CN103210172A - 超硬刀具 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种包括超硬构造的刀具，所述刀具具有由前刀面限定的切削刃和从所述切削刃延伸的侧面。所述刀具还具有第一和第二区域，所述第一区域沿着边界与所述第二区域邻接，所述第一区域具有与所述第二区域不同的材料组分。至少第二区域包括超硬材料，所述第一区域的材料具有和所述第二区域的材料不同的热膨胀系数（CTE）。所述第二区域绕着由所述边界限定的所述第一区域的外周边延伸从而绕着该外周边形成一个圈，所述第一区域和/或所述第二区域延伸到和/或形成至少一部分所述前刀面。
Description
技术领域
本发明涉及包括超硬构造的刀具，更具体地但不唯一地，涉及用于钻入地面的旋转钻头。
背景技术
多晶金刚石（PCD）材料包括大量的互生金刚石晶粒和金刚石晶粒间的空隙。可以通过在例如钴的可以促进金刚石晶粒互生的烧结助剂的作用下使金刚石晶粒的聚合块受到高压高温而制造PCD。所述烧结助剂还可以是针对金刚石的催化剂材料。烧结PCD材料内的空隙可以全部地或部分地被剩余的催化剂材料填充。可以在能为烧结PCD提供钴催化剂材料源的钴钨硬质合金基底上形成PCD。
PCD材料可以被广泛地用于多种工具，例如用于切割、机加工、钻孔或降解例如岩石、金属、陶瓷、复合材料和含木材料的硬的或磨蚀性材料的工具。例如，包括PCD材料的工具插入件被广泛地用于在石油和天然气钻井工业中用于钻入地面的钻头。在许多这样的应用中，随着PCD材料钻入岩石或其他高能量工件或高能量体中，PCD材料的温度可能升高。工具插入件的使用寿命可能受到超硬材料的碎片的限制，包括通过破裂或切削而形成的碎片。
美国专利申请4,311,490公开了一种包括金刚石晶粒并且具有至少两层的金刚石层，一层是与硬质合金块相邻的较粗糙晶粒层，另一层是与较粗糙层相邻的较精细晶粒层。
美国专利申请5,135,061公开了一种包括切削台的切削元件，该切削元件可以包括至少结合在一起的两个不同的超硬材料层，前面的层包括不如第二层耐磨的超硬材料。
欧洲专利申请1330323公开了一种包括结合到硬质合金基底上的烧结颗粒层的耐磨复合坯块，所述耐磨颗粒层具有三个区域，该三个区域包含具有不同粒度分布的颗粒。
美国专利申请6,446,740公开了一种具有切削台的切削元件，该切削元件是由特硬材料的片段形成的。优选地，一些片段由较精细级的特硬材料制成，而其余部分由较粗糙级的特硬材料制成。
美国专利申请7,694,757公开了一种在基体上包括TSP材料层的切削元件。TSP材料是通过从至少一部分PCD的金刚石晶格结构中“浸出”钴而形成的，或是通过用热兼容性碳化硅粘合剂而不是钴来形成PCD而形成的。所述TSP层可以包括相邻的第一、第二和第三层，该TSP层可以具有不同平均金刚石晶粒大小和不同气孔。
美国专利申请公开号2008/0142267公开了一种PCD切削元件，其在操作中（并且随着它磨损到磨损状态）向正被切削的材料提供至少两个切削刃。至少部分端部工作表面和至少部分外围工作表面实质上不包含催化剂材料。PCD元件可以包括例如排列在一系列层中或排列在一系列同轴的环中的不同耐磨区域。
PCT专利申请WO2007/0895960公开了一种具有功能性设计的PCD复合覆盖层的剪切刀具。工具主体可以包括多个多晶耐磨层和多个制动层。在该应用中，“制动”指能够使材料的一个区域内发生裂缝或其他破坏的或恶化的情况被停止、减缓、减少和/或隔离的材料性质和/或效果。优选地，层间的层选择和界面设计还可以将热错配压力降到最小。
存在对具有改进的抗断裂超硬切削元件的需求。
发明内容
从本发明的第一方面可以看出，提供了一种包括超硬构造的刀具，所述刀具包括由前刀面(rake face)限定的切削刃和从所述切削刃延伸的侧面（flank）；并且包括第一区域和第二区域，所述第一区域沿着边界与所述第二区域邻接，所述第一区域具有与所述第二区域不同的材料组分，第一和第二区域都包括超硬材料，其中所述第一区域的所述材料具有和所述第二区域的所述材料不同的热膨胀系数（CTE）；所述两个区域被设置为使得至少部分所述边界通常远离所述前刀面和所述侧面两者而延伸，所述边界通常还远离所述切削刃的近侧或远离所述切削刃而延伸。
所述第二区域可以绕着由所述边界限定的所述第一区域的外周边而延伸，从而绕着所述外周边形成圈，所述第一区域和/或所述第二区域延伸到和/或形成至少一部分所述前刀面。
从本发明的第二方面可以看出，提供了一种包括超硬构造的刀具，所述刀具具有由前刀面限定的切削刃和从所述切削刃延伸的侧面；并且包括第一区域和第二区域，所述第一区域沿着边界与所述第二区域邻接，所述第一区域具有与所述第二区域不同的材料组分，第一和第二区域都包括超硬材料，其中所述第一区域的所述材料具有和所述第二区域的所述材料不同的热膨胀系数（CTE）；所述第二区域绕着由所述边界限定的所述第一区域的外周边而延伸，从而绕着所述外周边形成圈。
从本发明的第三方面可以看出，提供了一种包括超硬构造的刀具，所述刀具具有由前刀面限定的切削刃和从所述切削刃延伸的侧面；并且包括第一区域和第二区域，所述第一区域沿着边界与所述第二区域邻接，所述第一区域具有与所述第二区域不同的材料组分，所述第二区域包括超硬材料，其中所述第一区域的所述材料具有和所述第二区域的所述材料不同的热膨胀系数（CTE）；所述第二区域绕着由所述边界限定的所述第一区域的外周边延伸，从而绕着所述外周边形成圈，所述第一区域和/或所述第二区域延伸到和/或形成至少一部分所述前刀面。
在一些实施方式中，所述区域中的至少一个、至少两个或大部分或全部可以包括多晶超硬（PCS）材料或由其组成。在一些实施方式中，所述区域中的至少一个、至少两个或大部分或全部可以包括超硬复合材料或由其组成。在本发明的一些实施方式中，至少一个区域包括PCS材料或由其组成，并且至少一个区域包括超硬复合材料或由其组成。
在一些实施方式中，所述边界的至少部分可以从一空间延伸，该空间包括并且由以下限定:i)前刀面区域，其在前刀面上从所述切削刃（在所有方向上）延伸一定距离，该距离是所述切削刃到所述前刀面的对边间的距离的最多三分之一或甚至最多六分之一；ii)侧面区域，其在侧面上从所述切削刃（在所有方向上）延伸一定距离，该距离是侧面处的超硬构造的厚度的最多约四分之一或甚至最多约五分之一；以及iii)内部平面，其在远离所述切削刃的所述前刀面区域和所述侧面区域的边之间延伸。在一些实施方式中，所述前刀面区域可以从所述切削刃（在所有方向）在前刀面上延伸最多约4毫米、最多2毫米或最多1毫米的距离。在一些实施方式中，所述侧面区域可以在侧面上从所述切削刃（在所有方向上）延伸最多约500微米或最多约300微米的距离。在一些实施方式中，所述侧面区域在凹槽上延伸并且沿着超硬构造的侧表面向着具有基底的界面延伸一定距离。
在一些实施方式中，所述边界可以与切削刃或例如所述前刀面或靠近所述切削刃的侧面的所述刀具的露出表面相交。在一个实施方式中，所述边界可以与靠近所述切削刃的另一个边界相交。在一些实施方式中，所述边界可以在所述刀具内与具有另一个区域的另一个边界相交或通过所述刀具的露出表面与另一个边界相交，所述相交发生在距所述切削刃最多500微米、最多200微米、最多100微米或甚至最多50微米的范围内。在一些实施方式中，所述另一个边界可以是露出表面，例如所述前刀面、所述侧面、由凹槽或斜面形成的表面或在使用中形成的磨痕，或所述另一个边界可以在所述刀具内被可识别区域限定。
在一个实施方式中，第一区域的纵向或轴向厚度通常随着距切削刃近端或距切削刃的距离的增加而增加，使得远离切削刃一段距离的平均厚度大于在切削刃处或靠近切削刃的厚度。在一个实施方式中，第二区域的侧向或径向厚度一般随着距切削刃近端或距切削刃的距离的增加而增加，使得远离切削刃一段距离的平均厚度大于在切削刃处或靠近切削刃的厚度。
在一个实施方式中，边界可以与侧面相交，使得侧面在切削刃和交点间的长度远小于侧面在交点和超硬构造与硬质合金基底间的界面之间的长度。在一些实施方式中，在切削刃和交点间的侧面部分的长度可以是在切削刃和超硬构造与硬质合金基底间的界面间的侧面的总长度的最大约50%、30%、10%或甚至5%。在一个实施方式中，边界可以与切削刃相交，并且侧面在交点和与基底的界面之间的长度可以实质上与侧面在至少一部分切削刃和基底间的总长度相同。
在一个实施方式中，设置在边界和前刀面之间的具有第一组分的第一区域可以包括第一PCS材料，并且第二区域可以包括设置在边界和侧面之间的具有第二组分的第二PCS材料；第一PCS材料的CTE实质上小于第二PCS材料的CTE。在一个实施方式中，第一PCS材料具有至少比第二PCS材料少至少约5%的CTE。在一个实施方式中，第一区域从前刀面的近侧向边界延伸，并且在一个实施方式中，第二区域从边界向侧面的近侧延伸。
在一个实施方式中，第一PCS材料可以具有实质上高于第二PCS材料的抗冲击性，并且在一个实施方式中，第一PCS材料可以具有实质上比第二PCS材料更低的耐磨性。在一个实施方式中，第一PCS材料可以具有实质上比第二PCS材料更高的抗冲击性和更低的韧性，所述韧性是K1C韧性。在一个实施方式中，第一PCS材料可以比第二PCS材料更具热稳定性。
在一些实施方式中，第一PCS材料可以包括具有最小5微米且最大30微米的平均粒径的超硬材料晶粒，并且第二PCS材料可以包括具有最小0.5微米且最大10微米的平均粒径的超硬材料晶粒。
在一些实施方式中，第一和第二PCS材料可以分别包括第一和第二PCD材料，每一PCD材料包括针对金刚石的例如钴的金属催化剂材料。第一PCD材料包括实质上比第二PCD材料更少的钴。在本发明的一个实施方式中，至少一个所述区域不包含针对各个超硬材料的催化剂材料。
在一个实施方式中，设置在边界和前刀面间的具有第一组分的第一区域包括超硬复合材料，并且第二区域可以包括设置在边界和侧面间的PCS材料。在一个实施方式中，第一区域可以从前刀面的近侧向边界延伸，并且在一个实施方式中，第二区域可以从边界向侧面的近侧延伸。
在一些实施方式中，超硬复合材料可以包括分散在包括钨硬质合金的基体内的、例如金刚石或立方氮化硼（cBN）颗粒的超硬颗粒。在一个实施方式中，超硬复合材料可以包括至少20%体积比的超硬颗粒，并且在一个实施方式中，超硬复合材料可以包括最多约80%体积比的超硬颗粒。在一些实施方式中，超硬复合材料可以包括具有最小约1毫米、最小约10毫米或最小约50毫米的平均粒径的超硬颗粒，并且在一些实施方式中，超硬复合材料可以包括具有最大约1000微米、最大约500微米或最大约100微米的平均粒径的超硬颗粒。在一个实施方式中，超硬材料可以包括分布在包括例如钨硬质合金材料的硬质合金材料或实质上由其组成的基体中的超硬晶粒。在一个实施方式中，钨硬质合金可以包括至少约2%体积比的钴、至少约4%体积比的钴或至少约6%体积比的钴，并且在一个实施方式中，超硬材料可以包括分布在基体中的超硬晶粒，该基底包括钴钨硬质合金或实质上由其组成，该钴钨硬质合金包括最大约20%体积比的钴或最大约10%体积比的钴。在一个实施方式中，超硬复合材料可以具有最小约3×10-6K-1且最大约5×10-6K-1的CTE。
在一些实施方式中，至少部分边界可以基本上是阶梯式的、台阶式的或起伏式的，或至少部分边界可以显示出不规则或不连续性。在一些实施方式中，至少部分边界可以是基本上平面的或弓形的，或可以基本上或一般地是圆锥形的、抛物线形的或双曲线形的。在一个实施方式中，所述区域可以被配置为基本上是同心的。
在一些实施方式中，至少部分边界可以通常地从切削刃的近侧或从切削刃、相对于前刀面或端面成一个角度延伸，所述角度为最小约5度、最小约10度或最小约20度，并且所述角度为最大约60度、最大约70度或最大约80度。
在一些实施方式中，至少一部分靠近切削刃的前刀面可以基本上是平面的、或基本上整个前刀面可以大体是平面的。
在一个实施方式中，刀具包括超硬构造，所述超硬构造包括连接到硬质合金基底的PCS材料。
在一些实施方式中，PCS材料是多晶金刚石（PCD）材料或多晶立方氮化硼（PCBN）材料。
在一个实施方式中，刀具可以用于机加工、切割、钻孔或降解包括硬的或耐磨的例如金属、陶瓷、木头、复合材料、沥青或岩石的工件或主体。在一个实施方式中，刀具可以用在用来钻入地面的钻头中以用于石油和天然气钻井工业，并且在一个实施方式中，刀具可以是用于钻头的剪切刀具插入件。
一种制造上述刀具的方法，该方法包括以下步骤：形成包括超硬材料且在其中具有凹槽的第一结构；限定边界；将用于制造PCS材料或超硬复合材料的前体材料引入所述凹槽中，从而形成预烧结组件；以及，在针对超硬材料的烧结助剂的作用下，使预烧结组件受到压力和温度，并且烧结所述超硬材料，其中在该压力和温度下，超硬材料是热力学稳定的。
在所述方法的一个变型中，所述前体材料可以包括未经烧结的多个混合超硬颗粒、例如碳化钨颗粒的硬质合金颗粒以及例如钴的金属。
在所述方法的一个变型中，底座可以是硬质合金基底、包括超硬材料晶粒的其他部件或所述基底和所述其他部件的组合。
在所述方法的一个变型中，所述前体材料可以包括由有机粘合剂材料粘在一起的超硬材料的晶粒，并且在一些实施方式中，所述前体材料可以是片、盘、箔、丸或块的形式。
本发明还提供了用于钻入岩石的钻头，包括刀具的实施方式，切削刃是被设置为用来切削岩石的超硬构造的边。
附图说明
现在，将参考附图详细描述非限制性实施方式。附图中：
图1示出了PCS材料的一个实施方式的微观结构示意图。
图2示出了超硬复合材料的一个实施方式的微观结构示意图。
图3示出了用于钻入地面的钻头的刀具的一个实施方式的示意性立体图。
图4示出了用于切削岩石的钻头的剪切刀具的示意性部分截面图。
图5示出了具有潜在径向拉伸区域并附带有裂纹的已知刀具的实施方式的示意性纵向截面图（图5没有示出本发明的实施方式）。
图6A示出了附带有潜在裂纹的刀具在基本上未磨损状态下的一个实施方式的示意性部分纵向截面图。
图6B示出了图5A所示的具有潜在径向拉伸区域并附带有潜在裂纹的刀具的实施方式的示意性部分纵向截面图。
图7示出了刀具的一个实施方式的示意性纵向部分截面图。
图8、图9、图10、图11、图12和图13分别示出了各个刀具的实施方式的示意性纵向截面图。
图14A示出了刀具的超硬构造在基本上未磨损状态下的一个实施方式的示意性部分纵向截面图。
图14B和14C示出了图14A所示的超硬构造在磨损状态下的实施方式的示意性部分纵向截面图。
图15示出了刀具的超硬构造的一个实施方式的示意性部分纵向截面图。
图16A至16F示出了刀具的其他实施方式的示意性纵向截面图。
图17示出了用于钻入岩石的钻头的一个实施方式的示意性立体图。
在所有附图中，相同的参考标记表示各个相同的特征。
具体实施方式
本文所用的“超硬材料”是具有至少25GPa的维氏硬度的材料。金刚石和立方氮化硼（cBN）材料是超硬材料的示例。
本文所用的“超硬构造”指包括多晶超硬材料或超硬复合材料的构造，或包括多晶超硬材料和超硬复合材料的构造。
参照图1，“多晶超硬”（PCS）材料10包括大量的超硬材料晶粒12和在超硬晶粒12之间的空隙14，该空隙可以至少部分地由填料或粘合剂材料填充。按体积计，超硬晶粒12的含量是所述材料的至少约50%。晶粒12可以包括金刚石或立方氮化硼（cBN）。
本文所用的多晶金刚石（PCD）是包括大量金刚石晶粒的PCS材料，绝大部分金刚石晶粒是彼此间直接结合的，并且其中金刚石的体积比含量是所述材料的至少约80%。在PCD材料的一个实施方式中，金刚石晶粒间的空隙可以至少部分地由包括针对金刚石的催化剂的粘合剂材料填充。本文所用的“空隙”或“空隙区”是PCD材料的金刚石晶粒间的区域。在PCD材料的实施方式中，空隙或空隙区可以大体上或部分地由不是金刚石的材料填充，或可以实质上是空的。PCD材料的实施方式可以包括至少一个区域，对于该区域，催化剂材料已经从空隙中移除，并在金刚石晶粒间留下晶格间隙。
本文所用的多晶立方氮化硼（PCBN）材料是PCS材料，其包括分布在耐磨基体中的大量cBN晶粒的，该耐磨基体可以包括陶瓷材料或金属材料或这两种材料，并且其中cBN的体积比含量是所述材料的至少约50%。在PCBN材料的一些实施方式中，cBN晶粒的体积比含量是至少60%、至少70%或至少80%。超硬材料的实施方式可以包括分布在硬基体中的超硬材料晶粒，其中所述硬基体优选地包括作为主要成分的陶瓷材料，所述陶瓷材料优选地选自碳化硅、氮化钛和碳氮化钛。
本文所用的“超硬复合”材料包括多个分布在基体材料内的超硬材料晶粒。按体积计，所述超硬晶粒的含量是所述超硬复合材料的至少约10%。
参照图2，“超硬复合”材料15包括分布在基体17中的多个超硬材料晶粒12。所述晶粒12可以包括金刚石或立方氮化硼（cBN），并且所述基体17可以包括硬质合金材料或实质上由其组成。
参照图3，刀具20的一个实施方式包括连接到支承基底40上的超硬构造30，并且具有由前刀面34的边和侧面36所限定的切削刃32。
参照图4，刀具20的一个实施方式的“前刀面”34是这样一种表面：当刀具20被用于从主体50切削材料时，碎片52在该表面上流动，且前刀面34指向刚形成的碎片52的流动方向。本文所用的“碎片”52是在使用时通过刀具20从主体54的工作表面移除的主体50的片状物。本文所用的刀具20的“侧面”36是刀具20的这样一种表面：该表面越过通过刀具20而在主体50上产生的表面54。侧面36可以提供从主体50留出的空隙，并且可以包括多于一个的侧面。本文所用的“切削刃”32是前刀面34的旨在执行主体50的切削的边。“圆形的切削刃”是由在前刀面和侧面之间的圆形过渡区形成的切削刃。
本文所用的“磨痕”是在使用中由于刀具的磨损而移除了一部分刀具材料所形成的刀具表面。侧面可以包括磨痕。由于刀具在使用中磨损，材料可能逐步地从切削刃的近侧被移除，由此随着磨痕的形成而不断地重新定义切削刃、前刀面和侧面的位置和形状。应理解的是，本文所用的术语“切削刃”指的是处于直至刀具失效为止的刀具磨损的任何特殊阶段或多于一个阶段的实际切削刃，其功能为如上所限定的，所述刀具包括但不限于实质上未磨损或未使用状态下的刀具。
参照图5，根据现有技术，刀具的超硬构造30的一个实施方式具有：由前刀面34的边形成的切削刃32；形成至与切削刃32相邻的结构内的凹槽31；以及，包括该凹槽31作为后刀面的侧面36。区域62可以在径向拉伸状态下上升至切削刃32附近。使用时，在切削刃32处或在切削刃32附近，更具体地，在侧面36处产生的裂缝可以延伸一定长度，并且远离具有相对径向压力64（relative radialcompression）的区域而向着具有相对张力（relative tension）的区域62的表面蔓延，最终从前刀面34露出，使得与切削刃32相邻的刀具块以被称为“剥落”的断裂失效形式分离。这可能会限制刀具的有效使用期限。
参照图6A和6B，刀具的超硬构造30的实施方式具有：由前刀面34的边形成的切削刃32；被形成为与切削刃32相邻的结构中的凹槽31；以及，包括该凹槽31作为后刀面的侧面36。超硬构造30的实施方式包括位于结构30中的区域37和39之间的边界38。第一区域37可以包括例如超硬复合材料，并且第二区域39可以包括例如多晶金刚石（PCD）材料；在边界38和前刀面34间的距离d随着边界38远离切削刃32的延伸而增加。如果不希望被特定的原理限制，第一区域37和第二区域39的布置可以产生具有径向张力62的大的区域以及具有径向压力64的区域，其中至少一个位于切削刃32附近并且在前刀面34和边界间延伸。该布置可以导致在切削刃32的位置处或其近侧处生成的裂缝远离后刀面34偏转并且进入刀具体中，由此避免或至少延迟剥落或其他断裂现象。
如果不希望被限制于特定的原理，可认为边界可以被设置为克服或偏转至少一些切削刃附近产生的或更具体地由磨痕或在靠近磨痕的侧面部分上形成的裂缝，并且如果该裂缝没有被克服或该裂缝远离前刀面而偏转，则边界有可能在前刀面上形成剥落的碎片。边界可以从足够靠近切削刃的位置处延伸来达到该目的。在一些实施方式中，边界可以从靠近切削刃的超硬刀具的区域延伸，所述区域包括切削刃、靠近切削刃的前刀面的部分、靠近切削刃的侧面的部分以及在前刀面的所述部分和侧面的所述部分间限定的超硬刀具的内部空间。
参照图7，超硬刀具的超硬构造30的实施方式具有切削刃32、前刀面34、凹槽31和侧面36以及在结构30的区域37和39之间的边界38。边界38具有一般截头锥（frusto-conical）的形状并且基本上与所述构造的大体圆柱形的侧表面是同轴的。边界38的一部分从空间50延伸，该空间50包括以下区域并由其限定：前刀面区域52，其在前刀面34上从切削刃32在所有方向上延伸一定距离，该距离是切削刃32距正对边32'间的距离的最多约三分之一；侧面区域54，其在侧面36上从切削刃32在所有方向上延伸一定距离，该距离是侧面36处的超硬构造的厚度t的最多约四分之一或甚至最多约五分之一；以及，内部空间，其作为假想表面而在前刀面区域52和侧面区域54的界限之间延伸。
参照图8至图13，刀具的超硬构造30的这些实施方式中的每一个具有由前刀面34的一条边形成的切削刃32、形成至与切削刃32相邻的结构中的凹槽31以及包括该凹槽31作为后刀面的侧面36。超硬构造30的实施方式包括在结构30中的区域37和39之间的边界38，每一个区域分别包括多晶金刚石（PCD）材料或超硬复合材料，第一区域37的材料具有和第二区域39不同的热膨胀系数（CTE）；边界38和前刀面34之间的距离d随着边界38远离切削刃32的延伸而增加。区域37和39中的每一个具有互补的形状，从而组装在一起形成边界38。
参照图8，与超硬构造30的一个实施方式的前刀面34相邻的第一区域37可以具有用于形成至少一部分前刀面34的总体上平坦的面，以及总体上是凸型的底部，并且抵靠具有互补凹形的第二区域39而装配，从而形成与前刀面34的边相交的边界38，其部分可以形成最初的切削刃31。第一区域37总体上是像“碗”的形状。第一区域37沿着边界38结合到第二区域39，并且第二区域39可以结合到硬质合金基底（未示出）上。
参照图9，与超硬构造30的一个实施方式的前刀面34相邻的第一区域37可以具有用于形成至少一部分前刀面34的总体上平坦的面，以及总体上是凸型的底部，并且抵靠具有互补凹形的第二区域39而装配，从而形成与侧面36相交的边界38。第一区域37总体上是像“碗”的形状。第一区域37沿着边界38结合到第二区域39，并且第二区域39可以结合到硬质合金基底（未示出）上。
参照图10，与超硬构造30的一个实施方式的前刀面34相邻的第一区域37可以具有用于形成至少一部分前刀面34的总体上平坦的面，以及总体上是凸型的底部，并且抵靠具有互补凹形的第二区域39而装配，从而形成与前刀面34相交的边界38。第一区域37总体上是像“碗”的形状。第一区域37沿着边界38结合到第二区域39。
参照图11，与超硬构造30的一个实施方式的前刀面34相邻的第一区域37可以具有总体上环形的形状，并且抵靠具有互补形状的第二区域39而装配，从而形成与前刀面34相交的边界38。第一区域37沿着边界38结合到第二区域39。
参照图12，与超硬构造30的一个实施方式的前刀面34相邻的第一区域37可以具有埋头螺钉或钉头的一般形状，并且抵靠具有互补形状的第二区域39而装配，从而形成与前刀面34相交的边界38。第一区域37沿着边界38结合到第二区域39。
参照图13，与超硬构造30的一个实施方式的前刀面34相邻的第一区域37可以具有阶梯形碗或盘的一般形状，并且抵靠具有互补形状的第二区域39而装配，从而形成在至少一部分一系列阶梯或平台处形成的边界38。第一区域37沿着边界38结合到第二区域39。
为了偏转只有在实质磨损发生以后才变得明显的裂缝，可能希望推迟边界的实质有益效果，直到刀具磨损达到某种程度。参照图14A，刀具的超硬构造30的实施方式在实质上未磨损的状态下具有由前刀面34的一条边形成的切削刃32、形成至与切削刃32相邻的结构中的凹槽31以及包括该凹槽31作为后刀面的侧面36。超硬构造30的实施方式包括与前刀面34相邻的第一区域37和第二区域39，第一区域37和第二区域39结合在一起从而形成与前刀面34相交的边界38。参照图14B，由于在使用中所述构造的磨损而逐步地形成磨痕33，由此逐步地重新定义切削刃32的形状和位置，并且逐步地磨蚀凹槽，直到切削刃32与边界38相交，参照图14C。
图15示出了包括PCD材料的超硬构造30的一个实施方式，其中，在区域37和39之间的边界38与另一个边界52相交，该另一个边界52具有与切削刃32相邻的另一个区域50。
图16A示出了包括PCD材料的超硬构造30的一个实施方式，其中，位于第一区域37和第二区域39之间的边界38被设置为使得第一区域37是从前刀面34朝着硬质合金基底40延伸但不与其接触的同轴圆柱，第二区域39沿着界面41结合到硬质合金基底40上。
在另选的实施方式中（未示出），第一区域37延伸到具有基底40的界面41并形成至少其部分。
图16B和16C与图16A的实施方式的不同之处在于：第一区域37不是直圆柱，而是截锥的形式。在图16B中，第一区域37从前刀面34延伸到具有基底40的界面41上，并且圆锥的截锥顶端的表面形成具有基底40的界面41的一部分。相比之下，图16C的实施方式中的第一区域37并不总是从前刀面34延伸到具有基底40的界面41上，而是与界面41分隔开。
图16D和16F与图16B和16C的实施方式的不同之处在于：第一区域37被反转，使得截锥的底部形成图16D的实施方式中具有基底40的界面41的一部分并且在图16F中与其分隔开，在所述两个实施方式中，圆锥的截锥顶端形成前刀面34的一部分。
在图16E中，第一区域37基本上是圆锥形，该圆锥的顶端接触前刀面34，该圆锥的底部紧靠具有基底40的界面41并形成其一部分或全部。
在一些实施方式中，例如图16A至16F所示的示例中，第一区域37可以由例如DEC、PCD、PCBN、硬质材料、氮化物、硼化物或氧化物或其组合形成。第二区域39可以由例如PCD、DEC或PCBN形成。此外，第一区域37可以由例如多个层形成或由具有相邻层的交替层形成，该相邻层由不同PCD级别形成。各层的厚度可以是例如约100微米。形成该具有多层的第一区域的效果旨在通过操作刀具中残余的压力分布来协助控制裂痕的偏转，有效地引导裂痕远离刀具中的敏感区域，从而增加刀具的耐用性。各层可以位于基本平行于前刀面34的平面内或位于与前刀面34成一个角度的平面内。
本文所用的“生坯”是包括待烧结的晶粒的主体和将晶粒保持在一起的装置，比如粘合剂，例如有机粘合剂。超硬构造的实施方式可以通过包括制备含超硬材料和例如有机粘合剂的粘合剂的生坯的方法制造。所述生坯还可以包括用于促进超硬晶粒的烧结的催化剂材料。生坯可以通过将晶粒与粘合剂结合并且将他们形成一主体以及干燥该粘合剂来制成，该主体具有实质上与待烧结体相同的一般形状。至少一些粘合剂材料可以通过例如烧尽而被去除。生坯可以通过包括压缩过程、注射的方法或包括其他注塑、挤出、沉积成型的方法或其他方法来形成。生坯可以由包括晶粒和粘合剂的部件形成，所述部件是片、块或盘的形式，并且生坯可以由例如生坯自身形成。例如，超硬构造的生坯可以由用于各个区域中的每一个区域的不同的生坯形成，该生坯可以单独地形成为各个区域的通常预期形状并且可以被结合，从而形成由接触界面所限定的边界。
用于制造生坯的方法的一个实施方式包括：提供流延片，每一片包括通过粘合剂粘在一起的多个金刚石晶粒，该粘合剂为例如水基有机粘合剂；以及，以一个位于另一个之上的方式、在支承体的表面上堆叠这些流延片。不同的片包括具有不同大小分布、不同金刚石含量或添加剂的金刚石晶粒，不同的片可以选择性地堆积从而达到预期的结构。所述片可以由已知方法制造，例如拉伸或流延方法，其中，将包括金刚石晶粒和粘合剂材料的浆铺在表面上并且将其晾干。例如，也可以使用在美国专利申请5,766,394和6,446,740中所述的用于制造含金刚石的片的其他方法。用于沉积含金刚石的层的另选方法包括喷射方法，例如热喷射。
从现有技术可知，用于超硬构造的生坯可以被放置在基底上，例如硬质合金基底，从而形成预烧结组件，该组件可被封装在超高压熔炉的舱中。该基底可以提供用于促进超硬晶粒的烧结的催化剂源。在一些实施方式中，超硬晶粒可以是金刚石晶粒并且基底可以是钴钨硬质合金，基底中的钴是用于烧结金刚石晶粒的催化剂源。所述预烧结组件可以包括其他催化剂材料源。
在一个变型中，所述方法可以包括：将包括预烧结组件的舱加载到压力机中，并且使生坯经受超高压和一定温度，从而烧结超硬晶粒，其中在该温度下超硬材料是热力学稳定的。在一个实施方式中，所述生坯可以包括金刚石晶粒，所述压力是至少约5GPa，并且所述温度是最低约1300摄氏度。在一个实施方式中，所述生坯可以包括cBN晶粒，所述压力是至少约3GPa，并且所述温度是最低约900摄氏度。
超硬构造的一个实施方式可以通过以下方法制成，该方法包括：提供PCD结构和金刚石复合结构；将每一个结构形成为各自互补的形状；将所述PCD结构和所述金刚石复合结构装配到硬质合金基底上，从而形成未结合的组件；以及，使未结合的组件经受至少约5.5GPa的压力和最低约1250摄氏度的温度，从而形成PCD构造。
本发明的一个变型可以包括通过公开的方法制造金刚石复合结构，例如在公开号WO2009/128034的PCT申请中公开的用于制造超硬强化硬质合金材料的方法。可以通过结合所述颗粒并将其混合在一起而制备包括金刚石颗粒、硬质合金材料颗粒和例如钴的金属粘合剂材料的粉末混合物。任何有效的粉末准备技术都可以被用来混合所述粉末，例如多方向湿法或干法混合、行星式球磨以及使用高速搅拌器的高剪切混合。在一个实施方式中，金刚石颗粒的平均粒径可以是至少约50微米并且可以仅通过用手搅拌而将所述粉末与其他颗粒结合在一起。在所述方法的一个变型中，适合随后转换成硬质合金材料或粘合剂材料的前体材料可以被包含到所述粉末混合中，并且在本方法的一个变型中，金属粘合剂材料可以以适合浸润至生坯中的形式被引入。所述粉末混合物可以放置在冲模或模具中，并且可以通过例如单轴压缩或例如冷等静压（CIP）的其他压缩方法被压缩，从而形成生坯。生坯可以经受在现有技术中已知的用于烧结类似材料的烧结过程来形成烧结物，而不需要例如可以用于烧结钨硬质合金的金刚石。例如，所述生坯可以通过热压烧结或火花等离子体烧结的方式被烧结。根据烧结条件，金刚石颗粒可以整个地或部分地转换成例如石墨的非金刚石形式的碳。所述烧结颗粒可以经受后续的一定压力和温度下的处理，在所述压力和温度下，金刚石是热稳定的，从而将一些或全部非金刚石的碳转换回金刚石并且形成金刚石复合结构。金刚石合成领域已知的超高压熔炉的压力至少是5.5GPa，且温度最低是1250摄氏度。
超硬构造的一个实施方式可以通过以下方法来制造，所述方法包括以下步骤：针对金刚石复合结构提供PCD结构和前体结构；将每一个结构形成为各自互补的形状；将所述PCD结构和所述金刚石复合结构装配到硬质合金基底上，从而形成未结合的组件；以及，使该未结合的组件经受至少约5.5GPa的压力和最低约1250摄氏度的温度，从而形成PCD构造。所述前体结构可以包括硬质合金颗粒和金刚石或例如石墨的非金刚石碳材料以及包括例如钴的金属的粘合材料。所述前体结构可以是通过压缩包括金刚石或非金刚石碳颗粒以及硬质合金材料颗粒的粉末混合物并且压缩该粉末混合物而形成的生坯。
在一个实施方式中，超硬构造是由PCD形成的，并且包括在第一区域37和第二区域39间的边界38，所述第一区域37被放置在边界38和前刀面34之间并且第二区域39被放置在边界38和侧面36之间，第一区域37的PCD材料具有比第二区域38的PCD材料更低的热膨胀系数（CTE）。
具有期望的CTE的PCD材料可以通过选择金刚石晶粒的含量、填充材料的含量和类型、金刚石晶粒的粒度分布或平均粒径来实现。在一个实施方式中，PCD包括金刚石和第二物相，所述第二物相具有实质上大于金刚石的CTE，例如钴。金刚石的CTE相对较低，在室温下是每开尔文大约1微米，并且钴的CTE相对较高，在约室温下是每开尔文大约13微米。可以使用混合定律来估计PCD的CTE，并且其可以在约3.5至约5的范围内。在烧结过程后，保留在烧结金刚石的空隙间的钴或其他催化剂材料的量可以取决于金刚石晶粒的粒度分布，因为催化剂的量可以由金刚石晶粒间的孔体积限制，催化剂可以从基底或其他催化剂源渗入到气孔体积中。一般来说并且在其他条件都相同时，PCD材料中钴的含量越高，PCD材料的CTE越高。此外，当金刚石晶粒的平均粒径较小时，渗透到PCD内的钴的含量通常可以较高。
图17示出了用于钻入岩石的钻头60的一个实施方式，其包括刀具20安装在钻头体62上的实施方式，并且切削刃是刀具20的超硬构造的边32，被设置为用于切削岩石。除了出于切削岩石的目的，例如针对磨损提供保护，钻头16还可以包括超硬构造64。
现在将参照以下不旨在作为限制的示例详细描述一些实施方式。
示例1
用于金刚石复合结构的前体结构可以如下设置。制备粉末混合物，其包括：约9.3%重量比的、具有约6微米的平均粒径的金刚石晶粒；约82.7%重量比的、具有在约1微米至5微米的范围内的平均粒径的碳化钨晶粒，以及8%重量比的钴粉末。该粉末混合可以放置在压制模具中并且被单轴压缩，从而形成一般圆锥坯体，其包括30%体积比的金刚石颗粒，并且具有约5毫米的圆锥高度和约16毫米的圆锥直径。所述生坯可以在1400摄氏度的熔炉中被烧结约2小时，以烧结硬质合金材料，从而制造前体结构。生成的金刚石复合结构的杨氏模量预计为约715GPa，泊松比预计为约0.182，并且热膨胀系数预计为约4.04×10-6K-1。
通过在硬质合金基底上以至少约5.5GPa的压力和最低约1250摄氏度的温度来烧结金刚石晶粒，可以提供包括至少约90%体积比的、具有在约2微米至约5微米范围内的平均粒径的金刚石晶粒的PCD结构。所述PCD结构可以具有约2.2毫米的高度以及约16毫米的直径。可以通过在PCD结构内部进行研磨而形成锥形凹陷，所述凹陷的圆锥表面基本上从PCD结构的外周边延伸到PCD结构和所述基底间的界面上。所述凹陷可以被设置为容纳金刚石复合结构。
可以通过将金刚石复合结构插入到PCD结构中的凹槽内来提供未结合的组件。所述未结合的组件可以被封装到超高压熔炉的舱中并经受至少5.5GPa的压力和最低1250摄氏度的温度约10分钟，从而形成超硬构造。所述超硬构造包括超硬结构，该超硬结构包含完整地结合到PCD结构上并且完整地连接到硬质合金基底上的金刚石复合结构。
示例2
通过以至少约5.5千兆帕斯卡尔的压力和最低约1250摄氏度的温度将金刚石晶粒烧结到硬质合金基底上，可以提供包括至少约90%体积比的、具有在约2微米至约5微米范围内的平均粒径的金刚石晶粒的PCD结构。所述PCD结构可以具有约2.2毫米的高度以及约16毫米的直径。可以通过在PCD结构内进行研磨而形成锥形凹陷，所述凹陷的圆锥表面基本上从PCD结构的外周边延伸到PCD结构和所述基板间的界面上。所述凹陷可以被粉末混合物填充，从而形成预烧结组件，该混合物包括：约9.3%重量比的、具有约6微米的平均粒径的金刚石晶粒；约82.7%重量比的、具有在约1微米至5微米的范围内的平均粒径的碳化钨晶粒；以及，约8%重量比的钴粉末。
所述预烧结组件可以被封装到超高压熔炉的舱中，并且经受至少5.5千兆帕斯卡尔的压力和最低1250摄氏度的温度至少约10分钟，从而形成超硬构造。所述超硬构造包括超硬结构，该超硬结构包含完整地结合到PCD结构上并且完整地连接到硬质合金基底上的金刚石复合结构。
示例3
通过在硬质合金基底上以至少约5.5千兆帕斯卡尔的压力和最低约1250摄氏度的温度烧结金刚石晶粒，可以提供包括至少约90%体积比的、具有在约2微米至约5微米范围内的平均粒径的金刚石晶粒的PCD结构。所述PCD结构可以具有约2.2毫米的高度以及约16毫米的直径。可以通过在PCD结构内部进行研磨而形成锥形凹陷，所述凹陷的圆锥表面基本上从PCD结构的外周边延伸到PCD结构和所述基底间的界面上。所述凹陷可以被微粒填充，通过有机粘合剂材料保持在一起，从而形成预烧结组件，该微粒包括具有在约5微米至约15微米范围内的平均粒径的金刚石颗粒。
所述预烧结组件可以被封装到超高压熔炉的舱中，并且所述有机粘合剂材料可通过对所述预烧结组件进行加热处理而被烧尽。然后所述预烧结组件可以经受至少约5.5千兆帕斯卡尔的压力和最低1250摄氏度的温度大约10分钟，从而形成超硬构造。所述超硬构造包括超硬结构，该超硬结构包含整体地结合到PCD结构上并且整体地连接到硬质合金基底上的金刚石复合结构。
如果不希望被特定的原理限制，PCD主体中存在的每一个具有各自不同CTE的区域可能倾向于在PCD体内发生剩余应力的错配，该错配可能是在例如PCD主体被烧结后冷却时由所述区域的各个不同热收缩比率而产生的。反过来，这可能导致一些区域处于压缩残余应力状态而其他区域处在拉伸残余应力状态。由于裂缝倾向于优先朝向并穿过拉伸区域并且远离压缩区域而传播，可以通过控制区域内的应力状态来控制PCD材料的断裂，该控制可以通过控制各个区域的组分来获得。在PCD构造内的残余应力状态可以通过应变仪并通过逐步地一层一层移除材料以及在连续材料移除步骤之后将应变仪应用至该材料上而测得。
在超硬刀具的一些实施方式中，产生在侧面36上的裂缝可以远离前刀面34而偏转。另外，出现在或穿过边界38渗透到在前刀面34和边界38之间的区域37内的裂缝可以比在边界38和侧面36之间的区域39内的裂缝更缓慢地传播。上述一种或两种情况都可能发生，并且具有相对低的耐磨性和强度的材料可以靠近前刀面34而被设置，其最低程度可以在侧面36处或在由区域37、39和在它们之间的边界38的构造而产生的磨痕处露出。由于高耐磨性和减少了在切削刃或靠近切削刃处、特别是在侧面或磨痕上的剥落这样的结合的优点，所述实施方式展示了特别延长的使用寿命。
Claims (20)
1.一种包括超硬构造的刀具，所述刀具具有由前刀面限定的切削刃和从所述切削刃延伸的侧面，并且包括第一区域和第二区域，所述第一区域沿着边界与所述第二区域邻接，所述第一区域具有与所述第二区域不同的材料组分，第一和第二区域都包括超硬材料，其中所述第一区域的材料具有和所述第二区域的材料不同的热膨胀系数（CTE）；所述区域被设置为使得至少部分所述边界大体远离所述前刀面和所述侧面而延伸，所述边界还大体远离所述切削刃的近侧或远离所述切削刃而延伸。
2.如权利要求1所述的刀具，其中，所述第二区域绕着由所述边界限定的所述第一区域的外周边而延伸，从而绕着所述外周边形成一个圈，所述第一区域和/或所述第二区域延伸至所述前刀面和/或形成至少一部分所述前刀面。
3.一种包括超硬构造的刀具，所述刀具具有由前刀面限定的切削刃和从所述切削刃延伸的侧面，并且包括第一区域和第二区域，所述第一区域沿着边界与所述第二区域邻接，所述第一区域具有与所述第二区域不同的材料组分，第一和第二区域都包括超硬材料，其中所述第一区域的材料具有和所述第二区域的材料不同的热膨胀系数（CTE）；所述第二区域绕着由所述边界限定的所述第一区域的外周边延伸，从而绕着所述外周边形成一个圈。
4.一种包括超硬构造的刀具，所述刀具具有由前刀面限定的切削刃和从所述切削刃延伸的侧面，并且包括第一区域和第二区域，所述第一区域沿着边界与所述第二区域邻接，所述第一区域具有与所述第二区域不同的材料组分，所述第二区域包括超硬材料，其中所述第一区域的材料具有和所述第二区域的材料不同的热膨胀系数（CTE）；所述第二区域绕着由所述边界限定的所述第一区域的外周边延伸，从而绕着所述外周边形成一个圈，所述第一区域和/或所述第二区域延伸至所述前刀面和/或形成至少一部分所述前刀面。
5.如权利要求3所述的刀具，其中，所述第二区域延伸至所述前刀面并形成至少一部分所述前刀面。
6.如前述任意一项权利要求所述的刀具，其中，所述第一区域具有第一组分并且被设置在所述边界和所述前刀面之间，所述第一区域包括超硬复合材料；并且其中，所述第二区域包括PCS材料并且被设置在所述边界和所述侧面之间。
7.如权利要求6所述的刀具，其中，所述超硬复合材料包括分散在包括硬质合金材料的基体中的、至少20%体积比的金刚石颗粒。
8.如权利要求6或7中任意一项所述的刀具，其中，所述PCS材料包括多晶金刚石（PCD）材料。
9.如前述任意一项权利要求所述的刀具，其中，所述边界与所述切削刃相交或与所述刀具的靠近所述切削刃的露出表面相交。
10.如权利要求1至8中任意一项所述的刀具，其中，所述边界在距所述切削刃最多大约500微米的范围内与另一个边界相交，所述另一个边界由所述刀具的露出表面限定或由所述刀具内的区域限定。
11.如权利要求1至8中任意一项所述的刀具，其中，至少部分所述边界相对于所述前刀面或相对于一端部表面呈一角度而设置，所述角度最小是5度且最大是80度。
12.如前述任意一项权利要求所述的刀具，其中，所述第一和第二区域是同轴的。
13.如前述任意一项权利要求所述的刀具，其中，靠近所述切削刃的、所述前刀面的至少一部分基本上是平面的。
14.如前述任意一项权利要求所述的刀具，其中，所述第一或第二区域中的至少一个区域基本上不含有针对各自的超硬材料的催化剂材料。
15.如前述任意一项权利要求所述的、适用于用于钻入地面的旋转钻头的刀具。
16.如前述任意一项权利要求所述的刀具，其中，所述第一区域的所述材料具有比所述第二区域的所述材料更低的热膨胀系数（CTE）。
17.一种制造如前述任意一项权利要求所述的刀具的方法，所述方法包括以下步骤：
形成包括超硬材料且在其内具有凹槽的第一结构；
限定边界；
将用于制造PCS材料或超硬复合材料的前体材料引入所述凹槽中，从而形成预烧结组件；并且，
在针对超硬材料的烧结助剂的作用下，使预烧结组件经受压力和温度，所述超硬材料在所述压力和温度下是热力学稳定的；以及，
烧结所述超硬材料。
18.如权利要求17所述的方法，所述前体材料包括未经烧结的多个混合的超硬颗粒、硬质合金颗粒和金属。
19.如权利要求17所述的方法，所述前体材料包括通过有机粘合剂材料而保持在一起的超硬材料晶粒。
20.如权利要求17所述的方法，所述前体材料是片、盘、箔、丸或块的形式。
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