RU2550671C2

RU2550671C2 - Синтетические материалы для испытания pdc-резцов или для испытания других сверхтвердых материалов

Info

Publication number: RU2550671C2
Application number: RU2012120719/02A
Authority: RU
Inventors: Майкл Р. РИЗ; Федерико БЕЛЛИН; Альфазази ДУРФЭЙ; Гэри М. ТИГПЕН
Original assignee: Варель Ероп С.А.С.
Priority date: 2009-12-18
Filing date: 2010-12-13
Publication date: 2015-05-10
Also published as: EP2513406A1; US20110146372A1; US8434348B2; WO2011075432A2; RU2012120718A; WO2011075438A1; EP2512739A2; RU2012120720A; WO2011075432A3; US8434346B2; RU2011110250A; EP2512739A4; RU2550750C2; US20110146373A1; US9297732B2; WO2011075479A1; US20110146374A1; EP2512740A1; US20110148021A1; RU2550672C2

Abstract

Изобретение относится к области исследования прочностных свойств материалов и может быть использовано для испытания сверхтвердого компонента на сопротивление абразивному износу и/или стойкость к ударной нагрузке. Испытательный цилиндр содержит первый конец, второй конец и боковую стенку, продолжающуюся от первого конца до второго конца. По меньшей мере один из упомянутых элементов цилиндра является подвергаемым воздействию участком, который контактирует со сверхтвердым компонентом для определения по меньшей мере одной характеристики сверхтвердого компонента. Подвергаемый воздействию участок содержит по меньшей мере один синтетический материал, имеющий по меньшей мере одну из характеристик, к которым относятся предел прочности при неограниченном сжатии от примерно 15 кфунт/дюйм² до примерно 25 кфунт/дюйм², абразивную способность от примерно 1 Cerchar до примерно 6 Cerchar и содержание железа от примерно 5% до примерно 10%. В результате повышается производительность испытания сверхтвердого материала, в частности PDC-резцов. 2 н. и 26 з.п. ф-лы, 11 ил.

Description

Перекрестная ссылка на родственные заявки

Авторы настоящей заявки претендуют на приоритет по предварительной патентной заявке США №61/288,143, озаглавленной «Способ и устройство для испытания сверхтвердого материала на эксплуатационные показатели», поданной 18 декабря 2009 г., которая целиком включена в настоящий текст посредством ссылки.

Настоящая заявка является родственной с патентной заявкой США №12/916,776, озаглавленной «Синтетические материалы для испытания PDC-резцов или для испытания других сверхтвердых материалов», поданной 1 ноября 2010 г., и патентной заявкой США №12/916,847, озаглавленной «Синтетические материалы для испытания PDC-резцов или для испытания других сверхтвердых материалов», поданной 1 ноября 2010 г., содержание которых включено в настоящий текст посредством ссылки.

Область техники, к которой относится изобретение

Настоящее изобретение относится к способу и устройству для испытания PDC-резцов или других сверхтвердых компонентов и, в частности, к способу и устройству для испытания PDC-резцов или других сверхтвердых компонентов на сопротивление абразивному износу и/или стойкость к ударной нагрузке.

Уровень техники

На Фиг.1 показан сверхтвердый компонент 100, который вставляется в скважинный инструмент (не показан) в соответствии с иллюстративным примером осуществления изобретения. Примером сверхтвердого компонента 100 является режущий элемент (или резец) 100 для буровых долот. Типичный режущий элемент 100 включает в себя основу 110, имеющую контактную поверхность 115 и режущую грань 120. Режущая грань 120 изготавливается с использованием сверхтвердого слоя, который прикрепляется к контактной поверхности 115 с помощью процесса спекания. Основа 110 обычно изготавливается из сплава карбид вольфрама - кобальт или карбида вольфрама, в то время как режущая грань 120 образуется из слоя поликристаллического сверхтвердого материала, такого как поликристаллический алмаз (PCD), поликристаллический кубический нитрид бора (PCBN) или карбид вольфрама, смешанный с алмазными кристаллами (импрегнированными сегментами). Эти режущие элементы 100 изготавливаются согласно процессам и из материалов, известных специалистам в этой области. Режущий элемент 100 упоминается как поликристаллический алмазный композит (PDC) тогда, когда для образования режущей грани 120 используется PCD. PDC-резцы известны благодаря их твердости и долговечности, что позволяет их эффективно использовать в качестве режущей вставки для областей применения, предъявляющих повышенные требования. Несмотря на то что приводится описание одного сверхтвердого компонента 100, могут использоваться и другие типы сверхтвердых компонентов 100.

Общие проблемы, связанные с этими резцами 100, включают в себя скалывание, выкрашивание, частичное разрушение, образование трещин и/или расслаивание режущей грани 120. Эти проблемы приводят к преждевременному разрушению режущей грани 120. Как правило, эти проблемы могут быть вызваны высокоинтенсивными механическими напряжениями, возникающими на режущей грани 120 в зоне, где режущая грань контактирует с толщей пород во время бурения. Эти проблемы увеличивают затраты на бурение из-за расходов, связанных с ремонтом, вынужденными перерывами в работе и затратами на рабочую силу. По этим причинам были разработаны способы испытания резцов 100 для определения сопротивления абразивному износу и/или стойкости к ударной нагрузке с целью повышения срока службы резцов и существенного уменьшения вышеуказанных проблем.

Сверхтвердые компоненты 100, включающие в себя PDC-резцы 100, испытывали на сопротивление абразивному износу с помощью двух стандартных методик испытаний. Раньше при разработке PDC-материалов сопротивление абразивному износу определялось с помощью стандартного испытания на гранитном цилиндре, которое описывается ниже со ссылкой на Фиг.2. Однако, поскольку PDC-резцы 100 стали более износоустойчивыми, и для осуществления стандартного испытания на гранитном цилиндре требовалось слишком много времени и большое количество стандартных испытательных цилиндров 250 (Фиг.2), то для осуществления испытания на сопротивление абразивному износу вместо стандартного испытания на гранитном цилиндре стали использовать стандартное испытание на токарно-карусельном станке с револьверной головкой (VTL), которое подробно описано ниже со ссылкой на Фиг.3.

На Фиг.2 показан станок 200 для испытания сверхтвердого компонента 100 на сопротивление абразивному износу посредством стандартного испытания на гранитном цилиндре. Несмотря на то что показана примерная конфигурация одного станка 200, могут использоваться и другие аппаратные конфигурации без отклонения от объема и сущности этого иллюстративного варианта осуществления. Со ссылкой на Фиг.2, станок 200 включает в себя зажимной патрон 210, заднюю бабку 220 и держатель 230 инструмента, расположенный между зажимным патроном 210 и задней бабкой 220. Стандартный испытательный цилиндр 250 имеет первый конец 252, второй конец 254 и боковую стенку 258, продолжающуюся от первого конца 252 ко второму концу 254. Согласно стандартному протоколу испытания на гранитном цилиндре боковая стенка 258 является подвергаемой воздействию поверхностью 259, которая во время испытания контактирует со сверхтвердым компонентом 100. Первый конец 252 соединен с зажимным патроном 210, в то время как второй конец 254 соединен с задней бабкой 220. Зажимной патрон 210 предназначен для вращения, тем самым, также вращая стандартный испытательный цилиндр 250 вдоль центральной оси 256 стандартного испытательного цилиндра 250. Задняя бабка 220 предназначена для удерживания второго конца 254 на месте во время вращения стандартного испытательного цилиндра 250. Стандартный испытательный цилиндр 250 изготовлен из единого однородного материала, который обычно представляет собой горную породу, например гранит, или бетон. В качестве материала стандартного испытательного цилиндра 250 используются и другие типы однородной горной породы, включая, без ограничения, песчаник Jackfork, известняк Indiana, песчаник Berea, мрамор Carthage, черный мрамор Champlain, гранит Berkley, белый гранит Sierra, розовый гранит Texas и серый гранит Georgia. Стандартный испытательный цилиндр 250 имеет предел прочности на сжатие примерно 25000 фунтов на квадратный дюйм (psi) или менее и абразивность примерно 6 CAI или менее при использовании естественных горных пород. Эти стандартные испытательные цилиндры 250, изготовленные из естественных горных пород, имеют высокую стоимость производства, обработки, транспортировки и погрузки/разгрузки. В случае использования бетона стандартный испытательный цилиндр 250 имеет предел прочности на сжатие примерно 12000 psi или менее и абразивность примерно 2CAI или менее.

PDC-резец 100 устанавливается в держатель 230 инструмента станка, так чтобы режущая грань 120 PDC-резца контактировала с подвергаемой воздействию поверхностью 259 и подавалась назад и вперед в поперечном направлении к подвергаемой воздействию поверхности 259. Держатель 230 инструмента имеет скорость подачи во внутреннем направлении к стандартному испытательному цилиндру 250. Сопротивление абразивному износу для PDC-резца 100 устанавливается как относительный износ, который определяется как отношение удаленного объема стандартного испытательного цилиндра 250 к удаленному объему режущей грани 120 PDC-резца. Относительный износ может упоминаться как относительное истирание (G-отношение). Общепринятые значения диапазона G-отношения составляют от 1000000/1 до 15000000/1 в зависимости от абразивности стандартного испытательного цилиндра и PDC-резца. Как вариант, вместо измерения объема удаленной породы может быть измерено расстояние, которое проходит PDC-резец 100 в поперечном направлении к стандартному испытательному цилиндру 250, и это расстояние может быть использовано для определения сопротивления абразивному износу для PDC-резца 100. Общепринятые значения расстояния перемещения составляют от примерно 15000 футов до примерно 160000 футов в зависимости от абразивности стандартного испытательного цилиндра и PDC-резца. Как вариант, для определения сопротивления абразивного износа с помощью стандартного испытания на гранитном цилиндре могут быть использованы другие способы, известные специалистам в этой области техники. Принцип действия и конструкция станка 200 известны специалистам в этой области техники. Описание этого типа испытаний приводится в статье 5074-РА Earton, B.A, Bower, Jr., A.B., и Martis, J.A. «Manufactured Diamond Cutters Used In Drilling Bits», Journal of Petroleum Technology, май 1975 г., стр.543-551, Общества инженеров-нефтяников, опубликованной в журнале Journal of Petroleum Technology в мае 1975 г., а также в работе Maurer, William С., Advanced Drilling Techniques, глава 22, The Petroleum Publishing Company, 1980 г., стр.541-591, включенной в настоящий текст посредством ссылки.

Как указано выше, это стандартное испытание на гранитном цилиндре было эффективным на начальных этапах разработки PDC-резцов 100. Однако благодаря совершенствованию технологии изготовления PDC-резцы 100 стали более стойкими к абразивному износу. PDC-резцы 100, изготавливаемые по актуальной технологии, могут прорезать большое количество стандартных испытательных цилиндров 250 без появления какой-либо заметной или поддающейся измерению кромки износа, что делает способ стандартного испытания на гранитном цилиндре неэффективным и слишком затратным для измерения сопротивления абразивного износа сверхтвердых компонентов 100.

На Фиг.3 показан токарно-карусельный станок 300 с револьверной головкой для испытания сверхтвердого компонента 100 на сопротивление абразивному износу с помощью стандартного испытания на токарно-карусельном станке с револьверной головкой (VTL). Несмотря на то, что примерная конфигурация показана для одного VTL 300, могут использоваться и другие аппаратные конфигурации без отклонения от объема и сущности этого иллюстративного варианта осуществления. Токарно-карусельный станок 300 с револьверной головкой включает в себя поворотный стол 310 и держатель 320 инструмента, расположенный над поворотным столом 310. Стандартный испытательный цилиндр 350 имеет первый конец 352, второй конец 354 и боковую стенку 358, продолжающуюся от первого конца 352 ко второму концу 354. Согласно стандартному протоколу VTL-испытания второй конец 354 является подвергаемой воздействию поверхностью 359, которая во время испытания контактирует с режущей гранью 120 сверхтвердого компонента. Стандартный испытательный цилиндр 350 имеет диаметр от примерно тридцати дюймов до примерно шестидесяти дюймов, но может иметь и меньший или больший диаметр в зависимости от требований к испытаниям. Стандартный испытательный цилиндр 350 имеет больший диаметр по сравнению со стандартным испытательным цилиндром 250 (Фиг.2).

Первый конец 352 расположен на поворотном столе 310 VTL 300, при этом подвергаемая воздействию поверхность 359 обращена к держателю 320 инструмента. PDC-резец 100 установлен в держателе 320 инструмента над подвергаемой воздействию поверхностью 359 стандартного испытательного цилиндра и контактирует с подвергаемой воздействию поверхностью 359. Стандартный испытательный цилиндр 350 вращается с помощью поворотного стола 310, когда держатель 320 инструмента циклически перемещает PDC-резец 100 от центра подвергаемой воздействию поверхности 359 стандартного испытательного цилиндра до его края и обратно к центру подвергаемой воздействию поверхности 359 стандартного испытательного цилиндра. Держатель 320 инструмента имеет заданную скорость подачи в нижнем направлении.

VTL 300 обычно является станком большего размера по сравнению со станком 200 (Фиг.2), используемым для стандартного испытания на гранитном цилиндре. Стандартное VTL-испытание обеспечивает большие глубины реза, выполняемого в стандартном испытательном цилиндре 350, и использование большего стандартного испытательного цилиндра 350 по сравнению с глубинами выполняемого реза и размером стандартного испытательного цилиндра 250 (Фиг.2), используемого для стандартного испытания на гранитном цилиндре. Возможность осуществления реза большей глубины позволяет прикладывать более высокие нагрузки к PDC-резцу 100. Кроме того, больший стандартный испытательный цилиндр 350 обеспечивает больший объем породы, на который может действовать PDC-резец 100, и, тем самым, большую длительность осуществления испытания на одном и том же стандартном испытательном цилиндре 350. Таким образом, при выполнении стандартного VTL-испытания используется меньшее количество стандартных испытательных цилиндров 350 по сравнению с количеством стандартных испытательных цилиндров 250 (Фиг.2), которые используются для стандартного испытания на гранитном цилиндре. Обычно стандартный испытательный цилиндр 350 изготавливается целиком из гранита; однако стандартный испытательный цилиндр может быть целиком изготовлен из другого однородного природного материала, включая, без ограничения, песчаник Jackfork, известняк Indiana, песчаник Berea, мрамор Carthage, черный мрамор Champlain, гранит Berkley, белый гранит Sierra, розовый гранит Texas и серый гранит Georgia или бетон. Стандартный испытательный цилиндр 350 имеет предел прочности на сжатие примерно 25000 psi или менее и абразивность примерно 6 CAI или менее при использовании естественных горных пород. Как указано выше, эти стандартные испытательные цилиндры 350, изготовленные из естественных горных пород, имеют высокую стоимость производства, обработки, транспортировки и погрузки/разгрузки. При использовании бетона стандартный испытательный цилиндр 350 имеет предел прочности на сжатие примерно 12000 psi или менее и абразивность примерно 2CAI или менее. Сопротивление абразивному износу PDC-резца 100 определяют как относительный износ, который, в свою очередь, определяется как отношение удаленного объема стандартного испытательного цилиндра 350 к удаленному объему PDC-резца 100. Относительный износ может упоминаться как относительное истирание (G-отношение). Общепринятые значения диапазона G-отношения составляют от 1000000/1 до 15000000/1 в зависимости от абразивности стандартного испытательного цилиндра и PDC-резца. Как вариант, вместо измерения объема удаленной породы может быть измерено расстояние, которое проходит PDC-резец 100 в поперечном направлении к стандартному испытательному цилиндру 350, и это расстояние может быть использовано для определения сопротивления абразивному износу для PDC-резца 100. Общепринятые значения расстояния перемещения составляют от примерно 15000 футов до примерно 160000 футов в зависимости от абразивности стандартного испытательного цилиндра и PDC-резца.

Со ссылкой на Фиг.2 и 3, стандартные испытательные цилиндры 250 и 350 имеют ограничения из-за составов материала, используемого при изготовлении стандартных испытательных цилиндров 250 и 350, который является или природным материалом, или бетоном. В случае использования природного материала этот материал должен быть добыт на месторождении и ему должна быть придана соответствующая форма, прежде чем природный материал станет пригодным для использования в качестве стандартного испытательного цилиндра 250 и 350. Кроме того, при использовании природных материалов следует принять некоторые меры предосторожности из-за нестабильности свойств этих материалов. Например, когда для использования в качестве стандартного испытательного цилиндра 250 и 350 выбран природный материал, последующий природный материал должен быть выбран с того же самого месторождения во избежание дорогостоящей повторной калибровки оборудования для осуществления испытания. Аналогичный природный материал с другого месторождения, вероятно, будет иметь иные свойства, что может привести к расхождению результатов. Кроме того, расходы на транспортировку, ограниченность поставок природного материала и естественные отклонения свойств увеличивают расходы и затрудняют возможность получения воспроизводимых результатов.

Бетон имеет некоторые преимущества по сравнению с природным материалом при изготовлении стандартных испытательных цилиндров 250 и 350. Бетон является широкодоступным и относительно недорогим материалом по сравнению с природными материалами. Бетон изготавливается из местных материалов, в результате чего снижаются транспортные расходы. Несмотря на то что бетон имеет некоторые преимущества перед природными материалами, бетон также имеет ряд недостатков. Первый недостаток состоит в том, что бетон имеет намного меньший предел прочности на сжатие по сравнению с пределом прочности на сжатие горной породы. Обычный бетон имеет стандартный предел прочности на сжатие примерно три килофунта на квадратный дюйм (kpsi), некоторые специальные бетоны могут иметь предел прочности на сжатие примерно двенадцать kpsi. Однако предел прочности на сжатие породы, встречающейся в рабочих условиях, обычно составляет от примерно двадцати kpsi до примерно шестидесяти kpsi. Таким образом, испытания, проводимые с применением бетонных стандартных испытательных цилиндров 250 и 350, не соответствуют результатам, получаемым в рабочих условиях. Другой недостаток состоит в том, что изготовление бетона является процессом, требующим гораздо больше времени. Для гарантированного получения заданной твердости бетон должен выдерживаться примерно двадцать восемь дней. Специалистам в этой области техники известно, что большая продолжительность изготовления для получения стандартного испытательного цилиндра 250 и 350 связана с очень большими расходами из-за потери времени.

Краткое описание чертежей

Вышеуказанные и другие признаки и аспекты изобретения станут более понятными после изучения приведенного ниже описания некоторых иллюстративных вариантов осуществления со ссылкой на приложенные чертежи, на которых:

Фиг.1 иллюстрирует сверхтвердый компонент, который вставляется в скважинный инструмент (не показан) по иллюстративному варианту осуществления изобретения;

Фиг.2 иллюстрирует станок для испытания сверхтвердого компонента на сопротивление абразивному износу посредством стандартного испытания на гранитном цилиндре;

Фиг.3 иллюстрирует токарно-карусельный станок с револьверной головкой для испытания сверхтвердого компонента на сопротивление абразивному износу с помощью стандартного испытания на токарно-карусельном станке с револьверной головкой;

Фиг.4 иллюстрирует вид сверху на испытательный цилиндр по иллюстративному варианту осуществления изобретения;

Фиг.5 иллюстрирует вид сверху на литейную форму, используемую для получения испытательного цилиндра из Фиг.4 по иллюстративному варианту осуществления изобретения;

Фиг.6 иллюстрирует вид сверху на испытательный цилиндр по альтернативному иллюстративному варианту осуществления изобретения;

Фиг.7 иллюстрирует вид сверху на испытательный цилиндр по второму альтернативному иллюстративному варианту осуществления изобретения;

Фиг.8 иллюстрирует вид сверху на испытательный цилиндр по третьему альтернативному иллюстративному варианту осуществления изобретения;

Фиг.9 иллюстрирует вид сверху на испытательный цилиндр по четвертому альтернативному иллюстративному варианту осуществления изобретения;

Фиг.10 иллюстрирует вид сверху на испытательный цилиндр по пятому альтернативному иллюстративному варианту осуществления изобретения;

Фиг.11 иллюстрирует вид сверху на испытательный цилиндр по шестому альтернативному иллюстративному варианту осуществления изобретения.

На чертежах показаны только иллюстративные варианты осуществления изобретения, и, соответственно, они не должны рассматриваться как чертежи, ограничивающие объем изобретения, поскольку изобретение допускает и иные столь же эффективные варианты осуществления.

Раскрытие изобретения

Настоящее изобретение относится к способу и устройству для испытания сверхтвердых компонентов на сопротивление абразивному износу и/или стойкость к ударной нагрузке. Несмотря на то что описание иллюстративных вариантов осуществления приводится ниже со ссылкой на PDC-резец, альтернативные варианты осуществления изобретения могут применяться для других типов сверхтвердых компонентов, включая, без ограничения, PCBN-резец или другие сверхтвердые компоненты, известные или еще не известные специалистам в этой области техники.

Изобретение станет более понятным после изучения приведенного ниже описания неограничивающих иллюстративных вариантов осуществления со ссылкой на приложенные чертежи, на которых одинаковые части на каждой из фигур обозначены одинаковыми ссылочными номерами и на которых, вкратце, показано следующее. На Фиг.4 показан вид сверху испытательного цилиндра 400 по иллюстративному варианту осуществления изобретения. Со ссылкой на Фиг.4, испытательный цилиндр 400 имеет цилиндрическую форму и включает в себя первый конец 410, второй конец 420 и боковую стенку 430, продолжающуюся от первого конца 410 до второго конца 420. В соответствии с иллюстративным вариантом осуществления второй конец 420 также упоминается как подвергаемый воздействию участок 422 испытательного цилиндра 400, поскольку второй конец контактирует со сверхтвердым компонентом 100 (Фиг.1) при выполнении VTL-испытания. Подвергаемый воздействию участок 422 является по существу плоским. Несмотря на то что испытательный цилиндр 400 имеет цилиндрическую форму, испытательный цилиндр 400 может иметь любую другую геометрическую или негеометрическую форму без отклонения от объема и сущности иллюстративного варианта осуществления. Испытательный цилиндр 400 имеет диаметр 402 приблизительно 3 фута и высоту 404 приблизительно 4 дюйма. Однако в альтернативных иллюстративных вариантах осуществления диаметр 402 может составлять от примерно четырех дюймов до примерно десяти футов без отклонения от объема и сущности иллюстративного варианта осуществления. Кроме того, в альтернативных вариантах осуществления высота 400 может составлять от примерно одного дюйма до примерно двадцати футов без отклонения от объема и сущности иллюстративного варианта осуществления. Несмотря на то что испытательный цилиндр 400 имеет размеры, позволяющие использовать его для стандартного VTL-испытания, испытательный цилиндр 400 может иметь размеры, позволяющие использовать его для стандартного испытания на гранитном цилиндре, как указано выше.

Испытательный цилиндр 400 изготавливается с использованием синтетического материала 440. На Фиг.5 показан вид сверху литейной формы 500, используемой для получения испытательного цилиндра 400 по иллюстративному варианту осуществления изобретения. Со ссылкой на Фиг.5, литейная форма 500 включает в себя основание 505 и боковую стенку 507, направленную, по существу, перпендикулярно основанию 505. Основание 505 и боковая стенка 507 совместно образуют полость 509. Полость является обратной формой испытательного цилиндра 400 (Фиг.4), который имеет цилиндрическую форму. Однако полость 509 может быть образована в других формах, включая, без ограничения, обратные формы круга для использования на шлифовальном станке (не показан) или другие геометрические или негеометрические формы по другим иллюстративным вариантам осуществления. Таким образом, в других иллюстративных вариантах осуществления испытательный цилиндр 400 (Фиг.4) может иметь размеры и формы круга для использования на шлифовальном станке и может быть цилиндром, имеющим квадратную форму, овальную форму, треугольную форму или любую другую форму. Полость 509 заполняется наполнителем 510 и связывающим веществом 520, которые затем подвергаются обработке согласно методикам, которые известны специалистам в этой области техники и которые кратко описываются ниже, для превращения наполнителя 510 и связывающего вещества 520 в синтетический материал 440 (Фиг.4). Синтетический материал 440 (Фиг.4) образуется из наполнителя 510 и связывающего вещества 520, которое связывает частицы наполнителя 510 друг с другом.

Со ссылкой на Фиг.4 и 5 по некоторым вариантам осуществления изобретения связывающее вещество 520 смешивается с наполнителем 510, помещенным в литейную форму 500, и перерабатывается для образования готового синтетического материала 440. По другим иллюстративным вариантам осуществления связывающее вещество 520 наносится на наполнитель 510 и/или вокруг наполнителя 510, помещенного в литейную форму 500, и обрабатывается для получения готового синтетического материала 440. После образования синтетического материала 440 литейная форма 500 удаляется. После удаления литейной формы 500 подвергаемый воздействию участок 422 имеет гладкую и плоскую форму. По некоторым иллюстративным вариантам осуществления литейную форму 500 разрушают, в то время как по другим иллюстративным вариантам осуществления литейная форма 500 является съемной и может использоваться повторно.

Наполнитель 510 включает в себя, без ограничения, средства для пескоструйной очистки и средства для литья. Средства для пескоструйной очистки включают в себя, без ограничения, кремнистый песок, гранат, карбид кремния, глинозем, циркониевый песок и другие типы средств для пескоструйной обработки, известные специалистам в этой области техники. Эти наполнители 510 широко доступны для промышленного применения и имеют контролируемую твердость и размер частиц. Связывающее вещество 520 включает в себя, без ограничения, силикат натрия, который также носит название жидкое стекло, пластичную смолу, многокомпонентную эпоксидную смолу, керамические частицы на основе глины для образования керамических связок внутри готового синтетического материала 440, известные компаунды для получения керамических связок внутри готового синтетического материала и абразивное связующее вещество. По некоторым иллюстративным вариантам осуществления связывающее вещество 520 является прочным и быстротвердеющим материалом, при этом продолжительность твердения варьируется от практически мгновенной до приблизительно пяти дней. В других иллюстративных вариантах осуществления время отверждения может варьироваться от практически мгновенного до приблизительно пятнадцати дней. За счет использования связывающих веществ 520, которые являются прочными и быстротвердеющими материалами, изготавливают синтетические материалы 440 с регулируемым пределом прочности на сжатие и требуемой экономической эффективностью. Как вариант, синтетический материал 440 изготавливается посредством использования других синтетических материалов, таких как Corian®, Zodiaq®, Silestone®, Ceracem®, SIkacrete®, Condensil® и глинозем по некоторым иллюстративным вариантам осуществления. В соответствии с некоторыми иллюстративными вариантами осуществления другие изготавливаемые синтетические материалы образуют синтетический материал 440 за счет изготовления слоистого материала из плоских заготовок из этих других изготавливаемых синтетических материалов и придания им требуемой формы.

По одному примеру синтетический материал 440 изготавливается посредством смешивания наполнителя 510, например кремнистого песка, с силикатом натрия для образования смеси 530. По некоторым иллюстративным вариантам осуществления силикат натрия наносится на наполнитель 510. Смесь 530 набивается в полость 509 литейной формы 500, которая имеет заданную форму. Заданная форма является обратной формой испытательного цилиндра 400, который должен быть получен. Однако, как указано выше, полость 509 имеет обратную форму круга (не показан), чтобы после получения круг можно было использовать в типовом шлифовальном устройстве (не показано) по некоторым другим иллюстративным вариантам осуществления. Затем смесь 530 отверждается за счет добавления в смесь 530 диоксида углерода. Во время процесса отверждения смесь 530 застывает с образованием синтетического материала 440 в обратной форме в полости 509. Процесс твердения длится примерно менее часа; однако в других иллюстративных вариантах осуществления период времени может быть больше или меньше. Во время процесса твердения имеет место следующая химическая реакция:

Na₂SiO₃+CO₂→Na₂CO₃+SiO₂.

На основе вышеприведенной реакции во время реакции твердения силикат натрия образует диоксид кремния, что в то же время способствует соединению частиц наполнителя 510 друг с другом. Диоксид кремния является наиболее абразивным компонентом осадочных пород. Содержание диоксида кремния увеличивается по мере продолжения реакции, в результате чего увеличивается абразивность готового синтетического материала 440. По некоторым иллюстративным вариантам осуществления реакция происходит приблизительно при комнатной температуре и приблизительно при атмосферном давлении; однако в различных иллюстративных вариантах осуществления температура и/или давление могут изменяться.

По другому примеру синтетический материал 440 получают за счет смешивания наполнителя 510, например диоксида кремния, с пластичной смолой для образования смеси 530. По некоторым иллюстративным вариантам осуществления пластичная смола наносится на наполнитель 510. Смесь 530 набивается в полость 509 литейной формы 500, которая имеет заданную форму. Заданная форма является обратной формой испытательного цилиндра 400, который должен быть получен. Однако, как указано выше, полость 509 имеет обратную форму круга (не показан), чтобы после получения круг можно было использовать в типовом шлифовальном устройстве (не показано) по некоторым другим иллюстративным вариантам осуществления. Затем литейная форма 500 совместно со смесью 530 помещается в печь (не показана), где смесь 530 отверждается при заданной температуре. В соответствии с некоторыми иллюстративными вариантам осуществления соответствующая температура находится в диапазоне от приблизительно 200ºF до приблизительно 300ºF; однако по другим иллюстративным вариантам осуществления температура может быть выше или ниже. Под воздействием надлежащей температуры пластичная смола расплавляется и соединяется с наполнителем 510 в единый компонент, который принимает форму, соответствующую полости 509. Процесс отверждения продолжается примерно два часа; однако в других иллюстративных вариантах осуществления период времени может быть больше или меньше. По некоторым иллюстративным вариантам осуществления процесс выполняется примерно при атмосферном давлении, однако в различных иллюстративных вариантах осуществления давление может изменяться.

По другому примеру синтетический материал 440 получают за счет смешивания наполнителя 510, например кремнистого песка, с многокомпонентной эпоксидной смолой для образования смеси 530. Многокомпонентная эпоксидная смола состоит из двух частей, эпоксидной смолы и отвердителя, которые при контакте друг с другом инициируют реакцию, которая соединяет частицы наполнителя 510. По первому примеру многокомпонентная эпоксидная смола включает в себя фенольную смолу и гексаметилентетрамин. В некоторых иллюстративных вариантах осуществления многокомпонентная эпоксидная смола включает в себя больше двух компонентов. Смесь 530 набивается в полость 509 литейной формы 500, которая имеет заданную форму. Заданная форма является обратной формой испытательного цилиндра 400, который должен быть получен. Однако, как указано выше, полость 509 имеет обратную форму круга (не показан), чтобы после получения круг можно было использовать в типовом шлифовальном устройстве (не показано) по некоторым другим иллюстративным вариантам осуществления. В литейной форме 500 происходит реакция, когда все компоненты многокомпонентной эпоксидной смолы контактирует друг с другом, тем самым, приводя к соединению частиц наполнителя 510 для образования единого компонента, который принимает форму, соответствующую полости 509. Процесс отверждения продолжается примерно пять часов; однако в других иллюстративных вариантах осуществления период времени может быть больше или меньше. В соответствии с некоторыми иллюстративными вариантами осуществления процесс выполняется при температуре примерно 70-480ºF и при давлении, которое примерно равно одной атмосфере; однако в различных иллюстративных вариантах осуществления температура и/или давление могут изменяться.

По другому примеру синтетический материал 440 изготавливается посредством смешивания наполнителя 510, например кремнистого песка, с минералом, относящимся к группе листовых силикатов, например силикатом натрия, для образования смеси 530. По некоторым иллюстративным вариантам осуществления силикат натрия наносится на наполнитель 510. Смесь 530 набивается в полость 509 литейной формы 500, которая имеет заданную форму. Заданная форма является обратной формой испытательного цилиндра 400, который должен быть получен. Однако, как указано выше, полость 509 имеет обратную форму круга (не показан), чтобы после получения круг можно было использовать в типовом шлифовальном устройстве (не показано) по некоторым другим иллюстративным вариантам осуществления. Затем смесь 530 отверждается за счет добавления в смесь 530 диоксида углерода и увеличения температуры до примерно 1600ºF. Во время процесса отверждения смесь 530 застывает с образованием синтетического материала 440 в форме, соответствующей полости 509. Процесс отверждения длится примерно 9 часов; однако в других иллюстративных вариантах осуществления период времени может быть больше или меньше. Во время процесса отверждения имеет место следующая химическая реакция:

Na₂SiO₃+CO₂→Na₂CO₃+SiO₂.

На основе вышеприведенной реакции во время реакции отверждения силикат натрия образует диоксид кремния и в то же время способствует соединению частиц наполнителя 510 друг с другом. Диоксид кремния является наиболее абразивным компонентом осадочных пород. Содержание диоксида кремния увеличивается по мере продолжения реакции, в результате чего увеличивается абразивность готового синтетического материала 440. В соответствии с некоторыми иллюстративными вариантами осуществления реакция происходит приблизительно при комнатной температуре и при давлении от приблизительно десяти psi до давления приблизительно пятнадцать psi; однако в различных иллюстративных вариантах осуществления температура и/или давление могут изменяться.

Согласно другому примеру синтетический материал 440 изготавливается посредством смешивания наполнителя 510, например кремнистого песка, с керамическим материалом на основе глины для образования смеси 530. Однако согласно некоторым иллюстративным вариантам осуществления используются и другие типы керамического материала. Смесь 530 набивается в полость 509 литейной формы 500, которая имеет заданную форму. Заданная форма является обратной формой испытательного цилиндра 400, который должен быть получен. Однако, как указано выше, полость 509 имеет обратную форму круга (не показан), чтобы после получения круг можно было использовать в типовом шлифовальном устройстве (не показано) по некоторым другим иллюстративным вариантам осуществления. Затем литейная форма 500 совместно со смесью 530 помещается в печь (не показана) и прокаливается, при этом смесь 530 твердеет, и образуются керамические связки. По некоторым иллюстративным вариантам осуществления температура составляет от примерно 1745ºF до примерно 2012ºF; однако в различных иллюстративных вариантах осуществления температура может изменяться. Во время прокаливания образуются керамические связки, и частицы наполнителя 510 образуют единый компонент, который принимает форму, соответствующую полости 509. Процесс прокаливания выполняется от примерно четырех часов до примерно шести часов; однако в других иллюстративных вариантах осуществления период времени может быть больше или меньше. По некоторым иллюстративным вариантам осуществления процесс выполняется примерно при комнатном давлении; однако в различных иллюстративных вариантах осуществления давление может изменяться.

Согласно другому примеру синтетический материал 440 изготавливается посредством смешивания наполнителя 510, например Condensil®, с абразивным связующим веществом, например Ceracem®, для образования смеси 530. Condensil® образуется из песка и используется в качестве компонента для бетона с высокими эксплуатационными характеристиками. В некоторых иллюстративных вариантах осуществления Condensil® включает в себя примерно 95% диоксида кремния; однако в других вариантах осуществления изобретения процентное содержание диоксида кремни может изменяться. В некоторых иллюстративных вариантах осуществления Condensil® включает в себя примерно 92% диоксида кремния. По некоторым иллюстративным вариантам осуществления, где используются Condensil® и Ceracem®, смесь 530 используется для получения высокопрочного бетона с высокой абразивной способностью. Смесь 530 набивается в полость 509 литейной формы 500, которая имеет заданную форму. Заданная форма является обратной формой испытательного цилиндра 400, который должен быть получен. Однако, как указано выше, полость 509 имеет обратную форму круга (не показан), чтобы после получения круг можно было использовать в типовом устройстве со шлифовальным кругом (не показано) по некоторым другим иллюстративным вариантам осуществления. Затем смесь 530 отверждается для образования единого компонента, который принимает форму, соответствующую полости 509. По некоторым иллюстративным вариантам осуществления процесс отверждения происходит приблизительно при комнатной температуре и приблизительно при атмосферном давлении; однако в различных иллюстративных вариантах осуществления температура и/или давление могут изменяться. Процесс отверждения продолжается примерно 7 дней; однако в других иллюстративных вариантах осуществления период времени может быть больше или меньше. При использовании большей доли Condensil® синтетический материал 440 будет иметь повышенную абразивность. И, наоборот, при использовании большей доли Ceracem® синтетический материал 440 будет иметь повышенный предел прочности на сжатие. Пропорциональные доли как наполнителя 510, так и абразивного связующего вещества могут варьироваться для изменения свойств синтетического материала 440 в зависимости от требований к испытанию.

Несмотря на то что выше были приведены несколько примеров изготовления синтетического материала 440 и способствования связыванию частиц наполнителя 510, способы связывания включают в себя, без ограничения, образование керамических связок, образование бакелитовых связок, образование силикатных связок, образование шеллачных связок, образование вулканитовых связок и образование магнезиальных связок.

Готовый испытательный цилиндр 400 имеет предел прочности при неограниченном сжатии по меньшей мере 18000 psi. В некоторых иллюстративных вариантах осуществления готовый испытательный цилиндр 400 имеет предел прочности при неограниченном сжатии от примерно 18000 psi до примерно 30000 psi. В некоторых иллюстративных вариантах осуществления готовый испытательный цилиндр 400 имеет предел прочности при неограниченном сжатии от примерно 20000 psi до примерно 28000 psi. В некоторых иллюстративных вариантах осуществления готовый испытательный цилиндр 400 имеет предел прочности при неограниченном сжатии от примерно 22000 psi до примерно 25000 psi.

Готовый испытательный цилиндр 400 имеет абразивность по меньшей мере 1,0 CAI при классификации согласно Cerchar-испытанию. В некоторых иллюстративных вариантах осуществления готовый испытательный цилиндр 400 имеет абразивность от примерно одного CAI до примерно двух CAI при классификации согласно Cerchar-испытанию. В некоторых иллюстративных вариантах осуществления готовый испытательный цилиндр 400 имеет абразивность от примерно двух CAI до примерно четырех CAI при классификации согласно Cerchar-испытанию. В некоторых иллюстративных вариантах осуществления готовый испытательный цилиндр 400 имеет абразивность от примерно четырех CAI до примерно шести CAI при классификации согласно Cerchar-испытанию.

По некоторым иллюстративным вариантам осуществления в состав синтетического материала 440, который образует испытательный цилиндр 400, включены железо и/или железные сплавы. По некоторым иллюстративным вариантам осуществления в состав синтетического материала 440 включено железо в форме частиц чугуна. В другом иллюстративном варианте осуществления в состав синтетического материала 440 включено железо в форме стальной дроби. Несмотря на то что для форм железа, которые могут быть включены в синтетический материал 440, были приведены некоторые примеры, в состав синтетического материала 440 по другим иллюстративным вариантам осуществления могут быть включены и другие формы железа. Железо и/или железные сплавы включены в состав синтетического материала 440 для увеличения скорости износа режущей грани 120 (Фиг.1) и уменьшения продолжительности испытания. Железо реагирует с алмазом и, таким образом, может повысить скорость износа режущей грани 120 (Фиг.1).

По некоторым иллюстративным вариантам осуществления силикатные сплавы включены в состав синтетического материала 440, который образует испытательный цилиндр 400. Диоксид кремния в форме Condensil® включен в состав синтетического материала 440 по некоторым иллюстративным вариантам осуществления. Сплавы диоксида кремния включены в состав синтетического материала 440 для увеличения абразивности и повышения скорости износа режущей грани 120 (Фиг.1) и уменьшения продолжительности испытания.

В некоторых вариантах осуществления содержание Condensil® варьируется приблизительно от нуля процентов приблизительно до пятидесяти процентов от массы бетона. В некоторых вариантах осуществления содержание Condensil® варьируется приблизительно от пяти процентов приблизительно до двадцати пяти процентов от массы бетона. В некоторых вариантах осуществления содержание Condensil® варьируется приблизительно от нуля процентов приблизительно до десяти процентов от массы бетона.

По некоторым иллюстративным вариантам осуществления железо составляет от примерно пяти процентов до примерно десяти процентов общего состава синтетического материала 440; однако по другим иллюстративным вариантам осуществления содержание железа может быть больше или меньше. В иллюстративных вариантах осуществления, где железо включено в состав синтетического материала 440, предел прочности при неограниченном сжатии испытательного цилиндра 400 составляет по меньшей мере 12000 psi. В некоторых иллюстративных вариантах осуществления, где железо включено в состав синтетического материала 440, предел прочности при неограниченном сжатии испытательного цилиндра 400 составляет от примерно 12000 psi до примерно 30000 psi. В некоторых иллюстративных вариантах осуществления, где железо включено в состав синтетического материала 440, предел прочности при неограниченном сжатии испытательного цилиндра 400 составляет от примерно 18000 psi до примерно 25000 psi. В некоторых иллюстративных вариантах осуществления, где железо включено в состав синтетического материала 440, предел прочности при неограниченном сжатии испытательного цилиндра 400 составляет от примерно 22000 psi до примерно 25000 psi. В иллюстративных вариантах осуществления, где железо включено в состав синтетического материала 440, абразивность испытательного цилиндра 400 составляет по меньшей мере один CAI при классификации согласно Cerchar-испытанию. В некоторых иллюстративных вариантах осуществления, где железо включено в состав синтетического материала 440, абразивность испытательного цилиндра 400 составляет по меньшей мере от 2 CAI до примерно 4 CAI при классификации согласно Cerchar-испытанию. В некоторых иллюстративных вариантах осуществления, где железо включено в состав синтетического материала 440, абразивность испытательного цилиндра 400 составляет по меньшей мере от 4 CAI до примерно 6 CAI при классификации согласно Cerchar-испытанию. В некоторых иллюстративных вариантах осуществления, где железо включено для образования синтетического материала 440, абразивность испытательного цилиндра 400 составляет по меньшей мере от 1 CAI до примерно 6 CAI при классификации согласно Cerchar-испытанию.

Процесс изготовления испытательного цилиндра 400 является воспроизводимым, так что первый полученный испытательный цилиндр 400, по существу, идентичен и имеет схожие свойства, такие как предел прочности при неограниченном сжатии, абразивность и состав, как и испытательный цилиндр 400, изготовленный позже. После получения испытательного цилиндра 400 этот испытательный цилиндр 400 может быть использован для VTL-испытания, как описано выше. Первый конец 410 испытательного цилиндра соединен с поворотным столом 310 (Фиг.3), располагая подвергаемый воздействию участок 422 рядом с держателем 320 инструмента (Фиг.3), в котором установлен резец 100 (Фиг.3). После осуществления VTL-испытания с использованием испытательного цилиндра 400 могут быть определены сопротивление абразивному износу и/или стойкость к ударной нагрузке для PDC-резца 100 (Фиг.3).

Сопротивление абразивному износу устанавливается как относительный износ, который определяется как отношение удаленного объема испытательного цилиндра 400 к удаленному объему PDC-резца 100 (Фиг.3). Как вариант, вместо измерения объема может быть измерено расстояние, которое проходит PDC-резец 100 (Фиг.3) в поперечном направлении к испытательному цилиндру 400, и это расстояние может быть использовано для определения сопротивления абразивному износу для PDC-резца 100 (Фиг.3). Как вариант, для определения сопротивления износу с помощью VTL-испытания могут быть использованы другие способы, известные специалистам в этой области техники.

Испытательный цилиндр 400 может использоваться для испытания резцов 100 (Фиг.1) на сопротивление абразивному износу при минимальном расходе времени, испытательного материала и испытательных резцов. Испытательный цилиндр 400 превосходит известные стандартные испытательные цилиндры по меньшей мере в одном из параметров, к которым относятся более высокий предел прочности при неограниченном сжатии, более высокая абразивность и/или включение железа и/или железного сплава. Испытательный цилиндр 400 может каждый раз изготавливаться согласно одной и той же конструкции, обеспечивая воспроизводимость и непрерывность во время испытания самых различных типов резцов.

По некоторым иллюстративным вариантам осуществления изготовление синтетического материала 440 выполняется на прессе (не показан). Этот процесс способствует изготовлению синтетического материала 440 таким образом, чтобы синтетический материал 440 имел более высокий предел прочности на сжатие.

На Фиг.6 показан вид сверху испытательного цилиндра 600 по альтернативному иллюстративному варианту осуществления изобретения. Со ссылкой на Фиг.6, испытательный цилиндр 600 имеет цилиндрическую форму и включает в себя первый конец 610, второй конец 620 и боковую стенку 630, продолжающуюся от первого конца 610 ко второму концу 620. В этом иллюстративном варианте осуществления второй конец 620 также называется подвергаемым воздействию участком 622 испытательного цилиндра 600, поскольку второй конец 620 во время проведения испытания подвергается контакту со сверхтвердым компонентом 100 (Фиг.1). Подвергаемый воздействию участок 622 является, по существу, плоским. Несмотря на то что испытательный цилиндр 600 имеет цилиндрическую форму, испытательный цилиндр 600 может иметь любую другую геометрическую или негеометрическую форму без отклонения от объема и сущности данного иллюстративного варианта осуществления. Испытательный цилиндр 600 имеет диаметр 602 приблизительно три фута и высоту 604 приблизительно четыре дюйма. Однако в альтернативных иллюстративных вариантах осуществления диаметр 602 и/или высота 604 могут варьироваться согласно приведенному выше описанию без отклонения от объема и сущности иллюстративного варианта осуществления. Например, испытательный цилиндр 600 может иметь размеры и форму, позволяющие использовать его для стандартного испытания на гранитном цилиндре, как указано выше.

Испытательный цилиндр 600 изготавливается с использованием первого материала 660 и второго материала 680, который определенным образом расположен вдоль подвергаемого воздействию участка 622, при этом второй материал 680 примыкает к первому материалу 660 и находится в этом материале, и первый материал 660 является синтетическим материалом, сходным с синтетическим материалом 440 (Фиг.4). Первый синтетический материал 660 образован из любого из материалов и согласно любому из процессов, описанных выше. По некоторым предпочтительным вариантам осуществления второй материал 680 является естественной горной породой, например гранитом. По другим иллюстративным вариантам осуществления второй материал 680 также является синтетическим материалом, сходным с синтетическим материалом 440 (Фиг.4). В некоторых иллюстративных вариантах осуществления второй материал 680 является таким же материалом, как и первый материал 660. В некоторых из иллюстративных вариантов осуществления, где первый материал 660 отличается от второго материала 680, первый материал 660 является в большей степени или в меньшей степени абразивным по сравнению со вторым материалом 680 в зависимости от требований пользователя. В некоторых из иллюстративных вариантов осуществления, где первый материал 660 отличается от второго материала 680, первый материал 660 имеет или более высокий, или более низкий предел прочности при неограниченном сжатии по сравнению со вторым материалом 680 в зависимости от требований пользователя. В некоторых из иллюстративных вариантов осуществления, где первый материал 660 отличается от второго материала 680, первый материал 660 имеет или более высокое, или более низкое содержание железа и/или железных сплавов по сравнению со вторым материалом 680 в зависимости от требований пользователя.

Процесс изготовления испытательного цилиндра 600 является воспроизводимым, так что первый полученный испытательный цилиндр 600, по существу, идентичен испытательному цилиндру 600, изготовленному позже. Схема расположения второго материала 680 также является воспроизводимой, так что результаты испытания можно было сравнить с результатами других испытаний в динамике по времени. По Фиг.6 второй материал 680 является гранитной пластиной шириной примерно ¾ дюйма или примерно двадцать миллиметров и располагается от подвергаемого воздействию участка 622 до первого конца 610. Несмотря на то что в иллюстративном варианте осуществления используется гранитная пластина шириной примерно ¾ дюйма или примерно двадцать миллиметров, ширина пластин может варьироваться от примерно 1/5 дюйма или от примерно пяти миллиметров до примерно двенадцати дюймов в других иллюстративных вариантах осуществления или также может варьироваться по ширине от одной пластины к другой пластине без отклонения от объема и сущности данного иллюстративного варианта осуществления. Кроме того, несмотря на то что второй материал 680 имеет, по существу, форму прямоугольных пластин, второй материал 680 может также иметь любую другую геометрическую или негеометрическую форму без отклонения от объема и сущности данного иллюстративного варианта осуществления. Примеры второго материала 680 включают в себя, без ограничения, песчаник, известняк, мрамор, гранит, дерево, пластик, эпоксидную смолу, описанные выше синтетические материалы, бетон и другие материалы, известные специалистам в этой области техники. В альтернативных иллюстративных вариантах осуществления второй материал 680 может продолжаться от подвергаемого воздействию участка 622 на некоторое расстояние, которое по меньшей мере является частью высоты 604, без отклонения от объема и сущности иллюстративного варианта осуществления. В этом иллюстративном варианте осуществления имеются четыре части второго материала 680А, 680В, 680С и 680D, при этом каждый из вторых материалов 680А, 680В, 680С и 680D ориентирован так, чтобы разделять подвергаемый воздействию участок 622 на первую четверть 690, вторую четверть 692, третью четверть 694 и четвертую четверть 696. Таким образом, второй материал 680 расположен по X-образной схеме.

В частности, второй материал 680А расположен, по существу, под девяносто градусов ко второму материалу 680D и второму материалу 680В. Второй материал 680В расположен, по существу, под девяносто градусов ко второму материалу 680А и второму материалу 680С. Второй материал 680С расположен, по существу, под девяносто градусов ко второму материалу 680В и второму материалу 680D. Второй материал 680D расположен, по существу, под девяносто градусов ко второму материалу 680С и второму материалу 680А. Таким образом, образованы четыре одинаковые по размеру четверти 690, 692, 694 и 696; однако углы между вторыми материалами 680А, 680В, 680С и 680D могут варьироваться, так чтобы по меньшей мере одна четверть отличалась по размерам от других четвертей. Несмотря на то что на подвергаемом воздействию участке 622 образованы четыре четверти 690, 692, 694 и 696, на подвергаемом воздействию участке 622 может быть образовано и большее или меньшее количество четвертей за счет использования большего или меньшего количества пластин из второго материала 680, расположенных между первым материалом 660, без отклонения от объема и сущности иллюстративного варианта осуществления. Как вариант, второй материал 680 может быть ориентирован таким образом, чтобы сердцевина 669 первого материала была образована, по существу, в центре испытательного цилиндра 600. Как вариант, хотя это и не показано на фигурах, второй материал 680 может быть ориентирован таким образом, чтобы второй материал также был расположен, по существу, в центре испытательного цилиндра 600.

Первый материал 660 образует первую четверть 690, вторую четверть 692, третью четверть 694 и четвертую четверть 696. Первый материал 660 является любым синтетическим материалом, имеющим одно или несколько свойств из тех свойств, к которым относятся предел прочности на сжатие, абразивность и/или содержание железа, как указано выше со ссылкой на Фиг.4. Первый материал 660, как вариант, может иметь добавки для обеспечения требуемых свойств. В этом иллюстративном варианте осуществления первый материал также расположен от подвергаемого воздействию участка 622 до первого конца 610.

В одном иллюстративном варианте осуществления различие в пределе прочности при неограниченном сжатии между вторым материалом 680 и первым материалом 660 составляет от примерно 1000 psi до примерно 60000 psi. В других иллюстративных вариантах осуществления различие в пределе прочности при неограниченном сжатии между вторым материалом 680 и первым материалом 660 составляет от примерно 4000 psi до примерно 60000 psi. В других иллюстративных вариантах осуществления различие в пределе прочности при неограниченном сжатии между вторым материалом 680 и первым материалом 660 составляет от примерно 6000 psi до примерно 60000 psi. В других иллюстративных вариантах осуществления различие в пределе прочности при неограниченном сжатии между вторым материалом 680 и первым материалом 660 составляет от примерно 10000 psi до примерно 60000 psi. В других иллюстративных вариантах осуществления различие в пределе прочности при неограниченном сжатии между вторым материалом 680 и первым материалом 660 составляет от примерно 15000 psi до примерно 60000 psi.

В этом иллюстративном варианте осуществления вторые материалы 680А, 680В, 680С и 680D изготавливаются из одного и того же типа второго материала 680. Однако по некоторым альтернативным иллюстративным вариантам осуществления один или несколько из вторых материалов 680А, 680В, 680С и 680D могут быть изготовлены из различных типов вторых материалов 680, таких как гранитные и мраморные пластины. Таким образом, каждый из вторых материалов 680А, 680В, 680С и 680D может быть изготовлен из разного типа второго материала 680, или один или несколько из вторых материалов 680А, 680В, 680С и 680D могут быть выполнены из одного и того же типа второго материала 680 без отклонения от объема и сущности иллюстративного варианта осуществления.

Аналогичным образом, в этом иллюстративном варианте осуществления каждая из четвертей, к которым относятся первая четверть 690, вторая четверть 692, третья четверть 694 и четвертая четверть 696, образована из одинакового типа первого материала 660. Однако по некоторым альтернативным иллюстративным вариантам осуществления одна или несколько из четвертей, к которым относятся первая четверть 690, вторая четверть 692, третья четверть 694 и четвертая четверть 696, могут быть выполнены из другого типа первого материала 660. Таким образом, каждая из четвертей, к которым относятся первая четверть 690, вторая четверть 692, третья четверть 694 и четвертая четверть 696, может быть выполнена из другого типа первого материала 660, или одна или несколько из четвертей, к которым относятся первая четверть 690, вторая четверть 692, третья четверть 694 и четвертая четверть 696, могут быть выполнены из одного и того же типа первого материала 660 без отклонения от объема и сущности иллюстративного варианта осуществления.

Поверхность подвергаемого воздействию участка 622 испытательного цилиндра является комбинацией первого материала 660 и второго материала 680. В первом иллюстративном варианте осуществления процентное содержание первого материала 660 составляет от примерно пяти процентов до примерно десяти процентов, в то время как процентное содержание второго материала 680 составляет от примерно девяноста процентов до примерно девяноста пяти процентов. В другом иллюстративном варианте осуществления процентное содержание первого материала 660 составляет от примерно десяти процентов до примерно двадцати пяти процентов, в то время как процентное содержание второго материала 680 составляет от примерно семидесяти пяти процентов до примерно девяноста процентов. В другом иллюстративном варианте осуществления процентное содержание первого материала 660 составляет от примерно двадцати процентов до примерно тридцати пяти процентов, в то время как процентное содержание второго материала 680 составляет от примерно шестидесяти пяти процентов до примерно восьмидесяти процентов. В другом иллюстративном варианте осуществления процентное содержание первого материала 660 составляет от примерно тридцати процентов до примерно сорока пяти процентов, в то время как процентное содержание второго материала 680 составляет от примерно пятидесяти пяти процентов до примерно семидесяти процентов. В другом иллюстративном варианте осуществления процентное содержание первого материала 660 составляет от примерно сорока процентов до примерно пятидесяти пяти процентов, в то время как процентное содержание второго материала 680 составляет от примерно сорока пяти процентов до примерно шестидесяти процентов. В другом иллюстративном варианте осуществления процентное содержание первого материала 660 составляет от примерно пятидесяти процентов до примерно шестидесяти пяти процентов, в то время как процентное содержание второго материала 680 составляет от примерно тридцати пяти процентов до примерно пятидесяти процентов.

В другом иллюстративном варианте осуществления процентное содержание первого материала 660 составляет от примерно шестидесяти процентов до примерно семидесяти пяти процентов, в то время как процентное содержание второго материала 680 составляет от примерно двадцати пяти процентов до примерно сорока процентов. В другом иллюстративном варианте осуществления процентное содержание первого материала 660 составляет от примерно семидесяти процентов до примерно восьмидесяти пяти процентов, в то время как процентное содержание второго материала 680 составляет от примерно пятнадцати процентов до примерно тридцати процентов. В другом иллюстративном варианте осуществления процентное содержание первого материала 660 составляет от примерно восьмидесяти процентов до примерно девяноста процентов, в то время как процентное содержание второго материала 680 составляет от примерно десяти процентов до примерно двадцати процентов. В другом иллюстративном варианте осуществления процентное содержание первого материала 660 составляет от примерно девяноста процентов до примерно девяноста пяти процентов, в то время как процентное содержание второго материала 680 составляет от примерно пяти процентов до примерно десяти процентов.

Со ссылкой на Фиг.5 и 6, испытательный цилиндр 600 получен с помощью литейной формы 500 путем расположения второго материала 680 вертикально в литейной форме по заданной схеме. По первому иллюстративному варианту осуществления литейная форма 500 является цилиндрической, однако литейная форма 500 может иметь любую другую геометрическую или негеометрическую форму. Литейная форма 500 заполняется наполнителем 510 и связывающим веществом 520, так чтобы готовая смесь 530 окружала по меньшей мере участок второго материала 680. Смесь 530 обрабатывается и отверждается, образуя первый материал 660, который окружает по меньшей мере участок второго материала 680. После твердения литейная форма 500 удаляется, и подвергаемый воздействию участок 622 становится гладким и плоским. Второй материал 680 изготавливается предварительно, независимо от того, является ли второй материал 680 природным материалом или синтетическим материалом. По другим иллюстративным вариантам осуществления второй материал 680 изготавливается одновременно с первым материалом 660, например, когда второй материал 680 также является синтетическим материалом.

В некоторых иллюстративных вариантах осуществления эпоксидная смола (не показана), например, Sikadur BTP® помещается или наносится на наружные поверхности второго материала 680, который должен быть соединен с первым материалом 660. Эпоксидная смола представляет собой двухкомпонентную смолу по некоторым иллюстративным вариантам осуществления. Двухкомпонентная эпоксидная смола включает в себя клей и катализатор. После нанесения эпоксидной смолы на второй материал 680 этот второй материал 680 помещается в литейную форму 500 соответственно положениям, указанным выше. Первый материал помещается в литейную форму 500 и окружает второй материал 680 и эпоксидную смолу. Во время твердения эпоксидной смолы эпоксидная смола соединяется как со вторым материалом 680, так и с первым материалом 660, тем самым, эффективно соединяя второй материал 680 с первым материалом 660. По некоторым иллюстративным вариантам осуществления эпоксидная смола твердеет примерно через четырнадцать дней, однако по другим иллюстративным вариантам осуществления могут использоваться другие эпоксидные смолы, имеющие более длительные или более короткие сроки твердения. После твердения и образования испытательного цилиндра 600 эпоксидная смола имеет толщину от примерно двух миллиметров до примерно пятнадцати миллиметров; однако по другим иллюстративным вариантам осуществления эта толщина может быть больше или меньше.

Как вариант, испытательный цилиндр 600 получают с помощью литейной формы 500 путем ее заполнения смесью 530, которая включает в себя наполнитель 510 и связывающее вещество 520. По первому иллюстративному варианту осуществления литейная форма 500 является цилиндрической, однако литейная форма 500 может иметь любую другую геометрическую или негеометрическую форму. Смесь 530 обрабатывается, тем самым, образуя первый материал 660. Затем в первом материале 660 выполняются пазы или в нем выполняется сверление по заданной схеме для размещения второго материала 680. Второй материал 680 вставляется вертикально в пазы и присоединяется к первому материалу 660 с помощью связывающего вещества, известного специалистам в этой области техники, например с помощью цементирующего вещества или эпоксидной смолы. Литейная форма 500 удаляется, и подвергаемый воздействию участок 622 становится гладким и, по существу, плоским.

После образования испытательного цилиндра 600 этот испытательный цилиндр 600 может быть использован для VBM-испытания, как описано выше. Первый конец 610 испытательного цилиндра соединен с поворотным столом 310 (Фиг.3), размещая подвергаемый воздействию участок 622 рядом с держателем 320 инструмента (Фиг.3), в котором установлен резец 100 (Фиг.3). После осуществления VTL-испытания с использованием испытательного цилиндра 600 могут быть определены сопротивление абразивному износу и/или стойкость к ударной нагрузке для PDC-резца 100 (Фиг.3). Во время испытания резец 100 (Фиг.3) многократно выполняет перемещения между материалом с более высоким пределом прочности на сжатие и материалом с более низким пределом прочности на сжатие. По первому примеру, где первый материал 660 имеет более высокий предел прочности на сжатие, чем второй материал 680, и каждый раз, когда резец 100 (Фиг.3) контактирует с концом первого материала 660, проходя через первый материал 660, к режущей грани 120 (Фиг.1) и подложке 110 (Фиг.1) прикладывается фронтальная ударная нагрузка. Когда резец 100 (Фиг.3) уходит с первого материала 660 и входит на второй материал 680, напряжение сжатия на режущей грани 120 снижается или снимается, тем самым, создавая условия для испытания подложки (Фиг.1) на обратное перемещение к режущей грани 120 (Фиг.1) у контактной поверхности 115 (Фиг.1) и позволяя измерить стойкость к ударной нагрузке.

Со ссылкой на Фиг.6. сопротивление абразивному износу устанавливается как относительный износ, который определяется как отношение удаленного объема испытательного цилиндра 600 к удаленному объему PDC-резца 100 (Фиг.3). Как вариант, вместо измерения объема может быть измерено расстояние, которое проходит PDC-резец 100 (Фиг.3) в поперечном направлении к испытательному цилиндру 600, и это расстояние может быть использовано для определения сопротивления абразивному износу для PDC-резца 100 (Фиг.3). Как вариант, для определения сопротивления износу с помощью VBM-испытания могут быть использованы другие способы, известные специалистам в этой области техники. Стойкость к ударной нагрузке для PDC-резца 100 (Фиг.3) также может быть определена с помощью того же испытания за счет измерения объема алмаза, удаленного с PDC-резца 100 (Фиг.3) посредством измельчения. Как вариант, стойкость к ударной нагрузке для PDC-резца 100 (Фиг.3) может быть определена посредством измерения массы алмаза, удаленного с PDC-резца 100 (Фиг.3) посредством измельчения. Как вариант, для определения сопротивления ударной нагрузке с помощью VBM-испытания могут использоваться другие способы, известные специалистам в этой области техники.

Испытательный цилиндр 600 может использоваться для проведения испытаний резцов 100 (Фиг.1) как на сопротивление абразивному износу, так и на устойчивость к ударной нагрузке при минимальном расходе времени, испытательного материала и испытательных резцов. Испытательный цилиндр 600 может каждый раз изготавливаться согласно одной и той же конструкции, обеспечивая воспроизводимость и непрерывность во время испытания самых различных типов резцов. По некоторым иллюстративным вариантам осуществления испытательный цилиндр 600 полностью выполняется из первого материала 660. По другим иллюстративным вариантам осуществления второй материал 680 размещается в заданных местах в первом материале 660. Состав первого материала 660 поддерживается во времени, чтобы результаты испытания можно было сравнить во времени. Несмотря на то, что со ссылкой на Фиг.6 показана одна заданная схема для размещения второго материала 680 в первом материале 660, второй материал 680 также может быть расположен в первом материале 660 по любым воспроизводимым схемам, некоторые из которых показаны на Фиг.7-9.

На Фиг.7 показан вид сверху испытательного цилиндра 700 по второму альтернативному иллюстративному варианту осуществления изобретения. Испытательный цилиндр 700 подобен испытательному цилиндру 600 за исключением того, что в испытательном цилиндре 700 предусмотрен дополнительный второй материал 680Е, 680F, 680G и 680Н, который располагается от подвергаемого воздействию участка 622 до части высоты 604. Подвергаемый воздействию участок 622 является, по существу, плоским. Второй материал 680Е расположен между вторыми материалами 680А и 680В, и он, по существу, делит пополам угол, образованный между вторыми материалами 680А и 680В. Аналогично, второй материал 680F расположен между вторыми материалами 680В и 680С, и он, по существу, делит пополам угол, образованный между вторыми материалами 680В и 680С. Аналогично, второй материал 680G расположен между вторыми материалами 680С и 680D, и он, по существу, делит пополам угол, образованный между вторыми материалами 680С и 680D. Кроме того, второй материал 680Н расположен между вторыми материалами 680D и 680А, и он, по существу, делит пополам угол, образованный между вторыми материалами 680D и 680А. Таким образом, второй материал 680 расположен по спицеобразной схеме. Несмотря на то что дополнительный второй материал 680Е, 680F, 680G и 680Н продолжается от подвергаемого воздействию участка 622 на некоторое расстояние, т.е. к части высоты 604, по меньшей мере один из дополнительных вторых материалов 680Е, 680F, 680G и 680Н может продолжаться от подвергаемого воздействию участка 622 до первого конца 610 без отклонения от объема и сущности иллюстративного варианта осуществления. Альтернативные иллюстративные варианты осуществления, представленные со ссылкой на испытательный цилиндр 600, также применимы для испытательного цилиндра 700. Например, один или несколько из вторых материалов 680А, 680В, 680С, 680D, 680Е, 680F, 680G и 680Н могут быть выполнены из разных типов вторых материалов 680. Испытательный цилиндр 700 изготавливается согласно методикам, описанным со ссылкой на испытательный цилиндр 600 (Фиг.6).

На Фиг.8 показан вид сверху испытательного цилиндра 800 по третьему альтернативному иллюстративному варианту осуществления изобретения. Испытательный цилиндр 800 сходен с испытательным цилиндром 600 (Фиг.6) за исключением того, что форма и положение второго материала 880 отличается от формы и положения второго материала 680А, 680В, 680С и 680D (Фиг.6). Со ссылкой на Фиг.8 испытательный цилиндр 800 включает в себя первый материал 860 и второй материал 880, который определенным образом расположен вдоль подвергаемого воздействию участка 622, при этом второй материал 880 примыкает к первому материалу 860 и находится в этом материале. Процесс изготовления испытательного цилиндра 800 является воспроизводимым, так что первый полученный испытательный цилиндр 800, по существу, идентичен испытательному цилиндру 800, изготовленному позже. Заданная схема расположения второго материала 880 является воспроизводимой, так что результаты испытания можно было сравнить с результатами других испытаний в динамике по времени. Первый материал 860 подобен первому материалу 660 (Фиг.6). Аналогично, второй материал 880 подобен второму материалу 680 (Фиг.6). По Фиг.8 второй материал 880 является цилиндрическим столбиком, который располагается от подвергаемого воздействию участка 622 до первого конца 610. В иллюстративном варианте осуществления сорок вторых материалов 880 расположены внутри испытательного цилиндра 800 по заданной схеме и окружены первым материалом 860. Однако может использоваться больше или меньше вторых материалов 880 без отклонения от объема и сущности иллюстративного варианта осуществления. По некоторым альтернативным иллюстративным вариантам осуществления второй материал 880 продолжается от подвергаемого воздействию участка 622 до части высоты 604 без отклонения от объема и сущности иллюстративного варианта осуществления. При использовании испытательного цилиндра 800 PDC-резцы 100 (Фиг.3) подвергаются скользящим ударам о второй материал 880. Альтернативные иллюстративные варианты осуществления, представленные со ссылкой на испытательный цилиндр 600 (Фиг.6), также применимы к испытательному цилиндру 800. Например, один или несколько из вторых материалов 880 могут быть выполнены из разных типов вторых материалов 880. Испытательный цилиндр 800 изготавливается согласно методикам, описанным со ссылкой на испытательный цилиндр 600 (Фиг.6).

На Фиг.9 показан вид сверху испытательного цилиндра 900 по четвертому альтернативному иллюстративному варианту осуществления изобретения. Испытательный цилиндр 900 сходен с испытательным цилиндром 800 (Фиг.8) за исключением того, что форма и положение второго материала 980 отличается от формы и положения второго материала 880 (Фиг.8). Со ссылкой на Фиг.9 испытательный цилиндр 900 включает в себя первый материал 960 и второй материал 980, который определенным образом расположен вдоль подвергаемого воздействию участка 622, при этом второй материал 980 примыкает к первому материалу 960 и находится в этом материале. Процесс изготовления испытательного цилиндра 900 является воспроизводимым, так что первоначально образованный испытательный цилиндр 900, по существу, идентичен испытательному цилиндру 900, изготовленному позже. Первый материал 960 подобен первому материалу 660 (Фиг.6). Аналогично, второй материал 980 подобен второму материалу 680 (Фиг.6). По Фиг.9 второй материал 980 является треугольным столбиком, который располагается от подвергаемого воздействию участка 622 до первого конца 610. В иллюстративном варианте осуществления тридцать три вторых материала 980 расположены внутри испытательного цилиндра 900 по заданной схеме и окружены первым материалом 960. Однако может использоваться больше или меньше вторых материалов 980 без отклонения от объема и сущности иллюстративного варианта осуществления. По некоторым альтернативным иллюстративным вариантам осуществления второй материал 980 продолжается от подвергаемого воздействию участка 622 до части высоты 604 без отклонения от объема и сущности иллюстративного варианта осуществления. Альтернативные иллюстративные варианты осуществления, представленные со ссылкой на испытательный цилиндр 600 (Фиг.6), также применимы к испытательному цилиндру 900. Например, один или несколько из вторых материалов 980 могут быть выполнены из разных типов вторых материалов 980. Испытательный цилиндр 900 изготавливается согласно процессам, описанным со ссылкой на испытательный цилиндр 600 (Фиг.6).

На Фиг.10 показан вид сверху испытательного цилиндра 1000 по пятому альтернативному иллюстративному варианту осуществления изобретения. Испытательный цилиндр 1000 сходен с испытательным цилиндром 600 (Фиг.6) за исключением того, что на поверхности подвергаемого воздействию участка 622 образованы отверстия или пазы 1090. Отверстия или пазы 1090 не заполняются никаким материалом. Со ссылкой на Фиг.10 испытательный цилиндр 1000 включает в себя первый материал 1060 и одно или несколько отверстий или пазов 1090, расположенных определенным образом вдоль подвергаемого воздействию участка 622, при этом отверстия или пазы 1090 примыкают к первому материалу 1060 и находятся в этом материале. Процесс изготовления испытательного цилиндра 1000 является воспроизводимым, так что первоначально образованный испытательный цилиндр 1000, по существу, идентичен испытательному цилиндру 1000, изготовленному позже. Первый материал 1060 подобен первому материалу 660 (Фиг.6). Аналогично, второй материал 1080 подобен второму материалу 680 (Фиг.6). По Фиг.10 отверстие или паз 1090 является круглым цилиндрическим отверстием, которое продолжается от подвергаемого воздействию участка 622 до первого конца 610. В этом иллюстративном варианте осуществления сорок отверстий или пазов 1090 расположены внутри испытательного цилиндра 1000 по заданной схеме и окружены первым материалом 1060. Однако может использоваться больше или меньше отверстий или пазов 1090 без отклонения от объема и сущности иллюстративного варианта осуществления. По некоторым альтернативным иллюстративным вариантам осуществления отверстия или пазы 1090 продолжаются от подвергаемого воздействию участка 622 до части высоты 604 без отклонения от объема и сущности иллюстративного варианта осуществления. По некоторым иллюстративным вариантам осуществления форма отверстий или пазов 1090 может варьироваться без отклонения от объема и сущности иллюстративного варианта осуществления. Например, второй материал для любого из описанных выше вариантов осуществления может быть заменен отверстием или пазом 1090. При использовании испытательного цилиндра 1000 PDC-резцы 100 (Фиг.3) подвергаются скользящим ударам об отверстия или пазы 1090, а не о второй материал 980 (Фиг.9). Отверстия или пазы 1090 образуются после образования первого материала 1060. Согласно одному примеру после завершения обработки наполнителя 510 (Фиг.5) и связывающего вещества 520 (Фиг.5) и образования первого материала 1060 с помощью сверления образуются отверстия или пазы 1090. Альтернативные иллюстративные варианты осуществления, представленные со ссылкой на испытательный цилиндр 600 (Фиг.6), также применимы для испытательного цилиндра 1000.

На Фиг.11 показан боковой вид испытательного цилиндра 1100 по шестому альтернативному иллюстративному варианту осуществления изобретения. Со ссылкой на Фиг.11 испытательный цилиндр 1100 имеет цилиндрическую форму и включает в себя первый конец 1110, второй конец 1120 и боковую сторону 1130, продолжающуюся от первого конца 1110 ко второму концу 1120. В этом иллюстративном варианте осуществления боковая сторона 1130 также называется подвергаемым воздействию участком 1132 испытательного цилиндра 1100, поскольку боковая сторона 1130 подвергается контакту со сверхтвердым компонентом 100 (Фиг.1) во время проведения испытания. Испытательный цилиндр 1100 имеет диаметр 1102 приблизительно шесть дюймов и высоту 1104 приблизительно два фута. Однако в альтернативных иллюстративных вариантах осуществления диаметр 1102 может составлять от примерно четырех дюймов до примерно шести дюймов без отклонения от объема и сущности иллюстративного варианта осуществления. Кроме того, в альтернативных иллюстративных вариантах осуществления высота 1104 может составлять от примерно одного дюйма до примерно двадцати футов без отклонения от объема и сущности иллюстративного варианта осуществления.

Испытательный цилиндр 1100 включает в себя первый материал 1160 и второй материал 1180, который расположен определенным образом вдоль подвергаемого воздействию участка 1132, при этом второй материал 1180 примыкает к первому материалу 1160. Процесс изготовления испытательного цилиндра 1100 является воспроизводимым, так что первоначально образованный испытательный цилиндр 1100, по существу, идентичен испытательному цилиндру 1100, изготовленному позже. Заданная схема для второго материала 1180 является воспроизводимой, так что результаты испытания можно было сравнить с результатами других испытаний в динамике по времени. По Фиг.11 второй материал 1180 является гранитным диском, который имеет ширину примерно два дюйма и имеет наружный диаметр, равный диаметру 1102 испытательного цилиндра. Несмотря на то что в этом иллюстративном варианте осуществления используется гранитный диск, имеющий ширину два дюйма для второго материала 180, ширина диска может варьироваться от примерно половины дюйма до примерно двенадцати дюймов в других иллюстративных вариантах осуществления или также может варьироваться по ширине от одного диска до другого диска без отклонения от объема и сущности иллюстративного варианта осуществления. Второй материал 1180 подобен второму материалу 680 (Фиг.6), как описано выше, и может изготавливаться из других типов горной породы или синтетических материалов, как описано выше.

Первый материал 1160 является диском из синтетического материала, который имеет ширину примерно два дюйма и имеет наружный диаметр, равный диаметру 1102 испытательного цилиндра. Несмотря на то что в иллюстративном варианте осуществления используется диск из синтетического материала, который имеет ширину два дюйма, ширина диска может варьироваться от примерно половины дюйма до примерно двенадцати дюймов в других иллюстративных вариантах осуществления или также может варьироваться по ширине от одного диска до другого диска без отклонения от объема и сущности иллюстративного варианта осуществления. Первый материал 1160 подобен первому материалу 660 (Фиг.6), как описано выше.

По Фиг.11 испытательный цилиндр 1100 получен с использованием шести первых материалов 1160А, 1160В, 1160С, 1160D, 1160Е и 1160F и шести вторых материалов 1180А, 1180В, 1180С, 1180D, 1180Е и 1180F. Вторые материалы 1180А, 1180В, 1180С, 1180D, 1180Е и 1180F попарно связаны с первыми материалами 1160А, 1160В, 1160С, 1160D, 1160Е и 1160F. В этом иллюстративном варианте осуществления вторые материалы 1180А, 1180В, 1180С, 1180D, 1180Е и 1180F изготавливаются из одного и того же материала. Однако по некоторым альтернативным иллюстративным вариантам осуществления один или несколько из вторых материалов 1180А, 1180В, 1180С 1180D 1180Е и 1180F могут быть получены из другого типа второго материала. Таким образом, каждый из вторых материалов 1180А, 1180В, 1180С, 1180D, 1180Е и 1180F может быть выполнен из другого типа второго материала, или один или несколько из вторых материалов 1180А, 1180В, 1180С, 1180D, 1180Е и 1180F могут быть выполнены из одного и того же типа второго материала без отклонения от объема и сущности иллюстративного варианта осуществления.

Аналогично, в этом иллюстративном варианте осуществления первые материалы 1160А, 1160В, 1160С, 1160D, 1160Е и 1160F изготавливаются из одного и того же материала. Однако по некоторым альтернативным иллюстративным вариантам осуществления один или несколько из первых материалов 1160А, 1160В, 1160С, 1160D, 1160Е и 1160F могут быть получены из другого типа первого материала. Таким образом, каждый из первых материалов 1160А, 1160В, 1160С, 1160D, 1160Е и 1160F может быть выполнен из другого типа первого материала, или один или несколько из первых материалов 1160А, 1160В, 1160С, 1160D, 1160Е и 1160F могут быть выполнены из одного и того же типа первого материала без отклонения от объема и сущности иллюстративного варианта осуществления.

Поверхность подвергаемого воздействию участка 1132 испытательного цилиндра 1100 является комбинацией первого материала 1160 и второго материала 1180. В первом иллюстративном варианте осуществления процентное содержание первого материала 1160 составляет от примерно пяти процентов до примерно десяти процентов, в то время как процентное содержание второго материала 1180 составляет от примерно девяноста процентов до примерно девяноста пяти процентов. В другом иллюстративном варианте осуществления процентное содержание первого материала 1160 составляет от примерно десяти процентов до примерно двадцати пяти процентов, в то время как процентное содержание второго материала 1180 составляет от примерно семидесяти пяти процентов до примерно девяноста процентов. В другом иллюстративном варианте осуществления процентное содержание первого материала 1160 составляет от примерно двадцати процентов до примерно тридцати пяти процентов, в то время как процентное содержание второго материала 1180 составляет от примерно шестидесяти пяти процентов до примерно восьмидесяти процентов. В другом иллюстративном варианте осуществления процентное содержание первого материала 1160 составляет от примерно тридцати процентов до примерно сорока пяти процентов, в то время как процентное содержание второго материала 1180 составляет от примерно пятидесяти пяти процентов до примерно семидесяти процентов. В другом иллюстративном варианте осуществления процентное содержание первого материала 1160 составляет от примерно сорока процентов до примерно пятидесяти пяти процентов, в то время как процентное содержание второго материала 1180 составляет от примерно сорока пяти процентов до примерно шестидесяти процентов. В другом иллюстративном варианте осуществления процентное содержание первого материала 1160 составляет от примерно пятидесяти процентов до примерно шестидесяти пяти процентов, в то время как процентное содержание второго материала 1180 составляет от примерно тридцати пяти процентов до примерно пятидесяти процентов. В другом иллюстративном варианте осуществления процентное содержание первого материала 1160 составляет от примерно шестидесяти процентов до примерно семидесяти пяти процентов, в то время как процентное содержание второго материала 1180 составляет от примерно двадцати пяти процентов до примерно сорока процентов. В другом иллюстративном варианте осуществления процентное содержание первого материала 1160 составляет от примерно семидесяти процентов до примерно восьмидесяти пяти процентов, в то время как процентное содержание второго материала 1180 составляет от примерно пятнадцати процентов до примерно тридцати процентов. В другом иллюстративном варианте осуществления процентное содержание первого материала 1160 составляет от примерно восьмидесяти процентов до примерно девяноста процентов, в то время как процентное содержание второго материала 1180 составляет от примерно десяти процентов до примерно двадцати процентов. В другом иллюстративном варианте осуществления процентное содержание первого материала 1160 составляет от примерно девяноста процентов до примерно девяноста пяти процентов, в то время как процентное содержание второго материала 1180 составляет от примерно пяти процентов до примерно десяти процентов.

Испытательный цилиндр 1100 образован с помощью литейной формы (не показана) и попеременной загрузки литейной формы снизу вверх дисками из первого материала 1160 и второго материала 1180. Каждый раз, когда первый материал 1160 загружается в литейную форму, первый материал 1160 охлаждается и твердеет перед загрузкой второго материала 1180 поверх первого материала 1160. По первому иллюстративному варианту осуществления литейная форма является цилиндрической. После образования требуемого количества дисков и образования требуемой высоты испытательного цилиндра 1100 литейная форма удаляется, и подвергаемый воздействию участок 1132 выравнивается.

В некоторых иллюстративных вариантах осуществления эпоксидная смола (не показана), например, Sikadur BTP® помещается или наносится на наружную поверхность одного или обоих материалов, к которым относятся второй материал 1180 и первый материал 1160, перед тем, как второй материал 1180 загружается сверху первого материала 1160. Эпоксидная смола представляет собой двухкомпонентную смолу по некоторым иллюстративным вариантам осуществления. Двухкомпонентная эпоксидная смола включает в себя клей и катализатор. Во время твердения эпоксидной смолы эпоксидная смола связывается как со вторым материалом 1180, так и с первым материалом 1160, тем самым, эффективно соединяя второй материал 1180 с первым материалом 1160. По некоторым иллюстративным вариантам осуществления эпоксидная смола твердеет примерно через четырнадцать дней, однако по другим иллюстративным вариантам осуществления могут использоваться другие эпоксидные смолы, имеющие более длительные или более короткие сроки твердения. После твердения и образования испытательного цилиндра 1100 эпоксидная смола имеет толщину от примерно двух миллиметров до примерно пятнадцати миллиметров; однако по другим иллюстративным вариантам осуществления эта толщина может быть больше или меньше.

После получения испытательного цилиндра 1100 этот испытательный цилиндр 1100 может быть использован для испытания на гранитном цилиндре, как описано выше. Первый конец 1110 испытательного цилиндра соединяется с зажимным патроном 210 (Фиг.2), и второй конец 1120 соединяется с задней бабкой 220 (Фиг.2), в результате чего подвергаемый воздействию участок 1132 позиционируется рядом с держателем 230 инструмента (Фиг.2), в котором установлен резец 100 (Фиг.2). При выполнении испытания на гранитном цилиндре с использованием испытательного цилиндра 1100 можно определить сопротивление абразивному износу и/или стойкость к ударной нагрузке для PDC-резца 100 (Фиг.2). Во время испытания резец 100 (Фиг.2) многократно совершает перемещения между первым материалом 1160 и вторым материалом 1180, при этом один из материалов, к которым относятся первый и второй материалы, имеет более высокий предел прочности на сжатие, чем другой материал. В примере, где первый материал 1160 имеет более высокий предел прочности на сжатие, чем второй материал 1180, резец 100 (Фиг.2) каждый раз контактирует с концом первого материала 1160, и, когда резец проходит через первый материал 1160, к режущей грани 120 (Фиг.1) и подложке 110 (Фиг.1) прикладывается фронтальная ударная нагрузка. Когда резец 100 (Фиг.2) уходит с первого материала 1160 и входит на второй материал 1180, напряжение сжатия на режущей грани 120 (Фиг.1) снижается или снимается, тем самым, создавая условия для испытания подложки 110 (Фиг.1) на обратное перемещение к режущей грани 120 (Фиг.1) у контактной поверхности 115 (Фиг.1).

Сопротивление абразивному износу устанавливается как относительный износ, который определяется как отношение удаленного объема испытательного цилиндра 1100 к удаленному объему PDC-резца 100 (Фиг.2). Как вариант, вместо измерения объема может быть измерено расстояние, которое проходит PDC-резец 100 (Фиг.2) в поперечном направлении к испытательному цилиндру 1100, и это расстояние может быть использовано для определения сопротивления абразивному износу для PDC-резца 100 (Фиг.2). Как вариант, для определения сопротивления износу с помощью испытания на гранитном цилиндре могут быть использованы другие способы, известные специалистам в этой области техники. Стойкость к ударной нагрузке для PDC-резца 100 (Фиг.2) также может быть определена с помощью того же испытания за счет измерения объема горной породы, удаленной с PDC-резца 100 (Фиг.2) посредством измельчения. Как вариант, стойкость к ударной нагрузке для PDC-резца 100 (Фиг.2) может быть определена посредством измерения массы горной породы, удаленной с PDC-резца 100 (Фиг.2) посредством измельчения. Как вариант, для определения стойкости к ударной нагрузке с помощью испытания на гранитном цилиндре могут использоваться другие способы, известные специалистам в этой области техники.

Испытательный цилиндр 1100 может использоваться для проведения испытаний резцов 100 (Фиг.1) как на сопротивление абразивному износу, так и на устойчивость к ударной нагрузке при минимальном расходе времени, испытательного материала и испытательных резцов. Испытательный цилиндр 1100 может каждый раз изготавливаться согласно одной и той же конструкции, обеспечивая воспроизводимость и непрерывность во время испытания самых различных типов резцов. По некоторым иллюстративным вариантам осуществления испытательный цилиндр 1100 полностью выполняется из первого материала 1160. Состав первого материала 1160 и второго материала 1180 поддерживается во времени, чтобы результаты испытания можно было сравнить во времени.

Несмотря на подробное описание каждого иллюстративного варианта осуществления, предполагается, что любые признаки и модификации, применимые к одному варианту осуществления, могут также быть применены и к другим вариантам осуществления. Кроме того, несмотря на то, что изобретение было описано со ссылкой на конкретные варианты осуществления, эти описания не являются ограничивающими. Различные модификации описанных вариантов осуществления, а также альтернативные варианты осуществления изобретения станут понятными специалистам в этой области техники со ссылкой на описание иллюстративных вариантов осуществления. Специалисты в этой области техники должны понимать, что идея и описанные конкретные варианты осуществления могут легко использоваться как основа для модификации или проектирования других конструкций или способов для достижения тех же самых целей изобретения. Специалисты в этой области техники также должны понимать, что такие эквивалентные конструкции не должны отклоняться от сущности и объема изобретения, определенного в приложенной формуле изобретения. Таким образом, предполагается, что формула изобретения распространяется на любые такие модификации или варианты осуществления, которые соответствуют объему изобретения.

Claims

1. Цилиндр для испытания сверхтвердых компонентов на сопротивление абразивному износу и/или стойкость к ударной нагрузке, содержащий:
первый конец,
второй конец и
боковую стенку, продолжающуюся от первого конца до второго конца,
причем по меньшей мере один из элементов, к которым относятся первый конец, второй конец и боковая стенка, представляет собой подвергаемый воздействию участок, изготовленный с использованием по меньшей мере одного синтетического материала, имеющего абразивную способность от примерно 1 CAI до примерно 6 CAI при классификации согласно Cerchar-испытанию и имеющего первый предел прочности при неограниченном сжатии от примерно 15 кфунт/дюйм² до примерно 25 кфунт/дюйм²,
при этом подвергаемый воздействию участок выполнен с возможностью контакта со сверхтвердым компонентом для определения по меньшей мере одной характеристики сверхтвердого компонента.

2. Цилиндр по п. 1, в котором абразивная способность синтетического материала составляет от примерно 3 CAI до примерно 6 CAI при классификации согласно Cerchar-испытанию.

3. Цилиндр по п. 1, в котором синтетический материал имеет содержание железа от примерно 5% до примерно 10%.

4. Цилиндр по п. 1, в котором синтетический материал содержит по меньшей мере один наполнитель и по меньшей мере одно связывающее вещество, при этом наполнитель выбран из по меньшей мере одного из средств, к которым относятся средства для пескоструйной очистки и средства для литья, а связывающее вещество выбрано из по меньшей мере одного из веществ, к которым относятся силикат натрия, пластичная смола, многокомпонентная эпоксидная смола, керамические частицы на основе глины и абразивное связывающее вещество.

5. Цилиндр по п. 4, в котором наполнитель и связывающее вещество соединены с помощью одной из связок, к которым относятся керамические связки, бакелитовые связки, силикатные связки, шеллачные связки, вулканитовые связки и магнезиальные связки.

6. Цилиндр по п. 1, в котором подвергаемый воздействию участок дополнительно содержит один или несколько вторых материалов, расположенных внутри синтетического материала по заданной и воспроизводимой схеме.

7. Цилиндр по п. 6, в котором второй материал выбран из по меньшей мере одного из материалов, к которым относятся второй синтетический материал, естественная горная порода и дерево.

8. Цилиндр по п. 6, в котором синтетический материал имеет первый предел прочности при неограниченном сжатии, а второй материал имеет второй предел прочности при неограниченном сжатии, причем различие между вторым пределом прочности при неограниченном сжатии и первым пределом прочности при неограниченном сжатии составляет от примерно 1000 фунт/дюйм² до примерно 60000 фунт/дюйм².

9. Цилиндр по п. 6, в котором процентное содержание синтетического материала в цилиндре превышает процентное содержание второго материала или равно ему.

10. Цилиндр по п. 6, в котором по меньшей мере один из вторых материалов имеет предел прочности при неограниченном сжатии, отличающийся от предела прочности при неограниченном сжатии остальных вторых материалов.

11. Цилиндр по п. 6, в котором второй материал соединен с синтетическим материалом при помощи эпоксидной смолы.

12. Цилиндр по п. 11, в котором эпоксидная смола содержит двухкомпонентную эпоксидную смолу.

13. Цилиндр по п. 11, в котором эпоксидная смола после отверждения имеет толщину от примерно 2 мм до примерно 15 мм.

14. Цилиндр по п. 1, в котором по меньшей мере один из синтетических материалов имеет предел прочности при неограниченном сжатии, отличающийся от предела прочности при неограниченном сжатии остальных синтетических материалов.

15. Цилиндр по п. 1, в котором синтетический материал образует одно или несколько отверстий на поверхности подвергаемого воздействию участка, при этом отверстия в синтетическом материале расположены по заданной и воспроизводимой схеме.

16. Цилиндр по п. 1, который имеет форму круга, при этом круг соединен со шлифовальным кругом.

17. Способ испытания сверхтвердого компонента на сопротивление абразивному износу и/или стойкость к ударной нагрузке на цилиндре по п. 1, включающий следующие этапы:
использование сверхтвердого компонента,
контактирование сверхтвердого компонента с подвергаемым воздействию участком цилиндра,
обеспечение перемещения сверхтвердого компонента в поперечном направлении к подвергаемому воздействию участку цилиндра и
определение по меньшей мере одной характеристики сверхтвердого компонента.

18. Способ по п. 17, в котором синтетический материал цилиндра имеет абразивную способность от примерно 3 CAI до примерно 6 CAI при классификации согласно Cerchar-испытанию.

19. Способ по п. 17, в котором синтетический материал цилиндра имеет содержание железа от примерно 5% до примерно 10%.

20. Способ по п. 17, в котором подвергаемый воздействию участок цилиндра дополнительно содержит один или несколько вторых материалов, расположенных внутри синтетического материала цилиндра по заданной и воспроизводимой схеме.

21. Способ по п. 20, в котором второй материал выбирают по меньшей мере из одного из материалов, к которым относятся второй синтетический материал, естественная горная порода и дерево.

22. Способ по п. 20, в котором второй материал имеет второй предел прочности при неограниченном сжатии и в котором различие между вторым пределом прочности при неограниченном сжатии и первым пределом прочности при неограниченном сжатии составляет от примерно 1000 фунт/дюйм² до примерно 60000 фунт/дюйм².

23. Способ по п. 20, в котором процентное содержание синтетического материала в цилиндре превышает процентное содержание второго материала или равно ему.

24. Способ по п. 20, в котором по меньшей мере один из вторых материалов имеет предел прочности при неограниченном сжатии, отличающийся от предела прочности при неограниченном сжатии остальных вторых материалов.

25. Способ по п. 20, в котором второй материал соединен с синтетическим материалом цилиндра при помощи эпоксидной смолы.

26. Способ по п. 17, в котором по меньшей мере один из синтетических материалов цилиндра имеет предел прочности при неограниченном сжатии, отличающийся от предела прочности при неограниченном сжатии остальных синтетических материалов цилиндра.

27. Способ по п. 17, в котором синтетический материал цилиндра образует одно или несколько отверстий на поверхности подвергаемого воздействию участка цилиндра, при этом отверстия в синтетическом материале цилиндра располагают по заданной и воспроизводимой схеме.

28. Способ по п. 17, в котором этап определения по меньшей мере одной характеристики сверхтвердого компонента включает определение абразивной способности сверхтвердого компонента и определение стойкости к ударной нагрузке сверхтвердого компонента.