CN105723047A - 岩石去除体 - Google Patents
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Abstract
岩石去除体包括沿界面被结合至基体(602)的PCD材料(601)。该体是直立圆形柱形形状，且PCD材料具有从圆周边缘轴向沿筒部的表面约3mm或更大的厚度(607)和功能工作体积(606)，其具有最大程度使得最终磨损表面不与PCD材料体积和基体的界面相交。PCD材料体积包括金刚石网络和形成金属网络的金属组分，基体包括粘结金属，彼此独立、独立地衍生的金属组分和粘结金属在高压高温的制造过程期间无相互作用、通过测量可区分并且被预先选择为关于它们的合金组成不同。PCD材料包含功能工作体积并且均匀。
Description
技术领域
本公开涉及一种用于刮刀钻头凿岩应用的岩石去除体以及一种用于牙轮钻头凿岩应用的岩石去除体。
背景技术
多晶金刚石材料(PCD)通常包括具有互穿金属网络的金刚石晶粒的共生网络。金刚石晶粒的网络通过在提高的压力和温度下由用于碳的熔融金属催化剂/溶剂促进的金刚石粉末的烧结形成。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最大值，这导致金刚石网络中的单峰晶粒尺寸分布。可选地，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多个最大值，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的范围为约4GPa-7Gpa，但是高达10Gpa或以上的更高压力实际上也可获得并且可以使用。所采用的温度高于金属在这种压力下的熔点。金属网络是熔融金属在返回到正常室温条件时冷冻的结果并且将不可避免地为高碳含量合金。原则上，可采用在这样的条件下可使金刚石结晶成为可能的用于碳的任何熔融金属溶剂。周期表的过渡金属及其合金可包括在这样的金属中。
常规地，主要惯例和实践使用硬质金属基体的粘合剂金属，在提高的温度和压力下熔化这样的粘合剂后，使得其渗入金刚石粉末的块体中。这是在常规的PCD构造的宏观级别下熔融金属的渗透，即在毫米级别下的渗透。到目前为止，最常见的常规情况是使用碳化钨连同钴金属粘合剂作为烧结的硬质金属基体。这不可避免地导致烧结的硬质金属基体与得到的PCD原位结合。迄今为止，PCD材料的成功商业开发已经非常严重地受到这种惯例和实践的控制。
对于本公开的目的，通过对基体的定向渗透和原位结合使用烧结的硬质金属基体作为熔融金属烧结剂的来源的PCD构造被称作“常规PCD”构造或体。
历史上，包括被结合和附接至碳化物硬质金属基体的PCD材料的常规PCD结构用于附接和布置在壳体中的材料去除元件。其中待去除的材料的一般应用是岩石包括用于油井和采矿用途的钻头等。PCD结构也可应用于例如道路规划和建筑构造，其中待去除的材料可被认为是诸如沥青、含有沥青的岩石碎片、混凝土、砖块等包括这种的组合的合成或再造的类岩石材料。此后，如此处使用的术语“岩石”将被认为是指天然的地质岩石和合成或再造的类岩石材料。
诸如油井钻探的非常重要的应用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1。
图1是典型的常规刮刀钻头101和壳体102的示意图。该图示出在壳体中的不同径向位置的常规PCD岩石去除元件103、104和105，其由包括被结合和附接至大得多的碳化物硬质金属柱形基体的PCD材料的相对薄层的直立圆形柱体组成。在钻头旋转时，引起这种元件通过主要剪切作用连续地压在岩石上并且运行，其中岩石逐渐地断裂和破碎。图2示意性地示出连续剪切岩石202的常规PCD岩石切割元件201的一个边缘。
许多年以来已经广泛地优化了这种刮刀钻头设计使得主要且实用的惯例和实践是开发被钎焊至柱形凹陷的凹口中的直立柱形岩石去除元件使得在钻头旋转时，刀具或岩石去除元件的扫屑面(sweep)的重叠提供横跨钻头的整个面的岩石去除。利用用于柱形切割元件的附接的随同钎焊技术的这些高度地建立且优化的钻头设计不要轻易或随便地改变。因此，期望的且改进的岩石去除元件或刀具仍容易受到整体直立柱形形状和几何形状的限制。此外，由提供适当的机械磨损性能和钎焊性能的硬质的且耐磨的硬质金属制成的岩石去除元件或刀具的筒的建立是本钻孔范例的通常期望且不轻易改变的方面。
图3是典型的牙轮钻头301的示意图，其由壳体302和能够在轴承上自由地旋转的三个牙轮结构303构成。当整个钻头壳体302旋转时，每个牙轮303在岩石的表面周围旋转。岩石去除元件或体304被插入并且附接至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。牙轮结构通过依次被具有耐磨量规(gage)元件306的量规板表面305保护的轴和轴承结构被附接至壳体。通过喷嘴307促进水冷却和压碎的岩石去除。在这种情况下，岩石去除元件304具有压在岩石表面上的诸如通常的凿子形状的典型地圆形的端或圆顶和/或锥形表面。这些岩石去除元件通常具有与成形的硬质金属基体结合的PCD材料的相对薄层，并且通过主要压碎作用去除岩石。这在图4中被说明，图4示意性地示出圆顶形常规PCD岩石压碎元件401的横截面，PCD岩石压碎元件401由形成被结合至圆顶形硬质金属体403的外壳、压和压碎岩石404的PCD材料的薄层402构成。
与刮刀钻头设计类似，牙轮设计被高度优化和建立。因此，这些也不轻易地且随便地改变。因此，用于牙轮钻头的改进的岩石去除元件或岩石压碎元件具有带有由可容易钎焊的硬质金属材料制成的直立柱形筒的形状和几何形状将是有利的，其中大体柱形形状的一端形成诸如圆顶、圆锥体或凿子形状的包括边缘的凸面。
无论是用于刮刀钻头还是牙轮钻头的常规的PCD岩石去除元件已经被限制于PCD材料的相对薄层(典型的从1mm至约2.5mm并且最少高达约4mm)，其在相同的高压高温过程中被形成附接至大的基本上柱形的硬质金属基体的通常一侧。用于产生共生的多晶金刚石晶粒的金刚石颗粒的部分再结晶和烧结所需的金属主要源自硬质金属基体并且从硬质金属基体渗透。在2.5mm和4mm之间的PCD层必需的金属的长程渗透逐渐增加了产生良好烧结的金刚石晶粒的难度。
常规PCD岩石去除元件或体的主要寿命限制机理涉及在PCD体中的裂纹扩展，其延伸至PCD材料的自由表面，导致极其有害的碎裂和散裂行为。有人认为，这种裂纹扩展的主导方面是在PCD岩石去除元件或体中的残余应力分布，其由在制造过程中返回到室压和室温期间PCD层与硬质金属基体材料相比不同的热收缩造成。由于常规岩石去除元件或体设计涉及PCD层被附接至硬质金属基体的一侧，所以在制造过程中返回到室压和室温使弯曲变形发生在PCD层中，必然导致涉及大量且主要的拉伸应力分量的跨越PCD层的残余应力分布。这些拉伸应力分量控制裂纹扩展的方向。用于具体设计的它们的特定幅度、梯度和定向残余应力分布和用于PCD层和基体的布置区分最坏设计和最好设计。
包括在制造过程期间被附接至大量硬质金属基体的PCD材料的薄层的常规PCD体也在PCD层厚度和其PCD材料的组成中均被限制。常规制造的PCD层厚度通常小于2.5mm，尽管特殊地高达4mm。这些较厚的PCD层非常难以制造并且逐渐经受由因为杂质偏析和用于金刚石颗粒的烧结的催化剂/溶剂金属的长程渗透的一般困难造成的不良的金刚石-金刚石结合引起的差的结构和性能。常规PCD层的组成限制涉及PCD材料的总金属含量对金刚石晶粒尺寸分布的依赖性。这在绘制常规PCD材料的钴含量相对于已经确定的常规PCD材料的平均晶粒尺寸的曲线图5中说明。从此图中可看出，钴含量被限制于近似厚度为4体积％的带501，其中对于例如平均晶粒尺寸1微米的细晶粒PCD材料，金属含量为约12体积％，而对于例如平均晶粒尺寸20微米的粗PCD材料，金属含量减至约6体积％。该带之外的金属含量不典型并且非常难以制作。此外，常规PCD材料的冶金学被限制于适合于金刚石颗粒再结晶和烧结的冶金学，并且如果这种材料被开发为基体材料，则它是可行的硬质金属材料。就这一点而言，典型的且商业上主要的金属是钴，其在更小程度上具有一些镍和/或钴的铁合金的异体。
因此，需要改进的岩石去除或岩石压碎元件，其改善或基本上克服上述问题或缺点中的一个或多个。
发明内容
从第一方面看，提供一种用于刮刀钻头凿岩应用的岩石去除体，其包括沿界面被结合至粘结的硬质金属基体的多晶金刚石(PCD)材料体积(volume)；其中：
a、体具有总体体体积(overallbodyvolume)并且是具有圆周边缘和筒部的直立圆形柱体形状，PCD材料体积被轴向不对称地设置在体的一端处；
b、PCD材料体积具有从圆周边缘轴向地沿筒部的表面的约3mm或更大的厚度和功能工作体积，功能工作体积是在岩石去除体的使用寿命期间在使用中逐渐被磨损以形成最终磨损表面的PCD材料的体积，功能工作体积具有最大程度使得最终磨损表面与PCD材料体积和基体的界面不相交；
c、将多晶金刚石材料体积结合至粘结的硬质金属基体的界面，其包括来源于难熔材料的第三材料的层，第三材料是在岩石去除体的形成期间基体的熔融的结合材料和PCD材料体积的熔融的催化剂溶剂烧结助剂的金属扩散阻挡屏障材料；
d、PCD材料体积包括具有平均金刚石晶粒尺寸、形成金刚石网络的多个相互结合的金刚石晶粒和形成金属网络的金属成分，基体包括粘结的金属，彼此独立、独立地衍生的金属成分和粘结的金属在高压高温的制造过程期间无相互作用、通过测量可区分并且被预先选择为关于它们的合金组成不同；
e、PCD材料至少包括功能工作体积并且均匀，因为PCD材料在空间上恒定并且关于金刚石网络与金属网络的体积比不变，其中均匀性在大于平均金刚石晶粒尺寸的10倍的级别下测量，金刚石网络中的最大金刚石晶粒尺寸小于平均金刚石晶粒尺寸的3倍。
从第二方面看，提供一种用于牙轮钻头凿岩应用的岩石去除体，其包括沿界面被结合至粘结硬质金属基体的多晶金刚石(PCD)材料体积；其中：
a、体包括具有相关半径的直立圆形柱体部，圆形柱体部的一端形成通常凸形的弯曲表面或具有尖端的表面或一端形成通常凿子形状，其中两个或多个平坦表面汇合形成尖端，PCD材料体积从尖端延伸并且邻接尖端被轴向不对称地设置，粘结的硬质金属基体被设置在柱体的相对端处；
b、PCD材料体积具有在体的柱体部的轴向方向上从尖端至与基体的界面的等于或大于体的柱体部的半径的厚度，PCD材料体积进一步包括功能工作体积，功能工作体积是在岩石去除体的使用寿命期间在使用中逐渐被磨损以形成最终磨损表面的PCD材料的体积，功能工作体积具有最大程度使得功能工作体积的最大程度小于PCD材料体积的厚度；功能工作体积从尖端在轴向方向延伸；
c、将PCD材料体积结合至基体的界面包括来源于难熔材料的第三材料的薄层，第三材料是在岩石去除体的形成期间对基体的熔融的结合材料和PCD材料体积的熔融的催化剂溶剂烧结助剂的金属扩散阻挡屏障材料；
d、PCD材料体积包括具有平均金刚石晶粒尺寸、形成金刚石网络的多个相互结合的金刚石晶粒和形成金属网络的金属成分，基体包括粘结的金属，彼此独立、独立地衍生的金属成分和粘结的金属在高压高温的制造过程期间无相互作用、通过测量可区分并且被预先选择为关于它们的合金组成不同；
e、PCD材料至少包括功能工作体积并且均匀，因为PCD材料在空间上恒定并且关于金刚石网络与金属网络的体积比不变，其中均匀性在大于平均金刚石晶粒尺寸的10倍的级别下测量，金刚石网络中的最大金刚石晶粒尺寸小于平均金刚石晶粒尺寸的3倍。
附图说明
现在将参照附图描述示例，其中：
图1是常规刮刀钻头和壳体的示意图；
图2是连续剪切岩石的常规PCD岩石切割元件的一个边缘的示意侧视图；
图3是由壳体和三个牙轮结构构成的典型牙轮钻头的示意图；
图4是由压在岩石上并且压碎岩石的PCD材料的薄层构成的圆顶形常规PCD岩石压碎元件的横截面；
图5是相对于已确定的常规PCD材料的平均晶粒尺寸绘制的常规PCD材料的钴含量的曲线图；
图6是在刮刀钻头凿岩中使用的直立柱形岩石去除体的示意横截面，其中虚线指示在凿岩应用期间在岩石去除元件或体的寿命结束时形成的磨痕的最终位置；
图7a、图7b和图7c是给出在厚度分别是2mm、5mm和8mm的PCD材料体积中残余应力分布的主要特征的示例的半剖面示意图；
图8a、图8b和图8c是示意横截面图，其说明通常凸形的弯曲表面和可采用半球体形式的表面，其半球体形式可以分别是扁长半球体形式、扁圆半球体形式或半球形式；
图9a是采取具有圆形尖端的锥体的形式的示例性弯曲表面的示意横截面图，图9b示出形成尖端的通常凿子形状的示例；
图10a、图10b、图10c和图10d是示出PCD材料层的厚度分别是2mm、8mm、10mm和16mm的通过灰色阴影区分的主要残余应力的区域的在常规牙轮钻头设计中使用的示例性岩石去除体的轴向横截面；
图11a和图11b指示PCD材料体积和粘结硬质金属基体中占主导地位的主要拉伸残余应力最大值的位置，其中图11a表示用于刮刀钻头应用的示例，图11b表示用于牙轮钻头应用的示例；
图12示出用于刮刀钻头应用的PCD岩石去除体的示例，其中PCD材料体积包括两层或多层不同的PCD材料，体的半横截面被示出，其中主要残余应力分布由被等应力的轮廓线勾画出的一系列灰色阴影体积呈现；
图13是包括一个均匀PCD材料和含有两层不同材料的粘结硬质金属基体的一组示例并且说明采用不同的粘结硬质金属碳化物材料的离散层的残余应力好处；以及
图14示出当图12的不同PCD材料的两层布置与图13的不同的碳化钨钴硬质金属的两层布置相结合时的残余应力好处。
具体实施方式
如图6中示出，此处描述的示例的岩石去除体可包括带有被轴向不对称地设置在柱体的一端处的PCD材料体积601和被设置在相对端处的直立柱形粘结的硬质金属碳化物基体602的直立圆形柱体整体形状。粘结的硬质金属基体602保证为刮刀钻头制造开发的钎焊技术的标准惯例和实践可以实质上不变的形式应用。此外，应存在足够的粘结的硬质金属基体自由表面区域以为钎焊层或界面提供足够的结合强度，这种考虑意味着对于此处描述的示例的每个设计选择最小尺寸的基体。
图6是在刮刀钻头凿岩中使用的直立柱形岩石去除体的示意横截面。PCD材料层601通过材料薄层603与粘结的硬质金属基体602分离，其中材料薄层603从在制造期间用于将PCD材料体积与粘结的硬质金属基体分离的屏障层材料的使用中存在。虚线604指示在凿岩应用期间在岩石去除元件或体的寿命结束时形成的磨痕的最终位置。圆周边缘605的部分指示首先压在岩层上的复合岩石去除体的部分。圆周边缘605和虚线604之间的材料606的体积是在使用期间被逐渐磨损的PCD材料的体积并且随后将被称为功能工作体积。复合体外部606的体积的其余部分随后将被称为功能支撑体积。功能支撑体积在体的寿命结束时存在并且包括在寿命结束之后连同屏障层603和硬质金属基体602一起剩下的PCD材料体积601的部分。PCD材料层601的厚度、屏障层材料603的厚度以及硬质金属基体602的长度分别由607、608和609标明。将PCD材料体积601和基体602分离和结合的界面材料薄层603可形成平面界面或非平面的弯曲表面。在该上下文中的平面是指PCD结合边界层和粘结的硬质金属基体之间的界面基本上平坦并且大致平行于柱形岩石去除体的基部即粘结的硬质金属基体。可选地，界面层603可不平坦，但可由弯曲表面或相对于柱体的平坦端通常为弧形的表面组成。这将被称为非平面界面。在一些示例中，粘结的硬质金属基体602的外自由表面的形式为直立圆形柱体。当界面材料薄层601是平面时，PCD材料层601将是柱形层。
在PCD材料体积的高压高温制造期间以轴向不对称的方式结合至PCD材料体积601的粘结的硬质金属基体602的存在在PCD材料体积和粘结的硬质金属材料体积中均导致残余应力分布。残余应力分布是由于在高压高温制造过程结束时在返回至室温和室压期间由PCD材料体积和粘结的硬质金属材料体积的膨胀差和收缩差造成的弯曲效应。这些膨胀差是PCD和粘结的硬质金属碳化物的弹性模量和热膨胀特性显著不同的结果。根据本申请的发明人的经验，PCD、硬质金属复合岩石去除元件中的残余应力分布特别是在PCD材料体积中的拉伸残留分量是可确定这种岩石去除体的使用寿命的主要方面。这被理解为由于诸如碎裂和散裂的与裂纹相关的破坏通常是主要的寿命限制考虑因素的这种事实。
在其中PCD材料体积的PCD颗粒网络的液相烧结所需的金属来源于碳化物基体的熔融粘结金属的长程渗透的常规PCD刀具中，PCD材料体积中的残余应力分布在这一点上具有特别积极的意义。所需金属长程渗入PCD体积导致PCD材料体积的整个厚度被限制至通常小于3mm。
此处描述的一些示例提供不存在这种与熔融金属渗透相关的关于PCD材料体积尺寸和厚度的限制的装置。为了向PCD材料体积尺寸提供相对不受限制的级别，PCD材料所需的金属可独立地来源于硬质金属基体的粘结金属并且与硬质金属基体的粘结金属分离。任何一般简单形状直到由可用的高压高温设备限定的尺寸的PCD材料体积可通过为来自颗粒金刚石的起始质量与金属颗粒紧密并且均匀地结合的PCD材料提供必要的金属制成。因此，PCD材料体积的金属成分和硬质金属基体的粘结金属彼此独立、独立地衍生并且在高压高温过程中不相互作用。此外，在此处描述的示例的岩石去除元件中，PCD材料体积和硬质金属基体的金属成分是显著不同并且被预先选择为它们的元素组成不同。
硬质金属基体的熔融粘合剂金属可被防止渗入复合材料的多晶金刚石体积，实现PCD体积和硬质金属基体体积的这种冶金学的分离和隔离的手段的示例是在所述体积之间提供能够防止基体的熔融金属和PCD材料体积的显著交叉污染的屏障层603。可以这种方式操作的屏障层可包括具有明显高于用于PCD材料的催化剂/溶剂金属的熔点以及硬质金属基体的粘合剂金属的熔点的材料。另外，这种金属可与用于PCD材料的催化剂/溶剂金属和用于硬质金属基体的熔融粘合剂金属缓慢地合金化和反应。后一点可帮助为PCD材料和基体材料提供足够的屏障行为以及结合行为。可满足这些行为的金属的示例可包括包含钽、钒、铌、钼、锆的难熔金属及其合金。
诸如氮化物、硼化物和碳化物的一些陶瓷材料也可满足所要求的标准。这种陶瓷的一些示例是氮化钽、氮化钛、氮化铝、氮化硅及混合氮化物。在一些示例中，可使用50微米-500微米厚的连续锆金属屏障层或结合层。在一些示例中，屏障层可包括50微米厚的钽金属层或锆金属层。并且，在一些实施例中，周期表的IVa、Va和/或VIa族的元素和B、Si和Al的薄层氮化物/硼化物和/或碳化物，包括例如TaN、TiB2、ZrB2、AlN、Si3N4、AlB2和ZrN、难熔金属、固体溶液例如(Ti，Al)N及其混合物可被使用并且可使用物理气相沉积(PVD)或化学气相沉积(CVD)技术来应用。在一些示例中，PCD体积和硬质金属基体之间的屏障层可包括厚度大于约3微米的连续氮化钛(TiN)层。当PCD层和基体之间的界面几何形状具有非平面几何形状时，这些屏障的薄层可具有特别的效用。
因此，示例可包括将多晶材料体积结合至粘结的硬质金属基体的界面，其由源自难熔材料的第三材料的薄层组成，第三材料的薄层作为在高压高温过程期间硬质金属基体的熔融的粘结材料的金属扩散阻挡屏障材料和多晶金刚石材料体积的熔融的催化剂烧结助剂。
PCD材料体积的金属成分和硬质金属基体的粘结金属彼此独立，其是由于屏障材料层的存在在高压高温过程期间防止彼此相互作用的结果。
PCD材料体积和硬质金属基体的粘结金属的冶金学的这种独立性可帮助允许针对用于PCD材料体积和硬质金属基体中的每个的特别期望的组成和性质独立地预选这些金属成分中的每个。这与PCD材料体积的金属完全地或部分地源自硬质金属基体的粘结金属的大多数的常规现有技术PCD形成对比。例如，可期望基于粘结金属开发耐腐蚀等级的碳化钨硬质金属。这种耐腐蚀性经常且通常通过用诸如镍和铬的元素合金化钴粘结金属或用更耐腐蚀合金完全替换它来实现。这些合金化剂很可能不是PCD材料体积的金属的理想的或所希望的成分。就这一点而言，诸如铬的元素和其它稳定的碳化物形成金属将在PCD材料体积的金属网络中始终并且必定形成析出碳化物。这种析出的碳化物很可能不期望地改变PCD材料体积的属性。
与此相反，此处所描述的一些示例可在不经受PCD材料体积的这种潜在不期望的冶金学的情况下允许开发基体材料的大大扩展范围。另一个示例很可能是使用粘结有用于基体的镍硬质金属材料的碳化钛同时开发已经确定的简单钴PCD材料体积冶金学。因此，大大扩展的材料设计能力与PCD材料体积的冶金学和粘结的硬质金属基体的冶金学相互依赖的常规现有技术相比是可能实现的。
因此，在一些示例中，PCD材料体积的金属成分和硬质金属基体的粘结金属彼此独立、独立地衍生、在高压高温过程期间不相互作用、通过测量可区分并且被预先选择为关于合金组成不同。因为PCD材料体积的金属的作用是充当用于金刚石从溶液再结晶的熔融催化剂/溶剂，所以PCD材料体积的金属成分可以是能够充当用于金刚石从溶液再结晶的催化剂/溶剂的高碳含量的过渡金属合金。这些包括例如诸如钴、镍、铁、锰的过渡金属及其合金。高碳含量的钴可以是用于PCD网络的形成的催化剂/溶剂。相反地，硬质金属基板的粘结金属将已充当用于碳化物硬质材料的烧结的液相。因此，这种粘结金属将倾向于是含有硬质金属碳化物和碳化物固溶体的金属元素或元素的合金。典型的这种粘结金属是例如用于基于碳化钨钴的硬质金属的钴钨固溶体或用于基于碳化钛镍的硬质金属的钛镍固溶体。即使PCD材料体积的金属成分和硬质金属基体的粘结金属都是主要的并且是诸如钴的基本上相同的金属元素，但是它们在这个示例中通过测量可区分。前者与用于后者的钴钨合金相比将是高碳钴合金。一些示例的PCD材料体积的金属成分和硬质金属基体的粘结金属可被预选为关于它们的合金组成不同。PCD材料体积的金属成分可使用现有技术中熟知的标准分析技术被示出合金组成不同。这些技术包括在扫描电子显微镜上的能量色散分析(EDS)、X射线衍射和湿化学分析。
在普通刮刀钻头地下凿岩中已经观察到，当诸如在图6中示意地描绘的那些的柱形岩石去除元件的寿命不是通过过早碎裂和散裂确定时，在寿命结束时的功能工作体积的典型尺寸使得剩余磨痕沿柱形表面的筒向下延伸3mm左右。这在图6中由虚线604和柱体的筒的交点指示。在这种情况下，岩石去除体的寿命已经通过正常磨损行为而不是通过宏观断裂确定。这是一种理想状况，因为诸如碎裂和散裂的宏观断裂是可变的不受控制的过早破坏。然而，必须强调的是，根据本发明人的经验，常规现有技术岩石去除元件设计具有主要通过碎裂和散裂宏观裂纹相关的现象来确定的它们的寿命。此处描述的示例可帮助提供通过其可达到期望的正常磨损主导行为的手段。就这一点而言，任何给定示例的残余应力分布将是主要的考虑因素。更具体地，创造了一些示例，其特征是降低拉伸应力最大值、将这些最大值偏离功能工作体积周围和减小功能工作体积中和附近的拉伸应力梯度。通过这种方式，在使用中可降低宏观裂纹扩展的可能性。
俗称为刀具的最普通的常规岩石去除元件通常都是带有在筒处一般约2.5mm、很少和特殊地约3mm-4mm的PCD材料体积尺寸的直立圆形柱体。直径和长度通常根据下面表1中给出的规格来选择。
| 配置 | 直径(mm) | 长度(mm) |
| 1308 | 13 | 87 --> |
| 1313 | 13 | 13 |
| 1612 | 16 | 12 |
| 1616 | 16 | 16 |
| 1912 | 19 | 12 |
| 1916 | 19 | 16 |
表1
所述示例可针对标准配置中的任何一个。1616配置将用于举例说明可适用于表1中的所有配置的各种特征。
PCD材料体积可被制成任何预定的尺寸。在还指定平坦的平面界面边界的1616示例的上下文中，PCD材料体积因此可被选择为具有在总长度的限制内的任何厚度。图7a、图7b和图7c是给出用于1616配置的残余应力分布的主要特征并且分别比较厚度是2mm、5mm和8mm的PCD材料体积的半剖面示意图。提供的应力分布给出主残余应力的信息，因此，没有信息被提供在应力方向的任何给定位置处。残余应力分布信息使用现有技术中熟知的ABACUS有限元分析(FEA)计算机程序包和一般工程实践产生。用于分析的PCD材料和粘结的硬质金属材料的性质如下。在分析中使用的PCD材料和粘结的硬质金属材料的弹性模量分别是1020GPa和550GPa。分析中使用的PCD材料和粘结的碳化物材料的热膨胀的线性系数分别是4.01ppmoK-1和5.5ppmoK-1。线701表示来源于难熔屏障材料的平面界面边界第三材料的薄层。为了这次分析的目的，不包括关于这个边界结合薄层的细节，因为PCD材料和粘结的硬质金属基体两者中的残余应力分布的一般半定量和定性性质不被这种详细信息明显改变。然而，这种边界结合薄层可操作以使跨越边界的应力局部分级。虚线702表示最终磨痕表面的位置，即，在寿命结束时功能工作体积的最终程度。因此，在使用期间逐渐被磨损的材料从线702延伸至PCD材料体积的圆周边缘703上的位置，该PCD材料体积的圆周边缘703指示在使用开始时岩石去除元件或刀具的第一接触点。
如已经提到的，根据发明人的经验，在寿命结束时功能工作体积的尺寸被选择为处于柱形面的筒的垂直向下约3mm。
最终磨痕702相对于柱形筒的垂直线的角度704取决于相对于岩石表面的所选倾角。该角度被选择为20°以用于此分析的目的并且是在实践中使用的典型角度。这意味着在寿命结束时功能工作体积沿顶部平坦表面距703的径向程度将是约1.1mm。
705标注的线表示在粘结碳化物基体中的主拉伸等应力轮廓线。这条线和基体的基部和筒自由表面之间的体积由非常低量级的主拉伸应力场占据。在705和表示屏障层701的线之间，在屏障701的方向上存在当接近屏障层时随着变得越来越强的应力梯度的增加而在幅度上增加的主拉伸应力场。线706表示中间主等应力轮廓线。
虚线707指示在屏障层701的正下方的基体材料中的最大主拉伸应力的位置。注意的是，主应力在粘结的硬质金属碳化物中的所有位置处拉伸。PCD材料体积中的线708表示将处于压缩的PCD材料的阴影线体积与占据PCD材料体积的剩余部分的普通拉伸场分离的零应力轮廓线。709和710分别指示主拉伸应力最大值的两个位置。主拉伸应力最大值709占据在屏障层701的稍微上方的PCD材料体积的圆周筒表面处的位置。这个主拉伸应力最大值709以轴向拉伸应力为主。主拉伸应力最大值710占据PCD材料体积的平坦顶部自由表面上的位置。这个主拉伸应力最大值710以径向拉伸应力为主。
在厚度为2mm的PCD材料体积的图7a中，应注意的是，表示在寿命结束时的最终磨痕的虚线702与边界层701相交并且延伸至粘结的硬质金属基体的高拉伸区域中。此外，虚线702和虚线703之间的材料的体积即功能工作体积包含拉伸最大应力709。所以，在应用期间的功能工作体积逐渐磨损期间，朝线702平行移动的磨痕将与轴向拉伸最大值709相交，然后与粘结的硬质金属基体707中的屏障层701下方的高拉伸位置相交。
发明人已经观察到，当磨痕与这种拉伸应力最大值和高拉伸应力梯度相交时，宏观裂纹在由普通残余应力场和梯度引导的PCD材料体积中的磨痕的后面扩展。这种裂纹可能导致碎裂和散裂以及使这些岩石去除元件或刀具的使用寿命过早结束。因此，在一些应用中，可不希望在图7a中描绘的PCD构造，因为最终磨痕位置702跨越边界701并且延伸至粘结的硬质金属基体中。
相比之下，图7b说明厚度为5mm的PCD材料体积的示例。注意的是，功能工作体积关于位置和级别不变。在这个示例中，最终磨痕位置702不跨越边界701，因此不延伸至粘结的硬质金属基体中。此外，在图7b的示例中的功能工作体积不包括拉伸应力最大值710，且因此占据大大降低了残余应力和梯度的体积。这种示例可能更有利，因为现在可显著降低导致碎裂和散裂的宏观裂纹扩展至自由表面的可能性。
图7b的示例和图7a的PCD构造的区别因素是最终磨痕702与屏障边界层701的交叉和相交。一般而言，最终磨痕位置702与边界层701不交叉和相交的示例可能是有利的。在这些刮刀钻头示例的使用中功能工作体积被认为是不变的，使得最终磨痕702在柱形刀具的圆周筒表面下方延伸约3mm，因此，PCD材料体积从其圆周边缘轴向沿柱体的弯曲筒的厚度为3mm或更大的示例是此处描述的示例中的一些的特征。
当考虑PCD材料体积中的残余应力分布特征时，在图7c中描绘的PCD材料体积厚度为8mm和粘结的硬质金属基体也为8mm的示例指示对图7b的实施例的进一步改进，因为拉伸最大值709和710从功能工作体积的位置被进一步偏移。此外，当PCD材料体积的厚度增加时，在功能工作体积中的拉伸应力梯度逐渐降低。这可通过考虑在功能工作体积中分别表示在轴向和径向拉伸应力梯度的方向的箭头711和箭头712被进一步说明。
表2给出平均主拉伸应力梯度711和712的估计值。可看出，这些估计值指示，当PCD材料体积的厚度从2mm增大至8mm时，拉伸应力梯度711以数量级逐渐减小而拉伸应力梯度712以约4的倍数逐渐减小。因此，这种分析指示当PCD材料体积的厚度从约3mm增大时，在功能工作体积中的破坏性小的拉伸残余应力分布可逐渐发展。
表2
当PCD材料体积的厚度变得越来越大时，拉伸应力最大值709和710在PCD材料体积的自由表面处逐渐变得越来越远离功能工作体积的有益偏移的趋势可继续。然而，当PCD材料体积的厚度变得更大时，在粘结的硬质金属基体中的主拉伸应力可在在幅度上和程度上增大。这可通过当PCD材料体积的厚度分别从2mm变化至5mm，从5mm变化至8mm时比较用于图7a、图7b和图7c的最大主拉伸应力707看出。注意的是，这个最大主拉伸应力的程度逐渐扩张并且沿边界层701扩展。这个最大主拉伸应力707以在环箍方向即沿圆周方向的主拉伸应力为主。然后，形成并且延伸至该区域中的裂纹将趋于在直径方向上分离硬质金属基体。这对于PCD材料层与粘结的硬质金属基体相比较大的情况的确被观察到。
此外，也可从图7a、图7b和图7c的比较看出，当硬质金属基体的厚度或长度变小时，从基体的基部朝界面边界701延伸的主拉伸应力梯度显著增加。这是逐渐不令人满意的情况，其进一步增加导致岩石去除元件损坏的裂纹在粘结的硬质金属基体中扩展的可能性。
发明人凭经验已经发现，当PCD材料的体积小于整个岩石去除体的体积的50％时，即，当PCD材料体积的厚度与从体的圆周边缘沿柱体的弯曲筒表面测量的粘结的硬质金属基体的长度或厚度之比小于1.0时，可大大减少硬质金属基体的直径分裂的发生。
对于如图7a、图7b和图7c中说明的直径为16mm且长度为16mm的直立圆形柱体，这可被表达为使得PCD材料体积是具有厚度为3mm或以上的柱形层以及边界层和粘结的硬质金属基体的组合厚度为8mm或更大，PCD材料体积边界和粘结的硬质金属基体之间的界面是平坦的、平面的并且平行于PCD岩石去除体的基部。这意味着PCD材料体积层的厚度对于这些构造在3mm和8mm之间。
更一般而言，对于在表1中列出、包含直径范围在12mm-20mm内并且体的整体长度在11mm-20mm内的柱体的结构，PCD材料体积是具有厚度为3mm或更大的柱形层并且结合边界层和粘结的硬质金属基体的组合厚度为8mm或更大，PCD材料体积和粘结的硬质金属基体之间的粘合界面是平坦的、平面的并且平行于柱形岩石去除体的基部。
示例中的一些的PCD的优点和好处之一是所得的PCD材料显示出非常高的均匀度，因为金刚石网络体积与金属网络体积之比在与金刚石晶粒尺寸直接相关的级别和以上级别在空间上恒定并且不变。这可通过产生均匀混合有精确确定量的金属颗粒的金刚石颗粒的起始颗粒质量使得金属总是小于金刚石颗粒尺寸来实现。方法可涉及将金刚石颗粒悬浮在液体中以及使用于所需金属的前体化合物在金刚石颗粒的表面上成核和生长。然后，前体化合物通过在还原炉环境中热处理被方便地转化成附接至金刚石表面的纯金属。具体地，通过这种方法在所得的PCD材料中可获得的均匀性可在大于平均金刚石晶粒尺寸的10倍的级别下证明和测量。对在这种均匀材料的情况下的金刚石晶粒尺寸分布的进一步约束是最大晶粒尺寸小于平均金刚石晶粒尺寸的3倍。如果它们至少包含功能工作体积，则这种均匀的PCD材料可具有最好的效用。就这一点而言，均匀性可允许避免引起基于不均匀性缺陷结构的局部应力发生。反过来，这可允许残余应力最小化方面的充分开发。
因此，在示例中的一些中，至少包含功能工作体积的PCD材料是均匀的，因为金刚石网络体积与金属网络体积之比在空间上恒定并且不变，其中均匀性在大于平均晶粒尺寸的10倍的级别下测量，最大金刚石晶粒尺寸小于平均金刚石晶粒尺寸的3倍。
被应用至示例的残余应力相关的标准可允许诸如碎裂和散裂的宏观裂纹相关行为的可能性降低使得它们成为次要考虑因素。在岩石去除应用期间，用于针对刮刀钻头应用的这些示例的性能的主要考虑因素现在可被认为是正常磨损行为。然后，可有利地开发显示提高的耐磨性的PCD材料组合物和结构。
本领域中通常已知的是，高耐磨性不仅与较细的金刚石晶粒尺寸相关联而且与高金刚石浓度即低金属含量相关联。在用于PCD材料的烧结所需的金属源自从粘结的硬质金属基体的长程渗透的常规现有技术中，较细的金刚石晶粒尺寸总是与高金属含量相关联。不能独立地可预选金刚石晶粒尺寸和金属含量。例如，在常规现有技术中，当平均晶粒尺寸被选择处于10-1微米的范围内时，典型的金属含量从约9体积％逐渐增大至约12体积％。凭经验，在这种常规现有技术中，无法获得用于具有小于10微米的平均金刚石晶粒尺寸的PCD材料的低至5体积％的金属含量。
相反，在一些示例中，可独立预选金刚石晶粒尺寸分布和金属含量。可利用平均晶粒尺寸小于10微米、金属含量在5体积％和9体积％之间的细晶PCD材料以帮助开发在功能工作体积中的PCD材料的高耐磨行为。
为了使示例能在很大程度上未改变的牙轮钻头的设计和惯例和实践中使用，用于牙轮钻头应用的示例的岩石去除体可包括体，其包括带有一端延伸至尖端的直立圆形柱体，PCD材料体积被轴向不对称地设置为从尖端延伸或邻接尖端，粘结的硬质金属基体被设置在相对的柱体端。尖端可由通常凸形的弯曲表面或多个表面形成。可选地，尖端可由两个或多个平坦表面交汇形成尖端的通常凿子形状形成。
通常凸形的弯曲表面或多个表面可采用半球体形式，例如分别采用扁长半球体形式、扁圆半球体形式或半球形式。图8a、图8b和图8c是分别说明可采用这些示例的示意横截面图。PCD材料体积、粘结的硬质金属基体和结合材料的薄层分别被标记为801、802和803。PCD材料体积801从尖端804延伸并且邻接尖端804。注意的是，在这些示例中，将PCD材料801和粘结的硬质金属基体分离的界面结合材料层803与肩部805下方的柱形筒表面中的体的自由表面相交，这被限定为延伸至通常凸形弯曲表面中的筒柱形表面的出发线。通常弯曲表面或多个表面可采取带有圆形尖端的锥体形式，其中圆形尖端的半径是体的柱形部分的半径的约1/4-1/2。这在图9a的示意横截面图中说明，其中PCD材料体积、粘结的硬质金属基体和结合材料的薄层分别被标记为901、902和903。PCD材料体积901从圆形尖端904延伸。
另一示例被说明在示出具有形成尖端的通常凿子形状的示例的图9b中。PCD材料体积、粘结的硬质金属基体和粘合材料的薄层分别被标记为901、902和903。说明的凿子形状包括带有圆形尖端904的锥形表面905，其由在尖端904汇合的两个对称平坦倾斜表面906修饰。将PCD材料体积901和粘结的硬质金属基体902分离的界面结合材料层903与肩部907下方筒中的体的自由表面相交，这被限定为延伸至锥形弯曲表面的筒柱形表面的出发线。
在图8a-图8c、图9a和图9b中，界面结合材料层803和903是材料薄层，材料薄层从在制造期间用于将PCD材料体积801和901与粘结的硬质金属基体802和902分离的屏障层材料的使用中存在。屏障层材料在高压高温制造过程期间帮助硬质金属基体的熔融粘结金属与PCD材料体积的熔融催化剂/溶剂金属隔离。
粘结的硬质金属基体帮助能使为牙轮钻头制造开发的钎焊技术的标准惯例和实践以基本上不变的形式应用。此外，用于示例的每个设计的所选最小尺寸的基体可帮助能够存在足够的粘结的硬质金属基体自由表面面积以将足够的结合强度提供至用于接合的钎焊层。
利用用于牙轮钻头应用的PCD的现有技术岩石去除元件照惯例开发通常厚度为1.0mm-2.0mm的PCD材料薄层，以在凸形弯曲表面或多个表面处形成外壳。这在图4中说明。与此相反，此处描述的示例不限于PCD材料薄层并且可开发可占据与凸形弯曲表面或多个表面、锥形表面或通常凿子表面的尖端相邻并且邻接的大体积的PCD材料体积。
在图8a-图9b中，虚线806和虚线908指示在岩石去除元件或体的寿命结束时在凿岩应用期间形成的磨痕的最终位置。PCD材料体积801和901的尖端804和904指示首先被制成压在岩层上的岩石去除体的部分。804和虚线806之间的PCD材料体积807以及904和虚线908之间的PCD材料体积909分别是在岩石去除应用中的使用期间逐渐磨损的PCD材料的体积。这些体积807和909随后将被称为功能工作体积。在体积807和909外部的复合体的体积的剩余部分随后将分别被称为功能支撑体积。功能支撑体积在体的寿命结束时存在并且包括在寿命结束之后连同界面层803和903和粘结的硬质金属基体802和902一起剩下的PCD材料体积801和901的一部分。
对于在图8a-图9b中说明的示例中的每个，PCD材料体积801和901的厚度分别被定义为在轴向方向上从尖端804和904沿体的轴线至界面结合屏障层803和903的距离。
界面结合薄层803和903可以是平坦的并且平行于如图所示的基体的圆形柱体端。可选地，界面薄层803和903可相对于基体的平坦端自由表面通常弧形弯曲。弧形性质可相对于基体的这个自由表面凸出。
因此，一些示例可包括将PCD材料体积结合至粘结的硬质金属基体的界面、其粘结的硬质金属基体包括来源于难熔材料的第三材料的层例如薄层，第三材料的层充当作为在高压高温制造过程期间硬质金属基体的熔融的结合材料和PCD材料的熔融的催化剂溶剂烧结助剂的金属扩散阻挡屏障材料。
在牙轮钻头应用中的岩石去除元件主要通过由岩石表面上的压痕的压碎动作操作。因此，在这种应用中，压在岩石上的岩石去除元件有必要具有高的抗压强度。典型的牙轮钻头设计采用带有被插入辊的表面中的突出岩石去除元件的锥形辊。在凿岩期间，锥形辊在岩石的表面周围滚动使得岩石去除元件的尖端循环压在岩石表面上。因此，这种周期性旋转动作总是涉及一定程度的冲击载荷，岩石去除元件在这些体的尖端附近和在这些体的尖端处被暴露至冲击载荷。粘结的硬质金属岩石去除元件传统上已经在这种应用中使用，因为它们具有用于特别用于软岩层的这种压碎动作的足够的强度和耐冲击性能。然而，粘结的硬质金属岩石去除元件在这种应用中关于它们的耐磨性性能有所不足并且常常经受可能限制其有用性的不幸过度磨损。现有技术的系统照惯例包括在粘结的硬质金属岩石去除元件的尖端处的PCD的相对薄层以通过在尖端处提供大大提高耐磨性试图减轻这种不足的耐磨性。然而，这些厚度受限的PCD材料(达到约1mm)不能在岩石去除元件的强度方面提供显著的改善并且由于在PCD层中的不可避免的高拉伸残余应力会经受容易碎裂和散裂。本申请人已经认识到，这种应力是在制造期间由被结合至粘结的硬质金属基体的PCD层或体积的不同收缩导致的弯曲效应的结果。
常规结构的PCD薄层通常涉及功能分级以处理局部高界面应力。因此，这种常规现有技术可被视为使用PCD将增强的耐磨性提供至将仍然以碳化物的压缩性能为主的牙轮锥形体。与此相反，此处描述的一些示例通过使用大的PCD材料体积开发超过碳化物的PCD的优异抗压强度，从而可帮助提高PCD的耐磨性。
在一些示例中，PCD材料的实际体积可至少占据功能工作体积。因此，PCD材料体积可为岩石去除元件的压碎动作提供所需的强度和耐冲击性。均匀的、烧结良好的PCD材料的一般整体机械性能可远远优于用于这些目的的通常粘结的硬质金属材料。具体地，在一些示例中，PCD材料的硬度可比通常在牙轮钻头凿岩应用中使用的通常钴粘结的碳化钨硬质金属的硬度大2倍-5倍。这意味着示例中的一些的PCD的机械耐磨性可大大高于这种粘结的硬质金属，而且PCD材料等级的测量抗压强度(大于6700MPa)可比获得的用于大多数钴粘结的碳化钨硬质金属(例如范围在3500MPa-5500MPa)的抗压强度大。示例中的一些的PCD材料的断裂韧性的范围可在9-10.5MPa.m-0.5中，其对于这种硬质材料较高。因此，在开发大总体PCD材料体积的示例中，由于性质的这种组合，它们在本申请中可显示非常良好的行为，其可远远好于通常的粘结的硬质金属。
为了帮助能够开发PCD材料的体积性质，在一些示例中的PCD材料体积必须足够大并且避免诸如在通常现有技术PCD中开发的薄层。此外，具有与在压碎动作期间施加的力的方向成直角的增加的横截面面积的大块PCD材料可从PWBridgman2教导的大质量支撑概念中获益。当PCD材料体积从尖端延伸并且具有通常凸形性质时，用于牙轮凿岩应用的此处描述的示例中的一些具有这种几何形状。因此，当它们压在岩石上并且压碎岩石时，这些示例可享受为它们尖端提供大质量支撑的PCD材料的高刚性的好处。在这些应用中这种PCD材料的非常高的刚性可优于通常粘结的硬质金属显示的刚性。
对于牙轮凿岩的一般应用，在示例中的一些中，在体的柱形部分的轴向上从尖端至与粘结的硬质金属基体的界面的PCD材料体积的厚度等于或大于直立圆形柱体的半径。在轴向上从尖端延伸的功能工作体积的最大限度可小于PCD材料体积厚度。这帮助实现PCD材料体积的最小厚度和PCD材料相对于整体岩石去除体体积的最小体积。
描述的示例可包括粘结的硬质金属基体。在制造期间为了帮助能够制造被结合至粘结的硬质金属基体的相对大块PCD材料，对于硬质金属基体的熔融粘结金属来说，被防止与用于PCD材料体积的烧结所需的熔融催化剂/溶剂金属相互作用可能是有利的。如在用于刮刀钻头应用的示例的上下文中先前解释的，难熔金属层或一些陶瓷层可在被结合至粘结的硬质金属基体的PCD材料的制造期间用作金属扩散阻挡屏障。
对于牙轮钻头应用，将PCD体积结合至粘结的硬质金属基体的界面可包括例如源自难熔材料的第三材料薄层，其在高压高温制造过程期间充当作为硬质金属基体的熔融结合材料和PCD材料的熔融催化剂烧结助剂的金属扩散阻挡屏障材料。因此，PCD材料体积的金属成分和硬质金属基体的粘结金属可彼此独立、可独立地衍生、在高压高温过程期间无相互作用、可通过测量区分并且可被预选成关于合金组成不同。
如上所述，示例的PCD的潜在优点/好处之一可以是得到的PCD材料显示出非常高的均匀程度，因为金刚石网络体积与金属网络体积之比在与金刚石晶粒尺寸直接相关的级别和级别以上在空间上恒定并且不变。为了帮助实现此，均匀混合有精确确定量的金属颗粒的金刚石颗粒的起始颗粒质量被产生，使得金属总是小于金刚石颗粒尺寸。方法可涉及将金刚石颗粒悬浮在液体中以及使用于所需金属的前体化合物在金刚石颗粒的表面上成核和生长。然后，前体化合物通过在还原炉环境中热处理被方便地转化成附接至金刚石表面的纯金属。该方法的细节在下面的示例中陈述。通过这种方法在所得的PCD材料中可获得的均匀性可在大于平均金刚石晶粒尺寸的10倍的级别下证明和测量。对在这种均匀材料的情况下的金刚石晶粒尺寸分布的进一步约束是最大晶粒尺寸优选小于平均金刚石晶粒尺寸的3倍。如果它们至少包含功能工作体积，则这种均匀的PCD材料可具有提高的效用。就这一点而言，均匀性可允许避免引起基于不均匀性缺陷结构的局部应力发生。反过来，如上所述这可允许残余应力最小化方面的充分开发。因此，对于牙轮钻头应用，一些示例性材料的PCD材料至少包括功能工作体积，并且是均匀的，因为金刚石网络体积与金属网络体积之比在空间上恒定并且不变，其中均匀性在大于平均晶粒尺寸的10倍的级别下测量，最大金刚石晶粒尺寸小于平均金刚石晶粒尺寸的约3倍。
在用于地下凿岩的普通牙轮钻头应用中，岩石去除元件主要通过如图4中指示的压碎岩石操作。图4示出利用从尖端延伸的常规现有技术PCD材料的薄层(约1mm)的岩石去除元件的通常示例。虽然在这种现有构造中，益处可来源于超过粘结的硬质金属的PCD的非常高的耐磨性，但是PCD层的潜在的严重寿命限制分层和碎裂和散裂经常发生。这种宏观裂纹现象的来源可主要与在PCD材料薄层中和在与PCD材料和粘结的硬质金属之间的结合的界面紧密相关的粘结的硬质金属基体中的高量级的拉伸残余应力分布相关联。在本公开的文本中，从岩石去除元件的尖端延伸的功能工作体积中的残余应力分布是主要的考虑因素并且必须设法减轻诸如碎裂和散裂的宏观裂纹行为。就这一点而言，形成允许制成被结合至硬质金属基体的大体积PCD材料的一个或多个示例的方法可有很大的好处。
在图8c中示出的示例是这样的图示，借此，PCD材料体积的通常凸形弯曲表面是半球形的。
图10a-图10d是基于提供PCD材料体积和粘结的硬质金属基体中的残余应力分布的图8c、通过有限元分析(FEA)所得的一系列示例。这种FEA技术在本领域中已经得到公认并且提供指示压缩应力场和拉伸应力场、在应力场中的应力最大值的位置和有意义的应力梯度比较的半定量和定性信息。图10a-图10d的示例是针对16mm的柱形直径和从尖端沿轴线至基部的整个长度为27mm的体。这些尺寸被选择为在常规牙轮钻头设计、惯例和实践中使用的示例。从用于图10a-图10d的示例的FEA分析中得出的结论被认为可适用于例如在图8a-图8c、图9a和图9b中指示的示例的尺寸和形状的变型。
特别地，图10a、图10b、图10c和图10d是示出通过灰色阴影区分的主残余应力幅度的区域的岩石去除体示例的轴向横截面。不同阴影区域之间的边界可被解释为等应力轮廓线。对于图10a、图10b、图10c和图10d，被表达为从尖端1001沿轴线至PCD材料的界面即至轴线1002上的边界层的距离的PCD材料层的厚度分别是2mm、8mm、10mm和16mm。线1003表示将线上方的PCD材料体积与线下方的粘结的硬质金属基体分离的薄界面结合屏障材料。这种界面结合屏障材料由于非常薄，所以在这些图中由单线1003表示；边界层材料不会显著改变提供的残余应力信息。整体压缩的区域或体积由交叉影线指示。在这些指示的压缩区域之外，各级主拉伸应力由不同的灰色阴影指示。在沿轴线朝界面结合屏障层1003的方向上的粘结的硬质金属基体中，拉伸应力幅度随着在界面线1003正下方并且由位置1004指示的拉伸应力最大值增大。在这些实施例中、从尖端1001延伸至虚线1005的恒定厚度的功能工作体积被认为不变。
在图10a中，界面结合屏障线1003和功能工作体积的边界1005重合。在这种情况下，功能工作体积和PCD材料体积是同一个。用于该示例的目的，从1001沿轴线至虚线1005的功能工作体积的厚度已经被选为2mm。凭本发明人的经验，最临界的拉伸残余应力方面是在或接近岩石去除体的自由表面处的高拉伸最大值。在图10a-图10d表示的示例中，这些分别由1004和1006指示。1006表示在或接近PCD材料体积的自由表面处在边界线1003上方的PCD材料体积中的拉伸最大值。PCD材料体积中的拉伸应力最大值1006以轴向拉伸应力为主。在图10a的情况下，最大应力1006具有轴向分量和径向分量。在粘结的硬质金属基体中在界面边界1003正下方的拉伸应力最大值1004以箍形放射状拉伸应力的组合为主。
在图10a、图10b、图10c和图10d中，岩石去除体的凸形弯曲表面与柱形筒表面接合的位置由可被描述为体的肩部的1007指示。肩部可被进一步描述并且定义为延伸至通常凸形弯曲表面中的柱形筒表面的出发线。
在图10b中，肩部位置1007与界面边界线1003和体的自由表面的的交点重合。注意的是，因为图10a、图10b、图10c和图10d被认为是PCD材料体积的厚度和体积逐渐增大，所以临界拉伸应力位置1004和1006都迅速地远离不变的功能工作体积的位置移动。因为这些临界点远离功能工作体积移动，所以分层、碎裂和散裂的可能性逐渐变小。特别地，当临界应力位置1006发生肩部1007下方时，两个临界应力位置1004和1006均可被认为距离不变的功能工作体积足够远使得功能体积的分层、碎裂和散裂的可能性变得微不足道。
在具有用于PCD材料体积的通常凸形弯曲表面、采取半球体形式的一些示例中，这些示例具有将PCD材料体积和粘结的硬质金属基体分离、与肩部下方的柱形筒表面中的体的自由表面相交的界面结合材料，这被定义为延伸至PCD材料体积的通常弯曲表面中的筒柱形表面的出发线。PCD材料体积的通常凸形弯曲表面的半球体形式可以是如在图8a、图8b和图8c中分别描绘的扁长半球体、扁圆半球体或半球形。
图10c和图10d示出主残余应力分布，其中界面结合材料层1003在肩部1007下方的柱形筒表面处与体的自由表面相交。对于图10c-图10d，从尖端1001沿轴线1002即至界面结合线1003的PCD材料厚度分别增大从10mm至16mm。注意的是，临界高拉伸应力最大值1004和1006的位置现在逐渐移动至距离功能工作体积，即在虚线1005和尖端1001之间的PCD的体积甚至更远的位置。这被认为是逐步越来越有利的。此外，注意的是，从图10c-图10d，功能工作体积中的拉伸残余应力逐渐变低。并且注意的是，在图10d中，功能工作体积中的拉伸残余应力接近零。另外，对于这范围的示例，横跨功能工作体积的拉伸应力的梯度可非常低，例如小于约10MPa/mm，其可被认为可忽略不计。
在这些示例利用非常靠近轴向的施加载荷压在岩石表面上的应用中，紧邻尖端的功能工作体积中的这些低拉伸应力会被施加的载荷大部分抵消。显然，在从图10c的示例逐渐移动至由图10d表示的示例中，PCD材料的体积从小于硬质金属基体的体积变为大于硬质金属基体的体积。当PCD材料体积的体积大于粘结的硬质金属基体的体积时，由图10d表示的示例可具有用于诸如用于牙轮钻头应用的岩石去除体的一些应用的更有利的通常残余应力分布。然而，如前所述，描述的所有示例优选具有足够硬质金属基体的表面面积以实现与牙轮钻头壳体或圆锥形辊的足够接合和结合。生成柱形硬质金属基体的长度大于柱形粘结的硬质金属基体的半径可帮助实现此。另外，当PCD材料体积的体积大于粘结的硬质金属基体的体积时，PCD材料增加的体积通过对压在岩层上的尖端的质量支撑的增加将强度加入至整个体。
这种示例可期望碎裂、散裂和分层的可能性降低。此外，因为在功能工作体积中和在功能工作体积附近的残余应力相关的过早破坏现象被归入次要考虑因素，所以这种示例可允许开发PCD材料(具有在1微米-30微米的范围内的平均金刚石晶粒尺寸)关于加载情形典型的牙轮钻头应用的特殊性能，其中岩石主要通过压碎动作去除。这些特性主要是通过诸如约1000GPa的弹性模量、大于1200MPa的横向断裂强度和由约9.5MPa.m0.5的断裂韧性测量(KIC)表现的足够的耐冲击性的性能测量表现的PCD材料的高刚度的组合。这些测量可利用本领域中已经认可的技术和技术文献进行。因此，针对牙轮钻头应用的示例中的PCD材料可具有1微米-30微米范围内的平均晶粒尺寸、与良好共生的金刚石结构均匀，如在三点弯曲实验中测量的这种横向断裂强度大于1200MPa。在这种范围广泛的PCD材料中，在这种特殊应用中，具有最高抗压强度的PCD材料可能是有利的。这意味着，金刚石含量较高的PCD材料类型具有良好的共生性。通常，这些将是具有诸如在10微米-30微米的范围内的较大平均晶粒尺寸的材料。
如上所述，用于刮刀钻头应用或牙轮钻头应用的一个或多个示例可具有难熔金属扩散阻挡屏障材料，其可在高压高温下制造过程期间帮助防止硬质金属基体的熔融粘结金属和PCD材料体积的熔融催化剂/溶剂金属彼此相互作用。另外，这种材料也可提供PCD材料体积和粘结的硬质金属基体之间的结合。可用作此目的的典型材料可例如是例如选自钽、钒、钼、锆、钨及其合金中的一个或多个的任何组合的(例如约20微米-约100微米厚)难熔金属薄层。在高温高压的制造过程期间，可选择这些难熔金属层使得它们不会熔融，但是经受暴露至诸如熔融的钴-碳合金的高碳含量的熔融过渡金属。因此，这些过渡金属在过程期间被部分渗碳。
并且，使用PVD技术或CVD技术沉积的一些陶瓷薄层也可帮助为示例中的一个或多个提供屏障结合层。例如，将PCD材料体积和粘结的硬质金属基体分离的难熔结合界面层可以是例如选自诸如氮化钛TiN的周期表的IVa、Va或VIa族的元素的氮化物的任何组合、大于约3微米厚度的CVD或PVD沉积的连续陶瓷层。
用于刮刀钻头应用还是牙轮钻头应用的示例中的一些可享受在功能工作体积中和周围的其幅度和梯度强度径向减小的拉伸残余应力分布的好处。此外，主拉伸残余拉应力最大值可从功能工作体积及其周围显著去除并且远离功能工作体积及其周围。这可在功能工作体积中和附近提供碎裂和散裂的有益的、显著降低的可能性或概率。可帮助提供这个的共同特征是当PCD材料体积大并且与粘结的硬质金属基体的体积可比得上或甚至比粘结的硬质金属基体的体积大时。后者是针对用于牙轮钻头应用的岩石去除体的情况。对于用于刮刀钻头应用、可被限制为整体直立柱形形状的岩石去除体，PCD材料体积的所需尺寸通过规定PCD材料体积的厚度是约3mm或更大表达。显示残余应力分布的图7a-图7c和图10a-图10d的示例用来说明当PCD材料体积的体积幅度增大时在功能工作体积中的拉伸应力减小。然而，在图7a-图10d中可观察到，虽然拉伸应力最大值可通过适当大的PCD材料体积远离功能工作体积，但是它们可仍然作为关注的方面，因为这些最大值可在应用期间有助于诸如粘结的硬质金属基体的散裂和分层的与冲击有关的破坏的可能性。例如针对刮刀钻头应用的图7b和图7c中说明这些拉伸应力最大值。它们是被定位在虚线709和形成高拉伸材料环的柱形自由表面之间的PCD材料体积中的轴向拉伸最大值和被定位在虚线707和表示将PCD材料体积和粘结的硬质金属基体分离的界面屏障701的线之间的粘结的硬质金属基体中的组合环状放射状拉伸最大值。
同样地，例如针对牙轮钻头应用的图10c和图10d中说明拉伸应力最大值。它们是在PCD材料体积中的轴向拉伸应力最大值1006和在粘结的硬质金属基体中的组合环状放射状拉伸最大值1004。如果这些拉伸应力最大值的幅度减小，则可能是有利的。这样做的通用方法可以是使PCD材料体积的平均热膨胀系数和粘结的硬质金属基板的平均热膨胀系数之差最小化。这可通过在PCD材料的典型范围(约3.7ppm.oK-1-约4.4ppm.oK-1)内选择线性热膨胀系数相对高的PCD材料结合例如在通常在地下岩石钻探应用中使用的粘结的硬质金属材料的典型范围(约5.0ppm.oK-1-约6.1ppm.oK-1)内选择线性热膨胀系数相对低的粘结的硬质金属材料来完成。
在以钴为催化剂溶剂金属制成的PCD材料中，处于最高范围的高线性热膨胀系数可限制PCD材料具有至少9体积％以上的高金属钴含量。在地下岩石钻探应用中通常使用的粘结的硬质金属等级是在6重量％-14重量％钴的范围内选择的钴粘结的碳化钨等级。热膨胀系数低的粘结的硬质金属碳化物可被限制至具有至多10重量％(16.3体积％)钴的低粘结金属含量的等级。
可使用表现降低的拉伸应力最大值的示例，其中PCD材料的金属网络例如是钴-碳合金，硬质金属基体的粘结金属例如是钴-钨-碳合金，PCD材料体积的平均金属含量例如是大于约9体积％(20重量％)，硬质金属基体的平均钴含量小于约16.3体积％(10重量％)。
示例中的一些采用PCD材料的组成和结构在宏观上不变并且横跨PCD材料体积的尺寸范围均匀的PCD材料体积。粘结的硬质金属基体的组成和结构也可横跨即由用于这些示例的粘结的硬质金属的一个等级制成的基体的尺寸范围不变。横跨高压高温PCD材料体的宏观尺寸延伸的残余应力分布可通过将PCD材料的组成横跨体的尺寸分级来改变、操纵和选择。这可通过分级和改变作为PCD材料体积中的位置的函数的金属组成使得作为PCD材料体积中的位置的函数的线性热膨胀系数不同来完成。然后，PCD材料在高压高温制造过程的冷却和降压阶段期间在不同位置的差异收缩导致在不同位置的残余应力。可通过PCD材料组成和结构的这种位置选择使用这种方法以帮助降低拉伸应力最大值的强度，从而使得它们不太可能造成诸如破裂、散裂和分层的不期望的与裂纹相关的断裂事件。这可通过以分级的方式改变横跨PCD材料体积的尺寸的组成和结构和/或通过使用组成和线性热膨胀系数适当不同的PCD材料的离散相邻体积来完成。
操作和控制残余应力分布的这种方法也可适用于粘结的硬质金属基体。同样地，也可在基体中的各种位置中采用具有不同线性热膨胀系数的不同等级的粘结的硬质金属材料以有利地降低拉伸残余拉应力。这些教导可适用于此处迄今公开的示例。为了说明这个，图11a和图11b分别是表示得到的用于刮刀钻头应用和牙轮钻头应用的示例的横截面图。PCD材料体积和粘结的硬质金属基体分别被标记为1101和1102。界面屏障层材料由线1103表示。在表示用于刮刀钻头应用的示例的图11a中，功能工作体积是在圆周边缘1104上的点和虚线1105之间的体积。点1104表示在凿岩应用期间压在岩石上的功能工作体积的初始部分。在表示用于牙轮钻头应用的示例的图11b中，功能工作体积由在尖端1106和虚线1105之间的PCD材料的体积表示。尖端1106表示在凿岩应用期间压在岩石上的功能工作体积的初始部分。
在图11a和图11b两个图中，体的中央轴线分别在1106和1112处与PCD材料体积的自由表面和粘结的硬质金属基体相交。对于图11b，尖端1106也是PCD材料体积的通常凸形弯曲表面的尖端。在图11a和图11b两个图中，PCD材料体积中的轴向主要的主拉伸残余应力最大值的位置由1107指示。注意的是，该拉伸应力最大值刚好在PCD材料体积的柱形自由表面处或附近的界面边界层1103的上方。因此，该拉伸应力最大值形成扩展的圆周位置。在图11a和图11b中，粘结的硬质金属基体中的组合的环形放射状主要的主拉伸残余应力最大值的位置由1108指示。注意的是，该拉伸应力最大值刚好位于界面边界层1103下方，该通常高拉伸应力沿界面1103延伸，使得它在界面1103和体的轴的交叉的方向减小。
如上所述，在高压高温制造过程结束时压力和温度降低期间，PCD材料体积和粘结的硬质金属基体都收缩。通常的PCD材料体积的收缩总是小于粘结的碳化物材料体积的收缩。这是因为通常的PCD材料的线性热膨胀系数总是小于粘结的硬质金属材料的线性热膨胀系数。在图11a和图11b中的箭头1109和1110分别表示在示例性PCD材料中的界面屏障层1103的任一侧上的PCD材料体积和粘结的硬质金属基体的径向收缩。注意的是，箭头1109比箭头1110短，箭头长度的差别指示差异收缩。这种差异收缩的最终结果是弯曲效应，其引起在PCD材料体积和粘结的硬质金属基体中的残余应力分布。因此，在PCD材料体积中的轴向主要残余应力最大值1107和在粘结的硬质金属基体中的环形方向放射状主要残余应力最大值1108由收缩差造成。如果PCD材料体积的材料被改变为位置的函数使得线性热膨胀系数在远离图11a中的1104和图11b中的1106的大致方向上、在界面屏障1103的大致方向上增大，则可降低差异收缩和弯曲效应，从而导致应力最大值1107和1108的幅度被减小。该大致方向由从在凿岩应用期间与岩石的第一接触点1104和1106朝界面屏障层1103延伸的箭头1111表示。
PCD材料的线性热膨胀系数在远离点朝向将PCD材料体积和粘结的硬质金属基体分离的界面屏障层的大致方向增大的示例可由于残余应力最大值的减小是有利的，其中点是在使用中最初压在岩石上的功能工作体积的部分。在PCD材料体积中的任何给定位置处的PCD材料的线性热膨胀系数的值由在那个给定位置处和附近的PCD材料的元素组成和金属组分的量确定。当金属类型或合金横跨PCD材料体积的尺寸不变时，线性热膨胀系数单独随着金属含量变化。金属含量越高，对应于PCD材料的热膨胀系数越大。反过来也是如此。
在关于金属类型或合金的PCD材料的金属横跨PCD材料体积的尺寸不变或PCD材料的金属含量在远离点朝向将PCD材料体积和粘结的硬质金属基体分离的界面屏障层的大致方向增大的示例可由于残余应力最大值的幅度的减小是有利的，其中点是在使用中最初压在岩石上的功能工作体积的部分。通常增大在特定方向上横跨宏观尺寸的线性热膨胀系数的方便方式可以是采用线性热膨胀系数和金属含量不同的PCD材料的离散相邻体积。因此，适当不同的PCD材料相邻体积的差异收缩可提供整个PCD材料体积的整体收缩的减小。因此，一个或多个示例可包括包含两个或多个不同PCD材料层的PCD材料体积，最低线性热膨胀系数和金属含量的第一层从自由表面延伸并且包括功能工作体积，而较高线性热膨胀系数和金属含量的第二层或后续层将第一层与分离PCD材料体积和粘结的硬质金属基体的界面屏障分离。使用简单不同PCD材料层的这种示例可很方便地制成并且可显著降低临界残余应力拉伸最大值的幅度。图12示出证明这一点的示例。
图12是用于刮刀钻头应用的示例的半横截面，示例是整个直立柱体形状的岩石去除体，直径为16mm、总长为16mm，PCD材料体积的厚度为6mm，粘结的硬质金属基体的长度接近10mm。PCD材料体积的整体形状、尺寸和厚度对应于图7b中提供的示例。
图12示出示例中如源自有限元分析(FEA)的残余应力分布的形式。在图12中，PCD材料体积1201包括厚度为3.5mm的第一PCD材料层1202，其线性热膨胀系数小于厚度为2.5mm、将第一PCD材料层与由线1204表示的界面屏障层分离的第二PCD材料层1203的线性热膨胀系数。形成PCD材料体积1201中的金属网络的催化剂/溶剂金属是钴。第一PCD材料层1202的钴含量是6.7体积％而第二PCD材料层的钴含量是11.5体积％。选择包括钴含量为13重量％和线性热膨胀系数为5.6ppm.oK-1的碳化钨钴粘结硬质金属的粘结的硬质金属基体1205。在图12中主残余应力分布由通过等应力的轮廓线描绘和分离的一系列灰色阴影体积呈现。将拉伸残余应力区域和压缩残余应力区域分离的零应力轮廓线由虚线表示，残余压缩下的体积是交叉影线的。注意的是，在功能工作体积中的主残余应力低。
功能工作体积被指示为特定点1206和虚线1207之间的材料的体积。1206是在应用期间在PCD体积的圆周边缘上选择以最初压在岩石上的特定点。功能工作体积沿圆周自由表面向下延伸选定的3mm。主拉伸残余应力最大值1208在界面屏障层1204的直接上方的PCD材料体积的圆周自由表面上的位置处，形成在第二PCD材料层1203中的圆周周围的环。该残余应力最大值1208以轴向拉伸应力为主并且在位置上对应于图11a中指示的最大拉伸残余应力1107和图7b中指示的最大拉伸残余应力709。注意的是，在基部和圆周自由表面处的粘结的硬质金属基体中的主残余应力低，在表观上中性。在从基部朝界面屏障层1204的大致方向上，拉伸残余应力的幅度逐渐增大并且在界面屏障层1204直接下方达到最大值。该最大主拉伸残余应力的位置由1209指示。最大拉伸残余应力1209对应于图11a中拉伸应力最大值1108和在图7b中指示的最大值707。该拉伸残余应力最大值在粘结的硬质金属基体中的这个位置处以环形放射状拉伸应力分量为主。
当图7b中的拉伸应力最大值709和707的幅度使用本领域中熟知的ABAQUS有限元分析程序与图12中对应的拉伸应力最大值1208和1209的幅度相比较时，发现两个最大值已经减小了约10％。对于图12的示例的这种减小可被认为是显著的和有利的。在由图12表示、其中PCD材料体积包括两个或多个不同PCD材料层的示例中，最低线性热膨胀系数和金属含量的第一层从自由表面延伸并且包含功能工作体积而较高线性热膨胀系数和金属含量的第二层或后续层将第一层与分离PCD材料体积和粘结的硬质金属基体的界面屏障分离。当这些临界应力最大值的幅度可被显著减小时，这种示例可对于一些应用有价值。这种减小可在凿岩应用期间为这些示例中的粘结的硬质金属基体提供分层和破裂的有益的降低趋势。
如上所述，也可采用将粘结的硬质金属基体的性质分等级以降低图11a和图11b中由箭头1109和1110指示的差异收缩。差异收缩的降低可引起降低在高压高温制造过程结束时发生的弯曲效应，其可导致已经描述的并由1107和1108指示的拉伸应力最大值的幅度的有益减小。如果改变粘结的硬质材料的组成和合成性质使得线性热膨胀系数在从基体的基部的中心点1112朝界面屏障层1103的由箭头1113指示的大致方向上减小，则拉伸残余应力最大值的幅度的这种减小可发生。因此，示例中的一些可具有在远离体的基部的中心点朝将PCD材料体积和粘结的硬质金属基体分离的界面屏障层的大致方向上减小的粘结的硬质金属基体的线性热膨胀系数。如果粘结的硬质金属基体由一种类型的硬质金属材料制成使得粘结金属和硬质化合物关于金属类型和分子组成不变，则粘结金属的量可在远离体的基部的中心点朝将PCD材料体积和粘结的硬质金属基体分离的界面屏障层的大致方向上降低。
通常降低在所选的大致方向上横跨宏观尺寸的粘结的硬质金属基体的线性热膨胀系数的方便方式可以是采用线性热膨胀系数和粘结金属含量不同的粘结的硬质金属材料的离散相邻体积。就这一点而言，一组示例可使用厚度不同的平行的不同硬质金属材料层。在例如粘结的硬质金属基体包括两个或多个不同硬质金属材料层的一些示例中，最高线性热膨胀系数和金属含量的第一层从基体的基础自由表面延伸，而较低线性热膨胀系数和金属含量的第二层或后续层将第一层与分离PCD材料体积和粘结的硬质金属基体的界面屏障分离。
图13是基于由图7b表示的示例的形状和尺寸的说明采用不同粘结的硬质金属碳化物材料的这种适当布置的离散层的潜在好处的示例。在图13中，PCD材料体积1301可包括例如具有约为4.0ppm.oK-1的线性热膨胀系数和约为9体积％(约20重量％)的钴含量的均匀PCD材料。粘结的硬质金属基体1302包括两个不同材料层1303和1304。这些层之间边界基本上是平面并且平行于基体的基部。在一些示例中，从基体的基部延伸的层1303可具有约8mm的厚度、由具有约14重量％(约22.2体积％)钴的碳化钨钴硬质金属制成并且可具有约6.01ppm.oK-1的线性热膨胀系数。将层1303与界面屏障层1305分离的层1304可具有约2mm的厚度、可包括具有约6重量％(10.1体积％)钴的碳化钨钴硬质金属并且具有约5.09ppm.oK-1的线性热膨胀系数。在该示例中的主残余应力分布被表示为如之前的与在图7b和图12中展现的相同的一般定性性质的变化的灰色阴影区域。
在PCD材料体积1301中的轴向主要的主拉伸残余应力最大值1306的位置对应于在图7b中的709、图11a中的1107和图12中的1208。在硬质金属基体1302中的环状放射性分量主要的主拉伸应力最大值1307的位置对应于图7b中的707、图11a中的1108和图12中的1208。在该示例中进行的有限元分析证明临界拉伸应力最大值1306和1307的幅度与图7b中的相应最大值709和707相比降低约30％。因此，该示例可被认为示出这些临界拉伸应力幅度的量级显著减少。这可能是非常有利的，从而导致在凿岩应用期间粘结的硬质金属基体的分层和破裂的风险和可能性显著降低。
图12和图13的示例可被结合以形成在图14中示出的另一示例。图12的不同PCD材料的两层布置与图13的不同碳化钨钴硬质金属的两层布置相结合。该示例的有限元分析示出与图7b中的临界应力最大值709和707、图11a中的临界应力最大值1107和1108相对应的主拉伸应力最大值1401和1402的幅度可被减小约60％。在一些应用中，这可被认为显著降低临界残余应力分布的高度期望的和有益的情况，从而产生在钻探操作期间不可能发生硬质金属基体的分层和破裂的期望。该示例说明结合PCD材料体积在组成和结构方面的分级的潜在价值使得PCD材料的线性热膨胀系数在远离点朝向将PCD材料体积和粘结的硬质金属基体分离的界面屏障层的大致方向上增大，其中点是在使用中最初压在岩石上的功能工作体积的部分，而硬质金属基体的线性热膨胀系数在远离体的基部的中心点朝向将PCD材料体积和粘结的硬质金属基体分离的界面屏障层的大致方向上减小。
在一些示例中，在PCD材料体积中的金属网络是钴且粘结的硬质金属基体是碳化钨钴。
在图12、图13和图14中示出用于刮刀钻头应用的示例可普遍适用并且包括在牙轮应用中使用的示例，借此，岩石去除体包括带有形成带有尖端的通常凸形弯曲表面的一端的直立圆形柱体。在这种示例中的PCD材料体积可从尖端和弯曲自由表面延伸。
迄今为止上述的示例中的大多数呈现源自难熔材料的平坦的平面界面屏障的薄层，其充当作为在高压高温制造过程期间硬质金属基体的熔融的结合材料和多晶材料的熔融的催化剂溶剂烧结助剂的金属扩散阻挡屏障。然而，在通常复合PCD硬质金属基体体的PCD材料体积中的残余应力分布可通过采用PCD材料体积和硬质金属基体之间的非平坦、非平面的界面或边界有利地改变。更明确地，例如如果它们呈现出朝PCD材料体积的通常弧形凸曲率，则这种非平面界面或边界可具有降低拉伸残余应力最大值的改善价值。
示例
现在更详细地描述一些进一步示例，示例不是旨在限制。
示例1
使用刮刀钻头设计和技术制作用于地下凿岩的岩石去除体，其对应于在图14中说明的示例。该示例是图12的两个柱形PCD材料体积层和图13的两个柱形粘结的硬质金属基体层的组合。
每个体包括带有形成厚度为6mm的柱形PCD材料体积的一端的直径为16mm、总长度为16mm的直立圆形柱体，被设置在体的相对柱形端的粘结的硬质金属基体。每个体的PCD材料体积由厚度为3.5mm从体的平坦顶部圆形自由表面延伸的第一柱形层1202和厚度为2.5mm将第一PCD层与现存屏障边界层和粘结的硬质金属基体分离的第二层1203组成。它的意图是，在使用中第一层会完全包含功能工作体积，其从在体的圆周边缘处的选择点沿PCD材料体积的筒自由表面向下延伸约3mm，该点是与岩层的初始接触点。
该第一层由平均晶粒尺寸接近10微米的多峰PCD材料制成，晶粒尺寸分布从约1微米延续至30微米。在本上下文中的术语多峰是指通过将平均颗粒尺寸分布不同的5种单独的粉末结合生产的起始金刚石粉末。第一层由在颗粒尺寸分布上具有单一最大值的5种组分金刚石粉末制成，因此每一组分是单峰。作为用于金刚石的部分再结晶的催化剂溶剂使用的金属是钴，从而产生合成PCD材料的互穿网络是高含碳钴。PCD材料的钴含量是6.7体积％(15.4重量％)。已知PCD材料的这种组合物的线性热膨胀系数是3.7ppmoK-1。
该第二层由平均晶粒尺寸接近6微米的多峰PCD材料制成，晶粒尺寸分布从约1微米延续至20微米。该层由在颗粒尺寸分布上具有单一最大值的三种组分金刚石粉末制成，因此每一组分是单峰。作为用于金刚石的部分再结晶的催化剂溶剂使用的金属是钴，从而产生合成PCD材料的互穿金属网络是高含碳钴。PCD材料的钴含量是11.5体积％(24.7重量％)。已知PCD材料的组合物的线性热膨胀系数是4.4ppmoK-1。
两层硬质金属基体由粘结有钴的碳化钨制成。图14中的基体的基部1303处的层的长度为8mm，钴含量为14重量％(22.2体积％)。该级别的硬质金属的线性热膨胀系数是6.01ppmoK-1。图14中将该层与屏障材料的薄层和PCD材料体积分离的层1304的厚度为2mm并且钴含量为6重量％(10.1体积％)。该级别的硬质金属的线性热膨胀系数是5.09ppmoK-1。
注意的是，对于这些体，PCD材料的线性热膨胀系数在远离点朝向将PCD材料体积和粘结的硬质金属基体分离的界面屏障层的大致方向上增大，其中点是在使用中最初压在岩石上的功能工作体积的部分，而硬质金属基体的线性热膨胀系数在远离体的基部的中心点朝将PCD材料体积和粘结的硬质金属基体分离的界面屏障层的大致方向上减小。
用于金属在这种情况下是钴的前体化合物通过使用可溶性反应物之间的反应同时将金刚石粉末悬浮在水中被沉淀、成核和生长在金刚石颗粒的表面上。在从悬浮液去除、干燥和随后的在还原环境中热处理之后，金刚石颗粒表面被修饰在纯金属颗粒中，从而保证混合金刚石和金属组分的非常高程度的均匀性。
用于第一PCD层的材料的原料块使用下列工序步骤生产。
将100g金刚石粉末悬浮在2.5升去离子水中。金刚石粉末由5种单独的单峰金刚石级分组成，每个平均颗粒尺寸不同。因此，金刚石粉末被认为是多峰的。100g的金刚石粉末如下制作：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。该多峰颗粒尺寸分布从约1微米延续至约30微米。
金刚石粉末通过事先酸清洗和去离子水洗涤已经被赋予亲水性。在剧烈搅拌悬浮液的同时向悬浮液中缓慢加入硝酸钴的水溶液和碳酸钠的单独水溶液。硝酸钴溶液通过将93g的硝酸钴六水合物晶体Co(NO3)2·6H2O溶解于200ml的去离子水中制成。碳酸钠溶液通过将33.9g的纯无水碳酸钠Na2CO3溶解于200ml的去离子水中制成。硝酸钴和碳酸钠按照下述方程在溶液中反应，沉淀碳酸钴CoCO3，
在悬浮金刚石粉末颗粒的存在下，利用其亲水表面化学，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采取修饰金刚石颗粒表面的晶须状晶体的形式。反应的硝酸钠产物通过几个周期的倾析和去离子水洗涤去除。最后，粉末用在纯乙醇中洗涤，通过倾析去除乙醇，并在60℃时在真空下干燥。
然后，将干燥的粉末置于带有约5mm深度的松散粉末的氧化铝陶瓷舟皿中并且在含5％氢气的氩气流动流中加热。炉的最高温度为750℃，保温2小时，然后冷却到室温。这种炉处理将碳酸钴前体离解并且还原以形成纯钴颗粒，固体溶液中的一些碳修饰金刚石颗粒的表面。以这种方式保证钴颗粒总是小于金刚石颗粒，而且钴均匀分布。参照文献中的标准钴碳相图选择热处理条件。在750℃可看出，钴中碳的固溶度低。在这些条件下，非晶非金刚石碳在此温度下的形成率低，但是在最终金刚石-金属颗粒物块中能检测到微量的非金刚石碳。带有修饰金刚石颗粒表面的总的15.4重量％的钴金属的多峰金刚石颗粒的合成粉末块具有暗淡的浅灰色外观。用于第一PCD材料层的这种粉末原料块在干燥氮气下被存储在气密容器中以防止修饰金刚石表面的细钴氧化。
用于第二PCD层的材料的原料块使用下列工序步骤生产。
将100g金刚石粉末悬浮在2.5升去离子水中。金刚石粉末由3种单独的单峰金刚石级分组成，每个平均颗粒尺寸不同。因此，金刚石粉末被认为是多峰的。100g的金刚石粉末如下制作：18g平均颗粒尺寸4微米、70g平均颗粒尺寸6微米和12g平均颗粒尺寸12微米。多峰颗粒尺寸分布从约1微米延续至约20微米。
除硝酸钴溶液通过将160g的硝酸钴六水合物晶体Co(NO3)2·6H2O溶解于200ml的去离子水中制成之外，然后进行与用于第一PCD材料层的原料块的顺序步骤相同的顺序步骤以将用于钴金属的碳酸钴前体沉淀到金刚石颗粒的表面上。碳酸钠溶液通过将60g的纯无水碳酸钠Na2CO3溶解于200ml的去离子水中制成。带有修饰金刚石颗粒表面的总的24.7重量％的钴金属的多峰金刚石颗粒的合成粉末块在干燥氮气下被存储在气密容器中以防止修饰金刚石表面的细钴氧化。
对于每个岩石去除体，所谓的生坯组件使用薄壁钽罐构建。图15示意性地说明生坯组件的定性和几何布置，附图不是按比例绘制的。
用于第一PCD材料层1501的2.3g原料颗粒块在单轴硬质金属压制模具中被预压实至钽罐1503中以在罐的底部形成半致密直立柱形层。然后将用于第二PCD材料层1502的2.8g原料颗粒块预压实并且放置在罐1503中。
然后将2.0mm厚的6重量％(10.1体积％)的碳化钨钴硬质金属盘1504插入至钽罐的底部1506中，随后是8.5mm厚的14重量％(22.2体积％)的碳化钨钴硬质金属盘1505。这两个硬质金属盘一起形成基体。然后，基体的包含钽的端被插入至含金刚石块的罐1503的敞开端，使得罐的端壁1506将金刚石块和基体分离并且进一步单轴压实以形成组件。在罐的敞开端适当修整后，组件被插入直径略大的第三罐1507中、使用本领域中熟知的工序真空脱气并且在真空下密封。为进一步巩固更高的生坯密度并且消除或根本上降低空间密度变化，然后在200MPa的压力下对罐组件进行冷等静压成型过程。以这种方式生产一些所谓的生坯组件。
注意的是，罐的端壁1506将会形成PCD材料体积和硬质金属基体的金刚石颗粒块分离。这种约50微米厚的钽端壁的薄层在高压和高温下金刚石PCD层的烧结期间充当对基体的熔融粘结钴和PCD材料层的熔融钴的屏障。以这种方式，PCD材料体积的金属组分和硬质金属基体的粘结金属彼此独立、独立地衍生并且在高压高温制造过程期间不相互作用。在PCD材料体积的高压烧结之后，现存的部分渗碳的钽层将PCD材料体积与基体分离。
为了通过金刚石的部分再结晶烧结PCD材料体积的金刚石颗粒，然后每个生坯组件被放置在如本领域中已经认可的适用于高压高温处理的可压实的陶瓷、盐组分的组件中。直接包围包封的生坯的材料由诸如氯化钠的剪切强度非常低的材料制成。这提供经受接近静水条件的压力的生坯。以这种方式，可减轻生坯的压力梯度引起的扭曲。
然后，使用如本领域中已经认可的带式高压设备将生坯罐组件经受6GPa的压力和约1560℃的温度1小时。在高压高温过程的结束阶段期间，温度在几分钟内缓慢降低至约750℃，保持在该值，然后将压力降低至环境条件。然后在从高压设备提取之前，将高压组件冷却至环境条件。该过程在高压高温处理的结束阶段期间被认为使周围盐介质在压力去除期间保持在塑性状态，从而防止或抑制剪切力压在现烧结的PCD体上。
然后，通过如本领域已经认可的诸如细金刚石研磨和抛光的精加工工序得到直径为16mm、长度为16mm的完全致密、直立的柱体。带有两层不同PCD材料和两层不同碳化钨/钴硬质金属基体、由图14表示的实施例的一些示例以这种方式制备、在实验室岩石去除实验中很好地执行并且未显示显著的碎裂和散裂行为。
示例2
使用牙轮钻头设计和技术制作用于地下凿岩的岩石去除体，其对应于在图10d中说明的示例。每个体包括带有形成通常凸形表面具体地半球体的一端的直立圆形柱体，PCD材料体积从半球体的尖端1001延伸。硬质金属基体被设置在体的相对柱形端。该基体由具有12.75重量％钴的钴粘结的碳化钨硬质金属制成。PCD材料体积通过图10d中的线1003指示、厚度为50微米的部分渗碳的钽界面层与粘结的柱形硬质金属基体分离并且结合至粘结的柱形硬质金属基体。该层在制造期间充当屏障并且防止硬质金属基体的熔融粘结金属和PCD材料体积的熔融金属相互作用。体的柱形部分的直径被加工成16mm。每个体的总长度如从尖端1001沿体的轴线至圆形基部的中央测量是27mm。PCD材料体积的长度如从尖端1001至轴线1002与界面层1003的交叉点测量是16mm。碳化钨/钴基体的长度接近11mm。
PCD材料体积由平均晶粒尺寸接近10微米的多峰PCD材料制成，晶粒尺寸分布从约1微米延续至30微米。在本上下文中的术语多峰是指通过将平均颗粒尺寸分布不同的5种单独的粉末结合生产的起始金刚石粉末。每个由在颗粒尺寸分布上具有单一最大值的5种组分金刚石粉末制成，因此每一组分是单峰。作为用于金刚石的部分再结晶的催化剂溶剂使用的金属是钴，从而产生合成PCD材料的互穿网络是高含碳钴。PCD材料的钴含量是9体积％(20质量％)。
用于金属在这种情况下是钴的前体化合物通过使用可溶性反应物之间的反应同时将金刚石粉末悬浮在水中被沉淀、成核和生长在金刚石颗粒的表面上。在从悬浮液去除、干燥和随后的在还原环境中热处理之后，金刚石颗粒表面被修饰在纯金属颗粒中，从而保证混合金刚石和金属组分的非常高程度的均匀性。
用于该示例的方法的工序连续步骤如下。
将100g金刚石粉末悬浮在2.5升去离子水中。金刚石粉末由5种单独的单峰金刚石级分组成，每个平均颗粒尺寸不同。因此，金刚石粉末被认为是多峰的。100g的金刚石粉末如下制作：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。该多峰颗粒尺寸分布从约1微米延续至约30微米。
金刚石粉末通过事先酸清洗和去离子水洗涤已经被赋予亲水性。在剧烈搅拌悬浮液的同时向悬浮液中缓慢加入硝酸钴的水溶液和碳酸钠的单独水溶液。硝酸钴溶液通过将125g的硝酸钴六水合物晶体Co(NO3)2·6H2O溶解于200ml的去离子水中制成。碳酸钠溶液通过将45.5g的纯无水碳酸钠Na2CO3溶解于200ml的去离子水中制成。硝酸钴和碳酸钠按照下述方程在溶液中反应，沉淀碳酸钴CoCO3，
在悬浮金刚石粉末颗粒的存在下，利用其亲水表面化学，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采取修饰金刚石颗粒表面的晶须状晶体的形式。反应的硝酸钠产物通过几个周期的倾析和去离子水洗涤去除。最后，粉末用纯乙醇洗涤，通过倾析去除乙醇，并在60℃时在真空下干燥。
然后，将干燥的粉末置于带有约5mm深度的松散粉末的氧化铝陶瓷舟皿中并且在含5％氢气的氩气流动流中加热。炉的最高温度为750℃，保温2小时，然后冷却到室温。这种炉处理将碳酸钴前体离解并且还原以形成纯钴颗粒，固体溶液中的一些碳修饰金刚石颗粒的表面。以这种方式保证钴颗粒总是小于金刚石颗粒，而且钴均匀分布。参照文献中的标准钴碳相图选择热处理条件。在750℃可看出，钴中碳的固溶度低。在这些条件下，非晶非金刚石碳在此温度下的形成率低，但是在最终金刚石-金属颗粒物块中能检测到微量的非金刚石碳。带有修饰金刚石颗粒表面的总的20重量％的钴金属的多峰金刚石颗粒的所得合成粉末块具有暗淡的浅灰色外观。粉末块在干燥氮气下被存储在气密容器中以防止修饰金刚石表面的细钴氧化。
对于每个岩石去除体，11.4g原料颗粒块然后在单轴硬质金属压制模具中被预压实至半球体端钽罐中以形成半致密半球体端直立柱体。用于每个体的12.75重量％钴碳化钨柱形基体被插入壁厚为50微米的钽罐中。然后，基体的包含钽的端被插入含金刚石块的罐的敞开端使得罐的端壁将金刚石块和基体分离，并且进一步单轴压实以形成组件。在罐的敞开端适当修整后，组件被插入直径略大的第三罐中、使用本领域中熟知的工序真空脱气并且在真空下密封。为进一步巩固更高的生坯密度并且消除或根本上降低空间密度变化，然后在200MPa的压力下对罐组件进行冷等静压成型过程。以这种方式生产一些所谓的生坯组件。
然后每个生坯组件被放置在如本领域中已经认可的适用于高压高温处理的可压实的陶瓷、盐组分的组件中。直接包围包封的生坯的材料由诸如氯化钠的剪切强度非常低的材料制成。这提供经受接近静水条件的压力的生坯。以这种方式，可减轻生坯的压力梯度引起的扭曲。
然后，使用如本领域中已经认可的带式高压设备将生坯罐组件经受6GPa的压力和约1560℃的温度1小时。在高压高温过程的结束阶段期间，温度在几分钟内缓慢降低至约750℃，保持在该值，然后将压力降低至环境条件。然后在从高压设备提取之前，将高压组件冷却至环境条件。该过程在高压高温处理的结束阶段期间被认为使周围盐介质在压力去除期间保持在塑性状态，从而防止或抑制剪切力压在现烧结的PCD体上。
然后，通过如本领域已经认可的诸如细金刚石研磨和抛光的精加工工序制成直径为16mm、长度为27mm的完全致密、半球形端的直立的柱体。
总之，包括它们所需的金属不源于基体材料的多晶体的一个或多个示例可由均匀性高、仅受本领域熟知并且目前可用的高压和高温设备的设计和级别限制的约150mm或更大的可能最大尺寸的PCD体形成。另外，在该示例中开发的PCD材料可包括诸如均在图5的带501之外的金属含量低的细晶PCD、金属含量高的粗晶PCD的使用常规PCD制造不能获得的PCD材料组合物。并且，在示例中帮助金刚石颗粒烧结的高度特异合金组合物的范围和精度可被显著扩展在常规可获得的范围和准确度之外，后者主要局限于烧结的硬质金属基体的粘结金属。潜在的有益结果可能是PCD体在大于PCD材料的平均晶粒尺寸的10倍的级别可在宏观上无残余应力，其中最大晶粒尺寸不超过平均晶粒尺寸的3倍。这将这种PCD体与被附接至大基体的常规现有技术PCD体区分，其中，因为在制造期间返回至室条件时膨胀和收缩不同，大的、显著的残余应力分布可出现在整个体的PCD体积和基体体积中。涉及压缩区域和拉伸区域的这些大的残余应力分布在凿岩应用中被教导为寿命确定方面。因此，示例的PCD体可在凿岩应用中帮助提高包括这种PCD体的刀具的寿命。
示例中的岩石去除体可保持简单直立柱体的常规整体形状并且也可保持通过粘结的硬质金属基体将这些柱体钎焊至刀具的壳体中的已经认可的惯例和实践，其中柱体被插入刀具中。因此，示例中的一些可提供用于开发但是带有在PCD材料制造过程期间附接的基体的夹杂物的独立式PCD体的主要优点的手段。以这种方式，钻头和壳体的标准的非常认可的设计连同与钎焊有关的附接过程可被开发并且可不需要这方面的变型和重新设计。因此，一些示例涉及制作通常直立柱形形状的岩石去除体的手段，其中在制造工序期间，利用制作独立式PCD体的工序的属性，但是通常硬质金属材料的基体在原位被附接。
虽然已经参照一些示例描述了各种实施例，但是本领域技术人员将理解的是，可进行各种改变，等同物可用于替代其元件，而这些示例并不旨在限制公开的特定实施例。
参考文献
1.ScottDE,SkeemMR，“Diamondenhancedshearcuttingelementsonrollerconebits(牙轮钻头的金刚石增强的剪切切削元件)”，FinerPoints2002pp25-29Fall-WinterandProcEngineeringTechnologyConfonEnergy,休斯顿，德克萨斯州，2001年卷A，第121-135页。
2.布里奇曼(Bridgman),PW，1935，物理评论，第48卷，第825-832页。
Claims (30)
1.一种用于刮刀钻头凿岩应用的岩石去除体，其包括沿界面被结合至粘结的硬质金属基体的多晶金刚石(PCD)材料体积；其中：
a、所述体具有总体体体积并且是具有圆周边缘和筒部的直立圆形柱体形状，所述PCD材料体积被轴向不对称地设置在所述体的一端处；
b、所述PCD材料体积具有从所述圆周边缘轴向沿所述筒部的表面约3mm或更大的厚度和功能工作体积，所述功能工作体积是在所述岩石去除体的使用寿命期间在使用中逐渐被磨损以形成最终磨损表面的PCD材料的体积，所述功能工作体积具有最大程度使得所述最终磨损表面与所述PCD材料体积和所述基体的界面不相交；
c、将所述多晶金刚石材料体积结合至所述粘结的硬质金属基体的所述界面，其基体包括来源于难熔材料的第三材料的层，所述第三材料是在所述岩石去除体的形成期间所述基体的熔融的结合材料和所述PCD材料体积的熔融的催化剂溶剂烧结助剂的金属扩散阻挡屏障材料；
d、所述PCD材料体积包括具有平均金刚石晶粒尺寸、形成金刚石网络的多个相互结合的金刚石晶粒和形成金属网络的金属组分，和所述基体包括粘结金属，彼此独立、独立地衍生的所述金属组分和所述粘结金属在高压高温的制造过程期间无相互作用、通过测量可区分并且被预先选择为关于它们的合金组成不同；
e、所述PCD材料至少包含所述功能工作体积并且均匀，因为所述PCD材料在空间上恒定并且关于金刚石网络与金属网络的体积比不变，其中均匀性在大于所述平均金刚石晶粒尺寸的10倍的级别下测量，所述金刚石网络中的最大金刚石晶粒尺寸小于所述平均金刚石晶粒尺寸的3倍。
2.根据权利要求1所述的岩石去除体，其中所述PCD材料体积具有厚度并且所述基体具有沿所述筒部的长度，其中PCD厚度与在沿所述柱体的筒部测量的基体长度之比总是小于1.0，和在所述岩石去除体中的PCD材料的体积小于所述总体体体积的约50％。
3.根据权利要求2所述的岩石去除体，其中所述体具有由所述基体的自由表面形成的基部，且其中所述PCD材料体积是厚度约为3mm或更大的柱形层，形成所述PCD材料体积和所述基体之间的所述界面的所述第三材料的薄层具有厚度，其中形成所述界面的薄层和所述基体的长度的组合厚度是约8mm或更大，形成所述界面的所述薄层基本上平坦、基本上平面并且基本上平行于所述体的所述基部。
4.根据权利要求3所述的岩石去除体，其中所述体具有在约12mm-约20mm的范围内的直径，且所述体具有沿所述筒部测量的在约11mm-约20mm的范围内的整体长度。
5.根据权利要求1-4中的任一项所述的岩石去除体，其中至少包含所述功能工作体积的所述PCD材料的平均晶粒尺寸小于约10微米，金属含量的范围在约5体积％至约9体积％内。
6.一种用于牙轮钻头凿岩应用的岩石去除体，其包括沿界面被结合至粘结的硬质金属基体的多晶金刚石(PCD)材料体积；其中：
a、所述体包括具有相关半径的直立圆形柱体部，所述柱体部的一端形成通常凸形的弯曲表面或具有尖端的表面或一端形成通常凿子形状，其中两个或多个平坦表面汇合形成尖端，所述PCD材料体积从所述尖端延伸并且邻接所述尖端被轴向不对称地设置，所述粘结的硬质金属基体被设置在所述柱体的相对端处；
b、所述PCD材料体积具有在所述体的柱体部的轴向方向上从所述尖端至与所述基体的所述界面的等于或大于所述体的柱体部的半径的厚度，所述PCD材料体积进一步包括功能工作体积，所述功能工作体积是在所述岩石去除体的使用寿命期间在使用中逐渐被磨损以形成最终磨损表面的PCD材料的体积，所述功能工作体积具有最大程度使得所述功能工作体积的最大程度小于所述PCD材料体积的厚度；所述功能工作体积从所述尖端在轴向方向上延伸；
c、将所述PCD材料体积结合至所述基体的所述界面包括来源于难熔材料的第三材料的薄层，所述第三材料是在所述岩石去除体的形成期间所述基体的熔融的结合材料和所述PCD材料体积的熔融的催化剂溶剂烧结助剂的金属扩散阻挡屏障材料；
d、所述PCD材料体积包括具有平均金刚石晶粒尺寸、形成金刚石网络的多个相互结合的金刚石晶粒和形成金属网络的金属组分，和所述基体包括粘结金属，彼此独立、独立地衍生的所述金属组分和所述粘结金属在高压高温的制造过程期间无相互作用、通过测量可区分并且被预先选择为关于它们的合金组成不同；
e、所述PCD材料至少包括所述功能工作体积并且均匀，因为所述PCD材料在空间上恒定并且关于金刚石网络与金属网络的体积比不变，其中均匀性在大于所述平均金刚石晶粒尺寸的10倍的级别下测量，所述金刚石网络中的最大金刚石晶粒尺寸小于所述平均金刚石晶粒尺寸的3倍。
7.根据权利要求6所述的岩石去除体，其中通常凸形的弯曲表面或包括所述尖端的表面是半球体形、扁长半球体形、扁圆半球体形或半球形中的任意一个，其中所述体包括肩部，所述肩部由延伸至所述通常凸形的弯曲表面中的所述筒部的出发线形成；并且其中形成所述PCD材料体积和所述基体之间的所述界面的所述第三材料的薄层在所述肩部下面与所述筒部相交。
8.根据权利要求7所述的岩石去除体，其中所述通常凸形的弯曲表面是半球形的，所述体的柱体部的半径约8mm。
9.根据权利要求6所述的岩石去除体，其中所述通常凸形的弯曲表面是具有圆形尖端的锥体，其中所述圆形尖端具有相关半径，所述圆形尖端的半径在所述体的柱体部的半径的约1/4-约1/2之间，其中所述体包括由延伸至所述通常凸形的弯曲表面中的所述筒部的出发线形成的肩部；其中形成所述PCD材料体积和所述基体之间的所述界面的所述第三材料的薄层在所述肩部下方于所述筒部相交。
10.根据权利要求9所述的岩石去除体，其中所述体的一端形成凿子形状，其包括带有圆形尖端的锥形表面，其由在所述圆形尖端汇合的两个对称倾斜平坦表面修饰，其中所述体包括由延伸至所述通常凸形的弯曲表面中的所述筒部的出发线形成的肩部；其中形成所述PCD材料体积和所述基体之间的所述界面的所述第三材料的薄层在所述肩部下方于所述筒部相交。
11.根据权利要求6-10中的任一项所述的岩石去除体，其中所述PCD材料体积的体积大于所述基体的体积。
12.根据权利要求11所述的岩石去除体，其中所述基体具有相关的半径和作为所述基体形成的所述筒部的长度测量的厚度，所述基体的长度大于所述基体的半径。
13.根据权利要求6-12中的任一项所述的岩石去除体，其中所述PCD材料体积的平均金刚石晶粒尺寸在约1微米-约30微米的范围内；其中所述PCD材料的横向断裂强度大于如使用三点弯曲实验测量的1200Mpa。
14.根据权利要求13所述的岩石去除体，其中所述PCD材料体积的平均金刚石晶粒尺寸大于约10微米。
15.根据权利要求1-14中的任一项所述的岩石去除体，其中形成所述PCD材料体积和所述基体之间的所述界面的所述第三材料的薄层包括厚度在约20微米-约100微米之间的部分渗碳的难熔金属层，所述部分渗碳的难熔金属层包括钽、钒、钼、锆、钨及其合金中的任何一种或多种。
16.根据权利要求15所述的岩石去除体，其中形成所述PCD材料体积和所述基体之间的所述界面的所述第三材料的薄层包括部分渗碳的钽层。
17.根据权利要求1-14中的任一项所述的岩石去除体，其中形成所述PCD材料体积和所述基体之间的所述界面的所述第三材料的薄层包括厚度大于约3微米的PVD或CVD沉积的连续陶瓷层，所述第三材料的薄层包括周期表的IVa、Va和/或VIa族中的元素的氮化物中的一种或多种。
18.根据权利要求17所述的岩石去除体，其中所述第三材料的薄层包括氮化钛。
19.根据权利要求1-18中的任一项所述的岩石去除体，其中所述PCD材料的所述金属网络包括具有平均钴含量的钴碳合金；其中所述基体的所述粘结金属包括具有相关的平均钴含量的钴-钨-碳合金；所述PCD材料体积的平均钴含量小于约9体积％(约20重量％)，所述基体的平均钴含量小于约16.3体积％(约10重量％)。
20.根据权利要求1-19中的任一项所述的岩石去除体，其中所述PCD材料体积具有在远离点朝形成所述PCD材料体积和所述基体之间的所述界面的所述第三材料的薄层的大致方向上增大的线性热膨胀系数，其中所述点是在使用中最初压在所述岩石上的所述功能工作体积的部分。
21.根据权利要求20所述的岩石去除体，其中形成所述PCD材料体积的所述金属网络的金属横跨所述PCD材料体积的尺寸关于金属类型或合金不变；其中所述PCD材料的所述金属含量在远离点朝形成所述PCD材料体积和所述基体之间的所述界面的所述第三材料的薄层的大致方向上增大，其中所述点是在使用中最初压在所述岩石上的所述功能工作体积的部分。
22.根据权利要求21所述的岩石去除体，其中所述PCD材料体积包括两层或多层不同PCD材料，最低线性热膨胀系数和金属含量的第一层从所述PCD材料体积的自由表面延伸并且包括所述功能工作体积，较高线性热膨胀系数和金属含量的第二层或后续层将所述第一层与形成所述PCD材料体积和所述基体之间的所述界面的所述薄层分离。
23.根据权利要求1-22中的任一项所述的岩石去除体，其中所述体具有由所述基体的自由表面形成的基部；其中所述基体具有远离所述体的基部的中心点朝形成所述PCD材料体积和所述基体之间的所述界面的所述薄层减小的相关线性热膨胀系数。
24.根据权利要求23所述的岩石去除体，其中所述基体包括粘结金属材料和硬质化合物，所述粘结金属材料和所述硬质化合物关于金属类型和分子组成不变，粘结金属的量在远离所述体的基部的中心点朝形成所述PCD材料体积和所述基体之间的所述界面的所述第三材料的薄层的方向上减小。
25.根据权利要求24所述的岩石去除体，其中所述基体包括两层或多层不同硬质金属材料，最高线性热膨胀系数和金属含量的第一层从形成所述体的基部的所述基体的自由表面延伸，较低线性热膨胀系数和金属含量的第二层或后续层将所述第一层与形成所述PCD材料体积和所述基体之间的所述界面的所述薄层分离。
26.根据权利要求20-25中的任一项所述的岩石去除体，其中所述PCD材料体积在组成和结构方面被分级使得所述PCD材料的线性热膨胀系数在远离是所述功能工作体积的部分的点朝所述界面的方向上增大，所述基体的线性热膨胀系数在远离所述体的基部的中心点朝所述界面的方向上减小。
27.根据权利要求20-26中的任一项所述的岩石去除体，其中所述PCD材料体积中的所述金属网络包括钴-碳合金，所述基体包括碳化钨钴。
28.根据权利要求1-27中的任一项所述的岩石去除体，其中形成所述界面的薄层基本上平坦并且基本上平行于所述体的基部。
29.根据权利要求1-27中的任一项所述的岩石去除体，其中形成所述界面的薄层基本上非平面并且基本上相对于所述PCD材料体积呈凸状。
30.一种基本上如以上参照附图的图6-图15中说明的实施例中的任何一个实施例描述的岩石去除体。
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