CN101198762A - 钻地钻头 - Google Patents

钻地钻头 Download PDF

Info

Publication number
CN101198762A
CN101198762A CN 200580019693 CN200580019693A CN101198762A CN 101198762 A CN101198762 A CN 101198762A CN 200580019693 CN200580019693 CN 200580019693 CN 200580019693 A CN200580019693 A CN 200580019693A CN 101198762 A CN101198762 A CN 101198762A
Authority
CN
China
Prior art keywords
gear wheel
roller gear
main body
carbide
drill main
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
CN 200580019693
Other languages
English (en)
Inventor
普拉卡什·K·米尔钱达尼
吉米·W·伊森
詹姆斯·J·奥克斯
詹姆斯·C·韦斯索夫
加布里埃尔·B·科林斯
史蒂文·G·考德威尔
约翰·H·史蒂文斯
艾尔弗雷德·J·莫斯科
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
TDY Industries LLC
Baker Hughes Holdings LLC
Original Assignee
Baker Hughes Inc
TDY Industries LLC
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Baker Hughes Inc, TDY Industries LLC filed Critical Baker Hughes Inc
Publication of CN101198762A publication Critical patent/CN101198762A/zh
Pending legal-status Critical Current

Links

Images

Classifications

    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C22—METALLURGY; FERROUS OR NON-FERROUS ALLOYS; TREATMENT OF ALLOYS OR NON-FERROUS METALS
    • C22C—ALLOYS
    • C22C1/00—Making non-ferrous alloys
    • C22C1/10—Alloys containing non-metals
    • C22C1/1036—Alloys containing non-metals starting from a melt
    • C22C1/1068—Making hard metals based on borides, carbides, nitrides, oxides or silicides
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C22—METALLURGY; FERROUS OR NON-FERROUS ALLOYS; TREATMENT OF ALLOYS OR NON-FERROUS METALS
    • C22C—ALLOYS
    • C22C29/00—Alloys based on carbides, oxides, nitrides, borides, or silicides, e.g. cermets, or other metal compounds, e.g. oxynitrides, sulfides
    • C22C29/005—Alloys based on carbides, oxides, nitrides, borides, or silicides, e.g. cermets, or other metal compounds, e.g. oxynitrides, sulfides comprising a particular metallic binder
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C22—METALLURGY; FERROUS OR NON-FERROUS ALLOYS; TREATMENT OF ALLOYS OR NON-FERROUS METALS
    • C22C—ALLOYS
    • C22C29/00—Alloys based on carbides, oxides, nitrides, borides, or silicides, e.g. cermets, or other metal compounds, e.g. oxynitrides, sulfides
    • C22C29/02—Alloys based on carbides, oxides, nitrides, borides, or silicides, e.g. cermets, or other metal compounds, e.g. oxynitrides, sulfides based on carbides or carbonitrides
    • C22C29/06—Alloys based on carbides, oxides, nitrides, borides, or silicides, e.g. cermets, or other metal compounds, e.g. oxynitrides, sulfides based on carbides or carbonitrides based on carbides, but not containing other metal compounds
    • C22C29/067—Alloys based on carbides, oxides, nitrides, borides, or silicides, e.g. cermets, or other metal compounds, e.g. oxynitrides, sulfides based on carbides or carbonitrides based on carbides, but not containing other metal compounds comprising a particular metallic binder
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B22—CASTING; POWDER METALLURGY
    • B22F—WORKING METALLIC POWDER; MANUFACTURE OF ARTICLES FROM METALLIC POWDER; MAKING METALLIC POWDER; APPARATUS OR DEVICES SPECIALLY ADAPTED FOR METALLIC POWDER
    • B22F5/00—Manufacture of workpieces or articles from metallic powder characterised by the special shape of the product
    • B22F2005/001—Cutting tools, earth boring or grinding tool other than table ware

Landscapes

  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Materials Engineering (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • Metallurgy (AREA)
  • Organic Chemistry (AREA)
  • Earth Drilling (AREA)
  • Drilling Tools (AREA)

Abstract

本发明涉及形成用于钻地钻头的钻头主体的合成物和方法。钻头主体可以包括硬质颗粒，其中所述硬质颗粒包括碳化物、氮化物、硼化物、氧化物以及它们的固熔体中的至少一种，并且粘合剂将硬质颗粒粘结在一起。粘合剂可以包括从钴、镍、铁中选择的至少一种金属和可选择的至少一种降低熔点组分，所述降低熔点组分从30－60重量％的过渡金属碳化物、高达10重量％的硼、高达20重量％的硅、高达20重量％的铬和高达25重量％的锰中选择，其中重量百分率基于粘合剂的总重量。另外，硬质颗粒可以包括下述的至少一种：(i)铸造碳化物(WC+W2C)颗粒；(ii)从钛、铬、钒、锆、铪、钽、钼、铌和钨的碳化物中选择的过渡金属碳化物颗粒；以及(iii)烧结粘结的碳化物颗粒。

Description

钻地钻头
技术领域
本发明涉及一种钻地钻头(earth-boring bit)和生产钻地钻头的方法。更具体地，本发明涉及钻地钻头主体、滚柱牙轮(roller cone)、镶块滚柱牙轮(insertroller cone)、用于滚柱牙轮钻地钻头的牙轮和齿以及形成钻地钻头主体、滚柱牙轮、镶块滚柱牙轮、用于滚柱牙轮钻地钻头的牙轮和齿的方法。
本申请是2004年5月18日提交的美国专利申请No.10/848437的继续部分，其要求2004年4月28日提交的美国临时申请No.60/556063的优先权。
背景技术
钻地钻头可以具有固定的或者可旋转的切削元件。带有固定切削元件的钻地钻头典型地包括钻头主体，其通过由钢通过机加工而成或者通过将如铜基合金的粘合剂渗透进诸如铸造碳化物(WC+W2C)、碳化钨(WC)和/或烧结粘结碳化物的硬质颗粒床而制成。几种切削镶块固定在钻头主体的预定位置以优化切削性能。钻头主体可以固紧在钢柄上，所述钢柄典型地包括螺纹销连接件，通过该连接件将钻头紧固在井下马达的驱动轴上或者钻柱的远端位置的钻铤上。
钢主体钻头典型地从圆钢经切削加工而成为希望的形状，具有形貌和内部特征。可以应用表面硬化技术而将耐磨材料施加到钻头主体的表面上和钻头主体的其他关键区域的表面上。
在使用硬质颗粒和粘合剂制造钻头主体的传统方法中，通过磨削或者切削一模具以限定钻头主体的外部表面特征。也可能需要额外的手工磨削或者粘土工艺来产生或者精加工钻头主体的形貌特征。
一旦模具完成，在制造中，预先形成的钢钻头柄可以设置在模具的腔内，以内部加强该钻头主体并且提供销连接件基体。其他的砂子、石墨、过渡或者耐火金属基镶块，诸如限定内部流体通道、切削元件袋、脊、平台、喷嘴代替件、排屑槽或者钻头主体的其他内部或者形貌的镶块也可以镶块到模具的凹腔内。任何镶块必须放置在精确的位置上，以保证切削元件、喷嘴、排屑槽等在最终钻头中的正确定位。
然后希望的硬质颗粒被放置在模具内并且装填到希望的密度。然后用熔融的粘合剂渗透硬质颗粒，所述粘合剂凝固而形成固态钻头主体，其包括处于粘合剂的连续相之中非连续相的硬质颗粒。
钻头主体然后可以与其他的钻地钻头组件组装。例如，螺纹柄可以焊接或者以其他方式固紧在钻头主体上，并且切削元件或者镶块(典型地是烧结碳化钨，或者金刚石或者合成多晶体金刚石粉烧结体(PDC))，诸如通过铜焊、粘合剂粘合，或者机械附着的方式固紧在切削镶块袋内。可替代地，如果采用热稳定的PDC(TSP)，则切削镶块可以在煅烧或者渗透过程中结合在钻头主体的表面上。
用于油气钻探的可旋转的钻地钻头传统上包括烧结碳化物切削镶块，其附加在牙轮上，后者形成滚柱牙轮组装钻头的一部分，或者包括通过切削加工在切削件上形成的磨削齿。磨削齿典型地通过合金钢基体内的碳化钨进行表面硬化。滚柱牙轮钻地头主体通常用合金钢制成。
钻地钻头典型地固紧在钻铤的终端部，后者从地表旋转或者通过定位在钻铤紧靠钻头上方的井下马达而旋转。钻出的流体或者泥土被泵压下到中空的钻铤并且从形成在钻头主体上的喷嘴泵出。钻出的流体或者泥土随着钻头旋转冷却并润滑钻头并且也将钻头切削下的材料带出到地表。
钻头主体和钻地钻头的其他元件在恶劣的井下环境操作时承受许多形式的磨损。在最普遍的磨损形式中的是磨蚀磨损，其由于与磨蚀性的岩层构造接触而导致的。另外，充满了岩石切块的钻探泥土导致钻头的腐蚀磨损。
钻地钻头的使用寿命不仅是PDC或者烧结碳化物镶块的磨损特性的函数，而且是钻头主体(在固定切削件钻头的情况下)或者牙轮(在滚柱牙轮的情况下)的磨损特性的函数。延长钻地钻头使用寿命的一种方式是采用强度、韧性和耐磨蚀/腐蚀特性的结合得到提高的材料制造钻头主体或者牙轮。
因此，具有改进用于钻地钻头的钻头主体的需求，所述钻头主体具有提高的耐磨性、强度和韧性。
发明内容
本发明涉及形成用于钻地钻头的钻头主体的合成物。该钻头主体包括硬质颗粒，其中硬质颗粒包括碳化物、氮化物、硼化物、硅化物和氧化物以及它们的固熔体中的至少一种；以及将硬质颗粒粘结在一起的粘合剂。硬质颗粒可以包括从钛、铬、钒、锆、铪、钽、钼、铌和钨的碳化物或者它们的固熔体中选择的至少一种过渡金属碳化物。硬质颗粒可以以单独或者混合碳化物和/或烧结粘结碳化物的形式存在。粘合剂的实施例可以包括从金属钴、镍、铁和它们的合金中选择的至少一种。在进一步的实施例中，粘合剂可以进一步包括从占高达60重量％的过渡金属碳化物、占高达50重量％的一种或者多种过渡元素、占高达5重量％的碳、占高达10重量％的硼、占高达20重量％的硅、占高达20重量％的铬、和占高达25重量％的锰中选择的至少一种降低熔点组分，其中重量％是基于粘合剂的总重量。在一个实施例中，粘合剂包括占40-50重量％的碳化钨和占40-60重量％的铁、钻和镍中的至少一种。为了实现本发明的目的，过渡元素定义为周期表中属于第IVB、VB和VIB族的元素。
形成基体的合成物的另一种实施例包括硬质颗粒和粘合剂，其中粘合剂的熔点介于1050℃至1350℃之间。粘合剂可以是包括铁、钴和镍中的至少一种的合金并且可以进一步包括过渡金属碳化物、过渡元素、碳、硼、硅、铬、锰、银、铝、铜、锡和锌中的至少一种。更优选地，粘合剂可以是包括铁、钴和镍中的至少一种以及碳化钨、钨、碳、硼、硅、铬和锰中的至少一种的合金。
本发明的进一步的实施例是形成基体的合成物，该合成物包括过渡金属碳化物的硬质颗粒；以及包括镍、铁和钴中的至少一种的粘合剂，并且熔点低于1350℃。粘合剂进一步包括过渡金属碳化物、碳化钨、钨、碳、硼、硅、铬、锰、银、铝、铜、锡和锌中的至少一种。
在制造钻头主体过程中，硬质颗粒以及可选的镶块可以放置在钻头主体模具中。该镶块可以通过任何方法结合到本发明的部件中。例如，该镶块可以在用粉末金属或者硬质颗粒填充模具之前添加到模具中，并且存在的任何镶块可以用熔融的粘合剂渗透，其凝固形成固体基体，其包括处于粘合剂的连续相中的非连续相的硬质颗粒。本发明的实施例还包括形成诸如用于钻地钻头的钻头主体、滚柱牙轮、和滚柱牙轮的齿的制品的方法，但不限于此。一形成部件方法的实施例可以包括用粘合剂渗透大量硬质颗粒，其中硬质颗粒包括至少一种过渡金属碳化物，粘合剂包括镍、铁和钴中的至少一种且熔点低于1350℃。另一种实施例包括这样的方法，其包括用熔点介于1050℃至1350℃之间的粘合剂渗透大量包括至少一种过渡金属碳化物的硬质颗粒。粘合剂可以包括铁、镍和钴中的至少一种，其中铁、镍和钴的总浓度占粘合剂重量的40-99重量％。粘合剂可以进一步包括选定的过渡金属碳化物、碳化钨、钨、碳、硼、硅、铬、锰、银、铝、铜、锡和锌中的至少一种，其浓度要有效地降低铁、镍和/或钴的熔点。粘合剂可以是低共熔的或者近低共熔的混合物。粘合剂的降低熔点有利于正确地渗透大量硬质颗粒。
本发明进一步的实施例是生产钻地钻头的方法，包括用熔融的铁、镍和钴中的至少一种与过渡金属碳化物的混合物铸造钻地钻头。该混合物可以是低共熔或者近低共熔的。在这些实施例中，钻地钻头可以直接铸造而不用渗透大量的硬质颗粒。
除非另有指明，本说明书和权利要求中所有表示配料的数量、时间、温度等等的数字应当理解为在所有的情况下被术语“大致”进行了改动。因此，除非指明相反，在以下的说明书和权利要求中所述的数字参量是大致数量，其可以根据本发明所追求实现的希望的特性而变化。至少，并不是尝试将等同物原理的使用限制在权利要求的范围内，每个数字参量应当至少根据所报告的有效数字的数量并通过使用普通的规约技术来解释。
虽然在本发明中的广阔范围内设定的数字范围和参数都是近似的，但是在特定示例中所报告的数量的值是尽可能准确的。但是，任何数量值可以自然地包含某些误差，其必然由于在它们的相应性试验测量中产生的标准偏差。
读者将在考虑了下面的本发明实施例的详细说明之后而理解前述的本发明的细节和优点以及其他。读者也可以在实现和/或使用本发明范围内的实施例之后理解本发明额外的细节和优点。
附图说明
通过参考附图可以更好地理解本发明的特征和优点，附图中：
图1是钻地钻头的钻头主体的实施例的示意性剖视图；
图2是在氩氛围下在10℃/分钟的温度增加率下从900℃至1400℃的包括约45％碳化钨和约55％钴的样品的两个周期DTA的结果图；
图3是在氩氛围下在10℃/分钟的温度增加率下从900℃至1300℃的包括约45％碳化钨、约53％钴和约2％硼的样品的两个周期DTA的结果图；
图4是在氩氛围下在10℃/分钟的温度增加率下从900℃至1400℃的包括约45％碳化钨、约53％镍和约2％硼的样品的两个周期DTA的结果图；
图5是在氩氛围下在10℃/分钟的温度增加率下从900℃至1200℃的包括约96.3％镍和约3.7％硼的样品的两个周期DTA的结果图；
图6是在氩氛围下在10℃/分钟的温度增加率下从900℃至1300℃的包括约88.4％镍和约11.6％硅的样品的两个周期DTA的结果图；
图7是在氩氛围下在10℃/分钟的温度增加率下从900℃至1200℃的包括约96％钴和约4％硼的样品的两个周期DTA的结果图；
图8是在氩氛围下在10℃/分钟的温度增加率下从900℃至1300℃的包括约87.5％钴和约12.5％硅的样品的两个周期DTA的结果图；
图9是通过在大量硬质颗粒体中渗透主要包括钴和硼的粘合剂而产生的材料的显微照片；
图10是通过在大量硬质颗粒体中渗透主要包括钴和硼的粘合剂而产生的材料的显微照片；
图11是通过在大量硬质颗粒体中渗透主要包括钴和硼的粘合剂而产生的材料的显微照片；
图12是通过在大量硬质颗粒体中渗透主要包括钴和硼的粘合剂而产生的材料的显微照片；
图13是通过在大量铸造碳化物颗粒和烧结碳化物镶块中渗透主要包括钴和硼的粘合剂而产生的材料的显微照片；
图14是本发明的钻头主体的实施例的示意图；
图15a、15b和15c是可用于本发明实施例的合成物的转杆疲劳数据曲线图，本发明的实施例包括具有大致25体积％的粘合剂的FL-25(图15a)、具有大致30体积％的粘合剂的FL-30(图15b)、和具有大致35体积％的粘合剂的FL-35(图15c)；和
图16是本发明的滚柱牙轮的实施例的示意图。
具体实施方式
本发明的实施例涉及用来形成钻地钻头的钻头主体、用于滚柱牙轮的滚柱牙轮、镶块滚柱牙轮、牙轮和齿的合成物和制造用于这些制品的钻头主体的方法。另外，该方法可用来制造其他制品。本发明钻头主体的某些实施例包括至少一个不连续的硬质相和与硬质相粘合在一起的连续的粘结相。本发明的合成物和方法的实施例为由所述合成物和方法生产的钻头主体、滚柱牙轮、镶块滚柱牙轮、齿和牙轮提供了增加的使用寿命，并且从而改进了钻地钻头或其他工具的使用寿命。钻头主体、滚柱牙轮、镶块滚柱牙轮、牙轮的主体材料为所述制品的每个区域提供了整体特性。
图1示出了固定切削件钻地的典型钻头主体10。一般，钻头主体10包括位于柄12上的连接装置11和结合在钻头主体10中的空白区域12A。柄12、空白区域12A、和销可以各自独立的由合金钢或者至少一种不连续硬质相和连续的粘结相制造，并且连接装置11、柄12和空白区域12A可通过任何方法连接到钻头主体，例如铜焊、螺纹连接、销、键槽、收缩配合、粘合剂、扩散结合、干涉配合或其他任何机械的或化学的连接方法，但不限于此。然而，在本发明的实施例中，与钻头主体的其他部分一样，包括连接装置的柄12可由合金钢或者粘合剂中的相同的或不同的硬质颗粒合成物制成。如此，钻头主体10可构造得具有多个区域，每个区域包括例如不同浓度、成分和晶体尺寸的硬质颗粒或粘合剂。这使得可按照特定的应用场合的需要对制品特定区域的特性进行调整。如此，制品可如此设计，以致各区域的特性或成分可在制品的不同区域之间突然或渐进的改变。图1的示例钻头主体10包括三个区域。例如，顶部区域13包括钨和/或碳化钨的不连续硬质相，中间相14包括粗铸碳化钨(W2C，WC)、碳化钨、和/或烧结粘结碳化物颗粒的不连续硬质相，底部区域15，如果存在的话，包括精铸碳化物、碳化钨和/或烧结粘结碳化物颗粒的不连续硬质相。钻头主体10沿钻头主体10的底部还包括袋16，切割镶块可设置在该袋中。袋可当在钻头主体制造过程中结合的镶块时由模具直接结合在钻头主体中，或者当在钻头主体完成之后例如通过上述的铜焊或其他连接方法连接镶块时通过切削加工绿坯或棕坯结合在钻头主体中。钻头主体10还包括内部流体通道、脊、平台、喷嘴、排屑槽、和钻地钻头主体的任何其他传统的形貌特征。可选地，这些形貌特征可通过实施镶块限定，例如位于钻头主体模具上的合适位置的镶块17。本发明的实施例包括含有烧结碳化物镶块的钻头主体。在传统的钻头主体中，硬质相颗粒结合在铜基合金例如黄铜或青铜的基体中。本发明钻头主体的实施例包括新的粘合剂或用新的粘合剂制造，为钻头主体引入改进的耐磨损性、强度和韧性。
粘合剂中的硬质颗粒的制造工艺一般包括固结冶金粉末(通常为微粒陶瓷和粘结金属)以形成绿坯。可使用利用了传统技术的粉末固结工艺，例如机械地或液压挤压刚性模，和湿袋或干袋等压挤压。然后，可以预烧结或完全烧结绿坯以进一步固结和压密该粉末。预烧结仅能产生局部固结和部分密实。绿坯可以在低于最终烧结操作中所达温度的温度下进行预烧结以产生预烧结坯料(“棕坯”)。与最终烧结的制品相比，棕坯具有相对低的硬度和强度，但是显著高于绿坯。在制造过程中，制品可切削加工为绿坯、棕坯或完全烧结的制品。通常，绿或棕坯的可加工性实际上比完全烧结制品的可加工性好。如果完全烧结部件难以切削加工或需要磨光而不是切削加工来满足所需尺度的最终公差，则机加工绿坯或棕坯是有优势的。也可以采用其他的改进部件可加工性的手段，例如添加切削加工添加剂以封闭坯料的孔隙，常用的添加剂为聚合物。最后，可以液相温度在传统的真空炉中或以高压在森得海普(SinterHip)炉中执行烧结。坯料可以在300-2000psi的压力下和1350-1500℃的温度下过压烧结。坯料的预烧结和烧结使得润滑剂被去除、氧化物还原、密实和微结构生长。如上所述，在烧结之后，钻头主体、滚柱牙轮、镶块滚柱牙轮或牙轮可进一步进行合适的切削加工或磨光以形成最终结构。
本发明还包括一种生产具有不同特性合成物的区域的钻头主体、滚柱牙轮、镶块滚柱牙轮或牙轮的方法。该方法的实施例包括将第一冶金粉末放置在模具内的第一空白区域中，将第二冶金粉末放置在模具的第二空白区域中。在某些实施例中模具分成两个或更多区域，可通过例如在模具的空白区域中放置物理分隔物如纸或聚合材料而将各区域分开。可在固结和烧结之后选择冶金粉末以提供具有上述期望特性的烧结碳化物材料。在另一实施例中，在模具中至少一部分第一冶金粉末和第二冶金粉末布置成彼此接触而没有分隔物。在冶金粉末中可使用蜡或其他粘合剂以辅助形成各区域，从而无需物理分隔物。
具有渐变变化特性或合成物的制品也可以通过例如将第一冶金粉末放置在模具的第一区域中形成。然后，模具的第二部分可用包括第一冶金粉末和第二冶金粉末混合物的冶金粉末填充。混合物导致所述制品至少具有介于单独通过第一和第二冶金粉末形成的制品中所具有同一特性的一种特性。该工艺可重复直到期望的合成物梯度或合成物结构在模具中实现为止，并且通常将用第二冶金粉末填充模具区域而结束。该工艺的实施例也可以使用或不使用物理分隔物地执行。额外的区域还可以填充不同的材料，例如第三冶金粉末或甚至是前面的铜合金渗透的制品。然后，模具被等压挤压以固结冶金粉末从而形成坯料。随后烧结坯料以进一步密实坯料并且在区域之间形成自发的结合。
如前所述，可使用任何粘合剂，例如镍、钴、铁和镍、钴、铁合金。另外，在某些实施例中，用来制造钻头主体的粘合剂具有的熔点可在1050℃和1350℃之间。如在此所用的，熔点或熔化温度是特定合成物的固相线。在其他实施例中，粘合剂是包括钴、铁和镍中的至少一种的合金，其中合金的熔点小于1350℃。在本发明合成物的其他实施例中，合成物包括钴、镍和铁中的至少一种以及降低熔点组分。纯钴、镍和铁的特征在于高熔点(大致1500℃)，因此很难以特定的方式实现纯熔融的钴、铁或镍在硬质颗粒床中的渗透而不形成过多的孔隙或不期望的金相。然而，如果包括足够量的至少一种降低熔点组分，可使用钴、铁、镍中的至少一种的合金。降低熔点组分可以是以下的至少其中一种，即过渡金属碳化物、过渡元素、钨、碳、硼、硅、铬、锰、银、铝、铜、锡、锌、以及其他元素，它们可单独或组合地添加到能够充分降低粘合剂熔点的添加量，以有效地使用粘合剂通过选定方法来形成钻头主体。如果粘合剂的特性，例如，熔点、熔化粘性和渗透距离，使得钻头主体可铸造得没有过多孔隙的话，则可有效地使用粘合剂形成钻头主体。优选地，降低熔点组分为过渡金属碳化物、过渡金属、钨、碳、硼、硅、铬和锰中的至少一种。优选地，可以结合两种或多种上述的降低熔点组分以得到可有效渗透大量硬质颗粒的粘合剂。例如，可一起添加钨和碳以形成比单独添加钨产生更大的降低熔点作用，并且在这种情况下，钨和碳以碳化钨的形式添加。其他降低熔点组分可用相似的方式进行添加。
一种或多种降低熔点组分以使得一粘合剂组成有效的任何量地可单独或与其他粘合剂组分结合进行添加，以生产钻头主体。另外，可如此添加一种或多种降低熔点组分以使得粘合剂成为低共熔体或近低共熔体合成物。提供具有低共熔体或近低共熔体组分浓度的粘合剂保证了粘合剂具有低的熔点，这有利于浇注及对硬质颗粒床的渗透。在某些实施例中，优选地，粘合剂中存在的一种或多种降低熔点组分基于总的粘合剂重量为以下的重量％：钨可高达55％、碳可高达4％、硼可高达10％、硅可高达20％、铬可高达20％、锰可高达25％。在某些其他实施例中，优选地，粘合剂中存在的一种或多种降低熔点组分基于总的粘合剂重量的重量％为以下一种或多种重量％：钨可为30-55％、碳可为1.5-4％、硼可为1-10％、硅可为2-20％、铬可为2-20％，锰可为10-25％。在本发明合成物的某些其他实施例中，降低熔点组分可以为占30-60％重量％的碳化钨。在某些浇注条件和粘合剂浓度下，所有或一部分碳化钨在凝固时将从粘合剂中析出并且将形成硬质相。这种析出的硬质相可以是模具中除了表现为硬质颗粒之外的任何硬质相。然而，如果在模具中或模具的部段中没有设置硬质颗粒，则钻头主体或钻头主体部段中的所有硬质相颗粒可如在铸造阶段析出的碳化钨似地形成。
本发明制品的实施例可以包括50％或更大体积的硬质颗粒或硬质相，在某些实施例中，优选地，包括占制品的50-80体积％的硬质颗粒或硬质相，更优选地，对于这些实施例，包括占制品的60-80体积％的硬质相。如此，在某些实施例中，粘合剂相可包括小于制品的50体积％，或优选地占制品的20-50体积％。在某些实施例中，粘合剂可包括制品的20-40％体积％。
本发明的实施例还包括具有过渡金属碳化物的用于钻地钻头的钻头主体和其他的制品，其中钻头主体包括大于75体积％的碳化物体积百分率。由于本发明的方法，其实施例将在下文描述，现在，有可能制备具有例如这种碳化钨体积百分率的钻头主体。该方法的实施例包括用粘合剂渗透碳化钨硬质颗粒床，该粘合剂为钴、铁、镍和碳化钨中的至少其中一种的低共熔体或近低共熔体合成物。可以相信，如果利用熔化的碳化钨的低共熔体或近低共熔体组分和钴、铁和镍中的至少一种渗透钨床，通过本发明的方法可生产包括的不连续相的碳化钨浓度高达95体积％的钻头主体。相反，用来生产钻头主体的传统渗透方法可仅用来生产具有最大约72体积％碳化钨的钻头主体。发明人已经确定，如果使用碳化钨的低共熔体或近低共熔体合成物和钴、铁和镍中的至少一种渗透的话，则铸造的钻头主体和其他制品中的碳化钨体积浓度可以为75％到95％。目前，由于用硬质颗粒在模具中装填密度(packing density)的限制以及渗透致密地装填硬质颗粒块的困难，所以限制了形成在钻头主体内的硬质相的体积百分率。然而，从包括低共熔体或者近低共熔体的渗透粘合剂中析出碳化物避免了这些困难。直到粘合剂在钻头主体模具中凝固后，在冷却过程中通过从熔融的渗透剂中析出而形成额外的硬质相。因此，与如果熔化的粘合剂缺乏溶解的碳化钨而所实现的情况比较，在钻头主体中形成了更高浓度的硬质相。用处于低共熔体或者近低共熔体的熔融粘合剂/渗透剂组分允许钻头主体以及其他制品中较之以前存在更高体积％的硬质相。
通过将烧结碳化物镶块结合到钻头主体中，钻头主体中的碳化钨体积％可以额外地增加。烧结碳化物镶块可以用于形成流体通道、切削元件的袋、脊、平台、喷嘴替代物、排屑槽，或者其他的钻头主体形貌，或者仅仅在选定位置为主体或者支架提供结构支持、刚度、韧度、强度或者耐磨度。如果采用传统烧结碳化物技术制备，则传统的烧结碳化物镶块可以包括70-99体积％的碳化钨。任何已知的烧结碳化物均可以用作钻头主体内的镶块，诸如所述烧结碳化物，处于钴、铁和镍中至少一种的粘合剂中的钛、锆、铪、钒、铌、钽、铬、钼和钨中的至少一种的碳化物组分，但不限于此。如现有技术中已知，在烧结碳化物中可以存在其他的合金添加剂。
形成钻头主体的合成物的实施例还包括至少一种硬质颗粒类型。如上所述，钻头主体还可以包括具有不同类型和/或浓度的硬质颗粒的各种区域。例如，图1中的钻头主体10可以包括底部段15，其具有相对细小颗粒尺寸的更加耐磨的非连续硬质相材料，以及中部14，其具有相对粗大颗粒尺寸的更硬的非连续硬质相材料。任何部段的硬质相或者硬质颗粒可以包括碳化物、氮化物、硼化物、氧化物、铸造碳化物、烧结碳化物、它们的混合物以及它们的固熔体中的至少一种。在特定的实施例中，硬质相可以包括包含钛、锆、铪、钒、铌、钽、铬、钼和钨中至少一种的烧结碳化物。烧结碳化物可以具有任何合适的颗粒尺寸或者形状，诸如不规则形、球形、扁圆形和扁长形，但不限于此。
带有在钴的粘合剂中的碳化钨的烧结碳化物粒级具有商业上诱人的强度、断裂韧性和耐磨性的结合。“强度”是材料断裂或者失效时的应力。“韧性”是材料断裂前吸收能量和塑性变形的能力。韧性与应力应变曲线下从原点到断裂点之间的面积成比例。参见McGraw-Hill Dictionary of ScientificAnd Technical Terms(5th ed.1994)。“耐磨性”是材料承受对其表面损坏的能力。磨损通常涉及由于材料和接触表面或者物质之间的相对移动而引起的材料的逐渐损失。参见Metals Handbook Desk Edition(2d ed.1998)。“断裂韧性”是在裂纹尖端需要延展该裂纹的临界应力并且通常用“临界应力强度系数”(KIC)来表示。
烧结碳化物的强度、韧性和耐磨性与分散的硬质相的平均晶粒尺寸以及存在于传统烧结碳化物中的粘结相的容积(重量)百分率有关。通常碳化钨的平均晶粒尺寸增大和/或钴粘合剂的容积百分率增大将导致断裂韧性提高。然而，韧性的提高通常伴随着耐磨性的下降。烧结碳化物冶金学家因此面临挑战以在尝试为需要的应用场合设计粒级时开发出高耐磨性和高断裂韧性的烧结碳化物。
图14中的钻头主体140可以包括具有不同的组分的浓度或者成分的部段，以在主体内的特定位置提供不同的特性，诸如耐磨性、韧性或者耐腐蚀性。例如，围绕钻头切削镶块142的区域内的镶块袋区141、保径垫(gage pad)143或者喷嘴出口区域144、滚柱牙轮刀片区域或者冠部145的外侧可以包括更为耐磨的材料。另外，本发明的钻头主体的实施例可以具有高韧性的区域，诸如刀片146的内部区域、滚柱牙轮的内部区域、至少柄或者销的内部区域或者靠近柄的区域。钻头主体、滚柱牙轮、镶块滚柱牙轮或者牙轮的不同区域的特性也可以定制，从而提供这样一种区域，其例如易于机加工或者耐腐蚀。
钻头主体、滚柱牙轮、镶块滚柱牙轮或者牙轮的实施例可以包括在传统钻头主体、滚柱牙轮、镶块滚柱牙轮和牙轮中无法获得的独特特性。已经生产了适合本发明的合成物的样品供测试。试样的标称成分如表1所示。
  样品   钴，wt％   镍，wt％   WC，Wt％
  FL-25   15   10   余额
  FL-30   18   12   余额
  FL-35   21   14   余额
从表2中可见，本发明的实施例包括这样的主体材料，其具有大于300ksi的横向断裂强度。包括渗透了黄铜或者青铜的钢或者硬质颗粒的传统钻头主体材料无法具有如本发明的实施例这样高的横向断裂强度。
图15a、15b和15c是适合列于表1中的本发明的实施例的合成物的试样的完全反向转杆疲劳数据(fully reversed Rotating Beam Fatigue Data)曲线。从图中可见，试样的全反转弯曲应力在107次循环后大于100ksi。
钻地工具的区域的主体材料的几个特性对于工具的使用寿命做出了贡献。主体材料的这些特性包括强度、刚性、耐磨损或者耐磨擦性和抗疲劳性，但不限于此。钻头主体、滚柱牙轮、镶块滚柱牙轮或者牙轮可以包括多于一个区域，每个都包括不同的主体材料。强度典型地以横向断裂强度或者极限拉伸强度来测量。刚性可以用杨氏模量来测量。本发明的实施例和现有技术中的铜基基体的特性列于表2。从表中可见，本发明的实施例的TRS值大于250ksi，在特定的实施例中TRS可以大于300ksi或者甚至大于400ksi。本发明的实施例的杨氏模量超过55×106psi，并且优选地，对于特定的需要更高刚性的应用场合，实施例的杨氏模量大于75×106psi或者甚至大于90×106psi。除了有利于TRS和杨氏模量值外，本发明的实施例附带地包括增大的硬度。本发明的实施例可以定制成硬度大于65HRA，或者通过降低粘合剂的浓度，例如特定实施例的硬度可以增大到高于75HRA或者在确定的实施例中甚至大于85HRA。
根据ASTM B611测量，本发明的主体材料的耐磨性可以大于1.0或者大于1.4。在确定的应用场合或者钻地工具的区域中，本发明的主体材料的实施例可以具有2-14的耐磨性。
本发明的实施例包括这样的主体材料，其还包括适用于钻头主体、滚柱牙轮、镶块滚柱牙轮和牙轮的特性组合。例如，本发明的实施例可以包括这样的主体材料，其横向断裂强度大于200ksi，或者大于250ksi，同时杨氏模量大于40×106psi。本发明的其他实施例可以包括这样的主体材料，其抗疲劳性大于30ksi同时杨氏模量大于30×106psi。这样的特性组合使得特定应用场合的钻探制品具有长于传统钻探制品的使用寿命。
表2
材料特性比较
                                                     现有技术       测试方法
  特性   碳化物6-16％Co   碳化物(FL30)   母体(宽泛的)
  密度，g/cm3   13.94-14.95   12.70   10.0-13.5   标准
  磨损   2-14   1.47   无数据   ASTM B611-85
  TRS，ksi   300-500   339   100-175   ASTMB-406-96
  压缩，ksi   400-800   388   136-225   ASTM E0-89
  比例极限，ksi   125-350   69   28-54
  模量，×106psi   75-95   60   27-50   ASTM E494-95
  硬度   84-92HRA   78HRA   10-50HRC   ASTM B94-92
另外，本发明的合成物的特定的实施例可以包括30-90体积％的硬质相和5-70体积％的粘结相。钻头主体的隔离的区域可以包括更广泛的硬质相浓度范围，例如30-99体积％的硬质相。这可以通过例如将装填密度不同的硬质颗粒设置在模具中的特定位置或者通过在浇注钻头主体或者其他制品之前将烧结碳化物镶块放置在模具中来实现。另外，钻头主体可以通过向模具中浇注多于一种粘合剂而形成。
通过渗透方法制造包括含有钴、铁和镍中至少一种的粘合剂的钻头主体或者支架的困难是由于钴、铁和镍的相对较高的熔点，这些材料每一个在大气压下的熔点约为1500℃。另外，由于钴、铁和镍在液态时对于碳化钨具有较高的溶解性，所以在铸造钻地钻头主体时，难以在要渗透碳化物颗粒床的同时防止例如熔融的钴钨碳化物或者镍钨碳化物合金的过早凝固。即使在渗透过程中使用诸如高于1400℃的高温，这种现象也会导致在铸件中形成针孔。
通过使用预合金的钴钨碳化物低共熔体或者近低共熔体合成物(30-60％的碳化钨和40-70％的钴，以重量计)，本发明的方法的实施例可以克服有关于钴、铁和镍的渗透铸件合成物的困难。例如，具有约为43重量％的碳化钨浓度的钴合金的熔点约为1300℃。参见图2。低共熔体或者近低共熔体合金相对于钴、铁和镍更低的熔点，再加上低共熔体或者近低共熔体合成物可忽略的凝固范围，可以大大促进碳化钴-钨基的金刚石钻头主体以及烧结碳化钨牙轮和滚柱牙轮的制造。例如钴钨碳化物、镍钨碳化物、钴镍钨碳化物和铁钨碳化物合金的低共熔体或者近低共熔体混合物，较之黄铜基或者青铜基的合成物而言，在同等的耐磨性/耐腐蚀性等级下，可以预期展现出远远更高的强度和韧性等级。这些合金也可以预期可以用传统的切削工具进行机加工。
本发明的方法的特定实施例包括利用低共熔体或者近低共熔体合成物的粘合剂渗透大量的硬质颗粒，所述合成物包括钴、铁和镍中至少一种以及碳化钨，并且其中粘合剂的熔点低于1350℃。作为在此所用的近低共熔体浓度意指合成物的主要组分的浓度在该组分的低共熔体浓度的10重量％以内。碳化钨在钴中的低共熔体浓度约为43重量％。低共熔体合成物是已知的并且易于由本领域的技术人员估计。可以在模具中存在或者不存在硬质颗粒的情况下，实施低共熔体或者近低共熔体合成物的浇注。然而，优选地是，在凝固后，该合成物形成析出的硬质碳化钨相和粘结相。粘合剂可以进一步包括合金添加剂，诸如硼、硅、铬、锰、银、铝、铜、锡和锌中至少一种。
本发明的实施例在一个方面可以包括用几种不同的方法由低共熔体或近低共熔体合成物制造主体和牙轮。这些方法的示例包括：
1.利用熔融渗透剂渗透硬质颗粒床或者大量硬质颗粒，其中所述硬质颗粒包括过渡金属碳化物颗粒和钴、铁和镍中至少一种的混合物(即，烧结碳化物)，所述渗透剂是碳化物和钴、铁和镍中至少一种的低共熔体或者近低共熔体合成物。
2.利用熔融渗透剂渗透过渡金属碳化物颗粒床或者大量所述颗粒，其中所述渗透剂是碳化物和钴、铁和镍中至少一种的低共熔体或者近低共熔体合成物。
3.浇注碳化物，诸如碳化物和钴、铁和镍中至少一种的熔融低共熔体或者近低共熔体合成物净成形或者近净成形为钻头主体、滚柱牙轮或者牙轮的形状。
4.将粉末粘合剂和硬质颗粒混合在一起，将混合物放在模具中，加热该粉末到高于粘合剂熔点的温度，然后冷却以将该材料浇注成钻地钻头主体、滚柱牙轮或者牙轮的形状。这种所谓的“现场浇注”方法可以允许使用渗透大量硬质颗粒的能力相对较低的粘合剂，原因是粘合剂在熔化前与硬质颗粒混合，因此只需较短的渗透距离来形成制品。
在本发明的特定方法中，渗透硬质颗粒可以包括往浇孔里装载粘合剂，熔化该粘合剂，然后将该粘合剂引入到放置有硬质颗粒和可选的镶块的模具中。如上所述的粘合剂可以是低共熔体或者近低共熔体合成物或者可以包括钴、铁和镍中至少一种和至少一种降低熔点组分。
本发明的另一种方法包括制备模具和浇注钴、铁和镍中至少一种以及硬质相组分的低共熔体或者近低共熔体混合物。当低共熔体混合物冷却时，硬质相可以从混合物中析出以形成硬质相。这种方法对于形成滚柱牙轮和三滚柱牙轮的齿而言是有用的。
本发明的另一种方法涉及现场浇注，如上所述。该实施例的一个示例包括制备一个模具，将硬质颗粒和粘合剂的混合物加入到该模具中，并且加热该模具到高于所述粘合剂的融化温度。该方法导致了钻头主体、滚柱牙轮、及用于三椎钻头的齿的现场浇注。当预期的粘合剂渗透距离不足以在传统上充分地渗透硬质颗粒时，该方法是优选的。
硬质颗粒或者硬质相可以包括碳化物、氧化物、硼化物和氮化物中的一种或者多种，并且粘结相可以有第VIII族金属，即钴、镍和/或铁中的一种或者多种构成。硬质相的形貌可以是不规则形、等轴形或者球形颗粒、纤维、须晶、片晶、棱晶或者任何有用的形状。在特定的实施例中，本发明所用的钴、铁和镍合金可以包括添加剂，诸如硼、铬、硅、铝、铜、锰或者钌，在总量可高达20重量％的可延展的连续相。
包含的图2至图8是本发明的粘合剂的实施例的示差热分析(DifferentialThermal Analysis)(DTA)曲线。图2是包含约45％碳化钨和约55％钴(所有百分比是重量％除非另有指明)的试样在氩气气氛中，以10℃/分钟的温度升高率从900℃到1400℃的两个周期DTA结果曲线。该曲线示出合金的熔点约为1339℃。
图3是包含约45％碳化钨和约53％钴和约2％硼的试样，在氩气气氛中，以10℃/分钟的温度升高率从900℃到1300℃的两个周期DTA结果曲线。该曲线示出合金的熔点约为1151℃。较之图2中的合金的DTA而言，用硼取代约2％钴降低了图3中的合金的熔点约200℃。
图4是包含约45％碳化钨和约53％镍和约2％硼的试样，在氩气气氛中，以10℃/分钟的温度升高率从900℃到1400℃的两个周期DTA结果曲线。该曲线示出合金的熔点约为1089℃。较之图2中的合金的DTA而言，用镍取代钴降低了图3中的合金的熔点约60℃。
图5是包含约96.3％镍和约3.7％硼的试样，在氩气气氛中，以10℃/分钟的温度升高率从900℃到1200℃的两个周期DTA结果曲线。该曲线示出合金的熔点约为1100℃。
图6是包含约88.4％镍和约11.6％硅的试样，在氩气气氛中，以10℃/分钟的温度升高率从900℃到1300℃的两个周期DTA结果曲线。该曲线示出合金的熔点约为1150℃。
图7是包含约96％钴和约4％硼的试样，在氩气气氛中，以10℃/分钟的温度升高率从900℃到1200℃的两个周期DTA结果曲线。该曲线示出合金的熔点约为1100℃。
图8是包含约87.5％钴和约12.5％硅的试样，在氩气气氛中，以10℃/分钟的温度升高率从900℃到1300℃的两个周期DTA结果曲线。该曲线示出合金的熔点约为1200℃。
图9至图11示出了用本发明的方法的实施例形成的材料的形貌。图9是通过浇注这样的粘合剂而制成的材料的扫描电子显微镜(SEM)的电子显微照片，所述粘合剂基本上由钴和硼的低共熔体混合物组成，其中硼占粘合剂的约4重量％。浅色相92是Co3B而深色相91基本上是钴。钴和硼混合物在加热到约1200℃时熔化，然后在空气中冷却至室温并且固化。
图10至图12是用相同的材料制成的微结构的不同试件和不同方面的SEM电子显微照片。这种材料是通过用粘合剂渗透硬质颗粒而形成的。硬质颗粒是这样的铸造碳化钨集合体(W2C，WC)，其包括约60-65体积％的该材料。该集合体是通过粘合剂渗透的，所述粘合剂包括约96重量％的钴和4重量％的硼。渗透温度约1285℃。
图13是用包含钴和硼的粘合剂渗透大量铸造碳化物颗粒130和烧结碳化物镶块131而制成的材料的形貌。为了制造图13所示的材料，在用包含钴和硼的粘合剂渗透大量硬质铸造碳化物颗粒130之前，将直径约3/4″高度约1.5″的烧结碳化物镶块131放在模具中。从图13中可见，渗透的粘合剂和烧结碳化物粘合剂混合，形成了连续基体132，其将铸造碳化物和烧结碳化物的碳化物结合在一起。
另外，表面硬化可以附加到本发明的实施例中。表面硬化可以附加到钻头主体、滚柱牙轮、镶块滚柱牙轮和牙轮上要提高耐磨性的位置。例如，滚柱牙轮160，如图16所示，可以包括在多个齿161、尖端点162上的表面硬化。用于滚柱牙轮的钻头主体也可以包括表面硬化，诸如在围绕任意的喷嘴的区域。参照图14，钻头主体可以包括例如在喷嘴144、保径垫143和镶块袋141区域的表面硬化。典型的表面硬化材料包括处于合金钢基体内的碳化钨。
应当理解，现有的描述表明有关于清楚地理解本发明的本发明一些方面。因此对于本发明中对本领域的普通技术人员来说是明显的各特定方面，无助于更好地理解本发明，为简化本说明，这些方面没有叙述。虽然本发明的实施例已经予以说明，本领域的普通技术人员，在考虑了前述说明后，应当认识到可以采用本发明的许多改动和变形。所有的本发明的这些变形和改动应当被前述说明和附带的权利要求所覆盖。

Claims (65)

1.一种钻头主体、滚柱牙轮、镶块滚柱牙轮或者牙轮，其包括：
主体材料，其包括：
硬质颗粒，其包括碳化物、氮化物、硼化物、硅化物、氧化物以及它们的固熔体中至少一种；和
粘合剂，其中所述粘合剂包括钴、镍、铁和它们的合金中的至少一种。
2.如权利要求1所述的钻头主体、滚柱牙轮、镶块滚柱牙轮或者牙轮，其特征在于，粘合剂进一步包括至少一种降低熔点组分，其从至少一种过渡金属碳化物、硼化物、或者高达60重量％的硅化物、高达50重量％的过渡金属、高达10重量％的硼、高达20重量％的硅、高达20重量％的铬以及高达25重量％的锰中选择，其中重量％是基于粘合剂的总重量。
3.如权利要求2所述的钻头主体、滚柱牙轮、镶块滚柱牙轮或者牙轮，其特征在于，降低熔点组分是占30-60重量％的碳化钨、占30-55重量％的钨、占1.5-4重量％的碳、占1-10重量％的硼、占2-20重量％的铬和占10-25重量％的锰中的至少一种。
4.如权利要求1所述的钻头主体、滚柱牙轮、镶块滚柱牙轮或者牙轮，其特征在于，硬质颗粒是单独的单晶体、多晶体颗粒、固熔体、包括两个或者多个相的多晶颗粒，和包括粘合剂的烧结颗粒、不包括粘合剂的烧结颗粒中的至少一种。
5.如权利要求1所述的钻头主体、滚柱牙轮、镶块滚柱牙轮或者牙轮，其特征在于，硬质颗粒包括从碳化钛、碳化铬、碳化钒、碳化锆、碳化铪、碳化钽、碳化钼、碳化铌和碳化钨中选择的至少一种过渡金属碳化物。
6.如权利要求2所述的钻头主体、滚柱牙轮、镶块滚柱牙轮或者牙轮，其特征在于，降低熔点组分是在粘合剂总重量基础上在30-60重量％范围内的碳化物、硼化物和硅化物中的至少一种。
7.如权利要求2所述的钻头主体、滚柱牙轮、镶块滚柱牙轮或者牙轮，其特征在于，粘合剂包括占40-50重量％的碳化钨和占40-60重量％的铁、钴和镍中的至少一种，所有重量％基于粘合剂的总重量。
8.如权利要求7所述的钻头主体、滚柱牙轮、镶块滚柱牙轮或者牙轮，其特征在于，粘合剂包括占40-50重量％的碳化钨和占40-60重量％的钴，所有重量％基于粘合剂的总重量。
9.如权利要求8所述的钻头主体、滚柱牙轮、镶块滚柱牙轮或者牙轮，其特征在于，粘合剂进一步包括基于粘合剂的总重量占高达10重量％的硼和硅中的至少一种。
10.如权利要求2所述的钻头主体、滚柱牙轮、镶块滚柱牙轮或者牙轮，其特征在于，降低熔点组分是基于粘合剂的总重量占2-20重量％范围的硅。
11.如权利要求7所述的钻头主体、滚柱牙轮、镶块滚柱牙轮或者牙轮，其特征在于，粘合剂包括占40-50重量％的碳化钨和占40-60重量％的镍，所有重量％基于粘合剂的总重量。
12.如权利要求11所述的钻头主体、滚柱牙轮、镶块滚柱牙轮或者牙轮，其特征在于，粘合剂进一步包括基于粘合剂的总重量占高达10重量％的硼。
13.如权利要求2所述的钻头主体、滚柱牙轮、镶块滚柱牙轮或者牙轮，其特征在于，粘合剂包括基于粘合剂的总重量占至少80重量％的镍、铁和钴中的至少一种。
14.如权利要求13所述的钻头主体、滚柱牙轮、镶块滚柱牙轮或者牙轮，其特征在于，粘合剂进一步包括在基于粘合剂的总重量占高达20重量％的硅。
15.如权利要求13所述的钻头主体、滚柱牙轮、镶块滚柱牙轮或者牙轮，其特征在于，粘合剂进一步包括在基于粘合剂的总重量占高达10重量％的硼。
16.如权利要求2所述的钻头主体、滚柱牙轮、镶块滚柱牙轮或者牙轮，其特征在于，粘合剂包括占90-99重量％的镍和占1-10重量％的硼，所有重量％基于粘合剂的总重量。
17.如权利要求2所述的钻头主体、滚柱牙轮、镶块滚柱牙轮或者牙轮，其特征在于，其中粘合剂包括占90-99重量％的钴和占1-10重量％的硼，所有重量％基于粘合剂的总重量。
18.如权利要求2所述的钻头主体、滚柱牙轮、镶块滚柱牙轮或者牙轮，其特征在于，粘合剂包括在基于粘合剂的总重量占高达60重量％的降低熔点组分。
19.如权利要求18所述的钻头主体、滚柱牙轮、镶块滚柱牙轮或者牙轮，其特征在于，降低熔点组分是碳化钨、铬、硼、碳和硅中的至少一种。
20.如权利要求18所述的钻头主体、滚柱牙轮、镶块滚柱牙轮或者牙轮，其特征在于，降低熔点组分是碳化钨、硼和硅中的一种。
21.一种用于钻地钻头的钻头主体、滚柱牙轮、镶块滚柱牙轮或者牙轮，其包括：
硬质颗粒，其包括碳化物、氮化物、硼化物、硅化物、氧化物以及它们的固熔体中的至少一种；和
粘合剂，其中所述粘合剂的熔点在1050℃-1350℃范围内。
22.如权利要求21所述的钻头主体、滚柱牙轮、镶块滚柱牙轮或者牙轮，其特征在于，硬质颗粒以单独的单晶体，以多晶体颗粒，以固熔体，以包括两个或者多个相的多晶体颗粒，或者以具有或者没有粘结添加剂协助的烧结颗粒的形式存在。
23.如权利要求21所述的钻头主体、滚柱牙轮、镶块滚柱牙轮或者牙轮，其特征在于，碳化物是从碳化钛、碳化铬、碳化钒、碳化锆、碳化铪、碳化钽、碳化钼、碳化铌和碳化钨中选择的至少一种过渡金属碳化物。
24.如权利要求23所述的钻头主体、滚柱牙轮、镶块滚柱牙轮或者牙轮，其特征在于，硬质颗粒的过渡金属碳化物是碳化钨。
25.如权利要求21所述的钻头主体、滚柱牙轮、镶块滚柱牙轮或者牙轮，其特征在于，粘合剂是包括铁、钴和镍中的至少一种的合金。
26.如权利要求24所述的钻头主体、滚柱牙轮、镶块滚柱牙轮或者牙轮，其特征在于，粘合剂进一步包括从碳化钛、碳化钽、碳化铌、碳化铬、碳化钼、碳化硼、碳化碳，碳化硅，和碳化钌中选择的至少一种过渡金属碳化物。
27.如权利要求21所述的钻头主体、滚柱牙轮、镶块滚柱牙轮或者牙轮，其特征在于，粘合剂包括硅、过渡金属碳化物和硼中的至少一种。
28.，如权利要求21所述的钻头主体、滚柱牙轮、镶块滚柱牙轮或者牙轮，其特征在于，在合成物中过渡金属碳化物的浓度在30-90体积％的范围内。
29.如权利要求21所述的钻头主体、滚柱牙轮、镶块滚柱牙轮或者牙轮，其特征在于，在合成物中过渡金属碳化物的浓度在45-85体积％的范围内。
30.如权利要求20所述的钻头主体、滚柱牙轮、镶块滚柱牙轮或者牙轮，进一步包括至少一种烧结碳化物镶块。
31.如权利要求30所述的钻头主体、滚柱牙轮、镶块滚柱牙轮或者牙轮，其特征在于，烧结碳化物镶块包括至少一个切削件袋。
32.如权利要求21所述的钻头主体、滚柱牙轮、镶块滚柱牙轮或者牙轮，其特征在于，硬质颗粒包括粗晶碳化钨、低熔点碳化钨、烧结过渡金属碳化物、破碎的烧结金属碳化物中的至少一种。
33.如权利要求32所述的钻头主体、滚柱牙轮、镶块滚柱牙轮或者牙轮，其特征在于，硬质颗粒是不规则形、扁长形的、球形的中的一种或者多种形状。
34.一种钻头主体、滚柱牙轮、镶块滚柱牙轮或者牙轮，其包括：
过渡金属碳化物的硬质颗粒；和
粘合剂，其包括镍、铁和钴中的至少一种并且熔点低于1350℃。
35.如权利要求34所述的钻头主体、滚柱牙轮、镶块滚柱牙轮或者牙轮，其特征在于，过渡金属碳化物是从碳化钛、碳化铬、碳化钒、碳化锆、碳化铪、碳化钽、碳化钼、碳化铌以及碳化钨中选择的至少一种过渡金属。
36.如权利要求35所述的钻头主体、滚柱牙轮、镶块滚柱牙轮或者牙轮，其特征在于，过渡金属碳化物是碳化钨。
37.如权利要求34所述的钻头主体、滚柱牙轮、镶块滚柱牙轮或者牙轮，其特征在于，粘合剂是包括铁、钴和镍中的至少一种的合金。
38.如权利要求37所述的钻头主体、滚柱牙轮、镶块滚柱牙轮或者牙轮，其特征在于，粘合剂进一步包括过渡金属碳化物、钨、碳、硼、硅、铬、锰、银、铝、铜、锡和锌中的至少一种，其浓度要能降低镍、铁和钴中的至少一种的熔点。
39.如权利要求38所述的钻头主体、滚柱牙轮、镶块滚柱牙轮或者牙轮，其特征在于，粘合剂包括碳化钨、硼、硅、铬和锰中的至少一种。
40.如权利要求1所述的钻头主体、滚柱牙轮、镶块滚柱牙轮或者牙轮，其特征在于，粘合剂占大于合成物的20体积％。
41.如权利要求40所述的钻头主体、滚柱牙轮、镶块滚柱牙轮或者牙轮，其特征在于，粘合剂占合成物的20体积％到60体积％。
42.如权利要求40所述的钻头主体、滚柱牙轮、镶块滚柱牙轮或者牙轮，其特征在于，粘合剂占合成物的20体积％到50体积％。
43.如权利要求40所述的钻头主体、滚柱牙轮、镶块滚柱牙轮或者牙轮，其特征在于，粘合剂占合成物的25体积％到40体积％。
44.如权利要求1所述的钻头主体、滚柱牙轮、镶块滚柱牙轮或者牙轮，其特征在于，粘合剂包括过渡金属碳化物、过渡元素、碳、硼、硅、铬、锰、银、铝、铜、锡、铼、钌和锌中的至少一种。
45.如权利要求1所述的钻头主体、滚柱牙轮、镶块滚柱牙轮或者牙轮，其特征在于，粘合剂包括钴和镍中的至少一种。
46.如权利要求1所述的钻头主体、滚柱牙轮、镶块滚柱牙轮或者牙轮，其特征在于，硬质颗粒包括包含碳化物的晶体及包含钴的粘合剂。
47.一种钻头主体，包括：
主体材料，其包括硬质颗粒，其中所述硬质颗粒包括碳化物、氮化物、硅化物、氧化物和它们的固熔体中的至少一种；
粘合剂，其中所述粘合剂包括钴、镍、铁和它们的合金中的至少一种；和
合金钢的柄。
48.一种钻头主体、滚柱牙轮、镶块滚柱牙轮或者牙轮，其包括：
具有横向断裂强度大于300ksi的主体材料。
49.如权利要求48所述的钻头主体、滚柱牙轮、镶块滚柱牙轮或者牙轮，其包括：硬质颗粒，其包括碳化物、氮化物、硼化物、硅化物、氧化物以及它们的固熔体中的至少一种；和
粘合剂，其中所述粘合剂包括钴、镍、铁和它们的合金中的至少一种。
50.一种钻头主体、滚柱牙轮、镶块滚柱牙轮或者牙轮，其包括：
具有横向断裂强度大于280ksi并且杨氏模量大于50×(10)6psi的主体材料。
51.如权利要求50所述的钻头主体、滚柱牙轮、镶块滚柱牙轮或者牙轮，其包括：
硬质颗粒，其包括碳化物、氮化物、硼化物、硅化物、氧化物以及它们的固熔体中的至少一种；和
粘合剂，其中所述粘合剂包括钴、镍、铁和它们的合金中的至少一种。
52.如权利要求51所述的钻头主体、滚柱牙轮、镶块滚柱牙轮或者牙轮，其包括：
具有杨氏模量大于60×106psi的主体材料.
53.如权利要求52所述的钻头主体、滚柱牙轮、镶块滚柱牙轮或者牙轮，其包括：
硬质颗粒，其包括碳化物、氮化物、硼化物、硅化物、氧化物以及它们的固熔体中的至少一种；和
粘合剂，其中所述粘合剂包括钴、镍、铁和它们的合金中的至少一种。
54.一种钻头主体、滚柱牙轮、镶块滚柱牙轮或者牙轮，其包括：
具有在10×106次循环后的抗疲劳性大于85ksi的主体材料。
55.如权利要求54所述的钻头主体、滚柱牙轮、镶块滚柱牙轮或者牙轮，其包括：
硬质颗粒，其包括碳化物、氮化物、硼化物、硅化物、氧化物以及它们的固熔体中的至少一种；和
粘合剂，其中所述粘合剂包括钴、镍、铁和它们的合金中的至少一种。
56.一种钻头主体、滚柱牙轮、镶块滚柱牙轮或者牙轮，其包括：
具有抗疲劳性大于50ksi并且模量大于55×(10)6psi的主体材料。
57.如权利要求56所述的钻头主体、滚柱牙轮、镶块滚柱牙轮或者牙轮，其包括：
硬质颗粒，其包括碳化物、氮化物、硼化物、硅化物、氧化物以及它们的固熔体中的至少一种；和
粘合剂，其中所述粘合剂包括钴、镍、铁和它们的合金中的至少一种。
58.如权利要求1所述的钻头主体、滚柱牙轮、镶块滚柱牙轮或者牙轮，其包括至少两个具有不同合成物的区域。
59.如权利要求58所述的钻头主体、滚柱牙轮、镶块滚柱牙轮或者牙轮，其特征在于，一个区域具有高于至少另一个区域的韧性。
60.如权利要求59所述的钻头主体、滚柱牙轮、镶块滚柱牙轮或者牙轮，其特征在于，韧性提高的区域是刀片的内部区域、滚柱牙轮的内部区域、杆的一部分和一围绕杆的区域中的至少一个。
61.如权利要求58所述的钻头主体、滚柱牙轮、镶块滚柱牙轮或者牙轮，其特征在于，一个区域具有高于至少另一个区域的耐磨性。
62.如权利要求61所述的钻头主体、滚柱牙轮、镶块滚柱牙轮或者牙轮，其特征在于，具有较高的耐磨性的区域是镶块袋区域、保径垫区域、滚柱牙轮刀片区域以及冠部外侧中的至少一个。
63.如权利要求1所述的钻头主体、滚柱牙轮、镶块滚柱牙轮或者牙轮，其特征在于，硬质颗粒占大于钻头主体、滚柱牙轮、镶块滚柱牙轮或者牙轮的50体积％。
64.如权利要求63所述的钻头主体、滚柱牙轮、镶块滚柱牙轮或者牙轮，其特征在于，硬质颗粒占钻头主体、滚柱牙轮、镶块滚柱牙轮或者牙轮体积％介于60％至80％之间。
65.如权利要求1所述的钻头主体、滚柱牙轮、镶块滚柱牙轮或者牙轮，其特征在于，粘合剂占钻头主体、滚柱牙轮、镶块滚柱牙轮或者牙轮的体积％介于20％至35％之间。
CN 200580019693 2004-04-28 2005-04-28 钻地钻头 Pending CN101198762A (zh)

Applications Claiming Priority (3)

Application Number Priority Date Filing Date Title
US56606304P 2004-04-28 2004-04-28
US60/566,063 2004-04-28
US10/848,437 2004-05-18

Publications (1)

Publication Number Publication Date
CN101198762A true CN101198762A (zh) 2008-06-11

Family

ID=39548370

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN 200580019693 Pending CN101198762A (zh) 2004-04-28 2005-04-28 钻地钻头

Country Status (3)

Country Link
CN (1) CN101198762A (zh)
UA (1) UA93350C2 (zh)
ZA (1) ZA200608656B (zh)

Cited By (23)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN103409677A (zh) * 2013-08-05 2013-11-27 成都工业学院 一种锚杆钻头的制备方法
CN103526100A (zh) * 2013-09-27 2014-01-22 无锡阳工机械制造有限公司 一种超硬度合金钻头及其制备工艺
CN103691961A (zh) * 2014-01-01 2014-04-02 苍山县得力石膏有限公司 一种用于采矿的合金钻头
CN103917733A (zh) * 2011-10-25 2014-07-09 长年Tm公司 高强度、高硬度结合剂和使用这些结合剂所形成的钻孔工具
CN102187048B (zh) * 2008-08-22 2015-04-29 肯纳金属公司 包括硬质合金的钻地钻头和其它零件
CN105002414A (zh) * 2015-08-05 2015-10-28 启东市佳宝金属制品有限公司 耐高温合金
CN105018819A (zh) * 2015-08-05 2015-11-04 启东市佳宝金属制品有限公司 轻质合金
CN105189908A (zh) * 2013-03-01 2015-12-23 贝克休斯公司 包括钌的硬面组合物、具有这样的硬面的钻地工具及相关方法
CN105328588A (zh) * 2011-02-09 2016-02-17 长年Tm公司 耐磨损的工具、形成耐磨工具的方法及耐磨钻井工具
CN105618736A (zh) * 2016-02-21 2016-06-01 刘辉 一种扩孔钻头
CN105798285A (zh) * 2015-01-16 2016-07-27 钴碳化钨硬质合金公司 可流动复合粒子和熔渗制品及其制备方法
CN106077610A (zh) * 2016-06-17 2016-11-09 广东省材料与加工研究所 一种钻头胎体用冶金粉
CN106834809A (zh) * 2015-12-04 2017-06-13 南京理工大学 一种以钴基合金作为粘结相的高性能硬质合金
WO2017096748A1 (en) * 2015-12-07 2017-06-15 Seed Technologies Corp., Ltd. Metal matrix compositions and methods for manufacturing same
CN107475645A (zh) * 2017-09-14 2017-12-15 张家港钻通设备有限公司 一种双主轴卧式数控机床加工用深孔钻
CN108728718A (zh) * 2018-06-25 2018-11-02 阜南县奋进机械制造有限公司 一种适用于软硬交错地层的钻头
CN109055847A (zh) * 2018-10-25 2018-12-21 湖南山力泰机电科技有限公司 一种基于碳化钨应用的钨合金材料
CN109518058A (zh) * 2018-12-06 2019-03-26 宇龙精机科技（浙江）有限公司 一种深孔钻钻头硬质合金及其制备方法
CN110229989A (zh) * 2019-05-09 2019-09-13 陕西理工大学 一种多元硬质合金及其制备方法
CN111687405A (zh) * 2019-03-16 2020-09-22 北京京泰金刚石制品有限公司 一种金刚石钻头胎体粉末及制造金刚石钻头的方法
CN111826569A (zh) * 2020-07-21 2020-10-27 广东正信硬质材料技术研发有限公司 一种耐磨高硬度硬质合金钻具及其制备方法
US11213932B2 (en) 2017-08-04 2022-01-04 Bly Ip Inc. Diamond bodies and tools for gripping drill rods
US11313176B2 (en) 2017-10-31 2022-04-26 Schlumberger Technology Corporation Metal matrix composite material for additive manufacturing of downhole tools

Cited By (32)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN102187048B (zh) * 2008-08-22 2015-04-29 肯纳金属公司 包括硬质合金的钻地钻头和其它零件
CN105328588B (zh) * 2011-02-09 2018-06-19 长年Tm公司 耐磨损的工具、形成耐磨工具的方法及耐磨钻井工具
CN105328588A (zh) * 2011-02-09 2016-02-17 长年Tm公司 耐磨损的工具、形成耐磨工具的方法及耐磨钻井工具
CN103917733A (zh) * 2011-10-25 2014-07-09 长年Tm公司 高强度、高硬度结合剂和使用这些结合剂所形成的钻孔工具
CN103917733B (zh) * 2011-10-25 2016-01-20 长年Tm公司 用于浸润硬质微粒材料以形成钻孔工具的高硬度结合剂、钻孔工具的主体以及用于形成具有增加的耐磨性的钻孔工具的方法
US9446503B2 (en) 2011-10-25 2016-09-20 Longyear Tm, Inc. High-strength, high-hardness binders and drilling tools formed using the same
CN105189908A (zh) * 2013-03-01 2015-12-23 贝克休斯公司 包括钌的硬面组合物、具有这样的硬面的钻地工具及相关方法
CN103409677A (zh) * 2013-08-05 2013-11-27 成都工业学院 一种锚杆钻头的制备方法
CN103526100A (zh) * 2013-09-27 2014-01-22 无锡阳工机械制造有限公司 一种超硬度合金钻头及其制备工艺
CN103691961A (zh) * 2014-01-01 2014-04-02 苍山县得力石膏有限公司 一种用于采矿的合金钻头
CN105798285B (zh) * 2015-01-16 2021-01-15 钴碳化钨硬质合金公司 可流动复合粒子和熔渗制品及其制备方法
CN105798285A (zh) * 2015-01-16 2016-07-27 钴碳化钨硬质合金公司 可流动复合粒子和熔渗制品及其制备方法
CN105002414A (zh) * 2015-08-05 2015-10-28 启东市佳宝金属制品有限公司 耐高温合金
CN105018819A (zh) * 2015-08-05 2015-11-04 启东市佳宝金属制品有限公司 轻质合金
CN106834809A (zh) * 2015-12-04 2017-06-13 南京理工大学 一种以钴基合金作为粘结相的高性能硬质合金
CN107107195A (zh) * 2015-12-07 2017-08-29 西迪技术股份有限公司 金属基体组合物及其制造方法
US10941619B2 (en) 2015-12-07 2021-03-09 Seed Technologies Corp., Ltd. Metal matrix compositions and methods for manufacturing same
CN107107195B (zh) * 2015-12-07 2019-08-02 西迪技术股份有限公司 金属基组合物及其制造方法
WO2017096748A1 (en) * 2015-12-07 2017-06-15 Seed Technologies Corp., Ltd. Metal matrix compositions and methods for manufacturing same
CN105618736A (zh) * 2016-02-21 2016-06-01 刘辉 一种扩孔钻头
CN106077610A (zh) * 2016-06-17 2016-11-09 广东省材料与加工研究所 一种钻头胎体用冶金粉
US11213932B2 (en) 2017-08-04 2022-01-04 Bly Ip Inc. Diamond bodies and tools for gripping drill rods
CN107475645A (zh) * 2017-09-14 2017-12-15 张家港钻通设备有限公司 一种双主轴卧式数控机床加工用深孔钻
US11313176B2 (en) 2017-10-31 2022-04-26 Schlumberger Technology Corporation Metal matrix composite material for additive manufacturing of downhole tools
CN108728718A (zh) * 2018-06-25 2018-11-02 阜南县奋进机械制造有限公司 一种适用于软硬交错地层的钻头
CN109055847A (zh) * 2018-10-25 2018-12-21 湖南山力泰机电科技有限公司 一种基于碳化钨应用的钨合金材料
CN109518058A (zh) * 2018-12-06 2019-03-26 宇龙精机科技（浙江）有限公司 一种深孔钻钻头硬质合金及其制备方法
CN111687405A (zh) * 2019-03-16 2020-09-22 北京京泰金刚石制品有限公司 一种金刚石钻头胎体粉末及制造金刚石钻头的方法
CN111687405B (zh) * 2019-03-16 2022-05-17 北京京泰金刚石制品有限公司 一种金刚石钻头胎体粉末及制造金刚石钻头的方法
CN110229989B (zh) * 2019-05-09 2021-04-23 陕西理工大学 一种多元硬质合金及其制备方法
CN110229989A (zh) * 2019-05-09 2019-09-13 陕西理工大学 一种多元硬质合金及其制备方法
CN111826569A (zh) * 2020-07-21 2020-10-27 广东正信硬质材料技术研发有限公司 一种耐磨高硬度硬质合金钻具及其制备方法

Also Published As

Publication number Publication date
ZA200608656B (en) 2009-04-29
UA93350C2 (en) 2011-02-10

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CN101198762A (zh) 钻地钻头
JP4884374B2 (ja) 地面穿孔用ビット
US8109177B2 (en) Bit body formed of multiple matrix materials and method for making the same
US20080101977A1 (en) Sintered bodies for earth-boring rotary drill bits and methods of forming the same
CN102149896B (zh) 包括混合硬质合金的钻地钻头零件及其制造方法
US5662183A (en) High strength matrix material for PDC drag bits
US8459380B2 (en) Earth-boring bits and other parts including cemented carbide
US8925422B2 (en) Method of manufacturing a drill bit
US20160333643A1 (en) Earth-boring tools and methods of forming tools including hard particles in a binder

Legal Events

Date Code Title Description
C06 Publication
PB01 Publication
C10 Entry into substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
C02 Deemed withdrawal of patent application after publication (patent law 2001)
WD01 Invention patent application deemed withdrawn after publication

Application publication date: 20080611