具有耐磨金剛石表面的切割元件的制作方法
【專利說明】具有耐磨金剛石表面的切割元件
[0001] 相關(guān)申請的交叉引用
[0002] 本申請要求于2014年9月2日提交的要求于2013年9月4日提交的美國臨時專利申 請序列號第61/873694號的優(yōu)先權(quán)和權(quán)益的美國專利申請序列號第14/475311號的優(yōu)先權(quán)， 它們的全部內(nèi)容通過參引方式納入本文。
【背景技術(shù)】
[0003] 本領(lǐng)域已知的切割元件，例如那些與用于鉆探地層的鉆頭一起使用的切割元件， 包括設(shè)置于碳化物基體上的金剛石表面層或金剛石臺。相對于底層基體，所述金剛石臺被 用于提供改善的抗磨性能，并且所述基體被用于提供附接結(jié)構(gòu)，以有助于所述切割元件附 接至終端使用的機(jī)器工具，例如鉆頭等。
[0004] 這些已知的切割元件具有由多晶金剛石(PCD)形成的金剛石層或金剛石臺，并使 用諸如WC-Co的碳化物基體。例如當(dāng)相較于具有由碳化鎢形成的磨削表面的切割元件時，雖 然所述金剛石層向所述切割元件提供改善的抗磨性能，但是已知所述金剛石層具有比底層 基體的熱膨脹系數(shù)低得多的熱膨脹系數(shù)。因此，用于燒結(jié)所述金剛石層、形成所述PCD并將 所述PCD層附接至所述基體的高壓/高溫工藝，是一個已知為產(chǎn)生具有殘余壓應(yīng)力的切割元 件的過程。在所述金剛石層和基體上引起的該殘余壓應(yīng)力的存在可以在鉆井條件下導(dǎo)致切 割元件破損或金剛石層脫層。
[0005] 改善這些切割元件的使用壽命的嘗試已經(jīng)聚焦于減少金剛石層與基體的界面處 的殘余壓應(yīng)力，從而減少或最小化在鉆井條件下的破損、破裂或脫層的情況。盡管這些努力 對減少或最小化破損或脫層情況可能是有用的，但是這些性能的獲得是以損害金剛石臺表 面的耐磨性和抗裂紋萌生為代價的，這又限制了所述切割元件的有效使用壽命。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006] 如本文所公開的切割元件包括由多晶金剛石形成的金剛石表面。在一個實例中， 所述金剛石表面被構(gòu)造為具有圓頂形外表面。所述圓頂形外表面可以具有約3.5mm至 13.3mm之間的曲率半徑。當(dāng)以金剛石臺的形式提供時，所述圓頂形外表面處的厚度大于約 0.6mm、大于約0.8mm、或在約0.6mm至3mm英寸之間。
[0007] 所述切割元件可以完全由多晶金剛石形成，或者可以包括附接至基體的多晶金剛 石臺，例如結(jié)合到基體?？梢栽谒龌w和金剛石臺之間再插入一個或多個過渡層，并且所 述金剛石臺可以由一個或多個多晶金剛石層形成。所述金剛石表面可以具有大于約 500MPa、大于約900MPa、大于約lOOOMPa或在從約900至1200MPa范圍內(nèi)的高水平壓應(yīng)力。
[0008] 在一個實例中，用于形成切割元件的多晶金剛石包括不同的鈷晶體結(jié)構(gòu)相的受控 比率，其中立方鈷/六方鈷大于約1.2、從約1.5至2.5或者從約1.6至1.8。
[0009] 在存在催化劑材料的情況下，通過將多個金剛石顆粒的組合體暴露于高壓/高溫 工藝條件下以形成所述金晶金剛石來制造所述切割元件。當(dāng)使用基體時，所述基體可以在 所述高壓/高溫工藝下被附接至成臺的形式的多晶金剛石，從而形成所述切割元件。必要 時，可以在超高壓條件下形成切割元件。所述切割元件可以被處理為在所述多晶金剛石的 表面上產(chǎn)生上面所述的所需的高水平壓應(yīng)力。
[0010] 提供本
【發(fā)明內(nèi)容】
部分是為了介紹一系列概念，這些概念在下面的詳細(xì)說明中進(jìn)一 步被描述。本
【發(fā)明內(nèi)容】
部分不旨在標(biāo)識所要求保護(hù)的主題的關(guān)鍵或必要特征，也不旨在用 于幫助限制所要求保護(hù)的主題的范圍。
【附圖說明】
[0011] 本文所公開的切割元件的這些和其他特征和優(yōu)勢將會被領(lǐng)會，因為當(dāng)聯(lián)系附圖考 慮并參考下面的詳細(xì)說明可以更好地理解本文所公開的這些和其他特征和優(yōu)勢，其中：
[0012] 圖1示出了如本文所公開的示例性切割元件的透視側(cè)視圖；
[0013] 圖2示出了如本文所公開的示例性切割元件的側(cè)視截面圖；
[0014] 圖3示出了如本文所公開的具有至少一個過渡層的示例性切割元件的側(cè)視截面 圖；
[0015] 圖4是包括如本文所公開的示例性切割元件的旋轉(zhuǎn)錐形鉆頭的透視圖；
[0016] 圖5是包括如本文所述的示例性切割元件的錘鉆頭的透視圖；
[0017] 圖6是包括如本文所述的示例性切割元件的刮刀鉆頭的透視圖；
[0018] 圖7示出了如本文所公開的示例性切割元件的透視側(cè)視圖；
[0019] 圖8示出了如本文所公開的示例性元件的側(cè)視截面圖；以及
[0020] 圖9示出了用于壓應(yīng)力分析的測試結(jié)構(gòu)。
【具體實施方式】
[0021 ]在一個實例中，如本文所公開的切割元件包括本體或基體，其上設(shè)置有由多晶金 剛石(PCD)形成的金剛石臺的，該金剛石臺形成所述切割元件的工作或磨削表面。在另一實 例中，如本文所公開的切割元件可以整個由PCD制成，即不包括基體。所述PCD可以具有圓頂 形的上部表面，并且可以具有大于約900MPa的高表面壓應(yīng)力。所述PCD也可以被設(shè)計為具有 受控的鈷相。在一些實施方案中，以這種方式構(gòu)造的切割元件提供改善的耐磨和抗裂性能， 從而增加這種切割元件的操作使用壽命。
[0022] 圖1和2示出了如本文所公開的一個示例性切割元件10,其包括具有大體上圓柱形 的側(cè)壁結(jié)構(gòu)的本體12或基體。所述切割元件包括涂覆或以其他方式設(shè)置于所述基體上的金 剛石臺14,其中，該金剛石臺形成所述切割元件的工作或磨削表面16。參考圖1和2,所述示 例性切割元件10包括沿所述本體12的頂端涂覆或以其他方式設(shè)置的金剛石臺14。在一個實 例中，金剛石臺被配置為具有與下面本體的頂端結(jié)構(gòu)緊密相關(guān)的圓頂形的頂部或上部表 面。
[0023] 圖7和8示出了如本文所公開的一個示例性切割元件70,其包括均由PCD形成的本 體72和磨削表面74,即在這種實例中，所述切割元件不包括單獨的基體并且整體由PCD形 成。所述切割元件70被配置為具有圓頂形的頂部或上部磨削表面。
[0024] 所述金剛石臺或金剛石表面可以被配置為具有恒定的曲率半徑，或者具有限定所 述圓頂形結(jié)構(gòu)的可變曲率半徑。在這種實例中，限定所述圓頂形頂部表面的曲率半徑可以 為從約3.5mm至13.3mm、6.5mm至13.3mm、或約8mm至13.3mm?？梢曰谔囟ǖ幕w或本體直 徑和/或切割元件的最終應(yīng)用選擇所述曲率半徑。應(yīng)該理解，所述曲率半徑基于諸如基體或 本體的直徑和/或最終應(yīng)用的那些特征而改變。在一個實例中，圓頂曲率半徑與基體或本體 直徑的比例可以在從約0.5至1的范圍內(nèi)。盡管所述圓頂形金剛石臺或表面已經(jīng)通過曲率半 徑來表征，但應(yīng)該理解，如本文所公開的金剛石臺或表面可以被配置為具有并非精確圓形 的大致圓頂形表面，此時，所述圓頂形表面由基本上代表圓頂形結(jié)構(gòu)的曲率半徑大致近似。
[0025] 在一個實例中，所述金剛石臺或表面可以被配置為具有頂點相對鋒利的尖頭幾何 形狀，其形成所述金剛石臺或表面的頂端。在這種尖頭頂端的實施方案中，所述金剛石臺或 表面的頂點可以具有從約1.3至3.2_或從約2.3至2.8mm的曲率半徑。從所述頂點或尖端徑 向向外延伸的金剛石臺或表面可以具有凹、凸和/或直線結(jié)構(gòu)。
[0026] 如圖2所示，所述切割元件10在基體12和金剛石臺14之間具有光滑界面。如本文所 使用的，術(shù)語"光滑"用于限定如此的界面表面，其是連續(xù)地并且沒有或基本上沒有任何表 面不規(guī)則性，例如彎曲的或具有一曲率半徑的表面。應(yīng)該理解，如本文所公開的切割元件可 以被配置為在所述基體和金剛石臺之間具有不光滑的界面，例如該界面包括偏離其它方式 連續(xù)或光滑界面的一個或多個表面特征或不規(guī)則性，并且該界面可以用于在所述本體和金 剛石臺之間的界面處提供改善程度的機(jī)械附接。在所述切割元件整個由金剛石形成的實例 中，在形成所述本體和所述表面的金剛石部分之間沒有界面。
[0027] 所述切割元件可以包括設(shè)置為單層或多層形式的金剛石臺，并且在一個實例中， 所述金剛石臺由PCD形成