[发明专利]多晶磨料复合切削工具

说明书

相关申请

本申请要求早期提交的美国临时专利申请第60/762,794号 ——在2006年1月26日提交——的权益，其被引入本文作为参考。

发明背景

聚晶金刚石复合片(polycrystalline diamond compact (PDC))，也被称为剪切切削工具，是用于石油钻井的PDC钻头的重要 切削元件。图1图解在钻井过程中切削工具如何与岩层相互作用。设 计剪切切削工具，并用聚晶金刚石覆盖在烧结碳化钨基材上制造。烧 结碳化钨基材给金刚石层提供刚性支撑。在钻井期间，金刚石层与岩 层直接接触。金刚石极高的耐磨性导致切削工具和钻头优良的耐用性， 这在其它材料的情况下是不可能的。然而，钻井技术的持续改良和对 更高产率增加的需要对进一步改进切削工具技术产生强大需求。剪切 切削工具经历更高的应力、更硬的岩石和更具冲击性的载荷条件。结 果是，剪切切削工具的典型损坏模式是通过边缘破裂(edge chipping)并 最终灾难性的破损。工业面临的挑战是如何提高钻头寿命和耐久性以 便能够钻更深及更硬的岩层。非常期望提高聚晶金刚石复合片剪切切 削工具的抗冲击性，而不会损害其磨料耐磨损性。

发明概述

因此，本发明公开了具有功能性设计的聚晶金刚石复合覆 盖罩(functionally designed polycrystalline diamond composite overlay) 的剪切切削工具，该聚晶金刚石复合覆盖罩进一步提高了剪切切削工 具的性能。本发明提供多晶磨料复合切削工具，其包括具有顶层切割 表面和侧面的工具主体。该工具主体可包括多个多晶磨料层(a plurality of polycrystalline abrasive layers)和多个拦截层(a plurality of arresting layers)。所述多晶磨料层和拦截层在垂直于顶层切割表面的方向和垂 直于侧面的方向可交替贯穿工具主体。在一个实施方式中，切割表面 和侧面(一个或多个)可具有多个跨过每一表面的拦截层，以便基本上阻 止穿过多晶超磨料材料的裂纹传播。在另一个实施方式中，多个拦截 层的至少一部分可被定向为基本平行于工具主体的至少一个表面。

根据本发明，制造多晶超磨料复合切削工具的方法可包括 形成具有工具主体的切削工具母体的步骤，所述工具主体包括顶面和 侧面。切削工具母体可包括多个磨料母体层和多个拦截层，其被配置 使得所述多晶磨料层和拦截层在垂直于顶层切割表面的方向和垂直于 侧面的方向可交替贯穿工具主体。该方法可进一步包括在足以形成具 有拦截层和多晶主要层的多晶磨料复合切削工具的压力和温度条件下 在处理切削工具母体。

在一个实施方式中，形成切削工具母体的步骤可包括形成 交替的磨料母体层和拦截层的基本平面状层压板组件。该磨料母体层 可包括第一主要微粒磨料，并且拦截层可包括第二微粒材料。因此已 经相当广泛地概括了本发明更重要的特征，因此下面其详细的描述可 被更好地理解，以及因此本发明对于本领域的贡献可被更好地认识。 根据下列面的本发明的详细描述连同附图和权利要求，本发明的其它 特征将变得更清楚，或者可通过本发明的实践了解。

附图简述

图1示出典型PDC切削工具当通过剪切切割岩层时的侧视 图。

图2示出根据本发明一个实施方式的切割表面的层结构的 截面图。

图3示出根据本发明一个实施方式的切割表面的层结构的 截面图。

图4示出可被用于本发明一个实施方式的基材的截面图。

图5图解根据本发明一个实施方式在处理过程中层压材料 的透视图。

图6图解根据本发明一个实施方式的工作环(working ring) 的截面透视图。

图7图解根据一个实施方式的工作环的截面透视图。

图8图解具有根据本发明一个方面的层压材料的冲压机的 截面透视图。

进一步结合下面的详细描述来描述附图。此外，这些附图 不必按比例绘制，并仅仅作为说明，因此尺寸和几何形状可从图解的 那些变化。

详细描述