固定的切削刀头和用于固定切削刀头的刀片以及用于制造它们的方法 |
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申请号 | CN200880016808.1 | 申请日 | 2008-05-13 | 公开(公告)号 | CN101680272A | 公开(公告)日 | 2010-03-24 |
申请人 | 钴碳化钨硬质合金公司; | 发明人 | S·I·马贾吉; J·W·比特勒; | ||||
摘要 | 用在冲击 地层 的刀具上的一种刀片,该刀片具有一个刀片本体(616),该刀片本体具有一个前表面(624)。该刀片本体(616)具有限定了前表面(624)的至少一部分的一个第一部分(618)以及一个第二部分(620)。该第一部分(618)是由一种第一材料成分制成并且该第二部分(620)是由一种第二材料成分制成。 | ||||||
权利要求 | 1.一种在冲击地层的刀具上使用的刀片,该刀片包括: |
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说明书全文 | [0001]本发明涉及一种固定的切削刀头、连同用于固定切削刀头 的一种刀片以及用于制造它们的方法,它被用于在地下构层中钻孔, 如常见于石油以及天然气勘探中。更确切地说,本发明涉及一种固定 的切削刀头、用于一个固定切削刀头的一种刀片以及用于制造它们的 方法,它被用于在地下构层中钻孔,其中该固定的切削刀头包含多个 刀片,这些刀片显示出改进的耐磨损性以及韧性。[0002]钻地刀头可以具有固定的或可转动的切削元件。带有固定 的切削元件的钻地刀头典型地包括一个刀头本体,该刀头本体用钢机 加工而成或通过熔渗一层硬颗粒而制成,如铸造碳化物(WC+W2C)、 碳化钨(WC)和/或具有一种粘合剂(例如,一种铜基合金)的烧结 的粘结碳化物。几个切削镶片以预定的位置被固定到刀头本体上以优 化切削。刀头本体可以被固定到一个钢杆上,该钢杆典型地包括一个 螺纹销连接件,刀头通过该连接件被固定到一个井下电动机的驱动轴 上或被固定在一个钻具串组的远端处的一个钻头套环上。 [0003]钢质本体的刀头典型地由圆钢材机加工成一种带有形貌特 征以及内部特征的所希望的形状。可以使用表面硬化技术将耐磨损材 料施加到刀头本体的面上以及刀头本体的表面的其他关键区域上。 [0004]在用于从硬颗粒以及粘合剂制造刀头本体的常规方法中, 将一个模具铣削或机加工来限定刀头本体的外部表面特征。也许还会 要求额外的手动铣削或粘土工作以形成或精制刀头本体的形貌特征。 [0005]一旦模具被完成,一个预成型的钢质刀头坯料可以被置于 模具空腔之中以在内部加强刀头本体并且在制作时提供一个销附接件 基体。其他砂、石墨、过渡或难熔金属基的插入件,诸如限定内部流 体流道、用于切削元件的凹座、凸脊、台面、喷嘴位移、排屑槽缝或 刀片本体的其他内部或形貌特征的也可以被插入模具的空腔之中。所 使用的任何插入件必须被放在准确的位置处以确保切削元件、喷嘴、 排屑槽缝等在最终的刀头中的正确定位。 [0006]然后所希望的硬颗粒可以被放在模具之中并且被压实到所 希望的密度。然后用一种熔化的粘合剂熔渗这些硬颗粒,这种粘合剂 凝固以形成一个固体刀头本体,该刀头本体包括在粘合剂的一个连续 相之中的这些硬颗粒的一个不连续相。 [0007]然后可以将该刀头本体与其他钻地刀头部件组装在一起。 例如,一个螺纹杆可以被焊接或用别的方法固定到刀头本体上,并且 诸如通过铜焊、粘合剂粘结或机械附加将切削元件或镶片(典型地粘 结的碳化钨或金刚石或一个合成的聚晶金刚石构件(“PDC”))固定 在切削镶片凹座之中。可替代地,如果使用了热稳定的PDC(“TSP” (热稳定的聚晶金刚石)),则可以在焙烧和熔渗过程中将这些切削 镶片粘合到刀头本体的面上。 [0008]固定的切削刀头一直以来被用于在地下构层中钻孔,如常 见于石油以及天然气勘探中。Huang等人的美国专利申请公开号 US2005/0133272、Mirchandani等人的美国专利申请公开号 US2005/0247491、Mensa-Wilmot的美国专利号6,615,934以及Dykstra 等人的美国专利号7,096,978展示出了示例性的固定切削刀头,并且这 些专利文件特此通过引用结合在此。一种典型的固定切削刀头包括多 个刀片,这些刀片从切削刀头的主体延伸或突出。这些刀片典型地携 带多个切削元件,其中这些切削元件在钻井操作过程中冲击地球构层。 [0009]钻地刀头典型地被固定到一个钻具串组的终端上,该钻具 串组被从表面转动或通过在该钻具串组上恰好定位在刀头之上的井下 电动机转动。钻探液或泥浆被泵送下到空心的钻具串组并且从在刀头 本体中形成的喷嘴中流出。当刀头旋转时,钻探液或泥浆使刀头冷却 并润滑,并且还将刀头切下的材料运送至表面。 [0010]钻地刀头的刀头本体以及其他元件在严酷的井下环境中运 作时,它们经受许多形式的磨损。在最常见的磨损形式中是由与磨蚀 性岩层的接触所引起的磨蚀性磨损。此外,装载有岩屑的钻探泥浆在 刀头上引起了腐蚀性磨损。 [0011]一个钻地刀头的使用寿命不但是随PDC或粘结碳化物镶片 的磨损特性而变化,而且还随刀头本体(在固定切削刀头的情况下) 或锥体(在牙轮钻头的情况下)的磨损特性而变化。提高钻地刀头使 用寿命的一种方式是使用由具有强度、韧性以及磨损/腐蚀耐受性的改 进的组合的材料制成的刀头本体或锥体。 [0012]因为在钻井操作过程中由于典型的地球构层的磨损性质使 得携带切削元件的刀片经受(或可经受)到相当大的磨蚀性磨损。因 此,将会非常令人希望的是提供一种固定的切削刀头,以及一种用于 制造这种固定切削刀头的方法,它被用于在地下构层中钻孔,其中该 固定切削刀头包含多个刀片,这些刀片显示出改进的耐磨损性,并且 这尤其是相对于该刀片的前刃或区域的情况。 [0013]因为在钻井操作过程中由于典型的地球构层的不均匀性质 (因为它含有硬夹杂物(例如,岩石)),携带切削元件的刀片经受 (或k经受)到相当大量的冲击。因此,将会非常令人希望的是提供 一种固定的切削刀头,以及一种用于制造这种固定切削刀头的方法, 它被用于在地下构层中钻孔,其中该固定切削刀头包含多个刀片,这 些刀片显示出改进的耐冲击性。 [0014]从刀头中的多个喷嘴中喷出的流体能够直接冲击在切削刀 头本体上,包括冲击在携带切削元件的这些刀片上。在钻井操作过程 中,携带切削元件的刀片经受(或可经受)到相当大的腐蚀性磨损。 这种腐蚀性磨损可以是由于流体的冲击连同典型的地球构层的磨蚀性 本质。因此,将会非常令人希望的是提供一种固定的切削刀头以及一 种用于制造这种固定切削刀头的方法,它被用于在地下构层中钻孔, 其中该固定切削刀头包含多个刀片,这些刀片显示出改进的对腐蚀性 磨损的耐受性。发明概述 [0015]本发明在其一种形式中是用在冲击地层的刀具上的一种刀 片。该刀片包括具有一个前表面的一个刀片本体。该刀片本体具有限 定该前表面的至少一部分的一个第一部分。该刀片本体进一步具有一 个第二部分。该第一部分包括一种第一材料成分,并且该第二部分包 括一种第二材料成分。 [0016]本发明在其另一种形式中是用在固定切削刀头上的一种刀 片。该刀片包括一个刀片本体,该刀片本体具有一个前导部分、可任 选的一个中间部分以及一个尾随部分。该前导部分包含用于接收一个 刀具元件的至少一个凹槽。该前导部分是由一种前导部分的材料制成, 该中间部分是由一种中间部分的材料制成,并且该尾随部分是由一种 尾随部分的材料制成。 [0017]本发明在其又一种形式中是具有一个刀头本体的一种固定 的切削刀头,该本体呈现出一个肩台,其中一个刀片从该肩台突出。 该刀片包括具有一个前表面的一个刀片本体。该刀片本体具有限定了 该前表面的至少一部分的一个第一部分,并且该刀片本体进一步具有 一个第二部分。该第一部分包括一种第一材料成分并且该第二部分包 括一种第二材料成分。该第一材料成分的材料是选自由粘结碳化物和 钢和一种硬质复合材料构成的组,该硬质复合材料包括多个硬质构成 物以及硬颗粒的基体粉末以及粘合在一起以形成该硬质复合材料的一 种熔渗合金。该第二材料成分的材料是选自由粘结碳化物和钢和一种 硬质复合材料构成的组,该硬质复合材料包括多个硬质构成物以及硬 颗粒的基体粉末以及粘合在一起以形成该硬质复合材料的一种熔渗合 金。 [0018]本发明在其又一种形式中是用于冲击地层的一种固定的切 削刀头。该固定切削刀头包括一个刀头本体以及多个刀片,该刀头本 体具有一个第一硬度的一个第一部分,这些刀片从该刀头本体突出, 其中这些刀片各自包括一个刀片本体以及由该刀片本体携带的至少一 个切削元件。这些刀片本体各自具有大于该第一硬度的一个第二硬度 的一部分。附图简要说明 [0019]以下是附图简要说明: [0020]图1是用于在地下的地球构层中钻孔的一个钻探系统的示 意图; [0021]图2是携带了多个聚晶金刚石构件(PDC)的切削元件的 一种固定切削刀头的一个具体实施方案的等角视图; [0022]图2A示出了具有一个切削刀头本体的固定切削刀头的一 部分,该刀头本体带有一个肩台部分,一对刀片从该肩台部分延伸出, 其中每个刀片携带多个切削元件; [0023]图3A是取自图2的固定切削刀头的一个单一刀片的第二实 施方案的侧视图,将这些PDC切削元件从该刀片上移开以便显露出该 刀片中的凹槽,并且其中该刀片的前导部分包括粘结碳化物并且该刀 片的尾随部分包括钢; [0024]图3B是取自图2的固定切削刀头的一个单一刀片的第三实 施方案的侧视图,将PDC切削元件从该刀片上移开以便显露出该刀片 中的凹槽,并且其中该刀片的前导部分包括钢并且该刀片的尾随部分 包括粘结碳化物; [0025]图3C是图3B的单一刀片的第三实施方案的俯视图; [0026]图4A是取自图2的固定切削刀头的一个单一刀片的第四实 施方案的侧视图,将PDC切削元件从该刀片上移开以便显露出该刀片 中的凹槽,并且其中该刀片的前导部分包括粘结碳化物并且该刀片的 尾随部分包括一种硬质组成物-基体复合材料; [0027]图4B是取自图2的固定切削刀头的一个单一刀片的第五实 施方案的侧视图,将这些PDC切削元件从该刀片上移开以便显露出该 刀片中的凹槽,并且其中该刀片的前导部分包括一种硬质组成物-基体 复合材料并且该刀片的尾随部分包括一种粘结碳化物; [0028]图5A是取自图2的固定切削刀头的一个单一刀片的第六实 施方案的侧视图,将这些PDC切削元件从该刀片上移开以便显露出该 刀片中的凹槽,并且该刀片的前导部分包括粘结碳化物,该刀片的中 间部分包括一种硬质组成物-基体复合材料,并且该刀片的尾随部分包 括钢; [0029]图5B是取自图2的固定切削刀头的一个单一刀片的第六实 施方案的侧视图,将这些PDC切削元件从该刀片上移开以便显露出该 刀片中的凹槽,并且其中该刀片的前导部分包括粘结碳化物,该刀片 的中间部分包括钢,并且该刀片的尾随部分包括一种硬质组成物-基体 复合材料; [0030]图5C是取自图2的固定切削刀头的一个单一刀片的第六实 施方案的侧视图,将这些PDC切削元件从该刀片上移开以便显露出该 刀片中的凹槽,并且其中该刀片的前导部分包括一种硬质组成物-基体 复合材料,该刀片的中间部分包括粘结碳化物,并且该刀片的尾随部 分包括钢,并且该刀片的底部(或径向向内)端具有由熔渗的金属钨 制成的一个部分; [0031]图5D是取自图2的固定切削刀头的一个单一刀片的第六实 施方案的侧视图,将这些PDC切削元件从该刀片上移开以便显露出该 刀片中的凹槽,并且其中该刀片的前导部分包括一种硬质组成物-基体 复合材料,该刀片的中间部分包括钢,并且该刀片的尾随部分包括粘 结碳化物; [0032]图5E是取自图2的固定切削刀头的一个单一刀片的第六实 施方案的侧视图,将这些PDC切削元件从该刀片上移开以便显露出该 刀片中的凹槽,并且其中该刀片的前导部分包括钢,该刀片的中间部 分包括一种硬质组成物-基体复合材料,并且该刀片的尾随部分包括粘 结碳化物; [0033]图5F是取自图2的固定切削刀头的一个单一刀片的第六实 施方案的侧视图,将这些PDC切削元件从该刀片上移开以便显露出该 刀片中的凹槽,并且其中该刀片的前导部分包括钢,该刀片的中间部 分包括粘结碳化物,并且该刀片的尾随部分包括一种硬质组成物-基体 复合材料; [0034]图6是取自图2的固定切削刀头的一个单一刀片的一个实 施方案的侧视图,将这些PDC切削元件从该刀片上移开以便显露出该 刀片中的凹槽,并且其中该刀片包括粘结碳化钨; [0035]图7是适合于同图2的固定切削刀头一起使用的一个单一 刀片的第七实施方案的侧视截面图,将这些PDC切削元件从该刀片上 移开以便显露出该刀片中的凹槽,并且呈现出与穿过其中的一对螺栓 保持在一起的三个分开的部分,并且其中该刀片的前导部分包括钢, 该刀片的中间部分包括粘结碳化物,并且该刀片的尾随部分包括一种 硬质组成物-基体复合材料; [0036]图8是一个机械示意图,它示出了与用来制造本发明的刀 片的石墨模具相关的组件; [0037]图9是图5F的一个单一刀片的第六实施方案的侧视图,其 中该刀片通过铜焊被固定在该切削刀头本体中的一个槽缝或凹槽中; [0038]图10是图5F的一个单一刀片的第六实施方案的侧视图, 其中通过将该刀片收缩装配在一个槽缝中来固定该刀片; [0039]图11是图5F的一个单一刀片的第六实施方案的侧视图, 其中通过焊接到该切削刀头本体上来固定该刀片; [0040]图12是适合于同图2的固定切削刀头一起使用的一个单一 刀片的等角视图,其中这些切削元件包括根据授予Oles的美国专利号 6,344,149制成的聚晶金刚石元件; [0041]图13是适合于同根据图2的一个固定切削刀头一起使用的 一个单一刀片的等角视图,其中该单一刀片包括九个连接在一起的部 分; [0042]图14是包括连接在一起的两个部分的一个刀片的侧视图; [0043]图15是包括连接在一起的三个部分的一个刀片的侧视图; [0044]图16是包括连接在一起的四个部分的一个刀片的侧视图; [0045]图17是包括连接在一起的三个部分的一个刀片的侧视图; [0046]图18是包括连接在一起的三个基本部分的一个刀片的等角 视图;以及 [0047]图19是一个刀片的等角视图,该刀片呈现出限定该刀片的 前表面的多个贴片。详细说明 [0048]参见附图,图1示出了用于在地下的地球构层中钻孔的一 个钻探系统。这个钻探系统包括用来旋转钻具串组12的一个钻机10, 该钻具串组向下延伸到一个井孔14中。连接到钻具串组12的末端上 的是总体上表示为20的一个固定的切削刀头。在这个实施方案中,固 定切削刀头20是一种聚晶金刚石构件(PDC)类型的固定切削刀头。 在本发明的范围之内包含了其他类型的固定切削刀头。除了与在地下 的地球构层中钻孔相关的使用之外,在本发明的范围内进一步包含用 在冲击地层的操作中所使用的刀具(例如,鼓轮、转轮、刀架、以及 类似物)上的其他种类的刀片,这些刀片可以携带或不携带切削元件。 这些操作可以包括(而不限于)采矿用途(其中,这些刀片可以被固 定在一个采矿鼓轮或在一个采矿鼓轮上的刀架上)、道路工程(其中, 这些刀片可以被固定在一个道路工程鼓轮或在一个道路工程鼓轮上的 刀架上)、混凝土切割(其中这些刀片可以被固定在一个切割轮或在 一个切割轮上的刀架上)等等。 [0049]如图2所示,一个固定切削刀头(或固定的切割钻头尖) 20(例如,一个PDC(聚晶金刚石)钻头尖)典型地包括一个刀头本 体22以及多个刀片26,该刀头本体在一端24具有一个外螺纹连接, 这些刀片从刀头本体22的另一端延伸并且形成刀头20的切削表面。 多个PDC切割件(或切削元件)28通过多个凹槽(未示出)被附接 在每个刀片26上并且从这些刀片延伸以便刀头20在钻探过程中旋转 时切透地球构层。这些切割件28通过刮削和剪切使地球构层变形。在 这个实施方案中,切割件28是聚晶金刚石的构件,然而,可以设想这 些切割件28还可以包括碳化钨镶片、碾磨钢齿或足够硬并且坚固以便 在地层冲击操作(如,例如钻井、采矿、道路工程以及诸如混凝土切 割的切削)中使地层变形或切穿或接合地层的材料的任何其他切削元 件。 [0050]刀片本体22呈现出其至少一部分,该至少一部分为第一硬 度。这些刀片具有其至少一部分,该至少一部分为第二硬度。刀片的 该部分的第二硬度大于刀片本体部分的第一硬度。 [0051]图2A示出了具有一个切削刀头本体502的一个固定切削刀 头500的一部分,该刀头本体带有一个肩台部分504。一对刀片506 和508从肩台部分504延伸。因此,应当理解,图2A示出了从一个 单一的台肩504突出的多个刀片506、508。 [0052]图3A至图6示出了携带多个PCD切削元件的多个刀片的 不同实施方案。由于对这些刀片的许多选择,所以这些刀片提供了一 种方式来适应多种地球构层以增强该固定刀头的性能。图3A至图4B 示出的刀片了呈现出一个前导部分以及一个尾随部分。尽管这些刀片 的具体组合情况将在下文讨论,但应该在此考虑了该前导部分是由一 种第一成分的材料制成并且该尾随部分是由一种第二成分的材料制 成。该第一和第二成分的材料可以是属于相同种类的材料(例如,粘 结(钴)碳化钨),但是具有不同的构成(例如,钴含量可以是不同 的)。在替代方案中,该第一和第二成分的材料可以是不同种类(例 如,该第一成分的材料可以是钢并且该第二成分的材料可以是粘结碳 化物)。 [0053]图3A是取自根据图2的一个固定切削刀头的一个单一刀片 40的第二实施方案的侧视图,且将这些PDC切削元件从该刀片上移 开以便显露出该刀片中的多个凹槽42。刀片40包括一个前导部分44 以及连接到前导部分44的一个尾随部分46。 [0054]在这个具体的实施方案中,刀片40的前导部分44包括粘 结碳化物(例如,粘结(钴)碳化钨)并且刀片40的尾随部分46包 括钢。前导部分44和尾随部分46可以通过多种技术中的任一种而连 接在一起,这些技术包括(而不限于)铜焊技术和熔渗技术。尽管将 在下文更详细地讨论,但刀片40在其径向向内的边缘48处被通过多 种技术中的任一种被连接到该切削刀头本体上,这些技术包括(而不 限于)铜焊技术、熔渗技术、压力装配技术、收缩装配技术、焊接技 术以及机械工艺技术(例如,机械紧固)。最终结果是该刀片被牢固 地固定到该切削刀头本体上。 [0055]图3B是取自遵循图2的一个固定切削刀头的一个单一刀片 50的第三实施方案的侧视图,并且将这些PDC切削元件从该刀片上 移开以便显露出刀片50中的多个凹槽52。刀片50具有连接在一起的 一个前导部分54以及一个尾随部分56。刀片50的前导部分54包括 钢。刀片50的尾随部分56包括粘结碳化物(例如,粘结(钴)碳化 钨)。前导部分54和尾随部分56可以通过多种技术中的任一种而连 接在一起,这些技术包括(而不限于)铜焊技术和熔渗技术。尽管将 在下文更详细地讨论,但刀片50在其径向向内的边缘58处被通过多 种技术中的任一种被连接在该切削刀头本体上,这些技术包括(而不 限于)铜焊技术、熔渗技术、压力装配技术、收缩装配技术、焊接技 术以及机械工艺技术(例如,机械紧固)。最终结果是该刀片被牢固 地固定到该切削刀头本体上。[0055A]图3C是图3B的刀片50的俯视图,其中多个切削元件55 被容纳在多个凹槽52之中。图3C用以下方式示出了前导部分54以 及尾随部分56,即清楚的是该前导部分在旋转意义上是在尾随部分的 前面,因为该前导部分首先冲击地层。 [0056]图4A是取自根据图2的一个固定切削刀头的一个单一刀片 60的第四实施方案的侧视图,并且将这些PDC切削元件从刀片60上 移开以便显露出刀片60中的多个凹槽62。刀片60具有与一个尾随部 分66连接在一起的一个前导部分64。在这个实施方案中,刀片60的 前导部分64包括粘结碳化物(例如,粘结(钴)碳化钨),并且刀片 60的尾随部分66包括一种硬质组成物-基体复合材料。该硬质组成物 -基体复合材料将在下文更详细地描述。前导部分64和尾随部分66可 以通过多种技术中的任一种被连接在一起,这些技术包括(而不限于) 铜焊技术和熔渗技术。尽管将在下文更详细地讨论,但刀片60在其径 向向内的边缘68处被通过多种技术中的任一种被连接到该切削刀头 本体上,这些技术包括(而不限于)铜焊技术、熔渗技术、压力装配 技术、收缩装配技术、焊接技术、以及机械工艺技术(例如,机械紧 固)。最终结果是该刀片被牢固地固定到该切削刀头本体上。 [0057]图4B是取自根据图2的一个固定切削刀头的一个单一刀片 70的第五实施方案的侧视图,并且将这些PDC切削元件从刀片70上 移开以便显露出刀片70中的多个凹槽72。刀片70具有连接到一个尾 随部分76上的一个前导部分74。刀片70的前导部分74包括一种硬 质组成物-基体复合材料,并且该刀片的尾随部分76包括一种粘结碳 化物。前导部分74和尾随部分76可以通过多种技术中的任一种被连 接在一起,这些技术包括(而不限于)铜焊技术和熔渗技术。尽管将 在下文更详细地讨论,但刀片70在其径向向内的边缘78处被通过多 种技术中的任一种被连接到该切削刀头本体上,这些技术包括(而不 限于)铜焊技术、熔渗技术、压力装配技术、收缩装配技术、焊接技 术以及机械工艺技术(例如,机械紧固)。最终结果是该刀片被牢固 地固定到该切削刀头本体上。 [0058]在此考虑了刀片的一个实施方案,它仅具有一个前导部分 以及一个尾随部分可以利用钢作为这两部分的材料。在此方面,作为 一个替代方案,该前导部分可以由钢制成而该尾随部分由粘结碳化物 制成。作为另一个替代方案,该前导部分可以由粘结碳化物制成而该 尾随部分由钢制成。作为又一个替代方案,该前导部分可以由钢制成 而该尾随部分由硬质组成物-基体复合材料制成。作为再一个替代方 案,该前导部分可以由硬质组成物-基体复合材料制成而该尾随部分由 钢制成。 [0059]图5A至图5F示出了多个刀片,它们呈现出一个前导部分、 一个中间部分以及一个尾随部分。尽管这些刀片的具体组合情况将在 下文讨论,在此考虑了该前导部分是由一种第一成分的材料制成,该 尾随部分是由一种第二成分的材料制成,并且该中间部分是由一种第 三成分的材料制成。该第一和第二和第三成分的材料可以是属于相同 种类的材料(例如,粘结(钴)碳化钨),但是具有不同的构成(例 如,钴含量可以是不同的)。在替代方案中,该第一和第二和第三成 分的材料可以是不同种类(例如,该第一成分的材料可以是钢而该第 二成分的材料可以是粘结碳化物)。 [0060]图5A是取自根据图2的一个固定切削刀头的一个单一刀片 80的第六实施方案的侧视图,并且将这些PDC切削元件从刀片80上 移开以便显露出刀片80中的多个凹槽82。刀片80包括一个前导部分 84、一个中间部分86以及一个尾随部分88,其中这些部分被连接在 一起,并且中间部分86被夹在该前导部分与尾随部分之间。 [0061]刀片80的前导部分84包括粘结碳化物。刀片80的中间部 分86包括一种硬质组成物-基体复合材料。刀片80的尾随部分88包 括钢。对于这个实施方案,该前导部分、中间部分以及尾随部分可以 通过多种技术中的任一种被连接在一起,这些技术包括(而不限于) 铜焊技术和熔渗技术。尽管将在下文更详细地讨论,但刀片80在其径 向向内的边缘89处被通过多种技术中的任一种被连接到该切削刀头 本体上,这些技术包括(而不限于)铜焊技术、熔渗技术、压力装配 技术、收缩装配技术、焊接技术、以及机械工艺技术(例如,机械紧 固)。最终结果是该刀片被牢固地固定到该切削刀头本体上。 [0062]图5B是取自根据图2的一个固定的切割件的一个单一刀片 90的第六实施方案的侧视图,并且将这些PDC切削元件从刀片90上 移开以便显露出刀片90中的这些凹槽92。刀片90包括连接在一起的 一个前导部分94、一个中间部分96以及一个尾随部分98,使中间部 分96在该前导与尾随部分之间。刀片90的前导部分94包括粘结碳化 物,刀片90的中间部分96包括钢,并且刀片90的尾随部分98包括 一种硬质组成物-基体复合材料。对于这个实施方案,该前导部分、中 间部分以及尾随部分可以通过多种技术中的任一种被连接在一起,这 些技术包括(而不限于)铜焊技术和熔渗技术。尽管将在下文更详细 地讨论,但刀片90在其径向向内的边缘99处被通过多种技术中的任 一种被连接在该切削刀头本体上,这些技术包括(而不限于)铜焊技 术、熔渗技术、压力装配技术、收缩装配技术、焊接技术、以及机械 工艺技术(例如,机械紧固)。最终结果是该刀片被牢固地固定到切 削刀头本体上。 [0063]图5C是取自根据图2的一个固定切削刀头的一个单一刀片 100的第六实施方案的侧视图,并且将这些PDC切削元件从刀片100 上移开以便显露出刀片100中的这些凹槽102。刀片100包括连接在 一起的一个前导部分104、一个中间部分106以及一个尾随部分108。 刀片100的前导部分104包括一种硬质组成物-基体复合材料。刀片 100的中间部分106包括粘结碳化物。刀片100的尾随部分108包括 钢。对于这个实施方案,该前导部分、该中间部分以及该尾随部分可 以通过多种技术中的任一种被连接在一起,这些技术包括(而不限于) 铜焊技术和熔渗技术。[0063A]刀片100在其径向向内的边缘109处具有一个径向向内的 部分107。径向向内的部分107被熔渗钨金属并且被具体地用于协助 刀片100到切削刀头本体上的连接,特别是当形成一种冶金粘结的技 术是粘结技术时。应该理解,其他刀片结构中的任何一种都可以包括 一个径向向内的部分,该部分包括熔渗的钨金属。还应该理解,刀片 100可以通过多种技术中的任一种被固定到该切削刀头本体上,这些 技术包括(而不限于)铜焊技术、熔渗技术、压力装配技术、收缩装 配技术、焊接技术以及机械工艺技术(例如,机械紧固)。最终结果 是该刀片被牢固地固定到该切削刀头本体上。 [0064]图5D是取自根据图2的一个固定切削刀头的一个单一刀片 110的第六实施方案的侧视图,并且将这些PDC切削元件从刀片110 上移开以便显露出刀片110中的这些凹槽112。刀片110具有一个前 导部分114、一个中间部分116以及一个尾随部分118。刀片110的前 导部分114包括一种硬质组成物-基体复合材料。刀片110的中间部分 116包括钢。刀片110的尾随部分118包括粘结碳化物。对于这个实 施方案,该前导部分、该中间部分以及该尾随部分可以通过多种技术 中的任一种被连接在一起,这些技术包括(而不限于)铜焊技术和熔 渗技术。尽管将在下文更详细地讨论,但刀片110在其径向向内的边 缘119处被通过多种技术中的任一种被连接到该切削刀头本体上,这 些技术包括(而不限于)铜焊技术、熔渗技术、压力装配技术、收缩 装配技术、焊接技术以及机械工艺技术(例如,机械紧固)。最终结 果是该刀片被牢固地固定到该切削刀头本体上。 [0065]图5E是取自根据图2的一个固定切削刀头的一个单一刀片 120的第六实施方案的侧视图,并且将这些PDC切削元件从刀片120 上移开以便显露出刀片120中的这些凹槽122。刀片120包括一个前 导部分124、一个中间部分126以及一个尾随部分128。刀片120的前 导部分124包括钢,刀片120的中间部分126包括一种硬质组成物- 基体复合材料,并且刀片120的尾随部分128包括粘结碳化物。对于 这个实施方案,该前导部分、中间部分以及尾随部分可以通过多种技 术中的任一种被连接在一起,这些技术包括(而不限于)铜焊技术和 熔渗技术。尽管将在下文更详细地讨论,但刀片120在其径向向内的 边缘129处通过多种技术中的任一种而连接在该切削刀头本体上,这 些技术包括(而不限于)铜焊技术、熔渗技术、压力装配技术、收缩 装配技术、焊接技术以及机械工艺技术(例如,机械紧固)。最终结 果是该刀片被牢固地固定到该切削刀头本体上。 [0066]图5F是取自根据图2的一个固定切削刀头的一个单一刀片 130的第六实施方案的侧视图,并且将这些PDC切削元件从刀片130 上移开以便显露出刀片130中的这些凹槽132。刀片130包括连接在 一起的一个前导部分134、一个中间部分136以及一个尾随部分138。 刀片130的前导部分134包括钢,刀片130的中间部分136包括粘结 碳化物,并且刀片130的尾随部分138包括一种硬质组成物-基体复合 材料。对于这个实施方案,该前导部分、中间部分以及尾随部分可以 通过多种技术中的任一种被连接在一起,这些技术包括(而不限于) 铜焊技术和熔渗技术。尽管将在下文更详细地讨论,但刀片130在其 径向向内的边缘139处被通过多种技术中的任一种被连接在该切削刀 头本体上,这些技术包括(而不限于)铜焊技术、熔渗技术、压力装 配技术、收缩装配技术、焊接技术以及机械工艺技术(例如,机械紧 固)。最终结果是该刀片被牢固地固定到该切削刀头本体上。 [0067]图6是取自根据图2的一个固定切削刀头的一个单一刀片 140的一个实施方案的侧视图,并且将这些PDC切削元件从刀片140 上移开以便显露出刀片140中的这些凹槽142。刀片140是一个单片 体144并且它包括粘结碳化钨。对于这个实施方案,尽管将在下文更 详细地讨论,但刀片140在其径向向内的边缘146处通过多种技术中 的任一种被连接在该切削刀头本体上,这些技术包括(而不限于)铜 焊技术、熔渗技术、压力装配技术、收缩装配技术、焊接技术以及机 械工艺技术(例如,机械紧固)。最终结果是该刀片被牢固地固定到 该切削刀头本体上。 [0068]图7示出了本发明的总体上表示为200的刀片的第七具体 实施方案。刀片200包括一个单一刀片,并且将这些PDC切削元件从 刀片200上移开以便显露出刀片200中的这些凹槽202。刀片200包 括三个分开的部分,即,一个前导部分204、一个中间部分206以及 一个尾随部分208。刀片200的前导部分200包括钢并且具有一对螺 纹孔210,刀片200的中间部分206包括粘结碳化物并且具有一对螺 纹孔212,并且刀片200的尾随部分208包括一种硬质组成物-基体复 合材料并且具有一对螺纹孔214,其中这些孔214各自在其轴向后端 具有一个凹陷216。 [0069]如图7所示,前导部分204、中间部分206以及尾随部分 208通过一对螺栓220被机械地连接在一起。螺栓220具有一个螺栓 头222和一个整体的螺纹杆224。为了将这些部分组装在一起,将这 些部分(204、206、208)彼此相邻地放置,这样使这些对应的螺纹孔 (210、212、214)对齐。这些螺栓220被移动以接合这些螺纹孔中的 螺纹并且被拧紧,这样该前导、中间以及尾随部分彼此非常紧密地压 靠。 [0070]刀片200的第七具体实施方案为刀片200提供了的一个可 更换(或可修复)特征。在一个切削或钻井操作过程中,刀片200的 一个或多个部分(但不是所有分开的部分(204、206、208)可能被损 坏到这些损坏部分必须被更换的程度。本实施方案允许仅更换损坏的 部分。 [0071]通过首先将刀片200从该刀头本体上拆除可以完成仅更换 损坏的部分。将刀片200从该刀头本体上拆除的复杂性可以根据该刀 片与该刀头本体之间的附接方式而变化。一旦刀片200被从该刀头本 体上拆除,这些螺栓220被松开,这样该前导、中间以及尾随部分被 彼此拆开。用一个未损坏的部分更换这个(这些)损坏的部分。这些 分开的部分被对齐并且接合该螺纹孔的这些螺栓被拧紧,以使这些部 分彼此非常紧密地压靠。 [0072]更换刀片的一个部分的能力还存在于多个刀片中,在这些 刀片中,这些部分以允许这些部分拆卸的方式(例如,铜焊)被连接 在一起。当如图4中的刀片60的一个刀片的一部分受到损坏(或因为 其他原因而需要更换)时,可以将该前导部分从尾随部分上拆下。然 后用一个未损坏的部分(或适合的部分)更换该损坏的部分或需要更 换的部分,并且将这些部分连接在一起。 [0073]因为仅更换该刀片的一部分而不是整体,所以仅更换该刀 片本体的一部分(例如,该(这些)损坏部分)的性能或能力将会减 少总操作成本。仅更换该刀片的已选择的部分的能力允许刀片的定制 (甚至是在钻孔操作的过程中),以优化性能。在此方面,在钻井(或 切削)操作过程中,由于该刀片的一个部分因为材料选择而经受不当 的或过度的磨损或失效,所以该损坏的部分可以被一个相应的部分替 换,该相应的部分由更适合于该具体的钻井/切削用途或工作环境的一 种材料制成。因此,该可更换或可修复特征用于通过降低修复成本并 且增加操作性能来减少总操作成本。 [0074]如上所述,存在将该刀片附接或固定到切削刀头本体上的 很多方式。这些方法包括(而不限于)铜焊技术、熔渗技术、压力装 配技术、收缩装配技术以及焊接技术。图9至图11示出了通过选定的 技术固定到该切削刀头本体上的刀片。 [0075]更确切地说,图9示出了图5的刀片通过铜焊在切削刀头 本体230中的一个槽缝或凹槽232中被固定到切削刀头本体230上。 图中示出了在刀片130与限定槽缝232的表面之间的一个铜焊接头 234。图10示出了图5F的刀片130,其中通过将刀片130收缩装配到 切削刀头本体240中的一个槽缝238之中来固定刀片130。图11是图 5F的刀片130的侧视图,其中刀片130通过焊接到切削刀头本体242 上来进行固定,其中在该图中示出了焊缝244。 [0076]图12是适合与根据图2的切削刀头的一个固定切削刀头一起使 用的总体上表示为250的一个单一刀片的等角视图。刀片250具有包 含这些凹槽254的一个刀片本体252。每个凹槽254接受包括多个聚 晶金刚石元件的一个切削元件256,这些聚晶金刚石元件根据授予 Oles的发明名称为“POLYCRYSTALLINE DIAMOND MEMBER AND METHOD OF MAKING THE SAME”的美国专利号6,344,149 制成,该专利特此通过引用结合在此。使用Oles等人的美国专利号 6,344,149的切削元件256是一个聚晶金刚石构件,该构件包括一个背 衬体以及在该背衬体上的一个聚晶金刚石层。该聚晶金刚石层具有邻 近该背衬体的一个内部区域以及邻近该内部区域的一个外部区域,其 中该外部区域终止在前刀面处。该内部区域包括内部金刚石颗粒以及 一种触媒剂,并且这些内部金刚石颗粒被桥接在一起以便形成在它们 之间的间隙。该触媒剂是在这些内部金刚石颗粒的间隙处。该外部区 域包括桥接在一起以形成在它们之间的间隙的外部金刚石颗粒,使得 该外部区域实质上没有触媒剂。作为一种选择,可以应用一种化学气 相沉积施加的硬质材料,以便实质上包围这些外部金刚石颗粒。应该 理解,可以使用带有或不带有CVD施加的硬质材料层的切削元件。 [0077]图13是适合与根据图2的一个固定切削刀头一起使用的一 个单一刀片300的等角视图,其中单一刀片300包括九个连接在一起 的分开的片(302、304、306、308、310、312、314、316、318)。典 型地,这九个片(302-318)通过铜焊或熔渗技术被连接在一起。此外 应注意,刀片300具有一种总体上矩形的形状。虽然一个矩形形状的 刀片是有用的,但是应该理解,该刀片可以呈现出其他几何形状并且 仍然包括连接在一起以形成该刀片本体的多个分开的部分。如以下将 要讨论的,刀片300呈现一个前导部分(见括号320)、一个中间部 分(见括号322)以及一个尾随部分(见括号324)。为了使刀片300 的结构与另一个先前的刀片(例如,图5A的刀片80)相互关联,前 导部分320对应于刀片80的前导部分84,中间部分328对应于刀片 80的中间部分86,而尾随部分330对应于刀片80的尾随部分88。 [0078]刀片300可以被认为是呈现出包括片302、304和306的一 个前导区域(见括号320)。前导区域320携带这些切削元件。更具 体地说,片302包含接收这些聚晶金刚石切削元件324的多个凹槽 322。前导部分320典型地经受最大程度的磨蚀性磨损,因为它携带的 这些切削元件首先冲击地层。 [0079]包括前导区域320的这些片(302-306)典型地是由一种材 料制成,这种材料显示出比包括刀片300的其他部分的硬度高的硬度, 因为它经受更多的磨蚀性磨损。然而,可能存在特殊的应用,这些应 用造成包括前导区域320的这些片(302-306)之间的磨损不均匀或不 均等。在这种情形下,可以证明用不同种类的材料或不同构成的相同 的基本材料制造不同的片(302-306)是有益的。通过这样做,这些片 (302-306)的磨损可以是较均匀的,并因此而延长或优化该刀具或刀 头的整体寿命。 [0080]刀片300还呈现出包括片308、310和312的一个中间区域 (见括号328)。典型地,中间区域328不经受像前导区域320或甚 至尾随区域330所经受的一样多的磨损(如下文所述)。其结果是, 中间区域328最适合于包括由在钻井或切削操作过程中吸收冲击力的 材料制成的多个片。换言之,这些片308-312是由抗冲击的材料制成 的。如结合对前导区域320的描述所提到的,可以存在这些片 (308-312)的磨损是不均等的情形。在这种情况下,可以选择制成每 个片(308-312)的材料,这样磨损或性能是更均等的。 [0081]刀片300还呈现出一个尾随区域(见括号330)。尾随区域 330包括片314、316和318。包括尾随区域330的这些片(314-318) 典型地是由一种材料制成,这种材料显示出的硬度高于中间区域328 中的那些片的硬度,但是等于或甚至低于包括前导区域300的那些片 的硬度。虽然该尾随区域比该中间区域经受更多的磨损,但是它典型 地比该前导区域经受更少的磨损。可能存在特殊的应用,这些应用使 包括尾随区域330的这些片(314-318)之间的磨损不均匀或不均等。 在这种情形下,可以证明用不同种类的材料或不同构成的相同基本材 料制造不同的片(314-318)是有益的。通过这样做,这些片(314-318) 的磨损可以是更均匀的,并因此而延长或优化该刀具或刀头的整体寿 命。[0081A]应该理解,用于刀片300的材料选择参数可以是使得材料 在一个径向方向上不同。更确切地说,片302、308和314可以包括一 种材料(例如,粘结碳化物)。中间一排的片304、310和316可以包 括另一种材料,如这种硬质复合材料或钢。底部一排的片306、312 和318还可以包括再一种材料或与上面的几个排的材料相似的一种材 料(例如,这种硬质复合材料)。再一次强调,当开始这些片的材料 选择以及材料定位时,存在大范围的可能性。对于材料选择和定位的 这些大范围的可能性提供了为一个具体钻井或切削操作定制该刀片的 能力。 [0082]参见图14至图19,这些附图示出了多个刀片的多个片的多 种不同安排,这些刀片用于附接在一个切削刀头本体上或用于诸如以 上列出的其他切削应用中。如从这些刀片的不同部分的不同安排中清 楚地看出,本发明允许具有不同特性(例如,硬度、抗磨损性、抗腐 蚀性以及韧性)的刀片部分的多种安排和定向,以适应多种不同的钻 井和切削条件和环境,以实现用于一个具体钻井或切削应用的最佳性 能。对于这些刀片的每一个,应该理解,其每个部分可以由一个或多 个片段制成,该片段或这些片段在跨越该刀片的面上的一个总体上横 向的方向上延伸,例如,如图18所示。对于每一个刀片,即使在这些 附图中不存在凹槽,但应该理解,用来携带多个切削元件的这些凹槽 可以存在于在选定的一个或多个位置处的一个选定的表面内。 [0083]图14是示出了总体上表示为600的一个刀片的侧视图,该 刀片包括连接在一起的两个部分(610、612)。部分610是由一种粘 结碳化物或硬质复合材料制成,且部分612是由钢制成。刀片600具 有一个前表面602、一个尾随表面604、一个顶部(或径向向外)表面 606以及一个底(或径向向内)表面608。在这个实施方案中,前表面 602包括不同材料(即,分别是粘结碳化物或硬质复合材料和钢)的 两个不同表面602A和602B。通过提供展示出不同材料的表面部分的 一个前表面,该刀片可以被定制为展示出多种特性。 [0084]图15是示出了总体上表示为616的一个刀片的侧视图,该 刀片包括连接在一起的三个部分(618、620、622)。部分618是由粘 结碳化物制成,部分620是由粘结碳化物或硬质复合材料制成,且部 分622是由钢制成。刀片616具有一个前表面624、一个尾随表面626、 一个顶部(或径向向外)表面627以及一个底(或径向向内)表面628。 在这个实施方案中,前表面624包括不同材料(即,分别是粘结碳化 物和硬质复合材料或粘结碳化物)的两个不同表面624A和624B。通 过提供展示出不同材料的表面部分的一个前表面,该刀片可以被定制 为展示出多种特性。 [0085]图16是示出了总体上表示为630的一个刀片的侧视图,该 刀片包括连接在一起的四个部分(632、634、636、638)。部分632 是由粘结碳化物制成,部分634是由粘结碳化物制成,部分636是由 硬质复合材料制成,并且部分638是由钢制成。刀片630具有一个前 表面640、一个尾随表面641、一个顶部(或径向向外)表面642以及 一个底(或径向向内)表面644。在这个实施方案中,前表面640包 括粘结碳化物制成的两个不同表面640A和640B,其中这些粘结碳化 物可以是相同品级或不同品级。通过提供展示出不同材料的表面部分 的一个前表面,该刀片可以被定制为展示出多种特性。 [0086]图17是示出了总体上表示为650的一个刀片的侧视图,该 刀片包括连接在一起的三个部分(652、654、656)。部分652是由粘 结碳化物制成,部分654是一种硬质复合材料制成,并且部分656是 由钢制成。刀片650具有一个前表面658、一个尾随表面660、一个顶 部(或径向向外)表面661以及一个底(或径向向内)表面662。在 这个实施方案中,前表面658包括用不同材料(即,分别是粘结碳化 物和硬质复合材料)制成的两个不同表面658A和658B。通过提供展 示出不同材料的表面部分的一个前表面,该刀片可以被定制为展示出 多种特性。 [0087]图18是示出了总体上表示为668的一个刀片的等角视图, 该刀片包括连接在一起的三个部分(见括号670、676、678)。部分 670包括两个分开的但是连接的片或片段672和674。这些片段672 和674是由粘结碳化物制成,其中这些片段可以具有相同品级或不同 品级的粘结碳化物。此外,在此还考虑了,这两个片段(672、674) 均可以由一种不同种类的材料(例如,这种硬质复合材料)制成。在 此还考虑了,一个片段(例如,片段672)可以由一种材料(例如, 粘结碳化物)制成,而另一个片段(例如,片段674)是由另一种材 料(例如,这种硬质复合材料)制成。 [0088]部分676是由一种硬质复合材料制成。虽然部分676被示 出为包括一个单一的片,但是应该理解,部分676可以包括连接在一 起的多个片或片段。部分678是由钢制成。再者,像部分676,虽然 部分678被示出为包括一个单一的片,但是应该理解,部分678可以 包括连接在一起的多个片或片段。刀片668具有一个前表面680、一 个尾随表面682、一个顶部(或径向向外)表面684以及一个底(或 径向向内)表面686。 [0089]在如图14至图18所示出的实施方案中,应该理解,这些 不同的部分如果损坏或另外已确定需要更换,可以用未损坏的或适合 的部分来替换。当一个刀片的一部分受到损坏(或出于其他原因而需 要更换)时,可以将必要的部分彼此拆卸开,然后用一个未损坏的部 分(或适合的部分)更换该损坏的部分(或需要更换的部分)并且将 这些部分连接在一起。 [0090]图19是总体上表示为690的一个刀片的等角视图。刀片690 包括两个连接在一起的基体部分(692、694)。部分692可以是由这 种硬质复合材料或钢制成。总体上表示为694的另一个部分由九个分 开的所谓贴片或片的材料(694A至694I)组成。在这个具体实施方 案中,这些贴片各自呈现一种总体上是矩形的形状。然而,应该理解, 这些贴片可以具有不同的形状,例如,三角形。还应该理解,这些不 同形状的贴片(例如,矩形贴片与三角形贴片的组合)可以包括部分 694。这些贴片(694A至694I)各自可以由粘结碳化物或由这种硬质 复合材料或由钢制成,其中该粘结碳化物具有相同的品级或不同的品 级。应该理解,粘结碳化物的材料选择可以根据具体钻井或切削应用 而变化。根据具体应用,部分692可以是由粘结碳化物、钢或这种硬 质复合材料中的任一种制成。刀片690具有一个前表面698、一个尾 随表面700、一个顶部(或径向向外)表面702以及一个底(或径向 向内)表面704。刀片690还包含携带切削元件的多个凹槽706。 [0091]凹槽706的一部分在部分692中而该凹槽的另一部分在这 些选定的贴片中。在图19的具体实施方案的情况下,这些贴片包括贴 片694A、694D和694G。如果这些贴片中包含该凹槽的一部分或一个 凹槽的一个损坏,可以拆除该损坏的贴片并且用一个类似的未损坏的 贴片替换。 [0092]这些刀片的不同部分的组合情况可以根据具体的钻井应用 而变化。就此而言,应该理解,材料的构成或显微结构的变化导致材 料特性的变化。例如,虽然可以存在基于其他构成因素的例外情况, 但从总体上而言,一种粘结(钴)碳化钨材料的钴含量的降低典型地 导致较高的硬度(以及较高的耐磨性和耐腐蚀性)和较低的韧性。一 种粘结(钴)碳化钨材料的钴含量的增加典型地导致较低的硬度(以 及较低的耐磨性和耐腐蚀性)和较高的韧性。碳化钨的晶粒尺寸也影 响硬度,因为所有的其他参数保持相同时一种较小的或较细的晶粒尺 寸典型地导致一种较硬的材料。此外,应该理解,不同的材料提供不 同的特性(例如,硬度、耐磨性、耐腐蚀性以及韧性)。例如,总体 上来讲,钢典型地展示出比粘结碳化物类更低的硬度,但是韧性更高。 改变这些刀片部分的构成方面的能力允许定制这些刀片以适合于包括 特定地球构层的特定钻井状况。如将会变得清楚,制造这些刀片的材 料是选自由(a)粘结碳化物以及(b)钢以及(c)一种硬质复合材料 构成的组,该硬质复合材料包括多种硬质构成物以及硬颗粒的基体粉 末以及粘合在一起以形成该硬质复合材料的一种熔渗合金。 [0093]关于粘结碳化钨的构成,粘结碳化钨类可以是适合于井孔 钻削操作的粘结碳化钨的许多品级中的任一种。这些粘结碳化钨品级 可以包括多个品级,这些品级包括在大约0.01重量百分比与大约35 重量百分比之间的钴以及余量的碳化钨(平均晶粒尺寸在大约0.01微 米与大约25微米之间变化)以及认可的杂质。这些粘结碳化钨品级还 可以包括多个品级,这些品级包括在大约0.01重量百分比与大约35 重量百分比之间的钴、各种添加剂(例如,元素周期表中的IVa、Va、 和VIa族元素(除了钨之外)的碳化物类、氮化物类和/或碳氮化物类) 以及余量的碳化钨(平均晶粒尺寸在大约0.01微米与大约25微米之 间变化)以及认可的杂质。粘结(钴)碳化钨的另一种构成范围是在 大约6重量百分比与大约25重量百分比之间的钴含量以及余量的碳化 钨(平均晶粒尺寸在大约2微米与大约12微米之间)以及认可的杂质。 [0094]粘结碳化钨的优选品级包括(而不限于)以下粘结(钴)碳化 钨的示例性构成:(A)大约6重量百分比的钴以及余量的碳化钨(平 均晶粒尺寸范围在大约2微米至6微米之间)以及认可的杂质,并且 具有等于90.0-91.5Rockwell A的硬度以及等于在大约8与大约14 MPa·m1/2之间的断裂韧度;(B)大约10重量百分比的钴以及余量的 碳化钨(平均晶粒尺寸范围在大约2微米至8微米之间)以及认可的 杂质,并且具有等于87.0-89.0Rockwell A的硬度以及等于在大约10 与大约17MPa·m1/2之间的断裂韧度;(C)大约12重量百分比的钴以 及余量的碳化钨(平均晶粒尺寸范围在大约4微米至12微米之间)以 及认可的杂质;大约13-14重量百分比的钴以及余量的碳化钨(平均 晶粒尺寸范围在大约2微米至6微米之间)以及认可的杂质,并且具 有等于87.5-89.5Rockwell A的硬度以及等于在大约10与大约17 MPa·m1/2之间的断裂韧度;大约16重量百分比的钴以及余量的碳化钨 (平均晶粒尺寸范围在大约4微米至10微米之间)以及认可的杂质, 并且具有等于85.0-87.0Rockwell A的硬度以及等于在大约12与大约 20MPa·m1/2之间的断裂韧度;以及大约20重量百分比的钴以及余量的 碳化钨(平均晶粒尺寸范围在大约2微米至4微米之间)以及认可的 杂质,并且具有等于84.5-86.5Rockwell A的硬度以及等于在大约14 与大约24MPa·m1/2之间的断裂韧度。该断裂韧度是根据用于粘结碳化 物的短杆断裂韧度的ASTM标准B771B771-87(2001)标准试验方法测 量的。 [0095]另一种适合的品级的粘结(钴)碳化钨具有的构成是可达 0.25重量百分比的钴以及余量的碳化钨(具有小于或等于大约1微米 的平均晶粒尺寸)以及认可的杂质。其他品级的钴烧结的粘结碳化物 类(和它们的特性)在Santhanam等的标题为“Cemented Carbides” 的文章(金属手册第2卷,第10版,特性与选用)中被披露,其中这 篇文章特此通过引用全文结合在此。改变这些刀片的粘结碳化物部分 的构成方面的能力允许定制这些刀片以适合于包括特定地球构层的特 定钻井状况。 [0097]具体地适合的钢的构成包括以下这些:AISI 4140钢和AISI 316不锈钢。AISI 4140钢的名义成分(以重量百分比计)是:0.38-0.43% 的碳、0.75-1.00%的锰、0.035%的磷、0.040%的硫、0.15-0.35%的硅、 0.80-1.10%的铬、0.15-0.25%的钼以及余量的铁。316不锈钢的标称成 分(以重量百分比计)是:最大0.08%的碳、最大2.00%的锰、最大 0.030%的磷、最大0.030%的硅、10.00-16.00%的镍、16.00-18.00%的 铬、2.00-3.00%的钼以及余量的铁。在此考虑了其他不锈钢组成物也 可以是适合的,其中这些不锈钢包括奥氏体不锈钢类,因为它们的从 室温到冷冻温度的高耐磨损性和耐冲击性。就奥氏体不锈钢类而言, AISI类型301、302、304和304L品级是适合的。除了上述的钢以外, 以下的钢也是适合的:1020级钢,构成为(以重量百分比计) 0.18%-0.23%的碳、0.3%-0.6%的锰、最大0.05的硫、最大0.05的磷 以及余量的铁;8740级钢,构成为(以重量百分比计)0.38%-0.43% 的碳、0.75%-1.0%的锰、0.4%-0.6%的铬、0.4%-0.7%的镍、0.2%-0.3% 的钼、0.15%-0.035%的硅、最大0.05的硫、最大0.05的磷以及余量 的铁;15B37级钢,构成为0.30%-0.39%的碳、1.0%-1.5%的锰、 0.0005-0.003%的硼、0.037-0.05的钛、最大0.05的硫、最大0.05的磷 以及余量的铁;4715级钢,构成为(以重量百分比计).13-.18%的 碳、.7-.9%的锰、.45-.65%的铬、.7-1.0%的镍、.45-.65%的钼、 0.15%-0.035%的硅、最大0.035%的硫、最大0.035%的磷以及余量的 铁;以及A7级钢,构成为(以重量百分比计)大约2.25%的碳、最 大0.8%的锰、5%-5.75%的铬、0.7-1.0%的镍、0.9-1.4%的钼、 0.15%-5%的硅、最大0.035%的硫、最大0.035%的磷、3.9-5.2%的钒、 0.5-1.5%的钨以及余量的铁。 [0098]应该理解,这些钢品级的构成和显微结构可以影响对一个 钻井或切削应用中的刀片的性能有用的特性。像粘结碳化物类一样, 硬度、韧性、耐腐蚀性以及耐磨性是在使用过程中影响该刀片的性能 的钢的特性。如还可以理解的,这些钢的构成和显微结构可以在很大 范围内变化,这样由钢制成的这些刀片部分可以展示出多种特性以适 应多种钻井或切削应用。在此方面,即使化学成分保持实质上相同, 但钢的处理也可以影响这些特性。如互联网上的MatWeb.com的数据 库对多种钢提供了特性。 [0099]虽然未作为一个具体实施方案进行描述,但是应该理解, 被描述为由钢制成的这些刀片的一个或多个部分也可以由其他铁合金 和非铁合金合金制成。这些部分可以包括在其中具有硬颗粒的一个铸 件或白口铸铁。无论这些部分的材料如何,如果这种材料拥有多种特 性,以使其在粘合到一种硬质组成物-基体复合材料上时可以与一种熔 渗合金粘合,则是有益的。如果这种钢材料可与该粘结碳化钨部分铜 焊也是有益的。改变这些刀片的钢质部分(或其他铁的和非铁部分) 的构成方面的能力允许定制这些刀片以适合于包括特定地球构层的特 定钻井状况。 [0100]关于这些刀片的硬质组成物-基体复合材料部分的构成,在 授予Majagi的发明名称为“WEAR-RESISTANT MEMBER HAVING A HARD COMPOSITE COMPRISING HARD CONSTITUENTS HELD IN AN INFILTRANT MATRIX”的美国专利号6,984,454(该专 利转让给了Kennametal公司)中给出的组成物特别适合于用作这些 刀片的硬质组成物-基体复合材料部分。授予Majagi的美国专利号 6,984,454特此通过引用结合在此。 [0101]关于该硬质组成物-基体复合材料,它包括多个离散的硬质 构成物(在下文描述),其中这些硬质构成物被保持在一个基体之中。 该基体包括一定量的基体粉末以及一种熔渗合金,该基体粉末包括不 同种类的硬颗粒和/或粉末,并且该熔渗合金已经在热的影响下并且有 时在附加的环境影响下(如,例如,在压力下或在真空中)被熔渗在 该基体粉末的主体以及这些硬质构成物中。此外,该熔渗合金可以在 不同的气氛(例如,氩气、氦气、氢气以及氮气)下被熔渗进硬质构 成物的主体以及基体粉末中。 [0102]这些硬质构成物可以包括多个烧结的粘结碳化物构件(这 些构件在下文可以被称做烧结的粘结碳化物构件)这些构件可以具有 不同的几何形状,如三角形。该硬质构成物呈现出一种特定的预定形 状。这种形状可以根据该坚韧的耐磨损硬质构件的具体用途而变化。 粉末冶金技术允许该烧结的粘结碳化物构件的形状呈现出多种形状或 几何构形中的任一种。在一个替代方案中,在此考虑了这些硬质构成 物的尺寸为在该烧结的粘结碳化物构件的每个暴露的表面(或面)上 具有在大约0.001平方英寸(0.006平方厘米)与大约16平方英寸(103 平方厘米)之间的范围内的一个表面积。在此方面,例如,该烧结的 粘结碳化物构件可以具有多个暴露的表面,其中一个暴露的表面具有 一种硬质构成物,这种硬质构成物占据在大约0.006平方厘米与大约 103平方厘米之间的表面积,且另一个暴露的表面具有一种硬质构成 物,这种硬质构成物占据在大约0.006平方厘米与大约103平方厘米 之间的表面积。在此还考虑了该烧结的粘结碳化物构件可以具有在大 约0.005平方英寸(0.03平方厘米)与大约5平方英寸(33平方厘米) 之间的范围内的一个尺寸。在此进一步考虑了该烧结的粘结碳化物构 件可以具有在大约0.0005平方英寸(0.003平方厘米)与大约0.5平方 英寸(0.003平方厘米)之间的范围内的一个尺寸。 [0103]在此进一步考虑了该烧结的粘结碳化物构件可以具有尺寸 为呈现出一个或多个暴露的表面,其中每个暴露的表面具有一种硬质 构成物,该硬质构成物占据大约5平方英寸(32.35平方厘米)与大约 225平方英寸(1451.59平方厘米)之间。在一个例子中,每个暴露的 表面上的这种硬质构成物的表面积的替代范围可以是在大约25平方 英寸(161.29平方厘米)与大约200平方英寸(1290.3平方厘米)之 间,在另一个例子中在大约50平方英寸(322.58平方厘米)与大约 150平方英寸(96.68平方厘米)之间,在再一个例子中在大约75平 方英寸(483.87平方厘米)与大约125平方英寸(801.39平方厘米) 之间,在又一个例子中在大约50平方英寸(322.58平方厘米)与大约 110平方英寸(709.61平方厘米)之间。 [0104]作为一个替代方案,一个硬质烧结的粘结碳化物构件可以 被压碎以获得硬质构成物,其中这些硬质构成物被压碎成较大尺寸的 颗粒,其中该颗粒尺寸是通过网格尺寸(例如,-80+120目)来测量 的。 [0105]这些硬质构成物被选择性地定位在该硬质复合材料的基体 之中,该硬质复合材料的基体在熔渗之前典型地存在于模具中。在此 考虑了这些硬质构成物可以覆盖该耐磨损硬质构件的大约百分之0.5 至大约百分之90之间的表面积。申请人无意将本发明限制在这些硬质 构成物在该硬质复合材料中的具体定位上。例如,这些硬质构成物可 以均匀地(或不均匀地或随机地)分布在该硬质复合材料的整个体积 中。 [0106]烧结的粘结碳化物构件34的一种构成是钴粘结碳化钨,其 中钴的范围在该钴粘结碳化钨构件的大约0.2重量百分比与大约6重 量百分比之间,并且碳化钨是该构成的余量。烧结的粘结碳化物构件 34的另一个构成是钴粘结碳化钨,其中钴的范围在该钴粘结碳化钨构 件的大约6重量百分比与大约30重量百分比之间,并且碳化钨是该构 成的余量。在又一个构成中,烧结的粘结碳化物构件可以包括钴(10 重量百分比的钴)粘结碳化钨。 [0107]通过提到以上的具体硬质构成物,申请人无意将本发明的 范围限制在这种具体的硬质构成物上。申请人考虑了其他材料将会适 合用作该硬质复合材料中的硬质构成物。在此方面,以下各项材料将 会适合用作该硬质复合材料中的硬质构成物:烧结的粘结碳化钨,其 中一种粘合剂包括钴、镍、铁和钼中的一种或多种;涂覆的烧结的粘 结碳化钨,其中一种粘合剂包括钴、镍、铁和钼中的一种或多种,并 且该涂层包括镍、钴、铁和钼中的一种或多种;钛、铌、钽、铪以及 锆中的一种的或多种的碳化物类、氮化物类以及硼化物类中的一种或 多种;钛、铌、钽、铪以及锆中的一种的或多种的涂覆的碳化物类、 涂覆的氮化物类以及涂覆的硼化物类中的一种或多种,其中该涂层包 括镍、钴、铁以及钼中的一种或多种;碳化铬类;涂覆的碳化铬类; 涂覆的碳化硅,其中该涂层包括镍、钴、铁和钼中的一种或多种;以 及涂覆的氮化硅,其中该涂层包括镍、钴、铁、铜、钼或任何其他适 合的金属中的一种或多种;以及涂覆的碳化硼,其中该涂层包括镍、 钴、铁、铜、钼和任何其他适合的金属中的一种或多种。 [0108]该基体粉末可以包括一种压碎的粘结碳化物颗粒。这些压 碎的粘结碳化物颗粒可以在用于这些压碎的粘结碳化物颗粒的等于 -325+200目的一个尺寸范围内。用于这些压碎的粘结碳化物颗粒的 另一个尺寸范围是-80+325目。确定该颗粒尺寸的标准是通过使用筛 目尺寸分析和用于-325目颗粒的Fisher超细筛分尺寸分析仪。压碎的 粘结碳化物颗粒的一种构成是钴粘结碳化钨,其中钴的范围在该钴粘 结碳化钨材料的大约6重量百分比与大约30重量百分比之间,并且碳 化钨是该材料的余量。压碎的粘结碳化物颗粒的另一个优选构成是钴 粘结碳化钨,其中钴的范围在该钴粘结碳化钨材料的大约0.2重量百 分比与大约6重量百分比之间,并且碳化钨是该材料的余量。 [0109]通过提及具体构成,申请人无意将本发明的范围限制在这 些具体的粘结碳化物上。申请人考虑了其他粘结碳化物类(例如,碳 化铬)将会适合用作该硬质复合材料中的压碎的粘结碳化钨颗粒。在 此方面,这些碳化物类可能不同于碳化钨(例如,碳化钛和碳化铬) 并且该粘合剂可能不同于钴(例如,镍)。申请人进一步考虑了这些 压碎的粘结碳化物颗粒的构成可以根据具体的应用在整个具体硬质复 合材料中变化。申请人还考虑了除粘结碳化物类之外某些硬质材料可 以适合于形成这些颗粒。 [0110]该基体还可以包含压碎的铸造碳化物颗粒,其中这些颗粒 的一个尺寸范围是-325目。这些颗粒的另一个尺寸范围是-80目。这 些颗粒的一种构成是铸造碳化钨。申请人考虑了这些压碎的铸造碳化 物颗粒的构成可以根据具体应用在整个具体硬质复合材料中变化。申 请人进一步考虑了其他铸造碳化物类或硬质材料适合用在这些压碎的 铸造碳化物颗粒中的适当位置中或与其一起使用。 [0111]除了压碎的粘结碳化物颗粒和/或压碎的铸造碳化物颗粒以 外,该基体粉末可以进一步包括以下各项中的任一种或多种:压碎的 碳化物颗粒(例如,具有-80+325目尺寸的压碎的碳化钨颗粒)、具 有-325目示例性尺寸的钢颗粒、具有-325目示例性尺寸的羰基铁颗 粒、粘结碳化物粉末以及涂覆的(例如,镍涂层)粘结碳化物颗粒以 及涂有镍的碳化钨颗粒(-80+325目)。 [0112]如以上所讨论的,令人希望的是熔渗合金31具有足够低的 熔点以便在熔渗过程中不降解与其接触的硬质构成物。按照这个思路, 该熔渗合金具有的熔点的范围是在大约500摄氏度与大约1400摄氏度 之间。申请人考虑了这些熔渗合金可以具有范围在大约600摄氏度与 大约800摄氏度之间的熔点。申请人进一步考虑了这些熔渗合金可以 具有范围在大约690摄氏度与大约770摄氏度之间的熔点。申请人再 进一步考虑了该熔渗合金可以具有低于大约700摄氏度的熔点。熔渗 合金的示例性的一般类型包括铜基合金类(例如,铜-银合金类、铜- 锌合金类、铜-镍合金类、铜-锡合金类)以及镍基合金类(包括镍-铜- 锰合金类)。示例性的熔渗合金在以下得到表1中列出。 表1 熔渗合金的构成(以重量百分比计) 合金/ 构成 Cu Ni Zn Mn Ag Sn Nb 固相线(熔 点)(℃) 液相线(流动 点)℃ A-1 53 15 8 24 - - - 1150 202 45 - 35 - 20 - - 710 815 255 40 - 33 - 25 2 - 690 780 559 42 2 - - 56 - - 770 895 700 20 - 10 - 70 - - 690 740 Cu-20Ni-10Mn 70 20 - 10 - - - ~1100 Macrofil 56 56 - 43 - - 1 - 866 888 Macrofil 65 65 15 20 - - - - 1040 1075 Macrofil 49 49 10 41 - - - - 921 935 C96800 81.8 10 - - - 8 0.2 1050 1150 Cu-20Ni-20Mn 60 20 - 20 - - - 1030 1050 Cu-25Ni-25Mn 50 25 - 25 - - - 1030 1050 通过提及表1中的具体熔渗合金,申请人无意将本发明的范围限 制在具有这些具体构成和/或特性的熔渗合金上。作为一个替代方案, 该熔渗合金的构成可以是在5-40重量百分比的镍、5-40重量百分比的 锰以及余量的铜的范围之内。 [0113]参照一种硬质组成物-基体复合材料,该硬质复合材料中的 这些硬颗粒可以包括百分之百的压碎的镍粘结碳化铬颗粒。镍可以构 成在大约3重量百分比与大约25重量百分比之间的该粘结碳化物,并 且碳化铬构成余量。该粘结碳化物的优选构成是大约15重量百分比的 镍和余量的碳化铬。这些压碎的粘结(镍)碳化铬颗粒的颗粒尺寸可 以在大约-325目与大约+80目之间的范围内。该熔渗合金可以包括在 大约60重量百分比与大约80重量百分比之间的该硬质复合材料,并 且这种压碎的镍粘结碳化铬可以包括在大约20重量百分比与大约40 重量百分比之间的该硬质复合材料。 [0114]参照另一种硬质组成物-基体复合材料,它还可以由在以下 的表1A中列出的组成物制成。该基体粉末是取自表2中的混合物No. 2。这些硬质构成物是压碎的镍粘结碳化铬,其中镍以15重量百分比 的量存在。这些压碎的粘结(镍)碳化铬颗粒的颗粒尺寸可以在大约 -325目与大约+80目之间分范围内。这些二硼化钛(TiB2)颗粒具有 等于-325目的颗粒尺寸。该熔渗合金是表1中列出的铜基合金A-1。 该熔渗合金包括在大约60重量百分比与大约70重量百分比之间的该 硬质复合材料。表2A 硬质复合材料的组合物 组合物 取自表2中的基体 粉末混合物No.2 (重量百分比) 压碎的镍粘结碳化 铬(-325+80目) (重量百分比) 二硼化钛颗粒(-325 目)(重量百分比) 1-A 40 40 20 2-A 80 20 3-A 66 34 4-A 66 34 5-A 50 50 [0115]在该硬质构成物-基体复合材料的又一个实施方案中,存在 多个烧结的粘结碳化物构件,这些构件典型地具有10重量百分比的钴 和余量的碳化钨的一种构成。该基体粉末典型地包括碳化钨、碳化铬、 连同用于这些碳化物和/或这些碳化物上的一个涂层的一种粘合剂形 式的钴和镍。一种典型的熔渗合金具有的构成(重量百分比)为铜 (53%)-镍(15%)-锰(24%)-锌(8%)以及等于大约1150摄氏度的熔点。 [0116]在某些实施方案中,这些粘结碳化物构件(例如,呈现一 种水滴形状)典型地覆盖该硬质复合材料的大约百分之40至大约百分 之60之间的表面积。这些粘结碳化物构件总体上包括大约90重量百 分比的硬质复合材料52。在这些粘结碳化物构件呈现一种正方形或矩 形形状的情况下,这些构件可以覆盖该硬质复合材料的可达大约百分 之80与大约百分之85之间的表面积。 [0117]该硬质构成物-基体复合材料的另一个构成包括多个硬质构 成物,这些硬质构成物包括烧结的碳化物中的一种或多种,其中这些 碳化物包括钨、钛、铌、钽、铪、铬以及锆。该基体粉末典型地包括 烧结的碳化物类、压碎的烧结碳化物类、铸造碳化物、压碎的碳化物 类、碳化钨粉末以及碳化铬粉末中的一种或多种。该熔渗合金具有铜 (53%)-镍(15%)-锰(24%)-锌(8%)的构成(重量百分比)以及等于大 约1150摄氏度的熔点。 [0118]在又一种构成中,包括压碎的粘结碳化钨的这些硬质构成 物具有等于-80+120目的颗粒尺寸。该粘结碳化物是钴粘结碳化钨, 其中存在的钴的量是10重量百分比。该硬质复合材料进一步包含一种 基体粉末,该基体粉末可以是表2至表6中列出的这些基体粉末中的 任一种,但是优选的一种基体粉末可以是表2中列出的基体粉末No.1 至No.3中的任一种。按重量计的该基体粉末与该熔渗合金之比是按 重量计大约40∶60。在一些应用中,该硬质构成物压碎的粘结碳化钨 颗粒(-80+120目)的范围是在该硬质复合材料的大约2.5体积百分 比与大约40体积百分比之间,且余量包括基体粉末和熔渗合金。然而, 存在这样一些应用,即其中这些压碎的粘结碳化钨颗粒的范围是在该 硬质复合材料的大约2体积百分比至大约4体积百分比之间。还存在 其他应用,即其中这些压碎的粘结碳化钨颗粒的范围是在该硬质复合 材料的大约30体积百分比与大约40体积百分比之间。 [0119]在又一个实施方案中,这些硬质构成物可以包括烧结的碳 化物中的一种或多种,其中这些碳化物包括钨、钛、铌、钽、铪、铬 以及锆。该基体粉末典型地包括烧结的碳化物类、压碎的烧结碳化物 类、铸造碳化物、压碎的碳化物类、碳化钨粉末以及碳化铬粉末中的 一种或多种。该熔渗合金具有铜(53%)-镍(15%)-锰(24%)-锌(8%)的 构成以及等于大约1150摄氏度的熔点。 [0120]该硬质构成物-基体复合材料可以包括具有颗粒尺寸等于 -80+120目的压碎的粘结碳化钨。该粘结碳化物是钴粘结碳化钨,其 中存在的钴的量是10重量百分比。该硬质复合材料进一步包含一种基 体粉末,该基体粉末可以是表2至表6中列出的这些基体粉末中的任 一种,但是优选的一种基体粉末可以是表2中列出的基体粉末No.1 至No.3中的任一种。按重量计的该基体粉末与该熔渗合金之比是按 重量计大约40∶60。在一些应用中,该硬质构成物压碎的粘结碳化钨 颗粒(-80+120目)的范围是在该硬质复合材料的大约2.5体积百分 比与大约40体积百分比之间,余量包括基体粉末和熔渗合金。然而, 存在某些应用,其中这些压碎的粘结碳化钨颗粒的范围是在该硬质复 合材料的大约2体积百分比至大约4体积百分比之间。还存在其他应 用,其中这些压碎的粘结碳化钨颗粒的范围是在该硬质复合材料的大 约30体积百分比与大约40体积百分比之间。 [0121]在一些实施方案中,这些硬质构成物还可以包括粘结碳化 物类、碳化硅类、碳化硼、氧化铝、氧化锆以及其他适合的硬质材料。 该基体粉末典型地包括压碎的碳化钨、压碎的粘结碳化钨、压碎的铸 造碳化钨、铁粉末、碳化钨粉末(该碳化钨由铝热法或由共渗碳 (co-carburized)碳化钨制成)、碳化铬粉末、球形铸造碳化物粉末 和/或球形烧结的碳化物粉末中的一种或多种。该熔渗合金具有铜 (53%)-镍(15%)-锰(24%)-锌(8%)的构成以及等于大约1150摄氏度的 熔点。 [0122]具体的基体粉末(混合物No.1至No.20)的实例在以下的 表2至表6中列出。关于这些基体粉末的构成,应该理解,该压碎的 碳化钨组成物或压碎的铸造碳化钨组成物可以全部或部分地被球形烧 结的碳化钨和/或球形的铸造碳化钨颗粒替代。在某些情况下,这种球 形烧结的碳化钨和/或球形铸造碳化物颗粒(或粉末)可以被100%地 结合使用或单独用作基体粉末中的硬质构成物。表2 基体粉末混合物No.1至No.4的构成(重量百分比) 构成物(颗粒尺寸) 混合物No.1 混合物No.2 混合物No.3 混合物No.4 压碎的碳化钨 (-80+325目) 67wt.% 67wt.% 0wt.% 0wt.% 压碎的碳化钨 (-325目) 0wt.% 15.5wt.% 0wt.% 0wt.% 压碎的铸造碳化钨 (-325目) 31wt.% 15.5wt.% 0wt.% 0wt.% 4600钢(-325目) 1wt.% 0wt.% 0wt.% 0wt.% 羰基铁(-325目) 1wt.% 0wt.% 0wt.% 0wt.% 镍(-325目) 0wt.% 2wt.% 0wt.% 0wt.% 压碎的钴(10 wt.%)粘结碳化钨 (-140+325目) 0wt.% 0wt.% 100wt.% 压碎的镍(10 wt.%)粘结碳化钨 (-140+325目) 0wt.% 0wt.% 100wt.% 表3 基体粉末混合物No.5至No.8的构成(重量百分比) 构成物(颗粒尺寸) 混合物No.5 混合物No.6 混合物No.7 混合物No.8 压碎的碳化钨 (-80+325目) 63.65wt.% 63.65wt.% 0wt.% 0wt.% 压碎的碳化钨(-325目) 0wt.% 14.725wt.% 0wt.% 0wt.% 压碎的铸造碳化钨(-325 目) 29.45wt.% 14.725wt.% 0wt.% 0wt.% 4600钢(-325目) .95wt.% 0wt.% 0wt.% 0wt.% 羰基铁(-325目) .95wt.% 0wt.% 0wt.% 0wt.% 镍(-325目) 0wt.% 1.9wt.% 0wt.% 0wt.% 压碎的钴(10wt.%)粘 结碳化钨(-140+325目) 0wt.% 0wt.% 95wt.% 压碎的镍(10wt.%)粘 结碳化钨(-140+325目) 0wt.% 0wt.% 95wt.% 碳化铬(-45目) 5wt.% 5wt.% 5wt.% 5wt.% 表4 基体粉末混合物No.9至No.12的构成(重量百分比) 构成物(颗粒尺寸) 混合物 No.9 混合物 No.10 混合物 No.11 混合物 No.12 压碎的碳化钨(-80+325目) 53.6wt.% 53.6wt.% 0wt.% 0wt.% 压碎的碳化钨(-325目) 0wt.% 12.4wt.% 0wt.% 0wt.% 压碎的铸造碳化钨(-325目) 24.8wt.% 12.4wt.% 0wt.% 0wt.% 4600钢(-325目) .8wt.% 0wt.% 0wt.% 0wt.% 羰基铁(-325目) .8wt.% 0wt.% 0wt.% 0wt.% 镍(-325目) 0wt.% 1.6wt.% 0wt.% 0wt.% 压碎的钴(10wt.%)粘结碳 化钨(-140+325目) 0wt.% 0wt.% 80wt.% 压碎的镍(10wt.%)粘结碳 化钨(-140+325目) 0wt.% 0wt.% 0wt.% 80wt.% 碳化镍钴钨粉末(-325目) 20wt.% 20wt.% 20wt.% 20wt.% 表5 基体粉末混合物No.13至No.16的构成(重量百分比) 构成物(颗粒尺寸) 混合物 No.13 混合物 No.14 混合物 No.15 混合物 No.16 压碎的碳化钨(-80+325目) 60.3wt.% 60.3wt.% 0wt.% 0wt.% 压碎的碳化钨(-325目) 0wt.% 13.95wt.% 0wt.% 0wt.% 压碎的铸造碳化钨(-325目) 27.9wt.% 13.95wt.% 0wt.% 0wt.% 4600钢(-325目) .9wt.% 0wt.% 0wt.% 0wt.% 羰基铁(-325目) .9wt.% 0wt.% 0wt.% 0wt.% 镍(-325目) 0wt.% 1.8wt.% 0wt.% 0wt.% 压碎的钴(10wt.%)粘结 碳化钨(-140+325目) 0wt.% 0wt.% 90wt.% 压碎的镍(10wt.%)粘结 碳化钨(-140+325目) 0wt.% 0wt.% 0wt.% 90wt.% 压碎的镍(15wt.%)粘结 碳化铬(Ni-Cr3C2)(-140 +325目) 10wt.% 10wt.% 10wt.% 10wt.% 表6 基体粉末混合物No.17至No.20的构成(以重量百分比计) 构成物(颗粒尺寸) 混合物 No.17 混合物 No.18 混合物 No.19 混合物 No.20 压碎的碳化钨(-80+325目) 56.95wt.% 56.95wt.% 0wt.% 0wt.% 压碎的碳化钨(-325目) 0wt.% 13.175wt.% 0wt.% 0wt.% 压碎的铸造碳化钨(-325目) 26.35wt.% 13.175wt.% 0wt.% 0wt.% 4600钢(-325目) .85wt.% 0wt.% 0wt.% 0wt.% 羰基铁(-325目) .85wt.% 0wt.% 0wt.% 0wt.% 镍(-325目) 0wt.% 1.7wt.% 0wt.% 0wt.% 压碎的钴(10wt.%)粘结碳 化钨(-140+325目) 0wt.% 0wt.% 85wt.% 压碎的镍(10wt.%)粘结碳 化钨(-140+325目) 0wt.% 0wt.% 85wt.% 镍-钴碳化钨(-325目) 15wt.% 15wt.% 15wt.% 15wt.% [0123]该硬质构成物-基体复合材料的附加的实例在下文列出。该 硬质构成物-基体复合材料的这样一个实例包括烧结的钴(10重量百 分比的钴)粘结碳化钨构件以及包括表1中的混合物No.1的基体粉 末以及包括以上描述的包括(以重量百分比计) Cu(53%)-Ni(15%)-Zn(8%)-Mn(24%)合金的熔渗合金。该基体粉末包 括该基体粉末与该熔渗合金的组合的40重量百分比并且该熔渗合金 包括构成该基体粉末与该熔渗合金的组合的60重量百分比。根据具体 的应用,这些粘结碳化钨构件存在的具体的量是在大约1重量百分比 与大约95重量百分比之间,并且该硬质复合材料的余量包括该基体粉 末和该熔渗合金。在替代方案中并且根据具体的应用,这些粘结碳化 钨构件存在的具体的量是在该硬质复合材料的表面积的大约1重量百 分比与大约90百分比之间。对于某些应用,这些粘结碳化钨构件可以 存在的范围是该表面积的大约百分之1至大约百分之5。对于其他应 用,这些粘结碳化钨构件可以存在的范围是该表面积的大约百分之70 至大约百分之90。 [0124]对于该硬质构成物-基体复合材料的又一个实例,它包括一 种烧结的钴(6重量百分比的钴)粘结碳化钨构件。该基体粉末包括 混合物No.2。该熔渗合金包括(按重量百分比计) Cu(53%)-Ni(15%)-Zn(8%)-Mn(24%)。该基体粉末包括该基体粉末与 该熔渗合金的组合的45重量百分比并且该熔渗合金包括该基体粉末 与该熔渗合金的组合的55重量百分比。根据具体应用,这些粘结碳化 钨构件存在的具体的量是在大约1重量百分比与大约95重量百分比之 间,该硬质复合材料的余量包括该基体粉末和该熔渗合金。在替代方 案中并且根据具体应用,这些粘结碳化钨构件存在的具体的量是在该 硬质复合材料的表面积的大约1重量百分比与大约90百分比之间。对 于某些应用,这些粘结碳化钨构件可以存在的范围是该表面积的大约 百分之1至大约百分之5。对于其他应用,这些粘结碳化钨构件可以 存在的范围是该表面积的大约百分之70至大约百分之90。 [0125]对于该硬质构成物-基体复合材料的又一个实例是一种构 成,它包括烧结的钴(6重量百分比的钴)粘结碳化钨圆柱构件。该 基体粉末是如表1中所示的混合物No.3。该熔渗合金包括(按重量百 分比计)Cu(53%)-Ni(15%)-Zn(8%)-Mn(24%)。该基体粉末包括基体 粉末与熔渗合金的组合的40重量百分比并且该熔渗合金包括基体粉 末与熔渗合金的组合的60重量百分比。根据具体应用,这些粘结碳化 钨构件存在的具体的量是在大约1重量百分比与大约95重量百分比之 间,该硬质复合材料的余量包括基体粉末和熔渗合金。在替代方案中 并且根据具体应用,这些粘结碳化钨构件存在的具体的量是在该硬质 复合材料的表面面积的大约1重量百分比与大约90百分比之间。对于 某些应用,这些粘结碳化钨类可以存在的范围是该表面积的大约百分 之1至大约百分之5。对于其他应用,这些粘结碳化钨构件可以存在 的范围是该表面积的大约百分之70至大约百分之90。 [0126]该硬质构成物-基体复合材料的另一个实例包括镍-钴烧结 的钴(10重量百分比的钴)粘结碳化钨构件。该基体粉末包括来自表 1的混合物No.4。该熔渗合金包括(按重量百分比计) Cu(53%)-Ni(15%)-Zn(8%)-Mn(24%)。该基体粉末包括基体粉末与熔 渗合金的组合的45重量百分比并且该熔渗合金包括基体粉末与熔渗 合金的组合的55重量百分比。根据具体应用,这些粘结碳化钨构件存 在的具体的量是在大约1重量百分比与大约95重量百分比之间,该硬 质复合材料的余量包括基体粉末和熔渗合金。在替代方案中并且根据 具体应用,这些粘结碳化钨构件存在的具体的量是在该硬质复合材料 的表面积的大约1重量百分比与大约90百分比之间。对于某些应用, 这些粘结碳化钨构件可以存在的范围是该表面积的大约百分之1至大 约百分之5。对于其他应用,这些粘结碳化钨构件可以存在的范围是 该表面积的大约百分之70至大约百分之90。 [0127]应该理解,该硬质复合材料的构成和显微结构能够影响对 在一种钻井或切削应用中的刀片的性能有用的特性。像粘结碳化物类 和钢一样,钢的硬度、韧性、耐腐蚀性和耐磨性是影响使用过程中的 刀片性能的特性。如还可以理解,对于该硬质复合材料的构成和显微 结构存在许多变体,这样由该硬质复合材料制成的这些刀片的部分可 以展示出多种特性以适合于多种钻井或切削应用。 [0128]关于制造具有多个部分的刀片的方法,作为一个替代方案, 这些部分可以首先通过一种粉末冶金技术(如,例如粘结)制成以形 成完全致密的烧结的部分。然后,这些部分可以通过一个适合的技术 (如铜焊)被连接在一起以形成该刀片构件。 [0129]作为另一个替代方案,提供了该刀片的几何形状的一个模 具。不同部分的粉末被放置在模具之中的预选定的位置中。然后该粉 末复合材料在加热和任选的压力下被固结以形成刀片。作为这个替代 方案中的一个选择,这些部分中的一个或多个可以是一个完全致密的 部分,且这些部分中的一个或多个可以是粉末形式。在这些部分之一 是这种硬质构成物-基体复合材料的情况下,这些硬质构成物和基体可 以用如在授予Majagi的美国专利号6,984,454中所描述的熔渗剂被熔 渗。图8示出了根据以上替代方案的一种方法。 [0130]在图8中,以机械示意图形式示出了与用于制造这些刀片 的一个石墨坩埚相关联的总体上表示为400的制造组件。组件400包 括一个石墨坩埚402,该坩埚包含一个体积。在石墨坩埚402的体积 中,定位了一个钢制构件(或刀片的一部分)404和一个粘结(钴) 碳化钨构件(或刀片的一部分)406。一定质量的基体粉末408的被放 置在钢制构件404与粘结(钴)碳化钨构件406之间和它们的顶部上。 一层熔渗合金410被放置在基体粉末408的主体的顶部上。该组件被 加热,这样熔渗合金熔化并且经过这些基体粉末并且与钢制构件和粘 结(钴)碳化钨构件相接触。最终结果是形成包括粘结(钴)碳化钨 部分、钢质部分以及基体部分的刀片。 [0131]作为以上方法的另一个替代方案,这些刀片或这些刀片的 至少一些部分可以不是实质上完全致密的,而可以是粉末形式。在这 种情况下,用于刀片部分的粉末被放置在模具中并且不同的粉末和任 何其他组成物也被放置在该模具之中。该模具的内容物被加热以便固 结所有的粉末组成物(包括这些刀片的任何部分),由此将这些刀片 在冶金意义上连接在该切削刀头本体上。 [0132]本发明的另一个实施方案是生产钻地刀头的一种方法,包 括由铁、镍、和钴以及一种过渡金属的碳化物中的至少一种的熔融混 合物铸造该钻地刀头。该混合物可以是一种共晶或近共晶混合物。在 这些实施方案中,这些刀片被放置在模具中并且该钻地刀头可以被直 接铸造以将该刀片在冶金意义上粘合到该切削刀头本体上。 [0133]如可以理解的,本发明提供了一种改进的刀片,该刀片携 带多个切削元件,该刀片被固定或附接在一个刀具或刀头本体上。该 刀具或刀头(例如,固定切削刀头)被用在涉及冲击地层(例如,井 下钻探、采矿应用、道路规划应用、混凝土切割应用、以及类似应用)。 该改进的刀片通过使用具有改进的强度、韧性、耐磨蚀性磨损和/或耐 腐蚀性磨损的组合的材料而增加了刀具或刀头的总体刀具寿命。 [0134]更确切地说,用于在地下构层中钻孔的刀具或刀头由于典 型的地球构层的磨蚀性质在钻井操作过程中经受(或可经受)到相当 大的磨蚀性磨损。用在冲击地层(例如,采矿应用、道路工程应用、 混凝土切割应用等等)的其他应用中的刀具或刀头在使用过程中也经 受相当大的磨蚀性磨损。现在很清楚的是,本发明提供了一种改进的 刀片,该刀片携带多个切削元件,该刀片被固定或附接在一个刀具或 刀头本体上,其中该刀片连同该刀具或刀头显示出改进的磨蚀性磨损 的耐受性。 [0135]更确切地说,用于在地下构层中钻孔的刀具或刀头由于典 型的地球构层的磨蚀性质在钻井操作过程中经受(或可经受)到相当 大的冲击。用在冲击地层(例如,采矿应用、道路工程应用、混凝土 切割应用等等)的其他应用中的刀具或刀头在使用过程中也经受相当 大的冲击。现在很清楚的是,本发明提供了一种改进的刀片,该刀片 携带多个切削元件,该刀片被固定或附接在一个刀具或刀头本体上, 其中该刀片连同该刀具或刀头展示出改进的冲击耐受性。 [0136]更确切地说,用于在地下构层中钻孔的刀具或刀头由于典 型的地球构层的磨损性质在钻井操作过程中经受(或能够经受)相当 大的腐蚀性磨损。这种腐蚀性磨损能够通过将从刀头本体中的多个喷 嘴中喷出的流体直接冲击在刀具或刀头本体以及携带这些切削元件的 刀片上而被加剧。用在冲击地层(例如,采矿应用、道路工程应用、 混凝土切割应用等等)的其他应用中的刀具或刀头在使用过程中也经 受相当大的腐蚀性磨损。现在很清楚的是,本发明提供了一种改进的 刀片,该刀片携带多个切削元件,该刀片被固定或附接在一个刀具或 刀头本体上,其中该刀片连同该刀具或刀头展示出改进的腐蚀性磨损 耐受性。 [0137]在此指明的所有专利、专利申请、文章以及其他文献特此 通过引用结合在此。通过考虑了本说明书或通过实施在此披露的发明, 本发明的其他实施方案对于本领域中的熟练的技术人员可以是清楚 的。本说明书以及在此给出的任何实例是旨在被认为仅仅是说明性的, 本发明的真正精神和范围是由以下的权利要求指明的。 发明背景 |