燒結(jié)碳化物材料及其制備方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本公開涉及一種例如用于合成金剛石或C-BN或者制造多晶金剛石或C-BN用的高 壓部件的燒結(jié)碳化物材料，及其制備方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 公知的是，用于金剛石合成和多晶金剛石（P⑶）生產(chǎn)的高壓高溫（HPHT)部件（包 括砧座和模具）的燒結(jié)碳化物受到高的壓力、溫度和負載。這種不利條件導(dǎo)致其變形，并且 如果變形超過一定水平時，HPHT部件失效。在這一方面，很重要的是燒結(jié)碳化物材料具有 高水平的楊氏模量，以減少在高壓力下的變形，從而提高HPHT部件的變形抵抗性和壽命。
[0003] 因此，需要用于制造高壓高溫部件的燒結(jié)碳化物材料，所述部件具有改進的變形 抵抗性以及高的斷裂韌性和強度。
[0004] 發(fā)明概述
[0005] 從第一方面看，提供了一種包含WC、Co和Re的燒結(jié)碳化物材料，其中：
[0006] 所述燒結(jié)碳化物材料包含約3至約10重量％的Co和約0. 5至約8重量％的Re ;
[0007] 燒結(jié)碳化物材料的等效總碳（ETC)含量相對于WC為約6. 3重量％至約6. 9重 量％ ;
[0008] 燒結(jié)碳化物材料基本上不含n相和游離碳。
[0009] 從第二方面看，提供了一種多晶超硬結(jié)構(gòu)，包含：
[0010] 包含以上定義的燒結(jié)碳化物材料的基材；和
[0011] 沿界面接合到基材的多晶超硬材料本體。
[0012] 從第三方面看，提供了一種適用于鉆進土中的旋轉(zhuǎn)鉆頭的刀具，該刀具包含含有 如上所定義的燒結(jié)碳化物材料的基材，該基材接合到多晶超硬材料本體。
[0013] 從第四方面看，提供了一種PCD元件，其用于鉆進土中的旋轉(zhuǎn)剪切鉆頭（shear bit)，用于沖擊轉(zhuǎn)頭或者用于瀝青降解或采礦的鎬，該PCD元件包含接合到如上所定義的 燒結(jié)碳化物材料本體的超硬多晶材料本體。
[0014] 從第五方面看，用于鉆進土中的鉆頭或鉆頭部件，包含如上定義的P⑶元件。
[0015] 從第六方面看，提供了生產(chǎn)如上定義的燒結(jié)碳化物材料的方法，該方法包括：
[0016] 研磨燒結(jié)碳化物混合物，該燒結(jié)碳化物混合物含有WC和碳、以及Re、Co、Ni和/或 Fe和任選的晶粒生長抑制劑，所述晶粒生長抑制劑包含V、Cr、Ta、Ti、Mo、Zr、Nb和Hf或其 碳化物中的一種或多種；
[0017] 從混合物壓制燒結(jié)碳化物制品；
[0018] 在高于約1450°C的溫度下在真空中燒結(jié)該制品約1到10分鐘，且在Ar (HIP)壓力 下燒結(jié)約5到120分鐘；和
[0019] 將所述制品從燒結(jié)溫度冷卻到約1300攝氏度（°C )。
[0020] 從第七方面看，提供了一種再利用如上所定義的燒結(jié)碳化物材料的方法，該方法 包括：在保護氣氛中與液體Zn熔化碳化物材料，使Zn蒸發(fā)以形成所得產(chǎn)物；和研磨所得到 的產(chǎn)物從而從該產(chǎn)物回收Re。
[0021] 從第八方面看，提供了一種再利用如上所定義的燒結(jié)碳化物材料的方法，該方法 包括：使燒結(jié)碳化物材料經(jīng)受酸浸出混合物以從燒結(jié)碳化物材料除去粘合劑相；和從除去 的粘合劑相化學(xué)回收Co和Re。
[0022] 從第九方面看，提供了一種再利用如上所定義的燒結(jié)碳化物材料的方法，該方法 包括燒結(jié)碳化物材料的氧化以溶解碳化物、Re和Co,和回收Re。
[0023] 從第十方面看，提供了一種在高壓部件中使用燒結(jié)碳化物材料用于合成金剛石或 c-BN或者制造多晶金剛石或c-BN的用途，所述高壓部件在高于5GPa的壓力和高于1100°C 的溫度下操作，其中所述燒結(jié)碳化物材料包含：
[0024] -種或多種金屬的碳化物，其為第二碳化物相的形式，或溶于所述材料中的粘合 劑相，所述一種或多種金屬包含Ti、V、Cr、Mn、Zr、Nb、Mo、Hf和/或Ta ;
[0025] 約0. 5至約8重量％的Re和約3至約10重量％的Co;
[0026] 燒結(jié)碳化物材料的等效總碳（ETC)含量相對于WC為約6. 3重量％至約6. 9重量％
[0027] 該燒結(jié)碳化物材料基本上不含n相和游離碳。
【附圖說明】
[0028] 現(xiàn)在參照附圖以舉例的方式描述實施方案，在附圖中：
[0029] 圖1是根據(jù)第一實施例和包含WC-Co-Re的燒結(jié)碳化物材料的SEM圖；
[0030] 圖2是圖1的WC-Co-Re燒結(jié)碳化物材料的EBSD圖；和
[0031] 圖3是示出常規(guī)的WC-Co燒結(jié)碳化物材料的顯微組織的EBSD圖。 具體實施方案
[0032] 眾所周知，相對于常規(guī)的WC - Co材料的WC，等效總碳（ETC)含量介于約6. 0和 6. 3 重量％之間。[參見例如〃Exner H.，Gurl 和 J. A review of parameters influencing some mechanical propert ies of tungsten carbide - cobalt alloy. Powder Met， 13(1970) 13-31)'， 和 I. Konyashin，S. Hlawatschek，B. Ries，F(xiàn). Lachmann，T. Weirich， F. Dorn,A. Sologubenko on the^Mechanism of WC Coarsening in WC-Co Hardmetals with Various Carbon Contents"， International Journal of Refractory Metals 和 Hard Materials，27 (2009) 234-243〃]。當(dāng)碳含量比該范圍的碳含量低或高時，附加相（例如n 相或游離碳）出現(xiàn)在碳化物顯微組織中，導(dǎo)致WC-Co材料的機械性能例如壓縮強度、橫向斷 裂強度和斷裂韌性的顯著下降。
[0033] 現(xiàn)已令人驚奇地認識到，如果WC-Co-Re燒結(jié)碳化物具有顯著增加碳含量，其對應(yīng) 于等效總碳（ETC)含量相對于WC為6. 3重量％至6. 9重量％，其機械性能如壓縮強度、橫 向斷裂強度、硬度、斷裂韌性和熱硬度可得到顯著改善。
[0034] 雖然不希望受理論束縛，但對此的一個可能原因也許是在這樣的材料中的 WC-Co-Re燒結(jié)碳化物的粘合劑相中存在殘余壓應(yīng)力。
[0035] 根據(jù)關(guān)于WC-Co燒結(jié)碳化物中的殘余應(yīng)力的許多出版物，在WC-Co中的粘合劑相 總是在高的殘余拉應(yīng)力下，導(dǎo)致常規(guī)WC-Co材料的降低的硬度和斷裂韌性的組合[參見例 如Mari D，Clausen B，Bourke M A M，Buss K 的題為"Measurement of res idual thermal stressinWC_Cobyneutrondiffraction"的出版物，Int.J.RefractoryMet.Hard Mater.，2009 ;27:282-287"，KrawitzA D，VenterA M，DrakeEF，LuyckxSB，ClausenB 的題為''PhaseresponseinWC-Nitocycliccompressiveloading和 itsrelationto roughness〃的出版物，Int.J.RefractoryMet.HardMater.，2009;27:313-316" 和 Coats D I，KrawitzA D 的題為"Effectofparticlesizeonthermalresidualstressin WC-Cocomposites〃的出版物，Mater.Sci.Engin.，2003 ;A359:338-342"]。
[0036] 如本文所使用的，"超硬材料"是具有至少約25GPa的維氏硬度的材料。金剛石和 立方氮化硼（cBN)的材料是超硬材料的例子。
[0037] 如本文所使用的，"超硬結(jié)構(gòu)"是指包括多晶超硬材料或超硬復(fù)合材料，或包含接 合到燒結(jié)碳化物基材的多晶超硬材料和超硬復(fù)合材料的結(jié)構(gòu)。
[0038] 如本文所用的，多晶金剛石（P⑶）是包含大量金剛石晶粒的PCS材料，其顯著部分 直接互相結(jié)合，并且其中金剛石的含量為材料的至少約80體積％。在PCD材料的一個實施 方案中，金剛石晶粒之間的間隙可以至少部分地填充有包含用于金剛石的催化劑的粘合劑 材料。如本文所使用的，"間隙"或"間隙區(qū)域"是PCD材料的金剛石晶粒之間的區(qū)域。在 PCD材料的實施方案中，間隙或間隙區(qū)域可以基本上或部分地填充有金剛石以外的材料，或 者它們可以是基本上空的。PCD材料的實施方案可包含至少一個區(qū)域，由此已從間隙中去除 催化劑材料，留下金剛石晶粒之間的間隙空隙。
[0039] 如本文所用，多晶立方氮化硼（PCBN)材料是包含大量分散在耐磨基體內(nèi)的cBN晶 粒的PCS材料，該耐磨基體可以包含陶瓷或金屬材料，或兩者，并且其中cBN的含量是材料 的至少約50體積％。在PCBN材料的一些實施方案中，cBN晶粒的含量為至少約60體積％， 至少約70體積％或至少約80體積％。超硬材料的實施方案可包含分散在硬基體中的超硬 材料晶粒，其中硬基體優(yōu)選包含陶瓷材料作為主要成分，且優(yōu)選陶瓷材料選自碳化硅、氮化 鈦和碳氮化鈦。
[0040] 參考圖1和圖2中，燒結(jié)碳化物材料包含大量硬質(zhì)材料的晶粒，所述硬質(zhì)材料的晶 粒包含碳化