專利名稱：具有熔滲的金屬基體本體的耐腐蝕地下鉆頭尖的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及地下鉆頭尖。更加確切地講，本發(fā)明涉及包括至少一個切削元件和一個熔滲的金屬基體的地下鉆頭尖。
背景技術(shù)：
眾所周知，用于地下應(yīng)用如采礦和鉆探(例如天然氣和石油鉆探)的鉆頭尖，具有包括一種熔滲的金屬基體的鉆尖本體或者它的部分。此類鉆尖本體典型地包括嵌入該熔滲的金屬基體中的或者在其他情況下由該熔滲的金屬基體攜帶的一個或多個切削元件，例如聚晶金剛石切削鑲片。這些鉆尖本體典型地是通過以下方式形成的即將這些切削元件定位在一個石墨模具內(nèi)，用一種基體粉末混合物填充該模具，并且然后使用一種熔滲劑來熔滲這種基體粉末混合物。以下專利以及公開的專利申請涉及或披露了對于形成地下鉆頭尖本體的有用的一種熔滲基體粉末授予Majagi的美國專利號6，984，454B2、授予Kelley等人的美國專利號5，589，沈8、授予Kelley等人的美國專利號5，733，649、授予Kelley等人的美國專利號5，733，664、Majagi等人的美國專利申請公開號2008/(^89880 Al、Terry等人的美國專利申請公開號2007/0277646 Al，所有這些都轉(zhuǎn)讓給本專利申請的受讓人。以下各項專利以及公開的申請同樣涉及或披露了一種用于鉆尖本體的熔滲劑基體粉末授予Liang等人的美國專利號7，475，743 B2、授予Ladi等人的美國專利號7，398，840 B2、授予Lockwood 等人的美國專利號7，350，599 B2、授予Kembaiyan等人的美國專利號7，250，069 B2、授予 Findeisen等人的美國專利號6，682，580、授予Kembaiyan等人的美國專利號6，287，360 Bi、授予Fang的美國專利號5,662, 183、Lockwood的美國專利申請公開號2008/0017421 Al，Kembaiyan等人的美國專利申請公開號2007/0M0910 Al以及Kembaiyan的美國專利申請公開號2004/0M5024 Al。查看這些專利以及公開的專利申請中的幾個就將會幫助讀者理解現(xiàn)有技術(shù)水平。 美國專利申請公開號2007/0M0910 Al披露了一種用于形成基體本體的組合物，它包括球狀燒結(jié)碳化鎢和一種含一種或多種金屬或合金的熔滲粘合劑。該組合物還可以包括鑄造碳化鎢和/或滲碳的碳化鎢(carburized tungsten carbide)。在該組合物中燒結(jié)的球狀碳化鎢的量值優(yōu)選是處于約30到約90重量百分比的范圍內(nèi)。球狀或壓碎的鑄造碳化物，當被使用時，可以占該組合物的15到50重量百分比，并且滲碳的碳化鶴，當被使用時，可以占該組合物的約5到30重量百分比。該組合物還可以包括約1到12重量百分比的一種或多種選自由鎳、鐵、鈷，和其他VIIIB族金屬以及它們的合金構(gòu)成的組中的金屬粉末。美國專利號7，475，743 B2披露了一種地下鉆頭尖，這種地下鉆頭尖包括由一種熔滲的金屬基體粉末形成的一個鉆頭尖，其中這種基體粉末混合物包括化學(xué)計量的碳化鎢顆粒、膠結(jié)碳化鎢顆粒、鑄造碳化鎢顆粒、以及一種金屬粉末。這些化學(xué)計量的碳化鎢顆?？梢跃哂?325 (45微米)+625目(20微米)的粒度并且占該基體粉末的高達30重量百分比。 這些膠結(jié)碳化鎢顆?？梢跃哂?170 (90微米)+625目(20微米)的粒度并且占該基體粉末的高達40重量百分比。這種鑄造碳化鎢可以具有-60 (250微米)+325目(45微米)的粒度并且占該基體粉末高達60重量百分比。這種金屬粉末可以占該基體粉末的1與15重量百分比之間的比例，并且可以包括鎳、鐵、鈷、以及其他VIIIB族金屬以及它們的合金中的一種或多種。美國專利號6，682，580 B2披露了可以用于生產(chǎn)耐磨損應(yīng)用(例如鉆頭尖)的本體或部件的基體粉末混合物。這些基體粉末混合物包含具有小于500微米的粒度、并且優(yōu)選地處于20到250微米之間的范圍內(nèi)的球狀硬質(zhì)材料顆粒。這些球狀硬質(zhì)材料顆粒占該基體粉末的約5與100重量百分比之間。該基體粉末還可以包括在3微米與250微米之間的尺寸范圍內(nèi)并且處于壓碎的碳化物或金屬粉末形式的塊狀硬質(zhì)材料。這些塊狀硬質(zhì)材料在這些球狀硬質(zhì)材料顆粒之間作為隔離物來起作用，以便輔助該基體粉末的熔滲。這些球狀硬質(zhì)顆粒可以是球狀碳化物并且優(yōu)選地是球狀鑄造碳化鎢。它們還可以是具有封閉孔的、 致密的、燒結(jié)的膠結(jié)粘合鎢粉末或者無孔的、燒結(jié)的膠結(jié)碳化鎢球粒。這些球狀碳化物還可以由鎢、鉻、鉬、釩和鈦組成的組中的這些金屬的碳化物。這種金屬粉末可以占該基體粉末的約1到12重量百分比之間，并且是選自由鈷、鎳、鉻、鎢、銅、以及它們的合金和混合物組成的組。美國專利號5，733，664還披露了多種基體粉末混合物，這些基體粉末混合物適合被熔滲以便形成用于耐磨損應(yīng)用(例如鉆頭尖)的磨損元件本體或部件。這些基體粉末混合物包括壓碎的、燒結(jié)的膠結(jié)碳化鎢顆粒，其中一種粘合劑金屬占這種膠結(jié)碳化鎢構(gòu)成的約5與20重量百分比之間。這種壓碎的燒結(jié)的膠結(jié)碳化鎢粉末可以占這種基體粉末的50 到100重量百分比，并且具有-80(180微米)+400目(38微米)的粒度。該基體粉末混合物還可以包括高達M重量百分比的、具有-270目(53微米)的粒度的鑄造碳化鎢(其中去除了超細粉末)；高達50重量百分比的、具有-80(180微米)+325目(45微米)的粒度的碳化鎢顆粒；以及在約0. 5與1. 5重量百分比之間的、具有3微米到5微米的平均粒度的鐵。雖然這些較早的熔滲的金屬基體已經(jīng)以一種令人滿意的方式起作用，但是對于用于特殊應(yīng)用(它們要求以下熔滲的金屬基體，該熔滲的金屬基體具有良好的耐腐蝕性、適當?shù)膹姸纫约傲己玫臒岱€(wěn)定性的組合)的地下鉆頭尖本體仍存在未得到滿足的需要。本發(fā)明滿足了那種未得到滿足的需要。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明提供了包括由一個鉆尖本體攜帶的至少一個切削元件的地下鉆頭尖，這些地下鉆頭尖具有良好的耐腐蝕性、適當?shù)膹姸纫约傲己玫臒岱€(wěn)定性的所希望的組合。該鉆尖本體包括一種熔滲的金屬基體，這種熔滲的金屬基體包括了一種熔滲劑以及一種金屬粉末混合物。這種金屬粉末混合物包括約30到約90重量百分比的一種第一組分粉末、約10 到約70重量百分比的一種第二組分粉末，以及高達約12重量百分比的一種第三組分粉末。 該第一組分粉末由+140目(106微米)粒度的鑄造碳化鎢顆粒組成。至少15重量百分比的該基體粉末混合物由具有+100目(150微米)的粒度的第一組分粉末顆粒組成，并且該基體粉末混合物基本上不包含小于140目(106微米)粒度的該第一組分粉末的顆粒。該第二組分粉末由至少一種選自由粗晶碳化鎢、滲碳的碳化鎢，以及膠結(jié)碳化鎢構(gòu)成的組中的顆粒來組成。該第三組分粉末由選自下組的至少一種的顆粒而組成，該組由以下個各項組成過渡金屬、主族金屬、以及它們的合金和組合。 第二組分粉末的粒度分布被選擇為使得這些顆粒以一種方式容納在這些鑄造碳化物顆粒當中，從而增強該鉆頭尖本體的熱穩(wěn)定性、韌性、以及強度。優(yōu)選地，該第二組分粉末的粒度是小于80目(177微米)。 因此，本發(fā)明的一個方面涉及多種地下鉆頭尖，這些地下鉆頭尖包括至少一個切削元件，該切削元件用于接合一種結(jié)構(gòu)并且由此類熔滲的金屬基體鉆尖本體所攜帶。本發(fā)明的另一方面涉及用于制造此類熔滲的金屬基體鉆尖本體的基體粉末混合物。


通過參照附圖將會更好地理解本發(fā)明的特征和優(yōu)點的關(guān)鍵程度。然而，應(yīng)該理解的是附圖的設(shè)計僅是為了解說的目的并且不是作為對本發(fā)明的限制的定義。圖1是用于制造根據(jù)本發(fā)明的一個實施方案的地下鉆頭尖的一個組件的示意圖。圖2是用于制造根據(jù)本發(fā)明的另一實施方案的地下鉆頭尖的一個組件的示意圖。圖3是根據(jù)本發(fā)明的一個實施方案的地下鉆頭尖的等角視圖。圖3A是根據(jù)本發(fā)明的另一個實施方案的地下鉆頭尖的等角視圖。圖4是根據(jù)本發(fā)明的一個實施方案的熔滲的金屬基體的顯微結(jié)構(gòu)的顯微照片。圖5，該圖示出了來自表3的橫向斷裂強度相對于耐腐蝕性數(shù)據(jù)的圖，其中本發(fā)明的實例的結(jié)果是用菱形標記來表明的，而對比樣品的結(jié)果是用方形標記來表明的。
具體實施例方式在這個部分，對本發(fā)明的一些優(yōu)選實施方案進行了詳細說明，足以讓本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來實踐本發(fā)明。然而，應(yīng)該理解的是在此說明了有限數(shù)目的優(yōu)選實施方案這個事實并不以任何方式限制如在所附權(quán)利要求書中列出的本發(fā)明的范圍。在與本發(fā)明的一個重要方面同樣重要的是這些基體粉末的不同粉末組分的粒度， 這些基體粉末被用于形成這些地下鉆頭尖的本體，必要的是有一種用于描述那些粒度的手段。篩目尺寸是用于描述粉末粒度的一種傳統(tǒng)手段，并且在此被用于關(guān)于本發(fā)明的說明的目的。篩目尺寸有時又被稱作“網(wǎng)篩孔徑”或者“篩孔尺寸”。篩目尺寸的數(shù)字部分是指每線性英寸(2. M厘米)的篩網(wǎng)在一個平行于正方形孔的邊的方向上獲得的這些正方形孔的數(shù)目。例如，100目是指每線性英寸(2.M厘米)具有100個孔的一個篩目。由于在該篩網(wǎng)中一個孔的邊的長度取決于組成該篩網(wǎng)的這些細絲的厚度，因此已經(jīng)采用不同的標準來控制細絲的厚度，并且，由此控制這些孔的邊長度。在此使用了基于ASTM標準E11-70 (1995) 的篩目尺寸，即美國篩目尺寸。為了幫助讀者更加直觀地看篩目尺寸，在此該篩網(wǎng)孔的標稱邊長度是根據(jù)篩目尺寸的值以微米附帶給出的。從一個具體的篩目尺寸的篩網(wǎng)中穿過的粉末被認為具有這個篩目尺寸。例如，從一個100篩目尺寸的篩網(wǎng)中穿過的粉末被認為是100 目(150微米)的粉末。這也可以通過將一個減號(_)放在該篩目尺寸的數(shù)字之前來表示。 例如，一種-100目(150微米)的粉末會穿過100目(150微米)的篩網(wǎng)。放在篩目尺寸的數(shù)字之前的一個加號(+)是用來表明這種粉末太粗而無法穿過那個篩目尺寸的一個篩網(wǎng)。例如，一種+100目(150微米)的粉末不會穿過一個100目(150微米)的篩網(wǎng)。有時并排給出的兩個篩目尺寸被用來更好地描述一種粉末的粒度。在這種慣例下，將一個負號 (-)放在第一個篩目尺寸的數(shù)字之前(并且在此數(shù)字旁邊省略了文字“目”)以便表明該粉末小得足夠穿過具有這種篩目尺寸的一個篩網(wǎng)，并且將一個正號(+)放在第二個篩目尺寸之前以便表明該粉末過粗而無法穿過具有這種篩目尺寸的一個篩網(wǎng)。因此，如-100 (150微米)+325目(45微米)所描述的一種粉末樣品是細的足以穿過100目的一個網(wǎng)篩，并且是過粗的而不能穿過一個325目(45微米)的篩網(wǎng)。地下鉆頭尖參見圖1，展示了用于制作根據(jù)本發(fā)明的一個實施方案的地下鉆頭尖的一個組件 10的示意圖。該鉆頭尖具有一個柄M。刀具元件，如多個分離的切削元件20，通過該鉆頭尖本體的金屬基體被粘結(jié)到所合成的鉆頭尖上。雖然將一個鉆頭尖的柄固定到一個鉆井用鋼絲繩(drill line)上采用的方法可以改變，但是一種常見的方法是在該柄上提供螺紋使得該柄與該鉆井用鋼絲繩中的螺紋孔螺紋式地接合。另一種方法是將該柄焊接到該鉆井用鋼絲繩上。組件10包括具有一個底部壁12和一個直立壁14的一個石墨模具11。模具11在其中限定了一個體積。組件10進一步包括一個頂部構(gòu)件16，該頂部構(gòu)件封閉模具11的開口。頂部構(gòu)件16的使用是任選的，取決于在加工過程中在模具11的內(nèi)容物上面的、人們希望具有的氣氛控制程度。在將基體粉末混合物22傾倒入模具11之前，將鋼質(zhì)柄M定位在該模具內(nèi)。鋼質(zhì)柄M的一部分在基體粉末混合物22之中，而鋼質(zhì)柄M的另一部分在基體粉末混合物22 的外部。柄M在其一端具有螺紋25，而在其另一端具有凹槽25A。多個分離的切削元件20被定位為延伸進入底部和豎立的模具壁12，14中，以便處于所合成的鉆頭尖的表面上的多個選定的位置處。將該基體粉末混合物22傾倒入模具11 中，從而包圍延伸進入模具11空腔中的這些切削元件20的部分。應(yīng)該理解的是除了將這些切削元件20放置到模具11的這些壁中之外或者代替這的是，可以將多個切削元件20按照約20體積百分比與基體粉末混合物22進行混合。該基體粉末混合22的構(gòu)成將稍后在本文中討論。當已經(jīng)將這些切削元件20放置并且已經(jīng)將基體粉末混合物22傾倒入模具11后， 將一種固體熔滲劑26定位在基體粉末混合物22的上方。頂部構(gòu)件16然后(任選地)被定位以便封閉模具11的開口。然后將組件10被放入加熱爐中并且加熱到一個升高的溫度這樣使得熔滲劑26熔化并且熔滲到整個基體粉末混合物22中。加熱爐氣氛被選擇為與組件10的組分是可兼容的，并且典型地包括氮氣、氫氣、氬氣，和空氣中的一種或多種。組件 10然后被冷卻以便使熔滲劑沈凝固。凝固的熔滲劑沈?qū)⒃摶w粉末混合物22、這些切削元件20，以及鋼質(zhì)柄M粘結(jié)在一起以便形成一種地下鉆頭尖。參見圖2，展示了用于制作根據(jù)本發(fā)明的另一個實施方案的一種地下鉆頭尖的組件30的示意圖。組件30包括一個石墨模具31，該石墨磨具具有一個底部壁32和一個直立壁34。模具31在其中限定了一個體積。組件31進一步包括一個頂部構(gòu)件36以便封閉模具31的開口。頂部構(gòu)件36的使用是任選的，取決于人們在熱加工過程中在模具31的內(nèi)容物上面的、人們希望具有的氣氛控制程度。
在將一種基體粉末混合物40傾倒入模具31之前，將一個鋼質(zhì)柄42定位在該模具內(nèi)。鋼質(zhì)柄42的一部分處于基體粉末混合物40之中，而鋼質(zhì)柄42的另一部分處于基體粉末混合物40的外部。柄42在處于基體粉末混合物40內(nèi)的末端處具有多個凹槽43。將多個石墨毛坯38沿著底部和豎立的模具壁32、34進行定位，以便處于在所合成的鉆頭尖的表面上多個選定的位置處。將基體粉末混合物40傾倒入模具31內(nèi)，以便包圍延伸進入模具31空腔內(nèi)的這些石墨毛坯38的部分?；w粉末混合物40的構(gòu)成將此后在本文中進行討論。當已經(jīng)將這些石墨毛坯38放置并且已經(jīng)將基體粉末混合物40傾倒入模具31后， 將一種固體熔滲劑44定位在基體粉末混合物40的上方。頂部構(gòu)件36然后(任選地)被定位為封閉模具31的開口。然后將組件30放入一個加熱爐中并且加熱到一個升高的溫度，這樣使得熔滲劑44熔化并且熔滲到整個基體粉末混合物40中。選擇該加熱爐氣氛從而與組件30的組分是可兼容的，并且典型地包括氮氣、氫氣、氬氣、以及空氣中的一種或多種。然后將組件30冷卻以便使熔滲劑44凝固。凝固的熔滲劑44將這種基體粉末混合物 40、這些石墨毛坯38、以及鋼質(zhì)柄42粘結(jié)在一起。將這些石墨毛坯38從該粘結(jié)的塊中去除。將多個切削元件，如金剛石復(fù)合材料鑲片，釬焊到通過去除這些石墨毛坯38所剩下的這些凹陷中以便形成一個地下鉆頭尖。參見圖3，示出了根據(jù)本發(fā)明的一個實施方案的地下鉆頭尖50。該鉆頭尖50可以是由一種類似于上述關(guān)于圖1的方法制成的。鉆頭尖50的鉆尖本體M的向前朝向的表面 52包含從熔滲的金屬基體58延伸的多個切削元件56，該熔滲的金屬基體因一種熔滲劑凝固貫穿一種基體粉末混合物而產(chǎn)生。參見圖3A，示出了根據(jù)本發(fā)明的另一實施方案的一種地下鉆頭尖70。該鉆頭尖70 具有一個鉆尖本體72和多個切削元件74。該鉆尖本體72包括一種熔滲的金屬基體。這些切削元件74是釬焊到鉆尖本體72上的。應(yīng)該理解的是根據(jù)本發(fā)明的這些地下鉆頭尖不受以上實施方案中所描述的幾何圖形設(shè)計的限制。相反地，它們包括所有具有由一個鉆尖本體攜帶的至少一個切削元件的地下鉆頭尖，其中該鉆尖本體包括一種熔滲的金屬基體，該熔滲的金屬基體由一種熔滲劑和一種基體粉末混合物組成，其中這種基體粉末混合物包括(a)約30到約90重量百分比的一種第一組分粉末，該組分粉末由-30 (600微米)+140 (106微米)粒度的鑄造碳化鎢的顆粒組成；(b)約10到約70重量百分比的一種第二組分粉末，該組分粉末由至少一種選自由粗晶碳化鎢、滲碳的碳化鎢，以及膠結(jié)碳化鎢構(gòu)成的組中的顆粒而組成；以及(c)高達12重量百分比的一種第三組分粉末，這種組分粉末由至少一種選自由過渡金屬、主族金屬、以及它們的合金和組合構(gòu)成的組中的顆粒而組成；其中這種基體粉末混合物基本上不含-140目(106微米)粒度的第一組分粉末的顆粒，并且具有+100目(150微米)粒度的第一組分粉末的顆粒占這種基體粉末混合物的至少15重量百分比。切削元件根據(jù)本發(fā)明的每個地下鉆頭尖具有一個或多個切削元件。這些切削元件優(yōu)選的是天然金剛石、燒結(jié)到膠結(jié)碳化物上的聚晶金剛石、熱穩(wěn)定的聚晶金剛石、或者一種熱壓的金屬基體復(fù)合材料，但是可以是本領(lǐng)域中已知的任何適合的硬質(zhì)材料。每個切削元件的尺寸和構(gòu)形被選擇為適合于有待使用其的這種目的以及這些條件。
該鉆尖本體攜帶一個單獨的切削元件的方式取決于具體的鉆頭尖的設(shè)計以及具體的切削元件的設(shè)計。例如，多個切削元件可以是由該鉆尖本體直接攜帶的，例如通過將這些切削元件嵌入該鉆尖本體的熔滲的金屬基體或者將它們釬焊到該鉆尖本體上。可替代地，這些切削元件可以是由該鉆尖本體間接攜帶的，例如通過將這些切削元件固定到本身被固定到該鉆尖本體上的多個刀片上。例如，Majagi等人的美國專利申請公開號 2008/0289880 Al (它被轉(zhuǎn)讓給本專利申請的受讓人)，描述了一種鉆尖本體，該鉆尖本體攜帶了被固定到多個刀片上的多個切削元件，這些刀片進而被固定到這個鉆尖本體上。本領(lǐng)域中已知的任何技術(shù)或方法，可以被用于將多個單獨的切削元件和/或具有多個切削元件的多個刀片固定到該鉆頭尖本體上，包括釬焊技術(shù)、熔滲技術(shù)、壓力裝配技術(shù)、收縮裝配技術(shù)，以及焊接技術(shù)。熔滲的金屬基體本發(fā)明的實施方案的熔滲的金屬基體包括(i) 一種熔滲劑、以及(ii) 一種基體粉末混合物。⑴熔滲劑所有在本領(lǐng)域中已知制造熔滲的金屬基體粉末地下鉆頭尖以及類似的耐磨損元件的熔滲劑都可以用于本發(fā)明的實施方案中。熔滲劑的實例包括含一種或更多種過渡金屬元素以及主族元素的多種金屬以及合金。銅、鎳、鐵、和鈷可以用作該熔滲劑的主要成分，并且元素，如鋁、錳、鉻、鋅、錫、硅、銀、硼和鉛可以是次要成分。優(yōu)選的熔滲劑是含鎳和錳，以及任選的錫和或鉛的銅基合金。這種類型的特別優(yōu)選的熔滲劑是在Deng等人的美國專利申請公開號2008/0206585 Al中披露的那些。另一種特別優(yōu)選的熔滲劑是在從本申請的受讓人Kennametal Inc. (Latrobe, Pennsylvania 15650 US)的商標名稱MACROFIL 53下可獲得的、以及在從Belmont Metals Inc (,330 Belmont Avenue,Brooklyn,New York 11207 US)的商標名稱 VIRGIN binder 453D 下可獲得的合金。這種熔滲劑具有53. 0百分比的銅、24. 0百分比的錳、15. 0百分比的鎳和8. 0百分比的鋅的標稱構(gòu)成(按重量百分比計)。另一種特別優(yōu)選的熔滲劑是從本申請的受讓人的商標名稱MACROFIL 65下可獲得的。這種熔滲劑具有65百分比的銅、15百分比的鎳，和 20百分比的鋅的標稱構(gòu)成(按重量百分比計)。另一種優(yōu)選的熔滲劑具有小于0. 2百分比的硅、小于0. 2百分比的硼、高達35百分比的鎳、5到35百分比的錳、高達15百分比的鋅， 以及余量為銅的標稱構(gòu)成(按重量百分比計)。對于本發(fā)明的任何具體的實施方案，這種熔滲劑的類型和量值被選擇為使得它與該地下鉆頭尖的其他組分(它們與這種熔滲劑是處于工作接觸的)是相兼容的。這種熔滲劑的類型和量值還可以被選擇為以便為該鉆頭尖提供希望水平的強度、韌度以及耐用性。 熔滲劑的量值被選擇為使得有足夠的熔滲劑來完全熔滲這種基體粉末混合物。典型地，這種熔滲劑占這種熔滲的金屬基體的約20與40體積百分比之間的比例。(ii)基體粉末混合物本發(fā)明的實施方案的基體粉末混合物包括(a)約30到90重量百分比的一種第一組分粉末，(b)約10到70重量百分比的一種第二組分粉末，以及(c)高達約12重量百分比的一種第三組分粉末。這種基體粉末混合物是通過將這些組分粉末混合在一起來形成一種均勻的混合物而制成的。
10
(ii) (a)第一組分粉末該第一組分粉末由具有不小于140目(106微米)的粒度的鑄造碳化鎢粉末組成。 這種鑄造碳化鎢為該合成的鉆頭尖提供了好的耐腐蝕性。鑄造碳化鎢由鎢和碳的一種近似低共熔的組合物而組成，具有由碳化鎢(WC)和碳化二鎢(W2C)的一種緊密混合物組成的一種快速凝固的熱力學(xué)不平衡的顯微結(jié)構(gòu)。鑄造碳化鎢的碳含量典型的是處于約3. 7到4. 2 重量百分比之間的范圍內(nèi)。鑄造碳化鎢粉末可以按兩種形式(壓碎的和球狀的)來獲得。雖然任何一種形式都可以與本發(fā)明一起使用，但是壓碎的形式是優(yōu)選的，因為與球狀形式相比，它的費用明顯更低并且不易碎得多。在本發(fā)明的實施方案的基體粉末混合物中使用的鑄造碳化鎢粉末的粒度是-30 (600微米)+140目(106微米)，其中基本上沒有小于140目(106微米)的鑄造碳化鎢粉末，并且其中該基體粉末混合物重量的至少15重量百分比由+100目(150微米)的鑄造碳化鎢粉末組成。短語“基本上沒有小于X目的鑄造碳化物”被解釋為是指這種鑄造碳化鎢粉末的不大于約10的重量百分比是小于所指明的篩目尺寸。因此，根據(jù)本發(fā)明，在這種基體粉末混合物中存在的鑄造碳化鎢粉末的不大于10重量百分比是小于-140目(106 微米)篩目。本發(fā)明從這種基體粉末混合物中基本上消除了所有細的鑄造碳化鎢顆粒，因為與類似尺寸的其他形式的碳化鎢顆粒相比，這種尺寸的鑄造碳化鎢顆粒由于該鑄造碳化鎢的不平衡顯微結(jié)構(gòu)而是更少熱穩(wěn)定的。本發(fā)明還限制了鑄造碳化鎢顆粒的最大的粒度從而避免損害這種熔滲的金屬基體的強度和韌性。因此，鑄造碳化鎢粉末的粒度優(yōu)選地是-30(600 微米)+140目(106微米)，并且更加優(yōu)選地是-40 (425微米)+140目(106微米)，而最優(yōu)選地是-60 (250微米)+140目(106微米)。在這種基體粉末混合物中該第一組分粉末的量值的范圍是從約30到90重量百分比。對于該合成的熔滲的金屬基體而言，量越高導(dǎo)致耐腐蝕性越大，而量越低導(dǎo)致強度和韌性越大。優(yōu)選地，在這種基體粉末混合物中該第一組分粉末的量值是至少約50重量百分比，并且更優(yōu)選地至少是至少約60重量百分比。(ii) (b)第二組分粉末本發(fā)明的實施方案的基體粉末混合物的第二組分粉末由選自下組的至少一種的顆粒組成，該組由以下各項組成粗晶碳化鎢、滲碳的碳化鎢，以及膠結(jié)碳化鎢。該第二組分粉末的作用是增強所合成的熔滲的金屬基體的熱穩(wěn)定性、強度、以及韌性。粗晶碳化鎢是本質(zhì)上化學(xué)計量的大部分處于單晶形式的碳化鎢(WC)。粗晶碳化鎢的一些大的晶體是雙晶。授予McKerma的美國專利號3，379，503和授予Terry等人的美國專利號4，834，963(這兩者都轉(zhuǎn)讓給了本專利申請的受讓人)披露了制造粗晶碳化鎢的方法。滲碳的碳化鎢是一種類型的碳化鎢，這種碳化鎢是通過在一種保護氣氛中在高溫下將碳固態(tài)擴散到鎢顆粒中來制成的。膠結(jié)碳化鎢粉末有時也被稱作燒結(jié)的膠結(jié)碳化鎢。膠結(jié)碳化鎢由包括鈷和鎳中的至少一種的粘合劑相粘結(jié)在一起的碳化鎢顆粒所組成。膠結(jié)碳化鎢粉末是以兩種形式，壓碎的和丸狀的(又稱作球狀的)，來獲得的，這兩種形式的任何一種或者兩種適合于在這種基體粉末混合物的第二組分粉末中使用。該第二組分粉末的粒度被選擇為使得這些第二組分粉末的顆粒以一種方式容納在第一組分粉末顆粒之間從而增強所合成的熔滲的金屬基體的熱穩(wěn)定性、韌性、以及強度。 該第二組分粉末的一些優(yōu)選的顆粒大是(a)_170目(90微米)，(b)-230目(63微米)、以及(c)-325目(45微米)。在一些優(yōu)選的實施方案中，該第二組分粉末實質(zhì)上不包含-625 目(20微米)粒度的顆粒。在該基體混合物中第二組分粉末的量值的范圍是從約10到約70重量百分比。其量值越高導(dǎo)致所合成的熔滲的金屬基體中的韌度和強度越大，而其量值越低導(dǎo)致耐腐蝕性越大。優(yōu)選地，該第一組分粉末和第二組分粉末的相對量值被選擇為使得該第一組分粉末的重量與該第二組分粉末的重量之比是處于從約30 70到約85 15的范圍內(nèi)。(ii) (c)第三組分粉末這種基體粉末混合物的第三組分粉末是一種金屬粉末。這種金屬粉末由選自下組的至少一種組成，該組由以下各項組成過渡金屬、主族金屬、以及它們的組合和合金。這種金屬粉末被選擇為輔助該熔滲劑來熔滲這種基體粉末混合物。優(yōu)選的金屬粉末的實例是鎳、鐵、以及4600級鋼(4600grade steel)。4600級鋼具有1. 57百分比的鎳、0. 38百分比的錳、0. 32百分比的硅、0. 29百分比的鉬、0. 06百分比的碳，以及余量為鐵的標稱構(gòu)成(按重量百分比計)。該第三組分粉末的粒度被選擇為使得它良好地混合到這種金屬粉末混合物中。優(yōu)選地，該第三組分的粒度是-230目(63微米)。這種基體粉末混合物中的第三組分的量值是處于約0到約12重量百分比的范圍內(nèi)。優(yōu)選地，該第三組分粉末的量值是處于約1到約4重量百分比的范圍內(nèi)。實例實例1-7對于每個實例，根據(jù)本發(fā)明的一個實施方案的基體粉末混合物是通過將表1中列出的這些組分粉末一起混合成一種均勻的混合物而制備的。這些實例在表1和表3中是用實例1到實例7的命名來辨別的。第一組分粉末(“組分粉末1”)由壓碎的鑄造碳化鎢組成。第二組分粉末(“組分粉末2”)由粗晶碳化鎢組成。表1中給出了各個實例中所使用的第三組分粉末(“組分粉末3”)的類型。對于各個實例，將其基體粉末混合物放入一個石墨模具中并且隨后用MACR0FIL 53進行熔滲以產(chǎn)生一種熔滲的金屬基體。圖4顯示了實例1的熔滲的金屬基體的顯微結(jié)構(gòu)的顯微照片。組分粉末1的壓碎的鑄造碳化鎢顆粒(例如顆粒60)的兩相顯微結(jié)構(gòu)區(qū)別于來自組分粉末組分粉末2的、具有單相顯微結(jié)構(gòu)的粗晶碳化鎢顆粒(例如顆粒62)的那些顆粒。包圍這些壓碎的鑄造碳化鎢顆粒和粗晶碳化鎢顆粒的粘合材料64由結(jié)合了該第三組分粉末的鎳粉末的MACR0FIL 53熔滲劑組成。表1本發(fā)明的基體粉末混合物的實例
權(quán)利要求
1.一種地下鉆頭尖(50)，包括:(a)至少一個切削元件(56)，和(b)一個鉆尖本體(M)，該鉆尖本體具有一個熔滲的金屬基體(58)，其中該熔滲的金屬基體(58)包括⑴一種熔滲劑(26)，和( ) 一種基體粉末混合物(22)，該基體粉末混合物包括(A)約30到約90重量百分比的一種第一組分粉末(60)，該第一組分粉末(60) 由-30(600微米)+140(106微米)粒度的鑄造碳化鎢的顆粒組成；(B)約10到約70重量百分比的一種第二組分粉末(62)，該第二組分粉末(6 由選自下組的至少一種的顆粒而組成，該組由以下各項組成粗晶碳化鎢、滲碳的碳化鎢、以及膠結(jié)碳化鎢；以及(C)高達約12重量百分比的一種第三組分粉末，該第三組分粉末由選自下組的至少一種的顆粒而組成，該組由以下個各項組成過渡金屬、主族金屬、以及它們的合金和組合；其中該鉆尖本體(54)攜帶該切削元件(56)，并且這種基體粉末混合物0 基本上不包含-140目(106微米)粒度的該第一組分粉末(60)的顆粒，并且具有+100目(150微米)粒度的該第一組分粉末(60)的顆粒至少占該基體粉末混合物0 的至少15重量百分比。
2.如權(quán)利要求1所述的地下鉆頭尖(50)，其中該切削元件(56)包括選自下組的至少一種，該組由以下各項組成多晶金剛石、天然金剛石、以及熱穩(wěn)定的聚晶金剛石。
3.如權(quán)利要求1所述的地下鉆頭尖(50)，其中該第一組分粉末(60)具有選自由-40 (425微米)+140目(106微米)以及-60 (250微米)+140目(106微米)組成的組的一個粒度范圍。
4.如權(quán)利要求1所述的地下鉆頭尖(50)，其中該第二組分粉末(6 的粒度是選自由-80目(180微米)、-170目(90微米)、以及-325目(45微米)組成的組。
5.如權(quán)利要求1所述的地下鉆頭尖(50)，其中該第一組分粉末(60)的重量比對比該第二組分粉末(62)的重量比是處于從約30 70到約85 15的范圍內(nèi)。
6.如權(quán)利要求1所述的地下鉆頭尖(50)，其中該基體粉末混合物0 基本上不包含-625目(20微米)粒度的該第二組分粉末(6 的顆粒。
7.如權(quán)利要求1所述的地下鉆頭尖(50)，其中該第三組分粉末包括選自下組的至少一種，該組由以下各項組成鎳、鐵、銅、鋼、以及它們的合金和組合。
8.如權(quán)利要求1所述的地下鉆頭尖(50)，其中該基體粉末混合物02)包括約50到約 90重量的該第一組分粉末(60)、約9到約50重量百分比的該第二組分粉末(6 、以及高達約10重量百分比的該第三組分粉末。
9.如權(quán)利要求1所述的地下鉆頭尖(50)，其中該基體粉末混合物0 包括約60到約90重量百分比的該第一組分粉末(60)以及約9到約40重量百分比的該第二組分粉末 (62)。
10.一種基體粉末混合物(22)，包括a)約30到約90重量百分比的一種第一組分粉末(60)，該第一組分粉末(60) 由-30 (600微米)+140 (106微米)粒度的鑄造碳化鎢的顆粒組成；b)約10到約70重量百分比的一種第二組分粉末(6 ，該第二組分粉末(6 由選自下組的至少一種的顆粒組成，該組由以下各項組成粗晶碳化鎢、滲碳的碳化鎢、以及膠結(jié)碳化鎢；以及c)高達約12重量百分比的一種第三組分粉末，該第三組分粉末由選自下組的至少一種的顆粒而組成，該組由以下各項組成過渡金屬、主族金屬、以及它們的合金和組合；其中這種基體粉末混合物0 基本上不包含-140目(106微米)粒度的該第一組分粉末(60)的顆粒，并且具有+100目(150微米)粒度的該第一組分粉末(60)的顆粒占該基體粉末混合物0 的至少15重量百分比。
11.如權(quán)利要求10所述的基體粉末混合物(22)，其中該第一組分粉末(60)具有選自由-40 (425微米)+140目(106微米)以及-60 (250微米)+140目(106微米)組成的組的一個粒度范圍。
12.如權(quán)利要求10所述的基體粉末混合物(22)，其中該第二組分粉末(6 的粒度是選自由-80目(180微米)、-170目(90微米)、以及-325目(45微米)組成的組。
13.如權(quán)利要求10所述的基體粉末混合物(22)，其中該第一組分粉末(60)的重量比對比該第二組分粉末(62)的重量比是處于從約30 70到約85 15的范圍內(nèi)。
14.如權(quán)利要求10所述的基體粉末混合物(22)，其中該基體粉末混合物0 基本上不包含-625目(20微米)粒度的該第二組分粉末(6 的顆粒。
15.如權(quán)利要求10所述的基體粉末混合物(22)，其中該第三組分粉末包括選自下組的至少一種，該組由以下各項組成鎳、鐵、銅、鋼、以及它們的合金或組合。
16.如權(quán)利要求10所述的基體粉末混合物(22)，其中該基體粉末混合物02)包括約 50到約90重量的該第一組分粉末(60)、約9到約50重量百分比的該第二組分粉末(62)、 以及高達約10重量百分比的該第三組分粉末。
17.如權(quán)利要求10所述的基體粉末混合物(22)，其中該基體粉末混合物02)包括約 60到約90重量百分比的該第一組分粉末(60)以及約9到約40重量百分比的該第二組分粉末(62)。
18.—種制造地下鉆頭尖(50)的方法，包括以下步驟a)提供一種基體粉末混合物(22)，該基體粉末混合物包括(A)約30到約90重量百分比的一種第一組分粉末(60)，該第一組分粉末(60) 由-30(600微米)+140(106微米)粒度的鑄造碳化鎢的顆粒組成；(B)約10到約70重量百分比的一種第二組分粉末(62)，該第二組分粉末(6 由選自下組的至少一種的顆粒組成，該組由以下各項組成粗晶碳化鎢、滲碳的碳化鎢、以及膠結(jié)碳化鎢；以及(C)高達約12重量百分比的一種第三組分粉末，該第三組分粉末由選自下組的至少一種的顆粒而組成，該組由以下各項組成過渡金屬、主族金屬、以及它們的合金和組合；其中該基體粉末混合物0 基本上不包含-140目(106微米)粒度的該第一組分粉末(60)的顆粒，并且具有+100目(150微米)粒度的該第一組分粉末(60)的顆粒占該基體粉末混合物02)的至少15重量百分比；c)將該基體粉末混合物0 限制在一個石墨模具(11)之內(nèi)；d)將一種熔滲劑06)熔滲到該被限制的基體粉末混合物0 中以便形成一個鉆尖本體(54)；e)將至少一個切削元件(56)固定到該鉆尖本體(54)上。
19.如權(quán)利要求18所述的方法，其中步驟(e)包括在步驟(b)之前將該切削元件(56) 附接到該石墨模具(11)的一個壁(14)上。
20.如權(quán)利要求18所述的方法，其中步驟(e)包括在步驟(d)之后將該切削元件(56) 附接到該鉆尖本體(54)上。
全文摘要
在此披露了具有良好的耐腐蝕性、強度、韌性、以及熱穩(wěn)定性的地下鉆頭尖(50)。這些鉆頭尖(50)包括攜帶至少一個切削元件(56)并且具有一種熔滲的金屬基體(58)的一個鉆頭尖本體(54)。這種熔滲的金屬基體(58)包括由一種熔滲劑(26)粘結(jié)在一起的一種基體粉末組合物(22)。這種基體粉末混合物(22)包括具有-30目(600微米)+140目(106微米)的粒度的一種第一組分粉末(60)、由一種或多種其他類型的碳化鎢顆粒組成的一種第二組分粉末(62)、以及一種金屬粉末。
文檔編號C22C29/08GK102439257SQ201080022458
公開日2012年5月2日 申請日期2010年5月12日 優(yōu)先權(quán)日2009年6月19日
發(fā)明者J·W·比特勒, 鄧欣 申請人:鈷碳化鎢硬質(zhì)合金公司