[发明专利]超硬刀具

说明书

技术领域

本发明涉及包括超硬构造的刀具，更具体地但不唯一地，涉及用于钻入地面的旋转钻头。

背景技术

多晶金刚石（PCD）材料包括大量的互生金刚石晶粒和金刚石晶粒间的空隙。可以通过在例如钴的可以促进金刚石晶粒互生的烧结助剂的作用下使金刚石晶粒的聚合块受到高压高温而制造PCD。所述烧结助剂还可以是针对金刚石的催化剂材料。烧结PCD材料内的空隙可以全部地或部分地被剩余的催化剂材料填充。可以在能为烧结PCD提供钴催化剂材料源的钴钨硬质合金基底上形成PCD。

PCD材料可以被广泛地用于多种工具，例如用于切割、机加工、钻孔或降解例如岩石、金属、陶瓷、复合材料和含木材料的硬的或磨蚀性材料的工具。例如，包括PCD材料的工具插入件被广泛地用于在石油和天然气钻井工业中用于钻入地面的钻头。在许多这样的应用中，随着PCD材料钻入岩石或其他高能量工件或高能量体中，PCD材料的温度可能升高。工具插入件的使用寿命可能受到超硬材料的碎片的限制，包括通过破裂或切削而形成的碎片。

美国专利申请4,311,490公开了一种包括金刚石晶粒并且具有至少两层的金刚石层，一层是与硬质合金块相邻的较粗糙晶粒层，另一层是与较粗糙层相邻的较精细晶粒层。

美国专利申请5,135,061公开了一种包括切削台的切削元件，该切削元件可以包括至少结合在一起的两个不同的超硬材料层，前面的层包括不如第二层耐磨的超硬材料。

欧洲专利申请1330323公开了一种包括结合到硬质合金基底上的烧结颗粒层的耐磨复合坯块，所述耐磨颗粒层具有三个区域，该三个区域包含具有不同粒度分布的颗粒。

美国专利申请6,446,740公开了一种具有切削台的切削元件，该切削元件是由特硬材料的片段形成的。优选地，一些片段由较精细级的特硬材料制成，而其余部分由较粗糙级的特硬材料制成。

美国专利申请7,694,757公开了一种在基体上包括TSP材料层的切削元件。TSP材料是通过从至少一部分PCD的金刚石晶格结构中“浸出”钴而形成的，或是通过用热兼容性碳化硅粘合剂而不是钴来形成PCD而形成的。所述TSP层可以包括相邻的第一、第二和第三层，该TSP层可以具有不同平均金刚石晶粒大小和不同气孔。

美国专利申请公开号2008/0142267公开了一种PCD切削元件，其在操作中（并且随着它磨损到磨损状态）向正被切削的材料提供至少两个切削刃。至少部分端部工作表面和至少部分外围工作表面实质上不包含催化剂材料。PCD元件可以包括例如排列在一系列层中或排列在一系列同轴的环中的不同耐磨区域。

PCT专利申请WO2007/0895960公开了一种具有功能性设计的PCD复合覆盖层的剪切刀具。工具主体可以包括多个多晶耐磨层和多个制动层。在该应用中，“制动”指能够使材料的一个区域内发生裂缝或其他破坏的或恶化的情况被停止、减缓、减少和/或隔离的材料性质和/或效果。优选地，层间的层选择和界面设计还可以将热错配压力降到最小。

存在对具有改进的抗断裂超硬切削元件的需求。

发明内容

从本发明的第一方面可以看出，提供了一种包括超硬构造的刀具，所述刀具包括由前刀面(rake face)限定的切削刃和从所述切削刃延伸的侧面（flank）；并且包括第一区域和第二区域，所述第一区域沿着边界与所述第二区域邻接，所述第一区域具有与所述第二区域不同的材料组分，第一和第二区域都包括超硬材料，其中所述第一区域的所述材料具有和所述第二区域的所述材料不同的热膨胀系数（CTE）；所述两个区域被设置为使得至少部分所述边界通常远离所述前刀面和所述侧面两者而延伸，所述边界通常还远离所述切削刃的近侧或远离所述切削刃而延伸。

所述第二区域可以绕着由所述边界限定的所述第一区域的外周边而延伸，从而绕着所述外周边形成圈，所述第一区域和/或所述第二区域延伸到和/或形成至少一部分所述前刀面。

从本发明的第二方面可以看出，提供了一种包括超硬构造的刀具，所述刀具具有由前刀面限定的切削刃和从所述切削刃延伸的侧面；并且包括第一区域和第二区域，所述第一区域沿着边界与所述第二区域邻接，所述第一区域具有与所述第二区域不同的材料组分，第一和第二区域都包括超硬材料，其中所述第一区域的所述材料具有和所述第二区域的所述材料不同的热膨胀系数（CTE）；所述第二区域绕着由所述边界限定的所述第一区域的外周边而延伸，从而绕着所述外周边形成圈。