CN104093933B - 挖掘工具的超硬尖端和包含其的挖掘工具 - Google Patents

挖掘工具的超硬尖端和包含其的挖掘工具 Download PDF

Info

Publication number
CN104093933B
CN104093933B CN201280069218.1A CN201280069218A CN104093933B CN 104093933 B CN104093933 B CN 104093933B CN 201280069218 A CN201280069218 A CN 201280069218A CN 104093933 B CN104093933 B CN 104093933B
Authority
CN
China
Prior art keywords
impact
tip
basic unit
pcd
volume
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Active
Application number
CN201280069218.1A
Other languages
English (en)
Other versions
CN104093933A (zh
Inventor
彼得·布什
贝恩德·亨瑞克·里斯
罗伯特·福瑞斯
康纳利斯·罗劳夫·琼格尔
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Element Six Holding GmbH
Element Six Abrasives SA
Original Assignee
Element Six Holding GmbH
Element Six Abrasives SA
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Element Six Holding GmbH, Element Six Abrasives SA filed Critical Element Six Holding GmbH
Publication of CN104093933A publication Critical patent/CN104093933A/zh
Application granted granted Critical
Publication of CN104093933B publication Critical patent/CN104093933B/zh
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Classifications

    • E—FIXED CONSTRUCTIONS
    • E21—EARTH DRILLING; MINING
    • E21C—MINING OR QUARRYING
    • E21C35/00—Details of, or accessories for, machines for slitting or completely freeing the mineral from the seam, not provided for in groups E21C25/00 - E21C33/00, E21C37/00 or E21C39/00
    • E21C35/18—Mining picks; Holders therefor
    • E21C35/183—Mining picks; Holders therefor with inserts or layers of wear-resisting material
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B28—WORKING CEMENT, CLAY, OR STONE
    • B28D—WORKING STONE OR STONE-LIKE MATERIALS
    • B28D1/00—Working stone or stone-like materials, e.g. brick, concrete or glass, not provided for elsewhere; Machines, devices, tools therefor
    • B28D1/18—Working stone or stone-like materials, e.g. brick, concrete or glass, not provided for elsewhere; Machines, devices, tools therefor by milling, e.g. channelling by means of milling tools
    • B28D1/186—Tools therefor, e.g. having exchangeable cutter bits
    • E—FIXED CONSTRUCTIONS
    • E21—EARTH DRILLING; MINING
    • E21B—EARTH DRILLING, e.g. DEEP DRILLING; OBTAINING OIL, GAS, WATER, SOLUBLE OR MELTABLE MATERIALS OR A SLURRY OF MINERALS FROM WELLS
    • E21B10/00—Drill bits
    • E21B10/46—Drill bits characterised by wear resisting parts, e.g. diamond inserts
    • E21B10/56—Button-type inserts
    • E—FIXED CONSTRUCTIONS
    • E21—EARTH DRILLING; MINING
    • E21B—EARTH DRILLING, e.g. DEEP DRILLING; OBTAINING OIL, GAS, WATER, SOLUBLE OR MELTABLE MATERIALS OR A SLURRY OF MINERALS FROM WELLS
    • E21B10/00—Drill bits
    • E21B10/46—Drill bits characterised by wear resisting parts, e.g. diamond inserts
    • E21B10/56—Button-type inserts
    • E21B10/567—Button-type inserts with preformed cutting elements mounted on a distinct support, e.g. polycrystalline inserts
    • E21B10/573—Button-type inserts with preformed cutting elements mounted on a distinct support, e.g. polycrystalline inserts characterised by support details, e.g. the substrate construction or the interface between the substrate and the cutting element
    • E21B10/5735—Interface between the substrate and the cutting element
    • E—FIXED CONSTRUCTIONS
    • E21—EARTH DRILLING; MINING
    • E21C—MINING OR QUARRYING
    • E21C35/00—Details of, or accessories for, machines for slitting or completely freeing the mineral from the seam, not provided for in groups E21C25/00 - E21C33/00, E21C37/00 or E21C39/00
    • E21C35/18—Mining picks; Holders therefor
    • E—FIXED CONSTRUCTIONS
    • E21—EARTH DRILLING; MINING
    • E21C—MINING OR QUARRYING
    • E21C35/00—Details of, or accessories for, machines for slitting or completely freeing the mineral from the seam, not provided for in groups E21C25/00 - E21C33/00, E21C37/00 or E21C39/00
    • E21C35/18—Mining picks; Holders therefor
    • E21C35/183—Mining picks; Holders therefor with inserts or layers of wear-resisting material
    • E21C35/1835—Chemical composition or specific material

Abstract

本发明涉及一种挖掘工具的冲击尖端，其包括含有超硬材料的冲击结构，该冲击结构在界面边界处连接至基层，且所述基层包含碳化物材料。所述冲击结构具有与界面边界相对的冲击端，所述冲击端包括圆形顶端，该圆形顶端具有至少3.2mm和至多6mm的纵断面曲率半径。

Description

挖掘工具的超硬尖端和包含其的挖掘工具
技术领域
本发明一般涉及挖掘工具的超硬尖端和包含所述超硬尖端的挖掘工具，特别但不唯一地用于路面碾磨或采矿。
背景技术
美国专利申请公开号为2009/0051211公开了一种具有在非平面界面处连接至烧结金属碳化物基层的超硬材料的高抗冲击力工具。超硬材料具有带尖锐顶端的尖的几何结构，该顶端具有1.27mm至3.175mm的半径以及从该顶端至基层平坦中心部分具有2.45mm至12.7mm的厚度。根据该现有技术，具有较尖锐，更尖的顶端的冲击尖端比具有更钝顶端的冲击尖端更不易于断裂，因为后者易于基本更少地穿入被分解的主体中，由此对金刚石基层提供了很少的扶壁支撑力并导致超硬材料在具有更大表面积的更低载荷下无法剪切或弯曲。因此，预计更钝的工具易于比更尖锐的工具在低得多的冲击能量下受到损坏，这被认为是由于在更尖锐的工具中更大的表面积上的负荷分布。
存在对一种含有具有很高耐磨性和抗断裂性的超硬尖端的挖掘工具的需求。
发明内容
从第一个方面看，本发明提供了一种挖掘工具的冲击尖端，其包含在(冲击结构和基层之间的)界面边界处连接至基层的冲击结构，所述冲击结构包含超硬材料，且所述基层包含碳化物材料；冲击结构具有与界面边界相对的冲击端，冲击端包括圆形顶端，该圆形顶端具有大于3.176，至少3.2mm或至少3.3mm和至多约6mm，至多约5mm或至多约4mm的纵断面曲率半径(纵断面穿过顶端和与顶端相对的界面边界)。
通过公开的内容设想有各种组合和配置，其中以下是非限定性和非穷举的实例。
挖掘工具可以用于例如分解道路铺路材料或采矿作业中的岩石组分，并且挖掘工具可被安装到载体，比如用于道路碾磨或采矿设备的辊筒或连接至辊筒的固定装置上。
超硬材料可包括或由例如合成或天然金刚石、多晶金刚石(PCD)材料、立方氮化硼(cBN)、多晶立方氮化硼(PCBN)材料和或碳化硅粘合金刚石材料构成。
在一些配置实例中，冲击结构可包括含有金刚石颗粒的PCD材料，该金刚石颗粒具有至少约15微米的平均尺寸。作为PCD材料的原材料使用的金刚石颗粒的尺寸分布可以是多种模式的，和或包含在PCD材料中的共生金刚石颗粒的尺寸分布可以是多种模式的(通过对PCD材料的抛光表面的图像分析可以测量后者的尺寸分布)。
靠近冲击端的至少一个冲击区域的冲击结构的至少一个区域可由PCD材料构成，该PCD材料在金刚石颗粒之间的间隙内含有填充材料，填充材料的含量大于区域中5％重量的PCD材料。如此处所用，冲击区域为冲击端的区域，当使用时挖掘工具冲击主体或组成时，该区域可以冲击式地啮合待分解的主体或组成。填充材料可包括用于金刚石的催化剂材料，比如钴、铁、镍和或锰，或包括这些中任一个的合金或化合物。在一些配置中，冲击区域可包括顶端，并且可基本上在整个冲击端上延伸。在一些配置中，冲击结构可基本上由在金刚石颗粒之间的间隙中含有填充材料的PCD材料构成，所述填充材料的含量在整个冲击结构内基本上是均匀的，或填充材料的含量可以在从PCD材料的至少5％重量至约20％重量的范围内变化。
冲击端至少一部分一般可以是圆锥形，并且在一些配置中，冲击端可具有球形钝锥的一般形状。其中顶端采取圆形锥头的一般形状。冲击表面的至少一部分或者与冲击表面的至少一部分的切线可以与冲击顶端周边相切的平面成一个角度倾斜，所述角度至少约35度或40度并且最多约55度或45度。在一个具体实施例中，角度可大致为43度。
在各种配置的实施例中，界面边界可为大致平面或非平面，并且可包括在基层主体中的凹陷和或从基层主体中的凸起。例如，界面边界一般可为圆顶形，其由基层的凸面近端边界限定。基层的近端边界可具有至少约1mm、至少约2mm或至少约5mm和或至多约20mm的纵断面曲率半径。在一些实施例中，在与冲击结构的顶端相对的基层近端边界中可存在凹陷(凹面)。在配置实施例中，顶端和与所述顶端相对的界面边界之间的冲击结构的厚度可以至少约为2.5mm，和或最多约10mm。在顶端和与所述顶端相对的冲击尖端基层远端之间的冲击尖端的高度至少约9mm。在一些配置的实施例中，基层近端可具有至少部分被周围突起(shelf)围绕的一般为圆顶形的中心区域，其中圆顶形区域可包括中心凹陷，或者不包括中心凹陷。
基层可包括烧结钴碳化钨。在一些实施例中，超硬材料可被连接至基层而形成，其指的是超硬材料在其与基层连接的同样的一般步骤中制造(例如烧结)。基层可包括烧结碳化钨材料，其包括至少约5％重量和至多约10％重量或至多约8％重量的粘合剂材料，该粘合剂材料可包括钴(在基层经受可以制造超硬结构的任何高压、高温条件之前测量；在这种处理后的实际的粘合剂含量可能稍微更低)。烧结碳化物材料可具有至少约88HRa的洛氏(Rockwell)硬度；至少约2,500MPa的横向断裂强度；和或至少约8G.cm3/g和至多约16G.cm3/g或至多约13G.cm3/g的磁饱和度和至少约6kA/m和至多约14kA/m的矫顽力。具有较低粘合剂含量的烧结碳化物有可能提供增强的硬度和对所用尖端的支撑力，其可有助于减少断裂风险，并且可能显示出良好的耐磨性。
在一些配置的实施例中，冲击结构可基本上由单个等级的PCD构成，或者其可能包括以各种方式配置，比如以层状或迭层配置的多个PCD等级。冲击结构可包括多个层，其被配置为使得相邻迭层含有不同的PCD等级，相邻迭层通过金刚石颗粒的共生而直接互相结合。
在一些配置的实施例中，基层可包括中间体积和远端体积，所述中间体积被设置在冲击结构和远端体积之间。中间体积可以大于冲击结构的体积并包含中间材料，该中间材料具有至少60％的超硬材料的平均杨氏模量。
从第二个方面看，本发明提供了含有根据本发明公开内容的冲击尖端的以未组装形式组装的一种挖掘工具组件。
组件可包括连接至支撑主体近端的冲击尖端。支撑主体一般为柱状或圆柱形状并且近端可以一般为截锥形。在一些配置的实施例中，支撑主体的体积可以至少约15cm3或至少约25cm3。
支撑主体可包括烧结碳化钨材料、陶瓷材料、碳化硅烧结金刚石材料或超硬材料，并且底部可包括钢材。支撑材料可具有至少约90HRa的洛氏硬度和至少约2,500MPa的横向断裂强度。例如，支撑主体可包括或由烧结碳化钨材料构成，该烧结碳化钨材料具有至少约7G.cm3/g和至多约11G.cm3/g的磁饱和度和至少约9kA/m和至多约14kA/m的矫顽力。支撑主体可包括或由烧结碳化物材料构成，该烧结碳化物材料可包括碳化钨颗粒和至少约5％重量和至多约10％重量或至多约8％重量的粘合剂材料，其可以含钴。碳化钨颗粒具有至多约6微米、至多约5微米或至多约3微米的平均尺寸。碳化钨颗粒的平均尺寸可以至少约1微米或至少约2微米。
可将支撑主体安装或可安装到可包含钢材的底部上或其中。例如，可将支撑主体冷缩配合或压装到设于底部内的孔中，和或例如通过铜焊可将支撑主体结合至底部。
附图说明
下面参考所附附图，对例示本发明的公开内容的非限定性配置的实施例进行描述，其中：
图1至图4A示出了用于挖掘工具的冲击尖端的实施例的横截面示意图；
图4B示出了图4A的部位E的放大视图；
图5示出了冲击尖端的实例的基层实例的横截面示意图；
图6示出了冲击尖端的实例的基层实例的透视图；
图7和图8示出了挖掘工具的实例的纵向横截面示意图。
具体实施方式
参考图1，冲击尖端100的实例包括冲击结构110，其在基层120和冲击结构之间的界面边界122处被连接至烧结碳化物基层120。在该实施例中，冲击结构110含有PCD材料，并具有冲击端112，其采取包括球形钝锥顶端114的钝锥的一般形状。顶端114具有大约3.5mm的纵断面曲率半径，所述纵断面平行于穿过顶端114和与顶端114相对的界面边界122的纵向轴L。冲击端112的圆锥表面以与冲击尖端100的外围侧表面正切的平面成大约43度的角度θ倾斜。界面边界122一般为圆顶形并由基层120的球形凸面近端限定，其具有大约9mm的纵断面曲率半径。在顶端114和与顶端114相对的界面边界122之间的PCD冲击结构的厚度T大约为4mm。在顶端114和与限定边界122的近端相对的基层120的远端之间的冲击尖端100的总体高度H大约为9.4mm。PCD冲击结构110的体积约为280.7mm3且基层的体积约为476mm3。在其它的配置实施例中，PCD冲击结构110的体积可以为基层120体积的至少70％和至多150％。PCD材料包括约82％重量的基本共生的金刚石颗粒和约18％重量的设置在金刚石颗粒之间的间隙区域内的填充材料，该填充材料包含钴。金刚石颗粒具有多模式的尺寸分布和大约20微米的平均尺寸。基层120包括烧结钴碳化钨材料，该材料含有约92％重量的碳化钨(WC)颗粒和约8％重量的钴(Co)。烧结碳化物材料的磁饱和度在以每千克0.1微特斯拉乘以立方米(μTm3/kg)为单位从约132至约136或约10.5至约12.8G.cm3/g的范围内，并且磁矫顽力在从约7.2至约8.8kA/m或约90至约110Oe的范围内。烧结碳化物材料的硬度约为88.7HRa，横向断裂强度约为2,800MPa，断裂韧性约为14.6MPa并且杨氏模量约为600MPa.
图2例示的冲击尖端100的实例基本上具有与参考图1所述的相同的结构特点和尺寸，除了PCD冲击结构110包括多个层或迭层116，其中连续层116包括交替排列的不同等级的PCD材料。层116可以被配置成靠近所用的冲击端112产生的，远离PCD冲击结构110的内部区域或远离基层120的边界122的直接裂纹。在一些配置的实施例中，层116可以一般被配置为与冲击端114的至少一部分共形(conformal)并且可具有大约30至300微米范围的厚度。
在图3所示的冲击尖端100的实施例中，基层包括中间体积125和远端体积126，中间体积125被设置在冲击结构110和远端体积126之间。中间体积125大于冲击结构110的体积并包含具有超硬材料的至少60％的平均杨氏模量的中间材料。在冲击结构110和中间体积125之间的界面边界122一般为锥形并且一般与冲击端112共形。中间体积125在远离冲击结构110的边界128处被连接至远端体积126。中间体积具有在冲击结构110和基层的远端体积124之间的硬度并且可包括具有至少约650GPa和至多约900GPa的杨氏模量的材料。在该具体实施例中，中间体积125包括碳化物颗粒和金刚石颗粒，并且冲击结构110的杨氏模量至少约1,000GPa。冲击结构110的顶端114具有约3.5mm的纵向曲率半径。
由图4A和图4B例示的冲击尖端100的实例基本上具有与上面参考图1所述相同的结构特点和尺寸，除了在界面边界122中存在凹陷124之外，所述凹陷的底部与冲击结构110的顶端114相对并由基层120的另外一般为凸面的近端中的凹面限定。基层120的近端可以被描述为中空尖形圆顶，其中凹陷124至少部分地被隆起(ridge)123包围。凹陷124可具有至少约0.5mm和至多约10mm的纵向曲率半径Rd(即在与L平行的平面中)，和至少约0.1mm和至多约1mm的距离周围隆起123的深度Dd。在一个具体实施例中，深度Dd约为0.3mm。
参考图5和图6，冲击尖端的基层120的实例可具有近端PE和相对的远端DE，近端和远端PE、DE通过圆柱形外侧表面PS被连接。在该具体实施例中，近端PE被配置为包括由圆周突起区域129围绕的凸面圆顶形区域121。近端PE的形状将基本上决定在超硬冲击结构和基层120之间的界面边界的形状。圆周突起区域129可以相对于纵轴L基本上侧向延伸。在该具体实施例中，圆周突起129约为1mm宽。
在图5所示的实例中，凸面圆顶形区域121包括多个一般为半球形的凸起127，并且在图6所示的实例中，凸面圆顶区域没有凸起。在一些实例中(未示出)，近端PE可包括多个半球形凸起但没有圆周突起区域129，凸面圆顶形区域121的至少一部分基本上延伸至外侧表面PS的边缘。在图5和图6所示的实例中，近端PE包括形成在凸面圆顶形区域121中心内的中心凹陷124。在其它配置的实施例中(未示出)，近端PE不必包括凹陷。
参考图7和图8，实例挖掘工具配置200的每个均包括尖端100，其在接合界面边界212处被连接至支撑主体210，并且支撑主体210包括插入杆，与底部220中形成的孔冷缩配合。底部220具有杆222，用于经由耦合装置(未示出)将镐200安装到辊筒(未示出)上。在图7所示的配置的实例中，杆222基本上不与支撑主体210的插入杆对齐，而在图8所示的配置实例中，杆222基本上与支撑主体210的插入杆对齐。支撑主体210的体积可约为30cm3且支撑主体210的长度可约为6.8cm。如此处所用，冷缩配合是一种元件之间的过盈配合，其通过在至少一个元件中的相对尺寸变化而取得(形状也可能有一些变化)。这通常是通过在安装之前加热或冷却一个元件并在安装之后容许其返回到环境温度而取得的。冷缩配合被理解为与压装相反，在压装中元件被强制推入另一个元件内的孔或凹槽中，其可能涉及在元件之间产生很大的摩擦应力。在一些变型中，支撑主体210包括烧结碳化物材料，其含有平均尺寸约2.5微米至约3微米的碳化钨颗粒，和最多约10％重量金属粘合剂材料，比如钴(Co)。将支撑主体210冷缩配合进入基底220中可容许使用较硬等级的烧结碳化物，其可能增大对于尖端100的支撑并降低断裂的风险。为了降低应力，可避免在接触点处的锐角。例如，边缘或角可以被弧形化或倒角，并且孔的边缘可以设有弧形或倒角以减低产生与应力相关裂纹的风险。
在使用时，驱动安装在挖掘工具上的冲击尖端，以便撞击待分解的主体或组成。在道路碾磨或采矿中，每个包括冲击尖端的多个镐(pick)可被安装在辊筒上。辊筒将与车辆连接并由车辆驱动，例如当辊筒转动时，引起辊筒转动并且镐反复地冲击沥青或岩石。镐一般会被配置为使得每个冲击尖端不直接用顶端的顶部冲击主体，但是略微倾斜以实现挖掘动作，其中主体通过冲击尖端被局部破碎。冲击尖端对硬质材料的反复撞击可能导致冲击尖端和或镐的其它部分的磨损和断裂。
现在将对包括形成为连接至基层的PCD结构的尖端的制造方法示例进行描述。
一般而言，尖端可以通过将包括多个金刚石颗粒的聚合体放置在烧结碳化物基层上，并使得到的组件置于金刚石的催化剂材料中经受超高压和高温制成，在该超高压和高温下，对将金刚石颗粒烧结在一起并形成连接至基层主体的PCD结构来说，金刚石比石墨更加热力学稳定。烧结碳化物基层主体中的粘合剂材料可以提供催化剂材料源，比如钴、铁或镍或包括其任一种的混合物或合金。催化剂材料源可以例如被混合的粉末或金刚石颗粒上的沉淀物的形式设置在金刚石颗粒的聚合体内。催化剂材料源可设置在靠近聚合体的边界而不是在聚合体和基层主体之间的边界，例如，靠近将对应于烧结PCD结构的冲击端的聚合体的边界。
在一些方法实例中，聚合体可包括基本上松散的金刚石颗粒，或通过粘合剂材料固定在一起的金刚石颗粒。聚合体可以采取颗粒、圆盘、薄片或薄板的形式，并且可以含有用于金刚石的催化剂材料和/或例如用于降低异常金刚石颗粒的生长的添加剂，或聚合体可基本上不存在催化剂材料或添加剂。
在一些方法实例中，可提供包括由粘合剂材料固定在一起的多个金刚石颗粒的采用薄片形式的聚合体。薄片可由如挤压或流延成型方法制成，其中包括具有适合于制造期望的各自PCD等级的各自尺寸分布的金刚石颗粒的悬浮液，并且粘合剂材料被扩散在表面上并容许干燥。制造含金刚石的薄片的其它方法也可被使用，比如在美国专利申请号5,766,394和6,446,740中被描述。用于沉积含有金刚石层的可选方法包括喷涂法，比如热喷涂。粘合剂材料可包括水基有机粘合剂，比如甲基纤维素或聚乙二醇(PEG)，并且可提供包括具有不同尺寸分布、金刚石含量和或添加剂的金刚石颗粒的不同薄片。例如，可提供含有从约15微米至约80微米的范围的平均尺寸的金刚石的薄片，圆片可由薄片切割，或薄片可被破碎。薄片也可含有用于金刚石的催化剂材料，比如钴，和或用于催化剂材料的前体材料，和或用于抑制金刚石颗粒异常生长或提高PCD材料性能的添加剂。例如，薄片可含有约0.5％重量至约5％重量的碳化钒、碳化铬或碳化钨。
在方法实例的一些类型中，金刚石颗粒的聚合体可包括用于催化剂材料的前体材料。例如，聚合体可包括金属碳酸盐前体材料，特别是金属碳酸盐晶体，且方法可包括将粘合剂前体材料转化成对应的金属氧化物(典型地通过热解或分解)，将金属氧化物基的粘合剂前体(precursor)材料与大量金刚石颗粒混合，并且研磨混合物以产生分散在金刚石颗粒表面上的金属氧化物前体材料。金属碳酸盐晶体可选自碳酸钴、碳酸镍、碳酸铜等等，特别是碳酸钴。可以研磨催化剂前体材料直到金属氧化物的平均颗粒尺寸在从约5nm至约200nm的范围内。例如在碳存在的真空中和/或通过氢还原，金属氧化物可以还原至金属分散体系。金属碳酸盐，比如碳酸钴晶体的控制热解提供了生产相应金属氧化物例如氧化钴(Co3O4)的方法，其可以被还原至钴金属分散体系。氧化物的还原可以在碳存在的真空中和/或通过氢还原实施。
可以提供含有烧结碳化物的基层主体，其中烧结体或粘合剂材料包括金刚石催化剂材料，比如钴。基层主体可具有非平面或基本为平面的近端，在其上形成PCD结构。例如，可以配置近端以便降低或至少改变PCD中的残余应力。可以设置杯状物，其具有一般为圆锥形的内表面，以用于在基层主体上组装金刚石聚合体，其可以采用含有金刚石的薄片的组件形式。可以将聚合体放置在杯状物中，并且配置为基本上与内表面共形。然后可以将基层主体插入杯状物中，使近端先进入，然后推动金刚石颗粒的聚合体。通过放置在其上的第二个杯状物基层主体可以靠着聚合体固定，并且第一和第二杯状物相互配合或连接以便形成预烧结组件。
可将预烧结组件放置在用于超高压压制的小容器中，并使其经受至少约5.5GPa的超高压和1300摄氏度的温度，从而烧结金刚石颗粒并形成含有烧结至基层主体上的PCD结构的构造。在所述方法的一个类型中，当在超高压和高温下处理预烧结组件时，支撑主体内的粘合剂材料熔化并渗透到金刚石颗粒的聚合体。来源于支撑主体和或来源于聚合体内提供的源的融化的催化剂材料的存在，将通过相互共生促进金刚石颗粒的烧结以形成PCD结构。
当冲击尖端包括超硬材料，比如PCD时，冲击尖端的磨损相对不太重要，因为超硬材料相对耐磨并且疲劳模式很可能会是断裂，由于超硬材料趋向于相对易于断裂。尽管不希望被特定理论所限制，但由于在道路碾磨和采矿中对冲击尖端的反复撞击有可能引起与疲劳相关的裂纹扩展和断裂，因为随着每次撞击，裂纹可能增大尺寸直到裂纹前进到冲击尖端的表面并且冲击尖端的一部分折断。至少由于这个原因，一种冲击尖端的可能平均工作寿命可以通过包括对坚硬主体上的冲击尖端的周期性冲击的实验室测试和在冲击尖端上的单调载荷所标示。
所公开的冲击尖端和包括该冲击尖端的镐可具有良好的使用寿命的特点，至少因为降低了断裂风险或实质上延迟了断裂。至少因为可能减少了烧结缺陷的产生，其也可能被相对容易和有效地制造。尽管希望不被特定理论限定，这也可能是由于在超硬冲击结构被烧结的烧结步骤中催化剂材料从基层穿过金刚石颗粒的聚合体到达顶端的更加均匀渗透的可能性。另外，可以希望降低在烧结步骤中更钝的顶端实质上发生变型的风险。也可以期望在现场操作中更钝的冲击尖端更不易于意外破裂。作为对这些方面的权衡，可以期望的是，如果冲击尖端更钝并且能量消耗可能略微更大，对待分解的主体或结构破解的每个镐所需的力将会更高。当使用作为其实质上比超硬冲击尖端更低的耐磨性而易于实质上在使用时变钝的常规烧结碳化物冲击尖端时，期望的是力和能量消耗基本上小于或至少不大于所需的值。
其中冲击结构包括或基本上由PCD材料构成的冲击尖端的配置有可能显示改进的断裂韧性，该PCD材料含有大于5％重量的靠近或邻接冲击端的冲击表面的填充剂材料。作为权衡，具有相对于金刚石的相对更高含量的填充剂材料的PCD趋向于具有降低的耐磨性。
下面详细描述非限定性实施例。
参考如上面图1所述的若干冲击尖端的实例和若干控制冲击尖端被设置并经受单调载荷和循环冲击试验。控制尖端包含在PCD冲击结构中，其冲击端具有球形钝锥的一般形状并且其顶端具有2.4mm的曲率半径。
单调载荷试验涉及使每个冲击尖端经受增大的载荷直到100kN的最大值或者直到其断裂。通过垂直向下驱动载荷元件至冲击尖端上而施加载荷，载荷元件包含具有基本为平面表面的PCD结构。将冲击尖端安装在夹具中并以与垂线成32度角倾斜地握持，并且在靠近顶端的尖端上研磨大约2至3平方mm的较小的基本上为平面的接触区域，在该区域中载荷元件将撞击尖端。由夹具牢固地握持的冲击尖端被放置在万能试验机(Instron 5500RTM)中并且载荷元件以0.1mm/min的固定进展速度被向下驱动，直至满足下面的失效标准之一：成形刀具的完全失效，PCD载荷元件的失效或者达到最大载荷。这些中的第一个被认为比其它两个提供了更合理的冲击尖端强度指标。失效载荷除以接触面积以给出接触应力指标，其为对包括冲击结构的强度、冲击尖端内的残余应力和从倾斜角中产生的几何效果的若干方面的组合作用的测量。
使十个实例尖端和十五个控制尖端经受单调载荷试验。控制尖端的平均失效接触应力小于20GPa，而实例尖端的失效接触应力约为25GPa，表明在该方面实例冲击尖端更优越(实际上实例冲击尖端可能甚至比这个值更好，因为在十个试验的八个中，PCD载荷元件断裂，表明实例尖端的失效应力一般超过载荷元件的失效应力)。
使六个实例尖端和十五个控制尖端经受涉及反复冲击尖端的冲击试验。控制冲击尖端表现出对失效冲击数量的较宽分布，从小于250至大于1,000，而所有的实例尖端对于大于1,000次的冲击幸存而未失效。
这些试验强烈地表明，根据该公开内容的冲击尖端作为用于道路碾磨和采矿的破解工具使用时，至少就使用寿命而言可能表现出基本上提高的性能。
下面将简要解释这里所用的特定术语和概念。
合成和天然金刚石，多晶金刚石(PCD)，立方氮化硼(cBN)和多晶cBN(PCBN)材料为超硬材料的实例。如此处所用，合成金刚石，其也被称作人造金刚石，是已经被制成的金刚石材料。如此处所用，多晶金刚石(PCD)材料包括大量金刚石颗粒的聚合体，其主要部分直接相互结合并且其中金刚石含量至少约为材料的80％体积。金刚石颗粒之间的间隙可以至少部分填充有粘合剂材料，粘合剂材料可含有合成金刚石的催化剂材料，或其可以基本上是空的。如此处所用，用于合成金刚石的催化剂材料能够促进合成金刚石颗粒的生长和或合成或天然金刚石颗粒在使合成或天然金刚石颗粒热力学稳定的温度和压力下的直接相互生长。金刚石的催化剂材料的实例为Fe、Ni、Co和Mn，和包括这些成分的特定合金。含有PCD材料的主体可包括至少从空隙中移除催化剂材料，留下金刚石颗粒之间间隙中空穴的区域。如此处所用，PCD等级是根据金刚石颗粒的体积含量和尺寸，金刚石颗粒之间的间隙区域的体积含量和可能存在于间隙区域内的材料成分为特点的PCD材料的变型。不同的PCD等级可具有不同的微观结构和不同的机械性能，比如弹性(或杨氏)模量E，弹性模量，横向断裂强度(TRS)，粗糙度(比如所谓的K1C粗糙度)，硬度、密度和热膨胀系数(CTE)。不同的PCD等级也可以在使用时具有不同的性能。例如，不同PCD等级的磨损率和抗断裂性可能不同。
如此处所用，PCBN材料包括分散在含有金属或陶瓷材料的基质内的立方氮化硼(cBN)颗粒。
超硬材料的其它实例包括含有通过基质固定在一起的金刚石或cBN颗粒的特定复合物材料，其包含陶瓷材料，比如碳化硅(SiC)，或烧结碳化物材料，比如Co-粘合的WC材料(例如，如美国专利号5,453,105或6,919,040所述)。例如，特定SiC-粘合的金刚石材料可包括分散在SiC基质中的至少约30％体积的金刚石颗粒(其可包含以不是SiC形式的少量的Si)。SiC-粘合的金刚石材料的实例在美国专利号7,008,672；6,709,747；6,179,886；6,447,852；和国际申请公布号WO2009/013713中描述。
在测量多晶体或复合材料成分的重量或体积百分数含量时，应理解的是，在其中测量含量的材料的体积应足够大，使得所述测量基本上代表材料的体积性能(bulk characteristics)。例如，如果PCD材料包括共生金刚石颗粒和分布在金刚石颗粒之间间隙中的钴填充剂材料，则根据PCD材料的体积或重量百分数的填充剂材料的含量应在至少是金刚石颗粒体积的若干倍的PCD材料体积中测量，使得填充剂材料与金刚石材料的平均比率实质上真实地代表了(具有相同等级的)PCD材料体积样品中的平均比率。

Claims (13)

1.一种挖掘工具的冲击尖端，其包括在界面边界处连接至基层的冲击结构，所述冲击结构含有多晶金刚石材料，即PCD材料，且所述基层包含碳化物材料；所述界面边界为圆顶形，其由所述基层的凸面近端边界限定，所述近端边界具有5至20mm的纵断面曲率半径并且没有中心凹陷；所述冲击结构具有与所述界面边界相对的冲击端，所述冲击端包括圆形顶端，所述圆形顶端具有至少3.2mm和至多6mm的纵断面曲率半径；且在所述顶端和与所述顶端相对的界面边界之间的所述冲击结构的厚度为2.5至10mm。
2.如权利要求1所述的冲击尖端，其中，所述挖掘工具用于分解道路的铺路材料或采矿作业中的岩石构造。
3.如权利要求1所述的冲击尖端，其中，所述PCD材料包括至少15微米平均尺寸的金刚石颗粒。
4.如权利要求1所述的冲击尖端，其中，所述冲击端具有球形钝锥的一般形状。
5.如权利要求1所述的冲击尖端，其中，所述顶端和与所述顶端相对的冲击尖端基层的远端之间的所述冲击尖端的高度至少为9mm。
6.如权利要求1所述的冲击尖端，其中，所述基层包括烧结碳化钨材料，所述烧结碳化钨材料包括至少5％重量和至多10％重量的含钴粘合剂材料。
7.如权利要求1所述的冲击尖端，其中，所述基层包括烧结碳化物材料，其具有至少88HRa的洛氏硬度，至少2,500MPa的横向断裂强度，至少8G.cm3/g和至多16G.cm3/g的磁饱和度和至少6kA/m和至多14kA/m的矫顽力。
8.如权利要求1所述的冲击尖端，其中，所述冲击结构包括多个等级的PCD材料，其被配置为层状结构的迭层，相邻迭层通过金刚石颗粒的共生而直接互相结合。
9.如权利要求1所述的冲击尖端，其中，所述基层包括中间体积和远端体积，所述中间体积被设置于所述冲击结构和远端体积之间，并且所述中间体积大于所述冲击结构的体积并且包含中间材料，所述中间材料具有至少60％的超硬材料的平均杨氏模量。
10.一种组装、部分组装或者未组装状态的挖掘工具组件，包括权利要求1所述的冲击尖端。
11.如权利要求10所述的组件，其中，所述冲击尖端连接至伸长支撑主体的近端，所述支撑主体冷缩配合在设于钢制底部中的孔内。
12.如权利要求11所述的组件，其中，所述支撑主体包括烧结碳化物材料，所述烧结碳化物材料含有至少5％重量和至多10％重量的含钴粘合剂材料。
13.如权利要求12所述的组件，其中，所述支撑主体包括烧结碳化钨材料，其具有至少90HRa的洛氏硬度，至少2,500MPa的横向断裂强度，至少7G.cm3/g和至多11G.cm3/g的磁饱和度和至少6kA/m和至多11kA/m的矫顽力。
CN201280069218.1A 2011-12-22 2012-12-12 挖掘工具的超硬尖端和包含其的挖掘工具 Active CN104093933B (zh)

Applications Claiming Priority (5)

Application Number Priority Date Filing Date Title
US201161579405P 2011-12-22 2011-12-22
US61/579,405 2011-12-22
GB201122187A GB201122187D0 (en) 2011-12-22 2011-12-22 Super-hard tip for a pick tool and pick tool comprising same
GB1122187.6 2011-12-22
PCT/EP2012/075234 WO2013092346A2 (en) 2011-12-22 2012-12-12 Super-hard tip for a pick tool and pick tool comprising same

Publications (2)

Publication Number Publication Date
CN104093933A CN104093933A (zh) 2014-10-08
CN104093933B true CN104093933B (zh) 2016-09-14

Family

ID=45572933

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN201280069218.1A Active CN104093933B (zh) 2011-12-22 2012-12-12 挖掘工具的超硬尖端和包含其的挖掘工具

Country Status (5)

Country Link
US (1) US9234423B2 (zh)
EP (1) EP2795062B1 (zh)
CN (1) CN104093933B (zh)
GB (2) GB201122187D0 (zh)
WO (1) WO2013092346A2 (zh)

Families Citing this family (18)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP6641925B2 (ja) * 2014-11-27 2020-02-05 三菱マテリアル株式会社 掘削チップおよび掘削ビット
SE538939C2 (en) * 2015-05-07 2017-02-28 Atlas Copco Secoroc Ab Cutting tool
WO2017015311A1 (en) * 2015-07-22 2017-01-26 Smith International, Inc. Cutting elements with impact resistant diamond body
JP1569599S (zh) * 2016-07-14 2017-02-20
JP1569597S (zh) * 2016-07-14 2017-02-20
JP1569589S (zh) * 2016-07-14 2017-02-20
USD818507S1 (en) * 2017-02-28 2018-05-22 Kennametal Inc Replaceable tip for a rotatable cutting tool
GB201703626D0 (en) * 2017-03-07 2017-04-19 Element Six (Uk) Ltd Strike tip for pick up tool
US10940538B2 (en) 2017-08-11 2021-03-09 Kennametal Inc. Grade powders and sintered cemented carbide compositions
US10640934B2 (en) * 2017-11-13 2020-05-05 Caterpillar Paving Products Inc. Reclaiming drum having interchangeable rectangular and V-shaped paddles
GB201804696D0 (en) 2018-03-23 2018-05-09 Element Six Uk Ltd Rock cutting machine
GB201901712D0 (en) 2019-02-07 2019-03-27 Element Six Gmbh Pick tool for road milling
WO2020187428A1 (en) 2019-03-21 2020-09-24 Element Six (Uk) Limited Cutting assembly
GB201913658D0 (en) 2019-09-23 2019-11-06 Element Six Uk Ltd Cutting Assembly
GB201917708D0 (en) 2019-12-04 2020-01-15 Element Six Uk Ltd Disk cutter
AU2020395849B2 (en) 2019-12-04 2023-10-12 Element Six (Uk) Limited Disk cutter
GB201919158D0 (en) * 2019-12-23 2020-02-05 Element Six Tech Ltd Non-planner diamond body
GB202005021D0 (en) 2020-04-06 2020-05-20 Element Six Uk Ltd Disk cutter

Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US7396086B1 (en) * 2007-03-15 2008-07-08 Hall David R Press-fit pick

Family Cites Families (30)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US4109737A (en) * 1976-06-24 1978-08-29 General Electric Company Rotary drill bit
US4981328A (en) * 1989-08-22 1991-01-01 Kennametal Inc. Rotatable tool having a carbide insert with bumps
ZA935524B (en) 1992-08-05 1994-02-24 De Beers Ind Diamond Abrasive product
US5766394A (en) 1995-09-08 1998-06-16 Smith International, Inc. Method for forming a polycrystalline layer of ultra hard material
US6170917B1 (en) * 1997-08-27 2001-01-09 Kennametal Inc. Pick-style tool with a cermet insert having a Co-Ni-Fe-binder
EA003437B1 (ru) 1997-09-05 2003-04-24 Государственное Унитарное Предприятие "Центральный Научно-Исследовательский Институт Материалов" Способ изготовления композиционного материала алмаз-карбид кремния-кремний и композиционный материал, изготовленный этим способом
CA2261491C (en) 1998-03-06 2005-05-24 Smith International, Inc. Cutting element with improved polycrystalline material toughness and method for making same
US6447852B1 (en) 1999-03-04 2002-09-10 Ambler Technologies, Inc. Method of manufacturing a diamond composite and a composite produced by same
US6709747B1 (en) 1998-09-28 2004-03-23 Skeleton Technologies Ag Method of manufacturing a diamond composite and a composite produced by same
WO2002012578A2 (en) 2000-08-08 2002-02-14 Element Six (Pty) Ltd. Method of producing an abrasive product containing cubic boron nitride
US7740414B2 (en) 2005-03-01 2010-06-22 Hall David R Milling apparatus for a paved surface
US8109349B2 (en) 2006-10-26 2012-02-07 Schlumberger Technology Corporation Thick pointed superhard material
US7950746B2 (en) * 2006-06-16 2011-05-31 Schlumberger Technology Corporation Attack tool for degrading materials
US7390066B2 (en) * 2006-08-11 2008-06-24 Hall David R Method for providing a degradation drum
US20080035389A1 (en) * 2006-08-11 2008-02-14 Hall David R Roof Mining Drill Bit
US9316061B2 (en) 2006-08-11 2016-04-19 David R. Hall High impact resistant degradation element
US7637574B2 (en) * 2006-08-11 2009-12-29 Hall David R Pick assembly
EP2049769B1 (en) * 2006-08-11 2016-12-07 Services Pétroliers Schlumberger Thick pointed superhard material
US8714285B2 (en) 2006-08-11 2014-05-06 Schlumberger Technology Corporation Method for drilling with a fixed bladed bit
US7669674B2 (en) * 2006-08-11 2010-03-02 Hall David R Degradation assembly
US7648210B2 (en) * 2006-08-11 2010-01-19 Hall David R Pick with an interlocked bolster
US7669938B2 (en) * 2006-08-11 2010-03-02 Hall David R Carbide stem press fit into a steel body of a pick
US7681338B2 (en) 2007-02-12 2010-03-23 Hall David R Rolling assembly and pick assembly mounted on a trencher
US7690138B2 (en) 2007-05-14 2010-04-06 Hall David R Rolling assembly mounted on a trencher
WO2009006612A1 (en) 2007-07-03 2009-01-08 Hall David R Wear resistant tool
EP2176191B1 (en) 2007-07-23 2013-01-16 Element Six Abrasives S.A. Method for producing an abrasive compact
US7832808B2 (en) * 2007-10-30 2010-11-16 Hall David R Tool holder sleeve
US7959234B2 (en) * 2008-03-15 2011-06-14 Kennametal Inc. Rotatable cutting tool with superhard cutting member
US8590643B2 (en) * 2009-12-07 2013-11-26 Element Six Limited Polycrystalline diamond structure
GB201113013D0 (en) * 2011-07-28 2011-09-14 Element Six Abrasive Sa Tip for a pick tool

Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US7396086B1 (en) * 2007-03-15 2008-07-08 Hall David R Press-fit pick

Also Published As

Publication number Publication date
GB2498844B (en) 2015-06-10
GB2498844A (en) 2013-07-31
GB201222337D0 (en) 2013-01-23
CN104093933A (zh) 2014-10-08
US9234423B2 (en) 2016-01-12
GB201122187D0 (en) 2012-02-01
US20140361601A1 (en) 2014-12-11
EP2795062B1 (en) 2019-02-06
WO2013092346A3 (en) 2014-02-20
EP2795062A2 (en) 2014-10-29
WO2013092346A2 (en) 2013-06-27

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CN104093933B (zh) 挖掘工具的超硬尖端和包含其的挖掘工具
CN104797781B (zh) 用于挖掘工具的冲击尖端及使用挖掘工具的方法
CN104024558B (zh) 挖掘工具的尖端及其制造方法和包括该尖端的挖掘工具
CN104797362B (zh) 包含超硬平面的冲击表面的挖掘工具
MX2012006482A (es) Estructura de diamante policristalino.
GB2527938A (en) Superhard constructions & methods of making same
EP2707573B1 (en) Tip for degradation tool and tool comprising same
GB2506718A (en) Multilayered polycrystalline diamond structure
JP6033864B2 (ja) ピックツール用の先端部および当該先端部を備えたピックツール
CN110168188A (zh) 挖掘工具的冲击尖端
CN106029608A (zh) 多晶超硬构造及其制造方法
WO2014139889A2 (en) Super-hard tip and pick tool comprising same

Legal Events

Date Code Title Description
C06 Publication
PB01 Publication
C10 Entry into substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
C14 Grant of patent or utility model
GR01 Patent grant