燒結碳化鎢巖石鑽頭牙輪的製作方法

2023-07-02 06:09:11

專利名稱：燒結碳化鎢巖石鑽頭牙輪的製作方法
技術領域：
本發明通常涉及具有旋轉牙輪的鑽地鑽頭，尤其涉及具有由例如 燒結碳化鴒的燒結顆粒複合材料形成的牙輪的鑽地鑽頭。
背景技術：
旋轉鑽頭通常用於在地層中鑽孔或鑽井。 一類旋轉鑽頭是牙輪鑽 頭(通常稱作"巖石"鑽頭)，其典型地包括固定到從鑽頭主體垂下的 牙掌上的多個錐形切削元件。所有鑽頭具有帶螺紋頂端的主體，所迷 螺紋頂端用於連接到鑽柱上。所述主體具有三個懸垂牙掌，每個牙掌 具有牙輪軸頸(bearing pin )。旋轉牙輪安裝在每個牙輪軸頸上。
一類鑽頭具有牙輪，所述牙輪具有壓配合到形成於牙輪外部上的 配合孔中的硬合金齒。硬合金齒伸出殼體以接合和破碎地層。通過在 模型內壓緊碳化鎢顆粒和金屬粘結劑的混合物，隨後加熱受壓產物使 其燒結來形成硬合金齒。牙輪殼體或主體由鋼製成，從而使硬質合金 齒比牙輪殼體更耐磨損。在包括延長操作時間的鑽進應用中，或者地 層和鑽井流體中含有大量磨粒時，會發生牙輪的大範圍腐蝕和磨損， 從而導致硬合金齒損耗。
另一類牙輪具有直接銑削或機加工在鋼製牙輪外表面上的齒。在 機加工齒之後，對牙輪的齒面、保徑面和其它表面進行表面硬化以實 現耐磨。表面硬化典型地包括包埋在亞鐵基基體中的碳化鎢團粒或球 粒。使用多種不同類型的表面硬化顆粒，包括燒結碳化鵠、鑄造碳化
5鴒、粗結晶碳化鎢及其混合物。典型地，利用氧-乙炔炬手動進行表面 硬化。在施加期間，技術人員利用火焰熔化含有表面硬化顆粒的鋼管 並且將所述物質沉積在牙輪的選定部位上。
進行表面硬化是勞動密集型的，不好控制或不可重複，同樣，會 由於最終表面硬化齒的固有鈍性而抑制切削結構。可以將表面硬化銑 削到希望的形狀。受讓給本發明的受讓人並在此引入作為參考的美國
專利No.6，766，870公開和顯示了通過二次機械加工操作使表面石更化齒 成形的方法。然而，通過銑削削尖表面硬化齒在製造過程中增加了另 一個較為困難和昂貴的步驟。同樣，牙輪殼體未被表面硬化的部位會 在磨鑽條件下大範圍腐蝕，從而導致整個牙輪或齒發生損耗。
另一種鑽頭是固定牙輪式鑽頭，其不具有旋轉牙輪。作為替代， 多個聚晶金剛石切削元件固定到鑽頭的切削表面上。在一種類型中， 固定牙輪式鑽頭具有由顆粒基體複合材料製成並連接到鋼杆上的鑽頭 冠部。鑽杆具有用於連接到鑽柱上的螺紋頂端。典型地，通過將例如 碳化鵠、碳化鈦或碳化鉭的硬質顆粒材料連同例如銅合金的合金基體 材料一起放置在界定鑽頭外形的剛性模型腔室內來形成顆粒基體鑽頭 冠部。隨後，典型地由石墨構成的模型(具有樹脂覆型砂成分型芯、 石墨或陶瓷置換件、模塑粘土或其它幾何結構限定材料)放入熔爐中 以熔化銅合金，滲透碳化鵠顆粒並將其粘結到一起。鋼坯可以連同碳 化鴒顆粒一起在加熱之前包埋在模型中。在加熱和基體滲透完成之後， 將坯件機加工到允許連接螺紋杆的構造。可選地，鑽頭冠部可以分別 形成，隨後粘結到螺紋鋼杆上。
因為顆粒基體鑽頭冠部由於其鑄造過程之後的硬度不能容易地進 行機加工，模型腔室必須形成為鑽頭的最終希望形狀和尺寸。模型結
構複雜並且需要大範圍機加工和手工修整。模型通常必須在滲透周期 之後破壞以取出加工好的鑽頭冠部，並且只能使用一次，從而使得顆 粒基體鑽頭成本昂貴。
用於形成固定牙輪式鑽頭冠部的顆粒基體材料與用於旋轉牙輪式 鑽頭的壓配合硬合金齒或切削元件在幾個方面存在區別。顆粒基體冠部的材料通常具有低於燒結碳化鎢切削元件的材料的強度。典型地， 用於切削元件的燒結碳化鎢材料與顆粒基體鑽頭冠部的材料相比，通 常具有更高的耐壓強度、抗張強度和抗彎強度。顆粒基體材料的硬質
顆粒典型地大於液相燒結材料的硬質顆粒，典型地為至少20-25微米， 而用於燒結碳化鎢切削元件的鎢顆粒典型地小於20微米。顆粒基體鑽 頭冠部的基體典型地包括銅基合金，而燒結碳化鵠切削元件的粘結劑 由鈷、鎳、鐵或其合金製成。顆粒基體鑽頭冠部中粘結劑的數量為大 約40-70%體積比，而燒結碳化鴒切削元件中粘結劑的數量為大約 6-16%重量比。
形成顆粒基體鑽頭冠部的方法遠不同於形成燒結碳化鵠切削元件 的方法。主要的差異在於，顆粒基體鑽頭冠部不在模型中經受高壓。 相反，碳化鵠粉末倒入耐熔模型中，所述模型預先構造為界定希望的 外形。在熔爐滲透期間，銅合金基體熔化，在硬質顆粒之間流動並將 它們粘結到一起。顆粒基體鑽頭冠部的鑽頭在較低溫度和沒有受控氣 氛的情況下在熔爐中進行處理。用於形成顆粒基體鑽頭冠部的溫度典 型地為大約1180-1200度。
相反，通過利用高壓在燒結之前壓緊硬質合金顆粒和金屬粘結劑 來使燒結碳化鎢切削元件成形。利用除了如銅基合金的低熔點粘結劑 之外的粘結劑使燒結碳化鎢燒結需要真空或可控氣氛爐。在燒結碳化 物的情況下，粘結合金在最初壓制到部件形狀之前混合併分散在硬質 合金聚集物中。在熔爐燒結期間，混合的粘結劑顆粒熔化並形成圍繞 硬質骨料顆粒的連續相。在基體鑽頭冠部進行滲透的情況下，沒有粘 合劑從外源或儲存器流動。用於使碳化鴒切削元件燒結的溫度為大約 1320-1370度。在上述溫度下，在含氧氣氛中不能進行高溫處理，因 為這些物質在處理溫度下會發生氧化。對硬質合金的燒結步驟導致顯 著收縮，因為受壓顆粒成分中的孔隙由於粘結材料熔化並且熔融粘結 劑的最終表面張力將顆粒拉動到一起而得以消除。在顆粒基體鑽頭冠 部的情況下，隙間體積充滿由外部儲存器供給的熔融金屬粘結劑，而 不會對顆粒底座產生明顯的壓實作用。硬質合金中的體積收縮值典型
7地為20%到50%，同時在顆粒基體鑽頭冠部的加熱步驟期間不會發生 顯著的收縮。

發明內容
在本發明中，地層鑽孔鑽頭的牙輪完全由燒結硬質顆粒複合材料 製成。在一個實施例中，牙輪的切削元件包括與所述牙輪整體形成的 齒。在另一個實施例中，切削元件包括分開形成的硬合金齒，所述硬 合金齒壓配合到牙輪主體的配合孔中。製造每一牙輪和切削元件中硬 質顆粒的材料選自金剛石、碳化硼、氮化硼、氮化鋁、以及由W、 Ti、 Mo、 Nb、 V、 Hf、 Ta、 Cr、 Zr、 Al和Si組成的組的碳4匕物或硼4匕物。 粘結劑選自鈷、鎳、鐵、鈦及其合金。牙輪和切削元件可以免於或包 括表面硬化。牙輪的鑽頭體和牙輪軸頸傳統上優選地為合金鋼並由其 製成。
在優選的生產工藝中，由硬質顆粒和金屬粘結劑製成的粉末混合 物放置在模型中。隨後，給粉末施加高壓以形成鑄坯。優選地，鑄坯 具有足夠的強度以保持粘結形狀，允許操作人員對鑄坯進行機加工以 將所述鑄坯製成錐形產品。在單獨壓制不足以提供具有足夠強度的鑄 坯以承受機加工的情況下，選擇性地，操作人員可以在機加工之前將 鑄坯預燒結到部分燒結的狀態。在任一方法中，錐形產品使其至少一 部分尺寸有選擇地超過希望的最終尺寸。隨後，錐形產品放置在提供 真空、受控氣氛或高壓情況的熔爐中，以使所述產品燒結到希望的密 度。燒結導致錐形產品收縮到希望的最終尺寸。
在一個實施例中，燒結之前的機加工處理包括在錐形牙輪上機加 工齒。在另一個實施例中，燒結之前的機加工處理包括在錐形牙輪上 鑽出切削元件凹窩。選擇性地，操作人員可以將圓柱形置換構件插入 孔中，其在燒結期間保持不動以更好地界定孔的形狀和限制孔的收縮。 在燒結之後，操作人員將分開形成的碳化物切削元件壓配合到所述孔 中。
擠壓硬質顆粒和粘結劑粉末的步驟可以兩種方式進行。在一個方法中，操作人員將硬質顆粒和粘結劑粉末放在不可滲透的柔性容器中。 容器由液體包圍，並且給所述液體施加壓力。在另一個方法中，操作
人員將所述粉末放在剛性模型的腔室內。隨後，用壓實器(ram)壓 緊粉末。


圖1是根據本發明的一個實施例構造的地層鑽孔鑽頭的側部立面圖。
圖2是圖1所示鑽頭的局部剖視圖，顯示了牙輪軸頸之一以及多 個錐形牙輪中每一個的切削結構，所有錐形牙輪在單個平面中旋轉。
圖3是用於圖1所示地層鑽孔鑽頭的錐形牙輪的可選實施例的局 部剖視圖。
圖4是示意圖，顯示了均衡擠壓硬質顆粒和金屬粘結劑粉末以形 成用於圖2或3所示錐形牙輪的鑄坯的步驟。
圖5是示意圖，顯示了圖3的可選實施例步驟，其中，在壓實器 和模型施加的壓力作用下形成鑄坯。
圖6是示意圖，顯示了在真空爐內進行燒結之後和安裝切削元件 硬合金齒之前的圖3所示錐形牙輪。
具體實施例方式
參考圖1，地層鑽孔鑽頭11具有帶螺紋15的主體13，所述螺紋 形成在所述主體的頂端以連接到鑽柱上。主體13具有三個整體形成的 牙掌17。每個牙掌17具有牙輪軸頸19，如圖2所示。優選地，鑽頭 體13和牙輪軸頸19通常由合金鋼製成。
每個牙掌17在其牙輪軸頸19上支撐錐形牙輪21(圖2)。每個錐 形牙輪21具有圓柱形腔室23，以形成對牙輪軸頸19的軸頸支承面。 腔室23還具有平面止推肩部24以吸收由鑽柱作用在錐形牙輪21上的 推力。每個錐形牙輪21具有形成在其腔室23中的鎖定凹槽25。在所 示實例中，卡環27位於凹槽25和形成在牙輪軸頸19上的配合凹槽中，
9以將錐形牙輪21鎖定在牙輪軸頸19上。錐形牙輪21具有用於接收密 封件31的密封槽29。密封槽29臨近錐形牙輪21的背面33定位。如 圖所示，密封件31為彈性環，但是它也可以為其它類型。背面33是 圍繞通向腔室23的入口的平坦環形表面。
錐形牙輪21具有多排切削元件，其在圖1和2所示實施例中包括 齒35。齒35由每個錐形牙輪21的主體或殼體材料整體機加工而成。 齒35可以在數量方面不同，具有各種形狀，並且排數可以改變。錐形 保徑面37圍繞背面33並界定了鑽頭11的外徑。
潤滑劑通過潤滑劑通道3 9供應給位於腔室2 3和牙輪軸頸19之間 的空間。潤滑劑通道39通向儲存器，所述儲存器包括壓力補償器41 (圖l)並且可以為常規設計。仍然參考圖1，鑽頭體13具有用於將鑽 井流體排入鑽孔中的噴嘴43，所述鑽井流體連同切屑 一起向上返回到 地面。
在圖3所示實施例中，鑽頭45還具有多個牙掌47 (只顯示了一 個)，並且牙輪軸頸49從每個牙掌47垂下。錐形牙輪51具有旋轉安 裝到牙輪軸頸49上的中央腔室52以形成軸頸支承。在這個實例中， 錐形牙輪51通過位於錐形牙輪腔室52和牙輪軸頸49中的配合凹槽內 的多個鎖定球53保持在牙輪軸頸49上。密封組件55密封錐形牙輪腔 室52和牙輪軸頸49之間的支承空間。密封組件55可以為不同類型並 且顯示為金屬面密封組件。錐形牙輪51與錐形牙輪21的不同之處在 於，錐形牙輪51的切削元件59包括燒結碳化鴒硬合金齒，其壓配合 到形成在錐形牙輪51外部的配合孔57中。每個硬合金齒59具有裝入 孔57之一 內的圓柱形桶狀本體和可以具有各種形狀的伸出切削端。
每個錐形牙輪21和51優選地由燒結硬質顆粒複合材料製成，所 述複合材料包括硬質顆粒和金屬粘結劑。硬質顆粒可以包括金剛石或 陶瓷材料，例如碳化物、氮化物、氧化物和硼化物(包括碳化硼(B4C ))。 更具體地，硬質顆粒可以包括由例如W、 Ti、 Mo、 Nb、 V、 Hf、 Ta、 Cr、 Zr、 Al和Si的元素組成的碳化物和硼化物。作為實例並且非限 制性的，用於形成硬質顆粒的材料包括碳化鎢(WC、 W2C)、碳化鈦(TiC)、碳化鉭(TaC)、 二硼化鈦(TiB2)、碳化鉻、氮化鈦(TiN)、 碳化釩(VC )、氧化鋁(A1203 )、氮化鋁(A1N )、氮化硼(BN )和碳 化矽(SiC)。而且，不同硬質顆粒的組合可用於調整顆粒基體複合材 料的物理性能和特徵。硬質顆粒可以利用本領域技術人員公知的方法 獲得。對於硬質顆粒而言最合適的材料為市場上銷售的那些，其餘材 料的獲得在本領域普通技術人員的能力範圍之內。
粘合劑例如可以包括鈷基、鐵基、鎳基、鐵鎳基、鈷鎳基、鐵鈷 基、鋁基、銅基、鎂基和鈦基合金。粘合劑還可以選擇商業純元素， 例如，鈷、鋁、銅、鎂、鈦、鐵和鎳。作為實例並且非限制性的，粘 合劑可以包括碳鋼、合金鋼、不鏽鋼、工具鋼、鎳或鈷超合金材料以 及低熱膨脹鐵或鎳基合金，例如INVAR 。當在此使用時，術語"超 合金"是指具有至少12%重量百分比的鉻的鐵、鎳、鈷基合金。可用 作粘結材料的其它示例性合金包括奧氏體鋼，例如INCONEL 625M 或Rene 95的鎳基超合金，以及熱膨脹係數與特定顆粒基體複合材料 中所用硬質顆粒的熱膨脹係數極為相近的INVAI^型合金。使粘結材 料的熱膨脹係數與硬質顆粒的熱膨脹係數極為接近是有利的，例如減 少與殘餘應力和熱疲勞相關的問題。另 一 示例性粘結材料是Hadfield 奧氏體錳鋼(鐵具有大約12%重量比的錳，和1.1%重量比的碳)。
在本發明的一個實施例中，燒結硬質顆粒複合材料可以包括多個 -400 ASTM (美國材料試驗協會)目碳化鴒顆粒。例如，碳化鴒顆粒 可以大體上由WC組成。當在此使用時，短語"-400ASTM目顆粒" 是指能夠穿過按照名稱為"試驗目的用金屬絲布和篩網的標準規範" 的ASTM規範E11-04所定義的ASTM No.400網篩的顆粒。這種碳化 鴒顆粒的直徑小於大約38微米。粘結材料可以包括金屬合金，其包括 大約50。/。重量比的鈷和大約50。/。重量比的鎳。碳化鴒顆粒可以佔複合 材料重量比的大約60%到大約95%，並且粘結材料可以佔複合材料重 量比的大約5%到大約40%。更具體地，碳化鴒顆粒可以佔複合材料 重量比的大約70%到大約80%,並且粘結材料可以佔複合材料重量比 的大約20%到大約30%。
ii在本發明的另 一個實施例中，燒結硬質顆粒複合材料可以包括多
個-635ASTM目碳化鴒顆粒。當在此使用時，短語"-635ASTM目顆 粒"是指能夠穿過按照名稱為"試驗目的用金屬絲布和篩網的標準規 範"的ASTM規範Ell-04所定義的ASTMNo.635網篩的顆粒。這種 碳化鴒顆粒的直徑小於大約20微米。粘結材料可以包括鈷基金屬合 金，其包括大體上工業純鈷。例如，粘結材料可以包括高於大約98% 重量比的鈷。碳化鵠顆粒可以佔複合材料重量比的大約60%到大約 95%，並且粘結材料可以佔複合材料重量比的大約5%到大約40%。 在形成之後，錐形牙輪21或51具有大約75到92 Rockwell A的硬度。 圖4顯示了形成錐形牙輪21 (圖2)或錐形牙輪51 (圖3)的方 法的一個步驟，所述錐形牙輪大體上由燒結硬質顆粒複合材料製成。 所述方法通常包括提供粉末混合物，擠壓粉末混合物以形成鑄坯，將 所述鑄坯機加工成希望的錐形產品，隨後將所述錐形產品燒結成希望 的錐形牙輪21或51。選擇性地，如果在必要時給鑄坯增加強度，則 可以在機加工前對鑄坯進行部分燒結。
參見圖4，可以在模型或容器63內利用大體上均衡壓力擠壓粉末 混合物61。粉末混合物61包括多個如前所述的硬質顆粒和多個同樣 如前所述的包括粘結材料的顆粒。選擇性地，粉末混合物61進一步包 括在擠壓粉末混合物時通常使用的添加劑，例如，用於在擠壓期間提 供潤滑和給受壓粉末成分提供結構強度的材料，用於使粘結更為柔韌 的增塑劑以及用於減少內部顆粒摩擦的潤滑劑或壓縮助劑。
容器63可以包括流體密封的可變形構件65。例如，可變形構件 65可以是大體上圓柱形袋，包括可變形和不滲透的聚合材料，優選地 為彈性材料，例如橡膠、氯丁橡膠、矽酮或聚亞安酯。容器63可以進 一步包括大體上剛性的密封板66。可變形構件65充滿粉末混合物61 並選擇性地振動以使粉末混合物61均勻分布在可變形構件65內。密 封板66隨後附接或結合到可變形構件65上，以便在其間提供流體密 封。
內部具有粉末混合物61的容器63放在壓力室67內。可卸蓋69可用於提供通向壓力室67內部的入口。在高壓下，利用泵(未顯示) 將流體通過埠 71泵入壓力室67中。流體優選地為通常不可壓縮液 體，例如水或油；然而，它可以是或包括氣體、例如，空氣或氮氣。 流體高壓導致構件65產生變形。流體壓力可以大體上均勻地傳遞給粉 末混合物61。在均衡擠壓期間，壓力室67內的壓力會大於大約35兆 帕(大約5,000磅/平方英寸)。更特別地，在均衡擠壓期間，壓力室 67內的壓力會大於大約138兆帕(20,000磅/平方英寸)。
在可選方法中，可以在軟質容器63內提供真空，並且大於大約 0.1兆帕(大約15磅/平方英寸)的壓力可以(例如通過大氣)施加給 容器63的可變形構件65以壓實粉末混合物61。粉末混合物61的均 衡擠壓形成鑄坯，其在用於機加工的擠壓之後從壓力室67和容器63 中取出。如果通過圖4所示設備形成，鑄坯通常具有圓柱形構造。
參考圖5，形成未燒結鑄坯的可選方法包括使用剛性模型73，所 述模型具有用於接收粉末混合物75的腔室。粉末混合物75可以與圖 4所示實施例的粉末混合物61相同。如果希望的話，模型73的腔室 通常為圓錐形以形成總體錐形鑄坯。可選地，腔室可以為圓柱形，導 致圓柱形鑄坯的形成。活塞或壓實器77密封接合位於粉末75上方的 模型73的壁。作用於柱塞77上的向下力將粉末混合物75擠壓成適於 機加工的粘結形狀。
在優選的方法中，不管如圖4還是圖5那樣形成，鑄坯在不預燒 結的情況下機加工成希望的構造。然而，如果希望的話，可以進行一 些預燒結，尤其是對於較大尺寸的錐形牙輪21或51來說。所述機加 工以與現有技術中操作人員機加工鋼製錐形牙輪大體上相同的方式進 行。然而，因為在燒結期間會產生後來的收縮，錐形未燒結產品的尺 寸會過大。因為在形成例如圖3中硬合金齒59的碳化鎢切削元件方面 的多年實踐中，本領域中總體上知道硬質顆粒複合材料產品會在燒結 期間會產生多少收縮。在確定適當的膨脹部件幾何結構之前，對於顆 粒混合物來說，可以通過經驗確定更精確的收縮值。提供給機械師的 各種尺寸將會尺寸過大，從而解決這類收縮問題。就機加工未燒結鑄坯期間的錐形牙輪21 (圖2)來說，操作人員 形成錐形牙輪21的幾乎全部結構特徵，包括齒35、腔室23、密封槽 29、鎖定凹槽25和止推面24。類似地，對於錐形牙輪51 (圖4)來 說，操作人員將形成錐形牙輪51的本體、腔室52和用於硬合金齒59 的孔57。硬合金齒59將以傳統的方式分開形成。儘管同樣由燒結顆 粒複合材料形成，硬合金齒59通常為不同類型，與錐形牙輪51的主 體相比，通常具有不同的成分。
操作人員隨後將機加工後的錐形產品放入熔爐並加熱，直到該產 品為全緻密的。優選地，熔爐是提供真空、受控氣氛或高壓狀態的裝 置。通常在真空或者除了空氣之外的受控氣氛下進行燒結。當燒結如 圖所示的硬合金齒型錐形牙輪51時，可選的置換構件81插入孔57 中，如圖6所示。置換構件81包括銷釘，其尺寸設置成與用於每個硬 合金齒59(圖3)的孔57的最終希望尺寸相符。置換構件81由例如 陶瓷的材料製成，所述材料在燒結溫度下保持穩定。孔57在燒結之前 直徑尺寸大於置換構件81，並且在燒結期間收縮到構件81的直徑。 圖6顯示了燒結之後的外觀。燒結溫度對於特定的顆粒複合材料來說 是常規的。用於具有鈷粘結劑的燒結碳化鵠材料的燒結溫度為大約 1320度到1500度。
在燒結過程中，密度增加並且錐形產品進行收縮。在燒結之後， 錐形牙輪21具有用於齒35、背面33和保徑面37的希望的外部構造。 對這些表面應當有必要進行有限機加工或不再進行機加工。需要對腔 室23進行精機加工，尤其是磨削和拋光以達到希望的表面光潔度。對 於硬合金齒錐形牙輪51來說，同樣需要對其腔室52進行精機加工。 然而，在精機加工過程中只有非常少的金屬被去除，因此，儘管錐形 牙輪21和51在此時相當堅硬，也可以相對容易地進行精機加工。
在錐形牙輪21 (圖2)燒結並精加工後，它以傳統方式安裝到牙 輪軸頸19 (圖2)上。支承面利用潤滑劑以與鋼製錐形牙輪相同的方 式進行潤滑。錐形牙輪21可以在其外部具有或不具有任何表面硬化。 可以在鑽頭體13上，尤其是牙掌17上進行表面硬化。類似地，在錐形牙輪51 (圖3)燒結之後，取出置換構件81，並且硬合金齒59壓 入孔57中。硬合金齒59也可以利用本領域已知的粘合劑、軟釺焊、 硬釺焊技術結合到孔57中。錐形牙輪腔室52進行精加工，錐形牙輪 51以傳統方式安裝到牙輪軸頸49上。
在另一種加工方法中，除了形成未燒結或部分燒結的碳化物的鑄 坯之外，操作人員可以將鑄坯液相燒結到最終的密度和硬度。利用傳 統或超聲波加工方法進行機加工。超聲波法給旋轉刀具施加高頻振動 以加強材料的去除。
本發明具有顯著優點。錐形牙輪非常耐腐蝕和耐磨損，因為它由 硬度遠高於現有技術的鋼的材料製成。勞動密集型表面硬化應用減少 或消除。
儘管本發明已經顯示了一些形式，但是對於本領域技術人員來說 顯而易見的是，本發明並不限於此，在不脫離本發明範圍的情況下存 在多種變化。
權利要求
1. 一種鑽地鑽頭，包括鑽頭體，其具有至少一個由此垂下的牙輪軸頸；和錐形牙輪，其旋轉安裝到牙輪軸頸上，所述錐形牙輪具有多個切削元件，所述錐形牙輪和切削元件均由燒結複合材料形成，所述複合材料包括與金屬合金粘結劑一起燒結的硬質顆粒。
2. 如權利要求l所述的鑽頭，其中所述硬質顆粒選自金剛石、碳化硼、氮化硼、氮化鋁、以及由W、 Ti、 Mo、 Nb、 V、 Hf、 Ta、 Cr、 Zr、 Al和Si組成的組的碳4匕物或硼 化物；和所述粘結劑選自鈷、鎳、鐵、鈦及其合金。
3. 如權利要求2所述的鑽頭，其中，粘結劑相對於硬質顆粒的數 量為大約5%到40%重量百分比。
4. 如權利要求l所述的鑽頭，其中，所述切削元件包括與所述錐 形牙輪整體形成的齒。
5. 如權利要求l所述的鑽頭，其中，所述切削元件包括連接到所 述錐形牙輪上的分開形成的硬合金齒。
6. —種鑽地鑽頭，包括主體，其具有多個牙輪軸頸，每個牙輪軸頸由所述主體垂下並朝 向鑽頭旋轉軸線向下和向內延伸，所述主體和牙輪軸頸由合金鋼製成； 多個錐形牙輪，每個錐形牙輪具有內部腔室，所述內部腔室安裝在牙輪軸頸之一上以在鑽頭體旋轉時相對於牙輪軸頸旋轉；每個錐形牙輪具有外表面，所述外表面包含由此伸出的多個切削元件；並且其中所述錐形牙輪和切削元件由燒結碳化鵠製成。
7. 如權利要求6所述的鑽頭，其中，所述切削元件包括與每一錐 形牙輪整體形成的齒。
8. 如權利要求6所述的鑽頭，其中，所述切削元件包括連接到所述錐形牙輪上的分開形成的硬合金齒。
9. 如權利要求6所述的鑽頭，其中，燒結碳化鎢具有金屬粘結劑， 所述金屬粘結劑選自鈷、鎳、鐵及其合金。
10. —種製造鑽地鑽頭的錐形牙輪的方法，包括(a) 將硬質顆粒和金屬粘結劑粉末放置在模型中；隨後，(b) 給所述粉末施加壓力以形成鑄坯；(c) 對所述鑄坯進行機加工以使其形成錐形產品；隨後，(d) 將所述錐形產品燒結到希望的密度。
11. 如權利要求IO所述的方法，其中步驟(c)包括對所述鑄坯進行機加工，使得所述錐形產品的至少 一部分尺寸有選擇地大於所述錐形牙輪的最終希望尺寸；以及在步驟(d)期間，所述錐形產品收縮到所述錐形牙輪的大體上 希望的最終尺寸。
12. 如權利要求10所述的方法，其中，步驟(c)還包括在所述 錐形產品上機加工齒。
13. 如權利要求10所述的方法，其中步驟(c)還包括在所述鑄坯中機加工多個孔；以及 所述方法還包括在步驟(d)之後，將硬質合金切削元件安裝在 所述孔中。
14. 如權利要求13所述的方法，其中，所述方法還包括 在步驟(c)之後，將圓柱形置換構件插入所述孔中，所述置換構件具有孔的最終希望直徑；並且步驟(d)還包括在燒結時將所述置換構件留在孔內以限制 所述孔的收縮。
15. 如權利要求10所述的方法，其中，在鑄坯處於完全未燒結情 況下進行步驟(c)。
16. 如權利要求10所述的方法，還包括在步驟(b)之後和步驟(c)之前，加熱所述鑄坯以使其部分地 燒結。
17. 如權利要求10所述的方法，其中步驟(c )還包括在所述鑄坯內機加工圓柱形腔室以將所述錐形牙 輪安裝到鑽頭的支承軸上；以及所述方法還包括在步驟(d)之後，將所述圓柱形腔室精加工成 具有希望尺寸和表面光潔度的支承面。
18. 如權利要求IO所述的方法，其中，所述硬質顆粒包括 選自金剛石、碳化硼、氮化硼、氮化鋁、和W、 Ti、 Mo、 Nb、 V、Hf、 Ta、 Cr、 Zr、 Al和Si構成的組的碳化物或硼化物的材料；以及 所述粘結劑選自鈷、鎳、鐵、鈦及其合金。
19. 如權利要求IO所述的方法，其中，步驟(b)執行如下 將所述粉末放置和密封到柔性且不滲透的容器中； 使流體包圍所述容器；和給所述流體施加壓力。
20. 如權利要求IO所述的方法，其中，步驟(b)執行如下 將所述粉末放置在剛性模型的腔室內；和 用壓實器壓緊所述粉末。
全文摘要
地層鑽孔鑽頭(11)具有鋼製主體(13)和用於旋轉支撐錐形牙輪的牙輪軸頸。錐形牙輪具有包含多排切削元件的外表面。錐形牙輪(21)和切削元件(35)由燒結碳化鎢製成。通過給硬質顆粒和金屬合金粉末的混合物施加壓力以形成鑄坯，隨後將所述鑄坯機加工到希望的過大錐形產品來製造所述錐形牙輪。隨後，錐形產品液相燒結到希望的密度，從而收縮到希望的最終形狀。
文檔編號E21B10/46GK101512096SQ200780033376
公開日2009年8月19日 申請日期2007年7月13日 優先權日2006年7月17日
發明者J·W·伊森, R·H·史密斯, T·伯吉斯 申請人:貝克休斯公司