CN1011808B - 安装多晶体金刚石切削坯块的缺口托柱 - Google Patents

Abstract

一种包括组合坯块及基体在内的改进的铜焊工具。组合坯块由颗粒磨料层粘接在支撑块上所构成，支撑块与基体用液化点高于700℃的铜焊填料金属焊接在一起。基体的上端面开有一个缺口，该缺口由一个其形状与组合坯块下支承面相一致的内支承面及一个其形状与组合坯块配合相一致的台肩支承面所构成。颗粒磨料层与基体隔开一个距离而不直接接触，使组合坯块铜焊到基体上时热量对颗粒磨料层造成的热损伤减至最小。

Description

本发明介绍装有颗粒磨料压制坯块的工具，特别是介绍一种适于安装颗粒磨料压制坯块的缺口托柱。这种颗粒磨料压制坯块制成的工具尤其适于在石油、天然气勘探及采矿作业中用作钻头。

颗粒磨料压制坯块是由颗粒磨料例如金刚石和/或立方氮化硼粘接在一起形成的一种具有高强度的坚硬的整体多晶体坯块。可以在这些颗粒之间加上粘接剂，或者颗粒之间直接结合，以颗粒对颗粒的自身结合形式结合在一起。实例可见美国专利3136615、3141746及3233988。有支撑的颗粒磨料坯块称为组合坯块，也就是把颗粒磨料坯块粘接在例如烧结碳化钨这样的支撑块材料上。这种型式的坯块在美国专利3743489、3767371及3745623中都有介绍。把颗粒磨料坯块粘接到支撑块上的工作可以在压制坯块的同时进行，也可以先单独压制坯块，然后再进行粘接。

已经发现，组合坯块特别适于做钻头上的切削件。这些组合坯块可以利用多种技术手段直接装到钻头的顶部。美国专利4156329建议把一个预先镀有锡金属涂层的坯块铜焊到钻顶的凹座中，美国专利4186628建议使用下列办法将坯块装到钻顶上，即：先把坯块放在一个模子中，然后在模子的钻顶部分装满金属粉末，再在模子中进行低温渗透铜焊，从而模铸出一个其中镶嵌着磨料坯块的钻顶。美国专利4098362建议按上述后面的那个建议的方式进行，但要把刀具坯块安放成一个-10°～-25°的倾斜角。

此外，组合坯块也可以固定到一个加长的托柱或基体上，然后再把这个托柱固定到钻顶上。用托柱以后，可以增大与钻顶的结合面积，并且还可以为颗粒磨料坯块提供更大的支撑力，从而增加了坯块的耐冲击强度。到目前为止，组合坯块固定在托柱上的方式有两种，美国专利4200159中介绍的为正圆柱形，另有一种方式为倾斜某一角度的圆柱形结构，例如美国专利4265324中所介绍的。

虽然把组合坯块固定在托柱基体上的好处是明显的，但在实际制造时却遇到了一些问题。特别是如前所指出的，坯块中的磨料部分是自身结合和金属渗透结合的（例如在美国专利3745623中所介绍的方法），它在市场上可以买到，其商标为“康帕克斯”（Com-pax）和“辛耐特”（Synnite），但这种组合坯块在温度超过700℃时很容易受到热损伤。（此处“自身结合”一词的含义是磨料颗粒直接相互结合）据认为，这种热损伤是由于磨料和金属相具有不同的热膨胀率所造成的。而且，在更高的温度下磨料颗粒本身还存在着由于石墨化和氧化作用而性能降低的危险。据认为，这种类型的性能下降在任何一种金刚石磨料坯块中都可能出现。因此，起初人们使用液化温度低于700℃的铜焊合金来把组合坯块焊接到基体或托柱上。不幸的是，人们发现，由于它们的焊接强度低，这类低温铜焊合金在市场上的适用范围有限。

在组合坯块与基体焊接方面的一个重大突破是由尼米耶（Kneme-yer）在美国专利4225322及4319707中作出的。采用这种K氏工艺，在焊接组合坯块与基体时就可以使用高温铜焊合金。而这类高温铜焊合金又可达到比低温合金高得多的焊接强度。虽然采用K氏焊接方法和设备可以使用高温铜焊合金，但又在选择合适的高 温铜焊合金方面发生了困难。最佳铜焊合金包括以统一编号公开的美国专利4527998中的金基合金和以统一编号公开的美国专利申请文件（于1985。7。5提交）752419中的钯基合金。这些铜焊合金的液化温度高于700℃。

装有颗粒磨料坯块的工具的另一种几何形状是在托柱上开有适于安装颗粒磨料坯块的凹槽或缺口，采用这类缺口托柱的各种建议方案在美国专利4452324、4303136、4221270、4199035、4098362及4373010中可以见到。这些建议的共同特点是：托柱上用来固定坯块的台阶支承着支撑块和颗粒磨料层的全部高度，甚至可能高出颗粒磨料层之上。

本发明的目的在于解决前面已经谈过的在高温铜焊（700℃以上）中使用K氏焊接方法所产生的问题。本发明的改进铜焊工具包括由磨料层粘合到支撑块上形成的组合坯块以及一个托柱（或其它基体），托柱或其它基体与支撑块通过放置在它们之间的铜焊填料金属焊接在一起。本发明的铜焊工具的改进点包括：该组合坯块是一个圆柱形的或一个沿它的纵轴线切去一部分的部分圆柱形的组合压制件，组合坯块有一个下支承面和一个配合面，下支承面的对面与颗粒磨料层相粘接。基体的上端面处开有一个缺口或凹槽，该缺口由一个其形状与组合坯块下支承面相一致的内支承面及一个其形状与组合坯块配合面相一致的台肩支承面所构成，坯块用铜焊填料金属与基体焊接，该铜焊填料金属的液化温度高于700℃，缺口的高度应使颗粒磨料层与基体隔开一个距离，不直接接触，该距离应足以使坯块与基体铜焊时的热量对颗粒磨料层的热损伤减到最小，此外缺口应有足够的高度，以便对坯块产生足够的支撑力。

对比文件US4520881公开了一种钻头切削组件，它主要由一个刚性圆柱体和一个组合坯块构成。组合坯块包括一个硬质合金支柱和粘接在这个硬质合金支柱一个端面上的磨料块，硬质合金支柱通过铜焊填料金属焊接在刚性圆柱体上，但US4520881不能用于当铜焊温度高于700℃的场合。

本发明的另一方面是该改进铜焊工具的制造方法。这种方法包括使用上面提到过的尼米（Knemeyer）加工方法来铜焊组合坯块与基体。组合坯块带有一个下支承面和一个配合面，下支承面的对面与颗粒磨料层相粘接，基体的上端面开有一个缺口，该缺口由一个形状与组合坯块下支承面相一致的内支承面及一个其形状与组合坯块配合面相一致的台肩支承面所构成。使用一个有散热装置的设备进行铜焊，散热装置能保持颗粒磨料层的温度低于它的性能降低温度。铜焊条的液化温度高于700℃。铜焊应在铜焊温度下进行，其时间长短应该适当，既可将组合坯块焊接到基体上，而又不会对颗粒磨料层造成热损伤或引起磨料的性能降低。

最好是把含有多晶体金刚石的颗粒磨料层与碳化物支撑块相粘接。同样，基体也最好是一个碳化物托柱。

本发明的优点包括用铜焊制作的工具的一种设计，它在提供基体或托柱上的缺口的同时，充分保护了组合坯块的性能。另一个优点是它能以最小的损失来可靠地生产这种铜焊的工具使组合坯块的性能保持不变。根据本文公开的内容，这些优点及其它一些优点对于那些熟悉本技术领域的人来说都是显而易见的。

附图简介

图1为本改进铜焊工具的正视图。

图2为本改进铜焊工具的侧视图。

图3为本改进铜焊工具的俯视图。

图4为本改进铜焊工具在其与基体铜焊处的局部侧视图。

我们将在下面对这些附图作详细说明。

虽然开有缺口的托柱由于增加了支撑面积而改进了工具的性能，但是当使用尼米（Knemeyer）方法把坯块铜焊到开有缺口的托柱上时，这种几何形状却引起了特殊的问题。在焊接过程中，热的金刚石磨料层与一个散热装置之间有热接触。而对于有缺口的托柱来说，散热装置也与该托柱上的相邻部分之间有热交换。这就意味着要在坯块与托柱交界面的接缝及其邻接区域处达到必需的足够高的温度使铜焊填料金属能良好地熔化及流动是很困难的（且不说实际上是不可能的）。假如该接缝的邻接区域加热到使铜焊条达到充分熔化和流动所需要的足够高的温度，此时金刚石磨料层暴露在可产生热损伤的高温之下。使金刚石磨料层免于暴露在这样过高的温度之下，就是尼米（Knemeyer）焊接设备和方法的精华所在。因此，制造厂商就面临着既要使金刚石磨料层避免受到热损伤，又要取得良好的铜焊缝这样一个进退两难的困境。

美国专利4520881以及其他先前的带缺口的托柱结构并没有碰到过这个问题，因为它们使用了工作温度低于700℃的铜焊合金。由于铜焊温度低于多晶体金刚石坯块的性能降低温度，所以散热装置就没有必要了。

在对本发明所做的多次实验过程中，发现有一些因素希望缺口的高度增大，而另外有一些因素则希望缺口高度减小。迄今为止，使用K氏方法制作的圆柱形钻杆工具都没有利用缺口的结构，而是使用了圆柱形的组合坯块，该组合坯块被铜焊在托柱的一个大体上是平的前端面上。而那些具有缺口结构的钻杆工具则都是采用较低的铜焊温度 （低于700℃）。希望减小缺口高度的因素包括如下两个，即：要使多晶体金刚石层的热损伤减到最小以及使铜焊条在组合坯块四周和整个结合层内部能有足够的流动性。希望加大缺口高度的因素包括：坯块镶嵌入以后，能得到更多的保护和支撑力。人们认为，当使用半圆或其它部分圆的组合坯块结构时，嵌入式的保护是特别重要的。因此，看来我们必须在这种种互相矛盾的因素之间进行权衡。本发明认识到了这一点并在本文公开的改进铜焊工具中提供了这些因素之间的权衡关系。

参看图1，可见本改进铜焊的工具是由基体（或托柱）10和部分圆组合坯块12所组成。此处“部分圆”一词的含义是：圆柱形的组合坯块或钻杆毛坯沿着它的纵轴线切去一部分，从而形成一个部分圆柱形的坯块。另外，这种结构形状也可以在坯块的制造过程中形成。因此，适宜的部分圆坯块的横断面形状可以是半圆形，楔形或饼形等。当然，圆形坯块也包括在本发明的应用范围之内。部分圆坯块可以有一个平面的配合面，也可以是曲线的配合面等其它形状。切制坯块的加工可以用电火花加工机床或类似机床（见美国专利4463241）来完成。不管所提供的组合坯块的结构形状是完整的圆柱还是部分圆柱，如图所示，这种组合坯块都是由粘接在支撑块16上的颗粒磨料层14（见图2～4）组成的，颗粒磨料层14最好是一种多晶体的金刚石层，而支撑块16最好是烧结碳化物金属。如图4所示，为了让开平面22与24交接处的圆角部分，在支撑块16上有一个倒棱18。在前面发明背景部分引用过的参考文献中就介绍了一些包括它们的制造工艺在内的合适的组合坯块。

基体（或托柱）10上也有一个倒棱20，托柱最好是某种烧结 的金属碳化物，例如烧结碳化钨，托柱10的基本结构形状可以是在前面引用过的已知技术的传统结构。

参看图1可知，除非采取某些特殊的保护措施，坯块的26及28两个部位容易受到嵌入损伤，把26、28完全支撑在平面24内就是一种这样的特殊措施。

参看图4，可见在靠近托柱10的上端面处加工有一个缺口，该缺口由支承坯块12上的配合面23的台肩支承面22以及其形状与坯块的支撑块16的下支承面25一致的内支承面24所组成。在坯块的表面23、25与缺口的表面22，24的交界面上都布有铜焊合金（图中末标出）。正如从K氏加工方法中可以明显地看到的那样，加到托柱10上的热量必须足够，才能使位于表面22与23及表面24与25的交界面上的铜焊合金充分液化，有良好的流动性，从而在托柱10与支撑块16之间形成良好的焊缝。如果颗粒磨料层14与托柱10直接接触，当按照K氏加工方法进行铜焊时，由于散热装置与磨料层14有热接触，即可发生下列两种情况：或是不能达到铜焊的液化温度（例如700℃以上），或是虽然达到了较高的铜焊温度，但会对颗粒磨料层造成热损伤。

为了防止这种情况发生，颗粒磨料层14与托柱10应隔开一个距离X，如图4所示，因而也决定了台肩支承面22的高度为Y（见图4）。由于有了这个距离X，台肩支承面22及内支承面24全可加热到铜焊所需的高温，而颗粒磨料层14的温度借助于K氏加工方法的设计可以保持在它的热损坏温度以下。

在这方面，如前面说过的，最好应找出距离X和Y之间的权衡值。如果缺口高度太大，那么就会对颗粒磨料层14产生热损伤或发生铜焊熔化不充分的结果。如果缺口高度（即距离Y）太小，那么如果在缺口底部充满了岩石粉而可能引起坯块过热时，坯块就有发生冲击断裂或焊缝切断的危险。

我们用厚度为0.035英寸的金刚石层与厚度为0.162英寸的碳化钨支撑块相粘接所做成的多晶体金刚石组合坯块，在各种不同缺口高度情况下做过试验。多晶体组合坯块侧面的配合面长度为0.94英寸。碳化物托柱的总高度约为1.75英寸，它的外径约为1.12英寸，该工具的结构形状与附图中所表示的相同。所使用的铜焊填料金属包括两种：一种为美国专利4527998中的金基合金（据称其液化温度为1004℃），另一种是申请号为752419中的钯基合金（据称可在982°-1093℃下进行铜焊）。通过检查被焊试件的横截面的情况来决定铜焊是否合格，通过超声波检验来确定对多晶金刚石层的热损伤程度。下列结果为我们的试验记录。

缺口高度    磨料层距离    铜焊缝    金刚石状态

Y，英寸    X，英寸

0    0.162    良好    良好

0.040    0.122    良好    良好

0.060    0.102    良好    良好

0.140    0.022    良好    良好

0.157    0.005    良好    有些热损伤

使用上述工具作现场试验的数据没有列入上表中。要知道，我们所试验的工具比一般产品的尺寸要大得多。所以这种工具会在缺口底部造成很大的碎渣，它的长度可达5厘米。这样大的碎渣会对没有支撑或者支撑不充分的半圆形坯块造成相当大的危险，它的平面上将会 受到过大的冲击力。因此看来，对部分圆的坯块和整圆的坯块都需要进行保护。根据上表中的试验数据及现场试验情况，看来最妥善的解决方案是把缺口高度取为0.14英寸左右。然而，缺口高度0.12～0.15英寸的范围内都是合格的。更重要的是，为了能在支撑力最大的情况下，对多晶体金刚石压制坯块的热损伤减至最小，X值最好在0.01～0.04英寸的范围内。当然，应当知道，这些数据范围上是与所试验的组合坯块和碳化物托柱的尺寸大小有关的。对于各种不同尺寸的钻坯和托柱，很可能要在不同的缺口高度及金刚石层厚度之间进行折衷处理。然而，根据本发明中提供一种改进铜焊工具的原则，就可以对这两个值作出权衡，使这种工具保持由于缺口改善了支撑条件所带来的优点，并且它还可使制造时对多晶金刚石层的热损伤减至最小以及可以增加生产量和降低生产成本。

如前所述，最佳颗粒磨料层应该是内含渗透金属第二相的自结合金晶体金刚石。最佳渗透金属第二相中含有钴。支撑块和托柱两者最好都用烧结碳化物的金属，碳化物可从包括碳化钨、碳化钛、碳化钨钼及碳化钽在内的一组金属碳化物中选定一种最适合金属焊接的碳化物，可以从包括钴、镍、铁及其混合物在内的一组金属中选定适于进行金属焊接的金属。我们推荐优先采用的铜焊金属是一种合金，它的液化点显著高于700℃，其成分如下（按重量百分比）：金，18-39.5%;镍，3.5-14.5%;钯，2.5-10.5%;镁，7.5-9.0%;其余为铜，它已在美国专利4527998中公开。第二种推荐优先采用的铜焊填料金属，它的液化点也显著高于700℃，其成分如下（按重量百分比）：钯，20-80%;铬 2-13%;硼：1-4%;其余为镍。它已在统一编号的申请号为752419（前已引用）文件中公开。在本申请文件中利用的所有参考文献都在本文中明确作了说明。

Claims (11)

1、在勘探和采矿中用的一种铜焊的工具的制造方法，该铜焊的工具包括有一个烧结碳化物支撑块的组合坯块，该坯块的上部是有渗透金属第二相的自结合颗粒磨料层，用铜焊填料金属把该坯块的支撑块与烧结碳化物制成的基体接在一起，该铜焊填料金属的液化点显著高于700℃也高于该坯块的热软化温度，本方法在把坯块的支撑块与基体铜焊在一起的同时，解决了颗粒磨料层与散热装置的热接触问题，其特征在于：

该组合坯块有一个下支承面，它的对面粘接着颗粒磨料层，坯块还有一个配合面；

把该组合坯块放入基体上端面处的缺口中，该缺口由一个其形状与组合坯块下支承面相一致的内支承面及一个其形状与组合坯块配合面相一致的台肩支承面所构成，颗粒磨料层与基体隔开一个距离而不直接接触，该距离足以使组合坯块铜焊到基体上时热量对颗粒磨料层的热损伤减至最小，此外缺口还应有足够的高度，以便对组合坯块提供足够的支撑力。

2、按权利要求1所述的方法，其特征在于：组合坯块可以是一个沿它的纵轴线切去一部分的部分圆柱形组合坯块。

3、按权利要求2中所述的方法，其特征在于：该组合坯块的配合面为平面。

4、按权利要求2中所述的方法，其特征在于：该配合平面的长度约为1英寸，该支撑块的高度约为0.162英寸。

5、按权利要求1中所述的方法，其特征在于：颗粒磨料层与基体之间的间隔距离约在0.01～0.04英寸之间。

6、按权利要求5中所述的方法，其特征在于：台肩支承面的高度约为0.14英寸。

7、按权利要求1中所述的方法，其特征在于：该烧结碳化物支撑块及烧结碳化物基体的材料均为粘接碳化物的金属，碳化物可以从包括碳化钨、碳化钛、碳化钨钼及碳化钽在内的一组金属碳化物中选择，粘接的金属可以包括钴、镍、铁及其混合物在内的一组金属中选择。

8、按权利要求1中所述的方法，其特征在于：该组合坯块的颗粒磨料层为一种含有渗透金属第二相的自结合多晶体金刚石坯块。

9、按权利要求1中所述的方法，其特征在于：所说的铜焊填料金属选自下列两种合金，其组成成分（按重量百分比）为：金，18-39.5%;镍，3.5-14.5%;镁，7.5-9%;其余为铜;及钯，20-80%;铬，2-13%;硼，1-4%，其余为镍。

10、一种在勘探和采矿中用的铜焊制作的工具，它包括组合坯块与基体，组合坯块由颗粒磨料层粘接在支撑块上所构成，支撑块与基体通过铜焊填料金属焊接在一起，铜焊填料金属配置在支撑块与基体之间，其液化温度高于700℃，其特征在于：

（a）该组合坯块包括沿它的纵轴线切去一部分的部分圆柱形坯块，它有一个下支承面，它的对面粘接有颗粒磨料层坯块，另外还有一个平面配合面，该配合平面的长度约为1英寸，该支撑块高度约为0.162英寸。

（b）该基体在其上端面处开有一个缺口，该缺口由一个其形状与组合坯块下支承面相一致的内支承面及一个其形状与组合坯块配合面相一致的台肩支承面所构成，颗粒磨料层与基体隔开一个0.01～0.04英寸的距离，该距离足以使组合坯块铜焊到基体上时热量对颗粒磨料层的热损伤减至最小，此外缺口还应有足够的高度，以便为组合坯块提供足够的支撑力。

11、按权利要求10中所述的改进的铜焊工具，其特征在于：所说的间隔距离约为0.02英寸。

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