具有梯度結(jié)構(gòu)的高壓碳化物構(gòu)件的制作方法
【專利摘要】公開(kāi)了一種砧，包括：硬質(zhì)相以及金屬基體相，所述硬質(zhì)相分散在所述金屬基體相中，其中，所述金屬基體相的濃度根據(jù)濃度梯度變化。該砧可用于高壓壓機(jī)中。還公開(kāi)了制造砧的方法，所述砧包括形成分散在金屬基體相中的硬質(zhì)相，所述金屬基體相的濃度根據(jù)濃度梯度變化。
【專利說(shuō)明】具有梯度結(jié)構(gòu)的高壓碳化物構(gòu)件
【背景技術(shù)】
[0001]包括在超高壓壓機(jī)、例如六面頂壓機(jī)或帶式壓機(jī)中的用于加工金剛石、多晶金剛石復(fù)合物和立方氮化硼的砧產(chǎn)生超過(guò)50千巴的壓力，并且溫度接近超過(guò)1500°C。一種典型的用于六面頂壓機(jī)的站大約有18cm長(zhǎng),具有大約18cm的基圓半徑,但這種站可以更小,或它們可以明顯更大。
[0002]為了施加一致的壓力，砧的工作表面應(yīng)具有高硬度。隨著砧的工作表面的硬度的增加，通過(guò)砧施加的壓力的一致性也增加。用于形成砧的適宜材料包括例如碳化鎢硬質(zhì)合金，它一般包括分散在鈷基體的碳化鎢顆粒。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003]本
【發(fā)明內(nèi)容】
被提供用于介紹概念的選擇，該概念在下文詳細(xì)的說(shuō)明書(shū)中被進(jìn)一步描述。本
【發(fā)明內(nèi)容】
并不旨在標(biāo)識(shí)所要求保護(hù)主題的關(guān)鍵或必要特征，也不旨在用于幫助限制所要求保護(hù)主題的范圍。
[0004]根據(jù)本申請(qǐng)的公開(kāi)的主題的實(shí)施例，一種砧在硬質(zhì)相中具有金屬基體相的濃度梯度。例如，所述砧可以包括硬質(zhì)相及金屬基體相，所述硬質(zhì)相分散在所述金屬基體相中，金屬基體相的濃度根據(jù)濃度梯度變化。在一個(gè)實(shí)施例中，硬質(zhì)相包括選自以下組的硬質(zhì)材料:碳化鎢、碳化鉭、碳化鈦和它們的組合物。金屬基體相可包括Co、Fe、Ni或它們的組合物。
[0005]所述砧可以進(jìn)一步包括用于施加高壓力的工作表面，所述濃度梯度從工作表面延伸至砧內(nèi)的梯度深度處。在一些實(shí)施例中，工作表面處的金屬基體相的濃度低于砧內(nèi)的所述梯度深度處的金屬基體相的濃度。例如，相對(duì)于硬質(zhì)材料和金屬基體相的總重量，工作表面處的金屬基體相的濃度可在約5%重量比至約8%重量比的范圍內(nèi)。相對(duì)于硬質(zhì)材料和金屬基體相的總重量，砧內(nèi)的梯度深度處的金屬基體相的濃度可在約9%重量比至約14%重量比的范圍內(nèi)。
[0006]在一些實(shí)施例中，金屬基體相的濃度隨著濃度梯度從工作表面向砧內(nèi)的梯度深度延伸而沿著濃度梯度增加。例如，金屬基體相的濃度隨著濃度梯度從工作表面向砧內(nèi)的梯度深度延伸而沿著濃度梯度連續(xù)地增加。在一個(gè)實(shí)施例中，砧內(nèi)的梯度深度在距離工作表面約0.1mm至約2mm的范圍內(nèi)。例如，砧內(nèi)的梯度深度可在距離工作表面約0.1mm至約1_的范圍內(nèi)。
[0007]根據(jù)一些實(shí)施例，砧可以包括多個(gè)濃度梯度(例如，多于一個(gè)濃度梯度)。例如，砧可以包括第一梯度層，第一梯度層包括第一硬質(zhì)相和第一金屬基體相，所述第一硬質(zhì)相分散在第一金屬基體相中，所述第一金屬基體相的濃度根據(jù)第一濃度梯度變化。所述砧可以進(jìn)一步包括第二梯度層，第二梯度層包括第二硬質(zhì)相和第二金屬基體相，所述第二硬質(zhì)相分散在第二金屬基體相中，所述第二金屬基體相的濃度根據(jù)第二濃度梯度變化。
[0008]根據(jù)一些實(shí)施例，一種制造砧的方法包括:形成分散在金屬基體相中的硬質(zhì)相，金屬基體相的濃度根據(jù)濃度梯度變化。在一些實(shí)施例中，形成分散在金屬基體相中的硬質(zhì)相包括:獲取包括所述硬質(zhì)相和所述金屬基體相的復(fù)合材料的樣品，所述樣品具有第一層和第二層，所述第一層和第二層均包括一定量的金屬基體相，其中，一層中的硬質(zhì)相的元素不足，另一層中的所述硬質(zhì)相的元素富集。所述方法可以進(jìn)一步包括:在使所述元素的原子沿從富集層向不足層的方向擴(kuò)散并使金屬基體相的原子沿與所述擴(kuò)散相同的方向流動(dòng)的條件下燒結(jié)所述樣品，從而，在所述樣品中產(chǎn)生金屬基體的濃度梯度。在一些實(shí)施例中，硬質(zhì)相包括碳化鎢，金屬基體相包括鈷。形成分散在金屬基體相中的硬質(zhì)相還可以包括:燒結(jié)金屬基體相，所述硬質(zhì)相分散在金屬基體相中，以形成燒結(jié)體，并使所述燒結(jié)體經(jīng)受滲碳或再滲碳熱處理。
【專利附圖】

【附圖說(shuō)明】
[0009]以下附圖連同詳細(xì)說(shuō)明，闡述本發(fā)明的實(shí)施例，并且連同說(shuō)明書(shū)，用于解釋本發(fā)明的原理。
[0010]附圖1是用于六面頂壓機(jī)的砧的縱向截面圖。
[0011]附圖2是用于六面頂壓機(jī)的砧的縱向截面的放大圖。
[0012]附圖3是用于六面頂壓機(jī)的砧的立體圖。
[0013]附圖4是用于六面頂壓機(jī)的多層砧的立體圖。
[0014]附圖5是用于六面頂壓機(jī)的多層砧的縱向截面圖。
[0015]附圖6是用于六面頂壓機(jī)的多層砧的縱向截面的放大圖。
[0016]附圖7是用于帶式壓機(jī)的帶和一對(duì)砧的縱向截面圖。
[0017]附圖8是用于帶式壓機(jī)的多層帶和一對(duì)多層砧的縱向截面圖。
[0018]附圖9是描述制造砧的方法的一個(gè)實(shí)施例的流程圖。
[0019]附圖10是描述制造砧的方法的一個(gè)實(shí)施例的流程圖。
【具體實(shí)施方式】
[0020]在以下詳細(xì)描述中，僅通過(guò)示例的方式呈現(xiàn)和描述本發(fā)明的某些實(shí)施例。本領(lǐng)域技術(shù)人員可理解，本發(fā)明可以通過(guò)許多不同形式實(shí)施，且不應(yīng)解釋為限于在此闡述的實(shí)施例。
[0021]本申請(qǐng)的公開(kāi)的主題的實(shí)施例總體上涉及一種包括濃度梯度(即，梯度結(jié)構(gòu))的砧。例如，所述砧可以包括硬質(zhì)相及金屬基體相，所述硬質(zhì)相分散在該金屬基體相中，其中，金屬基體相的濃度根據(jù)濃度梯度變化。在某些實(shí)施例中，所述砧包括金屬基體相濃度梯度，使得所述砧在砧的工作表面處(即，鄰近于壓機(jī)的最高壓力的表面)具有相對(duì)較低濃度的金屬基體相，而在砧內(nèi)的一梯度深度處具有相對(duì)較高濃度的金屬基體相。也就是說(shuō)，所述砧中的金屬基體相濃度最低是在所述砧的所述工作表面處，所述金屬基體相濃度可以根據(jù)濃度梯度(如，金屬基體相濃度梯度)增至其最高濃度，所述濃度梯度從砧的工作表面延伸至砧內(nèi)的梯度深度。
[0022]砧梯度結(jié)構(gòu)在壓機(jī)壓力增至超過(guò)60千巴時(shí)特別有用。為了增加內(nèi)部壓機(jī)壓力，通常對(duì)砧施加更高的施加載荷。這增加了發(fā)生在接觸位置處的塑性變形量。這種塑性變形在金屬相中產(chǎn)生局部永久應(yīng)變，這將弱化材料，降低所述砧的使用壽命。塑性變形還使得所述砧在產(chǎn)生內(nèi)部壓機(jī)壓力時(shí)效率降低，這進(jìn)而導(dǎo)致施加額外載荷以補(bǔ)償效率的損失，從而進(jìn)一步降低砧的使用壽命。減少接觸區(qū)域的鈷的局部梯度結(jié)構(gòu)，能夠降低塑性變形量，從而減少金屬相中的永久應(yīng)變，砧能在使用過(guò)程中更好地保持它們的形狀。
[0023]包括在超高壓的壓機(jī)中的砧在美國(guó)專利N0.5780139中被更詳細(xì)地描述，其整個(gè)內(nèi)容在此以參考的形式被特別地引用。高硬度碳化鎢硬質(zhì)合金的硬度適合于砧的工作表面，但其斷裂韌度較低，并可能在使用過(guò)程中當(dāng)峰值應(yīng)力作用在砧上時(shí)形成裂縫。因此，單塊式砧在所需要的砧表面處的抗塑性變形性和具有阻止災(zāi)難性的裂縫生長(zhǎng)的足夠韌性之間折中，并且目前砧硬度限于約90-92RC (洛氏硬度)。
[0024]為了克服上述問(wèn)題，砧已由多個(gè)包括不同級(jí)的碳化鎢硬質(zhì)合金的層制成，其中，鄰近于壓機(jī)的最高壓力的工作層比其背后的支撐層具有更高的硬度，且支撐層比工作層具有更高的韌性。但是，這種砧的每一層包括一致成分的碳化鎢硬質(zhì)合金，該碳化鎢硬質(zhì)合金在整個(gè)層中幾乎不具有碳化鎢或鈷濃度的變化。相似地，僅包括單層碳化鎢硬質(zhì)合金的砧在整個(gè)材料中幾乎不具有碳化鎢或鈷濃度的變化。因?yàn)樘蓟u硬質(zhì)合金的硬度取決于碳化鎢的濃度，韌性取決于鈷的濃度，所以這種層在整個(gè)層內(nèi)具有大致恒定的硬度和韌性。另夕卜，層狀結(jié)構(gòu)不易制造，因?yàn)榉勰┮赐ㄟ^(guò)層合技術(shù)，要么在生料狀態(tài)下通過(guò)機(jī)加工細(xì)致地形成層。在燒結(jié)中，各個(gè)層以不同的速率結(jié)合，這能導(dǎo)致進(jìn)而可產(chǎn)生裂縫的與燒結(jié)相關(guān)的應(yīng)力。在使用中，具有不同層的砧可具有明顯的缺點(diǎn)，因?yàn)槌霈F(xiàn)在層之間的分界面區(qū)域的殘余應(yīng)力可能導(dǎo)致過(guò)早形成裂縫和層剝離。相應(yīng)地，對(duì)于砧而言需要碳化鎢硬質(zhì)合金同時(shí)具備高硬度和韌性，而且要避免在不同層中的分界面處形成應(yīng)力集中，以提供能夠提供壓機(jī)中的極高壓的超高壓壓機(jī)砧，同時(shí)能保持抗裂性和一致的壽命。
[0025]作為示例，使用用于六面頂壓機(jī)的砧來(lái)描述實(shí)施方式。附圖1中，示出了六面頂壓機(jī)砧100，其包括從工作表面112延伸至砧內(nèi)的一梯度深度113的濃度梯度111。例如，濃度梯度111可以是梯度層。砧還包括砧的鄰近于濃度梯度111的部分114、基部115和頂部116。在某些實(shí)施例中，濃度梯度111可以從整個(gè)工作表面112 (即，頂部116的整個(gè)外表面)延伸至砧內(nèi)的梯度深度113。在其他實(shí)施例中，濃度梯度111可以僅從工作表面112的一部分延伸至僅砧內(nèi)的梯度深度113的一部分。砧的實(shí)施例可以用于在金剛石和立方氮化硼穩(wěn)定的壓力范圍操作的任何超高壓壓機(jī)。
[0026]例如，砧的實(shí)施例可以用于多砧式六面頂壓機(jī)，例如以下文中所述的那些頂壓機(jī):Walker David 在“美國(guó)礦物學(xué)家”(American Mineralogist)第 76 卷，1092-1100 頁(yè)(1991)上發(fā)表的“Lubrication, gasketing, and precision in multianvil experiments，，；Shatskiy, T 等在“地球與行星內(nèi)部物理學(xué)”(Physics of the Earth and PlanetaryInteriors) (2011 年 8 月 11 日)上發(fā)表的“High pressure generation using scaled-upKawa1-cell” ;Frost 在“地球與行星內(nèi)部物理學(xué)”(Physics of the Earth and PlanetaryInteriors)第 143 卷，第 1-2 期，507-514 頁(yè)(2004)上發(fā)表的 “A new large-volumemultianvil system”;以及美國(guó)臨時(shí)申請(qǐng)N0.61/564，816的附錄I,以上每篇文獻(xiàn)的全部?jī)?nèi)容在此以參考的形式引用。特別地，砧的實(shí)施例可以用于單軸多砧式壓機(jī)，其中，載荷傳遞至六個(gè)楔子，進(jìn)而圍繞壓機(jī)立方體裝入8個(gè)砧?？蛇x地，砧的實(shí)施例可以用于6砧式六面頂壓機(jī)，其用于加載如美國(guó)臨時(shí)申請(qǐng)N0.61/564816的附件I所示的8砧系統(tǒng)。
[0027]附圖2是濃度梯度111和鄰近于所述濃度梯度111的砧體部分114的展開(kāi)圖。如附圖2中的箭頭所示，金屬基體相的濃度可以隨著濃度梯度111從工作表面112向砧內(nèi)的梯度深度113延伸而沿著濃度梯度111增加。在一些實(shí)施例中，金屬基體相的濃度可以隨著濃度梯度111從工作表面112向砧內(nèi)的梯度深度113延伸而沿著濃度梯度111連續(xù)增加。例如，金屬基體相的濃度可以隨著濃度梯度111從工作表面112向砧內(nèi)的梯度深度113延伸而沿著濃度梯度111線性變化。但是，本發(fā)明并不限于連續(xù)或線性的濃度梯度，相反，金屬基體相的濃度也可以沿著濃度梯度非線性變化、或甚至非連續(xù)地變化。
[0028]通過(guò)包括金屬基體相濃度梯度，砧的硬度和韌性可以在砧內(nèi)的不同位置處變化，以便在砧內(nèi)提供適合于每個(gè)特殊位置的硬度和韌性。例如，通過(guò)使工作表面處的金屬基體相的濃度比傳統(tǒng)砧材料中的金屬基體相的典型濃度低且低于砧內(nèi)的梯度深度處的金屬基體相的濃度，砧的工作表面的硬度(即，抗壓強(qiáng)度)可以相對(duì)于砧的其他部分以及傳統(tǒng)的砧材料增加。在一些實(shí)施例中，相對(duì)于硬質(zhì)材料和金屬基體相的總重量，工作表面處的金屬基體相的濃度在約5%重量比至約8%重量比的范圍內(nèi)。另外，通過(guò)使砧內(nèi)的梯度深度處的金屬基體相的濃度高于工作表面處的金屬基體相的濃度，砧內(nèi)的梯度深度處的韌性可(相對(duì)于工作表面)增加。在某些實(shí)施例中，相對(duì)于硬質(zhì)材料和金屬基體相的總重量，砧內(nèi)的梯度深度處的金屬基體相的濃度在約9%重量比至約14%重量比的范圍內(nèi)。
[0029]硬質(zhì)相可以包括任何適宜的硬質(zhì)材料，例如碳化鎢、碳化鉭、碳化鈦或它們的組合。另外，金屬基體相可以包括任何適宜的結(jié)合材料，例如Co、Fe、Ni或它們的組合。在某些實(shí)施例中，砧包括碳化鎢硬質(zhì)合金。也就是說(shuō)，例如硬質(zhì)相可以包括碳化鎢，金屬基體相可以包括鈷。通過(guò)包括濃度梯度，砧在工作表面處的鈷濃度可以低于砧內(nèi)的梯度深度處的鈷濃度，并低于典型的碳化鎢硬質(zhì)合金砧材料中的鈷濃度。由于較低的鈷濃度，砧的工作表面可具有增高的硬度(相對(duì)于砧內(nèi)的梯度深度處及相對(duì)于典型的碳化鎢硬質(zhì)合金砧材料)，因此，工作表面能施加更高和更一致的壓力。這種砧在工作表面處也可以具有減小的韌性(相對(duì)于砧內(nèi)的梯度深度處及相對(duì)于典型的碳化鎢硬質(zhì)合金砧材料)，這導(dǎo)致工作表面易碎，并比砧的其他部分更易開(kāi)裂。
[0030]同時(shí)，濃度梯度可以導(dǎo)致砧內(nèi)的梯度深度處的鈷濃度比工作表面處的鈷濃度更聞，并等于或聞?dòng)?例如，稍微聞?dòng)?典型的碳化鶴硬質(zhì)合金站'材料中的鉆濃度。因此，石占內(nèi)的梯度深度處的韌性可以比工作表面處的韌性更高，而且它可以等于或高于典型的碳化鎢硬質(zhì)合金砧材料的韌性。這種砧也可以在砧內(nèi)的梯度深度處具有減小的硬度(相對(duì)于工作表面)。
[0031]在一些實(shí)施例中，砧內(nèi)的梯度深度在距離工作表面約0.1mm至約3mm的范圍內(nèi)。例如，砧內(nèi)的梯度深度可在約0.1mm至約Imm的范圍內(nèi)，或在約0.1mm至約0.5mm的范圍內(nèi)。通過(guò)具有僅延伸至所述砧內(nèi)的較淺深度處(例如，約2mm或更少)的濃度梯度，可以確保砧的低鈷含量的部分(即，高硬度，但低韌性)不會(huì)暴露在壓機(jī)的最高剪切應(yīng)力下(即，可能導(dǎo)致砧開(kāi)裂的最大剪切應(yīng)力)。也就是說(shuō)，為防止易碎的高硬度工作層開(kāi)裂，工作層不暴露在砧的最大應(yīng)力下。典型地，峰值剪切應(yīng)力產(chǎn)生在工作層的壓力施加表面之下的小的距離處。梯度深度選取小于該距離，以確保峰值剪切應(yīng)力產(chǎn)生在砧的鈷濃度高于工作表面的鈷濃度的部分處。通過(guò)使用鈷(或其他結(jié)合材料)濃度梯度，允許在砧內(nèi)包括砧的鄰近于高硬度工作表面的較高韌性部分。換句話說(shuō)，通過(guò)使用結(jié)合金屬濃度梯度調(diào)整砧，允許形成性能更好的砧，該砧應(yīng)能夠比不包括梯度結(jié)構(gòu)的砧持續(xù)地更長(zhǎng)時(shí)間地經(jīng)受它的作業(yè)環(huán)境。
[0032]超高壓壓機(jī)可以包括根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例的砧。附圖3中示出了能使用在六面頂壓機(jī)中的六面頂壓機(jī)砧100的更多細(xì)節(jié)視圖。六面頂壓機(jī)是用于制造金剛石或立方氮化硼、或?qū)⑦@些材料加工為多晶復(fù)合物的高溫高壓壓機(jī)的一種形式。這種壓機(jī)廣泛記載在專利或文章中，并被眾多金剛石及相關(guān)材料生產(chǎn)者使用。在這種壓機(jī)中，六個(gè)正交布置的砧通過(guò)液壓驅(qū)動(dòng)器同步相向運(yùn)動(dòng)。會(huì)聚的砧施加增大的壓力在由砧面限定的立方容積內(nèi)的材料上。砧的邊緣之間的縫隙由高壓墊圈材料、例如葉臘石密封。壓力施加在砧的正方形端面，并通過(guò)墊圈材料施加到岔開(kāi)的側(cè)面。
[0033]如附圖3所示，在本發(fā)明的砧的示例實(shí)施例中，六面頂壓機(jī)砧100包括基部115和頂部116?；?15具有近似圓柱的形狀，頂部116具有被截頭的四方棱錐形狀。工作表面112相對(duì)于砧的其他部分具有最高硬度和最低韌性。工作表面112具有面向壓機(jī)的最高壓力腔的正方形端部或工作面117。四個(gè)側(cè)面118以約45°的角度傾斜遠(yuǎn)離端面的邊緣。當(dāng)通過(guò)砧施加壓力時(shí)，墊圈材料擠出進(jìn)入側(cè)面之間的縫隙中。工作表面是壓機(jī)向被壓材料施加壓力的表面。工作表面的高硬度是有利的，因?yàn)樗_保一致的超高壓力能夠施加至被壓材料。同時(shí)，較高的硬度有助于抵抗使用期間的塑性變形。如前所述，在此描述的砧僅為舉例說(shuō)明。本發(fā)明并不是僅局限于這種類型的砧。砧可以被調(diào)整以適配任何適宜的應(yīng)用場(chǎng)合，以確保高壓的一致施加。
[0034]在另一實(shí)施例中，砧包括多個(gè)層，例如美國(guó)專利N0.5，780，139中描述的多個(gè)層，該專利的整個(gè)內(nèi)容在此以參考的形式特別合并引用。例如，在附圖4中，六面頂壓機(jī)砧200包括七層(如，描述了硬度和韌性不同的第一或工作層219、第二層220、第三層221、第四層222、第五層223、第六層224以及第七層225)。根據(jù)美國(guó)專利N0.4，350，528，包括多個(gè)層的每個(gè)砧可以由擴(kuò)散結(jié)合在一起的多個(gè)碳化鎢硬質(zhì)合金層制作，該專利的整個(gè)內(nèi)容在此以參考的形式特別合并引用。
[0035]與上文描述的砧類似，包括多個(gè)層的砧包括工作表面212、基部215和頂部216。該基部包括大致圓柱形層，頂部包括被截頭的棱錐層。一個(gè)或多個(gè)中間層可能是部分棱錐形狀、部分圓柱形的。
[0036]第一或工作層219為截頭的棱錐形式，并包括如上描述的濃度梯度(即，梯度結(jié)構(gòu))。例如，工作層可包括第一硬質(zhì)相和第一金屬基體相，該硬質(zhì)相分散在該第一金屬基體相中，其中，該第一金屬基體相的濃度根據(jù)濃度梯度變化。在某些實(shí)施例中，工作層包括第一金屬基體相濃度梯度，使得工作層在工作層的工作表面處具有相對(duì)較低的金屬基體相濃度，在工作層內(nèi)的第一梯度深度處(即，附圖5中所示的第一梯度深度313)具有相對(duì)較高的第一金屬基體相濃度。第一硬質(zhì)相、第一金屬基體相和第一濃度梯度與上述對(duì)應(yīng)特征是相似的，因此將省略對(duì)這些特征的進(jìn)一步描述。
[0037]如附圖4中所示，工作層219具有正方形端部或工作面217，其朝向壓機(jī)的高壓腔。四個(gè)側(cè)面218以約45°的角度傾斜遠(yuǎn)離端面的邊緣。如美國(guó)專利N0.5，780，139中描述，砧還可以包括第二層220、第三層221、第四層222、第五層223、第六層224和第七層225。這些層可以以與美國(guó)專利N0.5，780, 139中描述的方式相同的方式形成。但是，這些層中的至少一個(gè)可包括第二濃度梯度。例如，所述砧可以包括第二層，該第二層包括第二硬質(zhì)相和第二金屬基體相，所述第二硬質(zhì)相分散在所述第二金屬基體相中，其中，所述第二金屬基體相的濃度根據(jù)第二濃度梯度變化。例如，在附圖5中，六面頂壓機(jī)砧300包括:第一濃度梯度311，其從工作表面312延伸至工作層319內(nèi)的第一梯度深度313 ;以及第二濃度梯度331，其從第二層320內(nèi)的第二梯度深度333延伸至第二層320的表面332。在附圖5中，砧300還包括第三層321、第四層322、第五層323、第六層324和第七層325。
[0038]附圖6是包括第二濃度梯度331的第二層320的一部分的展開(kāi)圖。在某些實(shí)施例中，第二層320包括第二金屬基體相濃度梯度，使得第二層320在第二層的表面332處具有相對(duì)較高的第二金屬基體相濃度，在第二層內(nèi)的第二梯度深度333處具有相對(duì)較低的第二金屬基體相濃度。如附圖6中的箭頭所示，第二金屬基體相的濃度可隨著第二濃度梯度311從第二層320內(nèi)的第二梯度深度333向第二層320的表面332延伸而沿著第二濃度梯度311增加。在某些實(shí)施例中，第二金屬基體相的濃度可以隨著第二濃度梯度311從第二層320內(nèi)的第二梯度深度333向第二層320的表面332延伸而沿著第二濃度梯度311連續(xù)增加。
[0039]通過(guò)使第二層的表面332處的鈷濃度高于第二層內(nèi)的第二梯度深度333處的鈷濃度，第二層的表面332可以比第二層內(nèi)的第二梯度深度333處的韌性具有相對(duì)更高的韌性。另外，第二層的表面332的鈷濃度可比典型的碳化鎢硬質(zhì)合金材料中的鈷濃度相對(duì)更高，因此，第二層的表面332可以具有比典型的碳化鎢硬質(zhì)合金砧材料的韌性相對(duì)更高的韌性。由于其增加的韌性，第二層的表面332可具有增高的抗裂縫生長(zhǎng)性。相應(yīng)地，第二層的表面332可定位在砧中，使得其暴露于砧上的最大剪切應(yīng)力，因此改善了砧的疲勞壽命。例如，第二層的表面332定位于鄰近工作層319。根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例的砧可以根據(jù)需要進(jìn)一步包括附加的金屬基體相濃度梯度。
[0040]另一種已知的通常應(yīng)用于金剛石工業(yè)的壓機(jī)類型是帶式壓機(jī)。附圖7中示出了示例性的帶式壓機(jī)400。帶式壓機(jī)具有環(huán)形的“帶”或環(huán)，該“帶”或環(huán)具有被收縮至環(huán)上的環(huán)形體442環(huán)繞的中央環(huán)形體441。中央環(huán)形體441可以是硬質(zhì)合金(如碳化鎢硬質(zhì)合金)，并可以包括在此描述的濃度梯度。一對(duì)大致圓錐形的砧443軸向移動(dòng)進(jìn)入帶中的錐形孔444，以在砧之間產(chǎn)生帶內(nèi)的高壓。砧可以包括硬質(zhì)合金(如碳化鎢硬質(zhì)合金)，并包括在此描述的濃度梯度。砧被環(huán)445(如鋼環(huán))圍繞。如上所述，砧和帶之間的縫隙由葉蠟石或類似物密封。
[0041]在此描述的技術(shù)可以用于制作用于帶式壓機(jī)的碳化鎢硬質(zhì)合金帶和砧。例如，承受高壓的帶的環(huán)形工作表面451可以包括濃度梯度，使得工作表面451具有增高的硬度和降低的韌性。每個(gè)砧具有進(jìn)入帶的中央孔內(nèi)來(lái)施加高壓的工作表面450。相應(yīng)地，工作表面450可以包括濃度梯度，使得工作表面450具有增高的硬度和降低的韌性。
[0042]附圖8示出了一種示例性的帶式壓機(jī)500，其包括多層帶和多層砧。如上所述，帶式壓機(jī)500具有環(huán)形體541和542、砧543、孔544以及工作表面550和551。砧543被環(huán)545(如鋼環(huán))圍繞。但是，在該實(shí)施例中，環(huán)形體541還包括環(huán)形工作層546和支撐層547。如上所述，環(huán)形工作層546可以包括濃度梯度，以提高工作表面551的硬度。另外，如上所述，支撐層547中的至少一層可以包括濃度梯度，以提高支撐層的表面的韌性。
[0043]在該帶式壓機(jī)500中，砧543包括工作表面550，如上所述，并且它們包括工作層548和支撐層549。如上所述，工作層548可以包括濃度梯度，以提高工作表面550相對(duì)于梯度深度處的硬度。另外，如上所述，支撐層549中的至少一層可以包括濃度梯度，以提高支撐層的表面的韌性。砧的任何表面和/或帶的工作表面551可以包括在此所述的濃度梯度。
[0044]砧和帶的實(shí)施例可以通過(guò)任何適宜的用于形成包括分散在金屬基體相中的硬質(zhì)相的砧或帶的方法形成，其中，金屬基體相的濃度根據(jù)濃度梯度變化。砧或帶的形狀可以使用眾所周知的機(jī)加工方法形成。濃度梯度可以在砧或帶的形狀形成之前或之后形成。例如，砧或帶可以通過(guò)燒結(jié)、磨削來(lái)形成砧或帶的形狀，然后處理以形成濃度梯度?？蛇x地，砧或帶可以通過(guò)燒結(jié)、處理來(lái)形成濃度梯度，然后磨削以形成砧或帶的形狀。在另一個(gè)實(shí)施例中，砧或帶可以同時(shí)通過(guò)燒結(jié)和形成濃度梯度來(lái)形成，然后磨削以形成砧或帶的形狀。
[0045]濃度梯度可以根據(jù)美國(guó)專利N0.7569179和7699，904中描述的方法形成，它們的整個(gè)內(nèi)容在此以參考的形式特別引用。例如，形成分散在金屬基體相中的硬質(zhì)相的方法600可以包括:獲取包括硬質(zhì)相和金屬基體相的復(fù)合材料(610)，該復(fù)合材料具有第一層和第二層，第一層和第二層均包含一定量的金屬基體，其中，一層中的硬質(zhì)相的元素不足，另一層中的該硬質(zhì)相的元素富集。所述方法600可以進(jìn)一步包括:在使所述元素的原子沿從富集層向不足層的方向擴(kuò)散并使金屬基體的原子沿與所述擴(kuò)散相同的方向流動(dòng)的條件下燒結(jié)所述復(fù)合材料(620)，從而，在所述復(fù)合材料中產(chǎn)生金屬基體的濃度梯度。還可以在燒結(jié)過(guò)程之后進(jìn)行的單獨(dú)的高溫過(guò)程中產(chǎn)生所述梯度。例如，根據(jù)在此引用的任何工藝，完全成型的砧可以經(jīng)受后燒結(jié)處理來(lái)形成濃度梯度。
[0046]可選地，濃度梯度可以根據(jù)美國(guó)專利N0.5279901,5453241,5856626以及6706327中描述的方法形成，它們的整個(gè)內(nèi)容在此以參考的形式特別引用。例如，一種形成分散在金屬基體相中的硬質(zhì)相的方法700可以包括:燒結(jié)所述金屬基體相，所述硬質(zhì)相分散在所述金屬基體相中，以形成燒結(jié)體(710);以及使燒結(jié)體在高溫下經(jīng)受滲碳或再滲碳熱處理(如，部分滲碳或再滲碳熱處理)(720)。
[0047]雖然上文中只詳細(xì) 描述了少數(shù)的實(shí)例性實(shí)施例，但對(duì)于本領(lǐng)域技術(shù)人員來(lái)說(shuō)將很容易理解，在實(shí)例性實(shí)施例中很多修改是可能的而不會(huì)實(shí)質(zhì)上背離本發(fā)明。因此，所有這樣的修改旨在被包括在下文的權(quán)利要求書(shū)所定義的本公開(kāi)的范圍內(nèi)。
【權(quán)利要求】
1.一種站，包括: 硬質(zhì)相；以及 金屬基體相，所述硬質(zhì)相分散在所述金屬基體相中，其中，所述金屬基體相的濃度根據(jù)濃度梯度變化。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的砧，其中，硬質(zhì)相包括選自以下組的硬質(zhì)材料:碳化鎢、碳化鉭、碳化鈦和它們的組合物。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的砧，其中，金屬基體相包括選自以下組的材料:Co、Fe、Ni和它們的組合物。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的砧，進(jìn)一步包括用于施加高壓力的工作表面，其中，所述濃度梯度從所述工作表面延伸至所述砧內(nèi)的一梯度深度處。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的站,其中，工作表面處的金屬基體相的濃度低于站內(nèi)的梯度深度處的金屬基體相的濃度。
6.根據(jù)權(quán)利要求4所述的砧，其中，相對(duì)于硬質(zhì)材料和金屬基體相的總重量，工作表面處的金屬基體相的濃度在約5%重量比至約8%重量比的范圍內(nèi)。
7.根據(jù)權(quán)利要求 4所述的砧，其中，相對(duì)于硬質(zhì)材料和金屬基體相的總重量，砧內(nèi)的梯度深度處的金屬基體相的濃度在約9%重量比至約14%重量比的范圍內(nèi)。
8.根據(jù)權(quán)利要求4所述的砧，其中，金屬基體相的濃度隨著濃度梯度從工作表面向砧內(nèi)的梯度深度延伸而沿著濃度梯度增加。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的砧，其中，金屬基體相的濃度隨著濃度梯度從工作表面向砧內(nèi)的梯度深度延伸而沿著濃度梯度連續(xù)地增加。
10.根據(jù)權(quán)利要求4所述的砧，其中，砧內(nèi)的梯度深度在距離工作表面約0.1mm至約3mm的范圍內(nèi)。
11.根據(jù)權(quán)利要求4所述的砧，其中，砧內(nèi)的梯度深度在距離工作表面約0.1mm至約Imm的范圍內(nèi)。
12.根據(jù)權(quán)利要求1所述的砧，其中，所述砧包括具有硬質(zhì)相和金屬基體相的第一層，所述砧進(jìn)一步包括第二層，所述第二層包括: 第二硬質(zhì)相；以及 第二金屬基體相，所述第二硬質(zhì)相分散在所述第二金屬基體相中，其中，所述第二金屬基體相的濃度根據(jù)第二濃度梯度變化。
13.一種超高壓壓機(jī)，包括如權(quán)利要求1所述的砧。
14.根據(jù)權(quán)利要求13所述的超高壓壓機(jī)，進(jìn)一步包括帶，該帶包括硬質(zhì)相和金屬基體相，所述硬質(zhì)相分散在所述金屬基體相中，其中，所述金屬基體相的濃度根據(jù)濃度梯度變化。
15.一種制造包括分散在金屬基體相中的硬質(zhì)相的砧的方法，其中，所述金屬基體相的濃度根據(jù)濃度梯度變化，所述方法包括: 獲取包括所述硬質(zhì)相和所述金屬基體相的復(fù)合材料，所述復(fù)合材料具有第一層和第二層，所述第一層和第二層均包括一定量的金屬基體，其中，一層中的硬質(zhì)相的元素不足，另一層中的所述硬質(zhì)相的元素富集；以及 在使所述元素的原子沿從富集層向不足層的方向擴(kuò)散并使金屬基體的原子沿與所述擴(kuò)散相同的方向流動(dòng)的條件下燒結(jié)所述復(fù)合材料，從而在所述復(fù)合材料中產(chǎn)生金屬基體的濃度梯度。
16.根據(jù)權(quán)利要求15所述的方法，其中，硬質(zhì)相包括碳化鎢，金屬基體包括鈷。
17.根據(jù)權(quán)利要求15所述的方法，其中，所述燒結(jié)形成燒結(jié)體，并且所述方法進(jìn)一步包括磨削所述燒結(jié)體以形成砧。
18.—種制造包括分散在金屬基體相中的硬質(zhì)相的砧的方法，其中，所述金屬基體相的濃度根據(jù)濃度梯度變化，所述方法包括: 燒結(jié)金屬基體相，所述硬質(zhì)相分散在所述金屬基體相中，以形成燒結(jié)體；以及 使燒結(jié)體經(jīng)受滲碳或再滲碳熱處理。
19.根據(jù)權(quán)利要求18所述的方法，其中，硬質(zhì)相包括碳化鎢，金屬基體包括鈷。
20.根據(jù)權(quán)利要求18所述的方法，進(jìn)一步包括:在使所述燒結(jié)體經(jīng)受滲碳或再滲碳熱處理之前，磨削所述燒結(jié)體，以成形砧。
【文檔編號(hào)】B01J3/06GK103958045SQ201280058718
【公開(kāi)日】2014年7月30日 申請(qǐng)日期:2012年11月27日 優(yōu)先權(quán)日:2011年11月29日
【發(fā)明者】J·D·貝爾納普, L·卡特 申請(qǐng)人:史密斯國(guó)際有限公司