具有抗冲击金刚石体的切割元件制造技术

切割元件包括与基底附连的金刚石结合体。基底具有大于约200Oe的矫顽力，并具有约73至90的磁饱和度。金刚石结合体在热处理后在表面处的压缩应力大于约0.9GPa，并且热处理前大于约1.2GPa。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】具有抗冲击金刚石体的切割元件
技术介绍
本领域中已知的诸如与用于钻探地层的钻头一起使用的切割元件包括设置在碳化物基底上的金刚石表面层或金刚石台面。金刚石台面用于提供相对于下面的基底具有改进的耐磨性和耐磨蚀性的性质，并且该基底用于提供附连结构以便于将切割元件附连到最终使用的机床上，例如钻头等。这样的已知的切割元件具有由多晶金刚石(PCD)形成的金刚石层或金刚石台面，并且使用诸如WC-Co的硬质合金基底。尽管金刚石层用于向切割器提供改进的耐磨性和耐蚀性，例如，当与具有由碳化钨形成的磨损表面的切割元件相比时，在这样的已知切割元件中的金刚石层易于破裂和/或断裂，由于被置于井下钻井条件下并由于这样的使用而受到施加在金刚石层上的冲击力。这样的切割元件的金刚石层中的破裂/断裂和/或裂纹形成是不期望的，因为此起作用以限制或减少切割元件的有效使用寿命。尝试改善这样的切割元件的使用寿命集中在涉及金刚石体从基底上分层或破裂的问题，并且包括降低金刚石层-基底界面处的残余压缩应力，例如通过热处理切割元件。尽管这样的努力可能在减少或最小化金刚石体从基底上的破裂或分层方面是有用的，但这样的性能增益的提供是以损害由使用期间遇到的冲击力引起的在金刚石台面的表面处的耐磨性和抗破裂性、断裂和/或裂纹发生为代价的，如上所述的，这也可以用于限制切割元件的有效使用寿命。
技术实现思路
如在此所公开的切割元件包括包含与基底连接的多晶金刚石的金刚石结合体。切割元件可以包括介于金刚石结合体和基底之间的一个或多个过渡层。全部或一部分金刚石结合体可以包含热稳定区域，该热稳定区域已经过处理以从其中移除催化剂材料或使催化剂材料在升高的温度下对金刚石不是催化剂的。用于形成在此公开的切割元件的基底包括烧结碳化钨，并且可以包括碳化铬。基底具有大于约200Oe的矫顽力，并且具有从73％到87％的磁饱和度。在一示例中，基底包含平均晶粒尺寸小于约1微米的碳化物晶粒。切割元件金刚石结合体具有比传统多晶金刚石切割元件高的大于约0.9GPa的压缩应力，并且大于1.2GPa，该增加的压缩应力提供了改进的冲击性能，其延长了切割元件的使用寿命。通过在催化剂材料的存在下使金刚石晶粒的组合体经受高压/高温处理条件以形成多晶金刚石体并将该多晶金刚石体附连到基底上来制作切割元件。如果需要，切割元件可以是在超高压条件下形成。提供该
技术实现思路
以介绍将在以下详细描述中进一步描述的一些构思的选择。该
技术实现思路
不旨在确定所要求保护的主题的关键或基本特征，也不旨在用作限制所要求保护的主题的范围的帮助。附图说明如在此公开的切割元件的这些和其它特征和优点将被认识到，因为当结合附图考虑时通过参考下面的详细描述，其变得更好理解，在附图中：图1示出了如在此所公开的示例性切割元件的透视侧视图；图2示出了如在此所公开的示例性切割元件的侧视横截面图；图3示出了如在此所公开的包括热稳定区域的示例性切割元件的侧视横截面图；图4示出了如在此所公开的具有至少一个过渡层的示例性切割元件的侧视横截面图；图5示出了用于压缩应力分析的测试构造；图6是如在此所公开的包括示例性切割元件的旋转锥形钻头的透视图；图7是如在此所公开的包括示例切割元件的锤钻头的透视图；图8是如在此所公开的包括示例性切割元件的刮刀钻头的透视图；和图9是如在此所公开的包括示例性切割元件的钻头的一部分的透视图。具体实施方式在一个示例中，如在此所公开的切割元件包括包含多晶金刚石(PCD)的金刚石结合体，其形成切割元件的工作表面或磨损表面。金刚石结合体与经过特殊设计的基底结合，以增强金刚石结合体的压缩应力，从而与包含传统基底的切割元件相比，提供改进的冲击性能度。切割元件金刚石结合体可以包括热稳定区域和/或切割元件可以包括介于金刚石结合体和基底之间的一个或多个中间层。如在此公开的切割元件被设计成提供改进的耐冲击性水平而不损害耐磨性和耐蚀性，由此增加这样的切割元件的操作使用寿命。图1和2示出了如在此公开的示例性切割元件10，其包括与基底14附连的金刚石结合体12，在一示例中，切割元件具有大致圆柱形形状的侧壁构造。金刚石结合体12包括可沿着体的顶表面16和/或沿体12的侧壁表面存在的工作表面或磨损表面。参照图1和2，取决于具体的最终用途应用，金刚石结合体12可以被构造为具有平面或非平面的顶表面16。在所示的示例中，切割元件金刚石结合体具有非平面的顶表面，例如，构造成圆顶形状的顶表面。应该理解的是，具有其他非平面形状的金刚石结合体被理解为在在此公开的切割元件的范围内。例如，金刚石结合的顶表面可以被构造成具有尖顶几何形状，顶点相对尖锐，形成金刚石台面或表面的尖端，或者顶表面可以被构造为具有凿形尖端(参见图9)，其可以沿着金刚石结合体直径地延伸并且沿着两个平面表面特征的交点形成。如图2所示，切割元件10可以具有在基底14和金刚石结合体12之间的非平面界面18。理解到，如在此所公开的切割元件可以被构造为具有在基底和金刚石结合体之间的界面，该界面是平面的或者成一些其他非平面构造，例如被成形或包括损害另外的平面界面的一个或多个表面特征或不规则部，并且可能用于在金刚石结合体和基底之间的界面处提供改进程度的机械附连。金刚石结合体12可以以单层或多层的形式提供，并且在一示例中，金刚石结合体由PCD形成。如图2所示，在一示例中，金刚石结合体12由单个金刚石层形成。理解到，如在此所公开的切割元件可以具有由多于一个金刚石层形成的金刚石结合体。尽管图2的示例示出了其中金刚石结合体12被直接结合或以其他方式直接附连到基底14的切割元件，如在此所公开的切割元件可以包括介于金刚石结合体12和基底14之间的一个或多个中间层或过渡层。图3示出了包括金刚石结合体22的示例性切割元件20，金刚石结合体22布置在中间层或过渡层24上并与中间层或过渡层24结合，该过渡层24介于金刚石结合体22和基底26之间并结合到基底。尽管已经示出具有介于金刚石结合体和基底之间的一个过渡层的特定示例，但是要理解到，如在此所公开的切割元件可以具有多于一个过渡层，这取决于诸如用以形成金刚石结合体和基底的材料以及特定的最终用途应用的因素。在一示例中，过渡层可以包括PCD并且具有不同于金刚石结合体的金刚石体积含量的金刚石体积含量。在一示例中，过渡层可具有小于金刚石结合体的金刚石体积含量的金刚石体积含量，和/或可具有大于金刚石结合体中任何这样的其他非金刚石成分的体积含量的其他非金刚石成分的体积含量。在一示例中，过渡层具有小于金刚石结合体的金刚石体积含量的金刚石体积含量和/或包括大于金刚石结合体的体积含量的非金刚石成分材料的体积含量以提供转变在金刚石结合体和基底的不同热膨胀系数之间的过渡。这样的非金刚石成分材料可以包括但不限于钴和金属碳化物或金属碳氮化物的晶粒，例如W，Ta，Ti的碳化物或碳氮化物或其混合物。例如，金属碳化物可以是碳化钨。当存在多个中间层或过渡层时，过渡层可以相对于金刚石体积含量建立梯度，其中金刚石体积含量在过渡层之间，远离金刚石结合体移动并朝向基底，降低。包括单个中间层的切割元件还可以在其中包括金刚石含量的梯度，其中中间层的靠近金刚石结合体的区域的金刚石体积含量大于靠近基底的中间层的区域的金刚石体积含量。在一实施例中，如在此所公本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种切割元件，包括：多晶金刚石体，该多晶金刚石体具有工作表面并且包括形成晶体间金刚石基质的多个结合在一起的金刚石晶体，所述晶体间金刚石基质具有分散在该基质内的多个间隙区域；和基底，该基底与所述多晶金刚石体相连并包含烧结碳化钨，该基底具有大于约200Oe的矫顽力。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2015.07.22 US 62/195,5001.一种切割元件，包括：多晶金刚石体，该多晶金刚石体具有工作表面并且包括形成晶体间金刚石基质的多个结合在一起的金刚石晶体，所述晶体间金刚石基质具有分散在该基质内的多个间隙区域；和基底，该基底与所述多晶金刚石体相连并包含烧结碳化钨，该基底具有大于约200Oe的矫顽力。2.根据权利要求1所述的切割元件，其中所述金刚石体在所述工作表面处具有在所述金刚石体由高压/高温工艺形成之后且在所述切割元件的任何后续热处理之前测量的大于约1.2GPa的压缩应力。3.根据权利要求1所述的切割元件，其中所述金刚石体在所述工作表面处具有经受大于约500℃的热处理工艺之后测量的大于约0.9GPa的压缩应力。4.根据权利要求1所述的切割元件，其中，所述基底具有从约200至300Oe的矫顽力。5.如权利要求1所述的切割元件，其中所述基底具有从大约73％到90％的磁饱和度。6.如权利要求1所述的切割元件，其中所述基底包括选自由Co、Ni、Fe及其组合组成的组中的金属，并且其中所述基底还包含碳化铬。7.根据权利要求6所述的切割元件，其中所述基底包含基于所述基底的总重量从约0.02至2重量百分比的碳化铬。8.根据权利要求1所述的切割元件，其中所述基底中的所述碳化物具有小于约1微米的晶粒尺寸。9.如权利要求1所述的切割元件，还包括介于所述体和所述基底之间的中间层，该中间层包括多晶金刚石并且具有与所述体的金刚石体积含量不同的金刚石体积含量。10.根据权利要求1所述的切割元件，其中所述体包括延伸如从所述工作表面测量的至少部分深度的热稳定区域，其中所述热稳定区域中的所述间隙区域基本上没有用于通过高压/高温工艺形成所述体的催化剂材料。11.根据权利要求10所述的切割元件，其中所述体包括独立于所述热稳定区域的区域，该区域包括间隙区域，该间隙区域包括设置在其中的催化剂材料。12.一种用于钻探地下地层的钻头，该钻头包括主体和多个如权利要求1所述的切割元件，该切割元件可操作地附连到所述主体。13.一种用于钻探地下地层的钻头，包括主体和与所述主体可操作地连接的多个切割元件，该切割元件包括：金刚石结合体，该金刚石结合体包含形成晶体间金刚石基质的多个结合在一起的金刚石晶体，所述晶体间金刚石基质具有分散在该基质内的多个间隙区域；和金属基底，该金属基底与包含烧结碳化钨的体连接，其中所述基底具有大于约200...

【专利技术属性】
技术研发人员：JD贝尔纳普，方毅，MD弗朗斯，DP登博尔，H张，
申请(专利权)人：史密斯国际有限公司，
类型：发明
国别省市：美国,US