专利名称：基体粉末系统和复合材料以及由其制成的物品的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种基体粉末系统、一种包含该基体粉末系统的复合材料，以及由用于石油和天然气钻探的钻头尖的这样一种复合材料制成的一个基体钻尖本体。更加具体地讲，本发明涉及一种基体粉末系统，该基体粉末系统包括一种或多种多晶碳化物、无粘合剂碳化物，或者它们的组合，所述多晶碳化物和/或无粘合剂碳化物包括W、Ti、V、Cr、Nb、Mo、 Ta、Hf、Zr的碳化物，或它们的组合。
背景技术：
用于石油和天然气钻探的一种钻地钻头尖1，如图1所示，包括几个被附接在一个钻头尖本体4上的切削元件2。这种类型的钻头尖也可以被称为剪切钻尖、剪切基体本体切割器，或者基体本体钻头尖。钻头尖本体4是由具有硬质基体相的一种复合材料制成的，该硬质基体相包含一种或多种陶瓷组分，例如铸造碳化钨、粗晶碳化钨、附聚物渗碳的碳化钨 (agglomerate carburized tungsten carbide)、压碎的烧结碳化钨、碳化钨钴/镍小粒，和 /或处于小颗粒形式的其他碳化物类、氮化物类、硼化物类、和/或氧化物类。这些切削元件2最常见地是通过与该钻头尖本体材料进行钎焊或者一种机械/冶金粘合而附接到该钻头尖本体4的烧结碳化物基体上的分离的金刚石或多晶金刚石复合材料。通常，该基体材料钻头尖本体是使用一种熔渗工艺制造的，该熔渗工艺使用一种金属粘合相来粘合这些小的基体颗粒。在该熔渗工艺中，将一种基体粉末倾倒入一个模具中。然后该将会变成该复合材料的金属粘合相的熔渗金属于被放在该基体粉末的顶部件上。当装载该模具之后，在该模具上放置一个顶部件并且在一个加热炉内将该模具加热到在该金属粘合相的熔点之上但是在该基体粉末的陶瓷组分的熔点之下的一个温度。该金属粘合相熔化并且熔渗该基体粉末。在冷却并且凝固后，该金属粘合相将该基体粉末粘合在一起从而形成一种固体复合材料。一个钢质柄在凝固之后被粘结到该钻头尖本体4上亦或在加热之前被放入该模具中，这样使得该熔渗金属将该柄粘合到了钻头尖本体4上。在凝固之后使用钎焊或者另一种合适的附接方法将这些切割器2附接到钻头尖本体4上，以便将它们固定在由该模具在钻头尖本体4内形成的多个凹槽或凹陷内。授予Liang等人的美国专利号7，475，743说明了一种钻地的钻头尖，该钻头尖具有一个基体钻尖本体，该基体钻尖本体包含烧结碳化钨和铸造碳化钨并且它是使用熔渗方法制造的。在Liang的专利中，这些切削元件是在已经使用该熔渗方法制造了该基体钻尖本体之后钎焊到该基体钻尖本体上的。Deng等人的美国专利申请公开号2008/0206585说明了具有一种基体钻尖本体的一种钻头尖，该基体钻尖本体包含碳化物类、硼化物类、氮化物类，和/或氧化物类并且它是使用熔渗方法制造的。在用于制造该基体材料钻头尖本体的熔渗工艺过程中，温度达到约1200°C。因此， 对于该基体组分，即，这些碳化物而言，必须具有良好的热稳定性，使得它们在制造过程中不会破裂。
在操作过程中，此类钻地钻头尖本体经受到大量的腐蚀和冲击。虽然由金刚石或多晶金刚石复合材料制成的这些切割器2，在エ使用中具有高的硬度和良好的耐腐蚀性，但是目前所使用的这些钻头尖本体4是较少耐腐蚀的。其结果是，对于该钻头尖的寿命而言的限制因素是对钻头尖本体4的劣化。因此，对于钻头尖本体4而言，需要包含一个基体粉末系统的ー种复合材料，该基体粉末系统具有更好的热稳定性以忍受该制造エ艺以及更高的硬度和更好的耐腐蚀性，以便与这些切割器2的硬度和耐腐蚀性更紧密地相匹配。
发明内容
本发明是针对用于制造陶瓷金属复合材料的一种基体粉末系统以及由其制成的复合材料。该基体粉末系统包括ー种或多种多晶碳化物、无粘合剂碳化钨，或者它们的组合。这些多晶和/或无粘合剂碳化物包括W、Ti、V、Cr、Nb、Mo、Ta、Hf、Zr的碳化物，或者它们的组合。该基体粉末系统还可以包含除了多晶碳化物和/或无粘合剂碳化物之外的额外的陶瓷相和/或金属。该陶瓷金属复合材料包括本发明的基体粉末系统和ー种金属粘合相。本发明还是针对由这种复合材料制造的、用于钻地的钻头尖的一种基体钻尖本体。可替代地，该基体钻尖本体可以具有一种复合材料，该复合材料在仅其表面的一部分上包括多晶碳化物和/或无粘合剂碳化物基体粉末系统。本发明还是针对用于石油和天然气钻探的一种钻头尖，该钻头尖包括由这种复合材料制造的一个钻头尖本体以及至少ー个切割器。
图1是根据本发明的钻头尖的一个实施方案的等角视图；图2A和图2B是熔渗有ー种铜合金的无粘合剂碳化钨的显微照片；并且图2C和图2D是熔渗有ー种铜合金的碳化钨-钴小粒的显微照片。
具体实施例方式本发明是包括ー种或多种多晶碳化物、无粘合剂碳化钨，或者它们的組合的ー种基体粉末系统。这些多晶和/或无粘合剂碳化物包括W、Ti、V、Cr、Nb、Mo、Ta、Hf、Zr的碳化物，或者它们的組合。该多晶碳化物由多个包含在一个单个颗粒中的晶粒组成。在该多晶碳化物中没有粘合剤。无粘合剂碳化物具有0至3wt. %的金属粘合剤。在多晶碳化物或无粘合剂碳化物内的这些碳化物的晶粒大小是< 15 μ m，，优选的是< 1 μ m，并且更加优选的是 0. 2μπι 至 0. 6μπι。与传统上用于石油和天然气钻探的钻头尖的复合基体钻尖本体中的铸造碳化物、 粗晶碳化物、烧结碳化物或者附聚物渗碳的碳化物相比，多晶碳化物和无粘合剂碳化物更硬。由于硬度通常与耐腐蚀性相关，因而与传统上用于石油和天然气钻探的钻头尖的基体钻尖本体中的这些碳化物相比，这些多晶碳化物和无粘合剂碳化物同样具有改进的耐腐蚀性。此外，与传统上用于石油和天然气钻探的钻头尖的基体本体中的这些碳化物相比，这些多晶碳化物和/或无粘合剂碳化物在制造的过程中使用一种熔渗ェ艺而具有更好的热稳定性。因此，根据本发明，为了改进该基体钻尖本体的耐腐蚀性，该基体粉末系统包括ー种或多种多晶碳化物和/或无粘合剂碳化物。该无粘合剂碳化物包含小于3wt. %的金属粘合剂，该金属粘合剂是选自但不限于从W、Mo、Co、Ni、Ti、Cr、V、Fe、以及Mn。优选地，该粘合剂相是小于0. 5wt. %，并且更优选地是小于0. 2wt. %0这些多晶碳化物和/或无粘合剂碳化物是处于ー种粉末的形式，该粉末可以是任何形状，包括但不限于球状的、立方体的、椭圆的、似立方体的、或者不规则的，并且可以是处于0. 005mm (0. 000197英寸，2500目)与1. 19mm (0. 047英寸，16目)之间，优选的是 0. 02mm至0. 42mm,并且更优选的是0. 044mm至0. 25mm。可以使用任意组合了多种形状和/ 或多种尺寸的碳化物粉末。此类多晶碳化物和/或无粘合剂碳化物可以是使用多种エ艺制造的，包括但不限于对以下各项进行快速全方向压实(ROC)、硬的热等静压压制(硬HIP)、微波烧结、等离子烧结、以及热压制1) ー种金属粉末和碳粉末混合物，幻ー种金属碳化物粉末，或者；3) —种金属碳化物粉末和金属粘合剂混合物。可以将产生的多晶碳化物和/或无粘合剂碳化物压碎以便获得该更细颗粒的碳化物材料。多晶碳化钨和/或无粘合剂碳化钨因其高硬度特别适合在该基体粉末系统中使用。多晶碳化钨是由其中一个颗粒内有多个晶粒的纯碳化钨所组成的。在多晶碳化钨中没有粘合剂并且碳化钨是唯一的相。无粘合剂碳化钨具有O至3wt. %的金属粘合剂和/或高达IOwt. %的碳化ニ钨(W2C)。通过引用结合在此的美国专利申请号12/700，991中说明了一种这样的无粘合剂碳化钨。总体上，无粘合剂碳化钨不是単相的，除了在它的Owt. %的金属粘合剂或W2C的极端情况下。在本发明中所使用的多晶碳化钨和/或无粘合剂碳化钨可以具有1900HV(0. 5千克カ)或更大的硬度，这远远超过表1中所示的传统上在基体钻尖本体中使用的这些碳化钨的硬度。表权利要求
1.一种基体粉末系统，用于制造一种陶瓷基体复合材料，该基体粉末系统包括一种或多种多晶碳化物、无粘合剂碳化物、或者它们的一种组合。
2.如权利要求1所述的基体粉末系统，其中该多晶碳化物，如果存在的话，包括W、Ti、 V、Cr、Nb、Mo、Ta、Hf、Zr的碳化物、或者它们的一种组合，并且该无粘合剂碳化物，如果存在的话，包括W、Ti、V、Cr、Nb、Mo、Ta、Hf、Zr的碳化物、或者它们的一种组合。
3.如权利要求1所述的基体粉末系统，其中该无粘合剂碳化物，如果存在的话，包括小于3wt. %的金属粘合剂。
4.如权利要求1所述的基体粉末系统，其中该多晶碳化物，如果存在的话，具有15μπι 或更小的晶粒大小，并且该无粘合剂碳化物，如果存在的话，具有15 μ m或更小的晶粒大
5.如权利要求1所述的基体粉末系统，其中该多晶碳化物，如果存在的话，包含钨，并且具有1900HV(0. 5千克力)或更大的硬度，并且该无粘合剂碳化物，如果存在的话，包含钨，并且具有1900HV(0. 5千克力)或更大的硬度。
6.如权利要求1所述的基体粉末系统，其中该无粘合剂碳化物，如果存在的话，包含钨，并且是包括高达IOwt. %的碳化二钨的一种两相碳化物。
7.如权利要求1所述的基体粉末系统，其中这些多晶碳化物，如果存在的话，具有0.005mm至1. 19mm的颗粒大小，并且这些无粘合剂碳化物，如果存在的话，具有0. 005mm至1.19mm的颗粒大小。
8.如权利要求1所述的基体粉末系统，进一步包括选自下组的一种或多种额外的陶瓷相，该组由以下各项组成碳化物类、氮化物类、硼化物类、或氧化物类。
9.如权利要求8所述的基体粉末系统，其中该额外的陶瓷相是W、Cr、Ta、M0、V、Zr、Hf、 Ti、以及Nb的一种或多种碳化物。
10.如权利要求8所述的基体粉末系统，其中该额外的陶瓷相是该基体粉末系统的0至 90wt. %。
11.如权利要求1所述的基体粉末系统，进一步包括一种或多种金属。
12.如权利要求11所述的基体粉末系统，其中该金属是Ni、Fe、Cu、Mn、P、Cr、Co、Si、 B、Si、Sn、或者它们的合金。
13.如权利要求11所述的基体粉末系统，其中该金属是该基体粉末系统的0至 15wt. %。
14.一种陶瓷金属复合材料，包括 根据权利要求1所述的基体粉末系统；以及一种金属粘合相。
15.如权利要求14所述的复合材料，其中该基体粉末系统占该复合材料的5wt.%至 95wt.
16.如权利要求14所述的复合材料，其中该金属粘合相包括选自Cu、Ni、Mn、Fe、Co、 Al、Cr、Zn、Sn、Ag、B、Pb、S i、P、Ti、以及 Mg 的组中的一种或多种。
17.一种用于石油和天然气钻探的钻头尖的基体钻尖本体，包括权利要求14所述的复合材料。
18.一种用于石油和天然气钻探的钻头尖的基体钻尖本体，其中其表面的至少一部分包括一种复合材料，该复合材料包括根据权利要求1所述的一种基体粉末系统；以及一种金属粘合相。
19.一种用于石油和天然气钻探的钻头尖的基体钻尖本体，其中该基体钻尖本体的整体和其表面的至少一部分包括一种根据权利要求1所述的基体粉末系统；以及一种金属粘合相。
20.一种用于石油和天然气钻探的钻头尖，包括由权利要求14所述的复合材料组成的一种基体钻尖本体以及用于接合一种结构的至少一个切削元件。
全文摘要
本发明包括一种含一种或多种多晶碳化物、无粘合剂碳化物、或者它们的组合的基体粉末系统；包含该基体粉末系统和一种金属粘合相的一种复合材料；由该复合材料制造的、用于石油和天然气钻探的钻头尖的一个基体钻尖本体；用于石油和天然气钻探、包括该基体钻尖本体和至少一个切割器的一种钻头尖。该多晶和/或无粘合剂碳化物可以包括W、Ti、V、Cr、Nb、Mo、Ta、Hf、Zr的碳化物，或者它们的组合。该无粘合剂碳化物具有小于3wt.％的粘合剂并且该无粘合剂和/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。在该基体粉末系统中还可以存在额外的陶瓷组分和/或金属。可替代地，该复合材料可以存在于仅该基体钻尖本体表面的一部分上。
文档编号C22C29/00GK102531603SQ20111037504
公开日2012年7月4日 申请日期2011年11月23日 优先权日2010年11月24日
发明者D·班纳吉, M·维尔费特, 邓欣 申请人:钴碳化钨硬质合金公司