CN106068360A - 超硬构件及其制造方法 - Google Patents

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Abstract

一种超硬构件(1)，其包括基底(30)和形成于所述基底上的超硬材料层(32)。所述基底的界面表面(38)或所述超硬材料层的界面表面中的一个包括：多个间隔开的凸起(44,46)，所述凸起(44)被排列在围绕所述中心纵轴的环形的不连续第一阵列中，并且与所述基底的外围表面(40)以约1mm‑约1.5mm的距离隔开。环形的不连续第二阵列中的凸起(46)径向放置在所述第一阵列中。所述第二阵列中的凸起与所述第一阵列中的凸起之间的空隙径向对齐放置，所述凸起之间的界面表面是基本上平的；并且所述第一阵列中的凸起高于所述第二阵列中的凸起。

Description

超硬构件及其制造方法
技术领域
本发明涉及超硬构件(construction)及其制造方法，特别是但并非唯一地涉及构件，其包括连接到基底的多晶金刚石(PCD)结构，且其作为切削嵌件或钻地钻头元件使用。
背景技术
多晶超硬材料，如多晶金刚石(PCD)和多晶立方氮化硼(PCBN)可应用于许多工具中，用于切削、机加工、钻孔或破碎硬质材料或研磨材料，如岩石、金属、陶瓷、复合材料和含木材料。具体地，包含PCD材料的切削元件形式的工具嵌件广泛应用于钻地以抽提油或气的钻头。超硬工具嵌件的工作业寿命受限于超硬材料的断裂，包括由于剥落和碎裂，或者工具嵌件的磨损。
切削元件如用于岩石钻头或其他切削工具的那些切削元件通常具有基底形式的主体，其具有界面端/表面；以及超硬材料，其形成切削层，并通过例如烧结过程键合于所述基底的界面表面。所述基底通常由碳化钨钴合金形成，有时被称为烧结碳化钨；并且所述超硬材料层通常是多晶金刚石(PCD)、多晶立方氮化硼(PCBN)或热稳定产品TSP材料如热稳定的多晶金刚石。
多晶金刚石(PCD)是超硬材料(也称为超硬磨料)的示例，其包含大量的实质上交互生长的金刚石颗粒，形成限定金刚石颗粒之间的间隙的骨架块。PCD材料典型的包含至少约80体积％的金刚石且通常将金刚石颗粒的聚集块经受例如高于约5GPa的超高压和至少约1200℃的温度来制造。完全或部分填充间隙的材料可称为填充剂或粘合剂材料。
PCD典型在烧结助剂如钴的存在下形成，所述烧结助剂可促进金刚石颗粒的交互生长。对于PCD适合的烧结助剂也通常称为金刚石的溶剂-催化剂材料，这是由于其在一定程度上溶解金刚石和催化其再沉淀的功能。金刚石的溶剂-催化剂可理解为这样的材料，其能够在金刚石热力学稳定的温度和压力条件下促进金刚石生长或在金刚石晶粒之间的直接金刚石对金刚石(diamond-to-diamond)交互生长。因此，烧结PCD产物中的间隙可完全或部分以残余溶剂-催化剂材料填充。更典型的，PCD通常形成于渗钴的碳化钨基底上，其为PCD提供钴溶剂-催化剂来源。没有促进金刚石晶粒之间明显连贯交互生长的材料可自身与金刚石晶粒形成强的键接，但不是PCD烧结的适合的溶剂-催化剂。
可用于形成适合基底的烧结碳化钨由碳化物颗粒形成，其通过混合碳化钨粒子/颗粒和钴然后加热凝固而分散于钴基质中。为了形成具有超硬材料层如PCD或PCBN的切削元件，将金刚石粒子或颗粒或者CBN颗粒与烧结碳化钨主体相邻放置在难熔的金属外壳如铌外壳中，并且经受高压和高温使得金刚石颗粒或者CBN颗粒之间发生颗粒间键接，形成多晶超硬金刚石或多晶CBN层。
在某些情况下，基底可在连接到超硬材料层前完全固化，但在其他情况下，所述基底可以是生坯(green)，即没有固化完全。在后者的情况下，所述基底可在HTHP烧结过程中完全固化。基底可以为粉末形态，且可以在用于烧结超硬材料层的烧结过程中凝固。
钴具有与金刚石显著不同的热膨胀系数，且由此在使用中加热多晶金刚石材料时，PCD材料所连接的基底中的钴膨胀且可使得PCD材料中形成裂纹，导致所述PCD层的劣化。
为了减少基底和超硬层之间界面上产生的残余应力，基底上的界面表面已知为以多个从平面的界面表面上突起的同心环形圈形成。由于基底和超硬材料层的热膨胀系数不同，当切削元件在HTHP烧结后冷却时这些层以不同的速率收缩。所述圈的上表面上形成拉伸应力区域，而压缩应力区域形成于环之间的斜沟上/内。结果，使用时当裂纹开始生长，其可以沿着遭受拉伸应力的所述环形圈的整个上表面环状生长，或可以沿着遭受压缩应力的凸起环之间的整个环形斜沟生长，导致切削元件的早期破坏。
还已知，切削元件基底界面包括多个间隔开的凸起，所述凸起具有相对平坦的从平面的界面表面上突起的上表面。
影响切削元件的普遍问题有超硬材料层的切削、散裂、部分压裂和开裂。其他的问题为沿着超硬材料层和基底之间的界面开裂，以及沿界面表面裂纹的增长。这些问题可导致超硬材料层的早期破坏以及切削原件更短的工作寿命。因此，需要具有高磨损或高冲击应用中更长工作寿命的切削元件，例如用超硬材料层钻穿岩石，其中减少或控制其开裂、碎裂和压裂的可能性。
发明内容
在第一方面，本发明提供一种超硬构件，其包括：
基底，其包括外围表面、界面表面和纵轴；以及
超硬材料层，其形成于所述基底上，且具有暴露的外表面、从其延伸的外围表面和界面表面；
其中所述基底的界面表面或所述超硬材料层的界面表面中的一个包括：
多个间隔的凸起，其被排列为从所述界面表面突起；所述凸起被排列在围绕所述中心纵轴的基本上环形的不连续第一阵列中，并且与所述基底的外围表面以约1mm-约1.5mm的距离隔开，以及基本上环形的不连续第二阵列中的凸起径向在所述第一阵列中；
所述第二阵列中的凸起与所述第一阵列中的凸起之间的空隙径向对齐放置；
所述凸起之间的界面表面是基本上平的；且
其中所述第一阵列中的凸起高于所述第二阵列中的凸起。
在第二方面，本发明提供一种钻地钻头，其包括具有安装于其上的上述超硬构件作为切削元件的主体。
附图说明
通过示例描述非限制性实施方案，且参考如下附图：
图1为从上方观察的切削元件的实施方案的透视图，其显示基底的剖视图特征；
图2a为图1的切削元件的基底的透视图；
图2b为图2a的基底的平面图；以及
图2c为基底沿图2b所示A-A轴的截面图。
具体实施方式
在本文所述的实施方案中，当描述在基底表面上形成凸起或凹陷时，应理解为，其可以形成于与基底界面表面交接的超硬材料层的表面上，并且在所述基底上形成相反的特征。另外，应理解所述界面表面的反面或反转形成于与基底交接的超硬材料层上，使得两个界面可以形成匹配。
本文所用的“超硬材料”指具有至少约28GPa维氏硬度的材料。超硬材料的实例有金刚石和立方氮化硼(cBN)材料。
本文所用的“超硬构件”指包括多晶超硬材料的主体和与其连接的基底的构件。
本文所用的多晶金刚石(PCD)是一类多晶超硬材料(PCS)材料，其包含大量金刚石晶粒，其主要部分直接相互键合且其中金刚石的含量为所述材料的至少约80体积百分数。在PCD材料的一个实施方案中，金刚石晶粒之间的间隙可至少部分用包含金刚石的催化剂的粘合剂材料填充。本文所用的“间隙”或“间隙区域”指PCD材料的金刚石颗粒之间的区域。在PCD材料的实施方案中，间隙或间隙区域可基本上或部分用金刚石以外的材料填充，或者它们可以是基本上空的。PCD材料可包括至少一个催化材料从间隙去除的区域，留下金刚石颗粒的间隙空间。
本文所用的PCBN(多晶立方氮化硼)材料指一类超硬材料，其包含立方氮化硼(cBN)的颗粒，所述颗粒分散于包含金属或陶瓷的基质中。超硬材料的实例有PCBN。
超硬材料的“催化剂材料”能够促进所述超硬材料的生长或烧结。
本文所用的术语“基底”指超硬材料层可形成于其上的任何基底。例如，本文所用的“基底”可以是在另一基底上的形成的过渡层。另外，本文所用的术语“径向”和“圆周”等不意味着将描述的特征限制为正圆。
附图中所示的超硬构件1可适合用作例如用于钻地钻头的切削嵌件。
类似的参考数字用于标识所有附图中类似的特征。
在图1所述实施方案中，切削元件1包括基底30，其具有形成于基底30上的超硬材料层32。基底可以由硬材料如烧结碳化钨形成。超硬材料可以是例如多晶金刚石(PCD)、多晶立方氮化硼(PCBN)或热稳定性产物如热稳定PCD(TSP)。可以将削切元件1装入钻头体例如刮刀钻头体(未显示)。与基底相反的超硬材料的外露的顶端表面形成切削面34，所述切削面是沿着其刀刃36在使用中进行切削的表面。
在基底30的一端为界面表面38，其与附着在该界面表面的超硬材料层32在该界面表面相接。基底30通常为圆柱体，且具有外围表面40和外围顶部刀刃41。
在图1和图2a示出的实施方案中，界面表面38包括多个间隔开的凸起44以及基本上环形的不连续的第二或内部阵列的凸起46，凸起44被排列在基本上环形的不连续的第一阵列中，且与外围刀刃41以D的距离间隔开；凸起46径向在第一阵列44内。距离D的范围例如在约1mm-约1.5mm。
如图2a-2c所示，在这个实施方案中，将间隔开的凸起44、46排列在两个阵列中，其分布在围绕基底30的中心纵轴的两个基本上圆形的路径中。此外，虽然内部阵列的凸起46看起来更接近外部阵列44，而不是基底的中心纵轴，但是在其他实施方案中，内部阵列的凸起46可以更接近中心纵轴。
第二阵列中的凸起46的位置可与第一阵列中的凸起44之间的空隙径向对齐。凸起44、46和空隙可以是交错的，一个阵列中的凸起与下一个阵列中的空隙重叠。这种界面表面上交错或不对齐的三维特征分布可帮助分散压应力和张应力，和/且减小应力场大小，和/或通过阻止裂纹生长的连续路径来防止裂纹生长。
如图2a-2c所示，在这些实施方案中，例如凸起44、46之间的界面表面是基本上平面的且所有或大部分凸起44、46的形状使得所有或大部分凸起的表面并非基本上平行于超硬材料32的切削面34或基底的纵轴延伸的平面。
凸起44、46可以具有平滑的弯曲上表面或可以具有倾斜的上表面。在一些实施方案中，凸起44、46可以呈略微的梯形或锥形的形状，从其突起的最宽处接近界面表面。
据信这样的构型扰乱材料中“弹性”波的形成且使裂纹在界面处转向。
如图2a-2c所示，凸起44、46在各自基本上环形的阵列中/周围的间隔基本上相同，每个凸起44、46在给定的阵列中具有相同的尺寸。但凸起44、46可形成任何期望的形状，如上述所描述，且以均匀的或非均匀的方式相互分离以改变界面表面38上的应力场以形成基本上环形的同轴不连续圈。如图2a-2c的实施方案所示，外部阵列中的凸起44的尺寸大于内部阵列中的凸起的尺寸。
在图1和图2a-2c所示的实施方案中，外部阵列包括与内部阵列一样数目的凸起44，例如3个凸起。这使得切削元件1具有假轴对称，从而为在工具或钻头中放置刀具于要使用的位置提供自由度，因为其不要求特定的方向，且在该实施方案中，沿中轴通过的平面存在反射对称。将凸起44、46以这样的方式放置和成形：其抑制一个或多个连续路径，沿所述路径裂纹可穿过界面表面38增长。
凸起44、46的排列和形状及其之间的空隙可以影响切削元件1中的应力分布，且可以改进切削元件1对裂纹生长的抗性，尤其是裂纹沿界面表面38生长，例如通过防止裂纹生长穿过凸起44、46中、附近和上方的应力区或者使裂纹生长偏离凸起44、46中、附近和上方的应力区。
如图1的实施方案所示，基底30的中央纵轴周围区域中的超硬材料的深度可以基本上与超硬材料层32外围的超硬材料的深度相同。这可使得超硬材料的体积和面积暴露于使用中的工作表面，不会随着磨损的进展而显著减少，从而增加切削元件1的使用寿命。其也可在轴向有载荷的时候协助稳固(stiffen)切削元件1。此外，其可协助减少或基本上消除使用时形成的沟槽磨损。
在一个或多个上述实施方案中，界面表面38的凸起44、46可整体形成，同时基底通过使用适合形状的模具形成，模具内放置形成所述基底的材料的颗粒。可选择的，界面表面38的凸起44、46可在基底产生后或部分产生后通过创建方法产生，例如通过常规加工方法，如EDM或激光烧蚀。相似的方法可施用于超硬材料层32以产生相应形状的界面表面以与基底的界面表面形成匹配，或这样的匹配可以在超硬材料层的界面中产生，通过将超硬材料的颗粒放置在预形成的基底上，并使组合经受烧结过程，使得超硬材料层中的匹配界面在烧结过程中形成。
超硬材料层32可通过例如常规钎焊技术或采用常规高压和高温技术的烧结连接到基底。
如果在随后的加工中，或者经受更高温高压烧结过程，超硬材料层32有催化剂材料的部分或完全过滤，刀具产品包括具有上述界面特征的基底和超硬材料层的耐久性和/或其中的弹性应力波的减轻可进一步增强。可以进行过滤，同时超硬材料层32连接到基底，或例如通过从基底分离超硬材料层32，且过滤分离的超硬材料层32。在后一种情况中，在过滤开始后，超硬材料层32可经由钎焊技术或使用高压和高温技术的再烧结重新连接到基底。
尽管上文描述和示例了具体的实施方案，但是应理解可以进行各种改变和修饰。例如，本文所述的基底可以以示例的方式确定。应理解超硬材料可连接到除了碳化钨基底之外的其他碳化物基底，如由W、Ti、Mo、Nb、V、Hf、Ta和Cr的碳化物制成的基底。此外，尽管图1-2c所示的实施方案描述为，这些附图中包括具有尖锐边缘和角的PCD结构，但是实施方案可包括具有圆形、斜面或倒棱的边缘或角的PCD结构。这样的实施方案可减小内应力，且因此通过基底的界面或具有独特几何结构的超硬材料层来改进切削元件的抗开裂、抗碎裂和抗压裂性能，延长使用寿命。

Claims (14)

1.一种超硬构件，其包括：
基底，其包括外围表面、界面表面和纵轴；以及
超硬材料层，其形成于所述基底上，且具有暴露的外表面、从其延伸的外围表面和界面表面；
其中所述基底的界面表面或所述超硬材料层的界面表面中的一个包括：
多个间隔的凸起，其被排列为从所述界面表面突起；所述凸起被排列在围绕所述中心纵轴的基本上环形的不连续第一阵列中，并且与所述基底的外围表面以约1mm-约1.5mm的距离间隔开；以及基本上环形的不连续第二阵列中的凸起径向在所述第一阵列内；
所述第二阵列中的凸起与所述第一阵列中凸起之间的空隙径向对齐放置；
所述凸起之间的界面表面是基本上平的；且
其中所述第一阵列中的凸起高于所述第二阵列中的凸起。
2.权利要求1所述的超硬构件，其中所述第一和第二阵列与所述基底是基本上同轴的。
3.前述任一项权利要求所述的超硬构件，其中所述第一阵列包括与所述第二阵列基本上相同数量的凸起。
4.前述任一项权利要求所述的超硬构件，其中所述第一和第二阵列中的凸起彼此是交错的。
5.前述任一项权利要求所述的超硬构件，其中所有或大部分所述凸起的一个或多个表面在一个或多个平面中延伸，所述平面基本上不平行于所述超硬材料层的暴露的外表面的平面，和/或在一个或多个平面中延伸，所述平面基本上不平行于所述基底中央纵轴延伸穿过的平面。
6.前述任一项权利要求所述的超硬构件，其中所述基底的中央纵轴周围的超硬材料层的厚度与所述超硬材料层在外围表面处的厚度基本上相同。
7.前述任一项权利要求所述的超硬构件，其中所述超硬材料层包含多晶金刚石。
8.前述任一项权利要求所述的超硬构件，其中所述超硬层的暴露的外表面是基本上平面的。
9.前述任一项权利要求所述的超硬构件，其中所述基底的界面表面是所述超硬材料层的界面表面的反面或反转，从而两个界面表面形成匹配。
10.前述任一项权利要求所述的超硬构件，其中所述超硬构件是切削元件。
11.前述任一项权利要求所述的超硬构件，其中所述凸起被排列使得沿中轴通过的平面存在反射对称。
12.一种钻地钻头，其包括具有前述任一项权利要求所述的超硬构件安装于其上作为切削元件的主体。
13.一种形成权利要求1-11中任一项所述的超硬构件的方法。
14.一种超硬构件，其实质上如本文参照任一实施方案所述并参照附图中所示的实施方案所述。
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