ITTO20000026A1

ITTO20000026A1 - Elementi fresanti diamantati policristallini con tensioni residue modificate.

Info

Publication number: ITTO20000026A1
Application number: IT2000TO000026A
Authority: IT
Inventors: Trent H Butcher; Ralph M Horton; Stephen R Jurewicz; Danny E Scott; Redd H Smith
Original assignee: Baker Hughes Inc
Priority date: 1999-01-13
Filing date: 2000-01-12
Publication date: 2001-07-12
Also published as: BE1014003A5; US6220375B1; US6872356B2; GB2345710B; GB2345710A; US6521174B1; IT1319786B1; GB9930844D0; US20030072669A1

Description

DESCRIZIONE dell'invenzione industriale dal titolo:

"Elementi fresanti diamantati policristallini con tensioni residue modificate"

SFONDO DELL'INVENZIONE

Campo dell'invenzione: La presente invenzione si riferisce ad elementi fresanti diamantati policristallini utilizzabili in scalpelli per la perforazione del terreno. In particolare, la presente invenzione si riferisce ad elementi fresanti diamantati policristallini che hanno substrati modificati per modificare ed alterare selettivamente le tensioni residue nella struttura dell'elemento fresante. Enunciazione dalla tecnica: Elementi fresanti di sinterizzato di diamante policristallino (nel seguito indicati come elementi fresanti "PDC" - "polycrystalline diamond compact") sono ben noti ed ampiamente utilizzati nella tecnologia degli scalpelli di perforazione come elementi taglienti di alcuni scalpelli di perforazione utilizzati in carotaggio. trivellazione di petrolio e di gas, e simili. I sinterizzati di diamante policristallino comprendono in generale una piastrina di diamante policristallino (nel seguito "PCD" -"polycrystalline diamond") formata su un substrato di carburo mediante un procedimento di sinterizzazione ad alta temperatura ed alta pressione ("high temperature-high pressure" - HTHP). Il sinterizzato formato da PCD e substrato può essere fissato ad un supporto di carburo addizionale o più grande (ossia più lungo) ad esempio mediante un procedimento di brasatura. Alternativamente, la piastrina PCD può essere formata sul substrato di carburo allungato in un procedimento di sinterizzazione per formare il PDC con un supporto allungato integrale. Il supporto dell'elemento fresante PDC è quindi brasato o altrimenti fissato ad uno scalpello di perforazione in modo da esporre il PCD sulla superficie per il taglio.

E' noto che elementi fresanti PDC, a causa dei materiali che costituiscono la piastrina PCD ed il supporto, hanno intrinsecamente tensioni residue che rimangono nel sinterizzato tra loro, in tutta la piastrina e nel substrato di carburo, · ed in particolare in corrispondenza dell'interfaccia. In altre parole, il diamante ed il carburo hanno diversi coefficienti di dilatazione termica, moduli di elasticità e compressibilità cubiche per cui, quando il PDC è formato, il diamante ed il carburo si contraggono in misure differenti. Come risultato, la piastrina di diamante tende ad essere in. compressione mentre il substrato e/o il supporto di carburo tende ad essere in trazione. Si può verificare la frattura del PDC, spesso all’interfaccia tra la piastrina di diamante ed il carburo, e/o l'elemento fresante può sfogliarsi sotto le estreme temperature e forze di trivellazione.

Diverse soluzioni sono state suggerite nella tecnica per modificare le tensioni residue in elementi fresanti PDC in modo da evitare la rottura dell'elemento fresante. Ad esempio, è stato suggerito che la configurazione della piastrina di diamante e/o del substrato di carburo in un modo particolare può ridistribuire le tensioni in modo che la trazione sia ridotta, come descritto nel brevetto statunitense N. 5.351.772 di Smith e nel brevetto statunitense N. 4.255.165 di Dennis. Altre configurazioni di elementi fresanti che si propongono di ottenere tensioni ridotte sono descritte nel brevetto statunitense N.

5.049.164 di Horton, nel brevetto statunitense N. 5.176.720 di Martell ed altri, nel brevetto statunitense N. 5.304.342 di Hall, e nel brevetto statunitense N. 4.398.952 di Drake (con riferimento alla formazione di elementi fresanti a rulli).

Recenti prove sperimentali hanno dimostrato che lo stato delle tensioni residue della piastrina di diamante di un elemento fresante PDC può essere controllato mediante mezzi innovativi non precedentemente descritti nella letteratura. In altre parole, i risultati hanno dimostrato che un ampio campo di stati di tensione, da una elevata compressione ad una moderata trazione, possono essere applicati alla piastrina di diamante configurando selettivamente il substrato di carburo. Così, sarebbe vantaggioso nella tecnica realizzare un PDC avente stati di tensione selettivamente configurati, e prevedere procedimenti per produrre tali PDC.

BREVE SOMMARIO DELL'INVENZIONE

In conformità con la presente invenzione, si realizza un elemento fresante di sinterizzato di diamante policristallino avente un substrato di carburo appositamente configurato che modifica in modo favorevole le tensioni di compressione nella piastrina di diamante e le tensioni di trazione residue nel substrato di carburo in modo da produrre un PDC con caratteristiche di tensione migliorate. La modifica del substrato per configurare appositamente le caratteristiche di tensione nella piastrina di diamante e nel substrato può essere ottenuta mediante assottigliamento selettivo del substrato di carburo dopo il trattamento HTHP, mediante variazione selettiva dei materiali componenti del substrato, mediante applicazione al PDC di un procedimento di ricottura durante la sinterizzazione, mediante applicazione al PDC formato di una ricottura di distensione finale, o mediante una combinazione di questi mezzi.

Gli elementi fresanti PDC secondo la presente invenzione sono costituiti da una piastrina di diamante policristallino, da un substrato di carburo sul quale la piastrina di diamante policristallino è formata (ad esempio sinterizzata) e, facoltativamente, da un supporto di carburo di spessore tipicamente maggiore della piastrina di diamante o del substrato, a cui il substrato è collegato (ad esempio brasato) . Tuttavia, è stato scoperto che un ampio campo di stati di tensione, da compressione elevata a moderata trazione, possono essere applicati alla piastrina di diamante mediante modifica selettiva dello spessore del substrato di carburo. Il substrato di carburo può essere formato con uno spessore selezionato mediante la disposizione di materiale di carburo sufficiente durante il procedimento di sinterizzazione HTHP per produrre lo spessore desiderato. Inoltre, o alternativamente, una volta formato il PDC, il substrato può essere selettivamente assottigliato sottoponendolo ad un procedimento di molatura o lavorazione alla macchina o mediante procedimenti di lavorazione a scarica elettrica.

E' stato dimostrato attraverso analisi delle tensioni residue sperimentali e numeriche che l'ampiezza delle tensioni esistenti nella piastrina di diamante è correlata con lo spessore del supporto. Così, entro un opportuno campo, il substrato di carburo dell'elemento fresante può essere assottigliato per ottenere un'ampiezza desiderata delle tensioni nella piastrina di diamante in modo appropriato per un'applicazione particolare. Il raggiungimento di un valore appropriato o desiderato di sottigliezza nel supporto di carburo, e perciò di ampiezza desiderata delle tensioni, può essere determinato mediante analisi delle tensioni residue.

Il substrato dell'elemento fresante PDC può tipicamente essere costituito da carburo di tungsteno (WC) cementato con cobalto, o altro opportuno materiale di carburo cementato, come carburo di tantalio, carburo di titanio, o simili. Il materiale di cementazione, o legante, utilizzato nel substrato di carburo cementato può essere cobalto, nichel, ferro, leghe formate da combinazioni di questi metalli, o leghe di questi metalli in combinazione con altri materiali o elementi. Le prove sperimentali hanno dimostrato che l'introduzione di una gradazione selettiva di materiali nel substrato produrrà opportuni stati di tensione nel substrato di carburo e nella piastrina di diamante. Ad esempio, l'uso di qualità variabili di gradazioni o percentuali di carburi cementati con cobalto (nel seguito "cementati con Co") nel substrato produce stati di compressione molto vantaggiosi nella piastrina di diamante e di tensione di trazione residua ridotta nel substrato di carburo e conferisce una maggiore resistenza meccanica all'elemento fresante.

E' stato anche dimostrato che un elemento fresante PDC con stati di tensione opportunamente modificati nella piastrina di diamante e nel substrato può essere formato mediante manipolazione selettiva delle qualità di gradazioni o percentuali di contenuta di legante, dimensione dei grani di carburo o miscele di legante o leghe di carburo nel substrato. Così, le proprietà specifiche dell'elemento fresante possono essere ottenute attraverso un'imposizione selettiva del contenuto metallurgico del substrato. Inoltre, sottoponendo il PDC secondo la presente invenzione ad una fase di ricottura durante il procedimento di sinterizzazione si aumenta la durezza della piastrina di diamante. L'applicazione all'elemento fresante PDC formato (sinterizzato) di una procedura di ricottura di distensione finale fornisce un ulteriore mezzo per modificare selettivamente le tensioni nell'elemento fresante PDC e migliora in misura significativa la durezza della piastrina di diamante. Inoltre, la configurazione selettiva dello spessore del supporto e/o l'applicazione al substrato dei procedimenti di ricottura descritti generano anche opportuni stati di tensione selezionati nella piastrina di diamante e nel supporto.

BREVE DESCRIZIONE DELLE DIVERSE VISTE DEI DISEGNI

Nei disegni, che illustrano quella che è attualmente considerata come la forma migliore per attuare l'invenzione ,

la FIG. 1 riporta un grafico che rappresenta la relazione post-HTHP tra spessore del substrato di carburo e stati di tensione esistenti nella superficie della piastrina di diamante;

la FIG. 2 riporta una vista in sezione trasversale di un elemento fresante PDC secondo la presente invenzione avente un substrato di carburo selettivamente assottigliato contenente il 13% di cobalto;

la FIG. 3 riporta un grafico che illustra l'analisi delle tensioni residue di un elemento fresante costituito da un substrato contenente il 13% di cobalto formato integralmente con il supporto di carburo rispetto all'analisi delle tensioni residue di un elemento fresante come illustrato nella FIG. 2 che è fissato ad un supporto di 5 mm;

la FIG. 4 riporta un grafico che illustra l'analisi delle tensioni residue per un elemento fresante costituito da un substrato contenente il 13% di cobalto formato integralmente con il supporto di carburo rispetto all'analisi delle tensioni residue di un elemento fresante del tipo illustrato nella FIG. 2 che è fissato ad un supporto di 3 mm; la FIG. 5 riporta una vista in sezione trasversale di una seconda forma di attuazione di un elemento fresante PDC secondo la presente invenzione avente un substrato con un contenuto variabile di materiali,

la FIG. 6 riporta una vista in sezione trasversale di una terza forma di attuazione di un elemento fresante PDC secondo la presente invenzione avente un substrato costituito da tre strati con un contenuto di materiali differente;

la FIG. 7 riporta un grafico che illustra l'analisi delle tensioni residue eseguita su un elemento fresante PDC avente un substrato con un contenuto di cobalto del 13% formato integralmente su un supporto di carburo, in cui l'elemento fresante è stato prodotto in una pressa a nastro la FIG. 8 riporta un grafico che illustra l'analisi delle tensioni residue eseguita su un elemento fresante PDC avente un substrato con un contenuto di cobalto del 16% in cui l'elemento fresante è stato prodotto in una pressa a nastro;

la FIG. 9 riporta un grafico che illustra l'analisi delle tensioni residue eseguita su un elemento fresante PDC come illustrato nella FIG. 5 prodotto in una pressa ·a nastro;

la FIG. 10 riporta un grafico che illustra l'analisi delle tensioni residue di un elemento fresante costituito da un substrato contenente il 13% di cobalto formato integralmente su - un supporto di carburo, rispetto all'analisi delle tensioni residue dell'elemento fresante illustrato nella FIG. 5 prodotto in una pressa cubica;

la FIG. 11 riporta un grafico che illustra l'analisi delle tensioni residue di un elemento fresante costituito da un substrato contenente il 13% di cobalto formato integralmente su un supporto di carburo, rispetto all'analisi delle tensioni residue dell'elemento fresante illustrato nella FIG. 6 prodotto in una pressa cubica;

la FIG. 12 riporta un grafico che illustra l'analisi delle tensioni residue di un elemento fresante costituito da un substrato contenente il 13% di cobalto formato integralmente su un supporto di carburo che è stato prodotto con una fase di ricottura finale;

la FIG. 13 riporta un grafico che illustra l'analisi delle tensioni residue della forma di attuazione dell'elemento fresante illustrata nella FIG. 5, in cui l'elemento fresante è stato prodotto con una fase di ricottura finale; e

le FIGG. 14A-C rappresentano viste in sezione trasversale di configurazioni alternative per realizzare un substrato con un contenuto di materiali variabile.

DESCRIZIONE DETTAGLIATA DELL'INVENZIONE

E' noto che la differenza dei coefficienti di dilatazione termica tra materiali di diamante e di carburo fa sì che la massa della piastrina di diamante di un PDC sia in compressione e la massa del substrato di carbura sia in trazione dopo il procedimento di sinterizzazione HTHP utilizzato per formare un elemento fresante PDC. La rispettiva esistenza degli stati di compressione e di trazione nei componenti costituiti dalla piastrina di diamante e dal substrato di un PDC è stata dimostrata attraverso un'analisi delle tensioni residue. L'analisi delle tensioni residue ha anche dimostrato, tuttavia, la possibilità di configurare in modo desiderato gli stati di tensione residua che esistono nella piastrina di diamante e nel substrato dell'elemento fresante PDC mediante riduzione dello spessore del substrato di carburo, o variazione delle proprietà del substrato di carburo.

La correlazione è illustrata nella FIG. 1, in cui gli stati di tensione residua all'interfaccia tra la piastri na di diamante ed il substrato sono rappresentati sull'asse y e gli spessori relativi del substrato di carburo sono rappresentati sull'asse x. Le prove con un substrato di carburo di tungsteno sinterizzato su una piastrina di diamante indicano che, per uno spessore desiderato di carburo di circa 10 mm, la tensione residua nella piastrina di diamante tende ad essere compresa nel campo tra circa 100 ksi (-7.031 kg/cm2) e -80 ksi (-5.625 kg/cm2). Quando lo spessore del substrato è ridotto a circa 6 mm, la tensione residua nella piastrina di diamante si avvicina a zero ksi, ed un'ulteriore riduzione dello spessore del substrato produce tensioni residue di trazione prima che un'ulteriore riduzione di spessore riduca il diamante ad uno stato di tensione nulla. Così, si può vedere che uno stato di tensione selezionato nell'elemento fresante può essere ottenuto assottigliando selettivamente il substrato allo spessore richiesto per ottenere questo stato desiderato di tensione residua. In generale, si ritiene che sia vantaggioso ridurre le tensioni residue di trazione nel substrato di carburo ad un livello minimo. Tuttavia, può essere desiderabile produrre un elemento fresante con uno stato di tensione residua di trazione altrimenti elevata nel substrato allo scopo di soddisfare le richieste particolari di un'applicazione o di un'operazione. Ad esempio, spessori di substrato variabili da circa 17,00 mm a circa 4,0 mm per un elemento fresante avente un diametro di tre quarti di pollice (19 mm) possono essere particolarmente adatti in termini di tensioni ottenute nel substrato. Lo spessore adatto del substrato dipenderà dal diametro dell 'elemento fresante e dall'ambiente di trivellazione previsto.

Di conseguenza, in una prima forma di attuazione dell'invenzione, rappresentata nella FIG. 2, un elemento fresante PDC 10 è formato con una piastrina di diamante policristallino 12 ed un substrato di carburo 14 collegato alla piastrina di diamante 12. La piastrina di diamante 12 può essere formata sul substrato 14 in un modo tradizionale, ad esempio mediante un procedimento di sinterizzazione HTHP. Il substrato di carburo 14 può quindi essere collegato ad un supporto di carburo addizionale 16, denominato anche cilindro, mediante procedimenti quali una giunzione per brasatura 18. La piastrina di diamante 12 può essere di spessore tradizionale 20, tra circa 1,0 mm e circa 4 mm (tra circa 0,04 pollici e circa 0,157 pollici). Il supporto di carburo 16 può essere generalmente formato da qualsiasi materiale di carburo adatto, come carburo di tungsteno, carburo di tantalio o carburo di titanio, con vari materiali leganti comprendenti cobalto, nichel, ferro, leghe metalliche o loro miscele. Lo spessore 22 del supporto di carburo 16 può variare, in funzione del diametro dell’elemento fresante, da circa 5 mm a circa 16 mm.

Il substrato 14 nella forma di attuazione illustrata può essere costituito da qualsiasi carburo cementato tradizionale, come carburo di tungsteno, carburo di tantalio o carburo di titanio. Inoltre, il substrato può contenere materiale addizionale, come cobalto, nichel, ferro o altro materiale adatto. Il substrato 14 può essere selettivamente assottigliato dopo la sinterizzazione dal suo spessore originale per ottenere uno stato desiderato di tensione residua mediante uno qualsiasi di un certo numero di procedimenti. Ad esempio, lo spessore 24 del substrato 14 può essere selezionato inizialmente, nella formazione dell'elemento fresante 10, in modo da ottenere un substrato finale 14 dopo la sinterizzazione avente lo spessore desiderato 24. Alternativamente, il substrato 14 può essere formato mediante procedimenti tradizionali ad uno spessore tradizionale, ed il substrato 14 può successivamente essere selettivamente assottigliato lungo la superficie piana 26 sulla quale è successivamente collegato il supporto 16. Il substrato 14 può essere assottigliata mediante molatura della superficie piana 26 utilizzando procedimenti di molatura noti nella tecnica, oppure il substrato 14 può essere assottigliato utilizzando una scarica elettrica o altro procedimento di lavorazione alla macchina. Il substrato 14 è assottigliato in modo da rimuovere una quantità di materiale sufficiente dal substrato 14 per ottenere i livelli desiderati di tensione residua. L'assieme formato dal substrato 14 e dalla piastrina di diamante 12 può quindi essere fissato al supporto di carburo addizionale 16 mediante brasatura o altra tecnica adatta.

Alternativamente, la piastrina di diamante 12 può essere formata sul substrato 14 mediante procedimenti tradizionali in modo da ottenere uno spessore tradizionale, e l'assieme formato dalla piastrina di diamante 12 e dal substrato 14. può quindi essere collegato al supporto di carburo addizionale 16. Successivamente, lo spessore complessivo del substrato 14 più il supporto 16 può essere modificato per molatura, lavorazione alla macchina (ad esempio segatura) o mediante procedimenti di lavorazione per scarica elettrica.

Le FIGG. 3 e 4 illustrano che un effetto vantaggioso per la modifica delle tensioni residue è ottenuto assottigliando il substrato 14 prima del fissaggio del substrato 14 sul supporto di carburo 16, rispetto alle tensioni residue che compaiono in un substrato che è formato integralmente come il supporto 16. La FIG. 3, ad esempio, confronta un elemento fresante "A" costituito da un substrato contenente il 13% di cobalto· di spessore selezionato (ad esempio 3 mm), che è stato assottigliato a questo spessore selezionato prima del fissaggio, ad esempio per brasatura, ad un supporto di carburo di 5 mm, con un elemento fresante "B" costituito da un substrato contenente il 13% di cobalto formato integralmente con un supporto di carburo e successivamente assottigliato ad uno spessore selezionato paragonabile all'elemento fresante "A" (ad esempio 8 mm). La FIG. 3 illustra che, quando lo spessore dell'elemento fresante è ridotto mediante la rimozione del carburo dal supporto, si verifica una variazione benefica delle tensioni residue fino ad ottenere un effetto massimo per una rimozione di carburo di circa 0,25 pollici (6,35 mm) . L'elemento fresante "A" presenta a questo punto uno stato migliore di tensioni residue rispetto all'elemento fresante "B".

La FIG. 4 illustra analogamente un elemento fresante "C" costituito da un substrato contenente il 13% di cobalto di spessore selezionato (ad esempio 5 mm), che è stato assottigliato a questo spessore selezionato prima del fissaggio ad un supporto di carburo di 3 mm, confrontato con un elemento fresante "D" costituito da un substrato contenente il 13% di cobalto formato integralmente con un supporto di carburo ed assottigliato ad uno spessore selezionato paragonabile all'elemento fresante "C" (ad esempio 8 mm). La FIG. 4 illustra che, quando lo spessore dell'elemento fresante è ridotto mediante la rimozione di carburo dal substrato, si verifica una variazione benefica delle tensioni residue nell'elemento fresante "C", dimostrando un maggiore beneficio nella modifica dello stato di tensione residua.

La FIG. 7 dimostra anche l'effetto vantaggioso sulle tensioni residue nel substrato di un elemento fresante PDC risultante da una riduzione dello spessore del substrato. Come illustrato nella FIG. 7, è stata eseguita l'analisi delle tensioni resìdue su un PDC tradizionale comprendente una piastrina di diamante avente uno spessore compreso tra circa 0,028 pollici e 0,030 pollici {tra circa 0,71 mm e 0,76 mm), ed un substrato di carburo composto dal 13% di cobalto, che è stato assottigliato da circa 0,300 pollici (7,6 mm) a circa 0,025 pollici (0,635 mm). Il grafico della FIG . 7 illustra che, con la riduzione dello spessore del supporto di carburo, le tensioni residue di trazione nel substrato dell'elemento fresante sono vantaggiosamente modificate.

Le tensioni residue nella piastrina di diamante di un elemento fresante PDC possono anche essere modificate ed adattate modificando selettivamente il contenuto di materiali del substrato del PDC. In particolare, un PDC 30 come illustrato nella FIG. 5 può essere formato con una piastrina di diamante 32 collegata ad un substrato 34 avente un contenuto di materiali variabile o graduato. Il substrato 34 può a sua volta essere fissato ad un supporto di carburo 36. La formazione del substrato 34 secondo questa forma di attuazione può essere ottenuta unendo insieme due o più dischi di carburo distinti 38, 40 in un procedimento di sinterizzazione HTHP per formare il PDC. I dischi di carburo 38, 40 possono variare l'uno rispetto all'altro come contenuto di legante, dimensione dei grani di carburo, o contenuto di lega di carburo. I dischi 38, 40 possono pertanto essere selezionati e disposti in modo da produrre un gradiente di materiali nel substrato che modifica e fornisce gli stati desiderati di tensioni residue di trazione ridotte o di tensioni residue di compressione nella piastrina di diamante 32.

Alternativamente, come illustrato in FIGG. 14A, 14B e 14C, un substrato 14 con un contenuto di materiali variabile può essere prodotto congiungendo in un procedimento di sinterizzazione o altro procedimento adatto sottòstrutture del substrato 14, ciascuna delle quali contiene una composizione di materiali differente. Ad esempio la FIG. 14A illustra un substrato con un contenuto di materiali variabile costituito da un elemento interno di forma conica 60 circondato da un corpo tubolare esterno 62 dimensionato in modo da ricevere l'elemento interno di forma conica 60 prima della sinterizzazione. L'elemento interno di forma conica 60 può contenere ad esempio il 13% di cobalto mentre il corpo tubolare esterno 62 contiene il 20% di cobalto. Come ulteriore esempio, la FIG. 14B illustra un substrato 14 formato da un cilindro interno 64 contenente ad esempio il 16% di cobalto circondato da un corpo tubolare esterno 66 di carburo contenente il 20% di cobalto. La FIG.

14C illustra ancora un altro substrato 14 realizzato in modo alternativo costituito da un organo a forma di cupola rovesciata 68 avente, ad esempio, un contenuto di cobalto del 13% che è ricevuto entro un organo esterno 70 di carburo contenente il 20% di cobalto formato con una depressione a coppa dimensionata in modo da ricevere l'organo a forma di cupola 68 nel suo interno prima della sinterizzazione. Un numero qualsiasi di altre forme di elementi possono essere combinate per produrre un substrato avente un contenuto di materiali variabile in conformità con la presente invenzione .

Soltanto a titolo di esempio, e ancora con riferimento alla FIG. 5, un PDC 30 può essere formato unendo insieme nel procedimento di sinterizzazione HTHP un primo disco di carburo 38 avente un contenuto di cobalto del 13% ed un secondo disco di carburo 40 avente un contenuto di cobalto del 16%. I due dischi 38, 40 sono disposti in un cilindro per un trattamento insieme con grani di diamante nel modo tradizionale per formare un elemento fresante PDC. I dischi di carburo ed il diamante sono quindi sottoposti ad un ciclo di sinterizzazione con una procedura di ricottura durante il trattamento che comprende le fasi consistenti nel 1) salire fino ad una pressione di 60 K bar è ad una temperatura di 1450°C in un periodo di un minuto; 2) eseguire il ciclo di sinterizzazione per otto minuti; 3) diminuire la temperatura approssimativamente di 100°C mantenendo una pressione costante per portarsi sotto il diagramma della soluzione solida del materiale di carburo; 4) mantenere una permanenza compresa tra quattro e sei minuti per ricuocere la massa sinterizzata; e 5) infine riportare il ciclo ai valori iniziali in un periodo di circa due minuti. Un sinterizzato formato mediante il procedimento descritto produce un elemento fresante PDC avente configurazioni di tensioni residue modificate in modo favorevole- Le tensioni residue nell'elemento fresante PDC così formato sono modificate rispetto a quelle di un elemento fresante con un unico materiale di carburo cementato con il 13% o 16% di cobalto. Come illustrato nella FIG. 6, l'elemento fresante 50 può essere costituito da un substrato 14 avente tre o più strati di materiali simili o differenti. La FIG. 6 illustra un elemento fresante 50 avente un primo strato 52 contenente il 13% di cobaltp, un secondo strato 54 contenente il 16% di cobalto ed un terzo strato 56 contenente il 20% di cobalto. Lo spessore degli strati può essere variato oppure può essere lo stesso.

La modifica vantaggiosa delle tensioni residue nel substrato risultante da una modifica selezionata del materiale del substrato è dimostrata nelle FIGG. 7, 8 e 9, che illustrano l'analisi delle tensioni residue eseguita su diverse forme di attuazione di elementi fresanti, ciascuno dei quali è stato realizzato utilizzando un procedimento tradizionale a pressa a nastro. La FIG. 7, come precedentemente descritto, illustra l'analisi delle tensioni residue eseguita su un elemento fresante PDC tradizionale comprendente una piastrina di diamante avente uno spessore compreso tra circa 0,028 pollici e 0,030 pollici (tra circa 0,71 mm e 0,76 mm) ed un substrato di carburo composto dal 13% di cobalto. La FIG. 8. illustra le prove di tensione residua che sono state eseguite su un elemento fresante PDC come illustrato nella FIG. 2 avente un substrato ad un solo strato composto dal 16% di cobalto, in cui lo spessore della piastrina di diamante 12 era compreso tra circa 0,028 pollici e circa 0,030 pollici (tra circa 0,71 mm e circa 0,76 mm) e il substrato 14 variava di spessore da circa 0,300 pollici a circa 0,025 pollici (da circa 7,6 mm a circa 0,635 mm). La FIG. 9 illustra l'analisi delle tensioni residue eseguita su un elemento fresante PDC come illustrato nella FIG. 5, in cui lo spessore della piastrina di diamante 32 era compreso tra 0,028 pollici e 0,030 pollici (tra 0,71 mm e 0,76 mm), e lo spessore combinato del primo disco di carburo 38 (13% di cobalto) e del secondo disco 40 (16% di cobalto) variava tra circa 0,028 pollici e 0,030 pollici (tra circa 0,71 mm e 0,76 mm).

La FIG. 7 illustra che la massima tensione di compressione di circa 75.000 psi (5.273 kg/cm<2>) è ottenuta per uno spessore del substrato di carburo di circa 0,030 pollici (0,76 mm), ma la riduzione dello spessore del carburo permette di raggiungere una tensione residua di trazione di circa 10.000 psi (703 kg/cm<2>) per un'estensione complèta di 85.000 psi (5.976 kg/cm<2>). La FIG. 8 illustra che una tensione di compressione massima raggiunge circa 40.000 psi (2.812 kg/cm<2>) e, con la riduzione dello spessore del carburo, la tensione residua di trazione è modificata a 40.000 psi (2.812 kg/cm<2>) con una variazione complessiva di 85.000 psi (5.976 kg/cm<2>). La FIG. 9 illustra che la massima tensione residua di compressione in un elemento fresante a due strati (FIG. 5) è di circa 45.000 psi (3.164 kg/cm<2>), ma una tensione residua di trazione di circa 25.000 psi (1.758 kg/cm<2>) è raggiunta mediante una riduzione dello spessore di carburo, producendo una variazione complessiva di 70.000 psi (4.922 kg/cm<2>), o 18%.

Le FIGG. 3, io e 11 dimostrano ulteriormente la modifica vantaggiosa delle tensioni residue nel substrato su elementi fresanti prodotti utilizzando una pressa cubica. Così, la FIG. 3 illustra l’analisi delle tensioni residue su un elemento fresante come illustrato nella FIG. 2, indicato con "A", confrontato con un elemento fresante standard in cui il substrato, contente il 13% di cobalto, è formato integralmente con il supporto, indicato con "B". La FIG. 10 illustra l'analisi delle tensioni residue su un elemento fresante, indicato con "X", come illustrato nella FIG. 5 confrontata con l'elemento fresante standard formato integralmente, indicato con ”B". La FIG. il illustra l’analisi delle tensioni residue su un elemento fresante come illustrato nella FIG. 6, indicato con "Y", confrontato con l'elemento fresante standard formato integralmente "B". Nella FIG. 3, è indicato che la massima tensione residua di compressione nell'elemento fresante "B" è 85.000 psi {5.976 kg/cm<2>), e la riduzione dello spessore del carburo fornisce una tensione di trazione di picco di 58.000 psi (4.078 kg/cm<2>), con una variazione complessiva di 143.000 psi (10.054 kg/cm<2>). La FIG. 10 dimostra che la massima tensione residua di compressione nell'elemento fresante "X" è dì circa 128.000 psi (9.000 kg/cm<2>), ma con una riduzione del carburo, la massima tensione residua di trazione raggiunge circa 8.000 psi (563 kg/cm<2>), con una variazione complessiva di 136.000 psi (9.562 kg/cm<2>). La direzione della modifica della tensione residua è sostanzialmente differente da quella che si verifica nell'elemento fresante "B". La FIG.

11 illustra che la massima tensione residua di compressione per l'elemento fresante "Y" è di 112.000 psi (7.875 kg/cm<2>) e la riduzione dello spessore del supporto di carburo fornisce una massima tensione residua di trazione di 30.000 psi (2.109 kg/cm<2>), con un variazione complessiva di 142.000 psi (9.984 kg/cm<2>). La formazione dell'elemento fresante in una pressa a nastro produce una maggiore variazione delle tensioni residue per dati spessori del substrato rispetto ad elementi fresanti prodotti in una pressa cubica. Inoltre, mentre la massima tensione residua di compressione è molto superiore per elementi fresanti prodotti in una pressa cubica, le massime tensioni residue di trazione sono molto inferiori in substrati stratificati o graduati rispetto ad elementi fresanti formati integralmente. Questi risultati di prova indicano che le tensioni residue possono essere opportunamente adattate assottigliando il carburo, variando il contenuto del substrato e selezionando il procedimento di fabbricazione dell'elemento fresante.

Vale la pena notare che la prova di durezza Knoop eseguita sui PDC illustrati nelle FIGG. 2 e 5 ha indicato una durezza di 3365 (KHN) nella piastrina di diamante del PDC tradizionale (contenuto di cobalto del 13%) ed una durezza di 3541 (KHN) nella piastrina di diamante della forma di attuazione illustrata nella FIG. 5, suggerendo che il contenuto del substrato e la procedura di ricottura nel corso del processo producono caratteristiche benefiche di durezza della piastrina di diamante oltre a tensioni residue modificate nella piastrina di diamante.

Un ciclo di trattamento termico di distensione finale o al termine del processo è anche benefico per ridurre le tensioni residue presenti nella piastrina di diamante. Il ciclo di ricottura di distensione al termine del processo comprende le fasi consistenti nel sottoporre un sinterizzato (ossia la piastrina di diamante ed il substrato) ad una temperatura compresa tra circa 650°C e 700°C per un periodo di un'ora ad una pressione di vuoto inferiore a 200 μ. Vale la pena notare che i cicli di riscaldamento e di raffreddamento del processo sono controllati su un periodo di tre ore per favorire un raffreddamento uniforme e graduale, riducendo così le forze di tensione residua nell'elemento fresante.

Una prova di durezza Knoop comparativa eseguita su un PDC tradizionale, come precedentemente descritto con un contenuto di cobalto del 13% nel substrato di carburo, e su un PDC come illustrato nella FIG. 5, sottoposti entrambi ad un ciclo di ricottura di distensione al termine del processo, dimostra che sia il PDC tradizionale sia il PDC secondo la presente invenzione presentano aumenti inattesi dei livelli di durezza rispetto ad un PDC tradizionale e ad un PDC secondo la presente invenzione che non sono stati sottoposti ad un ciclo di ricottura di distensione al termine del processo. E' stato anche osservato l’effetto di un ciclo di ricottura di distensione al termine del processo su un terzo tipo di PDC avente un substrato catalizzato. Questi risultati sono riportati nella Tavola I.

TAVOLA I

Un'ulteriore evidenza della differenza prodotta sulle tensioni residue dall'uso di un processo di ricottura finale può essere osservata nel confronto della FIG. 7 con la FIG. 12. La FIG. 7 illustra l'analisi delle tensioni residue su un elemento fresante avente un substrato contenente il 13% di cobalto che è stato prodotto senza ricottura al termine del processo mentre la FIG. 12 illustra la stessa forma di attuazione prodotto con una procedura di ricottura al termine del processo. La tensione residua di compressione ha un massimo di circa 80.000 psi (5.625 kg/cm<2>) nell'elemento fresante illustrato nella FIG. 3, ma è superiore circa del 25%, o pari a circa 100.000 psi (7.031 kg/cm<2>) nell'elemento fresante illustrato nella FIG. 12. Un supporto addizionale si può. ricavare dal confronto dell'analisi delle tensioni residue illustrata nella FIG. 9 della forma di attuazione dell’elemento fresante illustrata nella FIG. 5, che è stata prodotta senza una fase di ricottura al termine del processo, e dell'analisi delle tensioni residue riportata nella FIG. 13 della forma di attuazione dell'elemento fresante illustrata nella FIG. 5, che è stata prodotta con una fase di ricottura al termine del processo. La massima tensione di compressione è inferiore a circa 50.000 psi (3.515 kg/cm<2>) per l'elemento fresante esaminato nella FIG. 9, mentre la massima tensione di compressione è superiore a circa 120.000 psi (8.437 kg/cm<2>) per la controparte ricotta illustrata nella FIG. 13.

La presente invenzione è diretta alla realizzazione di elementi fresanti di sinterizzato di diamante policristallino aventi stati delle tensioni residue selettivamente modificati nella piastrina di diamante e nel substrato o supporto di tale piastrina. Per mezzo dell'assottigliamento selettivo del substrato e/o del supporto, per mezzo della modifica selettiva del contenuto di materiali del substrato, per mezzo dell'applicazione al PDC di procedure di ricottura durante il processo, e per mezzo dell'applicazione ad un PDC sinterizzato di una procedura di ricottura di distensione al termine del processo, o mediante una combinazione di tutti questi mezzi, è possibile raggiungere tensioni residue e forze di compressione desiderate in un elemento fresante PDC. Il concetto può essere adattato virtualmente a qualsiasi tipo o configurazione di elemento fresante PDC e può essere adattato a qualsiasi tipo di operazione di trivellazione o carotaggio. La struttura degli elementi fresanti PDC secondo l'invenzione può essere modificata per soddisfare i requisiti dell'applicazione particolare. Di conseguenza, i riferimenti contenuti nella presente a dettagli specifici delle forme di attuazione illustrate sono esemplificativi e non limitativi, sarà evidente per i tecnici del ramo che molte aggiunte, cancellazioni e modifiche alle forme di attuazione illustrate dell'invenzione possono essere apportate senza allontanarsi dallo spirito e dall'ambito dell'invenzione come definito dalle rivendicazioni seguenti.

Claims

RIVENDICAZIONI 1. Elemento fresante di sinterizzato di diamante policristallino avente stati delle tensioni residue selettivamente modificati, comprendente: una piastrina di diamante policristallino; un substrato di carburo fissato alla piastrina di diamante policristallino suddetta, in cui il substrato di car buro suddetto ha uno spessore di dimensione selezionata ed è costituito,da carburo e componenti leganti selezionati in modo da fornire uno stato desiderato di compressione nella piastrina di diamante suddetta ed uno stato desiderato di tensione residua nel substrato suddetto; e un supporto al quale il substrato di carburo suddetto è fissato .
2. Elemento fresante di sinterizzato di diamante policristallino secondo la rivendicazione 1, in cui lo spessore suddetto del substrato varia da circa 0,025 pollici a circa 0,30 pollici (da circa 0,635 mm a circa 7,6 ram).
3 . Elemento fresante di sinterizzato di diamante policristallino secondo la rivendicazione 2, in cui il substrato suddetto è formato da carburi selezionati nel gruppo comprendente carburo di tungsteno, carburo di tantalio o carburo di titanio.
4. Elemento fresante di sinterizzato di diamante policristallino secondo la rivendicazione 3, in cui i componenti leganti suddetti sono selezionati nel gruppo costituito da cobalto, nichel, ferro, e leghe formate da combinazioni di questi metalli.
5. Elemento fresante di sinterizzato di diamante policristallino secondo la rivendicazione 2, in cui uno spessore del supporto suddetto varia da circa 5 mm a circa 16 mm.
6. Elemento fresante di sinterizzato di diamante policristallino secondo la rivendicazione 1, in cui il substrato di carburo suddetto è formato da almeno due dischi di carburo ciascuno dei quali ha un contenuto di materiali differente dagli altri.
7. Elemento fresante di sinterizzato di diamante policristallino secondo la rivendicazione 6 , in cui il substrato suddetto è costituito da due dischi formati insieme, un primo disco costituito da carburo contenente il 13% di cobalto ed un secondo disco costituito da carburo contenente il 16% di cobalto.
8. Elemento fresante di sinterizzato di diamante policristallino secondo la rivendicazione 7, in cui il primo disco suddetto costituito da carburo contenente il 13% di cobalto è disposto in posizione adiacente alla piastrina suddetta .
9. Elemento fresante di sinterizzato di diamante policristallino secondo la rivendicazione 6, in cui il substrato suddetto è costituito da tre dischi formati insieme, un primo disco costituito da carburo contenente il 13% di cobalto, un secondo disco costituito da carbura contenente il 16% di cobalto ed un terzo disco costituito da carburo,contenente il 20% di cobalto.
10. Elemento fresante di sinterizzato di diamante policristallino secondo la rivendicazione 9, in cui il terzo disco suddetto costituito da carburo contenente il 20% di cobalto è posizionato lontano dalla piastrina suddetta.
11. Elemento fresante di sinterizzato di diamante policristallino secondo la rivendicazione 1, in cui il substrato suddetto è formato da un organo di carburo interno non piano posizionato entro, e collegato ad un organo di carburo esterno.
12 . Elemento fresante di sinterizzato di diamante policristallino secondo la rivendicazione 11, in cui l 'organo di carburo interno suddetto e l'organo di carburo esterno suddetto sono costituiti da un contenuto di materiali differente.
13. Elemento fresante di sinterizzato di diamante policristallino secondo la rivendicazione 11, in cui l'organo di carburo interno suddetto è di forma conica e l'organo di carburo esterno suddetto è dimensionato in modo da ricevere nel suo interno l'organo di carburo interno suddetto.
14 . Elemento fresante di sinterizzato di diamante policristallino secondo la rivendicazione 11, in cui l 'organo di carburo interno suddetto è di forma cilindrica e l'organo di carburo esterno suddetto è realizzato come un manicotto dimensionato in modo da circondare l'organo di carburo interno suddetto di forma cilindrica.
15. Elemento fresante di sinterizzato di diamante policristallino secondo la rivendicazione 11, in cui l'organo di carburo interno suddetto è di forma semisferica e l'organo di carburo esterno suddetto è provvisto di una depressione dimensionata in modo da ricevere nel suo interno l'organo di carburo interno suddetto.
16. Elemento fresante di sinterizzato di diamante policristallino avente stati di tensione residua selettivamente modificati, comprendente: una piastrina di diamante policristallino,· un substrato di carburo al quale la piastrina,di diamante po licristallino suddetta è collegata, in cui il substrato di carburo suddetto è formato selettivamente con almeno un materiale addizionale in esso disposto selettivamente in modo da ottenere uno stato desiderato di compressione nella piastrina di diamante ed uno stato desiderato di tensione residua ridotta nel substrato suddetto; e un supporto di carburo al quale il substrato di carburo suddetto è fissato.
17. Elemento fresante di sinterizzato di diamante policristallino secondo la rivendicazione 16, in cui l'almeno un materiale addizionale suddetto è selezionato nel gruppo costituito da cobalto, nichel e ferro.
18. Elemento fresante di sinterizzato di diamante policristallina secondo la rivendicazione 17, in cui il substrato dì carburo suddetto è formato da almeno due dischi di carburo uniti insieme in un procedimento di sinterizzazione, in cui gli almeno due dischi di carburo suddetti contengono quantità differenti dell' almeno un materiale addizionale suddetto.
19. Elemento fresante di sinterizzato di diamante policristallino secondo la rivendicazione 16, in cui il substrato di carburo suddetto è formato da un primo disco di carburo contenente il tredici per cento di cobalto e da un secondo disco di carburo contenente il sedici per cento di cobalto, in cui il primo disco suddetto è disposto in posizione adiacente alla piastrina di diamante policristallino suddetta.
20. Elemento fresante di sinterizzato di diamante policristallino secondo la rivendicazione 19, comprendente inoltre un terzo disco di materiale di carburo contenente il venti per cento di cobalto.
21. Procedimento per formare un elemento fresante di sinterizzato di diamante policristallino avente stati di tensione residua selettivamente modificati, comprendente; l'introduzione in un contenitore di trattamento di una quantità di grani di diamante e materiale di carburo per formare una piastrina di diamante policristallino ed un substrato di carburo, rispettivamente; l'applicazione ai grani di diamante e al materiale di carburo suddetti di un procedimento di sinterizzazione ad alta pressione ed alta temperatura comprendente: l'aumento della temperatura e della pressione in un periodo di un minuto; l'applicazione ai grani di diamante e al materiale di carburo di una sinterizzazione sostenuta ad un livello di pressione di almeno 60 Kb e ad una temperatura di circa 1450°C per un periodo di circa otto minuti; la diminuzione della temperatura suddetta di circa cento gradi centigradi in modo da portarsi sotto il diagramma della soluzione solida del materiale di carburo; il mantenimento di un periodo di permanenza compreso tra circa quattro minuti e circa sèi minuti per ricuocere i grani di diamante ed il materiale di carburo suddetti in un sinterizzato; e la diminuzione della pressione e della temperatura suddette in un periodo di due minuti; e l'accoppiamento del sinterizzato suddetto ad un supporto di carburo .
22. Procedimento secondo la rivendicazione 21, in cui il materiale di carburo suddetto comprende carburo e materiali addizionali disposti selettivamente in modo da ottenere un stato desiderato di compressione nella piastrina di .diamante del sinterizzato suddetto ed uno stato desiderato di tensione di trazione residua ridotta nel substrato di carburo suddetto.
23. Procedimento secondo la rivendicazione 22, comprendente inoltre l'assottigliamento selettivo del supporto di carburo suddetto dopo l'accoppiamento suddetto del sinterizzato suddetto al supporto di carburo suddetto per raggiungere uno stato di compressione desiderato nella piastrina di diamante ed uno stato desiderato di tensione residua modificata nel carburo del substrato suddetto.
24. Procedimento secondo la rivendicazione 22, comprendente inoltre l’assottigliamento selettivo del substrato di carburo suddetto e del sinterizzato suddetto prima dell'accoppiamento del sinterizzato suddetto al supporto di carburo suddetto per ottenere uno stato di compressione desiderato nella piastrina di diamante ed uno stato desiderato di tensione residua modificata nel carburo del substrato suddetto.
25. Procedimento secondo la rivendicazione 24, comprendente inoltre l'applicazione al sinterizzato suddetto di una procedura di trattamento termico di distensione al termine del processa prima dell'accoppiamento suddetto del sinterizzato suddetto al supporto di carburo suddetto, in cui la procedura suddetta comprende: l 'introduzione del sinterizzato suddetto in un recipiente di reazionè; la riduzione graduale della pressione e della temperatura nel recipiente; il mantenimento del sinterizzato suddetto ad un vuoto di circa 200 μ per circa un'ora; e la riduzione graduale della pressione e della temperatura suddette nel recipiente.
26. Procedimento secondo la rivendicazione 25, comprendente inoltre l'applicazione al sinterizzato suddetto di una ricottura al termine del processo prima dell'accoppiamento suddetto al supporto di carbura suddetto.
27. Procedimento secondo la rivendicazione 21, comprendente inoltre l'applicazione al sinterizzato suddetto di una procedura di trattamento termico di distensione al termine del processo prima dell'accoppiamento suddetto del sinterizzato suddetto al supporto di carburo suddetta, in cui la procedura suddetta comprende: l'introduzione del sinterizzato suddetto in un recipiente di reazione, la riduzione graduale della pressione e della temperatura nel recipiente; il mantenimento del sinterizzato suddetto ad un vuoto di circa 200 μ per circa un'ora; e la riduzione graduale della pressione e della temperatura suddette nel recipiente.
28. Procedimento sècondo la rivendicazione 27, comprendente inoltre l'applicazione al sinterizzato suddetto di una ricottura al termine del processo prima dell'accoppiamento suddetto al supporto di carburo suddetto.·
29. Procedimento secondo la rivendicazione 22, comprendente inoltre l'applicazione al sinterizzato suddetto di una procedura di trattamento termico di distensione al termine del processo prima dell'accoppiamento suddetto del sinterizzato suddetto al supporto di carburo suddetto, in cui la procedura suddetta comprende: l'introduzione del sinterizzato suddetto in un recipiente di reazione; la riduzione graduale della pressione e della temperatura nel recipiente; il mantenimento del sinterizzato suddetto ad un vuoto di circa 200 μ per circa un'ora; e la riduzione graduale della pressione e della temperatura suddette nel recipiente.
30. Procedimento secondo la rivendicazione 29, comprendente inoltre l'applicazione al sinterizzato suddetto di una ricottura al termine del processo prima dell'accoppiamento suddetto al supporto di carburo suddetto.