鑽地用切削鑲件和包含其的鑽地用鑽頭的製作方法

2023-09-11 06:18:25 2

鑽地用切削鑲件和包含其的鑽地用鑽頭的製作方法
【專利摘要】一種鑽地用切削鑲件包括一種燒結碳化物，該燒結碳化物包括被分散在一種金屬粘結劑中的多個金屬碳化物顆粒，該金屬粘結劑包括鉑、鈀、錸、銠和釕中的至少一者。還披露了一種鑽地用鑽頭，例如像旋轉式鑽地用牙輪鑽頭或衝擊式鑽頭，該鑽頭包括至少一個鑽地用切削鑲件，該鑽地用切削鑲件包括含有一種金屬粘結劑的一種燒結碳化物，該金屬粘結劑包括鉑、鈀、錸、銠和釕中的至少一者。
【專利說明】鑽地用切削鑲件和包含其的鑽地用鑽頭
【技術領域】
[0001]本披露涉及對包括燒結碳化物的鑽地用切削鑲件的改進，該鑽地用切削鑲件用於與鑽地用鑽頭例如像旋轉式鑽地用牙輪鑽頭和衝擊式鑽頭(例如像錘鑽)一起使用。本披露還涉及包含一個鑽地用鑽頭本體以及根據本披露安裝在該鑽頭本體上的至少一個鑽地用切削鑲件的一種鑽地用鑽頭。
[0002]發明背景
[0003]鑽地用(或鑽孔用)鑽頭常用於石油和天然氣的勘探、採礦以及挖掘。此類鑽地用鑽頭可以包括可旋轉的或固定的切削元件。例如，圖1展示了包括含有多個可旋轉的切削元件11的鑽頭本體的一種典型的旋轉式鑽地用牙輪鑽頭10，通常被稱為「旋轉式牙輪(rotary cone)」。切削鑲件12可以由燒結碳化物製成、被安裝在切削鑲件凹座中，這些切削鑲件凹座被定位在這些可旋轉的切削元件11中的每一個的外表面上。可以將若干個切削鑲件12安裝在這些可旋轉的切削元件11上的不同的預定位置中以便優化該鑽地用鑽頭10的切削動作。
[0004]鑽地用鑽頭的使用壽命典型地隨著該鑽頭的切削鑲件的磨損特性而變。提高鑽地用鑽頭使用壽命的一種技術是採用由具有強度、韌性以及耐磨損性的改進的組合的材料製成的鑽地用切削鑲件。許多常規的鑽地用鑽頭使用的是由燒結碳化物製成的切削元件，該燒結碳化物是一種燒結的硬質顆粒材料。用於此類應用的燒結碳化物的選擇是基於:這些材料提供了強度 、斷裂韌性以及耐磨損性的非常有吸引力的組合，這些特性對鑽地用鑽頭的有效性和經濟效應是極為重要的。燒結碳化物是包括一個不連續的分散相的複合物，該不連續的分散相典型地包括含有屬於元素周期表的IVB、VB和VIB族的一種或多種過渡金屬的碳化物的硬質顆粒。例如，這些過渡金屬包括:鈦(Ti )、釩(V)、鉻(Cr )、鋯(Zr )、鈮(Nb)、鑰(Mo)、鉿(Hf)、鉭(Ta)、以及鎢(W)。該分散相的硬質顆粒是通過一種金屬粘結劑的連續相而粘結或「燒結」在一起的，該金屬粘結劑典型地包括以下各項中的一項或多項:鈷、鈷合金、鎳、鎳合金、鐵和鐵合金。在這些不同的可能的硬質顆粒-金屬粘結劑組合中，在鑽地應用中常用的是基於碳化鎢(WC)的燒結碳化物作為分散相硬質顆粒並且使用鈷(Co)或鎳(Ni)作為金屬粘結劑(即，分別是WC-Co基燒結碳化物以及WC-Ni基燒結碳化物)。
[0005]燒結碳化物的對鑽地應用而言重要的機械特性很大程度上取決於兩個微結構參數，g卩，(i )平均硬質顆粒大小以及(ii )該燒結碳化物中的硬質顆粒和/或金屬粘結劑的重量或體積分數。總體上，當分散相硬質顆粒大小減小和/或該金屬粘結劑含量減少時，燒結碳化物的硬度和耐磨損性增大。另一方面，當分散相硬質顆粒大小增大和/或當該金屬粘結劑含量增大時，燒結碳化物的斷裂韌性增大。因此，在選擇一種用於任何應用中的燒結碳化物等級時在耐磨損性與斷裂韌性之間存在一種權衡。當耐磨損性增大時，斷裂韌性典型地減小，反之亦然。
[0006]圖2A-2E展示了與旋轉式鑽地用牙輪鑽頭一起使用的常規燒結碳化物切削鑲件的一系列不同形狀和設計。鑽地用切削鑲件可能的特徵為該鑲件的拱形部分的形狀。例如，可獲得的形狀包括:卵形(圖2A)、彈道形(圖2B)、鑿子形(圖2C)、多拱形(圖2D)、和圓錐形(圖2E)。對形狀和所使用的燒結碳化物組成(即，等級)的選擇受到例如有待被鑽孔或挖掘的巖石類型的影響。與形狀或大小無關，鑽地用切削鑲件典型地包括一個工作部分和一個本體部分。例如，圖2A所示的鑽地用切削鑲件30包括拱形的工作部分32和本體部分34。同樣，例如，圖2B所示的鑽地用切削鑲件40包括彈道形的切削部分42和本體部分44。切削動作是完全或主要由該工作部分進行，而該本體部分對該工作部分提供支撐。總體上，該本體部分的大部分或全部都嵌在鑽頭本體內，並且該本體部分典型地通過壓力配合而安裝在鑽頭本體上或者以其他方式固定在該鑽頭本體上所提供的一個切削鑲件凹座中。
[0007]如之前所述，該鑽削/切削動作可以至少主要地由鑽地用切削鑲件的一個工作部分來提供。鑽地用切削鑲件的工作部分的、開始磨損掉的第一區域是該工作部分的上半部分、特別是最頂端。當鑽地用切削鑲件的工作部分的頂端開始變平時，切削效率顯著降低，這是因為與更有效的切削動作不同，巖石和土層更多地是通過摩搓動作被去除。當這種摩搓動作繼續時，由於材料與切削鑲件之間的摩擦的增大而可能產生大量的熱量，由此導致對該切削鑲件的多個部分的加熱作用增大。如果燒結碳化物鑽地用切削鑲件的任何部分的溫度超過了閾值，則在這些硬質顆粒與金屬粘結劑的界面處可能開始出現熱裂紋。該物品的熱循環加劇了熱裂紋的蔓延。裂紋蔓延可能致使切削鑲件斷裂，這可能迫使對切削鑲件或整個鑽頭進行更換。將一個鑽柱從鑽孔中取出以便例如觸及並且修復或放置一個含有斷裂的切削鑲件的鑽地用鑽頭，顯著地減慢了鑽削過程並且給該鑽削過程增加了顯著的費用。
[0008]相應地，需要可用於鑽地用鑽頭的改進的燒結碳化物切削鑲件。這些改進的切削鑲件優選地具有增大的耐磨損性而不丟失斷裂韌性。以此方式，可以改善切削效率並且可以延長這些切削鑲件以及該鑽地用鑽頭整體的使用壽命。
[0009]發明概述
[0010]本披露提供了包括一種燒結碳化物的一種改進的鑽地用切削鑲件，該燒結碳化物包含大於一個雜質濃度的、選自下組的一種或多種元素，該組由以下各項組成:鉬、鈀、錸、銠和釕。本披露還針對一種鑽地用鑽頭，例如像旋轉式鑽地用牙輪鑽頭或衝擊式鑽頭，該鑽地用鑽頭包括含有一種燒結碳化物的至少一個鑽地用切削鑲件，該燒結碳化物包含大於雜質濃度的、選自下組的一種或多種元素，該組由以下各項組成:鉬、鈀、錸、銠和釕。
[0011]根據本披露的一個非限制性方面，鑽地用切削鑲件包括含有一種金屬粘結劑的一種燒結碳化物，該金屬粘結劑包含選自下組的一種或多種元素，該組由以下各項組成:鉬、鈀、錸、銠和釕。在某些非限制性實施例中，該燒結碳化物包括:一個分散相，該分散相包括金屬碳化物的硬質顆粒，該金屬碳化物包含至少一種過渡金屬，該至少一種過渡金屬是選自:鈦、釩、鉻、鋯、鈮、鑰、鉿、鉭、以及鎢；以及一種金屬粘結劑的連續相，該金屬粘結劑包括鈷、鈷合金、鎳、鎳合金、鐵和鐵合金中的至少一者，以及選自下組中的至少一種元素，該組由以下各項組成:鉬、鈀、錸、銠和釕，其中在該金屬粘結劑中鉬、鈀、錸、銠和釕的組合濃度基於該燒結碳化物的總重量是0.1至10重量百分比。
[0012]根據本披露的另一個非限制性方面，一個鑽地用切削鑲件包括兩個或更多個區域。一個第一區域包括一種第一燒結碳化物，該第一燒結碳化物包括分散在一種金屬粘結劑中的多個金屬碳化物硬質顆粒，其中該金屬粘結劑包括選自下組中的至少一種元素，該組由以下各項組成:鉬、鈀、錸、銠和釕，其中在該金屬粘結劑中鉬、鈀、錸、銠和釕的組合濃度基於該燒結碳化物的總重量是0.1至10重量百分比。一個第二區域包括:一種第二燒結碳化物，該第二燒結碳化物包括含有至少一種過渡金屬的金屬碳化物硬質顆粒，該至少一種過渡金屬是選自:鈦、釩、鉻、鋯、鈮、鑰、鉿、鉭、以及鎢；以及一種金屬粘結劑的連續相，該金屬粘結劑包括一個組合濃度的鉬、鈀、錸、銠和釕，該組合濃度小於該第一燒結碳化物的金屬粘結劑中鉬、鈀、錸、銠和釕的組合濃度。
[0013]根據本披露的又另一個非限制性實施例，一個鑽地用切削鑲件包括含有一種第一燒結碳化物的一個工作部分以及含有一種第二燒結碳化物的一個本體部分。該第一燒結碳化物包括一個分散相，該分散相包括含有至少一種過渡金屬的金屬碳化物硬質顆粒，該至少一種過渡金屬是選自:鈦、釩、鉻、鋯、鈮、鑰、鉿、鉭、以及鎢。該第一燒結碳化物還包括一種金屬粘結劑的連續相，該金屬粘結劑包括鈷、鈷合金、鎳、鎳合金、鐵和鐵合金中的至少一者，以及選自下組中的至少一種元素，該組由以下各項組成:鉬、鈀、錸、銠和釕，其中該金屬粘結劑中的鉬、鈀、錸、銠和釕的組合濃度基於該燒結碳化物的總重量是0.1至10重量百分t匕。該第二燒結碳化物包括一個分散相，該分散相為含有至少一種過渡金屬的金屬碳化物硬質顆粒，該至少一種過渡金屬是選自:鈦、釩、鉻、鋯、鈮、鑰、鉿、鉭、以及鎢。該第二燒結碳化物還包括一種金屬粘結劑的連續相，該金屬粘結劑包括一個組合濃度的鉬、鈀、錸、銠和釕，該組合濃度小於該第一燒結碳化物的金屬粘結劑中的鉬、鈀、錸、銠和釕的組合濃度。
[0014]根據本披露的再一個方面，一個鑽地用鑽頭包括一個鑽頭本體以及至少一個鑽地用切削鑲件。該至少一個鑽地用切削鑲件包含一種金屬粘結劑，該金屬粘結劑包括選自下組中的至少一種元素，該組由以下各項組成:鉬、鈀、錸、銠和釕，其中該金屬粘結劑中的鉬、鈀、錸、銠和釕的組合濃度基於該燒結碳化物的總重量是0.1至10重量百分比。在該鑽地用鑽頭的某些非限制性實施例中，該燒結碳化物包括:一個分散相，該分散相包括含有至少一種過渡金屬的金屬碳化物硬質顆粒，該至少一種過渡金屬是選自:鈦、釩、鉻、鋯、鈮、鑰、鉿、鉭、以及鎢；以及一種金屬粘結劑的連續相，該金屬粘結劑包括鈷、鈷合金、鎳、鎳合金、鐵和鐵合金中的至少一者，以及選自下組中的至少一種元素，該組由以下各項組成:鉬、鈀、錸、銠和釕，其中在該金屬粘結劑中鉬、鈀、錸、銠和釕的組合濃度基於該燒結碳化物的總重量是0.1至10重量百分比。根據本披露的鑽地用鑽頭可以是例如旋轉式鑽地用牙輪鑽頭或衝擊式鑽頭(例如像錘鑽)。
[0015]根據本披露的還一個非限制性方面，一個鑽地用鑽頭包括一個鑽頭本體和一個包含兩個或更多區域的鑽地用切削鑲件。該鑽地用切削鑲件的第一區域包括含有一種金屬粘結劑的一種第一燒結碳化物，其中該金屬粘結劑包括選自下組中的至少一種元素，該組由以下各項組成:鉬、鈀、錸、銠和釕，其中在該金屬粘結劑中鉬、鈀、錸、銠和釕的組合濃度基於該燒結碳化物的總重量是0.1至10重量百分比。該至少一個鑽地用切削鑲件的第二區域包括含有一種金屬粘結劑的一種第二燒結碳化物，該金屬粘結劑包括一個組合濃度的鉬、鈀、錸、銠和釕，該組合濃度小於該第一燒結碳化物的金屬粘結劑中的鉬、鈀、錸、銠和釕的組合濃度。根據本披露的鑽地用鑽頭可以是例如旋轉式鑽地用牙輪鑽頭或衝擊式鑽頭(例如像銀鑽)。
[0016] 根據本披露的另外一個方面，一個鑽地用鑽頭包括一個鑽頭本體以及安裝在該鑽頭本體上的至少一個鑽地用切削鑲件。該至少一個鑽地用切削鑲件包括含有一種第一燒結碳化物的一個工作部分以及含有一種第二燒結碳化物的一個本體部分。該第一燒結碳化物包括一個分散相，該分散相為包括至少一種過渡金屬的金屬碳化物硬質顆粒，該至少一種過渡金屬是選自:鈦、釩、鉻、鋯、鈮、鑰、鉿、鉭、以及鎢。該第一燒結碳化物還包括一種金屬粘結劑的連續相，該金屬粘結劑包括鈷、鈷合金、鎳、鎳合金、鐵和鐵合金中的至少一者，以及選自下組中的至少一種元素，該組由以下各項組成:鉬、鈀、錸、銠和釕，其中該金屬粘結劑中的鉬、鈀、錸、銠和釕的組合濃度基於該燒結碳化物的總重量是0.1至10重量百分比。該第二燒結碳化物包括一個分散相，該分散相為包括至少一種過渡金屬的碳化物的硬質顆粒，該至少一種過渡金屬是選自:鈦、鉻、釩、鋯、鉿、鉭、鑰、鈮、以及鎢。該第二燒結碳化物還包括一種金屬粘結劑的連續相，該金屬粘結劑包括一個組合濃度的鉬、鈀、錸、銠和釕，該組合濃度小於該第一燒結碳化物的金屬粘結劑中的鉬、鈀、錸、銠和釕的組合濃度。根據本披露的鑽地用鑽頭可以是例如旋轉式鑽地用牙輪鑽頭或衝擊式鑽頭(例如像錘鑽)。
[0017]在考慮以下對本發明的某些非限制性實施例的詳細說明時，讀者將了解本發明的上述細節和優點以及其他。在製造和/或使用本發明範圍內的實施例時，讀者還可以理解本發明的此類額外的細節和優點。
[0018]附圖的簡要說明
[0019]通過參考附圖將可以更好地理解本發明的特徵和優點，在附圖中:
[0020]圖1展示了一個典型的旋轉式鑽地用牙輪鑽頭，該鑽頭包括一個鑽頭本體、多個牙輪以及多個切削鑲件；
[0021]圖2A-2E展示了在鑽地用鑽頭中典型使用的不同形狀和大小的切削鑲件，例如卵形(圖2A)、彈道形(圖2B)、鑿子形(圖2C)、多拱形(圖2D)、和圓錐形(圖2E)；
[0022]圖3示出了一種燒結的硬質顆粒材料的典型微結構，該材料具有一種金屬粘結劑的連續相以及一個包括硬質顆粒的分散相；
[0023]圖4是示出了針對表1中列出的燒結碳化物等級的耐磨損性與斷裂韌性之間的關係的一個圖表；
[0024]圖5是示出了針對表2中列出的實驗用燒結碳化物等級的耐磨損性與斷裂韌性之間的關係的一個圖表；
[0025]圖6A-D是示出了在此討論的某些燒結碳化物實施例的微結構的顯微照片；並且
[0026]圖7(a)_(e)是展示了根據本披露的鑽地用切削鑲件的非限制性實施例的多個方面的照片，該鑽地用切削鑲件包括第一和第二燒結碳化物。
[0027]本發明非限制性實施方式的說明
[0028]在本說明書中描述和展示了不同的實施例，是為了提供對所披露的鑽地用切削鑲件和鑽地用鑽頭的結構、功能、特性、以及用途的全面理解。要理解的是在本說明書中描述和展示的這些不同實施例是非限制性的且非排他性的。因此，本發明不是由對於在本說明書中披露的這些不同的非限制性的且非排他性的實施例的說明所限制。結合不同實施例所描述的這些特徵和特點可以與其他實施例的特徵和特點進行組合。這樣的修改和變化旨在包含於本說明書的範圍之內。這樣，可以對權利要求進行修改以引述在本說明書中明確地或固有地描述出的、或明確地或固有地得到本說明書的支持的任何特徵或特點。另外，諸位 申請人:保留修改權利要求的權利以便肯定地放棄存在於現有技術中的特徵或特點而與此類特徵是否在此明確被描述無關。因此，任何這樣的修改都符合35U.S.C.§112第一段和35U.S.C.§ 132(a)的要求。在本說明書中披露和描述的這些不同實施例可以包括如在此不同地描述的特徵和特點、由這些特徵和特點組成或主要由這些特徵和特點組成。
[0029]除非另外指明，否則在此確認的任何專利、公開案、或其他披露材料都是通過引用以其全部內容結合在本說明書中，但是僅是在所結合的材料不與現有定義、陳述或本說明中明確提出的其他披露材料相衝突的程度上。這樣，並且在必要的程度上，在本說明書中提出的明確披露將取代通過引用結合在此的任何衝突材料。被稱為是通過引用結合在本說明書中、但與現有定義、陳述、或在此提出的其他披露材料相衝突的任何材料或其一部分僅在以下程度上被結合:使得在所結合的材料與現有的披露材料之間不發生衝突。諸位 申請人:保留對本說明書進行修改的權利以便明確地引述通過引用結合在此的任何主題或其一部分。
[0030]如在本說明書中使用的語法冠詞「一」、「一個/ 一種(a/an)」、和「該」均旨在包括「至少一個」或「一個或多個」，除非另外指出。因此，這些冠詞在本說明書中被用來指代一個或多於一個(即，「至少一個」)的該冠詞的語法對象。舉例而言，「一個部件」是指一個或多個部件，並且因此有可能設想為多於一個部件並且可以在所描述實施例的實現方式中採用或使用多於一個部件。另外，單數名詞的用法包括複數並且複數名詞的用法包括單數，除非使用背景中另作要求。
[0031]本說明書中披露和描述的不同的實施例是針對被適配成用於與鑽地用鑽頭一起使用的改進的切削鑲件。例如，根據本披露的這些切削鑲件的某些實施例可以用於衝擊式鑽頭(衝擊式鑽頭包括例如錘鑽)或用於旋轉式鑽地用牙輪鑽頭，這些鑽頭用於石油和天然氣的勘探和提取、採礦、挖掘以及相關的鑽削和切削操作。根據本披露的一個方面，在此描述的鑽地用切削鑲件包括一種燒結碳化物、基本上由該燒結碳化物組成或由該燒結碳化物組成，該燒結碳化物包含一種金屬粘結劑，該金屬粘結劑包含大於一個雜質濃度的、選自下組的一種或多種元素 ，該組由以下各項組成:鉬、鈀、錸、銠和釕。如在此關於某些非限制性實施例所討論的，本發明的諸位發明人發現，在該金屬粘結劑中提供基於該燒結碳化物的總重量處於0.1至10重量百分比範圍內的一個組合濃度的鉬、鈀、錸、銠和釕，顯著地改進了這些切削鑲件的關鍵機械特性，由此提高了這些切削鑲件的耐磨損性並且延長了這些切削鑲件失效並且需要修復或更換該鑽地用鑽頭之前的時間。該金屬粘結劑可以包括鉬、鈀、錸、銠和釕中的一種、兩種、三種、四種或全部，但是在該金屬粘結劑中這些元素的組合重量百分比是至少0.1重量百分比並且不大於10重量百分比。換言之，在某些實施例中，該金屬粘結劑可以完全沒有鉬、鈀、錸、銠和釕中的一種或多種，但是所存在的任何此類元素的組合濃度是處於所指出的濃度範圍之內。
[0032]本說明中和權利要求中所使用的若干術語具有以下含義。
[0033]如在此使用的，術語「燒結碳化物」是指一種複合材料，該複合材料包括一個含有多個硬質顆粒的不連續的分散相以及一種相對柔軟的金屬粘結劑的連續相。在許多常規的燒結碳化物中，該分散相的硬質顆粒包括過渡金屬碳化物，其中該過渡金屬是選自例如鈦、釩、鉻、鋯、鉿、鑰、鈮、鉭、鎢、其中兩種或更多的固溶體、以及其中兩種或更多的溶體。該金屬粘結劑典型地包括鈷、鈷合金、鎳、鎳合金、鐵和鐵合金中的至少一者。該金屬粘結劑將這些分散的硬質顆粒粘結或「黏結」在一起，並且該複合物展示出該不連續相與連續相的物理特性的有利組合。圖3是一種代表性的燒結碳化物的微結構的顯微照片。這些較亮區域是分散的碳化鎢硬質顆粒，並且該較暗區域是將這些碳化鎢硬質顆粒黏結在一起的鈷粘結劑的連續區域，由此形成該複合物。在多個非限制性實施例中，該燒結碳化物的金屬粘結劑還可以包括一種或多種添加劑，該添加劑選自:鉻、鑰、硼、鎢、鉭、鈦、鈮、矽、鋁、銅和錳。在某些非限制性實施例中，燒結碳化物的金屬粘結劑可以包括總量高達20重量百分比的這些添加劑，基於該粘結劑的總重量而言。在其他非限制性實施例中，燒結碳化物的金屬粘結劑可以包括總量高達15重量百分比、高達10重量百分比、或高達5重量百分比的這些添加劑，基於該粘結劑的總重量而言。將理解的是，該分散相和該金屬粘結劑兩者均可以包括不可避免的雜質。
[0034]眾多的燒結碳化物類型或「等級」是由不同的參數所產生的，這些參數可以包括該分散相和/或連續相中的材料的組成、該分散相的硬質顆粒的平均大小、和/或該不連續相和連續相的體積分數。包含碳化鎢顆粒分散相以及鈷或鈷合金粘結劑的燒結碳化物是商業上最重要的通常可獲得的燒結碳化物等級。常規的燒結碳化物等級是作為粉末(通常稱為「燒結碳化物粉末」)可獲得的。通過使用例如常規的壓制與燒結技術或用於由前體燒結碳化物粉末等級來生產燒結碳化物的其他已知技術，可以將這些粉末加工成最終的整體形式。
[0035]包括一個碳化鎢顆粒不連續分散相以及一個鈷粘結劑連續相的常規燒結碳化物等級展現了極限拉伸強度、斷裂韌性以及耐磨損性的有利組合。如本領域已知的，「斷裂韌性」是指材料在斷裂之前吸收能量以及塑性變形的能力。「韌性」是與應力-應變曲線從原點到破裂點的下方面積成比例的(參見麥格勞-希爾科技術語辭典(第5版，1994?並且可以通過使用已知的機械測試技術來估算。「耐磨損性」是指材料承受表面損傷的能力。磨損一般涉及由於物品與接觸表面或基底之間的相對移動而導致的該物品的材料的逐漸損失。參見金屬手冊簡裝版(第2版，1998)。
[0036]在此描述的鑽地用切削鑲件的某些非限制性實施例包括一個工作部分。如在此使用的，「工作部分」是指鑽地用切削鑲件的以下部分，該部分主要接觸有待通過該鑽地用鑽頭去除或分離的巖石、泥土、或其他材料，該鑽地用鑽頭上安裝了該切削鑲件。與該工作部分相比，鑽地用切削鑲件還可以包括一個「本體部分」，如在此使用的，本體部分是指該鑽地用切削鑲件的、支撐該工作部分的一個部分。該本體部分和工作部分可以是但不必是單一鑽地用切削鑲件的多個區域。將會理解的是，在根據本發明的鑽地用切削鑲件的某些實施例中，在該切削鑲件的工作部分與本體部分之間可以不存在清晰的劃分線。然而，在此類實施例中，本領域普通技術人員將認識到這些部分之間的差異，在於該工作部分被適配成用於主要執行該切削鑲件的既定功能，而該本體部分將被適配成用於主要支撐該工作部分。替代地，該工作部分和本體部分可以由不同的材料形成並且以其他方式固定地附接或粘結在一起，這樣使得當使用該切削鑲件時該本體部分對該工作部分提供必要的支撐。
[0037] —般理解的是，在很大程度上決定了鑽地用切削鑲件的(因此還有其上安裝了這些切削鑲件的該鑽地用鑽頭的)總體性能的燒結碳化物的特性是耐磨損性和斷裂韌性。為了優化鑽地用切削鑲件的性能，所希望的是對於給定水平的耐磨損性獲得最高的斷裂韌性，反之亦然。如以上所指出，燒結碳化物的耐磨損性和斷裂韌性這些特性在很大程度上受到該材料微結構的兩個參數的影響，即，平均硬質顆粒大小以及硬質顆粒和/或金屬粘結劑的重量或體積分數。總體上，當平均硬質顆粒大小減小和/或該燒結碳化物的金屬粘結劑的重量或體積分數減小時，硬度和耐磨損性增大。另一方面，當平均硬質顆粒大小增大和/或該燒結碳化物的金屬粘結劑的重量或體積分數增大時，斷裂韌性增大。因此，人們相信，在選擇用於任何鑽地應用中的燒結碳化物等級時，在耐磨損性與斷裂韌性之間不可避免地要作出權衡。
[0038]表1和圖4中展示了某些常規的燒結碳化物中的耐磨損性與斷裂韌性之間的權衡。表1提供了一系列常規的WG-Co基燒結碳化物等級，將其標示為等級A至等級L，這些等級常用於鑽地用切削鑲件中並且是從德克薩斯州休斯頓市的ATI FirthSterling公司可商購的。表1還針對每個等級列出了以下內容:ATI Firth Sterling公司使用的商品等級名稱、平均WC顆粒大小、鈷粘結劑含量(基於該燒結碳化物的總重量)、硬度、以及密度。表1中列出的鈷含量時基於燒結碳化物的總重量的重量百分t匕。表1中列出的每個等級的餘量是碳化鎢顆粒。所列出的燒結碳化物等級包括平均直徑在大約4至大約8μπι範圍內的WC顆粒、在大約8至大約17重量百分比範圍內的鈷粘結劑含量，並且餘量構成了 WC顆粒。圖4是將表1中列出的燒結碳化物等級A-L的耐磨損性與斷裂韌性之間的關係繪成曲線的一個圖表。通過使用一種測試方法來評估斷裂韌性，該測試方法基本上等同於ASTM Β771-87(2006) 「燒結碳化物的短杆斷裂韌性的標準測試方法[Standard Test Method for Short Rod Fracture Toughnessof Cemented Carbides]」。耐磨損性是根據ASTM B611 - 85 (2005) 「燒結碳化物耐磨損性的標準測試方法[Standard Test Method for Abrasive Wear Resistance ofCemented Carbides] 」 來評估的。
[0039]表1
[0040]
【權利要求】
1.一種鑽地用切削鑲件，包括: 一種燒結 碳化物，該燒結碳化物包括一種金屬粘結劑，該金屬粘結劑包含大於一個雜質濃度的、選自下組的一種或多種元素，該組由以下各項組成:鉬、鈀、錸、銠和釕。
2.如權利要求1所述的鑽地用切削鑲件，其中該燒結碳化物包括: 一個分散相，該分散相包括含有金屬碳化物的硬質顆粒，該金屬碳化物包括至少一種過渡金屬，該至少一種過渡金屬是選自:鈦、釩、鉻、鋯、鈮、鑰、鉿、鉭、以及鎢；以及 一種金屬粘結劑的連續相，該金屬粘結劑包括 鈷、鈷合金、鎳、鎳合金、鐵和鐵合金中的至少一者，以及 選自下組中的至少一種元素，該組由以下各項組成:鉬、鈀、錸、銠和釕，其中在該金屬粘結劑中鉬、鈀、錸、銠和釕的組合濃度基於該燒結碳化物的總重量是0.1至10重量百分比。
3.如權利要求2所述的鑽地用切削鑲件，其中該金屬粘結劑包括在該金屬粘結劑中的一個組合濃度的鉬、鈀、錸、銠和釕，該組合濃度基於該燒結碳化物的總重量為0.3至7重量百分比。
4.如權利要求2所述的鑽地用切削鑲件，其中該金屬粘結劑包括在該金屬粘結劑中的一個組合濃度的鉬、鈀、錸、銠和釕，該組合濃度基於該燒結碳化物的總重量為0.5至5重量百分比。
5.如權利要求2所述的鑽地用切削鑲件，其中該燒結碳化物包括2至40重量百分比的該金屬粘結劑以及60至98的重量百分比的該分散相。
6.如權利要求2所述的鑽地用切削鑲件，其中該分散相的硬質顆粒包括以下各項中的至少一種:碳化鈦、碳化釩、碳化鉻、碳化鋯、碳化鈮、碳化鑰、碳化鉿、碳化鉭以及碳化鎢。
7.如權利要求2所述的鑽地用切削鑲件，其中該分散相的硬質顆粒包括碳化鎢。
8.如權利要求2所述的鑽地用切削鑲件，其中該金屬粘結劑包括鈷和釕。
9.如權利要求2所述的鑽地用切削鑲件，其中該分散相的硬質顆粒包括碳化鎢，並且該金屬粘結劑包括鈷和釕。
10.如權利要求2所述的鑽地用切削鑲件，其中該分散相的硬質顆粒基本上由碳化鎢組成，並且該金屬粘結劑包括鈷和釕。
11.如權利要求1所述的鑽地用切削鑲件，其中該切削鑲件被適配成用於與旋轉式鑽地用牙輪鑽頭和衝擊式鑽頭中的至少一者一起使用。
12.如權利要求2所述的鑽地用切削鑲件，其中該切削鑲件被適配成用於與一個旋旋轉式鑽地用牙輪鑽頭和衝擊式鑽頭中的至少一個一起使用。
13.如權利要求1所述的鑽地用切削鑲件，其中該切削鑲件包括一個工作部分和一個本體部分。
14.如權利要求13所述的鑽地用切削鑲件，其中該工作部分包括選自以下各項的一種形狀:卵形、彈道形、鑿子形、多拱形、以及圓錐形。
15.如權利要求2所述的鑽地用切削鑲件，其中該切削鑲件包括一個工作部分和一個本體部分。
16.如權利要求15所述的鑽地用切削鑲件，其中該工作部分包括選自以下各項的一種形狀:卵形、彈道形、鑿子形、多拱形、以及圓錐形。
17.如權利要求1所述的鑽地用切削鑲件，其中該切削鑲件包括: 一個包含第一燒結碳化物的第一區域，該第一燒結碳化物包括位於一種金屬粘結劑中的一個包含金屬碳化物硬質顆粒的分散相，該第一燒結碳化物的金屬粘結劑包括鉬、鈀、錸、銠和釕中的至少一者，其中在該金屬粘結劑中鉬、鈀、錸、銠和釕的組合濃度基於該第一燒結碳化物的重量是0.1至10重量百分比；以及 一個包含第二燒結碳化物的第二區域，該第二燒結碳化物包括位於一種金屬粘結劑中的一個包含金屬碳化物硬質顆粒的分散相，該第二燒結碳化物的金屬粘結劑包括一個組合濃度的鉬、鈀、錸、銠和釕，該組合濃度小於該第一燒結碳化物的金屬粘結劑中鉬、鈀、錸、銠和釕的組合濃度。
18.如權利要求17所述的鑽地用切削鑲件，其中該第一燒結碳化物的金屬粘結劑包括在該金屬粘結劑中的一個組合濃度的鉬、鈀、錸、銠和釕，該組合濃度基於該燒結碳化物的總重量為0.3至7重量百分比。
19.如權利要求17所述的鑽地用切削鑲件，其中該第一燒結碳化物的金屬粘結劑包括在該金屬粘結劑中的一個組合濃度的鉬、鈀、錸、銠和釕，該組合濃度基於該燒結碳化物的總重量為0.5至5重量百分比。
20.如權利要求17所述的鑽地用切削鑲件，其中該第一燒結碳化物的金屬粘結劑包括基於該第一燒結碳化物的總重量為0.1至10重量百分比的釕。
21.如權利要求17所述的鑽地用切削鑲件，其中該第二燒結碳化物的金屬粘結劑包括不大於一個雜質濃度的釕。
22.如權利要求17所述的鑽地用切削鑲件，其中該第二燒結碳化物的金屬粘結劑不包括釕。
23.如權利要求17所述的鑽地用切削鑲件，其中該第一燒結碳化物和該第二燒結碳化物各自單獨地包括: 一個分散相，該分散相包括含有至少一種過渡金屬的金屬碳化物硬質顆粒，該至少一種過渡金屬是選自:鈦、釩、鉻、鋯、鈮、鑰、鉿、鉭、以及鎢；以及 一種金屬粘結劑的連續相，該金屬粘結劑包括鈷、鈷合金、鎳、鎳合金、鐵和鐵合金中的至少一者。
24.如權利要求17所述的鑽地用切削鑲件，其中該第一區域包括該切削鑲件的一個工作部分。
25.如權利要求24所述的鑽地用切削鑲件，其中該工作部分包括選自以下各項的一種形狀:卵形、彈道形、鑿子形、多拱形、以及圓錐形。
26.如權利要求17所述的鑽地用切削鑲件，其中: 該第一燒結碳化物的分散相包括碳化鎢，並且該第一燒結碳化物的金屬粘結劑包括鈷；並且 該第二燒結碳化物的分散相包括碳化鎢，並且該第二燒結碳化物的金屬粘結劑包括鈷。
27.如權利要求17所述的鑽地用切削鑲件，其中該切削鑲件被適配成用於與旋轉式鑽地用牙輪鑽頭和衝擊式鑽頭中的至少一者一起使用。
28.—種鑽地用切削鑲件，包括:一個包含第一燒結碳化物的工作部分，該第一燒結碳化物包括一個分散相，該分散相包括含有至少一種過渡金屬的金屬碳化物硬質顆粒，該至少一種過渡金屬是選自:鈦、釩、鉻、鋯、鈮、鑰、鉿、鉭、以及鎢，以及一種金屬粘結劑的連續相，該金屬粘結劑包括鈷、鈷合金、鎳、鎳合金、鐵和鐵合金中的至少一者，以及 選自下組中的至少一種元素，該組由以下各項組成:鉬、鈀、錸、銠和釕，其中該金屬粘結劑中的鉬、鈀、錸、銠和釕的組合濃度基於該第一燒結碳化物的總重量是0.1至10重量百分比；以及 一個包含第二燒結碳化物的本體部分，該第二燒結碳化物包括一個分散相，該分散相包括含有至少一種過渡金屬的金屬碳化物硬質顆粒，該至少一種過渡金屬是選自:鈦、鉻、釩、鋯、鉿、鉭、鑰、鈮以及鎢，以及一種金屬粘結劑的連續相，該金屬粘結劑包括鈷、鈷合金、鎳、鎳合金、鐵和鐵合金中的至少一者，以及 該金屬粘結劑中的一個組合濃度的鉬、鈀、錸、銠和釕，該組合濃度小於該第一燒結碳化物的金屬粘結劑中的鉬、鈀、錸、銠和釕的組合濃度。
29.如權利要求28所述的鑽地用切削鑲件，其中該第一燒結碳化物的金屬粘結劑包括一個組合濃度的鉬、鈀、錸、銠和釕，該組合濃度基於該第一燒結碳化物的總重量為0.3至7重量百分比。
30.如權利要求28所述的鑽地用切削鑲件，其中該第一燒結碳化物的金屬粘結劑包括一個組合濃度的鉬、鈀、錸、銠和釕，該組合濃度基於該第一燒結碳化物的總重量為0.5至5重量百分比。
31.如權利要求28所述的鑽地用切削鑲件，其中 該第一燒結碳化物的分散相包括碳化鎢；並且 該第一燒結碳化物的金屬粘結劑包括鈷。
32.如權利要求31所述的鑽地用切削鑲件，其中 該第二燒結碳化物的分散相包括碳化鎢；並且 該第二燒結碳化物的金屬粘結劑包括鈷。
33.一種鑽地用鑽頭，包括: 一個鑽頭本體；以及 至少一個鑽地用切削鑲件，該至少一個鑽地用切削鑲件包含一種金屬粘結劑，該金屬粘結劑包括選自下組中的至少一種元素，該組由以下各項組成:鉬、鈀、錸、銠和釕，其中該金屬粘結劑中的鉬、鈀、錸、銠和釕的組合濃度基於該燒結碳化物的總重量是0.1至10重量百分比。
34.如權利要求33所述的鑽地用鑽頭，其中該燒結碳化物包括: 一個分散相，該分散相包括含有至少一種過渡金屬的金屬碳化物硬質顆粒，該至少一種過渡金屬是選自:鈦、釩、鉻、鋯、鈮、鑰、鉿、鉭、以及鎢；以及 一種金屬粘結劑的連續相，該金屬粘結劑包括基於該燒結碳化物的總重量為0.1至10重量百分比的釕，以及鈷、鈷合金、鎳、鎳合金、鐵和鐵合金中的至少一者。
35.如權利要求34所述的鑽地用鑽頭，其中該金屬粘結劑包括一個組合濃度的鉬、鈀、錸、銠和釕，該組合濃度基於該燒結碳化物的總重量為0.3至7重量百分比。
36.如權利要求34所述的鑽地用鑽頭，其中該金屬粘結劑包括一個組合濃度的鉬、鈀、錸、銠和釕，該組合濃度基於該燒結碳化物的總重量為0.5至5重量百分比。
37.如權利要求34所述的鑽地用鑽頭，其中該燒結碳化物包括2至40重量百分比的該金屬粘結劑以及60至98的重量百分比的該分散相。
38.如權利要求34所述的鑽地用鑽頭，其中該分散相的硬質顆粒包括以下各項中的至少一種:碳化鈦、碳化釩、碳化鉻、碳化鋯、碳化鈮、碳化鑰、碳化鉿、碳化鉭以及碳化鎢。
39.如權利要求34所 述的鑽地用鑽頭，其中該分散相的硬質顆粒包括碳化鎢。
40.如權利要求34所述的鑽地用鑽頭，其中該金屬粘結劑包括鈷和釕。
41.如權利要求33所述的鑽地用鑽頭，其中該鑽地用鑽頭是旋轉式鑽地用牙輪鑽頭和衝擊式鑽頭中的一者。
42.如權利要求34所述的鑽地用鑽頭，其中該鑽地用鑽頭是旋轉式鑽地用牙輪鑽頭和衝擊式鑽頭中的一者。
43.如權利要求33所述的鑽地用鑽頭，其中該至少一個鑽地用切削鑲件包括: 一個包含第一燒結碳化物的第一區域，該第一燒結碳化物包括分散在一種金屬粘結劑中的多個金屬碳化物顆粒，該第一燒結碳化物的金屬粘結劑包括選自下組中的至少一種元素，該組由以下各項組成:鉬、鈀、錸、銠和釕，其中在該金屬粘結劑中鉬、鈀、錸、銠和釕的組合濃度基於該第一燒結碳化物的總重量是0.1至10重量百分比；以及 一個包含第二燒結碳化物的第二區域，該第二燒結碳化物包括分散在一種金屬粘結劑中的多個金屬碳化物顆粒，其中該第二燒結碳化物的金屬粘結劑包括在該金屬粘結劑中的一個組合濃度的鉬、鈀、錸、銠和釕，該組合濃度小於該第一燒結碳化物的金屬粘結劑中鉬、鈀、錸、銠和釕的組合濃度。
44.如權利要求43所述的鑽地用鑽頭，其中該第一燒結碳化物的金屬粘結劑包括基於該第一燒結碳化物的總重量為0.1至10重量百分比的釕。
45.如權利要求43所述的鑽地用鑽頭，其中該第一燒結碳化物的金屬粘結劑包括在該金屬粘結劑中的一個組合濃度的鉬、鈀、錸、銠和釕，該組合濃度基於該第一燒結碳化物的總重量為0.3至7重量百分比。
46.如權利要求43所述的鑽地用鑽頭，其中該第一燒結碳化物的金屬粘結劑包括在該金屬粘結劑中的一個組合濃度的鉬、鈀、錸、銠和釕，該組合濃度基於該第一燒結碳化物的總重量為0.5至5重量百分比。
47.如權利要求43所述的鑽地用鑽頭，其中該第二燒結碳化物的金屬粘結劑不包括釕。
48.如權利要求43所述的鑽地用鑽頭，其中: 該第一燒結碳化物包括碳化鎢顆粒，並且該第一燒結碳化物的金屬粘結劑包括鈷；並且 該第二燒結碳化物包括碳化鎢顆粒，並且該第二燒結碳化物的金屬粘結劑包括鈷。
49.如權利要求43所述的鑽地用鑽頭，其中該鑽地用鑽頭是旋轉式鑽地用牙輪鑽頭和衝擊式鑽頭中的一者。
50.一種鑽地用鑽頭,包括至少一個鑽地用切削鑲件，該至少一個鑽地用切削鑲件包括: 一個包含第一燒結碳化物的工作部分，該第一燒結碳化物包括一個分散相，該分散相包括含有至少一種過渡金屬的金屬碳化物硬質顆粒，該至少一種過渡金屬是選自:鈦、釩、鉻、鋯、鈮、鑰、鉿、鉭、以及鎢，以及一種金屬粘結劑的連續相，該金屬粘結劑包括鈷、鈷合金、鎳、鎳合金、鐵和鐵合金中的至少一者，以及 鉬、鈀、錸、銠和釕中的至少一者，其中該金屬粘結劑中的鉬、鈀、錸、銠和釕的組合濃度 基於該第一燒結碳化物的總重量是0.1至10重量百分比；以及 一個包含第二燒結碳化物的本體部分，該第二燒結碳化物包括 一個分散相，該分散相包括含有至少一種過渡金屬的金屬碳化物硬質顆粒，該至少一 種過渡金屬是選自:鈦、鉻、釩、鋯、鉿、鉭、鑰、鈮以及鎢，並且 一種金屬粘結劑的連續相，該金屬粘結劑包括 鈷、鈷合金、鎳、鎳合金、鐵和鐵合金中的至少一者，以及 一個組合濃度的鉬、鈀、錸、銠和釕，該組合濃度小於該第一燒結碳化物的金屬粘結劑中的鉬、鈀、錸、銠和釕的組合濃度。
51.如權利要求50所述的鑽地用鑽頭，其中該第一燒結碳化物的金屬粘結劑包括基於該第一燒結碳化物的總重量為0.1至10重量百分比的釕。
52.如權利要求50所述的鑽地用鑽頭，其中該第一燒結碳化物的金屬粘結劑包括在該金屬粘結劑中的一個組合濃度的鉬、鈀、錸、銠和釕，該組合濃度基於該第一燒結碳化物的總重量為0.3至7重量百分比。
53.如權利要求50所述的鑽地用鑽頭，其中該第一燒結碳化物的金屬粘結劑包括在該金屬粘結劑中的一個組合濃度的鉬、鈀、錸、銠和釕，該組合濃度基於該第一燒結碳化物的總重量為0.5至5重量百分比。
54.如權利要求50所述的鑽地用鑽頭，其中 該第一燒結碳化物的分散相包括碳化鎢；並且 該第一燒結碳化物的金屬粘結劑包括鈷。
【文檔編號】C22C29/06GK103946405SQ201280051221
【公開日】2014年7月23日 申請日期:2012年10月17日 優先權日:2011年11月1日
【發明者】J·J·歐克斯, P·K·莫錢達尼, G·B·柯林斯, O·O·埃索, J·L·詹森 申請人:鈷碳化鎢硬質合金公司