[发明专利]包括硬质合金的钻地钻头和其它零件

说明书

技术领域

本公开涉及包括烧结硬质合金的钻地物件(earth-boring article)和其它制造物件(article of manufacture)、以及它们的制造方法。本公开所包含的钻地物件的示例包括例如钻地钻头、和例如固定切割器钻地钻头本体(fixed-cutter earth-boring bit body)和旋转锥形钻地钻头所用的牙轮(rollercone)等钻地钻头零件。本公开还涉及使用本文公开的方法制成的钻地钻头本体、牙轮和其它制造物件。

背景技术

硬质合金(cemented carbide)是在连续的相对较软的粘结剂相中分散有不连续硬质金属碳化物相的合成物。分散相通常包括包含从例如钛、钒、铬、锆、铪、钼、铌、钽和钨中选出的过渡金属的一个或多个的碳化物的晶粒(grain)。粘结剂相通常包括钴、钴合金、镍、镍合金、铁和铁合金中的至少一个。可向粘结剂中添加例如铬、钼、钌、硼、钨、钽、钛和铌等合金元素，来增强合成物的某些性能。粘结剂相将金属碳化物区域粘结或“胶结”在一起，而合成物表现出不连续相和连续相的物理性能的有利组合。

通过改变可能包括分散和/或连续相中的材料的成分、分散相的晶粒尺寸和各相的体积分数等参数，来生产多种硬质合金类型或“牌号(grade)”。包括分散碳化钨相和钴粘结剂相的硬质合金是通常可以获得的硬质合金牌号中在商业上最为重要的硬质合金。各种牌号可作为能够通过常规压制烧结技术来处理以形成硬质合金合成物的粉末混合物(本文称为“硬质合金粉末”)而获得。

包括不连续碳化钨相和连续钴粘结剂相的硬质合金牌号表现出强度、断裂韧性和耐磨性的有利组合。正如本领域已知的，“强度(strength)”是材料发生破裂或失效时的压力。“断裂韧性(fracture toughness)”是指材料在断裂前吸收能量并发生塑性变形的能力。“韧性”与从原点到破坏点的应力-应变曲线下的面积成比例。见MCGRAW-HILL DICTIONARY OF SCIENTIFICAND TECHNICAL TERMS(1994年第五版)。“耐磨性(wear resistance)”是指材料承受其表面发生损坏的能力。磨损一般涉及因材料与接触面或物质之间发生相对运动而引起的材料的累进损失。见METALS HANDBOOKDESK EDITION(1998年第二版)。硬质合金广泛应用于例如金属切割和金属形成应用、钻地和岩石切割应用等需要充分强度、韧性和高耐磨性的应用，并作为机械设备中的磨损部分。

硬质合金的强度、韧性和耐磨性与存在于合成物中的粘结剂相的体积(或重量)分数和分散硬质相的平均晶粒尺寸有关。通常，常规硬质合金粉末牌号中粘结剂体积分数的增加和/或碳化物颗粒平均晶粒尺寸的增加使形成的合成物的断裂韧性增加。然而，韧性的这种增加通常伴随着耐磨性的减小。因此，开发硬质合金的冶金工作者不断受到挑战来开发表现出高耐磨性以及高断裂韧性并且适用于苛刻用途的牌号。

通常，使用常规粉末冶金压制烧结技术，来作为独立零件生产硬质合金零件。制造工艺通常涉及在模具中固结或压制硬质合金粉末的一部分，来提供具有预定形状和尺寸的未烧结或“生(green)”压坯。如果硬质合金零件需要不能通过压制或以其它方式固结粉末轻松获得的附加形状特征，则在固结或压制操作后对生压坯进行加工，也称为“生塑造(green shaping)”。如果生塑造工艺需要附加压实强度，则可在生塑造前预烧结生压坯。预烧结在低于最终烧结温度的温度进行，并提供“半熟(brown)”压坯。生塑造操作后紧接着进行高温处理，一般称为“烧结”。烧结使材料密实化以接近理论全密度，来生成硬质合金合成物，使材料的强度和硬度最佳化。

压制烧结制造技术的严重局限是能够形成的压坯形状的范围相当有限，不能有效地用于生产复杂零件形状。粉末的压制或固结通常通过机械或液压压制和刚性模塑、或者替代地通过等静压成形，来实现。在等静压成形技术中，可从不同方向向柔性模具施加塑造作用力。“湿袋(wet bag)”等静压成形技术使用设置于压力介质中的便携式模具。“干袋(dry bag)”等静压成形技术涉及沿径向方向具有对称性的模具。然而，无论使用的是刚性模塑还是柔性模塑，都必须从模型中取出固结的压坯，而该局限限制了能够形成的压坯形状。另外，直径大于约4～6英寸且长度大于约4～6英寸的压坯必须以等静压成形进行固结。然而，由于等静压成形使用柔性模塑，所以不能形成具有精确形状的压制压坯。