JPH11165263A - Polycrystalline diamond cutting element - Google Patents

Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a new dome type polycrystalline abrasive cutting element combining a tungsten carbide supporting material with a semi-spherical abrasive layer. SOLUTION: A polycrystalline abrasive layer 14 is arranged adjacent to a drill bit 12 so that an annulus 20 of a metal carbide projected upward is not covered with the abrasive layer 14 at the time of arranging the polycrystalline abrasive layer 14 on an upper surface of a distal end on a cutting element made by including a metal carbide stud 16 having the distal end and a proximal end suitable for installation in the inside of the drill bit 12. It is possible to control surface stress in such geometric constitution of an abrasive cutting element, and manufacturing cost is reduced. It is also possible to integrally mold a ridge of a specified pattern designed to cause a crack by generating high local stress on a rock. It is possible to perform crushing work with lower power by locally causing the crack.

Description

【発明の詳細な説明】DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION

【０００１】[0001]

【発明の属する技術分野】本発明は、研磨材粒子成形体
を組み込んだ工具に関するものであり、より詳細には、
製造が容易でしかも付着性に優れた新規境界面形状を有
する新規スタッド装着ドーム形研磨材粒子成形体に関す
る。かかる工具は、石油及びガス探鉱用及び鉱業用ドリ
ルビットに格段の有用性をもつ。BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a tool incorporating an abrasive particle compact, and more particularly, to a tool incorporating the same.
The present invention relates to a new stud-mounted dome-shaped abrasive particle compact having a novel interface shape which is easy to manufacture and has excellent adhesion. Such tools have particular utility in oil and gas exploration and mining drill bits.

【０００２】[0002]

【従来の技術】研磨材粒子成形体は、ダイヤモンド及び
／又は立方晶窒化ホウ素のような研磨材粒子が結着して
一体強靭高強度塊を形成した多結晶質塊体である。この
ような成分は、研磨材粒子同士の自己結合、或いは粒子
間に配した結合剤、或いはそれらの組合せによって一体
に結合させることができる。例えば米国特許第３１３６
６１５号、同第３１４１７４６号及び同第３２３３９８
８号を参照されたい。支持研磨材粒子成形体（本明細書
中では複合成形体と呼ぶ）は、炭化タングステン系超硬
合金などの支持体材料に結合した研磨材粒子成形体であ
る。この種の成形体は、例えば米国特許第３７４３４８
９号、同第３７４５６２３号及び同第３７６７３７１号
に記載されている。支持体との結合は研磨材粒子成形体
の形成時又は形成後に形成できる。2. Description of the Related Art Abrasive particle compacts are polycrystalline agglomerates in which abrasive particles such as diamond and / or cubic boron nitride bind together to form a tough, high-strength mass. Such components can be combined together by self-bonding of the abrasive particles, a binder disposed between the particles, or a combination thereof. For example, US Pat.
No. 615, No. 3141746 and No. 323398
See No. 8. A supported abrasive particle compact (referred to herein as a composite compact) is an abrasive particulate compact bonded to a support material such as a tungsten carbide cemented carbide. Moldings of this type are described, for example, in US Pat.
No. 9, No. 3745623 and No. 3767371. The bond with the support can be formed during or after the formation of the abrasive particle compact.

【０００３】複合成形体はドリルビットにおける切削素
子として格段に有用であることが見いだされている。削
岩、耐摩耗性材料の機械加工その他高い耐磨耗性もしく
は耐摩耗性の必要とされる作業に使用されるドリルビッ
トは、概してホルダーに固定された複数の多結晶質研磨
材切削素子からなる。特に、米国特許第４１０９７３７
号及び同第５３７９８５４号には、多結晶質ダイヤモン
ド成形体を切削素子の表層に有する炭化タングステンス
タッド（支持材）が取り付けられたドリルビットが記載
されている。これら複数の切削素子は回転ドリルビット
などのドリルビットのクラウンに凹部への締り嵌めによ
って装着される。これらのドリルビットは概してドリル
加工作業中にドリルクラウンと被削材の境界に冷却水そ
の他の冷却液を供給するための手段を有している。一般
に、かかる切削素子は、焼結カーバイドもしくは超硬合
金（例えば炭化タングステンなど）のいずれかの形態を
取り得る金属炭化物の細長いピン（スタッド）を含んで
おり、そのピンの一端には研磨材粒子成形体（例えば多
結晶質ダイヤモンド）が付いていて複合成形体を形成す
る。Composite moldings have been found to be particularly useful as cutting elements in drill bits. Drill bits used for rock drilling, machining of wear-resistant materials, and other operations requiring high wear resistance or wear resistance are generally made of multiple polycrystalline abrasive cutting elements secured to a holder. Become. In particular, US Pat.
And No. 5,379,854 describe a drill bit with a tungsten carbide stud (support) having a polycrystalline diamond compact on the surface of a cutting element. The plurality of cutting elements are mounted on the crown of a drill bit, such as a rotary drill bit, by an interference fit into the recess. These drill bits generally have a means for supplying cooling water or other coolant to the interface between the drill crown and the workpiece during the drilling operation. Generally, such cutting elements include elongated pins (studs) of metal carbide, which can take the form of either sintered carbide or a cemented carbide (eg, tungsten carbide), with one end of the pin having abrasive particles. A compact (eg, polycrystalline diamond) is attached to form a composite compact.

【０００４】先行技術文献に開示されている通り、多結
晶質ダイヤモンド層は、回転ドリルビット、ドラグビッ
ト、パーカッションビット又は機械加工ビットに使用さ
れる研磨材切削素子の切削面全体を完全に覆っている。
回転ドリルビットはローラーコーンとしても知られる。
ダイヤモンド層は切削素子を保持するドリルビットの表
面にまで広がる。これは米国特許第４１０９７３７号及
び同第５３７９８５４号に明示されている。簡単にいう
と、ダイヤモンド層は切削素子もしくは研磨素子の露出
端の露出（切削）面（もしくは半径）全体を覆ってい
る。As disclosed in the prior art, a layer of polycrystalline diamond completely covers the entire cutting surface of an abrasive cutting element used in rotary drill bits, drag bits, percussion bits or machining bits. I have.
Rotary drill bits are also known as roller cones.
The diamond layer extends to the surface of the drill bit holding the cutting element. This is demonstrated in U.S. Pat. Nos. 4,109,737 and 5,379,854. Briefly, the diamond layer covers the entire exposed (cut) surface (or radius) of the exposed end of the cutting or polishing element.

【０００５】不都合なことに、このような切削素子の最
終機械加工において、該素子はその外径について非常に
精密な許容差に研削される。かかる研削加工は切削素子
の炭化タングステン部分では容易に遂行し得るが、ダイ
ヤモンド層に当たると所要の許容差を維持するのが格段
に難しくなる。さらに、切削素子の機械加工に用いる研
削手段は多結晶質ダイヤモンド層によって簡単に溝がで
きてしまう。こうした研削手段が次に工具の炭化タング
ステン部に再度入ると、それらの溝によって炭化タング
ステンの仕上げに好ましからざるすじが残る。[0005] Unfortunately, in the final machining of such a cutting element, the element is ground to a very close tolerance for its outer diameter. Such grinding can be easily performed on the tungsten carbide portion of the cutting element, but striking the diamond layer makes it much more difficult to maintain the required tolerances. In addition, the grinding means used for machining the cutting elements are easily grooved by the polycrystalline diamond layer. When such grinding means then re-enter the tungsten carbide portion of the tool, the grooves leave undesirable streaks in the tungsten carbide finish.

【０００６】[0006]

【発明の概要】本発明は、炭化タングステンスタッドと
通称される炭化タングステン支持材に半球形ダイヤモン
ド層が結合した新規ドーム形多結晶質ダイヤモンド切削
素子に関する。広義には、本発明の切削素子は、遠位端
とドリルビット内への装着に適合した近位端とを有する
金属炭化物スタッドを含む。この遠位端の上面に多結晶
質研磨材層が配されているが、上記ドリルビットに隣接
してその上方に突き出た金属炭化物の環周部(annulus)
は該研磨材層で覆われないように該多結晶質研磨材層が
配置される。かかるダイヤモンド切削素子の幾何学的構
成によって界面応力の制御ができ、製造コストが低減す
る。SUMMARY OF THE INVENTION The present invention relates to a novel dome-shaped polycrystalline diamond cutting element having a hemispherical diamond layer bonded to a tungsten carbide support commonly referred to as a tungsten carbide stud. Broadly, the cutting element of the present invention includes a metal carbide stud having a distal end and a proximal end adapted for mounting in a drill bit. A layer of polycrystalline abrasive is disposed on the upper surface of the distal end, and the metal carbide annulus protrudes above and adjacent to the drill bit.
The polycrystalline abrasive layer is arranged so as not to be covered with the abrasive layer. The geometrical configuration of such diamond cutting elements allows for control of interfacial stress and reduces manufacturing costs.

【０００７】本発明の別の実施形態では、岩に高い局部
的応力を引き起こして割れを生じるように設計された所
定パターンのリッジ(ridge) もしくはバンプ(bump)が上
記研磨材層に一体成形されている。局部的に割れを引き
起こすことで、破砕作用がより低い力で遂行できる。In another embodiment of the present invention, a ridge or bump of a predetermined pattern designed to cause high local stresses in the rock to cause cracks is integrally formed with the abrasive layer. ing. By causing local cracking, the crushing action can be performed with lower force.

【０００８】[0008]

【発明の実施の形態】まず添付図面について簡単に説明
しておく。図１は、ドリルビット本体内に挿入された炭
化物スタッドからなるドーム形切削素子の断面図であ
り、該スタッドはダイヤモンド層のドームを有している
が、このダイヤモンド層はドリルビット上方に金属炭化
物の環周部が露出するように配置されている。DETAILED DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS First, the accompanying drawings will be briefly described. FIG. 1 is a cross-sectional view of a dome-shaped cutting element comprising a carbide stud inserted into a drill bit body, the stud having a dome of a diamond layer, wherein the diamond layer has a metal carbide over the drill bit. Are arranged so that the peripheral part of the ring is exposed.

【０００９】図２は、図１の上面図である。図３は、別
の実施形態に係る切削素子の断面図であり、この実施形
態ではダイヤモンドドームは複数の平面を有する。図４
は、別の実施形態に係る切削素子の断面図であり、この
実施形態ではダイヤモンドドームと炭化物スタッドの境
界面は角鋸歯状の輪郭を有する。FIG. 2 is a top view of FIG. FIG. 3 is a cross-sectional view of a cutting element according to another embodiment, in which the diamond dome has a plurality of planes. FIG.
FIG. 3 is a cross-sectional view of a cutting element according to another embodiment, in which a boundary surface between a diamond dome and a carbide stud has a square sawtooth profile.

【００１０】図５は、別の実施形態に係る切削素子の断
面図であり、この実施形態ではダイヤモンドドームと炭
化物スタッドの外側境界面は平坦である。図６は、別の
実施形態に係る切削素子の断面図であり、この実施形態
では炭化物の半球形端部は複数の平面を有しており、そ
れらにダイヤモンドドームが結合している。FIG. 5 is a cross-sectional view of a cutting element according to another embodiment, in which the outer interface between the diamond dome and the carbide stud is flat. FIG. 6 is a cross-sectional view of a cutting element according to another embodiment, in which the hemispherical end of the carbide has a plurality of flat surfaces to which a diamond dome is connected.

【００１１】図７は、別の実施形態に係る切削素子の断
面図であり、この実施形態ではダイヤモンドドームと炭
化物スタッドの境界面は外縁部における境界面が上向き
に傾いた構成の鋸歯状である。図８は、別の実施形態に
係る切削素子の断面図であり、この実施形態ではダイヤ
モンドドームと炭化物スタッドの境界面は外縁部におけ
る境界面が下向きに傾いた構成の鋸歯状である。FIG. 7 is a cross-sectional view of a cutting element according to another embodiment. In this embodiment, the boundary surface between the diamond dome and the carbide stud has a sawtooth configuration in which the boundary surface at the outer edge is inclined upward. . FIG. 8 is a cross-sectional view of a cutting element according to another embodiment. In this embodiment, the boundary surface between the diamond dome and the carbide stud has a sawtooth configuration in which the boundary surface at the outer edge is inclined downward.

【００１２】図９は、別の実施形態に係る切削素子の断
面図であり、この実施形態ではダイヤモンドドームは炭
化物スタッドの中央下方に伸びた脚(pillar)を有する。
図１０ａは、別の実施形態に係る切削素子の断面図であ
り、この実施形態では実質的に平坦な炭化物先端に図１
０ｂの上面図にも示すように該先端部を直線的に横切る
角溝が付けられている。FIG. 9 is a cross-sectional view of a cutting element according to another embodiment, in which the diamond dome has a pillar extending below the center of the carbide stud.
FIG. 10a is a cross-sectional view of a cutting element according to another embodiment, in which a substantially flat carbide tip is shown in FIG.
As shown in the top view of FIG.

【００１３】図１１ａは、別の実施形態に係る切削素子
の断面図であり、この実施形態では実質的に平坦な炭化
物先端に図１１ｂの上面図にも示すような環状の角溝が
付けられている。図１２ａは、別の実施形態に係る切削
素子の断面図であり、この実施形態では実質的に平坦な
炭化物先端に図１２ｂの上面図にも示すように該先端部
を直線的に横切る正弦曲線形溝が付けられている。FIG. 11a is a cross-sectional view of a cutting element according to another embodiment, in which a substantially flat carbide tip is provided with an annular square groove as also shown in the top view of FIG. 11b. ing. FIG. 12a is a cross-sectional view of a cutting element according to another embodiment, in which a substantially flat carbide tip has a sinusoidal curve linearly across the tip as also shown in the top view of FIG. 12b. Shaped grooves are provided.

【００１４】図１３ａは、別の実施形態に係る切削素子
の断面図であり、この実施形態では実質的に平坦な炭化
物先端に図１３ｂの上面図にも示すような環状の正弦曲
線形溝が付けられている。図１４は、ダイヤモンドドー
ムがリッジパターンを含んでいる別の実施形態に係る切
削素子の断面図を示す。FIG. 13a is a cross-sectional view of a cutting element according to another embodiment, in which a substantially flat carbide tip has an annular sinusoidal groove as also shown in the top view of FIG. 13b. It is attached. FIG. 14 shows a cross-sectional view of a cutting element according to another embodiment in which the diamond dome includes a ridge pattern.

【００１５】図１５は、図１４に示す切削素子の上面図
である。図１６は、図１４及び図１５に示したリッジの
拡大図である。図１７は、図１５に示したものとは別の
リッジパターンの上面図である。図１８は、図１５に示
したものとは別のリッジパターンの上面図である。図１
９は、図１５に示したものとは別のリッジパターンの上
面図である。FIG. 15 is a top view of the cutting element shown in FIG. FIG. 16 is an enlarged view of the ridge shown in FIG. 14 and FIG. FIG. 17 is a top view of another ridge pattern different from that shown in FIG. FIG. 18 is a top view of another ridge pattern different from that shown in FIG. FIG.
9 is a top view of another ridge pattern different from that shown in FIG.

【００１６】図２０は、本発明の新規切削素子を用いた
改良ローラーコーンドリルビットの側面図である。これ
らの図面について以下詳細に説明する。従来の複合成形
体切削素子に付随する仕上げの問題を解決するため、切
削素子もしくは研磨素子の一部分だけをアンダーカット
して、アンダーカット面に多結晶質ダイヤモンドを形成
することによって、仕上げ時に従来技術の研磨素子に付
随していた仕上げの問題の解消した切削素子が得られる
ことが意外にも判明した。本発明の実施に当たり、多結
晶質ダイヤモンドが付着する炭化物支持材の一部は、支
持体の装着される回転又は機械加工ビットの表面よりも
高い位置に露出している。炭化物が露出されていると使
用中に摩滅してダイヤモンド研磨面もしくは切削面の破
損又は損失を引き起こすのではないかと従前信じられて
いたが、今では、露出炭化物支持材に影響を生じずに研
磨素子のダイヤモンド面が堀削もしくは機械加工作用を
吸収するために、そのようなことは起こらないと予想さ
れる。FIG. 20 is a side view of an improved roller cone drill bit using the novel cutting element of the present invention. These drawings are described in detail below. In order to solve the finishing problems associated with the conventional composite compact cutting element, only a part of the cutting element or the polishing element is undercut and polycrystalline diamond is formed on the undercut surface, so that the prior art at the time of finishing is It has been surprisingly found that a cutting element can be obtained in which the finishing problem associated with this polishing element is eliminated. In the practice of the present invention, a portion of the carbide support to which the polycrystalline diamond adheres is exposed above the surface of the rotating or machined bit on which the support is mounted. It was previously believed that exposed carbides would wear away during use, causing breakage or loss of the diamond polished or machined surface, but are now polished without affecting the exposed carbide support. Such is not expected to occur because the diamond face of the element absorbs the digging or machining action.

【００１７】図１を参照すると、ドリルビット本体１２
（その一部だけを図示）に装着された切削素子１０が示
されている。切削素子１０はビット本体１２の凹部に締
り嵌めによって嵌合する。切削素子１０は炭化物スタッ
ド１６に固着した多結晶質ダイヤモンドドーム１４から
なる。ここで注意すべきは、ダイヤモンドドーム１４
は、ドリルビット本体１２の外面１８から上方に突き出
たスタッド１６の露出半球端部すべてを被覆してはおら
ず、炭化物環周部２０が露出されていることである。こ
れに関しては図２を参照されたい。本発明の実施におい
て、重大かつ意外な特徴は、炭化物支持材の一部分が研
磨素子もしくは切削素子のホルダーの表面よりも上方に
露出していることであり、これにより仕上げコストが実
質的に減少すると同時に従前の仕上げ作業で生じていた
ダイヤモンドドームの欠陥の発生率が低減するが、予想
に反してこの新規切削素子の切削性能や耐用寿命は劣化
しない。Referring to FIG. 1, the drill bit body 12
The cutting element 10 is shown mounted (only part of which is shown). The cutting element 10 fits into the recess of the bit body 12 by interference fit. The cutting element 10 comprises a polycrystalline diamond dome 14 fixed to a carbide stud 16. It should be noted here that the diamond dome 14
Does not cover the entire exposed hemispherical end of the stud 16 protruding upward from the outer surface 18 of the drill bit body 12, and exposes the carbide ring peripheral portion 20. See FIG. 2 in this regard. In the practice of the present invention, a significant and surprising feature is that a portion of the carbide support is exposed above the surface of the polishing or cutting element holder, which substantially reduces finishing costs. At the same time, the incidence of defects in the diamond dome caused by the previous finishing operation is reduced, but the cutting performance and service life of the new cutting element are not unexpectedly degraded.

【００１８】各添付図面に示した通り、多結晶質ダイヤ
モンド層の表面はドーム形、半球形、半径縮小型半球
形、或いは複数の平面の集合からなる半球形にし得る。
ダイヤモンドドームと炭化物スタッドとの境界面は、ダ
イヤモンド層と炭化物支持材との付着性を向上させるた
めの様々な形状を取り得る。次に図３を参照すると、炭
化物のピン（すなわちスタッド）２４に取り付けられた
ダイヤモンドドーム２２が滑らかな半球形ではなく、環
状をなす複数の平面を含んでいることが分かる。ここで
も炭化物の環周部２６が存在する。本明細書中におい
て、「半球形」という用語には外面の滑らかな半球形だ
けでなく、変則的外面の半球形も包含される。As shown in each of the accompanying drawings, the surface of the polycrystalline diamond layer may be dome-shaped, hemispherical, reduced-radius hemispherical, or hemispherical comprising a collection of planes.
The interface between the diamond dome and the carbide stud may take various shapes to improve the adhesion between the diamond layer and the carbide support. Referring now to FIG. 3, it can be seen that the diamond dome 22 attached to the carbide pin (or stud) 24 is not a smooth hemisphere, but rather includes a plurality of annular planes. Here, too, there is an annular portion 26 of carbide. As used herein, the term "hemispherical" includes not only smooth outer hemispheres but also irregular outer hemispheres.

【００１９】図４では、ダイヤモンドドーム３２が炭化
物スタッド３４に付着していて、炭化物環周部３６が露
出している。スタッド３４の外端は、該スタッド３４へ
のダイヤモンドドーム３２の付着性を高めるための角溝
を有する。図５では、ダイヤモンドドーム４２が炭化物
スタッド４４に付着していて、炭化物環周部４６が露出
している。ただし、この構成では、ダイヤモンドドーム
４２と炭化物スタッド４４の外側付着領域は平坦である
（平坦環周部）。In FIG. 4, the diamond dome 32 is attached to the carbide stud 34, and the carbide ring 36 is exposed. The outer end of the stud 34 has a square groove for improving the adhesion of the diamond dome 32 to the stud 34. In FIG. 5, the diamond dome 42 is attached to the carbide stud 44, and the carbide ring 46 is exposed. However, in this configuration, the outer attachment area between the diamond dome 42 and the carbide stud 44 is flat (flat annular periphery).

【００２０】図６では、炭化物スタッド５４の外端は頂
部が平坦で外側平坦環周部を有する。ダイヤモンドドー
ム５２はこれらの平面に付着していて、炭化物環周部５
６が露出している。図７では、炭化物ピン６４の実質的
に水平な鋸歯状端部がダイヤモンドドーム６２との境界
面を形成しており、炭化物はダイヤモンドドーム６２と
の最も外側の境界面でドリルビット本体１２から上向き
に傾いている。ここでも炭化物環周部６６が存在する。In FIG. 6, the outer end of carbide stud 54 has a flat top and an outer flat annular periphery. The diamond dome 52 is attached to these planes and the carbide ring 5
6 is exposed. In FIG. 7, the substantially horizontal serrated end of the carbide pin 64 forms an interface with the diamond dome 62, with the carbide facing upward from the drill bit body 12 at the outermost interface with the diamond dome 62. Leaning on. Here, too, a carbide ring 66 is present.

【００２１】図８では、炭化物ピン７４の実質的に水平
な鋸歯状端部がダイヤモンドドーム７２との境界面を形
成しており、炭化物はダイヤモンドドーム７２との最も
外側の境界面でドリルビット本体１２に向かって下向き
に傾いている。ここでも炭化物環周部７６が存在する。
図９では、ダイヤモンドドーム８２が炭化物スタッド８
４内に伸びた脚８８を有する。ここでも炭化物環周部８
６が露出している。なお、脚８８はダイヤモンドドーム
８２の残りの部分よりも粗いダイヤモンドグリットから
形成し得る。In FIG. 8, the substantially horizontal serrated end of carbide pin 74 forms an interface with diamond dome 72 and the carbide is at the outermost interface with diamond dome 72 at the drill bit body. It is inclined downward toward 12. Here, too, there is a carbide ring periphery 76.
In FIG. 9, the diamond dome 82 has the carbide stud 8
4 has legs 88 extending into it. Here also the carbide ring 8
6 is exposed. Note that the legs 88 may be formed from diamond grit that is coarser than the rest of the diamond dome 82.

【００２２】図１０ａでは、炭化物スタッド９４は、ダ
イヤモンドドーム９２の付着性を高めるために、その実
質的に平坦な外表面を横切る角溝９８ａ〜ｃ（図１０
ｂ）を有している。ここでも炭化物環周部９６が存在す
る。図１１ａでは、炭化物スタッド１０４は、ダイヤモ
ンドドーム１０２の付着性を高めるために、その実質的
に平坦な外表面に環状の角溝１０８ａ〜ｃ（図１１ｂ）
を有している。ここでも炭化物環周部１０６が存在す
る。In FIG. 10a, carbide studs 94 have square grooves 98a-c (FIG. 10) across their substantially flat outer surfaces to enhance the adherence of diamond dome 92.
b). Here, too, a carbide ring periphery 96 is present. In FIG. 11a, carbide studs 104 have annular angular grooves 108a-c (FIG. 11b) in their substantially flat outer surface to enhance the adherence of diamond dome 102.
have. Here, too, the carbide ring periphery 106 is present.

【００２３】図１２ａでは、炭化物スタッド１１４は、
ダイヤモンドドーム１１２の付着性を高めるために、そ
の実質的に平坦な外表面を横切る正弦曲線形の溝１１８
ａ〜ｃ（図１２ｂ）を有している。ここでも炭化物環周
部１１６が存在する。図１３ａでは、炭化物スタッド１
２４は、ダイヤモンドドーム１２２の付着性を高めるた
めに、その実質的に平坦な外表面に環状の正弦曲線形溝
１２８ａ〜ｃ（図１３ｂ）を有している。ここでも炭化
物環周部１２６が存在する。In FIG. 12a, carbide studs 114 are:
A sinusoidal groove 118 across the substantially flat outer surface to enhance the adherence of the diamond dome 112
a to c (FIG. 12b). Here, too, there is a carbide ring periphery 116. In FIG. 13a, carbide stud 1
24 has annular sinusoidal grooves 128a-c (FIG. 13b) on its substantially flat outer surface to enhance the adhesion of diamond dome 122. Here, too, a carbide ring periphery 126 is present.

【００２４】図１４〜１９は、研磨材構造の変形を示す
もので、研磨材層と一体成形された所定のパターンのリ
ッジもしくはバンプが含まれる。かかるリッジは同一出
願人に係る米国特許出願第０８／６４５３９８号に開示
されている。これらのリッジは岩に高い局部的応力を引
き起こし、割れを生じるように設計されている。局部的
に割れを引き起こすことで、破砕作用がより低い力で遂
行できる。より大型のチップでどの程度大きな割れが生
じるかも予見できる。このような作用は、その本質とし
て、岩の除去体積当たりの岩同士の結合の破壊が減少す
るので、良好な切削効率を示すはずである。FIGS. 14 to 19 show deformations of the abrasive material structure, which include ridges or bumps of a predetermined pattern integrally formed with the abrasive material layer. Such a ridge is disclosed in commonly assigned U.S. patent application Ser. No. 08 / 645,398. These ridges are designed to cause high local stresses in the rock and cause cracks. By causing local cracking, the crushing action can be performed with lower force. You can also predict how large cracks will occur with larger chips. Such an action should exhibit good cutting efficiency because, in essence, the breaking of rock-to-rock bonds per volume of rock removed is reduced.

【００２５】図１４を参照すると、研磨材ドーム１３２
がリッジ１３３を有しているのが分かるが、このリッジ
は図１５に図示したスポーク形パターンの一部である。
ここでも炭化物スタッド１３４に炭化物環周部１３６が
存在する。リッジ１３３の半径方向断面を図１６に示
す。リッジ１３３はドーム１３２に対して４５°の角度
を有するのが好ましい。リッジの設置及びパターンは具
体的用途に応じて決定される。研磨材ドーム１４２、１
５２及び１６２に形成した追加のリッジパターン１４
３、１５３及び１６３をそれぞれ図１７、図１８及び図
１９に示す。Referring to FIG. 14, abrasive dome 132
Has a ridge 133, which is part of the spoke-shaped pattern shown in FIG.
Here, too, carbide stud 134 has carbide ring periphery 136. A radial cross section of the ridge 133 is shown in FIG. The ridge 133 preferably has a 45 ° angle with the dome 132. The placement and pattern of the ridge is determined according to the specific application. Abrasive dome 142, 1
Additional ridge pattern 14 formed on 52 and 162
3, 153 and 163 are shown in FIGS. 17, 18 and 19, respectively.

【００２６】図２０は、ねじ付き端部２３２と３つのカ
ッターコーン２３４を有する金属ドリル本体２３０で構
成された慣用のローラーコーンドリルビット（当技術分
野で公知のトリコーンローラービット）を示す。各々の
カッターコーンは複数のカッター素子（すなわち符号２
３６を付した切削素子）を有する。かかる切削素子は本
発明の新規切削素子である。FIG. 20 shows a conventional roller cone drill bit (a tri-cone roller bit as known in the art) composed of a metal drill body 230 having a threaded end 232 and three cutter cones 234. Each cutter cone has a plurality of cutter elements (ie, 2
36). Such a cutting element is a novel cutting element of the present invention.

【００２７】多結晶質ドーム層は好ましくは多結晶質ダ
イヤモンド（ＰＣＤ）である。ただし、本発明の範囲に
属するその他の材料として、人工及び天然ダイヤモン
ド、立方晶窒化ホウ素（ＣＢＮ）、ウルツ鉱型窒化ホウ
素、これらの組合せなどがある。多結晶質ダイヤモンド
が好ましい多結晶質層である。金属炭化物系超硬合金支
持材は慣用の組成のものであり、したがって第IVＢ族、
第ＶＢ族又は第VIＢ族金属のいずれの炭化物でもよく、
コバルト、ニッケル又は鉄或いはそれらの合金から選択
される結合剤の存在下で圧縮成形して焼結したものであ
る。好ましい金属炭化物は炭化タングステンである。[0027] The polycrystalline dome layer is preferably polycrystalline diamond (PCD). However, other materials that fall within the scope of the present invention include artificial and natural diamond, cubic boron nitride (CBN), wurtzite boron nitride, combinations thereof, and the like. Polycrystalline diamond is a preferred polycrystalline layer. The metal carbide based cemented carbide support is of conventional composition and is therefore of Group IVB,
Any carbide of a Group VB or Group VIB metal may be used,
It is obtained by compression molding and sintering in the presence of a binder selected from cobalt, nickel, iron or an alloy thereof. The preferred metal carbide is tungsten carbide.

【００２８】さらに、本発明の実施に際して、ダイヤモ
ンド層の表面の形状は決定的重要性をもつものではない
が、ダイヤモンド層は基本的に半球形であるのが好まし
い。また、炭化物支持材のアンダーカット部にダイヤモ
ンド層が形成されるように炭化物支持材の表面をアンダ
ーカットするか或いはアンダーカットを付けて予備成形
することも好ましい。Further, in the practice of the present invention, the shape of the surface of the diamond layer is not critical, but it is preferred that the diamond layer is basically hemispherical. It is also preferable that the surface of the carbide support is undercut or preformed with an undercut so that a diamond layer is formed in the undercut portion of the carbide support.

【００２９】ダイヤモンド層の表面形状は円錐形でも、
半径の縮小もしくは拡大した形のものでも、チゼル形で
も、或いは非軸対称形でもよい。一般に、掘削産業で用
いられている炭化タングステンインサートの形態すべて
をダイヤモンド層の添加で向上させることができ、本発
明にしたがってビット挿入時の最終切削素子の露出外径
の一部からダイヤモンドを排除することによってさらに
改善できる。The surface shape of the diamond layer may be conical,
It may be of reduced or enlarged radius, chiseled, or non-axisymmetric. In general, all forms of tungsten carbide inserts used in the drilling industry can be improved with the addition of a diamond layer, which excludes diamond from part of the exposed outer diameter of the final cutting element during bit insertion according to the present invention. This can be further improved.

【００３０】さらに、炭化物とダイヤモンド層の境界面
は概して、ドーム形、半球形、半径縮小形、平面、円錐
形などの任意の形態でよい。境界面は、また、平滑でも
鋸歯状でもよい。ただし、凹凸のある境界面が特に炭化
物支持材の焼結及びダイヤモンド層の形成に当たってダ
イヤモンド層と炭化物支持材の間のより良好な結合をも
たらすので好ましい。また、金属炭化物支持材の表面は
好ましくは図面に示した通りアンダーカットされる。In addition, the interface between the carbide and the diamond layer may be generally in any form, such as domed, hemispherical, reduced radius, flat, conical, and the like. The interface may also be smooth or serrated. However, a textured interface is preferred because it provides better bonding between the diamond layer and the carbide support, especially in sintering the carbide support and forming the diamond layer. Also, the surface of the metal carbide support is preferably undercut as shown in the drawing.

【００３１】前述の通り、本発明の重要な特徴は、切削
素子の装着（概して締り嵌めによる）される工具の表面
から切削素子の炭化物支持材の一部分が上方に突き出し
ていることである。仕上げ作業時に得られる予想外の有
益な効果は格別である。それと同時に、炭化物環周部を
ビット本体の上方の切削部に露出したことで予想された
悪影響は意外にも全くみられい。As noted above, an important feature of the present invention is that a portion of the carbide support of the cutting element projects upwardly from the surface of the tool to which the cutting element is mounted (generally by an interference fit). The unexpected and beneficial effects obtained during finishing operations are exceptional. At the same time, the expected adverse effect of exposing the carbide ring periphery to the cutting portion above the bit body is surprisingly completely absent.

【００３２】本発明を幾つかの好ましい実施形態に関連
して説明し、例示してきたが、本発明がそれらに限定さ
れないことは当業者には自明であろう。したがって、本
明細書の特許請求の範囲は、本発明の技術的思想及び技
術的範囲に属するすべての変形をカバーする。本明細書
中で引用した文献はすべて援用によって本明細書の内容
の一部をなす。While the invention has been described and illustrated with reference to certain preferred embodiments, it will be obvious to one skilled in the art that the invention is not so limited. Therefore, the claims of the present specification cover all modifications belonging to the technical idea and the technical scope of the present invention. All documents cited herein are hereby incorporated by reference.

【図面の簡単な説明】[Brief description of the drawings]

【図１】 本発明の実施形態に係るドーム形切削素子の
断面図FIG. 1 is a cross-sectional view of a dome-shaped cutting element according to an embodiment of the present invention.

【図２】 図１に示すドーム形切削素子の上面図FIG. 2 is a top view of the dome-shaped cutting element shown in FIG.

【図３】 本発明の別の実施形態に係るドーム形切削素
子の断面図FIG. 3 is a cross-sectional view of a dome-shaped cutting element according to another embodiment of the present invention.

【図４】 本発明の別の実施形態に係るドーム形切削素
子の断面図FIG. 4 is a sectional view of a dome-shaped cutting element according to another embodiment of the present invention.

【図５】 本発明の別の実施形態に係るドーム形切削素
子の断面図FIG. 5 is a cross-sectional view of a dome-shaped cutting element according to another embodiment of the present invention.

【図６】 本発明の別の実施形態に係るドーム形切削素
子の断面図FIG. 6 is a sectional view of a dome-shaped cutting element according to another embodiment of the present invention.

【図７】 本発明の別の実施形態に係るドーム形切削素
子の断面図FIG. 7 is a sectional view of a dome-shaped cutting element according to another embodiment of the present invention.

【図８】 本発明の別の実施形態に係るドーム形切削素
子の断面図FIG. 8 is a cross-sectional view of a dome-shaped cutting element according to another embodiment of the present invention.

【図９】 本発明の別の実施形態に係るドーム形切削素
子の断面図FIG. 9 is a cross-sectional view of a dome-shaped cutting element according to another embodiment of the present invention.

【図１０】 本発明の別の実施形態に係るドーム形切削
素子の断面図（ａ）及びその上面図（ｂ）FIG. 10 is a cross-sectional view (a) and a top view (b) of a dome-shaped cutting element according to another embodiment of the present invention.

【図１１】 本発明の別の実施形態に係るドーム形切削
素子の断面図（ａ）及びその上面図（ｂ）FIG. 11 is a sectional view (a) and a top view (b) of a dome-shaped cutting element according to another embodiment of the present invention.

【図１２】 本発明の別の実施形態に係るドーム形切削
素子の断面図（ａ）及びその上面図（ｂ）FIG. 12A is a cross-sectional view of a dome-shaped cutting element according to another embodiment of the present invention, and FIG.

【図１３】 本発明の別の実施形態に係るドーム形切削
素子の断面図（ａ）及びその上面図（ｂ）FIG. 13 is a cross-sectional view (a) and a top view (b) of a dome-shaped cutting element according to another embodiment of the present invention.

【図１４】 本発明の別の実施形態に係るリッジ付き切
削素子の断面図FIG. 14 is a cross-sectional view of a cutting element with a ridge according to another embodiment of the present invention.

【図１５】 図１４に示す切削素子の上面図15 is a top view of the cutting element shown in FIG.

【図１６】 図１４及び図１５に示すリッジの拡大図FIG. 16 is an enlarged view of the ridge shown in FIGS. 14 and 15;

【図１７】 本発明の別の実施形態に係るリッジパター
ンの上面図FIG. 17 is a top view of a ridge pattern according to another embodiment of the present invention.

【図１８】 本発明の別の実施形態に係るリッジパター
ンの上面図FIG. 18 is a top view of a ridge pattern according to another embodiment of the present invention.

【図１９】 本発明の別の実施形態に係るリッジパター
ンの上面図FIG. 19 is a top view of a ridge pattern according to another embodiment of the present invention.

【図２０】 本発明の新規切削素子を用いたローラーコ
ーンドリルビットの側面図FIG. 20 is a side view of a roller cone drill bit using the novel cutting element of the present invention.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

１０ 切削素子 １２ ドリルビット本体 １４ 多結晶質ダイヤモンド層 １６ 金属炭化物スタッド ２０ 金属炭化物環周部 ２３０ ドリル本体 ２３２ ねじ付き端 ２３４ カッターコーン ２３６ 切削素子 REFERENCE SIGNS LIST 10 cutting element 12 drill bit body 14 polycrystalline diamond layer 16 metal carbide stud 20 metal carbide ring circumference 230 drill body 232 threaded end 234 cutter cone 236 cutting element

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 デイヴィッド・マーク・ジョンソン アメリカ合衆国、オハイオ州、ウェスター ヴィル、ロリー・レーン、1172番 (72)発明者 フリーデル・ジークフリート・ネメイアー アメリカ合衆国、オハイオ州、グランヴィ ル、ロンドン・ストリート、2402番 (72)発明者 ブラッドリー・アール・ウィリアムズ アメリカ合衆国、オハイオ州、ワーシント ン、ライリー・アヴェニュー、544番 ──────────────────────────────────────────────────続 き Continued on front page (72) Inventor David Mark Johnson, United States, Ohio, Westerville, Rory Lane, No. 1172 London Street, No. 2402 (72) Inventor Bradley Earl Williams, Washington, Ohio, Washington, Riley Avenue, No. 544

Claims (9)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項１】 (ａ)遠位端及びドリルビット内への装着
に適合した近位端を有する金属炭化物スタッド、及び
(ｂ)上記遠位端の上面に配置された多結晶質研磨材層で
あって、上記ドリルビットに隣接してその上方に突き出
た金属炭化物の環周部は該研磨材層で覆われないように
配置された多結晶質研磨材層を含んでなる切削素子。1. A metal carbide stud having (a) a distal end and a proximal end adapted for mounting in a drill bit;
(b) a polycrystalline abrasive layer disposed on the upper surface of the distal end, wherein an annular portion of the metal carbide protruding above and adjacent to the drill bit is not covered with the abrasive layer; Cutting element comprising a polycrystalline abrasive layer arranged as described above. 【請求項２】 金属炭化物スタッドと多結晶質研磨材と
の境界面が非平面で鋸歯状である、請求項１記載の切削
素子。2. The cutting element according to claim 1, wherein the interface between the metal carbide stud and the polycrystalline abrasive is non-planar and serrated. 【請求項３】 前記鋸歯状の境界面が直線状又は環状で
ある、請求項２記載の切削素子。3. The cutting element according to claim 2, wherein the saw-toothed boundary surface is linear or annular. 【請求項４】 金属炭化物スタッドと多結晶質研磨材と
の境界面が非平面であって、それらの最も外側の接触部
分がドリルビットから上向き又はドリルビットに向かっ
て下向きに傾いている、請求項１記載の切削素子。4. The method of claim 1, wherein the interface between the metal carbide stud and the polycrystalline abrasive is non-planar, and their outermost contacts are inclined upwardly from the drill bit or downwardly toward the drill bit. Item 7. The cutting element according to Item 1. 【請求項５】 金属炭化物スタッドと多結晶質研磨材と
の境界面が非平面であって、前記多結晶質研磨材が前記
金属炭化物スタッドの中央下方に脚を伸ばしている、請
求項１記載の切削素子。5. The method according to claim 1, wherein the interface between the metal carbide stud and the polycrystalline abrasive is non-planar and the polycrystalline abrasive extends legs below the center of the metal carbide stud. Cutting element. 【請求項６】 前記多結晶質研磨材層が基本的に半球形
である、請求項１記載の切削素子。6. The cutting element according to claim 1, wherein said polycrystalline abrasive layer is essentially hemispherical. 【請求項７】 前記多結晶質研磨材の層が所定パターン
のリッジを有している、請求項１記載の切削素子。7. The cutting element according to claim 1, wherein the layer of polycrystalline abrasive has a ridge of a predetermined pattern. 【請求項８】 切削素子を保持するための凹部を有する
細長いドリルビット本体の改良ドリルビットにおいて、
上記切削素子が(ａ)遠位端及びドリルビットの凹部への
装着に適合した近位端を有する金属炭化物スタッド、及
び(ｂ)上記遠位端の上面に配置された多結晶質研磨材層
であって、上記ドリルビットに隣接してその上方に突き
出た金属炭化物の環周部は該研磨材層で覆われないよう
に配置された多結晶質研磨材層を含んでなることを改良
点として含む、改良ドリルビット。8. An improved drill bit for an elongated drill bit body having a recess for retaining a cutting element,
The cutting element having (a) a metal carbide stud having a distal end and a proximal end adapted for mounting in a recess of a drill bit, and (b) a polycrystalline abrasive layer disposed on top of the distal end. Wherein the annular portion of the metal carbide protruding adjacent to and above the drill bit comprises a polycrystalline abrasive layer disposed so as not to be covered by the abrasive layer. Includes an improved drill bit. 【請求項９】 前記ドリルビットが回転ドリルビットで
ある、請求項８記載の改良ドリルビット。9. The improved drill bit according to claim 8, wherein said drill bit is a rotary drill bit.