[其他]钎焊复合压块工具

说明书

所公开的是包含一种粘结碳化物支撑的复合磨料颗粒压块的改进的工具，该压块是用一种具有液相线实际上大于７００℃的钎焊填充金属而被钎焊到一种粘粘碳化物衬底上的，此复合压块最好是一个复合的多晶金刚石压块。进行钎焊的填充金属是一种具有液相温度实际上不大于１００４℃并且具有下列重量成份的钎焊合金：金１８－３９．５％　镍３．５－１４．５％　钯２．５－１０．５％　锰７．５－９．０％　铜余量。

本发明涉及结合磨料颗粒压块的工具，特别是涉及工具上镶嵌有这种压块的钻探工具和切削工具及其制造方法。这种磨料颗粒压块工具在石油和天然气开采的钻头和采矿方面有特殊的用途。

一种磨料颗粒压块是将一种磨料颗粒的多晶体，例如金刚石和（或）立方氮化硼结合在一起形成一个整体的，不易磨损的高强度块。这样的组件可以颗粒之间本身自相粘结在一起;或用介于颗粒间的粘结介质粘结在一起，或可由上述二者的结合使颗粒粘结在一起。例如，美国专利3，136，615;3，141，746和3，223，988。这里被称为复合压块的受到支撑的磨料颗粒压块是一种粘结在衬底材料，例如粘结的碳化钨上的磨料颗粒压块。这种形式的压块在美国专利3，743，489;3，745，623和3，767，371中描述过了。将磨料颗粒压块粘到衬底上的粘结工序，可以在形成磨料颗粒压块之时;也可在其后进行。

复合压块作为钻头上的切削元件具有特别的用途。这些压块可用各式各样的工艺直接焊接到钻头的顶部。美国专利4，156，329建议把预先镀锡的包覆金属的压块以炉内焊接方式焊到在钻头顶部所形成的凹处。美国专利4，186，628建议;通过把压块置于模子中，以粉末填充模子的钻头顶部，然后把低温浸渗钎料倒入模中，以形成含有镶嵌于其内的压块的钻头顶部，用这种方法把压块切削刀具焊接到钻头顶部，美国专利4，098，362提议的钻头同后者建议相同，其中，使切削刀具的倾角为10°和25°之间。

另一种选择方案是，复合压块可被焊接在一个延伸的双头螺柱上或衬底上，然后把该双头螺柱焊接在钻头顶部，此双头螺柱提供较大的焊接到钻头顶部面积，它也提供对磨料压块的较大支撑，从而增加其抗冲击性能，把复合压块焊接到双头螺柱上有二种形状：一种是垂直圆柱体形状，如美国专利4，200，159;和一种是有斜角的形状，例如美国专利4，265，324。

虽然把一个复合压块焊接到双头螺柱上或衬底上的好处是明显的，但在完成实际焊接中还碰到一些问题。特别是注意到：磨料部分是自身粘结的和用金属浸渗粘结的复合压块，如美国专利3，745，623所描述那样;和市场上以Compax和Syndite商标购到的复合压块，如果曝露于超过大约700℃温度下，易受热损伤。（这里所用的“自身粘结”是指磨料颗粒直接彼此粘结在一起）这种损伤可认为是由于磨料和金属相的热膨胀系数不同所引起的。在高温也有由于石墨化或氧化所致的颗粒自身递降分解的危险。这种类型的递降分解被认为涉及到所有形式的磨料颗粒压块。因此，具有小于700℃液相线的钎焊合金，开始时曾被利用于把复合压块焊接到双头螺柱或衬底上去，可惜，这种低温钎焊合金由于它们特有的低粘结强度，在市场上仅有有限的适用性。

在把复合压块焊接到衬底上去的一个主要突破是由Knemeyer在美国专利4，225，322和4，319，707公布的Knemeyer方法允许使用高温钎焊合金供焊接复合压块到衬底上去，这样的高温钎焊合金又提供显著增大的粘接强度。虽然此Knemeyer方法和装置允许用高温钎焊合金，但在选择一种合适的合金方面产生了困难。例如，Anacoda773填充金属，最初在Knemeyer专利中被提出，现在认为它同被粘结的碳化物块有不合要求的作用。

在钎焊材料选择上的复杂性是由于这样的事实：该钎焊不仅须适合于把一个复合压块支座粘结到一个衬底上去，而且它还须能够经受随后加工条件和作业条件。例如，一种普通加工方法包括：首先把钎焊的工具镀锡，然后将预先镀锡的工具进行炉内钎焊，使切削件放入一个钻头顶部，如美国专利4，156，329那样（见上）。用现有的钎焊材料所制的钎焊接头难以经受镀锡和炉内钎焊这样的作业。在这些作业中，其粘结强度是特别有限的，因为据信此粘结在初始钎焊作业后，它是处于拉伸应变状态下。最后，为了在典型的钻探环境中发挥作用，人们认为此钎焊接头必须被设计成能经受在氧化气氛下的高达约400℃的温度，如当碰到复杂的地层时，它同时还能经受不断的冲击负荷。