CN105798285B - 可流动复合粒子和熔渗制品及其制备方法 - Google Patents

可流动复合粒子和熔渗制品及其制备方法 Download PDF

Info

Publication number
CN105798285B
CN105798285B CN201610024175.5A CN201610024175A CN105798285B CN 105798285 B CN105798285 B CN 105798285B CN 201610024175 A CN201610024175 A CN 201610024175A CN 105798285 B CN105798285 B CN 105798285B
Authority
CN
China
Prior art keywords
particles
flowable composite
mesh
composite particles
bonded
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Active
Application number
CN201610024175.5A
Other languages
English (en)
Other versions
CN105798285A (zh
Inventor
S·钱德雷萨卡伦
T·E·普茨
J·W·彼特勒
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Kennametal Inc
Original Assignee
Kennametal Inc
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Kennametal Inc filed Critical Kennametal Inc
Publication of CN105798285A publication Critical patent/CN105798285A/zh
Application granted granted Critical
Publication of CN105798285B publication Critical patent/CN105798285B/zh
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Images

Classifications

    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B24—GRINDING; POLISHING
    • B24D—TOOLS FOR GRINDING, BUFFING OR SHARPENING
    • B24D3/00—Physical features of abrasive bodies, or sheets, e.g. abrasive surfaces of special nature; Abrasive bodies or sheets characterised by their constituents
    • B24D3/02—Physical features of abrasive bodies, or sheets, e.g. abrasive surfaces of special nature; Abrasive bodies or sheets characterised by their constituents the constituent being used as bonding agent
    • B24D3/04—Physical features of abrasive bodies, or sheets, e.g. abrasive surfaces of special nature; Abrasive bodies or sheets characterised by their constituents the constituent being used as bonding agent and being essentially inorganic
    • B24D3/06—Physical features of abrasive bodies, or sheets, e.g. abrasive surfaces of special nature; Abrasive bodies or sheets characterised by their constituents the constituent being used as bonding agent and being essentially inorganic metallic or mixture of metals with ceramic materials, e.g. hard metals, "cermets", cements
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B22—CASTING; POWDER METALLURGY
    • B22F—WORKING METALLIC POWDER; MANUFACTURE OF ARTICLES FROM METALLIC POWDER; MAKING METALLIC POWDER; APPARATUS OR DEVICES SPECIALLY ADAPTED FOR METALLIC POWDER
    • B22F1/00—Metallic powder; Treatment of metallic powder, e.g. to facilitate working or to improve properties
    • B22F1/05—Metallic powder characterised by the size or surface area of the particles
    • B22F1/052—Metallic powder characterised by the size or surface area of the particles characterised by a mixture of particles of different sizes or by the particle size distribution
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B22—CASTING; POWDER METALLURGY
    • B22F—WORKING METALLIC POWDER; MANUFACTURE OF ARTICLES FROM METALLIC POWDER; MAKING METALLIC POWDER; APPARATUS OR DEVICES SPECIALLY ADAPTED FOR METALLIC POWDER
    • B22F1/00—Metallic powder; Treatment of metallic powder, e.g. to facilitate working or to improve properties
    • B22F1/10—Metallic powder containing lubricating or binding agents; Metallic powder containing organic material
    • B22F1/105—Metallic powder containing lubricating or binding agents; Metallic powder containing organic material containing inorganic lubricating or binding agents, e.g. metal salts
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C22—METALLURGY; FERROUS OR NON-FERROUS ALLOYS; TREATMENT OF ALLOYS OR NON-FERROUS METALS
    • C22C—ALLOYS
    • C22C1/00—Making non-ferrous alloys
    • C22C1/04—Making non-ferrous alloys by powder metallurgy
    • C22C1/05—Mixtures of metal powder with non-metallic powder
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C22—METALLURGY; FERROUS OR NON-FERROUS ALLOYS; TREATMENT OF ALLOYS OR NON-FERROUS METALS
    • C22C—ALLOYS
    • C22C1/00—Making non-ferrous alloys
    • C22C1/04—Making non-ferrous alloys by powder metallurgy
    • C22C1/05—Mixtures of metal powder with non-metallic powder
    • C22C1/051—Making hard metals based on borides, carbides, nitrides, oxides or silicides; Preparation of the powder mixture used as the starting material therefor
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C22—METALLURGY; FERROUS OR NON-FERROUS ALLOYS; TREATMENT OF ALLOYS OR NON-FERROUS METALS
    • C22C—ALLOYS
    • C22C1/00—Making non-ferrous alloys
    • C22C1/10—Alloys containing non-metals
    • C22C1/1036—Alloys containing non-metals starting from a melt
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C22—METALLURGY; FERROUS OR NON-FERROUS ALLOYS; TREATMENT OF ALLOYS OR NON-FERROUS METALS
    • C22C—ALLOYS
    • C22C29/00—Alloys based on carbides, oxides, nitrides, borides, or silicides, e.g. cermets, or other metal compounds, e.g. oxynitrides, sulfides
    • C22C29/02—Alloys based on carbides, oxides, nitrides, borides, or silicides, e.g. cermets, or other metal compounds, e.g. oxynitrides, sulfides based on carbides or carbonitrides
    • C22C29/06—Alloys based on carbides, oxides, nitrides, borides, or silicides, e.g. cermets, or other metal compounds, e.g. oxynitrides, sulfides based on carbides or carbonitrides based on carbides, but not containing other metal compounds
    • C22C29/067—Alloys based on carbides, oxides, nitrides, borides, or silicides, e.g. cermets, or other metal compounds, e.g. oxynitrides, sulfides based on carbides or carbonitrides based on carbides, but not containing other metal compounds comprising a particular metallic binder
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C22—METALLURGY; FERROUS OR NON-FERROUS ALLOYS; TREATMENT OF ALLOYS OR NON-FERROUS METALS
    • C22C—ALLOYS
    • C22C29/00—Alloys based on carbides, oxides, nitrides, borides, or silicides, e.g. cermets, or other metal compounds, e.g. oxynitrides, sulfides
    • C22C29/02—Alloys based on carbides, oxides, nitrides, borides, or silicides, e.g. cermets, or other metal compounds, e.g. oxynitrides, sulfides based on carbides or carbonitrides
    • C22C29/06—Alloys based on carbides, oxides, nitrides, borides, or silicides, e.g. cermets, or other metal compounds, e.g. oxynitrides, sulfides based on carbides or carbonitrides based on carbides, but not containing other metal compounds
    • C22C29/08—Alloys based on carbides, oxides, nitrides, borides, or silicides, e.g. cermets, or other metal compounds, e.g. oxynitrides, sulfides based on carbides or carbonitrides based on carbides, but not containing other metal compounds based on tungsten carbide
    • E—FIXED CONSTRUCTIONS
    • E21—EARTH OR ROCK DRILLING; MINING
    • E21B—EARTH OR ROCK DRILLING; OBTAINING OIL, GAS, WATER, SOLUBLE OR MELTABLE MATERIALS OR A SLURRY OF MINERALS FROM WELLS
    • E21B10/00—Drill bits
    • E21B10/46—Drill bits characterised by wear resisting parts, e.g. diamond inserts

Landscapes

  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • Materials Engineering (AREA)
  • Organic Chemistry (AREA)
  • Metallurgy (AREA)
  • Inorganic Chemistry (AREA)
  • Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
  • Geology (AREA)
  • Mining & Mineral Resources (AREA)
  • Ceramic Engineering (AREA)
  • Fluid Mechanics (AREA)
  • Geochemistry & Mineralogy (AREA)
  • General Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
  • Environmental & Geological Engineering (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Powder Metallurgy (AREA)

Abstract

本申请涉及可流动复合粒子和熔渗制品及其制备方法。本发明公开了一种可流动复合粒子，所述可流动复合粒子包括多个结合硬粒子和粘结剂合金。所述结合硬粒子为未破碎的结合硬粒子和破碎的结合硬粒子。所述结合硬粒子中的每一者粘结到所述粘结剂合金。所述结合硬粒子具有‑325目的粒度。所述可流动复合粒子具有如下粒度分布：(a)超过约零重量％与约5重量％之间的+80目粒度的可流动复合粒子，(b)约60重量％与约95重量％之间的‑80+325目粒度的可流动复合粒子，以及(c)超过约零重量％与约35重量％之间的‑325目粒度的可流动复合粒子。

Description

可流动复合粒子和熔渗制品及其制备方法
技术领域
本发明涉及可流动复合粒子以及使用可流动复合粒子的熔渗制品以及用于制备熔渗制品的方法。更具体地讲，本发明涉及可流动复合粒子，所述可流动复合粒子包括粘结到粘结剂合金的多个未破碎的和破碎的硬粒子。本发明还涉及使用多个可流动复合粒子的熔渗制品，其中每个可流动复合粒子包括粘结到粘结剂合金的多个未破碎的和破碎的硬粒子，并且其中可流动复合粒子粘结到熔渗剂合金。
背景技术
为了形成可流动复合粒子，对制品，例如但不限于钻头(例如，地下钻头)的废熔渗基体钻头体，进行粉碎或粉化操作(例如，渐进式分步粉碎或粉化操作)。还对未使用的制品诸如具有特定组成的试样块进行粉碎或粉化操作(例如，渐进式分步粉碎或粉化操作)，以形成可流动复合粒子。制品，无论是钻头的废熔渗基体钻头体还是未使用的试样块，都包含粘结到粘结剂合金的硬粒子(例如，未破碎的硬粒子)。制品的粉碎或粉化操作(例如，渐进式分步粉碎或粉化操作)将制品破碎成合适的可流动复合粒子。可流动复合粒子形式的本发明包括细小尺寸的颗粒(例如，粒度分布包括：(a)超过约零重量％与约5重量％之间的+80目粒度的可流动复合粒子，(b)约60重量％与约95重量％之间的-80+325目粒度的可流动复合粒子，以及(c)超过约零重量％与约35重量％之间的-325目粒度的可流动复合粒子)，其中可流动复合粒子自身包括粗晶碳化钨(WC)颗粒(-400目)、铸态碳化钨(WC/W2C)颗粒(-400目)和硬质碳化钨(粘结剂诸如钴和/或镍及其合金和类似金属)的硬粒子。熔渗制品(例如，熔渗基体钻头体材料)形式的本发明包括可流动复合粒子的团块(即，颗粒团块)，已用熔渗剂合金对所述可流动复合粒子进行熔渗以形成熔渗制品，所述熔渗制品表现出有利特性，诸如较高抗侵蚀性与较高横向断裂强度之间的有利平衡。
虽然本文的一些讨论内容涉及钻头，但可以设想，可由可流动复合粒子制备许多其他类型的其他制品。例如，可流动复合粒子可用作铜复合材料耐磨堆焊焊条的填料材料。可流动复合粒子还可用作铁基耐磨堆焊焊条的填料材料。可流动复合粒子可与蜡混合，其中混合物被压制成型并且被烧结成烧结制品。应当理解，上述熔渗制品仅仅是示例性的，并且可流动复合粒子适用于多种多样的制品，其中所述制品通过熔渗剂合金对粒子团块的熔渗来形成。
就钻头而言，熟知的是其用于地下应用，诸如采矿和钻探，用于天然气和石油钻探的钻头具有包括熔渗金属基体的钻头体或其部分。此类钻头体通常包括一种或多种切削元件，诸如多晶金刚石切削刀片，它们嵌入熔渗金属基体中、硬钎焊到熔渗金属基体或以其它方式由熔渗金属基体承载。通常通过如下方式形成钻头体：将切削元件定位在石墨模具内，在模具中填充基体粉末混合物，然后用熔渗剂金属对基体粉末混合物进行熔渗。以下美国专利和已公布的美国专利申请涉及或公开了可用于形成地下钻头体的熔渗基体粉末：授予Majagi的美国专利No.6,984,454 B2、授予Kelley等人的美国专利No.5,589,268、授予Kelley等人的美国专利No.5,733,649、授予Kelley等人的美国专利No.5,733,664、授予Majagi等人的美国专利申请公布No.2008/0289880 A1、授予Terry等人的美国专利申请公布No.2007/0277646 A1、授予Deng等人的美国专利No.8,016,057，所有这些专利均转让给本专利申请的受让人。以下美国专利和已公布的美国专利申请还涉及或公开了用于钻头体的熔渗剂基体粉末：授予Liang等人的美国专利No.7,475,743 B2、授予Ladi等人的美国专利No.7,398,840 B2、授予Lockwood等人的美国专利No.7,350,599 B2、授予Kembaiyan等人的美国专利No.7,250,069 B2、授予Findeisen等人的美国专利No.6,682,580、授予Kembaiyan等人的美国专利No.6,287,360 B1、授予Fang的美国专利No.5,662,183、授予Lockwood的美国专利申请公布No.2008/0017421 A1、授予Kembaiyan等人的美国专利申请公布No.2007/0240910 A1以及授予Kembaiyan的美国专利申请公布No.2004/0245024 A1。
参见美国专利申请公布No.2007/0240910 A1，该文献公开了用于形成基体主体的组合物，所述组合物包含球形硬质碳化钨和熔渗粘结剂，所述熔渗粘结剂包含一种或多种金属或合金。所述组合物还可包含铸态碳化钨和/或渗碳碳化钨。所述组合物中的烧结球形碳化钨的量优选地在约30至约90重量％的范围内。球形或压碎的铸态碳化物在使用时可占所述组合物的15至50重量％，并且渗碳碳化钨在使用时可占所述组合物的约5至30重量％。所述组合物还可包含约1至12重量％的一种或多种金属粉末，所述金属粉末选自由镍、铁、钴以及其他VIIIB族金属及其合金构成的组。
美国专利No.7,475,743 B2公开了地下钻头，所述地下钻头包括由熔渗金属基体粉末形成的钻头体，其中所述基体粉末混合物包含化学计量碳化钨粒子、硬质碳化钨粒子、铸态碳化钨粒子和金属粉末。化学计量碳化钨粒子可具有-325目(45微米)+625目(20微米)的粒度，并且占基体粉末最多30重量％。化学计量碳化钨粒子为粗晶碳化钨，其在极大程度上为单晶的形式。硬质碳化钨粒子可具有-170目(90微米)+625目(20微米)的粒度，并且占基体粉末最多40重量％。铸态碳化钨可具有-60目(250微米)+325目(45微米)的粒度，并且占基体粉末最多60重量％。金属粉末可占基体粉末的1至15重量％，并且可包含镍、铁、钴和其他VIIIB族金属及其合金中的一者或多者。
美国专利No.6,682,580 B2公开了基体粉末混合物，所述基体粉末混合物可用于制备适合耐磨应用的主体或部件，诸如钻头。基体粉末混合物包含粒度小于500微米并优选地在20至250微米之间的范围内的球状硬材料粒子。球状硬材料粒子占基体粉末的约5至100重量％。基体粉末还可包含块体硬材料，其在3与250微米之间的尺寸范围内并且为压碎的碳化物或金属粉末的形式。这些块体硬材料充当球形硬材料粒子之间的隔离物以有助于基体粉末的熔渗。球形硬粒子可为球状碳化物并且优选地为球状铸态碳化钨。它们还可为具有闭孔孔隙度的致密烧结硬质钨粉末或无孔的烧结硬质碳化钨球粒。球状碳化物还可为由钨、铬、钼、钒和钛构成的组中的金属的碳化物。金属粉末可占基体粉末的约1至12重量％，并且可选自由钴、镍、铬、钨、铜及其合金和混合物构成的组。
美国专利No.5,733,664还公开了基体粉末混合物(例如，粉末共混物)，其适合被熔渗以形成用于耐磨应用的易磨损元件主体或部件，诸如钻头。基体粉末混合物包含压碎的烧结硬质碳化钨粒子，其中粘结剂金属占硬质碳化钨组合物的约5至20重量％。压碎的烧结硬质碳化钨粉末可占基体粉末的50至100重量％，并且具有-80(180微米)+400目(38微米)的粒度。基体粉末混合物还可包含最多24重量％的铸态碳化钨，其具有-270目(53微米)的粒度且移除了超细粉；最多50重量％碳化钨粒子，其具有-80(180微米)+325目(45微米)的粒度；以及约0.5与1.5重量％之间的铁，其具有3-5微米的平均粒度。
虽然这些先前的熔渗金属基体已以令人满意的方式发挥作用，但仍然有未满足的需求，需要改善粒子的熔渗团块，包括但不限于，基体钻头体，诸如地下钻头体，其适合需要具有有利特性(例如，良好抗侵蚀性、合理强度和良好热稳定性的组合)的熔渗金属基体的特定应用。存在与粒子(包括粒子的熔渗团块的组分)的流动性相关的挑战。在钨/铜复合粉末的上下文中，授予Houck等人的美国专利No.5,439,638提及了流动性作为要实现的目标。此外，Abdullah等人的名称为“The use of bulk density measurements as flowabilityindicators”，Powder Technology,102(1999),pp.151-165(“使用堆积密度量度作为流动性指标”，《粉末技术》，第102卷，1999年，第151-165页)的文章研究了粒子流并且研究了流动性可能取决于粒度。本发明通过提供可流动复合粒子以及可流动复合粒子的熔渗团块而解决了这些未满足的需求。此外，本发明通过提供可流动复合粒子(其包括粘结到粘结剂合金的破碎的和未破碎的硬粒子)以及粘结到熔渗剂合金的可流动复合粒子的熔渗团块，而解决了这些未满足的需求。
发明内容
在其一种形式中，本发明为熔渗制品，所述熔渗制品包括包含可流动复合粒子的颗粒团块，其中在用熔渗剂合金进行熔渗之前，可流动复合粒子中的每一者包括多个结合硬粒子和粘结剂合金。结合硬粒子包括未破碎的结合硬粒子和破碎的结合硬粒子。结合硬粒子中的每一者粘结到粘结剂合金。结合硬粒子具有-325目的粒度，并且可流动复合粒子具有包括如下的粒度分布：(a)超过约零重量％与约5重量％之间的+80目粒度的可流动复合粒子，(b)约60重量％与约95重量％之间的-80+325目粒度的可流动复合粒子，以及(c)超过约零重量％与约35重量％之间的-325目粒度的可流动复合粒子。颗粒团块还包括粒度为-400目的多个破碎的未结合硬粒子，其中破碎的未结合硬粒子的一部分具有-625目的粒度。破碎的未结合硬粒子和可流动复合粒子中的每一者被熔渗剂合金围绕，其中粘结剂合金被熔渗剂合金熔融。
在其另一种形式中，本发明为可流动复合粒子，所述可流动复合粒子包括多个结合硬粒子和粘结剂合金。结合硬粒子包括未破碎的结合硬粒子和破碎的结合硬粒子。结合硬粒子中的每一者粘结到粘结剂合金。结合硬粒子具有-325目的粒度，并且可流动复合粒子具有如下的粒度分布：(a)超过约零重量％与约5重量％之间的+80目粒度的可流动复合粒子，(b)约60重量％与约95重量％之间的-80+325目粒度的可流动复合粒子，以及(c)超过约零重量％与约35重量％之间的-325目粒度的可流动复合粒子。
在又一种形式中，本发明为制备熔渗制品的方法，所述方法包括如下步骤：提供包含可流动复合粒子的颗粒团块，其中可流动复合粒子中的每一者包括多个结合硬粒子和粘结剂合金，并且结合硬粒子包括未破碎的结合硬粒子和破碎的结合硬粒子，结合硬粒子中的每一者粘结到粘结剂合金，并且结合硬粒子具有-325目的粒度，并且可流动复合粒子具有包括如下的粒度分布：(a)超过约零重量％与约5重量％之间的+80目粒度的可流动复合粒子，(b)约60重量％与约95重量％之间的-80+325目粒度的可流动复合粒子，以及(c)超过约零重量％与约35重量％之间的-325目粒度的可流动复合粒子；颗粒团块还包括粒度为-400目的多个破碎的未结合硬粒子，其中破碎的未结合硬粒子的一部分具有-625目的粒度；以及用熔渗剂合金对颗粒团块进行熔渗，其中熔渗剂合金使粘结剂合金熔融，并且破碎的未结合硬粒子和可流动复合粒子中的每一者被熔渗剂合金围绕。
附图说明
以下为构成本专利申请的一部分的附图说明。通过参照附图可以更好理解本发明的特征和优点。然而，应当理解，附图仅设计为用于举例说明的目的，而不是作为对本发明的界限的限定。
图1为根据本发明的一个实施例的用于制备地下钻头的组件的示意图。
图2为根据本发明的另一个实施例的用于制备地下钻头的组件的示意图。
图3为根据本发明的一个实施例的地下钻头的等轴视图。
图4为根据本发明的另一个实施例的地下钻头的等轴视图。
图5为用于制备可流动复合粒子的方法的一个具体实施例中的工艺步骤的流程图。
图6为在100X放大倍率下抛光态时所示的可流动复合粒子的显微照片(200μm的比例尺)。
图7为在200X放大倍率下抛光态时所示的可流动复合粒子的显微照片(100μm的比例尺)。
图8为在500X放大倍率下抛光态时所示的可流动复合粒子的显微照片(50μm的比例尺)。
图9为在100X放大倍率下用Murakami蚀刻剂蚀刻10秒时所示的可流动复合粒子的显微照片(200μm的比例尺)。
图10为在200X放大倍率下用Murakami蚀刻剂蚀刻10秒时所示的可流动复合粒子的显微照片(100μm的比例尺)。
图11为在500X放大倍率下用Murakami蚀刻剂蚀刻10秒时所示的可流动复合粒子的显微照片(20μm的比例尺)以及用所选硬粒子的维度标尺标示的硬粒子尺寸的量度。
图12为包括可流动复合粒子的钻头体材料的显微照片，所述可流动复合粒子用熔渗剂粘结剂合金进行熔渗以形成钻头体材料，其中比例尺为250μm。
图13为现有技术钻头体材料的显微照片，其中比例尺为500μm。
图14为现有技术钻头体材料的显微照片，其中比例尺为500μm。
图15为包括100重量％(wt.％)可流动复合粒子的钻头体材料的显微照片，所述可流动复合粒子用熔渗剂粘结剂合金进行熔渗以形成钻头体材料，其中比例尺为250μm。
图15A为包括100重量％(wt.％)可流动复合粒子的钻头体材料的显微照片以及用所选硬粒子的维度标尺标示的硬粒子尺寸的量度，所述可流动复合粒子用熔渗剂粘结剂合金进行熔渗以形成钻头体材料，其中比例尺为20μm。
图16为包括75重量％(wt.％)可流动复合粒子和余量原始材料的钻头体材料的显微照片，所述可流动复合粒子和余量原始材料用熔渗剂粘结剂合金进行熔渗以形成钻头体材料，其中比例尺为250μm。
图17为包括50重量％(wt.％)可流动复合粒子和余量原始材料的钻头体材料的显微照片，所述可流动复合粒子和余量原始材料用熔渗剂粘结剂合金进行熔渗以形成钻头体材料，其中比例尺为250μm。
图18为包括100重量％(wt.％)原始材料(零重量％可流动复合粒子)的钻头体材料的显微照片，对所述原始材料进行熔渗以形成钻头体材料，其中比例尺为250μm。
图19为包括-80/+325目粗糙铸态碳化钨的现有技术钻头体材料的显微照片，对所述粗糙铸态碳化钨进行熔渗以形成钻头体材料，其中比例尺为100μm。
图20为包括-80/+325目粗糙粗晶碳化钨的现有技术钻头体材料的显微照片，对所述粗糙粗晶碳化钨进行熔渗以形成钻头体材料，其中比例尺为100μm。
图21为包括-325目细小铸态碳化钨的钻头体材料的显微照片，对所述细小铸态碳化钨进行熔渗以形成钻头体材料，其中比例尺为100μm。
图22为包括-325目细小粗晶WC的钻头体材料的显微照片，对所述细小粗晶WC进行熔渗以形成钻头体材料，其中比例尺为100μm。
图23为曲线图，其示出了对于钻头体材料的多种对比性组合物和多种本发明组合物而言，横向断裂强度(ksi)相对于抗侵蚀性数据(侵蚀数)的关系。
图24为在使试样块变成可流动复合粒子的粉碎或粉化操作之前材料试样块的示意图。
图25为示意图，其示出了可流动复合粒子的成分。
图26为熔渗制品的示意图，所述熔渗制品包括多个未结合硬粒子和多个可流动复合粒子，所述多个未结合硬粒子和多个可流动复合粒子用熔化的熔渗剂合金进行熔渗，其中在用熔化的熔渗剂合金熔渗后，可流动复合粒子的粘结剂合金熔融而形成熔渗制品。
具体实施方式
在该部分中，对本发明的一些优选实施例进行充分详细的描述，使本领域技术人员可以实施本发明。然而，应当理解，本文描述了一定数目的优选实施例这一事实，绝不以任何方式限制所附权利要求书中所提出的本发明的范围。
形成基体粉末的粒子表现出一定粒度，所述基体粉末构成最终产品的部件诸如地下钻头体。目尺寸为用于描述粉末粒度的便利方式并且本文用于与粉末粒子的描述相关的目的。目尺寸有时也被称为“筛尺寸”或“筛网尺寸”。目尺寸的数字部分是指在平行于方形开口各边的方向上测得的每线性英寸(2.54cm)网孔所具有的方形开口数量。例如，100目是指每线性英寸(2.54cm)具有100个开口的网孔。由于网孔中的开口的边长取决于构成网孔的细丝的厚度，已采取各种标准控制细丝厚度，从而控制开口的边长。本文使用的目尺寸依据ASTM标准E 11-13(2014)Standard Specification for Woven Wire Test Sieve Clothand Test Sieves(编织网试验筛布和试验筛标准规范)，即美国目尺寸，该标准全文以引用方式并入本文。
就目尺寸而言，例如，通过100目尺寸网孔的粉末被认为是100目粉末。这也可通过在目尺寸数之前加上负号(-)来表示。例如，-100目粉末将通过100目筛网。在目尺寸数之前加上正(+)号用来指示粉末太粗糙而不能通过该目尺寸的筛网孔。例如，+100目粉末不能通过100目筛网。有时使用并排给出的两种目尺寸来更好地描述粉末的粒度。按照该惯例，在第一目尺寸数之前加上负号(-)(并且省略该数字旁边的词语“目”)以指示粉末足够小而能通过具有该目尺寸的筛网孔，并且在第二目尺寸之前加上正号(+)以指示粉末太粗糙而不能通过具有该目尺寸的筛网孔。因此，被描述为-100+325目的粉末样品足够细小而能通过100目筛网，并且太粗糙而不能通过325目筛网。
参见图1，示出了根据本发明的一个实施例的用于制造地下钻头的组件10的示意图。钻头具有柄24。刀具元件诸如分立切削元件20经由钻头体的金属基体粘结到所得的钻头。虽然将钻头柄附连到钻井用钢丝绳(drill line)的方法可有所不同，但一种常用方法是在柄上提供螺纹，以使得柄螺纹地接合钻井用钢丝绳中的螺纹孔。另一种方式是将柄焊接到钻井用钢丝绳。组件10包括具有底壁12和直立壁14的石墨模具11。模具11限定其中的体积。组件10还包括顶部构件16以关闭模具11的开口。顶部构件16的使用是任选的，这取决于在热处理期间希望对模具11的内容物进行气氛控制的程度。
将钢柄24定位在模具11内，然后在其中倒入可流动复合粒子混合物22。钢柄24的一部分位于可流动复合粒子混合物22内，并且钢柄24的另一部分在可流动复合粒子混合物22的外部。柄24在其一端具有螺纹25，并且在其另一端具有凹槽25A。
可流动复合粒子可为之前使用的钻头体和/或未使用的试样块粉碎的结果。使用过的钻头体和未使用的试样块通常包含粘结在粘结剂合金中的多种硬组分。所述硬组分可包括铸态碳化钨(WC)粒子、硬质碳化钨(钴)(WC-Co)粒子和粗晶碳化钨粒子。可流动复合粒子通常各自包括粘结剂合金，所述粘结剂合金容纳并粘结下列硬组分：未破碎的铸态碳化钨(WC)粒子、未破碎的硬质碳化钨(钴)(WC-Co)粒子、未破碎的粗晶碳化钨粒子、破碎的铸态碳化钨(WC)粒子、破碎的硬质碳化钨(钴)(WC-Co)粒子和破碎的粗晶碳化钨粒子。虽然一些粒子为WC-Co粒子，但应当认识到，这些WC硬粒子的粘结剂合金可为钴和/或镍及其合金，以及类似金属。如果合适的话，对于WC粒子的粘结剂合金的该理解适用于整篇本专利申请。
多个分立切削元件20被定位成延伸到底模具壁12和直立模具壁14中，以便位于所得钻头的表面上的所选位置处。将可流动复合粒子混合物22倒入模具11中以便围绕切削元件20的延伸到模具11的腔体中的各部分。应当理解，除了将切削元件20设置在模具11的壁中之外或作为将切削元件20设置在模具11的壁中的替代，还可将切削元件20以最多约20体积％的量与可流动复合粒子混合物22混合在一起。随后将在本文中讨论关于可流动复合粒子混合物22的性质的详情。
在已设置切削元件20并且已将可流动复合粒子混合物22倒入模具11中之后，将固体熔渗剂26定位在可流动复合粒子混合物22上方。然后任选地定位顶部构件16以关闭模具11的开口。接着将组件10置于熔炉中，并且加热到高温，以使熔渗剂26熔融并熔渗到整个可流动复合粒子混合物22中。有时将助焊剂加入粘结剂合金中以有利于熔融。炉内气氛被选择为与组件10的组分相容，并且通常包含氮气、氢气、氩气和空气中的一者或多者。然后冷却组件10以使熔渗剂26硬化。硬化熔渗剂26将可流动复合粒子混合物22、切削元件20和钢柄24粘结在一起而形成地下钻头。
参见图2，示出了根据本发明的另一个实施例用于制造地下钻头的组件30的示意图。组件30包括具有底壁32和直立壁34的石墨模具31。模具31限定其中的体积。组件31还包括顶部构件36以封闭模具31的开口。顶部构件36的使用是任选的，这取决于在热处理期间希望对模具31的内容物进行气氛控制的程度。将钢柄42定位在模具31内，然后在其中倒入可流动复合粒子混合物40。钢柄42的一部分位于可流动复合粒子混合物40内，并且钢柄42的另一部分在可流动复合粒子混合物40的外部。柄42在位于可流动复合粒子混合物40内的端部具有凹槽43。多个石墨坯料38沿着底模具壁32和直立模具壁34定位，以便位于所得钻头的表面上的所选位置处。将可流动复合粒子混合物40倒入模具31中，以便围绕石墨坯料38的延伸到模具31的腔体中的各部分。随后将在本文中讨论关于可流动复合粒子混合物40的性质的详情。
在已设置石墨坯料38并且已将可流动复合粒子混合物40倒入模具31中之后，将固体熔渗剂44定位在可流动复合粒子混合物40上方。然后任选地定位顶部构件36以关闭模具31的开口。接着将组件30置于熔炉中，并且加热到高温，以使熔渗剂44熔融并熔渗到整个可流动复合粒子混合物40中。有时将助焊剂加入粘结剂合金中以有利于熔融。炉内气氛被选择为与组件30的组分相容，并且通常包含氮气、氢气、氩气和空气中的一者或多者。然后冷却组件30以使熔渗剂44硬化。硬化熔渗剂44将可流动复合粒子混合物40、石墨坯料38和钢柄42粘结在一起。从粘结团块移除石墨坯料38。将切削元件诸如金刚石复合材料刀片硬钎焊到移除石墨坯料38所留下的凹陷部中以形成地下钻头。
参见图3，示出了根据本发明的一个实施例的地下钻头50。钻头50可由与以上参照图1所述类似的工艺制备。钻头50的钻头体54的前向表面52容纳从熔渗金属基体58延伸的切削元件56，所述熔渗金属基体58由冷冻整个可流动复合粒子混合物中的熔渗剂而得到。
参见图4，示出了根据本发明的另一个实施例的地下钻头70。钻头70具有钻头体72和切削元件74。钻头体72包括熔渗金属基体。切削元件74被硬钎焊到钻头体72。应当理解，本发明并不限于地下钻头，而是可包括多种钻头体以及含熔渗可流动复合粒子混合物的其他制品。根据本发明的地下钻头并不限于在上述实施例中所述的几何设计。相反，它们包括具有由钻头体承载的至少一个切削元件的所有地下钻头，其中钻头体包括熔渗金属基体，所述熔渗金属基体包含熔渗剂和可流动复合粒子混合物。此外，本发明并不限于作为钻头的熔渗制品，而是熔渗制品可包括多种不同制品中的任何一种，其中所述制品适合为可流动复合粒子的熔渗团块。
根据本发明的每个地下钻头具有一个或多个切削元件。切削元件优选地为天然金刚石、烧结到硬质碳化物上的多晶金刚石、热稳定多晶金刚石或热压金属基体复合材料，但可为本领域已知的任何合适硬材料。每个切削元件的尺寸和构型被选择为适用于将使用该切削元件的目的和条件。钻头体承载单独切削元件的方式取决于特定钻头的设计以及特定切削元件的设计。例如，切削元件可直接通过钻头体承载，例如，通过将切削元件嵌入钻头体的熔渗金属基体中或将它们硬钎焊到钻头体。或者，切削元件可间接通过钻头体承载，例如，通过将切削元件附连到刀片，所述刀片自身附连到钻头体。例如，授予Majagi等人的美国专利No.7,926,597(其转让给本专利申请的受让人)描述了承载切削元件的钻头体，所述切削元件附连到刀片，所述刀片又附连到钻头体。本领域已知的任何技术或方法可用于将单独切削元件和/或具有切削元件的刀片附连到钻头体，包括硬钎焊技术、熔渗技术、压装技术、冷缩装配技术和焊接技术。
本发明的熔渗制品包含(i)熔渗剂合金和(ii)可流动复合粒子，所述可流动复合粒子是已被熔渗剂合金熔渗的颗粒团块。如将显而易见的，本发明提供了熔渗制品(熔渗基体钻头体材料)，其表现出有利抗侵蚀性和有利横向断裂强度的组合。通过使用可流动复合粒子或至少使用可流动复合粒子作为颗粒团块的一部分，熔渗制品表现出有利且改善的特性，尤其是抗侵蚀性和横向断裂强度的组合。申请人认为有利且改善的特性，尤其是抗侵蚀性和横向断裂强度的组合，是由于这样的事实：可流动复合粒子表现出优异流动性以便在熔渗之前填充模具的体积。此外，申请人认为实现了有利且改善的特性，尤其是抗侵蚀性和横向断裂强度的组合，因为在熔融和熔渗工艺之前粘结剂合金定位在模具的体积中。这是因为模具中的可流动复合粒子包括硬粒子，所述硬粒子粘结到粘结剂合金，以使得在将熔渗剂合金熔融并熔渗到颗粒团块中之前粘结剂合金定位在模具中。更进一步讲，申请人认为有利且改善的特性，尤其是抗侵蚀性和横向断裂强度的组合，是由于较小硬粒子的使用。这些较小硬粒子可具有-400目和-625目的尺寸。
就熔渗剂而言，在制备熔渗金属基体粉末地下钻头和类似耐磨元件的领域中已知的所有熔渗剂均可用于本发明的实施例。其他熔渗剂可为合适的，这取决于熔渗制品的具体应用。
熔渗剂的例子包括包含一种或多种过渡金属元素和主族元素的金属和合金。铜、镍、铁和钴可用作熔渗剂的主要成分，并且诸如铝、锰、铬、锌、锡、硅、银和硼的元素可为次要成分。优选的熔渗剂为包含镍和锰及任选的锡和/或硼的铜基合金。特别优选的该类型熔渗剂为Deng等人的美国专利申请公布No.2008/0206585 A1中所公开的那些，所述专利申请公布全文以引用方式并入本文。一种优选的熔渗剂合金包含约45重量％与约60重量％之间的铜、约20重量％与约30重量％之间的锰以及约10重量％与约20重量％之间的镍以及约4重量％与约12重量％之间的锌。另一种特别优选的熔渗剂为可以商品名MACROFIL 53从本申请的受让人美利坚合众国宾夕法尼亚州拉特罗布的肯纳公司(Kennametal Inc.ofLatrobe,Pennsylvania 15650 United States of America)获得的合金。MACROFIL 53熔渗剂具有53.0重量％铜、24.0重量％锰、15.0重量％镍和8.0重量％锌的标称组成(以重量％计)。另一种特别优选的熔渗剂可以商品名MACROFIL 65从本申请的受让人美利坚合众国宾夕法尼亚州拉特罗布的肯纳公司(Kennametal Inc.of Latrobe,Pennsylvania 15650United States of America)获得。MACROFIL 65具有65重量％铜、15重量％镍和20重量％锌的标称组成(以重量％计)。另一种优选的熔渗剂具有小于0.2重量％硅、小于0.2重量％硼、最多35重量％镍、5-35重量％锰、最多15重量％锌和余量铜的标称组成(以重量％计)。又一种优选的熔渗剂合金包含约45重量％与约55重量％之间的铜以及约20重量％与约30重量％之间的锰以及约20重量％与约30重量％之间的镍。更具体地讲，这种优选的熔渗剂合金包含约50重量％铜、约25重量％锰和约25重量％镍。
对于本发明的任何特定实施例而言，熔渗剂的类型和量被选择为使得熔渗剂可与将有效接触的熔渗制品的其他组分相容。其还被选择成为所述制品提供所需水平的强度、韧性和耐用性。熔渗剂的量被选择为使得有足够的熔渗剂以完全熔渗可流动复合粒子。通常，熔渗剂占熔渗制品的约20至60体积％，其中可流动复合粒子占熔渗制品的约40体积％至80体积％。
就制备可流动复合粒子的工艺而言，图5示出了用于废钻头体材料或未使用的试样块的渐进式粉碎(或渐进式粉化)的基本步骤。虽然图5中所示的工艺包括具体步骤，但可以设想，粉碎或粉化工艺可包括不同数量的步骤，尤其是如果初始制品具有较小尺寸诸如在使用未使用的试样块的情况下，可包括较少数量的步骤。
通过该渐进式粉碎，经一系列步骤使粒子尺寸渐进式减小。每个这种步骤都粉碎粒子，从而将它们减小到较小粒度。就这一点而言，钻头(例如，地下钻头)的用过或废的钻头体或未使用的试样块经历初步压碎操作(或步骤)，从而将用过或废的钻头体减小成较粗粒度的颗粒，该粒度例如等于小于约0.5英寸(约1.27厘米)。接下来，较粗尺寸粒子在颚式破碎机中经历粉碎而将较粗尺寸粒子减小为中等尺寸粒子，所述中等尺寸粒子具有等于小于约0.25英寸(约0.64厘米)的粒子。接下来，中等尺寸粒子在冲击式磨机中经历更进一步粉碎，从而得到粒度为-80目的较细尺寸粒子。虽然未在图5中示出，但较细尺寸粒子可经历额外粉碎，从而尺寸减小到这些粒子具有等于-325目的粒度的情形。该粉碎操作的目标是不将可流动复合粒子的粒度减小到低于-325目。虽然上述工艺包括多步工艺，通过该工艺在粒度逐步减小过程中对用过或废的钻头体(或未使用的试样块)进行渐进式粉碎，但可以设想，包括其他步骤或甚至单个步骤的其他粉碎工艺将适合制备可流动复合粒子。
压碎的可流动复合粒子的粒度分布为：(a)超过约零重量％与约5重量％之间的+80目粒度的可流动复合粒子，(b)约60重量％与约95重量％之间的-80+325目粒度的可流动复合粒子，以及(c)超过约零重量％与约35重量％之间的-325目粒度的可流动复合粒子。应当认识到，压碎操作也会产生细粒，这些细粒是在-400目范围内的极小硬粒子以及小至-625目的粒子。小硬粒子可包含可流动复合粒子的任何硬粒子成分，但通常处于破碎条件；即，破碎的铸态碳化钨(WC)粒子、破碎的硬质碳化钨(钴)(WC-Co)粒子以及破碎的粗晶碳化钨粒子。如上所提及，虽然可流动复合粒子的粒度分布可以变化，但一种优选的粒度分布为：(a)超过约零重量％与约5重量％之间的+80目粒度的可流动复合粒子，(b)约60重量％与约95重量％之间的-80+325目粒度的可流动复合粒子，以及(c)超过约零重量％与约35重量％之间的-325目粒度的可流动复合粒子。
如从下文所示的测试结果可以明显看出，存在与使用可流动复合粒子形成熔渗制品相关的优点。该优点自身呈现抗侵蚀性与横向断裂强度之间的最佳平衡。换句话讲，较低侵蚀数(这意味着较好的抗侵蚀性)与较高横向强度(这意味着较高的强度)相结合的适当平衡获得了性能优点。该优点似乎是由于可流动复合粒子的性质，所述可流动复合粒子被熔渗以制备熔渗制品。抗侵蚀性和横向断裂强度的改善是相比于使用原始基体材料的熔渗基体钻头体材料(熔渗制品)得出的。
原始基体材料通常包含碳化钨(WC)粒子、铸态碳化钨(WC/W2C)粒子和金属粒子的共混物。该共混物是机械共混物，并且金属组分与碳化钨组分之间没有粘结。该粒子共混物的粒度为-80+325目。然后如本文之前所公开，用熔渗剂合金对-80+325目碳化钨(WC)粒子、铸态碳化钨(WC/W2C)粒子和金属粒子的该共混物进行熔渗，以形成熔渗基体钻头体材料。铸态碳化钨由钨和碳的大致共析组合物组成，其具有由碳化钨(WC)和碳化二钨(W2C)的紧密混合物组成的迅速硬化热力学非平衡态微观结构。铸态碳化钨的碳含量通常在约3.7至4.2重量％之间的范围内。铸态碳化钨粉末有压碎和球形两种形式可用。虽然任一种形式均可用于本发明，但压碎形式是优选的，因为与球形形式相比，其成本明显更低并且脆性小得多。金属粉末由如下组成：选自由过渡金属、主族金属及其组合和合金构成的组的至少一者。金属粉末被选择为有助于由熔渗剂对基体粉末混合物进行熔渗。优选的金属粉末的例子为镍、铁和4600级钢。4600级钢具有1.57％镍、0.38％锰、0.32％硅、0.29％钼、0.06％碳和余量铁的标称组成(以重量％计)。
可流动复合粒子包括粘结到粘结剂合金的、未破碎的和破碎的(例如，压碎的)不规则形状硬粒子诸如粗晶碳化钨(WC)粒子和铸态碳化钨粒子(WC/W2C)的集合。一种此类示例性粘结剂合金为铜基合金，诸如Cu-Ni-Mn合金。硬粒子还可包括硬质碳化物(例如，硬质碳化钨(钴))。可流动复合粒子不是纯碳化物粉末。可流动复合粒子具有较细粒度，即，包含如下的粒度分布：(a)超过约零重量％与约5重量％之间的+80目粒度的可流动复合粒子，(b)约60重量％与约95重量％之间的-80+325目粒度的可流动复合粒子，以及(c)超过约零重量％与约35重量％之间的-325目粒度的可流动复合粒子。图6-11为显微照片，其示出了粉末或颗粒形式的可流动复合粒子的微观结构。
更具体地讲，图6为在100X放大倍率下抛光态时所示的可流动复合粒子的显微照片(200μm的比例尺)。图7为在200X放大倍率下抛光态时所示的可流动复合粒子的显微照片(100μm的比例尺)。图8为在500X放大倍率下抛光态时所示的可流动复合粒子的显微照片(50μm的比例尺)。图9为在100X放大倍率下用Murakami蚀刻剂蚀刻10秒时所示的可流动复合粒子的显微照片(200μm的比例尺)。图10为在200X放大倍率下用Murakami蚀刻剂蚀刻10秒时所示的可流动复合粒子的显微照片(100μm的比例尺)。
图11为可流动复合粒子的显微照片(20μm的比例尺)，所述可流动复合粒子为在500X放大倍率下用Murakami蚀刻剂蚀刻10秒时所示的可流动复合粒子。维度标尺示出了以微米(μm)计的五个维度：这些维度如下：D1＝19.70824μm；D2＝78.69430μm；D3＝11.41406μm；D4＝7.065282μm；以及D5＝9.399940μm。
即使可流动复合粒子具有如下粒度分布：(a)超过约零重量％与约5重量％之间的+80目粒度的可流动复合粒子，(b)约60重量％与约95重量％之间的-80+325目粒度的可流动复合粒子，以及(c)超过约零重量％与约35重量％之间的-325目粒度的可流动复合粒子，但在放置在模具中时，可流动复合粒子也能良好流动到模具的体积中以便填充模具的体积，尽管粒度较细。当熔融时，熔渗剂合金能彻底流动到模具中的可流动复合粒子的整个颗粒团块中，尽管可流动复合粒子为这种硬粒子尺寸。当熔化的熔渗剂合金熔渗颗粒团块时，围绕可流动复合粒子的粘结剂合金熔融，从而将熔渗剂合金和粘结剂合金熔融在一起。如上所提及，申请人认为有利且改善的特性，尤其是抗侵蚀性和横向断裂强度的组合，是由于这样的事实：可流动复合粒子表现出优异流动性以便在熔渗之前填充模具的体积。此外，申请人认为实现了有利且改善的特性，尤其是抗侵蚀性和横向断裂强度的组合，因为在熔融和熔渗工艺之前粘结剂合金定位在模具的体积中。结果是熔渗基体钻头体材料，其具有较细粒度的基本上均匀的微观结构，诸如图15所示。作为比较，使用原始基体材料的示例性熔渗制品的微观结构示于图13和图14中。
并非使用100％的可流动复合粒子，而是可以将可流动复合粒子与原始基体材料混合(例如，碳化钨(WC)粒子、铸态碳化钨(W2C)粒子和金属粒子的共混物)，以形成颗粒团块，所述颗粒团块包含部分含量的可流动复合粒子，可用熔渗剂合金对所述可流动复合粒子进行熔渗以形成熔渗制品(例如，熔渗基体钻头体材料)。图15至18为显微照片，其以比较方式示出了颗粒材料的不同组合物的微观结构，所述颗粒材料包含可流动复合粒子，然后用熔渗剂合金对所述可流动复合粒子进行熔渗。这些显微照片示出了使用可流动复合粒子的效应，尤其是根据诸如图23中所示的物理特性所考虑。
图15示出了使用100重量％可流动复合粒子的熔渗制品(例如，熔渗基体钻头体材料)的微观结构。图15示出了大致均匀的较细微观结构。对应于使用100％可流动复合粒子的实例是图24中的实例10。实例10具有低侵蚀数，这相当于抗侵蚀性增强。实例10具有更高横向断裂强度，这相当于更大强度。因此，显而易见的是，使用100％可流动复合粒子的熔渗基体钻头体材料具有更细且更均匀的微观结构，以及非常有利的抗侵蚀性和横向断裂强度。图15A示出了使用100重量％可流动复合粒子的熔渗制品(例如，熔渗基体钻头体材料)的微观结构。图15A显示了维度标尺，所述维度标尺反映了在以下“表-图15A的维度”中示出的维度
表-图15A的维度
维度 微米(μm)
D1 44.79449
D3 44.95868
D4 29.13646
D5 17.36122
D6 16.86441
D7 16.60738
D8 16.76026
D9 23.38729
D10 25.41497
D11 13.10566
D12 7.394269
D13 8.765891
D14 8.252033
D15 5.793289
D16 5.094212
图16示出了使用75重量％可流动复合粒子(其为可流动复合粒子)和25重量％原始材料的熔渗制品(熔渗基体钻头体材料)的微观结构。图16示出了比图15的微观结构略粗的微观结构。在图24中，对应于使用75重量％可流动复合粒子和25重量％原始材料的实例为实例9。实例9示出了有利的抗侵蚀性和横向断裂强度。虽然实例9具有有利特性，但实例9所显示的有利特性不及实例10。
图17示出了使用50重量％可流动复合粒子(其为可流动复合粒子)和50重量％原始材料的熔渗制品(熔渗基体钻头体材料)的微观结构。图17示出了微观结构，其比图16的微观结构略粗，并且比图15的微观结构更粗。在图23中，对应于使用50重量％可流动复合粒子和50重量％原始材料(其为可流动复合粒子材料)的实例为实例8。图23示出了实例8具有有利的抗侵蚀性和横向断裂强度，但这些特性不如实例9和10的特性有利。
图18示出了使用100重量％原始材料的熔渗基体钻头体材料的微观结构。显而易见的是，微观结构之间存在的差异是由于可流动复合粒子的组成引起。图18示出了比实例8或9或10的微观结构更粗的微观结构。实例7的抗侵蚀性和横向断裂强度的有利性不及实例8或9或10中的任何一者，这些实例使用不同量的可流动复合粒子。
图19至23示出了使用被熔渗剂合金熔渗的不同颗粒材料的不同熔渗基体钻头体材料的微观结构。图19示出了使用颗粒基体材料的粗糙铸态碳化钨粒子(-80+325目粒度)的熔渗基体钻头体材料的微观结构。该材料对应于图23中的实例1。如图23所示，实例1具有有利的抗侵蚀性，但不具有一样有利的横向断裂强度。抗侵蚀性和横向断裂强度的组合不如实例8或9或10那样有利。
图20示出了使用颗粒基体材料的粗糙粗晶碳化钨粒子(-80+325目粒度)的熔渗基体钻头体材料的微观结构。粗晶碳化钨基本上为化学计量碳化钨(WC)，其在极大程度上为单晶的形式。粗晶碳化钨的一些大晶体为双晶体。授予McKenna的美国专利No.3,379,503和授予Terry等人的美国专利No.4,834,963(两份专利均转让给本专利申请的受让人)公开了制备粗晶碳化钨的方法。该材料对应于图23中的实例4。如图23所示，与实例8或9或10中任何一者相比，该材料不具有有利特性。
图21示出了使用颗粒基体材料的细小铸态碳化钨粒子(-325目粒度)的熔渗基体钻头体材料的微观结构。该材料对应于图23中的实例3。实例3表现出最接近实例10的特性的特性。然而，具有图21的一部分微观结构的样品3和-325目粒度铸态碳化钨粒子未表现出令人满意的流动特性。就这一点而言，下面的依据ASTM标准B213-13的霍尔流量数据表明，-325目粒子缺少流动性。虽然包含100重量％可流动复合粒子的样品的流量以及包含75重量％和25重量％原始材料的样品的流量不如100重量％原始P90材料的流量那样高，但22克/50秒和18克/50秒的流量足以填充复杂几何结构的模具的体积。
表2
Figure BDA0000906298110000181
图22示出了使用颗粒基体材料的细小粗晶碳化钨粒子(-325目粒度)的熔渗基体钻头体材料的微观结构。该材料对应于图24中的实例6。实例6具有有利的横向断裂强度，但不具有一样有利的抗侵蚀性，因此实例6的特性组合的有利性不及实例8或9或10中的任何一者。应当认识到，实例8、9和10的可流动复合粒子表现出令人满意的流动性特性。熔渗制品的改善特性是可流动复合粒子的更好流动性以及破碎的硬粒子和未破碎的硬粒子的细小粒度的结果。
图23为曲线图，示出了侵蚀数和横向断裂强度(ksi)，所述侵蚀数是抗侵蚀性的量度，其中较低数量相当于较高抗侵蚀性，在所述横向断裂强度中较高数量相当于较大强度。
参见图23中所示的实例，对于每个实例而言，由指定颗粒形成基体粉末混合物。对于每个实例而言，将基体粉末混合物放置在石墨模具中作为颗粒团块，并且随后用MACROFIL 53熔渗剂合金对颗粒团块进行熔渗，从而形成熔渗金属基体。图23示出了实例1-10的测试结果，其反映了抗侵蚀性和横向断裂强度。曲线图右手边上的图解将实例与基体颗粒材料的组成关联起来。实例8-10在一定程度上使用可流动复合粒子。实例1-7不使用任何可流动复合粒子。实例3不可流动，因此，将不适用于制备熔渗制品。这些熔渗金属基体材料每者的适当尺寸试样用于测量横向断裂强度和抗侵蚀性。按照名称为Standard Testfor Transverse Rupture Strength of Cemented Carbides(硬质碳化物的横向断裂强度的标准测试)的ASTM B406-96(2010)并使用熔渗基体销，通过三点弯曲测试来测量横向断裂强度。较高的值指示较高的强度。
通过修改的ASTM标准G76测试来测量抗侵蚀性。修改内容包括使用由50/70硅砂和水构成的湿浆液，迫使湿浆液以1000psi的压力流出喷嘴。高压浆液以相对于冲击浆液流成20-90之间的角度，更具体地讲成45度的角度，冲击样品表面1分钟。测量测试期间所用的砂石的量，然后将样品的重量损失除以砂石用量，得出侵蚀数。较低侵蚀因子值指示较好的抗侵蚀性。
图24为包含粘结剂合金的材料的试样块的示意图，其中多个硬粒子粘结到粘结剂合金。硬粒子被标记为“铸态WC粒子”和“粗晶WC粒子”及WC-Co粒子，但并非意图限制可处于制品中的硬粒子的种类。通常，这些硬粒子包括粗晶碳化钨(WC)颗粒、铸态碳化钨(WC/W2C)颗粒和硬质碳化钨(钴)(WC-Co)颗粒。该制品可为例如但不限于钻头(例如，地下钻头)的废熔渗基体钻头体。该制品还可为具有具体组分的未使用的熔渗制品，诸如试样块。如图24所示，不对该制品进行粉碎或粉化操作(例如，渐进式分步粉碎或粉化操作)。
图25为可流动复合粒子的示意图，其中标记了其组分。多个可流动复合粒子是对图24的制品进行粉碎或粉化操作(例如，渐进式分步粉碎或粉化操作)的结果。被标记的可流动复合粒子包括与以下硬粒子粘结的粘结剂合金：破碎的铸态WC粒子、未破碎的铸态WC粒子、破碎的粗晶WC粒子和未破碎的粗晶WC粒子以及破碎的硬质碳化钨(钴)(WC-Co)粒子和未破碎的硬质碳化钨(钴)(WC-Co)粒子。应当认识到，硬粒子并不限于上述的具体粒子。
图26为示出熔渗制品的示意图，所述熔渗制品包括熔渗剂合金中的多个可流动复合粒子(即，可流动复合粒子的颗粒团块)以及硬粒子。可流动复合粒子中的每一者类似于图25中所示的那些。熔渗制品可为钻头体以及易磨损部件，其为容易通过诸如但不限于磨蚀的机制发生磨损的制品。
如果显微照片的公开内容与其书面描述之间不符，则应以显微照片的公开内容为准。
显而易见的是，本发明提供了熔渗制品(熔渗基体钻头体材料)，其表现出有利抗侵蚀性和有利横向断裂强度的组合。通过使用可流动复合粒子或至少使用可流动复合粒子作为颗粒团块的一部分，熔渗制品表现出有利且改善的特性，尤其是抗侵蚀性和横向断裂强度的组合。申请人认为有利且改善的特性，尤其是抗侵蚀性和横向断裂强度的组合，是由于这样的事实：可流动复合粒子表现出优异流动性以便在熔渗之前填充模具的体积。此外，申请人认为实现了有利且改善的特性，尤其是抗侵蚀性和横向断裂强度的组合，因为在熔融和熔渗工艺之前粘结剂合金定位在模具的体积中。这是因为模具中的可流动复合粒子包括硬粒子，所述硬粒子粘结到粘结剂合金，以使得在将熔渗剂合金熔融并熔渗到颗粒团块中之前粘结剂合金定位在模具中。更进一步讲，申请人认为有利且改善的特性，尤其是抗侵蚀性和横向断裂强度的组合，是由于较小硬粒子的使用。这些较小硬粒子可具有-400目和-625目的尺寸。
虽然已经示出并描述了本发明的一些实施例，但是对于本领域技术人员显而易见的是，可在不脱离如以下权利要求书中所述的本发明精神和范围的情况下对其进行多种改变和改进。本文所引用的所有专利申请、专利和所有其他出版物在法律允许的最大范围内全文并入本文。

Claims (20)

1.一种熔渗制品，包括：
颗粒团块，所述颗粒团块包含在用熔渗剂合金进行熔渗之前的可流动复合粒子，其中所述可流动复合粒子中的每一者包括多个结合硬粒子和粘结剂合金，并且所述结合硬粒子包括未破碎的结合硬粒子和破碎的结合硬粒子，所述结合硬粒子中的每一者粘结到所述粘结剂合金，并且所述结合硬粒子具有-325目的粒度，并且所述可流动复合粒子具有包括如下的粒度分布：(a)零重量％与5重量％之间的+80目粒度的可流动复合粒子，(b)60重量％与95重量％之间的-80+325目粒度的可流动复合粒子，以及(c)零重量％与35重量％之间的-325目粒度的可流动复合粒子；
所述颗粒团块还包括粒度为-400目的多个破碎的未结合硬粒子，其中所述破碎的未结合硬粒子的一部分具有-625目的粒度；并且
所述破碎的未结合硬粒子和所述可流动复合粒子中的每一者被所述熔渗剂合金围绕，其中所述粘结剂合金被所述熔渗剂合金熔融。
2.根据权利要求1所述的熔渗制品，其中所述结合硬粒子包括粗晶碳化钨粒子、铸态碳化钨粒子和硬质碳化钨粒子，并且所述破碎的未结合硬粒子包括粗晶碳化钨粒子、铸态碳化钨粒子和硬质碳化钨粒子。
3.根据权利要求1所述的熔渗制品，其中所述熔渗剂合金包含45重量％与60重量％之间的铜、20重量％与30重量％之间的锰以及10重量％与20重量％之间的镍以及4重量％与12重量％之间的锌。
4.根据权利要求1所述的熔渗制品，其中所述熔渗剂合金包含45重量％与55重量％之间的铜以及20重量％与30重量％之间的锰以及20重量％与30重量％之间的镍。
5.根据权利要求1所述的熔渗制品，其中所述破碎的结合硬粒子具有-400目的粒度。
6.根据权利要求5所述的熔渗制品，其中所述破碎的结合硬粒子的一部分具有-625目的粒度。
7.根据权利要求1所述的熔渗制品，其中所述可流动复合粒子占所述颗粒团块的大于50重量％至小于75重量％，并且所述颗粒团块还包括占所述颗粒团块的大于25重量％至小于50重量％的原始基体颗粒，并且其中所述原始基体颗粒包括碳化钨粒子和金属粒子二者的共混物。
8.根据权利要求1所述的熔渗制品，其中所述可流动复合粒子占所述颗粒团块的小于50重量％，并且所述颗粒团块还包括占所述颗粒团块的小于50重量％的原始基体颗粒，并且其中所述原始基体颗粒包括碳化钨粒子和金属粒子二者的共混物。
9.根据权利要求1所述的熔渗制品，其中所述可流动复合粒子占所述颗粒团块的小于75重量％，并且所述颗粒团块还包括占所述颗粒团块的小于25重量％的原始基体颗粒，并且其中所述原始基体颗粒包括碳化钨粒子和金属粒子二者的共混物。
10.根据权利要求7-9中任一项所述的熔渗制品，其中所述碳化钨粒子包括铸态碳化钨粒子。
11.根据权利要求1所述的熔渗制品，其中所述粘结剂合金不同于所述熔渗剂合金。
12.根据权利要求1所述的熔渗制品，其中所述熔渗制品为钻头体。
13.根据权利要求1所述的熔渗制品，其中所述熔渗制品为在工作中受到磨损的部件。
14.一种可流动复合粒子，包括多个结合硬粒子和粘结剂合金，并且所述结合硬粒子包括未破碎的结合硬粒子和破碎的结合硬粒子，所述结合硬粒子中的每一者粘结到所述粘结剂合金，并且所述结合硬粒子具有-325目的粒度，并且所述可流动复合粒子具有如下的粒度分布：(a)零重量％与5重量％之间的+80目粒度的可流动复合粒子，
(b)60重量％与95重量％之间的-80+325目粒度的可流动复合粒子，以及(c)零重量％与35重量％之间的-325目粒度的可流动复合粒子。
15.根据权利要求14所述的可流动复合粒子，其中所述结合硬粒子包括粗晶碳化钨粒子、铸态碳化钨粒子和硬质碳化钨粒子。
16.根据权利要求14所述的可流动复合粒子，其中所述破碎的结合硬粒子具有-400目的粒度。
17.根据权利要求16所述的可流动复合粒子，其中所述破碎的结合硬粒子的一部分具有-625目的粒度。
18.根据权利要求14所述的可流动复合粒子，其中所述粘结剂合金包含50-70重量％之间的铜、10-25重量％之间的镍以及0-25重量％之间的锌。
19.根据权利要求18所述的可流动复合粒子，其中所述粘结剂合金还包含20重量％与30重量％之间的锰。
20.一种制备熔渗制品的方法，包括如下步骤：
提供颗粒团块，所述颗粒团块包括可流动复合粒子，其中所述可流动复合粒子中的每一者包括多个结合硬粒子和粘结剂合金，并且所述结合硬粒子包括未破碎的结合硬粒子和破碎的结合硬粒子，所述结合硬粒子中的每一者粘结到所述粘结剂合金，并且所述结合硬粒子具有-325目的粒度，并且所述可流动复合粒子具有包括如下的粒度分布：(a)零重量％与5重量％之间的+80目粒度的可流动复合粒子，(b)60重量％与95重量％之间的-80+325目粒度的可流动复合粒子，以及(c)零重量％与35重量％之间的-325目粒度的可流动复合粒子；所述颗粒团块还包括粒度为-400目的多个破碎的未结合硬粒子，其中所述破碎的未结合硬粒子的一部分具有-625目的粒度；以及
用熔渗剂合金对所述颗粒团块进行熔渗，其中所述熔渗剂合金使所述粘结剂合金熔融，并且所述破碎的未结合硬粒子和所述可流动复合粒子中的每一者被所述熔渗剂合金围绕。
CN201610024175.5A 2015-01-16 2016-01-14 可流动复合粒子和熔渗制品及其制备方法 Active CN105798285B (zh)

Applications Claiming Priority (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
US14/598,516 US10071464B2 (en) 2015-01-16 2015-01-16 Flowable composite particle and an infiltrated article and method for making the same
US14/598,516 2015-01-16

Publications (2)

Publication Number Publication Date
CN105798285A CN105798285A (zh) 2016-07-27
CN105798285B true CN105798285B (zh) 2021-01-15

Family

ID=56293633

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN201610024175.5A Active CN105798285B (zh) 2015-01-16 2016-01-14 可流动复合粒子和熔渗制品及其制备方法

Country Status (3)

Country Link
US (1) US10071464B2 (zh)
CN (1) CN105798285B (zh)
DE (1) DE102015122555A1 (zh)

Families Citing this family (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CA2978971C (en) * 2015-05-18 2019-11-12 Halliburton Energy Services, Inc. Methods of removing shoulder powder from fixed cutter bits
CN107750193A (zh) * 2015-08-13 2018-03-02 哈利伯顿能源服务公司 用铜镍锰合金制造的钻头
CN107739882A (zh) * 2017-10-17 2018-02-27 成都哈顿石油钻采工具有限公司 一种胎体钻头用浸渍焊料及其制备方法

Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US5733664A (en) * 1995-02-01 1998-03-31 Kennametal Inc. Matrix for a hard composite
CN101198762A (zh) * 2004-04-28 2008-06-11 Tdy工业公司 钻地钻头
CN102007072A (zh) * 2008-04-18 2011-04-06 史密斯运输股份有限公司 用于基体固定的截煤机割齿的基质粉末
CN102439257A (zh) * 2009-06-19 2012-05-02 钴碳化钨硬质合金公司 具有熔渗的金属基体本体的耐腐蚀地下钻头尖
EP2570245A2 (en) * 2005-10-03 2013-03-20 Kennametal Inc. Hardfacing composition
CN104024447A (zh) * 2011-12-21 2014-09-03 山特维克知识产权股份有限公司 制备硬质合金的方法

Family Cites Families (16)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US3379503A (en) 1965-11-12 1968-04-23 Kennametal Inc Process for preparing tungsten monocarbide
US4834963A (en) 1986-12-16 1989-05-30 Kennametal Inc. Macrocrystalline tungsten monocarbide powder and process for producing
US5439638A (en) 1993-07-16 1995-08-08 Osram Sylvania Inc. Method of making flowable tungsten/copper composite powder
US5662183A (en) 1995-08-15 1997-09-02 Smith International, Inc. High strength matrix material for PDC drag bits
US6287360B1 (en) 1998-09-18 2001-09-11 Smith International, Inc. High-strength matrix body
US6682580B2 (en) 2001-06-28 2004-01-27 Woka Schweisstechnik Gmbh Matrix powder for the production of bodies or components for wear-resistant applications and a component produced therefrom
US7250069B2 (en) 2002-09-27 2007-07-31 Smith International, Inc. High-strength, high-toughness matrix bit bodies
US20040234820A1 (en) 2003-05-23 2004-11-25 Kennametal Inc. Wear-resistant member having a hard composite comprising hard constituents held in an infiltrant matrix
US20040245024A1 (en) 2003-06-05 2004-12-09 Kembaiyan Kumar T. Bit body formed of multiple matrix materials and method for making the same
US7350599B2 (en) 2004-10-18 2008-04-01 Smith International, Inc. Impregnated diamond cutting structures
US7398840B2 (en) 2005-04-14 2008-07-15 Halliburton Energy Services, Inc. Matrix drill bits and method of manufacture
US7475743B2 (en) 2006-01-30 2009-01-13 Smith International, Inc. High-strength, high-toughness matrix bit bodies
US7575620B2 (en) 2006-06-05 2009-08-18 Kennametal Inc. Infiltrant matrix powder and product using such powder
US7866419B2 (en) 2006-07-19 2011-01-11 Smith International, Inc. Diamond impregnated bits using a novel cutting structure
US20080206585A1 (en) 2007-02-22 2008-08-28 Kennametal Inc. Composite materials comprising a hard ceramic phase and a Cu-Ni-Mn infiltration alloy
US7926597B2 (en) 2007-05-21 2011-04-19 Kennametal Inc. Fixed cutter bit and blade for a fixed cutter bit and methods for making the same

Patent Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US5733664A (en) * 1995-02-01 1998-03-31 Kennametal Inc. Matrix for a hard composite
CN101198762A (zh) * 2004-04-28 2008-06-11 Tdy工业公司 钻地钻头
EP2570245A2 (en) * 2005-10-03 2013-03-20 Kennametal Inc. Hardfacing composition
CN102007072A (zh) * 2008-04-18 2011-04-06 史密斯运输股份有限公司 用于基体固定的截煤机割齿的基质粉末
CN102439257A (zh) * 2009-06-19 2012-05-02 钴碳化钨硬质合金公司 具有熔渗的金属基体本体的耐腐蚀地下钻头尖
CN104024447A (zh) * 2011-12-21 2014-09-03 山特维克知识产权股份有限公司 制备硬质合金的方法

Also Published As

Publication number Publication date
US10071464B2 (en) 2018-09-11
CN105798285A (zh) 2016-07-27
US20160303710A1 (en) 2016-10-20
DE102015122555A1 (de) 2016-07-21

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US8016057B2 (en) Erosion resistant subterranean drill bits having infiltrated metal matrix bodies
US11045870B2 (en) Composite materials including nanoparticles, earth-boring tools and components including such composite materials, polycrystalline materials including nanoparticles, and related methods
CA2709672C (en) Silicon carbide composite materials, earth-boring tools comprising such materials, and methods for forming the same
CA2576072C (en) High-strength, high-toughness matrix bit bodies
CA2564082C (en) Earth-boring bits
US7575620B2 (en) Infiltrant matrix powder and product using such powder
KR20130108248A (ko) 코발트-규소 합금 결합제를 갖는 초경합금 조성물
US20040245024A1 (en) Bit body formed of multiple matrix materials and method for making the same
JP2012500914A5 (zh)
CN104321501A (zh) 以基质材料制作井下工具的方法
CN105798285B (zh) 可流动复合粒子和熔渗制品及其制备方法
CN110385430B (zh) 一种3d打印的粉体材料
US20240068077A1 (en) Metal matrix composites for drill bits
JP2024512922A (ja) 銅系合金およびそれを用いて形成された金属マトリックス複合材

Legal Events

Date Code Title Description
C06 Publication
PB01 Publication
SE01 Entry into force of request for substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
GR01 Patent grant
GR01 Patent grant