專利名稱：切割元件的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種切割元件，更具體地涉及一種適合使用在用于形成鉆孔的鉆頭上 的切割元件。
背景技術(shù)：
一種使用在鉆頭上的切割元件包含一系列的超硬材料，例如多晶體金剛石，其被 粘合硬度比其低的材料的襯底上，硬度比其低的材料例如碳化鎢。這種類型的切割元件是 公知的，而且以一定范圍的形狀和尺寸在一定范圍的應用中被使用。所述類型的切割元件經(jīng)過高溫、高壓過程制造，其中碳化鎢襯底部分、金剛石粉末 以及粘結(jié)催化劑(例如采用鈷的形式)都暴露在高溫、高壓的條件下，導致在金剛石粉末的 金剛石晶體之間形成化學鍵，從而形成了同樣粘結(jié)于襯底部分的多晶體金剛石層。多晶體金剛石層限定了包括粘結(jié)催化劑材料的填隙空位矩陣(matrix of interstitial volumes) 0已經(jīng)發(fā)現(xiàn)從切割元件的工作表面附近的至少填隙空位中移去粘 結(jié)催化劑材料是有益處的，例如W002/24603和W002/24601所描述的，這種處理會導致工作 表面具有改進的耐腐蝕性和抗沖擊性。在使用中，所述金剛石層外露的、未經(jīng)處理的部分往往比經(jīng)過處理的部分磨損得 更快，其結(jié)果是形成了未支撐的、凸起的邊緣，這種效果在經(jīng)過處理的層中更為明顯，即，當 粘結(jié)催化劑移除之后，僅形成了金剛石層總深度相對小的部分。在這樣的構(gòu)造中，有未支撐 的邊緣斷裂的風險。本發(fā)明的一個目的在于提供一種切割元件，其能減少這種缺陷所帶來 的影響。

發(fā)明內(nèi)容
根據(jù)本發(fā)明其提供了一種切割元件，所述切割元件包含多層的多晶體金剛石部 分，所述部分至少具有第一層和第二層，所述金剛石部分粘合到硬度比其低的材料的襯底 上，所述金剛石部分限定了一個填隙空位矩陣，鄰近其工作表面的所述金剛石部分的第一 區(qū)域的所述填隙空位基本上沒有催化材料，遠離工作表面的所述金剛石部分的第二區(qū)域的 所述填隙空位包含催化材料。所述第一和第二層可以包含不同尺寸的金剛石顆粒。例如，所述第一層可以包含 細顆粒，而粗顆粒被包含在所述第二層中。所述第一層可以包含第一多模金剛石層，所述第二層可以包含第二多模金剛石 層。同樣可以設置例如是單模形式的第三層。所述第一層可以具有第一厚度，第二層可以具有第二且不同的厚度。所述第一厚 度優(yōu)選的小于所述第二厚度。例如，所述第一厚度可以為大約0. 08mm，所述第二厚度可以為 大約0. 10mm。也可設置第三層，所述第三層具有第三厚度，第三厚度優(yōu)選地大于所述第一和 第二厚度。例如，所述第三厚度可以為大約0. 12mm。所述金剛石部分可以具有高達大約2mm的厚度。
3
所述第一層優(yōu)選的具有第一金剛石體積密度，所述第二層也具有第二且不同的金 剛石體積密度。所述第一金剛石體積密度優(yōu)選地大于所述第二金剛石體積密度。例如，所 述第一金剛石體積密度可以大約為98%，同時所述第二金剛石體積密度可以為從94%到 98%的范圍內(nèi)。第三層可以進行設置，優(yōu)選的具有第三且較低的金剛石體積密度，優(yōu)選地小 于 94%。所述層可以平行于工作表面設置?？蛇x擇的是，所述層可以是同心設置，或者設置 成延伸經(jīng)過所述部分。所述第一區(qū)域可以延伸穿過第一和第二層的至少一部分?？蛇x地，其可以延伸穿 過僅僅第一層的部分，或者可以延伸至第二層的深度。所述工作表面可以包含端工作表面區(qū)域和邊工作表面區(qū)域。所述第一區(qū)域可以設 置成僅靠近所述端工作表面區(qū)域，或者可選地可設置成靠近端工作表面和邊工作表面的至 少一部分，或者僅僅靠近邊工作表面的至少一部分。


本發(fā)明將通過實施例的方式，參考如下的附圖，進一步進行描述。在附圖中附圖1是公知鉆頭的透視圖。附圖2圖示描述了公知的切割元件。附圖3是剖面簡圖，描述了公知的切割元件的金剛石層的一部分。附圖4是剖面圖，描述了根據(jù)本發(fā)明的一個實施例的切割元件。附圖5相似于附圖4，描述了磨損狀態(tài)下的切割元件。附圖6-9圖示描述了根據(jù)本發(fā)明的不同實施例。
具體實施例方式首先參見附圖1，其描述了包含設置了多個向外延伸刀片14的鉆頭體12的鉆頭。 每個刀片14的邊緣或者前緣16支撐著多個切割元件18。所述切割元件18被設置成，在使 用中，鉆頭10繞其軸線20的轉(zhuǎn)動同時軸線導向的驅(qū)動裝載負載施加在鉆頭上則導致切割 元件18接合且承靠這種成型，刨削、切屑、耐磨或者以其它方式從所述構(gòu)造中移除材料，因 此延伸通過鉆頭10鉆出的鉆孔。如附圖2所示，每個切割元件18包含襯底22，其完整地粘合于超硬材料的部分 24。所述超硬材料是多晶體金剛石，襯底22是硬度比其低的材料，例如碳化鎢。多晶體金剛石部分24具有端工作表面26，其由金剛石晶體28構(gòu)成，在金剛石晶體 28之間形成填隙空位矩陣或空間30 (見附圖3)。部分24通過處理以使設置在靠近工作表 面26的第一區(qū)域32的填隙空位或者空間30中基本上沒有鈷催化材料34，遠離工作表面 26的部分24的第二區(qū)域36的填隙空位或者空間30則包含了催化材料34。附圖4示出了根據(jù)本發(fā)明的一個實施例的切割元件40。該切割元件40適合使用 在附圖1所示的鉆頭上，但應該能理解其也可以使用在另外的鉆頭構(gòu)造上。如附圖2所示 的切割元件18，本發(fā)明的切割元件40包含多晶體金剛石部分42，其完整地粘合于硬度比其 低的材料的襯底44，例如碳化鎢上。部分42限定了端工作表面46。部分42的第一區(qū)域48 靠近工作表面46，其經(jīng)過處理能從填隙空位中移除鈷催化劑，所述填隙空位形成于部分42的金剛石晶體之間，以致于第一區(qū)域48基本上沒有催化材料50。遠離工作表面46的部分 42的第二區(qū)域56沒有經(jīng)過處理，所以在填隙空位中包含了催化材料。部分42的第一區(qū)域48本身是多層的結(jié)構(gòu)，包含靠近工作表面46的第一層58 ；第 二中間層60 ；以及遠離工作表面46的第三層62。所述第一層58、第二層60同樣是多層的 形式，第三層62的金剛石材料是單層的形式。第一層58具有不同的厚度，優(yōu)選地小于第二 層60的厚度。例如第一層58可以是大約0. 08mm的第一厚度，同時第二層具有大約0. 10mm 的第二厚度。第三層62可以是大約0. 12mm的厚度，總體上，金剛石部分42可以具有總計 大約2mm的厚度。第一層58優(yōu)選地具有不同的、且優(yōu)選地比第二層60更高的金剛石體積密度。例 如第一層58可以具有大約98%的金剛石體積密度，同時第二層60的密度可以處于從94% 到98%之間。第三層62可以是更低的金剛石體積密度，例如低于94%。第一層58可以具 有比第二層60更細的顆粒形狀，第二層60繼而可以具有比第三層62更細的顆粒形狀。這樣的結(jié)構(gòu)優(yōu)勢在于，在使用中，當切割元件40磨損了，部分42將趨向于形成一 系列不同尺寸等級，從而為形成工作表面46的部分42的一部分提供支承，如附圖5所示。 如此形成的切割元件40具有良好的耐腐蝕性和抗沖擊性，在使用中非常適合，例如，適合 用在鉆頭的徑向外部件上。第一、第二和第三層58、60、62通過使金剛石粉末適合地成層而很容易形成，該粉 末材料在切割元件的形成中使用。例如，在將容器和其內(nèi)容物暴露在如上文概略描述用于 制造切割元件的高溫高壓之前，不同的金剛石粉末材料的層可以倒入容器中，同植入物一 起形成了襯底和粘合催化劑。盡管前面描述的切割元件40充分使用了不同金剛石體積密度、層的厚度、顆粒形 狀和金剛石結(jié)構(gòu)的效果，但應該能理解，本發(fā)明的益處也可以通過僅僅使用前面涉及的效 果中的一個或者兩個來達到。在附圖4和5所示的結(jié)構(gòu)中，第一區(qū)域48經(jīng)過處理后，從填隙空位上移除了基本 上所有的催化材料，該區(qū)域48從工作表面46延伸到達遠離工作表面46的第三層62的邊 界深度。但是，也不必要這樣，且附圖6示出了這樣的一種結(jié)構(gòu)，第一區(qū)域48延伸達到穿過 第二層60的深度。在本發(fā)明的范圍內(nèi)另外的深度也是可以的。例如，第一區(qū)域48可以延 伸至穿過第一層58的深度，或者延伸達到第一層58和第二層60之間的邊界。附圖7示出了相似于附圖6的構(gòu)造，但工作表面46包含了端工作表面區(qū)域70和 邊或者外圍工作表面區(qū)域72，第一區(qū)域48順著靠近工作表面區(qū)域70、72的至少部分延伸， 該區(qū)域在附圖7中以陰影區(qū)域74表示。同樣的，第一區(qū)域48從端工作表面區(qū)域70和邊工 作表面區(qū)域72所延伸達到的深度是可以改變的。在附圖4-7所示的結(jié)構(gòu)中，層58、60、62平行于端工作表面46的平面。另外的結(jié) 構(gòu)也是可以的。例如附圖8示出了一種結(jié)構(gòu)，在該結(jié)構(gòu)中，不同金剛石材料的層76、78延伸 跨過部分46，層76、78垂直于端工作表面46的平面；且附圖9示出了一種結(jié)構(gòu)，在該結(jié)構(gòu) 中，層80和82進行同心排列。在上述任一情形中。第一和第二區(qū)域可以設置成如附圖4-7 所示的任一種結(jié)構(gòu)，以及根據(jù)前面描述的變形。在不偏離本發(fā)明的范圍的情況下，前面描述的結(jié)構(gòu)可以有多種改進和變形。
權(quán)利要求
一種切割元件，所述切割元件包含多層的多晶體金剛石部分，所述多晶體金剛石部分至少具有第一層和第二層，所述多晶體金剛石部分粘合于比其硬度低的材料的襯底上，所述多晶體金剛石部分限定了填隙空位矩陣，靠近其工作表面的所述金剛石部分的第一區(qū)域的填隙空位基本上沒有催化材料，遠離工作表面的金剛石部分的第二區(qū)域的填隙空位則包含催化材料。
2.如權(quán)利要求1所述的元件，其特征在于，第一和第二層包含不同尺寸的金剛石顆粒。
3.如權(quán)利要求3所述的元件，其特征在于，第一層包含相對精細的顆粒，而第二層包含 相對粗糙的顆粒。
4.如前述權(quán)利要求中任一項所述的元件，其特征在于，第一層是多層的形式。
5.如權(quán)利要求4所述的元件，其特征在于，第二層是多層的形式。
6.如前述權(quán)利要求中任一項所述的元件，其特征在于，第一層具有第一厚度，第二層具 有第二厚度，且第一厚度不同于第二厚度。
7.如權(quán)利要求6所述的元件，其特征在于，第一厚度小于第二厚度。
8.如權(quán)利要求7所述的元件，其特征在于，第一厚度大約是0.08mm,第二厚度大約是 0. 10mmo
9.如權(quán)利要求6所述的元件，還包括厚度大于第一和第二層的第三層。
10.如權(quán)利要求9所述的元件，其特征在于，第三層厚度大約是0.12mm。
11.如前述權(quán)利要求中任一項所述的元件，其特征在于，第一層具有第一金剛石體積密 度，第二層具有第二金剛石體積密度，且第一金剛石體積密度不同于第二金剛石體積密度。
12.如權(quán)利要求11所述的元件，其特征在于，第一金剛石體積密度大于第二金剛石體 積密度。
13.如權(quán)利要求12所述的元件，其特征在于，第一金剛石體積密度大約為98%，同時第 二金剛石體積密度處于從94%到98%的范圍。
14.如權(quán)利要求11所述的元件，還包括具有第三且更低的金剛石體積密度的第三層。
15.如前述權(quán)利要求中任一項所述的元件，其特征在于，工作表面包括端工作表面。
16.如權(quán)利要求1-14中任一項所述的元件，其特征在于，工作表面包含端工作表面和 邊工作表面區(qū)域。
17.如權(quán)利要求15或16所述的元件，其特征在于，第一和第二層設置成平行于端工作表面。
18.如權(quán)利要求15或16所述的元件，其特征在于，第一和第二層設置成垂直于端工作表面。
19.如權(quán)利要求15或16所述的元件，其特征在于，第一和第二層同心設置。
全文摘要
本發(fā)明涉及切割元件。切割元件包括多層的多晶體金剛石部分(42)，多晶體金剛石部分(42)粘合于硬度比其低的材料的襯底(44)上，所述多晶體金剛石部分(42)限定了填隙空位矩陣，靠近其工作表面(46)的所述金剛石層(42)的第一區(qū)域的填隙空位基本上沒有催化材料，遠離工作表面(46)的金剛石層(42)的第二區(qū)域的填隙空位則包含了催化材料。
文檔編號B23B51/00GK101823164SQ201010148639
公開日2010年9月8日 申請日期2010年2月9日 優(yōu)先權(quán)日2009年2月9日
發(fā)明者N·D·格里芬, P·R·休斯 申請人:瑞德海可洛格英國有限公司