專利名稱：軸對稱切削元件的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及壓實磨料切削元件(abrasive compact cuttingelement)，更具體地說，涉及軸對稱的壓實磨料切削元件，其中的多晶磨料是插在碳化軸支座中的。這種壓實磨料切削元件的簡化的制造方法也是本發(fā)明的一個方面。該切削元件在石油和天然氣勘探鉆頭上和開礦應(yīng)用上有特殊的效用。
通常，壓塊的特征是由燒結(jié)的磨料顆粒多晶塊組成的整體粘合結(jié)構(gòu)，磨料顆?？梢允墙饎偸蛄⒎骄档牡?CBN)。雖然這種壓塊可以不用粘合基質(zhì)或第二相的幫助而自身粘合起來，但如美國專利4,063,909和4,60,423所論述的那樣，通常最好還是使用合適的粘合基質(zhì)，通常是一種金屬，如鈷、鐵、鎳、鉑、鈦、鉻、鉭、銅、或是它們的合金或混合物。粘合基質(zhì)約占容積的5％～35％，其中還可含有再結(jié)晶催化劑或生長催化劑，例如CBN可用鋁、金剛石可用鈷。
在很多應(yīng)用場合下，優(yōu)選是把壓塊粘合到基底材料上做成層壓物來或形成有支承的壓塊?；撞牧铣３Ｊ且阅z結(jié)的金屬碳化物的形式出現(xiàn)，其中含有例如鎢、鈦、或鉭的碳化物顆?；蛩鼈兊幕旌衔?，它們被用6～25％重量百分?jǐn)?shù)的金屬粘合劑如鈷、鎳、鐵或者其混合物或合金粘合起來。如美國專利3,381,428、3,852,078和3,876,7512所指出的那樣，壓塊和帶支承壓塊在多種應(yīng)用場合被作為切削和修整工具的部件或坯件被采納，如用作鉆頭、耐磨另件或耐表面。
制造這里所涉類型的多晶壓塊和帶支承壓塊的基本高壓/高溫(HP/HT)方法，必然要把未燒結(jié)的磨料、晶體顆粒如金剛石或CBN或其混合物放入保護(hù)性屏蔽金屬外殼中，該外殼則放置在HT/HP裝置的反應(yīng)室內(nèi)，這種裝置的類型在美國專利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中有進(jìn)一步的描述。如果是要燒結(jié)金剛石顆粒，則在裝有磨料顆粒的外殼中還可另外放入金屬催化劑，此外，可放入支承磨料顆粒用的膠結(jié)的金屬碳化物預(yù)制體，并借此做成帶支承的壓塊。此后，反應(yīng)室中的內(nèi)容物就經(jīng)受處理，處理條件應(yīng)選用得足以使研磨顆粒鄰近粒子之間發(fā)生晶間粘合，并還可使燒結(jié)的顆粒連結(jié)到膠結(jié)的金屬碳化物支承上。這樣的處理條件通常是在溫度至少1300℃、壓力至少20Kbar下處理約3～120分鐘。
關(guān)于多晶金剛石(PCD)壓塊或帶支承壓塊的燒結(jié)，催化劑金屬可以做成預(yù)先固結(jié)的形式，放置在毗鄰晶體顆粒處。例如，金屬催化劑可以做成環(huán)狀，往其中裝有磨料晶體顆粒的圓柱體，或做成盤狀，放在晶體的上面或下面。另外，金屬催化劑(也稱溶劑)也可以呈粉狀，并與磨料晶體顆粒相互混合，或者可做成膠結(jié)的金屬碳化物或碳化物模塑粉，使之冷壓成型，而其中的膠結(jié)劑可用作金剛石再結(jié)晶或生長的催化劑。通常，金屬催化劑系選自鈷、鐵或鎳或它們的合金或混合物，但也可使用其它金屬如釕、銠、鈀、鉻、錳、鉭、銅以及它們的合金或混合物。
在規(guī)定的HT/HP條件下，金屬催化劑不管以何種形式出現(xiàn)，總能通過擴散作用或毛細(xì)作用而滲入或“延伸”入磨料層，從而使之被用途再結(jié)晶或晶體交互生長的催化劑或溶劑。工作在金剛石穩(wěn)定熱力學(xué)范圍、并高于金剛石和石墨間的平衡點的HT/HP條件，促成了磨料晶粒的壓實，其特征是晶間金剛石對金剛石粘合，其鄰接的晶粒之間共用每個晶格部分。壓塊中或帶支承壓塊的研磨面中的金剛石濃度優(yōu)選為至少占容積的70％。制做金剛石壓塊和帶支承壓塊的方法在美國專利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。
關(guān)于多晶CBN(PCBN)壓塊和帶支承壓塊的燒結(jié)，這種壓塊和帶支承壓塊通常是按照適用于金剛石壓塊的方法來制造的。但是，通過上述的“延伸入”方法來制造CBN壓塊時，延伸透入晶體中的金屬并不一定需要是使CBN再結(jié)晶的催化劑或溶劑。相應(yīng)地，盡管鈷并不是使CBN再結(jié)晶的催化劑或溶劑，但是，借助于鈷膠結(jié)碳化鎢基底中的鈷的延伸透入作用并進(jìn)入晶體的間隙，CBN多晶體就可以接合到基底上去。相反地，填隙式的鈷起著多晶CBN壓塊與膠結(jié)的碳化鎢基底之間的粘合劑的作用。
象金剛石的燒結(jié)一樣，CBN的HT/HP燒結(jié)過程也是在CBN的熱力學(xué)穩(wěn)定狀態(tài)的條件下實行的。推測在這些條件下，相鄰晶粒之間也實現(xiàn)了晶間粘合。壓塊中或帶支承壓塊的研磨面中的CBN濃度優(yōu)選至少有約50％的容積百分?jǐn)?shù)。在美國專利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中對CBN壓塊和帶支承壓塊的制造方法有更充分的描述。美國專利3,767,371中所公開的示例性CBN壓塊中，含有大于約70％容積百分?jǐn)?shù)的CBN和少于約30％容積百分?jǐn)?shù)的粘合劑金屬，如鈷。
根據(jù)現(xiàn)有技術(shù)所公開和示出的內(nèi)容，用于回轉(zhuǎn)式鉆、刮刀、沖擊鉆或切削刀頭的磨料切削元件的整個切削表面上，都覆蓋有多晶金剛石層?；剞D(zhuǎn)式鉆頭也稱為滾柱式錐頭，金剛石層伸展到鉆頭的表面，包復(fù)住切削元件。這是美國專利4,109,737和5,329,845中所示出的。簡言之，金剛石層包復(fù)著切削元件或研磨元件暴露端的整個暴露(切削)表面或半徑范圍。
一種磨料壓塊切削元件，它包括軸對稱的超硬研磨元件，其上具有基端切削刀、向內(nèi)呈錐形的末梢連接端和外部表面；以及軸對稱的環(huán)形膠結(jié)碳化物支承元件，其構(gòu)形是設(shè)計來接納研磨元件的錐形連接端的。研磨元件基端切削刀的外部表面與碳化物支承元件的外部表面是間隔開的。壓實磨料切削元件可以這樣來制造先形成軸對稱的環(huán)形膠結(jié)碳化物支承元件，該支承元件具有上部基端、下部向內(nèi)呈錐形的末梢和外部表面。磨料顆粒置于該環(huán)形膠結(jié)碳化物支承元件內(nèi)。經(jīng)HP/HT處理后制成具有基端切削刀和錐形末梢連接端的多晶磨料顆粒壓塊，該壓塊置于環(huán)形膠結(jié)碳化物支承元件之內(nèi)。膠結(jié)碳化物被沿外部表面從環(huán)形膠結(jié)碳化物支承元件上除去，以露出該多晶壓實磨料基端切削刀，而切削刀的外部表面與碳化物支承元件的外部表面是間隔開的。
相應(yīng)的制造壓實磨料切削元件的方法，一開始可先做軸對稱的環(huán)形膠結(jié)碳化物支承元件，該支承元件具有上部基端、下部向內(nèi)呈錐形的末梢和外部表面。磨料顆粒置于該環(huán)形膠結(jié)碳化物支承元件內(nèi)。然后該磨料顆粒和環(huán)形膠結(jié)碳化物支承元件被進(jìn)行HP/HT處理，以制成具有基端切削刀和錐形末梢連接端、并置于該環(huán)形膠結(jié)碳化物支承元件之內(nèi)的多晶磨料顆粒壓塊。最后，膠結(jié)碳化物被沿外部表面從環(huán)形膠結(jié)碳化物支承元件上除去，以露出該產(chǎn)品壓實磨料基端切削刀，而切削刀的外部表面與碳化物支承元件的外部表面是間隔開的。
為了更充分地理解本發(fā)明的性質(zhì)和目標(biāo)，必須參閱以下結(jié)合附圖的詳細(xì)描述，附圖有

圖1為本發(fā)明的一種壓實磨料切削元件的縱剖面簡圖；圖2為本發(fā)明的壓實磨料切削元件另一實施方案的縱剖面簡圖；圖3為本發(fā)明的壓實磨料切削元件又一實施方案的縱剖面簡圖；圖4示出本發(fā)明的壓實磨料切削元件在早期制造階段的縱剖面簡圖。
下面將描述這些圖。
在鉆孔應(yīng)用中，壓實磨料切削元件通常的損壞模式包括PCD的持續(xù)磨損；對PCD碳化物接界面平行或垂直的高負(fù)荷所引起的PCD撞擊損壞；由于對PCD或碳化物基底過度加熱所引起的熱激損壞。一旦切削刀具的PCD面積減少了它原來尺寸的約三分之一，它的使用壽命也就耗盡了。由碳化物基底和PCD層構(gòu)成的切削刀具內(nèi)部存有的應(yīng)力，會在鉆孔運作中降低刀具的性能。
借助于改變PCD/WC接界面的形狀，可使本發(fā)明的切削元件增加PCD層的有效厚度。與此相伴的是，本發(fā)明的切削元件顯示出在工作臺面上有一塊實心的PCD塊。有了這樣的構(gòu)形，PCD工作表面的形狀就不受限制了。因此，PCD工作表面就可以是圓柱形的、半球形的、鑿形的、鋸齒形的或任何其它的構(gòu)形，只要能保持增大的軸對稱PCD/WC接界面就行。
現(xiàn)請參看圖1，切削元件或切削刀具10以縱剖面圖被簡化示出。它是由壓實磨料元件12和碳化物支座14構(gòu)成的。切削刀具10的構(gòu)形是圍繞軸16對稱的?？梢钥吹剑瑝簩嵞チ显?2上具有基端工作臺面18，該基端工作臺面與支座14之間留有它整個厚度的間隔。即使在工作臺面18的側(cè)面，支座14也是與工作臺面18留有間隔的。但是，壓實磨料元件12要求有一個錐形的末梢連接端20，以插入并牢牢固結(jié)在支座14中。
在圖1中，示出的接界面22是圓錐形的。工作臺面18被示為圓柱體的一端。如果接界面22和工作臺面都具有另外的構(gòu)形，也是可以理解的。圖2和圖3示出了補充的構(gòu)形。在圖2中，工作臺面24被示為半球形的，以構(gòu)成半球形刀具。接界面26的形狀被示為類似于雙曲線，但也可采用任何曲線形狀。在圖3中，工作臺面28被示為鑿形的，以構(gòu)成鑿形刀具。接界面30被示為下端是圓錐形的，上端則有臺階32。熟練的技工會理解，這里的公開的切削元件的工作臺面和接界面可以使用多種多樣的其它形狀，但有一點是必須遵守的，就是接界面和支座必須與工作臺面間隔開。
在制造切削元件時，可參照圖4，圖中示出早期制造階段的切削元件10。具體地說，要制造切削刀具10，首先要做支座34，其尺寸則較支座14的尺寸為大。多晶金剛石(PCD)或其它研磨顆粒被放入支座34內(nèi)，而催化劑/燒結(jié)助劑盤38(通常為Co)被蓋在支座上。然后整體地進(jìn)行高壓/高溫(HP/HT)處理以制成燒結(jié)的壓塊36。下一步，支座34的外徑被磨削以露出基端工作臺面18，同時保持末梢連接端20牢牢地固結(jié)在支座環(huán)14內(nèi)。生產(chǎn)切削元件10的這樣的制造和磨削加工操作是比較易于進(jìn)行的。在PCD/支座結(jié)構(gòu)的頂部放置催化劑/燒結(jié)助劑盤38以使軸線貫通，保證了PCD壓塊的晶間粘合良好，也保證了與支座34的粘合良好。
多晶磨料壓實層優(yōu)選為多晶金剛石(PCD)。但是，其它包括在本發(fā)明范圍內(nèi)的材料有合成的和天然的金剛石、立方晶系氮化硼(CBN)、纖鋅礦氮化硼、這些材料的結(jié)合、以及類似的材料。多晶金剛石是優(yōu)選的多晶層。膠結(jié)的金屬碳化物基底的組成是傳統(tǒng)使用的材料，因此可以包括ⅣB、ⅤB或ⅣB族金屬中的任何一種，在被壓制和燒結(jié)時應(yīng)有鈷、鎳或鐵或者它們的合金作粘合劑。優(yōu)選的金屬碳化物是碳化鎢。
雖然本發(fā)明是聯(lián)系一定的優(yōu)選實施方案來描述和說明的，但本領(lǐng)域的技術(shù)人員會明白，本發(fā)明并不限于這些實施方案。因此，所附權(quán)利要求理應(yīng)涵蓋本發(fā)明的精神和范圍之內(nèi)的所有變通。本說明書所述及的文獻(xiàn)均引此作為參考文獻(xiàn)。
試驗是用一臺簡單的回轉(zhuǎn)式機床和Barre Granite(3級灰度)工件配套、在下列試驗條件下進(jìn)行的工件Barre Ganite(3級灰度)線速度 300英尺/分進(jìn)料速度0.011英寸/分切削深度0.020英寸傾角-10°時間10分切削液 水和抗腐蝕添加劑磨削量 削去容積/工具磨損面積所獲試驗數(shù)據(jù)報告如下表1磨削量
這些數(shù)據(jù)表明，本發(fā)明的刀具所受到的磨損擊倒量要比現(xiàn)有技術(shù)的波形刀具為少。
權(quán)利要求
1．一種壓實磨料切削元件，它包括(a)軸對稱的超硬研磨元件，其上具有基端切削刀、向內(nèi)呈錐形的末梢連接端和外部表面；以及(b)軸對稱的環(huán)形膠結(jié)碳化物支承元件，其構(gòu)形是設(shè)計來接納研磨元件的錐形連接端的，其上有外部表面，研磨元件基端切削刀的外部表面與該碳化物支承元件的外部表面是分隔開的。
2．權(quán)利要求1的壓實磨料切削元件，其中所說的超硬研磨元件是多晶金剛石(PCD)或立方晶系氮化硼(CBN)中的一種或多種。
3．權(quán)利要求2的壓實磨料切削元件，其中用來粘合PCD的燒結(jié)助劑/催化劑是鈷、鐵、鎳、鉑、鈦、鉻、鉭、銅中的一種或多種或是它們的合金或混合物。
4．權(quán)利要求1的壓實磨料切削元件，其中所說的碳化物支座是碳化鎢、碳化鈦或碳化鉭中的一種或多種。
5．權(quán)利要求1的壓實磨料切削元件，其中所說的基端切削刀的形狀是圓柱形、半球形、鑿形或鋸齒形中的一種或多種。
6．一種制造壓實磨料切削元件的方法，它包括下列步驟(a)形成軸對稱的環(huán)形膠結(jié)碳化物支承元件，該支承元件具有上部基端、下部向內(nèi)呈錐形的末俏和外部表面；(b)將磨料顆粒置于該環(huán)形膠結(jié)碳化物支承元件內(nèi)；(c)將該磨料顆粒和環(huán)形膠結(jié)碳化物支承元件進(jìn)行HP/HT處理，以形成具有基端切削刀和錐形末梢連接端并已被放置在該環(huán)形膠結(jié)碳化物支承元件之內(nèi)的多晶磨料顆粒壓塊；以及(d)沿外部表面從環(huán)形膠結(jié)碳化物支承元件上除去膠結(jié)碳化物，以露出該多晶壓實磨料基端切削刀，而切削刀的外部表面與碳化物支承元件的外部表面是間隔開的。
7．權(quán)利要求6的方法，其中所說的超硬研磨元件是金剛石，而催化劑/燒結(jié)助劑是毗鄰環(huán)形支承元件中的磨料顆粒放置的。
8．權(quán)利要求7的方法，其中，該催化劑/燒結(jié)助劑置于環(huán)形支承元件的基端。
9．權(quán)利要求7的方法，其中用來粘合PCD的燒結(jié)助劑/催化劑是鈷、鐵、鎳、鉑、鈦、鉻、鉭、銅中的一種名多種或是它們的合金或混合物。
10．權(quán)利要求6的方法，其中所說的超硬研磨元件是多晶金剛石(PCD)或立方晶系氮化硼(CBN)中的一種或多種。
11．權(quán)利要求6的方法，其中所說的碳化物支座是碳化鎢、碳化鈦或碳化鉭中的一種或多種。
12．權(quán)利要求6的方法，其中所說的基端切削刀的形狀是圓柱形、半球形、鑿形或鋸齒形中的一種或多種。
全文摘要
一種壓實磨料切削元件,它包括:軸對稱的超硬研磨元件及軸對稱的膠結(jié)碳化物支承元件。該研磨元件基端切削刀的外部表面與碳化物支承元件的外部表面是間隔開的。該壓實磨料切削元件的制造步驟為:形成軸對稱的環(huán)形膠結(jié)碳化物支承元件;磨料顆粒置于該環(huán)形膠結(jié)碳化物支承元件內(nèi);經(jīng)HP/HT處理后形成具有基端切削刀和錐形末梢連接端、并已置于該環(huán)形膠結(jié)碳化物支承元件內(nèi)的多晶磨料顆粒壓塊;沿外部表面從環(huán)形膠結(jié)碳化物支承元件上除去膠結(jié)碳化物。
文檔編號C22C29/00GK1309227SQ0110306
公開日2001年8月22日 申請日期2001年1月22日 優(yōu)先權(quán)日2000年1月27日
發(fā)明者E·O·埃恩塞特, M·S·德明 申請人:通用電氣公司