CN101523014A - 厚的尖锐的超硬材料 - Google Patents

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Abstract

在本发明的一个方面中，高抗冲击的工具具有在非平面界面处结合到烧结金属碳化物基材的超硬材料。超硬材料具有基本上尖锐的几何结构，带有具有.050英寸到.125英寸半径的锐利顶端。超硬材料还具有从顶端到非平面界面的.100英寸到.500英寸的厚度。

Description

厚的尖锐的超硬材料
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200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DavidR.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。
发明背景
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)。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
在本发明的一方面中，高抗冲击的工具具有在非平面界面处结合到烧结金属碳化物基材(cemented metal carbide substrate)的超硬材料。在界面处，基材具有从基材的圆柱形边缘处开始且终止于在基材中形成的升高的平的中心区域的锥形表面(tapered surface)。超硬材料具有尖锐的几何结构(pointed geometry)，带有具有.050英寸到.125英寸半径的锐利顶端(sharpapex)。超硬材料还具有从顶端到基材的平的中心区域的.100到.500英寸的厚度。在其它实施方式中，基材可具有非平面界面。界面可包括稍凸的几何结构，或基材的一部分可在界面处稍凹。
基本上尖锐的几何结构可包括与工具的中心轴形成35度到55度的角的侧面。所述角可基本上为45度。基本上尖锐的几何结构可包括凸的和/或凹的侧面。在一些实施方式中，半径可为.090英寸到.110英寸。也在一些实施方式中，从顶端到非平面界面的厚度可为.125英寸到.275英寸。
基材可被结合到碳化物节段(carbide segment)的一端。碳化物节段可被钎焊到或压配合到钢体。基材可包括按重量计1％到40％浓度的钴。基材的锥形表面可为凹的和/或凸的。锥形可结合节结(nodule)、槽、凹部、凸起、反向凹部(reverse dimple)或其组合。在一些实施方式中，基材具有直径为.125英寸到.250英寸的平的中心区域。
超硬材料和基材可包括从顶端到基材底部的.200英寸到.700英寸的总厚度。在一些实施方式中，总厚度可达2英寸。超硬材料可包括金刚石、聚晶金刚石、天然金刚石、人造金刚石、气相沉积金刚石、硅结合金刚石(silicon bonded diamond)、钴结合金刚石、热稳定金刚石、具有1重量百分比到40重量百分比的粘合剂浓度的聚晶金刚石、渗透式金刚石(infiltrated diamond)、分层式金刚石、整体式金刚石、抛光金刚石、过程金刚石(course diamond)、精细金刚石、立方氮化硼、孕镶金刚石的基质、孕镶金刚石的碳化物、金属催化的金刚石或其组合。超硬材料的体积可为碳化物基材体积的75％到150％。在一些实施方式中，金刚石的体积可达到碳化物基材体积的两倍那样多。超硬材料可被抛光。超硬材料可为具有1微米到100微米的平均粒度的多晶超硬材料。超硬材料可包括按重量计1％到40％浓度的粘合剂。本发明的工具包括经得起大于80焦耳的冲击的特性。
可将高冲击强度的工具结合到钻头、冲击钻头、齿轮钻头、剪切钻头、铣床、压头、采矿用镐、沥青镐、圆锥破碎机、立式冲击式磨机、锤式粉碎机、颚式破碎机、沥青钻头、凿、挖沟机或其组合。
附图简述
图1是高抗冲击的工具的一个实施方式的透视图。
图2是尖锐的几何结构的一个实施方式的横截面图。
图2a是超硬的几何结构的另一个实施方式的横截面图。
图3是超硬的几何结构的一个实施方式的横截面图。
图3a是试验结果的一个实施方式的图。
图3b是超硬的几何结构的FEA的一个实施方式的图。
图3c是尖锐的几何结构的有限元分析的一个实施方式的图。
图4是尖锐的几何结构的另一个实施方式的横截面图。
图5是尖锐的几何结构的另一个实施方式的横截面图。
图6是尖锐的几何结构的另一个实施方式的横截面图。
图7是尖锐的几何结构的另一个实施方式的横截面图。
图8是是尖锐的几何结构的另一个实施方式的横截面图。
图9是尖锐的几何结构的另一个实施方式的横截面图。
图10是尖锐的几何结构的另一个实施方式的横截面图。
图11是尖锐的几何结构的另一个实施方式的横截面图。
图12是工具的另一个实施方式的横截面图。
图13是工具的另一个实施方式的横截面图。
图14是工具的另一个实施方式的横截面图。
图14a是高抗冲击的工具的一个实施方式的透视图。
图15沥青铣床的一个实施方式的横截面图。
图16是冲击钻头的一个实施方式的正交图(orthogonal diagram)。
图17是齿轮钻头的一个实施方式的横截面图。
图18是钻头的一个实施方式的透视图。
图19是钻头的一个实施方式的正交图。
图20是挖沟机的另一个实施方式的透视图。
图21是颚式破碎机的一个实施方式的横截面图。
图22是锤式粉碎机的一个实施方式的横截面图。
图23是立式冲击破碎机的一个实施方式的横截面图。
图24是圆锥破碎机的一个实施方式的横截面图。
图25是工具的另一个实施方式的正交图。
图26是工具的另一个实施方式的正交图。
图27是第二节段的一个实施方式的透视图。
图28是工具的一个实施方式的分解图。
图29是工具的另一个实施方式的正交图。
图30是工具的另一个实施方式的正交图。
图31是工具的另一个实施方式的正交图。
图32是工具的另一个实施方式的正交图。
图33是工具的另一个实施方式的正交图。
图34是工具的另一个实施方式的正交图。
图35是柄的一个实施方式的横截面图。
图36是柄的另一个实施方式的横截面图。
图37是柄和第一节段的一个实施方式的横截面图。
图38是柄和第一节段的一个实施方式的横截面图。
图39是工具的另一个实施方式的正交图。
图40是柄和第一节段的一个实施方式的横截面图。
图41是固定器(holder)的透视横截面图。
图42是工具的另一个实施方式的横截面图。
图43是尖头的一个实施方式的横截面图。
发明详述及优选实施方式
图1公开了高抗冲击的工具100的一个实施方式，工具100可在采矿、沥青铣床或挖沟工业中的机器中使用。工具100可包括柄101和主体(body)102，所述主体102被分为第一节段103和第二节段104。第一节段103通常可由钢制成，而第二节段104可由较硬材料如烧结金属碳化物制成。第二节段104可通过钎焊结合到第一节段103以防止第二节段104从第一节段103分开。
柄101可适合于被连接至驱动机构，如沥青铣床或采矿鼓轮(miningdrum)上。保护性弹簧套105可放置于柄101周围，既用于保护也用于允许该高抗冲击的工具被压配合到固定器中，同时仍然能够旋转。垫圈106也可被放置于柄101周围，以便当将高抗冲击的工具100插入固定器中时，垫圈106保护固定器的上表面，而且也利于工具旋转。垫圈106和套105可为有利的，因为它们可以保护替换可能为昂贵的固定器。
高抗冲击的工具100还包括在平面界面150处结合到主体102的第二节段104的截头圆锥形末端(frustoconical end)108的尖头107。尖头107包括在非平面界面处结合到烧结金属碳化物基材110的超硬材料109。尖头可通过高温高压处理结合到基材。超硬材料109可包括金刚石、聚晶金刚石、天然金刚石、人造金刚石、气相沉积金刚石、硅结合金刚石、钴结合金刚石、热稳定金刚石、具有1重量百分比到40重量百分比的粘合剂浓度的聚晶金刚石、渗透式金刚石、分层式金刚石、整体式金刚石、抛光金刚石、过程金刚石、精细金刚石、立方氮化硼、孕镶金刚石的基质、孕镶金刚石的碳化物、非金属催化的金刚石或其组合。
超硬材料109可为具有10微米到100微米的平均粒度的多晶结构。烧结金属碳化物基材110可包括按重量计1％到40％，优选地5％到10％的浓度的钴。在高温高压(HTHP)处理期间，钴中的一些可渗入到超硬材料中，以致于基材包括比在HTHP处理之前的稍低的钴浓度。在钴或其它粘合剂渗入到超硬材料之后，超硬材料可优选地包括按重量计1％到5％的钴浓度。超硬材料也可包括作为粘合剂的按重量计1％到5％浓度的钽。可被使用的其它粘合剂包括铁、钴、镍、硅、氢氧化物、氢化物、水合物、磷-氧化物、磷酸、碳酸盐、镧系元素、锕系元素、磷酸盐水合物、磷酸氢盐、磷碳酸盐、碱金属、钌、铑、铌、钯、铬、钼、锰、钽或其组合。在一些实施方式中，将粘合剂在HTHP处理之前直接添加到超硬材料的混合物中，并且在HTHP处理期间不依赖于从基材迁移到混合物中的粘合剂。
现在参考图2，基材110包括从基材的圆柱形边缘250开始且终止于在基材中形成的升高的、平的中心区域201的锥形表面200。超硬材料109包括基本上尖锐的几何结构210，几何结构210具有包括.050英寸到.125英寸半径的锐利顶端202。在一些实施方式中，半径为.900英寸到.110英寸。人们相信，顶端202适合于将冲击力分配到平的区域201各处，这可有助于防止超硬材料109碎裂或破裂。超硬材料109可包括从顶端到平的区域或非平面界面的.100英寸到.500英寸，优选地从.125英寸到.275英寸的厚度203。超硬材料109和基材110可包括从顶端202到基材110的底部205的.200英寸到.700英寸的总厚度204。锐利顶端202可使工具更容易地劈开沥青、岩石或其它结构(formation)。
超硬材料109的尖锐的几何结构可包括与工具的中心轴形成35度到55度的角150的侧面，但角150可优选地基本上为45度。夹角(includedangle)可为90度角，但在一些实施方式中，夹角为85度到95度。
尖锐的几何结构也可包括凸侧面或凹侧面。基材的锥形表面可在超硬材料和基材之间的界面处结合节结207，这可在基材上提供更多表面积以提供更坚固的界面。锥形表面也可结合槽、凹部、凸起、反向凹部或其组合。锥形表面可为凸的或凹的。
比较图2和图3，可以看到，与钝的顶端300对照的具有尖锐顶端202的优点。图2是由本发明的发明人制成的、具有.094英寸半径的顶端和从顶端到非平面界面的.150英寸的厚度的尖锐的几何结构的代表。图3是也由同一发明人制成的、包括.160英寸半径的顶端和包括从顶端到非平面几何结构的.200英寸的厚度的另一个几何结构的代表。在坐落于Provo，Utah的Novatek International，Inc.中进行的坠落试验中，对超硬的几何结构彼此做比较。使用Instron Dynatup 9250G坠落试验机，将工具固定于机器的底部并将包括碳化钨靶(tungsten carbide target)的重量坠落到超硬的几何结构上。出人意料地，打破图2的尖锐顶端202所需要的焦耳比打破图3的较厚的几何结构所需要的焦耳多约5倍。
已显示，图2的较锐利的几何结构在碳化钨靶中刺入更深，因此使超硬材料的更多表面积通过有利地支持超硬材料的刺入部分而从降落靶中吸收能量，有效地将金刚石基材的弯曲载荷和剪切载荷转化为更有利的准流体静力学类型的压缩力，极大地增加了超硬材料的承载能力。另一方面，因为图3的实施方式更钝，顶端很难刺入碳化钨靶，因此对金刚石基材提供了较少的支持物支撑，且导致了在使用同一级别的金刚石和碳化物的情况下，超硬材料在更低的载荷，较大的表面积下在剪切/弯曲方面失效。图2的一般实施方式在约130焦耳时破裂，而图3的一般几何结构在约24焦耳时破裂。人们相信，因为在图2的实施方式中，载荷被分配到较大的表面积的各处，所以它能够经得起比图3的较厚的实施方式经得起的冲击更大的冲击。
出人意料地，在图2的实施方式中，当超硬的几何结构最终破裂时，启裂点(crack initiation point)251在半径以下。相信这是由碳化钨靶使在刺入部分中的尖锐的几何结构侧面增压产生的，这导致了在尖锐的几何结构中的较大流体静力学应力载荷。也相信，因为半径在破裂之后仍然是完整的，尖锐的几何结构将仍然能够耐受大量冲击，因此延长尖锐的几何结构甚至在碎裂后的使用寿命。
图3a阐述了由Novatek，International，Inc进行的试验结果。如可观察到的，试验了三个不同类型的尖锐的插入物几何结构。在图2a中公开了此第一类型的几何结构，其包括.035英寸的超硬的几何结构和具有.094英寸半径的顶端。此类型的几何结构在8焦耳到15焦耳范围内破裂。发明人认为其可胜过其它几何结构的、具有.160英寸半径和.200厚度的钝的几何结构在20焦耳到25焦耳范围内破裂。具有.094厚度和.150英寸厚度的尖锐的几何结构在约130焦耳时破裂。当具有.160英寸半径的超硬的几何结构破裂时，所测量的冲击力为75千牛顿。虽然Instron坠落试验机仅被校正为测量多达88千牛顿，当尖锐的几何结构破裂时，其会超过此值，但发明人能够推断，当尖锐的几何结构破裂时，其可经受约105千牛顿。
如可观察到的，具有比.100英寸厚的特性或具有.075英寸到.125英寸半径的特性的超硬材料不足以达到超硬材料的最佳抗冲击性，但结合这两个特性是协同效应的。在现有技术中，人们相信，如果顶端太尖锐，.075英寸到.125英寸的尖锐半径的超硬材料如金刚石会破裂，因此当今圆的和半球形的几何结构为商业上使用的。
在商业上可得到的产品或现有技术中，目前尚不能发现本发明的性能。在5焦耳到20焦耳之间试验的插入物在大多数商业应用中已经为可接受的，但不适合用于在硬岩石中钻孔。
在以上试验的出人意料的结果之后，进行有限元分析(FEA)，其结果在图3b和图3c中显示。图3b公开了在其破裂的载荷下具有.160英寸的半径和.200英寸的厚度的超硬的几何结构，而图3c公开了在其破裂下的载荷下具有.094半径和.150英寸厚度的尖锐的几何结构。如所阐述的，每一个实施方式包括超硬材料109、基材110和碳化钨节段103。两个实施方式在同一应力下皆破裂，但由于超硬材料109的几何结构，因为尖锐顶端202比钝的顶端300更有效地分配应力，所以在显著不同的载荷下达到那个VonMises水平。在图3b和图3c中，应力集中(stress concentration)由区域的暗度表示，较亮的区域表示较低的应力集中而较暗的区域表示较高的VonMises应力集中。如可观察到的，在图3b的实施方式中，应力集中在顶端附近且在弯曲和剪切中皆为较大且较高，而在图3c中，应力由于它们的流体静力学本性，使应力分配得更低且更有效。
因为高和低的应力都集中在超硬材料中，所以认为横向断裂实际上在超硬材料中发生，而超硬材料通常比较软的碳化物基材更加易碎。然而，图3c的实施方式在超硬材料中具有大部分高的应力，而较低的应力实际上在更能够处理横向断裂的碳化物基材中。因此人们相信，几何结构的厚度对于其耐受更大的冲击力的能力是关键的；如果其太厚，将发生横向断裂，但如果其太薄，超硬材料将不能够支撑自身而在较低的冲击力下破裂。
图4到图10公开了各种可能的实施方式，其包括锥形表面200和圆锥形表面(conical surface)210几何结构的不同组合。图4阐述了具有凹侧面450和在界面200处连续凸的基材的几何结构451的尖锐的几何结构。图5包括从顶端到非平面界面较厚，同时在顶端仍然保持此.075英寸到.125英寸半径的超硬材料550的实施方式。图6阐述了在基材中形成以增加界面的强度的槽650。图7阐述了在界面处稍凹且具有凹侧面750的几何结构。图8公开了尖锐的几何结构的稍凸侧面850，其同时仍然保持.075英寸到.125英寸半径。图9公开了平侧面的尖锐的几何结构950。图10公开了具有一般地平的中心部分的基材的凹部分1050和凸部分1051。
现在参考图11，超硬材料109(数字未在图中显示)可包括凸表面，其在下部分1100、中部分1101和上部分1102处，关于工具的中心轴包括不同的一般角度。侧表面的下部分1100可与中心轴基本上成25度到33度的角，可构成大部分凸表面的中部分1101可与中心轴基本上成33度到40度的角，且侧表面的上部分1102可与中心轴成约40度到50度的角。
图12公开了第二节段104可被压配合到第一节段103的孔1200中。这在包括涂有硬质材料的柄101的实施方式中可为有利的。可能需要高温来将硬质材料涂层应用到柄，当节段已经预先被钎焊在一起时，这可影响在界面151处第一节段103和第二节段104之间的钎焊结合。如果节段在应用涂层后被钎焊到一起，可发生相同情况，其中高温钎焊可影响硬质材料涂层。压配合可使第二节段104被固定到第一节段103，而不会影响在工具100上的任何其它涂层或钎焊。可调整孔1200的深度和第二节段104的尺寸以优化耐磨性和成本效率，从而减少主体对节段103的冲击和磨损。
图13公开了工具100可包括置于第一节段周围的硬质合金或超硬材料的一个或多个环1300，如在图13的实施方式中的。环1300可被插入到在第一节段中形成的槽1301或凹口中。环1300也可包括锥形外圆周，以致于外圆周与第一节段103齐平。环1300可保护第一节段103免受过量的磨损，该磨损会影响第二节段104压配合到第一节段的孔1200中。第一节段103也可包括适于保护第一节段103免受由于腐蚀剂和冲击力的磨损的碳化物按钮或其它带。碳化硅、与钎焊材料混合的金刚石、金刚石砂粒或表面硬化也可被放置于在工具的第一节段中形成的槽或切口(slot)中以防止节段磨损。在一些实施方式中，可使用含有碳化硅或金刚石的环氧树脂。
在操作期间，可旋转地固定高抗冲击的工具100，如在图14的实施方式中。柄101的一部分可为带螺纹的以为工具提供轴向支撑，且使得可将工具插入到挖沟机、铣床或钻床的固定器中。可形成第二节段的平面表面，以致于尖头107相对于工具的中心轴1400成一定角度存在。
图14a公开了沿一行放置的超硬材料的若干尖锐的插入物。尖锐的插入物210包括在它们外周的平面1450以使它们的顶端202彼此更加接近。这在期望使在尖锐的插入物之间流动的物质的量最小化的应用中可为有利的。
高抗冲击的工具100可在许多不同实施方式中使用。工具可为在沥青铣床1500中的镐，如在图15的实施方式中。如上文公开的尖锐的插入物已经在U.S.中试验了，且已经持续了目前可利用的商业铣齿(milling teeth)的寿命的10倍到15倍。
工具可为钻头中的插入物，如在图16到图19的实施方式中。在冲击钻头中，如在图16中所示，尖锐的几何结构在钻头刃面1650上的中心位置1651或在钻头刃面上的计量器1652处可为有用的。此外，尖锐的几何结构在齿轮钻头1800中可为有用的，如在图17中所示，其中插入物通常不能通过压制形成。尖锐的几何结构可成一角度以扩大观测井孔(gaugewell bore)。图18公开了也可与本发明结合的钻头1600。图19公开了通常在水平钻孔中使用的另一种钻头1600。工具可在挖沟机2000中与吊杆2050一起使用，如在图20中所示。
可用来降低岩石、颗粒、废物(trash)、天然资源、白垩、木材、轮胎、金属、汽车、石板、河床(couch)、煤、矿物、化学品或其它天然资源的尺寸的铣床也可与本发明一起使用。
如在图21中显示的颚式破碎机2100可包括具有磨损面的固定板2150和具有另一个磨损面的枢轴板2151。当岩石或其它材料沿着耐磨板传输时，它们被轧制。插入物可被固定到耐磨板2152且可与耐磨板的枢轴端变得更加近。
如在图22中所示的锤式粉碎机2200可在锤机柱架2251的远端2250上结合工具。如在图23中所示的立式冲击破碎机2300也可使用超硬材料的尖锐的插入物。它们可使用在靶上的或在中心转子边缘的尖锐的几何结构。
如在图24的实施方式中的圆锥破碎机也可结合超硬材料的尖锐的几何结构。圆锥破碎机可包括可结合本发明的顶部耐磨板2650和底部耐磨板2651。
未显示但也可结合本发明的其它应用包括轧机；夹板；锚钉轮胎；攀冰装备；表土疏松机；可拆式钻头；耕犁和雪犁；轨迹锄(track hoe)中的齿，反向铲，挖掘机，铲；轨道，穿甲弹；导弹；鱼雷；摇动式镐；斧；凿岩锤；水泥钻头；铣刀钻头；刮刀钻头；扩孔器；鼻锥(nose cone)；和火箭。
图25是具有由碳化物制成的且具有第一体积的第二节段104的工具100的一个实施方式的正交图。第一节段103由刚制成。工具100包括具有适于通过固定器连接到驱动机构的柄101的第一节段。驱动机构可为在路面铣刨或采矿中使用的鼓轮。第一节段103和第二节段104可在界面151处彼此连接。第二节段104可通过具有高钯含量，通常至少30％钯的钎焊连接到基材110。第二节段104可包括.100立方英寸到2立方英寸的第一体积。这样的体积在吸收冲击应力和保护工具100的其余部分免于磨损时可为有利的。碳化物节段104和基材110可包括钨、钛、钽、钼、铌、钴和/或其组合的金属粘合剂。
进一步地，工具100可包括为1/10到1/2的第二节段104的长度152与整个冲击工具的长度153的比；优选地，该比为1/7到1/2.5。柄101和第一节段103的组合可包括工具的长度153的至少一半的长度154。
图26为带有具有小于第一体积的第二体积的第二节段104的工具100的一个实施方式的正交图。这可有助于减少工具100的重量，这可需要较少的马力来移动或可有助于减少工具的成本。
图27是具有.100立方英寸到2立方英寸；优选地.350立方英寸到.550立方英寸的体积的第二节段104的图。第二节段104可包括.2英寸到2英寸；优选地.500英寸到.800英寸的高度152。第二节段104可包括.250英寸到.750英寸的上横截面厚度155；优选地，上横截面厚度156可为.300英寸到.500英寸。第二节段104也可包括1英寸到1.5英寸的下横截面厚度155；优选地，下横截面厚度155可为1.10英寸到1.30英寸。上横截面厚度156和下横截面厚度155可为平面的。第二节段104也可包括不均匀的横截面厚度。进一步地，第二节段104可具有如削边157和凸缘158的特性以优化连接和/或改进性能。
图28是工具100的一个实施方式的分解透视图。在第二节段和基材110之间的钎焊材料159可包括30重量百分比到62重量百分比的钯。优选地，此钎焊材料159包括40重量百分比到50重量百分比的钯。钎焊材料159可包括从700摄氏度到1200摄氏度的熔点；优选地，熔点为从800摄氏度到970摄氏度。此钎焊材料159可包括银、金、红砷镍矿、钯、硼、铬、硅、锗、铝、铁、钴、锰、钛、锡、镓、钒、磷、钼、铂或其组合。钎焊材料159可包括30重量百分比到60重量百分比的镍、30重量百分比到62重量百分比的钯和3重量百分比到15重量百分比的硅；优选地，钎焊材料159可包括47.2重量百分比的镍、46.7重量百分比的钯和6.1重量百分比的硅。在钎焊期间的有效冷却在一些实施方式中可为关键的，因为来自钎焊的热量可在基材110和超硬材料109之间的连接上留下一些残余应力。基材110可包括.1英寸到2英寸的长度。超硬材料109可距界面200为.020英寸到.100英寸远。超硬材料109距离界面越远，在钎焊期间可能发生的热损伤越少。然而，增加界面200和超硬材料109之间的距离可增加基材110上的弯矩(bending moment)，并增加当冲击时在界面200处的应力。
在第一节段103和第二节段104之间的界面151可包括第二钎焊材料160，第二钎焊材料160可包括从800摄氏度到1200摄氏度的熔点。第二钎焊材料160可包括40重量百分比到80重量百分比的铜、3重量百分比到20重量百分比的镍和3重量百分比到45重量百分比的锰；优选地，第二钎焊材料160可包括67.5重量百分比的铜、9重量百分比的镍和23.5重量百分比的锰。
图29是具有在柄101附近的在第一节段103中的插入物162的工具100的图，其中插入物162包括大于60HRc的硬度。金属节段103可包括40HRc到50HRc的硬度。金属节段103和柄101可由同一片材料制成。
插入物162可包括选自由具有大于60HRc硬度的金刚石、天然金刚石、聚晶金刚石、立方氮化硼、气相沉积金刚石、金刚石砂粒、聚晶金刚石砂粒、立方氮化硼砂粒、铬、钨、钛、钼、铌、烧结金属碳化物、碳化钨、氧化铝、锆石、碳化硅、晶须加强陶瓷、孕镶金刚石的碳化物、孕镶金刚石的基质、硅结合金刚石或其组合组成的组的材料。具有比金属节段103硬的插入物162可降低在金属节段103上的磨损。
插入物162也可辅助工具的旋转。当冲击时，工具100，如在鼓轮中结合的那些工具100，常常在它们的固定器中旋转，这使磨损均匀地发生在工具100和尖头107周围。插入物162可成某一角度以使得其能使工具100在固定器的孔内旋转。
图25到图30为插入物的若干实施方式的图。插入物可包括一般圆形形状、一般矩形形状、一般环形形状、一般球形形状、一般锥体形状、一般圆锥形形状、一般弓形(arcurate)形状、一般不对称形状或其组合。插入物162的末端的大多数表面164可与第一节段103的表面165齐平、延伸到此表面165以外、凹入表面165中或其组合。插入物162延伸到第一节段103的表面165以外的一个例子在图31中可见。图29公开了与工具100的中心轴167成一直线的一般矩形插入物166。
图30公开了包括与工具100的轴长169形成1度到75度的角168的轴长的插入物162。插入物可为椭圆形。
图31公开了结合到第一节段103中形成的凸起171的圆形插入物170。图32到图34公开了可在金属节段的圆周172周围显著延伸的分段式插入物162。插入物的轴长所形成的角也可为与工具的轴长成90度。
图35和图36为柄101的实施方式的图。柄101可包括大于60HRc的耐磨表面173。柄101可包括烧结金属碳化物、钢、锰、镍、铬、钛或其组合。如果柄101包括烧结金属碳化物，那么碳化物可具有4重量百分比到35重量百分比的粘合剂浓度。粘合剂可为钴。
耐磨表面173可包括烧结金属碳化物、铬、锰、镍、钛、表面淬火、金刚石、立方氮化硼、聚晶金刚石、气相沉积金刚石、氧化铝、锆石、碳化硅、晶须加强陶瓷、孕镶金刚石的碳化物、孕镶金刚石的基质、硅结合金刚石或其组合。通过电镀、包层、无电镀、热喷涂、退火、表面硬化、应用高压、热浸、钎焊或其组合的方法，可将耐磨表面173结合到柄101。耐磨表面可为具有.001英寸到.200英寸的厚度的涂层。柄101的耐磨表面可为抛光的。耐磨表面173也可包括层174。柄可包括被另一种材料如碳化钨的层包围的钢。柄和耐磨表面之间可存在一个或多个中间层175，其可有助于耐磨表面结合到柄。耐磨表面也可包括多个层。层174可包括不同特性如硬度、弹性模量、强度、厚度、粒度、金属浓度和重量。耐磨表面可为具有65HRc到75HRc硬度的铬。
图37和图38为第一节段103和柄101的实施方式的正交图。柄101可包括一个或多个槽175。耐磨表面173可置于在柄101中形成的槽175中。槽175在增加耐磨表面173和柄101之间的结合强度时可为有益的。也可通过将耐磨表面173模锻在柄101上而改进结合。此外，耐磨表面173可包括不均匀直径。当工具被使用时，不均匀直径可有助于保持锁紧件(未显示)。柄101的全部横截面厚度176可比60HRc硬。在一些实施方式中，柄101可由包括大于60HRc的硬度的固体烧结金属碳化物或其它材料制成。
图39是显示了柄101的另一个实施方式的正交图。耐磨表面173可为分段式。耐磨表面节段177可包括小于柄的高度的高度。
参考图40，弹簧套105可包括具有大于58HRc的硬度的内表面178。在一些实施方式中，套105的任何表面可包括大于58HRc的硬度。通过将包括铬、硬铬、薄密镀铬(thin dense chrome)、镀铬、钨、钽、铌、钛、钼、碳化物、天然金刚石、聚晶金刚石、气相沉积金刚石、立方氮化硼、氧化铝、锆石、硅、晶须加强陶瓷、TiN、AlNi、AlTiNi、TiAlN、CrN/CrC/(Mo、W)S2、TiN/TiCN、AlTiN/MoS2、TiAlN、ZrN、孕镶金刚石的碳化物、孕镶金刚石的基质、硅结合金刚石或其组合的材料结合到套105的任何表面，可实现此硬度。
套105可包括在套外缘最近处的唇缘179。唇缘179可延伸到固定器182的孔181的开口180以外。垫圈106可被凹入，以使得垫圈106套在唇缘179上，且使得唇缘179和垫圈106皆与固定器182的顶面齐平。中间层可用于改进结合到套105的表面的材料的强度和结合。
材料可在可与垫圈106接触的任何部分，如沿着唇缘的上缘或外缘，衬到套105中。可通过电镀、无电镀、包层、热浸、镀锌、热喷涂、化学气相沉积、热扩散或物理气相沉积，将材料添加到套105中。也可通过相同方法，将材料添加到柄101的外表面。在一些实施方式中，柄101和套105可包括相同的材料的组合物或它们可包括不同的材料的组合物。两个表面皆可为抛光的。
参考图41，孔181的内表面178的材料可为分段式。分段式材料183可被放置成使得它们可引导工具的任何旋转。分段式材料183可为比材料的连续层更有成本效率，同时提供免受破坏力的足够的保护。可通过电镀、无电镀、包层、热浸、镀锌或热喷涂将材料添加到固定器182的内表面或外表面。可将材料置于在孔181中形成的凹口中。材料可与孔182齐平或其可延伸到孔182中。
在图42的实施方式中，随着下降组件(degradation assembly)100使路面184降低，工具在轴向和横向两个方向经受力185。这些力185可使得工具100在固定器182的孔181内旋转并移动。旋转和移动在固定器182的孔181和柄101两者上皆产生了各种摩擦和振动影响，这可破坏固定器或工具且限制了下降组件的寿命。相信范围在.002英寸到.015英寸内的间隙尺寸186会使固定器保持牢固地紧握柄并使工具100在固定器182的孔181内旋转，同时限制了对柄101和固定器182的破坏作用。人们相信，具有超硬涂层109如金刚石的尖头107将具有比没有金刚石的传统尖头更长的寿命，且如果在套105和柄109之间存在太大的间隙，那么将使柄101经久。如果间隙186太小，工具100将不能旋转。在一些实施方式中，在工具100被插入之前，套105可从固定器182的任一个侧面被压配合到位置中。优选地，套105保护固定器182免受磨损。
图43公开了包括在界面200处结合到超硬材料109的碳化物基材110的尖头107。在本发明的一方面中，碳化物基材110可包括具有通向平坦部分191的锥形部分190的在界面200处的一端。超硬材料109的中心截面1192可包括直接在碳化物基材110的平坦部分191上的在.125英寸到.300英寸之间的第一厚度192，而超硬材料109的外周截面193可包括在碳化物基材110的锥形部分190上的小于第一厚度192的第二厚度195。优选地，超硬材料109为单层，但在其它实施方式中，超硬材料109可包括多个层。
碳化物基材110的平坦部分191可有效地将载荷应力重新分布于碳化物基材110的界面200各处。平坦部分191可包括度量超硬材料109的第一厚度192的66％到133％的直径196。在一些实施方式中，平坦部分191可包括度量第一厚度192的75％到125％的直径196。在其它实施方式中，第一厚度192基本上等于直径196。在一些实施方式中，可通过放置圆周197来选择平坦部分191的圆周197(或周边)，以使得其通常在虚线198处相交，所述线与在顶端202上的尖头的中心轴199相交且与中心轴199形成一般的45度角。在其它实施方式中，虚线198落在通常被圆周197包围的平坦部分191的区域内。平坦部分191可提供较大的表面积且有助于将载荷应力散布在碳化物基材110上。这在促进改进插入物的整体耐用性时，特别是载荷应力的浓度集中在超硬材料109的顶端202且随后被转移到碳化物基材110上时可特别地有利。因此，此类载荷应力的有效重新分布可有助于进一步降低超硬材料109剥落或剥离。
人们相信，应用到超硬材料的顶端的载荷将引起通常以从载荷的冲击的基本上所有方位的方向以45度传输的冲击波。优选地，冲击在顶端最近处发生，且因此冲击波可基本上沿着虚线传输。优选地，冲击波到达超硬材料和基材之间的界面，在平坦部分中的某些部位，以致于冲击波可被载荷到平坦表面，而不是在弯曲表面上的某点。第一厚度与平面直径的关系可为关键的。如果第一厚度太大，那么冲击波可能不会达到平坦部分。另一方面，如果第一厚度太小，那么冲击波可不会具有足够的空间(room)分布在界面各处，将太多的冲击波聚焦在平面的局部区域。如果聚焦的冲击波太高，那么在界面处的结合可变得被损害。
U.S.专利序列号11/469,229；其通过引用以它所含有的全部内容被合并于本文；公开了通过其可制成本发明的超硬材料的一个工艺。用于HPHT处理的组件具有带有开口的罐和放置在开口内的混合物。容器可由金属或金属合金组成，也具有可放置在帽和第一个盖子中间的防护涂层(stopoff)，也包括第二个盖子和可用于形成超硬材料的防护涂层。预成型的碳化物基材可放置于邻近被置于容器底部的混合物及在该混合物之上的容器内。混合物可包括以单层或多个层排列的、由具有范围在0.5微米到300微米之间的较小或较大尺寸的不同金刚石颗粒组成的立方氮化硼或金刚石。层可被排列成基本上与碳化物基材的平坦部分成比例，以使得层被预成型为具有基本上平坦的部分。在一些实施方式中，可将较小的金刚石颗粒置于混合物上部且有助于提供一般较硬表面。可将较大的金刚石颗粒置于离碳化物基材较近处且有助于在超硬材料中提供较好的弹性。较好的弹性可降低超硬材料在界面处的剥离或剥落，特别是在容器随后被从HPHT压机中移去后，当冷却时，碳化物基材收缩时。
防护涂层可置于容器的距混合物的相反端上。容器和内含物随后可被加热到在800℃和1040℃之间的净化温度(cleansing temperature)，持续在15分钟到60分钟之间的第一时间段，这可使混合物变得基本上不含污染物。随后，温度可被增加到在1000℃到1200℃之间的封接温度(sealingtemperature)，持续另外2分钟和25分钟以融化防护涂层并在放置于HPHT压机中之前封接容器和在它之内的基本上自由的混合物。
当在HPHT条件下，在压机中时，金属粘合剂材料可从碳化物基材渗入到混合物中，这可进一步有助于促进在界面处的结合。在一些实施方式中，掺入的金属粘合剂材料可包括界面附近的较大浓度，其通过超硬残余物逐渐减少。掺入的金属粘合剂材料也可辅助提供在界面处的超硬材料中的弹性且有助于在HPHT压机中形成之后，在冷却工艺期间进一步减少从碳化物基材剥离。
虽然本发明已经具体地关于附于此处的附图进行了描述，但应该理解，可在本发明范围和精神内做出除本文显示或建议的那些变更之外的其它变更和进一步变更。

Claims (20)

1.一种高抗冲击的工具，其包括：
超硬材料，其在非平面界面处结合到烧结金属碳化物基材；
所述超硬材料包括基本上尖锐的几何结构，具有包括.050英寸到.160英寸半径的顶端；且
所述超硬材料包括从所述顶端到所述非平面界面的.100英寸到.500英寸的厚度。
2.根据权利要求1所述的工具，其中基本上圆锥形的表面包括与所述工具的中心轴形成35度到55度的角的侧面。
3.根据权利要求2所述的工具，其中所述角基本上为45度。
4.根据权利要求1所述的工具，其中在所述界面处，所述基材包括从所述基材的圆柱形边缘处开始且终止于在所述基材中形成的升高的平的中心区域的锥形表面。
5.根据权利要求6所述的工具，其中平的区域包括.125英寸到.250英寸的直径。
6.根据权利要求1所述的工具，其中所述半径为.900英寸到.110英寸。
7.根据权利要求1所述的工具，其中从所述顶端到所述非平面界面的厚度为.125英寸到.275英寸。
8.根据权利要求1所述的工具，其中所述超硬材料和所述基材包括从所述顶端到所述基材的底部的.200英寸到.700英寸的总厚度。
9.根据权利要求1所述的工具，其中所述超硬材料的体积为所述碳化物基材的体积的75％到150％。
10.根据权利要求1所述的工具，其中所述超硬材料为抛光的。
11.根据权利要求1所述的工具，其中所述基材被钎焊到碳化物节段的一端。
12.根据权利要求11所述的工具，其中所述钎焊包括30重量百分比到62重量百分比的钯。
13.根据权利要求11所述的工具，其中所述碳化物节段被压配合到钢体的孔中。
14.根据权利要求11所述的工具，其中所述碳化物节段被钎焊到钢体。
15.根据权利要求14所述的工具，其中所述钢体包括适合于被容纳在驱动机构的固定器内的柄。
16.根据权利要求15所述的工具，其中被容纳在所述固定器内的所述柄包括比58HRc硬的耐磨表面。
17.根据权利要求15所述的工具，其中在所述固定器的孔中设置有一弹簧套，且所述弹簧套围绕所述柄以使得在所述套和所述柄之间存在.002到.015的间隙。
18.根据权利要求1所述的工具，其中所述工具包括经得起大于80焦耳的冲击的特性。
19.根据权利要求1所述的工具，其中所述超硬材料距所述基材的底部.020英寸到.100英寸远。
20.一种镐，其包括：
尖头，其具有在非平面界面处结合到烧结金属碳化物基材的超硬材料；
所述超硬材料包括基本上尖锐的几何结构，具有包括.050英寸到.160英寸半径的顶端；
所述超硬材料包括从所述顶端到所述非平面界面的.100英寸到.500英寸的厚度；
且所述尖头包括小于.700英寸的高度，且在平面界面处被钎焊到碳化物节段上；且
所述碳化物节段基本上与柄同轴且旋转地固定于柄上，所述柄被固定在连接至鼓轮的固定器内并适合于在所述固定器内旋转。
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