CN101512096A - 烧结碳化钨岩石钻头牙轮 - Google Patents
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Abstract
地层钻孔钻头(11)具有钢制主体(13)和用于旋转支撑锥形牙轮的牙轮轴颈。锥形牙轮具有包含多排切削元件的外表面。锥形牙轮(21)和切削元件(35)由烧结碳化钨制成。通过给硬质颗粒和金属合金粉末的混合物施加压力以形成铸坯，随后将所述铸坯机加工到希望的过大锥形产品来制造所述锥形牙轮。随后，锥形产品液相烧结到希望的密度，从而收缩到希望的最终形状。
Description
优先权声明
本申请要求提交于2006年7月17日的序列号为11/487,890的美国实用新型专利申请的优先权。
技术领域
本发明通常涉及具有旋转牙轮的钻地钻头，尤其涉及具有由例如烧结碳化钨的烧结颗粒复合材料形成的牙轮的钻地钻头。
背景技术
旋转钻头通常用于在地层中钻孔或钻井。一类旋转钻头是牙轮钻头(通常称作“岩石”钻头)，其典型地包括固定到从钻头主体垂下的牙掌上的多个锥形切削元件。所有钻头具有带螺纹顶端的主体，所述螺纹顶端用于连接到钻柱上。所述主体具有三个悬垂牙掌，每个牙掌具有牙轮轴颈(bearing pin)。旋转牙轮安装在每个牙轮轴颈上。
一类钻头具有牙轮，所述牙轮具有压配合到形成于牙轮外部上的配合孔中的硬合金齿。硬合金齿伸出壳体以接合和破碎地层。通过在模型内压紧碳化钨颗粒和金属粘结剂的混合物，随后加热受压产物使其烧结来形成硬合金齿。牙轮壳体或主体由钢制成，从而使硬质合金齿比牙轮壳体更耐磨损。在包括延长操作时间的钻进应用中，或者地层和钻井流体中含有大量磨粒时，会发生牙轮的大范围腐蚀和磨损，从而导致硬合金齿损耗。
另一类牙轮具有直接铣削或机加工在钢制牙轮外表面上的齿。在机加工齿之后，对牙轮的齿面、保径面和其它表面进行表面硬化以实现耐磨。表面硬化典型地包括包埋在亚铁基基体中的碳化钨团粒或球粒。使用多种不同类型的表面硬化颗粒，包括烧结碳化钨、铸造碳化钨、粗结晶碳化钨及其混合物。典型地，利用氧-乙炔炬手动进行表面硬化。在施加期间，技术人员利用火焰熔化含有表面硬化颗粒的钢管并且将所述物质沉积在牙轮的选定部位上。
进行表面硬化是劳动密集型的，不好控制或不可重复，同样，会由于最终表面硬化齿的固有钝性而抑制切削结构。可以将表面硬化铣削到希望的形状。受让给本发明的受让人并在此引入作为参考的美国专利No.6,766,870公开和显示了通过二次机械加工操作使表面硬化齿成形的方法。然而，通过铣削削尖表面硬化齿在制造过程中增加了另一个较为困难和昂贵的步骤。同样，牙轮壳体未被表面硬化的部位会在磨钻条件下大范围腐蚀，从而导致整个牙轮或齿发生损耗。
另一种钻头是固定牙轮式钻头，其不具有旋转牙轮。作为替代，多个聚晶金刚石切削元件固定到钻头的切削表面上。在一种类型中，固定牙轮式钻头具有由颗粒基体复合材料制成并连接到钢杆上的钻头冠部。钻杆具有用于连接到钻柱上的螺纹顶端。典型地，通过将例如碳化钨、碳化钛或碳化钽的硬质颗粒材料连同例如铜合金的合金基体材料一起放置在界定钻头外形的刚性模型腔室内来形成颗粒基体钻头冠部。随后，典型地由石墨构成的模型(具有树脂覆型砂成分型芯、石墨或陶瓷置换件、模塑粘土或其它几何结构限定材料)放入熔炉中以熔化铜合金，渗透碳化钨颗粒并将其粘结到一起。钢坯可以连同碳化钨颗粒一起在加热之前包埋在模型中。在加热和基体渗透完成之后，将坯件机加工到允许连接螺纹杆的构造。可选地，钻头冠部可以分别形成，随后粘结到螺纹钢杆上。
因为颗粒基体钻头冠部由于其铸造过程之后的硬度不能容易地进行机加工，模型腔室必须形成为钻头的最终希望形状和尺寸。模型结构复杂并且需要大范围机加工和手工修整。模型通常必须在渗透周期之后破坏以取出加工好的钻头冠部，并且只能使用一次，从而使得颗粒基体钻头成本昂贵。
用于形成固定牙轮式钻头冠部的颗粒基体材料与用于旋转牙轮式钻头的压配合硬合金齿或切削元件在几个方面存在区别。颗粒基体冠部的材料通常具有低于烧结碳化钨切削元件的材料的强度。典型地，用于切削元件的烧结碳化钨材料与颗粒基体钻头冠部的材料相比，通常具有更高的耐压强度、抗张强度和抗弯强度。颗粒基体材料的硬质颗粒典型地大于液相烧结材料的硬质颗粒，典型地为至少20-25微米，而用于烧结碳化钨切削元件的钨颗粒典型地小于20微米。颗粒基体钻头冠部的基体典型地包括铜基合金，而烧结碳化钨切削元件的粘结剂由钴、镍、铁或其合金制成。颗粒基体钻头冠部中粘结剂的数量为大约40-70％体积比，而烧结碳化钨切削元件中粘结剂的数量为大约6-16％重量比。
形成颗粒基体钻头冠部的方法远不同于形成烧结碳化钨切削元件的方法。主要的差异在于，颗粒基体钻头冠部不在模型中经受高压。相反，碳化钨粉末倒入耐熔模型中，所述模型预先构造为界定希望的外形。在熔炉渗透期间，铜合金基体熔化，在硬质颗粒之间流动并将它们粘结到一起。颗粒基体钻头冠部的钻头在较低温度和没有受控气氛的情况下在熔炉中进行处理。用于形成颗粒基体钻头冠部的温度典型地为大约1180-1200度。
相反，通过利用高压在烧结之前压紧硬质合金颗粒和金属粘结剂来使烧结碳化钨切削元件成形。利用除了如铜基合金的低熔点粘结剂之外的粘结剂使烧结碳化钨烧结需要真空或可控气氛炉。在烧结碳化物的情况下，粘结合金在最初压制到部件形状之前混合并分散在硬质合金聚集物中。在熔炉烧结期间，混合的粘结剂颗粒熔化并形成围绕硬质骨料颗粒的连续相。在基体钻头冠部进行渗透的情况下，没有粘合剂从外源或储存器流动。用于使碳化钨切削元件烧结的温度为大约1320-1370度。在上述温度下，在含氧气氛中不能进行高温处理，因为这些物质在处理温度下会发生氧化。对硬质合金的烧结步骤导致显著收缩，因为受压颗粒成分中的孔隙由于粘结材料熔化并且熔融粘结剂的最终表面张力将颗粒拉动到一起而得以消除。在颗粒基体钻头冠部的情况下，隙间体积充满由外部储存器供给的熔融金属粘结剂，而不会对颗粒底座产生明显的压实作用。硬质合金中的体积收缩值典型地为20％到50％，同时在颗粒基体钻头冠部的加热步骤期间不会发生显著的收缩。
发明内容
在本发明中，地层钻孔钻头的牙轮完全由烧结硬质颗粒复合材料制成。在一个实施例中，牙轮的切削元件包括与所述牙轮整体形成的齿。在另一个实施例中，切削元件包括分开形成的硬合金齿，所述硬合金齿压配合到牙轮主体的配合孔中。制造每一牙轮和切削元件中硬质颗粒的材料选自金刚石、碳化硼、氮化硼、氮化铝、以及由W、Ti、Mo、Nb、V、Hf、Ta、Cr、Zr、Al和Si组成的组的碳化物或硼化物。粘结剂选自钴、镍、铁、钛及其合金。牙轮和切削元件可以免于或包括表面硬化。牙轮的钻头体和牙轮轴颈传统上优选地为合金钢并由其制成。
在优选的生产工艺中，由硬质颗粒和金属粘结剂制成的粉末混合物放置在模型中。随后，给粉末施加高压以形成铸坯。优选地，铸坯具有足够的强度以保持粘结形状，允许操作人员对铸坯进行机加工以将所述铸坯制成锥形产品。在单独压制不足以提供具有足够强度的铸坯以承受机加工的情况下，选择性地，操作人员可以在机加工之前将铸坯预烧结到部分烧结的状态。在任一方法中，锥形产品使其至少一部分尺寸有选择地超过希望的最终尺寸。随后，锥形产品放置在提供真空、受控气氛或高压情况的熔炉中，以使所述产品烧结到希望的密度。烧结导致锥形产品收缩到希望的最终尺寸。
在一个实施例中，烧结之前的机加工处理包括在锥形牙轮上机加工齿。在另一个实施例中，烧结之前的机加工处理包括在锥形牙轮上钻出切削元件凹窝。选择性地，操作人员可以将圆柱形置换构件插入孔中，其在烧结期间保持不动以更好地界定孔的形状和限制孔的收缩。在烧结之后，操作人员将分开形成的碳化物切削元件压配合到所述孔中。
挤压硬质颗粒和粘结剂粉末的步骤可以两种方式进行。在一个方法中，操作人员将硬质颗粒和粘结剂粉末放在不可渗透的柔性容器中。容器由液体包围，并且给所述液体施加压力。在另一个方法中，操作人员将所述粉末放在刚性模型的腔室内。随后，用压实器(ram)压紧粉末。
附图说明
图1是根据本发明的一个实施例构造的地层钻孔钻头的侧部立面图。
图2是图1所示钻头的局部剖视图，显示了牙轮轴颈之一以及多个锥形牙轮中每一个的切削结构，所有锥形牙轮在单个平面中旋转。
图3是用于图1所示地层钻孔钻头的锥形牙轮的可选实施例的局部剖视图。
图4是示意图，显示了均衡挤压硬质颗粒和金属粘结剂粉末以形成用于图2或3所示锥形牙轮的铸坯的步骤。
图5是示意图，显示了图3的可选实施例步骤，其中，在压实器和模型施加的压力作用下形成铸坯。
图6是示意图，显示了在真空炉内进行烧结之后和安装切削元件硬合金齿之前的图3所示锥形牙轮。
具体实施方式
参考图1，地层钻孔钻头11具有带螺纹15的主体13，所述螺纹形成在所述主体的顶端以连接到钻柱上。主体13具有三个整体形成的牙掌17。每个牙掌17具有牙轮轴颈19，如图2所示。优选地，钻头体13和牙轮轴颈19通常由合金钢制成。
每个牙掌17在其牙轮轴颈19上支撑锥形牙轮21(图2)。每个锥形牙轮21具有圆柱形腔室23，以形成对牙轮轴颈19的轴颈支承面。腔室23还具有平面止推肩部24以吸收由钻柱作用在锥形牙轮21上的推力。每个锥形牙轮21具有形成在其腔室23中的锁定凹槽25。在所示实例中，卡环27位于凹槽25和形成在牙轮轴颈19上的配合凹槽中，以将锥形牙轮21锁定在牙轮轴颈19上。锥形牙轮21具有用于接收密封件31的密封槽29。密封槽29临近锥形牙轮21的背面33定位。如图所示，密封件31为弹性环，但是它也可以为其它类型。背面33是围绕通向腔室23的入口的平坦环形表面。
锥形牙轮21具有多排切削元件，其在图1和2所示实施例中包括齿35。齿35由每个锥形牙轮21的主体或壳体材料整体机加工而成。齿35可以在数量方面不同，具有各种形状，并且排数可以改变。锥形保径面37围绕背面33并界定了钻头11的外径。
润滑剂通过润滑剂通道39供应给位于腔室23和牙轮轴颈19之间的空间。润滑剂通道39通向储存器，所述储存器包括压力补偿器41(图1)并且可以为常规设计。仍然参考图1，钻头体13具有用于将钻井流体排入钻孔中的喷嘴43，所述钻井流体连同切屑一起向上返回到地面。
在图3所示实施例中，钻头45还具有多个牙掌47(只显示了一个)，并且牙轮轴颈49从每个牙掌47垂下。锥形牙轮51具有旋转安装到牙轮轴颈49上的中央腔室52以形成轴颈支承。在这个实例中，锥形牙轮51通过位于锥形牙轮腔室52和牙轮轴颈49中的配合凹槽内的多个锁定球53保持在牙轮轴颈49上。密封组件55密封锥形牙轮腔室52和牙轮轴颈49之间的支承空间。密封组件55可以为不同类型并且显示为金属面密封组件。锥形牙轮51与锥形牙轮21的不同之处在于，锥形牙轮51的切削元件59包括烧结碳化钨硬合金齿，其压配合到形成在锥形牙轮51外部的配合孔57中。每个硬合金齿59具有装入孔57之一内的圆柱形桶状本体和可以具有各种形状的伸出切削端。
每个锥形牙轮21和51优选地由烧结硬质颗粒复合材料制成，所述复合材料包括硬质颗粒和金属粘结剂。硬质颗粒可以包括金刚石或陶瓷材料，例如碳化物、氮化物、氧化物和硼化物(包括碳化硼(B4C))。更具体地，硬质颗粒可以包括由例如W、Ti、Mo、Nb、V、Hf、Ta、Cr、Zr、Al和Si的元素组成的碳化物和硼化物。作为实例并且非限制性的，用于形成硬质颗粒的材料包括碳化钨(WC、W2C)、碳化钛(TiC)、碳化钽(TaC)、二硼化钛(TiB2)、碳化铬、氮化钛(TiN)、碳化钒(VC)、氧化铝(Al2O3)、氮化铝(AlN)、氮化硼(BN)和碳化硅(SiC)。而且，不同硬质颗粒的组合可用于调整颗粒基体复合材料的物理性能和特征。硬质颗粒可以利用本领域技术人员公知的方法获得。对于硬质颗粒而言最合适的材料为市场上销售的那些，其余材料的获得在本领域普通技术人员的能力范围之内。
粘合剂例如可以包括钴基、铁基、镍基、铁镍基、钴镍基、铁钴基、铝基、铜基、镁基和钛基合金。粘合剂还可以选择商业纯元素，例如，钴、铝、铜、镁、钛、铁和镍。作为实例并且非限制性的，粘合剂可以包括碳钢、合金钢、不锈钢、工具钢、镍或钴超合金材料以及低热膨胀铁或镍基合金，例如
。当在此使用时，术语“超合金”是指具有至少12％重量百分比的铬的铁、镍、钴基合金。可用作粘结材料的其它示例性合金包括奥氏体钢，例如
625M或Rene 95的镍基超合金，以及热膨胀系数与特定颗粒基体复合材料中所用硬质颗粒的热膨胀系数极为相近的
型合金。使粘结材料的热膨胀系数与硬质颗粒的热膨胀系数极为接近是有利的，例如减少与残余应力和热疲劳相关的问题。另一示例性粘结材料是Hadfield奥氏体锰钢(铁具有大约12％重量比的锰，和1.1％重量比的碳)。
在本发明的一个实施例中，烧结硬质颗粒复合材料可以包括多个-400ASTM(美国材料试验协会)目碳化钨颗粒。例如，碳化钨颗粒可以大体上由WC组成。当在此使用时，短语“-400ASTM目颗粒”是指能够穿过按照名称为“试验目的用金属丝布和筛网的标准规范”的ASTM规范E11-04所定义的ASTM No.400网筛的颗粒。这种碳化钨颗粒的直径小于大约38微米。粘结材料可以包括金属合金，其包括大约50％重量比的钴和大约50％重量比的镍。碳化钨颗粒可以占复合材料重量比的大约60％到大约95％，并且粘结材料可以占复合材料重量比的大约5％到大约40％。更具体地，碳化钨颗粒可以占复合材料重量比的大约70％到大约80％，并且粘结材料可以占复合材料重量比的大约20％到大约30％。
在本发明的另一个实施例中，烧结硬质颗粒复合材料可以包括多个-635 ASTM目碳化钨颗粒。当在此使用时，短语“-635 ASTM目颗粒”是指能够穿过按照名称为“试验目的用金属丝布和筛网的标准规范”的ASTM规范E11-04所定义的ASTM No.635网筛的颗粒。这种碳化钨颗粒的直径小于大约20微米。粘结材料可以包括钴基金属合金，其包括大体上工业纯钴。例如，粘结材料可以包括高于大约98％重量比的钴。碳化钨颗粒可以占复合材料重量比的大约60％到大约95％，并且粘结材料可以占复合材料重量比的大约5％到大约40％。在形成之后，锥形牙轮21或51具有大约75到92 Rockwell A的硬度。
图4显示了形成锥形牙轮21(图2)或锥形牙轮51(图3)的方法的一个步骤，所述锥形牙轮大体上由烧结硬质颗粒复合材料制成。所述方法通常包括提供粉末混合物，挤压粉末混合物以形成铸坯，将所述铸坯机加工成希望的锥形产品，随后将所述锥形产品烧结成希望的锥形牙轮21或51。选择性地，如果在必要时给铸坯增加强度，则可以在机加工前对铸坯进行部分烧结。
参见图4，可以在模型或容器63内利用大体上均衡压力挤压粉末混合物61。粉末混合物61包括多个如前所述的硬质颗粒和多个同样如前所述的包括粘结材料的颗粒。选择性地，粉末混合物61进一步包括在挤压粉末混合物时通常使用的添加剂，例如，用于在挤压期间提供润滑和给受压粉末成分提供结构强度的材料，用于使粘结更为柔韧的增塑剂以及用于减少内部颗粒摩擦的润滑剂或压缩助剂。
容器63可以包括流体密封的可变形构件65。例如，可变形构件65可以是大体上圆柱形袋，包括可变形和不渗透的聚合材料，优选地为弹性材料，例如橡胶、氯丁橡胶、硅酮或聚亚安酯。容器63可以进一步包括大体上刚性的密封板66。可变形构件65充满粉末混合物61并选择性地振动以使粉末混合物61均匀分布在可变形构件65内。密封板66随后附接或结合到可变形构件65上，以便在其间提供流体密封。
内部具有粉末混合物61的容器63放在压力室67内。可卸盖69可用于提供通向压力室67内部的入口。在高压下，利用泵(未显示)将流体通过端口71泵入压力室67中。流体优选地为通常不可压缩液体，例如水或油；然而，它可以是或包括气体、例如，空气或氮气。流体高压导致构件65产生变形。流体压力可以大体上均匀地传递给粉末混合物61。在均衡挤压期间，压力室67内的压力会大于大约35兆帕(大约5,000磅/平方英寸)。更特别地，在均衡挤压期间，压力室67内的压力会大于大约138兆帕(20,000磅/平方英寸)。
在可选方法中，可以在软质容器63内提供真空，并且大于大约0.1兆帕(大约15磅/平方英寸)的压力可以(例如通过大气)施加给容器63的可变形构件65以压实粉末混合物61。粉末混合物61的均衡挤压形成铸坯，其在用于机加工的挤压之后从压力室67和容器63中取出。如果通过图4所示设备形成，铸坯通常具有圆柱形构造。
参考图5，形成未烧结铸坯的可选方法包括使用刚性模型73，所述模型具有用于接收粉末混合物75的腔室。粉末混合物75可以与图4所示实施例的粉末混合物61相同。如果希望的话，模型73的腔室通常为圆锥形以形成总体锥形铸坯。可选地，腔室可以为圆柱形，导致圆柱形铸坯的形成。活塞或压实器77密封接合位于粉末75上方的模型73的壁。作用于柱塞77上的向下力将粉末混合物75挤压成适于机加工的粘结形状。
在优选的方法中，不管如图4还是图5那样形成，铸坯在不预烧结的情况下机加工成希望的构造。然而，如果希望的话，可以进行一些预烧结，尤其是对于较大尺寸的锥形牙轮21或51来说。所述机加工以与现有技术中操作人员机加工钢制锥形牙轮大体上相同的方式进行。然而，因为在烧结期间会产生后来的收缩，锥形未烧结产品的尺寸会过大。因为在形成例如图3中硬合金齿59的碳化钨切削元件方面的多年实践中，本领域中总体上知道硬质颗粒复合材料产品会在烧结期间会产生多少收缩。在确定适当的膨胀部件几何结构之前，对于颗粒混合物来说，可以通过经验确定更精确的收缩值。提供给机械师的各种尺寸将会尺寸过大，从而解决这类收缩问题。
就机加工未烧结铸坯期间的锥形牙轮21(图2)来说，操作人员形成锥形牙轮21的几乎全部结构特征，包括齿35、腔室23、密封槽29、锁定凹槽25和止推面24。类似地，对于锥形牙轮51(图4)来说，操作人员将形成锥形牙轮51的本体、腔室52和用于硬合金齿59的孔57。硬合金齿59将以传统的方式分开形成。尽管同样由烧结颗粒复合材料形成，硬合金齿59通常为不同类型，与锥形牙轮51的主体相比，通常具有不同的成分。
操作人员随后将机加工后的锥形产品放入熔炉并加热，直到该产品为全致密的。优选地，熔炉是提供真空、受控气氛或高压状态的装置。通常在真空或者除了空气之外的受控气氛下进行烧结。当烧结如图所示的硬合金齿型锥形牙轮51时，可选的置换构件81插入孔57中，如图6所示。置换构件81包括销钉，其尺寸设置成与用于每个硬合金齿59(图3)的孔57的最终希望尺寸相符。置换构件81由例如陶瓷的材料制成，所述材料在烧结温度下保持稳定。孔57在烧结之前直径尺寸大于置换构件81，并且在烧结期间收缩到构件81的直径。图6显示了烧结之后的外观。烧结温度对于特定的颗粒复合材料来说是常规的。用于具有钴粘结剂的烧结碳化钨材料的烧结温度为大约1320度到1500度。
在烧结过程中，密度增加并且锥形产品进行收缩。在烧结之后，锥形牙轮21具有用于齿35、背面33和保径面37的希望的外部构造。对这些表面应当有必要进行有限机加工或不再进行机加工。需要对腔室23进行精机加工，尤其是磨削和抛光以达到希望的表面光洁度。对于硬合金齿锥形牙轮51来说，同样需要对其腔室52进行精机加工。然而，在精机加工过程中只有非常少的金属被去除，因此，尽管锥形牙轮21和51在此时相当坚硬，也可以相对容易地进行精机加工。
在锥形牙轮21(图2)烧结并精加工后，它以传统方式安装到牙轮轴颈19(图2)上。支承面利用润滑剂以与钢制锥形牙轮相同的方式进行润滑。锥形牙轮21可以在其外部具有或不具有任何表面硬化。可以在钻头体13上，尤其是牙掌17上进行表面硬化。类似地，在锥形牙轮51(图3)烧结之后，取出置换构件81，并且硬合金齿59压入孔57中。硬合金齿59也可以利用本领域已知的粘合剂、软钎焊、硬钎焊技术结合到孔57中。锥形牙轮腔室52进行精加工，锥形牙轮51以传统方式安装到牙轮轴颈49上。
在另一种加工方法中，除了形成未烧结或部分烧结的碳化物的铸坯之外，操作人员可以将铸坯液相烧结到最终的密度和硬度。利用传统或超声波加工方法进行机加工。超声波法给旋转刀具施加高频振动以加强材料的去除。
本发明具有显著优点。锥形牙轮非常耐腐蚀和耐磨损，因为它由硬度远高于现有技术的钢的材料制成。劳动密集型表面硬化应用减少或消除。
尽管本发明已经显示了一些形式，但是对于本领域技术人员来说显而易见的是，本发明并不限于此，在不脱离本发明范围的情况下存在多种变化。
Claims (20)
1.一种钻地钻头，包括：
钻头体，其具有至少一个由此垂下的牙轮轴颈；和
锥形牙轮，其旋转安装到牙轮轴颈上，所述锥形牙轮具有多个切削元件，所述锥形牙轮和切削元件均由烧结复合材料形成，所述复合材料包括与金属合金粘结剂一起烧结的硬质颗粒。
2.如权利要求1所述的钻头，其中：
所述硬质颗粒选自金刚石、碳化硼、氮化硼、氮化铝、以及由W、Ti、Mo、Nb、V、Hf、Ta、Cr、Zr、Al和Si组成的组的碳化物或硼化物；和
所述粘结剂选自钴、镍、铁、钛及其合金。
3.如权利要求2所述的钻头，其中，粘结剂相对于硬质颗粒的数量为大约5％到40％重量百分比。
4.如权利要求1所述的钻头，其中，所述切削元件包括与所述锥形牙轮整体形成的齿。
5.如权利要求1所述的钻头，其中，所述切削元件包括连接到所述锥形牙轮上的分开形成的硬合金齿。
6.一种钻地钻头，包括：
主体，其具有多个牙轮轴颈，每个牙轮轴颈由所述主体垂下并朝向钻头旋转轴线向下和向内延伸，所述主体和牙轮轴颈由合金钢制成；
多个锥形牙轮，每个锥形牙轮具有内部腔室，所述内部腔室安装在牙轮轴颈之一上以在钻头体旋转时相对于牙轮轴颈旋转；
每个锥形牙轮具有外表面，所述外表面包含由此伸出的多个切削元件；并且其中
所述锥形牙轮和切削元件由烧结碳化钨制成。
7.如权利要求6所述的钻头，其中，所述切削元件包括与每一锥形牙轮整体形成的齿。
8.如权利要求6所述的钻头，其中，所述切削元件包括连接到所述锥形牙轮上的分开形成的硬合金齿。
9.如权利要求6所述的钻头，其中，烧结碳化钨具有金属粘结剂，所述金属粘结剂选自钴、镍、铁及其合金。
10.一种制造钻地钻头的锥形牙轮的方法，包括：
(a)将硬质颗粒和金属粘结剂粉末放置在模型中；随后，
(b)给所述粉末施加压力以形成铸坯；
(c)对所述铸坯进行机加工以使其形成锥形产品；随后，
(d)将所述锥形产品烧结到希望的密度。
11.如权利要求10所述的方法，其中：
步骤(c)包括对所述铸坯进行机加工，使得所述锥形产品的至少一部分尺寸有选择地大于所述锥形牙轮的最终希望尺寸；以及
在步骤(d)期间，所述锥形产品收缩到所述锥形牙轮的大体上希望的最终尺寸。
12.如权利要求10所述的方法，其中，步骤(c)还包括在所述锥形产品上机加工齿。
13.如权利要求10所述的方法，其中：
步骤(c)还包括在所述铸坯中机加工多个孔；以及
所述方法还包括在步骤(d)之后，将硬质合金切削元件安装在所述孔中。
14.如权利要求13所述的方法，其中，所述方法还包括：
在步骤(c)之后，将圆柱形置换构件插入所述孔中，所述置换构件具有孔的最终希望直径；
并且步骤(d)还包括在烧结时将所述置换构件留在孔内以限制所述孔的收缩。
15.如权利要求10所述的方法，其中，在铸坯处于完全未烧结情况下进行步骤(c)。
16.如权利要求10所述的方法，还包括：
在步骤(b)之后和步骤(c)之前，加热所述铸坯以使其部分地烧结。
17.如权利要求10所述的方法，其中：
步骤(c)还包括在所述铸坯内机加工圆柱形腔室以将所述锥形牙轮安装到钻头的支承轴上；以及
所述方法还包括在步骤(d)之后，将所述圆柱形腔室精加工成具有希望尺寸和表面光洁度的支承面。
18.如权利要求10所述的方法，其中，所述硬质颗粒包括：
选自金刚石、碳化硼、氮化硼、氮化铝、和W、Ti、Mo、Nb、V、Hf、Ta、Cr、Zr、Al和Si构成的组的碳化物或硼化物的材料；以及
所述粘结剂选自钴、镍、铁、钛及其合金。
19.如权利要求10所述的方法，其中，步骤(b)执行如下：
将所述粉末放置和密封到柔性且不渗透的容器中；
使流体包围所述容器；和
给所述流体施加压力。
20.如权利要求10所述的方法，其中，步骤(b)执行如下：
将所述粉末放置在刚性模型的腔室内；和
用压实器压紧所述粉末。
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Open date: 20090819 |