CN105264164A - 用于岩石去除应用的切削工具元件 - Google Patents

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Abstract

用于岩石去除的切削工具元件包含独立式PCD体(801，1801)，该独立式PCD体包含在该PCD体的边界内的两个或更多个物理体积(1702，1703)，其中相邻的物理体积在金刚石与金属网络组成比率、金属元素组成和金刚石晶粒尺寸分布中的一种或多种上不同，在该PCD体远端的功能工作体积(803)，该功能工作体积在使用中形成与岩石接触的区域。在使用中现存的并且具有近端自由表面的功能支撑体积(804)从功能工作体积延伸。该PCD体具有的形状所具有的长径比使得总体的PCD体的外接长方体的最长边缘的长度(ae)与该外接长方体的最小矩形面的最大宽度(ad)的比率大于或等于1.0，其中该功能工作体积从该最小矩形面延伸，并且一个或多个物理体积形成功能工作体积和功能支撑体积中的一者或另一者或两者的至少一部分。

Description

用于岩石去除应用的切削工具元件
本公开内容涉及由包含含有聚晶金刚石的材料的结构或体形成的切削工具元件，制备这样的切削工具元件的方法，并且涉及包含聚晶金刚石结构的元件或构件，旨在用于其中破碎和去除地理岩石和建筑材料(例如混凝土、沥青等)的应用。这样的应用包括油井钻探、道路规划、采矿、建筑构造等。
在图1中示意性地说明了如本公开内容中所考虑的聚晶金刚石材料(PCD)，并且其由金刚石晶粒101的共生网络与互穿金属性网络102组成。通过在提高的压力和温度下由用于碳的熔融金属催化剂/溶剂促进金刚石粉末的烧结来形成金刚石晶粒的网络。用于碳的熔融金属催化剂/溶剂允许发生金刚石的部分再结晶，新结晶的金刚石形成每个金刚石颗粒与其邻近金刚石颗粒的金刚石结合103。该金刚石粉末可具有单峰尺寸分布，其中在颗粒数目或质量尺寸分布中存在单一的极大值，这导致金刚石网络中的单峰晶粒尺寸分布。可替代地，该金刚石粉末可具有多峰尺寸分布，其中在颗粒数目或质量尺寸分布中存在两个或更多个极大值，这导致金刚石网络中的多峰晶粒尺寸分布。在该方法中使用的典型压力处于约4至7GPa的范围内，但是最高至10GPa以上的更高压力也是实际上可获得的并且可以使用。所采用的温度高于金属在这样的压力下的熔点。该金属性网络是熔融金属在返回到正常室温条件时凝固的结果并且将不可避免地为高碳含量合金。原则上，可以采用在这样的条件下可以使金刚石结晶成为可能的用于碳的任何熔融金属溶剂。元素周期表的过渡金属及其合金可包括在这样的金属中。如上所定义的具有聚晶金刚石和金属的互穿网络的PCD材料还包括存在一种或多种另外的相的材料例如陶瓷或碳化物的可能性。这些另外的相可取得第三聚晶网络的形式或可为包括在金刚石或金属或金属性网络中的分散的颗粒。这样的另外的相的材料的例子包括氧化物陶瓷例如氧化铝、氧化锆等，并且还包括碳化物例如碳化硅、碳化钨和通常的过渡金属碳化物等。
常规地，现有技术中的主要惯例和实践是使用硬质金属基材的结合剂金属，在提高的温度和压力下熔化这样的结合剂后，使得其渗入相邻的金刚石粉末块体。以这种方式产生的PCD材料在高压高温烧结过程期间形成与硬质金属基材结合的层。这是熔融金属在宏观级别下的渗透金刚石颗粒块体，导致常规的PCD层与基材结合，即在微米级别下的渗透。到目前为止，现有技术中最通常的方法包括使用碳化钨，钴金属结合剂作为硬质金属基材。这不可避免地导致硬质金属基材与所得的PCD原位结合。迄今为止PCD材料的成功商业开发非常严重地受到这样的惯例和实践的控制。
出于本公开内容的目的，将使用硬质金属基材作为熔融金属烧结剂来源经由对该基材的直接渗入和原位结合的PCD构件称作“常规PCD”构件或体。在图2中说明了这样的常规PCD构件，其显示与硬质金属基材202结合PCD材料层201。PCD层常规地具有有限的厚度203，典型地最高至约2.5mm。需要作为用于PCD层的金刚石粉末的部分再结晶的催化剂溶剂的熔融金属以硬质金属基材为来源并且有方向性地渗入金刚石粉末层，如箭头204所示在其全部级别的厚度内。
历史上，由结合和附着于碳化物硬质金属基材的PCD材料构成的常规PCD结构用于在壳体中连接和布置的材料去除元件。其中待去除的材料是岩石的一般应用包括用于油井和采矿用途的钻头等。包括应用例如道路规划和建筑构造，其中可将待去除的材料认为是合成或再构造的岩石状材料例如沥青，含有岩石碎片的沥青，混凝土，砖块等，包括这样的组合。此后，如本文中使用的，将认为术语“岩石”意指天然的地理岩石和合成或再造的岩石状材料。
非常重要的应用例如油井钻探使用两种主流的钻探技术，其彼此竞争或补充。它们是刮刀钻头和牙轮技术。这两种技术都利用常规的PCD结构。
图3是典型的刮刀钻头301和壳体302的示意图。该图显示壳体中不同径向位置的常规PCD岩石去除元件303、304和305，其由包含结合和附着于大得多的碳化物硬质金属柱形基材的PCD材料的相对薄层的直立圆柱构成。在钻头旋转时，通过主要是剪切作用使这样的元件连续地压在岩石上并且运行，其中使岩石逐渐断裂和碎裂。图4显示了连续剪切岩石402的常规PCD岩石切削元件401的一个边缘。
图5是典型的牙轮钻头501的示意图，其由壳体502和三个牙轮结构503构成，所述牙轮结构能够在轴承上自由地旋转。随着总体的钻头壳体502的旋转，每个牙轮503在岩石表面附近旋转。将岩石去除元件或体504插入或附着于三个牙轮结构中的每个的表面。当牙轮结构转动时，它们使岩石去除元件依次压在岩石表面上。经由轴和轴承结构将牙轮结构连接至壳体，所述轴和轴承结构又受到具有耐磨损的定位(gage)元件506的定位板表面505保护。通过喷嘴507促进水冷却和挤压的岩石去除。在这种情况下，岩石去除元件504具有压在岩石表面上的典型地为圆形的端部(例如通常的凿子形状，或圆顶和/或圆锥表面)。这些岩石去除元件典型地具有与成形的硬质金属基材结合的相对薄的PCD材料层，并且通过主要是挤压作用去除岩石。这在图6中得到说明，图6显示了圆顶形常规PCD挤压元件601的横截面，其由PCD材料的薄层602构成，形成与圆顶形硬质金属体603结合的壳，压和挤压岩石604。
常规的岩石去除元件在岩石去除应用期间表现出一系列的限制和问题，这起源和产生于使用大的硬质金属基材作为PCD材料的金属网络的主要来源并且在制造工序期间所述PCD材料形成与硬质金属基材结合的层。与岩石去除元件的性能和有用寿命有关的两个重要考虑因素是PCD层的磨损发展特性及其断裂相关的失效。
第一个限制寿命的考虑因素是常规岩石去除元件的磨损特性：由于有限的PCD层厚度，因而不论岩石去除元件的形状，任何发展的磨痕延伸到硬质金属基材材料中。现有技术的常规岩石去除元件中的典型PCD材料层厚度处于0.5mm至2.5mm范围内。在这样的情况下，PCD层的有限厚度导致其中对于岩石去除元件的总体磨损的有限程度出现磨痕延伸到硬质金属基材中的磨损阶段。因为在磨损的所有方面来说硬质金属材料远差于PCD，几个磨损相关的现象出现，其在常规岩石去除元件的使用中引起问题。特别地，硬质金属基材材料的优先去除导致PCD层的消弱，该PCD层现在是在机械和热上未得到支撑的。进而，这导致PCD层上增加的局部弯曲应力(其产生断裂)和PCD层中局部温度的提高(其产生热劣化和耐磨性非常快速的降低)的可能性。
第二个限制寿命的考虑因素是PCD层的早期断裂的可能性，该早期断裂是PCD层中容易的裂纹引发和扩展的结果，导致碎裂和毁坏性散裂。当PCD层整体上或大部分脱离时发生散裂。这是由于扩展到PCD层的自由表面的裂纹。这样的断裂行为容易由不可避免的宏观(延伸穿过岩石去除元件的总体尺度)残余应力所产生，该残余应力包括常规岩石去除元件中内在的显著的拉伸分量。对于包含在直立柱形碳化物基材的一端结合的PCD层的岩石切削元件，在元件的外围顶部边缘处的PCD层中存在显著的轴向、径向和环向残余拉伸应力。这在图7中得到示意性地说明，图7给出了常规PCD岩石去除元件的部分横截面，中心线为701，PCD层为702，并且硬质金属基材为703。该图显示了在PCD层702的自由表面处的高拉伸应力区域704，PCD层的本体整体是为压缩的。发现PCD层中这样的有破坏性的残余应力分布的起源主语在于在制造工序中返回到室内温度和压力条件期间元件中经历的PCD与结合的硬质金属基材之间不同的热膨胀。在专利申请参考文献1US61/578726(英国专利申请,GB1122064.7)、参考文献2US61/578734(英国专利申请,GB1122066.2)、分别公开为WO2012/089566和WO2012/089567的国际专利申请的参考文献3和4中详细描述了常规碳化物基材支撑的PCD体或元件中的有害的宏观残余应力分布的方面。
在常规的岩石去除PCD元件中，碳化物基材经常经受比PCD材料层更大的侵蚀，导致PCD层的削弱和对PCD层的支撑损失以及因此的该层的断裂。如果增加机械支撑PCD层的材料的耐侵蚀性，那么将因此预期优点。
支撑PCD层的材料的另一个重要的功能是充当用于从PCD层去除热的散热器和导管。将PCD层的温度保持低于一定的临界水平是重要的，高于该临界水平可发生非常有破坏性的热劣化机制。清楚地，增加支撑PCD层的材料的热导率可为有利的。
因此存在对于减轻或基本上消除上述问题的切削工具元件和制备切削工具元件的方法的需求。
从第一方面来看，提供了用于岩石去除的切削工具元件，其包含：包含金刚石与金属的互穿网络的独立式PCD体，该独立式PCD体还包含：
在该PCD体的边界内的两个或更多个物理体积，其中相邻的物理体积在金刚石与金属网络组成比率、金属元素组成和金刚石晶粒尺寸分布中的一种或多种上不同；
该PCD体远端的功能工作体积，该功能工作体积在使用中形成与岩石接触的区域或体积并且通过剪切、挤压和研磨的组合导致岩石的逐渐去除，该功能工作体积在该PCD体的寿命期间逐渐磨损；
在使用中现存的并且具有近端自由表面的功能支撑体积，该功能支撑体积为从该功能工作体积延伸的区域或体积并且连同将岩石去除PCD体连接至壳体的装置一起向该功能工作体积提供机械和热的支撑；
该功能工作体积从远端自由表面或邻近的自由表面之间的边界延伸，包括边缘、顶端、凸弯曲表面或突起的任何组合，沿着从该工作体积的远端自由表面经过总体的体的矩心(centroid)到该功能支撑体积的近端自由表面的延伸线，该功能工作体积延伸进入该功能支撑体积中的横截面面积增加；近端形成连接点并且其中:
其中该功能支撑体积包含总体的独立式PCD体的矩心；
总体的PCD体具有的形状所具有的长径比使得：总体的PCD体的外接长方体的最长边缘的长度与该外接长方体的最小矩形面的最大宽度的比率大于或等于1.0，其中该功能工作体积从该最小矩形面延伸；和
一个或多个物理体积形成功能工作体积和功能支撑体积中的一者或另一者或两者的至少一部分。
从第二方面来看，提供了制备上面定义的切削工具元件的方法，其中该PCD体包含一个或多个物理体积，每个物理体积，具有独立地预选择的总体金属与金刚石比率的特定的平均晶粒尺寸和尺寸分布的共生金刚石晶粒与特定原子组成的独立预选择的互穿金属性网络的预选择的组合，该方法包括以下步骤：
a)形成用于每个物理体积的组合的金刚石颗粒和金属性材料的块体，所述块体是对于经由部分金刚石再结晶的金刚石颗粒至颗粒结合所需要的唯一金属源；
b)固结金属颗粒与金属性材料的每个块体以产生预选择尺寸和三维形状的独立的黏结生坯体并且将它们组装成总体的黏结生坯体，或顺序地烧结每个块体以产生预选择尺寸和三维形状的总体的黏结生坯体；和
c)使该总生坯体经受高压和高温条件，使得金属材料全部或部分变成熔融的并且促进金刚石颗粒至颗粒结合以形成上面定义的切削工具元件。
现在将仅举例并参考附图来描述实施方案，其中：
图1是PCD共生网络的示意图；
图2是附着于基材的常规PCD结构的示意图；
图3是典型的刮刀钻头的示意图并且显示了PCD岩石去除元件；
图4是显示连续剪切岩石的常规的直立柱形PCD岩石去除元件的一个边缘的示意图；
图5是典型的牙轮钻头的示意图，其中岩石去除元件为典型的圆顶或凿子形结构；
图6是圆顶形的常规PCD挤压元件，其由形成与圆顶形硬质金属体结合的壳的PCD材料薄层构成，其中岩石的去除主要通过挤压作用；
图7是常规碳化物支撑的岩石去除剪切元件中的临界宏观残余拉伸应力区域的示意图；
图8说明了插入壳体的一部分中的所示普遍形状的独立式PCD体为例的大范围支撑(massivesupport)的概念；
图9是图8的相同的普遍示例性独立式PCD体的三维图示，使用外接长方体来证实其在计算PCD体的长径比中的用途；
图10a至f示意性地描绘了从图10a的纯剪切到图10f的纯挤压的岩石去除模式的范围，并且表明关于施加到岩石去除元件或体的相对垂直(或法向)和横向(或切向)力，岩石去除元件或体可如何使岩石断裂；
图11a、b和c是从基于主要旨在剪切岩石的直立柱的独立式PCD体的功能工作体积的远端端部延伸的镜向平面的例子，其中远端端部分别是弯曲边缘、直边缘和顶端，显示镜向对称平面对应于由所施加的力的垂直和切向分量确定的平面；
图12a和12b是用于岩石去除插入件的通常情况(主要旨在挤压岩石)的PCD岩石去除插入件或体的端部为圆顶和端部为凿子的实施方案的实例的说明，其表现出经过功能工作体积的远端端部的n重旋转对称轴；
图13a、b和c是其中平坦表面截断锥形工作体积的例子，其中可选择工作体积的远端端部为限定平坦截断刻面和锥体的弯曲表面的弯曲边缘上的位置；
图14a和d显示了可如何使用图13的实施方案使得截断刻面形成用于PCD岩石去除元件的主面，从而可向岩石面施加力的较高剪切分量；
图15a至e示意性地显示了独立式PCD体与壳体的一些通常的连接机构并且提供了对于所示出的连接机构为合适的功能支撑体积的通常形状的指示；
图16a是三维的直立圆柱形独立式PCD体的特别实施方案的示意图，其中PCD材料的一个物理体积是延伸横跨PCD体的一端的明显厚度的层；
图16b示意性地显示了对于这后一种情况来说在寿命结束时磨损的PCD岩石去除体；
图17显示了用于岩石剪切的仅具有不同PCD材料的两个邻接物理体积的直立圆形独立式PCD体的实施方案，其中PCD材料的一个物理体积完全包含功能工作体积；
图18显示了用于岩石挤压的仅具有不同PCD材料的两个邻接物理体积的一端为半球形的直立圆形独立式PCD体的实施方案，其中PCD材料的一个物理体积完全包含功能工作体积；
图19显示了旨在用于岩石剪切和岩石挤压模式两者的独立式PCD体的实施方案，该独立式PCD体具有一端为凿子形的直立圆柱形形状(其中该凿子形状通过两个对称的成角度的截断形成)，并且仅具有不同PCD材料的两个邻接物理体积，其中PCD材料的一个物理体积完全包含功能工作体积；
图20是与加工岩石面成角度的直立圆柱形岩石去除元件的边缘的横截面的图示，显示了四种不同类型的倒角；
图21示意性地显示了由独立式PCD体的功能工作体积的逐渐磨损形成的磨痕的横截面，其中浸出和未浸出的PCD材料之间的边界与磨痕表面相交以形成剪切唇；
图22是基于直立圆形PCD体的示例性实施方案的示意图；
图23是图22的例子的实施方案的四分之一截面的示意图，并且给出了在三个柱形坐标方向经计算的应力极大值的位置；
图24是旨在用于其中主要需要岩石挤压作用的牙轮钻头的实施方案的示意性横截面图示，其中每个体的总体形状是直立圆柱，其一端通过半球形成，并且其中纳入本发明的各个方面。
图25是旨在用于壳体或钻头的仅由PCD材料制成的独立式体的实施方案的示意性横截面图与两个平面视图，其中需要岩石去除的模式为挤压和剪切的组合；和
图26a和b是两个直立圆柱形实施方案的示意性横截面图示，其中功能工作体积由布置为不相似的PCD材料的交替层的多个物理体积组成，用作刮刀钻头中的剪切元件。
本公开内容涉及共同地、协作地和支持性地连接至壳体或插入壳体中并且用于通过机械作用例如剪切和挤压来去除材料例如岩石、混凝土等的体或元件。壳体包括用于地下钻岩的钻头例如图3和5中所示的那些，即分别是刮刀钻头和牙轮钻头。如本文中使用的，将认为词语“岩石”意指天然地理岩石例如砂岩、石灰岩、花岗岩、页岩、煤等，以及合成或再造的岩石状材料例如混凝土、砖块、沥青等。在构造应用中将后者的这些岩石状材料破碎和去除。
在本文中公开的实施方案的体或元件是独立式并且“仅仅”由PCD材料制成。如在本文中使用的，将理解短语“仅由PCD材料制成”意味着在PCD材料的制造期间不存在由纳入的非PCD材料制成的体积或区域或附着体积。这样的非PCD材料包括硬质金属基材、陶瓷和块状金属等。独立式PCD体可构成落入如上所述的PCD材料的定义内的不同PCD材料的任何组合。
在本申请人的共同未决专利申请US61/578726和US61/578734(参考文献1和2)中公开了多个三维形状和尺寸的独立式PCD体仅受限于用于它们的制造的高压高温装置的尺寸和特点。本公开内容开放了这种能力并且公开了为岩石去除元件设计和引导的三维形状和尺寸的实施方案。通过引用将专利申请US61/578726和US61/578734的内容以它们所包含的全部并入本文。
认为将用于岩石去除元件或体的在本文中公开的切削工具元件的实施方案中的每个配置在两个功能区域或体积中。第一功能区域或体积是元件的“工作体积”，其为与岩石接触的区域或体积并且通过剪切和挤压的组合导致逐渐去除岩石并且自身在岩石去除元件的寿命期间逐渐磨损。与工作体积相关的PCD材料，由两个或更多个物理区域或体积组成，为了耐磨性在组成和结构上对其进行设计。在本公开内容的上下文中，词语“功能”涉及由总体的岩石去除元件或体的部分或区域预期的特定作用或行为。相比之下，词语“物理”涉及占据总体的体的实际区域或部分体积的特定且有区别的PCD材料。第二功能区域或体积是元件或体的“支撑体积”，其对岩石去除元件的寿命而言是现存的：其保留并且是所述PCD岩石去除元件或体在正常使用后的存留部分。功能支撑体积是从功能工作体积延伸的区域或体积，并且凭借其设计形状和尺度提供将岩石去除元件连接至用于特定应用为合适的壳体的机构。另外，在组成和结构上设计占据与功能支撑体积相关的物理体积的PCD材料以具有用于向功能工作体积提供机械和热的支撑的合适性质。由功能支撑体积向功能工作体积提供的机械和热的支撑是功能支撑体积的重要作用。
多个实施方案关注两个或更多个物理体积与所述两个功能体积之间的关系。
重申以下，从这里开始，当使用术语“工作体积”和“支撑体积”时，通常固有的是它们是在它们在应用中的作用和行为方面表征的功能体积。可重申的是，“物理体积”意指总体的PCD体的两个或更多个部分的体积，其被指定的且独特的PCD材料占据并由其组成。
选择功能工作体积在总体积的远端并且从自由表面或边缘或多个自由表面之间的边界(其为该体的外部边界的一部分)延伸。将该上下文中的远端定义为远离总体的独立式PCD体或元件的几何中心或矩心并且还远离PCD体与壳体连接的位置或区域的点或位置。功能工作体积的远端端部是与待去除的岩石接触的第一初始点的位置。
功能工作体积延伸到功能支撑体积，功能支撑体积在总体的PCD体体积的近端，与远端的工作体积相对并且具有提供连接至壳体的机构的目的。将该上下文中的近端定义为一个点或位置，包括连接的点或位置。支撑体积包含总体的独立式PCD体的矩心或几何中心。将矩心或几何中心定义为将三维体积分成相等矩的两部分的所有平面的交点。在三维体积由均匀密度的材料制成时，矩心对应于该体的重力中心。
功能工作体积从PCD体或元件的远端自由表面或相邻自由表面之间的边界延伸并且包含边缘、顶端、凸弯曲表面或突起的任何组合。这些形成工作体积的远端端部，并且是首先压在岩石表面上的PCD体的一个或多个部分。
在主要的岩石去除机制是通过剪切岩石时，为了提供受控的所选择的初始尖锐度程度，优选的远端端部将是边缘，其是两个自由表面之间的边界。可通过在工作体积的远端端部处形成一个倒角或多个倒角布置来产生这样的边缘。在专利申请WO2008/102324A1和WO2011/041693A2(分别是参考文献5和参考文献6)中教导和请求保护了用于钻地工具的切削元件的多个倒角的这样的布置，通过。将这篇参考文献的内容以它们包含的所有并入本公开内容。取决于PCD体的三维几何形状，这样的边缘可为直的或弯曲的。
在主要的岩石去除机制是通过挤压岩石时，优选的远端端部将为弯曲的凸表面，例如圆顶。
取决于所选择的介于剪切和挤压之间的岩石去除机制的相对程度，优选的远端端部可为圆形顶端、尖端或突起，例如圆锥形尖端。
支撑体积的功能之一是向工作体积提供机械支撑以向工作体积产生强度并且降低所施加的应力。机械支撑的一个合适的考虑因素可源自于如在1935年PWBridgman的高压装置设计(参考文献7)的上下文中引入的大范围支撑的原理。该原理利用体的三维形状，其中将向体施加的力分散到增加的横截面面积内，使得降低了应力(其名义上为力除以垂直于力的截面的面积)。在本公开内容的上下文中，随着功能工作体积延伸到功能支撑体积中，通过工作体积的增加的横截面面积，在经由功能工作体积施加期间施加到PCD岩石去除体或元件的力分散以降低应力。这可通过考虑图8得到说明，在图8中显示普遍形状的独立式PCD体801插入壳体802的一部分中。对于地下钻岩应用，壳体802可钻头体本身，类似于图3的刮刀钻头301或图5中的牙轮钻头体501。工作体积803通过由虚线805所示的名义边界与支撑体积804分隔开。在功能工作体积上所施加的力(初始在功能工作体积的远端端部806处)可非常通常以称作总体的独立式岩石去除元件或体801的分量的垂直力Fv807和水平力Fh808来描述。不管主要的岩石去除机制是什么，力的两个分量总是存在；然而，它们的比例可改变。线a－c－d从功能工作体积的远端端部806(在a处)延伸，到整个体的几何中心或矩心c，到功能支撑体积的近端端部(在d处)。凭借沿着线a－c－d延伸进入功能支撑体积的功能工作体积的横截面面积，所得的Fv和Fh力逐渐分布在增加的横截面面积内。以这种方式，逐渐降低了工作体积中所施加的应力。在本文中公开的实施方案可具有功能工作体积的横截面面积的这种增加，因为功能工作体积延伸朝向和进入功能支撑体积。
大范围支撑原理的另一个特征是组织一个体的体积和长径比以承受转矩和弯曲应力。对通常的独立式PCD实施方案的几何形状的大范围支撑的原理的这个方面的应用的结果在于功能支撑体积在体积上比功能工作体积大并且应当必要地包含总体的PCD体的矩心，并且还有指定的长径比。图8在这方面如同施加到通常的示例性独立式PCD体的说明。将施加的力的水平分量808(Fh)施加到远端端部，该远端端部是功能工作体积的远端自由表面并且远离整体区域和支撑体积插入壳体802中时支撑体积的附着点。这导致施加到总体的独立式PCD体的转矩。为了承受该转矩，支撑体积在体积上可比工作体积大并且总体的PCD体的长径比在幅值上可为充分得能够使PCD体插入壳体中的程度足够大，以便抵抗转矩。以这种方式，使壳体自身的大量体积实现抵抗转矩。另外，当考虑施加的力的垂直分量807(Fv)时，可看到在支撑体积的近端端部或面上诱发弯曲应力。再次，为了抵抗该弯曲应力，如与功能工作体积相比，该支撑体积可为大的，并且对于充分远离功能工作体积的功能支撑体积的近端端部或面，需要总体的PCD体的充足幅值的长径比。
指定总体的独立式PCD体的所需长径比的方便且准确的方式是考虑长方体的尺度边缘比率，该长方体外接和完全包围三维PCD体形状。图9是图8的相同的普遍示例性独立式PCD体901的三维图示，其中外接长方体902由abcdefg描述。注意到功能工作体积903从长方体的最小的矩形面之一abcd延伸。
参考图9，总体的PCD体的所需要的长径比可具体地表示为总体的PCD体901的外接长方体902的最长边缘ae的长度与最小的矩形面abcd的最大宽度ad的比率大于或等于1.0，其中功能工作体积903从该最小的矩形面abcd延伸。
在专利申请US61/578726和US61/578734(分别为参考文献1和2，通过引用将其并入本文)中，公开了三维形状的独立式PCD体的实际尺度受到用于制造它们的高压高温装置的尺度和设计特性的限制。参考本领域已知的各种高压高温系统的尺寸，已确定任何独立式PCD体的最大尺度可为最高至150mm并且用于这样的目的的优选和合适的系统设计为所谓的带型装置。把这种最大尺度与本发明的任何PCD独立式体联系起来的一种方便方式是指定图9中的总体的PCD体的外接长方体的最长边缘ae可因此为最高至150mm。
总的来说，在本文中公开的切削工具元件的一些实施方案的衍生的通常几何尺寸方面在于独立式PCD体包含在总体的PCD体的远端的功能工作体积、在总体的PCD体的近端的功能支撑体积，沿着从功能工作体积的远端端部延伸进入功能支撑体积、经过矩心到功能支撑体积的近端端部的线，功能工作体积的横截面面积增加，功能支撑体积在幅值上比功能工作体积大并且总是包含总体的PCD体的矩心，并且长径比如上所定义的足够大。
如上所解释的，总体的独立式PCD岩石去除体或元件由具有不同和独特的主要功能和目的的两个功能体积组成。这意味着与两个功能体积相关的材料应当优选在组成和结构上并且因此在性质上是不同的。定义的功能工作体积是PCD体的逐渐压在岩石表面上引起岩石断裂并且自身逐渐磨损的部分。对于与功能工作体积相关的材料的所需主要性质因此是高耐磨性。因此将这种材料最佳地选择为由对于提供用于岩石去除的高耐磨性行为所已知的金刚石与金属网络组成比率、金属元素组成和金刚石晶粒尺寸分布构成。相反地，对于与功能支撑体积相关的材料的所需主要性质是用于机械支撑的刚度和用于有效热去除的高热导率。耐磨性是第二考虑因素。对于功能支撑体积最佳选择的材料因此由对于提供高刚度和热导率所已知的金刚石与金属网络组成比率、金属元素组成和金刚石晶粒尺寸分布组成。优先选择与功能工作体积相关并且与功能工作体积的远端表面或自由表面相邻的PCD材料在金刚石与金属网络组成比率、金属元素组成和金刚石晶粒尺寸分布中的一种或多种上不同于与功能支撑体积相关并且与功能支撑体积的一个或多个近端表面相邻的PCD材料。与功能支撑体积相比，一些实施方案具有与功能工作体积相关的PCD材料组成差异。
更通常地，独立式PCD体可由PCD体的边界内的两个或更多个物理体积制成，其中相邻的物理PCD体积在金刚石与金属网络组成比率、金属元素组成比率和金刚石晶粒尺寸分布中的一种或多种上不同。不同的PCD材料可以或可以不与工作体积的远端自由表面或自由表面和支撑体积的一个或多个近端表面直接相关或相邻。本发明的大部分实施方案具有这种特性。仅由一种组成的PCD材料的一个物理体积制成的实施方案是可能的，但是排除在外。
在其中存在两个或更多个物理体积的一些实施方案中，总体的PCD体的整个外围区域或“表层”可在组成和/或结构上不同于一个或多个中心区域中的一种或多种PCD材料。然而在这一族实施方案的情况下，与功能工作体积的一个或多个远端自由表面和功能支撑体积的一个或多个近端表面相邻的PCD材料相同并且不会不同。这样的独立式PCD体具有与总体的PCD体的整个自由表面相邻的所选择的PCD材料的连续表层，其在金刚石和金属网络组成比率、金属元素组成和金刚石晶粒尺寸分布中的一种或多种上不同于一个或多个内部物理体积的一种或多种材料。后者的一个或多个体积在使用之前不具有自由表面。在使用中，功能工作体积逐渐磨损并且所得的磨损表面可暴露材料的内部物理体积。
后一族的一个子组的实施方案是其中总体的PCD体经受金属的部分或完全去除至所选择的离其表面的有限深度的手段，并且由此产生改性的“表层”和因此不同的PCD材料。产生这样的金属耗尽的“表层”的手段在本领域中是公知的并且包括PCD体的酸浴处理。
上面的大部分讨论考虑由在组成和/或结构上不同的PCD材料的两个或更多个体积制成的独立式PCD体。许多有价值和简单的实施方案仅具有在组成和/或结构上不同的PCD材料的两个体积。
通常地，在应用中，通过使岩石去除元件或体动态地压在岩石上，通过剪切和挤压作用或模式的组合引起岩石断裂来去除和转移岩石。就挤压对剪切的相对程度的“连续统一体”而言，可认为岩石断裂。这种概念模型在图10a至f中得到说明，其示意性地指出相对于施加到岩石去除元件或体的相对垂直(法向)力和横向(切向)力而言岩石去除元件可如何使岩石断裂。将岩石去除元件或体协作地(互相支持地)插入如图3中的刮刀钻头的翼或叶片中，或者可替代地插入如图5中的牙轮钻头的锥体中。以这样的方式几何布置独立的叶片或牙轮中的岩石去除元件，使得在钻头壳体的一次旋转期间它们支持性地重叠，从而覆盖和掠过整个岩石表面区域。
图10a至f示意性地描述了从图10a的纯剪切到图10f的纯挤压的岩石去除模式范围。图10a显示了假定的岩石去除元件或切削工具1001，其通过单一的横向箭头(其为力幅值的表示)指示的纯剪切使岩石断裂。在图10f中描述了这种的对立面，其显示了压头的作用，其中压头仅通过垂直导向的挤压作用使岩石断裂。这两种岩石挤压手段是纯的并且实际的钻头不可能在这些方式中利用岩石去除的这样的纯模式，因为垂直力和切向力都必须存在。在实践中，任何岩石去除元件将采用剪切和挤压的组合来使岩石断裂，因为钻头必须采用旋转作用。
在刮刀钻头设计中，以采用如由图10b中的箭头描述的有限的向下的力和突出的切向力与岩石基底接触的环行方式拖拉岩石去除元件或体。在这种岩石去除模式中，主要通过剪切使岩石断裂。图10b显示了连续剪切岩石的直立柱形PCD岩石去除元件或体1002的一个边缘。可将这样的PCD岩石去除体或元件协作地设置在如图3中的钻头体的叶片状结构中，从而使它们与岩石表面成合适的角度，并且使它们在彼此下方得到支持性地补偿，从而正在被剪切的岩石完全由钻头的每次旋转覆盖。
图10e说明了通过主要是挤压的岩石去除，其中垂直加载显著大于横向切向加载。历史上在图5中显示的所谓牙轮钻头设计中利用了这种岩石去除模式。在这样的钻头设计中，在钻头的面处布置自由旋转的牙轮中设置圆形的、端部为圆顶的或端部为凿子的岩石挤压元件。在图10e中例示了端部为半球形圆顶的直立柱形岩石去除元件1005。当钻头旋转时，牙轮连续地在岩石面附近滚动，使每个端部为圆顶的岩石去除元件依次压在岩石面上，由此间歇地压在岩石面上并且挤压岩石面。图10e通过垂直和水平箭头分别示意性地指示对于这样的岩石去除元件造成发生的加载幅值。
原则上，通过改变如何使任何岩石去除元件压在岩石上的动态和侵蚀角度连同合适形状的选择，可以由介于图10b和图10e之间的中间情形引起岩石断裂。合适的形状选择包括选择功能工作体积的远端端部为边缘、顶端、尖端、弯曲表面或突起的合适组合，使其压在岩石上。以这种方式，所施加的加载的相对分量可改变并且可通过所选择的剪切和挤压的组合去除岩石。这通过图10c和10d得到说明，其中岩石去除模式从主要的剪切改变至主要的挤压。在图10d中，所显示的示例性岩石去除元件1004具有凿子形的功能工作体积，其远端端部为通过直立柱形体上的四个平坦表面的相交而形成的圆形顶端。这里挤压作用仍然超过剪切作用，然而剪切作用具有明显的幅值。在图10c中，所显示的示例性岩石去除元件1003具有通过椭圆形平坦前边缘表面改变的锥形功能工作体积，该椭圆形平坦前边缘表面提供功能工作体积的椭圆形弯曲边缘远端端部。再次如箭头所指示的，这里挤压和剪切作用在幅值上是类似的。
对于挤压和剪切的任何特定组合而言岩石去除体或元件的效率取决于使得压在岩石上的岩石去除体或元件的部分(即岩石去除体的功能工作体积的远端部分)的形状。在这一点上，特别是可选择功能工作体积的远端端部。
用于岩石去除的指示岩石去除的剪切和挤压模式之间的连续统一体的上述概念模型是被开发来便于本公开内容的独立式PCD岩石去除元件或体的功能工作体积及其远端端部的优选和优化的三维形状的选择的一个新途径。
专利申请US61/578726和US61/578734(分别为参考文献1和2)的教导，关于宽范围的规则和不规则的三维形状的独立式PCD体提供了选择和优化功能工作体积的形状以产生有效的岩石去除并且选择和改变岩石挤压和剪切的任何相对程度的机会。这通过选择可能的大范围3-D实心形状的不同边缘和拐角和用于压在岩石上的岩石去除体的角度来完成。每个形状需要岩石去除体的参考面的合适选择，通过该参考面，该体相对于岩石面成角度。在其中岩石去除体是直立圆柱的情况下，合适的面是前平坦圆形表面，功能工作体积的远端端部为该面的圆周边缘的一部分。
在图10b、c和d中，岩石挤压作用的剪切分量从图10b的主要逐渐变化到图10d的次要，但是总是显著的：包括有方向性的剪切或犁掘作用。因此，方便地组织功能工作体积以具有由以任何给定的矩所施加的垂直和切向/水平力的作用平面确定的对称镜向平面。
为了例示这一点，图11a是压在岩石1102上的直立柱形独立式PCD岩石去除元件或体1101的示意性三维图，其中工作体积的远端端部是柱体1103的一部分的圆周边缘的一部分。这种总体直立柱形形状在如图3中的用于地下钻岩的刮刀钻头中采用的岩石去除元件或体中是典型的。所施加的力确定从与岩石的接触点的镜向平面。在这种情况下，工作体积的远端部分是弯曲边缘的一部分。因此，一族通常的实施方案可以以独立式PCD体为特征，其中工作体积具有从工作体积的远端端部延伸的对称镜向平面。
对于主要是剪切的岩石去除模式而言，一些实施方案的共同特征是合适和优选的：在使用之前的工作体积的远端端部，是在使用开始时初始压在岩石上的部分，由一个边缘或多个边缘构成。将该上下文中的边缘定义为相邻自由表面之间的边界。这样的一个边缘或多个边缘可为弯曲的或直的或任何这样的组合。远端端部还可为多于一个边缘彼此接合的一个或多个顶端。PCD体的功能工作体积具有从这些边缘或顶端远端端部延伸的对称镜向平面。在任何给定的常数下，当向岩石表面施加PCD岩石去除元件时，从功能工作体积的远端端部延伸的对称镜向平面对应于由所施加的力的垂直和切向分量确定的平面。从功能工作体积的远端端部延伸的这样的镜向平面的实例在图11a、b和c中得到说明，其中远端部分分别是弯曲边缘、直边缘和顶端。对称镜面平面可以或可以不遍及总体的PCD体的全部几何形状延伸，这取决于关于连接壳体(例如钻头体)的特定机构而选择的功能支撑体积的形状。
用于主要是剪切的岩石去除的独立式PCD体的实施方案是直立圆柱体1101，其中功能工作体积的远端端部1103是一个圆周边缘的一部分并且因此是弯曲边缘，图11a。其中基于直立柱体的总体形状的实施方案还可通过沿着独立式PCD体的侧面的平坦表面(其可向功能工作体积的远端端部提供直边缘分量)进行改变。图11b是其中显示沿着柱体1104的侧面或筒表面的一个平坦表面的实施方案，提供一个直边缘1105作为功能工作体积的远端端部。可以通过沿着如图11c中的侧面的多于一个平坦表面1106和1107采用多于一个直边缘。这里功能工作体积的远端端部现在是顶端1108。
图11中的所有实施方案具有从工作体积的远端端部延伸的对称镜向平面1109，对应于由垂直施加的力和切向施加的力(分别是1110和1111)形成的平面。
当主要的岩石去除模式是如图10e中的挤压时，如说明的，用于岩石去除元件或体的典型总体形状为端部为圆顶的直立柱。这种情况的一个实施方案会为PCD体1201，其中工作体积为如图12a中的半球形1202，远端端部为凸弯曲表面1203，这清楚地表现出大范围支撑的概念，其中由于横截面面积的增加，在与岩石接触的点处的即刻应力散布到支撑体积中。可替代地，如图12b中的，工作体积的形状可为锥形1204，圆形的尖端或圆形的截断作为远端端部1205。
这些实施方案都表现出经过功能工作体积的远端端部的n重旋转对称轴1206。更通常地，具有围绕轴的旋转对称的任何形状从工作体积的远端部分延伸到支撑体积的近端自由表面，其中需要在轴的方向上横截面积的明显增加，从而可对工作体积产生大范围支撑。甚至更通常地，旋转对称性可为如在端部为圆顶的直立圆柱体的情况下的n重的，图12a。这后一种情形的可替代性描述在于PCD体具有从工作体积的远端端部延伸的无数个镜向对称平面。
可以通过添加在功能工作体积的通常的三维弯曲表面处引入的平坦表面或刻面来改变这些通常的实施方案。通过这样做，这样的平坦表面或刻面之间的边界(为尖端、弯曲边缘或直边缘)可形成并且被利用来作为工作体积的远端端部。在该上下文中通常将这些形状称作“凿子”。这允许通过如图10d和10c中说明的那样选择相对于岩石面的倾角来增加岩石去除中剪切作用的程度。这些非常通常的凿子形状的PCD岩石去除体或元件包含本公开内容的一些实施方案。这些实施方案可表现出围绕工作体积的远端端部的旋转对称性，从如图10c中所示的2重旋转对称性(单一镜向平面)增加直至图10e的n重旋转对称性。例如，图10d说明了具有通过4个相邻平坦表面或刻面改性的锥形表面的PCD体并且显示了4重旋转对称性。可替代地，可在功能工作体积的通常的弯曲自由表面处引入一个或多个平坦表面或刻面，使得平坦表面是隔开的并且不具有共同的边界。在这样的情况下，工作体积的远端端部将为弯曲边缘或者在延伸到锥形工作体积尖部的单一平坦表面的非常特别的情况下将为尖端。
图13a、b和c说明了另一个实例，其中一个平坦表面1301、1302和1303截断锥形工作体积1304，其中可选择工作体积的远端部分为界定平坦截断刻面1301、1302、1303和锥体的弯曲表面1305的弯曲边缘上的位置。取决于截断刻面与锥体的轴的角度，这样的弯曲边缘可为圆形1306、椭圆形1307或抛物线1308，分别如图13a、13b和13c所示。可使用这样的实施方案从而截断刻面形成如图14a和14b中1401所示的PCD岩石去除元件或体的主面。以这种方式，可向岩石面施加力的较高剪切分量。
一些其它的实施方案可包括工作体积的远端端部为选自仅平坦表面之间的边界的尖端或直边缘。这样的实施方案的实例会是其中PCD直立柱形体的一端通过在一端的多个平坦平面以形成通常的凿子形工作体积进行改变。这样的实施方案的支撑体积形状由直立柱体的未改变部分形成，其横截面可为圆形或椭圆形。
具有直立圆柱形形状的支撑体积包含本公开内容的一些实施方案，其具有上面描述和公开的任何不同类型的功能工作体积形状。这样的实施方案的优点是容易连接壳体或钻头体，其中可利用将这样的体钎焊至柱形布置孔或槽中的钎焊的主要历史惯例和实践。图15显示和公开连接壳体的一些通常机构和提供功能支撑体积的通常形状的指示，该功能支撑体积对于所指示的连接机构为合适的。图15a显示了独立式PCD岩石去除元件，其中功能支撑体积1504为直立圆柱，其几乎完全被包围并且被插入壳体1502中。可选择相对于将其插入的孔的尺度的支撑体积的尺度，从而在界面1508处的弹性干涉可在冷缩配合后提供牢固连接。可替代地，可在适合用于钎焊工序的金属性膜中涂覆支撑体积的表面。其中长度大于直径的支撑体积长径比是有利的，从而当将支撑体积的本体包围并且插入壳体中时，抵抗在使用中的固有转矩。
可使用具有椭圆形横截面的直立柱形形状。然而，为了容易制造和连接，可优选具有圆形横截面的直立圆柱形状。
另外的实施方案可源自于通过沿着柱体的筒体引入一个或多个平坦平面或刻面用于壳体或钻头体中的分度(indexing)和定位用途的具有柱形支撑体积的那些。
还可使用其中仅通过沿着其侧面或长轴的平坦表面界定支撑体积的实施方案，其中这样的支撑体积的横截面是具有形成柱的三个或更多个侧边的多边形。
具有柱形或柱子支撑体积形状的这些实施方案对于使用钎焊或通过推入配合的弹性干涉连接来连接壳体或钻头体可为合适的。
这些这样的实施方案的共同方面在于支撑体积形状为具有恒定垂直横截面面积的直边。连接岩石去除元件或体与壳体或钻头体的最常用的历史手段是钎焊。这后一途径的清楚缺点在于对于钎焊所必要的提高温度可热损坏PCD材料。机械的连接手段不经受这一点，因为不涉及提高的温度。
机械的连接手段可采用布置，例如在图15b至15e中显示的那些，其使用弹性颈圈1501，经由螺纹1503或其它机械锁定手段与壳体1502配合，向下压在功能支撑体积1504中的扩大的横截面面积上。这在图15b、c、d和e中得到说明，其中带外螺纹的颈圈1501位于其内表面上，到功能支撑体积的锥形配合表面1505上，如图15b、c和e中的那样。可替代性地，功能支撑体积中的扩大的横截面面积可通过如图15d中说明的法兰布置来提供，其中颈圈1501位于法兰1506上。所有这样的布置的共同特征在于支撑体积形状采用与支撑体积的平坦基底或近端表面1507平行的横截面表面积的增加。更通常地，沿着从远端功能工作体积到功能支撑体积的近端表面的通常方向功能支撑体积在横截面面积上增加。
EP0573135(参考文献8)公开了可使用可变形的锁定插入件来改进合适形状的耐磨工具体与壳体的机械连接。通过引用将这个专利的教导纳入本公开内容中。这在图15e中得到说明，其中带螺纹的插入件1501向下压在可变形的锁定插入件1509上，其又压在独立式PCD体的功能支撑体积1504的锥形表面1505上。可变形的插入件1509可由软的延展性金属例如退火的铜等和/或高密度聚合物材料例如弹性体、橡胶或聚合物等制成。
机械连接壳体的又一个手段可为采用独立式PCD体自身的带螺纹的功能支撑体积，其随后与壳体中的螺纹配合。
该公开内容的多个实施方案仅利用在组成和/或结构方面不同的PCD材料的两个物理体积。一个物理体积的PCD材料可至少包括与功能工作体积的远端表面或自由表面相邻的区域，另一个物理体积的不同PCD材料至少包括与功能支撑体积的一个或多近端表面相邻的区域。不同PCD材料的两个物理体积之间的边界可不与功能体积(即工作体积与支撑体积)之间的理论边界一致。这后一边界可最终仅由在岩石去除应用中PCD体的寿命结束时产生的磨损平坦面或磨痕的程度确定。
为了说明不同的PCD材料的两个物理体积以及功能工作体积与功能支撑体积之间的关系，图16给出了一些选择的非综合性实施方案的示意性横截面，其中共同特征在于独立式PCD体的总体三维几何形状是直立圆柱，其中功能工作体积1602的远端端部1601是该柱的一端的圆周边缘的一部分。
图16a是特别的实施方案，其中PCD材料(PCD1)的一个物理体积是显著厚度的层1603，其延伸横跨总体的直立圆形PCD体的一端，并且PCD材料(PCD2)的第二体积较大并且占据总体的PCD体的剩余部分1604。材料PCD1的物理体积1603与功能工作体积相关：材料PCD1占据与功能工作体积1602的远端表面或自由表面相邻的区域，功能工作体积的远端端部是圆周边缘的一部分1601。工作体积的这个远端部分是使得PCD体与岩石面1605接触的第一部分。在岩石去除期间，PCD体的工作体积逐渐磨损并且形成磨损平坦面或磨痕，如虚线1606所示，名义上平行于岩石面。在1606的特别情况下，磨损平坦面可指示PCD岩石去除体所选择的寿命终点，并且通过定义将指示功能工作体积和支撑体积之间的边界。在图16a的特别情况下，该边界示意性地完全在由材料PCD1组成的物理体积1603内。因此在这种情况下，一个物理体积1603包含功能体积1602并且两个物理体积之间的边界不延伸到功能工作体积中。可替代地，如在图16b的情况下，PCD岩石去除体的寿命可延长，使得可到达磨损平坦面或磨痕1607。在这种情况下磨损平坦面现在延伸至由材料PCD2组成的物理体积1604中。在这种情况下，1607通过定义现在指示功能工作体积与支撑体积之间的边界。在这种特别情况的寿命的后一部分期间，工作体积利用物理体积1603的PCD材料PCD1和物理体积1604的PCD材料PCD2。通常地，PCD体的功能工作体积的程度在使用中确定并且在PCD岩石去除元件或体的寿命终点时变得最终可见。图16b示意性地显示了对于这后一种情况的寿命结束时的磨损的PCD岩石去除体。在这后一种情况下，两个物理体积1603和1604之间的边界延伸到功能工作体积中。
如已在上文中所示的，应当关于岩石去除机制的上下文中的耐磨性来选择和优化关于工作体积的所需行为为主要的PCD材料。相比之下，应当选择控制功能支撑体积的材料在刚度和热导率两者上为足够高的。确定性质例如耐磨性、刚度和热导率的PCD材料的最重要的组成方面是金刚石晶粒尺寸分布。因此，在一些实施方案中对于控制两个功能体积中的每个的材料来说金刚石晶粒尺寸分布不同。一些实施方案是独立式PCD体，其包含PCD材料的两个或更多个物理体积，其中至少一个物理体积在金刚石晶粒尺寸分布上不同于任何或所有其它物理体积。
岩石去除应用中的PCD的上下文中的通常观察在于：随着金刚石平均晶粒尺寸降低，耐磨性倾向于增加。如已经指出的，由于在岩石去除应用期间工作体积逐渐磨损，并且支持体积是现存的，一组实施方案使得功能工作体积的PCD材料由比功能支撑体积的更细的平均晶粒尺寸制成。
通过定义功能支撑体积是现存的，并且在应用中存留并且向工作体积提供机械和热的支撑两者。对于通过该体的形状和几何形状提供的上方和之上的良好机械支撑，应当控制支撑体积的材料应当被设计成刚性的，具有高刚度和弹性模量。随着金刚石晶粒尺寸增加，刚度和弹性模量增加。对于良好的热支撑，控制支撑体积的材料可被设计为具有高热导率。由于限制热传导的晶界的热散射行为，PCD材料的热导率随着金刚石晶粒尺寸的增加而增加，因为这导致每单位体积的晶界的面积降低。因此，通过粗大的金刚石晶粒尺寸分布产生对于支撑体积的功能的所需性质，然而通过细金刚石晶粒尺寸分布产生工作体积的所需高耐磨性。
可将独立式PCD体的一些实施方案设计成具有不同的PCD材料的两个或更多个物理体积，使得与工作体积的远端表面或自由表面相邻的PCD材料在平均晶粒尺寸上小于与支撑体积的一个或多个近端表面相邻的PCD材料。
在本领域中公知的是，在岩石去除的上下文中，与较粗大的PCD材料相比，具有小于十(10)微米的平均金刚石晶粒尺寸的PCD材料具有优异的磨损性质，即较低的磨损速率。因此可选择其中控制功能工作体积并且与功能工作体积的远端部分相邻的的PCD材料具有小于十(10)微米的平均金刚石晶粒尺寸的实施方案。
由Adia和Davies在专利申请号US61/578726和US61/578734(分别为参考文献1和2)公开了使用所公开的方法可彼此独立地选择和指定关键的材料特性或自由度例如金刚石晶粒尺寸和分布、金刚石与金属网络组成比率和金属元素组成。这与其中这些自由度明显依赖于彼此的主要常规现有技术不同。例如，在主要常规现有技术中，晶粒尺寸分布的选择在很大程度上限制了可能的金属含量范围，其中金属含量还总是随着平均晶粒尺寸降低而增加。在它们与本公开内容中的用于岩石去除目的的独立式PCD体的相关性中利用申请US61/578726和US61/578734(分别为参考文献1和2)的自由度独立性的材料。这允许独立于金属含量和金属元素组成来改变金刚石晶粒尺寸和尺寸分布。如上所解释的，在使用两个物理体积时，可需要具有不同的金刚石晶粒尺寸，其控制两个功能体积以适合它们不同的功能。在选择金属含量和金属元素组成遍及总体的PCD体为不变和恒定的时，现在可完成这一点。这样的实施方案具有取决于总体的PCD体中存在的最粗大的金刚石晶粒尺寸的高于特别级别的宏观残余应力的不存在的所需效果。由Adia和Davies在专利申请US61/578726和US61/578734(分别为参考文献1和2)教导和公开了处于或高于宏观级别的残余应力的这样的不存在。将宏观级别定义为大于平均晶粒尺寸的十倍的级别，其中晶粒尺寸的最粗分量不大于平均晶粒尺寸的十倍。这样的实施方案的需要在于跨越PCD体的残余应力分布的不存在，当残余应力分布存在时，引导和促进宏观裂纹扩展，该宏观裂纹扩展又可导致断裂事件例如碎裂和散裂，这损害了岩石去除体的寿命和性能。由于独立式PCD体积不具有宏观残余应力或具有极低的宏观残余应力，在实际应用中会预期：PCD体的正常磨损行为而不是断裂会被观察到并且确定PCD体的寿命结束。因此预期这些实施方案具有改进的性能和有用寿命。
在本领域中已知确定宏观残余应力在独立式PCD体中的存在或不存在的几种手段，包括X射线衍射。用于确定宏观残余应力的不存在的便利方法包括将应变片化牢固连接至PCD体的任何便利的平坦表面然后去除PCD体的显著部分。在不存在宏观残余应力时，来自应变片的应变相关信号将不会变化。相反地，如果存在显著的宏观残余应力，那么来自应变片的应变相关信号将显著变化。
在本文中描述的切削工具元件的一些实施方案中包含其中遍及总体的PCD体金属为恒定和不变的独立式PCD体。
在本领域中公知PCD材料的应用中的性质和相关行为高度取决于金刚石和金属含量。特别地，当增加金刚石含量时(即当降低金属含量时)，耐磨性、刚度和热导率都整体上得到了改进。对于旨在用于岩石去除应用的独立式体的功能工作体积和功能支撑体积两者来说需要这些性质和行为的改进。如上面解释的，Adia和Davies在专利申请号US61/578726和US61/578734(分别为参考文献1和2)中的教导向待制备的PCD材料提供金刚石晶粒尺寸分布、金刚石与金属网络组成比率和金属元素组成的独立选择。因此可选择金刚石与金属网络组成比率为高的，即金属含量低，而不论所选择的金刚石晶粒尺寸和金属类型或合金。此外，还教导了：当如现有技术中的通过从硬质金属基材渗透金属来制备约1微米平均晶粒尺寸的常规细晶粒PCD时，将金属含量限制于约12体积％至14体积％。相比之下，在本文中公开的方法提供独立于金属类型而进行选择并且为处于从约1％至20％的范围内的任何点的金属含量。类似地，在选择多峰晶粒尺寸并且平均晶粒尺寸为约十微米且最大晶粒尺寸为约30微米时，可再次选择金属含量为处于从约1％至约20％的范围内的任何点。不再施加使用于这样的常规PCD材料的金属含量靠近和接近9体积％的限制。
可以使用在US61/578726和US61/578734(分别为参考文献1和2)中描述的方法开发比由式y＝-0.25x+10定义的低的金属含量，其中y是以体积百分比计的金属含量并且x为以微米计的PCD材料的平均晶粒尺寸。本公开内容的一些实施方案包括由具有所选择的平均金刚石晶粒尺寸的预选择的PCD材料占据的两个或更多个物理体积。可有意地选择与功能工作体积和功能支撑体积两者相关并且控制这两者的物体体积中的平均金刚石晶粒尺寸，以在这些功能体积的应用中产生所需行为。其中任何物理体积中的PCD材料具有经独立地预选择为低于值y体积％的金属含量(其中y＝-0.25x+10，x为以微米单位计的PCD材料的平均晶粒尺寸)的独立式PCD体是一些实施方案的特征。
在其中包含PCD材料的两个或更多个物理体积并且任何这些物理体积在金刚石金属网络组成比率和/或金属元素组成上不同的实施方案中，如参考文献1、2、3和4中教导的，宏观的跨越总体的PCD体的残余应力分布必然出现。在金属含量和类型上不同的PCD材料在热膨胀系数上并且以更有限的方式在弹性模量上不同。取决于当使在制造过程期间的高温和高压条件返回到室内温度和压力时由结合的PCD材料的相邻体积之间分别有区别的收缩和膨胀引起的热膨胀系数和弹性模量的差异，产生残余应力分布。
本公开内容的实施方案没有制造成与碳化钨钴硬质金属基材结合，但是包含仅由PCD材料制成的独立式体。导致残余应力幅值的主要效应是有区别的热膨胀。用于基材的典型碳化钨钴硬质金属材料具有处于6至7ppm/K范围内的线性热膨胀系数。利用典型的金属烧结和再结晶助剂例如钴的有用的PCD材料具有从3至4.5ppm/K的线性热膨胀系数值。在现有技术情况下，PCD材料与硬质金属基材之间的热膨胀系数的差异因此可为从2.5至4.0ppm/K。在Adia,Davies和Bowes,专利申请WO2012/089566和WO2012/089567(分别为参考文献3和4)中讨论和解释了这样的现有技术中的残余应力分布。在这些申请中，公开了具有均与碳化钨钴硬质金属基材结合的PCD材料的物理体积的各种几何布置的岩石去除元件的各种设计，其中管理PCD中的残余应力分布的形式和幅值以减少裂纹扩展。
相比之下，当仅使用PCD材料时，热膨胀系数的差异可为最高至1.5ppm/K，这比现有技术的典型范围(即2.5至4.0ppm/K)低得多并且在该范围之外。可在其中使用结合的和相邻的物理体积的本发明的实施方案中产生的残余应力幅值因此将通常低于常规现有技术的残余应力幅值。低于在常规现有技术中可获得的一半的拉伸残余应力极大值可为可能的。
如上面指出的，常规的现有技术主要限制于在制造工序期间与碳化钨硬质金属基材的相对大体积原位结合的PCD材料薄层。这一点的不可避免的结果在于残余应力分布跨越PCD材料层，由于弯曲效应，该残余应力分布包含高拉伸应力极大值。这些拉伸应力极大值对于宏观裂纹发展和扩展是决定性的，导致散裂和碎裂断裂行为，其又经常是岩石去除元件效率和有用寿命的主要方面。这样的断裂行为经常是毁灭性的并且可损害总体的钻头的有用性。大量的现有技术处理这个通常问题的减少，例如存在许多关于设计方面例如PCD材料层与碳化物硬质金属基材之间的非平面界面，利用PCD材料随着PCD材料的位置和体积以及通常的功能分级的变化。该问题的减少集中于降低残余应力分布的拉伸分量的幅值(大部分为百分之几十的量级)，和/或将拉伸和压缩极大值置于有利和不太关键的位置。还如上面指出的，凭借包含仅由PCD材料制成的独立式体的实施方案，可使残余应力极大值的幅值极大地降低至由常规现有技术不能达到的水平。这可延伸至不含宏观残余应力的情形。由于用于仅岩石去除目的的仅包括PCD材料的独立式PCD体，由不利的宏观残余应力分布驱动的限制寿命的行为例如碎裂和散裂不太可能，并且现在可减少并且归为次要考虑因素。
在现有技术中，岩石去除体或元件的实施方案具有由PCD材料控制的功能工作体积和主要由硬质金属碳化物组成的现存功能支撑体积。这意味着绝大多数实施方案是其中工作体积由具有比支撑体积中的材料更小的总体热膨胀系数的材料组成。相比之下，本公开内容的一些实施方案允许除了这种通常的情况以外的相反情况，其中可由具有比控制功能支撑体积更大的热膨胀系数的材料来控制功能工作体积。对于将由具有特定的平均热膨胀系数的PCD材料控制的功能工作的有效方式是由一种类型的PCD材料制成的物理体积之一包含功能工作体积。这又允许残余应力分布极大延伸的范围，其中一些对于抵抗在应用期间所施加的任何应力的不需要的拉伸分量。
可通过选择金刚石与金属网络组成比率和/或金属元素组成的差异来产生PCD材料之间的热膨胀系数的差异。为了确保控制和/或包含功能工作体积的PCD材料的物理体积具有与包含现存的功能支撑体积的PCD材料的一个或多个物理体积相比不同的热膨胀系数，功能工作体积的物理体积可具有高于具有遍及独立式PCD体为不变的金属元素组成的剩余物理体积的金属含量。
可替代地，金刚石与金属网络组成比率遍及独立式PCD体可为不变的并且控制或包含功能工作体积的材料的金属元素组成不同于现存的支撑体积的物理体积中的金属。在这后一种情况下，金属元素组成的差异优选关注具有已知和显著的热膨胀系数的合金组成。这些合金包括冶金学中公知的低膨胀合金的高碳版本，在Adia和Davies,专利申请US61/578726和US61/578734(参考文献1和2)中的PCD材料的上下文中教导和公开了这些合金。在采用的金属或金属合金中的宽范围的不同线性热膨胀系数(从约2至14ppm/K)是可获得的。第三种可能性是其中通过使用金刚石与金属网络组成比率和金属元素组成两者的差异来将物理体积的热膨胀系数组织成不同的。
其中利用具有不同热膨胀系数的PCD材料的物理体积来管理残余应力分布的实施方案可包括遍及PCD体使用钴金属，由物理体积中的不同钴含量产生不同的热膨胀系数。
关注硬质金属基材上的PCD材料层的常规现有技术的惯例和实践是使得将PCD层厚度实际限制于约2.5mm。由于残余应力分布中的急剧和显著的梯度靠近或关于不相似的材料之间的物理边界而发生并且典型的功能工作体积尺度类似于厚度尺度，工作体积和相邻区域必要地经历总是包括拉伸应力极大值的高残余应力梯度。图7示意性地说明了对于大多数常规的现有技术(即对于PCD层702)在总体的直立柱体的一侧上的残余应力分布的通常属性。在表示常规的直立柱形PCD岩石去除元件的部分横截面的图7中，701是直立柱的中心线，702是PCD层，703是硬质金属基材并且705是功能工作体积的远端端部，即PCD层702的圆周边缘的一部分。在该图中，柱坐标中的拉伸残余应力极大值由704指示。可注意到在环向、径向和轴向方向的拉伸极大值均在处于或接近功能工作体积的远端端部705(即总体的直立柱形PCD体的圆周边缘的一部分)处的PCD层的自由表面。还指示了每个坐标方向的边界，其中残余应力方向从拉伸移动至压缩706。应当注意的是，所有这些边界非常接近功能工作体积的远端端部705，这说明残余应力梯度非常接近这个位置。
相比之下，在本公开内容的一些实施方案中，可将不同PCD材料的任何物理体积之间的边界设计成远离功能工作体积位置。这意味着在工作体积中和接近工作体积可避免陡峭的残余应力梯度。这暗示与现有技术相比裂纹扩展事件的减少。其中可利用PCD材料的相对大尺度的物理体积以确保功能工作体积的实施方案具有非常低的幅值和浅残余应力分布梯度，并且选择不相似的PCD材料之间的任何物理边界远离功能工作体积位置。
为了详细描述和指定这个特征，合适的是考虑在常规现有技术中使用的硬质金属基材上的有限PCD层厚度的主要的通常情况下经历的工作体积的典型最大尺寸，其中在钻头中使用直立柱形岩石去除元件或切削工具。这里考虑的工作体积的典型最大尺寸是对于其中限制寿命的断裂现象例如碎裂和散裂是不显著的通常情况。相反地，正常的磨损行为导致其中磨痕区域达到大幅值的情形，使得由钻机产生的在钻头上所需的重量变得如此的大以致于可损害钻机的效率。岩石去除元件的寿命结束将因此由磨痕的这样的最大面积幅值所表征。使用这种惯例和实践，可由关于正在使用的岩石去除元件的三维形状和总体体积而典型观察到的最大磨痕面积估算功能工作体积的典型最大体积。对于在刮刀钻头中使用的现有技术直立柱形岩石去除元件，工作体积从直立柱的圆周边缘上的一个位置延伸并且在寿命结束时在使用中得到最终确定，导致最大尺寸的磨损平坦面或磨痕。对于这种功能工作体积的典型观察到的最大体积为整个岩石去除体的3％。预期对于功能工作体积的这个最大体积也是对于本发明的实施方案的情况。为了确保与功能工作体积相关的PCD材料的物理体积具有其远离最终功能工作体积的边界(功能工作体积边界)或最终的磨损平坦面，PCD材料的所述物理体积必须总体上包含功能工作体积，从而其与总体的PCD体的剩余部分的物理边界不与在功能工作体积与功能支撑体积之间的边界相交。此外，材料的这种物理PCD体积的幅值应当显著大于对于功能工作体积所典型观察到的最大值情形，即3％。这两个方面一起可提供用于本公开内容的有效岩石去除元件实施方案中的一些的重要的做贡献的设计标准。在所选择和所需的总体的三维几何形状的每种情况下，可从预期的几何形状和最大磨痕和功能工作体积的相关的最大体积的幅值，估算第一物理体积的最小比例体积。对于包含功能工作体积的物理PCD体积大于总体的独立式PCD体的3％的任何估算对于包含功能工作体积的第一物理体积是良好的下限。
如已经公开的，可选择功能工作体积的材料具有高耐磨性性质，而相比之下可选择控制功能支撑体积的材料具有高刚度和热导率。这导致用于包含功能工作体积的物理体积的PCD材料和剩余的现存支撑体积的材料的不同选择。因此当包含功能工作体积的物理体积的体积幅值超过PCD体的总体积的50％时(对于高耐磨性性质优化其材料类型)。其可大大地损害功能支撑体积的所需行为。特别地，将存在这将是包含功能工作体积的物理体积超过总体的PCD体的体积的50％时的情况的高可能性。这导致又一个优选，其中包含功能工作体积的PCD材料的物理体积应当不超过独立式PCD体的总体积的50％。
总的来说，由于被限制成作为与相对大体积的典型硬质金属材料基材结合的有限厚度的PCD层的相对小体积的PCD材料的现有技术，PCD材料体积中的残余应力幅值和分布高并且具有陡峭的梯度。这些残余应力导致显著的限制裂纹相关性能的现象例如碎裂和散裂。相比之下，由于本公开内容的实施方案关注仅PCD材料的两个或更多个物理体积，其包含总体的岩石去除元件或体并且与PCD与通常金属性材料之间的差异相比可能的不同PCD材料之间的性质差异相对小，因而残余应力幅值和梯度分别是小和浅的。这意味着本公开内容的独立式PCD体中的残余应力可被组织成相对于岩石去除应用中的裂纹相关性能问题为第二重要的。这进而允许利用使用大的独立式PCD体的潜在益处。尽管在现有技术中，可使用最大尺度可能为最高至150mm的大硬质金属基材，但是仍然在厚度上限制与基材非对称地结合的PCD层并且因此具有高残余应力的小的功能工作体积不可避免地导致有限的性能。如上所公开的，本公开内容的实施方案可允许制造最大尺度为最高至150mm的独立式体，由于残余应力的次要属性，那么这允许利用的PCD材料的高强度和高韧性，从而导致高抗冲击性。另外，可运用PCD材料的非常高的刚度。可源自于在通常的岩石去除应用中使用大的独立式体的益处包括独立式PCD岩石去除体逐渐呈现于岩石面，导致高渗透效率。高渗透效率可通过由使用具有从通常的壳体表面隆起的大功能工作体积的大PCD体所致的大暴露而发生。那么出现岩石表面的高渗透深度并且对于壳体的每次通过或旋转可去除大体积的岩石。PCD岩石去除体的这样的大暴露是唯一可行的，这是由于PCD材料体中固有的高强度、韧性、抗冲击性和刚度并且残余应力的不存在。PCD体高于从功能工作体积的远端端部的壳体的自由表面的暴露高度可为最高至总体的PCD的总体尺度的三分之一，使得该尺度的其余三分之二可插入壳体中并且提供连接壳体的手段。
一些实施方案的独立式PCD体可由独特和不同的PCD材料的任何数目的物理体积组成，以多种不同的方式在几何上布置它们随附的不同性质。在功能上，如已经解释和描述的，认为实施方案的独立式PCD体包含基于在岩石去除应用期间的使用中的通常行为的两个体积，即功能工作体积和功能支撑体积。因此这是有道理的：就努力优化独立式体的性能以设计PCD体来说，使得所选择的PCD材料的一个物理体积与功能工作体积的远端表面或自由表面相邻并且PCD材料的另一个不同的物理体积与功能支撑体积的一个或多个近端表面相邻，并且PCD材料的任何数目的物理体积分隔和/和邻近它们。由于明显关联PCD材料的一个物理体积与功能工作体积和不同PCD材料的一个物理体积与功能支撑体积的较大简单性，仅利用不同的PCD材料的两个邻近物理体积与分隔的物理体积可为有益的。此外，这样的布置可具有与多个物理体积相比仅两个物理体积的制造的相对容易性和实用性的优点。仅包含两个物理体积的该独立式体特别地延伸到其中PCD材料的一个物理体积完全包含功能工作体积以便利用有利的非常低幅值和浅梯度残余应力分布情形的实施方案，可采用足够远离在实践中产生的功能体积之间的边界的两个物理体积之间的边界达到这种情形。在图17中给出了这样的实施方案的一个例子，其还利用了一系列上面已经涵盖的其它优选方面。这些实施方案旨在用于其中主要需要岩石剪切作用的刮刀钻头中，其特征在于：
a)总体的直立圆柱形状1701。
b)功能工作体积1705的远端端部1704为圆形外围边缘的一部分，该功能体积在使用中被确定为从该远端端部延伸到平坦“磨损”表面1707的体积，该平坦“磨损”表面又与柱体的顶部平坦表面和弯曲的“筒状”表面相交。
c)功能支撑体积1706为寿命结束时总体的体的现存部分，并且因此包含具有“磨损”表面的直立圆柱，“磨损表面”在使用中逐渐形成。
d)总体的独立式PCD体的元素组成遍及整个体为不变的，即在该体中的每个地方为相同的金属或合金。
e)总体的独立式PCD体包含两个物理体积1702和1703，由在金刚石晶粒尺寸和尺寸分布以及金刚石与金属组成比率(即金属的量)上不同的不同PCD材料制成。
f)作为层延伸的均匀PCD材料的第一直立柱形物理体积1702完全横跨总体的柱体的一端，占据总体的独立式PCD体体积1701的大于30％和不大于50％。第一物理体积1702完全包含预期的功能工作体积1705，由具有比第二物理体积1703中更细的平均金刚石晶粒尺寸的PCD材料制成，具有比第二物理体积1703小的金刚石与金属组成比率，导致比第二物理体积大的线性热膨胀系数。
g)第二物理体积1703从第一物理体积1702延伸，为直立圆柱，占据总体的独立式PCD体的剩余部分，由具有比第一物理体积更大的平均金刚石晶粒尺寸的PCD材料制成，具有比第一物理体积大的金刚石与金属组成比率并且具有比第一物理体积小的线性热膨胀系数。
在图18中呈现了利用不同PCD材料的两个物理体积的实施方案的又一个实例，其中将一个物理体积制成显著大于功能工作体积，并且完全包含功能工作体积的程度。这些实施方案旨在用于牙轮钻头体中。利用了在图10e中所示的通常的几何形状布置，其为具有一端延伸到通常的凸弯曲表面(最经常为半球形)的直立圆柱。如图10e中所示的这样的岩石去除体通过主要的岩石挤压和断裂机制来导致岩石去除。图18显示了一端为半球形的直立柱形形状1801，其中第一物理体积1802基本上占据半球形圆顶，具有其与第二物理体积1804的边界1803，形成为弯曲和凸出的表面1805，至半球形自由表面。在实践中确定的预期的最终功能工作体积由虚线1806和整个体的半球形自由表面1805划界。PCD材料的第一物理体积1802完全包含功能工作体积并且第一和第二物理体积之间的边界1803位于远离功能工作体积边界1806。如先前所述，这在功能工作体积中产生了具有低幅值并且具有非常浅的应力梯度的残余应力分布。这进而提供了裂纹引发和扩展的降低趋势。
由图18表示的这些实施方案旨在用于其中主要需要岩石挤压作用的牙轮钻头中，特征在于：
a)单一的端部为圆顶的直立圆柱形状1801。
b)功能工作体积的远端端部1807为圆顶1805的弯曲自由表面的一部分，并且功能工作体积1808在使用中被确定为从该远端端部1807延伸至平坦“磨损”表面1806的体积。
c)功能支撑体积1809为在寿命结束时总体的体的现存部分，并且因此包含端部为圆顶的直立圆柱，其具有“磨损平坦”表面1806。
d)总体的独立式PCD体的金刚石与金属网络组成比例和金属元素组成遍及整个体为不变的，即在该体中的每个地方为相同量和类型的金属或合金。
e)总体的独立式PCD体包含两个物理体积1802和1804，由在金刚石晶粒尺寸和尺寸分布以及金刚石与金属组成比率(即金属的量)上不同的不同PCD材料制成。
f)均匀的PCD材料的第一物理体积1802从弯曲的圆顶自由表面1805延伸到与第二物理体积1804的边界1803，边界1803平行于平坦基底，第一物理体积1802中占据总体的独立式PCD体体积的大于3％和不大于50％。第一物理体积1802完全包含预期的功能工作体积1808，由具有比第二物理体积1804中更细的平均金刚石晶粒尺寸的PCD材料制成。
g)第二物理体积1804从第一物理体积1802延伸，占据总体的独立式PCD体1801的剩余部分，由具有比第一物理体积1802的更大的平均金刚石晶粒尺寸的PCD材料制成。
在图19中呈现了利用不同PCD材料的两个物理体积的实施方案的又一个实例，其中将一个物理体积制成显著大于功能工作体积，并且完全包含功能工作体积的范围。这里，总体的PCD体1901是直立圆柱1902，其中该柱的一端延伸至凿子形状1903。具体地，该形状由端部为单侧锥形的直立圆柱形成，其中锥形对称的两个平坦的成角度的截断1904在直边缘1905处相遇，其可以或可以不平行于直立圆柱的基底。可选择功能工作体积1906的远端端部为顶端或尖端1907，在那里直边缘与弯曲的锥形表面1908相遇。可替代地，可选择远端端部为直边缘1905自身的完全范围。这些实施方案旨在用于其中如图10d所示需要接近相等的岩石剪切和岩石挤压作用的刮刀钻头或牙轮钻头体中，并且特征在于：
a)单一的端部为凿子的直立圆柱形状，其中凿子形状通过在直边缘1905处相遇的锥体1903的两个对称的成角度的截断1904形成，该直边缘可以或可以不平行于直立柱的基底。
b)功能工作体积的远端端部为通过直边缘1905和锥形弯曲表面1908形成的顶端之一1907，或者可替代地，功能工作体积的远端端部可为直边缘1905。功能工作体积1906在使用中被确定为从所选择的远端端部延伸到“磨损”表面1909或当远端端部为边缘1905时的磨损表面1910的体积。
c)支撑体积1911为在寿命结束时总体的体的现存部分，并且因此包含端部为凿子的直立圆柱，具有“磨损平坦”表面1909或1910。
d)总体的独立式PCD体的元素组成遍及整个体为不变的，即在该体中的每个地方为相同的金属或合金。
e)总体的独立式PCD体包含两个物理体积1912和1913，由仅在金刚石晶粒尺寸和尺寸分布以及金刚石与金属组成比率(即金属的量)上不同的不同PCD材料制成。
f)均匀PCD材料的第一物理体积1912从直边缘1905和锥形弯曲自由表面1908延伸到与第二物理体积1913的边界1914，占据总体的独立式PCD体体积的大于3％和不大于50％。第一物理体积1912完全包含预期的功能工作体积1906，由具有比第二物理体积1913中更细的平均金刚石晶粒尺寸的PCD材料制成，具有比第二物理体积更小的金刚石与金属组成比率，导致比第二物理体积1913更大的线性热膨胀系数。
g)第二物理体积1913从第一物理体积1912延伸，占据总体的独立式PCD体1901的剩余部分，由具有比第一物理体积1912更大的平均金刚石晶粒尺寸的PCD材料制成，具有比第一物理体积1912更大的金刚石与金属组成比率，并且具有第一物理体积1912更小的线性热膨胀系数。
使用选择来占据功能工作体积的具有不同和相对磨损性质的不同PCD材料的两个或更多个物理体积可具有多个优点。物理体积之间的至少一个边界随后将延伸到功能工作体积中。随着功能工作体积逐渐磨损，具有较低耐磨性的材料的区域或体积将比具有较高耐磨性材料的区域或体积磨损更快，因此导致在磨痕表面处较高的耐磨PCD材料形成突起、脊状物和剪切唇。以这种方式，施加的载荷集中在突起、脊状物和处，由此保持一定程度的尖锐度并且限制用于有效岩石去除的通常载荷要求。随后可补偿钝度逐渐的几何增加，提供朝向岩石去除元件寿命结束的可能的过量载荷要求的可察觉的潜在缺点的减少。产生一个或多个突出的剪切唇的方便、有效和优选的手段是采用耐磨性不同的PCD材料的三个或更多个交替层，其占据功能工作体积，从而随着其在岩石去除元件的寿命期间逐渐发展，多层之间的一个或多个边界将与磨损平坦面相交。产生PCD材料的物理体积或层之间的耐磨性差异的优选手段是使用不同的PCD材料的金刚石晶粒尺寸差异，较细的金刚石晶粒尺寸典型地比较粗的金刚石晶粒尺寸更耐磨。PCD材料组成和类型比常规现有技术增加的范围导致比常规现有技术更大的不同PCD材料选择，使用这些概念它们不同的耐磨性性质是可开发的。例如，在本发明中，存在金刚石晶粒尺寸、金属含量和金属类型或元素组成的非常广泛的独立选择。以这种方式，可通过利用被组织来形成功能工作体积的有区别的PCD材料的增加的广度和范围来减少察觉到的非常大面积的磨痕表面的潜在缺点。功能工作体积中的PCD材料的不同磨损行为可导致在元件的寿命晚期时的有效岩石去除行为。
如上所述的，一个或多个实施方案的独立式PCD体可由独特和不同的PCD材料的任何数目的物理体积组成，以多种方式在几何上布置它们随附的不同性质。由PCD材料的两个或更多个物理体积组成的独立式PCD体可具有如已经讨论的由一个物理体积完全包含的功能工作体积或可具有包含两个或更多个物理体积的功能工作体积，使得不同物理体积之间的至少一个边界延伸到功能工作体积中。构成在这后一种情况下包含功能工作体积的两个或更多个物理体积的PCD材料可在金刚石与金属网络组成比率、金属元素组成和金刚石晶粒尺寸分布中的一种或多种上不同。如果所述两个或更多个物理体积仅在金刚石与金属网络组成比率上不同或仅在金属元素组成上不同或这两个方面上都不同，那么物理体积的线性热膨胀系数将为不同的。如在专利申请(参考文献1、2、5和6)中教导的，相邻的物理体积的性质的这样的差异导致在PCD材料制造过程结束时返回到环境条件时的残余宏观应力分布。取决于物理体积之间的线性热膨胀系数的特定差异，将物理体积的一些置于总体拉伸中并且将其它体积置于总体压缩中。
在其中在岩石去除应用中使用任何PCD材料的磨损过程期间，与发展中的磨痕直接相邻的材料中的裂纹引发是内在的并且不可避免。重要和有利的是管理这样的裂纹的宏观扩展，使得它们不引起PCD体的过早失效。在裂纹扩展并且与PCD体的自由表面相交从而导致碎裂和散裂时，这样的限制寿命的过早失效经常发生。后者特别是由变成脱离和粉碎的PCD体的大片表征。如果设计PCD体使得引导在使用中形成的不可避免的裂纹离开PCD体的自由表面、特别是接近功能工作体积和与其相邻的那些自由表面，那么因此是有利的。在断裂力学中公知的是裂纹容易在其中处于总体拉伸中的区域或体积中扩展并且在其中处于总体压缩中的区域或体积中得到抑制。包含功能工作体积的不同PCD材料的物理体积的层状结构(其中热膨胀系数差异造成一些层处于拉伸中并且其它层处于压缩中)提供可引导裂纹离开该体的自由表面的手段。在独立式PCD体的总体形状为直立柱的特定情况下，可通过可以与或可以不与该柱的主轴平行的平坦平行层形成合适的结构。可替代地，可通过同轴的相邻柱形成合适的层状结构。此外，可利用形成经典“卷绕体(SwissRoll)”结构的螺旋卷绕的层。包含功能工作体积的不同PCD材料的层可具有不同或相等的厚度。然而，需要功能工作体积由至少两个物理体积组成。由于具有不大于约5mm横跨的尺度的功能工作体积的预期的实际和典型尺寸，这意味着为了物理体积之间的至少一个边界延伸到功能工作体积中，任何层的最大厚度必须小于5mm。为了明显地受益于这种通常组的实施方案，层的厚度应当使得几个或多个物理体积或层延伸到功能工作体积中。然而，为了制备表现出宏观性质的材料层，该层的厚度应该大于PCD材料的平均晶粒尺寸的十倍。这意味着PCD材料层的实际最小厚度为PCD材料的平均晶粒尺寸的约十倍。
在专利Smallman、Adia和LaiSang(参考文献9)中教导了不相似的PCD材料的交替层表现出行为：其中层中扩展的裂纹主要处于拉伸下，通过处于相对压缩中的界定层而受限于这些特别的层内。扩展的裂纹受到层之间的边界交叉的抑制。如果将交替层布置组织成引导这些扩展的裂纹离开该体的自由表面，那么可抑制或甚至防止碎裂和散裂行为。通过引用将参考文献9的教导并入本文，但是将其在仅由PCD材料制成的体的上下文中施加。其中功能工作体积包含不同的PCD材料的交替层的独立式PCD体可方便地提供离开该体的自由表面的裂纹扩展的这些益处。
如上已经公开和讨论的并且在参考文献1和2中，仅由PCD材料(其中提供与在金刚石粉末级别下的金刚石起始粒料粉末相关的材料的所需金属组分)制成的PCD体，与常规现有技术(其中通过从硬质金属基材体大范围渗透来提供金属)相比，具有组成和结构的延长范围。特别地，可独立于金属含量和金属的元素组成来选择这样的PCD体的金刚石晶粒尺寸，而不损害PCD材料的耐磨性。为了利用这一点，在不相似的PCD材料中交替的多个物理体积可构成功能工作体积。以这种方式，应当通过不相似的PCD材料的交替层之间的边界使逐渐发展的磨痕相交。应当选择不相似的PCD材料的交替层的厚度，从而许多边界与发展中的磨痕相交但是避免其中层之间的应力变得太高的非常薄的层。交替层的厚度可超过PCD材料的平均晶粒尺寸的十倍。交替层之间的边界可以以任何所选择的角度与发展的磨痕表面相交。交替层中的PCD材料可在线性热膨胀系数方面不同，从而产生与层相关的交替的拉伸和压缩的应力场。由金属的不同金属含量和/或不同元素组成容易产生线性热膨胀系数的这样的差异。
一族特定的有价值的实施方案基于直立圆柱的总体PCD体形状。这些实施方案的功能工作体积的远端端部经常是该柱的一个圆周边缘的一部分。这些实施方案的子族可使得功能工作体积由多个交替的层状物理体积组成。这些层可为沿直径的并且平行于柱形PCD体的平坦圆端或者可轴向布置。一些轴向布置包括交替的同轴环和轴向螺旋(例如“卷绕体”)。层状布置可占据独立式PCD体的全部体积并且由此包括功能支撑体积。可替代地，功能支撑体积可主要由一个或多个简单和非层状的物理体积组成。
基于在金刚石与金属网络组成比率上不同并且因此在线性热膨胀系数上不同的PCD材料的交替的PCD层状结构的有限元分析(FEA)证实了层的残余应力明显地交替处于压缩和拉伸中。其中功能工作体积由这样的交替层组成的这样的实施方案的岩石去除应用期间的裂纹扩展将发生，并且裂纹被限制而停留在处于拉伸中的层中，并且将造成引导裂纹离开该体的自由表面。这些实施方案可提供碎裂和散裂可能性的减小。在Smallman、Adia和LaiSang(参考文献9)中在其中制造与硬质金属基材的大片原位结合的PCD材料的交替层的现有技术的上下文中教导了：这样的层可通过引导裂纹扩展离开自由表面而运行。尽管主要的残余应力分布是由于广泛不同的PCD和硬质金属材料之间的相互作用，这占据这样的现有技术实施方案。在这种情况下，不同PCD材料的交替层仅提供对这种主要的残余应力的次要扰乱。相比之下，在其中仅采用PCD材料的实施方案中，通过不相似的PCD材料的交替层确定的残余应力分布将是主要的。从这得出结论：导致交替的拉伸和压缩的几何布置在提供有利的裂纹扩展管理上可为特别有力和有效的。认为后者是相对于现有技术的改进。
应用于包括附着于硬质金属基材的PCD材料层的常规岩石去除元件的现有技术包含关于倒角布置改变首先施加至岩石面的PCD的几何形状的益处的许多专利和教导。特别注意的是专利WO2008/102324和WO2011/041693的(参考文献5和6)的教导，其中解释了四种类型的倒角的组合使用的益处。在本公开内容的语言中，这些倒角布置是对于功能工作体积的远端端部和自由表面的改变，其中远端端部包含边缘。形成远端端部的边缘可为直的或弯曲的。
在图20中限定和说明了如施加至本公开内容的实施方案的不同类型的倒角的实例。它们是插入式倒角2004、前倒角2003、着陆式倒角(landingchamfer)2005和后倒角2006。出于示例的目的，该图描绘了其中总体的PCD体的形状为包含不同PCD材料即2001(PCD1)和2002(PCD2)的两个物理体积的直立圆柱。图20表示了与加工岩石面2009成角度的直立圆柱形岩石去除元件的边缘的横截面。体积PCD1作为层延伸横跨该柱的一侧的直径并且被认为完全包含在使用中确定的功能工作体积。在寿命结束时的使用后，作为功能支撑体积的现存材料将包含大多数2001(PCD1)和2002(PCD2)。
参考图20，当存在唯一的倒角时，在平坦圆顶面和柱形侧表面或柱体的筒状面之间的拐角处形成插入式倒角2004。这个倒角起到防止PCD层在岩石去除过程开始时岩石去除元件的磨损进程的插入阶段期间的碎裂。当PCD体第一次接触岩石时，功能工作体积的远端端部是倒角平面和柱形管状表面之间的圆周边缘的一部分2008。如果不存在这个倒角，那么岩石去除元件(或功能工作体积的远端端部)和岩石的接触点会是尖锐的，具有90°的夹角。在尖锐的拐角处的局部应力集中是高的并且可能引起PCD体的边缘的碎裂。插入式倒角起到增加在工作体积的远端端部、在与岩石的接触点处的夹角由此降低应力集中的作用。这样的插入式倒角是用于岩石去除元件的工业标准并且通常与圆形平坦表面还有柱体的柱形侧表面或筒体成45°的角度。可关于岩石的预期硬度来选择插入式倒角的尺寸，其中对于硬到软的岩石，分别选择小和较大尺寸的倒角。典型的倒角尺寸是：其中从圆形平坦表面延伸到倒角与柱形筒状表面的边缘的深度对于硬岩石为约0.3mm并且对于较软岩石地层大于0.5mm。其中功能工作体积的远端端部是边缘并且功能工作体积的自由表面包括插入式倒角的独立式PCD体可为一些实施方案的特征的一个实例。
以插入式倒角作为参照物定义其它倒角即前倒角、着陆式倒角和后倒角，并且其通常可以与插入式倒角组合使用。在本文中定义的各种倒角在岩石去除元件的寿命期间、在独立式PCD岩石去除元件的寿命期间的功能工作体积逐渐磨损的不同阶段起到不同的作用。
当存在的唯一倒角是插入式倒角时，在磨痕处其在磨损的插入阶段期间快速磨损，因此磨痕与岩石去除元件的顶部圆形平坦面之间的边缘再次变得尖锐。新的尖锐边缘再次经受碎裂的风险。因此，插入式倒角在磨损的插入阶段期间仅起到有限的功能，因为随着磨痕发展，其快速地磨损。设计前倒角来减轻这个问题。前倒角2003沿着从插入式倒角2004的顶部拐角开始的岩石去除元件的顶面形成，并且与图20中的该柱的平坦圆形面形成小角度b。这个小角度b通常为从约10°到约25°。通过随着磨痕发展时增加岩石去除元件的前面和磨痕之间的夹角，前倒角2003起到当插入式倒角已磨损时减少新形成的尖锐拐角处的应力的作用。夹角的增加还起到保持PCD体与岩石的接触点为压缩的作用，由此防止否者会导致PCD体的碎裂或散裂的裂纹扩展。前倒角2003相对长，典型地最高至柱形PCD体直径的三分之一至二分之一。由于前倒角的长长度，其保持活性并且减少PCD在PCD岩石去除体的寿命的磨损的稳态阶段期间(其为寿命的大部分)的碎裂。
当单独使用插入式倒角时出现另一个问题，因为当观察到磨痕面时在磨痕的横向端部处形成尖锐拐角。这些尖锐拐角具有引发可能扩展并且引起PCD体散裂的裂纹的趋势。所谓的着陆式倒角减轻磨痕拐角处的应力集中。着陆式倒角2005在插入式倒角2004的底边缘处形成，并且对其进行选择使得其与水平面(其与图20中的岩石面2009相同)的角度等于总体的PCD体与岩石面的倾角c。功能工作体积的远端端部2008是插入式倒角2004与前倒角2005之间的边缘并且岩石去除元件或体一与岩石接触其就起作用。其起到将磨损的早期阶段的磨痕的拐角磨圆，由此防止在磨痕的拐角处发生应力集中。这个倒角在长度上小于插入式倒角并且尺度通常为0.1至0.3mm量级。
当磨痕变大时其与总体的PCD体的后柱形表面或筒体相交的位置形成尖锐的边缘，该尖锐的边缘也是高轴向拉伸应力的位置，这是由于岩石去除体和岩石面的摩擦理和相反的相对移动。这种情形可导致在磨痕的后边缘处的局部碎裂。通过提供后倒角减轻这个问题。后倒角2006在着陆式倒角2005的后边缘(或插入式倒角2004，如果不使用着陆式倒角2005)处以小角度形成并且沿着柱形PCD体的筒体延伸相对大的距离。后倒角2006与柱体的筒体的角度d典型地为10至20°。
上面描述和定义的前倒角、着陆式倒角和后倒角中的任一种可单独与插入式倒角一起使用，或者它们中的任何两种或三种可与插入式倒角组合，这取决于需要。其中功能工作体积的自由表面包括前倒角、着陆式倒角和后倒角的任何组合和插入式倒角的独立式PCD体是一些实施方案的特征。一组特别有用的实施方案利用所有四种类型的倒角。
上面使用独立式直立柱来定义和例示多种倒角布置的使用和它们的益处。同样，所定义的倒角类型可适合并应用于更通常的实施方案，其中功能工作体积的远端端部包含边缘，所述边缘为直的或弯曲的。
如所示的，在功能工作体积的自由表面处的倒角布置可提供在功能工作体积的插入和稳态磨损阶段期间所不需要的碎裂和散裂的减少。经验地发现也与“倒角效应”相关的减少碎裂和散裂的另一个方式，为明显去除或耗尽金属组分至离功能工作体积的自由表面的有限深度。这可通过浸出工序完成，该浸出工序包括如在本领域中良好确定的能够溶解金属的酸组合。通过这样的浸出工序产生的金属耗尽层可从整个功能工作体积的自由表面或其部分延伸。在其中主要关注包含非对称地附着于大硬质金属基材的PCD材料层的体的现有技术中，有必要掩蔽或以其它方式防止浸出剂侵蚀硬质金属基材的自由表面。由于实施方案关注仅由PCD材料制成的独立式PCD体，掩蔽可能不是必要的，因为可通过使独立式PCD体的整个自由表面暴露于浸出剂来方便地实现功能工作体积的自由表面处的金属的耗尽或去除。
对于用于独立式PCD体免受浸出酸和化学试剂的保护部分的“掩蔽”材料和/或装置的需求，尽管是可能的，但是可为不需要的。然而，独立式PCD体的自由表面的所选择部分的浸出是个选择。实践中，技术上不可能完全去除所选择的层中金属含量的所有金属，因为小的金属池或夹杂可被再结晶的金刚石完全包围并且与连续的金属性网络隔离。一些残余金属在金属耗尽层中总是可检测到的。然而，优选和有利的是使浸出工序从所选择的层厚度去除尽可能多的金属，从而金属耗尽在该深度中达到完全。
当通过方法例如化学浸出从PCD材料明显去除金属时，显著改变了材料性质。据认为由晶粒至晶粒去除过程控制的磨损行为现在典型地发生，这与未浸出的PCD材料的典型小级别裂纹扩展和合并机制形成对比。这前一机制称作“光滑磨损”并且典型地为与未浸出的起始PCD材料相比浸出PCD材料的耐磨性的降低。这一点的结果在于，在使用中当随着功能工作体积逐渐磨损而浸出和未浸出层之间的边界与磨痕自由表面相交时，岩石去除元件的前边缘变成“圆形”，形成倒角状带。由于浸出层从功能工作体积的通常自由表面延伸，前边缘的这种倒圆或倒角将与功能工作体积的逐渐磨损一致地逐渐持续，即与逐渐增加的磨痕表面一致。这种效应的一个有利益处在于前边缘是足够“钝的”从而局部应力集中在略微较大的区域内散布，导致PCD边缘早期碎裂的抑制。对于小于九十(90)微米的浸出深度，观察到这种所需的持续的“自倒角”效应以有效的方式发生。特别地，当使用具有非常高耐磨性的PCD材料时，这样的有限深度的耗尽金属的使用是有利的。其本性上具有高耐磨性的PCD材料具有磨痕的缓慢发展速率但是由于它们是典型地相对硬的PCD材料因而特别易于碎裂。当使用非常高耐磨性的PCD材料时，磨痕的前边缘倾向于保持非常尖锐。这经常导致在非常尖锐的前边缘处的局部非常高的应力集中，该非常尖锐的前边缘可因此容易碎裂。通过连续地形成圆形的前边缘，浸出的PCD材料层的光滑磨损行为可防止这一点。高耐磨的PCD材料与细金刚石晶粒尺寸(例如当平均金刚石晶粒尺寸小于十(10)微米时)相关。其中已耗尽PCD材料中的金属达到完全或部分(至少与功能工作体积的自由表面相邻)的在功能工作体积逐渐磨损时可提供磨痕的连续的圆形前边缘的PCD材料的浸出层是一些实施方案的特征。
对于从功能工作体积的自由表面延伸的任何所选择的深度的所有浸出层来说，将发生这种持续的自倒角效应。然而，观察到高于一定深度(典型地高于九十(90)微米)的浸出层产生在磨痕中突出的“剪切唇”的形成。图21将用于说明和解释由浸出层的存在所致的剪切唇的形成。该图示意性地显示了磨痕2102的横截面，其通过独立式PCD体的通常功能工作体积2101的逐渐磨损而形成，其中浸出PCD材料2104和未浸出的PCD材料2105之间的边界2103与磨痕表面2102相交。典型地，剪切唇2106作为前边缘2107处的磨痕2102中的突出脊状物出现，从通常的磨痕表面2102隆起。观察到剪切唇2106从磨痕表面2102隆起至PCD材料的平均晶粒尺寸的二至五倍的高度。剪切唇2106提供在广泛的磨痕区域中提供力的集中，改进了岩石剪切和断裂的效率。这在一些实施方案中是特别有价值的，因为其导致当磨痕大时在钻岩期间渗透速率的潜在保持。观察到剪切唇2106在磨痕表面2012处、在PCD浸出层2104中、刚好在浸出的PCD材料2104与未浸出的PCD材料2105之间的边界2103上方出现。磨痕2102中的突出剪切唇2106出现，因为通过使用中的局部应力和温度条件改变使剪切唇具体化的浸出的PCD材料2104以具有比正好在其下方的未浸出的PCD材料2105更高的耐磨性。然而，正好高于唇的浸出材料2108，其从工作体积的顶部前边缘自由表面2109分离唇的材料，在耐磨性上保持未改变或没有增强。将使剪切唇具体化的材料从功能工作体积的自由表面2109分离的浸出材料2108保持其低耐磨性未改变并且仍然提供连续的自倒角效应，使前边缘2107为如所示的圆形的。已知在应力和温度的适当高幅值的组合下，金刚石可表现出显著的塑性变形，导致“加工硬化”和随之而来的增加的耐磨性。在科技文献例如在CABrookes和EJBrookes(参考文献10和11)中报道和教导了金刚石的这种行为。所报道的可发生金刚石的塑性变形的温度为约750℃或以上，并且随着温度增加超过该阀值所需的应力降低。然而，已知这样的温度条件为高得足以凭借典型烧结、再结晶辅助金属的存在来引起正常PCD材料的热劣化。在文献LEHibbs和MLee(参考文献12)中用实验显示了对于具有正常钴金属含量的典型PCD材料来说实验确定的硬度随温度变化的数据中斜率的显著变化和在约750℃处维氏硬度的降低速率的增加。高于约750℃的维氏硬度的降低速率的这种增加与由钴金属的存在所致的PCD的热劣化过程相关。这些条件不可避免地导致未浸出的PCD材料的耐磨性的降低。然而，凭借在很大程度上减少的金属含量，浸出的PCD材料相对于未浸出的PCD材料具有显著改进的热稳定性。浸出层中金属的耗尽允许金刚石经历高温，而热劣化效应是显著可操作的。随后浸出层中的金刚石对组合的高应力和温度的主要响应可为延伸的晶格缺陷例如位错和它们的“堆积”相互作用的产生，导致高程度的加工硬化和伴随的耐磨性的大提高。因此，如图21所示，其中浸出的PCD材料2104与未浸出的PCD材料2105之间的边界2103与自由磨痕表面2102相交，正好在接近磨痕表面的边界2103上方的浸出的PCD材料，比在边界2103下方的未浸出的PCD材料2105具有更高的耐磨性。在接近边界和磨痕的交点的位置的耐磨性的这种区别可导致正好在边界上方的突出的剪切唇的形成。随着功能工作体积磨损，产生剪切唇的这种机制可在磨痕的通常进程中逐步发生。因此，将产生连续和所需的自磨尖行为。这种行为是所需的，因为剪切唇的存在减少在任何给定的磨痕尺寸下用于有效岩石去除的钻头上所需的载荷。因此当磨痕朝向PCD岩石去除体的寿命结束而变大时，减少和补偿了为了保持渗透速率而对钻头上的过量载荷的需求。通常地，PCD材料层(从表面延伸，耗尽金属并且其中在该层与未浸出的PCD材料之间的边界在使用中与磨痕表面相交)的存在在功能工作体积的逐渐磨损期间提供突出的剪切唇的形成。
参与岩石去除的PCD材料中磨痕形成的温度建模表明正好在磨痕表面下方的温度通过最大值，作为沿着垂直于PCD体的前自由表面的磨痕的距离的函数(VPrakash，参考文献13)。典型地，这种温度最大值出现在约两百至五百(200至500)微米的深度处。优选的实施方案因此会使得在浸出与未浸出的PCD材料之间的边界会接近沿着这个温度最大值的磨痕的位置。来自这的暗示在于对于特别的PCD材料和岩石去除元件应用的特别条件存在对于最佳利用剪切唇形成所需要的优化浸出深度。
当功能工作体积中的PCD材料的耐磨性为高的例如当平均金刚石晶粒尺寸小于十(10)微米的情况时，发现用于剪切唇形成的优化浸出深度处于大于九十(90)微米和小于两百五十(250)微米的范围内。采用该范围内的浸出深度，当磨痕还小时剪切唇容易在独立式PCD岩石去除元件的寿命中形成。当功能工作体积中的PCD材料的平均金刚石晶粒尺寸大于十(10)微米时，耐磨性典型地使得功能工作体积可比上述情况磨损更快。在这样的情况下，发现对于剪切唇形成的优化浸出深度处于大于九十(90)微米并且小于一千(1000)微米的范围内。浸出深度的这种延长范围允许对于经常在这些情况下更快速地形成的较大磨痕区域的唇形成。在其中发生剪切唇形成的浸出深度的所有情况下，在剪切唇与功能工作体积的自由表面之间正好在剪切唇上方的浸出材料不经历待改变的足够高的局部应力和温度条件并且因此保留对于未改变的浸出的PCD材料为典型的初始较低耐磨性。这种材料的自倒角行为因此总是存在。
在专利申请WO2011/041693(参考文献6)中实际上观察和教导了：倒角布置可促进剪切唇形成，导致具有不同耐磨性特征的不同PCD材料层。这是由于倒角布置在前边缘处产生合适的施加应力，这便于剪切唇形成。特别地，前边缘和后便边缘倒角的组合促进唇形成。
因此，通常存在可导致所需剪切唇形成的三种情形。这些分别是具有有区别的耐磨性性质的不同PCD材料层，耗尽金属的层，与功能工作体积的自由表面相邻的浸出PCD材料和初始的倒角布置。可以独立地利用或以为了受益于剪切唇形成的任何组合利用这些情形。
通常地，由于相对于侧缘和相邻的局部区域的增强和较高的耐磨性的局部区域，形成剪切唇。磨损的通常机制涉及与金刚石晶粒尺寸的级别相关的裂纹引发、扩展和合并。在磨痕处将金刚石作为单个晶粒和/或小数目个晶粒的群或簇去除。这导致典型地为PCD材料(其局部具有形成剪切唇的增强耐磨性)的平均晶粒尺寸的二至五倍的磨痕的通常表面上方的剪切唇的典型突出高度。独立式PCD体(其中突出的剪切唇在功能体积的逐渐磨损期间在磨痕处形成并且从磨痕表面隆起至局部高耐磨层的PCD材料的平均晶粒尺寸的二至五倍范围内的高度)是一些实施方案的特征。
可做出来自本公开内容的不同实施方案的选择以合作地连接或插入旨在用于其中需要去除“天然岩石”的应用的壳体中。术语“天然岩石”包括所有地球上的岩石地层和类型例如石灰岩、砂岩、火成岩、冲积物等。可将各种尺寸、形状和岩石去除模式行为的预期混合的独立式PCD体装配和连接至壳体，从而对于岩石它们的相对位置和呈现给手段容纳合作性和支持性行为以产生壳体的有效总体岩石去除性能。如前所述，旨在用于其中主要的岩石去除模式是岩石剪切的地下钻岩的壳体类型是所谓的刮刀钻头，在图3中说明的其一个实例。这里，其中功能体积的远端端部包含边缘和/或圆形顶端的实施方案可为合适的。例如，可将基于直立柱形总体形状的实施方案(其中功能工作体积的远端端部为一个弯曲的圆周边缘的一部分)连接或插入刮刀钻头壳体中较大的径向位置。通过通常的凿子形状形成的功能工作体积的实施方案可合适地连接或插入较小的径向位置处。
如上所述，旨在用于其中主要的岩石去除模式是岩石挤压的地下钻岩的壳体类型是所谓的牙轮钻头，在图5中说明了其一个实例。这里，其中功能体积的远端端部包含凸弯曲表面的实施方案可为合适的。例如，基于一端为半球形的直立柱的实施方案(其中功能工作体积的远端端部是半球形表面的中心并且其中从这个半球的直立柱形延伸体插入或连接至牙轮)。
与地下钻岩相比，采矿应用关注其中去除的岩石包含可从其提取所需要的元素的特定矿物的岩石去除。因此保留去除的含有矿物的天然岩石并且将其输送到提取位置。设计这些应用中的壳体使得有效地去除和保留含特别矿物的岩石。典型地，PCD岩石去除体或元件连接至所谓的拣选体，其为关于特定的矿床几何形状或地层组织的壳体的延伸体。可使用独立式PCD体作为岩石去除元件来开采的矿物的实例是煤、含金岩石以及通常的含有可提取的金属的矿物。
在通常的构造应用中，钻探、成形、加工或表面处理天然和合成的岩石材料是有必要的。这后一材料包括建筑和构造工业中的混凝土和砖块以及道路构造和维护工业中的混凝土、柏油碎石和通常的道路表面材料。可利用在用于这样的目的的不同壳体中连接和插入的用于岩石去除的独立式PCD体或元件。
上面的其中将独立式PCD体合作性地和支撑性地布置在各种壳体设计中的任何或所有应用可利用其中最高至三分之一的最大尺寸的独立式PCD岩石去除元件的高暴露从壳体的自由表面隆起。
在专利申请US61/578734(参考文献2)中教导了用于制备在制造期间没有连接至不相似的材料体或基材的独立式PCD体的通常方法。PCD体包含一个或多个物理体积，每个物理体积，具有独立预选择的特定总金刚石与金属比率的特定的平均晶粒尺寸和尺寸分布的共生金刚石晶粒与特定原子组成的独立预选择的互穿金属性网络的预选择的组合。这种通常方法的一些关键方面包括：
a)形成组合的金刚石颗粒与金属性材料的块体，所述块体是对于经由部分再结晶的金刚石颗粒至颗粒结合所需要的唯一金属源；
b)固结金属颗粒和金属性材料的每个块体以产生预选择尺寸和三维形状的黏结生坯体，
c)使该生坯体经受高压和高温条件，使得金属材料全部或部分变成熔融的并且经由部分金刚石再结晶促进金刚石颗粒至颗粒结合。
可通过研磨和混合金刚石粉末与固体金属性粉末以产生均匀的组合来方便地形成组合的金刚石颗粒与金属性材料的一个或多个块体。可使用一种或多种单质金属性粉末。还可使用已经预合金化的金属粉末。在研磨和混合工序之后在真空或气态还原性环境中的合适热处理以便净化块体通常是必要的。特别地，关于典型地终接金刚石颗粒表面的氧化物和氧基化学物质来净化该块体是重要的。在这方面在氢、惰性气体环境中的热处理可为特别有用的。
可替代地，制备组合的金刚石颗粒与金属性材料的一个或多个块体的手段是使用用于(一种或多种)金属的前体化学化合物。使用这样的前体化合物的一个通常优点在于它们中的许多容易热离解或还原以形成细粒状和纯的金属。以这种方式使用用于金属的前体化合物使得金刚石与金属颗粒的组合的优异均匀性成为可能，特别是其中需要非常细的小于十微米平均颗粒尺寸金刚石粉末的情况下。可通过机械研磨和混合金刚石颗粒与用于(一种或多种)金属的一个或多个前体化合物固体粉末然后通过合适的热处理将一种或多种前体化合物合适地转化或离解为金属性状态，形成组合的金刚石粉末与金属性材料的一个或多个块体。再次，可使用在真空或气态还原性环境中的热处理。
在参考文献1和2中教导的用于将金刚石颗粒与前体化合物组合的特别方法包括使金刚石粉末悬浮在液体介质中并且使一种或多种前体化合物在悬浮液介质中结晶。最方便和通常有用的液体介质为纯水和/或纯醇。可通过向金刚石颗粒悬浮液受控添加反应物化合物的溶液来完成这种方法。通常地，反应物溶液中的至少一种包括包含所需一种或多种金属的可溶性化学化合物。一组示例的这样的水和/或醇溶性化合物为金属硝酸盐。在这些情况下，有用的反应物溶液具有可溶性碱金属盐例如碳酸钠Na2CO3等，其能够引起金属盐作为用于这些金属的不可溶性前体化合物例如金属碳酸盐的结晶和沉淀。在专利申请US61/578734(参考文献2)中教导和公开了用于产生所需金属的许多有用前体化合物的许多各不相同的化学反应性方案。通过引用将这些化学方案包括在本公开内容中，并且对于其所包含的全部内容，参考文献2的所有教导包括在本公开内容中。另一个方面是其中前体化合物成核和生长附着于金刚石颗粒表面，从而金刚石颗粒在所述前体化合物中受装饰。在通过合适的热处理还原或分解前体化合物时，用特定量的特定选择的金属性材料装饰金刚石颗粒表面。附着于金刚石表面的金属颗粒比金刚石颗粒的尺寸小。这后一优选的明显优点在于：如此可产生金刚石颗粒与金属性材料的组合块体中几乎完美均匀的分布，这进而导致最终PCD材料中的高程度的空间组成均匀性。
组合的金刚石颗粒与金属性材料的干燥净化的块体需要固结成预选择尺寸和三维形状的黏结的半致密的所谓“生坯体”。可选择尺寸和三维形状以适合和导致实施方案的总体的独立式PCD体的尺寸和形状。可以使用本领域中已知的用于形成黏结的半致密的生坯体的任何合适的粉末固结技术。这些包括单轴压实到设计的合适尺寸和形状的模具中或优选地使用冷或热等静压压实技术。由于与单轴压实相比显著改进的空间密度均匀性，这进而导致随后产生的独立式PCD体中的良好空间均匀性，因而等静压压实技术是优选的。当在任何所描述的实施方案中需要两个或更多个物理体积时，可将PCD材料组织成在组成和结构上不同，从而在总体的PCD体的不同几何位置可利用PCD材料性质的差异。许多实施方案关注将不同PCD材料的不同物理体积与两个功能体积即工作体积和支撑体积关联。来自上述的专利申请US61/578734(参考文献2)的用于形成组合的金刚石晶粒与金属性材料的所选择的块体的方法是用于形成实施方案的每个物理体积的可能方法。例如，将用于每个物理体积的组合的金刚石颗粒与金属性材料的所选择的块体固结以形成黏结生坯体结构。可将用于每个物理体积的生坯体结构彼此独立地固结并且随后以与彼此的所选择的几何关系组装以形成用于每个所需的实施方案的总体生坯体。
随后使总体生坯体经受高压和高温条件，使得金属材料全部或部分变成熔融的并且经由金刚石的部分再结晶促进金刚石颗粒至颗粒结合。通过引用将在专利申请US61/578734(参考文献2)中教导和请求保护的高压和高温条件并入本公开内容中，并且其整体上分别落入5至10GPa压力和1100至2500℃温度的范围内。
实际上通过这样的高压高温工艺制备的任何独立式PCD体需要最终的成形、定型和表面精加工。可向实施方案施加本领域中公知的用于这样的目的的任何技术以实现这些。这些包括用金刚石工具和磨料研磨和抛光，放电机加工和激光烧蚀。在使用这样的技术去除显著量的PCD材料以达到所需的形状、尺寸和表面状态时，可引入显著和不需要的成本。如果在高压高温过程后所得的独立式PCD体在近终尺寸和形状上接近所需的，那么这可以得到减轻。在专利申请US61/578726和US61/578734(分别为参考文献1和2)中公开了独立式PCD体的近终尺寸和形状的可能性。近终尺寸和形状属性的基础是金刚石与金属块体的高程度的均匀性连同能够制备具有密度的一致性和均匀性的生坯体结构的固结技术和可提供均匀空间收缩率的高压高温反应室设计。使用所公开的制造方法的实施方案可利用这些途径和属性以有利地制备具有近终尺寸和形状的独立式PCD体。特别地，组合将金刚石颗粒与用于金属的前体化合物组合的悬液方法(导致金刚石颗粒与金属的均匀组合的粒料块体)与用于制备均匀的生坯体结构的等静压压实技术，导致了近终尺寸和形状可能性。
用于这样的金刚石再结晶的通常优选的金属性材料是铁、镍、钴、锰中的一种或组合或任何排列或合金化的组合。特别地，经常可使用钴来形成具有优异性质的PCD材料。
在广泛和各种不同的前体化合物当中，独立式PCD体的金属性组成的是离子盐。作为与金刚石颗粒研磨和混合的固体粉末或作为在液体介质金刚石颗粒悬浮液中产生的不可溶性化合物使用的这一群组前体化合物可为特别有用的并且使用方便。
例如，可使用金属碳酸盐作为一种或多种前体化合物，因为这些离子盐非常容易离解并被还原成纯的细粒状金属。
现在参考以下实施例更详细地描述一些实施方案，其并不旨在进行限制。以下实施例提供与上面描述的实施方案有关的进一步细节。
实施例1
制备了仅由PCD材料制成的独立式体。图22是旨在用于其中主要需要岩石剪切作用的刮刀钻头中的一个实施方案的示意性横截面图示2201。将该特别的实施方案表征和指定如下。
每个体的总体形状为最终直径和高度分别为16mm和24mm的直立圆柱。使用如上文中提供的表示体的长径比的定义方法，这些体的长径比为1.5。
将每个柱体的一个圆周边缘改变以形成四个倒角，如图22所示，即插入式倒角2203、前倒角2202、着陆式倒角2204和后倒角2205。在图22中提供了关于柱体的顶部平坦圆形自由参考表面和柱形筒体自由参考表面的四个倒角的规格。制成与该体的顶部平坦圆形自由表面具有20°的角度的前倒角2202与该表面在6mm半径处相交，即离柱形筒体的参考位置2mm。后倒角2205制成与参考柱形筒体自由表面具有10°的角度。后倒角与插入式倒角2203在从顶部自由表面参考垂直向下0.45mm的位置的边缘处相交。插入式倒角2203与着陆式倒角2204相交于从平坦顶部自由表面参考垂直向下0.73mm，并且着陆式倒角2204与后倒角2205相交于从平坦顶部自由表面参考垂直向下1.11mm。
选择这些体的功能工作体积的远端端部2206为圆形圆周边缘的一部分，其形成插入式倒角2203与着陆式倒角2204之间的交界和边界。因此，由2206指示在用于岩石去除的应用中被选择来初始压在岩石表面上的该体的第一部分。功能工作体积2207(其为在使用中逐渐磨损从而形成由虚线2208表示的磨损平坦表面的每个PCD体的部分)，占据与位置2206直接相邻的区域，并且因此初始由倒角的自由表面界定。因此在这个实施例中，PCD体具有从功能工作体积2207的远端端部位置2206延伸的一个镜向对称平面，并且远端端部包含弯曲边缘。
PCD体的功能支撑体积2209是在使用后为现存的并且因此当功能工作体积2207已磨损时形成具有在该体的寿命结束或使用完成时确定的磨损平坦表面2208的直立圆柱形状。
独立式体每个包含由不同PCD材料制成的两个物理体积。由PCD1材料制成的一个物理体积2210以8mm盘的形式延伸横跨直立柱体2201的一端，与由PCD2材料制成的第二物理体2211具有平坦边界。第二物理体积2211形成16mm长和直径为16mm的直立柱。第一物理体积占据PCD独立式体的总体积的约三分之一(33.3％)并且因此占据总体的体体积的介于30％和大于于50％之间。为这种尺寸的第一物理体积2210完全包含功能工作体积2207，预期其在应用中所选择的寿命结束时起始的总体的独立式PCD体体积的总体积的不大于约3％。以这种方式，两个物理体积之间的边界远离最终的磨损平坦面或由虚线2208指示的两个功能体积之间的边界或者不与最终的磨损平坦面或由虚线2208指示的两个功能体积之间的边界相互作用。
由不同PCD材料即PCD1和PCD2制成的两个物理体积在平均金刚石晶粒尺寸和尺寸分布以及金刚石与金属组成比率(即金属的量)上不同。用于两个物理体积的金属为钴。遍及整个PCD体，元素组成因此为不变的，即遍及每个体存在相同的金属。第一物理体积的金刚石晶粒尺寸小于第二物理体积的金刚石晶粒尺寸。每个体中的第一物理体积的材料PCD1横跨该物理体积的范围为均匀的并且具有约十(10)微米的平均晶粒尺寸，其由具有约9体积％(20质量％)的钴含量的金刚石粉末的五个独立的单峰分量的多峰组合形成。每个体中的第二物理体积的均匀材料PCD2具有约十五(15)微米的平均晶粒尺寸，其由具有约6.7体积％(15.4质量％)的钴含量的金刚石粉末的四个独立的单峰分量的多峰组合形成。
在第一物理体积2210的自由表面(包括与功能工作体积2207相邻的预期自由表面)处的钴金属通过化学浸出被去除，仅留下痕量金属，直到约三百(300)微米的深度。在图22中以2212在展开视图中指示该金属耗尽层。没有浸出第二物理体积2211的自由表面并且其包含未改变的量的钴金属。
进行以下的步骤和工序以制造这些PCD独立式体。
制备了与钴金属组合的金刚石颗粒的粒料块体的两批原料，一批用于两个预期的物理体积即具有PCD材料1的体积1(2210)和具有PCD材料2的体积2(2211)。使用以下顺序步骤制备用于体积1、PCD材料1的原料块体。
将100g金刚石粉末悬浮在2.5升去离子水中。金刚石粉末包含5个独立的所谓的单峰金刚石部分，每个部分在平均颗粒尺寸上不同。因此认为金刚石粉末为多峰的。100g金刚石粉末由如下组成：5g平均颗粒尺寸1.8微米，16g平均颗粒尺寸3.5微米，7g平均颗粒尺寸5微米，44g平均颗粒尺寸10微米，和28g平均颗粒尺寸20微米。这种多峰颗粒尺寸分布从约1微米延伸至约30微米。
通过先前的酸清洁和在去离子水中洗涤已使得金刚石粉末为亲水的。缓慢地向悬浮液同时添加硝酸钴水溶液和单独的碳酸钠水溶液，同时剧烈搅拌悬浮液。通过将125克六水合硝酸钴晶体Co(NO3)2·6H2O溶解在200ml去离子水中来制备硝酸钴溶液。通过将45.5g纯无水碳酸钠Na2CO3溶解在200ml的去离子水中来制备碳酸钠溶液。按照以下的方程式，硝酸钴和碳酸钠在溶液中反应从而沉淀碳酸钴CoCO3，
在悬浮的金刚石粉末颗粒的存在下，采用它们的亲水表面化学性质，碳酸钴晶体在金刚石颗粒表面上成核和生长。用于钴的碳酸钴前体化合物取得装饰金刚石颗粒表面的晶须形状晶体的形式。通过倾析和在去离子水中洗涤的几个循环来去除反应产物硝酸钠。最后在纯乙醇中洗涤粉末，通过倾析从该醇去除粉末并且在60℃下在真空下干燥。
随后将干燥的粉末放置在具有约5mm松散粉末深度的氧化铝陶瓷船状物中并在包含5％氢的氩气的流动流中加热。炉的顶部温度为750℃，在冷却至室温之前将该温度保持2小时。该炉处理将碳酸钴前体离解和还原以形成纯钴颗粒，并且固溶体中的一些碳装饰金刚石颗粒的表面。以这种方式，确保了钴颗粒总是小于金刚石颗粒，并且钴均匀地分布。参考文献的标准钴碳相图来选择热处理的条件。在750℃下可看到碳在钴中的固溶度低。在这些条件下无定形的非金刚石碳在这个温度下的形成是低的并且在最终的金刚石-金属粒料块体中可检测到痕量的非金刚石碳。所得的具有装饰金刚石颗粒表面的总的20重量％钴金属的多峰金刚石颗粒的粉末块体具有暗淡的浅灰色外观。在气密容器中在干燥的氮下储存粉末块体以防止装饰金刚石表面的细钴的氧化。
使用以下顺序步骤制备用于体积2、PCD材料2的原料块体。
将100g金刚石粉末悬浮在2.5升去离子水中。金刚石粉末包含4个独立的所谓的单峰金刚石部分，每个部分在平均颗粒尺寸上不同。因此认为金刚石粉末为多峰的。100g金刚石粉末由如下组成：5g平均颗粒尺寸3.5微米，10g平均颗粒尺寸10微米，20g平均颗粒尺寸16微米，和65g平均颗粒尺寸23微米。这种多峰颗粒尺寸分布从约1微米延伸至约40微米。
通过先前的酸清洁和在去离子水中洗涤已使得金刚石粉末为亲水的。缓慢地向悬浮液同时添加硝酸钴水溶液和单独的碳酸钠水溶液，同时剧烈搅拌悬浮液。通过将89.9克六水合硝酸钴晶体Co(NO3)2·6H2O溶解在200ml去离子水中来制备硝酸钴溶液。通过将33g纯无水碳酸钠Na2CO3溶解在200ml的去离子水中来制备碳酸钠溶液。按照方程式(1)，硝酸钴和碳酸钠在溶液中反应从而沉淀碳酸钴CoCO3。在悬浮的金刚石粉末颗粒的存在下，采用它们的亲水表面化学性质，碳酸钴晶体在金刚石颗粒表面上成核和生长。用于钴的碳酸钴前体化合物取得装饰金刚石颗粒表面的晶须形状晶体的形式。通过倾析和在去离子水中洗涤的几个循环来去除反应产物硝酸钠。最后在纯乙醇中洗涤粉末，通过倾析从该醇去除粉末并且在60℃下在真空下干燥。
随后以与用于PCD1材料的原料块体的粉末相同的方式在750℃下将干燥的粉末在包含氩、5％氢的气体混合物中热处理。所得的具有装饰金刚石颗粒表面的总的15.4重量％钴金属的多峰金刚石颗粒的粉末块体具有暗淡的浅灰色外观。在气密容器中在干燥的氮下储存粉末块体以防止装饰金刚石表面的细钴的氧化。
随后在单轴硬质金属压实模具中将6.8g用于体积1、PCD1的粒料块体预压实以形成半致密的直立柱形盘。随后在单轴硬质金属压实模具中将13g用于体积2、PCD2的粒料块体预压实以形成半致密的直立柱。随后将两个半致密体放置在一起并且进一步单轴压实到另一个硬质金属模组中的铌金属薄壁罐中。然后具有略微更大直径的第二铌柱形罐在第一罐上方滑动以便围绕和包含预压实的粉末块体。抽出半致密的压实体中的孔隙中的自由空气并且使用本领域中已知的电子束焊接系统在真空下密封罐。为进一步固结至较高生坯密度并且为了消除或从根本上减少空间密度变化，随后使罐组件经受在200MPa的压力下的冷等静压压实工序。以这种方式制备了几个生坯体组件。
随后将每个具有不相似组成的两个物理体积即体积1和体积2的封装柱形生坯体放置在适合于如本领域中良好确定的高压高温处理的可压实的陶瓷、盐组分的组件中。直接围绕封装生坯体的材料由非常低剪切强度的材料例如氯化钠制成。这提供经受达到流体静压条件的压力的生坯体。以这种方式，可减轻生坯体的压力梯度诱发的变形。
使用如本领域中良好确定的带型高压设备，使生坯体经受6GPa的压力和约1560℃的温度持续1小时。在高压高温工序的终止阶段期间，温度在几分钟内缓慢降低至约750℃，保持该值并且随后将压力降低至环境条件。随后在从高压设备撤出之前使高压组件冷却至环境条件。认为在高压高温处理的终止阶段期间的该工序允许周围的盐介质在压力去除期间保持处于塑性状态并且因此防止或抑制压在现在烧结的PCD体上的剪切力。随后测量独立式PCD柱体的最终尺度并且计算收缩率为约15％。
随后通过精加工工序例如如本领域中良好确定的细金刚石研磨和抛光将完全致密的直立柱形独立式柱体带至16mm直径和24mm长的尺度。去除以达到所需尺度的PCD材料的典型量为约0.1至0.3mm。
随后采用细金刚石研磨以在由PCD材料1制成的物理体积2210占据的体的端部形成在图22中指定的四个倒角。在每个体的另一个圆周边缘处，在由PCD材料2制成的物理体积2(2211)占据的体的端部，制备小的45°倒角。
随后使第一物理体积顶部的自由表面(包括每个独立式PCD体的顶部平坦表面和圆周侧部倒角区域)经受酸浸出工序以获得约300微米的浸出深度，在该浸出深度中基本上去除钴金属。掩蔽每个PCD体的基底和柱形筒体的自由表面直到后边缘倒角的起点并且防止其暴露于浸出酸并且因此这些自由表面保持未浸出。
使用有限元分析(FEA)对这个特别的实施方案的独立式PCD体进行模拟。这是工程设计中公知的一种应力数值分析技术，这允许计算在柱形独立式PCD体的尺度内的残余应力分布和幅值。由于在高压力和温度制造过程结束时返回到室内温度和压力，PCD材料体中的残余应力因相邻并且连接的不相似的材料的体积之间的热弹性相互作用而产生。在参考文献1、2、3和4中解释并且非常好地教导了该现象的细节。在该实施方案中使用的PCD材料的数值模拟的所需性质即弹性模量、泊松比和线性热膨胀系数是公知的并且在先前的广泛的实证工作中得到良好确定。已知物理体积2210的PCD材料PCD1具有1019GPa的弹性模量、0.108的泊松比和4.01ppm0K-1的线性热膨胀系数。已知物理体积2211的PCD材料PCD2具有1036GPa的弹性模量、0.105的泊松比和3.69ppm0K-1的线性热膨胀系数。
图23是这个实施例的实施方案的四分之一截面的示意图2301并且给出了在三个柱坐标方向(即轴向、径向和环向方向)上的计算的应力极大值的位置。轴向拉伸应力极大值2302的位置位于正好在PCD1(2304)和PCD2(2305)的两个物理体积之间的边界2303下方的柱体的筒体的柱形自由表面处。使用特别假设的边界条件用于FEA计算，计算了这个拉伸残余应力极大值的幅值为约130MPa。位于正好在边界2303的上方的该柱体的筒体的柱形自由表面处是幅值约－115MPa的压缩极大值2306。径向和环向残余应力分布显示拉伸应力区域2307和2308，其延伸横跨正好在边界2303上方的实施方案的全部直径，两个拉伸应力极大值的位置位于正好在边界2303上方的中心线处。对于径向和环向方向两者，这些拉伸应力极大值的幅值为约150MPa。所选择的功能工作体积2309中的所有残余应力分量经计算为在0和－10MPa之间的温和压缩。在这样的体在岩石去除应用中预期的寿命结束时，预期最终的磨痕2310从筒体自由表面向下延伸到轴向压缩极大值区域2306中。横跨物理体积2304的范围的残余应力梯度经计算为约10MPa/mm。功能工作体积中和横跨物理体积2304的范围的计算的残余应力的通常幅值与典型PCD材料的强度(已知具有测量的接近1500MPa的典型拉伸断裂强度)相比非常小。因此，可得出结论：实施方案的残余应力幅值(例如在本实施例中的)关于它们对裂纹扩展的潜在影响最多仅为次要考虑因素。此外，本实施方案中的拉伸极大值的空间位置不会引导和扩展任何可形成的裂纹朝向该体的自由表面。因此对于这个实施方案可做出一般结论，其中应用中的散裂行为是不太可能的。
在包括在制造期间非对称地与硬质金属基材大片结合的约2至3mm的PCD材料的现有技术中，使用FEA计算残余应力拉伸极大值为最高至约1200MPa，拉伸极大值典型地位于与功能工作体积的通常区域中的自由表面相邻，参考文献3和4。对于典型的现有技术直立柱形实施方案，图7说明了轴向、径向和环向方向上的拉伸极大值的位置。包括彼此相邻的PCD材料的两个或更多个物理体积的一些实施方案具有在幅值上比对于典型现有技术计算的那些低5至10倍的计算的残余应力极大值。因此，通常地认为，鉴于在典型的现有技术中残余应力是关于裂纹扩展和有害的行为例如散裂的主要考虑因素，本发明中的残余应力分布现在变成次要考虑因素。
这个实施例的一个显著方面在于包含功能工作体积的物理体积2304的PCD材料的线性热膨胀系数大于形成功能支撑体积的较大部分的物理体积2305的PCD材料的线性热膨胀系数。在其中PCD材料与硬质金属基材非对称地结合的常规现有技术中，PCD材料的线性热膨胀系数仅可能显著小于硬质金属基材的线性热膨胀系数，即在常规现有技术中功能工作体积的材料不可能具有比硬质金属控制的功能支撑体积大的线性热膨胀系数。这一点的特别结果在于：在常规现有技术中，位于圆周筒体自由表面处的轴向拉伸残余应力极大值总是与功能工作体积的PCD材料相互作用。相比之下，在所描述的示例性实施方案中，在图23中相应的位置2306存在压缩极大值。由于在该区域中的裂纹引发和扩展的预期的较低可能性，认为这后一种情形远比现有技术有利。
实施例2
制备具有与实施例1中描述的物理体积的相同的尺度、形状和数目以及几何布置的仅由PCD材料制成的独立式体。再次，图22给出了这种特别的几何形状的细节。倒角布置和至约300微米深度的金属浸出区域保持不变。此外不变的是用于制备两个物理体积2210和2211的金刚石粉末的平均尺寸和尺寸分布。每个体中的第一物理体积的材料2210(PCD1)横跨该物理体积的范围为均匀的，完全包含功能工作体积2207，并且具有约十(10)微米的平均晶粒尺寸，其由金刚石粉末的五个独立的单峰分量的多峰组合形成。每个体中的第二物理体积的均匀材料2211(PCD2)具有约十五(15)微米的平均晶粒尺寸，其由金刚石粉末的四个独立的单峰分量的多峰组合形成。再次按照实施例1，对于两个物理体积所选择的金属为钴。
实施例2的实施方案与实施例1的实施方案的不同之处在于金刚石与金属网络组成比率对于两个物理体积2210和2211为相同的，并且被选择为约8体积％(18重量％)钴含量。使用了在实施例1中描述的化学方案以及制造步骤和工序，不同之处仅在于所组合的起始材料的量以便遍及每个独立式体以8体积％结束。
为约10微米的第一物理体积的平均金刚石晶粒尺寸产生在功能工作体积中预期具有高耐磨性并且比第二物理体积(PCD2)更细的PCD材料(PCD1)。选择这后一个物理体积的PCD材料比第一物理体积更粗以产生用于功能支撑体积2209的高热导率。
由于在两个物理体积中为不变和相同的金刚石与金属网络组成比率和金属元素组成(钴)，两个物理体积的弹性模量和热膨胀系数的线性系数视为相同。因此，在制造过程期间返回到室内温度和压力时用于产生宏观残余应力的有区别的弹性膨胀和热收缩机制是不存在的。因此实施例2的实施方案视为不含宏观应力，不存在在大于平均晶粒尺寸的十倍的级别下的残余应力，其中晶粒尺寸的最粗分量不大于平均晶粒尺寸的三倍。这一点通过将应变片花牢固地连接至与图22中由PCD1材料制成的体积2210相对的该柱的圆形平坦面上的直立柱形PCD体之一，然后去除由PCD2材料占据的该柱的相对端2211的8mm长度来进行证实。这使用本领域中已知的电火花线切割机器同时适当地保护应变片完成。在应变片测量电桥的精确度内，关系到预切割体的应变相关信号不存在显著的变化。
实施例3
按照图24制备仅由PCD材料制成的独立式体。这幅图是旨在用于其中主要需要岩石挤压作用的牙轮钻头中的一个特别的实施方案的示意性横截面图示2401。将该实施方案表征和指定如下。
每个体的总体形状是直立圆柱，通过最终直径和高度分别为16mm和28mm的半球形成其一个端部。使用如在上文中提供的表示体的长径比的定义方法，这些体的长径比为1.75。
功能工作体积2403的远端端部2402是圆顶自由表面的中心位置。功能支撑体积2405的近端端部2404是直径25.5mm的平坦表面，并且直径16mm的功能支撑体积2405的柱形部分2406在横截面面积上从6.5mm高度锥形扩大到25.5mm直径基底2404。功能支撑体积2405的横截面面积朝向近端平坦基底2404的锥形扩大旨在允许与壳体的机械连接，特别是在牙轮钻头中的辊布置的这种情况下。可通过例如图15e中示意性地说明的锥形配合的颈圈布置来提供机械连接。
每个独立式PCD体包含两个物理体积。第一物理体积2407从功能工作体积2403的远端端部2402沿着中心线2410延伸12.4mm到与第二物理体积2409的平坦边界2408。第二物理体积2409从所述边界2408沿着中心线2410延伸15.6mm到平坦基底。
在牙轮钻头中，岩石去除元件例如2401，由于与被挤压的岩石表面的柱形动态接触，预期功能工作体积2403在使用中磨损。预期磨损的体积2403为有限的并且完全被第一物理体积2407被包含。功能支撑体积2405从功能工作体积2403的边界延伸到平台基底近端端部2404，并且包含大部分的第一物理体积2407和全部第二物理体积2409。凭借初始第一物理体积2407的第一部分的半球形属性和随后通过朝向近端基底2404的锥形扩大，功能支撑体积2409沿着从功能工作体积2403延伸到近端平坦基底2404的线表现出在横截面面积上的增加。横截面面积的这种扩大产生如本公开内容的详细描述中所解释的功能工作体积的大范围支撑的原理。
主要通过岩石挤压的岩石去除的预期模式需要岩石去除元件或体具有高压缩强度。这一点在这个实施方案中通过仅由PCD材料制成的独立式体(与包括与硬质金属基材非对称地连接的PCD材料层的常规技术相反)和由此可利用大范围制成的原理的所选择的总体形状来提供。
选择第一物理体积2407由表现出高耐磨性的材料制成，在这种情况下与对于实施例1所选择的材料相同。每个体中的第一物理体积2407的材料(PCD1)横跨该物理体积的范围为均匀的并且具有约十(10)微米的平均晶粒尺寸，其由具有约9体积％(20质量％)的钴含量的金刚石粉末的五个独立的单峰分量的多峰组合形成。
选择第二物理体积2409由表现出高热导率的材料制成，再次与在实施例1中使用的材料相同。每个体中的第二物理体积2409的均匀材料(PCD2)具有约十五(15)微米的平均晶粒尺寸，其由具有约6.7体积％(15.4质量％)的钴含量的金刚石粉末的四个独立的单峰分量的多峰组合形成。这些材料之间的弹性模量和线性膨胀系数的差异不大。由于这些差异而产生的残余应力分布则是小的并且与在应用期间所施加的应力相比预期为次要的。
进行在实施例1中描述的逐步工序，除了使用合适成形和定型的压实模具来提供指定的形状。再次，使用在实施例1中指定的化学方案和碳酸钴前体材料制备用于每个物理体积的具有在纯钴中装饰的金刚石晶粒的金刚石粉末的母批料。
使用如实施例1中的本领域中公知的研磨和抛光精加工工序来将每个体带至如图24中指定的最终尺寸和形状。随后使每个体经受在热的稀酸混合物中的化学浸出工序以便产生有限的深度层2411，在该有限的深度层中在很大程度上去除了金属含量。将每个体的总自由表面浸出至靠近和接近90微米的有限深度。浸出每个体的总自由表面，避免对于掩蔽技术和装置的需求并且导致制造的简化和容易性。有限深度浸出2411的目的是在由功能工作体积的磨损形成的磨痕的边缘处产生连续的倒角行为，并且这样做限制了在磨痕附近发生碎裂的机会。
实施例4
根据图25制备仅由PCD材料制成的独立式体。这幅图是这个特别的实施方案的示意性的横截面图示2501连同两幅平面视图即图25a和25b。这个实施方案旨在用于壳体或钻头中，在所述钻头中的这样的位置：需要岩石去除的模式为挤压和剪切的组合，其中两种子模式在幅值上是相当的。将该实施方案表征和指定如下。
每个体的总体形状为一端改变为凿子形状的直立圆柱，该凿子形状由锥体在直边缘2503处相遇的两个对称的成角度的截断2502组成。平坦截断2502从边缘2503延伸到锥体接合柱形截面的圆周边缘。直边缘2503平行于柱体的基底2504。可选择工作体积2506的远端端部2505为顶端之一2505，其由直边缘2503和锥形弯曲表面2507形成，如图25a所示。在这种情况下，功能工作体积2506将在使用中磨损以形成如由虚线所示的三角形磨损平坦面。可替代地，功能工作体积的远端端部2508可为直边缘本身2503，如图25b所示。在这种情况下，功能工作体积将在使用中磨损以形成如由图25b中的虚线所示的磨损平坦面。功能工作体积2509包含截断锥体的使用中的现存部分和从其延伸的直立柱。
每个体的最终的直径和高度分别为16mm和24mm。如图25所示，边缘2503沿着中心线到锥体和柱形截面之间的圆周边缘的平面在垂直距离上为约8mm。边缘2503在长度上为4.8mm并且锥体的夹角为70°。使用如在上文中提供的表示体的长径比的定义方法，这些体的长径比为1.5。
独立式体每个包含由不同PCD材料制成的两个物理体积。由PCD1材料制成的第一物理体积2510包括截断锥形体积并且延伸到该体的柱形部分中并且完全包含在使用中选择和确定的任何所选择的功能工作体积2506或2508。沿着中心线从边缘2503到与第二物理体积2412的边界2511的垂直距离为10mm。与第二物理体积2512的边界2511平行于基底2504。估算第一物理体积占据总体的体的总体积的约25％。为这种尺寸的第一物理体积2510完全包含功能工作体积2506或2508，预期和选择任一个功能工作体积在应用中所选择的寿命结束时占据起始总体独立式PCD体的总体积的不大于约3％。以这种方式，两个物理体积之间的边界2511远离最终的磨损平坦面或两个功能体积之间的边界(由图25a或图25b中虚线指示的2506或2508)或不与最终的磨损平坦面或两个功能体积之间的边界相互作用。
选择第一物理体积2510由表现出高耐磨性的材料制成，在这种情况下与对于实施例1和3的第一物理体积所选择的材料相同。每个体中的第一物理体积2510的材料(PCD1)横跨该物理体积的范围为均匀的并且具有约十(10)微米的平均晶粒尺寸，其由具有约9体积％(20质量％)的钴含量的金刚石粉末的五个独立的单峰分量的多峰组合形成。
选择第二物理体积2512由表现出高热导率的材料制成，再次与在实施例1和3中使用的材料相同。每个体中的第二物理体积2512的均匀材料(PCD2)具有约十五(15)微米的平均晶粒尺寸，其由具有约6.7体积％(15.4质量％)的钴含量的金刚石粉末的四个独立的单峰分量的多峰组合形成。
这些材料之间的弹性模量和线性膨胀系数的差异不大。由于这些差异而产生的残余应力分布则是小的并且与在应用期间所施加的应力相比预期为次要的。
进行在实施例1中描述的逐步工序，除了使用合适成形和定型的压实模具来提供如图25中所示的在一端延伸至对称锥体的直立柱。再次，使用在实施例1中指定的化学方案和碳酸钴前体材料制备用于每个物理体积的具有在纯钴中装饰的金刚石颗粒的金刚石粉末的母批料。
使用本领域中公知的研磨和抛光精加工工序来形成如图25中指定的在边缘2503处相遇的对称的部分椭圆截断。
通过每个体的直立柱形部分提供功能支撑体积2509的连接功能。连接选项包括与壳体或钻头的过盈配合。还可使用本领域中已知的用于PCD材料的采用特殊钎焊合金的低温钎焊技术。
实施例5
制备了仅由PCD材料制成的独立式体。图26a和b是两个特别的示例性实施方案的示意性横截面图示2601，其中功能工作体积2602由布置为不相似的PCD材料的交替层2603的多个物理体积组成。这些实施方案的预期用途是用于插入到或连接至其中主要需要岩石剪切作用的刮刀钻头的岩石去除元件。每个体的总体形状是最终直径和高度分别为16mm和24mm的直立圆柱。使用如上文中提供的表示体的长径比的定义方法，这些体的长径比为1.5。
在图26a中，交替的PCD层2603厚度为约0.5mm，平行于该柱的顶部圆形表面，数目为16并且沿着该柱的轴延伸至约8mm。在使用期间逐渐形成的功能工作体积2602随后会形成磨痕2604，这会逐渐地暴露多个交替的不相似的层2603，可能最多至10个或更多个层。不相似的交替层由PCD材料(即PCD1和PCD2，使用如在实施例1中使用的金刚石与金属粉末块体的相同母配料制备)组成。即，材料PCD1具有约十(10)微米的平均晶粒尺寸，其由具有约9体积％(20质量％)的钴含量的金刚石粉末的五个独立的单峰分量的多峰组合形成。从良好确定的先前测量已知这种组成的PCD材料具有约4.1ppm/0K的线性热膨胀系数。材料PCD2具有约十五(15)微米的平均晶粒尺寸，其由具有约6.7体积％(15.4质量％)的钴含量的金刚石粉末的四个独立的单峰分量的多峰组合形成。从良好确定的先前测量已知这种组成的PCD材料具有约3.7ppm/0K的线性热膨胀系数。因此预期每个由PCD1组成的层会具有总体的拉伸残余应力分布，而每个PCD2层将具有总体的压缩残余应力分布。预期接近发展中的磨痕而引发的裂纹将主要在由PCD1材料组成的层中扩展。因此在朝向该体的中心轴的通常的径向方向上引导这些裂纹并且这些裂纹因此离开自由表面。选择与PCD体的平坦圆形顶部自由表面相邻的PCD材料的第一层由PCD2材料制成。做出这种选择从而顶层会处于通常的压缩中。以这种方式，可避免可能与处于通常的拉伸中的顶层相关的任何潜在的碎裂问题。由PCD2材料制成的顶层的一个额外优点与典型地具有比PCD1材料小的耐磨性的这种材料相关。顶层的较低耐磨性产生功能工作体积的前边缘的逐渐的有限“磨圆”和“钝化”，这应提供连续自倒角效应的优点。这进而可通过将施加的载荷散布在大面积内来提供在使用中有害碎裂的较低可能性。
图26b的实施方案具有交替的PCD层2603，其厚度为约0.5mm，并且与该柱的轴同轴布置且从柱形PCD体的柱形表面径向延伸至约4mm。同轴层的数目因此为8。8个同轴交替层沿着柱形PCD体的轴从顶部表面延伸约8mm。围绕PCD2材料的柱2605制备同轴层。在使用期间逐渐形成的功能工作体积2602随后会形成磨痕2604，这会逐渐暴露多个交替的不相似的层2603，可能最多至6个或更多个层。关于图26a的实施方案，不相似的交替层由PCD材料(即PCD1和PCD2，使用与在实施例1中使用的金刚石与金属粉末块体的相同母配料制备)组成。再次，因此预期每个由PCD1组成的层会具有总体的拉伸残余应力分布，而每个PCD2层将具有总体的压缩残余应力分布。预期接近发展中的磨痕而引发的裂纹将主要在PCD1层中扩展。随后在离开该柱形PCD体的顶部自由表面的通常的轴向方向上引导这些裂纹。选择与该体的筒体自由表面直接相邻的PCD材料的最外层由PCD2材料制成，以便该外层会处于总体的压缩中。再次做出避免最外层由PCD1材料制成(这会导致该层处于总体的拉伸中)的这种选择以避免可能与处于拉伸中的外层相关的任何潜在的碎裂问题。
在图26a和图26b的两个实施方案中，PCD体的剩余柱形部分2606由一个物理体积制成，长度16mm并且由PCD2材料组成。功能支撑体积因此由在功能工作体积2602的逐渐去除期间的柱体的现存部分和非层状的柱形体积2606组成。
使用与在实施例1中描述的相同化学方案和逐步工序制备用于PCD1和PCD2材料的粒料块体的母批料。随后使用本领域中公知的带式浇注工序和设备使来自这些母批料中的每个的材料成形成约0.8mm厚度的半致密带。
对于图26a的实施方案，随后交替地布置来自每个带的一堆冲孔盘，并且进行在实施例1中指定的压实、封装和用炉子处理工序。然后使所得的半致密的生坯体经受高压和高温条件，接着经受如实施例1中的研磨和精加工工序，以形成在图26a中给出的形状和尺度的完全致密的独立式PCD体。
对于图26b的实施方案，围绕PCD2材料的生坯柱形PCD体同轴布置PCD1和PCD2材料的交替带。在再次如实施例1中的压实、封装、用炉子处理、高压高温和精加工工序之后，形成了在图26b中给出的形状和尺度的完全致密的独立式PCD体。
使用良好确定的有限元分析(FEA)程序来分析图26a的实施方案。这种技术允许在指定的组成和几何形状的体中的空间残余应力分布的定量计算。在表1中给出了这种分析的结果，其中给出了在平坦层中从筒体自由表面到中心线位置的主要应力范围。层的数目为从1到16，从顶部自由表面沿着该中心线到与柱形体积2606的边界(图26a)。还提供了在总体的柱形PCD体的轴向、径向和环向坐标方向上分解的层中的残余应力分布幅值。在表1中明确给出了第1至4层和第13至16层的数目，第5至12层的数目由箭头含蓄地表示。这后一种箭头表示表明插入的进程。负数表明压缩应力的程度并且正数表明拉伸应力的程度。
表1图26a的实施方案的FEA结果
表1清楚地显示了从第1到16层在应力上从压缩到拉伸交替。所有奇数层处于压缩中，而所有偶数层处于拉伸中。由PCD2材料制成的顶部第一层从筒体自由表面到中心线处于范围为从－50到－10MPa的压缩中。由PCD1材料制成的第二层从筒体自由表面到中心线处于范围为从+120到+190MPa的拉伸中。从第2到16的偶数层的总体拉伸增加，在第2层的圆周边缘处的最小拉伸为+120并且在第16层的中心线处的最大拉伸为+250MPa。从第1到15的奇数层显示了压缩幅值的少量降低。在轴向方向上从层到层存在非常小的应力差异，总体的体在温和的拉伸下。这个结果再次证实了与仅由PCD材料制成的PCD体相关的总体的低轴向残余应力特性。认为这是与其中显著的轴向残余应力是导致散裂行为的裂纹扩展的主要贡献者的典型现有技术情形相比的显著优点。在轴向和环向方向上，在第1到16层中再次存在非常显著的交替的压缩和拉伸，其范围处于几百MPa的压缩到几百MPa的拉伸。
将预期正好在使用中发展的磨痕2602下方引发的裂纹在偶数层的PCD1材料内扩展并且被限于偶数层的PCD1材料。裂纹扩展由疲劳控制并且它们的方向由那些层中的通常的残余轴向拉伸应力控制。通过由PCD2材料制成的奇数层中的显著径向和环向应力，应极大地抑制这样的裂纹在垂直和圆周方向上移动。
对图26b的实施方案进行了类似的FEA。再次，在径向方向上横跨层，主要的残余应力幅值从压缩到拉伸并且回到压缩而交替。在这个实施方案中，在轴向和环向方向上从层到层清楚地表现交替的拉伸和压缩，径向方向上的残余应力为仅少量交替的并且具有整体低的几乎接近零的中性幅值。将预期正好在使用中的磨痕例如2602下方引发的裂纹在表现出总体的残余拉伸的层内扩展且限于这些层，并且在这些层中垂直向上或向下移动。然而，由于在使用中通常应当在磨痕区域中引发压缩的所施加的力，这后一个方向可为有利的。
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Claims (76)

1.用于岩石去除的切削工具元件，其包含：
包含金刚石与金属的互穿网络的独立式PCD体，该独立式PCD体还包含：
在该PCD体的边界内的两个或更多个物理体积，其中相邻的物理体积在金刚石与金属网络组成比率、金属元素组成以及金刚石晶粒尺寸分布中的一种或多种上不同；
在该PCD体远端的功能工作体积，该功能工作体积在使用中形成与岩石接触的区域或体积并且通过剪切、挤压和研磨的组合导致岩石的逐渐去除，功能工作体积在该PCD体的寿命期间逐渐磨损；
在使用时现存的并且具有近端自由表面的功能支撑体积，该功能支撑体积为从该功能工作体积延伸的区域或体积，并且连同将岩石去除PCD体连接至壳体的装置一起向该功能工作体积提供机械和热的支撑；
该功能工作体积从远端自由表面或相邻的自由表面之间的边界延伸，包括边缘、顶端、凸弯曲表面或突起的任何组合，沿着从该工作体积的远端自由表面经过总体的体的矩心到该功能支撑体积的近端自由表面的延伸线，该功能工作体积延伸进入该功能支撑体积中的横截面面积增加；近端形成连接点并且其中：
该功能支撑体积包含总体的独立式PCD体的矩心；
总体的PCD体具有的形状所具有的长径比使得：总体的PCD体的外接长方体的最长边缘的长度与该外接长方体的最小矩形面的最大宽度的比率大于或等于1.0，其中该功能工作体积从该最小矩形面延伸；和
一个或多个物理体积形成功能工作体积和功能支撑体积中的一者或另一者或两者的至少一部分。
2.权利要求1的切削工具元件，其中PCD材料的物理体积的数目是两个。
3.权利要求1或2中任一项的切削工具元件，其中PCD材料的一个物理体积与该功能工作体积的远端表面或自由表面相邻，并且不同PCD材料的另一个物理体积与该功能支撑体积的一个或多个近端表面相邻。
4.权利要求1或2中任一项的切削工具元件，其中PCD材料的所述物理体积之一是连续的并且与总体的PCD体的整个自由表面相邻，并且在金刚石与金属网络组成比率、金属元素组成以及金刚石晶粒尺寸分布中的一种或多种上不同于在使用之前不具有自由表面和形成内部物理体积的一个或多个物理体积的一种或多种材料。
5.权利要求1至4中任一项的切削工具元件，其中该PCD体具有从该功能工作体积的远端表面延伸的一个镜向对称平面，并且该远端表面包含弯曲边缘。
6.权利要求5的切削工具元件，其中该PCD体的总体形状是直立圆柱，并且该功能工作体积的远端表面是一个圆周边缘的一部分。
7.权利要求6的切削工具元件，其包含PCD材料的两个物理体积，两个物理体积的边界与总体的PCD体的两个平坦端平行。
8.权利要求1至4中任一项的切削工具元件，其中该PCD体具有从该功能工作体积的远端表面延伸的一个镜向对称平面，并且该远端表面包含直边缘。
9.权利要求1至4中任一项的切削工具元件，其中该PCD体具有从该功能工作体积的远端表面延伸的一个镜向平面，并且该远端表面包含顶端。
10.权利要求8或9中任一项的切削工具元件，其中总体的PCD体是通过沿着侧面或该柱的筒体的一个或多个平坦表面改变的直立柱，并且该功能工作体积的远端表面是直边缘或顶端。
11.权利要求1至4中任一项的切削工具元件，其中该PCD体具有经过工作体积的远端表面的n重旋转轴，并且该远端表面包含弯曲表面或具有从该功能工作体积的远端表面延伸的无限多个镜向对称平面。
12.权利要求11的切削工具元件，其中该PCD体是一端为半球形的直立圆柱。
13.权利要求11的切削工具元件，其中该PCD体是一端为锥形的直立圆柱，其中该功能工作体积的远端表面是圆形尖端。
14.权利要求1至5中任一项的切削工具元件，其中该功能工作体积具有通常的凿子形状，其由弯曲表面与两个或更多个平坦表面或刻面形成，其中工作体积的远端表面由为尖端、弯曲边缘或直边缘的刻面之间的边界形成。
15.权利要求1至5中任一项的切削工具元件，其中该功能工作体积具有弯曲表面并且包括没有共同边界而被分隔的一个或多个平坦表面或刻面，其中该功能工作体积的远端表面由刻面与作为弯曲边缘的弯曲表面之间的边界形成。
16.任何权利要求15的切削工具元件，其中总体的PCD体形状为具有单一的截断平坦表面或刻面的端部为锥形的直立圆柱，并且该功能工作体积的远端表面是界定该截断刻面和锥形弯曲表面的圆形或椭圆形或抛物线形弯曲边缘的一部分。
17.权利要求16的切削工具元件，其中该功能工作体积的远端表面是椭圆形弯曲边缘的一部分。
18.权利要求1至17中任一项的切削工具元件，其中该功能支撑体积的形状为具有圆形或椭圆形横截面的直立柱。
19.权利要求18的切削工具元件，其中该功能支撑体积的形状为直立圆柱。
20.根据权利要求1至5、7、8或9中任一项的切削工具元件，其中该PCD体的功能支撑体积具有多边形横截面，并且该功能工作体积的远端表面是一个直边缘或一个顶端。
21.根据权利要求1至5、7至9、11、15、20中任一项的切削工具元件，其中沿着从该功能工作体积的远端到该功能支撑体积的近端表面或者平行于平坦基底或近端表面的通常方向，该功能支撑体积形状的横截面面积增加。
22.权利要求21的切削工具元件，其中该功能支撑体积形状具有锥形表面或其部分或法兰的任何组合。
23.权利要求1至22中任一项的切削工具元件，其中该功能支撑体积至少部分是带螺纹的。
24.权利要求1至23中任一项的切削工具元件，其包含PCD材料的两个或更多个物理体积，其中两个或更多个物理体积中的至少一个物理体积在金刚石晶粒尺寸分布上不同于任何或所有的其它物理体积。
25.权利要求24的切削工具元件，其中与该功能工作体积的远端表面或多个自由表面相邻的PCD材料在平均晶粒尺寸方面比与该功能支撑体积的一个或多个近端表面相邻的PCD材料小。
26.权利要求25的切削工具元件，其中与该功能工作体积的远端表面或自由表面相邻的PCD材料具有小于十(10)微米的平均晶粒尺寸。
27.权利要求25或26中任一项的切削工具元件，其中对于整个体来说PCD材料在金刚石与金属网络组成比率和金属元素组成方面是不变的。
28.权利要求1至27中任一项的切削工具元件，其中任何物理体积中的PCD材料具有金属含量，独立地预选择该金属含量低于值y体积％，其中y＝－0.25x+10，x为以微米单位计的PCD材料的平均晶粒尺寸。
29.权利要求1至28中任一项的切削工具元件，其中通过以下方式PCD材料的所述物理体积之一包含该功能工作体积并且在热膨胀系数上不同于构成现存的功能支撑体积的一个物理体积或多个物理体积中的至少一个物理体积：
a)与该功能工作体积相关的PCD材料的物理体积在金刚石与金属网络组成比率上不同于构成现存的功能支撑体积的一个物理体积或多个物理体积中的至少一个物理体积，金属元素组成遍及该独立式PCD体为不变的，或
b)与该功能工作体积相关的PCD材料的物理体积在金属元素组成上不同于构成现存的功能支撑体积的一个物理体积或多个物理体积中的至少一个物理体积，金刚石与金属网络组成比率遍及该独立式PCD体为不变的，或
c)与该功能工作体积相关的PCD材料的物理体积在金刚石与金属网络组成比率和金属元素组成两者上不同于构成现存的功能支撑体积的一个物理体积或多个物理体积中的至少一个物理体积。
30.权利要求29的切削工具元件，其中PCD材料的包含功能工作的物理体积具有比构成现存的功能支撑体积的一个物理体积或多个体积中的至少一个体积更大的热膨胀系数。
31.权利要求1至28中任一项的切削工具元件，其中通过与该功能工作体积相关的PCD材料的物理体积在金刚石与金属网络组成比率上不同于构成现存的功能支撑体积的一个物理体积或多个物理体积中的至少一个物理体积，金属元素组成遍及该独立式PCD体为不变的，PCD材料的所述物理体积之一包含该功能工作体积并且在热膨胀系数上不同于构成现存的功能支撑体积的一个物理体积或多个物理体积中的至少一个物理体积，并且其中PCD材料的包含功能工作体积的物理体积具有比构成现存的功能支撑体积的一个物理体积或多个体积中的至少一个体积更大的热膨胀系数，并且其中独立式体的金属为钴。
32.权利要求1至31中任一项的切削工具元件，其中随着功能工作体积在使用中发展，PCD材料的一个物理体积完全包含该功能工作体积，并且占据总体的独立式PCD体的大于3％。
33.权利要求32的切削工具元件，其中随着功能工作体积在使用中发展，PCD材料的一个物理体积完全包含该功能工作体积，并且占据总体的独立式PCD体的50％或更少。
34.权利要求7、25、28和33中任一项的切削工具元件，其中：
a)该独立式PCD体具有总体的直立圆柱形状；
b)该功能工作体积的远端表面为圆形外围边缘的一部分，随着功能工作体积在使用中发展，该功能工作体积为从该远端端部延伸到平坦“磨损”表面的体积，该平坦“磨损”表面又与柱体的顶部平坦表面和弯曲“筒体”表面相交；
c)支撑体积为总体的体在寿命结束时的现存部分，并且因此包含具有“磨损平坦”表面的直立圆柱；
d)总体的独立式PCD体的元素组成遍及整个体是不变的，使得相同的金属或合金遍及该整个体存在；
e)该总体的独立式PCD体包含由在金刚石晶粒尺寸和尺寸分布以及金刚石与金属组成比率上不同的不同PCD材料制成的两个物理体积；
f)均匀PCD材料的第一直立柱形物理体积以层的形式延伸完全横跨总体的柱体的一端，占据介于30％和不大于50％之间的总体的独立式PCD体体积，该物理体积完全包含该功能工作体积，由具有比第二物理体积中的更细的平均金刚石晶粒尺寸的PCD材料制成，具有比第二物理体积更小的金刚石与金属组成比率，导致比第二物理体积更大的线性热膨胀系数；和
g)第二物理体积从该第一物理体积延伸，为直立圆柱，占据该总体的独立式PCD体的剩余部分，由具有比第一物理体积大的平均金刚石晶粒尺寸的PCD材料制成，具有比第一物理体积更大的金刚石与金属组成比率并且具有比第一物理体积更小的线性热膨胀系数。
35.权利要求12、19、21、22、24、25、28和33中任一项的切削工具元件，其中：
a)该独立式PCD体具有直立圆柱形状，一端为半球形圆顶并且相对端为平坦基底；
b)该功能工作体积的远端表面为该圆顶的弯曲自由表面的一部分，在使用中确定的该功能工作体积为从该远端表面延伸到平坦“磨损”表面的体积；
c)该功能支撑体积为总体的体在寿命结束时的现存部分，并且因此包含端部为圆顶的直立圆柱，该直立圆柱具有“磨损平坦”表面并且在相对端具有平坦基底；
d)该总体的独立式PCD体包含由仅在金刚石晶粒尺寸和尺寸分布方面不同的不同PCD材料制成的两个物理体积，并且关于金刚石与金属网络组成比率和金属元素组成是不变的；
e)均匀的PCD材料的第一物理体积从弯曲圆顶自由表面延伸到与第二物理体积的平行于平坦基底的边界，占据大于3％和不大于50％的总体的独立式PCD体体积，该第一物理体积完全包含该预期的功能工作体积，由具有比第二物理体积中的更细的平均金刚石晶粒尺寸的PCD材料制成；和
f)第二物理体积从第一物理体积延伸，占据该总体的独立式PCD体的剩余部分，由具有比第一物理体积大的平均金刚石晶粒尺寸和比第一物理体积大的热导率系数的PCD材料制成。
36.权利要求16、21、27、30、33和35中任一项的切削工具元件，其中：
a)该独立式PCD体具有端部为单个凿子的直立圆柱形状，其中凿子形状由在可以或可以不与直立柱的基底平行的直边缘处接触的锥体的两个对称的成角度的截断形成；
b)该功能工作体积的远端表面为由直边缘和锥形弯曲表面形成的尖端之一或直边缘，在使用中确定的该功能工作体积为从该远端表面延伸到“磨损”表面的体积；
c)该支撑体积为总体的体在寿命结束时的现存部分，并且因此包含端部为凿子的直立圆柱，直立圆柱具有“磨损平坦”表面；
d)总体的独立式PCD体的元素组成遍及该总体的独立式PCD体为不变的并且由遍及该总体的独立式PCD体的相同金属元素或合金制成；
e)该总体的独立式PCD体包含由在金刚石晶粒尺寸和尺寸分布以及金刚石与金属组成比率方面不同的不同PCD材料制成的两个物理体积；
f)均匀的PCD材料的第一物理体积从直边缘和锥形弯曲自由表面延伸到与第二物理体积的边界，占据大于3％和不大于50％的总体的独立式PCD体体积，该第一物理体积完全包含该预期的功能工作体积，由具有比第二物理体积中的更细的平均金刚石晶粒尺寸的PCD材料制成，具有比第二物理体积更小的金刚石与金属组成比率，导致比第二物理体积更大的线性热膨胀系数；和
g)第二物理体积从第一物理体积延伸，占据该总体的独立式PCD体的剩余部分，由具有比第一物理体积大的平均金刚石晶粒尺寸的PCD材料制成，具有比第一物理体积更大的金刚石与金属组成比率并且具有比第一物理体积更小的线性热膨胀系数。
37.权利要求3或当引用权利要求3时的权利要求4至27中的任一项的切削工具元件，其中该功能工作体积包含两个或更多个物理体积，使得不同的物理体积之间的至少一个边界延伸到该功能工作体积中。
38.权利要求37的切削工具元件，其中该功能工作体积包含不同PCD材料的两个或更多个物理体积，其中相邻的物理体积在金刚石与金属网络组成比率、金属元素组成以及金刚石晶粒尺寸分布上不同。
39.权利要求38的切削工具元件，其中该功能工作体积包含不同PCD材料的两个或更多个物理体积，其中相邻的物理体积通过以下方式而在热膨胀系数上不同：
a)在金刚石与金属网络组成比率上不同，或
b)在金属元素组成上不同，或
c)在金刚石与金属网络组成比率和金属元素组成两者上不同。
40.权利要求1至27和38中任一项的切削工具元件，其中该功能工作体积包含不同PCD材料的两个或更多个物理体积，其中相邻的物理体积通过以下方式而在耐磨性上不同：
a)在金刚石晶粒尺寸分布上不同，或
b)在金刚石与金属网络组成比率上不同，或
c)在金刚石晶粒尺寸分布和金刚石与金属网络组成比率两者上不同。
41.权利要求39或40中任一项的切削工具元件，其中该功能工作体积以不同的PCD材料层的形式包含两个或更多个物理体积。
42.权利要求41的切削工具元件，其中将不同的PCD材料层布置为平行的平坦层，或布置为同轴的柱或布置为具有螺旋横截面的“卷绕体”。
43.权利要求42的切削工具元件，其中不同的PCD材料层在厚度上是相等的。
44.权利要求41或43中任一项的切削工具元件，其中不同的PCD材料层具有的最小厚度为该层中PCD材料的平均金刚石晶粒尺寸的十倍。
45.权利要求44的切削工具元件，其中该功能工作体积包含相邻的不同PCD材料的交替层。
46.权利要求37至45中任一项的切削工具元件，其中由于PCD材料的相邻物理体积之间的耐磨性差异，一个或多个突起剪切唇在使用中在磨痕表面处形成。
47.权利要求46的切削工具元件，其中耐磨性差异源自于金刚石晶粒尺寸差异，较细的金刚石晶粒尺寸比较粗的金刚石晶粒尺寸更耐磨。
48.权利要求1至10、14至34和36至47中任一项的切削工具元件，其中该功能工作体积的远端端部是边缘并且该功能工作表面的自由表面包括插入式倒角。
49.权利要求48的切削工具元件，其中该功能工作体积的自由表面包括前倒角、着陆式倒角和后倒角中的一个或多个的任何组合以及插入式倒角。
50.权利要求49的切削工具元件，其中该功能工作体积的自由表面包括前倒角、插入式倒角、着陆式倒角和后倒角。
51.权利要求1至50中任一项的切削工具元件，其中与该体的总体的自由表面相邻的PCD材料中的金属被耗尽，总体或部分接近受控深度。
52.权利要求1至51中任一项的切削工具元件，其中与该功能工作体积的自由表面相邻的PCD材料中的金属被耗尽，总体或部分接近受控深度。
53.权利要求51或52中任一项的切削工具元件，其中金属耗尽的深度小于九十微米。
54.权利要求51或52中任一项的切削工具元件，其中：
a)金属耗尽的深度大于九十微米和小于两百五十微米；和/或
b)该功能工作体积的PCD材料具有高耐磨性；和/或
c)小于十微米的平均金刚石晶粒尺寸。
55.权利要求51或52中任一项的切削工具元件，其中：
a)金属耗尽的深度大于九十微米和小于一千微米；和/或
b)该功能工作体积的PCD材料具有大于十微米的平均金刚石晶粒尺寸。
56.权利要求54和55中任一项的切削工具元件，其中从金属耗尽的自由表面延伸的PCD材料层的存在导致在使用中在该功能工作体积的逐渐磨损期间的磨痕表面处形成突起的剪切唇。
57.权利要求46至56中任一项的切削工具元件，其中由于以下的任何组合的存在，突起的剪切唇在使用中在该功能体积的逐渐磨损期间的磨痕处形成：
a)具有不同耐磨性性质的不同PCD材料的两个或更多个层，和/或
b)从该功能工作体积的自由表面延伸的金属耗尽的PCD层，和/或
c)插入式倒角、前倒角、着陆式倒角和后倒角的任何组合。
58.权利要求57的切削工具元件，其中突起的剪切唇在该功能体积的逐渐磨损期间的磨痕处形成并且从磨痕表面隆起至处于局部高耐磨层的PCD材料的平均晶粒尺寸的两至五倍的范围内的高度。
59.权利要求1至58中任一项的切削工具元件，其中该总体的PCD体的外接长方体的最长边缘的最大尺度为最高至150mm。
60.一种壳体，其包含为了合作性和支持性地使用而选择并且为了在天然岩石去除应用中使用而插入或连接至该壳体的权利要求1－58中任一项的一个或多个切削工具元件，该壳体为刮刀钻头或牙轮钻头上的锥形辊。
61.一种壳体，其包含为了合作性和支持性地使用而选择的并且为了在采矿用途和应用中使用以去除包括煤的矿物、含金的岩石和包含可提取金属的矿物而插入或连接至该壳体的权利要求1－58中任一项的一个或多个切削工具元件。
62.一种壳体，其包含为了合作性和支持性地使用而选择的并且为了在构造用途和应用中使用以钻探和加工天然岩石和包括混凝土、砖块和路面铺设材料的合成岩石而插入或连接至该壳体的权利要求1－58中任一项的一个或多个切削工具元件。
63.一种壳体，其包含为了合作性和支持性地使用而选择的并且插入或连接至该壳体的权利要求1－58中任一项的一个或多个切削工具元件，其中PCD体高于来自该功能工作体积的远端表面的壳体的自由表面的暴露高度为最高至总体的PCD体的最大尺度的三分之一。
64.制备权利要求1至59中任一项的切削工具元件的方法，其中该PCD体包含一个或多个物理体积，每个物理体积，具有独立地预选择的总体金属与金刚石比率的特定的平均晶粒尺寸和尺寸分布的共生金刚石晶粒与特定原子组成的独立预选择的互穿金属性网络的预选择的组合，该方法包括以下步骤：
形成用于每个物理体积的组合的金刚石颗粒与金属性材料的块体，其中所述块体是对于经由部分金刚石再结晶的金刚石颗粒至颗粒结合所需要的唯一金属源，
固结金属颗粒与金属性材料的每个块体以产生预选择尺寸和三维形状的独立的黏结生坯体，并且将它们组装成总体的黏结生坯体，或顺序地固结每个块体以产生预选择尺寸和三维形状的总体的黏结生坯体；和
使该总体的生坯体经受高压和高温条件，使得金属材料全部或部分变成熔融的并且促进金刚石颗粒至颗粒结合以形成切削工具元件，该切削工具元件包含：
包含金刚石与金属的互穿网络的独立式PCD体，该独立式PCD体还包含：
在该PCD体的边界内的两个或更多个物理体积，其中相邻的物理体积在金刚石与金属网络组成比率、金属元素组成以及金刚石晶粒尺寸中的一种或多种上不同；
在该PCD体远端的功能工作体积，该功能工作体积在使用中形成与岩石接触的区域或体积并且通过剪切、挤压和研磨的组合导致岩石的逐渐去除，功能工作体积在该PCD体的寿命期间逐渐磨损；和
在使用时现存的并且具有近端自由表面的功能支撑体积，该功能支撑体积为从该功能工作体积延伸的区域或体积，并且连同将岩石去除PCD体连接至壳体的装置一起向该功能工作体积提供机械和热的支撑；
该功能工作体积从远端自由表面或相邻的自由表面之间的边界延伸，包括边缘、顶端、凸弯曲表面或突起的任何组合，沿着从该工作体积的远端自由表面经过总体的体的矩心到该功能支撑体积的近端自由表面的延伸线，该功能工作体积延伸进入该功能支撑体积中的横截面面积增加；近端形成连接点并且其中：
该功能支撑体积包含总体的独立式PCD体的矩心；
总体的PCD体具有的形状所具有的长径比使得：总体的PCD体的外接长方体的最长边缘的长度与该外接长方体的最小矩形面的最大宽度的比率大于或等于1.0，其中该功能工作体积从该最小矩形面延伸；和
一个或多个物理体积形成功能工作体积和功能支撑体积中的一者或另一者或两者的至少一部分。
65.权利要求64的方法，其中组合的金刚石颗粒与金属性材料的每个块体通过如下方法形成：机械研磨和混合金刚石颗粒与一种或多种金属性粉末以制备与金刚石颗粒的均匀组合，并且通过随后在真空或气态还原性气氛中的热处理来净化该块体。
66.权利要求64的方法，其中组合的金刚石颗粒与金属性材料的每个块体通过如下方法形成：机械研磨和混合金刚石颗粒与金属的一种或多种前体化合物粉末以制备与金刚石颗粒的均匀组合，并且通过随后在真空或气态还原性气氛中的热处理来将该一种或多种前体化合物转化、还原或离解为金属性状态。
67.权利要求64的方法，其中组合的金刚石颗粒和金属性材料的每个块体通过以下步骤形成：
a)使金刚石颗粒悬浮在液体介质中，
b)通过受控地添加反应物溶液来在液体介质中反应性地产生用于金属性材料的一种或多种前体材料，使得前体材料在金刚石颗粒的表面上成核和生长作为装饰金刚石颗粒表面的颗粒，
c)从悬浮液去除具有它们的一种或多种前体装饰物的金刚石颗粒，和
d)使金刚石前体组合经受热处理以将前体材料离解和还原，从而形成金属性材料作为附着于金刚石颗粒表面的装饰金属性颗粒。
68.权利要求64至67中任一项的方法，其中在模具中使用单轴压实或等静压压实使组合的金刚石颗粒与金属性材料的块体固结以形成生坯体结构。
69.权利要求68的方法，其中使生坯体经受分别处于约5GPa至约10GPa和约1100至2500℃的范围内的高压和高温。
70.权利要求69的方法，其中通过以下步骤该方法接近所选择和预确定的尺寸和形状，使得在高压力和温度加工后仅需要表面精加工：
a)使金刚石颗粒的一个或多个块体悬浮在纯水介质中，
b)向每一悬浮液同时添加水溶性过渡金属化合物和水溶性反应物的溶液，使得不可溶的过渡金属化合物沉淀并且在金刚石颗粒的表面上成核和生长，作为装饰金刚石表面的金属前体化合物，
c)从悬浮液去除金刚石颗粒与它们的金属前体表面装饰化合物的一个或多个块体，并且形成干燥粉末块体，
d)使金刚石、金属前体组合的一个或多个块体经受在含氢气的气态环境中热处理以还原和/或离解该金属前体，从而形成金刚石颗粒的一个或多个块体，其中用纯过渡金属颗粒或过渡金属合金颗粒装饰每个金刚石颗粒，
e)单独或组合地等静压压实金刚石颗粒的一个或多个块体以形成预确定的尺寸和形状的半致密的生坯体，关于在大于平均金刚石晶粒尺寸的十倍的级别下的密度，该生坯体是宏观上均匀的，其中金刚石晶粒尺寸的最粗分量不大于平均晶粒尺寸的三倍，
f)使一个或多个生坯体经受大于五(5)GPa的压力和经受大于一千一百(1100)摄氏度的温度，使得过渡金属或合金熔化，部分金刚石再结晶发生并且在所有空间方向上具有相等的收缩率，导致完全致密的PCD体。
71.权利要求69或70中任一项的方法，其中该金属性组合物选自铁、镍、钴、锰的任一种或组合或排列或合金化组合。
72.权利要求71的方法，其中该金属为钴。
73.权利要求66至72中任一项的方法，其中用于金属性组合物的一种或多种前体化合物为离子盐。
74.权利要求73的方法，其中该离子盐为碳酸盐。
75.用于岩石去除的切削工具元件，其包含基本上如上文参考在附图中说明的实施方案那样的任一个实施方案描述的独立式PCD体。
76.形成用于岩石去除的切削工具元件的方法，该切削工具元件包含基本上如上文参考在附图中说明的实施方案那样的任一个实施方案描述的独立式PCD体。
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