具有改性的金刚石表面的切削元件

摘要

切削元件，包括碳酸盐金刚石结合的主体，所述碳酸盐金刚石结合的主体在存在碳酸盐材料的情况下在HPHT条件下烧结，其中所述主体包括晶间结合的金刚石的基体相，其中间隙区域包括所述碳酸盐材料，其中所述金刚石结合的主体在没有基底的情况下烧结。基体铸件在所述主体烧结之后形成并机械地联接到所述主体，并且主体表面的一部分沿着所述基体铸件的表面暴露。此后，所述暴露主体表面被有意地处理以引起大于所述主体的剩余部分的压缩残余表面应力。所述压缩残余表面应力为小于约500MPa和约100至500MPa，并且所述主体的剩余区域可具有小于约300MPa和小于约100MPa的残余应力。

说明书

相关申请的交叉引用

本申请要求2018年8月24日提交的美国临时申请号62/722,209的优先权和权益，该临时申请的全部内容在此以引用的方式并入。

背景技术

本领域中已知的切削元件，诸如与钻头一起用于钻探地层的切削元件，包括设置到碳化物基底上的金刚石表面层、金刚石台或金刚石主体。金刚石台用于相对于下面的基底提供改进的耐磨损性和耐磨蚀性，并且基底用于提供附接结构以促成将切削元件附接到最终用途机床(例如，诸如钻头等)。

此类已知的切削元件的金刚石台由多晶金刚石(PCD)形成并且包括钴，其中钴用作溶剂金属催化剂以促成在用于形成该PCD的高压/高温(HPHT)烧结过程期间的金刚石结合。已知PCD中的钴的热膨胀系数与具有PCD的金刚石大不相同，从而在切削元件的使用期间在金刚石台内产生不想要的热应力。尽管金刚石层用于向刀具提供改进的耐磨损性和耐磨蚀性，例如，当与具有由碳化钨形成的磨损表面的切削元件相比时，但已知金刚石层的热膨胀系数与典型地由碳化钨形成的下面的基底的热膨胀系数大不相同。因此，对于此类常规的刀具，用于烧结金刚石并形成PCD层并且将该PCD层结合到下面的碳化钨基底的HPHT过程是已知生产具有约600MPa或更大的高度残余压缩应力的切削元件的过程。在金刚石层上引起的这种残余压缩应力的存在通常在界面区域中产生平衡量的张力，这在钻探条件下通常可能会造成切削元件破损或金刚石层分层。

提高这种切削元件的使用寿命的尝试已经集中于减小在金刚石层-基底界面处的残余拉伸应力，从而减少或最小化在钻探条件下的破损、断裂或分层事件。尽管这样的努力可用于减少或最小化破损或分层情况，但这样的性能增益是以折损在金刚石台的表面处的耐磨损性和抗开裂性为代价而提供的，这也造成对切削元件的有效使用寿命的限制。

发明内容

如本文所公开的切削元件包括金刚石结合的主体，所述金刚石结合的主体在存在碳酸盐材料的情况下在HPHT条件下烧结，其中所述主体包括晶间结合的金刚石的基体相，其中间隙区域包括所述碳酸盐材料，其中所述金刚石结合的主体在没有基底的情况下烧结。基体铸件机械地联接到所述主体，其中所述基体铸件在所述主体形成之后形成并联接到所述主体，并且其中主体表面的一部分沿着所述基体铸件的表面暴露，所述表面包括所述切削元件的工作表面。所述主体具有沿着所述主体的所述暴露表面的压缩残余应力，所述压缩残余应力大于所述主体的剩余部分的至少一个区域的残余应力，其中所述压缩残余表面应力在形成所述切削元件之后产生。在示例中，所述压缩残余表面应力为小于约500MPa和约100至500MPa。所述主体的剩余区域可具有小于约300MPa和小于约100MPa的残余应力。在示例中，所述碳酸盐材料选自碳酸镁、碳酸钙或它们的组合，并且所述基体铸件可包括碳化钨。

可通过以下操作来制作如本文所公开的切削元件：使一定体积的金刚石晶粒在存在碳酸盐材料且不存在基底的情况下经受HPHT烧结条件，以形成碳酸盐多晶金刚石主体，所述碳酸盐多晶金刚石主体包括晶间结合的金刚石的基体相和分散在所述基体相内的多个间隙区域，所述多个间隙区域包括所述碳酸盐材料。此后，可将碳酸盐多晶金刚石主体与基体铸件前体材料组合并可使所述组合经受高温，以形成基体铸件，所述基体铸件机械地联接到所述碳酸盐多晶主体，其中所述碳酸盐多晶金刚石主体的表面部分从所述基体铸件暴露。然后，处理所述碳酸盐多晶金刚石主体的暴露区域，以增加如上所述的表面部分的压缩残余应力。在示例中，所述处理可包括使所述暴露表面部分与颗粒进行碰撞。在示例中，所述颗粒可具有约100至4,000kg/mm

提供本概述是为了介绍在以下详细描述中进一步描述的概念的选择。本概述不意图识别所要求保护的主题的关键特征或本质特征，也不意图用来帮助限制所要求保护的主题的范围。

附图说明

将了解如本文所公开的切削元件的这些及其他特征和优点，因为这些及其他特征和优点在结合附图考虑时参考以下详细描述变得更好理解，在附图中：

图1示出了如本文所公开的示例切削元件的透视图；

图2示出了如本文所公开的另一个示例切削元件的透视图；

图3示出了如本文所公开的另一个示例切削元件的透视图；

图4示出了如本文所公开的另一个示例切削元件的透视图；

图5示出了用于进行如本文所公开的切削元件的压缩应力分析的测试配置；并且

图6是包括如本文所公开的多个示例切削元件的刮刀钻头的透视图。

具体实施方式

如本文所公开的切削元件包括金刚石结合的主体，该金刚石结合的主体在不存在基底的情况下在HPHT条件下使用碳酸盐溶剂催化剂材料形成，并且在下文被称为碳酸盐PCD。碳酸盐PCD主体可在后续过程(例如，铸造过程)期间与非常规的基底组合，以便形成切削元件并且使PCD主体适于与期望的装置或构件附接来执行期望的最终用途应用。通过铸造过程制作的基底与常规的基底的不同之处在于，在PCD与铸造基体材料之间没有形成化学结合，例如，在这两者之间仅存在在铸造过程期间通过材料的机械互锁形成的摩擦结合。如本文所公开的切削元件在碳酸盐PCD主体本身内(微应力)和在整个切削元件内(宏应力)都显示出低水平的残余应力，从而当与常规的PCD切削元件(使用钴催化剂形成并在用于制作PCD主体的HPHT过程期间与金属基底联结)进行比较时，提供提高水平的抗断裂性。如本文所公开的切削元件被处理为在碳酸盐PCD台或主体的表面上具有增加的压缩残余应力，由此提供提高水平的耐磨损性和抗冲击性(其满足或超过常规的PCD切削元件的耐磨损性和抗冲击性)，从而提供提高的抗断裂性、耐磨损性和抗冲击性，这提高了此类切削元件的操作使用寿命。

图1示出了如本文所公开的示例实施方案切削元件10，该切削元件包括联接到基底14的金刚石台或金刚石主体12。在示例实施方案中，金刚石主体12可呈圆柱形盘或类似物的形式，但可呈可用于特定最终用途应用的任何其他形式。如本文所公开的切削元件的特征在于，金刚石台12的至少一部分从基底14暴露，这个部分包括用于在进行使用时与另一个物体的表面进行接触的一个或多个工作表面16。根据特定最终用途应用，金刚石台表面的形成工作表面16的部分可为扁平、弯曲或边缘表面。

在诸如图1所示的示例实施方案中，金刚石主体12占据切削元件的总顶表面区域18的局部表面区域，其中剩余顶表面区域被基底占据。在示例中，金刚石主体可为切削元件10的总顶表面区域的10％至90％、20％至80％和30％至70％。在该特定实施方案中，金刚石主体占据切削元件的总侧表面区域20的局部侧表面区域，其中剩余侧表面区域被基底占据。在示例中，金刚石主体可为切削元件10的总侧表面区域的1％至50％、2％至30％和5％至20％。应理解，如上文所公开且在图1中示出的切削元件只是多个不同的切削元件配置的一个示例，这些不同的切削元件配置意图在本公开的范围内。例如，尽管已经示出具有扁平表面的切削元件，但具有弯曲或其他非平面形状的表面的切削元件意图在本公开的范围内，其中这种切削元件可包括以可用于提供包括工作表面的暴露表面的方式配置的金刚石台(以促成这种另外配置的切削元件的期望的用途)。

如本文所公开的切削元件的特征在于，金刚石主体的一部分被基底覆盖，以便将金刚石主体与基底机械地联接或锁定。因此，参考图1中示出的示例切削元件，金刚石主体的一部分不可见并在基底的表面下方延伸，以便将金刚石主体和基底机械地锁定在一起。

图2示出了与图1的切削元类似的示例切削元件30，该切削元件包括联接到基底34的金刚石主体32，其中金刚石主体的一部分从基底暴露以提供一个或多个工作表面36，并且其中金刚石主体的暴露部分占据切削元件总顶表面38的局部区域并占据切削元件总侧表面40的局部区域，以及在这两者之间的斜面区域。在该实施方案中，金刚石主体32的沿着顶表面38的暴露区域的形状与图1中示出的形状不同，例如，这个暴露区域的形状在从刀具中心轴线径向地向外移动到侧表面的方向上保持不变。与图1的实施方案一样，金刚石主体30被配置为具有设置在基底内的区域，以便将金刚石主体和基底机械地联接或锁定在一起。

图3示出了另一个示例切削元件50，该切削元件包括联接到基底54的金刚石主体52，其中金刚石主体的一部分从基底暴露以提供一个或多个工作表面56，并且其中金刚石主体的暴露部分占据切削元件总顶表面58的局部区域并占据切削元件总侧表面56的局部区域。不同于图1和图2中示出的示例，该实施方案的金刚石主体52的暴露部分具有沿着顶表面58的顶点配置。这个顶尖表面可单独地和/或与暴露金刚石主体的沿着切削元件侧表面60的暴露侧部分一起用作工作表面。这种实施方案的特征是具有这种顶点配置的金刚石主体的形状，其中未暴露区域设置到基底中、在基底顶表面下方，以将金刚石主体机械地锁定在基底内。沿着切削元件的侧表面示出了在金刚石主体的界面与基底的周围区域之间提供的这种锁定关系。

图4示出了另一个示例切削元件70，该切削元件包括联接到基底74的金刚石主体72，其中金刚石主体的一部分从基底暴露以提供一个或多个工作表面76，并且其中金刚石主体的暴露部分占据切削元件总顶表面78的局部区域并占据切削元件总侧表面80的局部区域。不同于图1至图3中示出的示例，基底包括沿着切削元件的在金刚石主体的一部分的顶部上延伸的顶表面延伸的区域，使得仅暴露金刚石主体的沿着顶表面的部分。另外地，金刚石主体(在沿着横截面侧视图截取时)具有楔形形状(在金刚石主体的上表面与下表面之间截取)，该楔形形状的厚度在从切削元件侧表面径向地朝向切削元件的中心轴线并朝向基底的设置在金刚石主体的顶部上方的部分移动的方向上增加。总的来说，基底的设置在金刚石主体的顶部上方的部分和金刚石主体楔形侧面轮廓用于将金刚石主体机械地锁定在基底内的适当位置。

在示例实施方案中，金刚石主体12可呈圆柱形盘或类似物的形式，但可呈可用于特定最终用途应用的任何其他形式。如本文所公开的切削元件的特征在于，金刚石台的至少一部分从基底暴露，这个部分包括用于在进行使用时与另一个物体的表面进行接触的一个或多个工作表面。根据特定最终用途应用，金刚石台表面的形成一个或多个工作表面的部分可为扁平和/或弯曲配置，并且/或者具有边缘配置。

在示例中，通过将一定体积的金刚石晶粒组合并在存在碳酸盐催化剂的情况下使其经受烧结HPHT过程来形成如本文所公开的切削元件的金刚石台。在示例实施方案中，碳酸盐催化剂可选自包括但不限于以下项的碳酸盐的组：碱土族碳酸盐，诸如碳酸镁、碳酸钙、它们的组合等。在示例中，基于用于形成金刚石台的材料的总体积，金刚石台可具有约80％至99％、约88％至98％和约90％至96％的金刚石体积含量。在示例中，基于用于形成金刚石台的材料的总体积，金刚石台可具有约1％至20％、约2％至12％和约4％至10％的催化剂体积含量。在示例中，金刚石台具有高于约92体积％的金刚石体积含量和小于约8体积％的催化剂含量。

在示例实施方案中，通过将一定体积的金刚石晶粒或粉末与一定体积的碳酸盐催化剂一起放置在HPHT设备的反应池的金属罩壳或组件内来形成金刚石台。然后，使反应池置于足以引起金刚石晶粒或颗粒之间的晶间结合的HPHT处理条件下。然后，使反应池置于足以引起金刚石颗粒的烧结的HPHT处理条件下。在示例实施方案中，通过在足以确保形成充分地烧结的碳酸盐多晶金刚石(PCD)台或主体的时间段内使组件经受其中压力在约5,500至7,000MPa之间且温度在约1,300℃与2,000℃之间的HPHT过程条件来形成如本文所公开的切削元件。在一些情况下，期望的是，使如本文所公开的切削元件在包括大于约7,000MPa和在约7,000至15,000MPa的范围内的超高压条件的HPHT过程条件下烧结，其中处理温度在1,500℃至2,500℃的范围内。

所得的金刚石台是碳酸盐PCD，该碳酸盐PCD包括晶间结合的金刚石的基体相和分散在基体相中并包括碳酸盐催化剂的多个间隙相或区域。在烧结之后，可对碳酸盐材料进行热处理，以通过加热至足以产生二氧化碳的温度来将材料的至少一部分从碳酸盐转变为氧化物。碳酸盐催化剂材料可为碳酸镁。这种碳酸镁催化剂材料的特征在于，其具有低拉伸应力并其热膨胀系数接近于(例如，比常规的钴催化剂更接近)金刚石的热膨胀系数，从而产生与包括钴催化剂的常规的PCD相比具有极低量的残余应力(即，微应力)的金刚石台。而且，在示例实施方案中，在没有基底的情况下烧结并形成金刚石台，从而避免不希望地引入因金刚石主体与典型地由碳化钨形成的基底之间的热膨胀系数的差异而引起的残余应力(即，宏应力)。

因此，与使用钴催化剂形成并在烧结HPHT过程中结合到碳化钨基底的常规的PCD金刚石台相比，以本文所公开的方式由碳酸盐PCD形成的金刚石台具有极大地减小的残余微应力和残余宏应力。在示例中，这种常规的PCD可在金刚石主体内具有大于约100MPa、约100MPa至约500MPa和约200MPa至400MPa的一定水平的残余应力，即，因金刚石与钴的热膨胀系数之间的差异而引起的微应力。应理解，这种常规的PCD的金刚石主体内的微应力的确切水平可根据并将根据诸如金刚石和/或钴的体积含量以及烧结HPHT条件的因素而变化。

在示例中，包括在金刚石HPHT烧结过程期间联结到基底的常规的PCD的常规的切削元件可在切削元件内具有大于约500MPa且约600MPa至约800MPa或1,000MPa的一定水平的压缩残余应力，即，因PCD金刚石主体与基底的热膨胀系数之间的差异而引起的宏应力。尽管在PCD中的压缩应力的该范围本身是合期望的，但在界面和基底区域中的平衡张力使常规的刀具容易经受分层并因此是不期望的。应理解，常规的PCD的金刚石主体内的这种宏应力的确切水平可根据并将根据诸如金刚石和/或钴的体积含量、基底中的特定碳化钨体积含量以及烧结HPHT条件的因素而变化。应理解，所提供的微应力和宏应力水平是相应的常规的PCD金刚石主体和包括该金刚石主体的未进行精加工的切削元件的微应力和宏应力水平。使此类常规的PCD切削元件经受常规的精加工(诸如OD磨削等)可用于向PCD切削元件引入残余应力的第三分量(除了微应力和宏应力之外)，该第三分量可存在于经受这样的精加工的切削元件的表面处。根据精加工的特定类型，经受这种常规的精加工的这种常规的PCD切削元件的表面可具有比上述宏应力水平大了约50MPa至100MPa的应力。

以本文所公开的方式制作的包括碳酸盐PCD主体的切削元件在碳酸盐PCD主体内具有小于约100MPa、约0至100MPa、约0至50MPa、约0至25MPa和约0至10MPa的一定水平的残余应力，即，微应力。在一些情况下，微应力可测量轻微的拉伸。同样，碳酸盐PCD主体中的低微应力水平可通过碳酸镁的低弹性模量和抗张强度以及金刚石与碳酸镁催化剂材料的热膨胀系数之间的相对接近度来解释。

参考图1，在示例实施方案中，金刚石主体12联接到基底14，从而形成切削元件10。如果需要，可对金刚石主体进行处理以从中去除催化剂材料的全部或部分，例如，金刚石主体的全部或部分可经受浸出过程。基板14可由金属材料、陶瓷材料或金属陶瓷材料形成。在示例实施方案中，基体铸件由金属陶瓷材料形成，并且与用于烧结主体的HPHT过程分离且分开地进行联接到碳酸盐PCD主体的操作。在示例中，在铸造过程期间形成基底，借此将金刚石主体与用于形成基底的前体材料组合，该前体材料可包括诸如钨和碳化物的基体材料以及用于将基体材料联结在一起的粘结剂材料(诸如钴)。在一些实施方案中，通过铸造过程形成的所得的构造被称为基体铸件，并且用于形成机械附接件或与金刚石主体机械地联接，并且出于这一原因而不同于且不被认为是与常规的PCD切削元件(即，使用钴形成，其中基底是在HPHT烧结过程期间联结到PCD主体的碳化钨)相关联的基底。

在示例实施方案中，用于形成基体铸件的前体材料包括基体粉末(例如，碳化钨(WC)粉末或钨(W)粉末)和粘结剂材料。在一个实施方案中，粘结剂材料可为任何合适的金属，诸如，例如铁、钴、镍、铜、锰、锌、锡、它们的合金(例如，镍合金)或它们的任何合适的组合。金属粘结剂材料可作为单独的粉末或作为置于基体粉末的顶部上的固体(例如，粘结剂材料的圆盘)提供。在另一个实施方案中，金属粘结剂粉末可与基体粉末混合。另外地，在一个或多个实施方案中，该方法可包括将有机溶剂(例如，醇)与金属粘结剂粉末和基体粉末混合以形成浆料或糊剂的任务。将有机溶剂混合到基体粉末和粘结剂粉末中可促成在将前体材料与碳酸盐PCD主体组合的任务期间容易地处理前体材料。有机溶剂可被选择为使得其不影响基体材料的化学特性。另外，助熔剂可用于促进润湿和/或保护组分免于氧化。这些材料中的任一种都可以粉末形式、液体形式、生坯态形式以及它们的组合等提供。

在示例中，在容器或模具中将基体铸件前体材料与碳酸盐PCD主体组合，并且将该主体定位在模具内，使得碳酸盐PCD主体表面的至少一部分在基体铸件形成后从前体材料暴露(或可通过最小程度的精加工而暴露)，其中这个暴露碳酸盐PCD主体表面包括切削元件的工作表面。在示例中，碳酸盐PCD主体相对于基体铸件前体材料的这种期望的放置布置可通过主体的配置来提供和/或可通过模具的特征来提供和/或可通过被配置为在模具内提供主体相对于基体铸件前体材料的期望的放置位置的位移构件来提供，并且/或者还在铸造过程之后从基体铸件提供期望的暴露主体表面区域。

在示例中，以钨粉末、碳化物粉末和钴粉末的形式提供基体铸件前体材料，并且将碳酸盐金刚石相对于前体材料放置在容器或模具内，以产生期望的切削元件工作表面。将容器或模具密封并使其在足以致使钴熔化并浸渗到钨和碳化物的混合物中的时间段内经受高温。一旦粘结剂浸渗到钨和碳化物的混合物中达期望的程度，就将模具的温度降至低于浸渗温度以致使粘结剂固化并由此将基体颗粒粘结在一起以按基体铸件的期望大小和形状形成固体基体。另外地，在冷却模具的过程期间，将固化的基体铸件机械地联结到碳酸盐PCD主体，即，基体铸件包封碳酸盐PCD主体的足够的部分，以将该主体机械地锁定或互锁在适当位置。为了帮助在主体与基体铸件之间形成该互锁布置，可以促成形成这种互锁组合的方式来配置主体。在示例中，可用于制作如本文所公开的切削元件的基体铸件可按如美国公开专利申请2016/0168919中公开和示出的相同方式形成，该专利申请的全部内容在此以引用的方式并入。

如本文所公开并根据本文所公开的方法形成的切削元件用于降低所得的切削元件中的不想要的残余应力(即，微应力和宏应力)的水平。例如，如本文所公开的碳酸盐PCD主体具有在与基体铸件附接之前测量的小于约100MPa、约0至100MPa、约0至50MPa和约0至25MPa的一定水平的残余应力，即，微应力。为了表征烧结的PCD主体以使得测量到的残余应力状态无表面效应(诸如磨削和研磨)，可在断裂表面上进行残余应力测量。

根据这些原理形成的切削元件(其中碳酸盐PCD主体与碳化钨基体铸件以所公开的方式联接)显示出小于约300MPa、约0至300MPa、约0至200MPa、约0至100MPa、小于50MPa、约0至50MPa且约0至25MPa的一定水平的残余应力，即，组合的微应力和宏应力。因此，与常规的PCD切削元件(使用钴催化剂形成并在HPHT烧结期间联结到碳化钨基底)相比，此类切削元件的特征是作为构造材料和制作方法两者的结果而存在的极大地降低的水平的残余应力(微应力和宏应力两者)。具体地，如本文所公开的碳酸盐PCD主体可具有零残余应力，即，微应力，而常规的PCD则并非如此，常规的PCD显示出至少100MPa且高达400MPa或更高的一定水平的残余应力。此外，当以包括基体铸件的切削元件的形式提供时，如本文所公开的切削元件显示出显著地降低的水平的残余应力，即，宏应力，该残余应力比常规的PCD切削元件的宏应力小数百MPa并甚至可小一个数量级。以所公开的方式构造碳酸盐PCD主体和包括该碳酸盐PCD主体与基体铸件的切削元件产生具有显著地降低的拉伸残余应力的PCD主体和切削元件，从而提供常规的PCD切削元件中原本不存在的改进程度的抗断裂性和抗分层性。

如本文所公开的切削元件的特征在于，它们被特殊地处理以在碳酸盐PCD主体的暴露表面部分(即，暴露表面的包括工作表面的部分)上引起或施加期望水平的压缩残余应力。出于上述原因，以上文公开的而没有进行这种处理的方式制作的切削元件包括具有相对低水平的压缩残余应力的碳酸盐PCD主体。例如，在处理之前，切削元件的碳酸盐PCD主体的暴露表面表现出小于约300MPa、约0至300MPa、约0至200MPa、约0至100MPa、小于50MPa、约0至50MPa和约0至25MPa的上述压缩残余应力水平，即，组合的微应力和宏应力。实际上，在没有处理的情况下，存在于碳酸盐PCD主体的暴露表面处的残余压缩应力与主体的远离暴露表面延伸一定深度的剩余区域大致相同。

相比之下，已知常规的切削元件(包括由钴形成并在烧结PCD主体的HPHT过程期间附接到碳化钨基底的常规的PCD主体)因如上文所讨论的精加工过程而在表面处显示出比在其他区域处相对更高的水平的压缩残余应力。因此，常规的PCD刀具可在表面处具有至少600MPa和在约600至1500MPa的范围内的压缩残余应力。此外，常规的PCD切削元件的PCD主体内的压缩残余应力可在主体内在基底附近(例如，在PCD主体中的由基底施加残余应力的位置处)增加，从而增加存在于PCD主体内的此类位置的残余应力。

如本文所公开的切削元件在形成之后(即，在基体铸件和碳酸盐PCD主体以上文所公开的方式组合之后)进行处理，以有意地增加沿着碳酸盐PCD主体的暴露表面部分的压缩残余应力的量。在示例实施方案中，根据特定处理过程和/或特定最终用途应用，处理如本文所公开的切削元件，以沿着暴露表面提供大于约100MPa、大于约200MPa、约100至1,000MPa、约100至800MPa、约100至500MPa、约100至400MPa和小于约500MPa的压缩残余应力。在一些实施方案中，可处理如在此所公开的切削元件，以沿着表面提供高达约700MPa的一定水平的压缩残余应力。通过使用如所述的拉曼光谱法来测量表面压缩应力，这在下文进行描述。

图5中示出了可用于测量此类测试的配置的示意图。激光探针90指向切削元件94的碳酸盐PCD金刚石主体92的表面。金刚石具有单拉曼活动峰，在无应力条件下，该拉曼活动峰位于ω

其中Δω是拉曼频率的位移，γ是Grunesian常数，其等于1.06，B是体积模量，其等于442GPa，并且σ

其中σ

切削元件使用拉曼光谱法和疲劳接触测试来表征。用于收集拉曼光谱的设备采用以785nm操作的近红外激光器、光纤透镜/收集系统以及结合CCD阵列相机的光谱仪。通过使用固有的拟合软件将高斯曲线拟合到实验数据来确定峰中心。高斯表达式由下式给出：

其中I(x)是随位置而变的强度，I

碳酸盐PCD主体的经处理以引起这种提高的压缩残余应力的表面部分可包括通过基体铸件暴露的整个主体表面，或者仅包括通过基体铸件暴露的主体表面的一部分，例如，形成一个或多个工作表面的部分。在示例中，处理的部分包括通过基体铸件暴露的主体表面的包括切削元件的工作表面的部分。在示例中，根据诸如切削元件的大小和碳酸盐PCD主体的总厚度、PCD的晶粒大小、所使用的特定处理过程和/或特定最终用途应用的因素，表现出提高的压缩残余应力的处理的碳酸盐PCD主体表面部分可从表面向碳酸盐PCD主体中延伸一定深度，即大于约5微米、大于约50微米、约20至200微米、约30至150微米、约50至100微米的深度。在示例实施方案中，应理解，根据特定处理过程和/或特定最终用途应用，包括由处理引起的提高的压缩残余应力的碳酸盐PCD主体的量小于从表面向碳酸盐PCD主体向内延伸一定深度的碳酸盐PCD主体的总体积(其包括碳酸盐PCD主体的暴露部分和未暴露部分两者)的约50％、小于约30％和小于约20％。

应理解，碳酸盐PCD主体的剩余体积(即，碳酸盐PCD主体的未显示出由处理引起的提高的压缩残余应力的部分或区域)具有与上文针对未处理的碳酸盐PCD主体指出的相同水平的压缩残余应力。因此，不同于常规的PCD切削元件，如本文所公开的切削元件在处理之后包括碳酸盐PCD主体，该碳酸盐PCD主体具有沿着暴露表面期望的提高水平的压缩残余应力，以及远离表面向内移动并进入碳酸盐PCD主体的剩余区域中的降低水平的压缩残余应力。

在示例中，处理可包括使切削元件暴露碳酸盐PCD主体表面经受多个冲击力。用于引起期望的提高的表面压缩残余应力的基本技术涉及在碳酸盐PCD主体表面与另一种硬质材料之间的多次碰撞。这可通过经由诸如喷砂、高能量翻滚、振动精加工、喷丸等方法使硬颗粒、介质或构件对碳酸盐PCD表面进行高速冲击来完成。在硬颗粒冲击的情况下，颗粒的硬度可在约100至4,000kg/mm

在示例中，在喷砂过程中，已经表明使用碳化硅砂粒比使用氧化铝引起更高水平的压缩残余应力，并且也已经表明碳化钨可用于此目的。在示例中，此类硬颗粒可在约5至200秒的喷砂时间内以例如约50至100psi的空气压力穿过适当大小的喷嘴(例如，具有约1.0mm至10mm的喷嘴直径)指向碳酸盐PCD表面来提供本文所公开的期望量的表面压缩残余应力。喷砂引起的表面压缩残余应力也可通过诸如热处理的过程来减小。因此，可处理切削元件，以在任何结合、热处理、联结或涉及对如本文所公开的切削元件的显著加热的其他过程之后引起表面压缩残余应力。

应理解，以上公开的处理技术可单独地或彼此以各种组合使用，以产生包括具有期望水平的表面压缩残余应力的碳酸盐PCD主体的切削元件。

在与常规的PCD切削元件(使用钴催化剂形成并在HPHT烧结过程期间附接到碳化钨基底)相比时，如本文所公开的切削元件显示出改进程度的耐磨损性和抗冲击性，这是较低量的残余应力(微应力和宏应力两者)的结果。例如，参考通过在OD表面上以50J能量对硬化钢砧进行反复冲击的过程完成的冲击测试，如本文所公开(体现为13毫米剪切切削元件)并以所公开的方式处理以引起期望程度的表面压缩残余应力的切削元件显示出大于相同大小的常规的PCD切削元件的抗冲击性的程度的抗冲击性(被测量为平均失效次数)，同时具有比常规的PCD切削元件小得多的压缩表面应力水平。

在一些实施方案中，与存在于常规的PCD切削元件中的界面附近并已知导致分层和微结构失效事件的高程度的残余拉伸应力相比，如本文所公开的切削元件被特殊地构造成因碳酸盐催化剂的使用和形成基体铸件并将其与碳酸盐PCD主体组合的铸造方法而都显示出低程度的残余压缩应力(即，微应力和宏应力)，同时还在碳酸盐PCD主体的表面处提供提高水平的压缩残余应力，其中可能最需要提供与常规的PCD切削元件相关联的抗冲击性和耐磨损性相当或更大的期望量的抗冲击性和耐磨损性。

如本文所公开的切削元件可用于许多不同的应用，诸如用于采矿、切削、机加工、铣削和施工应用的工具，其中非常期望耐磨损性、耐磨蚀性、韧性和机械强度和/或例如由不匹配热膨胀系数引起的降低的热残余应力。如本文所公开的切削元件特别地适于用在机床以及钻井和采矿钻头中，诸如在地下钻探应用中使用的牙轮凿岩钻头、冲击或锤钻头、刮刀钻头、固定刀片钻头等。因此，应理解，根据特定最终用途应用，如本文所公开的切削元件可用于上述类型的钻井和采矿钻头中的任一种。

图6示出了用于钻探地下地层的刮刀钻头100，该刮刀钻头包括如本文所公开的多个切削元件102，这些切削元件各自附接到从刮刀钻头的头部106延伸的刀片104，以便切削正在钻探的地下地层。

尽管上文只详细地描述了几个示例实施方案，但本领域技术人员将容易地了解，在实质上不脱离本发明的情况下，在示例实施方案中，许多修改是可能的。例如，如本文所公开的切削元件包括碳酸盐PCD主体，该碳酸盐PCD主体具有延伸穿过该主体的以单个层的形式提供的均匀PCD微结构。应理解，根据特定最终用途应用和所要求的所得性质，如本文所公开的碳酸盐PCD主体可包括多于一层的碳酸盐PCD。而且，可能的是，如本文所公开的切削元件可包括插置在碳酸盐PCD主体与基体铸件之间的不是碳酸盐PCD的材料层，例如，在这种其他材料层可用于进一步操作以减少切削元件内的残余应力的情况下。这些只是如本文所公开的切削元件的修改的几个示例，所述修改意图在本公开的范围内。

因此，所有此类修改意图被包括在如所附权利要求书所限定的本公开的范围内。在权利要求书中，手段附加功能条款意图涵盖在本文中被描述为执行陈述的功能的结构，并且不仅涵盖结构等效物，而且涵盖等效结构。因此，尽管钉子和螺钉可能由于钉子采用圆柱形表面来将木制零件固定在一起而螺钉采用螺旋形表面而不是结构等效物，但是在紧固木制零件的环境下，钉子和螺钉可为等效结构。申请人的明确意图是除了权利要求明确地使用词语“用于……的构件”连同相关联的功能的权利要求之外，不针对本文的权利要求中的任一项的任何特征援引“手段加功能”。