超硬刀具的製作方法

2023-05-30 09:35:26

專利名稱：超硬刀具的製作方法
技術領域：
本發明涉及包括超硬構造的刀具，更具體地但不唯一地，涉及用於鑽入地面的旋轉鑽頭。
背景技術：
多晶金剛石(P⑶)材料包括大量的互生金剛石晶粒和金剛石晶粒間的空隙。可以通過在例如鈷的可以促進金剛石晶粒互生的燒結助劑的作用下使金剛石晶粒的聚合塊受到高壓高溫而製造rcD。所述燒結助劑還可以是針對金剛石的催化劑材料。燒結rcD材料內的空隙可以全部地或部分地被剩餘的催化劑材料填充。可以在能為燒結PCD提供鈷催化劑材料源的鈷鎢硬質合金基底上形成P⑶。PCD材料可以被廣泛地用於多種工具，例如用於切割、機加工、鑽孔或降解例如巖石、金屬、陶瓷、複合材料和含木材料的硬的或磨蝕性材料的工具。例如，包括PCD材料的工具插入件被廣泛地用於在石油和天然氣鑽井工業中用於鑽入地面的鑽頭。在許多這樣的應用中，隨著PCD材料鑽入巖石或其他高能量工件或高能量體中，PCD材料的溫度可能升高。工具插入件的使用壽命可能受到超硬材料的碎片的限制，包括通過破裂或切削而形成的碎片。美國專利申請4，311，490公開了一種包括金剛石晶粒並且具有至少兩層的金剛石層，一層是與硬質合金塊相鄰的較粗糙晶粒層，另一層是與較粗糙層相鄰的較精細晶粒層。美國專利申請5，135,061公開了一種包括切削臺的切削元件，該切削元件可以包括至少結合在一起的兩個不同的超硬材料層，前面的層包括不如第二層耐磨的超硬材料。歐洲專利申請1330323公開了一種包括結合到硬質合金基底上的燒結顆粒層的耐磨複合坯塊，所述耐磨顆粒層具有三個區域，該三個區域包含具有不同粒度分布的顆粒。美國專利申請6，446，740公開了一種具有切削臺的切削元件，該切削元件是由特硬材料的片段形成的。優選地，一些片段由較精細級的特硬材料製成，而其餘部分由較粗糙級的特硬材料製成。美國專利申請7，694，757公開了一種在基體上包括TSP材料層的切削元件。TSP材料是通過從至少一部分PCD的金剛石晶格結構中「浸出」鈷而形成的，或是通過用熱兼容性碳化矽粘合劑而不是鈷來形成PCD而形成的。所述TSP層可以包括相鄰的第一、第二和第三層，該TSP層可以具有不同平均金剛石晶粒大小和不同氣孔。美國專利申請公開號2008/0142267公開了一種P⑶切削元件，其在操作中(並且隨著它磨損到磨損狀態)向正被切削的材料提供至少兩個切削刃。至少部分端部工作表面和至少部分外圍工作表面實質上不包含催化劑材料。P⑶元件可以包括例如排列在一系列層中或排列在一系列同軸的環中的不同耐磨區域。PCT專利申請W02007/0895960公開了一種具有功能性設計的P⑶複合覆蓋層的剪切刀具。工具主體可以包括多個多晶耐磨層和多個制動層。在該應用中，「制動」指能夠使材料的一個區域內發生裂縫或其他破壞的或惡化的情況被停止、減緩、減少和/或隔離的材料性質和/或效果。優選地，層間的層選擇和界面設計還可以將熱錯配壓力降到最小。存在對具有改進的抗斷裂超硬切削元件的需求。

發明內容
從本發明的第一方面可以看出，提供了一種包括超硬構造的刀具，所述刀具包括由前刀面(rake face)限定的切削刃和從所述切削刃延伸的側面(flank);並且包括第一區域和第二區域，所述第一區域沿著邊界與所述第二區域鄰接，所述第一區域具有與所述第二區域不同的材料組分，第一和第二區域都包括超硬材料，其中所述第一區域的所述材料具有和所述第二區域的所述材料不同的熱膨脹係數(CTE);所述兩個區域被設置為使得至少部分所述邊界通常遠離所述前刀面和所述側面兩者而延伸，所述邊界通常還遠離所述切削刃的近側或遠離所述切削刃而延伸。所述第二區域可以繞著由所述邊界限定的所述第一區域的外周邊而延伸，從而繞著所述外周邊形成圈，所述第一區域和/或所述第二區域延伸到和/或形成至少一部分所述前刀面。從本發明的第二方面可以看出，提供了一種包括超硬構造的刀具，所述刀具具有由前刀面限定的切削刃和從所述切削刃延伸的側面；並且包括第一區域和第二區域，所述第一區域沿著邊界與所述第二區域鄰接，所述第一區域具有與所述第二區域不同的材料組分，第一和第二區域都包括超硬材料，其中所述第一區域的所述材料具有和所述第二區域的所述材料不同的熱膨脹係數(CTE);所述第二區域繞著由所述邊界限定的所述第一區域的外周邊而延伸，從而繞著所述外周邊形成圈。從本發明的第三方面可以看出，提供了一種包括超硬構造的刀具，所述刀具具有由前刀面限定的切削刃和從所述切削刃延伸的側面；並且包括第一區域和第二區域，所述第一區域沿著邊界與所述第二區域鄰接，所述第一區域具有與所述第二區域不同的材料組分，所述第二區域包括超硬材料，其中所述第一區域的所述材料具有和所述第二區域的所述材料不同的熱膨脹係數(CTE);所述第二區域繞著由所述邊界限定的所述第一區域的外周邊延伸，從而繞著所述外周邊形成圈，所述第一區域和/或所述第二區域延伸到和/或形成至少一部分所述前刀面。在一些實施方式中，所述區域中的至少一個、至少兩個或大部分或全部可以包括多晶超硬(PCS)材料或由其組成。在一些實施方式中，所述區域中的至少一個、至少兩個或大部分或全部可以包括超硬複合材料或由其組成。在本發明的一些實施方式中，至少一個區域包括PCS材料或由其組成，並且至少一個區域包括超硬複合材料或由其組成。在一些實施方式中，所述邊界的至少部分可以從一空間延伸，該空間包括並且由以下限定:i)前刀面區域，其在前刀面上從所述切削刃(在所有方向上)延伸一定距離，該距離是所述切削刃到所述前刀面的對邊間的距離的最多三分之一或甚至最多六分之一 ；ii)側面區域，其在側面上從所述切削刃(在所有方向上)延伸一定距離，該距離是側面處的超硬構造的厚度的最多約四分之一或甚至最多約五分之一；以及iii)內部平面，其在遠離所述切削刃的所述前刀面區域和所述側面區域的邊之間延伸。在一些實施方式中，所述前刀面區域可以從所述切削刃(在所有方向)在前刀面上延伸最多約4毫米、最多2毫米或最多I毫米的距離。在一些實施方式中，所述側面區域可以在側面上從所述切削刃(在所有方向上)延伸最多約500微米或最多約300微米的距離。在一些實施方式中，所述側面區域在凹槽上延伸並且沿著超硬構造的側表面向著具有基底的界面延伸一定距離。在一些實施方式中，所述邊界可以與切削刃或例如所述前刀面或靠近所述切削刃的側面的所述刀具的露出表面相交。在一個實施方式中，所述邊界可以與靠近所述切削刃的另一個邊界相交。在一些實施方式中，所述邊界可以在所述刀具內與具有另一個區域的另一個邊界相交或通過所述刀具的露出表面與另一個邊界相交，所述相交發生在距所述切削刃最多500微米、最多200微米、最多100微米或甚至最多50微米的範圍內。在一些實施方式中，所述另一個邊界可以是露出表面，例如所述前刀面、所述側面、由凹槽或斜面形成的表面或在使用中形成的磨痕，或所述另一個邊界可以在所述刀具內被可識別區域限定。在一個實施方式中，第一區域的縱向或軸向厚度通常隨著距切削刃近端或距切削刃的距離的增加而增加，使得遠離切削刃一段距離的平均厚度大於在切削刃處或靠近切削刃的厚度。在一個實施方式中，第二區域的側向或徑向厚度一般隨著距切削刃近端或距切削刃的距離的增加而增加，使得遠離切削刃一段距離的平均厚度大於在切削刃處或靠近切削刃的厚度。在一個實施方式中，邊界可以與側面相交，使得側面在切削刃和交點間的長度遠小於側面在交點和超硬構造與硬質合金基底間的界面之間的長度。在一些實施方式中，在切削刃和交點間的側面部分的長度可以是在切削刃和超硬構造與硬質合金基底間的界面間的側面的總長度的最大約50%、30%、10%或甚至5%。在一個實施方式中，邊界可以與切削刃相交，並且側面在交點和與基底的界面之間的長度可以實質上與側面在至少一部分切削刃和基底間的總長度相同。在一個實施方式中，設置在邊界和前刀面之間的具有第一組分的第一區域可以包括第一 PCS材料，並且第二區域可以包括設置在邊界和側面之間的具有第二組分的第二PCS材料；第一 PCS材料的CTE實質上小於第二 PCS材料的CTE。在一個實施方式中，第一PCS材料具有至少比第二 PCS材料少至少約5%的CTE。在一個實施方式中，第一區域從前刀面的近側向邊界延伸，並且在一個實施方式中，第二區域從邊界向側面的近側延伸。在一個實施方式中,第一 PCS材料可以具有實質上高於第二 PCS材料的抗衝擊性，並且在一個實施方式中，第一 PCS材料可以具有實質上比第二 PCS材料更低的耐磨性。在一個實施方式中，第一 PCS材料可以具有實質上比第二 PCS材料更高的抗衝擊性和更低的韌性，所述韌性是KlC韌性。在一個實施方式中，第一 PCS材料可以比第二 PCS材料更具熱穩定性。在一些實施方式中，第一 PCS材料可以包括具有最小5微米且最大30微米的平均粒徑的超硬材料晶粒，並且第二 PCS材料可以包括具有最小0.5微米且最大10微米的平均粒徑的超硬材料晶粒。在一些實施方式中，第一和第二 PCS材料可以分別包括第一和第二 P⑶材料，每一P⑶材料包括針對金剛石的例如鈷的金屬催化劑材料。第一 P⑶材料包括實質上比第二 P⑶材料更少的鈷。在本發明的一個實施方式中，至少一個所述區域不包含針對各個超硬材料的催化劑材料。在一個實施方式中，設置在邊界和前刀面間的具有第一組分的第一區域包括超硬複合材料，並且第二區域可以包括設置在邊界和側面間的PCS材料。在一個實施方式中，第一區域可以從前刀面的近側向邊界延伸，並且在一個實施方式中，第二區域可以從邊界向側面的近側延伸。在一些實施方式中，超硬複合材料可以包括分散在包括鎢硬質合金的基體內的、例如金剛石或立方氮化硼(cBN)顆粒的超硬顆粒。在一個實施方式中，超硬複合材料可以包括至少20%體積比的超硬顆粒，並且在一個實施方式中，超硬複合材料可以包括最多約80%體積比的超硬顆粒。在一些實施方式中，超硬複合材料可以包括具有最小約I毫米、最小約10毫米或最小約50毫米的平均粒徑的超硬顆粒，並且在一些實施方式中，超硬複合材料可以包括具有最大約1000微米、最大約500微米或最大約100微米的平均粒徑的超硬顆粒。在一個實施方式中，超硬材料可以包括分布在包括例如鎢硬質合金材料的硬質合金材料或實質上由其組成的基體中的超硬晶粒。在一個實施方式中，鎢硬質合金可以包括至少約2%體積比的鈷、至少約4%體積比的鈷或至少約6%體積比的鈷，並且在一個實施方式中，超硬材料可以包括分布在基體中的超硬晶粒，該基底包括鈷鎢硬質合金或實質上由其組成，該鈷鎢硬質合金包括最大約20%體積比的鈷或最大約10%體積比的鈷。在一個實施方式中，超硬複合材料可以具有最小約3 X KT6IT1且最大約5 X KT6IT1的CTE。在一些實施方式中，至少部分邊界可以基本上是階梯式的、臺階式的或起伏式的，或至少部分邊界可以顯示出不規則或不連續性。在一些實施方式中，至少部分邊界可以是基本上平面的或弓形的，或可以基本上或一般地是圓錐形的、拋物線形的或雙曲線形的。在一個實施方式中，所述區域可以被配置為基本上是同心的。在一些實施方式中，至少部分邊界可以通常地從切削刃的近側或從切削刃、相對於前刀面或端面成一個角度延伸，所述角度為最小約5度、最小約10度或最小約20度，並且所述角度為最大約60度、最大約70度或最大約80度。在一些實施方式中，至少一部分靠近切削刃的前刀面可以基本上是平面的、或基本上整個前刀面可以大體是平面的。在一個實施方式中，刀具包括超硬構造，所述超硬構造包括連接到硬質合金基底的PCS材料。在一些實施方式中，PCS材料是多晶金剛石(P⑶)材料或多晶立方氮化硼(PCBN)材料。在一個實施方式中，刀具可以用於機加工、切割、鑽孔或降解包括硬的或耐磨的例如金屬、陶瓷、木頭、複合材料、浙青或巖石的工件或主體。在一個實施方式中，刀具可以用在用來鑽入地面的鑽頭中以用於石油和天然氣鑽井工業，並且在一個實施方式中，刀具可以是用於鑽頭的剪切刀具插入件。一種製造上述刀具的方法，該方法包括以下步驟:形成包括超硬材料且在其中具有凹槽的第一結構；限定邊界；將用於製造PCS材料或超硬複合材料的前體材料引入所述凹槽中，從而形成預燒結組件；以及，在針對超硬材料的燒結助劑的作用下，使預燒結組件受到壓力和溫度，並且燒結所述超硬材料，其中在該壓力和溫度下，超硬材料是熱力學穩定的。在所述方法的一個變型中，所述前體材料可以包括未經燒結的多個混合超硬顆粒、例如碳化鎢顆粒的硬質合金顆粒以及例如鈷的金屬。
在所述方法的一個變型中，底座可以是硬質合金基底、包括超硬材料晶粒的其他部件或所述基底和所述其他部件的組合。在所述方法的一個變型中，所述前體材料可以包括由有機粘合劑材料粘在一起的超硬材料的晶粒，並且在一些實施方式中，所述前體材料可以是片、盤、箔、丸或塊的形式。本發明還提供了用於鑽入巖石的鑽頭，包括刀具的實施方式，切削刃是被設置為用來切削巖石的超硬構造的邊。


現在，將參考附圖詳細描述非限制性實施方式。附圖中:圖1示出了 PCS材料的一個實施方式的微觀結構示意圖。圖2示出了超硬複合材料的一個實施方式的微觀結構示意圖。圖3示出了用於鑽入地面的鑽頭的刀具的一個實施方式的示意性立體圖。圖4示出了用於切削巖石的鑽頭的剪切刀具的示意性部分截面圖。圖5示出了具有潛在徑向拉伸區域並附帶有裂紋的已知刀具的實施方式的示意性縱向截面圖(圖5沒有示出本發明的實施方式)。圖6A示出了附帶有潛在裂紋的刀具在基本上未磨損狀態下的一個實施方式的示意性部分縱向截面圖。圖6B示出了圖5A所示的具有潛在徑向拉伸區域並附帶有潛在裂紋的刀具的實施方式的示意性部分縱向截面圖。圖7示出了刀具的一個實施方式的示意性縱向部分截面圖。圖8、圖9、圖10、圖11、圖12和圖13分別示出了各個刀具的實施方式的示意性縱向截面圖。圖14A示出了刀具的超硬構造在基本上未磨損狀態下的一個實施方式的示意性部分縱向截面圖。圖14B和14C示出了圖14A所示的超硬構造在磨損狀態下的實施方式的示意性部分縱向截面圖。圖15示出了刀具的超硬構造的一個實施方式的示意性部分縱向截面圖。圖16A至16F示出了刀具的其他實施方式的示意性縱向截面圖。圖17示出了用於鑽入巖石的鑽頭的一個實施方式的示意性立體圖。在所有附圖中，相同的參考標記表示各個相同的特徵。
具體實施例方式本文所用的「超硬材料」是具有至少25GPa的維氏硬度的材料。金剛石和立方氮化硼(cBN)材料是超硬材料的示例。本文所用的「超硬構造」指包括多晶超硬材料或超硬複合材料的構造，或包括多晶超硬材料和超硬複合材料的構造。參照圖1，「多晶超硬」(PCS)材料10包括大量的超硬材料晶粒12和在超硬晶粒12之間的空隙14，該空隙可以至少部分地由填料或粘合劑材料填充。按體積計，超硬晶粒12的含量是所述材料的至少約50%。晶粒12可以包括金剛石或立方氮化硼(cBN)。
本文所用的多晶金剛石(PCD)是包括大量金剛石晶粒的PCS材料，絕大部分金剛石晶粒是彼此間直接結合的，並且其中金剛石的體積比含量是所述材料的至少約80%。在PCD材料的一個實施方式中，金剛石晶粒間的空隙可以至少部分地由包括針對金剛石的催化劑的粘合劑材料填充。本文所用的「空隙」或「空隙區」是PCD材料的金剛石晶粒間的區域。在PCD材料的實施方式中，空隙或空隙區可以大體上或部分地由不是金剛石的材料填充，或可以實質上是空的。PCD材料的實施方式可以包括至少一個區域，對於該區域，催化劑材料已經從空隙中移除，並在金剛石晶粒間留下晶格間隙。本文所用的多晶立方氮化硼(PCBN)材料是PCS材料，其包括分布在耐磨基體中的大量cBN晶粒的，該耐磨基體可以包括陶瓷材料或金屬材料或這兩種材料，並且其中cBN的體積比含量是所述材料的至少約50%。在PCBN材料的一些實施方式中，cBN晶粒的體積比含量是至少60%、至少70%或至少80%。超硬材料的實施方式可以包括分布在硬基體中的超硬材料晶粒，其中所述硬基體優選地包括作為主要成分的陶瓷材料，所述陶瓷材料優選地選自碳化娃、氮化鈦和碳氮化鈦。本文所用的「超硬複合」材料包括多個分布在基體材料內的超硬材料晶粒。按體積計，所述超硬晶粒的含量是所述超硬複合材料的至少約10%。參照圖2，「超硬複合」材料15包括分布在基體17中的多個超硬材料晶粒12。所述晶粒12可以包括金剛石或立方氮化硼(cBN)，並且所述基體17可以包括硬質合金材料或實質上由其組成。參照圖3，刀具20的一個實施方式包括連接到支承基底40上的超硬構造30，並且具有由前刀面34的邊和側面36所限定的切削刃32。參照圖4，刀具20的一個實施方式的「前刀面」34是這樣一種表面:當刀具20被用於從主體50切削材料時，碎片52在該表面上流動，且前刀面34指向剛形成的碎片52的流動方向。本文所用的「碎片」52是在使用時通過刀具20從主體54的工作表面移除的主體50的片狀物。本文所用的刀具20的「側面」36是刀具20的這樣一種表面:該表面越過通過刀具20而在主體50上產生的表面54。側面36可以提供從主體50留出的空隙，並且可以包括多於一個的側面。本文所用的「切削刃」32是前刀面34的旨在執行主體50的切肖IJ的邊。「圓形的切削刃」是由在前刀面和側面之間的圓形過渡區形成的切削刃。本文所用的「磨痕」是在使用中由於刀具的磨損而移除了一部分刀具材料所形成的刀具表面。側面可以包括磨痕。由於刀具在使用中磨損，材料可能逐步地從切削刃的近側被移除，由此隨著磨痕的形成而不斷地重新定義切削刃、前刀面和側面的位置和形狀。應理解的是，本文所用的術語「切削刃」指的是處於直至刀具失效為止的刀具磨損的任何特殊階段或多於一個階段的實際切削刃，其功能為如上所限定的，所述刀具包括但不限於實質上未磨損或未使用狀態下的刀具。參照圖5，根據現有技術，刀具的超硬構造30的一個實施方式具有:由前刀面34的邊形成的切削刃32 ;形成至與切削刃32相鄰的結構內的凹槽31 ;以及，包括該凹槽31作為後刀面的側面36。區域62可以在徑向拉伸狀態下上升至切削刃32附近。使用時，在切削刃32處或在切削刃32附近，更具體地，在側面36處產生的裂縫可以延伸一定長度，並且遠離具有相對徑向壓力64 (relative radial compression)的區域而向著具有相對張力(relative tension)的區域62的表面蔓延，最終從前刀面34露出，使得與切削刃32相鄰的刀具塊以被稱為「剝落」的斷裂失效形式分離。這可能會限制刀具的有效使用期限。參照圖6A和6B，刀具的超硬構造30的實施方式具有:由前刀面34的邊形成的切削刃32 ;被形成為與切削刃32相鄰的結構中的凹槽31 ;以及，包括該凹槽31作為後刀面的側面36。超硬構造30的實施方式包括位於結構30中的區域37和39之間的邊界38。第一區域37可以包括例如超硬複合材料，並且第二區域39可以包括例如多晶金剛石(P⑶)材料；在邊界38和前刀面34間的距離d隨著邊界38遠離切削刃32的延伸而增加。如果不希望被特定的原理限制，第一區域37和第二區域39的布置可以產生具有徑向張力62的大的區域以及具有徑向壓力64的區域，其中至少一個位於切削刃32附近並且在前刀面34和邊界間延伸。該布置可以導致在切削刃32的位置處或其近側處生成的裂縫遠離後刀面34偏轉並且進入刀具體中，由此避免或至少延遲剝落或其他斷裂現象。如果不希望被限制於特定的原理，可認為邊界可以被設置為克服或偏轉至少一些切削刃附近產生的或更具體地由磨痕或在靠近磨痕的側面部分上形成的裂縫，並且如果該裂縫沒有被克服或該裂縫遠離前刀面而偏轉，則邊界有可能在前刀面上形成剝落的碎片。邊界可以從足夠靠近切削刃的位置處延伸來達到該目的。在一些實施方式中，邊界可以從靠近切削刃的超硬刀具的區域延伸，所述區域包括切削刃、靠近切削刃的前刀面的部分、靠近切削刃的側面的部分以及在前刀面的所述部分和側面的所述部分間限定的超硬刀具的內部空間。參照圖7，超硬刀具的超硬構造30的實施方式具有切削刃32、前刀面34、凹槽31和側面36以及在結構30的區域37和39之間的邊界38。邊界38具有一般截頭錐(frusto-conical)的形狀並且基本上與所述構造的大體圓柱形的側表面是同軸的。邊界38的一部分從空間50延伸，該空間50包括以下區域並由其限定:前刀面區域52，其在前刀面34上從切削刃32在所有方向上延伸一定距離，該距離是切削刃32距正對邊32』間的距離的最多約三分之一；側面區域54，其在側面36上從切削刃32在所有方向上延伸一定距離，該距離是側面36處的超硬構造的厚度t的最多約四分之一或甚至最多約五分之一；以及，內部空間，其作為假想表面而在前刀面區域52和側面區域54的界限之間延伸。參照圖8至圖13，刀具的超硬構造30的這些實施方式中的每一個具有由前刀面34的一條邊形成的切削刃32、形成至與切削刃32相鄰的結構中的凹槽31以及包括該凹槽31作為後刀面的側面36。超硬構造30的實施方式包括在結構30中的區域37和39之間的邊界38，每一個區域分別包括多晶金剛石(PCD)材料或超硬複合材料，第一區域37的材料具有和第二區域39不同的熱膨脹係數(CTE);邊界38和前刀面34之間的距離d隨著邊界38遠離切削刃32的延伸而增加。區域37和39中的每一個具有互補的形狀，從而組裝在一起形成邊界38。參照圖8，與超硬構造30的一個實施方式的前刀面34相鄰的第一區域37可以具有用於形成至少一部分前刀面34的總體上平坦的面，以及總體上是凸型的底部，並且抵靠具有互補凹形的第二區域39而裝配，從而形成與前刀面34的邊相交的邊界38，其部分可以形成最初的切削刃31。第一區域37總體上是像「碗」的形狀。第一區域37沿著邊界38結合到第二區域39，並且第二區域39可以結合到硬質合金基底(未示出)上。參照圖9，與超硬構造30的一個實施方式的前刀面34相鄰的第一區域37可以具有用於形成至少一部分前刀面34的總體上平坦的面，以及總體上是凸型的底部，並且抵靠具有互補凹形的第二區域39而裝配，從而形成與側面36相交的邊界38。第一區域37總體上是像「碗」的形狀。第一區域37沿著邊界38結合到第二區域39，並且第二區域39可以結合到硬質合金基底(未示出)上。參照圖10，與超硬構造30的一個實施方式的前刀面34相鄰的第一區域37可以具有用於形成至少一部分前刀面34的總體上平坦的面，以及總體上是凸型的底部，並且抵靠具有互補凹形的第二區域39而裝配，從而形成與前刀面34相交的邊界38。第一區域37總體上是像「碗」的形狀。第一區域37沿著邊界38結合到第二區域39。參照圖11，與超硬構造30的一個實施方式的前刀面34相鄰的第一區域37可以具有總體上環形的形狀，並且抵靠具有互補形狀的第二區域39而裝配，從而形成與前刀面34相交的邊界38。第一區域37沿著邊界38結合到第二區域39。參照圖12，與超硬構造30的一個實施方式的前刀面34相鄰的第一區域37可以具有埋頭螺釘或釘頭的一般形狀，並且抵靠具有互補形狀的第二區域39而裝配，從而形成與前刀面34相交的邊界38。第一區域37沿著邊界38結合到第二區域39。參照圖13，與超硬構造30的一個實施方式的前刀面34相鄰的第一區域37可以具有階梯形碗或盤的一般形狀，並且抵靠具有互補形狀的第二區域39而裝配，從而形成在至少一部分一系列階梯或平臺處形成的邊界38。第一區域37沿著邊界38結合到第二區域39。為了偏轉只有在實質磨損發生以後才變得明顯的裂縫，可能希望推遲邊界的實質有益效果，直到刀具磨損達到某種程度。參照圖14A，刀具的超硬構造30的實施方式在實質上未磨損的狀態下具有由前刀面34的一條邊形成的切削刃32、形成至與切削刃32相鄰的結構中的凹槽31以及包括該凹槽31作為後刀面的側面36。超硬構造30的實施方式包括與前刀面34相鄰的第一區域37和第二區域39，第一區域37和第二區域39結合在一起從而形成與前刀面34相交的邊界38。參照圖14B，由於在使用中所述構造的磨損而逐步地形成磨痕33，由此逐步地重新定義切削刃32的形狀和位置，並且逐步地磨蝕凹槽，直到切削刃32與邊界38相交，參照圖14C。圖15示出了包括P⑶材料的超硬構造30的一個實施方式，其中，在區域37和39之間的邊界38與另一個邊界52相交，該另一個邊界52具有與切削刃32相鄰的另一個區域50。圖16A示出了包括P⑶材料的超硬構造30的一個實施方式，其中，位於第一區域37和第二區域39之間的邊界38被設置為使得第一區域37是從前刀面34朝著硬質合金基底40延伸但不與其接觸的同軸圓柱，第二區域39沿著界面41結合到硬質合金基底40上。在另選的實施方式中(未示出)，第一區域37延伸到具有基底40的界面41並形成至少其部分。圖16B和16C與圖16A的實施方式的不同之處在於:第一區域37不是直圓柱,而是截錐的形式。在圖16B中，第一區域37從前刀面34延伸到具有基底40的界面41上，並且圓錐的截錐頂端的表面形成具有基底40的界面41的一部分。相比之下，圖16C的實施方式中的第一區域37並不總是從前刀面34延伸到具有基底40的界面41上，而是與界面41分隔開。圖16D和16F與圖16B和16C的實施方式的不同之處在於:第一區域37被反轉，使得截錐的底部形成圖16D的實施方式中具有基底40的界面41的一部分並且在圖16F中與其分隔開，在所述兩個實施方式中，圓錐的截錐頂端形成前刀面34的一部分。 在圖16E中，第一區域37基本上是圓錐形，該圓錐的頂端接觸前刀面34，該圓錐的底部緊靠具有基底40的界面41並形成其一部分或全部。在一些實施方式中，例如圖16A至16F所示的示例中，第一區域37可以由例如DEC、P⑶、PCBN、硬質材料、氮化物、硼化物或氧化物或其組合形成。第二區域39可以由例如PCD、DEC或PCBN形成。此外，第一區域37可以由例如多個層形成或由具有相鄰層的交替層形成，該相鄰層由不同PCD級別形成。各層的厚度可以是例如約100微米。形成該具有多層的第一區域的效果旨在通過操作刀具中殘餘的壓力分布來協助控制裂痕的偏轉，有效地引導裂痕遠離刀具中的敏感區域，從而增加刀具的耐用性。各層可以位於基本平行於前刀面34的平面內或位於與前刀面34成一個角度的平面內。本文所用的「生坯」是包括待燒結的晶粒的主體和將晶粒保持在一起的裝置，比如粘合劑，例如有機粘合劑。超硬構造的實施方式可以通過包括製備含超硬材料和例如有機粘合劑的粘合劑的生坯的方法製造。所述生坯還可以包括用於促進超硬晶粒的燒結的催化劑材料。生坯可以通過將晶粒與粘合劑結合併且將他們形成一主體以及乾燥該粘合劑來製成，該主體具有實質上與待燒結體相同的一般形狀。至少一些粘合劑材料可以通過例如燒盡而被去除。生坯可以通過包括壓縮過程、注射的方法或包括其他注塑、擠出、沉積成型的方法或其他方法來形成。生坯可以由包括晶粒和粘合劑的部件形成，所述部件是片、塊或盤的形式，並且生坯可以由例如生坯自身形成。例如，超硬構造的生坯可以由用於各個區域中的每一個區域的不同的生坯形成，該生坯可以單獨地形成為各個區域的通常預期形狀並且可以被結合，從而形成由接觸界面所限定的邊界。用於製造生坯的方法的一個實施方式包括:提供流延片，每一片包括通過粘合劑粘在一起的多個金剛石晶粒，該粘合劑為例如水基有機粘合劑；以及，以一個位於另一個之上的方式、在支承體的表面上堆疊這些流延片。不同的片包括具有不同大小分布、不同金剛石含量或添加劑的金剛石晶粒，不同的片可以選擇性地堆積從而達到預期的結構。所述片可以由已知方法製造，例如拉伸或流延方法，其中，將包括金剛石晶粒和粘合劑材料的漿鋪在表面上並且將其晾乾。例如，也可以使用在美國專利申請5，766，394和6，446，740中所述的用於製造含金剛石的片的其他方法。用於沉積含金剛石的層的另選方法包括噴射方法，例如熱噴射。從現有技術可知，用於超硬構造的生坯可以被放置在基底上，例如硬質合金基底，從而形成預燒結組件，該組件可被封裝在超高壓熔爐的艙中。該基底可以提供用於促進超硬晶粒的燒結的催化劑源。在一些實施方式中，超硬晶粒可以是金剛石晶粒並且基底可以是鈷鎢硬質合金，基底中的鈷是用於燒結金剛石晶粒的催化劑源。所述預燒結組件可以包括其他催化劑材料源。在一個變型中，所述方法可以包括:將包括預燒結組件的艙加載到壓力機中，並且使生坯經受超高壓和一定溫度，從而燒結超硬晶粒，其中在該溫度下超硬材料是熱力學穩定的。在一個實施方式中，所述生坯可以包括金剛石晶粒，所述壓力是至少約5GPa，並且所述溫度是最低約1300攝氏度。在一個實施方式中，所述生坯可以包括cBN晶粒，所述壓力是至少約3GPa，並且所述溫度是最低約900攝氏度。
超硬構造的一個實施方式可以通過以下方法製成，該方法包括:提供PCD結構和金剛石複合結構；將每一個結構形成為各自互補的形狀；將所述PCD結構和所述金剛石複合結構裝配到硬質合金基底上，從而形成未結合的組件；以及，使未結合的組件經受至少約
5.5GPa的壓力和最低約1250攝氏度的溫度，從而形成P⑶構造。本發明的一個變型可以包括通過公開的方法製造金剛石複合結構，例如在公開號W02009/128034的PCT申請中公開的用於製造超硬強化硬質合金材料的方法。可以通過結合所述顆粒並將其混合在一起而製備包括金剛石顆粒、硬質合金材料顆粒和例如鈷的金屬粘合劑材料的粉末混合物。任何有效的粉末準備技術都可以被用來混合所述粉末，例如多方向溼法或幹法混合、行星式球磨以及使用高速攪拌器的高剪切混合。在一個實施方式中，金剛石顆粒的平均粒徑可以是至少約50微米並且可以僅通過用手攪拌而將所述粉末與其他顆粒結合在一起。在所述方法的一個變型中，適合隨後轉換成硬質合金材料或粘合劑材料的前體材料可以被包含到所述粉末混合中，並且在本方法的一個變型中，金屬粘合劑材料可以以適合浸潤至生坯中的形式被引入。所述粉末混合物可以放置在衝模或模具中，並且可以通過例如單軸壓縮或例如冷等靜壓(CIP)的其他壓縮方法被壓縮，從而形成生坯。生坯可以經受在現有技術中已知的用於燒結類似材料的燒結過程來形成燒結物，而不需要例如可以用於燒結鎢硬質合金的金剛石。例如，所述生坯可以通過熱壓燒結或火花等離子體燒結的方式被燒結。根據燒結條件，金剛石顆粒可以整個地或部分地轉換成例如石墨的非金剛石形式的碳。所述燒結顆粒可以經受後續的一定壓力和溫度下的處理，在所述壓力和溫度下，金剛石是熱穩定的，從而將一些或全部非金剛石的碳轉換回金剛石並且形成金剛石複合結構。金剛石合成領域已知的超高壓熔爐的壓力至少是5.5GPa，且溫度最低是1250攝氏度。超硬構造的一個實施方式可以通過以下方法來製造，所述方法包括以下步驟:針對金剛石複合結構提供PCD結構和前體結構；將每一個結構形成為各自互補的形狀；將所述PCD結構和所述金剛石複合結構裝配到硬質合金基底上，從而形成未結合的組件；以及，使該未結合的組件經受至少約5.5GPa的壓力和最低約1250攝氏度的溫度，從而形成PCD構造。所述前體結構可以包括硬質合金顆粒和金剛石或例如石墨的非金剛石碳材料以及包括例如鈷的金屬的粘合材料。所述前體結構可以是通過壓縮包括金剛石或非金剛石碳顆粒以及硬質合金材料顆粒的粉末混合物並且壓縮該粉末混合物而形成的生坯。在一個實施方式中，超硬構造是由P⑶形成的，並且包括在第一區域37和第二區域39間的邊界38，所述第一區域37被放置在邊界38和前刀面34之間並且第二區域39被放置在邊界38和側面36之間，第一區域37的P⑶材料具有比第二區域38的P⑶材料更低的熱膨脹係數(CTE)。具有期望的CTE的P⑶材料可以通過選擇金剛石晶粒的含量、填充材料的含量和類型、金剛石晶粒的粒度分布或平均粒徑來實現。在一個實施方式中，P⑶包括金剛石和第二物相，所述第二物相具有實質上大於金剛石的CTE，例如鈷。金剛石的CTE相對較低，在室溫下是每開爾文大約I微米，並且鈷的CTE相對較高，在約室溫下是每開爾文大約13微米。可以使用混合定律來估計P⑶的CTE，並且其可以在約3.5至約5的範圍內。在燒結過程後，保留在燒結金剛石的空隙間的鈷或其他催化劑材料的量可以取決於金剛石晶粒的粒度分布，因為催化劑的量可以由金剛石晶粒間的孔體積限制，催化劑可以從基底或其他催化劑源滲入到氣孔體積中。一般來說並且在其他條件都相同時，PCD材料中鈷的含量越高，PCD材料的CTE越高。此外，當金剛石晶粒的平均粒徑較小時，滲透到PCD內的鈷的含量通
常可以較高。圖17示出了用於鑽入巖石的鑽頭60的一個實施方式，其包括刀具20安裝在鑽頭體62上的實施方式，並且切削刃是刀具20的超硬構造的邊32，被設置為用於切削巖石。除了出於切削巖石的目的，例如針對磨損提供保護，鑽頭16還可以包括超硬構造64。現在將參照以下不旨在作為限制的示例詳細描述一些實施方式。示例 I用於金剛石複合結構的前體結構可以如下設置。製備粉末混合物，其包括:約
9.3%重量比的、具有約6微米的平均粒徑的金剛石晶粒；約82.7%重量比的、具有在約I微米至5微米的範圍內的平均粒徑的碳化鎢晶粒，以及8%重量比的鈷粉末。該粉末混合可以放置在壓制模具中並且被單軸壓縮，從而形成一般圓錐坯體，其包括30%體積比的金剛石顆粒，並且具有約5毫米的圓錐高度和約16毫米的圓錐直徑。所述生坯可以在1400攝氏度的熔爐中被燒結約2小時，以燒結硬質合金材料，從而製造前體結構。生成的金剛石複合結構的楊氏模量預計為約715GPa，泊松比預計為約0.182，並且熱膨脹係數預計為約
4.(MXKT6K'通過在硬質合金基底上以至少約5.5GPa的壓力和最低約1250攝氏度的溫度來燒結金剛石晶粒，可以提供包括至少約90%體積比的、具有在約2微米至約5微米範圍內的平均粒徑的金剛石晶粒的PCD結構。所述PCD結構可以具有約2.2毫米的高度以及約16毫米的直徑。可以通過在PCD結構內部進行研磨而形成錐形凹陷，所述凹陷的圓錐表面基本上從PCD結構的外周邊延伸到PCD結構和所述基底間的界面上。所述凹陷可以被設置為容納金剛石複合結構。可以通過將金剛石複合結構插入到P⑶結構中的凹槽內來提供未結合的組件。所述未結合的組件可以被封裝到超高壓熔爐的艙中並經受至少5.5GPa的壓力和最低1250攝氏度的溫度約10分鐘，從而形成超硬構造。所述超硬構造包括超硬結構，該超硬結構包含完整地結合到PCD結構上並且完整地連接到硬質合金基底上的金剛石複合結構。示例 2通過以至少約5.5千兆帕斯卡爾的壓力和最低約1250攝氏度的溫度將金剛石晶粒燒結到硬質合金基底上，可以提供包括至少約90%體積比的、具有在約2微米至約5微米範圍內的平均粒徑的金剛石晶粒的PCD結構。所述PCD結構可以具有約2.2毫米的高度以及約16毫米的直徑。可以通過在PCD結構內進行研磨而形成錐形凹陷，所述凹陷的圓錐表面基本上從PCD結構的外周邊延伸到PCD結構和所述基板間的界面上。所述凹陷可以被粉末混合物填充，從而形成預燒結組件，該混合物包括:約9.3%重量比的、具有約6微米的平均粒徑的金剛石晶粒；約82.7%重量比的、具有在約I微米至5微米的範圍內的平均粒徑的碳化鎢晶粒；以及，約8%重量比的鈷粉末。所述預燒結組件可以被封裝到超高壓熔爐的艙中，並且經受至少5.5千兆帕斯卡爾的壓力和最低1250攝氏度的溫度至少約10分鐘，從而形成超硬構造。所述超硬構造包括超硬結構，該超硬結構包含完整地結合到PCD結構上並且完整地連接到硬質合金基底上的金剛石複合結構。
示例3通過在硬質合金基底上以至少約5.5千兆帕斯卡爾的壓力和最低約1250攝氏度的溫度燒結金剛石晶粒，可以提供包括至少約90%體積比的、具有在約2微米至約5微米範圍內的平均粒徑的金剛石晶粒的PCD結構。所述PCD結構可以具有約2.2毫米的高度以及約16毫米的直徑。可以通過在PCD結構內部進行研磨而形成錐形凹陷，所述凹陷的圓錐表面基本上從PCD結構的外周邊延伸到PCD結構和所述基底間的界面上。所述凹陷可以被微粒填充，通過有機粘合劑材料保持在一起，從而形成預燒結組件，該微粒包括具有在約5微米至約15微米範圍內的平均粒徑的金剛石顆粒。所述預燒結組件可以被封裝到超高壓熔爐的艙中，並且所述有機粘合劑材料可通過對所述預燒結組件進行加熱處理而被燒盡。然後所述預燒結組件可以經受至少約5.5千兆帕斯卡爾的壓力和最低1250攝氏度的溫度大約10分鐘,從而形成超硬構造。所述超硬構造包括超硬結構，該超硬結構包含整體地結合到PCD結構上並且整體地連接到硬質合金基底上的金剛石複合結構。如果不希望被特定的原理限制，P⑶主體中存在的每一個具有各自不同CTE的區域可能傾向於在PCD體內發生剩餘應力的錯配，該錯配可能是在例如PCD主體被燒結後冷卻時由所述區域的各個不同熱收縮比率而產生的。反過來，這可能導致一些區域處於壓縮殘餘應力狀態而其他區域處在拉伸殘餘應力狀態。由於裂縫傾向於優先朝向並穿過拉伸區域並且遠離壓縮區域而傳播，可以通過控制區域內的應力狀態來控制P⑶材料的斷裂，該控制可以通過控制各個區域的組分來獲得。在PCD構造內的殘餘應力狀態可以通過應變儀並通過逐步地一層一層移除材料以及在連續材料移除步驟之後將應變儀應用至該材料上而測得。在超硬刀具的一些實施方式中，產生在側面36上的裂縫可以遠離前刀面34而偏轉。另外，出現在或穿過邊界38滲透到在前刀面34和邊界38之間的區域37內的裂縫可以比在邊界38和側面36之間的區域39內的裂縫更緩慢地傳播。上述一種或兩種情況都可能發生，並且具有相對低的耐磨性和強度的材料可以靠近前刀面34而被設置，其最低程度可以在側面36處或在由區域37、39和在它們之間的邊界38的構造而產生的磨痕處露出。由於高耐磨性和減少了在切削刃或靠近切削刃處、特別是在側面或磨痕上的剝落這樣的結合的優點，所述實施方式展示了特別延長的使用壽命。
權利要求
1.一種包括超硬構造的刀具，所述刀具具有由前刀面限定的切削刃和從所述切削刃延伸的側面，並且包括第一區域和第二區域，所述第一區域沿著邊界與所述第二區域鄰接，所述第一區域具有與所述第二區域不同的材料組分，第一和第二區域都包括超硬材料，其中所述第一區域的材料具有和所述第二區域的材料不同的熱膨脹係數(CTE);所述區域被設置為使得至少部分所述邊界大體遠離所述前刀面和所述側面而延伸，所述邊界還大體遠離所述切削刃的近側或遠離所述切削刃而延伸。
2.如權利要求1所述的刀具，其中，所述第二區域繞著由所述邊界限定的所述第一區域的外周邊而延伸，從而繞著所述外周邊形成一個圈，所述第一區域和/或所述第二區域延伸至所述前刀面和/或形成至少一部分所述前刀面。
3.一種包括超硬構造的刀具，所述刀具具有由前刀面限定的切削刃和從所述切削刃延伸的側面，並且包括第一區域和第二區域，所述第一區域沿著邊界與所述第二區域鄰接，所述第一區域具有與所述第二區域不同的材料組分，第一和第二區域都包括超硬材料，其中所述第一區域的材料具有和所述第二區域的材料不同的熱膨脹係數(CTE);所述第二區域繞著由所述邊界限定的所述第一區域的外周邊延伸，從而繞著所述外周邊形成一個圈。
4.一種包括超硬構造的刀具，所述刀具具有由前刀面限定的切削刃和從所述切削刃延伸的側面，並且包括 第一區域和第二區域，所述第一區域沿著邊界與所述第二區域鄰接，所述第一區域具有與所述第二區域不同的材料組分，所述第二區域包括超硬材料，其中所述第一區域的材料具有和所述第二區域的材料不同的熱膨脹係數(CTE);所述第二區域繞著由所述邊界限定的所述第一區域的外周邊延伸，從而繞著所述外周邊形成一個圈，所述第一區域和/或所述第二區域延伸至所述前刀面和/或形成至少一部分所述前刀面。
5.如權利要求3所述的刀具，其中，所述第二區域延伸至所述前刀面並形成至少一部分所述前刀面。
6.如前述任意一項權利要求所述的刀具，其中，所述第一區域具有第一組分並且被設置在所述邊界和所述前刀面之間，所述第一區域包括超硬複合材料；並且其中，所述第二區域包括PCS材料並且被設置在所述邊界和所述側面之間。
7.如權利要求6所述的刀具，其中，所述超硬複合材料包括分散在包括硬質合金材料的基體中的、至少20%體積比的金剛石顆粒。
8.如權利要求6或7中任意一項所述的刀具，其中，所述PCS材料包括多晶金剛石(PCD)材料。
9.如前述任意一項權利要求所述的刀具，其中，所述邊界與所述切削刃相交或與所述刀具的靠近所述切削刃的露出表面相交。
10.如權利要求1至8中任意一項所述的刀具，其中，所述邊界在距所述切削刃最多大約500微米的範圍內與另一個邊界相交，所述另一個邊界由所述刀具的露出表面限定或由所述刀具內的區域限定。
11.如權利要求1至8中任意一項所述的刀具，其中，至少部分所述邊界相對於所述前刀面或相對於一端部表面呈一角度而設置,所述角度最小是5度且最大是80度。
12.如前述任意一項權利要求所述的刀具，其中，所述第一和第二區域是同軸的。
13.如前述任意一項權利要求所述的刀具，其中，靠近所述切削刃的、所述前刀面的至少一部分基本上是平面的。
14.如前述任意一項權利要求所述的刀具，其中，所述第一或第二區域中的至少一個區域基本上不含有針對各自的超硬材料的催化劑材料。
15.如前述任意一項權利要求所述的、適用於用於鑽入地面的旋轉鑽頭的刀具。
16.如前述任意一項權利要求所述的刀具，其中，所述第一區域的所述材料具有比所述第二區域的所述材料更低的熱膨脹係數(CTE)。
17.—種製造如前述任意一項權利要求所述的刀具的方法，所述方法包括以下步驟: 形成包括超硬材料且在其內具有凹槽的第一結構； 限定邊界； 將用於製造PCS材料或超硬複合材料的前體材料引入所述凹槽中，從而形成預燒結組件；並且， 在針對超硬材料的燒結助劑的作用下，使預燒結組件經受壓力和溫度，所述超硬材料在所述壓力和溫度下是熱力學穩定的；以及， 燒結所述超硬材料。
18.如權利要求17所述的方法，所述前體材料包括未經燒結的多個混合的超硬顆粒、硬質合金顆粒和金屬。
19.如權利要求17所述的方法，所述前體材料包括通過有機粘合劑材料而保持在一起的超硬材料晶粒。
20.如權利要求17所述的方法，所述前體材料是片、盤、箔、丸或塊的形式。
全文摘要
本發明公開了一種包括超硬構造的刀具，所述刀具具有由前刀面限定的切削刃和從所述切削刃延伸的側面。所述刀具還具有第一和第二區域，所述第一區域沿著邊界與所述第二區域鄰接，所述第一區域具有與所述第二區域不同的材料組分。至少第二區域包括超硬材料，所述第一區域的材料具有和所述第二區域的材料不同的熱膨脹係數(CTE)。所述第二區域繞著由所述邊界限定的所述第一區域的外周邊延伸從而繞著該外周邊形成一個圈，所述第一區域和/或所述第二區域延伸到和/或形成至少一部分所述前刀面。
文檔編號E21B10/567GK103210172SQ201180038890
公開日2013年7月17日 申請日期2011年6月15日 優先權日2010年6月16日
發明者羅傑威廉·尼蘭, 哈比卜·撒瑞迪卡曼, 奈德瑞·堪 申請人:第六元素研磨劑股份有限公司