厚的尖銳的超硬材料的製作方法

2023-05-04 07:47:41 4

專利名稱：厚的尖銳的超硬材料的製作方法
厚的尖銳的超硬材料
相關申請的交叉引用
本申請要求享有Hall的2006年8月11日提交的美國專利申請11/463,953的優先權；Hall的2006年8月11日提交的美國專利申請11/463,990的優先權；Hall的2006年10月26日提交的美國專利申請11/553,338的優先權；Hall的2006年11月10日提交的美國專利申請11/558,835的優先權；Hall的200年1月29日提交的美國專利申請11/668,254的優先權；和Hall的2007年2月12日提交的美國專利申請11/673,634的優先權。所有這些申請都具有同 一個發明人且通常由David R.Hall所擁有。所有上述申請通過S1用以它們所含有的全部內容合併於本文。
背景技術：
本發明涉及可在諸如破碎機、鎬、研磨機、齒輪鑽頭、旋轉式固定割刀鑽頭、土鑽鑽頭、衝擊鑽頭(percussion bit)或衝擊鑽頭(impact bit)和刮刀鑽頭的機器中使用的高抗沖擊的工具(high impact resistant tool)。更特別地，本發明涉及主要由具有非平面界面的碳化物基材和使用高壓高溫壓機裝置固定在其上的超硬材料的耐磨層組成的插入物(insert)。此類插入物通常包括在高溫和高壓條件下，通常在設計為能產生此類條件的壓機裝置中形成，燒結到含有金屬粘合劑或催化劑如鈷的碳化物基材的一層或多層超硬材料層。基材通常比其結合到的超硬材料軟。高壓高溫(HPHT )壓機可產生和燒結的超硬材料的一些例子包括燒結陶器、金剛石、聚晶金剛石和立方氮化硼。通常通過將燒結碳化物基材置於具有一層金剛石晶體或顆粒的容器或筒中來製成切割元件或插入物，所述金剛石晶體或顆粒裝入到與基材一面鄰近的筒中。許多此類筒通常被裝入到反應池中並被置於
4高壓高溫壓機裝置。基材和鄰近的金剛石晶體層隨後在促進燒結金剛石顆粒的HPHT條件下被壓制以形成聚晶金剛石結構。因此，金剛石顆粒變得互相結合以形成在基材界面上的金剛石層。金剛石層也結合到基材界面。
在操作期間，此類插入物通常會經受強烈的力、轉矩、振動、高溫和溫差。因此，可能會在結構中形成應力。例如鑽頭可能會在鑽井操作如鑽頭轉動或跳動期間由於鑽孔異常而展現加重的應力，通常導致超硬耐磨層或基材剝落、剝離或斷裂，從而降低或消除了切割元件的功效，並降低了整體鑽頭的抗磨損壽命。在燒結工藝後及在衝擊使用和磨耗使用期間，插入物的超硬材料層有時從碳化物基材剝離。通常在沖擊鑽頭和刮刀鑽頭中發現的破壞為剪切破壞的結果，雖然非剪切破壞模式不常見，由於內在殘餘應力，在超硬材料層和基材之間的界面對非剪切破壞^^式尤其敏感。
通過引用以它包含的全部內容^皮合併於本文的Dennis的美國專利第5,544,713號公開了具有金屬碳化物立杆(metal carbide stud)的切割元件，其具有由所述金屬碳化物立杆的減少直徑的半球形外部尖頭端部分形成的圓錐形尖頭。尖頭被成形為錐形，且在尖頭部分為圓的。此圓形部分的直徑為插入物的直徑的35%-60%。
通過引用以它包含的全部內容被合併於本文的Flood等人的美國專利第5,848，657號公開了半球形的聚晶金剛石切割元件，其中半球形金剛石層被結合到通常被稱作碳化鵠立杆的碳化鴒基材。概括地說，該發明的切割元件包括金屬碳化物立杆，而金屬碳化物立杆具有遠端部分和適合於被置於鑽頭中的近端。切割聚晶研磨材料層位於所述遠端部分上，以使得鄰近所迷鑽頭或在所述鑽頭之上的金屬碳化物的環面不被所述研磨材料層覆蓋。
通過引用以它包含的全部內容—皮合併於本文的Bovenkerk的美國專利第4,109,737號公開了用於鑿巖的旋轉鑽頭，其包括通過幹涉配合安裝在鑽頭頂上的凹口 (recess)中的多個切割元件。每個切割元件包括細長的銷，而銷的自由端結合了聚晶金剛石的薄層。
雖然Jensen的美國專利申請第2001/0004946序列號現在已經被廢除，但通過引用將它公開的全部內容合併於本文。Jensen教導說切割元件或插入物具有改進的磨損特徵，同時最大化了插入物的工藝性和成本效率。此 插入物使用了增加的深度的超研磨金剛石層，且通過使用一般為凸的金剛 石層表面。
發明簡述
在本發明的一方面中，高抗沖擊的工具具有在非平面界面處結合到燒
結金屬,友化物基材(cemented metal carbide substrate )的超硬材料。在界面 處，基材具有從基材的圓柱形邊緣處開始且終止於在基材中形成的升高的 平的中心區域的錐形表面(tapered surface )。超硬材料具有尖銳的幾何結 構(pointed geometry )，帶有具有.050英寸到.125英寸半徑的銳利頂端(sharp apex)。超硬材料還具有從頂端到基材的平的中心區域的.100到.500英寸 的厚度。在其它實施方式中，基材可具有非平面界面。界面可包括稍凸的 幾何結構，或基材的一部分可在界面處稍凹。
基本上尖銳的幾何結構可包括與工具的中心軸形成35度到55度的角 的側面。所述角可基本上為45度。基本上尖銳的幾何結構可包括凸的和/ 或凹的側面。在一些實施方式中，半徑可為.090英寸到.110英寸。也在一 些實施方式中，從頂端到非平面界面的厚度可為.125英寸到.275英寸。
基材可被結合到碳化物節段(carbide segment)的一端。碳化物節段 可被釺焊到或壓配合到鋼體。基材可包括按重量計1%到40%濃度的鈷。 基材的錐形表面可為凹的和/或凸的。錐形可結合節結(nodule)、槽、凹 部、凸起、反向凹部(reverse dimple)或其組合。在一些實施方式中，基 材具有直徑為.125英寸到.250英寸的平的中心區域。
超硬材料和基材可包括從頂端到基材底部的.200英寸到.700英寸的總 厚度。在一些實施方式中，總厚度可達2英寸。超硬材料可包括金剛石、 聚晶金剛石、天然金剛石、人造金剛石、氣相沉積金剛石、矽結合金剛石
(silicon bonded diamond)、鈷結合金剛石、熱穩定金剛石、具有1重量 百分比到40重量百分比的粘合劑濃度的聚晶金剛石、滲透式金剛石
(infiltrated diamond)、分層式金剛石、整體式金剛石、拋光金剛石、過程金剛石(course diamond)、精細金剛石、立方氮化硼、孕鑲金剛石的基 質、孕鑲金剛石的碳化物、金屬催化的金剛石或其組合。超硬材料的體積 可為碳化物基材體積的75%到150%。在一些實施方式中，金剛石的體積 可達到碳化物基材體積的兩倍那樣多。超硬材料可被拋光。超硬材料可為 具有1微米到100微米的平均粒度的多晶超硬材料。超硬材料可包括按重 量計1%到40%濃度的粘合劑。本發明的工具包括經得起大於80焦耳的衝 擊的特性。
可將高衝擊強度的工具結合到鑽頭、衝擊鑽頭、齒輪鑽頭、剪切鑽頭、 銑床、壓頭、採礦用鎬、瀝青鎬、圓錐破碎機、立式衝擊式磨機、錘式粉 碎機、顎式破碎機、瀝青鑽頭、鑿、挖溝機或其組合。
附圖簡述


圖1是高抗沖擊的工具的一個實施方式的透視圖。
圖2是尖銳的幾何結構的一個實施方式的橫截面圖。
圖2a是超硬的幾何結構的另一個實施方式的橫截面圖。
圖3是超硬的幾何結構的一個實施方式的橫截面圖。
圖3a是試驗結果的一個實施方式的圖。
圖3b是超硬的幾何結構的FEA的一個實施方式的圖。
圖3c是尖銳的幾何結構的有限元分析的一個實施方式的圖。
圖4是尖銳的幾何結構的另一個實施方式的橫截面圖。
圖5是尖銳的幾何結構的另一個實施方式的橫截面圖。
圖6是尖銳的幾何結構的另一個實施方式的橫截面圖。
圖7是尖銳的幾何結構的另一個實施方式的橫截面圖。
圖8是是尖銳的幾何結構的另一個實施方式的橫截面圖。
圖9是尖銳的幾何結構的另一個實施方式的橫截面圖。
圖IO是尖銳的幾何結構的另一個實施方式的橫截面圖。
7圖11是尖銳的幾何結構的另一個實施方式的橫截面圖。 圖12是工具的另一個實施方式的橫截面圖。 圖13是工具的另一個實施方式的橫截面圖。
圖14是工具的另一個實施方式的橫截面圖。
圖14a是高抗衝擊的工具的一個實施方式的透視圖。
圖15瀝青銑床的一個實施方式的橫截面圖。
圖16是沖擊鑽頭的一個實施方式的正交圖(orthogonal diagram )。
圖17是齒輪鑽頭的一個實施方式的橫截面圖。
圖18是鑽頭的一個實施方式的透視圖。
圖19是鑽頭的一個實施方式的正交圖。
圖20是挖溝機的另一個實施方式的透視圖。
圖21是顎式破碎機的一個實施方式的橫截面圖。
圖22是錘式粉碎機的一個實施方式的橫截面圖。
圖23是立式衝擊破碎機的一個實施方式的橫截面圖。
圖24是圓錐破碎機的一個實施方式的橫截面圖。
圖25是工具的另一個實施方式的正交圖。
圖26是工具的另一個實施方式的正交圖。
圖27是第二節段的一個實施方式的透視圖。
圖28是工具的一個實施方式的分解圖。
圖29是工具的另一個實施方式的正交圖。
圖30是工具的另一個實施方式的正交圖。
圖31是工具的另一個實施方式的正交圖。
圖32是工具的另一個實施方式的正交圖。
圖33是工具的另一個實施方式的正交圖。圖34是工具的另 一個實施方式的正交圖。
圖35是柄的一個實施方式的橫截面圖。
圖36是柄的另一個實施方式的橫截面圖。
圖37是柄和第一節段的一個實施方式的橫截面圖。
圖38是柄和第一節段的一個實施方式的橫截面圖。
圖39是工具的另一個實施方式的正交圖。
圖40是柄和第一節段的一個實施方式的橫截面圖。
圖41是固定器(holder)的透^i黃截面圖。
圖42是工具的另一個實施方式的橫截面圖。
圖43是尖頭的一個實施方式的橫截面圖。
發明詳述及優選實施方式
圖1公開了高抗沖擊的工具100的一個實施方式，工具100可在採礦、 瀝青銑床或挖溝工業中的機器中使用。工具100可包括柄101和主體 (body) 102，所述主體102被分為第一節段103和第二節段104。第一節 段103通常可由鋼製成，而第二節段104可由較硬材料如燒結金屬碳化物 製成。第二節段104可通過釺焊結合到第一節段103以防止第二節段104 從第一節段103分開。
柄101可適合於被連接至驅動機構，如瀝青銑床或採礦鼓輪(mining drum)上。保護性彈簧套105可放置於柄101周圍，既用於保護也用於允 許該高抗沖擊的工具被壓配合到固定器中，同時仍然能夠旋轉。墊圈106 也可^皮放置於柄101周圍，以便當將高抗衝擊的工具100插入固定器中時， 墊圈106保護固定器的上表面，而且也利於工具旋轉。墊圏106和套105 可為有利的，因為它們可以保護替換可能為昂貴的固定器。
高抗衝擊的工具100還包括在平面界面150處結合到主體102的第二 節段104的截頭圓錐形末端(fmstoconical end) 108的尖頭107。尖頭107 包括在非平面界面處結合到燒結金屬碳化物基材110的超硬材料109。尖頭可通過高溫高壓處理結合到基材。超硬材料109可包括金剛石、聚晶金 剛石、天然金剛石、人造金剛石、氣相沉積金剛石、矽結合金剛石、鈷結
合金剛石、熱穩定金剛石、具有1重量百分比到40重量百分比的粘合劑 濃度的聚晶金剛石、滲透式金剛石、分層式金剛石、整體式金剛石、拋光 金剛石、過程金剛石、精細金剛石、立方氮化硼、孕鑲金剛石的基質、孕 鑲金剛石的碳化物、非金屬催化的金剛石或其組合。
超硬材料109可為具有10微米到100微米的平均粒度的多晶結構。 燒結金屬碳化物基材110可包括按重量計1%到40%，優選地5%到10%的 濃度的鈷。在高溫高壓(HTHP)處理期間，鈷中的一些可滲入到超硬材 料中，以致於基材包括比在HTHP處理之前的稍低的鈷濃度。在鈷或其它 粘合劑滲入到超硬材料之後，超硬材料可優選地包括按重量計1%到5%的 鈷濃度。超硬材料也可包括作為粘合劑的按重量計1%到5%濃度的鉭。可 被使用的其它粘合劑包括鐵、鈷、鎳、矽、氫氧化物、氫化物、水合物、 磷-氧化物、磷酸、碳酸鹽、鑭系元素、錒系元素、磷酸鹽水合物、磷酸氬 鹽、磷碳酸鹽、鹼金屬、4了、銠、鈮、4巴、鉻、鉬、錳、鉭或其組合。在 一些實施方式中，將粘合劑在HTHP處理之前直接添加到超硬材料的混合 物中，並且在HTHP處理期間不依賴於從基材遷移到混合物中的粘合劑。
現在參考圖2，基材110包括從基材的圓柱形邊緣250開始且終止於 在基材中形成的升高的、平的中心區域201的錐形表面200。超硬材料109 包括基本上尖銳的幾何結構210,幾何結構210具有包括.050英寸到.125 英寸半徑的銳利頂端202。在一些實施方式中，半徑為.900英寸到.110英 寸。人們相信，頂端202適合於將衝擊力分配到平的區域201各處，這可 有助於防止超硬材料109碎裂或破裂。超硬材料109可包括從頂端到平的 區域或非平面界面的.100英寸到.500英寸，優選地從.125英寸到.275英寸 的厚度203。超硬材料109和基材110可包括從頂端202到基材110的底 部205的.200英寸到.700英寸的總厚度204。銳利頂端202可使工具更容 易地劈開瀝青、巖石或其它結構(formation)。
超硬材料109的尖銳的幾何結構可包括與工具的中心軸形成35度到 55度的角150的側面，但角150可優選地基本上為45度。夾角(includedangle)可為90度角，但在一些實施方式中，夾角為85度到95度。
尖銳的幾何結構也可包括凸側面或凹側面。基材的錐形表面可在超硬 材料和基材之間的界面處結合節結207，這可在基材上提供更多表面積以 提供更堅固的界面。錐形表面也可結合槽、凹部、凸起、反向凹部或其組 合。錐形表面可為凸的或凹的。
比較圖2和圖3,可以看到，與鈍的頂端300對照的具有尖銳頂端202 的優點。圖2是由本發明的發明人製成的、具有.094英寸半徑的頂端和從 頂端到非平面界面的.150英寸的厚度的尖銳的幾何結構的代表。圖3是也 由同一發明人製成的、包括.160英寸半徑的頂端和包括從頂端到非平面幾 何結構的.200英寸的厚度的另一個幾何結構的代表。在坐落於Provo, Utah 的Novatek International, Inc.中進行的墜落試驗中，對超硬的幾何結構彼 此做比較。使用InstronDynat叩9250G墜落試驗機，將工具固定於機器的 底部並將包括> 友化鎢靶(tungsten carbide target)的重量墜落到超硬的幾何 結構上。出人意料地，打破圖2的尖銳頂端202所需要的焦耳比打破圖3 的較厚的幾何結構所需要的焦耳多約5倍。
已顯示，圖2的較銳利的幾何結構在碳化鴒靶中刺入更深，因此使超 硬材料的更多表面積通過有利地支持超硬材料的刺入部分而從降落靶中 吸收能量，有效地將金剛石基材的彎曲載荷和剪切載荷轉化為更有利的準 流體靜力學類型的壓縮力，極大地增加了超硬材料的承載能力。另一方面， 因為圖3的實施方式更鈍，頂端很難刺入碳化鴒靶，因此對金剛石基材提 供了較少的支持物支撐，且導致了在使用同一級別的金剛石和碳化物的情 況下，超硬材料在更低的載荷，較大的表面積下在剪切/彎曲方面失效。圖 2的一般實施方式在約130焦耳時破裂，而圖3的一般幾何結構在約24焦 耳時破裂。人們相信，因為在圖2的實施方式中，載荷被分配到較大的表 面積的各處，所以它能夠經得起比圖3的較厚的實施方式經得起的衝擊更 大的衝擊。
出人意料地，在圖2的實施方式中，當超硬的幾何結構最終破裂時， 啟裂點(crack initiation point) 251在半徑以下。相信這是由碳化鴒輩巴使在 刺入部分中的尖銳的幾何結構側面增壓產生的，這導致了在尖銳的幾何結構中的較大流體靜力學應力載荷。也相信，因為半徑在破裂之後仍然是完 整的，尖銳的幾何結構將仍然能夠耐受大量衝擊，因此延長尖銳的幾何結 構甚至在碎裂後的使用壽命。
圖3a闡述了由Novatek, International, Inc進行的試驗結果。如可觀 察到的，試驗了三個不同類型的尖銳的插入物幾何結構。在圖2a中公開了 此第一類型的幾何結構，其包括.035英寸的超硬的幾何結構和具有.094英 寸半徑的頂端。此類型的幾何結構在8焦耳到15焦耳範圍內破裂。發明 人認為其可勝過其它幾何結構的、具有.160英寸半徑和.200厚度的鈍的幾 何結構在20焦耳到25焦耳範圍內破裂。具有.094厚度和.150英寸厚度的 尖銳的幾何結構在約130焦耳時破裂。當具有.160英寸半徑的超硬的幾何 結構破裂時，所測量的衝擊力為75千牛頓。雖然Instron墜落試驗機僅被 校正為測量多達88千牛頓，當尖銳的幾何結構破裂時，其會超過此值， 但發明人能夠推斷，當尖銳的幾何結構破裂時，其可經受約105千牛頓。
如可觀察到的，具有比.100英寸厚的特性或具有.075英寸到.125英寸 半徑的特性的超硬材料不足以達到超硬材料的最佳抗衝擊性，但結合這兩 個特性是協同效應的。在現有技術中，人們相信，如果頂端太尖銳，.075 英寸到.125英寸的尖銳半徑的超硬材料如金剛石會破裂，因此當今圓的和 半球形的幾何結構為商業上使用的。
在商業上可得到的產品或現有技術中，目前尚不能發現本發明的性 能。在5焦耳到20焦耳之間試驗的插入物在大多數商業應用中已經為可 接受的，但不適合用於在硬巖石中鑽孔。
在以上試驗的出人意料的結果之後，進行有限元分析(FEA)，其結 果在圖3b和圖3c中顯示。圖3b公開了在其破裂的載荷下具有.160英寸的 半徑和.200英寸的厚度的超硬的幾何結構，而圖3c公開了在其破裂下的載 荷下具有.094半徑和.150英寸厚度的尖銳的幾何結構。如所闡述的，每一 個實施方式包括超硬材料109、基材110和碳化鴒節段103。兩個實施方 式在同一應力下皆破裂，但由於超硬材料109的幾何結構，因為尖銳頂端 202比鈍的頂端300更有效地分配應力，所以在顯著不同的載荷下達到那 個VonMises水平。在圖3b和圖3c中，應力集中(stress concentration)由
12區域的暗度表示，較亮的區域表示較低的應力集中而較暗的區域表示較高
的VonMises應力集中。如可觀察到的，在圖3b的實施方式中，應力集中 在頂端附近且在彎曲和剪切中皆為較大且較高，而在圖3c中，應力由於它 們的流體靜力學本性，使應力分配得更低且更有效。
因為高和低的應力都集中在超硬材料中，所以認為橫向斷裂實際上在 超硬材料中發生，而超硬材料通常比較軟的碳化物基材更加易碎。然而， 圖3c的實施方式在超硬材料中具有大部分高的應力，而較低的應力實際上 在更能夠處理橫向斷裂的碳化物基材中。因此人們相信，幾何結構的厚度 對於其耐受更大的沖擊力的能力是關鍵的；如果其太厚，將發生橫向斷裂， 但如果其太薄，超硬材料將不能夠支撐自身而在較低的衝擊力下破裂。
圖4到圖]O公開了各種可能的實施方式，其包括錐形表面200和圓 錐形表面(conical surface) 210幾何結構的不同組合。圖4闡述了具有凹 側面450和在界面200處連續凸的基材的幾何結構451的尖銳的幾何結構。 圖5包括從頂端到非平面界面較厚，同時在頂端仍然保持此.075英寸到.125 英寸半徑的超硬材料550的實施方式。圖6闡述了在基材中形成以增加界 面的強度的槽650。圖7闡述了在界面處稍凹且具有凹側面750的幾何結 構。圖8公開了尖銳的幾何結構的稍凸側面850，其同時仍然保持.075英 寸到.125英寸半徑。圖9公開了平側面的尖銳的幾何結構950。圖10公開 了具有一般地平的中心部分的基材的凹部分1050和凸部分1051。
現在參考圖11,超硬材料109 (數字未在圖中顯示)可包括凸表面， 其在下部分IIOO、中部分1101和上部分1102處，關於工具的中心軸包括 不同的一般角度。側表面的下部分1100可與中心軸基本上成25度到33 度的角，可構成大部分凸表面的中部分1101可與中心軸基本上成33度到 40度的角，且側表面的上部分U02可與中心軸成約40度到50度的角。
圖12公開了第二節段104可被壓配合到第一節段103的孔1200中。 這在包括塗有硬質材料的柄101的實施方式中可為有利的。可能需要高溫 來將硬質材料塗層應用到柄，當節段已經預先被釺焊在一起時，這可影響 在界面151處第一節段103和第二節段104之間的釺焊結合。如果節段在 應用塗層後被釺焊到一起，可發生相同情況，其中高溫釺焊可影響硬質材料塗層。壓配合可使第二節段104被固定到第一節段103,而不會影響在 工具100上的任何其它塗層或釺焊。可調整孔1200的深度和第二節段104 的尺寸以優化耐磨性和成本效率，從而減少主體對節段103的衝擊和磨損。
圖13公開了工具100可包括置於第一節段周圍的硬質合金或超硬材 料的一個或多個環1300,如在圖13的實施方式中的。環1300可被插入到 在第一節段中形成的槽1301或凹口中。環1300也可包括錐形外圓周，以 致於外圓周與第一節段103齊平。環1300可保護第一節段103免受過量 的磨損，該磨損會影響第二節段104壓配合到第一節段的孔1200中。第 一節段103也可包括適於保護第一節段103免受由於腐蝕劑和沖擊力的磨 損的碳化物按鈕或其它帶。碳化矽、與釺焊材料混合的金剛石、金剛石砂 粒或表面硬化也可被放置於在工具的第一節段中形成的槽或切口 (slot)中 以防止節段磨損。在一些實施方式中，可使用含有碳化矽或金剛石的環氧 樹脂。
在操作期間，可旋轉地固定高抗衝擊的工具100，如在圖14的實施方 式中。柄101的一部分可為帶螺紋的以為工具提供軸向支撐，且使得可將 工具插入到挖溝機、銑床或鑽床的固定器中。可形成第二節段的平面表面， 以致於尖頭107相對於工具的中心軸1400成一定角度存在。
圖14a公開了沿一行放置的超硬材料的若千尖銳的插入物。尖銳的插 入物210包括在它們外周的平面1450以使它們的頂端202彼此更加接近。 這在期望使在尖銳的插入物之間流動的物質的量最小化的應用中可為有 利的。
高抗衝擊的工具IOO可在許多不同實施方式中使用。工具可為在瀝青 銑床1500中的鎬，如在圖15的實施方式中。如上文公開的尖銳的插入物 已經在U.S.中試驗了，且已經持續了目前可利用的商業銑齒(millingteeth) 的壽命的10倍到15倍。
工具可為鑽頭中的插入物，如在圖16到圖19的實施方式中。在衝擊 鑽頭中，如在圖16中所示，尖銳的幾何結構在鑽頭刃面1650上的中心位 置1651或在鑽頭刃面上的計量器1652處可為有用的。此外，尖銳的幾何 結構在齒輪鑽頭1800中可為有用的，如在圖17中所示，其中插入物通常不能通過壓制形成。尖銳的幾何結構可成一角度以擴大觀測井孔(gauge well bore )。圖18公開了也可與本發明結合的鑽頭1600。圖19公開了通 常在水平鑽孔中使用的另一種鑽頭1600。工具可在挖溝機2000中與吊杆 2050 —起使用，如在圖20中所示。
可用來降低巖石、顆粒、廢物(trash)、天然資源、白堊、木材、輪 胎、金屬、汽車、石板、河床(couch)、煤、礦物、化學品或其它天然資 源的尺寸的銑床也可與本發明一起使用。
如在圖21中顯示的顎式破碎機2100可包括具有磨損面的固定板2150 和具有另一個磨損面的樞軸板2151。當巖石或其它材料沿著耐磨板傳輸 時，它們被軋制。插入物可被固定到耐磨板2152且可與耐磨板的樞軸端 變得更加近。
如在圖22中所示的錘式粉碎機2200可在錘機柱架2251的遠端2250 上結合工具。如在圖23中所示的立式衝擊破碎機2300也可使用超硬材料 的尖銳的插入物。它們可使用在靶上的或在中心轉子邊緣的尖銳的幾何結構。
如在圖24的實施方式中的圓錐破碎機也可結合超硬材料的尖銳的幾 何結構。圓錐破碎機可包括可結合本發明的頂部耐磨板2650和底部耐磨 板2651。
未顯示但也可結合本發明的其它應用包括軋機；夾板；錨釘輪胎；攀 冰裝備；表土疏鬆機；可拆式鑽頭；耕犁和雪犁；軌跡鋤(track hoe)中 的齒，反向伊，挖掘機，伊；軌道，穿曱彈；飛彈；魚雷；搖動式鎬；斧； 鑿巖錘；水泥鑽頭；銑刀鑽頭；刮刀鑽頭；擴孔器；鼻錐(nose cone);
和火箭。
圖25是具有由碳化物製成的且具有第一體積的第二節段104的工具 100的一個實施方式的正交圖。第一節段103由剛製成。工具100包括具 有適於通過固定器連接到驅動機構的柄101的第一節段。驅動機構可為在 路面銑刨或採礦中使用的鼓輪。第一節段103和第二節段104可在界面151 處彼此連接。第二節段104可通過具有高鈀含量，通常至少30%鈀的釺焊連接到基材110。第二節段104可包括.100立方英寸到2立方英寸的第一 體積。這樣的體積在吸收衝擊應力和保護工具100的其餘部分免於磨損時 可為有利的。碳化物節段104和基材110可包括鎢、鈦、鉭、鉬、鈮、鈷 和/或其組合的金屬粘合劑。
進一步地，工具100可包括為1/10到1/2的第二節段104的長度152 與整個衝擊工具的長度153的比；優選地，該比為1/7到1/2.5。柄101和 第一節段103的組合可包括工具的長度153的至少一半的長度154。
圖26為帶有具有小於第一體積的第二體積的第二節賴:104的工具100 的一個實施方式的正交圖。這可有助於減少工具100的重量，這可需要較 少的馬力來移動或可有助於減少工具的成本。
圖27是具有.100立方英寸到2立方英寸；優選地.350立方英寸到.550 立方英寸的體積的第二節段104的圖。第二節段104可包括.2英寸到2英 寸；優選地.500英寸到.800英寸的高度152。第二節段104可包括.250英 寸到.750英寸的上橫截面厚度155;優選地，上橫截面厚度156可為.300 英寸到.500英寸。第二節段104也可包括1英寸到1.5英寸的下橫截面厚 度155;優選地，下橫截面厚度155可為1.10英寸到1.30英寸。上橫截面 厚度156和下橫截面厚度155可為平面的。第二節段104也可包括不均勻 的橫截面厚度。進一步地，第二節段104可具有如削邊157和凸緣158的 特性以優化連接和/或改進性能。
圖28是工具100的一個實施方式的分解透視圖。在第二節段和基材 110之間的釺焊材料159可包括30重量百分比到62重量百分比的鈀。優 選地，此釺焊材料159包括40重量百分比到50重量百分比的鈀。釺焊材 料159可包括從700攝氏度到1200攝氏度的熔點；優選地，熔點為從800 攝氏度到970攝氏度。此釺焊材料159可包括銀、金、紅砷鎳礦、釔、硼、 鉻、矽、鍺、鋁、鐵、鈷、錳、鈦、錫、鎵、釩、磷、鉬、柏或其組合。 釺焊材料159可包括30重量百分比到60重量百分比的鎳、30重量百分比 到62重量百分比的鈀和3重量百分比到15重量百分比的矽；優選地，釺 焊材料159可包括47.2重量百分比的鎳、46.7重量百分比的鈀和6.1重量 百分比的矽。在釺焊期間的有效冷卻在一些實施方式中可為關鍵的，因為
16來自釺焊的熱量可在基材110和超硬材料109之間的連接上留下 一些殘餘
應力。基材]10可包括.l英寸到2英寸的長度。超硬材料109可距界面200 為.020英寸到.100英寸遠。超硬材料109距離界面越遠，在釺焊期間可能 發生的熱損傷越少。然而，增加界面200和超硬材料109之間的距離可增 加基材110上的彎矩(bending moment)，並增加當沖擊時在界面200處 的應力。
在第一節段103和第二節段104之間的界面151可包括第二釺焊材料 160，第二釺焊材料160可包括從800攝氏度到1200攝氏度的熔點。第二 釺焊材料160可包括40重量百分比到80重量百分比的銅、3重量百分比 到20重量百分比的鎳和3重量百分比到45重量百分比的錳；優選地，第 二釺焊材料160可包括67.5重量百分比的銅、9重量百分比的鎳和23.5重 量百分比的錳。
圖29是具有在柄101附近的在第一節段103中的插入物162的工具 100的圖，其中插入物162包括大於60HRc的硬度。金屬節段103可包括 40HRc到50HRc的硬度。金屬節段103和柄101可由同一片材料製成。
插入物162可包括選自由具有大於60 HRc硬度的金剛石、天然金剛 石、聚晶金剛石、立方氮化硼、氣相沉積金剛石、金剛石砂粒、聚晶金剛 石砂粒、立方氮化硼砂粒、鉻、鴒、鈦、鉬、鈮、燒結金屬碳化物、碳化 鴒、氧化鋁、鋯石、碳化矽、晶須加強陶瓷、孕鑲金剛石的碳化物、孕鑲 金剛石的基質、矽結合金剛石或其 組合組成的組的材料。具有比金屬節段 103硬的插入物162可降低在金屬節段103上的磨損。
插入物162也可輔助工具的旋轉。當沖擊時，工具100,如在鼓輪中 結合的那些工具100，常常在它們的固定器中旋轉，這使磨損均勻地發生 在工具100和尖頭107周圍。插入物162可成某一角度以使得其能使工具 IOO在固定器的孔內旋轉。
圖25到圖30為插入物的若干實施方式的圖。插入物可包括一般圓形 形狀、 一般矩形形狀、 一般環形形狀、 一般球形形狀、 一般錐體形狀、一 般圓錐形形狀、 一般弓形(arcurate)形狀、 一般不對稱形狀或其組合。插 入物162的末端的大多數表面164可與第一節段103的表面165齊平、延伸到此表面165以外、凹入表面165中或其組合。插入物162延伸到第一 節段]03的表面165以外的一個例子在圖31中可見。圖29公開了與工具 100的中心軸167成一直線的一關殳矩形插入物166。
圖30公開了包括與工具100的軸長169形成1度到75度的角168的 軸長的插入物162。插入物可為橢圓形。
圖31公開了結合到第一節段103中形成的凸起171的圓形插入物170。 圖32到圖34公開了可在金屬節段的圓周172周圍顯著延伸的分段式插入 物162。插入物的軸長所形成的角也可為與工具的軸長成90度。
圖35和圖36為柄101的實施方式的圖。柄101可包括大於60 HRc 的耐磨表面173。柄101可包括燒結金屬碳化物、鋼、錳、鎳、鉻、鈦或 其組合。如果柄IOI包括燒結金屬碳化物，那麼碳化物可具有4重量百分 比到35重量百分比的粘合劑濃度。粘合劑可為鈷。
耐磨表面173可包括燒結金屬碳化物、鉻、錳、鎳、鈦、表面淬火、 金剛石、立方氮化硼、聚晶金剛石、氣相沉積金剛石、氧化鋁、鋯石、碳 化矽、晶須加強陶資、孕鑲金剛石的碳化物、孕鑲金剛石的基質、矽結合 金剛石或其組合。通過電鍍、包層、無電鍍、熱噴塗、退火、表面硬化、 應用高壓、熱浸、釺焊或其組合的方法，可將耐磨表面173結合到柄101。 耐磨表面可為具有.OOl英寸到.200英寸的厚度的塗層。柄101的耐磨表面 可為拋光的。耐磨表面173也可包括層174。柄可包括被另一種材料如碳 化鴒的層包圍的鋼。柄和耐磨表面之間可存在一個或多個中間層175，其 可有助於耐磨表面結合到柄。耐磨表面也可包括多個層。層174可包括不 同特性如硬度、彈性模量、強度、厚度、粒度、金屬濃度和重量。耐磨表 面可為具有65 HRc到75 HRc硬度的鉻。
圖37和圖38為第一節段103和柄101的實施方式的正交圖。柄101 可包括一個或多個槽175。耐磨表面173可置於在柄101中形成的槽175 中。槽175在增加耐磨表面173和柄101之間的結合強度時可為有益的。 也可通過將耐磨表面173模鍛在柄101上而改進結合。此外，耐磨表面173 可包括不均勻直徑。當工具^皮使用時，不均勻直徑可有助於保持鎖緊件(未 顯示)。柄101的全部橫截面厚度176可比60 HRc硬。在一些實施方式中，柄101可由包括大於60 HRc的硬度的固體燒結金屬碳化物或其它材
料製成。
圖39是顯示了柄101的另一個實施方式的正交圖。耐磨表面173可 為分段式。耐磨表面節段177可包括小於柄的高度的高度。
參考圖40，彈簧套105可包括具有大於58 HRc的硬度的內表面178。 在一些實施方式中，套105的任何表面可包括大於58 HRc的硬度。通過 將包括鉻、硬鉻、薄密鍍鉻(thin dense chrome)、鍍鉻、鎢、鉭、鈮、鈦、 鉬、碳化物、天然金剛石、聚晶金剛石、氣相沉積金剛石、立方氮化硼、 氣化鋁、鋯石、矽、晶須加強陶資、TiN、 AlNi、 AlTiNi、 TiAlN、 CrN/CrC/ (Mo、 W) S2、 TiN/TiCN、 AlTiN/MoS2、 TiAlN、 ZrN、孕鑲金剛石的碳 化物、孕鑲金剛石的基質、矽結合金剛石或其組合的材料結合到套105的 任何表面，可實現此硬度。
套105可包括在套外緣最近處的唇緣179。唇緣179可延伸到固定器 182的孔181的開口 180以外。墊圈106可被凹入，以使得墊圈106套在 唇緣179上，且使得唇緣179和墊圈106皆與固定器182的頂面齊平。中 間層可用於改進結合到套105的表面的材料的強度和結合。
材料可在可與墊圈106接觸的任何部分，如沿著唇緣的上緣或外緣， 襯到套105中。可通過電鍍、無電鍍、包層、熱浸、鍍鋅、熱噴塗、化學 氣相沉積、熱擴散或物理氣相沉積，將材料添加到套105中。也可通過相 同方法，將材料添加到柄101的外表面。在一些實施方式中，柄101和套
表面皆可為拋光的。
參考圖41，孔181的內表面178的材料可為分段式。分段式材料183 可被;故置成使得它們可引導工具的任何旋轉。分段式材料183可為比材料 的連續層更有成本效率，同時提供免受破壞力的足夠的保護。可通過電鍍、 無電鍍、包層、熱浸、鍍鋅或熱噴塗將材料添加到固定器182的內表面或 外表面。可將材料置於在孔181中形成的凹口中。材料可與孔182齊平或 其可延伸到孔182中。在圖42的實施方式中，隨著下降組件(degradation assembly ) 100使 路面184降低，工具在軸向和橫向兩個方向經受力185。這些力185可使 得工具100在固定器182的孔181內旋轉並移動。旋轉和移動在固定器182 的孔181和柄101兩者上皆產生了各種摩擦和振動影響，這可破壞固定器 或工具且限制了下降組件的壽命。相信範圍在.002英寸到.015英寸內的間 隙尺寸186會使固定器保持牢固地緊握柄並使工具100在固定器182的孔 181內旋轉，同時限制了對柄101和固定器182的破壞作用。人們相信， 具有超硬塗層109如金剛石的尖頭107將具有比沒有金剛石的傳統尖頭更 長的壽命，且如果在套105和柄109之間存在太大的間隙，那麼將使柄101 經久。如果間隙186太小，工具100將不能旋轉。在一些實施方式中，在 工具100被插入之前，套105可從固定器182的任一個側面被壓配合到位 置中。優選地，套105保護固定器182免受磨損。
圖43公開了包括在界面200處結合到超硬材料109的碳化物基材110 的尖頭107。在本發明的一方面中，碳化物基材110可包括具有通向平坦 部分]91的錐形部分190的在界面200處的一端。超硬材料109的中心截 面1192可包括直接在碳化物基材110的平坦部分191上的在.125英寸 到.300英寸之間的第一厚度192,而超硬材料109的外周截面193可包括 在碳化物基材110的錐形部分190上的小於第一厚度192的第二厚度195。 優選地，超硬材料109為單層，但在其它實施方式中，超硬材料109可包 括多個層。
碳化物基材110的平坦部分191可有效地將栽荷應力重新分布於碳化 物基材110的界面200各處。平坦部分191可包括度量超硬材料109的第 一厚度192的66%到133%的直徑196。在一些實施方式中，平坦部分191 可包括度量第一厚度192的75%到125%的直徑196。在其它實施方式中， 第一厚度192基本上等於直徑196。在一些實施方式中，可通過;^文置圓周 197來選擇平坦部分191的圓周197(或周邊)，以使得其通常在虛線198 處相交，所述線與在頂端202上的尖頭的中心軸199相交且與中心軸199 形成一般的45度角。在其它實施方式中，虛線198落在通常被圓周197 包圍的平坦部分191的區域內。平坦部分191可提供較大的表面積且有助於將載荷應力散布在碳化物基材110上。這在促進改進插入物的整體耐用
性時，特別是載荷應力的濃度集中在超硬材料109的頂端202且隨後被轉 移到碳化物基材110上時可特別地有利。因此，此類載荷應力的有效重新 分布可有助於進一步降低超硬材料109剝落或剝離。
人們相信，應用到超硬材料的頂端的載荷將引起通常以從載荷的衝擊 的基本上所有方位的方向以45度傳輸的衝擊波。優選地，衝擊在頂端最 近處發生，且因此沖擊波可基本上沿著虛線傳輸。優選地，衝擊波到達超 硬材料和基材之間的界面，在平坦部分中的某些部位，以致於衝擊波可被 載荷到平坦表面，而不是在彎曲表面上的某點。第一厚度與平面直徑的關 系可為關鍵的。如果第一厚度太大，那麼衝擊波可能不會達到平坦部分。 另一方面，如果第一厚度太小，那麼衝擊波可不會具有足夠的空間(room) 分布在界面各處，將太多的衝擊波聚焦在平面的局部區域。如果聚焦的衝 擊波太高，那麼在界面處的結合可變得被損害。
U.S.專利序列號11/469,229;其通過引用以它所含有的全部內容被合 並於本文；公開了通過其可製成本發明的超硬材料的一個工藝。用於HPHT 處理的組件具有帶有開口的罐和放置在開口內的混合物。容器可由金屬或 金屬合金組成，也具有可放置在帽和第一個蓋子中間的防護塗層(stop off)，也包括第二個蓋子和可用於形成超硬材料的防護塗層。預成型的碳 化物基材可放置於鄰近被置於容器底部的混合物及在該混合物之上的容 器內。混合物可包括以單層或多個層排列的、由具有範圍在0.5微米到300 微米之間的較小或較大尺寸的不同金剛石顆粒組成的立方氮化硼或金剛 石。層可被排列成基本上與碳化物基材的平坦部分成比例，以使得層被預 成型為具有基本上平坦的部分。在一些實施方式中，可將較小的金剛石顆 粒置於混合物上部且有助於提供一般較硬表面。可將較大的金剛石顆粒置 於離碳化物基材較近處且有助於在超硬材料中提供較好的彈性。較好的彈 性可降低超硬材料在界面處的剝離或剝落，特別是在容器隨後被從HPHT 壓機中移去後，當冷卻時，碳化物基材收縮時。
防護塗層可置於容器的距混合物的相反端上。容器和內含物隨後可被 加熱到在80(TC和1040。C之間的淨化溫度(cleansing temperature)，持續
21在15分鐘到60分鐘之間的第一時間段，這可使混合物變得基本上不含汙
染物。隨後，溫度可被增加到在IOO(TC到1200。C之間的封接溫度(sealing temperature ),持續另外2分鐘和25分鐘以融化防護塗層並在放置於HPHT 壓機中之前封接容器和在它之內的基本上自由的混合物。
當在HPHT條件下，在壓機中時，金屬粘合劑材料可從碳化物基材滲 入到混合物中，這可進一步有助於促進在界面處的結合。在一些實施方式 中，摻入的金屬粘合劑材料可包括界面附近的較大濃度，其通過超硬殘餘 物逐漸減少。摻入的金屬粘合劑材料也可輔助提供在界面處的超硬材料中 的彈性且有助於在HPHT壓機中形成之後，在冷卻工藝期間進一步減少從 碳化物基材剝離。
雖然本發明已經具體地關於附於此處的附圖進行了描述，但應該理 解，可在本發明範圍和精神內做出除本文顯示或建議的那些變更之外的其 它變更和進一步變更。
權利要求
1. 一種高抗衝擊的工具，其包括超硬材料，其在非平面界面處結合到燒結金屬碳化物基材；所述超硬材料包括基本上尖銳的幾何結構，具有包括.050英寸到.160英寸半徑的頂端；且所述超硬材料包括從所述頂端到所述非平面界面的.100英寸到.500英寸的厚度。
2. 根據權利要求1所述的工具，其中基本上圓錐形的表面包括與所述 工具的中心軸形成35度到55度的角的側面。
3. 根據權利要求2所述的工具，其中所述角基本上為45度。
4. 根據權利要求1所述的工具，其中在所述界面處，所述基材包括從 所述基材的圓柱形邊緣處開始且終止於在所述基材中形成的升高的平的 中心區域的錐形表面。
5. 根據權利要求6所述的工具，其中平的區域包括.125英寸到.250英 寸的直徑。
6. 根據權利要求l所述的工具，其中所述半徑為.900英寸到.110英寸。
7. 根據權利要求1所述的工具，其中從所述頂端到所述非平面界面的 厚度為.125英寸到.275英寸。
8. 根據權利要求1所述的工具，其中所述超硬材料和所述基材包括從 所述頂端到所述基材的底部的.200英寸到.700英寸的總厚度。
9. 根據權利要求1所述的工具，其中所述超硬材料的體積為所述碳化 物基材的體積的75%到150%。
10. 根據權利要求1所述的工具，其中所述超硬材料為拋光的。
11. 根據權利要求1所述的工具，其中所述基材被釺焊到碳化物節段 的一端。
12. 根據權利要求11所述的工具，其中所述釺焊包括30重量百分比 到62重量百分比的鈀。
13. 根據權利要求11所述的工具，其中所述碳化物節段被壓配合到鋼 體的孔中。
14. 根據權利要求11所述的工具，其中所述碳化物節段被釺悍到鋼體。
15. 根據權利要求14所述的工具，其中所述鋼體包括適合於被容納在 驅動機構的固定器內的柄。
16. 根據權利要求15所述的工具，其中被容納在所述固定器內的所述 柄包括比58HRc -更的耐磨表面。
17. 根據權利要求15所述的工具，其中在所述固定器的孔中設置有一 彈簧套，且所述彈簧套圍繞所述柄以使得在所述套和所述柄之間存在,OO2 到.015的間隙。
18. 根據權利要求1所述的工具，其中所述工具包括經得起大於80焦 耳的衝擊的特性。
19. 根據權利要求1所述的工具，其中所述超硬材料距所述基材的底 部.020英寸到.100英寸遠。
20. —種鎬，其包括尖頭，其具有在非平面界面處結合到燒結金屬碳化物基材的超硬材料；所述超硬材料包括基本上尖銳的幾何結構，具有包括.050英寸到.160 英寸半徑的頂端；所述超硬材料包括從所述頂端到所述非平面界面的.100英寸到.500英 寸的厚度；且所述尖頭包括小於.700英寸的高度，且在平面界面處被釺焊到碳化 物節段上；且所述碳化物節段基本上與柄同軸且旋轉地固定於柄上，所述柄被固定 在連接至鼓輪的固定器內並適合於在所述固定器內旋轉。
全文摘要
在本發明的一個方面中，高抗衝擊的工具具有在非平面界面處結合到燒結金屬碳化物基材的超硬材料。超硬材料具有基本上尖銳的幾何結構，帶有具有.050英寸到.125英寸半徑的銳利頂端。超硬材料還具有從頂端到非平面界面的.100英寸到.500英寸的厚度。
文檔編號E21C25/10GK101523014SQ200780037792
公開日2009年9月2日 申請日期2007年8月16日 優先權日2006年8月11日
發明者大衛·R·霍爾, 羅納德·B·克羅基特 申請人:大衛·R·霍爾