CN103547693A - 超硬结构及其制造方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种包括多晶超硬材料本体的超硬结构，多晶超硬材料本体包括第一区域和第二区域。第二区域与超硬结构的外露表面相邻，并包括金刚石材料或立方氮化硼，当第二区域包括金刚石材料时，第二区域的密度大于3.4×103kg/m3。形成第一和第二区域的材料具有热膨胀系数差，第一和第二区域设置成使得该热膨胀系数差在与外露表面相邻的第二区域中引起压缩。第一区域/另外的区域具有多晶本体的最大热膨胀系数，并通过由较低热膨胀系数的材料形成的第二区域或一个或多个另外的区域，部分地与本体的外围自由表面分开。这些区域包括多个多晶超硬材料晶粒。第二区域在外围是不连续的，在外围具有缺口，由最大热膨胀系数的材料形成的区域的一部分，通过该缺口延伸至超硬结构的自由表面。本发明还公开了一种制造这种结构的方法。

Description

超硬结构及其制造方法
技术领域
本发明涉及一种包括多晶材料本体的超硬结构，一种制造超硬结构的方法，以及一种包括多晶超硬结构的耐磨元件。
背景技术
通过使一定量的所选择的平均粒径和尺寸分布的金刚石颗粒与预先存在的硬金属基底接触的同时经受高压和高温而制造多晶金刚石（PCD）材料。在该方法中通常使用的压力在约4至7GPa的范围内，但是实际上也可使用可达10GPa或更大的较高压力。所采用的温度高于硬金属基底的过渡金属粘合剂在该压力下的熔点。在使用碳化钨/钴基底的通常情况下，高于1395℃的温度足以熔化粘合剂中的金属，例如钴，该粘合剂中的金属渗透所述一定量的金刚石颗粒使得金刚石颗粒烧结能够发生。生成的PCD材料可看作金刚石被结合的晶粒与粘合剂的互相贯穿网状物的连续网状物，例如钴基金属合金。将PCD切面结合至基底而形成的PCD材料，通过将压力和温度降低至室内条件而淬火。在温度淬火期间，粘合剂中的金属凝固并将PCD切面与基底结合。在这些条件下，PCD切面和基底被认为是处于彼此热弹性平衡的状态。
典型地，但不唯一地，用于钻孔、钻削或采矿用途的切割元件或刀具由多晶金刚石材料（PCD）层构成，该多晶金刚石材料以结合至较大基底上的金刚石切面或通常由碳化钨/钴硬质金属制造的本体形式存在。具有附接的碳化物基底的这种刀具传统上并通常地制造为具有多晶金刚石层的正圆柱或厚度在约0.5mm至5.0mm但经常在1.5mm至2.5mm范围内的切面。硬金属基底通常是8mm至16mm长。通常使用的正圆柱刀具的直径在8mm至20mm范围内。
在各种应用中，例如在钻削、采矿和路面表面应用中，也可以使用其它的PCD结构，例如一般的圆顶形和拾取形元件。经常，PCD材料在这种元件上形成外层，金属碳化钨用作结合至其上的基底。再次，基底通常是这种结构的最大部分。
通常，采用这种刀具的钻头类型被称为刮刀钻头。在这种类型的钻头中，在钻头主体内设置几个PCD刀具，以使每个PCD切面的顶部外围边缘的一部分在岩层上磨损。由于钻头旋转，每个刀具的每个PCD切面的顶部外围边缘经受加载和随后磨损过程导致逐渐去除有限量的PCD材料。PCD切面上的磨损区域被称为磨痕。
在钻削操作期间，PCD刀具的性能在很大程度上由PCD切面中的裂纹萌生和传播决定。朝向刀具的自由表面传播并贯穿该表面的裂纹会导致该刀具裂开，大体积的PCD会从PCD切面上折断。该现象的结果会降低钻头的使用寿命并导致刀具的严重故障。
所希望的是，形成的任何裂纹应该被阻止、抑制或偏斜而不通过PCD切面主体传播到自由表面，由此延长刀具的使用寿命。
国际专利申请WO 2004/111284公开了一种包括多个芯部的复合材料，每个芯部包括单个PCD颗粒和合适的粘合剂，芯部分布在基质中，该基质涂覆单个颗粒。基质是由与芯部等级不同的PCD材料形成。
其它已知的方案直接或间接涉及例如通过特定层设计的方式处理裂纹行为的限制方式。
对于具有有利的残余应力分布的多晶金刚石材料，需要一般的解决方案，该方案能够改善不期望的裂纹传播，并由此减少剥落。
发明内容
在第一方面，本发明提供了一种超硬结构，该结构包括：
多晶超硬材料本体，其包括:
第一区域；以及
第二区域，第二区域与超硬结构的外露表面相邻，第二区域包括金刚石材料或立方氮化硼，当第二区域包括金刚石材料时，第二区域的密度大于3.4×103kg/m3；
其中，形成第一和第二区域的一种或多种材料具有热膨胀系数差，第一和第二区域设置成使得热膨胀系数差在与外露表面相邻的第二区域中引起压缩；并且其中第一区域或另外的区域具有多晶本体的最大热膨胀系数，并通过由较低热膨胀系数的一种或多种材料形成的第二区域或一个或多个另外的区域，部分地与多晶超硬材料本体的外围自由表面分开，其中，这些区域包括多个多晶超硬材料晶粒；并且
其中，第二区域在外围是不连续的，在外围具有缺口，由最大热膨胀系数的材料形成的区域的一部分，通过该缺口延伸到超硬结构的自由表面。
在第二方面，本发明提供了一种用于制造多晶超硬结构的方法，该方法包括：
a）形成多晶材料的第一区域；
b）形成与第一区域相邻的并作为外露表面的多晶材料的第二区域，第二区域在外围是不连续的，第二区域包括多晶金刚石或立方氮化硼；其中，形成第一区域和第二区域的一种或多种材料具有一个或多个物理特性差异；
c）使第一和第二区域经受大于4GPa的压力和高于1200℃的温度达预定时间；以及
d）降低压力和温度至环境条件，以使所述一个或多个物理特性差异在与外露表面相邻的第二区域中引起压缩；其中，第一区域或另外的区域具有多晶本体的最大热膨胀系数，并通过由具有较低热膨胀系数的一种或多种材料形成的第二区域或一个或多个另外的区域，部分地与多晶超硬材料本体的外围自由表面分开，并通过第二区域中的缺口延伸到超硬结构的自由表面；以及
其中，这些区域包括多个多晶超硬材料晶粒。
在第三方面，本发明提供一种包括上述的超硬结构钻头或刀具或用于钻头或刀具的组件。
附图说明
图1为PCD刀具平界面的示意性横截面视图，其中，阴影区域描述了裂纹优先传播的区域；
图2a为根据第一实施例的附接到基底上的PCD本体的半横截面的示意图；
图2b是图2a的实施例的局部剖面三维表示，其中具有切去部分从而露出各个区域的内部布置；
图3是根据第二实施例的附接到基底上的PCD本体的半横截面的示意图；
图4是根据第三实施例的附接到基底的PCD本体的半横截面的示意图；
图5是根据第四实施例的附接到基底的PCD本体的半横截面的示意图；
图6是根据第五实施例的附接到基底的PCD本体的半横截面的示意图；
图7是根据第六实施例的附接到基底的PCD本体的半横截面的示意图；
图8是根据第七实施例的附接到基底的PCD本体的半横截面的示意图；
图9是根据第八实施例的附接到基底的PCD本体的半横截面的示意图；
图10是根据第九实施例的附接到基底的PCD本体的半横截面的示意图；
图11是根据第十实施例的附接到基底的PCD本体的半横截面的示意图；
图12是根据第十一实施例的附接到基底的PCD本体的半横截面的示意图；
图13是具有切去部分从而露出实施例的各区域的内部布置的示意图；
图14是具有切去部分从而露出另一实施例的各区域的内部布置的示意图；
图15是根据另一实施例的附接到基底的PCD本体的半横截面的示意图；
图16a、16b、16c是仅由一种PCD材料制造的常规平面刀具中应力分布的示意表示，其分别显示了轴向、径向和环向张应力场和压应力场，以及张力和压力最大值的位置；
图17是根据来自图7的实施例的附接到基底的PCD本体的半横截面的示意图；
图18a、18b和18c是在根据一个实施例的刀具中的应力分布的示意表示，其中分别显示了轴向、径向和环向张力和压应力场以及张力和压力最大值的位置；以及
图19是在刀具顶部外围边缘具有切去材料部分的三维示意图，以及由图18a的实施例邻接和紧靠。
具体实施方式
这里使用的“超硬材料”是指具有至少约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。金刚石是最硬的已知材料，立方氮化硼（cBN）在这方面被认为是第二。这两种材料被称为超硬材料。他们的测量硬度显著大于几乎所有其它材料。硬度值是品质数字，其中它们高度依赖于测量硬度值所采用的方法。在298°K使用努氏压痕硬度测量技术，使用500g的加载，所测量的金刚石具有9000kg/mm2的硬度，立方氮化硼cBN具有4500kg/mm2的硬度。当使用与韦氏或努氏压痕相似的技术测量时，PCD材料典型地具有范围在4000至5000kg/mm2内的硬度。以相似方式测量的例如碳化硼、碳化硅、碳化钨和碳化钛的其它硬材料分别具有2250、3980、2190和2190kg/mm2的硬度。为了便于在此讨论，具有大于约4000kg/mm2的测量硬度的材料被认为是超硬材料。
在HPHT条件下刀具制造工艺后，锁定在包括超硬材料的刀具中的残余应力被认为与在刀具应用期间的裂纹萌生和传播尤其相关。由于在超硬材料（例如PCD材料）和基底之间的非常不同的弹性模量和热膨胀系数，在淬火完成至室温和室压条件时，产生了非常大的残余应力。尽管超硬材料的切面现在处于应力的完全压缩状态，但是通过将切面结合到基底一侧上所产生的弯曲效果，导致切面临界区中的局部张应力。
从PCD刀具的实验室和现场试验，已经观察到PCD材料中的裂纹随着刀具磨损在某临界区内萌生并传播。更具体地，裂纹倾向在磨痕表面上或紧随磨痕萌生。在裂纹萌生后，它们传播到PCD材料本体内，或平行于PCD切面顶部，或它们朝向PCD切面顶部或PCD－碳化物基底界面转向。朝向PCD材料表面转向的裂纹可能引起PCD切面的破裂或剥落或损失大部分PCD材料，这会降低刀具寿命和切割效率。已经观察到，如果朝向PCD－碳化物界面或通常远离PCD材料表面捕获、偏向或引导传播裂纹，可以延长刀具的寿命。
在此会描述区域中应力分布的改变，在该区域中认为裂纹会传播从而有助于抑制裂纹进一步传播或使裂纹偏离那些裂纹优先传播的临界区，或将裂纹限制到裂纹传播对刀具寿命影响较小的优选体积或区域。这里描述了操纵PCD材料中应力的方法从而在临界区内引起压缩或减小张力。另选地和另外地，临界区内的最大张应力可以被移位以及从自由表面离开。压缩状态中的材料现在占据原来临界区的位置。通过在裂纹路径上设置具有增加压缩或减小张力的多晶材料（例如PCD材料），具有将裂纹传递或偏转到较大张力区域的效果。这种传递或偏转优选地引导裂纹远离超硬材料（例如，PCD材料）的自由表面。
在制造工艺过程中，为了在刀具PCD切面内的合适位置引起压缩，可以结合具有不同特性的不同材料。这些特性包括例如热膨胀系数和/或弹性模量，或在制造工艺后，会导致一种材料在邻接的其它材料内引起压缩，而其自身会进入张力或降低压缩的状态的任何其它物理特性。
如果在高温制造工艺期间将热膨胀系数不同的两种材料结合，那么在冷却时，具有较高热膨胀系数的材料会设法比另一种材料收缩的多。具有较低热膨胀系数的材料然后抑制具有高热膨胀系数的材料收缩，结果是，在具有较低热膨胀系数的材料内产生压缩应力。
在材料内引起压缩的另一种方式是通过在高压力制造工艺期间邻接不同弹性模量的材料。在压力释放时，具有较高弹性模量的材料会在具有较低弹性模量的材料上引起压缩，并且其自身会经受增加的张力。
包含例如PCD材料本体的刀具可以使用结合高压和高温来制造，其中使用引起压缩的这些方法。
已经观察到，一些PCD材料类型在热膨胀系数和弹性模量方面显著不同。在这些材料中，当热膨胀系数低时，弹性模量高。因此，当采用来自该组的不同材料时，在材料形成期间，从高温和高压淬火会引起对立的应力诱导效应。然而，由热膨胀系数差所产生的应力变化效果占支配地位。
已经观察到，尽管具有显著不同的热膨胀系数，其它的PCD材料类型，但是在弹性模量方面仅具有较小且相对无关紧要的差异。当使用这种PCD材料时，弹性模量差异的效果可能会在很大程度上被忽略。
为了有助于进一步讨论，在圆柱形刀具的PCD层内的残余应力使用圆柱坐标分解成轴向、径向和环向分量，即分别沿着刀具轴线、沿着刀具半径和半径的切线。
在典型的传统刀具中，裂纹倾向于萌生和/或传播的临界区在图1中示意性地显示。这些临界区在张应力的位置、大小和方向方面不同，并且定义如下：
1.裂纹萌生的区域，即在磨痕内和磨痕周围的表面区域，如图1中的区域A1和A2所示。磨痕的典型位置如图1中的虚线X-Y所示。区域A1表示在刀具磨损早期阶段裂纹萌生的区域，而区域A2指的是磨损的后期阶段。区域A1与环向张应力相关，区域A2与轴向张应力相关。
2.朝向PCD材料顶部表面的区域，裂纹传播进入该区域并引起刀具的早期剥落，如图1中区域B1和B2所示。正如区域A1和A2一样，区域B1和B2分别与磨损的早期和后期阶段相关。区域B1和B2与径向张应力和轴向张应力相关。
3.朝向PCD材料中心就在碳化物基底上的区域，在刀具已经充分磨损后一些裂纹传播进入该区域，如图1中的区域C所示。传播进入该区域的裂纹危害较小，因为它们不会突发至PCD材料的自由表面。区域C与小的轴向张应力相关。
4.在图1中的区域D表示在这些临界区外的大块的PCD材料，但是其中，裂纹明显不倾向于在该区域中传播。在该区域中，环向和径向应力通常是压缩力，并且轴向应力在径向方向上适度地从张力变化到压缩力。
上述的临界区在PCD切面内识别位置，其中可以设置不同PCD材料的体积从而改变残余应力分布，该残余应力分布产生于普通的刀具结构和其制造工艺。在残余应力分布中，所希望的改变是在临界区内产生压缩或降低张力。另选地，具有伴随张应力最大值的临界区可以从PCD切面的自由表面移到危害较小的PCD切面的内部体积。应力分布的这些改变，用于捕捉或偏转或引导裂纹到远离自由表面并朝向PCD切面和碳化物界面的较大体积的次临界区域。由此，减少了之前会造成PCD切面剥落的裂纹传播到自由表面的发生，这会导致刀具寿命的期望增加。
临界区的识别，以及在由这些区域表示的体积内设置合适材料，有助于在超硬结构中重新分布残余应力。
存在多种相对于临界区设置PCD材料的方式，经由下面的示例描述一些这些方式的组合。残余应力的合成变化使得能够操纵不同的临界区并且以局部独立的方式改变，可用于表示每个特定实施方式的效果。
图2a显示了附接到基底的超硬材料（例如PCD材料）的本体的一半的横截面的局部示意图，其表示与图1的区域相关的相邻体积。这些体积是由结构和成分以及相关性能不同的材料制造的，从而可以改变应力分布。
图2b是图2a的实施例的具有60°切去部分的三维表示，从而露出各个区域的内部布置。在这些附图内的第一区域1，主要包括图1的区域D，并且占据PCD切面的中心。其被5个相邻并相结合的区域2、3、4、5和6围绕。第一体积1通过第三区域3、第四区域4以及第五区域5与PCD切面的周向自由表面分开。第二至第五区域2、3、4和5中的任意一个或多个可以在其间具有不连续性，从而形成缺口，第一区域1和/或第六区域6通过该缺口可以延伸至外围自由表面（未显示）。基底标记为7。第六区域6设置在第一中心区域1和基底7之间，其可以是，例如碳化物基底，并与图1中的区域C相关或对应。第三区域3与第六区域6相邻，并且与基底7和PCD切面的周向自由表面相邻。该区域与图1的区域A2相关。
第四区域4与第三区域3相邻，并且设置在PCD切面的周向自由表面处。该区域4与图1的区域A1相关。第五区域5与第四区域4相邻，并将第一区域1与PCD切面的顶部自由表面分开。第五区域5与图1的区域B1相关。
第二区域2与第五区域5相邻，并将第一区域1与PCD切面的顶部自由表面的剩余部分分开。第二区域2跨过PCD切面的顶部自由表面的中部延伸，并与图1的区域B2相关。
可以选择具有最大热膨胀系数的材料来占据第一区域1或第六区域6。例如，在一些实施例中，第一区域1可以包括最大热膨胀系数的材料，并且所选择的用于第二区域2到第六区域6的材料在热膨胀系数方面互不相同，并且在热膨胀系数方面都低于第一区域1。
第五区域5的材料在热膨胀系数方面低于第四区域4和第二区域2的材料。类似地，第六区域6的材料在热膨胀系数方面低于第三区域3的材料，第四区域4的材料具有低于第三区域3的热膨胀系数。
可用于形成各个区域的材料包括，例如，包含如PCD材料的金刚石、具有例如钴、钨等的其它金属的复合材料、具有例如碳化硅、碳化钛和氮化物等的陶瓷的复合材料。此外，可以使用与刀具结构和制造方法兼容的非包含金刚石材料，可包括例如碳化钨/钴、碳化钛/镍等的硬金属，例如氧化铝、镍组合物等的金属陶瓷，一般陶瓷和难熔金属。
除了利用材料的热膨胀系数差的相对系数，还可利用弹性模量来适当地改变PCD刀具中的应力场。在该示例中，与第二区域2到第六区域6区域的材料相比，第一区域1的材料可选择具有最低的弹性模量。典型的PCD材料通常在膨胀系数和弹性模量方面都不同。在用于金刚石烧结的高压高温条件下生产PCD材料的情况中，由于热膨胀不匹配产生的应力通常占支配地位。
在一些实施例中，第一区域1占据整个PCD切面体积的充分比例，从而对周围区域中的应力具有显著影响。例如，第一区域1可以占整个PCD切面体积的约30%和95%。在第二区域2、第三区域3、第四区域4、第五区域5和第六区域6的每个之间的相邻边界可以定位成优化应力分布所需要的变化。
已知在现有技术中，典型地但不排外地，PCD材料具有在3×10-6/℃至5×10-6/℃范围内的线性热膨胀系数。
在一个示例中，在第一区域1的材料和第二区域2至第六区域6中每个区域的材料之间的线性热膨胀系数之间的差异是至少约0.3×10-6/℃。此外，在两个相邻材料之间的线性膨胀系数之间的差异的例子是至少约0.1×10-6/℃。如果区域4是由具有充分切割性能的充分耐磨材料（例如PCD材料等）制造的，满足上述热膨胀标准和参数的其它硬质材料也可以在其它区域中使用。
PCD材料被认为是金刚石和过渡金属（例如钴、镍等）的组合物。金刚石的线性热膨胀系数非常低，文献值为0.8±0.1×10-6/℃。金属，例如钴，具有大的热膨胀系数，例如过渡金属通常为13×10-6/℃。典型的PCD材料的热膨胀系数对金刚石与金属成分的比例具有很强的依赖性。实际生产具有不同热膨胀系数的PCD材料变体的非常方便的方式是制造具有显著不同金属含量的PCD材料。PCD材料的金属含量典型地但不排外地在为1至15%体积比的范围内，可以生产具有高达25%体积比金属的材料。
参考图2a显示的实施例，在第一区域1内的PCD材料具有大于剩余区域2至6中PCD材料的金属含量，从而以所期望的方式改变PCD层内的应力分布。此外，第五区域5的金属含量小于第四区域4和第二区域2的金属含量。第二区域2的材料的金属含量小于第三区域3的金属含量，并且第四区域4的材料的金属含量小于或等于第三区域3的金属含量。
在第一区域1的PCD材料和第二区域2至第六区域6的PCD材料之间的金属含量差异可以是至少约1.5%体积比。此外，在第二区域2至第六区域6中的任意相邻材料之间的金属含量差异可以是，例如，至少约0.5%体积比。
利用具有大平均粒径尺寸的金刚石颗粒制造的PCD材料与使用较小平均粒径尺寸的颗粒制造的PCD材料相比，倾向于具有较低的金属含量。因此，通过选择金刚石颗粒平均粒径尺寸的方式，能够制造具有不同金属含量伴随不同的热膨胀系数的PCD材料。
在图2a显示的实施例中，在第一区域1内的材料的平均粒径可以，例如小于第二区域2至第六区域6的材料的平均粒径。
另选地，在第六区域6内的材料的平均粒径可以小于所有其它区域，即区域1至5的材料的平均粒径。
在一些实施例中，第一区域1的材料的平均粒径在约1至10微米的范围内，并且其它区域2至6的材料的平均粒径大于约10微米。
在不同结构PCD材料的热膨胀系数相似的情况下，可利用不同的弹性模量产生相对应力。在这种示例中，在图2a中，在第一区域1的材料的弹性模量，或在第六区域6的材料的弹性模量大于在每个其它区域的材料的弹性模量。
典型地，但不排外地，PCD材料具有在约750至1050GPa范围内的弹性模量。在第一区域1或第六区域6的材料与每个剩余区域材料之间的弹性模量差异可以是，例如，至少约20GPa。
如果第四区域4的材料是由具有充分切割性能的充分耐磨材料（例如PCD材料等）制造的，也可以使用满足上述弹性模量标准和优选的其它硬质材料。
如前所述，PCD材料可以被认为包括金刚石和过渡金属（例如，钴、镍等）的组合物。单晶体金刚石是已知的具有极高弹性模量的最硬材料之一。PCD材料包含作为最大组分的金刚石晶粒，该金刚石晶粒可以是合成的或天然的，并且与由过渡金属填充的间隙共生。一种改变弹性模量的方式是改变总的金刚石含量。金刚石含量越高，弹性模量值越大。PCD材料的金刚石含量典型地但不排外地，在75%至99%体积比范围内。
在弹性模量差异在残余应力产生中占支配地位的示例中，参考图2a的实施例，第一区域1的PCD材料，或第六区域6的PCD材料，与剩余区域中的PCD材料相比具有更多的金刚石含量。
在第一区域1或第六区域6的PCD材料与剩余区域的PCD材料之间的金刚石含量差异可以是，例如，至少约0.2%体积比。
参考图2a，可以想象在相邻区域中所选择的不同材料之间的界面处的应力非常高，在这些界面处导致陡峭和不期望的应力梯度，这些界面本身是局部裂纹萌生的部位。为了最小化或减少该情况，期望逐渐改变相邻材料之间的结构和成分。因此，可以选择金刚石含量、晶粒尺寸和金属含量，经过例如至少是材料最大平均粒径的3倍距离，从一个区域逐渐改变到相邻区域。
通过在具体选定的体积内选择具有相同热膨胀系数的材料，可以实现另外的实施例。
图3是PCD刀具的示意图，其中，第一区域1和第六区域6具有相同且最大的热膨胀系数，第二区域2、第三区域3、第四区域4以及第五区域5具有较低且不同的热膨胀系数。具有最大热膨胀系数的材料延伸到PCD切面-碳化物基底界面，并且通过低热膨胀系数材料，将其区域部分地与PCD切面的周向自由表面分开。具有最高热膨胀系数的材料延伸通过第二区域2、第三区域3、第四区域4和第五区域5中的任意一个或多个区域中的一个或多个不连续部位（未显示）到达PCD切面的周向自由表面。
图4是PCD刀具的示意图，该PCD刀具也具有第一区域1和第六区域6，其具有相同且最大的热膨胀系数，但是第二区域2、第三区域3、第四区域4和第五区域5的材料具有彼此相等的较低热膨胀系数。刀具的PCD切面现在被认为是由热膨胀系数不同的两个区域制造的，最大热膨胀系数的区域围绕中心轴线对称地位于PCD切面和基底的界面处，并且通过较低热膨胀系数的材料，将其区域部分地与PCD切面的周向自由表面分开。具有最大热膨胀系数的材料延伸通过第二区域2、第三区域3、第四区域4和第五区域5中的任意一个或多个区域内的一个或多个不连续部位（未显示）到达PCD切面的周向自由表面。
根据图2、图3和图4制造的刀具，会使图1的区域A2内的轴向张应力的显著减小，并且区域A1的环向张应力和区域B1的径向张应力运动而远离PCD的自由表面。如图3和图4中显示的该性质的实施例因此可以分别解决在刀具磨损早期阶段和后期阶段期间的裂纹行为。
在包含不同材料的相邻区域之间的边界可以扩展，从而形成将相邻区域分开的新区域。以这种方式，可以采用更复杂的三维设计。图5是显示刀具的示意图，其中，在结合的第一区域1和第六区域6与结合的第二区域2、第三区域3、第四区域4和第五区域5之间的边界（如图4）扩展从而形成标记为第八区域8的新的分隔体积。在图5中，结合的第一区域和第六区域现在标记为第九区域9，并且结合的第二区域2、第三区域3、第四区域4和第五区域5显示为第十区域10。在一个实施例中，第八区域8、第九区域9和第十区域10可以由不同热膨胀系数的材料制造。例如，第八区域8或第九区域9可以由最大热膨胀系数的材料制造。
在一些实施例中，第九区域9的材料具有最大热膨胀系数，并且第八区域8和第九区域9在该性能方面不同。此外，第八区域8的材料可以具有在第九区域9和第十区域10之间的中间热膨胀系数。
根据后者示例制造的刀具，可以使图1的区域A2内的轴向张应力显著降低，由于这个原因以及区域B1的径向张应力的移动，在所有区域内的环向应力表现为压缩力。环向张应力的消除是极其有利的结果。
如插图A所示，通过图5中边界扩展可以实现具有增加数量的不同材料的区域的另外变体。以这种方式，可以使用四个或五个区域实现刀具设计，同时仍保留原始界面边界的几何形状。通过继续扩展边界从而形成新区域的方法，如图6所示，可以实现具有多个体积的刀具设计，仍然具有原始界面边界的几何形状。
可以产生不同材料在多个区域内构成的大量排列。在一些实施例中，具有最大相对体积的包含最大热膨胀系数材料的区域占据碳化物-PCD界面的中心区域，并且热膨胀系数在从PCD切面的中心区域延伸至周向边缘的每个随后相邻体积内逐渐降低。在多个区域的数量非常大的情况中，这些区域的厚度接近材料微观结构的尺寸比例，并因此导致结构、成分和性能的连续等级。
PCD切面以这种方式在很大程度上或完全分级，其中PCD切面的中心区域远离周向自由表面并由最大热膨胀系数的材料占据。
参考图5，第八区域8的材料的热膨胀系数平均而言介于第九区域9和第十区域10的热膨胀系数之间，但是在结构组成和性能方面，设置成从第九区域9的材料到第十区域10的材料连续分级。这是有利的，因为其能够缓解从一个区域到另外的区域的任何不期望的急剧变化。
通过继续考虑图2并在特定的选择区域内选择具有相同热膨胀系数的材料可以实现更多的实施例。可以使用具有相同热膨胀系数的材料，制造第二区域2、第三区域3、第四区域4、第五区域5和第六区域6中的任意两个、任意三个或任意四个或所有这些区域。此外，第一区域1的材料可以与第二区域2、第五区域5和第六区域6内的任意材料具有相同的热膨胀系数。此外，第二区域2、第三区域3、第四区域4、第五区域5和第六区域6可以全部由具有相同热膨胀系数的材料制造，但是仍然低于第一区域1的材料的热膨胀系数，如图7所示。在该图中，第二区域、第三区域、第四区域、第五区域和第六区域的结合标记为12。
根据后者示例制造的刀具，尽管没有明显地改变图1中的区域A2的轴向张应力，然而可以降低B1的径向张应力和A1的环向应力，同时显著地使该两个后者临界区移动而远离自由表面并进入PCD切面的本体。
从考虑图2可以实现其它实施例，例如利用包括最大热膨胀系数的材料的第一区域1，除了通过周围区域内一个或多个不连续部位（未显示）以及如图8所示的碳化物界面外，占据远离PCD切面的自由表面的大体环形体积。也可以应用与在第二区域2至第六区域6中的材料的相对热膨胀系数排列相关的变体。
图9是示意图，其中图8的第二区域2、第三区域3、第四区域4、第五区域5、第六区域6由具有相同热膨胀系数的材料（标记为11）制造，该材料围绕环形的第一区域1，除了通过周围区域内的一个或多个不连续部位（未显示）外，使得具有最高热膨胀系数的材料延伸通过其中的一个或多个缺口到达自由外围表面。
此外，使用扩展任意区域之间的边界从而产生具有合适性能的材料的新区域的方法，对于图7、图8和图9中显示的设计，可以得到具有多个区域的设计。图10显示了围绕环形第一区域1同中心构成的几个新区域的示例。
关于上述实施例中的任意一个或多个，具有最大热膨胀系数的材料的区域可以被再分成多于一个的单独区域，通过至少一种较低热膨胀系数的材料，可将任意数量的单独区域与PCD切面的周向自由表面分开，单独区域中的一个或多个延伸通过较低热膨胀系数材料内的不连续部位从而到达外围自由表面。这些相同且最大热膨胀系数材料的多个体积可以是，例如任意三维几何形状，例如环形、椭球形、圆柱体、球体等。最大热膨胀系数材料的总体积可以是，例如占PCD切面总体积的30%至95%。
图11是具有分布在PCD切面内的四个大体上环形体积的示例。
至今描述的所有实施例，都是相对于通常的现有技术圆柱几何体刀具轴向对称的，并且与图1中所示的裂纹萌生和传播的临界区相关。通常，包含所选择的不同材料（具有其伴随的所选择的不同性能）的体积的周向再划分（两者轴向对称和非对称）可被用来改变残余应力分布，并且有利地影响裂纹萌生和传播。通过使用该方法，残余应力分布可以从轴向对称变化为非轴向对称，使得可以降低或消除磨痕的通常区域内的不期望的张应力。
已认识到，特殊的PCD材料尽管在岩石切割方面的耐磨性能和行为特别优良，但是由于相对于周围体积其热膨胀系数和/或弹性模量不理想，因此不是位于刀具外围的理想材料，以及因此在其体积内具有低于理想残余应力的应力。在这种情况中，通过图2至12示意表示和描述的任意轴对称实施例或任意其它这种变体，可被用来邻接和紧靠这种材料体积，以使有利地改变在体积边界内的残余应力场。在上下文中的“紧靠”是指与所选择的扇区相邻的材料的支撑体积，其对所选择的扇区施加有利地应力改变。这通过在轴对称实施例中引入不连续部分并“插入”被用作切割区域的材料体积来实现。有利的改变包括降低张力、增加压缩以及使张应力最大值位移和运动而远离PCD切面的自由表面，特别是其中，这些最大值然后通过压应力场与自由表面分开。具有良好耐磨行为的材料部分或扇区可被插入由图2至12描述和表示的任意实施例中产生的外围不连续部分中。该部分或扇区然后用作岩石切割部分，并且随后形成磨痕。可以在PCD切面的外围设置多于一个这种部分或扇区，对称或不对称设置，并便于这种刀具的多次重复使用。
对所描述的具有磨痕的刀具进行了FEA分析。结论是，由于在磨痕处去除PCD，残余应力场没有实质性改变。理由是，在典型磨痕处去除的材料体积相对于总的PCD体积较小。通过典型尺寸磨痕的逐渐形成，任意具体实施例的残余应力场特征的轴向、径向以及环向张力最大值既没有在大小方面显著降低，也没有在位置方面位移。
参考图2至图12，第三区域3或第四区域4或第五区域5，或这些区域的任意组合在周向上是不连续地（未显示），以使第一区域1、第六区域6或具有最大热膨胀系数的材料形成的任意区域中的任意一个或多个，延伸进入由不连续部位形成的缺口并到达PCD切面的外围自由表面。
图13是显示该不连续特征的示例的示意图，其中，第三区域、第四区域和第五区域的结合是周向不连续的，并且在超硬结构的圆周一起形成扇区。在该实施例中，扇区在轴线上包含约60°。第一区域1延伸至外围表面，并占据例如圆周的大部分或最大部分。由第三区域3、第四区域4和第五区域5一起形成的扇区旨在形成岩石切割区域，使用中磨痕在该岩石切割区域中逐渐产生。
可选择地，在第三区域、第四区域和/或第五区域或这些区域的任意组合中存在多于一个的周向不连续部分，使得第一区域被例如至少六个或更多个来自其分割的区域围绕。第一区域1然后延伸进入分割部分之间的缺口而到达刀具的周向表面。多个不连续部分和合成扇区围绕PCD切面的周向外围对称或不对称地设置。
图14是对称设置示例的示意图。
类似地，通过在周向体积内引入周向不连续部分，可以改变图3至图10和图12中显示的实施例。此外，通过在最大热膨胀系数材料的环形体积内引入一个或多个不连续部分，可以改变图11中表示的实施例。
参考下述示例更详细地描述一些实施例，这些实施例不被认为是或不旨在限制本发明。
示例1
制造基于图2a、图2b的实施例的PCD刀具。图15是这些刀具采用的具体设计的图形。最终PCD切面厚度是2.2mm，结合到碳化钨上，重量比13%的钴硬金属基底，长度为13.8mm。直圆柱刀具直径为16mm，总长度16mm，以及在PCD切面和碳化物基底之间具有平的界面。
参考图15，使用现有技术中已知的流延成型制造技术制造不同PCD材料体积1至6。使用水溶粘合剂制造六个不同金刚石粉末的坯料状态盘或垫圈。在每一种情况中，盘和垫圈组装而形成的图15的几何体容纳在耐火金属杯中，随后固定在预烧结碳化钨/钴硬质金属的圆柱体上。这些装配件然后在熔炉中在温度和时间足以去除粘合剂材料的情况下真空除气。该装配件随后在高压设备中经受约5.5GPa压力和约1450℃温度。在这些条件下，碳化钨硬质金属的钴粘合剂熔化并渗透入金刚石粉末组件的孔隙，并发生金刚石烧结。
在金刚石烧结完成后，处理条件降低至室温和室压。在高压和高温时，刀具的材料处于热弹性平衡。在淬火至室温条件下，各种PCD材料和硬质金属基底之间的性能差异在刀具PCD切面中产生残余应力分布。
参考图15，不同PCD材料的六个区域如下制造：
第一区域1的材料是由平均粒径约6微米（具有从2微米至16微米的多模式尺寸分布）的金刚石粉末制造的。已知该金刚石粉末在使用的高压和高温条件下形成的PCD材料，具有约12%体积比的钴，线性热膨胀系数为4.5×10-6/℃，弹性模量为860GPa。这是最大热膨胀系数的材料。
第二区域2的材料是由平均粒径约12.5微米（具有从2微米至30微米的多模式尺寸分布）的金刚石粉末制造的。已知该金刚石粉末在使用的高压和高温条件下形成的PCD材料，具有约10.2%体积比的钴，线性热膨胀系数为4.15×10-6/℃，弹性模量为980GPa。
第三区域3的材料是由平均粒径约5.7微米（具有从1微米至12微米的多模式尺寸分布）的金刚石粉末制造的。已知该金刚石粉末在使用的高压和高温条件下形成的PCD材料，具有约10%体积比的钴，线性热膨胀系数为4.0×10-6/℃，弹性模量为1005GPa。
第四区域4的材料是由平均粒径约25微米（具有从4微米至45微米的多模式尺寸分布）的金刚石粉末制造的。已知该金刚石粉末在使用的高压和高温条件下形成的PCD材料，具有约7.7%体积比的钴，线性热膨胀系数为3.7×10-6/℃，弹性模量为1030GPa。
第五区域5的材料是由平均粒径约33.5微米（具有从4微米至75微米的多模式尺寸分布）的金刚石粉末制造的。已知该金刚石粉末在使用的高压和高温条件下形成的PCD材料，具有约7.0%体积比的钴，线性热膨胀系数为3.4×10-6/℃，弹性模量为1040GPa。这是具有最低热膨胀系数的材料，其具有最高体积比为93%的金刚石含量。
第六区域6的材料是由平均粒径约6.4微米（具有从3微米至16微米的多模式尺寸分布）的金刚石粉末制造的。已知该金刚石粉末在使用的高压和高温条件下形成的PCD材料，具有约11.5%体积比的钴，线性热膨胀系数为4.25×10-6/℃，弹性模量为925GPa。
在从高压设备上取出后，通过现有技术中已知的研磨和抛光工艺获取每个刀具的最终尺寸。切割刀具样本并横向剖开，测量不同PCD材料的体积尺寸，并估算相对于PCD切面的整个体积的各自体积。
据估算，由最大热膨胀系数材料制造的第一区域1的材料，占据PCD切面总体积的约75%。
第六区域6的材料占据PCD切面总体积的约3%，从中心轴径向延伸约4mm，并且厚度为约0.25mm，将第一区域1的材料与碳化钨硬金属基底分开。
第三区域3的材料占据PCD切面总体积的约8%，与第六区域6的材料相邻，径向延伸4mm至切面的外围自由表面，厚度为约0.25mm，将第一区域1的材料与碳化钨硬金属基底分开。
第四区域4的材料占据PCD切面总体积的约5%，与第三区域3的材料相邻，位于PCD切面的周向自由表面处。
第五区域5的材料占据PCD切面总体积的约6%，与第四区域4的材料相邻，厚度为约0.25mm，将第一区域1的材料与PCD切面的顶部自由表面分开。
第二区域2的材料占据PCD切面总体积的约3%，厚度为约0.25mm，与第五区域5的材料相邻，从中心轴径向延伸约4mm，跨过刀具的顶部自由表面的中部延伸，将第一区域1的材料与刀具顶部自由表面分开。
使用有限元分析（FEA），对所制造的具有合成测量的体积尺寸和预期PCD材料性能的刀具进行建模。这是数字应力分析技术，这能够计算刀具整个尺寸上的应力分布。出于比较的目的，具有利用对应于第四区域4材料的一种材料制造的切面的平面刀具的应力分布被计算并用作参照。
图16a、16b、16c是仅由一种PCD材料制造的这种平面刀具中应力分布的示意图。
图16a显示了轴向张力和压力场，以及张力和压力最大值的位置。虚线表示张力场和压力场之间的边界，张力场标有阴影线。可见，轴向张力最大值位于PCD切面周向自由表面处，正好在具有基底的界面上方。该轴向张力最大值与图1的A2临界区相关。大多数PCD切面处于轴向张力状态中，除了从基底界面延伸到PCD顶部自由表面的轴向压应力场外，轴向压应力场通过轴向张力场与周向自由表面分开。压力最大值位于压力场内，刚好在基底界面上方。
图16b显示了径向张力和压力场，以及张力和压力最大值的位置。如图16b所示，单个径向张力场标有阴影线，径向张力最大值位于PCD切面的顶部自由表面处。该径向最大值与图1的B1临界区相关。如图所示，压力最大值位于基底界面处。
图16c显示了环向张力和压力场，以及张力和压力最大值的位置。大部分的PCD切面处于环向压力状态，除了在由阴影区显示的张力状态中的周向顶部角落处的有限体积外。环向张力最大值位于自由表面上并与图1的A1临界区相关。
对于与参考平面刀具比较的该示例，下面的表1给出了比较的FEA结果，该结果表示为应力分量大小。
表1
Figure BDA00003667667500221
从表1可见，与图1的临界区A2相关的轴向张力最大值已经降低了32%。该最大值的位置没有从图16a中的位置改变，如图15中的A所示。
与图1的临界区B1相关的径向张力最大值类似地降低了29%。然而，该最大值位置发生移动，并远离PC D刀具的自由表面，而占据区域1的材料内的位置，如图15中的R所示。
与图1的临界区A1相关的环向张力最大值降低了126%，并且现在成为最小压缩位置，并已经发生移动和远离PCD切面的自由表面。其现在占据区域1材料内的位置，如图15中的H所示。此外，PCD切面的整个体积现在处于环向压力下，并因此没有任何环向张应力。因此可见，与一种材料的参考平面刀具相比，临界区A2、B1和A1在张力方面已经显著地降低了。就临界区B1和A1而言，它们已经远离PCD切面的自由表面，并且通过处于径向和环向压力的材料与顶部自由表面分开。
总之，与图2a和2b的一般实施例对应所制造的示例1的刀具的FEA分析显示，裂纹优先传播的图1临界区内的应力，在张力方面降低或在压力方面增加。此外，一些临界区位移，使得它们不再被PCD切面的自由表面限制。以这种方式，裂纹传播到刀具自由表面的趋势被可期望地抑制或可能阻止。对于该一般设计的刀具而言，在钻孔应用中降低了发生剥落的可能性，并增加了刀具寿命。
示例2
制造基于图7的实施例的PCD刀具。图17是这些刀具采用的具体设计的图形。如示例1，最终的PCD切面厚度是2.2mm，结合到碳化钨上，重量比为13%的钴硬金属基底，长度为13.8mm。直圆柱刀具直径为16mm，总长度16mm，并在PCD切面和碳化物基底之间具有平的界面。
在该示例中，PCD切面是仅由两种不同PCD材料的体积制造。最大热膨胀系数的PCD材料形成一个盘，在图17中标记为1，通过图17中标记为12的具有较低热膨胀系数的PCD材料体积，部分地与PCD切面的基底界面、顶部表面和周向自由表面分开。区域12中的不连续部分未显示，形成盘1的材料通过该不连续部分延伸到外围自由表面。
使用上述示例1中描述的制造技术和方法。
然而，在这种情况下，所采用的温度和压力条件分别是1470℃和5.7GPa。
参考图17，不同PCD材料的两个区域如下制造：
第一区域1是由平均粒径约12.6微米（具有从2微米至16微米的多模式尺寸分布）的金刚石粉末制造的。已知该金刚石粉末在使用的高压和高温条件下形成的PCD材料，具有约9%体积比的钴，线性热膨胀系数为4.0×10-6/℃，弹性模量为1020GPa。这是最大热膨胀系数的材料。
图17中的第二区域12是由平均粒径约33微米（具有从6微米至75微米的多模式尺寸分布）的金刚石粉末制造的。已知该金刚石粉末在使用的高压和高温条件下形成的PCD材料，具有约6.5%体积比的钴，线性热膨胀系数为3.4×10-6/℃，弹性模量为1040GPa。
在从高压设备上取出后，通过现有技术中已知的研磨和抛光工艺获取每个刀具的最终尺寸。切割刀具样本并横向剖开，测量不同PCD材料的体积尺寸，并估算相对于PCD切面的整个体积的各自体积。
据估算，由最大热膨胀系数材料制造的第一区域1，占据PCD切面总体积的约67%，并占据周围体积的总体积的约33%。第一区域1与基底分开约0.25mm，与切面的顶部表面分开约0.4mm，以及大部分与切面的周向自由表面分开约0.4mm。
使用有限元分析（FEA），对所制造的具有合成测量的体积尺寸和预期PCD材料性能的刀具进行建模。该技术能够计算刀具整个尺寸上的应力分布。出于比较的目的，具有利用对应于周围体积材料的一种材料制造的切面的平面刀具的应力分布被计算并用作参照，周围体积材料在图17中标记为12。下面的表2给出了FEA结果，其表示为主应力最大值，以及方便圆柱坐标中，轴向、径向和环向的主应力分量。
表2
Figure BDA00003667667500241
从表2可见，轴向张应力和径向张应力最大值分别降低了约9%和6%。然而，环向分量张应力最大值增加了约12%。
值得注意的是，轴向最大值的位置没有改变，在图17中标记为A，增强的轴向压力场（大小为-424MPa）刚好在邻接第一区域1形成，并且将该体积与PCD切面的周向自由表面分开。
已经注意到径向和环向张应力最大值的位置发生了改变。径向和环向张力最大值已经位移，并且现在占据第一区域1边界内的位置，在图17中分别标记为R和H，并且通过径向和环向压力的实质体积与PCD切面的自由表面分开。环向最大张应力值的位移，与裂纹传播时产生的应力的增加相抵消。尽管通过这些张应力可以吸收传播裂纹，将抑制裂纹通向压缩中的材料，使张力区域与自由表面分开。该裂纹不能容易地到达自由表面并引起剥落。
正如FEA所示，根据图7的实施例制造的刀具能够使图1中区域A2的轴向张应力降低，以及具有增强的相邻轴向压力。区域B1的径向张应力降低并移动，以使其不再受PCD切面的顶部自由表面约束，并通过径向压力区域与顶部自由表面分开。此外，尽管与临界区A1相关的环向张应力最大值没有降低，而实际上增加了；其移动远离PCD切面的自由表面。该环向张应力最大值现在占据第一区域1内的正好相邻的位置，并且完全被环向压力包围，使其与PCD切面的所有自由表面和基底界面分开。
考虑到这些结果，能够预期，在钻孔应用中，在这种刀具的磨痕之后传播的裂纹在其进展中被抑制，并且不会跨过将其与PCD切面的自由表面分开的压力屏障。这种裂纹会保留在PCD切面的本体内，由此用来抑制剥落和该设计的刀具的过早失效。
示例3
按照图18a制造PCD刀具，其是基于图5的实施例的具体设计，其中PCD切面是由三个不同PCD材料的体积制造的。最大热膨胀系数并且最高金属含量的PCD材料形成一个盘，在图16a中标记为13，其中心位于基底界面处并围绕刀具中心轴对称设置。由最小热膨胀系数和金属含量的PCD材料制造的材料体积，在图18a中标记为15，其跨过PCD切面的顶部自由表面以及大部分外围自由表面延伸，除了形成不连续部分的一部分，最大热膨胀系数的PCD材料延伸通过该不连续部分（未显示）。与图18a中标记为13和15的材料区域相比，由中等热膨胀系数和金属含量的材料制造的PCD材料（标记为14）占据将区域13和15分开的体积。
最终PCD切面厚度是2.2mm，结合到碳化钨上，重量比13%的钴硬金属基底，长度为13.8mm。直圆柱刀具直径为16mm，并在PCD切面和碳化物基底之间具有的平界面。
如同示例1和2，使用现有技术中已知的流延成型技术，形成三种与水溶有机粘合剂结合的适当选择的金刚石粉末的所称的坯料状态盘和垫圈。通过在耐火金属容器中组装这些盘和垫圈，产生图18a的几何体。碳化钨圆柱体、13%钴硬金属圆柱体，随后被插入耐火金属容器内从而形成和提供基底。
这些装配件然后在熔炉中在温度和时间足以去除粘合剂材料的情况下真空除气。该装配件随后在高压设备中经受约5.5GPa压力和约1460℃温度。在这些条件下，碳化钨硬质金属粘合剂的钴粘合剂熔化并渗透入金刚石粉末组件的孔隙，并发生金刚石烧结。金刚石烧结完成后，处理条件降低至室温和室压。在高压和高温时，刀具的材料处于热弹性平衡。在淬火至室温条件下，各种PCD材料和硬质金属基底之间的性能差异在刀具PCD切面中产生残余应力分布。
参考图18a，不同PCD材料的三个区域如下制造：
图18a的区域13的PCD材料是由平均粒径约5.7微米（具有从1微米至12微米的多模式尺寸分布）的金刚石粉末制造的。已知该金刚石粉末在使用的高压和高温条件下形成的PCD材料，具有约10%体积比的钴含量，线性热膨胀系数为4.1×10-6/℃，弹性模量为1006GPa。这是最大热膨胀系数和最高金属含量的材料。
图18a中的外部区域15是由平均粒径约25微米（具有从4微米至45微米的多模式尺寸分布）的金刚石粉末制造的。已知该金刚石粉末在使用的高压和高温条件下形成的PCD材料，具有约7.4%体积比的钴含量，线性热膨胀系数为3.6×10-6/℃，弹性模量为1030GPa。
图18a的中间区域14是由平均粒径约12.6微米（具有从2微米至30微米的多模式尺寸分布）的金刚石粉末制造的。已知该金刚石粉末在使用的高压和高温条件下形成的PCD材料，具有约8.9%体积比的钴含量，线性热膨胀系数为3.9×10-6/℃，弹性模量为1020GPa。
在从高压设备上取出后，通过现有技术中已知的研磨和抛光工艺获取每个刀具的最终尺寸。切割刀具样本并横向剖开，测量不同PCD材料的体积尺寸，并估算相对于PCD切面的整个体积的各自体积。区域13和14之间的边界位于轴向上距离基底界面约1.0mm处，距离周向自由表面约0.5mm。在区域15和14之间的边界位于距离PCD切面的顶部自由表面约0.6mm处，距离周向自由表面约0.25mm。
据估算，区域13为PCD切面总体积的约38%。区域14和15分别为PCD切面总体积的约23%和47%。
使用有限元分析（FEA），对所制造的合成测量的体积尺寸和预期PCD材料性能的刀具进行建模。该技术能够计算刀具整个尺寸上的应力分布。出于比较的目的，具有利用对应于周围区域材料的一种材料制造的切面的平面刀具的应力分布被计算并用作参照，在图18a中标记为15。对于该参考平面刀具，图16a、16b和16c显示了张应力和压应力的位置和程度分别分解成轴向、径向和环向方向。类似地，对于本示例，图18a、18b和18c显示了所计算的分解应力。张应力由阴影表示，张力和压力之间的边界由虚线表示。图中也显示了张力最大值和压力最大值的位置。对于图16a中的参考刀具，轴向张力最大值与图1的临界区A2相关，图16b中的径向张力最大值与图1的临界区B1相关，图16c中的环向张力最大值与图1的临界区A1相关。
表3给出了图18a、18b、18c的示例3的刀具相对于参考平面刀具（图16a、16b、16c）进行比较的FEA结果，其表示为方便圆柱坐标中，轴向、径向和环向的分量的应力最大值。
表3
表3清楚地显示，在示例3的刀具的临界区A2、B1和A1中的应力在张力方面显著降低。此外，与临界区A1相关的环向应力显著地呈现为压力，导致整个PCD切面处于环向压力中。
将图16a的轴向应力分布与参考图16a的轴向应力分布相比，可见，在周向自由表面处的张力场的范围已经显著减小，以及在图3中显示的大小方面减小。具有这些结果，能够预期，可以降低裂纹萌生的倾向，以及限制可能萌生的任何裂纹的范围。
将图18b的径向应力分布与参考图16b的径向应力分布相比，可见，张力最大值远离PCD切面的自由表面位移，并位于中间材料区域14中。该位置现在处于PCD切面的大体积中，并且现在通过径向压应力场与自由表面分开。可以认为，图1的临界区B1已经移动，使得其不再受PCD切面的自由表面约束，此外通过应力屏障与自由表面分开。该临界区位置的变化以及径向张力的显著减小，可预期地能够抑制裂纹传播，并阻止裂纹传播到刀具的顶部自由表面。
将图18c的环向应力分布与参考图16c的环向应力分布相比，可见，已经完全消除了张力场，使得整个PCD切面处于环向压力中。此外，与图1的临界区A1相关的张力最大值的位置由压力最小值取代，该压力最小值已经移动，使得其不再受PCD切面的自由表面的约束。该压力最小值现在位于区域14的材料中。
能够期望，所有这些效果可以组合，以使在切割岩石应用中，抑制在传播中任何与磨痕相关的裂纹形成，并阻止裂纹延伸到刀具自由表面并形成PCD切面的剥落。
示例4
根据图19制造PCD刀具，由此在刀具顶部外围边缘形成单个60°分割部分的PCD材料，并在刀具剩余的300°部分由示例3的设计邻接和紧靠。图19是该新设计的三维示意图，具有切去部分，其中由图19中标记为16的材料取代图18a、18b、18c中标记为15的外部体积的60°外围分割部分。已知该PCD材料具有由岩石切割实验确定的非常良好的耐磨行为。在该刀具的300°的剩余部分中，使用图18的设计，邻接60°的分割部分。
如同示例1、2和3，最终PCD切面厚度是2.2mm，结合到碳化钨上，重量比为13%的钴硬金属基底，长度为13.8mm。直圆柱刀具直径为16mm，并在PCD切面和碳化物基底之间具有平的界面。
如同示例1、2和3，使用现有技术中已知的流延成型技术形成四种与水溶有机粘合剂结合的适当选择的金刚石粉末的坯料状态盘、垫圈和扇区。通过在耐火金属容器中组装这些盘、垫圈和扇区，生产图19的几何体。碳化钨圆柱体、13%钴硬金属圆柱体，然后被插入耐火金属容器内，从而形成和提供基底。
这些装配件然后在熔炉中在温度和时间足以去除粘合剂材料的情况下真空除气，随后在高压设备（现有技术中制造的）中经受约5.6GPa压力和约1460℃温度。
参考图19，制造邻接60°分割部分的300°部分的三种不同PCD材料区域利用与示例3中完全相同的粉末制造，在图18和19中都标记为13、14和15。
图19中标记为16的60°分割部分是由平均粒径约13.0微米（具有从2微米至30微米的多模式尺寸分布）的金刚石粉末制造的。已知该金刚石粉末在使用的高压和高温条件下形成的PCD材料，具有约8.8%体积比的钴含量，线性热膨胀系数为3.95×10-6/℃，弹性模量为1025GPa。已经证明，该特殊的材料在岩石切割实验中具有非常良好的低磨损特性。
在从高压设备上取出后，通过现有技术中已知的研磨和抛光工艺获取每个刀具的最终尺寸。切割刀具样本并横向剖开，测量不同PCD材料的体积尺寸，并估算相对于PCD切面的总体积的各自体积。区域13和14之间的边界位于轴向上距离基底界面约1.0mm处，距离周向自由表面约0.5mm。区域15和14之间的边界位于距离PCD切面的顶部自由表面约0.6mm处，距离周向自由表面约0.25mm。60°分割部分在径向方向上从周向自由表面延伸约2mm，在顶部自由表面厚度近似是0.6mm，在PCD切面的周向自由表面处近似是0.25mm。
据估算，区域13、14和15分别为PCD切面总体积的约38%、23%和44%。60°分割部分，即区域16，估计占PCD切面总体积的约3%。
使用有限元分析（FEA），多所制造的合成测量的体积和尺寸以及预期PCD材料性能的刀具进行建模。作为参考，考虑图16a、16b、16c中的平面刀具，使用具有与60°分割部分（图19中标记为16）相同的性能的材料。正常地，对于图16a、16b、16c中显示的这种平面刀具，获取应力分布本质特性。计算所选择的网格的边界条件和类型对于参考和示例设计来说是常数，以使能够比较应力最大值的大小。
表4给出了比较的FEA结果，其中，60°分割部分中计算的应力最大值与平面参考刀具的对应应力最大值比较，其中PCD材料与图19的材料16相同。
表4
轴向张应力最大值位于PCD切面的周向自由表面处，正好位于基底界面上方，如同在平面参考刀具中一样，并与图1的临界区A2相关，但是相对于分割部分圆周边界位于30°位置，由图19中的A表示。与平面参考刀具相比，该轴向张力最大值减小了约47%。
在分割部分中的径向张应力最大值位于PCD切面的顶部自由表面，如同在平面参考刀具中一样，并与图1的临界区B1相关，由图19中的R表示。与平面参考刀具相比，该径向张力最大值减小了约66%。
在分割部分中的环向张应力最大值位于PCD切面的顶部自由表面，如同在平面参考刀具中一样，并与图1的临界区A1相关，由图19中的H表示。与平面参考刀具相比，该环向张力最大值减小了约52%。因此，用来邻接并紧靠PCD材料分割部分的示例3的刀具设计，可以在该分割部分材料中引起张应力的显著降低。已发现，在示例4的邻接材料中也主要发现了示例3的有利应力分布，然而在邻近60°分割部分的边界处，张应力会有些增加。
可预期的是，与由相同材料制造的平面刀具相比，降低了在分割部分材料中的裂纹传播趋势，依次降低了剥落趋势，以使在岩石切割应用中可以采用分割部分材料的良好耐磨性能。此外，在具有图3设计的邻接和紧靠材料中的非常有利的应力分布，也抑制了裂纹传播，从而抑制裂纹到达PCD切面的自由表面，如示例3。这也有助于降低剥落的发生。
这些结果表示，基于某些实施例的具有有利残余应力分布的刀具设计，可用于邻接和紧靠分割部分PCD材料，并且与仅使用分割部分材料的情况相比，有利地降低了这些分割部分中的张应力。
可预期的是，当使用多于一个分割部分时会产生相似的结果。
在PCD切面和附接到其上的碳化物基底之间的界面边界，可被几何改变，从而改变PCD切面中的残余应力场。这些改变的界面叫做非平面界面，并对最接近界面位置处的一般应力分布有影响。在图1中描述和表示的临界区的一般特征并没有通过采用非平面界面设计而实质改变，而是可与一些实施例结合使用。在图12中给出了一个示例，其具有如图2a和2b所示的第一区域1至第六区域6，但是具有非平面界面，在该非平面界面中，碳化物基底界面通常相对于PCD切面的顶部表面呈凸形。
此外，通过包含例如斜面等来实施起始边缘几何形状改变，从而降低早期的破碎事件。该实践可与任意实施例或所有实施例结合使用。
此外，下述处理，即全部或从自由表面到选定深度而部分地去除PCD材料的金属成分，可用来改善PCD刀具的性能。所采用的典型深度在50微米和500微米之间。据认为所述改善主要在于所处理深度的材料的热稳定性提高。然而，该处理过程的相关缺点是在与处理层相邻的PCD材料中会增加张应力，这会导致不期望的裂纹传播。实施例通过放置选择的材料产生的已经存在的压力来抵消张应力，提供了补救该缺点的方式。因此，能够使用这种处理方式与一个或多个实施例结合。
此外，特定热处理能够局部退火残余应力并因此降低残余应力的大小。典型的这种处理是在从高压设备离开后，在550℃和750℃温度之间在真空下加热PCD刀具达数小时。这种处理能够有利地改变残余应力分布，但是只是有限程度地改变。这种热处理可应用到实施例中。
尽管前面描述了超硬结构、生产方法以及包含多种细节的这种结构和方法的各种应用，但是这些不应理解为限制本发明的范围，而仅是提供一些实施例的阐述。类似地，在不偏离本发明范围的情况下可以设计其它实施例。例如，包含设置为具有相邻的三个尺寸区、体积或区域（由所述的性能和成分不同的材料制造）的超硬和其它材料的结构可使用材料组件和下述制备技术制造，例如流延成型、注射成型、粉末挤压、喷墨印刷、电泳沉积等或这种方法的任意组合，所有适于能够应用到超硬材料粉末（例如金刚石和立方氮化硼）的方法。此外，虽然在此描述的实施方式对多晶金刚石材料作了特殊参考，但是可以使用其它超硬材料。此外，通过在合适区域中设置这些材料，通常包含金刚石的其它硬质材料也可用来改变多晶材料本体内的应力分布。

Claims (54)

1.一种超硬结构，其包括：
多晶超硬材料本体，其包括：
第一区域；以及
第二区域，第二区域与超硬结构的外露表面相邻，第二区域包括金刚石材料或立方氮化硼，当第二区域包括金刚石材料时，第二区域的密度大于3.4×103kg/m3；
其中，形成第一和第二区域的一种或多种材料具有热膨胀系数差，第一和第二区域设置成使得该热膨胀系数差在与外露表面相邻的第二区域中引起压缩；并且其中第一区域或另外的区域具有多晶本体的最大热膨胀系数，并通过由较低热膨胀系数的一种或多种材料形成的第二区域或一个或多个另外的区域，部分地与多晶超硬材料本体的外围自由表面分开，其中，这些区域包括多个多晶超硬材料晶粒；并且
其中，第二区域在外围是不连续的，在外围具有缺口，由最大热膨胀系数的材料形成的区域的一部分，通过该缺口延伸到超硬结构的自由表面。
2.根据权利要求1所述的超硬结构，其中，第一区域和第二区域具有一个或多个另外的物理特性差异。
3.根据权利要求2所述的超硬结构，其中，一个或多个另外的物理特性差异包括形成第一和第二区域的一种或多种材料的弹性模量差异。
4.根据上述权利要求中任一项所述的超硬结构，其中，多晶超硬材料本体包括多晶金刚石材料。
5.根据上述权利要求中任一项所述的超硬结构，还包括沿着界面结合到多晶材料本体面上的基底。
6.根据权利要求5所述的超硬结构，其中，基底是由碳化物材料形成的。
7.根据权利要求5或6所述的超硬结构，进一步包括第三区域、第四区域、第五区域和第六区域，第一至第六区域是轴对称的，第二至第六区域与第一区域相邻，第二至第六区域中的每个区域具有比第一区域低的热膨胀系数；其中：
a）第一区域位于第二区域和基底之间；
b）第三区域与第一区域相邻并位于基底和多晶材料本体的界面处，第三区域位于第一区域和基底之间并形成多晶材料本体的外围自由表面的一部分；
c）第四区域与第三区域相邻并位于多晶超硬材料的外围自由表面处；
d）第五区域与第四区域和第二区域相邻，并将第二区域与第四区域分开；
e）第六区域与第一区域相邻，并将第一区域与基底分开。
8.根据权利要求7所述的超硬结构，其中，第二区域、第三区域、第四区域、第五区域或第六区域中的任意一个或多个是外围不连续的，在外围具有一个或多个缺口，由最大热膨胀系数的材料形成的区域的一部分，通过该缺口延伸到超硬结构的自由表面。
9.根据权利要求7或8所述的超硬结构，其中，第二区域至第六区域中的每一个区域是由不同热膨胀系数的一种或多种材料制造的。
10.根据权利要求7或8所述的超硬结构，其中，第六区域是由超硬结构中具有最大热膨胀系数的材料形成的。
11.根据权利要求10所述的超硬结构，其中，形成第一区域、第二区域、第三区域、第四区域和第五区域的材料具有不同的热膨胀系数。
12.根据权利要求7所述的超硬结构，其中，第一和第六区域是由相同材料形成的，并且具有最大热膨胀系数，形成第一区域和第六区域的材料具有大于形成第二区域、第三区域、第四区域和第五区域一种或多种材料的热膨胀系数。
13.根据权利要求7所述的超硬结构，其中，第二区域、第三区域、第四区域和第五区域是由具有不同热膨胀系数的一种或多种材料形成的。
14.根据权利要求5至13中任一项所述的超硬结构，其中，第一区域是由超硬结构中具有最大热膨胀系数的材料形成的，第一区域在多晶材料本体和基底的界面处围绕超硬结构的中心轴基本对称地设置，并通过第二区域与超硬材料的自由表面分开，而延伸通过其中的一个或多个缺口至超硬材料的自由表面，第二区域是由超硬结构中具有最小热膨胀系数的材料形成的。
15.根据权利要求14所述的超硬结构，其中，第一区域被细分成多于一个的单独体积，所有体积通过至少一种较小热膨胀系数的材料与超硬结构的外围自由表面分开。
16.根据权利要求15所述的超硬结构，其中，一个或多个单独体积是由超硬结构中最大热膨胀系数的材料形成的，且是环形的。
17.根据上述权利要求中任一项所述的超硬结构，进一步包括位于第一区域和第二区域之间的第三体积，第三体积是由与形成第二区域的材料的热膨胀系数不同的材料形成的。
18.根据权利要求17所述的超硬结构，其中，第三体积是由热膨胀系数在形成第二区域的材料的热膨胀系数和超硬结构中具有最大热膨胀系数材料的区域的热膨胀系数之间的材料形成。
19.根据权利要求18所述的超硬结构，其中，一个或多个由最大热膨胀系数的材料形成的环形体积被分割，具有一个或多个不连续部分。
20.根据上述权利要求中任一项所述的超硬结构，进一步包括附接到外围自由边缘的一个或多个材料分割部分，该外围自由边缘由多晶材料本体邻接和紧靠。
21.根据上述权利要求中任一项所述的超硬结构，其中，由最大热膨胀系数的材料形成的区域的体积占多晶材料本体的总体积的约30%至95%。
22.根据上述权利要求中任一项所述的超硬结构，其中，具有最大热膨胀系数的材料的热膨胀系数与相邻区域中材料的热膨胀系数的差别至少为约0.3×10-6/℃。
23.根据权利要求22所述的超硬结构，其中，多晶材料本体是多晶金刚石材料，并且由具有最大热膨胀系数的材料形成的区域是由相对于其它区域中的一种或多种多晶金刚石材料具有最大金属含量的多晶金刚石材料形成的。
24.根据权利要求23所述的超硬结构，其中，在每个体积内多晶金刚石材料中的金属含量是约10%体积比或更少。
25.根据权利要求23或24所述的超硬结构，其中，在区域之间的金属含量差异是至少约1.0%体积比。
26.根据上述权利要求中任一项所述的超硬结构，其中，多晶材料本体包括金属成分，金属成分是过渡金属合金。
27.根据权利要求1至25中任一项所述的超硬结构，其中，多晶材料本体包括金属成分，金属成分是钴合金。
28.根据上述权利要求中任一项所述的超硬结构，其中，多晶材料本体包括金属成分，其中金属成分是热膨胀系数小于约4×10-6/℃的合金。
29.根据上述权利要求中任一项所述的超硬结构，其中，多晶材料本体包括金属成分，金属成分包含改变多晶材料热膨胀系数的第二相材料。
30.根据权利要求29所述的超硬结构，其中，第二相材料包括金属碳化物。
31.根据权利要求30所述的超硬结构，其中，金属碳化物包括碳化钨或碳化硅。
32.根据权利要求29所述的超硬结构，其中，第二相包括氧化物陶瓷。
33.根据权利要求32所述的超硬结构，其中，氧化物陶瓷包括氧化铝，Al2O3，氧化锆，ZrO2中的一种或多种。
34.根据上述权利要求中任一项所述的超硬结构，其中，一个或多个区域由包含复合材料的金刚石形成。
35.根据权利要求34所述的超硬结构，其中，复合材料包括金刚石-陶瓷复合材料。
36.根据权利要求1所述的超硬结构，其中，多晶材料本体包括多于三个由不同热膨胀系数的材料形成的区域，其中，所述区域之间的边界基本平行，并且所述区域具有相同的几何形状。
37.根据上述权利要求中任一项所述的超硬结构，其中，热膨胀系数在多晶材料本体的相邻区域上以逐步方式改变。
38.根据权利要求5所述的超硬结构，其中，在多晶材料本体和基底之间的界面是非平面的。
39.根据权利要求5所述的超硬结构，其中，在多晶材料本体和基底之间的界面基本上是凸形的。
40.根据上述权利要求中任一项所述的超硬结构，其中，多晶材料本体具有倒角的外围边缘。
41.根据上述权利要求中任一项所述的超硬结构，其中，多晶材料本体自由表面的一部分或整个自由表面包括已经全部或部分去除金属含量的层。
42.根据上述权利要求中任一项所述的超硬结构，其中，多晶材料本体自由表面的一部分或整个自由表面包括已经全部或部分去除金属含量至介于50微米和500微米深度范围的层。
43.根据上述权利要求中任一项所述的超硬结构，其中，该超硬结构经过550至750℃温度范围内的应力消除热处理。
44.一种用于制造多晶超硬结构的方法，其包括：
a）形成多晶材料的第一区域；
b）形成与第一区域相邻的并作为外露表面的多晶材料的第二区域，第二区域在外围是不连续的，第二区域包括多晶金刚石或立方氮化硼；其中形成第一区域和第二区域的一种或多种材料具有一个或多个物理特性差异；
c）使第一区域和第二区域经受大于4GPa的压力和高于1200℃的温度并持续预定时间；以及
d）降低压力和温度至环境条件，以使所述一个或多个物理特性差异在与外露表面相邻的第二区域中引起压缩；其中，第一区域或另外的区域具有多晶本体的最大热膨胀系数，并且通过由具有较低热膨胀系数的材料形成的第二区域或一个或多个另外的区域，部分地与多晶超硬材料本体的外围自由表面分开，并通过第二区域中的缺口延伸到超硬结构的自由表面；以及
其中，这些区域包括多个多晶超硬材料晶粒。
45.根据权利要求44所述的方法，其中所述一个或多个物理特性差异是形成第一区域和第二区域的一种或多种材料的热膨胀系数的差异和/或弹性模量的差异。
46.根据权利要求44或45所述的方法，进一步包括：
在使第一区域和第二区域经受压力和温度的步骤之前，将第一区域、第二区域和基底放置在容器内的步骤；其中使第一区域和第二区域经受压力和温度的步骤包括使容纳第一区域、第二区域以及基底的容器经受所述压力和温度。
47.根据权利要求46所述的方法，其中，将基底放入容器的步骤包括将由烧结金属碳化物形成的基底放入容器内。
48.根据权利要求47所述的方法，其中，将基底放入容器的步骤包括将由钴钨硬质合金形成的基底放入容器内。
49.根据上述权利要求46至48中任一项所述的方法，进一步包括形成第三区域、第四区域、第五区域和第六区域的步骤，第一至第六区域是轴对称的，第二至第六区域与第一区域相邻，并且第二至第六区域中的每一个区域具有低于第一区域的热膨胀系数。
50.根据权利要求49所述的方法，包括：
a.将第一区域设置在第二区域和基底之间；
b.将第三区域设置在邻近第一区域，并位于基底和多晶材料本体之间的界面，第三区域位于并形成多晶材料本体外围自由表面的一部分，并位于第一区域和基底之间；
c.将第四区域设置在邻近第三区域，并位于多晶超硬材料的外围自由表面处；
d.将第五区域设置在邻近第四区域和第二区域，并将第二区域与第四区域分开；以及
e.将第六区域设置在邻近第一区域，并将第一区域与基底分开。
51.一种包括权利要求1至43中任一项所述的超硬结构的钻头或刀具或用于钻头或刀具的组件。
52.一种基本如参考在附图中阐释的实施例的任意一个实施方式所描述的形成超硬结构的方法。
53.一种基本如参考在附图中阐释的实施例的任意一个实施方式所描述的超硬结构。
54.一种基本如参考在附图中阐释的实施例的任意一个实施方式所描述的钻头或刀具或用于钻头或刀具的组件。
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