形成钻地工具的至少一部分的方法，以及通过此类方法形成的制品 |
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| 申请号 | CN201180033760.7 | 申请日 | 2011-05-19 | 公开(公告)号 | CN103003010A | 公开(公告)日 | 2013-03-27 |
| 申请人 | 贝克休斯公司; | 发明人 | J·H·史蒂文斯; | ||||
| 摘要 | 形成钻地工具的至少一部分的方法，包括在模腔中提供包含硬质材料的粒料物质，将金属与该硬质材料熔融以形成包含该金属与该硬质材料的共晶或近共晶组合物的熔融组合物，在该模腔中浇铸该熔融组合物以形成该钻地工具的至少一部分，和在该模腔中提供孕育剂。形成钻地旋转 钻头 的 牙轮 的方法，包括形成熔融组合物，在模腔中浇铸该熔融组合物，在该模腔中 凝固 该熔融组合物以形成该牙轮，和当该熔融组合物在该模腔中凝固时使用孕育剂控制晶粒生长。使用此类方法制造包含钻地工具的部件的制品。 | ||||||
| 权利要求 | 1.形成钻地工具的至少一部分的方法，包括： |
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| 说明书全文 | 形成钻地工具的至少一部分的方法，以及通过此类方法形成的制品 [0002] 本 申 请 要 求 2010 年 5 月 20 日 提 交 的 题 为“Methods of ControllingMicrostructure in Casting of Earth-Boring Tools and Componentsof Such Tools,and Articles Formed by Such Methods”的美国临时专利申请系列号61/346,715的权益。 [0003] 本申请的主题涉及2004年5月18日提交的题为“Earth-BoringBits”的共同未决美国专利申请系列号10/848,437和2005年4月28日提交的题为“Earth-Boring Bits”的共同未决美国专利申请系列号11/116,752的主题。本申请的主题还涉及均与本申请同日提交的题为“Methods of Forming at Least a Portion of Earth-Boring Tools”的美国专利申请系列号_________（代理人案卷号1684-9995.1US）与题为“Methods of Forming at Leasta Portion of Earth-Boring Tools,and Articles Formed by Such Methods”的美国专利申请系列号_________（代理人案卷号1684-9997.1US）的主题。 技术领域[0004] 本公开的实施方案涉及钻地工具，如钻地旋转钻头，涉及此类工具的部件，并涉及制造此类钻地工具及其部件的方法。 [0005] 发明背景 [0007] 不同类型的钻地旋转钻头在本领域是已知的，包括例如固定切削刃钻头（其在本领域通常称为“翼状”钻头）、牙轮钻头（其在本领域通常称为“凿岩”钻头）、孕镶金刚石钻头和混合式钻头（其可以包括例如固定切削刃和牙轮）。该钻头旋转并推进到地层中。当该钻头旋转时，其切削刃或磨料构件切削、轧碎、剪切和/或切除掉地层材料以形成井眼。 [0008] 该钻头直接或间接地连接到本领域称为“钻杆柱”的末端，钻杆柱包括一系列对接连接的细长的管状段，并从地层表面延伸到井眼中。通常，各种工具和部件，包括该钻头，可以在所钻井眼底部在该钻杆柱的远端处连接在一起。这种工具和部件的组件在本领域称为“井底钻具组合”（BHA）。 [0009] 该钻头可以通过由地层表面旋转钻杆柱在井眼中旋转，或该钻头可以通过将该钻头连接到孔底发动机上来旋转，该孔底发动机也连接到钻杆柱上并紧邻井眼底部设置。该孔底发动机可以包括例如液压Moineau型电机，该电机具有钻头安装于其上的杆，可以通过从地层表面向下通过钻杆柱中心泵送流体，穿过液压电机，从钻头的喷嘴送出并通过钻杆柱外表面与井眼中地层的暴露表面之间的环状空间返回到地层表面（例如钻探泥浆或钻井液），由此使其旋转。 [0010] 牙轮钻头通常包括安装在从钻头体延伸的牙轮钻头支承巴掌上的三个牙轮，其可以由例如三个焊接在一起形成该钻头体的钻头部分形成。每个牙轮钻头巴掌可以从一个钻头部分上悬挂。每个牙轮配置成在从牙轮钻头巴掌延伸的支承杆上以从牙轮钻头巴掌径向向内和向下的方向转动或旋转。该牙轮通常由钢构成，但是它们也可以由颗粒－基质复合材料（例如金属陶瓷复合材料，如烧结碳化钨）形成。用于切削岩石和其它地层的切削齿可以机械加工或以其它方式在每个椎体的外表面中或外表面上形成。或者，在每个椎体的外表面中形成插孔，并将坚硬耐磨材料形成的插入件固定在该插孔中以形成椎体的切削元件。当牙轮钻头在井眼中旋转时，该牙轮滚动并滑过地层表面，使得切削元件碾压并刮落下方的地层。 [0011] 固定切削刃钻头通常包括多个连接到钻头体的面上的切削元件。该钻头体可以包括多个翼片或刀刃，其限定了刀刃之间的流体通道。该切削元件可以在该刀刃外表面中形成的夹套中固定到该钻头体上。该切削元件以固定方式连接到该钻头体上，使得在钻进过程中该切削元件不会相对于该钻头体移动。该钻头体可以由钢或颗粒－基质复合材料（例如钴结碳化钨硬质合金）形成。在其中该钻头体包含颗粒－基质复合材料的实施方案中，该钻头体可以连接到金属合金（例如钢）钻杆尾上，所述钻杆尾具有可用于将该钻头体和该钻杆尾连接到钻杆柱上的螺纹端。当固定切削刃钻头在井眼中旋转时，该切削元件刮过地层的表面并剪去下方的岩层。 [0012] 孕镶金刚石旋转钻头可用于钻探坚硬或磨蚀性岩石地层，如砂岩。通常，孕镶金刚石钻头具有在模具中浇铸的固体头部或冠部。该冠部连接到钢钻杆尾上，该钢钻杆尾具有可用于将该冠部和该钢钻杆尾连接到钻杆柱上的螺纹端。该冠部具有多种构造，通常包括包含多个切削构件的切削面，该切削构件可以包含切削片、柱和刀刃中的至少一种。该柱和刀刃可以与该冠部在磨具中整体成型，或可以单独成型并粘接到该冠部上。通道分隔该柱和刀刃以便令钻井液在钻头面上流动。 [0013] 孕镶金刚石钻头可以成型，以使得该钻头的切削面（包括柱和刀刃）包含颗粒－基质复合材料，所述颗粒－基质复合材料包括分散在整个基质材料中的金刚石颗粒。该基质材料本身可以包含分散在整个金属基质材料，如铜基合金中的颗粒－基质复合材料，如碳化物颗粒。 [0014] 耐磨材料，如“硬质焊敷层”材料，可施加到旋转钻头的地层啮合面上以尽量减少磨蚀导致的钻头的这些表面的磨损。例如，当钻地工具的地层啮合表面在由常规钻井液携带的固体颗粒状材料（例如地层钻屑和岩屑）的存在下与地层表面啮合并相对于该表面滑动时，在该地层啮合表面处发生磨蚀。例如，硬质焊敷层可以施加到牙轮钻头的椎体上的切削齿上，以及施加到该椎体的保径面上。硬质焊敷层还可以施加到每个牙轮钻头巴掌的弯曲下端或“下摆”的外表面，以及可能在钻进过程中啮合地层表面的钻头的其它外表面。 [0015] 发明公开 [0016] 在一些实施方案中，本发明包括形成钻地工具的至少一部分的方法。该方法包括在模腔中提供包含硬质材料的粒料物质，将金属与该硬质材料熔融以形成包含该金属与该硬质材料的共晶或近共晶组合物的熔融组合物，浇铸该熔融组合物以便在该模腔中形成该钻地工具的至少一部分，和在该模腔中提供孕育剂。 [0017] 在其它实施方案中，形成钻地旋转钻头的牙轮的方法包括形成包含钴和钨碳化物的共晶或近共晶组合物的熔融组合物，在模腔中浇铸该熔融组合物，在该模腔中凝固该熔融组合物以形成该牙轮，和当该熔融组合物在该模腔中凝固时使用孕育剂控制晶粒生长。 [0018] 在某些实施方案中，本发明包括包含钻地工具的至少一部分的制品。该制品包含包括金属相、硬质材料相和孕育剂的共晶或近共晶组合物。 [0021] 图1是牙轮钻头的实施方案的侧视图，该牙轮钻头可以包括一个或多个部件，所述部件包含包括共晶或近共晶组合物的浇铸颗粒－基质复合材料； [0022] 图2是图1的钻头的局部截面图并描述了包括牙轮的可旋转切削刃组件； [0023] 图3是固定切削刃钻头的实施方案的透视图，该固定切削刃钻头可以包括一个或多个部件，所述部件包含包括共晶或近共晶组合物的浇铸颗粒－基质复合材料； [0024] 图4和5用于描述本发明的方法的实施方案，并描述了在模具中浇铸类似图2中所示的牙轮；和 [0025] 图6是通过本发明的实施方案形成的显微组织的示意图。 具体实施方式[0026] 本文中提出的说明并非任何特定的钻地工具、钻头或此类工具或钻头的部件的实际视图，而仅仅是用于描述本公开的实施方案的理想化描述。 [0027] 本文中所用的术语钻地工具是指并包括用于去除地层材料并通过除去地层材料形成穿过地层的孔眼（例如井眼）的任何工具。钻地工具包括例如旋转钻头（例如固定切削刃或“翼状”钻头和牙轮或“凿岩”钻头）、包括固定切削刃和牙轮元件的混合式钻头、岩心钻头、冲击钻头、双心钻头、扩孔钻头（包括可膨胀扩孔钻头和固定翼扩孔钻头）和其它所谓“开孔”工具。 [0028] 本文中所用的术语“切削元件”是指并包括当该钻地工具用于在地层中形成或扩大孔眼时用于切削或以其它方式分解地层材料的钻地工具的任何元件。 [0029] 本文中所用的术语“椎体”和“牙轮”是指并包括以可旋转方式安装在旋转式钻地工具，如旋转钻头的主体上的包含至少一个地层切削构件的任何体材，其构造为当该旋转式钻地工具在井眼中旋转时相对于该体材的至少一部分旋转并当该旋转式钻地工具在井眼中旋转时除去地层材料。椎体和牙轮具有大致圆锥的形状，但是并不限于具有此类大致圆锥的形状的构件。椎体和牙轮可以具有除大致圆锥形之外的形状。 [0030] 按照本公开的一些实施方案，钻地工具和/或钻地工具的部件可以包含浇铸颗粒－基质复合材料。该浇铸颗粒－基质复合材料可以包含共晶或近共晶组合物。本文中所用的术语“浇铸”当与材料相关使用时是指在模腔中成型以使得成型以包含该浇铸材料的体材成型以便具有至少基本类似于该材料在其中成型的模腔的形状的材料。因此，术语“浇铸”和“铸造”不限于其中熔融的材料倾注到模腔中的常规浇铸，而是包括在模腔中原位熔融材料。此外，如下文中更为详细地解释的那样，浇铸过程可以在提高的、大于大气压的压力下进行。浇铸还可以在大气压下或在低于大气压下实施。本文中所用的术语“近共晶组合物”是指在约10原子%（10at%）内或更低的共晶组合物。作为非限制性实例，该浇铸颗粒－基质复合材料可以包含钴和钨碳化物的共晶或近共晶组合物。下面描述可以包括包含共晶或近共晶组合物的浇铸颗粒－基质复合材料的钻地工具与钻地工具的部件的实施方案实例。 [0031] 图1描述了本公开的钻地工具的实施方案。图1的钻地工具是牙轮切削刃钻地旋转钻头100。该钻头100包括钻头体102和多个可旋转切削刃组件104。该钻头体102可以包括多个整体成型的牙轮钻头巴掌（bit leg）106，并且可以在钻头体102的上端形成螺纹108，用于连接到钻杆柱上。该钻头体102可以具有用于将钻井液排放到钻孔中的喷嘴120，该钻井液可以在钻进操作过程中与切屑一起返回到地表。各可旋转切削刃组件104包括牙轮122，牙轮122包含颗粒－基质复合材料和多个切削元件，如显示的切削插入件124。 各牙轮122可以包括圆锥形保径面126（图2）。此外，各牙轮122可以具有切削插入件124或切削元件的独特构造，使得该牙轮122可以彼此靠近旋转而无机械干扰。 [0032] 图2是描述图1中所示钻地钻头100的可旋转切削刃组件104之一的横截面图。如所示那样，每个牙轮钻头巴掌106可以包括轴承销128。该牙轮122可以由该轴承销128支承，并且该牙轮122可以绕该轴承销128旋转。各牙轮122可以具有中央腔130，其通常为圆柱形并可构成与轴承销128相邻的轴颈轴承面。该腔130可以具有用于吸收由钻杆柱在该牙轮122上施加的推力的平坦止推肩132。如该实施例中所述，该牙轮122可以通过位于牙轮腔130与该轴承销128的表面中形成的配合槽中的多个锁定球134保持在轴承销 128上。此外，密封组件136可以密封该牙轮腔130与该轴承销128之间的轴承空间。该密封组件136可以是所示的金属面密封组件，或可以是不同类型的密封组件，如弹性体密封组件。 [0033] 可以通过润滑剂通道138将润滑剂供给到该腔130与该轴承销128之间的轴承空间。该润滑剂通道138可以通向包括压力补偿器140（图1）的贮液器。 [0034] 图1和2的钻地钻头100的牙轮122与牙轮钻头巴掌106的至少一种可以包含含有共晶或近共晶组合物的浇铸颗粒－基质复合材料，并可以如下文进一步详细讨论的那样制造。 [0035] 图3是包括可以采用本公开的方法的实施方案成型的钻头体202的固定切削刃钻地旋转钻头200的透视图。该钻头体202可以固定到具有用于将该钻头200连接到钻杆柱（未显示）的螺纹连接部分206（例如American Petroleum Institute(API)螺纹连接部分）的钻杆尾204。在一些实施方案中，如图3中所示，该钻头体202可以使用延伸部208固定到该钻杆尾204。在其它实施方案中，该钻头体202可以直接固定到该钻杆尾204。 [0036] 该钻头体202可以包括在该钻头体202的面203与纵向孔（未显示）之间延伸的内部流体通道（未显示），所述纵向孔延伸穿过钻杆尾204、延伸部208并部分穿过该钻头202。还可以在该内部流体通道中在该钻头体202的面203处提供喷嘴插入件214。该钻头体202可以进一步包括通过排屑槽218分隔的多个刀刃216。在一些实施方案中，该钻头体202可以包括保径磨损插头（gage wear plugs）222和磨损节（wear knot）228。可以在沿着各刀刃216设置的切削元件夹套212中在该钻头体202的面203上安装多个切削元件210（其可以包括例如PDC切削元件）。图3中所示的钻地旋转钻头200的钻头体202，或该钻头体 202的一部分（例如，刀刃216或刀刃216的一部分）可以包含含有共晶或近共晶组合物的浇铸颗粒－基质复合材料，并可以如下文进一步详细讨论的那样制造。 [0037] 按照本公开的一些实施方案，钻地工具和/或钻地工具的部件可以通过使用浇铸法在模腔中浇铸包含共晶或近共晶组合物的颗粒－基质复合材料而在模腔中成型。图4和5用于描述采用此类浇铸法成型类似图1和2中所示的牙轮122。 [0038] 参考图4，可以提供在其中包括模腔302的模具300。该模腔302可以具有对应于要在其中浇铸的牙轮122或钻地工具的其它部分或部件的尺寸与形状的尺寸与形状。该模具300可以包含在浇铸过程中对该模具300施加的温度下稳定且不会劣化的材料。还可以选择模具300的材料以包含不会与要在该模腔302中浇铸的牙轮122的材料反应或以其它方式对其产生不利影响的材料。作为非限制性实例，该模具300可以包含石墨或陶瓷材料，如氧化硅或氧化铝。在该浇铸过程后，可能有必要打碎或以其它方式破坏该模具300以便将浇铸牙轮122从模腔302中取出。由此，还可以选择模具300的材料以包含相对容易打碎或以其它方式从牙轮122周围除去的材料以便能够将浇铸牙轮122（或钻地工具的其它部分或部件）从模具300中取出。如图4中所示，该模具可以包括两个或更多个部件，如基底部分304A和顶部部分304B，其可以组装在一起以构成该模具300。轴承销替换元件309可用于在要在该模具300中浇铸的该牙轮122中限定内部空隙，该内部空隙的尺寸与构造适合于当在该轴承销上安装牙轮122时在其中接收轴承销。如图4中所示，在一些实施方案中，该轴承销替换元件309可以包含分隔体。在其它实施方案中，该轴承销替换元件309可以是该模具300的顶部部分304B的组成部分。 [0039] 可以任选在该模腔302中提供包含硬质材料，如碳化物（例如碳化钨）、氮化物、硼化物等等的粒料物质306。本文中所用的术语“硬质材料”是指并包括具有至少约1200的维氏硬度（即至少约1200HV 30，如按照ASTM Standard E384(Standard Test Method for Knoop andVickers Hardness of Materials,ASTM Int’l,West Conshohocken,PA,2010)测得的）的任何材料。 [0040] 在该模腔302中提供粒料物质306后，可以将包含共晶或近共晶组合物的材料熔融，并且将该熔融材料倾倒至模腔302中并允许渗透该模腔302中粒料物质306之间的空隙，直到该模腔302至少基本充满。该熔融材料可以通过通向该模腔302的该模具300中的一个或多个开口308倾倒至该模具300中。 [0041] 在附加的实施方案中，在该模腔302中未提供包含硬质材料的粒料物质306，并且用该熔融的共晶或近共晶组合物填充至少基本整个模腔302以便在该模腔302中浇铸该牙轮122。 [0042] 在附加的实施方案中，仅仅在该模腔302中的选定位置处提供包含硬质材料的粒料物质306，所述选定位置对应于该牙轮122的承受磨损的区域，使得所得牙轮122的这些区域与该牙轮122的其它区域（由浇铸的共晶或近共晶组合物形成，没有加入粒料物质306）相比包含更高体积含量的硬质材料，所述其它区域具有较低体积含量的硬质材料并表现出相对更高的韧度（即耐压裂性）。 [0043] 在附加的实施方案中，该粒料物质306包含硬质材料的颗粒和在将该粒料物质306加热至足以熔融将要形成熔融的共晶或近共晶组合物的材料的温度时将会形成熔融的共晶或近共晶组合物的材料的颗粒。在此类实施方案中，在该模腔302中提供该粒料物质 306。可以振动该模腔302以坚实化（settle）该粒料物质306以除去其中的空隙。可以加热该粒料物质306至足以形成熔融的共晶或近共晶组合物的温度。在形成该熔融的共晶或近共晶组合物时，该熔融材料可以渗透该粒料物质306中残留固体颗粒之间的空间，这可以导致粒料物质306的坚实化和占据体积的减少。由此，还可以在模腔302上方提供过量的粒料物质306（例如，在模具中的开口308中）以应对在该浇铸过程中可发生的此类坚实化。 [0044] 按照本公开的一些实施方案，可以在该模腔302中提供一种或多种孕育剂以参与控制要在该模腔302中浇铸的牙轮122的所得显微组织的性质。本文中所用的术语“孕育剂”是指并包括在浇铸过程中在冷却共晶或近共晶组合物时控制至少一种材料相的晶粒生长的任何物质。例如，孕育剂可以有助于限制晶粒生长。例如，向该共晶或近共晶组合物中添加孕育剂可用于细化该浇铸材料的显微组织（至少在其表面处）并改善该浇铸材料的表面的强度和/或磨耗特性。例如但不限于，此类孕育剂可促进晶粒成核。此类成核可以导致相邻晶粒更为靠近，由此在相邻晶粒相互作用前限制晶粒生长的量。包含孕育剂的共晶或近共晶组合物的最终显微组织因此可能比不含有孕育剂的类似共晶或近共晶组合物更微细。孕育剂可以包括例如铝酸钴、偏硅酸钴、氧化钴或此类材料的组合。由此，所得显微组织可以包括其特征尺寸相对于在不存在此类孕育剂的情况下形成的晶粒的特征尺寸而降低的晶粒。特征尺寸可以取决于例如孕育剂的浓度、该熔体的温度、热梯度等等。例如，图6显示了用孕育剂形成的显微组织的示意图。该显微组织可以包含金属相602（在图6中显示为白色区域）和硬质材料相604（在图6中显示为黑色区域）。该金属相602和/或该硬质材料相604可以包含该孕育剂。该金属相602和/或该硬质材料相604可以具有各种特征尺寸，该金属相602和/或该硬质材料相604的特征尺寸可以在单一共晶或近共晶组合物中变化。 [0045] 例如。该孕育剂可以占该共晶或近共晶组合物的约0.5重量%至约5重量%。 [0046] 在其中包含共晶或近共晶组合物的材料在单独的坩埚中熔融并随后以熔融状态倾倒至该模腔302中的实施方案中，该孕育剂可以在将所得混合物倾倒至模腔302中之前与熔融的共晶或近共晶组合物一起添加到该坩埚中。该孕育剂可以恰好在浇铸工艺之前添加到该熔融的共晶或近共晶组合物中以努力保持该孕育剂的效力。在附加的实施方案中，可以在单独的漏斗或其它容器中提供该孕育剂，并将包含该共晶或近共晶组合物的熔融材料倾倒至该漏斗中，在那里该孕育剂可与该共晶或近共晶组合物混合。所得熔融混合物可随后由该中间漏斗倾倒至该模腔302中。在再一实施方案中，可以在该模腔302中浇铸该共晶或近共晶组合物之前，在该模具300中在该模腔302中的表面上提供该孕育剂。 [0047] 在其中该粒料物质306包含硬质材料的颗粒和在将该粒料物质306加热至足以熔融将会形成熔融的共晶或近共晶组合物的材料的温度时将会形成熔融的共晶或近共晶组合物的材料的颗粒的实施方案中，该孕育剂可以在该模腔中提供该粒料物质306之前与该粒料物质306混合，该孕育剂可以施加到该模具300的在该模腔302中的内表面上，或该孕育剂可以在该模腔302中提供该粒料物质306之后添加到在该模腔302中的粒料物质306中（在将该粒料物质306加热至足以熔融将要形成熔融的共晶或近共晶组合物的材料的温度之前，或在该模腔302中熔融将要形成熔融的共晶或近共晶组合物的材料之后）。 [0048] 在该模腔302中浇铸该牙轮122之后，该牙轮122可以从该模具300中取出。如前所述，有必要打碎模具300以便将该牙轮122从该模具300中取出。 [0049] 该共晶或近共晶组合物可以包含金属与硬质材料的共晶或近共晶组合物。 [0050] 该共晶或近共晶组合物的金属可以包含商业纯金属，如钴、铁或镍。在附加的实施方案中，该共晶或近共晶组合物的金属可以包含基于钴、铁和镍的一种或多种的合金。在此类合金中，可以包括一种或多种元素以配合所选择的该组合物的性质，如强度、韧度、耐腐蚀性或电磁性质。 [0051] 该共晶或近共晶组合物的硬质材料可以包含陶瓷化合物，如碳化物、硼化物、氧化物、氮化物或此类陶瓷化合物的一种或多种的混合物。 [0052] 在一些非限制性实例中，该共晶或近共晶组合物的金属可以包含钴基合金，该硬质材料可以包含碳化钨。例如，该共晶或近共晶组合物可以包含约40重量%至约90重量%的钴或钴基合金，约0.5重量%至约3.8重量%的碳，余量为钨。在进一步的实施例中，该共晶或近共晶组合物可以包含约55重量%至约85重量%的钴或钴基合金，约0.85重量%至约3.0重量%的碳，余量为钨。甚至更特别地，该共晶或近共晶组合物可以包含约65重量%至约78重量%的钴或钴基合金，约1.3重量%至约2.35重量%的碳，余量为钨。例如，该共晶或近共晶组合物可以包含约69重量%的钴或钴基合金（约78.8原子%的钴），约1.9重量%的碳（约10.6原子%的碳）和约29.1重量%的钨（约10.6原子%的钨）。作为另一实例，该共晶或近共晶组合物可以包含约75重量%的钴或钴基合金，约1.53重量%的碳和约23.47重量%的钨。 [0053] 一旦将该共晶或近共晶组合物加热至熔融状态，该金属和硬质材料相在该熔融组合物中将不可区分，其将简单地包含各种元素的整体均匀的熔融溶液。但是，在该熔融组合物冷却时，会发生相偏析，该金属相与硬质材料相可彼此分离，并凝固形成包括金属相的区域和硬质材料相的区域的复合显微组织。此外，在其中在模腔302中浇铸该共晶或近共晶组合物之前在模具300中提供粒料物质306的实施方案中，在所得浇铸牙轮122的最终显微组织中还可以存在来自该粒料物质306的附加相区域。 [0054] 当熔融的共晶或近共晶组合物冷却并发生相偏析时，金属和硬质材料相会再次成型。硬质材料相可以包括金属碳化物相。例如，此类金属碳化物相可以具有通式M6C和M12C，其中M代表一种或多种金属元素，C代表碳。作为特定实例，在其中要形成的所需的硬质材料相是碳化一钨（WC）的实施方案中，还可以形成通式WxCoyC的η相，其中x为约0.5至约6，y为约0.5至约6（例如W3Co3C和W6Co6C）。与主碳化物相（例如WC）相比，此类金属碳化钨η相倾向于相对耐磨，但是更脆。因此，此类金属碳化物η相对某些应用而言可能是不需要的。按照本公开的一些实施方案，可以采用碳校正循环以调节所得金属碳化物相中的化学计量比，其方式使得减少（例如至少基本消除）该浇铸牙轮122中此类不需要的金属碳化物η相（例如M6C和M12C）的所得量，并提高该浇铸牙轮122中所需的主金属碳化物相（例如MC和/或M2C）的所得量。例如但不限于，1986年4月1日授予Lueth的美国专利US 4,579,713中公开的碳校正循环可用于调节该浇铸牙轮122中所得金属碳化物相的化学计量比。 [0055] 简而言之，可以在真空炉中与含碳物质一起提供该牙轮122（或其中具有要用于形成该牙轮122的材料的模具300），随后加热至约800℃至约1100℃的温度，同时保持该炉在真空下。随后可以将氢气与甲烷的混合物引入到该炉中。混合物中甲烷的百分比为在该炉中的温度与压力下获得下列等式的平衡所需的甲烷量的约10%至约90%： [0056] [0057] 在将氢气与甲烷混合物引入到炉腔中之后，该炉腔保持在所选的温度和压力范围下对下列反应而言充足的时间段： [0058] [0059] 其中M可以选自W、Ti、Ta、Hf和Mo，以基本达到平衡，但是其中该反应： [0060] [0061] 由于总保持时间或由于气体停留时间而不能达到平衡，而该甲烷保持在获得平衡所需量的约10%至约90%内。该时间段为约15分钟至约5小时，取决于所选的温度。例如，在约1000℃的温度和约一个大气压的压力下，该时间可以为约90分钟。 [0062] 可以在浇铸工艺之前或在浇铸工艺过程中对用于形成浇铸牙轮122的材料实施碳校正循环，其方式使得阻碍或防止在该浇铸牙轮122中形成不需要的金属碳化物η相（例如M6C和M12C）。在附加的实施方案中，可以在浇铸工艺之后实施该碳校正循环，其方式使得将浇铸过程中在牙轮122中先期生成的不需要的金属碳化物相转化为更所需的金属碳化物相（例如MC和/或M2C），尽管此类转化会限于该牙轮122表面处或表面附近的区域。 [0063] 在附加的实施方案中，退火工艺可用于调节所得金属碳化物相的化学计量比，其方式使得减少（例如至少基本消除）该浇铸牙轮122中此类不需要的金属碳化物相（例如M6C和M12C）的所得量，并提高该浇铸牙轮122中所需的主金属碳化物相（例如MC和/或M2C）的量。例如，该浇铸牙轮122可以在炉中加热至至少约1200℃（例如约1225℃）的温度至少约三小时（例如约6小时或更久）。该炉可以包含真空炉，在该退火工艺过程中在该炉中可保持真空。例如，在该退火工艺过程中在该真空炉中保持约0.015毫巴的压力。在附加的实施方案中，该炉可以保持在接近大气压下，或其可以加压，如下文中进一步讨论的那样。在此类实施方案中，炉内的气氛可以包含惰性气氛。例如，该气氛可以包含氮气或惰性气体。 [0064] 在用于调节牙轮122中金属碳化物相化学计量比的上述工艺过程中，存在于该牙轮122中或与牙轮122相邻的游离碳（例如石墨）也可以被吸收并与金属（例如钨）混合以形成金属碳化物相（例如碳化钨），或混合到现有的金属碳化物相中。 [0065] 在一些实施方案中，热等静压（HIP）法可用于改善该浇铸牙轮122的密度并降低其孔隙率。例如，在浇铸工艺过程中，可以使用惰性气体对其中可进行浇铸过程的腔室加压。可以在浇铸工艺过程中或在浇铸工艺后但是在从模具300中取出该浇铸牙轮122之前施加压力。在附加的实施方案中，该浇铸牙轮122可以在将该浇铸牙轮122从模具300中取出后施以HIP法。例如，该浇铸牙轮122可以加热至约300℃至约1200℃的温度，同时向该牙轮122的外表面施加约7.0兆帕至约310,000兆帕（约1ksi至约45,000ksi）的等静压力。此外，还可以将如上所述的碳校正循环并入该HIP法中，以至于能够在用于该HIP法的相同炉腔中在HIP工艺之前或之后立即进行该碳校正循环。 [0066] 在附加的实施方案中，冷等静压法可用于改善该浇铸牙轮122的密度并降低其孔隙率。换言之，可以对该浇铸牙轮122施以至少约10,000兆帕的等静压力，同时保持该牙轮122在约300℃或更低的温度下。 [0067] 在形成该牙轮122后，可以对该牙轮122施以一种或多种表面处理。例如，喷丸硬化法（例如短喷丸硬化法、杆喷丸硬化法或锤击喷丸硬化法）可用于在该牙轮122的表面区域中赋予压缩残余应力。此类残余应力可以改善该牙轮122的表面区域的机械强度，并可用于阻碍该牙轮122在用于钻进过程中的开裂（这可能是由于例如疲劳）。 [0068] 制品的浇铸能够形成具有通过其它制造方法可能无法实现的相对复杂的几何构造的制品。由此，通过如本文中公开的浇铸钻地工具和/或钻地工具的部件，可以形成与之前制造的钻地工具和/或钻地工具的部件相比具有几何形状上相对更复杂的钻地工具和/或钻地工具的部件。 [0069] 下面描述本公开的附加的非限制性实施方案。 [0070] 实施方案1：形成钻地工具的至少一部分的方法，包括在模腔中提供包含硬质材料的粒料物质，将金属与该硬质材料熔融以形成包含该金属与该硬质材料的共晶或近共晶组合物的熔融组合物，在该模腔中浇铸该熔融组合物以形成该钻地工具的至少一部分，和在该模腔中提供孕育剂。 [0071] 实施方案2：实施方案的方法1，进一步包括调节该钻地工具的至少一部分的至少一种硬质材料相的化学计量比。 [0072] 实施方案3：实施方案2的方法，其中调节该钻地工具的至少一部分的至少一种硬质材料相的化学计量比包括将M6C相和M12C相的至少一种转化为MC相和M2C相的至少一种，其中M是至少一种金属元素，C是碳。 [0073] 实施方案4：实施方案3的方法，其中将M6C相和M12C相的至少一种转化为MC相和M2C相的至少一种包括将WxCoyC转化为WC，其中x为约0.5至约6，y为约0.5至约6。 [0074] 实施方案5：实施方案1至4的任一项的方法，其中将金属与硬质材料熔融以形成熔融组合物包括将包含约40重量%至约90重量%的钴或钴基合金和约0.5重量%至约3.8重量%的碳的混合物熔融，其中该混合物的余量至少基本由钨组成。 [0075] 实施方案6：实施方案1至5的任一项的方法，其中将金属与硬质材料熔融以形成熔融组合物包括将包含约55重量%至约85重量%的钴或钴基合金和约0.85重量%至约3.0重量%的碳的混合物熔融，其中该混合物的余量至少基本由钨组成。 [0076] 实施方案7：实施方案1至6的任一项的方法，其中将金属与硬质材料熔融以形成熔融组合物包括将包含约65重量%至约78重量%的钴或钴基合金和约1.3重量%至约2.35重量%的碳的混合物熔融，其中该混合物的余量至少基本由钨组成。 [0077] 实施方案8：实施方案1至7的任一项的方法，其中将金属与硬质材料熔融以形成熔融组合物包括将包含约69重量%的钴或钴基合金、约1.9重量%的碳和约29.1重量%的钨的混合物熔融。 [0078] 实施方案9：实施方案1至7的任一项的方法，其中将金属与硬质材料熔融以形成熔融组合物包括将约75重量%的钴或钴基合金、约1.53重量%的碳和约23.47重量%的钨熔融。 [0079] 实施方案10：实施方案1至9的任一项的方法，进一步包括在该模腔中浇铸该熔融组合物以形成该钻地工具的至少一部分之后压制该钻地工具的至少一部分。 [0080] 实施方案11：实施方案1至10的任一项的方法，进一步包括处理该钻地工具的至少一部分的至少一个表面区域以便在该钻地工具的至少一部分的至少一个表面区域中提供压缩残余应力。 [0081] 实施方案12：实施方案11的方法，其中处理该钻地工具的至少一部分的至少一个表面区域包括对该钻地工具的至少一部分的至少一个表面区域施以喷丸硬化法。 [0082] 实施方案13：实施方案1至12的任一项的方法，其中提供该孕育剂包括提供过渡金属铝酸盐、过渡金属偏硅酸盐和过渡金属氧化物的至少一种。 [0083] 实施方案14：实施方案1至13的任一项的方法，其中提供该孕育剂包括提供铝酸钴、偏硅酸钴和氧化钴的至少一种。 [0084] 实施方案15：实施方案1至14的任一项的方法，其中将金属与硬质材料熔融以形成熔融组合物包括形成钴和钨碳化物的共晶或近共晶组合物。 [0085] 实施方案16：实施方案1至15的任一项的方法，其中提供该孕育剂包括当该熔融组合物凝固时控制晶粒生长。 [0086] 实施方案17：形成钻地旋转钻头的牙轮的方法，包括形成包含钴和钨碳化物的共晶或近共晶组合物的熔融组合物，在模腔中浇铸该熔融组合物，在该模腔中凝固该熔融组合物以形成该牙轮，和当该熔融组合物在该模腔中凝固时使用孕育剂控制晶粒生长。 [0087] 实施方案18：实施方案17的方法，进一步包括将该牙轮中的W3Co3C相区域和W6Co6C相区域的至少一种转化为WC和W2C的至少一种。 [0088] 实施方案19：实施方案17或实施方案18的方法，其中形成熔融组合物包括形成包含约69重量%的钴或钴基合金、约1.9重量%的碳和约29.1重量%的钨的熔融组合物。 [0089] 实施方案20：实施方案17至19的任一项的方法，进一步包括在该模腔中浇铸该熔融组合物之后压制该牙轮。 [0090] 实施方案21：实施方案17至20的任一项的方法，进一步包括处理该牙轮的至少一个表面区域以便在该牙轮的至少一个表面区域中提供压缩残余应力。 [0091] 实施方案22：实施方案21的方法，其中处理该牙轮的至少一个表面区域包括对该牙轮的至少一个表面区域施以喷丸硬化法。 [0092] 实施方案23：实施方案17至22的任一项的方法，其中控制晶粒生长包括将过渡金属铝酸盐、过渡金属偏硅酸盐和过渡金属氧化物的至少一种添加到该模腔中。 [0093] 实施方案24：实施方案17至23的任一项的方法，其中控制晶粒生长包括将铝酸钴、偏硅酸钴和氧化钴的至少一种添加到该模腔中。 [0094] 实施方案25：包含钻地工具的至少一部分的制品，该制品包含包括金属相、硬质材料相和孕育剂的共晶或近共晶组合物。 [0095] 实施方案26：实施方案25的制品，其中该孕育剂包含过渡金属铝酸盐、过渡金属偏硅酸盐和过渡金属氧化物的至少一种。 [0096] 实施方案27：实施方案25或实施方案26的制品，其中该共晶或近共晶组合物包含约0.5重量%至约5重量%的孕育剂。 [0097] 实施方案28：实施方案25至27的任一项的制品，其中该金属相包含钴、铁、镍及其合金的至少一种。 [0098] 实施方案29：实施方案25至28的任一项的制品，其中该硬质材料相包含选自碳化物、硼化物、氧化物、氮化物及其混合物的陶瓷化合物。 [0099] 实施方案30：实施方案25至29的任一项的制品，进一步包括复合显微组织，所述复合显微组织包括金属相与硬质材料相的区域。 [0100] 实施方案31：实施方案25至30的任一项的制品，其中该硬质材料相包含金属碳化物相，所述金属碳化物相包括MC相和M2C相的至少一种，其中M是至少一种金属元素，C是碳。 [0101] 实施方案32：包含设置在模具中的通常均匀的熔融溶液的部分成型制品，该溶液包含金属、硬质材料和孕育剂。 [0102] 实施方案33：实施方案32的部分成型制品，其中该孕育剂包含过渡金属铝酸盐、过渡金属偏硅酸盐和过渡金属氧化物的至少一种。 [0103] 实施方案34：实施方案32或实施方案33的部分成型制品，其中该孕育剂包含铝酸钴、偏硅酸钴和氧化钴的至少一种。 [0104] 实施方案35：实施方案32至34的部分成型制品，其中该金属包含钴或钴基合金，该硬质材料包含碳化钨。 [0105] 实施方案36：包含钻地工具的至少一部分的部分成型制品。该部分成型制品包含共晶或近共晶组合物，该共晶或近共晶组合物包含金属与硬质材料，包含M6C相和M12C相的至少一种的至少一种混合金属碳化物相，和孕育剂。M是至少一种金属元素，C是碳。 [0106] 实施方案37：实施方案36的部分成型制品，其中该至少一种混合金属碳化物相包含WxCoyC的η相。X为约0.5至约6，y为约0.5至约6。 [0107] 实施方案38：实施方案36或实施方案37的部分成型制品，其中该共晶或近共晶组合物包含约40重量%至约90重量%的钴或钴基合金和约0.5重量%至约3.8重量%的碳，其中该混合物的余量至少基本由钨组成。 [0108] 实施方案39：实施方案36至38的部分成型制品，其中该孕育剂包含选自过渡金属铝酸盐、过渡金属偏硅酸盐和过渡金属氧化物的材料。 [0109] 实施方案40：实施方案36至39的部分成型制品，其中该孕育剂包含选自铝酸钴、偏硅酸钴和氧化钴的材料。 [0110] 尽管前述说明书包含许多细节，但这些不应解释为限制本发明的范围，而是仅应解释为提供特定示例性实施方案。类似地，可以设计本发明的其它实施方案，其不离开本发明的范围。例如，本文中参照实施方案描述的特征也可以在本文中描述的其它实施方案中提供。本发明的范围因此仅由所附权利要求和它们的法律等价物而非前述说明书来说明和限制。如本文中公开的那样，落在权利要求的含义与范围内的对本发明的所有增添、删减和改变包括在本发明中。 |
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