CN1268189A - 具有含钴－镍－铁粘结剂的金属陶瓷刀片的旋转式地层钻探工具 - Google Patents

具有含钴－镍－铁粘结剂的金属陶瓷刀片的旋转式地层钻探工具 Download PDF

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Abstract

本文公开一种旋转工具,该工具包括一个细长的刀体和在刀体上固定的硬质刀片。该硬质刀片包括一种含有碳化钨和约5wt.%～19wt.%Co－Ni－Fe粘结剂的WC－金属陶瓷。该Co－Ni－Fe粘结剂的特点在于即使经受塑性变形,该粘结剂仍能基本上保持其面心立方(fcc)晶体结构,且可避免应力和/或应变诱发的转变。

Description

具有含钴-镍-铁粘结剂的 金属陶瓷刀片的旋转式地层钻探工具
                        背景
本发明涉及旋转式地层钻探工具，例如像顶板钻头或三锥钻头之类的在轴向前端有一个或多个硬质刀片的工具。对于顶板钻头这样的旋转工具，其典型应用是在矿顶处钻孔。对于三锥钻头这样的旋转工具，已用于油井钻孔和与此类似的地方。
典型的旋转工具在其轴向前端固定有硬质刀片，该硬质刀片是旋转工具最先撞击地层或其它基底的部分。硬质刀片包含碳化钨金属陶瓷(WC-金属陶瓷)，也称为钴结碳化钨硬质合金和WC-Co，此处，钴粘结剂(Co-粘结剂)将碳化钨颗粒粘合在一起。尽管由含有Co-粘结剂的WC-金属陶瓷制成的硬质刀片已取得良好的效果，但仍存在一些不足之处。
一个不足之处是高达约45％的世界主要钴产量来自于政治不稳定地区(如过去十年中经历过武装革命或和平革命以及仍将会经受进一步革命的政治地区)。每年世界主要钴市场的约15％用于制造包括WC-金属陶瓷在内的硬质材料，每年世界主要钴市场的约26％用于制造先进飞行器涡轮发动机用超级合金，这就是钴被称作战略材料的原因之一。以上因素不仅使得钴的价格昂贵，也使钴的价格处于不稳定的波动之中。因此，钴价较贵，进而使得WC-金属陶瓷硬质刀片的成本升高，也使得整个旋转工具的成本提高。旋转刀具成本的这种升高是使用Co-粘结剂生产硬质刀片所造成的不令人满意的结果。所以，有必要降低WC-金属陶瓷硬质刀片的粘结剂中的钴含量。
另外，由于上述主要产地的钴储藏量最大，因此，有可能因上述原因之一造成钴的供应中断。当然，钴的这种不可得到性是不希望发生的。
旋转刀具在腐蚀性环境中工作，虽然WC-金属陶瓷硬质刀片足以应付这种环境，但仍存在着开发出这样一种硬质刀片的需求：它能在基本上保持与WC-金属陶瓷硬质刀片基本一样的磨损性能的同时，具有更好的耐蚀性。
虽然WC-金属陶瓷硬质刀片已得到成功的应用，但是仍然需要提供一种不存在诸如成本高且可能中断供应等缺点的硬质刀片，正如上文所述，这些缺点是与钴的使用密不可分的。也需要开发出一种在腐蚀性环境中使用的硬质刀片，该硬质刀片能在不损失含Co-粘结剂的WC-金属陶瓷的磨损性能的同时，具有更好的耐蚀性。
                          简述
在一个实施方案中，本发明是一种包括一个细长刀体的旋转工具，该刀体具有轴向前端和轴向后端。硬质刀片固定在旋转刀体的轴向前端，该硬质刀片的成分包括约5wt.％～约19wt.％的粘结剂和约81wt.％～95wt.％的碳化钨，该粘结剂包括一种钴-镍-铁粘结剂(Co-Ni-Fe粘结剂)。
在另一个实施方案中，本发明是在旋转工具中使用的一种硬质刀片，此旋转工具包括带有轴向前端的细长刀体，其中该硬质刀片固定在刀体的轴向前端。该硬质刀片的成分包括约5wt.％～19wt.％粘结剂和约81wt.％～95wt.％的碳化钨，该粘结剂包括一种Co-Ni-Fe粘结剂。
在又一个实施方案中，本发明是一种旋转的切削刀具，该刀具包括具有轴向前端的细长刀体，在刀体的轴向前端固定有硬质刀片，该硬质刀片的成分包括约5wt.％～19wt.％粘结剂。该粘结剂包含至少约40wt.％钴，但不超过约90wt.％钴，该粘结剂其余部分为镍和铁以及任选的附带的杂质，其中，镍含量至少约4wt.％，铁含量至少约4wt.％。碳化钨粒度包括约1微米(μm)～约30μm。
即使缺少任何未在本文中专门公开的元素、步骤、组元或成分，本文中描述的发明也可得以适当的实施。
                      附图简述
参考下列描述、附后的权利说明以及附图，可更好地理解本发明的这些和那些特点、状况及优点。附图中：
图1是宾西法尼亚州Latrobe的Kennametal公司生产的KCV4-1RR(Roff Rocket)型顶板钻头的侧视图。
图2是潜孔钻进(downhole drilling)用钻头的侧视图。
                       描述
参看图1，描述了宾西法尼亚州Latrobe的Kennametal公司15650(本专利申请的受让人)生产和销售的KCV4-1RR(Roff Roeket)型顶板钻头，图中钻头用10表示。顶板钻头10具有细长的刀体，刀体具有轴向后端12和轴向前端14。在细长刀体12上的轴向前端14固定有一块硬质刀片16。除图1表示的模式外，本申请人认为这种采用本文前述成分切削刀片的顶板钻头包括悬置的美国专利申请中所表示和描述的顶板钻头，这两个专利申请序号为No.(现在还不知道)，均在1997年7月15日提交，前者是Ted R.Massa，RobeftH.Montgomery，William P.Losch和David R.Siddle的“一种可采用楔形锁定进行定位装配的可旋转切削刀头组件”，后者是Ted R.Massa和David R.Siddle的“一种装有切削刀片的可旋转切削刀头组件”，以上两个专利申请的受让人均是宾西法尼亚州Latrobe Kennametal公司。以上所述的在1997年7月15日提交的两个悬置的专利申请均在本文中引入作为参考。
对于顶板钻头10的硬质刀片16，它的成分包括Co-Ni-Fe粘结剂和碳化钨(WC)。WC-金属陶瓷中Co-Ni-Fe粘结剂的范围包括约5wt.％～19wt.％。
参看图2，描述了用于潜孔钻进用钻头，例如美国专利No.4108260“一种具有特殊形状刀片的凿岩钻头”(权利人是Bozarth)所示，图中钻头用20表示。钻头20包含一个钻头体22，其上安装有多个硬质刀片24，这些硬质刀片由与制造硬质刀片16所用相同的含Co-Ni-Fe粘结剂的WC-金属陶瓷制成，因此，与硬质刀片16有关的关于WC-金属陶瓷的说明足以描述硬质刀片24所用的WC-金属陶瓷。
在这一方面，顶板钻头10的硬质刀片16或三锥钻头40的硬质刀片50所用的含有Co-Ni-Fe粘结剂的WC-金属陶瓷的成分包括Co-Ni-Fe粘结剂和碳化钨。该Co-Ni-Fe粘结剂包含至少约40wt.％的钴，但钴量不超过约90wt.％，至少约4wt.％的镍和至少约4wt.％的铁。本申请人认为，应优选包含不超过约36wt.％Ni和不超过约36wt.％Fe的Co-Ni-Fe粘结剂。优选的Co-Ni-Fe粘结剂应包含约40wt.％～90wt.％的Co，其余部分为镍、铁和任选的附带的杂质，Ni量为约4wt.％～36wt.％，Fe量为约4wt.％～36wt.％，且Ni∶Fe比为约1.5∶1～1∶1.5。更优选的Co-Ni-Fe粘结剂包含约40wt.％～90wt.％的Co，且Ni∶Fe比为约1∶1。甚至更优选的Co-Ni-Fe粘结剂合金包含Co∶Ni∶Fe比为约1.8∶1∶1。
本发明Co-Ni-Fe粘结剂的独特之处在于即使经受塑性变形，该粘结剂仍能基本上保持它的面心立方(fcc)晶体结构不变且可避免应力和/或应变诱发的转变。本申请者已对含Co-Ni-Fe粘结剂的金属陶瓷的强度和疲劳性能进行了测量，结果是其弯曲强度高达约2400兆帕(MPa)，循环疲劳(在约室温下弯曲200000个循环)强度高达约1550MPa。本申请人认为，在上述的应力和/或应变水平下，所述Co-Ni-Fe粘结剂中基本无应力和/或应变诱发的相变，这表明它具有优良的使用性能。
在WC-金属陶瓷中，Co-Ni-Fe粘结剂的优选范围是约5wt.％～19wt.％。在WC-金属陶瓷中，Co-Ni-Fe粘结剂的更优选范围包含约5wt.％～15wt.％。在WC-金属陶瓷中Co-Ni-Fe粘结剂的甚至更优选范围包含约5wt.％～10wt.％。
碳化钨(WC)硬质组元的晶粒尺寸包含范围最广为约1微米(μm)～30μm。WC粒度的居中范围包含约1μm～15μm。
本申请人的意图是，本文所公开的，例如，粘结剂含量、粘结剂成分、Ni∶Fe比值、硬质组元粒度、硬质组元含量等范围的两边界点间的每一个增量均已包括在本文中，如同对每个增量进行了专门指定一样。例如，约5wt.％～19wt.％的粘结剂含量范围包括约1wt.％的增量，因此，其具体应包括约5wt.％，6wt.％，7wt.％，…17wt.％，18wt.％和19wt.％的粘结剂。而例如对于粘结剂的成分而言，约40wt.％～90wt.％的钴含量范围包括约1wt.％的增量，因此，其具体应包含40wt.％，41wt.％，42wt.％，…88wt.％，89wt.％，和90wt.％，而约4wt.％～36wt.％的镍和铁的含量范围均包括1wt.％的增量，因此，其具体应包含4wt.％，5wt.％，6wt.％，…34wt.％，35wt.％和36wt.％。另外，例如，约1.5∶1～1∶1.5的Ni∶Fe比值范围包括约0.1的增量，因此，其具体应包含1.5∶1，1.4∶1，…1∶1，…1∶1.4和1∶1.5。再者，例如，约1μm～约30μm的硬质组元的粒度范围包括约1μm的增量，因此，其具体应包含1μm，2μm，3μm，…28μm，29μm和30μm。
下面对本发明进行说明。下文用于验证和阐明本发明的各个方面，但是不应把它视为对本发明要求范围的限制。
如表1所示，它概括了用传统粉末技术生产的本发明含有Co-Ni-Fe粘结剂的WC-金属陶瓷和作为对照的含有Co-粘结剂的传统WC-金属陶瓷，该传统粉末冶金技术见，如Kenneth J.A.Brookes编著的“世界硬质合金和硬质材料目录及手册”，第六版，世界硬质合金数据(1996)；George Schneider编著的“碳化钨工艺原理”，第二版，硬质合金及工具工程学会(1989)；“金属陶瓷手册”，HertelAG，Werkzeuge+Hartstoffe，Fuerth，Bavaria，德国(1993)；和P.Schwarzkopf和R.Kieffer编著的“烧结硬质合金”，Macmillan公司(1960)--以上的主题在本文中整体引为参考。特别是，表1简要列出了本发明的WC-金属陶瓷中以及作为对照的现有技术的含Co-粘结剂的WC-金属陶瓷中粘结剂的名义含量(以wt.％形式)、粘结剂名义成分以及硬质组元的成分和含量(wt.％)。也就是说，按表1所述的用于本发明所要求的成分及常规技术所要求的成分各个市售配料(见，例如“世界硬质合金和硬质材料目录及手册”第六版所述)，然后分别在含有己烷的碾磨机中混合，均匀混合时间为约4.5小时，在由各种配料均匀混合组成的混合物经过适当的干燥后，就压制成板状生坯以具有测试性能的形状，生坯在约1570℃真空烧结约1小时以进行致密化处理。
           表1：本发明WC-金属陶瓷及作为对照的传统WC-金属陶瓷的名义成分
    样品     粘结剂名义含量(wt.％)          粘结剂名义成分(wt.％)   硬质组元
    Co     Ni     Fe     WC*
   本发明      9.5     4.5     2.5     2.5     余量
   传统的      9.5     9.5      -      -     余量
*原始粉末：-80+400目(晶粒尺寸为约38μm～180μm)的粗晶碳化钨，生产商：Kennametal Inc.Fallon，Nevada。
如表2所示，它综合列出了本发明的及传统的WC-金属陶瓷的密度(g/cm3)，磁饱和值(0.1μTm3/kg)，矫顽力(0e，基本参照国际标准ISO 3326：“硬质合金-矫顽力(磁化强度)的确定”进行测量)，硬度(Hv30，基本参照国际标准ISO 3878：“硬质合金-维氏硬度测量方法”进行测量)，横向断裂强度(MPa，基本参照国际标准ISO 3327/B类：“硬质合金-横向断裂强度的确定”进行测量)和孔隙率(基本参照国际标准ISO 4505：“硬质合金-孔隙率和游离碳的金相法确定”进行测量)。与含有Co粘结剂的传统WC-金属陶瓷相比，含有Co-Ni-Fe粘结剂的WC-金属陶瓷的硬度与之相当，但横向断裂强度却得到改善。
               表2.表1所列的本发明的和作为对照的传统的WC-金属陶瓷的机械及物理性能
  样品   密度(g/cm3)     磁饱和值(0.1μTm3/kg)     Hc(Oe)     硬度(HV30)    横向断裂强度(MPa)   孔隙率
  本发明   14.35       178     18     970        2288     A04
  传统的   14.44       173     54     960        1899     A06
因此可看出，本申请人的发明所提供的旋转工具以及旋转工具上所用的硬质刀片克服了在硬质刀片中用钴粘结剂所存在的某些固有缺陷。更具体地讲，在硬质刀片中采用Co-Ni-Fe粘结剂而不是Co粘结剂，能够降低硬质刀片以及整个旋转工具的成本。在硬质刀片中采用Co-Ni-Fe粘结剂而不是Co粘结剂，可以降低粘结剂的主要组元即钴可能由于拥有主要钴资源的国家因政治不稳定而无法获得的潜在可能性。也可清楚地看出，本申请人的发明提供了一种旋转工具及其使用的硬质刀片，它能在不损失与那些含有Co粘结剂的WC-金属陶瓷相当的磨损性能的同时，具有改善的耐腐蚀性。
本文所指出的专利及其它文件，包括题为“含具有改善塑性的粘结剂的金属陶瓷”的美国专利申请，其申请人为Hans-Wilm Heinrich，Manfred Wolf，Dieter Schmidt和Uwe Schleinkofer(也是本专利申请的申请人)，该专利申请与本专利申请在同一日期提交，其受让人是Kennametal公司(同样也是本专利申请的受让人)。在此引入作为参考。
从本文公开的本发明的说明书和实施过程角度考虑，本发明的其它实施方案对于本领域内熟练的技术人员是显而易见的，意思是说，本说明书和实施例只起说明性作用，本发明的真正范围和精髓由附后的权利要求书确定。

Claims (20)

1.一种旋转工具，它包括：一个具有轴向前端和轴向后端的细长刀体；在刀体的轴向前端固定着的一个硬质刀片；以及，该硬质刀片包括一种WC-金属陶瓷，该金属陶瓷包括碳化钨和约5wt.％～19wt.％的Co-Ni-Fe粘合剂，该粘结剂包括约40wt.％～90wt.％的钴，该粘合剂余下部分由镍和铁以及任选的附带的杂质组成，其中，镍含量为约4wt.％～36wt.％，铁含量为约4wt.％～36wt.％，Ni∶Fe比值为约1.5∶1～1∶1.5。
2.根据权利要求1的旋转工具，其中所述WC-金属陶瓷包含约5wt.％～15wt.％的粘结剂。
3.根据权利要求1的旋转工具，其中所述Co-Ni-Fe粘结剂为面心立方(fcc)结构，当经受塑性变形时，该粘结剂能基本上保持其面心立方结构不变，不发生应力和应变诱发的转变。
4.根据权利要求1的旋转工具，其中所述Co-Ni-Fe粘结剂包括一种面心立方固溶体合金。
5.根据权利要求1的旋转工具，其中所述Co-Ni-Fe粘结剂包括约46wt.％～57wt.％的钴。
6.根据权利要求1的旋转工具，其中所述Co-Ni-Fe粘结剂包括约40wt.％～90wt.％的钴，且Ni∶Fe比为约1∶1。
7.权利要求3旋转工具，其中所述Co-Ni-Fe粘结剂的钴∶镍∶铁比值为约1.8∶1∶1。
8.根据权利要求1的旋转工具，其中所述碳化钨晶粒尺寸约1μm～30μm。
9.根据权利要求1的旋转工具，其中所述碳化钨晶粒尺寸约1μm～25μm。
10.根据权利要求1的旋转工具，其中所述碳化钨晶粒尺寸约1μm～15μm。
11.在旋转工具中使用的一种硬质刀片，该旋转工具具有一个带轴向前端的细长刀体，其中，所述硬质刀片固定在该刀体的轴向前端，该硬质刀片包括一种WC-金属陶瓷，该金属陶瓷包括碳化钨和约5wt.％～19wt.％的Co-Ni-Fe粘结剂，该粘结剂包括约40wt.％～90wt.％的钴，该粘结剂余下部分由镍和铁以及任选的附带的杂质组成，其中镍含量为约4wt.％～36wt.％，铁含量为约4wt.％～36wt.％，Ni∶Fe比值为约1.5∶1～1∶1.5。
12.根据权利要求11的硬质刀片，其中所述WC-金属陶瓷包括约5wt.％～15wt.％的粘结剂。
13.根据权利要求11的硬质刀片，其中所述Co-Ni-Fe粘结剂具有面心立方(fcc)结构，当经受塑性变形时，该粘结剂能基本上保持其面心立方结构不变，不发生应力和应变诱发的转变。
14.根据权利要求11的硬质刀片，其中所述Co-Ni-Fe粘结剂包括一种面心立方固溶体合金。
15.根据权利要求11的硬质刀片，其中所述Co-Ni-Fe粘结剂包括约46wt.％～57wt.％的钴。
16.根据权利要求11的硬质刀片，其中所述Co-Ni-Fe粘结剂包括约40wt.％～90wt.％的钴，且Ni∶Fe比为约1∶1。
17.根据权利要求11的硬质刀片，其中所述Co-Ni-Fe粘结剂包括钴∶镍∶铁比值为约1.8∶1∶1。
18.根据权利要求11的硬质刀片，其中所述碳化钨晶粒尺寸为约1μm～30μm。
19.根据权利要求11的硬质刀片，其中所述碳化钨晶粒尺寸为约1μm～15μm。
20.一种旋转式钻削工具，它包括：一个具有轴向前端的细长刀体；在刀体的轴向前端固定的一个硬质刀片；且该硬质刀片包括一种WC-金属陶瓷，该金属陶瓷基本上由约1μm～30μm的碳化钨和约5wt.％～19wt.％的面心立方固溶体形式的Co-Ni-Fe粘结剂组成，该Co-Ni-Fe粘结剂包含约40wt.％～90wt.％的钴，其余下部分为镍和铁以及任选的附带的杂质，其中，镍含量为约4wt.％～36wt.％，铁含量为约4wt.％～36wt.％，Ni∶Fe比值为约1.5∶1～1∶1.5，其中当经受塑性变形时，该Co-Ni-Fe粘结剂能基本上保持其面心立方结构不变，不发生应力或应变诱发的转变。
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