复合材料制造技术

一种复合材料，它包括分散在基体内的选自碳化物、氮化物、碳氮化物、烧结碳化物、烧结氮化物、烧结碳氮化物及其混合物中的多种型芯材料，其中基体包括用于制造超硬材料的组分和适当的粘合剂。（*该技术在2023年保护过期，可自由使用*）

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】
本专利技术涉及复合材料，制造该复合材料的方法和制造工具组件的方法。
技术介绍
利用金刚石坯块(compact)(也称为PCD)，和立方氮化硼坯块(也称为PcBN)的工具组件广泛用于钻探、研磨、切割和其它这种耐磨应用中。工具组件通常包括粘合到支持件，通常烧结(cemented)碳化物支持件上的PCD或PcBN层。PCD或PcBN层可存在锋利的切割边缘或点或切割或耐磨表面。PCD刀具公知且广泛用于钻头技术，作为在空心钻、油气钻探和其它类似应用中使用的钻头中的切割元件。这种刀具通常包括在硬质金属基底上通过高温和高压烧结工艺形成的PCD面。然后或者在延展的支持件上铜焊基底，或者直接在钻头罩(pocket)内铜焊基底，其方式使得PCD面暴露于切割表面下。已知由于PCD性能与基底的那些不匹配导致PCD刀具固有地具有残留应力。在本专利技术上下文中的相关性能是两种材料的热膨胀系数和弹性模量和压缩性。这些应力在界面处尤其显著，但大多数存在于整个刀具中。这些应力倾向于在PCD层内压缩和在基底内拉伸。然而，拉伸应力确实存在于PCD层内，尤其在其中使用非平面界面的情况下。在钻岩工艺过程中，这些应力可与所施加的应力结合，并引起刀具断裂。此外，已知在将刀具连接到钻头上所使用的铜焊工艺过程中，这种应力呈数量级形式增加。这种应力的增加可引起基底的PCD层断裂，甚至在没有施加外应力的情况下。在本领域中已建议各种解决方法来改性PCD刀具内的残留应力，为的是避免这种故障。例如，已公开了以特定的方式构造金刚石面和/或碳化物基底可使应力再分配，以便降低拉伸应力，正如Smith的U.S.专利No.5,351,772和Dennis的U.S.专利No.4,255,165中所述。在Horton的U.S.专利No.5,049,164、Martell等的U.S.专利No.5,176,720、Hall的U.S.专利No.5,304,342和Drake的U.S.专利No.4,398,952中公开了降低残留应力的其它刀具结构。在U.S.专利No.6,220,375中公开了通过背磨(back-grinding)基底、退火，或者通过改变基底的性能来减少残留应力的方法。Hall等的U.S.专利No.4,604,106公开了在PCD基体内使用预烧结碳化物颗粒，为的是在PCD面和碳化物基底之间引入过渡界面。在U.S.专利No.4,525,178中也公开了类似的材料。尽管这一方法得到有效的性能过渡，但它要求通过粉碎制备碳化物颗粒，而粉碎可能是一项昂贵的工艺。此外，已知这种材料碎裂，因为在PCD基体内预烧结的碳化物颗粒的随机布置带来在材料主体内形成各种聚集体的可能性，从而增加其裂纹尺寸并因此降低其强度。U.S.专利No.5,370,195公开了钻头插件，它包括在基底和外部PD层之间布置的许多层。这些中间层基本上是金刚石碳化物的复合物。每一复合物均由与碳化钨或碳化钛或碳氮化钛颗粒混合的单独的金刚石晶体制造。这种材料可用于处理钻头插件内的残留应力，但由于金刚石颗粒对所使用的粘合剂相的粘合差导致拥有较差的强度和韧度。使用界面作为控制在PCD刀具内残留应力的方式要求界面材料具有良好的耐磨性，其耐磨性等于或略差于PCD层，但等于或好于碳化物基底。这一布局确保在切割作用过程中，在PCD面下形成刀刃，这允许在切割点处应力集中，从而确保切割的岩石断裂。若中间层的耐磨性低于碳化物支持件，则中间层的磨耗过大，在切割作用过程中，PCD刀刃将丧失支持并将断裂。若中间层的耐磨性过高，在使用过程中形成的刀刃太窄和切割作用没有得到显著改进。若中间层的耐磨性太低，则形成的刀刃太深和PCD层没有被提供充分的支持和切割边缘过早出现故障。因此，在PCD、中间层的耐磨性与基底的耐磨性之间存在最佳关系。U.K.专利No.2,326,655公开了在碳化物表层内使用PCD颗粒。然后使用这些颗粒制造具有良好耐磨性和韧度的材料，所述材料适于作为磨耗部件或作为界面材料。这种材料依赖于在碳化物相内生成的拉伸应力引起在贯穿这一相内形成龟裂，从而改进该材料的断裂韧度。为了确保裂纹确实在贯穿碳化物相中形成，所选颗粒被细粒化且相对较脆。因此，不可能获得韧度方面大的改进。专利技术概述根据本专利技术的一方面，复合材料包括分散在基体内的选自碳化物、氮化物、碳氮化物(carbonitride)、烧结碳化物、烧结氮化物、烧结碳氮化物及其混合物中的多种型芯(core)材料，其中基体包括用于制造超硬材料的组分和适当的粘合剂。超硬材料本质上(in nature)是多晶材料和典型地为PCD或PcBN。典型地以单独的颗粒或以粒状形式提供型芯。根据本专利技术进一步的方面，生产以上所述的复合材料的方法包括下述步骤(i)提供选自碳化物、氮化物、碳氮化物、烧结碳化物、烧结氮化物、烧结碳氮化物及其混合物中的多种型芯材料；(ii)提供用于制造超硬材料的组分和适当的粘合剂；和(iii)固结型芯、所述组分和粘合剂，生产复合材料。根据本专利技术又一方面，生产工具组件的方法包括下述步骤(i)提供基底；(ii)提供如上所述的复合材料；(iii)在基底表面上放置复合材料层，生产未粘结的组件；和(iv)使未粘结的组件经历适于生产超硬材料的升高的温度和压力的条件。根据本专利技术又一方面，生产工具组件的方法包括下述步骤(i)提供基底；(ii)提供如上所述的复合材料；(iii)在基底表面上放置复合材料层；(iv)在复合材料层上放置用于制造超硬材料的组分层，生产未粘结的组件；和(v)使未粘结的组件经历升高的温度和压力的条件，由该组件生产超硬材料。型芯典型地以用制造超硬材料的组分和粘合剂涂布的颗粒形式提供。该颗粒可进一步用第二涂层涂布，所述第二涂层包括选自碳化物、氮化物、碳氮化物、烧结碳化物、烧结氮化物、烧结碳氮化物及其混合物中的材料，或用于制造等级不同于第一涂层的等级的超硬材料的组分。该复合材料可以是模塑的复合材料，其具有复合材料置于其上的基底表面的形状和/或超硬材料层的表面形状。关于这一点，可以以适当的形式预浇铸复合材料或者就地模塑该复合材料。复合材料典型地具有硬质材料的蜂窝结构和粘结到该蜂窝结构上的蜂窝结构的孔隙内的型芯。蜂窝结构的孔隙可以有序或无规。生产超硬材料必须的组分可包括许多超硬磨料颗粒和任选地含粒状形式的用于超硬磨料颗粒的溶剂/催化剂或溶剂/催化剂的前体的第二相。这种组分可包括高温合金，如Nimonic和Stellite合金，和高温铜焊。在步骤(iv)或步骤(v)中的烧结条件，根据具体情况，使得超硬磨料颗粒在晶体学上稳定。在型芯内，和视需要在涂层内的颗粒以适当的粘合剂如有机粘合剂形式提供。这种粘合剂优选在步骤(iv)或(v)的烧结步骤之前除去。适当的粘合剂的实例包括，但不限于樟脑、甲基纤维素和聚乙二醇。可通过例如在有限的空间如模头内施加压力到颗粒上，从而固结多种颗粒。固结的复合材料是半成品状态的(green state)产品，其具有粘合性，但也可通过例如切割而切断。可从固结或粘结的复合材料中切断并除去的坯料具有挠性，和可施加到扁平表面或成型的例如曲线表面上。用于固结颗粒的模头可提供一个或多个成型的冲孔，使得半成品状态的产品具有与它将置于其上的基底的形状互补的至少一个表面。在此情本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】

【专利技术属性】
技术研发人员：I·西格拉斯，G·J·戴维斯，M·S·马塞特，R·A·查普曼，
申请(专利权)人：六号元素控股公司，
类型：发明
国别省市：