CN104797781B - 用于挖掘工具的冲击尖端及使用挖掘工具的方法 - Google Patents

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Abstract

本申请公开了一种用于挖掘工具的冲击尖端(100)，其包括在接合边界(115)连接到衬底(110)的冲击结构(120)，冲击结构(120)包括超硬材料或由超硬材料组成，衬底(110)包括碳化物材料或由碳化物材料组成；冲击尖端具有与超硬材料相连的近端的冲击端(117)和由衬底(110)限定的远端(118)，侧面连接冲击端和远端；冲击端(117)包括平坦的尖端区域(150)和从尖端延伸至侧面的外部区域。尖端区域(150)基本小于外部区域，且至少是1mm2以及至多是25mm2。

Description

用于挖掘工具的冲击尖端及使用挖掘工具的方法
技术领域
本公开总体涉及用于挖掘工具的超硬冲击尖端，含有超硬冲击尖端的挖掘工具组件，特别地但不仅限于道路铣削或采矿，以及制作和使用超硬冲击尖端的方法。
背景技术
公开号为WO/2008/105915的国际专利申请公开了高抗冲击工具具有在非平面界面结合至烧结金属碳化物衬底的超硬材料。在该界面，该衬底具有开始于衬底的圆柱形边缘并且终止于形成在衬底的高架平台式中心区域的锥形表面。超硬材料有具有半径为1.27-3.17mm的锋利尖端的尖的几何结构。从衬底的尖端到平台式中心区域的超硬材料的厚度是2.54-12.7mm。在其它实施方案中，衬底可以具有非平面界面。
编号为8061457的美国专利公开了高抗冲击工具含有在非平面界面结合至碳化物衬底的超硬材料。超硬材料包含具有基本上圆锥形的部分的基本上尖的几何结构，该基本上圆锥形的部分包含具有形成大于135度的角度的至少两个不同的连续的斜坡的锥形侧壁。从超硬材料的尖端到非平面界面的厚度大于碳化物衬底的厚度。超硬材料的量可以是碳化物衬底的量的75％-150％。从超硬材料的尖端到非平面界面的厚度可以大于碳化物衬底的厚度的两倍。超硬材料的尖端的半径可包含在1.27-3.17mm之间。
申请公开号为2010/0263939的美国专利申请公开高抗冲击工具含有在界面结合至烧结的金属碳化物衬底的烧结多晶金刚石(PCD)主体。该主体包含具有尖端的基本上尖的几何结构，并且该尖端包含分别在第一过渡和第二过渡连接主侧面和后侧面的弯曲表面。在第一过渡和第二过渡之间的尖端宽度小于衬底宽度的三分之一，并且该主体也包含大于衬底宽度的三分之一的从尖端至界面的主体厚度。
有对包含具有高的材料去除效率和高耐磨和高耐断裂的超硬尖端的挖掘工具的需要。
发明内容
从第一方面看，提供用于挖掘工具的冲击尖端，其包含在接合边界连接至衬底的冲击结构，冲击结构包含超硬材料或由超硬材料组成并且衬底包含碳化物材料或由碳化物材料组成；冲击尖端具有与超硬材料相连的近端的冲击端和由衬底限定的远端，侧面连接冲击端和远端；冲击端包括平坦的(换句话说，基本上平面的)尖端区域和从尖端区域延伸至侧面的外部区域；尖端区域基本上小于外部区域，尖端区域为至少约1mm2并且至多约25mm2。
冲击端可以包括由超硬材料限定的冲击表面，该冲击表面包括平坦的尖端区域和外部区域。
侧面可以限定中心纵轴。换句话说，侧面将具有对于纵轴旋转对称(中心纵轴在圆柱坐标体系中可以被称为圆柱轴)的形状。侧面将一直沿纵轴延伸并且在一些示例中在外形上可以是圆柱形的。在其它示例中，当在侧向横截面看时，侧面在外形上可以出现椭圆的，或者侧面可以有一些其它的具有中心的形状，中心纵轴穿过该中心。
外部区域将从尖端区域横向和纵向延伸，以便尖端区域纵向投射基本上超过冲击尖端的侧面。
尖端区域将包括在冲击表面上的至少一个尖端，该尖端被纵向隔开比在冲击表面上的任何其它尖端进一步远离接合边界和/或冲击尖端的远端。在一些示例中，在尖端区域上的所有尖端可以是距远端基底大致上等距的。
本发明设想了冲击尖端和挖掘工具的各种组合和设置，其中以下为非限制性和非穷举的示例。
在一些示例性的设置中，尖端区域可以为至少约2mm2或至少约3mm2。在一些示例中，尖端区域可以为至多约20mm2或至多约9mm2。
在一些示例性的设置中，外部区域可以为至少约50mm2或至少约100mm2。在一些示例中，外部区域可以为至多约500mm2或至多约200mm2。
在一些示例性的设置中，平坦的尖端区域可以为外部区域的至少约0.5％或至少约1％。在一些示例中，平坦的尖端区域可以为外部区域的至多约30％或至多约3％。
在一些示例性的设置中，尖端区域的最小直径尺寸可以是至少约1mm或至少约2mm；并且尖端区域的最大直径尺寸可以是至多约5mm或至多约3mm。如在这里使用的，直径尺寸是在被尖端区域限定的形状的一对对映点之间的距离。在尖端区域基本上是圆形的示例中，直径尺寸是圆的直径。
在一些示例性的设置中，尖端区域可以位于中心，以便冲击尖端的中心纵轴穿过它。
在一些示例性的设置中，尖端区域可以基本上是圆形的、椭圆形的、正方形的、长方形的或多边形的。
在一些示例性的设置中，冲击结构可以包括从尖端区域下垂并围绕尖端区域的裙部结构。
在一些示例性的设置中，尖端区域可以平行于冲击尖端的远端；并且在其它示例中，尖端区域可以基本上不平行于冲击尖端的远端。在一些示例中，尖端区域可以以相对于纵轴和/或相对于冲击尖端的远端的一个角度设置。在一些示例中，该角度可以为至少约5°或至少约10°；并且在一些示例中，该角度可以为至多约80°或至多约60°。
在一些示例性的设置中，冲击端(并且因此，冲击表面)可以包含至少一个与纵轴(并且因此与侧面)同中心地设置的圆锥表面。圆锥表面可以围绕尖端区域一直延伸。圆锥表面可以限定圆锥角，其为限定在至少约70°或至少约80°和至多约120°或至多约110°的圆锥表面的直径上对置的侧面之间的夹角(换句话说，该角度在交叉相反的圆锥表面的切线之间，两切线位于与纵轴平行的纵向平面上)。
在一些示例中，冲击端可以限定多个圆锥表面，每个都是与尖端区域同中心的且具有各自不同的圆锥角。
在一些示例中，包括尖端区域的冲击端(和冲击表面)的至少一部分可以具有大致截头圆锥体的形状。
在一些示例性的设置中，冲击端可以包括内圆锥表面和外圆锥表面，设置内圆锥表面和外圆锥表面以便外圆锥表面比内圆锥表面相对更加远离尖端区域。内圆锥表面和外圆锥表面可以被中间表面隔开。在一些示例中，中间表面在纵向平面中可以是弧形的。
在一些示例性的设置中，尖端区域可以至少部分的以在尖端区域和外部区域之间形成的边缘为界限。尖端区域可以完全被边缘包围或边缘可以围绕尖端区域的相邻部分，但是没有必要完全围绕者它。边缘可以为切削刃用于切割主体以将其分解(换句话说，拆分或解体)。边缘可以是辐射式的(其中它是圆的)，或倒棱的。
在一些示例性的设置中，远端的直径可以是10-20mm；侧面在外形上可以是圆柱形的；冲击端可以包括围着中心平坦尖端区域的圆锥表面。冲击尖端在外形上可以是大致截头圆锥形的。
在一些示例性的设置中，超硬材料可以包含多晶金刚石(PCD)材料或由多晶金刚石(PCD)材料组成。在一些示例中，临近尖端区域的冲击结构的至少一部分可以由在金刚石颗粒之间的间隙内含有填充材料的PCD材料组成，在该区域中填充材料的含量大于PCD材料的重量的5％。例如，填充材料可以包括用于金刚石的催化剂材料，如钴。在一些示例中，临近尖端区域的冲击结构的至少一部分可以由包含在金刚石颗粒之间的孔洞的PCD材料组成(例如，填充材料可以已经被去除)。在一些示例中，冲击结构可以由在金刚石颗粒之间的间隙里含有填充材料的PCD材料组成，填充材料的含量在整个冲击结构中是一致的。冲击结构可以由单一等级的PCD材料组成。
在一些示例性的设置中，冲击结构可以包含多个等级的PCD材料。等级可以按照分层配置设置为层，相邻的层通过金刚石颗粒的共生直接相互结合，或者等级可以按照一些其它配置设置。
在一些示例性的设置中，衬底可以包含中间区域和末端区域，中间区域设置在冲击结构和末端区域之间并且中间区域的体积大于冲击结构的体积并包含中间材料，该中间材料的平均杨氏模量为超硬材料的杨氏模量的至少60％。中间材料的平均杨氏模量可以至多约是超硬材料的杨氏模量的至多约90％。
在一些示例中，超硬材料可以包含超硬颗粒或由超硬颗粒组成，如金刚石或立方氮化硼(cBN)颗粒，嵌入基质中，该基质包括硬质合金材料或陶瓷材料或由硬质合金材料或陶瓷材料组成。
在各种示例性的设置中，接合边界通常包含圆顶状的区域或由圆顶状的区域组成，该圆顶状的区域被衬底的凸面近端限定，在纵向平面的曲率半径为至少约5mm和至多约20mm；接合边界可以包括与尖端区域相对的平坦区域；或接合边界可以包括在衬底里与冲击结构的尖端区域相对的洼地。
在一些示例性的设置中，在尖端区域和与尖端相对的接合边界之间的冲击结构的厚度可以为至少约2.5mm和至多约10mm。在一些示例中，在尖端区域和与冲击尖端的另一端之间的冲击尖端的高度可以为至少约5mm或至少约9mm。
在一些示例中，衬底可以包括烧结的碳化钨材料或由烧结的碳化钨材料组成，烧结的碳化钨材料包括占其重量至少约5％和至多约10％的含有钴的粘合剂材料。在一些示例中，衬底可以包含硬质合金材料，该硬质合金材料具有至少88HRa的洛氏硬度、至少约2500MPa的横向断裂强度、至少8G.cm3/g和至多16G.cm3/g的磁性饱和以及至少6kA/m和至多14kA/m的矫顽力。
挖掘工具可以用于分解(换句话说，拆分、解体或铣削)道路铺砌材料如沥青或混凝土；或泥土或岩层如在操作中用于开采煤或碳酸钾。
从第二方面看，提供有用于包括根据本发明的冲击尖端的挖掘工具的组件(在装配、部分装配或未装配条件中)。挖掘工具可以用于道路路面铣削或采矿。挖掘工具可以用于开采煤或碳酸钾。
在一些示例性的设置中，组件可以连接或可连接至支持物以便在使用中基本防止冲击结构相对于支持物旋转。在示例性的设置中，冲击尖端可以连接至伸长的支撑体的近端，支撑体收缩或在孔内压配合，该孔是在包含在支持物中的钢制基底内提供的。在一些示例中，支撑体可以含有硬质合金材料，该硬质合金材料包括占其重量至少约5％和至多约10％的含有钴的粘合剂材料。在示例性的设置中，支撑体可以包含烧结的碳化钨材料，该烧结的材料具有至少90HRa的洛氏硬度，和/或至少2500MPa的横向断裂强度，和/或至少7-11G.cm3/g的磁性饱和和/或至少6kA/m和至多11kA/m的矫顽力。
从第三方面看，提供有使用包括根据本发明的冲击尖端的挖掘工具的方法，该方法包括用挖掘工具冲击主体以便冲击端敲打主体；其中主体包括分散在基质中的结构，该结构远比基质硬。
所述结构可以以至少约0.5mm的平均结构间的间距相互隔开(即，它们可以依据间隔距离的统计分布相互隔开，间隔距离的平均值可以至少约0.5mm)。在一些示例中，平均结构间的间距可以至多约5mm。
所述结构的直径大小可以为至少约1mm(至多约18U.S.Mesh)；所述结构的直径大小可以为至多约5mm。
在各种示例中，主体可以包括沥青；基质可以包括柏油或碳酸钾；和/或结构可以包括石头的榫眼。
从第四方面看，提供有制作根据本发明的冲击结构的方法，所述方法包括提供包含在接合边界连接至衬底的超硬结构的预光标结构，超硬结构包含超硬材料或由超硬材料组成以及衬底包含碳化物材料或由碳化物材料组成；预光标结构具有与超硬材料相连的近端和由衬底限定的远端，侧面连接近端和远端；近端包括与超硬材料相连的基本非平面尖端；以及加工超硬结构以去除包括非平面尖端的(超硬结构的)体积(volume),以便近端包括平坦的尖端区域和从尖端区域延伸至侧面的外部区域；尖端区域大体上小于外部区域，尖端区域为至少约1mm2和至多约25mm2。
在一些示例中，预光标结构的非平面尖端在外形上可以是球状圆形的。它可以在纵向平面上具有约1-6mm的曲率半径。
预光标结构的近端的形状可以包含与超硬材料相连的球状钝的圆锥的形状，和超硬结构的加工可以导致近端具有一般地截头圆锥的形状。
在一些示例中，加工可以包括切割超硬结构，例如通过线电火花加工(EDM)和/或研磨尖端区域。该方法可以包括加工在平坦的尖端区域和外部区域之间的边缘，以在平坦的尖端区域和外部区域之间提供中间区域。该方法可以包括加工边缘以在边缘提供斜面或凹槽。
附图说明
将参照附图描述非限制性的示例性的设置，其中，
图1、图2和图3示出了示例性的冲击尖端的示意侧视图；
图4和图5示出了示例性的挖掘工具的示意截面视图。
具体实施方式
参考图1、图2和图3，每个用于挖掘工具(未示出)的示例性的冲击尖端100都包括在接合边界115连接至衬底110的各自的冲击结构120，每个冲击结构120都包含多晶金刚石(PCD)材料并且衬底110包含钴基硬质合金材料。每个冲击结构120都具有与接合边界115相对的总体突出的近端的冲击端117和冲击尖端100的远端118，冲击端117和远端118通过界定了中心纵轴L的圆柱形侧面连接。每个冲击端117都由PCD材料限定并且包括由围绕尖端区域150的外围一直延伸的各自的边缘145限定的平坦的尖端区域150。每个冲击结构120具有与尖端区域150(和纵轴L)同中心的并且限定了约86°的圆锥角α的各自的主圆锥表面130。每个冲击尖端100具有约12mm的最大直径D1和从冲击尖端100的尖端区域150到相对的末端118的约9mm的总高度H。在这些具体示例中，尖端区域150是具有直径D2的平坦的圆形表面并且大体上平行于冲击尖端100的远端118。
具体参考图1，尖端区域150的边缘145在尖端区域150和冲击结构120的圆形表面之间形成，其中圆形表面在平行于纵轴L的纵向平面上是弧形的。圆形表面具有约2.25mm的曲率半径r并且在尖端区域150和主圆锥表面130中间。圆形尖端区域150的直径D2约为1.9mm。
具体参考图2，尖端区域150的边缘145是辐射式的(radiused)，限定了在纵向平面上约1mm的曲率半径r。辐射式的边缘145在尖端区域150和主圆锥表面130之间形成。因此冲击端117限定了具有在外圆锥表面130和尖端区域150之间的辐射式的(圆形的)过渡的基本上截头圆锥的形状。圆形尖端区域150的直径D2约为1mm。
具体参考图3，尖端区域150的边缘145是辐射式的，限定了在纵向平面上约1mm的曲率半径r1。圆形尖端区域150的直径D2约为1mm。冲击端117包括内圆锥表面140和外圆锥表面130(是主圆锥表面)，设置外圆锥表面130和内圆锥表面140以便外圆锥表面130比内圆锥表面140相对更加远离尖端区域150。内圆锥表面140和外圆锥表面130被轴向弧形的中间表面160隔开，中间表面160具有1mm的曲率半径r2且与内圆锥表面140和外圆锥表面130同轴。内圆锥表面140限定了约110°的圆锥夹角β，其大致上大于由外(主要的)圆锥表面130限定的86°的圆锥角α。
在图1、图2和图3说明的示例中，冲击结构120由包含共生金刚石颗粒的多晶金刚石(PCD)材料组成。在金刚石颗粒之间的间隙基本上充满了包含钴的填充材料，填充材料的含量约是包括临近的冲击表面的整个冲击结构的重量的10％。在其它示例中，在临近尖端区域150的大量PCD材料中的填充材料的含量可以大体上小于冲击结构的重量的10％，以及可以小于冲击结构的重量的2％。
参考图4和图5，每个示例性的挖掘工具200都包括在连接接合边界212连接至支撑体210的冲击尖端100，并且支撑体210包括插入轴，该插入轴与在钢制的基座220内形成的孔冷缩配合。基座220具有柄222用于通过联接机构(未示出)将挖掘工具200安装到滚筒(drum)(未示出)上。在图4示出的示例性设置中，柄222基本上不与支撑体210对齐，而在图5示出的示例性设置中，柄222总体上与支撑体210对齐。支撑体210的体积可以为约30cm3且支撑体210的长度可以为约6.8cm。如在此使用的，冷缩配合是一种通过至少一个组件的相对尺寸的改变实现的组件间的过盈配合(形状也可能有所改变)。这通常是通过装配前加热或冷却一个组件且装配后使其恢复至环境温度来实现。冷缩配合可理解为与压缩配合相对，在压装中组件被迫进入另一组件内的孔或凹槽，其可涉及在组件之间产生大量的摩擦应力。在一些变体中，支撑体210包括含有碳化钨颗粒的硬质合金材料和至多占其重量约10％的金属粘合剂材料，如钴，碳化钨颗粒具有约2.5微米至约3微米的平均尺寸。将支撑体210冷缩配合在基座220中可以允许使用相对严格的等级的硬质合金，这有可能加强对冲击尖端100的支撑以及减少断裂的风险。为了减小应力，可以避免接触点的尖角。例如，边缘或棱角可以是辐射式的或倒棱的，并且孔的边缘可以提供有圆角或倒角以减小产生与应力相关的裂缝的风险。
在使用中，将驱动冲击尖端的冲击端以撞击主体或构造以将其打碎。可以驱动包含在挖掘工具中的冲击尖端以撞击主体或构造以将其分解。在道路铣削或采矿中，包括各自的冲击尖端的多种挖掘工具可以安装在滚筒(drum)上。该滚筒将连接至车辆并被车辆驱动，引起滚筒旋转并且挖掘工具反复敲击沥青或岩石，例如，当滚筒旋转时。通常可以设置挖掘工具从而每个冲击尖端不直接用尖端的顶部撞击主体，但是有些间接地实现了挖掘活动，在该挖掘活动中，主体被每个冲击尖端局部打碎。冲击尖端反复撞击硬材料有可能导致磨料磨损和/或冲击尖端和/或挖掘工具的其它部分的断裂。
合成和天然金刚石、多晶金刚石(PCD)、立方氮化硼(cBN)和多晶立方氮化硼(PCBN)材料是超硬材料的例子。如在此使用的，合成金刚石，也被称为人造金刚石，是已经制成的金刚石材料。如在此使用的，多晶金刚石(PCD)材料包括多种金刚石颗粒的聚合体，其大部分直接互相结合并且其中金刚石的含量为至少约材料体积的80％。金刚石颗粒之间的间隙可以至少部分地充满可以包括用于合成金刚石的催化剂材料的填充物材料，或者空隙可以基本上是空的。如在此使用的，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/或在温度和压力下的合成或天然金刚石颗粒的共生，在所述温度和压力，合成或天然金刚石是热力学稳定的。用于金刚石的催化剂材料的例子是Fe、Ni、Co和Mn，以及包含这些的某些合金。包含PCD材料的主体可以包括至少一个区域，从该区域，催化剂材料已经从间隙去除，离开了金刚石颗粒间的晶格间隙。如在此使用的，PCD等级是指根据金刚石颗粒的体积含量和/或尺寸、在金刚石颗粒间的间隙区域的体积含量和可以出现在间隙区域的材料的组分而决定的多种PCD材料。不同的PCD等级可以具有不同的微观结构和不同的机械性能，如弹性(杨氏)模量E、弹性模数、横向断裂强度(TRS)、韧性(如所谓的K1C韧性)、硬度、密度和热膨胀系数(CTE)。不同的PCD等级在使用中也可以不同地实施。例如，不同的PCD等级的磨损率和抗断裂性可能不同。
现在将要描述用于制作包括形成并连接到衬底的PCD结构的尖端的示例性的方法。
通常，冲击尖端可以通过将包含多个金刚石颗粒的聚合体在用于金刚石的催化剂材料的作用下放置在硬质合金衬底上因此提供了预烧结装配以一起烧结金刚石颗粒并形成连接到衬底主体的PCD结构而制成，然后预烧结装配可以承受超高压力和高温，在该超高压力和高温下金刚石比石墨更加热力学稳定。在硬质合金材料衬底主体内的粘合剂材料可以提供催化剂材料如钴、铁或镍或包含任意这些的混合物或合金的来源。催化剂材料的来源可以在金刚石颗粒的聚合体内提供，例如以在金刚石颗粒上的混合粉末或沉淀物的形式。催化剂材料的来源可以在最接近聚合体的边界而不是在聚合体和衬底主体之间的边界提供，例如，临近聚合体的边界，其相当于烧结的PCD结构的冲击端。
在一些示例性的方法中，聚合体可以包括基本上松散的金刚石颗粒或通过粘合剂材料结合在一起的金刚石颗粒。聚合体可以是以颗粒、圆盘、晶片或片材的形式，并且可以包含用于金刚石的催化剂材料和/或用于减少不规则金刚石晶粒生长的添加剂，例如，或聚合体可以基本上不含催化剂材料或添加剂。
在一些示例性的方法中，可以提供包括多个通过粘合剂材料结合在一起的金刚石颗粒的以片材形式的聚合体。片材可以通过如挤压或流延成型的方法制成，在所述方法中，包括金刚石颗粒的浆料具有适合于制作所期望的各自的PCD等级的各自的尺寸分布，并且粘合剂材料扩散到表面上并允许干燥。也可以使用用于制作含有金刚石的片材的其它方法，如在美国专利号为5766394和6446740的专利中所述的方法。用于沉淀具有金刚石的层的替换方法包括喷射法，如热喷涂。粘合剂材料可以包括水基有机粘合剂如甲基纤维或聚乙二醇(PEG)以及可以提供包括具有不同尺寸分布的金刚石颗粒的不同片材、金刚石含量和/或添加剂。例如，可以提供包含具有在从约15微米到约80微米的范围内的平均尺寸的金刚石颗粒的片材。圆盘可以从片材切割而成或片材可以分裂。片材也可以含有用于金刚石的催化剂材料，如钴和/或用于催化剂材料的前体材料和/或用具抑制金刚石颗粒的异常生长或增强PCD材料的性能的添加剂。例如，片材可以包含占其重量约0.5％至5％的碳化钒、碳化铬或碳化钨。
在示例性的方法的一些版本中，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。例如，聚合体可以包括金属碳酸盐前体材料，尤其是金属碳酸盐晶体，并且该方法可以包括将粘合剂前体材料转换为相应的金属氧化物(例如，通过热解或分解)，将基于粘合剂前体材料的金属氧化物与大量金刚石颗粒混合，和研磨该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。金属碳酸盐晶体可以从碳酸钴、碳酸镍、碳酸铜及其类似物尤其是碳酸钴中挑选出来。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约5nm到约200nm的范围内。金属氧化物可以还原为金属分散物，例如在真空中在碳的作用下和/或通过氢还原。金属碳酸盐如碳酸钴晶体的控制热解提供了用于产生相应金属氧化物如可以还原以形成金属钴分散体的氧化钴(Co3O4)的方法。氧化物的还原可以在真空中在碳的作用下和/或通过氢还原进行。
可以提供包括硬质合金的衬底主体，其中结合剂或粘合剂材料包括用于金刚石的催化剂材料，如钴。衬底主体可以具有非平面或基本上平面的近端，其上形成PCD结构。例如，可以配置近端以减少或至少修改PCD内的残余应力。可以提供具有一般圆锥内表面的杯子以在组装金刚石聚合体中使用，其可以是在衬底主体上以含金刚石的片材的装配的形式。聚合体可以放置在杯子中并且可以设置聚合体以基本共形地配合对内表面。然后衬底主体可以随着近端首先进入而插入杯子中并且推挤金刚石颗粒的聚合体。衬底主体可以通过放置在其上的第二个杯子和与第一个杯子相互加入或结合以形成预烧结组件而稳固地填充聚合体。
预烧结组件可以放置在用于超高气压压的容器中并且承受至少约5.5GPa的超高气压和至少约1300℃的温度以烧结金刚石颗粒并形成包含在衬底主体上烧结的PCD结构的结构。在方法的一个版本中，当预烧结组件在超高气压和高温下处理时，支撑体内的粘合剂材料熔化和浸润金刚石颗粒的聚合体。来自支撑体和/或来自在聚合体内提供的源的熔化的催化剂材料的存在将会通过互相共生促进金刚石颗粒的烧结以形成PCD结构。
可以配置预烧结组件以便PCD结构具有近端(与衬底的远端接合边界相对)，所述近端包括具有圆形的形状或一些其它的非平面形状的尖端。大量的包括尖端的PCD结构可以切割或打磨，例如，通过电火花加工。
在其它示例中，超硬材料可以包括包含通过基质结合的金刚石或cBN颗粒的某些复合材料，所述基质包括陶瓷材料，如碳化硅(SiC)，或硬质合金材料，如Co粘结WC材料(例如，如在美国专利号为5453105或6919040的专利中描述的)。例如，某些SiC粘结金刚石材料可以包括占其体积至少约30％的分散在SiC基质中的金刚石颗粒(其可以含有少量的非SiC形式的Si)。在美国专利号为7008672、6709747、6179886、6447852的专利和国际申请公开号为WO2009/013713的申请中描述了SiC粘结金刚石材料的示例。
包括它们的公开的冲击尖端和挖掘工具可以具有良好的使用寿命和有效的降解能力的方面。在冲击尖端的尖端区域和外部表面之间的相对锋利的几何过渡可以允许更高效率地从主体去除材料以降解，因为这个特征可以允许冲击结构的边缘在冲击时更大地渗透进入主体(换句话说，可能有一个增强的挖掘动作)。这种影响可能在相对锋利的边缘形成在冲击表面的尖端区域和外部区域之间的示例中更大。然而，在位于或靠近尖端区域或其边缘可能有更高的冲击结构断裂的风险，可能是由于在这些区域的高冲击应力。一方面的增强的切割作用需要与另一方面的限制断裂的风险相等。另外，当平坦的尖端区域可呈现在冲击时用于主体的初始剪切的更锋利的边缘，需要配置冲击表面用于当在主体已经进行了初始剪切之后将冲击尖端更充分地渗透进入主体。因此，尖端区域对于外部区域不应该太高，因为冲击尖端作为一个整体对于主体应该呈现一般“尖”的几何结构以实现充分的跟进渗透。尖端区域限定的辐射式的或倒棱的切削刃在冲击时很可能比更锋利更陡峭的边缘更抗断裂。
在冲击尖端用于打碎包括分散在柔软基质结构中的坚硬的结构如石头的主体的示例中，一般的冲击端的配置以及尤其是尖端区域可以根据主体的构成选择。例如，包括根据本发明的冲击尖端的挖掘工具可以用于打碎包含沥青的道路或路面主体，其可以包含分散在柏油基基质上的石头颗粒。冲击结构可以选择具有根据颗粒的大小的统计分布和石头间的距离而配置的冲击表面，以便可以增强挖出石头的效果。例如，可以配置冲击端的尖端区域、其边缘和周围的表面以增加尖端区域装配在石头之间的可能性并在冲击时增加基质的切削。
测量多晶材料或复合材料的成分的重量或体积百分数含量的过程中，可以理解其含量被测的材料的量是足够大的，测量基本上是代表材料的大部分特性。例如，如果PCD材料包括共生金刚石颗粒和配置在金刚石颗粒之间的间隙中的钴填充材料，填充材料的含量应该在大量PCD材料上按照PCD材料的体积或重量百分数测量，大量PCD材料至少是金刚石颗粒的量的几倍，以便填充材料与金刚石材料的平均比值基本正确地表示(相同等级的)PCD材料的总试样的比值。

Claims (15)

1.一种用于挖掘工具的冲击尖端，其包括：
冲击结构,其由多晶金刚石(PCD)材料组成，在接合边界连接至包含碳化物材料的衬底，所述冲击尖端具有与所述PCD材料相连的近端的冲击端和由所述衬底限定的远端，和侧面，其连接所述冲击端和远端；
所述冲击端包括平坦的尖端区域和从所述尖端区域延伸至所述侧面的外部区域，所述外部区域包含与所述侧面同中心设置的局部圆锥表面，所述局部圆锥表面具有70°-120°的圆锥角，其中在所述尖端区域和与所述尖端相对的所述接合边界之间的所述冲击结构的厚度是2.5-10mm，所述尖端区域小于所述外部区域且是1-25mm2，所述冲击结构包括从所述尖端区域下垂并围绕所述尖端区域的裙部结构，所述尖端区域至少部分以在所述尖端区域和所述外部区域之间形成的边缘为界，并且其中，所述平坦的尖端区域是所述外部区域的0.5％-30％。
2.如权利要求1所述的冲击尖端，其中，所述外部区域是50-500mm2。
3.如权利要求1或2所述的冲击尖端，其中，所述尖端区域的最小直径尺寸是1-5mm。
4.如权利要求1或2所述的冲击尖端，其中，所述尖端区域位于中心，且所述冲击尖端的中心纵轴穿过所述尖端区域。
5.如权利要求1或2所述的冲击尖端，其中，所述尖端区域基本上是圆形的。
6.如权利要求1或2所述的冲击尖端，其中，所述尖端区域平行于所述冲击尖端的远端。
7.如权利要求1或2所述的冲击尖端，其中，所述尖端区域以相对于所述冲击尖端的远端至少5°的角度设置。
8.如权利要求1或2所述的冲击尖端，其中，所述冲击端包括多个圆锥表面，每个都与所述尖端区域同中心且具有各自不同的圆锥角。
9.如权利要求1或2所述的冲击尖端，其中，包括所述尖端区域的所述冲击端的至少一部分具有基本上截头圆锥的形状。
10.如权利要求1或2所述的冲击尖端，其中，所述PCD材料包括嵌入包含硬质合金材料或陶瓷材料的基质中的PCD颗粒。
11.如权利要求1或2所述的冲击尖端，其中，所述衬底包含烧结的碳化钨材料，所述烧结的碳化钨材料包括占其重量至少5％和至多10％的包含钴的粘合剂材料。
12.一种用于道路路面铣削或采矿的挖掘工具的组件，其包括如上述权利要求1所述的冲击尖端。
13.一种使用包含如权利要求1所述的冲击尖端的挖掘工具的方法，所述方法包括用所述挖掘工具冲击主体以便使所述冲击端抵靠所述主体驱动；其中，所述主体包括分散在基质中的结构，所述结构基本上比基质更坚固并且以0.5-5mm的平均中间结构的间距彼此隔开。
14.如权利要求13所述的方法，其中，所述结构的直径尺寸是1-5mm。
15.如权利要求13或14所述的方法，其中，所述主体包括沥青，所述基质包括柏油或碳酸钾或所述结构包括石头。
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