MX2012006482A - Estructura de diamante policristalino. - Google Patents

Abstract

Una estructura de PCD que comprende una primera región en un estado de esfuerzo de compresión residual, y una segunda región en un estado de esfuerzo de compresión residual adyacente a la primera región; la primera y segunda regiones formadas cada una con grados de PCD respectivos unidas entre sí por el intercrecimiento de los granos de diamante, los grados de PCD tienen resistencia a la ruptura transversal (TRS) de por lo menos 1,200 MPa; también se puede proporcionar una tercera región en un estado de esfuerzo de compresión residual de tal manera que la segunda región está dispuesta entre la primera y segunda regiones y está unida a la primera y tercera regiones mediante el intercrecimento de los granos de diamante.

Description

ESTRUCTURA DE DIAMANTE POLICRISTALINO ANTECEDENTES DE LA INVENCIÓN Las modalidades de la invención se refieren a una estructura de diamante policristalino (PCD), elementos que comprenden los mismos, método para hacer los mismos y herramientas que comprenden los mismos, particularmente, pero no exclusivamente, para uso en degradación o taladrado de rocas, o para barrenar la tierra.

El material de PCD comprende una masa de granos de diamante intercrecidos y espacios entre los granos de diamante. El PCD puede hacerse al someter una masa de conglomerado de granos de diamante a una presión y temperatura ultra elevadas en la presencia de un auxiliar de sinterización como cobalto, que puede promover el intercrecimiento de los granos de diamante. El auxiliar de sinterización también se puede mencionarse como un material catalizador para diamante. Los espacios dentro del material de PCD pueden llenarse completamente o parcialmente con material catalizador residual. El PCD puede formarse integralmente y unirse a un sustrato de carburo de tungsteno cementado con cobalto, el cual puede proporcionar una fuente de material catalizador de cobalto para sinterizar el PCD. Como se utiliza en la presente, el término regiones o partes "integralmente formadas" se producen contiguos entre sí y no se separan por diferentes tipos de material. Los insertos de herramientas que comprenden material de PCD son ampliamente utilizados en brocas utilizadas para barrenar la tierra en la industria de perforación de petróleo y gas. Aunque el material de PCD es extremadamente resistente a la abrasión, existe la necesidad por insertos de herramientas de para PCD que tienen resistencia mejorada a la fractura.

El número de publicación de la solicitud de patente de PCT WO/2004/1 1 1284 describe un material compuesto que comprende una pluralidad de núcleos de PCD dispersos en una matriz que comprende un material de PCD de un grado diferente al de los núcleos y un aglutinante adecuado.

BREVE DESCRIPCIÓN DE LA INVENCIÓN Visto desde un primer aspecto, se puede proporcionar una estructura de PCD que comprende una primera región en un estado de esfuerzo de compresión residual, y una segunda región adyacente a la primera región, la segunda región está en un estado de esfuerzo de tensión residual; la primera y segunda regiones formadas cada una de grados de PCD respectivos y directamente unidas entre sí por medio del intercrecimiento de granos de diamante; los grados de PCD tienen resistencia a la ruptura transversal (TRS) de por lo menos 1 ,200 MPa.

Visto desde un segundo aspecto, se puede proporcionar una estructura de PCD que tiene por lo menos dos regiones comprimidas en estados de esfuerzo de compresión residual respectivos y por lo menos una región tensada en un estado de esfuerzo de tensión residual; la región tensada dispuesta entre e integralmente formada con cada una de las regiones comprimidas. Las regiones comprimidas pueden comprender por lo menos un primer y un tercer grado de PCD y la región tensada puede comprender un segundo grado de PCD, y por lo menos el segundo grado de PCD puede tener resistencia a la ruptura transversal (TRS) de por lo menos aproximadamente 1 ,200 MPa. El segundo grado de PCD puede seleccionarse para tener una TRS de por lo menos aproximadamente 1 ,600 MPa o por lo menos aproximadamente 1 ,800 MPa.

Visto desde un tercer aspecto, se puede proporcionar un método para hacer una estructura de PCD, el método incluye proporcionar una primera pluralidad de masas de conglomerado que comprenden granos de diamante que tienen un primer tamaño promedio, al menos una segunda masa de conglomerado que comprende granos de diamante que tienen un segundo tamaño promedio; colocar la primera y segunda masas de conglomerado en una configuración alternada para formar un ensamble sinterizado previamente; y tratar el ensamble sinterizado previamente en la presencia de un material catalizador para diamante a una presión ultra elevada y temperatura alta en la que el diamante es más termodinámicamente estable que el grafito para sinterizarlo con los granos de diamante y formar una estructura integral de PCD.

Puede proporcionarse un elemento de PCD que comprende una estructura de PCD unida a un cuerpo de soporte de carburo cementado.

También se puede proporcionar una herramienta que comprende un elemento de PCD. La herramienta puede ser una broca o un componente de una broca para barrenar la tierra, o un pico o un yunque para degradar o romper material duro como asfalto o roca.

BREVE DESCRIPCIÓN DE LOS DIBUJOS Los ejemplos de las estructuras de PCD ahora se describirán con referencia a los dibujos anexos, de los cuales: La figura 1 muestra una vista en perspectiva de un elemento cortador de PCD ejemplo para una broca para barrenar la tierra.

La figura 2 es una vista transversal esquemática de un ejemplo de una porción de una estructura de PCD.

La figura 3 muestra una vista en sección transversal longitudinal esquemática de un ejemplo de un elemento de PCD.

La figura 4 muestra una vista en sección transversal longitudinal esquemática de un ejemplo de un elemento de PCD.

La figura 5 muestra una vista en perspectiva esquemática de parte de un ejemplo de una broca para barrenar la tierra.

La figura 6A muestra una vista en sección transversal longitudinal esquemática de un ejemplo de un ensamble de sinterización previa para un elemento de PCD.

La figura 6B muestra una vista en sección transversal longitudinal esquemática de un ejemplo de un elemento de PCD.

Las figuras 7A, 7B, 7C y 7D muestran vistas en sección transversal esquemáticas de partes de ejemplos de estructuras de PCD.

La figura 8 muestra una vista en sección transversal longitudinal esquemática de un ejemplo de un elemento de PCD.

Las mismas referencias se refieren a las mismas características generales en todos los dibujos.

DESCRIPCIÓN DETALLADA DE LA INVENCIÓN Como aquí se usa, el diamante policristalino (PCD) es un material súper duro que comprende una masa de granos de diamante, cuya porción sustancial se une directamente entre cada una y en la cual el contenido de diamante es por lo menos aproximadamente 80 por ciento en volumen del material. En una modalidad de material de PCD, los espacios entre los granos de diamante pueden ser por lo menos parcialmente llenados con un material aglutinante que comprende un catalizador para diamante. Como se utiliza en la presente, los "espacios" o las "regiones intersticiales" son regiones entre los granos de diamante de material de PCD. En los ejemplos de material de PCD, los espacios o las regiones intersticiales pueden ser sustancialmente o parcialmente llenados con un material diferente al diamante, o pueden estar sustancialmente vacíos. Los ejemplos de material de PCD pueden comprender por lo menos una región de la cual se ha desprendido el material catalizador de los espacios, dejando huecos intersticiales entre los granos de diamante. Como se utiliza en la presente, un material catalizador para diamante es un material capaz de promover el intercrecimiento directo de los granos de diamante.

Como se utiliza en la presente, un grado de PCD es un material de PCD caracterizado en términos de contenido de volumen y tamaño de granos de diamante, el contenido de volumen de las regiones intersticiales entre los granos de diamante y la composición del material que puede estar presente dentro de las regiones intersticiales. Un grado de material de PCD puede estar hecho mediante un procedimiento que incluye proporcionar una masa de conglomerado de granos de diamante que tiene una distribución de tamaño adecuada para el grado, opcionalmente introducir el material catalizador o material aditivo en la masa de conglomerado, y someter la masa de conglomerado en la presencia de una fuente de material catalizador para diamante a una presión y temperatura en las cuales el diamante es termodinámicamente más estable que el grafito y en las cuales el material catalizador se funde. Bajo estas condiciones, el material catalizador fundido puede infiltrarse desde la fuente hacia la masa de conglomerado y es probable que promueva el intercrecimiento directo entre los granos de diamante en un procedimiento de sinterización para formar una estructura de PCD. La masa de conglomerado puede comprender granos sueltos de diamante o granos de diamante juntos mediante un material aglutinante.

Los diferentes grados de PCD pueden tener diferente microestructura y diferentes propiedades mecánicas, como elástico, (o módulo E de Young), módulo de elasticidad, resistencia a la ruptura transversal (TRS), tenacidad (como la llamada tenacidad KiC), dureza, densidad y coeficiente de expansión térmica (CTE). Los diferentes grados de PCD también pueden desempeñarse de manera diferente en el uso. Por ejemplo, el índice de desgaste y la resistencia a la fractura de diferentes grados de PCD pueden ser diferentes.

El cuadro a continuación muestra las características aproximadas de la composición y las propiedades de tres grados de PCD ejemplo referidos como grados de PCD I, II y III. Todos los grados de PCD comprenden regiones intersticiales llenadas con material que comprende metal de cobalto, que es un ejemplo de material catalizador para diamante.

Con referencia a la figura 1 , un ejemplo de un elemento de PCD 10 comprende una estructura de PCD 20 unida o de otra manera pegada a un cuerpo de soporte 30, que puede comprende material de carburo de tungsteno cementado. La estructura de PCD 20 comprende un grado de PCD.

Como se utiliza en la presente, el término "estado de esfuerzo" se refiere a un estado de esfuerzo de compresión, débil o de tensión. Se entiende que los estados de esfuerzo de compresión y de tensión son estados de esfuerzo opuestos entre sí. En un sistema geométrico cilindrico, los estados de esfuerzo pueden ser axiales, radiales o circunferenciales, o un estado de esfuerzo neto.

Con referencia a la figura 2, un ejemplo de una estructura de PCD 20 comprende por lo menos dos regiones comprimidas separadas 21 en estados de esfuerzo de compresión residual y por lo menos una región tensada 22 en un estado de esfuerzo de tensión residual. La región tensada 22 está localizada entre las regiones comprimidas 21 y unida a ellas. La región tensada 22 comprende un grado de PCD I y las regiones comprimidas 22 comprenden un grado de PCD III. En otra variante, la región tensada 22 comprende un grado de PCD I y las regiones comprimidas 22 comprenden un grado de PCD III.

Los grados de PCD pueden seleccionarse para alcanzar la configuración de una región tensada entre dos regiones comprimidas. Por ejemplo, las variaciones en las propiedades mecánicas tal como densidad, módulo elástico, dureza y coeficiente de expansión térmica (CTE) pueden seleccionarse para este propósito. Tales variaciones pueden lograrse por medio de variaciones en contenido de granos de diamante, contenido y tipo o material de relleno, distribución de tamaño o tamaño promedio de los granos de PCD.

Con referencia a la figura 3, un ejemplo de un elemento de PCD 10 comprende una estructura de PCD 20 integralmente unida a un cuerpo de soporte de carburo cementado 30. La estructura de PCD 20 comprende varias regiones comprimidas 21 y varias regiones tensadas 22 en forma de estratos o capas alternadas (o intercaladas). El elemento de PCD 10 puede ser sustancialmente cilindrico en forma, con la estructura de PCD 20 localizada en un extremo de trabajo y definiendo una superficie de trabajo 24. La estructura de PCD 20 puede unirse al cuerpo de soporte 30 en una superficie no plana 25. Las regiones tensadas 22 comprenden un grado de PCD II y las regiones comprimidas 22 comprenden un grado de PCD III. Las regiones comprimidas y tensadas 21 , 22 tiene un espesor en la escala de aproximadamente 50 mieras a aproximadamente 200 mieras y pueden estar dispuestas sustancialmente en paralelo a la superficie de trabajo 24 de la estructura de PCD 20. Una región sustancialmente anular 26 puede estar ubicada alrededor de una característica no plana 31 que se proyecta desde el cuerpo de soporte 30, la región anular 26 comprende grado PCD II.

Con referencia a la figura 4, un ejemplo de un elemento de PCD 10 comprende una estructura de PCD 20 integralmente unida a un cuerpo de soporte de carburo cementado 30 en una superficie no plana 25 opuesta a una superficie de trabajo 24 de la estructura de PCD 20. La estructura de PCD 20 puede comprender aproximadamente de 10 a 20 regiones comprimidas y tensadas alternadas 21 , 22 en la forma de estratos extendidos. Una región 26 que no contiene estratos puede localizarse adyacente a la interfaz 25. Los estratos 21 , 26 pueden ser curvos o encorvado y sin embargo, alineado con la interfaz 25 y puede cruzarse en una superficie lateral 27 de la estructura de PCD. Parte de los estratos puede cruzar la superficie de trabajo 24.

Con referencia a la figura 5, un ejemplo de una broca 60 para perforar la roca (no se muestra), comprende elementos de PCD ejemplo 10 montados en un cuerpo de broca 62. Los elementos de PCD 10 están dispuestos para que las estructuras de PCD respectivas 20 se proyecten desde el cuerpo de broca 62 para cortar la roca.

Ahora se describe un método de ejemplo para hacer un elemento de PCD. Se pueden proporcionar las masas de conglomerado en la forma de láminas que contienen granos de diamante sostenidos juntos por un material aglutinante. Las láminas pueden estar hechas mediante un método conocido en la técnica, como por métodos de extrusión o de colada laminar, en donde las suspensiones que comprenden granos de diamante que tienen distribuciones de tamaño respectivos adecuados para hacer los grados de PCD respectivos deseados, y un material aglutinante se esparcen en la superficie y se dejan secar. Otros métodos para hacer las láminas que contienen diamante también pueden utilizarse, como se describe en las patentes de Estados Unidos números 5,766,394 y 6,446,740. Los métodos alternativos para depositar las capas que tienen diamante incluyen métodos de aspersión, como aspersión térmica. El material aglutinante puede comprender un aglutinante orgánico de agua como metilcelulosa o polietilenglicol (PEG) y pueden proporcionarse diferentes láminas que comprenden granos de diamante que tienen diferentes distribuciones de tamaño, contenido de diamante o aditivos. Por ejemplo, pueden proporcionarse por lo menos dos láminas que comprenden diamante con diferentes tamaños promedio y pueden cortarse primer y segundo juegos de discos de la primera y segunda láminas respectivas. Las láminas también pueden contener material catalizador para diamante, como cobalto y/o aditivos para inhibir el crecimiento anormal de los granos de diamante o para mejorar las propiedades del material de PCD. Por ejemplo, las láminas pueden contener aproximadamente de 0.5 por ciento en peso a aproximadamente 5 por ciento en peso de carburo de vanadio, carburo de cromo o carburo de tungsteno. En un ejemplo, cada uno de lo juegos puede comprender aproximadamente de 10 a 20 discos.

Un cuerpo de soporte que comprende carburo cementado en el cual el cemento o el material aglutinante comprende un material catalizador para diamante, como cobalto. El cuerpo de soporte puede tener un extremo no plano o un extremo próximo sustancialmente plano en el cual la estructura de PCD se va a formar. Una forma no plana del extremo puede configurarse para reducir el esfuerzo residual no deseable entre la estructura de PCD y el cuerpo de soporte. Puede proporcionarse un vaso para uso en el ensamblado de las láminas que contienen diamante en el cuerpo de soporte. El primer y segundo juegos de discos puede estar apilado en el fondo del vaso en orden alternado. En una versión del método, una capa de granos de diamante sustancialmente sueltos puede empacarse en la parte más superior de los discos. El cuerpo de soporte entonces puede insertarse en el vaso con el extremo próximo entrando primero y empujado contra los granos de diamante sustancialmente sueltos, causando que se muevan ligeramente y colocándose ellos mismos de acuerdo con la forma del extremo no plano del cuerpo de soporte para formar un ensamble sinterizado previamente.

El ensamble sinterizado previamente puede colocarse en una cápsula para una presión de presión ultra elevada y someterse a una presión ultra elevada de por lo menos 5.5 GPa y una temperatura elevada de por lo menos 1 ,300 grados centígrados para sinterizar los granos de diamante y formar un elemento de PCD que comprende una estructura de PCD integralmente unida al cuerpo de soporte. En una versión del método, cuando el ensamble sinterizado previamente se trata en la presión ultra elevada y temperatura elevada, el material aglutinante dentro del cuerpo de soporte funde e infiltra los estratos de granos de diamante. La presencia del material catalizador fundido del cuerpo de soporte es probable que promueva la sinterización de los granos de diamante mediante el intercrecimiento entre sí para formar una estructura de PCD integral y estratificada.

En algunas versiones del método, las masas de conglomerado pueden comprender granos de diamante sustancialmente sueltos o granos de diamante juntos mediante un material aglutinante. Las masas de conglomerado pueden estar en la forma de gránulos, discos, obleas o láminas y pueden contener material catalizador para diamante y/o aditivos para reducir el crecimiento anormal de los granos de diamante, por ejemplo, o la masa de conglomerado puede estar sustancialmente libre de material catalizador o aditivos. En una versión, el primer tamaño promedio puede estar en la escala de aproximadamente 0.1 mieras a aproximadamente 15 mieras, y el segundo tamaño promedio puede estar en la escala de aproximadamente 10 mieras a aproximadamente 40 mieras. En una versión, las masas de conglomerado pueden ensamblare en un cuerpo de soporte de carburo cementado.

Con referencia a la figura 6A, un ejemplo de un ensamble sinterizado previamente 40 para hacer un elemento de PCD puede comprender un cuerpo de soporte 30, una región 46 que comprende granos de diamante empacados contra un extremo no plano del cuerpo de soporte 30 y una pluralidad de masas de conglomerado alternadas que contienen diamante en la forma general de discos u obleas 41 , 42 apiladas en la región 46. En algunas versiones, las masas de conglomerado pueden estar en la forma de granos o gránulos de diamante sueltos. El ensamble sinterizado previamente puede calentarse para eliminar el material aglutinante comprendido en los discos apilados.

Con referencia a la figura 6B, un ejemplo de un elemento de PCD 10 comprende una estructura de PCD 20 que comprende una pluralidad de estratos alternados 21 , 22 formados respectivos diferentes grados de material de PCD, y una porción 26 que no comprende estratos. La porción 26 puede formarse cooperativamente de acuerdo con la forma del extremo no plano del cuerpo de soporte 30 al cual se ha unido integralmente durante el tratamiento a la presión ultra elevada. Los estratos alternados 21 , 22 del diferentes grados de PCD están unidos por medio de un intercrecimiento directo diamante a diamante para formar una estructura integral de PCD sólida y estratificada 20. Las formas de los estratos de PCD 21 , 22 pueden ser curvas, encorvadas o deformadas de alguna manera como un resultado de estar sometidas a la presión ultra elevada. En algunas versiones del método, las masas de conglomerado pueden estar dispuestas en el ensamble sinterizado previamente para lograr varias configuraciones de estratos dentro de la estructura de PCD, tomando en cuenta la posible deformación de la disposición durante el arreglo, la presión ultra elevada y la temperatura ultra elevada.

Los estratos 21 , 22 pueden comprender respectivos grados de PCD diferentes como un resultado de los diferentes tamaños promedio de granos de diamante de los estratos. Diferentes cantidades de material catalizador puede infiltrarse en los diferentes tipos de discos 41 , 42 comprendidos en el ensamble sinterizado previamente ya que comprenden granos de diamante que tienen diferentes tamaños promedio y en consecuencia diferentes tamaños de espacios entre los granos de diamante. Los estratos de PCD alternados correspondientes 21 , 22 pueden de este modo comprender diferentes cantidades alternas de material catalizador para diamante. El contenido del material de relleno en términos de por ciento en volumen dentro de la región tensada puede ser mayor que el que está dentro de cada una de las regiones comprimidas.

En un ejemplo, los estratos comprimidos pueden comprender granos de diamante que tienen tamaño promedio mayor que el tamaño promedio de los granos de diamante de los estratos tensados. Por ejemplo, el tamaño promedio de los granos de diamante en los estratos tensados puede ser aproximadamente como máximo 10 mieras, como máximo 5 mieras o incluso como máximo aproximadamente 2 mieras, y por lo menos aproximadamente 0.1 mieras o al menos aproximadamente 1 mieras. En algunas modalidades, el tamaño promedio de los granos de diamante en cada uno de los estratos comprimidos puede ser al menos aproximadamente 5 mieras, al menos aproximadamente 10 mieras o incluso al menos aproximadamente 15 mieras, y como máximo aproximadamente 30 mieras o como máximo aproximadamente 50 mieras.

Aunque no se desea restringir la teoría, cuando la estructura de PCD estratificada se deja enfriar a partir de la temperatura elevada en la que se formó, los estratos alternados que contienen diferentes cantidades de material catalizador de metal puede contraerse en diferentes índices. Esto puede ser porque el metal se contrae mucho más que el diamante mientras se enfría a partir de una temperatura elevada. Este índice diferencial de contracción puede causar que los estratos adyacentes se jalen entre sí, induciendo así los esfuerzos opuestos en ellos.

El elemento de PCD 10 descrito con referencia a la figura 6B puede procesarse mediante el molido para modificar su forma para formar un elemento de PCD sustancialmente como se describió con referencia a la figura 4. Esto puede incluir desprender la parte de algunos de los estratos curvos para formar una superficie de trabajo sustancialmente plana y una superficie lateral sustancialmente cilindrica. El material catalizador puede removerse de una región de la estructura de PCD adyacente a la superficie de trabajo o la superficie lateral o ambas. Esto puede llevarse a cabo al tratar la estructura de PCD con ácido para sacar por arrastre el material catalizador de los granos de diamante, o mediante otros métodos como métodos electroquímicos. Por lo tanto, se puede proporcionar una región térmicamente estable, que puede ser sustancialmente porosa, extendiéndose a una profundidad de por lo menos aproximadamente 50 mieras o por lo menos aproximadamente 100 mieras desde una superficie de la estructura de PCD. En un ejemplo, la región sustancialmente porosa puede comprender como máximo 2 por ciento en peso de material catalizador.

Con referencia a la figura 7A, una variante de ejemplo de una estructura de PCD 20 comprende por lo menos tres estratos sustancialmente planos 21 , 22 dispuestos en una configuración alternada sustancialmente paralelos a una superficie de trabajo 24 de la estructura de PCD 20 y cruzando una superficie lateral 27 de la estructura de PCD.

Con referencia a la figura 7B, una variante de ejemplo de una estructura de PCD 20 comprende por lo menos tres estratos 21 , 22 dispuestos en una configuración alternada, los estratos tienen una forma curva o encorvada, con por lo menos parte de los estratos inclinados lejos de una superficie de trabajo 24 y borde de corte 28 de la estructura de PCD.

Con referencia a la figura 7C, una variante de ejemplo de una estructura de PCD 20 comprende por lo menos tres estratos 21 , 22 dispuestos en una configuración alternada, por lo menos de los estratos inclinados lejos de una superficie de trabajo 24 de la estructura de PCD y extendiéndose generalmente hacia un borde de corte 28 de la estructura de PCD.

Con referencia a la figura 7D, una variante de ejemplo de una estructura de PCD 20 comprende por lo menos tres estratos 21 , 22 dispuestos en una configuración alternada, por lo menos parte de algunos de los estratos está alineada con una superficie de trabajo 24 de la estructura de PCD y por lo menos parte de algunos de los estratos generalmente alineados con una superficie lateral 27 de la estructura de PCD. Los estratos pueden ser generalmente anulares de la parte anular y sustancialmente concéntricos con una superficie lateral sustancialmente cilindrica 27 de la estructura de PCD 20.

Con referencia a la figura 8, un ejemplo de una estructura de PCD comprende una región tensada 100 en un estado de esfuerzo de tensión residual y una región comprimida 120 en un estado de esfuerzo de compresión residual. La región tensada 100 está localizada adyacente a la región comprimida 120 y está unida a la misma. La región tensada 100 comprende un primer grado de PCD, por ejemplo grado de PCD I como se describió anteriormente y la región comprimida 120 comprende un grado de PCD diferente, por ejemplo grado de PCD III como se describió anteriormente.

La estructura de PCD puede tener una región de superficie próxima a una superficie de trabajo, la región comprende material de PCD que tiene un módulo de Young como máximo aproximadamente 1 ,050 MPa, o como máximo aproximadamente 1 ,000 MPa. La región de superficie puede comprende material de PCD térmicamente estable.

Algunos ejemplos de estructuras de PCD pueden tener por lo menos 3, por lo menos 5, por lo menos 7, por lo menos 10 o incluso por lo menos 15 regiones comprimidas, con regiones tensadas localizada entre ellas.

Cada estrato o capa puede tener un espesor de por lo menos aproximadamente 50 mieras, por lo menos aproximadamente 100 mieras o por lo menos aproximadamente 200 mieras. Cada estrato o capa puede tener un espesor de como máximo aproximadamente 500 mieras. En algunas modalidades de ejemplo, cada estrato o capa puede tener un espesor de por lo menos aproximadamente 0.05 por ciento, por lo menos aproximadamente 0.5 por ciento, por lo menos aproximadamente 1 por ciento o por lo menos aproximadamente 2 por ciento de un espesor de la estructura de PCD medida a partir del punto sobre una superficie de trabajo en un extremo a un punto en una superficie opuesta. En algunas modalidades, cada estrato o capa puede tener un espesor de como máximo aproximadamente 5 por ciento del espesor de la estructura de PCD.

Como se utiliza en la presente, el término "estado de esfuerzo residual" se refiere al estado de esfuerzo de un cuerpo o parte de un cuerpo en la ausencia de una fuerza de carga aplicada externamente. El estado de esfuerzo residual de una estructura de PCD, que incluye una estructura de capa puede medirse por medio de un extensómetro y progresivamente remover el material capa por capa. En algunos ejemplos de elementos de PCD, por lo menos una región comprimida puede tener un esfuerzo de compresión residual de por lo menos aproximadamente 50 MPa, por lo menos aproximadamente 100 MPa, por lo menos aproximadamente 200 MPa, por lo menos aproximadamente 400 MPa o incluso por lo menos aproximadamente 600 MPa. La diferencia entre la magnitud del esfuerzo residual de los estratos adyacentes puede ser por lo menos aproximadamente 50 MPa, por lo menos aproximadamente 100 MPa, por lo menos aproximadamente 200 MPa, por lo menos aproximadamente 400 MPa, por lo menos aproximadamente 600 MPa, por lo menos aproximadamente 800 MPa o incluso por lo menos aproximadamente 1 ,000 MPa. En un ejemplo, por lo menos dos regiones comprimidas sucesivas o regiones tensadas pueden tener diferentes esfuerzos residuales. La estructura de PCD puede comprender por lo menos tres regiones comprimidas o tensadas cada una con un esfuerzo de compresión residual diferente, las regiones dispuestas en orden ascendente o descendente de magnitud de esfuerzo de compresión o de tensión, respectivamente.

En un ejemplo, cada una de las regiones puede tener una tenacidad como máximo de16 MPa.m172. En algunas modalidades, cada una de las regiones puede tener una dureza promedio de por lo menos aproximadamente 50 GPa o por lo menos aproximadamente 60 GPa. Cada una de las regiones puede tener un módulo de Young promedio de por lo menos aproximadamente 900 MPa, por lo menos aproximadamente 950 MPa, por lo menos aproximadamente 1 ,000 o incluso por lo menos aproximadamente 1 ,050 MPa.

Como se utilizada en la presente, la "resistencia a la ruptura transversal" (TRS) se mide al someter una muestra en la forma de una barra que tiene ancho W y espesor T para una carga aplicada en tres posiciones, dos en un lado de la muestra y una en el lado opuesto, y aumentar la carga en un índice de carga hasta que la muestra se fracture en una carga P. La TRS entonces se calcula con base en la carga P, las dimensiones de la muestra y la distancia L, que es la distancia entre las dos posiciones de carga en un lado. Tal medición también puede referirse como una prueba de flexión de tres puntos y la describe D. Munz and T. Fett in "Ceramics, mechanical properties, failure behaviour, materials selection" (1999, Springer, Berlín). La TRS correspondiente a un grado particular de material de PCD se mide midiendo la TRS de una muestra de PCD que consiste en ese grado.

Mientras la disposición de una estructura de PCD con estratos de PCD que tienen estados de esfuerzo de compresión y de tensión alternados tiende a aumentar la tenacidad general efectiva de la estructura de PCD, puede tener el efecto de aumentar la incidencia potencial de deslaminación, en que los estratos puedan tender a separarse. Aunque no se desea restringir la teoría, la deslaminación puede tender a surgir si los estratos de PCD no son los suficientemente fuertes para sostener el esfuerzo residual entre ellos. Este efecto puede mejorar al seleccionar los grados de PCD, y el grado de PCD del cual está formada en particular la región tensada para tener TRS lo suficientemente elevada. La TRS del grado o grados de PCD de los cuales la región tensada está formada deberá ser mayor a la tensión residual que pueda experimentar. Una manera de influir en la magnitud del esfuerzo que una región pueda experimentar es al seleccionar el espesor relativo de las regiones adyacentes. Por ejemplo, al seleccionar el espesor de una región tensada para ser mayor que el de las regiones de compresión adyacentes es probable reducir la magnitud del esfuerzo dentro de la región tensada.

Los estados de esfuerzo residual de las regiones pueden variar con la temperatura. En el uso, la temperatura de la estructura de PCD puede diferir sustancialmente entre los puntos próximos a un borde de corte y los puntos remotos del borde de corte. En algunos usos, la temperatura próxima al borde de corte puede alcanzar varios cientos de grados centígrados. Si la temperatura excede aproximadamente 750 grados centígrados, es probable que el material de diamante en la presencia del material catalizador como cobalto se convierta en material de grafito, lo cual no se desea. Por lo tanto, en algunos usos, los estados de esfuerzo alternado en las regiones adyacentes como se describe en la presente deben considerarse a una temperatura de más de aproximadamente 750 grados centígrados.

La tenacidad K-iC de un disco de PCD se mide por medio de una prueba de compresión diametral, la cual se describe en Lammer ("Mechanical properties of polycrystalline diamonds", Materials Science and Technology, volumen 4, 1988, p. 23.) y Miess (Miess, D. and Rai, G., "Fracture toughness and thermal resistances of polycrystalline diamond compacts", Materials Science and Engineering, 1996, volumen A209, número 1 a 2, pp. 270-276).

El módulo de Young es un tipo de módulo elástico y es una medida de tensión uniaxial en respuesta a un esfuerzo uniaxial, dentro de la escala de esfuerzo para la cual el material se comporta elásticamente. Un método preferido de medición del módulo E de Young es mediante la medición de los componentes transversales y longitudinales de la velocidad del sonido a través del material, de acuerdo con la ecuación E = 2p.Cj (1 + v), donde v= (1 - 2 (CT / CL)2) / (2 - 2 (CR / C¡J2), CL y CT son respectivamente las velocidades del sonido longitudinales y transversales medidas a través de él y p es la densidad del material. Las velocidades del sonido longitudinales y transversales pueden medirse utilizando ondas ultrasónicas, como se conoce en la técnica. Cuando un material es una composición de diferentes materiales, el módulo promedio de Young puede calcularse por medio de una de las tres fórmulas, concretamente las fórmulas armónica, geométrica y regla de mezclas como sigue: E = 1 / ( / E1 + f2 / Ej ); E = E 1 + E/2; y E = Er + f2 E2 en donde los diferentes materiales se dividen en dos porciones con fracciones de volumen respectivos de fi y , que suman uno.

Como se utiliza en la presente, la expresión "formado por medio" consiste en, aparte de las posibles desviaciones menores o no sustanciales en composición o microestructura".

Las siguientes cláusulas establecen algunas de las combinaciones previstas por la descripción: 1. Una estructura de PCD que comprende una primera región, una segunda región y una tercera región; la segunda región dispuesta entre y unida a la primera y tercera regiones mediante el intercrecimiento de los granos de diamante; cada región formada de un grado de PCD respectivo que tiene una TRS de por lo menos 1 ,200 MPa o por lo menos 1 ,600 MPa; el grado de PCD comprendido en la segunda región tiene un coeficiente mayor de expansión térmica (CTE) diferente a los grados de PCD respectivos de la primera y tercera regiones. La segunda región puede comprender un grado de PCD que tiene un CTE de por lo menos 4 X 10"6 mm/°C. 2. Una estructura de PCD que comprende una primera y una tercera regiones, cada una en un respectivo estado de esfuerzo de compresión residual y una segunda región en un estado de esfuerzo de tensión residual y dispuesta entre la primera y tercera regiones; la primera, segunda y tercera regiones formadas cada una de grados de PCD respectivos y unidas directamente entre sí mediante el intercrecimiento de los granos de diamante; los grados de PCD tienen resistencia a la ruptura transversal (TRS) de por lo menos 1 ,200 MPa. 3. Una estructura de PCD que comprende una primera región, una segunda región y una tercera región; la segunda región dispuesta entre y unida a la primera y tercera regiones mediante el intercrecimiento de los granos de diamante; cada región formada de un grado de PCD respectivo que comprende por lo menos 85 por ciento en volumen de granos de diamante que tienen un tamaño promedio de por lo menos 0.1 mieras y como máximo 30 mieras; el grado de PCD comprendido en la segunda región que contiene un contenido mayor de metal que el contenido en cada uno de los respectivos grados de PCD comprendidos en la primera y en la tercera regiones. El grado de PCD comprendido en la segunda región puede contener por lo menos 9 por ciento en volumen de metal. 4. Una estructura de PCD que comprende una primera región, una segunda región y una tercera región; la segunda región dispuesta entre y unida a la primera y tercera regiones mediante el intercrecimiento de granos de diamante; cada región formada de un grado de PCD respectivo que tiene un TRS de por lo menos 1 ,200 MPa; el grado de PCD comprendido en la segunda región contiene más metal que el contenido en cada uno de los grados de PCD respectivos comprendidos en la primera y en la tercera regiones. El grado de PCD comprendido en la segunda región puede contener por lo menos 9 por ciento en volumen de metal. 5. En todas las combinaciones anteriormente enumeradas del 1 al 4, la estructura de PCD puede comprender una región térmicamente estable que se extiende a una profundidad de por lo menos 50 mieras desde una superficie de la estructura de PCD; en la cual la región térmicamente estable comprende como máximo 2 por ciento en peso de material catalizador para el diamante. 6. En todas las combinaciones antes enumeradas del 1 al 5, las regiones pueden estar en la forma de estratos dispuestos en una configuración alternada para formar una estructura integral, estratificada de PCD. Los estratos pueden tener un espesor de por lo menos 10 mieras y como mucho aproximadamente 500 mieras, y los estratos pueden ser generalmente planos, curvos, encorvados o en domo. 7. En todas la combinaciones antes enumeradas del 1 al 6, las regiones pueden cruzar una superficie de trabajo o una superficie lateral de la estructura de PCD. El grado de PCD comprendido en la primera y tercera regiones puede comprender granos de diamante que tienen un tamaño promedio diferente a los granos de diamante comprendidos en el segundo grado de PCD. 8. En todas las combinaciones antes enumeradas del 1 al 7, el volumen o el espesor de la segunda región puede ser mayor que el volumen o espesor de la primera región y el volumen o espesor de la tercera región.

Puede proporcionarse un elemento de PCD que comprende una estructura de PCD unida a un cuerpo de soporte de carburo cementado. El elemento de PCD puede ser sustancialmente cilindrico y tener una superficie de trabajo sustancialmente plana, o una superficie de trabajo generalmente en domo, apuntada, cónica redonda o frustocónica. El elemento de PCD puede ser para una broca de corte giratorio (o de arrastre) para barrenar la tierra, para una broca de percusión o para un pico para minería o degradación de asfalto.

Los elementos de PCD como se describen en la presente tienen el aspecto de resistencia mejorada a la fractura.

Un ejemplo no limitativo del elemento de PCD que comprende estratos alternados de dos diferentes grados de PCD se proporciona de la siguiente manera.

La primera y segunda láminas, cada una con grano de diamante con un tamaño promedio diferente y sostenidos por un aglutinante orgánico se hicieron mediante el método de colada laminar. Este método incluye proporcionar suspensiones respectivas de granos de diamante suspendidos en un aglutinante líquido, fundir las suspensiones en forma de lámina y dejarlas secar para formar láminas que contienen diamante autosoportable. El tamaño promedio de los granos de diamante dentro de la primera lámina estuvo en la escala de aproximadamente 5 mieras a aproximadamente 14 mieras y el tamaño promedio de los granos de diamante dentro de la segunda lámina estuvo en la escala de aproximadamente 18 mieras a aproximadamente 25 mieras. Ambas láminas también contienen aproximadamente 3 por ciento en peso de carburo de vanadio y aproximadamente 1 por ciento en peso de cobalto. Después del secado, las láminas fueron de aproximadamente 0.12 mm de espesor. Quince discos circulares con diámetro de aproximadamente 13 mm se cortaron de cada una de las láminas para proveer un primer y segundo juegos de obleas en forma de disco.

Se proporcionó un cuerpo de soporte formado de carburo de tungsteno cementado con cobalto. El cuerpo de soporte generalmente fue cilindrico en forma, con un diámetro de aproximadamente 13 mm y un extremo no plano formado con un miembro de proyección central. Un vaso de metal con un diámetro interior de aproximadamente 13 mm se proporcionó para ensamblar un ensamble previamente sinterizado. Las obleas con diamante se colocaron en el vaso, alternadamente apiladas en la parte superior de cada una con discos del primer y segundo juegos intercalados. Una capa de granos sueltos de diamante con un tamaño promedio en la escala de aproximadamente 18 mieras a aproximadamente 25 mieras se colocó en el vaso alzado, en la parte superior de la parte más arriba de las obleas, y el cuerpo de soporte se insertó en el vaso, con el extremo no plano empujado contra la capa.

El ensamble sinterizado previamente así formado se ensambló en una cápsula para una prensa de presión ultra elevada y se sometió a una presión de aproximadamente 6.8 GPa y a una temperatura de por lo menos aproximadamente 1 ,450 grados centígrados durante aproximadamente 10 minutos para sinterizar los granos de diamante y formar un elemento de PCD que comprende una estructura de PCD unida al cuerpo de soporte.

El elemento de PCD se procesó mediante el molido y lapidado para formar un elemento cortador con una superficie de trabajo sustancialmente plana y un lado cilindrico y una biselada de 45 grados entre la superficie de trabajo y el lado. El elemento cortador se sometió a una prueba de fresado con torreta en la que se utilizó para cortar un cuerpo de granito hasta que la estructura de PCD se fracturó o se desgastó tanto que el corte efectivo no se pudo lograr. En varios intervalos, la prueba se interrumpió para examinar el elemento cortador y medir el tamaño de la cicatriz de desgaste que se formó en la estructura de PCD como un resultado del corte. El cortador de PCD mostró mejor resistencia al desgaste y resistencia a la fractura de la que se esperaría de un material de PCD con la microestructura no estratificada, de conglomerado y las propiedades de los grados del componente.

Una sección transversal a través de la estructura de PCD también se examinó microestructuralmente mediante la microscopía de barrido electrónico (SEM). Los estratos de PCD curvos fueron claramente evidentes, cada estrato tiene un espesor en la escala de aproximadamente 50 mieras a aproximadamente 70 mieras.

Claims (18)

NOVEDAD DE LA INVENCIÓN REIVINDICACIONES

1. Una estructura de PCD que comprende una primera región en un estado de esfuerzo de compresión residual, y una segunda región adyacente a la primera región, la segunda región está en un estado de esfuerzo de compresión residual; la primera y segunda regiones formadas cada una de grados de PCD respectivos y directamente unidas entre sí por medio del intercrecimiento de granos de diamante; los grados de PCD tienen resistencia a la ruptura transversal (TRS) de por lo menos 1 ,200 MPa.

2. La estructura de PCD de conformidad con la reivindicación 1 , caracterizada además porque el grado de PCD de la segunda región tiene un coeficiente mayor de expansión térmica (CTE) que el grado de PCD de la primera región.

3. La estructura de PCD de conformidad con cualquiera de las reivindicaciones 1 ó 2, caracterizada además porque el grado de PCD de la segunda región tiene un módulo de elasticidad menor que el grado del PCD de la primera región.

4. La estructura de PCD de conformidad con la reivindicación 1 , caracterizada además porque comprende una tercera región, en un estado respectivo de esfuerzo de compresión residual, la segunda región está colocada entre la primera y tercera regiones; la primera, segunda y tercera regiones están formadas cada una de grados respectivos de PCD y directamente unidas entre sí por medio del intercrecimiento de granos de diamante; los grados de PCD tienen resistencia a la ruptura transversal (TRS) de por lo menos 1 ,200 MPa.

5. La estructura de PCD de conformidad con la reivindicación 4, caracterizada además porque la segunda región comprende un grado de PCD que tiene un CTE de por lo menos 4 X 10"6 mm/°C.

6. La estructura de PCD de conformidad con la reivindicación 4 o la reivindicación 5, caracterizada además porque las regiones tienen un grosor de por lo menos 10 mieras y como máximo 500 mieras.

7. La estructura de PCD de conformidad con cualquiera de las reivindicaciones 4 a 6, caracterizada además porque el volumen de la segunda región es mayor que el volumen de la primera región y el volumen de la tercera región.

8. La estructura de PCD de conformidad con cualquiera de las reivindicaciones precedentes, caracterizada además porque las regiones cruzan una superficie de trabajo o superficie lateral de la estructura de PCD.

9. La estructura de PCD de conformidad con cualquiera de las reivindicaciones 4 a 8, caractenzada además porque el grado de PCD comprendido en la primera y tercera regiones comprende granos de diamante que tienen un tamaño promedio diferente al de los granos de diamante del grado de PCD comprendido en la segunda región.

10. La estructura de PCD de conformidad con cualquiera de las reivindicaciones 4 a 9, caracterizada además porque el grado de PCD comprendido en la segunda región comprende un contenido de metal de volumen mayor que el comprendido en el grado de PCD de la tercera región.

1 1. La estructura de PCD de conformidad con cualquiera de las reivindicaciones precedentes, caracterizada además porque comprende una región térmicamente estable que se extiende a una profundidad de por lo menos 50 mieras desde una superficie de la estructura de PCD; en la cual la región térmicamente estable comprende como máximo 2 por ciento en peso de material catalizador para el diamante.

12. La estructura de PCD conformidad con cualquiera de las reivindicaciones precedentes, caracterizada además porque las regiones están en la forma de estratos.

13. La estructura de PCD de conformidad con la reivindicación 12, caracterizada además porque comprende un primer juego de uno o más estratos que comprende un primer grado de material de PCD un segundo juego de estratos que comprende un segundo grado de material de PCD; el primer juego de estratos dispuesto en una configuración alternada con el segundo juego de estratos; y los estratos unidos entre sí por medio del intercrecimiento directo de los granos de diamante para formar una estructura de PCD integral, estratificada.

14. Un método para hacer una estructura de PCD, el método incluye proporcionar una primera pluralidad de masas de conglomerado que comprenden granos de diamante que tienen un primer tamaño promedio, al menso una segunda masa de conglomerado que comprende granos de diamante que tienen un segundo tamaño promedio; colocando la primera y segunda masas de conglomerado en una configuración alternada para formar un ensamble sinterizado previamente; y tratar el ensamble sinterizado previamente en la presencia de un material catalizador para diamante a una presión ultra elevada y temperatura alta en la que el diamante es más termodinámicamente estable que el grafito para sinterizarlo con los granos de diamante y formar una estructura integral de PCD.

15. El método de conformidad con la reivindicación 14, caracterizado además porque las masas de conglomerado comprenden granos de diamante mantenidos juntos por medio de un material aglutinante.

16. El método de conformidad con la reivindicación 14 o la reivindicación 15, caracterizado además porque el primer tamaño promedio está en la escala de 0.1 mieras a 15 mieras y el segundo tamaño promedio está en la escala de 10 mieras a 40 mieras.

17. Un elemento de PCD se proporciona para una broca de corte giratorio para barrenar la tierra, para una broca de percusión o para un pico para minería o degradación de asfalto, que comprende una estructura de PCD de cualquiera de las reivindicaciones 1 a 13 unidas a un cuerpo de soporte de carburo cementado.

18. Una broca o un componente de una broca para barrenar la tierra, que comprende un elemento de PCD de la reivindicación 17.