RU2320615C2 - Cutting member compacted in tablet - Google Patents
Cutting member compacted in tablet Download PDFInfo
- Publication number
- RU2320615C2 RU2320615C2 RU2003107666/03A RU2003107666A RU2320615C2 RU 2320615 C2 RU2320615 C2 RU 2320615C2 RU 2003107666/03 A RU2003107666/03 A RU 2003107666/03A RU 2003107666 A RU2003107666 A RU 2003107666A RU 2320615 C2 RU2320615 C2 RU 2320615C2
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- diamond
- cutting
- tablet
- intergranular
- cutting element
- Prior art date
Links
Images
Abstract
Description
1. Область техники изобретения1. The technical field of the invention
Настоящее изобретение относится к элементам, изготовленным из материала со сверхтвердой поверхностью, работающим в условиях трения, резки, волочения, где требуются технические сверхтвердые поверхности. В частности, настоящее изобретение относится к элементам из поликристаллических алмазов и поликристаллическим алмазоподобным элементам (называемым далее ПКА) с повышенной износостойкостью, и способам их изготовления.The present invention relates to elements made of a material with a superhard surface, operating under conditions of friction, cutting, drawing, where technical superhard surfaces are required. In particular, the present invention relates to elements of polycrystalline diamonds and polycrystalline diamond-like elements (hereinafter referred to as PKA) with increased wear resistance, and methods for their manufacture.
2. Описание аналогов2. Description of analogues
Элементы из поликристаллических алмазов и поликристаллические алмазоподобные элементы в настоящем описании называются элементами ПКА. Элементы ПКА изготавливаются из материалов на основе углерода с исключительно малыми межатомными расстояниями. Один тип поликристаллического алмазоподобного материала известен как карбонитрид, описанный в патенте США №5776615. В общем, элементы ПКА изготавливаются из смеси материалов, обрабатываемых при высоких температурах и под высоким давлением с получением поликристаллической матрицы взаимосвязанных сверхтвердых кристаллов на основе углерода. Общей особенностью элементов ПКА является использование в процессе их образования катализирующих материалов, остатки которых часто накладывают ограничение на максимально допустимую рабочую температуру элемента.Polycrystalline diamond elements and polycrystalline diamond-like elements are referred to herein as PKA elements. PKA elements are made of carbon-based materials with extremely short interatomic distances. One type of polycrystalline diamond-like material is known as carbonitride, as described in US Pat. No. 5776615. In general, PKA elements are made from a mixture of materials processed at high temperatures and under high pressure to produce a polycrystalline matrix of interconnected carbon-based superhard crystals. A common feature of PKA elements is the use of catalyzing materials in the process of their formation, the remains of which often impose a limitation on the maximum allowable working temperature of the element.
Известен ПКА-элемент, изготавливаемый в виде двухслойного или многослойного ПКА-элемента с наружной пластиной из поликристаллического алмаза, составляющей единое целое с подложкой, изготовленной из менее твердого материала, например из карбида вольфрама. ПКА-элемент может быть в виде круглой или полукруглой таблетки, или иметь другую форму, которая подходит для соответствующего применения, например для использования в качестве обжимки, радиатора, подшипников скольжения, поверхностей трубопроводной арматуры, инденторов, инструментальных оправок и т.п. ПКА-элементы этого типа можно использовать почти в любой сфере, где необходим твердый износостойкий и эрозионно-стойкий материал. Подложка ПКА-элемента может припаиваться к носителю, часто выполняемому из спеченного карбида вольфрама. Так обычно делают, если ПКА используется в качестве режущего элемента, например, в качестве породоразрушающих головок с неподвижными или шарошечными резцами, устанавливаемыми в гнезде бурового долота, или фиксированными в резцедержателе обрабатывающего станка. Эти ПКА-элементы обычно называются поликристаллическими алмазными резцами (ПАР).Known PCA element, made in the form of a two-layer or multilayer PKA element with an outer plate of polycrystalline diamond, which is integral with a substrate made of less solid material, for example, tungsten carbide. The PKA element can be in the form of a round or semicircular tablet, or have another shape that is suitable for the respective application, for example, for use as crimp, radiator, plain bearings, surfaces of pipe fittings, indenters, tool holders, etc. PKA elements of this type can be used in almost any field where a solid wear-resistant and erosion-resistant material is required. The substrate of the PCA element can be soldered to a carrier, often made of sintered tungsten carbide. This is usually done if the PKA is used as a cutting element, for example, as rock cutting heads with fixed or cone cutters installed in the socket of the drill bit, or fixed in the tool holder of the processing machine. These PKA elements are commonly called polycrystalline diamond cutters (PAIRs).
Существует множество способов изготовления этих ПАР-элементов. Например, при производстве могут использоваться алмазные частицы со средними размерами разного диапазона, что улучшает износостойкость, как показано в патентах США №№4861350, 5468268 и 5545748, которые приводятся в данном случае в качестве ссылок. Кроме того, в патентах США №№5135061 и 5607024, которые также приводятся в данном случае в качестве ссылок, описаны способы обеспечения диапазона износостойкости на рабочей поверхности ПАР. Однако из-за того, что при изменении среднего размера алмазных частиц износостойкость меняется, существует компромисс между ударной вязкостью и износостойкостью. Следовательно, ПАР-элементы с высокой износостойкостью обладают низкой ударной вязкостью, которая часто бывает неприемлемой для ПАР, применяемых при бурении.There are many ways to make these PAR elements. For example, in the manufacture of diamond particles can be used with medium sizes of different ranges, which improves wear resistance, as shown in US patent No. 4861350, 5468268 and 5545748, which are given in this case as a reference. In addition, in US patent No. 5135061 and 5607024, which are also given in this case as a reference, describes methods for providing a range of wear resistance on the working surface of the steam. However, due to the fact that when the average size of diamond particles changes, the wear resistance changes, there is a compromise between toughness and wear resistance. Consequently, SAR elements with high wear resistance have a low toughness, which is often unacceptable for SARs used in drilling.
Обычно при более высоких объемных плотностях алмазов в алмазной таблетке износостойкость возрастает за счет ударной вязкости. Однако в современных ПАР-элементах между алмазной таблеткой и подложкой обычно часто используются поверхности раздела сложной геометрии, а также другие конструктивные решения, что повышает ударную вязкость. Хотя это позволяет одновременно увеличить до максимума износостойкость и ударную вязкость, компромисс все же существует, и за последние несколько лет он еще не изменился.Typically, at higher bulk densities of diamonds in a diamond tablet, wear resistance increases due to toughness. However, in modern PAR elements between a diamond tablet and a substrate, interfaces of complex geometry, as well as other structural solutions, are often often used, which increases the toughness. Although this allows maximum durability and toughness to be maximized at the same time, a compromise still exists and has not changed over the past few years.
Другим видом ПКА-элемента является единичный ПКА-элемент без выполняемой заодно с ним подложки, когда пластина поликристаллического алмаза крепится к инструменту или поверхности износа с помощью механических приспособлений или микросварки. Эти ПКА-элементы отличаются от описанных выше тем, что алмазные частицы распределены по всему элементу. Эти ПКА-злементы могут удерживаться на месте механическим способом, вставляться в более крупный ПКА-элемент с подложкой, или в другом варианте они могут изготавливаться с металлическим слоем, который крепится с помощью пайки или сварки. Из одного ПКА можно изготовить много таких ПКА-элементов, как это показано, например, в патентах США №4481016 и 4525179, которые приводятся в данном случае в качестве ссылок.Another type of PKA-element is a single PKA-element without a substrate being performed along with it, when the polycrystalline diamond plate is attached to the tool or wear surface using mechanical devices or microwelding. These PKA elements differ from those described above in that the diamond particles are distributed throughout the element. These PKA elements can be held mechanically in place, inserted into a larger PKA element with a substrate, or in another embodiment, they can be made with a metal layer that is attached by soldering or welding. Many PKA elements can be made from one PKA, as shown, for example, in US Pat. Nos. 4,481,016 and 4,525,179, which are hereby incorporated by reference.
ПКА-элементы чаще всего изготавливают спеканием алмазного порошка с подходящим связующим-катализирующим материалом под высоким давлением и при высокой температуре. В патенте США №3141746, который приводится в данном случае в качестве ссылки, описан один соответствующий способ получения такого поликристаллического алмаза. В соответствии с одной технологией изготовления ПКА-элементов, алмазный порошок наносится на поверхность предварительно выполненной подложки из карбида вольфрама, содержащей кобальт. Затем эта сборка подвергается действию сверхвысокой температуры и давления в прессе. Во время этого процесса кобальт мигрирует из подложки в слой алмаза и действует в качестве связующего-катализирующего материала, обеспечивая связывание алмазных частиц друг с другом, а также соединение алмазного слоя с подложкой.PKA elements are most often made by sintering diamond powder with a suitable binder-catalyzing material under high pressure and at high temperature. US Pat. No. 3,141,746, which is incorporated herein by reference, describes one suitable method for producing such a polycrystalline diamond. In accordance with one manufacturing technique for PKA elements, diamond powder is applied to the surface of a preformed tungsten carbide substrate containing cobalt. Then this assembly is exposed to ultra-high temperature and pressure in the press. During this process, cobalt migrates from the substrate to the diamond layer and acts as a binder-catalyzing material, ensuring the bonding of diamond particles with each other, as well as the connection of the diamond layer with the substrate.
Готовый ПКА-элемент имеет хотя бы одну матрицу алмазных кристаллов, связанных друг с другом посредством множества межкристаллитных зон, содержащих связующий-катализирующий металл, что описано выше. Алмазные кристаллы составляют первую непрерывную алмазную матрицу, а межкристаллитные зоны образуют вторую непрерывную межкристаллитную матрицу, содержащую связующий-катализирующий материал. Кроме того, обязательно существуют небольшие зоны, содержащие связующий-катализирующий материал, в которых происходит рост алмазов. Эти островки не являются составляющей частью непрерывной межкристаллитной матрицы, состоящей из связующего-катализирующего материала.The finished PKA element has at least one matrix of diamond crystals bonded to each other via a plurality of intergranular zones containing a binder-catalyzing metal, as described above. Diamond crystals constitute the first continuous diamond matrix, and intergranular zones form a second continuous intergranular matrix containing a binder-catalyzing material. In addition, there are necessarily small zones containing a binder-catalytic material in which diamond growth occurs. These islands are not an integral part of a continuous intergranular matrix consisting of a binder-catalyzing material.
Обычно объемная плотность алмазных элементов составляет 85-95%, а связующего-катализирующего элемента - остальные 5-15%. Такой элемент может подвергаться термической деструкции, которая начинается при температурах приблизительно 400°С, в результате разного теплового расширения связующего-катализирующего межкристаллитного кобальта и алмазной матрицы. После достаточного расширения связь между алмазами может нарушаться, и могут происходить растрескивания и сколы.Typically, the bulk density of diamond elements is 85-95%, and the binder-catalyzing element is the remaining 5-15%. Such an element can undergo thermal degradation, which begins at temperatures of approximately 400 ° C, as a result of different thermal expansion of the binder-catalyzing intergranular cobalt and diamond matrix. After sufficient expansion, the bond between the diamonds may be broken, and cracking and chips may occur.
Кроме того, наличие связующего-катализирующего материала в межкристаллитной зоне поликристаллического алмаза рядом с алмазными кристаллами алмазной матрицы приводит к другому виду термической деструкции. Такое наличие связующего-катализирующего материала вызывает графитизацию алмаза по мере роста температуры, что обычно приводит к ограничению рабочей температуры в пределах приблизительно 750°С.In addition, the presence of a binder-catalyzing material in the intercrystalline zone of a polycrystalline diamond near diamond crystals of a diamond matrix leads to another type of thermal degradation. This presence of a binder-catalyzing material causes graphitization of the diamond as the temperature rises, which usually leads to a limitation of the operating temperature within approximately 750 ° C.
Хотя в качестве связующего-катализирующего материала чаще всего используется кобальт, тем не менее для этой цели может применяться любой элемент VIII группы, включая кобальт, никель, железо и сплавы из них.Although cobalt is most often used as a binder-catalyzing material, nevertheless, any element of group VIII can be used for this purpose, including cobalt, nickel, iron, and alloys thereof.
В соответствии с патентом США № 4224380, который приводится в данном случае в качестве ссылки, с целью снижения термической деструкции режущих и/или износостойких элементов были изготовлены так называемые "термически стабильные" компоненты, которые представляли собой спрессованные в таблетки ПКА-элементы из поликристаллического алмаза. В одном типе термически стабильного ПКА-элемента после его образования из непрерывной межкристаллитной матрицы обычного поликристаллического алмаза выщелачивается кобальт или другой связующий-катализирующий материал. Известны многочисленные способы выщелачивания связующего-катализирующего материала. В патентах США №№4572722 и 4797241, которые приводятся в данном случае в качестве ссылки, описаны некоторые способы выщелачивания.In accordance with US Pat. No. 4,224,380, which is incorporated herein by reference, in order to reduce the thermal degradation of cutting and / or wear-resistant elements, so-called "thermally stable" components were made, which were PCA elements compressed from tablets into polycrystalline diamond . In one type of thermally stable PCA element, after cobalt or other binder-catalyzing material is leached from a continuous intercrystalline matrix of a conventional polycrystalline diamond. Numerous methods are known for leaching a binder-catalyzing material. In US patent No. 4572722 and 4797241, which are given in this case by reference, some methods of leaching are described.
При выщелачивании связующего-катализирующего материала термостойкость алмаза может повыситься приблизительно до 1200°С, при выщелачивании также удаляется спеченная подложка из карбида. Кроме того, из-за отсутствия цельной подложки или другой поверхности, способной образовывать связи, существуют большие трудности с монтажом такого материала.When the binder-catalyzing material is leached, the heat resistance of diamond can increase to approximately 1200 ° C; when the leached, the sintered carbide substrate is also removed. In addition, due to the lack of a solid substrate or other surface capable of forming bonds, there are great difficulties with the installation of such a material.
Способы изготовления такого "термически стабильного" ПКА-элемента обычно предусматривают изготовление алмазов относительно небольшой плотности, составляющей порядка 80% или менее. Такая низкая плотность алмаза обеспечивает полное выщелачивание, но получаемый готовый элемент обычно обладает относительно низкой ударной вязкостью. Низкая объемная плотность обычно достигается подмешиванием и использованием сравнительно небольших алмазных кристаллов со средним размером частиц приблизительно 15 мкм или меньше. Обычно перед обработкой эти небольшие частицы покрываются катализирующим материалом. Процесс подмешивания обеспечивает наличие больших расстояний между алмазными частицами в готовом продукте, при этом сравнительно небольшая доля площади их наружной поверхности отдается под образование связей между алмазами, которая часто составляет менее 50%, что вносит свой вклад в низкую ударную вязкость.Methods of manufacturing such a “thermally stable" PKA element typically involve the manufacture of diamonds of relatively low density, of the order of 80% or less. Such a low density of diamond provides complete leaching, but the resulting finished element usually has a relatively low impact strength. Low bulk density is usually achieved by mixing and using relatively small diamond crystals with an average particle size of about 15 microns or less. Typically, these small particles are coated with a catalyst material prior to processing. The mixing process ensures the presence of large distances between the diamond particles in the finished product, while a relatively small fraction of their outer surface is devoted to the formation of bonds between diamonds, which is often less than 50%, which contributes to low impact strength.
В этих так называемых "термически стабильных" поликристаллических алмазных компонентах отсутствие подходящей подложки, обеспечивающей образование связей для последующего присоединения к рабочему инструменту, решается несколькими способами. Один такой способ присоединения подложки к "термически стабильной" поликристаллической алмазной таблетке описан в патенте США №4944772, который приводится в данном случае в качестве ссылки. В соответствии с этой технологией сначала изготавливают пористую поликристаллическую алмазную таблетку, а затем она повторно спекается в присутствии катализирующего материала при высоких температурах и под высокими давлениями с запирающим слоем из другого материала, который предотвращает повторную инфильтрацию катализирующего материала через пористую поликристаллическую алмазную таблетку. У получаемого изделия обычно бывает резкий переход между спрессованной таблеткой и запирающим слоем, что создает проблемы, вызываемые концентраций напряжений при эксплуатации.In these so-called "thermally stable" polycrystalline diamond components, the absence of a suitable substrate, which provides the formation of bonds for subsequent attachment to the working tool, is solved in several ways. One such method of attaching a substrate to a “thermally stable" polycrystalline diamond tablet is described in US Pat. No. 4,944,772, which is hereby incorporated by reference. In accordance with this technology, a porous polycrystalline diamond tablet is first made, and then it is re-sintered in the presence of a catalytic material at high temperatures and under high pressures with a blocking layer of another material that prevents re-infiltration of the catalytic material through a porous polycrystalline diamond tablet. The resulting product usually has a sharp transition between the compressed tablet and the locking layer, which creates problems caused by stress concentrations during operation.
В патентах США №№4871377 и 5127923, которые приводятся в данном случае в качестве ссылок, предлагаются другие подобные технологии присоединения подложки к "термически стабильным" поликристаллическим алмазным компонентам. Очевидно, что слабостью всех этих технологий является ослабление связей между алмазами в спрессованной таблетке из поликристаллического алмаза в результате высокой температуры и высокого давления при повторном спекании. Понятно, что это разрушение/разрыв связей обычно также снижает ударную вязкость готового изделия до неприемлемо низкого уровня, который ниже, чем у спрессованной таблетки.In US patent No. 4871377 and 5127923, which are given in this case by reference, other similar technologies are proposed to attach the substrate to the "thermally stable" polycrystalline diamond components. Obviously, the weakness of all these technologies is the weakening of bonds between diamonds in a compressed tablet made of polycrystalline diamond as a result of high temperature and high pressure during repeated sintering. It is understood that this breaking / breaking of bonds usually also reduces the toughness of the finished product to an unacceptably low level, which is lower than that of a compressed tablet.
В другом виде термически стабильного поликристаллического алмаза в качестве катализирующего материала используется кремний. Процесс изготовления поликристаллического алмаза с кремнием в качестве катализирующего материала похож на процесс, описанный выше, за тем лишь исключением, что при температурах и давлениях спекания большая часть кремния вступает в реакцию с образованием карбида кремния, который не является эффективным катализирующим материалом. При этом термостойкость такого элемента несколько выше, но термическая деструкция все равно происходит, так как присутствуют остатки кремния, которые обычно равномерно распределены в межкристаллитной матрице. И снова данный тип ПКА-элемента вызывает проблемы монтажа, так как нет поверхности, с которой можно образовывать соединение.In another form of thermally stable polycrystalline diamond, silicon is used as a catalytic material. The process of making polycrystalline diamond with silicon as a catalytic material is similar to the process described above, with the only exception that at sintering temperatures and pressures, most of the silicon reacts to form silicon carbide, which is not an effective catalytic material. Moreover, the thermal stability of such an element is somewhat higher, but thermal degradation still occurs, since there are silicon residues, which are usually evenly distributed in the intergranular matrix. Again, this type of PCA element causes mounting problems, since there is no surface with which it is possible to form a connection.
Совсем недавно появился еще один тип ПКА, в котором при спекании алмазного порошка в качестве связующего-катализирующего материала используются карбонаты, например порошкообразные карбонаты Mg, Ca, Sr и Ва. ПКА этого типа обычно обладают более высокой износостойкостью и твердостью, чем предыдущие типы ПКА-элементов. Однако массовое производство этого материала затруднено из-за того, что для его спекания требуется более высокое давление, чем то, которое применялось при спекании обычного и термически стойкого поликристаллического алмаза. Одним из результатов этого способа является то, что тело поликристаллического алмаза, полученного таким способом, меньше элементов обычных поликристаллических алмазов. И снова из-за остатков связующего-катализирующего материала в межкристаллитной матрице может происходить термическая деструкция. И снова, так как нет цельной подложки или другой поверхности, с которой можно образовывать соединение, существуют большие трудности с монтажом такого материала на рабочей поверхности.More recently, another type of PKA has appeared, in which, when sintering a diamond powder, carbonates, for example, powdered carbonates Mg, Ca, Sr, and Ba, are used as a binder-catalyzing material. PKAs of this type usually have higher wear resistance and hardness than previous types of PKA-elements. However, the mass production of this material is difficult due to the fact that its sintering requires a higher pressure than that used in the sintering of conventional and thermally stable polycrystalline diamond. One of the results of this method is that the body of the polycrystalline diamond obtained in this way is smaller than the elements of ordinary polycrystalline diamonds. Again, thermal degradation may occur in the intergranular matrix due to residues of the binder-catalyzing material. And again, since there is no solid substrate or other surface with which it is possible to form a joint, there are great difficulties with the installation of such material on the working surface.
По причине низкой ударной вязкости попытки соединения термически стабильных ПКА с системами монтажа с целью использования их повышенной температурной стабильности были не так успешны, как ожидалось. Например, в патентах США №№4726718, 5199832, 5025684, 5238074, 6009963, приведенных в данном случае в качестве ссылок, описаны различные способы монтажа множества элементов ПКА. Хотя многие из этих проектов получили коммерческое распространение, тем не менее они не смогли совместить высокую износостойкость и/или сопротивление истиранию с соответствующей ударной вязкостью ПКА, не обладающих термической стабильностью.Due to the low toughness, attempts to connect thermally stable PKAs with mounting systems in order to use their increased temperature stability were not as successful as expected. For example, US Pat. Nos. 4,726,718, 5,199,832, 5,025,684, 5,238,074, 600,9963, incorporated herein by reference, describe various methods of mounting a plurality of PKA elements. Although many of these projects were commercially available, they were not able to combine the high wear and / or abrasion resistance with the corresponding impact strength of PCA that did not have thermal stability.
В патентах США №№497632, 5213248, 5337844, 5379853, 5496638, 5523121, 5624068, которые приводятся в данном случае в качестве ссылок, описаны другие типы алмазных или алмазоподобных покрытий поверхностей. Такие же покрытия описаны также и в публикации патента Великобритании №2268768, публикации РСТ №96/34131, публикациях EPG №№500253, 787820, 860515 для инструментальных поверхностей, работающих под высокой нагрузкой. В этих публикациях алмазные и/или алмазоподобные покрытия наносятся на поверхности для обеспечения износостойкости и/или эрозионной стойкости.In US patent No. 497632, 5213248, 5337844, 5379853, 5496638, 5523121, 5624068, which are given in this case by reference, other types of diamond or diamond-like surface coatings are described. The same coatings are also described in British Patent Publication No. 2268768, PCT Publication No. 96/34131, EPG Publications No. 500253, 787820, 860515 for tool surfaces operating under high load. In these publications, diamond and / or diamond-like coatings are applied to surfaces to provide wear and / or erosion resistance.
Во многих этих публикациях описаны способы нанесения алмазного или алмазоподобного покрытия с помощью химического осаждения из паровой фазы или конденсации из паровой фазы. Способы химического осаждения из паровой фазы или конденсации из паровой фазы хорошо известны и описаны, например, в патентах США №№5439492, 4707384, 4645977, 4504519, 4486286, которые приводятся в данном случае в качестве ссылок.Many of these publications describe methods for applying a diamond or diamond-like coating by chemical vapor deposition or vapor condensation. Chemical vapor deposition or vapor condensation methods are well known and described, for example, in US Pat. Nos. 5,439,492, 4,707,384, 4,645,977, 4,504,519, 4,486,286, which are hereby incorporated by reference.
Технологии химического осаждения из паровой фазы и/или конденсации из паровой фазы могут применяться для нанесения алмазных или алмазоподобных покрытий на поверхности, например для получения на поверхности наборов плотно упакованных, эпитаксиально ориентированных алмазных кристаллов или других сверхтвердых кристаллов. Хотя эти алмазы из-за их плотной упаковки обладают очень большой плотностью, между отдельными кристаллами алмазов нет сильной связи, что делает их непрочными и подверженными растрескиванию при больших сдвигающих нагрузках. В результате, несмотря на очень большие плотности алмазов, они обладают небольшой механической прочностью, очень малой ударной вязкостью и малым сопротивлением износу при работе в условиях высоких нагрузок в качестве режущих элементов, подшипников, элементов трения и обжимок.Chemical vapor deposition and / or vapor condensation technologies can be used to deposit diamond or diamond-like coatings on a surface, for example, to produce sets of tightly packed, epitaxially oriented diamond crystals or other superhard crystals on the surface. Although these diamonds are very dense due to their tight packing, there is no strong bond between the individual diamond crystals, which makes them fragile and prone to cracking under high shear loads. As a result, despite the very high density of diamonds, they have low mechanical strength, very low impact strength and low wear resistance when working under high loads as cutting elements, bearings, friction elements and crimps.
С целью повышения прочности и износостойкости этих алмазных или алмазоподобных покрытий применялись подложки из карбида вольфрама с последующей обработкой их под высоким давлением и при высоких температурах, что описано в патентах США №№5264283, 5496638, 5624068, которые приводятся в данном случае в качестве ссылок. Хотя этот тип обработки может повысить износостойкость алмазного слоя, резкий переход от высокоплотного алмазного покрытия к подложке делает алмазный слой на границе раздела чувствительным к трещинообразованию при очень малых остаточных деформациях, как это рассмотрено выше при обсуждении композитных структур с запирающим слоем. Это также приводит к снижению эксплуатационной прочности и ударной вязкости.In order to increase the strength and wear resistance of these diamond or diamond-like coatings, tungsten carbide substrates were used, followed by processing them under high pressure and at high temperatures, as described in US Patent Nos. 5,264,283, 5,496,638, 5,624,068, which are incorporated herein by reference. Although this type of processing can increase the wear resistance of the diamond layer, the abrupt transition from a high-density diamond coating to the substrate makes the diamond layer at the interface susceptible to cracking at very small residual strains, as discussed above when discussing composite structures with a barrier layer. This also leads to a decrease in operational strength and toughness.
Если в качестве пары трения используются ПКА-элементы, изготовленные из кобальта или другого связующего-катализирующего металла VIII группы, то, как оказалось, при использовании коэффициент трения увеличивается. Как описано в патенте США №5560716, который приводится в данном случае в качестве ссылочного материала, и в европейском патенте №617207, было обнаружено, что удаление с поверхности ПКА-элемента, составляющего часть подшипника (с помощью протирки соляной кислотой), пленки трения, обогащенной кобальтом, толщина которой в процессе эксплуатации постепенно увеличивается, снижает остроту этой проблемы. Очевидно, что при эксплуатации кобальт мигрирует с поверхности ПКА в зону нагружения подшипника, увеличивая тем самым трение между ПКА-элементами, применяющимися в качестве пары трения. Очевидно также, что источником этого кобальта может быть оставшийся побочный продукт чистовой обработки элементов пар трения, так как протирка поверхности кислотой не может эффективно удалять кобальт на большой глубине.If PKA elements made of cobalt or another binder-catalyzing metal of group VIII are used as a friction pair, then, as it turned out, when using the friction coefficient increases. As described in US patent No. 5560716, which is given in this case as a reference material, and in European patent No. 617207, it was found that the removal of the friction film from the surface of the PCA element that forms part of the bearing (by rubbing with hydrochloric acid), enriched in cobalt, the thickness of which gradually increases during operation, reduces the severity of this problem. It is obvious that during operation, cobalt migrates from the surface of the PCA to the bearing loading zone, thereby increasing friction between the PCA elements used as a friction pair. It is also obvious that the source of this cobalt may be the remaining by-product of the finishing of elements of friction pairs, since rubbing the surface with acid cannot effectively remove cobalt at great depths.
Так как кобальт удаляется только с поверхности ПКА, то температуры, при которых происходит термическая деструкция этих пар трения, существенно не меняются. Поэтому вредное влияние связующего-катализирующего материала не прекращается, и присутствие катализирующего материала продолжает способствовать термической деструкции алмазного слоя.Since cobalt is removed only from the surface of the PCA, the temperatures at which the thermal destruction of these friction pairs occur do not significantly change. Therefore, the harmful effect of the binder-catalyzing material does not stop, and the presence of the catalyzing material continues to contribute to the thermal degradation of the diamond layer.
Краткое изложение сущности изобретенияSummary of the invention
В настоящем изобретении предлагается сверхтвердый поликристаллический алмазный или алмазоподобный элемент со значительно более высокой износостойкостью без потери ударной вязкости. Называемые в настоящем описании ПКА-элементами эти элементы изготавливаются с использованием связующего-катализирующего материала при высокой температуре и под высоким давлением. ПКА-элемент состоит из множества частично связанных между собой алмазов или алмазоподобных элементов, образующих тело непрерывной алмазной матрицы с объемной плотностью алмазов более 85%. Межкристаллитные зоны, расположенные между алмазными кристаллами, образуют непрерывную межкристаллитную матрицу, в состав которой входит катализирующий материал. Формируется пластина алмазной матрицы и с применением высоких температур и высокого давления эта пластина соединяется с подложкой, содержащей катализирующий материал. У тела алмазной матрицы есть рабочая поверхность, при этом часть межкристаллитной матрицы тела, расположенная в непосредственной близости от рабочей поверхности, в значительной степени свободна от катализирующего материала, в то время как в остальной части межкристаллитной матрицы катализирующий материал присутствует. Обычно менее 70% тела пластины алмазной матрицы свободно от катализирующего материала.The present invention provides a superhard polycrystalline diamond or diamond-like element with significantly higher wear resistance without loss of toughness. Called in the present description, PKA elements, these elements are manufactured using a binder-catalyzing material at high temperature and high pressure. A PKA element consists of many partially interconnected diamonds or diamond-like elements forming the body of a continuous diamond matrix with a bulk density of diamonds of more than 85%. The intergranular zones located between the diamond crystals form a continuous intergranular matrix, which includes the catalyst material. A diamond matrix plate is formed and, using high temperatures and high pressure, this plate is connected to a substrate containing a catalytic material. The body of the diamond matrix has a working surface, while a part of the intergranular matrix of the body located in the immediate vicinity of the working surface is substantially free of catalytic material, while in the rest of the intercrystalline matrix, the catalytic material is present. Typically, less than 70% of the body of the diamond matrix plate is free of catalytic material.
Рабочая поверхность, которая в значительной степени свободна от катализирующего материала, не подвержена термической деструкции, происходящей в других зонах рабочей поверхности, что обеспечивает повышенную износостойкость без потери ударной вязкости. В качестве обработанной рабочей поверхности режущих элементов может использоваться часть наружной пластины тела, часть периферийной поверхности тела, или части всех этих поверхностей.The working surface, which is largely free of catalytic material, is not subject to thermal degradation occurring in other areas of the working surface, which provides increased wear resistance without loss of impact strength. A part of the outer plate of the body, a part of the peripheral surface of the body, or a part of all of these surfaces can be used as the treated working surface of the cutting elements.
В соответствии с другим вариантом осуществления настоящего изобретения в качестве катализирующего материала используется кобальт или другой элемент группы железа, а в качестве способа обеднения катализирующим материалом используется его выщелачивание из межкристаллитных зон в области, граничащей с поверхностью ПКА-элемента, с использованием технологии травления кислотой. Считается, что с целью удаления катализирующего материала из приповерхностной зоны может также применяться электрический разряд или другой электрический, или гальванический процесс, или выпаривание.In accordance with another embodiment of the present invention, cobalt or another element of the iron group is used as the catalytic material, and leaching from the intergranular zones in the region adjacent to the surface of the PCA element using acid etching technology is used as a depletion of the catalytic material. It is believed that in order to remove the catalyst material from the near-surface zone, an electric discharge or other electrical or galvanic process or evaporation can also be used.
Описан еще один способ изготовления ПКА-элемента, включающего тело, выполненное заодно с металлсодержащей подложкой, при этом в состав тела входят алмазные кристаллы и катализирующий материал. С целью освобождения объема тела от катализирующего материала выполняется его обработка, при этом в некоторых зонах тела катализирующий материал остается, а подложка, по существу, не подвергается обработке.Another method for manufacturing a PCA element is described, including a body made integrally with a metal-containing substrate, while the body includes diamond crystals and a catalytic material. In order to free the body volume from the catalytic material, its processing is carried out, while in some areas of the body the catalytic material remains, and the substrate is essentially not subjected to processing.
Описан элемент, включающий тело, в состав которого входит множество частично связанных между собой алмазных кристаллов, катализирующий материал, межкристаллитная матрица; у тела есть рабочая поверхность. Межкристаллитная матрица тела в непосредственной близости от рабочей поверхности в значительной степени свободна от катализирующего материала, в то время как в остальной части межкристаллитной матрицы катализирующий материал присутствует.An element is described that includes a body, which includes many partially interconnected diamond crystals, a catalytic material, an intergranular matrix; the body has a work surface. The intergranular matrix of the body in the immediate vicinity of the working surface is substantially free of catalytic material, while in the rest of the intergranular matrix, the catalyst material is present.
Описан также ПКА-элемент с телом, включающим катализирующий материал, межкристаллитную матрицу и рабочую поверхность. Межкристаллитная матрица тела в непосредственной близости от рабочей поверхности в значительной степени свободна от катализирующего материала, в то время как в остальной части межкристаллитной матрицы катализирующий материал присутствует.A PCA element with a body including a catalytic material, an intergranular matrix, and a working surface is also described. The intergranular matrix of the body in the immediate vicinity of the working surface is substantially free of catalytic material, while in the rest of the intergranular matrix, the catalyst material is present.
Кроме того, описан ПКА-элемент, включающий тело с рабочей поверхностью. Первый объем тела, удаленный от рабочей поверхности, включает катализирующий материал, а второй объем тела в зоне, примыкающей к рабочей поверхности, в значительной степени свободен от катализирующего материала.In addition, a PCA element is described comprising a body with a working surface. The first body volume remote from the working surface includes catalytic material, and the second body volume in the area adjacent to the working surface is substantially free of catalytic material.
Описан также ПКА-элемент, содержащий алмаз, составляющий тело, выполненное заодно с металлсодержащей подложкой. Тело включает межкристаллитную матрицу, а объемная плотность алмазов составляет 85%. Межкристаллитная матрица тела в непосредственной близости от рабочей поверхности в значительной степени свободна от катализирующего материала, а межкристаллитные зоны в месте контакта тела с подложкой содержат катализирующий материал и их средняя толщина составляет более 0,15 мм.Also described is a PCA element containing diamond constituting a body made integrally with a metal-containing substrate. The body includes an intergranular matrix, and the bulk density of diamonds is 85%. The intergranular matrix of the body in the immediate vicinity of the working surface is substantially free of catalytic material, and the intergranular zones at the point of contact of the body with the substrate contain catalytic material and their average thickness is more than 0.15 mm.
Кроме того, описан ПКА-элемент, включающий тело, состоящее из связанных между собой алмазов, у которого имеется рабочая поверхность, выполненная заодно с металлсодержащей подложкой. Объемная плотность алмазов в теле составляет не менее 85%. Первый объем тела, удаленный от рабочей поверхности, содержит катализирующий материал, а второй объем тела, расположенный в непосредственной близости от рабочей поверхности, в значительной степени свободен от катализирующего материала.In addition, a PCA element is described, including a body consisting of diamonds bonded together, which has a working surface made integrally with a metal-containing substrate. The bulk density of diamonds in the body is at least 85%. The first body volume, remote from the working surface, contains catalytic material, and the second body volume, located in the immediate vicinity of the working surface, is substantially free of catalytic material.
Описан также ПКА-элемент, включающий тело, выполненное заодно с металлсодержащей подложкой. Тело включает множество связанных между собой алмазных кристаллов, у которых есть поверхности, и катализирующий материал. Объемная плотность алмазов в теле составляет не менее 85%. Не менее 30% алмазов тела находятся в контакте с катализирующим материалом, а поверхности большинства остальных кристаллов, расположенных на расстоянии не менее 0,1 мм вглубь рабочей поверхности, в значительной степени свободны от катализирующего материала.A PKA element is also described, including a body made integrally with a metal-containing substrate. The body includes many interconnected diamond crystals that have surfaces, and a catalytic material. The bulk density of diamonds in the body is at least 85%. At least 30% of the body diamonds are in contact with the catalytic material, and the surfaces of most other crystals located at least 0.1 mm deep into the working surface are substantially free of catalytic material.
Кроме того, описан спрессованный в таблетку режущий элемент. У режущего элемента есть тело из сверхтвердого поликристаллического материала, в состав которого входит множество связанных между собой сверхтвердых кристаллов, выполненных заодно с металлсодержащей подложкой, множество межкристаллитных зон, расположенных между сверхтвердыми кристаллами, и катализирующий материал. У тела есть режущая поверхность, а объемная плотность алмазов в теле составляет не менее 8 5%. Межкристаллитные зоны, расположенные в непосредственной близости хотя бы от части режущей поверхности, в значительной степени свободны от катализирующего материала, и не менее 30% остальных межкристаллитных зон содержат катализирующий материал.In addition, a tablet-shaped cutting element is described. The cutting element has a body of superhard polycrystalline material, which includes many interconnected superhard crystals, made integrally with a metal-containing substrate, many intercrystalline zones located between superhard crystals, and a catalytic material. The body has a cutting surface, and the bulk density of diamonds in the body is at least 8 5%. Intergranular zones located in close proximity to at least part of the cutting surface are substantially free of catalytic material, and at least 30% of the remaining intergranular zones contain catalytic material.
ПКА-элементы по настоящему изобретению могут использоваться в условиях трения, резки, волочения и в других случаях, когда требуются технические сверхтвердые алмазные поверхности. В частности, они могут использоваться в качестве режущих элементов вращающегося бурового долота с неподвижными или шарошечными резцами, в качестве обжимки, радиатора, подшипников скольжения, поверхностей трубопроводной арматуры, инденторов, инструментальных оправок и т.п. ПКА-элементы по настоящему изобретению могут использоваться для абразивной обработки деревянных изделий, черных и цветных материалов, а также для обработки очень твердых или абразивных технических материалов типа камня, асфальта и т.п.PKA elements of the present invention can be used in conditions of friction, cutting, drawing and in other cases where technical superhard diamond surfaces are required. In particular, they can be used as cutting elements of a rotating drill bit with fixed or cone cutters, as crimps, a radiator, sliding bearings, surfaces of pipe fittings, indenters, toolholders, etc. PKA elements of the present invention can be used for abrasive processing of wooden products, black and non-ferrous materials, as well as for the processing of very hard or abrasive technical materials such as stone, asphalt, etc.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙBRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS
На фигуре 1А изображен типичный ПКА-элемент по настоящему изобретению. На фигуре 1В изображен типичный ПКА-элемент по настоящему изобретению, используемый в качестве режущего элемента.Figure 1A shows a typical PKA element of the present invention. Figure 1B shows a typical PKA element of the present invention, used as a cutting element.
На фигуре 2 изображен вид сбоку на лопастное долото, в котором использованы ПКА-элементы по настоящему изобретению.The figure 2 shows a side view of a blade chisel, which uses the PCA elements of the present invention.
На фигуре 3 изображен перспективный вид на шарошечное долото, в котором использованы ПКА-элементы по настоящему изобретению.Figure 3 shows a perspective view of a roller cone bit using the PKA elements of the present invention.
На фигуре 4 изображен перспективный вид на вставку с ПКА-элементами по настоящему изобретению, которая применяется при механической обработке на станках.The figure 4 shows a perspective view of the insert with the PCA elements of the present invention, which is used for machining on machines.
На фигуре 5 изображен перспективный вид полусферического ПКА-элемента для применения в шарошечных и лопастных буровых долотах.The figure 5 shows a perspective view of a hemispherical PKA element for use in roller cone and vane drill bits.
На фигуре 6 изображен микрофотоснимок поверхности ПКА-элемента предшествующего уровня техники, на котором показан связующий-катализирующий материал в межкристаллитных зонах.The figure 6 shows a microphotograph of the surface of a PCA element of the prior art, which shows a binder-catalyzing material in the intergranular zones.
На фигуре 7 изображен микрофотоснимок поверхности ПКА-элемента по настоящему изобретению, на котором показаны первая часть с катализирующим материалом в межкристаллитных зонах и вторая часть без катализирующего материала в межкристаллитных зонах.The figure 7 shows a micrograph of the surface of the PCA element of the present invention, which shows the first part with a catalytic material in the intergranular zones and the second part without a catalytic material in the intergranular zones.
На фигуре 8 изображена микроструктура ПКА-элемента предшествующего уровня техники, на которой изображены связанные между собой кристаллы алмазов с межкристаллитными зонами и кристаллографическая ориентация отдельных кристаллов.The figure 8 shows the microstructure of a PCA element of the prior art, which shows interconnected diamond crystals with intercrystalline zones and the crystallographic orientation of individual crystals.
На фигуре 9 изображена микроструктура ПКА-элемента по настоящему изобретению в соответствии с фигурой 7, на которой показана глубина зоны, свободной от катализирующего материала по отношению к поверхности ПКА-элемента.Figure 9 shows the microstructure of the PCA element of the present invention in accordance with Figure 7, which shows the depth of the zone free of catalytic material with respect to the surface of the PCA element.
На фигуре 10 изображена кривая показателей относительного износа нескольких примеров ПКА-элементов по настоящему изобретению.Figure 10 shows a relative wear curve of several examples of PKA elements of the present invention.
На фигуре 11А изображен вид спереди на вариант ПКА-элемента по настоящему изобретению.Figure 11A is a front view of a variant of the PCA element of the present invention.
На фигуре 11В изображено сечение другого варианта ПКА-элемента по настоящему изобретению.Figure 11B is a sectional view of another embodiment of a PCA element of the present invention.
На фигуре 11С изображено сечение еще одного варианта ПКА-элемента по настоящему изобретению.11C is a cross-sectional view of yet another embodiment of a PCA element of the present invention.
На фигуре 12А изображен перспективный вид на поверхность с покрытием, полученным путем химического осаждения из паровой фазы или конденсации из паровой фазы, для другого варианта ПКА-элемента по настоящему изобретению.12A is a perspective view of a coated surface obtained by chemical vapor deposition or vapor condensation for another embodiment of the PCA element of the present invention.
На фигуре 12В изображен перспективный вид увеличенной кристаллической структуры варианта ПКА-элемента по настоящему изобретению в соответствии с фигурой 12А.Figure 12B is a perspective view of an enlarged crystal structure of a variant of the PCA element of the present invention in accordance with Figure 12A.
На фигуре 13 изображено сечение волоки для волочения проволоки с ПКА-элементом по настоящему изобретению.The figure 13 shows a cross-section of a die for wire drawing with the PCA element of the present invention.
На фигуре 14 изображен перспективный вид радиатора с ПКА-элементом по настоящему изобретению.Figure 14 is a perspective view of a radiator with a PCA element of the present invention.
На фигуре 15 изображен перспективный вид подшипника с ПКА-элементом по настоящему изобретению.15 is a perspective view of a bearing with a PCA element of the present invention.
На фигурах 16А и 16В изображен вид спереди сопрягающихся частей трубопроводной арматуры с ПКА-элементом по настоящему изобретению.Figures 16A and 16B show a front view of the mating parts of the pipe fitting with the PCA element of the present invention.
На фигуре 17А изображен вид сбоку на индентор с ПКА-элементом по настоящему изобретению.17A is a side view of an indenter with a PCA element of the present invention.
На фигуре 17В изображен разрез пробойника с ПКА-элементом по настоящему изобретению.Figure 17B shows a section of a punch with a PKA element of the present invention.
На фигуре 18 изображен перспективный вид на измерительное устройство с ПКА-элементом по настоящему изобретению.Figure 18 shows a perspective view of a measuring device with a PCA element of the present invention.
На фигуре 19 изображена зависимость сопротивления абразивному изнашиванию от ударной вязкости режущих элементов предшествующего уровня техники в сравнении с зависимостью для режущего элемента по настоящему изобретению.The figure 19 shows the dependence of the resistance to abrasion on the toughness of the cutting elements of the prior art in comparison with the dependence for the cutting element of the present invention.
ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ НАСТОЯЩЕГО ИЗОБРЕТЕНИЯ И ПРЕДПОЧТИТЕЛЬНЫХ ВАРИАНТОВ НАСТОЯЩЕГО ИЗОБРЕТЕНИЯDETAILED DESCRIPTION OF THE PRESENT INVENTION AND PREFERRED EMBODIMENTS OF THE PRESENT INVENTION
На фигуре 1А показан элемент 2 из поликристаллического алмаза или алмазоподобного (ПКА) материала по настоящему изобретению. ПКА-элемент 2 включает множество частично связанных между собой сверхтвердых, алмазных или алмазоподобных кристаллов 60 (фигуры 7 и 9), катализирующий материал 64 и межкристаллитную матрицу 68, состоящую из межкристаллитных зон 62, расположенных между кристаллами 60. Элемент 2 также включает одну рабочую поверхность или две рабочие поверхности 4, а алмазные кристаллы 60 и межкристаллитные зоны 62 образуют объем тела 8 ПКА-элемента 2. Желательно, чтобы элемент 2 выполнялся заодно с металлсодержащей подложкой 6, которая обычно выполняется из карбида вольфрама, с кобальтом в качестве связующего. Для обеспечения эффективного использования при абразивном износе объемная плотность алмазов в теле 8 должна быть больше 85%, но лучше, чтобы эта величина была больше 90%.Figure 1A shows an
Рабочей поверхностью 4 является любая часть ПКА-тела 8, которая при эксплуатации может вступать в контакт с обрабатываемым объектом. При рассмотрении рабочей поверхности 4 в данном описании понимается, что она наносится на любую часть тела 8, на которую может оказываться воздействие и/или которая может использоваться в качестве рабочей поверхности. Кроме того, любая часть любой рабочей поверхности 4 сама по себе является рабочей поверхностью.The working
При изготовлении в условиях высоких температур и высоких давлений межкристаллитные зоны 62, расположенные между кристаллами 60, заполняются катализирующим материалом 64 с последующим образованием связей между кристаллами 60. На следующем этапе изготовления некоторые межкристаллитные зоны 62 выборочно обедняются катализирующим материалом 64. В результате получается так, что первый объем тела 8 ПКА-элемента 1, удаленный от рабочей поверхности 4, включает катализирующий материал 64, а второй объем тела 8, расположенный в непосредственной близости от поверхности 4, в значительной степени свободен от катализирующего материала 64. Межкристаллитные зоны 62, которые в значительной степени свободны от катализирующего материала 64, обозначены позицией 66.In the manufacture at high temperatures and high pressures, the
Таким образом, межкристаллитная матрица 68 тела 8, расположенная в непосредственной близости хотя бы от части рабочей поверхности 4, в значительной степени свободна от катализирующего материала 64, а остальная часть межкристаллитной матрицы 68 содержит катализирующий материал 64. Как отмечалось ранее, ПКА-элемент 2 с помощью высоких температур и высоких давлений может соединяться с подложкой 6, изготовленной из менее твердого материала, обычно из спеченного карбида вольфрама, но использование подложки 6 не является обязательным.Thus, the intergranular matrix 68 of the body 8, located in close proximity to at least part of the working
Так как тело в непосредственной близости от рабочей поверхности 4 в значительной степени свободно от катализирующего материала 64, отрицательное влияние связующего-катализирующего материала 64 в значительной степени уменьшается, что обеспечивает устранение термической деструкции рабочей поверхности 4, вызванной наличием катализирующего материала 64. В результате получается новый ПКА-элемент 2 с улучшенными термическими свойствами, приближающимися к термическим свойствам так называемых термически стабильных ПКА-элементов при сохранении прочности, технологии изготовления и способности образовывать связи, присущих традиционным поликристаллическим алмазным компактным элементам (ПАК-элементам). Это обеспечивает более высокую износостойкость при резании, более высокую теплоотдачу при использовании ПКА в качестве радиаторов, более высокую несущую способность при использовании ПКА в качестве подшипников, уменьшает разрушение поверхности при использовании ПКА в трубопроводной арматуре. Имеются преимущества при использовании ПКА и в других случаях, включая использование в качестве обжимок, инденторов, инструментальных оправок и элементов трения. Эти преимущества достигаются без потери ударной вязкости элемента. Ниже применение новых ПКА-элементов 2 рассматривается более подробно.Since the body in the immediate vicinity of the working
Обратимся теперь к микрофотоснимоку ПКА-элемента предшествующего уровня техники на фигуре 6, а также к микроструктуре ПКА-элемента предшествующего уровня техники по фигуре 8, из которых видна случайная кристаллографическая ориентация алмазных или алмазоподобных кристаллов 60, что видно из параллельных линий, представляющих плоскости спайности каждого кристалла 60. Как видно, соседние кристаллы 60 связаны друг с другом расположенными между ними межкристаллитными зонами 62. Так как плоскости спайности соседних кристаллов 60 ориентированы в различных направлениях, то нет прямой траектории, по которой может произойти разлом алмаза. Такая структура позволяет ПКА-материалам выдерживать экстремальные нагрузки с большими ударными нагрузками.We now turn to the micrograph of the PCA element of the prior art in figure 6, as well as the microstructure of the PCA element of the prior art in figure 8, from which the random crystallographic orientation of diamond or diamond-
В процессе связывания кристаллов 60 в прессе при высокой температуре и давлении межкристаллитные зоны 62, расположенные между кристаллами 60, заполняются связующим-катализирующим материалом 64. Именно катализирующий материал 64 обеспечивает связывание соседних алмазных кристаллов 60 при сравнительно низких давлениях и температурах в прессе.In the process of bonding the
ПКА-элемент предшествующего уровня техники имеет хотя бы одну непрерывную матрицу кристаллов 60, связанных друг с другом межкристаллитными зонами 62, содержащими связующий-катализирующий материал 64, обычно кобальт или другой элемент группы VIII. Кристаллы 60 составляют первую непрерывную матрицу алмазов, а межкристаллитные зоны 62 образуют вторую непрерывную матрицу межкристаллитных зон 62, известную как межкристаллитная матрица 68, содержащую связующий-катализирующий материал. Кроме того, необходимо, чтобы сравнительно небольшие зоны для обеспечения роста алмазов включали связующий-катализирующий материал. Эти островки не являются частью непрерывной межкристаллитной матрицы 68 связующего-катализирующего материала 64.The PCA element of the prior art has at least one continuous matrix of
На фигурах 7 и 9 показано сечение ПКА-элемента 2 по настоящему изобретению. ПКА-элемент 2 может быть образован таким же образом, что и ПКА-элементы предшествующего уровня техники. В соответствии с предпочтительным вариантом изобретения в процессе изготовления сразу после операции предварительной очистки или в любое другое время после этой операции рабочая поверхность 4, 70, 72 ПКА-элемента 2 обрабатывается таким образом, что из тела удаляется часть связующего-катализирующего материала. В результате этого межкристаллитные зоны 62, расположенные между алмазными кристаллами 60 в непосредственной близости от рабочей поверхности, становятся в значительной степени свободными от катализирующего материала 64, обозначенного позицией 66. Часть рабочей поверхности 4, 70, 72, которая свободна от катализирующего материала 64, не подвержена термической деструкции, встречающейся в других зонах ПКА, что обеспечивает улучшенные термические характеристики.In figures 7 and 9 shows a cross section of the
Средняя объемная плотность алмазов в теле 8 ПКА-элемента 2 по настоящему изобретению находится в пределах от 85 до 99%. Высокая объемная плотность алмазов достигается при использовании алмазных кристаллов 60 со средними размерами частиц от 30 до 60 мкм. Обычно смесь алмазов может включать от 20 до 60% алмазных кристаллов 60 размером 5-15 мкм, от 20 до 40% алмазных кристаллов 60 размером 25-40 мкм, и от 20 до 40% алмазных кристаллов 60 размером 50-80 мкм в диаметре, хотя могут использоваться и другие размерные диапазоны частиц. Смесь больших и малых алмазных кристаллов 60 позволяет алмазным кристаллам 60 отдавать сравнительно большую долю их поверхности, часто достигающей 95%, обеспечению связей между алмазами, что вносит свой вклад в относительно высокое относительное сопротивление истиранию.The average bulk density of diamonds in body 8 of the
Существует много способов удаления катализирующего материала 64 из межкристаллитных зон 62 или уменьшения его содержания в этих зонах. В соответствии с одним из способов катализирующим материалом 64 является кобальт или другой материал группы железа, а способом удаления катализирующего материала 64 является его выщелачивание из межкристаллитных зон 62 в зоне, прилегающей к рабочей поверхности 4, 70, 72 ПКА-элемента 2, с помощью технологии травления кислотой на глубину больше приблизительно 0,2 мм. Для удаления катализирующего материала 64 из приповерхностной зоны может применяться электрический разряд, или другая электрическая или гальваническая технология, или выпаривание.There are many ways to remove the
В соответствии с другим способом снижения содержания катализирующего материала 64 в межкристаллитных зонах 62 снижение содержания катализирующего материала 64 осуществляется путем образования химического соединения, например, сплавлением с другим материалом, чтобы он больше не являлся катализирующим материалом. В соответствии с этим способом материал может оставаться в межкристаллитных зонах между алмазными кристаллами 60, но этот материал больше не является катализирующим материалом 64, что соответствует его эффективному удалению.According to another method for reducing the content of the
В соответствии с еще одним способом снижения содержания катализирующего материала 64 в межкристаллитных зонах 62 катализирующий материал 64 удаляется путем его преобразования в такой материал, который больше не является катализирующим материалом. Этого можно добиться изменением кристаллической структуры, фазовым превращением, механической обработкой, термической обработкой или с помощью других способов обработки. Такой способ можно применять к неметаллическим или химически неактивным катализирующим материалам. Кроме того, материал может оставаться в межкристаллитных зонах 62 между алмазными кристаллами, но этот материал больше не является катализирующим материалом 64, что соответствует его эффективному удалению.According to yet another method for reducing the content of the
Как только катализирующий материал 64 в непосредственной близости от рабочей поверхности 4, 70, 72 теряет свою эффективность, ПКА-элемент 2 по настоящему изобретению теряет свою чувствительность к термической десктрукции, которая, как известно, происходит в ПКА-элементах предшествующего уровня техники. Как описано выше, существуют два режима термической деструкции, которые, как известно, вызываются катализирующим материалом 64. Первый режим термической деструкции начинается при температурах приблизительно 400°С и происходит в результате разницы теплового расширения связующего-катализирующего материала 64 в межкристаллитных зонах 62 и кристаллов 60. После достаточного расширения связи между алмазами могут нарушаться и могут происходить растрескивания и сколы.As soon as the
Второй режим термической деструкции начинается при температурах приблизительно 750°С. Этот режим вызван катализирующей способностью связующего-катализирующего материала 64, вступающего в реакцию с кристаллом 60, и приводит к графитизации кристалла 60 по мере приближения температуры к 750°С. По мере графитизации кристаллов 60 они резко увеличиваются в объеме, что приводит к растрескиванию и потере связей с телом 4. Даже наличие катализирующего материала 64 толщиной несколько мкм на поверхностях алмазных кристаллов 60 может вызвать этот режим термической деструкции.The second regime of thermal degradation begins at temperatures of approximately 750 ° C. This mode is caused by the catalytic ability of the binder-
Специалисты должны понимать, что в оптимальном варианте катализирующий материал 64 должен удаляться из межкристаллитной зоны 62, расположенной между алмазными кристаллами 60, а также с поверхностей алмазных кристаллов 60. Если катализирующий материал 60 удаляется как с поверхностей алмазных кристаллов 60, так и из межкристаллитных зон, то термическая деструкция алмазных кристаллов 60 в этой области начинается только по достижении 1200°С.Those skilled in the art will appreciate that, optimally, the
Однако этот режим двойной деструкции приводит к получению некоторых неожиданных преимуществ. Например, во многих случаях необходимо рассчитывать скорость износа рабочей поверхности. В соответствии с настоящим изобретением это можно выполнить путем изменения технологии обработки таким образом, что в областях, в которых необходима максимальная износостойкость, содержание катализирующего материала снижается как в межкристаллитных зонах 62, так и на поверхностях алмазных кристаллов 60. А в тех областях, где требуется менее высокая износостойкость, например в случае с самозатачивающимся инструментом, эти области обрабатываются так, что содержание катализирующего материала 64 снижается в первую очередь в межкристаллитных зонах 62, но при этом некоторые или все алмазные кристаллы 60 остаются в контакте с катализирующим материалом.However, this double destruction mode leads to some unexpected advantages. For example, in many cases it is necessary to calculate the wear rate of the work surface. In accordance with the present invention, this can be done by changing the processing technology so that in areas where maximum wear resistance is required, the content of the catalyst material decreases both in the
Очевидно также, что более трудно удалять катализирующий материал 64 с поверхностей алмазных кристаллов 60, чем из межкристаллитных зон 62. По этой причине в зависимости от способа снижения содержания катализирующего материала с целью снижения термической деструкции глубина, на которую происходит обеднение данной области катализирующим материалом 64, считая от рабочей поверхности 4, может меняться в зависимости от способа снижения содержания катализирующего материала 64.It is also obvious that it is more difficult to remove the
В некоторых случаях повышение теплового порога приблизительно до 400°С, но менее 750°С является эквивалентным по своему воздействию и поэтому можно применять менее интенсивные технологии снижения содержания катализирующего материала 64. Вследствие этого следует понимать, что для обеспечения требуемого уровня обеднения данной области катализирующим материалом 64 можно сочетать самые разные способы снижения содержания катализирующего материала 64.In some cases, raising the heat threshold to about 400 ° C, but less than 750 ° C is equivalent in its effect, and therefore less intensive technologies for reducing the content of
При использовании в данном описании выражения "в значительной степени свободный от" применительно к катализирующему материалу 64 в межкристаллитных зонах 62, межкристаллитной матрице 68 или объеме тела 8 следует понимать, что многие, если не все, поверхности соседних алмазных кристаллов 60 могут быть покрыты катализирующим материалом 64. Более того, при использовании выражения "в значительной степени свободный от" применительно к катализирующему материалу 64 на поверхностях алмазных кристаллов 60 катализирующий материал 64 может еще оставаться в соседних межкристаллитных зонах 62.When used in this description, the expression "substantially free from" with respect to the
При удалении или снижении содержания катализирующего материала 64 больше не работают два основных механизма термической деструкции. Однако было обнаружено, что катализирующий материал 64 следует удалять на достаточную глубину с отводом тепла, вырабатываемого в результате теплообразования, от связанных кристаллов 60 из зон присутствия катализирующего материала 64 до уровня, обеспечивающего температуру ниже температуры деструкции кристаллов 60.When removing or reducing the content of the
В одной серии лабораторных испытаний ПКА-элементу 2, выполненному в виде режущего элемента 10, сообщалось тепло. Так как эти испытания планировались как стандартные испытания на износ этих режущих элементов, то было обеспеченно сравнение режущих элементов 10 с разной глубиной удаления катализирующего материала 64. В этих испытаниях обращалось внимание на удаление катализирующего материала 64 как из межкристаллитных зон 62, так и с поверхностей алмазных кристаллов 60. Испытание планировалось таким образом, что в течение определенного времени периодически на режущую кромку режущего ПКА-элемента 10 подавалось тепло.In one series of laboratory tests, the
После завершения испытаний рассчитывался показатель износа. Чем выше показатель износа, тем лучше износостойкость. По характеру испытаний предполагалось, что увеличение показателя износа означает увеличение сопротивления термической деструкции рабочей поверхности 70, 72 режущего элемента 10.After completion of the tests, the wear indicator was calculated. The higher the wear rate, the better the wear resistance. According to the nature of the tests, it was assumed that an increase in the wear indicator means an increase in the resistance to thermal destruction of the working
Как видно по кривой А (фигура 10), если глубина удаления катализирующего материала 64 достигает 0,1 мм, то наблюдается резкое увеличение показателя износа режущих элементов 10. Поэтому при обычном подводе тепла к режущим элементам 10 глубина 0,1 мм является критической глубиной удаления катализирующего материала с рабочей поверхности 4, 70, 72, если катализирующий материал 64 удаляется как из межкристаллитных зон 62, так и с поверхностей алмазных кристаллов 60.As can be seen from curve A (figure 10), if the depth of removal of the
Кривая В (фигура 10) демонстрирует зависимость износа от глубины удаления в других испытаниях режущих элементов 10, изготовленных с использованием более экономичной технологии удаления катализирующего материала 64. Технология удаления катализирующего материала 64, примененная при изготовлении этих режущих элементов, не была столь эффективной при удалении катализирующего материала 64 с поверхностей алмазных кристаллов 60, как технология, обеспечивающая результаты, продемонстрированные на кривой А. Поэтому результат, подобный результату, показанному на кривой А, может быть достигнут только тогда, когда катализирующий материал 64 будет удален из межкристаллитной зоны 62 на глубину приблизительно 0,2 мм. Было обнаружено, что ударная вязкость этих режущих элементов 10 не отличалась значительно от ударной вязкости необработанных элементов.Curve B (figure 10) shows the dependence of wear on the depth of removal in other tests of the cutting
Обратимся теперь к фигуре 19, на которой наглядно продемонстрировано повышение износостойкости при сохранении ударной вязкости; хорошо известна типичная зависимость ударной вязкости от сопротивления абразивному износу, полученная для режущих элементов предшествующего уровня техники и изображенная в виде зависимости W. Точка Р на графике показывает свойства режущего элемента по настоящему изобретению. Как видно, точка Р лежит в верхнем правом углу графика, что говорит о существенном и последовательном повышении износостойкости режущих элементов при сохранении ударной вязкости.We turn now to figure 19, which clearly demonstrates the increase in wear resistance while maintaining toughness; the typical dependence of toughness on abrasion resistance obtained for cutting elements of the prior art and shown as a dependence of W. is well known. Point P in the graph shows the properties of the cutting element of the present invention. As you can see, the point P lies in the upper right corner of the graph, which indicates a significant and consistent increase in the wear resistance of the cutting elements while maintaining the toughness.
Очевидно, что к ПКА-элементам 2 может быть применена зависимость С (фигура 10), по которой можно определить термическую деструкцию в зависимости от интенсивности изнашивания. Например, может потребоваться, чтобы кромки имеющих кривизну режущих элементов 10, удаленные от центра контакта, изнашивались быстрее, чем центральная точка. Это обеспечит сохранение кривизны режущего элемента.Obviously, the dependence C (FIG. 10) can be applied to the
Увеличение сопротивления к термической деструкции увеличивает износостойкость, так как алмаз является исключительно хорошим проводником тепла. Если трение рабочей поверхности 4, 70, 72 приводит к внезапному, чрезмерному теплообразованию, то связанные алмазные кристаллы проводят тепло во всех направлениях. Это приводит к чрезмерно большому градиенту температуры, который может составлять 1000°С на 1 мм или выше. При этом температура рабочей поверхности 4, 70, 72 может достигать 950°С, которая не вызовет существенной термической деструкции, если межкристаллитные зоны 62 и поверхности алмазных кристаллов 60 в непосредственной близости от рабочей поверхности будут в значительной степени свободны от катализирующего материала 64 на глубину приблизительно 0,2 мм от источника теплообразования.An increase in resistance to thermal degradation increases wear resistance, since diamond is an exceptionally good heat conductor. If the friction of the working
Очевидно, что температурный градиент меняется в зависимости от размера кристалла 60 и силы связи между кристаллами. Объяснить это можно объемной плотностью алмазов в теле 8. При применении обычных способов изготовления с увеличением объемной плотности алмазов температурный градиент на материале также увеличивается. Это говорит о том, что показатель износа одного и того же материала, характеристики которого соответствуют кривой В на фигуре 10, при увеличении объемной плотности алмазов будет стремиться к кривой А.Obviously, the temperature gradient varies depending on the size of the
Однако при эксплуатационных испытаниях режущих элементов 10 для породоразрушающих головок удаление всего катализирующего материала 64 из межкристаллитных зон 62 на расстояние D, равное приблизительно 0,2-0,3 мм от рабочей поверхности 4, 70, 72, приводило к резкому увеличению износостойкости, при этом помимо 40% увеличения износостойкости наблюдалось и 40% увеличение скорости проходки. Увеличение износостойкости показывает, что истирание алмазных кристаллов 60 в результате термической деструкции, вызываемой катализирующим материалом 64, было в значительной степени снижено. Очевидно, что увеличение скорости проходки происходит в результате того, что резец дольше остается острым из-за повышенной износостойкости.However, during operational tests of cutting
Очевидно, однако, что по мере увеличения объемной плотности алмазов в теле 8 с 85-90% до 95-99% расстояние D, необходимое для получения соответствующего показателя износа, будет увеличиваться. Поэтому очевидно также, что расстояние D меньше 0,1 мм обеспечит приблизительно такой же показатель износа режущего элемента с плотностью алмазов в теле 99%, как и расстояние D, равное приблизительно 0,2-0,3 мм в теле с объемной плотностью алмазов 85-90%.It is obvious, however, that as the bulk density of diamonds in body 8 increases from 85-90% to 95-99%, the distance D necessary to obtain the corresponding wear indicator will increase. Therefore, it is also obvious that the distance D less than 0.1 mm will provide approximately the same wear rate of the cutting element with a diamond density in the body of 99%, as well as the distance D equal to approximately 0.2-0.3 mm in the body with a bulk density of diamonds 85 -90%.
При удалении катализирующего материала 64 из межкристаллитных зон 62 важно, чтобы катализирующий материал не удалялся из лежащей снизу подложки 6, 32. Поэтому очень важно, чтобы в межкристаллитных зонах, хотя бы части алмазного слоя, оставался катализирующий материал 64. Было обнаружено, что при удалении катализирующего материала 64 с плоской поверхности, имеющей плоскую поверхность раздела с подложкой 6, 32, необходимо оставлять слой минимальной толщины 0,15 мм, содержащий катализирующий материал 64, что предотвратит удаление катализирующего материала из лежащей снизу подложки 6, 32.When removing the
Определить эту величину для ПАР трудно, так как допускается некоторое обеднение подложки катализирующим материалом, и геометрия ПАР может быть сложной. Однако в соответствии с одним способом определения этой величины в межкристаллитных зонах 62 той части тела 8, которая находится в контакте с подложкой 6, 32, катализирующий материал 64 должен оставаться в области, толщина которой в среднем составляет более 0,15 мм.It is difficult to determine this value for PAR, since some depletion of the substrate by the catalyst material is allowed, and the geometry of the PAR can be complicated. However, in accordance with one method of determining this value in the
Другой способ определения этой величины состоит в выражении минимального количества катализирующего материала 64, остающегося в межкристаллитных зонах 62, в виде объемной доли. Известно, что при очень тонком, плоском алмазном слое необходимо, чтобы при толщине тела 0,5 мм толщина слоя, содержащего катализирующий материал 64, составляла 0,15 мм. Поэтому можно допустить, что для ПАР-элементов по настоящему изобретению, размеры которых, в частности, соответствуют размерам типовых ПАР, минимальный объем тела 8, в межкристаллитных зонах 62 которого должен находиться катализирующий материал 64, составляет 30%.Another way to determine this value is to express the minimum amount of
ПКА-элементы могут быть и другой конструкции, которая позволяет получать преимущества от снижения содержания или удаления катализирующего материала 64, как описано выше. Как показано на фигурах 11А, 11В и 11С, другим вариантом настоящего изобретения является составной ПКА-элемент 102. У ПКА-элемента 102 есть тело 108, изготовленное из связующего-катализирующего материала из группы VIII, и заглубленный в него второй ПКА-элемент 110. Заглубленный ПКА-элемент 110 может быть выполнен заподлицо с рабочей поверхностью 104 ПКА-элемента 120, как показано на фигуре 11А, или он может быть полностью углублен в ПКА-элемент 120, как показано на фигуре 11В. Этот заглубленный ПКА-элемент 110 изготавливается по технологии, в которой в качестве связующих-катализирующих материалов используется порошок карбонатов Mg, Ca, Sr и Ва, который формуется в составной ПКА-элемент, как описано в одновременно рассматриваемой заявке США № 09/390074, которая приводится в данном случае в качестве ссылки.PKA elements can be of another design, which allows you to get the benefits of reducing the content or removal of the
В этом варианте, ввиду того, что заглубляемый, спрессованный в таблетку ПКА-элемент 110 формуется под высоким давлением, плотность алмаза может быть выше, чем плотность ПКА-элемента 120. Так как в состав заглубляемого ПКА-элемента 110 входит катализирующий материал с более высокой температурой активации, то может быть более правильно уменьшать содержание катализирующего материала только на рабочей поверхности ПКА-элемента 120. Кроме того, заглубляемый ПКА-элемент 110 может помещаться внутрь ПКА-элемента 120, чтобы совместить преимущества более высокой ударной вязкости заглубляемого ПКА-элемента 110 с повышенной износостойкостью ПКА-элемента 120.In this embodiment, since the
Как показано на фигурах 9, 11А, 11В и 11С, элемент 102 включает множество частично связанных между собой алмазных кристаллов 60, катализирующий материал 64 и тело 108 с рабочей поверхностью 104. Плотность алмазов в непосредственной близости от рабочей поверхности 104 объема 112 тела значительно выше плотности алмазов где-нибудь в другом месте объема 114 тела 108, а объем 112 в значительной степени свободен от катализирующего материала 64.As shown in figures 9, 11A, 11B and 11C, the
Несколько заглубленных ПКА-элементов 110 могут располагаться в составном элементе 100, как показано на фигуре 11С, таким образом, что обеспечивается как наивысшая ударная вязкость, так и повышенная износостойкость.Several buried
Может потребоваться снижение содержания катализирующего материала в заглубленном ПКА-элементе 110, а также катализирующего материала в ПКА-элементе 120. Такое сочетание обеспечивает максимально возможную ударную вязкость в сочетании с максимально возможной износостойкостью алмазных элементов массового производства.It may be necessary to reduce the content of catalytic material in the buried
На фигурах 12А и 12В представлен другой вариант ПКА-элемента 202 по настоящему изобретению. В соответствии с этим вариантом ПКА-элемент 202 сначала изготавливается в соответствии с предшествующим уровнем техники. После подготовки поверхности применятся технология химического осаждения из паровой фазы или конденсации из паровой фазы для осаждения на будущую рабочую поверхность 204 части 210 ПКА-элемента 202 плотно упакованного набора эпитаксиально ориентированных алмазных кристаллов 260. Затем сборка подвергается воздействию высокого давления и температуры, посредством чего осажденные алмазные кристаллы 260 образуют межкристаллитные связи друг с другом и с алмазными кристаллами исходного ПКА. Связывание алмазов между собой возможно благодаря наличию катализирующего материала 64, внедряемого с поверхности исходного ПКА-элемента 202.Figures 12A and 12B show another embodiment of the
После очистки часть рабочей поверхности 204 подвергается обработке с целью снижения содержания катализирующего материала 64 из слоя, полученного методом химического осаждения из паровой фазы или конденсации из паровой фазы. Готовый продукт представляет собой ПКА-элемент, одна часть которого является рабочей поверхностью 204, в объеме 214 которой плотность алмазов значительно больше, чем плотность алмазов на других поверхностях 280 ПКА-элемента 202. Части других поверхностей 280 ПКА-элемента 202 также могут быть обеднены связующим-катализирующим материалом.After cleaning, part of the working
В общем, элементы 102, 202, изображенные на фигурах 11А, 11В 11С, 12А и 12В, могут характеризоваться как ПКА-элемент 102, 202 с телом 108, 208 с рабочей поверхностью 104, 204. Плотность алмазов в непосредственной близости от рабочей поверхности 104, 204 в значительной степени выше плотности алмазов в других частях тела 108, 208, которые в значительной степени свободны от катализирующего материала 64.In general, the
Как показано на фигурах 1В, 4 и 5, ПКА-элемент 2 по настоящему изобретению может применяться в качестве режущих элементов 10, 50, 52. Рабочая поверхность режущего ПКА-элемента 10, 50, 52 может выполняться в виде верхней рабочей поверхности 70 и/или периферийной рабочей поверхности 72. Режущий ПКА-элемент 10 по фигуре 1В может обычно применяться в головках лопастного долота 12 или для защиты калибрующей поверхности бурового долота в других типах буровых инструментов. Режущий ПКА-элемент 50, изображенный на фигуре 5, может иметь форму полусферы 39. Для этого типа режущего ПКА-элемента характерно удлиненное основание 51, которое устанавливается в гнездо шарошечного долота 38 или в корпус обоих типов вращающихся долот 12, 38, что будет описано ниже.As shown in figures 1B, 4 and 5, the
Режущий ПКА-элемент 52, изображенный на фигуре 4, предназначен для использования при механической обработке на станках. Хотя на фигуре 4 изображен режущий элемент 52 прямоугольного сечения, специалисты понимают, что этот элемент может быть треугольного, квадратного сечения или любой другой формы, подходящей для механической обработки на станке изделий из абразивных материалов, которые трудно обрабатывать обычным инструментом.Cutting PKA-
Режущий ПКА-элемент 10 может изготавливаться в виде спрессованного в таблетку режущего элемента 10 лопастного долота 12 (фигура 2). Корпус головки 14 долота имеет множество лопастей 16, идущих от центра продольной оси вращения 18 долота. На передней поверхности 20 каждой лопасти находится множество режущих ПКА-элементов 10 по настоящему изобретению.The cutting PKA-
Обычно у режущего ПКА-элемента 10 имеется тело в виде круглой таблетки с тонкой передней наружной пластиной 30, изготовленной из алмаза или алмазоподобного материала (ПКА), соединяемого в прессе под высоким давлением и при высокой температуре с подложкой 32, выполненной из менее твердого материала типа спеченного карбида вольфрама. Режущий элемент 10 прессуется в таблетку и затем обычно соединяется с цилиндрическим держателем 34, который также формуется из спеченного карбида вольфрама, или может непосредственно крепиться к лопасти. Режущий ПКА-элемент 10 имеет рабочие поверхности 70 и 72.Typically, the cutting
Цилиндрический держатель 34 устанавливается в гнездо или углубление соответствующей формы, выполненное в лопасти 16. В гнезде обычно держатель 34 припаивается или устанавливается по горячей посадке. При эксплуатации лопастное долото 12 вращается. Масса долота приводится в движение и заставляет режущие элементы врезаться в породу, что обеспечивает резание и/или бурение.The cylindrical holder 34 is mounted in a socket or a recess of a corresponding shape made in the
Режущие ПКА-элементы 10 могут также устанавливаться на калибрующую поверхность 36 бурового долота 12 для расширения ствола скважины, а также для защиты долота 12 от чрезмерного износа в области калибрующей поверхности 36 бурового долота.The cutting
В соответствии со вторым вариантом режущий элемент 50 (фигура 5) по настоящему изобретению устанавливается на шарошечное долото 38 (фигура 3). У шарошечного долота 38 обычно бывает от одной до нескольких шарошек 40, 41, 42, выполненных в виде усеченного конуса, установленных на цапфе лапы 44 корпуса долота 46. Режущие элементы 50 могут устанавливаться в виде одной или большего числа режущих вставок, расположенных рядами шарошек 40, 41, 42, или в другом случае режущие ПКА-элементы 50 могут располагаться на лапе 44 долота 38. Режущий ПКА-элемент 50 имеет тело в виде наружной пластины 35 из алмаза или алмазоподобного материала, соединенной с менее твердой подложкой 37. В соответствии с данным вариантом настоящего изобретения наружная пластина 35 выполнена в виде полусферической поверхности 39 и имеет рабочие поверхности 70 и 72. Поэтому между наружной пластиной 35 и подложкой 37 часто устанавливаются многочисленные переходные слои, что помогает более равномерно распределять напряжения, возникающие во время изготовления, что хорошо известно специалистам.In accordance with the second embodiment, the cutting element 50 (figure 5) of the present invention is mounted on the roller bit 38 (figure 3). A
При эксплуатации шарошечное долото 38 вращается. Масса долота приводится в движение и заставляет режущие вставки 50, расположенные на шарошках 40, 41, 42, врезаться в породу, и по мере того, как долото 36 вращается, шарошки 40, 41, 42 поворачиваются, что обеспечивает бурение.During operation,
В соответствии с другим вариантом настоящего изобретения режущий ПКА-элемент 52 изготавливается в виде треугольного, прямоугольного или другой формы изделия, которое применяется в качестве режущей вставки при механической обработке на станке. В соответствии с этим вариантом настоящего изобретения режущий элемент 52 имеет тело в виде наружной пластины 54 из алмаза или алмазоподобного материала, соединенного с менее твердой подложкой 56 с рабочими поверхностями 70 и 72. Обычно после этого режущий элемент 52 врезается во множество более мелких кусочков, сцепленных со вставкой 58, которая монтируется в держателе инструмента металлорежущего станка. Режущий элемент 52 может крепиться на вставке с помощью пайки, клейки, сварки или буртовки. Можно также устанавливать режущий элемент 52 вставки с помощью прессования при высокой температуре и под высоким давлением.In accordance with another embodiment of the present invention, the cutting
Как показано на фигурах 13-18, ПКА-элементы 2, 102, 202 по настоящему изобретению могут также использоваться в других случаях, например в обжимках, изображенных, например, на фигуре 13 в виде волоки для волочения проволоки 300, в которой используется ПКА-элемент 302 по настоящему изобретению. Могут также потребоваться отличные теплопроводные свойства ПКА-элемента 2, 102, 202 в сочетании с его электроизоляционными свойствами для использования в качестве радиатора 310 с ПКА-элементом 312 по настоящему изобретению.As shown in figures 13-18, the
На фигуре 15 показано применение ПКА-элемента 322 в подшипнике скольжения 320, а на фигурах 16А и 16В показаны сопрягающиеся детали трубопроводной арматуры 340, 344 с поверхностями 342 ПКА-элемента 342 по настоящему изобретению. Кроме того, на фигуре 17А показаны инденторы 360 для использования при гравировании, в качестве приборов определения твердости, при нанесении насечек на поверхность и т.п., в которых могут применяться ПКА-элементы 362 по настоящему изобретению. Как показано на фигуре 17В, в пробойниках 370 либо один, либо оба ответных элемента 372, 374 могут выполняться из ПКА-материала по настоящему изобретению. Кроме того, инструментальные оправки 382 и другие типы элементов трения для измерительных устройств 380, изображенные на фигуре 18, могут изготавливаться из ПКА-элементов по настоящему изобретению. Следует понимать, что почти во всех случаях применения поликристаллического алмаза использование ПКА-элементов, обедненных катализирующим материалом по настоящему изобретению, оказывается полезным.Figure 15 shows the use of the
В свете описания настоящего изобретения следует понимать, что в отдельных случаях возможны отступления от продемонстрированных или предложенных здесь вариантов, которые, однако, не меняют по существу объема и сущности настоящего изобретения.In the light of the description of the present invention, it should be understood that in some cases deviations from the options shown or proposed here are possible, which, however, do not change essentially the scope and essence of the present invention.
Claims (11)
Applications Claiming Priority (3)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
US23407500P | 2000-09-20 | 2000-09-20 | |
US60/234,075 | 2000-09-20 | ||
US60/281,054 | 2001-04-02 |
Publications (3)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
RU2003107666A RU2003107666A (en) | 2004-12-20 |
RU2320615C2 true RU2320615C2 (en) | 2008-03-27 |
RU2320615C9 RU2320615C9 (en) | 2008-06-20 |
Family
ID=27734060
Family Applications (2)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
RU2003107667/03A RU2270820C9 (en) | 2000-09-20 | 2001-06-25 | Polycrystalline diamond with catalytic material-depleted surface |
RU2003107666/03A RU2320615C9 (en) | 2000-09-20 | 2001-09-05 | Cutting member compacted in tablet |
Family Applications Before (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
RU2003107667/03A RU2270820C9 (en) | 2000-09-20 | 2001-06-25 | Polycrystalline diamond with catalytic material-depleted surface |
Country Status (3)
Country | Link |
---|---|
RU (2) | RU2270820C9 (en) |
UA (2) | UA74009C2 (en) |
ZA (4) | ZA200107478B (en) |
Cited By (3)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US8789894B2 (en) | 2009-01-13 | 2014-07-29 | Diamond Innovations, Inc. | Radial tool with superhard cutting surface |
RU2539639C2 (en) * | 2009-01-16 | 2015-01-20 | Бейкер Хьюз Инкорпорейтед | Forming of cutting elements of polycrystalline diamond, cutting elements thus made and drill bit equipped with such cutting elements |
RU2576724C2 (en) * | 2010-07-14 | 2016-03-10 | Варел Интернэшнл Инд., Л.П. | Alloys with low thermal expansion factor as catalysts and binders for polycrystalline diamond composites |
Families Citing this family (8)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
GB0716268D0 (en) | 2007-08-21 | 2007-09-26 | Reedhycalog Uk Ltd | PDC cutter with stress diffusing structures |
GB0819257D0 (en) * | 2008-10-21 | 2008-11-26 | Element Six Holding Gmbh | Insert for an attack tool |
US8079428B2 (en) | 2009-07-02 | 2011-12-20 | Baker Hughes Incorporated | Hardfacing materials including PCD particles, welding rods and earth-boring tools including such materials, and methods of forming and using same |
US8945720B2 (en) | 2009-08-06 | 2015-02-03 | National Oilwell Varco, L.P. | Hard composite with deformable constituent and method of applying to earth-engaging tool |
CA2797700C (en) * | 2010-04-28 | 2014-09-30 | Baker Hughes Incorporated | Polycrystalline diamond compacts, cutting elements and earth-boring tools including such compacts, and methods of forming such compacts and earth-boring tools |
US8997900B2 (en) | 2010-12-15 | 2015-04-07 | National Oilwell DHT, L.P. | In-situ boron doped PDC element |
RU2602651C2 (en) * | 2011-06-28 | 2016-11-20 | Варел Интернэшнл Инд., Л.П. | Electrochemical catalyst removal from superhard materials using ultrasound |
US9650836B2 (en) * | 2013-03-01 | 2017-05-16 | Baker Hughes Incorporated | Cutting elements leached to different depths located in different regions of an earth-boring tool and related methods |
-
2001
- 2001-06-25 RU RU2003107667/03A patent/RU2270820C9/en active
- 2001-06-25 UA UA2003043560A patent/UA74009C2/en unknown
- 2001-09-05 UA UA2003043561A patent/UA74010C2/en unknown
- 2001-09-05 RU RU2003107666/03A patent/RU2320615C9/en active
- 2001-09-11 ZA ZA200107478A patent/ZA200107478B/en unknown
- 2001-09-11 ZA ZA200107479A patent/ZA200107479B/en unknown
-
2003
- 2003-03-18 ZA ZA200302151A patent/ZA200302151B/en unknown
- 2003-03-18 ZA ZA200302152A patent/ZA200302152B/en unknown
Cited By (3)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US8789894B2 (en) | 2009-01-13 | 2014-07-29 | Diamond Innovations, Inc. | Radial tool with superhard cutting surface |
RU2539639C2 (en) * | 2009-01-16 | 2015-01-20 | Бейкер Хьюз Инкорпорейтед | Forming of cutting elements of polycrystalline diamond, cutting elements thus made and drill bit equipped with such cutting elements |
RU2576724C2 (en) * | 2010-07-14 | 2016-03-10 | Варел Интернэшнл Инд., Л.П. | Alloys with low thermal expansion factor as catalysts and binders for polycrystalline diamond composites |
Also Published As
Publication number | Publication date |
---|---|
ZA200107478B (en) | 2002-03-12 |
RU2320615C9 (en) | 2008-06-20 |
ZA200302151B (en) | 2004-02-11 |
ZA200107479B (en) | 2002-04-24 |
RU2270820C9 (en) | 2006-07-20 |
RU2270820C2 (en) | 2006-02-27 |
UA74009C2 (en) | 2005-10-17 |
ZA200302152B (en) | 2004-02-12 |
UA74010C2 (en) | 2005-10-17 |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
US6562462B2 (en) | High volume density polycrystalline diamond with working surfaces depleted of catalyzing material | |
EP1190791B1 (en) | Polycrystalline diamond cutters with working surfaces having varied wear resistance while maintaining impact strength | |
US6601662B2 (en) | Polycrystalline diamond cutters with working surfaces having varied wear resistance while maintaining impact strength | |
KR100871594B1 (en) | High Volume Density Polycrystalline Diamond With Working Surfaces Depleted Of Catalyzing Material | |
AU2001274230B8 (en) | Polycrystalline diamond with a surface depleted of catalyzing material | |
AU2001274230A1 (en) | Polycrystalline diamond with a surface depleted of catalyzing material | |
RU2320615C2 (en) | Cutting member compacted in tablet | |
AU2001286049B2 (en) | High volume density polycrystalline diamond with working surfaces depleted of catalyzing material | |
IL154978A (en) | High volume density polycrystalline diamond with working surfaces depleted of catalyzing material | |
AU2001286049A1 (en) | High volume density polycrystalline diamond with working surfaces depleted of catalyzing material |
Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
TH4A | Reissue of patent specification | ||
PD4A | Correction of name of patent owner | ||
PC41 | Official registration of the transfer of exclusive right |
Effective date: 20140924 |