本發(fā)明涉及燒結(jié)硬質(zhì)碳化物組合物，并且具體地講，涉及采用鈷鉬合金粘結(jié)劑的燒結(jié)硬質(zhì)碳化物組合物。
背景技術(shù)：
：包含硬質(zhì)碳化物主體的切削工具已在涂覆和未涂覆條件下用于多種應(yīng)用，包括地下鉆探和采礦作業(yè)，以及加工各種金屬和合金。增加切削工具對磨損和失效模式(包括斷裂和碎裂)的抵抗性仍然是研究和開發(fā)的熱門領(lǐng)域。為此，已將大量資源分配給用于切削工具的耐磨耐火涂層的開發(fā)。已通過化學(xué)氣相沉積(CVD)以及物理氣相沉積(PVD)將例如TiC、TiCN、TiOCN、TiN和Al2O3施加到硬質(zhì)碳化物。此外，已對下層燒結(jié)硬質(zhì)碳化物基底的特性進(jìn)行了研究。切削工具制造商已檢查了硬質(zhì)碳化物主體的組成變化以及對硬質(zhì)碳化物特性產(chǎn)生的影響，所述硬質(zhì)碳化物特性包括但不限于硬度、耐磨性、斷裂韌度、密度和各種磁特性。然而，一種硬質(zhì)碳化物特性的增強(qiáng)通常導(dǎo)致另一種硬質(zhì)碳化物特性的伴隨退化。例如，增加硬質(zhì)碳化物主體的耐磨性可導(dǎo)致主體的減小的斷裂韌度。然而，硬質(zhì)碳化物基底的改善必需滿足地下鉆探和金屬加工應(yīng)用的發(fā)展需求，并且當(dāng)對硬質(zhì)碳化物主體做出組成變化以便向切削工具提供改善的性能時，需要競爭特性之間的仔細(xì)平衡。技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：在一個方面，本文描述的燒結(jié)硬質(zhì)碳化物組合物表現(xiàn)出期望的耐磨性而沒有斷裂韌度的有害損失。此類硬質(zhì)碳化物組合物可用作各種應(yīng)用中的工裝(tooling)，所述應(yīng)用包括地下鉆探和采礦作業(yè)，耐磨零件以及加工各種金屬和合金。例如，本文所述的燒結(jié)硬質(zhì)碳化物組合物包含包括碳化鎢的硬顆粒相和包含立方鈷鉬固溶體相的鈷基金屬粘結(jié)劑。在一些實(shí)施例中，鉬以0.1至12重量％的量存在于鈷基金屬粘結(jié)劑中。此外，在一些實(shí)施例中，鈷基金屬粘結(jié)劑還包含鈷貴金屬固溶體相。這些和其他實(shí)施例在以下具體實(shí)施例方式中進(jìn)一步描述。附圖說明圖1為根據(jù)本文所述的一個實(shí)施例的燒結(jié)硬質(zhì)碳化物組合物的光學(xué)顯微圖。圖2為根據(jù)本文所述的一個實(shí)施例的燒結(jié)硬質(zhì)碳化物組合物的光學(xué)顯微圖。圖3為根據(jù)本文所述的一個實(shí)施例的燒結(jié)硬質(zhì)碳化物組合物的光學(xué)顯微圖。圖4為根據(jù)本文所述的一個實(shí)施例的燒結(jié)硬質(zhì)碳化物組合物的光學(xué)顯微圖。圖5為根據(jù)本文所述的一個實(shí)施例的燒結(jié)硬質(zhì)碳化物組合物的光學(xué)顯微圖。圖6為根據(jù)本文所述的一個實(shí)施例的燒結(jié)硬質(zhì)碳化物組合物的光學(xué)顯微圖。圖7為根據(jù)本文所述的一個實(shí)施例的燒結(jié)硬質(zhì)碳化物組合物的X射線衍射圖(XRD)。圖8為根據(jù)本文所述的一個實(shí)施例的燒結(jié)硬質(zhì)碳化物組合物的XRD。圖9為根據(jù)本文所述的一個實(shí)施例的燒結(jié)硬質(zhì)碳化物組合物的XRD。圖10為根據(jù)本文所述的一個實(shí)施例的燒結(jié)硬質(zhì)碳化物組合物的XRD。圖11為根據(jù)本文所述的一個實(shí)施例的燒結(jié)硬質(zhì)碳化物組合物的XRD。圖12為根據(jù)本文所述的一個實(shí)施例的燒結(jié)硬質(zhì)碳化物組合物的XRD。圖13為燒結(jié)硬質(zhì)碳化物斷裂韌度與耐磨性的曲線圖。具體實(shí)施方式參考以下具體實(shí)施方式和實(shí)例以及前述和下述內(nèi)容可更容易地理解本文所述的實(shí)施例。然而，本文所述的元件和裝置并不限于具體實(shí)施方式中所述的具體實(shí)施例。應(yīng)當(dāng)認(rèn)識到，這些實(shí)施例僅示例性地說明本發(fā)明的原理。在不脫離本發(fā)明精神和范圍的情況下，多種修改和變更對于本領(lǐng)域技術(shù)人員而言將是顯而易見的。本文所述的燒結(jié)硬質(zhì)碳化物組合物采用包含鉬含量的鈷基合金粘結(jié)劑。在一些實(shí)施例中，例如，燒結(jié)硬質(zhì)碳化物組合物包含包括碳化鎢的硬顆粒相和包含立方鈷鉬固溶體相的鈷基金屬粘結(jié)劑。現(xiàn)在轉(zhuǎn)到特定組分，硬顆粒相可以至少70重量％的量存在于燒結(jié)硬質(zhì)碳化物組合物中。在一些實(shí)施例中，硬顆粒相以燒結(jié)硬質(zhì)碳化物組合物的至少80重量％或至少85重量％的量存在。如本文所述，硬顆粒相包括碳化鎢(WC)。硬顆粒相的碳化鎢可以具有不違背本發(fā)明目的的任何粒度。例如，碳化鎢可具有0.1μm至10μm或0.5μm至5μm的平均粒度。粒度可根據(jù)線性截取過程來測定。在一些實(shí)施例中，碳化鎢構(gòu)成整個硬顆粒相。作為另外一種選擇，除了碳化鎢以外，硬顆粒相包含一種或多種金屬碳化物、碳氮化物和/或氮化物。在一些實(shí)施例中，硬顆粒相包含碳化鎢以及鈦、鈮、釩、鉭、鉻、鋯和/或鉿的一種或多種碳化物、碳氮化物和/或氮化物。燒結(jié)硬質(zhì)碳化物組合物還包含鈷基金屬粘結(jié)劑。鈷基金屬粘結(jié)劑可以不違背本發(fā)明目的的任何量存在于燒結(jié)硬質(zhì)碳化物組合物中。鈷基金屬粘結(jié)劑可以燒結(jié)硬質(zhì)碳化物組合物的1重量％至30重量％的量存在。在一些實(shí)施例中，鈷基金屬粘結(jié)劑以選自表I的量存在于燒結(jié)硬質(zhì)碳化物組合物中。表I–Co基金屬粘結(jié)劑的量(重量％)1-205-205-1510-1512-14如本文所述，鈷基金屬粘結(jié)劑包含立方鈷鉬固溶體相。與鈷形成固溶體相的鉬可大致以金屬粘結(jié)劑的0.1至12重量％的量存在。在一些實(shí)施例中，鉬以選自表II的量存在于金屬粘結(jié)劑中。表II–金屬粘結(jié)劑中的Mo的量(重量％)0.5-101-92-85-10在一些實(shí)施例中，鈷基金屬粘結(jié)劑還包含鈷貴金屬固溶體相。例如，鈷貴金屬固溶體相的貴金屬可選自由釕、錸、銠、鉑、鈀以及它們的組合構(gòu)成的組。與鈷鉬固溶體相的立方晶體結(jié)構(gòu)相比，鈷貴金屬固溶體相可表現(xiàn)出六方晶體結(jié)構(gòu)。在一些實(shí)施例中，貴金屬含量在金屬粘結(jié)劑的0.1至10重量％或0.3重量％至7重量％的范圍內(nèi)。如以下例子中所述，燒結(jié)硬質(zhì)碳化物組合物可表現(xiàn)出期望的耐磨性，而沒有斷裂韌度的有害損失。一般來講，根據(jù)用于測定硬材料的高應(yīng)力耐磨性的ASTMB611標(biāo)準(zhǔn)測試方法，本文所述的燒結(jié)硬質(zhì)碳化物組合物具有2至12krevs/cm3的耐磨性。此外，根據(jù)用于硬質(zhì)碳化物的短桿斷裂韌度的ASTMB771標(biāo)準(zhǔn)測試方法，本文所述的燒結(jié)硬質(zhì)碳化物組合物還可表現(xiàn)出大致在5至25ksi(in)1/2范圍內(nèi)的斷裂韌度。在若干特定實(shí)施例中，本文所述的燒結(jié)硬質(zhì)碳化物組合物具有根據(jù)表III的耐磨性和斷裂韌度的組合。表III–燒結(jié)硬質(zhì)碳化物特性另外，燒結(jié)硬質(zhì)碳化物組合物可具有14-15g/cm3的密度。例如，燒結(jié)硬質(zhì)碳化物可具有14.1-14.6g/cm3的密度。另外，本文所述的燒結(jié)硬質(zhì)碳化物組合物可不含或基本上不含低級碳化物相，包括η相[(CoW)C]、W2C和/或W3C。本文所述的燒結(jié)硬質(zhì)碳化物組合物可形成為各種工裝。在一些實(shí)施例中，地下鉆探或采礦工裝以及/或者切削元件的切削刀片、鉆頭和/或按鈕由燒結(jié)硬質(zhì)碳化物組合物形成。另外，用于加工金屬或合金的切削刀片可由本文所述的燒結(jié)硬質(zhì)碳化物組合物形成。另外，斷續(xù)切削工裝，諸如鉆頭、端銑刀和/或銑削刀片可由本文所述的燒結(jié)硬質(zhì)碳化物組合物形成。在一些實(shí)施例中，鉆頭和/或端銑刀可為固體碳化物，該碳化物為本文所述的燒結(jié)硬質(zhì)碳化物組合物。另外，本文所述的燒結(jié)硬質(zhì)碳化物組合物可與多晶金剛石(PCD)組分混合。例如，本文所述的燒結(jié)硬質(zhì)碳化物組合物可用作基底或支撐件，PCD在高溫、高壓過程中燒結(jié)到其上。在此類實(shí)施例中，PCD層可提供增強(qiáng)的耐磨性，從而導(dǎo)致采用本文所述的燒結(jié)硬質(zhì)碳化物組合物的切削元件和/或耐磨零件的壽命的增加。燒結(jié)硬質(zhì)碳化物組合物和相關(guān)聯(lián)的工裝可通過粉末冶金技術(shù)形成。例如，制備燒結(jié)硬質(zhì)碳化物切削工具的方法包括提供包含粉末金屬粘結(jié)劑組分的等級粉末組合物和包含碳化鎢的硬顆粒組分。等級粉末組合物形成為生坯制品，并且將生坯制品燒結(jié)以提供燒結(jié)硬質(zhì)碳化物切削工具。在一些實(shí)施例中，等級粉末組合物通過混合碳化鎢顆粒和粉末金屬粘結(jié)劑來提供。用于等級粉末組合物中的粉末金屬粘結(jié)劑的量可選自本文中的表I。在一些實(shí)施例中，碳化鉬粉末(Mo2C)與鈷粉末混合以提供粉末金屬粘結(jié)劑。可將Mo2C以與提供選自本文中的表II的金屬粘結(jié)劑中的鉬含量相應(yīng)的量添加到鈷粉末中。例如，Mo2C可以粉末金屬粘結(jié)劑的1至15重量％的量存在。如本文所述，一種或多種貴金屬也可為金屬粘結(jié)劑的一部分。在此類實(shí)施例中，可將粉末貴金屬添加到粉末鈷和粉末Mo2C。由碳化鎢顆粒和粉末金屬粘結(jié)劑組成的所得混合物可在球磨機(jī)或磨碎機(jī)中進(jìn)行研磨?；旌衔锏难心タ僧a(chǎn)生涂覆有粉末金屬粘結(jié)劑的碳化鎢顆粒。等級粉末形成或固結(jié)成生坯制品以準(zhǔn)備用于燒結(jié)。可采用不違背本發(fā)明目的的任何固結(jié)方法。例如，等級粉末可被模制、擠出或壓制成生坯制品。在若干特定實(shí)施例中，等級粉末可被丸壓或冷等靜壓制成生坯制品。生坯制品可采取坯料的形式，或者可假設(shè)所需切削元件(包括切削刀片、鉆頭或端銑刀)的接近網(wǎng)狀形式。在一些實(shí)施例中，生坯制品可機(jī)械加工以提供所需形狀。生坯制品隨后被燒結(jié)以提供由燒結(jié)硬質(zhì)碳化物形成的切削元件。生坯制品可被真空燒結(jié)或者在氬或氫/甲烷氣氛下燒結(jié)。在真空燒結(jié)期間，將生坯件放置在真空爐中并且在1320℃至1500℃的溫度下燒結(jié)。在一些實(shí)施例中，將熱等靜壓(HIP)加入到真空燒結(jié)過程。熱等靜壓可作為燒結(jié)后操作或在真空燒結(jié)期間實(shí)施，從而產(chǎn)生燒結(jié)-HIP過程。所得燒結(jié)硬質(zhì)碳化物表現(xiàn)出上述耐磨性和斷裂韌度值，包括表II中提供的值。與若干之前的方法相比，在燒結(jié)操作期間不需要添加碳來控制碳勢。在等級粉末組合物的燒結(jié)或燒結(jié)-HIP期間，鉬從碳化物中釋放并且與鈷形成立方固溶體相。Co-Mo立方固溶體相的形成可將Mo2C耗盡到足夠低的水平，使得在燒結(jié)硬質(zhì)碳化物組合物的XRD中未檢測到Mo2C。在一些實(shí)施例中，Mo2C不存在于燒結(jié)硬質(zhì)碳化物組合物中。存在于等級粉末中的貴金屬也與鈷形成一種或多種固溶體相。鈷貴金屬固溶體相可表現(xiàn)出六方晶體結(jié)構(gòu)。這些和其他實(shí)施例通過以下非限制性實(shí)例進(jìn)一步說明。實(shí)例1–燒結(jié)硬質(zhì)碳化物組合物具有表IV中提供的成分參數(shù)的等級粉末通過以下方式制備：混合WC、Co、Mo2C、碳和石蠟粉末，并且球磨24小時以形成均勻粉末共混物。將粉末漿料在真空中干燥以去除庚烷。使用20,000psi的壓實(shí)壓力將干燥粉末固結(jié)成坯料，并且在過壓燒結(jié)爐中燒結(jié)(燒結(jié)-HIP)。將壓實(shí)件或生坯件在75-200SCFH的H2流率下在200℃和450℃之間脫蠟。在1000℃下施加CH4(0.5-5SCFH)和H2(175-250SCFH)的流200-250分鐘，然后在1400℃的最終溫度下在250psi的氬氣壓力下燒結(jié)75-100分鐘。測試試樣由燒結(jié)坯料制備，并且斷裂韌度和耐磨性如下所述測定。表IV–等級粉末組合物燒結(jié)硬質(zhì)碳化物組合物的特性在表V中詳述。表V–燒結(jié)硬質(zhì)碳化物特性表V的燒結(jié)硬質(zhì)碳化物的光學(xué)顯微圖分別在圖1-圖6中提供。另外，表V的燒結(jié)硬質(zhì)碳化物的XRD在圖7-圖12中提供。如圖7-圖12所示，每種燒結(jié)硬質(zhì)碳化物組合物的金屬粘結(jié)劑表現(xiàn)出立方鈷鉬固溶體相。此外，燒結(jié)硬質(zhì)碳化物組合物1-4也采用金屬粘結(jié)劑相中的貴金屬(Ru、Re)。釕和錸均與鈷形成固溶體相，Co-Ru和Co-Re表現(xiàn)出六方晶體結(jié)構(gòu)，如圖7-圖10所證實(shí)。隨后針對耐磨性和斷裂韌度對燒結(jié)硬質(zhì)碳化物組合物進(jìn)行測試。對于表V的每種燒結(jié)硬質(zhì)碳化物組合物進(jìn)行兩個磨損測試和三個斷裂測試。根據(jù)ASTMB611測定耐磨性值，并且根據(jù)ASTMB771測定斷裂韌度值。測試的結(jié)果在表VI和表VII中提供。表VI–燒結(jié)硬質(zhì)碳化物耐磨性表VII–燒結(jié)硬質(zhì)碳化物斷裂韌度如圖13所示，相對于先前商業(yè)等級的燒結(jié)硬質(zhì)碳化物的耐磨性和斷裂韌度繪制本發(fā)明實(shí)例的燒結(jié)硬質(zhì)碳化物1-6的耐磨性和斷裂韌度。本發(fā)明實(shí)例的燒結(jié)硬質(zhì)碳化物組合物顯示出增強(qiáng)的耐磨性，而沒有斷裂韌度的顯著損失。與此相比，先前商業(yè)等級的燒結(jié)硬質(zhì)碳化物表現(xiàn)出增加的耐磨性所換來的斷裂韌度的顯著減小。針對實(shí)現(xiàn)本發(fā)明多個目的，已描述了本發(fā)明的多個實(shí)施例。應(yīng)當(dāng)認(rèn)識到，這些實(shí)施例僅示例性地說明本發(fā)明的原理。在不脫離本發(fā)明精神和范圍的情況下，其多種修改和變更對于本領(lǐng)域技術(shù)人員而言將是顯而易見的。當(dāng)前第1頁1 2 3