[发明专利]具有改进的抗热开裂性的制品

说明书

本申请是国际申请日为2007年10月25日、申请号为200780036791.1、发明名称为“具有改进的抗热开裂性的制品”的发明专利申请的分案申请。 

相关申请的交叉引用 

本申请要求2006年10月25日提交的共同未决的美国临时专利申请No.60/854,348的优先权。 

技术领域

本发明涉及对包含烧结碳化物(cemented carbide)的制品例如切削工具、切削嵌件(insert)、密封圈、辊轧机辊、用于地下钻探钻头(earth boring bits)的切削元件以及经历加热和/或热循环的其它制品的改进。本发明还涉及制造这种制品的方法。更具体地说，本发明的某些实施方式涉及具有改进的抗热开裂性的烧结碳化物制品。 

背景技术

包含烧结碳化物的制品通常用于涉及高应力和磨擦的应用，例如：用于车削、铣削、和钻孔的切削工具或切削嵌件；用于搅拌器和泵的密封圈；和用于轧钢的辊。包含烧结碳化物的制品倾向于由于热开裂而失效。如果将这种制品加热到高于阈值则可引发该制品中的裂纹，并且如果该制品经历热循环则裂纹可进一步扩展。 

例如，地下钻探(或钻进，drilling)钻头通常用于石油和天然气勘探、采矿、和挖掘。这种地下钻探钻头可具有固定或可旋转的切削元件。图1说明具有可旋转切削元件11的典型旋转锥体地下钻探钻头10。将通常由烧结碳化物制成的切削嵌件12置于在所述切削元件11的外表面上制造的槽(pocket)中。可将若干切削嵌件12固定到所述可旋转切削元件11的预定位置中以优化切削。 

地下钻探钻头的使用寿命通常是烧结碳化物嵌件的磨损性质的函数。提 高地下钻探钻头使用寿命的一种方法是采用由具有强度、韧性、和耐磨损性/耐腐蚀性的改进组合的材料制成的切削嵌件。如上所述，切削嵌件包含烧结碳化物(一种烧结的硬颗粒)。用于这种应用的烧结碳化物的选择基于这些材料提供强度、断裂韧性、和耐磨性(即对钻探钻头或钻进钻头的有效运行非常重要的性质)的非常有吸引力的组合的事实。烧结碳化物是包含如下的复合材料：分散的不连续相，其包括属于周期表第IVB族、VB族和VIB族的一种或多种过渡金属(Ti、V、Cr、Zr、Nb、Mo、Hf、Ta、和W)的碳化物颗粒；和连续的粘合剂相(通常包括钴、镍、或铁)，其使硬颗粒粘合在一起。在不同的可能的硬颗粒-粘合剂组合中，基于作为硬颗粒的碳化钨(WC)和作为粘合剂相的钴的烧结碳化物是最常用的烧结硬颗粒。 

烧结碳化物的各种性质取决于两种微观结构参数，即平均硬颗粒粒度(grain size)以及硬颗粒和/或粘合剂的重量或体积分数。通常，随着粒度减小和/或粘合剂含量减少，硬度和耐磨性提高。另一方面，随着粒度增大和/或粘合剂含量增加，断裂韧性提高。因此，对于任何应用，当选择烧结碳化物级别时，在耐磨性和断裂韧性之间存在折衷。当耐磨性提高时，断裂韧性通常降低，并且反之亦然。 

图2A-2E说明在旋转锥体地下钻探钻头中通常采用的烧结碳化物嵌件的一些不同形状和设计。用于地下钻探钻头的切削嵌件通常特征在于穹形部分的形状，例如卵形(图2A)、弹道形(图2B)、凿子形(图2C)、多穹形(图2D)、和圆锥形(图2E)。所采用的形状和烧结碳化物级别的选择取决于待钻进岩石的类型。不论形状和尺寸，所有嵌件均具有主体部分和切削部分形式的工作部分。例如，图2A中的切削嵌件20包括主体部分24和穹形形状的切削部分22。而且，例如图2B中的切削嵌件30包括主体部分34和弹道形状的切削部分32。切削作用通过切削部分执行，而主体部分为所述切削部分提供支撑。将主体部分的大部分或全部嵌入在钻头体或切削元件内，且通常通过将切削嵌件压入配合到槽中而使主体部分嵌入到钻头体中。 

如前所述，切削作用主要由刀具的切削部分提供。切削部分首先开始磨损的部分是顶部，并且更具体地是切削部分的最尖端。在地下钻探钻头的情况下，随着切削部分的顶部开始变平，切削的效率急剧下降，这是因为土更多地是通过与更有效的切削作用相反的磨擦(rubbing)作用被移除。随着磨擦作用的继续，通过岩石和切削嵌件之间摩擦的增加可产生相当多的热量，从 而导致嵌件某些部分的加热。如果制品的任意部分的温度超过阈值，则将在硬颗粒和粘合剂的界面处引发裂纹。制品的热循环导致裂纹的扩展。 

因此，需要用于地下钻探钻头的改进的烧结碳化物切削嵌件具有提高的耐热疲劳性和热开裂性。更概括地说，需要对包括包含烧结碳化物的工作部分的并且可能经历由热循环导致的开裂的制品进行改进。 

发明内容