CN102985197A - 形成钻地工具的至少一部分的方法，以及通过此类方法形成的制品 - Google Patents

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Abstract

形成钻地工具的至少一部分的方法包括在模腔中提供至少一个插入件，在该模腔中提供颗粒物质，将金属与该硬质材料熔融以形成熔融组合物，并浇铸该熔融组合物。其它方法包括用具有不同于该模具组成的组成的涂覆材料涂布模腔的至少一个表面，将金属与该硬质材料熔融以形成熔融组合物，并浇铸该熔融组合物。包含钻地工具的至少一部分的制品。该制品包括至少一个插入件和包括金属相与硬质材料相的凝固的共晶或近共晶组合物。其它制品包括包含金属相与硬质材料相的凝固的共晶或近共晶组合物和与该凝固的共晶或近共晶组合物接触的涂覆材料。

Description

形成钻地工具的至少一部分的方法,以及通过此类方法形成的制品
优先权要求
本申请要求2010年5月20日提交的题为“Methods of CastingEarth Boring Tools and Components of Such Tools,and ArticlesFormed by Such Methods”的美国临时专利申请系列号61/346,721和2010年10月29日提交的题为“Coatings for Castable CementedCarbide Materials”的美国临时专利申请系列号61/408,253的权益。
本申请的主题涉及2004年5月18日提交的题为“Earth-BoringBits”的共同未决美国专利申请系列号10/848,437和2005年4月28日提交的题为“Earth-Boring Bits”的共同未决美国专利申请系列号11/116,752的主题。本申请的主题还涉及均与本申请同日提交的题为“Methods of Forming at Least a Portion of Earth-Boring Tools”的美国专利申请系列号_________（代理人案卷号1684－9995.1US）与题为“Methods of Forming at Least a Portion of Earth-Boring Tools,and Articles Formed by Such Methods”的美国专利申请系列号_________（代理人案卷号1684－9996.1US）的主题。
技术领域
本公开的实施方案涉及钻地工具，如钻地旋转钻头，涉及此类工具的部件，并涉及制造此类钻地工具及其部件的方法。
发明背景
钻地工具通常用于在地球地层中形成（例如钻取或扩孔）钻孔或钻井（下文称为“井眼”）。钻地工具包括例如旋转钻头、岩心钻头、偏心钻头、双心钻头、扩孔钻头、扩孔器和铣刀。
不同类型的钻地旋转钻头在本领域是已知的，包括例如固定切削刃钻头（其在本领域通常称为“翼状”钻头）、牙轮钻头（其在本领域通常称为“凿岩”钻头）、孕镶金刚石钻头和混合式钻头（其可以包括例如固定切削刃和牙轮）。该钻头旋转并推进到地层中。当该钻头旋转时，其切削刃或磨料构件切削、轧碎、剪切和/或切除掉地层材料以形成井眼。
该钻头直接或间接地连接到本领域称为“钻杆柱”的末端，钻杆柱包括一系列对接连接的细长的管状段，并从地层表面延伸到井眼中。通常，各种工具和部件，包括该钻头，可以在所钻井眼底部在该钻杆柱的远端处连接在一起。这种工具和部件的组件在本领域称为“井底钻具组件”（BHA）。
该钻头可以通过由地层表面旋转钻杆柱在井眼中旋转，或该钻头可以通过将该钻头连接到孔底发动机上来旋转，该孔底发动机也连接到钻杆柱上并邻接井眼底部布置。该孔底发动机可以包括例如液压Moineau型发动机，该发动机具有钻头安装于其上的杆，可以通过从地层表面向下通过钻杆柱中心泵送流体，穿过液压发动机，从钻头的喷嘴送出并通过钻杆柱外表面与井眼中地层的暴露表面之间的环状空间返回到地层表面（例如钻探泥浆或钻井液），由此使其旋转。
牙轮钻头通常包括安装在从钻头体延伸的牙轮钻头支承巴掌（bitleg）上的三个牙轮，其可以由例如三个焊接在一起形成该钻头体的钻头部分形成。每个牙轮钻头巴掌可以从一个钻头部分上悬挂。每个牙轮配置成在从牙轮钻头巴掌延伸的支承杆上以从牙轮钻头巴掌径向向内和向下的方向转动或旋转。该牙轮通常由钢构成，但是它们也可以由颗粒-基质复合材料（例如金属陶瓷复合材料，如烧结碳化钨）形成。用于切削岩石和其它地层的切削齿可以机加工或以其它方式在每个椎体的外表面中或外表面上形成。或者，在每个椎体的外表面中形成插孔，并将坚硬耐磨材料形成的插入件固定在该插孔中以形成椎体的切削元件。当牙轮钻头在井眼中旋转时，该牙轮滚动并滑过地层表面，使得切削元件碾压并刮落下方的地层。
固定切削刃钻头通常包括多个连接到钻头体的面上的切削元件。该钻头体可以包括多个翼片或刀刃，其限定了刀刃之间的流体通道。该切削元件可以在该刀刃外表面中形成的夹套中固定到该钻头体上。该切削元件以固定方式连接到该钻头体上，使得在钻进过程中该切削元件不会相对于该钻头体移动。该钻头体可以由钢或颗粒-基质复合材料（例如钴结碳化钨硬质合金）形成。在其中该钻头体包含颗粒-基质复合材料的实施方案中，该钻头体可以连接到金属合金（例如钢）钻杆尾上，所述钻杆尾具有可用于将该钻头体和该钻杆尾连接到钻杆柱上的螺纹端。当固定切削刃钻头在井眼中旋转时，该切削元件刮过地层的表面并剪去下方的岩层。
孕镶金刚石旋转钻头可用于钻探坚硬或磨蚀性岩石地层，如砂岩。通常，孕镶金刚石钻头具有在模具中浇铸的固体头部或冠部。该冠部连接到钢钻杆尾上，该钢钻杆尾具有可用于将该冠部和该钢钻杆尾连接到钻杆柱上的螺纹端。该冠部可具有多种构造，通常包括包含多个切削构件的切削面，该切削构件可以包含切削片、柱和刀刃中的至少一种。该柱和刀刃可以与该冠部在磨具中整体成型，或可以单独成型并结合到该冠部上。通道分隔该柱和刀刃以便使钻井液在钻头面上方流动。
可以将孕镶金刚石钻头进行成型，以使得该钻头的切削面（包括柱和刀刃）包含颗粒-基质复合材料，所述颗粒-基质复合材料包括分散在整个基质材料中的金刚石颗粒。该基质材料本身可以包含分散在整个金属基质材料，如铜基合金中的颗粒-基质复合材料，如碳化物颗粒。
将耐磨材料，如“硬面堆焊层”材料，施加到旋转钻头的地层啮合面上以尽量减少磨蚀导致的钻头的这些表面的磨损。例如，当钻地工具的地层啮合表面在由常规钻井液携带的固体粒状材料（例如地层切屑和岩屑）的存在下与地层表面啮合并相对于该表面滑动时，在该地层啮合表面处发生磨蚀。例如，硬面堆焊层可以施加到牙轮钻头的椎体上的切削齿上，以及施加到该椎体的保径面上。硬面堆焊层还可以施加到每个牙轮钻头巴掌的弯曲下端或“下摆（shirttail）”的外表面，以及可能在钻进过程中啮合地层表面的钻头的其它外表面。
发明内容
在一些实施方案中，本发明包括形成钻地工具的至少一部分的方法。该方法包括在模腔中提供至少一个插入件，在该模腔中提供包含硬质材料的粒料物质，将金属与该硬质材料熔融以形成包含该金属与该硬质材料的共晶或近共晶组合物的熔融组合物，并在该模腔中浇铸该熔融组合物。
在其它实施方案中，本发明包括形成钻地旋转钻头的牙轮的方法。该方法包括在模腔中提供至少一个插入件，形成包含钴和钨碳化物的共晶或近共晶组合物的熔融组合物，在该模腔中与至少一个插入件的至少一部分相邻地浇铸该熔融组合物，并在该模具中凝固该熔融组合物。
在其它实施方案中，形成钻地工具的至少一部分的方法包括用其组成不同于该模具组成的涂覆材料在模具中涂布模腔的至少一个表面，将金属与硬质材料熔融以形成包含该金属与该硬质材料的共晶或近共晶组合物的熔融组合物，并在该模腔中浇铸该熔融组合物。
在某些实施方案中，本发明包括包含钻地工具的至少一部分的制品。该制品包括至少一个插入件和包括金属相与硬质材料相的凝固的共晶或近共晶组合物。
在其它实施方案中，包含钻地工具的至少一部分的制品包含凝固的共晶或近共晶组合物和与该凝固的共晶或近共晶组合物接触的涂覆材料，该凝固的共晶或近共晶组合物包括金属相与硬质材料相。
附图概述
虽然说明书结束于特别指出并明确要求保护被视为本发明的实施方案，但由参照附图提供的示例性实施方案的下列描述可以更容易确定本公开的各种特征与优点，其中：
图1是牙轮钻头的实施方案的侧视图，该牙轮钻头可以包括一个或多个部件，所述部件包含包括共晶或近共晶组合物的浇铸颗粒-基质复合材料；
图2是图1的钻头的局部截面图并描述了包括牙轮的可旋转切削刃组件；
图3是固定切削刃钻头的实施方案的透视图，该固定切削刃钻头可以包括一个或多个部件，所述部件包含包括共晶或近共晶组合物的浇铸颗粒-基质复合材料；
图4描述了在模具中在内部腔表面上的涂覆材料，其可按照本发明的实施方案使用。
图5和6用于描述本发明的方法的实施方案，并描述了在图4中所示模具中浇铸类似图2中所示的牙轮；和
图7至10用于描述本发明的方法的附加实施方案，并描述了在图4中所示模具中浇铸类似图2中所示的牙轮。
具体实施方式
这里提出的说明并非任何特定的钻地工具、钻头或此类工具或钻头的部件的实际视图，而仅仅是用于描述本公开的实施方案的理想化描述。
本文中所用的术语钻地工具意指并包括用于去除地层材料并通过除去地层材料形成穿过地层的孔眼（例如井眼）的任何工具。钻地工具包括例如旋转钻头（例如固定切削刃或“翼状”钻头和牙轮或“凿岩”钻头）、包括固定切削刃和牙轮元件的混合式钻头、岩心钻头、冲击钻头、双心钻头、扩孔钻头（包括可膨胀扩孔钻头和固定翼扩孔钻头）和其它所谓“开孔”工具。
本文中所用的术语“切削元件”意指并包括当该钻地工具用于在地层中形成或扩大孔眼时用于切削或以其它方式分解地层材料的钻地工具的任何元件。
本文中所用的术语“椎体”和“牙轮”意指并包括以可旋转方式安装在旋转式钻地工具如旋转钻头的主体上的包含至少一个地层切削构件的任何体材，其构造为当该旋转式钻地工具在井眼中旋转时相对于该体材的至少一部分旋转并当该旋转式钻地工具在井眼中旋转时除去地层材料。椎体和牙轮可具有大致圆锥的形状，但是并不限于具有此类大致圆锥的形状的构件。椎体和牙轮可以具有除大致圆锥形之外的形状。
按照本公开的一些实施方案，钻地工具和/或钻地工具的部件可以包含浇铸颗粒-基质复合材料。该浇铸颗粒-基质复合材料可以包含共晶或近共晶组合物。本文中所用的术语“浇铸”当与材料相关使用时意指在模腔中成型以使得成型以包含该浇铸材料的体材成型以便具有至少基本类似于该材料在其中成型的模腔的形状的材料。因此，术语“浇铸”和“铸造”不限于其中熔融的材料倾注到模腔中的常规浇铸，而是包括了在模腔中原位熔融材料。此外，如下文中更为详细地解释的那样，浇铸过程可以在提高的的压力（大于大气压）下进行。浇铸还可以在大气压下或在低于大气压下实施。本文中所用的术语近共晶组合物意指在约10原子%（10a t%）内或更低的共晶组合物。作为非限制性实例，该浇铸颗粒-基质复合材料可以包含钴和钨碳化物的共晶或近共晶组合物。下面描述了可以包括包含共晶或近共晶组合物的浇铸颗粒-基质复合材料的钻地工具与钻地工具的部件的实施方案实例。
图1描述了本公开的钻地工具的实施方案。图1的钻地工具是牙轮切削刃钻地旋转钻头100。该钻头100包括钻头体102和多个可旋转切削刃组件104。该钻头体102可以包括多个整体成型的牙轮钻头巴掌106，并且可以在钻头体102的上端形成螺纹108，用于连接到钻杆柱上。该钻头体102可以具有用于将钻井液排放到钻孔中的喷嘴120，该钻井液可以在钻进操作过程中与切屑一起返回到地面。各个可旋转切削刃组件104包括牙轮122，该牙轮122包含颗粒-基质复合材料和多个切削元件，如显示的切削插入件124。各牙轮122可以包括圆锥形保径面（gagesurface）126（图2）。此外，各牙轮122可以具有切削插入件124或切削元件的独特构造，使得该牙轮122可以彼此靠近旋转而无机械干扰。
图2是描述图1中所示钻地钻头100的可旋转切削刃组件104之一的横截面图。如所示那样，每个牙轮钻头巴掌106可以包括轴承销128。该牙轮122可以由该轴承销128支承，并且该牙轮122可以环绕该轴承销128旋转。各牙轮122可以具有中央腔130，其为大致圆柱形并构成与轴承销128相邻的轴颈轴承面。该腔130可以具有用于吸收由钻杆柱在该牙轮122上施加的推力的平坦止推肩132。如该实施例中所述，该牙轮122可以通过位于牙轮腔130与该轴承销128的表面中形成的配合槽中的多个锁定球134保持在轴承销128上。此外，密封组件136可以密封该牙轮腔130与该轴承销128之间的轴承空间。该密封组件136可以是所示的金属面密封组件，或可以是不同类型的密封组件，如弹性体密封组件。
可以通过润滑剂通道138将润滑剂供给到该腔130与该轴承销128之间的轴承空间。该润滑剂通道138可以通向包括压力补偿器140（图1）的贮存器。
图1和2的钻地钻头100的牙轮122与牙轮钻头巴掌（bit leg）106中的至少一种可以包含含有共晶或近共晶组合物的浇铸颗粒-基质复合材料，并可以如下文进一步详细讨论的那样制造。
图3是包括可以采用本公开的方法的实施方案成型的钻头体202的固定切削刃钻地旋转钻头200的透视图。该钻头体202可以固定到具有用于将该钻头200连接到钻杆柱（未显示）上的螺纹连接部分206（例如American Petroleum Institute(API)螺纹连接部分）的钻杆尾204上。在一些实施方案中，如图3中所示，该钻头体202可以使用延伸部208固定到该钻杆尾204上。在其它实施方案中，该钻头体202可以直接固定到该钻杆尾204上。
该钻头体202可以包括在该钻头体202的面203与纵向孔（未显示）之间延伸的内部流体通道（未显示），所述纵向孔延伸穿过钻杆尾204、延伸部208并部分穿过该钻头体202。还可以在该内部流体通道中在该钻头体202的面203处提供喷嘴插入件214。该钻头体202可以进一步包括通过排屑槽218分隔的多个刀刃216。在一些实施方案中，该钻头体202可以包括保径磨损插头（gage wear plugs）222和磨损节（wearknot）228。可以在沿着各刀刃216设置的切削元件夹套212中在该钻头体202的面203上安装多个切削元件210（其可以包括例如PDC切削元件）。图3中所示的钻地旋转钻头200的钻头体202，或该钻头体202的一部分（例如，刀刃216或刀刃216的一部分）可以包含含有共晶或近共晶组合物的浇铸颗粒-基质复合材料，并可以如下文进一步详细讨论的那样制造。
按照本公开的一些实施方案，钻地工具和/或钻地工具的部件可以通过使用浇铸法在模腔中浇铸包含共晶或近共晶组合物的颗粒-基质复合材料而在模腔中成型。图5和6用于描述采用此类浇铸法成型类似图1和2中所示的牙轮122。
参考图4，可以提供在其中包括模腔302的模具300。该模腔302可以具有对应于要在其中浇铸的牙轮122的尺寸与形状的尺寸与形状。该模具可以包括两个或更多个部件，如基底部分A和顶部部分304B，其可以组装在一起以构成该模具300。轴承销替换构件309可用于在要在该模具300中浇铸的该牙轮122中限定内部空隙，该内部空隙的尺寸与构造适合于当在该轴承销上安装牙轮122时在其中接收轴承销。在一些实施方案中，如图4中所示，该轴承销替换元件309可以包含分隔体。在其它实施方案中，该轴承销替换元件309可以是该模具300的顶部部分304B的组成部分。
该模具300可以包含在浇铸过程中对该模具300施加的温度下稳定且不会劣化的材料310。在一些实施方案中，还可以选择模具300的材料310以包含不会与要在该模腔302中浇铸的牙轮122的材料反应或以其它方式对其产生不利影响的材料。在该浇铸过程后，可能有必要打碎或以其它方式破坏该模具300以便将浇铸牙轮122从模腔302中取出。由此，还可以选择模具300的材料310以包含相对容易打碎或以其它方式从牙轮122周围除去的材料以便能够将浇铸牙轮122从模具300中取出。
例如，模具300的材料310可以包含石墨。在附加的实施方案中，模具300的材料310可以包含基本不含碳的陶瓷材料（即不包括碳的陶瓷材料）。例如，模具300的材料310可以包含陶瓷氧化物（例如氧化锆、氧化硅、氧化铝、氧化钇等等）。在附加的实施方案中，模具300的材料310可以包含化学键合磷酸盐陶瓷（CBPC）。CBPC可以通过无机氧化物与磷酸溶液或酸性磷酸盐溶液之间的酸碱反应制造。可用于模具300的材料310的CBPC的实例包括磷酸铝、磷酸钙、磷酸镁、磷酸钾、磷酸锌等等。
石墨是一种碳材料，如果材料310包含石墨，当牙轮122在模腔302中浇铸时，碳会从材料310扩散到该牙轮122的材料中。碳从模具300的材料310向牙轮122中的此类扩散在某些情况下可不利地影响浇铸牙轮122的性质。此外，如果该材料310包括磷或硫，这些元素也可扩散到牙轮122中，并可不利地影响浇铸牙轮122的性质。此外，某些材料，如氧化铝（如果材料310包括此类材料的话）可在浇铸过程中结合到该牙轮122上。
由此，如图4中所示，在该模腔302中的模具300的表面可以用材料312涂布，该材料312不包括碳，并且不与要在该模腔302中浇铸的牙轮122的材料反应或对其产生不利影响。例如，在该模腔302中的模具300的表面可以用不包括碳的另一种陶瓷材料312涂布，如相对惰性的陶瓷氧化物（例如氧化锆、氧化硅、氧化铝、氧化钇等等）。
该涂覆材料312可以通过例如制备在液体中包括相对惰性陶瓷材料（如上文提及的那些陶瓷材料）的颗粒的液体悬浮液或浆料施加到该模腔302中的模具300的表面。作为非限制性实例，该液体悬浮液或浆料可以包含氧化锆（ZrO2），如通常由Oak Ridge,TN的
Figure BDA00002712786700091
Coatings,Inc.以商品名ZIRCWASH销售的涂料。该液体悬浮液或浆料可以喷涂（例如使用气溶胶）、刷涂、擦涂或以其它方式施加到该模腔302中的模具300的表面。该悬浮液或浆料随后可以干燥以除去该悬浮液或浆料的液体，在该模腔302中的模具300的表面上留下陶瓷颗粒。可以加热该模具300（例如在炉中）以促进该悬浮液或浆料的干燥。
在附加的实施方案中，该模腔302可以简单地用液体悬浮液或浆料填充，随后排空，在该模腔302中的模具300的表面上留下该液体悬浮液或浆料的涂层。
任选地，保留在该模腔302中的模具300的表面上的陶瓷颗粒可以至少部分烧结以便使该陶瓷颗粒在适当的位置结合到该模腔302中的模具300的表面和/或降低在该模腔302中的模具300的表面上的所得涂覆材料312层中的孔隙率。
在一些实施方案中，该涂覆材料312可以通过重复上述工艺包含顺序施加到该模腔302中的模具300的表面的多个涂覆材料的层。在此类实施方案中，该层可以具有彼此类似或彼此不同的组成。例如，在一些实施方案中，一个相邻或邻接该模具300的表面的涂覆材料312的层可以包含阻挡材料，对该阻挡材料进行选择并确定其组成（compose）以防止一种或多种原子物质扩散穿过该模具300与该牙轮122之间的涂覆材料312。该涂覆材料312的另一个层可以包括意在与该牙轮122的材料反应或以其它方式影响该牙轮122的组成或显微组织的材料。例如，如下文中更为详细地描述的那样，此类材料层可包括一种或多种孕育剂。作为另一实例，此类材料层可包括一种或多种材料，所述材料意在向要在该模腔302中浇铸的牙轮122中形成或并入材料相。例如，此类层可以包括碳化钨或另一种硬质材料的颗粒，该颗粒意在当该牙轮122在该模腔302中浇铸时并入到牙轮122中。
该涂覆材料312可以在该模腔302中浇铸该牙轮122之前如上所述那样施加到该模腔302中的模具300的表面。
任选可以在该模腔302中提供包含硬质材料例如碳化物（例如碳化钨）、氮化物、硼化物等等的粒料物质306。本文中所用的术语“硬质材料”是指并包括具有至少约1200的维氏硬度（即至少约1200HV30，如按照ASTM Standard E384(Standard Test Method for Knoop andVickers Hardness of Materials,ASTM Int’l,West Conshohocken,PA,2010)测得的）的任何材料。例如但不限于，该粒料物质306可以包括-80/+100ASTM（American Society for Testing and Materials）目的碳化钨颗粒。本文中所用的短语“-80/+100ASTM目的颗粒”是指如在ASTM Specification E11-09（Standard Specification for WireCloth and Sieves for Testing Purposes,ASTM Int’l,WestConshohocken,PA,2009）中定义的穿过ASTM No.80目筛但是不能穿过ASTM No.100目筛的颗粒。该碳化钨颗粒可以包含铸造碳化钨、烧结碳化钨和粗晶碳化钨的一种或多种。
在该模腔302中提供粒料物质306后，可以将包含共晶或近共晶组合物的材料熔融，并且将该熔融材料倾倒至模腔302中并允许渗透该模腔302中粒料物质306之间的空隙，直到该模腔302至少基本充满。该熔融材料可以通过通向该模腔302的该模具300中的一个或多个开口308倾倒至该模具300中。
在附加的实施方案中，在该模腔302中未提供包含硬质材料的粒料物质306，并且用该熔融的共晶或近共晶组合物填充至少基本整个模腔302以便在该模腔302中浇铸该牙轮122。
在附加的实施方案中，仅仅在该模腔302中的选定位置处提供包含硬质材料的粒料物质306，所述选定位置对应于该牙轮122的承受磨损的区域，使得所得牙轮122的这些区域与该牙轮122的其它区域（由浇铸的共晶或近共晶组合物形成，没有加入粒料物质306）相比包含更高体积含量的硬质材料，所述其它区域具有较低体积含量的硬质材料并表现出相对更高的韧度（即耐开裂性）。
在附加的实施方案中，该粒料物质306包含硬质材料的颗粒和在将该粒料物质306加热至足以熔融将要形成熔融的共晶或近共晶组合物的材料的温度时将要形成熔融的共晶或近共晶组合物的材料的颗粒。在此类实施方案中，在该模腔302中提供该粒料物质306。可以振动该模腔302以坚实化该粒料物质306以除去其中的空隙。该粒料物质306可以加热至足以形成熔融的共晶或近共晶组合物的温度。在形成该熔融的共晶或近共晶组合物时，该熔融材料可以渗透该粒料物质306中残留固体颗粒之间的空间，这可以导致粒料物质306的坚实化（settling）和占据体积的减少。由此，还可以在模腔302上提供过量的粒料物质306（例如，在模具中的开口308中）以应对在该浇铸过程中可发生的此类坚实化。
按照本公开的一些实施方案，可以在该模腔302中提供一种或多种孕育剂从而有助于控制要在该模腔302中浇铸的牙轮122的所得显微组织的性质。本文中所用的术语“孕育剂”是指并包括在浇铸过程中在冷却共晶或近共晶组合物时控制至少一种材料相的晶粒生长的任何物质。例如，孕育剂可以有助于限制晶粒生长。例如，向该共晶或近共晶组合物中添加孕育剂可用于细化该浇铸材料的显微组织（至少在其表面处）并改善该浇铸材料的表面的强度和/或磨损特性。例如但不限于，此类孕育剂可促进晶粒成核。此类成核可以导致相邻晶粒更为靠近，由此在相邻晶粒相互作用前限制晶粒生长的量。包含孕育剂的共晶或近共晶组合物的最终显微组织因此比不含孕育剂的类似共晶或近共晶组合物更微细。孕育剂可以包括例如铝酸钴、偏硅酸钴、氧化钴或此类材料的组合。由此，所得显微组织可以包括其平均尺寸相对于在不存在此类孕育剂的情况下形成的晶粒的平均尺寸而降低的晶粒。
在该模腔302中浇铸该牙轮122后，可以将牙轮122从该模具300中取出。如前所述，可能必要的是，打碎模具300以便将牙轮122从模具300中取出。
该共晶或近共晶组合物可以包含金属与硬质材料的共晶或近共晶组合物。
该共晶或近共晶组合物的金属可以包含商业纯金属，如钴、铁或镍。在附加的实施方案中，该共晶或近共晶组合物的金属可以包含基于钴、铁和镍的一种或多种的合金。在此类合金中，可以包括一种或多种元素以适合所选择的该组合物的性质，如强度、韧度、耐腐蚀性或电磁性质。
该共晶或近共晶组合物的硬质材料可以包含陶瓷化合物，如碳化物、硼化物、氧化物、氮化物或此类陶瓷化合物的一种或多种的混合物。
在一些非限制性实例中，该共晶或近共晶组合物的金属可以包含钴基合金，该硬质材料可以包含碳化钨。例如，该共晶或近共晶组合物可以包含约40重量%至约90重量%的钴或钴基合金，约0.5重量%至约3.8重量%的碳，余量为钨。在进一步的实施例中，该共晶或近共晶组合物可以包含约55重量%至约85重量%的钴或钴基合金，约0.85重量%至约3.0重量%的碳，余量为钨。甚至更特别地，该共晶或近共晶组合物可以包含约65重量%至约78重量%的钴或钴基合金，约1.3重量%至约2.35重量%的碳，余量为钨。例如，该共晶或近共晶组合物可以包含约69重量%的钴或钴基合金（约78.8原子%的钴），约1.9重量%的碳（约10.6原子%的碳）和约29.1重量%的钨（约10.6原子%的钨）。作为另一实例，该共晶或近共晶组合物可以包含约75重量%的钴或钴基合金，约1.53重量%的碳和约23.47重量%的钨。
一旦将该共晶或近共晶组合物加热至熔融状态，该金属和硬质材料相在该熔融组合物中将不可区分，其将简单地包含各种元素的通常均匀的熔融溶液。但是，在该熔融组合物冷却和凝固时，可发生相偏析，该金属相与硬质材料相会彼此分离并凝固，形成包括金属相的区域和硬质材料相的区域的复合显微组织。此外，在其中于模腔302中浇铸该共晶或近共晶组合物之前在模具300中提供粒料物质306的实施方案中，在所得浇铸牙轮122的最终显微组织中还可以存在来自该粒料物质306的附加相区域。
当熔融的共晶或近共晶组合物冷却成固态并发生相偏析时，可再次形成金属和硬质材料相。硬质材料相可以包括金属碳化物相。例如，此类金属碳化物相可以具有通式M6C和M12C，其中M代表一种或多种金属元素，C代表碳。作为特定实例，在其中要形成的所需硬质材料相是碳化一钨（WC）的实施方案中，还可以形成通式WxCoyC的η相，其中x为约0.5至约6，y为约0.5至约6（例如W3Co 3C和W6Co6C）。与主碳化物相（例如WC）相比，此类金属碳化钨η相倾向于相对耐磨，但是也更脆。因此，此类金属碳化物η相对某些应用而言是不需要的。按照本公开的一些实施方案，可以采用碳校正循环以调节所得金属碳化物相中的化学计量比，其方式使得减少（例如至少基本消除）该浇铸牙轮122中此类不合意的金属碳化物η相（例如M6C和M12C）的所得量，并提高该浇铸牙轮122中所需的主金属碳化物相（例如MC和/或M2C）的所得量。例如但不限于，1986年4月1日授予Lueth的美国专利US 4,579,713中公开的碳校正循环可用于调节该浇铸牙轮122中所得金属碳化物相的化学计量比。
简而言之，可以在真空炉中与含碳物质一起提供该牙轮122（或其中具有要用于形成该牙轮122的材料的模具300），随后加热至约800℃至约1100℃的温度，同时保持该炉在真空下。随后可以将氢气与甲烷的混合物引入到该炉中。混合物中甲烷的百分比为在该炉中的温度与压力下获得下列等式的平衡所需的甲烷量的约10%至约90%：
Figure BDA00002712786700141
在将氢气与甲烷混合物引入到炉腔中之后，该炉腔保持在所选的温度和压力范围下对下列反应而言充足的时间段：
Figure BDA00002712786700142
其中M可以选自W、Ti、Ta、Hf和Mo，以基本达到平衡，但是其中该反应：
Figure BDA00002712786700143
由于总保持时间或由于气体停留时间而不能达到平衡，而该甲烷保持在获得平衡所需量的约10%至约90%内。该时间段为约15分钟至约5小时，取决于所选的温度。例如，在约1000℃的温度和约一个大气压的压力下，该时间可以为约90分钟。
可以在浇铸工艺之前或在浇铸工艺过程中对用于形成浇铸牙轮122的材料实施碳校正循环，其方式使得阻碍或防止在该浇铸牙轮122中形成不需要的金属碳化物η相（例如M6C和M12C）。在附加的实施方案中，可以在浇铸工艺之后实施该碳校正循环，其方式使得将浇铸过程中在牙轮122中先期形成的不需要的金属碳化物相转化为更需要的金属碳化物相（例如MC和/或M2C），尽管此类转化可能限于该牙轮122表面处或表面附近的区域。
在附加的实施方案中，退火工艺可用于调节所得金属碳化物相的化学计量比，其方式使得减少（例如至少基本消除）该浇铸牙轮122中此类不需要的金属碳化物相（例如M6C和M12C）的所得量，并提高该浇铸牙轮122中需要的主金属碳化物相（例如MC和/或M2C）的量。例如，该浇铸牙轮122可以在炉中加热至至少约1200℃（例如约1225℃）的温度至少约三小时（例如约六小时或更久）。该炉可以包含真空炉，在该退火工艺过程中在该炉中可保持真空。例如，在该退火工艺过程中在该真空炉中保持约0.015毫巴的压力。在附加的实施方案中，该炉可以保持在接近大气压下，或其可以加压，如下文中进一步讨论的那样。在此类实施方案中，炉内的气氛可以包含惰性气氛。例如，该气氛可以包含氮气或惰性气体。
在用于调节牙轮122中金属碳化物相的化学计量比的上述工艺过程中，存在于该牙轮122中或与牙轮122相邻的游离碳（例如石墨）也可被吸收并与金属（例如钨）组合以形成金属碳化物相（例如碳化钨），或组合到现有的金属碳化物相中。
还可以将如上所述的退火工艺用于调节牙轮122的显微组织的形态。
在一些实施方案中，热等静压（HIP）法可用于提高该浇铸牙轮122的密度并降低其孔隙率。例如，在浇铸工艺过程中，可以使用惰性气体对其中可进行浇铸过程的腔室加压。可以在浇铸工艺过程中或在浇铸工艺后但是在从模具300中取出该浇铸牙轮122之前施加压力。在附加的实施方案中，该浇铸牙轮122可以在将该浇铸牙轮122从模具300中取出后施以HIP工艺。例如，该浇铸牙轮122可以加热至约300℃至约1200℃的温度，同时向该牙轮122的外表面施加约7.0兆帕至约310,000兆帕（约1ksi至约45,000ksi）的等静压力。此外，还可以将如上所述的碳校正循环并入该HIP法中，以至于能够在用于该HIP工艺的相同炉腔室中在HIP之前或之后立即进行该碳校正循环。
在附加的实施方案中，冷等静压法可用于提高该浇铸牙轮122的密度并降低其孔隙率。换言之，可以对该浇铸牙轮122施以至少约10,000兆帕的等静压力，同时保持该牙轮122在约300℃或更低的温度下。
在形成该牙轮122后，可以对该牙轮122施以一种或多种表面处理。例如，喷丸硬化工艺（例如弹丸喷丸硬化工艺、杆喷丸硬化工艺或锤击硬化工艺）可用于在该牙轮122的表面区域中赋予压缩残余应力。此类残余应力可以改善该牙轮122的表面区域的机械强度，并可用于阻碍该牙轮122在用于钻进过程中的开裂（这可能是由于例如疲劳）。
按照本公开的一些实施方案，可以在如上所述使用共晶或近共晶组合物在该模腔中浇铸钻地工具或钻地工具的部件之前在模腔中提供插入件。
例如，图7描述了整体类似于对图5和6先期描述的模具300的另一种模具400。该模具400在其中包括模腔402。该模腔402可以具有符合要在其中浇铸的椎体500（图10）的尺寸与形状的尺寸与形状。如图7中所示，模具400可以包含两个或更多个部件，如底部404A和顶部404B，其可以组装在一起以构成该模具400。
模具400可以包含对于图4至6的模具300的上述材料。在该模腔402中的模具400的内表面也可以如上文对于图4至6的模具300所述那样涂布。
参照图8，可以在浇铸工艺之前在该模腔402中在所选择的位置处提供插入件410。该插入件410可以包含例如相对于在该模腔402中在该插入件410之上或周围浇铸的材料更耐磨损的材料。例如，该插入件410可以包含完全烧结的颗粒-基质复合材料（即烧结至需要的最终密度），该复合材料包括在金属或金属合金基质材料中的硬质颗粒。该插入件410可以包含硬质合金，其包括在金属或金属合金基质材料（例如铁、钴、镍或基于铁、钴和镍的一种或多种的合金）中粘结的硬质合金颗粒（例如碳化钨颗粒）。此类插入件410可以包含例如按重量计约百分之四（4%）至约百分之二十（20%）的金属或金属合金基质材料，和按重量计约百分之九十六（96%）至约百分之八十（80%）的硬质颗粒。作为非限制性实例，该插入件410中的硬质颗粒可以具有约二微米（2μm）至约十微米（10μm）的平均粒度。在附加的实施方案中，该插入件410可以至少基本由金属或金属合金组成。例如，该插入件410可以至少基本由铁、钴、镍或基于铁、钴和镍的一种或多种的合金组成。
在一些实施方案中，该插入件410可以包含将会在该模腔402中在该插入件410之上和周围浇铸材料时烧结的未充分烧结体（例如，未烧结的生坯或部分烧结的褐坯）。在此类实施方案中，该插入件410可在随后的浇铸工艺过程中经受烧结和/或它们可以在随后的浇铸工艺过程中被该熔融组合物渗透。
该插入件410可以通过手或通过机加工过程成形。在一些实施方案中，插入件410可以使用单独的浇铸过程成型，或可以在模子或模具中压制。
可以在该模腔402中的所选位置处提供该插入件410，所述所选位置相应于要在其中成型的椎体500（图10）中在该椎体500用于钻取井眼时可能经受磨损的区域。例如，可以在该模腔402中相应于该椎体500上的切削齿区域的位置处提供该插入件410，和/或在该模腔402中相应于椎体500上的轴承面（其将支撑轴承销，例如图2中所示的轴承销128）的位置处提供该插入件410。
参照图9，在该模腔402中提供该插入件410后，可以在该模腔402中在该插入件410之上和周围浇铸椎体500的主体部分412（图10）。在该浇铸工艺过程中，主体部分412可以结合到各插入件410，使得该插入件410可以嵌入该主体部分412中并与该主体部分412整体成型。如上所述，该主体部分412可以包含共晶或近共晶组合物。
在该浇铸过程之前，可以以约每小时三十摄氏度（30℃/小时）至约每小时一百摄氏度（100℃/小时）（例如约65℃/小时）的升温速率将模具400预热到至少约三百摄氏度（300℃）（例如约345℃）的温度。此类预热过程可以在浇铸过程之前加速水分或其它挥发性物质的去除（例如蒸发）。在其中该插入件410包含未完全烧结体（例如未烧结的生坯或部分烧结的褐坯（brown body））的实施方案中，此类预热过程还可以驱赶可存在于该插入件410中的挥发性物质（例如有机粘合剂、增塑剂等等）。
任选地，可以在该模腔402中提供包含硬质材料，如碳化物（例如碳化钨）的粒料物质306（图5）。在该模腔402中提供该粒料物质306后，可以将包含共晶或近共晶组合物的材料熔融，并将熔融的材料倾倒至该模腔402中，并使其渗透该模腔402中的粒料物质306之间的间隙，直到该模腔402至少基本充满。可以通过通向该模腔402的模具400中的一个或多个开口408将熔融材料倾倒至模具400中。
在附加的实施方案中，在该模腔402中未提供包含硬质材料的粒料物质306，并且用该熔融的共晶或近共晶组合物填充至少基本整个模腔402以便在该模腔402中浇铸该椎体500的主体部分412（图10）。
在附加的实施方案中，仅仅在该模腔402中的选定位置处提供包含硬质材料的粒料物质306，所述选定位置对应于该牙轮122的经受磨损的区域，使得所得椎体500的这些区域与该椎体500的其它区域（由浇铸的共晶或近共晶组合物形成，没有加入粒料物质306）相比包含更高体积含量的硬质材料，所述其它区域具有较低体积含量的硬质材料并表现出相对更高的韧度。
在附加的实施方案中，该粒料物质306包含硬质材料的颗粒和在将该粒料物质306加热至足以熔融将会形成熔融的共晶或近共晶组合物的材料的温度时将会形成熔融的共晶或近共晶组合物的材料的颗粒。在此类原位浇铸方法中，在该模腔402中提供该粒料物质306并加热至足以形成熔融的共晶或近共晶组合物的温度。在形成该熔融的共晶或近共晶组合物时，该熔融材料将渗透该粒料物质306中残留固体颗粒之间的空间，这将导致粒料物质306的坚实化和占据体积的减少。由此，还可以在模腔402上提供过量的粒料物质306（例如，在模具中的开口408中）以应对在该浇铸过程中可发生的此类坚实化。
例如，在其中该共晶或近共晶组合物包含钴和钨碳化物的共晶或近共晶组合物的实施方案中，该共晶或近共晶组合物可以具有约1320℃的熔点，尽管将要形成该熔融共晶或近共晶组合物的材料因其中的偏析相在精确的1320℃下可能不会熔融。但是，在形成熔融的共晶或近共晶组合物时，该熔融的共晶或近共晶组合物可以在冷却时在1320℃的熔点处或接近该熔点处凝固。在此类实施方案中，模具400（在模腔402中包括将形成该熔融的共晶或近共晶组合物的材料的颗粒）可以加热到至少约1350℃、至少约1375℃、或甚至至少约1400℃（例如1450℃）的峰值温度以确保将形成该熔融的共晶或近共晶组合物的材料的颗粒实际上确实熔融并形成熔融的共晶或近共晶组合物（与简单地经受烧结机理导致的致密化相反）。任选地，模具400（包括在模腔402中将形成该熔融的共晶或近共晶组合物的材料的颗粒）可以在炉中通过以约1℃/分钟至约20℃/分钟的加热速率将该炉加热至该峰值温度来加热至该峰值温度。例如，该炉可以以约2℃/分钟的加热速率从预热温度（例如约345℃）加热至约1400℃。炉温可以保持在峰值温度处约一分钟（1分钟）至约一百二十分钟（120分钟）（例如约60分钟）。
如对于图5和6在前文中讨论的那样，任选可以在该模腔402中提供一种或多种孕育剂，以有助于控制要在该模腔402中浇铸的椎体500的所得显微组织的性质。
如图10中所示，在该模腔402中浇铸该椎体500后，可将该椎体500从模具400中取出。如前所述，可能必要的是，打碎模具400以便将该椎体500从模具400中取出。
如本文中之前所述，该共晶或近共晶组合物可以包含金属与硬质材料的共晶或近共晶组合物。
当熔融的共晶或近共晶组合物冷却并发生相偏析时，可以形成混合的金属碳化物相。由此，按照本公开的一些实施方案，可以采用碳校正循环以调节所得金属碳化物相中的化学计量比，其方式使得减少（例如至少基本消除）该浇铸椎体500中此类不需要的金属碳化物相的所得量，并提高该浇铸椎体500中需要的主金属碳化物相的所得量，如对于牙轮122和图5和6在前文中讨论的那样。
在一些实施方案中，热等静压（HIP）法可用于提高该浇铸椎体500的密度并降低其孔隙率。例如，在浇铸工艺过程中，可以使用惰性气体对其中可进行浇铸过程的腔室加压。可以在浇铸工艺过程中或在浇铸工艺后但是在从模具400中取出该浇铸椎体500之前施加压力。在附加的实施方案中，该浇铸椎体500可以在将该浇铸椎体500从模具400中取出后施以HIP法。此外，还可以将如上所述的碳校正循环并入该HIP法中，以至于能够在用于该HIP法的相同炉腔中在HIP之前或之后立即进行该碳校正循环。
在附加的实施方案中，冷等静压法可用于提高该浇铸椎体500的密度并降低其孔隙率。换言之，可以对该浇铸椎体500施以至少约10,000兆帕的等静压力，同时保持该椎体500在约300℃或更低的温度下。
在形成该椎体500后，可以对该椎体500施以一种或多种表面处理。例如，喷丸硬化工艺（例如弹丸喷丸硬化工艺、杆喷丸硬化工艺或锤击硬化工艺）可用于在该椎体500的表面区域中赋予压缩残余应力。此类残余应力可以改善该椎体500的表面区域的机械强度，并可用于阻碍该椎体500在用于钻进过程中的开裂（这可能是由于例如疲劳）。
制品的浇铸能够形成具有通过其它制造方法可能无法实现的相对复杂的几何构造的制品。由此，通过如本文中公开的浇铸钻地工具和/或钻地工具的部件，可以形成与之前制造的钻地工具和/或钻地工具的部件相比具有几何形状上相对更复杂的设计的钻地工具和/或钻地工具的部件。
下面描述本公开的附加的非限制性实施方案。
实施方案1：形成钻地工具的至少一部分的方法，包括在模腔中提供至少一个插入件,在该模腔中提供包含硬质材料的粒料物质，将金属与该硬质材料熔融以形成包含该金属与该硬质材料的共晶或近共晶组合物的熔融组合物，并在该模腔中浇铸该熔融组合物。
实施方案2：实施方案1的方法，进一步包括在该模腔中提供孕育剂。
实施方案3：实施方案2的方法，其中在该模腔中提供孕育剂包括在该模腔中提供孕育剂从而在包含该金属与该硬质材料的共晶或近共晶组合物的熔融组合物凝固时控制晶粒生长。
实施方案4：实施方案2或实施方案3的方法，其中提供该孕育剂包括提供过渡金属铝酸盐、过渡金属偏硅酸盐和过渡金属氧化物的至少一种。
实施方案5：实施方案2至4的任一项的方法，其中提供该孕育剂包括提供铝酸钴、偏硅酸钴和氧化钴的至少一种。
实施方案6：实施方案2至5的任一项的方法，其中将金属与硬质材料熔融以形成熔融组合物包括形成钴和钨碳化物的共晶或近共晶组合物。
实施方案7：实施方案1至6的任一项的方法，进一步包括调节该钻地工具的至少一部分的至少一种硬质材料相的化学计量比。
实施方案8：实施方案7的方法，其中调节该钻地工具的至少一部分的至少一种硬质材料相的化学计量比包括将M6C相和M12C相的至少一种转化为MC相和M2C相的至少一种，其中M是至少一种金属元素，C是碳。
实施方案9：实施方案8的方法，其中将M6C相和M12C相的至少一种转化为MC相和M2C相的至少一种包括将WxCoyC转化为WC，其中x为约0.5至约6，y为约0.5至约6。
实施方案10：实施方案1至9的任一项的方法，其中将金属与硬质材料熔融以形成熔融组合物包括将包含约40重量%至约90重量%的钴或钴基合金和约0.5重量%至约3.8重量%的碳的混合物熔融，其中该混合物的余量至少基本由钨组成。
实施方案11：实施方案1至10的任一项的方法，其中将金属与硬质材料熔融以形成熔融组合物包括将包含约55重量%至约85重量%的钴或钴基合金和约0.85重量%至约3.0重量%的碳的混合物熔融，其中该混合物的余量至少基本由钨组成。
实施方案12：实施方案1至11的任一项的方法，其中将金属与硬质材料熔融以形成熔融组合物包括将包含约65重量%至约78重量%的钴或钴基合金和约1.3重量%至约2.35重量%的碳的混合物熔融，其中该混合物的余量至少基本由钨组成。
实施方案13：实施方案1至12的任一项的方法，其中将金属与硬质材料熔融以形成熔融组合物包括将包含约69重量%的钴或钴基合金、约1.9重量%的碳和约29.1重量%的钨的混合物熔融。
实施方案14：实施方案1至12的任一项的方法，其中将金属与硬质材料熔融以形成熔融组合物包括将包含约75重量%的钴或钴基合金、约1.53重量%的碳和约23.47重量%的钨的混合物熔融。
实施方案15：实施方案1至14的任一项的方法，进一步包括在该模腔中浇铸该熔融组合物之后压制该钻地工具的至少一部分。
实施方案16：实施方案1至15的任一项的方法，进一步包括处理该钻地工具的至少一部分的至少一个表面区域以便在该钻地工具的至少一部分的至少一个表面区域中提供压缩残余应力。
实施方案17：实施方案16的方法，其中处理该钻地工具的至少一部分的至少一个表面区域包括对该钻地工具的至少一部分的至少一个表面区域施以喷丸硬化工艺。
实施方案18：实施方案1至17的任一项的方法，其中在该模腔中提供至少一个插入件包括提供颗粒-基质复合材料，该复合材料表现的耐磨性大于该凝固的熔融组合物的耐磨性。
实施方案19：实施方案1至18的任一项的方法，其中在该模腔中提供至少一个插入件包括提供未完全烧结体。
实施方案20：实施方案1至19的任一项的方法，其中在该模腔中提供至少一个插入件包括在该模腔中相应于要在该模腔中成型的钻地工具的至少一部分的切削面和轴承面的至少一种的位置处布置至少一个插入件。
实施方案21：形成钻地旋转钻头的牙轮的方法，包括在模腔中提供至少一个插入件,形成包含钴和钨碳化物的共晶或近共晶组合物的熔融组合物，在该模腔中与至少一个插入件的至少一部分相邻地浇铸该熔融组合物，并在该模腔中凝固该熔融组合物。
实施方案22：实施方案21的方法，进一步包括将该牙轮中的W3Co3C相区域和W6Co6C相区域的至少一种转化为WC和W2C的至少一种。
实施方案23：实施方案21或实施方案22的方法，其中形成熔融组合物包括形成包含约40重量%至约90重量%的钴或钴基合金和约0.5重量%至约3.8重量%的碳的熔融组合物，其中该混合物的余量至少基本由钨组成。
实施方案24：实施方案21至23的任一项的方法，其中形成熔融组合物包括形成包含约55重量%至约85重量%的钴或钴基合金和约0.85重量%至约3.0重量%的碳的熔融组合物，其中该混合物的余量至少基本由钨组成。
实施方案25：实施方案21至24的任一项的方法，其中形成熔融组合物包括形成包含约65重量%至约78重量%的钴或钴基合金和约1.3重量%至约2.35重量%的碳的熔融组合物，其中该混合物的余量至少基本由钨组成。
实施方案26：实施方案21至25的任一项的方法，其中形成熔融组合物包括形成包含约69重量%的钴或钴基合金、约1.9重量%的碳和约29.1重量%的钨的熔融组合物。
实施方案27：实施方案21至25的任一项的方法，其中形成熔融组合物包括形成包含约75重量%的钴或钴基合金、约1.53重量%的碳和约23.47重量%的钨的熔融组合物。
实施方案28：实施方案21至27的任一项的方法，进一步包括使用孕育剂从而在该熔融组合物于该模腔中凝固时控制晶粒生长。
实施方案29：实施方案28的方法，其中使用孕育剂以控制晶粒生长包括向模腔中添加过渡金属铝酸盐、过渡金属偏硅酸盐和过渡金属氧化物的至少一种。
实施方案30：实施方案28或实施方案29的方法，其中使用孕育剂以控制晶粒生长包括向模腔中添加铝酸钴、偏硅酸钴和氧化钴的至少一种。
实施方案31：实施方案21至30的任一项的方法，进一步包括选择该金属与该硬质材料的共晶或近共晶组合物以包含钴和钨碳化物的共晶或近共晶组合物。
实施方案32：实施方案21至31的任一项的方法，进一步包括选择至少一个插入件以包含颗粒-基质复合材料，该复合材料表现的耐磨性高于该凝固的熔融组合物的耐磨性。
实施方案33：实施方案21至32的任一项的方法，其中在该模腔中提供至少一个插入件包括在该模腔中提供未完全烧结体。
实施方案34：实施方案21至33的任一项的方法，其中在该模腔中提供至少一个插入件包括在该模腔中相应于要在该模腔中成型的钻地工具的至少一部分的切削面和轴承面之一的位置处布置至少一个插入件。
实施方案35：实施方案21至34的任一项的方法，还包括在该模腔中浇铸该熔融组合物之后压制该牙轮。
实施方案36：实施方案21至35的任一项的方法，进一步包括处理该牙轮的至少一个表面区域以便在该牙轮的至少一个表面区域中提供压缩残余应力。
实施方案37：实施方案36的方法，其中处理该牙轮的至少一个表面区域包括对该牙轮的至少一个表面区域施以喷丸硬化工艺。
实施方案38：形成钻地工具的至少一部分的方法，包括用其组成不同于该模具组成的涂覆材料在模具中涂布模腔的至少一个表面，将金属与硬质材料熔融以形成包含该金属与该硬质材料的共晶或近共晶组合物的熔融组合物，并浇铸该熔融组合物。
实施方案39：实施方案38的方法，其中用其组成不同于该模具组成的涂覆材料在模具中涂布模腔的至少一个表面包括在包含碳的模具中涂布模腔的至少一个表面。
实施方案40：实施方案38或实施方案39的方法，其中用其组成不同于该模具组成的涂覆材料在模具中涂布模腔的至少一个表面包括在包含石墨的模具中涂布模腔的至少一个表面。
实施方案41：实施方案38的方法，其中涂布模腔的至少一个表面包括在至少基本不含碳的模具中涂布模腔的至少一个表面。
实施方案42:实施方案38至41的任一项的方法，其中涂布模腔的至少一个表面包括在包含陶瓷氧化物和化学结合的磷酸盐陶瓷材料的模具中涂布模腔的至少一个表面。
实施方案43：实施方案38至42的任一项的方法，其中涂布模腔的至少一个表面包括用至少基本不含碳的材料涂布模腔的至少一个表面。
实施方案44：实施方案38至43的任一项的方法，其中涂布模腔的至少一个表面包括用陶瓷氧化物材料涂布模腔的至少一个表面。
实施方案45：实施方案38至44的任一项的方法，其中涂布模腔的至少一个表面包括用氧化锆、氧化硅、氧化铝和氧化钇的至少一种涂布模腔的至少一个表面。
实施方案46：实施方案38至45的任一项的方法，其中涂布模腔的至少一个表面包括用氧化锆涂布模腔的至少一个表面。
实施方案47：实施方案38至46的任一项的方法，其中涂布模腔的至少一个表面包括用至少基本上由氧化锆组成的涂覆材料涂布模腔的至少一个表面。
实施方案48：实施方案38至47的任一项的方法，其中涂布模腔的至少一个表面包括将液体悬浮液和浆料的至少一种施加到模腔的至少一个表面。
实施方案49：实施方案48的方法，其中将液体悬浮液和浆料的至少一种施加到模腔的至少一个表面包括将液体悬浮液和浆料的至少一种喷涂和刷涂到模具的至少一个表面上。
实施方案50：实施方案48的方法，其中将液体悬浮液和浆料的至少一种施加到模腔的至少一个表面包括用液体悬浮液和浆料的至少一种填充该模腔，并基本排空该模腔的液体悬浮液和浆料的至少一种。
实施方案51：实施方案38至50的任一项的方法，其中涂布模腔的至少一个表面包括形成多层涂层。
实施方案52:实施方案38至51的任一项的方法，其中涂布模腔的至少一个表面包括形成具有第一组成的多层涂层的至少一个层，并形成具有不同于第一组成的第二组成的多层涂层的至少另一个层。
实施方案53：实施方案52的方法，其中形成具有第一组成的多层涂层的至少一个层包括在模具的一部分与该多层涂层的至少另一个层之间形成阻挡材料。
实施方案54：实施方案52或实施方案53的方法，其中形成多层涂层的至少另一个层包括形成配置为在该模腔中与该钻地工具的至少一部分反应的材料。
实施方案55：实施方案52至54的任一项的方法，其中形成多层涂层的至少另一个层包括形成配置为以附加相形式在该模腔中并入该钻地工具的至少一部分的材料。
实施方案56：实施方案52至55的任一项的方法，进一步包括在该模腔的至少一个表面与该多层涂层的至少另一个层之间布置多层涂层的至少一个层。
实施方案57：实施方案38至56的任一项的方法，其中涂布模腔的至少一个表面包括用配制成与该模腔中的熔融组合物反应的材料涂布模腔的至少一个表面。
实施方案58：实施方案38至57的任一项的方法，其中涂布模腔的至少一个表面包括用配制成以附加相形式并入该模腔中的钻地工具的至少一部分的材料涂布模腔的至少一个表面。
实施方案59：实施方案38至58的任一项的方法，其中用涂覆材料涂布该模腔的至少一个表面包括在该模腔的至少一个表面上沉积涂覆材料颗粒并当涂覆材料颗粒布置在该模腔的至少一个表面上时加热该涂覆材料颗粒。
实施方案60：实施方案59的方法，其中当涂覆材料颗粒布置在该模腔的至少一个表面上时加热该涂覆材料颗粒包括至少部分烧结该涂覆材料的颗粒。
实施方案61：实施方案38至60的任一项的方法，其中将金属与硬质材料熔融以形成包含该金属与该硬质材料的共晶或近共晶组合物的熔融组合物包括形成包含约40重量%至约90重量%的钴或钴基合金和约0.5重量%至约3.8重量%的碳的熔融组合物，其中该混合物的余量至少基本由钨组成。
实施方案62：实施方案38至61的任一项的方法，其中将金属与硬质材料熔融以形成包含该金属与该硬质材料的共晶或近共晶组合物的熔融组合物包括形成包含约55重量%至约85重量%的钴或钴基合金和约0.85重量%至约3.0重量%的碳的熔融组合物，其中该混合物的余量至少基本由钨组成。
实施方案63：实施方案38至62的任一项的方法，其中将金属与硬质材料熔融以形成包含该金属与该硬质材料的共晶或近共晶组合物的熔融组合物包括形成包含约65重量%至约78重量%的钴或钴基合金和约1.3重量%至约2.35重量%的碳的熔融组合物，其中该混合物的余量至少基本由钨组成。
实施方案64：实施方案38至63的任一项的方法，其中将金属与硬质材料熔融以形成包含该金属与该硬质材料的共晶或近共晶组合物的熔融组合物包括形成包含约69重量%的钴或钴基合金、约1.9重量%的碳和约29.1重量%的钨的熔融组合物。
实施方案65：实施方案38至63的任一项的方法，其中将金属与硬质材料熔融以形成包含该金属与该硬质材料的共晶或近共晶组合物的熔融组合物包括形成包含约75重量%的钴或钴基合金、约1.53重量%的碳和约23.47重量%的钨的熔融组合物。
实施方案66：包含钻地工具的至少一部分的制品，该制品包含至少一个插入件和包括金属相与硬质材料相的凝固的共晶或近共晶组合物。
实施方案67：实施方案66的制品，其中凝固的共晶或近共晶组合物包含孕育剂。
实施方案68：实施方案66或实施方案67的制品，其中凝固的共晶或近共晶组合物包含选自过渡金属铝酸盐、过渡金属偏硅酸盐和过渡金属氧化物的孕育剂。
实施方案69：实施方案66至68的任一项的制品，其中金属相包含钴、铁、镍及其合金的至少一种。
实施方案70：实施方案66至69的任一项的制品，其中硬质材料相包含选自碳化物、硼化物、氮化物及其混合物的陶瓷化合物。
实施方案71：实施方案66至70的任一项的制品，进一步包括复合显微组织，所述复合显微组织包括金属相与硬质材料相的区域。
实施方案72：实施方案66至71的任一项的制品，其中该硬质材料相包含金属碳化物相，所述金属碳化物相包括MC相和M2C相的至少一种，其中M是至少一种金属元素，C是碳。
实施方案73：实施方案66至72的任一项的制品，其中该至少一个插入件包含颗粒-基质复合材料，该复合材料表现出的耐磨性大于该凝固的共晶或近共晶组合物的耐磨性。
实施方案74：实施方案66至73的任一项的制品，其中该至少一个插入件对应于（comprise）该钻地工具的至少一部分的切削面和轴承面的至少一种。
实施方案75：实施方案66至74的任一项的制品，其中该至少一个插入件至少部分嵌在该凝固的共晶或近共晶组合物中。
实施方案76：实施方案66至75的任一项的制品，其中该凝固的共晶或近共晶组合物包含约40重量%至约90重量%的钴或钴基合金和约0.5重量%至约3.8重量%的碳，其中该混合物的余量至少基本由钨组成。
实施方案77：实施方案66至76的任一项的制品，其中该凝固的共晶或近共晶组合物包含约55重量%至约85重量%的钴或钴基合金和约0.85重量%至约3.0重量%的碳，其中该混合物的余量至少基本由钨组成。
实施方案78：实施方案66至77的任一项的制品，其中该凝固的共晶或近共晶组合物包含约65重量%至约78重量%的钴或钴基合金和约1.3重量%至约2.35重量%的碳，其中该混合物的余量至少基本由钨组成。
实施方案79：实施方案66至78的任一项的制品，其中该凝固的共晶或近共晶组合物包含约69重量%的钴或钴基合金、约1.9重量%的碳和约29.1重量%的钨。
实施方案80：实施方案66至78的任一项的制品，其中该凝固的共晶或近共晶组合物包含约75重量%的钴或钴基合金、约1.53重量%的碳和约23.47重量%的钨。
实施方案81：包含钻地工具的至少一部分的制品，该制品包含包括金属相与硬质材料相的凝固的共晶或近共晶组合物和与该凝固的共晶或近共晶组合物接触的涂覆材料。
实施方案82：实施方案81的制品，其中该凝固的共晶或近共晶组合物包含孕育剂。
实施方案83：实施方案81或实施方案82的制品，其中该凝固的共晶或近共晶组合物包含选自过渡金属铝酸盐、过渡金属偏硅酸盐和过渡金属氧化物的孕育剂。
实施方案84：实施方案81至83的任一项的制品，其中该金属相包含钴、铁、镍及其合金的至少一种。
实施方案85：实施方案81至84的任一项的制品，其中该硬质材料相包含选自碳化物、硼化物、氮化物及其混合物的陶瓷化合物。
实施方案86：实施方案81至85的任一项的制品，进一步包括复合显微组织，其包括金属相与硬质材料相的区域。
实施方案87：实施方案81至86的任一项的制品，其中该硬质材料相包含包括MC相和M2C相的至少一种的金属碳化物相，其中M是至少一种金属元素，C是碳。
实施方案88：实施方案81至87的任一项的制品，其中该涂覆材料基本不含碳。
实施方案89：实施方案81至88的任一项的制品，其中该涂覆材料包含陶瓷氧化物材料。
实施方案90：实施方案81至89的任一项的制品，其中该涂覆材料包含氧化锆、氧化硅、氧化铝或氧化钇。
实施方案91：实施方案81至90的任一项的制品，其中该涂覆材料包含多层涂层。
实施方案92：实施方案91的制品，其中该多层涂层包含具有第一组成的至少一个层和具有不同于第一组成的第二组成的至少另一个层。
实施方案93：实施方案81至92的任一项的制品，其中该至少一个插入件至少部分嵌入到该凝固的共晶或近共晶组合物中。
实施方案94：实施方案81至93的任一项的制品，其中该凝固的共晶或近共晶组合物包含约40重量%至约90重量%的钴或钴基合金和约0.5重量%至约3.8重量%的碳，其中该混合物的余量至少基本由钨组成。
实施方案95：实施方案81至94的任一项的制品，其中该凝固的共晶或近共晶组合物包含约55重量%至约85重量%的钴或钴基合金和约0.85重量%至约3.0重量%的碳，其中该混合物的余量至少基本由钨组成。
实施方案96：实施方案81至95的任一项的制品，其中该凝固的共晶或近共晶组合物包含约65重量%至约78重量%的钴或钴基合金和约1.3重量%至约2.35重量%的碳，其中该混合物的余量至少基本由钨组成。
实施方案97：实施方案81至96的任一项的制品，其中该凝固的共晶或近共晶组合物包含约69重量%的钴或钴基合金、约1.9重量%的碳和约29.1重量%的钨。
实施方案98：实施方案81至96的任一项的制品，其中该凝固的共晶或近共晶组合物包含约75重量%的钴或钴基合金、约1.53重量%的碳和约23.47重量%的钨。
尽管前述说明书包含许多细节，但这些不应解释为限制本发明的范围，而是仅应解释为提供特定示例性实施方案。类似地，可以设计本发明的其它实施方案，其不离开本发明的范围。例如，本文中参照实施方案描述的特征也可以在本文中描述的其它实施方案中提供。本发明的范围因此仅由所附权利要求和它们的法律等价物而非前述说明书来说明和限制。如本文中公开的那样，落在权利要求的含义与范围内的对本发明的所有增添、删减和改变包括在本发明中。
权利要求书(按照条约第19条的修改)
1.形成钻地工具的至少一部分的方法，包括：
在模腔中提供至少一个插入件；
在该模腔中提供包含硬质材料的粒料物质；
将金属与该硬质材料熔融以形成包含该金属与该硬质材料的共晶或近共晶组合物的熔融组合物；和
在该模腔中浇铸该熔融组合物。
2.如权利要求1所述的方法，进一步包括在该模腔中提供孕育剂从而在包含该金属与该硬质材料的共晶或近共晶组合物的熔融组合物凝固时控制晶粒生长。
3.如权利要求1或权利要求2所述的方法，进一步包括调节该钻地工具的至少一部分的至少一种硬质材料相的化学计量比。
4.如权利要求1或权利要求2所述的方法，其中将金属与硬质材料熔融以形成熔融组合物包括形成钴和钨碳化物的共晶或近共晶组合物。
5.如权利要求1或权利要求2所述的方法，其中将金属与硬质材料熔融以形成熔融组合物包括将包含约40重量%至约90重量%的钴或钴基合金和约0.5重量%至约3.8重量%的碳的混合物熔融，其中该混合物的余量至少基本由钨组成。
6.如权利要求1或权利要求2所述的方法，其中将金属与硬质材料熔融以形成熔融组合物包括将包含约69重量%的钴或钴基合金、约1.9重量%的碳和约29.1重量%的钨的混合物熔融。
7.如权利要求1或权利要求2所述的方法，其中将金属与硬质材料熔融以形成熔融组合物包括将包含约75重量%的钴或钴基合金、约1.53重量%的碳和约23.47重量%的钨的混合物熔融。
8.如权利要求1或权利要求2所述的方法，其中在该模腔中提供至少一个插入件包括提供未完全烧结体。
9.包含钻地工具的至少一部分的制品，该制品包含：
至少一个插入件；和
包括金属相、硬质材料相和孕育剂的凝固的共晶或近共晶组合物。
10.如权利要求9所述的制品，其中该孕育剂包含选自过渡金属铝酸盐、过渡金属偏硅酸盐和过渡金属氧化物的材料。
11.如权利要求9或权利要求10所述的制品，其中该金属相包含钴、铁、镍及其合金的至少一种。
12.如权利要求9或权利要求10所述的制品，其中该硬质材料相包含选自碳化物、硼化物、氮化物及其混合物的陶瓷化合物。
13.如权利要求9或权利要求10所述的制品，进一步包括复合显微组织，所述复合显微组织包括金属相与硬质材料相的区域。
14.如权利要求9或权利要求10所述的制品，其中该硬质材料相包含金属碳化物相，所述金属碳化物相包括MC相和M2C相的至少一种，其中M是至少一种金属元素，C是碳。
15.如权利要求9或权利要求10所述的制品，其中该至少一个插入件包含颗粒-基质复合材料，该颗粒-基质复合材料表现出的耐磨性大于该凝固的共晶或近共晶组合物的耐磨性。
16.如权利要求9或权利要求10所述的制品，其中该至少一个插入件包含该钻地工具的至少一部分的切削面和轴承面的至少一种。
17.如权利要求9或权利要求10所述的制品，其中该至少一个插入件至少部分嵌在该凝固的共晶或近共晶组合物中。

Claims (17)

1.形成钻地工具的至少一部分的方法，包括：
在模腔中提供至少一个插入件；
在该模腔中提供包含硬质材料的粒料物质；
将金属与该硬质材料熔融以形成包含该金属与该硬质材料的共晶或近共晶组合物的熔融组合物；和
在该模腔中浇铸该熔融组合物。
2.如权利要求1所述的方法，进一步包括在该模腔内提供孕育剂从而在包含该金属与该硬质材料的共晶或近共晶组合物的熔融组合物凝固时控制晶粒生长。
3.如权利要求1或权利要求2所述的方法，进一步包括调节该钻地工具的至少一部分的至少一种硬质材料相的化学计量比。
4.如权利要求1至3任一项所述的方法，其中将金属与硬质材料熔融以形成熔融组合物包括形成钴和钨碳化物的共晶或近共晶组合物。
5.如权利要求1至4任一项所述的方法，其中将金属与硬质材料熔融以形成熔融组合物包括将包含约40重量%至约90重量%的钴或钴基合金和约0.5重量%至约3.8重量%的碳的混合物熔融，其中该混合物的余量至少基本由钨组成。
6.如权利要求1至5任一项所述的方法，其中将金属与硬质材料熔融以形成熔融组合物包括将包含约69重量%的钴或钴基合金、约1.9重量%的碳和约29.1重量%的钨的混合物熔融。
7.如权利要求1至5任一项所述的方法，其中将金属与硬质材料熔融以形成熔融组合物包括将包含约75重量%的钴或钴基合金、约1.53重量%的碳和约23.47重量%的钨的混合物熔融。
8.如权利要求1至7任一项所述的方法，其中在该模腔中提供至少一个插入件包括提供未完全烧结体。
9.包含钻地工具的至少一部分的制品，该制品包含：
至少一个插入件；和
包括金属相与硬质材料相的凝固的共晶或近共晶组合物。
10.如权利要求9所述的制品，其中该凝固的共晶或近共晶组合物包含选自过渡金属铝酸盐、过渡金属偏硅酸盐和过渡金属氧化物的孕育剂。
11.如权利要求9或权利要求10所述的制品，其中该金属相包含钴、铁、镍及其合金的至少一种。
12.如权利要求9至11任一项所述的制品，其中该硬质材料相包含选自碳化物、硼化物、氮化物及其混合物的陶瓷化合物。
13.如权利要求9至12任一项所述的制品，进一步包括复合显微组织，所述复合显微组织包括金属相与硬质材料相的区域。
14.如权利要求9至13任一项所述的制品，其中该硬质材料相包含金属碳化物相，所述金属碳化物相包括MC相和M2C相的至少一种，其中M是至少一种金属元素，C是碳。
15.如权利要求9至14任一项所述的制品，其中该至少一个插入件包含颗粒-基质复合材料，该颗粒-基质复合材料表现出的耐磨性大于该凝固的共晶或近共晶组合物的耐磨性。
16.如权利要求9至15任一项所述的制品，其中该至少一个插入件包含该钻地工具的至少一部分的切削面和轴承面的至少一种。
17.如权利要求9至16任一项所述的制品，其中该至少一个插入件至少部分嵌在该凝固的共晶或近共晶组合物中。
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