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QUERVERWEIS AUF VERWANDTE ANMELDUNGEN
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Diese Anmeldung nimmt Priorität unter 35 U.S.C. § 119(e) der am 18. April 2008 eingereichten U.S. Patentanmeldung Nr. 61/046,293 in Anspruch, die durch Verweis in die Offenbarung der vorliegenden Anmeldung vollständig aufgenommen wird.
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HINTERGRUND DER ERFINDUNG
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Gebiet der Erfindung
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In dieser Anmeldung offenbarte Ausführungsformen betreffen im Allgemeinen eine Zusammensetzung für den Matrixkörper von Gesteinsmeißeln und anderen Schneide- oder Bohrwerkzeugen.
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Stand der Technik
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Polykristallindiamantkörper-(”PDC”)Schneider werden bekanntermaßen in erdbohrenden Bohrmeißeln verwendet. Typischerweise umfassen Meißel, die PDC Schneider verwenden einen integralen Meißelkörper, der aus Stahl oder aus einem Hartmatrixmaterial, wie Wolframcarbid (WC), hergestellt wird. Eine Mehrzahl von PDC Schneidern wird entlang der Außenfläche des Meißelkörpers in als ”Schneiden” bezeichneten Verlängerungen angebracht. Typischerweise weist jeder PDC Schneider einen Abschnitt auf, der in eine in der Schneide auf der Außenfläche des Meißelkörpers ausgebildeten Ausnehmung oder Tasche gelötet wird.
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Die PDC Schneider sind entlang der führenden Kanten der Schneiden des Meißelkörpers angeordnet, so dass die PDC Schneider in die Erdformation eingreifen und bohren, wenn der Meißelkörper gedreht wird. Während der Verwendung können große Kräfte auf den PDC Schneider insbesondere in eine Vorwärts-Rückwärts Richtung wirken. Der Meißel und die PDC Schneider können zusätzlich beachtlichen Abtragungskräften ausgesetzt sein. Stöße, Vibrationen und Abtragungskräfte haben in einigen Fällen ein Versagen des Bohrmeißels auf Grund des Verlusts von einem oder mehrerer Schneider oder eines Bruchs der Schneiden verursacht.
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Während Stahlkörpermeißel Härte- und Duktilitätseigenschaften aufweisen können, die diese gegenüber während des Bohrens durch Stoßkräfte hervorgerufene Brüchen und Versagen widerstandfähig machen, ist Stahl empfindlicher gegenüber erosiver Abnutzung, die durch Bohr- und Formationsfluide mit hohen Geschwindigkeiten entstehen, welche Fluide abtragende Partikel, wie Sand, Gesteinsstücke und ähnliches, transportieren. Im Allgemeinen werden PDC Meißelkörper aus Stahl zur Verbesserung der Erosionsresistenz mit einem erosionsresistenteren Material, wie Wolframcarbid, beschichtet. Jedoch sind Wolframcarbid und andere erosionsresistente Materialien relativ spröde. Während der Verwendung kann eine dünne Schicht des erosionsresistenten Materials reißen, sich abschälen oder abnutzen, was den weicheren Stahlkörper freilegt, der dann schneller erodiert. Wenn die Fläche um die Schneider wegerodiert ist, kann dies zu einem Verlust der PDC Schneider führen, was ein Versagen des Meißels zur Folge hat.
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Wolframcarbid- oder andere Matrixkörpermeißel aus Hartmetall haben den Vorteil einer höheren Abnutzungs- und Erosionsresistenz im Vergleich zu Meißelkörpern aus Stahl. Im Allgemeinen wird der Matrixmeißel durch Packen von Wolframcarbidpulver in eine Graphitform und dann durch Infiltrieren des Pulvers mit einer geschmolzenen Bindelegierung auf Kupfer-Basis gebildet. Bei der Bildung von Matrixkörpern gibt es verschiedene Arten von Wolframcarbid, die verwendet wurden. Diese Arten umfassen makrokristallines Wolframcarbid, gegossenes Wolframcarbid, aufgekohltes (oder agglomeriertes) Wolframcarbid und zementiertes Wolframcarbid. Makrokristallines Wolframcarbid ist im wesentlichen stöchiometrisches WC, zum größten Teil in Form von Einkristallen; einige große Kristalle aus makrokristallinem WC sind jedoch Eikristalle. Aufgekohltes Wolframcarbid weist eine multikristalline Struktur auf, d. h. es setzt sich aus WC Agglomeraten zusammen.
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Demgegenüber wird gegossenes Wolframcarbid durch Verschmelzen von Wolframmetall (W) und Wolframmonocarbid (WC) gebildet, so dass eine eutektische Zusammensetzung von WC und WC2 oder dazwischen ein kontinuierlicher Bereich von Zusammensetzungen gebildet wird. Typischerweise wird gegossenes Wolframcarbid aus dem geschmolzenen Zustand ausgefroren und auf eine gewünschte Größe zerkleinert. Die letzte Art von Wolframcarbid, die typischerweise in Panzerungen verwendet wird, ist auch als gesintertes Wolframcarbid bekanntes zementiertes Wolframcarbid. Gesintertes Wolframcarbid umfasst kleine Wolframcarbidpartikel (beispielsweise 1 bis 15 μm), die mit Kobalt verbunden werden. Gesintertes Wolframcarbid wird durch Mischen von organischem Wachs, Wolframcarbid und Kobaltpulvern, Bilden eines Formgrünteils unter Pressen und ”Sintern” der Komposition bei Temperaturen nahe dem Schmelzpunkt von Kobalt gebildet. Das sich ergebende dicht gesinterte Carbid kann dann zerstoßen und zerkleinert werden, um Partikel aus gesintertem Wolframcarbid zur Verwendung in Panzerungen zu bilden.
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Aus gegossenem oder makrokristallinem Wolframcarbid oder aus anderen Matrixmaterialien aus Hartmetall gebildete Meißelkörper haben, obwohl sie gegen Erosion resistenter sind als Stahl, keine Zähigkeit und Beanspruchbarkeit, was sie spröde und rissanfällig macht, wenn während des Bohrens auftretenden Stoß- und Ermüdungskräfte ausgesetzt. Dies kann dazu führen, dass eine oder mehrere Schneiden von dem Meißel abbrechen, was zu einem katastrophalen vorzeitigen Versagen des Meißels führt. Risse, die sich im Matrixkörper bilden und ausbreiten, können zum Verlust von einem oder mehrerer PDC. Schneider führen. Ein verlorener Schneider kann gegen den Meißel reiben, was zu einem weiter beschleunigten Meißelschaden führt. Meißel, die aus gesintertem Wolframcarbid gebildet sind, können jedoch genügend Zähigkeit und Beanspruchbarkeit für besondere Anwendungen aufweisen, können aber andere mechanische Eigenschaften, wie Erosionsresistenz, vermissen lassen. Deshalb gingen vorangehende Bemühungen von Materialkombinationen aus, um einen Ausgleich in den Eigenschaften zu erreichen. Zusätzlich dazu dienten Materialien, die eine breite Größenverteilung von Partikeln aufweisen, als Ausgangspunkt, um zur Erhöhung der Verschleißfestigkeit eine dichte Packung von Carbidabnutzungspartikel zu erreichen.
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Dementsprechend werden neue Zusammensetzungen für Matrixkörper für Bohrmeißel benötigt, die eine hohe Beanspruchbarkeit und Zähigkeit aufweisen. Diese ergeben eine verbesserte Fähigkeit, Schneiden und Schneider zu erhalten, während andere gewünschte Eigenschaften, wie Abnutzungs- und Erosionsresistenz erhalten bleiben.
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ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
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Die in dieser Anmeldung offenbarten Ausführungsformen betreffen unter einem Aspekt ein Matrixpulver zur Bildung eines Matrixmeißelkörpers, wobei das Matrixpulver im wesentlichen eine Mehrzahl von Carbidpartikeln, die eine Verteilung der Partikelgröße von ±20% um eine mediane Partikelgröße aufweisen, und eine Mehrzahl von Metallbinderpartikeln umfasst.
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Die in dieser Anmeldung offenbarten Ausführungsformen betreffen unter einem anderen Aspekt ein Matrixpulver zur Bildung eines Matrixmeißelkörpers, wobei das Matrixpulver im wesentlichen eine Mehrzahl von Carbidpartikel und eine Mehrzahl von Metallbinderpartikeln umfasst, wobei 90% der Mehrzahl von Carbidpartikel eine Partikelgröße innerhalb von 20% um eine auf die Mehrzahl von Carbidpartikeln bezogene mediane Partikelgröße aufweist.
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Die in dieser Anmeldung offenbarten Ausführungsformen betreffen unter einem anderen Aspekt einen Bohrmeißel, der einen Meißelkörper mit einer Mehrzahl von sich radial davon wegerstreckenden Schneiden und wenigstens ein Schneidelement zum Eingreifen in eine wenigstens einer der Mehrzahl von Schneiden ausgesetzte Formation umfasst. Dabei umfasst wenigstens ein Abschnitt der Mehrzahl von Schneiden einen ersten Matrixbereich, der eine Mehrzahl von ersten Carbidpartikeln aufweist, die durch eine erste Bindephase getrennt sind, wobei die Mehrzahl der ersten Carbidpartikel einen mittleren freien Abstand von mehr als ca. 40 μm aufweist.
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Andere Aspekte und Vorteile der Erfindung sind aus der folgenden Beschreibung und den angehängten Ansprüchen ersichtlich.
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KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
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1A zeigt eine perspektivische Ansicht eines erdbohrenden PDC Bohrmeißelkörpers mit einigen angeordneten Schneidern entsprechend einer Ausführungsform.
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1B zeigt eine Querschnittsansicht einer Schneide entsprechend einer Ausführungsform.
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2 ist ein REM Bild (30×) eines Matrixmaterials entsprechend einer Ausführungsform.
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3 ist ein REM Bild (30×) eines Matrixmaterials entsprechend einer Ausführungsform.
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4 ist ein REM Bild (30×) eines herkömmlichen Matrixmaterials.
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5 ist eine vergrößerte Ansicht (100×) des in 4 gezeigten REM Bilds.
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6 ist ein REM Bild (50×) eines Matrixmaterials entsprechend einer Ausführungsform.
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7 ist ein REM Bild (50×) eines herkömmlichenen Matrixmaterials.
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DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
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Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung stellen Zusammensetzungen bereit, die zur Bildung von Meißelkörper geeignet sind. Zusätzlich stellen Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung Matrixkörper bereit, die aus solchen Carbid-Matrixpulvern gebildet sind, welche mit geeigneten Metallen oder Legierungen als Infiltrationsbinder infiltriert wurden. Solch ein Matrixkörper weist eine große Zähigkeit und Beanspruchbarkeit auf, während eine gewünschte Löthärte und Abnutzungsresistenz aufrecht erhalten wird.
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Die Erfindung geht zum Teil davon aus, dass die Haltbarkeit eines Matrixmeißelkörpers mit seiner Zähigkeit, Beanspruchbarkeit und seiner Abnutzungs- und Erosionsresistenz zusammenhängt. Zum Beispiel treten Risse oft dort auf, wo die Schneider (typischerweise polykristalline Diamantkörper-(”PDC”)Schneider) an dem Matrixkörper oder an der Basis der Schneiden gehalten sind. Zum Teil wird die Fähigkeit eines Matrixkörpers, die Schneiden zu erhalten, durch seine transversale Bruchfestigkeit gemessen. Der Bohrmeißel ist während des Bohrens durch Gesteinsformationen verschiedener Härten auch sich ändernden Ausmaßen von Stoß- und Dauerbeanspruchung ausgesetzt. Es ist wichtig, dass der Meißel eine angemessene Beanspruchbarkeit besitzt, um solchen Stoß- und Dauerbeanspruchungen zu widerstehen. Zusätzlich können Bohrfluide während des Bohrprozesses den Bohrkörper erodieren, da diese häufig mit Gesteinsstücken beladen sind. Demzufolge ist es auch wichtig, dass das Matrixkörpermaterial ausreichend erosionsresistent ist, um einer durch die umgebende erosive Umwelt hervorgerufenen Degradation standzuhalten.
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Während herkömmliche Versuche zur Verbesserung der Abnutzungseigenschaften von Matrixkörpern breite Verteilungen der Partikelgrößen verwendeten, um die Packungseffizienz der gegenüber Abnutzung resistenten Carbidpartikel zu erhöhen (unter Einfüllen von kleiner Carbidpartikel in die Räume zwischen größerer Carbidpartikel, mehr Carbid-Carbid Partikelkontakt ergebend), ist die Offenbarung der vorliegenden Anmeldung stattdessen insbesondere auf Techniken gerichtet, die die Zähigkeit und Abnutzungsresistenz unter Verwendung von engen Verteilungen der Partikelgrößen ausgleichen. Solche engen Größenverteilungen ergeben eine bessere (größere und gleichförmigere) Beabstandung zwischen Partikeln, eine ausgeglichenere Verteilung von CarbidCartikel über die Bindephase und weniger Carbid-Carbid Partikelkontakt. Der Ausdruck ”ausgeglichene” Verteilung, wie er in dieser Anmeldung verwendet wird, bedeutet einfach, dass die Carbidpartikel im Vergleich zu ähnlichen aus dem Stand der Technik bekannten Proben gleichförmiger über die Bindephase verteilt sind.
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Die relative Verteilung von Carbidpartikel in der Bindephase der Matrix kann unter Verwendung unterschiedlicher Methoden gemessen werden. Zum Ersten kann die Verteilung mit Bezug auf Carbid-”Kontiguität” diskutiert werden, die ein Maß für die Anzahl von Carbidpartikel ist, welche in direktem Kontakt mit anderen Carbidpartikel sind. Wenn eine vollständige Verteilung existierte, dann betrüge die Carbid-zu-Carbid-Kontiguität im Idealfall 0% (d. h., keine zwei Carbidpartikel sind in direktem Kontakt). Matrixkörper, die entsprechend den Matrixpulvern der vorliegenden Offenbarung gebildet sind, können eine Kontiguität aufweisen, die signifikant unter der Kontiguität liegt, die ein bekannter Matrixkörper aufweist.
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Die Carbid-Kontiguität kann folgendermaßen bestimmt werden:
wobei die Gesamtzahl von Kontiguitätspunkten von Carbid entlang der horizontalen Linien eines über einer Probe platzierten Photos ist dabei gleich P
C-C ist und P
C-M gleich der Gesamtzahl von Punkten ist, bei denen Carbidpartikel die Matrix berühren. Zum Zweiten kann die Carbidverteilung mit Bezug auf den mittleren freien Abstand diskutiert werden, der den mittleren Abstand zwischen Carbidpartikel repräsentiert. Unter Verwendung dieser Metrik sind die mittleren freien Abstände (für eine gegebene Carbidkonzentration) umso größer, je gleichförmiger die Carbidpartikel verteilt sind. Ein verbesserter mittlerer freier Abstand kann sich in Übereinstimmung mit Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung aus den zur Bildung von Matrixkörpermeißeln verwendeten Verteilungen der Partikelgrößen ergeben.
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Um die Carbid Kontiguität zu verringern, ist eine bessere Beabstandung zwischen Partikel (weniger effiziente Packung) erwünscht. Während die hergebrachte Ansicht im Design von Matrixmeißeln darauf hinausläuft, dass zur Füllung von Porenräume zwischen größeren Carbidpartikeln durch kleinere Carbidpartikel (erhöht die Packungseffizienz) eine breitere Verteilung der Partikelgrößen wünschenswert ist, um die Abnutzungsresistenz zu erhöhen, verwendet die vorliegende Offenbarung eine relativ enge Verteilung der Partikelgrößen, welche eine geringere Packungseffizienz ergibt. Eine solch enge Verteilung ist jedoch erwünscht, um Carbid-Carbid Kontakt zu verhindern. Wenn ein Meißel während des Bohrens typischen Belastungen ausgesetzt ist, kann ein verringerter Carbid-Carbid Kontakt einen Meißel ergeben, der weniger anfällig für Brüche (und die Ausbreitung von Brüchen) ist. Ein Fachmann wird anerkennen, dass der Gesamtbereich der Carbid-Carbid-Abstände variieren kann; ein mittlerer freier Abstand kann jedoch die allgemeine Verteilung von Carbiden entlang des Körpers widerspiegeln. Der mittlere freie Abstand kann in Übereinstimmung mit einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung größer als ca. 40 μm, in anderen Ausführungsformen größer als ca. 50 μm und in wieder anderen Ausführungsformen größer als ca. 60 μm sein. Ein Fachmann wird anerkennen, dass der mittlere freie Abstand in gewissem Maße von dem Volumen abhängt, dass die Carbidpartikel in dem Gesamtkörper einnehmen. Folglich können solche vorstehend aufgelisteten Werte der mittleren freien Abstände die mittleren freien Abstände der Carbidpartikel widerspiegeln, in welchen der Anteil von Carbid bezogen auf das Volumen des gesamten Matrixkörpers von 45 bis 65 reicht.
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Die Verteilung der Partikelgrößen kann als ein gewisses Sigma einer medianen Partikelgröße ausgedrückt werden. Folglich kann die Verteilung der Partikelgrößen des Matrixpulvers in einer besonderen Ausführungsform innerhalb ±20%, und in anderen Ausführungsformen innerhalb ±15%, der medianen Partikelgröße liegen. Alternativ hierzu können 90% der Carbidpartikel des Matrixpulvers innerhalb 20% von einer medianen Partikelgröße und in anderen Ausführungsformen innerhalb von 15% oder 10% der medianen Partikelgröße liegen. In wieder einer anderen Ausführungsform können 95% der Carbidpartikel des Matrixpulvers innerhalb von 20% einer medianen Partikelgröße, und in wiederum anderen Ausführungsformen innerhalb 15% oder 10% von einer medianen Partikelgröße liegen.
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Weiterhin werden Carbidpartikel oft in einem Bereich von Maschengrößen, wie zum Beispiel –40 + 80 Masche (mesh), gemessen. Der Ausdruck ”Masche” bezieht sich eigentlich auf die Größe der Drahtmaschen, die zum Sieben der Carbidpartikel verwendet werden. ”40 Masche” bezeichnet zum Beispiel ein Drahtmaschensieb, indem die Löcher durch überkreuzende Drahtstränge festgelegt sind, mit vierzig Löchern pro linearem Inch. Die Lochgröße wird durch die Anzahl von Maschen pro Inch und die Größe des Drahts festgelegt. Die Maschengrößen, auf die in dieser Anmeldung Bezug genommen wird, sind Standard U. S. Maschengrößen. Ein Standard 40 Maschensieb weist zum Beispiel derartige Löcher auf, dass nur Partikel kleiner als 420 μm durchkommen können. Partikel größer als 420 μm verbleiben in einem 40 Maschensieb und Partikel kleiner als 420 μm passieren das Sieb. Demzufolge ist der Bereich der Größen der Carbidpartikel durch den größten und den kleinsten Grad der zum Sieben der Partikel verwendeten Maschen bestimmt. Carbidpartikel im Bereich von –16 + 40 Maschen (d. h., Partikel kleiner als das 16 Maschensieb aber größer als das 40 Maschensieb) wird nur Partikel umfassen, die größer als 420 μm und kleiner als 1190 μm sind, wohingegen Partikel im Bereich von –40 + 80 Maschen nur Partikel größer als 180 μm und kleiner als 420 μm umfassen. Folglich kann die Verwendung von Maschensieben eine leichte Bestimmung der Verteilung von Partikelgrößen zulassen. Beispielhafte Maschengrößen können –230 + 325, –200 + 270, –170 + 230, –140 + 200, –120 + 170, –100 + 140, –80 + 120, –70 + 100, –60 + 80, –50 + 70 umfassen. Ein Fachmann wird weiterhin anerkennen, das Matrixpulver gleichförmiger Größe von jedem Ende des Größenspektrums erhalten sein kann, feine oder grobe Partikel umfassend. In einer besonderen Ausführungsform kann das Matrixpulver zum Beispiel eine mittlere Partikelgröße im Bereich von ca. 50 bis ca. 840 μm aufweisen.
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Ein Fachmann wird weiterhin anerkennen, dass Abnutzungseigenschaften durch eine Auswahl der Partikel- oder Maschengröße, und auch durch eine Auswahl von Wolframcarbidarten, optimiert werden können. Gemeinhin wird zum Beispiel beobachtet, dass die Abnutzungsresistenz mit abnehmender Korngröße von Wolframcarbid zunimmt. Demgegenüber nimmt die Zähigkeit typischerweise mit der Korngröße zu. Darüber hinaus sind einige Arten von Wolframcarbiden bekannt, die resistenter gegenüber Abnutzung sind als andere, während die anderen einen größeren Beitrag zur Härte liefern.
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Makrokristallines Carbid ist eine Art von Wolframcarbid, wie voranstehend diskutiert wurde. Dieses Material ist im wesentlichen stöchiometrisches WC in der Form von Einkristallen. Das meiste von makrokristallinem Wolframcarbid hat die Form von Einkristallen, aber einige Bikristalle können sich in größeren Partikeln bilden. Die Herstellung von makrokristallinem Wolframcarbid wird beispielsweise in den Patentschriften
US 3 379 503 A und
US 4 834 963 A offenbart, die durch Bezugnahme in die vorliegende Anmeldung aufgenommen werden.
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Die Patentschrift
US 6 287 360 B1 wurde auch vom Anmelder der vorliegenden Erfindung angemeldet und wird durch Bezugnahme in die vorliegende Anmeldung aufgenommen. Diese Patentschrift diskutiert die Herstellung von aufgekohltem Wolframcarbid. Aufgekohltes Wolframcarbid ist bekanntermaßen ein Produkt der Festkörper-Diffusion unter Schutzatmosphäre von Kohlenstoff in Wolframmetall bei hohen Temperaturen. Typischerweise sind Körner aufgekohlten Wolframcarbids multikristallin, d. h. sie umfassen WC Agglomerate. Die Agglomerate bilden Körner, die größer sind als einzelne WC Kristalle. Diese größeren Körner ermöglichen es einem metallischen Infiltrant oder einem Infiltrationsbinder, ein Pulver aus solch großen Körnern zu infiltrieren. Demgegenüber infiltrieren Pulver aus feinen Körnern, die beispielsweise kleiner sind als 5 μm, nicht in ausreichendem Maße. Typisches aufgekohltes Carbid umfasst mindestens 99,8 Gewichtsprozent an Kohlenstoffinfiltriertem Wolframcarbid mit einem gesamten Kohlenstoffgehalt von ca. 6,08 Gewichtsprozent bis ca. 6,18 Gewichtsprozent. Wolframcarbidkörner, die als WC MAS 2000 und 3000–5000 bezeichnet und von H. C. Stark beziehbar sind, sind für die Verwendung zur Bildung von in dieser Anmeldung offenbarten Matrixmeißelkörpern geeignet. Die MAS 2000 bzw. 3000–5000 Carbide haben eine durchschnittliche Größe von 20 μm bzw. 30 μm–50 μm, und sind grobkörnige Conglomerate, die durch die während des Aufkohlungsprozesses verwendeten extrem hohen Temperaturen gebildet werden.
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Eine andere Art von Wolframcarbid ist zementiertes Wolframcarbid (auch bekannt als gesintertes Wolframcarbid), das ein durch Mischen von Wolframcarbidpartikeln, typischerweise Monowolframcarbid, mit Kobaltpartikeln und Sintern der Mischung gebildetes Material ist. Herstellungsverfahren für zementiertes Wolframcarbid sind beispielsweise in den Patentschriften
US 5 541 006 A und
US 6 908 688 B1 offenbart, die durch Bezugnahme in die vorliegende Anmeldung aufgenommen werden. Zwei Arten von gesinterten Wolframcarbidpartikeln sind beziehbar: zerkleinert und sphärisch (oder pelletisiert). Zerkleinertes gesintertes Wolframcarbid wird durch Zerkleinern von gesinterten Komponenten in feinere Partikel hergestellt, wobei sich irreguläre und eckige Formen ergeben, wohingegen pelletisiertes gesintertes Wolframcarbid im allgemeinen gerundet oder von sphärischer Form ist.
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In Kürze wird in einem herkömmlichen Prozess zur Herstellung von zementiertem Wolframcarbid ein Wolframcarbidpulver, das eine vorbestimmte Größe aufweist (oder innerhalb eines ausgewählten Größenbereichs liegt), mit einer angemessenen Menge an Kobalt, Nickel, oder anderen geeigneten Bindern gemischt. Typischerweise wird die Mischung durch eine von zwei Techniken zum Sintern vorbereitet: Es kann in Festkörper gepresst werden, die häufig als Grünkörper bezeichnet werden, oder kann alternativ als Granulat oder Pellets durch Pressen durch ein Sieb oder durch Walken und folgendes Pressen ausgebildet werden, um mehr oder weniger gleichförmig große Kügelchen zu erhalten. Solche Grünkörper oder Pellets werden dann in einem Ofen mit gesteuerter Atmosphäre auf eine Temperatur nahe des Schmelzpunkts von Kobalt (oder ähnlichem) geheizt, um die Wolframcarbidpartikel durch die metallische Phase aneinander zu binden. Insbesondere ergibt Sintern von Wolframcarbidkügelchen sphärisches gesintertes Wolframcarbide. Des weiteren kann zerkleinertes zementiertes Wolframcarbid aus den Grünkörpern oder durch Zerkleinern von gesinterten Pellets oder durch Bildung von irregulär geformten Festkörpern gebildet werden.
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Die Partikelgröße und Qualität der gesinterten Wolframcarbide kann durch Variieren der ursprünglichen Partikelgröße von Wolframcarbid und Kobalt angepasst werden, wobei die Größe der Pellets gesteuert wird, die Zeit und Temperatur zum Sintern angepasst wird und/oder größere zementierte Carbide in kleinere Stückchen zerkleinert werden, bis eine gewünschte Größe erhalten wird. In einer Ausführungsform werden (ungesinterte) Wolframcarbidpartikel, die eine mittlere Partikelgröße zwischen ca. 0,2 μm bis ca. 20 μm aufweisen, mit Kobalt gesintert, um entweder sphärisches oder zerkleinertes zementiertes Wolframcarbid zu bilden. Das zementierte Wolframcarbid ist in einer bevorzugten Ausführungsform aus Wolframcarbidpartikeln gebildet, die eine mittlere Partikelgröße von ca. 0,8 μm bis ca. 5 μm aufweisen. Zementiertes Wolframcarbid weist in einigen Ausführungsformen eine solche Menge an Kobalt auf, dass das zementierte Carbid von ca. 6 bis 8 Gewichtsprozent Kobalt umfasst wird. Das zementierte Wolframcarbid wird in anderen Ausführungsformen in der Wolframcarbidmischung verwendet, um einen Matrixmeißelkörper zu bilden, der eine Härte im Bereich von 90 bis 92 Rockwell A aufweist.
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Gegossenes Wolframcarbid stellt eine andere Form von Wolframcarbid dar und weist annähernd die eutektische Zusammensetzung von Biwolframcarbid, W
2C, und Monowolframcarbid, WC, auf. Gegossenes Carbid wird typischerweise durch Widerstandsheizen von mit Kohlenstoff in Kontakt stehendem Wolfram hergestellt und ist in zwei Formen erhältlich: zerkleinertes gegossenes Wolframcarbid und sphärisches gegossenes Wolframcarbid. Prozesse zur Herstellung von sphärischem gegossenem Wolframcarbid sind in den Patentschriften
US 4 723 996 A und
US 5 089 182 A beschrieben, die hierdurch durch Verweis in die Offenbarung der vorliegenden Anmeldung aufgenommen werden. Kurz gesagt kann Wolfram in einem Graphittiegel erhitzt werden, wobei der Graphittiegel ein Loch aufweist, durch welches eine sich ergebende eutektische Mischung von W
2C und WC tropfen kann. Diese Flüssigkeit kann in einem Ölbad abgeschreckt werden und kann dann auf eine gewünschte Partikelgröße zerkleinert oder zerstoßen werden, um etwas zu bilden, das als zerkleinertes gegossenes Wolframcarbid bezeichnet wird. Alternativ hierzu kann eine Mischung aus Wolfram und Kohlenstoff über seinen Schmelzpunkt in einen konstant fließenden Strom erhitzt werden, der auf eine rotierende kühlende Oberfläche gegossen wird, die typischerweise ein mit Wasser gekühlter Gusskegel, Rohr oder ein konkaver Drehtisch ist. Der Schmelzstrom wird auf der rotierenden Oberfläche schnell abgekühlt und bildet sphärische Partikel aus eutektischem Wolframcarbid, die als sphärische gegossene Wolframcarbide bezeichnet werden.
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Typischerweise beträgt die eutektische Standardmischung von WC und W2C ca. 4,5 Gewichtsprozent Kohlenstoff. Gegossenes Wolframcarbid, das kommerziell als Matrixpulver verwendet wird, weist typischerweise einen hypoeutektischen Karbongehalt von ca. 4 Gewichtsprozent auf. Demzufolge kann das in der Mischung der Wolframcarbide verwendete gegossene Wolframcarbid zum Beispiel von ca. 3,7 bis 4,2 Gewichtsprozent Kohlenstoff aufweisen.
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Demzufolge wird ein Fachmann anerkennen, dass die in dieser Anmeldung offenbarten verschiedenen Wolframcarbide zur Bereitstellung eines Meißels gewählt werden, der für eine bestimmte Bohranwendung geeignet ist. Zum Beispiel kann die Art (beispielsweise gegossenes, zementiertes oder makrokristallines Wolframcarbid), die Gestalt und/oder die Größe der zur Bildung eines Matrixmeißelkörpers verwendeten Carbidpartikel die Materialeigenschaften der gebildeten Meißelkörper beeinflussen, wobei die Materialeigenschaften beispielsweise die Bruchzähigkeit, transversale Bruchfestigkeit, Abnutzungs- und Erosionsresistenz umfassen. In einer besonderen Ausführungsform kann entweder sphärisches oder zerstoßenes gegossenes Wolframcarbid in dem Matrixpulver der vorliegenden Offenbarung verwendet werden.
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In einem Meißelkörper können die Wolframcarbidpartikel von einem metallischen Binder umgeben sein. Der metallische Binder kann aus einem metallischen Bindepulver und einem Infiltrationsbinder gebildet sein. Das metallische Bindepulver kann mit dem Matrixpulver aus Hartcarbidpartikeln vorgemischt sein. Zur Herstellung eines Meißelkörpers wird Matrixpulver durch einen Infiltrationsbinder infiltriert. Der in dieser Anmeldung verwendete Ausdruck ”Infiltrationsbinder” bezieht sich auf ein Metall oder eine Legierung, die in einem Infiltrierungsprozess zum Verbinden der verschiedenen Partikel der Wolframcarbidformen verwendet werden. Geeignete Metalle umfassen alle Übergangsmetalle, Hauptgruppenmetalle und deren Legierungen. Zum Beispiel können Kupfer, Nickel, Eisen und Kobalt als Hauptkonstituenten des Infiltrationsbinders verwendet werden. Andere Elemente, wie Aluminium, Mangan, Chrom, Zink, Zinn, Silizium, Silber, Bor und Blei können auch in dem Infiltrationsbinder vorliegen. In einer bevorzugten Ausführungsform wird der Infiltrationsbinder wenigsten aus Nickel, Kupfer und/oder deren Legierungen ausgewählt. In anderen bevorzugten Ausführungsformen umfasst der Infiltrationsbinder eine Cu-Mn-Ni-Zn Legierung.
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Folglich kann das Matrixpulver im wesentlichen aus einer Mischung aus Wolframcarbidpartikeln und metallischen Bindepartikeln bestehen. In einer Ausführungsform können Nickel- und/oder Eisenpulver in einer Menge im Bereich von 6 Gewichtsprozent bis 16 Gewichtsprozent als Festmenge vorliegen. In einer besonderen Ausführungsform kann Nickel- und/oder Eisenpulver ca. 8 bis 12 Gewichtsprozent des Matrixpulvers bilden. Ein Fachmann wird jedoch anerkennen, dass auch andere Gruppe-VIIIB-Metalle, wie Kobalt, und verschiedene Legierungen verwendet werden können. Ein Metallzusatz im Bereich von 8 Gewichtsprozent bis 12 Gewichtsprozent kann höhere Matrixfestigkeiten und Zähigkeiten und auch höhere Lötfestigkeiten ergeben.
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Bei Verwendung von Matrixpulvern der vorliegenden Offenbarung kann der schließliche Gehalt des Binders (Infiltrant und Pulver) des Matrixbereichs im Bereich von ca. 35 bis 55 Volumenprozent liegen, wenn zur Bildung eines Matrixkörpers (oder -bereichs) infiltriert. In einer anderen Ausführungsform kann der schließliche Gehalt des Binders im Bereich von ca. 40 bis 50 Volumenprozent liegen. Alternativ kann der Gehalt des Binders durch die Flächenanteile ausgedrückt werden, die zum Beispiel durch REM Bilder eines resultierenden Matrixkörpers abgeschätzt werden können. Des weiteren wird ein Fachmann anerkennen, dass bei einer ausreichenden Anzahl von Querschnitten der Volumenanteil durch die Flächenanteile abgeschätzt werden kann.
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Obwohl auf Wolframcarbid Bezug genommen wird, wird ein Fachmann weiterhin erkennen, dass auch andere Carbide der Gruppe-4a-, -5a- oder -6a-Metalle verwendet werden können. Ein Fachmann wird weiter erkennen, dass der Gesamtgehalt an Carbid vor der Infiltrierung wenigstens 80 Gewichtsprozent, vorzugsweise 85 oder 90 Gewichtsprozent des Matrixpulvers betragen kann, wobei solche Matrixkörper mit einem geringeren Carbidgehalt nicht die gewünschten physischen Eigenschaften aufzuweisen brauchen, um eine optimale Durchführbarkeit zu ergeben.
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Das Material des Matrixkörpers entsprechend Ausführungsformen der Erfindung hat viele Anwendungen. Allgemein kann das Material des Matrixkörpers zur Herstellung des Körpers eines beliebigen Erdbohrmeißels verwendet werden, der einen Schneider oder ein Schneidelement bereitstellt. Erdbohrmeißel, die durch die in dieser Anmeldung offenbarten Matrixkörper gebildet werden können, umfassen PDC Fräsmeißel, Meißel mit Diamantkernen, imprägnierte Diamantmeißel etc. Diese Erdbohrmeißel können zum Bohren von Löchern durch In-Kontakt-Bringen von Meißeln mit Gesteinsformationen verwendet werden.
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Ein PDC Fräsmeißelkörper entsprechend einer Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung ist in den 1A–B dargestellt. Ein PDC Fräsmeißelkörper 8 mit an seinem unteren Ende ausgebildeten Schneiden 10 ist in der 1A dargestellt. Eine Mehrzahl von Ausnehmungen oder Taschen 12 ist in den Flächen ausgebildet, um eine Mehrzahl von herkömmlichen polykristallinen Diamantkörperschneidern 14 aufzunehmen. Die typischerweise zylinderförmigen PDC Schneider sind aus einem Hartmaterial, wie Wolframcarbid, hergestellt und weisen eine polykristalline Diamantschicht auf, die die Schneidfläche 13 bedeckt. Die PDC Schneider werden nach der Herstellung des Meißelkörpers in die Taschen gelötet.
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Verfahren zur Herstellung von Matrixmeißelkörper sind aus dem Stand der Technik bekannt und sind beispielsweise in der Patentschrift
US 6 287 360 B1 des Anmelders der vorliegenden Anmeldung offenbart. Diese Offenbarung wird durch Bezugnahme in die Offenbarung der vorliegenden Anmeldung vollständig aufgenommen. Kurz gesagt können Infiltrierungsprozesse, die zur Bildung eines Matrixmeißelkörpers der vorliegenden Offenbarung verwendet werden, mit der Herstellung einer Form, die die gewünschte Körperform und Konfiguration der Komponenten aufweist, beginnen. In die Form kann Matrixpulver einer engen Größenverteilung an einer gewünschten Position gefüllt werden, d. h. Schneiden und Partikelmassen können mit einem geschmolzenen Infiltrationsbinder infiltriert und zur Bildung eines Meißelkörpers abgekühlt werden. Alternativ kann ein zweites Matrixpulver auf das Matrixpulver gefüllt werden, das die enge Größenverteilung aufweist, so dass ein Meißelkörper (oder eine Schneide, wie in
1B dargestellt ist) im allgemeinen in zwei Matrixabschnitte unterteilt ist: ein erster Matrixabschnitt
10a, der durch Partikel einer engen Größenverteilung (demzufolge einen Matrixabschnitt geringer Kontiguität bildend) gebildet wird, und einem zweiten Matrixabschnitt
10b, der von Partikel gebildet wird, die nicht eine solch enge Begrenzung der Größenverteilung aufweisen. In der dargestellten Ausführungsform bildet der erste Matrixabschnitt
10a einen Bereich des äußeren Schneidebereichs der Schneide, wohingegen der zweite Matrixabschnitt
10b darauf geschichtet ist, um einen Bereich der Basis (und der Breite) der Schneide bildet. Weiterhin gibt es keine Begrenzung der Anzahl von oder der Art wie die Schichten zur Bildung des Meißels bereitgestellt werden können.
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Die Art des zweiten Matrixpulvers, das zusammen mit dem Matrixpulver verwendet wird, das eine enge Größenverteilung hat, ist nicht weiter beschränkt. Während so ein Pulver optional auch eine Verteilung der Partikelgröße von ±20% um eine mediane Partikelgröße aufweist (lediglich mit einem verschiedenen Mittelwert), liegt auch ein zweites Pulver (zum Bilden eines zweiten Abschnitts) im Bereich der vorliegenden Offenbarung, das eine Verteilung der Partikelgrößen von mehr als ±20% um den Median haben kann. Folglich können beispielsweise solche Pulver Partikel von Maschengrößen umfassen, die zum Beispiel eine Breite von –16 + 625 oder eine beliebig andere Maschengröße aufweisen, die darin umfasst sind. Ein Fachmann wird weiterhin erkennen, dass jegliche Art von Carbid, das vorangehend beschrieben ist, zur Bildung eines zweiten Matrixabschnitts in einem solchen zweiten Matrixpulver verwendet werden.
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Wie in den 2 bis 5 gezeigt ist, werden Rasterelektronenmikroskopbilder von zwei Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung (2–3) mit einem Matrixmaterial aus dem Stand der Technik (4–5) verglichen. Aus diesen Figuren ist ersichtlich, dass Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung eine relativ gleichförmige Partikelgröße aufweisen, wohingegen das aus dem Stand der Technik bekannte Matrixmaterial eine weite Verteilung benutzt. Aus den 2–3 ist weiterhin erkennbar, dass im Vergleich zu den 4–5, ein reduzierter Carbid-Carbid Kontakt vorliegt. Dieser im Vergleich zu dem, aus dem Stand der Technik bekannten und eine weite Verteilung (7) verwendende, Matrixkörper reduzierte Carbid-Carbid Kontakt (und der erhöhte mittlere freie Abstand) kann anhand der 6–7 ersichtlicher gezeigt werden, wobei beide Körper einen ähnlichen Bindemittelanteil von ca. 44% (nach Fläche) besitzen und die 6–7 eine 50fache Vergrößerung einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung (6) zeigen.
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Während auf einen bestimmten Typ von Meißel Bezug genommen wurde, war durch eine derartige Beschreibung keine Beschränkung der vorliegenden Erfindung beabsichtigt. Vielmehr können die in dieser Anmeldung offenbarten Matrixkörper insbesondere in PDC Fräsmeißeln, Diamantkernmeißeln, imprägnierten Diamantmeißel etc. Verwendung finden. Folglich liegt es auch im Bereich der vorliegenden Offenbarung, dass wenigstens ein Schneidelement auf einem imprägnierten Diamantbohrmeißel zum Beispiel wenigstens einen mit Diamanten imprägnierten Einsatz umfasst. Weiter ist jeglicher Bezug auf eine bestimmte Art von Schneidelement auch nicht als Beschränkung der vorliegenden Erfindung beabsichtigt.
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Vorteile der vorliegenden Erfindung können einen oder mehrere der folgenden Vorteile umfassen. Die Verwendung von engen Größenverteilungen von Wolframcarbidpartikeln können für einen ähnlichen Bindegehalt einen reduzierten Carbid-Carbid Kontakt und einen größeren mittleren Abstand zulassen. Demzufolge kann sich eine größere Zähigkeit aus dem größeren mittleren freien Abstand ergeben, während der Carbidgehalt (Menge an Abnutzungspartikeln) ungefähr aufrechterhalten sein kann und dieselbe oder eine ähnliche Abnutzungsresistenz verleiht, während eine erhöhte Zähigkeit erreicht wird. Unter Verwendung einer bestimmten Größenverteilung von Partikeln in einem einzigen Matrixpulver kann demzufolge der sich ergebende Matrixkörper (oder Abschnitt) vorteilhafterweise als Zähigkeit und Festigkeit aufweisend charakterisiert werden ohne die Abnutzungs- und Erosionsresistenz zu beeinträchtigen. Demzufolge ist der sich ergebende Matrixkörper (oder Abschnitt) nicht Bruch- und Abnutzungs-/Erosionsempfindlich.
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Entsprechend der vorliegenden Offenbarung hergestellte Meißelkörper können zusätzlich auch eine reduzierte (oder geringe) Eta-Phase (spröde komplexe Intermetalle, die bei großer Hitze ausfallen) aufweisen können, z. B. weniger als 5%. Minimieren der Eta-Phase kann folglich dazu führen, dass erhöhte mittlere freie Abstandswerte und ein reduzierter Carbid-Carbid-Kontakt (Kontiguität) erhalten bleiben. Diese Vorteile können zu verbesserten Meißelkörpern für PDC Bohrmeißel und andere erdbohrende Geräte im Hinblick auf eine längere Lebenszeit führen.
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Während die Erfindung mit Bezug auf eine begrenzte Anzahl von Ausführungen beschrieben wurde, wird der von dieser Offenbarung profitierende Fachmann anerkennen, dass andere Ausführungsformen erdacht werden können, die nicht von dem Umfang der in dieser Anmeldung offenbarten Erfindung abweichen. Dementsprechend wird die Erfindung nur durch die angehängten Ansprüche begrenzt.
