CN103261565A - 具有倾斜超硬研磨层的切削元件结构 - Google Patents

Abstract

一种超硬研磨致密切削元件，例如在剪切刀具头中使用的刀片。所述切削元件包括超硬研磨材料层，其设有不同的形状和相对于基体的不同的位置，以便提高切削元件的耐磨性能。所述切削元件包括顶表面、底表面和外周表面。所述切削元件还包括：含多晶金刚石（PCD）或立方氮化硼（CBN）的至少一个超硬研磨材料部；支承所述至少一个超硬研磨材料部的基体；以及交界面，所述至少一个超硬研磨材料部和基体在该交界面处接合。所述交界面以小于约40°的倾斜角向下倾斜，并且/或者所述切削元件具有沿着所述切削元件的外周表面在纵向方向上测量的大于约3mm的所述至少一个超硬研磨材料部的纵向厚度。

Description

具有倾斜超硬研磨层的切削元件结构

技术领域

本公开涉及超硬研磨致密切削元件，例如，在剪切刀具头或其它旋转切削工具中使用的刀具。更具体而言，切削元件包括超硬研磨材料层，也被称作台，其设有不同形状和相对于基体的不同位置，以提高切削元件的耐磨性能。本公开还涉及包括至少一个切削元件的剪切刀具头。

背景技术

在接下来的背景技术的讨论中，参考某些结构和/或方法。但是下面的参考不应认为承认这些结构和/或方法构成现有技术。申请人明确地保留表明这样的结构和/或方法不作为现有技术的权利。

在剪切刀具头中使用的目前可购买到的切削元件使用大于2000努普硬度的超硬研磨材料，例如，但不限于，单晶金刚石、多晶金刚石（PCD）、热稳定多晶金刚石、CVD金刚石、金属基材的金刚石复合物、陶瓷基材的金刚石复合物、纳米金刚石、立方氮化硼和超硬研磨材料的组合。超硬研磨层或台被粘着地支承或接合到通常由钴碳化钨（Co-WC）制成的基体、支柱或支杆。整体形状通常为圆柱形。金刚石台相对于Co-WC支杆的位置直接在顶部上。从侧视图观察，总体结构为层状结构，其中金刚石台形成顶部并且Co-WC支杆形成底部。

图13A为包括至少一个常规切削元件102的常规剪切刀具头100的示例，该常规切削元件102包括超硬研磨材料104和基体106。切削元件102钎焊或压制到剪切刀具头100中，用于地下地层钻进。切削元件102以被称作后倾角β的特定角度安装到剪切刀具头100中。后倾角β为在剪切刀具头轴线110与超硬研磨材料的前表面112之间的角度。在许多剪切刀具头中，后倾角在约15°与约25°之间，但可高达30°或甚至45°。

如图13A所示，切削元件在切削操作期间将刨开并剪切地下地层108中的孔的底部。如图13B所示，在一定钻进时间后，切削元件通常具有带有约等于后倾角β的磨损角γ的磨损图案或磨损表面114。磨损角γ为在切削元件纵向轴线116与磨损表面114之间的角度。

图14示出了切削元件102在其由于磨损而从剪切刀具头100移除后的顶部透视图。磨损表面114在磨损表面底部118延伸到基体106中。

可通过具有冷却剂的立式转塔车床（VTL-c）测试来测量切削元件耐磨性能，其中，利用切削元件来对花岗岩材料（granite log）进行机械加工。通过在竖直轴线上绘制切削元件磨损体积和切削元件沿着水平轴线已经行进穿过花岗岩材料的线性距离，以曲线图表示耐磨性能。常规切削元件的VTL-c的曲线具有拐点，在拐点时，刀具元件磨损体积开始相对于线性距离快速地加速。另外，已确定拐点通常与磨损表面（114）延伸超过超硬研磨台并且超过在超硬研磨材料与基体之间的交界面时的情形相关。拐点出现的原因在于，由基体特别是Co-WC与地下孔中的岩石摩擦所生成的热使得超硬研磨材料变差或损坏并且使得切削元件更易于出现磨损失效。

还确定了能够通过增加超硬研磨材料的厚度而延迟拐点和加速的刀具刀片磨损。但是，简单地增加超硬研磨台的厚度由于在高压高温（HPHT）烧结过程期间和之后与Co-WC基体的热膨胀系数失配而导致超硬研磨材料中增加的应力。热膨胀系数失配可导致超硬研磨材料由于水平开裂或分层而失效。特别地，商业切削元件具有被限制为不超过3毫米厚的超硬研磨材料，以避免分层和失效问题。

发明内容

所公开的切削元件通过采用与上侧的超硬研磨材料层覆盖下侧的基体的常规层状结构不同的结构而提高了切削元件的耐磨性或延长了切削元件的切削寿命。所公开的切削元件将通过避免在基体与待切削的表面之间的接触而推迟或排除在VTL-c测试中观察到的拐点的开始。在钻进期间，仅超硬研磨材料接触待切削的表面，并且超硬研磨层并不会遭遇到厚超硬研磨层设计所面对的不利的由于应力造成的失效。

本发明的第一方面涉及一种切削元件，该切削元件包括顶表面、底表面、连接顶表面与底表面的外周表面以及穿过切削元件中心的纵向轴线。该切削元件还包括：至少一个超硬研磨材料部；基体，其支承所述至少一个超硬研磨材料部；以及交界面，其中所述至少一个超硬研磨材料部和基体在该交界面处接合。交界面相对于顶表面向下倾斜，使得所述交界面形成倾斜角，该倾斜角为在纵向轴线与包含在倾斜表面内的线之间的最小可能的角度，其小于约40°。

倾斜平面为至少在三个非共线的点处接触交界面并且还使基体位于平面的仅一侧上的平面，或者，在并不存在在至少三个非共线的点处接触交界面并且使基体位于平面的仅一侧上的平面的情况下，倾斜平面为切平面，该切平面合并了沿着外周表面具有最大的纵向外周厚度的点。

本发明的第二方面涉及一种切削元件，其包括顶表面、底表面、连接顶表面与底表面的外周表面以及垂直于顶表面和底表面延伸的纵向轴线。该切削元件还包括至少一个超硬研磨材料部和支承所述至少一个超硬研磨材料部的基体。沿着切削元件的外周表面在纵向方向上测量的所述至少一个超硬研磨材料部的纵向厚度大于约3mm。

本发明的第三方面和第四方面各涉及用于地下钻进的剪切刀具头，该剪切刀具头分别包括根据第一方面或第二方面的至少一个切削元件。

应了解前文的一般描述和下文的详细描述为示例性的和解释性的，并且旨在提供所要求保护的本发明的进一步解释。

附图说明

下文的详细描述可结合附图来理解，在附图中，相同的附图标记表示相似的元件并且在附图中：

图1示出了包括虚构倾斜平面的根据本发明的实施例的切削元件的顶部透视图。

图1A示出了沿着线I-I所截取的图1的切削元件的横截面图。

图2示出了图1的切削元件的顶视图。

图3示出了图1的切削元件的侧视图。

图4示出了根据本发明的第二实施例的切削元件的顶视图。

图5示出了图4的切削元件的侧视图。

图6示出了根据本发明的第三实施例的切削元件的顶部透视图。

图7示出了根据本发明的第四实施例的切削元件的顶部透视图。

图7A示出了沿着线I-I所截取的图7的切削元件的横截面图。

图8示出了根据本发明的第五实施例的切削元件的顶部透视图。

图8A示出了沿着线I-I所截取的图8的切削元件的横截面图。

图9示出了包括虚构倾斜平面的根据本发明的第六实施例的切削元件的顶部透视图。

图9A示出了沿着线I-I所截取的图9的切削元件的横截面图。

图10示出了包括虚构倾斜平面的根据本发明的第七实施例的切削元件的顶部透视图。

图11示出了根据本发明的第八实施例的切削元件的顶部透视图。

图12a至图12g示出了根据本发明的又一实施例的切削元件的截面图。

图13A示出了在切削操作期间的带有常规切削元件的剪切刀具头。

图13B示出了在发生了一定时间段的磨损之后带有常规切削元件的剪切刀具头。

图14示出了在发生了一定时间段的磨损之后的常规切削元件。

图15为描绘了VTL-c测试的结果的曲线图。

图16为描绘了另一VTL-c测试的结果的第二曲线图。

图17示出了根据本发明的第九实施例的切削元件的顶部透视图。

图17A示出了图17的切削元件的顶部线框图。

图18示出了根据本发明的第十实施例的切削元件的顶部透视图。

图18A示出了图18的切削元件的顶部线框图。

图19示出了根据本发明的第十一实施例的切削元件的顶部透视图。

图19A示出了图19的切削元件的顶部线框图。

图20示出了根据本发明的第十二实施例的切削元件的顶部透视图。

图20A示出了图20的切削元件的顶部线框图。

具体实施例

定义

除非另外定义，否则本文所用的所有术语具有与本发明所属领域的普通技术人员通常理解的意义相同的意义。

如本文所用的以下术语中的每一个均具有在该部分中与它相关联的意义。

如本文所用的“纵向轴线”指沿纵向方向延伸穿过切削元件的中心的圆柱轴线。

如本文所用的“圆柱”是指具有单个旋转轴线的任何旋转体。

如本文所用的“交界面”是指在超硬研磨材料部与基体之间的交界面。

如本文所用的“外周表面”指切削元件的与顶表面和底表面连接的外表面。

如本文所用的“纵向外周厚度”指沿着切削元件的外周表面在纵向方向上测量的材料厚度。例如，超硬研磨材料的纵向外周厚度将为沿着切削元件的外周表面在纵向方向上测量的超硬研磨材料的厚度。

如本文所用的“超硬研磨材料厚度”指超硬研磨材料部的厚度。通过如下测量而在沿着交界面的任何给定位置处测量超硬研磨材料的厚度，即：测量在超硬研磨材料内仅从沿着交界面的该位置到切削元件的外表面的最短距离。如本文所用的“最大超硬研磨材料厚度”指当根据上面的方法测量时沿着交界面的具有最大超硬研磨材料厚度的位置处的超硬研磨材料部的厚度。

如本文所用的“截面平面”指切割该切削元件的平面，该平面合并了纵向轴线和沿着外周表面的具有超硬研磨材料的最大的纵向外周厚度的点。

如本文所用的“倾斜平面”指在交界面上的至少三个非共线的点处接触交界面并且不切穿基体的任何部分的平面，或者，在并不具有在至少三个非共线的点处接触交界面并且还使基体位于平面的仅一侧上的平面的情况下，倾斜平面为合并了沿着外周表面的具有最大的纵向外周厚度的点的切平面。

如本文所用的“倾斜线起点”指在外周表面上的具有超硬研磨材料的最大的纵向外周厚度的点。

如本文所用的“倾斜线”指在合并了纵向轴线的平面中的线，该纵向轴线始于倾斜线起点并且还在除了倾斜线起点之外的至少一个位置处与交界面线相交，使得基体位于该线的仅一侧上。

如本文所用的“倾斜角”指在纵向轴线与倾斜平面所包含的线之间的最小可能的角度。另外，如果存在多于一个的倾斜平面，那么倾斜角为可能的倾斜角中的最小的。

如本文所用的“倾斜线角”指形成于倾斜线与纵向轴线之间的角度。

描述

公开了改进的切削元件的实施例，改进的切削元件包括例如，在钻地剪切刀具头或其它旋转切削工具中使用的超硬研磨切削元件。除了其它改进之外，改进的切削元件还包含更好的切削元件寿命和耐磨性。具体而言，改进的切削元件能推迟或排除与切削元件所切削的线性距离相比时体积磨损比率开始加速的点。在不受到任何特定理论限制的情况下，认为因为超硬研磨材料相对于基体的具体形状和定位在切削元件使用和磨损期间有助于避免基体与待切削的材料接触而实现了这个目的。

在图1-图3所示的第一实施例中，切削元件10包括基体12和至少一个超硬研磨材料部14。超硬研磨材料部14在交界面16处接合到基体12。切削元件10包括顶表面20、底表面22和外周表面24。纵向轴线A垂直于切削元件的顶表面和底表面(20、22)延伸。基体在中心和至少在外周表面24的两个相对置部分从底表面22延伸到顶表面20。以该方式，切削元件的顶表面20的中心部分和两个相对置侧部包括未被覆盖的基体。超硬研磨材料部14位于切削元件的外周表面24的相对置部分上。因为超硬研磨材料部14在相对于纵向轴线26从顶表面20向下并且向外倾斜的交界面处接合到基体，所以超硬研磨材料部在顶表面20的两个对置侧部处覆盖基体。倾斜平面17存在于图1中，其中该平面在三个非共线的点处接触交界面16，其中，基体12位于该平面的仅一侧。

在图1中的交界面16中的每个均从顶表面20向外周表面24向下并且向外倾斜。图1A为沿着线I-I所截取的图1的切削元件的截面。交界面16相对于纵向轴线A形成倾斜角α。倾斜角α为在纵向轴线与在倾斜平面17内包含的线之间的最小可能的角度。图1A示出了包含于倾斜平面内的与纵向轴线成最小可能的角度的线19。

切削元件10还具有等于倾斜角的倾斜线角。基于倾斜线18相对于纵向轴线A的角度来确定该倾斜线角。倾斜线18沿着交界面16从倾斜线起点32延伸。以该方式，基体12仅存在于倾斜线18的向下侧上。倾斜线起点32为交界面16与外周表面相交的点，其中超硬研磨材料具有其最大的纵向外周厚度（d）。

在某些实施例中，倾斜角小于约40°。在更多的某些实施例中，倾斜角为大约39°或更小。在另外的某些实施例中，倾斜角为约35°或更小，30°或更小，或者25°或更小。另外，在具体实施例中，倾斜角大于约1°。在更具体的实施例中，倾斜角大于约5°。在另外的更具体的实施例中，倾斜角为约15°或更大。

而且，能够基于切削元件的预期的磨损图案来对于这些实施例中的任一实施例设定倾斜角。例如，当切削元件用作用于地下地层钻进的剪切刀具头中的刀具刀片时，切削元件以特定后倾角安装于剪切刀具头中，该后倾角为在钻头轴线与切削元件的前表面之间的角度。如图13B所示，在剪切刀具钻进期间，在作为切削元件的延长使用期间，切削元件沿着磨损角γ磨损，该磨损角γ为在刀具刀片轴线与磨损表面之间的角度。此外，如图13B所示，磨损角γ约等于后倾角β。因此，在某些实施例中，为了在切削元件磨损期间使超硬研磨材料部与待切削的材料之间的接触最大，倾斜角α可约等于预期的后倾角。许多切削元件以从约15°至约25°的后倾角安装到剪切刀具头上，而且因此，在某些实施例中，倾斜角α为约15°至约25°。

尽管当设定倾斜角时应考虑切削元件的磨损图案，但是其它因素可有助于形成不同于后倾角的角度。例如，在超硬研磨材料与基体之间的结合强度，在切削期间超硬研磨材料内的最佳的应力减少，以及制造的容易度全都有助于形成最佳倾斜角。

在某些实施例中，如在以下中但不限于单晶金刚石、多晶金刚石（PCD）、热稳定多晶金刚石、CVD金刚石、金属基材的金刚石复合物、陶瓷基材的金刚石复合物、纳米金刚石、立方氮化硼、超硬研磨材料的组合或者在超硬研磨切削元件中使用的其它超硬研磨材料中所发现的，超硬研磨材料部具有超过2000的努普硬度。在更多的特定实施例中，超硬研磨材料部包括具有粘结剂材料的烧结多晶金刚石。示例性粘结剂元素包括金属，例如钴、镍、铁或包含这些金属中的一种或更多种金属以及诸如硅的非金属的合金。粘结剂元素还可包括在超硬研磨材料的粘结相中所用的任何已知的添加剂。

粘合剂材料可在金刚砂之间存在的孔隙内保留在金刚石层中或者可被移除，以及任选地由本领域中已知的另外的材料代替，以形成所谓的热稳定金刚石。通过浸析或者使金刚石台与硅一起形成来移除粘结剂，硅为热膨胀系数与金刚石类似的材料。在现有技术中存在这种一般工艺的变型。

另外，在某些实施例中，基体可为适合于在使用应用中支承超硬研磨台的任何材料。对于地下剪切刀具头而言，基体包括硬金属碳化物。示例性碳化物包括碳化钨、碳化钛或碳化钽或其组合。用作基体的碳化物的示例为碳化钨。在更多的某些实施例中，基体还包括粘结剂，诸如钴、镍、铁或含有这些金属中的一种或更多种以及诸如硅的非金属的合金。粘结剂元素还可包括在碳化物杆的粘结相中使用的任何已知的添加剂。基体还可包括较小百分比的立方碳化物，例如碳化铌、碳化钒、碳化铪、碳化铬和碳化锆。

向下倾斜的倾斜角的另一优点在于由超硬研磨材料形成外周表面24的更大部分，而不增加切削元件的超硬研磨材料部14的厚度。用于延长作为剪切刀具头或其中仅超硬研磨材料与待切削的材料接触的其它旋转工具上的刀具刀片的使用时间的一种可能的解决方案是，增加在切削元件的顶表面上的超硬研磨材料层的厚度。但是，存在使用更厚的超硬研磨材料的缺点。例如，因为超硬研磨材料变得更厚，由于与基体的热膨胀系数失配，所以在超硬研磨材料内存在增加的应力，这常常会因水平开裂或分层而造成失效。

向下倾斜的倾斜角提供其中纵向外周厚度（d）大于最大研磨材料厚度（t）的切削元件，其中纵向外周厚度为沿着切削元件的外周表面在纵向方向上测量的研磨材料部的厚度，最大研磨材料厚度根据其在上文中的定义来测量。如在图1的第一实施例中所示，沿着外周表面24从顶表面20到交界面16的纵向外周厚度（d）显著地大于超硬研磨材料部14的最大研磨材料厚度（t）。

在某些实施例中，沿着外周表面在纵向方向上从顶表面到交界面的纵向外周厚度大于约3mm。在更多的某些实施例中，该距离为约4mm或更大。在另外更多的某些实施例中，该距离为约5mm或更大。而且，在某些实施例中，纵向外周厚度与最大研磨材料厚度比（d/t）大于约1.5。在更多的某些实施例中，该比为约2或更大。在更多的某些实施例中，该比为约2.5或更大。在更多的某些实施例中，该比为约3或更大。

在图1至图3中所示的第一实施例具有直边缘，外周表面24与顶表面20在该直边缘处会合。然而，在第二实施例中，边缘可被斜切，以形成斜切部。这样的实施例在图4至图5中示出，其类似于第一实施例，除了在顶表面20周围的斜切部18之外。

图1至图3的第一实施例包括两个超硬研磨材料部14。具有两个超硬研磨材料部通过去钎焊-钎焊切削元件而能够实现对切削元件的再使用，使得未磨损的超硬研磨材料部与待切削的材料接触。但是，在不希望再使用或者再使用不可行的情况下，其它实施例包括仅一个超硬研磨材料部。图6所示的第三实施例为这样的实施例，其中，切削元件30包括基体32和具有单个交界面36的仅一个超硬研磨材料部34。应当指出的是图6的实施例类似于第一实施例和第二实施例，除了具有仅一个超硬研磨材料部34，而不是两个超硬研磨材料部34。

在其它实施例中，切削元件包括多于两个的超硬研磨材料部。当存在超过一个的超硬研磨材料部时，这些超硬研磨材料部能够以任何可能的图案分布。在某些实施例中，这些超硬研磨材料部绕切削元件的外周表面均匀地分布。例如，在存在两个超硬研磨材料部的情况下，这些超硬研磨材料部在切削元件的外周表面的相对置部分上，如图1至图5所示。另外，在图7所示的第四实施中，具有在三个交界面46处接合到切削元件的基体42的三个超硬研磨材料部44，每个超硬研磨材料部44绕切削元件的外周表面以120°间隔开。因为能够允许转位能力，所以均匀分布能够允许在再使用应用中更均匀的磨损。也可使用多于三个的超硬研磨材料部，其中，对超硬研磨材料部的数目的限制至少部分地取决于切削元件的大小和在使用期间可能的磨损表面的大小。

另外，图7A示出沿着线I-I所截取的图7的切削元件的截面。图7A示出了倾斜角α，如在第一实施例中所限定的，倾斜角α为在包含于倾斜平面中的线49与纵向轴线A之间的最小可能的角度。线49同样如第一实施例所限定的那样。同样，类似于第一实施例，关于倾斜线起点47限定倾斜线48，并且倾斜线48形成等于倾斜角的倾斜线角。

在另外的实施例中，切削元件包括具有一个或更多个向下倾斜的交界面部的单个超硬研磨材料部。以该方式，单个超硬研磨部可覆盖切削元件的整个顶表面或者至少切削元件的顶表面的中心部分。

例如，图8中的第五实施例示出了切削元件50，包括覆盖切削元件的整个顶表面55的超硬研磨材料部54。超硬研磨材料部54在交界面56处接合到基体52。交界面56具有一个向下倾斜部，使得为沿着切削元件的外周表面60从顶表面55到交界面56的距离的纵向外周厚度(d')大于超硬研磨材料部54的最大研磨材料厚度（t’）。

图8A示出了沿着图8中的线I-I所截取的切削元件50的截面图。图8A还示出了在第五实施例中的倾斜角α，倾斜角α为在倾斜平面中的线59与纵向轴线A之间的最小可能的角度。类似于第一实施例，倾斜平面为在三个非共线的点处接触交界面16的平面，其中基体52位于该平面的仅一侧。

同样，类似于第一实施例，倾斜线58为沿着图8中的线I-I所截取的截面平面中始于倾斜线起点57并且还与交界面线56相交使得基体位于该线的仅一侧的线。倾斜线起点57为在超硬研磨材料54具有其最大的纵向外周厚度(d')处的点。另外，类似于第一实施例，在倾斜线58与纵向轴线A之间的倾斜线角等于倾斜角。

图9和图9A所示的第六实施例包括接合超硬研磨材料部64与基体62的交界面66的两个向下倾斜的部分。倾斜角α为在纵向轴线A与在倾斜平面65中的线69之间的最小可能的角度。另外，等于倾斜角的倾斜线角形成于纵向轴线A与倾斜线68之间，以与第五实施例中相同的方式关于倾斜线起点67限定该倾斜线68。倾斜角α可具有如在上文中对于先前所描述的实施例的倾斜角所限定的值。

图10示出了切削元件70的第七实施例，包括在交界面76处接合到基体72的单个超硬研磨材料部74。该实施例类似于第一实施例，除了超硬研磨材料部74并不覆盖整个顶表面78。替代地，超硬研磨材料部74覆盖切削元件的顶表面78的中心部和两个侧部，使得顶表面78的两个侧部包括未覆盖的基体。

图11示出了切削元件80的第八实施例，包括以类似于图7的实施例的方式在交界面86处接合到基体82的三个超硬研磨材料部84。与图7的实施例的不同之处在于：顶表面超硬研磨材料部88接合到切削元件的顶表面87。顶表面超硬研磨材料部88并不延伸到外周表面89中的任何部分，并且一些基体82保持在切削元件的顶表面87上未被覆盖。

图12a至图12g示出了切削元件90a-90g的另外的实施例的截面图，切削元件90a-90g包括分别在交界面96a-96g和/或96a'-96f’处接合到超硬研磨材料部94a-94g和/或94a'-94f’的基体92a-92g。切削元件90a-90g还包括倾斜角α，其为在倾斜平面中的线97a-97g和/或97a'和/或97e'与纵向轴线A之间的最小可能的角度。根据对上面其它实施例的倾斜平面提供的定义来确定倾斜平面。

另外，在纵向轴线A与倾斜线98a-98g和/或98a'和/或97e'之间存在倾斜线角。根据在上文中对于其它实施例的倾斜线所提供的定义来关于倾斜线起点95a-95g、95a'、95e'确定倾斜线98a-98g、98a'、97e'。

如图12a和图12d所示，交界面可为平面的，其中上文所描述的倾斜线与交界面本身是共面的。如图12a、图12c-图12f所示，其中在单个切削元件中存在多个超硬研磨材料部，这些超硬研磨材料部可具有不同的大小和形状。而且，图12b示出了交界面可为平面的，其中上文所描述的倾斜线并不与交界面共面。这种情况在其中交界面并不沿着外周表面在研磨材料具有其最大的纵向外周厚度的点与外周表面相交的实施例中出现。另外，如从图12a、图12c-图12g所示，如上文所限定的倾斜角可在上文所描述的范围内，而交界面可具有多种不同的形状或角度。例如，交界面可为平面的、非平面的、弯曲的或其组合。具体示例包括波浪、阶梯形状和波形。另外，交界面可包括隆起、沟槽、图案、凹槽、山坡形、山谷形、壁、突起或其组合。此外，交界面的部分可包括相对于切削元件的纵向轴线为任何正、零或负值的角度。图12g的实施例特别地有关于超硬研磨材料内的应力管理和其与基体的结合。

图17和图17A示出了切削元件120的第九实施例，包括在交界面126处接合到基体122的超硬研磨材料部124。交界面126包括突出的波形。这样的交界面与上文所限定的平面相比形成多于一个的倾斜平面，但仅一个倾斜平面包括在倾斜平面中的线与纵向轴线之间的最小可能的角度。

图18和图18A示出了切削元件130的第十实施例，包括在交界面136处接合到基体132的超硬研磨材料部134。交界面136包括平滑凸形平面或凸出/向上翘曲但不成波状的波动或波浪。这样的交界面未能如其在上文中所限定的那样形成任何倾斜平面，这是因为并不存在至少在三个非共线的点处接触交界面并且使基体位于该平面的仅一侧上的平面。

图19和图19A示出了切削元件140的第十一实施例，包括在交界面146处接合到基体142的超硬研磨材料部144。交界面146包括在交界面中心延伸超过切削元件140的纵向轴线的凹槽或沟槽。

图20和图20A示出了切削元件150的第十二实施例，包括在交界面156处接合到基体152的超硬研磨材料部154。交界面156为波浪形，其具有朝向超硬研磨材料部突出、向上向交界面中心延伸的突脊。

尽管在附图中示出所有实施例为圆柱形切削元件，但是切削元件也可为具有任何所希望的多边形状的顶表面和/或底表面的多边形棱柱。另外，如在下文的权利要求书所限定的本发明的范围内，上文所描述的实施例中的任何实施例的上文所描述的元件中的任何元件能够以多种不同的组合来组合，以产生另外的实施例。

本发明的其它替代实施例包括椭圆形、三角形、正方形、棱柱形、矩形或其它形状的切削元件。切削表面可包括诸如突肋、突起、凹部、球齿、通道、半球形、圆锥形、凸出和其它切削表面形状的特征结构。而且，设想到切削表面的外周将具有斜切部。另外，在基体与超硬研磨材料部之间的交界面可包括多种机械变型（例如，突脊、凸起、凹陷、凹槽、波浪或凹窝或化学改型），以提高在超硬研磨材料部与基体之间的粘合以及在所采用材料之间的应力处理。

其它实施例包括诸如在美国专利申请公开No.20080178535和美国专利No.7,316,279中所教导的倾斜的结构和组成物。

根据上文所描述的实施例的切削元件能够通过多种不同的方法来生产。示例性方法包括形成钴碳化钨圆柱体和线EDM切铬交界面所希望的倾斜和图案，以形成碳化物支杆或基体。然后，将碳化物支杆放置到金属杯中，并且使倾斜表面向上。金属杯可由Ta,、Zr、Mo、Nb或任何其它已知用于高压高温（HPHT）烧结的杯的金属形成。将金刚石进料加载到杯中，以填充碳化物倾斜面与金属杯内壁之间的空间。可选地，杯可经受振动或重击，以实现尽可能高的致密密度。将金属盘置于顶部或者将杯卷边，以密封整个组件并且将组件放置到HPHT烧结工艺中。最后，根据已知的HPHT烧结工艺来烧结该组件。示例性方法的一种替代方案包括在支杆的压制和烧结过程中形成具有凹槽和压痕、隆起物等的碳化物支杆，使得能够排除切削步骤。示例性方法的另一替代方法是对超硬研磨材料进行线EDM切割，以对应于线EDM切割的碳化物支杆，并且然后将超硬研磨材料结合到碳化物支杆。HPHT烧结工艺能够使组件经受在约40至约80千巴的压力和约1300℃至约1700℃的温度，以烧结并且接合基体和超硬研磨材料。

示例

示例1：

切削刀片被形成为具有由钴碳化钨形成的基体和由多晶金刚石形成的超硬研磨材料部。基体形成为具有13mm外径的圆柱体。沿着倾斜平面通过线EDM切割来切割基体圆柱体，其中在圆柱体的纵向轴线与包含于倾斜平面内的线之间的最小可能的角度为大约30°。然后将切割的基体放置于金属杯内，使倾斜表面朝上。将金刚石进料加载到杯中，以填充在通过沿着倾斜平面切割所形成的碳化物倾斜面与金属杯内壁之间的空间。将另一金属杯放置于第一杯、基体和进料上，以密封整个组件。将组件放置于HPHT烧结设备中并且根据已知的HPHT烧结工艺来烧结并且接合钴碳化钨和多晶金刚石。金刚石台的纵向厚度超过5.5mm。

示例2

切削刀片以与示例1相同的方式形成并且根据下面的测试过程在新花岗岩岩石上进行测试。

示例和市售超硬研磨切削刀片的测试：

通过使示例1和2的切削元件以表面铣削方式处理花岗岩岩石来执行立式转塔车床(VTL-c)测试。切削元件在具有六英尺直径的贝力灰花岗岩（Barre Gray Granite）轮子的平坦表面附近以15度的后倾角定向。这样的地层可包括大约200MPa的压缩强度。切削元件在花岗岩轮子的表面上以400SFM的线速度行进，同时在测试期间，切削元件保持恒定地切入到花岗岩地层内的0.014英寸的深度。沿着径向方向以每转0.140英寸进行进料。此处，在测试期间，切削元件经受作为冷却剂的冲洗水。使用冲洗水作为冷却剂的这种VTL测试被称作VTL-c测试。

由Diamond Innovations公司生产的在市场上销售的被称作ARIES的切削元件也由钴碳化钨和多晶金刚石形成。但是，由于ARIES切削元件形成有仅在类似于图14的切削表面的圆柱形钴碳化钨基体的表面上烧结的多晶金刚石，所以用于该ARIES切削元件的倾斜角为约70度。金刚石台的纵向厚度为约2.1mm。标准ARIES切削元件经受在上文中关于示例1和示例2所述的相同的VTL-c测试方法。

测试结果在图15和图16中示出，其中，绘制了磨损体积与切削元件切削的线性距离的关系。具体地，图15示出了当与标准ARIES切削元件的两个测试试验（1A和1B）相比时，根据示例1的切削元件在达到高磨损体积之前切削更远的线性距离。另外，能够在切削的大约35,000线性英尺处看到拐点，此时ARIES切削元件开始比该点之前每单位线性距离显著更快磨损。相比而言，示例1的切削元件至少直到80,000线性英尺才具有比线性距离切削显著更高水平的磨损体积。

图16绘制了示例2的两个测试（2A和2B）和ARIES切削元件的两个测试（2A和2B）的磨损体积与线性距离切削的关系。当与ARIES切削元件相比时，示例2的切削元件在达到高磨损体积之前切削显著更远的线性距离。尽管关于本发明的优选实施例进行了描述，但是本领域技术人员应了解在不偏离所附权利要求书所限定的本发明的精神和范围的情况下，可做出未具体地描述的添加、删除、变型和替代。

Claims (27)

1.一种切削元件，包括： 

顶表面、底表面、连接所述顶表面与所述底表面的外周表面以及穿过所述切削元件的中心的纵向轴线， 

努普硬度>2000的至少一个超硬研磨材料部， 

基体，其支承所述至少一个超硬研磨材料部；以及 

交界面，所述至少一个超硬研磨材料部和所述基体在所述交界面处接合， 

其中所述交界面相对于所述顶表面向下倾斜，使得所述交界面形成倾斜角，所述倾斜角为所述纵向轴线与包含在倾斜平面内的线之间的最小可能的角度，所述倾斜角小于约40°； 

其中所述倾斜平面为至少在三个不共线的点处接触所述交界面并且还使所述基体位于所述平面的仅一侧上的平面，或者， 

在并不存在在至少三个非共线的点处接触所述交界面并且使所述基体位于所述平面的仅一侧上的平面的情况下，所述倾斜平面为切平面，所述切平面合并了沿着所述外周表面的具有最大的纵向外周厚度的点。 

2.根据权利要求1所述的切削元件，其中，所述倾斜角小于约35°。

3.根据权利要求1所述的切削元件，其中，所述倾斜角为约5°至约30°。 

4.根据权利要求1所述的切削元件，其中，所述倾斜角为约15°至约25°。 

5.根据权利要求1至4中的任一项所述的切削元件，其中，所述切削元件包括至少两个超硬研磨材料部。 

6.根据权利要求5所述的切削元件，其中，所述超硬研磨材料部绕所述切削元件的所述外周表面分布。 

7.根据权利要求5所述的切削元件，其中，所述切削元件包括在所述外周表面的相对置部分上的至少两个超硬研磨材料部。 

8.根据权利要求1至4中的任一项所述的切削元件，其中，所述切削元件包括至少三个超硬研磨材料部。 

9.根据权利要求8所述的切削元件，其中，所述超硬研磨材料部绕所述切削元件的所述外周表面均匀分布。 

10.根据权利要求1至9中的任一项所述的切削元件，其中，所述切削元件的整个顶表面包括超硬研磨材料。 

11.根据权利要求1至9中的任一项所述的切削元件，其中，所述顶表面的至少一部分包括未被覆盖的基体。 

12.根据权利要求1至11中的任一项所述的切削元件，其中，所述基体包括碳化物。 

13.根据权利要求12所述的切削元件，其中，所述碳化物为碳化钨。 

14.根据权利要求1至13中的任一项所述的切削元件，其中，所述超硬研磨材料为PCD。 

15.根据权利要求1至14中的任一项所述的切削元件，其中，所述切削元件为圆柱形。 

16.根据权利要求1至15中的任一项所述的切削元件，其中，所述交界面为平面的。 

17.根据权利要求1至15中的任一项所述的切削元件，其中，所述交界面为非平面的。 

18.一种切削元件，包括： 

顶表面、底表面、连接所述顶表面与所述底表面的外周表面以及垂直于所述顶表面和所述底表面延伸的纵向轴线， 

KHN>2000的至少一个超硬研磨材料部；以及 

基体，其支承所述至少一个超硬研磨材料部； 

其中沿着所述切削元件的外周表面在纵向方向上测量的所述至少一个超硬研磨材料部的纵向厚度大于约3mm。 

19.根据权利要求18所述的切削元件，其中，所述纵向厚度大于约4mm。 

20.根据权利要求18所述的切削元件，其中，所述纵向厚度大于约5mm。 

21.根据权利要求18所述的切削元件，其中，所述超硬研磨材料部的所述纵向厚度与所述超级研磨材料部的最大厚度的比大于约1.5。 

22.一种剪切刀具头，包括根据权利要求18至21中的任一项所述的至少一个切削元件。 

23.一种剪切刀具头，包括根据权利要求18至21中的任一项所述的至少一个切削元件。 

24.根据权利要求18至23中的任一项所述的切削元件，其中，所述切削元件具有三角形、正方形、棱柱形或矩形的形状。 

25.根据权利要求1至17中的任一项所述的切削元件，其中，所述切削元件的所述顶表面包括诸如突肋、突起、凹部、球齿或通道的特征结构。 

26.根据权利要求1至17中的任一项所述的切削元件，其中，所述顶表面为半球形、圆锥形或凸形形状。 

27.根据权利要求1至17和25和26中的任一项所述的切削元件，其中在所述基体与所述超硬研磨材料部之间的交界面包括突脊、突起、凹陷、凹槽、波浪或凹窝。 

Images