專(zhuān)利名稱(chēng)：多晶磨料復(fù)合切削工具的制作方法
多晶磨料復(fù)合切削工具
相關(guān)申請(qǐng)本申請(qǐng)要求早期提交的美國(guó)臨時(shí)專(zhuān)利申請(qǐng)第60/762,794號(hào) ——在2006年1月26日提交——的權(quán)益，其被引入本文作為參考。
背景技術(shù)：
聚晶金岡U石復(fù)合片(polycrystalline diamond compact (PDC))，也被稱(chēng)為剪切切削工具，是用于石油鉆井的PDC鉆頭的重要 切削元件。

圖1圖解在鉆井過(guò)程中切削工具如何與巖層相互作用。設(shè) 計(jì)剪切切削工具，并用聚晶金剛石覆蓋在燒結(jié)碳化鎢基材上制造。燒 結(jié)碳化鎢基材給金剛石層提供剛性支撐。在鉆井期間，金剛石層與巖 層直接接觸。金剛石極高的耐磨性導(dǎo)致切削工具和鉆頭優(yōu)良的耐用性， 這在其它材料的情況下是不可能的。然而，鉆井技術(shù)的持續(xù)改良和對(duì) 更高產(chǎn)率增加的需要對(duì)進(jìn)一步改進(jìn)切削工具技術(shù)產(chǎn)生強(qiáng)大需求。剪切 切削工具經(jīng)歷更高的應(yīng)力、更硬的巖石和更具沖擊性的載荷條件。結(jié) 果是，剪切切削工具的典型損壞模式是通過(guò)邊緣破裂(edge chipping)并
最終災(zāi)難性的破損。工業(yè)面臨的挑戰(zhàn)是如何提高鉆頭壽命和耐久性以 便能夠鉆更深及更硬的巖層。非常期望提高聚晶金剛石復(fù)合片剪切切 削工具的抗沖擊性，而不會(huì)損害其磨料耐磨損性。
發(fā)明概述因此，本發(fā)明公開(kāi)了具有功能性設(shè)計(jì)的聚晶金剛石復(fù)合覆 蓋罩(flmctionally designed poly crystalline diamond composite overlay) 的剪切切削工具，該聚晶金剛石復(fù)合覆蓋罩進(jìn)一步提高了剪切切削工 具的性能。本發(fā)明提供多晶磨料復(fù)合切削工具，其包括具有頂層切割 表面和側(cè)面的工具主體。該工具主體可包括多個(gè)多晶磨料層"plurality of poly crystalline abrasive layers)禾卩多個(gè)攔截層(a plurality of arresting layers)。所述多晶磨料層和攔截層在垂直于頂層切割表面的方向和垂
直于側(cè)面的方向可交替貫穿工具主體。在一個(gè)實(shí)施方式中，切割表面 和側(cè)面(一個(gè)或多個(gè))可具有多個(gè)跨過(guò)每一表面的攔截層，以便基本上阻 止穿過(guò)多晶超磨料材料的裂紋傳播。在另一個(gè)實(shí)施方式中，多個(gè)攔截 層的至少一部分可被定向?yàn)榛酒叫杏诠ぞ咧黧w的至少一個(gè)表面。根據(jù)本發(fā)明，制造多晶超磨料復(fù)合切削工具的方法可包括 形成具有工具主體的切削工具母體的步驟，所述工具主體包括頂面和 側(cè)面。切削工具母體可包括多個(gè)磨料母體層和多個(gè)攔截層，其被配置 使得所述多晶磨料層和攔截層在垂直于頂層切割表面的方向和垂直于 側(cè)面的方向可交替貫穿工具主體。該方法可進(jìn)一步包括在足以形成具 有攔截層和多晶主要層的多晶磨料復(fù)合切削工具的壓力和溫度條件下 在處理切削工具母體。在一個(gè)實(shí)施方式中，形成切削工具母體的步驟可包括形成
交替的磨料母體層和攔截層的基本平面狀層壓板組件。該磨料母體層 可包括第一主要微粒磨料，并且攔截層可包括第二微粒材料。因此已 經(jīng)相當(dāng)廣泛地概括了本發(fā)明更重要的特征，因此下面其詳細(xì)的描述可 被更好地理解，以及因此本發(fā)明對(duì)于本領(lǐng)域的貢獻(xiàn)可被更好地認(rèn)識(shí)。 根據(jù)下列面的本發(fā)明的詳細(xì)描述連同附圖和權(quán)利要求，本發(fā)明的其它 特征將變得更清楚，或者可通過(guò)本發(fā)明的實(shí)踐了解。
附圖簡(jiǎn)述圖1示出典型PDC切削工具當(dāng)通過(guò)剪切切割巖層時(shí)的側(cè)視圖。圖2示出根據(jù)本發(fā)明一個(gè)實(shí)施方式的切割表面的層結(jié)構(gòu)的 截面圖。圖3示出根據(jù)本發(fā)明一個(gè)實(shí)施方式的切割表面的層結(jié)構(gòu)的 截面圖。圖4示出可被用于本發(fā)明一個(gè)實(shí)施方式的基材的截面圖。
圖5圖解根據(jù)本發(fā)明一個(gè)實(shí)施方式在處理過(guò)程中層壓材料 的透視圖。圖6圖解根據(jù)本發(fā)明一個(gè)實(shí)施方式的工作環(huán)(working ring) 的截面透視圖。圖7圖解根據(jù)一個(gè)實(shí)施方式的工作環(huán)的截面透視圖。圖8圖解具有根據(jù)本發(fā)明一個(gè)方面的層壓材料的沖壓機(jī)的 截面透視圖。進(jìn)一步結(jié)合下面的詳細(xì)描述來(lái)描述附圖。此外，這些附圖 不必按比例繪制，并僅僅作為說(shuō)明，因此尺寸和幾何形狀可從圖解的 那些變化。
詳細(xì)描述在將本發(fā)明公開(kāi)和描述之前，應(yīng)該理解本發(fā)明不限定于本 文公開(kāi)的具體結(jié)構(gòu)、處理步驟或材料，而是延伸到其等價(jià)物，這將是 相關(guān)技術(shù)領(lǐng)域中的普通技術(shù)人員公認(rèn)的。也應(yīng)該理解本文使用的術(shù)語(yǔ) 僅僅用作描述具體實(shí)施方式
的目的，而不意圖進(jìn)行限定。必須注意，如在本說(shuō)明書(shū)和所附的權(quán)利要求書(shū)中使用的， 單數(shù)形式"一 ("a"、 "an"和"the")"包括復(fù)數(shù)指示物，除非上下文另外 明確指示。因此，例如對(duì)"切削工具(cutter)"的指代包括一個(gè)或多 此類(lèi)切削工具，對(duì)"層(layer)"的指代包括對(duì)一種或多種此類(lèi)特征 的指代，對(duì)"加熱(heating)"的指代包括對(duì)一個(gè)或多個(gè)這類(lèi)步驟的 指代。
定義在描述和要求保護(hù)本發(fā)明時(shí)，根據(jù)下面闡述的定義使用下 面的術(shù)語(yǔ)。如本文使用的"磨料(abrasive)"指具有足夠硬度以從加 工件摩擦物質(zhì)或其它方式從加工件除去物質(zhì)的任何材料。典型的磨料 可包括難熔金屬如W、 Mo、 Nb、 Ti、 Ta和其混合物或合金的難熔金 屬碳化物；超級(jí)磨料；氧化鋁、二氧化鈦、藍(lán)寶石、二氧化硅、金屬 陶瓷、硼化物、氮化物、碳氮化物等。如本文使用的"超級(jí)磨料(superabrasive)"指具有異常高 硬度的研磨材料，如金剛石、類(lèi)金剛石材料和立方氮化硼。如本文使用的"交替(alternating)"指至少一些層與相鄰 的層不同。例如， 一般交替層包括連續(xù)交替，例如超磨料材料、攔截
層、超磨料材料、攔截層等。然而，其它交替排列可包括不規(guī)則或隨 機(jī)排列或偶然重復(fù)的層。如本文使用的"攔截(arresting)"指材料的性能和/或作 用，借此，在材料的一個(gè)區(qū)域內(nèi)的裂紋或其它破壞性或損壞性事件被 停止、減慢、減少和/或隔離。如本文使用的"連續(xù)(continuous)"指單一的不中斷的長(zhǎng) 度。例如，如在從一個(gè)表面延伸到另一個(gè)表面的連續(xù)層情況下使用的， 一個(gè)層將在一個(gè)表面的一部分具有末端。然后，同一層連續(xù)進(jìn)入工具 主體，并且相反的末端將到達(dá)另一個(gè)表面。如本文使用的"裂紋(cracks)"指材料的區(qū)域，其中材料 本身顯示破壞或損壞發(fā)生。典型地，裂紋在材料內(nèi)發(fā)生，其中材料通 常在表面附近發(fā)生較大分離的位置分裂。在多晶材料中的裂紋通常沿 晶間晶粒邊界傳播；然而，裂紋可周期性穿過(guò)單晶晶粒。攔截層的存 在行使中斷裂紋傳播以及隔離裂紋與單個(gè)PCD層的作用，因此，最小
化對(duì)切削工具的損傷。如本文使用的"切削工具(cutter)"通常指任何磨料工具 設(shè)計(jì)，其可被用于從加工件除去物質(zhì)。切削工具的非限定性實(shí)例可包 括剪切切削工具、牙輪插入物(roller-cone inserts)、鉆頭片段、插入物、 機(jī)械加工插入物(machining inserts)等。如本文使用的"側(cè)面(flank surface)"指具有距離工具主 體的中心軸或其附近的頂面法向向量至少45。的法向向量的表面。該側(cè) 面一般經(jīng)歷比切削工具的頂面更高程度的滑動(dòng)摩擦切割作用，所述頂 面傾向于經(jīng)歷沖擊或剪切切削力。如本文使用的"頂面(top surface)"指位于工具主體上的 工作表面的一部分，其面對(duì)正常使用過(guò)程中的移動(dòng)方向。例如，盡管 典型的剪切切削工具具有平面頂面，但是頂面通常在相對(duì)于加工件的 取向上有偏斜角。盡管頂面可以是有起伏的，但是頂面一般被定義為 與切削工具/基材的背側(cè)相對(duì)的那個(gè)部分，并且其方向通常在工具主體 的中心軸周?chē)Ｈ绫疚氖褂玫?硬度(hardness)"是對(duì)缺口或表面磨損 引起的變形的抗性的量度。如本文使用的"韌度(toughness)"是當(dāng)材料破裂時(shí)其吸 收的能量量度，例如在拉伸應(yīng)力-應(yīng)變曲線下的總面積。在均勻磨料材 料的許多情況下，硬度和韌度負(fù)相關(guān)，即當(dāng)硬度增加時(shí)，韌度減小。 本發(fā)明通?？紤]增加韌度，而沒(méi)有明顯損失硬度。如本文使用的"多(multiple)"指表示超過(guò)1的數(shù)字，在 理論上不限定上限，但是通常在實(shí)際應(yīng)用中對(duì)上限限定。如本文使用的"基本上(substantial)"，當(dāng)關(guān)于攔截裂紋 傳播使用時(shí)，指足夠減弱、減慢、停止或阻止裂紋傳播的方向。當(dāng)其 關(guān)于特定方向使用時(shí)，例如"基本上垂直"，如此表示的角度是近似 的、接近或大約90度，或者使得可得到相同或相等期望的作用。當(dāng)其 關(guān)于具體幾何形狀使用時(shí)，"基本上"指在效果相似、相等的形狀， 或由該具體形狀的相似方面組成的形狀。例如，當(dāng)提到立方體時(shí)，盒 狀形狀(boxed shape)——其中該盒的面是菱形狀，因?yàn)樗鼈儾缓?直角一一仍將作為基本上立方形被包括在內(nèi)。此外，"基本上所有" 或類(lèi)似術(shù)語(yǔ)是指足夠提供材料或特性意欲提供的作用的量?？稍试S的 偏差精確程度在一些情況下可取決于具體的上下文。相似地，"基本 上不含"或類(lèi)似術(shù)語(yǔ)是指在組成中缺乏確認(rèn)的元素或物質(zhì)。特別地， 確認(rèn)為"基本上不含的"的元素或者是在組成中完全不存在的，或者 僅僅以足夠小以便對(duì)組成沒(méi)有可測(cè)量的影響的量被包括。如本文使用的多個(gè)項(xiàng)目、結(jié)構(gòu)元件、組成元件和/或材料出 于方便可被呈現(xiàn)在共同的列表中。然而，這些列表應(yīng)該被理解為如同 列表的每一成員被單獨(dú)確認(rèn)為獨(dú)立的和唯一的成員。例如，鎢和鉬都 是有用的難熔金屬。然而，鎢是更強(qiáng)的碳化物模型，因此對(duì)于具體應(yīng) 用，或多或少可被優(yōu)選。因此，在沒(méi)有相反表示的情況下，僅僅基于 它們呈現(xiàn)在共同組，這類(lèi)列表中沒(méi)有一個(gè)單獨(dú)成員應(yīng)該不被理解為同 一列表上任何其它成員的實(shí)際上的等價(jià)物。如本文使用的"大約(about)"是指通常對(duì)于確認(rèn)的具體 性能，基于實(shí)驗(yàn)誤差的偏差程度。術(shù)語(yǔ)"大約"所提供的范圍將依賴(lài) 于具體上下文和特定性能，并且能夠容易地被本領(lǐng)域普通技術(shù)人員理 解。術(shù)語(yǔ)"大約"不擬延伸或限制等價(jià)物的程度，其可另外被賦予特
定值。此外，除非另有說(shuō)明，術(shù)語(yǔ)"大約"將清楚地包括與下面關(guān)于
范圍和數(shù)值數(shù)據(jù)的討論"精確地(exactly)" —致。濃度、數(shù)量和其它數(shù)值數(shù)據(jù)在本文可以以范圍的形式表達(dá) 或提供。應(yīng)當(dāng)理解應(yīng)用這樣的范圍形式僅僅為了方便和簡(jiǎn)短，因此其 應(yīng)該被靈活地解釋為不但包括被清楚敘述作為范圍限定的數(shù)值，而且 包括在該范圍內(nèi)包括的所有單獨(dú)的數(shù)值和亞范圍，如同每一數(shù)值和亞 范圍被明確敘述。作為實(shí)例，"大約1微米到大約5微米"的數(shù)值范 圍應(yīng)該被解釋為不但包括明確敘述的大約1微米到大約5微米的值， 而且包括該所示范圍內(nèi)單獨(dú)的值和亞范圍。因此，包括在該數(shù)值范圍 內(nèi)的為單獨(dú)的值如2、 3和4以及亞范圍如從1到3、從2到4和從3 到5等。該相同的原理適用僅敘述一個(gè)數(shù)值的范圍。而且，這樣的 解釋?xiě)?yīng)該適用，而不管描述的范圍或特性的寬度如何。
本發(fā)明根據(jù)本發(fā)明，本文描述了相比于傳統(tǒng)聚晶金剛石 (polycrystalline diamond (PCD))材料或傳統(tǒng)聚晶金剛石復(fù)合片 (polycrystalline diamond compact (PDC))剪切切削工具設(shè)計(jì)，具有良好抗 剝落性(chipping resistance)的復(fù)合設(shè)計(jì)。在本公開(kāi)提出的復(fù)合及剪切 切削工具設(shè)計(jì)可具有精細(xì)控制的抗剝落性。超磨料復(fù)合切削工具和剪 切切削工具設(shè)計(jì)的應(yīng)用可改善切削工具的耐久性并提高效率。此外， 應(yīng)用本發(fā)明——特別在商業(yè)鉆井作業(yè)中，可減少這些作業(yè)的總成本。為了便于解釋?zhuān)缦旅枋龅谋景l(fā)明中的超磨料材料通常被 稱(chēng)為PCD，其為優(yōu)選的材料，但是不應(yīng)該認(rèn)為是對(duì)全部發(fā)明的限制。 具體而言，任何磨料材料可被用在主要層(primary layer)中，只要主 要層由磨料材料形成，并且以如本文所述的交替層結(jié)構(gòu)排列。同樣地， WC—Co通常被稱(chēng)為用于攔截層的磨料材料，但是不應(yīng)該認(rèn)為是對(duì)可 被用于攔截層的材料的限制。此外，該解釋通常是指應(yīng)用多晶超磨料 復(fù)合切削工具以連接到切割基材而產(chǎn)生超磨料切割工具，更具體而言， 其被配置為剪切切削工具。此外，這不應(yīng)當(dāng)被認(rèn)為是對(duì)本發(fā)明的限制， 而相當(dāng)容易解釋為多晶超磨料復(fù)合切削工具可與另外的工具和應(yīng)用聯(lián) 合使用。可從本發(fā)明應(yīng)用獲益的工具的非限定性實(shí)例可包括鉆頭切削
工具、成形鉆頭側(cè)面部分(contoured drill flank segment)、鉆頭末端-磨銑端(mill tips)、車(chē)刀和刨刀、銑具和磨具、拋光工具、修整工具 (dressing tools)、拉絲模、機(jī)械加工工具(machining tools)等。如在圖1中闡述的，普通PCD復(fù)合片剪切切削工具具有主 體10，其通常由碳化鎢構(gòu)成。該主體通常為具有用PCD 20的磨料層 覆蓋的平頂?shù)膱A柱。在該圓柱形中，PCD切削工具具有頂面30和側(cè)面 40。在通常應(yīng)用中，這類(lèi)PCD切削工具繞連接到PCD切削工具上的 鉆頭主體的鉆頭主體旋轉(zhuǎn)軸進(jìn)行旋轉(zhuǎn)，并且以通常向前的方向(向左， 如目前所圖解的)移動(dòng)。如可以看到，切削工具可具有加工表面的外層 環(huán)，所述加工表面包括最靠近頂面的側(cè)面區(qū)域和最靠近側(cè)面的頂面的 外部部分。對(duì)于圓柱形切削工具，加工表面可類(lèi)似于厚墊圈(thick washer)。如先前討論的，PCD和類(lèi)似切削工具被置于不同的工作條 件，并且可經(jīng)歷磨料材料的裂紋和其它損傷。由于材料如PCD的低韌 度，裂紋容易傳播。因此，小的裂紋很快損傷整個(gè)切削工具。為了阻 止這類(lèi)裂紋傳播，本發(fā)明提出具有含頂層切割表面和側(cè)面的工具主體 的多晶磨料復(fù)合切削工具。該工具主體可包括多個(gè)多晶磨料層和多個(gè) 攔截層，使得這些層在垂直于頂層切割表面的方向和垂直于側(cè)面的方 向可交替貫穿工具主體。通過(guò)引入攔截層，切削工具能在裂紋傳播通 過(guò)整個(gè)切割材料之前使其抑制。因此，切削工具可經(jīng)歷碎裂或裂紋， 而不會(huì)危及整個(gè)切削工具。在本發(fā)明中，在切削工具切割邊緣以及切 削工具切割邊緣附近的PCD組成在功能上被設(shè)計(jì)為提供更高的韌度和 抗沖擊性，而沒(méi)有包括針對(duì)每一具體應(yīng)用的標(biāo)準(zhǔn)單片PCD材料的耐磨 性。垂直于頂層切割表面和垂直于側(cè)面的這些層可考慮多種總 體結(jié)構(gòu)?？稍谘刂鴤?cè)面和表面的長(zhǎng)度或面積的不同位置處進(jìn)行測(cè)量。 然而，應(yīng)該注意，這些層可交替貫穿垂直于頂層切割表面的方向和垂 直于側(cè)面的方向。垂直于表面的這些線不必垂直于所述層。在一方面， 垂直于頂層切割表面的方向靠近頂層切割表面邊界。在可選的方面， 垂直于頂層切割表面的方向可以靠近頂層切割表面的中心或中部。在
圓柱形切削工具的情況下，第一實(shí)施方式，如靠近外徑和平行于側(cè)面 平面所觀察。然而，第二實(shí)施方式為與圓柱軸同心的線。此外，本文 中的任何變化被本發(fā)明包括(例如，垂直于頂面的線和在從頂層切割表 面的外周而不在中心的距離)。同樣地，垂直于側(cè)面的方向可在沿側(cè)面 的任何位置選取。這類(lèi)位置可恰好在頂層切削工具表面下，或者可遠(yuǎn) 離頂層切削工具表面。側(cè)面和頂面可以是不一致的，在許多實(shí)施方式 中，側(cè)面和頂面可基本上彼此垂直。在一個(gè)實(shí)施方式中，攔截層和多 晶磨料層可分布在工具主體內(nèi)，以便多個(gè)攔截層終止在頂層切割表面 和側(cè)面的每一個(gè)上。這類(lèi)結(jié)構(gòu)在圖2中圖解。如可以看到，頂層切割
表面32和側(cè)面42都具有暴露在每一表面上的終止多晶磨料層50和終 止攔截層60。應(yīng)該注意圖解的實(shí)施方式示出具體的結(jié)構(gòu)，其中具有交 替層的切割表面是環(huán)狀的，即淺的中空?qǐng)A柱體。此外，在所示的實(shí)施 方式中，交替層每一個(gè)單獨(dú)地延伸以與頂部邊緣和側(cè)邊緣都接觸。所 圖解的實(shí)施方式的另一個(gè)特征是每一攔截層在各自層的至少一部分內(nèi) 被定向?yàn)榛旧洗怪庇陧攲忧懈畋砻婧蛡?cè)面。因此，其它實(shí)施方式可 包括具有不總是垂直的各種輪廓的交替層。例如，彎曲的、波狀的或 其它輪廓可用于在具體工具的應(yīng)用。在另一個(gè)實(shí)施方式中，攔截層可 定向?yàn)榛旧洗怪庇陧攲忧懈畋砻婊騻?cè)面，但不會(huì)同時(shí)垂直于兩者。此外，在本發(fā)明的另一個(gè)方面，攔截層可以是不連續(xù)的， 因此在垂直于頂面方向上交替的一層或多層攔截層與在垂直于側(cè)面方 向上交替的攔截層是不同的。盡管沒(méi)有闡明，在一個(gè)實(shí)施方式中一一 其中攔截層終止在頂層切割表面和側(cè)面的表面上，所述層在從側(cè)面到 頂層切割表面是不連續(xù)的。在該實(shí)施方式，主要多晶材料和攔截層的 交替層可以各沿頂層切割表面和側(cè)面被定向。在該設(shè)計(jì)的一個(gè)變化中， 攔截層中另外的破裂可沿圓柱形工具的外周提供，例如如攔截層沿頂 面徑向向外延伸。結(jié)果是，裂紋傳播可沿切割表面的周?chē)约皬较虻?到抑制。沿周?chē)倪B續(xù)性也不必是完整的圓(360。)。然而，切割邊緣可 優(yōu)選基本連續(xù)的，例如，至少l/32的圓，優(yōu)選1/8的圓(45°)或更大。在另一結(jié)構(gòu)中，至少部分?jǐn)r截層可定向?yàn)榛旧吓c工具主 體的至少一個(gè)表面平行。在進(jìn)一步的實(shí)施方式中，攔截層可定向?yàn)榛?本上平行于頂層切割表面和側(cè)面兩者。具有平行于頂面34和側(cè)面44
切割表面的攔截層的一個(gè)可選的實(shí)施方式在圖3中闡述。如前面的圖，
多晶磨料層52和攔截層62交替穿過(guò)工具主體。圖3的工具主體是墊 圈的形式，即環(huán)狀的。在該實(shí)施方式中，當(dāng)裂紋在多晶磨料層中出現(xiàn) 時(shí)，裂紋可貫穿并沿單一外層頂層切割表面和/或側(cè)面延伸?？蓸?gòu)造所 述層，使得攔截層能夠阻止裂紋向內(nèi)傳播以及阻止裂紋損壞另外的多 晶磨料材料層。在使用期間，材料的最外層可磨掉，并且薄的攔截層 將可能磨損，因此提供新的磨快的切割表面。在一些實(shí)施方式中，將超磨料切削工具連接到基材可以是 有益的。對(duì)于一些設(shè)計(jì)，這可以是直接的和平面的連接。在其它設(shè)計(jì) 例如在圖2和3中，圓形墊圈形狀可被連接到圖4所示形式的基材。 該基材可具有頂層部分70和底層部分80，其中頂層部分比底層部分具 有更小的直徑。在一個(gè)實(shí)施方式中，構(gòu)成基材的材料可以是均相的一 一例如頂層和底層部分是相同的材料，或者它們可以是多相的。在一 個(gè)具體實(shí)施方式
中，基材可包括或基本上由WC-Co組成。其它適合的 基材材料可包括但不限于Ti、 W、 Mo、 V、過(guò)渡金屬(Fe、 Ni、 Co)以 及它們的合金、碳化物或復(fù)合材料?？稍O(shè)定基材頂層部分的高度和直 徑，以便在設(shè)計(jì)為接觸或工作表面的工具的區(qū)域中，更有效地應(yīng)用多 晶磨料材料和相應(yīng)的攔截層。在層的排列之外，超磨料復(fù)合切削工具的總體形狀可以根 據(jù)預(yù)期的用途而變化。在一個(gè)實(shí)施方式中，切削工具可以基本上是圓 柱體，并且側(cè)面可對(duì)應(yīng)于圓柱體的圓周壁。在另一結(jié)構(gòu)中，超磨料復(fù) 合切削工具可以是立方體形的。本文公開(kāi)類(lèi)型的復(fù)合切削工具可進(jìn)一 步包括基材，其在切割表面的相對(duì)面被連接而形成磨料切割工具。此 外，這類(lèi)磨料切割工具可被構(gòu)造用作挖掘工具(drag-tool)，或者更特別
地作為剪切切削工具。在一個(gè)實(shí)施方式中，攔截層可比接觸多晶磨料層具有更高 的韌度和更低的硬度。在一方面，每一攔截層可具有比各自的接觸多 晶磨料層高大約10%至大約400%的斷裂韌度。在另一方面，攔截層可 具有比接觸多晶磨料層低大約5%至大約50%的硬度。耐磨性和抗沖擊 性是PCD材料和切削工具的兩個(gè)重要特性。對(duì)于幾乎所有材料而言， 耐磨性越高，韌度越低，這是共同的。這是一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的權(quán)衡過(guò)程工
程師通常不得不使材料選擇與具體應(yīng)用相匹配。盡管該方法對(duì)于許多 情況是有效的，但是有效組合可能變得沒(méi)有用處，然后，不得不進(jìn)行 突破以創(chuàng)建新的標(biāo)準(zhǔn)水平。對(duì)于PDC剪切切削工具，良好的耐磨性依賴(lài)于聚晶金剛石。 PCD層的抗沖擊性可依賴(lài)于PCD材料的組成和切削工具的幾何設(shè)計(jì)。 切削工具的設(shè)計(jì)方面可包括(a)切削工具的總體幾何學(xué)和尺寸，(b) PCD層厚度，和(c)PCD層與WC-Co基材的界面幾何學(xué)，其基于熱應(yīng) 力控制分析?？紤]厚度和界面幾何學(xué)的現(xiàn)有技術(shù)階段的設(shè)計(jì)基于宏觀機(jī) 械應(yīng)力分析。本發(fā)明通過(guò)特別是在切割邊緣或加工面附近使用具有功 能性設(shè)計(jì)的中等和/或微結(jié)構(gòu)的PCD/WC-Co復(fù)合材料來(lái)提高切削工具 的性能。復(fù)合材料被設(shè)計(jì)為具有減輕裂紋傳播和最小化破裂的能力， 因此提高剪切切削工具的總體耐久性。在傳統(tǒng)的剪切切削工具中，切割層由單片PCD制成，例如 圖1。切割層的總厚度的范圍為0.5到10mm，盡管其它厚度也是有用 的。根據(jù)本發(fā)明，切割層可由層壓板制成，所述層壓板具有由多個(gè)PCD 和PCD/WC-Co材料的交替層構(gòu)成的功能性設(shè)計(jì)的微型結(jié)構(gòu)。換句話 說(shuō)，傳統(tǒng)剪切切削工具的PCD層可用含另一種材料如PCD/WC-Co復(fù) 合材料的PCD層壓板替代，其比單片PCD更堅(jiān)韌?？梢砸赃@樣的方 式構(gòu)建層壓板，使得由于多層結(jié)構(gòu)，切割邊緣具有良好抗剝落性，這 是因?yàn)楫?dāng)裂紋在表面發(fā)生時(shí)，這種裂紋的傳播將通過(guò)兩片單片PCD層 中間的更堅(jiān)韌的層被中斷、減輕或抑制。因?yàn)榱鸭y能沿側(cè)面和頂面?zhèn)?播，所以層壓板可以以如此方式構(gòu)建層在兩個(gè)方向上交替，使得裂 紋傳播可被抑制。切削工具每一交替層的厚度可以定制設(shè)計(jì)(例如在1微米和 1毫米之間)，以便一層的裂紋和剝落不會(huì)明顯降低切削工具的功能， 切削工具可有效地繼續(xù)切削作業(yè)，即使失去一層或者甚至多層交替層。 切削工具的退化將通過(guò)連續(xù)的相繼的裂紋發(fā)生和剝落產(chǎn)生。每一層的 破損需要裂紋發(fā)生和傳播。直到大多數(shù)或所有層剝落掉，切削工具才 達(dá)到完全破損，這取決于切削工具設(shè)計(jì)。切削工具的此種受控的裂紋 發(fā)生和剝落過(guò)程優(yōu)于傳統(tǒng)切削工具，在傳統(tǒng)切削工具中一旦裂紋發(fā)生，
裂紋傳播將可能引起整個(gè)切割邊緣大的剝落或?yàn)?zāi)難性的破損，并且終 止切削工具有用的切割能力。在應(yīng)用過(guò)程中，該漸進(jìn)的裂紋抑制也可 作為自磨快機(jī)制起作用，通過(guò)該機(jī)制可暴露更新的基本上未損害的加 工面。各種參數(shù)如多晶磨料層和攔截層的數(shù)量、大小和排列可極 大影響磨料工具的性能。在一個(gè)實(shí)施方式中，切削工具可具有大約4 至大約100個(gè)攔截層。在進(jìn)一步的實(shí)施方式中，切削工具可具有大約 20至大約IOO個(gè)攔截層。同樣地，在一個(gè)實(shí)施方式中，切削工具可具 有大約5至大約100個(gè)，優(yōu)選12至100個(gè)，以及最優(yōu)選大約20至大 約IOO個(gè)多晶磨料層。每一攔截層和/或多晶磨料層可包括具有相同或 不同組成的亞層(sub-layers)。例如，多個(gè)攔截層中的至少一層可包括多 個(gè)亞層，例如，三個(gè)亞層。同樣地，多晶磨料層可包括亞層。這些亞 層或交替層也可以是不同或分級(jí)組成的形式。例如，相鄰亞層可包括 與其臨近層不同數(shù)量的難熔金屬和/或超磨料。因此，在亞層內(nèi)或穿過(guò) 多數(shù)個(gè)層攔截層，攔截層和/或亞層的組成可以被改變以適應(yīng)最終工具 的切割性能。作為非限制性的闡述，環(huán)狀復(fù)合材料的外部攔截層可包 括更大量的超磨料，而在使用過(guò)程中開(kāi)始暴露的內(nèi)部攔截層可包括更 高的碳化物/金屬合金含量。攔截層(和/或多晶層)組成的這種變化可促 進(jìn)對(duì)抗沖擊性和耐久性的仔細(xì)控制，同時(shí)隨著工具磨損考慮改變的工 具行為。攔截層和切削工具幾何學(xué)的具體尺寸可根據(jù)意圖應(yīng)用而顯 著地變化。特別注意的是攔截層和多晶層的相對(duì)薄的尺寸。具體而言， 攔截層和多晶層的每一個(gè)典型地在微米范圍，即lmm以下，并且最為 常見(jiàn)的，對(duì)于攔截層而言在大約100pm以下，而對(duì)于多晶層而言在大 約500 pni以下。在本發(fā)明的一個(gè)方面中，多晶超磨料復(fù)合切削工具可 含有具有大約1 iim至大約100pm厚度的攔截層。在進(jìn)一步的變化中， 攔截層可具有大約1 pm至大約50 pm的厚度。在又進(jìn)一步的實(shí)施方式 中，攔截層可具有大約20 pm至大約40 pm的厚度。本發(fā)明進(jìn)一步的 變化包括具有攔截層的多晶超磨料復(fù)合切削工具，所述攔截層彼此分 離大約1 pm至大約1000 pm范圍的距離。同樣地，在一個(gè)實(shí)施方式中， 多晶磨料層可具有大約1 pm至大約1000 pm的厚度。在進(jìn)一步的實(shí)施
方式中，多晶磨料層可具有大約10 pm至大約500 pim的厚度。在又進(jìn) 一步的實(shí)施方式中，多晶磨料層可具有大約150 lam至大約300 Kim的 厚度。在排列工具主體層的進(jìn)一步考慮的是攔截層厚度與多晶磨料層 厚度的比率。在一個(gè)實(shí)施方式中，攔截層厚度與多晶磨料層厚度的比 率為大約1:4至大約1:75。在進(jìn)一步的實(shí)施方式中，該比率可從大約 1:5至大約1:50。仍在另一個(gè)實(shí)施方式中，該比率范圍可為大約1:5至 大約1:20，其中一個(gè)具體實(shí)施方式
具有大約1:10的比率。可調(diào)節(jié)攔截 層的數(shù)量、間隔和尺寸以達(dá)到預(yù)期的性能，其平衡了硬度、耐磨性和 使用壽命。也可基于具體的應(yīng)用改變期望的結(jié)構(gòu)，例如，強(qiáng)切割應(yīng)用 通常需要更厚的PCD層或者需要攔截層之間距離更大。相對(duì)薄的交替 層的結(jié)構(gòu)是層壓材料。對(duì)用于攔截層和磨料層中的材料的選擇可極大影響切割工 具的性能。在本發(fā)明的一個(gè)方面中，磨料層可包括多晶超磨料材料， 例如聚晶金剛石(polycrystalline diamond (PCD))或多晶立方氮化硼 (polycrystalline cubic boron nitride (PCBN))。在一方面，使用大約40/50 或更小篩孔的微米級(jí)金剛石典型地可形成PCD和/或PCBN，以便提供 堅(jiān)硬和高質(zhì)量的多晶材料。在另一個(gè)選擇中，多晶超磨料層可進(jìn)一步 包括可高達(dá)大約50 vol。/。的難熔金屬碳化物或其它添加劑。這些添加劑 可用于考慮進(jìn)一步提高用于特定應(yīng)用的設(shè)計(jì)硬度、韌度、耐久性和性 能方面的可變性。用于磨料層的適合的原材料的非限定性實(shí)例可包括 金剛石、六方氮化硼、碳化鎢、難熔金屬碳化物和其組合。因此，在 一些實(shí)施方式中，主磨料層可包括非超磨料的磨料或基本上由非超磨 料的磨料組成。此外，非超磨料可通常包括50%以上的磨料層。在此 類(lèi)實(shí)施方式中，欄截層可包括具有不同等級(jí)的另一磨料層，如本文所 述，例如磨料與一種或多種諸如下面描述的那些金屬或金屬合金的混 合物。這些非超磨料的磨料工具在諸如但不限于金屬機(jī)械加工、采礦、 建筑和木工行業(yè)的應(yīng)用中非常有用。同樣地，在本發(fā)明的進(jìn)一步方面，攔截層可包括磨料材料。 該磨料材料比超磨料材料可具有更高的韌度和更低的硬度。 一般而言， 攔截層可包括這樣的材料或基本上由這樣的材料組成，所述材料例如 但不限于難熔金屬如W、 Mo、 Ti、 V、 Cr、難熔金屬碳化物、難熔金
屬氮化物、超磨料、金屬合金和其組合或復(fù)合材料。更具體而言，攔 截層可包括難熔金屬碳化物和多晶超磨料?？蛇x地，攔截層可基本上 由難熔金屬碳化物組成。在進(jìn)一步的實(shí)施方式中，攔截層可基本上由 難熔金屬碳化物和任選的金屬組成。在又一個(gè)選擇中，攔截層可基本 上由多晶超磨料組成。在該具體情況中，通過(guò)提供更大微粒原材料和/ 或通過(guò)在形成過(guò)程中加入或多或少的燒結(jié)助劑——其可影響形成的燒 結(jié)多晶物質(zhì)的質(zhì)量和強(qiáng)度，可使攔截層具有比主要層更低的硬度?？?br> 選地，可包括減小攔截層硬度的少量的碳化物形成物(carbide former) 或其它雜質(zhì)。通過(guò)幾個(gè)實(shí)例可更好地理解層和總體工具主體結(jié)構(gòu)的關(guān) 系。盡管厚度和結(jié)構(gòu)可以變化，但是下面的討論提供了用于典型應(yīng)用 的示例性指導(dǎo)。具有功能性設(shè)計(jì)的微型結(jié)構(gòu)的整體切割邊緣或?qū)拥暮?度為大約1 mm至大約10 mm。每一獨(dú)立單片PCD層的厚度的范圍可 從大約1微米至大約1000微米。該層被稱(chēng)為可具有優(yōu)秀耐磨性的主要 PCD組成。單片主要PCD層之間的每一單獨(dú)層的厚度可以在大約1微 米至大約100微米之間，盡管其它尺寸可以是適當(dāng)?shù)摹Ｏ鄬?duì)于單片主 要PCD層，(主要)PCD層的夾層可包括具有更低硬度和更高韌度的材 料，或者其基本上由具有更低硬度和更高韌度的材料構(gòu)成。例如，PCD 層夾層可由PCD和碳化鎢及Co (WC-Co)的復(fù)合材料組成?？蛇x地，(主 要)PCD層的夾層材料可由100。/。WC-Co構(gòu)成。在又另一個(gè)選擇中，夾 層可由100。/。的另一等級(jí)的PCD構(gòu)成，所述另一等級(jí)的PCD與第一主 要PCD層相比，具有更低的硬度但更高的韌度。根據(jù)本發(fā)明的切削工具也可由頂面層和層壓板組成，所述 頂面層由100%的主要PCD組成構(gòu)成，并且在一些實(shí)施方式中，所述 層壓板也可以是表面下材料。在一方面，該頂面PCD層的厚度可以在 1.0mm以下。通過(guò)功能性設(shè)計(jì)微型結(jié)構(gòu)，本發(fā)明改進(jìn)了剪切切削工具的 抗沖擊性。主要PCD組成成分(the primary PCD composition)確保切 削工具具有良好的耐磨損性，如同相等標(biāo)準(zhǔn)的剪切切削工具。(主 要)PCD層內(nèi)可被設(shè)計(jì)為吸收沖擊能量，并且中斷和抑制裂紋傳播。盡 管夾層材料(the inter-layer material)比主要層材料具有更低的耐磨性，
但是其也具有足夠的耐磨性以在鉆井期間使夾層穩(wěn)定的逐步磨損并暴 露下一主要層。對(duì)于暴露的下一切割邊緣，該過(guò)程具有自磨快作用。在設(shè)計(jì)工具主體和切削工具方面， 一些重要的考慮因素可 包括大量因素，例如材料的相對(duì)硬度和韌度、層的尺寸、切割表面以 及層之間的總體切削工具和界面設(shè)計(jì)。具體而言，主要層材料典型可 具有與傳統(tǒng)剪切切削工具相等或著比傳統(tǒng)剪切切削工具更好的耐磨 性。夾層材料可具有比主要層更高的韌度，并且同時(shí)具有比燒結(jié)碳化 鎢材料如基材更高的耐磨性。主要層的厚度可根據(jù)具體應(yīng)用而變化。本發(fā)明的磨料復(fù)合切削工具可用于很多種工具。本發(fā)明一 個(gè)特別有用的應(yīng)用可包括用于在巖層鉆井——包括石油勘探和采礦一 一的PDC鉆頭的剪切切削工具。典型剪切切削工具由復(fù)合切削工具和 基材例如燒結(jié)碳化鎢構(gòu)成。此外，本發(fā)明的磨料復(fù)合切削工具可用于 制造用于巖層鉆井或其它應(yīng)用的牙輪鉆頭。該類(lèi)牙輪鉆頭可包括成形 頂面例如突出的拱形頂面，其通?？蓮南鄬?duì)鈍至更強(qiáng)勁的尖銳非對(duì)稱(chēng) 形狀變化。同樣地，本發(fā)明的材料也可包括頂層切割表面是非平面的 結(jié)構(gòu)，同時(shí)關(guān)于交替層的條件適用側(cè)面和頂面的每一個(gè)。在層中，層選擇和界面設(shè)計(jì)也可優(yōu)選最小化熱錯(cuò)配應(yīng)力。 層之間的界面可以是平的或者非平面的。非平面界面的實(shí)例是一系列 的互相連接的重復(fù)步驟。其它非平面結(jié)構(gòu)也是適合的，例如但不限于 波狀、隆起、三角槽等。這些特征可形成于層中作為直線或作為同心 圖案。制作非平面界面的一種方法是在加熱下在塑料粘合劑的幫助下 形成片或?qū)訅喊?。該板可用成形鑄模(form mold)壓制，或者帶圖案的 輥可通過(guò)片表面。非平面界面通過(guò)將橫向應(yīng)力分隔到更小的面積，可 減少熱失配應(yīng)力。可選地，或者除非平面界面之外，可通過(guò)減少相鄰 層之間的組成差異來(lái)減小內(nèi)部熱失配應(yīng)力。例如，主要層可包括少量 用于攔截層的材料，例如5到20vo1。/。。任選HPHT后熱處理(高溫高 壓后處理過(guò)程，post-HPHT)也可用來(lái)降低熱失配應(yīng)力。例如，在大氣 壓下加熱至大約1100。C之下的溫度(例如，足夠低以避免金剛石轉(zhuǎn)化 回石墨的溫度)，在一些情況中是可用的。在功能性梯度材料中，材料組成以及因此性能沿垂直于表 面的軸變化。通常設(shè)計(jì)功能性梯度材料在表面具有最高的硬度，并且硬度連續(xù)減少，直到其達(dá)到體相材料組成和性能。在大多數(shù)情況下， 體相材料(或遠(yuǎn)離表面的內(nèi)部部分)可以是金屬合金，其具有高強(qiáng)度和延 展性。表面材料是硬且脆的，但是提供耐磨性和抗腐蝕性，并且保護(hù) 其免受其它苛刻的使用環(huán)境。然而，對(duì)于在石油鉆井中的剪切切削工 具應(yīng)用，切削工具可具有高耐磨性、高硬度、高強(qiáng)度和高抗沖擊性。 具有覆蓋在燒結(jié)碳化鎢基材上的聚晶金剛石的標(biāo)準(zhǔn)剪切切削工具設(shè)計(jì) 提供高耐磨性、硬度、強(qiáng)度和中等抗沖擊性的組合。使用根據(jù)本發(fā)明 的交替層的剪切切削工具設(shè)計(jì)提高抗沖擊性和抗剝落性，而沒(méi)有損害 其它良好的性能。根據(jù)本發(fā)明的技術(shù)，制造多晶磨料切削工具的方法可包括 形成具有工具主體的切削工具母體，所述工具主體具有頂面和側(cè)面。 切削工具母體可包括多個(gè)磨料母體層和多個(gè)攔截層，以使所述磨料母 體層和攔截層在垂直于頂層切割表面的方向和垂直于側(cè)面的方向交替 穿過(guò)工具主體。該方法可進(jìn)一步包括在足以形成攔截層和多晶主要層 的多晶磨料復(fù)合切削工具的壓力和溫度下，處理切削工具母體。該壓 力和溫度足以燒結(jié)磨料母體層。另外，該方法可進(jìn)一步包括加熱切削 工具母體以在處理步驟之前足以基本上去除所有有機(jī)粘合劑的步驟。盡管可使用多種方法來(lái)有效制造多晶磨料切削工具，但是
它們中的許多可包括形成交替磨料母體層和攔截層的基本上平面形的 層壓板組件的一步或多步。該磨料母體層可包括第一微粒磨料，并且
攔截層可包括第二微粒材料。這樣的層壓板組件可以使用流延法(tape casting)、涂覆、噴涂、粉末裝填、三維印制或其它可選方法的技術(shù)來(lái) 產(chǎn)生。目前，因?yàn)榇罅吭蛞灰黄浒茶T薄層的能力和用于大量生 產(chǎn)的相對(duì)高的商業(yè)適用性，優(yōu)選流延法。無(wú)論如何，磨料層的厚度與 磨料母體層的厚度的比率可以與上面列出的相同，但是通常其范圍為 大約1:6至大約1:8.5，或者更具體而言從大約1:7至大約1:7.5，盡管
在相對(duì)尺寸上的一些變化可在脫蠟、固結(jié)和/或燒結(jié)期間發(fā)生。根據(jù)一個(gè)實(shí)施方式，可通過(guò)下述形成磨料母體層制備第 一主要微粒磨料的超磨料混合物，所述超磨料混合物包括微粒超磨料、 燒結(jié)助劑和有機(jī)粘合劑；然后將超磨料混合物軋制形成片。相似地， 通過(guò)制備第二顆微粒材料和有機(jī)粘合劑的磨料混合物可形成攔截層。
可選地，攔截層可以沒(méi)有磨料微?；蚱渌哪チ喜牧?，例如攔截層可 以主要由難熔金屬碳化物或難熔金屬構(gòu)成。這些母體層或"坯體"可在適當(dāng)?shù)谋灰r上形成，所述被襯 例如紙、膜或其它材料，其可以在燒結(jié)之前被任選地除去。此外，每 一材料的單獨(dú)的單一層可被單獨(dú)制備，然后基于預(yù)確定設(shè)計(jì)之后被組 裝形成層壓板?？蛇x地，通過(guò)在層壓板上直接形成每一層，可形成層 壓板。壓制層任選地被壓制以便進(jìn)一步的處理過(guò)程中提高固結(jié)和處理。在產(chǎn)生層壓板組件后，進(jìn)一步的處理可采取多種形式。一
個(gè)簡(jiǎn)單的方法可以是切割層壓板組件的對(duì)角線部分。對(duì)角線部分或帶
的實(shí)例在圖5中闡述。如在末端和整體所示，對(duì)角線帶具有磨料母體 層卯和攔截層100。然后可將該帶成形為如圖6 (截面部分)中所示墊 圈形狀，其中在頂面和側(cè)面上的材料末端的磨料母體層90和攔截層 100與一個(gè)實(shí)施方式相一致。在這種情況下，加工面包括頂面92和側(cè) 面94。在一方面，方法可進(jìn)一步包括以一角度成形層壓板組件的 步驟。在具體實(shí)施方式
中，該角度可以是直角。在層壓板形成后，在 一個(gè)實(shí)施方式中，其可被修整并進(jìn)一步成形為墊圈設(shè)計(jì)，因此產(chǎn)生與 圖7中所示形狀相似的形狀。因此，攔截層96可以接近直角，并且在 頂面98和側(cè)面99暴露。通過(guò)將切削工具母體置于仿形互補(bǔ)基材上進(jìn) 行進(jìn)一步的成形。這類(lèi)互補(bǔ)基材的實(shí)例為圖4中示出的形狀。根據(jù)任何適合的方法例如本文描述的那些或基于本公開(kāi)內(nèi) 容本領(lǐng)域技術(shù)人員將想到的其它方法，可以進(jìn)行成形為角或其它輪廓。 在一個(gè)實(shí)施方式中，成形為角可包括使用擠壓機(jī)或沖壓機(jī)。這類(lèi)沖壓 機(jī)械裝置可采用多種形式。例如，圖8以截面示出沖壓機(jī)械裝置的一 個(gè)實(shí)施方式。特定的沖壓機(jī)的形狀通過(guò)將頂部沖頭部分120壓制到底 部沖頭部分130上而產(chǎn)生折疊層壓板110。根據(jù)優(yōu)選的微型結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)， 可進(jìn)一步修整所形成的折疊層壓板。例如，為了獲得與圖1所示相似 的工具主體，可沿軸140、 150和160加工該折疊層壓板，其中140和 150定義環(huán)形切割，而150是基本上平行于攔截層的平面切割。為了產(chǎn) 生與圖3闡述的相似的工具主體，沿軸140和150可加工該折疊層壓 板，然后進(jìn)一步通過(guò)標(biāo)注為170的區(qū)域的中心進(jìn)行沖壓。中心除去可
在沖壓前或沖壓后發(fā)生。可選地，中心部分可留在適當(dāng)?shù)奈恢?，并?己處理的層壓板可被安裝到原樣的互補(bǔ)型基材上?？蛇x地，可形成壓擠鋼模，其中鋼模的進(jìn)口部分沿層壓板
的側(cè)邊接收層壓板(通常是平面的，盡管成形層壓板也可被擠壓)，并且 鋼模的內(nèi)部尺寸可致使層壓板被壓制，并形成期望的角度，例如在一
些實(shí)施方式中為大約90。。然后，擠壓的層壓板可成形為環(huán)狀環(huán)或者其
它適于處理而形成最終工具的形狀。此外，鋼?？贪硗獾妮喞?征，其不僅考慮使總體層壓板成形，而且將特征和其它輪廓壓印在最 終層壓板上，如前所討論。另一種制造方法可包括三維印制(three dimensional printing)，其中粉末材料以期望的三維圖案或作為板被印制(曬版，print down)。通過(guò)可行的技術(shù)確定這類(lèi)印制，并且這類(lèi)印制可在以分部件 (piece-wise)組裝實(shí)施。在形成頂面和側(cè)面后，這些部件可被組裝和 燒結(jié)。可選地，至少兩種打印機(jī)械裝置(即，每一個(gè)含有不同粉末組成) 可被用來(lái)構(gòu)造期望的層壓板，包括攔截層形狀的變化，以便在單一步 驟中加速形成具有形狀的層壓板，即形成(formation)和成形(shaping)。使用聚合物輔助成形技術(shù)(polymer assisted shaping techniques),實(shí)現(xiàn)根據(jù)本發(fā)明的剪切切削工具的制造。通過(guò)一種方法， 具有主要PCD組成的粉末混合物和夾層組成的粉末可單獨(dú)與熱塑性塑 料混合。如所述，然后，使用傳統(tǒng)軋制形成、其它流延方法等可將每 一組成混合物形成薄片。然后具有不同組成的兩種(或多種)材料的片根 據(jù)預(yù)設(shè)計(jì)的交替順序可被交替地堆疊在一起形成層壓板。也可以通過(guò) 共擠出具有不同組成的粉末/聚合物混合物，得到該層壓板。具有熱塑性粘合劑的平層壓板可以根據(jù)功能性設(shè)計(jì)的中等 或微型結(jié)構(gòu)被成形。然后，可將成形的層壓板放置于基材上。適當(dāng)?shù)?基材的非限定性實(shí)例包括WC-Co和難熔金屬碳化物。然后，根據(jù)工業(yè) 標(biāo)準(zhǔn)實(shí)踐，組件可經(jīng)歷脫脂和燒結(jié)和/或固結(jié)過(guò)程。下面的實(shí)施例闡述根據(jù)本發(fā)明制造復(fù)合切削工具的多種方 法。然而，應(yīng)該理解下列僅僅是示例或說(shuō)明本發(fā)明原理的應(yīng)用。大量 修改和可選的組成、方法和系統(tǒng)可由本領(lǐng)域普通技術(shù)人員設(shè)計(jì)，而沒(méi) 有背離本發(fā)明的精神和范圍。所附的權(quán)利要求擬包括這樣的修改和排
列。因此，盡管本發(fā)明已經(jīng)在上面進(jìn)行了詳細(xì)的描述，但是下面的實(shí) 施例結(jié)合本發(fā)明的具體實(shí)施方式
聯(lián)合提供了進(jìn)一步的細(xì)節(jié)。
實(shí)施例1:具有層壓微型結(jié)構(gòu)堅(jiān)韌切割邊緣的剪切切削工具如下設(shè)計(jì)層壓板主要PCD層；(主要)PCD夾層，完整切
割邊緣和基材。這些層的組成和厚度的實(shí)例如下。 主要PCD層Cd (金剛石)+ 12%wt的Co Cd顆粒大小10-30微米
厚度100微米
(主要)PCD夾層Cd (金剛石)+ 60 vol。/。的WC-Co
Cd顆粒大小1-5微米 厚度10微米 總層壓板厚度3 mm 基材WC-14wt。/。的Co。將金剛石和Co與30-60 vol。/。的聚合物粘合劑的超磨料混 合物形成糊。相似地，將金剛石和WC-Co與30-60 vol。/。的聚合物粘合 劑的磨料夾層混合物也形成糊。將這些混合物流延成為十六層超磨料 混合物片和十五層夾層混合物片的交替片，以形成層壓板組件。通過(guò) 熱成型方法，將該層壓板形成"L"型環(huán)狀部分，然后加工形成圓盤(pán)， 其將成為切割層。然后將該圓盤(pán)置于基材上，通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)高溫高壓(HTHP) 工藝，脫脂(de-bind)(例如脫蠟)和固結(jié)形成復(fù)合多晶切削工具，標(biāo)準(zhǔn) 高溫高壓(HTHP)工藝是在合成金剛石工業(yè)中常用的。
實(shí)施例2:三維印制
設(shè)備和步驟為了制造這種類(lèi)型的剪切切削工具，需要單獨(dú)制造兩部件。 第一部件是燒結(jié)碳化鎢基材。第二部件是聚晶金剛石部分。在這兩部 件準(zhǔn)備好后，將它們裝配在一起，然后通過(guò)HTHP工藝。在燒結(jié)的部 分上進(jìn)行一些機(jī)械加工工作，得到剪切切削工具的成品。根據(jù)所述方 法的成品與圖2相似。
制造部件1:將部件l分成兩個(gè)子部件，其已知為插入物和殼(shell)， 其中插入物包括圖2的層——其在垂直方向定向，殼包括以水平方向 定向的層。如上所述，該多晶形狀尋求"L"形狀，并且該形狀具有兩
個(gè)成分主要層和夾層。對(duì)于殼部件，3-D印制技術(shù)被用于逐層沉積具
有適當(dāng)組成的粉末。沉積后，使其在制備時(shí)干燥以用于下一步驟。對(duì)
于插入物部件，3-D抑制技術(shù)被再次使用，但是將其修改為將粉末沉積 在轉(zhuǎn)動(dòng)軸上，以構(gòu)造圓形的該部件。然后將插入物與殼配合以形成部 件l。
制造燒結(jié)碳化鉤部件用粉末開(kāi)始，將WC與Co —起根據(jù)設(shè)計(jì)的組成碾磨。將 碾磨的產(chǎn)物冷壓制成與圖4相似的期望形狀，并且真空燒結(jié)工藝完成 該部件。
裝配和HTHP工藝將聚晶金剛石(部件l)和燒結(jié)碳化鎢裝配在一起，并通過(guò)高 溫高壓工藝。這產(chǎn)生燒結(jié)的部件。在一些機(jī)械加工后，制成最終部件。
實(shí)施例3:制備層壓板組件將期望的粉末與粘合劑結(jié)合以產(chǎn)生可壓膜的圖案，其在高 溫下變形。該粘合劑/粉末體系一般由50/50體積百分比組成，盡管該 比例高度依賴(lài)于期望的結(jié)果。粘合劑體系的Tg (玻璃化轉(zhuǎn)變溫度)應(yīng)高 于室溫，但是不能太高，其中被保護(hù)的人手不能觸摸該材料。存在至少兩層啟動(dòng)層(startersheet)組成主要層和夾層，每
一層將具有取決于其目的并且基于上面提供的指導(dǎo)所選擇的粉末和粘 合劑組成。主要層和夾層都優(yōu)選具有相似的高溫機(jī)械性能，以避免應(yīng) 力誘導(dǎo)的裂紋。每一個(gè)相粘合劑/教v末體系可被置于印壓機(jī)下，并被壓 制成期望厚度。例如，主要層可被設(shè)計(jì)為220微米的厚度，并且?jiàn)A層 可被設(shè)計(jì)為30微米的厚度?？蛇x地，可將粘合劑/粉末體系送入輥式破 碎機(jī)，直到獲得期望厚度。該步驟沒(méi)有立刻產(chǎn)生上述的220微米和30 微米的最終厚度，而是產(chǎn)生成比例的厚度，其在進(jìn)一步加工后，將達(dá) 到最終厚度。不同組成的單獨(dú)的壓制的啟動(dòng)層可層疊在另一層的上面， 以形成交替層的"夾層結(jié)構(gòu)"。提議的模式是主要層、夾層、主要層、 夾層等。重復(fù)層狀?yuàn)A層結(jié)構(gòu)的壓制和/或碾壓步驟，以便達(dá)到最終的主 要層和夾層的厚度。當(dāng)然，應(yīng)該理解，上述排列僅僅是闡述本發(fā)明原理的應(yīng)用。
大量修改和可選的排列可由本領(lǐng)域普通技術(shù)人員設(shè)計(jì)，而沒(méi)有背離本 發(fā)明的精神和范圍，并且所附的權(quán)利要求擬包括這樣的修改和排列。 因此，盡管本發(fā)明已經(jīng)在上面結(jié)合目前被認(rèn)為是本發(fā)明最實(shí)用和優(yōu)選 的實(shí)施方式進(jìn)行了具體且詳細(xì)的描述，但是對(duì)本領(lǐng)域普通技術(shù)人員明 顯的是，大量修改——包括但不限于大小、材料、形狀、形式、功能 和作業(yè)方式方面的變化，裝配和應(yīng)用可被進(jìn)行而沒(méi)有背離本文所闡述 的原理和概念。
權(quán)利要求
1. 多晶磨料復(fù)合切削工具，包括具有頂層切割表面和側(cè)面的工具主體，所述工具主體包括多個(gè)多晶磨料層和多個(gè)攔截層，以使所述多晶磨料層和所述攔截層在垂直于所述頂層切割表面的方向和垂直于側(cè)面的方向交替貫穿所述工具主體。
2. 權(quán)利要求1所述的多晶磨料復(fù)合切削工具，其中所述攔截層比接觸的多晶磨料層具有更高的韌度和更低的硬度。
3. 權(quán)利要求2所述的多晶磨料復(fù)合切削工具，其中所述多個(gè)攔截 層的每一層具有比各自接觸的多晶磨料層高大約10%至大約400%的 韌度，以及具有比各自接觸的多晶磨料層低大約5%至大約50%的硬度。
4. 權(quán)利要求l所述的多晶磨料復(fù)合切削工具，進(jìn)一步包括連接到 所述頂層切割表面的對(duì)面以形成磨料切割工具的工具基材，其中所述 磨料切割工具被配置為用作剪切切削工具或用作牙輪鉆頭插入物。
5. 權(quán)利要求l所述的多晶磨料復(fù)合切削工具，包括大約4到大約 100個(gè)攔截層和大約5到大約100個(gè)多晶磨料層。
6. 權(quán)利要求l所述的多晶磨料復(fù)合切削工具，其中所述多晶磨料 層包括多晶超磨料。
7. 權(quán)利要求l所述的多晶磨料復(fù)合切削工具，其中所述多晶磨料 層包含數(shù)量在50%以上的難熔金屬碳化物。
8. 權(quán)利要求l所述的多晶磨料復(fù)合切削工具，其中所述攔截層包 含難熔金屬碳化物和多晶超磨料。
9. 權(quán)利要求l所述的多晶磨料復(fù)合切削工具，其中所述攔截層基 本上由多晶超磨料或難熔金屬碳化物和任選的金屬組成。
10. 權(quán)利要求1所述的多晶磨料復(fù)合切削工具，其中所述攔截層具有大約1 pm至大約100 pm的厚度，并且所述多晶磨料層具有大約 1 |im至大約1000 |im的厚度。
11. 權(quán)利要求1所述的多晶磨料復(fù)合切削工具，其中所述攔截層 厚度與所述多晶磨料層厚度的比率為大約1:4至大約1:75。
12. 權(quán)利要求1所述的多晶磨料復(fù)合切削工具，其中所述攔截層 和所述多晶磨料層被分布在所述工具主體內(nèi)，以使多個(gè)攔截層終止在 所述頂層切割表面和所述側(cè)面上。
13. 權(quán)利要求12所述的多晶磨料復(fù)合切削工具，其中所述多個(gè)攔 截層是連續(xù)層，其每一個(gè)單獨(dú)延伸以與頂層邊緣和側(cè)面邊緣都接觸。
14. 制造多晶磨料復(fù)合切削工具的方法，包括a) 形成具有工具主體的切削工具母體，所述工具主體具有頂面和側(cè) 面，所述切削工具母體包括多個(gè)磨料母體層和多個(gè)攔截層，以使所述 多晶磨料層和所述攔截層在垂直于頂層切割表面的方向和垂直于側(cè)面 的方向交替穿過(guò)所述工具主體；b) 在足以形成攔截層和多晶主要層的多晶磨料復(fù)合切削工具的壓 力和溫度下，處理所述切削工具母體。
15. 權(quán)利要求14所述的方法，其中所述多晶磨料是多晶超磨料或 難熔金屬碳化物。
16. 權(quán)利要求14所述的方法，其中所述形成切削工具母體的步驟 包括形成交替的磨料母體層和攔截層的基本上平面形的層壓板組件， 所述磨料母體層包括第一主要微粒磨料，并且所述攔截層包括第二微 粒材料。
17. 權(quán)利要求16所述的方法，其中所述形成所述層壓板組件的步 驟包括延流所述磨料母體層和攔截層。
18. 權(quán)利要求14所述的方法，其中所述攔截層厚度與所述磨料母 體層厚度的比率為大約1:4至大約1:75。
19. 權(quán)利要求16所述的方法，其中所述磨料母體層如下形成制 備所述第一主要微粒磨料的超磨料混合物，所述超磨料混合物包括微 粒超磨料、燒結(jié)助劑和有機(jī)粘合劑；然后將所述超磨料混合物軋制形 成片。
20. 權(quán)利要求16所述的方法，其中形成所述切削工具母體的所述 步驟包括使所述層壓板組件以一角度成形。
21. 權(quán)利要求20所述的方法，其中使用擠壓機(jī)或沖壓機(jī)進(jìn)行所述 成形。
22. 權(quán)利要求21所述的方法，進(jìn)一步包括將所述切削工具母體置 于仿形互補(bǔ)型基材上。
23. 權(quán)利要求14所述的方法，進(jìn)一步包括定向所述磨料母體層和 所述攔截層，以使所述磨料母體層和所述攔截層的末端暴露于所述切 削工具母體的至少兩個(gè)不同表面上。
24. 權(quán)利要求14所述的方法，其中所述形成步驟包括三維印制。
25. 權(quán)利要求24所述的方法，其中所述三維印制被分部件進(jìn)行， 并且所述部件被裝配并燒結(jié)。
全文摘要
多晶磨料復(fù)合切削工具，其包括具有頂層切割表面和側(cè)面的工具主體。連接到基材的復(fù)合切削工具構(gòu)成用于PDC鉆頭、牙輪鉆頭插入物、或在石油鉆井或其它應(yīng)用中非常有用的其它工具的剪切切削工具。多晶磨料復(fù)合切削工具的主體包括多個(gè)多晶磨料層(90)和多個(gè)攔截層(100)。多晶磨料層(90)和攔截層(100)被排列以在垂直于頂層切割表面(92)的方向和垂直于側(cè)面(94)的方向交替貫穿工具主體。根據(jù)該設(shè)計(jì)，攔截層(100)可被定向，以便基本上抑制裂紋穿過(guò)多晶磨料材料傳播。
文檔編號(hào)E21B10/36GK101395335SQ200780003770
公開(kāi)日2009年3月25日 申請(qǐng)日期2007年1月26日 優(yōu)先權(quán)日2006年1月26日
發(fā)明者H·張, S·C·約翰遜, Z·Z·方 申請(qǐng)人:猶他大學(xué)研究基金會(huì)