專利名稱：增強具有碳化物材料的鉆頭的耐用性的系統(tǒng)、方法和裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本申請一般地涉及一種鉆頭，尤其涉及一種利用碳化物材料增強 鉆頭耐用性的改進的系統(tǒng)、方法和裝置。
背景技術(shù)：
通常，鉆頭包括整體式鉆頭體，所述鉆頭體可由鋼形成或由硬質(zhì) 基體材料(如碳化鵠)制成。在一'種類型的鉆頭中，多個金剛石刀具
裝置沿著鉆頭體的外表面安裝。每一金剛石刀具通常具有支承塊部分
(stud portion),所述支承塊部分安裝在鉆頭體外表面上的凹槽內(nèi)。 根據(jù)鉆頭體的設(shè)計和所用金剛石的類型，在形成鉆頭體之前將所述刀 具定位在模具內(nèi)，或者在制成鉆頭體之后將刀具緊固到鉆頭體上。
切削元件沿著鉆頭體的前緣定位，以便當(dāng)鉆頭體沿其預(yù)期使用方 向旋轉(zhuǎn)時，所述切削元件與地層接合并鉆進地層。在使用時，巨大的 力被施加在切削元件上，特別是沿從前到后的方向。此外，所述鉆頭 和切削元件受到很大的磨削力。在一些情況下，沖擊力、側(cè)向力和/ 或磨削力已經(jīng)使鉆頭毀壞和刀具丟失。
雖然鋼體鉆頭具有強韌和耐用的性質(zhì)，這種性質(zhì)可使所述鉆頭能 夠抵抗由鉆井期間所產(chǎn)生的沖擊力所導(dǎo)致的破裂和毀壞，但是，由于 鉆井期間的磨削力(如高速鉆井液產(chǎn)生的磨削力)，鋼易于被快速腐蝕。 一般來說，利用包含諸如碳化鴿的更加耐腐蝕的材料對鋼體鉆頭進行 表面硬化處理，以便提高它們的耐腐蝕性。然而，碳化鴒和其它耐腐 蝕材料是易碎的。在使用期間，較薄的表面硬化覆層可破裂和剝落， 從而露出較軟的鋼體，進而所述鋼體被快速腐蝕。這會導(dǎo)致在刀具周 圍的區(qū)域被腐蝕掉時刀具的丟失，并最終導(dǎo)致所述鉆頭的毀壞。
碳化鵠或其它硬質(zhì)金屬基體鉆頭具有高耐腐蝕性的優(yōu)點。通常通過將碳化鵠粉末充填在石墨模具內(nèi)并再使熔化的銅合金粘合劑滲入所
述粉末，這樣就形成了基體鉆頭(matrix bit )。在所述模具內(nèi)具有鋼 坯(steel blank),所述鋼坯固連到所述基體上。之后可將所述鋼坯的 端部焊接或以其它方式固連到鉆頭上部螺紋體部分上。
然而，這種碳化鴒或其它硬質(zhì)金屬基體鉆頭是易碎的，并且在鉆 井期間遇到?jīng)_擊力時可破裂。此外，由制造鉆頭期間或鉆井期間產(chǎn)生 的熱量而產(chǎn)生的熱應(yīng)力可形成裂紋。通常，這些裂紋會出現(xiàn)在刀具元 件固連到基體上的地方。如果刀具元件被從鉆頭體上剪切掉，刀具元 件上的昂貴金剛石就會失掉，并且所述鉆頭就可能停止鉆進。此外， 與作為制造材料的鋼相比，碳化鎢是非常昂貴的。
因此，需要一種鉆頭，其具有強韌性、耐用性、鋼的沖擊強度、 碳化鵠或外表面上的其它硬質(zhì)金屬的硬度和耐腐蝕性，但是，不會出 現(xiàn)如現(xiàn)有技術(shù)鋼體和硬質(zhì)金屬基體鉆頭所具有的問題。還需要一種具 有低總成本的耐腐蝕鉆頭。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明公開了利用碳化物材料增強鉆頭耐用性的系統(tǒng)、方法和裝 置的一個實施例。鉆頭具有包括切削部件的鉆頭體，所述鉆頭包括由 粘合劑和碳化鴒晶體形成的復(fù)合材料。在一個實施例中，所述晶體大 體為扁球體狀，平均粒度尺寸約在0.5到8微米的范圍內(nèi)。在一個實 施例中，所述粒度分布的特征在于具有約0.25到約0.50微米標(biāo)準(zhǔn)偏差 的高斯(Gauusian)分布。所述復(fù)合材料可用作鉆頭體上的表面硬化 部件，或者用于形成部分或全部鉆頭和/或其部件。
在一個實施例中，所述碳化鴒復(fù)合材料包括燒結(jié)的扁球體球粒。 所述球?？捎蓡螛邮交蚨鄻邮匠叽绶植嫉木w形成。本發(fā)明非常適用 于多種不同類型的鉆頭，包括例如具有PDC刀具(所述刀具具有由所 述復(fù)合材料形成的基底)的鉆頭體、具有基體頭的鉆頭體、滾錐牙輪 鉆頭以及具有銑齒的鉆頭。
根據(jù)下面對本發(fā)明的詳細(xì)描述，并結(jié)合所附權(quán)利要求書和附圖，本領(lǐng)域技術(shù)人員可以很容易地理解本發(fā)明的前述和其它目的與優(yōu)點。


為了獲得和更詳盡地理解本發(fā)明的特征和優(yōu)點，以及顯而易見的 其它方面，結(jié)合附圖所示的實施例對上面所簡要描述的本發(fā)明進行更 多特定描述，所述附圖構(gòu)成本說明書的一部分。然而，應(yīng)當(dāng)指出地是， 所述附圖僅僅示出了本發(fā)明的實施例，因此不能將其認(rèn)為是對本發(fā)明 范圍的限制，本發(fā)明允許具有其它等效實施例。
圖1為根據(jù)本發(fā)明構(gòu)造的單樣式碳化物晶體的一個實施例的示意
圖2為由圖1所示碳化物晶體形成的球粒的一個實施例的示意性 側(cè)視圖，所述球粒是根據(jù)本發(fā)明構(gòu)造的；
圖3為由不同尺寸的圖1所示碳化物晶體所形成的雙樣式球粒的 一個實施例的示意性側(cè)視圖，所述球粒是根據(jù)本發(fā)明構(gòu)造的；
圖4為由不同尺寸的圖1所示碳化物晶體所形成的三樣式球粒的 一個實施例的示意性側(cè)視圖，所述球粒是根據(jù)本發(fā)明構(gòu)造的；
圖5為根據(jù)本發(fā)明構(gòu)造的碳化物晶體的各個實施例樣品與常規(guī)晶
體樣品相比較的尺寸分布曲線；
圖6為根據(jù)本發(fā)明構(gòu)造的復(fù)合材料的各個實施例樣品與常規(guī)復(fù)合 材料樣品相比較的硬度和韌度曲線；
圖7為由大塊壓碎、燒結(jié)的碳化物晶體基復(fù)合材料形成的不規(guī)則 形狀顆粒的一個實施例的示意性側(cè)視圖，所述顆粒是根據(jù)本發(fā)明構(gòu)造
的；
圖8為鉆頭聚晶金剛石(PCD)刀具的一個實施例的局部剖視側(cè) 視圖，所述刀具包括根據(jù)本發(fā)明構(gòu)造的碳化物晶體；
圖9為具有基體頭的鉆頭的一個實施例的局部剖視側(cè)視圖，所述 基體頭包括根據(jù)本發(fā)明構(gòu)造的碳化物晶體；
圖IO為滾錐牙輪鉆頭的一個實施例的等角視圖，所述滾錐牙輪鉆 頭包含根據(jù)本發(fā)明構(gòu)造的碳化物晶體；圖ll為聚晶金剛石鉆頭的一個實施例的等角視圖，所述聚晶金剛
石鉆頭包含根據(jù)本發(fā)明構(gòu)造的碳化物晶體； 圖12為常規(guī)復(fù)合材料的顯微照片；
圖13為根據(jù)本發(fā)明構(gòu)造的復(fù)合材料的一個實施例的顯微照片；
圖14為鉆頭的另一實施例的等角視圖，所述鉆頭包括根據(jù)本發(fā)明
構(gòu)造的復(fù)合材料。
具體實施例方式
參看圖1，按照本發(fā)明構(gòu)造的碳化物晶體21的一個實施例以簡化
的圓形形式被顯示。在所示的實施例中，根據(jù)應(yīng)用，晶體21由碳化鴒 (WC)形成并具有約0.5到8微米的平均粒度范圍。術(shù)語"平均粒度" 指的是顆粒的平均直徑，所述顆粒的形狀稍微呈不規(guī)則形狀。
現(xiàn)在參看圖2，晶體21的一個實施例被顯示為形成燒結(jié)的扁球體 球粒41。無論是晶體21還是球粒41都不是成比例繪制的，僅僅為了 參考的目的，它們以簡化的形式示出。本發(fā)明不應(yīng)當(dāng)由于這些描述而 被解釋或受限制。例如，其它可能的形狀包括細(xì)長的或橢圓的圓形結(jié) 構(gòu)等。
球粒41適于用在例如用于鉆頭的表面硬化中。球粒41由處于粘 合劑43中的多個晶體21形成，所述粘合劑諸如合金粘合劑、過渡元 素粘合劑和本領(lǐng)域公知的其它類型的粘合劑。在一個實施例中，在表 面硬化應(yīng)用中可使用鈷，并且鈷約為粘合劑總組分的6%到8%。在其 它實施例中，約4%到約10%的鈷更適于一些應(yīng)用。在其它應(yīng)用中， 如利用本發(fā)明的復(fù)合材料來形成鉆頭的結(jié)構(gòu)部件(如鉆頭體、切削結(jié) 構(gòu)等)，鈷的范圍例如為15%到30%的鈷。
本發(fā)明的替換實施例包括所述晶體的多樣式分布。例如，圖3示 出了雙樣式球粒51，所述球粒51包含了處于粘合劑43中的晶體21 的扁球狀碳化物集合體，所述晶體21具有兩種截然不同的尺寸(即大 晶體21a和小晶體21b)。在一個實施例中，晶體21a、 21b的尺寸比 約為7:1，并提供了碳化物含量約為88%的球粒51。例如，大晶體21a的平均尺寸￡8微米，并且小晶體21b的平均尺寸約為l微米。兩種晶 體21a，21b展示出與這里所述的晶體21具有相同的性質(zhì)和特征。這種 設(shè)計允許降低粘合劑的含量，而不會犧牲斷裂韌度。
在另一實施例中(圖4)， 一種三樣式球粒61包含了處于粘合劑 43中的三種不同尺寸的晶體21 (即大晶體21a、中晶體21b和小晶體 21c)。在一種型式中，晶體21a、 21b、 21c的尺寸比約為35:7:1，并 提供了碳化物含量大于90%的球粒61。例如，大晶體21a的平均尺寸 S8微米，中晶體21b的平均尺寸約為l微米，小晶體21c的平均尺寸 約為0.03微米。所有的晶體21a、 21b、 21c展示出與這里所描述的其 它實施例相同的性質(zhì)和特征。另外，附圖1-4中所描繪的圖僅僅是示 例性的，并且為了易于參看和理解，附圖l-4被大大簡化。這些描繪 并不意圖按照比例繪制以示出實際幾何尺寸，或者以其它方式示出本 發(fā)明的任何特定特征。
在另外的實施例中，本發(fā)明包括具有硬相部分(hard phase component)(如澆鑄碳化鴒球粒、燒結(jié)碳化鴒球粒等)的表面硬化材 料，所述硬相部分通過金屬基體(如鐵或鎳)而保持在一起。所述硬 相部分包括這里所述的至少 一些碳化鴒晶體和粘合劑。
現(xiàn)在參看圖7，本發(fā)明的另一實施例被示為顆粒71。與前述的實 施例類似，顆粒71包括處于粘合劑43中的多個晶體21。然而，顆粒 71是這樣產(chǎn)生的形成(任意實施例的)晶體21與粘合劑43的大塊 復(fù)合物(例如坯塊)，燒結(jié)所述大塊復(fù)合物，然后將所述大塊復(fù)合物壓 碎以形成顆粒71。如圖7所示，壓碎的顆粒71含有多個晶體21，并 具有不規(guī)則的形狀，而且是不均勻的。然后按照尺寸對顆粒71進行篩 選，以用于諸如這里所描述的選定應(yīng)用。
使圖2-4和13中的復(fù)合材料(總體地用圖13中的標(biāo)記22指代) 與具有圖12所示碳化物晶體的常規(guī)復(fù)合材料23相比，圖13中的復(fù)合 材料22大體為扁球體，具有更圓的輪廓，沒有棱角結(jié)構(gòu)(如尖銳轉(zhuǎn)角 或邊緣)。相反，圖12中的常規(guī)復(fù)合材料23不是很圓，并具有很多更 尖銳和/或鋸齒形的轉(zhuǎn)角和邊緣。此外，圖13中的復(fù)合材料22是成批形成的，其比圖12中的常規(guī) 復(fù)合材料23具有更緊湊的尺寸分布。因此，復(fù)合材料22在尺寸上比 常規(guī)復(fù)合材料23更加均勻。如圖5所示，晶體21的典型分布曲線25 具有較為狹窄的高斯分布特征，而常規(guī)晶體的典型分布曲線27具有對 數(shù)正態(tài)特征(即當(dāng)以對數(shù)比例進行繪制時為正態(tài)分布)。例如，對于5 微米的平均目標(biāo)粒度來說，晶體21的標(biāo)準(zhǔn)偏差約為0.25到0.50微米。 相反，對于5微米的平均目標(biāo)粒度來說，常規(guī)晶體的標(biāo)準(zhǔn)偏差約為2 到3微米。
包括晶體21的本發(fā)明的復(fù)合材料具有高于常規(guī)材料的顯著改進 性能。例如，所述復(fù)合材料比現(xiàn)有的材料更加堅固(例如耐磨性)和 更強韌。如圖6所示，與用于常規(guī)復(fù)合材料的曲線33相比，用于本發(fā) 明復(fù)合材料的曲線31描述了在給定韌度的情況下，其具有更大的硬 度，反之亦然。在一個實施例中，本發(fā)明的復(fù)合材料的耐磨性比具有 相等韌度的常規(guī)碳化物材料高70% ，在斷裂韌度上比具有相等硬度的 常規(guī)碳化物材料高50%。
本發(fā)明具有許多應(yīng)用，每一種應(yīng)用都可使用這里所述的任一實施 例。例如，圖8描繪了鉆頭聚晶金剛石(PDC)刀具81，所述刀具81 含有基底83，基底83由前述的本發(fā)明的復(fù)合材料形成，并且具有形 成在其上的金剛石層85。刀具81可被安裝到例如鉆頭111的鉆頭體 115上(圖11)?？商鎿Q地或組合地是，PCD鉆頭111可使用本發(fā)明的 復(fù)合材料，以便用作鉆頭111上表面硬化部件113，或者用作用于形 成部分或整個鉆頭體115的材料，例如切削結(jié)構(gòu)。在另一可替換的實 施例中(圖14)，部分或全部切削結(jié)構(gòu)116 (如鉆頭齒、牙輪等)可包 含本發(fā)明的復(fù)合材料。
在又一實施例中，圖9示出了具有基體頭(matrix head) 93的鉆 頭91，該基體頭93結(jié)合了本發(fā)明的復(fù)合材料。圖10示出了結(jié)合本發(fā) 明的復(fù)合材料的滾錐牙輪鉆頭101,所述復(fù)合材料用作部分鉆頭體105 或切削結(jié)構(gòu)(如鑲塊106)上、整個鉆頭體105或切削結(jié)構(gòu)(包括如 牙輪支承體108 )上的表面硬化部件103，或者用作用于形成部分或整個鉆頭體105或切削結(jié)構(gòu)的材料。具有銑齒的鉆頭還可適用于本發(fā)明。 例如，這些應(yīng)用可包括表面硬化齒、鉆頭體部分，或利用本發(fā)明的復(fù) 合材料制造整個鉆頭體結(jié)構(gòu)。
盡管僅以一些形式對本發(fā)明進行了顯示和描述，但是本領(lǐng)域的技 術(shù)人員應(yīng)當(dāng)理解，其不是限制性的，而是可以在不脫離本發(fā)明范圍的 情況下對其做出各種變化。
權(quán)利要求
1. 一種鉆頭，包括:具有切削部件的鉆頭體；和由復(fù)合材料形成的所述鉆頭的至少一部分，所述復(fù)合材料包括碳化鎢晶體和粘合劑，所述晶體大體具有扁球體形狀以及特征為高斯分布的尺寸分布。
2、 如權(quán)利要求l所述的鉆頭，其特征在于所述鉆頭的所述至少 一部分為鉆頭上的表面硬化部件，并且所述晶體的平均粒度約在0.5 到8微米的范圍內(nèi)。
3、 如權(quán)利要求l所述的鉆頭，其特征在于所述粘合劑為合金粘 合劑、過渡元素粘合劑以及含有約6%到8%鈷的鈷合金中的一種。
4、 如權(quán)利要求l所述的鉆頭，其特征在于所述復(fù)合材料包括雙 樣式燒結(jié)扁球體球粒，所述球粒包含兩種不同尺寸晶體的集合體，所 述兩種不同尺寸的晶體具有約為7:1的尺寸比，并且提供了碳化鴒含 量約為88%的復(fù)合材料，較大尺寸的晶體的平均尺寸58微米，較小尺 寸的晶體的平均尺寸約為l微米。
5、 如權(quán)利要求l所述的鉆頭，其特征在于所述復(fù)合材料包括三 樣式燒結(jié)扁球體球粒，所述球粒包含三種不同尺寸的晶體的集合體， 所述三種不同尺寸的晶體具有約為35:7:1的尺寸比，并且提供了碳化 物含量高于90%的復(fù)合材料，最大尺寸的晶體的平均尺寸￡8微米，中 等尺寸的晶體的平均尺寸約為l微米，最小尺寸的晶體的平均尺寸約 為0.03微米。
6、 如權(quán)利要求l所述的鉆頭，其特征在于所述切削部件包括具 有基底的聚晶金剛石刀具，所述基底上形成有金剛石層，所述鉆頭的 所述至少一部分包括基底、鉆頭上的表面硬化部件以及用于形成所述 鉆頭的至少一部分的材料中的一種。
7、 如權(quán)利要求1所述的鉆頭，其特征在于所述鉆頭包括基體頭， 所述基體頭至少部分地由所述復(fù)合材料形成。
8、 如權(quán)利要求l所述的鉆頭，其特征在于所述鉆頭包括滾錐牙 輪鉆頭，所述鉆頭的所述至少一部分包括鉆頭體上的表面硬化部件以 及用于形成所述鉆頭的至少一部分的材料中的一種。
9、 如權(quán)利要求l所述的鉆頭，其特征在于所述切削部件包括銑 齒，所述鉆頭的所述至少一部分包括銑齒上的表面硬化部件、所述鉆 頭體的一部分以及用于形成所述鉆頭的至少一部分的材料中的一種。
10、 一種鉆頭，包括 具有切削部件的鉆頭體；和鉆頭上的表面硬化部件，其包括具有碳化鴒晶體和粘合劑的復(fù)合 材料，所述晶體大體具有扁球體形狀，并且所述晶體的平均粒度約在 0.5到8微米的范圍內(nèi)，其粒度分布的特征在于具有約0.25到約0.50 微米標(biāo)準(zhǔn)偏差的高斯分布。
11、 如權(quán)利要求10所述的鉆頭，其特征在于所述復(fù)合材料包括 雙樣式燒結(jié)扁球體球粒，所述球粒包含兩種不同尺寸的晶體的集合體， 所述兩種不同尺寸的晶體的尺寸比約為7:1，并且提供了碳化鴒含量 約為88%的復(fù)合材料，較大尺寸的晶體的平均尺寸￡8微米，較小尺寸 的晶體的平均尺寸約為l微米。
12、 如權(quán)利要求10所述的鉆頭，其特征在于所述復(fù)合材料包括 三樣式燒結(jié)扁球體球粒，所述球粒包含三種不同尺寸的晶體的集合體， 所述三種不同尺寸的晶體的尺寸比約為35:7:1，并且提供了碳化物含 量高于90%的復(fù)合材料，最大尺寸的晶體的平均尺寸^8微米，中等尺 寸的晶體的平均尺寸約為1微米，最小尺寸的晶體的平均尺寸約為 0.03微米。
13、 如權(quán)利要求10所述的鉆頭，其特征在于所述切削部件包括 具有基底的聚晶金剛石刀具，所述基底上形成有金剛石層，所述基底 包括所述復(fù)合材料。
14、 如權(quán)利要求10所述的鉆頭，其特征在于所述鉆頭包括基體 頭，所述基體頭包括所述復(fù)合材料，并且所述粘合劑為合金粘合劑、 過渡元素粘合劑以及含有約6%到8%鈷的鈷合金中的一種。
15、 如權(quán)利要求10所述的鉆頭，其特征在于所述鉆頭包括滾錐 牙輪鉆頭，所述復(fù)合材料形成所述鉆頭的至少一部分。
16、 如權(quán)利要求IO所述的鉆頭，其特征在于所述切削部件包括 具有表面硬化部件的銑齒，所述復(fù)合材料形成所述鉆頭的至少一部分。
17、 一種復(fù)合材料，其包括碳化鴒晶體和粘合劑，所述晶體大體具有扁球體形狀，并且所述 晶體的平均粒度約在0.5到8微米的范圍內(nèi)，其粒度分布的特征在于 具有約0.25到約0.50微米標(biāo)準(zhǔn)偏差的高斯分布。
18、 如權(quán)利要求17所述的復(fù)合材料，其特征在于所述粘合劑為 合金粘合劑、過渡元素粘合劑以及含有約6%到8%鈷的鈷合金中的一 種。
19、 如權(quán)利要求17所述的復(fù)合材料，其特征在于所述復(fù)合材料 包括雙樣式燒結(jié)扁球體球粒，所述球粒包含兩種不同尺寸的晶體的集 合體，所述兩種不同尺寸的晶體的尺寸比約為7:1，并且提供了碳化 鎢含量約為88%的復(fù)合材料，較大尺寸的晶體的平均尺寸S8微米，較 小尺寸的晶體的平均尺寸約為l微米。
20、 如權(quán)利要求17所述的復(fù)合材料，其特征在于所述復(fù)合材料 包括三樣式燒結(jié)扁球體球粒，所述球粒包含三種不同尺寸的晶體的集 合體，所述三種不同尺寸的晶體的尺寸比約為35:7:1，并且提供了碳 化物含量高于90%的復(fù)合材料，最大尺寸的晶體的平均尺寸^8微米， 中等尺寸的晶體的平均尺寸約為l微米，最小尺寸的晶體的平均尺寸 約為0.03微米。
21、 一種用于鉆頭的表面硬化材料，所述表面硬化材料包括通過金屬基體保持在一起的硬相部分，所述硬相部分包括碳化鎢 晶體和粘合劑，所述晶體大體具有扁球體形狀，并且所述晶體的平均粒度約在0.5到8微米的范圍內(nèi)，其粒度分布的特征在于具有約0.25 到約0.50微米標(biāo)準(zhǔn)偏差的高斯分布。
22、 如權(quán)利要求21所述的表面硬化材料，其特征在于所述硬相 部分包括澆鑄碳化鎢球粒和燒結(jié)碳化鵠球粒中的至少 一種。
23、 如權(quán)利要求21所述的表面硬化材料，其特征在于所述金屬 基體為鐵和鎳中的一種。
24、 如權(quán)利要求21所述的表面硬化材料，其特征在于所述粘合 劑為合金粘合劑、過渡元素粘合劑以及含有約6%到8%鈷的鈷合金中 的一種。
25、 如權(quán)利要求21所述的復(fù)合材料，其特征在于所述復(fù)合材料 包括雙樣式燒結(jié)扁球體球粒，所述球粒包含兩種不同尺寸的晶體的集 合體，所述兩種不同尺寸的晶體的尺寸比約為7:1，并且提供了碳化 鎢含量約為88%的復(fù)合材料，較大尺寸的晶體的平均尺寸^8微米，較 小尺寸的晶體的平均尺寸約為l微米。
26、 如權(quán)利要求21所述的復(fù)合材料，其特征在于所述復(fù)合材料 包括三樣式燒結(jié)扁球體球粒，所述球粒包含三種不同尺寸的晶體的集 合體，所述三種不同尺寸的晶體的尺寸比約為35:7:1，并且提供了碳 化物含量高于90%的復(fù)合材料，最大尺寸的晶體的平均尺寸^8微米， 中等尺寸的晶體的平均尺寸約為l微米，最小尺寸的晶體的平均尺寸 約為0.03微米。
27、 一種形成復(fù)合材料的方法，包括(a) 提供碳化鴒晶體，所述晶體的平均粒度約在0.5到8微米的 范圍內(nèi)，其粒度分布的特征在于高斯分布；(b) 形成所述晶體和粘合劑的大塊復(fù)合物；(c) 燒結(jié)所述大塊復(fù)合物；(d) 壓碎所述大塊復(fù)合物以形成壓碎的顆粒，所述顆粒具有不 均勻和不規(guī)則的形狀；和(e) 按照尺寸挑選所述壓碎的顆粒以便用于選定應(yīng)用中。
28、 如權(quán)利要求27所述的方法，其特征在于步驟(b)包括形 成晶體和粘合劑的坯塊。
29、 如權(quán)利要求27所述的方法，其特征在于步驟(b)包括從 合金粘合劑、過渡元素粘合劑以及含有約6%到8%鈷的鈷合金中的其 中 一種中選擇出所述粘合劑。
30、 如權(quán)利要求27所述的方法，其特征在于步驟(a)包括形 成雙樣式燒結(jié)扁球體球粒，所述球粒包含兩種不同尺寸的晶體的集合 體，所述兩種不同尺寸的晶體的尺寸比約為7:1，并且提供了碳化鎢 含量約為88%的復(fù)合材料，較大尺寸的晶體的平均尺寸S8微米，較小 尺寸的晶體的平均尺寸約為l微米。
31、 如權(quán)利要求27所述的方法，其特征在于步驟(a)包括形 成三樣式燒結(jié)扁球體球粒，所述球粒包含三種不同尺寸的晶體的集合 體，所述三種不同尺寸的晶體的尺寸比約為35:7:1，并且提供了碳化 物含量高于卯％的復(fù)合材料，最大尺寸的晶體的平均尺寸58微米，中 等尺寸的晶體的平均尺寸約為l微米，最小尺寸的晶體的平均尺寸約 為0.03微米。
32、 一種制造鉆頭的方法，包括(a) 提供碳化鴒晶體，所述晶體的平均粒度約在0.5到8微米的 范圍內(nèi)，其粒度分布的特征在于高斯分布；(b) 形成所述晶體和粘合劑的大塊復(fù)合物；(c )壓碎所述大塊復(fù)合物以形成壓碎的顆粒，所述顆粒具有不均 勻和不規(guī)則的形狀；(d) 按照尺寸挑選出特定尺寸的壓碎顆粒，以限定一種復(fù)合材料；(e) 制造鉆頭；和(f) 由所述復(fù)合材料形成所述鉆頭的至少一部分。
33、 如權(quán)利要求32所述的方法，其特征在于步驟(b)包括形 成晶體和粘合劑的坯塊，并且還包括燒結(jié)所述坯塊。
34、 如權(quán)利要求32所述的方法，其特征在于步驟(f)包括形 成鉆頭上的表面硬化部件，所述表面硬化部件包括所述復(fù)合材料。
35、 如權(quán)利要求32所述的方法，其特征在于步驟(b)包括從 合金粘合劑、過渡元素粘合劑以及含有約6%到8%鈷的鈷合金中的其 中一種中選擇出所述粘合劑。
36、 如權(quán)利要求32所述的方法，其特征在于步驟(a)包括形 成雙樣式扁球體球粒，所述球粒包括兩種不同尺寸的晶體的集合體，所述兩種不同尺寸的晶體的尺寸比約為7:1,并且提供了碳化鴒含量 約為88%的復(fù)合材料，較大尺寸的晶體的平均尺寸￡8微米，較小尺寸 的晶體的平均尺寸約為l微米。
37、 如權(quán)利要求32所述的方法，其特征在于步驟(a)包括形 成三樣式扁球體球粒，所述球粒包含三種不同尺寸的晶體的集合體， 所述三種不同尺寸的晶體的尺寸比約為35:7:1，并且提供了碳化物含 量高于卯％的復(fù)合材料，最大尺寸的晶體的平均尺寸^8微米，中等尺 寸的晶體的平均尺寸約為1微米，最小尺寸的晶體的平均尺寸約為 0.03微米。
38、 如權(quán)利要求32所述的方法，其特征在于步驟(e)和(f) 包括制造具有基底的聚晶金剛石刀具，所述基底上形成有金剛石層， 以及包括由所述復(fù)合材料形成基底、鉆頭上的表面硬化部件以及用于 形成所述鉆頭體的至少一部分的材料中的一種。
39、 如權(quán)利要求32所述的方法，其特征在于步驟(e)和(f) 包括將所述鉆頭制造成具有基體頭，所述基體頭至少部分地由所述復(fù) 合材料形成。
40、 如權(quán)利要求32所述的方法，其特征在于步驟(f)和(g) 包括將所述鉆頭制造成滾錐牙輪鉆頭，所述鉆頭的所述至少一部分包 括鉆頭體上的表面硬化部件以及用于形成所述鉆頭的至少一部分的材 料中的一種。
41、 如權(quán)利要求32所述的方法，其特征在于步驟(f)和(g) 包括將所述鉆頭制造成具有銑齒，所述鉆頭的所述至少一部分包括銑 齒上的表面硬化部件、所述鉆頭體的一部分以及用于形成所述鉆頭的 至少一部分的材料中的一種。
42、 一種制造鉆頭的方法，包括(a )提供粘合劑和碳化鵠晶體的復(fù)合材料，所述晶體的平均粒度 約在0.5到8微米的范圍內(nèi)，其粒度分布的特征在于高斯分布； (b)制造鉆頭；和 (C)由所述復(fù)合材料形成所述鉆頭的至少一部分。
43、 如權(quán)利要求42所述的方法，其特征在于步驟(c)包括形 成鉆頭上的表面硬化部件，所述表面硬化部件包括所述復(fù)合材料。
44、 如權(quán)利要求42所述的方法，其特征在于步驟(a)包括從 合金粘合劑、過渡元素粘合劑以及含有約6%到8%鈷的鈷合金中的其 中一種中選擇出所述粘合劑。
45、 如權(quán)利要求42所述的方法，其特征在于步驟(a)包括形 成雙樣式燒結(jié)扁球體球粒，所述球粒包含兩種不同尺寸的晶體的集合 體，所述兩種不同尺寸的晶體的尺寸比約為7:1，并且提供了碳化鵠 含量約為88%的復(fù)合材料，較大尺寸的晶體的平均尺寸^8微米，較小 尺寸的晶體的平均尺寸約為l微米。
46、 如權(quán)利要求42所述的方法，其特征在于步驟(a)包括形 成三樣式燒結(jié)扁球體球粒，所述球粒包含三種不同尺寸的晶體的集合 體，所述三種不同尺寸的晶體的尺寸比約為35:7:1,并且提供了碳化 物含量高于90%的復(fù)合材料，最大尺寸的晶體的平均尺寸^8微米，中 等尺寸的晶體的平均尺寸約為l微米，最小尺寸的晶體的平均尺寸約 為0.03微米。
47、 如權(quán)利要求42所述的方法，其特征在于步驟(b)和(c) 包括制造具有基底的聚晶金剛石刀具，所述基底上形成有金剛石層， 以及包括由所述復(fù)合材料形成基底、鉆頭上的表面硬化部件以及用于 形成所述鉆頭體的至少一部分的材料中的一種。
48、 如權(quán)利要求42所述的方法，其特征在于步驟(b)和(c) 包括將所述鉆頭制造成具有基體頭，所述基體頭至少部分地由所述復(fù) 合材料形成。
49、 如權(quán)利要求42所述的方法，其特征在于步驟(b)和(c) 包括將所述鉆頭制造為滾錐牙輪鉆頭，所述鉆頭的所述至少一部分包 括鉆頭體上的表面硬化部件以及用于形成所述鉆頭的至少一部分的材 料中的一種。
50、 如權(quán)利要求42所述的方法，其特征在于步驟(b)和(c)包括將所述鉆頭制造成具有銑齒，所述鉆頭的所述至少一部分包括銑 齒上的表面硬化部件、所述鉆頭體的一部分以及用于形成所述鉆頭的 至少部分的材料中的一種。
51、 一種形成復(fù)合材料的方法，包括(a) 提供碳化鎢晶體，所述晶體的平均粒度約在0.5到8微米的 范圍內(nèi)，其粒度分布的特征在于高斯分布；(b) 形成所述晶體和粘合劑的球粒。
52、 如權(quán)利要求51所述的方法，其特征在于步驟(b)包括從 合金粘合劑、過渡元素粘合劑以及含有約6%到8%鈷的鈷合金中的其 中一種選擇出所述粘合劑。
53、 如權(quán)利要求51所述的方法，其特征在于步驟(a)包括形 成雙樣式燒結(jié)扁球體球粒，所述球粒包括兩種不同尺寸的晶體的集合 體，所述兩種不同尺寸的晶體的尺寸比約為7:1，并且提供了碳化鴒 含量約為88%的復(fù)合材料，較大尺寸的晶體的平均尺寸^8微米，較小 尺寸的晶體的平均尺寸約為l微米。
54、 如權(quán)利要求51所述的方法，其特征在于步驟(a)包括形 成三樣式燒結(jié)扁球體球粒，所述球粒包含三種不同尺寸的晶體的集合 體，所述三種不同尺寸的晶體的尺寸比約為35:7:1，并且提供了碳化 物含量高于90%的復(fù)合材料，最大尺寸的晶體的平均尺寸S8微米，中 等尺寸的晶體的平均尺寸約為l微米，最小尺寸的晶體的平均尺寸約 為0.03微米。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種具有鉆頭體的鉆頭，鉆頭體具有由碳化鎢復(fù)合材料形成的切削部件。所述復(fù)合材料包括粘合劑和碳化鎢晶體，所述晶體包括燒結(jié)的球粒。所述復(fù)合材料可用作鉆頭體和/或刀具上的表面硬化部件，或者用于形成部分或全部鉆頭體和刀具。所述球粒可由單樣式或多樣式尺寸分布的晶體形成。
文檔編號C22C29/08GK101379206SQ200680045351
公開日2009年3月4日 申請日期2006年10月11日 優(yōu)先權(quán)日2005年10月11日
發(fā)明者D·A·柯里, J·L·奧弗斯特里特, J·W·伊森 申請人:貝克休斯公司