[发明专利]烧结碳化物材料

说明书

提供一种具有改进的抗机械疲劳的烧结碳化物主体。烧结碳化物主体包括在粘结剂基质材料中的钽。钽含量为粘合剂含量的1.5重量％至3.5重量％之间。粘合剂包括具有不超过80nm的平均最大线性尺寸的含钽夹杂物。

技术领域

本公开总体上涉及烧结碳化物材料以及包括该烧结碳化物材料的工具。

背景技术

烧结碳化物材料包括分散在包含诸如钴(Co)、镍(Ni)的金属或金属合金的粘合剂材料内的诸如碳化钨(WC)或碳化钛(TiC)的金属碳化物颗粒。粘合剂相可以被认为将碳化物颗粒作为烧结体粘合在一起。磁性能的测量可以用于间接测量烧结碳化物材料的微观结构和性能方面。磁矫顽力(或简称矫顽力或矫顽性)和磁矩(或磁饱和)可以用于此类目的。

烧结碳化物具有相对高的断裂韧性和硬度，因此被用于利用这些特性的工具。此类工具的示例包括用于道路整平或采矿应用的镐。但是，通常只能以牺牲断裂韧性和强度为代价来提高WC-Co烧结碳化物的硬度和耐磨性(Konyashin，“用于采矿、建筑和磨损部件的烧结碳化物”，综合硬质材料，Elsevier科学技术，2014)。因此，难以同时提高烧结碳化物材料的硬度、耐磨性、断裂韧性和横向断裂强度(TRS)。

改善硬度和断裂韧性两者的一种可能方法是制造具有均匀的微观结构的烧结碳化物，其中包含圆形的WC晶粒。US6,126,709公开了一种这样的烧结碳化物材料，其中微观结构是粗糙的并且非常均匀，包含大的圆形WC晶粒。这种材料的缺点是在大的圆形WC晶粒周围存在非常厚的Co层。厚Co层的特点是低的硬度和耐磨性，因此使用这种材料的工具在岩石切割或凿岩作业中很快就会磨损。这会留下无支撑的WC晶粒，这些晶粒很容易遭受破裂、破坏和脱落，从而导致高磨损率(Konyashin等人，“用于采矿和建筑的具有增强粘结剂的新型超粗硬质金属品级”，难熔金属和硬质材料国际期刊，23(2005)225-232)。

在WO2012/130851A1中提出了一种减轻上述超粗WC-Co材料中的厚Co中间层的低耐磨性的方法。该专利公开了一种烧结碳化物材料，其中粘合剂层被具有根据式Co_xW_yC_z的成分的纳米颗粒硬化和增强。WO2012/130851A1中公开的烧结碳化物材料的特征在于非常低的碳含量，因此具有低磁矩，已知其导致抑制或完全消除通常存在于液相烧结期间初始WC粉末中的细晶粒WC部分的溶解和重结晶(参见Konyashin等人，“关于具有不同含碳量的WC-Co硬质金属中的WC粗化机理”，难熔金属和硬质材料国际期刊，27(2009)234–243)。结果，WO2012/130851A1中公开的烧结碳化物的微观结构的特征在于相对低的均匀性，并且包含在原始超粗WC粉末中存在的许多细晶粒WC部分，这导致它们降低的断裂韧性。

上述文献中公开的烧结碳化物的缺点是它们对机械疲劳的抵抗力低。这意味着它们不能在其会遭受严重机械疲劳的应用中使用，例如在冲击钻探中。现有技术文献中公开的通过W-Co-C纳米颗粒增强粘合剂的方法，包括老化或热处理过程，不能用于广泛使用于例如旋转和冲击钻探的中等晶粒WC-Co烧结碳化物。

发明内容

目的是提供一种具有改进的抗机械疲劳的烧结碳化物材料。

包含碳化钽或以碳化钽为基础的夹杂物的WC-Co烧结碳化物已早为人所知，并且广泛应用于包括采矿和建筑的各种应用中(参见例如(Konyashin，“用于采矿、建筑和磨损部件的烧结碳化物”，综合硬质材料，Elsevier科学技术，2014)。然而，这种烧结碳化物的微观结构几乎例外地包括基于TaC的所谓的“第二碳化物相”的宏观夹杂物(夹杂物大于500nm)，其是混合的(Ta,W)C碳化物，其存在导致横向断裂强度(TRS)和其他机械性能降低。钽或TaC在WC-Co烧结碳化物粘合剂相中的溶解度限度为可忽略地低(约0.1重量％量级或更少，参见例如V.I.Tretyakov，烧结的烧结碳化物的材料科学和生产技术基础，莫斯科，Metalllurgiya，1972)。超过此溶解度限度，无法溶解在Co基粘合剂中的多余量的Ta以第二(Ta,W)C碳化物相的宏观夹杂物形式结晶。