[发明专利]厚的尖锐的超硬材料

说明书

相关申请的交叉引用 

本申请要求享有Hall的2006年8月11日提交的美国专利申请11/463,953的优先权；Hall的2006年8月11日提交的美国专利申请11/463,990的优先权；Hall的2006年10月26日提交的美国专利申请11/553,338的优先权；Hall的2006年11月10日提交的美国专利申请11/558,835的优先权；Hall的2007年1月29日提交的美国专利申请11/668,254的优先权；和Hall的2007年2月12日提交的美国专利申请11/673,634的优先权。所有这些申请都具有同一个发明人且通常由David R.Hall所拥有。所有上述申请通过引用以它们所含有的全部内容合并于本文。 

本发明涉及可在诸如破碎机、镐、研磨机、齿轮钻头、旋转式固定割刀钻头、土钻钻头、冲击钻头(percussion bit)或冲击钻头(impact bit)和刮刀钻头的机器中使用的高抗冲击的工具(high impact resistant tool)。更特别地，本发明涉及主要由具有非平面界面的碳化物基材和使用高压高温压机装置固定在其上的超硬材料的耐磨层组成的插入物(insert)。 

发明背景 

现有技术中，此类插入物通常包括在高温和高压条件下，通常在设计为能产生此类条件的压机装置中形成，烧结到含有金属粘合剂或催化剂如钴的碳化物基材的一层或多层超硬材料层。基材通常比其结合到的超硬材料软。高压高温(HPHT)压机可产生和烧结的超硬材料的一些例子包括烧结陶器、金刚石、聚晶金刚石和立方氮化硼。通常通过将烧结碳化物基材置于具有一层金刚石晶体或颗粒的容器或筒中来制成切割元件或插入物，所述金刚石晶体或颗粒装入到与基材一面邻近的筒中。许多此类筒通常被装入到反应池中并被置于高压高温压机装置。基材和邻近的金刚石晶 体层随后在促进烧结金刚石颗粒的HPHT条件下被压制以形成聚晶金刚石结构。因此，金刚石颗粒变得互相结合以形成在基材界面上的金刚石层。金刚石层也结合到基材界面。 

在操作期间，此类插入物通常会经受强烈的力、转矩、振动、高温和温差。因此，可能会在结构中形成应力。例如钻头可能会在钻井操作如钻头转动或跳动期间由于钻孔异常而展现加重的应力，通常导致超硬耐磨层或基材剥落、剥离或断裂，从而降低或消除了切割元件的功效，并降低了整体钻头的抗磨损寿命。在烧结工艺后及在冲击使用和磨耗使用期间，插入物的超硬材料层有时从碳化物基材剥离。通常在冲击钻头和刮刀钻头中发现的破坏为剪切破坏的结果，虽然非剪切破坏模式不常见，由于内在残余应力，在超硬材料层和基材之间的界面对非剪切破坏模式尤其敏感。 

通过引用以它包含的全部内容被合并于本文的Dennis的美国专利第5,544,713号公开了具有金属碳化物立杆(metal carbide stud)的切割元件，其具有由所述金属碳化物立杆的减少直径的半球形外部尖头端部分形成的圆锥形尖头。尖头被成形为锥形，且在尖头部分为圆的。此圆形部分的直径为插入物的直径的35％-60％。 

通过引用以它包含的全部内容被合并于本文的Flood等人的美国专利第5,848,657号公开了半球形的聚晶金刚石切割元件，其中半球形金刚石层被结合到通常被称作碳化钨立杆的碳化钨基材。概括地说，该发明的切割元件包括金属碳化物立杆，而金属碳化物立杆具有远端部分和适合于被置于钻头中的近端。切割聚晶研磨材料层位于所述远端部分上，以使得邻近所述钻头或在所述钻头之上的金属碳化物的环面不被所述研磨材料层覆盖。 

通过引用以它包含的全部内容被合并于本文的Bovenkerk的美国专利第4,109,737号公开了用于凿岩的旋转钻头，其包括通过干涉配合安装在钻头顶上的凹口(recess)中的多个切割元件。每个切割元件包括细长的销，而销的自由端结合了聚晶金刚石的薄层。 

虽然Jensen的美国专利申请第2001/0004946序列号现在已经被废除，但通过引用将它公开的全部内容合并于本文。Jensen教导说切割元件或插入物具有改进的磨损特征，同时最大化了插入物的工艺性和成本效率。此插入物使用了增加的深度的超研磨金刚石层，且通过使用一般为凸的金刚石层表面。 

发明简述