硬质合金和金刚石件的熔合结构和方法及钻具与其切削件技术

一种硬质合金件和金刚石件之间的熔合结构，包括　　　　一个由硬质合金形成的硬质合金件；　　　　一个由金刚石形成的金刚石件；和　　　　一个形成在硬质合金件和金刚石件之间用于熔合它们的熔合层；　　　　其特征在于：所述熔合层包括一个扩散层，其中至少选自Ｆｅ，Ｎｉ，Ｃｏ，Ｔｉ，Ｚｒ，Ｗ，Ｖ，Ｎｂ，Ｔａ，Ｃｒ，Ｍｏ和Ｈｆ的一种或两种以上金属至少扩散入所述硬质合金或金刚石之一。（*该技术在2023年保护过期，可自由使用*）

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】
本专利技术涉及硬质合金件和金刚石件之间的熔合方法和熔合结构。此外，本专利技术涉及用于钻井(暗井)或类似物的切削刃、切削部件和钻具。
技术介绍
钻具用于钻油井和其它类型的井。作为这种类型的钻具公知的是由超硬碳化钨合金构成的杆(以下称为“硬质合金杆”)通过例如钎焊和热压配合的方法以预先确定的安排连接于铁合金工具体的末端表面，由超高压力烧结的金刚石(以下称为“烧结金刚石”)组成的切削刃被钎焊到这些硬质合金钻杆的每一个上。钻具被安装在一个管件的末端，管件旋转从而借助管件在钻进方向施加一个重量，因此通过设置在工具体上的切削刃执行钻进操作。因为形成切削刃的烧结金刚石的吸湿度相对于钎料较低，因此使用标准钎料的钎焊是困难的。在日本未审专利申请，第一次公开号2000-000686中公开的钻具中，一个组份有包括例如20％-40％质量的铜和0.5％-10％质量的钛，其余由金和不可避免的杂质组成的金合金钎料(熔点，940℃)被用于将切削刃钎焊到硬质合金杆上。此外，美国专利No.6,248,447B1公开了一种钻具，其中切削刃由耐高热的烧结金刚石形成。近几年，在钻进操作中增加了节省劳动力、节省能源和减少费用的要求。例如，因为为了钻井开拓石油和类似物的钻进操作中每天的操作费用是极高的，所以为了减少费用通过增加钻进速度在短时间内完成钻进操作是必需的。为了增加钻进速度，施加于工具体的载荷和工具体的旋转速度应该增加。然而，在这两种情况下，一个较重的载荷被施加于切削刃。由硬质合金组成硬质合金杆和由烧结金刚石组成的切削刃通过上述的钎焊熔合，而这种熔合强度不很高。因此当一个极重的载荷被施加于切削刃时切削刃可能从硬质合金杆脱离。此外当钻进是高速进行时，由于钻进产生的热量是高的，因为用于钎焊切削刃的钎料能熔化就有可能使切削刃从硬质合金杆脱离。这样通常不可能采用一个极高的钻进速度。考虑到上述问题，本专利技术的一个目的是增加硬质合金零件和金刚石零件之间的熔合强度。专利技术概述本专利技术的一个方面是硬质合金零件和金刚石零件之间的熔合结构。这个熔合结构提供一个硬质合金零件、一个金刚石零件和一个形成在硬质合金零件和金刚石零件之间的用于熔合它们的熔合层。该熔合层包括一个扩散层，其中选自一组由Fe，Ni，Co，Ti，Zr，W，V，Nb，Ta，Cr，Mo和Hf组成的金属的至少一个或两个或更多的金属扩散入硬质合金或金刚石至少之一中。根据该熔合结构，因为熔合层包括扩散层，硬质合金零件和金刚石零件之间的熔合更牢固，并且因此硬质合金零件和金刚石零件之间的熔合强度被增加，且使分离困难。此外，本专利技术的熔合结构的适应性不限于钻具，其能使用在任何应用硬质合金零件和金刚石零件之间熔合的领域。硬质合金零件和金刚石零件的热膨胀率是不同的。然而，一个相对柔软的熔合层形成于它们之间，且该熔合层吸收施加于金刚石件的应力。因此，在熔合过程中当在热处理之后回到正常的温度和压力时，积累在硬质合金零件和金刚石零件的应力通过该熔合层被吸收，应力集中在金刚石件是困难的，在金刚石件上产生破裂或类似情况也是困难的。熔合层包括扩散层，其中至少Fe和Ni之一扩散入金刚石。由于Fe和Ni良好的扩散进入金刚石零件和硬质合金零件，硬质合金零件和金刚石零件上就形成了一个深的和相对厚的扩散层。因此，对于容易地减轻在钻进过程由于施加冲击而产生的应力是有利的，并且产生破裂和类似情况是困难的。熔合层包括扩散层和一个Co层，其中扩散层中的Co扩散入金刚石。Co也是一种容易扩散进入金刚石零件和硬质合金零件的元素，但是扩散层是硬的。这样，如果由于不容许全部的Co扩散而使剩余量产生Co层，可获得阻止破裂的效果和减轻冲击的的效果。熔合层包括扩散层，其中选自Ti，Zr，W，V，Nb，Ta，Cr，No和Hf的一种或两种以上金属扩散入至少硬质合金和金刚石之一。虽然这些金属进入硬质合金零件和金刚石零件的扩散不是很广泛的，但是能获得一个有利的熔合强度。此外，在这些金属的情况下，一个硬的硬质合金在金属和金刚石之间形成，由于这个因素熔合强度也被增加。金刚石是一种耐高热的烧结金刚石，包括占体积0.1-15％的熔合相，在此熔合相由一种或两种以上选自Mg，Ca，Sr和Ba，的碳酸盐，Mg，Ca，Sr，和Ba的氧化物，包含它们的两种以上的复合碳酸盐和复合氧化物形成。这样可以增加金刚石的耐热性。使用标准的钎料熔合耐高热烧结金刚石与硬质合金是困难的，但是按照本专利技术的结构能获得一个高熔合强度。此外，在本专利技术中可以使用包含钴的标准烧结金刚石。当使用EPMA对熔合层的横向方向的横截面作线性分析时，横截面内的金属含量的最大值最好是未受扩散影响的硬质合金零件区域内的金属含量平均值的20倍或更多，是未受扩散影响的金刚石零件区域内的金属含量平均值的100倍或更多，这样由于扩散层熔合强度被增加，且同时由于熔合层而利于减轻冲击的影响。本专利技术的另一方面是用于硬质合金零件和金刚石零件的熔合方法。熔合方法包括一个选自Fe，Ni，Co，Ti，Zr，W，V，Nb，Ta，Cr，Mo和Hf的一种或两种以上金属插入到硬质合金零件和金刚石零件之间的步骤，和一个其中硬质合金零件，金刚石零件和金属材料被加热，一个扩散层被形成，其中金属扩散进入至少硬质合金零件或金刚石零件之一，并且硬质合金零件和金刚石零件被熔合的步骤。该金属材料可以是金属箔、金属粉、金属纤维、或金属组合物。简言之，任何形式的薄的，有基本均匀的厚度，且能插入硬质合金零件和金刚石零件之间的金属材料形状都是合适的。这不取决于金属的种类。按照这个熔合方法，使高强度地熔合硬质合金零件和金刚石零件成为可能。这种高强度熔合本来是困难的。金属材料包括总共占质量的70％的至少Fe和Ni之一，这种情况下，熔合硬质合金零件和金刚石零件的步骤中，最好在满足条件A(K)和B(Gpa)的情况下实施加热，该条件同时满足下列两个式子，并且通过至少Fe和Ni之一扩散进入金刚石形成扩散层。对于B的公式是一个简化的Barman-Simon公式。A＞1175 B＞0.0027×A+0.81金属材料可以包括占质量70％或更多的Co。在这种情况下，熔合硬质合金零件和金刚石零件的步骤中，最好在满足条件A(K)和B(Gpa)的情况下实施加热，该条件同时满足下列两个式子，并且通过Co扩散进入硬质合金形成扩散层，并且形成Co层。A＞1175B＞0.0027×A+0.81金属材料可以包括占质量70％或更多的选自Ti，Zr，W，V，Nb，Ta，Cr，Mo，和Hf之一种或两种以上金属。在这种情况下，熔合硬质合金零件和金刚石零件的步骤中，最好在满足条件A(K)和B(Gpa)的情况下实施加热，该条件同时满足下列两个式子，并且通过金属扩散进入至少硬质合金或金刚石之一形成扩散层。A＞1175B＞0.0027×A+0.81金刚石是耐高温的烧结金刚石，其包括占体积0.1-15％的熔合相，在此熔合相由一种或两种以上选自Mg，Ca，Sr和Ba的碳酸盐，Mg，Ca，Sr，和Ba的氧化物，包含它们中的两种以上的复合碳酸盐和复合氧化物形成。使用标准的钎料熔合耐高热烧结金刚石与硬质合金是困难的，但是按照本专利技术的方法能获得一个高熔合强度。此外，在本专利技术中可以使用包含钴的标准烧结金刚石。金属材料有包含占质量70％本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】

【专利技术属性】
技术研发人员：山本和男，大桥忠一，A·E·瓦尔多尤，
申请(专利权)人：三菱麻铁里亚尔株式会社，
类型：发明
国别省市：