[发明专利]使用碳添加剂的高压烧结

说明书

发明背景

发明领域

本文中公开的实施方案总体上涉及用于切割工具的复合材料。尤其是，本文中公开的实施方案涉及用于切割工具的复合材料的形成方法。

背景技术

在历史上有两类用于钻凿地层的钻头：刮刀钻头和牙轮钻头。牙轮钻头包括一个或多个以可转动的方式安装在钻头体上的牙轮(roller cone)。这些牙轮上附有多个切割元件以破碎，铲凿和刮出钻洞底部的岩石。有多种可用于穿透地层钻凿井眼的牙轮钻头，其中包括镶齿钻头(insert bit)(例如碳化钨镶齿钻头，TCI)和“铣齿(milled tooth)”钻头。牙轮钻头的钻头体和牙轮按照惯例是用钢制成的。在铣齿钻头中，切割元件或切割齿是钢的并且按照惯例是与牙轮形成为一体的。在镶齿钻头或TCI钻头中，切割元件或镶齿按照惯例是由碳化钨制成的，并且其上可以任选地包括金刚石增强尖端。

术语“刮刀钻头”是指没有活动元件的那些旋转式钻头。刮刀钻头通常用于钻凿各种岩层。刮刀钻头包括钻头体上附有切割元件或切割器的那些钻头，该钻头体可以是钢制钻头体或者由基体材料，例如由粘结材料包裹的碳化钨，制成的基体钻头体。切割器可形成为具有由碳化物，如碳化钨制成的基底或者支架柱螺栓(support stud)；以及沉积或者经由界面表面粘合在基底上的由多晶金刚石材料或多晶氮化硼材料制成的超硬切割表面层或“台”。

多数切割元件包含碳化钨基底，一种硬质材料，分散有能将碳化钨颗粒粘结在一起的粘结组分，优选为钴。当用于钻凿地层时，碳化钨切割元件与被钻地层之间的主要接触在切割元件的外缘。碳化钨切割元件因为其软性导致的过度磨损而趋向于报废。因此，赋予切割元件的所述区域更好的磨损保护是有益的。

与较软的碳化钨镶齿相比，含有金刚石颗粒，如多晶金刚石的外层可以提供这种改良的耐磨性。上述多晶金刚石层典型地包含通过金属基体结合在一起的金刚石颗粒，该基体通常由钴组成。多晶金刚石层与碳化钨基底的连接可通过钎焊实现。

在切割元件的制造过程中，材料典型地在高压和高温下接受烧结。这些制造条件导致不同的材料彼此粘合。由于金刚石层和碳化物之间不同的热膨胀率，冷却后在金刚石和基底层上以及二者之间的界面上引发热残余应力。在金刚石和基底层上引发的残余应力通常会导致镶齿在钻凿条件下破损，断裂或分层。

为了使这些有害影响最小化，各种现有技术已包括：将多晶金刚石层厚度保持在最小；过渡层(例如多晶立方氮化硼)的应用；粗糙界面的应用等。

然而，对应用于钻凿或切割用途的复合材料，提高其材料性质的需求持续存在，尤其是在一些旨在降低出现在金刚石/碳化钨切割元件中的残余应力的技术中。

发明概述

一方面，本文中公开的实施方案与一种形成切割元件的方法相关，该方法包括在压力高于约100,000psi的第一加工条件下烧结包含碳化物颗粒、含sp²或可转化为sp²的碳添加剂以及金属粘结剂的混合物以形成所公开的烧结物。

另一方面，本文中公开的实施方案与一种形成切割元件的方法相关，该方法包括在压力高于约100,000psi的第一加工条件下烧结包含金刚石颗粒和含sp²的碳添加剂的混合物以形成多晶金刚石层。

再一方面，本文中公开的实施方案与一种切割元件相关，该切割元件包括碳化钨基底；和多晶金刚石层；其中单个的金刚石颗粒非均匀地分布在切割元件中。

再一方面，本文中公开的实施方案与一种切割元件相关，该切割元件包括碳化钨基底；和多晶金刚石层，该多晶金刚石层由金刚石颗粒和含sp²的碳添加剂的混合物形成；其中含sp²的碳添加剂非均匀地分布在切割元件中。

本发明的其他方面和优势将在后续的描述和所附权利要求中显而易见。

附图简述

图1A-H显示根据本公开的切割器的各种实施方案。

图2A-D显示根据本公开的镶齿的各种实施方案。

图3是本公开的镶齿的透视侧面示意图。

图4是包含若干图3的镶齿的牙轮钻头的透视侧面图。

图5是包含若干本公开的镶齿的冲击或震击(hammer)钻头的透视侧视图。

图6是本公开的剪切切割器(shear cutter)的透视侧面示意图。

图7是包含若干图6的剪切切割器的刮刀钻头的透视侧面图。

发明详述