高韧性耐磨复合材料及其制造方法技术

本发明专利技术涉及一种复合耐磨部件及其制造方法。所述方法包括：通过调整材料中磷的比例来设定９００℃至１０８０℃的合适的烧结温度，其中，所述材料包含含有金刚石微粒和ＷＣ微粒的硬质微粒、含磷（Ｐ）的铁族金属粘合剂和分散并单独存在的铜；和在所述材料上进行热压烧结或放电烧结。复合耐磨部件包含含有硬质微粒（包括金刚石微粒和ＷＣ微粒）、含磷的铁族金属粘合剂和铜的材料。所述磷的含量相对于ＷＣ微粒和粘合剂的总量为０．０１至１．０重量％。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种具有高硬度和密度并包含超硬微粒(如金刚石微粒或立方氮化 硼(CBN)微粒)的复合耐磨部件，更特别地，本专利技术涉及具有良好的耐热冲击和压力冲击性 能的复合耐磨部件及其制造方法。
技术介绍
由于具有高韧性和耐磨性，硬质金属通常被用作石油钻探中的耐磨工具。最近，经 常使用在甚高压高温下将金刚石复合材料加入到硬质金属得到的复合材料(如多晶金刚 石复合片(compacts) (PDC))。在甚高压高温下制造这些含有金刚石微粒的烧结复合片。然而，最近研究了在低 压而非高压下生产金刚石、碳化钨(WC)和铁金属的烧结复合片的方法(JP-B2-3309897和 W02006-080302A1 (美国专利 7，637，981))。但是，无论是甚高压下制造PDCs或低压下制造金刚石复合材料，所有的金刚石复 合材料都存在一个根本问题可能因热或压力冲击而出现裂纹或缺陷。为了克服这个问题，已经进行了各种尝试(美国专利5，119，714、美国专利 4，604，106、美国专利4，525，178、美国专利4，694，918和JP-A-9-194909)。虽然已经取得 了一些效果，但是在这些文件中公开的专利技术还没有提供基本手段，其对于接合处的应力具 有许多对策，并通过加强材料本身来防止由冲击造成的形变的产生和扩散。
技术实现思路
所有的用于石油钻头的WC基金刚石复合材料在经过严重的磨损和对抗岩石的冲 击之后会产生微裂纹，且微裂纹的扩散和扩大会导致脱落。此外，由于地热和与岩石摩擦产 生的摩擦热，复合材料会发生膨张，因此应力会在复合材料中积聚并产生裂纹。因此，使用复合材料需要仔细注意。如果复合材料不采用用于防止裂纹生成和扩散的韧性材料，它们不能可靠地用于 严重冲击发生的地方，如石油钻探。更换遭破损的工具(如石油钻头)需要大量的成本和时 间。即使在制造这样的钻头的过程中，当钎焊金刚石复合材料时，产生裂纹也是一个麻烦。 由于这些情况，强烈需要提供能够高度耐受压力和热冲击的韧性金刚石复合材料。本专利技术主要涉及使金刚石复合耐磨部件具有高度耐受压力和热冲击的性能。本专利技术注意到金属铜的延展性和热传导性。具体而言，当将金属铜分散和层压成 复合材料时，铜的导热性会防止部件的局部加热，铜的延展性会吸收冲击力。因此，即使出 现裂纹，其扩散也可被预防。此外，使用时铜优先被磨损，因此，形成刀刃以提高钻探效率。此外，本专利技术人注意到以下事实由于铜的存在，钎焊性(brazability)得到改業口 ο同时，WC基合金的烧结温度一般是1300°C或更高，且铜具有1083°C的熔点。这样 一来，当金属铜分散并烧结时，铜溶解并分散到WC基复合材料中，因此极大地软化WC接合处而不能产生原有的特性。这样，不可能将铜分散到硬质金属中。相比之下，日本专利申请2005-016581 (WO 2006-080302A1)提出的复合材料具有 iioo°c或更低的低温烧结的特性。铜与铁不同，在于它不会由于与碳合金化而降低熔点。此外，铜几乎不受磷的影 响，与磷反应后只是略微降低其熔点。在本专利技术的一个方面，金属铜与粉末混合并分散在粉末中，用于烧结包含WC作为 主要成分并使用含磷的铁族金属作为粘合剂的金刚石复合材料，且通过典型的热压方法烧 结混合物。结果发现当在1050°C、300kg/cm2和30分钟的条件下进行混合时，铜不溶解且 保持金属铜的状态。烧结终止后，在加压的情况下冷却烧结的复合材料，因而在伴随温度下降的情况 下会出现金属和复合材料之间的应力。通过继续加压的状态，使铜金属变形，从而释放应 力。因此，可能制造出新的复合材料，其中痕量的铜金属分散到硬质金刚石复合材料中。在本专利技术的另一方面，将铜金属片或网状物嵌入金刚石复合材料，以便具有层状 结构，然后再经过热压烧结。因此，可能制造新的复合材料，其中铜金属片或网状物与金刚 石复合材料具有夹层结构。根据本专利技术，使用铜可以获得两种类型的具有高度耐热和压力冲击的新的金刚石 复合耐磨部件。第一类是铜分散到WC基金刚石复合材料中的复合材料。第二类是其中WC 基金刚石复合材料和铜金属片以夹层结构进行热压烧结的复合材料。一般来说，根据本专利技术，提供了用于钻头的铜分散到其中的金刚石复合材料，和用 于钻头的铜片或网状物与金刚石复合材料层压的全新的金刚石复合材料，并提供了其制造 方法。具体而言，根据本专利技术，制造复合耐磨部件的方法包括以下步骤通过调整材料中 磷的比例来设定900°C至1080°C的合适的烧结温度，其中，所述材料包含含有金刚石微粒 和WC微粒的硬质微粒、含磷(P)的铁族金属粘合剂和分散并单独存在的铜；和在所述材料 上进行热压烧结或放电烧结。此外，根据本专利技术，在制造复合耐磨部件的方法中，所述热压烧结或放电烧结可以 在基础层和包括铜的层层叠后进行，所述基础层包含包括金刚石微粒和WC微粒的硬质微 粒及含磷(P)的铁族金属粘合剂。此外，根据本专利技术，在制造复合耐磨部件的方法中，磷的含量相对于WC微粒和粘 合剂的总量可以为0.01至1.0重量％。此外，根据本专利技术，复合耐磨部件可以包含含有硬质微粒(包括金刚石微粒和WC 微粒)、含磷的铁族金属粘合剂和分散并单独存在的铜的材料，其中磷的含量相对于WC微 粒和粘合剂的总量为0. 01至1. 0重量％。此外，根据本专利技术，复合耐磨部件可以包括含有硬质微粒(包括金刚石微粒和WC 微粒)和含磷的铁族金属粘合剂的基础层和含铜的层，且磷的含量相对于WC微粒和粘合剂 的总量为0.01至1.0重量％。在生产上述复合耐磨部件的方法和复合耐磨部件中，铜可以是例如细线。此外，金刚石微粒可以被cBN微粒取代。4本专利技术具有一个最大的特点，在于金属铜分散到包含超硬微粒(包括金刚石微 粒)和含磷(P)的粘合剂的材料中。调整磷的比例使得包括超硬微粒(含有金刚石微粒) 和含磷的粘合剂的材料的合适的烧结温度的范围为900°c至1080°C，这样使得可以在低温 下进行热压烧结或放电烧结。由于合适的烧结温度低，金刚石微粒的表面不会降解成碳化物层。铜以没有溶解的金属铜的状态保留在WC基金刚石复合材料中，使得它能够良好 地吸收施加在材料上的冲击，从而防止裂纹的产生。如果微裂纹产生，铜金属可以防止微裂 纹的扩大和扩散，因此，裂纹的扩散被金属铜抑制。局部加热被铜的热传导抑制，从而可以 看出，该材料可良好地经受热冲击。冷却效果提高，因而钎焊性极大地提高。此外，铜金属部分受岩石磨损时会快速磨损，从而在WC基金刚石复合材料的表面 形成凹槽或凹面，使得排屑得到改善，从而提高切割效率。如上所述，可以给予对于压力和热冲击的耐性，这是用于钻头的WC基金刚石复合 材料所强烈需要的。通过热压烧结或放电烧结来制造复合耐磨部件。热压烧结是在压力成型过程中在 石墨线圈或冲模上进行感应加热和烧结，放电烧结是在压力成型过程中通过向石墨冲模施 加脉冲电流而进行加热和烧结。设定烧结温度下限为900°C的原因是因为在大约880°C时 在含磷的铁族金属中会出现液相，因此会急剧加速烧结。设定烧结温度上限为1080°C的原 因是因为铜在高于设定温度的温度区域溶解。超硬微粒包括金刚石微粒和WC微粒，粘合剂包括含磷的铁族金属。磷含量相对于 WC和铁族金属的总和为0. 01-2. 0重量％。本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种制造复合耐磨部件的方法，包括：通过调整材料中磷的比例来设定９００℃至１０８０℃的合适的烧结温度，其中，所述材料包含含有金刚石微粒和ＷＣ微粒的硬质微粒、含磷（Ｐ）的铁族金属粘合剂和分散并单独存在的铜；和在所述材料上进行热压烧结或放电烧结。

【技术特征摘要】
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【专利技术属性】
技术研发人员：栗林伸硕，
申请(专利权)人：梯科斯株式会社，
类型：发明
国别省市：JP[日本]