[发明专利]高韧性耐磨复合材料及其制造方法

说明书

技术领域

本发明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，本发明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。

背景技术

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WO2006-080302A1(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发明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。

发明内容

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。

本发明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。

本发明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，本发明人注意到以下事实：由于铜的存在，钎焊性(brazability)得到改善。

同时，WC基合金的烧结温度一般是1300℃或更高，且铜具有1083℃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1100℃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。

在本发明的一个方面，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℃、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。

在本发明的另一方面，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。

根据本发明，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，根据本发明，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。