BRPI0510431B1

BRPI0510431B1 - Corpo de broca de cortador fixo.

Info

Publication number: BRPI0510431B1
Application number: BRPI0510431-9A
Authority: BR
Inventors: Prakash K. Mirchandani; Jimmy W. Eason; James J. Oakes; James C. Westhoff; Gabriel B. Collins; Steven G. Caldwell; John H. Stevens; Alfred J. Mosco
Original assignee: Tdy Industries Inc.
Priority date: 2004-04-28
Filing date: 2005-04-28
Publication date: 2018-01-02
Also published as: BRPI0510431A; IL178637A; US20050211475A1; NZ550670A; AU2005238980A1; RU2376442C2; IL178637A0; US20100193252A1; US20080163723A1; WO2005106183A1; EP1740794A1; CA2564082C; SG151332A1; US7954569B2; CA2564082A1; JP2008504467A; US8087324B2; US20080302576A1; US20120097456A1; MXPA06012364A

Abstract

brocas de perfuração de terra a presente invenção refere-se a composições e métodos para formar um corpo de broca para uma broca de perfuração de terra. o corpo de broca pode compreender partículas duras, onde as partículas duras compreendem pelo menos um carboneto, nitreto, boreto e óxido e suas soluções sólidas, e um aglutinante que aglutina as partículas duras entre si.o aglutinante pode compreender pelo menos um metal selecionado a partir de cobalto, níquel e ferro e, opcionalmente, pelo menos um componente redutor do ponto de fusão selecionado a partir de um carboneto de metal de transição na faixa de (30) a (60)% em peso, boro até (l0)% em peso, silício até (20)% em peso, cromo até (20)% em peso e manganês até (25)% em peso, onde as percentagens em peso são baseadas no peso total do aglutinante. além disso, as partículas duras podem compreender pelo menos um dentre (i) partículas de carboneto fundido (wc + w2c), (ii) partículas de carboneto de metal de transição selecionadas a partir dos carbonetos de titânio, cromo, vanádio, zircônio, háfnio, tântalo, molibdênio, nióbio e tungstênio e (iii) partículas de carboneto cementado sinterizado.

Description

(54) Título: CORPO DE BROCA DE CORTADOR FIXO.

(51) lnt.CI.: E21B 10/46 (30) Prioridade Unionista: 18/05/2004 US 10/848,437, 28/04/2004 US 60/566,063 (73) Titular(es): TDY INDUSTRIES INC.. BAKER HUGHES INCORPORATED (72) Inventor(es): PRAKASH K. MIRCHANDANI; JIMMY W. EASON; JAMES J. OAKES; JAMES C. WESTHOFF; GABRIEL B. COLLINS; STEVEN G. CALDWELL; JOHN H. STEVENS; ALFRED J. MOSCO

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CORPO DE BROCA DE CORTADOR FIXO

Referência a Pedidos de Patente Correlatos [001] Este pedido de patente é uma continuação-em-parte do Pedido de Patente dos Estados Unidos No. 10/848.437, depositado em 18 de maio de 2004, o qual reivindica prioridade do Pedido de Patente Provisório dos Estados Unidos No. 60/556.063, depositado em 28 de abril de 2004.

Campo de Tecnologia [002] Esta invenção refere-se a aperfeiçoamentos em brocas de perfuração de terra e a métodos de produção de brocas de perfuração de terra. Mais especificamente, a invenção refere-se a corpos de brocas de perfuração de terra, cones de roletes, cones de roletes de inserção, cones e dentes para brocas de perfuração de terra de cones de roletes e a métodos de formação de corpos de brocas de perfuração de terra, cones de roletes, cones de roletes de inserção, cones e dentes para brocas de perfuração de terra de cones de roletes.

Fundamentos da Tecnologia [003] Brocas de perfuração de terra podem ter elementos de corte fixos ou rotativos. As brocas de perfuração de terra com elementos de corte fixos incluem tipicamente um corpo de broca usinado a partir de aço ou fabricado por infiltração de uma base de partículas duras, tais como carboneto fundido (WC + W2C), carboneto de tungstênio (WC) e/ou carboneto cementado sinterizado com um aglutinante tal como, por exemplo, uma liga à base de cobre. Diversas inserções de corte estão fixadas ao corpo da broca em posições predeterminadas para otimizar o corte. O corpo da broca pode estar fixado a uma haste de aço que inclui

2/37 tipicamente uma conexão de pino rosqueada pela qual a broca é fixada a um eixo de acionamento de um motor furo abaixo ou a um anel de sonda na extremidade distai de um cabo de tubo.

[004] Brocas com corpo de aço são tipicamente usinadas a partir de um estoque redondo até um formato desejado, com características topográficas e internas. Técnicas de revestimentos duros podem ser usadas para aplicar materiais resistentes a desgaste à superfície do corpo da broca e a outras áreas críticas da superfície do corpo da broca.

[005] No método convencional de fabricação de um corpo de broca a partir de partículas duras e de um aglutinante, um molde é laminado ou usinado para definir as características da superfície externa do corpo da broca. Laminação manual adicional ou trabalho de argila podem também ser necessários para criar ou refinar características topográficas do corpo da broca.

[006] Quando o molde está terminado, um bloco de aço pré-formado da broca pode ser posicionado dentro da cavidade do molde para reforçar internamente o corpo da broca e propiciar uma matriz de fixação de pino após fabricação. Outras inserções à base de areia, grafite, metal de transição ou refratário, tais como aquelas que definem vias internas de fluido, bolsas para elementos de corte, saliências, raias, deslocamentos de bocais, ranhuras de sucata, ou outras características internas ou topográficas do corpo da broca, podem também ser inseridas na cavidade do molde. Quaisquer inserções usadas podem ser colocadas em locais precisos para garantir posicionamento adequado dos elementos de corte, bocais, ranhuras de

3/37 sucata, etc. na broca final.

[007] As partículas duras desejadas podem em seguida ser colocadas dentro do molde e adensadas até a densidade desejada. As partículas duras são em seguida infiltradas com um aglutinante fundido, o qual congela para formar um corpo sólido da broca que inclui uma fase descontínua de partículas duras dentro de uma fase contínua de aglutinante.

[008] O corpo da broca pode em seguida ser montado com outros componentes da broca de perfuração de terra. Por exemplo, uma haste rosqueada pode ser soldada ou fixada de qualquer outro modo ao corpo da broca, e elementos de corte ou inserções (tipicamente carboneto de tungstênio cementado ou diamante ou um diamante policristalino sintético compacto (PDC)) são fixados dentro das bolsas de inserções de corte, tais como por solda forte, aglutinação adesiva, ou fixação mecânica. Alternativamente, as inserções de corte podem ser aglutinadas à superfície do corpo da broca durante fundição e infiltração se forem utilizados PDC's (TSP) termicamente estáveis.

[009] Brocas de perfuração de terra rotativas para exploração de óleo e gás compreendem convencionalmente inserções de carboneto cementado fixadas a cones que formam parte de uma broca de cone de roletes montada ou compreendem dentes laminados formados no cortador por usinagem. Os dentes laminados têm tipicamente as superfícies endurecidas com carboneto de tungstênio em uma matriz de liga de aço. O corpo da broca da broca de cone de roletes é geralmente feito de liga de aço.

[0010] Brocas de perfuração de terra são tipicamente

4/37 fixadas à extremidade terminal de um cabo de tubo, o qual é girado a partir da superfície ou por motores de lama localizados logo acima da broca no cabo de tubo. Fluido ou lama de perfuração é bombeado para baixo do cabo de tubo oco e para fora de bocais formados no corpo da broca. 0 fluido ou lama de perfuração esfria e lubrifica a broca à medida que esta gira e também transporta material cortado pela broca para a superfície.

[0011] O corpo da broca e outros elementos de brocas de perfuração de terra são submetidos a muitas formas de desgaste, uma vez que operam no ambiente áspero do fundo do poço. Entre as formas mais comuns de desgaste está o desgaste abrasivo provocado pelo contato com formações rochosas abrasivas. Além disso, a lama de perfuração, carregada com cortes de rocha, provoca desgaste erosivo na broca.

[0012] A vida útil de uma broca de perfuração de terra é uma função não apenas das propriedades de desgaste dos PDCs ou inserções de carboneto cementadas, mas também das propriedades de desgaste do corpo da broca (no caso de brocas de corte fixas) ou cones (no caso de brocas de cones de roletes) . Um modo de aumentar a vida útil da broca de perfuração de terra é utilizar corpos de broca ou cones feitos de materiais com combinações aperfeiçoadas de resistência, dureza e resistência à abrasão/erosão.

[0013] Conseqüentemente, existe a necessidade de corpos de brocas aperfeiçoados para brocas de perfuração de terra com resistência a desgaste, resistência e dureza aperfeiçoadas.

Sumário da Invenção

5/37 [0014] A presente invenção refere-se a uma composição para formar um corpo de broca para uma broca de perfuração de terra. O corpo da broca compreende partículas duras, onde as partículas duras compreendem pelo menos um dentre carbonetos, nitretos, boretos, silicietos e óxidos e suas soluções sólidas e um aglutinante que aglutina as partículas duras entre si. As partículas duras podem compreender pelo menos um carboneto de metal de transição selecionado a partir de carbonetos de titânio, cromo, vanádio, zircônio, háfnio, tântalo, molibdênio, nióbio e tungstênio ou suas soluções sólidas. As partículas sólidas podem estar presentes como carbonetos individuais ou combinados e/ou como carbonetos cementados sinterizados. Modalidades do aglutinante podem compreender pelo menos um metal selecionado a partir de cobalto, níquel, ferro e suas ligas. Em uma modalidade adicional, o aglutinante pode ainda compreender pelo menos um componente redutor de ponto de fusão selecionado a partir de um carboneto de metal de transição até 60% em peso, um ou mais elementos de transição até 50% em peso, carbono até 5% em peso, boro até 10% em peso, silício até 20% em peso, cromo até 20% em peso e manganês até 25% em peso, onde as percentagens em peso são baseadas no peso total do aglutinante. Em uma modalidade, o aglutinante compreende 40 a 50% em peso de carboneto de tungstênio e 40 a 60% em peso de pelo menos um dentre ferro, cobalto e níquel. Para a finalidade desta invenção, os elementos de transição são definidos como aqueles que pertencem aos grupos IVB, VB e VIB da tabela periódica.

[0015] Outra modalidade da composição para formar um

6/37 corpo de matriz compreende partículas duras e um aglutinante, onde o aglutinante tem um ponto de fusão na faixa de 1050°C a 1350°C. 0 aglutinante pode ser uma liga que compreende pelo menos um de ferro, cobalto e níquel e pode ainda compreender pelo menos um de um carboneto de metal de transição, um elemento de transição, carbono, boro, silício, cromo, manganês, prata, alumínio, cobre, estanho e zinco. Mais preferivelmente, o aglutinante pode ser uma liga que compreende pelo menos um de ferro, cobalto e níquel e pelo menos um de um carboneto de tungstênio, tungstênio, carbono, boro, silício, cromo e manganês.

[0016] Uma modalidade adicional da invenção é uma composição para formar um corpo de matriz, a composição compreendendo partículas duras de um carboneto de metal de transição e um aglutinante que compreende pelo menos um de ferro, cobalto e níquel e que tem um ponto de fusão menor que 1350°C. O aglutinante pode ainda compreender pelo menos um de um carboneto de metal de transição, carboneto de tungstênio, tungstênio, carbono, boro, silício, cromo, manganês, prata, alumínio, cobre, estanho e zinco.

[0017] Na fabricação de corpos de broca, partículas duras e, opcionalmente, inserções podem ser colocadas dentro de um molde de corpo da broca. As inserções podem ser incorporadas dentro dos artigos da presente invenção por qualquer método. Por exemplo, as inserções podem ser adicionadas ao molde antes de preencher o molde com o metal pulverizado ou partículas duras e quaisquer inserções presentes podem ser infiltradas com um aglutinante fundido, o qual congela para formar um corpo de matriz sólida que inclui uma fase descontínua de partículas duras dentro de

7/37 uma fase contínua de aglutinante. Modalidades da presente invenção também incluem métodos de formação de artigos, tais como corpos de brocas para brocas de perfuração de terra, cones de roletes e dentes para brocas de perfuração de cones de roletes, mas não se limitam a estes. Uma modalidade do método de formação de um artigo pode compreender a infiltração de uma massa de partículas duras que compreendem pelo menos um carboneto de metal de transição com um aglutinante que compreende pelo menos um de níquel, ferro e cobalto e com um ponto de fusão menor que 1350°C. Outra modalidade inclui um método que compreende a infiltração de uma massa de partículas duras que compreendem pelo menos um carboneto de metal de transição com um aglutinante com um ponto de fusão na faixa de 1050°C a 1350°C. 0 aglutinante pode compreender pelo menos um de ferro, níquel e cobalto, onde a concentração total de ferro, níquel e cobalto é de 40 a 99% em peso por peso do aglutinante. O aglutinante pode ainda compreender pelo menos um de carboneto de metal de transição, carboneto de tungstênio, tungstênio, carbono, boro, silício, cromo, manganês, prata, alumínio, cobre, estanho e zinco selecionado em uma concentração efetiva para reduzir o ponto de fusão do ferro, níquel e/ou cobalto. O aglutinante pode ser uma mistura eutética ou quase eutética. A diminuição do ponto de fusão do aglutinante facilita a infiltração adequada de massa de partículas duras.

[0018] Uma modalidade adicional da invenção é um método de produção de uma broca de perfuração de terra, a qual compreende a fundição da broca de perfuração de terra a partir de uma mistura fundida de pelo menos um de ferro,

8/37 níquel e cobalto e um carboneto de um metal de transição. A mistura pode ser uma mistura eutética ou quase eutética. Nestas modalidades, a broca de perfuração de terra pode ser fundida diretamente sem infiltração de uma massa de partículas duras.

[0019] A não ser que indicado de outro modo, todos os números que expressam quantidades de ingredientes, tempo, temperaturas, e assim por diante, usados na presente especificação e reivindicações devem ser entendidos como sendo modificados em todos os casos pelo termo aproximadamente. Conseqüentemente, a não ser que indicado ao contrário, os parâmetros numéricos apresentados na especificação e reivindicações a seguir são aproximações que podem variar dependendo das propriedades desejadas que se pretendem alcançar pela presente invenção. No máximo, e não como uma tentativa de limitar a aplicação da doutrina de equivalentes ao âmbito das reivindicações, cada parâmetro numérico deve ser ao menos considerado à luz do número de algarismos significativos registrados e pela aplicação de técnicas ordinárias de arredondamento.

[0020] Embora as faixas numéricas e parâmetros que são amplo âmbito da invenção sejam valores numéricos apresentados nos exemplos específicos são registrados tão precisamente quanto possível. Qualquer valor numérico, contudo, pode conter inerentemente alguns erros resultantes necessariamente dos desvios padrões encontrados nas suas respectivas medições dos testes.

[0021] O leitor entenderá os detalhes e vantagens precedentes da presente invenção, assim como outros, após apresentados no aproximações, os

9/37 consideração da descrição detalhada a seguir de modalidades da invenção. 0 leitor também deve compreender tais detalhes e vantagens adicionais da presente invenção após fazer e/ou utilizar modalidades dentro da presente invenção.

Breve Descrição das Figuras [0022] As características e vantagens da presente invenção podem ser mais bem compreendidas por referência às figuras anexas nas quais:

[0023] a Figura 1 é uma vista esquemática em seção transversal de uma modalidade de corpo de broca para uma broca de perfuração de terra;

[0024] a Figura 2 é um gráfico dos resultados de uma DTA de dois ciclos, desde 900°C até 1400°C a uma taxa de aumento de temperatura de 10°C/minuto em uma atmosfera de argônio, de uma amostra que compreende aproximadamente 45% de carboneto de tungstênio e aproximadamente 55% de cobalto;

[0025] a Figura 3 é um gráfico dos resultados de uma DTA de dois ciclos, desde 900°C até 1300°C a uma taxa de aumento de temperatura de 10°C/minuto em uma atmosfera de argônio, de uma amostra que compreende aproximadamente 45% de carboneto de tungstênio, aproximadamente 53% de cobalto e aproximadamente 2% de boro;

[0026] a Figura 4 é um gráfico dos resultados de uma DTA de dois ciclos, desde 900°C até 1400°C a uma taxa de aumento de temperatura de 10°C/minuto em uma atmosfera de argônio, de uma amostra que compreende aproximadamente 45% de carboneto de tungstênio, aproximadamente 53% de níquel e aproximadamente 2% de boro;

[0027] a Figura 5 é um gráfico dos resultados de uma DTA

10/37 de dois ciclos, desde 900°C até 1200°C a uma taxa de aumento de temperatura de 10°C/minuto em uma atmosfera de argônio, de uma amostra que compreende aproximadamente 96,3% de níquel e aproximadamente 3,7% de boro;

[0028] a Figura 6 é um gráfico dos resultados de uma DTA de dois ciclos, desde 900°C até 1300°C a uma taxa de aumento de temperatura de 10°C/minuto em uma atmosfera de argônio, de uma amostra que compreende aproximadamente 88,4% de níquel e aproximadamente 11,6% de silício;

[0029] a Figura 7 é um gráfico dos resultados de uma DTA de dois ciclos, desde 900°C até 1200°C a uma taxa de aumento de temperatura de 10°C/minuto em uma atmosfera de argônio, de uma amostra que compreende aproximadamente 96% de cobalto e aproximadamente 4% de boro;

[0030] a Figura 8 é um gráfico dos resultados de uma DTA de dois ciclos, desde 900°C até 1300°C a uma taxa de aumento de temperatura de 10°C/minuto em uma atmosfera de argônio, de uma amostra que compreende aproximadamente 87,5% de cobalto e aproximadamente 12,5% de silício;

[0031] a Figura 9 é uma fotomicrografia de um material produzido por infiltração de uma massa de partículas duras com um aglutinante que consiste essencialmente em cobalto e boro;

[0032] a Figura 10 é uma fotomicrografia de um material produzido por infiltração de uma massa de partículas duras com um aglutinante que consiste essencialmente em cobalto e boro;

[0033] a Figura 11 é uma fotomicrografia de um material produzido por infiltração de uma massa de partículas duras com um aglutinante que consiste essencialmente em cobalto e

11/37 boro;

[0034] a Figura 12 é uma fotomicrografia de um material produzido por infiltração de uma massa de partículas duras com um aglutinante que consiste essencialmente em cobalto e boro;

[0035] a Figura 13 é uma fotomicrografia de um material produzido por infiltração de uma massa de partículas de carboneto fundido e uma inserção de carboneto cementado com um aglutinante que consiste essencialmente em cobalto e boro;

[0036] a Figura 14 é uma representação de uma modalidade de um corpo de broca da presente invenção;

[0037] as Figuras 15a, 15b e 15c são gráficos de Dados de Fadiga de Feixe Rotativo para composições que poderiam ser usadas em modalidades da presente invenção incluindo FL-25 com aproximadamente 25% em volume de aglutinante (Figura 15a), FL-30 com aproximadamente 30% em volume de aglutinante (Figura 15b) e FL-35 com aproximadamente 35% em volume de aglutinante (Figura 15c) e [0038] a Figura 16 é uma representação de uma modalidade de um cone de roletes da presente invenção.

Descrição da Invenção [0039] Modalidades da presente invenção referem-se a uma composição para a formação de corpos de brocas para brocas de perfuração de terra, cones de roletes, cones de roletes de inserção, cones e dentes para as brocas de perfuração de cones de roletes e métodos de fabricação de um corpo de broca para tais artigos. Adicionalmente, o método pode ser usado para fabricar outros artigos. Algumas modalidades de um corpo de broca da presente invenção compreendem pelo

12/37 menos uma fase dura descontínua e uma fase contínua de aglutinante que aglutina a fase dura entre si. Modalidades das composições e métodos da presente invenção propiciam maior vida útil para o corpo da broca, cones de roletes, cones de roletes de inserção, cones e dentes produzidos a partir da composição e método e deste modo aumentam a vida útil da broca de perfuração de terra ou outras ferramentas. 0 material de corpo do corpo da broca, cone de roletes, cone de roletes de inserção, cone propicia as propriedades globais para cada região do artigo.

[0040] Um corpo de broca típico 10 de uma broca de perfuração de terra de cortador fixo é mostrado na Figura 1. Geralmente, um corpo de broca 10 compreende meio de fixação 11 em uma haste 12 e uma região sem rosca 12A incorporada ao corpo da broca 10. A haste 12, região sem rosca 12A e pino podem ser feitos independentemente de uma liga de aços ou pelo menos de uma fase dura descontínua e uma fase contínua de aglutinante, e o meio de fixação 11, haste 12 e região sem rosca 12A podem ser fixadas ao corpo da broca por qualquer método tal como solda forte, conexões rosqueadas, pinos, rasgos de chaveta, ajustagens por contração, adesivos, aglutinação por difusão, ajustagens de interferência, ou qualquer outra conexão mecânica ou química, mas não limitado a estes. Contudo, em modalidades da presente invenção, a haste 12 que inclui o meio de fixação pode ser feita a partir de uma liga de aço ou a mesma ou diferente composição de partículas duras em um aglutinante que outras porções do corpo da broca. Deste modo, o corpo da broca 10 pode ser construído com diversas regiões e cada região pode compreender uma diferente

13/37 concentração, composição e tamanho de cristal de partículas duras ou aglutinante, por exemplo. Isto permite ajuste das propriedades em regiões específicas do artigo como desejado para uma aplicação específica. Deste modo, o artigo pode ser projetado de modo que as propriedades ou composição das regiões possam variar abruptamente ou mais gradualmente entre diferentes regiões do artigo. 0 corpo de broca 10 exemplificativo da Figura 1 compreende três regiões. Por exemplo, a região superior 13 pode compreender uma fase dura descontínua de tungstênio e/ou carboneto de tungstênio, a seção intermediária 14 pode compreender uma fase dura descontínua de carboneto de tungstênio fundido grosseiro (W2C, WC) , carboneto de tungstênio e/ou partículas de carboneto cementado sinterizado, e a região inferior 15, se existir, pode compreender uma fase dura descontínua de carboneto fundido, carboneto de tungstênio e/ou partículas de carboneto cementado sinterizado. O corpo da broca 10 inclui também bolsas 16 ao longo do fundo do corpo da broca 10 e para dentro das quais inserções de cortes podem ser colocadas. As bolsas podem estar incorporadas diretamente no corpo da broca pelo molde, pela usinagem do lingote verde ou marrom, como inserções, por exemplo, incorporadas durante a fabricação do corpo da broca, ou como inserções fixadas depois do corpo da broca estar terminado por solda forte ou outro método de fixação, como descrito acima, por exemplo. O corpo da broca 10 pode também incluir vias internas de fluido, saliências, raias, bocais, ranhuras de sucata e quaisquer outras características topográficas convencionais de corpo da broca de perfuração de terra. Opcionalmente, estas

14/37 características topográficas podem ser definidas por inserções pré-formadas, tais como as inserções 17 que estão localizadas em posições adequadas no molde do corpo da broca. Modalidades da presente invenção incluem corpos de broca que compreendem inserções de carboneto cementado. Em um corpo de broca convencional, as partículas da fase dura estão aglutinadas em uma matriz de liga à base de cobre, tal como, latões ou bronzes. Modalidades do corpo de broca da presente invenção podem compreender ou ser fabricadas com novos aglutinantes para conferir melhor resistência a desgaste, resistência e dureza ao corpo da broca.

[0041] O processo de fabricação para partículas duras em um aglutinante envolve tipicamente a consolidação de pó metalúrgico (tipicamente uma cerâmica particulada e metal aglutinante) para formar um lingote verde. Podem ser usados processos de consolidação de pó que utilizam técnicas convencionais, tais como pressão mecânica ou hidráulica em moldes rígidos e pressão isostática de bolsa úmida ou bolsa seca. O lingote verde pode em seguida ser pré-sinterizado ou completamente sinterizado para consolidar e adensar o pó ainda mais. Os resultados da pré-sinterização são apenas uma consolidação e adensamento parciais da peça. Um lingote verde pode ser pré-sinterizado a uma temperatura inferior à temperatura a ser alcançada na operação de sinterização final para produzir um lingote pré-sinterizado (lingote marrom). Um lingote marrom tem dureza e resistência relativamente baixas quando comparadas ao artigo final completamente sinterizado, mas significativamente maiores que o lingote verde. Durante fabricação o artigo pode ser usinado como um lingote verde, lingote marrom, ou como um

15/37 artigo completamente sinterizado. Tipicamente, a capacidade de usinagem de um lingote verde ou marrom é substancialmente mais fácil que a capacidade de usinagem do artigo completamente sinterizado. A usinagem de um lingote verde ou de um lingote marrom pode ser vantajosa se a peça completamente sinterizada for difícil de usinar ou se necessitar de esmerilhamento para satisfazer as tolerâncias finais dimensionais exigidas ao invés de usinagem. Podem também ser utilizados outros meios para melhorar a capacidade de usinagem da peça, tal como a adição de agentes de usinagem para fechar a porosidade do lingote, sendo um polímero um agente típico de usinagem. Finalmente, pode ser realizada sinterização a temperatura de fase líquida em fornos a vácuo convencionais ou a altas pressões em um forno SinterHip. 0 lingote pode ser sinterizado a sobre-pressão a uma pressão de 2,068-13, 788 MPa e a uma temperatura de 1350-1500°C. A pré-sinterização e a sinterização do lingote provoca a remoção de lubrificantes, redução de óxidos, adensamento e desenvolvimento de microestrutura. Como mencionado acima, subseqüente à sinterização, o corpo de broca, cone de roletes, cone de roletes de inserção ou cone pode ser ainda adequadamente usinado ou esmerilhado para formar a configuração final. [0042] A presente invenção inclui também um método de produção de um corpo de broca, cone de roletes, cone de roletes de inserção ou cone com regiões de diferentes propriedades e composições. Uma modalidade do método inclui a colocação de um primeiro pó metalúrgico em uma primeira região de um espaço vazio dentro de um molde e um segundo pó metalúrgico em uma segunda região do espaço vazio do

16/37 molde. Em algumas modalidades, o molde pode ser separado nas duas ou mais regiões, por exemplo, pela colocação de uma divisão física, tal como papel ou um material polimérico, no espaço vazio do molde para separar as regiões. Os pós metalúrgicos podem ser escolhidos para propiciar, após consolidação e sinterização, materiais de carboneto cementados com as propriedades desejadas como descrito acima. Em outra modalidade, uma porção de pelo menos o primeiro pó metalúrgico e do segundo pó metalúrgico são colocadas em contato, sem divisões, dentro do molde. Pode ser usada uma cera ou outro aglutinante com os pós metalúrgicos para auxiliar a formar as regiões sem utilização de divisões físicas.

[0043] Um artigo com uma alteração de gradiente em propriedades ou composição pode também ser formado por, por exemplo, colocação de um primeiro pó metalúrgico em uma primeira região de um molde. Uma segunda porção do molde pode em seguida ser preenchido com um pó metalúrgico que compreenda uma mistura do primeiro pó metalúrgico e de um segundo pó metalúrgico. A mistura resultaria em um artigo com pelo menos uma propriedade entre a mesma propriedade em um artigo formado pelo primeiro e pelo segundo pó metalúrgico independentemente. Este processo pode ser repetido até que o gradiente desejado de composição ou de composição da estrutura esteja completo no molde e, tipicamente terminaria com o enchimento de uma região do molde com o segundo pó metalúrgico. Modalidades deste processo podem também ser realizadas com ou sem divisões físicas. Regiões adicionais podem ser preenchidas com diferentes materiais, tal como um terceiro pó metalúrgico

17/37 ou mesmo um artigo infiltrado previamente com liga de cobre. 0 molde pode em seguida ser comprimido isostaticamente para consolidar os pós metalúrgicos para formar um lingote. 0 lingote é subseqüentemente sinterizado para adensar ainda mais o lingote e para formar uma aglutinação autógena entre as regiões.

[0044] Pode ser usado qualquer aglutinante, como previamente descrito, tal como níquel, cobalto, ferro e ligas de níquel, cobalto, ferro. Adicionalmente, em algumas modalidades, o aglutinante usado para fabricar o corpo da broca pode ter um ponto de fusão entre 1050°C e 1350°C. Como usado aqui, o ponto de fusão ou a temperatura de fusão é a solidificação da composição específica. Em outras modalidades, o aglutinante compreende uma liga de pelo menos um de níquel, cobalto e ferro, onde a liga tem um ponto de fusão menor que 1350°C. Em outras modalidades da composição da presente invenção, a composição compreende pelo menos um de níquel, cobalto e ferro e um componente de redução do ponto de fusão. Cobalto, níquel e ferro puros são caracterizados por elevados pontos de fusão (aproximadamente 1500°C) e, portanto, a infiltração de bases de partículas duras por cobalto, ferro ou níquel puro fundido é difícil de realizar de modo prático sem a formação de porosidade excessiva ou fases indesejáveis. Contudo, uma liga de pelo menos um de cobalto, ferro, níquel pode ser usada se incluir uma quantidade suficiente de pelo menos um componente de redução do ponto de fusão. O componente de redução do ponto de fusão pode ser pelo menos um de um carboneto de metal de transição, um elemento de transição, tungstênio, carbono, boro, ' ' ' silício cromo

18/37 manganês, prata, alumínio, cobre, estanho, zinco, assim como outros elementos que isolados ou combinados podem ser adicionados em quantidades que reduzam suficientemente o ponto de fusão do aglutinante de modo que o aglutinante possa ser usado eficazmente para formar um corpo de broca pelo método selecionado. Um aglutinante pode ser usado eficazmente para formar um corpo de broca se as propriedades do aglutinante, por exemplo, ponto de fusão, viscosidade do fundido e distância de infiltração forem tais que o corpo da broca possa ser fundido sem uma quantidade excessiva de porosidade. De preferência, o componente de redução do ponto de fusão é pelo menos um de um carboneto de metal de transição, um metal de transição, tungstênio, carbono, boro, silício, cromo e manganês. Pode ser preferível combinar dois ou mais dos componentes de redução do ponto de fusão acima para obter um aglutinante eficaz para infiltrar uma massa de partículas duras. Por exemplo, tungstênio e carbono podem ser adicionados juntos para produzir uma maior redução do ponto de fusão do que a produzida pela adição do tungstênio isolado e, em tal caso, o tungstênio e o carbono podem ser adicionados na forma de carboneto de tungstênio. Outros componentes de redução do ponto de fusão podem ser adicionados de modo similar.

[0045] O um ou mais componentes de redução do ponto de fusão podem ser adicionados isolados ou combinados com outros componentes aglutinantes em qualquer quantidade que produza uma composição de aglutinante eficaz para produzir um corpo de broca. Além disso, o um ou mais componentes de redução do ponto de fusão podem ser adicionados de modo que o aglutinante seja uma composição eutética ou quase

19/37 eutética. Propiciar um aglutinante com concentração eutética ou quase eutética de ingredientes garante que o aglutinante terá um menor ponto de fusão, o que pode facilitar a fundição e infiltração da base de partículas duras. Em algumas modalidades, é preferível que o um ou mais componentes de redução do ponto de fusão esteja presente no aglutinante nas seguintes percentagens em peso baseadas no peso total de aglutinante: o tungstênio pode estar presente até 55%, o carbono pode estar presente até 4%, o boro pode estar presente até 10%, o silício pode estar presente até 20%, o cromo pode estar presente até 20% e o manganês pode estar presente até 25%. Em algumas outras modalidades, pode ser preferível que o um ou mais componentes de redução do ponto de fusão esteja presente no aglutinante em uma ou mais das seguintes percentagens em peso baseadas no peso total de aglutinante: o tungstênio pode estar presente de 30 a 55%, o carbono pode estar presente de 1,5 a 4%, o boro pode estar presente de 1 a 10%, o silício pode estar presente de 2 a 20%, o cromo pode estar presente de 2 a 20% e o manganês pode estar presente de 10 a 25%. Em algumas outras modalidades da composição da presente invenção, o componente de redução do ponto de fusão pode ser carboneto de tungstênio presente de 30 a 60% em peso. Sob certas condições de fundição e concentrações de aglutinante, todo ou uma porção do carboneto de tungstênio precipitará a partir do aglutinante após congelamento e formará uma fase dura. Esta fase de precipitado duro pode existir em adição a qualquer fase dura presente como partículas duras no molde. Contudo, se não existirem partículas duras posicionadas no molde ou em

20/37 uma seção do molde, todas as partículas de fase dura no corpo da broca ou na seção do corpo da broca podem ser formadas como precipitado de carboneto de tungstênio durante fundição.

[0046] Modalidades dos artigos da presente invenção podem incluir 50% ou maiores volumes de partículas duras ou fase dura, em algumas modalidades pode ser preferível que as partículas duras ou fase dura compreenda entre 50 e 80% em volume do artigo, mais preferivelmente, para tais modalidades a fase dura pode compreender entre 60 e 80% em volume do artigo. Deste modo, em algumas modalidades, a fase de aglutinante pode compreender menos que 50% em volume do artigo, ou preferivelmente entre 20 e 50% em volume do artigo. Em algumas modalidades, o aglutinante pode compreender entre 20 e 40% em volume do artigo.

[0047] Modalidades da presente invenção também compreendem corpos de brocas para brocas de perfuração de terra e outros artigos que compreendem carbonetos de metal de transição onde o corpo da broca compreende uma fração de volume de carboneto de tungstênio maior que 75% em volume. É agora possível preparar corpos de brocas com uma tal fração de volume de, por exemplo, carboneto de tungstênio devido ao método da presente invenção, modalidades do qual são descritas abaixo. Uma modalidade do método compreende infiltração de uma base de partículas duras de carboneto de tungstênio com um aglutinante que é uma composição eutética ou quase eutética de pelo menos um de cobalto, ferro e níquel e carboneto de tungstênio. Acredita-se que corpos de brocas que compreendem concentrações de carboneto de tungstênio de fase descontínua de até 95% em volume possam

21/37 ser produzidos por métodos da presente invenção se uma base de tungstênio for infiltrada com uma composição eutética ou quase eutética fundida de carboneto de tungstênio e pelo menos um de cobalto, ferro e níquel. Em contraste, métodos convencionais de infiltração para a produção de corpos de brocas podem ser apenas usados para produzir corpos de brocas com um máximo de aproximadamente 72% em volume de carboneto de tungstênio. Os inventores determinaram que a concentração em volume de carboneto de tungstênio no corpo de broca fundido e em outros artigos pode ser 75% até 95% ao utilizar como infiltrado uma composição eutética ou quase eutética de carboneto de tungstênio e pelo menos um de cobalto, ferro e níquel. Presentemente, existem limitações na percentagem em volume da fase dura que pode ser formada em um corpo de broca devido a limitações na densidade de adensamento de um molde com partículas duras e às dificuldades na infiltração de uma massa densamente adensada de partículas duras. Contudo, a precipitação de carboneto a partir de um aglutinante de infiltração que compreenda composições eutéticas ou quase eutéticas evita estas dificuldades. Após congelamento do aglutinante no molde do corpo da broca, a fase dura adicional é formada por precipitação do infiltrado fundido durante esfriamento. Portanto, uma maior concentração de fase dura é formada no corpo da broca do que poderia ser obtida se o aglutinante fundido não tivesse carboneto de tungstênio fundido. 0 uso de composições de aglutinante/infiltrado fundido no ou próximo do eutético permite maiores percentagens em volume de fase dura em corpos de brocas e em outros artigos do que disponíveis previamente.

22/37 [0048] A percentagem em volume de carboneto de tungstênio no corpo da broca pode ser adicionalmente aumentada pela incorporação de inserções de carboneto cementado no corpo da broca. As inserções de carboneto cementado podem ser usadas para formar vias internas de fluido, bolsas para elementos de corte, saliências, raias, deslocamentos de bocais, ranhuras de sucata, ou outras características topográficas do corpo da broca, ou meramente para propiciar suporte estrutural, rigidez, dureza, resistência, ou resistência ao desgaste em localizações selecionadas no corpo ou suporte. Inserções convencionais de carboneto cementado podem compreender de 70 a 99% em volume de carboneto de tungstênio se preparadas por técnicas convencionais de carboneto cementado. Qualquer carboneto cementado conhecido pode ser usado como inserções no corpo da broca, tal como compostos de carbonetos de pelo menos um de titânio, zircônio, háfnio, vanádio, nióbio, tântalo, cromo, molibdênio e tungstênio em um aglutinante de pelo menos um de cobalto, ferro e níquel, mas não limitados a estes. Agentes de ligas adicionais podem estar presentes nos carbonetos cementados como são conhecidos na técnica.

[0049] Modalidades da composição para formar um corpo de broca também compreendem pelo menos um tipo de partícula dura. Como mencionado acima, o corpo da broca pode também compreender diversas regiões que compreendem diferentes tipos e/ou concentrações de partículas duras. Por exemplo, o corpo de broca 10 da Figura 1 pode compreender uma seção inferior 15 de um material de fase descontínua dura resistente a desgaste com um tamanho pequeno da partícula e

23/37 uma seção intermediária 14 de um material de fase descontínua dura mais dura com um tamanho de partícula relativamente grosso. A fase dura ou partículas duras de qualquer seção podem compreender pelo menos um carboneto, nitreto, boreto, óxido, carboneto fundido, carboneto cementado, suas misturas e suas soluções sólidas. Em algumas modalidades, a fase dura pode compreender pelo menos um carboneto cementado que compreende pelo menos um de titânio, zircônio, háfnio, vanádio, nióbio, tântalo, cromo, molibdênio e tungstênio. Os carbonetos cementados podem ter qualquer tamanho ou formato de partícula, tais como formatos irregulares, esféricos, oblatos e prolatos, mas não limitados a estes.

[0050] Tipos de carbonetos cementados com carboneto de tungstênio em um aglutinante de cobalto têm uma combinação comercialmente atrativa de resistência, tenacidade à fratura e resistência ao desgaste. Resistência é a tensão à qual um material quebra ou falha. Tenacidade é a capacidade de um material absorver energia e deformar-se plasticamente antes da fratura. A tenacidade é proporcional à área sob a curva tensão-deformação desde a origem até o ponto de ruptura. Vide MCGRAW-HILL DICTIONARY OF SCIENTIFIC AND TECHNICAL TERMS (Dicionário da McGraw Hill de Termos Científicos e Técnicos) (5^a. edição, 1994). Resistência ao Desgaste é a capacidade de um material suportar dano à sua superfície. O desgaste geralmente envolve uma perda progressiva de material, devido a um movimento relativo entre um material e uma superfície ou substância de contato. Vide METALS HANDBOOK DESK EDITION (Edição de Mesa de Manual de Metais) (2^a. Edição, 1998). Tenacidade à

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Fratura é a tensão crítica de uma ponta de rachadura necessária para propagar aquela rachadura e é geralmente caracterizada pelo fator crítico de intensidade de tensão (Kic).

[0051] A resistência, tenacidade e resistência ao desgaste de um carboneto cementado estão relacionadas com o tamanho médio do grão da fase dura dispersa e a fração de volume (ou peso) da fase de aglutinante presente no carboneto cementado convencional. Geralmente, um aumento no tamanho médio do grão do carboneto de tungstênio e/ou um aumento na fração de volume do aglutinante de cobalto resultará em um aumento na tenacidade à fratura. Contudo, este aumento em tenacidade é geralmente acompanhado por um decréscimo na resistência ao desgaste. O metalurgista do carboneto cementado tem, portanto, o desafio de desenvolver carbonetos cementados tanto com elevada resistência ao desgaste como com alta tenacidade à fratura, enquanto tentando projetar tipos para aplicações de demanda.

[0052] O corpo da broca 140 da Figura 14 pode compreender seções que compreendem diferentes concentrações ou composições de componentes para propiciar diversas propriedades a localizações específicas dentro do corpo, tais como resistência, tenacidade ou resistência à corrosão. Por exemplo, as regiões de bolsas de inserções 141 na área em torno das inserções de cortes da broca de perfuração 142, o coxim de calibre 143, ou região de saída do bocal 144, uma região da lâmina do cone de roletes, ou o exterior da coroa 145 podem compreender um material mais resistente a desgaste. Além disso, modalidades do corpo da broca da presente invenção podem ter regiões de alta

25/37 tenacidade, tais como na região interna de uma lâmina 146, uma região interna de um cone de roietes, pelo menos uma região interna dá haste ou pino, ou uma região adjacente à haste. As propriedades de diferentes regiões do corpo da broca, cone de roietes, cone de roietes de inserção, ou cone podem também ser ajustadas para propiciar uma região que seja mais facilmente usinada ou resistente à corrosão, por exemplo.

[0053] Modalidades do corpo da broca, cone de roietes, cone de roietes de inserção, ou cone podem compreender propriedades únicas que podem não ser alcançadas em corpos da brocas, cones de roietes, cones de roietes de inserção, ou cones convencionais. Amostras de composições adequadas para a presente invenção foram produzidas para teste. As composições nominais das amostras de teste são mostradas na

Tabela 1.

Tabela 1

Amostra	Cobalto, % em peso	Níquel, % em peso	wc, % em peso
FL-25	15	10	bal.
FL-30	ie	12	bal,
FL-35	21	14	bal.

[0054] Como pode ser observado a partir da Tabela 2, as modalidades da presente invenção compreendem materiais de corpo coto resistência à ruptura transversal maior que 2,068 x 1O'^J Pa. Corpos de brocas convencionais que compreendem materiais de corpo de aço ou de partículas duras infiltradas cora latão ou bronze não possuem resistências de ruptura transversal tão elevadas quanto as modalidades da presente invenção.

26/37 [0055] As Figuras 15a, 15b e 15c são gráficos de Dados de Fadiga de Feixe Rotativo completamente invertido para amostras de teste de composição adequada para modalidades da presente invenção listadas na Tabela 1. Como pode ser observado, as amostras de teste possuem uma tensão de flexão completamente invertida maior que 0,6894 x 10⁹ Pa a (10)⁷ ciclos.

[0056] Diversas propriedades de materiais de corpo das regiões de ferramentas de perfuração de terra contribuem para a vida útil da ferramenta. Estas propriedades dos materiais dos corpos incluem resistência, dureza, resistência a desgaste ou abrasão e resistência à fadiga, mas não se limitam a estas. Um corpo de broca, cone de roletes, cone de roletes de inserção, ou cone pode compreender mais que uma região compreendendo cada uma diferentes materiais de corpo. A resistência é tipicamente medida como uma resistência à ruptura transversal ou resistência máxima à tração. A dureza pode ser medida como um módulo de Young. As propriedades de modalidades da presente invenção e matrizes à base de cobre do estado da técnica estão listadas na Tabela 2. Como pode ser observado, as modalidades da presente invenção possuem valores TRS maiores que 1,7235 MPa, em algumas modalidades o TRS pode ser maior que 2,068 x 10⁹ Pa ou mesmo maior que 2,757 x 10⁹ Pa. O módulo de Young de modalidades da presente invenção excedem 379,17 x 10⁹ Pa e, preferivelmente, para algumas modalidades que necessitam de maior dureza, modalidades podem ter um módulo de Young maior que 517 x 10⁹ Pa ou mesmo maior que 620 x 10⁹ Pa. Além dos valores do módulo de Young e TRS favoráveis,

27/37 modalidades da presente invenção compreendem adicionalmente uma maior dureza. Modalidades da presente invenção podem ser ajustadas para ter uma dureza maior que 65 HRA ou pela redução da concentração de aglutinante, por exemplo, a dureza de modalidades específicas pode ser aumentada para mais que 75 HRA ou mesmo maior que 85 HRA em algumas modalidades.

[0057] A resistência à abrasão, como medida de acordo com ASTM B611, de modalidades dos materiais de corpo da presente invenção podem ser maiores que 1,0 ou maior que 1,4. Em algumas modalidades ou regiões da ferramenta de perfuração da terra, modalidades para os materiais de corpo da presente invenção podem ter uma resistência à abrasão entre 2 e 14.

[0058] Modalidades da presente invenção compreendem materiais de corpo que também incluem combinações de propriedades que são aplicáveis aos corpos de brocas, cones de roletes, cones de roletes de inserção e cones. Por exemplo, modalidades da presente invenção podem compreender um material de corpo com uma resistência à ruptura transversal maior que 1,379 χ 10⁹ Pa junto, ou maior que 1,723 χ 10⁹ Pa, com um módulo de Young maior que 275 χ 10⁹Pa. Outras modalidades da presente invenção podem compreender um material de corpo com uma resistência à fadiga maior que 0,1207 χ 10⁹ Pa em combinação com um módulo de Young maior que 206,8 χ 10⁹ Pa. Tais combinações de propriedades propiciam artigos de perfuração que em algumas aplicações terão uma maior vida útil que artigos convencionais de perfuração.

Tabela 2: Comparação de Propriedades de Materiais

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Estado da Método de

Técnica Teste

Propriedade	Carboneto 6-16% Co	Carboneto (FL30)	Matriz (Ampla)
De n s i da de g / c ra⁵	13,94 a 14,95	12,70	10,0 a 13,5	Padrão

Desgaste	2 a 14	1,9?	sem. dâdos	A.7TÍ·: 56Π-Η4

TRS, x 10' Pa	3,7 a 3, 4 o	2, 3 4	0,689 a 1,21	ACTM R4 .:0-96
Compressão, x 10’ Pa	2,76 a 5,41	2,67	Q,933 a 1,55	ASTM E.Ci-89
Limite Proporcional, x 10’ Pa	0,862 a 2,41	0,47 6	0,193 a 0,37
Módulo, x 10^a Pa	51? a 955	4 1 4	18t, a 24 5	.4.117-: 7494-35

Dureza	-1 ll HPA	!R HPA	10 a 50 HRC	A4TK 094-31

[0059] Adicionalmente, algumas modalidades da composição da presente invenção podem compreender de 30 a 95% em volume de fase dura e de 5 a 70% em volume de fase de aglutinante. Regiões isoladas do corpo da broca podem estar dentro de uma faixa mais ampla de concentrações de fase dura, por exemplo, 30 a 99% em volume de fase dura. Isto pode ser conseguido, por exemplo, pela colocação de partículas duras em diversas densidades de adensamento em algumas localizações dentro do molde ou pela colocação de inserções de carboneto cementado no molde antes da fundição do corpo da broca ou de outro artigo. Adicionalmente, o corpo da broca pode ser formado pela fundição de mais de um aglutinante dentro do molde.

[0060] Uma dificuldade com a fabricação de um corpo de

29/37 broca ou suporte que compreende um aglutinante que inclui pelo menos um de cobalto, ferro e níquel por um método de infiltração esbarra nos pontos de fusão relativamente elevados de cobalto, ferro e níquel. 0 ponto de fusão de cada um destes metais a pressão atmosférica é aproximadamente 1500°C. Além disso, uma vez que cobalto, ferro e níquel possuem altas solubilidades no estado líquido para carboneto de tungstênio, é difícil impedir congelamento prematuro de, por exemplo, uma liga fundida de cobalto-tungstênio ou de níquel-carboneto de tungstênio enquanto se tenta infiltrar uma base de partículas de carboneto de tungstênio quando fundindo um corpo de broca de perfuração de terra. Este fenômeno pode levar à formação de furos na fundição mesmo com o uso de altas temperaturas, tais como maiores que 1400°C, durante o processo de infiltração.

[0061] Modalidades do método da presente invenção podem superar as dificuldades associadas aos compostos fundidos infiltrados de cobalto, ferro e níquel pelo uso de um uma composição eutética ou quase eutética de carboneto de tungstênio-cobalto pré-ligada (30 a 60% de carboneto de tungstênio e 40 a 70% de cobalto, em peso) . Por exemplo, uma liga de cobalto com uma concentração de aproximadamente 43% em peso de carboneto de tungstênio tem um ponto de fusão de aproximadamente 1300°C. Vide Figura 2. O menor ponto de fusão da liga eutética ou quase eutética em relação a cobalto, ferro e níquel, junto com a faixa desprezível de congelamento da composição eutética ou quase eutética, pode facilitar enormemente a fabricação de corpos de brocas de diamante à base de cobalto-carboneto de

30/37 tungstênio, assim como cones e brocas de cones de roletes de carboneto cementado. Pode esperar-se que misturas eutéticas ou quase eutéticas de ligas de cobalto-carboneto de tungstênio, níquel-carboneto de tungstênio, cobaltoníquel-carboneto de tungstênio e ferro-carboneto de tungstênio, por exemplo, apresentem níveis bem mais elevados de resistência e dureza comparados com compostos à base de latão e bronze em níveis equivalentes de resistência à abrasão/erosão. Também se espera que estas ligas sejam usinadas usando ferramentas convencionais de corte.

[0062] Algumas modalidades do método da invenção compreendem a infiltração de uma massa de partículas duras com um aglutinante que é uma composição eutética ou quase eutética que compreende pelo menos um de cobalto, ferro e níquel e carboneto de tungstênio e onde o aglutinante tem um ponto de fusão menor que 1350°C. Como usado aqui, uma concentração quase eutética significa que as concentrações dos principais componentes da composição estão dentro de 10% em peso das concentrações eutéticas dos componentes. A concentração eutética de carboneto de tungstênio em cobalto é aproximadamente 43% em peso. Composições eutéticas são conhecidas ou facilmente aproximadas por aquele versado na técnica. A fundição da composição eutética ou quase eutética pode ser realizada com ou sem partículas duras no molde. Contudo, pode ser preferível que após solidificação a composição forme uma fase de carboneto de tungstênio duro precipitado e uma fase de aglutinante. O aglutinante pode ainda compreender agentes de ligação, tais como pelo menos um de boro, silício, cromo, manganês, prata, alumínio,

31/37 cobre, estanho e zinco.

[0063] Modalidades da presente invenção podem compreender como um aspecto a fabricação de corpos e cones a partir de composições eutéticas ou quase eutéticas utilizando diversos diferentes métodos. Exemplos destes métodos incluem:

1. Infiltrar uma base ou massa de partículas duras que compreendem uma mistura de partículas de carboneto de metal de transição e pelo menos um de cobalto, ferro e níquel (isto é, carboneto cementado) com um infiltrado fundido que é uma composição eutética ou quase eutética de um carboneto e pelo menos um de cobalto, ferro e níquel.

2. Infiltrar uma base ou massa de partículas de carboneto de metal de transição com um infiltrado fundido que é uma composição eutética ou quase eutética de um carboneto e pelo menos um de cobalto, ferro e níquel.

3. Moldar uma composição eutética ou quase eutética fundida de um carboneto, tal como carboneto de tungstênio, e pelo menos um de cobalto, ferro e níquel em formato líquido ou formato quase líquido na forma de um corpo de broca, cone de roletes ou cone.

4. Misturar aglutinante pulverizado e partículas duras entre si, colocar a mistura em um molde, aquecer os pós até uma temperatura maior que o ponto de fusão do aglutinante e esfriar para moldar os materiais na forma de um corpo de broca, um cone de roletes ou um cone de perfuração de terra. Este método denominado moldagem no lugar pode permitir o uso de aglutinantes com capacidade relativamente baixa para infiltrar uma massa de partículas duras, uma vez que o aglutinante é misturado com as partículas duras antes

32/37 da fusão e, portanto, são necessárias menores distâncias de infiltração para formar o artigo.

[0064] Em algumas modalidades da presente invenção, a infiltração das partículas duras pode incluir carregar um funil com um aglutinante, fundir o aglutinante e introduzir o aglutinante no molde com as partículas duras e, opcionalmente, as inserções. O aglutinante como discutido acima pode ser uma composição eutética ou quase eutética ou pode compreender pelo menos um de cobalto, ferro e níquel e pelo menos um componente de redução do ponto de fusão.

[0065] Outro método da presente invenção compreende preparar um molde e moldar uma mistura eutética ou quase eutética de pelo menos um de cobalto, ferro e níquel e um componente de fase dura. Quando a mistura eutética esfria a fase dura pode precipitar a partir da mistura para formar a fase dura. Este método pode ser útil para a formação de cones e dentes de roletes em brocas de perfuração de três cones.

[0066] Outra modalidade da presente invenção envolve a moldagem no lugar mencionada acima. Um exemplo desta modalidade compreende preparar um molde, adicionar ao molde uma mistura de partículas duras e aglutinante e aquecer o molde acima da temperatura de fusão do aglutinante. Este método resulta na moldagem no lugar do corpo da broca, cone de roletes e dentes para brocas de perfuração de três cones. Este método pode ser preferível quando a distância esperada de infiltração do aglutinante não for suficiente para infiltrar suficientemente as partículas duras convencionalmente.

[0067] As partículas duras ou fase dura podem

33/37 compreender um ou mais carbonetos, óxidos, boretos e nitretos, e a fase aglutinante pode ser composta de um ou mais metais do Grupo VIII, por exemplo, Co, Ni e/ou Fe. A morfologia da fase dura pode ser na forma de partículas irregulares, eqüiaxiais ou esféricas, fibras, barbas, plaquetas, prismas, ou qualquer outra forma útil. Em algumas modalidades, as ligas de cobalto, ferro e níquel úteis nesta invenção podem conter aditivos, tais como cromo, silício, alumínio, cobre manganês, ou rutênio, em quantidades totais de até 20% em peso da fase contínua dúctil.

[0068] As Figuras 2 a 8 anexas são gráficos dos resultados de Análise Térmica Diferencial (DTA) em modalidades dos aglutinantes da presente invenção. A Figura 2 é um gráfico dos resultados de uma DTA de dois ciclos, desde 900°C até 1400°C a uma taxa de aumento de temperatura

de 10°C/minuto em uma atmosfera de	argônio,	de uma amostra
que compreende aproximadamente	45%	de	carboneto	de
tungstênio e aproximadamente 55%	de	cobalto (todas	as
percentagens são em peso a não	ser	que	mencionado	em
contrário). 0 gráfico mostra que o	ponto	de	fusão da liga	é

aproximadamente 1339°C.

[0069] A Figura 3 é um gráfico dos resultados de uma DTA de dois ciclos, desde 900°C até 1300°C a uma taxa de aumento de temperatura de 10°C/minuto em uma atmosfera de argônio, de uma amostra que compreende aproximadamente 45% de carboneto de tungstênio, aproximadamente 53% de cobalto e aproximadamente 2% de boro. O gráfico mostra que o ponto de fusão da liga é aproximadamente 1151°C. Quando comparado com uma DTA da liga da Figura 2, a substituição de

34/37 aproximadamente 2% de cobalto por boro reduziu o ponto de fusão da liga na Figura 3 quase 200°C.

[0070] A Figura 4 é um gráfico dos resultados de uma DTA de dois ciclos, desde 900°C até 1400°C a uma taxa de aumento de temperatura de 10°C/minuto em uma atmosfera de argônio, de uma amostra que compreende aproximadamente 45% de carboneto de tungstênio, aproximadamente 53% de níquel e aproximadamente 2% de boro. O gráfico mostra que o ponto de fusão da liga é aproximadamente 1089°C. Quando comparado com uma DTA da liga da Figura 3, a substituição de cobalto por níquel reduziu o ponto de fusão da liga na Figura 4 quase 60°C.

[0071] A Figura 5 é um gráfico dos resultados de uma DTA de dois ciclos, desde 900°C até 1200°C a uma taxa de aumento de temperatura de 10°C/minuto em uma atmosfera de argônio, de uma amostra que compreende aproximadamente 96,3% de níquel e aproximadamente 3,7% de boro. O gráfico mostra que o ponto de fusão da liga é aproximadamente

1100°C.

[0072] A Figura 6 é um gráfico dos resultados de uma DTA de dois ciclos, desde 900°C até 1300°C a uma taxa de aumento de temperatura de 10°C/minuto em uma atmosfera de argônio, de uma amostra que compreende aproximadamente 88,4% de níquel e aproximadamente 11,6% de silício. O gráfico mostra que o ponto de fusão da liga é aproximadamente 1150°C.

[0073] A Figura 7 é um gráfico dos resultados de uma DTA de dois ciclos, desde 900°C até 1200°C a uma taxa de aumento de temperatura de 10°C/minuto em uma atmosfera de argônio, de uma amostra que compreende aproximadamente 96%

35/37 de cobalto e aproximadamente 4% de boro. 0 gráfico mostra que o ponto de fusão da liga é aproximadamente 1100°C.

[0074] A Figura 8 é um gráfico dos resultados de uma DTA de dois ciclos, desde 900°C até 1300°C a uma taxa de aumento de temperatura de 10°C/minuto em uma atmosfera de argônio, de uma amostra que compreende aproximadamente 87,5% de cobalto e aproximadamente 12,5% de silício. O gráfico mostra que o ponto de fusão da liga é aproximadamente 1200°C.

[0075] As Figuras 9 a 11 mostram fotomicrografias de materiais formados por modalidades dos métodos da presente invenção. A Figura 9 é uma fotomicrografia de microscópio de varredura de elétrons (SEM) de um material produzido por fundição de um aglutinante que consiste essencialmente em uma mistura eutética de cobalto e boro, onde o boro está presente em aproximadamente 4% em peso do aglutinante. A fase de cor mais clara 92 é C03B e a fase mais escura 91 é essencialmente cobalto. A mistura de cobalto e boro foi fundida por aquecimento a aproximadamente 1200°C e em seguida foi deixada esfriar a temperatura ambiente e solidificar.

[0076] As Figuras 10 a 12 são fotomicrograf ias SEM de diferentes peças e diferentes aspectos da microestrutura feita a partir do mesmo material. O material foi formado por infiltração de partículas duras com um aglutinante. As partículas duras foram um agregado de carboneto fundido (W2C, WC) que consistiu em aproximadamente 60-65% em volume do material. O agregado foi filtrado por um aglutinante que consistiu aproximadamente em 96% em peso de cobalto e 4% em peso de boro. A temperatura de infiltração foi

36/37 aproximadamente 1285°C.

[0077] A Figura 13 é uma fotomicrografia de um material produzido por infiltração de uma massa de partículas de carboneto fundido 130 e uma inserção de carboneto cementado 131 com um aglutinante que consiste essencialmente em cobalto e boro. Para produzir o material mostrado na Figura 13, uma inserção de carboneto cementado 131 de aproximadamente 1,905 cm de diâmetro por 3,81 cm de altura foi colocada no molde antes da infiltração da massa de partículas de carboneto fundido duro 130 com um aglutinante que compreende cobalto e boro. Como pode ser observado na Figura 13, o aglutinante infiltrado e o aglutinante do carboneto cementado misturaram-se para formar uma matriz contínua 132 que aglutina tanto os carbonetos fundidos como os carbonetos do carboneto cementado.

[0078] Além disso, o endurecimento de superfícies pode ser adicionado às modalidades da presente invenção. O endurecimento de superfícies pode ser adicionado a corpos de brocas, cones de roletes, cones de roletes de inserção e cones sempre que for desejado aumento de resistência ao desgaste. Por exemplo, o cone de roletes 160, como mostrado na Figura 16, pode compreender um endurecimento de superfície na pluralidade dos dentes 161, no ponto de lança 162. O corpo da broca para o cone de roletes pode também compreender o endurecimento de superfície, tal como em uma região que circunda quaisquer bocais. Com referência à Figura 14, o corpo da broca pode compreender endurecimento de superfície nas regiões dos bocais 144, coxim de calibre 143 e bolsas de inserções 141, por exemplo. Um material típico de endurecimento de superfícies compreende carboneto

37/37 de tungstênio em uma matriz de liga de aço.

[0079] Deve ser entendido que a presente invenção ilustra aqueles aspectos da invenção relevantes para uma perfeita compreensão da invenção. Alguns aspectos da invenção que seriam evidentes para aqueles versados na técnica e que, portanto, não auxiliariam em uma melhor compreensão da invenção não foram apresentados com a finalidade de simplificar a presente descrição. Embora modalidades da presente invenção tenham sido descritas, aqueles versados na técnica, após consideração da descrição precedente, reconhecerão que muitas modificações e variações da invenção podem ser utilizadas. Todas tais variações e modificações da invenção destinam-se a ser cobertas pela descrição precedente e pelas reivindicações a seguir.

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Claims

REIVINDICAÇÕES

1. Corpo de broca de cortador fixo, caracterizado por compreender:

um material de corpo que compreende partículas duras sinterizadas com um aglutinante, em que:

as partículas duras compreendem um carboneto de metal de transição; e o aglutinante compreende uma composição eutética ou quase eutética do carboneto de metal de transição e pelo menos um metal selecionado a partir de cobalto, níquel, ferro e suas ligas, em que o carboneto de metal de transição compreende um valor maior que 75% em volume do corpo.
2. Corpo de broca de cortador fixo, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato do aglutinante compreender pelo menos um componente redutor de ponto de fusão selecionado a partir de pelo menos um dentre um carboneto, boreto ou silicieto de metal de transição até 60% em peso, um metal de transição até 50% em peso, boro até 10% em peso, silício até 20% em peso, cromo até 20% em peso e manganês até 25% em peso, onde as percentagens em peso são baseadas no peso total do aglutinante.
3. Corpo de broca de cortador fixo, de acordo com a reivindicação 2, caracterizado pelo fato do componente redutor de ponto de fusão ser pelo menos um dentre carboneto de tungstênio presente entre 30 e 60% em peso, tungstênio presente entre 30 e 55% em peso, carbono presente entre 1,5 e 4% em peso, boro presente entre 1 e 10% em peso, silício presente entre 2 e 20% em peso, cromo presente entre 2 e 20% em peso e manganês presente entre 10

2/6 e 25% em peso.
4. Corpo de broca de cortador fixo, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato das partículas duras serem pelo menos um dentre cristais únicos individuais, como partículas policristalinas, como soluções sólidas, como partículas policristalinas que compreendem duas ou mais fases, e grânulos sinterizados que compreendem um aglutinante, e grânulos sinterizados sem um aglutinante.
5. Corpo de broca de cortador fixo, de acordo com a

reivindicação 1, caracterizado pelo fato das partículas duras compreenderem pelo menos um carboneto de metal de transição selecionado a partir de carboneto de titânio, carboneto de cromo, carboneto de vanádio, carboneto de zircônio, carboneto de háfnio r carboneto de tântalo, carboneto de molibdênio, carboneto de nióbio e carboneto de tungstênio
6. Corpo de broca de cortador fixo, de acordo com a reivindicação 2, caracterizado pelo fato do componente redutor de ponto de fusão ser pelo menos um dentre carboneto, boreto ou silicieto de tungstênio na faixa entre 30 e 60% em peso com base no peso total do aglutinante.
7. Corpo de broca de cortador fixo, de acordo com a reivindicação 2, caracterizado pelo fato do aglutinante compreender entre 40 e 50% em peso de carboneto de tungstênio e entre 40 e 60% em peso de pelo menos um dentre ferro, cobalto e níquel, todos com base no peso total do aglutinante.
8. Corpo de broca de cortador fixo, de acordo com a reivindicação 7, caracterizado pelo fato do aglutinante compreender 40 a 50% em peso de carboneto de tungstênio e

3/6

40 a 60% em peso de cobalto, tudo com base no peso total do aglutinante.
9. Corpo de broca de cortador fixo, de acordo com a reivindicação 8, caracterizado pelo fato do aglutinante compreender ainda até 10% em peso de pelo menos um dentre boro e silício com base no peso total do aglutinante.
10. Corpo de broca de cortador fixo, de acordo com a reivindicação 2, caracterizado pelo fato do componente redutor de ponto de fusão ser silício na faixa de 2 a 20% em peso com base no peso total do aglutinante.
11. Corpo de broca de cortador fixo, de acordo com a reivindicação 7, caracterizado pelo fato do aglutinante compreender 40 a 50% em peso de carboneto de tungstênio e 40 a 60% em peso de níquel, tudo com base no peso total do aglutinante.
12. Corpo de broca de cortador fixo, de acordo com a reivindicação 11, caracterizado pelo fato do aglutinante compreender ainda até 10% em peso de boro com base no peso total do aglutinante.
13. Corpo de broca de cortador fixo, de acordo com a reivindicação 2, caracterizado pelo fato do aglutinante compreender pelo menos 80% em peso de pelo menos um dentre níquel, ferro e cobalto com base no peso total do aglutinante.
14. Corpo de broca de cortador fixo, de acordo com a reivindicação 13, caracterizado pelo fato do aglutinante compreender ainda até 20% em peso de silício com base no peso total do aglutinante.
15. Corpo de broca de cortador fixo, de acordo com a reivindicação 13, caracterizado pelo fato do aglutinante

4/6 compreender ainda até 10% em peso de boro com base no peso total do aglutinante.
16. Corpo de broca de cortador fixo, de acordo com a reivindicação 2, caracterizado pelo fato do aglutinante compreender uma composição eutética ou quase eutética de níquel e de boro.
17. Corpo de broca de cortador fixo, de acordo com a reivindicação 2, caracterizado pelo fato do aglutinante compreender uma composição eutética ou quase eutética de cobalto e de boro.
18. Corpo de broca de cortador fixo, de acordo com a reivindicação 2, caracterizado pelo fato do aglutinante compreender até 60% em peso do componente redutor do ponto de fusão com base no peso total do aglutinante.
19. Corpo de broca de cortador fixo, de acordo com a reivindicação 18, caracterizado pelo fato do componente redutor do ponto de fusão ser pelo menos um dentre um carboneto de tungstênio, cromo, boro, carbono e silício.
20. Corpo de broca de cortador fixo, de acordo com a reivindicação 18, caracterizado pelo fato do componente redutor do ponto de fusão ser um dentre carboneto de tungstênio, boro e silício.
21. Corpo de broca de cortador fixo, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato do aglutinante compreender mais que 20% em volume da composição.
22. Corpo de broca de cortador fixo, de acordo com a reivindicação 21, caracterizado pelo fato do aglutinante compreender entre 20% em volume e 60% em volume da composição.
23. Corpo de broca de cortador fixo, de acordo com a

5/6 reivindicação 21, caracterizado pelo fato do aglutinante compreender entre 20% em volume e 50% em volume da composição.
24. Corpo de broca de cortador fixo, de acordo com a reivindicação 21, caracterizado pelo fato do aglutinante compreender entre 25% em volume e 40% em volume da composição.
25. Corpo de broca de cortador fixo, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato do aglutinante compreender pelo menos um dentre um carboneto de metal de transição, um elemento de transição, carbono, boro, silício, cromo, manganês, prata, alumínio, cobre, estanho, zinco, rênio, rutênio e zinco.
26. Corpo de broca de cortador fixo, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato do aglutinante compreender pelo menos um dentre cobalto e níquel.
27. Corpo de broca de cortador fixo, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato das partículas duras compreenderem cristais que compreendem carbonetos de tungstênio e o aglutinante compreende cobalto.
28. Corpo de broca de cortador fixo, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado por compreender pelo menos duas regiões com diferentes composições.
29. Corpo de broca de cortador fixo, de acordo com a reivindicação 28, caracterizado pelo fato de que uma região tem maior dureza que pelo menos uma outra região.
30. Corpo de broca de cortador fixo, de acordo com a reivindicação 29, caracterizado pelo fato da região que possui maior dureza ser pelo menos uma dentre a região interna de uma lâmina, uma região interna de um cone de

5/5 roletes, uma porção da hasta e uma região que circunda uma hasta.
31. Corpo de broca de cortador fixo, de acordo com a reivindicação 28, caracterizado pelo fato de que uma região tem uma maior resistência ao desgaste que pelo menos uma outra região.
32. Corpo de broca de cortador fixo, de acordo com a reivindicação 31, caracterizado pelo fato da região que tem uma maior resistência ao desgaste ser pelo menos uma dentre uma região de bolsa de inserção, uma região de coxim guia, uma região de lâmina de cone de roletes e o exterior da coroa.
33. Corpo de broca de cortador fixo, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato do aglutinante compreender entre 2 0 e 35% em volume do corpo de broca de cortador fixo.

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