钻地用切削镶件和包含其的钻地用钻头的制作方法

钻地用切削镶件和包含其的钻地用钻头的制作方法
【专利摘要】一种钻地用切削镶件包括一种烧结碳化物，该烧结碳化物包括被分散在一种金属粘结剂中的多个金属碳化物颗粒，该金属粘结剂包括铂、钯、铼、铑和钌中的至少一者。还披露了一种钻地用钻头，例如像旋转式钻地用牙轮钻头或冲击式钻头，该钻头包括至少一个钻地用切削镶件，该钻地用切削镶件包括含有一种金属粘结剂的一种烧结碳化物，该金属粘结剂包括铂、钯、铼、铑和钌中的至少一者。
【专利说明】钻地用切削镶件和包含其的钻地用钻头
【技术领域】
[0001]本披露涉及对包括烧结碳化物的钻地用切削镶件的改进，该钻地用切削镶件用于与钻地用钻头例如像旋转式钻地用牙轮钻头和冲击式钻头(例如像锤钻)一起使用。本披露还涉及包含一个钻地用钻头本体以及根据本披露安装在该钻头本体上的至少一个钻地用切削镶件的一种钻地用钻头。
[0002]发明背景
[0003]钻地用(或钻孔用)钻头常用于石油和天然气的勘探、采矿以及挖掘。此类钻地用钻头可以包括可旋转的或固定的切削元件。例如，图1展示了包括含有多个可旋转的切削元件11的钻头本体的一种典型的旋转式钻地用牙轮钻头10，通常被称为“旋转式牙轮(rotary cone)”。切削镶件12可以由烧结碳化物制成、被安装在切削镶件凹座中，这些切削镶件凹座被定位在这些可旋转的切削元件11中的每一个的外表面上。可以将若干个切削镶件12安装在这些可旋转的切削元件11上的不同的预定位置中以便优化该钻地用钻头10的切削动作。
[0004]钻地用钻头的使用寿命典型地随着该钻头的切削镶件的磨损特性而变。提高钻地用钻头使用寿命的一种技术是采用由具有强度、韧性以及耐磨损性的改进的组合的材料制成的钻地用切削镶件。许多常规的钻地用钻头使用的是由烧结碳化物制成的切削元件，该烧结碳化物是一种烧结的硬质颗粒材料。用于此类应用的烧结碳化物的选择是基于:这些材料提供了强度 、断裂韧性以及耐磨损性的非常有吸引力的组合，这些特性对钻地用钻头的有效性和经济效应是极为重要的。烧结碳化物是包括一个不连续的分散相的复合物，该不连续的分散相典型地包括含有属于元素周期表的IVB、VB和VIB族的一种或多种过渡金属的碳化物的硬质颗粒。例如，这些过渡金属包括:钛(Ti )、钒(V)、铬(Cr )、锆(Zr )、铌(Nb)、钥(Mo)、铪(Hf)、钽(Ta)、以及钨(W)。该分散相的硬质颗粒是通过一种金属粘结剂的连续相而粘结或“烧结”在一起的，该金属粘结剂典型地包括以下各项中的一项或多项:钴、钴合金、镍、镍合金、铁和铁合金。在这些不同的可能的硬质颗粒-金属粘结剂组合中，在钻地应用中常用的是基于碳化钨(WC)的烧结碳化物作为分散相硬质颗粒并且使用钴(Co)或镍(Ni)作为金属粘结剂(即，分别是WC-Co基烧结碳化物以及WC-Ni基烧结碳化物)。
[0005]烧结碳化物的对钻地应用而言重要的机械特性很大程度上取决于两个微结构参数，g卩，(i )平均硬质颗粒大小以及(ii )该烧结碳化物中的硬质颗粒和/或金属粘结剂的重量或体积分数。总体上，当分散相硬质颗粒大小减小和/或该金属粘结剂含量减少时，烧结碳化物的硬度和耐磨损性增大。另一方面，当分散相硬质颗粒大小增大和/或当该金属粘结剂含量增大时，烧结碳化物的断裂韧性增大。因此，在选择一种用于任何应用中的烧结碳化物等级时在耐磨损性与断裂韧性之间存在一种权衡。当耐磨损性增大时，断裂韧性典型地减小，反之亦然。
[0006]图2A-2E展示了与旋转式钻地用牙轮钻头一起使用的常规烧结碳化物切削镶件的一系列不同形状和设计。钻地用切削镶件可能的特征为该镶件的拱形部分的形状。例如，可获得的形状包括:卵形(图2A)、弹道形(图2B)、凿子形(图2C)、多拱形(图2D)、和圆锥形(图2E)。对形状和所使用的烧结碳化物组成(即，等级)的选择受到例如有待被钻孔或挖掘的岩石类型的影响。与形状或大小无关，钻地用切削镶件典型地包括一个工作部分和一个本体部分。例如，图2A所示的钻地用切削镶件30包括拱形的工作部分32和本体部分34。同样，例如，图2B所示的钻地用切削镶件40包括弹道形的切削部分42和本体部分44。切削动作是完全或主要由该工作部分进行，而该本体部分对该工作部分提供支撑。总体上，该本体部分的大部分或全部都嵌在钻头本体内，并且该本体部分典型地通过压力配合而安装在钻头本体上或者以其他方式固定在该钻头本体上所提供的一个切削镶件凹座中。
[0007]如之前所述，该钻削/切削动作可以至少主要地由钻地用切削镶件的一个工作部分来提供。钻地用切削镶件的工作部分的、开始磨损掉的第一区域是该工作部分的上半部分、特别是最顶端。当钻地用切削镶件的工作部分的顶端开始变平时，切削效率显著降低，这是因为与更有效的切削动作不同，岩石和土层更多地是通过摩搓动作被去除。当这种摩搓动作继续时，由于材料与切削镶件之间的摩擦的增大而可能产生大量的热量，由此导致对该切削镶件的多个部分的加热作用增大。如果烧结碳化物钻地用切削镶件的任何部分的温度超过了阈值，则在这些硬质颗粒与金属粘结剂的界面处可能开始出现热裂纹。该物品的热循环加剧了热裂纹的蔓延。裂纹蔓延可能致使切削镶件断裂，这可能迫使对切削镶件或整个钻头进行更换。将一个钻柱从钻孔中取出以便例如触及并且修复或放置一个含有断裂的切削镶件的钻地用钻头，显著地减慢了钻削过程并且给该钻削过程增加了显著的费用。
[0008]相应地，需要可用于钻地用钻头的改进的烧结碳化物切削镶件。这些改进的切削镶件优选地具有增大的耐磨损性而不丢失断裂韧性。以此方式，可以改善切削效率并且可以延长这些切削镶件以及该钻地用钻头整体的使用寿命。
[0009]发明概述
[0010]本披露提供了包括一种烧结碳化物的一种改进的钻地用切削镶件，该烧结碳化物包含大于一个杂质浓度的、选自下组的一种或多种元素，该组由以下各项组成:钼、钯、铼、铑和钌。本披露还针对一种钻地用钻头，例如像旋转式钻地用牙轮钻头或冲击式钻头，该钻地用钻头包括含有一种烧结碳化物的至少一个钻地用切削镶件，该烧结碳化物包含大于杂质浓度的、选自下组的一种或多种元素，该组由以下各项组成:钼、钯、铼、铑和钌。
[0011]根据本披露的一个非限制性方面，钻地用切削镶件包括含有一种金属粘结剂的一种烧结碳化物，该金属粘结剂包含选自下组的一种或多种元素，该组由以下各项组成:钼、钯、铼、铑和钌。在某些非限制性实施例中，该烧结碳化物包括:一个分散相，该分散相包括金属碳化物的硬质颗粒，该金属碳化物包含至少一种过渡金属，该至少一种过渡金属是选自:钛、钒、铬、锆、铌、钥、铪、钽、以及钨；以及一种金属粘结剂的连续相，该金属粘结剂包括钴、钴合金、镍、镍合金、铁和铁合金中的至少一者，以及选自下组中的至少一种元素，该组由以下各项组成:钼、钯、铼、铑和钌，其中在该金属粘结剂中钼、钯、铼、铑和钌的组合浓度基于该烧结碳化物的总重量是0.1至10重量百分比。
[0012]根据本披露的另一个非限制性方面，一个钻地用切削镶件包括两个或更多个区域。一个第一区域包括一种第一烧结碳化物，该第一烧结碳化物包括分散在一种金属粘结剂中的多个金属碳化物硬质颗粒，其中该金属粘结剂包括选自下组中的至少一种元素，该组由以下各项组成:钼、钯、铼、铑和钌，其中在该金属粘结剂中钼、钯、铼、铑和钌的组合浓度基于该烧结碳化物的总重量是0.1至10重量百分比。一个第二区域包括:一种第二烧结碳化物，该第二烧结碳化物包括含有至少一种过渡金属的金属碳化物硬质颗粒，该至少一种过渡金属是选自:钛、钒、铬、锆、铌、钥、铪、钽、以及钨；以及一种金属粘结剂的连续相，该金属粘结剂包括一个组合浓度的钼、钯、铼、铑和钌，该组合浓度小于该第一烧结碳化物的金属粘结剂中钼、钯、铼、铑和钌的组合浓度。
[0013]根据本披露的又另一个非限制性实施例，一个钻地用切削镶件包括含有一种第一烧结碳化物的一个工作部分以及含有一种第二烧结碳化物的一个本体部分。该第一烧结碳化物包括一个分散相，该分散相包括含有至少一种过渡金属的金属碳化物硬质颗粒，该至少一种过渡金属是选自:钛、钒、铬、锆、铌、钥、铪、钽、以及钨。该第一烧结碳化物还包括一种金属粘结剂的连续相，该金属粘结剂包括钴、钴合金、镍、镍合金、铁和铁合金中的至少一者，以及选自下组中的至少一种元素，该组由以下各项组成:钼、钯、铼、铑和钌，其中该金属粘结剂中的钼、钯、铼、铑和钌的组合浓度基于该烧结碳化物的总重量是0.1至10重量百分t匕。该第二烧结碳化物包括一个分散相，该分散相为含有至少一种过渡金属的金属碳化物硬质颗粒，该至少一种过渡金属是选自:钛、钒、铬、锆、铌、钥、铪、钽、以及钨。该第二烧结碳化物还包括一种金属粘结剂的连续相，该金属粘结剂包括一个组合浓度的钼、钯、铼、铑和钌，该组合浓度小于该第一烧结碳化物的金属粘结剂中的钼、钯、铼、铑和钌的组合浓度。
[0014]根据本披露的再一个方面，一个钻地用钻头包括一个钻头本体以及至少一个钻地用切削镶件。该至少一个钻地用切削镶件包含一种金属粘结剂，该金属粘结剂包括选自下组中的至少一种元素，该组由以下各项组成:钼、钯、铼、铑和钌，其中该金属粘结剂中的钼、钯、铼、铑和钌的组合浓度基于该烧结碳化物的总重量是0.1至10重量百分比。在该钻地用钻头的某些非限制性实施例中，该烧结碳化物包括:一个分散相，该分散相包括含有至少一种过渡金属的金属碳化物硬质颗粒，该至少一种过渡金属是选自:钛、钒、铬、锆、铌、钥、铪、钽、以及钨；以及一种金属粘结剂的连续相，该金属粘结剂包括钴、钴合金、镍、镍合金、铁和铁合金中的至少一者，以及选自下组中的至少一种元素，该组由以下各项组成:钼、钯、铼、铑和钌，其中在该金属粘结剂中钼、钯、铼、铑和钌的组合浓度基于该烧结碳化物的总重量是0.1至10重量百分比。根据本披露的钻地用钻头可以是例如旋转式钻地用牙轮钻头或冲击式钻头(例如像锤钻)。
[0015]根据本披露的还一个非限制性方面，一个钻地用钻头包括一个钻头本体和一个包含两个或更多区域的钻地用切削镶件。该钻地用切削镶件的第一区域包括含有一种金属粘结剂的一种第一烧结碳化物，其中该金属粘结剂包括选自下组中的至少一种元素，该组由以下各项组成:钼、钯、铼、铑和钌，其中在该金属粘结剂中钼、钯、铼、铑和钌的组合浓度基于该烧结碳化物的总重量是0.1至10重量百分比。该至少一个钻地用切削镶件的第二区域包括含有一种金属粘结剂的一种第二烧结碳化物，该金属粘结剂包括一个组合浓度的钼、钯、铼、铑和钌，该组合浓度小于该第一烧结碳化物的金属粘结剂中的钼、钯、铼、铑和钌的组合浓度。根据本披露的钻地用钻头可以是例如旋转式钻地用牙轮钻头或冲击式钻头(例如像银钻)。
[0016] 根据本披露的另外一个方面，一个钻地用钻头包括一个钻头本体以及安装在该钻头本体上的至少一个钻地用切削镶件。该至少一个钻地用切削镶件包括含有一种第一烧结碳化物的一个工作部分以及含有一种第二烧结碳化物的一个本体部分。该第一烧结碳化物包括一个分散相，该分散相为包括至少一种过渡金属的金属碳化物硬质颗粒，该至少一种过渡金属是选自:钛、钒、铬、锆、铌、钥、铪、钽、以及钨。该第一烧结碳化物还包括一种金属粘结剂的连续相，该金属粘结剂包括钴、钴合金、镍、镍合金、铁和铁合金中的至少一者，以及选自下组中的至少一种元素，该组由以下各项组成:钼、钯、铼、铑和钌，其中该金属粘结剂中的钼、钯、铼、铑和钌的组合浓度基于该烧结碳化物的总重量是0.1至10重量百分比。该第二烧结碳化物包括一个分散相，该分散相为包括至少一种过渡金属的碳化物的硬质颗粒，该至少一种过渡金属是选自:钛、铬、钒、锆、铪、钽、钥、铌、以及钨。该第二烧结碳化物还包括一种金属粘结剂的连续相，该金属粘结剂包括一个组合浓度的钼、钯、铼、铑和钌，该组合浓度小于该第一烧结碳化物的金属粘结剂中的钼、钯、铼、铑和钌的组合浓度。根据本披露的钻地用钻头可以是例如旋转式钻地用牙轮钻头或冲击式钻头(例如像锤钻)。
[0017]在考虑以下对本发明的某些非限制性实施例的详细说明时，读者将了解本发明的上述细节和优点以及其他。在制造和/或使用本发明范围内的实施例时，读者还可以理解本发明的此类额外的细节和优点。
[0018]附图的简要说明
[0019]通过参考附图将可以更好地理解本发明的特征和优点，在附图中:
[0020]图1展示了一个典型的旋转式钻地用牙轮钻头，该钻头包括一个钻头本体、多个牙轮以及多个切削镶件；
[0021]图2A-2E展示了在钻地用钻头中典型使用的不同形状和大小的切削镶件，例如卵形(图2A)、弹道形(图2B)、凿子形(图2C)、多拱形(图2D)、和圆锥形(图2E)；
[0022]图3示出了一种烧结的硬质颗粒材料的典型微结构，该材料具有一种金属粘结剂的连续相以及一个包括硬质颗粒的分散相；
[0023]图4是示出了针对表1中列出的烧结碳化物等级的耐磨损性与断裂韧性之间的关系的一个图表；
[0024]图5是示出了针对表2中列出的实验用烧结碳化物等级的耐磨损性与断裂韧性之间的关系的一个图表；
[0025]图6A-D是示出了在此讨论的某些烧结碳化物实施例的微结构的显微照片；并且
[0026]图7(a)_(e)是展示了根据本披露的钻地用切削镶件的非限制性实施例的多个方面的照片，该钻地用切削镶件包括第一和第二烧结碳化物。
[0027]本发明非限制性实施方式的说明
[0028]在本说明书中描述和展示了不同的实施例，是为了提供对所披露的钻地用切削镶件和钻地用钻头的结构、功能、特性、以及用途的全面理解。要理解的是在本说明书中描述和展示的这些不同实施例是非限制性的且非排他性的。因此，本发明不是由对于在本说明书中披露的这些不同的非限制性的且非排他性的实施例的说明所限制。结合不同实施例所描述的这些特征和特点可以与其他实施例的特征和特点进行组合。这样的修改和变化旨在包含于本说明书的范围之内。这样，可以对权利要求进行修改以引述在本说明书中明确地或固有地描述出的、或明确地或固有地得到本说明书的支持的任何特征或特点。另外，诸位 申请人:保留修改权利要求的权利以便肯定地放弃存在于现有技术中的特征或特点而与此类特征是否在此明确被描述无关。因此，任何这样的修改都符合35U.S.C.§112第一段和35U.S.C.§ 132(a)的要求。在本说明书中披露和描述的这些不同实施例可以包括如在此不同地描述的特征和特点、由这些特征和特点组成或主要由这些特征和特点组成。
[0029]除非另外指明，否则在此确认的任何专利、公开案、或其他披露材料都是通过引用以其全部内容结合在本说明书中，但是仅是在所结合的材料不与现有定义、陈述或本说明中明确提出的其他披露材料相冲突的程度上。这样，并且在必要的程度上，在本说明书中提出的明确披露将取代通过引用结合在此的任何冲突材料。被称为是通过引用结合在本说明书中、但与现有定义、陈述、或在此提出的其他披露材料相冲突的任何材料或其一部分仅在以下程度上被结合:使得在所结合的材料与现有的披露材料之间不发生冲突。诸位 申请人:保留对本说明书进行修改的权利以便明确地引述通过引用结合在此的任何主题或其一部分。
[0030]如在本说明书中使用的语法冠词“一”、“一个/ 一种(a/an)”、和“该”均旨在包括“至少一个”或“一个或多个”，除非另外指出。因此，这些冠词在本说明书中被用来指代一个或多于一个(即，“至少一个”)的该冠词的语法对象。举例而言，“一个部件”是指一个或多个部件，并且因此有可能设想为多于一个部件并且可以在所描述实施例的实现方式中采用或使用多于一个部件。另外，单数名词的用法包括复数并且复数名词的用法包括单数，除非使用背景中另作要求。
[0031]本说明书中披露和描述的不同的实施例是针对被适配成用于与钻地用钻头一起使用的改进的切削镶件。例如，根据本披露的这些切削镶件的某些实施例可以用于冲击式钻头(冲击式钻头包括例如锤钻)或用于旋转式钻地用牙轮钻头，这些钻头用于石油和天然气的勘探和提取、采矿、挖掘以及相关的钻削和切削操作。根据本披露的一个方面，在此描述的钻地用切削镶件包括一种烧结碳化物、基本上由该烧结碳化物组成或由该烧结碳化物组成，该烧结碳化物包含一种金属粘结剂，该金属粘结剂包含大于一个杂质浓度的、选自下组的一种或多种元素 ，该组由以下各项组成:钼、钯、铼、铑和钌。如在此关于某些非限制性实施例所讨论的，本发明的诸位发明人发现，在该金属粘结剂中提供基于该烧结碳化物的总重量处于0.1至10重量百分比范围内的一个组合浓度的钼、钯、铼、铑和钌，显著地改进了这些切削镶件的关键机械特性，由此提高了这些切削镶件的耐磨损性并且延长了这些切削镶件失效并且需要修复或更换该钻地用钻头之前的时间。该金属粘结剂可以包括钼、钯、铼、铑和钌中的一种、两种、三种、四种或全部，但是在该金属粘结剂中这些元素的组合重量百分比是至少0.1重量百分比并且不大于10重量百分比。换言之，在某些实施例中，该金属粘结剂可以完全没有钼、钯、铼、铑和钌中的一种或多种，但是所存在的任何此类元素的组合浓度是处于所指出的浓度范围之内。
[0032]本说明中和权利要求中所使用的若干术语具有以下含义。
[0033]如在此使用的，术语“烧结碳化物”是指一种复合材料，该复合材料包括一个含有多个硬质颗粒的不连续的分散相以及一种相对柔软的金属粘结剂的连续相。在许多常规的烧结碳化物中，该分散相的硬质颗粒包括过渡金属碳化物，其中该过渡金属是选自例如钛、钒、铬、锆、铪、钥、铌、钽、钨、其中两种或更多的固溶体、以及其中两种或更多的溶体。该金属粘结剂典型地包括钴、钴合金、镍、镍合金、铁和铁合金中的至少一者。该金属粘结剂将这些分散的硬质颗粒粘结或“黏结”在一起，并且该复合物展示出该不连续相与连续相的物理特性的有利组合。图3是一种代表性的烧结碳化物的微结构的显微照片。这些较亮区域是分散的碳化钨硬质颗粒，并且该较暗区域是将这些碳化钨硬质颗粒黏结在一起的钴粘结剂的连续区域，由此形成该复合物。在多个非限制性实施例中，该烧结碳化物的金属粘结剂还可以包括一种或多种添加剂，该添加剂选自:铬、钥、硼、钨、钽、钛、铌、硅、铝、铜和锰。在某些非限制性实施例中，烧结碳化物的金属粘结剂可以包括总量高达20重量百分比的这些添加剂，基于该粘结剂的总重量而言。在其他非限制性实施例中，烧结碳化物的金属粘结剂可以包括总量高达15重量百分比、高达10重量百分比、或高达5重量百分比的这些添加剂，基于该粘结剂的总重量而言。将理解的是，该分散相和该金属粘结剂两者均可以包括不可避免的杂质。
[0034]众多的烧结碳化物类型或“等级”是由不同的参数所产生的，这些参数可以包括该分散相和/或连续相中的材料的组成、该分散相的硬质颗粒的平均大小、和/或该不连续相和连续相的体积分数。包含碳化钨颗粒分散相以及钴或钴合金粘结剂的烧结碳化物是商业上最重要的通常可获得的烧结碳化物等级。常规的烧结碳化物等级是作为粉末(通常称为“烧结碳化物粉末”)可获得的。通过使用例如常规的压制与烧结技术或用于由前体烧结碳化物粉末等级来生产烧结碳化物的其他已知技术，可以将这些粉末加工成最终的整体形式。
[0035]包括一个碳化钨颗粒不连续分散相以及一个钴粘结剂连续相的常规烧结碳化物等级展现了极限拉伸强度、断裂韧性以及耐磨损性的有利组合。如本领域已知的，“断裂韧性”是指材料在断裂之前吸收能量以及塑性变形的能力。“韧性”是与应力-应变曲线从原点到破裂点的下方面积成比例的(参见麦格劳-希尔科技术语辞典(第5版，1994?并且可以通过使用已知的机械测试技术来估算。“耐磨损性”是指材料承受表面损伤的能力。磨损一般涉及由于物品与接触表面或基底之间的相对移动而导致的该物品的材料的逐渐损失。参见金属手册简装版(第2版，1998)。
[0036]在此描述的钻地用切削镶件的某些非限制性实施例包括一个工作部分。如在此使用的，“工作部分”是指钻地用切削镶件的以下部分，该部分主要接触有待通过该钻地用钻头去除或分离的岩石、泥土、或其他材料，该钻地用钻头上安装了该切削镶件。与该工作部分相比，钻地用切削镶件还可以包括一个“本体部分”，如在此使用的，本体部分是指该钻地用切削镶件的、支撑该工作部分的一个部分。该本体部分和工作部分可以是但不必是单一钻地用切削镶件的多个区域。将会理解的是，在根据本发明的钻地用切削镶件的某些实施例中，在该切削镶件的工作部分与本体部分之间可以不存在清晰的划分线。然而，在此类实施例中，本领域普通技术人员将认识到这些部分之间的差异，在于该工作部分被适配成用于主要执行该切削镶件的既定功能，而该本体部分将被适配成用于主要支撑该工作部分。替代地，该工作部分和本体部分可以由不同的材料形成并且以其他方式固定地附接或粘结在一起，这样使得当使用该切削镶件时该本体部分对该工作部分提供必要的支撑。
[0037] —般理解的是，在很大程度上决定了钻地用切削镶件的(因此还有其上安装了这些切削镶件的该钻地用钻头的)总体性能的烧结碳化物的特性是耐磨损性和断裂韧性。为了优化钻地用切削镶件的性能，所希望的是对于给定水平的耐磨损性获得最高的断裂韧性，反之亦然。如以上所指出，烧结碳化物的耐磨损性和断裂韧性这些特性在很大程度上受到该材料微结构的两个参数的影响，即，平均硬质颗粒大小以及硬质颗粒和/或金属粘结剂的重量或体积分数。总体上，当平均硬质颗粒大小减小和/或该烧结碳化物的金属粘结剂的重量或体积分数减小时，硬度和耐磨损性增大。另一方面，当平均硬质颗粒大小增大和/或该烧结碳化物的金属粘结剂的重量或体积分数增大时，断裂韧性增大。因此，人们相信，在选择用于任何钻地应用中的烧结碳化物等级时，在耐磨损性与断裂韧性之间不可避免地要作出权衡。
[0038]表1和图4中展示了某些常规的烧结碳化物中的耐磨损性与断裂韧性之间的权衡。表1提供了一系列常规的WG-Co基烧结碳化物等级，将其标示为等级A至等级L，这些等级常用于钻地用切削镶件中并且是从德克萨斯州休斯顿市的ATI FirthSterling公司可商购的。表1还针对每个等级列出了以下内容:ATI Firth Sterling公司使用的商品等级名称、平均WC颗粒大小、钴粘结剂含量(基于该烧结碳化物的总重量)、硬度、以及密度。表1中列出的钴含量时基于烧结碳化物的总重量的重量百分t匕。表1中列出的每个等级的余量是碳化钨颗粒。所列出的烧结碳化物等级包括平均直径在大约4至大约8μπι范围内的WC颗粒、在大约8至大约17重量百分比范围内的钴粘结剂含量，并且余量构成了 WC颗粒。图4是将表1中列出的烧结碳化物等级A-L的耐磨损性与断裂韧性之间的关系绘成曲线的一个图表。通过使用一种测试方法来评估断裂韧性，该测试方法基本上等同于ASTM Β771-87(2006) “烧结碳化物的短杆断裂韧性的标准测试方法[Standard Test Method for Short Rod Fracture Toughnessof Cemented Carbides]”。耐磨损性是根据ASTM B611 - 85 (2005) “烧结碳化物耐磨损性的标准测试方法[Standard Test Method for Abrasive Wear Resistance ofCemented Carbides] ” 来评估的。
[0039]表1
[0040]
【权利要求】
1.一种钻地用切削镶件，包括: 一种烧结 碳化物，该烧结碳化物包括一种金属粘结剂，该金属粘结剂包含大于一个杂质浓度的、选自下组的一种或多种元素，该组由以下各项组成:钼、钯、铼、铑和钌。
2.如权利要求1所述的钻地用切削镶件，其中该烧结碳化物包括: 一个分散相，该分散相包括含有金属碳化物的硬质颗粒，该金属碳化物包括至少一种过渡金属，该至少一种过渡金属是选自:钛、钒、铬、锆、铌、钥、铪、钽、以及钨；以及 一种金属粘结剂的连续相，该金属粘结剂包括 钴、钴合金、镍、镍合金、铁和铁合金中的至少一者，以及 选自下组中的至少一种元素，该组由以下各项组成:钼、钯、铼、铑和钌，其中在该金属粘结剂中钼、钯、铼、铑和钌的组合浓度基于该烧结碳化物的总重量是0.1至10重量百分比。
3.如权利要求2所述的钻地用切削镶件，其中该金属粘结剂包括在该金属粘结剂中的一个组合浓度的钼、钯、铼、铑和钌，该组合浓度基于该烧结碳化物的总重量为0.3至7重量百分比。
4.如权利要求2所述的钻地用切削镶件，其中该金属粘结剂包括在该金属粘结剂中的一个组合浓度的钼、钯、铼、铑和钌，该组合浓度基于该烧结碳化物的总重量为0.5至5重量百分比。
5.如权利要求2所述的钻地用切削镶件，其中该烧结碳化物包括2至40重量百分比的该金属粘结剂以及60至98的重量百分比的该分散相。
6.如权利要求2所述的钻地用切削镶件，其中该分散相的硬质颗粒包括以下各项中的至少一种:碳化钛、碳化钒、碳化铬、碳化锆、碳化铌、碳化钥、碳化铪、碳化钽以及碳化钨。
7.如权利要求2所述的钻地用切削镶件，其中该分散相的硬质颗粒包括碳化钨。
8.如权利要求2所述的钻地用切削镶件，其中该金属粘结剂包括钴和钌。
9.如权利要求2所述的钻地用切削镶件，其中该分散相的硬质颗粒包括碳化钨，并且该金属粘结剂包括钴和钌。
10.如权利要求2所述的钻地用切削镶件，其中该分散相的硬质颗粒基本上由碳化钨组成，并且该金属粘结剂包括钴和钌。
11.如权利要求1所述的钻地用切削镶件，其中该切削镶件被适配成用于与旋转式钻地用牙轮钻头和冲击式钻头中的至少一者一起使用。
12.如权利要求2所述的钻地用切削镶件，其中该切削镶件被适配成用于与一个旋旋转式钻地用牙轮钻头和冲击式钻头中的至少一个一起使用。
13.如权利要求1所述的钻地用切削镶件，其中该切削镶件包括一个工作部分和一个本体部分。
14.如权利要求13所述的钻地用切削镶件，其中该工作部分包括选自以下各项的一种形状:卵形、弹道形、凿子形、多拱形、以及圆锥形。
15.如权利要求2所述的钻地用切削镶件，其中该切削镶件包括一个工作部分和一个本体部分。
16.如权利要求15所述的钻地用切削镶件，其中该工作部分包括选自以下各项的一种形状:卵形、弹道形、凿子形、多拱形、以及圆锥形。
17.如权利要求1所述的钻地用切削镶件，其中该切削镶件包括: 一个包含第一烧结碳化物的第一区域，该第一烧结碳化物包括位于一种金属粘结剂中的一个包含金属碳化物硬质颗粒的分散相，该第一烧结碳化物的金属粘结剂包括钼、钯、铼、铑和钌中的至少一者，其中在该金属粘结剂中钼、钯、铼、铑和钌的组合浓度基于该第一烧结碳化物的重量是0.1至10重量百分比；以及 一个包含第二烧结碳化物的第二区域，该第二烧结碳化物包括位于一种金属粘结剂中的一个包含金属碳化物硬质颗粒的分散相，该第二烧结碳化物的金属粘结剂包括一个组合浓度的钼、钯、铼、铑和钌，该组合浓度小于该第一烧结碳化物的金属粘结剂中钼、钯、铼、铑和钌的组合浓度。
18.如权利要求17所述的钻地用切削镶件，其中该第一烧结碳化物的金属粘结剂包括在该金属粘结剂中的一个组合浓度的钼、钯、铼、铑和钌，该组合浓度基于该烧结碳化物的总重量为0.3至7重量百分比。
19.如权利要求17所述的钻地用切削镶件，其中该第一烧结碳化物的金属粘结剂包括在该金属粘结剂中的一个组合浓度的钼、钯、铼、铑和钌，该组合浓度基于该烧结碳化物的总重量为0.5至5重量百分比。
20.如权利要求17所述的钻地用切削镶件，其中该第一烧结碳化物的金属粘结剂包括基于该第一烧结碳化物的总重量为0.1至10重量百分比的钌。
21.如权利要求17所述的钻地用切削镶件，其中该第二烧结碳化物的金属粘结剂包括不大于一个杂质浓度的钌。
22.如权利要求17所述的钻地用切削镶件，其中该第二烧结碳化物的金属粘结剂不包括钌。
23.如权利要求17所述的钻地用切削镶件，其中该第一烧结碳化物和该第二烧结碳化物各自单独地包括: 一个分散相，该分散相包括含有至少一种过渡金属的金属碳化物硬质颗粒，该至少一种过渡金属是选自:钛、钒、铬、锆、铌、钥、铪、钽、以及钨；以及 一种金属粘结剂的连续相，该金属粘结剂包括钴、钴合金、镍、镍合金、铁和铁合金中的至少一者。
24.如权利要求17所述的钻地用切削镶件，其中该第一区域包括该切削镶件的一个工作部分。
25.如权利要求24所述的钻地用切削镶件，其中该工作部分包括选自以下各项的一种形状:卵形、弹道形、凿子形、多拱形、以及圆锥形。
26.如权利要求17所述的钻地用切削镶件，其中: 该第一烧结碳化物的分散相包括碳化钨，并且该第一烧结碳化物的金属粘结剂包括钴；并且 该第二烧结碳化物的分散相包括碳化钨，并且该第二烧结碳化物的金属粘结剂包括钴。
27.如权利要求17所述的钻地用切削镶件，其中该切削镶件被适配成用于与旋转式钻地用牙轮钻头和冲击式钻头中的至少一者一起使用。
28.—种钻地用切削镶件，包括:一个包含第一烧结碳化物的工作部分，该第一烧结碳化物包括一个分散相，该分散相包括含有至少一种过渡金属的金属碳化物硬质颗粒，该至少一种过渡金属是选自:钛、钒、铬、锆、铌、钥、铪、钽、以及钨，以及一种金属粘结剂的连续相，该金属粘结剂包括钴、钴合金、镍、镍合金、铁和铁合金中的至少一者，以及 选自下组中的至少一种元素，该组由以下各项组成:钼、钯、铼、铑和钌，其中该金属粘结剂中的钼、钯、铼、铑和钌的组合浓度基于该第一烧结碳化物的总重量是0.1至10重量百分比；以及 一个包含第二烧结碳化物的本体部分，该第二烧结碳化物包括一个分散相，该分散相包括含有至少一种过渡金属的金属碳化物硬质颗粒，该至少一种过渡金属是选自:钛、铬、钒、锆、铪、钽、钥、铌以及钨，以及一种金属粘结剂的连续相，该金属粘结剂包括钴、钴合金、镍、镍合金、铁和铁合金中的至少一者，以及 该金属粘结剂中的一个组合浓度的钼、钯、铼、铑和钌，该组合浓度小于该第一烧结碳化物的金属粘结剂中的钼、钯、铼、铑和钌的组合浓度。
29.如权利要求28所述的钻地用切削镶件，其中该第一烧结碳化物的金属粘结剂包括一个组合浓度的钼、钯、铼、铑和钌，该组合浓度基于该第一烧结碳化物的总重量为0.3至7重量百分比。
30.如权利要求28所述的钻地用切削镶件，其中该第一烧结碳化物的金属粘结剂包括一个组合浓度的钼、钯、铼、铑和钌，该组合浓度基于该第一烧结碳化物的总重量为0.5至5重量百分比。
31.如权利要求28所述的钻地用切削镶件，其中 该第一烧结碳化物的分散相包括碳化钨；并且 该第一烧结碳化物的金属粘结剂包括钴。
32.如权利要求31所述的钻地用切削镶件，其中 该第二烧结碳化物的分散相包括碳化钨；并且 该第二烧结碳化物的金属粘结剂包括钴。
33.一种钻地用钻头，包括: 一个钻头本体；以及 至少一个钻地用切削镶件，该至少一个钻地用切削镶件包含一种金属粘结剂，该金属粘结剂包括选自下组中的至少一种元素，该组由以下各项组成:钼、钯、铼、铑和钌，其中该金属粘结剂中的钼、钯、铼、铑和钌的组合浓度基于该烧结碳化物的总重量是0.1至10重量百分比。
34.如权利要求33所述的钻地用钻头，其中该烧结碳化物包括: 一个分散相，该分散相包括含有至少一种过渡金属的金属碳化物硬质颗粒，该至少一种过渡金属是选自:钛、钒、铬、锆、铌、钥、铪、钽、以及钨；以及 一种金属粘结剂的连续相，该金属粘结剂包括基于该烧结碳化物的总重量为0.1至10重量百分比的钌，以及钴、钴合金、镍、镍合金、铁和铁合金中的至少一者。
35.如权利要求34所述的钻地用钻头，其中该金属粘结剂包括一个组合浓度的钼、钯、铼、铑和钌，该组合浓度基于该烧结碳化物的总重量为0.3至7重量百分比。
36.如权利要求34所述的钻地用钻头，其中该金属粘结剂包括一个组合浓度的钼、钯、铼、铑和钌，该组合浓度基于该烧结碳化物的总重量为0.5至5重量百分比。
37.如权利要求34所述的钻地用钻头，其中该烧结碳化物包括2至40重量百分比的该金属粘结剂以及60至98的重量百分比的该分散相。
38.如权利要求34所述的钻地用钻头，其中该分散相的硬质颗粒包括以下各项中的至少一种:碳化钛、碳化钒、碳化铬、碳化锆、碳化铌、碳化钥、碳化铪、碳化钽以及碳化钨。
39.如权利要求34所 述的钻地用钻头，其中该分散相的硬质颗粒包括碳化钨。
40.如权利要求34所述的钻地用钻头，其中该金属粘结剂包括钴和钌。
41.如权利要求33所述的钻地用钻头，其中该钻地用钻头是旋转式钻地用牙轮钻头和冲击式钻头中的一者。
42.如权利要求34所述的钻地用钻头，其中该钻地用钻头是旋转式钻地用牙轮钻头和冲击式钻头中的一者。
43.如权利要求33所述的钻地用钻头，其中该至少一个钻地用切削镶件包括: 一个包含第一烧结碳化物的第一区域，该第一烧结碳化物包括分散在一种金属粘结剂中的多个金属碳化物颗粒，该第一烧结碳化物的金属粘结剂包括选自下组中的至少一种元素，该组由以下各项组成:钼、钯、铼、铑和钌，其中在该金属粘结剂中钼、钯、铼、铑和钌的组合浓度基于该第一烧结碳化物的总重量是0.1至10重量百分比；以及 一个包含第二烧结碳化物的第二区域，该第二烧结碳化物包括分散在一种金属粘结剂中的多个金属碳化物颗粒，其中该第二烧结碳化物的金属粘结剂包括在该金属粘结剂中的一个组合浓度的钼、钯、铼、铑和钌，该组合浓度小于该第一烧结碳化物的金属粘结剂中钼、钯、铼、铑和钌的组合浓度。
44.如权利要求43所述的钻地用钻头，其中该第一烧结碳化物的金属粘结剂包括基于该第一烧结碳化物的总重量为0.1至10重量百分比的钌。
45.如权利要求43所述的钻地用钻头，其中该第一烧结碳化物的金属粘结剂包括在该金属粘结剂中的一个组合浓度的钼、钯、铼、铑和钌，该组合浓度基于该第一烧结碳化物的总重量为0.3至7重量百分比。
46.如权利要求43所述的钻地用钻头，其中该第一烧结碳化物的金属粘结剂包括在该金属粘结剂中的一个组合浓度的钼、钯、铼、铑和钌，该组合浓度基于该第一烧结碳化物的总重量为0.5至5重量百分比。
47.如权利要求43所述的钻地用钻头，其中该第二烧结碳化物的金属粘结剂不包括钌。
48.如权利要求43所述的钻地用钻头，其中: 该第一烧结碳化物包括碳化钨颗粒，并且该第一烧结碳化物的金属粘结剂包括钴；并且 该第二烧结碳化物包括碳化钨颗粒，并且该第二烧结碳化物的金属粘结剂包括钴。
49.如权利要求43所述的钻地用钻头，其中该钻地用钻头是旋转式钻地用牙轮钻头和冲击式钻头中的一者。
50.一种钻地用钻头,包括至少一个钻地用切削镶件，该至少一个钻地用切削镶件包括: 一个包含第一烧结碳化物的工作部分，该第一烧结碳化物包括一个分散相，该分散相包括含有至少一种过渡金属的金属碳化物硬质颗粒，该至少一种过渡金属是选自:钛、钒、铬、锆、铌、钥、铪、钽、以及钨，以及一种金属粘结剂的连续相，该金属粘结剂包括钴、钴合金、镍、镍合金、铁和铁合金中的至少一者，以及 钼、钯、铼、铑和钌中的至少一者，其中该金属粘结剂中的钼、钯、铼、铑和钌的组合浓度 基于该第一烧结碳化物的总重量是0.1至10重量百分比；以及 一个包含第二烧结碳化物的本体部分，该第二烧结碳化物包括 一个分散相，该分散相包括含有至少一种过渡金属的金属碳化物硬质颗粒，该至少一 种过渡金属是选自:钛、铬、钒、锆、铪、钽、钥、铌以及钨，并且 一种金属粘结剂的连续相，该金属粘结剂包括 钴、钴合金、镍、镍合金、铁和铁合金中的至少一者，以及 一个组合浓度的钼、钯、铼、铑和钌，该组合浓度小于该第一烧结碳化物的金属粘结剂中的钼、钯、铼、铑和钌的组合浓度。
51.如权利要求50所述的钻地用钻头，其中该第一烧结碳化物的金属粘结剂包括基于该第一烧结碳化物的总重量为0.1至10重量百分比的钌。
52.如权利要求50所述的钻地用钻头，其中该第一烧结碳化物的金属粘结剂包括在该金属粘结剂中的一个组合浓度的钼、钯、铼、铑和钌，该组合浓度基于该第一烧结碳化物的总重量为0.3至7重量百分比。
53.如权利要求50所述的钻地用钻头，其中该第一烧结碳化物的金属粘结剂包括在该金属粘结剂中的一个组合浓度的钼、钯、铼、铑和钌，该组合浓度基于该第一烧结碳化物的总重量为0.5至5重量百分比。
54.如权利要求50所述的钻地用钻头，其中 该第一烧结碳化物的分散相包括碳化钨；并且 该第一烧结碳化物的金属粘结剂包括钴。
【文档编号】C22C29/06GK103946405SQ201280051221
【公开日】2014年7月23日 申请日期:2012年10月17日 优先权日:2011年11月1日
【发明者】J·J·欧克斯, P·K·莫钱达尼, G·B·柯林斯, O·O·埃索, J·L·约翰逊 申请人:钴碳化钨硬质合金公司