没冷却条件下经受相对耐磨测试。图4示出了测试设备的示意图。在淹没冷却条件下的相对磨损测试的结果示于图5中。每个镶齿的两个样本也经受在喷雾冷却条件下的相对耐磨测试。该测试的结果示于图6中。
本公开的切削元件可发现特别是用于牙轮钻头和震击钻头中。牙轮钻头包括适于连接到可转动的钻柱的钻头本体，且包括可转动地安装到钻头本体上的至少一个“牙轮”。参看图1，示出了设置在井眼11中的牙轮钻头10。钻头10具有本体12，所述本体12具有大致向下延伸的腿部13和与其相反的用于连接到钻柱(未示出)的螺纹销端14。轴颈支承轴(未示出)从腿部13悬臂设置。牙轮(或滚动切削器)16可转动地安装在轴颈支承轴上。每个牙轮16具有多个安装在其上的切削元件17。当本体10通过钻柱(未示出)的转动而被转动时，牙轮16在井眼底部18上转动，且通过在井眼侧壁19的一部分上转动而保持井眼的口径。当牙轮16转动时，各个切削元件17转动到与地层接触，然后与地层脱开接触。
震击钻头通常通过冲击锤被冲撞，同时抵靠着正被钻的地层转动。参看图2，示出了一种震击钻头。震击钻头20具有本体22，所述本体22在其一端处具有头部24。本体22被接收在锤(未示出)中，且锤使头部24抵靠着地层移动，以破裂地层。切削元件26安装在头部24中。通常，切削元件26通过挤压装配或铜焊到钻头中而嵌装在钻头中。
本公开的切削镶齿可具有本体，所述本体具有圆柱形抓持部分，凸形的突出部从所述抓持部分延伸。抓持部分嵌装且附连到牙轮钻头或震击钻头，且突出部从牙轮钻头或震击钻头的表面向外延伸。突出部例如可为半球形，其通常称作半圆顶部(SRT)，或可为圆锥形或凿子形，或可形成脊部，所述脊部相对于抓持部与突出部之间的相交平面倾斜。在一些实施例中，多晶金刚石外层和一个或多个过渡层可延伸超出凸形的突出部，且可覆盖圆柱形抓持部分。此外，以下也处于本公开的范围内：在此所述的切削元件可具有平坦的上表面，例如刮刀钻头中使用的那样。
本公开的实施例可提供以下优点中的至少一个优点。在一种典型的钻井应用中，外金刚石层经受冲击循环载荷。还典型地，金刚石材料具有多个向下和向内延伸的裂缝。然而，本公开的层的使用利用金刚石颗粒尺寸的梯度变化，以产生一种保持外层的耐磨性同时通过过渡层明显提升整个镶齿的韧度和刚度的镶齿结构。此外，过渡层的性能可使得获得相等韧性的层，但比传统过渡层相比仍具有较高的耐磨性。因此，尽管传统镶齿可在外层磨损时快速地磨损过渡层，但根据本公开的实施例形成的镶齿可具有过渡层，所述过渡层具有与外层更类似的耐磨性，从而在外层磨损时过渡层较慢地磨损。
尽管已经参看有限数量的实施例描述了本发明，但本领域的技术人员在本公开的帮助下可以理解，可设计出不脱离在此公开的本发明的范围的其他实施例。因此，本发明的范围仅由权利要求限制。

Claims (40)

1.一种用于钻头的镶齿，包括：
金属碳化物本体；
位于镶齿的最外端上的由多晶金刚石材料构成的外层，多晶金刚石材料包括多个互连的第一金刚石粒以及位于互连的第一金刚石粒之间的间隙区域中的第一粘合剂材料；以及
位于金属碳化物本体与外层之间的至少一个过渡层，所述至少一个过渡层包括由第二金刚石粒、第一金属碳化物颗粒和第二粘合剂材料构成的复合物，
其中，第二金刚石粒与第一金刚石粒相比具有较大的颗粒尺寸。
2.如权利要求1所述的镶齿，其特征在于，由多晶金刚石材料构成的外层还包括第二金属碳化物颗粒。
3.如权利要求1所述的镶齿，其特征在于，所述至少一个过滤层包括两个过渡层，第一过渡层邻近外层，第二过渡层邻近碳化物本体。
4.如权利要求3所述的镶齿，其特征在于，第二过渡层比第一过渡层具有更大的金属碳化物含量。
5.如权利要求3所述的镶齿，其特征在于，第二过渡层比第一过渡层具有更大的平均金刚石颗粒尺寸。
6.如权利要求3所述的镶齿，其特征在于，第一和第二过渡层具有大致相同的平均金刚石颗粒尺寸。
7.如权利要求3所述的镶齿，其特征在于，所述至少一个过渡层还包括位于第一和第二过渡层之间的第三过渡层。
8.如权利要求7所述的镶齿，其特征在于，第三过渡层的金属碳化物含量介于第一和第二过渡层的金属碳化物含量之间。
9.如权利要求7所述的镶齿，其特征在于，第三过渡层的平均金刚石颗粒尺寸介于第一和第二过渡层的平均金刚石颗粒尺寸之间。
10.如权利要求7所述的镶齿，其特征在于，第一和第三过渡层具有大致相同的平均金刚石颗粒尺寸。
11.如权利要求7所述的镶齿，其特征在于，第二和第三过渡层具有大致相同的平均金刚石颗粒尺寸。
12.如权利要求1所述的镶齿，其特征在于，外层与所述至少一个过渡层相比具有较小的厚度。
13.如权利要求1所述的镶齿，其特征在于，第一金刚石粒具有大约2-30微米的平均颗粒尺寸。
14.如权利要求13所述的镶齿，其特征在于，第一金刚石粒具有大约2-8微米的平均颗粒尺寸。
15.如权利要求14所述的镶齿，其特征在于，第一金刚石粒具有大约4-8微米的平均颗粒尺寸。
16.如权利要求13所述的镶齿，其特征在于，第一金刚石粒具有大约10-12微米的平均颗粒尺寸。
17.如权利要求2所述的镶齿，其特征在于，外层中的第二金属碳化物颗粒形成穴部，所述穴部比所述至少一个过渡层中的第一金属碳化物颗粒形成的穴部相比具有较小的平均穴部尺寸。
18.如权利要求17所述的镶齿，其特征在于，第二金属碳化物颗粒的穴部具有小于5微米的平均穴部尺寸。
19.如权利要求18所述的镶齿，其特征在于，第二金属碳化物颗粒的穴部具有大约1-2微米的平均穴部尺寸。
20.如权利要求17所述的镶齿，其特征在于，至少一个过渡层中的第一金属碳化物颗粒的穴部具有大约5-300微米的穴部尺寸。
21.如权利要求17所述的镶齿，其特征在于，第一金属碳化物颗粒的穴部具有大约10-30微米的平均穴部尺寸。
22.如权利要求2所述的镶齿，其特征在于，外层中的第二金属碳化物颗粒与所述至少一个过渡层中的第一金属碳化物颗粒相比具有较小的颗粒尺寸。
23.如权利要求2所述的镶齿，其特征在于，第一金属碳化物颗粒和第二金属碳化物颗粒包括预烧结的碳化钨颗粒。
24.一种用于钻头的镶齿，包括：
金属碳化物本体；
位于镶齿的最外端上的由多晶金刚石材料构成的外层，多晶金刚石材料包括多个互连的第一金刚石粒和位于互连的第一金刚石粒之间的间隙区域中的第一粘合剂材料；以及
位于金属碳化物本体和外层之间的至少一个过渡层，所述至少一个过渡层包括由第二金刚石粒、第一金属碳化物颗粒和第二粘合剂材料构成的复合物，
其中，第二金刚石粒与第一金刚石粒相比具有较小的颗粒尺寸。
25.如权利要求21所述的镶齿，其特征在于，由多晶金刚石材料构成的外层还包括第二金属碳化物颗粒。
26.如权利要求21所述的镶齿，其特征在于，所述至少一个过滤层包括两个过渡层，第一过渡层邻近外层，第二过渡层邻近碳化物本体。
27.如权利要求21所述的镶齿，其特征在于，第二过渡层比第一过渡层具有更大的金属碳化物含量。
28.如权利要求21所述的镶齿，其特征在于，第二过渡层比第一过渡层具有更大的平均金刚石颗粒尺寸。
29.如权利要求21所述的镶齿，其特征在于，第一和第二过渡层具有大致相同的平均金刚石颗粒尺寸。
30.如权利要求21所述的镶齿，其特征在于，外层与所述至少一个过渡层相比具有更大的厚度。
31.一种用于钻头的镶齿，包括：
金属碳化物本体；
位于镶齿的最外端上的由多晶金刚石材料构成的外层，多晶金刚石材料包括多个互连的第一金刚石粒和位于互连的第一金刚石粒之间的间隙区域中的第一粘合剂材料，所述多个第一金刚石粒占外层的91.5％以上的体积比；以及
位于金属碳化物本体与外层之间的至少一个过渡层，所述至少一个过渡层包括由第二金刚石粒、第一金属碳化物或碳氮化物颗粒和第二粘合剂材料构成的复合物；以及
其中，第二金刚石粒与第一金刚石粒相比具有较大的颗粒尺寸。
32.一种用于钻头的镶齿，包括：
金属碳化物本体；
位于镶齿的最外端上的由多晶金刚石材料构成的外层，多晶金刚石材料包括多个互连的第一金刚石粒和位于互连的第一金刚石粒之间的间隙区域中的第一粘合剂材料和第一金属碳化物颗粒；以及
位于金属碳化物本体与外层之间的至少一个过渡层，所述至少一个过渡层包括由第二金刚石粒、第二金属碳化物颗粒和第二粘合剂材料构成的复合物，
其中，第二金刚石粒比第一金刚石粒具有更大的颗粒尺寸；以及
其中，第一金属碳化物颗粒具有小于大约1微米的平均碳化钨颗粒尺寸。
33.如权利要求32所述的镶齿，其特征在于，外层中的第一金属碳化物颗粒形成穴部，所述穴部与所述至少一个过渡层中的第二金属碳化物颗粒形成的穴部相比具有较小的平均穴部尺寸。
34.如权利要求33所述的镶齿，其特征在于，第一金属碳化物颗粒的穴部具有小于5微米的平均穴部尺寸。
35.如权利要求34所述的镶齿，其特征在于，第一金属碳化物颗粒的穴部具有大约1-2微米的平均穴部尺寸。
36.如权利要求33所述的镶齿，其特征在于，至少一个过渡层中的第二金属碳化物颗粒的穴部具有大约5-300微米的穴部尺寸。
37.如权利要求33所述的镶齿，其特征在于，第二金属碳化物颗粒的穴部具有大约10-30微米的平均穴部尺寸。
38.如权利要求32所述的镶齿，其特征在于，外层中的第一金属碳化物颗粒与所述至少一个过渡层中的第二金属碳化物颗粒相比具有较小的颗粒尺寸。
39.如权利要求32所述的镶齿，其特征在于，第一金属碳化物颗粒和第二金属碳化物颗粒包括预烧结的碳化钨颗粒。
40.如权利要求32所述的镶齿，其特征在于，第二金属碳化物颗粒具有小于1微米的平均碳化钨颗粒尺寸。
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