CN102026937A - 成型组合物及用其形成用于金属铸造过程中置换件的方法 - Google Patents

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Abstract

一种形成用于金属铸造过程中的置换件的方法，其中该方法提供多个陶瓷颗粒和树脂颗粒。该方法研磨多个陶瓷颗粒直到这些陶瓷颗粒包含小于150微米的直径，研磨多个树脂颗粒直到这些树脂颗粒包含小于100微米的直径，并形成包含多个研磨的陶瓷颗粒和多个研磨的树脂颗粒的粉末混合物。然后该方法将所述粉末混合物放置于包含空腔的模具中，该空腔限定所需的置换件。该方法进一步致密化混合物，并固化所述树脂以形成置换件。

Description

成型组合物及用其形成用于金属铸造过程中置换件的方法
相关专利申请的交叉引用
本申请要求2008年1月31日提交的美国临时申请61/025,259号的优先权，其通过引用并入本文。
技术领域
本发明涉及一种组合物和形成一个或多个用于金属、陶瓷或金属陶瓷铸造过程中的置换件(displacement)的方法。在特定的实施方案中，本发明针对一种组合物，以及使用该组合物以形成一个或多个喷嘴装置置换件和/或切削件置换件的方法，用于金属、陶瓷或金属陶瓷铸造过程中以形成钻探组件的壳体。
背景技术
不同的采矿和钻井作业使用各种不同的钻探组件，其中这些钻探组件包含多个切削件以及一个或多个喷嘴装置，其置于复杂的壳体组件中。将这些钻探组件(包含切削件和喷嘴装置的排列)定制用于特定的钻探应用中。在特定的实施方案中，将多个切削件和喷嘴装置中的每一个都可移除地放置于壳体组件中，因而允许更换使用过/损坏的切削件和喷嘴。
采用金属、陶瓷或金属陶瓷铸造方法形成这种钻探设备壳体组件。在该方法期间，将多个喷嘴装置置换件，以及多个切削件置换件插入到铸造模具中。在铸造壳体后，从壳体移除这些置换件，从而留下空腔，随后将喷嘴装置和/或切削件插入其中。
利用现有技术中的方法，这些喷嘴装置置换件和切削件置换件包含石墨，其通过机加工石墨棒形成。石墨置换件暴露于金属、陶瓷或金属陶瓷铸造过程中温度和压力、以及用于从铸造部件移除这些置换件的力的影响，这通常破坏那些石墨置换件。除了破坏石墨置换件外，从铸造部件中完全移除每一和每个石墨置换件都需要过多的时间。
发明概述
需要一种组合物和成型喷嘴装置置换件和/或复杂的切削件置换件的方法，其中该组合物包含相对廉价的陶瓷粉末，且其中成型和固化置换件的过程相对简短，且其中可以更容易地从铸造部件中移除成型的陶瓷置换件。
申请人的发明提供了一种形成切削件置换件、喷嘴装置置换件等的方法，其中该方法提供多个陶瓷颗粒和多个树脂颗粒。该方法进一步研磨多个陶瓷颗粒直至这些陶瓷颗粒包含小于150微米的直径，研磨多个树脂颗粒直至这些树脂颗粒包含小于100微米的直径，并形成包含多个研磨的陶瓷颗粒和多个研磨的树脂颗粒的混合物。
该方法接着将混合物放置于模具中，该模具包含限定所述喷嘴置换件/切削件置换件的空腔。该方法进一步将混合物致密化，并固化树脂以形成切削件置换件/喷嘴置换件。
附图说明
参照附图，经阅读下面的详细描述将更好地理解本发明，其中相同的参考标记用来表示相同的元件，且其中：
图1是钻探组件的立体图；
图2是图1中钻探组件的俯视图；
图3图解了用于铸造图1和2的钻探组件中的喷嘴壳体部分的喷嘴装置置换件；
图4A是用于铸造图1和2的钻探组件中的壳体部分的第一切削件置换件的侧视图；
图4B是图4A中的切削件置换件的俯视图；
图5是用于铸造图1和2的钻探组件中的壳体部分的第二切削件置换件的侧视图；
图6是概述形成喷嘴装置置换件和/或切削件置换件的申请人的方法中步骤的流程图，和
图7是喷嘴置换件的横截图，其包含包覆有陶瓷覆层的石墨芯。
优化实施方案的详细描述
下面通过参照附图描述的优选实施方案来描述本发明，其中相同的数字表示相同或相似的元件。整个说明书中所称的“一个实施方案”，“实施方案”，或相似的用语意味着与实施方案有关的所述的特定特征、结构或特性均包含在本发明的至少一个实施方案中。因此，在该整个说明书中出现的短语“在一个实施方案中”，“在实施方案中”以及相似的用语，均可以但不是必须地，涉及相同的实施方案。
可以按任何合适的方式在一个或多个实施方案中组合本发明中描述的特征、结构或特性。在下面的描述中，列举了多种特定细节用于完全理解本发明的实施方案。然而，相关领域技术人员将认识到，可以不通过一个或多个特定细节，而使用其它方法、构件、材料等来实现本发明。在其它情形中，没有详细显示或描述公知的结构、材料或操作，以避免使本发明的方面不清楚。
现在参考图1和2，钻探组件100包含壳体110、多个切削件120、以及四个喷嘴装置130。在图1和2图示的实施方案中，多个切削件120中的每一个以及多个喷嘴装置130中的每一个，均可移除地放置于壳体110中。
采用铸造方法形成壳体110，其中制备了限定壳体110形状的模具，然后将熔融金属、陶瓷或金属陶瓷放置于模具中以形成壳体110。形成了壳体110，而没有在其中放置多个可移除的切削件120和多个可移除的喷嘴装置130。相反地，使用了多个切削件置换件和多个喷嘴装置置换件来铸造壳体110。将这些置换件放置于模具空腔中使得熔融金属、陶瓷或金属陶瓷在这些置换件周围流动。随后，移除这些置换件，以提供包含多个切削件空腔和多个喷嘴装置空腔的铸造壳体组件110。然后，将单个切削件和喷嘴装置个体可移除地放置于这些切削件空腔和喷嘴装置空腔中，以形成钻探组件100。
申请人的发明包含一种组合物，以及使用该组合物用于形成喷嘴装置置换件和/或切削件置换件的方法。图3显示了喷嘴装置置换件300的侧视图。在图3中所示的实施方案中，喷嘴装置置换件300包含具有圆对称的复杂形状。在图3所示的实施方案中，喷嘴装置置换件300包含：具有柱形形状和第一直径的第一部分310，具有多个互连的连续螺纹325和第二直径的柱形螺纹状部分320，具有柱形形状和第三直径的第三部分330，具有柱形形状和第四直径的第四部分340，具有柱形形状和第五直径的第五部分350，以及具有柱形形状和第六直径的第六部分360。
申请人的方法还特别适合于形成复杂的切削件置换件。“复杂的切削件”，申请人意指包含一个或多个校准脊(alignment ridge)、一个或多个槽等的切削件。例如现在参考图4A，切削件置换件400包含柱形本体410以及从本体410延伸出的校准脊420。现在参考图5，切削件置换件500包含柱形本体510和圆顶状的顶部520，其中形成了切削件置换件500以包括校准脊530。
图6概述了申请人的方法中的步骤，其采用申请人的成型组合物来形成喷嘴装置置换件和/或复杂的切削件置换件。现在参考图6，在步骤605中，申请人的方法提供了陶瓷粉末。在特定实施方案中，陶瓷粉末选自但不限于氧化硅、氧化锆、橄榄石、氧化镁、碳化硅、氧化铝、以及其组合。步骤605进一步包含提供树脂系统。
在特定的实施方案中，步骤605的树脂系统包含热固性粘结组合物。在特定的实施方案中，步骤605中的热固性树脂系统选自酚醛树脂、间苯二酚-甲醛树脂、甲阶酚醛树脂、线性酚醛(novalac)树脂、三聚氰胺树脂。如本领域技术人员所认识的，三聚氰胺树脂通过双氰胺和甲醛反应形成。
如本领域技术人员所认识的，酚醛树脂、三聚氰胺甲阶酚醛树脂、线性酚醛树脂和甲醛树脂包含强结合力并显示出良好的抗高温性。在特定的实施方案中，申请人的树脂系统包含一部分可以随着热或热与压力而固化的系统。在其它实施方案中，申请人的树脂系统包含上述的树脂，以及硬化剂，其中在施加热时树脂系统发生交联，例如固化。
在特定实施方案中，申请人的硬化剂包含二元胺。在特定实施方案中，申请人的硬化剂包含芳族二元胺，例如但不限于甲苯二胺，二苯甲烷二元胺等。在特定实施方案中，申请人的硬化剂包含烷基二元胺，例如但不限于环己烷二元胺。
在步骤620中，申请人的方法对步骤605中的陶瓷粉末进行研磨。申请人已经发现，必须将陶瓷粉末研磨至小于100目。申请人已经发现，使用具有直径大于约150微米的颗粒的粉末，导致形成了在高温金属铸造过程中包含不足机械性能的置换件。
在特定实施方案中，步骤620包括将步骤605中的陶瓷粉末进行研磨，直到构成该粉末的颗粒包含小于约150微米的直径。在特定实施方案中，步骤602包括形成包含颗粒的陶瓷粉末，所述颗粒具有小于约150微米且大于约30微米的直径。在特定实施方案中，平均的颗粒直径为约75微米。
在步骤625中，申请人的方法对步骤605中的树脂系统进行研磨。申请人已经发现，必须将树脂系统研磨至小于100目。申请人已发现，使用包含直径大于约150微米的颗粒的树脂系统，导致形成在高温金属铸造过程中包含不足机械性能的置换件。
在特定实施方案中，步骤625包含对步骤605中的树脂系统进行研磨，直到构成该粉末的颗粒包含小于约150微米的直径。在特定实施方案中，步骤625包括提供具有直径为小于约150微米且大于约30微米的颗粒的树脂系统。在特定实施方案中，平均颗粒的直径为约75微米。
在步骤630中，申请人的方法决定是否使用纤维增强物。在特定实施方案中，形成了没有纤维增强物的申请人的切削件置换件。在另一方面的特定实施方案中，使用了一种或多种纤维增强物来形成申请人的喷嘴装置置换件。在申请人的方法中选择不使用纤维增强物时，则该方法从步骤630转到步骤640。
如果申请人的方法选择使用纤维增强物，则该方法从步骤630转到步骤635，其中该方法提供了多个增强纤维物。在特定实施方案中，申请人的增强纤维包含碳纤维。在特定实施方案中，申请人的增强纤维包含玻璃纤维。申请人已经发现，玻璃纤维增强纤维包含低的热膨胀系数和高热导性。结果，与石棉和有机纤维相比，玻璃纤维增强的置换件包含散热更快的尺度稳定材料。
在特定实施方案中，申请人的玻璃纤维包含玻璃纤维垫。在特定实施方案中，申请人的玻璃纤维包含长度为约200微米的多个未涂覆的碾碎纤维。
如本领域技术人员所认识的，在从铸造壳体110中移除喷嘴装置置换件和/或切削件置换件后，所得空腔的壁必须尽可能光滑，以便于随后插入喷嘴装置或切削件。如本领域技术人员进一步所认识的，在铸造壳体100中形成的空腔壁体可以不如在金属铸造过程中所使用的喷嘴装置/切削件置换件的表面光滑。
申请人已经发现，使用标称长度为约200微米的增强纤维，赋予了固化的喷嘴装置/切削件置换件的机械强度和表面光滑度的优化组合。更具体地，申请人已经发现，使用包含标称长度为约200微米的增强纤维的置换件，在金属铸造过程中导致形成优化的空腔。申请人还发现，使用较长的纤维不仅导致最小化的机械性能增强，并且进一步导致显著较粗糙的表面。
申请人的方法从步骤635转到步骤640，其中该方法将陶瓷粉末、树脂系统以及步骤635中的任选纤维增强物混合。在特定实施方案中，步骤640包括使用双筒V形搅拌器使用1/8″的氧化铝介质约30分钟以保证几乎均匀混合。
在特定实施方案中，步骤640中的混合的组合物包含约50-约95重量％的陶瓷粉末、约5-约25重量％的树脂系统、以及约0-约25重量％的增强纤维。一般情况下，随着陶瓷粉末的平均颗粒尺寸降低，树脂系统的重量百分比增加。
申请人的方法从步骤640转到步骤650，其中该方法将步骤640中的该混合的组合物装入步骤610中提供的模具中。在步骤660中，申请人的方法对放置于模具中的混合的组合物进行致密化。
在特定实施方案中，步骤660包括使用等静压成形来对混合的陶瓷、树脂、增强物、成型组合物进行致密化。在特定实施方案中，步骤660包括使用单向压力来对混合的陶瓷、树脂、增强物、成型组合物进行致密化。在特定实施方案中，步骤660包括使用振动来对混合的陶瓷、树脂、增强物、成型组合物进行致密化。
在步骤670中，申请人的方法开始固化(一个或多个)喷嘴装置置换件和/或(一个或多个)切削件置换件。在特定实施方案中，步骤670包括在约200℃的温度下加热模具约一小时。在特定实施方案中，步骤670包括采用通风烘箱。在特定实施方案中，步骤670包括将模具放置于传送带上，该传送带将模具传输通过烘箱。在特定实施方案中，步骤670包括使用红外加热。
在特定实施方案中，采用紫外透明材料形成步骤610中的模具，步骤605中的粘结剂包含可紫外固化的粘结剂，其中在步骤670中，使模具暴露于紫外辐射以实现粘结剂组合物的固化。
在步骤680中，从模具中移除部分地固化的(一个或多个)喷嘴装置/切削件置换件。在步骤690中，申请人的方法完成了对(一个或多个)喷嘴装置/切削件置换件的固化。在特定实施方案中，步骤690包含对(一个或多个)部分地固化的置换件在约200℃的温度下加热约一小时。在特定实施方案中，步骤690进一步包含将(一个或多个)部分地固化的置换件暴露于紫外辐射。
现在参考图7，喷嘴置换件700包含二元组合组件，该组件包括石墨芯710和陶瓷覆层720。可采用图6中的方法形成喷嘴置换件700，其中将石墨芯710放置于步骤610的模具中。在这些实施方案中，步骤650包括首先将石墨芯710放置于模具空腔中，然后将步骤640中的混合的成型组合物放置在石墨芯周围。
固化的石墨/陶瓷置换件包含厚度为约1/16英寸的陶瓷覆层，该覆层包覆石墨内芯710。在这些实施方案中，申请人的成型组合物有时包含增强纤维，如上文所述。调节加入成型组合物中的纤维，以使得固化的陶瓷覆层包含的热膨胀系数(“CTE”)和石墨芯710的CTE相匹配。
在特定实施方案中，可以将图6中列举的单独步骤进行组合、消除或重新排序。
尽管已经详细说明了本发明的优选实施方案，然而应当清楚，本领域技术人员可以对这些实施方案进行修改和改变，而不脱离以下的权利要求所述的本发明的范围。

Claims (20)

1.一种形成用于金属铸造过程中的切削件置换件的方法，包含：
提供多个陶瓷颗粒；
提供多个树脂颗粒；
研磨所述多个陶瓷颗粒直到所述陶瓷颗粒包含小于150微米的直径；
研磨所述多个树脂颗粒直到所述树脂颗粒包含小于100微米的直径；
形成包含所述多个研磨的陶瓷颗粒和所述多个研磨的树脂颗粒的粉末混合物；
将所述粉末混合物放置于包含空腔的模具中，该空腔限定所述喷嘴置换件；
将所述混合物致密化；
固化所述树脂以形成所述切削件置换件。
2.如权利要求1的方法，其中所述多个陶瓷颗粒选自氧化硅、氧化锆、橄榄石、氧化镁、碳化硅、氧化铝的颗粒。
3.如权利要求2的方法，其中所述多个树脂颗粒是由酚醛树脂、间苯二酚-甲醛树脂、甲阶酚醛树脂、线性酚醛树脂、三聚氰胺树脂组成的组形成的。
4.如权利要求3的方法，其中所述致密化步骤包括使用等静压将所述混合物致密化。
5.如权利要求3的方法，其中所述致密化步骤包括使用单向压力将所述混合物致密化。
6.如权利要求3的方法，其中所述致密化步骤包括使用振动将所述混合物致密化。
7.如权利要求4的方法，其中所述固化步骤包含在约100℃的温度下加热所述模具约一小时，然后在约200℃的温度下加热约一小时。
8.如权利要求4的方法，其中：
所述树脂包含可紫外(“UV”)固化的粘结剂；
所述模具由UV透明材料形成；
所述固化步骤包含将所述模具暴露于UV辐射。
9.如权利要求1的方法，其中所述切削件置换件包含外表面，所述外表面包含由其向外延伸的一个或多个校准脊。
10.如权利要求1的方法，其中所述切削件置换件包含外表面，所述外表面包含由其向内延伸的一个或多个槽。
11.一种喷嘴置换件的形成方法，包含：
提供多个陶瓷颗粒；
提供多个树脂颗粒；
提供多个增强纤维；
研磨所述多个陶瓷颗粒直到所述陶瓷颗粒包含小于150微米的直径；
研磨所述多个树脂颗粒直到所述树脂颗粒包含小于100微米的直径；
形成包含所述多个研磨的陶瓷颗粒和所述多个研磨的树脂颗粒的粉末混合物；
将所述粉末混合物放置于包含空腔的模具中，所述空腔限定所述喷嘴置换件；
将所述混合物致密化；
固化所述树脂以形成所述切削件置换件。
12.如权利要求11的方法，其中所述多个增强纤维各包含约200微米的长度。
13.如权利要求12的方法，其中所述多个增强纤维由未涂覆的碾碎的玻璃纤维形成。
14.如权利要求13的方法，其中所述致密化步骤包括使用等静压将所述混合物致密化。
15.如权利要求14的方法，其中：
所述树脂包含可紫外(“UV”)固化的粘结剂；
所述模具由UV透明材料形成；
所述固化步骤包含将所述模具暴露于UV辐射。
16.一种形成包含石墨芯和陶瓷覆层的喷嘴置换件的方法，包含：
提供多个陶瓷颗粒；
提供多个树脂颗粒；
提供柱形石墨构件；
研磨所述多个陶瓷颗粒直到所述陶瓷颗粒包含小于150微米的直径；
研磨所述多个树脂颗粒直到所述树脂颗粒包含小于100微米的直径；
形成包含所述多个陶瓷颗粒和所述多个树脂颗粒的粉末混合物；
将所述柱形石墨构件放置于包含空腔的模具中，该空腔限定所述喷嘴置换件；
将所述粉末混合物放置于所述模具中，以使得所述粉末混合物部分包覆所述柱形石墨构件；
将所述混合物致密化；
固化所述树脂以形成所述喷嘴置换件。
17.如权利要求16的方法，其中所述致密化步骤包括使用等静压将所述混合物致密化。
18.如权利要求16的方法，其中所述致密化步骤包括使用单向压力将所述混合物致密化。
19.如17权利要求的方法，其中所述固化步骤包含在约100℃的温度下加热所述模具约一小时，然后在约200℃的温度下加热约一小时。
20.如权利要求17的方法，其中：
所述树脂包含可紫外(“UV”)固化的粘结剂；
所述模具由UV透明材料形成；
所述固化步骤包含将所述模具暴露于UV辐射。
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