KR20140018969A - 선택적으로 침출된 커터 - Google Patents
선택적으로 침출된 커터 Download PDFInfo
- Publication number
- KR20140018969A KR20140018969A KR1020137030815A KR20137030815A KR20140018969A KR 20140018969 A KR20140018969 A KR 20140018969A KR 1020137030815 A KR1020137030815 A KR 1020137030815A KR 20137030815 A KR20137030815 A KR 20137030815A KR 20140018969 A KR20140018969 A KR 20140018969A
- Authority
- KR
- South Korea
- Prior art keywords
- cutting
- pcd
- leaching
- cutting elements
- elements
- Prior art date
Links
- 238000005520 cutting process Methods 0.000 claims abstract description 606
- 238000002386 leaching Methods 0.000 claims abstract description 191
- 239000010432 diamond Substances 0.000 claims abstract description 189
- 229910003460 diamond Inorganic materials 0.000 claims abstract description 184
- 239000000463 material Substances 0.000 claims abstract description 165
- 238000000034 method Methods 0.000 claims abstract description 142
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 claims abstract description 53
- 239000002245 particle Substances 0.000 claims abstract description 17
- 230000009471 action Effects 0.000 claims abstract description 9
- 239000011159 matrix material Substances 0.000 claims description 90
- 230000000873 masking effect Effects 0.000 claims description 52
- 230000015556 catabolic process Effects 0.000 claims description 32
- 238000006731 degradation reaction Methods 0.000 claims description 32
- 238000005553 drilling Methods 0.000 claims description 8
- 230000007704 transition Effects 0.000 claims description 5
- 230000001939 inductive effect Effects 0.000 claims 1
- 230000002459 sustained effect Effects 0.000 claims 1
- 230000008569 process Effects 0.000 description 45
- 239000013078 crystal Substances 0.000 description 40
- 239000000758 substrate Substances 0.000 description 35
- 230000015572 biosynthetic process Effects 0.000 description 14
- 238000005755 formation reaction Methods 0.000 description 13
- 238000000576 coating method Methods 0.000 description 11
- 239000002253 acid Substances 0.000 description 9
- 238000005530 etching Methods 0.000 description 8
- 229910017052 cobalt Inorganic materials 0.000 description 7
- 239000010941 cobalt Substances 0.000 description 7
- GUTLYIVDDKVIGB-UHFFFAOYSA-N cobalt atom Chemical compound [Co] GUTLYIVDDKVIGB-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 7
- UONOETXJSWQNOL-UHFFFAOYSA-N tungsten carbide Chemical compound [W+]#[C-] UONOETXJSWQNOL-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 7
- 230000020169 heat generation Effects 0.000 description 6
- 230000002093 peripheral effect Effects 0.000 description 6
- 238000013461 design Methods 0.000 description 5
- XUIMIQQOPSSXEZ-UHFFFAOYSA-N Silicon Chemical compound [Si] XUIMIQQOPSSXEZ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 4
- 239000003054 catalyst Substances 0.000 description 4
- 239000004568 cement Substances 0.000 description 4
- 230000008859 change Effects 0.000 description 4
- 238000005229 chemical vapour deposition Methods 0.000 description 4
- 239000011248 coating agent Substances 0.000 description 4
- 230000007797 corrosion Effects 0.000 description 4
- 238000005260 corrosion Methods 0.000 description 4
- 239000000203 mixture Substances 0.000 description 4
- 238000005240 physical vapour deposition Methods 0.000 description 4
- 238000012545 processing Methods 0.000 description 4
- 229910052710 silicon Inorganic materials 0.000 description 4
- 239000010703 silicon Substances 0.000 description 4
- XEEYBQQBJWHFJM-UHFFFAOYSA-N Iron Chemical compound [Fe] XEEYBQQBJWHFJM-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 3
- 230000004888 barrier function Effects 0.000 description 3
- 238000006555 catalytic reaction Methods 0.000 description 3
- 230000006866 deterioration Effects 0.000 description 3
- 238000009792 diffusion process Methods 0.000 description 3
- 230000000694 effects Effects 0.000 description 3
- 230000035515 penetration Effects 0.000 description 3
- 239000000843 powder Substances 0.000 description 3
- 239000000047 product Substances 0.000 description 3
- 238000005096 rolling process Methods 0.000 description 3
- 238000005245 sintering Methods 0.000 description 3
- PXHVJJICTQNCMI-UHFFFAOYSA-N Nickel Chemical compound [Ni] PXHVJJICTQNCMI-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 238000013459 approach Methods 0.000 description 2
- 150000004649 carbonic acid derivatives Chemical class 0.000 description 2
- 239000002131 composite material Substances 0.000 description 2
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 description 2
- 230000006870 function Effects 0.000 description 2
- 229910052751 metal Inorganic materials 0.000 description 2
- 239000002184 metal Substances 0.000 description 2
- 239000007769 metal material Substances 0.000 description 2
- 238000002156 mixing Methods 0.000 description 2
- OKTJSMMVPCPJKN-UHFFFAOYSA-N Carbon Chemical compound [C] OKTJSMMVPCPJKN-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 238000005299 abrasion Methods 0.000 description 1
- 150000007513 acids Chemical class 0.000 description 1
- 239000000956 alloy Substances 0.000 description 1
- 229910045601 alloy Inorganic materials 0.000 description 1
- 238000004458 analytical method Methods 0.000 description 1
- 229910052788 barium Inorganic materials 0.000 description 1
- 230000008901 benefit Effects 0.000 description 1
- 238000005219 brazing Methods 0.000 description 1
- 229910052791 calcium Inorganic materials 0.000 description 1
- 229910052799 carbon Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000003575 carbonaceous material Substances 0.000 description 1
- 239000000969 carrier Substances 0.000 description 1
- 230000003197 catalytic effect Effects 0.000 description 1
- 238000010960 commercial process Methods 0.000 description 1
- 230000008878 coupling Effects 0.000 description 1
- 238000010168 coupling process Methods 0.000 description 1
- 238000005859 coupling reaction Methods 0.000 description 1
- 238000005336 cracking Methods 0.000 description 1
- 230000006378 damage Effects 0.000 description 1
- 230000002939 deleterious effect Effects 0.000 description 1
- 230000000779 depleting effect Effects 0.000 description 1
- 230000001627 detrimental effect Effects 0.000 description 1
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 1
- 230000008020 evaporation Effects 0.000 description 1
- 238000001704 evaporation Methods 0.000 description 1
- 239000012467 final product Substances 0.000 description 1
- 229910021472 group 8 element Inorganic materials 0.000 description 1
- 238000010438 heat treatment Methods 0.000 description 1
- 230000006872 improvement Effects 0.000 description 1
- 238000003780 insertion Methods 0.000 description 1
- 230000037431 insertion Effects 0.000 description 1
- 238000009434 installation Methods 0.000 description 1
- 229910052742 iron Inorganic materials 0.000 description 1
- 238000005304 joining Methods 0.000 description 1
- 229910052749 magnesium Inorganic materials 0.000 description 1
- 229910052759 nickel Inorganic materials 0.000 description 1
- 238000005457 optimization Methods 0.000 description 1
- 238000011084 recovery Methods 0.000 description 1
- 238000000926 separation method Methods 0.000 description 1
- HBMJWWWQQXIZIP-UHFFFAOYSA-N silicon carbide Chemical compound [Si+]#[C-] HBMJWWWQQXIZIP-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 229910010271 silicon carbide Inorganic materials 0.000 description 1
- 238000004088 simulation Methods 0.000 description 1
- 238000003892 spreading Methods 0.000 description 1
- 230000007480 spreading Effects 0.000 description 1
- 229910052712 strontium Inorganic materials 0.000 description 1
- 238000003786 synthesis reaction Methods 0.000 description 1
- 239000002470 thermal conductor Substances 0.000 description 1
- 238000009827 uniform distribution Methods 0.000 description 1
- 230000000007 visual effect Effects 0.000 description 1
- 238000003466 welding Methods 0.000 description 1
Images
Classifications
-
- E—FIXED CONSTRUCTIONS
- E21—EARTH OR ROCK DRILLING; MINING
- E21B—EARTH OR ROCK DRILLING; OBTAINING OIL, GAS, WATER, SOLUBLE OR MELTABLE MATERIALS OR A SLURRY OF MINERALS FROM WELLS
- E21B10/00—Drill bits
- E21B10/46—Drill bits characterised by wear resisting parts, e.g. diamond inserts
- E21B10/56—Button-type inserts
- E21B10/567—Button-type inserts with preformed cutting elements mounted on a distinct support, e.g. polycrystalline inserts
- E21B10/573—Button-type inserts with preformed cutting elements mounted on a distinct support, e.g. polycrystalline inserts characterised by support details, e.g. the substrate construction or the interface between the substrate and the cutting element
-
- E—FIXED CONSTRUCTIONS
- E21—EARTH OR ROCK DRILLING; MINING
- E21B—EARTH OR ROCK DRILLING; OBTAINING OIL, GAS, WATER, SOLUBLE OR MELTABLE MATERIALS OR A SLURRY OF MINERALS FROM WELLS
- E21B10/00—Drill bits
- E21B10/46—Drill bits characterised by wear resisting parts, e.g. diamond inserts
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B22—CASTING; POWDER METALLURGY
- B22F—WORKING METALLIC POWDER; MANUFACTURE OF ARTICLES FROM METALLIC POWDER; MAKING METALLIC POWDER; APPARATUS OR DEVICES SPECIALLY ADAPTED FOR METALLIC POWDER
- B22F7/00—Manufacture of composite layers, workpieces, or articles, comprising metallic powder, by sintering the powder, with or without compacting wherein at least one part is obtained by sintering or compression
- B22F7/06—Manufacture of composite layers, workpieces, or articles, comprising metallic powder, by sintering the powder, with or without compacting wherein at least one part is obtained by sintering or compression of composite workpieces or articles from parts, e.g. to form tipped tools
- B22F7/08—Manufacture of composite layers, workpieces, or articles, comprising metallic powder, by sintering the powder, with or without compacting wherein at least one part is obtained by sintering or compression of composite workpieces or articles from parts, e.g. to form tipped tools with one or more parts not made from powder
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B24—GRINDING; POLISHING
- B24D—TOOLS FOR GRINDING, BUFFING OR SHARPENING
- B24D3/00—Physical features of abrasive bodies, or sheets, e.g. abrasive surfaces of special nature; Abrasive bodies or sheets characterised by their constituents
- B24D3/02—Physical features of abrasive bodies, or sheets, e.g. abrasive surfaces of special nature; Abrasive bodies or sheets characterised by their constituents the constituent being used as bonding agent
- B24D3/04—Physical features of abrasive bodies, or sheets, e.g. abrasive surfaces of special nature; Abrasive bodies or sheets characterised by their constituents the constituent being used as bonding agent and being essentially inorganic
- B24D3/06—Physical features of abrasive bodies, or sheets, e.g. abrasive surfaces of special nature; Abrasive bodies or sheets characterised by their constituents the constituent being used as bonding agent and being essentially inorganic metallic or mixture of metals with ceramic materials, e.g. hard metals, "cermets", cements
- B24D3/10—Physical features of abrasive bodies, or sheets, e.g. abrasive surfaces of special nature; Abrasive bodies or sheets characterised by their constituents the constituent being used as bonding agent and being essentially inorganic metallic or mixture of metals with ceramic materials, e.g. hard metals, "cermets", cements for porous or cellular structure, e.g. for use with diamonds as abrasives
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C22—METALLURGY; FERROUS OR NON-FERROUS ALLOYS; TREATMENT OF ALLOYS OR NON-FERROUS METALS
- C22C—ALLOYS
- C22C1/00—Making non-ferrous alloys
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C22—METALLURGY; FERROUS OR NON-FERROUS ALLOYS; TREATMENT OF ALLOYS OR NON-FERROUS METALS
- C22C—ALLOYS
- C22C19/00—Alloys based on nickel or cobalt
- C22C19/07—Alloys based on nickel or cobalt based on cobalt
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C22—METALLURGY; FERROUS OR NON-FERROUS ALLOYS; TREATMENT OF ALLOYS OR NON-FERROUS METALS
- C22C—ALLOYS
- C22C26/00—Alloys containing diamond or cubic or wurtzitic boron nitride, fullerenes or carbon nanotubes
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C22—METALLURGY; FERROUS OR NON-FERROUS ALLOYS; TREATMENT OF ALLOYS OR NON-FERROUS METALS
- C22C—ALLOYS
- C22C29/00—Alloys based on carbides, oxides, nitrides, borides, or silicides, e.g. cermets, or other metal compounds, e.g. oxynitrides, sulfides
- C22C29/02—Alloys based on carbides, oxides, nitrides, borides, or silicides, e.g. cermets, or other metal compounds, e.g. oxynitrides, sulfides based on carbides or carbonitrides
- C22C29/06—Alloys based on carbides, oxides, nitrides, borides, or silicides, e.g. cermets, or other metal compounds, e.g. oxynitrides, sulfides based on carbides or carbonitrides based on carbides, but not containing other metal compounds
- C22C29/08—Alloys based on carbides, oxides, nitrides, borides, or silicides, e.g. cermets, or other metal compounds, e.g. oxynitrides, sulfides based on carbides or carbonitrides based on carbides, but not containing other metal compounds based on tungsten carbide
-
- E—FIXED CONSTRUCTIONS
- E21—EARTH OR ROCK DRILLING; MINING
- E21B—EARTH OR ROCK DRILLING; OBTAINING OIL, GAS, WATER, SOLUBLE OR MELTABLE MATERIALS OR A SLURRY OF MINERALS FROM WELLS
- E21B10/00—Drill bits
- E21B10/46—Drill bits characterised by wear resisting parts, e.g. diamond inserts
- E21B10/56—Button-type inserts
- E21B10/567—Button-type inserts with preformed cutting elements mounted on a distinct support, e.g. polycrystalline inserts
-
- E—FIXED CONSTRUCTIONS
- E21—EARTH OR ROCK DRILLING; MINING
- E21B—EARTH OR ROCK DRILLING; OBTAINING OIL, GAS, WATER, SOLUBLE OR MELTABLE MATERIALS OR A SLURRY OF MINERALS FROM WELLS
- E21B10/00—Drill bits
- E21B10/46—Drill bits characterised by wear resisting parts, e.g. diamond inserts
- E21B10/56—Button-type inserts
- E21B10/567—Button-type inserts with preformed cutting elements mounted on a distinct support, e.g. polycrystalline inserts
- E21B10/5676—Button-type inserts with preformed cutting elements mounted on a distinct support, e.g. polycrystalline inserts having a cutting face with different segments, e.g. mosaic-type inserts
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B22—CASTING; POWDER METALLURGY
- B22F—WORKING METALLIC POWDER; MANUFACTURE OF ARTICLES FROM METALLIC POWDER; MAKING METALLIC POWDER; APPARATUS OR DEVICES SPECIALLY ADAPTED FOR METALLIC POWDER
- B22F5/00—Manufacture of workpieces or articles from metallic powder characterised by the special shape of the product
- B22F2005/001—Cutting tools, earth boring or grinding tool other than table ware
Landscapes
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Chemical & Material Sciences (AREA)
- Mechanical Engineering (AREA)
- Mining & Mineral Resources (AREA)
- Geology (AREA)
- Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
- Materials Engineering (AREA)
- Metallurgy (AREA)
- Organic Chemistry (AREA)
- Fluid Mechanics (AREA)
- Environmental & Geological Engineering (AREA)
- Physics & Mathematics (AREA)
- General Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
- Geochemistry & Mineralogy (AREA)
- Crystallography & Structural Chemistry (AREA)
- Inorganic Chemistry (AREA)
- Ceramic Engineering (AREA)
- Composite Materials (AREA)
- Manufacturing & Machinery (AREA)
- Earth Drilling (AREA)
- Polishing Bodies And Polishing Tools (AREA)
- Cutting Tools, Boring Holders, And Turrets (AREA)
- Drilling Tools (AREA)
Abstract
드릴 비트 절삭 요소(10)로서 사용되는 다결정질 다이아몬드(PCD) 절삭 요소를 제조하는 방법이 개시된다. 방법은 PCD 본체의 절삭면의 부분으로부터 실질적으로 모든 결합재-촉매화 재료를 제거하기 위해 결합재-촉매화 재료를 사용하여 다이아몬드 입자(202)로부터 형성된 PCD 본체를 침출하는 단계를 포함한다. 절삭면의 부분(24)은 재료를 절삭하기 위해 절삭 요소의 사용시에, 절삭 요소의 절삭 작용에 의해 가열되는 절삭 영역으로서 식별된다. PCD 본체의 침출은 절삭 영역으로서 식별된 절삭면의 부분에 비교적 깊은 침출을 수행하는 것과, 식별된 절삭 영역을 둘러싸는 절삭면의 적어도 일부(26)에 비교적 얕은 침출을 수행하는 것을 포함한다.
Description
관련 출원의 상호 참조
본 출원은 그 전문이 본 명세서에 참조로서 합체되어 있는 2011년 4월 20일 출원된 영국 특허 출원 일련번호 제 1106765.9호의 이득을 청구한다.
발명의 분야
본 발명은 다결정질 다이아몬드 절삭 요소 및 침출(leaching) 방법 및 그 제조 방법에 관한 것이다.
다결정질 다이아몬드 및 다결정질 다이아몬드형 요소는 본 명세서의 목적을 위해 PCD 요소로서 공지되어 있다. PCD 요소는 이웃하는 원자들 사이의 예외적으로 짧은 원자간 거리를 갖는 탄소계 재료로부터 형성된다. PCD와 유사한 일 유형의 다이아몬드형 재료는 미국 특허 제 5,776,615호에 설명되어 있는 카보니트라이드(CN)로서 공지되어 있다. 일반적으로, PCD 요소는 고온 및 고압 하에서 상호 결합된 초경질 탄소계 결정의 다결정 매트릭스로 가공된 재료의 혼합물로부터 형성된다. PCD 요소의 통상의 특성은 이들의 형성 중의 촉매화 재료의 사용이고, 그로부터의 잔류물은 종종 서비스 중에 요소의 최대 유용한 작동 온도에 제한을 부여한다.
PCD 요소의 잘 알려진 제조된 형태는 다결정질 다이아몬드의 페이싱 테이블(facing table)이 텅스텐 카바이드와 같은 덜 경질의 재료의 기재(substrate)에 일체로 결합되는 2층 또는 다층 PCD 요소이다. PCD 요소는 원형 또는 부분 원형 정제(tablet)의 형태일 수도 있고, 또는 다른 형상으로 형성될 수도 있다. 이 유형의 PCD 요소는 경질의 내마모성 및 내부식성 재료가 요구되는 거의 임의의 용례에 사용될 수도 있다. PCD 요소의 기재는 종종 또한 시멘트 접합된 텅스텐 카바이드의 캐리어에 브레이징될 수도 있다. 이는 예를 들어 드릴 비트의 소켓 내에 수용될 때 고정된 커터 또는 롤링 커터 지반 천공 비트와 같은 절삭 요소로서 사용된 PCD를 위한 통상의 구성이다. 이들 PCD 요소는 통상적으로 다결정질 다이아몬드 커터(PDC)라 칭한다.
통상적으로, 다이아몬드 테이블 내의 더 높은 다이아몬드 체적 밀도는 충격 강도를 희생하여 내마모성을 증가시킨다. 그러나, 현대식 PCD는 통상적으로 다이아몬드 테이블과 기재 사이의 복잡한 기하학적 계면 뿐만 아니라 충격 강도를 향상시키기 위한 다른 물리적 디자인 구성을 이용한다. 이는 내마모성 및 충격 강도가 동시에 최대화되는 것을 허용하지만, 절충이 여전히 존재한다.
다른 형태의 PCD 요소는 일체형 기재가 없는 단일형 PCD 요소인데, 여기서 다결정질 다이아몬드의 테이블은 기계적 수단 또는 접합 프로세스에 의해 공구 또는 마모면에 고정된다. 이들 PCD 요소는 다이아몬드 입자가 요소 전체에 걸쳐 존재한다는 점에서 상기 것들과는 상이하다. 이들 PCD 요소는 기계적으로 적소에 유지될 수도 있고, 기재를 갖는 더 대형의 PCD 요소 내에 매립될 수도 있고, 또는 대안적으로 브레이징 또는 용접 프로세스에 의해 접합될 수도 있는 금속층을 갖고 제조될 수도 있다. 복수의 이들 PCD 요소는 예를 들어 이들 특허 문헌이 개시하고 있는 것 모두에 대해 본 명세서에 참조로서 합체되어 있는 미국 특허 제 4,481,016호 및 제 4,525,179호에 개시된 바와 같이, 단일의 PCD로부터 제조될 수도 있다.
PCD 요소는 고압 고온(HPHT) 프레스 내에서 적합한 결합재-촉매화 재료로 다이아몬드 분말을 소결함으로써 가장 종종 형성된다. 이 방식으로 다결정질 다이아몬드를 형성하는 일 특정 방법은 이 특허 문헌이 개시하고 있는 것 모두에 대해 본 명세서에 참조로서 합체되어 있는 미국 특허 제 3,141,746호에 개시되어 있다. PCD 요소를 제조하기 위한 일 통상의 프로세스에서, 다이아몬드 분말은 코발트를 혼입한 예비 성형된 텅스텐 카바이드 기재의 표면에 도포된다. 조립체는 이어서 프레스 내에서 매우 높은 온도 및 압력을 받게 된다. 이 프로세스 중에, 코발트는 기재로부터 다이아몬드층 내로 이동하고, 결합재-촉매화 재료로서 작용하여, 다이아몬드 입자가 다이아몬드간 결합으로 서로 결합되게 하고 또한 다이아몬드층이 기재에 결합하게 한다.
완성된 PCD 요소는 결정간 결합을 갖고 서로 결합되어 전술된 바와 같은 결합재-촉매화 재료를 함유하는 결정들 사이에 다수의 틈새(interstice)를 형성하는 다이아몬드 결정의 매트릭스를 갖는 적어도 하나의 본체를 갖는다. 다이아몬드 결정은 다이아몬드의 제 1 연속적인 매트릭스를 포함하고, 극간은 결합재-촉매화 재료의 제 2 연속적인 틈새 매트릭스를 형성한다. 게다가, 다이아몬드간 성장이 결합재-촉매화 재료의 일부를 캡슐화하는 비교적 몇몇 영역이 필수적으로 존재한다. 이들 '아일랜드(island)'는 결합재-촉매화 재료의 연속적인 틈새 매트릭스의 부분이 아니다.
이러한 PCD 요소는 약 400℃의 온도에서 시작하여, 틈새 코발트 결합재-촉매화 재료와 다이아몬드 매트릭스 사이의 상이한 열팽창에 기인하는 열적 열화를 받게될 수도 있다. 충분한 열팽창시에, 다이아몬드간 결합부는 파열되고 균열될 수도 있고, 칩(chip)이 발생할 수도 있다. 열팽창의 차이는 또한 열팽창 계수의 차이라 칭할 수도 있다.
또한, 다결정질 다이아몬드에서, 다이아몬드 매트릭스의 다이아몬드 결정에 부착하는 틈새 영역 내의 결합재-촉매화 재료의 존재는 다른 형태의 열적 열화를 유도한다. 결합재-촉매화 재료의 존재에 기인하여, 다이아몬드는 온도가 증가함에 따라 흑연화되게 되어, 통상적으로 약 750℃로 작동 온도를 제한한다.
코발트가 결합재-촉매화 재료로서 가장 통상적으로 사용되지만, 코발트, 니켈, 철 및 이들의 합금을 포함하는 임의의 VIII족 원소가 채용될 수도 있다.
열적 열화를 감소시키기 위해, 소위 "열 안정성" 다결정질 다이아몬드 부품이 이 특허 문헌이 개시하고 있는 것 모두에 대해 본 명세서에 참조로서 합체되어 있는 미국 특허 제 4,224,380호에 개시된 바와 같이, 절삭 저항 및/또는 내마모성 요소에 대해 프리폼(preform) PCD 요소로서 제조되어 왔다. 일 유형의 열 안정성 PCD 요소에서, 통상의 다결정질 다이아몬드 요소에서 발견되는 코발트 또는 다른 결합재-촉매화 재료는 형성 후에 연속적인 틈새 매트릭스로부터 침출된다. 결합재-촉매 재료를 침출하기 위한 수많은 방법이 공지되어 있다. 몇몇 침출 방법은 예를 들어, 이들 특허 문헌이 개시하고 있는 것 모두에 대해 본 명세서에 참조로서 합체되어 있는 미국 특허 제 4,572,722호 및 제 4,797,241호에 개시되어 있다.
결합재-촉매화 재료를 침출하는 것은 약 1200℃로 다이아몬드의 온도 저항을 증가시킬 수도 있다. 그러나, 침출 프로세스는 또한 시멘트 접합된 카바이드 기재를 제거하는 경향을 갖는다. 게다가, 일체형 기재 또는 다른 결합 가능한 표면이 없는 경우에, 작동시에 사용을 위해 이러한 재료를 장착하는데 심각한 어려움이 있다. 500 미크론보다 기재에 더 근접하게 침출하지 않는 것이 적당하다는 소정의 신뢰가 존재한다.
이러한 '열 안정성' PCD 요소를 위한 제조 방법은 통상적으로, 통상적으로 80 체적 % 이하의 정도의 비교적 낮은 다이아몬드 체적 밀도를 생성한다. 이 낮은 다이아몬드 체적 밀도는 철저한 침출 프로세스를 가능하게 하지만, 최종 완성된 부분은 통상적으로 충격 강도가 비교적 약하다. 낮은 체적 밀도는 통상적으로 혼합 프로세스를 사용하여 그리고 약 15 미크론 이하의 평균 입경을 갖는 비교적 작은 다이아몬드 결정을 사용하여 성취된다. 이들 작은 입자는 통상적으로 가공에 앞서 촉매화 재료로 코팅된다. 혼합 프로세스는 다이아몬드 입자가 완성된 제품 내에서 넓게 이격되게 하고 이들의 외부 표면적의 비교적 작은 퍼센트, 종종 50% 미만이 다이아몬드간 결합에 전용되게 하여, 낮은 충격 강도에 기여한다.
이들 소위 "열 안정성" 다결정질 다이아몬드 부품에서, 작업 공구로의 이후의 부착을 위한 적합한 접합 가능 기재의 결여는 다수의 방법에 의해 처리되어 왔다. 접합 가능한 기재를 "열 안정성" 다결정질 다이아몬드 프리폼에 부착하는 일 이러한 방법은 이 특허 문헌이 개시하고 있는 것 모두에 대해 본 명세서에 참조로서 합체되어 있는 미국 특허 제 4,944,772호에 개시되어 있다. 이 프로세스에서, 다공성 다결정질 다이아몬드 프리폼이 먼저 제조되고, 이어서 이 프리폼은, 이론적으로는 촉매화 재료가 다공성 다결정질 다이아몬드 프리폼에 재침윤하는 것을 방지하는 다른 재료의 배리어층으로 높은 온도 및 압력에서 촉매화 재료의 존재하에서 재소결된다. 최종적인 제품은 통상적으로 프리폼과 배리어층 사이에 돌연한 전이부를 가져, 서비스 중에 문제가 되는 응력 집중을 유발한다. 이 제품은 일체형 본체보다는 결합된 복합물에 더 가까운 것으로 고려된다.
"열 안정성" 다결정질 다이아몬드 부품에 접합 가능한 기재를 부착하는 다른 유사한 프로세스는 이들 특허 문헌이 개시하고 있는 것 모두에 대해 본 명세서에 참조로서 합체되어 있는 미국 특허 제 4,871,377호 및 제 5,127,923호에 개시되어 있다. 이들 프로세스 모두의 결점은 높은 온도 및 압력의 재소결 프로세스로부터 다결정질 다이아몬드 프리폼 내의 다이아몬드간 결합의 열화인 것으로 고려된다. 이 열화는 일반적으로 완성된 제품의 충격 강도를 프리폼의 충격 강도 미만의 허용 불가능하게 낮은 레벨로 더 감소시키는 것으로 고려된다.
대안적인 형태의 열 안정성 다결정질 다이아몬드에서, 실리콘이 촉매화 재료로서 사용된다. 실리콘 촉매화 재료로 다결정질 다이아몬드를 제조하기 위한 프로세스는, 합성 온도 및 압력에서, 대부분의 실리콘이 효율적인 촉매화 재료가 아닌 실리콘 카바이드를 형성하도록 반응하는 것을 제외하고는, 전술된 것과 매우 유사하다. 내열성은 다소 향상되지만, 틈새 매트릭스의 틈새 내에 일반적으로 균일하게 분포된, 남아 있는 소저의 잔류 실리콘에 기인하여 열적 열화가 여전히 발생한다. 재차, 접합 가능한 표면이 없기 때문에 이 유형의 PCD 요소에 의한 장착 문제점이 있다.
더 최근에, Mg, Ca, Sr 및 Ba의 분말형 카보네이트와 같은 카보네이트가 다이아몬드 분말을 소결할 때 결합재-촉매화 재료로서 사용되는 다른 유형의 PCD가 이용 가능해지고 있다. 이 유형의 PCD는 통상적으로 이전의 유형의 PCD 요소보다 큰 내마모성 및 경도를 갖는다. 그러나, 재료는 상업적인 규모로 제조가 어려운데, 이는 통상의 열 안정성 다결정질 다이아몬드의 경우에서보다 더 높은 압력이 소결을 위해 요구되기 때문이다. 일 결과는 이 방법에 의해 제조된 다결정질 다이아몬드의 본체가 종래의 다결정질 다이아몬드 요소보다 작다는 것이다. 재차, 열적 열화는 틈새 내에 남아 있는 잔류 결합재-촉매화 재료에 기인하여 여전히 발생할 수도 있다. 재차, 일체형 기재 또는 다른 접합 가능한 표면이 존재하지 않기 때문에, 이 재료를 작업면에 장착하는데 어려움이 있다.
몇몇 공지의 기술에서, 물리적 기상 증착(PVD) 및/또는 화학적 기상 증착(CVD) 프로세스는 다이아몬드 또는 다이아몬드형 코팅을 도포하는데 사용된다. PVD 및 CVD 다이아몬드 코팅 프로세스는 잘 알려져 있고, 예를 들어 모두 본 명세서에 참조로서 합체되어 있는 미국 특허 제 5,439,492호, 제 4,707,384호, 제 4,645,977호, 제 4,504,519호, 제 4,486,286호에 설명되어 있다.
다이아몬드 또는 다이아몬드형 코팅으로 표면을 코팅하기 위한 PVD 및/또는 CVD 프로세스는 예를 들어 표면 상에 다이아몬드의 에피택셜 배향된 결정 또는 다른 초경질 결정의 치밀하게 패킹된 세트를 제공하는데 사용될 수도 있다. 이들 재료는 매우 치밀하게 패킹되기 때문에 매우 높은 다이아몬드 밀도를 갖지만, 인접한 결정들 사이에 상당한 양의 다이아몬드간 결합이 존재하지 않아, 이들 재료가 전체적으로 매우 약하게 하고, 높은 전단 하중이 인가될 때 파괴되게 된다. 그 결과 이들 코팅이 매우 높은 다이아몬드 밀도를 갖지만, 이들 코팅은 기계적으로 약한 경향이 있어, 예를 들어 드릴 비트 절삭 요소로서 사용될 때와 같이, 고부하 용례에서 사용될 때 매우 열악한 충격 인성 및 내마모성을 유발한다.
예를 들어 이들 특허 문헌이 개시하고 있는 것 모두에 대해 본 명세서에 참조로서 합체되어 있는 미국 특허 제 5,264,283호, 제 5,496,638호, 제 5,624,068호에 설명되어 있는 바와 같이, 이들 다이아몬드 또는 다이아몬드 코팅을 텅스텐 카바이드 기재에 도포하고 이어서 이들 다이아몬드 또는 다이아몬드 코팅을 고압 고온 환경에서 가공함으로써 이들 다이아몬드 또는 다이아몬드형 코팅의 인성 및 내마모성을 향상시키기 위해 몇몇 시도가 행해져 왔다. 이 유형의 가공은 다이아몬드층의 내마모성을 향상시킬 수도 있지만, 고밀도 다이아몬드층과 기재 사이의 돌연한 전이부는, 배리어층을 갖는 복합 구조체에서 부닥치는 전술된 문제점과 유사하게, 다이아몬드층을 매우 낮은 스트레인에서 계면에서 대규모의 파괴에 민감하게 한다. 이는 재차 서비스 중에 매우 열악한 인성 및 내충격성으로 변환된다.
미국 특허 제 6,601,662호는, 주로 커터 본체의 높은 비율이 마모되어 효율적인 절삭 재료에 사용될 수 있도록 요소를 자기 첨예화(self-sharpening)하게 함으로써 절삭 요소의 작동 수명을 증가시키기 위해 절삭 또는 작업면의 마모 프로파일을 제어하도록 적용된 PCD 절삭 요소를 개시하고 있다.
절삭 요소는 절삭 요소의 내마모성을 증가시키기 위해, 약 0.2 mm 초과의 깊이로 산 에칭 프로세스에서 PCD 요소의 작업면 부근의 틈새로부터 실질적으로 모든 촉매 재료를 침출하도록 처리되는 작업면의 일 부분을 갖는다. 특히, 이는 충격 강도의 손실 없이 상당히 향상된 내마모성을 갖는 초경질 다결정질 다이아몬드 또는 다이아몬드형 요소를 제공한다.
각각의 절삭 요소는 처리되지 않는 다른 표면을 또한 가져, 몇몇 촉매화 재료가 틈새 내에 잔류하고 또는 대안적으로 다른 표면이 단지 부분적으로 처리되거나 또는 적어도 작업면의 일 부분보다 덜 처리되게 한다. 일 실시예에서, 처리의 점진적인(연속적인) 변화가 지시된다. 이 방식으로, 처리된, 더 내마모성 부분이 요소가 자기 첨예화하게 한다.
또한 개시된 장치는 처리된 표면 및 처리되지 않은 표면을 포함하여, 몇몇 촉매화 재료가 틈새 내에 잔류하게 하고, 단지 부분적으로 처리된 또는 처리된 표면보다 적어도 덜 처리된 다른 표면을 더 포함한다.
PCD 절삭 요소의 정면 및 측면 작업면 상의 가변 내마모성의 상이한 장치가 또한 개시된다. 재차, 각각은 처리된 표면 및 처리되지 않은 표면을 가져, 몇몇 촉매화 재료가 틈새 내에 잔류하게 된다. 개시된 요소는 2개의 작업면(예를 들어, PCD 본체 단부면 및 측벽)을 가져, 가변 내마모성이 하나 또는 양 표면에 인가될 수 있게 된다. 단지 부분적으로만 처리되거나 처리된 표면보다 적어도 덜 처리된 다른 표면이 또한 미처리된 표면의 부분 대신에 포함될 수도 있다.
미국 특허 제 5,517,589호, 제 7,608,333호, 제 7,740,673호 및 제 7,754,333호와, 미국 특허 출원 일련번호 제 11/776,389호 및 제 12/820,518호는 다양한 열 안정성 다이아몬드 다결정질 다이아몬드 구성을 개시하고 있다.
다이아만트-보르트 스트라타비트(유에스에이) 인크[Diamant-Boart Stratabit(USA), Inc.)에게 허여되어 할리버튼 에너지 서비시즈 인크(Halliburton Energy Services, Inc.)에 양도된 미국 특허 제 5,120,327호는 카바이드 기재 및 기재의 표면에 부착된 다이아몬드층을 개시하고 있다. 이 표면은 그 사이에 홈을 형성하는 복수의 이격된 리지를 포함한다.
본 발명의 제 1 양태에 따르면, 다결정질 다이아몬드(PCD) 절삭 요소를 제조하는 방법으로서, PCD 본체의 절삭면의 부분으로부터 실질적으로 모든 결합재-촉매화 재료를 제거하기 위해 결합재-촉매화 재료를 사용하여 다이아몬드 입자로부터 형성된 PCD 본체를 침출하는 단계를 포함하고, 방법은 재료를 절삭하기 위한 절삭 요소의 사용시에, 절삭 요소의 절삭 작용에 의해 가열되는 절삭 영역으로서 절삭면의 부분을 식별하는 단계를 포함하고, PCD 본체를 침출하는 단계는 절삭 영역으로서 식별된 절삭면의 부분에서 비교적 깊은 침출을 수행하는 단계 및 식별된 절삭 영역을 둘러싸는 절삭면의 적어도 일부에서 비교적 얕은 침출을 수행하는 단계를 포함하는 PCD 절삭 요소를 제조하는 방법이 제공된다.
본 발명의 실시예에서, 식별된 절삭 영역을 둘러싸는 절삭면의 부분은 비교적 깊은 침출을 수행하는 동안 마스킹된다.
본 발명의 이들 또는 다른 실시예에서, 비교적 깊은 침출은 비교적 얕은 침출을 수행하기 전에 수행된다.
본 발명의 이들 또는 다른 실시예에서, 비교적 얕은 침출은 실질적으로 모든 PCD 본체의 절삭면에 적용된다.
본 발명의 이들 또는 다른 실시예에서, 실질적으로 어떠한 침출도 절삭면의 중앙부에 수행되지 않는다.
본 발명의 이들 또는 다른 실시예에서, 비교적 얕은 침출을 수행하는 단계는 절삭면으로부터 연장하는 PCD 본체의 측면 상에 비교적 얕은 침출을 수행하는 단계를 포함한다.
본 발명의 이들 또는 다른 실시예에서, PCD 본체는 실질적으로 원통형이고, 절삭면은 원통의 단부면들 중 하나이고, 식별된 절삭 영역은 절삭면과 원통형 측벽 사이에서 절삭면 주위로 연장하는 절삭 에지의 적어도 일부를 포함한다. 여기서, 절삭 에지는 절삭면과 측벽 사이의 모따기된 에지일 수도 있다.
본 발명의 이들 또는 다른 실시예에서, 재료를 절삭하기 위한 절삭 요소의 사용시에, 절삭 요소의 절삭 작용에 의해 가열되는 절삭 영역을 식별하는 단계는 사용시에 PCD 절삭 요소의 배향에 따라 절삭 영역으로서 독립적으로 작용하는 다수의 영역을 식별하는 단계를 포함하고, PCD 본체를 침출하는 단계는 절삭 영역으로서 식별된 절삭면의 다수의 영역의 각각에서 비교적 깊은 침출을 수행하는 단계 및 각각의 식별된 절삭 영역을 둘러싸는 절삭면의 적어도 일부에서 비교적 얕은 침출을 수행하는 단계를 포함한다. 여기서, 비교적 깊은 침출을 수행하는 단계는 절삭 영역으로서 식별된 절삭면의 다수의 부분의 모두를 동시에 침출하는 단계를 포함할 수도 있다. 또한, 다수의 영역 중 2개 또는 3개 이상은 실질적으로 동일하고 PCD 본체의 축에 대해 회전 대칭성을 갖고 배치될 수도 있어, 절삭 공구 내에 유지된 절삭 요소의 사용시에, PCD 본체가 2개 또는 3개 이상의 영역 중 제 1 영역이 절삭 영역으로서 독립적으로 작용한 후에 축에 대해 회전되고 마모되게 되어, 마모된 제 1 절삭 영역을 절삭 배향 이외로 유도하고 2개 또는 3개 이상의 영역 중 다른 영역을 절삭 배향으로 유도한다.
본 발명의 이들 또는 다른 실시예에서, 절삭 요소는 식별된 절삭 영역의 위치를 지시하기 위한 하나 이상의 표식(indicia)을 포함한다.
본 발명의 이들 또는 다른 실시예에서, 식별된 절삭 영역은 절삭면 주위로 실질적으로 완전히 연장하는 실질적으로 모든 절삭 에지를 포함한다.
본 발명의 이들 또는 다른 실시예에서, 침출 단계는 비교적 깊게 침출되는 부분과 비교적 얕게 침출되는 부분 사이의 전이 영역에서 상이한 깊이로 침출을 수행하여 원하는 침출 깊이 프로파일을 얻는 단계를 더 포함한다.
본 발명의 제 2 양태에 따르면, 결합재-촉매화 재료를 그 내부에 포함하는 틈새 영역을 형성하는 결정질간 결합된 다이아몬드 입자의 다이아몬드 매트릭스를 포함하는 PCD 본체로부터 다결정질 다이아몬드(PCD) 절삭 요소를 제조하는 방법이 제공되고, 이 방법은 약 0.15 mm 이상의 깊이로 다이아몬드 매트릭스의 제 1 표면 영역으로부터 실질적으로 모든 결합재-촉매화 재료를 제거하는 단계와, 약 0.01 mm 이상, 약 0.12 mm 이하의 깊이로 제 1 표면 영역을 둘러싸는 다이아몬드 매트릭스의 제 2 표면 영역으로부터 실질적으로 모든 결합재-촉매화 재료를 제거하는 단계를 포함하고, 제 1 표면 영역은 PCD 본체의 절삭면의 적어도 일부 주위로 연장하는 절삭 에지의 적어도 일부를 포함한다.
본 발명의 실시예에서, 다이아몬드 매트릭스의 제 1 표면 영역으로부터 실질적으로 모든 결합재-촉매화 재료를 제거하는 단계는 약 0.18 mm 이상 또는 약 0.2 mm 이상 또는 약 0.22 mm 이상의 깊이로 실질적으로 모든 결합재-촉매화 재료를 제거하는 단계를 포함한다.
본 발명의 이들 또는 다른 실시예에서, 다이아몬드 매트릭스의 제 2 표면 영역으로부터 실질적으로 모든 결합재-촉매화 재료를 제거하는 단계는 약 0.02 mm 이상 또는 약 0.03 mm 이상의 깊이로 실질적으로 모든 결합재-촉매화 재료를 제거하는 단계를 포함한다.
본 발명의 이들 또는 다른 실시예에서, 다이아몬드 매트릭스의 제 2 표면 영역으로부터 실질적으로 모든 결합재-촉매화 재료를 제거하는 단계는 약 0.1 mm 이하 또는 약 0.08 mm 이하 또는 약 0.05 mm 이하의 깊이로 실질적으로 모든 결합재-촉매화 재료를 제거하는 단계를 포함한다.
본 발명의 이들 또는 다른 실시예에서, 결합재-촉매화 재료는 침출에 의해 제거되고, 다이아몬드 매트릭스의 제 2 표면 영역은 제 1 표면 영역이 침출될 때 동시에 마스킹된다.
본 발명의 이들 또는 다른 실시예에서, 제 2 표면 영역은 PCD 본체의 측면의 적어도 일부를 포함하고, 측면은 절삭면으로부터 연장하고 절삭 에지에서 절삭면에 만난다. 여기서, 제 1 표면 영역은 PCD 본체의 측면의 부분을 포함할 수도 있다.
본 발명의 이들 또는 다른 실시예에서, 절삭 에지는 모따기된다.
본 발명의 이들 또는 다른 실시예에서, 제 1 표면 영역은, 절삭면의 적어도 2개 또는 적어도 3개의 개별 부분 주위로 각각 연장하는 절삭 에지의 각각의 부분을 포함하는 적어도 2개 또는 적어도 3개의 개별 영역을 포함한다. 여기서, 절삭 요소는 개별 영역의 위치를 지시하기 위한 하나 이상의 표식을 포함할 수도 있다. 또한, 개별 영역은 실질적으로 동일하고 PCD 본체의 축에 대해 회전 대칭성을 갖고 배치될 수도 있다.
본 발명의 이들 또는 다른 실시예에서, 제 1 표면 영역은 절삭면 주위로 실질적으로 완전히 연장하는 절삭 에지를 포함한다.
본 발명의 이들 또는 다른 실시예에서, PCD 본체는 실질적으로 원통형이고, 절삭면은 원통의 단부면들 중 하나이다.
본 발명의 이들 또는 다른 실시예에서, 제 2 표면 영역은 제 1 표면 영역으로부터 이격된 실질적으로 모든 절삭면을 포함한다.
본 발명의 이들 또는 다른 실시예에서, 제 2 표면 영역은 절삭면의 중앙 영역은 포함하지 않는다.
본 발명의 제 3 양태에 따르면, 본 발명의 제 1 및/또는 제 2 양태에 따라 제조된 절삭 요소를 포함하는 드릴 비트가 제공된다.
본 발명의 제 4 양태에 따르면, 다결정질 다이아몬드(PCD) 절삭 요소로서, 절삭면을 나타내고 절삭면의 적어도 일부 주위에 절삭 에지를 형성하는 PCD 본체를 포함하고, PCD 본체는 결합재-촉매화 재료를 포함하는 틈새 영역을 형성하는 결정질간 결합된 다이아몬드 입자의 다이아몬드 매트릭스를 포함하고, 다이아몬드 매트릭스의 표면에서의 제 1 영역은 약 0.15 mm 이상의 깊이의 실질적으로 어떠한 결합재-촉매화 재료도 포함하지 않고, 상기 제 1 영역은 상기 절삭 에지의 적어도 일부를 포함하고, 상기 제 1 영역을 둘러싸는 다이아몬드 매트릭스의 표면에서의 제 2 영역은 약 0.01 mm 이상, 약 0.12 mm 이하의 깊이의 실질적으로 어떠한 결합재-촉매화 재료도 포함하지 않는 PCD 절삭 요소가 제공된다.
본 발명의 실시예에서, 다이아몬드 매트릭스의 표면에서 제 1 영역은 약 0.18 mm 이상, 또는 약 0.2 mm 이상, 또는 약 0.22 mm 이상의 깊이의 실질적으로 어떠한 결합재-촉매화 재료도 포함하지 않는다.
본 발명의 이들 또는 다른 실시예에서, 다이아몬드 매트릭스의 표면에서 제 2 영역은 약 0.02 mm 이상, 또는 약 0.03 mm 이상의 깊이의 실질적으로 어떠한 결합재-촉매화 재료도 포함하지 않는다.
본 발명의 이들 또는 다른 실시예에서, 다이아몬드 매트릭스의 표면에서 제 2 영역은 약 0.1 mm 이하, 또는 약 0.08 mm 이하, 또는 약 0.05 mm 이하의 깊이의 실질적으로 어떠한 결합재-촉매화 재료도 포함하지 않는다.
본 발명의 이들 또는 다른 실시예에서, 다이아몬드 매트릭스의 표면에서의 제 2 영역은 PCD 본체의 측면의 적어도 일부를 포함하고, 측면은 절삭면으로부터 연장하고 절삭 에지에서 절삭면에 만난다. 여기서, 다이아몬드 매트릭스의 표면에서의 제 1 영역은 PCD 본체의 측면의 부분을 포함한다.
본 발명의 이들 또는 다른 실시예에서, 절삭 에지는 모따기된다.
본 발명의 이들 또는 다른 실시예에서, 다이아몬드 매트릭스의 표면에서의 제 1 영역은 절삭면의 적어도 2개 또는 적어도 3개의 개별 부분 주위로 각각 연장하는 절삭 에지의 각각의 부분을 포함하는 적어도 2개 또는 적어도 3개의 개별 영역을 포함한다. 여기서, 절삭 요소는 개별 영역의 위치를 지시하기 위한 하나 이상의 표식을 포함할 수도 있다. 또한, 개별 영역은 실질적으로 동일하고 PCD 본체의 축에 대한 회전 대칭성을 갖고 배치될 수도 있다.
본 발명의 이들 또는 다른 실시예에서, 제 1 표면 영역은 절삭면 주위로 실질적으로 완전히 연장하는 절삭 에지를 포함한다.
본 발명의 이들 또는 다른 실시예에서, PCD 본체는 실질적으로 원통형이고, 절삭면은 원통의 단부면들 중 하나이다.
본 발명의 이들 또는 다른 실시예에서, 다이아몬드 매트릭스의 표면에서의 제 2 영역은 다이아몬드 매트릭스의 표면에서의 제 1 영역으로부터 이격된 실질적으로 모든 절삭면을 포함한다.
본 발명의 이들 또는 다른 실시예에서, 다이아몬드 매트릭스의 표면에서의 제 2 영역은 절삭면의 중앙 영역은 포함하지 않는다.
본 발명의 이들 또는 다른 실시예에서, 다이아몬드 매트릭스의 표면에서의 제 1 영역과 다이아몬드 매트릭스의 표면에서의 제 2 영역 사이에 전이 영역이 존재하고, 실질적으로 어떠한 결합재-촉매화 재료도 포함하지 않는 깊이는 열 안정성 깊이 프로파일에 따라 실질적으로 연속적으로 변경한다.
본 발명의 제 5 양태에 따르면, 다결정질 다이아몬드(PCD) 본체를 침출하는 방법으로서, PCD 본체의 작업면의 작업부에서 마주치게 되는 것으로 예측되는 작동 온도를 결정하는 단계와, 침출되지 않으면 작업부에서의 작동 온도의 인가 하에서 PCD 본체 내에서 경험된 온도에 대한 등온선을 결정하는 단계로서, 등온선은 침출되지 않은 PCD 본체가 열적 열화를 경험하는 온도가 지속되는 깊이를 지시하는, 등온선 결정 단계와, 작업부의 영역 내의 등온선에 실질적으로 대응하는 PCD 본체를 위한 침출 프로파일을 설정하는 단계를 포함하는 PCD 본체를 침출하는 방법이 제공된다.
본 발명의 실시예는 설정 침출 프로파일에 따라 침출되면 작업부에서 작동 온도의 인가 하에서 PCD 본체 내에서 경험된 온도에 대한 업데이트된 등온선을 결정하는 단계로서, 등온선은 PCD 본체의 침출되지 않은 부분이 열적 열화를 경험하게 되는 온도가 지속되는 깊이를 지시하는, 업데이트된 등온선 결정 단계, 및 업데이트된 등온선과 설정 침출 프로파일 사이의 차이를 식별함으로써 침출 프로파일을 조정하는 단계 및 등온선이 열적 열화가 발생할 가능성이 있는 것을 지시하는 영역을 제외하면서 등온선보다 깊은 침출 프로파일의 부분의 침출된 깊이를 감소시키기 위해 설정 침출 프로파일을 조정하는 단계를 더 포함한다.
본 발명의 이들 또는 다른 실시예에서, 침출 프로파일을 조정하는 단계는 PCD 본체를 통한 작업부로부터 이격하는 열의 열 전도를 조정하기 위해 작업부 이외의 작업면의 부분의 침출 깊이를 조정하는 단계를 포함한다.
본 발명의 이들 또는 다른 실시예에서, 업데이트된 등온선을 결정하는 단계 및 침출 프로파일을 조정하는 단계는 열적 열화가 발생할 가능성이 있는 영역을 제외하면서 침출 프로파일 전체에 걸쳐 침출 깊이를 최소화하기 위해 설정 침출 프로파일 대신에 조정된 침출 프로파일에 대해 되풀이식으로 반복된다.
본 발명의 이들 또는 다른 실시예에서, PCD 본체의 작업면의 작업부에서 마주치게 되는 것으로 예측되는 작동 온도를 결정하는 단계는 PCD 본체가 드릴 비트의 절삭 요소로서 채용되는 드릴 비트를 사용하여 드릴링 작업을 시뮬레이팅하는 단계를 포함한다.
본 발명에 따른 대안적인 이러한 실시예에서, 침출되지 않으면 작업부에서 작동 온도의 인가 하에서 PCD 본체에서 경험된 온도에 대한 등온선을 결정하는 단계는 재료가 마모되지 않은 PCD 본체에 대해 PCD 본체의 작업면의 작업부에서 마모되는 부분적으로 마모된 상태에서 PCD 본체에 대한 등온선을 결정하는 단계를 더 포함하고, 작업부의 영역에서 등온선에 실질적으로 대응하는 PCD 본체에 대한 침출 프로파일을 설정하는 단계는 부분적으로 마모된 상태에서 PCD 본체에 대해 결정된 등온선에 기초하여 마모되지 않은 PCD 본체에 대한 침출 프로파일을 설정하는 단계를 포함한다.
본 발명의 이들 또는 다른 실시예에서, PCD 본체에 대한 침출 프로파일은 드릴 비트 상의 절삭 요소의 경사각(rake angle)에 따라 더 설정된다.
본 발명의 제 6 양태에 따르면, 본 발명의 제 5 양태에 따라 침출된 PCD 본체를 포함하는 드릴 비트가 제공된다.
본 발명의 제 7 양태에 따르면, 다결정질 다이아몬드(PCD) 절삭 요소로서, 절삭 공구에 절삭 요소를 고정할 때 축에 대해 절삭 요소의 회전 배향을 조정함으로써, 2개 또는 3개 이상의 절삭 영역의 각각이 이들이 절삭 공구의 사용 중에 절삭을 수행하는 절삭 위치로 독립적으로 유도될 수 있도록, 상기 축 주위로 서로로부터 회전 변위되게 하기 위해, 절삭 요소의 축으로부터 오프셋되어 제공된 2개 또는 3개 이상의 개별 위치에 별개의 침출된 절삭 영역을 갖는 PCD 절삭 요소가 제공된다.
본 발명의 실시예는 2개 또는 3개 이상의 절삭 영역의 위치를 지시하는 하나 이상의 표식을 더 포함한다.
본 발명의 이들 또는 다른 실시예에서, 절삭 영역은 절삭 위치에서 마모되지 않은 절삭 영역에 의해 절삭 요소의 마모된 절삭 영역을 대체하기 위해, 사용 후에 커터 내의 절삭 요소의 회전 배향을 조정함으로써 절삭을 위해 이어서 연속적으로 사용될 수 있다.
본 발명의 이들 또는 다른 실시예에서, 침출된 절삭 영역은 각각 PCD 절삭 요소의 절삭면의 에지의 부분을 포함한다. 여기서, 각각의 부분은 동일한 절삭면의 에지 또는 에지들의 부분이다.
본 발명의 제 8 양태에 따르면, 다결정질 다이아몬드(PCD) 절삭 요소로서, 그 단부에 절삭면을 갖고, 절삭면은 절삭면 주위로 실질적으로 완전히 연장하는 에지를 형성하고, 에지의 하나 이상의 부분은 침출되어 절삭 에지를 형성하고, 절삭면의 중심은 침출되지 않는 PCD 절삭 요소가 제공된다.
본 발명의 실시예에서, 절삭면 주위의 실질적으로 전체 에지는 침출되어 절삭면을 형성한다.
본 발명의 이들 또는 다른 실시예에서, 에지는 모따기된다.
본 발명의 이들 또는 다른 실시예에서, 침출은 절삭 요소의 측벽의 적어도 일부 상으로 연장된다.
본 발명의 이들 또는 다른 실시예에서, 절삭 요소는 실질적으로 원통형이다. 여기서, 절삭 요소는 실질적으로 원형 단면이다.
본 발명의 이들 또는 다른 실시예에서, PCD 요소는 결합재-촉매화 재료를 그 내부에 포함하는 틈새 영역을 형성하는 결정질간 결합된 다이아몬드 입자의 매트릭스를 포함하고, 실질적으로 모든 결합재-촉매화 재료는 매트릭스의 침출된 부분으로부터 사전 결정된 깊이로 제거되어 있다.
본 발명의 제 9 양태에 따르면, 다결정질 다이아몬드(PCD) 절삭 요소를 제조하는 방법으로서, 축 주위로 서로로부터 회전 변위되도록 절삭 요소의 축으로부터 오프셋되어 제공된 2개 또는 3개 이상의 개별 위치에서 절삭 영역을 제외한 실질적으로 모든 절삭 요소를 마스킹하는 단계와, 마스킹된 절삭 요소를 침출하여 절삭 영역을 침출하는 단계를 포함하는 PCD 절삭 요소를 제조하는 방법이 제공된다.
본 발명의 제 10 양태에 따르면, 그 단부에 절삭면을 갖는 다결정질 다이아몬드(PCD) 절삭 요소를 제조하는 방법으로서, 절삭면은 절삭면 주위로 실질적으로 완전히 연장하는 에지를 형성하는 PCD 절삭 요소를 제조하는 방법이 제공되고, 이 방법은 절삭면의 적어도 중앙부를 마스킹하는 단계와, 마스킹된 절삭 요소를 침출하여 에지의 하나 이상의 부분을 침출하여 절삭면의 중심이 침출되는 것으로부터 마스킹된 상태로 절삭 에지 또는 절삭 에지들을 형성하는 단계를 포함한다.
본 발명의 제 9 또는 제 10 양태의 실시예에서, PCD 절삭 요소는 마스킹에 앞서 침출되지 않는다.
본 발명의 제 9 및 제 10 양태의 이들 또는 다른 실시예는 마스크를 제거하고 PCD 절삭 요소를 재차 침출하는 단계를 더 포함한다. 여기서, 방법은 마스크가 제거된 후에 그리고 PCD 절삭 요소를 재차 침출하기 전에, 상이한 마스킹 패턴으로 PCD 절삭 요소를 재차 마스킹하는 단계를 더 포함한다.
본 발명의 제 9 및 제 10 양태의 이들 또는 다른 실시예에서, 방법은 총 3회 이상 PCD 절삭 요소를 침출하는 단계를 포함하고, 상이한 마스킹 패턴이 각각의 회수에 PCD 절삭 요소의 하나 이상의 상이한 부분을 마스킹하거나 노출하도록 인가되고, 마스킹 패턴들 중 하나는 PCD 절삭 요소의 다이아몬드 매트릭스의 표면에 실질적으로 어떠한 마스킹도 인가하지 않는 것을 포함할 수도 있다.
본 발명의 더 양호한 이해를 가능하게 하고, 본 발명이 어떻게 실시될 수 있는지를 도시하는 것을 가능하게 하기 위해, 단지 예로서 첨부 도면을 참조할 것이다.
도 1은 절삭 블레이드에 장착된 PCD 절삭 요소를 갖는 고정 블레이드 회전 드릴 비트의 3차원 사시도이며,
도 2는 PCD 절삭 요소의 3차원 사시도이며,
도 3은 도 2의 PCD 절삭 요소를 통한 단면도이며,
도 4는 결정질 마이크로구조를 표현적으로 도시하고 있는 PCD 본체의 표면에서 침출된 부분의 개략도이며,
도 5는 PCD 본체의 절삭면, 절삭 에지 및 측벽에서 실질적으로 균일한 깊이로 PCD 본체의 침출을 예시적으로 도시하고 있는, 모따기된 에지를 갖는 PCD 절삭 요소를 통한 개략 단면도이며,
도 6a 및 도 6b는 각각 본 발명에 따른 PCD 절삭 요소의 실시예의 3차원 사시도 및 단면도이며,
도 7a 및 도 7b는 각각 본 발명에 따른 PCD 절삭 요소의 실시예의 3차원 사시도 및 단면도이며,
도 8a 및 도 8b는 각각 본 발명에 따른 PCD 절삭 요소의 실시예의 3차원 사시도 및 단면도이며,
도 9a 및 도 9b는 각각 본 발명에 따른 PCD 절삭 요소의 실시예의 3차원 사시도 및 단면도이며,
도 10a 및 도 10b는 각각 본 발명에 따른 PCD 절삭 요소의 실시예의 3차원 사시도 및 단면도이며,
도 11a 및 도 11b는 각각 본 발명에 따른 PCD 절삭 요소의 실시예의 3차원 사시도 및 단면도이며,
도 12는 측면도에서 볼 때 고정 블레이드 회전 드릴 비트의 절삭 블레이드 상에 장착된 PCD 절삭 요소에 대한 마모 패턴을 개략적으로 도시하며, 반면에 도 12의 화살표 A 및 B의 각각의 방향에서 볼 때 대응 도면이 도 12a 및 도 12b에 도시되어 있으며,
도 12c 및 도 12d는 PCD 절삭 요소의 상이한 절삭 요소를 절삭 위치로 성공적으로 유도하기 위해, 도 12, 도 12a 및 도 12b의 PCD 절삭 요소가 어떻게 고정 블레이드 회전 드릴 비트의 절삭 블레이드 소켓 내에서 회전될 수 있는지를 도시하며,
도 13a 내지 도 13c는 PCD 절삭 요소 내에 원하는 침출 프로파일을 얻기 위해, 예시적인 예에서, 어떻게 연속적인 마스킹 및 침출 단계가 수행될 수도 있는지를 개략적으로 도시하며,
도 14a 내지 도 14d는 PCD 절삭 요소 내에 원하는 침출 프로파일을 얻기 위해, 예시적인 예에서, 어떻게 연속적인 마스킹 및 침출 단계가 수행될 수도 있는지를 개략적으로 도시하며,
도 15a 및 도 15b는 PCD 절삭 요소 내에 원하는 침출 프로파일을 얻기 위해, 예시적인 예에서, 어떻게 연속적인 마스킹 및 침출 단계가 수행될 수도 있는지를 개략적으로 도시하며,
도 16a 내지 도 16c는 PCD 절삭 요소 내에 원하는 침출 프로파일을 얻기 위해, 예시적인 예에서, 어떻게 연속적인 마스킹 및 침출 단계가 수행될 수도 있는지를 개략적으로 도시하며,
도 17a 내지 도 17c는 PCD 절삭 요소용 원하는 침출 프로파일을 결정하기 위한 일 방안을 도시하며,
도 18a 내지 도 18c는 PCD 절삭 요소용 원하는 침출 프로파일을 결정하기 위한 일 방안을 도시하며,
도 19a 및 도 19b는 절삭 요소가 드릴 비트 내에 유지되어 있는 경사각이 변경함에 따라 PCD 절삭 요소에 대한 마모 프로파일이 어떻게 변경될 수도 있는지와, 원하는 침출 프로파일이 어떻게 그에 따라 결정될 수도 있는지를 개략적으로 도시한다.
도 2는 PCD 절삭 요소의 3차원 사시도이며,
도 3은 도 2의 PCD 절삭 요소를 통한 단면도이며,
도 4는 결정질 마이크로구조를 표현적으로 도시하고 있는 PCD 본체의 표면에서 침출된 부분의 개략도이며,
도 5는 PCD 본체의 절삭면, 절삭 에지 및 측벽에서 실질적으로 균일한 깊이로 PCD 본체의 침출을 예시적으로 도시하고 있는, 모따기된 에지를 갖는 PCD 절삭 요소를 통한 개략 단면도이며,
도 6a 및 도 6b는 각각 본 발명에 따른 PCD 절삭 요소의 실시예의 3차원 사시도 및 단면도이며,
도 7a 및 도 7b는 각각 본 발명에 따른 PCD 절삭 요소의 실시예의 3차원 사시도 및 단면도이며,
도 8a 및 도 8b는 각각 본 발명에 따른 PCD 절삭 요소의 실시예의 3차원 사시도 및 단면도이며,
도 9a 및 도 9b는 각각 본 발명에 따른 PCD 절삭 요소의 실시예의 3차원 사시도 및 단면도이며,
도 10a 및 도 10b는 각각 본 발명에 따른 PCD 절삭 요소의 실시예의 3차원 사시도 및 단면도이며,
도 11a 및 도 11b는 각각 본 발명에 따른 PCD 절삭 요소의 실시예의 3차원 사시도 및 단면도이며,
도 12는 측면도에서 볼 때 고정 블레이드 회전 드릴 비트의 절삭 블레이드 상에 장착된 PCD 절삭 요소에 대한 마모 패턴을 개략적으로 도시하며, 반면에 도 12의 화살표 A 및 B의 각각의 방향에서 볼 때 대응 도면이 도 12a 및 도 12b에 도시되어 있으며,
도 12c 및 도 12d는 PCD 절삭 요소의 상이한 절삭 요소를 절삭 위치로 성공적으로 유도하기 위해, 도 12, 도 12a 및 도 12b의 PCD 절삭 요소가 어떻게 고정 블레이드 회전 드릴 비트의 절삭 블레이드 소켓 내에서 회전될 수 있는지를 도시하며,
도 13a 내지 도 13c는 PCD 절삭 요소 내에 원하는 침출 프로파일을 얻기 위해, 예시적인 예에서, 어떻게 연속적인 마스킹 및 침출 단계가 수행될 수도 있는지를 개략적으로 도시하며,
도 14a 내지 도 14d는 PCD 절삭 요소 내에 원하는 침출 프로파일을 얻기 위해, 예시적인 예에서, 어떻게 연속적인 마스킹 및 침출 단계가 수행될 수도 있는지를 개략적으로 도시하며,
도 15a 및 도 15b는 PCD 절삭 요소 내에 원하는 침출 프로파일을 얻기 위해, 예시적인 예에서, 어떻게 연속적인 마스킹 및 침출 단계가 수행될 수도 있는지를 개략적으로 도시하며,
도 16a 내지 도 16c는 PCD 절삭 요소 내에 원하는 침출 프로파일을 얻기 위해, 예시적인 예에서, 어떻게 연속적인 마스킹 및 침출 단계가 수행될 수도 있는지를 개략적으로 도시하며,
도 17a 내지 도 17c는 PCD 절삭 요소용 원하는 침출 프로파일을 결정하기 위한 일 방안을 도시하며,
도 18a 내지 도 18c는 PCD 절삭 요소용 원하는 침출 프로파일을 결정하기 위한 일 방안을 도시하며,
도 19a 및 도 19b는 절삭 요소가 드릴 비트 내에 유지되어 있는 경사각이 변경함에 따라 PCD 절삭 요소에 대한 마모 프로파일이 어떻게 변경될 수도 있는지와, 원하는 침출 프로파일이 어떻게 그에 따라 결정될 수도 있는지를 개략적으로 도시한다.
도면을 구체적으로 참조하기 전에, PCD 요소 및 PCD 절삭 요소(또한 다결정질 다이아몬드 커터 또는 PCD라 칭함)의 몇몇 일반적인 특성이 주지되어야 한다.
다결정절 다이아몬드 및 다결정질 다이아몬드형 요소는 본 명세서의 목적을 위해 PCD 요소라 총칭한다. 이들 요소는 고온 고압(HTHP) 프로세스에서 결합재-촉매화 재료로 형성된다. PCD 요소는 연속적인 다이아몬드 매트릭스 테이블 또는 본체를 형성하는 복수의 부분적으로 결합된 다이아몬드 또는 다이아몬드형 결정을 갖는다. 이는 상업적인 제조를 위해 적합한 프레스에서 얻어질 수 있는 비교적 낮은 압력 및 온도에서 인접한 다이아몬드 결정들 사이에 결정질간 결합이 형성될 수 있게 하는 결합재-촉매화 재료이다.
다이아몬드 매트릭스 본체는 85% 초과의 다이아몬드 체적 밀도를 가질 수도 있다. 프로세스 중에, 다이아몬드 결정들 중의 틈새가 결합재-촉매 재료를 포함하는 연속적인 틈새 매트릭스 내에 형성된다. 다이아몬드 매트릭스 본체는 다결정질 다이아몬드 절삭 요소(또한 다결정질 다이아몬드 커터 또는 PCD로서 공지되어 있음)에 대해 또한 절삭면으로서 공지되어 있는 작업면을 갖는다. 작업면에 인접하고 그로부터 연장하는 PCD 본체 내의 틈새 매트릭스의 하나 이상의 부분은 실질적으로 촉매화 재료가 없고, 잔여 틈새 매트릭스는 촉매화 재료를 포함한다.
작업면에 인접한 PCD 본체의 부분은 실질적으로 결합재-촉매화 재료가 없기 때문에, 결합재-촉매화 재료의 해로운 효과가 실질적으로 감소되고, 촉매화 재료의 존재에 기인하는 작업면의 열적 열화가 효과적으로 제거될 수 있다. 결과는 인성, 제조의 편의성 및 틈새 매트릭스 전체에 걸쳐 결합재-촉매화 재료를 포함하는 PCD 요소의 접합 능력을 유지하면서 750℃ 초과, 최대 약 1200℃의 표면 발생 온도에 대한 열적 열화에 대해 저항성이 있는 PCD 요소이다. 이는 절삭 용례에서 더 높은 내마모성으로 변환된다. 이들 이득은 요소 내의 충격 강도의 손실 없이 얻어질 수 있다.
다이아몬드 매트릭스 테이블(PCD 본체)은 바람직하게는 HTHP 프로세스 중에 결합재-촉매화 재료를 포함하는 기재에 일체로 접합된다. 바람직하게는, PCD 본체가 기재에 접촉하는 틈새 영역의 층은, 다이아몬드 매트릭스 테이블을 기재에 고정하기 위해, 결합재-촉매화 재료를 포함하고 0.15 mm 초과의 평균 두께를 갖는다.
기재는 바람직하게는, 일반적으로 시멘트 접합된 텅스텐 카바이드 또는 다른 금속 재료와 같은, PCD 본체보다 덜 경질의 재료이지만, 기재의 사용은 필수적인 것은 아니다.
통상적으로, PCD 절삭 요소는 시멘트 접합된 텅스텐 카바이드 또는 다른 금속 재료와 같은 덜 경질의 재료의 기재에 고압 고온 프레스에서 접합된 다이아몬드 또는 다이아몬드형(PCD) 재료의 절삭면을 제시하는 얇은 정면 페이싱 테이블을 갖는 원형 정제의 형태의 본체를 갖는다. PCD 절삭 요소는 통상적으로 예비 성형되고 시멘트 접합된 텅스텐 카바이드로부터 또한 형성된 일반적으로 원통형 캐리어 상에 접합된다.
고정 블레이드 회전 드릴 비트에 도포시에, 원통형 캐리어는 블레이드 내의 대응적으로 성형된 소켓 또는 리세스 내에 수용된다. 캐리어는 일반적으로 브레이징되거나 소켓 내에 수축 끼워맞춤될 것이다.
일반적으로, PCD 요소의 본체 내의 평균 다이아몬드 체적 밀도는 약 85% 내지 약 99%의 범위여야 한다. 평균 다이아몬드 체적 밀도는 또한 다이아몬드 체적당 분율이라 칭할 수도 있다. 높은 다이아몬드 체적 밀도는 약 15 내지 약 60 미크론의 범위, 15 내지 25 미크론의 정도의 바람직한 범위를 갖는 평균 입경을 갖는 입경의 범위를 갖는 다이아몬드 결정을 사용하여 성취될 수 있다. 통상적으로, 다이아몬드 혼합물은 약 1 내지 15 미크론 범위의 1% 내지 60% 다이아몬드 결정, 25 내지 40 미크론 범위의 20% 내지 40% 다이아몬드 결정 및 50 내지 80 미크론 직경 범위의 20% 내지 40% 다이아몬드 결정을 포함할 수도 있지만, 수많은 다른 크기 범위 및 퍼센트가 사용될 수도 있다. 큰 및 작은 다이아몬드 결정의 혼합물은 다이아몬드 결정이 다이아몬드간 결합에 전용된 이들의 외부 표면적의 비교적 높은 퍼센트, 종종 거의 95%를 갖게 할 수도 있어, 비교적 높은 겉보기 내마모성에 기여한다.
틈새로부터 촉매화 재료를 제거하거나 고갈시키기 위한 다수의 방법이 존재한다. 일 통상의 예에서, 촉매화 재료는 코발트 또는 다른 철족 재료(VIII족 금속)이고, 촉매화 재료를 제거하는 방법은 산 에칭 프로세스에서 PCD 요소의 작업면 부근의 틈새로부터 이를 침출하는 것이다. 표면 부근으로부터 촉매화 재료를 제거하는 방법은 전기 방전 또는 다른 전기 또는 갈바닉 프로세스(galvanic process)에 의한 또는 증발에 의한 것일 수도 있는 것이 또한 가능하다.
전술된 바와 같이, 촉매화 재료에 의해 발생되는 것으로 알려진 현재의 PCD의 열적 열화의 2개의 모드가 존재한다. 열적 열화의 제 1 모드는 약 400℃만큼 낮은 온도에서 시작하고, 틈새 매트릭스 내의 결합재-촉매화 재료와 결정질간 결합된 다이아몬드 매트릭스 내의 결정 사이의 상이한 열팽창에 기인한다. 충분한 가열시에, 부수적인 상이한 팽창은 다이아몬드간 결합을 파열시켜, 균열 및 칩이 발생할 수도 있게 된다.
열적 열화의 제 2 모드는 약 750℃의 온도에서 시작한다. 이 모드는 다이아몬드 결정에 접촉하는 결합재-촉매화 재료의 촉매화 능력에 의해 발생되어, 온도가 약 750℃를 초과함에 따라 결정이 흑연화하게 한다. 결정이 흑연화함에 따라, 이들 결정은 큰 체적 증가를 수반하는 위상 변화를 경험하고, 이는 PCD 본체 균열 및 기재로부터의 접합 해제를 야기할 수도 있다. 다이아몬드 결정의 표면 상의 수 미크론의 촉매화 재료의 코팅조차 이 열적 열화의 모드를 발생하게 할 수 있다.
따라서, 최대 이득을 위해, 촉매화 재료는 다이아몬드 결정들 사이의 틈새로부터 그리고 마찬가지로 다이아몬드 결정들의 표면들로부터 제거되어야 한다는 것이 이해될 수 있을 것이다. 촉매화 재료가 다이아몬드 결정들의 표면들로부터 그리고 다이아몬드 결정들 사이의 틈새로부터 모두 제거되면, 그 영역 내의 다이아몬드 결정을 위한 열적 열화의 착수가 거의 1200℃까지 발생하지 않을 것이다.
틈새로부터보다 다이아몬드 결정들의 표면들로부터 촉매화 재료를 제거하는 것이 더 어렵다는 것이 명백할 것이다. 이 이유로, 촉매화 재료가 고갈되는 방식에 따라, 열적 열화를 감소시키는데 효과적이게 하기 위해, 작업면으로부터 촉매화 재료의 고갈의 깊이는 촉매화 재료를 고갈하기 위해 사용된 방법에 따라 다양할 수도 있다.
실제로, 몇몇 용례에서, 400℃ 초과이지만 750℃ 미만인 열 임계치의 향상이 적절하고, 따라서 덜 강렬한 촉매화 재료 고갈 프로세스가 허용 가능하다. 그 결과로서, 특정 용례에 요구되는 촉매화 재료 고갈의 레벨을 성취하기 위해 적용될 수 있는 촉매화 재료 고갈 방법의 수많은 조합이 존재한다는 것이 이해될 수 있을 것이다.
본 명세서에서, 용어 "실질적으로 없는"이 틈새, 틈새 매트릭스 또는 PCD 본체의 체적으로부터 제거되어 있는 결합재-촉매화 재료를 칭하는데 사용될 때, 결정질간 결합된 다이아몬드 매트릭스 내의 인접한 결정들의, 전체가 아닌 경우 다수의 표면이 결합재-촉매화 재료의 코팅을 여전히 가질 수도 있다는 것이 이해되어야 한다.
효과적이게 하기 위해, 결합재-촉매화 재료는 촉매화 재료가 존재하는 PCD 본체의 영역 내의 온도가 국부적인 열적 열화 온도 미만으로 유지되게 하는데 충분한 깊이로 작업면에서의 열 발생점에서 제거되어야 한다. 향상된 열적 열화 저항성은 열 안정성 결정질간 결합된 다이아몬드 매트릭스가 그 구조적 완전성 및 따라서 그 기계적 강도를 유지하는 것이 가능하기 때문에 마모율을 향상시킨다.
다이아몬드는 열 전도체로서 알려져 있다. 작업면에서의 마찰 이벤트가 갑작스런 극단의 열 입력을 유발하며, 결합된 다이아몬드 결정들은 이벤트로부터 모든 방향으로 이격하여 열을 전도할 것이다. 이는 예를 들어 mm 당 최대 1000℃ 또는 그 이상의 높은 온도 구배가 결정질간 결합된 다이아몬드 재료를 통해 얻어지는 것을 허용할 수 있다. 물론, 경험된 실제 온도 구배는 다이아몬드 결정 크기 및 결정질간 결합의 양에 따라 변경될 것이다. 그러나, 이러한 큰 열적 구배가 실제로 존재하는지는 불명확하다.
본 명세서에 개시된 PCD 요소를 위한 일 특히 유용한 용례는 절삭 요소 또는 PCD(다결정질 다이아몬드 커터)로서이다. PCD 절삭 요소의 작업면은 상부 작업면(단부면) 및/또는 주연 작업면일 수도 있다. 첨부 도면에 도시되어 있는 PCD 절삭 요소는 통상적으로 고정 커터형 회전 드릴 비트에 사용될 수도 있는 것이다. 도시되어 있지는 않지만, 다른 유형의 PCD 절삭 요소가 돔으로서 성형된다. 이 유형의 PCD 절삭 요소는 롤링 커터 드릴 비트 내의 또는 고정 커터 또는 롤링 원추형 회전 드릴 비트의 본체 내의 소켓 내로 삽입을 위한 확장된 베이스를 가질 수 있다.
PCD 요소에 관한 상기 일반적인 기술적 고려 사항 및 상세를 고려하여, 이제 더 상세한 설명이 특히 본 발명의 실시예가 도시되어 있는 첨부 도면, 뿐만 아니라 본 발명을 이해하기 위해 유용한 예를 참조하여 행해질 것이다.
도면은 원리적으로 본질적으로 개략적이고, 도시되어 있는 구성 요소들의 상대 크기, 형상 및 치수를 필수적으로 표현하는 것이 아니라 본 발명의 기초 기술을 전달하도록 의도된 것이라는 것이 이해되어야 한다. 특히, 특정 특징은 단지 예시적인 목적으로 다른 특징에 대해 확대되거나 과장되어 도시되어 있을 수도 있다.
PCD 요소가 임의의 부분, 구역 또는 영역에서 침출되어 있는 깊이에 대한 참조가 본 명세서에서 행해지는 경우에, 깊이는 PCD 요소 내의 침출된 부분과 침출되지 않은 부분 사이의 경계로부터 침출이 발생하는 PCD 요소의 가장 가까운 표면까지의 거리로 취해질 것이다. 대부분의 경우에, 이는 침출이 발생하는 표면으로부터 측정될 때의 수직 깊이에 대응할 것이다.
전술된 바와 같이, 침출의 프로세스는 결정질간 결합된 다이아몬드 매트릭스의 침출된 부분을 취성이 되게, 따라서 덜 내충격성이 되게 할 수 있다. 따라서, 더 큰 깊이로 침출함으로써 성취된 열 안정성의 이득과 이와 연관된 인성 및 내충격성의 부수적인 손실 사이의 절충이 잔류한다.
동시에, PCD 절삭 요소의 제조와 연관된 시간, 노력 및 부수적인 비용은 내마모성 및 내충격성의 견지에서 PCD 절삭 요소 자체의 성능의 경지에서 뿐만 아니라, PCD 절삭 요소가 포함되는 드릴링 비트의 성능의 견지에서, 성능의 임의의 얻어질 수 있는 효과적인 증가에 대해 가중되어야 한다.
지금까지, 상업적으로 입수 가능한 PCD 절삭 요소는 거의 절삭 요소의 PCD 본체의 전체 외부면에 균일한 침출 프로세스를 수행함으로써만 제조되었다. 이와 같이, 현존하는 기술은 PCD 절삭 요소의 충격 강도와 내마모성 또는 열적 완전성 사이의 균형화의 작용과 여전히 분투하고 있다.
따라서, 현존하는 침출된 PCD 커터에 의해 성취 가능한 열적 열화에 대한 저항을 유지하는 동시에, PCD 본체의 결정질간 결합된 다이아몬드 매트릭스 내의 틈새 영역으로부터 결합재-촉매화 재료의 고갈량을 최소화함으로써 충격 강도의 임의의 절충을 감소시키기 위한 구동 인자가 제공되어 왔다. 이는 열이 절삭 작업시에 절삭 요소의 사용을 통해 발생하는 것으로 알려져 있는 PCD 절삭 요소의 영역에 침출 프로세스의 적용을 제한함으로써 주로 성취되어야 한다. 특히, 절삭 요소와 절삭되는 재료 사이에 접촉이 거의 또는 전혀 없는 절삭 요소의 영역으로부터 침출을 배제함으로써, 전체적으로 PCD 절삭 요소의 인성 및 충격 강도가 향상될 수 있다.
더욱이, 절삭 및 마모가 발생하는 것으로 알려져 있는 영역에서 침출 프로파일을 적절하게 설계함으로써, 침출 프로파일은 절삭 요소가 재료를 통해 효과적으로 절삭할 때에 더 장기간 동안 사용될 수 있게 하기 위해, 더 큰 마모의 정도를 수용하도록 적용될 수도 있어, 이에 의해 절삭 요소를 합체한 드릴 비트의 드릴링 성능을 극적으로 증가시킨다. 이 특성의 절삭 요소를 포함하는 드릴 비트는, 절삭 요소가 무뎌지게 되고 드릴 비트가 제거되어 교환되어야 하기 전에, 더 장시간 기간 동안 그리고 더 장거리에 걸쳐 연속적으로 드릴링하는 것이 가능하다. 이 방식으로 형성된 절삭 요소는 또한 균열 또는 파쇄에 더 저항성이 있고, 따라서 드릴링 작업 중에 파괴에 덜 민감하여, 절삭 요소를 합체하는 드릴 비트의 신뢰성을 향상시킨다.
도 1을 참조하면, 드릴 비트의 중심 종축으로부터 실질적으로 반경방향으로 연장하도록 배열된 다수의 절삭 블레이드(5)를 갖는 고정 블레이드 회전 드릴 비트(1)가 도시되어 있다. 각각의 절삭 블레이드는 작동시에 절삭 블레이드(5)의 회전 방향으로 지향하도록 장착된 복수의 다결정질 다이아몬드(PCD) 절삭 요소(10)를 구비한다. 당 기술 분야에 공지되어 있는 바와 같이, PCD 절삭 요소(10)는 경사각을 갖도록 장착될 수도 있고, 이 경사각은 절삭 요소(10)가 장착되어 있는 절삭 블레이드(5)가 드릴 비트(1)의 작동시에 회전함에 따라, 절삭 요소(10)의 면(22)이 절삭될 형성 재료에 접근하는 각도이다. 드릴 비트 상의 절삭 요소는 일반적으로 "전방 경사" 또는 "후방 경사"인 것으로서 설명될 수 있다. 전방 경사 절삭 요소는 절삭되는 형성 재료 내로 찔러 넣는 경향이 있는데, 이는 드릴 비트의 침투의 속도를 증가시킬 수 있지만, 동시에 절삭 저항을 증가시킬 가능성이 있을 것이며, 이러한 것은 사용시에 드릴 비트를 실속(stall)시킬 수도 있다. 후방 경사 절삭 요소는 절삭되는 형성 재료의 표면 상에 얹히거나 슬립하는 경향을 갖는데, 이는 전방 경사 커터에 반대 효과이다. 그 결과는 낮은 침투 속도이지만, 적은 절삭 저항 및 드릴 비트의 실속의 위험을 갖는 것이다. 다수의 경우에, 포지티브 전방 경사 절삭 요소와 네거티브 후방 경사 절삭 요소의 혼합물이 드릴 비트 실속의 위험과 형성물 내로의 드릴 비트의 원하는 침투의 속도 사이의 균형을 성취하기 위해 최적일 수도 있다. 동시에, 당 기술 분야의 숙련자는 고정 블레이드 회전 드릴 비트(1)의 절삭 블레이드(5) 상에 장착될 때 절삭 요소의 경사각이 절삭 요소(10)를 위한 마모 프로파일, 뿐만 아니라 열이 절삭 요소(10)의 사용 중에 발생되는 절삭 요소(10)의 절삭면(22) 상의 지점을 변경할 것이라는 것을 이해할 수 있을 것이다.
도 2 내지 도 4를 참조하면, PCD 절삭 요소(10)의 기본 구성이 도시되어 있다. PCD 절삭 요소(10)는 전술된 바와 같이 기재(30)에 일체로 부착되거나 다른 방식으로 접합된 PCD 본체(20)를 갖는다. PCD 본체(20)는 실질적으로 결정들 사이에 틈새 매트릭스(210)를 제공하기 위해 실질적으로 상호 연결되는 틈새 공간(212)을 형성하는 입자(202) 또는 결정질간 결합된 다이아몬드 결정의 매트릭스(200)로 이루어진다. 틈새 매트릭스(210)는 HPHT 프로세스에서 PCD 본체(20)의 형성 중에, 결정질간 결합의 형성을 촉진하는 결합재-촉매화 재료(214)로 충전된다.
PCD 본체의 결정 마이크로구조는 도 4에 개략적으로 도시되어 있고, 여기서 결정질간 결합된 다이아몬드 매트릭스(200)는 결정질간 결합에 의해 함께 결합된 복수의 다이아몬드 결정(202)으로부터 형성된 것으로 보여질 수 있다. 틈새 공간(212)은 결정들(202) 사이에서 가시화되고, 본질적으로 다이아몬드 매트릭스(200) 전체에 걸쳐 연장하는 틈새 매트릭스(210)를 형성하도록 실질적으로 상호 연결된다. PCD 본체(20)의 초기 형성시에, 실질적으로 모든 틈새(212)가 그 내부에 결합재-촉매화 재료(214)를 포함한다. 침출 프로세스가 이어서 PCD 본체(20)의 침출된 표면(22)으로부터 측정된 거리(D)로서 도 2, 도 3 및 도 4에 도시되어 있는 원하는 깊이로 결합재-촉매화 재료(214)를 제거하도록 인가된다. 도 4에 도시되어 있는 바와 같이, PCD 본체의 침출된 부분(24)과 침출되지 않은 부분(28) 사이의 계면은 편평하고 평활하지 않다는 것이 주지될 것이다. 따라서, 평균 깊이가 실질적으로 유사한 침출된 깊이의 임의의 영역의 깊이(D)를 결정하기 위해 취해져야 한다.
도 2 및 도 3에 도시되어 있는 예에서, PCD 본체(20)는 실질적으로 원통형이고, 원형 단면이고 원통의 종축에 실질적으로 수직인 작업면(22)을 갖는다. 다른 원통형 PCD 본체에서, 작업면(22)은 본체의 종축에 수직이 아닐 수도 있고, 그에 소정 각도로 경사져 있을 수도 있다.
도 2 및 도 3에서 보여지는 바와 같이, PCD 본체(20)는 침출된 부분(24)을 생성하기 위해, 실질적으로 일정한 깊이(D)로 작업면(22)으로부터 침출되어 있다. 이 깊이(D) 미만으로, 결정질간 결합된 다이아몬드 매트릭스(200)의 틈새(212)에 의해 형성된 연속적인 틈새 매트릭스(210) 내에 포함된, 결합재-촉매화 재료(214)가 남아 있는 침출되지 않은 부분(28)이 잔류한다. 전술된 바와 같이, 절삭면(22)에 대향하는 PCD 본체(20)의 단부의 적어도 일부 내의 결합재-촉매화 재료(214)의 존재는 그가 장착되는 기재(30)에 PCD 본체(20)를 확실하게 접합하기 위해 바람직하다. 다수의 경우에, 작업면(22)의 상부의 침출된 영역이 실질적으로 일정한 침출된 깊이(D)를 가질 가능성이 있다는 것이 주지되어야 한다. 그러나, PCD 본체(20)의 측면 상의 침출은, 침출된 부분이 기재(30)와 PCD 본체(20) 사이의 계면이라 또한 칭하는 경계를 향해 상부면으로부터 PCD 본체(20)의 측면을 따라 하향으로 연장함에 따라 테이퍼지는 가능성이 있다.
도 5를 참조하면, 도 2 및 도 3의 PCD 본체(20)의 에지(23)가 침출 프로세스를 적용하기 전에 모따기되어 있는 예가 개략적으로 도시되어 있다. 침출 프로세스는 이어서 절삭면(22) 뿐만 아니라 원통형 PCD 절삭 요소(20)의 측벽(27)의 부분과 모따기된 에지(23)에도 적용되어 있다. 이와 관련하여, PCD 본체(20)의 이 부분에서 결합재-촉매화 재료(214)를 고갈시키는 것이 기재(30)와 PCD 본체(20) 사이의 접합의 완전성을 감소시키고, 이러한 것이 PCD 절삭 요소(10)의 사용 중에 기재(30)로부터 PCD 본체의 분리를 유도할 수도 있기 때문에, 침출 프로세스가 기재(30)까지 확장되지 않는 것이 중요하다는 것을 주지하라.
공지의 침출 프로세스에서, PCD 절삭 요소(10)는 본질적으로 침출산의 욕 내에 침지되는데, 즉 에칭 프로세스에서, 이는 PCD 절삭 요소의 표면 영역으로부터 결합재-촉매화 재료(214)를 고갈하는 역할을 한다. 결합재-촉매화 재료(214)의 고갈이 성취되는 깊이는 실질적으로 사용되는 산의 강도 및 유형과 침출 프로세스가 수행되는 시간 길이의 모두에 의존한다.
PCD 절삭 요소(10)의 원하지 않는 영역이 산에 의해 침출되는 것을 방지하기 위해, 마스킹 재료(40)가 침출이 방지되어야 하는 PCD 절삭 요소의 이들 영역에 도포된다. 그러나, 마스킹 재료(40)를 도포하는 것은 시간 소모적이고, 노동 집약적이며, 적어도 부분적으로는 수동 작업이기 때문에, 현존하는 상업적인 프로세스는 간단하고 실질적으로 균일한 마스킹 패턴에 따라 PCD 절삭 요소의 측벽 영역을 간단히 마스킹하는 경향이 있다.
도 6a 및 도 6b를 참조하면, 현존하는 기술을 향상시키기 위해 시도하는 본 발명의 실시예가 도시되어 있다. 이 실시예에서, PCD 절삭 요소(10)는 PCD 절삭 요소의 측벽(27)과 절삭면(22) 사이의 에지(23)의 부분을 포위하는 식별된 절삭 영역의 구역을 제외하고, 절삭면(22)의 상당한 부분을 포함하여, PCD 본체(20) 및 기재(30)의 실질적으로 전체를 덮기 위해 마스킹된다. 이에 따라, PCD 절삭 요소(10)가 침출을 수행하기 위해 산 욕 내에서 에칭될 때, 결합재-촉매화 재료(214)는 단지 마스킹 재료(40)로부터 노출되어 방치되어 있는 에지(23)의 부분으로부터만 제거된다. 이와 같이, PCD 본체(20)의 실질적으로 전체는 침출되지 않은 부분(28)으로서 잔류하고, 단지 에지부를 포함하는 노출된 절삭 영역만이 침출된 부분(24)이 된다.
이 방식으로, 절삭면(22)의 상당한 비율 및 전체로서 PCD 본체(20)가 침출되지 않은체로 잔류되어, PCD 절삭 본체(20)의 내충격성을 증가시킨다.
부가적으로, PCD 절삭 본체(20)의 침출되지 않은 부분이 더 소형의 침출된 부분(24)에 구조적 강도, 인성 및 완전성을 추가하는 역할을 하기 때문에, 침출된 부분(24)은 종래 기술의 PCD 절삭 요소의 등가의 깊이의 침출된 표면보다 높은 내충격성을 가질 것으로 고려된다.
도 6a에 도시되어 있는 마스킹 패턴은, 전술된 마스킹 및 선택적-침출 기술의 개념을 설명하기 위해, 단지 예시적인 것이라는 것이 주지되어야 한다. 침출될 PCD 본체(20)의 적절한 영역을 식별하기 위해, 절삭되는 형성 재료와 접촉하여 면을 맞대는(interfacing) PCD 절삭 요소(10)의 부분이 식별되어야 한다. 그러나, 이러한 영역은, 일단 고정 블레이드 회전 드릴 비트(1)의 블레이드(5) 상의 PCD 절삭 요소(10)의 위치가 그 절삭 요소(10)에 대한 경사각과 함께 인지되면, 당 기술 분야의 숙련자에 의해 즉시 결정된다. 침출된 적절한 영역이 이어서 선택될 수 있고, 대응 마스킹 패턴이 침출되기 전에 PCD 절삭 요소(10)에 인가될 수 있다.
이와 관련하여, 본 출원의 도 1에 도시된 것과 같은 고정 블레이드 회전 드릴 비트(1)에 대해, PCD 절삭 요소(10)는 모두 작동 중에 절삭 블레이드(5)의 이동의 방향에 실질적으로 지향하는 PCD 본체(20)의 주 원형면(22)을 갖고 장착된다는 것이 주지된다. 이와 같이, 절삭 요소(10)의 단부면(22)은 절삭면으로서 설계되고, 대부분의 경우에 절삭 작용은 이 면(22) 상에서, 이 면(23)의 에지에서, 그리고 정면 절삭면(22)으로부터 연장하는 PCD 본체(20)의 측벽(27)의 부분 상에서 발생한다.
일단 절삭되는 형성 재료와 절삭 요소(10)의 마찰 접촉 및 충격의 영역이 인지되면, 드릴 비트(1)의 사용시에 절삭 요소(10)의 표면에서 발생할 가능성이 있는 온도가 결정될 수 있고, 침출될 부분(24)의 정도 및 깊이가 계산될 수 있다.
이러한 선택적으로 침출된 절삭 요소(10)의 설계자는 드릴 비트(1) 상의 커터(10)의 단일 장착 위치에 침출 패턴을 적합시키기 위한 옵션을 갖고, 이 경우에 상이한 침출 패턴은 원리적으로 드릴 비트(1)의 각각의 커터 위치 및 드릴 비트(1)의 각각의 커터 위치를 위해 제조된 특정하게 적합된 PCD 절삭 요소(10)를 위해 제공될 수도 있다. 대안적으로, 설계자는 침출된 영역(24)이 드릴 비트(1) 상의 절삭 요소(10)의 단일 위치를 위해 완전히 최소화되지 않지만, 상이한 커터 위치에서 사용하기 위해 적합되고 강인하도록 팽창되지만, PCD 절삭 요소(10)의 침출된 부분(24)은 드릴 비트(1) 상의 임의의 각각의 절삭 위치에 장착될 때 절삭 배향으로 배향되도록 적합하게 회전되어 있는 더 강인한 디자인을 선택할 수도 있다. 어느 경우든, PCD 절삭 요소(10)를 위해 결정된 침출 프로파일은, 이하에 더 설명되는 바와 같이, PCD 절삭 요소(10)가 사용될 수도 있는 경사각 및 작동시에 PCD 절삭 요소(10)에 의해 경험된 연관된 마모 패턴에 따라 조정될 수도 있다.
도 7a 및 도 7b를 참조하면, PCD 절삭 요소(10)의 에지(23)의 실질적으로 전체가 선택적으로 침출되지만, 절삭면(22)의 중심의 상당한 부분이 침출되지 않은체로 방치되는 유사한 실시예가 개시되어 있다. 이는 절삭면(22)의 원주 주위로 연장하는 침출된 부분(24)을 남겨둔다. 이와 같이, 이 절삭 요소는 도 1의 고정 블레이드 회전 드릴 비트와 같은, 드릴 비트 상에 장착될 때 종축에 대한 그 회전 위치와 관련하여, 배향 독립적일 것이다. 이는 제조 프로세스를 간단화하고, 드릴 비트(1) 상에 장착할 때 PCD 절삭 요소(10)를 부정확하게 정렬/배향하는 것으로부터 발생할 수도 있는 임의의 에러를 회피할 수 있다.
본 발명의 임의의 실시예에 적용 가능한, 본 명세서에 개시된 PCD 절삭 요소(10)를 장착할 때 배향 에러를 회피하는 다른 방식으로서, 정렬 마크 또는 적합한 정렬 특징부가, 드릴 비트에 PCD 절삭 요소(10)를 장착할 때 PCD 본체(20)의 침출된 절삭부(들)(24)의 배향을 지시하기 위해, 예를 들어 기재(30)의 원주 상의 위치 또는 원주 주위의 다양한 위치에서 PCD 절삭 요소 상에 제공될 수도 있다. 적합한 정렬 특징부는 실제로, 예를 들어 절삭 에지(10) 상에 홈 및 드릴 비트의 소켓 내에 돌출하는 상호 결합 리지 또는 노치를 제공함으로써, 부정확한 배향에서 PCD 절삭 요소(10)의 장착을 방지할 수도 있어, PCD 절삭 요소(10)가 단지 홈 내에 리지를 결합함으로써 정확한 배향으로 소켓 내에 설치될 수도 있게 된다. 다른 경우에, 라인, 착색된 도트 또는 문자숫자식 기호와 같은 간단한 마크가 예를 들어 드릴 비트(1)의 소켓 내에 PCD 절삭 요소(10)를 설치하는 사람이 절삭 요소(10)를 정확하게 배향하게 하는 시각적 지시기를 제공할 수도 있다.
도 7a 및 도 7b의 실시예에서, PCD 절삭 요소(10)의 원주 주위로 완전히 연장하는 침출된 부분(24)에 기인하여, 요소가 PCD 본체(20)의 결정질간 매트릭스 내에서 경험될 수도 있는 것들을 포함하여, 힘의 더 균일한 분포를 얻는 것이 가능할 수도 있기 때문에, PCD 절삭 요소의 전체로서 구조적 완전성이 향상될 수 있다는 것이 부가적으로 고려된다.
일단 도 7a의 PCD 절삭 요소의 일 에지부(24)가 사용을 통해 마모되어 있으면, 절삭 요소(10)는 침출된 절삭 에지(23)의 마모되지 않은 부분을 드릴 비트(1) 상의 절삭 위치 내로 유도하기 위해 회전될 수 있어, 따라서 절삭 에지(23)가 드릴 비트(1) 상에 장착된 절삭 요소의 원래 배향에서 마모되게 된 후에도 동일한 PCD 절삭 요소(10)가 재사용될 수 있게 한다는 것이 또한 주지된다.
도 8a 및 도 8b 및 도 9a 및 도 9b는 각각, 이들 실시예에서 PCD 절삭 요소(10)가 PCD 본체(20)의 측벽(27)과 절삭면(22) 사이의 모따기된 에지(23)를 구비하는 것을 제외하고는, 도 6a 및 도 6b 및 도 7a 및 도 7b의 실시예의 것들과 동등한 PCD 절삭 요소(10)의 디자인을 도시하고 있다.
전술된 바와 같이, 절삭 요소(10)가 장착되는 드릴 비트(1)의 블레이드(5)의 회전 방향으로 실질적으로 지향하는 절삭면(22)을 갖는 고정 블레이드 회전 드릴 비트에 사용된 PCD 절삭 요소(10)에 대해, 면(22)은 절삭면으로서 설계될 수도 있지만 여전히 절삭 작용의 상당한 부분이 에지(23)에서 성취될 수도 있다. 그럼에도, 본 명세서에서 용어가 관련되는 한, 절삭면(22)은 PCD 절삭 요소(10)의 단부면(22)에서 취해지고, 모따기된 에지는 단지 에지(23)로서만 지정된다.
모따기된 에지(23)는 절삭면(22)의 에지에서 향상된 구조적 완전성 및 내충격성을 제공할 수 있어, 따라서 PCD 절삭 요소(10)의 강인성 및 그 취성 파괴에 대한 저항성을 향상시킨다. 특히, 에지 코너에서의 응력 집중의 발생이 완화된다.
에지(23)에 적용된 모따기의 크기 및 정도는 도 8a, 도 8b, 도 9a 및 도 9b에서는 과장되어 있고, 특히 에지(23)에 적용된 모따기는 실제로 덜 명백할 수도 있다는 것이 이해될 수 있을 것이다. 유사하게, 도 8b 및 도 9b에 도시되어 있는 침출된 부분(24)의 크기, 형상 및 정도는 단지 예시적인 것이고 독자의 이해를 보조하기 위한 것이라는 것이다.
도 10a 및 도 10b를 참조하면, PCD 본체(20)의 에지(23)가 재차 모따기되어 있는 실시예가 도시되어 있다. 이 실시예에서, 도 10a로부터 명백한 바와 같이, 절삭 영역은 절삭면(22)의 원주 주위의 3개의 영역에 규정되고, 각각의 절삭 영역은 PCD 본체(20)의 절삭면(22), 절삭 에지(23) 및 측벽(27)의 부분을 포위한다. 도시된 실시예에서, 절삭 영역은 노출된 채로 방치되고, 반면에 PCD 절삭 요소(10)의 나머지는 마스킹 재료(40)에 의해 마스킹된다. 도 10a에 도시되어 있는 절삭 요소가 이어서 침출될 때, 침출된 부분(24)은 도 10b에 도시되어 있는 바와 같이, 노출된 절삭 영역의 각각에서 얻어질 것이다.
도 10a 및 도 10b의 실시예에서, 절삭 영역, 즉 침출된 영역(24)은 회전 대칭성을 갖고 PCD 절삭 요소(10)의 종축에 대해 각도를 이루어 배치된다. 이 방식으로, 도 10a 및 도 10b의 PCD 절삭 요소(10)는 드릴링될 형성물과 접촉하여 절삭하기 위한 이치에 동시에 절삭 영역들 중 단지 하나만을 배치하기 위해, PCD 절삭 요소(10)가 그가 사용될 드릴 비트(1)의 소켓 내에 장착될 때 절삭 배향으로 독립적으로 유도될 수 있는 3개의 지정된 절삭 영역을 갖는다. 절삭 영역(24)이 드릴 비트(1)의 사용에 의해 마모된 후에, PCD 절삭 요소(20)는 이어서 드릴 비트(1)로부터 탈착되고, 침출된 부분들의 다른 하나를 절삭 배향으로 유도하기 위해 종축에 대해 회전된다.
도 11a 및 도 11b를 참조하면, 도 10a 및 도 10b의 것과 유사한 장치가 개시되어 있고, 3개의 각도를 이루어 회전 대칭적으로 배치된 절삭 영역이 PCD 절삭 요소(10)의 원주 주위의 개별 위치에 제공되어 있다.
그러나, 도 11a 및 도 11b의 실시예에서, 부가의 특징부가 또한 도입되어 있다. 도 10a 및 도 10b에 도시되어 있는 것과 유사한 침출된 절삭 영역(24)을 제공하는 것에 부가하여, 도 11a 및 도 11b에 도면 부호 26으로 지시되어 있는 각각의 절삭 영역의 추가의 주위 영역이 또한 침출된다.
전술된 바와 같이, PCD 절삭 요소의 열 안정성을 얻기 위해, 침출된 영역(24)은 절삭 요소(10)가 드릴 비트(1)의 사용 중에 드릴링되는 형성물을 스크레이프하고 파냄에 따라 절삭 작용에 의해 발생된 열이, 온도가 결합재-촉매화 재료(214)를 포함하는 다결정질 결합된 다이아몬드 매트릭스(200)의 영역(28)에서 PCD 본체(20)를 위한 열화 온도를 초과하지 않게 하도록 충분히 깊게 형성되어야 한다.
도 10a 및 도 10b의 실시예에서, 예를 들어, 이러한 것은 결합재-촉매화 재료(214)가 틈새 매트릭스(210) 내에 잔류하는 영역에서, 절삭 작용에 의해 발생된 열이 확산되게 하고 온도가 침출 깊이(D) 미만으로 적절하게 감소되게 하기 위해, 영역(24) 내의 상당한 깊이로 PCD 본체(20)를 침출시킬 필요가 있을 수도 있다.
그러나, 도 11a 및 도 11b의 실시예에서, 절삭 영역으로서 식별된 더 깊이 침출된 영역(24)을 둘러싸는 비교적 얕게 침출된 영역(26)을 제공함으로써, 침출된 영역(24)의 침출 깊이(D)가 감소될 수 있다. 이는 얕은 침출된 영역(26) 내의 결정질간 결합된 다이아몬드 매트릭스(200)가 깊은 침출된 영역(24) 내의 다이아몬드 매트릭스와 동일한 높은 열 운반 능력을 갖기 때문에 가능하다. 이와 같이, 깊은 침출된 영역(24)을 둘러싸는 얕은 침출된 영역(26)은 절삭 영역 내의 열 발생의 지점으로부터 이격하여 열을 급속하게 전도하는 기능을 하여, 이에 의해 열을 확산하고 깊은 침출된 부분(24) 내에서 경험된 온도를 감소시킨다. 그 결과, 이 방법에 의해, 열화 온도가 얕은 침출된 영역(26)의 열 확산 효과에 기인하여 절삭 영역에서 더 이상 깊이 경험되지 않기 때문에, 깊은 침출된 부분(24)은 깊이가 감소될 수도 있다.
부가의 동시 발생 이득은, 절삭 영역이 지하 형성물을 드릴링하기 위해 PCD 절삭 요소(10)의 사용에 의해 마모될 때, PCD 절삭 요소(10)의 침출된 부분(24)의 부식 및 마모가 단지 PCD 본체(20)의 다른 침출된 부분을 형성물과 접촉하게 하여, 원하는 내마모성 및 경도가 더 긴 시간 기간 동안 유지되게 하여, PCD 절삭 요소(10)가 상당한 마모가 발생한 후에도 절삭 기능을 계속 제공하는 것을 가능하게 한다.
이와 관련하여, 본 명세서에 개시되어 있는 실시예의 각각의 절삭 영역에 대해 할당된 비교적 작은 표면적에 기인하여, 깊은 침출된 부분(24)은 과거에 공지된 균일하게 침출된 커터를 위해 필요한 것보다 큰 깊이로 침출될 필요가 있을 수도 있다는 것이 또한 주지된다. 이는 재차 영역(24)의 더 깊은 침출이 PCD 절삭 요소의 침출된 부분이 상당한 마모 후에도 절삭되는 재료와 접촉하여 잔류한다는 것을 의미하기 때문에, 반드시 전적으로 해로운 요구는 아니다. 더욱이, PCD 본체(20)의 침출되지 않은 부분(28) 내로 연장하는 깊이 침출된 부분(24)에 기인하여, 깊이 침출된 부분(24)에 바로 인접한 주위의 침출되지 않은 부분(28)은 구조적 완전성 및 지지를 제공하는 것을 돕고, 이에 의해 깊은 침출된 영역(24)이 종래 기술에서 취성 파괴 또는 충격 파괴가 발생하는 것으로 예측되는 깊이로 침출될 때에도, PCD 절삭 요소의 충격 강도를 유지한다고 믿어진다. 도 10a 및 도 10b의 깊이 침출된 부분(24)을 도 11a 및 도 11b에 도시되어 있는 바와 같이 더 얕은 침출된 주위 영역(26)과 조합함으로써, 도 11a 및 도 11b의 깊은 침출된 부분(24)이 또한 PCD 절삭 요소(20)의 열 안정성을 손상시키지 않고, 깊은 침출된 부분(24)의 더 깊이 침출된 부분을 둘러싸는 침출되지 않은 부분(28)에 기인하여 추가된 강도를 여전히 유지하면서 깊이가 감소될 수 있다.
도 10a 및 도 10b와 도 11a 및 도 11b의 실시예의 모두와 관련하여, 절삭 영역의 수는 3개로 한정되는 것은 아니고, 단지 1개 또는 2개의 절삭 영역 또는 3개 초과의 절삭 영역이 원하는 바에 따라 PCD 절삭 요소(10)의 주연 원주 주위에 제공될 수도 있다.
도 12 및 도 12a 내지 도 12d를 참조하면, 어떻게 절삭 요소(10)가 일 절삭 영역(24)에서 마모되고, 이어서 이후에 마모되지 않은 절삭 영역(24)을 절삭 위치로 유도하기 위해 회전될 수 있는지의 개략도가 도시되어 있다.
도 12는 고정 블레이드 회전 드릴 비트(1)의 블레이드(5) 상의 소켓 내에 장착된 PCD 절삭 요소(10)의 개략도를 좌측에 도시하고 있다. PCD 본체(20)는 기재(30)가 소켓 내에 유지되어 있는 고정 커터 블레이드(5)의 회전의 방향에서 선단부에 있다. PCD 절삭 요소(10)가 드릴링 작업에 사용될 때, 에지(23)는 드릴 비트(1)의 회전에 의해 형성물 내로 절삭한다. 도 12의 우측에 개략적으로 도시되어 있는 바와 같이, 이는 절삭 요소의 마모 및 부식을 야기하여 마모된 절삭면(25)을 드러낸다.
도 12a는 화살표 A의 방향에서 볼 때, 도 12의 좌측의 절삭 요소를 도시하고 있고, 반면에 도 12b는 화살표 B의 방향에서 볼 때 도 12의 우측의 절삭 요소를 도시하고 있다.
도 12c는 PCD 본체(20)의 다른 부분, 특히 절삭 에지(23)의 마모되지 않은 부분을 고정 블레이드 회전 드릴 비트(1)의 블레이드(5)의 소켓 내의 절삭 위치로 유도하기 위해 도 12b의 마모된 절삭 요소가 어떻게 회전될 수도 있는지를 도시하고 있다. 다른 절삭 작업이 후속의 추가의 회전에 앞서 취해져서, 절삭 에지(23)의 제 3 마모되지 않은 부분이 도 12d에 도시되어 있는 바와 같이 절삭 위치로 유도된다.
도 11a 및 도 11b를 재차 참조하면, 도 11b에 도시되어 있는 2-깊이 침출 프로파일은 단지 하나의 옵션이고, 임의의 수의 개별 침출 단계가 원하는 침출 프로파일을 얻기 위해 채용될 수도 있다는 것이 이해될 수 있을 것이다. 이러한 일련의 침출 단계는 각각의 후속의 침출 단계를 위한 상이한 마스킹 패턴의 사용을 필요로 하고, 적절한 유형의 침출 산 및 적절한 에칭 시간이 시퀀스의 각각의 단계에서 원하는 침출의 깊이를 성취하도록 채용된다. 이 방식으로, 다수의 적합한 상이한 침출 프로파일이 얻어질 수 있고, 침출 프로파일은 임의의 소정의 PCD 절삭 요소(10)의 특정의 의도된 사용을 위해 구체적으로 적용될 수 있다.
일반적으로, 상기에서 그리고 본 명세서 전체에 걸쳐, 침출은 침출된 깊이가 100 미크론 초과이면 깊은 침출로서, 그리고 침출된 깊이가 100 미크론 미만이면 얕은 침출로서 분류될 수도 있다. 균일한 침출 프로파일을 위한 침출 깊이(D)는 약 100 내지 500 미크론의 정도일 것이라는 것이 고려된다. 비교적 깊게 침출된 영역 및 비교적 얕게 침출된 영역을 갖는 실시예에 대해, 얕은 침출된 영역의 침출 깊이(D)는 약 120 미크론 이하, 10 미크론 이상일 것이고, 깊은 침출된 영역에서 침출 깊이(D)는 150 미크론 이상일 것이라고 고려된다. 특정 실시예에 적절할 수도 있는 바와 같이, 깊은 침출된 영역의 침출 깊이는 100 미크론 이상, 150 미크론 이상, 180 미크론 이상, 200 미크론 이상, 또는 220 미크론 이상일 수도 있지만, 통상적으로 500 미크론 미만이다. 얕은 침출된 영역의 침출 깊이는 120 미크론 이하, 100 미크론 이하, 80 미크론 이하 또는 50 미크론 이하일 수도 있다. 얕은 침출된 영역의 침출 깊이는 10 미크론 이상, 20 미크론 이상 또는 30 미크론 이상일 수도 있다.
도 13a 내지 도 13c는 도 11a 및 도 11b에 도시되어 있는 유형의 2-깊이 침출 패턴을 얻기 위한 하나의 잠재적인 침출 프로세스를 도시하고 있다. 이 프로세스에서, 마스킹 재료(40)는 깊은 침출이 얻어질 영역들을 제외하고는 모든 영역에서 PCD 절삭 요소(10)에 도포된다. 에칭은 이어서 절삭 요소(10)의 노출된 부분에서 깊은 침출된 영역(24)을 얻도록 수행된다. 그 후에, 마스킹 재료(40)는 PCD 본체(20)의 표면의 다른 영역을 노출시키기 위해 부분적으로 제거될 수도 있고, 또는 완전히 제거되고 이어서 완전한 새로운 마스킹 패턴으로 새로운 마스킹 재료(40)로 교체될 수도 있다. 이러한 스테이지는 도 13b에 도시되어 있다. 다른 침출 프로세스가 이어서 더 얕은 침출 깊이로 수행되어, 도 13c에 도시되어 있는 바와 같이 주위 얕은 침출된 영역(26)을 얻는다. 이러한 시퀀스는 도 11a 및 도 11b에 도시되어 있는 것과 유사한 침출 패턴을 얻도록 채용될 수도 있다.
PCD 본체(20)의 극단 표면에서 원하는 경도 및 내부식성을 얻기 위해, 얕은 침출이 다수의 경우에 PCD 본체(20)의 실질적으로 전체 표면을 가로질러 바람직할 것이라는 것이 부가적으로 고려된다. 도 13a 내지 도 13c의 프로세스에서, 이는 도 13b에 도시되어 있는 제 2 마스킹 단계를 간단히 생략함으로써 성취될 수 있다. 대안으로서, 도 15a에 도시되어 있는 바와 같이, 얕은 침출이 먼저 실질적으로 모든 PCD 본체(20)에 적용되는 도 15a 및 도 15b의 프로세스가 바람직할 수도 있다. 마스킹 재료(40)의 마스킹 패턴이 이어서 인가되어, 단지 깊이 침출될 영역만을 노출 방치한다. 도 15b에 도시되어 있는 바와 같이, PCD 본체(20)는 이어서 증가된 깊이로 재차 침출되어, 깊은 침출된 부분(24)을 제공한다.
일반적으로, 후속의 침출 단계에 앞서 마스킹 재료(40)를 제거할 필요성을 제거하기 때문에, PCD 본체(20)의 최대 주위 영역(26) 상에 먼저 요구된 침출 단계를 수행하는 것이 바람직할 수도 있다. 이는 PCD 본체(20)의 관련 영역을 마스킹하는 것에 수반된 노동을 잠재적으로 감소시킬 뿐만 아니라, 제거되지 않은 마스킹 재료(40)가 예를 들어 다이아몬드 매트릭스(200)의 틈새(212) 내에 잔류하는 기회가 존재하지 않는 것을 보장하는데, 이러한 것은 PCD 본체(20)의 그 영역에서 후속의 침출 프로세스와 간섭할 수 있다.
도 14a 내지 도 14d에 도시되어 있는 프로세스에서, 다른 마스킹 및 침출 단계의 시퀀스가 설명된다. 이 경우에, 목적은 3개의 상이한 깊이를 갖는 침출 프로파일을 제공하는 것이다. 이를 위해, 도 14a에 도시되어 있는 바와 같이, 작은 노출된 영역이 PCD 절삭 요소(20)의 모따기된 에지(23)에서 마스킹 재료(40)에 남아 있고, 산 에칭이 깊은 침출된 부분(24)을 얻기 위해 수행된다. 마스킹 재료(40)는 이어서 주위 영역에서 부분적으로 제거되거나 또는 완전히 제거되고, 새로운 마스킹 패턴이 인가되어 도 14b에 도시되어 있는 바와 같이 깊은 침출된 부분(24)을 둘러싸는 더 큰 영역을 노출한다. 산 에칭은 이어서 재차 도 14c에 도시되어 있는 바와 같이, 에지(23)의 부분을 포함하는 영역에서 단계형 깊이의 침출 프로파일을 얻기 위해 바로 주위의 영역에서 감소된 깊이로 수행된다. 도 14d에 도시되어 있는 마지막 단계에서, 잔류 마스킹 재료(40)가 제거되고, 최종 얕은 침출이 수행되어 PCD 본체(20)의 표면의 잔류 영역 내에 얕은 침출된 부분(26)을 제공한다.
도 16a 내지 도 16c는 도 16a에서, 얕은 침출이 PCD 절삭 요소(20)의 노출된 표면의 실질적으로 전체 또는 주요 부분에 걸쳐 수행되는 본질적으로 역순의 프로세스를 도시하고 있다. 마스킹 재료(40)는 이어서 절삭 에지(23)의 부분을 둘러싸는 영역을 제외하고 마스킹 패턴에 도포되고, 비교적 깊은 침출이 이어서 제 1 깊은 침출로서 중간 깊이로 수행되어, 도 16b에 도시되어 있는 바와 같이 깊은 침출된 부분(24)을 개시한다. 마스킹 재료(40)는 이어서 제거되고, 새로운 마스킹 패턴이 인가되고 또는 부가의 마스킹 재료가 원래 마스킹 패턴에 추가되어, 절삭 에지(23)에서 단지 작은 노출된 영역만을 남겨둔다. 최종 깊은 침출 단계가 이어서 최종 원하는 깊이로 깊은 침출된 영역(24)을 팽창하도록 행해진다.
도 14a 내지 도 14d 및 도 16a 내지 도 16c에 제시되어 있는 프로세스는 표면적으로는 동일한 침출 프로파일을 구현하도록 추구하고 있지만, 각각의 프로세스를 경유하여 얻어진 결과는 동일하지 않을 수도 있다는 것이 이해될 수 있을 것이다. 첫째로, 침출은 확산 화학 프로세스이고, 에칭 중의 확산의 속도 및 방향은 침출되는 표면에 바로 인접한 틈새 내에 결합재-촉매화 재료가 존재하는지 여부에 따라 소정의 마스킹 패턴에 대해 다양할 수도 있다. 부가적으로, 상이한 에칭 단계가 상이한 유형 및/또는 농도의 산을 사용할 수도 있고, 이들은 역순으로 간단히 사용되면 침출의 동일한 깊이를 제공하지 않을 수도 있다.
물론, 더 많거나 적은 마스킹 및/또는 침출의 단계가 얻어지도록 추구된 침출 프로파일에 따라 수행될 수도 있다.
간략히 전술된 바와 같이, 원하는 침출 프로파일은 다수의 상이한 고려 사항에 기초하여, 예를 들어 매우 응용 특정 PCD 절삭 요소가 요구되는지 또는 드릴 비트 상의 상이한 절삭 위치에서 설치를 위해 유용하고 더 강인한 것이 요구되는지에 따라 결정될 수도 있다.
고려할 일 팩터는 지하 형성물을 드릴링하는데 사용 중에 PCD 절삭 요소(10)의 표면에서 발생된 열로부터 발생하는 열 프로파일이다. 이 열 발생은 열 이벤트로서 모델링되거나 측정될 수 있다. 그 열 이벤트로부터 발생하는 온도 프로파일은 이어서 열화 온도(PCD 본체의 열적 열화가 발생하는 온도) 또는 열화 온도를 초과하는 온도가 경험되는 깊이 및 정도를 식별하도록 결정될 수 있다. 침출 프로파일을 설정하기 위한 일 방법에서, 침출 프로파일의 깊이는 적어도 표면에서 열 발생의 지점을 둘러싸는 영역에서, 열화 온도 등온선과 같은 온도 프로파일의 등온선의 깊이에 실질적으로 대응하도록 설정될 수도 있다. 물론, 안전 마진이 침출 깊이를 증분적으로 증가시킴으로써 또는 열화 온도보다 다소 낮은 온도를 갖는 등온선을 사용함으로써 허용될 수도 있다.
도 17a 내지 도 17c를 참조하면, 열 이벤트는 도 17a에 도시되어 있는 바와 같이, PCD 본체(20)의 표면에서 소정의 영역에서 이벤트 온도(Te)를 발생하는 것으로서 모델링된다. 온도 프로파일이 이어서 측정되고(예를 들어, 열/적외선 카메라를 사용하여 또는 하나 이상의 열전쌍을 사용하여) 또는 PCD 절삭 요소(10)의 공지의 재료 특성에 기초하여 시뮬레이션에 의해 모델링된다. 도 17b는 온도 프로파일을 규정하는 다수의 등온선(Ti)(점선으로 도시되어 있음)을 도시하고 있지만, 이들은 단지 예시로서만 여기에 도시되어 있고, 방법은 이러한 등온선을 플롯팅하거나 시각화하는 것을 필요로 하지 않는다(포함할 수도 있지만). 실선(Td)은 임계 온도가 얼마나 깊고 넓게 침투하는지를 도시하고 있는 열화 온도를 위한 등온선을 나타낸다. 도 17c에 도시되어 있는 바와 같이, 이 실시예에서, 침출 프로파일(50)은 이어서 Td 등온선에 실질적으로 대응하도록 설정되어, 침출 프로파일(50)의 깊은 침출된 부분(24) 내에서 적절한 바와 같이 에러를 허용한다. 이 예에서, Dmin으로서 나타낸 깊이를 갖는 깊은 침출된 부분을 둘러싸는 얕은 침출된 부분(26)이 또한 제공된다.
다른 유사한 방법에 따르면, PCD 절삭 요소(10)의 사용 중에 마모의 효과가 또한 고려된다. 이러한 방법은 각각 도 17a 내지 도 17c의 것들의 경면 대칭인 단계를 갖는 도 18a 내지 도 18c에 도시되어 있다. 여기서, 도 18a 및 도 18b에서 보여지는 바와 같이, 절삭 요소(10)가 가정된 부분-마모된 상태에 있을 때 PCD 절삭 요소의 열 프로파일을 모델링하거나 측정함으로써 마모가 고려된다. 인가된 열 이벤트는 재차 다수의 예시적인 등온선(Ti) 및 열화 온도 등온선(Td)을 도시하고 있는 도 18b에 재차 도시되어 있는 바와 같이, PCD 절삭 요소의 부분-마모 조건을 위해 발생하는 것으로서 재차 모델링되어 있다. 도 18c에서, 부분-마모된 절삭 요소의 온도 프로파일은 이어서 원하는 침출 프로파일(50)을 규정하기 위해 마모되지 않은 절삭 요소에 인가된다. 이 예에서, 재차, 프로파일(50)의 침출 깊이는 절삭 에지(23)에 근접하는 영역 및/또는 열 발생의 지점에서 부분-마모된 PCD 절삭 요소(10)의 Td 라인으로 설정된다. 깊이(Dmin)의 얕은 침출된 주위 영역(26)은 재차 온도 발생 영역으로부터 이격하여 열을 확산하는 것을 보조하도록 제공된다.
깊이(Dmin)는 통상적으로 설계자에 의한 판단의 문제로서 설정되지만, 다이아몬드 매트릭스의 표면이 열 발생의 지점으로부터 측방향으로 이격하여 열을 효과적으로 전도하고 PCD 절삭 요소로부터 열을 방출하게 하기 위해 최소 깊이여야 한다. 이는 결정질간 결합 다이아몬드 매트릭스의 유리한 열전도도 특성을 사용한다.
도 19a 및 도 19b는 도 18a 내지 도 18c의 방법에서 사용을 위한 가정된 마모 프로파일이 어떻게 PCD 절삭 요소의 경사각에 따라 변경될 수 있는지를 개략적으로 도시하고 있다.
도 19a 및 도 19b에서, 마모 상태의 열 프로파일은 점선 Td 라인에 의해 간단히 지시되어 있다. 원하는 침출 프로파일(50)이 이어서 이전과 같이 Td 라인에 접근하도록 설정된다. 여기서, 침출 프로파일은 각각의 경우에 제한된 수의 단계에 의해 얻어진 것으로서 도시되어 있고, 물론 현존하는 침출 및/또는 관련 고갈 프로세스를 경유하여 제조가 가능하고 기술적으로 얻어질 수 있는 침출 프로파일이 설정되어야 한다. 상기 방식으로 마모 프로파일을 고려함으로써, PCD 절삭 요소는 사용에 의해 마모된 부분 후에도 열 안정적으로 잔류되어, PCD 절삭 요소의 절삭 수명이 연장될 수 있게 된다.
물론, 이 방식으로 설계된 PCD 절삭 요소는 이어서 소정의 경사각에서 사용을 위해 특정하게 구성된다. 더 강인한 디자인이 일련의 중첩하는 침출 프로파일을 중첩함으로써 얻어질 수 있어, 상이한 경사각에서 마모를 수용한다.
여기서 예는, 2차원 형태의 마모, 열 및 침출 프로파일을 나타내고 있지만, 3차원 프로파일이 일반적으로 더 큰 관심이 있을 것이다. 이들은 유한 요소 분석과 같은 현존하는 CAD 프로그램 및 모델링 기술을 사용하여 컴퓨팅될 수도 있다.
실제로, PCD 본체의 열적 재료 특성은 결합재-촉매화 재료가 다이아몬드 매트릭스의 틈새 내에 포함되는지 아닌지의 여부에 따라 변화한다는 것이 명백할 것이다. 일단, 초기 침출 프로파일이 지정되어 있으면, 그 프로파일은 이어서 침출 프로파일을 나타내는 PCD 절삭 요소의 열 프로파일이 침출되지 않은 PCD 절삭 요소에 대해 결정된 열 프로파일과 실질적으로 상이할 수도 있는지 여부를 확인하도록 테스트될 수 있고, 차이는 수정된 열 프로파일의 Td 라인에 더 근접하게 이동시키기 위해 침출 프로파일을 조정함으로써 감소될 수도 있다. 차이가 지속되면, 반복적인 최적화 루틴이 열 프로파일과 침출 프로파일이 일치하는 디자인으로 수렴하도록 실행될 수도 있다.
Claims (71)
- 다결정질 다이아몬드(PCD) 절삭 요소를 제조하는 방법으로서,
PCD 본체의 절삭면의 부분으로부터 실질적으로 모든 결합재-촉매화 재료를 제거하기 위해 결합재-촉매화 재료를 사용하여 다이아몬드 입자로부터 형성된 PCD 본체를 침출하는 단계를 포함하고,
상기 방법은 재료를 절삭하기 위한 절삭 요소의 사용시에, 상기 절삭 요소의 절삭 작용에 의해 가열되는 절삭 영역으로서 절삭면의 부분을 식별하는 단계를 포함하고,
상기 PCD 본체를 침출하는 단계는 절삭 영역으로서 식별된 절삭면의 부분에서 비교적 깊은 침출을 수행하는 단계 및 식별된 절삭 영역을 둘러싸는 절삭면의 적어도 일부에서 비교적 얕은 침출을 수행하는 단계를 포함하는,
PCD 절삭 요소를 제조하는 방법.
- 제 1 항에 있어서,
상기 식별된 절삭 영역을 둘러싸는 절삭면의 부분은 비교적 깊은 침출을 수행하는 동안 마스킹되는,
PCD 절삭 요소를 제조하는 방법.
- 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
상기 비교적 깊은 침출은 비교적 얕은 침출을 수행하기 전에 수행되는,
PCD 절삭 요소를 제조하는 방법.
- 제 1 항, 제 2 항 또는 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 비교적 얕은 침출은 실질적으로 모든 PCD 본체의 절삭면에 적용되는,
PCD 절삭 요소를 제조하는 방법.
- 제 1 항, 제 2 항, 제 3 항 또는 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서,
실질적으로 어떠한 침출도 상기 절삭면의 중앙부에 수행되지 않는,
PCD 절삭 요소를 제조하는 방법.
- 제 1 항 내지 제 5 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 비교적 얕은 침출을 수행하는 단계는 상기 절삭면으로부터 연장하는 PCD 본체의 측면 상에 비교적 얕은 침출을 수행하는 단계를 포함하는,
PCD 절삭 요소를 제조하는 방법.
- 제 1 항 내지 제 6 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 PCD 본체는 실질적으로 원통형이고, 상기 절삭면은 원통의 단부면들 중 하나이고, 상기 식별된 절삭 영역은 절삭면과 원통형 측벽 사이에서 상기 절삭면 주위로 연장하는 절삭 에지의 적어도 일부를 포함하는,
PCD 절삭 요소를 제조하는 방법.
- 제 7 항에 있어서,
상기 절삭 에지는 상기 절삭면과 측벽 사이의 모따기된 에지인,
PCD 절삭 요소를 제조하는 방법.
- 제 1 항 내지 제 8 항 중 어느 한 항에 있어서,
재료를 절삭하기 위한 절삭 요소의 사용시에, 절삭 요소의 절삭 작용에 의해 가열되는 절삭 영역을 식별하는 단계는 사용시에 PCD 절삭 요소의 배향에 따라 절삭 영역으로서 독립적으로 작용하는 다수의 영역을 식별하는 단계를 포함하고,
PCD 본체를 침출하는 단계는 절삭 영역으로서 식별된 절삭면의 다수의 영역의 각각에서 비교적 깊은 침출을 수행하는 단계 및 각각의 식별된 절삭 영역을 둘러싸는 절삭면의 적어도 일부에서 비교적 얕은 침출을 수행하는 단계를 포함하는,
PCD 절삭 요소를 제조하는 방법.
- 제 9 항에 있어서,
비교적 깊은 침출을 수행하는 단계는 절삭 영역으로서 식별된 절삭면의 다수의 부분의 모두를 동시에 침출하는 단계를 포함하는,
PCD 절삭 요소를 제조하는 방법.
- 제 9 항 또는 제 10 항에 있어서,
상기 다수의 영역 중 2개 또는 3개 이상은 실질적으로 동일하고 PCD 본체의 축에 대해 회전 대칭성을 갖고 배치되어, 절삭 공구 내에 유지된 절삭 요소의 사용시에, PCD 본체가 2개 또는 3개 이상의 영역 중 제 1 영역이 절삭 영역으로서 독립적으로 작용한 후에 축에 대해 회전되고 마모되게 되어, 마모된 제 1 절삭 영역을 절삭 배향 이외로 유도하고 2개 또는 3개 이상의 영역 중 다른 영역을 절삭 배향으로 유도하는,
PCD 절삭 요소를 제조하는 방법.
- 제 1 항 내지 제 11 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 절삭 요소는 식별된 절삭 영역의 위치를 지시하기 위한 하나 이상의 표식을 포함하는,
PCD 절삭 요소를 제조하는 방법.
- 제 7 항 또는 제 8 항에 있어서,
상기 식별된 절삭 영역은 절삭면 주위로 실질적으로 완전히 연장하는 실질적으로 모든 절삭 에지를 포함하는,
PCD 절삭 요소를 제조하는 방법.
- 제 1 항 내지 제 13 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 침출 단계는 비교적 깊게 침출되는 부분과 비교적 얕게 침출되는 부분 사이의 전이 영역에서 상이한 깊이로 침출을 수행하여 원하는 침출 깊이 프로파일을 얻는 단계를 더 포함하는,
PCD 절삭 요소를 제조하는 방법.
- 결합재-촉매화 재료를 그 내부에 포함하는 틈새 영역을 형성하는 결정질간 결합된 다이아몬드 입자의 다이아몬드 매트릭스를 포함하는 PCD 본체로부터 다결정질 다이아몬드(PCD) 절삭 요소를 제조하는 방법으로서,
약 0.15 mm 이상의 깊이로 다이아몬드 매트릭스의 제 1 표면 영역으로부터 실질적으로 모든 결합재-촉매화 재료를 제거하는 단계와,
약 0.01 mm 이상 그리고 약 0.12 mm 이하의 깊이로 제 1 표면 영역을 둘러싸는 다이아몬드 매트릭스의 제 2 표면 영역으로부터 실질적으로 모든 결합재-촉매화 재료를 제거하는 단계를 포함하고,
상기 제 1 표면 영역은 PCD 본체의 절삭면의 적어도 일부 주위로 연장하는 절삭 에지의 적어도 일부를 포함하는,
PCD 절삭 요소를 제조하는 방법.
- 제 15 항에 있어서,
상기 다이아몬드 매트릭스의 제 1 표면 영역으로부터 실질적으로 모든 결합재-촉매화 재료를 제거하는 단계는 약 0.18 mm 이상 또는 약 0.2 mm 이상 또는 약 0.22 mm 이상의 깊이로 실질적으로 모든 결합재-촉매화 재료를 제거하는 단계를 포함하는,
PCD 절삭 요소를 제조하는 방법.
- 제 15 항 또는 제 16 항에 있어서,
상기 다이아몬드 매트릭스의 제 2 표면 영역으로부터 실질적으로 모든 결합재-촉매화 재료를 제거하는 단계는 약 0.02 mm 이상 또는 약 0.03 mm 이상의 깊이로 실질적으로 모든 결합재-촉매화 재료를 제거하는 단계를 포함하는,
PCD 절삭 요소를 제조하는 방법.
- 제 15 항, 제 16 항 또는 제 17 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 다이아몬드 매트릭스의 제 2 표면 영역으로부터 실질적으로 모든 결합재-촉매화 재료를 제거하는 단계는 약 0.1 mm 이하 또는 약 0.08 mm 이하 또는 약 0.05 mm 이하의 깊이로 실질적으로 모든 결합재-촉매화 재료를 제거하는 단계를 포함하는,
PCD 절삭 요소를 제조하는 방법.
- 제 15 항, 제 16 항, 제 17 항 또는 제 18 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 결합재-촉매화 재료는 침출에 의해 제거되고, 상기 다이아몬드 매트릭스의 제 2 표면 영역은 제 1 표면 영역이 침출될 때 동시에 마스킹되는,
PCD 절삭 요소를 제조하는 방법.
- 제 15 항 내지 제 19 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 제 2 표면 영역은 PCD 본체의 측면의 적어도 일부를 포함하고, 상기 측면은 절삭면으로부터 연장하고 절삭 에지에서 절삭면에 만나는,
PCD 절삭 요소를 제조하는 방법.
- 제 20 항에 있어서,
상기 제 1 표면 영역은 PCD 본체의 측면의 부분을 포함하는,
PCD 절삭 요소를 제조하는 방법.
- 제 15 항 내지 제 21 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 절삭 에지는 모따기되는,
PCD 절삭 요소를 제조하는 방법.
- 제 15 항 내지 제 22 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 제 1 표면 영역은, 절삭면의 적어도 2개 또는 적어도 3개의 개별 부분 주위로 각각 연장하는 절삭 에지의 각각의 부분을 포함하는 적어도 2개 또는 적어도 3개의 개별 영역을 포함하는,
PCD 절삭 요소를 제조하는 방법.
- 제 23 항에 있어서,
상기 절삭 요소는 개별 영역의 위치를 지시하기 위한 하나 이상의 표식을 포함하는,
PCD 절삭 요소를 제조하는 방법.
- 제 23 항 또는 제 24 항에 있어서,
상기 개별 영역은 실질적으로 동일하고 PCD 본체의 축에 대해 회전 대칭성을 갖고 배치되는,
PCD 절삭 요소를 제조하는 방법.
- 제 15 항 내지 제 22 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 제 1 표면 영역은 절삭면 주위로 실질적으로 완전히 연장하는 절삭 에지를 포함하는,
PCD 절삭 요소를 제조하는 방법.
- 제 15 항 내지 제 26 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 PCD 본체는 실질적으로 원통형이고, 상기 절삭면은 원통의 단부면들 중 하나인,
PCD 절삭 요소를 제조하는 방법.
- 제 15 항 내지 제 27 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 제 2 표면 영역은 상기 제 1 표면 영역으로부터 이격된 실질적으로 모든 절삭면을 포함하는,
PCD 절삭 요소를 제조하는 방법.
- 제 15 항 내지 제 27 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 제 2 표면 영역은 상기 절삭면의 중앙 영역은 포함하지 않는,
PCD 절삭 요소를 제조하는 방법.
- 드릴 비트로서,
제 1 항 내지 제 29 항 중 어느 한 항의 방법에 따라 제조된 절삭 요소를 포함하는,
드릴 비트.
- 다결정질 다이아몬드(PCD) 절삭 요소로서,
절삭면을 나타내고 상기 절삭면의 적어도 일부 주위에 절삭 에지를 형성하는 PCD 본체를 포함하고,
상기 PCD 본체는 결합재-촉매화 재료를 포함하는 틈새 영역을 형성하는 결정질간 결합된 다이아몬드 입자의 다이아몬드 매트릭스를 포함하고,
상기 다이아몬드 매트릭스의 표면에서의 제 1 영역은 약 0.15 mm 이상의 깊이의 실질적으로 어떠한 결합재-촉매화 재료도 포함하지 않고, 상기 제 1 영역은 상기 절삭 에지의 적어도 일부를 포함하고,
상기 제 1 영역을 둘러싸는 다이아몬드 매트릭스의 표면에서의 제 2 영역은 약 0.01 mm 이상 그리고 약 0.12 mm 이하의 깊이의 실질적으로 어떠한 결합재-촉매화 재료도 포함하지 않는,
PCD 절삭 요소.
- 제 31 항에 있어서,
상기 다이아몬드 매트릭스의 표면에서 제 1 영역은 약 0.18 mm 이상, 또는 약 0.2 mm 이상, 또는 약 0.22 mm 이상의 깊이의 실질적으로 어떠한 결합재-촉매화 재료도 포함하지 않는,
PCD 절삭 요소.
- 제 31 항 또는 제 32 항에 있어서,
상기 다이아몬드 매트릭스의 표면에서 제 2 영역은 약 0.02 mm 이상, 또는 약 0.03 mm 이상의 깊이의 실질적으로 어떠한 결합재-촉매화 재료도 포함하지 않는,
PCD 절삭 요소.
- 제 31 항, 제 32 항 또는 제 33 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 다이아몬드 매트릭스의 표면에서 제 2 영역은 약 0.1 mm 이하, 또는 약 0.08 mm 이하, 또는 약 0.05 mm 이하의 깊이의 실질적으로 어떠한 결합재-촉매화 재료도 포함하지 않는,
PCD 절삭 요소.
- 제 31 항 내지 제 34 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 다이아몬드 매트릭스의 표면에서의 제 2 영역은 PCD 본체의 측면의 적어도 일부를 포함하고, 상기 측면은 절삭면으로부터 연장하고 상기 절삭 에지에서 절삭면에 만나는,
PCD 절삭 요소.
- 제 35 항에 있어서,
상기 다이아몬드 매트릭스의 표면에서의 제 1 영역은 PCD 본체의 측면의 부분을 포함하는,
PCD 절삭 요소.
- 제 31 항 내지 제 36 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 절삭 에지는 모따기되는,
PCD 절삭 요소.
- 제 31 항 내지 제 37 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 다이아몬드 매트릭스의 표면에서의 제 1 영역은 절삭면의 적어도 2개 또는 적어도 3개의 개별 부분 주위로 각각 연장하는 절삭 에지의 각각의 부분을 포함하는 적어도 2개 또는 적어도 3개의 개별 영역을 포함하는,
PCD 절삭 요소.
- 제 38 항에 있어서,
상기 절삭 요소는 개별 영역의 위치를 지시하기 위한 하나 이상의 표식을 포함하는,
PCD 절삭 요소.
- 제 38 항 또는 제 39 항에 있어서,
상기 개별 영역은 실질적으로 동일하고 PCD 본체의 축에 대한 회전 대칭성을 갖고 배치되는,
PCD 절삭 요소.
- 제 31 항 내지 제 37 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 제 1 표면 영역은 절삭면 주위로 실질적으로 완전히 연장하는 절삭 에지를 포함하는,
PCD 절삭 요소.
- 제 31 항 내지 제 41 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 PCD 본체는 실질적으로 원통형이고, 상기 절삭면은 원통의 단부면들 중 하나인,
PCD 절삭 요소.
- 제 31 항 내지 제 42 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 다이아몬드 매트릭스의 표면에서의 제 2 영역은 상기 다이아몬드 매트릭스의 표면에서의 제 1 영역으로부터 이격된 실질적으로 모든 절삭면을 포함하는,
PCD 절삭 요소.
- 제 31 항 내지 제 43 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 다이아몬드 매트릭스의 표면에서의 제 2 영역은 절삭면의 중앙 영역을 포함하지 않는,
PCD 절삭 요소.
- 제 31 항 내지 제 44 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 다이아몬드 매트릭스의 표면에서의 제 1 영역과 상기 다이아몬드 매트릭스의 표면에서의 제 2 영역 사이에 전이 영역이 존재하고, 실질적으로 어떠한 결합재-촉매화 재료도 포함하지 않는 깊이는 열 안정성 깊이 프로파일에 따라 실질적으로 연속적으로 변경하는,
PCD 절삭 요소.
- 다결정질 다이아몬드(PCD) 본체를 침출하는 방법으로서,
상기 PCD 본체의 작업면의 작업부에서 마주치게 되는 것으로 예측되는 작동 온도를 결정하는 단계와,
침출되지 않으면 작업부에서의 작동 온도의 인가 하에서 상기 PCD 본체 내에서 경험된 온도에 대한 등온선을 결정하는 단계로서, 상기 등온선은 침출되지 않은 PCD 본체가 열적 열화를 경험하는 온도가 지속되는 깊이를 지시하는, 등온선 결정 단계와,
상기 작업부의 영역 내의 등온선에 실질적으로 대응하는 PCD 본체를 위한 침출 프로파일을 설정하는 단계를 포함하는,
PCD 본체를 침출하는 방법.
- 제 46 항에 있어서,
설정 침출 프로파일에 따라 침출되면 작업부에서 작동 온도의 인가 하에서 상기 PCD 본체 내에서 경험된 온도에 대한 업데이트된 등온선을 결정하는 단계로서, 상기 등온선은 PCD 본체의 침출되지 않은 부분이 열적 열화를 경험하게 되는 온도가 지속되는 깊이를 지시하는, 업데이트된 등온선 결정 단계, 및
업데이트된 등온선과 설정 침출 프로파일 사이의 차이를 식별함으로써 침출 프로파일을 조정하는 단계 및 등온선이 열적 열화가 발생할 가능성이 있는 것을 지시하는 영역을 제외하면서 등온선보다 깊은 침출 프로파일의 부분의 침출된 깊이를 감소시키기 위해 설정 침출 프로파일을 조정하는 단계를 더 포함하는,
PCD 본체를 침출하는 방법.
- 제 46 항 또는 제 47 항에 있어서,
상기 침출 프로파일을 조정하는 단계는 상기 PCD 본체를 통한 작업부로부터 이격하는 열의 열 전도를 조정하기 위해 상기 작업부 이외의 작업면의 부분의 침출 깊이를 조정하는 단계를 포함하는,
PCD 본체를 침출하는 방법.
- 제 47 항 또는 제 48 항에 있어서,
상기 업데이트된 등온선을 결정하는 단계 및 상기 침출 프로파일을 조정하는 단계는 열적 열화가 발생할 가능성이 있는 영역을 제외하면서 침출 프로파일 전체에 걸쳐 침출 깊이를 최소화하기 위해 설정 침출 프로파일 대신에 조정된 침출 프로파일에 대해 되풀이식으로 반복되는,
PCD 본체를 침출하는 방법.
- 제 46 항 내지 제 49 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 PCD 본체의 작업면의 작업부에서 마주치게 되는 것으로 예측되는 작동 온도를 결정하는 단계는 PCD 본체가 드릴 비트의 절삭 요소로서 채용되는 드릴 비트를 사용하여 드릴링 작업을 시뮬레이팅하는 단계를 포함하는,
PCD 본체를 침출하는 방법.
- 제 46 항 내지 제 50 항 중 어느 한 항에 있어서,
침출되지 않으면 작업부에서 작동 온도의 인가 하에서 상기 PCD 본체에서 경험된 온도에 대한 등온선을 결정하는 단계는 재료가 마모되지 않은 PCD 본체에 대해 PCD 본체의 작업면의 작업부에서 마모되는 부분적으로 마모된 상태에서 상기 PCD 본체에 대한 등온선을 결정하는 단계를 더 포함하고,
상기 작업부의 영역에서 등온선에 실질적으로 대응하는 PCD 본체에 대한 침출 프로파일을 설정하는 단계는 부분적으로 마모된 상태에서 PCD 본체에 대해 결정된 등온선에 기초하여 마모되지 않은 PCD 본체에 대한 침출 프로파일을 설정하는 단계를 포함하는,
PCD 본체를 침출하는 방법.
- 제 50 항 또는 제 51 항에 있어서,
상기 PCD 본체에 대한 침출 프로파일은 드릴 비트 상의 절삭 요소의 경사각에 따라 더 설정되는,
PCD 본체를 침출하는 방법.
- 드릴 비트로서,
제 46 항 내지 제 50 항 중 어느 한 항의 방법에 따라 침출된 PCD 본체를 포함하는,
드릴 비트.
- 다결정질 다이아몬드(PCD) 절삭 요소로서,
절삭 공구에 절삭 요소를 고정할 때 축에 대해 상기 절삭 요소의 회전 배향을 조정함으로써, 2개 또는 3개 이상의 절삭 영역의 각각이 이들이 상기 절삭 공구의 사용 중에 절삭을 수행하는 절삭 위치로 독립적으로 유도되도록, 상기 축 주위로 서로로부터 회전 변위되게 하기 위해, 절삭 요소의 축으로부터 오프셋되어 제공된 2개 또는 3개 이상의 개별 위치에 별개의 침출된 절삭 영역을 갖는,
PCD 절삭 요소.
- 제 54 항에 있어서,
상기 2개 또는 3개 이상의 절삭 영역의 위치를 지시하는 하나 이상의 표식을 더 포함하는,
PCD 절삭 요소.
- 제 54 항 또는 제 55 항에 있어서,
상기 절삭 영역은 절삭 위치에서 마모되지 않은 절삭 영역에 의해 상기 절삭 요소의 마모된 절삭 영역을 대체하기 위해, 사용 후에 커터 내의 절삭 요소의 회전 배향을 조정함으로써 절삭을 위해 이어서 연속적으로 사용될 수 있는,
PCD 절삭 요소.
- 제 54 항, 제 55 항 또는 제 56 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 침출된 절삭 영역은 각각 PCD 절삭 요소의 절삭면의 에지의 부분을 포함하는,
PCD 절삭 요소.
- 제 57 항에 있어서,
상기 각각의 부분은 동일한 절삭면의 에지 또는 에지들의 부분인,
PCD 절삭 요소.
- 다결정질 다이아몬드(PCD) 절삭 요소로서,
그 단부에 절삭면을 갖고, 상기 절삭면은 절삭면 주위로 실질적으로 완전히 연장하는 에지를 형성하고, 상기 에지의 하나 이상의 부분은 침출되어 절삭 에지를 형성하고, 상기 절삭면의 중심은 침출되지 않는,
PCD 절삭 요소.
- 제 59 항에 있어서,
상기 절삭면 주위의 실질적으로 전체 에지는 침출되어 절삭면을 형성하는,
PCD 절삭 요소.
- 제 57 항 내지 제 60 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 에지는 모따기되는,
PCD 절삭 요소.
- 제 54 항 내지 제 61 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 침출은 절삭 요소의 측벽의 적어도 일부 상으로 연장되는,
PCD 절삭 요소.
- 제 54 항 내지 제 62 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 절삭 요소는 실질적으로 원통형인,
PCD 절삭 요소.
- 제 63 항에 있어서,
상기 절삭 요소는 실질적으로 원형 단면인,
PCD 절삭 요소.
- 제 54 항 내지 제 64 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 PCD 요소는 결합재-촉매화 재료를 그 내부에 포함하는 틈새 영역을 형성하는 결정질간 결합된 다이아몬드 입자의 매트릭스를 포함하고, 실질적으로 모든 결합재-촉매화 재료는 매트릭스의 침출된 부분으로부터 사전 결정된 깊이로 제거되어 있는,
PCD 절삭 요소.
- 다결정질 다이아몬드(PCD) 절삭 요소를 제조하는 방법으로서,
축 주위로 서로로부터 회전 변위되도록 상기 절삭 요소의 축으로부터 오프셋되어 제공된 2개 또는 3개 이상의 개별 위치에서 절삭 영역을 제외한 실질적으로 모든 절삭 요소를 마스킹하는 단계와,
상기 마스킹된 절삭 요소를 침출하여 절삭 영역을 침출하는 단계를 포함하는,
PCD 절삭 요소를 제조하는 방법.
- 다결정질 다이아몬드(PCD) 절삭 요소의 단부에 절삭면을 가지며, 상기 절삭면은 절삭면 주위로 실질적으로 완전히 연장하는 에지를 형성하는, PCD 절삭 요소를 제조하는 방법으로서,
상기 절삭면의 적어도 중앙부를 마스킹하는 단계와,
상기 마스킹된 절삭 요소를 침출하여 에지의 하나 이상의 부분을 침출하여 절삭면의 중심이 침출되는 것으로부터 마스킹된 상태로 절삭 에지 또는 절삭 에지들을 형성하는 단계를 포함하는,
PCD 절삭 요소를 제조하는 방법.
- 제 66 항 또는 제 67 항에 있어서,
상기 PCD 절삭 요소는 마스킹에 앞서 침출되지 않는,
PCD 절삭 요소를 제조하는 방법.
- 제 66 항 또는 제 68 항 중 어느 한 항에 있어서,
마스크를 제거하고 PCD 절삭 요소를 재차 침출하는 단계를 더 포함하는,
PCD 절삭 요소를 제조하는 방법.
- 제 69 항에 있어서,
상기 마스크가 제거된 후에 그리고 상기 PCD 절삭 요소를 재차 침출하기 전에, 상이한 마스킹 패턴으로 PCD 절삭 요소를 재차 마스킹하는 단계를 더 포함하는,
PCD 절삭 요소를 제조하는 방법.
- 제 66 항 내지 제 70 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 방법은 총 3회 이상 PCD 절삭 요소를 침출하는 단계를 포함하고, 상이한 마스킹 패턴이 각각의 회수에 상기 PCD 절삭 요소의 하나 이상의 상이한 부분을 마스킹하거나 노출하도록 인가되고, 상기 마스킹 패턴들 중 하나는 PCD 절삭 요소의 다이아몬드 매트릭스의 표면에 실질적으로 어떠한 마스킹도 인가하지 않는 것을 포함할 수 있는,
PCD 절삭 요소를 제조하는 방법.
Applications Claiming Priority (3)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| GB1106765.9A GB2490480A (en) | 2011-04-20 | 2011-04-20 | Selectively leached cutter and methods of manufacture |
| GB1106765.9 | 2011-04-20 | ||
| PCT/US2012/034381 WO2012145586A1 (en) | 2011-04-20 | 2012-04-20 | Selectively leached cutter |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| KR20140018969A true KR20140018969A (ko) | 2014-02-13 |
Family
ID=44147357
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| KR1020137030815A KR20140018969A (ko) | 2011-04-20 | 2012-04-20 | 선택적으로 침출된 커터 |
Country Status (9)
| Country | Link |
|---|---|
| US (1) | US9488011B2 (ko) |
| EP (1) | EP2699753A4 (ko) |
| KR (1) | KR20140018969A (ko) |
| CN (1) | CN103608544B (ko) |
| AU (1) | AU2012245404A1 (ko) |
| CA (1) | CA2832988C (ko) |
| GB (1) | GB2490480A (ko) |
| WO (1) | WO2012145586A1 (ko) |
| ZA (1) | ZA201308682B (ko) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| WO2020041432A1 (en) * | 2018-08-24 | 2020-02-27 | Smith International Inc. | Cutting elements with modified diamond surface |
Families Citing this family (32)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US10016876B2 (en) | 2007-11-05 | 2018-07-10 | Baker Hughes, A Ge Company, Llc | Methods of forming polycrystalline compacts and earth-boring tools including polycrystalline compacts |
| US8596387B1 (en) | 2009-10-06 | 2013-12-03 | Us Synthetic Corporation | Polycrystalline diamond compact including a non-uniformly leached polycrystalline diamond table and applications therefor |
| EP2564010A4 (en) * | 2010-04-28 | 2016-07-06 | Baker Hughes Inc | POLYCRYSTALLINE DIAMOND TABLETS, CUTTING ELEMENTS AND DRILLING TOOLS COMPRISING SUCH TABLETS AND METHODS OF FORMING SUCH TABLETS AND DRILLING TOOLS |
| GB2507568A (en) * | 2012-11-05 | 2014-05-07 | Element Six Abrasives Sa | A chamfered pcd cutter or shear bit |
| US9534450B2 (en) | 2013-07-22 | 2017-01-03 | Baker Hughes Incorporated | Thermally stable polycrystalline compacts for reduced spalling, earth-boring tools including such compacts, and related methods |
| GB201321991D0 (en) * | 2013-12-12 | 2014-01-29 | Element Six Abrasives Sa | A polycrystalline super hard construction and a method of making same |
| US10807913B1 (en) | 2014-02-11 | 2020-10-20 | Us Synthetic Corporation | Leached superabrasive elements and leaching systems methods and assemblies for processing superabrasive elements |
| US9845642B2 (en) | 2014-03-17 | 2017-12-19 | Baker Hughes Incorporated | Cutting elements having non-planar cutting faces with selectively leached regions, earth-boring tools including such cutting elements, and related methods |
| US9714545B2 (en) | 2014-04-08 | 2017-07-25 | Baker Hughes Incorporated | Cutting elements having a non-uniform annulus leach depth, earth-boring tools including such cutting elements, and related methods |
| US9605488B2 (en) | 2014-04-08 | 2017-03-28 | Baker Hughes Incorporated | Cutting elements including undulating boundaries between catalyst-containing and catalyst-free regions of polycrystalline superabrasive materials and related earth-boring tools and methods |
| CN104001981A (zh) * | 2014-04-30 | 2014-08-27 | 株洲钻石切削刀具股份有限公司 | 可拆装旋转刀具 |
| BR112016021647A2 (pt) * | 2014-06-04 | 2017-08-15 | Halliburton Energy Services Inc | Método e aparelho |
| CA2949126C (en) | 2014-06-20 | 2018-11-20 | Halliburton Energy Services, Inc. | Laser-leached polycrystalline diamond and laser-leaching methods and devices |
| US9863189B2 (en) | 2014-07-11 | 2018-01-09 | Baker Hughes Incorporated | Cutting elements comprising partially leached polycrystalline material, tools comprising such cutting elements, and methods of forming wellbores using such cutting elements |
| US9908215B1 (en) | 2014-08-12 | 2018-03-06 | Us Synthetic Corporation | Systems, methods and assemblies for processing superabrasive materials |
| US9840876B2 (en) | 2014-10-06 | 2017-12-12 | CNPC USA Corp. | Polycrystalline diamond compact cutter |
| US11766761B1 (en) | 2014-10-10 | 2023-09-26 | Us Synthetic Corporation | Group II metal salts in electrolytic leaching of superabrasive materials |
| US10011000B1 (en) | 2014-10-10 | 2018-07-03 | Us Synthetic Corporation | Leached superabrasive elements and systems, methods and assemblies for processing superabrasive materials |
| CN107206498B (zh) * | 2014-12-17 | 2020-12-01 | 史密斯国际有限公司 | 具有加速催化剂的完全浸出的过渡层的固体多晶金刚石 |
| US10107043B1 (en) | 2015-02-11 | 2018-10-23 | Us Synthetic Corporation | Superabrasive elements, drill bits, and bearing apparatuses |
| US9989665B2 (en) * | 2015-04-29 | 2018-06-05 | Schlumberger Technology Corporation | Wear resistant electrodes for downhole imaging |
| US10723626B1 (en) | 2015-05-31 | 2020-07-28 | Us Synthetic Corporation | Leached superabrasive elements and systems, methods and assemblies for processing superabrasive materials |
| US10655398B2 (en) * | 2015-06-26 | 2020-05-19 | Halliburton Energy Services, Inc. | Attachment of TSP diamond ring using brazing and mechanical locking |
| US9931714B2 (en) | 2015-09-11 | 2018-04-03 | Baker Hughes, A Ge Company, Llc | Methods and systems for removing interstitial material from superabrasive materials of cutting elements using energy beams |
| US10480253B2 (en) | 2015-12-18 | 2019-11-19 | Baker Hughes, A Ge Company, Llc | Cutting elements, earth-boring tools including cutting elements, and methods of forming cutting elements |
| US10450808B1 (en) | 2016-08-26 | 2019-10-22 | Us Synthetic Corporation | Multi-part superabrasive compacts, rotary drill bits including multi-part superabrasive compacts, and related methods |
| US10900291B2 (en) | 2017-09-18 | 2021-01-26 | Us Synthetic Corporation | Polycrystalline diamond elements and systems and methods for fabricating the same |
| GB201722324D0 (en) * | 2017-12-31 | 2018-02-14 | Element Six Uk Ltd | A polycrystalline super hard construction and a method of making same |
| US10641046B2 (en) | 2018-01-03 | 2020-05-05 | Baker Hughes, A Ge Company, Llc | Cutting elements with geometries to better maintain aggressiveness and related earth-boring tools and methods |
| CN108687353B (zh) * | 2018-06-20 | 2019-06-18 | 深圳市海明润超硬材料股份有限公司 | 一种金刚石复合片及制备方法 |
| CN109681126B (zh) * | 2019-02-28 | 2023-02-03 | 桂林星钻超硬材料有限公司 | 半月形金刚石复合片 |
| US20230219185A1 (en) * | 2022-01-11 | 2023-07-13 | Baker Hughes Oilfield Operations Llc | Polycrystalline diamond compact cutting elements, methods of forming same and earth-boring tools |
Family Cites Families (12)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US20050247486A1 (en) * | 2004-04-30 | 2005-11-10 | Smith International, Inc. | Modified cutters |
| MXPA06013149A (es) | 2004-05-12 | 2007-02-14 | Element Six Pty Ltd | Inserto de herramienta de corte. |
| JP2008512175A (ja) * | 2004-09-10 | 2008-04-24 | インダストリアル・リサーチ・リミテッド | イメージングシステム |
| US7608333B2 (en) * | 2004-09-21 | 2009-10-27 | Smith International, Inc. | Thermally stable diamond polycrystalline diamond constructions |
| GB2429471B (en) * | 2005-02-08 | 2009-07-01 | Smith International | Thermally stable polycrystalline diamond cutting elements and bits incorporating the same |
| US7712553B2 (en) * | 2008-07-18 | 2010-05-11 | Omni Ip Ltd | Method and apparatus for selectively leaching portions of PDC cutters used in drill bits |
| US8663349B2 (en) * | 2008-10-30 | 2014-03-04 | Us Synthetic Corporation | Polycrystalline diamond compacts, and related methods and applications |
| GB0903344D0 (en) * | 2009-02-27 | 2009-04-08 | Element Six Ltd | Polycrysalline diamond element |
| US8662209B2 (en) * | 2009-03-27 | 2014-03-04 | Varel International, Ind., L.P. | Backfilled polycrystalline diamond cutter with high thermal conductivity |
| US20100242375A1 (en) * | 2009-03-30 | 2010-09-30 | Hall David R | Double Sintered Thermally Stable Polycrystalline Diamond Cutting Elements |
| GB2481957B (en) * | 2009-05-06 | 2014-10-15 | Smith International | Methods of making and attaching tsp material for forming cutting elements, cutting elements having such tsp material and bits incorporating such cutting |
| US8267204B2 (en) | 2009-08-11 | 2012-09-18 | Baker Hughes Incorporated | Methods of forming polycrystalline diamond cutting elements, cutting elements, and earth-boring tools carrying cutting elements |
-
2011
- 2011-04-20 GB GB1106765.9A patent/GB2490480A/en not_active Withdrawn
-
2012
- 2012-04-20 CN CN201280030095.0A patent/CN103608544B/zh not_active Expired - Fee Related
- 2012-04-20 WO PCT/US2012/034381 patent/WO2012145586A1/en active Application Filing
- 2012-04-20 KR KR1020137030815A patent/KR20140018969A/ko not_active Application Discontinuation
- 2012-04-20 US US14/110,589 patent/US9488011B2/en not_active Expired - Fee Related
- 2012-04-20 CA CA2832988A patent/CA2832988C/en not_active Expired - Fee Related
- 2012-04-20 EP EP12774325.0A patent/EP2699753A4/en not_active Withdrawn
- 2012-04-20 AU AU2012245404A patent/AU2012245404A1/en not_active Abandoned
-
2013
- 2013-11-19 ZA ZA2013/08682A patent/ZA201308682B/en unknown
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| WO2020041432A1 (en) * | 2018-08-24 | 2020-02-27 | Smith International Inc. | Cutting elements with modified diamond surface |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| EP2699753A1 (en) | 2014-02-26 |
| CN103608544A (zh) | 2014-02-26 |
| US20140166371A1 (en) | 2014-06-19 |
| US9488011B2 (en) | 2016-11-08 |
| GB201106765D0 (en) | 2011-06-01 |
| EP2699753A4 (en) | 2015-08-05 |
| CA2832988A1 (en) | 2012-10-26 |
| ZA201308682B (en) | 2017-06-28 |
| AU2012245404A1 (en) | 2013-10-31 |
| WO2012145586A1 (en) | 2012-10-26 |
| CA2832988C (en) | 2017-02-28 |
| GB2490480A (en) | 2012-11-07 |
| CN103608544B (zh) | 2017-06-09 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| KR20140018969A (ko) | 선택적으로 침출된 커터 | |
| US10160099B2 (en) | Selectively leached, polycrystalline structures for cutting elements of drill bits | |
| CA2535387C (en) | Thermally stable polycrystalline diamond cutting elements and bits incorporating the same | |
| US20160032657A1 (en) | Modified cutters and a method of drilling with modified cutters | |
| CA2505828C (en) | Modified cutters | |
| CN103201451B (zh) | 切削元件、结合此种切削元件的钻地工具、此种切削元件的形成方法 | |
| US10259101B2 (en) | Methods of forming thermally stable polycrystalline compacts for reduced spalling | |
| US10711528B2 (en) | Diamond cutting elements for drill bits seeded with HCP crystalline material | |
| CA2873053C (en) | Super-abrasive material with enhanced attachment region and methods for formation and use thereof | |
| CN108472731A (zh) | 超硬构造及其制造方法 | |
| CN106489017B (zh) | 钻地工具、用于钻地工具的切割元件及形成井筒的方法 | |
| EP2847413A1 (en) | Diamond cutting elements for drill bits seeded with hcp crystalline material |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| A201 | Request for examination | ||
| AMND | Amendment | ||
| E902 | Notification of reason for refusal | ||
| AMND | Amendment | ||
| E902 | Notification of reason for refusal | ||
| AMND | Amendment | ||
| E601 | Decision to refuse application | ||
| E601 | Decision to refuse application | ||
| E801 | Decision on dismissal of amendment |