專利名稱：復合材料的制作方法
技術領域：
本發明涉及復合材料，制造該復合材料的方法和制造工具組件的方法。
背景技術：
利用金剛石坯塊(compact)(也稱為PCD)，和立方氮化硼坯塊(也稱為PcBN)的工具組件廣泛用于鉆探、研磨、切割和其它這種耐磨應用中。工具組件通常包括粘合到支持件，通常燒結(cemented)碳化物支持件上的PCD或PcBN層。PCD或PcBN層可存在鋒利的切割邊緣或點或切割或耐磨表面。
PCD刀具公知且廣泛用于鉆頭技術，作為在空心鉆、油氣鉆探和其它類似應用中使用的鉆頭中的切割元件。這種刀具通常包括在硬質金屬基底上通過高溫和高壓燒結工藝形成的PCD面。然后或者在延展的支持件上銅焊基底，或者直接在鉆頭罩(pocket)內銅焊基底，其方式使得PCD面暴露于切割表面下。
已知由于PCD性能與基底的那些不匹配導致PCD刀具固有地具有殘留應力。在本發明上下文中的相關性能是兩種材料的熱膨脹系數和彈性模量和壓縮性。這些應力在界面處尤其顯著，但大多數存在于整個刀具中。這些應力傾向于在PCD層內壓縮和在基底內拉伸。然而，拉伸應力確實存在于PCD層內，尤其在其中使用非平面界面的情況下。在鉆巖工藝過程中，這些應力可與所施加的應力結合，并引起刀具斷裂。
此外，已知在將刀具連接到鉆頭上所使用的銅焊工藝過程中，這種應力呈數量級形式增加。這種應力的增加可引起基底的PCD層斷裂，甚至在沒有施加外應力的情況下。
在本領域中已建議各種解決方法來改性PCD刀具內的殘留應力，為的是避免這種故障。例如，已公開了以特定的方式構造金剛石面和/或碳化物基底可使應力再分配，以便降低拉伸應力，正如Smith的U.S.專利No.5,351,772和Dennis的U.S.專利No.4,255,165中所述。在Horton的U.S.專利No.5,049,164、Martell等的U.S.專利No.5,176,720、Hall的U.S.專利No.5,304,342和Drake的U.S.專利No.4,398,952中公開了降低殘留應力的其它刀具結構。在U.S.專利No.6,220,375中公開了通過背磨(back-grinding)基底、退火，或者通過改變基底的性能來減少殘留應力的方法。
Hall等的U.S.專利No.4,604,106公開了在PCD基體內使用預燒結碳化物顆粒，為的是在PCD面和碳化物基底之間引入過渡界面。在U.S.專利No.4,525,178中也公開了類似的材料。盡管這一方法得到有效的性能過渡，但它要求通過粉碎制備碳化物顆粒，而粉碎可能是一項昂貴的工藝。此外，已知這種材料碎裂，因為在PCD基體內預燒結的碳化物顆粒的隨機布置帶來在材料主體內形成各種聚集體的可能性，從而增加其裂紋尺寸并因此降低其強度。
U.S.專利No.5,370,195公開了鉆頭插件，它包括在基底和外部PD層之間布置的許多層。這些中間層基本上是金剛石碳化物的復合物。每一復合物均由與碳化鎢或碳化鈦或碳氮化鈦顆粒混合的單獨的金剛石晶體制造。這種材料可用于處理鉆頭插件內的殘留應力，但由于金剛石顆粒對所使用的粘合劑相的粘合差導致擁有較差的強度和韌度。
使用界面作為控制在PCD刀具內殘留應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層，但等于或好于碳化物基底。這一布局確保在切割作用過程中，在PCD面下形成刀刃，這允許在切割點處應力集中，從而確保切割的巖石斷裂。若中間層的耐磨性低于碳化物支持件，則中間層的磨耗過大，在切割作用過程中，PCD刀刃將喪失支持并將斷裂。若中間層的耐磨性過高，在使用過程中形成的刀刃太窄和切割作用沒有得到顯著改進。若中間層的耐磨性太低，則形成的刀刃太深和PCD層沒有被提供充分的支持和切割邊緣過早出現故障。因此，在PCD、中間層的耐磨性與基底的耐磨性之間存在最佳關系。
U.K.專利No.2,326,655公開了在碳化物表層內使用PCD顆粒。然后使用這些顆粒制造具有良好耐磨性和韌度的材料，所述材料適于作為磨耗部件或作為界面材料。這種材料依賴于在碳化物相內生成的拉伸應力引起在貫穿這一相內形成龜裂，從而改進該材料的斷裂韌度。為了確保裂紋確實在貫穿碳化物相中形成，所選顆粒被細粒化且相對較脆。因此，不可能獲得韌度方面大的改進。
發明概述根據本發明的一方面，復合材料包括分散在基體內的選自碳化物、氮化物、碳氮化物(carbonitride)、燒結碳化物、燒結氮化物、燒結碳氮化物及其混合物中的多種型芯(core)材料，其中基體包括用于制造超硬材料的組分和適當的粘合劑。
超硬材料本質上(in nature)是多晶材料和典型地為PCD或PcBN。
典型地以單獨的顆粒或以粒狀形式提供型芯。
根據本發明進一步的方面，生產以上所述的復合材料的方法包括下述步驟(i)提供選自碳化物、氮化物、碳氮化物、燒結碳化物、燒結氮化物、燒結碳氮化物及其混合物中的多種型芯材料；(ii)提供用于制造超硬材料的組分和適當的粘合劑；和(iii)固結型芯、所述組分和粘合劑，生產復合材料。
根據本發明又一方面，生產工具組件的方法包括下述步驟(i)提供基底；(ii)提供如上所述的復合材料；(iii)在基底表面上放置復合材料層，生產未粘結的組件；和(iv)使未粘結的組件經歷適于生產超硬材料的升高的溫度和壓力的條件。
根據本發明又一方面，生產工具組件的方法包括下述步驟(i)提供基底；(ii)提供如上所述的復合材料；
(iii)在基底表面上放置復合材料層；(iv)在復合材料層上放置用于制造超硬材料的組分層，生產未粘結的組件；和(v)使未粘結的組件經歷升高的溫度和壓力的條件，由該組件生產超硬材料。
型芯典型地以用制造超硬材料的組分和粘合劑涂布的顆粒形式提供。
該顆粒可進一步用第二涂層涂布，所述第二涂層包括選自碳化物、氮化物、碳氮化物、燒結碳化物、燒結氮化物、燒結碳氮化物及其混合物中的材料，或用于制造等級不同于第一涂層的等級的超硬材料的組分。
該復合材料可以是模塑的復合材料，其具有復合材料置于其上的基底表面的形狀和/或超硬材料層的表面形狀。關于這一點，可以以適當的形式預澆鑄復合材料或者就地模塑該復合材料。
復合材料典型地具有硬質材料的蜂窩結構和粘結到該蜂窩結構上的蜂窩結構的孔隙內的型芯。蜂窩結構的孔隙可以有序或無規。
生產超硬材料必須的組分可包括許多超硬磨料顆粒和任選地含粒狀形式的用于超硬磨料顆粒的溶劑/催化劑或溶劑/催化劑的前體的第二相。這種組分可包括高溫合金，如Nimonic和Stellite合金，和高溫銅焊。
在步驟(iv)或步驟(v)中的燒結條件，根據具體情況，使得超硬磨料顆粒在晶體學上穩定。
在型芯內，和視需要在涂層內的顆粒以適當的粘合劑如有機粘合劑形式提供。這種粘合劑優選在步驟(iv)或(v)的燒結步驟之前除去。適當的粘合劑的實例包括，但不限于樟腦、甲基纖維素和聚乙二醇。
可通過例如在有限的空間如模頭內施加壓力到顆粒上，從而固結多種顆粒。固結的復合材料是半成品狀態的(green state)產品，其具有粘合性，但也可通過例如切割而切斷。可從固結或粘結的復合材料中切斷并除去的坯料具有撓性，和可施加到扁平表面或成型的例如曲線表面上。用于固結顆粒的模頭可提供一個或多個成型的沖孔，使得半成品狀態的產品具有與它將置于其上的基底的形狀互補的至少一個表面。在此情況下，復合材料層存在操作表面或切割邊緣。它的其它表面也可被成型，以容納進一步的層如超硬材料層，或類似復合材料但不同組成，例如超硬材料含量或超硬材料的等級方面不同的另一層，從而呈現出操作表面或切割邊緣。在此情況下，復合材料在基底和切割層之間提供中間層。為了提供性能的漸變，可提供具有不同組成的復合材料的數層中間層。
在由碳化物顆粒形成復合材料的型芯的情況下，這些典型地為碳化鎢顆粒、碳化鈦顆粒、碳化鉭顆粒或碳化鉬顆粒。金屬粘合劑可以是本領域已知的任何金屬粘合劑，如鐵、鎳、鈷或含有這些金屬中的一種或多種的合金。
基底將典型地是燒結碳化物基底。
可通過提供型芯，然后在有機粘合劑存在下，用超硬材料涂布該型芯，從而生產顆粒。可通過流化型芯并在其上噴涂涂料或在淺盤(pan)內造粒，從而進行涂布。
附圖簡述僅僅作為實例，在參考附圖的情況下，更詳細地描述本發明，其中
圖1是在制造本發明的復合材料中使用的顆粒的整個截面；圖2和3圖示了顆粒固結形成本發明的復合材料；圖4是在制造本發明的復合材料中使用的可供替代的顆粒的整個截面；圖5是本發明的工具組件的整個分解截面；圖6是本發明的不規則的涂布顆粒的照片；圖7是本發明的復合材料的照片，該復合材料包括分散在金剛石基體內的WC顆粒；圖8是本發明的復合材料的SEM，該復合材料包括分散在金剛石基體內的WC顆粒；
圖9是本發明的工具組件的第一實施方案的照片；圖10是圖9的工具組件的整個截面的照片；圖11是本發明的工具組件的第二實施方案的照片；圖12是圖11的工具組件的整個截面的照片；和圖13和14是本發明的球形涂布顆粒的照片。
實施方案的說明參考圖1，顆粒10包括型芯12和基本上包圍型芯12的涂層14。所示的顆粒10具有均勻的形狀且是球形。該顆粒不必一定具有這種均勻的形狀，也不需要一定是球形。其它形狀是可能的。為了方便起見，參考碳化物顆粒來描述本發明的這一實施方案。然而，要理解，型芯可包括選自氮化物、碳氮化物、燒結碳化物、燒結氮化物、燒結碳氮化物及其混合物中的其它型芯材料。
型芯12包括碳化物顆粒和粒狀形式的粘合劑金屬的混合物。
涂層14包括超硬磨料顆粒如金剛石或立方氮化硼和任選地粒狀形式的金屬或前體。這種金屬可以是溶劑/催化劑或在所施加的溫度和壓力條件下將燒結的另一金屬。
有機粘合劑如甲基纖維素存在于型芯12和涂層14兩者中和提供型芯12和涂層14兩者以及顆粒10整體粘合性。其它非限制性的有機粘合劑的實例包括樟腦和聚乙二醇。
圖2所示的多個顆粒16，放置在容器18內。將箭頭20方向上的壓力施加到顆粒16上，引起它們固結成圖3所示的復合材料。該復合材料包括多個型芯22，在所述型芯22內是由涂層14生產的基體24。盡管在該實施方案中描述了所謂的單軸壓縮，但可從顆粒16的上方和下方或者等壓施加壓力。
在本發明的可供替代的實施方案中，如圖4所示，顆粒10包括基本上覆蓋涂層14的第二涂層26。涂層26可由與型芯12相同的材料形成，或者它可由與涂層14相同，但等級不同的材料制成，為的是允許性能漸變。
如圖3所示。復合材料中的層或部分28可沿著線30切斷，并從該復合材料中除去。
部分或層28具有撓性，和可放置在表面32上，在此情況下，放置在基底34，優選燒結碳化物基底的不規則表面上，或者放置在基底34與表面36之間的表面32上，在此情況下，放置在磨料層38的不規則表面上，如圖5所示。
圖5的半成品狀態的產品放置在適當的膠囊(capsule)內，用于插入到常規的高溫/高壓裝置的反應區內。通過加熱膠囊，驅走粘合劑，從而首先除去有機粘合劑。然后將膠囊放置在反應區內，和膠囊的內容物經歷升高的溫度和壓力條件，以便超硬磨料不降解。這種條件可以是超硬磨料在晶體學上穩定時的那些條件。這具有從型芯10的材料中生產燒結碳化物和從涂層14的材料中生產磨料坯塊的效果。磨料坯料將粘結到燒結的碳化物上。層28將粘結到基底34的表面32和磨料坯料38的表面36上，從而生產工具組件。
盡管使用涂布的顆粒形成復合材料是優選的，但可使用任何適當的方法，如混合各種組分，條件是型芯分散在所得基體內且不形成聚集體。
可在寬范圍的應用中使用本發明的工具組件，但在鉆頭應用，典型地在輥壓錐形鉆頭和刮刀鉆頭中具有特殊的應用。
根據本發明制造的復合材料相對于以前所述的現有技術的材料具有數種優點。碳化物型芯通過強烈的機械鍵控(keying)排列粘結到PCD基體上，從而克服了單獨的金剛石顆粒較差地粘結到鈷基體上的問題。由于碳化物和PCD之間的失配性能，因此碳化物型芯處于張緊的狀態，而PCD基體處于壓縮狀態。與常規的PCD材料的強度相比，PCD與基體相連遇到的壓縮應力將增加所得材料的強度。碳化物型芯將處于張緊狀態。通過這一材料擴展的裂紋將吸引到這些區域內。若所使用的碳化物等級是尤其堅硬的那種，則在所得材料內這一裂紋的擴展比在常規的PCD內更加困難。通過使用顆粒生成復合碳化物-PCD材料，大大地避免了生成碳化物相的聚集體或PCD的非常大的連續的心皮粘合(fillets)的危險。這便于在這種材料內更嚴格地控制缺陷尺寸，從而確保它們更加可重現的性能。
這些優點的結合提供具有良好韌度、強度和耐磨性的材料。可微調這些關鍵性能到位于基底和PCD的那些之間。通過改變PCD的等級以及這一組分在復合金屬陶瓷內的體積分數，可改變所得復合材料的耐磨性以及彈性性能和熱膨脹系數二者到適于特定的鉆探插件設計目的。
在本發明的復合材料用作中間層的情況下，它便于生產具有厚得多的PCD層的工具組件，這是由于與在常規的工具組件的PCD層與基底之間的界面處高得多的應力相比，在PCD層與中間層之間的界面處降低的應力所致。
實施例參考下述非限制性實施例進一步描述本發明。
實施例1用約5wt％的有機粘合劑制備碳化鎢粉末的溶劑基漿料。WC粉末的尺寸為0-5微米且含有11％的鈷。干燥該漿料并用研缽和杵子粉碎，生產篩分到約200-300微米尺寸的半成品的WC顆粒。將該顆粒放置在淺盤制粒器內并輥壓，同時添加含有機粘合劑的2微米的金剛石粉末的小液滴，進行涂布。WC顆粒對金剛石涂層的體積％為1∶1的比例。圖6描述了涂布的WC顆粒，其中40是WC型芯和42是金剛石涂層。將涂布的半成品顆粒放置在模頭內并壓制成坯塊。圖7的照片和圖8的SEM圖片描述了該坯塊，其中型芯40現分散在由金剛石涂層42形成的金剛石基體42A內。將坯塊放置在含金剛石粉末床的反應小室內并用WC/Co基底覆蓋，為的是生產具有涂布的WC顆粒的中間層的單元。在爐膛內使坯塊排氣并裝載在用于高溫高壓處理的反應膠囊內。處理所得壓制的坯塊、表征并測試磨耗，和發現具有良好的韌度、強度與耐磨性。在圖9的照片中示出了所得夾層工具組件，和在圖10的照片中示出了其截面，其中44是WC基底，46是WC/PCD顆粒夾層和48是PCD面。
實施例2
遵照與實施例1相同的工序，所不同的是顆粒坯塊沒有放置在金剛石粉末床上。所得工具在WC基底52上具有WC/PCD切割面50，如圖11的照片和圖12的照片中的截面所示。
實施例3在實施例1中，不控制WC顆粒的形狀，從而導致不規則形狀的顆粒。由于顆粒可具有任何形狀，因此在用金剛石粉末涂布之前，使實施例3的WC顆粒為球形。通過在制粒器內輥壓不規則形狀的顆粒并添加WC粉末以涂布它們，從而實現球形形狀。然后篩分顆粒實現200-300微米尺寸的粒料。這些顆粒然后用金剛石粉末涂布，并與實施例1一樣壓制坯塊。在示出了WC顆粒54和金剛石涂層56的圖13和14中描述了涂布的金剛石顆粒。
權利要求
1.一種復合材料，它包括分散在基體內的選自碳化物、氮化物、碳氮化物、燒結碳化物、燒結氮化物、燒結碳氮化物及其混合物中的多種型芯材料，其中基體包括用于制造超硬材料的組分和適當的粘合劑。
2.權利要求1的復合材料，其中用于制造超硬材料的組分包括許多超硬磨料顆粒和任選地第二相，所述第二相包括用于超硬磨料顆粒的粒狀形式的溶劑/催化劑或溶劑催化劑的前體。
3.權利要求1或權利要求2的復合材料，其中超硬材料本質上是多晶材料。
4.權利要求3的復合材料，其中多晶超硬材料是PCD或PcBN。
5.前述任何一項權利要求的復合材料，其中以單獨的顆粒或以粒狀形式提供型芯。
6.一種生產復合材料的方法，該方法包括下述步驟(i)提供選自碳化物、氮化物、碳氮化物、燒結碳化物、燒結氮化物、燒結碳氮化物及其混合物中的多種型芯材料；(ii)提供用于制造超硬材料的組分和適當的粘合劑；和(iii)固結型芯、所述組分和粘合劑，生產復合材料。
7.權利要求6的方法，其中用于制造超硬材料的組分包括許多超硬磨料顆粒和任選地第二相，所述第二相包括用于超硬磨料顆粒的粒狀形式的溶劑/催化劑或溶劑催化劑的前體。
8.權利要求6或權利要求7的方法，其中超硬材料本質上是多晶材料。
9.權利要求8的方法，其中多晶超硬材料是PCD或PcBN。
10.一種生產工具組件的方法，該方法包括下述步驟(i)提供基底；(ii)提供權利要求1-5任何一項的復合材料；(iii)在基底表面上放置復合材料層，生產未粘結的組件；和(iv)使未粘結的組件經歷適于生產超硬材料的升高的溫度和壓力的條件。
11.一種生產工具組件的方法，該方法包括下述步驟(i)提供基底；(ii)提供權利要求1-5任何一項的復合材料；(iii)在基底表面上放置復合材料層；(iv)在復合材料層上放置用于制造超硬材料的組分層，生產未粘結的組件；和(v)使未粘結的組件經歷升高的溫度和壓力的條件，由該組件生產超硬材料。
12.權利要求10或權利要求11的方法，其中以顆粒形式提供型芯，所述顆粒被用于制造超硬材料的組分和粘合劑涂布。
13.權利要求12的方法，其中進一步用第二涂層涂布該顆粒，所述第二涂層包括選自碳化物、氮化物、碳氮化物、燒結碳化物、燒結氮化物、燒結碳氮化物及其混合物中的材料，或用于制造等級不同于第一涂層的等級的超硬材料的組分。
全文摘要
復合材料包括分散在基體內的選自碳化物、氮化物、碳氮化物、燒結碳化物、燒結氮化物、燒結碳氮化物及其混合物中的多種型芯材料。基體包括用于制造超硬材料的組分，如金剛石或cBN磨料顆粒，和適當的粘合劑。超硬材料本質上是多晶材料且典型地為PCD或PcBN。典型地以單獨的顆粒或以粒狀形式提供型芯。顆粒可進一步用第二涂層涂布，所述涂層可以是類似于型芯的材料或者等級不同于第一涂層的等級的超硬材料。復合材料典型地具有硬質材料的蜂窩結構和粘結到該蜂窩結構上的蜂窩結構的孔隙內的型芯。蜂窩結構的孔隙可以有序或無規。還提供生產復合材料的方法和摻入這種材料生產工具組件的方法。
文檔編號B22F7/06GK1717501SQ200380104185
公開日2006年1月4日 申請日期2003年10月29日 優先權日2002年10月29日
發明者I·西格拉斯, G·J·戴維斯, M·S·馬塞特, R·A·查普曼 申請人:六號元素(控股)公司