Высокотемпературная обработка при высокой скорости нагрева резцов pdc
Изобретение относится к области термической обработки резцов, имеющих поликристаллическую структуру. Для уменьшения остаточных напряжений получают один или более резцов, каждый из которых содержит основание, поликристаллическую структуру, присоединенную к нему, и остаточные напряжения. Способ включает этапы, на которых определяют критическую температуру и критический период времени для категории резцов, в которой резец становится структурно поврежденным, определяют температуру тепловой обработки и период времени тепловой обработки на основании критической температуры и критического периода времени, и нагревают один или более оставшихся резцов из категории резцов до заданной температуры тепловой обработки в течение заданного периода времени. Устройство включает в себя нагревательную камеру и расположенную в камере плавильную ванну, резцы размещают внутри предварительно нагретой плавильной ванны и изолируют от кислорода во время нагревания до температуры тепловой обработки в течение периода времени тепловой обработки. 4 н. и 23 з.п. ф-лы, 9 ил.
Область техники, к которой относится изобретение
Настоящее изобретение относится, в общем, к резцам, имеющим поликристаллическую структуру, а более конкретно - к способу и устройству постобработки для уменьшения остаточных напряжений, присутствующих внутри резцов, и к резцу, имеющему пониженное остаточное напряжение при выполнении обработки после его изготовления.
Уровень техники
Поликристаллические алмазные компакты ("PDC") используются в промышленных приложениях, включающих в себя приложения, связанные с бурением по породе, и приложения, связанные с обработкой металлов резанием. Такие компакты доказали свои преимущества по сравнению с некоторыми другими типами режущих элементов, такие как повышенная стойкость к истиранию и стойкость к ударным нагрузкам. PDC можно сформировать путем спекания отдельных алмазных частиц вместе в условиях высокого давления и высокой температуры ("НРНТ"), которые называются "областью стабильности алмаза", которая обычно находится выше сорока килобар и между 1200 градусов Цельсия и 2000 градусов Цельсия, в присутствии катализатора/растворителя, который способствует образованию связи алмаз-алмаз. Некоторыми примерами катализаторов/растворителей для спеченных алмазных компактов являются кобальт, никель, железо и другие металлы VIII группы. PDC обычно имеют содержание алмаза более семидесяти объемных процентов, обычно приблизительно восемьдесят объемных процентов - приблизительно девяносто восемь объемных процентов. PDC, не содержащий основание, можно механически присоединить к инструменту (не показан), согласно одному примеру. Альтернативно, PDC присоединяется к основанию, таким образом образуя резец PDC, который обычно вставляется в скважинный инструмент (не показан), такой как буровое долото или расширительное долото.
На фигуре 1 показан вид сбоку резца 100 PDC, имеющего режущую кромку 110 из поликристаллического алмаза ("PCD") или компакт, согласно уровню техники. Хотя режущая кромка 110 PCD описана в примерном варианте осуществления, другие типы режущих кромок, включающие в себя поликристаллические компакты из нитрида бора ("PCBN"), используются в альтернативных типах резцов. Как показано на фигуре 1, резец 100 PDC обычно включает в себя режущую кромку 110 PCD и основание 150, которая соединена с режущей кромкой 110 PCD. Режущая кромка 110 PCD имеет толщину, равную приблизительно 2,5 миллиметра (одной десятой дюйма), однако толщина может изменяться в зависимости от приложения, в котором должна использоваться режущая кромка 110 PCD.
Основание 150 включает в себя верхнюю поверхность 152, нижнюю поверхность 154 и внешнюю стенку 156 основания, которая продолжается от периферии верхней поверхности 152 до периферии нижней поверхности 154. Режущая кромка 110 PCD включает в себя режущую поверхность 112, противоположную поверхность 114 и внешнюю стенку 116 режущей кромки PCD, которая продолжается от периферии режущей поверхности 112 до периферии противоположной поверхности 114. Противоположная поверхность 114 режущей кромки 110 PCD соединена с верхней поверхностью 152 основания 150. Обычно режущую кромку 110 PCD соединяют с основанием 150 с использованием пресса высокого давления и высокой температуры ("НРНТ"). Однако для соединения режущей кромки 110 PCD с основанием 150 можно использовать другие способы, известные специалистам в данной области техники. В одном варианте осуществления, после присоединения режущей кромки 110 PCD к основанию 150, режущая поверхность 112 режущей кромки 110 PCD является по существу параллельной нижней поверхности 154 основания. Кроме того, резец 100 PDC был изображен как имеющий правильную круглую цилиндрическую форму, однако в других примерных вариантах осуществления резец 100 PDC сформирован в виде других геометрических или негеометрических фигур. В некоторых примерных вариантах осуществления противоположная поверхность 114 и верхняя поверхность 152 являются по существу плоскими, однако в других примерных вариантах осуществления противоположная поверхность 114 и верхняя поверхность 152 не являются плоскими. Кроме того, согласно некоторым примерным вариантам осуществления, вокруг, по меньшей мере, части периферии режущей поверхности 112 выполнена фаска (не показана).
Согласно одному примеру, резец 100 PDC сформирован путем независимого формирования режущей кромки 110 PCD и основания 150 и после этого присоединения режущей кромки 110 PCD к основанию 150. Альтернативно, сначала формируют основание 150, и в дальнейшем на верхней поверхности 152 основания 150 формируют режущую кромку 110 PCD путем размещения поликристаллического алмазного порошка на верхней поверхности 152 и подвергания поликристаллического алмазного порошка и основания 150 процессу высокой температуры и высокого давления. Альтернативно, основание 150 и режущую кромку 110 PCD формируют и соединяют вместе приблизительно в одно и то же время. Хотя вкратце было упомянуто несколько способов формирования резца 100 PDC, можно использовать и другие способы, известные специалистам в данной области техники.
Согласно одному примеру формирования резца 100 PDC, режущую кромку 110 PCD формируют и присоединяют к основанию 150, оказывая воздействие на слой алмазного порошка и смесь порошков карбида вольфрама и кобальта условиям НРНТ. Кобальт обычно смешивают с карбидом вольфрама и позиционируют там, где будет формироваться основание 150. Алмазный порошок размещают над смесью карбида вольфрама и кобальта и позиционируют там, где будет формироваться режущая кромка 110 PCD. Затем всю порошковую смесь подвергают воздействию в условиях НРНТ таким образом, чтобы кобальт расплавился и облегчилось цементирование или связывание карбида вольфрама для формирования основания 150. Расплавленный кобальт также диффундирует или проникает в алмазный порошок и действует как катализатор для синтеза алмазных связей и формирования режущей кромки 110 PCD. Таким образом, кобальт действует как связующее вещество для цементирования карбида вольфрама и как катализатор/растворитель для спекания алмазного порошка с целью образования связей алмаз-алмаз. Кобальт также способствует образованию сильных связей между режущей кромкой 110 PCD и основанием 150 из цементированного карбида вольфрама.
Кобальт был предпочтительной составной частью процесса изготовления PDC. В традиционных процессах изготовления PDC кобальт используется в качестве связующего материала для формирования основания 150, а также в качестве материала катализатора для синтеза алмаза из-за большого запаса знаний, которые относятся к использованию кобальта в этих процессах. Эффект синергии между большими запасами знаний и потребностями процесса привел к использованию кобальта в качестве связующего материала, так и материала катализатора. Однако, как известно в технике, в качестве катализатора для синтеза алмазов можно использовать альтернативные металлы, такие как железо, никель, хром, марганец и тантал, а также другие подходящие материалы. При использовании этих альтернативных материалов в качестве катализатора для синтеза алмазов для формирования режущей кромки 110 PCD, кобальт, или некоторый другой материал, такой как никель, хром или железо, обычно используется в качестве связующего материала для цементирования карбида вольфрама для формирования основания 150. Хотя некоторые материалы, такие как карбид вольфрама и кобальт, были приведены в качестве примеров, другие материалы, известные специалистам в данной области техники, можно использовать для формирования основания 150, режущей кромки 110 PCD и соединений между основанием 150 и режущей кромкой 110 PCD.
На фигуре 2 изображен схематичный вид микроструктуры режущей кромки 110 PCD, показанный на фигуре 1, согласно уровню техники. Как показано на фигурах 1 и 2, режущая кромка 110 PCD имеет алмазные частицы 210, связанные с другими алмазными частицами 210, одно или более междоузлий 212, образованных между алмазными частицами 210, и кобальт 214, осажденный внутри междоузлий 212. В процессе спекания, междоузлия 212 или поры образуются между связями углерод-углерод и располагаются между алмазными частицами 210. Диффузия кобальта 214 в алмазный порошок приводит к осаждению кобальта 214 внутри этих междоузлий 212, которые образуются в пределах режущей кромки 110 PCD в процессе спекания.
После того, как режущая кромка 110 PCD сформирована и введена в эксплуатацию, режущая кромка 110 PCD, как известно, быстро изнашивается тогда, когда ее температура достигает критической температуры. Эта критическая температура составляет приблизительно 750 градусов Цельсия и достигается в случае, когда режущая кромка 110 PCD выполняет резание горных пород или других известных материалов. Высокая скорость износа вызвана предположительно различиями в скорости теплового расширения между алмазными частицами 210 и кобальтом 214, а также химической реакцией или графитизацией, которая происходит между кобальтом 214 и алмазными частицами 210. Коэффициент теплового расширения для алмазных частиц 210 составляет приблизительно 1,0x10-1 миллиметра-1 x Кельвин-1 (мм-1K-1), тогда как коэффициент теплового расширения для кобальта 214 составляет приблизительно 13,0x10-6 мм-1 K-1. Таким образом, кобальт 214 расширяется гораздо быстрее, чем алмазная частица 210 при температурах выше этой критической температуры, таким образом, делая нестабильными связи между алмазными частицами 210. Режущая кромка 110 PCD термически деградирует при температурах выше приблизительно 750 градусов Цельсия, и ее эффективность резания значительно ухудшается.
Независимо от того, какой процесс используется для изготовления резца 100 PDC, термические остаточные напряжения наводятся на режущую кромку 110 PCD, основание 150 и на границу раздела между ними после охлаждения резца 100 PDC. Эти термические остаточные напряжения обычно образуются, по меньшей мере, из-за различных коэффициентов теплового расширения между режущей кромкой 110 PCD и основанием 150. Термические остаточные напряжения, наведенные на режущую кромку 110 PCD и основание 150, могут часто приводить к разрушению или расслоению резца 100 PDC в условиях бурения.
Ранее прилагались усилия, направленные на уменьшение сформированных остаточных напряжений и увеличение прочности резцов. Обычно резцы проходят через термические циклы в воздухе или инертной атмосфере при температурах в диапазоне от 500°C до 700°C в течение нескольких часов. Температура резца медленно увеличивается вплоть до уровня 500°C-700°C, поддерживается на этой температуре в течение периода времени (более тридцати минут) и затем медленно понижается для того, чтобы избежать теплового удара. Чем выше значения температуры, которые достигаются во время цикла без разрушения резца, тем лучше результаты, которые получаются для уменьшения остаточных напряжений внутри резца. Однако эффективность циклов снятия напряжений ограничивается максимальными температурами, которые можно достигнуть без отрицательного влияния на целостность алмазного слоя или режущей поверхности. Уменьшение этих остаточных напряжений позволяет получить резец PDC, имеющий улучшенную структурную целостность и повышенный период эксплуатации.
Краткое описание чертежей
Вышеизложенные и другие особенности и аспекты настоящего изобретения будут лучше понятны при прочтении следующего ниже описания некоторых примерных вариантов осуществления со ссылкой на сопроводительные чертежи, на которых:
фигура 1 - вид сбоку резца PDC, имеющего режущую кромку PCD, согласно уровню техники;
фигура 2 - схематичный вид микроструктуры режущей кромки PCD, показанной на фигуре 1, согласно уровню техники;
фигура 3 - блок-схема алгоритма, изображающая способ уменьшения остаточного напряжения, согласно примерному варианту осуществления настоящего изобретения;
фигура 4 - блок-схема алгоритма, изображающая способ определения критической температуры и периода времени, согласно примерному варианту осуществления настоящего изобретения;
фигура 5 - график, изображающий структурную целостность нескольких компонентов, которые подвергаются воздействию в различных температурных и временных циклах, согласно примерному варианту осуществления настоящего изобретения;
фигура 6 - блок-схема алгоритма, изображающая высокотемпературный процесс тепловой обработки, согласно примерному варианту осуществления настоящего изобретения;
фигура 7 - блок-схема алгоритма, изображающая высокотемпературный процесс тепловой обработки, согласно другому примерному варианту осуществления настоящего изобретения;
фигура 8А - перспективный вид в закрытом состоянии, согласно примерному варианту осуществления настоящего изобретения;
фигура 8В - перспективный вид печи (фигура 8А) в открытом состоянии с плавильной ванной, расположенной в ней, согласно примерному варианту осуществления настоящего изобретения;
фигура 9А - график, показывающий зависимость значений АЕТТ от времени обработки при постоянной температуре обработки, согласно примерному варианту осуществления настоящего изобретения;
фигура 9В - график, показывающий зависимость значений АЕТТ от температуры обработки при постоянном времени обработки, согласно примерному варианту осуществления настоящего изобретения.
Чертежи иллюстрируют только примерные варианты осуществления настоящего изобретения, и поэтому их не следует рассматривать как ограничивающие его объем, так как изобретение может допускать другие, в равной степени эффективные варианты осуществления.
Осуществление изобретения
Настоящее изобретение относится, в общем, к резцам, имеющим поликристаллическую структуру, а более конкретно - к способу и устройству постобработки для уменьшения остаточных напряжений, присутствующих внутри резцов, и к резцу, имеющему пониженное остаточное напряжение при выполнении обработки после его изготовления. Хотя описание примерных вариантов осуществления приведено ниже в отношении резца из поликристаллического алмазного компакта ("PDC"), альтернативные варианты осуществления настоящего изобретения могут быть применимы к другим типам резцов или компонентов, включающих в себя, но неограниченных, резцы из поликристаллического нитрида бора ("PCBN") или компактов PCBN. Как упомянуто ранее, компакт устанавливается на основании для формирования резца или устанавливается непосредственно в инструмент для выполнения процессов резания. Изобретение будет лучше понятно при прочтении последующего описания не ограничивающих примерных вариантов осуществления со ссылкой на прилагаемые чертежи, на которых одинаковые части каждой из фигур обозначены одинаковыми ссылочными позициями и которые кратко описаны ниже следующим образом.
На фигуре 3 представлена блок-схема алгоритма, изображающая способ 300 уменьшения остаточного напряжения, согласно примерному варианту осуществления настоящего изобретения. Хотя на фигуре 3 показан ряд этапов, изображенных в определенном порядке, можно изменить порядок одного или более этапов, объединить несколько этапов и/или разделить на большее число этапов в отличие от тех, которые показаны в других примерных вариантах осуществления. Как показано на фигуре 3, способ 300 уменьшения остаточного напряжения начинается на этапе 310. После начала на этапе 310, способ 300 уменьшения остаточного напряжения переходит на этап 320.
На этапе 320 получают один или более компонентов из категории компонентов. Каждый компонент включает в себя основание, поликристаллическую структуру, соединенную с основанием, и множество остаточных напряжений, образованных в нем. Одним примером компонента является резец 100 PDC (фигура 1), описанный выше, однако можно использовать другие компоненты вместо резца 100 PDC (фигура 1). В некоторых примерных вариантах осуществления, компоненты категоризируются на категории компонентов в соответствии с размером зерна, с которым была изготовлена поликристаллическая структура. Однако компоненты можно категоризировать на различные категории компонентов с использованием некоторых других критериев отбора в других примерных вариантах осуществления. Компоненты из той же самой категории компонентов обычно проявляют аналогичные характеристики, поэтому прочность и целостность поликристаллической структуры одного компонента позволяет прогнозировать прочность и структурную целостность других компонентов из той же самой категории компонентов. Основание, упомянутое здесь, аналогично основанию 150 (фигура 1), описанному выше, и, следовательно, не повторяется ради краткости изложения. Поликристаллическая структура, упомянутая здесь аналогична режущей кромке 110 PCD (фигура 1), описанной выше, и, следовательно, не повторяется здесь ради краткости изложения. Хотя эти компоненты были описаны ранее, другие компоненты аналогичного типа можно использовать без отклонения от объема и сущности примерных вариантов осуществления. Образование остаточных напряжений также было описано выше и не повторяется здесь ради краткости изложения. Остаточные напряжения образуются внутри поликристаллической структуры, внутри основания и на границе раздела между поликристаллической структурой и основанием. Повышение величины остаточных напряжений приводит к тому, что компонент становится менее твердым и легко разрушается при более высоких температурах, которые возникают в процессах бурения. Минимизация величины остаточных напряжений благоприятно влияет на эти компоненты, например, резцы PDC, так как они могут работать в течение более продолжительных периодов вплоть до высоких температур, и, следовательно, обеспечивать большую прибыль.
В некоторых альтернативных вариантах осуществления, между поликристаллической структурой и основанием выполнены один или более переходных слоев, которые известны специалистам в данной области техники. Кроме того, в некоторых альтернативных примерных вариантах осуществления, по меньшей мере, часть поликристаллической структуры компонента имеет, по меньшей мере, некоторые материалы катализатора, удаленные из нее посредством процесса выщелачивания или другого процесса удаления катализатора. Некоторые процессы выщелачивания известны специалистам в данной области техники, но любой процесс выщелачивания или процесс электрохимического удаления можно использовать по отношению к компоненту для удаления материала катализатора из поликристаллической структуры без отклонения от объема и сущности примерного варианта осуществления.
Способ 300 уменьшения остаточного напряжения переходит на этап 330. На этапе 330 выполняют способ определения критической температуры и критического периода времени по отношению к компонентам для того, чтобы определить критическую температуру и критический период времени для категории компонентов. Критическая температура и критический период времени представляют собой температуру и период времени, соответственно, при которых компонент становится структурно поврежденным. Ниже приводится более подробное описание способа определения критической температуры и критического периода времени со ссылкой на фигуры 4 и 5.
Способ 300 уменьшения остаточного напряжения переходит на этап 340. На этапе 340 определяют температуру тепловой обработки и период времени тепловой обработки для категории компонентов на основании критической температуры и критического периода времени. Согласно некоторым вариантам осуществления, температура тепловой обработки определяется, как приблизительно девяносто пять процентов от критической температуры. Согласно некоторым примерным вариантам осуществления, период времени тепловой обработки определяется, как приблизительно девяносто пять процентов от критического периода времени. В некоторых примерных вариантах осуществления, температура тепловой обработки находится в диапазоне от приблизительно восьмидесяти пяти процентов до приблизительно девяноста восьми процентов от критической температуры, но остается выше 750°C. В других вариантах осуществления, температура тепловой обработки находится в диапазоне от приблизительно восьмидесяти пяти процентов до приблизительно девяноста восьми процентов от критической температуры, но остается выше 850°C. В некоторых примерных вариантах осуществления, период времени тепловой обработки находится в диапазоне от приблизительно тридцати процентов до приблизительно девяноста восьми процентов от критического периода времени. В других примерных вариантах осуществления, период времени тепловой обработки находится в диапазоне от приблизительно тридцати процентов до приблизительно девяноста восьми процентов, но составляет меньше тридцати минут. Например, если критическая температура равна 850°C и критический период времени составляет десять минут, температура тепловой обработки может быть равна 800°C, что выше нижнего предела 750°C, и период времени тепловой обработки может составлять пять минут. Следовательно, температура тепловой обработки и период времени тепловой обработки находятся в пределах этого допустимого диапазона. Альтернативно, в других примерных вариантах осуществления, один из параметров, таких как критическая температура или критический период времени становится равным температуре тепловой обработки или периоду времени тепловой обработки, соответственно, тогда как другой уменьшается в любом из диапазонов, описанных выше. Таким образом, согласно приведенному выше примеру, температура тепловой обработки может составлять 850°C, то есть быть такой же, как и критическая температура, и период времени тепловой обработки может составлять пять минут, то есть равняться пятидесяти процентам от критического периода времени. Альтернативно, в еще одних примерных вариантах осуществления, один из параметров критической температуры или критического периода времени уменьшается до приведенного выше диапазона, хотя другой параметр уменьшается, поддерживается или даже увеличивается при определении температуры тепловой обработки и периода времени тепловой обработки до тех пор, пока контролируется комбинация, и результаты обеспечивают лучшую структурную целостность компонента или меньшие остаточные напряжения, присутствующие в нем.
В других примерных вариантах осуществления, температура тепловой обработки определяется равной приблизительно 50°C, что меньше критической температуры. Согласно некоторым примерным вариантам осуществления, период времени обработки определяется равным приблизительно пяти минутам, что меньше критического периода времени. В некоторых примерных вариантах осуществления, температура тепловой обработки находится в диапазоне от приблизительно 10°C до приблизительно 100°C, что меньше критической температуры, но выше 750°C. В других примерных вариантах осуществления, температура тепловой обработки находится в диапазоне от приблизительно 10°C до приблизительно 100°C, что меньше критической температуры, но выше 850°C. В некоторых примерных вариантах осуществления, период времени тепловой обработки находится в зоне от приблизительно двух минут до приблизительно десяти минут, что меньше критического периода времени. В других вариантах осуществления, период времени тепловой обработки находится в зоне от приблизительно двух минут до приблизительно десяти минут, что меньше критического периода времени, но меньше тридцати минут. Например, если критическая температура равна 850°C, и критический период времени составляет 10 минут, то температура тепловой обработки может составлять 800°C, что выше нижнего предела 750°C, и период времени тепловой обработки может составлять пять минут. Следовательно, как температура тепловой обработки, так и период времени тепловой обработки находятся в пределах этого допустимого диапазона. Альтернативно, в других примерных вариантах осуществления, один из параметров критической температуры или критического периода времени становятся равным температуре тепловой обработки или периоду времени тепловой обработки, соответственно, хотя другой параметр уменьшается и находится в любом из диапазонов, которые описаны выше. Таким образом, согласно приведенному выше примеру, температура тепловой обработки может составлять 850°C, причем это значение соответствует критической температуре, и период времени тепловой обработки может составлять пять минут, что меньше критического периода времени. Альтернативно, в еще одних примерных вариантах осуществления, один из параметров критической температуры или критического периода времени уменьшается до приведенного выше диапазона, хотя другой параметр уменьшается, поддерживается или даже увеличивается при определении температуры тепловой обработки и периода времени тепловой обработки до тех пор, пока контролируется комбинация, и результаты обеспечивают лучшую структурную целостность компонента или меньшие остаточные напряжения, присутствующие в нем.
Согласно некоторым примерным вариантам осуществления, температура тепловой обработки находится в диапазоне от приблизительно 750°C до приблизительно 900°C, и период времени тепловой обработки находится в диапазоне от приблизительно тридцати секунд до менее чем тридцати минут. Согласно некоторым другим примерным вариантам осуществления, температура тепловой обработки находится в диапазоне от приблизительно 750°C до приблизительно 900°C, и период времени тепловой обработки находится в диапазоне от приблизительно тридцати секунд до менее чем пятнадцати минут. Согласно еще некоторым другим примерным вариантам осуществления, температура тепловой обработки находится в диапазоне от приблизительно 750°C до приблизительно 900°C, и период времени тепловой обработки находится в диапазоне от приблизительно тридцати секунд до менее чем десяти минут. Согласно дополнительным примерным вариантам осуществления, температура тепловой обработки находится в диапазоне от приблизительно 800°C до приблизительно 900°C, и период времени тепловой обработки находится в диапазоне от приблизительно тридцати секунд до менее чем пятнадцати минут. Согласно другим примерным вариантам осуществления, температура тепловой обработки находится в диапазоне от приблизительно 850°C до приблизительно 900°C, и период времени тепловой обработки находится в диапазоне от приблизительно тридцати секунд до менее чем пятнадцати минут. Согласно некоторым дополнительным примерным вариантам осуществления, температура тепловой обработки находится в диапазоне от приблизительно 850°C до приблизительно 900°C, и период времени тепловой обработки находится в диапазоне от приблизительно тридцати секунд до менее чем тридцати минут.
Способ 300 уменьшения остаточного напряжения переходит на этап 350. На этапе 350 выполняют высокотемпературный процесс тепловой обработки по отношению к одному или более оставшимся компонентам. Во время высокотемпературного процесса тепловой обработки один или более оставшихся компонентов из категории компонентов нагревают до приблизительно температуры тепловой обработки в течение приблизительно периода времени тепловой обработки. Высокотемпературный процесс тепловой обработки будет подробно описан ниже со ссылкой на фигуры 6-8 В.
Способ 300 уменьшения остаточного напряжения переходит на этап 360. На этапе 360 способ 300 уменьшения остаточного напряжения заканчивается. Согласно некоторым примерным вариантам осуществления, часть материала катализатора из поликристаллической структуры одного или более компонентов удаляется (посредством процесса выщелачивания или электрохимического процесса) после выполнения высокотемпературного процесса тепловой обработки по отношению к одному или более оставшимся компонентам. Альтернативно, часть материала катализатора из поликристаллической структуры одного или более компонентов удаляется (посредством процесса выщелачивания или электрохимического процесса) перед выполнением высокотемпературного процесса тепловой обработки по отношению к одному или более оставшимся компонентам.
На фигуре 4 показана блок-схема алгоритма, изображающая способ 330 определения критической температуры и критического периода времени, как упомянуто выше в способе 300 уменьшения остаточного напряжения, согласно примерному варианту осуществления настоящего изобретения. Хотя на фигуре 4 показан ряд этапов, изображенных в определенном порядке, можно изменить порядок одного или более этапов, объединить в несколько этапов и/или разделить на большее число этапов в отличие от тех, которые показаны в других примерных вариантах осуществления. Как показано на фигуре 4, способ 330 определения критической температуры и критического периода времени начинается на этапе 410. После начала на этапе 410, способ 330 определения критической температуры и критического периода времени переходит на этап 420.
На этапе 420 первый компонент нагревают и охлаждают на протяжении первого температурного и временного цикла. Первый температурный и временной цикл включает в себя компонент температуры и компонент периода времени. Например, если первый температурный и временной цикл составляет 800°C в течение пяти минут, то компонент температуры составляет 800°C, и компонент периода времени равен пяти минутам. Таким образом, в этом примере, первый компонент нагревается до 800°C, удерживается при этой температуре в течение пяти минут и затем охлаждается. Начальная температура первого компонента равна приблизительно комнатной температуре в некоторых вариантах осуществления, хотя в других примерных вариантах осуществления начальная температура первого компонента составляет от приблизительно -150°C до приблизительно -200°C или находится в диапазоне от температуры окружающей среды до -200°C. В некоторых примерных вариантах осуществления, нагревание выполняют постепенно, хотя в других вариантах осуществления нагревание выполняют быстро с тем, чтобы, например, первый компонент нагревался от комнатной температуры до 800°C в течение нескольких минут, например, в течение двух - десяти минут. В этом примере, может помещаться в камеру или ванну, которая уже находится при желательной температуре, таким образом позволяя компоненту быстро достигнуть желательной температуры. Еще в некоторых других альтернативных вариантах осуществления, первый компонент можно предварительно нагреть до желательной температуры и затем нагревать постепенно и/или быстро до этой температуры 800°C. В некоторых примерных вариантах осуществления, желательная температура предварительного нагрева находится в диапазоне между 500°C - 600°C, однако этот диапазон является различным в других примерных вариантах осуществления. Кроме того, в некоторых других вариантах осуществления первый компонент может постепенно охлаждаться до комнатной температуры окружающего воздуха. Альтернативно, охлаждение выполняют более быстро, например, в течение нескольких минут.
Способ 330 определения критической температуры и критического периода времени переходит на этап 430. На этапе 430 определяют структурную целостность первого компонента. Структурная целостность компонента сравнивается с твердостью компонента, согласно некоторым примерным вариантам осуществления. В некоторых примерных вариантах осуществления, структурную целостность определяют с использованием устройства акусто-эмиссионного контроля (не показано), которое подробно описано в заявке на патент США №12/754784, озаглавленной "Акусто- эмиссионный контроль прочности вставных режущих пластин из PDC, PCBN или других твердых или сверхтвердых материалов" и поданной 6 апреля 2010 года, которая уже была включена сюда во всей своей полноте путем ссылки. Структурная целостность первого компонента определяется с помощью других известных способов, устройств и систем в других примерных вариантах осуществления. Этапы 420 и 430 в некоторых примерных вариантах осуществления, выполняются много раз, например, десять раз, в течение одного и того же первого температурного и временного цикла для получения статистически значимой выборки. Например, в некоторых примерных вариантах осуществления, получается среднее значение, двадцать пятый процентиль и семьдесят пятый процентиль.
Способ 330 определения критической температуры и критического периода времени переходит на этап 440. На этапе 440 нагревают и охлаждают другой компонент в течение другого температурного и временного цикла. Другой температурный и временной цикл включает в себя компонент температуры и компонент периода времени, где, по меньшей мере, один из компонента температуры и компонента периода времени отличается от компонента температуры и компонента периода времени первого температурного и временного цикла. Например, в другом температурном и временном цикле температура 850°C может поддерживаться в течение десяти минут, где как компонент температуры, так и компонент периода времени отличается от компонента температуры и компонента периода времени первого температурного и временного цикла. В другом примере, в другом температурном и временном цикле температура 850°C может поддерживаться в течение пяти минут, где только компонент температуры отличается от компонента температуры первого температурного и временного цикла. Таким образом, согласно одному из примеров, приведенных выше, другой компонент нагревается до 850°C, удерживается при этой температуре в течение десяти минут и затем охлаждается. Начальная температура другого компонента равна приблизительно комнатной температуре в некоторых вариантах осуществления, хотя в других примерных вариантах осуществления начальная температура другого компонента составляет от приблизительно -150°C до приблизительно -200°C, или находится в диапазоне от приблизительно температуры окружающей среды до приблизительно -200°C. В некоторых примерных вариантах осуществления, нагревание выполняется постепенно, хотя в других вариантах осуществления, нагревание выполняется быстро с тем, чтобы, например, различный компонент нагревался от комнатной температуры до 850°C в течение нескольких минут, например, в пределах от пяти до десяти минут.Еще в других альтернативных примерных вариантах осуществления, другой компонент можно предварительно нагреть до желательной температуры и затем нагреть постепенно и/или быстро до этой температуры 850°C. В некоторых примерных вариантах осуществления, желательная температура предварительного нагрева находится в диапазоне между 500°C и 600°C, однако этот диапазон является различным в других примерных вариантах осуществления. Кроме того, в некоторых примерных вариантах осуществления, другой компонент можно постепенно охлаждать до комнатной температуры окружающего воздуха. Альтернативно, охлаждение выполняется более быстро, например, в течение нескольких минут.
Способ 330 определения критической температуры и критического периода времени переходит на этап 450. На этапе 450 определяют структурную целостность другого компонента. Как упомянуто ранее, структурная целостность компонента сравнивается с твердостью компонента, согласно некоторым примерным вариантам осуществления. В некоторых примерных вариантах осуществления, структурная целостность определяется с использованием устройства акусто-эмиссионного контроля (не показано), которое подробно описано в заявке на патент США №12/754784, озаглавленной "Акусто-эмиссионный контроль прочности вставных режущих пластин из PDC, PCBN или других твердых или сверхтвердых материалов" и поданной 6 апреля 2010 года, которая уже была включена сюда во всей своей полноте путем ссылки. Структурная целостность другого компонента определяется с помощью других известных способов, устройств и систем в других примерных вариантах осуществления. Этапы 440 и 450, в некоторых примерных вариантах осуществления, выполняют много раз по отношению к другому компоненту, например, десять раз, в течение одного и того же другого температурного и временного цикла для получения статистически значимой выборки. Например, в некоторых примерных вариантах осуществления, получается среднее значение, двадцать пятый процентиль и семьдесят пятый процентиль.
Способ 330 определения критической температуры и критического периода времени переходит на этап 460. На этапе 460 продолжают нагревать и охлаждать другой компонент и определять структурную целостность другого компонента до тех пор, пока не определят наименьший другой температурный и временной цикл, который приводит к выходу из строя структурные целостности компонента. Наименьший другой температурный и временной цикл обеспечивает критическую температуру и критический период времени.
Способ 330 определения критической температуры и критического периода времени переходит на этап 470. На этапе 470 способ 330 определения критической температуры и периода времени закапчивается.
На фигуре 5 показан график 500, изображающий структурную целостность нескольких компонентов 505, которые подвергаются воздействию в различных температурных и временных циклах 522, согласно примерному варианту осуществления настоящего изобретения. На фигуре 5 графически изображена, по меньшей мере, часть способа 330 определения критической температуры и критического периода времени (фигура 4). Как показано на фигуре 5, график 500 включает в себя ось 520 температурного и временного цикла и ось 510 структурной целостности. Ось 520 температурного и временного цикла включает в себя один или более температурных и временных циклов 522, где каждый температурный и временной цикл 522 включает в себя компонент 523 температуры и компонент 524 периода времени. Ось 510 структурной целостности включает в себя значение 512 структурной целостности, измеренное для одного или более компонентов 505. Точку 530 данных структурной целостности получают путем измерения значений 512 структурной целостности или твердости компонента 505 с использованием устройства акусто-эмиссионного контроля, упомянутого выше. Однако, как упомянуто выше, другие устройства и способы, известные специалистам в данной области техники, можно использовать для определения структурной целостности компонента. Каждая точка 530 данных структурной целостности наносится на график 500. Несколько компонентов 505 из одной и той же категории компонентов имеют свое значение 512 структурной целостности, измеренное после обработки в процессе некоторого температурного и временного цикла 522. В некоторых примерных вариантах осуществления, структурная целостность 512 для десяти компонентов 505 получают для каждого температурного и временного цикла 22, однако в других примерных вариантах осуществления число компонентов, измеренных в течение каждого температурного и временного цикла 522, может быть больше или меньше. В некоторых примерных вариантах осуществления, метка 550 двадцать пятой процентили, метка 552 пятидесятой процентили (или среднее значение) и метка 554 семьдесят пятой процентили показаны на графике 500 для каждого температурного и временного цикла 522. Зона между меткой 550 двадцать пятой процентили и меткой 554 семьдесят пятой процентили заштрихована. Величина разброса данных устанавливается с использованием этого графика и может представлять собой одну или более из разности между самыми высокими и самыми низкими значениями 512 структурной целостности для каждого температурного и временного цикла 522, диапазон между меткой 555 двадцать пятой процентили и меткой 554 семьдесят пятой процентили 50°C или некоторое аналогичное наблюдение, выполненное на основании графика 500. Соответственно, чем меньше разброс данных, о котором идет речь, тем лучше структурная целостность компонента и, следовательно, меньше остаточное напряжение в нем. Дополнительно или вместо величины разброса данных, структурную целостность можно определить с использованием среднего или медианного значения структурной целостности.
Согласно только фигуре 5, значение 512 структурной целостности измеряют по отношению к компонентам 505, которые подвергаются воздействию в трех различных температурных и временных циклах 522. Первый температурный и временной цикл 522А обозначен буквой (А), и в нем отсутствует тепловая обработка. Таким образом, компонент 523 температуры представляет собой температуру окружающей среды, и компонент 524 периода времени составляет ноль минут. Значения 512 структурной целостности для компонентов, которые подвергаются воздействию в первом температурном и временном цикле 522А демонстрируют некоторый разброс. Второй температурный и временной цикл 522 В обозначен как "800 С 10 мин". Таким образом, компонент 523 температуры составляет 800°C, и компонент 524 периода времени составляет десять минут. Значения 512 структурной целостности для компонентов, которые подвергаются воздействию во втором температурном и временном цикле 522 В, демонстрируют меньший разброс, чем компоненты, которые подвергаются воздействию в первом температурном и временном цикле 522А. Следовательно, компоненты, которые подвергаются воздействию во втором температурном и временном цикле 522 В, являются более стабильными и более твердыми, чем компоненты, которые подвергаются воздействию в первом температурном и временном цикле 522А. Третий температурный и временной цикл 522С обозначен как "850 С 5 мин". Таким образом, компонент 523 температуры составляет 850°C и компонент 524 периода времени составляет пять минут. Значения 512 структурной целостности для компонентов, которые подвергаются воздействию в третьем температурном и временном цикле 522С, проявляют больший разброс по сравнению с компонентами, которые подвергаются воздействию в первом температурном и временном цикле 522А и втором температурном и временном цикле 522 В. Следовательно, компоненты, которые подвергаются воздействию в третьем температурном и временном цикле 522С, являются менее стабильными и менее твердыми или структурно поврежденными по сравнению с компонентами, которые подвергаются воздействию в первом температурном и временном цикле 522А или втором температурном и временном цикле 522 В. Согласно фигуре 5, критическая температура 598 составляет 850°C, и критический период 599 времени составляет пять минут, что представляет собой компонент 523 температуры и компонент 524 периода времени температурного и временного цикла 522, когда компонент становится структурно поврежденным. Следовательно, температура 590 тепловой обработки и период 591 времени тепловой обработки может составлять 800°C и десять минут, соответственно, согласно фигуре 5 и в соответствии с описанием, представленным выше.
На фигуре 6 изображена блок-схема алгоритма, изображающая высокотемпературный процесс 350 тепловой обработки, согласно примерному варианту осуществления настоящего изобретения. Хотя на фигуре 6 показан ряд этапов, изображенных в определенном порядке, можно изменить порядок одного или более этапов, объединить несколько этапов и/или разделить на большее число этапов в отличие от тех, которые показаны в других примерных вариантах осуществления. Как показано на фигуре 6, высокотемпературный процесс 350 тепловой обработки начинается на этапе 610. После начала на этапе 610, высокотемпературный процесс 350 тепловой обработки переходит на этап 620.
На этапе 620 один или более оставшихся компонентов нагревают до приблизительно температуры тепловой обработки. Оставшиеся компоненты аналогичны компонентам, описанным выше, или относятся к той же самой или аналогичной категории компонентов. Таким образом, температура тепловой обработки, которая определяется для компонента, также применяется к оставшимся компонентам, и структурная целостность оставшихся компонентов не будет повреждаться при доведении до температуры тепловой обработки в течение периода времени тепловой обработки. Оставшиеся компоненты обычно начинают постепенно и/или быстро нагревать от температуры окружающей среды до температуры тепловой обработки. Определение температуры тепловой подробно описано выше и не будет повторяться снова ради краткости изложения. Альтернативно, оставшиеся компоненты постепенно и/или быстро нагревают до промежуточной температуры и затем постепенно и/или быстро нагревают опять до температуры тепловой обработки. Промежуточная температура представляет собой температуру, выбранную между начальной температурой и температурой тепловой обработки. Температуру оставшихся компонентов можно поддерживать в течение периода времени при промежуточной температуре. В еще других примерных вариантах осуществления, начальная температура оставшихся компонентов может быть ниже температуры окружающей среды, например, в пределах -100°C и -200°C.
Высокотемпературный процесс 350 тепловой обработки переходит на этап 630. На этапе 630 один или более оставшихся компонентов поддерживают приблизительно при температуре тепловой обработки в течение приблизительно периода времени тепловой обработки. Определение периода времени тепловой обработки описано подробно выше и не повторяется здесь ради краткости изложения.
Высокотемпературный процесс 350 тепловой обработки переходит на этап 640. На этапе 640 охлаждают один или более оставшихся компонентов. В некоторых примерных вариантах осуществления один или более компонентов постепенно охлаждают на воздухе.
В других примерных вариантах осуществления, один или более оставшихся компонентов постепенно и/или быстро охлаждают обратно до температуры окружающей среды.
Высокотемпературный процесс 350 тепловой обработки переходит на этап 650. На этапе 650 высокотемпературный процесс 350 тепловой обработки заканчивается.
На фигуре 7 показана блок-схема алгоритма, изображающая высокотемпературный процесс тепловой обработки, согласно другому примерному варианту осуществления настоящего изобретения. Хотя на фигуре 7 показан ряд этапов, изображенных в определенном порядке, можно изменить порядок одного или более этапов, объединить несколько этапов и/или разделить на большее число этапов в отличие от тех, которые показаны в других примерных вариантах осуществления. Как показано на фигуре 7, высокотемпературный процесс 350 тепловой обработки начинается на этапе 710, после начала на этапе 710, высокотемпературный процесс 350 тепловой обработки переходит на этап 720.
На этапе 720 плавильную ванну помещают внутри печи. Плавильная ванна и печь изображены на фигурах 8А и 8 В и обсуждены более подробно ниже. Вкратце упоминалось, что плавильная ванна включает в себя поддон с расплавленным материалом, размещенным в нем. Согласно некоторым примерным вариантам осуществления, плавильная ванна представляет собой шлаковую ванну, имеющую шлаковый материал, размещенный в ней. Расплавленный материал используется для управления параметрами атмосфера внутри печи и предотвращения контакта кислорода с компонентами после размещения компонентов в плавильной ванне. Некоторые примеры расплавленных материалов включают в себя, но не ограничиваются этим, расплавленную медь, расплавленное олово, хлорид натрия, боросиликат или другие материалы, которые обладают высокой теплопередачей.
Высокотемпературный процесс 350 тепловой обработки переходит на этап 730. На этапе 730 печь и плавильную ванну предварительно нагревают до приблизительно температуры тепловой обработки. Определение температуры тепловой обработки было подробно описано ранее и повторно не приводится здесь ради краткости изложения.
Высокотемпературный процесс 350 тепловой обработки переходит на этап 740. На этапе 740 один или более оставшихся компонентов размещают в предварительно нагретой плавильной ванне. Компоненты полностью погружают в расплавленный материал таким образом, чтобы они не подвергались воздействию кислорода на протяжении этого этапа процесса.
Высокотемпературный процесс 350 тепловой обработки переходит на этап 750. На этапе 750 один или более оставшихся компонентов поддерживают приблизительно при температуре тепловой обработки в течение приблизительно периода времени тепловой обработки. Определение периода времени тепловой обработки подробно описано выше и не повторяется здесь ради краткости изложения. Согласно некоторым примерным вариантам осуществления, период тепловой обработки составляет приблизительно пять -семь минут, но этот период тепловой обработки является различным в других примерных вариантах осуществления.
Высокотемпературный процесс 350 тепловой обработки переходит на этап 760. На этапе 760 удаляют один или более оставшихся компонентов из печи. Согласно некоторым примерным вариантам осуществления, после их удаления из печи, один или более оставшихся компонентов удаляют из плавильной ванны. Например, клеящий или другие подходящие устройства используются для удаления оставшихся резцов из печи и плавильной ванны. Однако в других примерных вариантах осуществления, один или более оставшихся компонентов удаляют из печи путем удаления всей плавильной ванны из печи.
Высокотемпературный процесс 350 тепловой обработки переходит на этап 770. На этапе 770 охлаждают на воздухе один или более оставшихся компонентов. В некоторых примерных вариантах осуществления один или более компонентов постепенно охлаждают на воздухе. В других примерных вариантах осуществления, один или более оставшихся компонентов постепенно и/или быстро охлаждают обратно до температуры окружающей среды.
Высокотемпературный процесс 350 тепловой обработки переходит на этап 780. На этапе 780 высокотемпературный процесс 350 тепловой обработки заканчивается.
Согласно некоторым альтернативным примерным вариантам осуществления, печь использует различные способы и/или устройства для достижения окружающей среды, не содержащей кислорода, для компонентов, которые будут размещаться в ней вместо или в дополнение к плавильной ванне. Например, печь может работать в условиях вакуума, в атмосфере аргона, в атмосфере азота или в атмосфере других инертных газов. Кроме того, вместо печи в вышеупомянутом процессе можно использовать устройство индукционного нагрева, где газ вводится в камеру устройства индукционного нагрева. Например, может использоваться газ аргон, но в других вариантах осуществления могут использоваться другие газы. Эти устройства индукционного нагрева известны специалистам данной области техники и подробно не описываются здесь ради краткости изложения.
На фигуре 8А изображен перспективный вид печи 800 в закрытом состоянии 805, согласно примерному варианту осуществления настоящего изобретения. На фигуре 8 В изображен перспективный вид печи 800 в открытом состоянии 807 с плавильной ванной 850, расположенной в ней, согласно примерному варианту осуществления настоящего изобретения. Как показано на фигурах 8А и 8 В, печь 800 включает в себя основание 810, один или более нагревательных элементов 820 и крышку 830. Кроме того, ссылаясь на фигуры 8А и 8 В, плавильная ванна 850 включает в себя поддон 860 и расплавленный материал 870.
Основание 810 включает в себя одну или более стенок 812, которые ограничивают полость 814 в ней. Согласно некоторым примерным вариантам осуществления, основание 810 включает в себя четыре стенки 812, которые сформированы в прямоугольной конфигурации, однако, другие формы можно выполнить в альтернативных примерных вариантах осуществления. Основание 810 изготавливается с использованием материалов, которые могут выдерживать высокие температуры, такие как 850°C-900°C, которые могут использоваться, согласно настоящему раскрытию.
Один или более нагревательных элементов 820 связанные со стенками 812 в пределах полости 814 и сориентированы для того, чтобы направлять тепло в полость 814. Эти нагревательные элементы 820 могут повысить температуру внутри полости 814 до, по меньшей мере, критической температуры. Согласно некоторым примерным вариантам осуществления, нагревательные элементы 820 запитываются с использованием внешнего источника 890 питания, который можно соединить с основанием 810. Однако источник питания расположен в другом месте в других примерных вариантах осуществления.
Крышка 830 располагается с возможностью съема над полостью 814. Согласно некоторым примерным вариантам осуществления, крышка 830 соединена с основанием 810 с использованием одной или более петель 532. Крышку 830 обычно изготавливают с использованием одинакового или аналогичного материала, который используется при изготовлении стенок 812. На фигуре 8А показана крышка 830 в закрытом состоянии 805, посредством чего нижняя поверхность 833 крышки 830 размещается над полостью 814 и примыкает к верхней поверхности 811 основания 810. Напротив, на фигуре 8 В показана крышка 830 в открытом состоянии 807, посредством чего полость 814 становится теперь видимой.
Плавильная ванна 850 вставляется в полость 814 печи 800. Как упомянуто ранее, плавильная ванна 850 включает в себя поддон и расплавленный материал 870. Размеры поддона 860 соответствуют внутренним размерам полости 814 печи 800. Поддон 860 также включает в себя одну или более стенок 862 поддона, которые ограничивают в нем полость 864 поддона. Поддон 860 изготавливают с использованием подходящих материалов, которые не повреждаются при воздействии температур в процессе, который описан выше.
Расплавленный материал 870 вставляется в полость 864 поддона и заполняется до глубины таким образом, чтобы расплавленный материал 870 полностью окружал компоненты при их размещении в полости 864 поддона. Одним примером расплавленного материала 870 является боросиликат, однако можно использовать другие подходящие материалы, такие как некоторые фосфаты, олово, медь и хлорид натрия без отклонения от объема и сущности примерных вариантов осуществления.
На фигуре 9А изображен график 900, показывающий зависимость значений 910 АЕТТ от времени 920 обработки в случае, когда температура 930 обработки поддерживается постоянно, согласно примерному варианту осуществления настоящего изобретения. Как показано на фигуре 9А, график 900 включает в себя ось 910 значений акусто-эмиссионного контроля прочности (АЕТТ), ось 920 времени обработки и кривую 940 ограничения по времени. Ось 910 значений АЕТТ выполняет роль оси Y, ось 920 времени обработки выполняет представляет собой ось абсцисс и вдоль нее отложено время обработки в минутах. Кривая 940 ограничения по времени изображена на графике 900. При определении кривой 940 ограничения по времени, температура 930 обработки поддерживается постоянной, тогда как несколько резцов или компонентов, имеющих поликристаллическую структуру, подвергаются воздействию в различные периоды времени 920 обработки. Резцы, подвергнутые теплообработке, затем тестируются с использованием процедуры контроля АЕТТ для получения соответствующего значения 910 АЕТТ для каждого термообработанного резца. Процедура контроля АЕТТ описана в заявке на патент США №12/754784, озаглавленной "Акусто-эмиссионный контроль прочности вставных режущих пластин из PDC, PCBN или других твердых или сверхтвердых материалов" и поданной 6 апреля 2010 года, которая включена в настоящий документ посредством ссылки. Каждое значение 910 АЕТТ и соответствующее время 920 обработки для каждого резца наносится на графике 900. Кривая 940 ограничения по времени затем определяется путем установки параболической аппроксимации через каждое из самых высоких значений 940 АЕТТ в течение каждого тестируемого времени 920 обработки.
Согласно фигуре 9А, ряд резцов одного и того же типа и марки тестировались при различных значениях времени 920 обработки и при постоянной температуре 930 обработки. Температура 930 обработки поддерживалась постоянной при значении 900°C.Четырнадцать резцов подвергались тепловой обработке в течение 0,5 минут. Четырнадцать резцов подвергались тепловой обработке в течение 0,75 минут. Двенадцать резцов подвергались тепловой обработке в течение двух минут. Хотя конкретное количество резцов подвергалось обработке в различные периоды времени, любое количество резцов можно тестировать так, чтобы получить статистически значимую выборку. Теплообработанные резцы затем тестировались для определения их соответствующий значений 910 АЕТТ. Каждое значение 910 АЕТТ и соответствующий период времени 920 обработки для каждого резца наносился на график 900. Кривая 940 ограничения по времени затем определялась с использованием параболической интерполяции через каждое из самых высоких значений 910 АЕТТ для каждого тестируемого периода времени 920 обработки. Согласно некоторым примерным варианта осуществления, кривая 940 ограничения по времени была определена в виде у=300299х2-729973x+698432. Согласно кривой 940 ограничения по времени, резцы, обработанные в течение 0,5 минут, имели большее значение, чем резцы, обработанные в течение 0,75 минут. Таким образом, резцы, обработанные в течение 0,75 минут были структурно лучше, чем резцы, обработанные в течение 0,5 минут. Кроме того, резцы, обработанные в течение двух минут, имели большее значение АЕТТ, чем резцы, обработанные в течение 0,75 минут или резцы, обработанные в течение 0,5 минут. Таким образом, резцы, обработанные в течение двух минут были структурно хуже, чем резцы, обработанные в течение 0,5 минут, или резцы, обработанные в течение 0,75 минут. Период 591 времени тепловой обработки найден в нижней точке на кривой 940 ограничения по времени. Следовательно, при температуре 900°C, температура 590 тепловой обработки составляет 900°C, и период 591 времени тепловой обработки составляет приблизительно 1,22 минуты, как определено из графика 900.
На фигуре 9 В изображен график 950, показывающий зависимость значений 910 АЕТТ от температуры 930 обработки в случае, когда время 920 обработки поддерживается постоянным, согласно примерному варианту осуществления настоящего изобретения. Как показано на фиг.9 В, график 950 включает в себя ось 910 значений акусто-эмиссионного контроля прочности (АЕТТ), ось температуры 930 обработки и кривую 990 ограничения температуры. Ось 910 значений АЕТТ представляет собой ось ординат (ось у). Ось 930 температуры обработки представляет собой ось абсцисс (ось х), вдоль которой отложена температура в градусах Цельсия. Кривая 990 ограничения температуры изображена на графике 950. При определении кривой 990 ограничения температуры, период времени 920 обработки поддерживается постоянным, при этом несколько резцов или компонентов, имеющих поликристаллическую структуру, подвергаются воздействию при различных температурах 930 обработки. Резцы, прошедшие тепловую обработку затем тестируются с использование процедуры контроля АЕТТ для получения соответствующего значения 910 АЕТТ для каждого резца, прошедшего тепловую обработку. Процедура контроля АЕТТ описана в заявке на патент США №12/754784, озаглавленной "Акусто-эмиссионный контроль прочности вставных режущих пластин из PDC, PCBN или других твердых или сверхтвердых материалов" и поданной 6 апреля 2010 года, которая включена в настоящий документ посредством ссылки. Каждое значение 910 АЕТТ и соответствующая температура 930 обработки для каждого резца наносится на график 950. Затем определяют кривую 990 ограничения температуры с использованием параболической интерполяции через каждые наибольшие значения 910 АЕТТ для каждой тестируемой температуры 930 обработки.
Согласно фигуре 9 В, ряд резцов одного и того же типа и марки тестировались при различных температурах 930 обработки и постоянном времени 920 обработки. Период времени 920 обработки поддерживался постоянным и составлял десять минут. Одиннадцать резцов подвергались тепловой обработке при 800°C.Четырнадцать резцов подвергались тепловой обработке при температуре 825°C.Девятнадцать резцов подвергались тепловой обработке при температуре 850°C.Хотя специфическое число резцов подвергалось тепловой обработке при различных температурах, любое число резцов можно тестировать таким образом, чтобы получилась статистически значимая выборка. Затем тестировались резцы, прошедшие тепловую обработку, для того, чтобы определить их соответствующие значения 910 АЕТТ. Каждое значение 910 АЕТТ и соответствующая температура обработка 930 для каждого резца наносилась на график 950. Затем определялась кривая 990 ограничения температуры с использованием параболической интерполяции через каждое из самых высоких значений 910 АЕТТ для каждой тестируемой температуры 930 обработки. Согласно некоторым примерным вариантам осуществления, кривая 990 ограничения температуры была определена в виде y=2310.5x2-(4E+6)x+(2E+9). Согласно кривой 990 ограничения температуры, резцы, обработанные при температуре 800°C имели большие значения АЕТТ, чем резцы, обработанные при температуре 825°C.Таким образом, резцы, обработанные при температуре 825°C, были структурно лучше, чем резцы, обработанные при температуре 800°C.Кроме того, резцы, обработанные при температуре 850°C, имели большее значение АЕТТ, чем резцы, обработанные при температуре 800°C, или резцы, обработанные при температуре 825°C.Таким образом, резцы, обработанные при температуре 850°C, были структурно хуже, чем резцы, обработанные при температуре 800°C или резцы, обработанные при температуре 825°C.Температура 590 тепловой обработки находится по нижней точке на кривой 990 ограничения температуры. Следовательно, в течение десяти минут, период 591 времени тепловой обработки составляет десять минут, и температура 590 тепловой обработки составляет 823°C, как следует из графика 950.
Некоторые варианты осуществления настоящего изобретения, раскрытые здесь, представляют существенные улучшения, касающиеся высокотемпературных циклов по снятию напряжений резцов из поликристаллического алмаза (PCD). В зависимости от состава и распределения по размеру частиц (размеру зерна) различных PCD, определяют уникальные комбинации периодов времени тепловой обработки и температур тепловой обработки для выполнения наиболее благоприятного цикла снятия напряжений.
Хотя каждый примерный вариант осуществления был описан подробно, следует понимать, что любые особенности и модификации, которые применимы к одному варианту осуществления, также применимы и к другим вариантам осуществления. Кроме того, хотя настоящее изобретение было описано со ссылкой на специфические варианты осуществления, их описание не следует рассматривать в ограничивающем смысле. Различные модификации раскрытых вариантов осуществления, а также альтернативные варианты осуществления настоящего изобретения станут очевидны специалистам в данной области техники при ссылке на описание примерных вариантов осуществления. Специалисты в данной области техники смогут оценить, что концепцию и раскрытые специфические варианты осуществления можно легко использовать в качестве базы для модификации или построения других структур или способов для осуществления тех же самых целей настоящего изобретения. Специалисты в данной области техники также могут понять, что такие эквивалентные конструкции не выходят за пределы объема и сущности настоящего изобретения, как изложено в прилагаемой формуле изобретения. В связи с этим предполагается, что формула изобретения будет охватывать любые такие модификации или варианты осуществления, которые находятся в пределах объема настоящего изобретения.
1. Способ постобработки резцов, включающий этапы:
получение одного или более резцов одной категории, каждый из которых содержит основание, режущую кромку, имеющую поликристаллическую структуру, присоединенную к основанию, и образованные в нем остаточные напряжения, определение критической температуры и критического периода времени для данной категории резцов путем определения структурной целостности одного или более резцов, причем критическая температура и критический период времени равны температуре и периоду времени, которые соответствуют структурным повреждениям резца, определение температуры тепловой обработки и периода времени тепловой обработки для упомянутой категории резцов на основании критической температуры и критического периода времени путем контроля допустимого диапазона температуры и периода времени, обеспечивающих структурную целостность резцов,
осуществление высокотемпературного процесса тепловой обработки одного или более из упомянутых резцов одной категории в течение периода времени тепловой обработки, обеспечивающих их структурную целостность.
2. Способ по п. 1, в котором температура тепловой обработки резцов одной категории находится в диапазоне от приблизительно восьмидесяти пяти процентов до приблизительно девяносто восьми процентов критической температуры и составляет более 750°С.
3. Способ по п. 1, в котором температура тепловой обработки резцов одной категории находится в диапазоне от приблизительно восьмидесяти пяти процентов до приблизительно девяносто восьми процентов от критической температуры и составляет более 850°С.
4. Способ по п. 1, в котором температура тепловой обработки резцов одной категории находится в диапазоне от приблизительно 10°С до приблизительно 100°С ниже критической температуры и составляет более 750°С.
5. Способ по п. 1, в котором температура тепловой обработки резцов одной категории находится в диапазоне от приблизительно 10°С до приблизительно 100°С ниже критической температуры и составляет более 850°С.
6. Способ по п. 1, в котором период времени упомянутой тепловой обработки находится в диапазоне от приблизительно тридцати процентов до приблизительно девяносто восьми процентов от критического периода времени и составляет менее тридцати минут.
7. Способ по п. 1, в котором период времени упомянутой тепловой обработки находится в диапазоне от приблизительно тридцати процентов до приблизительно девяносто восьми процентов от критического периода времени и составляет менее десяти минут.
8. Способ по п. 1, в котором, по меньшей мере, один из параметров температуры тепловой обработки и периода времени тепловой обработки меньше, чем критическая температура и критический период времени, соответственно, причем другой параметр равен или больше чем критическая температура и критический период времени, соответственно, при этом температура тепловой обработки и период времени упомянутой тепловой обработки тестируют при определении критической температуры и критического периода времени для одной категории резцов.
9. Способ по п. 1, в котором определение критической температуры и критического периода времени одного или более резцов одной категории включает этапы:
нагрев и охлаждение первого резца на всем протяжении первого температурного и временного цикла, причем первый температурный и временной цикл соответствует температуре до 800°С и периоду времени в течение 5 мин, определение структурной целостности первого резца путем измерения твердости,
нагрев и охлаждение другого резца на всем протяжении другого температурного и временного цикла, который соответствует температуре до 850°С и периоду времени 10 мин, который отличается от температуры и периода времени первого температурного и временного этапа,
определение структурной целостности другого резца,
продолжение нагрева и охлаждения другого резца, определение структурной целостности другого резца до выявления наименьшего температурного и временного цикла, который вызывает структурное повреждение резца в данной категории, причем наименьший температурный и временной цикл определяет критическую температуру и критический период времени тепловой обработки резца.
10. Способ по п. 1, в котором высокотемпературный процесс тепловой обработки одного или более резцов одной категории включает этапы, на которых:
нагревают один или более резцов одной категории до температуры тепловой обработки, поддерживают один или более резцов одной категории при температуре тепловой обработки в течение периода времени тепловой обработки и охлаждают один или более из упомянутых резцов.
11. Способ по п. 10, в котором нагрев одного или более упомянутых резцов до температуры тепловой обработки содержит этапы, на которых:
нагревают один или более из упомянутых резцов до промежуточной температуры, а затем
нагревают один или более из упомянутых резцов от промежуточной температуры до температуры тепловой обработки.
12. Способ по п. 11, в котором осуществляют быстрый нагрев одного или более выбранных резцов от промежуточной температуры до температуры тепловой обработки.
13. Способ по п. 10, в котором осуществляют быстрый нагрев одного или более из упомянутых резцов до температуры тепловой обработки.
14. Способ по п. 10, в котором этап нагрева одного или более из упомянутых резцов до температуры тепловой обработки содержит подэтап, на котором опускают один или более упомянутых резцов в плавильную ванну, содержащую расплавленный материал, причем температура расплавленного материала равна температуре тепловой обработки, а один или более из упомянутых резцов окружены расплавленным материалом.
15. Способ по п. 14, в котором расплавленный материал содержит, по меньшей мере, один расплавленный металл, хлорид натрия и боросиликат.
16. Способ по п. 10, в котором нагрев одного или более из упомянутых резцов до температуры тепловой обработки осуществляют с использованием устройства индукционного нагрева.
17. Способ по п. 1, который дополнительно содержит этап, на котором удаляют, по меньшей мере, часть материала катализатора из поликристаллической структуры одного или более из упомянутых резцов после выполнения высокотемпературного процесса тепловой обработки по отношению к одному или более из упомянутых резцов.
18. Способ по п. 1, который дополнительно содержит этап, на котором удаляют, по меньшей мере, часть материала катализатора из поликристаллической структуры одного или более из упомянутых резцов перед выполнением высокотемпературного процесса тепловой обработки по отношению к одному или более из упомянутых резцов.
19. Способ постобработки резцов, включающий этапы:
получение одного или более резцов одной категории, каждый из которых содержит основание, режущую кромку, имеющую поликристаллическую структуру, присоединенную к основанию, и образованные в нем остаточные напряжения, тепловую обработку резца путем его нагрева до температуры в диапазоне от 750°С до 850°С в течение периода времени менее пятнадцати минут.
20. Способ по п. 19, в котором период времени тепловой обработки находится в диапазоне между приблизительно тридцатью секундами и приблизительно десятью минутами.
21. Способ по п. 19, в котором тепловую обработку ведут в диапазоне температур от 800°С до 850°С, а период времени тепловой обработки составляет диапазон между тридцатью секундами и десятью минутами.
22. Способ по п. 19, в котором этап, на котором резец подвергают воздействию температуры тепловой обработки в течение периода времени тепловой обработки, содержит подэтап, на котором:
резец опускают в плавильную ванну, содержащую расплавленный материал, причем температура расплавленного материала равна температуре тепловой обработки, при этом резец окружен расплавленным материалом.
23. Способ по п. 22, в котором расплавленный материал содержит, по меньшей мере, один расплавленный металл, хлорид натрия и боросиликат.
24. Способ по п. 19, в котором тепловую обработку осуществляют в течение периода времени менее пятнадцати минут.
25. Способ постобработки резцов, включающий этапы:
получение одного или более резцов одной категории, каждый из которых содержит основание, режущую кромку, имеющую поликристаллическую структуру, присоединенную к основанию, и образованные в нем остаточные напряжения, тепловую обработку резцов одной категории с помощью печи и с размещенной внутри нее плавильной ванной с расплавленным материалом, нагретым до температуры тепловой обработки,
размещение каждого резца в плавильной ванне в течение периода времени тепловой обработки, причем каждый резец полностью погружают в плавильную ванну, и удаление каждого резца из печи.
26. Способ по п. 25, в котором тепловую обработку резца осуществляют путем его нагрева до температуры в диапазоне от 750°С до 850°С в течение периода времени менее пятнадцати минут.
27. Резец, полученный способом постобработки по любому из пп. 19-24.
