专利名称：韧性增加的凿岩钎具用钎片以及增加该钎片的韧性的方法
技术领域：
本发明涉及凿岩钎具用的钎片(drill bit)。本发明还涉及凿岩钎具和处理凿岩 钎具用的钎片的方法。
背景技术：
具有凿岩用钎片的钎具通常包括多个由硬材料制成的钎片，其嵌在相对较软材料 如钢的头体(drilling head)中。所述钎片通常具有嵌入钢中的圆柱状部分和从钢中突出 的圆顶型末端轮廓。这种钎片通常由复合材料制成，该复合材料由硬质相和粘合剂相构成。硬质相通 常为碳化钨，而粘合剂相通常为钴。也使用润滑剂以简化钎片成型。该复合材料压缩成期望 的钎片形状(生坯体)然后加热(通常在受控压力下和在特别适于工艺的气体混合物中)， 使得粘合剂相变得更加粘滞并且润湿碳化钨颗粒，这样碳化钨颗粒就粘结到一起。根据原 材料，钎片在烧结过程的冷却阶段期间将收缩成预期的最终几何结构。然后对其进行研磨 和级联。在级联过程中，钎片由于互相摩擦或者与添加的研磨材料摩擦而被机械处理。级联 用于除去钎片的边角和圆化钎片的边缘，其被认为是最经济的清洁和表面处理的方法。级 联时，通常使用水与额外的所谓化合物的组合。所述化合物可具有清洁、去脂、PH值调节、 抗腐蚀保护、润滑和研磨特性。为了保持级联中的组分处于分离，可以使用所谓碎片。所述 碎片是可具有不同形状如棱锥形、圆锥形、圆柱形等的实心体。某些类型的烧结碳化物如具有平均粒径为约2. 5微米的硬质相和约6%粘合剂相 的复合材料是细颗粒的并且因此非常坚硬。因此，这种复合材料的硬度被认为太硬和太脆 以至于不能用于钻凿坚硬岩石如石英石。因此，在这种类型的岩石中使用较软的复合材料 作为钎片，例如硬质相具有较大平均粒径和/或具有较高粘合剂相含量的材料。在这些情 况下，不幸的是，钎片磨损地更快，凿岩钎具的寿命更短。另一个必须改用较软钎片的实例 是钻凿铁矿石时。美国专利7 258 833公开了一种提高碳化钨组件的表面韧性和表面硬度的方法。 该专利权人要求保护防止组件形成裂纹和/或破裂并且提高其耐磨性的方法。另外，该专 利权人要求保护显著提高经处理的组件的表面硬度的方法。
发明内容
本发明的一个目的是提供改善的用于凿岩钎具的钎片。该目的通过根据权利要求1的钎片实现，其中钎片具有设置为与被钻物相接触的 钻面。如果钎片(10)具有IOmm以上的长度(L)，则钎片(10)的纵截面(IOt)表现出在钻 面下不同深度处的总Palmqvist裂纹长度Lt。t (深度)与在5. Omm深度处的总Palmqvist 裂纹长度Lt。t (5. 0)之间的下列关系，即Lt。t (深度)/Lt。t (5. 0)，其中钎片长度是在与钎片的 纵轴中心线(C)共轴或平行的方向上最大的距离。上述截面还表现出在不同深度处的硬度 H(深度)和在5. Omm处的硬度H(5. 0)之间的下列关系，即H(深度)/H(5. 0)。这些特性的测量基本上沿着或者在距钎片的纵轴中心线(C)最大距离为D/4处测量，优选在最大距离 为D/6处测量，其中D为钎片直径，即在与钎片的纵轴中心线(C)成直角并在钎片上可测量 的最大距离。截面平面的法线应该与钎片的纵轴中心线成直角(正交)或基本正交，见图 1。认为钎片在5. Omm深度的特性与钎片主体中的相同。
深度丨mm钻面Ltot(深度)/Lt。t(5.0) xlOOH(深度)/H(5.0) xlOO(IOb)下]0.3最大40，优选最大20最大1040.5最大52，优选最大32最大1041.0最大75，优选最大56最大1042.0最大94，优选最大80最大1045.0100100如果钎片(10)具有小于IOmm的长度(L)，则通过钻面(IOb)的钎片(10)的纵截 面(lot)表现出在特定深度处的下列关系Lt。t (深度)/Lt。t(3. 5)和H(深度)/H(3. 5)，其 中H(深度)/H(3. 5)根据Vickers测试测量，而Lt。t (深度)/Lt。t (3. 5)根据本文中所述的 Palmqvist方法测量，二者均基本上沿着钎片的纵轴中心线(C)进行测量
深度[mm’ 钻面Ltot(深度)/Ltot(3.5) xlOOH(深度)/H(3.5) xlOO(IOb)之下]0.3最大40，优选最大20最大1040.5最大52，优选最大32最大1041.0最大75，优选最大56最大1042.0最大94，优选最大80最大1043.5100100其中认为钎片在3. 5mm深度的特性与钎片主体中的相同。上表给出朝向钎片中心 的测量值，即对于长度小于IOmm的钎片为在钻面下3. 5mm处的测量值，而对于IOmm以上长 度的钎片为在钻面下5. Omm处的测量值。Palmqvist裂纹长度与钎片的临界断裂韧度成反比。Palmqvist裂纹长度越短，钎 片材料就越韧。因此表现出上表中的Palmqvist裂纹长度和硬度的钎片在接近钻面时变得 更具韧性，尽管其硬度在接近钻面时基本不会增加。更具韧性的钎片使得钎片在钻凿时更少断裂和具有更长寿命。因此这使得产品如 钎片、凿岩钎具、包括钎片的钻头冠部(bore crown)和凿岩机将因钻取更多材料而变得更 有市场，即钎片可用于形成的岩石量增加。这尤其适合于钻凿硬物质，如钻凿石英石。另外，
6当钻凿例如铁矿时获得更好的特性，当钻凿例如铁矿时如今经常使用具有凿状齿的凿岩钎 具类型(旋转齿冠)取代钎片。这种钎片钻头冠部比旋转齿冠制造更便宜，并且具有几乎 是旋转齿冠两倍高的钻凿速度(所谓钻速)。在上述岩石构造中，可以利用根据本发明的处理方法，选择磨损(损失其原始形 状)更慢并且由此提高工具寿命的更硬的钎片。为了确定材料的硬度，使用所谓Vickers测试的压痕法(根据标准DIN50133， "Theory and User Information, Volume A,Users Manual2001，，)。 Vickers IlJi式的HC 理是测量材料忍受塑性变形的能力，测量的硬度值以单位N/mm2给出。以预定的力(F，单位 牛顿)将具有顶前角136°的棱锥形金刚石压头(见图3)压入平坦测试片，即钎片的纵截 面。测量凹痕中的两个对角线的长度(DIA1和DIA2)并计算平均值(DIAmedel，单位mm)。然 后可在换算表中查出硬度(H)或用方程式计算。在硬质材料的Vickers测量过程中，裂纹(所谓Palmqvist裂纹)形成在对角线 的延长线上，见图5。钎片的临界断裂韧度也由压痕法利用下列对Palmqvist裂纹的方程式估算，所述 方禾呈式由 W. D. Schubert 等人在the International Journalof Refractory Metals & Hard Materials 16 (1998) 10133-142 中提出
权利要求
一种用于凿岩钎具的钎片(10)，其中所述钎片(10)具有设置为在钻凿期间接触岩石的钻面(10b)，其特征在于如果所述钎片(10)具有10mm以上的长度(L)，则通过所述钻面(10b)的所述钎片(10)的纵截面(10t)表现出以下在特定深度处的Ltot(深度)/Ltot(5.0)和H(深度)/H(5.0)的关系，其中H(深度)/H(5.0)根据Vickers测试测量，而Ltot(深度)/Ltot(5.0)根据本文中所述的Palmqvist方法测量，二者均基本沿钎片的纵轴中心线(C)进行测量如果所述钎片(10)具有小于10mm的长度(L)，则通过所述钻面(10b)的所述钎片(10)的纵截面(10t)表现出以下在特定深度处的Ltot(深度)/Ltot(3.5)和H(深度)/H(3.5)关系，其中H(深度)/H(3.5)根据Vickers测试测量，而Ltot(深度)/Ltot(3.5)根据本文中所述的Palmqvist方法测量，二者均基本沿钎片的纵轴中心线(C)进行测量
2.根据权利要求1所述的钎片(10)，其特征在于所述钎片(10)包含复合材料，所述 复合材料包括硬质相，如碳化钨、碳化铌、碳化钛、碳化钽、碳化钒、碳化铬、碳氮化钛或者这 些材料的混合物。
3.根据权利要求1或2所述的钎片(10)，其特征在于所述钎片(10)包括利用粘合剂 相粘结的硬质相，所述粘合剂相为钴、镍、铁或这些元素的混合物或化合物。
4.根据前述权利要求中任一项的钎片(10)，其特征在于所述钎片(10)包含复合材 料，所述复合材料具有平均粒径为约2-5微米的硬质相和约6%的粘合剂相。
5.根据权利要求1-3中任一项的钎片(10)，其特征在于所述钎片(10)的平均粒径为至多10微米，优选为0. 5至5. 0微米，更优选为1. 5至3. 5微米。
6.根据权利要求1-3或5中任一项的钎片(10)，其特征在于所述钎片(10)包括 4-12%的钴、镍、铁或这些元素的混合物或化合物的粘合剂相。
7.根据前述权利要求中任一项的钎片(10)，其特征在于所述钎片(10)表现出圆顶 形、半弹道形、半球形或半圆柱形的端部，其外边缘限定所述钻面(IOb)。
8.根据前述权利要求中任一项的钎片(10)，其特征在于所述钎片(10)具有至少 7mm、优选7-22mm的直径(D)。
9.根据前述权利要求中任一项的钎片(10)，其特征在于所述钎片(10)包括具有7mm 以上直径(D)的圆柱部分。
10.根据前述权利要求中任一项的钎片(10)，其特征在于所述钎片(10)具有5克以 上的质量。
11.一种提高用于凿岩钎头(12)的钎片(10)的韧性而基本上不提高所述钎片(10) 的硬度的方法，其特征在于所述方法包括下列步骤在旋转级联机(28)、振动级联机和离 心机中处理所述钎片(10)，其中恰在所述钎片(10)碰撞前产生的总能量为35-175mJ，优选 35-150mJ，更优选40-100mJ，其中所述能量(E)用下列等式计算E = mgh 或 E = mv2/ 2其中，m是钎片质量，单位kg，ν是所述钎片(10)在碰撞前的速度，单位m/s，g是重力 加速度9.81m/s2，h为所述钎片(10)从转向下并且向下行进的点到其着陆的床⑶的高度， 单位m。
12.根据权利要求11所述的方法，其特征在于所述钎片(10)用研磨材料添加剂处理。
13.根据权利要求11或12所述的方法，其特征在于在所述处理过程中连续或者定期 地移除来自所述钎片(10)的钎片碎片。
14.根据权利要求11-13中任一项所述的方法，其特征在于在处理过程中连续地或以 分步方式提高所述能量(E)。
15.根据权利要求11-14中任一项所述的方法，其特征在于所述钎片(10)由复合材 料构成，所述复合材料包括硬质相，如碳化钨、碳化铌、碳化钛、碳化钽、碳化钒、碳化铬、碳 氮化钛或者这些材料的混合物。
16.根据权利要求11-15中任一项所述的方法，其特征在于所述钎片(10)包括利用 粘合剂相粘结的硬质相，所述粘合剂相为钴、镍、铁或这些元素的混合物或化合物。
17.根据权利要求11-16中任一项所述的方法，其特征在于所述钎片(10)包含复合 材料，所述复合材料具有平均粒径为约2-3微米的硬质相和约6%的粘合剂相。
18.根据权利要求11-17中任一项所述的方法，其特征在于所述钎片(10)具有平均 粒径为至多10微米，优选为0. 5至5. 0微米，更优选为1. 5至3. 5微米的硬质相。
19.根据权利要求11-18中任一项所述的方法，其特征在于所述钎片(10)表现出圆 顶形、半弹道形、半球形或半圆柱形的端部，其外边缘限定所述钻面(IOb)。
20.根据权利要求11-19中任一项所述的方法，其特征在于所述钎片(10)具有IOmm 以上的长度和至少7mm、优选7-22mm的直径(D)，或者具有小于IOmm的长度和至少7mm、优 选7-22mm的直径(D)。
21.根据权利要求11-20中任一项所述的方法，其特征在于所述钎片(10)具有7mm以 上的直径(D)，其中钎片(10)的直径由所述钎片(10)的圆柱部分(IOa)限定，或者具有5 克以上的质量，更优选具有7-22mm的直径(D)或5-150克的质量。
22.—种凿岩钎具(12)，其特征在于其包括至少一个根据权利要求1-10所述的钎片 (10)或者至少一个用权利要求11-21中任一项所述的方法处理的钎片(10)。
23.包括至少一个根据权利要求1-10所述的钎片(10)或者至少一个用权利要求 11-21中任一项所述的方法处理的钎片(10)的凿岩钎具(12)在钻凿硬质岩石如石英石、矿 石或花岗岩中的用途。
全文摘要
一种用于凿岩钎具(12)的钎片(10)，其中钎片(10)具有在钻凿期间接触岩石的钻面(10b)。如果钎片(10)具有10mm以上的长度(L)，则通过钻面(10b)的钎片(10)的纵截面(10t)表现出在特定深度的下列关系Ltot(深度)/Ltot(5.0)和H(深度)/H(5.0)，其中H(深度)/H(5.0)根据Vickers测试测量，而Ltot(深度)/Ltot(5.0)根据本文中所述的Palmqvist方法测量，二者均基本沿钎片的纵轴中心线(C)进行测量(表(I))。如果钎片(10)具有小于10mm的长度(L)，则通过钻面(10b)的钎片(10)的纵截面(10t)表现出在特定深度的下列关系Ltot(深度)/Ltot(3.5)和H(深度)/H(3.5)，其中H(深度)/H(3.5)根据Vickers测试测量，而Ltot(深度)/Ltot(5.0)根据本文中所述的Palmqvist方法测量，二者均基本沿钎片的纵轴中心线(C)进行测量(表(II))。
文档编号B22F3/24GK101983274SQ200980112208
公开日2011年3月2日 申请日期2009年2月27日 优先权日2008年3月31日
发明者吉米·卡尔松, 格兰·施滕贝格, 马蒂亚斯·伦斯特伦 申请人:阿特拉斯·科普柯·赛柯洛克有限公司