專利名稱：使用碳添加劑的高壓燒結(jié)的制作方法
使用碳添加劑的高壓燒結(jié)發(fā)明背景發(fā)明領(lǐng)域本文中公開的實施方案總體上涉及用于切割工具的復合材料。尤其是，本文中公開的實施方案涉及用于切割工具的復合材料的形成方法。
背景技術(shù)：
在歷史上有兩類用于鉆鑿地層的鉆頭刮刀鉆頭和牙輪鉆頭。牙輪鉆頭包括一個或多個以可轉(zhuǎn)動的方式安裝在鉆頭體上的牙輪(roller cone) 0這些牙輪上附有多個切割元件以破碎，鏟鑿和刮出鉆洞底部的巖石。有多種可用于穿透地層鉆鑿井眼的牙輪鉆頭，其中包括鑲齒鉆頭(insert bit)(例如碳化鎢鑲齒鉆頭，TCI)和“銑齒(milled tooth) ”鉆頭。牙輪鉆頭的鉆頭體和牙輪按照慣例是用鋼制成的。在銑齒鉆頭中，切割元件或切割齒是鋼的并且按照慣例是與牙輪形成為一體的。在鑲齒鉆頭或TCI鉆頭中，切割元件或鑲齒按照慣例是由碳化鎢制成的，并且其上可以任選地包括金剛石增強尖端。術(shù)語“刮刀鉆頭”是指沒有活動元件的那些旋轉(zhuǎn)式鉆頭。刮刀鉆頭通常用于鉆鑿各種巖層。刮刀鉆頭包括鉆頭體上附有切割元件或切割器的那些鉆頭，該鉆頭體可以是鋼制鉆頭體或者由基體材料，例如由粘結(jié)材料包裹的碳化鎢，制成的基體鉆頭體。切割器可形成為具有由碳化物，如碳化鎢制成的基底或者支架柱螺栓(support stud)；以及沉積或者經(jīng)由界面表面粘合在基底上的由多晶金剛石材料或多晶氮化硼材料制成的超硬切割表面層或“臺”。多數(shù)切割元件包含碳化鎢基底，一種硬質(zhì)材料，分散有能將碳化鎢顆粒粘結(jié)在一起的粘結(jié)組分，優(yōu)選為鈷。當用于鉆鑿地層時，碳化鎢切割元件與被鉆地層之間的主要接觸在切割元件的外緣。碳化鎢切割元件因為其軟性導致的過度磨損而趨向于報廢。因此，賦予切割元件的所述區(qū)域更好的磨損保護是有益的。與較軟的碳化鎢鑲齒相比，含有金剛石顆粒，如多晶金剛石的外層可以提供這種改良的耐磨性。上述多晶金剛石層典型地包含通過金屬基體結(jié)合在一起的金剛石顆粒，該基體通常由鈷組成。多晶金剛石層與碳化鎢基底的連接可通過釬焊實現(xiàn)。在切割元件的制造過程中，材料典型地在高壓和高溫下接受燒結(jié)。這些制造條件導致不同的材料彼此粘合。由于金剛石層和碳化物之間不同的熱膨脹率，冷卻后在金剛石和基底層上以及二者之間的界面上引發(fā)熱殘余應力。在金剛石和基底層上引發(fā)的殘余應力通常會導致鑲齒在鉆鑿條件下破損，斷裂或分層。為了使這些有害影響最小化，各種現(xiàn)有技術(shù)已包括將多晶金剛石層厚度保持在最??；過渡層(例如多晶立方氮化硼)的應用；粗糙界面的應用等。然而，對應用于鉆鑿或切割用途的復合材料，提高其材料性質(zhì)的需求持續(xù)存在，尤其是在一些旨在降低出現(xiàn)在金剛石/碳化鎢切割元件中的殘余應力的技術(shù)中。發(fā)明概述
一方面，本文中公開的實施方案與一種形成切割元件的方法相關(guān)，該方法包括在壓力高于約100，OOOpsi的第一加工條件下燒結(jié)包含碳化物顆粒、含SP2或可轉(zhuǎn)化為SP2的碳添加劑以及金屬粘結(jié)劑的混合物以形成所公開的燒結(jié)物。另一方面，本文中公開的實施方案與一種形成切割元件的方法相關(guān)，該方法包括在壓力高于約100，OOOpsi的第一加工條件下燒結(jié)包含金剛石顆粒和含SP2的碳添加劑的混合物以形成多晶金剛石層。再一方面，本文中公開的實施方案與一種切割元件相關(guān)，該切割元件包括碳化鎢基底；和多晶金剛石層；其中單個的金剛石顆粒非均勻地分布在切割元件中。再一方面，本文中公開的實施方案與一種切割元件相關(guān)，該切割元件包括碳化鎢基底；和多晶金剛石層，該多晶金剛石層由金剛石顆粒和含Sp2的碳添加劑的混合物形成； 其中含SP2的碳添加劑非均勻地分布在切割元件中。本發(fā)明的其他方面和優(yōu)勢將在后續(xù)的描述和所附權(quán)利要求中顯而易見。附圖
簡述圖IA-H顯示根據(jù)本公開的切割器的各種實施方案。圖2A-D顯示根據(jù)本公開的鑲齒的各種實施方案。圖3是本公開的鑲齒的透視側(cè)面示意圖。圖4是包含若干圖3的鑲齒的牙輪鉆頭的透視側(cè)面圖。圖5是包含若干本公開的鑲齒的沖擊或震擊(hammer)鉆頭的透視側(cè)視圖。圖6是本公開的剪切切割器(shear cutter)的透視側(cè)面示意圖。圖7是包含若干圖6的剪切切割器的刮刀鉆頭的透視側(cè)面圖。發(fā)明詳述本文中公開的實施方案總體上涉及用于切割工具的復合材料及此類復合材料的形成方法。尤其是，本文中公開的實施方案涉及從其中包含碳添加劑的混合物形成切割元件以及對所述混合物進行高壓燒結(jié)。進一步地，本文中公開的實施方案涉及切割元件(及這種切割元件的形成方法)，該切割元件包括碳化鎢基底，設置于該基底上的多晶金剛石層，其中可將碳添加劑與前體材料混合以影響所得產(chǎn)物的材料性質(zhì)。本文中所用“添加劑”是指少量添加于前體切割元件復合材料中，用以改變所形成復合材料性質(zhì)的材料。本文中所用“碳添加劑”是指可添加到前體切割元件復合材料中碳的晶態(tài)和非晶態(tài)同素異形體。碳的晶態(tài)同素異形體包括主要含Sp2雜化的石墨和主要含 SP3雜化的金剛石。碳的非晶態(tài)同素異形體包括無定形碳，無定形碳含SP2和SP3雜化的混合物，并且可能具有一些短程結(jié)晶有序，但沒有長程有序，從而造成其非晶態(tài)。因而，通過對前體材料進行高壓燒結(jié)，碳添加劑中SP3與SP2的比率會得到提升。不過，如果要使用基本是SP3的碳添加劑作為前體材料，則在進行高壓高溫燒結(jié)前，可以采取低壓燒結(jié)以將SP3鍵中的一些至少部分地轉(zhuǎn)化為SP2，這樣在高壓燒結(jié)中會有一些SP2鍵用于轉(zhuǎn)化回SP3。因此，本文中公開的實施方案與在高壓燒結(jié)和復合材料成形過程中提高碳添加劑中sp7sp2雜化的比率(通過將SP2鍵轉(zhuǎn)化為SP3)相關(guān)。碳化鎢層或多晶金剛石層之一或二者內(nèi)可包含此類碳添加劑。本文中所用術(shù)語多晶金剛石及其縮寫“PCD”是指通過讓單個的金剛石晶體經(jīng)受充分的高壓和高溫，以此在相鄰金剛石晶粒間產(chǎn)生晶間結(jié)合而制得的材料。
進一步地，術(shù)語“單個的金剛石顆?！迸c術(shù)語多晶金剛石相區(qū)別，并且是指在碳化鎢基體中形成的內(nèi)嵌式金剛石顆粒(主要含SP3雜化)。此類金剛石顆粒可通過讓SP2雜化碳添加劑經(jīng)受充分的高壓和高溫，從而發(fā)生至少部分SP2雜化向SP3雜化的轉(zhuǎn)化而制得 (即，將非金剛石碳添加劑轉(zhuǎn)化為金剛石)。然而，本文中公開的實施方案也涉及由金剛石顆粒和含Sp2的碳添加劑形成的多晶金剛石層，由此在多晶金剛石層的形成過程中，SP2雜化也可轉(zhuǎn)化為SP3碳，并且與初始提供的金剛石顆粒形成互連結(jié)合，由此得到與其中沒有添加這種含SP2的碳添加劑而形成的多晶金剛石層相比，具有增強結(jié)合的多晶金剛石層。因此，為形成此種復合結(jié)構(gòu)，低壓燒結(jié)以及高溫高壓燒結(jié)兩者都可以使用。特別地，可以對碳化鎢組分進行初始的低壓高溫燒結(jié)處理以形成硬質(zhì)基底(cemented substrate)，隨后采用高壓高溫燒結(jié)方法將POT體與之連接。在高壓高溫燒結(jié)過程中，會發(fā)生從碳添加劑中的SP2雜化向分布于碳化鎢或金剛石基體的SP3雜化轉(zhuǎn)變。在低壓高溫燒結(jié)過程中(比如按照慣例用來形成碳化鎢基底的過程)，至少一部分存在于碳添加劑(可轉(zhuǎn)化為SP2的碳添加劑)中的SP3雜化可轉(zhuǎn)化(石墨化)成sp2，然后該SP2在后續(xù)的高壓燒結(jié)過程中可以轉(zhuǎn)化回sp3。因此，還可以任選包括低壓低溫燒結(jié)以驅(qū)除可能用于組裝前體材料的任何有機蠟。此外，本領(lǐng)域普通技術(shù)人員應該了解，各種其它實施方案中也可以采用傳統(tǒng)的燒結(jié)方法與高壓、高溫方法的任意組合，以及傳統(tǒng)的低壓燒結(jié)方法和高壓、高溫方法的多次循環(huán)。以下表1中顯示了各種傳統(tǒng)的WC燒結(jié)方法以及高壓、高溫方法。表 1.
權(quán)利要求
1.一種用于形成切割元件的方法，所述方法包括在壓力高于約100，OOOpsi的第一加工條件下，燒結(jié)包含碳化物顆粒、含SP2或可轉(zhuǎn)化為Sp2的碳添加劑以及金屬粘結(jié)劑的混合物以形成燒結(jié)物。
2.權(quán)利要求1所述的方法，所述方法還包括在所述第一加工條件前，在壓力低于約45，OOOpsi的第二加工條件下燒結(jié)所述混合物。
3.權(quán)利要求2所述方法，其中所述可轉(zhuǎn)化為Sp2的碳添加劑包含金剛石顆粒。
4.權(quán)利要求1所述的方法，所述方法還包括在所述第一燒結(jié)加工條件中，在所述燒結(jié)物上形成多晶金剛石層。
5.權(quán)利要求4所述的方法，所述方法還包括在所述第一加工條件前，在壓力低于約45，OOOpsi的第二加工條件下燒結(jié)所述混合物以形成燒結(jié)物；和在所述第一加工條件下進行燒結(jié)前，向所述燒結(jié)物中添加金剛石顆粒。
6.權(quán)利要求5所述的方法，其中所述含Sp2或可轉(zhuǎn)化為SP2的碳添加劑包含石墨、金剛石顆粒、無定形碳和它們的組合中的至少一種。
7.權(quán)利要求3所述的方法，其中所述金剛石顆粒具有隨其加入的含Sp2的碳添加劑。
8.權(quán)利要求4所述的方法，在所述第一加工條件下進行燒結(jié)前，將所述混合物和金剛石顆粒集合到兩個相鄰區(qū)域中。
9.權(quán)利要求8所述的方法，其中所述含Sp2或可轉(zhuǎn)化為SP2的碳添加劑包含含SP2的碳添加劑。
10.權(quán)利要求9所述的方法，其中所述含Sp2或可轉(zhuǎn)化為SP2的碳添加劑還包含金剛石顆粒。
11.權(quán)利要求8所述的方法，其中所述金剛石顆粒具有隨其加入的含SP2的碳添加劑。
12.權(quán)利要求8所述的方法，所述方法還包括在所述第一加工條件前，在壓力低于約45，OOOpsi的第二加工條件下燒結(jié)所述集合體。
13.權(quán)利要求12所述的方法，其中所述含Sp2或可轉(zhuǎn)化為SP2的碳添加劑包含石墨、金剛石顆粒、無定形碳和它們的組合中的至少一種。
14.權(quán)利要求12所述的方法，其中所述金剛石顆粒具有隨其加入的含Sp2的碳添加劑。
15.權(quán)利要求1所述方法，所述方法還包括在所述第一加工條件下燒結(jié)的過程中，將預成型的多晶金剛石層附著于所述燒結(jié)物上。
16.權(quán)利要求1所述的方法，其中所述含SP2或可轉(zhuǎn)化為SP2的碳添加劑非均勻地分布在所述混合物中。
17.權(quán)利要求16所述的方法，其中所述非均勻分布是逐漸變化。
18.權(quán)利要求16所述的方法，其中所述非均勻分布是不連續(xù)變化。
19.權(quán)利要求1所述的方法，其中所述含SP2或可轉(zhuǎn)化為SP2的碳添加劑均勻地分布在所述混合物中。
20.一種用于形成切割元件的方法，所述方法包括在壓力高于約100，OOOpsi的第一加工條件下，燒結(jié)包含金剛石顆粒和含SP2的碳添加劑的混合物以形成多晶金剛石層。
21.權(quán)利要求20所述的方法，所述方法還包括 將所述多晶金剛石層接合到碳化物基底上。
22.權(quán)利要求21所述的方法，其中在所述第一加工條件下進行所述燒結(jié)的過程中發(fā)生所述接合，并且其中將所述金剛石顆粒和所述含Sp2的碳添加劑的混合物提供在預成型的碳化物基底上。
23.權(quán)利要求22所述的方法，其中所述預成型的碳化物基底是生坯、部分燒結(jié)的和預燒結(jié)的中的一種。
24.權(quán)利要求21所述的方法，其中在所述第一加工條件下進行所述燒結(jié)的過程中發(fā)生所述接合，并且其中所述金剛石顆粒和含Sp2的碳添加劑的混合物提供在包含碳化鎢顆粒和金屬粘結(jié)劑的混合物上以形成集合體，并且其中所述方法還包括在所述第一加工條件前，在壓力低于約45，OOOpsi的第二加工條件下燒結(jié)所述集合體以形成碳化物基底。
25.權(quán)利要求21所述的方法，其中在所述第一加工條件下進行所述燒結(jié)的過程中發(fā)生所述接合，并且其中所述方法還包括在壓力低于約45，OOOpsi的第二加工條件下燒結(jié)碳化物顆粒和金屬粘結(jié)劑的混合物以形成碳化物基底；和在所述第一加工條件下進行所述燒結(jié)前，將所述金剛石顆粒和含Sp2的碳添加劑的混合物置于所述碳化物基底上。
26.權(quán)利要求20所述的方法，其中所述含Sp2的碳添加劑非均勻地分布在所述混合物中。
27.權(quán)利要求沈所述的方法，其中所述非均勻分布是逐漸變化。
28.權(quán)利要求沈所述的方法，其中所述非均勻分布是不連續(xù)變化。
29.權(quán)利要求20所述的方法，其中所述含Sp2的碳添加劑均勻地分布在所述混合物中。
30.一種切割元件，所述切割元件包含 碳化鎢基底；和多晶金剛石層；其中單個的金剛石顆粒非均勻地分布在所述切割元件中。
31.權(quán)利要求30所述的切割元件，其中所述單個的金剛石顆粒分布在整個碳化鎢基底中。
32.權(quán)利要求30所述的切割元件，其中所述單個的金剛石顆粒非均勻地分布在所述碳化鎢基底中。
33.權(quán)利要求30所述的切割元件，其中所述單個的金剛石顆?？缭剿鎏蓟u基底和所述多晶金剛石層之間的界面分布。
34.權(quán)利要求30所述的切割元件，其中所述多晶金剛石層由包含金剛石顆粒和含Sp2 或可轉(zhuǎn)化為Sp2的碳添加劑的混合物形成。
35.一種切割元件，所述切割元件包含 碳化鎢基底；和多晶金剛石層，所述多晶金剛石層由金剛石顆粒和含Sp2的碳添加劑的混合物形成； 其中所述含SP2的碳添加劑非均勻地分布在所述切割元件中。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種用于形成切割元件的方法，該方法包括在壓力高于約100,000psi的第一加工條件下對包含碳化物顆粒、含sp2或可轉(zhuǎn)化為sp2的碳添加劑以及金屬粘結(jié)劑的混合物進行燒結(jié)以形成燒結(jié)物。還公開了一種用于形成切割元件的方法，該方法包括在壓力高于約100,000psi的第一加工條件下對包含金剛石顆粒和含sp2的碳添加劑的混合物進行燒結(jié)以形成多晶金剛石層，以及用于形成具有非均勻地分布于其中的金剛石顆粒的切割元件的方法。
文檔編號E21B10/50GK102203374SQ200980143518
公開日2011年9月28日 申請日期2009年10月26日 優(yōu)先權(quán)日2008年10月29日
發(fā)明者卡洛·維桑泰內(nèi), 周勇, 夏思科, 邁克爾·斯圖爾特 申請人:史密斯運輸股份有限公司