具有改进的抗热开裂性的制品制造技术

包括包含烧结碳化物的工作部分和与所述工作部分热连通的吸热部分。所述吸热部分包含导热率大于所述烧结碳化物导热率的吸热材料。还公开了制造包括包含烧结碳化物的工作部分和与所述工作部分热连通并且包含导热率大于所述烧结碳化物的导热率的吸热材料的吸热部分的制品的方法。所述吸热部分从所述工作部分传导热量。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】
本专利技术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。本专利技术还涉及制造 这种制品的方法。更具体地说，本专利技术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。
技术介绍
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紋，并且如果该制品经历热循 环则裂紋可进一步扩展。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l说明 具有可旋转切削元件11的典型旋转锥体地下钻^t笨钻头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鴒(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^^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f形部 分的形状，例如卵形(图2A)、弹道形(图2B)、凿子形(图2C)、多官形(图2D)、 和圓锥形(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和穿形形状的切削部 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紋。制品的热循环导致裂紋的扩展。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。
技术实现思路
本专利技术涉及对包含烧结碳化物的制品的改进，其中在所述烧结碳化物内 的硬颗粒包括选自钛、铬、钒、锆、铪、钽、钼、铌、和鵠中的至少一种过 渡金属的碳化物。这种制品包括切削工具、切削嵌件、密封圈、辊轧机辊、 用于地下钻探钻头的切削元件、以及包括烧结碳化物的经历加热和/或热循环 的其它制品。本专利技术还涉及制造这种制品的方法。根据本专利技术的制品的某些实施方式可包括包含烧结碳化物的部分，所述烧结碳化物包括粘合剂和选 自钛、铬、钒、锆、铪、钽、钼、铌、和鴒中的至少一种过渡金属的碳化物； 和吸热(heatsink)部分，其包含导热率大于所述烧结碳化物导热率的材料。所 述吸热部分可从工作部分(其可例如为接触部分或切削部分)带走热量，从而 提供对某些模式的热失效的改进的耐受性。根据本专利技术的一个方面，提供包括包含烧结碳化物的工作部分和与所述 工作部分热连通的吸热部分的制品。所述工作部分的烧结碳化物包括粘合剂 和选自钛、铬、钒、锆、铪、钽、钼、铌、和钨的至少一种过渡金属的碳化材料。根据某些非限制性实施方式，所述吸热部分与制品的主体部分接触， 其中所述主体部分支撑所述工作部分。而且，根据某些非限制性实施方式， 所述工作部分为切削部分和接触部分的至少一种。在所述工作部分为接触部 分的某些非限制性实施方式中，所述制品为辊轧机辊和密封圈之一。在所述 工作部分为切削部分的某些非限制性实施方式中，所述制品为地下钻探钻 头、切削嵌件、切削工具、旋转刀具(rotarytool)、旋转刀具嵌件、钻头、刀 (knife)、和纵切机(slitter)中的 一种。根据本专利技术的另一方面，提供包括如下的制品包含烧结碳化物的切削 部分；主体部分；和与所述主体部分接触的吸热部分。所述吸热部分包含导 热率大于所述烧结碳化物导热率的材料，且所述吸热部分与所述切削部分热 连通。在某些非限制性实施方式中，所述制品为地下钻探钻头、切削嵌件、 切削工具、旋转刀具、旋转刀具嵌件、钻头、刀、和纵切才几中的一种。根据本专利技术的另一方面，辊轧机辊包括包含烧结碳化物的接触部分，所述烧结碳化物包括粘合剂和选自钛、铬、钒、锆、铪、钽、钼、铌、和钨中的至少一种过渡金属的碳化物的硬颗粒；主体部分；和吸热部分。所述接 触部分包括第一末端、相对的第二末端、以及在所述第一末端和所述第二末 端之间延伸并且包括接触表面的环形外壁。所述主体部分支撑所述接触部分 并且包括对纵向延伸穿过所述辊轧机辊的孔(bore)进行限定的环形内壁。所 述内壁在其中包括凹槽。所述吸热部分包含导热率大于所述烧结碳化物导热 率的材料且与所述接触部分热连通。所述吸热部分的至少一部分设置于所述 凹槽内并与所述主体部分接触。根据本专利技术的另一方面，密封圈包括包含烧结碳化物的接触部分，所 述烧结碳化物包括粘合剂和选自钛、铬、钒、锆、铪、钽、钼、铌、和钨中 的至少一种过渡金属的碳化物的硬颗粒；主体部分；和吸热部分。所述接触 部分包括包含接触表面的第一面。所述主体部分支撑所述^本文档来自技高网...

【技术保护点】
制品，其包括：　包括烧结碳化物的工作部分，所述烧结碳化物包含粘合剂和选自钛、铬、钒、锆、铪、钽、钼、铌、和钨中的至少一种过渡金属的碳化物的硬颗粒；和　吸热部分，其包括导热率大于所述烧结碳化物导热率的吸热材料，其中所述吸热部分与所 述工作部分热连通并且所述吸热部分从所述工作部分传导热量。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】US 2006-10-25 60/854,3481. 制品，其包括包括烧结碳化物的工作部分，所述烧结碳化物包含粘合剂和选自钛、铬、钒、锆、铪、钽、钼、铌、和钨中的至少一种过渡金属的碳化物的硬颗粒；和吸热部分，其包括导热率大于所述烧结碳化物导热率的吸热材料，其中所述吸热部分与所述工作部分热连通并且所述吸热部分从所述工作部分传导热量。2. 权利要求1的制品，其进一步包括支撑所述工作部分的主体部分，并且其中所述吸热部分与所述主体部分接触。3. 权利要求1的制品，其进一步包括支撑所述工作部分的主体部分，并且其中所述吸热部分包括所述主体部分的至少一部分。4. 权利要求2的制品，其中所述工作部分为接触部分和切削部分中的一种。5. 权利要求2的制品，其中所述工作部分为接触部分且所述制品选自辊轧^L辊和密封圈。6. 权利要求2的制品，其中所述工作部分为切削部分且所述制品选自地下钻探钻头、切削嵌件、切削工具、旋转刀具、旋转刀具嵌件、钻头、刀、和纵切机。7. 权利要求1的制品，其中所述工作部分为外部部分且所述吸热部分为以下中的至少一种内部部分、中心部分、和至少一部分主体部分。8. 权利要求2的制品，其中所述吸热部分通过压入配合、收缩配合、紧固件、软钎焊、硬钎焊、粘着剂、和夹紧中的至少一种以机械方式附着到所述主体部分上。9. 权利要求2的制品，其中所述粘合剂包括钴、镍、和铁中的至少一种。10. 权利要求2的制品，其中所述烧结碳化物包含碳化鴒的硬颗粒，和包括钴的粘合剂。11. 权利要求2的制品，其中所述烧结碳化物包含2~40重量％的所述粘合剂和60 ~ 98重量％的所述颗粒。12. 权利要求2的制品，其中所述硬颗粒包括平均粒度为0.3 ~ 10 )im的碳化鴒颗粒。13. 权利要求2的制品，其中所述吸热材料具有大于150 W/mK的导热率。14. 权利要求2的制品，其中所述吸热材料包括选自如下的材料铜、 铝、银、金、碳化硅、氮化铝、氮化硼、碳化硅铝、氧化铍、硅-碳化硅、 碳化硅铝、铜鴒合金、铜钼碳化物、碳、金刚石、石墨、及它们中的两种或 更多种的组合。15. 权利要求2的制品，其中所述烧结碳化物包括杂混型烧结碳化物。16. 权利要求15的制品，其中所述杂混型烧结碳化物包括 烧结碳化物M相；和烧结碳化物连续相，其中所述分散相的邻接比小于或等于0.48。17. 权利要求2的制品，其中所述主体部分包括凹槽，其中所述吸热部 分的至少一部分设置于所述凹槽内。18. 权利要求17的制品，其中所述吸热部分包括固体物和粉末中的至少 一种。19. 权利要求18的制品，其中所述吸热部分包括在所述凹槽内形成机械 密封并且限定所述主体部分内的空腔的固体栓，并且其中所述吸热部分进一 步包括在所述空腔内的粉末。20. 权利要求2的制品，其中所述吸热部分包括 包含硬颗粒的第 一分散相；包含粘合剂的第 一连续相，其中所述硬颗粒分散在所述第 一连续相中；和包含所述吸热材料的第二连续相。21. 权利要求3的制品，其中所述制品为辊轧机辊，所述辊轧机辊包括 接触部分，其包括第一末端和相对的第二末端、以及在所述第一末端和所述第二末端之间延伸并且包括接触表面的环形外壁；和主体部分，其支撑所述接触部分并且包括限定纵向延伸穿过所述辊轧机辊的孔的环形内壁，所述内壁在其中包括凹槽；且其中所述吸热部分的至少一部分设置于所述凹槽中。22. 权利要求3的制品，其中所述制品为密封圈，所述密封圈包括接触部分，其包括包含接触表面的第一面；和主体部分，其支撑所述接触部分并且包括对其中凹槽进行限定的第二 面，其中环形外壁在所述第一面和所述第二面之间延伸，和环形内壁在所述 第一面和所述第二面之间延伸并对在所述第一面和所述第二面之间延伸且 在所述第一面和所述第二面上开力i:的孔进行限定；且其中所述吸热部分的至少一部分设置于所述凹槽中。23. 选自地下钻探钻头、切削嵌件、切削工具、旋转刀具、旋转刀具嵌件、 钻头、刀、和纵切机的制品，其中所述制品包括切削部分，其包含烧结碳化物，所述烧结碳化物包含选自钛、铬、钒、 锆、铪、钽、钼、铌、和鴒中的至少一种过渡金属的碳化物的硬颗粒和包括 钴、镍、和铁中的至少一种的粘合剂，所述切削部分包括切削表面；主体部分，其支撑所述切削部分；和吸热部分，其与所述主体部分接触并包含这样的材料，所述材料包括铜、 铝、银、金、碳化硅、氮化铝、氮化硼、碳化硅铝、氧化铍、硅-碳化硅、 碳化硅铝、铜钨合金、铜钼碳化物、碳、金刚石、和石墨中的至少一种并且 所述材料具有大于所述烧结碳化物导热率的导热率，其中所述吸热部分与所 述工作部分热连通并从所述工作部分导走热量。24. 辊轧机辊，其包括接触部分，其包含烧结碳化物，所述烧结碳化物包含选自钛、铬、钒、 锆、铪、钽、钼、铌、和鵠中的至少一种过渡金属的碳化物的硬颗粒和包括 钴、镍、和铁中的至少一种的粘合剂，所述接触部分进一步包括 第一末端和相对的第二末端，和在所述第一末端和所述第二末端之间延伸并且包括接触表面的环 形外壁；主体部分，其支撑所述接触部分并且包括对纵向延伸穿过所述辊轧机辊 的孔进行限定的环形内壁，所述内壁在其中包括凹槽；和吸热部分，其与所述主体部分接触并包含这样的材料，所述材料包括铜、 铝、银、金、碳化硅、氮化铝、氮化硼、碳化硅铝、氧化铍、硅-碳化硅、 碳化硅铝、铜钨合金、铜钼碳化物、碳、金刚石、和石墨中的至少一种并且 所述材料具有大于所述烧结碳化物导热率的导热率，其中所述吸热部分的至 少一部分设置于所述凹槽内，并且其中所述吸热部分与所述工作部分热连通并从所述工作部分导走热量。25. 密封圏，其包括接触部分，其包含烧结碳化物，所述烧结碳化物包含选自钛、铬、钒、 锆、铪、钽、钼、铌、和鴒中的至少一种过...

【专利技术属性】
技术研发人员：普拉卡什K米尔钱达尼，艾尔弗雷德J莫斯科，埃里克W奥尔森，史蒂文G考德威尔，
申请(专利权)人：TDY工业公司，
类型：发明
国别省市：US[美国]