JP2023514993A - 球状炭化タングステン粒子 - Google Patents

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Abstract

本開示は、一般に炭化タングステン粒子に関し、より具体的には、テクスチャ加工された球状炭化タングステン、それから形成された複合物、および当該複合物を適用する方法に関する。一態様では、粉末ブレンドは溶融炭化タングステン粒子を含む。溶融炭化タングステン粒子は、短軸に沿った第２の長さに対する長軸に沿った第１の長さの比が１．２０以下である球状または実質的に球状の形状を有する。溶融炭化タングステン粒子は、５．０％を超える粒界面積率を有するようにテクスチャ加工された表面を有する。【選択図】 図３

Description

本開示は、一般に炭化タングステン粒子に関し、より具体的には、テクスチャ加工された球状炭化タングステン、それから形成された複合物、および該複合物を適用する方法に関する。
金属マトリックス複合材（ＭＭＣ）は、金属マトリックス内に埋め込まれた粒子を含む複合材料を指す。ＭＭＣは、一般に、粉末よりも低い溶融温度を有する単一の金属またはより一般的には合金を浸透させた高融点金属粉末を含む。ＭＭＣには、マイニング機器を含むさまざまな用途がある。ＭＭＣの物理的特性は、コンポーネントの材料とその製造プロセスによって設計できる。
一実施形態では、高強度ドリルビットは、マトリックス内に溶融炭化タングステン粒子を含む金属マトリックス複合材（ＭＭＣ）を含み、溶融炭化タングステン粒子は、球状または実質的に球状の形状と少なくとも５．０％の粒界面積率を有するようにテクスチャ加工された表面とを有する。
いくつかの実施形態では、該マトリックスは銅または銅合金を含む。
いくつかの実施形態では、複数の炭化タングステン粒子は、少なくとも１０．０％の粒界面積率を有する。いくつかの実施形態では、該複数の炭化タングステン粒子は、少なくとも１２．０％の粒界面積率を有する。いくつかの実施形態では、該複数の炭化タングステン粒子は、少なくとも２０．０％の粒界面積率を有する。境界面積分率は、これらの値のいずれかによって定義される範囲内の値を持つこともできる。
いくつかの実施形態では、金属マトリックス複合材は、１５以上のワイブル係数を有する。いくつかの実施形態では、金属マトリックス複合材は、２０以上のワイブル係数を有する。いくつかの実施形態では、金属マトリックス複合材は、２５以上のワイブル係数を有する。ワイブル係数は、これらの値のいずれかによって定義される範囲内の値を持つこともできる。
いくつかの実施形態では、金属マトリックス複合材の１０，０００分の１の故障確率への線形外挿は、８０ｋｓｉ以上に相当する。いくつかの実施形態では、金属マトリックス複合材の１０，０００分の１の故障確率への線形外挿は、１４０ｋｓｉ以上に相当する。いくつかの実施形態では、金属マトリックス複合材の１０，０００分の１の故障確率への線形外挿は、１８０ｋｓｉ以上に相当する。線形外挿は、これらの値のいずれかによって定義される範囲内の値を持つこともできる。
いくつかの実施形態では、金属マトリックス複合材は、少なくとも１４０ｋｓｉの横断破断強度を有する。いくつかの実施形態では、金属マトリックス複合材は、少なくとも４５０ｋｓｉの横断破断強度を有する。いくつかの実施形態では、金属マトリックス複合材は、少なくとも７００ｋｓｉの横断破断強度を有する。抗折強度も、これらの値のいずれかによって規定される範囲内の値を有することができる。
いくつかの実施形態では、金属マトリックス複合材は、０．１０ｃｍ３以下の浸食体積損失を有する。いくつかの実施形態では、金属マトリックス複合材は、０．０８ｃｍ３以下の浸食体積損失を有する。いくつかの実施形態では、金属マトリックス複合材は、０．０４ｃｍ３以下の浸食体積損失を有する。浸食性体積損失は、これらの値のいずれかによって定義される範囲内の値を持つこともできる。
別の実施形態では、金属マトリックス複合材（ＭＭＣ）を形成する方法は、球状または実質的に球状の形状と、５．０％を超える粒界面積率を有するようにテクスチャ加工された表面とを有する溶融炭化タングステン粒子を金型に添加することを含む。この方法は、銅を含む結合剤材料を金型に添加することをさらに含む。この方法はさらに、結合剤材料を溶融して溶融炭化タングステン粒子に浸透させることを含む。この方法は、溶融結合剤材料を凝固させてＭＭＣを形成することをさらに含む。
いくつかの実施形態では、この方法は、ＭＭＣを高強度ドリルビットの一部として形成することを含み、この方法は、鋼成分を金型に追加することをさらに含み、結合剤材料を溶融することは、鋼成分を少なくとも部分的に取り囲むことを含む。
いくつかの実施形態では、複数の炭化タングステン粒子は、少なくとも１０．０％の粒界面積率を有する。いくつかの実施形態では、複数の炭化タングステン粒子は、少なくとも１２．０％の粒界面積率を有する。いくつかの実施形態では、複数の炭化タングステン粒子は、少なくとも２０．０％の粒界面積率を有する。粒界分率も、これらの値のいずれかによって定義される範囲内の値を持つことができる。
いくつかの実施形態では、金属マトリックス複合材は、１５以上のワイブル係数を有する。いくつかの実施形態では、金属マトリックス複合材は、２０以上のワイブル係数を有する。いくつかの実施形態では、金属マトリックス複合材は、２５以上のワイブル係数を有する。ワイブル係数は、これらの値のいずれかによって定義される範囲内の値を持つこともできる。
いくつかの実施形態では、金属マトリックス複合材の１０，０００分の１の故障確率への線形外挿は、８０ｋｓｉ以上に相当する。いくつかの実施形態では、金属マトリックス複合材の１０，０００分の１の故障確率への線形外挿は、１４０ｋｓｉ以上に相当する。いくつかの実施形態では、金属マトリックス複合材の１０，０００分の１の故障確率への線形外挿は、１８０ｋｓｉ以上に相当する。線形外挿は、これらの値のいずれかによって定義される範囲内の値を持つこともできる。
いくつかの実施形態では、金属マトリックス複合材は、少なくとも１４０ｋｓｉの横断破断強度を有する。いくつかの実施形態では、金属マトリックス複合材は、少なくとも４５０ｋｓｉの横断破断強度を有する。いくつかの実施形態では、金属マトリックス複合材は、少なくとも７００ｋｓｉの横断破断強度を有する。抗折強度も、これらの値のいずれかによって規定される範囲内の値を有することができる。
いくつかの実施形態では、金属マトリックス複合材は、０．１０ｃｍ３以下の浸食体積損失を有する。いくつかの実施形態では、金属マトリックス複合材は、０．０８ｃｍ３以下の浸食体積損失を有する。いくつかの実施形態では、金属マトリックス複合材は、０．０４ｃｍ３以下の浸食体積損失を有する。浸食性体積損失は、これらの値のいずれかによって定義される範囲内の値を持つこともできる。
別の実施形態では、粉末ブレンドは溶融炭化タングステン粒子を含む。溶融炭化タングステン粒子は、短軸に沿った第２の長さに対する長軸に沿った第１の長さの比が１．２０以下である球状または実質的に球状の形状を有する。溶融炭化タングステン粒子は、５．０％を超える粒界面積率を有するようにテクスチャ加工された表面を有する。
いくつかの実施形態では、テクスチャ表面は、針状のトポグラフィーを有することによって画定され、粒界面積率は５．０％を超える。
いくつかの実施形態において、粉末ブレンドは、高強度ＭＭＣを形成するために溶浸鋳造において使用される。いくつかの実施形態では、粉末ブレンドは、１５以上のワイブル係数を有する高強度ＭＭＣを形成するために使用される。いくつかの実施形態では、粉末ブレンドを使用して、８０ｋｓｉ以上の加えられた応力に等しい１０，０００分の１の破損確率にワイブルプロットの線形外挿を有する高強度ＭＭＣを形成する。いくつかの実施形態において、粉末ブレンドは、０．１０ｃｍ３以下の浸食体積損失を有する高強度ＭＭＣを形成するために使用される。いくつかの実施形態において、粉末ブレンドは、１．００ｃｍ３以下のＡＳＴＭ ６１１体積損失を有する高強度ＭＭＣを形成するために使用される。
別の実施形態では、金属マトリックス複合材（ＭＭＣ）は、球状または実質的に球状の形状と、５．０％を超える粒界面積率を有するようにテクスチャ加工された表面とを有する溶融炭化タングステン粒子を含む。ＭＭＣはさらに、溶融炭化タングステン粒子が埋め込まれたマトリックスを含む。
いくつかの実施形態では、ＭＭＣは、金属または金属合金、例えば銅または銅合金から形成された液体金属を使用して炭化タングステン粒子を浸透させることによって形成され、金属マトリックス複合材料は高い強度を示す。
いくつかの実施形態では、金属マトリックス複合材は、１５以上のワイブル係数を有する。いくつかの実施形態では、１０，０００分の１の故障確率へのワイブルプロットの線形外挿は、８０ｋｓｉ以上の加えられた応力に等しい。いくつかの実施形態では、金属マトリックス複合材は、０．１０ｃｍ３以下の浸食体積損失を有する。いくつかの実施形態では、金属マトリックス複合材は、１．００ｃｍ３以下のＡＳＴＭ ６１１体積損失を有する。
いくつかの実施形態では、金属マトリックス複合材は、１μｍから１０μｍの間のＤ５０を有するテクスチャ加工されたタングステン粒子を有し、ＭＭＣは、３６０ｋｓｉ以上の横断破断強度を有する。いくつかの実施形態では、テクスチャ加工された炭化タングステン粒子は、１１μｍから２０μｍの間のＤ５０を有し、ＭＭＣは、２８０ｋｓｉ以上の横断破断強度を有する。いくつかの実施形態では、テクスチャ加工された炭化タングステン粒子は、２１μｍから４０μｍの間のＤ５０を有し、ＭＭＣは、２３０ｋｓｉ以上の横断破断強度を有する。いくつかの実施形態では、テクスチャ加工された炭化タングステン粒子は、４１μｍから６０μｍの間のＤ５０を有し、ＭＭＣは、１８０ｋｓｉ以上の横断破断強度を有する。いくつかの実施形態では、テクスチャ加工された炭化タングステンは、６１μｍから８０μｍの間のＤ５０を有し、ＭＭＣは、１６０ｋｓｉ以上の横断破断強度を有する。いくつかの実施形態では、テクスチャ加工された炭化タングステンは、８１μｍから１００μｍの間のＤ５０を有し、ＭＭＣは、１４０ｋｓｉ以上の横断破断強度を有する。いくつかの実施形態では、テクスチャ加工された炭化タングステン粒子は、１０１μｍから２００μｍの間のＤ５０を有し、ＭＭＣは、１００ｋｓｉ以上の横断破断強度を有する。Ｄ５０および抗折強度は、これらの値のいずれかによって定義される範囲内の値を有することができる。
いくつかの実施形態では、金属マトリックス複合材は、複数の切削要素を含むドリルビットを形成するために使用され、その構造内に金属マトリックス複合材が含まれる。
本明細書では、本開示から形成されたドリルビットの実施形態をさらに開示する。
図１は、角張った粒子を有する先行技術の金属粉末の走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）画像を示す。
図２は、角張った粒子を使用して調製された先行技術の金属マトリックス複合材（ＭＭＣ）の光学顕微鏡写真を示す。
図３は、球状または実質的に球状の粒子を使用して調製されたＭＭＣの最適な顕微鏡写真を示す。
図４は、ドリルビットを備えた建築土工工具の一実施形態の斜視図である。
図５は、開示された超高強度ＭＭＣ（右）および従来のＭＭＣ（左）の実施形態の強度および信頼性の向上を示す。
図６は、先行技術のＭＭＣのＳＥＭ画像を示す。
図７－８は、本開示によるＭＭＣのＳＥＭ画像を示す。
図９は、図６の二値画像を示す。
図１０は、図７の二値画像を示す。
図１１は、図８の二値画像を示す。
図１２は、ドリルビット本体を作成するための粉末の液体金属浸透のための金型形状を示す図である。
発明の詳細な説明
本明細書に開示されるのは、球状または実質的に球状の溶融炭化タングステン粒子、および炭化タングステン粒子から形成される金属マトリックス複合体（ＭＭＣS）の実施形態である。ＭＭＣは、炭化タングステン粒子と共に、銅および／または銅合金を含むマトリックスを含むことができる。実施形態に従ってタングステン粒子およびそれから形成されたＭＭＣは、従来の角張った溶融炭化タングステン粒子およびそれから形成されたＭＭＣよりも実質的に改善された特性を有することができる。特に、本開示の実施形態は、得られる金属マトリックス複合材（ＭＭＣ）の耐侵食性および耐衝撃性を改善するために使用することができる。
球状または実質的に球状の溶融炭化タングステン粒子は、通常の溶融炭化タングステン粉末またはタングステン、モノ炭化タングステンおよび／または炭素の混合物から作ることができる。いくつかの実施形態では、球状または実質的に球状の溶融炭化タングステン粒子は、３．７から４．２（または約３．７から４．２）重量％の構成を含み、残りはタングステンである。粒子は、多くの方法で製造することができる。いくつかの方法では、モノ炭化タングステンとカーボン粉末をブレンドしたタングステン粉末の混合物を最初に溶融する。次に、溶融混合物を回転噴霧法または超高温溶融噴霧法により噴霧化する。これらのプロセスは、表面張力による急速凝固プロセス中に、溶融炭化タングステンを球状または実質的に球状の溶融炭化タングステン粒子に球状化する。他の方法は、通常の溶融炭化タングステン粉末の変更に基づく場合がある。球状化プロセス中にプラズマ溶射、電気誘導または電気抵抗炉溶融が適用され、微細な球状またはほぼ球状の溶融炭化タングステン粒子が得られる。
本明細書に記載されるように、「球形度」は、球形または実質的に球形の粒子のアスペクト比によって定義することができる。アスペクト比は、長軸に沿った第１の長さの短軸に沿った第２の長さに対する比、または長軸の長さの短軸の長さに対する比であり得る。例えば、「完全に」球状の粒子のアスペクト比はちょうど１である。一方、当技術分野で上述したような「角張った」粒子は、少なくとも１．３０のアスペクト比を有する。
本開示の実施形態において、本明細書に開示される球状または実質的に球状の溶融炭化タングステン粒子は、１．２０（または約１．２０）以下のアスペクト比を有することができる。いくつかの実施形態では、球状溶融炭化タングステンは、１．１０（または約１．１０）以下のアスペクト比を有することができる。いくつかの実施形態では、球状溶融炭化タングステンは、１．０５（または約１．０５）以下のアスペクト比を有することができる。アスペクト比は、これらの値のいずれかによって定義される範囲内の値を持つこともできる。本明細書に開示されるアスペクト比は、複数の溶融炭化タングステン粒子のアスペクト比の平均値を表すことができる。いくつかの実施形態では、粒子のそれぞれは、本明細書に開示されるアスペクト比を有することができる。
微小硬度が都合良く２，７００－３，３００ＨＶ（または約２，７００－約３，３００ＨＶ）の範囲にあれば、球状または実質的に球状の溶融炭化タングステン粉末の比重は約１６．５ｇ／ｃｍ３である。これらの特性は、とりわけ、上記の球状化プロセスから生じる粒子形状および内部微細構造に起因する可能性がある。比較すると、角張った溶融炭化タングステンのほとんどは、約１，５００－２，２００ＨＶのみの大幅に劣った硬度を示す。一般に、球状または実質的に球状の溶融炭化タングステン粒子を含むＭＭＣは、同等のサイズおよび割合を有する粒子について、角張った溶融炭化タングステンを含むものより耐摩耗性が高い。以下では、従来の角張った炭化タングステン粒子とそれから形成されたＭＭＣとの間、および実施形態に従って球状または実質的に球状の炭化タングステン粒子およびそれから形成されたＭＭＣとの間の様々な微細構造の違いが記載される。
図１は、先行技術の金属粉末の走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）画像を示す。図示するとおり、従来技術の金属粉末は角張っている。
図２は、金属組織技術を使用して調製された従来技術のＭＭＣの光学顕微鏡写真を示す。 図示するとおり、ＭＭＣは、軟質相１、図１に示されるものと同様の粉末から形成される微粒状相２、および微粒子と軟質相との界面３を含む。軟質相は、最初に溶融された後に冷却されるマトリクス材料から形成され得る。したがって、従来技術のＭＭＣは、２つの主要な相を含む。軟質相１は、粒状相２の液体金属の浸透によって形成される。
粒状相２は、金属炭化物、ホウ化物または酸化物を含むことができる。例えば、粒状相２は、モノ炭化タングステン、溶融炭化タングステン、または超硬炭化タングステンを含む炭化タングステンを含むことができる。通常、炭化タングステン粒子は、図１に示すように角張っている。軟質相１と微粒状相２との間に界面３がある。本明細書に記載のように、発明者らは、これら３つのすべてがＭＭＣの強度および摩耗特性に寄与できることを発見した。
図３は、実施形態による球状または実質的に球状の炭化物粒子を使用して調製された金属マトリックス複合材（ＭＭＣ）２０の光学顕微鏡写真を示す。図に示されるとおり、ＭＭＣ２０は、球状または実質的に球状の溶融炭化タングステン粒子４および軟質相５を含み、これらは組み合わされて金属マトリックス複合体（ＭＭＣ）２０を形成する。ＭＭＣ２０はさらに、球状または実質的に球状の溶融炭化タングステンと軟質相との間の界面６を含む。
界面６は、炭化タングステン粒子４と軟質相５との間に形成された金属的結合または冶金学的結合を含む。本明細書で開示される金属結合は、拡散原子および／または原子相互作用を含み得、粒子４の原子と軟質相の原子との間に形成される化学結合を含み得ることが理解される。冶金学的結合は、単なる機械的結合以上のものである。そのような条件下で、構成部品は、金属結合材料に対して、および金属結合材料によって「湿潤」することができる。
ＭＭＣに組み込まれる前は、球状または実質的に球状の炭化タングステン粒子を含む混合物は粉末の形態である。本明細書で論じる球状または実質的に球状の粒子から形成されたＭＭＣは、球状ＭＭＣと呼ばれることがあり、角張った粉末から形成された従来技術のＭＭＣは、角状ＭＭＣと呼ばれることがある。
いくつかの実施形態では、液体金属浸透経路を使用してＭＭＣを形成することができる。 例えば、金属結合材料は、例えば、一般に、銅、クロム、スズ、銀、コバルト、ニッケル、カドミウム、マンガン、亜鉛、およびコバルト、またはそれらの合金を含む任意の適切なろう付け金属であり得る。金属結合材料は、炭化タングステン粉末を通して液体キャストし、固化してＭＭＣを形成することができる。
具体的には、本明細書に記載の成分を含有する粉末の液体金属浸透について、図１２を参照して説明する。ドリルビット１０（図４）の所望の形状のネガを反映するグラファイトモールドアセンブリ３２、３４が製造される。球状または実質的に球状の粒子を含む粉末３０がモールドアセンブリに注がれ、圧縮される。続いて、結合剤２９、例えば銅または銅合金結合剤、および鋼部品２４を加えることができる。このように構成されたモールドアセンブリは加熱されて、少なくとも結合剤２９を溶融する。金型内には砂成分２１があり、その機能は得られる鋳物内にＭＭＣのない領域を画定することである。溶融すると、結合剤２９は粉末３０に浸透し、鋼部品２４への結合を形成する。冷却すると、固化した構造は、強度と摩耗を考慮して有利に配置された複数の複合体を含む。
いくつかの実施形態では、四元材料系を結合剤２９として使用することができる。いくつかの実施形態では、結合材料は、銅（４７－５８重量％または約４７－約５８重量％）、マンガン（２３－２５重量％または約２３－約２５重量％）、ニッケル（１４－１６重量％または約１４－約１６重量％）、および亜鉛（７－９重量％または約７－約９重量％）を含む四元系とすることができる。この組成物は、液体金属浸透の特性と得られるＭＭＣの機械的特性との有利な組み合わせを提供することができる。しかしながら、他の組成物も同様に使用することができ、組成物は限定されない。
［ドリルビット］
本発明者らは、本開示の実施形態に従って形成された炭化タングステン粒子および炭化タングステン粒子から形成されたＭＭＣが、本明細書に記載のドリルなどの採鉱設備に適用するのに特に有用であり得ることを発見した。しかし、実施形態はそのように限定されず、炭化タングステン粒子およびそれから形成されたＭＭＣは、耐摩耗性材料が使用されるさまざまな他の用途に使用できることが理解されるであろう。
土に係合するドリルビットは、鉱業、石油およびガス産業を含む産業において、鉱物および炭化水素資源の探査および回収のために広く使用されている。土に係合するドリルビットの例には、多結晶ダイヤモンドコンパクト（ＰＤＣ）ビットが含まれる。
ドリルビットは、地層または金属ケーシングチューブのいずれかに対して 摩擦すると摩耗する。摩耗により、ドリルビットの機能が失われ、故障する可能性がある。冷却および潤滑用の掘削流体は、一般に、高い水力エネルギーを使用してドリルビット内を循環する。掘削流体は、研磨粒子、例えば砂を含んでいる可能性があり、これが高い水力エネルギーによって押し出されると、ドリルビットの面および他の場所での摩耗を悪化させる可能性がある。
ドリルビットは、焼入れ鋼および焼き戻し鋼の少なくとも１つと、金属マトリックス複合材（ＭＭＣ）とを含む本体を有することができる。スチール製のドリルビット本体は延性が高く、製造に適している場合がある。スチール製ドリルビット本体は、鋳造および鍛造製造技術を使用して製造することができ、その例には、鍛造または圧延棒技術が含まれるが、これらに限定されない。熱処理後の鋼の特性は一貫しており、再現性がある。スチール製のドリルビットが破損することはめったにない。ただし、磨耗した鋼製のドリルビット本体は、オペレータが修理するのが難しい場合があり得る。
ＭＭＣドリルビット本体は、スチール製ドリルビット本体よりもゆっくり摩耗する可能性がある。しかしながら、当技術分野で知られているＭＭＣドリルビット本体は、鋳造および／または加工および／または使用中に、熱的および機械的衝撃からより頻繁に破損する。破砕により、ドリルビットが構造的に不健全であるか、外観上の欠陥がある可能性があるため、ドリルビットが早期に使用できなくなる可能性がある。あるいは、従来技術のＭＭＣドリルビット本体は、切削構造の一部の損失を伴う壊滅的な故障を起こす可能性があり、その結果、最適以下の掘削性能およびドリルビットの早期回収がもたらされる可能性がある。
多くの場合、破砕するのはドリルビットのウイングまたはブレードである。ウイングまたはブレードの故障は、ドリルビット製造業者に経済的損害を与える。例えば井戸やボアホールなどの穿孔から、磨耗または故障したドリルビットを回収することは望ましくない。交換用のドリルビットを取り出してドリル穴に挿入するのに必要な非生産的な時間は、数百万ドルの費用がかかる場合がある。耐摩耗性が高く、故障率が低いドリルビットやその他の建築土工工具を使用すると、時間と費用を大幅に節約できる。したがって、ドリルビット用の超高強度ＭＭＣの開発は、掘削中の破損を低減または防止するために望ましい。
ＭＭＣのサンプルの強度は、２点間で支持された立方体または円筒形のＭＭＣサンプルの中心に荷重が加えられる横断破断強度（ＴＲＳ）試験を使用して決定することができる。複数のサンプルを試験して平均強度および標準偏差を導き出し、これらを代表として採用することができる。ＭＭＣのＴＲＳの信頼性分析は、さまざまなストレス下での故障の可能性などの追加情報を提供できる。
ＭＭＣドリルビットは、一般に鋼ビットより浸食において優れた性能を発揮することができるが、依然として油圧流体中の粒子の急速な減速に遭遇し、材料の浸食除去をもたらす可能性がある。高速掘削泥は、ビットを冷却し、デトリタスを排出する目的でノズルを出ます。掘削泥には、ベントナイト、粘土、界面活性剤などの物質が含まれており、岩石除去プロセスからの硬質で角張った鉱物も含まれている。ＰＤＣビットと掘削泥との間の接触も、浸食によってドリルビットを劣化させる可能性がある。したがって、本明細書に開示されたＭＭＣは、掘削中のドリルビットの信頼性および性能を改善するために、超高強度を伴う高い耐侵食性を有する。
図４は、本明細書に開示される実施形態によるＭＭＣ２０（図３）からなるビット本体１２を備えるドリルビット１０の形態の建築土工工具の実施形態の斜視図を示す。ビット本体１２の一部または全部は、ＭＭＣ２０の実施形態から形成されてもよい。いくつかの実施形態では、ビット本体１２の大部分は、ＭＭＣ２０の実施形態から形成される。さらに、当該工具は、ノズルポート１９を含むことができる。例えば、作動油用のブレード１６、切削要素、多結晶ダイヤモンドコンパクト（ＰＤＣ）カッターなどの切削要素１５、およびビットの面から流体中の切削物を運び去るためのジャンクスロット１４を支持するブレード１６である。
ＭＭＣ２０は、複数のほぼ球状または実質的に球状の粒子を含む混合物から形成することができる。
ここで、ドリルビット１０の構造的特徴を例として説明する。しかしながら、ツールの他の実施形態は、記載された構造的特徴のいくつかを有するか、または全く有しないか、または他の構造的特徴を有し得ることが理解されるであろう。ビット本体１２は、半径方向に突出し、長手方向に延在するウィングまたはブレード１３の形態の突出部を有することができ、これらは、ドリルビット１０の面１６のチャネルおよびドリルビット１０の側面のジャンクスロット１４によって分離される。複数の超硬タングステンカーバイドまたはＰＤＣカッター１５が、ビット本体１２の面１６上に延在するブレード１３の前面上のポケット内にろう付けされる。ＰＤＣカッター１５は、例えばビット本体１２と一体的に形成され得るバットレス１７によって後ろから支持され得る。
ドリルビット１０は、ドリルビット１０をドリルストリング（図示せず）に取り付けるためのＡＰＩねじ付き接続部分の形態のシャンク１８をさらに含むことができる。さらに、長手方向の縦穴（図示せず）が、ビット本体１２の少なくとも一部を通って長手方向に延び、内部流体通路（図示せず）は、該縦穴と、ビット本体１２の面１６に設けられたノズル１９との間の流体連通を提供し、ドリル面から掘削流体および地層切削物を除去するためのジャンクスロット１４に通じるチャネル上に開口する。
地層切削中、ドリルビット１０は、穴の底に位置付けられ、ビットに重りが加えられている間、回転される。掘削流体、例えば、ドリルビットが取り付けられているドリルストリングによって供給される掘削泥水は、穴、内部流体通路、およびノズル１９を通ってビット本体とＰＤＣカッター１５の面に送り込まれる。ドリルビット１０が回転し、ＰＤＣカッター１５が下にある地層をこすり落とし、剪断する。地層切削物は掘削流体と混合し、および内で中断され、ジャンクスロット１４を通過し、穴の壁とドリルストリングの外面との間の環状空間を上方に（例えば、井戸やボアホールの形で）地層の表面に通過する。
［物理的特性］
ＭＭＣのサンプルの強度は、ＴＲＳ試験を使用して決定することができるが、ＴＲＳデータの統計的アプローチを取ることに失敗すると、
１．失敗の可能性を示さず、
２．特定の応力値での故障確率にアクセスせず、および／または
３．粉末組成および粉末で作られたＭＭＣの変化または改善、特に応力と信頼性の関係を測定できるようにしない。
建築土工工具およびその他の工具で使用されるＭＭＣのサンプルの母集団における強度分布は、ワイブル統計を使用して決定でき、ワイブル統計は、与えられた適用応力で故障の可能性を確立できるようにする確率論的アプローチである。開示されたＭＭＣの実施形態は、例えば、一般にワイブル分布に忠実な建築土工工具１０と共に使用することができる。
ワイブル強度分布は、次の数式で記述される。
Figure 2023514993000002
上記数式の変数は次のとおりである。Ｆは、サンプルの失敗確率である。σは、適用応力である。σｕは、破壊を引き起こすために必要な応力の下限であり、多くの場合ゼロと見なされる。σ０は、特性強度である。ｍは、ワイブル係数であり、材料の強度のばらつきの尺度である。Ｖは、試料の体積である。
上記数式は通常σｕがゼロであると仮定して、σの対数とｍの計算に使用される勾配に対する（１／（１－Ｆ））の両対数プロットに再配置されて表示される。
図５は、図２に示したものと同様の同じタイプの角張ったＭＭＣの複数のサンプルの経験的強度データのワイブルプロットを示しており、実施形態による、主に角張った粒子を含むＭＭＣ（ＭＭＣ Ａ、左）、および図３に示される球状または実質的に球状の粒子を主に含むＭＭＣ（ＭＭＣ Ｂ、右）を示している。図５に示すＭＭＣは、テクスチャ加工された球状またはほぼ球状の炭化タングステンとＣｕ５３銅結合剤で構成されている。左軸の値は故障確率の関数を示し、右軸の値は故障確率のパーセンテージを示し、下軸の値は故障時に加えられた応力の関数を示している。ＴＲＳテスト中、角張ったＭＭＣのサンプルと球状のＭＭＣのサンプルの経験的強度データは、ワイブル分布に従う。各線の傾きは、それぞれのワイブル係数を定義している。角張ったＭＭＣのワイブル係数は１３．７６で、球形のＭＭＣのワイブル係数は２７．９４である。ワイブル係数は、材料強度のばらつきの１つの尺度である。たとえば、ワイブル係数が４の場合、強度に３０％の変動（標準変動の１つ）がある。
いくつかの実施形態では、球状ＭＭＣは、１５（または約１５）以上のワイブル係数を有する。いくつかの実施形態では、球状ＭＭＣは、２０（または約２０）以上のワイブル係数を有する。いくつかの実施形態では、球状ＭＭＣは、２５（または約２５）以上のワイブル係数を有する。ワイブル係数は、これらの値のいずれかによって定義される範囲内の値を持つこともできる。
ワイブルプロットを使用して、ドリルビット本体ブレードの高さおよび幅を所定の故障率に合わせて設計することができ、特にドリルビット本体のブレードを所定の故障率に対してどれだけ薄くおよび高くすることができるかを設計することができる。背が高くて薄いブレードは、短く幅の広いブレードよりも速く地層を除去できる。ただし、許容できない失敗の可能性がある。あるいは、角張ったＭＭＣを含むドリルビットの信頼性を、球状ＭＭＣを含む別の同一構成のドリルビットの信頼性と比較することができる。
１０，０００分の１の故障確率への線形外挿は、角張ったＭＭＣおよび球状ＭＭＣについてそれぞれ約６０ｋｓｉ（キロポンド／平方インチ）および１８８ｋｓｉの加えられた応力に等しい。
本開示のいくつかの実施形態では、球状ＭＭＣの１０，０００分の１の故障確率への線形外挿は、８０（または約８０）ｋｓｉ以上に相当する。本開示のいくつかの実施形態では、球状ＭＭＣの１０，０００分の１の故障確率への線形外挿は、１００（または約１００）ｋｓｉ以上に相当する。本開示のいくつかの実施形態では、球状ＭＭＣの１０，０００分の１の故障確率への線形外挿は、１２０（または約１２０）ｋｓｉ以上に相当する。本開示のいくつかの実施形態では、球状ＭＭＣの１０，０００分の１の故障確率への線形外挿は、１４０（または約１４０）ｋｓｉ以上に相当する。本開示のいくつかの実施形態では、球状ＭＭＣの１０，０００分の１の故障確率への線形外挿は、１６０（または約１６０）ｋｓｉ以上に相当する。本開示のいくつかの実施形態では、球状ＭＭＣの１０，０００分の１の故障確率への線形外挿は、１８０（または約１８０）ｋｓｉ以上に相当する。１０，０００分の１の故障確率への線形外挿は、これらの値のいずれかによって定義される範囲内の値を持つ場合がある。
［微細構造］
本開示では、粉末を形成する球状または実質的に球状の溶融タングステン粒子の表面トポグラフィーを詳細に調べた。新規の球状または実質的に球状の溶融炭化タングステンの表面状態は、テクスチャ加工された表面を有する。発明者らは、図３に示されるように、この組織が軟質相５と球状または実質的に球状の溶融炭化タングステン粒子４との間の界面６で利用可能な表面積を増加させることができることを発見した。
図６は、従来のＭＭＣにおけるタングステン粒子の表面形態を示す。示されるように、微細構造は、従来の溶融炭化タングステン粒子の「サッカーボールのような」地形的特徴を有する。表面は比較的滑らかであるため、ＭＭＣに組み込むと表面積が小さくなり、界面強度が比較的低くなりうる。
ＭＭＣ系の強度は、３つの異なる成分のうちの１つまたは複数に関連付けることができる：１）銅結合剤の強度、炭化タングステン粒子の強度、および銅結合剤と組み込まれた炭化タングステン粒子との間の結合強度。したがって、炭化タングステン粒子と銅がうまく結合しないと、ＭＭＣが高い応力を受けたときに故障が発生する可能性がある。より大きな表面積を持つ炭化物粒子を有することにより、合金は炭化物粒子に結合するためのより多くの領域を持ち、したがって界面強度が増加する。
図７は、本開示の実施形態によるＭＭＣ中の球状または実質的に球状のタングステン粒子の表面形態を示す。示されるように、微細構造は、球状または実質的に球状の溶融炭化タングステンの「針状」の地形的特徴（例えばテクスチャリング）を含む。表面は大部分がきめの細かい構造でテクスチャ加工されており、ＭＭＣに組み込むと表面積が大きくなり、界面強度が向上する。
図８は、本開示の実施形態によるＭＭＣ中の球状または実質的に球状のタングステン粒子の表面形態を示す。示されるように、微細構造は、球状または実質的に球状の溶融炭化タングステンの高密度の「針状」の地形的特徴を含む。表面は大部分がきめの細かい構造でテクスチャ加工されており、ＭＭＣに組み込むと、表面積がさらに大きくなり、並外れた界面強度が得られる。
球状または実質的に球状の溶融炭化タングステン粒子をそれらの表面特徴によって定量化するために、粒界に起因する可能性がある光学またはＳＥＭ画像の固定視野内の表面積の割合が分析される。本明細書で説明するように、粒界の面積分率は、試料の表面、例えば炭化タングステン粒子の表面の画像、例えば光学またはＳＥＭ画像における、粒界に起因する可能性のある面積を指す。粒界の面積分率は、図９－１１に示すような高コントラストまたはバイナリイメージなどの画像を使用して定量化できる。例えば、画像化されたフィールド内のピクセルの総数の一部としての暗いピクセルの数は、粒界の面積分率に対応する可能性がある。本発明者らは、炭化タングステン粒子の従来の「サッカーボール状」の表面形態が、炭化タングステン粒子の表面上の粒界の比較的低い面積分率、例えば５％未満をもたらすことを発見した。反対に、実施形態によるタングステン粒子の「針状」表面形態は、炭化タングステン粒子の表面上の粒界の比較的高い面積分率、例えば１０％（または約１０％）を超える。たとえば、図６の粒界の面積分率は３．６％であるが、図７の値は１４．２％である。さらに良い例として、図８の粒界の面積分率は２０．１％と高く、全体的により均一で微細な粒であることを示している。
本発明者らは、炭化タングステン粒子の球状形状とその針状の表面形態との組み合わせが、炭化タングステン粒子の比較的高い表面積を生じさせることを発見した。比較的高い粒界面積率、高粒界面積率は、炭化タングステン粒子と金属マトリックスの間に形成される高強度界面の量に比例する可能性があり、ＴＲＳや耐侵食性を含むＭＭＣの機械的およびトライボロジー特性に比例する可能性がある。さらに、実施形態によれば、針状トポグラフィーは、炭化タングステン粒子の表面に沿って伸びる針状構造を含む。当該針状構造は、幅を有しながら、例えば、少なくとも０．５、１、２、３、４、５μｍ、またはこれらの値のいずれかによって定義される範囲内の値を超える長さ部分を有する。これは、２、１、０．５、０．２、０．１μｍ未満、またはこれらの値のいずれかによって定義される範囲内の値である。当該針状構造は、２、５、１０、２０、またはこれらの値のいずれかによって定義される範囲内の値を超える、最小幅に対する最長長さの比を有し得る。
本開示のいくつかの実施形態では、球状または実質的に球状の溶融炭化タングステン粒子は、５．０％（または約５．０％）以上の粒界面積率を有する。本開示のいくつかの実施形態では、球状または実質的に球状の溶融炭化タングステン粒子は、１０．０％（または約１０．０％）以上の粒界面積率を有する。本開示のいくつかの実施形態では、球状または実質的に球状の溶融炭化タングステン粒子は、１２．０％（または約１２．０％）以上の粒界面積率を有する。本開示のいくつかの実施形態では、球状または実質的に球状の溶融炭化タングステン粒子は、１２．０％（または約１２．０％）以上の粒界面積率を有する。本開示のいくつかの実施形態では、球状または実質的に球状の溶融炭化タングステン粒子は、２０．０％（または約２０．０％）以上の粒界面積率を有する。粒界面積率も、これらの値のいずれかによって定義される範囲内の値を持つことができる。
粒子表面における粒界分布の均質性も特徴付けられた。元の微細構造画像は、９つの部分に均等に分割された。各分離部の粒界面積率を個別に測定された。次に、分離した９つの部分の粒界面積率の変化を計算した。分散の値が小さいほど、粒界の分布がより均一になる。この低い変動により、ＭＭＣの強度が向上する。例えば、図８の変動（３．８）は、図７の変動（９．４）よりも小さく、図８の粒界の分布がより均一であることを示している。
図９は、図６の二値画像を示す。図１０は、図７の二値画像を示し、これは、１４．２％の分析された面積分率と、９つの部分に分割されたときの９．４の変動とを含む。図１１は、図８の二値イメージを示しています。このイメージには、９つの部分に分割した場合の分析面積率が２０．１％と３．８の変動が含まれている。
［物理的特性］
本開示において、球状または実質的に球状の溶融タングステン粒子のサイズは、１－２００μｍの間であり得る。球状または実質的に球状の溶融タングステン粒子のサイズの変動は、最終的な浸透ＭＭＣのＴＲＳの変化をもたらす可能性がある。
粉末粒度分布は、参照によりその全体が本明細書に組み込まれるＡＳＴＭ Ｂ８２２に従ってＭｉｃｒｏＴｒａｃによって測定および決定される。これは、曲線の３つの点を記述することで定義できる。つまり、次のとおりである。
－Ｄ１０または１０パーセンタイル粒子径（μｍ）
－Ｄ５０または平均粒子径（μｍ）
－Ｄ９０または９０パーセンタイル粒子径（μｍ）
有利なことに、本発明者らは、炭化タングステン粒子のＤ５０を調整してＴＲＳの目標値を達成できることを発見した。いくつかの実施形態では、１μｍから１０μｍの間の平均粒径（Ｄ５０）を有する球状または実質的に球状の溶融炭化タングステン粒子から形成されたＭＭＣは、３６０ｋｓｉ（または約３６０ｋｓｉ）以上のＴＲＳを有する。本開示のいくつかの実施形態では、１μｍから１０μｍの間の平均粒子サイズ（Ｄ５０）を有する球状または実質的に球状の溶融炭化タングステン粒子から形成されたＭＭＣは、５３０ｋｓｉ（または約５３０ｋｓｉ）以上のＴＲＳを有する。本開示のいくつかの実施形態では、１μｍから１０μｍの間の平均粒子サイズ（Ｄ５０）を有する球状または実質的に球状の溶融炭化タングステン粒子から形成されたＭＭＣは、７００ｋｓｉ（または約７００ｋｓｉ）以上のＴＲＳを有する。ＴＲＳは、これらの値のいずれかによって定義される範囲内の値を持つことができる。
いくつかの実施形態では、１１μｍから２０μｍの間の平均粒子サイズ（Ｄ５０）を有する球状または実質的に球状の溶融炭化タングステン粒子から形成されたＭＭＣは、２８０ｋｓｉ（または約２８０ｋｓｉ）以上のＴＲＳを有する。本開示のいくつかの実施形態では、１１μｍから２０μｍの間の平均粒子サイズ（Ｄ５０）を有する球状または実質的に球状の溶融炭化タングステン粒子から形成されたＭＭＣは、３６５ｋｓｉ（または約３６５ｋｓｉ）以上のＴＲＳを有する。本開示のいくつかの実施形態では、１１μｍから２０μｍの間の平均粒子サイズ（Ｄ５０）を有する球状または実質的に球状の溶融炭化タングステン粒子から形成されたＭＭＣは、４５０ｋｓｉ（または約４５０ｋｓｉ）以上のＴＲＳを有する。ＴＲＳは、これらの値のいずれかによって定義される範囲内の値を持つことができる。
いくつかの実施形態では、２１μｍから４０μｍの間の平均粒子サイズ（Ｄ５０）を有する球状または実質的に球状の溶融炭化タングステン粒子から形成されたＭＭＣは、２３０ｋｓｉ（または約２３０ｋｓｉ）以上のＴＲＳを有する。本開示のいくつかの実施形態では、２１μｍから４０μｍの間の平均粒子サイズ（Ｄ５０）を有する球状または実質的に球状の溶融炭化タングステン粒子から形成されたＭＭＣは、２６０ｋｓｉ（または約ｋｓｉ）以上のＴＲＳを有する。本開示のいくつかの実施形態では、２１μｍから４０μｍの間の平均粒子サイズ（Ｄ５０）を有する球状または実質的に球状の溶融炭化タングステン粒子から形成されたＭＭＣは、２９０ｋｓｉ（または約２９０ｋｓｉ）以上のＴＲＳを有する。ＴＲＳは、これらの値のいずれかによって定義される範囲内の値を持つことができる。
一実施形態では、４１μｍと６０μｍとの間の平均粒子サイズ（Ｄ５０）を有する球状または実質的に球状の溶融炭化タングステン粒子から形成されたＭＭＣは、１８０ｋｓｉ以上のＴＲＳを有する。本開示の好ましい実施形態では、平均粒径（Ｄ５０）が４１μｍから６０μｍの間の球状または実質的に球状の溶融炭化タングステン粒子から形成されたＭＭＣは、２００ｋｓｉ以上のＴＲＳを有する。本開示のさらに好ましい実施形態では、平均粒子サイズ（Ｄ５０）が４１μｍから６０μｍの間の球状または実質的に球状の溶融炭化タングステン粒子から形成されたＭＭＣは、２２０ｋｓｉ以上のＴＲＳを有する。ＴＲＳは、これらの値のいずれかによって定義される範囲内の値を持つことができる。
いくつかの実施形態では、６１μｍから８０μｍの間の平均粒子サイズ（Ｄ５０）を有する球状または実質的に球状の溶融炭化タングステン粒子から形成されたＭＭＣは、１６０ｋｓｉ（または約１６０ｋｓｉ）以上のＴＲＳを有する。本開示のいくつかの実施形態では、６１μｍから８０μｍの間の平均粒子サイズ（Ｄ５０）を有する球状または実質的に球状の溶融炭化タングステン粒子から形成されたＭＭＣは、１７０ｋｓｉ（または約１７０ｋｓｉ）以上のＴＲＳを有する。本開示のいくつかの実施形態では、平均粒径（Ｄ５０）が６１μｍから８０μｍの間の球状または実質的に球状の溶融炭化タングステン粒子から形成されたＭＭＣは、１８０ｋｓｉ（または１８０ｋｓｉ）以上のＴＲＳを有する。ＴＲＳは、これらの値のいずれかによって定義される範囲内の値を持つことができる。
いくつかの実施形態では、８１μｍから１００μｍの間の平均粒径（Ｄ５０）を有する球状または実質的に球状の溶融炭化タングステン粒子から形成されたＭＭＣは、１４０ｋｓｉ（または約１４０ｋｓｉ）以上のＴＲＳを有する。本開示のいくつかの実施形態では、８１μｍから１００μｍの間の平均粒径（Ｄ５０）を有する球状または実質的に球状の溶融炭化タングステン粒子から形成されたＭＭＣは、１５０ｋｓｉ（または約１５０ｋｓｉ）以上のＴＲＳを有する。本開示のいくつかの実施形態では、８１μｍから１００μｍの間の平均粒径（Ｄ５０）を有する球状または実質的に球状の溶融炭化タングステン粒子から形成されたＭＭＣは、１６０ｋｓｉ（または約１６０ｋｓｉ）以上のＴＲＳを有する。ＴＲＳは、これらの値のいずれかによって定義される範囲内の値を持つことができる。
いくつかの実施形態では、１０１μｍから２００μｍの間の平均粒子サイズ（Ｄ５０）を有する球状または実質的に球状の溶融炭化タングステン粒子から形成されたＭＭＣは、１００ｋｓｉ（または約１００ｋｓｉ）以上のＴＲＳを有する。本開示のいくつかの実施形態では、１０１μｍから２００μｍの間の平均粒子サイズ（Ｄ５０）を有する球状または実質的に球状の溶融炭化タングステン粒子から形成されたＭＭＣは、１２０ｋｓｉ（または約１２０ｋｓｉ）以上のＴＲＳを有する。本開示のいくつかの実施形態では、１０１μｍから２００μｍの間の平均粒子サイズ（Ｄ５０）を有する球状または実質的に球状の溶融炭化タングステン粒子から形成されたＭＭＣは、１４０ｋｓｉ（または約１４０ｋｓｉ）以上のＴＲＳを有する。ＴＲＳは、これらの値のいずれかによって定義される範囲内の値を持つことができる。
実験室内の試験により、角張ったＭＭＣおよび球状のＭＭＣの耐摩耗性および耐侵食性を測定および比較することが可能になった。
実際の穿孔条件をシミュレートするエロージョン試験を、改良された高圧アブレシブ ウォータージェット切断機を使用して実施した。０°から９０°の間で調整可能な特別なサンプルホルダーは、サンプル表面とスラリージェットの間の衝突角度を調整できるように設計されている。ノズルとサンプル間のスタンドオフ距離は、サンプルの切断を回避し、ジェットとサンプル間の接触面積を拡大するために、１，０００ｍｍとして選択された。ガーネットは浸食剤として使用される。ウォータージェットの圧力は５０ｋｓｉであった。試験時間は１０分であった。１ｍｇの精度を持つ天秤を使用して、試験前後のクーポンの重量を測定した。
開示された球状溶融炭化タングステン粒子の実施形態を組み込み、液体浸透によって作製されたＭＭＣサンプルは、０．１７ｃｍ３の従来の対応物と比較して、０．０２２ｃｍ３の体積損失で、３０°の衝突角度で侵食について試験された。
本開示のいくつかの実施形態では、球状ＭＭＣは、０．１０（または約０．１０）ｃｍ３以下の浸食体積損失を有する。本開示のいくつかの実施形態では、球状ＭＭＣは、０．０８（または約０．０８）ｃｍ３以下の浸食体積損失を有する。本開示のいくつかの実施形態では、球状ＭＭＣは、０．０６（または約０．０６）ｃｍ３以下の浸食体積損失を有する。本開示のいくつかの実施形態では、球状ＭＭＣは、０．０４（または約０．０４）ｃｍ３以下の浸食体積損失を有する。体積損失は、これらの値のいずれかによって定義される範囲内の値を持つことができる。
参照によりその全体が本明細書に組み込まれる標準ＡＳＴＭ ６１１高応力摩耗試験では、開示された材料の実施形態で作製された特定のサンプルは、１．２８ｃｍ３の体積損失の従来のＭＭＣと比較して、０．５１ｃｍ３の体積損失を有する。
本開示のいくつかの実施形態では、球状ＭＭＣは、１．００（または約１．００）ｃｍ３以下のＡＳＴＭ ６１１体積損失を有する。本開示のいくつかの実施形態では、球状ＭＭＣは、０．８０（または約０．８０）ｃｍ３以下のＡＳＴＭ ６１１体積損失を有する。本開示のいくつかの実施形態では、球状ＭＭＣは、０．６０（または約０．６０）ｃｍ３以下のＡＳＴＭ ６１１体積損失を有する。体積損失は、これらの値のいずれかによって定義される範囲内の値を持つことができる。
［追加の実施例］
１．溶融炭化タングステン粒子を含む粉末ブレンドであって、前記溶融炭化タングステン粒子が、
長軸に沿った第１の長さと短軸に沿った第２の長さの比が１．２０以下である球形状と、
５．０％を超える粒界面積率を持つようにテクスチャ加工された表面と、
を有する粉末ブレンド。
２．金属タングステン粒子をさらに含む、実施例１に記載の粉末ブレンド。
３．前記テクスチャ加工された表面が針状のトポグラフィーを有する、実施例１または２に記載の粉末ブレンド。
４．前記針状トポグラフィーが前記炭化タングステン粒子の表面に沿って伸びた針状構造を含み、前記針状構造の少なくとも一部が幅１μｍを超えない、実施例１－３に記載の粉末ブレンド。
５．前記粉末ブレンドが、マトリックス中に埋め込まれた前記溶融炭化タングステン粒子を含む金属－マトリックス複合体（ＭＭＣ）を形成するように構成される、実施例１－４のいずれか１つに記載の粉末ブレンド。
６．前記マトリックスが銅または銅合金を含む、実施例５に記載の粉末ブレンド。
７．前記粉末ブレンドが、１５以上のワイブル係数を有する高強度ＭＭＣを形成するように構成されている、実施例１－６のいずれか１つに記載の粉末ブレンド。
８．前記粉末ブレンドが、８０ｋｓｉ以上の加えられた応力に相当する１０，０００分の１の破損確率に対するワイブルプロットの直線外挿を有する高強度ＭＭＣを形成するように構成された、実施例１－７のいずれか１つに記載の粉末ブレンド。
９．前記粉末ブレンドが、０．１０ｃｍ３以下の浸食体積損失を有する高強度ＭＭＣを形成するために使用される、実施例１－８のいずれか１つに記載の粉末ブレンド。
１０．前記粉末ブレンドが、１．００ｃｍ３以下のＡＳＴＭ ６１１体積損失を有する高強度ＭＭＣを形成するように構成される、実施例１－９のいずれか１つに記載の粉末ブレンド。
１１．前記粉末ブレンドが、溶融炭化タングステン粒子および銅または銅合金マトリックスを含む複合材（ＭＭＣ）を含む高強度ドリルビットの一部を形成するように構成される、実施例１－１０のいずれか１つに記載の粉末ブレンド。
１２．前記溶融炭化タングステン粒子が１－２００μｍの平均粒子サイズを有する、実施例１－１１のいずれか１つに記載の粉末ブレンド。
１３．金属マトリックス複合材（ＭＭＣ）材料であって、
球状の形状および５．０％を超える粒界面積率を有するようにテクスチャ加工された表面を有する溶融炭化タングステン粒子と、
溶融炭化タングステン粒子が埋め込まれたマトリックスと、
を有する金属マトリックス複合材。
１４．前記溶融炭化タングステン粒子の少なくともいくつかが、長軸に沿った第１の長さ対短軸の長さに沿った第２の長さの比が１．２０以下である、実施例１３に記載のＭＭＣ材料。
１５．前記マトリックスが銅または銅合金を含む、実施例１３または１４に記載のＭＭＣ材料。
１６．前記ＭＭＣ材料が１５以上のワイブル係数を有する、実施例１３－１５のいずれか１つに記載のＭＭＣ材料。
１７．前記ＭＭＣ材料が、８０ｋｓｉ以上の加えられた応力に相当する１０，０００分の１の破損確率へのワイブルプロットの線形外挿を有する、実施例１３－１６のいずれか１つに記載のＭＭＣ材料。
１８．前記ＭＭＣ材料が０．１０ｃｍ３以下の浸食体積損失を有する、実施例１３－１７のいずれか１つに記載のＭＭＣ材料。
１９．前記ＭＭＣ材料が１．００ｃｍ３以下のＡＳＴＭ ６１１体積損失を有する、実施例１３－１８のいずれか１つに記載のＭＭＣ材料。
２０．前記溶融炭化タングステン粒子が１μｍ－１０μｍのＤ５０を有し、ＭＭＣ材料が３６０ｋｓｉ以上の横断破断強度を有する、実施例１３－１９のいずれか１つに記載のＭＭＣ材料。
２１．前記溶融炭化タングステン粒子が１１μｍ－２０μｍのＤ５０を有し、ＭＭＣ材料が２８０ｋｓｉ以上の横断破断強度を有する、実施例１３－２０のいずれか１つに記載のＭＭＣ材料。
２２．前記溶融炭化タングステン粒子が２１μｍ－４０μｍのＤ５０を有し、ＭＭＣが２３０ｋｓｉ以上の横断破断強度を有する、実施例１３－２１のいずれか１つに記載のＭＭＣ材料。
２３．前記溶融炭化タングステン粒子が４１μｍ－６０μｍのＤ５０を有し、ＭＭＣが１８０ｋｓｉ以上の横断破断強度を有する、実施例１３－２２のいずれか１つに記載のＭＭＣ材料。
２４．前記溶融炭化タングステン粒子が６１μｍ－８０μｍのＤ５０を有し、ＭＭＣが１６０ｋｓｉ以上の横断破断強度を有する、実施例１３－２３のいずれか１つに記載のＭＭＣ材料。
２５．前記溶融炭化タングステンが８１μｍと１００μｍとの間のＤ５０を有し、ＭＭＣが１４０ｋｓｉ以上の横断破断強度を有する、実施例１３－２４のいずれか１つに記載のＭＭＣ材料。
２６．前記溶融炭化タングステンが１０１μｍと２００μｍとの間のＤ５０を有し、ＭＭＣが１００ｋｓｉ以上の横断破断強度を有する、実施例１３－２５のいずれか１つに記載のＭＭＣ材料。
２７．前記ＭＭＣ材料が高強度ドリルビットの一部を形成する、実施例１３－２６のいずれか１つに記載のＭＭＣ材料。
２８．金属マトリックス複合材（ＭＭＣ）材料を形成する方法であって、
鋳型に、球状の形状と、５．０％を超える粒界面積率を有するようにテクスチャ加工された表面とを有する溶融炭化タングステン粒子を添加する工程と、
銅を含む結合材料を金型に加える工程と、
結合材料を溶融して、溶融炭化タングステン粒子に浸透させる工程と、
溶融結合材料を凝固させて、ＭＭＣ材料を形成する工程と、
を含む金属マトリックス複合材材料を形成する方法。
２９．前記溶融炭化タングステン粒子が少なくとも１０．０％の粒界面積率を有する、実施例２８に記載の方法。
３０．前記溶融炭化タングステン粒子が、少なくとも１２．０％の粒界面積率を有する、実施例２８または２９に記載の方法。
３１．前記溶融炭化タングステン粒子が少なくとも２０．０％の粒界面積率を有する、実施例２８－３０のいずれか１つに記載の方法。
３２．前記ＭＭＣ材料が１５以上のワイブル係数を有する、実施例２８－３１のいずれか１つに記載の方法。
３３．前記ＭＭＣ材料が２０以上のワイブル係数を有する、実施例２８－３２のいずれか１つに記載の方法。
３４．前記ＭＭＣ材料が２５以上のワイブル係数を有する、実施例２８－３３のいずれか１つに記載の方法。
３５．前記ＭＭＣ材料の１０，０００分の１の故障確率への線形外挿が８０ｋｓｉ以上に相当する、実施例２８－３４のいずれか１つに記載の方法。
３６．前記ＭＭＣ材料の１０，０００分の１の故障確率への線形外挿が１４０ｋｓｉ以上に相当する、実施例２８－３５のいずれか１つに記載の方法。
３７．前記ＭＭＣ材料の１０，０００分の１の故障確率への線形外挿が１８０ｋｓｉ以上に相当する、実施例２８－３６のいずれか１つに記載の方法。
３８．前記ＭＭＣ材料が少なくとも１４０ｋｓｉの横断破断強度を有する、実施例２８－３７のいずれか１つに記載の方法。
３９．前記ＭＭＣ材料が少なくとも４５０ｋｓｉの横断破断強度を有する、実施例２８－３８のいずれか１つに記載の方法。
４０．前記ＭＭＣ材料が少なくとも７００ｋｓｉの横断破断強度を有する、実施例２８－３９のいずれか１つに記載の方法。
４１．前記ＭＭＣ材料が０．１０ｃｍ３以下の浸食体積損失を有する、実施例２８－４０のいずれか１つに記載の方法。
４２．前記ＭＭＣ材料が０．０８ｃｍ３以下の浸食体積損失を有する、実施例２８－４１のいずれか１つに記載の方法。
４３．前記ＭＭＣ材料が０．０４ｃｍ３以下の浸食体積損失を有する、実施例２８－４２のいずれか１つに記載の方法。
４４．前記方法が前記高強度ドリルビットの一部として前記ＭＭＣ材料を形成する工程を含み、前記方法が鋼成分を金型に添加する工程をさらに含み、前記結合材料を溶融する工程には少なくとも部分的に鋼成分を取り囲む工程を含む、実施例２８－４３のいずれか1つに記載の方法。
４５．マトリックス内に溶融炭化タングステン粒子を有する金属マトリックス複合材料を含む高強度ドリルビットであって、前記溶融炭化タングステン粒子が球状の形状と、少なくとも５．０％の粒界面積率を有するようにテクスチャ加工された表面とを有する、金属マトリックス複合材料。
４６．前記溶融炭化タングステン粒子が少なくとも１０．０％の粒界面積率を有する、実施例４５に記載のドリルビット。
４７．前記溶融炭化タングステン粒子が、少なくとも１２．０％の粒界面積率を有する、実施例４５または４６に記載のドリルビット。
４８．前記溶融炭化タングステン粒子が、少なくとも２０．０％の粒界面積率を有する、実施例４５－４７のいずれか１つに記載のドリルビット。
４９．前記金属マトリックス複合材料が１５以上のワイブル係数を有する、実施例４５－４８のいずれか１つに記載のドリルビット。
５０．前記金属マトリックス複合材料が２０以上のワイブル係数を有する、実施例４５－４９のいずれか１つに記載のドリルビット。
５１．前記金属マトリックス複合材料が２５以上のワイブル係数を有する、実施例４５－５０のいずれか１つに記載のドリルビット。
５２．前記金属マトリックス複合材の故障確率１０，０００分の１への線形外挿が８０ｋｓｉ以上に相当する、実施例４５－５１のいずれか１つに記載のドリルビット。
５３．前記金属マトリックス複合材料の１０，０００分の１の故障確率への線形外挿が１４０ｋｓｉ以上に相当する、実施例４５－５２のいずれか１つに記載のドリルビット。
５４．前記金属マトリックス複合材の１０，０００分の１の故障確率への線形外挿が１８０ｋｓｉ以上に相当する、実施例４５－５３のいずれか１つに記載のドリルビット。
５５．前記金属マトリックス複合材が少なくとも１４０ｋｓｉの横断破断強度を有する、実施例４５－５４のいずれか１つに記載のドリルビット。
５６．前記金属マトリックス複合材が少なくとも４５０ｋｓｉの横断破断強度を有する、実施例４５－５５のいずれか１つに記載のドリルビット。
５７．前記金属マトリックス複合材が少なくとも７００ｋｓｉの横断破断強度を有する、実施例４５－５６のいずれか１つに記載のドリルビット。
５８．前記金属マトリックス複合材が０．１０ｃｍ３以下の浸食体積損失を有する、実施例４５－５７のいずれか１つに記載のドリルビット。
５９．前記金属マトリックス複合材が０．０８ｃｍ３以下の浸食体積損失を有する、実施例４５－５８のいずれか１つに記載のドリルビット。
６０．前記金属マトリックス複合材が０．０４ｃｍ３以下の浸食体積損失を有する、実施例４５－５９のいずれか１つに記載のドリルビット。
前述の説明から、本発明の製品および合金に対するアプローチが開示されていることが理解されるであろう。いくつかの構成要素、技術、および態様がある程度の詳細度で説明されてきたが、本開示の精神および範囲から逸脱することなく、上記で説明された特定の設計、構造、および方法論に多くの変更を加えることができることは明らかである。
別個の実装の文脈で本開示に記載されている特定の機能は、単一の実装で組み合わせて実装することもできる。逆に、単一の実装のコンテキストで説明されているさまざまな機能は、複数の実装で個別に、または任意の適切なサブコンビネーションで実装することもできる。さらに、本発明の特徴は特定の組み合わせで作用するものとした上で説明されている場合があるが、クレームされている組み合わせからの１つまたは複数の特徴は、場合によっては、組み合わせから削除することができ、当該組み合わせは、任意のサブコンビネーションまたは任意のサブコンビネーションの変形として主張することができる。
さらに、本発明の方法は特定の順序で図面に示されるか、明細書に記載される場合があるが、そのような方法は、示された特定の順序または連続した順序で実行される必要はなく、望ましい結果を達成するためにすべての方法が実行される必要はない。図示または説明されていない他の方法を、例示的な方法およびプロセスに組み込むことができる。例えば、記載された方法のいずれかの前、後、同時に、またはその間に、１つまたは複数の追加の方法を実行することができる。さらに、方法は、他の実装では再配置または再順序付けすることができる。また、上述の実装における様々なシステム構成要素の分離は、すべての実装においてそのような分離を必要とするものとして理解されるべきではなく、記載された構成要素およびシステムは、一般に、単一の製品に一緒に統合され得るか、または複数の製品にパッケージ化され得ることが理解されるべきである。さらに、他の実装も本開示の範囲内にある。
「できる」、「できた」、「かもしれない」、または「かもしれない」などの条件付き言語は、特に明記されていない限り、または使用されるコンテキスト内で別の方法で理解されない限り、一般に、特定の実施形態が特定の機能、要素、および／または手順を含むまたは含まないことを伝えることを意図している。したがって、そのような条件付き言語は、一般に、機能、要素、および／またはステップが何らかの方法で１つまたは複数の実施形態に必要であることを意味することを意図していない。
「Ｘ、Ｙ、およびＺのうちの少なくとも１つ」という語句などの接続詞は、特に断りのない限り、項目、用語などがいずれかであり得ることを伝えるために一般的に使用される文脈の中で理解される。したがって、そのような接続用語は、一般に、特定の実施形態がＸの少なくとも１つ、Ｙの少なくとも１つ、およびＺの少なくとも１つの存在を必要とすることを意味することを意図するものではない。
本明細書で使用される用語「およそ」、「約」、「一般的に」、および「実質的に」など、本明細書で使用される程度の言語は、記載された値、量、または特性に近い値、量、または特性を表し、その近い値であっても望ましい機能を実行するか、望ましい結果を達成する。例えば、「およそ」、「約」、「一般的に」、および「実質的に」という用語は、記載された量から１０％以下の範囲内、５％以下の範囲内、１％以下の範囲内、０．１％の範囲内、０．０１％以下の範囲内にある量を指し得る。記載された量が０である場合（例えば、なし、～がない）、上記の列挙された範囲は、値の特定の％内ではなく、特定の範囲である可能性がある。例えば、１０重量／体積％、５重量／体積％、１重量／体積％、０．１重量／体積％、および０．０１重量／体積％である。
いくつかの実施形態は、添付の図面に関連して説明されてきた。図面は一定の縮尺で描かれているが、示されているもの以外の寸法および比率が企図され、開示された発明の範囲内であるため、そのような縮尺は限定的であってはならない。距離、角度などは単なる例示であり、必ずしも実際の寸法および図示されたデバイスのレイアウトと正確な関係を持っているわけではない。構成要素は、追加、削除、および／または再配置できる。さらに、様々な実施形態に関連する任意の特定の特徴、態様、方法、特性、品質、属性、要素などの本明細書における開示は、本明細書に記載される他のすべての実施形態で使用することができる。さらに、本明細書に記載される任意の方法は、列挙されたステップを実行するのに適した任意のデバイスを使用して実施され得ることが認識される。
多くの実施形態およびその変形を詳細に説明してきたが、他の修正およびそれを使用する方法は、当業者には明らかであろう。したがって、本明細書における独自の発明的開示または特許請求の範囲から逸脱することなく、様々な応用、修正、材料、および等価物の置換を行うことができることを理解されたい。

Claims (28)

  1. 溶融炭化タングステン粒子を含む粉末ブレンドであって、
    前記溶融炭化タングステン粒子が、長軸に沿った第１の長さと短軸に沿った第２の長さの比が１．２０以下である球状形状と、
    ５．０％を超える粒界面積率を持つようにテクスチャ加工された表面と、
    を有する粉末ブレンド。
  2. 金属タングステン粒子をさらに含む、請求項１に記載の粉末ブレンド。
  3. 前記テクスチャ加工された表面が針状トポグラフィーを有する、請求項１または請求項２に記載の粉末ブレンド。
  4. 前記針状トポグラフィーが前記炭化タングステン粒子の表面に沿って伸ばされた針状構造を含み、前記針状構造の少なくともいくつかが幅１μｍを超えない部分を有する、請求項１－請求項３のいずれか一項に記載の粉末ブレンド。
  5. 前記粉末ブレンドが、マトリックス中に埋め込まれた溶融炭化タングステン粒子を含む金属マトリックス複合体（ＭＭＣ）を形成するように構成される、請求項１－請求項４のいずれか一項に記載の粉末ブレンド。
  6. 前記マトリックスが銅または銅合金を含む、請求項５に記載の粉末ブレンド。
  7. 前記粉末ブレンドが、１５以上のワイブル係数を有する高強度ＭＭＣを形成するように構成されている、請求項１－請求項６のいずれか一項に記載の粉末ブレンド。
  8. 前記粉末ブレンドが、８０ｋｓｉ以上の適用応力に相当する１０，０００分の１の破損確率に対するワイブルプロットの線形外挿を有する高強度ＭＭＣを形成するように構成される、請求項１－請求項７のいずれか一項に記載の粉末ブレンド。
  9. 粉末ブレンドが、０．１０ｃｍ３以下の浸食体積損失を有する高強度ＭＭＣを形成するために使用される、請求項１－請求項８のいずれか一項に記載の粉末ブレンド。
  10. 前記粉末ブレンドが、１．００ｃｍ３以下のＡＳＴＭ ６１１体積損失を有する高強度ＭＭＣを形成するように構成される、請求項１－請求項９のいずれか一項に記載の粉末ブレンド。
  11. 前記粉末ブレンドが、前記溶融炭化タングステン粒子および銅または銅合金マトリックスを含む金属マトリックス複合材（ＭＭＣ）を含む高強度ドリルビットの一部を形成するように構成される、請求項１－請求項１０のいずれか一項に記載の粉末ブレンド。
  12. 前記溶融炭化タングステン粒子が１－２００μｍの平均粒径を有する、請求項１-請求項１１のいずれか一項に記載の粉末ブレンド。
  13. 金属マトリックス複合材（ＭＭＣ）材料であって、
    球状の形状および５．０％を超える粒界面積率を有するようにテクスチャ加工された表面を有する溶融炭化タングステン粒子と、
    溶融炭化タングステン粒子が埋め込まれたマトリックスと、
    を有する金属マトリックス複合材。
  14. 前記溶融炭化タングステン粒子の少なくともいくつかが、長軸に沿った第１の長さ対短軸の長さに沿った第２の長さの比が１．２０以下である、請求項１３に記載のＭＭＣ材料。
  15. 前記マトリックスが銅または銅合金を含む、請求項１３または請求項１４に記載のＭＭＣ材料。
  16. 前記ＭＭＣ材料が１５以上のワイブル係数を有する、請求項１３－請求項１５のいずれか１つに記載のＭＭＣ材料。
  17. 前記ＭＭＣ材料が、８０ｋｓｉ以上の加えられた応力に相当する１０，０００分の１の破損確率へのワイブルプロットの線形外挿を有する、請求項１３－請求項１６のいずれか１つに記載のＭＭＣ材料。
  18. 前記ＭＭＣ材料が０．１０ｃｍ３以下の浸食体積損失を有する、請求項１３－請求項１７のいずれか１つに記載のＭＭＣ材料
  19. 前記ＭＭＣ材料が１．００ｃｍ３以下のＡＳＴＭ ６１１体積損失を有する、請求項１３－請求項１８のいずれか１つに記載のＭＭＣ材料。
  20. 前記溶融炭化タングステン粒子が、
    Ｄ５０が１μｍから１０μｍであってＭＭＣ材料の抗折強度が３６０ｋｓｉ以上であること、
    Ｄ５０が１１μｍから２０μｍであってＭＭＣ材料の抗折強度が２８０ｋｓｉ以上であること、
    Ｄ５０が２１μｍから４０μｍであってＭＭＣの抗折強度が２３０ｋｓｉ以上であること、
    Ｄ５０が４１μｍから６０μｍあってＭＭＣの抗折強度が１８０ｋｓｉ以上であること、
    Ｄ５０が６１μｍから８０μｍであってＭＭＣの抗折強度が１６０ｋｓｉ以上であること、
    Ｄ５０が８１μから１００μｍで、ＭＭＣの抗折強度が１４０ｋｓｉ以上であること、または、
    Ｄ５０が１０１μｍから２００μｍであってＭＭＣの抗折強度が１００ｋｓｉ以上であること、
    のいずれかを満たす、請求項１３－請求項１９のいずれか1項に記載の前記ＭＭＣ材料。
  21. 前記ＭＭＣ材料が高強度ドリルビットの一部を形成する、請求項１３－請求項２０のいずれか１つに記載のＭＭＣ材料。
  22. 金属マトリックス複合材（ＭＭＣ）材料を形成する方法であって、
    鋳型に、球状の形状と、５．０％を超える粒界面積率を有するようにテクスチャ加工された表面とを有する溶融炭化タングステン粒子を添加する工程と、
    銅を含む結合剤材料を金型に加える工程と、
    結合剤材料を溶融して、溶融炭化タングステン粒子に浸透させる工程と、
    溶融結合剤材料を凝固させて、前記ＭＭＣ材料を形成する工程と、
    を含む金属マトリックス複合材（ＭＭＣ）材料を形成する方法。
  23. 前記溶融炭化タングステン粒子が、少なくとも１０．０％の粒界面積率を有する、請求項２２に記載の方法。
  24. 前記ＭＭＣ材料は、１５以上のワイブル係数を有する、請求項２２または請求項２３に記載の方法。
  25. 前記ＭＭＣ材料の１０，０００分の１の故障確率への線形外挿が８０ｋｓｉ以上に相当する、請求項２２－請求項２４のいずれか１つに記載の方法。
  26. 前記ＭＭＣ材料が少なくとも１４０ｋｓｉの抗析強度を有する、請求項２２－請求項２５のいずれか１つに記載の方法。
  27. 前記ＭＭＣ材料が０．１０ｃｍ３以下の浸食体積損失を有する、請求項２２－請求項２６のいずれか１つに記載の方法。
  28. 前記方法が前記高強度ドリルビットの一部として前記ＭＭＣ材料を形成する工程を含み、前記方法が鋼成分を金型に添加する工程をさらに含み、前記結合剤材料を溶融する工程には少なくとも部分的に鋼成分を取り囲む工程を含む、請求項２２－請求項２７のいずれか1つに記載の方法。
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