超硬材料的切割元件、其形成方法和包含其的钻头的制作方法
【专利说明】
【背景技术】
[0001]超硬材料经常用于切割工具和凿岩工具中。多晶金刚石材料是一种这样的超硬材料，并且因其好的耐磨性和硬度而闻名，使其成为应用于诸如机加工的切割工具和地下采矿和钻井中的研磨和切割元件的工业应用中的流行材料的选择。
[0002]为形成多晶金刚石，高压、高温烧结(HPHT烧结)金刚石颗粒，以生成超硬的多晶结构。为了在HPHT烧结期间促进金刚石晶体的共生，可在烧结之前将催化剂材料添加到金刚石颗粒混合物和/或在烧结期间使催化剂材料渗入金刚石颗粒混合物中，以形成多晶金刚石(PCD)结构。传统上被用作催化剂的金属选自可溶解的金属催化剂组，该可溶解的金属催化剂组选自周期表的VIII族，包括钴、铁和镍以及它们的组合和它们的合金。在HPHT烧结之后，产生的PCD结构包括彼此结合的互相连接的金刚石晶体的网络，催化剂材料占据结合的金刚石晶体之间的空隙空间或孔隙。在存在基体的情况下，可以HPHT烧结金刚石颗粒混合物，以形成结合至基体的PCD体。基体还可以充当在烧结期间渗入到金刚石颗粒混合物中的金属催化剂的源。
[0003]用于某些应用的PCD体的所期望的特性是在磨削或切割作业期间改善的热稳定性。已知的与传统的PCD体共存的问题是当它们暴露于升高的温度时易受热降级的侵害。这个易损性起因于存在于填隙地设置在PCD体内的可溶解的金属催化剂材料的热膨胀特性与晶间结合的金刚石的热膨胀特性之间的差别。已知由这种有差异的热膨胀所引起的材料的损坏开始于像400°C—样低的温度，并且能够诱发热应力，该热应力对于金刚石的晶间结合是不利的，并且最终导致能使PCD结构易受破坏的裂缝的形成。进一步地，已知可溶解的金属催化剂随着温度的增加在金刚石中导致不期望的催化相变(将其转变为石墨)，由此将P⑶体的实际使用限制到大约750°C。
[0004]已经开发了热稳定P⑶材料，以改善高温性能。然而，可能难于在热稳定P⑶材料与基体之间形成结合来用于附连到切割工具上。由于热稳定PCD材料的高脆度和高硬度，在PCD体或碳化物上机加工诸如螺纹的传统特征是不可行的。因此，难于通过传统的机械方法连接热稳定PCD材料和基体。
【发明内容】
[0005]本公开涉及包含被用于地下钻井应用的多晶金刚石体的切割工具，更特别地，涉及一种通过一个或多个紧固元件被连接至基体以形成切割元件的热稳定多晶金刚石(PCD)体。在一个实施例中，切割元件包括用紧固元件机械地连接至碳化物基体的热稳定多晶金刚石体。热稳定PCD体可以是无结合剂的PCD、诸如碳酸盐PCD的非金属催化剂的PCD或经浸滤的PCD。在一个实施例中，提供了一种用于将热稳定多晶金刚石体连接至基体的方法。所述方法包括形成热稳定PCD体，其可以是无结合剂的PCD、非金属催化剂的PCD或经浸滤的PCD。所述方法包括在所述热稳定PCD体中形成用于接收所述紧固元件的孔眼，以及将所述紧固元件插入到所述孔眼中。所述方法还包括将所述热稳定PCD体和紧固元件安置在所述基体上。所述方法还包括使所述热稳定PCD、所述紧固元件以及所述基体经受高压高温(HPHT)烧结，以将紧固构件结合至所述基体。
[0006]提供该
【发明内容】
，以引入以下在详细描述中所进一步描述的选出的概念。该
【发明内容】
既不旨在确定所要求保护的主题的关键或必要的特征，也不旨在用于限制所要求保护的主题的范围。
【附图说明】
[0007]参考附图描述机械地紧固至基体的热稳定PCD材料的实施例。在所有附图中使用相同的附图标记表示相似的特征和部件。
[0008]图1示出根据一个实施例的热稳定非金属催化剂的PCD材料的一个区域。
[0009]图2示出根据一个实施例的热稳定无结合剂的PCD材料的一个区域。
[0010]图3示出根据一个实施例的热稳定经浸滤的P⑶材料的一个区域。
[0011]图4示出根据一个实施例的具有热稳定PCD体、基体和紧固构件的切割元件的分解图。
[0012]图5示出根据一个实施例的具有热稳定PCD体、基体和紧固构件的切割元件的透视图。
[0013]图6示出根据一个实施例的具有热稳定PCD体、基体和紧固构件的切割元件的剖视图。
[0014]图7示出根据一个实施例的具有热稳定PCD体、基体和紧固构件的切割元件的分解图。
[0015]图8示出根据一个实施例的具有热稳定PCD体、基体和紧固构件的切割元件的透视图。
[0016]图9示出根据一个实施例的具有热稳定PCD体、基体和紧固构件的切割元件的剖视图。
[0017]图10示出根据一个实施例的具有热稳定PCD体、基体和紧固构件的切割元件的分解图。
[0018]图11示出根据一个实施例的具有热稳定PCD体、基体和紧固构件的切割元件的透视图。
[0019]图12示出根据一个实施例的具有热稳定PCD体、基体和紧固构件的切割元件的剖视图。
[0020]图13示出根据一个实施例的具有热稳定PCD体、基体和紧固构件的切割元件的分解图。
[0021]图14示出根据一个实施例的具有热稳定PCD体、基体和紧固构件的切割元件的透视图。
[0022]图15示出根据一个实施例的具有热稳定PCD体、基体和紧固构件的切割元件的剖视图。
[0023]图16示出根据一个或多个实施例的用于将热稳定P⑶体紧固至基体的(多个)示例方法。
[0024]图17示出根据一个或多个实施例的用于将热稳定P⑶体紧固至基体的(多个)示例方法。
[0025]图18示出根据一个实施例的包含切割元件的示例设备。
【具体实施方式】
[0026]本公开涉及包含用于地下钻井应用的多晶金刚石体的诸如钻头上的剪切切割器的切割工具，更特别地，涉及一种通过一个或多个紧固元件连接至基体以形成切割元件的热稳定多晶金刚石(PCD)体。在一个实施例中，热稳定PCD材料可以是无结合剂的PCD、非金属催化剂的PCD或经浸滤的PCD。热稳定PCD体包括用于接收将热稳定PCD体固定至基体的紧固元件的孔眼。随后，将紧固元件冶金地结合至基体以机械方式将PCD体紧固至基体。还可以将紧固元件冶金地结合至P⑶体。
[0027]以下公开是指向各种实施例的。所公开的实施例具有广泛应用，并且对所有实施例的讨论仅意味着对那个实施例的描述，而不旨在暗示包括权利要求的本公开的范围被限制为那个实施例或限制为那个实施例的特征。
[0028]在遍布以下描述和权利要求中使用某些术语指特定特征或部件。如本领域技术人员将意识到，不同的人可以通过不同的名字指相同的特征或部件。该文档不旨在区别仅在名字方面不同的部件或特征。不必按比例绘图。可以按比例夸张的或以稍微示意的形式示出本文的某些特征和部件，并且为了清楚和简明而未示出传统元件的某些细节。
[0029]如在本文所使用的，为了方便起见，可以在通用列表中呈现出多个条目、结构元件、组成元件和/或材料。然而，这些列表应当被解读为犹如所述列表的每个成员分别被视作单独的且唯一的成员。因此，在没有相反的指示的情况下，这种列表的任何成员都不应当只是基于它们在通用的组中的表示而被解释为实际上等同于相同列表的任意其他成员。
[0030]被声明通过引用被全部或部分地结合到本文的所有专利、出版物或其他公开材料仅在被结合的材料不与存在的定义、陈述或在该公开中阐明的其他公开材料相冲突的程度上被结合到本文。同样地，并且到必要的程度，如在本文所阐明的公开取代通过引用被结合到本文的所有冲突的材料。被声明通过引用被结合到本文、但其与存在的定义、陈述或本文所阐明的其他公开材料相冲突的所有材料或其部分将仅在那个被结合的材料与存在的公开材料之间不出现冲突的程度上被结合。
[0031]为了清楚，如本文所使用的术语“传统的P⑶”是指在HPHT烧结工艺期间已经借助于传统的金属催化剂形成的传统的多晶金刚石，从而形成具有占据结合的金刚石晶体之间的空隙空间或孔隙的金属催化剂材料的结合的金刚石晶体的微观结构。
[0032]“非金属催化剂的P⑶”是指在HPHT烧结工艺期间已经借助于非金属催化剂形成的PCD材料，从而形成具有占据结合的金刚石晶体之间的空隙空间或孔隙的非金属催化剂材料的结合的金刚石晶体的微结构。非金属催化剂的示例包括碳酸盐(例如，MgCO3)、硫酸盐(例如，MgSO4)、氢氧化物(例如，Mg(OH)2)以及氧化铁(例如，FeT13)。碳酸盐催化剂可以是任意的I族或II族的碳酸盐，例如，碳酸镁、碳酸钙、碳酸锂或碳酸钠或碳酸盐的组合。“无结合剂的PCD”是指不使用催化剂，例如通过在超高压力和温度下将石墨直接转变为金刚石来形成多晶金刚石基质。“经浸滤的P⑶”是指在HPHT烧结工艺之后已经被处理以去除形成在结合的金刚石晶体之间的空隙区域中的催化剂材料的至少一部分的PCD材料，因此包括基本上没有催化剂材料的多个空隙区域(即，结合的金刚石晶体之间的空隙区域基本上是空的空隙或孔隙)。如本文所使用的“热稳定PCD”意指非金属催化剂的PCD、无结合剂的PCD或经浸滤的PCD。在一个实施例中，热稳定PCD选自基本上由非金属催化剂的P⑶、无结合剂的P⑶和经浸滤的P⑶组成的组。用于执行HPHT烧结工艺的合适的设备的示例包括六面顶压机、压带机和环状压机。
[0033]图1中示意性地示出了非金属催化剂的PCD材料10的区域。通过使与诸如碳酸盐的非金属催化剂相混合的金刚石粉末经受HPHT烧结工艺来形成非金属催化剂的PCD材料10的这个微结构。在一个实施例中，HPHT烧结工艺包括施加大约70千巴或更大的压力以及大约2，000至2，500 0C的温度。在这个温度和压力下，非金属催化剂材料熔化并渗透入金刚石粉末混合物。该催化剂在HPHT烧结工艺期间促进金刚石晶体的生长，从而形成非金属的PCD。形成的非金属催化剂的PCD材料10具有包括结合至彼此的多个金刚砂或金刚石晶体11的多晶微结构，诸如碳酸盐的非金属催化剂材料12占据金刚石晶体11之间的空隙空间或孔隙。当使用非金属催化剂时，随着温度升高到1200°C金刚石以多晶金刚石形式保持热稳定，而不是被转变为石墨。此外，非金属催化剂可以热分解并产生气体。因此，随着温度的升高，由于PCD与非金属催化剂之间的热膨胀的不匹配而造成的材料损坏是可以忽略的。在一个实施例中，非金属的PCD材料10中的金刚石晶体11的尺寸为大约1-50微米。在另一实施例中，金刚石晶体11的尺寸小于I微米。在一个实施例中，非金属催化剂的PCD材料10由按体积计大约90-98%的金刚石组成。在另一个实施例中，非金属催化剂的PCD材料10具有至少99%的金刚石体积含量。在另一个实施例中，非金属催化剂的PCD材料10具有至少95%的金刚石体积含量。在另一个实施例中，非金属催化剂的PCD材料10具有至少90%的金刚石体积含量。
[0034]图2中示意性地示出了无结合剂的P⑶材料20的区域。通过使碳(例如，石墨、巴克球或其它碳结构)在不具有催化剂材料的情况下经受超高温度和压力的烧结工艺来形成无结合剂的PCD材料20的该微结构。在一个实施例中，该工艺包括超高温度和压力下的HPHT烧结，所述温度和压力高于形成PCD的传统HPHT烧结期间所施加的温度和压