CN116685702A - 凿岩机嵌件和用于制造凿岩机嵌件的方法 - Google Patents

Abstract

一种凿岩机嵌件(1)，该凿岩机嵌件(1)包括具有梢部部分(2a)和基部部分(2b)的基体(2)，其中，梢部部分(2a)包括粘合至基体(2)的多晶金刚石(PCD)结构(3)。基体(2)由包含至少5重量％的金属粘合剂的硬质合金形成。在距基体(2)的基部部分(2b)的表面(6)50μm的距离处，至少20体积％的金属粘合剂以六方密堆积(HCP)晶体形式存在。此外，公开了包括多个上述凿岩机嵌件(1)的钻头(30)以及用于制造凿岩机嵌件(1)的方法。

Description

凿岩机嵌件和用于制造凿岩机嵌件的方法

技术领域

本公开总体上涉及凿岩机嵌件。本公开总体上还涉及包括凿岩机嵌件的钻头。本公开总体上还涉及用于制造凿岩机嵌件的方法。

背景技术

例如用于采矿和建筑的钻孔可以通过钻机、钻杆和钻头进行。钻头通常由钢制成，并且通常在前部包括非常硬的嵌件。硬质嵌件用于穿透土壤并且保护钻头免受磨损。凿岩机嵌件通常可以由复合材料制成，该复合材料包括由金属粘合剂硬化的硬质碳化钨(WC)相的颗粒。硬质合金还可以包括少量添加的其他硬质碳化物相，比如TiC、NbC或TaC。金属粘合剂可以包括钴(Co)、镍(Ni)、铁(Fe)或其合金，比如Co-Ni合金或Ni-Fe合金。此外，在某些情况下，也可以向金属粘合剂中少量添加诸如V、Ta、Ti、Nb、Zr和B之类的元素。作为从WC中溶解的结果，金属粘合剂还可以包含一些由制造过程产生的W和/或C。这种复合材料通常被称为硬质合金、碳化钨或硬质金属。硬质合金通常通过粉末冶金工艺、包括高温液体烧结来制造。

为了增加上述常规硬质合金嵌件的耐磨性，基体的梢部表面(即，将首先与地面接触的表面)可以涂覆有甚至更硬的材料。这种嵌件的一个示例包括具有金刚石复合材料的坚硬表面的硬质合金基体。坚硬表面通常可以在一至几毫米厚的数量级，并且包括多晶金刚石(PCD)。坚硬表面通常由包括一层或更多层PCD的结构形成。一个或多个PCD层可以利用HPHT(高压高温)工艺设置在硬质合金基体的表面上。因此，一个或多个PCD层冶金粘合至基体。每层可以包括金刚石和至少一种金属、比如钴以及WC。在结构包括多于一个层的情况下，不同的层通常可以具有不同量的金刚石和金属。包含硬质合金基体和一个或更多个PCD层的嵌件通常被称为PCD嵌件，但有时也被称为PDC、多晶金刚石复合片或者TSP、热稳定PCD。先前已知的PCD嵌件通常包括硬质合金的基体，硬质合金包括约8体积％至12体积％的钴基粘合剂，其余部分基本上由WC组成。

在钻孔中使用的先前已知的PCD嵌件的一个主要限制是嵌件的脆性断裂。钻头中的一个或更多个嵌件的脆性失效可能会大大限制钻头的使用寿命并使钻孔过程停止。当使用PCD嵌件、特别是在冲击钻孔中使用PCD嵌件时，而且以及当利用旋转钻头和剪切切割器钻孔时，这种失效通常是主要问题。更换带有破损嵌件的钻头既费时又费钱，特别是在钻长孔、使用自动钻机或在危险环境中钻孔的情况下。

发明内容

本发明的目的是降低凿岩机嵌件脆性失效的风险，并且由此增加其使用寿命。

该目的通过一个或多个所附独立权利要求的主题来实现。

根据本公开，提供了一种包括具有梢部部分和基部部分的基体的凿岩机嵌件。多晶金刚石结构粘合至基体的梢部部分。基体由硬质合金形成，该硬质合金包含至少5重量％的金属粘合剂。在距基体的基部部分的表面50μm的距离处，至少20体积％的金属粘合剂以六方密堆积HCP晶体形式存在。

根据本公开的凿岩机嵌件与常规PCD嵌件相比具有韧性显著提高的基体基部部分。特别地，基部部分的表面韧性得到改善，从而降低了嵌件脆性失效的风险。这又使凿岩机嵌件的使用寿命更长，并且因此也使包括凿岩机嵌件的钻头的使用寿命更长。这又显著减少了用于更换钻头的不期望的停机时间的问题以及与这种停机时间和新钻头相关的成本。

更具体地，基体的基部部分的韧性至少部分地由于金属粘合剂相在距基体的基部部分的外表面相对较深的距离处包含大量HCP而得到改善。HCP晶体结构是在烧结硬质合金以及在硬质合金基体上形成PCD结构之后金属粘合剂从面心立方FCC晶体形式相变的结果。

金属粘合剂可以包含钴。优选地，金属粘合剂构成钴或者构成包含镍和/或铁的钴基合金。这种金属粘合剂适用于包括PCD结构的凿岩机嵌件，并且还可以实现向HCP的相变。

在距基体的基部部分的表面100μm的距离处，至少10体积％的金属粘合剂可以以六方密堆积晶体形式存在；优选地，其中，至少20体积％的金属粘合剂以六方密堆积HCP晶体形式存在。因此，基体的韧性被进一步提高，从而提高了凿岩机嵌件的韧性。

此外，在距基体的基部部分的表面50μm的距离处，至少10体积％的金属粘合剂可以以面心立方FCC晶体形式存在。因此，包括基体的所述基部部分的凿岩机嵌件可以具有适当的冲击韧性。

硬质合金可以包含至少8重量％的金属粘合剂。因此，进一步提高了基体和凿岩机嵌件的韧性。优选地，硬质合金包含至少10重量％的金属粘合剂。

当距基体的基部部分的所述表面1mm测量时，基体可以具有根据ISO28079在30kg载荷下测量的至少12MPa√m的断裂韧性K1c。优选地，当距基体的基部部分的所述表面1mm测量时，基体具有至少14MPa√m的断裂韧性K1c。

此外，基体可以具有根据ISO28079在30kg载荷下测量的断裂韧性K1c，当距基体的表面的所述基部部分0.5mm测量时，断裂韧性K1c与在距所述表面5mm测量时相比高至少2个单位的MPa√m。因此，可以实现基体的基部部分的外表面附近的性质与基体基部部分的整体性质之间的适当平衡。

基体在基部部分的所述表面处可以表现出通过XRD测量的至少900MPa、优选地至少1200MPa的压缩应力。因此，基体的基部部分在其外表面处的韧性被进一步提高。

此外，基体在距基部部分的所述表面1mm的距离处可以表现出通过XRD测量的至少300MPa、优选地至少500MPa的压缩应力。由此，基体的基部部分的韧性被进一步提高。

多晶金刚石结构可以包括包含多晶金刚石的至少两个层。因此，PCD结构的周缘表面可以具有合适的硬度，同时，例如，与基体和PCD结构的热膨胀与弹性模量之间的不匹配相关的问题被最小化。因此，通过包括至少两个层的PCD结构，降低了分层或碎裂的风险。

硬质合金可以包含WC。因此，可以获得硬质合金的适当硬度和耐磨性。

本公开还提供了一种钻头。钻头包括本体和多个上述凿岩机嵌件。钻头由于降低了嵌件的脆性失效的风险而具有相当长的使用寿命。钻头可以是冲击钻头、旋转钻头或剪切切割器。

此外，本公开提供了一种用于制造凿岩机嵌件的方法，该凿岩机嵌件包括具有梢部部分、基部部分的基体以及粘合至基体的梢部部分的多晶金刚石结构。该方法包括下述步骤：制备包含至少5重量％的金属粘合剂、例如钴金属粘合剂的硬质合金的基体。在一些示例中，该方法包括制备包含至少8体积％的金属粘合剂的硬质合金的基体。使用体积％而不是重量％的原因是，在一定量的钴与另一种具有较低比密度的金属交换的情况下，重量％会改变，但是体积％可以保持不变。粘合剂的功能更多地取决于硬质合金基体中的体积而不是重量。该方法还包括在基体的梢部部分上形成多晶金刚石结构，使得所述结构粘合至基体。该方法还包括对其上粘合有多晶金刚石结构的基体进行高能翻滚或声振动的处理步骤。该处理步骤在金属粘合剂中诱导从面心立方晶体形式到六方密堆积晶体形式的相变，使得在距基体的基部部分的表面50μm的距离处，至少20体积％的金属粘合剂在所述处理步骤之后将以六方密堆积晶体形式存在。

借助于本方法，可以获得具有基体基部部分的凿岩机嵌件，该凿岩机嵌件与常规PCD嵌件相比具有显著提高的韧性。因此，显著降低了嵌件脆性失效的风险。这又使凿岩机嵌件的使用寿命更长，并且因此也使包括凿岩机嵌件的钻头的使用寿命更长。这又显著减少了用于更换钻头的不期望的停机时间的问题以及与这种停机时间和新钻头相关的成本。

附图说明

图1图示了凿岩机嵌件的第一示例性实施方式的立体图，

图2图示了凿岩机嵌件的第二示例性实施方式的横截面图，

图3图示了示例性钻头的立体图，该示例性钻头可以包括根据本公开的凿岩机嵌件，

图4表示示意性地图示了根据本公开的一个示例性实施方式的用于制造凿岩机嵌件的方法的流程图，

图5示出了被命名为参照1的PCD嵌件的基体的基部部分的横切截面的EBSD图像，

图6示出了被命名为测试1的PCD嵌件的基体的基部部分的横切截面的EBSD图像，以及

图7示出了被命名为测试2的PCD嵌件的基体的基部部分的横切截面的EBSD图像。

具体实施方式

下面将参照示例性实施方式和附图对本发明进行更详细地描述。然而，本公开不限于附图中讨论和/或示出的示例性实施方式，而是可以在所附权利要求的范围内变化。此外，附图不应被认为是按比例绘制的，因为为了更清楚地说明本发明或其特征，一些特征可能被夸大。

根据本公开，提供了一种凿岩机嵌件，该凿岩机嵌件包括具有梢部部分和基部部分的基体，其中，基体的梢部部分粘合有多晶金刚石结构(这种凿岩机嵌件在下文中也称为PCD嵌件)。根据本公开的凿岩机嵌件的基体由包含至少5重量％的金属粘合剂、例如钴金属粘合剂的硬质合金形成。在一些示例中，凿岩机嵌件的基体由包含至少8体积％的金属粘合剂的硬质合金形成。此外，在距基体的基部部分的表面50μm的距离处，至少20体积％的金属粘合剂以六方密堆积(HCP)晶体形式存在(本文也命名为HCP相，或简称为HCP)。

在此应当注意的是，通常已知材料的特定组成成分、比如相或类似物的体积百分比可以通过考虑材料的横切截面的二维图像来导出，并且根据该图像确定特定组成成分的面积百分比。尽管在技术上不完全准确，但是特定成分的面积百分比随后被解释为与特定成分的体积百分比对应。因此，当在本公开中使用时，除非另外明确公开，否则体积％应被认为与面积％对应。

如上所述，基体由硬质合金形成。硬质合金包含至少5重量％的金属粘合剂、例如钴金属粘合剂。在硬质合金包含少于5重量％的金属粘合剂的情况下，难以获得期望的韧性，并且在没有额外压力的情况下借助于液体烧结来生产可能更加困难。优选地，硬质合金包含至少5.5重量％的金属粘合剂。在一些示例中，硬质合金包含至少8体积％的金属粘合剂、并且优选地包含至少9体积％的金属粘合剂。硬质合金的不是金属粘合剂的其余部分基本上由一个或更多个硬质碳化物相(有时也称为硬质金属相)组成。

尽管其中粘合剂含量高达约30重量％的硬质合金在本领域中是已知的，但是在根据本公开的凿岩机嵌件中使用的硬质合金可以合适地包含高达13重量％的金属粘合剂。高于13重量％的金属粘合剂的量可能导致对循环应力载荷的抵抗力不足。此外，如果金属粘合剂以超过13重量％的量存在，则硬质合金的热膨胀系数可能太高，而弹性模量太低，使得硬质合金不适于在PCD嵌件中使用。PCD层与硬质碳化物相比通常具有更低的热膨胀系数和更高的弹性模量。因此，超过13重量％的粘合剂的增加量可能导致硬质合金与PCD层之间的更大的不匹配。优选地，粘合剂以高达12重量％的量存在。在一些示例中，在根据本公开的凿岩机嵌件中使用的硬质合金可以包含高达21体积％的金属粘合剂、并且优选地包含高达19体积％的金属粘合剂。

硬质合金可以包含碳化钨(WC)作为硬质碳化物相。WC可以例如以硬质合金的至少80重量％的量、优选地硬质合金的至少85重量％的量存在。根据一个替代方案，WC是硬质合金的唯一硬质碳化物相。然而，硬质合金还可以可选地包括添加的其他硬质碳化物相，比如碳化钛(TiC)、碳化铌(NbC)或碳化钽(TaC)。这种其他硬质碳化物相可以以硬质合金的高达10重量％的总量、优选地高达5重量％的总量存在。

一个或多个硬质碳化物相可以具有与先前在用于PCD嵌件的硬质合金领域中已知的颗粒尺寸和颗粒尺寸分布一致的颗粒尺寸和颗粒尺寸分布。通过示例，WC相可以具有在0.6μm至10μm、优选地1μm至5μm的范围内的平均颗粒尺寸。低于0.6μm的WC的平均颗粒尺寸可能会使基体变脆，而高于10μm的平均颗粒尺寸可能会使基体太软。

金属粘合剂可以包含或者包括钴(Co)、镍(Ni)、铁(Fe)或其任何合金比如钴基合金、钴镍基合金、钴铁基合金或镍铁基合金。金属粘合剂合金还可以包含量高达10重量％的、优选地高达5重量％的Cr。金属粘合剂合金还可以包含总含量高达10重量％的添加的合金元素比如V、Ta、Ti、Nb、Zr、Mo、Mn和B，如果需要的话。作为制造过程的结果，金属粘合剂可以进一步包括溶解在粘合剂中的硬质碳化物相的元素。换句话说，金属粘合剂可以包含一些W和/或C，这些W和/或C是在嵌件的生产过程期间由液相烧结过程产生的。金属粘合剂中的W和C的量可以在粘合剂中石墨或η相形成的限度内调节。通常，η相降低韧性，而石墨降低硬度，并且因此应该至少在表面附近避免这些相。所述调节是通过控制液相烧结步骤期间各组成成分的相应的量和条件来进行的。优选地，金属粘合剂基本上由Co或Co基合金组成，还包含由制造过程的液相烧结步骤产生的任何W和/或C。

如上所述，至少20体积％的金属粘合剂以HCP晶体形式存在于距基体的基部部分的表面50μm的距离处。没有以HCP晶体形式存在的金属相的其余部分通常以面心立方(FCC)晶体形式存在(本文也称为FCC相，或简称为FCC)。

在硬质合金中，钴(通常用作PCD嵌件基体的粘合剂)可以以两种相结构变体存在，即上述的FCC和HCP晶体形式。在硬质合金基体的制造中以及在随后用于在基体的表面上提供PCD结构的HPHT工艺中使用通常高达约1400℃至1600℃的高温。FCC在高于418℃的温度下是稳定钴相，并且因此将不可避免地在制造过程期间形成。如果将纯钴冷却至室温，则FCC相将转变成HCP，因为HCP在室温下是稳定相。然而，在硬质合金中，当冷却到室温时，大多数钴也保留FCC相(FCC在室温下是亚稳态的)。这可能是由于钴中的夹杂物比如C和W两者、应力和WC晶粒的约束造成的。

在本领域中，HCP通常被认为对凿岩机嵌件的韧性不利。据称这是由于与FCC相比，HCP钴粘合剂的延展性和抗裂纹生长性降低。因此，在凿岩机嵌件领域中通常寻求避免FCC向HCP的转变，并且没有已知具有任何显著量的HCP钴相的硬质合金用作PCD嵌件的基部部分中的基体。

与之相反，根据本公开的PCD嵌件包括具有梢部部分和基部部分的基体，其中，硬质合金基体的基部部分在距基体基部部分的外表面相对较深的距离处也具有大量的HCP相。金属粘合剂的HCP相是通过对其上粘合有多晶金刚石结构的硬质合金基体进行处理步骤来获得的，该处理步骤在金属粘合剂中诱导从FCC相到HCP相的相变，如将在下面进一步详细描述的。FCC相到HCP相的相变被认为有助于增加韧性，特别是在基体的基部部分的表面附近。大多数裂纹和运输从表面开始，并且因此表面附近的韧性特别重要。韧性增加的一个原因被认为是由于从FCC到HCP的马氏体转变造成的。

硬质合金基体的韧性随着HCP的量的增加而增加，特别是在表面附近。因此，在距基体的基部部分的外表面50μm的距离处，优选地至少35体积％的金属粘合剂可以合适地以六方密堆积(HCP)晶体形式存在。在一些情况下，在距基体的基部部分的外表面50μm的距离处，至少50体积％的金属粘合剂可以以六方密堆积(HCP)晶体形式存在。粘合剂相的其余部分通常以面心立方(FCC)晶体形式存在。在一些示例中，粘合剂相的其余部分以FCC晶体形式和/或以部分无定形结构存在。因此，在距基体的基部部分的外表面50μm的距离处，至少10体积％的金属粘合剂可以以面心立方(FCC)晶体形式存在。

考虑到在距基体的基部部分的表面100μm的距离处，至少10体积％的金属粘合剂可以以六方密堆积晶体形式存在，优选地至少20体积％的粘合剂在距基部部分表面的所述距离处以六方密堆积晶体形式存在。

如先前所提到的，硬质合金包含至少5重量％的金属粘合剂例如钴金属粘合剂和/或8体积％的金属粘合剂。根据凿岩机嵌件的预期用途和对应的期望性能，可以考虑硬质合金中的金属粘合剂含量的两个优选实施方式。根据第一实施方式，硬质合金包括从约5.5重量％至约7重量％(包括端值)的金属粘合剂例如钴金属粘合剂和/或约9体积％至约12体积％的金属粘合剂，这与常规PCD嵌件一致。根据第二实施方式，硬质合金包括至少8重量％的金属粘合剂例如钴金属粘合剂和/或13体积％的金属粘合剂，优选地包括从10重量％至12重量％的金属粘合剂例如钴金属粘合剂和/或16体积％至19体积％(包括端值)的金属粘合剂。硬质合金的韧性随着金属粘合剂的量的增加而增加，并且因此第二实施方式提供了比第一实施方式更高的韧性。然而，第一实施方式例如具有提供更高硬度的硬质合金的优点，并且因此在一些情况下可能是期望的。包含约5.5重量％至7重量％的粘合剂相、例如钴粘合剂相的硬质合金的硬度可以例如处于至少约1400HV(维氏硬度)的数量级，而包含10重量％至12重量的粘合剂相、例如钴粘合剂相的硬质合金在硬质碳化物相的中等晶粒尺寸的情况下可以具有约1200HV至1350HV的硬度。

当距基体的所述表面1mm测量时，基体可以具有根据ISO28079在30kg载荷下测量的至少12的断裂韧性。优选地，当距基体的基部部分的所述表面1mm测量时，基体具有根据ISO28079在30kg载荷下测量的至少14/>的断裂韧性K1c。如上所述，断裂韧性随着硬质合金中金属粘合剂的量的增加而增加。因此，在硬质合金例如包含至少10重量％的金属粘合剂、例如钴金属粘合剂的情况下，当距基体的基部部分的所述表面1mm测量时，根据ISO28079在30kg载荷下测量的基体的断裂韧性通常可以为至少20、优选地为至少22。

此外，根据本公开的凿岩机嵌件的基体可以适当地具有根据ISO28079在30kg载荷下测量的断裂韧性K1c，当距基体的基部部分的所述表面0.5mm测量时，断裂韧性K1c与在距所述表面5mm测量时相比高至少2个单位的在此应当提到的是，有时使用直径小于10mm的凿岩机嵌件，并且上述给定的特征可能在这种情况下自然不适用。然而，根据本公开的凿岩机嵌件的基体可以适当地具有根据ISO28079在30kg载荷下测量的断裂韧性K1c，当距基体的基部部分的所述表面0.5mm测量时，断裂韧性K1c与在距所述表面3mm测量时相比高至少1.5个单位。此外，当根据ISO28079在30kg载荷下测量时，在诱导从FCC到HCP的相变的处理步骤之前基体的在距基体的基部部分的表面0.5mm的距离处的断裂韧性与基体的在距表面0.5mm的所述距离处的断裂韧性相比通常可以高至少2个单位。

此外，根据本公开的凿岩机嵌件的基体在基体的表面处可以表现出通过XRD测量的至少900MPa、优选地至少1200MPa的压缩应力。此外，基体在距基体的外表面1mm的距离处可以表现出通过XRD测量的至少300MPa、优选地至少500MPa的压缩应力。

应当注意的是，某些性质或特征是参照距基体的表面的距离在上面描述的。这将被认为意味着所述性质或特征是在这种特定的距离下确定的，该距离垂直于基体的所述表面。换句话说，在表面为基体的纵向表面的情况下，该距离应当被认为是指在朝向基体的中心轴线、垂直于纵向表面的方向上的距离。此外，尽管给定了具体距离，但是这不应当被认为意味着所述性质或特征仅存在于给定的具体距离处。指定距离的目的仅仅是指定可以与例如常规PCD嵌件进行比较的位置。此外，除非另有明确说明，否则在说明性质或特征时所指的表面应当被认为是指基体的未被PCD结构覆盖的表面。然而，应当认识到的是，如果在距基体与PCD结构之间的界面相同的距离处测量，则在一些情况下也可能存在所述性质。

如先前所提到的，凿岩机嵌件包括粘合至基体的梢部部分的多晶金刚石(PCD)结构。更具体地，PCD结构冶金粘合至基体。PCD结构包括通过金刚石-金刚石结合和/或通过金属粘合剂粘合在一起的金刚石颗粒，金属粘合剂通常可以是Co，或者在一些情况下是钴基合金或其他金刚石催化剂、如Ni和Fe。PCD结构可以由多个单独的层形成，每个层包括金刚石颗粒和粘合剂。各层中的金刚石和粘合剂的各自的量彼此可以不同。其主要目的是使基体与PCD结构之间的例如热膨胀的不匹配在基体与PCD结构之间的界面处最小化，同时在PCD结构的周缘表面处仍然获得尽可能高的耐磨性。因此，出于所述原因，与布置成距基体的界面更远的第二PCD层相比，布置成最靠近基体的第一PCD层通常可以具有更高的粘合剂含量。在根据本公开的PCD嵌件中使用的PCD结构可以具有其在PCD嵌件领域中先前已知的任何先前构型，并且因此在本公开中将不再进一步讨论。

本公开还提供了一种用于制造上述凿岩机嵌件的方法。该方法通常包括下述步骤：制备包含至少5重量％、优选地至少5.5重量％的金属粘合剂例如钴金属粘合剂的硬质合金基体；在基体的一部分上形成多晶结构；以及对其上粘合有多晶金刚石结构的基体进行处理步骤，该处理步骤在金属粘合剂中诱导从FCC到HCP的相变。在一些示例中，该方法包括下述步骤：制备包含至少8体积％、优选地9体积％的金属粘合剂的硬质合金基体。

如先前所提到的，根据本公开的PCD嵌件包括硬质合金基体，该硬质合金基体在距基体的基部部分的外表面相对较深的距离处包括大量的HCP，并且HCP是在室温下诱导从亚稳态FCC到HCP的相变的处理步骤的结果。通过增加所述相变的驱动力来诱导这种相变。这可以通过增加PCD嵌件的基体中、特别是在基体的基部部分的表面附近的应力来实现。

通常，已知压缩应力使硬质合金的韧性和强度增加。存在若干方法来获得可以使用于相变的驱动力增加的应力，所述方法包括研磨、喷砂、喷丸、激光喷丸、翻滚、级联、高能翻滚、振动和深冷处理。然而，并不是所有这些方法都足以使嵌件的基部部分、即基体的韧性增加。通过举例，常规研磨工艺仅在表面处产生压缩应力。常规PCD嵌件通常被研磨成精确的尺寸。正常的是，非常接近研磨表面的一些钴粘合剂相从FCC转变为HCP，这种转变与研磨引起的残余压缩应力相一致。该转变表面的深度非常浅，通常小于0.02mm。

为了使硬质合金中FCC到HCP的相变能够比0.02mm更深，可以使用高能翻滚或声振动。

在本公开中，高能翻滚被认为是指具有足够的能量以在硬质材料如硬质合金的表面下方至少2毫米处将材料韧性K1c转变至少2个单位的的机械翻滚。高能翻滚通常包括将大量嵌件和可选的模型放置在室中，并且通过室的至少一部分的旋转使嵌件在室中运动，使得嵌件相互碰撞以及与室的壁碰撞。WO2016/186558中描述了可以使用的高能翻滚方法的一个示例。根据所述方法，在室内部安置有多个钻头嵌件，该室包括固定的侧壁和能够绕旋转轴线旋转的底部。室的底部包括一个或更多个突出部，所述一个或更多个突出部至少部分地在旋转轴线与侧壁之间延伸。室的侧壁包括围绕侧壁的内周缘布置的推动元件。在底部旋转时，嵌件围绕旋转轴线移动，使得嵌件形成环面形状，同时被推动元件从侧壁推动。由此，嵌件相互碰撞，并且与带有其推动元件的侧壁碰撞。如果需要，也可以将嵌件模型添加到室中，使得嵌件也将与模型碰撞。

声振动处理步骤通常包括将多个嵌件安置到室中，并且使室经受振动，从而导致嵌件相互碰撞以及与室的壁碰撞。如果需要，振动可以通过基本水平的振动与室的旋转相结合来实现。通过适当选择振动的幅度和频率，可以控制能量，以便在嵌件中获得期望的压缩应力。WO 2013/135555 A1中公开了可以使用的这种振动方法的一个示例。

在此应当注意的是，硬质合金基体的韧性的增加是从FCC到HCP的相变、压缩应力和加工变形的结果。

如上所述的凿岩机嵌件可以在钻头中使用。这种钻头通常包括多个凿岩机嵌件。凿岩机嵌件特别适用于在冲击钻头、旋转钻头和剪切切割器中使用。然而，如果需要的话，凿岩机嵌件也可以在镐应用中使用。在这样的应用中，包括镐的挖掘工具通常可旋转地安装至采矿挖掘机或道路铣刨机。这些镐可以包括本文中描述的嵌件。

图1图示了凿岩机嵌件1的第一示例性实施方式的立体图。凿岩机嵌件包括具有梢部部分2a、基部部分2b的基体2以及粘合至基体的梢部部分2a的多晶金刚石(PCD)结构3。基体2具有大致筒形的构型，并且基体2包括底表面4和相对的顶表面5。基体还包括纵向表面6，纵向表面6呈筒形表面的形状。

PCD结构3通过冶金结合粘合至基体2的梢部部分2a、即冶金粘合至基体2的顶表面5。PCD结构3可以由彼此冶金结合的一个或更多个PCD层形成。PCD结构可以具有大致筒形的构型并且覆盖基体2的整个顶表面5。当在钻头中使用时，PCD结构3布置在嵌件基体2的梢部部分2a处。这意味着PCD结构3面向待钻孔的地面并延伸出钻头本体(也参见图3)。基体2的底表面4和纵向表面6两者构成了嵌件的基部部分的外表面。换句话说，底表面4和纵向表面6两者没有任何PCD层或结构。当嵌件布置在钻头中时，底表面4以及纵向表面6的至少一部分布置在钻头的本体的对应凹部中。图1中所示的嵌件1由于其筒形构型而成为所谓的平头嵌件。

图2图示了凿岩机嵌件1的第二示例性实施方式的横截面图。根据第二示例性实施方式的凿岩机嵌件1与图1中所示的第一示例性实施方式类似。然而，图2中所示的基体2包括梢部部分2a和由与底部部分7结合的大致筒形的部分8形成的基部部分。大致筒形的部分8布置在底部部分7与梢部部分9之间(如沿着基体A和嵌件1的纵向中心轴线A所观察到的)。在附图中，底部部分7、大致筒形的部分8和梢部部分2a由虚线分隔。然而，应当注意的是，基体的部分2a、7和8一起构成了在生产基体的步骤中形成的整体式本体。

底部部分7可以例如具有截头锥形的构型，这种截头锥形的基部面向基体2的筒形的部分8。这可以例如有助于将嵌件安置在钻头中。基体2的梢部部分9可以例如具有半球形、卵形或弹道形状，但不限于此。例如，梢部部分9可以替代性地呈截头锥形的形式。

PCD结构被冶金粘合至梢部部分2a的周缘表面，该周缘表面也构成基体2的顶表面5。PCD结构3可以包括一层或更多层、比如如图所示的第一PCD层3a和第二PCD层3b。

图3图示了示例性钻头30的立体图。更具体地，所示的钻头30是冲击钻头。钻头30包括本体32，该本体32包括构造成面向待钻孔的地面的远端端部34和构造成联接至钻孔工具或锤子的近端端部36。本体32通常可以由钢制成。在本体32中在其远端端部34处布置有多个凿岩机嵌件1(如上所述)。凿岩机嵌件1可以例如通过压配合或收缩配合到本体32的对应的凹部中而布置在本体中，同时至少部分地延伸出本体32。更具体地，嵌件1布置成使得至少其PCD结构布置在本体32的外部。

图4表示示意性地图示根据本公开的一个示例性实施方式的用于制造凿岩机嵌件的方法的流程图。该凿岩机嵌件被制造成包括具有梢部部分2a、基部部分2b的基体和粘合至该基体的梢部部分的多晶金刚石结构。该方法包括下述步骤：制备S101包含至少5重量％的金属粘合剂、例如钴金属粘合剂和/或8体积％的金属粘合剂的硬质合金基体。可以通过用于制备硬质合金的常规粉末冶金工艺来制备基体。这样的工艺通常包括：将至少一种硬质碳化物相比如WC的粉末与粘合剂相的粉末混合、将粉末混合物压制成生坯、以及使生坯经历液相烧结步骤。

该方法还包括下述步骤：在基体的梢部部分上形成S102多晶金刚石结构，使得所述结构粘合至凿岩机嵌件的对应的梢部。多晶金刚石结构可以包括一层或更多层的多晶金刚石，并且因此可以通过任何先前已知的方法以及随后的例如通过金刚石研磨进行的加工而形成在表面上。

该方法还包括下述步骤：对其上粘合有多晶金刚石结构的基体进行S103处理步骤，该处理步骤在金属粘合剂中诱导从面心立方晶体形式到六方密堆积晶体形式的相变。作为所述处理步骤的结果，在距离基体的基部部分的表面50μm处，至少20体积％的金属粘合剂在所述处理步骤之后将以六方密堆积晶体形式存在。在步骤S103中进行的处理步骤可以例如包括对其上粘合有多晶金刚石结构的基体进行高能翻滚、声振动和/或低温处理。

实验结果

在以下测试中，提供了两种不同测试等级的PCD嵌件，并且将其与对应的参照等级进行了比较。所有嵌件都经过金刚石研磨；在外表面中、即在0.02mm的最大深度处诱导至少一些相变。第一测试等级(本文中命名为“测试1”)通过对商业可获得的PCD嵌件(本文中命名为“参照1”)进行在基体的粘合剂中诱导相变的处理步骤来实现。第二测试等级(本文中命名为“测试2”)通过下述步骤产生：寻求生产具有尽可能接近商业可获得的硬质合金等级的构型的基体并且然后将其用作PCD嵌件的基体，并对所述PCD嵌件进行在基体的粘合剂中诱导相变的处理步骤。作为参照(本文中命名为“参照2”)，生产了与测试2对应的PCD嵌件，但是没有进行在基体的粘合剂中诱导相变的处理步骤。

表1规定了被检查嵌件的硬质合金基体的一般材料数据。在所有经测试的等级中，硬质合金的硬质碳化物相基本上由WC组成，并且粘合剂相基本上由Co组成。参照1和测试1的PCD层是类似的。同样，参照2和测试2的PCD层尽可能类似。表1中规定的钴含量根据硬质合金的密度计算。基于阿基米德原理测量密度；在空气和水中测量重量。矫顽力HC是用Foerster仪器测量的，该仪器用硬质合金参照样品校准。维氏硬度(Hv)根据维氏ISO 3878在30kg载荷下测量。使用等效直径法从电子背散射衍射(EBSD)表面图像(如下所述获得)计算WC晶粒尺寸。

表1

在用于生产测试1和测试2PCD嵌件的处理步骤中，使用了根据如WO 2016/186558A1中所述方法的高能翻滚。PCD嵌件的整个外表面暴露于高能翻滚，这意味着嵌件的外表面没有任何部分受到保护(比如通过橡胶覆盖物等)。在这种处理中，一些嵌件确实出现碎裂，但是这被认为是预先存在的缺陷的结果。因此，通过在后处理之前对嵌件的生产进行精确控制，可以使所述问题最小化。在处理期间因碎裂而损坏的PCD嵌件被排除在下述检查和测试之外。

为了分析基体的粘合剂中的相变，从PCD嵌件上切下小样品。切割在基体的筒形基部部分中进行、即在(与图1和图2所示的示例性嵌件相比)大致垂直于PCD嵌件的外表面的PCD嵌件中进行。首先对样品进行研磨，然后分若干步骤进行抛光，包括在最后步骤中使用1μm金刚石抛光成镜面效果。在进行金刚石抛光之后，对样品进行离子抛光，从而从经金刚石抛光的表面去除大约50微米。用2.6mA和7kV的氩离子在15小时内进行离子抛光。离子抛光表面垂直于外表面、朝向按钮的芯部定向。然后用EBSD和XRD两者对样品进行分析。EBSD分析是在配备有Oxford HKL Nordlys F EBSD检测器的Zeiss Ultra 55FEG-SEM中进行的。图像是用20kV、60微米孔径和0.1微米步长创建的。

图5示出了如上所述获得的参照1的EBSD图像。嵌件的基体的外表面在图的底部处。可以看出，粘合剂相主要存在于FCC相中(图中可见的白色区域)，并且只有可忽略量的HCP相(图中灰色区域)存在于非常靠近表面的地方。图中的箭头指向标注各个阶段的示例。存在于嵌件的表面处的非常少量的HCP相被认为是由于PCD嵌件的生产中的常规研磨步骤造成的。研磨的残余效果可以在图的底部看到。

图6示出了如上所述获得的测试1的EBSD图像。可以看出，基体的粘合剂相包含大量的FCC相，但是与图5所示的图像相比，HCP相的量急剧增加。换句话说，测试1的基体显示出具有FCC和HCP两者的混合钴结构，特别是在外表面附近。还可以看出，测试1的外表面与参照1相比显示出更光滑的表面，其中粘合剂消耗更少。这些特性也降低了表面附近裂纹萌生的风险。

对测试2也进行了EBSD分析。与测试1类似，发现测试2显示出HCP远低于表面。测试2显示出比测试1更高的从FCC到HCP的相变的量。这被认为是由于与测试1相比测试2中的粘合剂相的量更高，因为测试2可能由于WC的量较低而在硬质合金中具有较少的约束。因此，从FCC到HCP的相变可能需要较少的能量。图7示出了如上所述获得的测试2的EBDS图像。

为了研究在距基体的基部部分的表面不同距离处存在的HCP相的量，将EBSD图像分成多个子集图，每个子集图包括20μm的深度。每个子集图的平行于基体的表面的距离为65μm。换句话说，在20×65μm的区域上进行对每个子集图的分析。在下面给出的表2中，给出了子集到基体的基部部分的外表面的平均距离。例如，因此，表中给出为50μm的子集范围从距外表面40μm到距表面60μm。

表2

为了用替代性方法半定量地确认存在于表面下方的FCC和HCP相的量，使用了X-射线衍射，该方法简称为XRD。使用与EBSD相同的参照1和测试1样品。使用Bruker D8Discover XRD、利用CuKα辐射和0.3mm准直器对样品进行Bragg-Brentano XRD相分析。分析区域对应于从表面向下到材料的0.35mm，其中，分析区域的直径为0.3mm，并且深度为3μm。注意的是，该分析的分辨率比上述EBSD方法低得多，但是该分析证实了处理过的测试1样品相比于参照1在表面下方具有多得多的HCP，参见表3。对于参照1，借助于XRD不能检测到HCP。

表3

PCD嵌件-等级	在0.35mm处的FCC钴重量％	在0.35mm处的HCP钴重量％
			参照1	4.8	0
测试1	4.9	1.7

为了估计表面上和表面下方的样品中的压缩应力，使用了XRD。对于表面上、即暴露于金刚石研磨的表面上的测量，除了清洁之外不需要任何准备。为了能够研究表面下方的压缩应力，将样品在与纵向中心轴线A平行的筒形表面上切割0.5mm和1mm，参见图2。利用EDM线切割进行切割，从而产生光滑表面。利用Bruker D8 Discover XRD通过使用sin2ψ方法确定峰位移、包括峰加宽来进行XRD残余应力分析。利用WC的(301)反射和Cu Ka辐射测量样品中的总应力。选择衍射角度2θ146.6°和光束直径1mm，其中，ψ从-51变化到51，并且结果表明的是，与仅研磨表面相比，该处理降低了研磨和处理表面上的压缩应力，参见表4。这种现象是由于因处理引起的表面应力的松弛造成的。另一方面，在表面下方0.5mm和1mm处的残余压缩应力要高得多。注意的是，负应力值与压缩应力对应。表面下方的压缩应力与相变和增加的韧性相一致。

表4

PCD嵌件-等级	表面处的应力MPa	0.5mm处的应力MPa	1mm处的应力MPa
				参照1	-2100	-230	-220
测试1	-1670	-690	-530

此外，还对嵌件的基体的韧性进行了详细的分析。其结果如下表5中所示。根据Palmqvist ISO 28079，在30kg载荷下分析韧性。首先对样品进行切割和抛光，以便示出距硬质合金基体的外表面的不同距离处的性质。表5中规定的距离代表从基体的外表面到基体的芯部的距离。从结果中可以看出，与参照1相比，测试1嵌件-等级显示出高得多的韧性，特别是在接近表面处。类似地，测试2嵌件-等级在接近表面处显示出比参照2更高的韧性。

表5

此外，在冲击钻孔期间对上述PCD嵌件进行了测试。除了所使用的各自的嵌件之外，这些测试中使用的钻头具有相同的构型。每个钻头有八个PCD嵌件。此外，对于钻机而言，钻孔是在相同的岩石中以及相同的钻机操作条件下进行的。设计钻头是为了减少进行测试所需的时间。测试是在L1、L2和L3的三种不同的嵌件的周缘高度下进行的。结果如表6中所示。

表6

*由于实际原因，在100m之后必须停止钻孔。所有钻孔估计值>>100m的钻头具有在100米处没有任何缺陷的嵌件。估计值为>100的一个钻头具有在100m处局部损坏的一个嵌件。

**17/20的损坏的嵌件在硬质合金基体中发生脆性失效，只有3/20在PCD层中出现碎裂。

从以上表6中所示的结果可以看出，例如，根据测试1的嵌件表现得比参照1好得多。测试2也显示出比参照1好得多的结果。

Claims (14)

1.一种凿岩机嵌件(1)，所述凿岩机嵌件(1)包括具有梢部部分(2a)和基部部分(2b)的基体，其中，所述基体(2)的所述梢部部分(2a)粘合有多晶金刚石结构(3)，其中，所述基体(2)由包含至少5重量％的金属粘合剂形成，并且其中，在距所述基体(2)的所述基部部分(2b)的表面(6)50μm的距离处，至少20体积％的金属粘合剂以六方密堆积晶体形式存在。

2.根据权利要求1所述的凿岩机嵌件(1)，其中，所述金属粘合剂包含钴；优选地，其中，所述金属粘合剂构成钴或者构成包含镍和/或铁的钴基合金。

3.根据权利要求1或2中的任一项所述的凿岩机嵌件(1)，其中，在距所述基体(2)的所述基部部分(2b)的所述表面(6)100μm的距离处，至少10体积％的金属粘合剂以所述六方密堆积晶体形式存在；优选地，其中，至少20体积％的金属粘合剂以所述六方密堆积晶体形式存在。

4.根据前述权利要求中的任一项所述的凿岩机嵌件(1)，其中，在距所述基体(2)的所述基部部分(2b)的所述表面(6)50μm的距离处，至少10体积％的金属粘合剂以面心立方晶体形式存在。

5.根据前述权利要求中的任一项所述的凿岩机嵌件(1)，其中，硬质合金包含至少8重量％的金属粘合剂，优选地包含至少10重量％的金属粘合剂。

6.根据前述权利要求中的任一项所述的凿岩机嵌件(1)，其中，当距所述基体(2)的所述表面(4、6)1mm测量时，所述基体(2)具有根据ISO28079在30kg载荷下测量的至少的断裂韧性K1c；优选地，其中，当距所述基体(2)的所述表面(6)1mm测量时，所述基体(2)具有至少/>的断裂韧性K1c。

7.根据前述权利要求中的任一项所述的凿岩机嵌件(1)，其中，所述基体(2)具有根据ISO28079在30kg载荷下测量的断裂韧性K1c，当距所述基体(2)的所述表面(6)0.5mm测量时，所述断裂韧性K1c与在距所述表面(6)5mm测量时相比高至少2个单位的

8.根据前述权利要求中的任一项所述的凿岩机嵌件(1)，其中，所述基体(2)在所述表面(6)处表现出通过XRD测量的至少900Mpa、优选地至少1200MPa的压缩应力。

9.根据前述权利要求中的任一项所述的凿岩机嵌件(1)，其中，所述基体(2)在距所述表面(6)1mm的距离处表现出通过XRD测量的至少300MPa、优选地至少500MPa的压缩应力。

10.根据前述权利要求中的任一项所述的凿岩机嵌件(1)，其中，所述多晶金刚石结构(3)包括包含多晶金刚石的至少两个层(3a、3b)。

11.根据前述权利要求中的任一项所述的凿岩机嵌件(1)，其中，所述硬质合金包含WC。

12.一种钻头(30)，所述钻头(30)包括本体(32)和多个根据前述权利要求中的任一项所述的凿岩机嵌件(1)。

13.根据权利要求12所述的钻头(30)，其中，所述钻头是冲击钻头(30)、旋转钻头或剪切切割器。

14.一种用于制造凿岩机嵌件(1)的方法，所述凿岩机嵌件(1)包括具有梢部部分(2a)、基部部分(2b)的基体(2)以及粘合至所述基体(2)的所述梢部部分(2a)的多晶金刚石结构(3)，所述方法包括：

-制备(S101)包含至少5重量％的金属粘合剂的硬质合金的基体(2)；

-在所述基体(2)的梢部部分上形成(S102)多晶金刚石结构(3)，使得所述结构(3)粘合至所述基体(2)；以及

-对其上粘合有所述多晶金刚石结构(3)的所述基体(2)进行(S103)高能翻滚和/或声振动，从而在所述金属粘合剂中诱导从面心立方晶体形式到六方密堆积晶体形式的相变，使得在距所述基体(2)的基部部分的表面(6)50μm的距离处，至少20体积％的金属粘合剂在所述处理步骤之后将以六方密堆积晶体形式存在。