[发明专利]弹道式聚晶开采工具及用于制作该工具的方法

说明书

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(tangential relationship)。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。