專利名稱：基體粉末系統(tǒng)和復(fù)合材料以及由其制成的物品的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種基體粉末系統(tǒng)、一種包含該基體粉末系統(tǒng)的復(fù)合材料，以及由用于石油和天然氣鉆探的鉆頭尖的這樣一種復(fù)合材料制成的一個(gè)基體鉆尖本體。更加具體地講，本發(fā)明涉及一種基體粉末系統(tǒng)，該基體粉末系統(tǒng)包括一種或多種多晶碳化物、無(wú)粘合劑碳化物，或者它們的組合，所述多晶碳化物和/或無(wú)粘合劑碳化物包括W、Ti、V、Cr、Nb、Mo、 Ta、Hf、Zr的碳化物，或它們的組合。
背景技術(shù)：
用于石油和天然氣鉆探的一種鉆地鉆頭尖1，如圖1所示，包括幾個(gè)被附接在一個(gè)鉆頭尖本體4上的切削元件2。這種類型的鉆頭尖也可以被稱為剪切鉆尖、剪切基體本體切割器，或者基體本體鉆頭尖。鉆頭尖本體4是由具有硬質(zhì)基體相的一種復(fù)合材料制成的，該硬質(zhì)基體相包含一種或多種陶瓷組分，例如鑄造碳化鎢、粗晶碳化鎢、附聚物滲碳的碳化鎢 (agglomerate carburized tungsten carbide)、壓碎的燒結(jié)碳化鎢、碳化鎢鈷/鎳小粒，和 /或處于小顆粒形式的其他碳化物類、氮化物類、硼化物類、和/或氧化物類。這些切削元件2最常見(jiàn)地是通過(guò)與該鉆頭尖本體材料進(jìn)行釬焊或者一種機(jī)械/冶金粘合而附接到該鉆頭尖本體4的燒結(jié)碳化物基體上的分離的金剛石或多晶金剛石復(fù)合材料。通常，該基體材料鉆頭尖本體是使用一種熔滲工藝制造的，該熔滲工藝使用一種金屬粘合相來(lái)粘合這些小的基體顆粒。在該熔滲工藝中，將一種基體粉末傾倒入一個(gè)模具中。然后該將會(huì)變成該復(fù)合材料的金屬粘合相的熔滲金屬于被放在該基體粉末的頂部件上。當(dāng)裝載該模具之后，在該模具上放置一個(gè)頂部件并且在一個(gè)加熱爐內(nèi)將該模具加熱到在該金屬粘合相的熔點(diǎn)之上但是在該基體粉末的陶瓷組分的熔點(diǎn)之下的一個(gè)溫度。該金屬粘合相熔化并且熔滲該基體粉末。在冷卻并且凝固后，該金屬粘合相將該基體粉末粘合在一起從而形成一種固體復(fù)合材料。一個(gè)鋼質(zhì)柄在凝固之后被粘結(jié)到該鉆頭尖本體4上亦或在加熱之前被放入該模具中，這樣使得該熔滲金屬將該柄粘合到了鉆頭尖本體4上。在凝固之后使用釬焊或者另一種合適的附接方法將這些切割器2附接到鉆頭尖本體4上，以便將它們固定在由該模具在鉆頭尖本體4內(nèi)形成的多個(gè)凹槽或凹陷內(nèi)。授予Liang等人的美國(guó)專利號(hào)7，475，743說(shuō)明了一種鉆地的鉆頭尖，該鉆頭尖具有一個(gè)基體鉆尖本體，該基體鉆尖本體包含燒結(jié)碳化鎢和鑄造碳化鎢并且它是使用熔滲方法制造的。在Liang的專利中，這些切削元件是在已經(jīng)使用該熔滲方法制造了該基體鉆尖本體之后釬焊到該基體鉆尖本體上的。Deng等人的美國(guó)專利申請(qǐng)公開(kāi)號(hào)2008/0206585說(shuō)明了具有一種基體鉆尖本體的一種鉆頭尖，該基體鉆尖本體包含碳化物類、硼化物類、氮化物類，和/或氧化物類并且它是使用熔滲方法制造的。在用于制造該基體材料鉆頭尖本體的熔滲工藝過(guò)程中，溫度達(dá)到約1200°C。因此， 對(duì)于該基體組分，即，這些碳化物而言，必須具有良好的熱穩(wěn)定性，使得它們?cè)谥圃爝^(guò)程中不會(huì)破裂。
在操作過(guò)程中，此類鉆地鉆頭尖本體經(jīng)受到大量的腐蝕和沖擊。雖然由金剛石或多晶金剛石復(fù)合材料制成的這些切割器2，在エ使用中具有高的硬度和良好的耐腐蝕性，但是目前所使用的這些鉆頭尖本體4是較少耐腐蝕的。其結(jié)果是，對(duì)于該鉆頭尖的壽命而言的限制因素是對(duì)鉆頭尖本體4的劣化。因此，對(duì)于鉆頭尖本體4而言，需要包含一個(gè)基體粉末系統(tǒng)的ー種復(fù)合材料，該基體粉末系統(tǒng)具有更好的熱穩(wěn)定性以忍受該制造エ藝以及更高的硬度和更好的耐腐蝕性，以便與這些切割器2的硬度和耐腐蝕性更緊密地相匹配。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明是針對(duì)用于制造陶瓷金屬?gòu)?fù)合材料的一種基體粉末系統(tǒng)以及由其制成的復(fù)合材料。該基體粉末系統(tǒng)包括ー種或多種多晶碳化物、無(wú)粘合劑碳化鎢，或者它們的組合。這些多晶和/或無(wú)粘合劑碳化物包括W、Ti、V、Cr、Nb、Mo、Ta、Hf、Zr的碳化物，或者它們的組合。該基體粉末系統(tǒng)還可以包含除了多晶碳化物和/或無(wú)粘合劑碳化物之外的額外的陶瓷相和/或金屬。該陶瓷金屬?gòu)?fù)合材料包括本發(fā)明的基體粉末系統(tǒng)和ー種金屬粘合相。本發(fā)明還是針對(duì)由這種復(fù)合材料制造的、用于鉆地的鉆頭尖的一種基體鉆尖本體?？商娲?，該基體鉆尖本體可以具有一種復(fù)合材料，該復(fù)合材料在僅其表面的一部分上包括多晶碳化物和/或無(wú)粘合劑碳化物基體粉末系統(tǒng)。本發(fā)明還是針對(duì)用于石油和天然氣鉆探的一種鉆頭尖，該鉆頭尖包括由這種復(fù)合材料制造的一個(gè)鉆頭尖本體以及至少ー個(gè)切割器。


圖1是根據(jù)本發(fā)明的鉆頭尖的一個(gè)實(shí)施方案的等角視圖；圖2A和圖2B是熔滲有ー種銅合金的無(wú)粘合劑碳化鎢的顯微照片；并且圖2C和圖2D是熔滲有ー種銅合金的碳化鎢-鈷小粒的顯微照片。
具體實(shí)施例方式本發(fā)明是包括ー種或多種多晶碳化物、無(wú)粘合劑碳化鎢，或者它們的組合的ー種基體粉末系統(tǒng)。這些多晶和/或無(wú)粘合劑碳化物包括W、Ti、V、Cr、Nb、Mo、Ta、Hf、Zr的碳化物，或者它們的組合。該多晶碳化物由多個(gè)包含在一個(gè)單個(gè)顆粒中的晶粒組成。在該多晶碳化物中沒(méi)有粘合剤。無(wú)粘合劑碳化物具有0至3wt. %的金屬粘合剤。在多晶碳化物或無(wú)粘合劑碳化物內(nèi)的這些碳化物的晶粒大小是< 15 μ m，，優(yōu)選的是< 1 μ m，并且更加優(yōu)選的是 0. 2μπι 至 0. 6μπι。與傳統(tǒng)上用于石油和天然氣鉆探的鉆頭尖的復(fù)合基體鉆尖本體中的鑄造碳化物、 粗晶碳化物、燒結(jié)碳化物或者附聚物滲碳的碳化物相比，多晶碳化物和無(wú)粘合劑碳化物更硬。由于硬度通常與耐腐蝕性相關(guān)，因而與傳統(tǒng)上用于石油和天然氣鉆探的鉆頭尖的基體鉆尖本體中的這些碳化物相比，這些多晶碳化物和無(wú)粘合劑碳化物同樣具有改進(jìn)的耐腐蝕性。此外，與傳統(tǒng)上用于石油和天然氣鉆探的鉆頭尖的基體本體中的這些碳化物相比，這些多晶碳化物和/或無(wú)粘合劑碳化物在制造的過(guò)程中使用一種熔滲ェ藝而具有更好的熱穩(wěn)定性。因此，根據(jù)本發(fā)明，為了改進(jìn)該基體鉆尖本體的耐腐蝕性，該基體粉末系統(tǒng)包括ー種或多種多晶碳化物和/或無(wú)粘合劑碳化物。該無(wú)粘合劑碳化物包含小于3wt. %的金屬粘合劑，該金屬粘合劑是選自但不限于從W、Mo、Co、Ni、Ti、Cr、V、Fe、以及Mn。優(yōu)選地，該粘合劑相是小于0. 5wt. %，并且更優(yōu)選地是小于0. 2wt. %0這些多晶碳化物和/或無(wú)粘合劑碳化物是處于ー種粉末的形式，該粉末可以是任何形狀，包括但不限于球狀的、立方體的、橢圓的、似立方體的、或者不規(guī)則的，并且可以是處于0. 005mm (0. 000197英寸，2500目)與1. 19mm (0. 047英寸，16目)之間，優(yōu)選的是 0. 02mm至0. 42mm,并且更優(yōu)選的是0. 044mm至0. 25mm?？梢允褂萌我饨M合了多種形狀和/ 或多種尺寸的碳化物粉末。此類多晶碳化物和/或無(wú)粘合劑碳化物可以是使用多種エ藝制造的，包括但不限于對(duì)以下各項(xiàng)進(jìn)行快速全方向壓實(shí)(ROC)、硬的熱等靜壓壓制(硬HIP)、微波燒結(jié)、等離子燒結(jié)、以及熱壓制1) ー種金屬粉末和碳粉末混合物，幻ー種金屬碳化物粉末，或者；3) —種金屬碳化物粉末和金屬粘合劑混合物。可以將產(chǎn)生的多晶碳化物和/或無(wú)粘合劑碳化物壓碎以便獲得該更細(xì)顆粒的碳化物材料。多晶碳化鎢和/或無(wú)粘合劑碳化鎢因其高硬度特別適合在該基體粉末系統(tǒng)中使用。多晶碳化鎢是由其中一個(gè)顆粒內(nèi)有多個(gè)晶粒的純碳化鎢所組成的。在多晶碳化鎢中沒(méi)有粘合劑并且碳化鎢是唯一的相。無(wú)粘合劑碳化鎢具有O至3wt. %的金屬粘合劑和/或高達(dá)IOwt. %的碳化ニ鎢(W2C)。通過(guò)引用結(jié)合在此的美國(guó)專利申請(qǐng)?zhí)?2/700，991中說(shuō)明了一種這樣的無(wú)粘合劑碳化鎢?？傮w上，無(wú)粘合劑碳化鎢不是単相的，除了在它的Owt. %的金屬粘合劑或W2C的極端情況下。在本發(fā)明中所使用的多晶碳化鎢和/或無(wú)粘合劑碳化鎢可以具有1900HV(0. 5千克カ)或更大的硬度，這遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)表1中所示的傳統(tǒng)上在基體鉆尖本體中使用的這些碳化鎢的硬度。表權(quán)利要求
1.一種基體粉末系統(tǒng)，用于制造一種陶瓷基體復(fù)合材料，該基體粉末系統(tǒng)包括一種或多種多晶碳化物、無(wú)粘合劑碳化物、或者它們的一種組合。
2.如權(quán)利要求1所述的基體粉末系統(tǒng)，其中該多晶碳化物，如果存在的話，包括W、Ti、 V、Cr、Nb、Mo、Ta、Hf、Zr的碳化物、或者它們的一種組合，并且該無(wú)粘合劑碳化物，如果存在的話，包括W、Ti、V、Cr、Nb、Mo、Ta、Hf、Zr的碳化物、或者它們的一種組合。
3.如權(quán)利要求1所述的基體粉末系統(tǒng)，其中該無(wú)粘合劑碳化物，如果存在的話，包括小于3wt. %的金屬粘合劑。
4.如權(quán)利要求1所述的基體粉末系統(tǒng)，其中該多晶碳化物，如果存在的話，具有15μπι 或更小的晶粒大小，并且該無(wú)粘合劑碳化物，如果存在的話，具有15 μ m或更小的晶粒大
5.如權(quán)利要求1所述的基體粉末系統(tǒng)，其中該多晶碳化物，如果存在的話，包含鎢，并且具有1900HV(0. 5千克力)或更大的硬度，并且該無(wú)粘合劑碳化物，如果存在的話，包含鎢，并且具有1900HV(0. 5千克力)或更大的硬度。
6.如權(quán)利要求1所述的基體粉末系統(tǒng)，其中該無(wú)粘合劑碳化物，如果存在的話，包含鎢，并且是包括高達(dá)IOwt. %的碳化二鎢的一種兩相碳化物。
7.如權(quán)利要求1所述的基體粉末系統(tǒng)，其中這些多晶碳化物，如果存在的話，具有0.005mm至1. 19mm的顆粒大小，并且這些無(wú)粘合劑碳化物，如果存在的話，具有0. 005mm至1.19mm的顆粒大小。
8.如權(quán)利要求1所述的基體粉末系統(tǒng)，進(jìn)一步包括選自下組的一種或多種額外的陶瓷相，該組由以下各項(xiàng)組成碳化物類、氮化物類、硼化物類、或氧化物類。
9.如權(quán)利要求8所述的基體粉末系統(tǒng)，其中該額外的陶瓷相是W、Cr、Ta、M0、V、Zr、Hf、 Ti、以及Nb的一種或多種碳化物。
10.如權(quán)利要求8所述的基體粉末系統(tǒng)，其中該額外的陶瓷相是該基體粉末系統(tǒng)的0至 90wt. %。
11.如權(quán)利要求1所述的基體粉末系統(tǒng)，進(jìn)一步包括一種或多種金屬。
12.如權(quán)利要求11所述的基體粉末系統(tǒng)，其中該金屬是Ni、Fe、Cu、Mn、P、Cr、Co、Si、 B、Si、Sn、或者它們的合金。
13.如權(quán)利要求11所述的基體粉末系統(tǒng)，其中該金屬是該基體粉末系統(tǒng)的0至 15wt. %。
14.一種陶瓷金屬?gòu)?fù)合材料，包括 根據(jù)權(quán)利要求1所述的基體粉末系統(tǒng)；以及一種金屬粘合相。
15.如權(quán)利要求14所述的復(fù)合材料，其中該基體粉末系統(tǒng)占該復(fù)合材料的5wt.%至 95wt.
16.如權(quán)利要求14所述的復(fù)合材料，其中該金屬粘合相包括選自Cu、Ni、Mn、Fe、Co、 Al、Cr、Zn、Sn、Ag、B、Pb、S i、P、Ti、以及 Mg 的組中的一種或多種。
17.一種用于石油和天然氣鉆探的鉆頭尖的基體鉆尖本體，包括權(quán)利要求14所述的復(fù)合材料。
18.一種用于石油和天然氣鉆探的鉆頭尖的基體鉆尖本體，其中其表面的至少一部分包括一種復(fù)合材料，該復(fù)合材料包括根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基體粉末系統(tǒng)；以及一種金屬粘合相。
19.一種用于石油和天然氣鉆探的鉆頭尖的基體鉆尖本體，其中該基體鉆尖本體的整體和其表面的至少一部分包括一種根據(jù)權(quán)利要求1所述的基體粉末系統(tǒng)；以及一種金屬粘合相。
20.一種用于石油和天然氣鉆探的鉆頭尖，包括由權(quán)利要求14所述的復(fù)合材料組成的一種基體鉆尖本體以及用于接合一種結(jié)構(gòu)的至少一個(gè)切削元件。
全文摘要
本發(fā)明包括一種含一種或多種多晶碳化物、無(wú)粘合劑碳化物、或者它們的組合的基體粉末系統(tǒng)；包含該基體粉末系統(tǒng)和一種金屬粘合相的一種復(fù)合材料；由該復(fù)合材料制造的、用于石油和天然氣鉆探的鉆頭尖的一個(gè)基體鉆尖本體；用于石油和天然氣鉆探、包括該基體鉆尖本體和至少一個(gè)切割器的一種鉆頭尖。該多晶和/或無(wú)粘合劑碳化物可以包括W、Ti、V、Cr、Nb、Mo、Ta、Hf、Zr的碳化物，或者它們的組合。該無(wú)粘合劑碳化物具有小于3wt.％的粘合劑并且該無(wú)粘合劑和/或多晶碳化物可以具有≤15μm的晶粒大小和≥1900HV(0.5千克力)的硬度。在該基體粉末系統(tǒng)中還可以存在額外的陶瓷組分和/或金屬。可替代地，該復(fù)合材料可以存在于僅該基體鉆尖本體表面的一部分上。
文檔編號(hào)C22C29/00GK102531603SQ20111037504
公開(kāi)日2012年7月4日 申請(qǐng)日期2011年11月23日 優(yōu)先權(quán)日2010年11月24日
發(fā)明者D·班納吉, M·維爾費(fèi)特, 鄧欣 申請(qǐng)人:鈷碳化鎢硬質(zhì)合金公司