ES2334976T3 - Diamante policristalino con una superficie reducida de material catalizador. - Google Patents
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Abstract
Un elemento de diamante policristalino elemento que comprende un cuerpo de cristales de diamante enlazados unidos a un substrato de material menos duro, una superficie de trabajo sobre el cuerpo, en el que un primer volumen del cuerpo lejano de la superficie de trabajo contiene un material catalizador, un segundo volumen del cuerpo adyacente a la superficie de trabajo está sustancialmente libre del material catalizador, el material catalizador remanente dentro del segundo volumen del cuerpo disminuye de manera continua con la distancia del primer volumen y se adhiere a las superficies de los cristales de diamante, en el que el segundo volumen se extiende hasta una profundidad de al menos 0,1 mm de la superficie de trabajo.
Description
Diamante policristalino con una superficie
reducida de material catalizador.
La invención se refiere a elementos de material
policristalino superduros para desgaste, corte, extracción, y otras
aplicaciones donde las superficies superduras de ingeniería son
necesarias. La invención particularmente se refiere a elementos de
diamante policristalino y de tipo diamante policristalino (llamado
colectivamente PCD) con una resistencia al desgaste mejorada en
gran medida y los procedimientos de fabricación de ellos.
Se conocen los elementos de diamante
policristalino y de tipo diamante policristalino, para los
propósitos de esta memoria descriptiva, como Elementos de PCD. Los
elementos de PCD se forman a partir de materiales basados en
carbono con excepcionalmente cortas distancias interatómicas entre
los átomos vecinos. Un tipo de material de tipo diamante
policristalino se conoce como nitruro de carbono (CN) descrito en la
Patente de Estados Unidos Nº. 5.776.615. Otra forma, más comúnmente
usada de PCD se describe en más detalle más adelante. En general,
los elementos de PCD se forman a partir de materiales procesados
bajo alta temperatura y alta presión en una matriz policristalina
de cristales basados en carbono superduros interligados. Una
característica común de los elementos de PCD es el uso de
materiales catalizadores durante su formación, el resto a partir
del cual, a menudo impone un limite sobre el máximo usado útil que
trabaja a temperatura del elemento mientras está en servicio.
Una forma bien conocida, fabricada de elemento
de PCD es un elemento de PCD de dos capas o múltiples capas donde
una tabla enfrente de diamante policristalino está unida
integralmente a un sustrato de menos material duro, tal como
carburo de tungsteno. El elemento de PCD puede estar en la forma de
un comprimido circular o en parte circular, o se puede formar en
otras formas, adecuadas para aplicaciones tales como troqueles
huecos, disipadores de calor, cojinetes de fricción, superficies de
válvulas, indentores, mandriles de herramientas, etc. Elementos de
PCD de este tipo se pueden usar en casi cualquier aplicación donde
se requiere un material duro resistente al desgaste y erosión. El
sustrato del elemento de PCD se puede soldar fuertemente a un
vehículo, a menudo también de carburo de tungsteno cementado. Esto
es una configuración común para los PCD usados como elementos de
corte, por ejemplo en partes de taladro de tierra de cortador fijo o
cortador rodante cuando se recibe en una encajadura de una parte
del taladro, o cuando se fija a un puesto en una herramienta de la
máquina para trabajar a máquina. Estos elementos de PCD se llaman
típicamente los PDC.
Otra forma de elemento de PCD es un elemento de
PCD unitario sin un sustrato integral donde una mesa de diamante
policristalino se fija a una herramienta o superficie de desgaste
mediante medios mecánicos o un procedimiento de unión. Estos
elementos de PCD difieren de los anteriores en que las partículas de
diamante están presentes a lo largo de todo el elemento. Estos
elementos de PCD pueden mantenerse en el sitio mecánicamente, pueden
estar incrustados dentro de un elemento de PCD mayor que tiene un
sustrato, o, como alternativa, se pueden fabricar con una capa
metálica que puede estar unida con un procedimiento de soldadura
fuerte o soldadura. Una pluralidad de estos elementos de PCD se
puede preparar a partir de un único PCD, como se muestra, por
ejemplo, en las Patentes de Estados Unidos números 4.481.016 y
4.525.179 incorporadas en el presente documento por referencia para
todo lo que desvelan.
Los elementos de PCD están muy a menudo formados
por polvo de diamante de sinterización con un catalizador de
material de unión adecuado a alta presión, prensado a alta
temperatura. Un procedimiento particular de formación de este
diamante policristalino se describe en la Patente de Estados Unidos
Nº 3.141.746 incorporada en el presente documento por referencia
para todo lo que desvela. En un procedimiento común para fabricar
los elementos de PCD, se aplica polvo de diamante a la superficie de
un sustrato de carburo de tungsteno formado previamente que
incorpora cobalto. El ensamblaje se somete después a una temperatura
muy alta y presión en una prensa. Durante este procedimiento, el
cobalto migra desde el sustrato en la capa de diamante y actúa como
un material catalizador de unión, provocando que las partículas de
diamante se unan entre sí con la unión de diamante a diamante, y
también provocando que la capa de diamante se una al sustrato.
El elemento de PCD completado tiene al menos una
matriz de cristales de diamante unidos entre sí con muchos
intersticios que contienen un metal de material catalizador de unión
metal como se ha descrito anteriormente. Los cristales de diamante
comprenden una primera matriz continua de diamante, y los
intersticios de una segunda matriz continua de intersticios que
contienen el material catalizador de unión. Además, son
necesariamente una áreas relativamente pocas donde el desarrollo de
diamante a diamante tiene encapsulado algo de material catalizador
de unión. Estas "islas" no participan de la matriz intersticial
del material catalizador de unión.
En una forma común, el elemento de diamante
constituye un 85% a 95% en volumen y el material catalizador de
unión el otro 5% a 15%. Tal elemento se puede someter a degradación
térmica debido a la expansión térmica diferencial entre el material
catalizador de unión de cobalto intersticial y matriz de diamante
que comienza a temperaturas de aproximadamente 400 grados C. Tras
la expansión suficiente la unión diamante a diamante se puede
romper y agrietar y se pueden producir virutas.
También en el diamante policristalino, la
presencia del material catalizador de unión en las regiones
intersticiales que se adhieren a los cristales de diamante de la
matriz de diamante conduce a otra forma de degradación térmica.
Debido a la presencia del material catalizador de unión, el diamante
ocasiona que se grafitice a medida que la temperatura aumenta,
típicamente limitando la temperatura de operación hasta
aproximadamente 750 grados Centígrados.
Aunque el cobalto se usa la mayoría de las veces
como el material catalizador de unión, se puede usar cualquier
elemento del grupo VIII, incluyendo cobalto, níquel, hierro, y sus
aleaciones.
Para reducir la degradación térmica, los
llamados componentes de diamante policristalino "térmicamente
estables" se han producido como elementos de PCD preformados
para elementos de corte y/o resistentes al desgaste, como se
describe en la patente de Estados Unidos Nº 4.224.380 incorporada en
el presente documento por referencias para todo lo que desvela. En
un tipo de elemento de PCD "térmicamente estable" el cobalto u
otro material catalizador de unión en diamante policristalino
convencional se extrae por lixiviación a partir de la matriz
intersticial continua después de la formación. Aunque esto puede
incrementar la resistencia a la temperatura del diamante hasta
aproximadamente 1200 grados C, el procedimiento de lixiviación
también elimina el sustrato de carburo cementado. Además, debido a
que no existe sustrato integral u otra superficie que se pueda unir,
existen graves dificultades en el montaje de tal material para uso
en la operación.
Los procedimientos de fabricación para este
elemento de PCD "térmicamente estable" típicamente producen
densidades de diamante relativamente bajas, del orden de 80% o
menos. Esta baja densidad de diamante permite un procedimiento de
lixiviación completo, pero la parte resultante terminada es
típicamente relativamente débil en la resistencia al impacto.
En una forma alternativa de diamante
policristalino térmicamente estable, se usa el silicio como el
material catalizador. El procedimiento para preparar diamante
policristalino con un material catalizador de silicio es
completamente similar al descrito anteriormente, excepto que en las
temperaturas y presiones de síntesis, la mayoría del silicio se
hace reaccionar para formar carburo de silicio, que no es un
material catalizador eficaz. Se mejora algo la resistencia térmica,
pero todavía se produce la degradación térmica debido a algo de
silicio residual remanente, en general distribuido de manera
uniforme en los intersticios de la matriz intersticial. De nuevo,
existen problemas de montaje con este tipo de elemento de PCD debido
a que no existe superficie que se pueda unir.
Más recientemente, ha llegado a estar disponible
un tipo adicional de PCD en el que los carbonatos, tales como
carbonates en polvo de Mg, Ca, Sr, y Ba se usa como el material
catalizador de unión cuando se sinteriza el polvo de diamante. El
PCD de este tipo típicamente tiene mayor resistencia al desgaste y
dureza que los tipos previos de elementos de PCD. Sin embargo, el
material es difícil producir a escala comercial ya que se requieren
presiones mucho más altas para la sinterización que es el caso con
diamante policristalino convencional y térmicamente estable. Un
resultado de esto es que los cuerpos de diamante policristalino
producidos mediante este procedimiento son más pequeños que los
elementos de diamante policristalino convencionales. De nuevo,
todavía se puede producir degradación térmica debido al material
catalizador de unión residual remanente en los intersticios. De
nuevo, debido a que no existe sustrato integral u otra superficie
que se puede unir, existen dificultades en el montaje de este
material a una superficie de trabajo.
Los esfuerzos para combinar los PCD térmicamente
estable con sistemas de montaje para poner su estabilidad de
temperatura mejorada para uso no han sido tan exitosos como se
esperaba debido a su baja resistencia al impacto. Por ejemplo,
diversas formas de elementos de PCD de montaje múltiple se muestran
en las Patentes de Estados Unidos números 4.726.718; 5.199.832;
5.025.684; 5.238.074; 6.009.963 incorporadas en el presente
documento para lo que desvelan. Aunque muchos de estos diseños han
tenido éxito comercial, los diseños no han sido particularmente
exitosos en la combinación de resistencia al alto desgaste y/o
abrasión mientras se mantiene el nivel de tenacidad alcanzable en
PCD no térmicamente estable.
Otros tipos de revestimientos de unión a
diamante o tipo de diamante para superficies se describen en las
Patentes de Estados Unidos números 4.976.324; 5.213.248; 5.337.844;
5.379.853; 5.496.638; 5.523.121; 5.624.068 todas se incorporan en
el presente documento por referencia para todo lo que desvelan.
Revestimientos similares también se describen en la Publicación de
Patente de GB Nº 2.268.768, Publicación PCT Nº 96/34.131, y
Publicaciones EPC 500.253; 787.820; 860.515 para superficies de
herramientas altamente cargadas. En estas publicaciones,
revestimientos de diamante y/o de tipo diamante se muestran
aplicadas sobre superficies para resistencia al desgaste y/o
erosión.
En muchas de las aplicaciones anteriores los
procedimientos de deposición de vapor física (PVD) y/o deposición
de vapor química (CVD) se usan para aplicar el revestimiento de
diamante o de tipo diamante. Los procedimientos de revestimiento de
diamante de PVD y CVD diamante son bien conocidos y se describen por
ejemplo el las Patentes de Estados Unidos números 5.439.492;
4.707.384; 4.645.977; 4.504.519; 4.486.286 todas incorporadas en el
presente documento por referencia.
Se pueden usar los procedimientos de PVD y/o CVD
para revestir superficies con revestimientos de diamante o de tipo
diamante, por ejemplo, para proporcionar un conjunto empaquetado de
manera apretada de cristales orientados de manera epitaxial de
diamante u otros cristales superduros sobre una superficie. Aunque
estos materiales tienen densidades de diamante muy altas debido a
que están empaquetados demasiado apretadamente, no hay cantidad
significativa de unión de diamante a diamante entre cristales
adyacentes, haciéndolos completamente débiles en conjunto, y se
someten a fractura cuando se aplican altas cargas de cizalla. El
resultado es que aunque estos revestimientos tienen densidades de
diamante muy altas, tienden a ser mecánicamente débiles, provocando
tenacidad de impacto escasa y resistencia a la abrasión cuando se
usa en aplicaciones altamente cargadas tales como con elementos de
corte, dispositivos de cojinetes, elementos de desgaste, y
tientes.
Se han realizado algunos intentos para mejorarla
tenacidad y resistencia al desgaste de estos revestimientos de
diamante o de tipo diamante mediante aplicación a un sustrato de
carburo de tungsteno y posteriormente procesamiento en un ambiente
de alta presión, alta temperatura como se describe en las Patentes
de Estados Unidos números 5.264.283; 5.496.638; 5.624.068
incorporadas en el presente documento por referencia para todo lo
que contienen. Aunque este tipo de procesamiento puede mejorar la
resistencia al desgaste de la capa de diamante, la transición
abrupta entre la capa de diamante de alta densidad y el sustrato a
la capa de diamante susceptible a la fractura en masa en la
interfase a muy bajas tensiones. Esto se traduce en muy pobre
tenacidad y resistencia al impacto cuando está en uso.
Cuando se usan los elementos de PCD fabricados
de un material catalizador de unión de cobalto u otro metal del
grupo VIII metal contra otro como materiales de cojinete, se
encontró que el coeficiente de fricción tendía a incrementarse con
el uso. Como se describe en la memoria descriptiva de la Patente
Europea número 617.207, se encontró que la eliminación (mediante el
uso de limpieza por ácido clorhídrico) de la tribofilm rica en
cobalto tendía a incrementar en servicio desde la superficie del
elemento que lleva PCD, tendía a mitigar este problema.
Aparentemente, durante la operación algo de cobalto del PCD en la
superficie migra del área cargada del cojinete, provocando un
aumento de fricción cuando los dos elementos de PCD actúan entre sí
como cojinetes. Ahora se cree que la fuente de este cobalto puede
ser un producto residual del procedimiento de finalización de los
elementos del portadores, ya que el remedio de la limpieza por ácido
no puede eliminar de manera eficaz el cobalto hasta una profundidad
significativa por debajo de la superficie.
Debido a que el cobalto se elimina solamente de
la superficie del PCD, no existe un cambio eficaz en las
temperaturas a la que se produce la degradación térmica en estos
elementos de cojinete. Por lo tanto permanecen los efectos
peligrosos del material catalizador de unión, y todavía se produce
la degradación térmica de la capa de diamante debida a la presencia
del material catalizador.
La presente invención proporciona un elemento de
diamante policristalino superduro o de tipo diamante con
resistencia mejorada en gran medida a la degradación térmica sin
pérdida a la resistencia al impacto. De manera colectiva llamados
elementos de PCD para los propósitos de esta memoria descriptiva,
estos elementos están formados de un material catalizador de unión
en un procedimiento de alta temperatura, alta presión. El elemento
de PCD tiene una pluralidad de cristales de diamante o de tipo
diamante parcialmente unidos que forman al menos una matriz de
diamante continua, y los intersticios entre los cristales de
diamante que forman al menos una matriz intersticial continua que
contiene un material catalizador. El elemento tiene una superficie
de acción y un cuerpo, donde una parte de la matriz intersticial en
el cuerpo adyacente a la superficie de acción está sustancialmente
libre del material catalizador, y la matriz intersticial remanente
contiene el material catalizador.
Una porción de la superficie de acción sobre el
cuerpo del elemento de PCD se puede procesar posteriormente de
manera que los intersticios entre los cristales superduros están
sustancialmente duros del material catalizador. La superficie de
acción que está sustancialmente libre de material catalizador no
está sometida a la degradación térmica encontrada en las otras
áreas de la superficie de acción, dando como resultado una mejora en
la resistencia de la degradación térmica. En los elementos de
corte, la superficie de acción procesada puede ser una parte de la
mesa enfrente del cuerpo, una parte de de la superficie periférica
del cuerpo, o partes de todas estas superficies.
En otra realización, el material catalizador es
cobalto u otro metal del grupo del hierro metal, y el procedimiento
de empobrecimiento del material catalizador es para lixiviarlo de
los intersticios cerca de la superficie de un elemento de PCD en un
procedimiento de grabado en ácido. Se anticipa que el procedimiento
de eliminación material catalizador de la superficie también puede
ser mediante descarga eléctrica, u otro procedimiento eléctrico o
galvánico, o mediante evaporación.
En otra realización, el material catalizador se
elimina posteriormente de la superficie de trabajo de un elemento
de PCD combinándolo químicamente con otro material de manera que no
actúe más como un material catalizador. En este procedimiento, un
material puede permanecer en los intersticios entre los cristales de
diamante, pero ese material no actúa más como un material
catalizador- que elimina o empobrece de manera eficaz el material
catalizador.
En todavía otra realización, el material
catalizador se elimina provocando que se transforme en un material
que no actúa más como un catalizador. Esto se puede llevar a cabo
mediante un cambio de estructura del cristal, "trabajo"
mecánico, tratamiento térmico u otros procedimientos de tratamiento.
Este procedimiento puede aplicarse a materiales catalizadores no
metálicos o no reactivos. De nuevo, un material puede permanecer en
los intersticios entre los cristales de material superduro, pero
ese material no actúa más como un material catalizador que elimina
o empobrece el material catalizador.
Se desvela un elemento que comprende una
pluralidad de cristales de diamante parcialmente unidos, un material
catalizador, una matriz intersticial, y un cuerpo con una
superficie de trabajo. La matriz intersticial en el cuerpo
adyacente a la superficie de trabajo está sustancialmente libre del
material catalizador, y la matriz intersticial remanente contiene
el material catalizador.
De manera similar, un Elemento de PCD se desvela
por tener un material catalizador, una matriz intersticial, y un
cuerpo con una superficie de trabajo. La matriz intersticial en el
cuerpo adyacente a la superficie de trabajo está sustancialmente
libre del material catalizador, y la matriz intersticial remanente
contiene el material catalizador.
También, un Elemento de PCD se desvela por tener
una pluralidad de cristales superduros, un material catalizador y
un cuerpo con una superficie de trabajo. En este elemento, una
mayoría de los cristales en el cuerpo dentro de al menos 0,1 mm de
profundidad desde la superficie de trabajo tienen una superficie que
está sustancialmente libre del material catalizador y los cristales
remanentes están en contacto con el material catalizador.
Además, un Elemento de PCD se describe por tener
un cuerpo con una superficie de trabajo. Un primer volumen del
cuerpo lejos de la superficie de trabajo contiene un material
catalizador, y un segundo volumen del cuerpo adyacente a la
superficie de trabajo está sustancialmente libre del material
catalizador.
También, se describe un elemento que tiene una
pluralidad de o cristales de diamante parcialmente unidos, un
material catalizador, y un cuerpo con una superficie de trabajo. El
volumen del cuerpo adyacente a la superficie de trabajo tiene una
densidad de diamante sustancialmente más alta que en otra parte en
el cuerpo, y el volumen está sustancialmente libre del material
catalizador.
También, se describe un Elemento de PCD que
tiene un cuerpo con una superficie de trabajo. El volumen del
cuerpo adyacente a la superficie de trabajo tiene una densidad de
diamante sustancialmente más alta que en otra parte en el cuerpo, y
el volumen está sustancialmente libre del material catalizador.
Además, se describe un elemento de corte
preformado. El elemento tiene una Madera enfrente de un material
policristalino superduro que tiene una pluralidad de cristales
parcialmente unidos, superduros, una pluralidad de regiones
intersticiales entre los cristales superduros y un material
catalizador. La tabla de enfrente tiene una superficie de corte y
un cuerpo. Las regiones intersticiales en al menos una parte de la
superficie de corte están sustancialmente libres del material
catalizador y el remanente de las regiones intersticiales contienen
el material catalizador.
Los Elementos de PCD de la presente invención
también se pueden usar para desgaste, corte, extracción, y otras
aplicaciones donde las superficies de diamante de ingeniería son
necesarias. Las aplicaciones específicas son como elementos de
corte en partes de taladro rotatorio de tanto el tipo de cortador
fijo como el tipo de cortador rodante, como troqueles de
excavación, disipadores de calor, cojinetes de fricción, superficies
de válvulas, indentores, mandriles de herramientas, etc. El
elemento de PCD de la presente invención se puede usar para
trabajar a máquina productos de madera abrasivos, materiales
ferrosos y no ferrosos y también materiales de ingeniería muy duros
o abrasivos tales como piedra y un asfalto y similares.
La figura 1A es un Elemento de PCD típico de la
presente invención.
La figura 1B es un PCD típico de la presente
invención que muestra un elemento de corte.
La figura 2 es una vista lateral de un elemento
de taladro rotatorio de corte fijo que usa un Elemento de PCD de la
presente invención.
La figura 3 es una vista en perspectiva de un
elemento de taladro rotatorio de corte rodante que usa un Elemento
de PCD de la presente invención.
La figura 4 es una vista en perspectiva de un
disipador de calor que tiene un Elemento de PCD con forma de bóveda
de la presente invención.
La figura 5 es una vista en perspectiva de un
Elemento de PCD en forma de bóveda adecuado para uso en tanto
elementos de corte rodantes como en elementos de perforación de
corte fijo.
La figura 6 es una microfotografía de la
superficie de un Elemento de PCD de la técnica anterior que muestra
el material catalizador de unión de las regiones
intersticiales.
La figura 7 es una microfotografía del Elemento
de PCD de la presente invención que muestra una primera parte un
material catalizador en las regiones intersticiales y una segunda
parte sin el material catalizador en las regiones
intersticiales.
La figura 8 es una representación
microestructural de un Elemento de PCD de la técnica anterior, que
muestra los cristales de diamante unidos, con las regiones
intersticiales y la orientación cristalográfica de de los cristales
individuales.
La figura 9 es una representación
microestructural del Elemento de PCD de la presente invención como
se muestra en la La figura 7, que indica la profundidad del
material catalizador libre de la región relativa a la superficie
del elemento de PCD.
La figura 10 es un gráfico de los índices de
desgaste relativos de varias realizaciones del Elemento de PCD de
la presente invención.
La figura 11A es una vista frontal de de una
realización de PCD encapsulado del Elemento de PCD de la presente
invención.
La figura 11B es una vista en sección de otra
realización de PCD encapsulado del Elemento de PCD de la presente
invención.
La figura 11C es una vista en sección todavía
otra realización de PCD encapsulado del Elemento de PCD de la
presente invención.
La figura 12A es una vista en perspectiva de una
superficie aplicada a CVD/PVD para otra realización del Elemento de
PCD de la presente invención.
La figura 12B es una vista en perspectiva
agrandada de la estructura cristalina de la realización del Elemento
de PCD de la presente invención mostrado en La figura 12A.
La figura 13 es una vista en sección de un
troquel de extracción de alambre que tiene un Elemento de PCD de la
presente invención.
La figura 14 es una vista en perspectiva de un
disipador de calor que tiene un Elemento de PCD de la presente
invención.
La figura 15 es una vista en perspectiva de un
cojinete que tiene un Elemento de PCD de la presente invención.
La figura 16A y 16B son vistas frontales de las
partes de emparejamiento de una válvula que tiene un Elemento de
PCD de la presente invención.
La figura 17A es una vista lateral de un que
tiene un Elemento de PCD de la presente invención.
La figura 17B es una vista en sección parcial de
un punzón que tiene un Elemento de PCD de la presente invención.
La figura 18 es una vista en perspectiva de un
dispositivo de medición que tiene un Elemento de PCD de la presente
invención.
El diamante policristalino o elemento 2 de
material de tipo diamante (PCD) de la presente invención se muestra
en la figura 1A. El elemento 2 de PCD tiene una pluralidad de
cristales 60 de diamante o tipo diamante superduros parcialmente
unidos, (mostrado en las Figuras 7 y 9) un material catalizador 64,
y una matriz intersticial 68 formada por los intersticios 62 entre
los cristales 60. El elemento 2 también tiene una o más superficies
4 de trabajos y los cristales de diamante 60 y los intersticios 62
forman el volumen del cuerpo 8 del elemento 2 de PCD.
La superficie de trabajo 4 es cualquier parte
del cuerpo de PCD 8 que, en operación, puede poner en contacto el
objeto a trabajar. En este memoria descriptiva, cuando se habla de
la superficie de trabajo 4, se entiende que se aplica a cualquier
parte del cuerpo 8 que se puede exponer y/o se usa como superficie
de trabajo. Además, cualquier parte de la superficie de trabajo 4
es, y en misma, una superficie de trabajo.
Durante la fabricación, en condiciones se alta
temperatura y alta presión, los intersticios 62 entre los cristales
60 se llenan con el material catalizador 64 justo antes de que los
cristales 60 se transformen. En una etapa adicional de la
fabricación, algo del material catalizador 64 se empobrece
selectivamente a partir de alguno de los intersticios 62. El
resultado es que un primer volumen de del cuerpo 8 del Elemento de
PCD 2 lejos de la superficie de trabajo 4 contiene el material
catalizador 64, y un segundo volumen del cuerpo 8 adyacente a la
superficie de trabajo 4 está sustancialmente libre del material
catalizador 64. Los intersticios 62 que están sustancialmente
libres de material catalizador 64 se indican por el número 66.
Por lo tanto, la matriz intersticial 68 del
cuerpo 8 adyacente a al menos una parte de la superficie de trabajo
4 está sustancialmente libre del material catalizador 64, y la
matriz intersticial remanente 68 contiene el material catalizador
material 64. El elemento de PCD 2 puede estar unido a un sustrato 6
de material menos duro, usualmente carburo de tungsteno cementado,
pero no se requiere el uso de un sustrato 6.
Debido que el cuerpo adyacente a la superficie
de trabajo 4 está sustancialmente libre del material catalizador
64, los efectos perjudiciales del material catalizador de unión 64
están sustancialmente disminuidos, y la degradación térmica de la
superficie de trabajo 4 debida a la presencia de material
catalizador 64 está eliminada de manera eficaz. El resultado es un
nuevo elemento 2 de PCD que tiene las propiedades térmicas
potenciadas que se aproximan a las de los llamados elementos de PCD
térmicamente estables mientras mantienen la tenacidad, conveniencia
de fabricación, y capacidad de unión de los elementos PDC
tradicionales. Esto se traduce en una resistencia al desgaste más
alta en las aplicaciones de corte, capacidad de transferencia de
calos más alta en las aplicaciones de disipadores de calor, mayor
capacidad de carga en aplicaciones de cojinetes, menos distorsión
de la superficie en aplicaciones de válvula, y tiene ventajas en
numerosas otras aplicaciones que incluyen troqueles huecos,
indentores, mandriles de herramientas, y elementos de desgaste. Los
detalles de las aplicaciones específicas de los nuevos Elementos 2
de PCD 2 se describirán en más detalle posteriormente en la memoria
descriptiva.
Con referencia ahora a la microfotografía de una
técnica anterior el elemento de PCD en la figura 6, también es una
representación microestructural de un elemento de PCD de la técnica
anterior en la figura 8, es bien conocido que existe una
orientación cristalográfica al azar de cristales del diamante de
tipo diamante 60 como se muestra por las líneas paralelas que
representan los planes de escisión de cada cristal60. Como se puede
observar, los cristales adyacentes 60 se han unido conjuntamente con
espacios intersticiales 62 entre ellos. Debido a que los planos de
escisión están orientados en diferentes direcciones sobre cristales
adyacentes 60 no existe en general ninguna ruta directa disponible
para la fractura del diamante. Esta estructura permite que los
materiales de PCD se realicen bien en los ambientes de carga
extremos donde las cargas de alto impacto son comunes.
En el procedimiento de unión de los cristales 60
en una prensa de alta temperatura, alta presión, los espacios
intersticiales 62 entre los cristales 60 se llegan a cargar con un
material catalizador de unión 64. Es este material catalizador 64
el que permite que se formen los enlaces entre los cristales de
diamante 60 adyacentes a las presiones y temperaturas relativamente
bajas en la prensa.
El Elemento de PCD de la técnica anterior tiene
al menos una matriz continua de cristales 60 unidos entre sí con
los muchos intersticios 62 que contienen un material catalizador de
unión 64, típicamente cobalto u otro elemento del grupo VIII. Los
cristales 60 comprenden una primera matriz continua de diamante, y
los intersticios 62 forman una segunda matriz continua de
intersticios 62 conocida como matriz intersticial 68, que contiene
el material catalizador de unión. Además, son necesarias unas áreas
relativamente pocas donde el crecimiento de diamante a diamante
haya encapsulado algo material catalizador de unión. Estas
"islas" no son parte de la matriz intersticial continua 68 de
material catalizador de unión 64.
Con relación ahora a las Figuras 7 y 9,
mostradas en una sección trasversal del Elemento de PCD 2 de la
presente invención. El Elemento de PCD 2 se puede formar de la
misma manera que los elementos de PCD de la técnica anterior
descritos anteriormente. En una realización preferida, después de
una limpieza de limpieza general preliminar o en cualquier momento
después en el procedimiento de fabricación, la superficie de trabajo
4, 70, 72 del elemento de PCD 2 se procesa de una manera que
elimina una parte del material catalizador de unión del cuerpo
adyacente. El resultado es que los intersticios 62 entre los
cristales de diamante 60 adyacentes a la superficie de trabajo
están sustancialmente libres del material catalizador 64 indicado
por el número 66. la parte de la superficie de trabajo 4, 70, 72
que está libre de material catalizador 64 no se somete a la
degradación térmica encontrada en las otras áreas del PCD, que da
como resultado la mejora de las características térmicas.
Existen muchos procedimientos para eliminar o
empobrecer el material catalizador 64 de los intersticios 62. En un
procedimiento, el material catalizador 64 es cobalto u otro grupo de
material de hierro, y el procedimiento de eliminación de material
catalizador 64 es para lixiviarlos de los intersticios 62 cerca de
la superficie de trabajo 4, 70, 72 de un elemento de PCD 2 en un
procedimiento de grabado ácido a una profundidad de más de
aproximadamente 0,2 mm. También es posible que el procedimiento de
eliminación del material catalizador 64 de cerca de la superficie
cercana pueda ser por descarga eléctrica, u otro procedimiento
eléctrico o galvánico o mediante evaporación.
En otro procedimiento para el empobrecimiento
del material catalizador 64 de los intersticios 62, el material
catalizador 64 se empobrece combinándolo de manera química, tal como
aleación, con otro material de manera que no actúe más como un
material catalizador. En este procedimiento, un material puede
permanecer en los intersticios entre los cristales de diamante 60,
pero ese material no actúa más como un material catalizador 64 que
lo elimina de manera eficaz.
En todavía otro procedimiento para empobrecer el
material catalizador 64 de los intersticios 62, el material
catalizador 64 se elimina haciendo que se trasforme en un material
que no actúa más como un material catalizador. Esto se puede llevar
a cabo mediante un cambio de estructura cristalina, cambio de fase,
"operación" mecánica, tratamiento térmico u otros
procedimientos de tratamiento. Este procedimiento se puede aplicar a
materiales catalizadores no metálicos o no reactivos. De nuevo, un
material puede permanecer en los intersticios 62 entre los
cristales de diamante, pero ese material no actúa más como un
material catalizador 64 eliminando me manera eficaz el
material
catalizador.
catalizador.
Una vez que el material catalizador 64 adyacente
a la superficie de trabajo 4, 70, 72 se ha vuelto ineficaz, el
Elemento de PCD 2 de la presente invención no es más tiempo
susceptible al tipo de degradación térmica que se sabe que se
produce en los elementos PCD de la técnica anterior. Como se ha
descrito previamente, existen dos modos de degradación térmica
conocidos que son provocados por el material catalizador 64. El
primer modo de degradación térmica comienza a temperaturas tan
bajas como aproximadamente 400 grados Centígrados y se debe a la
expansión térmica diferencial entre el material catalizador 64 en
los intersticios 62 y los cristales 60. Tras la expansión
suficiente se puede romper la unión de diamante a diamante y se
pueden producir grietas y virutas.
El segundo modo de degradación térmica comienza
a temperaturas de aproximadamente 750 grados Centígrados. Este modo
es provocado por la capacidad catalizadora del material catalizador
de unión 64 que contiene cristales 60, y que provoca que los
cristales 60 se grafiticen a medida que la temperatura se aproxima a
750 grados Centígrados. A medida que los cristales 60 se grafitizan,
experimentan un incremento inmenso de volumen que da como resultado
el resquebrajamiento y desunión del cuerpo 4. incluso un espesor de
unas pocas micras del material catalizador 64 sobre las superficies
de los cristales de diamante 60 pueden permitir este modo de
degradación térmica.
Por lo tanto los expertos en la técnica
apreciarán que para un máximo beneficio, el material catalizador 64
se debe eliminar tanto de los intersticios 62 entre los cristales de
diamante 60 como de las superficies de los cristales de diamante 60
también. Si el material catalizador 64 se elimina de tanto las
superficies de los cristales de diamante 60 como de los
intersticios 62 la aparición de la degradación térmica para los
cristales de diamante 60 en esa región se aproximaría a los
1200ºC.
Sin embargo, este modo de degradación dual,
proporciona algunos beneficios no esperados. Por ejemplo, en muchas
aplicaciones es deseable modificar por ingeniería la velocidad de
desgaste de la superficie de trabajo. En la presente invención,
esto se puede llevar a cabo cambiando el procedimiento de
tratamiento tales como en las áreas que requieren resistencia al
desgaste máxima, el material catalizador se empobrece desde tanto
los intersticios 62 como las superficies de los cristales de
diamante 60. En las áreas donde se desea menos resistencia al
desgaste, por ejemplo en una herramienta de auto afilado, las áreas
se tratarían para empobrecer el material catalizador 64
principalmente de los intersticios 62, pero permitiendo que algunos,
si no todos, los cristales de diamante 60 permanezcan en contacto
con el material catalizador.
Debe ser evidente, que es más difícil eliminar
el material catalizador 64 de las superficies de los cristales de
diamante 60 que de los intersticios 62. Por esta razón, dependiendo
de la manera en que el material catalizador se empobrece, para que
sea eficaz la degradación térmica, la profundidad del
empobrecimiento del material catalizador 64 de la superficie de
trabajo 4 puede variar dependiendo del procedimiento usado para
empobrecer el material catalizador 64.
En algunas aplicaciones, la mejora del umbral
térmico hasta por encima de 400ºC pero menos de 750ºC es adecuada,
y por lo tanto un procedimiento de empobrecimiento del material
catalizador 64 menos intenso es permisible. Como consecuencia, se
debe apreciar que existen combinaciones de procedimientos de
empobrecimiento de material catalizador 64 que se podrían aplicar
para lograr el empobrecimiento del material catalizador 64 requerido
para una aplicación específica.
En esta memoria descriptiva, cuando el término
"sustancialmente libre" se usa con relación al material
catalizador 64 en los intersticios 62, la matriz intersticial 68, o
en un volumen en el cuerpo 8, se debe entender que muchos, si no
todas, las superficies de los cristales de diamante 60 adyacentes
pueden todavía tener un revestimiento del material catalizador 64.
Del mismo modo, cuando el término "sustancialmente libre" se
usa con relación a material catalizador 64 sobre las superficies de
los cristales de diamante 60, puede todavía existir material
catalizador 64 presente en los intersticios 62 adyacentes.
Con el material catalizador 64 eliminado o
empobrecido, no están más presentes dos mecanismos de degradación
térmica. Sin embargo, se ha encontrado que el material catalizador
64 tiene que eliminarse a una profundidad suficiente para permitir
que los cristales 60 unidos para conducir fuera el calor generado
por un episodio térmico para reducir la temperatura de degradación
de los cristales 60 donde el material catalizador 64 está
presente.
En un conjunto de ensayos de laboratorio, el
calor se introdujo en un Elemento de PCD 2 configurado como un
elemento de corte 10. Ya que este ensayo se diseñó como un ensayo de
desgaste convencional para estos elementos de corte, se proporcionó
una comparación razonable de los elementos de corte 10 con diversas
profundidades de eliminación de material catalizador 64. En estos
ensayos, se debe tener cuidado para asegurar que el procedimiento
de empobrecimiento elimine el material catalizador 64 de tanto los
intersticios 62 como de las superficies de los cristales de
diamante 60. El ensayo se diseñó de manera que una entrada que se
puede repetir de calor se aplicara al borde de corte del elemento
de corte de PCD 10 durante un período de tiempo conocido.
Una vez que se complete el ensayo, se calculó un
índice de desgaste. Cuanto mayor es el índice de desgaste, mejor es
la resistencia al desgaste. Debido a la naturaleza del ensayo, se
asume que un número de índice de desgaste aumentado, indica un
aumento de resistencia a la degradación térmica de la superficie de
trabajo 70, 72 del elemento de corte 10.
Como se puede observar en la curva A en el
gráfico de La figura 10 existe un notable incremento en el resultado
del índice de desgaste para los elementos de corte 10 cuando la
profundidad de empobrecimiento del material catalizador 64 se
aproxima a 0,1 mm. Por lo tanto, para los tipos de entrada de calor
comunes en los elementos de corte 10, una profundidad de 0,1 mm es
la profundidad de empobrecimiento crítica de la superficie de
trabajo 4, 70, 72 cuando el material catalizador 64 se elimina de
tanto los intersticios 62 como de las superficies de los cristales
de diamante 60.
En otros ensayos, sobre los elementos de corte
10 realizados con un procedimiento más económico con uno o más
procedimientos económicos para eliminar el material catalizador 64,
el desgaste contra la profundidad del empobrecimiento se cree que
se aproxima al mostrado en la curva "B" de La figura 10. El
procedimiento de empobrecimiento del material catalizador 64 usado
en estos cortadores no era tan eficaz para la eliminación del
material catalizador 64 de las superficies de los cristales de
diamante 60 como el procedimiento de la curva "A". Por lo
tanto, no era hasta que la mayoría del material catalizador 64 se
eliminó de los intersticios 62 hasta una profundidad de 0,2 mm que
la velocidad de desgaste mejoraba hasta el de la curva "A".
Se cree que la degradación térmica con relación
a las velocidades desgaste como se muestra en la curva "C" de
La figura 10 se puede modificar por ingeniería en los Elementos de
PCD 2 donde es beneficioso. Por ejemplo, puede ser deseable que
tenga bordes de elementos de corte 10 curvados lejos del centro de
contacto para desgastarse más rápidamente que el punto central.
Esto tendería a conservar la forma de la curva del elemento de
corte, en lugar de llegar a ser una superficie plana.
La resistencia mejorada a la degradación térmica
mejora las velocidades de desgaste debido a que el diamante es un
conductor térmico extremadamente bueno. Si un episodio de fricción
en la superficie de trabajo 4, 70, 72 provocaba una entrada de
calor rápida, extrema, los cristales de diamante unidos conducirían
el calor en todas las direcciones fuera del evento. Esto permitiría
un gradiente de temperatura extremadamente alto a través del
material, posiblemente 1000ºC por mm o mayor. Un gradiente de esta
etapa permitiría que la superficie de trabajo 4,70, 72 alcance
950ºC, y no provocan una degradación térmica significativa si los
intersticios 62 y las superficies de los cristales de diamante 62
adyacentes a la superficie de trabajo están sustancialmente libres
del material catalizador 64 hasta una profundidad de justo 0,2 mm de
la fuente de calor.
Debe ser evidente que el gradiente de
temperatura variará dependiendo del tamaño del cristal 60 y la
cantidad de unión entre cristales. Sin embargo, en los ensayos de
campo de los elementos de corte 10 para las porciones de taladro,
la eliminación de sustancialmente todo el material catalizador 64 de
los intersticios 62 hasta una distancia D de aproximadamente 0,2 mm
hasta aproximadamente 0,3 mm desde la superficie de trabajo 4, 70,
72 producía mejoras notables en la resistencia al desgaste, con una
combinación de un incremento de un 40% en la velocidad de
penetración y un 40% de mejora en la resistencia al desgaste. La
mejora en la resistencia al desgaste indica que el desgaste de los
cristales de diamante 60 debido al material catalizador 64 indujo
la degradación térmica se redujo de manera notable. El incremento de
la velocidad de penetración se cree que se debe a la capacidad del
cortador de permanecer "afilador" más tiempo debido a la
resistencia de desgaste aumentada.
Existen otras posibles construcciones de los
Elementos de PCD que se benefician del empobrecimiento o de la
eliminación del material catalizador 64 como se ha descrito
anteriormente. Como se muestra en las Figuras 11A, 11B y 11C otra
realización de la presente invención es un Elemento de PCD 102 del
compuesto. El elemento de PCD 102 tiene un cuerpo 108 con un
material catalizador de unión del grupo VIII con un segundo Elemento
de PCD 110 formado previamente incrustado dentro de él. El elemento
de PCD 110 incrustado se puede asentar con la superficie de trabajo
104 del elemento de PCD 120 de encapsulación como se muestra en la
figura 11A, o se puede incrustar completamente dentro del elemento
de PCD 120 de encapsulación como se muestra en La figura 11B. Este
elemento de PCD 110 incrustado se prepara en un procedimiento que
usa carbonatos en polvo de Mg, Ca, Sr, y Ba como el material
catalizador de unión, y se forma en un Elemento de PCD del compuesto
como se describe en la solicitud de Patente de Estados Unidos en
tramitación con la presente Nº de serie 09/390,074 incorporada en
el presente documento por referencia.
En esta realización, ya que el elemento de PCD
110 incrustado formado previamente se forma a mayores presiones, la
densidad de diamante se puede fabricar más alta que la del Elemento
de PCD 120 de encapsulación. En esta construcción ya que el
Elemento de PCD 110 incrustado tiene un material catalizador con una
mayor temperatura de activación, puede por ejemplo, ser beneficioso
empobrecer el material catalizador solamente en la superficie de
trabajo del elemento de PCD elemento 120 de encapsulación. Además,
el Elemento de PCD 110 incrustado se puede posicionar dentro del
elemento de PCD elemento 120 de encapsulación para que se tenga
ventaja de la mayor resistencia al impacto del elemento de PCD
incrustado 110 del compuesto con la resistencia al desgaste
mejorada del elemento de encapsulación 120.
Como se muestra en las Figuras 9, 11A, 11B, y
11C, el elemento 102 tiene una pluralidad de cristales de diamante
60 parcialmente unidos, un material catalizador 64 y un cuerpo 108
con una superficie de trabajo 104. El volumen 112 del cuerpo
adyacente a la superficie de trabajo 104 tiene una densidad de
diamante sustancialmente mayor que en otra parte 114 en el cuerpo
108, y el volumen 112 está sustancialmente libre del material
catalizador 64.
Varios Elementos de PCD 110 incrustados se
pueden disponer en el elemento 100 del compuesto, como se muestra
en La figura 11C, de una manera donde se puede realizar lo mejor de
tanto la resistencia al impacto y resistencia al desgaste
mejorada.
Puede ser deseable empobrecer el material
catalizador en el elemento de PCD incrustado 110 así como el
material catalizador del elemento de PDC de encapsulación 120. Esta
combinación proporcionaría un elemento con la resistencia al
impacto lo más alta posible combinada con la resistencia al desgaste
lo más alta posible disponible en los elementos de diamante para
uso comercial.
En las Figuras 12A y 12B se muestra otra
realización del elemento PCD 202 de la presente invención. En esta
realización, el Elemento de PCD 202 se forma primero de la manera de
la técnica anterior Después que se ha preparado una superficie, se
usa un procedimiento de CVD o PVD para proporcionar un conjunto
estrechamente empaquetado de cristales de diamante 260 orientados
de manera epitaxial depositados encima de una futura superficie de
trabajo 204 sobre una parte 210 del Elemento de PCD 202. Después el
ensamblaje se somete a un procedimiento de alta presión alta
temperatura mediante el cual los cristales de diamante 260
depositados forman enlaces diamante a diamante entre sí, y a los
cristales de diamante en el PCD precursor. Este enlace diamante a
diamante es posible debido a la presencia del material catalizador
64 que se infunde desde la superficie del Elemento de PCD 202
precursor.
Después de la limpieza en general, una parte de
la superficie de trabajo 204 se trata para empobrecer el material
catalizador 64 de la capa depositada de CVD o PVD. El producto final
es un Elemento de PCD que tiene una parte de una superficie de
trabajo 204 con un volumen 214 mucho más alto en densidad de
diamante que la de las otras superficies 280 del Elemento de PCD
202. Esta región 214 de alta densidad de diamante se empobrece
posteriormente del material catalizador 64. Las partes de las otras
superficies 280 del Elemento de PCD 202 se puede empobrecer del
material catalizador de unión también.
En general los elementos 102,202 mostrados en
las Figuras 11A, 11B, 11C, 12A, y 12B se pueden caracterizar como
Elemento de PCD 102, 102 que tiene un cuerpo 108, 208 con una
superficie de trabajo 104, 204. La densidad de diamante adyacente a
la superficie de trabajo 104, 204 es sustancialmente mayor que en
cualquier parte en el cuerpo 108, 208, y está sustancialmente libre
del material catalizador 64.
Una aplicación particularmente útil para el
Elemento de PCD 2 de la presente invención es como los elementos de
corte 10, 50, 52 como se muestra en Figuras 1B, 4 y 5. La superficie
de trabajo de los elementos de corte de PCD 10, 50, 52 puede ser
una superficie de trabajo superior 70 y/o una superficie de trabajo
72 periférica. El elemento de PCD de corte 10 de La figura 1B es
una que se puede usar de manera típica en elementos de perforación
rotatorios de tipo corte 12, o para la protección de calibre en los
otros tipos de herramientas en el fondo. El elemento de corte de
PCD mostrado en La figura 5 se puede configurar como un una bóveda
39. Este tipo de Elemento de corte de PCD tiene una base extendida
51 para la inserción en huecos en un elemento de perforación de
corte rodante 38 o en el cuerpo de ambos tipos de elementos de
perforación rotatorios, 12, 38 como se describirá en detalle.
El Elemento de corte de PCD 52 de La figura 4 se
adapta para uso en el procedimiento de trabajar a máquina. Aunque
la configuración del elemento de corte 52 en La figura 4 es
rectangular, los expertos en la técnica apreciarán que este
elemento puede ser triangular, cuadrilateral o de muchas otras
formar capaces de trabajar a máquina productos altamente abrasivos
que son difíciles de trabajar a máquina con las herramientas
convencionales.
El Elemento de corte de PCD 10 puede ser un
elemento de corte 10 formado previamente de un elemento de
perforación rotatorio de corte fijo 12 (como se muestra en La
figura 2). El cuerpo del elemento 14 del elemento de perforación se
forma con una pluralidad de cuchillas 16 que se extienden en general
hacia fuera del eje central longitudinal de rotación 18 del
elemento de perforación. Separados en paralelo a lo largo de la cara
delantera 20 de cada cuchilla es una pluralidad de los elementos de
corte de PCD 10 de la presente invención.
De manera típica, el Elemento de corte de PCD 10
tiene un cuerpo en la forma de un comprimido circular que tiene una
tabla en frente delgada delantera 30 de material de diamante o tipo
diamante (PCD), unido en una prensa de alta presión alta
temperatura a un sustrato 32 de material menos duro tal como carburo
de tungsteno cementado. El elemento de corte 10 se forma
previamente y después de manera típica unido sobre un vehículo
cilíndrico en general 34 que también se forma a partir de carburo de
tungsteno cementado, o como alternativa se pude unir de manera
directa a la cuchilla. El Elemento de corte de PCD 10 tiene
superficies de trabajos 70 y 72.
El vehículo cilíndrico 34 se recibe dentro de un
hueco formado de manera correspondiente o con intermedios en la
cuchilla 16. El vehículo 34 usualmente se ajustará por fundición o
contracción en el hueco. Cuando se está trabajando el elemento de
perforación de corte fijo 12 se hace girar y se aplica peso. Estas
fuerzas de elementos de corte 10 en la tierra que se está
perforando, efectúan una acción de corte y/o perforación.
Los elementos de corte 10 de PCD también se
pueden aplicar a una región de calibre 36 del elemento 12 para
proporcionar una acción escariada de calibre así como protección de
del elemento 12 del desgaste excesivo en la región de calibre 36.
Con el fin de espaciar estos elementos de corte 10 tan próximos como
sea posible, puede ser deseable cortar los elementos en formas,
tales como las formas rectangulares mostradas, que se ajustan más
fácilmente en la región de calibre 36.
En una segunda realización, el elemento de corte
50 (como se muestra en La figura 5) de la presente invención está
sobre un elemento de perforación de tipo corte rodante 38, mostrado
en la figura 3. Un elemento de perforación de corte rodante 38 de
manera típica tiene uno o más cortadores de cono rodantes truncados
40,41,42 conjuntados sobre un eje de cojinete sobre el tramo 44 del
cuerpo del elemento 46. Los elementos de corte 50 se pueden montar
como uno o más de una pluralidad de inserciones de corte dispuestos
en filas sobre los cortadores rodantes 40, 41, 42, o como
alternativa los elementos de corte de PCD 50 se puede disponer junto
con el tramo 44 del elemento 38. El Elemento de corte de PCD 50
tiene un cuerpo en la forma de tabla enfrente 35 de material de
diamante o de tipo diamante unido a un sustrato menos duro 37. La
tabla de enfrente 35 en esta realización de la presente invención
está en la forma de una superficie de bóveda 39 y tiene superficies
de trabajos 70 y 72. De acuerdo con lo anterior, existe a menudo un
número de capas de transición entre la tabla de enfrente 35 y el
sustrato 37 para ayudar más igualmente a distribuir las tensiones
generadas durante la fabricación, como conocen bien los expertos en
la técnica.
Cuando se trabaja de perforación de corte
rodante se gira y se aplica peso. Esto fuerza. Esto fuerza que las
inserciones de los materiales de corte 50 en las filas de de los
cortadores de los cortadores de cono rodantes 40, 41, 42 en la
tierra, y como el elemento 35, y como el elemento 36 se hace girar
los cortadores rodantes 40, 45 41, 42 giran, efectuando una acción
de rotación.
En otra realización, el Elemento de corte de PCD
52 de la presente invención está en la forma de un material
triangular, rectangular o de otra forma para uso como inserción de
corte en las operaciones de trabajo a máquina. En esta realización
el elemento de corte 52 tiene un cuerpo en la forma de unta tabla de
enfrente 54 de material de diamante o de tipo diamante unido a un
sustrato menos duro 56 con superficies de trabajos 70 y 72. De
manera típica, el elemento de corte 52 se corta después en una
pluralidad de piezas más pequeñas que posteriormente se unen a una
inserción 58 que se monta en el soporte de herramientas de una
herramienta de máquina. El elemento de corte 52 se puede unir a la
inserción mediante soldadura fuerte, adhesivos, soldadura, o
sujeción. También es posible terminar de formar los elemento de
corte 52 en la forma de la inserción en un procedimiento de
fabricación de alta temperatura alta presión.
Como se muestra en las Figuras 13 - 18, los
elementos de PCD 2, 102, 202 de la presente invención también se
pueden usar para otras aplicaciones, troqueles huecos, mostradas por
ejemplo como un troquel de extracción, 300 de La figura 13 que
utiliza un elemento de PCD 302 de la presente invención. También
puede ser deseable utilizar las capacidades de transferencia de
calor excelentes del Elemento de PCD 2, 102, 202 junto con sus
propiedades de aislamiento eléctricas como un disipador de calor 310
con un Elemento de PCD 312 de la presente invención.
Otras aplicaciones incluyen los cojinetes de
fricción 320 con un elemento de cojinete PCD 322 mostrado en la
figura 15 y las partes coincidentes de una válvula 340, 344 con las
superficies 342 que tienen un Elemento de PCD 342 de la presente
invención como se muestra en las Figuras 16A y 16 8. Además, los
indentores 360 para trazadores, ensayadores de dureza, desgaste de
la superficie, etc. Pueden tener elementos de PCD 362 de la
presente invención como se muestra en La figura 17A. Los punzones
370 pueden tener o cualquiera o ambos troqueles 372, 374 hechos del
material de PCD de la presente invención, como se muestra en La
figura 17 B. También, los mandriles de herramientas 382 y otros
tipos de elementos de desgaste para medir dispositivos 380,
mostrados en la figura 18 se pueden fabricar de los Elementos de PCD
de la presente invención. Se debe entender que casi toda la
solicitud para el diamante policristalino se beneficiará de los
Elementos de PCD empobrecidos del material catalizador de la
presente invención.
Claims (13)
1. Un elemento de diamante policristalino
elemento que comprende un cuerpo de cristales de diamante enlazados
unidos a un substrato de material menos duro, una superficie de
trabajo sobre el cuerpo, en el que un primer volumen del cuerpo
lejano de la superficie de trabajo contiene un material catalizador,
un segundo volumen del cuerpo adyacente a la superficie de trabajo
está sustancialmente libre del material catalizador, el material
catalizador remanente dentro del segundo volumen del cuerpo
disminuye de manera continua con la distancia del primer volumen y
se adhiere a las superficies de los cristales de diamante, en el que
el segundo volumen se extiende hasta una profundidad de al menos
0,1 mm de la superficie de trabajo.
2. El elemento de diamante policristalino de la
Reivindicación 1, en el que el segundo volumen se extiende hasta
una profundidad de entre aproximadamente 0,2 mm y aproximadamente
0,3 mm de la superficie de trabajo.
3. El elemento de diamante policristalino de la
Reivindicación 1, en el que el segundo volumen del cuerpo tiene una
densidad de volumen media de los cristales de diamante unidos que es
mayor que una densidad de volumen media de los cristales de
diamante unidos del cuerpo entero.
4. El elemento de diamante policristalino de
Reivindicación 1, en el que el cuerpo comprende una matriz
intersticial, y en el que una parte de la matriz intersticial
localizada dentro del primer volumen contiene el material
catalizador, y la parte de la matriz intersticial localizada dentro
del segundo volumen está sustancialmente libre del material
catalizador.
5. El elemento de diamante policristalino de
Reivindicación 1, en el que los cristales de diamante en el segundo
volumen alejados del primer volumen tienen menos material
catalizador que se adhiere a sus superficies que los cristales de
diamante en el segundo volumen que son adyacentes al primer
volumen.
6. El elemento de diamante policristalino de
Reivindicación 1, en el que el elemento menos duro es carburo de
tungsteno cementado.
7. Un Elemento de PCD según la Reivindicación 1,
que comprende un elemento de corte preformado que tiene una tabla
enfrente y una superficie de corte, en el que la superficie de
trabajo comprende una superficie de la superficie de corte.
8. Un Elemento de PCD según la Reivindicación 7,
en el que el elemento de corte está montado tras una cara de corte
de un elemento de perforación de tipo corte fijo.
9. Un Elemento de PCD según la Reivindicación 7,
en el que el elemento de corte está montado tras un cuerpo de
elemento de perforación de tipo corte rodante.
10. Un Elemento de PCD según la Reivindicación
1, que comprende un elemento de corte con una superficie de corte
adaptada para s uso como una inserción de corte en una operación de
trabajo a máquina, en el que la superficie de trabajo comprende una
parte de la superficie de corte.
11. Un Elemento de PCD según la Reivindicación
1, que comprende un troquel de extracción, en el que la superficie
de trabajo comprende una parte de la superficie de contacto del
troquel de extracción.
12. Un Elemento de PCD según la Reivindicación
1, que comprende un disipador de calor.
13. Un Elemento de PCD según la Reivindicación
1, que comprende un dispositivo seleccionado entre el grupo
constituido por una superficie de válvula, indentor, mandril de
herramientas, y elemento de desgaste para un dispositivo de
medición.
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