CN102149896A - 包括混合硬质合金的钻地钻头零件及其制造方法 - Google Patents

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Abstract

一种钻地钻头零件，例如钻头本体、牙轮或泥浆喷嘴，包括混合硬质合金合成物。混合硬质合金包括硬质合金分散相和硬质合金连续相。还公开了一种制造方法。

Description

包括混合硬质合金的钻地钻头零件及其制造方法
技术领域
本公开涉及包括混合硬质合金合成物(hybrid cemented carbidecomposite)的钻地钻头用零件及其制造方法。包括在本公开内的钻地钻头用零件的示例包括钻地钻头本体、牙轮和泥浆喷嘴。
背景技术
用于油气井钻探的钻地钻头可具有固定或可旋转的切割元件。固定切割器钻地钻头(fixed-cutter earth-boring bit)通常包括附接于固体保持器或钻头本体的多晶金刚石压坯(PDC，polycrystalline diamond compact)。牙轮钻地钻头(roller cone earth-boring bit)通常包括附接于形成钻头的零件的多个可旋转锥形保持器的硬质合金切割插入物。可旋转锥形保持器在本领域被不同地称为“牙轮”、“插入牙轮”、或仅称为“锥体(cone)”。钻地钻头通常固定至钻柱(drill string)的终端，而钻柱是从表面或通过位于钻柱上钻头紧上方的泥浆马达得到旋转的。钻探流体或泥浆沿中空钻柱和形成于钻头本体中的“泥浆喷嘴”泵送。钻探流体或泥浆在钻头旋转时冷却和润滑钻头，并将钻头切下的材料带至表面。
钻头本体和钻地钻头的其它零件在恶劣的井下环境中运转时受到多种形式的磨损。一种常见的磨损形式是通过与磨蚀性岩层接触而引起的磨蚀性磨损。另外，载满岩石切屑的钻探泥浆会在钻头上引起腐蚀性磨损。钻地钻头的使用寿命不仅是切割元件(例如PDC、硬质合金切割插入物、或铣制切割齿)的磨损性能的函数，而且也是钻头本体(固定切割器钻头的情况)或牙轮(牙轮钻头的情况)的磨损性能的函数。增加钻地钻头使用寿命的一种方法是采用由强度、韧性和磨蚀/腐蚀(磨损)抵抗力的组合得到改善的材料制成的钻头本体或牙轮。
图1示出了用于油气井钻探的常规牙轮钻地钻头。牙轮钻地钻头10包括钻头本体12和三个可旋转锥形切割器或“牙轮”14。钻头本体12和牙轮14通常由合金钢制成。硬质合金切割插入物16绕各牙轮14的圆周附接。或者，牙轮14可包括用碳化钨进行过表面硬化处理以改善耐磨性的铣制切割齿。旋转钻柱会使牙轮14沿钻孔的底部滚动，而切割插入物16顺次接触并碎裂孔底的岩石。经由流体孔或“泥浆喷嘴”18泵出的流体的高速喷射从底部区域冲起碎裂的岩石而向上穿出钻孔。切割插入物16或齿牙随着牙轮14的旋转通常啮合达一定程度，而该啮合作用有助于从钻头本体12的表面清除岩石。附接区域19可制有螺纹和/或包括适于使钻头10能够连接至钻柱的端部的其它特征。
图2示出了一常规固定切割器钻地钻头本体。钻头本体20通常由合金钢制成。根据一个最近的进展，如果期望获得较高程度的磨损和腐蚀抵抗力，则钻头本体20可由铸造金属基体合成物形成。该合成物可包括例如通过青铜、黄铜或其它特征在于熔点相对较低的适当合金的基体粘结在一起的钨的碳化物。多个PDC切割器(未示出)固定至钻头本体的凹穴28中，凹穴28位于预定位置以使切割性能最佳化。钻头本体20固定至钢柄(steel shank，未示出)，其通常包括螺纹销连接，钻头由此固定至位于钻柱末端的钻环或井下马达的驱动轴。
钢体钻头通常从圆形坯料加工成期望形状，并具有外表(topographical)和内部特征。可使用表面硬化技术来向钻头本体的表面和钻头本体表面的其它关键区域施加耐磨材料。
在从硬质颗粒和粘结剂制造钻头本体的常规方法中，通过铣制或加工模子来限定出钻头本体的外表面特征。还可能需要附加的手工铣制或粘土工作，来生成或精修钻头本体的外表特征。一旦模子完成后，可在模子空腔内设置预先形成的钻头钢坯，以内在地加强钻头本体，并提供制造后的销附接基体。还可向模子的空腔中插入其它沙子、石墨、或者过渡或耐火金属基插入物，例如限定内部流体流道、用于切割元件的凹穴、脊部(ridge)、陆部(land)、喷嘴排出部(nozzle displacement)、废料缝(junk slot)、和/或钻头本体的其它内部或外表特征的那些插入物。所使用的任意插入物必须放置在精确的位置，以确保切割元件、喷嘴、废料缝等在最终钻头中的恰当定位。然后，可在模子内放置期望的硬质颗粒，并压实至期望密度。然后，用熔融粘结剂浸润硬质颗粒，熔融粘结剂冷凝以形成包括嵌入在粘结剂连续相内的硬质颗粒不连续相的固体钻头本体。
近年来，已经公开了可由硬质合金采用标准粉末冶金实践(粉末固结、紧接着进行生或预烧结粉末压坯塑造或加工、和高温烧结)，来制造固定切割器钻头本体。共同待审美国专利申请No.10/848,437和11/116,752公开了硬质合金合成物在钻地钻头用钻头本体中的使用，它们通过引用整体并入本文。
一般而言，硬质合金基钻头本体提供充分优于通常由钢或浸润碳化物加工而成的现有技术的钻头本体的优点，因为与具有铜基粘结剂的钢或浸润碳化物相比，硬质合金提供强度、韧性和磨蚀/腐蚀抵抗力的非常优异的组合。
再次参考图2，其中示出了一种典型的固体单片硬质合金钻头本体20，其能够用于制造PDC基钻地钻头。可看出，钻头本体20主要由中间部22和臂部或刃部26构成，中间部22具有能够泵送泥浆的孔24，而刃部26具有附接PDC切割器的凹穴28。图2所示钻头本体20可通过粉末金属技术制备。通常，为了制备这种钻头本体，用包括粘结剂金属和碳化物两者的粉末填充模子。然后压实模子，使粉末密实化，从而形成生压坯(green compact)。由于烧结硬质合金的强度和硬度，通常在生压坯形式时加工钻头本体。生压坯可被加工成包括最终钻头本体中所期望的任意特征。然后，可烧结生压坯以获得全密度或近全密度。
虽然由硬质合金制成的钻头本体和保持器与由常规材料制成的钻头本体和保持器相比能够表现出增长的使用寿命，但是在将硬质合金用于这些应用时仍存在局限。适用于钻头本体和保持器的硬质合金的牌号(grade)是有限的。需要高韧性水平来承受钻地操作期间遇到的高冲击力，但是一般而言，较高的韧性牌号的特征在于低硬度和弱耐磨性。因此，一般选出来用于钻头本体和保持器的硬质合金牌号通常包括相对较高的粘结剂含量(例如大于或等于20重量百分比)、和粗的硬质颗粒晶粒尺寸(平均晶粒尺寸为至少4-5微米)。这种牌号通常表现出相对有限的磨损和腐蚀抵抗力水平。因此，虽然基于这种硬质合金牌号的钻头本体和保持器的使用寿命通常超过黄铜、青铜和钢基本体和保持器的使用寿命，但是使用寿命的增加受到了适于钻地应用的硬质合金牌号的性能的限制。
因此，仍然需要具有耐磨性、强度和韧性的有利组合的钻头本体、牙轮、泥浆喷嘴和其它钻地钻头用零件。
发明内容
本公开解决上述问题，方法是提供一种从包括混合硬质合金合成物的钻头本体、牙轮、泥浆喷嘴和其它钻地钻头零件中选出的制造物件、以及制造这种物件的方法。包括在本公开的物件内的混合硬质合金合成物包括硬质合金分散相和硬质合金连续相。在本公开的一个非限制性实施例中，包括在制造物件中的混合硬质合金合成物的分散相的邻接比不大于0.48。在本公开的另一非限制性实施例中，制造物件的混合硬质合金合成物的分散相的邻接比小于0.4。在本公开的又一非限制性实施例中，制造物件的混合硬质合金合成物的分散相的邻接比小于0.2。
根据本公开的物件的一个非限制性实施例，包括在零件中的混合硬质合金合成物的分散相的硬度大于混合硬质合金合成物的连续相的硬度。在另一非限制性实施例中，包括在物件中的混合硬质合金合成物包括第一硬质合金分散相和第二硬质合金分散相，其中第二硬质合金分散相的成分和物理性能中的至少一个不同于第一硬质合金分散相的。在某些非限制性实施例中，物理性能是从硬度、Palmquist韧性和耐磨性中选出的。
在本公开的物件的一个示例性非限制性实施例中，包括在物件中的混合硬质合金的硬质合金分散相占混合硬质合金的2～50体积百分比。在本物件的另一非限制性实施例中，包括在物件中的混合硬质合金的硬质合金分散相占混合硬质合金的2～25体积百分比。
根据本公开的制造物件的某些非限制性实施例，包括在物件中的混合硬质合金的硬质合金分散相的硬度至少为88HRA但不大于95HRA。在物件的另一非限制性实施例中，包括在物件中的混合硬质合金的硬质合金连续相的Palmquist韧性大于10MPa·m1/2。在物件的再一非限制性实施例中，包括在物件中的混合硬质合金的硬质合金连续相的硬度至少为78HRA但不大于91HRA。
如本文所公开的制造物件的非限制性实施例，包括那些包括在物件中的混合硬质合金合成物的硬质合金分散相和硬质合金连续相独立地包括以下组分的实施例：至少一种从周期表IVB、VB和VIB族中选出的金属的碳化物；和包括钴、钴合金、镍、镍合金、铁和铁合金中的至少一个的粘结剂。混合硬质合金的硬质合金分散相和硬质合金连续相中的至少一个的粘结剂可选地还可包括从钨、钛、钽、铌、铝、铬、铜、锰、钼、硼、碳、硅和钌中选出的至少一种合金剂。在本公开的制造物件的一个非限制性实施例中，合金剂的浓度高达包括在物件中的混合硬质合金的粘结剂的20重量百分比。
根据本公开的物件的某些非限制性实施例，包括在物件中的混合硬质合金的分散相的粘结剂浓度占分散相的2～15重量百分比，而连续相的粘结剂浓度占连续相的6～30重量百分比。根据又一非限制性实施例，包括在物件中的混合硬质合金的硬质合金分散相和硬质合金连续相均包括碳化钨和钴。
本公开的多方面包括包括混有合硬质合金的钻地钻头零件。在一非限制性实施例中，混合硬质合金包括：硬质合金分散相，其中分散相的体积分数小于混合硬质合金合成物的50体积百分比；和硬质合金连续相。硬质合金分散相和硬质合金连续相的物理性能不同，并且硬质合金分散相的邻接比小于硬质合金分散相在混合硬质合金中的体积分数的1.5倍。
在本文所公开的钻地钻头零件的非限制性实施例中，硬质合金分散相和硬质合金连续相各自独立地包括：从钛、铬、钒、锆、铪、钽、钼、铌和钨组成的组中选出的至少一种过渡金属的至少一种碳化物；和包括钴、钴合金、镍、镍合金、铁和铁合金中的至少一个的粘结剂。在本公开的钻地钻头零件的另一非限制性实施例中，所述粘结剂还包括从钨、钛、钽、铌、铝、铬、铜、锰、钼、硼、碳、硅和钌中选出的至少一种合金剂。
在本公开的示例性非限制性实施例中，包括在钻地钻头零件中的混合硬质合金合成物具有大于0.7mm-3的耐磨性和大于10MPa·m1/2的Palmquist韧性。在某些非限制性实施例中，钻地钻头零件是钻头本体、牙轮和泥浆喷嘴中的一个。
根据本公开的一方面，一种制造钻地钻头用零件的方法包括：组合一部分第一牌号的硬质合金粉末与一部分第二牌号的硬质合金粉末，以提供粉末混合物；固结粉末混合物的至少一部分以形成生压坯，其中第一牌号的硬质合金粉末是生压坯的分散相，而第二牌号的硬质合金粉末是生压坯的连续相；以及部分或完全烧结生压坯，以形成包括有混合硬质合金合成物的密实化的压坯，混合硬质合金合成物包括硬质合金分散相和硬质合金连续相。在一非限制性实施例中，混合硬质合金合成物的分散相的邻接比不大于0.48。在另一非限制性实施例中，混合硬质合金合成物的分散相的邻接比小于0.4。在又一非限制性实施例中，混合硬质合金合成物的分散相的邻接比小于0.2。
如本文所公开的钻地钻头用零件的制造方法的另一非限制性实施例包括选择用于粉末混合物的第一和第二硬质合金粉末，以使包括在零件中的混合硬质合金合成物的分散相的硬度大于混合硬质合金合成物的连续相的硬度。在再一非限制性实施例中，第三硬质合金粉末与第一和第二硬质合金粉末组合，以提供粉末混合物，以使包括在零件中的混合硬质合金合成物包括硬质合金连续相、悬在连续相中的第一硬质合金分散相、和悬在连续相中的第二硬质合金分散相。根据一个非限制性实施例，混合硬质合金的第一硬质合金分散相的成分和性能中的至少一个不同于第二硬质合金分散相的。在某些非限制性实施例中，各异的性能是从硬度、Palmquist韧性和耐磨性中选出的。
在本公开的钻地钻头零件的制造方法的一个非限制性实施例中，包括在零件中的混合硬质合金的硬质合金分散相按体积计占混合硬质合金合成物的2～50％。在另一非限制性方法实施例中，混合硬质合金合成物的硬质合金分散相按体积计占混合硬质合金合成物的2～25％。此外，在某些非限制性方法实施例中，硬质合金牌号选择成使得包括在零件中的混合硬质合金合成物的硬质合金分散相的硬度至少为88HRA但是不大于95HRA。在另一非限制性实施例中，混合硬质合金合成物的硬质合金连续相的Palmquist韧性大于10MPa·m1/2。在用于制造钻地钻头零件的另一非限制性方法中，包括在零件中的混合硬质合金合成物的硬质合金连续相的硬度至少为78HRA但是不大于91HRA。
根据本公开的钻地钻头零件的制造方法的一个非限制性实施例，包括在零件中的混合硬质合金合成物的硬质合金分散相和硬质合金连续相被独立地选择并各自包括：至少一种从周期表IVB、VB和VIB族中选出的金属的碳化物；和包括钴、钴合金、镍、镍合金、铁和铁合金中的至少一个的粘结剂。在一非限制性实施例中，硬质合金分散相和硬质合金连续相中的至少一个的连续相(粘结剂)包括从钨、钛、钽、铌、铝、铬、铜、锰、钼、硼、碳、硅和钌中选出的至少一种合金剂。根据某些非限制性实施例，合金剂被包括在高达粘结剂的20重量百分比的浓度中。
如本文所公开的钻地钻头零件的制造方法的一个非限制性实施例包括在零件中设置混合硬质合金，其中混合硬质合金的分散相的粘结剂浓度占分散相的2～15重量百分比，而混合硬质合金的连续相的粘结剂浓度占连续相的6～30重量百分比。
根据本公开的钻地钻头零件的制造方法的一个非限制性实施例，零件包括这样一种混合硬质合金，其中混合硬质合金的硬质合金分散相的体积分数小于混合硬质合金的50体积百分比，并且混合硬质合金的硬质合金分散相的邻接比小于硬质合金分散相在混合硬质合金合成物中的体积分数的1.5倍。
在本公开的钻地钻头零件的制造方法的一个非限制性实施例中，包括在零件中的混合硬质合金合成物具有大于0.7mm-3的耐磨性和大于10MPa·m1/2的Palmquist韧性。
根据用于制造钻地钻头零件的方法的一个非限制性实施例，该方法包括：组合一部分第一牌号的硬质合金粉末与一部分第二牌号的硬质合金粉末，以提供粉末混合物；固结粉末混合物的至少一部分以形成生压坯，其中第一牌号的硬质合金粉末是生压坯的分散相，而第二牌号的硬质合金粉末是生压坯的连续相；预烧结生压坯以形成半熟压坯；以及烧结半熟压坯，以形成包括有混合硬质合金合成物的密实化的压坯，混合硬质合金合成物包括硬质合金分散相和硬质合金连续相。在一非限制性实施例中，在烧结半熟压坯前，加工半熟压坯。在该方法的另一非限制性实施例中，加工半熟压坯包括在半熟压坯中加工出至少一个切割器插入凹穴。在再一非限制性实施例中，在预烧结生压坯前，加工生压坯。在又一实施例中，加工生压坯包括在生压坯中加工出至少一个切割器插入凹穴。
根据上述方法的某些非限制性实施例，固结至少一部分粉末混合物包括压制粉末混合物的所述至少一部分。在再一非限制性实施例中，压制粉末混合物的所述至少一部分包括均衡地压制粉末混合物的所述至少一部分。
根据上述方法的某些非限制性实施例，进行组合以形成粉末混合物的第一牌号的硬质合金粉末和第二牌号的硬质合金粉末各自独立地包括从由碳化钛、碳化铬、碳化钒、碳化锆、碳化铪、碳化钽、碳化钼、碳化铌和碳化钨组成的组中选出的过渡金属碳化物。
根据上述方法的某些非限制性实施例，烧结半熟压坯以形成密实化压坯包括在液相温度烧结半熟压坯。本方法的另一非限制性实施例包括在1350℃～1500℃的温度以300～2000psi的压力烧结半熟压坯。
根据一个非限制性方法，包括本公开的钻地钻头零件中的混合硬质合金合成物包括具有第一混合硬质合金合成物成分的第一区域和具有第二混合硬质合金合成物成分的第二区域。在上述方法的一个非限制性实施例中，所述方法包括在将粉末混合物的至少一部分固结成生压坯前：向模子的空隙的第一区域中放置用于形成第一混合硬质合金合成物成分的至少一部分第一粉末混合物；向模子的空隙的第二区域中放置用于形成第二混合硬质合金合成物成分的至少一部分第二粉末混合物；以及通过压制位于模子的空隙内的粉末混合物来固结放置于模子的空隙中的粉末混合物，从而形成生压坯。
在并非用于限制的一个实施例中，一种用于制造本公开的钻地钻头零件的方法包括：形成包括有横向断裂强度大于300ksi的混合硬质合金的固定切割器钻头本体。在另一非限制性实施例中，所形成的固定切割器钻头本体中的混合硬质合金具有大于55,000,000psi的杨氏模量。
附图说明
可通过参考附图来更好地理解本文所述方法和物件的特征和优点，附图中：
图1是常规牙轮钻地钻头的示意性透视图；
图2是常规固定切割器钻地钻头的示意性透视图；
图3是一实施例的钻地钻头用钻头本体的示意性截面图；
图4是本公开一个非限制性实施例的钻地钻头中的混合硬质合金合成物的显微组织的显微照片；
图5示意性地示出了用于判断混合硬质合金合成物的邻接值的一种方法；
图6是断裂韧性随相对耐磨性发生变化的图形，示出了本公开非限制性实施例中所用的混合硬质合金合成物比起常规单牌号硬质合金合成物具有增强的耐磨性；
图7A是邻接比大于0.48的混合硬质合金合成物的显微照片；而
图7B是邻接比不大于0.48的混合硬质合金合成物的显微照片。
读者在阅读本公开的某些非限制性实施例的以下详细描述后将理解上述详情以及其它特征。
具体实施方式
在对非限制性实施例的本描述中，除操作示例或另有说明外，表示数量或特性的所有数字均应理解为在所有实例中均被术语“约”修正过。因此，除非有相反说明，在以下描述中给出的任意数字参数均为近似值，可根据希望在本公开的零件和方法中获得的期望性能发生变化。至少来说，并非为了试图限制相当于权利要求的范围的教义的应用，在本说明中描述的每个数字参数均应至少根据报告过的有效数字的数字并通过应用常规舍入技术来解释。
被叙述为通过引用整体或部分并入本文的任意专利、出版物或其它公开材料，只并入本文达到使并入材料不与本公开中给出的现有定义、陈述或其它公开材料相冲突的程度。如此一来，达必要程度，本文给出的公开将取代通过引用并入本文的任意冲突材料。被叙述为通过引用并入本文但与本文给出的现有定义、陈述或其它公开材料相冲突的任意材料或其一部分，只并入达使并入材料与现有公开材料之间不发生冲突的程度。
本公开的实施例涉及用于钻地钻头的新颖零件。这种零件包括例如钻地钻头本体、牙轮、泥浆喷嘴、和牙轮钻地钻头用齿牙。本公开的实施例还涉及本文所述钻地钻头用新颖零件的制造方法。虽然本说明必然只是参考有限数量的钻地钻头用零件，但是应该理解的是本发明范围宽到足以包含将受益于本文所述新颖设计和/或新颖制造方法的任意钻地钻头零件。
本说明的钻地钻头本体零件的实施例包括混合硬质合金合成物或仅称为“混合硬质合金”。如本领域的技术人员已知的，硬质合金是通常在连续粘结剂相中遍布并镶嵌有硬质金属碳化物颗粒不连续相的合成材料。还如本领域的技术人员已知的，混合硬质合金是可在第二硬质合金牌号的连续粘结剂相内遍布和镶嵌有第一硬质合金牌号的硬质颗粒不连续相的合成物。如此一来，混合硬质合金可以是硬质合金的合成物。
混合硬质合金中各硬质合金的硬质金属碳化物通常包括作为周期表IVB、VB和VIB族中的元素的一种或多种过渡金属的碳化物。通常在硬质合金中应用的过渡金属包括例如钛、钒、铬、锆、铪、钼、铌、钽和钨。使金属碳化物晶粒粘结或“胶结”在一起的连续粘结剂相通常从钴、钴合金、镍、镍合金、铁和铁合金中选出。此外，可添加例如钨、钛、钽、铌、铝、铬、铜、锰、钼、硼、碳、硅和钌等一种或多种合金元素，来增强合成物的某些性能。在从本公开的钻头本体、牙轮和泥浆喷嘴中选出的钻地钻头零件的一个非限制性实施例中，零件由这样一种混合硬质合金制成，其中混合硬质合金的分散相的粘结剂浓度是分散相的2～15重量百分比，而混合硬质合金的连续粘结剂相的粘结剂浓度是连续粘结剂相的6～30重量百分比。
本文所述钻地钻头零件的某些非限制性实施例的混合硬质合金具有相对较低的邻接比，从而改善混合硬质合金相对于其它硬质合金的某些性能。可用于本公开的钻地钻头零件的实施例的混合硬质合金的非限制性示例在美国专利No.7,384,443中有描述，其内容通过引用整体并入本文。
固定切割器钻地钻头本体30的一个截面在图3的示意性截面图中示出，并作为本公开的钻地钻头本体的非限制性示例。通常，钻头本体30可包括位于附接于钻头本体30的柄34上的附接工具(attachment means)32(图3中示出的是螺纹)。在本文所公开的某些非限制性实施例中，柄34和附接工具32可分别独立地由钢、另一种金属合金、不连续硬质相和连续粘结剂相的合成物、或混合硬质合金制成。柄34可通过任意方法附接至钻头本体30，例如但不限于钎焊、螺纹连接、销、键槽、冷缩装配、粘结剂、扩散粘结、干涉装配、或者任意其它适当的机械或化学连接方法。
钻头本体30可构造成包括多个区域，其中至少一个区域包括混合硬质合金。在一个非限制性实施例中，包括在钻头本体30的一个区域中的混合硬质合金合成物具有小于等于0.48的邻接比。在另一非限制性实施例中，钻头本体30的多个区域中的每一个包括混合硬质合金，而各个这种混合硬质合金可相同于或不同于钻头本体30中的其它混合硬质合金。在一个非限制性实施例中，钻头本体30的各区域中的混合硬质合金就成分和性能中的至少一个而言，不同于钻头本体10中的另一混合硬质合金。钻头本体30内的混合硬质合金的差异可由混合硬质合金的不连续和/或连续相中的金属碳化物颗粒的浓度、尺寸和/或成分的差异引起。钻头本体30内的混合硬质合金的差异还可由混合硬质合金的不连续和/或连续相中的粘结剂的差异引起。此外，钻头本体30内的混合硬质合金的差异还可以是遍布(即不连续地)于第二硬质合金连续相中的一个硬质合金牌号的浓度差异的结果。使用硬质颗粒尺寸和粘结剂的任意组合来提供适用于钻地应用的性能的混合硬质合金落在本公开的范围内。本公开包含任意可能的钻地钻头零件，其中零件的一个区域的一个部分由包括分散和镶嵌在硬质合金连续相中的硬质合金分散相的混合硬质合金组成。在一非限制性实施例中，钻头本体的至少一部分、牙轮或泥浆喷嘴包括分散相的邻接比不大于0.48的混合硬质合金合成物。在钻头本体中的不同区域或区域的部分中设置不同的混合硬质合金能实现在具体区域或区域部分中定制性能，以处理钻地操作期间对区域或部分的特定物理需求。如此一来，钻地钻头本体或其它零件可根据本发明来设计，使得区域或区域部分的性能或成分在不同区域或部分之间急剧变化或大于逐渐变化。
在钻头本体、牙轮或泥浆喷嘴的一个非限制性实施例中，混合硬质合金的分散相占整个混合硬质合金的2～50体积百分比。
在本公开的钻头本体的一个非限制性示例中，图3的钻头本体30包括三个不同区域：顶部区域36、中间区域38、和底部区域40。在一个非限制性实施例中，顶部区域36、中间区域38和底部40中的每一个均由混合硬质合金合成物制成。各区域36、38和40中的混合硬质合金可具有相同成分，包括分散相和连续相由相同硬质合金牌号组成的混合硬质合金。在另一非限制性实施例中，各区域36、38和40包括不同的混合硬质合金。应该理解的是，各区域36、38和40中混合硬质合金之间的变化可通过例如以下方式中的一种或多种来实现：改变混合硬质合金中的分散相和连续相的浓度；改变用于形成混合硬质合金的分散和/或连续相的硬质合金的相似性(identity)；和改变形成混合硬质合金的不连续相的硬质合金颗粒的形态(例如尺寸和/或形状)。在某些非限制性实施例中，钻头本体30的至少一个区域中的混合硬质合金包括邻接比不大于0.48的分散相。请注意，虽然图3示出的示例是固定切割器钻地钻头，但是这里关于钻头本体30中区域和区域部分之间的变化的论述同样适用于被本公开包含的所有钻地钻头零件。
在本公开的钻地钻头零件的另一非限制性实施例中，钻地钻头本体、牙轮或泥浆喷嘴包括由混合硬质合金组成的至少一个区域，而本体、牙轮或喷嘴的其它区域由其它常规材料制成。这种常规材料包括例如钢或一种合成物，该合成物包括分散在例如黄铜、青铜等含铜合金、钴、钴合金、镍、镍合金、铁或铁合金中的硬质颗粒。例如，参考图3，顶部区域36可包括钨和/或碳化钨颗粒的不连续硬质相，中间区域38可包括铸造碳化物、碳化钨和/或烧结硬质合金颗粒的不连续硬质相，而底部区域40可包括混合硬质合金合成物。在一非限制性实施例中，底部区域40中的混合硬质合金的分散相的邻接比不大于0.48。只要钻地钻头零件的区域或区域的一个部分包括混合硬质合金，则钻地钻头零件的任意材料配置均落于本文的实施例的范围内。
再次参考图3，钻头本体30可包括沿底部区域40的周缘部设置的一系列切割插入物用凹穴42，切割插入物能够固定在这些凹穴内。凹穴42可直接模制于钻头本体30中，也可加工到在钻头本体30的制造期间作为中间产物形成的生(green)或半熟(brown)压坯中。例如但不限于多晶金刚石压坯(PCD)的切割插入物可如上所述通过例如钎焊或其它附接方法附接到凹穴中。钻头本体30还可包括内部流体流道、脊部、陆部、喷嘴、废料缝、和钻地钻头本体的其它常规外表特征。可选地，可通过在钻头本体30的制造期间向钻头本体30中并入预先形成的插入物来提供这些外表特征。一个示例是插入物44，其限定出插入凹穴，并通过在用于形成钻头本体30的模子中适当地定位而得以定位和固定在钻头本体30上的周缘位置处。根据某些非限制性实施例，例如钻头本体30的插入物44等插入物由混合硬质合金组成。在某些非限制性实施例中，包括在钻头本体30中的混合硬质合金(例如包括在插入物44中的混合硬质合金)的分散相的邻接比不大于0.48。应该理解的是，虽然以上描述的插入物的使用和构造是基于钻头本体30的插入物44来提供的，但是由混合硬质合金或其它材料组成、并具有期望构造的插入物可包括在本公开的任意钻地钻头零件中。
分散相的邻接比不大于0.48的混合硬质合金合成物的形成方法的某些实施例在美国专利No.7,384,443中有记载，这里通过引用将其整体并入本文。图4是如本文所公开的分散相邻接比等于0.26并且适用于本发明的混合硬质合金的一个非限制性实施例的显微照片。图4中的浅色材料基体是硬质合金连续粘结剂相，而深色材料孤立部是分散并镶嵌在混合硬质合金的分散相的粘结剂相内的硬质合金颗粒。下面简要描述用于测量混合硬质合金合成物的邻接比的方法。下面还将描述用于钻地钻头本体、牙轮、泥浆喷嘴和其它钻地钻头零件的混合硬质合金的制备方法的非限制性示例。
合成结构中分散相邻接的程度可表征为“邻接比(contiguity ratio)”Ct。可使用Underwood的Quantitative Stereology，pp.25-103(1970)中所描述的定量金相技术来确定Ct，其内容通过引用并入本文。该技术包括确定置于材料显微照片的显微组织上具有已知长度的随机取向线条与特定结构特征形成的交叉的数量。计算线条(L)与分散相/分散相界面(αα)的交叉总数，并将其指定为NLαα。还计算线条(L)与分散相/连续相界面(αβ)的交叉总数，并将其指定为NLαβ。图5示意性地示出了获取NLαα和NLαβ的值的程序。在图5中，合成物50包括处于连续相54(β相)中的分散相颗粒52(α相)。图5中最上侧线条与一个αα界面和两个αβ界面相交，而下侧线条与两个αβ界面相交。通过方程式Ct＝2NLαα/(NLαβ+2NLαα)来计算邻接比Ct。
邻接比是分散相颗粒与其它分散相颗粒发生接触的表面面积的平均分数的量度。邻接比可从0～1变化，并在分散颗粒的分布从完全分散(即没有颗粒-颗粒接触)到完全成团结构时接近1。邻接比描述分散相的连续程度，而不考虑分散相区域的体积分数或尺寸。然而，通常，对于较高体积分数的分散相，分散相的邻接比也会较高。
已观察到，在混合硬质合金具有较硬硬质合金分散相的情况下，邻接比越低，则合成物中的裂纹经由邻接的硬相区域传播的风险就越低。这种开裂过程可以是重复的过程，具有累积效果，导致如本文所述的例如钻地钻头本体、牙轮或泥浆喷嘴等混合硬质合金物件的整体韧性减小。
在如本文所公开的钻头本体、牙轮、泥浆喷嘴等钻地钻头零件的某些非限制性实施例中，包括在这类零件中的混合硬质合金可包括形成混合硬质合金的连续粘结剂相的约2～约40(体积)％的硬质合金牌号。在另一些实施例中，混合硬质合金可包括形成混合硬质合金的连续粘结剂相的约2～约30(体积)％的硬质合金牌号。在某些应用中，可希望在混合硬质合金中包括形成混合硬质合金的连续粘结剂相的6～25(体积)％的硬质合金牌号。
图6示出了在包括碳化钨和钴的常规硬质合金牌号中存在于断裂韧性与耐磨性之间的关系。特定的常规硬质合金牌号的断裂韧性和耐磨性通常会落在包围图示趋势实线60的窄带中。
如图6所示，常规硬质合金一般可分为至少两类：(i)区域I中示出的韧性较高的牌号；(ii)区域II中示出的比较耐磨的牌号。通常，包括在区域II中的耐磨牌号是基于相对较小的金属碳化物晶粒尺寸(一般小于等于约2μm)、并且粘结剂含量位于从约3重量百分比直到约15重量百分比的范围内。例如位于区域II中的那些牌号因其保持尖锐切割边缘的能力以及相对较高的耐磨水平，而常常用于金属切割和形成刀具。相反，包括在区域I中的韧性相对较高的牌号一般基于相对较粗的金属碳化物晶粒(一般大于等于约3μm)、并且粘结剂含量位于从约6重量百分比直到约30重量百分比的范围内。基于粗金属碳化物晶粒的牌号广泛用于材料会受到冲击和撞击并经历磨蚀性磨损和热疲劳的应用场合。粗晶粒硬质合金牌号的常见应用包括用于采矿和地质钻探、金属热轧以及金属撞击成型(例如冷锻等)的工具。
如上所述，混合硬质合金可定义为多种硬质合金的合成物。混合硬质合金的非限制性示例可包括从图6的区域I中选出的硬质合金牌号和从区域II中选出的硬质合金牌号。在这种情况下，一个硬质合金牌号将作为分散相存在，并镶嵌在第二硬质合金牌号的连续相内。可包括在本公开的钻地钻头零件中的混合硬质合金的某些非限制性实施例包括硬质合金分散相和硬质合金连续相，其中硬质合金连续相的至少一个性能(例如强度、耐磨性或韧性)不同于硬质合金分散相的。在一个非限制性实施例中，包括在本公开的钻头本体、牙轮、泥浆喷嘴和其它钻地钻头零件中的混合硬质合金的硬质合金分散相的硬度至少为88HRA，但不大于95HRA。在另一非限制性实施例中，包括在本公开的钻地钻头零件中的混合硬质合金的硬质合金连续相的Palmquist韧性大于10MPa·m1/2。在再一非限制性实施例中，包括在本公开的钻头本体、牙轮、泥浆喷嘴和其它钻地钻头零件中的混合硬质合金的硬质合金连续相的硬度至少为78HRA，但不大于91HRA。
在一非限制性实施例中，钻头本体、牙轮、泥浆喷嘴和其它钻地钻头零件中使用的混合硬质合金可包括成分和性能中的至少一个与第一硬质合金分散相不同的第二硬质合金分散相。两种分散相的性能的差异可包括但不限于硬度、Palmquist韧性和耐磨性中的一个或多个。在其它可能实施例中，在单个混合硬质合金中包括多于两种的不同硬质合金分散相。
图7A和7B示出了用于本公开的零件的某些混合硬质合金的非限制性示例。图7A的显微照片中示出了一种已知的混合硬质合金材料70。该材料70包括连续相71，连续相71由可从Alabama州Madison城的ATI FirthSterling公司购买到的牌号2055TM硬质合金这样一种硬质合金牌号形成。如本领域技术人员所熟悉的，Firth SterlingTM牌号2055TM的硬质合金是以粉末形式销售的，必须使用常规压制烧结技术进行处理，以从粉末形成硬质合金合成材料。(当讨论制成硬质合金合成材料的粉末材料时，本公开可适用于硬质合金“粉末”。)牌号2055TM硬质合金是具有中等硬度的耐磨硬质合金，并包括90(重量)％的作为不连续相的平均晶粒尺寸为4～6μm的碳化钨颗粒、和10(重量)％的作为连续粘结剂相的钴。牌号2055TM硬质合金的性能包括87.3HRA的硬度、0.93mm-3的耐磨性、和17.4MPa·m1/2的Palmquist韧性。再次参考图7A，混合硬质合金70还包括分散相72，分散相72由可作为FirthSterlingTM牌号FK10FTM硬质合金购买到的硬质合金形成，该硬质合金相对较硬并且耐磨性相对较高。牌号FK10FTM硬质合金包括94(重量)％的作为不连续相的平均晶粒尺寸大致为0.8μm的碳化钨颗粒、和6(重量)％的钴粘结剂。Firth SterlingTM牌号FK10FTM硬质合金的性能包括93HRA的硬度、6.6mm-3的耐磨性、和9.5MPa·m1/2的Palmquist韧性。
混合硬质合金70由30(体积)％的用于形成分散相的牌号FK10FTM硬质合金粉末的未烧结或“生”细粒与70(体积)％的用于形成连续相的牌号2055TM硬质合金粉末的未烧结或“生”细粒混合而生成。混合的硬质合金粉末形成粉末混合物。该混合物的一部分例如通过压实而得到固结，以形成生压坯。然后使用常规手段来烧结生压坯，以进一步使材料密实化，并将粉末颗粒熔合在一起。所得混合硬质合金70具有0.5的硬质不连续相邻接比和12.8MPa·m1/2的Palmquist韧性。从图7A可看出，分散相的未烧结细粒在粉末混合物被压实期间沿施压方向崩溃，从而在变成分散相72的粉末牌号的先前不连接领域之间形成物理连接。由于固结期间在分散相硬质合金粉末的领域之间形成连接，所以通过烧结生成的混合硬质合金具有大致为0.5的相对较高的不连续相邻接比。图7A的材料中的分散相区域70之间的物理接触例如允许起源于一个分散相领域中的裂纹通过跟随连续路径而更容易传播穿过该硬质分散相，而不遇到韧性更大的连续相71。因此，虽然混合硬质合金70能够相对于某些常规(即非混合)硬质合金表现出一些韧性改善，但是混合合成物70的韧性比起韧性更大的连续相71趋于更接近硬质分散相72。
图5B所示的混合硬质合金75制备来用于本公开的钻地钻头本体、牙轮、泥浆喷嘴和其它零件。混合硬质合金75包括相对较韧并且抗裂的连续硬质合金相76、和相对较硬并且耐磨的分散硬质合金相77。形成混合硬质合金75的分散相和连续相的两个硬质合金牌号的成分和体积比与图7A的混合硬质合金相同。然而，混合硬质合金75的制造方法不同于混合硬质合金70的制造方法，导致合成物显微组织的差异以及性能的显著不同。具体说，形成分散相77的硬质合金粉末在与变成连续相的硬质合金粉末组合前已被烧结。变成分散相77的烧结细粒在粉末混合物固结后不发生显著崩溃，对于混合硬质合金75的分散相获得非常低的邻接比0.31。降低的邻接比会对混合硬质合金的整体性质(bulk property)产生极大的影响。图7B所示混合硬质合金75的硬度测量值为15.2MPa·m1/2，比图7A所示混合硬质合金70测得的硬度大18％多。混合材料75的相对增加了的硬度被认为是材料中分散相区域之间的相互连接频率变低的结果。如此一来，起源于任一硬质分散相区域77并经由混合材料75传播的裂纹将更容易遇到韧性更大的连续相76，其更能抵抗裂纹的进一步传播。
下面将描述可用于本公开的物件的混合硬质合金的生成用粉末混合物的非限制性示例。应该理解的是，本文提供的必然只是有限数量的可能粉末混合物，而这种混合物绝不是穷举可用于生成适用于本发明的混合硬质合金的可能混合物。
示例1
通过组合以下粉末牌号来制备可用于制造适用于本发明的混合硬质合金的粉末混合物：按重量计85％的ATI Firth Sterling牌号FL30粉末(形成混合硬质合金的连续相)、和按重量计15％的ATI Firth Sterling牌号HU6C粉末(形成分散相)。连续相粉末牌号(FL30粉末)最初呈处于喷雾干燥状态(as-spray dried condition，也称为“生”粉末状态)下的比较圆的粉末细粒形式。分散相粉末牌号(HU6C粉末)最初也处于喷雾干燥状态，但是生细粒在混合前在约800℃的真空环境中受到热处理(预烧结)。生FL30粉末细粒与预烧结HU6C粉末细粒在V形混合器中混合约45分钟。两种粉末的成分和性质列举在表1中，其中TRS(transverse rupture strength)是横向断裂强度。
表1
  牌号FL-30粉末   牌号HU6C粉末
  成分   WC颗粒和Co+Ni粘结剂   WC颗粒和Co粘结剂
  硬度(HRA)   79.0   92.7
  粘结剂含量(重量％)   30.0(Co+Ni)   6.0(Co)
  密度(g/cc)   12.70   14.90
  TRS(ksi)   320   500
  平均WC晶粒尺寸(μm)   3～5   0.8
示例2
通过组合以下粉末牌号来制备可用于制造适用于本发明的混合硬质合金的另一粉末混合物：按重量计80％的ATI Firth Sterling牌号FL25粉末(形成连续相)、和按重量计20％的ATI Firth Sterling牌号P40(形成分散相)。连续相粉末牌号(FL25粉末)最初呈处于喷雾干燥(生粉末)状态下的比较圆的粉末细粒形式。分散相粉末牌号(P40粉末)最初也处于喷雾干燥状态。生FL25粉末细粒与生HU6C粉末细粒在双锥混合器中混合约60分钟。这两种粉末牌号的成分和性质列举在表2中。
表2
  牌号FL-25粉末   牌号P40粉末
  成分   WC颗粒和Co+Ni粘结剂   WC颗粒和Co粘结剂
  硬度(HRA)   81.0   91.2
  粘结剂含量(重量％)   25.0(Co+Ni)   6.0(Co)
  密度(g/cc)   13.00   14.90
  TRS(ksi)   350   475
  平均WC晶粒尺寸(μm)   3～5   1.5
示例3
通过组合以下粉末牌号来制备可用于制造适用于本发明的混合硬质合金的另一粉末混合物：按重量计90％的ATI Firth Sterling牌号H20粉末(形成连续相)、和按重量计10％的ATI Firth Sterling牌号H17(形成分散相)。连续相粉末牌号(H20粉末)最初呈处于喷雾干燥(生粉末)状态下的比较圆的粉末细粒形式。分散相粉末牌号(H17粉末)最初也处于喷雾干燥状态，但是粉末细粒在混合前在约1000℃的真空中受到热处理(预烧结)。生H20粉末细粒与预烧结粉末H17细粒在V形混合器中混合约45分钟。这两种粉末牌号的成分和性质列举在表3中。
表3
  H20   H17
  成分   WC颗粒和Co粘结剂   WC颗粒和Co粘结剂
  硬度(HRA)   84.5   91.7
  粘结剂含量(重量％)   20.0(Co)   10.0(Co)
  密度(g/cc)   13.50   14.50
  TRS(ksi)   400   550
  平均WC晶粒尺寸(μm)   3～5   0.8
示例4
通过组合以下粉末牌号来制备可用于制造适用于本发明的混合硬质合金的又一粉末混合物：按重量计80％的ATI Firth Sterling牌号ND30粉末(形成连续相)、按重量计10％的ATI Firth Sterling牌号HU6C粉末(形成第一分散相)、和按重量计10％的ATI Firth Sterling牌号AF63粉末(形成第二分散相)。连续相粉末牌号(ND30粉末)最初呈处于喷雾干燥″生″状态下的比较圆的粉末细粒形式。分散粉末牌号(HU6C和AF63粉末)最初也处于喷雾干燥状态。然而，HU6C粉末细粒在混合前在约800℃的真空中受到热处理(预烧结)。生ND30粉末细粒与预烧结HU6C和生AF63粉末细粒在Turbula混合器中混合约30分钟。这三种粉末牌号的性质列举在表4中。
表4
根据本公开的一个方面，一种制造钻地钻头零件的方法包括在零件中设置混合硬质合金，其中混合材料的邻接比小于混合材料中分散相的体积分数的1.5倍。在某些钻地钻头本体、牙轮、泥浆喷嘴和其它相关零件中，有利的是将包括在这些零件中的混合硬质合金的邻接比进一步限制为小于混合硬质合金内分散相的体积分数的1.2倍。例如，可通过对将被设置成不连续相的硬质合金粉末进行部分或完全预烧结来降低邻接比。或者，可通过降低分散硬质合金相在混合材料内的体积百分比来降低邻接比，其中在与连续硬质合金相的粉末混合以生成粉末混合物前，可对也可不对作为分散相被包括在粉末混合体中的粉末进行预烧结。
本文所公开的实施例涉及性能得到了改善的混合硬质合金合成物的制造方法，并且还涉及在至少一个区域或区域的一部分中并入有混合硬质合金的钻地钻头零件。适用于钻地钻头零件的混合硬质合金的一个非限制性制造方法包括使形成混合材料的分散相的生的未烧结硬质合金牌号与形成混合材料的连续相的生的未烧结硬质合金牌号混合。在另一非限制性实施例中，一种制造适用于钻地钻头零件的混合硬质合金的方法包括：通过使一定量的形成混合材料的分散相的硬质合金牌号的部分和/或完全烧结细粒与一定量的形成混合材料的连续相的硬质合金牌号的生和/或未烧结细粒进行组合来形成粉末混合物。使粉末混合物的至少一部分固结以形成生压坯，并使用常规烧结手段来烧结生压坯。部分或完全烧结用于形成分散相的硬质合金细粒会使这些细粒得到强化(与未烧结或“生”细粒相比)，而强化后的细粒在粉末混合物的固结期间将提高对崩溃的抵抗力，从而降低最终混合材料中的邻接比。根据期望在混合硬质合金中得到的最终分散相的强度，可在约400℃～约1300℃的温度范围内部分或完全烧结分散相的细粒。可使用本领域已知的多种手段中的任一种，例如但不限于氢气烧结和真空烧结，来烧结硬质合金粉末细粒。细粒的烧结能够实现去除润滑剂、氧化物还原、密实化、和显微组织生长。
包括对形成混合材料的不连续相的硬质合金粉末细粒进行预烧结的钻地钻头零件用混合硬质合金的制造方法的实施例能实现形成分散相邻接比相对较低的混合硬质合金，例如图7B所示的混合材料。因为至少一种硬质合金的细粒在与其它粉末组合以形成粉末混合物前进行了部分或完全预烧结，所以烧结细粒不易像图7A所示那样在粉末混合物固结期间发生崩溃，因此所得混合硬质合金的邻接度相对较低。一般来说，分散相硬质合金细粒尺寸越大，并且连续硬质合金相细粒尺寸越小，则硬质不连续相牌号的任意体积分数时的邻接比越低。例如图7B所示混合硬质合金75是通过首先在约1000℃预烧结分散相硬质合金牌号粉末细粒而生成的。
在本公开的包括混合硬质合金的钻地钻头零件的制造方法的一个非限制性实施例中，使一定量的第一牌号的硬质合金粉末与一定量的第二牌号的硬质合金粉末组合来提供粉末混合物。如本文所使用的，硬质合金粉末的“牌号”是指具有特定的硬质金属碳化物颗粒成分和尺寸分布、以及特定的粘结剂成分和体积百分比的硬质合金粉末。本领域技术人员能意识到使用不同牌号的硬质合金粉末来向烧结硬质合金零件给予例如硬度和韧性等不同性能的期望水平。在本方法的一个非限制性实施例中，第一牌号的硬质合金在与第二牌号的硬质合金粉末组合以形成粉末混合物前进行部分或完全预烧结。粉末混合物的至少一部分在例如适当构成的模子的空隙中被固结，以形成具有期望构造和尺寸的生压坯。可使用例如在刚性压模中进行机械或液压压制、以及湿袋或干袋等静压成形技术等常规技术来进行固结。
可预烧结或完全烧结生压坯，以进一步固结并密实化粉末。预烧结结果在比最终烧结操作中使用的温度低的温度发生，只能实现压坯的部分固结和密实化。可预烧结生压坯，来提供预烧结的或“半熟”压坯。半熟压坯与最终完全烧结的物件相比具有相对较低的硬度和强度，但是却具有比生压坯高得多的强度和硬度。制造期间，可进一步对生压坯、半熟压坯和/或完全烧结物件进行加工，来修改压坯或物件的形状并提供最终钻地钻头零件。一般地，生或半熟压坯比完全烧结物件更易加工。如果完全烧结的零件难以加工和/或需要进行研磨才能满足需要的最终尺寸、最终公差，则加工生或半熟压坯是有利的。还可采用改善生或半熟压坯的可加工性的其它手段，例如向粉末混合物添加加工剂来封闭压坯内的多孔状态等。一种常规加工剂是聚合物。在某些非限制性实施例中，可在常规真空炉中在液相温度进行烧结，也可在SinterHIP(烧结热等静压)型炉子中以高压进行烧结。例如，在本公开的方法的一个非限制性实施例中，在300-2000磅每平方英寸(psi)和1350～1500℃对压坯进行超压烧结。压坯的预烧结和烧结能去除润滑剂、并实现氧化物还原、密实化、和显微组织生长。烧结后，在所得混合硬质合金合成物中，包括在粉末混合物中的第一牌号的硬质合金粉末形成硬质合金分散相，而第二牌号的硬质合金粉末形成硬质合金连续相。如上所述，烧结后，可在烧结态使用所得零件，也可进一步适当地加工或研磨所得零件，以形成包括混合硬质合金的钻头本体、牙轮、泥浆喷嘴或其它钻地钻头零件的最终构造。
本文所公开的实施例包括例如但不限于在不同区域或单个区域的不同部分包括至少两种硬质合金的钻头本体、牙轮或泥浆喷嘴等钻地钻头零件的制造方法。两种硬质合金可具有不同的性能或成分。这种零件的制造方法的非限制性实施例包括向模子的空隙的第一区域中放置一定量的第一混合硬质合金粉末、并向模子的空隙的第二区域中放置一部分第二混合硬质合金粉末。模子的空隙具有期望形状，可以是零件的形状，也可具有适当的中间形状。在本方法的某些非限制性实施例中，可通过例如在模子的空隙中放置例如纸、蜡或聚合材料等物理分隔体来分离区域，以将模子的空隙分成两个或两个以上的区域。在另一非限制性实施例中，可在具有物理分隔体的模子的分离部分中放置第一和第二混合硬质合金的粉末，从而发生接触。第一和第二混合硬质合金成分可选择成在固结和烧结后为钻地钻头零件的各个区域提供具有期望性能的混合硬质合金合成物。
还可通过例如在模子的空隙的第一区域中放置一定量的第一混合硬质合金粉末混合物，来形成具有性能或成分梯度的钻地钻头部件。可向模子空隙的第二区域填充第一混合硬质合金粉末与第二混合硬质合金粉末混合物的混合物。两种混合硬质合金粉末混合物的混合物会得到一个性能水平介于只由第一混合硬质合金粉末形成的烧结材料和只由第二硬质合金粉末形成的烧结材料中间的区域。可在模子空隙的分离区域中重复该工艺，直到获得期望的成分梯度或合成结构，并且一般会以单独用第二混合硬质合金粉末填充模子空隙的一个区域作为结束。也可在模子空隙中具有或不具有物理分隔体的情况下进行该技术的实施例。然后可均衡地压缩模子空隙中的粉末，以固结不同的混合硬质合金粉末区域并形成生压坯。然后可烧结压坯，以进一步使粉末密实化，并在通过添加不同混合物而在模子内建立起的全部区域之间形成自生性粘结。
下面将描述本公开的包括混合硬质合金的钻地钻头零件的制造方法的两个非限制性示例。应该理解的是，本文提供的必然只是有限数量的方法示例，它们绝非穷举了可用于制造本公开的制造物件的所有可能的方法实施例。
示例5
可按如下方式制造基于混合硬质合金的固定切割器钻地钻头本体。混合硬质合金粉末混合物按上述示例1中所述那样制备。通过冷等静压成形以25,000psi的压制压力来固结粉末混合物的至少一部分，以形成方坯(billet)形“生”粉末压坯。在700℃的氢气气氛中预烧结压坯。使用五轴铣床来加工方坯，以并入成品固定切割器钻头本体的常规形状特征，例如图2所概略示出那样的。通过超压烧结(也称为“SinterHIP”)在1380℃的温度以800psi的压力对加工后的预烧结零件进行烧结，来生成由混合硬质合金组成的最终钻头本体。
示例6
可按如下方式制造基于混合硬质合金的牙轮钻地钻头用牙轮。混合硬质合金粉末混合物按上述示例4中所述那样制备。通过冷等静压成形以30,000psi的压制压力来固结粉末混合物的至少一部分，以形成方坯形“生”压坯。在700℃的氢气气氛中预烧结方坯。使用五轴铣床来加工方坯，以并入成品牙轮的常规形状特征，例如图1所概略示出的牙轮14那样的。通过超压烧结(SinterHIP)在1380℃的温度以800psi的压力对加工后的预烧结零件进行烧结，来生成由混合硬质合金组成的最终牙轮。
应该理解的是给出的描述示出的是本发明的与清楚理解本发明有关的方面。因此，未给出本领域技术人员清楚明了从而不能有助于更好理解本发明的那些方面，以简化描述。虽然本文只描述了本发明的有限数量的实施例，但是本领域的技术人员在考虑以上描述后将意识到本发明也可采用多种变型和变更。本发明的所有这种变更和变型旨在被以上描述和权利要求覆盖。

Claims (59)

1.一种从钻头本体、牙轮和泥浆喷嘴中选出的制造物件，包括：
混合硬质合金合成物，包括：硬质合金分散相；和硬质合金连续相。
2.如权利要求1所述的制造物件，其中，混合硬质合金合成物的分散相的邻接比不大于0.48。
3.如权利要求1所述的制造物件，其中，混合硬质合金合成物的分散相的邻接比小于0.4。
4.如权利要求1所述的制造物件，其中，混合硬质合金合成物的分散相的邻接比小于0.2。
5.如权利要求1所述的制造物件，其中，混合硬质合金合成物的分散相的硬度大于混合硬质合金合成物的连续相的硬度。
6.如权利要求1所述的制造物件，其中，混合硬质合金合成物包括第一硬质合金分散相和第二硬质合金分散相，并且第二硬质合金分散相的成分和物理性能中的至少一个与第一硬质合金分散相不同。
7.如权利要求6所述的制造物件，其中，所述物理性能从硬度、Palmquist韧性和耐磨性组成的组中选出。
8.如权利要求1所述的制造物件，其中，混合硬质合金的硬质合金分散相按体积计占混合硬质合金的2～50％。
9.如权利要求1所述的制造物件，其中，混合硬质合金的硬质合金分散相按体积计占混合硬质合金的2～25％。
10.如权利要求1所述的制造物件，其中，混合硬质合金的硬质合金分散相的硬度至少为88HRA但不大于95HRA。
11.如权利要求10所述的制造物件，其中，混合硬质合金的硬质合金连续相的Palmquist韧性大于10MPa·m1/2。
12.如权利要求10所述的制造物件，其中，混合硬质合金的硬质合金连续相的硬度至少为78HRA但不大于91HRA。
13.如权利要求1所述的制造物件，其中，混合硬质合金合成物的硬质合金分散相和硬质合金连续相独立地包括：
至少一种从周期表IVB、VB和VIB族中选出的金属的碳化物；和
包括钴、钴合金、镍、镍合金、铁和铁合金中的至少一个的粘结剂。
14.如权利要求13所述的制造物件，其中，混合硬质合金的硬质合金分散相和硬质合金连续相中的至少一个的粘结剂还包括从钨、钛、钽、铌、铝、铬、铜、锰、钼、硼、碳、硅和钌中选出的合金剂。
15.如权利要求14所述的制造物件，其中，所述合金剂包括高达20重量百分比的粘结剂。
16.如权利要求13所述的制造物件，其中，分散相的粘结剂浓度为2～15重量百分比，而连续相的粘结剂浓度为6～30重量百分比。
17.如权利要求13所述的制造物件，其中，硬质合金分散相和硬质合金连续相均包括碳化钨和钴。
18.一种钻地钻头零件，包括：
混合硬质合金合成物，包括：硬质合金分散相，其中分散相的体积分数小于混合硬质合金合成物的50体积百分比；和硬质合金连续相；
其中，硬质合金分散相和硬质合金连续相的物理性能不同，并且硬质合金分散相的邻接比小于硬质合金分散相的体积分数的1.5倍。
19.如权利要求18所述的钻地钻头零件，其中，硬质合金分散相和硬质合金连续相各自独立地包括：
从钛、铬、钒、锆、铪、钽、钼、铌和钨组成的组中选出的至少一种过渡金属的至少一种碳化物；和
包括钴、钴合金、镍、镍合金、铁和铁合金中的至少一个的粘结剂。
20.如权利要求19所述的钻地钻头零件，其中，所述粘结剂还包括从钨、钛、钽、铌、铝、铬、铜、锰、钼、硼、碳、硅和钌中选出的合金剂。
21.如权利要求19所述的钻地钻头零件，其中，混合硬质合金合成物的耐磨性大于0.7mm-3、Palmquist韧性大于10MPa·m1/2。
22.如权利要求18所述的零件，其中，钻地钻头零件是从钻头本体、牙轮和泥浆喷嘴中选出的。
23.一种制造钻地钻头用零件的方法，包括：
组合一部分第一牌号的硬质合金粉末与一部分第二牌号的硬质合金粉末，以提供粉末混合物；
固结粉末混合物的至少一部分以形成生压坯，其中第一牌号的硬质合金粉末是生压坯的分散相，而第二牌号的硬质合金粉末是生压坯的连续相；以及
部分和/或完全烧结生压坯，以形成包括有混合硬质合金合成物的密实化的压坯，混合硬质合金合成物包括硬质合金分散相和硬质合金连续相。
24.如权利要求23所述的方法，其中，混合硬质合金合成物的分散相的邻接比不大于0.48。
25.如权利要求23所述的方法，其中，混合硬质合金合成物的分散相的邻接比小于0.4。
26.如权利要求23所述的方法，其中，混合硬质合金合成物的分散相的邻接比小于0.2。
27.如权利要求23所述的方法，其中，混合硬质合金合成物的分散相的硬度大于混合硬质合金合成物的连续相的硬度。
28.如权利要求23所述的方法，其中：
第一和第二牌号的硬质合金粉末与一第三牌号的硬质合金粉末组合成粉末混合物；
混合硬质合金合成物包括硬质合金连续相、第一硬质合金分散相和第二硬质合金分散相；并且
第一硬质合金分散相的成分和性能中的至少一个与第二硬质合金分散相不同。
29.如权利要求28所述的方法，其中，所述性能从硬度、Palmquist韧性和耐磨性组成的组中选出。
30.如权利要求23所述的方法，其中，混合硬质合金的硬质合金分散相按体积计占混合硬质合金合成物的2～50％。
31.如权利要求23所述的方法，其中，混合硬质合金合成物的硬质合金分散相按体积计占混合硬质合金合成物的2～25％。
32.如权利要求23所述的方法，其中，混合硬质合金合成物的硬质合金分散相的硬度至少为88HRA但不大于95HRA。
33.如权利要求32所述的方法，其中，混合硬质合金合成物的硬质合金连续相的Palmquist韧性大于10MPa·m1/2。
34.如权利要求33所述的方法，其中，混合硬质合金合成物的硬质合金连续相的硬度至少为78HRA但不大于91HRA。
35.如权利要求23所述的方法，其中，混合硬质合金合成物的硬质合金分散相和硬质合金连续相独立地包括：
至少一种从周期表IVB、VB和VIB族中选出的金属的碳化物；和
包括钴、钴合金、镍、镍合金、铁和铁合金中的至少一个的粘结剂。
36.如权利要求35所述的方法，其中，所述粘结剂还包括从由钨、钛、钽、铌、铝、铬、铜、锰、钼、硼、碳、硅和钌组成的组中选出的至少一种合金剂。
37.如权利要求36所述的方法，其中，所述合金剂包括高达20重量百分比的粘结剂。
38.如权利要求35所述的方法，其中，分散相的粘结剂浓度为2～15重量百分比，而连续相的粘结剂浓度为6～30重量百分比。
39.如权利要求35所述的方法，其中，硬质合金分散相包括碳化钨和钴，并且硬质合金连续相包括碳化钨和钴。
40.如权利要求23所述的方法，其中，
硬质合金分散相的体积分数小于混合硬质合金合成物的50体积百分比；并且
硬质合金分散相的邻接比小于硬质合金分散相在混合硬质合金合成物中的体积分数的1.5倍。
41.如权利要求23所述的方法，其中，混合硬质合金合成物的耐磨性大于0.7mm-3、Palmquist韧性大于10MPa·m1/2。
42.如权利要求23所述的方法，其中，钻地钻头用零件是从钻头本体、牙轮和泥浆喷嘴中选出的。
43.如权利要求23所述的方法，其中，钻地钻头用零件是形成的固定切割器钻头本体。
44.如权利要求43所述的方法，还包括向由所述形成的固定切割器钻头本体限定出的凹穴中设置切割插入物。
45.如权利要求23所述的方法，其中，部分和/或完全烧结生压坯包括：
预烧结生压坯以形成半熟压坯；以及
烧结半熟压坯。
46.如权利要求45所述的方法，还包括在烧结半熟压坯前加工半熟压坯。
47.如权利要求47所述的方法，其中，加工半熟压坯包括在半熟压坯中加工出至少一个切割器插入凹穴。
48.如权利要求45所述的方法，还包括在预烧结生压坯前加工生压坯。
49.如权利要求47所述的方法，其中，加工生压坯包括在生压坯中加工出至少一个切割器插入凹穴。
50.如权利要求23所述的方法，其中，固结粉末混合物的至少一部分包括压制粉末混合物的所述至少一部分。
51.如权利要求49所述的方法，其中，压制粉末混合物的所述至少一部分包括均衡地压制粉末混合物的所述至少一部分。
52.如权利要求23所述的方法，其中，第一硬质合金牌号和第二硬质合金牌号各自独立地包括从由碳化钛、碳化铬、碳化钒、碳化锆、碳化铪、碳化钽、碳化钼、碳化铌和碳化钨组成的组中选出的过渡金属碳化物。
53.如权利要求45所述的方法，其中，烧结半熟压坯包括在液相温度烧结半熟压坯。
54.如权利要求45所述的方法，其中，烧结半熟压坯包括在1350℃～1500℃的温度以300～2000psi的压力烧结半熟压坯。
55.如权利要求23所述的方法，其中，混合硬质合金合成物包括具有第一混合硬质合金合成物成分的第一区域和具有第二混合硬质合金合成物成分的第二区域。
56.如权利要求54所述的方法，还包括在固结前：
向模子的空隙的第一区域中放置用于形成第一混合硬质合金合成物成分的至少一部分第一粉末混合物；
向所述空隙的第二区域中放置用于形成第二硬质合金合成物成分的至少一部分第二粉末混合物；并且
其中固结粉末混合物的至少一部分包括压制处于模子的空隙内的粉末混合物来提供生压坯。
57.如权利要求43所述的方法，还包括向所述形成的固定切割器钻头本体附接一个柄。
58.如权利要求43所述的方法，其中，所述形成的固定切割器钻头本体具有大于300ksi的横向断裂强度。
59.如权利要求58所述的方法，其中，所述形成的固定切割器钻头本体具有大于55,000,000psi的杨氏模量。
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