CN104047547A - 弹道式聚晶开采工具及用于制作该工具的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及弹道式聚晶开采工具及用于制作该工具的方法。一种用于开采工具或钻凿工具的切割元件设有主体，该主体设有用于接纳弹道式嵌入件的凹槽。该弹道式嵌入件设有顶部分，该顶部分具有以第一半径(R1)和第二半径(R2)为特征的形状，并且R1和R2具有正切关系。套筒可定位在主体上以保护主体免受腐蚀。
Description
发明领域
本发明涉及一种开采工具及方法。更具体地，本发明涉及一种采用聚晶切割元件的开采工具或方法。
发明背景
切割元件在用于钻凿和挖掘陆地地层(formation)的地钻钻头或类似物中使用。切割元件在挖掘过程期间的老化经常导致在地下开采或道路修复的应用中所使用的昂贵机器停工。因此，切割结构的寿命延长对于开采工具的性能是非常重要的。美国专利第6,102,486号和4,944,559号描述了下述工具的主体，其具有钢质主体，硬质材料例如烧结碳化物切割结构被嵌在该钢质主体中。尝试在切割末端上采用超硬质材料例如聚晶金刚石在美国专利8,136,887中被描述，在基本上锥形的表面上一边与工具的中心轴线形成35度至55度角并且具有0.050英寸至0.125英寸半径的顶点。
这种超硬质锥形工具的性能具有有限的耐久性，这是因为外层趋于由于工作层的几何形状和成分而过早地断裂，这使其高度易碎。这些工具在开采和混凝土研磨的应用中一直不是非常有成本效率。
发明内容
在一种实施方式中，切割元件包括弹道形状(ballistic-shaped)的嵌入件。在一些实施方式中，弹道形状的嵌入件可以设有包括端表面的基底，其中该端表面附接到两层的坚韧级别的聚晶金刚石(PCD)材料层。PCD材料层通过将钴、碳化钨和金刚石晶体一起与充当减震层的夹层混合而形成。夹层可以由金刚石、周期表IV族和/或V族的元素的碳化物或钴、或其组合的混合物而形成。在一些实施方式中，夹层除了先前所提到的材料外，还可以包括立方氮化硼(CBN)。多种层的弹道形状的嵌入件可被固定在碳化物基底或金属陶瓷基底上。在另一种实施方式中，弹道形状的嵌入件可以是聚晶金刚石和立方氮化硼的混合物。在其他实施方式中，弹道形状的嵌入件是聚晶金刚石(PCD)、立方氮化硼(CBN)、钴、碳化物、IV族和/或V族的碳化物或钴、钨或其组合。在一些实施方式中，弹道形状的嵌入件固定到主体，该主体具有开口以接纳弹道形状的嵌入件。在一些实施方式中，套筒可以定位在主体上以保护钢质主体免受腐蚀和磨损。在一些实施方式中，主体可以是钢质主体。在一些实施方式中，套筒可以是碳化物。
在一些实施方式中，弹道形状的嵌入件的顶部分可以由半径R1和R2界定。在一些实施方式中，R1和R2可具有正切关系(tangentialrelationship)。在一些实施方式中，R1与R2的比(R1/R2)等于或大于18。在其他实施方式中，R1与R2的比大约在18至23之间。在一些实施方式中，R2大约在0.02英寸至0.30英寸或0.5至7.6m之间。在一些实施方式中，R1大约在1.2英寸至10英寸或30.5mm至254mm之间。在一些实施方式中，R1与R2的比是4或更大。
前文已概述了本公开内容的相当宽泛的多种特征，以使随后的详细描述可更好地被理解。本公开内容的另外的特征和优势将在下文描述。
附图说明
为了更全面地理解本公开内容及其优势，现在参考结合描述本公开内容具体实施方式的附图做出的以下描述，在附图中：
图1A-1D是具有弹道式嵌入件(ballistic insert)、钢质主体和套筒的切割元件的说明性的实施情况；
图2是有限元模型的说明性的实施情况，示出在弹道式PCD嵌入件的嵌入件上的应力；
图3是有限元模型的说明性的实施情况，示出在锥形PCD嵌入件的嵌入件上的应力；
图4A-4B是具有半径R1和R2的弹道式嵌入件的说明性的实施情况；
图5A-5B是具有凹顶点的弹道式嵌入件的说明性的实施情况；
图5C是由图5B中的截面线D-D截取的截面图；以及
图6A-6B是具有磨圆的顶部的弹道式嵌入件的说明性的实施情况。
具体实施方式
现在参考附图，其中所描绘的元件未必按比例示出，且其中相同或相似的元件贯穿多个视图以相同的参考数字来标记。
通常参考附图，将理解：图示是为了描述本公开内容的具体实施情况的目的，并且不旨在受限于此。虽然本文所使用的大部分术语对于本领域普通技术人员而言将是可识别的，但应理解：当未明确定义时，术语应被解释为采用目前本领域普通技术人员所接受的含义。
将理解：前文的大体描述和下文的详细描述都仅是示例性和解释性的，且不限制如所要求保护的本发明。在该申请中，除非明确地以其他方式说明，否则单数的使用包括复数，单词“一”意指“至少一个”，且“或”的使用意指“和/或”。此外，术语“包括”以及其他形式例如“包含”和“被包括”的使用不是限制。另外，除非明确地以其他方式说明，否则术语例如“元件”或“部件”包括包含一个单元的元件或部件以及包含多于一个单元的元件或部件两种情况。
在本文中讨论了改进的开采工具及方法。被用于钻凿和挖掘陆地地层的开采工具可设有对地层的所需要的区域进行研磨、撞击、剪切和/或类似操作的部件。例如，开采工具可被用于陆地地层的移除，沥青、混凝土和/或表面移除。开采工具可包括至少一个工具元件(tooling element)。这些开采工具可设有旋转和/或撞击地层的工具元件，比如钻头或类似元件。工具元件可设有被设计用于研磨、撞击、剪切和/或类似操作的至少一个切割元件。
工具元件可设有主体，该主体具有用于接纳一个或多个切割元件的多个凹槽。图1A-1D是具有弹道式嵌入件210、主体220和套筒230的切割元件200的说明性的实施情况。在钻头或类似物中使用的切割元件200可设有由坚韧级别的材料形成的切割层，其中该坚韧级别的材料能够承受在开采或钻凿期间所赋予到切割元件上的应力。弹道式嵌入件210可被成形为承受在开采或钻凿期间所施加的应力。钢质主体220可设有用于接纳弹道式嵌入件210的开口或凹槽。在一些实施方式中，弹道式嵌入件210可被铜焊到钢质主体220。套筒230可被定位在主体220和弹道式嵌入件210上，以保护主体的一部分免受腐蚀。在一些实施方式中，套筒230可通过高强度环氧树脂而结合到主体220。在一些实施方式中，切割层表面可以是聚晶金刚石(PCD)、立方氮化硼(CBN)混合物或其组合，其中聚晶金刚石(PCD)以金刚石晶体、IV族和/或V族的碳化物或钴以及碳化钨颗粒的混合物为特征。
在示例性实施方式中，提供切割元件200，其中由PCD制成的弹道式嵌入件210被用于形成切割层。在示例性实施方式中，PCD材料沿着弹道式嵌入件210的一段延伸，以在开采或钻凿期间与陆地地层接触。本文中所讨论的多种实施方式的弹道式嵌入件可由金刚石晶体、用于形成金刚石晶体的催化剂、IV族和/或V族、钴、碳化物、碳化钨、立方氮化硼(CBN)、其组合和/或任何其他合适的韧性材料形成。作为非限制性实例，弹道式嵌入件可由金刚石晶体和CBN的混合物制成。另一个非限制性实例是，弹道式嵌入件提供金刚石和催化剂例如钴的混合物，其被结合到碳化钨基底。在一些实施方式中，弹道式嵌入件可以是材料实心体，并且在其他实施方式中，弹道式嵌入件可包括两个或更多层。在一些实施方式中，夹层可被设置为减震层。在一些实施方式中，夹层可包括金刚石、用于形成金刚石晶体的催化剂、IV族或V族材料、钴、碳化物、碳化钨、立方氮化硼(CBN)或其组合的混合物。在一些实施方式中，夹层可包括70-80％(按重量)碳化物、0-5％钴和8-18％金刚石。此外，在另一种实施方式中，夹层可以提供相同范围的材料百分比，并且还可包括0-3.5％(按重量)CBN0-3.5。
在一些实施方式中，弹道式嵌入件可包括固态嵌入件或由一种或多种材料制成的单个实心体。例如，在示例性实施方式中，弹道式嵌入件可以是与被结合到碳化物基底的PCD相对的固态PCD。在其他实施方式中，该实心体可以是CBN、PCD与钴的混合物或CBN与PCD的混合物。在一些实施方式中，弹道式嵌入件可以是热稳定的或被热处理以防止由于热膨胀而损坏。例如，PCD和催化剂混合物可以用酸浸析以将催化剂材料移除，其中催化剂材料在受热时以比PCD大的比率膨胀。在一些实施方式中，弹道式嵌入件可包括多层材料，例如被结合到碳化钨基底的金刚石和催化剂层。在一些实施方式中，弹道式嵌入件可以被分级，以提供不同浓度的材料。例如，由弹道式嵌入件的顶层提供的切割层可以是具有高的金刚石晶体与催化剂之比的最坚韧层，然而金刚石与催化剂的在顶部切割层下面的后续层具有渐增百分比的催化剂。
切割元件的主体220可设有被成形为允许主体固定到开采工具的底部分。可以采用铜焊材料将弹道式嵌入件210和主体220固定在一起。主体220可能是钢、钛及其合金、金属陶瓷或任何其他合适的材料。在一些实施方式中，主体220还可具有被定位在遭受高应力的具***置处的开口或凹口。硬质材料段，例如烧结碳化物、金刚石和CBN段、碳化硼、碳化硅段，可被铜焊到或通过高温环氧树脂而结合到开口中。为了保护主体220免受腐蚀，套筒230被固定到弹道式嵌入件210和主体220上。套筒230可具有大约在0.040英寸至0.500英寸之间或大约在0.1mm至12.7mm之间的厚度。套筒230可以是烧结碳化物或任何其他合适的材料。在一些实施方式中，套筒230借助于具有大约5000psi或更大的强度的高强度环氧树脂而被结合到主体220。环氧树脂可以是高温环氧树脂。可选择地，烧结碳化物套筒能够借助于铜焊材料而被结合到主体220。在一些实施方式中，套筒可被成形为锥形。然而，在其他实施方式中，套筒可具有任何形状。
图2是弹道式PCD嵌入件的有限元模型的说明性实施方式。图3是锥形PCD嵌入件的有限元模型的说明性实施方式。锥形PCD嵌入件可受到14.4×106PSI的应力(范·米塞斯)(von Mises)，然而弹道式PCD嵌入件可受到610×103PSI的应力(范·米塞斯)(von Mises)。在上述实施方式中，相比于锥形嵌入件，弹道式嵌入件应力减少到十分之一。
图4A-4B是弹道式嵌入件300的说明性实施方式。弹道式嵌入件300设有基部310和顶部分320。在一些实施方式中，顶部分320可被结合到基部310，并且基部310和顶部分320之间的界面可以是平面。基部310提供弹道式嵌入件300的可由主体固定的一部分。在所示的实施方式中，基部310可以是具有直径(D)和基部高度(BH)的圆柱形形状的主体。然而，在其他实施方式中，基部310可以是任何其他合适的形状。顶部分320提供弹道式嵌入件300的可在开采或钻凿期间接触地层的一部分。虽然一些开采工具利用锥形形状的嵌入件，但根据图4显然的是，这种锥形嵌入件遭受相当大的应力。为了减小应力，顶部分320是像弹道发射体例如子弹那样呈弯曲状的。在一些实施方式中，弹道式嵌入件300可设有由两个半径R1和R2限定的顶部分。顶部分320具有总高度(H)。H1限定顶部分320的包含末端的第一节段的高度，并且第一节段由半径R2限定。H2限定顶部分320的在末端或第一节段下面的第二节段的高度，并且第二节段由半径R1限定。应明显的是，提供半径R2的圆或球将具有沿着弹道式嵌入件300的中心轴线定位的中心。顶部分320的总高度(H)等于H1和H2的和。R1和R2互相形成正切关系。换言之，在R1和R2相遇处，R1和R2共有相同的切线。应认识到，与其他的现有技术装置相比，顶部分320的总高度(H)是大的。在一些实施方式中，总高度(H)是1英寸或更大。在一些实施方式中，R1与R2之比是4或更大。在其他实施方式中，R1与R2之比是18或更大。在其他实施方式中，R1与R2之比(R1/R2)在18至23之间。在一些实施方式中，顶部分320具有大约在0.020英寸至0.300英寸(大约0.5mm至7.6mm)之间的半径R2。在一些实施方式中，顶部分320具有大约在1.2英寸至10英寸(或大约30.5mm至254mm)之间的半径R1。在一些实施方式中，顶部分320具有大约在0.020英寸至0.300英寸(或大约0.5mm至7.6mm)之间的半径R2和大约在1.2英寸至10英寸(或大约30.5mm至254mm)之间的半径R1。
图5A-5C是具有凹顶点430的弹道式嵌入件400的说明性实施方式。基部410是圆柱形形状的基部。与先前实施方式中所讨论的顶部分310相似，顶部分420由两个半径R1和R2限定的。顶部分410可设有凹顶点430。凹顶点430被布置在弹道式嵌入件400的中心轴线上。凹顶点430是设置在弹道式嵌入件400的顶点处的凹形形状的凹部。切割元件的顶点或末端可以是切割元件受到最高应力的部位。通过设置凹顶点430，应力可在凹顶点430的整个边缘散开。在带有锥形末端的嵌入件中，该末端在制造期间可能潜在地破裂、断裂或损坏。弹道式嵌入件400具有磨圆的顶部分，该磨圆的顶部分避免这种在制造期间损坏的风险。
在可选择的实施方式中，另外的PCD层可被结合到在切割元件上所形成的凹口或袋状部。例如，元件可以形成有两个或更多袋状部，该两个或更多袋状部可等距地隔开且每个袋状部支撑独立的PCD层。在这点上，如果PCD层磨损，则切割元件可在钻头的袋状部内被旋转，露出用于切割陆地地层的另一个PCD层。
图6A-6B是弹道式嵌入件500的说明性实施方式。弹道式嵌入件500设有基部510和顶部分520。与先前实施方式中所讨论的顶部分310相似，顶部分520由两个半径R1和R2限定。另外，基部510设有磨圆的底部分530，该底部分530可更均匀地将应力分布到弹道式嵌入件500被固定所在的主体。
在另一种实施方式中，弹道式嵌入件可设有被结合到基底的材料层。该材料层可以是PCD、钴、碳化物、CBN或适合用于开采或钻凿的任何其他坚韧材料中的一种或多种的混合物。在一些实施方式中，材料层可以是PCD和催化剂例如钴的组合。另外，为了防止免受热膨胀的潜在破坏，所述材料层或材料层的一部分可以被浸析，以移除所述催化剂。基底可以是任何合适的材料，例如碳化物、碳化钨或类似物。
弹道式嵌入件或本文中所描述的嵌入件可以采用常规方法来形成为弹道式基底。在一些实施方式中，弹道式基底然后可以采用多种已知的方法例如放电加工(EDM)来切割或加工，以获得所需要的形状。在一些实施方式中，弹道式基底可以被切割或加工，以限定凹口或凹部以在弹道式嵌入件的特定位置处容纳所需材料的嵌入件。例如，PCD嵌入件可放置在弹道式嵌入件的受到高应力的位置处的凹口位置中。在另一种示例性实施方式中，基底被模制有适当的凹口或凹部。这可以通过使用模制材料来实现，该模制材料能够轻易地被移除，以限定适当的切口或凹部来容纳PCD层。一种这样的模制材料可以是沙子。
在另外的示例性实施方式中，切割元件可以根据所需的耐撞击性和耐磨性而战略地被定位在钻头上的不同位置处。这允许调节钻头对于待被钻凿的陆地地层的切割。例如，距离钻头的旋转轴线最远的切割元件可在其切割刃处具有较多的PCD材料。距离钻头的旋转轴线较近的切割元件可以以较窄部分的PCD材料来占据切割刃。换言之，在示例性实施方式中，距离以较高速度运转的钻头的旋转轴线最远的切割元件将需要较大的耐磨性，并且可被制成在其切割刃处包括较多的PCD材料；然而，距离以较低速度运转的钻头的旋转轴线较近的切割元件将需要较大的耐撞击性和较小的耐磨性。因此，后一种切割元件将在其与陆地地层接触的切割刃处需要较多的超硬质材料。形成切割元件的切割刃的PCD材料的量可以根据手边任务的需要来改变。
在其他示例性实施方式中，结合有PCD材料的嵌入件可用在旋转式锥形钻头中，该旋转式锥形钻头用于钻凿陆地地层。
弹道式嵌入件所采用的PCD可基本上摆脱与为了将金刚石颗粒烧结到烧结碳化物基底上的目的而使用周期表第4族元素或其化合物相关的问题。称之为黑金刚石(Carbonados)的天然可获得的聚晶金刚石通常以“黑金刚石”著称，并且可在中非共和国和巴西的冲积层中找到。其天然的颜色根据杂质例如氮或硼的水平而呈黑色或灰色。认为，硼原子和氮原子能够扩散到金刚石晶格中，并提供将金刚石晶体结合在一起的途径。
立方氮化硼(CBN)是由与工业金刚石相同的工艺合成的非常硬的材料。其硬度仅次金刚石，且其化学元素硼和氮能够扩散到金刚石晶体中并不仅提供金刚石晶体之间的结合还提供CBN与金刚石晶体之间的结合。CBN的热膨胀系数非常接近于金刚石(1.2×10-6相比于金刚石1.0×10-6)，并且这基本上消除了由于在PCD层的烧结期间以其他方式在使用周期表的IV族和V族元素或其化合物中所遇到的热膨胀特性不匹配而产生的局部拉伸应力。由于CBN晶体的硬度比烧结碳化物高很多，因此使用CBN合成所得到的PCD层的硬度将比使用周期表4族元素或其化合物合成的PCD层高很多。
虽然已针对本发明的多种实施方式而对本发明进行了描述和图示，但应理解：本发明不受限于此，这是因为其中可以做出落在如所要求保护的本发明的整个预定范围内的变化和改进。
实验实例
为举例说明本公开内容的具体方面而包括以下实例。本领域的普通技术人员应理解：实例中所描述的方法仅代表本公开内容的说明性实施方式。本领域的普通技术人员根据本公开内容应理解：在所描述的具体实施方式中能够做出许多变化，并且仍得到同样的或类似的结果而不偏离本公开内容的精神和范围。
大约4微米到8微米的金刚石晶体与钴粉末及烧结碳化物粉末混合。金刚石的重量百分比从大约40％改变至60％，钴粉末按重量大约为8％至15％，以及烧结碳化物粉末按重量大约为25％至40％。该粉末在真空氢***(vacuum hydrogen system)中被研磨和处理，并且与烧结碳化物基底一起组合。内层具有基本上极少量的金刚石晶体。两层均与烧结碳化物基底一起组合。组件在超过1400℃的温度下经受10分钟的超过88千巴的压力。产生的团块被移除，并且被磨成精确的尺寸。
合适几何形状的钢质主体被用于铜焊上述弹道式切割嵌入件。尤其是，采用在开采和道路应用中通常所使用的钢质主体。为了保护钢质主体免受腐蚀的目的，使用锥形形状的碳化物套筒来包封外部钢质主体。烧结碳化物套筒借助于高强度环氧树脂而结合到钢质主体。
为举例说明本公开内容的具体方面而包括本文中所描述的实施情况。本领域的技术人员应理解：本文中所描述的实施情况仅代表本公开内容的示例性实施情况。本领域的普通技术人员根据本公开内容应理解：在所描述的具体实施情况中能够做出许多变化，并且仍得到同样的或类似的结果而不偏离本公开内容的精神和范围。根据前述描述，一位本领域的普通技术人员能够轻易地确定本公开内容的基本特征，且不偏离其精神和范围，能够做出多种变化和改进，以使本公开内容适合于多种用途和条件。本文中以上所述的实施情况旨在仅是说明性的，且不应被视为限制本公开内容的范围。
Claims (16)
1.一种用于开采地层的切割元件，所述切割元件包括：
弹道式嵌入件，其设有：
顶部分，所述顶部分包括第一段和第二段，所述第一段形成所述弹道式嵌入件的末端，所述第二段位于所述第一段的下方，其中所述第一段具有以第一半径(R1)为特征的形状，所述第二段具有以第二半径(R2)为特征的形状，并且R1和R2具有正切关系，和
底部分，其支撑所述顶部分。
2.根据权利要求1所述的切割元件，还包括主体，所述主体设有用于接纳所述弹道式嵌入件的凹槽。
3.根据权利要求2所述的切割元件，还包括被定位在所述主体上的套筒，其中所述套筒保护所述主体免受腐蚀。
4.根据权利要求2所述的切割元件，其中所述主体是钢。
5.根据权利要求1所述的切割元件，其中所述弹道式嵌入件是实心体，所述实心体包括聚晶金刚石(PCD)和立方氮化硼(CBN)的混合物。
6.根据权利要求1所述的切割元件，其中所述弹道式嵌入件是聚晶金刚石(PCD)、立方氮化硼(CBN)、钴、碳化物、钨或其组合。
7.根据权利要求1所述的切割元件，其中所述弹道式嵌入件的所述顶部分是聚晶金刚石(PCD)、立方氮化硼(CBN)或其组合。
8.根据权利要求1所述的切割元件，其中所述弹道式嵌入件的所述底部分是碳化物基底。
9.根据权利要求3所述的切割元件，其中所述套筒是碳化物。
10.根据权利要求1所述的切割元件，其中所述弹道式嵌入件的所述顶部分的末端设有凹顶点。
11.根据权利要求1所述的切割元件，其中R2在0.02英寸至0.30英寸或0.5mm至7.6mm之间。
12.根据权利要求1所述的切割元件，其中R1在1.2英寸至10英寸或30.5mm至254mm之间。
13.根据权利要求1所述的切割元件，其中R1与R2的比(R1/R2)等于或大于18。
14.根据权利要求1所述的切割元件，其中所述弹道式嵌入件设有用于接纳嵌入件的一个或多个凹部。
15.根据权利要求2所述的切割元件，其中所述主体设有用于接纳嵌入件的一个或多个开口。
16.根据权利要求1所述的切割元件，其中所述顶部分的高度等于或大于1英寸。
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