轴对称切削元件制造技术

一种压实磨料切削元件，它包括：轴对称的超硬研磨元件及轴对称的胶结碳化物支承元件。该研磨元件基端切削刀的外部表面与碳化物支承元件的外部表面是间隔开的。该压实磨料切削元件的制造步骤为：形成轴对称的环形胶结碳化物支承元件；磨料颗粒置于该环形胶结碳化物支承元件内；经ＨＰ／ＨＴ处理后形成具有基端切削刀和锥形末梢连接端、并已置于该环形胶结碳化物支承元件内的多晶磨料颗粒压块；沿外部表面从环形胶结碳化物支承元件上除去胶结碳化物。（*该技术在2021年保护过期，可自由使用*）

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及压实磨料切削元件(abrasive compact cuttingelement)，更具体地说，涉及轴对称的压实磨料切削元件，其中的多晶磨料是插在碳化轴支座中的。这种压实磨料切削元件的简化的制造方法也是本专利技术的一个方面。该切削元件在石油和天然气勘探钻头上和开矿应用上有特殊的效用。通常，压块的特征是由烧结的磨料颗粒多晶块组成的整体粘合结构，磨料颗粒可以是金刚石或立方晶系的氮化硼(CBN)。虽然这种压块可以不用粘合基质或第二相的帮助而自身粘合起来，但如美国专利4,063,909和4,60,423所论述的那样，通常最好还是使用合适的粘合基质，通常是一种金属，如钴、铁、镍、铂、钛、铬、钽、铜、或是它们的合金或混合物。粘合基质约占容积的5％～35％，其中还可含有再结晶催化剂或生长催化剂，例如CBN可用铝、金刚石可用钴。在很多应用场合下，优选是把压块粘合到基底材料上做成层压物来或形成有支承的压块。基底材料常常是以胶结的金属碳化物的形式出现，其中含有例如钨、钛、或钽的碳化物颗粒或它们的混合物，它们被用6～25％重量百分数的金属粘合剂如钴、镍、铁或者其混合物或合金粘合起来。如美国专利3,381,428、3,852,078和3,876,7512所指出的那样，压块和带支承压块在多种应用场合被作为切削和修整工具的部件或坯件被采纳，如用作钻头、耐磨另件或耐表面。制造这里所涉类型的多晶压块和带支承压块的基本高压/高温(HP/HT)方法，必然要把未烧结的磨料、晶体颗粒如金刚石或CBN或其混合物放入保护性屏蔽金属外壳中，该外壳则放置在HT/HP装置的反应室内，这种装置的类型在美国专利2,947,611、2,941,241、2,941,248、3,609,818、3,767,371、4,289,503、4,673,414、和4,954,139中有进一步的描述。如果是要烧结金刚石颗粒，则在装有磨料颗粒的外壳中还可另外放入金属催化剂，此外，可放入支承磨料颗粒用的胶结的金属碳化物预制体，并借此做成带支承的压块。此后，反应室中的内容物就经受处理，处理条件应选用得足以使研磨颗粒邻近粒子之间发生晶间粘合，并还可使烧结的颗粒连结到胶结的金属碳化物支承上。这样的处理条件通常是在温度至少1300℃、压力至少20Kbar下处理约3～120分钟。关于多晶金刚石(PCD)压块或带支承压块的烧结，催化剂金属可以做成预先固结的形式，放置在毗邻晶体颗粒处。例如，金属催化剂可以做成环状，往其中装有磨料晶体颗粒的圆柱体，或做成盘状，放在晶体的上面或下面。另外，金属催化剂(也称溶剂)也可以呈粉状，并与磨料晶体颗粒相互混合，或者可做成胶结的金属碳化物或碳化物模塑粉，使之冷压成型，而其中的胶结剂可用作金刚石再结晶或生长的催化剂。通常，金属催化剂系选自钴、铁或镍或它们的合金或混合物，但也可使用其它金属如钌、铑、钯、铬、锰、钽、铜以及它们的合金或混合物。在规定的HT/HP条件下，金属催化剂不管以何种形式出现，总能通过扩散作用或毛细作用而渗入或“延伸”入磨料层，从而使之被用途再结晶或晶体交互生长的催化剂或溶剂。工作在金刚石稳定热力学范围、并高于金刚石和石墨间的平衡点的HT/HP条件，促成了磨料晶粒的压实，其特征是晶间金刚石对金刚石粘合，其邻接的晶粒之间共用每个晶格部分。压块中或带支承压块的研磨面中的金刚石浓度优选为至少占容积的70％。制做金刚石压块和带支承压块的方法在美国专利3,142,746、3,745、623、3,609,818、3,850,591、4,394,170、4,403,015、4,797,326和4,954,139中有更充分的描述。关于多晶CBN(PCBN)压块和带支承压块的烧结，这种压块和带支承压块通常是按照适用于金刚石压块的方法来制造的。但是，通过上述的“延伸入”方法来制造CBN压块时，延伸透入晶体中的金属并不一定需要是使CBN再结晶的催化剂或溶剂。相应地，尽管钴并不是使CBN再结晶的催化剂或溶剂，但是，借助于钴胶结碳化钨基底中的钴的延伸透入作用并进入晶体的间隙，CBN多晶体就可以接合到基底上去。相反地，填隙式的钴起着多晶CBN压块与胶结的碳化钨基底之间的粘合剂的作用。象金刚石的烧结一样，CBN的HT/HP烧结过程也是在CBN的热力学稳定状态的条件下实行的。推测在这些条件下，相邻晶粒之间也实现了晶间粘合。压块中或带支承压块的研磨面中的CBN浓度优选至少有约50％的容积百分数。在美国专利2,947,617、3,136,615、3,233,988、3,743,489、3,745,623、3,831,428、3,928,219、4,188,194、4,289,503、4,673,414、4,797,326、和4,954,139中对CBN压块和带支承压块的制造方法有更充分的描述。美国专利3,767,371中所公开的示例性CBN压块中，含有大于约70％容积百分数的CBN和少于约30％容积百分数的粘合剂金属，如钴。根据现有技术所公开和示出的内容，用于回转式钻、刮刀、冲击钻或切削刀头的磨料切削元件的整个切削表面上，都覆盖有多晶金刚石层。回转式钻头也称为滚柱式锥头，金刚石层伸展到钻头的表面，包复住切削元件。这是美国专利4,109,737和5,329,845中所示出的。简言之，金刚石层包复着切削元件或研磨元件暴露端的整个暴露(切削)表面或半径范围。一种磨料压块切削元件，它包括轴对称的超硬研磨元件，其上具有基端切削刀、向内呈锥形的末梢连接端和外部表面；以及轴对称的环形胶结碳化物支承元件，其构形是设计来接纳研磨元件的锥形连接端的。研磨元件基端切削刀的外部表面与碳化物支承元件的外部表面是间隔开的。压实磨料切削元件可以这样来制造先形成轴对称的环形胶结碳化物支承元件，该支承元件具有上部基端、下部向内呈锥形的末梢和外部表面。磨料颗粒置于该环形胶结碳化物支承元件内。经HP/HT处理后制成具有基端切削刀和锥形末梢连接端的多晶磨料颗粒压块，该压块置于环形胶结碳化物支承元件之内。胶结碳化物被沿外部表面从环形胶结碳化物支承元件上除去，以露出该多晶压实磨料基端切削刀，而切削刀的外部表面与碳化物支承元件的外部表面是间隔开的。相应的制造压实磨料切削元件的方法，一开始可先做轴对称的环形胶结碳化物支承元件，该支承元件具有上部基端、下部向内呈锥形的末梢和外部表面。磨料颗粒置于该环形胶结碳化物支承元件内。然后该磨料颗粒和环形胶结碳化物支承元件被进行HP/HT处理，以制成具有基端切削刀和锥形末梢连接端、并置于该环形胶结碳化物支承元件之内的多晶磨料颗粒压块。最后，胶结碳化物被沿外部表面从环形胶结碳化物支承元件上除去，以露出该产品压实磨料基端切削刀，而切削刀的外部表面与碳化物支承元件的外部表面是间隔开的。为了更充分地理解本专利技术的性质和目标，必须参阅以下结合附图的详细描述，附图有附图说明图1为本专利技术的一种压实磨料切削元件的纵剖面简图；图2为本专利技术的压实磨料切削元件另一实施方案的纵剖面简图；图3为本专利技术的压实磨料切削元件又一实施方案的纵剖面简图；图4示出本专利技术的压实磨料切削元件在早期制造阶段的纵剖面简图。下面将描述这些图。在钻孔应用中，压实磨料切削元件通常的损坏模式包括PCD的持续磨损；本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种压实磨料切削元件，它包括：（ａ）轴对称的超硬研磨元件，其上具有基端切削刀、向内呈锥形的末梢连接端和外部表面；以及（ｂ）轴对称的环形胶结碳化物支承元件，其构形是设计来接纳研磨元件的锥形连接端的，其上有外部表面，研磨元件基端切削刀的 外部表面与该碳化物支承元件的外部表面是分隔开的。

【技术特征摘要】
...

【专利技术属性】
技术研发人员：EO埃恩塞特，MS德明，
申请(专利权)人：通用电气公司，
类型：发明
国别省市：US[美国]