攻击工具的插入件、制造该插入件的方法以及包含该插入件的工具

摘要

本发明涉及攻击工具的插入件，该插入件包含具有体积并在界面粘结于基材的超硬包覆体，该超硬包覆体具有大于900GPa的杨氏模量，该基材的特征在于其包含增强承载体部分作为使接近于界面的基材区域硬化的构件，该增强承载体部分具有大于超硬包覆体的总体体积并且平均杨氏模量是超硬包覆体的至少60％。本发明还涉及制造该插入件的方法和使用该插入件的方法。

说明书

技术领域

本发明涉及用于攻击工具(attack tool)和刀具的超硬包覆的插入件，制造该插入件的方法以及包含该插入件的工具，特别是如镐、冲击钻头和旋转钻头的工具，可将其用于采矿、挖隧道、道路施工以及油气钻探工业以处理或破裂铺砌层或岩层、或钻地。

背景技术

钻地在许多工业如采矿、油气钻探、勘探和隧道施工中是重要的活动。可获得用于此目的的各种各样的方法和各种不同类型的钻头。钻地典型地需要岩石以两种主要模式中的一者或两者破坏，这两个模式即为剪切或破碎，这两种方法都通过某种安装到钻头上的处理岩石(rock-engaging)的硬质插入件进行。剪切涉及通过切进岩石并剪断材料去除岩石材料的插入件。破碎涉及重复冲击岩石并将其破碎的插入件。冲击钻是后者的实例并广泛用于采矿和施工，例如钻孔和钻眼。在软岩石采矿和铺砌层破裂中，类镐的攻击工具或镐可用于破坏岩石、混凝土或沥青。

多晶金刚石(PCD)是包含大量共生的金刚石晶粒和金刚石晶粒之间间隙的超硬材料。PCD典型地通过使金刚石晶粒的团聚体经受超高压力和温度制备。整体或部分填充间隙的材料可称为填充材料或粘结剂材料。PCD典型地在烧结助剂如钴的存在下形成，钴促进金刚石晶粒的共生。烧结助剂通常称为金刚石的溶剂/催化剂材料，因为其作用是将金刚石溶解到某种程度并催化其重新析出。结果，在烧结PCD产品内的间隙整体或部分被残余溶剂/催化剂材料填充。更典型地，PCD经常在钴结碳化钨硬质合金基材上形成，基材为PCD提供了钴溶剂/催化剂的来源。PCD被用于各种各样的工具，这些工具用于切削、机加工、钻孔或破裂硬质或研磨材料如岩石、金属、陶瓷、复合材料和含木的材料。例如，在油气钻探工业中用于钻地的钻头中广泛使用PCD插入件。

Delwiche等(Petroleum Division，v 40，and Drilling Technology 1992，1992，p51-60，American Society of Mechanical Engineers)披露了用于油气钻探的PCD插入件，其中将PCD层安装到包含浸渗金刚石，或“浸渍体”的支撑部件基材。从图表和图片上可见，金刚石晶粒是粗糙的并且是稀疏分布的。

欧洲专利0235455披露了用于岩石钻头的插入件，该岩石钻头包含预烧结的碳化钨本体，该碳化钨本体具有柱状手柄，长度沿着插入件的主要部分延伸。该文献教导了从外面超硬金刚石层到碳化物本体的过渡层中的弹性模量渐进性降低，以便降低剥落。

美国专利4,811,801披露了岩石钻头插入件，该插入件包括在插入件本体上的多晶金刚石表面，该插入件本体具有由这样的材料制成的头部部分：该材料具有为用于三种类型岩石钻头而有利地特制的弹性和热膨胀性能，还披露了用这种插入件制造的三种类型的岩石钻头。

美国专利5,304,342讨论对于给定的应用，期望提供尽可能刚性的WC-Co硬质合金基材，也就是具有高弹性模量的基材，因此最小化PCD层的变形并降低PCD失效的可能性。然而，如果弹性模量太高，插入件易于在钻进时断裂。

美国专利6258139披露了在基材中具有内部金刚石核心的PDC(多晶金刚石压坯)，以便提供附加的金刚石，当基材被足够侵蚀时用于暴露。还披露了具有内部碳化物核心的PDC，其被PDC刀具的金刚石区域完全包围，以避免在金刚石区域高的拉伸应力。

需要最小化在攻击工具插入件中的超硬材料的厚度并因此最小化其成本，同时获得高的抗冲击性。这对于岩石或铺砌层破裂或钻削应用是特别重要的。

发明概述

根据本发明的第一个方面，提供了攻击工具的插入件，该插入件包含具有体积(volume)并在界面处粘结于基材的超硬包覆体，该超硬包覆体具有大于900GPa并优选大于960GPa的平均杨氏模量；该基材的特征在于其包含增强承载体(bolster)部分作为使接近于界面的基材的区域加强的构件，该增强承载体部分具有大于超硬包覆体体积的总体体积并且其平均杨氏模量是超硬包覆体的至少60％。

可将该增强承载体部分置于邻接(接近)界面。

在某些实施方案中，该增强承载体部分可具有总体体积，该总体体积至少是超硬包覆体总体体积的的三倍、优选五倍、更优选十倍。

在某些实施方案中，该增强承载体部分可具有的平均杨氏模量是超硬包覆体平均杨氏模量的至少60％，更优选70％，甚至更优选80％并且更优选90％。在一个实施方案中，该增强承载体部分的平均杨氏模量为超硬包覆体的约60％-80％。

在一个实施方案中，该增强承载体部分可包含典型地以粒料或微粒形式的超硬材料。优选地，该增强承载体部分包含金刚石或cBN，并且更优选包含金刚石。在一个实施方案中，该增强承载体部分可包含PCD。

在一个实施方案中，该增强承载体部分可包含碳化钨，或其可包含碳化钨和金刚石。

优选地，该增强承载体部分包含在金属粘结剂如钴内分散的超硬材料的晶粒。优选地，超硬晶粒的平均尺寸是至少约15微米，更优选至少约20微米，更优选约至少70微米，甚至更优选至少约150微米，并且更优选至少约200微米。当所有其它条件都一样时，使用较粗的超硬晶粒可具有增加增强承载体部分的刚度的作用。

包括于承载体部分的超硬晶粒可具有大的尺寸范围。例如，超硬晶粒的尺寸范围可从约1微米至约500微米。包括于承载体部分的超硬晶粒的尺寸范围可由多于一个尺寸分布形成，并且在超硬晶粒的整个尺寸分布范围内多于一个“形态”峰可能是显然的。至少这些模式之一可具有大于约50微米的平均尺寸分布。

未粘结或自由流动的金刚石晶粒的尺寸分布通过激光衍射方法测量，其中晶粒悬浮在流体介质中，并且通过将激光束引向悬浮体获得光学衍射谱。衍射谱通过计算机软件分析，并且尺寸分布用当量圆直径表示。实际上，将晶粒处理为球形，并且尺寸分布根据等效球直径表示。来自英国Malvern Instruments Ltd的Mastersier^TM设备可用于该目的。

大量晶粒的多形态尺寸分布理解为意指晶粒具有由多于一个峰形成的尺寸分布，每个峰对应于各自的“模式”。多形态多晶本体典型地通过提供多于一个多个晶粒的源制备，每个源包含具有基本上不同平均尺寸的晶粒，并且将来自不同源的晶粒掺混在一起。测量掺混粒的尺寸分布典型地揭示了不同的峰对应不同的模式。当晶粒一起烧结形成多晶体本体时，它们的尺寸分布进一步改变，因为晶粒彼此相压并且碎裂，导致晶粒尺寸的整体降低。然而，从烧结制品的图像分析，晶粒的多模式通常仍然是清晰明显的。

为了获得PCD内金刚石晶粒尺寸的测量值，采用称为“当量圆直径”的方法。在该方法中，采用PCD材料抛光表面的扫描电子显微镜(SEM)图像。放大倍数和对比度对于在图像内可确认至少几百个金刚石晶粒应是足够的。在图像中，金刚石晶粒可与金属相区分开，对每个单独的金刚石晶粒，当量圆的尺寸通过常规的图像分析软件确定。然后将收集的这些圆的分布进行统计学评估。在本文中提及PCD材料内的金刚石平均晶粒尺寸的地方，应理解其是指平均的当量圆直径。

在本发明该方面的一个实施方案中，可在第一界面处将超硬包覆体粘结在增强承载体部分，该基材包含在一端的增强承载体部分和在相反端的支撑体部分，在第二界面处将增强承载体部分粘结到支撑体部分。优选第一界面是非平坦的，优选第二界面是基本上平坦的。在存在支撑体部分的地方，将支撑体部分和增强承载体部分的组件称作插入件的基材部分。在没有支撑体部分的地方，基材可由增强承载体部分单独构成。

在一个实施方案中，增强承载体部分包含金属或金属合金结金属碳化物硬质合金和以粒料或微粒形式的金刚石，如果存在支撑体部分，则其基本上没有金刚石。

换句话说，承载体包含金刚石强化的碳化物(DEC)材料。优选地，金刚石晶粒基本均匀分散在增强承载体部分中。在增强承载体部分内的金刚石晶粒可具有至少200微米的平均尺寸。

在一个实施方案中，增强承载体部分可以为完全或部分嵌入在基材中的截头体(frustum)或核心的形式。

优选超硬包覆体，增强承载体部分和基材的剩余部分(也就是支撑体部分)是在金刚石热力学稳定的条件下整体成型和粘结的。

优选超硬包覆体的平均杨氏模量大于1000GPa。

优选地，超硬包覆体包含多晶金刚石(PCD)。

在一个实施方案中，超硬包覆体包含PCD，其至少一部分可以基本上没有金刚石的溶剂/催化剂材料。优选地，至少一部分邻近超硬包覆体的工作表面并远离与基材的界面。在一个实施方案中，至少一个区域可以是多孔的。在某些应用中，如钻地或岩石钻削中，这些实施方案可改善插入件的热稳定性和性能。

在某些实施方案中，增强承载体部分的杨氏模量是至少约650GPa或至少约675GPa。在某些实施方案中，增强承载体部分的杨氏模量是至多约900GPa或至多约850GPa。在某些实施方案中，增强承载体部分的杨氏模量为约650GPa至约900GPa，或者为约675GPa至约850GPa。

在超硬包覆体具有大于约1,000GPa的平均杨氏模量的实施方案中，增强承载体部分包含其它类型、级别和杨氏模量的超硬材料如PCD或PCBN可能是有利的。

优选增强承载体部分包含难熔金属碳化物晶粒，所述金属选自W、Ti、Ta、Nb、Mo、Cr、Hf、Zr和Si，更优选所述金属选自W、Si或Ti，这些晶粒通过粘结剂金属或合金保持在一起，该金属或合金优选包含Co。

优选增强承载体部分包含选自Co、Fe、Mn和Ni，更优选Co的铁族金属。当超硬包覆体包含金刚石时，更优选接近与包覆体的第一界面的增强承载体部分中的部分包含Co。

优选增强承载体部分和支撑体部分都包含金属碳化物晶粒，所述金属选自W、Ti、Ta、Nb、Mo、Cr、Hf、Zr、Si，更优选所述金属选自W、Si或Ti，所述晶粒通过粘结剂金属或合金保持在一起，该金属或合金优选包含Co。增强承载体部分可包含多于一种类型的碳化物。优选在增强承载体部分中的Co平均质量分数比在支撑体部分中的低。

在某些实施方案中，承载体部分可以基本上没有金刚石，或者其可含有金刚石并且钴含量可以为至多10wt％，至多8wt％，或甚至至多6wt％。在某些实施方案中，在烧结碳化物承载体部分中的钴含量可以至少为3wt％或至少4wt％。

优选地，增强承载体部分包含难熔金属碳化物晶粒，所述金属选自W、Ti、Ta、Nb、Mo、Cr、Hf、Zr和Si，更优选所述金属选自W、Si和Ti，以及超硬材料，优选典型地以微粒或粒料形式的金刚石，晶粒通过粘结剂金属或合金保持在一起，该金属或合金优选包含Co。增强承载体部分可包含多于一种类型的碳化物。

在某些实施方案中，增强承载体部分可包含一种或多种不同类型的材料或复合物。更特别地，其可包含多于一个不同类型的材料或复合物层，层间的界面为清晰的或扩散的，并且典型地具有通常可与在增强承载体部分和超硬尖部或包覆体之间的界面共形(conformal)的部分。

在一个实施方案中，增强承载体部分比基材的支撑体部分更抗磨蚀并具有暴露的表面，其可用作抗磨损表面，该表面降低插入件的磨损率。

在一个实施方案中，增强承载体部分延伸于基材的基本上整个体积中。

在某些实施方案中，增强承载体部分可包含一种或多种不同类型的材料或复合物，并且在增强承载体部分和支撑体部分之间可具有清楚的界面，或者界面可以是不可分辨的、梯度的或扩散的。

本发明的这一方面对于用于破裂或破坏(通过涉及重复冲击)材料特别是岩石、混凝土、沥青等的工具中的应用可能是有利的，如对镐工具插入件和冲击钻插入件可能是这种情况，但对于用剪切类型的刀具和旋转钻头的工具也可提供显著的益处。

当超硬包覆体包含的PCD具有大于约960，或大于1,000GPa的杨氏模量时，本发明可能是特别有利的，因为可典型地用于破裂、钻削、加工或挖掘岩石、混凝土和沥青，例如在油气钻探、采矿和施工(挖隧道)工业中。在使PCD或其它超硬包覆的插入件冲击使用中的硬质本体或路基(formation)时的应用中，其可能是特别有利的，例如冲击钻、采矿镐组件和道路规划、破裂或循环。

在某些实施方案中，超硬包覆体具有带有顶尖(apex)的滚圆或钝化的锥形形式，超硬包覆体在顶尖处的轴向厚度为1.14-2.4mm，更优选1.4-2.3mm。在某些实施方案中，超硬包覆体在顶尖处的轴向厚度可以至少约0.1mm，至少约0.2mm，至少约0.5mm或甚至至少1mm。在某些实施方案中，厚度可以为至多2.4mm，或甚至至多2.3mm。轴向厚度是指从界面沿着插入件的中心轴线测量的厚度。

在某些实施方案中，顶尖可具有至少0.5mm或至少1.3mm的曲率半径。在某些实施方案中，顶尖可具有至多4mm的曲率半径。优选顶尖具有0.5-4mm，更优选1.3-4mm的曲率半径。

根据本发明的第二个方面，提供了制造用于攻击工具的插入件的方法，该方法包括提供增强承载体部分的预成型体，支撑体部分的预成型体和PCD包覆体的预成型体，组装并以所需结构使预成型体接触以形成预成型组件，并使预成型组装件经受金刚石热力学稳定的超高压力和温度条件。

优选地，制备增强承载体部分的预成型体的方法包括步骤：

·在典型地包括难熔金属碳化物晶粒的起始硬质金属粉末中引入金刚石晶粒，形成起始的粉末掺混物；

·通过在模具中压缩使起始粉末掺混物成型从而形成生坯；

·在高于约1,000摄氏度、更优选高于1,200摄氏度的温度下并在小于约1GPa的施加压力下烧结生坯以便制备增强承载体部分预成型体。

当采用该方法时，出乎意料地观察到，增强承载体部分的杨氏模量不仅取决于纳入的金刚石晶粒的绝对数量，这是可从本领域公知的准则期望的，还取决于掺混进粉末中并因此纳入承载体生坯中的金刚石晶粒的平均尺寸。特别已观察到，当金刚石晶粒越大时，杨氏模量可趋于越高。例如，带有平均尺寸约70微米的7.5wt％的分散金刚石晶粒的金刚石强化的碳化物具有约660GPa的杨氏模量，相比之下，对于包含相同金刚石含量但其金刚石晶粒的平均尺寸为约2微米的相似制品，其杨氏模量为约580GPa。

根据本发明的第三个方面，提供了使用根据本发明的第一个方面的插入件破裂或破坏物品、制品或路基的方法，所述物品、制品或路基包括选自岩石、混凝土和沥青的硬质材料，该方法包括使超硬包覆体冲击物品、制品或路基的步骤。

附图说明

参照附图，将通过非限制性实施例描述实施方案，其中：

图1(a)和(b)显示了两个不同形状的攻击工具插入件的横截面示意图。本发明的该实施方案包含超硬包覆体、支撑体部分以及置于包覆体和支撑体部分中间的增强承载体部分。插入件的工作部分(其最外部分是超硬尖部)具有带有顶尖的钝化锥形形式。增强承载体部分在一端在粘结于在非平坦界面处的包覆体的下侧，该非平坦界面通常与包覆体的工作表面共形，并在相对端在基本上平坦界面处粘结于支撑体部分。该增强承载体部分暴露于基材的外部柱形周边表面。

图2(a)和(b)显示了两个不同形状的攻击工具插入件的横截面示意图。该实施方案包含超硬包覆体，支撑体部分和镶嵌在基材本体内的增强承载体部分。该插入件的工作部分(其最外部分是超硬尖部)具有带有顶尖的钝化锥形形式。

图3显示了攻击工具插入件的图示，部分地显示了部分横截面。该实施方案包含超硬包覆体、支撑体部分以及置于包覆体和支撑体部分中间的增强承载体部分。插入件的工作部分(其最外部分是超硬尖部)具有带有顶尖的钝化锥形形式。在一端的增强承载体部分粘结于在非平坦界面包覆体的下侧，该非平坦界面通常与包覆体的工作表面共形，并在相对端在基本上平坦界面处粘结于支撑体部分。

图4显示了一个图表，其表明对增强承载体部分的适当平均杨氏模量与超硬包覆体杨氏模量的在750GPa-1,100GPa之间的函数关系。指出了典型用于油气钻探的PCD级别的杨氏模量范围，也就是约960GPa至约1,050。也显示了典型用作PCD插入件的基材以及低钴级别的Co结碳化钨硬质合金级别的杨氏模量，以及所报告的用分散在其内的超硬晶粒强化的烧结碳化物级别范围。

图5显示了具有所谓的四形态尺寸分布的PCD晶粒尺寸分布，在完全烧结的PCD制品内测得。该尺寸分布可解析为至少四个不同的基本正态或斜正态(skew-normal)分布，多于80％的金刚石晶粒具有小于约20微米的晶粒尺寸。整体平均金刚石晶粒尺寸为1-15微米并且在约5至10微米之间具有主峰。

图6(a)显示了优选的增强承载体部分实施方案的预成型体样品的扫描电子显微照片(SEM)，其包含通过钴粘结剂粘结的部分再转变的(reconverted)金刚石晶粒和WC晶粒(gains)。金刚石晶粒包含被石墨(黑灰色)包围的金刚石核心(黑色)，该石墨是在热处理过程中随着原始的、较大的金刚石晶粒的外部转变为石墨而形成的。金刚石晶粒的尺寸约为100至200微米。显微照片的白色部分是硬质金属基体(也就是与Co金属粘结剂粘接的WC晶粒)。

图6(b)显示了优选的增强承载体部分的实施方案样品的扫描电子显微照片(SEM)。该样品是通过将图6(a)的预成型体经受金刚石热力学稳定的超高压力和温度条件制备的。在预成型体中可见的金刚石晶粒核心(黑色)仍然是明显的，但在预成型体中包围该核心的石墨已再转变为金刚石(黑色)。在显微照片中的再转变金刚石的主要部分具有围绕核心的更细晶粒的晕圈的整体外观。金刚石核心的平均尺寸比从来自再转变金刚石晶粒的核心的平均尺寸大至少一个数量级。

详细说明

本文所用的术语“超硬材料”是用来意指维氏硬度大于约25GPa的材料。这样的材料包括金刚石、立方氮化硼、硼的低价氧化物、碳化硼、多晶金刚石(PCD)、多晶立方氮化硼(PCBN)和碳化硅粘结的金刚石(ScD)。

本文所用的术语“PCBN”是用来意指多晶立方氮化硼，其典型地包含分散在粘结剂相内的立方氮化硼晶粒，该粘结剂相包含金属和/或陶瓷相。

本文所用的术语“PCD”是用来意指包含以微粒或粒料形式的烧结金刚石的材料，金刚石颗粒之间存在基本上直接的粘结。

本文所用的术语“金刚石强化的碳化物”或DEC，是用来意指包含金刚石和碳化物相的粉粒(compact)，典型地以微粒或粒料形式，典型地分散在粘接或粘结相中。

将术语“攻击工具”理解为意指用于破裂或破坏材料如岩石、混凝土、沥青等的工具或工具插入件，可典型将其用于研磨、采矿、钻地、破裂和挖掘应用。将攻击工具典型地设计为尽可能抗磨损和抗冲击，尽管这些性能的各自相对重要性取决于应用。攻击工具包括镐、刀具、冲击钻工具和旋转钻工具。

将术语“镐工具”理解为意指适于通过涉及一定程度穿入物品，或至少碎裂和砍下物品的主要机制来破坏或破裂物品的攻击工具。镐工具的工作端典型地为突出或凿子形状。

本文所用的术语“工具插入件”是用来意指包括工作部分并以分立单元提供的部件，所述分立单元适于连接、附接或另外以其它方式固定于工具或其它载体上。不是用来暗示或建议特定的连接或附接模式，如嵌入容纳凹槽中。

将术语“金属合金”，或更简单的“合金”理解为意指包含至少一种金属并具有金属、半金属或金属间化合物性质的材料。其还可以包含陶瓷组分。

如在“超硬包覆体”中的术语“包覆体”应认为典型地在工具插入件的一端包括附接或粘结于本体的、在环境条件下基本上刚硬的(也就是非柔性或刚性的)外层或尖部，以便例如保护其免于磨损或用作工具插入件的主要工作部分。包覆体在结构和组成上不必均匀，例如可包含结构上不同的材料层。

图1示出了本发明的攻击工具插入件10的优选实施方案，该插入件包含超硬包覆体11，具有一定体积并在界面13处粘结于基材12，该基材的特征在于其包含第一增强承载体部分14，作为使接近于界面的基材区域的平均刚度增加的构件，至少一部分增强承载体部分置于接近界面的至少一部分并具有大于超硬包覆体的邻接体积且其平均杨氏模量是超硬包覆体的至少80％。在图1所示的实施方案中，增强承载体部分是单独的邻接区域，其基本上从接近PCD包覆体的第一界面延伸至与基材的第二支撑体部分15的第二界面，基材的第二支撑体部分15与增强承载体部分一起形成整个基材，第二界面基本上远离第一界面，并且增强承载体部分的外表面暴露于基材的周边外表面。插入件具有工作端，该工作端具有突出或类似凿子形式，带有冠部或顶尖16。

图2中，攻击工具插入件20的实施方案的增强承载体部分24包含材料26，该材料具有大于基材25支撑体部分的杨氏模量，该材料嵌入基材本体中。增强承载体部分24的体积不必与嵌入材料的体积相符。增强承载体部分的体积计算为在基材内可被封闭的最大体积，使得平均杨氏模量是超硬包覆体的至少60％，更优选70％，并且更优选80％。图2表明了可如何根据超硬包覆体材料的类型、级别以及因此的杨氏模量选择增强承载体部分的适宜材料。

增强承载体部分具有高刚度是必要的，这是不仅取决于弹性或杨氏模量，而且取决于其体积和形状的广延(extensive)性能。本发明的增强承载体部分区别于现有技术所谓的“中间层”，现有技术中的中间层典型地包含与金属基体粘结在一起的碳化物和金刚石晶粒，该中间层为置于超硬包覆体和下面的烧结碳化物基材之间的相对薄的层。该中间层被认为降低包覆体和基材之间的界面处的应力，特别是在hphT烧结后冷却插入件产品时可能产生的热致应力。尽管已知的中间层可能具有相对高的杨氏模量，但它们的体积典型地太小以至于不能提供足够的刚度并支撑使用中的超硬包覆体。本发明的增强承载体部分的体积应为超硬包覆体体积的至少两倍、优选三倍且优选大于三倍。其具有的平均杨氏模量还必须为超硬包覆体的杨氏模量的至少80％、优选高于80％。

应理解增强承载体部分可包含金刚石之外的超硬材料或者没有金刚石或其它超硬材料。

在图3中示意性示出的第一个优选实施方案中，超硬包覆体31包含PCD作为主要部分(如果不是整个部分的话)，PCD包覆体具有750-850GPa的平均杨氏模量，也就是尽可能高。超硬包覆体具有滚圆的会聚或突出的形式以及顶尖36，其具有曲率半径为1.3-4mm且厚度37为1.8-2.3mm的尖部。超硬包覆体整体成型并在第一非平坦界面33处在金刚石热力学稳定的条件下粘结于基材32。超硬包覆体在第一界面处粘结于基材的增强承载体部分34，并且增强承载体部分34在第二界面处粘结于支撑体部分35，第二界面的部分可为基本上平坦的。

增强承载体部分包含金刚石强化的碳化物(DEC)。在本领域熟知多种类型的DEC材料以及制备这些材料的许多方法，可以根据教导将其用于或适用于该实施方案的增强承载体部分。现有技术的例子包括美国专利4,505,746和US 5,453,105，其教导了制备包含金刚石颗粒、硬质相(例如WC)和粘结剂相金属(例如Co)的复合材料的方法。在美国专利5,453,105中，在DEC内的金刚石含量大于50体积％并且共生到一定程度。美国专利5,786,075采用了HphT烧结，该专利描述了对于热沉应用的DEC合成。美国专利7,033,408相似地依靠DEC的hphT烧结合成，但也教导了通过在粘结剂内包括第二金属可进一步改善抗磨损性，其中第二金属是比主要粘结剂金属更强的碳化物形成物。美国专利5,158,148教导了其中将过量的非金刚石碳添加到碳化物粉中使得最终粉末混合物的总碳含量高于碳化物粉末的化学计量比水平的方法。将粉末混合物在金属粘结剂相存在的条件下进行常规的碳化物烧结处理，并且所得的烧结制品含有非金刚石碳材料的团聚体。接下来将该烧结制品在hphT条件下进行第二烧结循环，这导致了非金刚石碳转变为金刚石。最终的产品包含由金属粘结剂相粘接的碳化物和金刚石颗粒，并且几乎没有或没有非金刚石碳相。美国专利6,214,079教导了含碳气体向烧结的但多孔的碳化物本体中的化学渗透，接下来将其进行hphT烧结循环。如同在美国专利5,158,148中，在该循环中非金刚石碳转变为金刚石。

在低于金刚石稳定性阈值的压力和温度条件下，DEC材料的烧结需要防止或最小化添加的金刚石转变为非金刚石碳的方法。由于已知金刚石劣化的这一过程被DEC材料内存在的典型地用作粘结剂的金属加速，因此一种策略是用阻挡层涂覆金刚石颗粒，该阻挡层阻止或降低金刚石表面和粘结剂金属之间的接触面积(如美国专利5,723,177，EP1,028,171和美国专利6,673,439)。另一种方法是用烧结方法，该方法需要压坯内的金刚石保持在高温相对短的时间，因此最小化其转变。这可以通过采用例如所谓的场辅助烧结技术(FAST)实现，其中火花等离子烧结(SPS)是公知的实例(例如EP1,028,171和美国专利5,889,219)，微波烧结也是公知的实例(例如美国专利6,315,066)。

在第一个优选的实施方案的一个变体中，增强承载体部分包含“超碳化物”(可能是通常的描述)，其包含以结晶或多晶形式的超硬晶粒或颗粒、碳化钨晶粒和金属粘结剂如钴。在将PCD包覆体进行烧结的相同步骤中，可将碳化钨晶粒预烧结，或原位烧结。超硬晶粒优选包含金刚石，尽管它们可较不优选地包含cBN或PCBN。不同的超碳化物及其制备方法在美国专利5,453,105、6,919,040和7,033,408以及包含在其中的某些引用文件中有所披露。超碳化物(supercarbide)采用的制造方法包括使预成型体经受金刚石热力学稳定的超高压力和温度的步骤。超碳化物典型地具有比PCD或PCBN显著更低的超硬材料含量，并且典型地小于约10-18wt.％，并且因此超硬相比在PCD中显著更少的共生。带有金刚石相的超碳化物因而在结构上区别于PCI并且具有比PCD显著低的硬度和抗磨蚀性。如图4所示，超碳化物可以具有大于800GPa或甚至大于850GPa的杨氏模量。

在第二个优选的实施方案中，增强承载体部分可包含烧结碳化物，优选钴结碳化钨硬质合金，具有低的金属粘结剂含量，优选低于8wt.％，更优选低于6wt.％的金属粘结剂，其可以基本上不含超硬晶粒。这优选与第一个优选实施方案的优选特征结合使用。

在制造根据本发明的产品的方法一个实施方案中，超硬包覆体与增强承载体部分和支撑体部分在PCD或PCBN制造领域熟知的超高压力和温度(hphT)条件下整体成型。制备了包括三个部分的攻击工具插入件预成型体，第一部分为基材的支撑体部分，第二部分为增强承载体部分的预成型体，并且第三部分为PCD包覆体的预成型体。基材的支撑体和增强承载体部分优选通过常规的碳化物烧结方法以分离的实体或整体进行预烧结。当其以分离的制品预烧结时，它们可以在hphT烧结步骤粘结在一起，在hphT烧结期间PCD包覆体通过烧结金刚石晶粒形成。在PCD预成型体内的金刚石晶粒平均尺寸典型地为0.5-60微米。在一个实施方案中，平均尺寸为0.5-20微米。最接近与PCD预成型体的界面的基材部分包含钴或其它铁族金属的实施方案，钴或其它铁族金属在hphT条件下熔融时能渗透PCD预成型体并催化金刚石晶粒的直接粘结以形成共格粘结的PCD物体。包封的预成型体典型地经受热处理以烧掉粘结剂和杂质，并装入适用于hphT烧结设备和方法中的包封组件。

本发明的攻击工具插入件可用于例如铺砌层破裂杵(drum)、冲击钻头、油气工业所用的剪切类型的旋转钻头以及切削、锯解或研磨工具。工具的几何形式可与这些应用中所用的常规超硬插入件的几何形状基本相同，并且通常不必以显著不同于常规超硬插入件的方式将插入件安装到工具保持固定器上，尽管可发现在某些情况下一些安装方法的调整使性能优化。

实施例

实施例1

根据图4所示的设计制备了一组七个镐工具插入件。超硬包覆体31是PCD，并将其直接粘结和结合于基材32的增强承载体部分34。增强承载体部分包含金刚石强化的碳化物，并且基材32的支撑体部分35为钴结碳化钨硬质合金。

PCD包覆体包含烧结金刚石晶粒，该晶粒具有1-20微米的平均尺寸分布并具有多峰尺寸分布。在美国专利申请10/503,323和11/712,067中披露了这一类型的PCD级别和其制备方法，采用本领域众所周知的方法和技术。发现PCD的杨氏模量为1030-1055GPa。PCD包覆体在顶尖或冠部36的厚度37为约2.2mm，并且圆形顶尖的曲率半径为约2.0mm。

增强承载体部分包含9wt.％金刚石晶粒，5.4wt.％Co粘结剂和85.6wt.％的WC晶粒，WC晶粒具有1-3微米的平均尺寸。金刚石晶粒基本上均匀分散在整个增强承载体部分中，并具有约200-250微米的平均晶粒尺寸。增强承载体部分的杨氏模量估计为约700±20GPa，其在PCD包覆体杨氏模量的约64％-70％范围内。增强承载体部分是在基材内邻接的区域，并在非平坦界面处粘结于PCD包覆体，并暴露于基材的周边外部柱形表面处。增强承载体部分的体积是PCD包覆体体积的约3-5倍，因此用作包覆体的刚性加强支撑体。增强承载体部分在基本上平坦界面处粘结于基材的支撑体部分。

实施例的插入件通过使PCD包覆体、增强承载体部分和支撑体部分的预成型体经受hphT条件制备，在该条件下金刚石热力学稳定。该三个预成型体以三个部件的形式分别制备，将其组装并在hphT步骤前包封进难熔金属的封闭套内。将PCD预成型体在非平坦界面处置于与增强承载体部分接触，将增强承载体部分在基本平坦界面处置于与支撑体部分接触。预成型组件对应于如图3示意性所示的烧结制品通常形式。

增强承载体部分预成型体通过包括如下步骤的方法制备：i)制备粉末；ii)形成固体生坯，并且iii)通过常规的硬质金属烧结方法烧结生坯。起始粉末的制备涉及掺混平均尺寸约200-250微米的金刚石晶粒与平均尺寸分布约1-3微米的WC晶粒和钴粉末，所述钴粉末是粉末冶金工业制备烧结碳化物材料典型所用的类型和级别。金刚石、WC和Co粉末的各自比例约9wt.％，85.6wt.％和5.4wt.％。粉末通过多向混合器(Turbula)(注册商标(RTM))干混并向掺混物中添加有机压制助剂。通过在环境温度(室温)下将粉末单轴压制成如图3所示的形式形成生坯。将生坯放置在炉中并进行常规的硬质金属烧结处理，其涉及在真空中加热至高于1400摄氏度的温度约2小时的时间。将烧结生坯从炉中移出(冷却后)。该生坯的测试表明金刚石晶粒的外部已转变为石墨碳，但其内部或核心仍保持为金刚石。将该烧结生坯用作承载体预成型体。

基材的支撑体部分为包含90wt.％WC晶粒和10wt.％Co粘结剂的钴结碳化钨硬质合金，WC晶粒具有1-3微米的平均尺寸。支撑体部分用硬质金属领域以及在制备PCD插入件的基材领域中众所周知的常规方法进行制造，该插入件例如油气工业的钻地插入件。

PCD包覆体预成型体包含用有机粘结剂粘结在一起的金刚石晶粒。不同类型的PCD预成型体和制备它们的方法在本领域是已知的，并且本领域技术人员知道如何应用和调整这些方法使得本发明付诸实施。

将包含PCD预成型体的复合预成型体在突出的非平面表面处置于与承载体预成型体接触，并且将增强承载体部分置于与支撑体部分接触。这样组装并安装后，使预成型体经受大于约5.5GPa的压力以及约1400摄氏度的温度约10分钟。这些条件下，金刚石是热力学稳定的，导致在预成型部件中的钴熔化、PCD的烧结并且其整体与增强承载体部分的粘结。同时，增强承载体部分与支撑体部分整体粘结并烧结。

在hPhT烧结步骤期间，在承载体预成型体内包围金刚石核心的石墨再转变为金刚石，虽然与引入粉末中的金刚石形式不同。再转变的金刚石为粒料形式，晶粒尺寸基本上小于核心，并且通常各向同性的分散在核心周围并形成一种同心的球形晕环。石墨再转变为金刚石导致增强承载体部分的体积降低约30％。当制备增强承载体部分预成型体时，考虑这种收缩是重要的，以便可以在最终的产品中获得增强承载体部分的期望形状和尺寸。该体积收缩的程度可通过计算估计，但发现一系列经验的“试错法”步骤允许更精确的预测，因为其不容易精确地提前知道哪部分金刚石晶粒体积在常规烧结步骤期间将转变为石墨。

hphT烧结步骤后，套装(jacketed)的插入件从包封中移出并且套装体通过浸入强酸液中去除，并且如本领域所知的将插入件处理至最终的光洁度和公差。

来自现场试验的最初指示为根据该实施例制备的插入件在沥青破裂应用中可具有比现有技术的PCD插入件显著更高的抗冲击性以及有效的工作寿命。

实施例2

重复实施例1，但不同的是，引入增强承载体部分的粉末中的金刚石晶粒具有约10-50微米的平均尺寸。

烧结的增强承载体部分生坯在从炉中取出后(冷却后)的测试表明基本上所有的金刚石晶粒已转化为石墨。将该烧结生坯用作承载体预成型体。

实施例3

在该实施例中，将剪切刀具类型的PCD包覆的插入件烧结到基材上，其中基材的整体用作承载体，具有必要的杨氏模量和刚度。这些PCD插入件的工作表面基本上是平坦的。金刚石强化的基材用实施例1描述的方法制备以制备金刚石强化的增强承载体部分，而将金刚石晶粒引入起始粉末中。金刚石、WC和Co粉末的各自比例为约7.1wt.％，86.4wt.％和6.5wt.％。金刚石晶粒具有约60-80微米的平均晶粒尺寸，采用Malvern Mastersizer(RTM)测量。所用的金刚石粉末为Element Six产品PDA878240/270。

通过包括下列步骤的方法制造基材：

1.提供62g金刚石粉末，56gCo粉末和750g 13wt％Co WC粉末，并带有～2wt％PEG，将其倒入体积约500ml的容器中；

2.添加足够的甲醇以形成浆料；

3.将浆料混合；

4.将浆料干燥并用研钵和研杵破碎成软的团聚体；

5.将干燥的粉末放到模具中并压缩形成生坯。

6.将生坯在常规的碳化物烧结设备中和压力-温度下烧结。烧结后，由于石墨的存在，基材具有暗灰的外观(通过该阶段，在含金刚石样品中至少某些金刚石完全转变为石墨)；并且

7.然后将基本上是柱形形式的基材磨削至同样的外径和高度。

在随后PCD插入件的制造中，强化的基材预成型体替代常规的Co结硬质合金基材。用常规的hphT方法将PCD层整体烧结到每个强化的基材上。如本领域所知，该方法涉及将包含金刚石晶粒的金刚石PCD预成型体置于基材的一端上以形成复合预成型体。将预成型体组装到用于hphT烧结的常规PCD插入件包封中，并且用标准的方法将包封脱气，在该方法中将空气从包封中排出，接下来将其密封。使包封经受用于制造PCD刀具插入件(该插入件用于岩石钻进应用)的标准hphT烧结循环(也就是在高于约5GPa的压力和高于约1400℃的温度下)。在hphT循环期间，如实施例1，基材中的基本上所有的非金刚石碳转变为金刚石。

实施例4

构建了带有DEC承载体部分的成形刀具插入件，该DEC承载体部分具有如图3所示的几何形状。用带有有机处理助剂的粒料压制了金刚石台(PCD)，将该助剂在烧结前烧失。金刚石台层的厚度和形状通过用恰当成型的工具压缩所确定。

金刚石压坯包含金刚石混和物，其中金刚石颗粒的尺寸分布为宽的多形态，在约10μm-45μm范围内具有峰。总的颗粒尺寸范围为～2μm-50μm。

金刚石压坯含有Co作为混合物，但主要渗透来自基材和承载体部分的Co以实现烧结。承载体部分包含1-6μm的WC颗粒和～22μm的金刚石颗粒以及钴的混合物。

WC：金刚石的体积比率在1∶1到3∶1之间变化。对于1∶1的比率，期望具有更高的杨氏模量。

在最后的组装阶段期间，将金刚石和承载体部分坯体压制在一起以确保两层之间的完全粘结。这也确保了在去除有机处理助剂之前良好的致密化。

将平坦界面基材放置在承载体部分的基础上。该预烧结的WC/Co复合材料作为在高压烧结期间坚实的基础，并且还提供了附加的Co用于渗透以及承载体部分和金刚石台的合适烧结。

尽管前面对统一的超硬材料、生产方法、并且它们的各种应用的描述包含许多特定情况，但这不应该被解释为限制本发明的范围，而只是作为提供一些示范性实施方案的说明。类似的，可以设计本发明的其它实施方案，这不偏离本发明的精神和范围。因此，本发明的范围，仅通过所附的权利要求和它们的法律等效体，而不是通过前述说明书所表明和限制。涵盖了落入权利要求的含义和范围中的本文所述的所有对本发明的添加、删除和修改。