CN104797362B - 包含超硬平面的冲击表面的挖掘工具 - Google Patents

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Abstract

一种挖掘工具(100)，其包含不可移动地附接到挖掘主体(120)的冲击构件(110)，该冲击构件包含冲击结构。该冲击结构包含超硬材料并限定平面的冲击表面(112)，该冲击表面限定切割边缘(114)，所述切割边缘包括在冲击表面(112)的平面上的尖端(115)。与切割边缘(114)相邻的冲击结构的至少一个近端体积(107)的厚度为至少大约2mm。

Description

包含超硬平面的冲击表面的挖掘工具
技术领域
本发明主要涉及一种用于挖掘工具的超硬的冲击构件，包含该挖掘工具的组件以及制造该挖掘工具的方法，特别但非排除性地用于道路铣刨或采矿。
背景技术
公开号为WO/2008/105915的国际专利申请公开了一种高度抗冲击工具，其具有在非平面的界面上粘接到硬质合金基底上的超硬材料。在该界面上，该基底具有自基底的圆柱形边缘开始到形成在基底上的抬高的平台式中间区域结束的锥形表面。该超硬材料具有突出的几何形状，其具有1.27到3.17mm半径的锋利的尖端。该超硬材料从尖端到基底的平台式中间区域具有2.54到12.7mm的厚度。在其他实施例中，该基底可以具有非平面的界面。
公开号为WO/2010/083015的国际专利申请公开了一种非旋转式采矿刀具挖掘器，包含具有非圆形截面的轴部，包含远离轴部的尖端区域的头部，将轴部从头部分开的肩部，以及安装在尖端区域的前端的切割插入部。该切割插入部包括由碳化钨形成的主体以及由超硬材料形成的元件，其中超硬材料形成的元件被熔接到主体上，以及其中至少由超硬材料形成的元件的第一表面的至少一部分被暴露在切割刀片的切割面上。
申请号为2170843A的英国专利申请公开了一种用于铣刨机的切割工具，其包含具有适于安装进例如滚筒表面的表面的一端和一个相对工作端的保持支架，以及粘接到支架的工作端并展示了磨料压块(abrasive compact)的工作表面的刀片，磨料压块的工作表面提供了工具的切割边缘。粘接刀片的该支架的工作端整体处于压缩工作面的后方。
存在对一种具有高抗磨损性能及抗断裂性能的超硬尖端的挖掘工具的需求。
发明内容
从第一方面看，提供了一种连接到挖掘主体的冲击构件，该冲击构件包含不可移动地附接到挖掘主体的冲击构件，该冲击构件包含冲击结构；其中该冲击结构包含超硬材料并限定了平面的冲击表面，该冲击表面限定了切割边缘，其包括在冲击表面的平面上的尖端(apex)；其中与切割边缘相邻的冲击结构的至少近端体积的厚度为至少大约2mm、至少2.5mm、至少3mm或至少4mm，该厚度为自冲击表面到冲击结构的相对边界的厚度。
冲击构件和挖掘工具的各种结合及设置通过说明书可以进行设想，以下为其非限定和非排除性的示例，其可以用于一个或多个的相互组合中。
在一些示例设置中，近端体积的厚度可以为基本上沿着整个切割边缘的至少大约2mm、至少2.5mm、至少3mm或至少4mm。在一些示例的设置中，近端体积或整个冲击结构的厚度可以为至多大约8mm、至多大约6mm、或至多大约4mm。
在一些示例的设置中，该冲击结构可以为层的形式，其包含超硬材料，其可以被结合到基底上，该层具有至少2mm、至少2.5mm、至少3mm或至少4mm的平均厚度。在一些示例的设置中，该冲击结构可以为结合到硬质合金基底的层的形式。
在一些示例的结构中，近端体积的厚度可以基本上大于远离切割边缘的冲击结构的远端体积的厚度。
在一些示例的设置中，该近端体积可以在平行于冲击表面的方向上从切割边缘延伸至少大约2mm或至少大约4mm，或该近端体积可以从切割边缘延伸到冲击表面的相对边缘。
在一些示例的设置中，该切割边缘可以为辐射形式或倒棱形式的。
该冲击构件和挖掘主体可以被配置以使该切割边缘从挖掘主体的近端部突出，因此被有效地暴露以将主体切割分解。在一些示例设置中，该挖掘主体可以在远端包含轴部，其被配置为附接到安装在驱动装置上的基座。
在一些示例的设置中，该切割边缘可以包括自尖端分叉的基本直线的相对边缘节段(或部分)。在各种示例的设置中，该尖端可以在冲击表面的平面上是弓形，基本上突出的或基本上直线的(在直线尖端中，点的线将自挖掘主体基本等距的突出)。
在一些示例设置中，切割边缘的相对端部可以直接分隔第一距离和在端部之间的切割边缘的长度为第二距离；该冲击构件被配置以便第二距离与第一距离的比例为至少大约1.05和或至多大约1.5。
在一些示例的设置中，该超硬材料可以包含多晶金刚石(PCD)材料、聚晶立方氮化硼(PCBN)材料或碳化硅粘结金刚石(SCD)材料，或由上述材料组成。
在一些示例的设置中，该冲击构件可以包含PCD材料，其至少一个区域与切割边缘相邻，该切割边缘包含在包含于PCD材料中的金刚石颗粒之间的空隙(举例来说，填充材料可以通过酸浸的方式移除)。在区域中的该PCD材料在每百份填充材料中包含小于大约2的重量份。
在一些示例的设置中，该冲击结构可以包含PCD材料，其在与切割边缘相邻的至少一个区域中可以由含有在金刚石颗粒之间的空隙中的填充材料的PCD材料组成，填充材料的含量大于在该区域中PCD材料的5重量百分比。举例来说，该填充材料可以包含金刚石的催化剂材料，诸如钴。
在一些示例性的设置中，该冲击结构可以基本上由单一等级的PCD组成，或其可以包含以各种方式例如以层或迭片设置的多个PCD等级。举例来说，该冲击结构可以包含多个等级的PCD材料，其以分层的结构作为层来设置，相邻的层通过金刚石颗粒之间的内生长直接相互粘接(例如，通过金刚石颗粒的直接的内粘接)。
在一些示例的设置中，该基底可以包含中间基底体积以及远端体积，该中间基底体积在超硬结构和远端基底体积间设置。该中间基底体积可以包含中间材料，其具有超硬材料的至少百分之六十的平均杨氏模量。
在一些示例的设置中，该冲击构件可以被非移动地附接到挖掘主体上以及该挖掘工具可以被配置用于非旋转地安装到共同配置的载体装置上。
该挖掘工具可以用于道路铣刨或采矿装置。
从第二方面看，提供一种组件，其包含根据本公开的挖掘工具以及载体装置，该挖掘工具和该载体装置共同地被配置成该挖掘工具可以非旋转地附接到载体装置上。该载体装置可以包含用于道路铣刨或采矿装置的滚筒。
从第三方面看，提供了一种根据本公开的制造挖掘工具的方法，该方法包括提供一种诸如盘面(disc)的构造，包含一层结合到基底上的超硬材料，该超硬材料限定了盘面的基本平面的表面；该层包括至少一个区域，其中从平面表面到该层的相对边界的层的厚度为至少大约2mm；从该构造进行节段(segment)的切割，该段具有由超硬材料限定的基本平面的节段表面，该节段表面限定了包含在节段表面的平面上的尖端的边缘；该节段从该构造上切割以使该尖端从该区域中切割并且与该尖端相邻的超硬材料的近端体积的厚度为至少大约2mm；加工该节段以提供该冲击构件，其中该切割边缘由节段的边缘形成；以及将该冲击构件附接到挖掘主体以使该冲击构件不能相对该挖掘主体移动。
在一些示例中，该方法可以包括从该构造上切割多个节段以及加工该节段以提供多个冲击构件。
在一些示例中，该超硬材料可以包含PCD材料，以及在一些示例中，该超硬材料的层可以具有至少大约2mm、至少2.5mm、至少大约3mm或至少大约4mm的平均厚度。该超硬材料层的厚度可以为至多大约8mm、至多大约6mm或至多大约4mm。
在一些示例的设置中，该超硬材料可以包含多晶金刚石(PCD)材料、聚晶立方氮化硼(PCBN)材料或碳化硅粘结金刚石(SCD)材料，或由上述材料组成。
在一些示例中，该方法可以包括提供一种聚合体，其包含多个金刚石颗粒以及一种用于促进金刚石颗粒内生长的催化剂材料源，将聚合体形成为预烧结结构以及使预烧结结构经受压力和温度，其中该金刚石颗粒在催化剂材料存在的情况下能够内生长以提供包含多晶金刚石材料的构造。
在各种示例中，催化剂材料源可以处于以聚合体中分布的颗粒的形式，如混合粉末、或以涂覆在金刚石颗粒上的形式或附接到金刚石颗粒上的颗粒的形式。催化剂材料源可以包含催化剂材料或前体材料，从催化剂材料源中催化剂材料可以被获取。举例来说，该催化剂材料源可以包含钴或含有钴的化合物，或由钴或含有钴的化合物组成。举例来说，在一些示例中，该方法可以包括通过例如加热处理该聚合体以从前体材料提供催化剂材料。
在一些示例中，该方法可以包括使聚合体与含有硬质合金的基底接触。
在一些示例中，该方法可以包括在切割边缘上形成辐射形式或倒棱形式。
在一些示例中，整个层的厚度可以为至少大约2mm。
在一些示例中，该基底可以包括凹部以及相邻该凹部的区域中的超硬材料层的厚度可以为至少大约2mm。
附图说明
参考附图示出了本发明的非限定的示例的设置，其中：
图1和图2示出了示例的挖掘工具的示意透视图；
图3和图4示出了示例的冲击构件的示意平面图；
图5、6、7和8示出了示例的冲击构件的示意剖视图；
图9示出了由平面图示出的示例的冲击构件(上图)及其A-A线段截取的示意剖视图(下图)；
图10和11示出了与切割边缘相邻的部分示例冲击构件的示意剖视图；
图12A示出了超硬盘面的示意平面图以及用于从其上切割的冲击尖端的示例节段的轮廓；图12B示出了穿过该盘状物的示意平面横截面图以及图12C示出了用于冲击构件的节段的示意平面图；
图13示出了通过示例盘面的示意横截面图，用于制造冲击构件的示例节段可以被从该盘面切割；以及
图14示出了用于道路铣刨机的示例滚筒的示意透视图。
具体实施方式
参考图1和图2，每个示例挖掘工具100包含冲击构件110，其被铜焊接到各个硬质合金支承主体120上，硬质合金支承主体120被铜焊接到各个钢基座130上。该钢基座130包含用于将挖掘工具100联接到附接至道路铣刨滚筒或其他用于道路铣刨或采矿的载体装置(未示出)的基座垫块(未示出)的轴部132。该轴部132处于挖掘工具100到冲击构件110的切割边缘114的相对端部。挖掘工具100和载体装置之间的联接机制被配置使其在使用中不能相对于载体装置旋转，因此确保冲击表面112和切割边缘114可以保持在适当的方位上以用于在使用中将主体切割分解。在图1所示的特定示例设置中，该挖掘工具100被配置以展示在冲击构件110的相对侧部上大体上呈凹形的一对侧面134A、134B，以便于减少包含在挖掘工具100中的硬质合金的量。该凹形侧面134A、134B部分地通过钢基座130以及部分地通过硬质合金支承主体120形成。
在这些示例中，该冲击构件110包含结合到硬质合金基底(由于其处于形成在支撑主体120的各个凹部中，所以该基底在图1和图2中是不可见的)上的一层多晶金刚石(PCD)材料。在这些示例中，该PCD层的厚度为大约2到大约2.5mm。基本平面的冲击表面112由PCD材料的主暴露表面限定，其与带有基底的界面边界相对。该冲击表面112限定了远超过挖掘主体120突出的切割边缘114，以使其能够在使用中将主体切割分解(未示出)。该切割边缘114包括处于冲击表面112的平面上的切割尖端115。在图1所示的特定示例中，该尖端115基本上为尖的，在切割边缘114的一对基本上直的并且分叉的部分116A、116B之间形成最高点。
参考图2和图3，示例的冲击构件110的切割尖端115可以在冲击表面112的平面中弯曲，在各个切割边缘114的各对基本上直的和分叉的部分116A、116B之间形成弓形过渡。冲击表面112的区域基本上小于图1示例所示的区域，由于提供PCD材料相比硬质合金材料更贵，所以其可以具有减少挖掘工具100的成本的优势。
参考图4，示例的冲击构件110的切割边缘包括尖端115和处于尖端115的相对侧的边缘部分116，当在平面视图上看时，该边缘114在处于冲击构件110的相对侧的A、B点之间延伸。切割边缘114的相对端部A、B直接隔开第一距离D1和切割边缘114的长度被作为第二距离D2。在一些示例中，该冲击构件110可以被配置以使该第二距离D2与该第一距离D1的比率可以至少为大约1.05以及至多为大约1.5。其有可能达到在切割边缘的横向和纵向延伸之间的适当的平衡，以及因此取得一方面切割或挖掘效率以及另一方面的抗破裂性能上的平衡。
参考图5，示例的冲击构件110包含由PCD材料组成的粘接到硬质合金基底113上的冲击结构111，该PCD冲击结构111限定了与具有基底113的PCD冲击结构111的边界104相对的平面的冲击表面112。在这个特定的示例中，该PCD冲击结构111包含多个层117，其中连续的层117包含可选择地设置的不同等级的PCD材料。虽然其他的设置可以用于其他的示例中，但在这个示例中，该层117总体上与冲击表面112平行设置。每个层117可以具有范围大约30到300μm的厚度。在这个示例中，PCD冲击结构111从冲击表面112到冲击结构111的相对边界104的总的厚度T大约为3mm。在这个示例中，处于具有基底113的界面上的冲击结构111的边界104基本上是平面的并与冲击表面112平行以及冲击结构111在整个冲击结构111上的厚度T是基本上一致的。该尖端115和切割边缘114也在附图中示出。
参考图6，示例的冲击构件110包含结合到硬质合金113上的PCD冲击结构111，该PCD冲击结构限定了与具有基底113的PCD冲击结构111的边界104相对的平面的冲击表面112。在这个特定的示例中，该PCD冲击结构111包含相邻冲击表面112(并远离基底113)的体积119，其包括在金刚石颗粒之间的空隙。举例来说，在一些示例中，该体积119可以从冲击表面112延伸到至少大约50μm到大约400μm的深度。该空隙可以通过酸处理的方式移除填充材料来产生。在这个示例中，从冲击表面112到冲击结构111的相对边界104测量的PCD冲击结构111的总的厚度T为大约3mm。在这个示例中，在具有基底113的界面上的冲击结构111的边界104为基本上平面的并与冲击表面112平行以及冲击结构111的厚度T在整个冲击结构111上是基本一致的。该尖端115和切割边缘114还在图中示出。
参考图7，示例的冲击构件110包含结合到硬质合金113上的PCD冲击结构111，该PCD冲击结构限定了与具有基底113的PCD冲击结构111的边界104相对的平面的冲击表面112。在这个特定的示例中，该冲击构件110包含材料的保护层109，其基本上比PCD冲击结构111更柔软，该保护层109粘接到PCD冲击结构111的冲击表面112上。该保护层119可以具有至少大约10μm或至少大约50μm以及至多大约200μm的厚度。该保护层109可以包含来自外壳或容器的材料，在外壳或容器中包含的PCD材料在极高压力(例如至少大约5.5GPa)和高温(例如，至少大约1250摄氏度)下烧结。在各种示例中，该保护层可以包含耐火金属，诸如钨(W)、钼(Mo)、铌(Nb)或钽(Ta)。该保护层可以由其自身的次级层形成。举例来说，包含金属碳化物的次级层可以被结合到PCD冲击结构上以及包含基本金属或非碳合金形式的次级层可以在次级层上。包含金属碳化物的次级层可以由金属和来自聚合体的金刚石或PCD材料的碳之间的化学反应引发，其中该PCD材料是烧结的。在其他示例中，该保护层109可以在烧结过程之后在PCD冲击结构111上沉积，举例来说，通过化学气相沉积(CVD)或物理气相沉积(PVD)的方式。由冲击表面112和冲击结构111的相对边界104测量的PCD冲击结构111的厚度T为大约3mm。在这个示例中，在具有基底113的界面上的冲击结构111的边界104为基本平面并与冲击表面112平行以及冲击结构111的厚度T在冲击结构111上基本一致。该尖端115和切割边缘114还在附图中被示出。
参考图8，结合到硬质合金基底113上的示例的冲击构件110包含由PCD材料组成的冲击结构111，该PCD冲击结构限定了平面的冲击表面112，其与具有基底113的PCD冲击结构111的边界104相对。在这个特定的示例中，该基底113包含中间基底体积113-I以及远端体积113-R，该中间基底体积113-I设置在PCD冲击结构111和远端基底体积113-R之间。在一些示例中，该中间基底体积113-I可以大于PCD冲击结构111的体积，或该中间基底体积113-I可以小于PCD冲击结构111的体积。该中间基底体积113-I包含在超硬基底111中具有平均杨氏模量为至少百分之六十的中间材料。该中间基底体积113-I具有PCD冲击结构111以及该基底113的远端基底体积113-R的中间的硬度，该中间基底体积113-I可以包含具有至少大约650GPa和至多大约900GPa的杨氏模量的材料。在特定的示例中，该中间基底体积113-I包含碳颗粒和金刚石颗粒以及冲击结构111的杨氏模量至少为大约1000GPa。其从冲击表面112到具有中间基底体积113-I的冲击结构111的相对边界104测量的PCD冲击结构111的厚度T为大约2mm。在这个示例中，处于具有基底113的界面上的该冲击结构111的边界104为基本平面并平行于冲击表面112以及冲击结构111的厚度T在冲击结构111上是基本一致的。该尖端115和切割边缘114还在附图中示出。
图9在示意平面图(上图)以及与A-A相应的截面图(下图)示出了冲击构件110。该冲击结构111由PCD材料组成并在冲击结构111的边界104上被粘接到基底103。该切割尖端115在冲击表面112的平面上为弯曲的，在切割边缘114的一对基本直的和分叉的部分116A、116B之间形成弓形过渡。在这个示例中，该PCD冲击结构111的边界104在其延伸范围内不是平面的并且包含深入到切割边缘114的与基底113相邻的的突起(在基底113中存在对应的凹部)。冲击结构111的近端体积107因此接近切割边缘114，近端体积107的厚度T大约为3mm。远离切割边缘114的远端体积106具有大约2mm的厚度。该近端体积107自切割边缘114平行于冲击表面112延伸大约3mm的距离L。
图10和11示出了分别与切割边缘114相邻的冲击构件的部分。在每个附图中，该冲击结构111由PCD材料组成并在冲击结构111的边界104上被粘接到硬质合金基底113。与切割边缘114相邻的冲击结构111的厚度T为大约2.5mm，该切割边缘114通过冲击表面112限定。在图10所示的示例中，该切割边缘114被磨光(圆形的)并在图11所示的示例中，该切割边缘114为倒棱形式的。
一种制造冲击构件的方法将参考图12A、12B和12C进行描述。该示例的方法包括从盘面200上切割多个节段310并且加工每个节段以分别提供成品的冲击构件。在这个示例中，该盘面200为具有大约70mm直径的圆形并包含所形成的结合到硬质合金213上的PCD材料的层211(如此处所使用的，该短语“形成的结合”意为该PCD材料以相同的步骤粘接到基底上，其中该PCD材料通过将金刚石颗粒烧结在一起而形成，其过程的示例将在以下描述)。在特定的示例中，该PCD层211可以为大约2到大约2.5mm厚。在其他示例中，其基本上可以更厚，相对更厚的PCD层211预期将更具抗裂性，所有其他则相同。该盘面200具有一对平面的相对的主端表面，其通过外围侧218连接，主表面212中的一个可以通过PCD材料限定。
参考图12A，多个节段310可以从盘面200上切割，留下碎片结构220。为了减少碎片结构250的体积，预设的切割设置可以被配置以使得可以从盘面200上切割尽可能多的节段310。
示例的切割节段310在图12C中示出。该切割节段310可以被配置成基本上想要的冲击构件。举例来说，至少一些节段310可以可选择地设置以使每个尖端315处于其每侧的节段的尖端之间。该节段310可以通过电火花加工(EDM)的方式切割，其包含穿过盘面移动导电电线(该电线垂直于盘面延伸)。其他用于切割PCD材料的方法也可以被使用。举例来说，每个切割节段310可以接着通过研磨被加工到最终尺寸、容差和表面最终形成各自成品的冲击构件。包含每个节段310的尖端315的边缘314可以为倒棱形式的或辐射形式的以形成各个冲击构件的各个切割边缘。
制造多个冲击结构的示例方法将参考图13进行描述。包含由在层211的边界204上粘接的PCD材料组成的层211的盘面结构200可以被提供到包含钨硬质合金材料的基底213。该PCD层211限定了与非平面边界204相对的盘面200的基本平面的表面212。该层211包括第一区域207，其中从平面表面212到层211的相对边界204的层211的厚度T为大约3mm。在这个示例中，该层211包括第二区域206，其中该层211的厚度为大约2mm。该方法包括从盘面300上切割一个节段310(或多个节段310)，该节段310具有由超硬材料限定的基本平面的节段表面312，该节段表面312限定了包括在节段表面312的平面上的尖端315的边缘314。该节段310从盘面200上切割以使该尖端315从第一区域207上切割，该尖端315与穿过盘面200的线A对应以及与尖端315相对的节段310的端部与穿过盘面200的第二区域206的平面B对应。
总之，PCD盘面可以由在硬质合金盘面上放置包含多个金刚石颗粒的聚合体并在用于金刚石的催化剂材料存在的前提下经受超高压和高温造成预烧结组件来制造，其中金刚石在热力学上比石墨更稳定，其将金刚石颗粒烧结在一起并形成粘接到基底盘面上的PCD层。硬质合金基底中的粘接剂材料可以提供催化剂材料源，诸如钴、铁或镍、或其混合物或包含它们中的一些的合金。举例来说，催化剂材料源可以在金刚石颗粒的聚合体中以混合的粉末或金刚石颗粒上的沉积的形式提供。催化剂材料源可以接近聚合体的边界而不是在聚合体和基底主体的边界之间被提供，举例来说，相邻与烧结的PCD冲击结构的冲击端对应的聚合体的边界。一种用于金刚石的催化剂材料被包含在聚合体中的方法，其用于(以及或用于催化剂材料的前体材料)可能具有这样的方面：可以制造相对较厚的PCD层。在示例中，催化剂材料源被包含在基底中而非聚合体中，PCD层在实践中可达到的厚度可能由通过聚合体的熔融的催化剂材料的渗透来限定，由于该催化剂材料可能不会通过聚合体均匀地渗透。
在一些方法中，金刚石颗粒的聚合体可以包括用于催化剂材料的前体材料。举例来说，该聚合体可以包括金属碳酸盐前体材料，特别是金属碳酸盐晶体，以及该方法可以包括将粘接剂前体材料转化为相应的金属氧化物(举例来说，通过热解或分解)，将具有大量金刚石颗粒的金属氧化物基的粘接剂前体材料混合，以及研磨该混合物以产生在金刚石粒子的表面分散的金属氧化物前体材料。该金属碳酸盐晶体可以选自钴碳酸盐、镍碳酸盐、铜碳酸盐等，特别是钴碳酸盐。该催化剂前体材料可以被研磨，直到金属氧化物的平均粒子尺寸为大约5nm到大约200nm的范围内。该金属氧化物可以还原至金属分散物(dispersion)，举例来说在碳存在的真空中和/或通过氢的还原。金属碳酸盐的受控的热解，诸如钴碳酸盐晶体提供一种制造相应的金属氧化物的方法，举例来说钴氧化物(Co3O4)，其可以被还原以形成钴金属分散物。氧化物的还原可以在碳存在的真空中和/或通过氢还原来实现。
盘面构造200可以通过提供聚合体来提供，该聚合体包含多个金刚石颗粒和钴源，以及与具有硬质合金基底的表面的聚合体接触以提供预烧结组件。基底的表面可以包括多个凹部以与烧结的PCD层的第一区域207对应。该预烧结组件经受了适于将金刚石颗粒直接烧结到一起的压力和温度以提供粘接到基底的PCD层。
在一些示例的方法中，该聚合体可以基本上包含松散的金刚石颗粒，或通过粘接材料粘接在一起的金刚石颗粒。该聚合体可以为斑粒、盘面、晶片或片状的形式，并可以包括用于金刚石的催化剂材料，举例来说，诸如钴和或降低异常的金刚石颗粒生长的添加剂，或聚合体可以基本上不需要催化剂材料或添加剂。
在一些示例的方法中，包含由粘接剂粘接在一起的多个金刚石颗粒的片状形式的聚合体可以被提供。该片可以通过注入挤压或流延成型的方法制造，其中浆料包含具有适于制造所期望的PCD等级的各个尺寸分布的金刚石颗粒，以及粘接剂材料在表面上分散并允许进行干燥。用于制造含有金刚石的片的其他方法也可以被使用，诸如在专利号为5,766,394和6,446,740的美国专利所描述的方法。用于沉积金刚石承载层的可选择的方法包括喷溅法，诸如热喷溅。该粘接剂材料可以包含水基有机粘接剂，诸如甲基纤维素或聚乙二醇(PEG)以及包含具有不同尺寸分布的金刚石颗粒的不同的片，可以提供金刚石含量和或添加剂。举例来说，可以提供包含具有平均尺寸范围从大约15μm到大约80μm之间的金刚石颗粒的片。盘面可以从片上切割或该片可以裂成碎片。该片还可以包含用于金刚石的催化剂材料，诸如钴，和或用于催化剂材料的前体材料，或用于禁止金刚石颗粒的异常生长或增强PCD材料性能的添加剂。举例来说，该片可以包括大约百分之零点五重量份到大约百分之五重量份的碳化钒、碳化铬或碳化钨。
可以提供包含硬质合金的基底主体，其中该固接或粘接材料包含用于金刚石的催化剂材料，诸如钴。该基底主体可以具有非平面或基本平面的近端，其上形成了该PCD冲击结构。举例来说，该近端可以被配置成减少或至少修正PCD中的残余应力。具有总体圆锥形内表面的一个杯状物、壳体或筒状物可以提供用在组装该金刚石聚合体，其可以为基底主体上的含有金刚石片的组件的形式。该聚合体可以被放置在杯状物中以及被设置成基本统一地抵靠内表面适配。该基底主体可以接着首先插入到具有近端的杯状物中，其被抵靠金刚石颗粒的聚合体推入。该基底主体可以借助于放置在其上的第二杯状物，和相互接合第一杯状物或者与该第一杯状物结合而抵靠聚合体被牢固地保持以形成预烧结组件。
抵靠基底盘面的主表面放置的包含聚合体层的该预烧结组件可以放置到用于超高压压力的容器中。该预烧结组装接着经受至少为大约5.5GPa的超高压力和至少为大约1300摄氏度的温度以烧结金刚石颗粒并形成在基底主体上烧结的包含PCD冲击结构的构造。
然后加工节段，包括例如在切割边缘上形成倒棱或珩磨(hone)，以提供冲击构件，其中该切割边缘由节段的边缘形成。该冲击构件可以接着被附接到挖掘主体上。
每个成品的冲击构件可以通过铜焊材料的方式结合到挖掘主体中。适当的铜焊材料层可以与冲击构件的基底以及挖掘主体的区域接触或在两者之间放置，该挖掘主体的区域被配置用于调节冲击构件，该铜焊合金被加热到高于其熔融点并接着被冷却以提供粘接到一个侧部上的冲击构件的铜焊层以及另一侧部上的挖掘主体。包含热稳定的PCD或其他热稳定超硬材料(诸如聚晶立方氮化硼(PCBN)或碳化硅粘结金刚石(SCD))的冲击构件可能在铜焊的过程中相对更具抗热降解性。
在一些示例中，该冲击构件和挖掘主体可以共同被配置以使该冲击构件可以通过机械方式被附接到挖掘主体上。举例来说，舌榫型的构件可以被使用，或冲击构件的侧面可以与形成在处于挖掘主体的凹部侧上相应的凸缘结构吻合。在一些示例中，可以使用铜焊和机械方式的结合。
在一些示例中，冲击构件用于打碎包含分散在较软阵列结构中的坚硬结构的主体(诸如岩石)，该冲击构件的结构总体上以及该切割边缘尤其可以按照主体的组分进行选择。举例来说，根据本公开的包含冲击构件的挖掘设备可以用于破坏道路或包含沥青的路面铺设体，其可以包含以柏油为基本成分的阵列分布的岩石颗粒。
包含滚筒400的示例的挖掘设备组件在图14中示出，其中多个挖掘工具100通过各自的挖掘夹具被附接到滚筒400的弯曲表面410上。滚筒400的旋转轴D沿着滚筒400的中心轴延伸，平行于其弯曲表面410。该滚筒能够被安装在能够驱动滚筒围绕旋转轴D旋转的驱动车辆上。
在操作中，该挖掘工具100可以随着滚筒400被驱动旋转而驱动。该挖掘工具100被设置在滚筒400上以使当滚筒400在使用中被驱动旋转时，挖掘工具100的切割边缘和冲击表面将被驱动进入到正被分解的主体中(诸如道路或岩层)。该冲击构件的切割边缘将切割入主体并且从主体上移除的材料将经过冲击表面。因此挖掘工具的该超硬冲击结构将被驱动以对主体进行切割和钻入，从而从主体上断裂材料。
非旋转的挖掘设备可以具有这样的方面，其与旋转的挖掘设备相比磨损更可预测，潜在地因为后者易于在使用时由于挖掘轴和夹具间的碎片的聚集而更少的旋转。
所公开的冲击构件和包含这些冲击构件的挖掘设备能够具有很好的使用寿命以及高的材料移除效率。所公开的设置可以具有这样的方面：在穿透主体或形成降解方面挖掘设备具有增强的效率因此具有增强的运行效率。
如果冲击结构太薄，则可能在使用中过早地断裂。然而，所提供的冲击结构是足够厚的，具有包括基本扁平的冲击表面的相对简单结构的冲击构件可以被使用。举例来说，其可能更容易并更有效地进行生产，至少由于其具有相对简单的形状并可以从盘面上切割。
相对较厚的超硬冲击结构可以通过这些方法更容易地制造，其中用于烧结超硬材料的催化剂材料被提供，并与被烧结的聚合体中的超硬材料颗粒相结合，其与以下方法相对：催化剂材料仅在基底中被提供。当不想通过特定的理论限定时，这可以由于通过被烧结的聚合体来自聚合体(例如，基底)外侧的源的熔融催化剂材料的渗透可以限定被烧结的结构的厚度。在聚合体中提供催化剂材料，随着示例的混合的颗粒或在超硬颗粒上的涂覆，有可能克服这个问题并允许足够厚的超硬结构被烧结。
具有超硬结构的冲击构件包含不同等级的超硬材料的交替的层和/或其中采用保护涂层涂覆该冲击表面，其具有较少碎裂风险或基本上延迟碎裂的作用。具有与超硬结构相邻的基底区域的冲击构件具有相对高的弹性系数(例如，杨氏的)，其也具有这样的优点。包括空隙的具有与冲击表面相邻的超硬材料的冲击构件可以具有这样的方面：冲击构件和切割边缘的几何形状通过磨损的加工能够适合于使用状况，诸如被分解的材料类型。当不希望被特定的理论限定时，当其冲击主体时，与冲击表面及切割边缘相邻的稍稍降低的超硬材料的抗磨损性可以减少超硬材料碎片的可能性。举例来说，其可以通过至少移除在多晶超硬结构之中的超硬材料颗粒之间的部分填充材料或通过将较软材料层粘接到冲击表面来完成。在一些示例中，该抗裂性能可以通过在于冲击表面相邻的超硬颗粒间保持填充材料而增强。总之，测量以增加抗裂性可能造成抗磨损性的降低以及这些方面之间的交换(trade-off)可能需要被实现，这可以取决于超硬材料和这些条件的使用。
用在此处的特定的术语和概念将在以下进行简要的解释。
合成的和天然的金刚石、多晶金刚石(PCD)、立方氮化硼(CBN)以及多晶立方氮化硼(PCBN)材料为超硬材料的示例。如此处所使用的合成的金刚石，其还被称为人造金刚石，其为已经被制造成的金刚石材料。如此处所使用的，多晶金刚石(PCD)材料包含多个金刚石颗粒的聚合体，其基本部分彼此直接内粘接并且其中金刚石的含量至少为材料的大约百分之八十。金刚石颗粒间的间隙可以至少部分地由填充材料填充，填充材料可以包含用于合成金刚石的催化剂材料，或其可以基本上为空的。如此处所使用的，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/或引导合成的或天然的金刚石颗粒在温度和压力下的直接内生长，其中合成的或天然的金刚石在热力学上是稳定的。用于金刚石的催化剂材料的示例为铁、镍、钴和锰，以及包含它们的合金。包含PCD材料的主体可以包含至少一个区域，在该区域中催化剂材料已经从间隙中移除，在金刚石颗粒间留下了晶格间隙。
如此处所使用的，PCD等级为不同的PCD材料，其具有根据金刚石颗粒的体积含量和/或尺寸的特性，金刚石颗粒间的间隙区域的体积含量和材料的成分可以在间隙区域中显示。不同的PCD等级可以具有不同的微结构以及不同的机械特性，诸如弹性(或杨氏)模量E、弹性模数、横向断裂强度(TRS)、韧性(诸如所谓的K1C韧性)、硬度、密度以及热膨胀系数(CTE)。不同的PCD等级还可以在使用中表现出不同。举例来说，不同PCD等级的磨损率和抗裂性是不同的。
如此处所使用的，PCBN材料包含分布在包含金属或陶瓷材料的阵列中的立方氮化硼(CBN)的颗粒。
超硬材料的其他示例包括某些合成材料，其包含由包含陶瓷材料(诸如碳化硅(SiC))或硬质合金材料(诸如钴结合的碳化钨材料(举例来说，如专利号为5,453,105或6,919,040的美国专利文件所描述的))的阵列保持在一起的金刚石或CBN颗粒。举例来说，某些碳化硅粘接的金刚石材料可以包含至少百分之三十含量的分散在碳化硅阵列中的金刚石颗粒(其可以在形式上包括较小含量的硅而不是碳化硅)。碳化硅粘接的金刚石材料的示例在专利号为7,008,672、6,709,747、6,179,886、6,447,852的美国专利文件以及国际申请公开号为WO2009/013713的国际申请文件中进行了描述。
多晶的或合成的材料的成分含量的重量百分含量或体积百分含量被测量，可以理解的是含量被测量的材料的体积是足够大的，其测量值基本表示材料的体积特性。举例来说，如果PCD材料包含内生金刚石颗粒和在金刚石颗粒间的间隙之间的钴填充材料，则以PCD材料的重量或体积百分数的填充材料的含量应当在PCD材料的体积上被测量，其至少为金刚石颗粒体积的几倍，以使填充材料与金刚石材料的平均比例基本上真实表示(相同等级的)PCD材料的大量样本的比例。

Claims (9)

1.一种挖掘工具，其包含：
不可移动地附接到挖掘主体的冲击构件，所述冲击构件包含层的形式的冲击结构，所述冲击结构由多晶金刚石PCD材料组成，所述冲击结构粘接到硬质合金基底并限定平面的冲击表面，所述冲击表面限定切割边缘；
所述切割边缘包括在所述冲击表面的平面上的弓形尖端和在所述冲击表面的平面上从所述尖端分叉的直线的相对边缘节段，其中所述切割边缘的长度为所述切割边缘的相对端部之间的直接距离的1.05到1.5倍；
所述层的厚度在其整个体积中为至少2.5毫米，其从所述切割边缘向所述冲击表面的相对边缘延伸，所述厚度是从所述冲击表面向所述冲击结构的相对边界测量的。
2.如权利要求1所述的挖掘工具，其中与所述切割边缘相邻的所述PCD材料的至少一个区域包含空隙，所述空隙在金刚石颗粒之间，所述金刚石颗粒包含于PCD材料中。
3.如权利要求1所述的挖掘工具，与所述切割边缘相邻的所述PCD材料的至少一个区域包含填充材料，所述填充材料在金刚石颗粒之间的间隙内，所述填充材料的重量大于在所述区域中的所述PCD材料重量的5％。
4.如权利要求1所述的挖掘工具，其中所述冲击结构包含多个等级的PCD材料，其被设置为层结构中的层，相邻的层通过金刚石颗粒间的内生长而直接地相互粘接。
5.如权利要求1所述的挖掘工具，其中所述冲击结构被结合到包含中间基底体积和远端基底体积的基底上，所述中间基底体积被设置在所述冲击结构和所述远端基底体积之间；所述中间基底体积包含中间材料，所述中间材料具有所述PCD材料的至少百分之六十的平均杨氏模量。
6.如权利要求1所述的挖掘工具，其用于道路铣刨或采矿装置。
7.一种包含如权利要求1所述的挖掘工具和载体装置的组件，所述挖掘工具和载体装置共同被配置成所述挖掘工具不可移动地附接到所述载体装置上。
8.如权利要求7所述的组件，其中所述载体装置包括用于道路铣刨或采矿装置的滚筒。
9.一种制造如权利要求1所述的挖掘工具的方法，所述方法包括：
提供包含多个金刚石颗粒和碳酸钴前体材料的聚合体；
将碳酸钴转化为相应的氧化钴；
还原所述氧化钴以形成分散的钴金属；
将所述聚合体与包含钨硬质合金的基底相接触；
将所述聚合体形成为预烧结的盘面结构；并且
使所述盘面结构经受压力和温度，在所述压力和温度下所述金刚石颗粒能够在所述钴金属存在的情况下相互间内生长以提供一种构造，包含：
由PCD材料层组成的层，其整个厚度为至少2.5毫米并且被结合到所述基底，所述PCD材料限定所述构造的平面的表面；
从所述构造切割多个节段，每个节段具有由所述PCD材料限定的平面的节段表面，所述节段表面限定包含所述节段表面的平面中的尖端的边缘；
加工每个节段以提供各个冲击构件，其中所述切割边缘由权利要求1中所述的节段的边缘形成；并且
将所述冲击构件附接到挖掘主体从而所述冲击构件不能相对于所述挖掘主体移动。
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