專利名稱：用作基體巖石鉆頭中浸滲粘結劑的低熔點銅-錳-鋅合金的制作方法
技術領域：
本發明涉及一種合金，它可用作浸滲粘結劑，將金剛石切削構件粘結到基體上。更具體地說，是涉及一種低熔點銅-錳-鋅合金，它可用作浸滲粘結劑，把金剛石或其它超硬切削構件結合到基體(例如鉆頭體)上。本發明也涉及用新的低熔點銅-錳-鋅合金浸滲基體粉末來生產一種粘合基體的方法。
這里所描述的發明特別適用于制造這樣一種旋轉鉆頭，這種鉆頭體的外表面鑲有許多用來切削或磨蝕巖層的切削構件，而內部有向鉆頭外表面上一個或多個噴嘴提供鉆孔泥漿的通道。各噴嘴位于鉆頭體的表面，以使鉆孔泥漿由噴嘴排出并且在鉆孔過程中流過切削構件，從而冷卻和/或清洗這些構件。切削構件最好是具有由多晶金剛石或其它超硬材料構成的超硬切削面的預成形切削構件。
正如本領域熟練技術人員所理解的，“超硬”這個術語是用來描述金剛石和立方晶系一氮化硼材料。為方便起見，“金剛石”這術語這里是可與“超硬”這術語互換的，并且其含意包括高壓或低壓下(亞穩態生長)制得的金剛石(單晶的或多晶)的材料以及立方晶系一氮化硼材料。
用于鉆巖的牽引鉆頭通常用兩種方法中的一種來制造的。一種常規方法是通過機械加工將大塊的鋼材制成所要求的形狀，就制成鋼體鉆頭，再在鉆頭體上鉆孔以容納包含金剛石的切削構件，然后將該金剛石刀具壓入其位置。當鉆頭是用這種方法制造時，金剛石刀具是通過刀具和孔的壓配合而用機械方法固定的。另一種方法是將刀具釬焊到鋼質鉆頭體上。
另一種制造牽引鉆頭的常規方法中，鉆頭體是通過粉末冶金法來形成的。美國Wilder等人的NO.3，757，878和美國Barr的NO.4，780，274是用來生產基體鉆頭的粉末冶金法的實例，通過引用而歸并在本發明。在這種方法中，將石墨塊機械加工成鑄模。將一種耐磨基體粉末(例如由碳化鎢粉末顆粒制成)放置在該鑄模內，將鋼質坯件放入到該鑄模內，在基體粉末的上部。其后，再把一種浸滲合金安放在模子里。加熱時，該浸滲合金熔化并且透入到基體粉末內，并充滿顆粒間的空間。冷卻時，這些滲入的合金就固化并把基體粉末顆粒粘結在一起成為粘聚的整塊。該浸滲的合金也將這粘聚塊結合到鋼質坯件上形成基體鉆頭。然后將一有螺紋的連接件焊到該鋼質坯件的端部以使得鉆頭能夠連接到鉆具組。以常規的銅基浸滲合金進行這種方法所需的爐溫約為1065℃到約1200℃。
通常將含有金剛石的切削構件以兩種方法中的一種方法連接到如此制成的基體鉆頭上。如果含有金剛石的刀具能夠經得起浸滲溫度而沒有顯著的破壞，則在基體粉末加進之前就把該刀具放入模子內，而作為浸滲過程的結果，它們被結合到基體上，這些含有金剛石的刀具就變成基體鉆頭整體的一部分。然而，如果含有金剛石的刀具不能夠不受顯著破壞地承受住浸滲溫度，則在浸滲好的刀頭從模子里取出以后，通常用釬焊將刀具連接到鉆頭體上。
比起在滲透過程中直接將刀具結合到基體上，人們更不愿意用釬焊將該含金剛石刀具焊到鉆頭體上。釬焊是制造過程中的一個額外的步驟，它具有它自己的復雜性。雖然在制造基體鉆頭中刪去釬焊步驟顯然是合乎要求的，但市場上可買到的許多含金剛石的切削構件不能經受傳統的銅基浸滲合金所需要的浸滲溫度。例如，常規的多晶型金剛石予成型件僅在低于700℃到750℃的溫度下是熱穩定的，因此，它必須在浸滲后釬焊到鉆頭體上。更新的多晶型金剛石予成型件，例如由通用電器公司購得的商標為Geoset的予成型件和由DeBeers公司購得的商標為Syndax 3的予成型件在低于常規浸滲溫度(約1150℃)時，在名義上是熱穩定的。然而在事實上，商標為Geoset的熱穩定多晶型金剛石切削構件在溫度低到1000℃就開始性能變壞。近來，DeBeers公司已開發一種商標為STSR Syndrill的多晶系金剛石予成型件，在高到近于1000℃時它是熱穩定的。
因此，本領域的技術人員迄今正積極地尋求浸滲溫度比常規銅基浸滲劑低得多的新型浸滲合金。Griffin的美國專利NO.4，669，522公開了一種基本上是銅一磷二元共晶體或近于共晶體組分的合金作為浸滲合金。所揭示的這種合金的浸滲溫度不大于850℃，更好的情況下不大于750℃。然而，有理由認為這種銅磷浸滲合金使用時具有某些冶金學上的問題，因此它在商業上沒有獲得成功。
本發明的一個優點是提供了一種浸滲溫度低于約1000℃的新型浸滲合金。
本發明的另一個優點是提供了一種用浸滲溫度低于約1000℃的浸滲合金來制造粘聚基體的新方法。
本發明還有另一個優點是提供了一種用浸滲溫度低于約1000℃的銅基浸滲合金制造鉆頭體的方法。
本發明提供了包含約5%到65%重量的錳，低于35%重量的鋅，其余部分為銅的一種新的低熔點浸滲合金，從而獲得了這些和其它一些優點。較好的是該浸滲合金包含約20%到30%重量的錳，10%到25%重量的鋅，其余為銅。最好的是該浸滲合金包含20%重量的錳，20%重量的鋅，其余為銅。這種較佳組分的浸滲合金的熔點約為835℃，浸滲溫度(即浸滲可以進行的溫度)約為950℃。現有技術揭示了性質上具有相似組分的各種金屬合金。例如見Cas-cone的美國專利4，003，715，Greenfield的美國專利4，389，074，Tr-ler等人的美國專利3，778，238，Shapiro等人的美國專利3，775，237，Shapiro等人的美國專利3，880，678，Renschen的美國專利3，972，712等等。但以前還從未公開過具有上述組分的浸滲合金。
本發明也提供了一種整體的粘聚基體，它包含許多嵌入在粘結基體內的切削構件，而該基體是用一種浸滲合金將基體材料浸滲而制得的。該浸滲合金具有上述的組分并且其特征為浸滲溫度約為1050℃或低于1050℃，更好的約為950℃。該基體切削構件由超硬材料，例如在浸滲溫度下是熱穩定的多晶金剛石材料制成的。根據要求，這整體的基體形成鉆頭體的一部分。
本發明的另一方面，是提供了一種制備整體的基體的方法，它包括塑造一個中空的鑄模，以至少鑄造基體的一部分，將切削構件放入鑄模內，至少在鑄模的一部分裝入基體粉料，在爐內用一種浸滲合金浸滲基體材料以形成聚集體，讓該聚集體固化而成整體的基體，該合金是一種包含錳的銅基合金，它經選擇以提供浸滲溫度不大于約1050℃。更合乎要求的是浸滲合金也包含一定量的鋅并且具有大約950℃的浸滲溫度。
在本發明的一個較佳的實施例中，提供了一種制造鉆頭體的方法，它包括塑造一個中空的鑄模以至少鑄造該鉆頭體的一部分，將切削構件(由熱穩定的多晶型金剛石材料制成)放入鑄模內，至少在鑄模的一部分裝入基體粉料，在爐內用一種浸滲合金浸滲該基體粉料以形成聚集體，隨后讓該聚集體固化，該合金包括約20%重量的錳，約20%重量的鋅，其余是銅，該合金熔點約為835℃而浸滲溫度約為950℃。
圖1是鑄模縱截面示意圖，說明根據本發明制造旋轉鉆頭的方法。
圖2是在圖1的鑄模中制得的旋轉鉆頭的部分截面圖。
根據本發明制得一種新的浸滲合金，它可用于制造基體。在最廣泛的含義上，這種新的浸滲合金含有約5%至65%重量的錳，約0%到35%的鋅，其余是銅。更好的情況是該浸滲合金含有約20%至30%重量的錳，約10%至25%重量的鋅，其余是銅。
這些成分的浸滲合金的熔點約在830℃至980℃范圍內，浸滲溫度不高于約1050℃。浸滲溫度一般總高于合金的熔點，以降低它熔化后的粘滯性，從而提高它進入基體粉料的穿透率。這種發明的浸滲合金也可含有少量其他合金元素，只要它們不會把熔點提高到約980℃以上。例如，發明的浸滲合金也可含有約0.1%到5%重量的硅，約0.1%至1%重量的錫，或約0.1%至1%重量的硼。
這種發明的浸滲合金可以用來制造基體鉆頭。參看圖1，其說明了用這種新型浸滲合金制造基體鉆頭的裝置和方法。這裝置包括一個由兩部分構成的鑄模10，它由石墨或其他適當的材料(如砂、燒石膏，某種陶瓷材料，或涂復有一層與浸滲粘結劑和基體材料不發生反應的材料的金屬等)構成。鑄模10的內部構型大體上對應于所需的鉆頭體或其一部分的表面形狀。鑄模10還有位于其內表面的凹穴，用來接納金剛石刀具12。
將鑄模10的上部和模蓋10a取去，放好模芯14，再將一層基體粉末顆粒16放入鑄模10，復蓋突出的金剛石12，并搖振使它到位并使粉料緊密。基體粉料最好由碳化鎢，澆鑄碳化鎢或其混合物的顆粒構成。也可以使用其他的硬質粉料，如碳化物，硼化物，氮化物和氧化物，或者是如鐵、鈷、鎢、銅、鎳及它們的合金之類的金屬粉料(不論是涂復過或未涂復的)。對基體粉料的唯一限制是它在浸滲過程中不會與浸滲合金反應而使該合金的熔點提高到約980℃上。基體粉料最好包含各種不同大小顆粒的混合物，以產生高的振實密度從而得到良好的耐磨性和耐腐蝕性。
在將金剛石刀具12和基體粉料16放入鑄模10以后，把鋼質坯件18放在鑄模10上，位于粉料16之上。鋼質坯件18與鑄模10的表面是隔開的，用適當的夾具(圖上未示出)將它固定在其位置上。隨后，把鑄模10的上部放在坯件18之上，再在鑄模10內放入一堆浸滲合金(如22所示)處在位于鋼質坯件18之內及其周圍的基體成形材料之上，并伸延至空間24。浸滲合金一般是粗的彈丸形或事先切好的碎塊形。根據本發明，該合金是一種含有5%至65%重量的錳，35%以下重量的鋅，其余是銅的銅基合金，更好的是含有約20%至30%重量的錳，約10%至25%重量的鋅，其余是銅的銅基合金。這種合金的浸滲溫度為1050℃或較低。
基體成形材料和浸滲合金裝入鑄模以后，將組合好的鑄模放入爐內加熱至浸滲溫度，使合金熔化并以已知的方式浸滲基體形成材料。這個浸滲過程在低于約1050℃的溫度下進行，最好是在約950℃左右進行。
然后將組合件冷卻并從鑄模取出。制得圖2所示的鉆頭體。因此鉆頭體包含鋼質坯件18，其上粘結著耐磨基體顆粒復蓋層16，而金剛石切削構件12則嵌入在該復蓋層內。如上面所討論的，本發明的一個重要優點在于金剛石切削構件12是當鉆頭體在鑄模內形成過程中嵌入在鉆頭體內的，因為比較低的浸滲溫度減小了對金剛石切削構件的熱損傷，并且允許使用那些在1000℃以上的溫度下將會損壞的金剛石刀具。鉆頭體成形后冷卻過程中由熱致應力引起損壞的危險也減小了。
金剛石切削構件12可以是任一種用來制造基體鉆頭的常規構件，如天然或合成金剛石刀具，或是立方晶系一氮化硼刀具。但是本發明的最大用途是當金剛石切削構件是由熱穩定的多晶金剛石聚合體構成時，例如前面所述的商標為Gcoset、Syndax 3、或STSR Syn-drill之類的予成型件。這些予成型件可以得到各種形狀，如圓盤或三角形。一般而言，予成型件包含一層由多晶金剛石或其他超硬材料構成的表面層，它結合在粘結碳化鎢之類的襯底層上。不結合在襯底上的獨立式多晶聚合體也適合作為金剛石切削構件12。獨立式聚合體可以本身直接作為金剛石切削構件。另外，也可以通過在鑄模內放入粉狀或固態襯底材料與金剛石切削構件相接觸，而在浸滲過程中使獨立式聚合體在當場結合到襯底或支承材料上。金剛石薄膜(即在亞穩條件下沉積在襯墊上的金剛石材料)也被認為屬于本發明范圍之內。因此，放入鑄模10內的金剛石切削構件也可包含沉積在襯墊上的金剛石薄膜。如果制得足夠厚的金剛石薄膜(例如約0.5mm厚)，可把金剛石薄膜與襯墊分離開來，而將它本身用作金剛石切削構件12。
不管金剛石切削構件12的確切性質如何，最好都有一層1至50μm厚的金屬復蓋層沉積在下面的超硬顆粒上。金屬復蓋層促進超硬顆粒被浸滲合金浸濕，從而使最后產品中金剛石切削構件12牢固地嵌入在整體的基體中。在超硬顆粒上敷施金屬復蓋的技術對本領域的技術人員來說是人所共知的。例如，可參看美國專利3，757，878(Wilder等)中關于一種化學氣相沉積技術的說明，這種技術可用來將一層鎢、鉬、鉭、鈦、鈮與它們的合金沉積在超硬顆粒上。鎢是一種較佳的復蓋物，因為它容易被本發明的新型浸滲合金浸濕。它之所以較佳，還因為在適當條件下它與其下的超硬顆粒化學結合在一起，并且因為它可作為超硬顆粒的抗氧化保護層。
以上所述制造鉆頭體的方法，已經使用以下材料而成功地實施Geoset類型的多晶金剛石預成型件，由澆鑄碳化鎢構成的基體粉末，以及(1)含有20%重量的錳，20%重量的鋅，0.5%重量的硅，其余為銅的浸滲合金。這種浸滲合金的熔點約為835℃，而浸滲溫度為950℃。在這溫度下，該發明的浸滲合金的浸滲率僅稍低于在1180℃下的常規浸滲劑，而它在1000℃的浸滲率則可與1180℃下的常規浸滲劑相比。
上述過程也已成功地用下面成分的浸滲合金而實施
(2)含有20%重量的錳，20%重量的鋅，0.5%重量的錫，其余為銅;
(3)含有20%重量的錳，20%重量的鋅，0.2%重量的硼，其余為銅;
(4)含有20%重量的錳，25%重量的鋅，0.2%重量的硼，其余為銅。
在按上面所說明的方式來實施本發明過程時，重要的是將條件保持得不需使浸滲溫度高于約1050℃。例如，基體粉末不應包含任何能使浸滲溫度提高到1050℃以上的金屬粉末。同樣，有時用來促進浸滲合金對基體粉末的浸滲作用的助熔劑，應當是一種低熔點助熔劑，如無水Na2BO4之類。其它適當的低熔點助熔劑為硼酸，硼的氧化物，氟化物，氯化物等。當浸滲過程在真空中或在惰性氣氛中進行時就不需要助熔劑。
在鑄模中用來置換基體材料以形成特定幾何形狀的鉆頭體的粘土，以及施加于鑄模表面將特定的鉆頭或鑄模部件固定在其位置上的膠合劑，都應當與浸滲合金不發生反應，而且不阻礙浸滲過程。一種合適的粘土是氧化鋁粉末，聚乙烯石蠟(滴點＝92℃)和硼酸的混合物構成的。其它的基體置換材料包括砂，石墨，造型粘土，燒石膏，而且也可使用其它可鑄的陶瓷材料。迄今試驗過的最合適的粘合劑是Testor的NO.3501粘合劑(這是常常用來制作塑料模型的粘合劑)，或者是一種滴點高于100℃的聚乙烯石蠟。
上面所說明的制造帶有金剛石刀具的巖石鉆頭的方法。與現有方法相比有許多優點。第一，如果在1000℃以下使用，它消除了Geoset切削構件所發生的性能變壞，這種切削構件名義上在1100℃以下的溫度下是穩定的，但在約1000℃以上性能就開始變壞。其次，這方法可以允許STSR Syndrill切削構件(它只在約1000℃以下是穩定的)在浸滲過程中結合到基體鉆頭上，因而不再需要釬焊。第三，它避免了發生于某些敷施在金剛石顆粒上的金屬復蓋層的起泡問題。某些金屬復蓋層含有一層銅。當浸滲高于銅的熔點(1083℃)時，銅層就會發生起泡。但是，由于本發明的方法是在1050℃以下進行，最好是在950℃的溫度下進行，這個問題就避免了。第四，由于本方法是在較低的溫度下進行，浸滲劑固化后冷卻過程中所產生的熱應力也有顯著降低。許多其他優點對本領域的技術人員是顯然的。
發明的浸滲合金的用途并不限于制造基體鉆頭，它也能用于任何鑄造過程，通過浸滲基體粉末并將顆粒粘結在一起而制造整體的機件，這一點也應當是明顯的。例如，這浸滲合金也可用于一種制造拉絲模的過程，其中含有金剛石的陰模通過浸滲過程而結合到模塊上。本發明的其它許多變換形式和實施方法，對本領域的技術人員將是顯而易見的。
權利要求
1.一種浸滲合金，其特征在于含有約5%至65%重量的錳，約35%以下重量的鋅，其余為銅。
2.如權利要求1所述的浸滲合金，其特征在于含有約20%至30%重量的錳，約10%至25%重量的鋅，其余為銅。
3.如權利要求1所述的浸滲合金，其特征在于含有約20%重量的錳，約20%重量的鋅，其余為銅。
4.如權利要求1所述的浸滲合金，其特征在于含有約20%重量的錳，約25%重量的鋅，其余為銅。
5.如權利要求1所述的浸滲合金，其特征在于它進一步含有約5%以下的一種附加合金元素。
6.如權利要求5所述的浸滲合金，其特征在于其中的附加合金元素選自硅、錫、硼這一組物質。
7.如權利要求1所述的浸滲合金，其特征在于所述的浸滲合金的熔點低于980℃。
8.如權利要求1所述的浸滲合金，其特征在于所述浸滲合金的熔點約為835℃。
9.如權利要求1所述的浸滲合金，其特征在于所述浸滲合金的浸滲溫度約為1050℃或以下。
10.如權利要求1所述的浸滲合金，其特征在于所述浸滲合金的浸滲溫度約為950℃。
11.一種制造整體式基體的方法，其特征在于它包括以下步驟制造一個中空的鑄模，以至少鑄造所述基體的一部分，至少在鑄模的一部分裝入粉狀基體材料，在爐內用浸滲合金浸滲上述粉狀基體材料以形成一聚集體，再讓該聚集體固體，該浸滲合金是一種含錳的銅基合金，選用來使浸滲溫度不高于1050℃。
12.如權利要求11所述的方法，其特征在于所述的浸滲合金是選用來使浸滲溫度約為950℃。
13.如權利要求11所述的方法，其特征在于所述的浸滲合金的熔點不高于980℃。
14.如權利要求11所述的方法，其特征在于所述的浸滲合金含有5%至65%重量的錳，35%以下重量的鋅，其余為銅。
15.如權利要求11所述的方法，其特征在于所述的浸滲合金含有約20%至30%重量的錳，約10至25%重量的鋅，其余為銅。
16.如權利要求11所述的方法，其特征在于所述的浸滲合金含有約20%重量的錳，約20%重量的鋅，其余為銅。
17.如權利要求11所述的方法，其特征在于所述的浸滲合金含有約20%重量的錳，約25%重量的鋅，其余為銅。
18.如權利要求11所述的方法，其特征在于所述的浸滲步驟之前，還進一步包含將許多切削構件置于所述鑄模之內的步驟，由此把這些切削構件變為所述基體的一部分。
19.如權利要求18所述的方法，其特征在于所述切削構件包含一種超硬材料。
20.如權利要求18所述的方法，其特征在于所述切削構件包含一種金剛石材料。
21.如權利要求18所述的方法，其特征在于所述切削構件包含一種多晶金剛石材料。
22.如權利要求18所述的方法，其特征在于所述切削構件包含一種多晶金剛石材料，它在進行浸滲步驟的溫度以下是熱穩定的。
23.如權利要求11所述的方法，其特征在于所述基體是鉆頭的一部分。
24.如權利要求11所述的方法，其特征在于所述基體是拉絲模的一部分。
25.如權利要求11所述的方法，其特征在于所述浸滲步驟之前，還進一步包含將一鋼質坯件放入所述鑄模之內的步驟，由此使該鋼質坯件成為所述基體的一部分。
26.一種整體式基體，其特征在于它包含嵌埋在粘結基體中的許多切削構件，所述粘結基體由基體材料與浸滲合金構成，該浸滲合金含有約5%至65%重量的錳，約35%以下重量的鋅，其余為銅。
27.如權利要求26所述的整體式基體，其特征在于所述浸滲合金含有約20%至30%重量的錳，約10%至25%重量的鋅，其余為銅。
28.如權利要求26所述的整體式基體，其特征在于所述浸滲合金含有約20%重量的錳，約20%重量的鋅，其余為銅。
29.如權利要求26所述的整體式基體，其特征在于所述浸滲合金含有約20%重量的錳，約25%重量的鋅，其余為銅。
30.如權利要求26所述的整體式基體，其特征在于所述浸滲合金含有約5%以下的一種附加合金元素。
31.如權利要求30所述的整體式基體，其特征在于所述附加合金元素選自硅、錫、硼這一組物質。
32.如權利要求26所述的整體式基體，其特征在于所述浸滲合金的熔點為980℃以下。
33.如權利要求26所述的整體式基體，其特征在于所述浸滲合金的熔點約為835℃。
34.如權利要求26所述的整體式基體，其特征在于所述浸滲合金的浸滲溫度約為1050℃或以下。
35.如權利要求26所述的整體式基體，其特征在于所述浸滲合金的浸滲溫度約為950℃。
36.如權利要求26所述的整體式基體，其特征在于所述切削構件包含超硬顆粒。
37.如權利要求36所述的整體式基體，其特征在于所述超硬顆粒包含一種金剛石材料。
38.如權利要求37所述的整體式基體，其特征在于所述金剛石材料包含多晶金剛石材料。
39.如權利要求38所述的整體式基體，其特征在于所述多晶金剛石材料在所述浸滲合金的浸滲溫度下是熱穩定的。
40.如權利要求36所述的整體式基體，其特征在于所述超硬顆粒包括一種金屬外復蓋層。
41.如權利要求40所述的整體式基體，其特征在于所述金屬外復蓋層選自以下一組物質鎢、鉬、鉭、鈮、鈦以及它們的合金。
42.如權利要求41所述的整體式基體，其特征在于所述金屬外復蓋層包含鎢。
43.如權利要求41所述的整體式基體，其特征在于所述超硬顆粒是粘結在一種襯底材料上。
44.如權利要求43所述的整體式基體，其特征在于所述襯底材料包含粘結的碳化鎢。
45.如權利要求26所述的整體式基體，其特征在于所述基體材料包含碳化鎢、澆鑄碳化鎢及它們的混合物。
46.如權利要求45所述的整體式基體，其特征在于所述基體材料包含澆鑄碳化鎢。
47.如權利要求26所述的整體式基體，其特征在于它進一步包含一個鉆頭體。
全文摘要
一種含有約5％至65％重量的錳，35％以下重量的鋅，其余為銅的新型浸滲合金。該浸滲合金最好含有20％重量的錳，20％重量的鋅，其余為銅。它可用來制造基體(如鉆頭體)。一種制造基體的方法，它包括制造一個中空的鑄模以至少鑄造基體的一部分，將金剛石切削構件放入鑄模內，至少在鑄模內的一部分裝入基體粉料，在爐內用新的浸滲合金浸滲基體材料以形成聚集體，讓該聚集體固化而成整體的基體。
文檔編號E21B10/46GK1055771SQ9110013
公開日1991年10月30日 申請日期1991年1月5日 優先權日1990年1月5日
發明者拉爾夫·M·霍頓, 羅伊斯·A·安東 申請人:諾頓公司