CN103917733B - 用于浸润硬质微粒材料以形成钻孔工具的高硬度结合剂、钻孔工具的主体以及用于形成具有增加的耐磨性的钻孔工具的方法 - Google Patents

Abstract

本发明的实行方案包括具有高硬度和抗拉强度的结合剂，其允许产生具有增加的耐磨性的钻孔工具。具体地说，一个或多个实行方案包括具有约5重量％至约50重量％的镍、约35重量％至约60重量％的锌，和约0.5重量％至约35重量％的锡的结合剂。本发明的实行方案还包括由这类结合剂形成的钻孔工具，如铰刀和钻头。

Description

用于浸润硬质微粒材料以形成钻孔工具的高硬度结合剂、钻孔工具的主体以及用于形成具有增加的耐磨性的钻孔工具的方法

技术领域

本发明大体涉及高强度结合剂材料，这种材料用于形成钻孔工具和可用于钻探地层的其它工具。

背景技术

出于勘探或其它目的，钻头和其它钻地工具经常用于在岩石和其它硬地层中钻孔。这些工具的主体普遍地由含有粉状硬质微粒材料如碳化钨的基质来形成。此材料通常用结合剂如铜合金来浸润以便使硬质微粒材料结合在一起成固体形式。最后，这些工具的切割部分通常包括磨蚀切割介质，例如像天然或合成金刚石。

为了形成主体，将粉状硬质微粒材料安置于合适形状的模具中。结合剂通常安置于粉状硬质微粒材料顶部。然后，在炉中加热结合剂和粉状硬质微粒材料至结合剂的流动或浸润温度以使得结合剂合金可粘合至粉状硬质微粒材料的颗粒。浸润可在熔化的结合剂合金借助于毛细管作用而流经粉状硬质微粒材料颗粒之间的间隙时发生。当冷却时，粉状硬质微粒材料基质与结合剂形成硬质、耐久、坚固的主体。典型地，在加热基质/结合剂混合物之前将天然或合成金刚石插入模具中，同时PDC插入物可钎焊至成品主体。

基质和结合剂的组成经常加以选择以优化成品主体的多种不同性质。这些性质可包括横向断裂强度(TRS)、韧性、抗拉强度和硬度。结合剂的一个重要特性是结合剂的浸润温度，或熔化的结合剂流至粉状硬质微粒材料中以及流至其周围的温度。金刚石的化学稳定性与金刚石的加热持续时间以及在形成主体时金刚石加热所达到的温度反相关。因此，在形成金刚石钻孔工具时，需要使用具有足够低的浸润温度的结合剂以避免金刚石降解。

具有低浸润温度的结合剂合金在本领域中为已知的；然而，这类结合剂经常来牺牲抗拉强度、硬度和其它所需性质中的一种或多种作为较低浸润温度的代价。举例来说，许多常规铜-锡合金具有较低浸润温度，但是也具有相对较低的抗拉强度。另一方面，许多常规铜-锌-镍合金具有较低浸润温度与相对较高的抗拉强度，但是也具有相对较低的硬度。

在一些情况下，钻孔工具可能为昂贵的，并且其置换可能为费时、成本高以及危险的。举例来说，钻头的置换需要从已经钻探出来的孔(钻孔)中移除(或起出)整个钻柱。钻杆的每个部分必须依序从钻孔中移除。置换了钻头后，整个钻柱必须一段一段的组装，然后返回到钻孔中。取决于孔的深度和所钻探材料的特性，对于单一钻孔来说，此过程可能需要重复多次。因此，应了解钻头或其它钻孔工具需要置换的次数越多，执行钻孔作业所需要的时间和成本越大。

因此，在常规钻孔工具中存在多个可解决的缺点。

发明内容

本发明的实行方案用具有较低浸润温度而不牺牲其它所需物理性质的结合剂来克服本领域中的一个或多个问题。例如，一个或多个实行方案包括具有较低浸润温度和相对较高抗拉强度和相对较高硬度的镍-锌-锡三元合金结合剂。一个或多个另外的实行方案包括具有较低浸润温度和相对较高抗拉强度和相对较高硬度的铜-镍-锌-锡四元合金结合剂。本发明的实行方案还包括包含这类结合剂的钻孔工具。

举例来说，用于浸润硬质微粒材料以形成钻孔工具的高硬度结合剂的实行方案。结合剂包括约5至约50重量％的镍、约25至约60重量％的锌，和约0.5至约35重量％的锡。结合剂具有低于约1100摄氏度的液线温度。另外，结合剂具有洛氏硬度(RockwellHardness)B级(“HRB”)约75和洛氏硬度C级(“HRC”)约40之间的硬度。

本发明的另一个实行方案包括的钻孔工具的主体包含用结合剂浸润的硬质微粒材料。结合剂包括约5至约50重量％的镍、约25至约60重量％的锌，和约0.5至约35重量％的锡。

除了前述实行方案以外，用于形成具有增加的耐磨性的钻孔工具的方法的实行方案涉及提供包括硬质微粒材料的基质。所述方法还包括将结合剂定位于基质附近。结合剂包括约5至约50重量％的镍、约25至约60重量％的锌，和约0.5至约35重量％的锡。所述方法进一步涉及通过将基质和结合剂加热至不高于约1200摄氏度的温度来用结合剂浸润基质。

本发明的示例性实行方案的其它特征和优势将在以下描述中阐明，并且从描述中部分地显而易见，或可通过这类示例性实行方案的实践来获知。这类实行方案的特征和优势可借助于尤其在随附权利要求书中指出的仪器和组合来实现和获得。这些和其它特征将从以下描述和随附权利要求书中变得更完全显而易见，或可通过如以下阐明的这类示例性实行方案的实践来获知。

附图说明

为了描述可获得本发明的上述和其它优势和特征的方法，如上简述的本发明的更具体描述通过参考其在附图中说明的具体实施方案来提供。应当指出的是，附图可能未按比例绘制，并且出于说明性目的，整个附图中的相似结构或功能的要素大体由相同参考数字来表示。应理解这些图只描绘本发明的典型实施方案并且因此不认为限制其范围，本发明将经由使用附图来以其它特征和细节来描述和解释，在附图中：

图1示出包括根据本发明的一个或多个实行方案的结合剂的扩孔器；

图2示出包括根据本发明的一个或多个实行方案的结合剂的表面装嵌岩芯钻头；

图3示出包括根据本发明的一个或多个实行方案的结合剂的热稳定金刚石(“TSD”)岩芯钻头；

图4示出包括根据本发明的一个或多个实行方案的结合剂的多晶金刚石(“PCD”)岩芯钻头；

图5示出包括根据本发明的一个或多个实行方案的结合剂的PCD旋转钻头；

图6示出包括根据本发明的一个或多个实行方案的结合剂的孕镶岩芯钻头；

图7示出沿着图6的线7-7截取的图6的孕镶岩芯钻头的切割部分的横截面视图；并且

图8示出使用根据本发明实行方案的高强度、高硬度结合剂形成钻孔工具的方法中的操作和步骤的略图。

具体实施方式

本发明的实行方案是针对具有较低浸润温度而不牺牲其它所需物理性质的结合剂。例如，一个或多个实行方案包括具有较低浸润温度和相对较高抗拉强度和相对较高硬度的镍-锌-锡三元合金结合剂。一个或多个附加实行方案包括具有较低浸润温度和相对较高抗拉强度和相对较高硬度的铜-镍-锌-锡四元合金结合剂。本发明的实行方案还包括包含这类结合剂的钻孔工具。

如早先所暗示，本发明的一种或多种结合剂可同时具有较高抗拉强度和较高硬度，同时仍然具有适用于天然和合成金刚石的浸润温度。另外，本发明的一种或多种结合剂包括用于碳化钨或其它硬质微粒材料的增加的润湿能力。本发明的一种或多种结合剂的增加的润湿性可缩短处理时间并且可增加粘合强度。

因为结合剂经常限制钻孔工具的性能，所以用本发明的结合剂形成的钻孔工具可具有增加的钻孔性能。举例来说，一种或多种结合剂的增加的硬度和/或抗拉强度可为钻孔工具提供增加的耐磨性。使用本发明的结合剂形成的钻孔工具的增加的耐磨性可增加这类钻孔工具的钻孔寿命；由此降低钻孔成本。

本发明的一种或多种结合剂包括约5至约50重量％的镍、约25至约60重量％的锌，和约0.5至约35重量％的锡。在一个或多个实行方案中，结合剂可任选地包括约0至约60重量％的铜。因此，在一个或多个实行方案中，结合剂可包括镍-锌-锡三元合金。在一个或多个替代实行方案中，结合剂可包括铜-镍-锌-锡四元合金。应了解可改变每种以上列出组分的确切重量百分比以调整最终钻孔工具的特性。

举例来说，结合剂中的镍的重量％可增加，或以其它方式改变，以增加结合剂对硬质微粒材料(例如，碳化钨)和/或金刚石的润湿能力，或以其它方式调整结合剂的其它性质。因此，根据一个或多个实行方案，结合剂可包括约5重量％的镍、约10重量％的镍、约15重量％的镍、约20重量％的镍、约25重量％的镍、约30重量％的镍、约35重量％的镍、约40重量％的镍、约45重量％的镍，或约50重量％的镍。应了解一个或多个实行方案的结合剂可包括任何上述百分比之间的范围内的重量％的镍。例如，一个或多个实行方案可包括约15与约50重量％之间的镍、约5与约30重量％之间的镍、约5与约20重量％之间的镍，或约10与约25重量％之间的镍等。

结合剂中的锌的重量％可增加，或以其它方式改变，以增加结合剂的强度和延展性，或以其它方式调整结合剂的其它性质。因此，根据一个或多个实行方案，结合剂可包括约25重量％的锌、约30重量％的锌、约35重量％的锌、约40重量％的锌、约45重量％的锌、约50重量％的锌、约55重量％的锌，或约60重量％的锌。应了解一个或多个实行方案的结合剂可包括任何上述百分比之间的范围内的重量％的锌。例如，一个或多个实行方案可包括约30与约60重量％之间的锌、约35与约50重量％之间的锌、约30与约40重量％之间的锌，或约35与约45重量％之间的锌等。

结合剂中的锡的重量％可增加，或以其它方式改变，以增加硬度、降低液线温度、增加结合剂的润湿性，或以其它方式调整结合剂的其它性质。因此，根据一个或多个实行方案，结合剂可包括约0.5重量％的锡、约1重量％的锡、约2重量％的锡、约3重量％的锡、约4重量％的锡、约5重量％的锡、约10重量％的锡、约15重量％的锡、约20重量％的锡、约25重量％的锡、约30重量％的锡，或约35重量％的锡。应了解一个或多个实行方案的结合剂可包括任何上述百分比之间的范围内的重量％的锡。例如，一个或多个实行方案可包括约0.5与约20重量％之间的锡、约1与约10重量％之间的锡、约4与约15重量％之间的锡，或约5与约10重量％之间的锡等。

如前所述，在一个或多个实行方案中，结合剂可任选地包括约0至约60重量％的铜。结合剂中的铜的重量％可增加，或以其它方式改变，以降低结合剂的液线温度，或以其它方式调整结合剂的其它性质。因此，根据一个或多个实行方案，结合剂可包括约10重量％的铜、约10重量％的铜、约15重量％的铜、约20重量％的铜、约25重量％的铜、约30重量％的铜、约35重量％的铜、约40重量％的铜、约45重量％的铜、约50重量％的铜，或约55重量％的铜。应了解一个或多个实行方案的结合剂可包括任何上述百分比之间的范围内的重量％的铜。例如，一个或多个实行方案可包括约15与约50重量％之间的铜、约5与约30重量％之间的铜、约5与约20重量％之间的铜，或约10与约25重量％之间的铜等。在替代实行方案中，结合剂可不包括铜。

在本发明的一个或多个实行方案中，结合剂可包括除了镍、锌、锡和任选地铜以外的其它组分。这类其它组分可包括其它掺合组分、杂质或偶存元素。在一个或多个实行方案中，这类其它组分可占结合剂的约0约20重量％。在其它实行方案中，这类其它组分可占结合剂的小于约15重量％、结合剂的小于约10重量％，或结合剂的小于约5重量％。

在一个或多个实行方案中，其它组分可包括导热金属以降低结合剂的液线温度。这类导热金属可包括例如银、金或镓(或其混合物)。举例来说，根据本发明的一些实行方案，结合剂可包括约0.5至约15重量％之间的银、金或镓。应了解包含银、金或镓可显著提高结合剂的成本。

或者或另外，在一个或多个实行方案中，其它组分可包括其它掺合组分如铁、锰、硅、硼或其它元素或金属。另外，结合剂可包括少量不同杂质或偶存元素，这些杂质或偶存元素中的至少一些可能由于制造和操作过程而不可避免地存在。这类杂质可包括例如铝、铅、硅和磷。

在任何情况下，可调整各种组分的组成以为结合剂提供所需性质。举例来说，在一个或多个实行方案中，结合剂具有低于约1100摄氏度的液线温度。或者，结合剂具有低于约1050摄氏度的液线温度。在其它实行方案中，结合剂具有低于约1000摄氏度的液线温度。在其它实行方案中，结合剂具有低于约950摄氏度的液线温度。因此，应了解结合剂可包括足够低的液线温度以确保结合剂的浸润温度足够低以避免金刚石降解。

如先前所暗示，本发明的一个或多个实行方案的结合剂可具有高抗拉强度和硬度，同时保持避免金刚石降解的液线温度。具体地说，在一个或多个实行方案中，结合剂具有约75HRB与约40HRC之间的硬度。在其它实行方案中，结合剂可具有约75HRB与约20HRC之间的硬度。在更进一步实行方案中，结合剂可具有约80HRB与约95HRB之间的硬度。应了解一个或多个实行方案的结合剂可包括任何上述数字之间的范围内的硬度。

另外，除了如上所述的液线温度和硬度以外，一个或多个实行方案的结合剂还可具有约35ksi与约80ksi之间的抗拉强度。在其它实行方案中，结合剂可具有约50ksi与约70ksi之间的抗拉强度。在更进一步实行方案中，结合剂可具有约55ksi与约65ksi之间的抗拉强度。应了解一个或多个实行方案的结合剂可包括任何上述数字之间的范围内的抗拉强度。

应了解具有高抗拉强度和硬度同时保持避免金刚石降解的液线温度的本发明的一个或多个实行方案的结合剂可提供显著益处。具体地说，高抗拉强度和硬度可为用这类结合剂形成的钻孔工具提供增加的耐磨性。耐磨性增加可显著提高这类钻孔工具的寿命。另外，提高的润湿可减少制造时间并且提供更强的粘合。

因此，可调整本发明的结合剂以便为本发明的钻孔工具提供可增加钻孔工具的有效寿命和/或钻孔效率的若干不同特性。举例来说，可调整结合剂的组成以改变抗拉强度和硬度，并且由此改变钻孔工具的耐磨性。因此，应了解通过改变结合剂的组成，可根据钻孔工具的具体最终用途所需要的程度来调整耐磨性。一个或多个实行方案的结合剂所提供的此增加的性质还可增加钻孔工具的寿命，从而允许工具的切割部分以所需速度磨耗并且改进工具切割速率。

以下实施例提供根据本发明的原理产生的一种示例性结合剂的结果。此实施例说明本文要求保护的本发明并且不应理解为以任何方式限制本发明范围。

实施例

结合剂由42.62重量％铜、10重量％镍、5重量％锡、42重量％锌和0.38重量％硅形成。结合剂具有58.5ksi的抗拉强度、HRB90的硬度，和约926摄氏度的液线温度。因此，结合剂同时具有较高抗拉强度和硬度，同时保持低于950摄氏度的液线温度。结合剂用于产生具有改进性质的铰刀。

本发明的浸润钻孔工具可由多种磨蚀切割介质、基质材料和如上所述的结合剂形成。结合剂可被配置来调整钻孔工具的性质。本文描述的钻孔工具可用于切割石头、地下矿物地层、陶瓷、沥青、混凝土和其它硬质材料。这些钻孔工具可包括例如岩芯取样钻头、拖曳式钻头、牙轮钻头、金刚石线、研磨杯、金刚石刀片、凸嵌器、裂缝刻刀、铰刀、稳定器等等。举例来说，钻孔工具可为任何类型的钻地钻头(即，岩芯采样钻头、拖曳钻头、牙轮钻头、纳维钻具(navi-drill)、贯眼钻具、孔锯、扩眼器等)诸如此类。附图和以下包含的相应文本示出一些钻孔工具的实施例，包括用本发明的结合剂浸润的主体。这是为了便于描述。然而，应了解鉴于本文中的公开内容，本发明的系统、方法和设备可用于其它钻孔工具，如在上文中提到的那些。

现在参看附图，图1示出可使用本发明的一个或多个实行方案的结合剂形成的第一钻孔工具100。具体地说，图1示出扩孔器100。扩孔器100可包括一个或多个主体102(即，垫)，这些主体102由用本发明的一个或多个实行方案的结合剂浸润的硬质微粒材料来形成。

扩孔器100还可包括第一或柄部分104，其第一末端108被配置来将扩孔器连接至钻柱的部件。举例来说并且不加限制，柄部分108可由钢、另一种铁基合金或展现可接受的物理性质的任何其它材料来形成。

如图1所示，扩孔器100是呈由内表面110和外表面112限定的大体环形形状。因此，扩孔器100可限定围绕其中心轴的内部空间以接收岩芯样品。因此，所钻探的材料的碎块可穿过扩孔器100的内部空间并且向上穿过附接钻柱。扩孔器100可为任何大小，并且因此可用于收集任何大小的岩芯样品。虽然扩孔器100可具有任何直径并且可用于移除和收集具有任何所需直径的岩芯样品，但是在一些实行方案中，扩孔器100的直径可在约1英寸至约12英寸范围内。

如图1所示，在一个或多个实行方案中，扩孔器100可包括由导槽分隔的凸起垫102。在一个或多个实行方案中，垫102可具有螺旋形构造。换句话说，垫102可沿着柄104轴向并且围绕柄104径向延伸。垫102的螺旋形构造可提供与钻孔增加的接触、增加稳定性并且减少振动。在替代实行方案中，垫102可具有线性而非螺旋形构造。在这类实行方案中，垫102可沿着柄104轴向延伸。此外，在一个或多个实行方案中，垫102可包括锥形前缘以帮助将扩孔器100沿着钻孔移动。

在一些实行方案中，扩孔器100可不包括垫102。举例来说，扩孔器100可包括拉刀而非垫。拉刀可包括多个条带。拉刀可减少扩孔器100在钻孔上的接触，从而降低阻力。此外，拉刀可提供增加的水流量，并且因而可尤其适合于较软地层。

在任何情况下，扩孔器100的一个或多个主体102不论其呈垫、拉刀或其它构造形式都可由硬质微粒材料如例如金属的基质来形成。应了解鉴于本文中的公开内容，硬质颗粒材料可包括粉状材料，例如像粉状金属或合金，以及陶瓷化合物。根据本发明的一些实行方案，硬质微粒材料可包括碳化钨。如本文使用，术语“碳化钨”是指含有钨和碳的化合物的任何材料组合物，例如像WC、W2C和WC与W2C的组合。因此，碳化钨包括例如铸型碳化钨、烧结碳化钨和粗晶钨。根据本发明的其它或替代实行方案，硬质微粒材料可包括碳化物、钨、铁、钴和/或钼和碳化物、硼化物、其合金，或任何其它合适材料。

主体102(即，垫)的硬质微粒材料可用如上文描述的结合剂来浸润。结合剂可为垫102提供增加的耐磨性。由此，增加扩孔器100的寿命。

任选地，扩孔器100的主体102(即，垫)也可包括分散于整个硬质微粒材料中的多个磨蚀切割介质。结合剂可粘合至硬质微粒材料和磨蚀切割介质以形成主体102。结合剂可为扩孔器100的垫102提供增加的耐磨性，同时也未使任何孕镶磨蚀切割介质降解。

磨蚀切割介质可包括以下中的一种或多种：天然金刚石、合成金刚石、多晶金刚石或热稳定金刚石制品、氧化铝、碳化硅、氮化硅、碳化钨、立方氮化硼、氧化铝、播种或未播种的溶胶-凝胶氧化铝，或其它合适材料。

用于本发明的一个或多个实行方案的钻孔工具中的磨蚀切割介质可具有任何所需特性或特性的组合。例如，磨蚀切割介质可为任何大小、形状、颗粒、质量、粒度、浓度等。在一些实施方案中，磨蚀切割介质可很小和大致上圆形以便在由主体102切割的材料上留下光洁度。在其它实行方案中，切割介质可较大以强力切割所钻探的材料或地层。磨蚀切割介质可均匀或不均匀地分散于整个主体102中。

应了解扩孔器100只是可使用本发明的结合剂的一种类型的钻孔工具。举例来说，图2-4示出可使用本发明的结合剂来形成的四种其它类型的钻孔工具。具体地说，图2示出表面装嵌钻头100a，图3示出TSD钻头100b，并且图4示出PCD钻头100c。图3-5的每个钻孔工具可包括主体102a、102b、102c(即，钻头冠部)，这些主体所包含的如上所述的硬质微粒材料被根据本发明的一个或多个实行方案的结合剂浸润。

与扩孔器100类似，钻孔工具100a、100b、100c可各自包括柄部分104a、104b、104c，其第一末端108a、108b、108c被配置来将钻孔工具100a、100b、100c连接至钻柱部件。另外，钻孔工具100a、100b、100c可各自具有由内表面110a、100b、100c和外表面112a、112b、112c限定的大体环形形状。因此，钻孔工具100a、100b、100c可限定围绕其中心轴的内部空间以用于接收岩芯样品。

在图2所示的表面装嵌钻头100a的情况下，环形冠部102a可由用如上所述的一个或多个实行方案的结合剂浸润的硬质微粒材料来形成。此外，冠部102a可包括多个切割介质114a。切割介质114a可包括以下中的一种或多种：天然金刚石、合成金刚石、多晶金刚石或热稳定金刚石制品、氧化铝、碳化硅、氮化硅、碳化钨、立方氮化硼、氧化铝、播种或未播种的溶胶-凝胶氧化铝，或其它合适材料。结合剂可粘合至硬质微粒材料和磨蚀切割介质以形成主体102a。结合剂可为冠部102a提供增加的耐磨性，同时也未使任何表面装嵌切割介质降解。

在TSD钻头100b和PCD钻头100c的情况下，环形冠部102b、102c可由用如上所述的一个或多个实行方案的结合剂浸润的硬质微粒材料来形成。此外，冠部102b、102c可分别包括多个TSD切割器114b或PCD切割器114c。TSD切割器114b或PCD切割器114c可使用本发明的一个或多个实行方案的结合剂来钎焊或焊接至冠部102b、102c。或者，TSD切割器114b或PCD切割器114c可使用另一种结合剂、钎焊或焊接来钎焊或焊接至冠部102b、102c。

关于图1-4所示出和描述的钻孔工具具有取芯钻孔工具。应了解本发明的结合剂可用于形成其它非取芯钻孔工具。举例来说，图5示出拖曳钻头100d，其包括由用本发明的结合剂浸润的硬质微粒材料形成的一个或多个主体102d。具体地说，图5示出来自用本发明的结合剂浸润的硬质微粒材料的多个刀片102d。每个刀片102d可包括一个或多个PCD切割器114d或钎焊或焊接至刀片102d的其它切割器。拖曳钻头100d可进一步包括柄104d和第一末端108d，类似于本文以上描述的那些。

应了解图4和5所示的冠部102c和刀片102d可由于用于形成这些冠部和刀片的本发明的结合剂而具有增加的钻孔寿命。这可允许钻孔者在必须更换钻头100c、100d之前，可更换切割器114c、114d多次。

本发明的结合剂还可用于孕镶切割工具。举例来说，图6和7示出具有用本发明的结合剂形成的主体或冠部102e的孕镶岩芯取样钻头100e的视图。与其它取芯钻孔工具102、102a、102b、102c类似，孕镶岩芯取样钻头100e可包括柄部分104e，其第一末端108e被配置来将孕镶岩芯取样钻头100e连接至钻柱部件。另外，孕镶、岩芯取样钻头100e可具有由内表面110e和外表面112e限定的大体环形形状。因此，孕镶岩芯取样钻头100e可因而限定围绕其中心轴的内部空间以用于接收岩芯样品。

孕镶岩芯取样钻头100e的冠部102可被配置来在钻孔过程期间切割或钻探所需材料。具体地说，孕镶岩芯取样钻头100e的冠部102可包括切割面118e。切割面118e可包括将切割面118e划分成切割元件116e的水道或间隙120e。水道120e可允许钻孔液体或其它润滑剂流过切割面118e以帮助在钻孔期间提供冷却。

孕镶钻孔工具的切割部分的构造可与其性能直接相关。孕镶钻孔工具的冠部或切割部分通常含有金刚石和/或分布于合适支撑基质内的其它硬质材料。普遍使用金属基质复合物来支撑基质材料。金属基质材料通常包括硬质微粒相与可延展金属相(即，结合剂)。硬质相经常由碳化钨和其它耐高温元素或陶瓷化合物组成。

举例来说，现在参看图7，展示孕镶岩芯取样钻头100e的切割部分116e的放大横截面视图。在一个或多个实行方案中，孕镶岩芯取样钻头100e的切割部分116e可由一个或多个层制成。举例来说，切割部分116e可包括两个层。具体地说，切割部分116e可包括：基质层128，其在钻孔期间执行切割；和背衬层或基底130，其将基质层128连接至孕镶岩芯采样钻头100e的柄部分104e。

图7进一步示出孕镶岩芯取样钻头100e的切割部分或冠部116e可包括由硬质微粒材料和本发明的一个或多个实行方案的结合剂组成的基质122。

切割部分或冠部116e还可包括分散于整个基质122中的多个磨蚀切割介质124。磨蚀切割介质124可包括以下中的一种或多种：天然金刚石、合成金刚石、多晶金刚石制品(即TSD或PCD)、氧化铝、碳化硅、氮化硅、碳化钨、立方氮化硼、氧化铝、播种或未播种的溶胶-凝胶氧化铝，或其它合适材料。在一个或多个实行方案中，磨蚀切割介质124可很小并且呈大致上圆形以便在由岩芯取样孕镶岩芯取样钻头100e切割的材料上留下光洁度。在替代实行方案中，切割介质124可较大以便强力切割所切割的材料。

磨蚀切割介质124可均匀或不均匀地分散于整个切割部分116e中。磨蚀切割介质124还可以特定方式对准以使得切割介质124的钻孔性质以相对于孕镶岩芯取样钻头100e的切割部分116e有利的位置来提供。类似地，磨蚀切割介质124可以具体用途所需要的各种密度来包含在内。

除了磨蚀切割介质124以外，切割部分116e还可包括分散于整个基质122中的多个狭长结构126。添加狭长结构126可用于调整孕镶岩芯取样钻头100e的切割部分116e的性质。举例来说，狭长结构126可添加至基质122材料以中断裂纹扩展，并且由此增加抗拉强度和降低基质122的蚀解速率。

另外，添加狭长结构126还可通过至少部分地防止一些磨蚀切割介质124和硬质微粒材料基质122经由结合剂而粘合和固结来使切割部分116e的结构减弱。因此，在使用本发明的结合剂时，添加狭长结构126可帮助减少结合剂的有效强度以确保冠部102e蚀解并且暴露其它磨蚀切割介质124，同时还保留与结合剂的增加硬度相关的增加的耐磨性。

如图7所示，狭长结构126和切割介质124可分散于在切割面118e与基底130之间的基质122内。作为孕镶钻孔工具，基质122可被配置来在钻孔期间蚀解并且暴露最初定位于切割面118e与基底130之间的切割介质124和狭长结构126。新切割介质124的连续暴露可帮助保持锐利的切割面118e。

新狭长结构126的暴露可帮助减少钻孔工具的摩擦加热。举例来说，一旦狭长结构126从基质122钻孔中释放，则其就可为切割面118e提供冷却效果以减少摩擦和相关热量。因此，狭长结构126可允许调整切割部分116e以便在切割部分与所切割表面之间的界面处减少摩擦并且增加润滑，从而允许更容易地钻孔。此增加的润滑还可减少所需要的钻孔液体添加剂(如钻孔泥浆、聚合物、膨润土等)的量，从而减少成本以及可能与使用钻孔工具相关的环境影响。

狭长结构126可由碳、金属(例如，钨、碳化钨、铁、钼、钴或其组合)、玻璃、聚合材料(例如，Kevlar)、陶瓷材料(例如，碳化硅)、涂布纤维和/或类似材料形成。此外，狭长结构126在包含于钻孔工具中之前可任选地以一种或多种其它材料涂布。这类涂层可用于任何性能增强目的，举例来说，涂层可用于帮助将狭长结构126保留于钻孔工具中。在另一个实施例中，当涂层侵蚀掉并且形成用来减少摩擦的精细微粒材料时，涂层可用于增加钻孔工具的钻孔面附近的润滑性。在另一个实施例中，涂层可充当磨料并且由此用于辅助钻孔过程。

可使用任何已知材料来涂布狭长结构126。举例来说，可使用任何所需金属、陶瓷、聚合物、玻璃、胶料、润湿剂、焊剂或其它物质来涂布狭长结构126。在一个实施例中，碳狭长结构126以金属如铁、钛、镍、铜、钼、铅、钨、铝、铬或其组合来涂布。在另一个实施例中，碳狭长结构126可以陶瓷材料如SiC、SiO、SiO2等来涂布。

在狭长结构126涂有一个或多个涂层的情况下，涂布材料可覆盖狭长结构126的任何部分并且可为任何所需厚度。因此，涂布材料可以本领域中已知的任何方式来涂覆至狭长结构126。举例来说，涂料可经由喷涂、刷涂、电镀、浸没、物理气相沉积或化学气相沉积来涂覆至狭长结构126。

另外，狭长结构126还可具有不同组合或类型。狭长结构126的类型的实例包括切碎、研磨、编织、织造、分组、缠绕或丝束结构。在本发明的一个或多个实行方案中，如在钻孔工具包括岩芯取样孕镶岩芯取样钻头100e时，狭长结构126可含有切碎和研磨纤维的混合物。在替代实行方案中，钻孔工具可含有一种类型的狭长结构126。然而，在其它实行方案中，钻孔工具可含有多种类型的狭长结构126。在这种情况下，当钻孔工具含有一种以上类型的狭长结构126时，可使用狭长结构126的类型、质量、大小、形状、等级、涂层和/或特性的任何组合。

狭长结构126可以任何所需浓度存在于钻孔工具中。例如，钻孔工具20的切割部分116e可具有很高浓度的狭长结构126，很低浓度的纤维，或其间的任何浓度。在一个或多个实行方案中，钻孔工具可含有约0.1至约25重量％范围内的狭长结构126。在其它实行方案中，冠部102e可包括约1％与约15％之间的添加重量的狭长结构。具体地说，冠部102e可包括约3％、4％、5％、6％、7％、8％、9％或10％的添加重量的狭长结构。

根据本发明的一些实行方案，在调整结合剂的组成以增加抗拉强度时，狭长结构126的量可调整以确保切割部分以适当和一致的速率蚀解。换句话说，切割部分可被配置来确保它在钻孔过程期间蚀解并且暴露新的磨蚀切割介质。以这种方式，切割部分116e可通过改变结合剂的强度和/或狭长结构126的浓度来定制工程化以具有用于钻探特定材料的最佳特性。举例来说，可产生硬质耐磨的基质来钻探软的磨蚀性未固结的地层，同时可产生软的可延展性基质以钻探极硬的非磨蚀性固结地层。因此，钻头基质硬度可与特定地层匹配，从而允许切割部分22以受控的所需速率来蚀解。

在一个或多个实行方案中，狭长结构126可均匀分散于整个切割部分116e中。然而，在其它实行方案中，根据需要，狭长结构126的浓度可在整个切割部分116e中改变。狭长结构126可以任何所需定向或对准来定位于钻孔工具的切割部分116e中。在一个或多个实行方案中，狭长结构126可以任何所需方向大致彼此平行地延伸。图7示出在其它实行方案中，狭长结构126可随机配置并且由此可实际上以相对于彼此的任何或多个方向来定向。

狭长结构126可为任何大小或大小的组合，包括不同大小的混合物。例如，狭长结构126可为任何长度并且具有任何所需直径。在一些实行方案中，狭长结构126可为纳米大小的。换句话说，狭长结构126的直径可在约1纳米与约100纳米之间。在替代实行方案中，狭长结构126可为微米大小的。换句话说，狭长结构126的直径可在约1微米与约100微米之间。在其它实行方案中，狭长结构126的直径可在约小于约1纳米或大于约100微米之间。

另外，狭长结构126可具有约1纳米与约25毫米之间的长度。在任何情况下，狭长结构126可具有约2比1与约500,000比1之间的长度直径比。更具体地说，狭长结构126可具有约10比1和约50比1之间的长度直径比。

本发明的实行方案还包括形成包括高强度、高硬度结合剂的孕镶钻头的方法。以下描述形成具有本发明的结合剂的钻孔工具的至少一种方法。当然，作为初步事项，本领域普通技术人员认识到在本文中详细说明的方法可改变。举例来说，所描述的方法的不同步骤可省略或扩展，并且所描述的方法的不同步骤的顺序可根据需要而改变。

举例来说，图8示出使用本发明的结合剂来产生钻孔工具的一个示例性方法的流程图。图8的步骤在以下参照图1至7的部件和图解来描述。

作为初步事项，如本文使用的术语“浸润(infiltration)”或“浸润(infiltrating)”涉及熔化结合剂材料并且使熔化的结合剂渗透并且填充基质的间隙或孔。在冷却后，结合剂可凝固，从而使基质的颗粒结合在一起。如本文使用的术语“烧结”是指移除颗粒之间的孔的至少一部分(可伴随着收缩)以及相邻颗粒之间的聚结和粘合。

举例来说，图8展示形成钻孔工具100-100e的方法可包括提供或制备基质122的步骤801。具体地说，此方法可涉及制备硬质微粒材料的基质。举例来说，此方法可包括制备粉状材料，如例如碳化钨的基质。在其它实行方案中，基质可包括以前描述的硬质微粒材料中的一种或多种。在本发明的一些实行方案中，此方法可包括将基质安置于模具中。

模具可由能够承受基质122在加热过程期间所经受的热量的材料来形成。在至少一个实行方案中，模具可由碳或石墨形成。模具可成型以形成具有所需特征的钻头。在本发明的至少一个实行方案中，模具可对应于岩芯钻头。

另外，此方法可任选地包括将多个磨蚀切割介质124和/或狭长结构126分散于基质的至少一部分中的步骤。另外，此方法可涉及将磨蚀切割介质124和/或狭长结构126随机或以无组织排列来分散于整个基质122中。

图8进一步示出此方法可涉及将结合剂定位于基质附近的步骤802。举例来说，此方法可涉及一旦将基质122定位于模具中，就将如上文描述的结合剂安置在基质122的顶部上。

在一个或多个实行方案中，硬质微粒材料可占主体102-102e的约25重量％与约85重量％之间。更具体地说，硬质微粒材料可占主体102-102e的约25重量％与约85重量％之间。举例来说，本发明的一个或多个实行方案的主体102-102e可包括约25重量％与60重量％之间的钨、约0重量％与约4重量％之间的碳化硅，以及约重量0％与约4重量％之间的碳化钨。

狭长结构可占主体102-102e的约0重量％与25重量％之间。更具体地说，狭长结构可占主体102-102e的约重量1％与约15重量％之间。举例来说，本发明的一个或多个实行方案的主体102-102e可包括约3重量％与约6重量％之间的碳纳米管。

切割介质可占主体102-102e的约0重量％与约25重量％之间。更具体地说，切割介质可占主体102-102e的约5重量％与15重量％之间。举例来说，本发明的一个或多个实行方案的主体102-102e可包括约5重量％与约12.5重量％之间的金刚石晶体。

此方法可包括用结合剂浸润基质的步骤803。这可涉及将结合剂加热至熔化状态并且用熔化的结合剂浸润基质。举例来说，结合剂可加热至足以使结合剂达到熔化状态的温度。在这时，熔化的结合剂可浸润基质122。在一个或多个实行方案中，此方法可包括将基质122、切割介质124、狭长结构122和结合剂加热至至少结合剂的液线温度的温度。结合剂可冷却，由此使基质122、切割介质124、狭长结构126粘合在一起。结合剂可占主体102-102e的约15重量％与约55重量％之间。更具体地说，结合剂可占主体102-102e的约20重量％与约45重量％之间。

根据本发明的一些实行方案，可增加浸润过程的时间和/或温度以允许结合剂填充基质的更大数目和更大数量的孔。这可同时减少浸润期间的收缩和增加所得钻孔工具的强度。

另外，此方法可包括将柄104固定至基质122(或主体102-102e)的步骤。举例来说，此方法可包括将柄104安置成与基质122接触。然后，其它基质的背衬层130、结合剂材料和/或焊剂可添加并且安置成与基质122以及柄104接触，从而完成生坯钻头的初步制备。一旦生坯钻头已经形成，就可将它安置于炉中，由此使钻头固结。或者，第一和第二部分可在次级过程中如通过钎焊、焊接或粘着剂粘合来配合。更进一步，其它切割器可钎焊或以其它方式连接至钻头。其后，钻头可根据需要经由机器过程来完成。

在浸润基质122之前、之后或紧接着，本发明的一种或多种方法可包括烧结基质122至所需密度。因为烧结涉及结构内的孔隙的增密和移除，所以烧结的结构可在烧结过程期间收缩。在烧结期间，结构可经历1％与40％之间的线性收缩。因此，在未完全烧结的结构中设计工具(模具、模子等)或机械加工特征时，可能需要考虑到和计及尺寸收缩。

因此，本文描述的示意图和方法提供可有效钻穿软和硬地层的多个独特产品。另外，由于相对较大的磨蚀切割介质，这类产品可具有增加的钻孔渗透速率。此外，因为相对较大的磨蚀切割介质可分散于整个冠部中，所以在孕镶钻头的钻孔寿命期间，新的相对较大的磨蚀切割介质可连续地暴露。

因此，本发明可体现于其它具体形式而不背离其精神或必需特性。举例来说，本发明的一个或多个实行方案的孕镶钻头可包括一个或多个封闭流体沟槽，如2006年12月14日提交的名称为“CoreDrillBitwithExtendedCrownLongitudinaldimension(具有扩展冠部纵向尺寸的岩芯钻头)”的美国专利申请号11/610,680，现在为美国专利号7,628,228中描述的封闭流体沟槽，所述专利文献的内容全部以引用方式并入本文。更进一步，本发明的一个或多个实行方案的孕镶钻头可包括一个或多个锥形水道，如2009年12月15日提交的名称为“DrillBitsWithAxially-TaperedWaterways(具有轴向锥形水道的钻头)”的美国专利申请号12/638,229中描述的锥形水道，所述专利文献的内容全部以引用方式并入本文。所描述的实施方案被认为在所有方面只是说明性并且不具限制性。因此，本发明的范围由随附权利要求而不是由前述描述来指示。在权利要求书的等效含义和范围内的所有变化都包涵于其范围内。

Claims (25)

1.一种用于浸润硬质微粒材料以形成钻孔工具的高硬度结合剂，其包括：

5重量％至50重量％的镍；

35重量％至60重量％的锌；和

0.5重量％至35重量％的锡；

其中所述结合剂：

具有低于1100摄氏度的液线温度，以及

75HRB与40HRC之间的硬度。

2.如权利要求1所述的结合剂，其中所述结合剂具有35ksi与80ksi之间的抗拉强度。

3.如权利要求1所述的结合剂，其中所述结合剂包括15重量％至50重量％的镍。

4.如权利要求3所述的结合剂，其中所述结合剂由以下组成：

15重量％至50重量％的镍；

35重量％至60重量％的锌；

0.5重量％至35重量％的锡；和

0重量％至20重量％的其它组分。

5.如权利要求4所述的结合剂，其中所述其它组分包括以下中的一种或多种：铝、铁、铅、锰、硅、磷、硼、银、金或镓。

6.如权利要求3所述的结合剂，其中所述结合剂由镍、锌和锡组成。

7.如权利要求1所述的结合剂，其中所述结合剂进一步包括0重量％至60重量％的铜。

8.如权利要求7所述的结合剂，其中所述结合剂由以下组成：

5重量％至50重量％的镍；

35重量％至60重量％的锌；

0.5重量％至35重量％的锡；

0重量％至60重量％的铜；和

0重量％至20重量％的其它组分。

9.如权利要求7所述的结合剂，其中所述结合剂由镍、锌、锡和铜组成。

10.一种钻孔工具的主体，其包括：

硬质微粒材料；和

结合剂，所述结合剂包括：

5重量％至50重量％的镍；

35重量％至60重量％的锌；和

0.5重量％至35重量％的锡。

11.如权利要求10所述的钻孔工具的主体，其中所述结合剂包括15重量％至50重量％的镍。

12.如权利要求11所述的钻孔工具的主体，其中所述结合剂由以下组成：

15重量％至50重量％的镍；

35重量％至60重量％的锌；

0.5重量％至35重量％的锡；和

0重量％至20重量％的其它组分。

13.如权利要求12所述的钻孔工具的主体，其中所述其它组分包括以下中的一种或多种：铝、铁、铅、锰、硅、磷、硼、银、金或镓。

14.如权利要求11所述的钻孔工具的主体，其中所述结合剂由镍、锌和锡组成。

15.如权利要求10所述的钻孔工具的主体，其中所述结合剂进一步包括0重量％至60重量％的铜。

16.如权利要求15所述的钻孔工具的主体，其中所述结合剂由以下组成：

5重量％至50重量％的镍；

35重量％至60重量％的锌；

0.5重量％至35重量％的锡；

0重量％至60重量％的铜；和

0重量％至20重量％的其它组分。

17.如权利要求15所述的钻孔工具的主体，其中所述结合剂由镍、锌、锡和铜组成。

18.如权利要求10所述的钻孔工具的主体，其中所述钻孔工具包括铰刀、扩孔器、表面装嵌钻头、PCD钻头或孕镶金刚石的钻头中的一种。

19.如权利要求18所述的钻孔工具的主体，进一步包括分散于整个所述主体中的多个磨蚀切割介质。

20.如权利要求19所述的钻孔工具的主体，其中所述磨蚀切割介质包括以下中的一种或多种：天然金刚石、合成金刚石、氧化铝、碳化硅、氮化硅、碳化钨、立方氮化硼、氧化铝，或引晶或未引晶的溶胶-凝胶氧化铝。

21.一种用于形成具有增加的耐磨性的钻孔工具的方法，其包括：

提供包括硬质微粒材料的基质；

将结合剂定位于所述硬质微粒材料附近，所述结合剂包括5重量％至50重量％的镍、35重量％至60重量％的锌，和0.5重量％至35重量％的锡；以及

通过将所述基质和结合剂加热至不高于1200摄氏度的温度来用所述结合剂浸润所述基质。

22.如权利要求21所述的方法，其进一步包括：

在浸润所述基质之前，将多个磨蚀切割介质分散于整个所述基质中；

其中所述磨蚀切割介质包括以下中的一种或多种：天然金刚石、合成金刚石、氧化铝、碳化硅、氮化硅、碳化钨、立方氮化硼、氧化铝，或引晶或未引晶的溶胶-凝胶氧化铝。

23.如权利要求21所述的方法，其中所述结合剂由以下组成：

5重量％至50重量％的镍；

35重量％至60重量％的锌；

0.5重量％至35重量％的锡；

0重量％至60重量％的铜；和

0重量％至20重量％的其它组分。

24.如权利要求21所述的方法，其中所述结合剂由以下组成：

15重量％至50重量％的镍；

35重量％至60重量％的锌；

0.5重量％至35重量％的锡；和

0重量％至20重量％的其它组分。

25.如权利要求23所述的方法，其中所述其它组分包括以下中的一种或多种：铝、铁、铅、锰、硅、磷、硼、银、金或镓。