熔滲金剛石耐磨主體和工具的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明的實施方式包括具有增加耐磨性的熔滲金剛石工具。特定而言，本發(fā)明的一個或多個實施方式包括主體，其包括占體積的至少10%的用粘合劑熔滲的金剛石顆粒。本發(fā)明的實施方式也包括鉆井系統(tǒng)，其包括這種熔滲金剛石工具，以及形成并使用這種熔滲金剛石工具的方法。
【專利說明】熔滲金剛石耐磨主體和工具
【技術領域】
[0001]本發(fā)明大致涉及工具，如鉆井、采礦和工業(yè)工具。更特定而言，本發(fā)明涉及耐磨工具和制造并使用這種工具的方法。
【背景技術】
[0002]許多鉆井、采礦和工業(yè)工具包括從碳化鎢(WC)或其它耐磨材料形成的主體或襯墊以提供耐磨性和增加工具壽命。例如，許多類型的鉆探工具(如鉆頭和擴孔錐)包括鉆頭體，其可由鋼制成或從硬基體材料(如碳化鎢(WC))制造。在某些情況下，沿著鉆頭體的外面安裝多個切割器(例如，PCD，TSD，表面裝嵌件)。切割器被定位使得隨著鉆頭體旋轉，切割器接合并鉆入巖層。可選地，主體可包括切割器，如孕鑲鉆頭。
[0003]在鉆井期間這種鉆探工具的鉆頭體可暴露至攜帶磨蝕性顆粒(如沙，巖屑等)的高速鉆井流體和巖層流體。這種磨蝕性顆粒可磨損鉆探工具的鉆頭體，導致切割器損失或甚至主體損壞。
[0004]雖然鋼體鉆頭可能具有韌性和延展性屬性，這使其抵抗由于鉆井期間產(chǎn)生的沖擊力所致的開裂和損壞，但是鋼更易受到腐蝕磨損。相對于鋼體，碳化鎢或其它硬金屬基體鉆頭具有更高的抗磨損和抗腐蝕性的優(yōu)點。然而，從碳化鎢或其它硬質金屬基體材料形成的主體可能缺乏韌性和強度。因此，從碳化鎢或其它硬質金屬基體材料形成的主體當經(jīng)受鉆井期間可能遭遇的沖擊力和疲勞力時可能相對脆弱且易于開裂。這可能導致主體過早損壞。基體中裂縫的形成和蔓延可導致?lián)p失一個或多個切割器。損失的切割器可磨壞主體，引起進一步加速損壞。此外，即使碳化鎢主體也經(jīng)受磨損且最終需要被更換。
[0005]用燒結碳化鎢形成的主體可具有足夠韌性和強度以用于特定應用，但是可能缺乏其它機械性質，如抗腐蝕性。因此，早先的努力依賴于材料組合以實現(xiàn)屬性平衡。另外，已經(jīng)依賴于使用具有寬粒徑分布的材料以便實現(xiàn)碳化物耐磨顆粒的緊密堆積以增加耐磨性。
[0006]在使用期間其它類型的鉆井工具，如擴孔錐、鉆柱穩(wěn)定器、耐磨襯墊等等易受到磨損。通常將碳化物或金剛石元素裝嵌在這種工具中以增加耐磨性并維持工具的量規(guī)。在這種工具中裝嵌碳化物或金剛石元素可能較困難且可能會另外增加制造時間和成本。此外，不涵蓋這些元素的位置仍然經(jīng)受相對快的磨損。
[0007]通常從高強度鋼體形成撞擊式鉆井工具。高強度鋼體對撞擊式鉆井工具提供延展性以在鉆井期間經(jīng)受高度沖撞和撞擊力。然而，這種高強度鋼體沒有特別高的耐磨性。
[0008]除前述之外，常常將耐磨襯墊或其它組件添加至運土工具和機器、采礦工具和工業(yè)工具的接觸磨蝕性材料(如巖石)的高度磨損區(qū)域。例如，通常將表面硬化的WC添加至前端裝載機鏟斗和其它工具上的齒上。通常，從碳化鎢形成這種耐磨襯墊以提供相對于鋼而言更好的耐磨性。不幸地，耐磨襯墊還可能經(jīng)歷一些上文討論的問題。例如，常規(guī)耐磨襯墊可能相對脆弱且當經(jīng)受沖擊力和疲勞力時易于開裂。
[0009]因而，對于工具的新成分存在需要以增加耐磨性，同時也維持其它屬性，如高強度和韌性。
【發(fā)明內容】

[0010]本發(fā)明的一實施方式用包括從熔滲金剛石形成的主體或襯底的工具、系統(tǒng)、方法來克服前述的一個或多個問題或本領域中的其它問題。特定而言，本發(fā)明的一個或多個實施方式包括主體，所述主體包括熔滲金剛石與粘合劑。熔滲金剛石可對主體提供勝過鋼和碳化鎢主體的增加的耐磨性。另外，熔滲金剛石可對主體提供相對于碳化鎢和其它金屬陶瓷主體而言增加的延展性。此外,熔滲過程可允許多樣的主體形狀。
[0011]例如，耐磨損的工具的實施方式包括熔滲金剛石主體。熔滲金剛石主體包括多個金剛石顆粒。金剛石顆粒構成熔滲金剛石主體的體積的至少25%。工具還包括將金剛石顆粒固定在一起的粘合劑。
[0012]本發(fā)明的另一實施方式包括形成耐磨工具的方法。該方法涉及通過遍及硬微粒材料散布多個金剛石顆粒而制備基體。金剛石顆粒構成基體的體積的至少25%。該方法還涉及將基體成形至期望形狀且用粘合劑材料熔滲所述基體。
[0013]除前述之外，鉆井工具的實施方式包括具有第一端和第二端的主體。主體的第一端包括螺紋接頭。工具還包括固定至主體的熔滲金剛石主體。熔滲金剛石主體包括金剛石和粘合劑。金剛石構成熔滲金剛石主體的體積的至少10%。另外，粘合劑被構造來防止在鉆井期間腐蝕所述熔滲金剛石主體。
[0014]本發(fā)明的示例性實施方式的其他特征和優(yōu)點將在下文的描述中闡述，且部分將從所述描述顯而易見，或可通過實踐這種示例性實施方式而研習?？山柚谟绕湓陔S附權利要求書中指出的儀器和組合來實現(xiàn)和獲得這種實施方式的特征和優(yōu)點。這些特征和其它特征將從下文的描述和隨附權利要求書變得更加清楚，或可通過實踐如下文中所闡述的這種示例性實施方式而研習這些特征和其它特征。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0015]為了描述可獲得本發(fā)明的上文陳述的優(yōu)點和特征以及其它優(yōu)點和特征的方法，將通過參考附圖中示出的本發(fā)明的具體實施方案而呈現(xiàn)上文簡要描述的本發(fā)明的更特定描述。應理解，這些圖僅描繪本發(fā)明的典型實施方案，且因此不被視作限制其范圍，將通過使用附圖而以附加的特定性和細節(jié)來描述和解釋本發(fā)明，其中:
[0016]圖1示出根據(jù)本發(fā)明的一實施方式的熔滲金剛石主體的橫截面圖；
[0017]圖2示出根據(jù)本發(fā)明的一個或多個實施方式的包括熔滲金剛石主體的擴孔錐；
[0018]圖3示出根據(jù)本發(fā)明的一個或多個實施方式的將熔滲金剛石主體作為襯底附接至工具的橫截面圖；
[0019]圖4示出根據(jù)本發(fā)明的一個或多個實施方式的包括熔滲金剛石主體的多晶金剛石(“PCD”)巖芯鉆頭;
[0020]圖5示出根據(jù)本發(fā)明的一個或多個實施方式的包括熔滲金剛石主體的PCD旋轉鉆頭;
[0021]圖6示出根據(jù)本發(fā)明的一實施方式的具有鉆井工具(其具有熔滲人造金剛石主體)的鉆井系統(tǒng)；和
[0022]圖7是根據(jù)本發(fā)明的一實施方式的形成具有熔滲人造金剛石主體的工具的方法中的動作和步驟的圖。
【具體實施方式】
[0023]本發(fā)明的實施方式主要探討包括從熔滲金剛石形成的主體或襯底的工具、系統(tǒng)、方法。特定而言，本發(fā)明的一個或多個實施方式包括主體，所述主體包括熔滲金剛石與粘合齊U。熔滲金剛石可對主體提供勝過鋼和碳化鎢主體的增加的耐磨性。另外，熔滲金剛石可對主體提供相對于碳化鎢和其它金屬陶瓷主體而言增加的延展性。此外，熔滲過程可允許多樣的主體形狀。
[0024]換句話說，本發(fā)明的一個或多個實施方式可用作為主要耐磨材料的熔滲金剛石代替耐磨襯底或表面硬化的制造中使用的碳化鎢粉末或其它金屬陶瓷。人造金剛石可提供具有莫氏硬度為10的顯著優(yōu)點，其比下一個最硬金屬陶瓷在絕對硬度上增加5倍。此外，一個或多個實施方式使用熔滲金剛石以建立幾乎任何形狀的主體或襯底。因此，本發(fā)明的一個或多個實施方式可代替以金屬陶瓷無法制成的或對于沖撞負荷不具有足夠延展性的形狀使用的硬鋼體。此外，粘合劑可被調節(jié)以實現(xiàn)對于特定應用所需的延展性。除前述之外，使用高金剛石濃度可排除對于手動裝嵌耐磨元件的需要。
[0025]特定而言，一個或多個實施方式包括熔滲金剛石主體。熔滲金剛石主體可包括金剛石顆粒。金剛石顆?？砂ㄒ粋€或多個天然金剛石、人造金剛石、多晶金剛石產(chǎn)物(即，TSD或rcD)等等。金剛石顆粒可構成熔滲金剛石主體的從約10%至約95%體積范圍內的任何體積。在一個或多個實施方式中，金剛石顆?？蓸嫵扇蹪B金剛石主體以體積計主要組成部分，以及因此熔滲金剛石主體的抗磨損和抗腐蝕的主要防御。
[0026]一個或多個實施方式的熔滲金剛石主體可形成任何數(shù)量的不同工具(尤其是需要耐磨性的工具)的至少一部分。例如，熔滲金剛石主體可以是用于切割或另外與石頭、地下礦物巖層、陶瓷、浙青、混凝土和其它硬質材料面接的工具的部分。這些工具可包括(例如)鉆井工具，如巖芯取樣鉆頭、刮刀式鉆頭、牙輪鉆頭、金剛石線、研磨杯、金剛石刀片、勾灰刀、開槽片、擴孔錐、穩(wěn)定器、鉆桿、耐磨條和襯墊等。例如，鉆井工具可以是任何類型的鉆探鉆頭(即，巖芯取樣鉆頭、刮刀鉆頭、牙輪鉆頭、導航鉆、全孔鉆、開孔器、擴孔器等等)等等。下文中包括的圖和對應文字說明了包括熔滲金剛石主體的鉆井工具的實例，和形成并使用這種工具的方法。這是為了易于描述而這樣做。然而應了解，按照本文中的公開，本發(fā)明的系統(tǒng)、方法和裝置可與其它工具一起使用。
[0027]例如，本發(fā)明的實施方式可用于形成需要高耐磨性的任何類型的工具。這種工具可包括采礦、建筑、農業(yè)、醫(yī)療(例如，髖關節(jié)或其它替代品)和其他工業(yè)工具，模子和量具。另外，熔滲金剛石主體可使用于磨損和沖撞應用中，如撞擊式鉆頭、潛孔錘和潛孔鉆、聲波鉆頭等等。在一個或多個實施方式中，熔滲金剛石主體可代替碳化鎢表面硬化。因此，應了解，按照本文中的公開，熔滲金剛石主體可形成推土機鏟刀、平地機鏟刀、機器底盤件、鏟斗齒、平地機刮刀、鏟斗襯板、攪拌機葉片、耐磨板、穿隧工具、螺旋鉆、模塑螺釘邊緣、粉碎機碾磨刮刀、穩(wěn)定器、破碎錘、疏浚鉆頭齒、切割齒、農耕工具的耐磨部件、進給螺絲、擠壓模子、螺釘或其它工具或機器的部分或附接至這些工具或機器。
[0028]現(xiàn)在參考圖，圖1示出根據(jù)本發(fā)明的一個或多個實施方式的熔滲金剛石主體100的橫截面圖。如圖1中所示，熔滲金剛石主體100可包括由粘合劑104保持在一起的金剛石102。應了解，按照本文中的公開，金剛石102可代替粉末金屬或合金，如許多常規(guī)工具中使用的碳化鎢?；蛘撸蹪B金剛石主體100可代替常規(guī)工具中的鋼體或組件。在還有其它實施方式中，熔滲金剛石主體100可代替碳化鎢表面硬化。
[0029]金剛石102可包括一個或多個天然金剛石、人造金剛石、多晶金剛石產(chǎn)物(即，TSD或PCD)等等。金剛石102可包括如下文中更詳細解釋的許多大小、形狀、紋理、品質、粒度、濃度等等。在任何情況下，金剛石102可構成熔滲金剛石主體100的體積的至少10%。例如，金剛石102可構成熔滲金剛石主體100的介于約25%與約95%之間的體積。在一個或多個實施方式中，金剛石102可構成熔滲金剛石主體100的主要組成部分。換句話說,金剛石102的體積百分比可大于熔滲金剛石主體100的任何另一個個別組成部分(粘合劑104，硬微粒材料等等)的體積百分比。因此，金剛石102可形成熔滲金剛石主體100的抗磨損和抗腐蝕的主要防御。
[0030]更明確而言，在一個或多個實施方式中，金剛石102可構成熔滲金剛石主體100的體積的約30%至90%。在其它實施方式中，金剛石102可構成熔滲金剛石主體100的體積的約35%至75%。在還有其它實施方式中，金剛石102可構成熔滲金剛石主體100的體積約10%、15%、20%、25%、30%、35%、40%、45%、50%、55%、60%、65%、70%、75%、80%、85% 或 90%。除非本文中另外指示，否則本文中敘述的值的范圍僅僅意在充當單獨引用落入范圍內的每個單獨值的簡寫方法，且每個單獨值并入說明書中，就如其單獨在本文中所敘述。
[0031]在一個或多個實施方式中，可遍及熔滲金剛石主體100均質地散布金剛石102。然而在替代實施方式中，金剛石102的濃度可按需要遍及熔滲金剛石主體100而變化。確實，如下文所解釋，金剛石102的濃度可取決于熔滲金剛石主體100的期望特性而變化。例如，較大濃度的金剛石102可被置于熔滲金剛石主體100的尤其易受磨損的部分中，如外表面?？扇Q于熔滲金剛石主體100的期望成本和性能而以多種組合提供金剛石102的大小、密度和形狀。例如，熔滲金剛石主體100可包括區(qū)段、條帶、點、環(huán)或含有與熔滲金剛石主體100的其它部分不同的金剛石濃度或混合物的任何其它形式。例如，熔滲金剛石主體100的外部可含有第一金剛石102濃度，且金剛石102濃度可朝熔滲金剛石主體100的內部逐漸減小或增大。
[0032]在一個或多個實施方式中，金剛石102包括顆粒，如天然金剛石晶體或人造金剛石晶體。因此金剛石102可能相對較小。特定而言，在一個或多個實施方式中，金剛石102具有小于約2毫米的最大尺寸，或更優(yōu)選地介于約0.01毫米與約1.0毫米之間。另外或可選地，具有小于約0.0Olmm3與約Smm3之間的體積。在替代實施方式中，金剛石102可具有大于約2毫米的最大尺寸和/或大于約8mm3的體積。
[0033]在一個或多個實施方式中，金剛石102可包括一個或多個材料的涂層。涂層可包括金屬、陶瓷、聚合物、玻璃、其它材料或其組合物。例如，可用金屬涂布金剛石102，如鐵、鈦、鎳、銅、鑰、鉛、鎢、鋁、鉻或其組合物或合金。在其它實施方式中，可用陶瓷材料涂布金剛石 102，如 SiC、Si0、Si02 等。
[0034]涂層可覆蓋金剛石102的所有表面，或僅其一部分。另外，涂層可以是任何期望厚度。例如，在一個或多個實施方式中，涂層可具有約I微米至約20微米的厚度。涂層可通過噴涂，刷涂，電鍍，浸潰，氣相沉積，或化學氣相沉積而施加至金剛石102。涂層可幫助將金剛石102粘結至粘合劑或硬微粒材料。更進一步地，或可選地，涂層可增加或另外修改金剛石102的耐磨屬性。
[0035]在另外其它實施方式中，熔滲金剛石主體100也可以包括除金剛石102之外的傳統(tǒng)硬微粒材料。例如，熔滲金剛石主體100可包括粉末材料，如(例如)粉末金屬或合金，以及陶瓷復合物。根據(jù)本發(fā)明的一個或多個實施方式，硬微粒材料可包括碳化鎢。如本文中所使用，術語“碳化鎢”意味著含有鎢和碳的化學化合物(如(例如)WC、W2C以及WC和W2C的組合)的任何材料成分。因此，碳化鎢包括(例如)鑄造碳化鎢、燒結碳化鎢和粗晶鎢。根據(jù)本發(fā)明的附加或替代實施方式，硬微粒材料可包括碳化物、鎢、鐵、鈷和/或鑰，和碳化物、硼化物、其合金或任何其它適當材料。
[0036]應了解，按照本文中的公開，熔滲金剛石主體100的各個組成部分的量可取決于期望屬性而變化。在一個或多個實施方式中，硬微粒材料可構成熔滲金剛石主體100的體積的約0%至約55%。更特定而言，硬微粒材料可構成熔滲金剛石主體100的體積的約25%至約60%。
[0037]如前文所提及，可用粘合劑104熔滲金剛石102 (和硬微粒材料(如果包括))。在一個或多個實施方式中，粘合劑材料可以是銅基熔滲劑。粘合劑104可用于使金剛石顆?；蚓w粘合或保持在一起。粘合劑可被調節(jié)來對熔滲金剛石主體100提供可增加熔滲金剛石主體100的使用壽命和/或耐磨性的若干不同特性。例如,熔滲金剛石主體100中的粘合劑的成分或量可被控制來改變熔滲金剛石主體100的延展性。以這種方式，熔滲金剛石主體100可被定制設計以對于特定材料或用途而具有最佳特性。
[0038]粘合劑可構成熔滲金剛石主體100的體積的約5%至約75%。更特定而言，粘合劑可構成熔滲金剛石主體100的體積的約20%與約45%。例如，本發(fā)明的一個或多個實施方式的粘合劑104可包括占重量的約20%至約45%的銅，占重量的約0%至約5%的鎳，占重量的約0%至約20%的銀，占重量的約0%至約0.2%的硅，和占重量的約0%至約21%的鋅。可選地，粘合劑104可包括高強度、高硬度粘合劑，如美國專利申請序號13/280，977中公開的粘合劑，其全部內容以引用的方式并入本文中。在一個或多個實施方式中，這種高強度、高硬度粘合劑可允許更小的金剛石體積百分比，同時仍維持耐磨性增加。
[0039]本發(fā)明的一個或多個實施方式被構造來提供具耐磨性的工具。特定而言，在一個或多個實施方式中，這種工具被構造成還抗磨損破裂和抗腐蝕。例如，在一個或多個實施方式中，粘合劑被構造來防止在鉆井期間腐蝕熔滲金剛石主體。應了解，按照本文的公開，這與被構造來在鉆井過程中腐蝕以暴露新的金剛石的孕鑲工具形成對比。
[0040]如前文所提及，根據(jù)本發(fā)明的一個或多個實施方式的熔滲金剛石主體100可形成各種不同工具的至少一部分。例如，圖2示出可包括一個或多個熔滲金剛石主體100的擴孔器200。擴孔器200還可以包括具有第一端208的第一部分或柄部204，所述第一端208被構造來將擴孔器200連接至鉆柱的組成部分。例如，第一端208可包括用于與另一鉆柱組成部分耦接的母螺紋接頭。擴孔器200的相對端或第二端206也可以被構造來將擴孔器200連接至鉆柱的組成部分。如由圖2所示，第二端206可包括公螺紋接頭。
[0041]通過舉例且非限制的方式，可從鋼、另一鐵基合金或展現(xiàn)可接受物理屬性的任何其它材料形成柄部204。如圖2中所示，擴孔器200是由內表面210和外表面212界定的大致環(huán)形形狀。因此，擴孔器200可界定繞其中心軸的內部空間以接收巖芯樣本或允許流體從那里經(jīng)過。因而，所鉆的材料片可經(jīng)過擴孔器200的內部空間且向上通過附接的鉆柱。擴孔器200可以是任何大小，且因此可用于收集任何大小的巖芯樣本。雖然擴孔器200可具有任何直徑且可用于移除和收集具有任何期望直徑的巖芯樣本，但是在一些實施方式中擴孔器200的直徑范圍可從約I英寸至約12英寸。
[0042]如由圖2所示，在一個或多個實施方式中，擴孔器200可包括由通道分隔的突起襯墊202。突起襯墊202可包括如上文描述的熔滲金剛石主體100。在一個或多個實施方式中，襯墊202可具有螺旋構造。換句話說，襯墊202可沿著柄部204軸向延伸以及繞柄部204徑向延伸。襯墊202的螺旋構造可提供與鉆孔增加的接觸、增加的穩(wěn)定性和減少振動。在替代實施方式中，襯墊202可具有代替螺線構造的線性構造。在這種實施方式中，襯墊202可沿著柄部204軸向延伸。此外，在一個或多個實施方式中，襯墊202可包括錐形前緣以幫助將擴孔器200從鉆孔向下移動。
[0043]在至少一個實施方式中，擴孔器200可能不包括襯墊202。例如，擴孔器200可包括從熔滲金剛石主體100而非襯墊形成的鑿子。鑿子可包括多個條帶。鑿子可減少擴孔器200在鉆孔上的接觸，從而減少拖曳。此外，鑿子可提供水流增加，且因此可能尤其適于更軟
的巖層。
[0044]除了包括主體(如襯墊202)之外，熔滲金剛石主體100可被構造為內襯或涂布工具的各種特征的襯底。例如，在一個或多個實施方式中，擴孔器200的柄部204可包括從熔滲金剛石主體100形成的外部襯底或層。例如，圖3示出構造為襯底的熔滲金剛石主體IOOa0熔滲金剛石主體或襯底IOOa可包括如上文描述的金剛石102、粘合劑104和任選的硬微粒材料。熔滲金剛石主體或襯底IOOa可附接至擴孔器200的柄部204以增加柄部204的耐磨性。例如，柄部204可包括鋼或另一適當材料，且熔滲金剛石主體或襯底IOOa可被釬焊或焊接至柄部204。可選地或另外地，熔滲金剛石主體或襯底IOOa可機械固定至柄部204。圖3示出固定至擴孔器柄部204的熔滲金剛石主體或襯底100a。應了解，按照本文中的公開，熔滲金剛石主體或襯底IOOa可固定至上文描述的工具的任何部分以增加其耐磨性。
[0045]應了解，按照本文中的公開，擴孔器200僅是可與本發(fā)明的熔滲金剛石主體100使用的一種工具。例如，圖4示出包括一個或多個熔滲金剛石主體100、100a的鉆頭400。類似于擴孔器200，鉆頭400可包括柄部404，其具有被構造來連接至鉆柱的組成部分的第一端408。另外，鉆頭400可具有由內表面410和外表面412界定的大致環(huán)形形狀。可選地，鉆頭400可以不構造為巖芯鉆頭，且因此不具有環(huán)形形狀。
[0046]齒冠402可包括如上文描述的熔滲金剛石主體100。此外，齒冠402可包括多個切割器414。因此，形成齒冠402的熔滲金剛石主體可被構造來保持切割器414。切割器414可使用粘合劑、釬料或焊料而被釬焊或焊接至齒冠402。切割器414可包括一個或多個天然金剛石、人造金剛石、多晶金剛石產(chǎn)物(即，TSD或P⑶)，氧化鋁、碳化硅、氮化硅、碳化鎢、立方氮化硼、礬土、加晶種或不加晶種的溶膠-凝膠氧化鋁或其它適當材料。在所示出的實施方式中，切割器414包括P⑶。切割器414可被構造來在鉆井過程中切割或鉆入期望材料。類似于擴孔錐200的柄部204，在一個或多個實施方式中，柄部404可具有固定至其的熔滲金剛石主體或襯底IOOa以增加其耐磨性。
[0047]關于圖2和圖4所示和所描述的鉆井工具已對鉆井工具取芯。應了解，本發(fā)明的金剛石熔滲主體可用于形成其它非取芯鉆井工具或非鉆井工具，如上文所描述。例如，圖5示出包括一個或多個熔滲金剛石主體的刮刀鉆頭500。特定而言，圖5示出從熔滲金剛石主體形成的多個葉片502和鉆頭體503。每個葉片502可包括一個或多個P⑶切割器514或釬焊或焊接至葉片514的其它切割器。刮刀鉆頭500還可以包括類似于上文描述的部位的柄部504和第一端508。應了解，圖4和圖5中所示的齒冠402和葉片502由于由用于形成其的金剛石熔滲主體提供的耐磨性增加而可具有增加的鉆井壽命。這可允許在需要更換鉆頭400、500之前多次用鉆機代替切割器414、514。
[0048]如由圖5所示，熔滲金剛石主體可允許建立用其它更傳統(tǒng)的鉆頭體成分可能難以建立的具有各種特征的鉆頭體503和葉片502。例如，圖5示出熔滲金剛石鉆頭體503可包括用于噴嘴的孔516和葉片502。類似地，葉片502可包括凹部以用于在其內安裝切割器514。
[0049]應了解，完全或部分從熔滲金剛石主體100、IOOa形成的工具(如200、400、500)可與需要或期望耐磨性的幾乎任何類型的機器或系統(tǒng)一起使用。例如，如上文所提及，熔滲金剛石主體100、IOOa可完全或部分形成任何數(shù)量的工具，包括但不限于上文描述的工具。例如，圖6以及對應文字示出或描述了一個這種鉆井系統(tǒng)，本發(fā)明的工具可與其使用。然而應了解，圖6中所示和所描述的鉆井系統(tǒng)僅是包括本發(fā)明的熔滲金剛石主體的工具可與其使用的系統(tǒng)的一個實例。
[0050]明確而言，圖6示出包括鉆頭602的鉆井系統(tǒng)600。鉆頭602可耦接至桅桿604，其繼而耦接至鉆車606。鉆頭602可被構造來具有耦接至其的一個或多個鉆柱組成部分608。鉆柱組成部分608可包括(不限于)鉆桿、套管、擴孔器和潛孔錘。鉆柱組成部分608可繼而被耦接至附加鉆柱組成部分608以形成鉆柱或工具串610。一個或多個鉆柱組成部分608可包括一個或多個熔滲金剛石主體。例如，一個或多個鉆柱組成部分608可包括完全或部分從熔滲金剛石主體100形成的一個或多個襯墊202?？蛇x地或另外地，一個或多個鉆柱組成部分608可包括圍繞其外表面固定的熔滲金剛石襯底100a。在任何情況下都應了解，熔滲金剛石主體100、100a可增加鉆柱組成部分608的耐磨性。
[0051]鉆柱610可耦接至包括一個或多個熔滲金剛石主體IOOUOOa的鉆頭612，如上文描述的鉆頭500和400。如先前提到，鉆頭612包括可被構造來與材料614或將被鉆入的巖層面接的溶滲金剛石王體100、100a。
[0052]在至少一個實例中，圖6中示出的鉆頭602可被構造來在鉆井過程中旋轉鉆柱610。明確而言，鉆井系統(tǒng)600可被構造來在鉆井操作期間將大致縱向向下的力施加至鉆柱610以促使鉆頭612或包括熔滲金剛石主體IOOUOOa的其它工具進入巖層614中。例如，鉆井系統(tǒng)600可包括鏈驅動總成，其被構造來相對于桅桿604移動滑橇總成，以將大致縱向的力施加至鉆頭600。
[0053]如本文中所使用，術語“縱向”意味著沿著鉆柱610的長度。另外，如本文中所使用，術語“上”、“頂部”和“上方”以及“下”和“下方”指鉆柱610上的縱向位置。術語“上”、“頂部”和“上方”指更靠近桅桿604的位置，且“下”和“下方”指更靠近鉆頭612的位置。
[0054]因此應了解，按照本文中的公開，可出于本領域中已知的各種目的而使用本發(fā)明的工具。例如，每個都包括一個或多個熔滲金剛石主體IOOUOOa的一個或多個鉆柱組成部分608和鉆頭600可附接至鉆柱610的端部，其繼而連接至鉆機或鉆車606。隨著鉆柱610和鉆頭600由鉆機606旋轉和推動，鉆頭600上的切割器414、514或鉆頭自身可磨掉正在被鉆入的地下巖層614中的材料。包括熔滲金剛石主體IOOUOOa的工具的耐磨性可持續(xù)更久且不常需要更換。
[0055]本發(fā)明的實施方式還包括形成包括熔滲金剛石主體的工具的方法。下文描述形成包括熔滲金剛石主體的工具的至少一個方法。當然，作為初步事項，本領域普通技術人員將認識到可修改詳細解釋的方法。例如，圖7示出使用本發(fā)明的原理制造包括熔滲金剛石主體的工具的一個示例性方法的流程圖。在下文參考圖1至圖6的組件和圖而描述圖7的動作。
[0056]作為初始事項，如本文中使用的術語“熔滲”涉及熔化粘合劑材料并導致熔融的粘合劑滲入且填充基體的空間或孔隙。在冷卻時，粘合劑可凝固，將基體的顆粒粘合在一起。如本文中使用的術語“燒結”意味著結合凝結和鄰近顆粒之間粘結而移除顆粒之間的至少一部分孔隙(其可伴隨著縮水)。
[0057]例如，圖7示出形成耐磨工具的方法,其包括制備基體的動作700。動作700可包括制備金剛石基體和硬微粒材料。例如，動作700可包括遍及硬微粒材料散布多個金剛石顆粒。更特定而言，動作700可涉及制備粉末材料的基體，如(例如)碳化鎢，且在其內散布金剛石顆粒102。在附加實施方式中，基體可包括上文描述的一個或多個硬微粒材料或金剛石材料。另外，方法可涉及遍及基體隨機或以無組織配置散布金剛石102。動作700可涉及遍及基體散布足夠的金剛石102使得金剛石102構成基體的體積的至少25%。在附加實施方式中，基體包括介于約25%與95%之間的金剛石。
[0058]圖7也示出可包括將基體成形至期望形狀的動作710的方法。在本發(fā)明的一個或多個實施方式中，動作710可包括將基體置于模具中?？蓮哪軌虺惺軣?基體將在加熱過程中經(jīng)受所述熱)的材料形成模具。在至少一個實施方式中，可從碳形成模具。模具可被成形以形成具有期望特征的工具。在本發(fā)明的至少一個實施方式中，模具可對應于巖芯鉆頭，擴孔襯墊或其它工具。
[0059]圖7也示出可包括用粘合劑熔滲金剛石基體的動作720的方法。動作720可涉及將粘合劑加熱至熔融狀態(tài)并用熔融的粘合劑熔滲金剛石基體。例如，在一些實施方式中，粘合劑可被置于接近金剛石基體，且金剛石基體和粘合劑可被加熱至足以將粘合劑帶至熔融狀態(tài)的溫度。此時熔融的粘合劑可熔滲金剛石基體。在一個或多個實施方式中，動作720可將金剛石基體和粘合劑加熱至至少787° F的溫度。
[0060]粘合劑可包括銅、鋅、銀、鑰、鎳、鈷、錫、鐵、鋁、硅、錳、或其混合物和合金。粘合劑可冷卻，從而粘結至金剛石102和硬微粒材料，從而將它們粘合在一起。根據(jù)本發(fā)明的一個或多個實施方式，可增加熔滲過程的時間和/或溫度以允許粘合劑填充金剛石基體的更多和更大量的孔隙。這可同時減少燒結期間的縮水并增加所得工具的強度。
[0061]方法還可以包括冷卻熔滲金剛石基體以形成熔滲金剛石主體IlOUOOa的動作。方法還可以涉及將熔滲金剛石主體IlOUOOa固定至工具或其的一部分。例如，方法可涉及將柄部204固定至熔滲金剛石主體110、100a。例如，方法可涉及將柄部204置于與金剛石基體接觸。可接著添加附加基體、粘合劑材料和/或焊劑的背襯層并且置于與金剛石基體以及柄部204接觸以完成綠色工具的初期制備。一旦已形成綠色工具，可將其置于熔爐中以從而鞏固所述工具。其后，可按需要通過機械加工完成工具。
[0062]在金剛石基體的熔滲之前、之后或熔滲時，本發(fā)明的一個或多個方法可包括將金剛石基體燒結成期望密度。因為燒結涉及致密化和移除結構內的多孔性，所以正在被燒結的結構可在燒結過程中縮水。結構可在燒結期間經(jīng)歷介于1%與40%之間的線性縮水。結果，當在尚未完全燒結的結構中設計工具(模具，模子等等)或加工特征時可能需要考慮或解決尺寸縮水。
[0063]因而，本文中描述的圖和方法提供可對于鉆井或其它工具有效的許多獨特產(chǎn)品。另外，這些產(chǎn)品由于相對較大的金剛石濃度而可具有增加的耐磨性。因此本發(fā)明可在未脫離其精神或基本特性的情況下以其它具體形式體現(xiàn)。例如，本發(fā)明的一個或多個實施方式的鉆頭可包括一個或多個封閉的流體槽，如2006年12月14日申請的標題為“Core DrillBit with Extended Crown Longitudinal dimension” 的美國專利申請第 11/610，680 號,現(xiàn)在的美國專利第7，628，228號中描述的封閉流體槽，其全部內容以引用的方式并入本文中。更進一步地，本發(fā)明的一個或多個實施方式的孕鑲鉆頭可包括細長結構，如2011年8月24 日申請的標題為“Impregnated Drilling Tools Including Elongated Structures，，的美國專利申請第13/217，107號中描述的錐形水道，其全部內容以引用的方式并入本文中。所描述的實施方案在所有方面被認為僅是說明性且非限制性的。因此由隨附權利要求書而不是前述描述來指示本發(fā)明的范圍。落入權利要求的等效物的意義和范圍內的所有變化涵蓋在其范圍內。
【權利要求】
1.一種被構造為耐磨損的工具，包括: 包括多個金剛石顆粒的熔滲金剛石主體； 其中所述金剛石顆粒構成所述熔滲金剛石主體的體積的至少25% ;和 將所述金剛石顆粒固定在一起的粘合劑。
2.根據(jù)權利要求1所述的工具，其中所述金剛石顆粒包括人造金剛石晶體。
3.根據(jù)權利要求1所述的工具，其中所述熔滲金剛石主體還包括硬微粒材料。
4.根據(jù)權利要求3所述的工具，其中所述硬微粒材料包括碳化鎢。
5.根據(jù)權利要求1所述的工具，其中所述粘合劑包括銅基熔滲劑。
6.根據(jù)權利要求1所述的工具，其中所述金剛石顆粒構成所述熔滲金剛石主體的體積的至少50%。
7.根據(jù)權利要求1所述的工具，其中所述熔滲金剛石主體包括襯底。
8.根據(jù)權利要求7所述的工具，其中所述熔滲金剛石主體至少部分圍繞鋼制工具固定。
9.根據(jù)權利要求1所述 的工具，其中所述熔滲金剛石主體包括鉆井工具。
10.根據(jù)權利要求9所述的工具，其中所述熔滲金剛石主體包括鉆頭的鉆頭體。
11.根據(jù)權利要求1所述的工具，其中所述熔滲金剛石主體包括耐磨墊。
12.根據(jù)權利要求11所述的工具，其中所述耐磨墊被定大小和被構造來固定至采礦、鉆井或工業(yè)工具。
13.根據(jù)權利要求1所述的工具，其中所述金剛石顆粒構成所述熔滲金剛石主體的以體積計的最大組成部分。
14.一種形成耐磨工具的方法，包括: 通過遍及硬微粒材料散布多個金剛石顆粒而制備基體； 其中所述金剛石顆粒構成所述基體的體積的至少25% ； 將所述基體成形至期望形狀；且 用粘合劑材料熔滲所述基體。
15.根據(jù)權利要求14所述的方法，其中所述金剛石顆粒包括人造金剛石晶體。
16.根據(jù)權利要求14所述的方法，其中將所述基體成形包括將所述基體置于模具內。
17.根據(jù)權利要求14所述的方法，還包括燒結所述基體。
18.—種耐磨鉆井工具,包括: 主體，其具有第一端和第二端，所述主體的所述第一端包括螺紋接頭；和 固定至所述主體的熔滲金剛石主體，所述熔滲金剛石主體包括金剛石和粘合劑； 其中所述金剛石構成所述熔滲金剛石主體的體積的至少10% ;且 所述粘合劑被構造來防止鉆井期間腐蝕所述熔滲金剛石主體。
19.根據(jù)權利要求18所述的鉆井工具，其中所述金剛石包括人造金剛石顆粒。
20.根據(jù)權利要求18所述的鉆井工具，其中所述熔滲金剛石主體包括耐磨墊。
21.根據(jù)權利要求18所述的鉆井工具，其中所述熔滲金剛石主體包括鉆頭的鉆頭體，且所述主體包括柄部。
22.根據(jù)權利要求21所述的鉆井工具，還包括固定至所述鉆頭體的多個多晶金剛石切割器。
23.根據(jù)權利要求18所述的鉆井工具，其中所述熔滲金剛石主體包括至少部分繞所述主體固定的襯底。
24.根據(jù)權利要求18所述的鉆井工具，其中所述熔滲金剛石主體還包括硬微粒材料。
25.根據(jù)權利要求18所述的鉆井工具，其中所述金剛石構成所述熔滲金剛石主體的體積的約25%至約65%。 ·
【文檔編號】C01B31/06GK103459751SQ201280017596
【公開日】2013年12月18日 申請日期:2012年2月9日 優(yōu)先權日:2011年2月9日
【發(fā)明者】邁克爾·D·魯普, 科迪·A·皮爾斯, 克里斯蒂安·M·蘭貝特 申請人:長年Tm公司