[发明专利]一种整体式粘结基体及其制造方法

说明书

本发明涉及一种整体式粘结基体，这种基体通过一种可用作浸渗粘结剂的低熔点合金，它可将金刚石切削构件粘结到基体上。更具体地说，是涉及一种低熔点铜-锰-锌合金，它可用作浸渗粘结剂，把金刚石或其它超硬切削构件结合到基体（例如钻头体）上。本发明也涉及用新的低熔点铜-锰-锌合金浸渗基体粉末来生产一种粘合基体的方法。

这里所描述的发明特别适用于制造这样一种旋转钻头，这种钻头体的外表面镶有许多用来切削或磨蚀岩层的切削构件，而内部有向钻头外表面上一个或多个喷嘴提供钻孔泥浆的通道。各喷嘴位于钻头体的表面，以使钻孔泥浆由喷嘴排出并且在钻孔过程中流过切削构件，从而冷却和/或清洗这些构件。切削构件最好是具有由多晶金刚石或其它超硬材料构成的超硬切削面的预成型切削构件。

正如本领域熟练技术人员所理解的，“超硬”这个术语是用来描述金刚石和立方晶系一氮化硼材料。为方便起见，“金刚石”这术语这里是可与“超硬”这术语互换的，并且其含意包括高压或低压下（亚稳态生长）制得的金刚石（单晶的或多晶）的材料以及立方晶系-氮化硼材料。

用于钻岩的牵引钻头通常用两种方法中的一种来制造的。一种常规方法是通过机械加工将大块的钢材制成所要求的形状，就制成钢体钻头，再在钻头体上钻孔以容纳包含金刚石的切削构件，然后将该金刚石刀具压入其位置。当钻头是用这种方法制造时，金刚石刀具是通过刀具和孔的压配合而用机械方法固定的。另一种方法是将刀具钎焊到钢质钻头体上。

另一种制造牵引钻头的常规方法中，钻头体是通过粉末冶金方法来形成的。美国Wilder等人的NO.3，757，878和美国Barr的NO.4，780，274是用来生产基体钻头的粉末冶金法的实例，被引用在本发明。在这种方法中，将石墨块机械加工成铸模。将一种耐磨基体粉末（例如由碳化钨粉末颗粒制成）放置在该铸模内，将钢质坯件放入到该铸模内，在基体粉末的上部。其后，再把一种浸渗合金安放在模子里。加热时，该浸渗合金熔化并且透入到基体粉末内，并充满颗粒间的空间。冷却时，这些渗入的合金就凝固并把基体粉末颗粒粘结在一起成为粘聚的整块。该浸渗的合金也将这粘聚块结合到钢质坯件上形成基体钻头。然后将一有螺纹的连接件焊到该钢质坯件的端部以使得钻头能够连接到钻具组。以常规的铜基浸渗合金进行这种方法所需的炉温约为1065℃到约1200℃。

通常将含有金刚石的切削构件以两种方法中的一种方法连接到如此制成的基体钻头上。如果含有金刚石的刀具能够经得起浸渗温度而没有显著的破坏，则在基体粉末加进之前就把该刀具放入模子内，而作为浸渗过程的结果，它们被结合到基体上，这些含有金刚石的刀具就变成基体钻头整体的一部分。然而，如果含有金刚石的刀具不能够不受显著破坏地承受住浸渗温度，则在浸渗好的刀头从模子里取出以后，通常用钎焊将刀具连接到钻头体上。

比起在渗透过程中直接将刀具结合到基体上，人们更不愿意用钎焊将该含金刚石刀具焊到钻头体上。钎焊是制造过程中的一个额外的步骤，它具有它自己的复杂性。虽然在制造基体钻头中删去钎焊步骤显然要合乎要求的，但市场上可买到的许多含金刚石的切削构件不能经受传统的铜基浸渗合金所需要的浸渗温度。例如，常规的多晶型金刚石预成型件仅在低于700℃到750℃的温度下是热稳定的，因此，它必须在浸渗后钎焊到钻头体上。更新的多晶型金刚石预成型件，例如由通用电器公司购得的商标为Geoset的预成型件和由DeBeers公司购得的商标为Syndax3的预成型件在低于常规浸渗温度（约1150℃）时，在名义上是热稳定的。然而在事实上，商标为Geoset的热稳定多晶型金刚石切削构件在温度低到1000℃就开始性能变坏。近来，DeBeers公司已开发一种商标为STSRSyndill的多晶系金刚石预成型件，在高到近于1000℃时它是热稳定的。

因此，本领域的技术人员迄今正积极地寻求浸渗温度比常规铜基浸渗剂低得多的新型浸渗合金。Griffin的美国专利NO.4，669，522公开了一种基本上是铜一磷二元共晶体或近于共晶体组分的合金作为浸渗合金。所揭示的这种合金的浸渗温度不大于850℃，更好的情况下不大于750℃。然而，有理由认为这种铜磷浸渗合金使用时具有某些冶金学上的问题，因此它在商业上没有获得成功。

本发明的一个优点是提供了一种浸渗温度低于约1000℃的新型浸渗合金。

本发明的另一个优点是提供了一种用浸渗温度低于约1000℃的浸渗合金来制造粘聚基体的新方法。

本发明还有另一个优点是提供了一种用浸渗温度低于约1000℃的铜基浸渗合金制造钻头体的方法。