用于地层钻孔钻头的牙掌和锥体耐磨堆焊
专利汇可以提供用于地层钻孔钻头的牙掌和锥体耐磨堆焊专利检索，专利查询，专利分析的服务。并且一种 地层 钻孔 钻头 ，具有钻头体，和由所述钻头体悬挂的牙掌，所述牙掌具有周向延伸外表面、前侧和后侧。锥体可旋转安装到从牙掌向内悬挂的悬臂式支承轴上。由分散在镍基基体中的 碳 化物颗粒作为耐磨堆焊成分构成的第一层形成在牙掌上。由分散在 铁 基基体中的碳化物颗粒作为耐磨堆焊成分构成的第二层形成在锥体上。通过使用脉冲 等离子体 转移 电弧 法将碳化物颗粒传送到镍基基体中形成第一耐磨堆焊层。利用 焊枪 和包括容纳在铁基管内部的碳化物颗粒的耐磨堆焊管施加第二耐磨堆焊层。，下面是用于地层钻孔钻头的牙掌和锥体耐磨堆焊专利的具体信息内容。
1.一种地层钻孔钻头，包括：
钻头体；
由所述钻头体悬置的牙掌，所述牙掌具有周向延伸外表面、前侧 和后侧；
可旋转安装到悬臂式支承轴上的锥体，所述支承轴从牙掌向内悬 置；
形成在牙掌上、由分散在镍基基体中的碳化物颗粒作为耐磨堆焊 成分构成的第一层，其限定了第一耐磨堆焊层；和
形成于锥体上、由分散在铁基基体中的碳化物颗粒作为耐磨堆焊 成分构成的第二层，其限定了第二耐磨堆焊层；
2.如权利要求0所述的地层钻孔钻头，还包括与锥体相对应的沿 牙掌边缘界定的牙松钻头体，并且第一耐磨堆焊层的至少一部分形成 在牙松钻头体上。
3.如权利要求0所述的地层钻孔钻头，其中，所述锥体还包括位 于锥体上的多个齿，并且第二耐磨堆焊层也形成在所述齿的至少一部 分上。
4.如权利要求0所述的地层钻孔钻头，其中，所述锥体还包括保 径面，并且选自第一耐磨堆焊层和第二耐磨堆焊层的保径耐磨堆焊层 形成在保径面上。
5.如权利要求0所述的地层钻孔钻头，其中，所述保径耐磨堆焊 层包括第一耐磨堆焊层。
6.如权利要求0所述的地层钻孔钻头，其中，所述第一耐磨堆焊 层形成在牙掌的前侧上并且朝向牙掌后侧延伸。
7.如权利要求0所述的地层钻孔钻头，其中，所述第一耐磨堆焊 层从牙松钻头体沿牙掌的前侧延伸。
8.如权利要求0所述的地层钻孔钻头，其中，所述第一耐磨堆焊 层包括烧结碳化物颗粒，其粒度范围是直径在大约37微米到大约420 微米之间。
9.如权利要求0所述的地层钻孔钻头，其中，所述第一耐磨堆焊 层包括烧结碳化物颗粒，其粒度范围是直径在大约75微米到大约177 微米之间。
10.如权利要求0所述的地层钻孔钻头，其中，所述第一耐磨堆焊 层包括球形铸态碳化物颗粒和球形烧结碳化物颗粒，所述球形铸态碳 化物颗粒的粒度范围是直径在大约45微米到大约160微米之间，所述 球形烧结碳化物颗粒的粒度范围是直径在大约75微米到大约177微米 之间。
11.如权利要求0所述的地层钻孔钻头，其中：
所述第一耐磨堆焊层包括球形铸态碳化物颗粒和烧结碳化物颗 粒，所述铸态碳化物颗粒的粒度范围是直径在大约45微米到大约160 微米之间，所述烧结碳化物颗粒的粒度范围是直径在大约75微米到大 约177微米之间；并且
所述第二耐磨堆焊层包括球形烧结碳化物颗粒，其粒度范围是直 径在大约590微米到大约1190微米之间。
12.如权利要求0所述的地层钻孔钻头，其中：
所述第一耐磨堆焊层包括球形铸态碳化物颗粒和烧结碳化物颗 粒，所述铸态碳化物颗粒的粒度范围是直径在大约45微米到大约160 微米之间，所述烧结碳化物颗粒的粒度范围是直径在大约75微米到大 约177微米之间；并且
所述第二耐磨堆焊层包括球形烧结碳化物颗粒和球形铸态碳化物 颗粒，所述球形烧结碳化物颗粒的粒度范围是直径在大约590微米到 大约1190微米之间，所述球形铸态碳化物颗粒的粒度范围是直径在大 约177微米到大约250微米之间。
13.一种地层钻孔钻头，包括：
钻头体；
由所述钻头体悬挂的牙掌，所述牙掌具有周向延伸外表面、前侧 和后侧；
旋转安装到从牙掌向内悬挂的悬臂式支承轴上的锥体，与所述锥 体相对应的沿牙掌边缘界定的牙松钻头体；
位于所述锥体上的多个齿；
形成于牙松钻头体上、由分散在镍基基体中的碳化物颗粒作为耐 磨堆焊成分构成的牙松钻头体层；
形成于牙掌前侧上、由分散在镍基基体中的碳化物颗粒作为耐磨 堆焊成分构成的前侧层；和
形成于所述多个齿的至少选定部分上、由分散在铁基基体中的碳 化物颗粒作为耐磨堆焊成分构成的齿层。
14.如权利要求0所述的地层钻孔钻头，其中，所述齿进一步包括 具有保径面的边缘齿圈；并且还包括
形成于保径面上、由分散在镍基基体中的碳化物颗粒作为耐磨堆 焊成分构成的保径层。
15.如权利要求0所述的地层钻孔钻头，其中，由耐磨堆焊成分构 成的牙松钻头体层和前侧层中的所有碳化物颗粒在直径上小于420微 米。
16.如权利要求0所述的地层钻孔钻头，其中，由耐磨堆焊成分构 成的牙松钻头体层和前侧层中的所有碳化物颗粒在直径上小于177微 米。
17.如权利要求0所述的地层钻孔钻头，其中，由耐磨堆焊成分构 成的牙松钻头体层和前侧层中的所有碳化物颗粒在直径上小于177微 米，并且由耐磨堆焊成分构成的齿层中的至少一部分碳化物颗粒在直 径上大于177微米。
18.如权利要求0所述的地构成钻孔钻头，其中，由耐磨堆焊成分 构成的牙松钻头体层和前侧层包括球形铸态碳化物颗粒和球形烧结碳 化物颗粒，所述球形铸态碳化物颗粒的粒度范围是直径在大约45微米 到大约160微米之间，所述球形烧结碳化物颗粒的粒度范围是直径在 大约75微米到大约177微米之间。
19.一种用于制造地层钻孔钻头的方法，所述钻头包括：钻头体， 该钻头体具有由此悬置的牙掌，并且所述牙掌具有周向延伸外表面、 前侧和后侧；可旋转安装到从牙掌向内悬挂的悬臂式支承轴上的锥体， 所述方法包括步骤：
(a)通过将分散在镍基基体中的碳化物颗粒利用脉冲等离子体转 移电弧法传送给牙掌而形成由耐磨堆焊成分构成的牙掌层；和
(b)利用焊枪和包括容纳在铁基管内部的碳化物颗粒的耐磨堆 焊管给锥体施加由耐磨堆焊成分构成的锥体层。
20.如权利要求0所述的方法，其中步骤(a)包括：
使包含烧结碳化物颗粒、镍和惰性气体的混合物通过围绕电极的 环形通道流向喷嘴，其中所述烧结碳化物颗粒的粒度范围是直径在大 约37微米到大约420微米之间；和
当喷嘴靠近牙掌时，通过在牙掌和电极之间形成电弧而将混合物 熔化成沉积在牙掌上的等离子体耐磨堆焊成分。
21.如权利要求0所述的方法，其中，直径在大约45微米到大约 160微米之间的多个球形铸态碳化物颗粒与混合物一起流过环形通道 和喷嘴以便用电弧熔化。
22.如权利要求0所述的方法，其中，步骤(b)中的碳化物颗粒 包括球形烧结碳化物颗粒和球形铸态碳化物颗粒，所述球形烧结碳化 物颗粒的粒度范围是直径在大约590微米到大约1190微米之间，所述 球形铸态碳化物的粒度范围是直径在大约177微米到大约250微米之 间。
技术领域
本申请通常涉及耐磨堆焊，尤其是涉及施加于滚锥地层钻孔钻头 的牙掌和锥体的耐磨堆焊。
背景技术
在切屑冲走之前，当钻头旋转时，切屑滑过钻头的一部分。切屑 是研磨剂，因此会造成钻头表面磨损，从而最终导致失效。当面对磨 损问题时，尤其是在切削刀具上的现有切削元件的情况下，从至少19 世纪30年代以来，为本领域所公知的是在处于最严重磨损情况下的齿 的那些部分上提供耐磨金相材料层，称作“耐磨堆焊”。耐磨堆焊典型 地由分散在金属基体中的例如烧结、铸态或粗晶碳化钨的极硬颗粒组 成。通过将金属基体焊接到要硬化的表面上施加这种耐磨堆焊材料。
用于对切割元件进行耐磨堆焊的典型技术是氧乙炔焊或原子氢 焊。焊条或焊丝典型地形成为装有填料的低碳钢薄管，所述填料主要 包括碳化物颗粒。填料还可以包括用于钢的去氧剂、助熔剂和树脂粘 结剂。通过使齿面上的焊条端部熔化施加耐磨堆焊。钢管在其焊接到 钢齿上时熔化并且提供用于碳化物颗粒的基体。去氧剂与管的低碳钢 形成合金。
耐磨堆焊增强的耐磨性是人们所希望的，从而延长钻头在变钝之 前可以钻进的距离。耐磨性还允许钻头更有效地(因此更快地)切削 至这种深度。因此，增强的耐磨性带来的优点降低了部件和时间两方 面的钻孔成本。
发明内容
一种地层钻孔钻头具有钻头体和由所述钻头体悬置的牙掌。牙掌 具有周向延伸外表面、前侧和后侧。锥体可旋转安装到从牙掌向内悬 挂的悬臂式支承轴上。由分散在镍基基体中的碳化物颗粒作为耐磨堆 焊成分构成的第一层形成在牙掌上。该第一层限定了第一耐磨堆焊层。 地层钻孔钻头还具有形成于锥体上、由分散在铁基基体中的碳化物颗 粒作为耐磨堆焊成分构成的第二层。该第二层限定了第二耐磨堆焊层。
与锥体相对应的牙松钻头体可以沿牙掌边缘界定。第一耐磨堆焊 层的至少一部分可以形成在牙松钻头体上。
锥体还可以具有位于锥体上的多个齿，并且第二耐磨堆焊层也可 以形成在所述齿的至少一部分上。锥体可以具有多个齿，并且第二耐 磨堆焊层可以形成在所述齿的至少一部分上。锥体还可以具有保径面 和保径耐磨堆焊层，所述保径耐磨堆焊层形成在保径面上并且选自第 一耐磨堆焊层和第二耐磨堆焊层。保径耐磨堆焊层可以是第一耐磨堆 焊层。保径耐磨堆焊层还可以是第二耐磨堆焊层。
第一耐磨堆焊层还可以形成在牙掌的前侧上。第一耐磨堆焊层可 以从牙松钻头体沿牙掌前侧延伸。第一耐磨堆焊层也可以形成在牙掌 前侧上，并且朝向牙掌后侧延伸。
第一耐磨堆焊层可以具有烧结碳化物颗粒，其粒度范围是直径在 大约37微米到大约420微米之间，或者直径在大约75微米到大约177 微米之间。第一耐磨堆焊层可以具有球形铸态碳化物颗粒和球形烧结 碳化物颗粒，所述球形铸态碳化物颗粒的粒度范围是直径在大约45 微米到大约160微米之间，所述球形烧结碳化物颗粒的粒度范围是直 径在大约75微米到大约177微米之间。
第一耐磨堆焊层可以具有球形铸态碳化物颗粒和烧结碳化物颗 粒，所述铸态碳化物颗粒的粒度范围是直径在大约45微米到大约160 微米之间，所述烧结碳化物颗粒的粒度范围是直径在大约75微米到大 约177微米之间，而第二耐磨堆焊层具有球形烧结碳化物颗粒，其粒 度范围是直径在大约590微米到大约1190微米之间。
一种制造地层钻孔钻头的方法，包括步骤：通过将分散在镍基基 体中的碳化物颗粒利用脉冲等离子体转移电弧法传送给牙掌而形成由 耐磨堆焊成分构成的牙掌层。所述方法还包括利用焊枪和包括容纳在 铁基管内部的碳化物颗粒的耐磨堆焊管给锥体施加由耐磨堆焊成分构 成的锥体层。
形成由耐磨堆焊成分构成的牙掌层可以包括使包含烧结碳化物颗 粒、镍和惰性气体的混合物通过围绕电极的环形通道流向喷嘴，其中 所述烧结碳化物颗粒的粒度范围是直径在大约37微米到大约420微米 之间。形成由耐磨堆焊成分构成的牙掌层还可以包括当喷嘴靠近牙掌 时，通过在牙掌和电极之间形成电弧而将混合物熔化成沉积在牙掌上 的等离子体耐磨堆焊成分。在这种方法中，直径在大约45微米到大约 160微米之间的多个球形铸态碳化物颗粒可以与混合物一起流过环形 通道和喷嘴以便用电弧熔化。
在形成由耐磨堆焊成分构成的锥体层的步骤中，碳化物颗粒可以 具有球形烧结碳化物颗粒和球形铸态碳化物颗粒，所述球形烧结碳化 物颗粒的粒度范围是直径在大约590微米到大约1190微米之间，所述 球形铸态碳化物颗粒的粒度范围是直径在大约177微米到大约250微 米之间。
可选地，一种地层钻孔钻头可以具有钻头体，其中牙掌由所述钻 头体悬挂。牙掌具有周向延伸外表面、前侧和后侧。锥体可旋转安装 到从牙掌向内悬挂的悬臂式支承轴上。与锥体相对应的牙松钻头体沿 牙掌边缘界定。多个齿位于锥体上。由分散在镍基基体中的碳化物颗 粒作为耐磨堆焊成分构成的牙松钻头体层形成在牙松钻头体上。由分 散在镍基基体中的碳化物颗粒作为耐磨堆焊成分构成的前侧层形成在 牙掌前侧上。最后，地层钻孔钻头还具有形成于所述多个齿的至少选 定部分上、由分散在铁基基体中的碳化物颗粒作为耐磨堆焊成分构成 的齿层。
地层钻孔钻头的齿可以具有边缘齿圈，该边缘齿圈具有保径面。 地层钻孔钻头还可以具有形成于保径面上、由分散在镍基基体中的碳 化物颗粒作为耐磨堆焊成分构成的保径层。
由耐磨堆焊成分构成的牙松钻头体层和前侧层中的所有碳化物颗 粒可以在直径上小于420微米。由耐磨堆焊成分构成的牙松钻头体层 和前侧层中的所有碳化物颗粒还可以在直径上小于177微米。
由耐磨堆焊成分构成的牙松钻头体层和前侧层中的所有碳化物颗 粒在直径上小于177微米，并且由耐磨堆焊成分构成的齿层中的至少 一部分碳化物颗粒在直径上大于177微米。
附图说明
图1是立面侧视图，显示了具有根据本发明的耐磨堆焊的钻头。
图2是示意性剖视图，显示了施加于牙掌的耐磨堆焊。
图3是图2中所施加耐磨堆焊的显微放大图。
图4是透视图，显示了施加于图1所示钻头锥体齿上的耐磨堆焊。
具体实施方式
每个锥体21具有大致圆锥结构，含有多个周向排列的齿23。在 该实施例中，齿23由锥体21的支撑(support)金属机加工或铣削而 成。可选地，齿23可以是压配合到锥体支撑金属上的配合孔中的碳化 钨镶嵌物(compact)。每个锥体21在其界定了钻头11的保径或直径 的底部具有保径面25。
钻头体13由焊接在一起的三个头部组成。每个头部具有牙掌27， 其从钻头体13向下延伸并支撑锥体21之一。牙掌27和头部具有界定 了钻头11的外径的弓形外表面。凹陷区域29位于各牙掌27之间，所 述凹陷区域小于钻头体13的外径以形成使钻井流体和切屑返回的通道。
牙掌耐磨堆焊31施加给每个头部及其牙掌27的一部分。牙掌耐 磨堆焊31的图案可以不同。提交于2004年7月29日的美国专利申请 序列号No.10/902,222，和公开于2006年2月2日的美国公开号 No.US2006/0021800教导了牙掌耐磨堆焊31的各种图案，上述文献在 此全文引入作为参考。在该实例中，牙掌耐磨堆焊31包括凸缘，其从 近补偿器17沿头部和牙掌27的前缘向下延伸到每个牙掌27的下缘或 牙松钻头体32。牙掌耐磨堆焊31的下部弯曲以符合牙松钻头体32的 轮廓。牙掌耐磨堆焊31在该实例中的总体结构为钩形。对于本领域技 术人员来说显而易见的是，耐磨堆焊31可以具有若干种图案变形，包 括耐磨堆焊31从牙掌27的前侧向牙掌27的后侧延伸。
参考图2，在优选实施例中，通过焊枪33以多轴自动方式施加牙 掌耐磨堆焊31，但是也可以手动施加。焊枪33以选定图案施加牙掌 耐磨堆焊31。焊枪33以称作脉冲等离子体转移电弧法(PPTA)的传 统方式操作。焊枪33具有位于内管37中的电极35。外管39在内管 37周围延伸，界定了环形通道41。粉末状耐磨堆焊物质43和惰性气 体由储料漏斗(未显示)向下送入环形通道41。具有直径D的喷嘴 45位于环形通道41的下端。保护气体47向下流入电极35和内管33 之间。在电极35和牙掌27之间提供的脉冲直流电产生电弧50，其产 生包含粉末状耐磨堆焊物质43的等离子流48。
耐磨堆焊材料43由基体金属合金颗粒和碳化物颗粒组成。根据申 请人的知识，在钻头头部的外周上的PPTA现有技术应用中，碳化物 颗粒只包括铸态碳化物颗粒或单晶碳化物颗粒。对于在钻头外周上进 行PPTA耐磨堆焊而言，在本申请中还使用烧结或硬质碳化物颗粒49 (图3)，根据申请人的知识，这种技术在过去没有使用。烧结或硬质 碳化物颗粒49在图3中显示为浅色颗粒，并且包括与通常为钴的粘结 剂烧结在一起的碳化物颗粒晶体。粘结剂的含量可以改变，在一个实 施例中，粘结剂包括6％钴。优选地，烧结碳化物颗粒49具有大致球 形。烧结碳化物颗粒49不是真正的球形，而是没有通常在压碎或其他 非球形碳化物晶粒或颗粒中发现的锐边、角和角突起。这些表面不规 则物造成颗粒具有残余应力，并且可能在耐磨堆焊成分施加期间熔化， 从而降低耐磨堆焊的性质。通常，认为球形颗粒具有降低的残余应力 水平，并且通常不具有在施加期间熔化的不规则物。
在过去，烧结碳化物颗粒已经用于钻头上的非PPTA耐磨堆焊应 用，但只是在较大尺寸的情况下。本申请中的烧结碳化物颗粒49必须 小到足以不堵塞喷嘴45。优选地，最大尺寸的烧结碳化物颗粒49的 最大直径小于喷嘴45的直径D的一半。直径D可以改变，并且在一 个实例中为0.045英寸。烧结碳化物颗粒49的期望粒度范围是直径为 大约37微米-420微米(0.001″＝25.4微米)，更优选地为75微米-177 微米。在优选的粒度范围内，网筛尺寸为-60+200目。这种符号表示， 要保留的颗粒将通过60目网筛，不通过200目网筛。
如上所述，耐磨堆焊材料43还包括球形铸态颗粒51，其也显示 在图3中。对于利用焊枪33的应用来说，球形铸态颗粒51是传统的， 并且具有传统尺寸。球形铸态颗粒51通常比烧结碳化物颗粒49更像 球形，而且也足够小以避免堵塞焊枪33的环形通道41。在优选实施 例中，球形铸态颗粒51的直径为45微米到160微米，但是该范围可 以改变。球形铸态颗粒51与烧结颗粒49的相对比例可以根据应用而 不同。在一个实施例中，按重量计算，所述比例是25％球形铸态颗粒 49和75％烧结碳化物颗粒51，但该比例也可倒过来。
耐磨堆焊材料43还包括合金颗粒，其用作耐磨堆焊31的基体。 合金颗粒在图3中的显微放大图中没有显示，这是因为它们熔化于等 离子体柱中并且形成保持颗粒49和51的基体或支撑金属。在熔化前， 金属合金颗粒的平均最大直径为大约37微米-150微米。按重量计算 的合金颗粒数量可以改变，但是，通常比合成碳化物49、51的重量小 得多。优选地，碳化物颗粒49、51构成流入环形通道41的全部耐磨 堆焊材料43的重量的60％到80％。
合金颗粒可以在它们的原生金属方面不同。在一个实施例中，原 生金属为镍，但是也可以使用铁。当镍作为合金颗粒的原生金属时， 基体为镍基。当铁作为合金颗粒的原生金属时，基体为铁基。镍具有 比铁低的熔点。这允许操作人员配置焊枪33以更快地横移或者在较低 温度下操作。实验表明，在高于镍的温度下熔化的铁基合金趋向于注 入烧结碳化物颗粒中，这是有害的。但是，镍不如铁坚硬或者耐大作 用力冲击性通常不如铁，因此也不能在大冲击应用下保持碳化物颗粒 49、51。参考图1，与钻头的其他区域，尤其是齿23相比，牙掌耐磨 堆焊31是低冲击区域。但是，周围的地层构造可以是极具研磨性的。 镍基(而不是铁基)基体的使用非常适合于耐磨性，但是镍基基体对 高冲击区域中的耐磨堆焊是有害的。
合金颗粒可以具有包含在每个颗粒中的其他元素，并且元素类型 以及相对数量可以改变。优选地，在镍基基体中，合金颗粒包括1％-5％ 硼，通常3％左右；1％-5％硅，典型地3％左右；和0％-8％铬，余量 为镍。同样，小百分比的铁可以加入到镍中，例如1％的1/10。在铁 基基体中，合金颗粒可以包括碳化钒或其它碳化物，其范围可以在例 如0.5％-35％之间变化。
在焊枪33的操作中，直流电施加在电极35和牙掌27之间。当提 供电流时，电弧50产生含有耐磨堆焊粉末43的极热等离子流48。耐 磨堆焊粉末43形成牙掌27上的耐磨堆焊31。电流以传统方式在选定 频率下呈脉冲状通断。
例如耐磨堆焊31的耐磨堆焊还可以施加到锥体保径面25上。保 径面25在高磨损区域内，但是对保径面25的影响不严重，因此可以 使用镍基合金耐磨堆焊，如上所述。按照上述方法的保径面25上的耐 磨堆焊可以在具有例如图1所示锥体21的铣削齿锥体的钻头和带有碳 化钨镶嵌物的钻头上进行。对本领域技术人员来说显而易见的是，保 径面25上的耐磨堆焊还可以是如上所述实例中的镍基或铁基。
参考图4，一个高冲击区域是包含在齿23上的耐磨堆焊53(图1)， 该耐磨堆焊优选地具有铁基合金，而不是镍基。耐磨堆焊53可以是现 有技术类型。在该实施例中，利用耐磨堆焊管55和氧乙炔喷焊器57 以传统手工方式施加耐磨堆焊53。管55包含填料，其是希望的耐磨 堆焊材料混合物，并且管55的周围金属起到基体金属或合金金属作 用。管55中的耐磨堆焊材料可以广泛地变化。在一个实例中，耐磨堆 焊材料可以包括：
-16/+20目(大约820微米和1190微米之间)烧结碳化钨球形颗 粒-大约33％
-20/+30目(大约590微米和840微米之间)烧结碳化钨球形颗粒 -大约35％
-20/+30目(大约590微米和840微米之间)压碎的烧结矿碳化钨 球形颗粒-大约15％
-60/+85目(大约250微米和177微米之间)球形铸态碳化钨-大 约15％
同样，加入元素通常包含在管中，例如硅锰合金和铌。耐磨堆焊 颗粒对管55的合金金属的重量百分比优选地在67％到71％的范围内。
尽管本发明已经显示了一些形式，但是对于本领域技术人员来说 显而易见的是，本发明并不限于此，而是在不脱离本发明范围的情况 下存在多种变化。
相关申请
本专利申请要求提交于2005年3月17日，序列号N0.60/662,833 的公开未审的美国临时专利申请的优先权，该申请在此全文引入作为 参考。
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