RU2320615C2 - Cutting member compacted in tablet - Google Patents

Cutting member compacted in tablet Download PDF

Info

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
Application number
RU2003107666/03A
Other languages
Russian (ru)
Other versions
RU2003107666A (en
RU2320615C9 (en
Inventor
Найджел Деннис ГРИФФИН (GB)
Найджел Деннис ГРИФФИН
Питер Рэймонд ХАГИС (GB)
Питер Рэймонд ХАГИС
Original Assignee
Камко Интернешнл (Юк) Лимитед
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Камко Интернешнл (Юк) Лимитед filed Critical Камко Интернешнл (Юк) Лимитед
Publication of RU2003107666A publication Critical patent/RU2003107666A/en
Application granted granted Critical
Publication of RU2320615C2 publication Critical patent/RU2320615C2/en
Publication of RU2320615C9 publication Critical patent/RU2320615C9/en

Links

Images

Abstract

FIELD: production of cutting members compacted in tablets.
SUBSTANCE: proposed cutting member compacted in tablet includes many diamonds or diamond-like elements which are partially bonded forming body of continuous diamond matrix and substrate containing catalyzing material. Inter-crystalline zones located in between diamond crystals form continuous inter-crystalline matrix containing catalyzing material. Diamond matrix body has working surface; part of inter-crystalline matrix body located in the immediate vicinity of working surface is free from catalyzing material at considerable degree and forms second inter-crystalline zone; remaining part of inter-crystalline matrix forming the first inter-crystalline zone contains catalyzing material. Average thickness of first inter-crystalline zone does not exceed 0.15 mm.
EFFECT: enhanced wear resistance of cutting members with no loss of impact viscosity.
11 cl, 25 dwg

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 element 2 of polycrystalline diamond or diamond-like (PKA) material of the present invention. A PCA element 2 includes a plurality of partially interconnected superhard, diamond or diamond-like crystals 60 (figures 7 and 9), a catalytic material 64 and an intercrystalline matrix 68 consisting of intercrystalline zones 62 located between the crystals 60. Element 2 also includes one working surface or two working surfaces 4, and diamond crystals 60 and intercrystalline zones 62 form the volume of the body 8 of the PCA element 2. It is desirable that the element 2 was made integral with the metal-containing substrate 6, which is usually made of carbide in lframa, with cobalt as a binder. To ensure effective use in abrasive wear, the bulk density of diamonds in body 8 should be more than 85%, but it is better that this value is more than 90%.

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 surface 4 is any part of the PCA-body 8, which during operation can come into contact with the processed object. When considering the working surface 4 in this description, it is understood that it is applied to any part of the body 8, which may be affected and / or which can be used as a working surface. In addition, any part of any work surface 4 is itself a work surface.

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 intercrystalline zones 62 located between the crystals 60 are filled with a catalyst material 64, followed by the formation of bonds between the crystals 60. In the next manufacturing step, some intercrystalline zones 62 are selectively depleted in the catalyst material 64. As a result, it turns out that the first body volume 8 of the PCA element 1, remote from the working surface 4, includes a catalytic material 64, and the second body volume 8, located in close proximity and from surface 4, substantially free of catalytic material 64. Intercrystalline zones 62, which are substantially free of catalytic material 64, are indicated by 66.

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 surface 4, is substantially free of catalytic material 64, and the rest of the intergranular matrix 68 contains the catalytic material 64. As noted earlier, the PCA element 2 with By means of high temperatures and high pressures, it can be connected to a substrate 6 made of a less hard material, usually sintered tungsten carbide, but the use of substrate 6 is not necessary.

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 surface 4 is substantially free of catalytic material 64, the negative effect of the binder-catalyzing material 64 is significantly reduced, which eliminates the thermal degradation of the working surface 4 caused by the presence of the catalytic material 64. As a result, a new PKA-element 2 with improved thermal properties approaching the thermal properties of the so-called thermally stable PKA-elements while and strength, manufacturing and the ability to form communication technology inherent in conventional polycrystalline diamond compact elements (PAA-elements). This provides higher wear resistance during cutting, higher heat transfer when using PKA as radiators, higher bearing capacity when using PKA as bearings, reduces surface destruction when using PKA in pipe fittings. There are advantages when using PKA in other cases, including the use of crimps, indenters, toolholders and friction elements. These advantages are achieved without loss of toughness of the element. Below, the application of the new PKA elements 2 is considered in more detail.

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-like crystals 60 is visible, which is seen from parallel lines representing the cleavage planes of each crystal 60. As can be seen, neighboring crystals 60 are connected to each other by intercrystalline zones 62 located between them. Since the cleavage planes of neighboring crystals 60 are oriented in azlichnyh directions, there is no straight path on which a fault may occur diamond. This structure allows PKA materials to withstand extreme loads with high impact loads.

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 crystals 60 in the press at high temperature and pressure, the intergranular zones 62 located between the crystals 60 are filled with a binder-catalytic material 64. It is the catalytic material 64 that binds adjacent diamond crystals 60 at relatively low pressures and temperatures in the press.

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 crystals 60 connected to each other by intercrystalline zones 62 containing a binder-catalytic material 64, usually cobalt or another element of group VIII. Crystals 60 constitute the first continuous matrix of diamonds, and intercrystalline zones 62 form a second continuous matrix of intercrystalline zones 62, known as intercrystalline matrix 68, containing a binder-catalyzing material. In addition, it is necessary that relatively small areas to ensure the growth of diamonds include a binder-catalytic material. These islands are not part of the continuous intergranular matrix 68 of the binder-catalyst material 64.

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 PCA element 2 of the present invention. A PCA element 2 can be formed in the same way as a PCA element of the prior art. According to a preferred embodiment of the invention, in the manufacturing process immediately after the preliminary cleaning operation or at any other time after this operation, the working surface 4, 70, 72 of the PCA element 2 is treated so that part of the binder-catalyzing material is removed from the body. As a result, the intergranular zones 62 located between the diamond crystals 60 in the immediate vicinity of the working surface become substantially free of the catalytic material 64, indicated at 66. The portion of the working surface 4, 70, 72, which is free of the catalytic material 64, is not It is subject to thermal degradation that occurs in other areas of the PKA, which provides improved thermal characteristics.

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 PCA element 2 of the present invention is in the range of 85 to 99%. A high bulk density of diamonds is achieved using 60 diamond crystals with average particle sizes of 30 to 60 microns. Typically, a diamond mixture may include from 20 to 60% of diamond crystals 60 with a size of 5-15 microns, from 20 to 40% of diamond crystals 60 with a size of 25-40 microns, and from 20 to 40% of diamond crystals 60 with a size of 50-80 microns in diameter, although other particle size ranges may be used. A mixture of large and small diamond crystals 60 allows diamond crystals 60 to give a relatively large proportion of their surface, often reaching 95%, to the bonds between diamonds, which contributes to the relatively high relative abrasion resistance.

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 catalyst material 64 from the intergranular zones 62 or to reduce its content in these zones. In accordance with one of the methods, the catalyst material 64 is cobalt or another material of the iron group, and the method of removing the catalyst material 64 is to leach it from intercrystalline zones 62 in the area adjacent to the working surface 4, 70, 72 of the PCA element 2, using technology acid etching to a depth greater than about 0.2 mm. To remove the catalytic material 64 from the near-surface zone, an electrical discharge or other electrical or galvanic technology or evaporation can be used.

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 catalyst material 64 in the intergranular zones 62, the reduction in the content of the catalyst material 64 is achieved by the formation of a chemical compound, for example, fusion with another material, so that it is no longer a catalyst material. According to this method, the material may remain in the intergranular zones between the diamond crystals 60, but this material is no longer a catalyst material 64, which corresponds to its effective removal.

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 catalyst material 64 in the intergranular zones 62, the catalyst material 64 is removed by converting it into a material that is no longer a catalyst material. This can be achieved by changing the crystal structure, phase transformation, machining, heat treatment, or using other processing methods. Such a method can be applied to non-metallic or chemically inactive catalyst materials. In addition, the material may remain in the intergranular zones 62 between the diamond crystals, but this material is no longer a catalyst material 64, which corresponds to its effective removal.

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 catalytic material 64 in the immediate vicinity of the working surface 4, 70, 72 loses its effectiveness, the PCA element 2 of the present invention loses its sensitivity to thermal degradation, which is known to occur in the PCA elements of the prior art. As described above, there are two modes of thermal degradation, which are known to be caused by the catalytic material 64. The first mode of thermal degradation begins at temperatures of approximately 400 ° C and occurs as a result of the difference in thermal expansion of the binder-catalytic material 64 in the intergranular zones 62 and crystals 60 After a sufficient expansion of the bond between the diamonds can be broken and cracking and chips can occur.

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-catalytic material 64, which reacts with the crystal 60, and leads to graphitization of the crystal 60 as the temperature approaches 750 ° C. With the graphitization of crystals 60, they sharply increase in volume, which leads to cracking and loss of bonds with the body 4. Even the presence of a catalytic material 64 several microns thick on the surfaces of diamond crystals 60 can cause this mode of thermal destruction.

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 catalyst material 64 should be removed from the intergranular zone 62 located between the diamond crystals 60, as well as from the surfaces of the diamond crystals 60. If the catalyst material 60 is removed both from the surfaces of the diamond crystals 60 and from the intergranular zones, then the thermal destruction of diamond crystals 60 in this area begins only when 1200 ° C is reached.

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 intergranular zones 62 and on the surfaces of diamond crystals 60. And in those areas where it is required less high wear resistance, for example in the case of a self-sharpening tool, these areas are processed so that the content of the catalyst material 64 decreases primarily in the intergranular x zones 62, but some or all of the diamond crystals 60 remain in contact with the catalyst material.

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 catalytic material 64 from the surfaces of the diamond crystals 60 than from the intergranular zones 62. For this reason, depending on the method of reducing the content of the catalytic material in order to reduce thermal degradation, the depth by which this region is depleted of the catalytic material 64, counting from the working surface 4, may vary depending on the method of reducing the content of catalytic material 64.

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 catalytic material 64 can be applied. As a result, it should be understood that to ensure the required level of depletion of this region with catalytic material 64, you can combine a variety of ways to reduce the content of catalytic material 64.

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 catalytic material 64 in the intergranular zones 62, the intergranular matrix 68 or the volume of the body 8 it should be understood that many, if not all, of the surfaces of adjacent diamond crystals 60 can be coated with a catalyst material 64. Moreover, when using the expression “substantially free of” with respect to the catalyst material 64 on the surfaces of the diamond crystals 60, the catalyst material 64 may still remain in adjacent zones 62 intercrystalline.

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 catalyst material 64, the two main mechanisms of thermal degradation no longer work. However, it was found that the catalytic material 64 should be removed to a sufficient depth with the removal of heat generated as a result of heat generation, from the bound crystals 60 from the zones of presence of the catalytic material 64 to a level that provides a temperature below the temperature of destruction of the crystals 60.

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 PKA element 2, made in the form of a cutting element 10, was informed of heat. Since these tests were planned as standard wear tests for these cutting elements, it was possible to compare the cutting elements 10 with different depths of removal of the catalyst material 64. In these tests, attention was paid to the removal of the catalyst material 64 both from the intergranular zones 62 and from the diamond surfaces crystals 60. The test was planned in such a way that heat was supplied periodically to the cutting edge of the cutting PKA element 10 for a certain time.

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 surface 70, 72 of the cutting element 10.

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 catalytic material 64 reaches 0.1 mm, then there is a sharp increase in the wear rate of the cutting elements 10. Therefore, with the usual supply of heat to the cutting elements 10, a depth of 0.1 mm is a critical depth of removal catalytic material from the working surface 4, 70, 72, if the catalytic material 64 is removed both from the intergranular zones 62, and from the surfaces of diamond crystals 60.

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 elements 10 made using the more economical technology for removing the catalytic material 64. The technology for removing the catalytic material 64 used in the manufacture of these cutting elements was not so effective in removing the catalytic material 64 from the surfaces of diamond crystals 60, as a technology that provides the results shown on curve A. Therefore, a result similar to the result appeared on the curve A may be achieved only when the catalyzing material 64 is removed from the intergranular region 62 to a depth of about 0.2 mm. It was found that the toughness of these cutting elements 10 did not differ significantly from the toughness of the raw elements.

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 PKA elements 2, according to which thermal degradation can be determined depending on the wear rate. For example, it may be required that the edges of the curvature of the cutting elements 10, remote from the center of contact, wear out faster than the center point. This will ensure the preservation of the curvature of the cutting element.

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 surface 4, 70, 72 leads to a sudden, excessive heat generation, then bound diamond crystals conduct heat in all directions. This leads to an excessively large temperature gradient, which can be 1000 ° C per 1 mm or higher. Moreover, the temperature of the working surface 4, 70, 72 can reach 950 ° C, which will not cause significant thermal degradation if the intergranular zones 62 and the surfaces of diamond crystals 60 in the immediate vicinity of the working surface are substantially free of catalytic material 64 to a depth of approximately 0.2 mm from the heat source.

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 crystal 60 and the bonding strength between the crystals. This can be explained by the bulk density of diamonds in the body 8. When using conventional manufacturing methods with increasing bulk density of diamonds, the temperature gradient on the material also increases. This suggests that the wear rate of the same material, the characteristics of which correspond to curve B in figure 10, with increasing bulk density of diamonds will tend to curve A.

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 elements 10 for rock cutting heads, the removal of all the catalytic material 64 from intercrystalline zones 62 by a distance D equal to approximately 0.2-0.3 mm from the working surface 4, 70, 72 led to a sharp increase in wear resistance, while in addition to a 40% increase in wear resistance, a 40% increase in penetration rate was also observed. The increase in wear resistance shows that the abrasion of diamond crystals 60 as a result of thermal degradation caused by the catalyst material 64 was significantly reduced. Obviously, the increase in penetration rate occurs as a result of the fact that the cutter remains sharp longer due to increased wear resistance.

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 catalyst material 64 from the intergranular zones 62, it is important that the catalyst material is not removed from the underlying substrate 6, 32. Therefore, it is very important that the catalyst material 64 remains in the intergranular zones, at least part of the diamond layer, 64. It was found that when removing of the catalytic material 64 from a flat surface having a flat interface with the substrate 6, 32, it is necessary to leave a layer of a minimum thickness of 0.15 mm containing the catalytic material 64, which will prevent the removal of the catalytic mat Series from the underlying substrate 6, 32.

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 intergranular zones 62 of that part of the body 8 that is in contact with the substrate 6, 32, the catalytic material 64 must remain in an area whose average thickness is more than 0.15 mm.

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 catalyst material 64 remaining in the intergranular zones 62 as a volume fraction. It is known that with a very thin, flat diamond layer, it is necessary that, with a body thickness of 0.5 mm, the thickness of the layer containing the catalytic material 64 is 0.15 mm. Therefore, it can be assumed that for the PAR elements of the present invention, the sizes of which, in particular, correspond to the sizes of typical PAR, the minimum body volume of 8, in the intergranular zones 62 of which should be the catalyst material 64, is 30%.

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 catalytic material 64, as described above. As shown in FIGS. 11A, 11B, and 11C, another embodiment of the present invention is a composite PCA element 102. The PCA element 102 has a body 108 made of a binder-catalyzing material from group VIII and a second PCA element 110 buried therein. The recessed PKA element 110 may be flush with the working surface 104 of the PKA element 120, as shown in FIG. 11A, or it may be completely recessed into the PKA element 120, as shown in FIG. 11B. This recessed PKA element 110 is manufactured using a technology in which Mg, Ca, Sr and Ba carbonate powder is used as a binder-catalyzing material, which is molded into a composite PKA element, as described in US Patent Application Serial No. 09/390074, which given in this case by reference.

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 PCA element 110 which is buried, compressed into a tablet is molded under high pressure, the density of diamond may be higher than the density of the PCA element 120. Since the composition of the PCA element 110 to be buried includes a catalytic material with a higher activation temperature, it may be more correct to reduce the content of the catalytic material only on the working surface of the PCA element 120. In addition, the buried PKA element 110 can be placed inside the PKA element 120 to combine the advantages of more sokoy toughness deepens PCD element 110 with increased wear resistance PCD element 120.

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 element 102 includes many partially interconnected diamond crystals 60, a catalytic material 64 and a body 108 with a working surface 104. The density of diamonds in the immediate vicinity of the working surface 104 of the volume 112 of the body is significantly higher than the density diamonds elsewhere in volume 114 of body 108, and volume 112 is substantially free of catalytic material 64.

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 PKA elements 110 can be located in the composite element 100, as shown in figure 11C, so that provides the highest impact strength and increased wear resistance.

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 PKA element 110, as well as the catalytic material in the PKA element 120. This combination provides the highest possible toughness in combination with the highest possible wear resistance of mass-produced diamond elements.

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 PCA element 202 of the present invention. In accordance with this embodiment, the PCA element 202 is first manufactured in accordance with the prior art. After surface preparation, chemical vapor deposition or vapor condensation technology is applied to deposit on a future work surface 204 of part 210 of the PCA element 202 of a densely packed set of epitaxially oriented diamond crystals 260. Then, the assembly is subjected to high pressure and temperature, whereby the deposited diamond crystals 260 form intergranular bonds with each other and with diamond crystals of the initial PKA. The bonding of diamonds to each other is possible due to the presence of a catalytic material 64, introduced from the surface of the original PKA element 202.

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 surface 204 is processed in order to reduce the content of the catalytic material 64 from the layer obtained by chemical vapor deposition or vapor condensation. The finished product is a PCA element, one part of which is a work surface 204, in the volume 214 of which the density of diamonds is much higher than the density of diamonds on other surfaces 280 of the PCA element 202. Parts of other surfaces 280 of the PCA element 202 can also be depleted in binder -catalytic material.

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 elements 102, 202 shown in FIGS. 11A, 11B, 11C, 12A, and 12B may be characterized as a PCA element 102, 202 with a body 108, 208 with a working surface 104, 204. The density of diamonds in the immediate vicinity of the working surface 104 , 204 are significantly higher than the density of diamonds in other parts of the body 108, 208, which are substantially free of catalytic material 64.

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 PCA element 2 of the present invention can be used as cutting elements 10, 50, 52. The working surface of the cutting PCA element 10, 50, 52 can be in the form of an upper working surface 70 and / or peripheral work surface 72. The PCA cutting element 10 of FIG. 1B can typically be used in the heads of the blade 12 or to protect the calibrating surface of the drill bit in other types of drilling tools. The cutting PCA element 50 shown in FIG. 5 may be in the form of a hemisphere 39. This type of cutting PCA element has an elongated base 51, which is mounted in the roller cone bit 38 or in the body of both types of rotating bits 12, 38, which will be described below.

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-element 52, depicted in figure 4, is intended for use in machining on machines. Although figure 4 shows a cutting element 52 of rectangular cross section, specialists understand that this element can be triangular, square section or any other shape suitable for machining abrasive materials that are difficult to machine with a conventional tool.

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-element 10 can be made in the form of a blade element 12 pressed into a tablet cutting element 10 (figure 2). The body of the head 14 of the bit has many blades 16 extending from the center of the longitudinal axis of rotation of the 18 bits. On the front surface 20 of each blade is a plurality of cutting PKA elements 10 of the present invention.

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 PKA element 10 has a body in the form of a round tablet with a thin front outer plate 30 made of diamond or diamond-like material (PKA), which is connected in the press under high pressure and at high temperature with a substrate 32 made of a less hard material of the type sintered tungsten carbide. The cutting element 10 is pressed into a tablet and then usually connected to a cylindrical holder 34, which is also molded from sintered tungsten carbide, or can be directly attached to the blade. The cutting PCA element 10 has working surfaces 70 and 72.

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 blade 16. In the socket, the holder 34 is usually soldered or mounted on a hot seat. During operation, the blade bit 12 rotates. The mass of the bit is set in motion and causes the cutting elements to cut into the rock, which provides cutting and / or drilling.

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 PCA elements 10 can also be mounted on the calibrating surface 36 of the drill bit 12 to expand the borehole, as well as to protect the bit 12 from excessive wear in the area of the calibrating surface 36 of the drill bit.

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 cone bit 38 usually has one to several cones 40, 41, 42, made in the form of a truncated cone, mounted on the pin of the paw 44 of the bit body 46. The cutting elements 50 can be installed in the form of one or more cutting inserts arranged in rows of cones 40 , 41, 42, or in another case, the cutting PKA-elements 50 may be located on the paw 44 of the bit 38. The cutting PKA-element 50 has a body in the form of an outer plate 35 of diamond or diamond-like material connected to a less solid substrate 37. In accordance with this option of the present invention, the outer plate 35 is made in the form of a hemispherical surface 39 and has working surfaces 70 and 72. Therefore, numerous transition layers are often installed between the outer plate 35 and the substrate 37, which helps to more evenly distribute the stresses that occur during manufacture, which is well known to specialists.

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, roller cone 38 rotates. The mass of the bit is set in motion and causes the cutting inserts 50 located on the cones 40, 41, 42 to cut into the rock, and as the bit 36 rotates, the cones 40, 41, 42 rotate, which ensures drilling.

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 PCA element 52 is made in the form of a triangular, rectangular or other shape of the product, which is used as a cutting insert for machining on a machine. According to this embodiment of the present invention, the cutting element 52 has a body in the form of an outer plate 54 of diamond or diamond-like material connected to a weaker substrate 56 with working surfaces 70 and 72. Usually, after this, the cutting element 52 cuts into many smaller pieces interlocked with an insert 58, which is mounted in the tool holder of the metal cutting machine. The cutting element 52 can be mounted on the insert by soldering, gluing, welding or collar. You can also install the cutting element 52 of the insert by pressing at high temperature and high pressure.

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 PCA elements 2, 102, 202 of the present invention can also be used in other cases, for example in crimps, shown, for example, in figure 13 in the form of dies for drawing wire 300, which uses PKA- element 302 of the present invention. Excellent thermal conductivity properties of the PCA element 2, 102, 202 in combination with its electrical insulating properties for use as a radiator 310 with the PCA element 312 of the present invention may also be required.

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 PCA element 322 in a plain bearing 320, and figures 16A and 16B show the mating parts of the pipe fittings 340, 344 with the surfaces 342 of the PCA element 342 of the present invention. In addition, FIG. 17A shows indenters 360 for use in engraving, as hardness testers, for notching surfaces and the like, in which the PCA elements 362 of the present invention can be used. As shown in FIG. 17B, in the punches 370, either one or both of the counter elements 372, 374 can be made from the PCA material of the present invention. In addition, toolholders 382 and other types of friction elements for measuring devices 380 shown in FIG. 18 can be made from the PCA elements of the present invention. It should be understood that in almost all cases of using polycrystalline diamond, the use of PKA elements depleted in the catalyst material of the present invention is useful.

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)

1. Спрессованный в таблетку режущий элемент, включающий тело, выполненное из сверхтвердого поликристаллического материала со множеством связанных друг с другом алмазных кристаллов, выполненных заодно с металлсодержащей подложкой, со множеством межкристаллитных зон, расположенных между алмазными кристаллами, и с катализирующим материалом, при этом объемная плотность алмазов в теле составляет не менее 90% и у тела имеется режущая поверхность, при этом вторая межкристаллитная зона, расположенная в непосредственной близости хотя бы от части режущей поверхности, в значительной степени свободна от катализирующего материала, в то время как первая межкристаллитная зона той части тела, которая контактирует с подложкой, содержит катализирующий материал, и вторая межкристаллитная зона распространяется вглубь режущей поверхности, а средняя толщина первой межкристаллитной зоны составляет более 0,15 мм.1. A tablet-shaped cutting element comprising a body made of a superhard polycrystalline material with a plurality of diamond crystals bonded to each other, made integrally with a metal-containing substrate, with a plurality of intergranular zones located between the diamond crystals, and with a catalyst material, wherein the bulk density diamonds in the body is at least 90% and the body has a cutting surface, while the second intergranular zone located in close proximity to at least an hour and the cutting surface is substantially free of catalytic material, while the first intergranular zone of that part of the body that is in contact with the substrate contains the catalytic material, and the second intergranular zone extends deep into the cutting surface, and the average thickness of the first intergranular zone is more than 0 , 15 mm. 2. Спрессованный в таблетку режущий элемент по п.1, отличающийся тем, что режущий элемент устанавливается на режущей грани лопастного долота.2. Compressed into a tablet cutting element according to claim 1, characterized in that the cutting element is installed on the cutting edge of the blade bit. 3. Спрессованный в таблетку режущий элемент по п.1, отличающийся тем, что режущий элемент устанавливается на корпусе шарошечного долота.3. Compressed into a tablet cutting element according to claim 1, characterized in that the cutting element is installed on the roller cone body. 4. Спрессованный в таблетку режущий элемент по п.1, входящий в состав режущего элемента с режущей поверхностью, предназначенного для использования в качестве режущей вставки при механической обработке на станках.4. Compressed into a tablet cutting element according to claim 1, which is part of the cutting element with a cutting surface, intended for use as a cutting insert for machining on machines. 5. Спрессованный в таблетку режущий элемент по п.1, отличающийся тем, что подложка выполнена из карбида вольфрама со связующим из группы железа.5. The cutting element compressed into a tablet according to claim 1, characterized in that the substrate is made of tungsten carbide with a binder from the iron group. 6. Спрессованный в таблетку режущий элемент по п.1, отличающийся тем, что вторая межкристаллитная зона распространяется вглубь режущей поверхности не менее чем на величину, равную среднему диаметру алмазного кристалла.6. Compressed into a tablet cutting element according to claim 1, characterized in that the second intergranular zone extends into the depth of the cutting surface by at least an amount equal to the average diameter of the diamond crystal. 7. Спрессованный в таблетку режущий элемент по п.1, отличающийся тем, что вторая межкристаллитная зона распространяется вглубь режущей поверхности не менее чем на 0,1 мм.7. Compressed into a tablet cutting element according to claim 1, characterized in that the second intergranular zone extends into the depth of the cutting surface by at least 0.1 mm 8. Спрессованный в таблетку режущий элемент по п.1, отличающийся тем, что средний размер алмазного кристалла находится в пределах приблизительно от 30 мкм до 60 мкм.8. Compressed into a tablet cutting element according to claim 1, characterized in that the average size of the diamond crystal is in the range from about 30 microns to 60 microns. 9. Спрессованный в таблетку режущий элемент по п.1, отличающийся тем, что большая часть катализирующего материала первой межкристаллитной зоны тела сцепляется с поверхностями алмазных кристаллов.9. The tablet-shaped cutting element according to claim 1, characterized in that most of the catalytic material of the first intergranular zone of the body adheres to the surfaces of diamond crystals. 10. Спрессованный в таблетку режущий элемент по п.1, отличающийся тем, что количество катализирующего материала во второй межкристаллитной зоне тела непрерывно уменьшается по мере увеличения расстояния от первого объема.10. A tablet-shaped cutting element according to claim 1, characterized in that the amount of catalyst material in the second intergranular zone of the body continuously decreases as the distance from the first volume increases. 11. Спрессованный в таблетку режущий элемент по п.1, отличающийся тем, что первая межкристаллитная зона, удаленная от рабочей поверхности, составляет более 30% тела.11. Compressed into a tablet cutting element according to claim 1, characterized in that the first intergranular zone remote from the working surface is more than 30% of the body.
RU2003107666/03A 2000-09-20 2001-09-05 Cutting member compacted in tablet RU2320615C9 (en)

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)

* Cited by examiner, † Cited by third party
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)

* Cited by examiner, † Cited by third party
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

Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
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