BRPI1016256B1 - Ferramenta de perfuração de solo e método de recobrimento duro de uma ferramenta de perfuração de solo - Google Patents

Ferramenta de perfuração de solo e método de recobrimento duro de uma ferramenta de perfuração de solo Download PDF

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diamond
drilling tool
pcd
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Nicholas J. Lyons
Dan E. Scott
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Baker Hughes Incorporated
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Abstract

ferramenta de perfuração de solo e método de recobrimento duro de uma ferramenta de perfuração de solo a presente invenção refere-se aos materiais de recobrimento duros que incluem partículas de material de diamante policristalino (pcd) embutidas dentro de um material matriz. as partículas de pcd compreendem uma pluralidade de grãos de diamante interligados. as composições e estruturas de material usadas para aplicar um material de recobrimento duro a uma ferramenta de perfuração de solo (por exemplo, varetas de soldagem) incluem partículas de pcd. as ferramentas de perfuração de solo incluem um material de recobrimento duro compreendendo partículas de pcd embutidas dentro de um material matriz em pelo menos uma porção de uma superfície de um corpo das ferramentas. os métodos de formação de um material de recobrimento duro incluem submeter grãos de diamante a temperaturas e pressões elevadas para formar ligações diamante a diamante entre os grãos de diamante e formar um material de pcd. o material de pcd é quebrado para formar partículas de pcd que incluem uma pluralidade de grãos de diamante interligados. os métodos de ferramentas de recobrimento duro incluem ligação de partículas de pcd à superfícies das ferramentas usando um material matriz de metal.

Description

Relatório Descritivo da Patente de Invenção para FERRAMENTA DE PERFURAÇÃO DE SOLO E MÉTODO DE RECOBRIMENTO DURO DE UMA FERRAMENTA DE PERFURAÇÃO DE SOLO.
REIVINDICAÇÃO DE PRIORIDADE [001] Este pedido reivindica o benefício da data de depósito do
Pedido dos Estados Unidos No. de Série 12.497.420, depositado em 2 de julho de 2009, para Materiais de recobrimento duro Incluindo Partículas de PCD, Varetas de soldagem e Ferramentas de perfuração de solo Incluindo Tais Materiais, e Métodos de Formação e Uso dos Mesmos.
CAMPO TÉCNICO [002] Concretizações da presente invenção referem-se aos materiais que podem ser usados para aumentar a resistência ao desgaste de ferramentas de perfuração de solo e componentes de ferramenta de perfuração de solo usados na formação de furos de soldagem, e a métodos de formação e uso de tais materiais, ferramentas, e componentes.
ANTECEDENTES [003] Furos de soldagem são formados em formações subterrâneas para várias propostas incluindo, por exemplo, extração de óleo e gás de formações subterrâneas, e extração de calor de formações subterrâneas. Um furo de soldagem pode ser formado em uma formação subterrânea usando uma broca de perfuração rotativa de perfuração do solo. Tipos diferentes de brocas de perfuração rotativa de perfuração do solo são conhecidos na técnica, incluindo, por exemplo, brocas de perfuração de cortador fixo (que são frequentemente referidas na técnica como brocas de arraste), brocas de perfuração de cone de cilindro (que são frequentemente referidas na técnica como brocas de rocha), brocas impregnadas de diamante, e brocas híbridas (que
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2/30 podem incluir, por exemplo, ambos os cortadores fixos e cortadores de cone de cilindro). A broca de perfuração é girada sob uma força axial fixa, denominada peso na broca (WOB) na técnica, e avançada na formação subterrânea. À medida que a broca de perfuração gira, os cortadores ou estruturas abrasivas destes cortam, trituram, cisalham e/ou abradam o material da formação para formar o furo de soldagem. [004] A broca de perfuração é acoplada, direta ou indiretamente, a uma extremidade da qual referida na técnica como uma haste de perfuração, que compreende uma série de segmentos tubulares alongados conectados extremidade a extremidade que se prolongam no furo de soldagem a partir da superfície da formação. Várias ferramentas e componentes, incluindo a broca de perfuração, podem ser acopladas juntas na extremidade distal da haste de perfuração no fundo do furo de soldagem sendo perfurado. Este conjunto de ferramentas e componentes é referido na técnica como o conjunto de furo de fundo (BHA).
[005] A broca de perfuração pode ser girada dentro do furo de soldagem por rotação da haste de perfuração a partir da superfície da formação, ou a broca de perfuração pode ser girada pelo acoplamento da broca de perfuração a um motor de furo descendente, que é também acoplado à haste de perfuração, e disposto próximo ao fundo do furo de soldagem. O motor de furo descendente pode compreender, por exemplo, um motor tipo Moineau hidráulico tendo um eixo ao qual a broca de perfuração é acoplada. O eixo do motor é girado pelo fluido de bombeio (por exemplo, fluido ou lama de perfuração) a partir da superfície da formação para baixo através do centro da haste de perfuração, através do motor hidráulico, fora dos bocais na broca de perfuração, e de volta para a superfície da formação através do espaço anular entre a superfície externa da haste de perfuração e a superfície exposta da formação dentro do furo de soldagem.
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3/30 [006] Os materiais das ferramentas de perfuração de solo necessitam serem relativamente duros e resistentes ao desgaste para remover eficientemente o material da formação dentro de um furo de soldagem sem suportar desgaste excessivo. Devido às forças extremas e tensões as quais as brocas de perfuração e outras ferramentas de perfuração de solo são submetidas durante operações de perfuração e alargamento, os materiais de ferramentas de perfuração de solo devem simultaneamente exibir dureza à fratura relativamente alta. Os materiais que exibem dureza extremamente, contudo, tendem a ser relativamente quebradiços e não exibem alta dureza à fratura, enquanto que os que exibem alta dureza à fratura tendem a ser relativamente macios e não exibem alta dureza. Como um resultado, um compromisso deve ser feito entre dureza e dureza à fratura quando se seleciona materiais para uso em brocas de perfuração.
[007] Em um esforço de aperfeiçoar simultaneamente ambas a dureza e dureza à fratura de brocas de perfuração para perfuração de solo, materiais compostos foram aplicados às superfícies das brocas de perfuração que são submetidas à abrasão, erosão, ou a ambas abrasão e erosão. Estes materiais compostos são frequentemente referidos como materiais de recobrimento duro. Os materiais de recobrimento duro tipicamente incluem pelo menos uma fase que exibe dureza relativamente alta e outra fase que exibe dureza à fratura relativamente alta.
[008] Por exemplo, materiais de recobrimento duro frequentemente incluem partículas de carbeto de tungstênio dispersas através de todo um metal ou um material matriz de liga de metal. As partículas de carbeto de tungstênio são relativamente duras comparadas ao material matriz, e o material matriz é relativamente duro comparado às partículas de carbeto de tungstênio.
[009] As partículas de carbeto de tungstênio usadas nos materiais
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4/30 de recobrimento duro podem compreender uma ou mais partículas de carbeto de tungstênio fundidas, partículas de carbeto de tungstênio sinterizadas, e partículas de carbeto de tungstênio macrocristalinas. O sistema de carbeto de tungstênio inclui dois compostos estequiométricos, WC e W2C, com uma faixa contínua de composições entre estes. O carbeto de tungstênio fundido geralmente inclui uma mistura eutética dos compostos de WC e W2C. As partículas de carbeto de tungstênio sinterizadas incluem partículas relativamente menores de WC ligadas juntas por um material matriz. Cobalto e ligas de cobalto são frequentemente usados como materiais matrizes, em partículas de carbeto de tungstênio sinterizadas. Partículas de carbeto de tungstênio sinterizadas podem ser formadas pela mistura junto de um primeiro pó que inclui as partículas de carbeto de tungstênio relativamente pequenas e um segundo pó que inclui partículas de cobalto. A mistura de pó é formada em um estado verde. A mistura de energia verde, em seguida, é sinterizada à temperatura perto da temperatura de fusão das partículas de cobalto para formar uma matriz de material de cobalto que circunda as partículas de carbeto de tungstênio para formar partículas de carbeto de tungstênio sinterizadas. Finalmente, partículas de carbeto de tungstênio macrocristalinas geralmente consistem de cristais simples de WC.
[0010] Várias técnicas conhecidas na técnica podem ser usadas para aplicar um material de recobrimento duro a uma superfície de uma ferramenta de perfuração de solo. Por exemplo, processos de soldagem automáticos e manuais podem ser usados para aplicar material de recobrimento duro a uma ferramenta de perfuração de solo. Em alguns processos manuais, uma haste de soldagem que compreende o material de recobrimento duro é provida, e um maçarico (por exemplo, um maçarico de oxiacetileno ou uma soldagem de maçarico de arco) é usado para aquecer uma extremidade da haste e, opcionalmente, a
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5/30 superfície da ferramenta a qual o recobrimento duro é para ser aplicado. A extremidade da haste é aquecida até que pelo menos o material matriz comece a se fundir. À medida que o material matriz na extremidade da haste comece a se fundir, o material de recobrimento duro fundido é aplicado à superfície da ferramenta. As partículas duras dispersas dentro do material matriz são também aplicadas à superfície com o material matriz fundido. Após aplicação, o material matriz fundido é permitido resfriar e solidificar.
[0011] Tais varetas de soldagem podem compreender uma haste de fundição substancialmente sólida do material de recobrimento duro, ou elas podem compreender um tubo cilíndrico vazado formado do material matriz do material de recobrimento duro, e preenchido com partículas duras (por exemplo, partículas de carbeto de tungstênio). Nas varetas de soldagem da configuração tubular, pelo menos uma extremidade do tubo cilíndrico vazado pode ser vedada. A extremidade vedada do tubo, em seguida, pode ser fundida ou soldada na superfície desejada na ferramenta de perfuração de solo. À medida que o tubo se derrete, as partículas de carbeto de tungstênio dentro do tubo cilíndrico vazado se misturam com o material matriz fundido conforme ele é depositado na superfície da ferramenta. Uma técnica alternativa envolve formação de uma haste fundida do material de recobrimento duro.
[0012] Processos de pulverização por chama são também usados para aplicar materiais de recobrimento duro às ferramentas de perfuração de solo. Em um processo de pulverização de chama, uma energia compreendendo as partículas duras e partículas do material matriz é conduzida por um fluido pressurizado (por exemplo, um gás pressurizado) a um bocal. A mistura de pó é pulverizada a partir do bocal e através de uma chama em direção à superfície da ferramenta a qual o recobrimento duro é para ser aplicado. A chama faz com que as partículas de material matriz se fundam pelo menos parcialmente. À
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6/30 medida que o material é pulverizado na ferramenta, o material matriz fundido se resfria e solidifica, e as partículas duras tornam-se embutidas no material matriz para formar o recobrimento duro na superfície da ferramenta.
[0013] Vários tipos de processos de soldagem de arco são conhecidos na técnica, e podem ser usados para aplicar recobrimento duro a uma superfície de uma ferramenta de perfuração de solo. Por exemplo, processos de soldagem de metal-gás inerte (MIG), processos de soldagem de tungstênio-gás inerte (TIG), e processos de soldagem de arco transferido por plasma (PTA), podem ser usados para aplicar recobrimento duro a uma superfície de uma ferramenta de perfuração de solo.
[0014] Permanece uma necessidade na técnica de materiais de recobrimento duro abrasivos, resistentes ao desgaste, que exibem resistência aperfeiçoada à abrasão, erosão, ou ambos, abrasão e erosão.
DESCRIÇÃO [0015] Em algumas concretizações, a presente invenção inclui materiais de recobrimento duro compreendendo partículas de material de diamante policristalino embutidas dentro de um material matriz . As partículas de material de diamante policristalino compreendem uma pluralidade de grãos de diamante interligados.
[0016] Em Concretizações adicionais, a presente invenção inclui composições e estruturas de material, tais como varetas de soldagem, que podem ser usadas para aplicar um material de recobrimento duro a uma superfície de uma ferramenta de perfuração de solo. As composições e estruturas de material incluem partículas de material de diamante policristalino compreendendo uma pluralidade de grãos de diamante interligados. Por exemplo, uma haste de soldagem pode compreender um corpo alongado, geralmente cilíndrico,
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7/30 compreendendo um material matriz de metal, e partículas de material de diamante policristalino conduzidas pelo corpo alongado, geralmente cilíndrico.
[0017] Em Concretizações adicionais, a presente invenção inclui ferramentas de perfuração de solo que incluem um corpo, pelo menos um elemento de corte no corpo, e um material de recobrimento duro em pelo menos uma porção de uma superfície do corpo. O material de recobrimento duro inclui partículas de material de diamante policristalino embutidas dentro de um material matriz. As partículas de material de diamante policristalino incluem uma pluralidade de grãos de diamante interligados.
[0018] Em concretizações adicionais, a presente invenção inclui métodos de formação de um material de recobrimento duro em que grãos de diamante são submetidos a uma temperatura maior do que cerca de 1500°C e a uma pressão maior do que cerca de 5,0 gigapascais (GPa) para formar ligações de diamante a diamante entre os grãos de diamante e formam um material de diamante policristalino. O material de diamante policristalino é quebrado para formar partículas de material de diamante policristalino que incluem uma pluralidade de grãos de diamante interligados.
[0019] Outras concretizações da presente invenção incluem ainda métodos de recobrimento duro em uma ferramenta de perfuração de solo em que as partículas de material de diamante policristalino que incluem uma pluralidade de grãos de diamante interligados são ligadas a uma superfície de uma ferramenta de perfuração de solo usando um material matriz de metal.
BREVE DESCRIÇÃO DOS DESENHOS [0020] Enquanto que o relatório descritivo conclui com as reivindicações particularmente apontando e distintamente reivindicando o que está relacionado como a presente invenção, várias características
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8/30 e vantagens das concretizações da invenção podem ser mais prontamente determinadas a partir da seguinte descrição de algumas concretizações da invenção quando lidas em conjunto com os desenhos acompanhantes, em que:
[0021] a figura 1 é um desenho simplificado de uma concretização de um material de recobrimento duro da presente invenção;
[0022] a figura 2A é um desenho simplificado de uma partícula dura do material de recobrimento duro da fig. 1 que inclui material de diamante policristalino;
[0023] a figura 2B é uma vista em corte transversal da partícula dura mostrada na figura 2A tomada ao longo da linha de corte 2B-2B na mesma;
[0024] a figura 2C é um esboço simplificado mostrando como a partícula dura das figuras 2A e 2B podem aparecer sob ampliação, e ilustra uma pluralidade de grãos de diamante interligados;
[0025] a figura 3 é uma vista parcialmente em corte de um elemento de corte que inclui uma camada de material de diamante policristalino que pode ser usado para formar partículas duras similares àquelas mostradas nas figuras 2a-2c;
[0026] a figura 4 é uma vista parcialmente em corte da camada de material de diamante policristalino mostrado na figura 3 removido de um substrato no qual a camada foi previamente disposta;
[0027] a figura 5 é uma vista em perspectiva de uma concretização de uma haste de soldagem da presente invenção que inclui partículas duras similares àquelas mostradas nas figuras 2A-2C;
[0028] a figura 6A é uma vista em perspectiva de outra concretização de uma haste de soldagem da presente invenção que inclui partículas duras similares àquelas mostradas nas figuras 2A-2C;
[0029] a figura 6B é uma vista em corte transversal longitudinal da haste de soldagem mostrada na figura 6A;
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9/30 [0030] a figura 7 é uma vista lateral de uma concretização da broca de perfuração rotativa de perfuração do solo de cone de cilindro da presente invenção que inclui um material de recobrimento duro similar àquele mostrado na figura 1; e [0031] a figura 8 é uma vista em perspectiva de uma concretização de uma broca de perfuração rotativa de perfuração do solo de cortador fixo da presente invenção que inclui um material de recobrimento duro similar àquele mostrado na figura 1.
MODO(S) PARA EFETUAR A INVENÇÃO [0032] As ilustrações apresentadas aqui não são vistas reais de qualquer sistema de perfuração particular, conjunto de ferramenta de perfuração, ou componente de tal conjunto, mas são meramente representações idealizadas que são empregadas para descrever a presente invenção.
[0033] Conforme aqui usado, o termo material de diamante policristalino significa e inclui um volume de material que inclui dois ou mais grãos (também referidos na técnica como cristais) ligados diretamente entre si pelo menos parcialmente por ligações diamante a diamante. Em outras palavras, material de diamante policristalino é um material que inclui dois ou mais grãos de diamante interligados.
[0034] Conforme aqui usado, o termo grãos de diamante interligados significa grãos que são diretamente ligados entre si pelo menos parcialmente por ligações diamante a diamante.
[0035] A figura 1 é um desenho simplificado ilustrando uma concretização de um material de recobrimento duro 10 da presente invenção. O material de recobrimento duro 10 compreende um material composto que inclui uma fase descontínua ou dispersa 12 embutida dentro e dispersa através de toda uma fase de matriz contínua 14. A fase descontínua 12 exibe uma dureza mais alta do que uma dureza exibida pela fase de matriz 14, e a fase de matriz 14 exibe uma dureza
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10/30 à fratura mais alta do que a dureza à fratura exibida pela fase descontínua 12.
[0036] A fase de matriz 14 do material de recobrimento duro 10 pode compreender um metal ou liga de metal. Por meio de exemplo e não limitação, a fase de matriz 14 pode compreender ligas à base de cobalto, à base de ferro, à base de níquel, à base de ferro e níquel, à base de cobalto e níquel, à base de ferro e de cobalto, à base de ferro, e à base de titânio. A fase de matriz 14 pode também ser selecionada de elementos comercialmente puros, tais como cobalto, ferro, níquel, cobre e titânio. Em algumas concretizações, a fase de matriz 14 pode compreender uma matriz ou material ligante tendo um ponto de fusão abaixo de cerca de 1350°C, conforme revelado na Publicação de Pedido do Patente dos Estados Unidos No. 2005/0247491 A1, depositada em 28 de abril de 2008, e intitulada Brocas de Perfuração de Solo.
[0037] A fase descontínua 12 pode compreender volumes espaciais finitos de material de diamante policristalino que são dispersos através de toda e embutidos dentro da fase de matriz 14. Em algumas Concretizações, os volumes espaciais finitos da fase descontínua 12 podem ser formados de e compreendem partículas de material de diamante policristalino (PDC), que são, daqui por diante, referidas como partículas de PCD.
[0038] O material de recobrimento duro 10 opcionalmente pode também compreender uma fase descontínua adicional 13 que inclui pelo menos um de um material de carbeto (por exemplo, carbeto de tungstênio, carbeto de titânio, carbeto de tântalo, carbeto de silício, etc.), um material de boreto (por exemplo, boreto de titânio), um material de nitreto (por exemplo, nitreto de silício), e cascalho de diamante não policristalino.
[0039] O material de recobrimento duro 10 pode ser aplicado às superfícies de ferramentas de perfuração de solo usando vários
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11/30 métodos. Por exemplo, processos de soldagem automáticos e manuais podem ser usados para aplicar material de recobrimento duro 10 a uma superfície de uma ferramenta de perfuração de solo. Vários tipos de processos de soldagem de arco podem ser usados para aplicar material de recobrimento duro 10 a uma superfície de uma ferramenta de perfuração de solo. Por exemplo, processos de soldagem com metal-gás inerte (MIG), processos de soldagem de tungstênio-gás inerte (TIG), e processos de soldagem de arco transferido para plasma (PTA), podem ser usados para aplicar material de recobrimento duro 10 a uma superfície de uma ferramenta de perfuração de solo. Processos de pulverização de chama também podem ser usados para aplicar material de recobrimento duro 10 às superfícies de ferramentas de perfuração de solo.
[0040] As figuras 2A-2C ilustram um exemplo de uma partícula de PCD 16 que pode ser usada, de acordo com as concretizações da presente invenção, para formar a fase descontínua 12 do material de recobrimento duro 10 da figura 1.
[0041] Referindo-se à figura 2A, as partículas de PCD 16 usadas para formar o material de recobrimento duro 10 (figura 1) podem ter formas irregulares rugosas e dentadas em algumas concretizações da presente invenção. Em outras palavras, as partículas de PCD 16 podem compreender bordas e cantos relativamente aguçados. Em concretizações adicionais da presente invenção, as partículas de PCD 16 podem ser relativamente lisas e arredondadas. Partículas de PCD 16 relativamente rugosas e dentadas podem ser processadas para formar partículas de PCD relativamente lisas e arredondadas usando se processos conhecidos na técnica, tais como, por exemplo, processos de queda, processos de mistura a jato, e processos de gravura. Dependendo da aplicação particular a qual o material de recobrimento duro 10 (figura 1) é para ser usado, quaisquer partículas de PCD 16
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12/30 relativamente rugosas e dentadas, conforme mostrado na figura 2A, ou partículas de PCD relativamente lisas e arredondadas, podem exibir características físicas e desempenho mais desejáveis.
[0042] A figura 2B é uma vista em corte transversal da partícula de PCD da figura 2A tomada ao longo da linha de corte 2B-2B na mesma. Conforme mostrado na figura 2B, em algumas concretizações da presente invenção, as partículas de PCD 16 usadas para formar a fase descontínua 12 do material de recobrimento duro 10 (figura 1) podem ser pelo menos substancialmente planares. Em outras concretizações, contudo, as partículas de PCD 16 podem não ser planares, e podem ser geralmente esféricas, cúbicas, etc.
[0043] Em Concretizações em que as partículas de PCD 16 são pelo menos substancialmente planares, conforme mostrado nas figuras 2A e 2B, as partículas de PCD 16 podem ter um diâmetro de partícula médio D de, por exemplo, entre cerca de 0,25 milímetro e cerca de 7,0 milímetros, e uma espessura média T de, por exemplo, entre cerca de 0,1 milímetro e cerca de 5,0 milímetros.
[0044] Conforme mostrado na figura 2B, em algumas concretizações, as partículas de PCD 16 podem ser pelo menos parcialmente encapsuladas com um revestimento 17 antes da formação de um material de recobrimento duro 10 usando-se as partículas de PCD 16. O revestimento 17 pode ser usado para proteger o material de diamante policristalino dentro das partículas de PCD 16 contra degradação térmica (por exemplo, grafitização) que pode ocorrer durante a formação de um material de recobrimento duro 10 usando-se as partículas de PCD 16. Por meio de exemplo e não limitação, o revestimento 17 pode compreender um material em pó compreendendo partículas de um material de metal ou liga de metal que não serve como um material catalisador para catalisação da formação de ligações diamante a diamante à temperaturas e pressões elevadas, conforme descrito em
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13/30 detalhe adicional abaixo. Tais materiais catalisadores podem, inversamente, contribuir para a degradação térmica do material de diamante quando o material de diamante e o catalisador são aquecidos à temperaturas e pressões relativamente mais baixas. Por exemplo, o revestimento 17 pode compreender partículas de metal de tungstênio, ou uma liga de metal de tungstênio. O revestimento 17 também pode compreender partículas de pelo menos um de um material de carbeto (por exemplo, carbeto de tungstênio, carbeto de titânio, carbeto de tântalo, carbeto de silício, etc.), um material de boreto (por exemplo, boreto de titânio), um material de nitreto (por exemplo, nitreto de silício), e cascalho de diamante não policristalino. Tal revestimento em pó 17 opcionalmente pode ser submetido a um processo de sinterização para pelo menos parcialmente sinterizar partículas dentro do revestimento em pó 17. Por meio de exemplo não limitativo, as partículas de PCD 16 podem ser revestidas usando-se métodos tais como aqueles revelados na Patente dos Estados Unidos No. 7.350.599, publicada em 1 de abril de 2008 para Lockwood et al.
[0045] Em concretizações adicionais, o revestimento 17 pode compreender uma camada de um ou mais materiais de revestimento acima mencionados depositados por, por exemplo, usando-se um processo de deposição de vapor físico (PVD), ou um processo de deposição de vapor químico (CVD).
[0046] Conforme anteriormente mencionado, as partículas de PCD 16 podem compreender uma pluralidade de grãos de diamante interligados. A figura 2C é um desenho simplificado ilustrando como a microestrutura das partículas de PCD 16 pode aparecer a uma ampliação de entre cerca de 500 vezes e cerca de 1.500 vezes.
[0047] A figura 2C ilustra uma pluralidade de grãos de diamante interligados 18, 18'. Os grãos de diamante 18, 18' podem ter um tamanho de partícula médio dentro de uma faixa que se prolonga de
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14/30 cerca de cinco mícrons (5,0 pm) a cerca de trinta mícrons (30,0 pm). Em algumas concretizações, os grãos de diamante 18, 18' podem ter uma distribuição de tamanho de grão multimodal. Em outras palavras, os grãos de diamante 18, 18' podem compreender uma mistura de dois, três ou ainda mais tamanhos diferentes de grãos. Por exemplo, na concretização da figura 2C, os grãos de diamante interligados 18, 18' incluem ambos os grãos de diamante maiores 18 e grãos de diamante menores 18'. Os grãos de diamante maiores e menores 18, 18' são ligados juntos por ligações diamante a diamante em limites de grãos entre os grãos de diamante 18, 18' (os limites de grão sendo representados na figura 2C por linhas tracejadas) para formar o material de diamante policristalino das partículas de PCD 16. Em algumas concretizações, espaços intersticiais 20 (sombreado negro na figura 2C) entre os grãos de diamante interligados 18, 18' podem ser preenchidos com um material catalisador usado para catalisar a formação das ligações diamante a diamante entre os grãos de diamante 18, 18'. Em outras concretizações, contudo, material catalisador pode ser removido dos espaços intersticiais 20 entre os grãos de diamante interligados 18, 18', tal que os espaços intersticiais 20 compreendem vazios, conforme discutido em detalhe adicional aqui abaixo. Em tais concretizações, o material de diamante policristalino das partículas de PCD 16 pode ser poroso, e uma maioria dos poros dentro das partículas de PCD 16 pode formar uma rede de poro aberto contínua dentro do material de diamante policristalino.
[0048] Em algumas concretizações da presente invenção, as partículas de PCD 16 usadas no material de recobrimento duro 10 (figura 1) podem ser formadas por quebra (por exemplo, trituração, moagem, pulverização, etc.) de um volume relativamente grande de material de diamante policristalino. Por meio de exemplo e não limitação, as partículas de PCD 16 podem ser formadas pela quebra de
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15/30 uma camada de material de diamante policristalino de um elemento de corte, que anteriormente podem ter sido dispostas em um substrato. Desse modo, as partículas de PCD 16 podem compreender fragmentos de uma camada de material de diamante policristalino. Em algumas Concretizações, tais fragmentos podem ser pelo menos substancialmente planares.
[0049] A figura 3 ilustra um elemento de corte 30 similar àquele frequentemente usado nas brocas de perfuração e alargadores usados para formar furos de soldagem nas formações subterrâneas. O elemento de corte 30, mostrado na figura 3, inclui um volume de material de diamante policristalino 32 ligado a um substrato 34. O volume de material de diamante policristalino 32 é frequentemente referido na técnica como uma tabela de diamante. O volume de material de diamante policristalino 32 pode ser formado no substrato 34, ou o volume de material de diamante policristalino 32 pode ser formado separadamente a partir do substrato 34, e subsequentemente fixado ao substrato 34. Conforme conhecido na técnica, o material de diamante policristalino pode ser formado por sujeição de grãos de diamante à temperaturas e pressões elevadas para formar ligações diamante a diamante entre os grãos de diamante. Por exemplo, material de diamante policristalino pode ser formado por sujeição dos grãos de diamante à temperaturas maiores do que cerca de 1500°C e pressões maiores do que cerca de 5,0 GPa na presença de um material catalisador tal como, por exemplo, cobalto, por um tempo de entre cerca de dez segundos e vários minutos. O catalisador é usado para catalisar a formação das ligações diamante a diamante entre os grãos de diamante. Outros catalisadores adequados são também conhecidos na técnica. Se as temperaturas e pressões são suficientemente altas (por exemplo, à uma temperatura maior do que cerca de 3.000°C e uma pressão maior do que cerca de 13,0 GPa), as ligações diamante a
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16/30 diamante podem se formar ainda na ausência de um catalisador.
[0050] Referindo-se à figura 4, o volume de material de diamante policristalino 32 pode ser removido a partir do substrato 34 do elemento de corte 30. O volume de material de diamante policristalino 32 pode ser removido a partir do substrato 34 usando, por exemplo, um processo de Usinagem de Descarga Elétrica de fio (EDM). Outros processos, tais como processo de trituração, processos de gravura, ou processos de fratura, também podem ser usados para separar o volume de material de diamante policristalino 32 e o substrato 34. Após remoção do volume de material de diamante policristalino 32 a partir do substrato 34, o volume de material de diamante policristalino 32 pode ser quebrado para formar uma pluralidade de partículas de PCD 16 (figuras 2A-2C) a partir do mesmo.
[0051] Desse modo, algumas concretizações de métodos da presente invenção incluem formação de uma pluralidade de partículas de PCD 16 de um volume de material de diamante policristalino 32 que foi anteriormente parte de um elemento de corte 30. Como um resultado, de acordo com algumas concretizações da presente invenção, os elementos de corte 30 (que podem ou não podem ter sido anteriormente usados na perfuração ou alargamento de um furo de soldagem) que, de outro modo, seriam descartados, podem ser recuperados e reciclados pelo uso dos elementos de corte 30 para formar partículas de PCD 16 (figuras 2A-2C) para uso em um material de recobrimento duro 10 (figura 1). Em concretizações adicionais de métodos da presente invenção, um volume de material de diamante policristalino 32 pode ser formado com a intenção de quebrar subsequentemente o volume de material de diamante policristalino 32 para formar partículas de PCD 16 (figuras 2A-2C) para uso em um material de recobrimento duro 10 (figura 1).
[0052] Após formação das partículas de PCD 16, as partículas de
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PCD 16 podem, opcionalmente, serem submetidas a um processo de lixiviamento para remover material catalisador dos espaços intersticiais 20 entre os grãos de diamante interligados 18. Por meio de exemplo e não limitação, as partículas de PCD 16 podem ser lixiviadas usando um agente e processo de lixiviamento tal como aquele descrito mais totalmente em, por exemplo, Patente dos Estados Unidos No. 5.127.923 para Bunting et al. (publicada em 7 de julho de 1992), e Patente dos Estados Unidos No. 4.224.380 para Bovenkerk et al. (publicada em 23 de setembro de 1980). Especificamente, aqua regia (uma mistura de ácido nítrico concentrado (HNO3) e ácido clorídrico concentrado (HCl)) pode ser usada para pelo menos substancialmente remover material catalisador dos espaços intersticiais 20 entre os grãos de diamante interligados 18 nas partículas de PCD 16. É também conhecido usar ácido clorídrico de ebulição (HCl) e ácido hidroflúorico de ebulição (HF) como agentes de lixiviamento. Um agente de lixiviamento particularmente adequado é ácido clorídrico (HCl) à uma temperatura de acima de 110°C, que pode ser provido em contato com as partículas de PCD 16 por um período de cerca de duas horas a cerca de 60 horas, dependendo do tamanho das partículas de PCD 16. Após lixiviamento das partículas de PCD 16, os espaços intersticiais 20 entre a pluralidade de grãos de diamante interligados 18 dentro das partículas de PCD 16 podem ser pelo menos substancialmente livres de material catalisador usado para catalisar formação de ligações diamante a diamante entre a pluralidade de grãos de diamante interligados 18. [0053] As Concretizações adicionais da presente invenção incluem composições e estruturas de material que podem ser usadas para formar um material de recobrimento duro 10 em uma ferramenta de perfuração de solo. Tais composições e estruturas de material também incluem partículas de PCD (tais como as partículas de PCD 16 conforme anteriormente descrito com referência às figuras 2A-2C), e podem incluir
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18/30 um material matriz usado para formar uma fase de matriz 14 de material de recobrimento duro 10. Por meio de exemplo e não limitação, as partículas de PCD 16 podem ser incorporadas em uma haste de soldagem, e a haste de soldagem pode ser usada para depositar material de recobrimento duro 10 em uma superfície de uma ferramenta de perfuração de solo.
[0054] A figura 5 é uma vista em perspectiva simplificada de uma concretização de uma haste de soldagem sólida 40 da presente invenção. A haste de soldagem sólida 40 mostrada na figura 5 pode compreender um cilindro menos substancialmente sólido que inclui partículas de PCD 16 embutidas dentro de um material matriz que formará por último a fase de matriz 14 do material de recobrimento duro 10 (figura 1). Desse modo, a haste de soldagem sólida 40 inclui um corpo alongado, geralmente cilíndrico, compreendendo o material matriz, e as partículas de PCD 16 são conduzidas pelo corpo. Como o material matriz da haste de soldagem 40 formará por último a fase de matriz 14 do material de recobrimento duro 10, o material matriz da haste de soldagem 40 pode ter uma composição de material conforme anteriormente descrita para a fase de matriz 14 do material de recobrimento duro 10 da figura 1. A haste de soldagem sólida 40 pode, adicionalmente, compreender partículas duras adicionais que incluem pelo menos um de um material de carbeto (por exemplo, carbeto de tungstênio, carbeto de titânio, carbeto de tântalo, carbeto de silício, etc.), um material de boreto (por exemplo, boreto de titânio), um material de nitreto (por exemplo, nitreto de silício), e cascalho de diamante não policristalino. A haste de soldagem sólida 40 da figura 5 pode ser formada usando, por exemplo, um processo de forjamento, um processo de fundição, ou um processo de extrusão.
[0055] A figura 6A é uma vista em perspectiva simplificada de outra concretização de uma haste de soldagem tubular 50 da presente
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19/30 invenção. A haste de soldagem tubular 50 mostrada na figura 6A pode compreender um tubo cilíndrico geralmente vazado que é pelo menos substancialmente compreendido por um metal ou liga de metal que será usado para formar a fase de matriz 14 do material de recobrimento duro 10 (figura 1). Desse modo, o material matriz da haste de soldagem 50 pode ter uma composição de material conforme anteriormente descrito para a fase de matriz 14 do material de recobrimento duro 10 da figura
1. A figura 6B é uma vista em corte longitudinal da haste de soldagem tubular 50 da figura 6A. Conforme mostrado na figura 6B, o espaço interior, dentro do tubo cilíndrico vazado 52, pode ser preenchido com partículas de PCD 16. O tubo 52 pode também conter partículas duras adicionais que incluem pelo menos um de um material de carbeto (por exemplo, carbeto de tungstênio, carbeto de titânio, carbeto de tântalo, carbeto de silício, etc.), um material de boreto (por exemplo, boreto de titânio), um material de nitreto (por exemplo, nitreto de silício), e cascalho de diamante não policristalino. Uma ou ambas das extremidades do tubo 52 podem ser cobertas, dobradas, ou, de outro modo, vedadas, para prevenir as partículas de PCD 16 (e quaisquer outras partículas duras no mesmo) de caírem do tubo 52. Desse modo, a haste de soldagem tubular 50 também inclui um corpo tubular geralmente cilíndrico, alongado, compreendendo um material matriz (isto é, tubo 52), e as partículas de PCD 16 são conduzidas pelo corpo. O tubo cilíndrico vazado 52 da haste de soldagem 50 das figuras 6A e 6B pode ser formado usando-se, por exemplo, um processo de forja, um processo de fundição, ou um processo de extrusão.
[0056] As Concretizações de varetas de soldagem da presente invenção (por exemplo, a haste de soldagem sólida 40 da figura 5 e a haste de soldagem tubular 50 das figuras 6A e 6B) podem ser usadas para aplicar material de recobrimento duro 10 à uma superfície de uma ferramenta de perfuração de solo usando um maçarico, tal como, por
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20/30 exemplo, um maçarico de oxiacetileno, ou um maçarico de soldagem de arco. O maçarico é usado para aquecer uma extremidade da haste de soldagem e, opcionalmente, a superfície da ferramenta de perfuração de solo a qual o material de recobrimento duro é para ser aplicado. Uma extremidade da haste de soldagem é aquecida até que pelo menos o material matriz na haste de soldagem comece a se fundir. À medida que o material matriz na extremidade da haste de soldagem começa a se fundir, o material matriz de fusão, e partículas de PCD 16 a partir da haste de soldagem que torna-se arrastado dentro do material matriz de fusão, são aplicados à superfície da ferramenta de perfuração de solo. Após aplicação, o material matriz fundido é permitido resfriar e solidificar na superfície da ferramenta de perfuração de solo, as partículas de PCD 16 tornam-se embutidas dentro do material matriz solidificado. O material de recobrimento duro 10 resultante (figura 1) inclui uma fase de matriz contínua 14, que é formada pelo material matriz da haste de soldagem, e uma fase descontínua 12 compreendendo material de diamante policristalino que é formada pelas partículas de PCD 16 da haste de soldagem.
[0057] As Concretizações adicionais da presente invenção incluem misturas de estoque de alimentação de energia para uso em processos de pulverização de chama que incluem partículas de PCD 16. Por exemplo, uma mistura de estoque de alimentação de pó para um processo de pulverização de chama pode compreender uma mistura de partículas de PCD 16, bem como partículas de um metal ou material matriz de liga de metal tendo uma composição conforme anteriormente descrita em relação à fase de matriz 14 do material de recobrimento duro 10 (figura 1). A mistura pode também compreender partículas duras adicionais que incluem pelo menos um de um material de carbeto (por exemplo, carbeto de tungstênio, carbeto de titânio, carbeto de tântalo, carbeto de silício, etc.), um material de boreto (por exemplo,
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21/30 boreto de titânio), um material de nitreto (por exemplo, nitreto de silício), e cascalho de diamante não policristalino. Em um processo de pulverização de chama, tal mistura de estoque de alimentação em pó pode ser arrastada dentro de e conduzida por um fluido pressurizado (por exemplo, um gás pressurizado) a um bocal de pulverização de chama. O fluido pressurizado e a mistura de pó podem ser pulverizados a partir do bocal e através de uma chama em direção à superfície da ferramenta de perfuração de solo a qual o material de recobrimento duro 10 é para ser aplicado. A chama faz com que as partículas de material matriz se fundam pelo menos parcialmente. À medida que a mistura de pó é pulverizada na ferramenta, o material matriz fundido resfria e solidifica, e as partículas de PCD 16 tornam-se embutidas dentro do material matriz solidificado. O material de recobrimento duro 10 resultante (figura 1) inclui uma fase de matriz contínua 14, que é formada pelas partículas de material matriz na mistura de estoque de alimentação em pó, e uma fase descontínua 12 compreendendo material de diamante policristalino que é formada pelas partículas de PCD 16 na mistura de estoque de alimentação em pó.
[0058] As Concretizações adicionais da presente invenção incluem ferramentas de perfuração de solo tendo um material de recobrimento duro 10 (conforme anteriormente descrito aqui em relação à figura 1, e incluindo uma fase descontínua 12 compreendendo volumes espaciais finitos de material de diamante policristalino dispersos dentro de uma fase de matriz 14) em pelo menos uma porção de uma superfície de um corpo das ferramentas. As ferramentas podem também incluir pelo menos um elemento de corte. Por meio de exemplo e não limitação, ferramentas de perfuração de solo, tais como, por exemplo, brocas de perfurar rotativa de cortador fixo, brocas de perfuração rotativa de cone de cilindro, brocas de perfuração rotativas impregnadas com diamante, ferramentas alargadoras, moinhos, e brocas de nucleação, podem
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22/30 incluir material de recobrimento duro 10, e podem concretizar a presente invenção.
[0059] A figura 7 ilustra uma concretização de uma broca de perfuração de cone de cilindro 60 da presente invenção. A broca de perfuração de cone de cilindro 60 inclui um corpo de broca 62 tendo roscas 64 em sua extremidade proximal longitudinal para conexão a uma haste de perfuração (não mostrada). O corpo de broca 62 pode compreender uma pluralidade (por exemplo, três) de seções superiores 66 (que são separadas pelas linhas tracejadas na figura 7) que são soldadas juntas concentricamente sobre um eixo longitudinal 67 da broca de perfuração 60. As roscas 64 podem ser usinadas na região de espiga cônica do corpo de broca 62 após soldagem junto das seções superiores 66. Duas das seções superiores 66 são visíveis da perspectiva da figura 7.
[0060] Cada seção de cabeça 66 compreende um corpo de seção de cabeça ou seção proximal 68 mais próximos das roscas 64 e uma perna de broca 70 dependendo distalmente desta. Cada seção de cabeça 68 da broca de perfuração 60 pode incluir um compensador de pressão de fluido lubrificante 72, conforme conhecido na técnica. Pelo menos um bocal 74 pode ser provido no corpo de broca 62 para controlar a direção e velocidade de fluido de perfuração pressurizado que escoa através do corpo de broca 62 e para fora do bocal 74 durante operações de perfuração. Um cortador de cone de cilindro 76 é rotativamente seguro a um eixo de mancal (não mostrado) de cada respectiva perna de broca 70 do corpo de broca 62. Por meio de exemplo, a broca de perfuração 60 tem três cortadores de cone de cilindros 76, um do qual é obscurecido da vista a partir da perspectiva da figura 7. Cada cortador de cone de cilindro 76 tem séries de elementos de corte 78. Os elementos de corte 78 podem compreender dentes de corte, que podem ser usinados nas superfícies exteriores dos corpos dos cortadores de
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23/30 cone de cilindro 76. Alternativamente, os elementos de corte 78 podem compreender separadamente formados insertos, que podem ser formados de um material resistente à desgaste tal como carbeto de tungstênio, cimentado e prensado em recessos perfurados ou, de outro modo, formados nas superfícies exteriores dos corpos dos cortadores de cone de cilindro 76.
[0061] A broca de perfuração de cone de cilindro 60 da figura 7 pode incluir material de recobrimento duro 10 em uma ou mais superfícies da broca de perfuração 60. Por meio de exemplo e não limitação, as superfícies externas das seções de cabeça 66, incluindo superfícies exteriores de ambas as seções proximais 68 das seções de cabeça 66 e a perna de brocas 70 das seções de cabeça 66, podem compreender material de recobrimento duro 10 nas mesmas. Além disso, o material de recobrimento duro 10 pode ser provido em várias superfícies dos cortadores de cone de cilindro 76. Por exemplo, o material de recobrimento duro 10 pode ser provido em superfícies de calibre 80 dos cortadores de cone de cilindro 76, nos elementos de corte 78 (por exemplo, nos dentes de corte), ou em ambas as superfícies de calibre 80 e nos elementos de corte 78. O material de recobrimento duro 10 também pode ser aplicado às superfícies da broca de perfuração 60 dentro das passagens de fluido (não mostradas) que se prolongam através da broca de perfuração 60, bem como para as superfícies da broca de perfuração 60 próximas aos bocais 74, e outras superfícies que podem ser susceptíveis a erosão de fluido durante operações de perfuração.
[0062] A figura 8 ilustra uma concretização de uma broca de perfuração de cortador fixo 90 da presente invenção. A broca de perfuração de cortador fixo 90 inclui um corpo de broca 92 tendo roscas 94 em sua extremidade proximal longitudinal para conexão a uma haste de perfuração (não mostrada). O corpo de broca 92 pode compreender
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24/30 uma coroa 96, que pode ser formada de um material composto de partícula-matriz (por exemplo, um material de carbeto de tungstênio cimentado) ou uma liga de metal (por exemplo, aço). A coroa 96 pode ser fixada a uma espiga 97, e as roscas 94 podem ser usinadas na espiga 97.
[0063] A coroa 96 da broca de perfuração 90 pode compreender uma pluralidade de lâminas 98 que são separadas uma da outra por passagens de fluido 100. As laminas 98 podem se prolongar sobre a face da coroa 96 de uma região de cone central da coroa 96 a uma região de calibre da coroa 96. Superfícies radialmente externas das lâminas 98 na região de calibre da coroa 96 compreendem superfícies de calibre 102 da broca de perfuração 90. Estas superfícies de calibre 102 definem o diâmetro de qualquer furo de soldagem perfurado pela broca de perfuração 90. As porções das passagens de fluido 100 entre as lâminas 98 na região de calibre da coroa 96 são frequentemente referidas na técnica como entrada de detritos, do inglês junk slots.
[0064] Uma pluralidade de elementos de corte 104 pode ser fixada de modo preso a cada uma das lâminas 98. Os elementos de corte 104 podem compreender, por exemplo, elementos de corte de PDC. Passagens de fluido (não mostradas) também se prolongam através da broca de perfuração 90 aos bocais 106 para permitir que o fluido de perfuração seja bombeado através da haste de perfuração (não mostrada) e da broca de perfuração 90 e para fora dos bocais 106 durante operações de perfuração.
[0065] A broca de perfuração de cortador fixo 90 da figura 8 pode incluir material de recobrimento duro 10 em uma ou8 mais das superfícies da broca de perfuração 90. Por meio de exemplo e não limitação, as superfícies de calibre 102 podem compreender material de recobrimento duro 10 na mesma. Além disso, o material de recobrimento duro 10 pode ser provido em várias superfícies de
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25/30 engajamento de formação das lâminas 98. O material de recobrimento duro 10 também pode ser aplicado às superfícies da broca de perfuração 90 dentro das passagens de fluido (não mostradas) que se prolongam através da broca de perfuração 90, bem como às superfícies da broca de perfuração 90 próximas aos bocais 106, e outras superfícies que podem ser susceptíveis a erosão de fluido durante operações de perfuração.
[0066] Desse modo, superfícies de ferramentas de perfuração de solo, tais como, por exemplo, a broca de perfuração de cone de cilindro 60 da figura 7 e a broca de perfuração de cortador fixo 90 da figura 8, podem ser faceadas duras por ligação de partículas de material de diamante policristalino, tais como as partículas de PCD 16 das figuras 2A-2C, às superfícies usando um material matriz, que pode compreender um metal ou liga de metal, conforme anteriormente descrito aqui.
[0067] Partículas de PCD 16, conforme anteriormente descritas aqui, podem também serem usadas em outros componentes de ferramentas de perfuração de solo outros do que material de recobrimento duro para proporcionar resistência ao desgaste às ferramentas de perfuração de solo. Como um exemplo não limitativo, as partículas de PCD 16 podem ser dispostas dentro de corpos de broca de assim denominadas brocas de perfuração rotativas impregnadas de diamante, tais como aquelas reveladas em, por exemplo, Patente dos Estados Unidos No. 6.843.333, publicada em 18 de janeiro de 2005, para Richert et al.
[0068] Concretizações exemplares não limitantes adicionais são descritas abaixo.
[0069] Concretização 1: Um material de recobrimento duro, compreendendo: um material matriz de metal; e partículas de material de diamante policristalino embutidas dentro do material matriz de metal, as partículas de material de diamante policristalino compreendendo
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26/30 uma pluralidade de grãos de diamante interligados.
[0070] Concretização 2: O material de recobrimento duro da concretização 1, em que as partículas de material de diamante policristalino compreendem fragmentos de uma camada de material de diamante policristalino.
[0071] Concretização 3: O material de recobrimento duro da concretização 2, em que os fragmentos da camada de material de diamante policristalino são pelo menos substancialmente planares.
[0072] Concretização 4: O material de recobrimento duro de qualquer uma das concretizações 1 a 3, em que os espaços intersticiais entre a pluralidade de grãos de diamante interligados dentro das partículas de material de diamante policristalino são pelo menos substancialmente livres de material catalisador usado para catalisar formação de ligações diamante a diamante entre a pluralidade de grãos de diamante interligados.
[0073] Concretização 5: O material de recobrimento duro de qualquer uma das concretizações 1 a 4, em que as partículas de material de diamante policristalino são encapsuladas dentro de um revestimento compreendendo um metal.
[0074] Concretização 6: O material de recobrimento duro da concretização 5, em que o revestimento compreende adicionalmente pelo menos um de um material de carbeto, um material de boreto, um material de nitreto, e cascalho de diamante não policristalino.
[0075] Concretização 7: O material de recobrimento duro de qualquer uma das concretizações 1 a 6, em que espaços intersticiais entre a pluralidade de grãos de diamante interligados dentro das partículas de material de diamante policristalino são pelo menos substancialmente livres de material catalisador usado para catalisar formação de ligações diamante a diamante entre a pluralidade de grãos de diamante interligados, e no qual as partículas d material de diamante policristalino
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27/30 são encapsuladas dentro de um revestimento compreendendo um metal.
[0076] Concretização 8: O material de recobrimento duro de qualquer uma das concretizações 1 a 7, em que as partículas de material de diamante policristalino são pelo menos substancialmente planares, têm um diâmetro de partícula médio entre cerca de 0,25 milímetro e cerca de 7,0 milímetros, e têm uma espessura de partícula média entre cerca de 0,1 milímetro e cerca de 5,0 milímetros.
[0077] Concretização 9: Uma haste de soldagem compreendendo um material de recobrimento duro conforme determinado em qualquer uma de acordo com as reivindicações 1 a 8.
[0078] Concretização 10: Uma ferramenta de perfuração de solo compreendendo um material de recobrimento duro conforme determinado em qualquer uma das reivindicações 1 a 8.
[0079] Concretização 11: Uma haste de soldagem para uso na aplicação de um recobrimento duro a uma superfície de uma ferramenta, compreendendo: um corpo alongado, geralmente cilíndrico compreendendo um material matriz de metal; e partículas de material de diamante policristalino transportadas pelo corpo alongado, geralmente cilíndrico, as partículas de material de diamante policristalino compreendendo uma pluralidade de grãos de diamante interligados.
[0080] Concretização 12: A haste de soldagem da concretização 11, em que o corpo alongado, geralmente cilíndrico, compreende um tubo vazado, e no qual as partículas de material de diamante policristalino são dispostas dentro do tubo vazado.
[0081] Concretização 13: Uma ferramenta de perfuração de solo, compreendendo: um corpo; pelo menos um elemento de corte no corpo; e material de recobrimento duro em pelo menos uma porção de uma superfície do corpo, o material de recobrimento duro compreendendo:
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28/30 um material matriz de metal; e partículas de material de diamante policristalino embutidas dentro do material matriz de metal, as partículas de material de diamante policristalino compreendendo uma pluralidade de grãos de diamante interligados.
[0082] Concretização 14: A ferramenta de perfuração de solo da concretização 13, em que o corpo compreende um corpo de broca de uma broca de perfurar rotativa de cortador fixo, e no qual o pelo menos um elemento de corte compreende um elemento de corte compacto de diamante policristalino (PDC) presamente fixado ao corpo de broca.
[0083] Concretização 15: A ferramenta de perfuração de solo da concretização 13, em que o corpo compreende uma perna de broca de uma broca de perfuração rotativa de cone de cilindro, e no qual o pelo menos um elemento de corte compreende um cortador de cone de cilindro.
[0084] Concretização 16: A ferramenta de perfuração de solo da concretização 13, em que o corpo compreende um cortador de cone de cilindro de uma broca de perfuração rotativa de cone de cilindro, e no qual o pelo menos um elemento de corte compreende um inserto de corte ou um dente de corte no cortador de cone de cilindro.
[0085] Concretização 17: A ferramenta de perfuração de solo de qualquer uma de acordo com as reivindicações 13 a 16, em que espaços intersticiais entre a pluralidade de grãos de diamante interligados dentro das partículas de material de diamante policristalino são pelo menos substancialmente livres de material catalisador usado para catalisar formação de ligações diamante a diamante entre a pluralidade de grãos de diamante interligados, e em que as partículas de material de diamante policristalino são encapsuladas dentro de um revestimento compreendendo um metal.
[0086] Concretização 18: Um método de formação de um material de recobrimento duro, compreendendo: submeter grãos de diamante a
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29/30 uma temperatura maior do que cerca de 1500°C e a uma pressão maior do que cerca de 5,0 GPa para formar ligações diamante a diamante entre os grãos de diamante e formar um material de diamante policristalino; e quebra do material de diamante policristalino para formar partículas de material de diamante policristalino, as partículas de material de diamante policristalino compreendendo uma pluralidade de grãos de diamante interligados.
[0087] Concretização 19: O método da concretização 18, em que a quebra do material de diamante policristalino compreende trituração do material de diamante policristalino.
[0088] Concretização 20: O método da concretização 18 ou concretização 19, compreendendo adicionalmente catalisar a formação das ligações diamante a diamante entre os grãos de diamante usando um material catalisador.
[0089] Concretização 21: O método da concretização 20, compreendendo adicionalmente remover o material catalisador de espaços intersticiais entre os grãos de diamante interligados dentro das partículas de material de diamante policristalino.
[0090] Concretização 22: O método de qualquer uma das concretizações 18 a 21, compreendendo adicionalmente encapsular as partículas de material de diamante policristalino com um material encapsulante compreendendo um metal.
[0091] Concretização 23: Um método de facear duramente uma ferramenta de perfuração de solo, compreendendo: ligar as partículas de material de diamante policristalino incluindo uma pluralidade de grãos de diamante interligados a uma superfície de uma ferramenta de perfuração de solo usando um material matriz de metal.
[0092] Concretização 24: O método da concretização 23, em que a ligação das partículas de material de diamante policristalino à uma superfície de uma ferramenta de perfuração de solo compreende: usar
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30/30 um maçarico de soldagem para pelo menos parcialmente fundir o material matriz de metal; aplicar o pelo menos material matriz de metal parcialmente fundido e as partículas de material de diamante policristalino à superfície da ferramenta de perfuração de solo; e permitir que o pelo menos material matriz de metal parcialmente fundido se resfrie e solidifique na superfície da ferramenta de perfuração de solo. [0093] A descrição precedente é direcionada às concretizações particulares para a proposta de ilustração e explanação. Será aparente, contudo, a um versado na técnica, que muitas modificações e mudanças às concretizações colocadas acima são possíveis sem fugir do escopo das concretizações aqui reveladas conforme reivindicadas daqui por diante, incluindo equivalentes legais. É pretendido que as seguintes reivindicações sejam interpretadas para envolverem todas tais modificações e mudanças.

Claims (15)

REIVINDICAÇÕES
1. Ferramenta de perfuração de solo (60), compreendendo: um corpo (62);
pelo menos um elemento de corte (78) no corpo (62); e material de recobrimento duro em pelo menos uma porção de uma superfície do corpo (62), o material de recobrimento duro (10) compreendendo:
um material matriz de metal (14); e partículas de material de diamante policristalino (16) embutidas dentro do material matriz de metal (14), as partículas de material de diamante policristalino (16) compreendendo uma pluralidade de grãos de diamante interligados (18, 18'), caracterizado pelo fato de que as partículas de material de diamante policristalino (16) compreendem fragmentos de uma camada de material de diamante policristalino.
2/4 elemento de corte (78) compreende um inserto de corte ou um dente de corte no cortador de cone de cilindro.
2. Ferramenta de perfuração de solo (60), de acordo com a reivindicação 1, caracterizada pelo fato de que o corpo (62) compreende um corpo de broca de uma broca de perfurar rotativa de cortador fixo, e em que o pelo menos um elemento de corte (78) compreende um elemento de corte compacto de diamante policristalino (PDC) seguramente fixado ao corpo de broca.
3/4 incluindo uma pluralidade de grãos de diamante interligados (18, 18'); e ligar as partículas de material de diamante policristalino (16) incluindo uma pluralidade de grãos de diamante interligados (18, 18') a uma superfície de uma ferramenta de perfuração de solo (60) usando um material matriz de metal (14);
caracterizado pelo fato de que as partículas de material de diamante policristalino (16) compreendem fragmentos de uma camada de material de diamante policristalino.
3. Ferramenta de perfuração de solo (60), de acordo com a reivindicação 1, caracterizada pelo fato de que o corpo (62) compreende uma perna de broca de uma broca de perfuração rotativa de cone de cilindro, e em que o pelo menos um elemento de corte (78) compreende um cortador de cone de cilindro.
4/4 material de diamante policristalino (16) compreendendo uma pluralidade de grãos de diamante interligados (18, 18').
4. Ferramenta de perfuração de solo (60), de acordo com a reivindicação 1, caracterizada pelo fato de que o corpo (62) compreende um cortador de cone de cilindro de uma broca de perfuração rotativa de cone de cilindro, e em que o pelo menos um
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5. Ferramenta de perfuração de solo (60), de acordo com a reivindicação 1, caracterizada pelo fato de que as partículas de material de diamante policristalino (16) compreendem pelo menos fragmentos substancialmente planares da camada de material de diamante policristalino.
6. Ferramenta de perfuração de solo (60), de acordo com a reivindicação 1, caracterizada pelo fato de que as partículas de material de diamante policristalino (16) são encapsuladas dentro de um revestimento compreendendo um metal, o metal compreendendo pelo menos um dentre um material de carbeto , um material de boreto, um material de nitreto, e cascalho de diamante não policristalino.
7. Ferramenta de perfuração de solo (60), de acordo com a reivindicação 1 ou 6, caracterizada pelo fato de que espaços intersticiais entre a pluralidade de grãos de diamante interligados (18, 18') dentro das partículas de material de diamante policristalino (16) estão pelo menos substancialmente livres de material catalisador usado para catalisar formação de ligações diamante a diamante entre a pluralidade de grãos de diamante interligados (18, 18').
8. Ferramenta de perfuração de solo (60), de acordo com a reivindicação 1, caracterizada pelo fato de que as partículas de material de diamante policristalino (16) são pelo menos substancialmente planares, têm um diâmetro de partícula médio entre cerca de 0,25 milímetro e cerca de 7,0 milímetros, e têm uma espessura de partícula média entre cerca de 0,1 milímetro e cerca de 5,0 milímetros.
9. Método de recobrimento duro de uma ferramenta de perfuração de solo (60), compreendendo:
prover partículas de material de diamante policristalino (16)
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10. Método, de acordo com a reivindicação 9, caracterizado pelo fato de que a ligação das partículas de material de diamante policristalino (16) a uma superfície de uma ferramenta de perfuração de solo (60) compreende:
usar um maçarico de soldagem para pelo menos parcialmente fundir o material matriz de metal (14);
aplicar o material matriz de metal pelo menos parcialmente fundido e as partículas de material de diamante policristalino (16) à superfície da ferramenta de perfuração de solo (60); e permitir que o pelo menos material matriz de metal parcialmente fundido resfrie e solidifique na superfície da ferramenta de perfuração de solo (60).
11. Método, de acordo com a reivindicação 9, caracterizado pelo fato de que a provisão de partículas de material de diamante policristalino (16) incluindo uma pluralidade de grãos de diamante interligados (18, 18') compreende:
submeter grãos de diamante a uma temperatura maior do que cerca de 1500°C e a uma pressão maior do que cerca de 5,0 GPa para formar ligações diamante a diamante entre os grãos de diamante e formar um material de diamante policristalino; e quebrar o material de diamante policristalino para formar partículas de material de diamante policristalino (16), as partículas de
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12. Método, de acordo com a reivindicação 11, caracterizado pelo fato de que a quebra do material de diamante policristalino compreende triturar o material de diamante policristalino.
13. Método, de acordo com a reivindicação 11, caracterizado pelo fato de que compreende adicionalmente catalisar a formação das ligações diamante a diamante entre os grãos de diamante usando um material catalisador.
14. Método, de acordo com a reivindicação 13, caracterizado pelo fato de que compreende adicionalmente remover o material catalisador dos espaços intersticiais entre os grãos de diamante interligados (18, 18') dentro das partículas de material de diamante policristalino (16).
15. Método, de acordo com a reivindicação 11, caracterizado pelo fato de que compreende adicionalmente encapsular as partículas de material de diamante policristalino (16) com um material encapsulante compreendendo um metal.
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