專利名稱：燒結(jié)碳化鎢巖石鉆頭牙輪的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明通常涉及具有旋轉(zhuǎn)牙輪的鉆地鉆頭，尤其涉及具有由例如 燒結(jié)碳化鴒的燒結(jié)顆粒復(fù)合材料形成的牙輪的鉆地鉆頭。
背景技術(shù)：
旋轉(zhuǎn)鉆頭通常用于在地層中鉆孔或鉆井。 一類旋轉(zhuǎn)鉆頭是牙輪鉆 頭(通常稱作"巖石"鉆頭)，其典型地包括固定到從鉆頭主體垂下的 牙掌上的多個錐形切削元件。所有鉆頭具有帶螺紋頂端的主體，所迷 螺紋頂端用于連接到鉆柱上。所述主體具有三個懸垂牙掌，每個牙掌 具有牙輪軸頸(bearing pin )。旋轉(zhuǎn)牙輪安裝在每個牙輪軸頸上。
一類鉆頭具有牙輪，所述牙輪具有壓配合到形成于牙輪外部上的 配合孔中的硬合金齒。硬合金齒伸出殼體以接合和破碎地層。通過在 模型內(nèi)壓緊碳化鎢顆粒和金屬粘結(jié)劑的混合物，隨后加熱受壓產(chǎn)物使 其燒結(jié)來形成硬合金齒。牙輪殼體或主體由鋼制成，從而使硬質(zhì)合金 齒比牙輪殼體更耐磨損。在包括延長操作時間的鉆進應(yīng)用中，或者地 層和鉆井流體中含有大量磨粒時，會發(fā)生牙輪的大范圍腐蝕和磨損， 從而導(dǎo)致硬合金齒損耗。
另一類牙輪具有直接銑削或機加工在鋼制牙輪外表面上的齒。在 機加工齒之后，對牙輪的齒面、保徑面和其它表面進行表面硬化以實 現(xiàn)耐磨。表面硬化典型地包括包埋在亞鐵基基體中的碳化鎢團粒或球 粒。使用多種不同類型的表面硬化顆粒，包括燒結(jié)碳化鵠、鑄造碳化
5鴒、粗結(jié)晶碳化鎢及其混合物。典型地，利用氧-乙炔炬手動進行表面 硬化。在施加期間，技術(shù)人員利用火焰熔化含有表面硬化顆粒的鋼管 并且將所述物質(zhì)沉積在牙輪的選定部位上。
進行表面硬化是勞動密集型的，不好控制或不可重復(fù)，同樣，會 由于最終表面硬化齒的固有鈍性而抑制切削結(jié)構(gòu)?？梢詫⒈砻嬗不?削到希望的形狀。受讓給本發(fā)明的受讓人并在此引入作為參考的美國
專利No.6，766，870公開和顯示了通過二次機械加工操作使表面石更化齒 成形的方法。然而，通過銑削削尖表面硬化齒在制造過程中增加了另 一個較為困難和昂貴的步驟。同樣，牙輪殼體未被表面硬化的部位會 在磨鉆條件下大范圍腐蝕，從而導(dǎo)致整個牙輪或齒發(fā)生損耗。
另一種鉆頭是固定牙輪式鉆頭，其不具有旋轉(zhuǎn)牙輪。作為替代， 多個聚晶金剛石切削元件固定到鉆頭的切削表面上。在一種類型中， 固定牙輪式鉆頭具有由顆粒基體復(fù)合材料制成并連接到鋼桿上的鉆頭 冠部。鉆桿具有用于連接到鉆柱上的螺紋頂端。典型地，通過將例如 碳化鵠、碳化鈦或碳化鉭的硬質(zhì)顆粒材料連同例如銅合金的合金基體 材料一起放置在界定鉆頭外形的剛性模型腔室內(nèi)來形成顆?；w鉆頭 冠部。隨后，典型地由石墨構(gòu)成的模型(具有樹脂覆型砂成分型芯、 石墨或陶瓷置換件、模塑粘土或其它幾何結(jié)構(gòu)限定材料)放入熔爐中 以熔化銅合金，滲透碳化鵠顆粒并將其粘結(jié)到一起。鋼坯可以連同碳 化鴒顆粒一起在加熱之前包埋在模型中。在加熱和基體滲透完成之后， 將坯件機加工到允許連接螺紋桿的構(gòu)造?？蛇x地，鉆頭冠部可以分別 形成，隨后粘結(jié)到螺紋鋼桿上。
因為顆?；w鉆頭冠部由于其鑄造過程之后的硬度不能容易地進 行機加工，模型腔室必須形成為鉆頭的最終希望形狀和尺寸。模型結(jié)
構(gòu)復(fù)雜并且需要大范圍機加工和手工修整。模型通常必須在滲透周期 之后破壞以取出加工好的鉆頭冠部，并且只能使用一次，從而使得顆 ?；w鉆頭成本昂貴。
用于形成固定牙輪式鉆頭冠部的顆粒基體材料與用于旋轉(zhuǎn)牙輪式 鉆頭的壓配合硬合金齒或切削元件在幾個方面存在區(qū)別。顆?；w冠部的材料通常具有低于燒結(jié)碳化鎢切削元件的材料的強度。典型地， 用于切削元件的燒結(jié)碳化鎢材料與顆粒基體鉆頭冠部的材料相比，通 常具有更高的耐壓強度、抗張強度和抗彎強度。顆?；w材料的硬質(zhì)
顆粒典型地大于液相燒結(jié)材料的硬質(zhì)顆粒，典型地為至少20-25微米， 而用于燒結(jié)碳化鎢切削元件的鎢顆粒典型地小于20微米。顆?；w鉆 頭冠部的基體典型地包括銅基合金，而燒結(jié)碳化鵠切削元件的粘結(jié)劑 由鈷、鎳、鐵或其合金制成。顆?；w鉆頭冠部中粘結(jié)劑的數(shù)量為大 約40-70%體積比，而燒結(jié)碳化鴒切削元件中粘結(jié)劑的數(shù)量為大約 6-16%重量比。
形成顆粒基體鉆頭冠部的方法遠不同于形成燒結(jié)碳化鵠切削元件 的方法。主要的差異在于，顆?；w鉆頭冠部不在模型中經(jīng)受高壓。 相反，碳化鵠粉末倒入耐熔模型中，所述模型預(yù)先構(gòu)造為界定希望的 外形。在熔爐滲透期間，銅合金基體熔化，在硬質(zhì)顆粒之間流動并將 它們粘結(jié)到一起。顆?；w鉆頭冠部的鉆頭在較低溫度和沒有受控氣 氛的情況下在熔爐中進行處理。用于形成顆?；w鉆頭冠部的溫度典 型地為大約1180-1200度。
相反，通過利用高壓在燒結(jié)之前壓緊硬質(zhì)合金顆粒和金屬粘結(jié)劑 來使燒結(jié)碳化鎢切削元件成形。利用除了如銅基合金的低熔點粘結(jié)劑 之外的粘結(jié)劑使燒結(jié)碳化鎢燒結(jié)需要真空或可控氣氛爐。在燒結(jié)碳化 物的情況下，粘結(jié)合金在最初壓制到部件形狀之前混合并分散在硬質(zhì) 合金聚集物中。在熔爐燒結(jié)期間，混合的粘結(jié)劑顆粒熔化并形成圍繞 硬質(zhì)骨料顆粒的連續(xù)相。在基體鉆頭冠部進行滲透的情況下，沒有粘 合劑從外源或儲存器流動。用于使碳化鴒切削元件燒結(jié)的溫度為大約 1320-1370度。在上述溫度下，在含氧氣氛中不能進行高溫處理，因 為這些物質(zhì)在處理溫度下會發(fā)生氧化。對硬質(zhì)合金的燒結(jié)步驟導(dǎo)致顯 著收縮，因為受壓顆粒成分中的孔隙由于粘結(jié)材料熔化并且熔融粘結(jié) 劑的最終表面張力將顆粒拉動到一起而得以消除。在顆?；w鉆頭冠 部的情況下，隙間體積充滿由外部儲存器供給的熔融金屬粘結(jié)劑，而 不會對顆粒底座產(chǎn)生明顯的壓實作用。硬質(zhì)合金中的體積收縮值典型
7地為20%到50%，同時在顆?；w鉆頭冠部的加熱步驟期間不會發(fā)生 顯著的收縮。

發(fā)明內(nèi)容
在本發(fā)明中，地層鉆孔鉆頭的牙輪完全由燒結(jié)硬質(zhì)顆粒復(fù)合材料 制成。在一個實施例中，牙輪的切削元件包括與所述牙輪整體形成的 齒。在另一個實施例中，切削元件包括分開形成的硬合金齒，所述硬 合金齒壓配合到牙輪主體的配合孔中。制造每一牙輪和切削元件中硬 質(zhì)顆粒的材料選自金剛石、碳化硼、氮化硼、氮化鋁、以及由W、 Ti、 Mo、 Nb、 V、 Hf、 Ta、 Cr、 Zr、 Al和Si組成的組的碳4匕物或硼4匕物。 粘結(jié)劑選自鈷、鎳、鐵、鈦及其合金。牙輪和切削元件可以免于或包 括表面硬化。牙輪的鉆頭體和牙輪軸頸傳統(tǒng)上優(yōu)選地為合金鋼并由其 制成。
在優(yōu)選的生產(chǎn)工藝中，由硬質(zhì)顆粒和金屬粘結(jié)劑制成的粉末混合 物放置在模型中。隨后，給粉末施加高壓以形成鑄坯。優(yōu)選地，鑄坯 具有足夠的強度以保持粘結(jié)形狀，允許操作人員對鑄坯進行機加工以 將所述鑄坯制成錐形產(chǎn)品。在單獨壓制不足以提供具有足夠強度的鑄 坯以承受機加工的情況下，選擇性地，操作人員可以在機加工之前將 鑄坯預(yù)燒結(jié)到部分燒結(jié)的狀態(tài)。在任一方法中，錐形產(chǎn)品使其至少一 部分尺寸有選擇地超過希望的最終尺寸。隨后，錐形產(chǎn)品放置在提供 真空、受控氣氛或高壓情況的熔爐中，以使所述產(chǎn)品燒結(jié)到希望的密 度。燒結(jié)導(dǎo)致錐形產(chǎn)品收縮到希望的最終尺寸。
在一個實施例中，燒結(jié)之前的機加工處理包括在錐形牙輪上機加 工齒。在另一個實施例中，燒結(jié)之前的機加工處理包括在錐形牙輪上 鉆出切削元件凹窩。選擇性地，操作人員可以將圓柱形置換構(gòu)件插入 孔中，其在燒結(jié)期間保持不動以更好地界定孔的形狀和限制孔的收縮。 在燒結(jié)之后，操作人員將分開形成的碳化物切削元件壓配合到所述孔 中。
擠壓硬質(zhì)顆粒和粘結(jié)劑粉末的步驟可以兩種方式進行。在一個方法中，操作人員將硬質(zhì)顆粒和粘結(jié)劑粉末放在不可滲透的柔性容器中。 容器由液體包圍，并且給所述液體施加壓力。在另一個方法中，操作
人員將所述粉末放在剛性模型的腔室內(nèi)。隨后，用壓實器(ram)壓 緊粉末。


圖1是根據(jù)本發(fā)明的一個實施例構(gòu)造的地層鉆孔鉆頭的側(cè)部立面圖。
圖2是圖1所示鉆頭的局部剖視圖，顯示了牙輪軸頸之一以及多 個錐形牙輪中每一個的切削結(jié)構(gòu)，所有錐形牙輪在單個平面中旋轉(zhuǎn)。
圖3是用于圖1所示地層鉆孔鉆頭的錐形牙輪的可選實施例的局 部剖視圖。
圖4是示意圖，顯示了均衡擠壓硬質(zhì)顆粒和金屬粘結(jié)劑粉末以形 成用于圖2或3所示錐形牙輪的鑄坯的步驟。
圖5是示意圖，顯示了圖3的可選實施例步驟，其中，在壓實器 和模型施加的壓力作用下形成鑄坯。
圖6是示意圖，顯示了在真空爐內(nèi)進行燒結(jié)之后和安裝切削元件 硬合金齒之前的圖3所示錐形牙輪。
具體實施例方式
參考圖1，地層鉆孔鉆頭11具有帶螺紋15的主體13，所述螺紋 形成在所述主體的頂端以連接到鉆柱上。主體13具有三個整體形成的 牙掌17。每個牙掌17具有牙輪軸頸19，如圖2所示。優(yōu)選地，鉆頭 體13和牙輪軸頸19通常由合金鋼制成。
每個牙掌17在其牙輪軸頸19上支撐錐形牙輪21(圖2)。每個錐 形牙輪21具有圓柱形腔室23，以形成對牙輪軸頸19的軸頸支承面。 腔室23還具有平面止推肩部24以吸收由鉆柱作用在錐形牙輪21上的 推力。每個錐形牙輪21具有形成在其腔室23中的鎖定凹槽25。在所 示實例中，卡環(huán)27位于凹槽25和形成在牙輪軸頸19上的配合凹槽中，
9以將錐形牙輪21鎖定在牙輪軸頸19上。錐形牙輪21具有用于接收密 封件31的密封槽29。密封槽29臨近錐形牙輪21的背面33定位。如 圖所示，密封件31為彈性環(huán)，但是它也可以為其它類型。背面33是 圍繞通向腔室23的入口的平坦環(huán)形表面。
錐形牙輪21具有多排切削元件，其在圖1和2所示實施例中包括 齒35。齒35由每個錐形牙輪21的主體或殼體材料整體機加工而成。 齒35可以在數(shù)量方面不同，具有各種形狀，并且排數(shù)可以改變。錐形 保徑面37圍繞背面33并界定了鉆頭11的外徑。
潤滑劑通過潤滑劑通道3 9供應(yīng)給位于腔室2 3和牙輪軸頸19之間 的空間。潤滑劑通道39通向儲存器，所述儲存器包括壓力補償器41 (圖l)并且可以為常規(guī)設(shè)計。仍然參考圖1，鉆頭體13具有用于將鉆 井流體排入鉆孔中的噴嘴43，所述鉆井流體連同切屑 一起向上返回到 地面。
在圖3所示實施例中，鉆頭45還具有多個牙掌47 (只顯示了一 個)，并且牙輪軸頸49從每個牙掌47垂下。錐形牙輪51具有旋轉(zhuǎn)安 裝到牙輪軸頸49上的中央腔室52以形成軸頸支承。在這個實例中， 錐形牙輪51通過位于錐形牙輪腔室52和牙輪軸頸49中的配合凹槽內(nèi) 的多個鎖定球53保持在牙輪軸頸49上。密封組件55密封錐形牙輪腔 室52和牙輪軸頸49之間的支承空間。密封組件55可以為不同類型并 且顯示為金屬面密封組件。錐形牙輪51與錐形牙輪21的不同之處在 于，錐形牙輪51的切削元件59包括燒結(jié)碳化鴒硬合金齒，其壓配合 到形成在錐形牙輪51外部的配合孔57中。每個硬合金齒59具有裝入 孔57之一 內(nèi)的圓柱形桶狀本體和可以具有各種形狀的伸出切削端。
每個錐形牙輪21和51優(yōu)選地由燒結(jié)硬質(zhì)顆粒復(fù)合材料制成，所 述復(fù)合材料包括硬質(zhì)顆粒和金屬粘結(jié)劑。硬質(zhì)顆?？梢园ń饎偸?陶瓷材料，例如碳化物、氮化物、氧化物和硼化物(包括碳化硼(B4C ))。 更具體地，硬質(zhì)顆粒可以包括由例如W、 Ti、 Mo、 Nb、 V、 Hf、 Ta、 Cr、 Zr、 Al和Si的元素組成的碳化物和硼化物。作為實例并且非限 制性的，用于形成硬質(zhì)顆粒的材料包括碳化鎢(WC、 W2C)、碳化鈦(TiC)、碳化鉭(TaC)、 二硼化鈦(TiB2)、碳化鉻、氮化鈦(TiN)、 碳化釩(VC )、氧化鋁(A1203 )、氮化鋁(A1N )、氮化硼(BN )和碳 化硅(SiC)。而且，不同硬質(zhì)顆粒的組合可用于調(diào)整顆?；w復(fù)合材 料的物理性能和特征。硬質(zhì)顆?？梢岳帽绢I(lǐng)域技術(shù)人員公知的方法 獲得。對于硬質(zhì)顆粒而言最合適的材料為市場上銷售的那些，其余材 料的獲得在本領(lǐng)域普通技術(shù)人員的能力范圍之內(nèi)。
粘合劑例如可以包括鈷基、鐵基、鎳基、鐵鎳基、鈷鎳基、鐵鈷 基、鋁基、銅基、鎂基和鈦基合金。粘合劑還可以選擇商業(yè)純元素， 例如，鈷、鋁、銅、鎂、鈦、鐵和鎳。作為實例并且非限制性的，粘 合劑可以包括碳鋼、合金鋼、不銹鋼、工具鋼、鎳或鈷超合金材料以 及低熱膨脹鐵或鎳基合金，例如INVAR 。當(dāng)在此使用時，術(shù)語"超 合金"是指具有至少12%重量百分比的鉻的鐵、鎳、鈷基合金?？捎?作粘結(jié)材料的其它示例性合金包括奧氏體鋼，例如INCONEL 625M 或Rene 95的鎳基超合金，以及熱膨脹系數(shù)與特定顆粒基體復(fù)合材料 中所用硬質(zhì)顆粒的熱膨脹系數(shù)極為相近的INVAI^型合金。使粘結(jié)材 料的熱膨脹系數(shù)與硬質(zhì)顆粒的熱膨脹系數(shù)極為接近是有利的，例如減 少與殘余應(yīng)力和熱疲勞相關(guān)的問題。另 一 示例性粘結(jié)材料是Hadfield 奧氏體錳鋼(鐵具有大約12%重量比的錳，和1.1%重量比的碳)。
在本發(fā)明的一個實施例中，燒結(jié)硬質(zhì)顆粒復(fù)合材料可以包括多個 -400 ASTM (美國材料試驗協(xié)會)目碳化鴒顆粒。例如，碳化鴒顆粒 可以大體上由WC組成。當(dāng)在此使用時，短語"-400ASTM目顆粒" 是指能夠穿過按照名稱為"試驗?zāi)康挠媒饘俳z布和篩網(wǎng)的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范" 的ASTM規(guī)范E11-04所定義的ASTM No.400網(wǎng)篩的顆粒。這種碳化 鴒顆粒的直徑小于大約38微米。粘結(jié)材料可以包括金屬合金，其包括 大約50。/。重量比的鈷和大約50。/。重量比的鎳。碳化鴒顆?？梢哉紡?fù)合 材料重量比的大約60%到大約95%，并且粘結(jié)材料可以占復(fù)合材料重 量比的大約5%到大約40%。更具體地，碳化鴒顆粒可以占復(fù)合材料 重量比的大約70%到大約80%,并且粘結(jié)材料可以占復(fù)合材料重量比 的大約20%到大約30%。
ii在本發(fā)明的另 一個實施例中，燒結(jié)硬質(zhì)顆粒復(fù)合材料可以包括多
個-635ASTM目碳化鴒顆粒。當(dāng)在此使用時，短語"-635ASTM目顆 粒"是指能夠穿過按照名稱為"試驗?zāi)康挠媒饘俳z布和篩網(wǎng)的標(biāo)準(zhǔn)規(guī) 范"的ASTM規(guī)范Ell-04所定義的ASTMNo.635網(wǎng)篩的顆粒。這種 碳化鴒顆粒的直徑小于大約20微米。粘結(jié)材料可以包括鈷基金屬合 金，其包括大體上工業(yè)純鈷。例如，粘結(jié)材料可以包括高于大約98% 重量比的鈷。碳化鵠顆粒可以占復(fù)合材料重量比的大約60%到大約 95%，并且粘結(jié)材料可以占復(fù)合材料重量比的大約5%到大約40%。 在形成之后，錐形牙輪21或51具有大約75到92 Rockwell A的硬度。 圖4顯示了形成錐形牙輪21 (圖2)或錐形牙輪51 (圖3)的方 法的一個步驟，所述錐形牙輪大體上由燒結(jié)硬質(zhì)顆粒復(fù)合材料制成。 所述方法通常包括提供粉末混合物，擠壓粉末混合物以形成鑄坯，將 所述鑄坯機加工成希望的錐形產(chǎn)品，隨后將所述錐形產(chǎn)品燒結(jié)成希望 的錐形牙輪21或51。選擇性地，如果在必要時給鑄坯增加強度，則 可以在機加工前對鑄坯進行部分燒結(jié)。
參見圖4，可以在模型或容器63內(nèi)利用大體上均衡壓力擠壓粉末 混合物61。粉末混合物61包括多個如前所述的硬質(zhì)顆粒和多個同樣 如前所述的包括粘結(jié)材料的顆粒。選擇性地，粉末混合物61進一步包 括在擠壓粉末混合物時通常使用的添加劑，例如，用于在擠壓期間提 供潤滑和給受壓粉末成分提供結(jié)構(gòu)強度的材料，用于使粘結(jié)更為柔韌 的增塑劑以及用于減少內(nèi)部顆粒摩擦的潤滑劑或壓縮助劑。
容器63可以包括流體密封的可變形構(gòu)件65。例如，可變形構(gòu)件 65可以是大體上圓柱形袋，包括可變形和不滲透的聚合材料，優(yōu)選地 為彈性材料，例如橡膠、氯丁橡膠、硅酮或聚亞安酯。容器63可以進 一步包括大體上剛性的密封板66?？勺冃螛?gòu)件65充滿粉末混合物61 并選擇性地振動以使粉末混合物61均勻分布在可變形構(gòu)件65內(nèi)。密 封板66隨后附接或結(jié)合到可變形構(gòu)件65上，以便在其間提供流體密 封。
內(nèi)部具有粉末混合物61的容器63放在壓力室67內(nèi)?？尚渡w69可用于提供通向壓力室67內(nèi)部的入口。在高壓下，利用泵(未顯示) 將流體通過端口 71泵入壓力室67中。流體優(yōu)選地為通常不可壓縮液 體，例如水或油；然而，它可以是或包括氣體、例如，空氣或氮氣。 流體高壓導(dǎo)致構(gòu)件65產(chǎn)生變形。流體壓力可以大體上均勻地傳遞給粉 末混合物61。在均衡擠壓期間，壓力室67內(nèi)的壓力會大于大約35兆 帕(大約5,000磅/平方英寸)。更特別地，在均衡擠壓期間，壓力室 67內(nèi)的壓力會大于大約138兆帕(20,000磅/平方英寸)。
在可選方法中，可以在軟質(zhì)容器63內(nèi)提供真空，并且大于大約 0.1兆帕(大約15磅/平方英寸)的壓力可以(例如通過大氣)施加給 容器63的可變形構(gòu)件65以壓實粉末混合物61。粉末混合物61的均 衡擠壓形成鑄坯，其在用于機加工的擠壓之后從壓力室67和容器63 中取出。如果通過圖4所示設(shè)備形成，鑄坯通常具有圓柱形構(gòu)造。
參考圖5，形成未燒結(jié)鑄坯的可選方法包括使用剛性模型73，所 述模型具有用于接收粉末混合物75的腔室。粉末混合物75可以與圖 4所示實施例的粉末混合物61相同。如果希望的話，模型73的腔室 通常為圓錐形以形成總體錐形鑄坯?？蛇x地，腔室可以為圓柱形，導(dǎo) 致圓柱形鑄坯的形成。活塞或壓實器77密封接合位于粉末75上方的 模型73的壁。作用于柱塞77上的向下力將粉末混合物75擠壓成適于 機加工的粘結(jié)形狀。
在優(yōu)選的方法中，不管如圖4還是圖5那樣形成，鑄坯在不預(yù)燒 結(jié)的情況下機加工成希望的構(gòu)造。然而，如果希望的話，可以進行一 些預(yù)燒結(jié)，尤其是對于較大尺寸的錐形牙輪21或51來說。所述機加 工以與現(xiàn)有技術(shù)中操作人員機加工鋼制錐形牙輪大體上相同的方式進 行。然而，因為在燒結(jié)期間會產(chǎn)生后來的收縮，錐形未燒結(jié)產(chǎn)品的尺 寸會過大。因為在形成例如圖3中硬合金齒59的碳化鎢切削元件方面 的多年實踐中，本領(lǐng)域中總體上知道硬質(zhì)顆粒復(fù)合材料產(chǎn)品會在燒結(jié) 期間會產(chǎn)生多少收縮。在確定適當(dāng)?shù)呐蛎洸考缀谓Y(jié)構(gòu)之前，對于顆 ?；旌衔飦碚f，可以通過經(jīng)驗確定更精確的收縮值。提供給機械師的 各種尺寸將會尺寸過大，從而解決這類收縮問題。就機加工未燒結(jié)鑄坯期間的錐形牙輪21 (圖2)來說，操作人員 形成錐形牙輪21的幾乎全部結(jié)構(gòu)特征，包括齒35、腔室23、密封槽 29、鎖定凹槽25和止推面24。類似地，對于錐形牙輪51 (圖4)來 說，操作人員將形成錐形牙輪51的本體、腔室52和用于硬合金齒59 的孔57。硬合金齒59將以傳統(tǒng)的方式分開形成。盡管同樣由燒結(jié)顆 粒復(fù)合材料形成，硬合金齒59通常為不同類型，與錐形牙輪51的主 體相比，通常具有不同的成分。
操作人員隨后將機加工后的錐形產(chǎn)品放入熔爐并加熱，直到該產(chǎn) 品為全致密的。優(yōu)選地，熔爐是提供真空、受控氣氛或高壓狀態(tài)的裝 置。通常在真空或者除了空氣之外的受控氣氛下進行燒結(jié)。當(dāng)燒結(jié)如 圖所示的硬合金齒型錐形牙輪51時，可選的置換構(gòu)件81插入孔57 中，如圖6所示。置換構(gòu)件81包括銷釘，其尺寸設(shè)置成與用于每個硬 合金齒59(圖3)的孔57的最終希望尺寸相符。置換構(gòu)件81由例如 陶瓷的材料制成，所述材料在燒結(jié)溫度下保持穩(wěn)定。孔57在燒結(jié)之前 直徑尺寸大于置換構(gòu)件81，并且在燒結(jié)期間收縮到構(gòu)件81的直徑。 圖6顯示了燒結(jié)之后的外觀。燒結(jié)溫度對于特定的顆粒復(fù)合材料來說 是常規(guī)的。用于具有鈷粘結(jié)劑的燒結(jié)碳化鵠材料的燒結(jié)溫度為大約 1320度到1500度。
在燒結(jié)過程中，密度增加并且錐形產(chǎn)品進行收縮。在燒結(jié)之后， 錐形牙輪21具有用于齒35、背面33和保徑面37的希望的外部構(gòu)造。 對這些表面應(yīng)當(dāng)有必要進行有限機加工或不再進行機加工。需要對腔 室23進行精機加工，尤其是磨削和拋光以達到希望的表面光潔度。對 于硬合金齒錐形牙輪51來說，同樣需要對其腔室52進行精機加工。 然而，在精機加工過程中只有非常少的金屬被去除，因此，盡管錐形 牙輪21和51在此時相當(dāng)堅硬，也可以相對容易地進行精機加工。
在錐形牙輪21 (圖2)燒結(jié)并精加工后，它以傳統(tǒng)方式安裝到牙 輪軸頸19 (圖2)上。支承面利用潤滑劑以與鋼制錐形牙輪相同的方 式進行潤滑。錐形牙輪21可以在其外部具有或不具有任何表面硬化。 可以在鉆頭體13上，尤其是牙掌17上進行表面硬化。類似地，在錐形牙輪51 (圖3)燒結(jié)之后，取出置換構(gòu)件81，并且硬合金齒59壓 入孔57中。硬合金齒59也可以利用本領(lǐng)域已知的粘合劑、軟釬焊、 硬釬焊技術(shù)結(jié)合到孔57中。錐形牙輪腔室52進行精加工，錐形牙輪 51以傳統(tǒng)方式安裝到牙輪軸頸49上。
在另一種加工方法中，除了形成未燒結(jié)或部分燒結(jié)的碳化物的鑄 坯之外，操作人員可以將鑄坯液相燒結(jié)到最終的密度和硬度。利用傳 統(tǒng)或超聲波加工方法進行機加工。超聲波法給旋轉(zhuǎn)刀具施加高頻振動 以加強材料的去除。
本發(fā)明具有顯著優(yōu)點。錐形牙輪非常耐腐蝕和耐磨損，因為它由 硬度遠高于現(xiàn)有技術(shù)的鋼的材料制成。勞動密集型表面硬化應(yīng)用減少 或消除。
盡管本發(fā)明已經(jīng)顯示了一些形式，但是對于本領(lǐng)域技術(shù)人員來說 顯而易見的是，本發(fā)明并不限于此，在不脫離本發(fā)明范圍的情況下存 在多種變化。
權(quán)利要求
1. 一種鉆地鉆頭，包括鉆頭體，其具有至少一個由此垂下的牙輪軸頸；和錐形牙輪，其旋轉(zhuǎn)安裝到牙輪軸頸上，所述錐形牙輪具有多個切削元件，所述錐形牙輪和切削元件均由燒結(jié)復(fù)合材料形成，所述復(fù)合材料包括與金屬合金粘結(jié)劑一起燒結(jié)的硬質(zhì)顆粒。
2. 如權(quán)利要求l所述的鉆頭，其中所述硬質(zhì)顆粒選自金剛石、碳化硼、氮化硼、氮化鋁、以及由W、 Ti、 Mo、 Nb、 V、 Hf、 Ta、 Cr、 Zr、 Al和Si組成的組的碳4匕物或硼 化物；和所述粘結(jié)劑選自鈷、鎳、鐵、鈦及其合金。
3. 如權(quán)利要求2所述的鉆頭，其中，粘結(jié)劑相對于硬質(zhì)顆粒的數(shù) 量為大約5%到40%重量百分比。
4. 如權(quán)利要求l所述的鉆頭，其中，所述切削元件包括與所述錐 形牙輪整體形成的齒。
5. 如權(quán)利要求l所述的鉆頭，其中，所述切削元件包括連接到所 述錐形牙輪上的分開形成的硬合金齒。
6. —種鉆地鉆頭，包括主體，其具有多個牙輪軸頸，每個牙輪軸頸由所述主體垂下并朝 向鉆頭旋轉(zhuǎn)軸線向下和向內(nèi)延伸，所述主體和牙輪軸頸由合金鋼制成； 多個錐形牙輪，每個錐形牙輪具有內(nèi)部腔室，所述內(nèi)部腔室安裝在牙輪軸頸之一上以在鉆頭體旋轉(zhuǎn)時相對于牙輪軸頸旋轉(zhuǎn)；每個錐形牙輪具有外表面，所述外表面包含由此伸出的多個切削元件；并且其中所述錐形牙輪和切削元件由燒結(jié)碳化鵠制成。
7. 如權(quán)利要求6所述的鉆頭，其中，所述切削元件包括與每一錐 形牙輪整體形成的齒。
8. 如權(quán)利要求6所述的鉆頭，其中，所述切削元件包括連接到所述錐形牙輪上的分開形成的硬合金齒。
9. 如權(quán)利要求6所述的鉆頭，其中，燒結(jié)碳化鎢具有金屬粘結(jié)劑， 所述金屬粘結(jié)劑選自鈷、鎳、鐵及其合金。
10. —種制造鉆地鉆頭的錐形牙輪的方法，包括(a) 將硬質(zhì)顆粒和金屬粘結(jié)劑粉末放置在模型中；隨后，(b) 給所述粉末施加壓力以形成鑄坯；(c) 對所述鑄坯進行機加工以使其形成錐形產(chǎn)品；隨后，(d) 將所述錐形產(chǎn)品燒結(jié)到希望的密度。
11. 如權(quán)利要求IO所述的方法，其中步驟(c)包括對所述鑄坯進行機加工，使得所述錐形產(chǎn)品的至少 一部分尺寸有選擇地大于所述錐形牙輪的最終希望尺寸；以及在步驟(d)期間，所述錐形產(chǎn)品收縮到所述錐形牙輪的大體上 希望的最終尺寸。
12. 如權(quán)利要求10所述的方法，其中，步驟(c)還包括在所述 錐形產(chǎn)品上機加工齒。
13. 如權(quán)利要求10所述的方法，其中步驟(c)還包括在所述鑄坯中機加工多個孔；以及 所述方法還包括在步驟(d)之后，將硬質(zhì)合金切削元件安裝在 所述孔中。
14. 如權(quán)利要求13所述的方法，其中，所述方法還包括 在步驟(c)之后，將圓柱形置換構(gòu)件插入所述孔中，所述置換構(gòu)件具有孔的最終希望直徑；并且步驟(d)還包括在燒結(jié)時將所述置換構(gòu)件留在孔內(nèi)以限制 所述孔的收縮。
15. 如權(quán)利要求10所述的方法，其中，在鑄坯處于完全未燒結(jié)情 況下進行步驟(c)。
16. 如權(quán)利要求10所述的方法，還包括在步驟(b)之后和步驟(c)之前，加熱所述鑄坯以使其部分地 燒結(jié)。
17. 如權(quán)利要求10所述的方法，其中步驟(c )還包括在所述鑄坯內(nèi)機加工圓柱形腔室以將所述錐形牙 輪安裝到鉆頭的支承軸上；以及所述方法還包括在步驟(d)之后，將所述圓柱形腔室精加工成 具有希望尺寸和表面光潔度的支承面。
18. 如權(quán)利要求IO所述的方法，其中，所述硬質(zhì)顆粒包括 選自金剛石、碳化硼、氮化硼、氮化鋁、和W、 Ti、 Mo、 Nb、 V、Hf、 Ta、 Cr、 Zr、 Al和Si構(gòu)成的組的碳化物或硼化物的材料；以及 所述粘結(jié)劑選自鈷、鎳、鐵、鈦及其合金。
19. 如權(quán)利要求IO所述的方法，其中，步驟(b)執(zhí)行如下 將所述粉末放置和密封到柔性且不滲透的容器中； 使流體包圍所述容器；和給所述流體施加壓力。
20. 如權(quán)利要求IO所述的方法，其中，步驟(b)執(zhí)行如下 將所述粉末放置在剛性模型的腔室內(nèi)；和 用壓實器壓緊所述粉末。
全文摘要
地層鉆孔鉆頭(11)具有鋼制主體(13)和用于旋轉(zhuǎn)支撐錐形牙輪的牙輪軸頸。錐形牙輪具有包含多排切削元件的外表面。錐形牙輪(21)和切削元件(35)由燒結(jié)碳化鎢制成。通過給硬質(zhì)顆粒和金屬合金粉末的混合物施加壓力以形成鑄坯，隨后將所述鑄坯機加工到希望的過大錐形產(chǎn)品來制造所述錐形牙輪。隨后，錐形產(chǎn)品液相燒結(jié)到希望的密度，從而收縮到希望的最終形狀。
文檔編號E21B10/46GK101512096SQ200780033376
公開日2009年8月19日 申請日期2007年7月13日 優(yōu)先權(quán)日2006年7月17日
發(fā)明者J·W·伊森, R·H·史密斯, T·伯吉斯 申請人:貝克休斯公司