CN103237952A - Tsp切削刀具的界面设计 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种制成切削元件的方法，其中该方法包括以下步骤：制成底层体；制成一个位于底层体的上的中间层；制成一个金刚石板；以及将金刚石板放置于中间层之上，使中间层位于底层体与金刚石板中间。中间层具有一个有着基座厚度的基座和一个有着环厚度HR的环状部分，其中中间层的厚度HT等于基座厚度与环厚度的和。金刚石板具有一个有着切削层直径D1和切削层厚度HE的切削层和一个有着突出层直径D2和突出层厚度HP的突出层。

Description

TSP切削刀具的界面设计
相关申请的交叉引用
本申请要求2010年10月28日提交的美国专利申请No.61/407,596，并于此讲该文章整体纳入本文作为引证。
技术领域
本发明大体上涉及一种地层钻探设备的切削元件。更具体地说，本发明涉及一种切削刀具的界面设计。
背景技术
不同种类和形状的地层钻头被用于地层钻探行业。地层钻头的钻头体有很多种特征，例如岩心、刀翼以及延伸至钻头内部的切削槽和附着在钻头体牙轮。在钻探的应用和地层结构不同时，需要根据钻头切削行为的类别以及对不同地层结构的适用范围来选择所用钻头的类别。
刮刀钻头通常指“固定的切削钻头”，它包括钻头体上附有切削元件的钻头，并且通常是钢制钻头，或者胎体材料钻头，例如粘合料的包裹碳化钨材料。刮刀钻头通常被定义为不含活动件的钻头。然而，在该技术领域中，刮刀钻头有很多种类和制作方法。例如，将包括金刚石在内的摩擦材料均匀镶嵌在钻头体材料中得到的刮刀钻头通常被称作“孕镶”钻头。以超硬质的切削表面层或“面板”(一般是由聚晶金刚石或聚晶氮化硼材料制成)沉积或接合在底层上形成切削元件的钻头在该技术领域中被称作聚晶金刚石复合片(“PDC”)钻头。
PDC钻头可以很轻松地钻入软质地层，但是它却通常被用于钻探硬度适中或者磨损性的地层。PDC钻头以小型刀具进行剪切行为，从而可以在不深入地层的情况下切割岩石。由于透入深度比较浅，因而通过钻头的高速旋转来达到较高的钻探速率。
在PDC钻头中，聚晶金刚石复合(PDC)刀具位于由刀翼从钻头体中延伸形成的切削槽上，并且通常被钎焊在切削槽内表面。PCD刀具沿着钻头体刀翼的前缘分布，因而当钻头体在旋转时，PDC刀具会接触并钻削地层。在使用时，PDC刀具会受到很大的，特别是前后方向的作用力。此外，钻头与PDC刀具也会受到巨大的摩擦力。在某些情况下，冲击、振动以及侵蚀力都会导致一个或多个刀具的损失或者刀翼断裂，从而造成钻头失效。
典型的PDC刀具上，都有一种聚晶金刚石(“PDC”)(或者其他超硬质材料，例如聚多晶立方氮化硼)复合片被接合在通常为烧结的金属硬质合金的底层材料上，以形成切削结构。PCD包括金刚石颗粒的多晶块或者由多个晶体构成的，一体的、粗糙的、高强度的块状物或格状物。得到的PCD结构在抗磨性和硬度方面都有很好的改善，这使得PCD材料可以很好地应用在有着蔓延性磨损现象和切割作业这种需要耐磨性和硬度的场合。
PCD可以通过将一定量的金刚石颗粒在高温高压(“HPHT”)下，以烧结用酸或粘合剂处理而得到。传统上，烧结用酸或粘度计以溶剂金属催化剂材料的形式引入，例如一种或多种元素周期表中的VIII族元素。在高温高压处理之前，可以在金刚石颗粒中混入这种溶剂金属催化剂，并且/或者通过将以溶剂金属催化剂为主要成分的底层物质在HPHT过程中渗入来获得。
传统的PDC刀具通常由烧结硬质合金底层放入高温高压反应器内制得。反应器中，通过将金刚石颗粒混合物或金刚石颗粒和催化粘合剂放置在底层的顶部，可以在底层顶部得到金刚石层。然后将反应器装入经过配置和调整可以对其施加HPHT条件的HPHT装置。这种情况下，金属粘合剂会从底层迁移出来，穿过金刚石颗粒，从而促进金刚石颗粒间的共生长。因此，金刚石颗粒会彼此相连，从而形成一个金刚石层，并且牢牢地粘合在底层上。这种底层通常含有金属硬质合金复合材料，例如碳化钨。沉积的金刚石体通常被称为“金刚石层”、“金刚石板”或者“摩料层”。
现有技术下的一例含有多个超硬工作表面刀具的PDC钻头如图1所示。钻头100由一个上端有螺纹的钻杆160和切削端140组成。切削端140通常包括多个环绕着钻头旋转轴L(也被称为纵向轴或中心轴)，并且从钻头体110向外放射状伸展的肋条或刀翼120。切削元件，或者说刀具180以一个固定角度方向，相对于工作表面190呈放射状分布，镶嵌在刀翼120上，并且与被钻入的地层结构有设定好的纵向前角和横向前角。
钻头体110上，在刀翼120中间的，通常被成为区域有多个喷嘴130，它们通常被称为“凹槽”或“流道”。喷嘴130通常被调整使得可以与管口相连接。喷嘴130可以让钻井液在刀翼120之间，从钻头处沿着一定的方向，以一定的速率流出，从而润滑并冷却钻头100，刀翼120和刀具180。在钻头100旋转并钻穿地层结构时，钻井液还可以清洗并且去除钻屑。如果不满足适当的流体特性，在钻探作业时，刀具冷却不足会导致刀具失效。流道的设置可以为钻井液提供额外的通道，并且使地层切削能够穿过钻头100流向井口(图中未显示)。
传统的PCD由85-95％体积的金刚石和适当比例的粘合材料组成，粘合材料处于粘接在一起的金刚石的缝隙中。被用于粘合材料制作PCD的通常包括VIII族元素，其中又以钴(Co)最为常见。
传统的PCD在温度高达700-750℃下仍然稳定，超过这个温度会导致PCD的永久性损伤和结构失效。特别的，PCD与加工材料间的摩擦产生的热量会导致PCD以破裂的形式发生热损坏，并且这还会导致金刚石层的破碎以及金刚石层与底层的剥离。这种PCD的劣化是由于，以钴为代表的粘合剂的热膨胀系数与金刚石的相比有很大的不同。PCD受热时，钴与金刚石框架的会以不同的倍率膨胀，这会导致金刚石框架结构的破裂并且使PCD劣化。高的作业温度还会使金刚石转化为石墨，从而导致微结构整体性的损失、强度的损失以及更快的磨损。
为了克服上述问题，强酸被用来从金刚石框架结构(的某一薄层或整个结构体)中“萃取”钴，从而至少降低了在加热或冷却过程中，因为金刚石与钴膨胀率不同而造成的损坏。“萃取”过程的例子可以在例如美国专利Nos.4,288,248与4,104,344等中找到。简单地说，一种强酸，通常是硝酸或者几种强酸(例如硝酸与氢氟酸)的混合物被用来处理金刚石板，并且会将至少一定比例的助催化剂从PDC复合板中除去。通过萃取掉钴，可以得到热稳定性聚晶(“TSP”)金刚石。在某一特定的实施例中，只有一定比例的金刚石复合板被萃取，以在对抗冲击性影响较小的情况下，得到热稳定性。本申请中所用到的热稳定多晶(“TSP”)包含以上两种(即部分萃取和全部萃取)复合物。萃取后留下的空隙体积可以通过进一步强化，或者通过另一种材料的再渗透来降低。关于在渗透的例子，可以在美国专利No.5,127,923中找到。
然而，上文中描述的一些发生在PCD刀具上的问题，例如产生碎屑、碎片、局部断裂、切削板破裂或剥落，也同样发生在TSP刀具或其他固定在渗碳硬质合金底层上，含有超硬类金刚石切削板，例如聚多晶立方氮化硼的刀具的使用中。据观察，硬质合金底层很可能有着比金刚石层(即PCD或TSP)更高的热膨胀系数。特别地，TSP材料的热膨胀系数与传统底层材料(例如硬质合金-钴复合底层)的差距非常大。因此，例如在烧结的过程中，渗碳硬质合金底层与金刚石层都被加热至一定温度，以在金刚石层与渗碳碳化底层之间产生粘合。在金刚石层与底层冷却的过程中，由于硬质合金的高热膨胀系数，底层比金刚石收缩的更多。因而，本文提到的应力，即热致应力或残余应力，是在金刚石层与底层之间的界面上形成的。并且，金刚石层与硬质合金底层间收缩程度的不同引起的应力在这两种刀具上都会出现。
此外，在很多公开的现有技术中，因为传统底层材料与TSP间热膨胀系数的差异，使得人们直接将TSP体嵌入在设备上而不是将其固定在底层上。尤其是考虑到TSP体与底层间的热膨胀系数差异较大，并且TSP体金刚石表面由于缺少溶剂金属催化剂导致其极差的可润湿性，这都使TSP很难与传统底层材料接合在一起。
更须注意的是，金刚石层与底层间体积弹性模量的不匹配，会导致金刚石层中残余应力的产生。具体来说，在烧结过程的高压作用下，由于硬质合金的体积模量比较低，它会比金刚石层收缩得更厉害。在金刚石被烧结到硬质合金上、压力撤除以后，硬质合金则会试图比金刚石膨胀得更多，从而对金刚石层产生一个拉伸残余应力。由于金刚石与底层材料通常都有着很高的模量(即硬度)，这些应力也会诱发更大的应力，从而最终导致材料失效。
(由热膨胀系数不同导致的)冷却效应以及(由体积模量不同导致的)压力释放效应会互相作用。在通常的烧结条件下，冷却效应要比压力释放效应要强，从而使金刚石层与硬质合金底层产生不同的净收缩。
为了避免以上问题，一些现有技术在底层材料与金刚石切削层之间采取非平面界面的(“NPI”)设计。然而，在将一个预定型的金刚石层与碳化钨底层烧结时，NPI却更加困难难以获得，这是因为在匹配金刚石与底层间的非平面表面时，一点点的不精确都会造成金刚石层的破裂。一些现有技术的实施例试图通过在非平面表面之间使用粉状的底层材料，例如硬质合金粉末，以提高预定型金刚石层与底层匹配精度。
图2A和2B显示了现有技术下切削元件的示例。图2A中，切削元件200在金刚石板220与硬质合金底层270之间有一个传统的平面界面202。图2B中所示的切削元件200则在金刚石板220与硬质合金底层270之间有一个传统的NPI 202。底层270的一部分延伸进入金刚石板220。在现有技术的一个具有代表性的实施例中，底层270可以先预定型成为硬质合金体，再将金刚石粉末和选择性添加的催化材料放置于底层270的上表面。HPHT过程中，在切削元件200之上，金刚石与金刚石接合在一起形成了金刚石板220。尽管现有技术下的NPI，例如图2B中的例子，与如图2A所示有着平面界面的切削元件相比，可以减小残余应力的值，但现有技术下的金刚石切削元件结构依然会在残余应力的作用下失效。
因此，市场上依然存在着提高切削元件寿命的需求。
发明内容
一方面，现有技术下，有关制造切削元件的方法的公开实施例都包括底层的制造，底层上中间层的制造，金刚石板的制造以及使金刚石板位于中间层之上，并使中间层处于基与金刚石板之间的定位步骤。中间层包括一个有着一定厚度的基座部分以及一个厚度为HR的环状部分，因此在这里，中间层的厚度HT便等于基座厚度与环厚度的和。金刚石板则包括一个直径为D1，厚度为HE的切削层以及一个直径为D2，厚度为HP的突出层。
另一方面，本发明有关于一种切削元件，它包含一个金刚石层和与其装在一起的底层。金刚石板包括一个直径为D1，厚度为HE的切削层以及一个直径为D2，厚度为HP的突出层。底层则包括底层的本体部分以及一个位于底层体和金刚石层之间的中间层。这个中间层包括有着一定厚度的基座部分以及一个厚度为HR的环，并且中间层的厚度HT等于基座厚度与环厚度的和。一个非平面界面位于金刚石板与中间层之间，其突出部分由切削层一直延伸至底层内。
本发明的其他方面和优势将在接下来的描述以及附带的权利要求中加以描述。
附图说明
图1表示一种传统刮刀钻头的侧视图；
图2A与图2B表示现有技术下的一种金刚石切削元件的横截面视图；
图3为本发明的金刚石切削元件的一个实施例的横截面视图；
图4为本发明的金刚石切削元件的另一个实施例的横截面视图；
图5为本发明的金刚石切削元件的又一个实施例的横截面视图；
图6表示切削刀具所受到的压力；以及
图7A-7C表示本发明的传统切削刀具与TSP切削刀具的横截面视图。
具体实施方式
本发明关于一种在界面设计上有所改进的切削元件。具体来说，是一个关于非平面界面(“NPI”)的实施例，它处在切削元件的金刚石板与底层材料之间。金刚石板可被预定型成为聚晶金刚石(PCD)或热稳定性聚晶金刚石(TSP)板，这种板包含一个切削层与一个从切削层延伸进入底层的突出体。
在本申请中，术语“PCD”指一种聚晶金刚石，这种聚晶金刚石是在高温/高压(“HPHT”)条件下，使用溶剂金属催化剂，例如元素周期表中VIII族，而制成的。本申请中术语“热稳定聚晶金刚石”或“TSP”指一种晶粒间接合在一起的金刚石，这种金刚石要么包含可以认为大体上不含有用以形成PCD的溶剂金属催化剂的区域，要么包含有剩余的用以PCD的溶剂金属催化剂的区域，但该区域内的溶剂金属催化剂可以认为不足以对高温下接合的金刚石造成不利影响，就像上文讨论的一样。
通常情况下，聚晶金刚石复合(PDC)体或其它超硬材料与通常是烧结金属碳化物的底层材料相接合以形成切削结构。这种PDC体通常包括，传统PCD，高密度PDC(金刚石体积含量在92％以上)，TSP金刚石(大体上不含第二相)以及/或者含有热稳定性第二相的PCD。底层上的附加物使得PDC刀具可以通过传统方法，例如钎焊，焊接等，固定在切削和/或磨损装置上。如果没有底层，PDC体必须通过干涉配合接在切削和/或磨损装置，而这是不实用的，也不能提供足够强的附着力以保证较长的时候寿命。本申请所描述的实施例与TSP切削刀具有关，这种切削刀具可以用于向下钻进工具，例如刮刀钻头或铰刀等。
此外，在传统的应用中，可以通过将金刚石粉末或金刚石粉末与催化材料放置在底层表面，并以烧结过程，例如HPHT过程处理此集合体，从而得到金刚石体。在这些实施例中，金刚石体形成的同时即被固定在底层之上。而根据本发明，一个预烧结(即预定型)的金刚石体在形成之后才被固定在底层上。本申请中所使用的预定型金刚石体指一种金刚石体，例如PCD或TSP，它在被固定到底层上之前就已经完成金刚石与金刚石间的接合。
根据本发明，底层包括两个区域：底层体以及中间层。本文所用的术语“底层”指这两个区域(底层体和中间层)在形成切削元件(例如，通过HPHT过程处理后)时所处的状态。本文中术语“底层体”与“中间层”用来形容底层的成分，指的是它们在形成切削元件之前(例如，在底层体与中间层通过HPHT过程形成TSP切削元件之前)所处的状态。底层体可以被预定型成为固体，这种固体通常包括一个金属碳化物复合材料(例如：碳化钨)以及金属粘合剂(例如，钴或其他VIII族金属)。中间层可以由与底层体相同的材料制成，也可以由其它金属碳化物复合材料制成。并且，中间层在与金刚石层相接合之前可以是粉末或/和固体形态。
图3显示了与本发明一致的切削元件300的横截面图。切削元件300由一个切削面340和一个与切削刃330相交的侧面350.切削面340和切削刃330相接并切出一个工作表面，例如井眼。切削元件300还包括一个底层体360，一个预定型的金刚石板320以及一个位于底层体360与金刚石板320的中间层380。在切削元件300的结构上，底层体360和中间层380被统称为底层。例如，在某些实施例中，一个切削元件可以由一个预定型的金刚石板、一个中间层和一个底层体通过HPHT过程制得，而此时的中间层和底层体则在这个HPHT过程中形成底层。然而，在下文中，切削元件300的组成成分都会按照它们制成切削元件之前的形式予以描述。
特别地，中间层380包括一个基座部分382和一个环状部分384，其中，环状部分384的厚度为HR，基座部分的厚度为HB。中间层380的厚度HT等于环厚度HR与基座厚度HB的和。预定型的金刚石板320包括一个切削层322和一个从切削层322延伸到中间层380中的突出层324，从而构成了一个位于金刚石板320和中间层380之间的非平面界面305。突出层的厚度HP与环的厚度HR相等，而这个厚度也等于基座部分382与切削层322的距离。此外，如图3所述，包括环状部分384和基座部分382的中间层380以粉末的形式(图中点画区域)放置于预定型过的金刚石板320和底层体360之间。例如，在某些实施例中，中间层可由疏松1的预烧结碳化物粉末，比如碳化钨，以及用于金刚石烧结的催化材料(例如钴、镍和铁)形成，或者由碳化钨，一种来自周期表VIII的元素以及立方氮化硼或金刚石增强体形成。然而，在其它的实施例中，如图4所示，环状部分可以是固体形态，而基座部分则是粉末态。
参照图3，金刚石板320的切削层322有一个切削面340和一个切削层侧面326，切削面340与切削侧面326相交形成一个切削刃330.鉴于切削层侧面326作为切削元件侧表面350暴露在外面，本申请中切削层322也可以表示金刚石板320暴露在外面的部分。切削层322半径为D1，裸露部分厚度为HE。突出层324的半径为D2，厚度为HP。突出层324与金刚石板320在环状部分384中配合在一起，从而并不露出切削元件的侧表面350，因此D1要大于D2。
在本发明的范围之内，切削层的直径D1与突出层的直径D2的设计使D1/D2的比值在大约0.3与大约0.9之间。某些实施例中，D1/D2的比值则在大约0.7到大约0.85之间较优。D1/D2比值的最优范围会随着切削层322和突出层324的尺寸变化。此外，环的厚度HR与中间层380的总厚度HT的比值处在大约0.1到大约0.7之间。在某些实施例中，HR/HT的比值则在大约0.3到大约0.6之间较优。由于环厚度HR与突出层厚度HP相等，HR/HT的值也同样等于HP/HT。
HR/HT或HP/HT值的最优范围会随着切削层322的厚度，即暴露厚度HE变化。例如，一个切削层322的厚度HE可以在大约0.06到大约0.10英寸之间变化，而在另一些实施例中，范围则在大约0.07到大约0.09英寸之间。在切削层322的厚度HE可在大约0.06到大约0.10英寸之间变化的实施例中，突出层厚度HP与切削层厚度HE的比(HP/HE)则处在大约0.1与大约0.7之间，而总厚度HT则会根据突出层的厚度HP的值变化从而获得较优的HP/HT比。在较优的实施例中，例如，当切削层厚度HE的值在大约0.08至大约0.085英寸之间变化时，突出层的厚度HP则在大约0.03到大约0.04英寸之间变化。本公开中的发明很有优势的一点在于，可以在以本文中的数值改变D2/D1，HP/HT(即HR/HT)和/或HE/HP(即HE/HR)值的基础上通过对切削元件NPI的设计，使切削元件在地层与预定型金刚石板间的残余应力值得到降低。
根据本发明其他的实施例，中间层的基座部分可以由疏松1的预烧结碳化物粉末制得，而环状部分则可以由与金刚石突出层大小相配的固体碳化物环制得。如图4所示，用来依照本发明方法制成切削元件400的元素包括底层体460、金刚石板420，以及位于底层体460与金刚石板420之间的中间层480。底层体460以预烧结碳化物的形式提供。中间层则包括基座部分482与环状部分484，其中，基座部分482由疏松的碳化物粉末制成，环状部分484则由固体碳化物环制成。具体来说，疏松的预烧结碳化物粉末，例如含钴碳化钨被放置在基座层482中，位于底层体的上表面461上。预定型固体碳化物环484被放置在由碳化物粉末形成的基座层482之上。金刚石层420包括切削层422和突出层424，则被放置在基座层482和环状部分484之上，从而使突出层424从切削层422延伸至中间层480。金刚石板420、中间层480以及底层体460则被烧结以形成切削元件400，其中，非平面界面405则在金刚石板420和碳化物中间层480之间形成。
在本发明的范围内，底层体与中间层可由相同或者不同的底层材料制得。本文所使用的底层材料通常为金属碳化物复合材料，例如碳化钨与元素周期表VIII族的金属粘合剂形成的复合材料。在某些实施例中，底层体与中间层可由同样的金属碳化物复合材料制成，例如含钴碳化钨。在另一些实施例中，根据应用情况的不同，例如需要钎焊或者高抗摩擦性，底层体与中间层则可由不同的金属碳化复合物制成。
另外，本发明的NPI的形状设计如下。例如图5表示一个根据本发明的方法，用来制成切削元件的元素的横截面图。切削元件500有一个切削面540和一个侧表面550，其中侧表面550是由切削元件500的金刚石板520、中间层580以及底层体560的外表面共同构成的。并且中间层580由基座部分582和环状部分584组成，其中基座部分582包括底部582a、侧壁582b和顶部582c，而环状部分则包括基座界面584a、外侧壁584b、金刚石界面584c以及内侧壁584d。基座部分582的底部582a和顶部582c与环状部分584的基座界面584a和金刚石界面584c都大体上为平面并且平行，如图5所示，但其他的实施例并不都是如此。基座部分582的侧壁582b与环状部分的内外壁584d和584b都大体上呈圆环面。具体来说，如图5所示的实施例，基座部分582的侧壁582b与环状部分584的外侧壁584b有着大致相同的圆柱形状与直径，尽管其厚度可能不同。环状部分584内壁584d的直径要比外壁584b的直径要小。
如图5所示，内壁584d在竖直方向上，从外壁584向切削元件500的中心倾斜，从而使底座界面584a的面积大于金刚石界面584c的面积，而外壁584b则是一个竖直的面。因此，在某些实施例中，环状结构584的横截面会呈现梯形的结构。然而，如图4所示，另一些实施例中的环状结构则有着平行的内外壁，因而其基座界面与金刚石界面面积相等，环状部分的横截面呈矩形。
环形部分584的内壁584d与基座部分582的顶部形成里一个角α。角α的大小会在90°至150°之间变化。如图5所示，角α大于90°。而在其他的实施例中，如图3和图4所示，在环状部分384，484与基座部分382，483之间形成的角α则为90°。环状部分与中间层的基座部分所形成的夹角α，取决于形成各部分所使用的材料。例如，在某些环状部分由固体预定型碳化物构成的实施例中，环状部分的内壁可以被预定型成大致上竖直的平面(与环状部分的外壁平行)，从而使预定型环状部分和基座部分相交而成的夹角α约等于90°。然而，在另一些采用疏松粉末制成环状结构的实施例中，粉末会向中间层的基座部分流动，从而制成有倾斜内壁的环状部分。在这些实施例中，环状部分的倾斜内壁会与基座部分形成大小为90°到150°的α角。
在本发明的范围内，实施例包括一个中间层，这个中间层至少有一部分是由疏松的底层材料粉制成的。如图3所示，所有的中间层都是由疏松的底层材料粉制成的。而图4和图5的实施例中，中间层的基座由疏松的粉末材料制成，而环状部分则为预定型过的固体。在其他的实施例中，中间层的环状部分则是由疏松的粉末材料制成，而基座部分则为预定型过的固体。根据本发明的内容，疏松的粉末材料与预定型过的固体材料的其他组合也可以被用来制成实施例的中间层。本发明也包括由整个固体碳化物制成的底层(包括底层体与中间层部分)。
本发明中，中间层至少有一部分是由疏松的粉末材料(例如粉状碳化钨)的实施例，为了更好地进行定性和匹配，也可能使用有机粘合剂(例如石蜡、聚乙烯醇、聚乙烯醇缩丁醛等)。这些粘合剂会在接下来的形成切削元件的时候被烧尽除去。
本公开的发明发现，通过将金刚石层的一部分深入到底层中(而不是像现有技术的实施例中，将底层的一部分深入到金刚石中)，烧结应力的值可以被减少，而界面的残余应力则被逆转。具体来说，剪切刀具收缩所产生的烧结应力，以及金刚石板与碳化物底层热膨胀系数不同造成的残余应力都在刀具上导致里总的残余应力。而依照本发明制成的NPI，其总残余应力则被降低。此外，通过本申请描述的NPI设计，还会使总应力的分布予以改善。例如，金刚石突出层会使残余应力转向而朝向碳化物底层，从而减少刀具切削刃所受的残余应力的影响。此外，使用金刚石板突出体这一设计会减少底层粉末的使用，从而降低粉末收缩引起的体积收缩。
通常状态下，一个有预定型金刚石板与底层相连的刀具，在HPHT过程之后，会由于金刚石板与底层热膨胀的不匹配导致收缩应力的产生。如图6所示，收缩力690的大小通常向着预定型金刚石层620与底层670间的界面602越变越大，且方向始终朝向刀具600的中心轴L。此外，界面附近的金刚石材料会受到张应力的作用，而底层则受到收缩应力。然而，依照本发明的方法，通过NPI的使用，可以使应力分散，从而提高刀具的使用寿命。例如，根据图7A-C所示，一个有着依照本发明方法制得的，含NPI的TSP切削刀具，与一个含传统NPI的PCD切削刀具，以及一个含平面界面的传统TSP切削刀具三者相互比较。具体来说，图7A表示一个有着传统NPI702的PCD切削元件700的横截面图；图7B表示一个有着平面界面702的传统TSP切削刀具700的横截面图；图7C则表示一个，根据本发明的方法制得的，有着NPI 702的TSP刀具700的横截面图。如图所示，在界面702附近的金刚石材料会受到张应力704，而底层则受到压缩应力706。有利的是，通过按照本发明实施例的方法制成NPI，在界面702附近的预定型金刚石板720中的张应力会将任何的界面间应力引向底层770，因此可以避免在如图7B所示的刀具中所发生的线性界面间剥离，以及如图7A所示刀具中所发生的切削刃过早损耗。此外，当底层粉末材料在金刚石板附近使用时，在依照本发明制得的NPI中，金刚石板的突出部分可以减小在HPHT过程中粉末的致密化/收缩所产生的收缩应力。
在这之外，在依照本发明实施例制得的，含NPI设计的TSP切削刀具中，总残余应力的减小是非常显著的。具体来说，在底层上重新键合形成预烧结金刚石板的TSP切削刀具，其残余收缩应力要比由金刚石粉末形成的传统切削刀具要小得多，这是由于在传统切削刀具的形成中金刚石粉末的致密化和催化材料的损耗所引起的。相似地，如果在底层体与预烧结TSP之间引入一层粉末化的底层材料(中间层)，TSP刀具的残余收缩应力会大幅增加。有利的是，通过依照本发明的方法制成含NPI的TSP切削刀具，刀具的残余应力分布得以改善，继而增加刀具的使用寿命。
尽管已经通过有限个数的实施例描述了本发明，熟悉此领域的专业人士在本文的帮助下会意识到，其他制造出来的实施例并没有超出本公开发明的范畴。因此，本发明的范畴只能被所附的权利要求限定。

Claims (30)

1.一种制成切削元件的方法，该方法包括：
制成底层体；
制成一个位于底层体的上的中间层，这个中间层包括：
一个有着基座厚度的基座；
一个有着环厚度HR的环状部分；并且
其中中间层的厚度HT等于基座厚度与环厚度的和；
制成一个金刚石板，这个金刚石板包括：
一个有着切削层直径D1和切削层厚度HE的切削层；
一个有着突出层直径D2和突出层厚度HP的突出层；并且
将金刚石板放置于中间层之上，使中间层位于底层体与金刚石板中间。
2.根据权利要求1所述的方法，进一步包括以HPHT过程处理底层体，中间层以及金刚石板。
3.根据权利要求1所述的方法，其中金刚石板由热稳定聚晶金刚石组成。
4.根据权利要求1所述的方法，进一步包括制成环状部分内表面与基座部分上表面相交而成的夹角，其中，这个夹角的大小至少是90°。
5.根据权利要求2所述的方法，其中夹角的大小在90到150°之间。
6.根据权利要求1所述的方法，其中HR/HT的比值在大约0.1与大约0.7之间。
7.根据权利要求6所述的方法，其中HR/HT的比值在大约0.3与大约0.6之间。
8.根据权利要求1所述的方法，其中D2/D1的比值在大约0.3与大约0.9之间。
9.根据权利要求8所述的方法，其中D2/D1的比值在大约0.7与大约0.85之间。
10.根据权利要求1所述的方法，其中切削层的厚度在大约0.06到大约0.10英寸之间。
11.根据权利要求10所述的方法，其中切削层的厚度在大约0.07到大约0.09之间。
12.根据权利要求1所述的方法，其中环状部分与基座至少有一个是由疏松的粉末化底层材料制成的。
13.根据权利要求12所书的方法，其中由疏松粉末化底层材料制成碳化钨。
14.根据权利要求1所述的方法，其中底层体和中间层由同样的底层材料制成。
15.根据权利要求1所述的方法，其中底层体和中间层由不同的底层材料制成。
16.根据权利要求1所述的方法，其中HP/HE的比值在大约0.1与大约0.7之间。
17.一种切削元件，这种切削元件包括：
一个金刚石板，这个金刚石板包括：
一个有着切削层半径D1和切削层厚度HE的切削层；以及
一个有着突出层半径D2和突出层厚度HP的突出层；
一个上面放置着金刚石板的底层，该底层包括：
一个底层体；以及
一个位于底层体与金刚石板之间的中间层，此中间层包括：
一个有着基座厚度的基座；
一个有着环厚度HR的环状部分；并且
其中中间层的厚度HT等于基座厚度与环厚度的和；以及
一个在金刚石板与中间层之间形成的非平面界面，其中突出部分由切削层延伸至底层。
18.根据权利要求17所述的切削元件，进一步包括一个在环状部分的内表面与基座部分的上表面的交线上形成的角度，其中该角度的大小至少为90°。
19.根据权利要求18所述的切削元件，其中该角度的大小在90到150°之间。
20.根据权利要求17所述的切削元件，其中HR/HT的比值在大约0.1与大约0.7之间。
21.根据权利要求20所述的切削元件，其中HR/HT的比值在大约0.3与大约0.6之间。
22.根据权利要求17所述的切削元件，其中D2/D1的比值在大约0.3与大约0.9之间。
23.根据权利要求22所述的切削元件，其中D2/D1的比值在大约0.7与大约0.85之间。
24.根据权利要求17所述的切削元件，其中切削层的厚度在大约0.06到大约0.10英寸之间。
25.根据权利要求24所述的切削元件，其中切削层的厚度在大约0.07到大约0.09英寸之间。
26.根据权利要求17所述的切削元件，其中环状部分与基座部分中至少有一个是由疏松的粉末化底层材料制成的。
27.根据权利要求26所述的切削元件，其中疏松的粉末状底层材料由预烧结碳化物制成。
28.根据权利要求17所述的切削元件，其中底层体与中间层由相同的底层材料制成。
29.根据权利要求17所述的切削元件，其中底层体与中间层由不同的底层材料制成。
30.根据权利要求17所述的切削元件，其中HP/HE的比值在大约0.1与大约0.7之间。
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