專利名稱：超硬增強(qiáng)的硬質(zhì)金屬的制作方法
超硬增強(qiáng)的硬質(zhì)金屬引言本發(fā)明涉及用超硬材料增強(qiáng)的硬質(zhì)金屬和它們的制造方法。
背景技術(shù)：
硬質(zhì)金屬被理解為是包含通過(guò)金屬或金屬合金(典型地包括鈷、鐵或鎳)保持在 一起的陶瓷材料(例如碳化鎢)顆粒的材料類型。鈷膠結(jié)的碳化鎢是常見的硬質(zhì)金屬類型。 硬質(zhì)金屬?gòu)V泛用于機(jī)加工、切削、鉆削或破碎含硬材料或耐磨材料的工件或物體(body)，或 者在使用中可遭受到磨蝕的部件。超硬增強(qiáng)的硬質(zhì)金屬被理解為是指包含金剛石或其它超硬材料的顆粒以及硬材 料的顆粒的復(fù)合材料，其中這些顆粒通過(guò)粘合劑、優(yōu)選金屬性粘合劑保持在一起。美國(guó)專利5，453，105號(hào)公開了一種生產(chǎn)磨削產(chǎn)品的方法，該方法包括提供金剛 石顆粒和離散碳化物顆粒的混合物，所述金剛石顆粒比所述碳化物顆粒小并且在該混合物 中以大于50體積％的量存在，以及在能夠?qū)⒃摶旌衔镎辰Y(jié)成硬聚結(jié)體的粘合劑存在下使 該混合物經(jīng)受提高的溫度和壓力條件，在該條件下金剛石在晶體學(xué)上是穩(wěn)定的。美國(guó)專利5，889，219號(hào)公開了通過(guò)直接電阻加熱和加壓燒結(jié)形成的復(fù)合元件，該 復(fù)合元件含有選自WC、TiC、TiN和Ti (C，N)的至少一種成分的硬材料，由鐵族金屬構(gòu)成的 粘合劑材料，以及金剛石晶粒。美國(guó)專利7，033，408號(hào)公開了一種生產(chǎn)磨削產(chǎn)品的方法，該方法包括(1)提供離 散碳化物顆粒物料和金剛石顆粒物料的混合物，所述金剛石顆粒在該混合物中的存在量使 得磨削產(chǎn)品中的金剛石含量為25重量％或更??；和(2)在能夠?qū)⒃摶旌衔镎辰Y(jié)成粘著、燒 結(jié)產(chǎn)品的粘結(jié)金屬或合金的存在下，使該混合物經(jīng)受提高的溫度和壓力條件，在該條件下 金剛石在晶體學(xué)上是穩(wěn)定的并且基本上沒(méi)有石墨形成，從而產(chǎn)生磨削產(chǎn)品。需要提供用金剛石或其它超硬顆粒增強(qiáng)的硬質(zhì)金屬，所述增強(qiáng)的硬質(zhì)金屬具有顯 著增強(qiáng)的機(jī)械性能。還需要制造這樣的增強(qiáng)硬質(zhì)金屬的方法。發(fā)明概述根據(jù)本發(fā)明的第一方面，提供了包含顆粒狀硬材料和粘合劑材料以及至少一種構(gòu) 造物(formation)的超硬增強(qiáng)的硬質(zhì)金屬，所述構(gòu)造物含有芯簇(core cluster)和多個(gè)與 該芯簇間隔開、圍繞且小于該芯簇的伴簇(satellite cluster)，并且所述芯簇和伴簇各自 含有多個(gè)鄰接的超硬顆粒。術(shù)語(yǔ)“鄰接”意欲涵蓋粘結(jié)、交互生長(zhǎng)或簡(jiǎn)單接觸。優(yōu)選地，超硬顆粒包括金剛石。優(yōu)選地，各個(gè)伴簇的平均體積小于芯簇平均體積的約20%，更優(yōu)選地，各個(gè)伴簇的 平均體積小于芯簇平均體積的約10%。優(yōu)選地，各個(gè)伴簇所含超硬顆粒數(shù)目少于芯簇內(nèi)所含超硬顆粒數(shù)目的約20 %，更 優(yōu)選地，各個(gè)伴簇所含超硬顆粒數(shù)目少于芯簇內(nèi)所含超硬顆粒數(shù)目的約10%。硬質(zhì)金屬被理解為是包含通過(guò)金屬或金屬合金(典型地包括鈷、鐵或鎳)(粘合劑 材料)保持在一起的陶瓷材料(例如碳化鎢)顆粒的材料類型。鈷膠結(jié)的碳化鎢是優(yōu)選的硬質(zhì)金屬類型。關(guān)于材料所用的術(shù)語(yǔ)“超硬”被理解為是指該材料具有至少30GPa的硬度。金剛 石和立方氮化硼(cBN)是超硬材料的例子。關(guān)于材料所用的術(shù)語(yǔ)“硬”被理解為是指該材料具有約15GPa至小于30GPa的硬 度。碳化鎢和碳化鈦是硬材料的例子。優(yōu)選地，芯簇包含多個(gè)超硬顆粒和硬材料顆粒。
在本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施方案中，芯簇包含將含有粘合劑材料和少很多的超硬材料或 基本上無(wú)超硬顆粒的區(qū)域包封的超硬顆粒和硬材料環(huán)套(collar)或殼體(shell)。優(yōu)選 地，所述區(qū)域內(nèi)的粘合劑材料富含碳。術(shù)語(yǔ)“富含碳”是指比其余粘合劑中的平均值相對(duì)更 多、但仍少于熱力學(xué)碳溶解度水平的碳。作為替代方案，芯簇可以含有直接粘結(jié)到超硬顆粒 和硬材料環(huán)套或殼體的超硬顆粒。優(yōu)選地，硬材料包含金屬碳化物、金屬氧化物或金屬氮化物，低氧化硼或碳化硼， 更優(yōu)選地，包含金屬碳化物和甚至更優(yōu)選地選自WC、TiC、VC、Cr3C2, Cr7C3> ZrC, Mo2C, HfC, NbC、Nb2C, TaC, Ta2C, W2C、SiC和A14C3。最優(yōu)選地，存在WC或TiC作為硬材料。根據(jù)本發(fā)明，提供了一種超硬增強(qiáng)的硬質(zhì)金屬，該超硬增強(qiáng)的硬質(zhì)金屬包含多個(gè) 分散在該硬質(zhì)金屬中的構(gòu)造物。優(yōu)選地，粘合劑材料是含有鈷、鐵或鎳中的一種或多種的金屬或金屬合金。粘合劑 材料另外可包含金屬間材料例如Ni3Al、Ni2Al3和NiAl3、CoSn、NiCrP、NiCrB以及NiP。最優(yōu) 選地，粘合劑材料包含Co或Ni，或者包含Co和Ni兩者。粘合劑材料在最終燒結(jié)制品中的 體積含量?jī)?yōu)選為1-40體積％。粘合劑材料更優(yōu)選以5-20體積％和最優(yōu)選以5-15體積％存在。優(yōu)選地，芯簇是各個(gè)伴簇的平均尺寸的至少兩倍。平均尺寸可以通過(guò)測(cè)量任何簇 的最大直徑進(jìn)行測(cè)定。超硬顆粒優(yōu)選在約0. 1-約5000微米的尺寸范圍內(nèi)，更優(yōu)選在約0. 5_約100微米 的尺寸范圍內(nèi)，最優(yōu)選在約0.5-約20微米(um或μπι)的尺寸范圍內(nèi)。該超硬增強(qiáng)的硬質(zhì)金屬內(nèi)的超硬材料含量?jī)?yōu)選為20-60體積％。硬材料顆粒優(yōu)選在約0. 5-約100微米的尺寸范圍內(nèi)，更優(yōu)選在約0. 5-約20微米 的尺寸范圍內(nèi)。優(yōu)選地，超硬增強(qiáng)的硬質(zhì)金屬內(nèi)的硬材料含量為20-80體積％，更優(yōu)選為40-80體 積％。本領(lǐng)域已知可以對(duì)硬材料的晶粒(顆粒)尺寸進(jìn)行選擇以在特定應(yīng)用中使燒結(jié)制品 的性能優(yōu)化(例如較粗的顆粒通常更多地用于采礦應(yīng)用而不是金屬切削應(yīng)用)。構(gòu)造物優(yōu)選具有基本上各向同性的特性。優(yōu)選地，超硬增強(qiáng)的硬質(zhì)金屬基本上不存在石墨。芯簇可以含有在硬質(zhì)金屬制備中所使用的納入到生坯內(nèi)的原始金剛石(或其它 超硬)顆粒的余部，或者其可以包含具有很少或沒(méi)有金剛石(或其它超硬)顆粒的粘合劑 材料，或者其可以包含金剛石(或其它超硬)顆粒的致密簇，這些顆?？苫旧吓?或交 互生長(zhǎng))從而形成粘聚物質(zhì)。芯簇周圍的簇優(yōu)選包含致密成簇的金剛石(或其它超硬)顆 粒，這些顆粒可基本上是交互生長(zhǎng)的。超硬顆粒簇可以包含硬材料的結(jié)晶顆粒。在原料中存在WC的情形中，再結(jié)晶WC顆粒可能存在于金剛石(或其它超硬)簇內(nèi)或與其緊密鄰近。在這樣的結(jié)晶硬材料顆粒存 在于超硬顆粒簇內(nèi)或與其緊密鄰近的情形中，它們可以與一個(gè)或多個(gè)超硬顆粒接觸或相互 連接。芯簇直徑的尺度典型地大于產(chǎn)生該芯簇的原始超硬顆粒的直徑。典型地具有若干 這樣的構(gòu)造物，這些構(gòu)造物彼此緊密鄰近或者它們可以在空間上交疊。根據(jù)本 發(fā)明的超硬增強(qiáng)的硬質(zhì)金屬具有增強(qiáng)的硬度和耐磨損性，使這樣的增強(qiáng)硬 質(zhì)金屬在高磨損速率應(yīng)用例如切削硬材料或耐磨材料(例如巖石、木材和復(fù)合物)中更為 有效。該材料可以具有增強(qiáng)的韌性以及增強(qiáng)的硬度。預(yù)期該增強(qiáng)硬質(zhì)金屬可以用于使用常 規(guī)硬質(zhì)金屬的許多應(yīng)用。根據(jù)本發(fā)明的第二方面，提供了制備超硬增強(qiáng)的硬質(zhì)金屬的方法，該方法包括形 成包含超硬顆粒、硬材料顆粒以及至少一種粘合劑材料或者能夠轉(zhuǎn)變成粘合劑材料的材料 的生坯；使該生坯經(jīng)受超硬材料在熱力學(xué)上不穩(wěn)定的壓力和至少500攝氏度的溫度從而形 成燒結(jié)體；和使該燒結(jié)體經(jīng)受超硬材料在熱力學(xué)上穩(wěn)定的壓力和溫度。優(yōu)選地，如此制得的 超硬增強(qiáng)的硬質(zhì)金屬是根據(jù)上述本發(fā)明的第一方面。應(yīng)理解上文就本發(fā)明的第一方面所給出的超硬顆粒、硬材料、粘合劑和相對(duì)量的 優(yōu)選或典型例子也適用于本發(fā)明的這個(gè)方面。使生坯經(jīng)受超硬材料在熱力學(xué)上不穩(wěn)定的壓力和至少500攝氏度的溫度的步驟 可以稱作“常規(guī)燒結(jié)”。使坯體經(jīng)受超硬材料在熱力學(xué)上穩(wěn)定的壓力和溫度的步驟可以稱作“超高壓力燒 結(jié)”。在坯體含有金剛石時(shí)，該超高壓力燒結(jié)步驟包括使該坯體經(jīng)受至少約3GPa，更優(yōu)選至 少5GPa的壓力。在常規(guī)燒結(jié)步驟期間超硬材料全部或部分轉(zhuǎn)變成軟材料，然后在超高壓力燒結(jié)步 驟期間基本上全部轉(zhuǎn)變成超硬材料。如上文所述，該過(guò)程使納入在生坯內(nèi)的單個(gè)原始超硬 顆粒轉(zhuǎn)變?yōu)橹瞥傻某苍鰪?qiáng)的硬質(zhì)金屬內(nèi)的構(gòu)造物。術(shù)語(yǔ)“生坯”在本領(lǐng)域中是已知的并且被理解為是指打算燒結(jié)、但尚未燒結(jié)的制 品。其通常是自支承的并且具有預(yù)期制成品的大體形狀。典型地通過(guò)如下方式來(lái)形成生坯 在容器中將多個(gè)顆粒合并然后將它們壓制形成自支承制品。超硬顆?？梢允俏赐扛不蛲扛驳?，優(yōu)選是未涂覆的。在超硬材料是金剛石時(shí)，金剛 石顆粒的涂層可用于限制或控制金剛石轉(zhuǎn)變?yōu)槭某潭群退俾省Ｍ繉涌梢粤硗獾鼗蚩蛇x 地包含促進(jìn)燒結(jié)的組分?？梢詫?duì)超硬顆粒的形狀、品質(zhì)、熱穩(wěn)定性、夾雜物含量及其它性能 進(jìn)行選擇以就特定應(yīng)用獲得超硬增強(qiáng)的硬質(zhì)金屬的最佳性能。生坯的熱處理(常規(guī)燒結(jié)方面)優(yōu)選在小于300MPa的施加壓力下進(jìn)行，且優(yōu)選在 大于1000攝氏度的溫度、更優(yōu)選大于粘合劑材料的熔點(diǎn)的溫度下進(jìn)行，最優(yōu)選在適合于獲 得硬材料顆粒之間的顆粒間燒結(jié)的條件下進(jìn)行。在該階段可以使用本領(lǐng)域已知的任何燒結(jié) 方法，例如真空燒結(jié)、熱等靜壓(HIP)、放電等離子體燒結(jié)(SPS)、微波燒結(jié)和感應(yīng)爐燒結(jié)。該方法包括有意地使超硬材料完全或部分轉(zhuǎn)變成軟材料。在超硬材料包含金剛石 時(shí)，該方法包括使金剛石轉(zhuǎn)變成石墨(稱作石墨化的過(guò)程)。該方法的優(yōu)點(diǎn)是超硬顆粒與 硬材料顆粒的摻混比軟材料顆粒的摻混更容易，且因此獲得更為均質(zhì)的混合物和超硬顆粒 在增強(qiáng)硬質(zhì)金屬內(nèi)更為均勻的分布。另外的優(yōu)點(diǎn)是在加壓期間基本上避免了構(gòu)造物的畸變，從而使趨于在最終燒結(jié)產(chǎn)品內(nèi)產(chǎn)生應(yīng)力場(chǎng)的構(gòu)造物的形成最小化。另外的優(yōu)點(diǎn)是在常 規(guī)燒結(jié)步驟期間硬顆粒于最佳條件下被燒結(jié)持續(xù)延長(zhǎng)的時(shí)間段，這正是最佳燒結(jié)通常所需 要的。在超硬材料包含金剛石時(shí)，另外優(yōu)點(diǎn)是由燒結(jié)步驟產(chǎn)生的石墨構(gòu)造物為適于在使燒 結(jié)體經(jīng)受超硬材料在熱力學(xué)上穩(wěn)定的壓力和溫度的階段期間受控再轉(zhuǎn)變成金剛石的形式。 另外優(yōu)點(diǎn)是經(jīng)受超高壓力燒結(jié)的燒結(jié)體內(nèi)的孔隙率比生坯內(nèi)的孔隙率小很多。這具有的 明顯優(yōu)點(diǎn)是可以需要較小的壓力來(lái)形成最終產(chǎn)品，這典型地產(chǎn)生經(jīng)濟(jì)益處。根據(jù)本發(fā)明的方法的另外優(yōu)點(diǎn)歸因于超高壓力燒結(jié)步驟通常比用于制造硬質(zhì)金 屬的常規(guī)燒結(jié)短很多的事實(shí)。常規(guī)燒結(jié)周期典型地為若干小時(shí)長(zhǎng)以便獲得所需的顯微組織 和性能。在超高壓力燒結(jié)下使超硬增強(qiáng)的硬質(zhì)金屬制品持續(xù)長(zhǎng)于若干分鐘的時(shí)間將是不經(jīng) 濟(jì)的，因?yàn)榭稍诔邏毫t容器內(nèi)燒結(jié)的制品比可在常規(guī)爐內(nèi)燒結(jié)的制品少很多。因此，該 方法通過(guò)在常規(guī)燒結(jié)步驟期間維持延長(zhǎng)時(shí)間段的高溫提供了硬質(zhì)金屬的最佳燒結(jié)。隨后的 超高壓力燒結(jié)步驟使殘留的軟材料例如石墨保留在燒結(jié)制品內(nèi)的風(fēng)險(xiǎn)最小化。該方法還使超高壓力燒結(jié)期間材料體積坍縮最小化，并且為將過(guò)量碳納入生坯中 提供了更大的控制和選擇范圍。根據(jù)本發(fā)明的第三方面，提供了一種工具用嵌體，該嵌體包含根據(jù)本發(fā)明第一方 面的超硬增強(qiáng)的硬質(zhì)金屬。優(yōu)選地，該工具用于包含耐磨材料或硬材料(例如木材、陶瓷、 金屬陶瓷、超級(jí)合金、金屬、巖石、混凝土、骨頭、浙青、磚石和復(fù)合材料)的工件或物體的切 削、機(jī)加工、鉆孔、研磨或破碎。優(yōu)選地，該工具是如在油氣鉆探工業(yè)中用于鉆入巖石的入地 (ground-engaging)工具，或者是用于路面掘進(jìn)或軟巖采掘的沖擊工具。


現(xiàn)將參考下面附圖描述非限制性的優(yōu)選實(shí)施方案，其中圖1-3顯示了超硬增強(qiáng)的硬質(zhì)金屬內(nèi)超硬顆粒和硬顆粒的3種不同形式的構(gòu)造物 的實(shí)施方案的示意圖，以及硬質(zhì)金屬在超高壓力燒結(jié)之前的相同區(qū)域的示意圖。圖4是根據(jù)實(shí)施例1-4的DEC材料的X射線衍射(XRD)分析，調(diào)整到XRD衍射圖 的石墨峰區(qū)域；圖5是根據(jù)實(shí)施例1-4的DEC材料的XRD分析，調(diào)整到XRD衍射圖的金剛石峰區(qū) 域；圖6是常規(guī)燒結(jié)后/hphT燒結(jié)前的根據(jù)實(shí)施例1的DEC材料的掃描電子顯微鏡 (SEM)顯微照片；圖7是hphT燒結(jié)后的根據(jù)實(shí)施例1的DEC材料的SEM顯微照片；圖8是hphT燒結(jié)后的根據(jù)實(shí)施例2的DEC材料的SEM顯微照片；圖9是hphT燒結(jié)后的根據(jù)實(shí)施例2的DEC材料的另一張SEM顯微照片；圖10是hphT燒結(jié)后的根據(jù)實(shí)施例3的DEC材料的SEM顯微照片；圖11是hphT燒結(jié)后的根據(jù)實(shí)施例3的DEC材料的另一張SEM顯微照片；圖12是hphT燒結(jié)后的根據(jù)實(shí)施例3的DEC材料的又一張SEM顯微照片；圖13是常規(guī)燒結(jié)后/hphT燒結(jié)前的根據(jù)實(shí)施例4的DEC材料的SEM顯微照片；圖14是hphT燒結(jié)后的根據(jù)實(shí)施例4的DEC材料的SEM顯微照片；圖15是hphT燒結(jié)后的根據(jù)實(shí)施例4的DEC材料的另一張SEM顯微照片；
圖16是hphT燒結(jié)后的根據(jù)實(shí)施例4的DEC材料的又一張SEM顯微照片；圖17以顯微圖像和示意圖給出了本發(fā)明的顯微組織特征的匯總，對(duì)應(yīng)于尺寸范 圍為小于70微米、約70微米和大于70微米的加入的金剛石晶粒。圖18(a)顯示了按照常規(guī)碳化物燒結(jié)的制品的照片，所述制品含有膠結(jié)WC和占該 制品5重量％的非金剛石碳，該非金剛石碳以石墨粉末形式被引入到起始粉末混合物中。 在該燒結(jié)制品中可清楚看到裂紋圖18(b)顯示了按照常規(guī)碳化物燒結(jié)的制品的照片，所述制品含有膠結(jié)WC和占 該制品5重量％的非金剛石碳，該非金剛石碳以金剛石粉末形式被引入到起始粉末混合物 中。該燒結(jié)制品與圖18(a)的制品相比基本上無(wú)裂紋且更為致密。圖19顯示了相同幾何形狀的膠結(jié)碳化鎢制品的彈性模量或楊氏模量的坐標(biāo)圖。 在除對(duì)照制品外的所有制品中，按照包括常規(guī)碳化物燒結(jié)的第一步驟和包括在hphT條件 下燒結(jié)的第二步驟，將7. 1重量％金剛石粉末引入到起始粉末混合物中從而得到包含分散 在該膠結(jié)碳化物各處的金剛石晶粒的制品。該坐標(biāo)圖顯示，即使除對(duì)照制品外的所有制品 的金剛石含量相同，材料的楊氏模量仍隨著加入的金剛石晶粒的平均尺寸從約2微米增加 到約70微米而增加。對(duì)照鈷膠結(jié)WC制品(其中鈷以約13重量％存在)的楊氏模量為約 558士5GPa，而具有2微米、20微米和70微米金剛石的制品的楊氏模量分別為約580、595和 660。圖20顯示了 一組常規(guī)膠結(jié)碳化鎢等級(jí)(包含6重量％鈷和94重量％且平均尺寸 為1-3微米的碳化鎢晶粒)、以及根據(jù)本發(fā)明的包含相同膠結(jié)碳化物配方然而用約9重量％ 含量的金剛石增強(qiáng)的樣品的實(shí)測(cè)平均楊氏模量的坐標(biāo)圖。該坐標(biāo)圖顯示了通過(guò)將兩種不同 平均尺寸分布的金剛石晶粒引入到起始粉末中制得的兩組金剛石增強(qiáng)樣品的平均楊氏模 量，各自的平均尺寸為約2和30微米。常規(guī)的對(duì)照碳化物等級(jí)的楊氏模量為約629 士 2GPa， 兩種金剛石增強(qiáng)材料的楊氏模量為約712士5GPa。該坐標(biāo)圖還顯示了通過(guò)“幾何”理論模型 預(yù)測(cè)的楊氏模量，其與實(shí)測(cè)值非常符合。圖21顯示了圖20中材料的強(qiáng)度。用作實(shí)驗(yàn)對(duì)照物的常規(guī)碳化物的強(qiáng)度為 2.5士0. IGPa0根據(jù)本發(fā)明制造的金剛石增強(qiáng)樣品的兩組樣品各自的平均強(qiáng)度為2. 2和 1. 9 士 0. 15GPa。圖22就實(shí)施例8顯示了金剛石增強(qiáng)的碳化物相對(duì)于常規(guī)碳化物的耐磨性的坐標(biāo) 圖。實(shí)施方案描述在參考圖1所描述的第一實(shí)施方案中，硬質(zhì)金屬顯微組織200包含分散在含有鐵 族金屬或金屬合金的粘合劑230內(nèi)的難熔金屬碳化物顆粒210以及金剛石顆粒的簇220和 260。金剛石顆粒排列成包含芯簇(如圖8及以下圖等中所示的C)的構(gòu)造物，該芯簇被相 對(duì)小很多的伴簇220所圍繞。芯簇包含一簇鄰接的金剛石顆粒260，且其間散布著難熔金屬 碳化物的顆粒250。一些再結(jié)晶金剛石顆粒、特別是接近芯簇的那些可以是顯著交互生長(zhǎng) 的，從而形成PCD(多晶金剛石)顆粒，在這些顆粒內(nèi)也可能存在再結(jié)晶的硬材料顆粒。這 種類型的芯簇在下文中稱作多晶金剛石碳化物(PCDC)，并且該類型的構(gòu)造物作為整體在下 文被稱作“具有P⑶C伴隨物的P⑶C?！?。如圖8中所示，硬質(zhì)金屬的拋光截面的SEM顯微 照片顯示了根據(jù)該實(shí)施方案的金剛石簇構(gòu)造物的例子。
在參考圖2所描述的第二實(shí)施方案中，橫截面中的芯簇具有成簇金剛石顆粒環(huán)套 260的外觀，其大致包封或環(huán)繞中心區(qū)域270，該中心區(qū)域含有比該環(huán)套少很多的金剛石或 者基本上無(wú)金剛石。在三維空間中，芯簇內(nèi)的金剛石簇具有圍繞該中心區(qū)域的殼體的大致 外觀。這種構(gòu)造物在下文稱作“P⑶C所環(huán)繞的粘合劑池”。如圖11和12中所示，硬質(zhì)金屬 的拋光截面的SEM顯微照片顯示了根據(jù)該實(shí)施方案的金剛石簇構(gòu)造物的例子。在參考圖3所描述的第三實(shí)施方案中，芯簇包含中心的相對(duì)大的金剛石晶體280， 該金剛石晶體被與其粘結(jié)的相對(duì)較小的金剛石顆粒簇的殼體260包圍。在橫截面中，殼體 260具有環(huán)套外觀。這種類型的構(gòu)造物在下文稱作“P⑶C所環(huán)繞的金剛石”。不希望受任何 理論束縛，認(rèn)為該P(yáng)CDC環(huán)套顯著降低在大金剛石晶粒所典型具有的截取面形成的尖角處 的應(yīng)力集中，從而提高復(fù)合材料的抗沖擊性。如圖13和16中所示，硬質(zhì)金屬的拋光截面的 SEM顯微照片顯示了根據(jù)該實(shí)施方案的金剛石簇構(gòu)造物的例子。通過(guò)將金剛石或cBN的超硬顆粒與硬材料(例如碳化鎢)的顆粒以及適宜粘合劑 材料(例如鈷)的顆粒進(jìn)行摻混來(lái)制造超硬增強(qiáng)的硬質(zhì)金屬。作為替代方案，可以將適于 隨后轉(zhuǎn)變成硬材料或粘合劑材料的前體材料加入到該摻混物中。作為替代方案，可以將粘 合劑材料以適于在第一燒結(jié)階段期間滲入生坯內(nèi)的形式納入?？墒褂萌魏斡行У姆勰┲苽?技術(shù)來(lái)?yè)交旆勰?，所述技術(shù)例如濕式或干式多向混合(Turbula)，行星式球磨和用高速攪拌 器(homogenizer)進(jìn)行高剪切混合。對(duì)于大于約50微米的金剛石，手工將粉末簡(jiǎn)單攪拌在 一起也是有效的。然后通過(guò)將該粉末壓制來(lái)形成生坯?？赏ㄟ^(guò)單軸粉末壓制或本領(lǐng)域已知 的任何其它壓制方法例如冷等靜壓(CIP)形成生坯。然后對(duì)生坯進(jìn)行本領(lǐng)域已知的適合于燒結(jié)不存在金剛石的類似材料的任何燒結(jié) 處理(即常規(guī)硬質(zhì)金屬燒結(jié)處理)。在該階段期間，金剛石或cBN顆粒全部或部分轉(zhuǎn)變?yōu)榈?壓力相，對(duì)于金剛石則該低壓力相為石墨或其它形式的碳，對(duì)于cBN則該低壓力相為六方 氮化硼(hBN)。所加入的金剛石的石墨化程度取決于例如金剛石的類型、尺寸、表面化學(xué)組 成(chemistry)和可能的涂層，以及燒結(jié)條件、粘合劑材料含量和化學(xué)組成。在常規(guī)燒結(jié)步驟后，使燒結(jié)制品經(jīng)受超高壓力下的第二燒結(jié)步驟，金剛石在該超 高壓力下是熱力學(xué)穩(wěn)定的。使用金剛石合成和燒結(jié)領(lǐng)域中公知的超高壓力爐，以使燒結(jié)制 品經(jīng)受至少5GPa的壓力和至少1300攝氏度的溫度。在這些條件下，在常規(guī)燒結(jié)步驟期間 產(chǎn)生的金剛石或cBN的低壓力相(視具體情況而定)轉(zhuǎn)變回或“再結(jié)晶”成高壓力相，即金 剛石或cBN。加入到粉末混合物中且因此加入到生坯中的金剛石顆粒的尺寸影響最終燒結(jié)產(chǎn) 品中再結(jié)晶金剛石的尺寸和空間分布性質(zhì)。本文公開的方法產(chǎn)生了若干獨(dú)特且新的空間分 布構(gòu)造物，所述構(gòu)造物是基本上球形對(duì)稱的。對(duì)于任何給定的低壓力熱處理制度，存在臨界 金剛石晶粒尺寸D。，低于其時(shí)整個(gè)金剛石顆粒轉(zhuǎn)變?yōu)槭?，而高于其時(shí)金剛石芯在熱處理 后得到保持，被富含石墨的區(qū)域所圍繞。術(shù)語(yǔ)“晶粒尺寸”在本文中是指晶粒最大尺寸的長(zhǎng) 度。在最終燒結(jié)產(chǎn)品內(nèi)產(chǎn)生三種性質(zhì)上不同的再結(jié)晶金剛石構(gòu)造物，它們對(duì)應(yīng)于如下條件 i)所加入的金剛石晶粒尺寸(D)小于Dc，ii)D約等于Dc，和iii)D大于Dc。參考圖1至3可理解納入到生坯內(nèi)的金剛石顆粒的尺寸與制成的增強(qiáng)硬質(zhì)金屬中 金剛石簇的構(gòu)造物形式之間的關(guān)系。在各個(gè)圖中，示意性地顯示了硬質(zhì)金屬燒結(jié)體內(nèi)的區(qū) 域100 (即在使生坯經(jīng)受常規(guī)燒結(jié)步驟之后即刻)，該區(qū)域?qū)?yīng)于含有金剛石簇構(gòu)造物的制成產(chǎn)品的區(qū)域200。換言之，該圖示意性地顯示了在超高壓力燒結(jié)步驟之前超硬顆粒構(gòu)造物如何由相應(yīng)的構(gòu)造物產(chǎn)生。在圖1和2中，燒結(jié)體內(nèi)的區(qū)域100不含金剛石，所有納入在生坯內(nèi)的金剛石在常 規(guī)燒結(jié)步驟期間轉(zhuǎn)變?yōu)槭?。由單個(gè)金剛石顆粒(未示出)溶解釋放的碳的沉積產(chǎn)生多個(gè) 石墨結(jié)構(gòu)體120和140。在該實(shí)施方案中，金剛石晶粒的尺寸足夠小使得在常規(guī)燒結(jié)步驟期 間整個(gè)金剛石顆粒溶解并且轉(zhuǎn)變成石墨。圖1和2分別對(duì)應(yīng)于D小于Dc和D等于Dc的實(shí) 施方案。在這些實(shí)施方案中，石墨結(jié)構(gòu)體作為多個(gè)石墨顆粒120形成，所述石墨顆粒圍繞相 對(duì)大的石墨芯140。還示意性地顯示了碳化物顆粒110和金屬性粘合劑130。在圖3中，燒結(jié)體內(nèi)的區(qū)域100含有在常規(guī)燒結(jié)步驟期間沒(méi)有完全溶解的剩余原 始金剛石顆粒，這是因?yàn)槠渥銐虼?，D比Dc大很多。金剛石芯180被析出石墨140的殼體或 環(huán)套圍繞，所述析出石墨來(lái)自于金剛石顆粒的部分溶解。在圍繞芯的區(qū)域中也產(chǎn)生另外的 較小石墨析出物120。還示意性地顯示了碳化物顆粒110和金屬性粘合劑130。作為指導(dǎo)，發(fā)現(xiàn)在該實(shí)施方案中Dc可以為70微米，其中硬質(zhì)金屬包含分散在約 7. 5%重量鈷粘合劑內(nèi)的碳化鎢顆粒。應(yīng)理解D。取決于許多因素，包括粘合劑材料的類型、 金剛石晶粒的品質(zhì)，以及取決于常規(guī)燒結(jié)步驟所用的溫度和周期時(shí)間。一般而言，時(shí)間越 長(zhǎng)，溫度越高，則金剛石顆粒的品質(zhì)越差，D。將越大。本領(lǐng)域技術(shù)人員將認(rèn)識(shí)到可通過(guò)就給 定組的材料和燒結(jié)參數(shù)通過(guò)反復(fù)試驗(yàn)確定Dc。不希望受任何特定理論束縛，認(rèn)為P⑶C環(huán)套顯著降低在大金剛石晶粒的典型截 取面所形成的尖角處的應(yīng)力集中，從而提高復(fù)合材料的抗沖擊性。當(dāng)材料為不同材料的復(fù)合物時(shí)，如對(duì)于支撐部分典型如此，可以通過(guò)下面以(1)、 (2)和(3)給出的3個(gè)公式(即調(diào)和公式、幾何公式和混合律公式)之一估算平均楊氏模量 E。在這些公式中，將不同的材料分成具有各自體積分?jǐn)?shù)和f2的兩部分，和各自楊氏模量 E1 和 E2 E = IZif1ZE^f2ZE2)) (1)E = E1f^Eif2(2)E = f1E1+f2E2(3)其中f\+f2 = 1材料的平均楊氏模量?jī)?yōu)選通過(guò)本領(lǐng)域公知的方法根據(jù)經(jīng)驗(yàn)測(cè)得，上述式可用作估
笪弁。還觀測(cè)到，在金剛石晶粒較大時(shí)金剛石增強(qiáng)碳化物的楊氏模量可往往較高。例如， 如圖19中所示，根據(jù)本發(fā)明制得的具有7. 5重量％平均尺寸為約70微米的分散金剛石晶 粒的金剛石增強(qiáng)碳化物具有約660GPa的楊氏模量，相比之下包含相同金剛石含量而其中 金剛石晶粒的平均尺寸為約2微米的類似制品的楊氏模量為約580GPa。對(duì)于石墨粉末引入方法，石墨粉末典型地是薄片形式，其在粉末軸向壓制期間傾 向于以優(yōu)選的取向排列。這可以使金剛石構(gòu)造物在hphT燒結(jié)制品內(nèi)也具有優(yōu)選的取向，相 對(duì)于具有各向同性金剛石構(gòu)造物的制品材料，其可趨于提高制品材料的韌性。然而，起始粉 末內(nèi)的石墨趨于在初始?jí)褐破陂g產(chǎn)生提高的粉末彈性回復(fù)(“回彈”)，從而導(dǎo)致降低的生 (未燒結(jié))制品密度。如果石墨顆粒具有片狀、薄層形式則可使這種現(xiàn)象加劇。
對(duì)于金剛石引入方法，相比于石墨引入，未燒結(jié)生坯的密度能夠大很多。所加入的 金剛石粉末在初始常規(guī)碳化物燒結(jié)階段期間全部或部分石墨化。典型地，如果金剛石晶粒 小于約70微米，則整個(gè)晶粒體積有可能轉(zhuǎn)變?yōu)榉墙饎偸?，如果晶粒大于約70微米，僅晶 粒的外部區(qū)域轉(zhuǎn)變?yōu)榉墙饎偸迹谛静勘３譃榻饎偸?。如上文所指出，本領(lǐng)域技術(shù)人員可 認(rèn)識(shí)到，區(qū)分出這兩種類型結(jié)果的金剛石晶粒尺寸臨界值可取決于若干因素，并且發(fā)現(xiàn)70 微米對(duì)于舉例目的而言是典型的值。當(dāng)晶粒尺寸大致為該臨界值時(shí)，觀測(cè)到在hphT處理后 金剛石構(gòu)造物的結(jié)構(gòu)包含再結(jié)晶的金剛石晶粒，該晶粒小于所引入的金剛石晶粒，圍繞著 基本上包含金屬性粘合劑相(典型地是鈷)的芯區(qū)域。認(rèn)為該類型的金剛石構(gòu)造物可趨于 提高金剛石增強(qiáng)碳化物材料的韌性。據(jù)推測(cè)，這樣的構(gòu)造物趨于吸引傳播中的裂紋，因?yàn)樵?構(gòu)造物的外部富金剛石區(qū)域可處于張緊狀態(tài)。一旦裂紋的前緣穿入該構(gòu)造物內(nèi)，則該構(gòu)造 物的富金屬的芯部(其可能處于壓縮狀態(tài))可削弱并且防止或延緩其進(jìn)一步傳播。這樣的 構(gòu)造物可被稱為“引誘且捕獲”裂紋，從而使材料韌化和強(qiáng)化。認(rèn)為這種類型的金剛石構(gòu)造物趨于提高金剛石增強(qiáng)的碳化物材料的韌性。據(jù)推 測(cè)，這樣的構(gòu)造物趨于吸引傳播中的裂紋，因?yàn)樵摌?gòu)造物的外部富金剛石區(qū)域可處于張緊 狀態(tài)。一旦裂紋的前緣穿入該構(gòu)造物內(nèi)，則該構(gòu)造物的富金屬的芯部(其可能處于壓縮狀 態(tài))可削弱并且防止或延緩其進(jìn)一步傳播。這樣的構(gòu)造物可被稱為“引誘且捕獲”裂紋，從 而使材料韌化和強(qiáng)化。
實(shí)施例實(shí)施例1為了評(píng)價(jià)如本公開所教導(dǎo)的在生坯中使用金剛石相對(duì)于使用非金剛石碳的已知 方法的優(yōu)點(diǎn)，通過(guò)常規(guī)粉末冶金燒結(jié)方法制造兩個(gè)含有5重量％非金剛石碳的膠結(jié)碳化物 生坯。所述制品之間的唯一差異在于引入非金剛石碳的方式。在一個(gè)制品中，將5重量％石 墨粉末與82重量％ WC和13重量％ Co粉末摻混。將該制品冷壓制并然后在爐中燒結(jié)。第 二個(gè)制品按與第一個(gè)制品相同的方式制造，不同之處在于以金剛石粉末引入5重量％碳， 晶粒具有約20微米的平均尺寸。在燒結(jié)處理的終了，金剛石晶粒完全轉(zhuǎn)變成石墨。在18 (a) 和(b)中顯示了這兩個(gè)制品的照片。第一個(gè)制品的密度為理論密度的約87%，而第二個(gè)制 品的密度為理論密度的約96%。第一個(gè)制品中明顯的裂紋在第二個(gè)制品中沒(méi)有觀測(cè)到。該實(shí)施例證明，在意欲于隨后步驟中使包含顯著量的非金剛石碳化物的常規(guī)燒結(jié) 碳化物制品經(jīng)受hphT條件以使非金剛石碳轉(zhuǎn)變?yōu)榻饎偸瘯r(shí)，可優(yōu)選在起始粉末混合物中 以金剛石引入非金剛石碳。這是違背直覺(jué)的，因?yàn)榻饎偸诔Ｒ?guī)燒結(jié)步驟中轉(zhuǎn)變?yōu)槭?。?而，該方法產(chǎn)生較致密的燒結(jié)制品，這對(duì)于使hphT步驟有效率且有效是更為優(yōu)選的，因?yàn)?在壓制較低密度制品時(shí)浪費(fèi)較少的有限可得壓致體積坍縮，并且可更有效地產(chǎn)生壓力。實(shí)施例2為了評(píng)價(jià)如本公開所教導(dǎo)的在生坯中使用金剛石相對(duì)于使用非金剛石碳的已知 方法的優(yōu)點(diǎn)，由包含石墨而不包含金剛石的燒結(jié)生坯制備hphT燒結(jié)復(fù)合片。石墨以25體積％存在并且具有約30 μ m的平均晶粒尺寸。將其與具有約3 μ m的 平均晶粒尺寸的WC粉末以及與以(原始碳化物粉末的)13重量％水平存在的Co粉末摻混。 通過(guò)Turbula混合設(shè)備將這三種粉末組分在甲醇介質(zhì)中摻混24小時(shí)。通過(guò)單軸壓制該摻
11混且干燥的粉末來(lái)形成生坯。在1400°C的溫度下將該生坯常規(guī)燒結(jié)2小時(shí)(均熱時(shí)間)， 然后在約5. 5GPa和1400°C下通過(guò)壓帶機(jī)將其hphT再燒結(jié)15分鐘。再燒結(jié)制 品的X射線衍射(XRD)分析證實(shí)所納入的石墨再轉(zhuǎn)變?yōu)榻饎偸?圖 4-5)。(圖4-5結(jié)合了實(shí)施例1-4的XRD分析，其主石墨峰位于約26. 5° 2Θ處，主金剛石 峰在43.9° 2 θ處，44-45° 2 θ之間的寬峰是由這些材料中的Co材料產(chǎn)生的。為了方便， 將這些衍射圖調(diào)整到這些特定區(qū)域)。該材料在第一(低壓力)燒結(jié)階段后即刻的拋光橫截面的掃描電子顯微鏡(SEM) 分析揭示了石墨晶?；兒椭饕怪庇趩屋S壓制的軸的優(yōu)選取向。因此，由石墨的轉(zhuǎn)變產(chǎn) 生的P⑶C構(gòu)造物具有類似的幾何形狀和優(yōu)選取向(圖7)，其由于在這些高縱橫比特征體的 彎曲邊緣的小半徑處的應(yīng)力集中而是不希望的。如下文所例示，當(dāng)按照本發(fā)明的教導(dǎo)時(shí)未 產(chǎn)生這樣的PCDC構(gòu)造物。實(shí)施例3 (D< Dc)在本發(fā)明的實(shí)施例中，將25體積％含量的平均晶粒尺寸為約2 μ m的金剛石與WC 粉末(平均晶粒尺寸約3 μ m)和Co粉末摻混。Co粉末以原始碳化物粉末的13重量％存 在。按實(shí)施例1將該粉末摻混、干燥、壓制成生坯，進(jìn)行常規(guī)燒結(jié)和hphT再燒結(jié)。XRD分析證實(shí)了所納入的金剛石在常規(guī)燒結(jié)階段期間的完全石墨化和隨后在 hphT再燒結(jié)階段期間完全再轉(zhuǎn)變?yōu)榻饎偸?圖4-5)。hphT再燒結(jié)材料的拋光橫截面的SEM 分析證實(shí)其是沒(méi)有多孔性的充分燒結(jié)DEC (圖8-9)，具有均勻的PCDC粒分布，所述PCDC粒 帶有P⑶C伴隨物的顯微組織特征(在圖1中示意性地展現(xiàn)了該特征)。實(shí)施例4 (D^Dc)在本發(fā)明的另一個(gè)實(shí)施例中，將25體積％含量的平均晶粒尺寸為約70 μ m的金剛 石與具有約3 μ m平均晶粒尺寸的WC粉末以及Co粉末摻混。Co粉末以原始碳化物粉末的 13重量％存在。按實(shí)施例1將該粉末摻混、干燥、壓制成生坯，進(jìn)行常規(guī)燒結(jié)和hphT再燒結(jié)。XRD分析證實(shí)了所納入的金剛石在常規(guī)燒結(jié)階段期間的完全石墨化和隨后在 hphT再燒結(jié)階段期間石墨化金剛石完全再轉(zhuǎn)變?yōu)榻饎偸?圖4-5)。hphT再燒結(jié)后材料的 拋光橫截面的SEM分析證實(shí)其是沒(méi)有多孔性的充分燒結(jié)DEC，具有“PCDC所圍繞的粘合劑 池”顯微組織特征體的均勻分布(這在圖2中示意性地展現(xiàn)出)。在圖10中展現(xiàn)了低放大 倍率SEM顯微照片，在圖11-12中給出了該特征體的較高放大倍率例子。實(shí)施例5 (D> Dc)在本發(fā)明的另外實(shí)施例中，將25體積％含量的平均晶粒尺寸為約250μπι的金剛 石與具有約3 μ m平均晶粒尺寸的WC粉末以及Co粉末摻混。Co粉末以原始碳化物粉末的 13重量％存在。按實(shí)施例1將該粉末摻混、干燥、壓制成生坯，進(jìn)行常規(guī)燒結(jié)和hphT再燒結(jié)。XRD分析證實(shí)了所納入的金剛石在常規(guī)燒結(jié)階段期間的部分石墨化，具有明顯的 金剛石殘存物(即剩余的金剛石晶粒)，以及在hphT再燒結(jié)期間石墨化金剛石完全再轉(zhuǎn)變 為金剛石(圖4-5)。與該XRD分析一起，常規(guī)燒結(jié)材料的拋光橫截面的SEM分析證實(shí)存在 剩余的金剛石晶粒(圖13)。hphT再燒結(jié)后的材料的拋光橫截面的SEM分析證實(shí)其是沒(méi)有多孔性的充分燒結(jié)DEC，具有“P⑶C所圍繞的粘合劑池”顯微組織特征體的均勻分布(在圖3中示意性地展現(xiàn) 了該特征)。圖14中展現(xiàn)了低放大倍率SEM顯微照片，在圖15-16中給出了該特征體的較 高放大倍率例子。實(shí)施例6根據(jù)本發(fā)明制造3組金剛石增強(qiáng)膠結(jié)碳化鎢樣品，各組由7個(gè)樣品組成。對(duì)照樣 品組在沒(méi)有加入金剛石的情況下按照如下可商購(gòu)的硬質(zhì)金屬配方制造約87體積％ WC和 13重量％鈷。WC為粒狀，晶粒的平均尺寸為1-3微米。通過(guò)包括如下步驟的方法制造對(duì)照 樣品將WC晶粒與鈷粉末摻混，通過(guò)有機(jī)粘合劑將該粉末成形為生坯，在環(huán)境溫度下模制 和壓實(shí)。然后對(duì)所述樣品進(jìn)行常規(guī)硬質(zhì)金屬燒結(jié)處理。通過(guò)將金剛石晶粒引入到用于制造對(duì)照樣品的粉末摻混物中并且按上述制造3 組 金剛石增強(qiáng)樣品。金剛石、碳化鎢和鈷的各自比例為7. 2重量％、85. 6重量％和7. 2重 量％。在這3組樣品中，所加入的金剛石分別具有約2、20和70微米的平均尺寸。按與對(duì) 照樣品相同的方式將這些樣品與對(duì)照樣品一起成形和常規(guī)燒結(jié)，使這些樣品經(jīng)受超高壓力 燒結(jié)步驟，其中所施加的壓力和溫度足以獲得金剛石在熱力學(xué)上穩(wěn)定的條件。圖19的坐標(biāo)圖顯示，即使除對(duì)照制品外的所有制品的金剛石含量相同，但材料的 楊氏模量隨加入的金剛石晶粒的平均尺寸從約2微米增加到約70微米而增加。對(duì)照鈷膠 結(jié)WC制品(其中鈷以約13重量％存在)的楊氏模量為約558士5GPa，而具有2微米、20微 米和70微米金剛石的制品的楊氏模量分別為約580、595和660GPa。實(shí)施例7根據(jù)本發(fā)明制造2組金剛石增強(qiáng)膠結(jié)碳化鎢樣品，各組由7個(gè)樣品組成。對(duì)照樣 品組在沒(méi)有加入金剛石的情況下按照如下可商購(gòu)的硬質(zhì)金屬配方制造約94體積％ WC和 6重量％鈷。WC為粒狀，晶粒的平均尺寸為1-3微米。通過(guò)包括如下步驟的方法制造對(duì)照樣 品將WC晶粒與鈷粉末摻混，通過(guò)有機(jī)粘合劑將該粉末成形為生坯，在室溫下模制和壓實(shí)。 然后對(duì)所述樣品進(jìn)行常規(guī)硬質(zhì)金屬燒結(jié)處理。通過(guò)將金剛石晶粒引入到用于制造對(duì)照樣品的粉末摻混物中并且按上述制造2 組金剛石增強(qiáng)樣品。金剛石、碳化鎢和鈷的各自比例為9重量％、85. 7重量％和5. 4重量％。 在這2組樣品中，所加入的金剛石分別具有約2和30微米的平均尺寸。按與對(duì)照樣品相同 的方式將這些樣品與對(duì)照樣品一起成形和常規(guī)燒結(jié)，使這些樣品經(jīng)受超高壓力燒結(jié)步驟， 其中所施加的壓力和溫度足以獲得金剛石在熱力學(xué)上穩(wěn)定的條件。如圖20中所示，常規(guī)膠結(jié)碳化鎢對(duì)照樣品的實(shí)測(cè)楊氏模量為629士2GPa，兩種金 剛石增強(qiáng)材料的實(shí)測(cè)楊氏模量為約712士5GPa。這些與“幾何”理論模型的預(yù)測(cè)相符合。如圖21中所示，對(duì)照樣品的強(qiáng)度為2. 5士0. IGPa0根據(jù)本發(fā)明制造的金剛石增強(qiáng) 樣品的兩個(gè)樣品各自的強(qiáng)度為2. 2和1. 9士0. 15GPa。實(shí)施例8按照實(shí)施例2-4制造增強(qiáng)硬質(zhì)金屬(即加入金剛石作為額外的C源)，不同之處在 于這次20體積％的金剛石具有約22um的平均晶粒尺寸。如此制造的增強(qiáng)硬質(zhì)金屬與常規(guī)非DEC碳化物展現(xiàn)出顯著改善的耐磨性。如圖22所描述，在3分鐘“機(jī)械磨削性”磨損試驗(yàn)后，增強(qiáng)硬質(zhì)金屬材料質(zhì)量損失 是常規(guī)碳化物質(zhì)量損失的約25分之1。
機(jī)械磨削性磨損試驗(yàn)的細(xì)節(jié)1.通過(guò)1. 6kg的靜荷重以法向力將樣品(尺寸9mmX7mmX3· 2mm)頂著旋轉(zhuǎn)的金 剛石輪(D46玻璃質(zhì)粘結(jié))夾持住；2.所述輪子以IOOOrpm旋轉(zhuǎn)，在樣品處產(chǎn)生0. 9m. s—1的表面速度；和3.就圖22中所示的質(zhì)量損失圖每30秒鐘記錄樣品質(zhì)量。
權(quán)利要求
超硬增強(qiáng)的硬質(zhì)金屬，其包含顆粒狀硬材料和粘合劑以及至少一種構(gòu)造物，所述構(gòu)造物含有芯簇和多個(gè)與該芯簇間隔開、圍繞且小于該芯簇的伴簇，并且所述芯簇和伴簇各自含有多個(gè)鄰接的超硬顆粒。
2.根據(jù)權(quán)利要求1的硬質(zhì)金屬，其中該超硬顆粒包括金剛石。
3.根據(jù)權(quán)利要求1和2中任一項(xiàng)的硬質(zhì)金屬，其中各個(gè)伴簇的平均體積小于芯簇平均 體積的約20%。
4.根據(jù)權(quán)利要求1至3中任一項(xiàng)的硬質(zhì)金屬，其中各個(gè)伴簇含有的超硬顆粒數(shù)目少于 芯簇內(nèi)所含超硬顆粒數(shù)目的約20%。
5.根據(jù)權(quán)利要求1至4中任一項(xiàng)的硬質(zhì)金屬，其中芯簇包含將含有粘合劑材料和少很 多的超硬材料的區(qū)域包封的超硬顆粒和硬材料環(huán)套或殼體。
6.根據(jù)權(quán)利要求5的硬質(zhì)金屬，其中所述區(qū)域基本上沒(méi)有硬的超硬顆粒。
7.根據(jù)權(quán)利要求1至4中任一項(xiàng)的硬質(zhì)金屬，其中芯簇包含直接粘結(jié)到超硬顆粒和硬 材料環(huán)套或殼體的超硬顆粒。
8.根據(jù)權(quán)利要求1至4中任一項(xiàng)的硬質(zhì)金屬，其中芯簇包含多個(gè)鄰接的超硬顆粒和散 布在這些鄰接超硬顆粒之間的硬材料顆粒。
9.根據(jù)權(quán)利要求1-8中任一項(xiàng)的硬質(zhì)金屬，其中硬材料包括金屬碳化物、金屬氧化物 或金屬氮化物、低氧化硼或碳化硼。
10.根據(jù)權(quán)利要求1-9中任一項(xiàng)的硬質(zhì)金屬，其中硬材料選自WC、TiC、VC、Cr3C2、Cr7C3、 ZrC、Mo2C、HfC、NbC、Nb2C、TaC、Ta2C、W2C、SiC 禾口 A14C3。
11.根據(jù)權(quán)利要求i-io中任一項(xiàng)的硬質(zhì)金屬，其中粘合劑材料是含有鈷、鐵或鎳中的 一種或多種的金屬或金屬合金。
12.根據(jù)權(quán)利要求1-11中任一項(xiàng)的硬質(zhì)金屬，其中粘合劑材料還包含金屬間材料，該 金屬間材料包括 Ni3Al、Ni2Al3* NiAl3、CoSn、NiCrP、NiCrB 以及 NiP。
13.根據(jù)權(quán)利要求1-12中任一項(xiàng)的硬質(zhì)金屬，其中粘合劑材料的體積含量為1-40體 積％。
14.根據(jù)權(quán)利要求1-13中任一項(xiàng)的硬質(zhì)金屬，其中芯簇的平均尺寸是各個(gè)伴簇的平均 尺寸的至少兩倍。
15.根據(jù)權(quán)利要求1-14中任一項(xiàng)的硬質(zhì)金屬，其中超硬顆粒在約0.1至約5000微米的 尺寸范圍內(nèi)。
16.根據(jù)權(quán)利要求1-15中任一項(xiàng)的硬質(zhì)金屬，其中超硬增強(qiáng)的硬質(zhì)金屬內(nèi)的超硬材料 含量為20-60體積％。
17.根據(jù)權(quán)利要求1-16中任一項(xiàng)的硬質(zhì)金屬，其中硬材料顆粒在約0.5至約100微米 的尺寸范圍內(nèi)。
18.根據(jù)權(quán)利要求1-17中任一項(xiàng)的硬質(zhì)金屬，其中超硬增強(qiáng)的硬質(zhì)金屬內(nèi)的硬材料含 量為20-80體積％。
19.根據(jù)權(quán)利要求1-18中任一項(xiàng)的硬質(zhì)金屬，其中所述構(gòu)造物具有基本上各向同性的 特性。
20.根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項(xiàng)的硬質(zhì)金屬，其包含多個(gè)分散在該硬質(zhì)金屬中的構(gòu)造物。
21.根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項(xiàng)的硬質(zhì)金屬，其基本上不包括石墨。
22.制備超硬增強(qiáng)的硬質(zhì)金屬的方法，該方法包括形成包含超硬顆粒、硬材料顆粒以 及至少一種粘合劑材料或者能夠轉(zhuǎn)變成粘合劑材料的材料的生坯；使該生坯經(jīng)受超硬材料 在熱力學(xué)上不穩(wěn)定的至少500攝氏度的溫度和壓力從而形成燒結(jié)體；和使該燒結(jié)體經(jīng)受超 硬材料在熱力學(xué)上穩(wěn)定的壓力和溫度。
23.根據(jù)權(quán)利要求22的方法，其包括使所述生坯經(jīng)受至少約3GPa的壓力。
24.根據(jù)權(quán)利要求22和23中任一項(xiàng)的方法，其中在小于300MPa的施加壓力下進(jìn)行生 坯的熱處理。
25.用于工具的嵌體，該嵌體包含根據(jù)權(quán)利要求1的超硬增強(qiáng)的硬質(zhì)金屬。
全文摘要
本發(fā)明涉及超硬增強(qiáng)的硬質(zhì)金屬，其包含顆粒狀硬材料和粘合劑材料以及至少一種構(gòu)造物，所述構(gòu)造物含有芯簇和多個(gè)與該芯簇間隔開、圍繞且小于該芯簇的伴簇，并且所述芯簇和伴簇各自含有多個(gè)鄰接的超硬顆粒。本發(fā)明還涉及制備超硬增強(qiáng)的硬質(zhì)金屬的方法和包含該增強(qiáng)硬質(zhì)金屬的工具用嵌體，所述方法包括形成包含超硬顆粒、硬材料顆粒以及至少一種粘合劑材料或者能夠轉(zhuǎn)變成粘合劑材料的材料的生坯；使該生坯經(jīng)受超硬材料在熱力學(xué)上不穩(wěn)定的至少500攝氏度的溫度和壓力從而形成燒結(jié)體；和使該燒結(jié)體經(jīng)受超硬材料在熱力學(xué)上穩(wěn)定的壓力和溫度。
文檔編號(hào)C22C29/02GK101952468SQ200980106166
公開日2011年1月19日 申請(qǐng)日期2009年4月15日 優(yōu)先權(quán)日2008年4月15日
發(fā)明者R·W·N·尼倫 申請(qǐng)人:六號(hào)元素(產(chǎn)品)(控股)公司