韧性增加的凿岩钎具用钎片以及增加该钎片的韧性的方法

技术领域

本发明涉及凿岩钎具用的钎片(drill bit)。本发明还涉及凿岩钎具和处理凿岩钎具用的钎片的方法。

背景技术

具有凿岩用钎片的钎具通常包括多个由硬材料制成的钎片，其嵌在相对较软材料如钢的头体(drilling head)中。所述钎片通常具有嵌入钢中的圆柱状部分和从钢中突出的圆顶型末端轮廓。

这种钎片通常由复合材料制成，该复合材料由硬质相和粘合剂相构成。硬质相通常为碳化钨，而粘合剂相通常为钴。也使用润滑剂以简化钎片成型。该复合材料压缩成期望的钎片形状(生坯体)然后加热(通常在受控压力下和在特别适于工艺的气体混合物中)，使得粘合剂相变得更加粘滞并且润湿碳化钨颗粒，这样碳化钨颗粒就粘结到一起。根据原材料，钎片在烧结过程的冷却阶段期间将收缩成预期的最终几何结构。然后对其进行研磨和级联。在级联过程中，钎片由于互相摩擦或者与添加的研磨材料摩擦而被机械处理。级联用于除去钎片的边角和圆化钎片的边缘，其被认为是最经济的清洁和表面处理的方法。级联时，通常使用水与额外的所谓化合物的组合。所述化合物可具有清洁、去脂、pH值调节、抗腐蚀保护、润滑和研磨特性。为了保持级联中的组分处于分离，可以使用所谓碎片。所述碎片是可具有不同形状如棱锥形、圆锥形、圆柱形等的实心体。

某些类型的烧结碳化物如具有平均粒径为约2.5微米的硬质相和约6％粘合剂相的复合材料是细颗粒的并且因此非常坚硬。因此，这种复合材料的硬度被认为太硬和太脆以至于不能用于钻凿坚硬岩石如石英石。因此，在这种类型的岩石中使用较软的复合材料作为钎片，例如硬质相具有较大平均粒径和/或具有较高粘合剂相含量的材料。在这些情况下，不幸的是，钎片磨损地更快，凿岩钎具的寿命更短。另一个必须改用较软钎片的实例是钻凿铁矿石时。

美国专利7 258 833公开了一种提高碳化钨组件的表面韧性和表面硬度的方法。该专利权人要求保护防止组件形成裂纹和/或破裂并且提高其耐磨性的方法。另外，该专利权人要求保护显著提高经处理的组件的表面硬度的方法。

发明内容

本发明的一个目的是提供改善的用于凿岩钎具的钎片。

该目的通过根据权利要求1的钎片实现，其中钎片具有设置为与被钻物相接触的钻面。如果钎片(10)具有10mm以上的长度(L)，则钎片(10)的纵截面(10t)表现出在钻面下不同深度处的总Palmqvist裂纹长度L_tot(深度)与在5.0mm深度处的总Palmqvist裂纹长度L_tot(5.0)之间的下列关系，即L_tot(深度)/L_tot(5.0)，其中钎片长度是在与钎片的纵轴中心线(C)共轴或平行的方向上最大的距离。上述截面还表现出在不同深度处的硬度H(深度)和在5.0mm处的硬度H(5.0)之间的下列关系，即H(深度)/H(5.0)。这些特性的测量基本上沿着或者在距钎片的纵轴中心线(C)最大距离为D/4处测量，优选在最大距离为D/6处测量，其中D为钎片直径，即在与钎片的纵轴中心线(C)成直角并在钎片上可测量的最大距离。截面平面的法线应该与钎片的纵轴中心线成直角(正交)或基本正交，见图1。认为钎片在5.0mm深度的特性与钎片主体中的相同。

如果钎片(10)具有小于10mm的长度(L)，则通过钻面(10b)的钎片(10)的纵截面(10t)表现出在特定深度处的下列关系L_tot(深度)/L_tot(3.5)和H(深度)/H(3.5)，其中H(深度)/H(3.5)根据Vickers测试测量，而L_tot(深度)/L_tot(3.5)根据本文中所述的Palmqvist方法测量，二者均基本上沿着钎片的纵轴中心线(C)进行测量：

其中认为钎片在3.5mm深度的特性与钎片主体中的相同。上表给出朝向钎片中心的测量值，即对于长度小于10mm的钎片为在钻面下3.5mm处的测量值，而对于10mm以上长度的钎片为在钻面下5.0mm处的测量值。

Palmqvist裂纹长度与钎片的临界断裂韧度成反比。Palmqvist裂纹长度越短，钎片材料就越韧。因此表现出上表中的Palmqvist裂纹长度和硬度的钎片在接近钻面时变得更具韧性，尽管其硬度在接近钻面时基本不会增加。

更具韧性的钎片使得钎片在钻凿时更少断裂和具有更长寿命。因此这使得产品如钎片、凿岩钎具、包括钎片的钻头冠部(bore crown)和凿岩机将因钻取更多材料而变得更有市场，即钎片可用于形成的岩石量增加。这尤其适合于钻凿硬物质，如钻凿石英石。另外，当钻凿例如铁矿时获得更好的特性，当钻凿例如铁矿时如今经常使用具有凿状齿的凿岩钎具类型(旋转齿冠)取代钎片。这种钎片钻头冠部比旋转齿冠制造更便宜，并且具有几乎是旋转齿冠两倍高的钻凿速度(所谓钻速)。

在上述岩石构造中，可以利用根据本发明的处理方法，选择磨损(损失其原始形状)更慢并且由此提高工具寿命的更硬的钎片。

为了确定材料的硬度，使用所谓Vickers测试的压痕法(根据标准DIN50133，“Theory and User Information，Volume A，Users Manual2001”)。Vickers测试依据的原理是测量材料忍受塑性变形的能力，测量的硬度值以单位N/mm²给出。以预定的力(F，单位牛顿)将具有顶前角136°的棱锥形金刚石压头(见图3)压入平坦测试片，即钎片的纵截面。测量凹痕中的两个对角线的长度(DIA1和DIA2)并计算平均值(DIA_medel，单位mm)。然后可在换算表中查出硬度(H)或用方程式计算。

在硬质材料的Vickers测量过程中，裂纹(所谓Palmqvist裂纹)形成在对角线的延长线上，见图5。

钎片的临界断裂韧度也由压痕法利用下列对Palmqvist裂纹的方程式估算，所述方程式由W.D.Schubert等人在the International Journalof Refractory Metals & Hard Materials 16(1998)10133-142中提出：

$K_{1C}=A\sqrt{H}\times \sqrt{\frac{P}{L_{\mathrm{tot}}}}$

其中K_1C是临界断裂韧度，H是硬度(单位N/mm²)，A为常数，P是承载力(单位N)，L_tot是总Palmqvist裂纹长度，即硬度测量(Palmqvist方法)时由压痕产生的四个Palmqvist裂纹的长度之和(L₁+L₂+L₃+L₄)(单位mm)(示于图5中)。图6示出一个Palmqvist裂纹。对于特定的硬度，较短的Palmqvist裂纹(L_tot)给出较高的临界断裂韧度(K_1C)，从而得到更韧性的材料。

根据本发明一个实施方案，钎片包含复合材料或由复合材料构成，所述复合材料包括硬质相，如碳化钨、碳化铌、碳化钛、碳化钽、碳化钒、碳化铬、碳氮化钛或者这些材料的混合物或化合物。

根据本发明另一个实施方案，钎片包括利用粘合剂相粘结的硬质相，所述粘合剂相为钴、镍、铁(低合金或正常合金)或这些元素的混合物或化合物。

根据本发明另一个实施方案，钎片包含具有平均粒径为约2-3微米的硬质相和约6％的钴粘合剂相的复合材料。

根据本发明另一个实施方案，钎片包括4-12％的钴、镍、铁或这些元素的混合物或化合物的粘合剂相。

根据本发明另一个实施方案，在烧结碳化物钎片中的硬质相的平均粒径为至多10微米，优选为0.5至5.0微米，更优选为1.5至3.5微米，其中平均粒径通过对成品的截面的显微估算测定，例如根据ASTM标准E112-96(Reapproved 2004)“Standard Test Methods for DeterminingAverage Grain Size”。

根据本发明再一个实施方案，钎片具有圆顶形、半弹道形、半球形、半圆柱形或者任意其它预期形状的端部，其外边缘限定钻面。

根据本发明的一个实施方案，钎片具有10mm以上的长度和至少7mm，优选7-22mm的直径(D)。或者，钎片具有小于10mm的长度和至少7mm，优选7-22mm的直径(D)。

根据本发明的一个实施方案，钎片包括具有7mm以上直径(D)的圆柱部分。根据本发明的一个实施方案，钎片具有5克以上的质量。优选地，钎片具有7-22mm的直径(D)和5-150克的质量。

本发明还涉及一种提高用于凿岩钎具的钎片的韧性而基本上不提高所述钎片的硬度的处理方法。实验显示这是通过由具有6％钴的平均粒径2.5微米的碳化钨制成的钎片互相之间碰撞而实现的。这些钎片表现出根据第二和第三页的表中的特性。这些特性具体示于权利要求1中。如果碰撞能量低，小于35mJ，则钎片受到轻微影响，即仅获得作为深度的函数的总Palmqvist裂纹长度(L_tot)的轻微减少。如果碰撞能量变得太高，超过175mJ，则获得表面区域的硬度提高以及韧性的提高。能量范围35-175mJ，优选35-100mJ的碰撞使得钎片具有提高的临界断裂韧性和略微增加或保持不变的硬度。

钎片碰撞前的总能量(E)用下列等式之一计算(见图9)：

E＝mgh或E＝mv²/2

其中，m是钎片质量(单位kg)，g是重力加速度9.81m/s²，h是下落高度，v是钎片在处理方法过程中与另一个钎片碰撞或挤压之前的速度(单位m/s)。

处理过程可以采取多种不同方法自动化进行，例如使用输送带输送钎片至一定高度，然后使其下落到钎片的床上，通过以一定转速旋转鼓，以使钎片下落产生正确处理能量的高度，通过使钎片经过振动级联(vibration cascading)或离心级联(centrifugal cascading)以使得它们获得正确的处理能量。

下面列出如何获得权利要求1中所述的产品特性的三个实施例。i)旋转级联(rotation cascading)

用待处理的组件填充圆柱形或多边形的转鼓(具有水平轴)至1-75％，优选15-50％。鼓的直径和速度对于工艺非常重要，而其长度不太重要。在工艺开始前，组件与水和添加剂(例如清洗剂和/或pH调节剂)一起装入鼓中，可以只用纯水，也可以只用空气。不加入研磨(研磨)介质。

在过程中，使鼓旋转，从而使得鼓中的组件随着外壁的旋转到特定位点，在此处他们从外壁移开，首先向上射出然后向下射入其它组件的床中。转速和鼓的直径以及鼓的填充程度决定了上述等式E＝mgh中的高度h。组件的单个质量，鼓的直径以及鼓的填充程度是已知的，因此可计算转速从而获得预期下落高度h。这样可确定组件间任意碰撞的能量水平。然后确定这些碰撞发生了多少次。处理时间通常为0.5-16小时以上，优选1.5-6小时。

下面是一些产生具有权利要求1所述特性的产品的转速和鼓直径。

和20-100rpm。对于钎片质量为47-150克，得到下落高度80-120mm和碰撞前动能为约35-120mJ。

和15-75rpm。对于钎片质量为20-110克，得到下落高度125-190mm和碰撞前动能为约40-135mJ。

和10-55rpm。对于钎片质量为10-40克，得到下落高度250-380mm和碰撞前动能为约35-150mJ。

本发明的钎片通过在下列条件下使用旋转级联机制备：

直径＝190mm，鼓填充程度＝33％，转速＝75rpm，钎片质量＝74.8g，处理时间＝2小时。参见图7和图8中的韧性和硬度特性的结果(标注为“旋转”的曲线)。鼓内部设置有四个5mm高的横向翼。

应注意的是当旋转级联时，由于转速产生横向速度(v_x，图9)，但是在所给出的转速和下落高度内，其对碰撞前动能的贡献低于10％。

通过使用直径为190mm的旋转级联机(并具有5mm的内翼)在下列条件下获得直径分别为14.5mm和15.8mm或者质量分别为48或63克的本发明钎片：

-44RPM，鼓填充程度30％，钎片质量62.8g，级联时间8小时，对应的碰撞能量54mJ

-44RPM，鼓填充程度30％，钎片质量47.8g，级联时间16小时，对应的碰撞能量45mJ

-44RPM，鼓填充程度50％，钎片质量62.6g，级联时间12小时，对应的碰撞能量60mJ

-44RPM，鼓填充程度30％，钎片质量62.8g，级联时间12小时，对应的碰撞能量54mJ

-44RPM，鼓填充程度30％，钎片质量62.8g，级联时间16小时。对应的碰撞能量54mJ

-75RPM，鼓填充程度33％，钎片质量47.8g，级联时间2小时。对应的碰撞能量57mJ

-75RPM，鼓填充程度33％，钎片质量47.8g，级联时间4小时。对应的碰撞能量57mJ。

ii)振动级联

振动级联是将待处理的组件装入弹簧悬吊容器中的过程。与容器中心安装在一起的电动马达以预定速度(此处称为频率)旋转。电动马达具有不对称安装在其轴上的重量，这导致不平衡，从而在对组件进行处理的容器中产生振动运动。

组件通过互相推挤并达到预期能量来进行处理。如果组件质量过低(对于钎片＜30g)，则必须与较重组件(所谓模拟物)混合，以在碰撞中获得正确的能量水平。当处理大质量组件时，相反地可以有利地将它们与小的″模拟物″混合，以降低能量和防止组件的边缘受损。合适地，所述″模拟物″应由与所处理的组件相同的复合材料制成。

典型的振动级联机通过在机器上部的装载盖装入组件。通常，装载重量为20-50kg(即钎片总重)。装载后，加入水和添加剂(例如清洗剂和/或pH调节剂)，可以只用纯水。不加入研磨(研磨)介质。也可以只使用空气。

机器具有完全自动化的控制系统，即选择程序然后启动机器。供电和处理时间利用各自程序进行编程。当完成处理时，开始润湿程序然后进行干燥程序。

根据本发明的钎片通过使用具有振动级联机(Reni Cirillo)在下列条件下获得：

-容器体积25升，

-电机功率0.75kW

-频率30Hz(额的功率＝100％)

-10个质量为10g的钎片，与418个质量为47.6g的钎片混合，即装载重量为20kg(即钎片总重)，级联时间4小时。

-参见图7和图8中的韧性和硬度特性的结果(标注为“振动”的曲线)。

iii)离心机

在该过程中，组件从上向下装入具有旋转底板的垂直鼓中。当底板发生旋转时，组件被甩向鼓的边缘并向鼓的内壁挤压。在处理过程中，组件在鼓壁周围向外径向挤压，并且可在中心看到鼓的底部。设计鼓的旋转底部以使得压向侧面的质量由于高转速而向上沿着鼓的内壁移动。在鼓中使用正确的组件体积产生扭曲运动，从而使最高的组件从下方向侧边挤压并朝向中心落下。组件沿鼓高转速旋转，同时它们弯曲/扭曲并且互相持续改变位置。

在过程中，持续加入液体，通常为水和添加剂(化合物)(例如清洗剂和/或pH调节剂)，可以只用纯水。不加入研磨(研磨)介质。液体通过位于鼓壁和旋转底板中间的柱压出。也可以只使用空气。

在该过程中，通过高转速提供能量，导致大部分的负载体积用作对小部分负载体积的挤压质量，即位于最外面挤靠鼓内壁的组件经受最大的压载。由于扭曲运动，进行不断的搅拌，导致所有组件互相之间经受同等的处理。

根据本发明的钎片通过使用离心机(ERBA TURBO-60)在下列条件下获得：

-体积：60升，高度＝360mm

-转速：250rpm。

-钎片质量＝11.3g，总质量＝100kg，得到大约10升的体积，处理时间3小时。

-参见图7和图8中的韧性和硬度特性的结果(标注“离心”的曲线)。

上述实施例显示旨在用于特定目的的标准机器如何可用于另一目的。各种机器具有很多不同的制造商，也可使用其它类型的机器和方法以获得本发明所需的能量水平。

实验显示为了使得由具有6％钴的平均粒径2.5微米的碳化钨制成的钎片表现出第二和第三页表中期望的特性，需要能量(E)35-175mJ。这些特性具体示于权利要求1中。

应注意的是，计算所述能量(E)的方程式远比以上给出的方程式复杂，并且上述计算能量的方法是非常简化的，这是因为没有考虑如介质和在其它物质中的摩擦等因素。

即使简化了方程式，但本发明仍基于如下本质：如果以特定方式运作常规机器，即如果钎片碰撞前产生的总能量(E)为35-175mJ，则常规机器可用于提高用于凿岩钎具的钎片的韧性而基本上不提高所述钎片的硬度。已知所述能量(E)是机器直径、转速、质量和鼓填充程度的函数。因此，本领域技术人员可通过或者计算或者进行实验或者按照本发明给出的实施例来确定某台机器如何运作以提供本发明的钎片。

根据本发明的一个实施方案，连续或者定期地移除处理过程中产生的碎片。这意味着钎片碎片在级联过程中不会损伤钎片。钎片碎片可通过从机器中抽干处理液来移除，这样钎片碎片与水一起被运走。另外，例如在振动级联步骤中，为了将钎片碎片运走可冲洗钎片。或者，可通过工艺水的连续过滤、磁移除或者通过使用筛阱除去钎片碎片。

根据本发明的一个实施方案，通过连续地或者以分步方式提高处理方法中的处理速度来提高处理能量。低韧性导致更脆的钎片。由于钎片在处理过程中变得更有韧性，由此它们耐受经历更强的处理，因此在方法给出中可提高处理速度/能量。

根据本发明的另一个实施方案，在长度小于10mm的钎片的钻面下方3.5mm处和在长度大于10mm的钎片的钻面下方5.0mm处测量的硬度变为比钎片主体中测量的硬度高至多4％。

所附方法权利要求给出了根据本发明的方法的其它实施方案。显然钎片可在进行本发明的方法之前和/或之后研磨成预定尺寸。

本发明还进一步涉及凿岩钎具，其包括本发明实施方案的至少一个钎片。凿岩钎具特别用于钻凿矿石或硬质材料如石英石，但不限于此。

附图说明

下面将参考附图更加详细地描述本发明，其中：

图1示出根据本发明一个实施方案的钎片和纵截面。

图2示出本发明可以应用的一些典型凿岩钎具、冲击钻冠部(sinkerdrill crown)。

图3示出用于压痕法中的压痕计。

图4示出在钎片材料的抛光纵截面中制造的压痕：压痕与钻面的距离以mm给出，其中DIA1和DIA2在不同压痕中用于测定材料硬度。

图5示出在压痕的四个不同角落的Palmqvist裂纹L₁、L₂、L₃和L₄。

图6示出Palmqvist裂纹L_x的图，其中x表示压痕的四个不同角落和L_x表示单个Palmqvist裂纹L₁、L₂、L₃和L₄。

图7示出对于根据本发明参数的三种不同处理方法旋转级联、振动级联和离心级联，不同深度的总Palmqvist裂纹长度L_tot(深度)和5.0mm深度处的总Palmqvist裂纹长度L_tot(5.0)之间的关系即(L_tot(深度)/L_tot(5.0))×100。

图8示出对于根据本发明参数的三种不同处理方法旋转级联、振动级联和离心级联，在不同深度的硬度(H(深度))和在5.0mm处的硬度H(5.0)之间的百分比关系即(H(深度)/H(5.0))×100。

图9示出下落高度h和碰撞前速度v，以及由此如何计算旋转级联机器的能量。

图10示出本发明制造的钎片表现出的百分比关系(L_tot(深度)/L_tot(5.0)×100)。

应注意的是，附图不必按比例绘制，为了清晰起见，可以放大特定特征的尺寸。