專利名稱：硬面堆焊用于磨損環(huán)境的鉆地鉆頭的硬面堆焊材料及其制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明總體涉及硬面堆焊，特別涉及改善的高度磨損金屬基質(zhì)復(fù) 合硬面堆焊材料，例如用于井下工具。
背景技術(shù)：
在設(shè)計和制造鉆地鉆頭中，長期存在的做法是向這些鉆頭的在 鉆孔操作期間經(jīng)受磨損的表面施加耐磨硬面堆焊材料。在滾動牙輪鉆 頭型的鉆地鉆頭中，這些表面包括銑削或鋼齒型鉆頭的齒，滾動牙輪 鉆頭的保徑面(gage surface)和包含鉆頭本體的鉆頭巴掌的巴掌底 緣(shirttail )。
在過去，這些硬面堆焊組合物通常包含處在鐵、鈷或鎳以及它們 的合金和混合物構(gòu)成的基質(zhì)金屬中的IVB、VB和VIB族元素的碳化物。 采用氧乙炔或原子氫炬，通過熔化要施加硬面堆焊的一部分表面和基 質(zhì)來施加硬面堆焊物。碳化物顆粒賦予硬面堆焊材料硬度和耐磨性， 而基質(zhì)金屬提供硬面堆焊物的斷裂韌性。硬面堆焊組合物必須在耐磨 性(硬度)和斷裂韌性之間達到足夠的平衡。極其堅硬且耐磨的硬面 堆焊組合物可能缺乏斷裂韌性，引起硬面堆焊物過早開裂和剝落。相 反，具有足夠斷裂韌性但具有不足硬度和耐磨性的硬面堆焊物受到過 早侵蝕且不能用于其目的。很多因素影響用于特定用途的硬面堆焊組合物的適合性。這些因 素包括該組合物中使用的碳化物的化學(xué)組成和物理結(jié)構(gòu)，基質(zhì)金屬或 合金的顯微組織和化學(xué)組成，以及碳化物材料彼此之間和碳化物材料 與基質(zhì)金屬或合金之間的相對比例。
在White的共同轉(zhuǎn)讓美國專利No. 3, 800， 891中公開了用于鉆地鉆 頭的硬面堆焊組合物方面的早期進展。該專利公開了在合金鋼基質(zhì)中 包含燒結(jié)碳化鎢的硬面堆焊組合物。燒結(jié)的碳化鎢包含與非碳化物材 料(例如鈷)粘結(jié)劑燒結(jié)并保持在一起的碳化鴒晶?；蝾w粒。燒結(jié)碳 化鴒具有比更常規(guī)的鑄造碳化鵠更大的斷裂韌性，使得所得的硬面堆 焊組合物具有良好的斷裂韌性，而不犧牲硬度和耐磨性。
Keshavan的美國專利No. 4, 836, 307公開了在低碳鋼基質(zhì)中利用 膠結(jié)或燒結(jié)碳化鵠的顆粒和相對小的單晶碳化一鵠的顆粒，有時稱之 為"粗晶"碳化鴒。聲稱該組合物具有燒結(jié)碳化鴒的優(yōu)點如美國專利 No. 3, 800, 891中所公開，具有單晶碳化一鴒(其比膠結(jié)或燒結(jié)碳化鴒 更硬)的優(yōu)點，但比可選鑄造碳化物的脆性低。
Findeisen的美國專利5， 089， 182 />開了制備鑄造碳化物丸粒的 方法，所述丸粒大致為球形且相對于現(xiàn)有技術(shù)的碳化物丸粒具有改善 的機械和冶金學(xué)性能。這些鑄造丸粒并非確切為球形，但足夠?qū)ΨQ， 使得丸粒中的殘余應(yīng)力被最小化。同樣，這些丸粒的大致為球形的形 狀消除了常規(guī)破碎顆粒中存在的棱角、尖緣和角狀突出物，所述棱角、 尖緣和角狀突出物會提高顆粒中的殘余應(yīng)力且在將硬面堆焊組合物施 加于表面時趨于熔化。
Schader的美國專利No. 5， 663， 512/>開了包括一定量球形燒結(jié)碳 化鎢細粒和一定量鑄造的球形碳化鴒細粒(以WC/W2C共晶形式)的硬 面堆焊組合物。在使用期間，發(fā)生燒結(jié)球形碳化物細粒的一些熔化， 其析出至金屬基質(zhì)中并包覆球形WC/W2C細粒。盡管該組合物在硬度和 斷裂韌性之間提供了良好平衡，鉆頭具有鋼的韌性、延性和沖擊強度 以及在外表面上的碳化鎢或其它硬金屬的硬度和耐磨性，但是期望不 存在現(xiàn)有技術(shù)鋼本體或鋼齒鉆頭的問題。

發(fā)明內(nèi)容
公開了用于井下工具的高磨蝕金屬基質(zhì)復(fù)合硬面堆焊材料的體
系、方法和設(shè)備的實施方案。硬面堆焊材料可以包含具有高硬度的 相對較軟材料的基質(zhì)例如非晶納米復(fù)合鋼合金，以及一種或多種硬組 分材料。硬組分材料可包含燒結(jié)碳化鴒(例如WC/Co)、單晶WC、復(fù) 晶或多晶WC、以及球形鑄造碳化鎢(例如WC/W2C的共晶)的附加組 分。作為替代，可以使用較軟材料的基質(zhì)、硬組分材料和破碎的鑄造 碳化鴒。
參考以下對本發(fā)明的詳細描述，結(jié)合所附權(quán)利要求和附圖，本領(lǐng) 域技術(shù)人員將清楚本發(fā)明的上述和其它目的和優(yōu)勢。


因此通過參考構(gòu)成本說明書一部分的附圖中所圖解的實施方案， 可更詳盡地理解本發(fā)明的特征和優(yōu)點，使得本發(fā)明的特征和優(yōu)點變得 明顯和被實現(xiàn)，并給出上文概述的本發(fā)明的更具體的描述。然而應(yīng)注 意，附圖僅僅圖解了本發(fā)明的一些實施方案，因此不應(yīng)視為限制其范 圍，因為本發(fā)明還可以涵蓋其它同等有效的實施方案。
圖1是根據(jù)本發(fā)明構(gòu)造的鉆頭的一個實施方案的等軸視圖； 圖2是根據(jù)本發(fā)明構(gòu)造的硬面堆焊材料的一個實施方案的顯微 圖；和
圖3是根據(jù)本發(fā)明構(gòu)造的硬面堆焊材料的另一實施方案的顯微圖。
具體實施例方式
由非晶納米復(fù)合鋼合金例如NANOSTEEL⑧形成石更面堆焊材料，例如 目前商購用于等離子轉(zhuǎn)移電弧(PTA)焊的應(yīng)用的那些。據(jù)報導(dǎo)一些最 近的材料具有高硬度同時保持其韌性，這對于沖擊載荷是期望的。
與常規(guī)PTA鎳基或鐵基硬面堆焊材料相關(guān)的問題之一是隨著較軟材料硬度增加，其硬組分顆粒的保持力受到損害。這可產(chǎn)生脆化的 沉積物并損害硬面堆焊物。然而，作為改善的應(yīng)用技術(shù)的結(jié)果，可以
利用更奇特(exotic)材料例如非晶納米復(fù)合鋼合金作為相對較軟材 料，與硬組分材料一起用于井下工具。
例如，可以將燒結(jié)碳化鴒或鑄造碳化鴒例如球形的或破碎的、單 晶或多晶WC、或其它碳化物形成體用作較軟非晶納米復(fù)合鋼合金中的 硬組分材料，以便實現(xiàn)甚至更好的耐磨性而不損失韌性或損害最終沉 積物。通過改變物理尺寸及這些硬組分材料的組合，特別是球形燒結(jié) 碳化鴒丸粒和/或球形鑄造碳化鴒，獲得了優(yōu)異的耐磨組合物。
現(xiàn)在參考圖1，顯示了高度磨損金屬基質(zhì)復(fù)合硬面堆焊材料21的 一個實施方案。本發(fā)明特別良好地適用于井下工具上的很多不同位置， 例如在鉆頭23的牙輪巴掌(roller cone leg )或其它類型的井下工 具(例如鋼齒鉆頭、TCI鉆頭、鋼體PDC鉆頭、RWD工具等)上，但不 限于這些應(yīng)用。
如圖2所示，硬面堆焊材料可含有具有高硬度(例如最小為60Rc， 且在一些實施方案中為65+Rc，例如72Rc)的較軟材料的基質(zhì)11例如 非晶納米復(fù)合鋼合金(例如MNOSTEEL⑧)，以及一種或多種硬組分材 料。所述硬組分材料可選自例如燒結(jié)碳化鵠(如WC/Co)(球形的 燒結(jié)碳化鎢13或破碎的燒結(jié)碳化鴒15 )，單晶WC、粗晶WC、復(fù)晶或 多晶WC，而且在一些實施方案中，球形鑄造碳化鴒(例如WC/W2C共 晶)l7的附加組分，每一種這些附加組分可為破碎的形式。在圖3中 顯示了另 一實施例，具有相對較軟材料(例如非晶納米復(fù)合鋼合金)的 基質(zhì)31和硬組分材料例如單晶WC 33和破碎的鑄造碳化鴒35。
本發(fā)明可以包含各種組分之間的多種不同尺寸比例。例如，各種 組分的顆粒尺寸可以例如為-16目至+ 325目。此外，組分之間的分 布還可以按重量百分比配制，例如30重量％軟組分和70重量％石更組 分。其它實施方案的范圍包含約20重量％的軟組分的下限至90重量 %的軟組分的上限，而補充的硬組分的下限和上限為10重量％和80 重量％。此外，硬組分可以包含至多100%燒結(jié)碳化鴒(例如破碎的或球形的)，或低于100%球形鑄造碳化鎢(例如破碎的)，或單晶wc、 粗晶wc或多晶wc,或其任何組合。
盡管僅以其一些形式顯示或描述了本發(fā)明，但本領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng) 清楚本發(fā)明不只局限于此，而是允許各種改變而不背離本發(fā)明的范圍。
例如，盡管采用PTA焊接說明本發(fā)明，但還可以使用本領(lǐng)域技術(shù)人員 公知的其它焊接技術(shù)，例如MIG、 TIG (上述任何焊接均可以為連續(xù)的 或脈沖的電弧應(yīng)用)、焰噴、氧乙炔等。
權(quán)利要求
1.用于高磨損用途的硬面堆焊材料，其由金屬基質(zhì)復(fù)合物形成，包含由較軟非晶納米復(fù)合鋼合金形成的且具有至少60Rc的硬度的基質(zhì)；和在較軟非晶納米復(fù)合鋼合金的基質(zhì)中的硬組分，該硬組分具有高于基質(zhì)的硬度。
2. 根據(jù)權(quán)利要求l的硬面堆焊材料，其中基質(zhì)占金屬基質(zhì)復(fù)合物的約20-90重量％，且硬組分占金屬基質(zhì)復(fù)合物的約10-80重量％。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1的硬面堆焊材料，其中基質(zhì)占金屬基質(zhì)復(fù)合物 的約30重量％，且硬組分占金屬基質(zhì)復(fù)合物的約70重量％。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1的硬面堆焊材料，其中基質(zhì)占金屬基質(zhì)復(fù)合物 的約40重量％，且硬組分占金屬基質(zhì)復(fù)合物的約60重量％。
5. 根據(jù)權(quán)利要求1的硬面堆焊材料，其中硬組分包含球形燒結(jié)碳 化鴒丸粒。
6. 根據(jù)權(quán)利要求1的硬面堆焊材料，其中硬組分由燒結(jié)碳化鴒和 鑄造碳化鴒中的至少 一種形成。
7. 根據(jù)權(quán)利要求1的硬面堆焊材料，其中硬組分由球形碳化鴒和 破碎碳化鴒中的至少 一種形成。
8. 根據(jù)權(quán)利要求1的硬面堆焊材料，其中硬組分由單晶WC、粗晶 WC和多晶WC中的至少一種形成。
9. 根據(jù)權(quán)利要求1的硬面堆焊材料，其中硬組分還包含球形鑄造 碳化鴒。
10. 根據(jù)權(quán)利要求1的硬面堆焊材料，其中硬組分具有-16至+ 325目的顆粒尺寸，且基質(zhì)具有至少65Rc的硬度。
11. 井下工具，包含 井下工具本體；井下工具本體上的硬面堆焊物，硬面堆焊物由用于高度磨損用途 的金屬基質(zhì)復(fù)合物形成；所述硬面堆焊物包含由較軟的非晶納米復(fù)合鋼合金形成的且具有至少60Rc的硬度 的基質(zhì)；和在較軟的非晶納米復(fù)合鋼合金的基質(zhì)中的硬組分，該硬組分具 有高于基質(zhì)的硬度。
12. 根據(jù)權(quán)利要求11的井下工具，其中基質(zhì)占金屬基質(zhì)復(fù)合物的 約20-90重量％，且硬組分占金屬基質(zhì)復(fù)合物的約10-80重量％。
13. 根據(jù)權(quán)利要求11的井下工具，其中井下工具本體包含具有保 徑區(qū)域的鉆頭本體、巴掌和可旋轉(zhuǎn)地安裝于所述巴掌的牙輪，且每一 牙輪具有由其延伸的鋼齒，且其中硬面堆焊物位于保徑區(qū)域、巴掌和 鋼齒中的至少之一上。
14. 根據(jù)權(quán)利要求11的井下工具，其中基質(zhì)占金屬基質(zhì)復(fù)合物的 約40重量％,且硬組分占金屬基質(zhì)復(fù)合物的約60重量％。
15. 根據(jù)權(quán)利要求11的井下工具，其中硬組分包含球形燒結(jié)碳化 鴒丸粒。
16. 根據(jù)權(quán)利要求11的井下工具，其中硬組分由燒結(jié)碳化鎢和鑄 造碳化鵠中的至少一種形成。
17. 根據(jù)權(quán)利要求16的井下工具，其中硬組分還包含球形碳化鎢 和破碎碳化鎢中的至少 一種。
18. 根據(jù)權(quán)利要求16的井下工具，其中硬組分還包含單晶WC、粗 晶WC和多晶WC中的至少一種。
19. 根據(jù)權(quán)利要求11的井下工具，其中硬組分還包含球形鑄造碳 化鴒。
20. 根據(jù)權(quán)利要求11的井下工具，其中硬組分具有-16至+ 325 目的顆粒尺寸，且基質(zhì)具有至少65Rc的硬度。
21. —種形成鉆頭的方法，包含(a) 向牙輪提供由其延伸的鋼齒；(b) 在鋼齒上施加硬面堆焊物，硬面堆焊物由用于高度磨損用途 的金屬基質(zhì)復(fù)合物形成；硬面堆焊物包含由較軟非晶納米復(fù)合鋼合 金形成并具有至少60Rc的硬度的基質(zhì)；和在較軟非晶納米復(fù)合鋼合金 的基質(zhì)中的硬組分，該硬組分具有高于基質(zhì)的硬度；以及(c) 將牙輪可旋轉(zhuǎn)地安裝到鉆頭本體。
22. 根據(jù)權(quán)利要求21的方法，其中步驟(b)包含用焊接技術(shù)將硬 面堆焊物施加到鋼齒，所述焊接技術(shù)選自PTA脈沖電弧焊、PTA連續(xù) 電弧焊、MIG脈沖電弧焊、MIG連續(xù)電弧焊、TIG脈沖電弧焊、TIG連 續(xù)電弧焊和氧乙炔焊。
23. 根據(jù)權(quán)利要求21的方法，其中基質(zhì)占金屬基質(zhì)復(fù)合物的約 20-90重量％,且硬組分占金屬基質(zhì)復(fù)合物的約10-80重量％。
24. 根據(jù)權(quán)利要求21的方法，其中硬組分選自燒結(jié)碳化鎢、鑄造 碳化鴒、球形燒結(jié)碳化鎢丸粒、球形碳化鎢、破碎碳化鎢、單晶WC、 粗晶WC和多晶WC。
25. 根據(jù)權(quán)利要求21的方法，其中硬組分還包含球形鑄造碳化鎢， 且硬組分具有-16至+ 325目的顆粒尺寸，而基質(zhì)具有至少65Rc的硬 度。
全文摘要
公開了用于井下工具的高磨損的金屬基質(zhì)復(fù)合硬面堆焊材料。硬面堆焊材料可包含具有較高硬度的較軟材料例如非晶納米復(fù)合鋼合金的基質(zhì)，以及一種或多種硬組分材料。硬組分材料可以包含燒結(jié)碳化鎢、單晶WC、多晶WC以及球形鑄造碳化鎢的附加組分。作為替代，可以使用較軟材料的基質(zhì)、硬組分材料和破碎鑄造碳化鎢。
文檔編號E21B10/50GK101595233SQ200780049890
公開日2009年12月2日 申請日期2007年12月20日 優(yōu)先權(quán)日2006年12月21日
發(fā)明者J·L·歐夫斯特里特 申請人:貝克休斯公司