DE602004004653T2

DE602004004653T2 - Polykristalline abrasive diamantsegmente

Info

Publication number: DE602004004653T2
Application number: DE602004004653T
Authority: DE
Inventors: Brett Lancaster; Annette Bronwyn ROBERTS; Imraan Parker; Roy Derrick Achilles
Original assignee: Element Six Pty Ltd
Current assignee: Element Six Pty Ltd
Priority date: 2003-05-27
Filing date: 2004-05-27
Publication date: 2007-11-08
Anticipated expiration: 2024-05-28
Also published as: US20110303467A1; JP2007501133A; ATE353271T1; US8240405B2; US20070181348A1; EP1628806B1; US8016054B2; EP1628806A1; US20110286810A1; US20080222966A1; DE602004007797T2; WO2004106004A1; JP2006528084A; US8020642B2; EP1628805A1; WO2004106003A1; JP5208419B2; US8469121B2; EP1628805B1; ATE367891T1

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Diese Erfindung betrifft abrasive Elemente aus polykristallinem Diamant, die zum Beispiel aus dem Dokument US-A-4 255 165 bekannt sind.
Abrasive Elemente aus polykristallinem Diamant, auch bekannt als Formteile aus polykristallinem Diamant oder "polycristalline diamond compacts" (PDC), umfassen eine Schicht aus polykristallinem Diamant (PKD), die allgemein mit einem Zementkarbidsubstrat verbunden ist. Solche abrasiven Elemente werden in vielen verschiedenen Anwendungen wie Bohren, Abtragen, Schneiden, Ziehen und dergleichen verwendet. Abrasive PKD-Elemente werden insbesondere als Schneideinsätze oder -elemente in Bohreinsätzen verwendet.
Polykristalliner Diamant ist extrem hart und liefert ein Material mit hervorragender Verschleißfestigkeit. Im Allgemeinen nimmt die Verschleißfestigkeit des polykristallinen Diamants mit der Packdichte der Diamantpartikel und dem Grad der Bindung zwischen den Partikeln zu. Die Verschleißfestigkeit nimmt auch mit der strukturellen Homogenität und einer Reduktion der durchschnittlichen Diamantkorngröße zu. Diese Zunahme der Verschleißfestigkeit ist wünschenswert, um eine bessere Lebensdauer der Schneideinrichtung zu erzielen. Doch je größer die Verschleißfestigkeit des PKD-Materials ist, umso spröder und bruchanfälliger wird es. PKD-Elemente, die im Hinblick auf verbesserte Verschleißleistung konstruiert sind, neigen daher zu beeinträchtigtem oder reduziertem Widerstand gegen Absplittern.
Mit dem Verschleiß des Absplittertyps kann die Schneidwirkung der Schneideinsätze schnell abnehmen, und in der Folge verlangsamt sich die Eindringrate des Bohreinsatzes in die Formation. Sobald das Absplittern beginnt, nimmt das Ausmaß der Beschädigung der Tafel kontinuierlich zu, als Ergebnis der zunehmenden Normalkraft, die nun zur Erzielung der gewünschten Schnitttiefe erforderlich ist. Wenn daher eine Beschädigung der Schneideinrichtung auftritt und die Eindringrate des Bohreinsatzes abnimmt, kann die Antwort des zunehmenden Gewichts auf den Einsatz schnell zu einer weiteren Verschlechterung und schließlich zu einem völligen Versagen des abgesplitterten Schneidelements führen.
Die JP 59-219500 lehrt, dass das Leistungsvermögen von PKD-Werkzeugen verbessert werden kann, indem eine Bindungsphase aus Eisenmetall in einem Volumen, das sich in eine Tiefe von mindestens 0,2 mm von der Oberfläche eines gesinterten Diamantkörpers erstreckt, entfernt wird.
Vor kurzem wurde ein PKD-Schneidelement in den Markt eingeführt, welches eine stark verbesserte Lebensdauer der Schneideinrichtung aufweisen soll, durch eine Steigerung der Verschleißfestigkeit ohne Verlust der Schlagfestigkeit. Die US-Patente US 6,544,308 und 6,562,462 beschreiben die Herstellung und das Verhalten derartiger Schneideinrichtungen. Das PKD-Schneidelement ist unter anderem durch einen der Schneidoberfläche benachbarten Bereich gekennzeichnet, welcher im Wesentlichen frei von katalytischem Material ist. Katalytische Materialien für polykristallinen Diamant sind im Allgemeinen Übergangsmetalle wie etwa Kobalt oder Eisen.
Um abrasive PKD-Elemente mit größerer Verschleißfestigkeit als die im Stand der Technik beanspruchten und zuvor besprochenen vorzusehen, wurde vorgeschlagen, bei der Herstellung der PKD-Schichten eine Mischung aus Diamantpartikeln vorzusehen, die sich in ihren durchschnittlichen Partikelgrößen unterscheiden. Die US-Patente 5,505,748 und 5,468,268 beschreiben die Herstellung derartiger PKD-Schichten.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Gemäß der vorliegenden Erfindung wird ein abrasives Element aus polykristallinem Diamant geschaffen, insbesondere ein Schneidelement, das die Merkmale nach Anspruch 1 umfasst.
Die polykristalline Diamanttafel kann in Form einer einzelnen Schicht vorliegen, welche eine hohe Verschleißfestigkeit aufweist. Dies kann erreicht werden und wird vorzugsweise erreicht, indem der polykristalline Diamant aus einer Masse von Diamantpartikeln mit zumindest drei und vorzugsweise zumindest fünf verschiedenen Partikelgrößen hergestellt wird. Die Diamantpartikeln in dieser Mischung von Diamantpartikeln sind vorzugsweise feinkörnig.
Die durchschnittliche Partikelgröße der Schicht aus polykristallinem Diamant ist vorzugsweise kleiner als 20 Mikrometer, obwohl sie benachbart zur Arbeitsoberfläche vorzugsweise kleiner als etwa 15 Mikrometer ist. In polykristallinem Diamant sind einzelne Diamantpartikel in einem großen Ausmaß durch Diamantbrücken oder -übergänge an benachbarte Partikel gebunden. Die einzelnen Diamantpartikeln behalten ihre Identität, oder haben allgemein unterschiedliche Orientierungen. Die durchschnittliche Partikelgröße dieser einzelnen Diamantpartikeln kann unter Verwendung von Bildanalysetechniken bestimmt werden. Mit dem Raster-Elektronenmikroskop werden Bilder aufgenommen und diese dann unter Verwendung herkömmlicher Bildanalysetechniken analysiert. Aus diesen Bildern kann dann eine repräsentative Diamant-Partikelgrößenverteilung für das gesinterte Formteil extrahiert werden.
Die Tafel aus polykristallinem Diamant kann Bereiche oder Schichten aufweisen, die sich voneinander in ihrer ursprünglichen Mischung aus Diamantpartikeln unterscheiden. Somit gibt es vorzugsweise eine erste Schicht, die Partikel mit zumindest fünf unterschiedlichen durchschnittlichen Partikelgrößen enthält, auf einer zweiten Schicht, welche Partikeln mit zumindest vier unterschiedlichen durchschnittlichen Partikelgrößen aufweist.
Die polykristalline Diamanttafel weist einen zu der Arbeitsoberfläche benachbarten Bereich auf, welcher arm an katalytischem Material ist. Im Allgemeinen wird dieser Bereich im Wesentlichen frei von katalytischem Material sein. Der Bereich erstreckt sich von der Arbeitsoberfläche im Allgemeinen bis zu einer Tiefe von nicht mehr als 500 Mikrometer in den polykristallinen Diamant hinein.
Die polykristalline Diamanttafel weist auch einen an katalytischem Material reichen Bereich auf. Das katalytische Material liegt als ein Sinterungsmittel bei der Herstellung der polykristallinen Diamanttafel vor. Jedes beliebige, im Stand der Technik bekannte katalytische Material für Diamant kann verwendet werden. Bevorzugte katalytische Materialien sind Übergangsmetalle der Gruppe VIII, wie etwa Kobalt und Nickel. Der an katalytischem Material reiche Bereich weist im Allgemeinen eine Schnittstelle mit dem an katalytischem Material armen Bereich auf und erstreckt sich auch bis zur Schnittstelle mit dem Substrat.
Der an katalytischem Material reiche Bereich kann selbst mehr als einen Bereich umfassen. Die Bereiche können sich in der durchschnittlichen Partikelgröße sowie in der chemischen Zusammensetzung unterscheiden. Wenn diese Bereiche vorgesehen werden, liegen sie im Allgemeinen, aber nicht ausschließlich, in zu der Arbeitsoberfläche der polykristallinen Diamantschicht parallelen Ebenen. In einem weiteren Beispiel können die Schichten senkrecht zu der Arbeitsoberfläche, d. h., in konzentrischen Ringen, angeordnet sein.
Die polykristalline Diamanttafel hat typischerweise eine maximale Gesamtdicke von etwa 1 bis etwa 3 mm, vorzugsweise etwa 2,2 mm, gemessen an dem Rand des Schneidwerkzeugs. Die PKD-Schichtdicke weicht innerhalb des Körpers der Schneideinrichtung in Abhängigkeit von der Grenze zu der nicht ebenen Schnittstelle davon beträchtlich ab.
Die Schnittstelle zwischen der polykristallinen Diamanttafel und dem Substrat ist nicht eben, und ist vorzugsweise in einer Ausführungsform dadurch gekennzeichnet, dass sie eine Stufe in dem Randgebiet des abrasiven Elements aufweist, welche einen Ring definiert, der sich um zumindest einen Teil des Randgebiets des abrasiven Elements herum und in das Substrat hinein erstreckt, und eine kreuzförmige Ausnehmung, die sich in das Substrat hinein erstreckt und den umlaufenden Ring schneidet. Insbesondere ist die kreuzförmige Ausnehmung in eine obere Oberfläche des Substrats und eine Grundfläche des umlaufenden Rings eingeschnitten.
In einer alternativen Ausführungsform ist die nicht ebene Schnittstelle dadurch gekennzeichnet, dass sie eine Stufe in dem Randgebiet des abrasiven Elements aufweist, welche einen Ring definiert, der sich um zumindest einen Teil des Randgebiets des abrasiven Elements herum und in das Substrat hinein erstreckt, und eine kreuzförmige Ausnehmung, die sich in das Substrat hinein erstreckt, und die von den Grenzen der Stufe, die den umlaufenden Ring bildet, eingegrenzt ist.
Des Weiteren umfasst der umlaufende Ring eine Vielzahl von Einkerbungen in einer Grundfläche desselben, wobei jede Einkerbung benachbart zu jeweiligen Enden der kreuzförmigen Ausnehmung angeordnet ist.
Nach einem weiteren Aspekt der Erfindung umfasst ein Verfahren zur Herstellung eines abrasiven PKD-Elements wie oben beschrieben die Schritte:
Schaffen einer nicht verbundenen Anordnung durch Vorsehen eines Substrats mit einer nicht ebenen Oberfläche und mit einer kreuzförmigen Konfiguration, Anordnen einer Masse von Diamantpartikeln auf der nicht ebenen Oberfläche, wobei die Masse von Diamantpartikeln Partikel mit zumindest drei, und vorzugsweise zumindest fünf, verschiedenen durchschnittlichen Partikelgrößen enthält, Bereitstellen einer Quelle für katalytisches Material für die Diamantpartikeln, Unterwerfen der nicht verbundenen Anordnung einem Zustand erhöhter Temperatur und erhöhten Drucks, der für die Herstellung einer polykristallinen Diamanttafel aus der Masse von Diamantpartikeln geeignet ist, wobei die derartige Tafel mit der nicht ebenen Oberfläche des Substrats verbunden wird, und Entfernen des katalytischen Materials von einem Bereich der polykristallinen Diamanttafel benachbart zu einer freiliegenden Oberfläche derselben.
Das Substrat ist im Allgemeinen ein Zementkarbidsubstrat. Die Quelle für katalytisches Material ist im Allgemeinen das Zementkarbidsubstrat. Etwas zusätzliches katalytisches Material kann mit den Diamantpartikeln vermischt werden.
Die Diamantpartikeln enthalten Partikel mit unterschiedlichen durchschnittlichen Partikelgrößen. Der Begriff "durchschnittliche Partikelgröße" bedeutet, dass ein größerer Anteil der Partikel der Partikelgröße nahe kommt, obwohl einige Partikel über und einige Partikel unter der angegebenen Größe liegen werden.
Katalytisches Material wird von einem Bereich der polykristallinen Diamanttafel benachbart zu einer freiliegenden Oberfläche derselben entfernt. Im Allgemeinen wird diese Oberfläche an einer Seite der polykristallinen Diamanttafel der nicht ebenen Oberfläche gegenüber liegen und eine Arbeitsoberfläche für die polykristalline Diamanttafel schaffen. Die Entfernung des katalytischen Materials kann unter Verwendung von nach dem Stand der Technik bekannten Verfahren, wie etwa elektrolytisches Ätzen und Säurelaugung, ausgeführt werden.
Die Bedingungen erhöhter Temperatur und erhöhten Drucks, die für die Erzeugung der polykristallinen Diamanttafel aus einer Masse von Diamantpartikeln notwendig sind, sind im Stand der Technik wohl bekannt. Typischerweise sind diese Bedingungen Drücke im Bereich von 4 bis 8 GPa und Temperaturen in dem Bereich von 1300 bis 1700 °C.
Des Weiteren wird nach der Erfindung ein Drehbohreinsatz geschaffen, der eine Vielzahl von Schneidelementen enthält, welche im Wesentlichen alle abrasive Elemente aus polykristallinem Diamant sind, wie sie oben beschrieben werden.
Es wurde herausgefunden, dass die abrasiven PKD-Elemente der Erfindung bedeutend höhere Verschleißfestigkeit, Schlagfestigkeit und damit eine beträchtlich verlängerte Lebensdauer der Schneideinrichtung aufweisen als die abrasiven PKD-Elemente aus dem Stand der Technik.
KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
1 ist eine seitliche Schnittansicht einer ersten Ausführungsform eines abrasiven Elements aus polykristallinem Diamant gemäß der Erfindung;
2 ist eine Draufsicht des Zementkarbidsubstrats des abrasiven Elements aus polykristallinem Diamant gemäß 1;
3 ist eine perspektivische Ansicht des Zementkarbidsubstrats des abrasiven Elements aus polykristallinem Diamant gemäß 1;
4 ist eine seitliche Schnittansicht einer zweiten Ausführungsform eines abrasiven Elements aus polykristallinem Diamant gemäß der Erfindung;
5 ist eine Draufsicht des Zementkarbidsubstrats des abrasiven Elements aus polykristallinem Diamant gemäß 4;
6 ist eine perspektivische Ansicht des Zementkarbidsubstrats des abrasiven Elements aus polykristallinem Diamant gemäß 4;
7 ist ein Graph, der Vergleichsdaten in einer ersten Reihe von Vertikalbohrprüfungen unter Verwendung unterschiedlicher abrasiver Elemente aus polykristallinem Diamant zeigt; und
8 ist ein Graph, der Vergleichsdaten in einer zweiten Reihe von Vertikalbohrprüfungen unter Verwendung unterschiedlicher abrasiver Elemente aus polykristallinem Diamant zeigt.
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
Die abrasiven Elemente aus polykristallinem Diamant nach der Erfindung finden insbesondere Anwendung als Schneidelemente für Bohreinsätze. In dieser Anwendung wurde ihre hervorragende Verschleißfestigkeit und Schlagfestigkeit festgestellt. Diese Eigenschaften erlauben es, dass diese beim Bohren oder Spänen von unterirdischen Formationen mit hoher Druckfestigkeit effektiv verwendet werden können.
Nun werden Ausführungsformen der Erfindung beschrieben. 1 bis 3 veranschaulichen eine erste Ausführungsform eines abrasiven Elements aus polykristallinem Diamant gemäß der Erfindung, und 4 bis 6 veranschaulichen eine zweite Ausführungsform desselben. In diesen Ausführungsformen ist eine Schicht aus polykristallinem Diamant entlang einer nicht ebenen oder profilierten Schnittstelle an ein Zementkarbidsubstrat gebunden.
Unter Bezugnahme zuerst auf 1 umfasst ein abrasives Element aus polykristallinem Diamant eine Schicht 10 aus polykristallinem Diamant (in unterbrochenen Linien dargestellt), welche entlang einer Schnittstelle 14 an ein Zementkarbidsubstrat 12 gebunden ist. Die polykristalline Diamantschicht 10 weist eine obere Arbeitsoberfläche 16 auf, die einen Schneidrand 18 aufweist. Der Rand ist hier als ein scharfer Rand veranschaulicht. Dieser Rand kann auch abgeschrägt sein. Der Schneidrand 18 erstreckt sich um das gesamte Randgebiet der Oberfläche 16 herum.
2 und 3 veranschaulichen in größerer Deutlichkeit das in der in 1 dargestellten, ersten Ausführungsform der Erfindung verwendete Zementkarbidsubstrat. Das Substrat 12 hat eine flache untere Oberfläche 20 und eine profilierte obere Oberfläche 22, welche im Allgemeinen eine kreuzförmige Gestalt aufweist. Die profilierte obere Oberfläche 22 weist die folgenden Merkmale auf:

i. Einen abgestuften umlaufenden Bereich, der einen Ring 24 definiert. Der Ring 24 hat eine abfallende Oberfläche 26, welche an eine obere flache Oberfläche oder einen oberen flachen Bereich 28 der profilierten Oberfläche 22 anschließt.
ii. Zwei sich schneidende Nuten 30, 32, welche eine kreuzförmige Ausnehmung definieren, die sich von einer Seite des Substrats zu der gegenüberliegenden Seite des Substrats erstrecken. Diese Nuten sind durch die obere Oberfläche 28 und auch durch die Grundfläche 34 des Rings 24 geschnitten.

Unter nunmehriger Bezugnahme auf 4 umfasst ein abrasives Element aus polykristallinem Diamant nach einer zweiten Ausführungsform der Erfindung eine Schicht 50 aus polykristallinem Diamant (in unterbrochenen Linien dargestellt), welche entlang einer Schnittstelle 54 an ein Zementkarbidsubstrat 52 gebunden ist. Die polykristalline Diamantschicht 50 weist eine obere Arbeitsoberfläche 56 auf, die einen Schneidrand 58 aufweist. Der Rand ist hier als ein scharfer Rand veranschaulicht. Dieser Rand kann auch abgeschrägt sein. Der Schneidrand 58 erstreckt sich um das gesamte Randgebiet der Oberfläche 56 herum.
5 und 6 veranschaulichen in größerer Deutlichkeit das in der in 4 dargestellten, zweiten Ausführungsform der Erfindung verwendete Zementkarbidsubstrat. Das Substrat 52 hat eine flache untere Oberfläche 60 und eine profilierte obere Oberfläche 62. Die profilierte obere Oberfläche 62 weist die folgenden Merkmale auf:

i. Einen abgestuften umlaufenden Bereich, der einen Ring 64 definiert. Der Ring 64 hat eine abfallende Oberfläche 66, welcher an eine obere flache Oberfläche oder einen oberen flachen Bereich 68 der profilierten Oberfläche anschließt.
ii. Zwei sich schneidende Nuten 70, 72, welche eine kreuzförmige Anordnung in der Oberfläche 68 aufweisen.
iii. Vier Ausschnitte oder Einkerbungen 74 in dem Ring 64, die jeweiligen Enden der Nuten 70, 72 gegenüberliegend angeordnet sind.

In den Ausführungsformen der 1 bis 6 weisen die polykristallinen Diamantschichten 10, 50 einen an katalytischem Material reichen Bereich und einen an katalytischem Material armen Bereich auf. Der an katalytischem Material arme Bereich erstreckt sich von der jeweiligen Arbeitsoberfläche 16, 56 in die Schicht 10, 50 hinein. Die Tiefe dieses Bereichs beträgt typischerweise nicht mehr als 500 Mikrometer. Wenn der PKD-Rand abgeschrägt ist, folgt der an katalytischem Material arme Bereich typischerweise im Allgemeinen der Gestalt dieser Abschrägung und erstreckt sich entlang der Länge der Abschrägung. Der übrige Teil der polykristallinen Diamantschicht 10, 50, der sich von der profilierten Oberfläche 22, 62 des Zementkarbidsubstrats 12, 52 erstreckt, ist der an katalytischem Material reiche Bereich.
Im Allgemeinen wird die Schicht aus polykristallinem Diamant nach im Stand der Technik bekannten Verfahren hergestellt und an das Zementkarbidsubstrat gebunden. Danach wird katalytisches Material von der Arbeitsoberfläche der bestimmten Ausführungsform unter Verwendung eines beliebigen aus einer Reihe von bekannten Verfahren entfernt. Ein solches Verfahren ist die Verwendung einer heißen Mineralsäurelaugung, zum Beispiel einer heißen Salzsäurelaugung. Typischerweise beträgt die Temperatur der Säure etwa 110°C und die Laugungszeit 24 bis 60 Stunden. Die Fläche der polykristallinen Diamantschicht, welche nicht abgelaugt werden soll, sowie das Karbidsubstrat werden in geeigneter Weise mit säurebeständigem Material maskiert.
Bei der Herstellung der oben beschriebenen abrasiven Elemente aus polykristallinem Diamant, wie auch in den bevorzugten Ausführungsformen veranschaulicht, wird eine Schicht aus Diamantpartikeln, optional mit etwas katalytischem Material vermischt, auf die profilierte Oberfläche eines Zementkarbidsubstrats aufgebracht. Diese nicht gebundene Anordnung wird dann erhöhten Temperatur- und Druckbedingungen unterworfen, um aus den an das Zementkarbidsubstrat gebundenen Diamantpartikeln polykristallinen Diamant zu erzeugen. Die Bedingungen und Schritte, die erforderlich sind, um dies zu erreichen, sind im Stand der Technik wohl bekannt.

Die Diamantschicht umfasst eine Mischung von Diamantpartikeln, die sich in den durchschnittlichen Partikelgrößen unterscheiden. In einer Ausführungsform umfasst die Mischung Partikel mit fünf unterschiedlichen durchschnittlichen Partikelgrößen wie folgt:

Durchschnittliche Partikelgröße	Prozent nach Masse
(in Mikrometer)
20 bis 25 (vorzugsweise 22)	25 bis 30 (vorzugsweise 28)
10 bis 15 (vorzugsweise 12)	40 bis 50 (vorzugsweise 44)
5 bis 8 (vorzugsweise 6)	5 bis 10 (vorzugsweise 7)
3 bis 5 (vorzugsweise 4)	15 bis 20 (vorzugsweise 16)
weniger als 4 (vorzugsweise 2)	weniger als 8 (vorzugsweise 5)

In einer besonders bevorzugten Ausführungsform umfasst die polykristalline Diamantschicht zwei Schichten, die sich in ihren Partikelmischungen unterscheiden. Die erste, zur Arbeitsoberfläche benachbarte Schicht weist eine Mischung der Partikel vom oben beschriebenen Typ auf. Die zweite Schicht, die zwischen der ersten Schicht und der profilierten Oberfläche des Substrats angeordnet ist, ist eine Schicht, in welcher (i) die Mehrzahl der Partikel eine durchschnittliche Partikelgröße in dem Bereich von 10 bis 100 Mikrometer aufweisen, und die aus zumindest drei unterschiedlichen durchschnittlichen Partikelgrößen besteht, und (ii) zumindest 4 Prozent der Partikelmasse eine durchschnittliche Partikelgröße von weniger als 10 Mikrometer aufweisen. Die Diamantmischungen sowohl für die erste als auch die zweite Schicht können auch beigemengtes Katalysatormaterial enthalten.
Mit Zementkarbidsubstraten, die im Allgemeinen profilierte Oberflächen des in den 1 bis 3 veranschaulichten Typs hatten, wurden Schneidelemente aus polykristallinem Diamant hergestellt. In einer Ausführungsform wurde zur Herstellung der polykristallinen Diamantschicht eine Diamantpartikelmischung verwendet, welche Partikel mit fünf unterschiedlichen Partikelgrößen, wie oben in der bevorzugten Ausführungsform beschrieben, und eine allgemeinen Dicke von etwa 2,2 mm aufwies. Die durchschnittliche Diamantpartikelgröße in der polykristallinen Diamantschicht wurde nach dem Sintern mit 10,3 Mikrometer ermittelt. Dieses Schneidelement aus polykristallinem Diamant wird als "Schneideinrichtung A" bezeichnet.
Ein zweites Element aus polykristallinem Diamant wurde hergestellt, wieder unter Verwendung eines Zementkarbidsubstrats mit einer profilierten Oberfläche, im Wesentlichen wie durch 1 bis 3 veranschaulicht. Die zur Herstellung der polykristallinen Diamanttafel in dieser Ausführungsform verwendete Diamantmischung bestand aus zwei Schichten. Die Partikelmischung in den zwei Schichten entsprach jener, die in Bezug auf die besonders bevorzugte Ausführungsform oben beschrieben wurde, und hatte wiederum eine allgemeine Dicke von etwa 2,2 mm. Die durchschnittliche Gesamt-Diamantpartikelgröße in der polykristallinen Diamantschicht wurde nach dem Sintern mit 15 μm ermittelt. Dieses Schneidelement aus polykristallinem Diamant wird als "Schneideinrichtung B" bezeichnet.
Ein drittes Element aus polykristallinem Diamant wurde hergestellt, unter Verwendung eines Zementkarbidsubstrats mit einer profilierten Oberfläche, im Wesentlichen wie durch 4 bis 6 veranschaulicht. Die zur Herstellung der polykristallinen Diamanttafel in dieser Ausführungsform verwendete Diamantmischung bestand aus zwei Schichten. Die Partikelmischung in den zwei Schichten entsprach jener, die in Bezug auf die besonders bevorzugte Ausführungsform oben beschrieben wurde, und hatte wiederum eine allgemeine Dicke von etwa 2,2 mm. Die durchschnittliche Gesamt-Diamantpartikelgröße in der polykristallinen Diamantschicht wurde nach dem Sintern mit 15 μm ermittelt. Dieses Schneidelement aus polykristallinem Diamant wird als "Schneideinrichtung C" bezeichnet.
Bei jedem der Schneidelemente aus polykristallinem Diamant A, B und C wurde katalytisches Material, in diesem Fall Kobalt, von der Arbeitsoberfläche desselben entfernt, um einen an katalytischem Material armen Bereich zu schaffen. Dieser Bereich erstreckte sich auf eine durchschnittliche Tiefe von etwa 250 μm unter die Arbeitsoberfläche. Typischerweise liegt diese Tiefe im Wertebereich von +/– 50 μm, was einen Wertebereich von etwa 200 bis etwa 300 Mikrometer für den an katalytischem Material armen Bereich über eine einzelne Schneideinrichtung ergibt.
Die abgelaugten Schneidelemente A, B und C wurden dann in einer Vertikalbohrprüfung mit einem kommerziell erhältlichen Schneidelement aus polykristallinem Diamant mit ähnlichen Eigenschaften, d. h. einem an katalytischem Material armen Bereich unmittelbar unter der Arbeitsoberfläche, verglichen, das jeweils als "Schneideinrichtung A nach dem Stand der Technik" bezeichnet wurde. Diese Schneideinrichtung weist nicht den PKD mit hoher Verschleißfestigkeit, die optimierte Tafeldicke oder die Substratkonstruktion der Schneidelemente dieser Erfindung auf. Eine Vertikalbohrprüfung ist eine anwendungsbasierte Prüfung, in welcher die Verschleißfläche (oder die Menge des während der Prüfung durch Verschleiß abgetragenen PKD) in Abhängigkeit von der Anzahl der Bohrdurchgänge des Schneidelements in das Werkstück gemessen wird, welche der entfernten Gesteinsmenge gleichkommt. Das Werkstück war in diesem Fall Granit. Diese Prüfung kann verwendet werden, um das Verhalten der Schneideinrichtung bei Bohrvorgängen zu bewerten. Die erhaltenen Ergebnisse sind in den 7 und 8 graphisch veranschaulicht.
7 vergleicht das relative Leistungsvermögen der Schneideinrichtungen A und B dieser Erfindung mit der kommerziell erhältlichen Schneideinrichtung A nach dem Stand der Technik. Da diese Kurven die Menge des entfernten PKD-Materials in Abhängigkeit von der Menge des in der Prüfung entfernten Gesteins zeigen, ist die Leistung des Schneidelements umso besser, je flacher die Steigung der Kurve ist. Beide Schneideinrichtungen der Erfindung zeigen eine deutliche Verbesserung der Verschleißrate gegenüber der Schneideinrichtung nach dem Stand der Technik. Aus 7 ist offensichtlich, dass die Schneideinrichtungen dieser Erfindung bei derselben Menge an PKD-Verschleiß bedeutend mehr Gestein entfernen, als durch die Schneideinrichtung A nach dem Stand der Technik entfernt wird. Man beachte auch die Verringerung der Welligkeit in der Verschleißkurve. Dies zeigt an, dass die Erscheinung des Verschleißes durch ständiges Absplittern beherrscht wird.
8 vergleicht das relative Leistungsvermögen der Schneideinrichtung C dieser Erfindung mit der kommerziell erhältlichen Schneideinrichtung A nach dem Stand der Technik. Man beachte, dass diese Schneideinrichtung auch eine deutliche Verbesserung gegenüber der Schneideinrichtung nach dem Stand der Technik zeigt.
Aus den 7 und 8 ist auch zu erkennen, dass an dem Schneidelement nach dem Stand der Technik viel schneller eine größere Verschleißfläche entstand als an einem der Schneidelemente A, B oder C nach der Erfindung. Je größer die entstandene Verschleißfläche ist, umso schwieriger ist es, zu bohren oder zu schneiden. Dies macht eine Erhöhung des Gewichts auf den Einsatz erforderlich, um eine annehmbare Schneidrate zu erzielen. Dies wiederum führt zu höheren Spannungen in dem Schneidelement, was zu einer weiteren Verringerung der Lebensdauer führt. Sogar nach längerem Bohren haben die Schneidelemente dieser Erfindung keine beträchtlichen Verschleißflächen entwickelt, während dies bei der Schneideinrichtung nach dem Stand der Technik der Fall war. Ein zusätzlicher Vorteil der verringerten Größe der Verschleißflächen in diesen Schneideinrichtungen besteht darin, dass mit demselben Gewicht auf den Einsatz eine höhere Eindringrate erreicht werden kann. Somit können Schneideinrichtungen, die dieses Verhalten an den Tag legen, auch höhere Eindringraten sowie eine verlängerte nutzbare Lebensdauer in einer Bohranwendung erreichen.

Claims

Abrasives Element aus polykristallinem Diamant, umfassend eine Tafel aus polykristallinem Diamant, die eine Arbeitsoberfläche aufweist und mit einem Substrat (12) entlang einer Schnittstelle (14) mit einer kreuzförmigen Konfiguration verbunden ist, wobei das abrasive Element aus polykristallinem Diamant dadurch gekennzeichnet ist, dass: i. die Schnittstelle nicht eben ist; und ii. der polykristalline Diamant eine hohe Verschleißfestigkeit aufweist; und iii. der polykristalline Diamant benachbart zu der Arbeitsoberfläche einen an katalytischem Material armen Bereich und einen an katalytischem Material reichen Bereich aufweist.
Element nach Anspruch 1, wobei die polykristalline Diamanttafel in der Form einer einzelnen Schicht vorliegt und aus einer Masse von Diamantpartikeln mit zumindest drei verschiedenen Partikelgrößen hergestellt ist.
Element nach Anspruch 2, wobei die polykristalline Diamantschicht aus einer Masse von Diamantpartikeln mit zumindest fünf verschiedenen Partikelgrößen hergestellt ist.
Element nach Anspruch 1, wobei die Tafel aus polykristallinem Diamant eine erste Schicht, welche die Arbeitsoberfläche definiert, und eine zwischen der ersten Schicht und dem Substrat angeordnete zweite Schicht umfasst, wobei die erste Schicht aus polykristallinem Diamant eine höhere Verschleißfestigkeit aufweist als die zweite Schicht aus polykristallinem Diamant.
Element nach Anspruch 4, wobei die erste Schicht aus polykristallinem Diamant aus einer Masse von Diamantpartikeln mit zumindest fünf verschiedenen durchschnittlichen Partikelgrößen hergestellt ist und die zweite Schicht aus einer Masse von Diamantpartikeln mit zumindest vier verschiedenen durchschnittlichen Partikelgrößen hergestellt ist.
Element nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei die durchschnittliche Partikelgröße des polykristallinen Diamanten kleiner als 20 μm ist.
Element nach Anspruch 6, wobei die durchschnittliche Partikelgröße des polykristallinen Diamanten benachbart zur Arbeitsoberfläche kleiner als etwa 15 μm ist.
Element nach einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei die polykristalline Diamanttafel eine maximale Gesamtdicke von etwa 1 bis etwa 3 mm aufweist.
Element nach Anspruch 8, wobei die polykristalline Diamanttafel eine allgemeine Dicke von etwa 2,2 mm aufweist.
Element nach einem der Ansprüche 1 bis 9, wobei die nicht ebene Schnittstelle dadurch gekennzeichnet ist, dass sie eine Stufe in dem Randgebiet des abrasiven Elements aufweist, welche einen Ring definiert, der sich um zumindest einen Teil des Randgebiets des abrasiven Elements herum und in das Substrat hinein erstreckt, und eine kreuzförmige Ausnehmung, die sich in das Substrat hinein erstreckt und den umlaufenden Ring schneidet.
Element nach Anspruch 10, wobei die kreuzförmige Ausnehmung in eine obere Oberfläche des Substrats und in eine Grundfläche des umlaufenden Rings eingeschnitten ist.
Element nach einem der Ansprüche 1 bis 9, wobei die nicht ebene Schnittstelle dadurch gekennzeichnet ist, dass sie eine Stufe in dem Randgebiet des abrasiven Elements aufweist, welche einen Ring definiert, der sich um zumindest einen Teil des Randgebiets des abrasiven Elements herum und in das Substrat hinein erstreckt, und eine kreuzförmige Ausnehmung, die sich in das Substrat hinein erstreckt, und die von den Grenzen der Stufe, die den umlaufenden Ring bildet, eingegrenzt ist.
Element nach Anspruch 12, wobei der umlaufende Ring eine Vielzahl von Einkerbungen in einer Grundfläche desselben umfasst, wobei jede Einkerbung benachbart zu jeweiligen Enden der kreuzförmigen Ausnehmung angeordnet ist.
Element nach einem der Ansprüche 1 bis 13, wobei das abrasive Diamantelement ein Schneidelement ist.
Element nach einem der Ansprüche 1 bis 14, wobei das Substrat ein Zementkarbidsubstrat ist.
Verfahren zur Herstellung eines abrasiven PKD-Elements nach einem der Ansprüche 1 bis 15, umfassend die Schritte, dass eine nicht verbundene Anordnung durch Vorsehen eines Substrats mit einer nicht ebenen Oberfläche und mit einer kreuzförmigen Konfiguration geschaffen wird, dass eine Masse von Diamantpartikeln auf der nicht ebenen Oberfläche angeordnet wird, wobei die Masse von Diamantpartikeln Partikel mit zumindest drei verschiedenen durchschnittlichen Partikelgrößen enthält, dass eine Quelle für katalytisches Material für die Diamantpartikeln vorgesehen wird, dass die nicht verbundene Anordnung einem Zustand erhöhter Temperatur und erhöhten Drucks, der für die Herstellung einer polykristallinen Diamanttafel aus der Masse von Diamantpartikeln geeignet ist, unterworfen wird, wobei die derartige Tafel mit der nicht ebenen Oberfläche des Substrats verbunden wird, und dass das katalytische Material von einem Bereich der polykristallinen Diamanttafel benachbart zu einer freiliegenden Oberfläche derselben entfernt wird.
Verfahren nach Anspruch 16, wobei die polykristalline Diamanttafel in der Form einer einzelnen Schicht vorliegt und aus einer Masse von Diamantpartikeln mit zumindest fünf verschiedenen Partikelgrößen hergestellt ist.
Verfahren nach Anspruch 16, wobei die Tafel aus polykristallinem Diamant eine erste Schicht, welche die Arbeitsoberfläche definiert, und eine zwischen der ersten Schicht und dem Substrat angeordnete zweite Schicht umfasst, wobei die erste Schicht aus polykristallinem Diamant eine höhere Verschleißfestigkeit aufweist als die zweite Schicht aus polykristallinem Diamant.
Verfahren nach Anspruch 18, wobei die erste Schicht aus polykristallinem Diamant Diamantpartikel mit zumindest fünf verschiedenen durchschnittlichen Partikelgrößen umfasst, und die zweite Schicht Diamantpartikel mit zumindest vier verschiedenen durchschnittlichen Partikelgrößen umfasst.
Verfahren nach Anspruch 16, wobei die nicht ebene Schnittstelle dadurch gekennzeichnet ist, dass sie eine Stufe in dem Randgebiet des abrasiven Elements aufweist, welche einen Ring definiert, der sich um zumindest einen Teil des Randgebiets des abrasiven Elements herum und in das Substrat hinein erstreckt, und eine kreuzförmige Ausnehmung, die sich in das Substrat hinein erstreckt und den umlaufenden Ring schneidet.
Verfahren nach Anspruch 20, wobei die kreuzförmige Ausnehmung in eine obere Oberfläche des Substrats und in eine Grundfläche des umlaufenden Rings eingeschnitten ist.
Verfahren nach Anspruch 16, wobei die nicht ebene Schnittstelle dadurch gekennzeichnet ist, dass sie eine Stufe in dem Randgebiet des abrasiven Elements aufweist, welche einen Ring, der sich um zumindest einen Teil des Randgebiets des abrasiven Elements herum und in das Substrat hinein erstreckt, und eine kreuzförmige Ausnehmung definiert, die sich in das Substrat hinein erstreckt, und die von den Grenzen der Stufe, die den umlaufenden Ring bildet, eingegrenzt ist.
Verfahren nach Anspruch 22, wobei der umlaufende Ring eine Vielzahl von Einkerbungen in einer Grundfläche desselben umfasst, wobei jede Einkerbung benachbart zu jeweiligen Enden der kreuzförmigen Ausnehmung angeordnet ist.
Drehbohreinsatz enthaltend eine Vielzahl von Schneidelementen, welche im Wesentlichen alle abrasive Elemente aus polykristallinem Diamant sind, wie sie nach einem der Ansprüche 1 bis 15 definiert sind.