專利名稱：制造包括至少一個致密材料塊體的元件的方法
技術(shù)領域：
本發(fā)明涉及包括至少一個由分散于塑性粘結(jié)相中的硬質(zhì)顆粒構(gòu)成的致密材料塊體的元件的制造，其中可以通過浸滲或吸液(imbibition)使致密 材料局部富集粘結(jié)相。本發(fā)明特別涉及由也稱為金屬陶瓷的陶瓷/金屬復合材料制成的工具的 制造，并特別涉及用于石油和/或礦物鉆探的工具的制造。
背景技術(shù)：
浸滲或吸液應理解為完全致密的固/液系統(tǒng)中液體的富集，其中在該系 統(tǒng)中，至少一種固相呈能夠通過吸收液體而調(diào)整其形態(tài)的充脹(gains)形 式，從而使該系統(tǒng)更高能穩(wěn)定。在由存在于該系統(tǒng)中的遷移壓力產(chǎn)生的驅(qū) 動力的作用下產(chǎn)生液體的富集。鉆削工具由其上安裝有用于切削或磨削巖石的刀具的頭部構(gòu)成。作為 工具的工作部分的刀具在大部分情況下基于碳化物、即一種非常硬但脆性 的材料而形成。當所述工具用于鉆削由不同硬度的巖石構(gòu)成的地質(zhì)層時， 該脆性尤其不利。這種異質(zhì)性可能導致在刀具內(nèi)產(chǎn)生裂紋，從而導致由于 剝落產(chǎn)生的刀具磨損或刀具斷裂。為了降低刀具過早磨損或斷裂的風險，已經(jīng)有人考慮由金屬陶瓷制造 刀具，其芯部比與巖石直接接觸的外表面塑性更強。因此，在保持優(yōu)良的 切削能力(與巖石接觸的低粘結(jié)相區(qū)域)的同時，刀具的芯部將更耐沖擊 (粘結(jié)相富集區(qū)域)。為了制造已知為具有稱為功能梯度材料(FGM)的組分(或成分)梯 度或性能梯度的刀具的這種刀具，已經(jīng)有人提出制造具有孔隙梯度的非致 密金屬陶瓷，并通過粘結(jié)相滲入它們，從而提高金屬陶瓷的芯部區(qū)域的塑 性。然而，由于該方法導致在浸漬之前便存在的碳化物骨架的部分破壞， 從而使得刀具無法獲得理想的特性，因而該方法是不適宜的，特別是對于 碳化鎢-鈷(WC-Co)系統(tǒng)而言是不適宜的。滲入是僅在由也稱為毛細壓力的毛細管現(xiàn)象所導致的驅(qū)動力的作用下 產(chǎn)生的非完全致密固/液系統(tǒng)中液體的富集。浸漬除了涉及兩個凝聚相(固/ 液)之外，還涉及稱為非凝聚相(氣相)的第三相。也已經(jīng)有人提出通過自然燒結(jié)(不需要施加外部壓力)制造在多層元 件的固體相中具有組分梯度的金屬陶瓷，其具有堅硬的外表面和塑性(易 延展的)芯部，元件的每一層具有不同的組分。但是，該方法不能使材料 完全致密化，并且必須隨后進行昂貴的熱等靜壓成型處理。此外，因為需 要制造一系列彼此相適應的元件層并且每層具有不同的組分，因而具有組 分梯度的金屬陶瓷的制備很復雜。最后，該既復雜又非常昂貴的制備方法 無法獲得連續(xù)的組分梯度。相應地，如此獲得的金屬陶瓷包括具有基本不 同硬度和膨脹系數(shù)的連續(xù)層，從而導致在兩個連續(xù)層之間的界面處分層的 風險。為了彌補固相燒結(jié)的缺陷，已經(jīng)有人提出通過自然液相燒結(jié)制造所述 材料，其可以在單一步驟中非常迅速地獲得具有完全致密、漸進組織(結(jié)構(gòu))的材料。然而，該方法具有由于小厚度層之間液體的遷移而顯著削弱 組分梯度的缺陷。此外，完全出乎意料地，當停留于液態(tài)的時間低于一臨 界時間時，組分梯度保持不連續(xù)，其中當超過該臨界時間時，金屬陶瓷完 全均質(zhì)化。由于這些各種各樣的原因，已經(jīng)提出的上述三種方法不適于具有令人 滿意的使用性能、即表面的耐磨性和芯部的塑性或韌性的鉆削工具的工業(yè) 化生產(chǎn)。此外，為了改善切削工具的使用壽命，己經(jīng)有人提出在金屬陶瓷的表 面上沉積氮化物、碳氮化物、氧化物或硼化物的硬質(zhì)涂層。例如美國專利4,548,786或4，610，931中已描述了這種方法。然而，這些方法具有以下缺陷， 即其只能改善金屬陶瓷的耐磨蝕性并且這種改善只能在很小的厚度(幾微 米)上獲得。此外，由于涂層的特性與刀具不同，在經(jīng)受刀具的熱機械應 力后，所述層可能發(fā)生分層或剝落。也已經(jīng)有人提出通過使對碳而言為亞(低于)化學計量的金屬陶瓷與 富碳氣相(甲烷)接觸來同時改善WC-Co型金屬陶瓷的表面耐磨性和抗沖 擊性。在溫度的影響下，氣相中的碳擴散到亞化學計量的金屬陶瓷中并依 據(jù)化學反應式2C+Co3W3C(t!相)—3WC+3Co與ti相反應，從而釋放出鈷，該釋放出的鈷向著貧鈷區(qū)域移動。然而，例如在美國專利4,743,515中描述 的這種方法具有以下缺陷，即其導致1或2毫米以上范圍內(nèi)富鈷的粘結(jié)相 梯度，而金屬陶瓷芯部由于由ri相構(gòu)成而保持脆性并且在反復沖擊下易于 斷裂。最后，己經(jīng)有人提出制造具有特殊結(jié)構(gòu)、尤其是蜂窩結(jié)構(gòu)的切削工具， 其具有結(jié)合了優(yōu)良的耐磨性和優(yōu)良的韌性的優(yōu)點。這種具有功能性微結(jié)構(gòu) 的金屬陶瓷顯示出塑性/脆性性能的折衷性，這對于預定的應用而言很重要 但仍不足。該復合材料為美國專利5,880,382的主題。發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明的目的在于通過提出允許在令人滿意的工業(yè)條件下制造致密金 屬陶瓷基材料塊體的措施來克服這些缺陷，該致密金屬陶瓷基材料塊體用 于具有非常優(yōu)異的表面耐磨性和優(yōu)良的芯部韌性的切削或鉆削工具，從而 與常規(guī)工具相比具有改善的壽命。為此，本發(fā)明涉及一種制造包括至少一個由分散于粘結(jié)相中的硬質(zhì)顆 粒構(gòu)成的致密材料塊體的元件的方法，其中通過浸滲材料的浸滲，該致密 材料可以局部地以及在毫米級長度上富集粘結(jié)相。根據(jù)該方法，在塊體的全部或部分表面上沉積保護材料，并留出至少 一個浸滲區(qū)域，該保護材料能夠阻止浸滲材料穿過保護材料已經(jīng)沉積于其 上的壁進行遷移，并可能改變粘結(jié)相向塊體的遷移動力學，接著浸滲區(qū)域 與能夠使塊體局部地富集粘結(jié)相的浸滲材料接觸，隨后與浸滲材料接觸的 塊體經(jīng)受由加熱、保溫以及冷卻構(gòu)成的適宜的熱循環(huán)處理，從而使浸滲材 料的部分或全部、塊體的粘結(jié)相的部分或全部變?yōu)橐簯B(tài)，以使得粘結(jié)相的 富集僅僅通過浸滲區(qū)域發(fā)生。熱循環(huán)優(yōu)選以下述方式實施，以使得在由致密材料塊體和浸滲材料構(gòu) 成的組件中形成溫度梯度，從而在塊體和浸滲材料的界面處達到最小浸滲 溫度，并且塊體中的溫度高于該最小浸滲溫度，以及在該浸滲材料中，至 少在所述界面附近，溫度低于該最小浸滲溫度。也可以這樣實施熱循環(huán)，以使得處于液態(tài)的時間以及保持的溫度產(chǎn)生 對于所需的富集恰好足夠的浸滲材料量。浸滲材料例如由在低溫和荷載下聚集的粉末壓實體制得的片狀件構(gòu)成，其一個面與致密材料塊體的表面接觸。浸滲材料還可以呈例如通過刷子沉積到致密材料塊體的表面上的糊狀 物(粉末和水合粘結(jié)劑的混合物)的形式或者呈等離子或激光噴射涂層的 形式。這種形式的浸滲材料的優(yōu)點在于其可適應于所有塊體幾何形狀。與浸滲材料接觸的致密材料塊體優(yōu)選被置于由對于浸滲材料具有化學 惰性的難熔材料、例如氧化鋁制成的坩鍋中，并且在處于受控氣氛下或真 空中的爐子內(nèi)加熱。構(gòu)成塊體的相通常包括至少一種由一種或多種金屬碳化物構(gòu)成的硬質(zhì) 顆粒以及優(yōu)選與所述金屬碳化物在一定溫度下形成共晶體的塑性金屬粘結(jié) 相。該塊體還可由其它硬質(zhì)顆粒、例如金剛石顆粒構(gòu)成。浸滲材料優(yōu)選具有與致密材料塊體的粘結(jié)相相似的組分。特別是，在 浸滲溫度下，浸滲材料的組分接近于致密材料塊體的粘結(jié)相的組分。例如，其包括至少85% (重量百分比)的在塊體的金屬碳化物和金屬粘結(jié)相之間 形成的共晶體，其熔點低于或等于或稍高于塊體的粘結(jié)相的熔點，浸滲材 料的金屬粘結(jié)相包括選自鈷(Co)、鐵(Fe)、鎳(Ni)的一種或多種金屬 元素，并且包括不超過15% (重量百分比)的選自銅(Cu)、硅(Si)、錳 (Mn)、鉻(Cr)、鉬(Mo)、鉤(W)、釩(V)、鈮(Nb)、鉭(Ta)、鈦(Ti)、 鋯(Zr)、鉿(Hf)的一種或多種金屬元素，其余為雜質(zhì)。浸滲溫度通常為浸滲材料的共晶點Te，并且通常與塊體的粘結(jié)相的熔 點相對應。熱循環(huán)優(yōu)選包括將溫度升高至保溫溫度Tm，其高于或等于浸滲材料的 共晶溫度Te，并且優(yōu)選低于Te+20(TC，更佳地低于Te+100°C，優(yōu)選隨后以 溫度Tm短暫保溫，然后快速冷卻(約5(TC/分鐘)至一低于Te的溫度， 最后緩慢冷卻(10至5。C/分鐘)至環(huán)境溫度。構(gòu)成致密材料塊體的材料可為WC-Co (碳化鎢-鈷)或WC-[Co和/或 Ni和域Fe](碳化鎢-陶和/或鎳和域鐵)型金屬陶瓷，可選地向其中加入 金剛石顆粒，浸滲材料為WC-M型共晶體，M由選自鈷(Co)、鎳(Ni) 和鐵(Fe)的一種或多種金屬構(gòu)成。構(gòu)成致密材料塊體的金屬陶瓷尤其可為WC-Co型并可包括不超過35 % (重量百分比)的鈷，浸滲材料尤其可為包括不超過65% (重量百分比) 的鈷的WC-Co型共晶體。當保護層沉積于致密材料塊體的表面上時，該保護層特別是可由氮化硼構(gòu)成，但是也可選地可由石墨或氧化鋁構(gòu)成。致密材料塊體例如可作為鉆削工具的刀具，并且在浸滲處理之后，PDC(聚晶金剛石復合片)或TSP (熱穩(wěn)定聚晶金剛石)型的帶金剛石尖頭被施加于塊體的一個表面上。帶金剛石尖頭可通過HPHT (高壓-高溫)工藝在浸滲處理之前直接施 加于致密材料塊體上。帶金剛石尖頭也可以施加于不同的均質(zhì)金屬陶瓷支 撐塊體上，該金屬陶瓷支撐塊體隨后通過浸滲施加于前述通過浸滲處理的 塊體上。本發(fā)明還涉及一種用于鉆削工具的刀具，該鉆削工具用于切削和/或磨 削巖石，例如為鏜孔鉆頭、礦鎬、三牙輪鉆頭、灌注工具，該刀具包括由 分散于粘結(jié)相中的硬質(zhì)顆粒構(gòu)成的特別是WC-Co型的塊體，并可選地加入 有金剛石，其在超過0.5毫米的長度上具有由工具的功能確定的形式的連續(xù) 粘結(jié)相組分梯度，從而獲得富含粘結(jié)相的韌性(強韌)芯部以及貧含粘結(jié) 相并具有高硬度的表面。刀具可在塊體的一個表面上進一步安裝PDC或TSP型的帶金剛石尖頭。最后，本發(fā)明涉及一種巖石切削工具，其包括至少一個根據(jù)本發(fā)明的 刀具或刀片，該工具例如可為用于石油或礦物鉆探機、土木工程機械、或 者地面或地下土壤挖掘機的工具。最后，本發(fā)明涉及一種巖石磨削和/或巖石切削工具，其包括至少一個 根據(jù)本發(fā)明的刀具。


下面參照附圖更詳細、但并不意味著進行任何限制地描述本發(fā)明，其中圖1是通過浸滲制造具有堅硬外表面和韌性芯部的致密金屬陶瓷塊體 的示意圖；圖2是具有堅硬外表面和韌性芯部的致密金屬陶瓷塊體的熱浸滲循環(huán) 的示意圖；圖3是沿著致密金屬陶瓷的高度方向的剖面圖，該致密金屬陶瓷的芯 部已經(jīng)通過浸滲變得更強韌；圖4是沿著從致密金屬陶瓷的下表面到上表面的高度h的粘結(jié)相重新分配的示意性曲線，如圖3所示，該致密金屬陶瓷的芯部已經(jīng)通過浸滲變 得更強韌；圖5是由致密金屬陶瓷塊體構(gòu)成的鉆削工具的鉆頭的剖面圖，該致密 金屬陶瓷塊體的芯部已經(jīng)變得更強韌并且金剛石尖頭已經(jīng)施加于其上；圖6是一鉆削工具的鉆頭的剖面圖，該鉆頭包括第一金屬陶瓷塊體， 其中該第一金屬陶瓷塊體的芯部己經(jīng)變得強韌，并且已經(jīng)通過浸滲在其上 施加了其上安裝金剛石尖頭的第二致密材料塊體。
具體實施方式
通常，用于鉆削工具、或者更廣義地用于切削工具的刀具為包括通常 呈平行六面體或圓柱狀的塊體的元件，該塊體通過粉末冶金獲得，并且由 其結(jié)構(gòu)一方面包括例如金屬碳化物、特別是碳化鎢的硬質(zhì)顆粒，另一方面 包括由金屬或金屬合金構(gòu)成的粘結(jié)相的材料構(gòu)成，在與碳化物接觸時，粘 結(jié)相在一定溫度下可以形成熔點低于碳化物的熔點和金屬或金屬合金的熔 點的共晶體。例如，該金屬或金屬合金為鈷，但是也可以為鐵、鎳或這些 金屬的混合物。此外，粘結(jié)相可以包括合金金屬，以重量百分比計，其總 含量可達15%，但是通常不超過1%。合金金屬可為用于提高電導率的銅， 或相對于由碳化物和粘結(jié)相構(gòu)成的系統(tǒng)可降低表面張力的硅，或者可為可 以形成混合碳化物或除了碳化鎢以外的MxCy型碳化物的碳化物形成元素。 這些不同的元素尤其可為錳、鉻、鉬、釩、鈮、鉭、鈦、鋯和鉿。除了這些主要元素外，粘結(jié)相的組分可以包括常見于這類材料中并可 改變硬質(zhì)顆粒的形狀和/或抑制其生長的合金元素。本領域的技術(shù)人員熟知 這些元素。最后，這些材料的化學組分包括制備過程中產(chǎn)生的不可避免的 雜質(zhì)。本領域的技術(shù)人員熟知這些雜質(zhì)。對于一些應用而言，金剛石顆粒被加入，以增強刀具的耐磨性。這種 金剛石顆粒被加入到用于通過燒結(jié)制造塊體的粉末混合物中。通常，燒結(jié)后，塊體是致密的，并且由分散于粘結(jié)相中的硬質(zhì)顆粒構(gòu) 成。因此，塊體由致密材料制成。對于WC-Co系統(tǒng)而言，在一定溫度下形成的共晶體的組分中具有約 65% (重量百分比)的鈷。當然，如此獲得的塊狀物的使用性能尤其取決于碳化物和金屬或金屬合金的相對比例。對于鉆削材料而言，粘結(jié)相的含量通常遠低于共晶體的含量，并且甚至基本上小于35% (重量百分比)。事實上，粘結(jié)相的含量越低，硬度越高，并且因此材料的耐磨性越高。然而，粘結(jié)相的含量越低，金屬陶瓷的韌性越低。這些稱為"金屬陶瓷"的材料的這些性能對于本領域的技術(shù)人員而言是已知的。此外，金屬陶瓷的性能還取決于碳化物晶粒的大小和形狀。 為了改善本發(fā)明的塊體的性能，使用了通過浸滲使塊體的一部分富含粘結(jié)相并且可選地改變其組分的方法，該方法由優(yōu)選具有均勻組分的致密燒結(jié)金屬陶瓷開始。在滿足一定條件的雙相系統(tǒng)(硬質(zhì)顆粒-粘結(jié)相)中可能出現(xiàn)浸滲現(xiàn)象。相應地，在浸滲溫度下(PTe)，呈液態(tài)的粘結(jié)相必須潤濕硬質(zhì)顆粒，這些 相同的硬質(zhì)顆粒必須可在液態(tài)粘結(jié)相中部分溶解，并且系統(tǒng)必須顯示出奧 斯特瓦爾德熟化現(xiàn)象并伴隨著硬質(zhì)顆粒形狀的改變而無需通過溶解-重新分 配現(xiàn)象增大顆粒尺寸。為了進行浸滲，需要使粘結(jié)相含量低于一臨界值(對于WC-Co系統(tǒng)而 言，以重量百分比計為35%)的金屬陶瓷與具有適宜組分的浸滲材料接觸， 并將其整體置于使浸滲材料和粘結(jié)相呈液態(tài)或至少部分地呈液態(tài)的溫度 下。當滿足這些條件時，發(fā)生粘結(jié)相向金屬陶瓷內(nèi)部的轉(zhuǎn)移，并且因此金 屬陶瓷富集粘結(jié)相。通常，浸滲材料的組分優(yōu)選與所述金屬陶瓷的共晶體 的組分相同或類似。在這種情況下，浸滲增加了金屬陶瓷中粘結(jié)相的含量，且不改變材料的化學組分。該現(xiàn)象可持續(xù)到金屬陶瓷中飽含粘結(jié)相為止。 對于含有具有相同性質(zhì)的浸滲材料的碳化鎢/鈷型金屬陶瓷而言，金屬陶瓷中鈷含量為約35% (重量百分比)時出現(xiàn)飽和。浸滲材料可以具有與致密金屬陶瓷的粘結(jié)相不同的組分。在這種情況下，不僅金屬陶瓷富集粘結(jié)相，而且其化學組分、以及可選地碳化物相也發(fā)生改變。浸滲現(xiàn)象可被熱激活，并且因此其動力學與溫度、金屬陶瓷中的粘結(jié) 相的初始含量以及硬質(zhì)顆粒的大小和形狀相關(guān)。浸滲通常用于通過將致密金屬陶瓷塊體的一端浸入于具有所述金屬陶 瓷的共晶體組分的液體中而使該塊體富集粘結(jié)相。該方法的一個缺陷在于 變?yōu)橐后w的浸滲材料不僅穿過接觸區(qū)域、而且還穿過鄰近接觸區(qū)域的面遷移到金屬陶瓷中，這使得難于控制梯度的形狀。因此，為了獲得與利用浸入獲得的常規(guī)結(jié)果相反的期望結(jié)果，發(fā)明人 設計了以下過程。如圖1所示，由包埋于粘結(jié)相中的硬質(zhì)顆粒構(gòu)成的材料制成的塊體1 與由在特定溫度下能夠通過浸滲遷移到塊體1的內(nèi)部的浸滲材料構(gòu)成的片狀件(pellet) 2接觸。塊體1通常為圓柱形或平行六面體狀，并且包括下 表面3、 一個或多個側(cè)表面5和上表面6。由浸滲材料構(gòu)成的片狀件2與塊 體1的下表面3接觸，也稱為浸滲區(qū)域的由浸滲材料構(gòu)成的片狀件2與塊 體1之間的接觸區(qū)域4的表面積基本上小于塊體1的下表面3的表面積。 梯度的形狀尤其是由浸滲區(qū)域相對于金屬陶瓷的下表面3的定位和比例確 定。塊體1的一個或多個側(cè)表面5和上表面6覆蓋有保護材料層7。例如為 氮化硼的保護材料一方面用于防止浸滲材料穿過保護層遷移，另一方面用 于改變粘結(jié)相向塊體的遷移動力學。由帶有其保護層7的塊體1以及浸滲 材料片狀件2構(gòu)成的組件被置于在熱處理溫度下具有化學惰性的坩鍋中， 例如，該坩鍋由氧化鋁8制成，并被放置于處于受控氣氛下的爐子9中， 該爐子9可為真空爐或者處于氮氣或氬氣氣氛下的爐子。該爐子必須能夠 達到足夠的溫度，從而使浸滲材料和塊體的粘結(jié)相部分或全部處于液態(tài)， 例如對于WC-Co塊體而言，該溫度為135(TC或者甚至1320°C，并且具有 高的加熱和冷卻速率，從而可以控制、特別是減少組件處于所處理系統(tǒng)的 共晶溫度以上的時間，所述共晶溫度為這樣的溫度，即當超過該溫度時， 發(fā)生浸滲現(xiàn)象，并且對于WC-Co型金屬陶瓷而言，其為130(TC左右。該爐 子可為電阻爐、感應爐、微波爐或SPS (放電等離子燒結(jié))裝置。然后，對塊體進行熱循環(huán)處理，包括首先將其加熱至一溫度，該溫度 高于或等于至少使浸滲材料片狀件2與塊體1的下表面之間的接觸區(qū)域4 變?yōu)橐簯B(tài)時的溫度。以這樣的方式進行加熱，以使得塊體內(nèi)部的溫度高于 塊體的共晶體的熔點Te。優(yōu)選地，將使用爐子本身的溫度梯度，從而以這樣的方式進行加熱， 以使得片狀件2的至少一部分內(nèi)部的溫度低于浸滲材料的熔點。通過上述方式，在浸滲材料片狀件和塊體的下表面之間的接觸區(qū)域中， 浸滲材料通過遷移滲透到致密材料塊體內(nèi)部；另一方面，其不能通過塊體 的外側(cè)壁5或上壁6遷移。因此，致密材料塊體的浸滲材料的富集基本上發(fā)生于在下壁3處敞開并向著塊體內(nèi)部延伸的內(nèi)部區(qū)域中。更準確地說，如圖2所示，熱處理包括加熱至共晶體的熔點Te的階段 15、溫度保持在Te以上至保溫溫度Tm的階段16 (其中在保溫溫度下塊體保溫時間為tj、隨后塊體非常迅速地冷卻至低于溫度Te的溫度的階段17、以及最后緩慢冷卻至環(huán)境溫度的階段18。在加熱階段期間，在溫度Te以下，浸滲材料固化并收縮。在溫度Te之 上，在接觸表面處形成共晶液體。臨界溫度與溫度Te不能差異過大，但必須具有足夠的溫差，以產(chǎn)生足 夠量的液體并允許液體與將被浸滲的致密金屬陶瓷處于化學平衡狀態(tài)地進行潤濕和遷移。溫差例如為不超過200'C，更佳地不超過100'C，優(yōu)選小于 50°C。在最小浸滲溫度Te以上的總時間tt通常小于15分鐘，并這樣選擇保溫溫度Tm和保溫時間tm，以確保浸滲材料適當?shù)胤植加趬K體內(nèi)部。本領域的技術(shù)人員很清楚如何選擇這些參數(shù)。在臨界溫度和共晶浸滲溫度之間迅速進行冷卻，以避免浸滲材料的未 受控制的遷移。為此，希望使快速冷卻速率大于4(TC/分鐘，優(yōu)選大于5(TC/分鐘，更 優(yōu)選大于6(TC/分鐘。然而，為了避免在致密材料塊體中產(chǎn)生過量應力，優(yōu) 選冷卻速率保持低于10(TC/分鐘。在共晶溫度以下，由于浸滲材料的遷移被阻止，以基本較緩慢的速率 進行冷卻，以避免在致密材料塊體內(nèi)部產(chǎn)生過量殘余應力。以上述方式，獲得如圖3的剖面圖中所示的塊體，其包括具有高粘結(jié) 相含量的芯部20和具有低粘結(jié)相含量的外部區(qū)域21。由于其低粘結(jié)相含量， 外部區(qū)域21具有非常高的硬度，因此具有非常高的耐磨性，但是具有較低 的韌性。相反，由于其高粘結(jié)相含量，內(nèi)部區(qū)域20具有非常好的韌性。由于上述與在金屬陶瓷中逐漸富集粘結(jié)相對應的浸滲過程，粘結(jié)相的 含量發(fā)生連續(xù)變化，并且從芯部向塊體的工作表面減小。這在圖3中通過 等粘結(jié)劑含量線22a、 22b、 22c、 22d示出，并且在圖4中通過粘結(jié)相沿著 從致密金屬陶瓷的下表面到上表面的高度的重新分配曲線示出。當致密金屬陶瓷塊體為碳化鎢/鈷型時，鈷含量必須小于35% (重量百 分比)。超過該含量，無法進行浸滲過程。為了使該塊體富集其自身的粘結(jié)齊U，塊體與由鈷含量可為35-65% (重量百分比)的碳化鉤/鈷混合物構(gòu)成的 浸滲材料接觸。優(yōu)選地，對于WC-Co系統(tǒng)而言，混合物具有對應于65%(重 量百分比)的鈷的共晶組分。例如，通過優(yōu)選在脫步勒混合機(Turbula) 中濕法干燥數(shù)小時使碳化鎢/鈷混合物均質(zhì)化。然后，例如在單動模具中在 低溫下壓實，或與水合(含水)粘結(jié)劑混合。當浸滲材料在低溫下壓實吋， 其呈片狀件的形式并與待處理的塊體接觸。當浸滲材料由混合有水合粘結(jié)劑的粉末構(gòu)成時，其可通過在可具有任 意形狀的限定區(qū)域上通過刷子沉積在塊體上。其也可以通過等離子噴射或 激光噴射進行沉積。通過刷子或通過噴射進行沉積的技術(shù)的優(yōu)點在于可使 浸滲材料在塊體的任何區(qū)域上沉積，其形狀可比平行六面體或圓柱體更復 雜。需要注意的是，對于每個待處理塊體而言，浸滲區(qū)域的大小和形狀必 須適應于將在塊體內(nèi)產(chǎn)生的梯度的形狀。本領域的技術(shù)人員很清楚如何進 行這種適應性調(diào)整。在其它方面，完全出乎預料地，發(fā)明人己經(jīng)發(fā)現(xiàn)，致密材料塊體的外 表面上的保護層的存在對于塊體內(nèi)浸滲材料的遷移具有顯著影響。特別是， 發(fā)現(xiàn)保護層使得可以獲得粘結(jié)相梯度，并且因此獲得硬度梯度，這比不含 保護材料時可獲得的梯度更顯著。而且，粘結(jié)相梯度可呈穹頂形或拱形。該效果下述兩個實例舉例說明，所述實例均涉及致密碳化鉤/鈷塊體的 處理，其中處理前鈷含量為13% (重量百分比)，浸滲材料由具有共晶組分 的碳化鎢/鈷的片狀件構(gòu)成，也就是說，含有約65% (重量百分比)的鈷。 WC晶粒的尺寸例如為約lpm，其與1230HV的初始硬度相對應。在兩種情 況下，組件置于電阻爐內(nèi)的氧化鋁坩鍋中，并在1350°C (試樣溫度)下加 熱3分鐘。在第一實例中，不與浸滲材料接觸的塊體的外壁覆蓋有由氮化硼構(gòu)成 的保護材料。處理后，塊體的外表面附近的硬度達到1370 HV左右，而塊 體芯部內(nèi)的最小硬度只有890 HV,也就是說，硬度差為480 HV左右，這 使得可在5mm左右的距離上獲得硬度變化。在第二實例中，作為對比，塊體的外壁未覆蓋保護層。塊體的外表面 處所觀察到的最大硬度為1200 HV,塊體的芯部處的最小硬度為1010 HV， 二者差異僅為190 HV。對于上述兩種結(jié)果的差異可以具有不同的解釋。尤其是，可以認為保 護材料增大了粘結(jié)相和碳化物相之間的界面能，從而對粘結(jié)相向塊體內(nèi)部 的遷移產(chǎn)生影響?？梢灾圃鞂?gòu)成工具刀具的塊體的上述方法具有以下優(yōu)點，即可以獲 得外部堅硬、內(nèi)部強韌的塊體。這種硬度變化在毫米級長度上產(chǎn)生。特別是，該硬度變化在大于0.5mm、優(yōu)選大于lmm、甚至大于2mm、更甚至大 于3mm但優(yōu)選小于30mm、更佳地小于8mm、甚至小于5mm的長度上產(chǎn) 生。此外，發(fā)明人已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，在塊體浸滲后，可以在塊體的上表面上沉積 合成金剛石尖頭，同時部分地保持通過浸滲處理獲得的梯度。具有相對大 的厚度、優(yōu)選大于0.5mm的金剛石層可通過由HPHT (高壓-高溫)工藝加 壓石墨粉末而布置。然后可獲得如圖5的剖面圖所示的鉆頭，其由金屬陶 瓷支撐塊體40構(gòu)成，其芯部41已經(jīng)通過浸滲富集粘結(jié)相，從而變得較強 韌，金剛石尖頭42施加于支撐塊體的表面43上。當金剛石尖頭已經(jīng)施加于已覆蓋有如上所述的保護層的塊體上時，支 撐塊體內(nèi)的硬度梯度的幅度只有350 HV，而不是480HV，但是試樣周邊的 最大硬度為1550 HV，而不是1370 HV，并且塊體底部的最小硬度為1200 HV，而不是890 HV，也就是說，與在HPHT操作前同樣處理過的塊體相 比，支撐塊體的表面較硬但芯部的韌性稍差。這種硬度變化由金剛石加壓操作所致，其對鈷梯度具有影響，并因而 對金剛石尖頭的支撐體的硬度也產(chǎn)生影響。為了在金屬陶瓷支撐塊體上沉積金剛石層，還可以根據(jù)如圖6所示的 第二種方法進行處理。根據(jù)第二種方法，使用根據(jù)上述浸滲方法中的一種或另一種處理過的 金屬陶瓷塊體50，以得到通過增加粘結(jié)相含量而韌性增強的芯部51。通過 穿過表面55的浸滲，將由均勻致密金屬陶瓷支撐塊體53構(gòu)成的刀具52施 加到該金屬陶瓷上，該均勻致密金屬陶瓷上在此之前已經(jīng)壓上了金剛石尖 頭54。塊體53和50的組分被選擇，以使得當它們接觸并且置于高于或等于 共晶溫度的溫度時，發(fā)生粘結(jié)相從一個塊體向另一個塊體的遷移，以確保 兩個塊體的完美結(jié)合。為了獲得這種結(jié)果，對于塊體53和50而言，有利的是，選擇具有使遷移壓力不同的硬質(zhì)顆粒組分和/或尺寸和/或形狀的金屬 陶瓷。這些遷移壓力尤其取決于碳化物顆粒的尺寸和形狀以及粘結(jié)相的含 量。本領域的技術(shù)人員很清楚如何選擇該金屬陶瓷結(jié)構(gòu)。上述方法可以生產(chǎn)用于諸如三牙輪鉆的鉆削工具的頭部的刀具、PDC或TSP刀具、用于石油鉆探的灌注工具、在采礦或土木工程領域用于巖石 切削或巖石破碎工具或炮眼鉆削的刀具、或材料加工工具。這些刀具為包括至少一個由根據(jù)本發(fā)明的方法獲得的致密材料塊體或 由該塊體構(gòu)成的元件。這些塊體可以具有適應于所采用的工具而差異很大 的形狀。它們可相應地構(gòu)成刀片。這些刀具可安裝到用于石油鉆探或礦物鉆探或土木工程領域中的任何 類型的工具上，尤其是安裝到地面或地下土壤挖掘機上。這些應用尤其是 用于"局部挖掘"型或"持續(xù)開采"型或"采煤機"型釆礦機或軟巖石掘 進機的鎬。所述應用也可為尤其是用于諸如掘進機或道路鉆孔機或旋轉(zhuǎn)鉆 削刀具或輪轉(zhuǎn)撞擊鉆削刀具的全斷面機械的輪子。該方法還可以用于制造金屬加工工具的元件，其希望在韌性更強的主 體上獲得非常堅硬的工作表面。
權(quán)利要求
1. 一種制造包括至少一個由分散于粘結(jié)相中的性質(zhì)相同或不同的硬質(zhì)顆粒構(gòu)成的致密材料塊體(1，40，50)的元件的方法，其中通過浸滲材料的浸滲可以使致密材料局部富集粘結(jié)相，其特征在于，在塊體的全部或部分表面上沉積保護材料，并留出至少一個浸滲區(qū)域，所述保護材料能夠阻止浸滲材料穿過保護材料已經(jīng)沉積于其上的壁進行遷移，并可改變粘結(jié)相向塊體的遷移動力學，然后塊體(1)的表面(3)的至少一個浸滲區(qū)域(4)與能夠使塊體局部富集粘結(jié)相的浸滲材料(2)接觸，隨后與浸滲材料接觸的塊體經(jīng)受由加熱、保溫以及冷卻構(gòu)成的適宜的熱循環(huán)，從而使浸滲材料和塊體的粘結(jié)相部分地或完全變?yōu)橐簯B(tài)，以使得粘結(jié)相的富集僅僅通過浸滲區(qū)域發(fā)生。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述熱循環(huán)被實施，以 使得在由致密材料塊體和浸滲材料構(gòu)成的組件中形成溫度梯度，從而在塊 體和浸滲材料的界面處達到最小浸滲溫度，并且在塊體中，至少在所述界 面附近，溫度高于所述最小浸滲溫度，以及在所述浸滲材料中，至少在所 述界面附近，溫度低于所述最小浸滲溫度，或者所述熱循環(huán)被實施，以使 得處于液態(tài)的時間以及保持的溫度產(chǎn)生對于所需的富集恰好足夠的浸滲材 料的液體量。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的方法，其特征在于，所述浸滲材料為由 聚集的粉末混合物構(gòu)成的片狀件(2)，所述片狀件(2)的一個表面與塊體 的表面接觸。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的方法，其特征在于，所述浸滲材料呈例 如通過刷子、等離子噴射或激光噴射沉積到塊體的表面上的覆蓋層的形式。
5. 根據(jù)權(quán)利要求1至4中任意一項所述的方法，其特征在于，與浸滲 材料(2)接觸的塊體(1)在處于受控氣氛下或真空中的爐子(9)中被加 熱。
6. 根據(jù)權(quán)利要求1至5中任意一項所述的方法，其特征在于，構(gòu)成塊 體的固體顆粒至少包括硬質(zhì)金屬碳化物顆粒，并且所述粘結(jié)相具有金屬性 質(zhì)。
7. 根據(jù)權(quán)利要求6所述的方法，其特征在于，所述塊體進一步包括以直徑計尺寸最高達到1毫米的天然或合成金剛石顆粒。
8. 根據(jù)權(quán)利要求6或7所述的方法，其特征在于，所述浸滲材料由分 散于粘結(jié)相中的硬質(zhì)顆粒構(gòu)成，其中所述顆粒和所述粘結(jié)相可與所述塊體 具有相同或不同的性質(zhì)，以及可與所述塊體具有相同或不同的配比，包括 如果系統(tǒng)中具有共晶體，所述配比對應于共晶組分。
9. 根據(jù)權(quán)利要求6至8中任意一項所述的方法，其特征在于，以重量 百分比計，所述浸滲材料的化學組分包含至少85%的在塊體的金屬碳化物 和金屬粘結(jié)相之間形成的共晶體，從而使得浸滲材料的粘結(jié)相和塊體的粘 結(jié)相之間的熔點之差小于200°C，并且包含不超過15%的選自于銅、硅、 錳、鉻、鉬、鎢、釩、鈮、鉭、鈦、鋯、鉿的一種或多種金屬元素，其余 為雜質(zhì)。
10. 根據(jù)權(quán)利要求8或9所述的方法，其特征在于，所述浸滲溫度為 浸滲材料的共晶體的熔點Te。
11. 根據(jù)權(quán)利要求8所述的方法，其特征在于，與浸滲材料接觸的塊 體所經(jīng)受的熱循環(huán)包括將溫度升高至保溫溫度Tm，其在一范圍[浸滲材料 的共晶溫度Te; Te+10(TC]內(nèi)，保溫時間作為塊體和所需梯度的幾何形狀的 函數(shù)設定為0-15分鐘，然后首先快速冷卻(大于4(TC/分鐘)至低于Te的 溫度，最后緩慢冷卻(小于l(TC/分鐘)至環(huán)境溫度。
12. 根據(jù)權(quán)利要求6至11中任意一項所述的方法，其特征在于，構(gòu)成 塊體的材料為WC-Co或WC-[Co和/或Ni禾tV或Fe]型金屬陶瓷，可選地向 其中加入金剛石顆粒，并且所述浸滲材料為WC-M型，M由選自鈷、鎳和 鐵的一種或多種金屬構(gòu)成。
13. 根據(jù)權(quán)利要求12所述的方法，其特征在于，構(gòu)成塊體的金屬陶瓷 為WC-Co型，并且以重量百分比計包括不超過35%的鈷，且浸滲材料中 鈷的含量以重量百分比計為35-65%。
14. 根據(jù)權(quán)利要求6-13中任意一項所述的方法，其特征在于，所述保 護層由氮化硼、石墨或氧化鋁構(gòu)成。
15. 根據(jù)權(quán)利要求1至14中任意一項所述的方法，其特征在于，所述 塊體(40， 50)為用于鉆削工具的刀具，并且在塊體的浸滲處理之后，在 塊體的一個表面(43)上沉積PDC (聚晶金剛石復合片)或TSP (熱穩(wěn)定 聚晶金剛石)型帶金剛石尖頭(42, 54)。
16. 根據(jù)權(quán)利要求15所述的方法，其特征在于，所述帶金剛石尖頭(43) 通過HPHT直接施加于塊體(40)上。
17. 根據(jù)權(quán)利要求15所述的方法，其特征在于，所述帶金剛石尖頭(54) 由通過浸滲施加于所述塊體(50)上的金屬陶瓷(53)承載。
18. —種用于巖石切削工具的刀具，例如由分散于粘結(jié)相中的硬質(zhì)顆 粒構(gòu)成的塊體，其尤其為WC-Co型，并可選地加入有金剛石顆粒，其特征 在于，在超過0.5毫米的長度上，其具有呈由工具的功能確定的形狀的連續(xù) 粘結(jié)相組分梯度，以獲得富含粘結(jié)相的韌性芯部以及具有高硬度和低粘結(jié) 相含量的表面。
19. 根據(jù)權(quán)利要求18所述的刀具，其特征在于，該刀具上安裝有PDC 或TSP型帶金剛石尖頭。
20. —種包括至少一個根據(jù)權(quán)利要求18或19所述的刀具或刀片的巖 石切削工具，尤其是用于石油鉆探機、礦物鉆探機、土木工程機械、地面 或地下土壤挖掘機的工具。
全文摘要
一種制造包括至少一個由分散于粘結(jié)相中的性質(zhì)相同或不同的硬質(zhì)顆粒構(gòu)成的致密材料塊體(1，40，50)的元件的方法，其中通過浸滲材料的浸滲可以使致密材料局部富集粘結(jié)相，其特征在于，在塊體的全部或部分表面上沉積保護材料，并留出至少一個浸滲區(qū)域，所述保護材料能夠阻止浸滲材料穿過保護材料已經(jīng)沉積于其上的壁進行遷移，并可改變粘結(jié)相向塊體的遷移動力學，然后塊體(1)的表面(3)的至少一個浸滲區(qū)域(4)與能夠使塊體局部富集粘結(jié)相的浸滲材料(2)接觸，隨后與浸滲材料接觸的塊體經(jīng)受由加熱、保溫以及冷卻構(gòu)成的適宜的熱循環(huán)，從而使浸滲材料和塊體的粘結(jié)相部分地或完全變?yōu)橐簯B(tài)，以使得粘結(jié)相的富集僅僅通過浸滲區(qū)域發(fā)生。
文檔編號C23C8/04GK101275213SQ20081009634
公開日2008年10月1日 申請日期2008年3月27日 優(yōu)先權(quán)日2007年3月27日
發(fā)明者A·杜爾費伊, C·科蘭, E·索爾里爾, H·塞拉米 申請人:瓦雷爾歐洲公司