具有改进的抗热开裂性的制品的制作方法

专利名称：具有改进的抗热开裂性的制品的制作方法
技术领域：
本发明涉及对包含烧结碳化物(cemented carbide)的制品例如切削工具、切削嵌件(insert)、密封圈、棍轧机棍、用于地下钻探钻头(earth boring bits)的切削元件以及经历加热和/或热循环的其它制品的改进。本发明还涉及制造这种制品的方法。更具体地说，本发明的某些实施方式涉及具有改进的抗热开裂性的烧结碳化物制品。
背景技术：
包含烧结碳化物的制品通常用于涉及高应カ和磨擦的应用，例如用于车削、铣肖IJ、和钻孔的切削工具或切削嵌件；用于搅拌器和泵的密封圈；和用于轧钢的辊。包含烧结碳化物的制品倾向于由于热开裂而失效。如果将这种制品加热到高于阈值则可引发该制品中的裂纹，并且如果该制品经历热循环则裂纹可进一歩扩展。例如，地下钻探(或钻进，drilling)钻头通常用于石油和天然气勘探、采矿、和挖掘。这种地下钻探钻头可具有固定或可旋转的切削元件。图I说明具有可旋转切削元件11的典型旋转锥体地下钻探钻头10。将通常由烧结碳化物制成的切削嵌件12置于在所述切削元件11的外表面上制造的槽(pocket)中。可将若干切削嵌件12固定到所述可旋转切削元件11的预定位置中以优化切削。地下钻探钻头的使用寿命通常是烧结碳化物嵌件的磨损性质的函数。提高地下钻探钻头使用寿命的ー种方法是采用由具有強度、韧性、和耐磨损性/耐腐蚀性的改进组合的材料制成的切削嵌件。如上所述，切削嵌件包含烧结碳化物(一种烧结的硬颗粒)。用于这种应用的烧结碳化物的选择基于这些材料提供強度、断裂韧性、和耐磨性(即对钻探钻头或钻进钻头的有效运行非常重要的性质)的非常有吸引力的组合的事实。烧结碳化物是包含如下的复合材料分散的不连续相，其包括属于周期表第IVB族、VB族和VIB族的一种或多种过渡金属(Ti、V、Cr、Zr、Nb、Mo、Hf、Ta、和W)的碳化物颗粒；和连续的粘合剂相(通常包括钴、镍、或铁)，其使硬颗粒粘合在一起。在不同的可能的硬颗粒-粘合剂组合中，基于作为硬颗粒的碳化钨(WC)和作为粘合剂相的钴的烧结碳化物是最常用的烧结硬颗粒。烧结碳化物的各种性质取决于两种微观结构參数，即平均硬颗粒粒度(grainsize)以及硬颗粒和/或粘合剂的重量或体积分数。通常，随着粒度减小和/或粘合剂含量減少，硬度和耐磨性提高。另ー方面，随着粒度增大和/或粘合剂含量増加，断裂韧性提高。因此，对于任何应用，当选择烧结碳化物级别时，在耐磨性和断裂韧性之间存在折衷。当耐磨性提高吋，断裂韧性通常降低，并且反之亦然。图2A-2E说明在旋转锥体地下钻探钻头中通常采用的烧结碳化物嵌件的ー些不同形状和设计。用于地下钻探钻头的切削嵌件通常特征在于穹形部分的形状，例如卵形(图2A)、弾道形(图2B)、凿子形(图2C)、多穹形(图2D)、和圆锥形(图2E)。所采用的形状和烧结碳化物级别的选择取决于待钻进岩石的类型。不论形状和尺寸，所有嵌件均具有主体部分和切削部分形式的工作部分。例如，图2A中的切削嵌件20包括主体部分24和穹形形状的切削部分22。而且，例如图2B中的切削嵌件30包括主体部分34和弾道形状的切削部分32。切削作用通过切削部分执行，而主体部分为所述切削部分提供支撑。将主体部分的大部分或全部嵌入在钻头体或切削元件内，且通常通过将切削嵌件压入配合到槽中而使主体部分嵌入到钻头体中。如前所述，切削作用主要由刀具的切削部分提供。切削部分首先开始磨损的部分是顶部，并且更具体地是切削部分的最尖端。在地下钻探钻头的情况下，随着切削部分的顶部开始变平，切削的效率急剧下降，这是因为土更多地是通过与更有效的切削作用相反的磨擦(rubbing)作用被移除。随着磨擦作用的继续，通过岩石和切削嵌件之间摩擦的増加 可产生相当多的热量，从而导致嵌件某些部分的加热。如果制品的任意部分的温度超过阈值，则将在硬颗粒和粘合剂的界面处引发裂纹。制品的热循环导致裂纹的扩展。因此，需要用于地下钻探钻头的改进的烧结碳化物切削嵌件具有提高的耐热疲劳性和热开裂性。更概括地说，需要对包括包含烧结碳化物的工作部分的并且可能经历由热循环导致的开裂的制品进行改迸。

发明内容
本发明涉及对包含烧结碳化物的制品的改进，其中在所述烧结碳化物内的硬颗粒包括选自钛、铬、钒、锆、铪、钽、钥、铌、和钨中的至少ー种过渡金属的碳化物。这种制品包括切削工具、切削嵌件、密封圈、辊轧机辊、用于地下钻探钻头的切削元件、以及包括烧结碳化物的经历加热和/或热循环的其它制品。本发明还涉及制造这种制品的方法。根据本发明的制品的某些实施方式可包括包含烧结碳化物的部分，所述烧结碳化物包括粘合剂和选自钛、铬、钥;、错、铪、钽、钥、银、和鹤中的至少ー种过渡金属的碳化物；和吸热(heat sink)部分，其包含导热率大于所述烧结碳化物导热率的材料。所述吸热部分可从工作部分(其可例如为接触部分或切削部分)带走热量，从而提供对某些模式的热失效的改进的耐受性。根据本发明的ー个方面，提供包括包含烧结碳化物的工作部分和与所述工作部分热连通的吸热部分的制品。所述工作部分的烧结碳化物包括粘合剂和选自钛、铬、钒、锆、铪、钽、钥、铌、和钨的至少ー种过渡金属的碳化物的硬颗粒，且所述吸热部分包含导热率大于所述烧结碳化物导热率的吸热材料。根据某些非限制性实施方式，所述吸热部分与制品的主体部分接触,其中所述主体部分支撑所述工作部分。而且,根据某些非限制性实施方式，所述工作部分为切削部分和接触部分的至少ー种。在所述工作部分为接触部分的某些非限制性实施方式中，所述制品为辊轧机辊和密封圈之一。在所述工作部分为切削部分的某些非限制性实施方式中，所述制品为地下钻探钻头、切削嵌件、切削工具、旋转刀具(rotary tool)、旋转刀具嵌件、钻头、刀(knife)、和纵切机(slitter)中的ー种。
根据本发明的另一方面，提供包括如下的制品包含烧结碳化物的切削部分；主体部分；和与所述主体部分接触的吸热部分。所述吸热部分包含导热率大于所述烧结碳化物导热率的材料，且所述吸热部分与所述切削部分热连通。在某些非限制性实施方式中，所述制品为地下钻探钻头、切削嵌件、切削工具、旋转刀具、旋转刀具嵌件、钻头、刀、和纵切机中的ー种。根据本发明的另一方面，辊轧机辊包括包含烧结碳化物的接触部分，所述烧结碳化物包括粘合剂和选自钛、铬、钒、锆、铪、钽、钥、铌、和钨中的至少ー种过渡金属的碳化物的硬颗粒；主体部分；和吸热部分。所述接触部分包括第一末端、相対的第二末端、以及在所述第一末端和所述第二末端之间延伸并且包括接触表面的环形外壁。所述主体部分支撑所述接触部分并且包括对纵向延伸穿过所述辊轧机辊的孔(bore)进行限定的环形内壁。所述内壁在其中包括凹槽。所述吸热部分包含导热率大于所述烧结碳化物导热率的材料且与所述接触部分热连通。所述吸热部分的至少一部分设置于所述凹槽内并与所述主体部分接触。
根据本发明的另一方面，密封圈包括包含烧结碳化物的接触部分，所述烧结碳化 物包括粘合剂和选自钛、铬、钒、锆、铪、钽、钥、铌、和钨中的至少ー种过渡金属的碳化物的硬颗粒；主体部分；和吸热部分。所述接触部分包括包含接触表面的第一面。所述主体部分支撑所述接触部分并且包括对所述主体部分中的凹槽进行限定的第二面。环形内壁在所述第一面和第二面之间延伸并且对在所述第一面和第二面之间延伸且在所述第一面和第二面上开放的孔(bore)进行限定。所述吸热部分包含导热率大于所述烧结碳化物导热率的材料且与所述接触部分热连通。所述吸热部分的至少一部分设置于所述凹槽内并与所述主体部分接触。而且根据本发明的ー个方面，制造制品的方法包括提供包含烧结碳化物的工作部分，所述烧结碳化物包括粘合剂和选自钛、铬、钒、锆、铪、钽、钥、铌、和钨的至少ー种过渡金属的碳化物的硬颗粒；提供主体部分；和提供与所述主体部分接触并且包含导热率大于所述烧结碳化物导热率的吸热材料的吸热部分。所述工作部分与所述吸热部分热连通。根据该方法的某些非限制性实施方式，所述吸热部分与所述主体部分接触。而且，根据某些非限制性实施方式，所述工作部分是切削部分和接触部分中的至少ー种。在该方法的其中所述工作部分为接触部分的某些非限制性实施方式中，所述接触部分可包括接触表面且所述制品为辊轧机辊和密封圈之一。在该方法的其中所述工作部分为切削部分的某些非限制性实施方式中，所述切削部分可包括切削表面并且所述制品为地下钻探钻头、切削嵌件、切削工具、旋转刀具、旋转刀具嵌件、钻头、刀、和纵切机中的ー种。根据本发明的又一方面，制造包括工作部分和与所述工作部分热连通的吸热部分的制品的方法包括用烧结碳化物粉末部分地填充模具的空腔(void)，所述烧结碳化物粉末包括粉末状粘合剂和选自钛、铬、钒、锆、铪、钽、钥、铌、和钨的至少ー种过渡金属的硬颗粒碳化物；将固体吸热材料布置于所述空腔中；和烧结所述烧结碳化物粉末。该方法提供包括包含烧结碳化物的工作部分和与所述工作部分热连通的实心吸热部分的烧结制品。根据本发明的又一方面，提供制造包括工作部分、支撑所述工作部分的主体部分、和与所述工作部分热连通的吸热部分的制品的方法。制备包含烧结碳化物的烧结体。将吸热材料加入到所述烧结体中。所述吸热材料的导热率大于所述烧结碳化物的导热率。在某些实施方式中，所述工作部分是包含烧结碳化物和接触表面的接触部分。在某些其它实施方式中，所述工作部分是包含烧结碳化物的切削部分并且包括切削表面。所述吸热部分与所述主体部分接触并且从所述工作部分传导热量。本发明的进ー步方面涉及制造至少包括工作部分和与该工作部分热连通的吸热部分的制品的方法。该方法包括用第一烧结碳化物粉末部分地填充模具的空腔；和用第ニ烧结碳化物粉末至少部分地填充所述空腔的剰余部分，所述第二烧结碳化物粉末包含熔融温度低于所述第二烧结碳化物粉末烧结温度的易逝性(fugitive)材料。使所述第一烧结碳化物粉末和所述第二烧结碳化物粉末固结以形成生还(green compact),并且烧结所述生坯以除去所述易逝性材料和形成包括第一烧结碳化物区和包含互联孔的第二烧结碳化物区的烧结制品。吸热材料渗透到所述第二烧结碳化物的互联孔中，其中所述吸热材料具有大于所述第一烧结碳化物的导热率。具体而言，本发明包括如下方面。
I 制品，其包括包括烧结碳化物的工作部分，所述烧结碳化物包含粘合剂和选自钛、铬、钒、锆、铪、钽、钥、铌、和钨中的至少ー种过渡金属的碳化物的硬颗粒；和吸热部分，其包括导热率大于所述烧结碳化物导热率的吸热材料，其中所述吸热部分与所述工作部分热连通并且所述吸热部分从所述工作部分传导热量。2.根据I的制品，其进ー步包括支撑所述工作部分的主体部分，并且其中所述吸热部分与所述主体部分接触。3.根据I的制品，其进ー步包括支撑所述工作部分的主体部分，并且其中所述吸热部分包括所述主体部分的至少一部分。4.根据2的制品，其中所述工作部分为接触部分和切削部分中的ー种。5.根据2的制品，其中所述工作部分为接触部分且所述制品选自辊轧机辊和密封圈。6.根据2的制品，其中所述工作部分为切削部分且所述制品选自地下钻探钻头、切削嵌件、切削工具、旋转刀具、旋转刀具嵌件、钻头、刀、和纵切机。7.根据I的制品，其中所述工作部分为外部部分且所述吸热部分为以下中的至少ー种内部部分、中心部分、和至少一部分主体部分。8.根据2的制品，其中所述吸热部分通过压入配合、收缩配合、紧固件、软钎焊、硬钎焊、粘着剤、和夹紧中的至少ー种以机械方式附着到所述主体部分上。9.根据2的制品，其中所述粘合剂包括钴、镍、和铁中的至少ー种。10.根据2的制品，其中所述烧结碳化物包含碳化钨的硬颗粒，和包括钴的粘合齐U。11.根据2的制品，其中所述烧结碳化物包含2 40重量％的所述粘合剂和60 98重量％的所述颗粒。12.根据2的制品，其中所述硬颗粒包括平均粒度为0. 3 10 y m的碳化钨颗粒。13.根据2的制品，其中所述吸热材料具有大于150W/mK的导热率。14.根据2的制品，其中所述吸热材料包括选自如下的材料铜、铝、银、金、碳化硅、氮化铝、氮化硼、碳化硅铝、氧化铍、硅-碳化硅、碳化硅铝、铜钨合金、铜钥碳化物、碳、金刚石、石墨、及它们中的两种或更多种的组合。15.根据2的制品，其中所述烧结碳化物包括杂混型烧结碳化物。16.根据15的制品，其中所述杂混型烧结碳化物包括烧结碳化物分散相；和烧结碳化物连续相，其中所述分散相的邻接比小于或等于0. 48。17.根据2的制品，其中所述主体部分包括凹槽，其中所述吸热部分的至少一部分设置于所述凹槽内。18.根据17的制品，其中所述吸热部分包括固体物和粉末中的至少ー种。 19.根据18的制品，其中所述吸热部分包括在所述凹槽内形成机械密封并且限定所述主体部分内的空腔的固体栓，并且其中所述吸热部分进ー步包括在所述空腔内的粉末。20.根据2的制品，其中所述吸热部分包括包含硬颗粒的第一分散相；包含粘合剂的第一连续相，其中所述硬颗粒分散在所述第一连续相中；和包含所述吸热材料的第二连续相。21.根据3的制品，其中所述制品为辊轧机辊，所述辊轧机辊包括接触部分，其包括第一末端和相対的第二末端、以及在所述第一末端和所述第二末端之间延伸并且包括接触表面的环形外壁；和主体部分，其支撑所述接触部分并且包括限定纵向延伸穿过所述辊轧机辊的孔的环形内壁，所述内壁在其中包括凹槽；且其中所述吸热部分的至少一部分设置于所述凹槽中。22.根据3的制品,其中所述制品为恶'封圈,所述恶'封圈包括接触部分，其包括包含接触表面的第一面；和主体部分，其支撑所述接触部分并且包括对其中凹槽进行限定的第二面，其中环形外壁在所述第一面和所述第二面之间延伸，和环形内壁在所述第一面和所述第二面之间延伸并对在所述第一面和所述第二面之间延伸且在所述第一面和所述第二面上开放的孔进行限定；且其中所述吸热部分的至少一部分设置于所述凹槽中。23.选自地下钻探钻头、切削嵌件、切削工具、旋转刀具、旋转刀具嵌件、钻头、刀、和纵切机的制品，其中所述制品包括切削部分，其包含烧结碳化物，所述烧结碳化物包含选自钛、铬、钒、锆、铪、钽、钥、铌、和钨中的至少ー种过渡金属的碳化物的硬颗粒和包括钴、镍、和铁中的至少ー种的粘合齐U，所述切削部分包括切削表面；主体部分，其支撑所述切削部分；和吸热部分，其与所述主体部分接触并包含这样的材料，所述材料包括铜、铝、银、金、碳化硅、氮化铝、氮化硼、碳化硅铝、氧化铍、硅-碳化硅、碳化硅铝、铜钨合金、铜钥碳化物、碳、金刚石、和石墨中的至少ー种并且所述材料具有大于所述烧结碳化物导热率的导热率，其中所述吸热部分与所述工作部分热连通并从所述工作部分导走热量。
24.辊轧机辊，其包括接触部分，其包含烧结碳化物，所述烧结碳化物包含选自钛、铬、钒、锆、铪、钽、钥、铌、和钨中的至少ー种过渡金属的碳化物的硬颗粒和包括钴、镍、和铁中的至少ー种的粘合剂，所述接触部分进ー步包括第一末端和相対的第二末端，和在所述第一末端和所述第二末端之间延伸并且包括接触表面的环形外壁；主体部分，其支撑所述接触部分并且包括对纵向延伸穿过所述辊轧机辊的孔进行限定的环形内壁，所述内壁在其中包括凹槽；和吸热部分，其与所述主体部分接触并包含这样的材料，所述材料包括铜、铝、银、 金、碳化硅、氮化铝、氮化硼、碳化硅铝、氧化铍、硅-碳化硅、碳化硅铝、铜钨合金、铜钥碳化物、碳、金刚石、和石墨中的至少ー种并且所述材料具有大于所述烧结碳化物导热率的导热率，其中所述吸热部分的至少一部分设置于所述凹槽内，并且其中所述吸热部分与所述エ作部分热连通并从所述工作部分导走热量。25.密封圈，其包括接触部分，其包含烧结碳化物，所述烧结碳化物包含选自钛、铬、钒、锆、铪、钽、钥、铌、和钨中的至少ー种过渡金属的碳化物的硬颗粒和包括钴、镍、和铁中的至少ー种的粘合齐IJ，所述接触部分进ー步包括包含接触表面的第一面；主体部分，其支撑所述接触部分并包括对其中凹槽进行限定的第二面，其中环形内壁在所述第一面和所述第二面之间延伸并对在所述第一面和所述第二面之间延伸且在所述第一面和所述第二面上开放的孔进行限定；和吸热部分，其包含这样的材料，所述材料包括铜、铝、银、金、碳化硅、氮化铝、氮化硼、碳化硅铝、氧化铍、硅-碳化硅、碳化硅铝、铜钨合金、铜钥碳化物、碳、金刚石、和石墨中的至少ー种并且所述材料具有大于所述烧结碳化物导热率的导热率，其中所述吸热部分的至少一部分设置于所述凹槽内，而且其中所述吸热部分与所述工作部分热连通并从所述工作部分导走热量。26 制造制品的方法，其包括提供包含烧结碳化物的工作部分，所述烧结碳化物包含粘合剂和选自钛、铬、钒、锆、铪、钽、钥、铌、和钨中的至少ー种过渡金属的碳化物的硬颗粒；和提供与所述工作部分热连通并且包含导热率大于所述烧结碳化物导热率的吸热材料的吸热部分。27.根据26的方法，其进ー步包括提供主体部分，其中所述吸热部分与所述主体部分接触。28.根据27的方法，其中所述工作部分为切削部分和接触部分的至少ー种。29.根据27的方法，其中所述工作部分为接触部分且所述制品选自辊轧机辊和密封圈。30.根据27的方法，其中所述工作部分为切削部分且所述制品选自地下钻探钻头、切削嵌件、切削工具、旋转刀具、旋转刀具嵌件、钻头、刀、和纵切机。31.根据27的方法，其中提供工作部分和提供主体部分中的至少之ー包括提供包含烧结碳化物的烧结体。32.根据27的方法，其进ー步包括通过压入配合、收缩配合、用紧固件附着、软钎焊、硬钎焊、用粘着剂附着、和夹紧的至少ー种将所述吸热部分以机械方式附着到所述制品上。33.根据31的方法，其中所述烧结体包括凹槽；和提供吸热部分包括将所述吸热材料设置于所述凹槽中。
34.根据27的方法，其中所述吸热材料选自固体物、熔融材料、粉末、及它们中的 两种或更多种的组合。
35.根据34的方法，其中所述吸热材料包括固体物；和提供吸热部分包括将所述固体物用收缩配合和压入配合中的至少ー种配合到所述凹槽中。36.根据35的方法，其中所述吸热材料包括粉末状吸热材料；和提供吸热部分包括将所述粉末设置于所述凹槽中和将固体栓设置于所述凹槽中以使所述粉末以机械方式附着在所述凹槽中。37.根据34的方法，其中提供工作部分和提供主体部分包括用烧结碳化物粉末部分地填充模具的空腔；和提供吸热部分包括将所述吸热材料设置于所述空腔中，其中所述吸热材料为固体物并且具有大于所述烧结碳化物粉末的烧结温度的熔点，且其中所述烧结碳化物粉末和所述吸热材料在所述烧结碳化物粉末的烧结温度下加热，其中所述烧结温度小于所述吸热材料的熔融温度。38.根据37的方法，其进ー步包括在将所述吸热材料设置于所述空腔中之前使所述烧结碳化物粉末在所述空腔中固结。39.根据37的方法，其进ー步包括在将所述吸热材料设置于所述空腔中之后和在将所述烧结碳化物粉末和所述吸热材料在所述烧结碳化物粉末的烧结温度下加热之前，使所述烧结碳化物粉末和所述吸热材料固结；和其中所述烧结温度小于所述吸热材料的熔融温度。40.根据37的方法，其进ー步包括在将所述吸热材料设置于所述空腔中之前，使所述烧结碳化物粉末固结以提供第一生 ;在烧结温度下加热之前，使所述第一生坯和所述吸热材料固结以提供第二生坯。41.根据27的方法，其中所述吸热材料包括选自如下的材料铜、铝、银、金、碳化硅、氮化铝、氮化硼、碳化硅铝、氧化铍、硅-碳化硅、碳化硅铝、铜钨合金、铜钥碳化物、碳、金刚石、石墨、及它们中的两种或更多种的组合。42.根据27的方法，其中所述粘合剂包括钴、镍、和铁中的至少ー种。43.根据27的方法，其中所述烧结碳化物包括杂混型烧结碳化物。
44.根据27的方法，其中所述烧结碳化物包括平均粒度为0. 3 10 ii m的碳化钨颗粒。45.根据27的方法，其中所述吸热材料具有大于150W/mK的导热率。46.根据27的方法，其包括用第一烧结碳化物粉末部分地填充模具的空腔；用第二烧结碳化物粉末至少部分地填充所述空腔的剰余部分，所述第二烧结碳化物粉末包含熔融温度低于所述第二烧结碳化物粉末烧结温度的易逝性材料；使所述第一烧结碳化物粉末和所述第二烧结碳化物粉末固结以形成生坯； 烧结所述生坯以除去所述易逝性材料和形成包括第一烧结碳化物区和包含互联孔的第二烧结碳化物区的烧结制品，和将吸热材料设置于所述第ニ烧结碳化物的互联孔中，其中所述吸热材料的导热率大于所述第一烧结碳化物的导热率。47.根据46的方法，其中所述吸热材料包括铜、铝、银、和金中的至少ー种。48.制造包括工作部分和支撑所述工作部分的主体部分的制品的方法，所述方法包括制备包括所述工作部分的烧结体，所述烧结体包含烧结碳化物，所述烧结碳化物包含选自钛、铬、钒、锆、铪、钽、钥、铌、和钨中的至少ー种过渡金属的碳化物的硬颗粒和包括钴、镍、和铁中的至少ー种的粘合剂；和将吸热材料加入所述烧结体中，所述吸热材料包括铜、铝、银、金、碳化硅、氮化铝、氮化硼、碳化硅铝、氧化铍、硅-碳化硅、碳化硅铝、铜钨合金、铜钥碳化物、碳、金刚石、和石墨中的至少ー种，所述吸热材料与所述烧结体接触并具有大于所述烧结碳化物导热率的导热率，且其中所述吸热材料与所述工作部分热连通并从所述工作部分导走热量。49.根据48的方法，其中所述工作部分为包括接触表面的接触部分，且所述制品选自棍轧机親和密封圈。50.根据49的方法，其中所述工作部分为包括切削表面的切削部分，且所述制品选自地下钻探钻头、切削嵌件、切削工具、旋转刀具、旋转刀具嵌件、钻头、刀、和纵切机。在考虑本发明实施方式的下列具体描述后，读者将理解本发明的上述细节和优点等。读者也可在实施和/或使用本发明中的实施方式时理解本发明的这样的补充细节和优点。


通过參照附图，可更好地理解本发明的特征和优点，其中图I说明包括钻头体、辊锥体、和切削嵌件的典型旋转锥体地下钻探钻头；图2A-2E说明在旋转锥体地下钻探钻头中通常采用的切削嵌件的不同形状和尺寸，例如卵形(图2A)、弾道形(图2B)、凿子形(图2C)、多穹形(图2D)、和圆锥形(图2E);图3是烧结碳化物材料中由热疲劳导致的裂纹的显微照片；图4显示具有连续的粘合剂相和不连续的硬颗粒相的烧结硬颗粒材料的典型微观结构；图5A-5J是包含烧结碳化物和吸热器的制品的示意图6是本发明的包含渗入有传导性材料的烧结碳化物的切削嵌件的示意图；图7为用于地下钻探钻头的两种烧结碳化物切削嵌件的照片，其中在烧结碳化物工作部分内可见吸热材料栓(Plug)。图8A和SB是根据本发明的包括包含烧结碳化物的工作部分和与所述工作部分热连通的吸热部分的密封圈的实施方式的示意图；和图9A-9C是根据本发明的包括包含烧结碳化物的环形工作部分和与所述工作部分热连通的吸热部分的辊轧机辊的实施方式的示意图。
具体实施例方式除非另有说明，本说明书和权利要求书中所用的表示成分量、时间、温度等的所有数值应理解为在所有情况下均由术语“约”所修饰。因此，除非指向相反的情况，在以下说明书和权利要求书中所列举的数值參数为可根据寻求通过本发明获得的所需性质而改变的近似值。无论如何，并且不作为限制权利要求范围的等价物原则的应用的尝试，至少应该 按照所报道的有效数字的个数并通过应用常规的舍入法解释各数字參数。尽管阐述本发明宽范围的数值范围和參数为近似值，但尽可能精确地报道在具体实施例中所列举的数值。然而，任意数值可固有地含有由在它们各自的试验测量中存在的标准偏差所必然导致的一定的误差。本发明的实施方式包括包含烧结碳化物和吸热材料的制品。本文中所用的术语“烧结碳化物”指包括包含硬颗粒的不连续相和使所述硬颗粒粘合在一起的连续的粘合剂相的复合材料。所述硬颗粒包括选自周期表的第IVB族、VB族、和VIB族的至少ー种过渡金属(钛、铬、钒、锆、铪、钽、钥、铌、和钨)的碳化物。在本文中将其中硬颗粒由过渡金属碳化物组成的烧结碳化物称为“烧结的过渡金属碳化物”。根据本发明的制品的实施方式可包括包含烧结碳化物的工作部分和包含吸热材料的吸热部分。所述制品还可包括支撑所述エ作部分的主体部分。本发明实施方式的实例包括，但不限于，辊轧机辊、密封圈、地下钻探钻头、切削嵌件、切削工具、旋转刀具、旋转刀具嵌件、钻头、刀、和纵切机。本文中所用的术语“工作部分”指制品在执行该制品的预定作用中所涉及的部分。例如，地下钻探钻头、切削嵌件、切削工具、旋转刀具、旋转刀具嵌件、钻头、刀、和纵切机起到除去和/或分离目标材料的作用，且这种制品的工作部分是适合于除去和/或分离所述材料的切削部分。切削部分可包括切削表面，其为切削部分中起到除去或分离目标材料作用的表面。根据另ー实例，辊轧机辊起到与エ件接触从而将机械カ施加在所述エ件上并改变所述エ件形状的作用。辊轧机辊的工作部分是接触部分，其为辊与エ件接触并执行辊的预定作用部分。所述接触部分还可包括接触表面，其为所述接触部分与エ件接触的表面。根据又ー实施例，密封圈(也称作垫圈)起到在两个或更多个零件之间的界面处产生机械密封的作用，并且密封圈的工作部分也是接触部分，所述接触部分可包括与一个或多个零件接触的接触表面。而且，本文中所用的“主体部分”指制品支撑工作部分的部分。主体部分和工作部分可为，但不必为整体制品的区域。因此，应理解在根据本发明制品的某些实施方式中，在工作部分和主体部分之间可能不存在清晰的划分线。然而，在这种实施方式中，普通技术人员将认识到部分之间的差别在于工作部分适合于执行制品的预定作用，而主体部分适合于支撑所述工作部分。或者，工作部分和主体部分可由不同的材料形成，并且以其它方式牢固地附着或结合在一起使得当使用制品时主体部分为工作部分提供必需的支撑。本发明的实施方式包括包含工作部分和吸热部分的制品，其中所述吸热部分与所述工作部分热连通。所述吸热部分的吸热材料具有比工作部分的烧结碳化物高的导热率。本文中所用的术语“热连通”指热量可从工作部分传导到吸热部分。吸热部分可与工作部分接触，其中热量从工作部分直接传导到吸热部分。或者，吸热部分可与主体部分接触且不与工作部分接触。在这种情况下，热量从工作部分经由主体部分传导到吸热部分。本发明的实施方式包括包含工作部分和吸热部分的制品。另外，所述制品可包括主体部分或其它部分。为保持与工作部分的热连通，所述吸热部分必须与所述制品的ー个部分即所述制品的工作部分、主体部分、或另一部分以使得热量可从所述工作部分传导到所述吸热部分这样的方式接触。为实现热连通，所述吸热部分可以机械方式附着到所述制品的ー个部分即所述制品的工作部分、主体部分、或其它部分上。本文中所用的术语“以机械方式附着”指以机械方式将吸热部分附着到另一部分的任意方式，包括但不限于粘着剂的应用、用紧固件(例如螺杆、螺栓、销钉)连接、软钎焊(soldering)、硬钎焊、夹紧 (clamping)、压入配合、和收缩配合。另外可通过以物理方式将所有或某一区域的吸热部分限制在制品或其一部分内而使吸热部分以机械方式附着到制品或其一部分上。以机械方式附着吸热部分的其它可行方式包括，例如螺纹(thread)、插槽(slot)、和键槽(keyway)的使用。在考虑本发明现有的说明书吋，将吸热部分以机械方式附着到制品或其部分上的其它方式对于本领域技术人员来说是显然的。而且，显然的是，粘着剤、软钎焊、硬钎焊等的使用必须以保证吸热部分和工作部分之间必需的热连通这样的方式完成。这可例如通过确保以提供用于将热量从工作部分传导到吸热部分的路径的方式在吸热部分和制品即工作部分、主体部分、或其它部分之间进行至少某种程度的直接接触而实现。而且，根据某些实施方式，用于以机械方式附着工作部分的粘着剤、软钎焊料、或硬钎焊材料可具有比工作部分或该工作部分的烧结碳化物之一的导热率高的导热率。本发明的实施方式包括包含烧结碳化物硬颗粒的具有增强的抗热开裂性的制品，包括地下钻探钻头、钻头、切削工具、切削嵌件、密封圈、和辊轧机辊、以及经历加热和/或热循环的其它制品。本发明的制品的某些实施方式包括切削部分和吸热部分。所述切削部分包含烧结碳化物。所述吸热部分包含导热率大于所述烧结碳化物导热率的材料。当然，本发明的实施方式包括各种形状和尺寸的切削部分和吸热部分且不受本文中所述的实施方式限制。例如，所述制品可为用于地下钻探钻头的具有图2A-2E中所示形状的切削嵌件，如上所述，图2A-2E中的形状为卵形(图2A)、弾道形(图2B)、凿子形(图2C)、多穹形(图2D)、和圆锥形(图2E)。吸热部分可为切削嵌件主体部分的中心(core)区域，或者可为主体区。例如參见图5A，其图示根据本发明的用于地下钻探钻头的切削嵌件50的横截面，该切削嵌件50包括切削部分51形式的工作部分；以及主体部分52，所述主体部分52包括嵌入其中的吸热部分53。吸热部分53与切削部分51热连通并从该切削部分51传导热量。图7是用于地下钻探探头的具有图5A中所示结构的切削嵌件60的真实实例的照片。在图7中，嵌件60包括烧结碳化物切削部分61、支撑所述切削部分61的烧结碳化物主体部分62、和嵌入在主体部分62中与切削部分61热连通的铜吸热部分63。在根据本发明的切削嵌件内的其它部分可包括中心轴支撑部分、底部分、过渡部分、或可增强用于地下钻探钻头的切削嵌件的热性质的其它部分。本发明的制品的实施方式包括工作部分(例如切削部分或接触部分)和主体部分，其中所述工作部分包含烧结碳化物且所述主体部分包括与所述主体部分接触的吸热部分。所述工作部分的烧结碳化物包括硬颗粒和粘合剤。所述硬颗粒包含选自钛、铬、钒、锆、铪、钽、钥、铌、和钨中的至少ー种过渡金属的碳化物。所述烧结碳化物的粘合剂通常包括如下中的至少ー种钴、镍、铁、或这些金属的合金，但所述粘合剂也可为能够将所述硬颗粒粘合在一起的任意金属或合金。所述粘合剂可进一歩包括选自钨、钛、钽、铌、铬、钥、硼、碳、硅、钌、铼、锰、铝、和铜的合金添加剤。在一个实施方式中，所述烧结碳化物的硬颗粒包括平均粒度为0.3 10 的碳化钨，且所述烧结碳化物的粘合剂包括钴。为提供用于某些应用的期望性质，烧结碳化物可包括2 40重量％的粘合剂和60 98重量％的过渡金属碳化物。在某些实施方式中,烧结碳化物可包括平均粒度为0. 5 10 ii m的碳化钨颗粒。吸热部分与工作部分热连通并且从工作部分导走热量以减少工作部分中累积的热量。如上所述，吸热部分与工作部分“热连通”意味着热量可从工作部分流向吸热部分。因此，尽管在本发明制品的某些实施方式中吸热部分与工作部分接触，但吸热部分和工作 部分不是必须接触的。相反，可将合适的导热材料置于工作部分和吸热部分之间使得热量从工作部分流向吸热部分。例如，在某些实施方式中可将制品主体部分的某一区域置于エ作部分和吸热部分之间。普通技术人员将容易理解用于根据本发明制品的允许在工作部分和吸热部分之间必需的热连通的其它设计，且所有这样的实施方式在本发明的范围内。吸热部分包含可为导热率比工作部分的烧结碳化物的导热率大的任意材料的吸热材料。优选地，吸热材料的导热率大于工作部分的烧结碳化物的导热率的两倍。例如，吸热材料可具有大于150W/mK、乃至大于250W/mK的导热率。在某些高摩擦应用中，吸热材料可具有大于350W/mK的导热率。吸热材料的实例包括，但不限于铜、铝、银、金、碳化硅、氮化铝、氮化硼、碳化硅铝、氧化铍、硅-碳化硅、碳化硅铝、铜钨合金、铜钥碳化物、碳、金刚石、及它们的组合。此外，吸热材料可包括石墨和其它形式的碳。优选地，吸热部分足够大以便以足以防止工作部分达到裂纹引发的阈值温度的速率从工作部分传导热量。图5A-5J说明本发明制品的实施方式。应理解这些图仅必要地说明旨在说明本文中所公开的各种构思的有限数量的可行实施方式。如上所述，图5A说明本发明的用于地下钻探钻头的切削嵌件50的实施方式的横截面。图5A的切削嵌件50的横截面显示出切削部分51和主体部分52。切削嵌件50的切削部分51包含烧结的碳化钨材料并且适合于在钻探作业期间切穿岩石和土。主体部分52包括形成中心区域的吸热部分53。吸热部分53与切削部分51热连通并且从切削部分51传导热量以使切削部分51中累积的温度降低，从而减少热裂纹引发和扩展的发生率。在某些实施方式中，吸热部分可包括整个主体部分。在其它实施方式中，吸热部分可与制品接触但构成该制品的単独部分。例如，如图5A和7所示，可将吸热部分设置于主体部分中的凹槽中。图5B是用于地下钻探钻头的切削嵌件150的另ー实施方式的横截面，其中吸热部分设置于制品的主体部分中的凹槽中。具体地说，切削嵌件150包括主体部分152和切削部分151形式的工作部分。主体部分152包括其中设置多个吸热部分153的多个凹槽。主体部分的区域154介于吸热的吸热部分153和切削部分151之间并提供切削部分151和吸热部分153之间的热连通。吸热部分153可以能够提高制品的整体导热率的任意方式设计。
在某些实施方式中，根据本发明构建的用于地下钻探钻头的切削嵌件可包括延伸到钻头体中的吸热部分。例如，图5C和显示用于地下钻探钻头的切削嵌件的实施方式的横截面，其中切削嵌件250、350包括主体部分252、352和切削部分251、351形式的工作部分。各主体部分252、352中包括用于接受吸热部分254、354的凹槽。切削嵌件250的凹槽延伸穿过主体部分252并且进入工作部分251中。主体部分252、352可压入配合到钻头体或辊锥体253、353中的凹槽中。吸热部分254、354可压入配合到切削嵌件250、350的主体部分252、353中的凹槽中以及钻头体或辊锥体253、353中的凹槽中。这样，吸热部分254、354将热量直接从所述制品传导至所述钻头体。图5E是根据本发明的用于金属加工的切削嵌件450的实施方式。所述切削嵌件450包括以烧结的过渡金属碳化物切削部分451形式的用于将材料从エ件除去的工作部分；以及用于将热量从切削部分导走并提高制品的整体导热率的吸热部分452。因此，嵌件450的吸热部分452还起到支撑所述切削部分452的主体部分的作用，并且吸热部分452与切削部分451直接接触。切削嵌件450中通常但不总是包括中心孔453以允许通过螺丝附着到刀夹(tool holder)上。可从本发明获益的嵌件的某些实施方式可通过夹具(clamp)附着到刀夹上。所述切削嵌件450可适合于铣削、车削、钻孔、或其它切削操作。图5F包括根据本发明构建的钻石形(diamond-shaped)切削嵌件550的实施方式的平面图和横截面图(沿A-A截取)。所述切削嵌件550具有四个切削刃并且可转位。切削嵌件550包括切削部分551形式的工作部分和包含吸热材料的主体部分552。因此，所述主体部分552还构成从切削部分551传导热量的吸热部分。在切削嵌件550的实施方式中，切削部分551仅由烧结的过渡金属碳化物材料构成，且吸热材料的导热率大于所述烧结碳化物材料的导热率。图5G包括根据本发明构建的钻石形切削嵌件650的另ー实施方式的平面图和横截面图(沿B-B截取)。所示的切削嵌件650与切削嵌件550的相似之处在于两种切削嵌件都是用于金属加工的可转位的钻石形切削嵌件。嵌件650包括切削部分651形式的工作部分和主体部分652。通过对比图5F的截面A-A和图5G的截面B-B可以看出嵌件550和650之间的差异。从截面B-B中可以看出，切削部分651包括烧结的过渡金属碳化物653的区域。吸热材料的区域654支承嵌件650的各末端上的烧结碳化物区域653。在该实施方式中，可将区域654视为吸热部分，或者可将区域654视为主体部分652的区域。在任一种情况下，吸热材料区域654从切削部分653传导热量。该实施方式在切削嵌件中提供显著量的吸热材料。根据本发明的制品的实施方式还包括切削工具。切削工具750的实施方式显示于图5H中。切削工具包括主体部分752和切削部分751形式的工作部分。切削部分751包括两个烧结的过渡金属碳化物区域753。吸热材料区域754置于所述切削区域753之间并且从所述切削部分753传导热量。吸热材料的导热率大于所述烧结碳化物的导热率。在一个实施方式中，吸热区域754与主体部分752接触，所述吸热区域也可由具有比区域753的 烧结碳化物材料大的导热率的吸热材料形成。或者，吸热区域754与由单ー吸热材料形成的主体部分752集成并且形成该主体部分752的一部分。在图51和5J的横截面中显示根据本发明构建的制品的进ー步实施方式。在图51的纵剖面中所示的实施方式为包括外部或接触部分851形式的工作部分并且包括内部或中心区域852的杆850。该实施方式可用作旋转刀具的坯料，例如钻进钻头和立铣刀的坯料。所述内部或中心区域可包括吸热部分。该吸热部分可仅为该中心区域的一部分，或者整个中心区域可为吸热部分。接触部分851包含烧结碳化物，且吸热部分可包含导热率大于烧结碳化物导热率的吸热材料。可在外部或接触部分上形成切削特征。另外，可在杆的一端上形成切削特征。在使用时，接触区域851变热，且来自接触区域851的热量通过吸热部分852传导。图5J还显示根据本发明构建的杆实施方式。图5J中所示的横截面是通过杆950的纵轴以直角取得的。杆950包括外部或接触区域951形式的工作部分并且包括内部或中心区域952。如在图51的实施方式中那样，所有或部分的中心区域952为包含吸热材料的吸热部分。然而，杆950还包括纵向延伸的冷却剂通道953，在所述冷却剂通道中可循环冷却剂以进ー步从接触部分851和中心区域952传导热量。该实施方式可用于钻进钻头、铣刀钻头、或其它旋转刀具。应理解虽然图51和5J图示了杆，但相同的构建原理可应用于可 使用杆作为坯料构建的成品刀具。如本文所提出的，这种刀具包括例如钻探钻头和某些旋转刀具。本发明的实施方式还包括包含钻头体或辊锥体、吸热器、和与所述吸热器接触的切削嵌件的地下钻探钻头，其中将所述切削嵌件固定于钻头体或辊锥体上。所述吸热器也可与所述钻头体接触。优选地，将所述吸热器嵌入、集成、或设置于所述切削嵌件或所述钻头体或辊锥体的至少ー种中的凹槽中。而且，可通过硬钎焊、粘着剂粘结、摩擦配合、或其它机械联结(affixation)、以及其它方式将所述切削嵌件固定在所述钻头体或棍的槽中。根据本发明的制品的某些附加实施方式包括密封圈，例如在透视图8A中和沿线B-B的在图8B中的横截面中显示的密封圈1000。密封圈通常用在例如泵和压缩机的设备中并提供轴或其它活动部件周围的机械密封。密封圈1000包括环形接触部分1010形式的工作部分、吸热部分1020、和至少部分地介于接触部分1010和吸热部分1020之间的主体部分1015。该接触部分可包含烧结碳化物，并且可包括与装置的ー个或多个部分接触井向其施加カ以提供机械密封的接触表面1012。由于在接触表面1012处进行接触，因此在接触表面1012处摩擦生热。吸热部分1020将热量从接触部分1010导走以减少在接触表面1012处累积的热量。吸热部分1020包含导热率大于所述接触部分1010的烧结碳化物导热率的吸热材料，并且与所述接触部分热连通。根据本发明的制品的某些其它实施方式包括辊轧机辊例如在图9A中所显示的辊2000。图9A是以虚线显示某些内部特征的示意性透视图。图9B是通过辊2000的中间(midway)点对辊的纵轴成直角所取的横截面。图9C是通过辊2000的纵轴所取的横截面图。辊轧机辊通常用于加工金属和金属合金工件并且可适合于减小这种エ件的厚度或者以其它方式改变这种エ件的形状。辊2000包括接触部分2010、至少ー个吸热部分2020、和介于接触部分2010与吸热部分2020之间的主体部分。接触部分2010以及主体部分2015可包含本文中其它部分所述的烧结碳化物。接触部分2010还可包括接触表面2012。当辊轧机辊2000旋转吋，与エ件的接触导致加热接触表面2012的摩擦。另外，エ件本身可在被辊2000加工之前已经被加热到高温。吸热部分2020包含吸热材料，该吸热材料可为导热率大于所述接触部分2010的烧结碳化物导热率的任意合适材料。该吸热部分2020从接触部分2010传导热量以减少在接触表面2012处累积的热量，并且与所述接触部分热连通。
烧结碳化物提供強度、耐磨损性和耐腐蚀性、以及断裂韧性的非常有吸引カ的组合。然而，烧结碳化物的确具有有限的耐热疲劳性和抗冲击性。当经历热疲劳和冲击(高温并且反复加热和淬火)吋，烧结碳化物通常呈现出表面裂纹。图3显示具有由热疲劳导致的表面裂纹的典型烧结碳化物。一旦在烧结碳化物中弓I发裂纹，则随着嵌件经历连续的热循环该裂纹继续生长。最終，无数裂纹将交叉且烧结碳化物嵌件的片可从整块材料脱离(通常称为剥落)。例如，在地下钻探作业期间用于地下钻探钻头的切削嵌件经历大量的与被切削岩石的磨擦作用。由磨擦作用导致的摩擦导致在嵌件的切削表面处温度显著升高。而且，在钻探作业期间切削嵌件还经历由冷却剂(泥)造成的淬火。因此它们经历由经常的加热和冷却造成的強烈的热循环。在许多情况下，由热疲劳造成的过早的热开裂是限制地下钻探钻头中所用烧结碳化物嵌件的寿命的主要因素。经历热循环和热疲劳的制品的其它实施例包括用于铣削、钻孔、或镗削的切削嵌件，密封圈，和辊轧机辊。烧结碳化物相对有限的耐热开裂性可能与如下事实相关该材料是包含具有不同 热膨胀性质的两相的复合材料。图4说明烧结碳化物的典型微观结构。在图4中可以看 见，该微观结构由分散在粘合剂相42的连续基质中的硬的不连续相41的颗粒组成。所述硬的不连续相41的热膨胀系数(CTE)与粘合剂相42的CTE非常不同。例如，钴(烧结碳化物的典型粘合剂)的CTE约为碳化钨(WC)(烧结碳化物中的典型硬颗粒)的CTE的3倍(钴的12X 10_6cm/cm/°C对WC的4X 10_6cm/cm/°C )。随着烧结碳化物的温度升高，钴以比WC快得多的速率膨胀。结果，在两相之间的界面出出现大的应力。应カ的大小与温度升高的程度直接相关。而且，由于烧结碳化物经历热循环(反复加热和淬火)，因此界面弱化到足以允许引发裂纹。随着热循环的继续，裂纹可生长直到出现剥落。因此，強烈需要改善烧结碳化物和其它烧结硬颗粒材料的抗热开裂性但不牺牲它们固有的強度、耐磨损性、耐腐蚀性、和断裂韧性的方法。通常，任意烧结碳化物的抗热开裂性与其导热率(TC)以及断裂韧性(Klc)成正比，并且与其热膨胀系数(CTE)和杨氏模量(E)成反比。因此，可通过提高整体导热率和/或断裂韧性、以及通过降低整体热膨胀和/或刚度(杨氏模量)来改善抗热开裂性。提高的TC防止局部的过热部位(hot spot)，而降低的导热率使相界面处的应カ减小。可预期具有改进抗热开裂性的烧结碳化物材料在热裂纹引发和生长之前在较高的温度下工作并且工作较多次的热循环。可通过改变化学组成和/或微观结构来改变烧结碳化物的导热率、断裂韧性、热膨胀和杨氏模量。例如，可通过改变硬颗粒的粒度和/或粘合剂含量来改变整体或局部断裂韧性。不幸的是，从性能观点看来，断裂韧性的升高(从抗热开裂性观点看来是理想的)可能是有害的，因为硬颗粒的粒度和/或粘合剂含量的升高总是导致耐磨损性和耐腐蚀性的下降。类似地，可通过提高烧结碳化物材料的硬颗粒含量来提高导热率。然而，硬颗粒含量的提高总是导致断裂韧性的降低。而且，可通过改变粘合剂的组成或減少粘合剂含量来降低热膨胀系数。在任何一种情况下，断裂韧性均降低。最終，通过减少硬颗粒含量可使杨氏模量降低。然而，減少硬颗粒含量将导致耐磨损性和耐腐蚀性的降低。因此，通过使用常规方法来改变导热率、断裂韧性、热膨胀、和杨氏模量而改善抗热开裂性的尝试也可通过断裂韧性或耐磨损性和耐腐蚀性的降低而导致性能的下降。本发明的某些实施方式涉及不改变嵌件切削(工作)部分的化学组成或微观结构而改进烧结碳化物地下钻探钻头嵌件的有效导热率的新方法。如此，嵌件的固有断裂韧性、強度、和耐磨损性/耐腐蚀性不改变，而整体导热率(并且因此抗热开裂性)得到显著改
兹在一个实施方式中，切削嵌件由如下组成切削部分形式的工作部分，该切削部分具有为预定应用(例如，被切削岩石的类型，所需的切削速度)而优化的烧结的过渡金属碳化物化学组成(例如，粘合剂和/或硬颗粒一致性和/或含量)和微观结构(例如，硬颗粒的粒度)；以及与所述切削部分相比具有显著较高的导热率的吸热部分。在切削操作期间，吸热部分将在切削部分的切削表面处产生的热量从切削表面传导走。如此，切削部分处的温度増加相对于常规设计的制品降低，并且热裂纹引发的倾向降低。图5A说明包括吸热器的切削嵌件50的一个实施方式。嵌件50包括主体部分52 和具有切削表面55的穹形切削部分51。切削部分51和主体部分52均包含烧结的过渡金属碳化物。吸热部分53设置于主体区域52内并且包含吸热材料。可行的吸热材料包括高度导热的金属例如Cu、Al、Ag、或Au。在某些实施方式中，烧结碳化物可为导热率(TC)在90W/mK到105W/mK范围内的级别。在这种实施方式中，吸热材料的TC将更大。例如，Cu具有约401W/mK的TC，Al具有约373W/mK的TC，Ag具有约429W/mK的TC，且Au具有约317W/mK的TC。或者，例如取决于级别，吸热部分可包含具有最高达450W/mK导热率的石墨。明显地，烧结的过渡金属碳化物嵌件50的整体导热率可通过引入如图5A中所示的高导热中心区域而大大提高。可以预期导热中心(吸热部分53)的存在快速传导来自切削表面55的热量，从而抑制热量的累积和热裂纹的引发。可获得导热率的改善而不牺牲切削部分51中的断裂韧性或耐磨损性/耐腐蚀性。根据本发明的制品的其它实施方式例如其它切削嵌件、刀具、辊轧机辊、和密封圈可以类似的方式得益于本文中所述的设计原理。根据第一实例的切削嵌件可如下制造首先制造在嵌件的主体部分中具有中央盲孔或凹槽的嵌件，并将导热金属或金属合金吸热材料置于所述凹槽中以提供吸热部分。在某些实施方式中，可通过如下方式将导热吸热材料设置于主体部分中的凹槽中加热所述材料以使其熔融，然后将该熔融的材料倒入凹槽中，并且让该材料冷却至固体形式。或者，吸热材料可作为固体栓设置于凹槽中，或者可作为粉末设置于凹槽中。可通过收缩配合和/或压入配合而将固体吸热材料固定(即以机械方式附着)在凹槽中。另外，可将粉末形式的导热金属或导热合金置于凹槽中，然后原地捣实以将该吸热材料致密地填充在凹槽中并且因此使其以机械方式附着在凹槽中。上述图5A示意性地图示了可通过将熔融或粉末状的吸热材料设置于嵌件基础部分的凹槽中而进行的实施方式。而且，在将粉末状的吸热材料加入到凹槽中之后，可将固体栓压入配合或者以其它方式机械附着到凹槽中，使得粉末状的吸热材料以机械方式附着在主体部分中的空腔内。该固体栓还可包含吸热材料使得固体栓和被该固体栓固定在主体部分中的空腔内的粉末构成吸热部分。将固体栓固定在凹槽中还可起到进ー步捣实或压实凹槽中的粉末状吸热材料的作用，这可改善粉末的导热率并且更概括地说，改善吸热部分的导热率。在图5B中显示的可选设计中，根据本发明的切削嵌件可包括设置于嵌件主体部分中的超过ー个的吸热部分。图6说明根据本发明的用于地下钻探钻头的切削嵌件的另ー实施方式。切削嵌件60包括穹形切削部分61和基础或主体部分62。虽然切削部分61由常规的完全致密的烧结碳化物材料组成，但是基础部分62由具有互联孔的烧结碳化物組成。基础部分中的孔渗入有可为高导热金属或金属合金的吸热材料。如本文中所述，合适的导热金属或金属合金可为导热率大于烧结碳化物导热率的任意这种材料。合适吸热材料的实例包括，但不限于铜、铝、银、金、碳化硅、氮化铝、氮化硼、碳化硅铝、氧化铍、硅-碳化硅、碳化硅铝、铜钨合金、铜钥碳化物、碳、金刚石、及它们的组合。可预期基础部分62具有比切削部分61显著较高的导热率，并且因此将起到与在图5A中图示的实施方式中位于中央的吸热部分类似的吸热作用。在这种实施方式的主体部分中，烧结碳化物的硬颗粒形成分散的第一相。烧结碳化物的粘合剂形成第一连续相，其中所述硬颗粒分散在所述第一连续相中。吸热部分形成第二连续相。本文中描述制造具有渗入的吸热部分的制品的方法。可用包含易逝性材料的烧结碳化物粉末共混物填充模具的一部分。易逝性材料是包含于粉末金属共混物中的相对低熔点材料，并且其通过加热从粉末压实物除去，从而在压实物或烧结材料中提供互联孔。易逝性材料在粉末金属领域中是已知的并且包括但不限于蜡颗粒和颗粒聚合物例如聚こ烯和聚丙烯。可使粉末共混物固结，形成生坯，并且随后烧结该生坯。在烧结过程期间(或者在烧结前的某些其它加热过程期间)，通过熔融、燃烧、和蒸发之ー除去易逝性材料，从而提供 一系列连通的空腔。通过本领域中已知的任意滲透技术使互联孔渗透有吸热材料。例如，可将制品浸没在吸热材料的熔融浴中。或者，可使制品与大量的吸热材料接触并将其加热到高于吸热材料熔融温度的温度。包含渗入到互联孔中的吸热材料的制品的替换实施方式可通过首先用第一烧结碳化物粉末填充模具的一部分而形成。至少部分的剰余空腔用包含易逝性材料的第二烧结碳化物粉末填充。使粉末在模具中固结以形成具有两个区域的单块生坯。烧结该生坯，从而除去所述易逝性材料和得到具有基本上完全致密的烧结碳化物的第一区域和包括互联孔的烧结碳化物的第二区域的烧结碳化物制品。所述第ニ区域渗入有吸热材料。根据本发明构建的任意制品可在例如工作部分和/或主体部分中包含杂混型(hybrid)烧结碳化物。例如，根据本发明的切削嵌件和其它制品的实施方式可包含杂混型烧结碳化物，例如但不限于在共同未决的美国专利申请No. 10/735，379中描述的杂混型烧结碳化物，因此将该申请引入本文作为參考。更概括地说，杂混型烧结碳化物是包含分散在整个第二烧结碳化物连续相中的至少ー种烧结碳化物级别的颗粒，从而形成烧结碳化物复合材料的材料。例如，美国专利申请No. 10/735，379的杂混型烧结碳化物相对于其它杂混型烧结碳化物具有低的邻接比和改善的性质。优选地，杂混型烧结碳化物的分散相的邻接比可小于或等于0. 48。而且，本发明的杂混型烧结碳化物复合材料优选地具有硬度大于连续相硬度的分散相。例如，在根据本发明的切削嵌件和其它制品的ー种或多种部分中所用的杂混型烧结碳化物的某些实施方式中，分散相的硬度优选地大于或等于88HRA且小于或等于95HRA，并且连续相的硬度大于或等于78HRA且小于或等于91HRA。根据本发明的切削嵌件和其它制品的附加实施方式可包括包含第一烧结碳化物分散相和第二烧结碳化物连续相的杂混型烧结碳化物复合材料，其中所述第一烧结碳化物分散相的体积分数小于50体积％且该分散相的邻接比小于或等于复合材料中分散相体积分数的I. 5倍。
烧结碳化物制品的制造方法通常包括将包含硬过渡金属碳化物颗粒的粉末状金属和包含粘合剂的粉末状金属共混或混合以形成粉末共混物。可固结或压缩该粉末共混物以形成生坯。然后烧结该生坯以形成具有实心的整体结构的制品或制品的一部分。如果本文中所用的制品或制品的区域由在所述制品或区域内任意工作容积下具有基本上相同特性材料例如烧结碳化物材料构成，则该制品或制品的区域具有整体结构。烧结之后，可适当加工该制品以形成制品的特殊几何结构的期望形状或其它特征。例如，可通过机械压缩或等压压缩该粉末共混物以形成生坯而使该粉末共混物固结。随后烧结该生坯以使该压实物进ー步致密化和在制品的区域或部分之间形成自发结合(autogenous bond)。优选地,该压实物在300-2000psi的压カ和1350-1500°C的温度下过压烧结。本发明的实施方式包括制造用于钻进钻头或地下钻探钻头的切削嵌件的方法。然而，这种方法还可适合于形成根据本发明的任意制品，包括例如切削工具、旋转刀具、旋转刀具嵌件、钻头、刀、纵切机、辊轧机辊、和密封圏。一种这样的方法包括将烧结碳化物粉末共混物置于模具空腔的第一区域中。可将固体吸热材料例如一种或多种吸热材料的固体片置于所述模具空腔的第二区域中。根据待与吸热材料一起包括在切削嵌件中的烧结碳化物区域的数目，可将模具分成其中可放置额外粉末的额外区域。例如，可通过将ー个或 多个物理隔离物置于模具的空腔中以限定多个区域或者仅通过填充模具的各部分而不提供隔离物而将模具隔离成区域。如本文中所述，对粉末进行选择以实现切削嵌件相应部分的期望性质。然后同时机械压缩或等压压缩模具内的粉末和固体吸热材料以使该粉末和吸热材料固体物一起致密化以形成固结粉末和吸热材料的生坯。然后可烧结该生坯以使最初加入到模具中的该固结粉末致密化。在根据本发明的实施方式中，其中烧结碳化物粉末和吸热材料在彼此接触的同时加热以烧结该烧结碳化物粉末，然而，该吸热材料必须具有高于该烧结温度的熔融温度。具体地说，对于本文中所述的熔融温度低于常规烧结碳化物粉末烧结温度的吸热材料(例如铜、铝、银、和金)，这些吸热材料将不会润湿并且其与烧结碳化物形成通过共烧结与粉末状吸热材料接触的烧结碳化物粉末而形成的冶金结合(metallurgical bond)。吸热材料形成或构成与嵌件的工作部分接触或者以其它方式热连通的吸热部分。上述制备包括吸热部分的烧结压实物的方法提供可为任意形状并且具有任意其它物理几何特征的切削嵌件。对于制造切削嵌件的领域中的普通技术人员来说，在根据本发明的方法中形成的特别有利的切削嵌件形状和特征是已知的。在根据本发明的某些方法中，使烧结碳化物粉末在模具中固结以形成生坯，并且在将吸热材料加入到制品中之前烧结该生坯。在其它实施方式中，将烧结碳化物粉末加入模具中并使其固结以形成第一生坯。随后将吸热材料加入该第一生坯中，并且使该组合材料固结。随后烧结该第二生坯以形成制品。该制品包括包含在烧结碳化物粉末的烧结期间形成的烧结碳化物的工作部分和包含吸热材料的吸热部分。然而，考虑到本文中吸热材料的性质，加热期间在工作部分和吸热部分之间将不会形成冶金結合。本发明方法的进ー步实施方式包括使烧结碳化物在模具中固结以形成包括凹槽的第一生坯。然后可用吸热金属填充该凹槽。该第一生坯可在加入吸热材料之前烧结。如果吸热材料以固体物形式加入并且具有大于烧结温度的熔融温度，则也可在加入吸热材料之后烧结第一生坯。如果需要，可在加入吸热材料之前预烧结所述第一生坯直至约1200°C的温度以为所述生坯提供強度。在其中吸热材料为固体物的某些实施方式中，可通过将固体物收缩配合或压入配合在凹槽上而使所述固体物固定在凹槽中。在根据本发明制造制品的方法的某些实施方式中，制备包含烧结碳化物的烧结体，并且将吸热材料设置于烧结体中并使其以机械方式附着到烧结体。该吸热材料的导热率大于烧结碳化物的导热率。该烧结体可包括凹槽，且添加吸热材料可包括将吸热材料设置于凹槽中。该吸热材料可为固体物、粉末、液体，或者其任意組合。可通过例如压入配合或收缩配合将固体物加入到凹槽中，从而在固体吸热材料和凹槽之间形成机械结合。在其它实施方式中，将粉末状吸热材料设置于凹槽中。该粉末可在凹槽中压实。而且，在某些实施方式中，在添加粉末状吸热材料之后通过将固体栓设置于凹槽中以在凹槽中形成机械密封而将粉末压实和固定。在设计用于特定应用的各部分的不同形状方面，本发明方法的这种实施方式为切削嵌件设计者提供了提高的灵活性。可从任意所需烧结碳化物以任意所需形状设计生坯。
本领域技术人员将理解固结和烧结以形成烧结碳化物切削嵌件和其它制品所需的エ艺參数。这些參数可用于本发明的方法中。例如，用于形成根据本发明的切削嵌件和其它制品的烧结碳化物粉末的烧结可在适合于使制品致密化的温度例如最高达1500°C的温度下进行。应该理解，本说明书说明本发明的与本发明的清晰理解相关的那些方面。为了简化本说明书，未呈现对本领域技术人员来说显而易见且因此不会有助于更好理解本发明的本发明的某些方面。虽然已经描述了本发明的实施方式，但是本领域普通技术人员在考虑上述说明书后应认识到可采用本发明的许多修改和变化。意图是本发明的所有这样的变化和修改为上述说明书和所附权利要求书所涵盖。
权利要求
1.制品，其包括 包括烧结碳化物的工作部分，所述烧结碳化物包含粘合剂和选自钛、铬、钒、锆、铪、钽、钥、铌、和钨中的至少ー种过渡金属的碳化物的硬颗粒； 支撑所述工作部分且包括凹槽的主体部分； 吸热部分，其包括导热率大于所述烧结碳化物的导热率的吸热材料，其中所述吸热部分与所述工作部分热连通并且所述吸热部分从所述工作部分传导热量； 其中所述吸热部分的至少一部分在所述凹槽中。
2.权利要求I的制品，其中所述吸热部分与所述主体部分接触。
3.权利要求I的制品，其中所述吸热部分包括所述主体部分的至少一部分。
4.权利要求I的制品，其中所述工作部分为切削部分且所述制品选自地下钻探钻头、切削嵌件、切削工具、旋转刀具、旋转刀具嵌件、钻头、刀、和纵切机。
5.权利要求I的制品，其中所述工作部分为外部部分且所述吸热部分为以下中的至少ー种内部部分、中心部分、和至少一部分主体部分。
6.权利要求I的制品，其中所述吸热部分通过压入配合、收缩配合、紧固件、软钎焊、硬钎焊、粘着剤、和夹紧中的至少ー种以机械方式附着到所述主体部分上。
7.权利要求I的制品，其中所述粘合剂包括钴、镍、和铁中的至少ー种。
8.权利要求I的制品，其中所述烧结碳化物包含碳化钨的硬颗粒，和包括钴的粘合齐U。
9.权利要求I的制品，其中所述烧结碳化物包含2 40重量％的所述粘合剂和60 98重量％的所述颗粒。
10.权利要求I的制品，其中所述硬颗粒包括平均粒度为0.3 IOym的碳化钨颗粒。
11.权利要求I的制品，其中所述吸热材料具有大于150W/mK的导热率。
12.权利要求I的制品，其中所述吸热材料包括选自如下的材料铜、铝、银、金、碳化硅、氮化铝、氮化硼、碳化硅铝、氧化铍、硅-碳化硅、碳化硅铝、铜钨合金、铜钥碳化物、碳、金刚石、石墨、及它们中的两种或更多种的组合。
13.权利要求I的制品，其中所述烧结碳化物包括杂混型烧结碳化物。
14.权利要求13的制品，其中所述杂混型烧结碳化物包括 烧结碳化物分散相；和 烧结碳化物连续相， 其中所述分散相的邻接比小于或等于0. 48。
15.权利要求I的制品，其中所述吸热部分包括固体物和粉末中的至少ー种。
16.权利要求15的制品，其中所述吸热部分包括在所述凹槽内形成机械密封并且限定所述主体部分内的空腔的固体栓，并且其中所述吸热部分进ー步包括在所述空腔内的粉末。
17.权利要求I的制品，其中所述吸热部分包括 包含硬颗粒的第一分散相； 包含粘合剂的第一连续相，其中所述硬颗粒分散在所述第一连续相中；和 包含所述吸热材料的第二连续相。
18.选自地下钻探钻头、切削嵌件、切削工具、旋转刀具、旋转刀具嵌件、钻头、刀、和纵切机的制品，其中所述制品包括 切削部分，其包含烧结碳化物，所述烧结碳化物包含选自钛、铬、钒、锆、铪、钽、钥、铌、和钨中的至少ー种过渡金属的碳化物的硬颗粒和包括钴、镍、和铁中的至少ー种的粘合剤，所述切削部分包括切削表面； 主体部分，其支撑所述切削部分且包括凹槽；和 吸热部分，其与所述主体部分接触并包含这样的材料，所述材料包括铜、铝、银、金、碳化硅、氮化铝、氮化硼、碳化硅铝、氧化铍、硅-碳化硅、碳化硅铝、铜钨合金、铜钥碳化物、碳、金刚石、和石墨中的至少ー种并且所述材料具有大于所述烧结碳化物导热率的导热率，其中所述吸热部分与所述工作部分热连通并从所述工作部分导走热量，并且所述吸热部分的至少一部分在所述凹槽中。
19.制造制品的方法，其包括 提供包含烧结碳化物的工作部分，所述烧结碳化物包含粘合剂和选自钛、铬、钒、锆、铪、钽、钥、铌、和钨中的至少ー种过渡金属的碳化物的硬颗粒； 提供包括凹槽的主体部分；和 提供吸热部分，所述吸热部分与所述工作部分热连通并且所述吸热部分包含导热率大于所述烧结碳化物导热率的吸热材料； 其中提供吸热部分包括将所述吸热材料设置于所述凹槽中。
20.权利要求19的方法，其进ー步包括 提供主体部分，其中所述吸热部分与所述主体部分接触。
21.权利要求19的方法，其中所述工作部分为切削部分且所述制品选自地下钻探钻头、切削嵌件、切削工具、旋转刀具、旋转刀具嵌件、钻头、刀、和纵切机。
22.权利要求19的方法，其中提供工作部分和提供主体部分中的至少之ー包括提供包含烧结碳化物的烧结体。
23.权利要求19的方法，其进ー步包括通过压入配合、收缩配合、用紧固件附着、软钎焊、硬钎焊、用粘着剂附着、和夹紧的至少ー种将所述吸热部分以机械方式附着到所述制品上。
24.权利要求22的方法，其中 所述烧结体包括凹槽；和 提供吸热部分包括将所述吸热材料设置于所述凹槽中。
25.权利要求19的方法，其中所述吸热材料选自固体物、熔融材料、粉末、及它们中的两种或更多种的组合。
26.权利要求25的方法，其中 所述吸热材料包括固体物；和 提供吸热部分包括将所述固体物用收缩配合和压入配合中的至少ー种配合到所述凹槽中。
27.权利要求26的方法，其中 所述吸热材料包括粉末状吸热材料；和 提供吸热部分包括将所述粉末设置于所述凹槽中和将固体栓设置于所述凹槽中以使所述粉末以机械方式附着在所述凹槽中。
28.权利要求25的方法，其中 提供工作部分和提供主体部分包括用烧结碳化物粉末部分地填充模具的空腔；和 提供吸热部分包括将所述吸热材料设置于所述空腔中，其中所述吸热材料为固体物并且具有大于所述烧结碳化物粉末的烧结温度的熔点，且 其中所述烧结碳化物粉末和所述吸热材料在所述烧结碳化物粉末的烧结温度下加热，并且所述烧结温度小于所述吸热材料的熔融温度。
29.权利要求28的方法，其进ー步包括在将所述吸热材料设置于所述空腔中之前，使所述烧结碳化物粉末在所述空腔中固结。
30.权利要求28的方法，其进ー步包括 在将所述吸热材料设置于所述空腔中之后和在将所述烧结碳化物粉末和所述吸热材料在所述烧结碳化物粉末的烧结温度下加热之前，使所述烧结碳化物粉末和所述吸热材料固结；和 其中所述烧结温度小于所述吸热材料的熔融温度。
31.权利要求19的方法，其进ー步包括 在将所述吸热材料设置于所述空腔中之前，使所述烧结碳化物粉末固结以提供第一生坯； 在烧结温度下加热之前，使所述第一生坯和所述吸热材料固结以提供第二生坯。
32.权利要求19的方法，其中所述吸热材料包括选自如下的材料铜、铝、银、金、碳化硅、氮化铝、氮化硼、碳化硅铝、氧化铍、硅-碳化硅、碳化硅铝、铜钨合金、铜钥碳化物、碳、金刚石、石墨、及它们中的两种或更多种的组合。
33.权利要求19的方法，其中所述粘合剂包括钴、镍、和铁中的至少ー种。
34.权利要求19的方法，其中所述烧结碳化物包括平均粒度为0.3 10 ii m的碳化钨颗粒。
35.权利要求19的方法，其中所述吸热材料具有大于150W/mK的导热率。
36.权利要求19的方法，其包括 用第一烧结碳化物粉末部分地填充模具的空腔； 用第二烧结碳化物粉末至少部分地填充所述空腔的剰余部分，所述第二烧结碳化物粉末包含熔融温度低于所述第二烧结碳化物粉末烧结温度的易逝性材料； 使所述第一烧结碳化物粉末和所述第二烧结碳化物粉末固结以形成生坯； 烧结所述生坯以除去所述易逝性材料和形成包括第一烧结碳化物区和包含互联孔的第ニ烧结碳化物区的烧结制品，和 将吸热材料设置于所述第二烧结碳化物的互联孔中，其中所述吸热材料的导热率大于所述第一烧结碳化物的导热率。
37.权利要求36的方法，其中所述吸热材料包括铜、铝、银、和金中的至少ー种。
38.制造包括工作部分和支撑所述工作部分且包括凹槽的主体部分的制品的方法，所述方法包括 制备包括所述工作部分的烧结体，所述烧结体包含烧结碳化物，所述烧结碳化物包含选自钛、铬、钒、锆、铪、钽、钥、铌、和钨中的至少ー种过渡金属的碳化物的硬颗粒和包括钴、镍、和铁中的至少ー种的粘合剂；和将吸热材料加入所述烧结体中，所述吸热材料包括铜、铝、银、金、碳化硅、氮化铝、氮化硼、碳化硅铝、氧化铍、硅-碳化硅、碳化硅铝、铜钨合金、铜钥碳化物、碳、金刚石、和石墨中的至少ー种，所述吸热材料与所述烧结体接触并具有大于所述烧结碳化物导热率的导热率，且其中所述吸热材料与所述工作部分热连通并从所述工作部分导走热量，并且所述吸热部分的至少一部分设置于所述凹槽中。
39.权利要求38的方法，其中所述工作部分为包括切削表面的切削部分，且所述制品选自地下钻探钻头、切削嵌件、切削工具、旋转刀具、旋转刀具嵌件、钻头、刀、和纵切机。
40.制品，包括 包含烧结碳化物的切削部分，所述烧结碳化物包含粘合剂和选自钛、铬、钒、锆、铪、钽、钥、铌、和钨中的至少ー种过渡金属的碳化物的硬颗粒； 中心轴；和 与所述中心轴对齐的吸热部分，其中所述吸热部分包括导热率大于所述烧结碳化物的导热率的吸热材料，其中所述吸热部分与所述工作部分热连通并且所述吸热部分从所述エ作部分传导热量。
41.权利要求40的制品，其中所述吸热部分与所述切削部分接触。
42.权利要求40的制品，其中所述切削部分为外部部分且所述吸热部分为以下中的至少ー种内部部分、中心部分、和至少一部分主体部分。
43.权利要求40的制品，其包含支撑所述切削部分且包括凹槽的主体部分，并且所述吸热部分的至少一部分设置于所述凹槽中。
44.权利要求43的制品，其中所述凹槽与所述中心轴对齐。
45.权利要求40的制品，其中所述吸热材料具有大于150W/mK的导热率。
46.权利要求40的制品，其中所述吸热材料具有至多450W/mK的导热率。
47.权利要求40的制品，其中所述制品选自地下钻探钻头、切削嵌件、切削工具、旋转刀具、旋转刀具嵌件、钻头、刀、和纵切机。
全文摘要
包括包含烧结碳化物的工作部分和与所述工作部分热连通的吸热部分。所述吸热部分包含导热率大于所述烧结碳化物导热率的吸热材料。还公开了制造包括包含烧结碳化物的工作部分和与所述工作部分热连通并且包含导热率大于所述烧结碳化物的导热率的吸热材料的吸热部分的制品的方法。所述吸热部分从所述工作部分传导热量。
文档编号B22F7/06GK102764893SQ201210168378
公开日2012年11月7日 申请日期2007年10月25日 优先权日2006年10月25日
发明者史蒂文.G.考德威尔, 埃里克.W.奥尔森, 普拉卡什.K.米尔钱达尼, 艾尔弗雷德.J.莫斯科 申请人:Tdy工业公司