CN104769209A - 具有耐腐蚀性的超硬结构 - Google Patents

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Abstract

超硬结构(10)包括多晶金刚石本体(12)、与本体连接的第一金属基体(14)以及附连到所述第一金属基体(14)的第二金属基体(16)。第一和第二基体(14，16)各包括第一硬颗粒相和第二结合剂相，其中，在第二基体(16)中的硬颗粒的尺寸比在所述第一基体(14)中的要大。所述第一基体(14)可以比第二基体(16)含有更大量的结合剂材料。所述第一基体(14)有利于在高温高压条件下烧结金刚石本体(12)，并且当置于最终应用中时，所述第二基体(16)提供了改善的耐腐蚀性。可以在单个高温高压处理中形成此结构。第二基体(16)可以包含第一及第二基体(14，16)的组合厚度的80％或更多。

Description

具有耐腐蚀性的超硬结构
背景技术
使用包括由诸如金刚石、多晶金刚石(PCD)、立方氮化硼(cBN)、多晶立方氮化硼(PcBN)的超硬材料形成的本体的超硬结构是本领域中公知的。这种结构的一个例子可见于切割元件的形式，该切割元件包含接合至金属部件或基体上的超硬部件或本体。在这样的切削元件中，磨损或切削部分由超硬部件形成，并且提供所述金属部件用于将所述切割元件附接至所期望的磨损和/或切割装置。在这种已知的结构中，超硬部件可以由上述的那些超硬材料形成，该超硬材料提供比所述金属部件更强的耐磨损性。
使用PCD作为用于形成这样的结构的超硬材料是本领域公知的。PCD是在合适的催化剂材料(例如从元素周期表的第Ⅷ族中选出的溶剂催化剂金属)存在时通过将一定体积的金刚石晶粒置于高压/高温(HPHT)条件下形成的。通常情况下，用于形成PCD的溶剂催化剂材料的来源是所述金属基体，其中，所述溶剂催化剂材料作为该基体的一部分存在，其在HPHT处理期间从所述基体迁移并渗入相邻的金刚石本体。所得的结构是包含接合到所述基体上的PCD本体的PCD复合片。
多年来，在提供热稳定性、耐磨性和耐磨损性的增强性能方面已经对这样的超硬结构的PCD本体部分作出了很多改进，因而延长了这类超硬结构的有效使用寿命，使得所述结构的使用寿命现在由其他元件支配。例如，已经发现，这种超硬结构的基体部分，因为它们是借助于改进的PCD本体而经受延长了的使用寿命，当其经受长期暴露于钻井作业期间的钻屑及泥浆射流时，遭受由于长期暴露于井下引起的侵蚀损坏。这种侵蚀损坏最终导致超硬结构的失效，从而有效地限制了使用寿命。
发明内容
如本文所述的超硬结构包括金刚石本体，所述金刚石本体包括晶粒间结合的金刚石的基质相以及分散于所述基质相内的多个间隙区域。所述结构包括附接于所述金刚石本体的第一金属基体以及附接于所述第一金属基体的第二金属基体。所述第一及第二基体选自于如下组：金属材料、陶瓷材料、金属陶瓷材料及它们的组合。所述第一及第二基体各包含第一硬颗粒相及第二结合剂材料相。所述第二金属基体包含平均颗粒尺寸不同于所述第一基体中的硬颗粒的平均颗粒尺寸的硬颗粒。所述第一基体具有有助于在高压/高温条件中烧结所述金刚石本体的材料成分，并且当置于最终应用中时，所述第二基体的材料成分具有比所述第一基体更高程度的耐腐蚀性。在一个示例性实施例中，所述金刚石本体经高压/高温处理形成，并且在此处理期间，所述第一基体整体附接于所述金刚石本体，并且所述第二基体附接于所述第一基体。所述第一基体可以包含大于第二基体中的结合剂材料的量的结合剂材料量。在一个示例性实施例中，所述第一基体的厚度小于所述金刚石本体的厚度的约1/2，并且在其他实施例中，小于所述金刚石本体的厚度的约1/4。提供本发明内容部分是为了介绍一系列概念，其将在下面的详细描述中进一步描述。本发明内容不旨在标识所要求保护的主题的关键或必要特征，也不旨在用于帮助限制所要求保护的主题的范围。
附图说明
参考下图描述超硬结构的实施例：
图1是如本文所述的示例性实施例的超硬结构的侧截面图；
图2是另一示例性实施例的超硬结构的侧截面图；
图3是如本文所述的被实施为剪切切割器的超硬结构的侧立体图；
图4是包含图3中的多个剪切切割器的刮刀钻头的侧立体图；
图5是如本文所述的以镶齿示例的超硬结构的侧立体图；
图6是包含图5中的多个镶齿的旋转锥钻头的侧立体图；
图7是包含图5中的多个镶齿的冲击或震击钻头的侧立体图；以及
图8a及8b是如本文所述的示例性实施例超硬结构的侧截面图，显示出不同的PCD本体界面结构。
具体实施方式
如本文所述的超硬结构包含由多晶金刚石(PCD)形成的金刚石结合本体。所述金刚石结合本体可以包括热稳定多晶金刚石(TSP)的区域，其中，所述区域可以或可以不包含渗入材料。所述超硬结构包含接合到金刚石结合本体的渗入基体以及结合到所述渗入基体的服务基体，其中，所述服务基体是专门设计的，其具有被设计为提供相比与传统的PSD结构共同使用的传统基体改善的耐腐蚀性的材料成分。
尽管上文已经描述了本体是金刚石结合本体，但是应该理解，该本体也可以由除金刚石外的超硬材料形成。如本文所述，术语“超硬”应理解为指的是，那些在本领域中公知的具有约4000HV或更大的晶粒硬度的材料。这样的超硬材料可以包括由固结的材料形成的那些能够在高于约750℃的温度下(对于某些应用来说高于约1000℃)呈现物理稳定性的材料。这样的超硬材料可以包括但不限于：金刚石，立方氮化硼(cBN)，金刚石状碳、铌硼，铝锰硼化物及在硼-氮-碳相图中显示出类似于cBN和其他陶瓷材料的硬度值的其他材料。
PCD是由上文所述的通过在催化剂材料存在时将一定体积的金刚石晶粒置于HPHT条件下的方式形成的超硬材料。所述催化剂材料可以是溶剂催化剂金属，例如选自周期表第VIII族的一种或多种。如本文所述，术语“催化剂材料”指的是最初用来在用于形成PCD的HPHT条件下促进金刚石-金刚石结合或烧结的材料。PCD的材料微观结构具有晶粒间结合的金刚石的基质相以及多个分散于所述基质相内的间隙区域，其中，所述催化剂材料布置于所述间隙区域中。
通过从所述PCD移除催化剂材料形成了TSP，以便剩余的金刚石结构基本不含催化剂材料。TSP的材料微观结构的特征为晶粒间结合的金刚石的基质相以及多个空的间隙区域。如果需要，所述空的间隙区域可以填充如下文所述的所需的替代材料或渗入剂材料。TSP可以包含被处理过以防止其当所述金刚石本体承受高温条件时以催化方式作用的催化剂材料。TSP还可以包括使用非金属热稳定溶剂催化剂(例如碳化物、氧化物和硫化物)烧结的金刚石晶粒。TSP还可以是使用CVD法合成或直接由石墨源合成的100％金刚石材料。所述TSP源可以用作先前合成材料。
用于形成所述金刚石结合本体的金刚石晶粒可以包括具有平均颗粒直径尺寸在从亚微米大小至100微米范围内(在约1至80微米范围内)的天然和/或合成金刚石粉末。所述金刚石粉末可以含有具有单或多模态尺寸分布的晶粒。在一个示例性实施例中，所述金刚石粉末的平均颗粒尺寸大约是20微米。在所使用的金刚石粉末具有不同尺寸的晶粒的情况下，通过传统的工艺例如通过球磨机或磨碎机将所述金刚石晶粒混合在一起足够时间，以确保良好的均匀分布。
清洁所述金刚石晶粒粉末，以通过在真空或减压环境中进行高温处理来提高粉末的烧结性。将所述金刚石粉末混合物加载至所需容器内，该容器用于放置于合适的HPHT固结和烧结装置中。
在HPHT处理期间，催化剂材料例如溶剂金属催化剂等与所述金刚石粉末组合。在一个实施例中，催化剂材料通过从所需基体即渗入基体的渗入而提供，所述基体在HPHT处理之前被定位于所述金刚石粉末附近，并且包括作为组成材料的催化剂材料。可以用作用于渗入催化剂材料的源的合适的基体可包括那些用于形成传统PCD材料的基体，且可以以粉末、生坯状态和/或已烧结形式提供。这种基体的特征在于它包括金属溶剂催化剂，其能够融化并渗入金刚石粉末的相邻空间中，以便于在HPHT处理中金刚石晶粒的结合。在一个示例实施例中，催化剂材料为钴(Co)，用于提供催化剂材料的基体为含钴基体，例如WC--Co。
能用作所述渗入基体的基体材料包括那些通常用于渗入并形成PCD材料的材料，其包括金属材料、陶瓷材料、金属陶瓷材料及它们的组合。示例性渗入基体可以由类似于诸如WC、W2C、TiC、VC的碳化物的硬材料，或如合成金刚石、天然金刚石等的超硬材料形成，其中，所述硬或超硬材料可以包括包含诸如Co、Ni、Fe及Cu及它们的组合的一个或多个第VIII族的物质的较软的结合剂相。这样的渗入基体的特征在于其具有用于在HPHT处理期间保证其能释放其结合剂相材料并渗入所述金刚石粉末中的材料成分。
在一个示例性实施例中，初始基体可由WC-Co形成，该WC-Co包含具有大于约1微米(在约1至5微米范围内)的粒径的WC硬材料并且Co的含量占WC-Co材料的总重量大于约9％重量(在约12％至14％重量范围内)。在一个实施例中，初始基体由WC-Co形成，其中，WC粒径为约2微米并且Co的重量含量在烧结金刚石本体之前约为13％。
如本文所述的超硬结构的特征在于其包括两个基体，称为渗入基体及服务基体。所述渗入基体用于提供用于在HPHT处理期间烧结及形成所述PCD本体的催化剂材料的源。因此，这样的渗入基体是针对材料成分以及针对数量、尺寸或量专门设计的以提供此功能。不改进所述初始基体以提供改善的耐腐蚀性，所述服务基体提供此属性(除了提供与最终使用装置的连接元件外)。
从而，渗入基体的尺寸、量或数量理想地不多于在HPHT处理期间向附近的金刚石粉末提供的以促进金刚石的结合以及完全烧结的PCD本体的形成所需量的催化剂材料所需要的尺寸、量或数量。从而，总体来讲，如本文所述的用于形成超硬结构的初始基体的体积不多于为实现此功能所需要的体积。在所述金刚石粉末体积是约0.5ml的示例性实施例中，初始基体材料的体积可以在约0.12至0.25ml范围内。应该理解，这些范围仅用于参考及示例的目的，而所使用的初始基体材料的精确量可以并能够根据如下因素改变：金刚石粉末的体积、最终PCD本体的期望金刚石含量以及所述初始基体中的催化剂材料的体积含量。
在PCD本体具有约16mm的直径以及约2.5mm的厚度的示例性实施例超硬结构中，所述初始基体可以具有相同的直径以及在0.7至1.2mm范围内的厚度。通常，期望所述初始基体的厚度不大于所述PCD本体的厚度的约1/2，并少于所述PCD本体厚度的约1/4。
尽管上文已经描述了所述渗入基体作为用于提供渗入及烧结PCD本体的催化剂材料的源，但该渗入基体自身中的催化剂材料(例如钴)水平可以不足以提供渗入及烧结的所需水平。在此示例性实施例中，所述渗入基体可以包含比上文所述的低的水平的催化剂材料，并充当滤网，在所述烧结处理期间催化剂材料从下方的服务基体经所述滤网迁移穿过并进入所述金刚石粉末。
初始基体及PCD本体的另一个特征是它们具有被设计为提供优化的残余应力分布的界面，从而在使用中提供了增强的耐脱层性。在一个示例性实施例中，通过配置初始基体与PCD本体的界面表面以使其沿外直径具有较大的厚度以及沿内直径具有相对较小的厚度，获得所期望的优化应力分布。该特征用于减少作用于外直径上的能够引起PCD本体过早脱层的拉伸残余应力。
图8a及8b分别示出了如本文所述的示例性实施例超硬结构100，其包含在PCD本体104与初始基体106之间的界面102，所述界面102已经按上文所述的方式配置以减少拉伸残余应力。具体地，图8a示出了超硬结构100，其包含具有相对较厚的外直径部108及相对较薄的内直径部110的PCD本体104，其中，两个直径部之间的过渡是台阶式而不是斜坡式，并且所述初始基体106的界面表面被配置为与PCD本体的形状互补。具体地，图8b示出了超硬结构100，其包含具有相对厚的外直径部108及相对薄的内直径部110的PCD本体104，其中，两个直径部间的过渡是连续坡而不是台阶，并且所述初始基体106的界面表面被配置为与PCD本体的形状互补。
服务基体是专门设计为当所述超硬结构投入使用时同时提供与所述渗入基体的强的附接结合与增强程度的耐腐蚀性的一种基体。能用作服务基体的基体材料包括金属材料、陶瓷材料、金属陶瓷材料及它们的组合。示例性服务基体包括那些由类似于诸如WC、W2C、TiC、VC的碳化物的硬材料或如合成金刚石、天然金刚石等的超硬材料形成的基体，其中，所述硬或超硬材料可以包括包含诸如Co、Ni、Fe及Cu及它们的组合的一个或多个第VIII族的物质的较软的结合剂相。
在一个示例性实施例中，所述服务基体被设计为具有如下特性的材料成分：该材料成分与用于传统PCD结构的传统基体相比，具有改进强度的耐腐蚀性。在一个示例性实施例中，该增强的耐腐蚀性可以由如下的材料结构提供：与所述渗入基体相比，其中硬材料的比例升高或结合剂相材料的比例减少。例如，当所选择的服务基体材料相是WC-Wo时，该WC-Wo中的Co的重量占WC-Wo的总重可以少于约11％(在约6％至10％重量范围内)。
在另一个示例性实施例中，该增强的耐腐蚀性可以由如下的材料结构提供：与用于所述渗入基体的硬相材料相比，其所包括的硬相材料具有增加的粒径。例如，当所选择的服务基体材料相是WC-Co时，该WC-Co的平均晶粒直径可以大于约10微米，在一些情形中，大于约20微米。在选择WC-Co为所述服务基体材料的示例性实施例中，WC相的平均颗粒尺寸可以在约10至30微米范围内(在约15至25微米范围内)。
在另一个示例性实施例中，所述服务基体可以被形成为具有与用于PCD钻头本体的基质粉末中使用的硬相材料的晶粒尺寸类似的非常大晶粒的硬相材料，例如WC-Co。在这样的示例性实施例中，所述硬相材料的平均颗粒尺寸可以大于约325目或44微米，并且在一些实施例中甚至大于约60目或250微米。在这些非常大晶粒尺寸材料的情况下，结合剂或Co的含量可以大于上文所述的服务基体实施例。例如，对于这样的非常大晶粒尺寸的材料，其Co含量可以在约6至14重量百分比范围内。
在还一个示例性实施例中，这样的增强耐腐蚀性可以由如下的材料结构提供：其包含粗的硬相材料例如WC与相对较低比例的结合剂材料例如Co的组合。例如，当所选择的服务基体材料是WC-Co时，该材料可以具有包含具有如上所述的平均颗粒尺寸的WC且具有如上所述的Co含量的材料成分。
通常，包含如上所述的材料成分的服务基体并不很好地适合于用作用于形成烧结PCD本体的渗入源，也不很好适合用于直接结合至所述PCD本体。因此，渗入基体用于服务这些目的，并且在HPHT处理期间所述服务基体形成与所述渗入基体的强结合。
金刚石粉末与生坏件被加载入所需容器中，其中，所述渗入基体被定位邻近所述金刚石，并且服务基体被定位邻近渗入基体，容器被定位于合适的HPHT固结及烧结装置中。启动所述HPHT装置将所需HPHT条件施加到所述容器上使金刚石粉末固结及烧结、渗入基体附接至如此形成的PCD本体上以及服务基体附接至渗入基体上。在一个示例性实施例中，控制所述装置，以使所述容器在5000MPa或以上的压力以及从约1350℃至1500℃的温度的HPHT处理下承受预定长的时间。在此压力及温度下，所述渗入基体中的催化剂材料熔化并渗入所述金刚石粉末混合物中，从而烧结所述金刚石晶粒以形成PCD。
当完成HPHT处理后，从HPHT装置移除所述容器，并从所述容器移除如此形成的超硬结构。如本文所述的超硬结构的特征是，在用于形成PCD本体的同一个HPHT处理期间，渗入基体及服务基体被相互附接，并且所述渗入基体附接至所述PCD本体，从而不需要任何随后的附接步骤。
图1示出了按如上所述的方式制备的示例性实施例的超硬结构10，包含PCD本体12，初始或渗入基体14，以及最终或服务基体16，它们在用于形成PCD本体的HPHT处理期间相互附接。如上所述，初始基体14被选择为用于在HPHT处理期间将所需催化剂材料引入金刚石体积中的目的，以有助于所需的烧结，并且为了此目的，其与传统PCD结构中的基体相比具有减少的厚度。在一个示例性实施例中，期望渗入基体减少至用于形成传统PCD结构的传统基体的约20％或更少。
PCD本体12与渗入基体14间的界面表面和/或渗入基体14与服务基体16间的界面表面可以是平面或非平面的。在需要高度耐脱层特性的最终应用中，可期望使用非平面界面以在所述渗入基体与服务最终基体间提供增强的附接强度。在所述金刚石本体与渗入基体之间以及初始基体与所述最终基体之间具有非平面界面的结构可以进一步提供对使用中不希望的脱层的增强的耐脱层性。
所述PCD本体12包括顶表面及侧表面18及20，它们可以是或可以不是工作表面。如果需要，所述PCD本体12在顶表面与侧表面之间可以具有斜角边缘。对于特殊的最终应用，在不需要进一步成型或调整尺寸的前提下，所述PCD本体可以被配置为具有所需形式。所述PCD本体可以最初被配置为具有便于HPHT处理的形式，随后按用于最终应用中的需要被成型或调整尺寸。
如果需要，所述金刚石结合本体可以被处理为移除至少一部分布置于其中的催化剂材料，从而提供具有改进的热稳定性属性的最终金刚石本体，即具有TSP部分。所述特殊的最终应用将会影响从所述金刚石结合本体移除的催化剂材料的程度及位置。针对催化剂材料所使用的术语“移除”应该被理解为在所述金刚石本体的已处理区域中已经不存在所述催化剂材料的显著部分。然而，应该理解，在此部分中可能仍然残留一些少量的催化剂材料，例如在间隙区域中和/或粘附于金刚石晶体的表面。另外，如本文所使用的指代所述金刚石本体的已处理区域中的催化剂材料的术语“基本不含”应该被理解为是指，在如上所述的处理过的金刚石本体中仍然可能残留有一些少/微量催化剂材料。
在一个示例性实施例中，可以通过如下的处理方法来处理所述金刚石结合本体以移除催化剂材料：通过例如酸浸滤或王水浴的化学处理、如电解法的电化学处理，通过液态金属溶解或者通过在液相烧结过程中将已有的催化剂材料清除并用另一非催化材料替换的液态金属渗入，或通过上述的组合。在一个示例性实施例中，通过例如在诸如美国专利第4224380号中公开的酸浸滤法将所述催化剂材料从所述金刚石本体移除。可以使用包括升高的温度和/或升高的压力和/或声能等的加速催化剂移除技术。可以在金刚石结合本体附接到最终基体之前或之后对所述金刚石结合本体进行这样的处理。
所述金刚石结合本体的已处理区域包含材料微观结构，其具有由多个结合在一起的金刚石晶粒或晶体构成的多晶金刚石基质相以及由于移除了催化剂材料而布置于所述结合在一起的金刚石晶粒基质相之间的多个间隙区域，所述间隙区域以空孔或空隙存在于所述材料微观结构中。
在一个示例性实施例中，处理所述金刚石本体的一部分区域，并且已处理区域可以从所述金刚石结合本体的表面延伸所需深度，所述表面可以是工作表面或结合至基体的结合表面。在一个示例性实施例中，这样的已处理区域的深度可以是约0.05mm或更小，或者可以是约0.05至0.6mm。所述已处理区域的精确深度将取决于结合工艺和/或最终应用。
图2示出了如本文所述的示例性实施例的超硬结构30，其已经按上文所述的方式被处理。具体地，此结构30包含超硬本体32，从基本不含用于形成所述本体的催化剂材料的工作表面18延伸一定深度的第一或已处理区域34，以及包含所述催化剂材料且延伸至所述渗入基体14的第二残留区域36。与上文所述及图1中所示的结构实施例类似，这样的结构还包括渗入基体14及服务基体16。
如果需要，可以进一步处理所述金刚石结合本体的所述已处理区域，以使先前通过从其移除催化剂材料而腾空的部分内的全部或所有间隙区域中填充所需替换或渗入材料。在一个示例性实施例中，这样的区域可以填充、回填或再渗入材料，所述材料用于最小化和/或消除所述最终基体的不希望的材料渗入，和/或用于改进所述金刚石结合本体的一个或多个属性。
用于处理所述金刚石结合本体的示例性替换或渗入材料可以包括选自如下的组中的材料，所述组包括：金属、金属合金、金属碳酸盐、碳化物形成物(即用于与所述本体中的金刚石形成碳化反应产物的材料)及它们的组合。示例性金属及金属合金包括那些选自周期表第VIII族中的，示例性碳化物形成物包括那些包含Si、Ti、B的及当与金刚石在HPHT条件下结合时产生碳化反应产物的其他已知物。所述渗入材料的熔点处于金刚石稳定HPHT(高压高温)窗口内，并且可以以粉末层、生坯状态部件、已烧结部件或预成型膜的形式提供。在进一步的HPHT处理中，所述金刚石结合本体可以被渗入。
如本文所述的超硬结构的特征在于，它们利用两个各自专门设计为实现具体目的的不同的基体，从而避免了不得不使用具有折衷基体所执行的双重任务的性能的单个基体。具体地，这样的超硬结构包含初始或渗入基体，其被专门设计为在HPHT处理期间通过为金刚石结合提供渗入以形成完全烧结的PCD本体而提供最佳量的催化剂材料，而不需要考虑提供耐腐蚀性。另外，这样的超硬结构包含最终或服务基体，其被专门设计为在HPHT处理期间与渗入基体结合，同时当投入使用时为所述结构提供最优程度的耐腐蚀性，而不需要考虑在所述HPHT处理期间作为金刚石结合的催化剂材料源。如此设计，这样的超硬结构通过提供耐腐蚀基体而用于提供增加的使用寿命，其与由PCD本体已经实现的改善的使用寿命更好地匹配。
如本文所述的超硬结构可以用于多个不同的应用中，例如用于极度需要剪切强度、热稳定性、耐磨损性、机械强度和/或降低的热残余应力的采矿、切割、机加工、研磨和建筑应用的工具中。这种结构特别好地适合用于形成机床中的工作元件、磨损元件和/或切割元件以及地下钻井应用中使用的诸如牙轮钻头、冲击钻头或震击钻头、金刚石钻头和切割元件的钻井和采矿钻头，其中，所述切割元件例如为镶齿、剪切切割器等。
图3示出了如本文所述的超硬结构，其被实施为与例如用于钻探地下岩层的刮刀钻头共同使用的剪切切割器50的形式。所述剪切切割器50包含如上所述的金刚石结合本体54。所述金刚石结合本体附接至渗入基体51，所述渗入基体又附接至服务基体52。所述金刚石结合本体54包括工作或切割表面56。
虽然图3中的剪切切割器被示为具有大体圆柱结构且具有垂直于穿过所述剪切切割器的轴线设置的平面工作表面，但是应该理解，由如本文所述的超硬结构形成的剪切切割器可以被配置为其他不同于所示的结构，并且该替换性结构应该理解为在本发明的范围之内。
图4示出了刮刀钻头60，其包括上文所述并示于图3中的多个剪切切割器62。所述剪切切割器各附接于刀片64，每个刀片从所述刮刀钻头的头部66延伸，用于切割正在钻探的地下岩层。
图5示出了如本文所述的超硬结构的一个实施例，其被实施为镶齿70的形式，该镶齿用于在地下钻井中使用的牙轮锥钻头或冲击或震击钻头的磨损或切割应用中。例如，这样的镶齿70可以由包括渗入基体71及服务基体72的坯件以及具有工作表面76的金刚石结合本体74形成。所述坯件被挤压或机械加工成所需形状的牙轮锥钻头镶齿。
虽然图5中的镶齿被示为具有大体圆柱结构且具有圆形或弧形的工作表面，但是应该理解，由如本文所述的超硬结构形成的镶齿可以被配置为其他不同于所示的结构，并且该替换性结构应该理解为在本发明的范围之内。
图6示出了牙轮钻头78形式的旋转或牙轮锥钻头，所述牙轮钻头78包含如上所述及示于图5中的多个磨损或切割镶齿70。所述牙轮钻头78包含具有三个支腿82的本体80，以及安装于每个支腿下端的牙轮切割锥84。可以根据上述方法制造所述镶齿70。所述镶齿70位于每个切割器锥84的表面中以向正在钻探的岩石层施加压力。
图7示出了如上所述的镶齿70与冲击钻头或震击钻头86的共同使用。所述震击钻头包含中空的钢本体88，螺纹销90在所述本体的一端将所述钻头安装至钻柱(未示出)上，用于钻探油井等。多个所述镶齿70位于所述本体88的头部92的表面中以向正在钻探的地下岩层施加压力。
虽然上文描述了几个示例性的实施例，所属领域技术人员应该容易理解，在实质上不脱离本公开的范围的情况下，可以对示例性的实施例进行多种变型。因此，所有这样的变型应当被包含于权利要求所限定的本公开的范围内。在权利要求中，功能模块的条款被预期覆盖在此描述的执行所述功能的结构，不仅限于在结构上的等价，还包括等价的结构。因此，尽管钉子和螺钉可能在结构上不等价，因为钉子具有圆柱形表面，以便紧固木质零件，而螺钉具有螺旋形表面，然而在紧固木质零件的环境下，钉子和螺钉可以是等价的结构。申请人的明确意图是不为本文的任何权利要求的任何限制援引35U.S.C.§112第6段，除了权利要求明确使用词语“用于…的装置”和相关联的功能。

Claims (20)

1.一种超硬结构(10)，包括：
金刚石本体(12)，其包括晶粒间结合的金刚石的基质相以及分散于所述基质相内的多个间隙区域；
第一金属基体(14)，其附接至所述金刚石本体(12)；以及
第二金属基体(16)，其附接至所述第一金属基体(14)；
其中，所述第一及第二基体(14，16)选自以下的组：金属材料、陶瓷材料、金属陶瓷材料及它们的组合，其中，所述第一及第二基体(14，16)包括第一硬颗粒相及第二结合剂材料相，且所述第二金属基体(16)的硬颗粒的平均颗粒尺寸不同于所述第一基体(14)中的硬颗粒的平均颗粒尺寸。
2.如权利要求1所述的结构，其中，所述第二基体中的硬颗粒的平均颗粒尺寸大于所述第一基体中的硬颗粒的平均颗粒尺寸。
3.如权利要求1所述的结构，其中，所述第一基体中的结合剂材料的量大于所述第二基体中的结合剂材料的量。
4.如权利要求1所述的结构，其中，所述第一基体中的结合剂相选自由元素周期表第VIII族的元素组成的组，且这种结合剂相在高压/高温处理期间渗入所述金刚石本体，以催化金刚石结合。
5.如权利要求1所述的结构，其中，第一及第二基体硬相中的一个或全部包括碳化物材料。
6.如权利要求1所述的结构，其中，第二基体硬相材料的平均颗粒尺寸大于约10微米。
7.如权利要求1所述的结构，其中，所述第一基体的厚度小于所述金刚石本体的厚度的约1/2。
8.一种用于钻探地下岩层的钻头，包括本体及操作性地附接到所述本体上的多个切割元件，其中，所述切割元件中的一个或多个包括如权利要求1所述的超硬结构。
9.如权利要求1所述的结构，其中，所有所述间隙区域基本不含用于在高压高温条件下烧结所述金刚石本体的催化剂材料。
10.一种与用于钻探地下岩层的设备共同使用的切割元件，所述切割元件包括超硬结构(10)，所述超硬结构包括：
超硬本体(12)，其包括结合在一起的金刚石晶体的基质相以及分散于所述基质相内的多个间隙区域，其中，用于在高压高温条件下形成所述本体的催化剂材料布置于所有间隙区域中；
第一基体(14)，其附接于所述本体并且其材料成分包括硬相颗粒及所述催化剂材料；以及
第二基体(16)，其附接于所述第一基体(14)，其中，所述第二基体(16)包括比所述第一基体(14)中的硬相颗粒的尺寸更大的硬相颗粒，且所述第二基体(16)大于所述第一及第二基体(14，16)的总厚度的约50％。
11.如权利要求10所述的切割元件，其中，所述第二基体中的硬颗粒的平均颗粒尺寸大于约10微米。
12.如权利要求10所述的切割元件，其中，所述第二基体包括结合剂相材料，且在形成所述本体之前，这种结合剂相材料的含量小于所述第一基体中的催化剂材料的含量。
13.如权利要求10所述的切割元件，其中，所述超硬本体包括包含基本不含所述催化剂材料的间隙区域的区域。
14.一种用于钻探地下岩层的钻头，包括本体及操作性地连接至所述本体上的多个如权利要求10所述的切割元件。
15.一种用于制造超硬结构(10)的方法，包括如下的步骤：
通过在催化剂材料存在时将某一体积的金刚石微粒置于高压/高温条件下形成烧结的金刚石结合本体(12)，所述催化剂材料由邻近所述体积的金刚石微粒的第一基体(14)提供，其中，所述第一基体(14)包括硬相材料；
在所述高压/高温条件下将所述第一基体(14)附接至所述金刚石结合本体(12)；以及
在所述高压/高温条件下将第二基体(16)附接至所述第一基体(14)，其中，所述第二基体(16)具有硬相材料，且所述第二基体(16)中的硬相材料的平均颗粒尺寸大于所述第一基体的硬相材料的平均颗粒尺寸。
16.如权利要求15所述的方法，其中，所述第二基体包括结合剂材料，且在所述形成步骤之前，结合剂材料的含量小于所述第一基体中的催化剂材料的含量。
17.如权利要求15所述的方法，其中，所述第一基体的厚度小于所述本体的厚度的约1/2。
18.如权利要求15所述的方法，进一步包括从金刚石结合本体的至少一个区域移除催化剂材料以使该区域基本不含催化剂材料的步骤。
19.如权利要求15所述的方法，其中，所述第二基体的硬相材料的平均颗粒尺寸大于约20微米。
20.一种用于钻探地下岩层的钻头，包括多个切割元件，其中，至少一个切割元件包括按照如权利要求15所述的方法制造的超硬结构。
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