CN101194036A

CN101194036A - 金属间结合金刚石复合材料及该复合材料件的形成方法

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Publication number: CN101194036A
Application number: CN200680014580.3A
Authority: CN
Inventors: 达莱·E·维特默; 彼得·菲利普
Original assignee: TRUSTEES OF SOUTHERN ILLINOIS
Current assignee: TRUSTEES OF SOUTHERN ILLINOIS
Priority date: 2005-04-01
Filing date: 2006-03-24
Publication date: 2008-06-04
Also published as: EP1874972A4; US20130323108A1; EP1874972A2; ZA200709366B; US8506881B2; US20060280638A1; CA2606729A1; WO2006107628A3; AU2006232931A1; JP2008538228A; WO2006107628A2

Abstract

本发明提供了一种金属间结合金刚石复合材料，并且提供了处理该复合材料的方法。金属间结合金刚石复合材料优选地包括铝化镍(Ni₃Al)粘合剂和分散在铝化镍(Ni₃Al)粘合剂内的金刚石微粒。另外，所述复合材料具有至少1200℃的处理温度，并被处理而使得金刚石微粒保持无损且不会由于高温处理而转变成石墨或蒸发。还提供了形成所述复合材料的方法，其通常包括磨制，压制，和烧结高温金属间粘合剂和金刚石微粒。

Description

金属间结合金刚石复合材料及该复合材料件的形成方法

相关申请的交叉引用

本申请要求2005年4月1日提交的美国专利申请No.60/667,725的权益，所述美国专利申请的全部公开内容被并入此文。

技术领域

本发明一般涉及抗磨损材料，且更具体地涉及金属间结合复合材料以及形成该复合材料件的处理方法。

背景技术

在抗磨损材料领域，金刚石由于其硬度和抗磨损性是一种理想的元素。已知的含有金刚石用以抗磨损的复合材料通常包括树脂或延展性金属粘合剂，并具有相对较低的处理温度和压力，以实现密排和可用强度。处理温度相对较低，以防止金刚石在处理中形成石墨或者蒸发。如果金刚石形成石墨，则它们会损失其硬度而不能用在需要抗磨损的应用中。

例如，在煤矿开采领域，多年来，传统刀具由结合钴的碳化钨(WC)即通常所指的碳化物制成，这是因为，至今还没有材料在抗磨损性上能超越碳化钨。在操作中，钴粘合相的侵蚀会导致刀具的磨损，而随着WC刀头的磨损，刀具的切削效率变得更低，产生较多的粉尘，并在刀具尖端聚积热量。这些热量反过来会增加粘合相的侵蚀，结果，刀具头断裂或从切削刀具主体上脱离。

另外，大多数用于制造碳化钨刀具的钨矿由诸如加拿大、中国和俄罗斯等国家出口。类似地，钴也是由诸如中国和南非等国家出口。因此，许多国家依赖于钨和钴的进口来满足其工业需求。

尽管曾经尝试过将金刚石嵌入金属来改善刀具的抗磨损性和锋利度，但是这些尝试尚未成功，这是由于金刚石在金属的处理中具有低抗氧化性和低耐热性。如前面所陈述的，金刚石在处理中容易形成石墨和/或蒸发，因此造成材料具有的抗磨损性不可接受。

发明内容

在一种优选形式中，本发明提供一种金属间结合金刚石复合材料，包括铝化镍(Ni₃Al)粘合剂和分散在铝化镍(Ni₃Al)粘合剂内的金刚石微粒。复合材料在高温下以如下方式处理，即，使得金刚石微粒在处理中保持无损并且不形成石墨或者蒸发。

在其他形式中，金属间结合金刚石复合材料进一步包含：碳化钛(TiC)以改善粘合剂的抗氧化性和强度，金刚石的保持性，和抗磨损性。在另一种形式下，金属间结合金刚石复合材料进一步包括从包含硼(B)和钼(Mo)的组中选出的另外的合金元素，以增加金属间化合物的延展性。

本发明还包括，用于形成金属间结合金刚石复合材料的处理。一种处理包括如下步骤：磨制金属间粘合剂和金刚石微粒，压制金属间粘合剂和金刚石微粒以形成复合材料件，和在至少大约1200℃的处理温度下烧结由金属间粘合剂和金刚石微粒形成的复合材料件。

本发明的另外形式包括高温金属间粘合剂，该粘合剂包括与金刚石微粒结合的不同合金元素。这些合金元素包括镍(Ni)，铝(Al)，铬(Cr)，铁(Fe)，钛(Ti)，以及陶瓷碳化物。在本发明中，以不同的形式中提供影响延展性的另外的合金元素，这些合金元素包括铁(Fe)，钛(Ti)，锆(Zr)，铪(Hf)，钒(V)和铬(Cr)。

本发明进一步的可应用领域根据在下文提供的详细描述中会变得显而易见。应理解的是，虽然显示了本发明的优选实施例，不过其中的详细描述和具体实例仅仅是为了说明的目的，而并非意在限制本发明的范围。

附图说明

本发明根据详细描述以及所附显微照片和附图而更易于完全地理解，在其中，

图1是例示了根据本发明示范说明的不同尺寸的金刚石微粒的放大率渐增的系列显微照片；

图2是例示了根据本发明示范说明的处理金属间结合金刚石复合材料的方法的处理流程图；

图3是例示了根据本发明示范说明的高温处理后金属间复合粘合剂内的金刚石微粒的放大率渐增的系列显微照片；和

图4是例示了根据本发明示范说明的高温处理后金属间复合粘合剂内的多面金刚石微粒的放大率渐增的系列显微照片。

在不同视图中，对应的附图标记指示对应的部分。

具体实施方式

以下对于优选实施例的描述实际上仅仅是示例性的，而决非意在限制本发明、其应用和使用。

本发明一般包括金属间结合金刚石复合材料，该复合材料由高温金属间粘合剂和在下文中被称为金刚石微粒的金刚石制成。高温金属间粘合剂优选为铝化镍(Ni₃Al)，还可包括：碳化钛(TiC)，以减少氧化、增强粘合剂的强度、金刚石保持性和抗磨损性；和硼(B)和钼(Mo)中的至少一种，以增加延展性。不过，在不添加碳化钛(TiC)，硼(B)或钼(Mo)时，铝化镍(Ni₃Al)独自作为高温粘合剂使得复合材料具有良好的抗磨损性。根据本发明的示范说明，不同于铝化镍(Ni₃Al)或者除了铝化镍(Ni₃Al)以外，也可以使用另外的合金元素形成高温金属间粘合剂，这将在下文中更详细描述。

根据本发明的不同形式的处理技术在相对较高温度下实现，而同时防止金刚石微粒在处理中形成石墨或者蒸发。因此，金属间结合金刚石复合材料用于形成展现出优越的抗磨损性的复合材料件。这些处理将在下文中进行更详细的描述。

参照图1，根据本发明的示范说明，使用多种金刚石尺寸。尺寸范围从2-10μm(左上)、10-15μm(右上)、35-40μm(左下)、20-25μm(右下)，直至到达并包括但不限于，80-100μm和120-140μm(未示出)。通常，优选较大的金刚石尺寸，因为较小的金刚石尺寸已证实在经受特定处理方法后性能下降，这将在下文中进行更详细的描述。

现在参照图2，处理金属间结合金刚石复合材料的方法在流程图中进行说明。通常地，高温金属间粘合剂和金刚石微粒被磨制而形成均匀混合物。然后，均匀混合物被压制以形成为所期望形状的复合材料件或者形成为诸如刀具的所期望应用的基底上的涂层。然后，被压制后的复合材料件通过以下过程进行烧结，即，例如但不限于，连续烧结、真空烧结、真空-压力烧结、热压和热等静压。这种处理方法，连同进一步的处理步骤的另外的实施例，现在进行更详细的描述。

磨制

高温金属间粘合剂与金刚石微粒首先被磨制，并且优选地通过湿式球磨操作进行磨制。优选地，用于湿磨的流体为异丙醇；然而，在本发明范围内也可使用其他的流体。在本发明的一种形式中，高温金属间粘合剂和金刚石微粒被放置在容器中并磨制大约两小时。在磨制操作之后，高温金属间粘合剂和金刚石微粒形成粉末，该粉末被干燥，且优选地在真空炉中进行干燥，直到除去所有的流体。在根据本发明示范说明的一种处理形式中，容器每30分钟周期地关闭、震动、然后返回至干燥器。在除去流体后，高温金属间粘合剂和金刚石微粒优选地被再次磨制一段时间，以使所形成的粉末消除团聚。

在磨制操作后，粉末穿过例如40目的网筛，从而获得高温金属间粘合物和金刚石微粒的自由流动粉末混合物。然后，此混合物被压制形成所期望形状的复合材料件或者形成为所期望终端使用或应用的基底上的涂层。

烧结

然后，由金属间结合金刚石复合材料形成的复合材料件通过烧结处理而进行进一步的处理。烧结处理可包括不同烧结处理中的一个或多个，例如，无压或连续烧结、真空烧结、真空-压力烧结、热压、或者热等静压。这些烧结处理仅为示例性的，并意在限制本发明的范围。应理解的是，在本发明的示范说明内也可使用其他的烧结处理。

采用无压或连续烧结处理时，复合材料件被放置在具有紧装配盖的石墨舟皿中。另外，优选地涂有氮化硼(BN)以防止与石墨反应的安装板用来保护每个舟皿的底部。优选地，不包含复合材料件的舟皿，或称“伪(dummy)”舟皿，被放置在每个包含复合材料件的舟皿之前和之后，用于更好的热平衡。

在一种形式下，舟皿以一定速率在带上行进而进入连续烧结处理炉中，直到舟皿居中于热区而停止。舟皿被保持一段时间，之后炉温度增加，舟皿被保持另外一段时间。在此第二保持时间后，所述带再次起动，舟皿以一定的速率被传送，从而完成了烧结处理。在一种形式下，舟皿以大约每分钟1.5英寸(3.81cm)的速率行进进入大约2192(1200℃)的热区中。相应的保持时期大约为1小时，而炉温度增加到大约2552(1400℃)。然后，舟皿保持大约1小时的时期，之后，所述带再次起动并以每分钟1.5英寸(3.81cm)的速率移动，从而完成复合材料件的处理。

在可替代的真空/压力烧结处理中，类似的具有复合材料件的石墨舟皿居中于一个大的筒形炉中。在净化且优选地利用氩净化所述炉之后，在真空下温度以给定的速率从室温增加至第一温度。在此第一温度，所述炉被再次净化，温度再次增加一段时间至第二温度。温度再次增加至第三温度，压力增加至给定的水平并保持一段时间。然后，炉动力被切断，石墨舟皿及包含在其中的复合材料件被允许冷却至室温。

在一种形式下，首先利用氩对所述炉净化三个周期，第一温度大约为1832(1000℃)，第一温度以大约每分钟50(10℃)的速率获得。第二温度大约为2192(1200℃)，第一保持时间大约为1小时。第三温度大约为2507(1375℃)，氩压力大约为300磅/平方英寸(表压)(psig)，其保持时间大约为1小时。

在可替代的热压处理中，压模和冲模优选地由高密度的石墨形成，尽管高密度石墨显示出易于磨损。复合材料件首先进行预载，然后热压机被净化且优选地利用氩净化多个周期。施加真空并保持一段时间，之后，温度增加至第一水平并稳定一段时间，然后增加至第二水平。然后，压力增加，温度再增加至第三水平，同时负载增加至给定水平。温度在此第三水平保持一段时间，然后温度随压力增加而进一步增加，直至达到预定范围或最高温度。

在一种形式下，预载大约为500磅，热压机被净化三个周期。真空保持约8至12小时，第一温度大约为932(500℃)。第二温度大约为1832(1000℃)，氩压力大约为5磅/平方英寸(psi)，第三温度在大约1500磅的负载下大约为2192(1200℃)。第三温度保持约1小时，温度最高值或峰值基于金属间结合金刚石复合材料而变化，并形成为略低于使金属间化合物在约1500磅的负载下被压出热压模的温度。

通常地，热压处理导致较高密度的压件，这是因为此处理中的压力迫使液态金属间化合物进入到复合材料的孔中，并将滞留气体压出。另外，优选地，在此描述的用于烧结处理的处理温度在大约2192(1200℃)至大约2912(1600℃)之间，处理时间在大约15分钟至2小时或更久。

现在参照图3和4，其显示了高温金属间粘合剂中在处理后存在的金刚石。图3图示了在1400℃连续烧结后的金属间结合金刚石(IBDs)的扫描电子显微(SEM)图像。图4图示了金属间结合金刚石配方材料的热压表面的SEM图像，其显示了金刚石在处理后的分散和多面结构。黑色相的金刚石保持良好并具有良好的多面结构，其在处理中没有转变成石墨或者蒸发。在这些显微照片所示的金属间结合金刚石复合材料中，只有铝化镍(Ni₃Al)作为高温金属间粘合剂而没有任何另外的合金元素，从而证实这种金属间粘合剂单独保护金刚石免于石墨化和蒸发。

在本发明的其他形式中，高温金属间粘合剂的配方优选为包含有另外的合金元素的铝化镍(Ni₃Al)，以改善金属间结合金刚石复合材料的性能。例如，添加碳化钛(TiC)以降低氧化性，改善粘合剂的强度，改善金刚石的保持性，增加复合材料的抗磨损性。另外，添加硼(B)和/或钼(Mo)以改善复合材料的延展性。根据本发明的示范说明，也可使用其他的元素，例如，铁(Fe)，钛(Ti)，锆(Zr)，铪(Hf)，钒(V)或铬(Cr)，以改善复合材料的延展性。

可替代地，在本发明的范围内，高温金属间粘合剂可由镍(Ni)、铝(Al)、铬(Cr)、铁(Fe)和钛(Ti)的组合构成。另外，高温金属间粘合剂还可包括陶瓷碳化物，例如，示例性的碳化钛(TiC)，碳化硅(SiC)，碳化钨(WC)，或者碳化硼(B₄C)。

根据本发明的原理，已确定的是，为了在高温处理中保护金刚石，至少一种机理使得金刚石微粒与高温金属间粘合剂的热膨胀系数(CTE)相对较接近或者显著不同。例如，金刚石微粒的CTE为大约1.0×10^-6/-℃，高温金属间粘合剂Ni₃Al的CTE大约为14.0×10^-6/-℃。这些CTE值的较大差异提供了包围金刚石微粒的金属间粘合剂的紧缩，因此，自然通过所产生的压缩应力夹紧金刚石。这些夹紧应力被认为将足够的应力施加到金刚石微粒上，从而保护其不转变成石墨。因此，根据本发明的示范说明，相比于金刚石微粒的CTE具有相对较大CTE差异的其他材料也可用作为粘合剂。

金刚石体积通常在体积上大约为0.5％至大约80％，不过也可采用更高的值，这取决于高温金属间粘合剂和具体的终端使用或应用。金刚石微粒的尺寸从大约1微米至大约700微米乃至更大，这也取决于高温金属间粘合剂和具体应用。

这样的金属间结合金刚石复合材料具有多种应用，示例性地包括，煤矿开采工具，岩石钻头，岩石切割机，石圬切割机和钻具，切削工具，抗磨损部件，旋转切割机，工业钻具，连续采矿机，颗粒板切割机，瓷砖切割机和刳刨机，高效热传输压板和成形机。应理解的是，这些应用仅为示例性的，不应被认为是用于限制本发明范围。

在目前已进行的测试中，金属间结合金刚石复合材料显示出其抗磨损性改善至传统碳化钨(WC)的抗磨损性的800倍。下面的表1举例说明这种测试结果，所述测试包括磨制和金刚石切割轮测试，其中将不同配方的金属间结合金刚石复合材料与碳化钨(WC)相比较。

样品	金刚石重量％	配方	失重(磨制)	平均切割深度(in.)	切割面积(in.²)	渗透率(in.²/min)
样品	金刚石重量％	配方	失重(磨制)	平均切割深度(in.)	切割面积(in.²)	渗透率(in.²/min)	IBD1	33	Ni₃Al	5.6％	0.489	0.134	4.5
IBD2	35	Ni₃Al和35％TiC	5.0％	0.150	0.041	1.4	IBD1	33	Ni₃Al	5.6％	0.489	0.134	4.5
IBD2	35	Ni₃Al和35％TiC	5.0％	0.150	0.041	1.4	IBD3	33	Ni₃Al	1.7％	0.036	0.008	0.3
IBD4	35	Ni₃Al和35％的TiC、B和Mo	1.9％	0.034	0.009	0.3	IBD3	33	Ni₃Al	1.7％	0.036	0.008	0.3
IBD4	35	Ni₃Al和35％的TiC、B和Mo	1.9％	0.034	0.009	0.3	WC	无	94％WC和6％Co	3.7％	0.912	0.324	259.2

表1

另外的测试包括利用标准金相技术对复合材料件进行抛光，结果其具有高抗磨损性。在一组测试中，使用250μm的新金刚石抛光轮抛光30小时后，观测到小于1％的磨损。应理解的是，这些测试结果本质上为示例性的，用于证实金属间结合金刚石复合材料优于传统碳化钨(WC)的改进的抗磨损性，而绝非用于限制本发明的范围。

本发明的描述本质上仅为示例性的，因此，不脱离本发明实质的变化被包括在本发明范围内。这些变化被认为并未脱离本发明的精神和范围。

Claims

1.一种金属间结合金刚石复合材料，包括：铝化镍(Ni₃Al)粘合剂和分散在铝化镍(Ni₃Al)粘合剂内的金刚石微粒。

2.根据权利要求1所述的金属间结合金刚石复合材料，其中所述金刚石微粒占所述复合材料的重量的大约33％-35％。

3.根据权利要求1所述的金属间结合金刚石复合材料，其中所述金刚石微粒占所述复合材料的重量的大约20％-70％。

4.根据权利要求1所述的金属间结合金刚石复合材料，其中所述金刚石微粒在尺寸上大约在1-140微米之间。

5.根据权利要求1所述的金属间结合金刚石复合材料，进一步包括：碳化钛(TiC)。

6.根据权利要求1所述的金属间结合金刚石复合材料，进一步包括：另外的合金元素，其从由硼(B)、钼(Mo)、铁(Fe)、钛(Ti)、锆(Zr)、铪(Hf)、钒(V)或者铬(Cr)组成的组中选出。

7.一种金属间结合金刚石复合材料，包括：高温金属间粘合剂和分散在所述高温金属间粘合剂内的金刚石微粒，其中，所述高温金属间粘合剂包括具有至少约1200℃处理温度的合金。

8.根据权利要求7所述的金属间结合金刚石复合材料，其中所述高温金属间粘合剂合金从由以下物质所组成的组中选出：铝化镍(Ni₃Al)；铝化镍(Ni₃Al)和TiC(碳化钛)；铝化镍(Ni₃Al)和硼(B)；铝化镍(Ni₃Al)和钼(Mo)；铝化镍(Ni₃Al)、硼(B)、钼(Mo)；和铝化镍(Ni₃Al)、硼(B)、钼(Mo)、和碳化钛(TiC)。

9.根据权利要求7所述的金属间结合金刚石复合材料，其中所述高温金属间粘合剂合金从由镍(Ni)、铝(Al)、铬(Cr)、铁(Fe)和钛(Ti)组成的组中选出。

10.根据权利要求9所述的金属间结合金刚石复合材料，其中所述高温金属间粘合剂合金进一步包括陶瓷碳化物。

11.根据权利要求10所述的金属间结合金刚石复合材料，其中所述陶瓷碳化物从由碳化钛(TiC)、碳化硅(SiC)、碳化钨(WC)和碳化硼(B₄C)组成的组中选出。

12.根据权利要求7所述的金属间结合金刚石复合材料，进一步包括：另外的合金元素，其从由硼(B)、钼(Mo)、铁(Fe)、钛(Ti)、锆(Zr)、铪(Hf)、钒(V)和铬(Cr)组成的组中选出。

13.根据权利要求7所述的金属间结合金刚石复合材料，其中所述金刚石微粒占所述复合材料的重量的大约20％-70％。

14.根据权利要求7所述的金属间结合金刚石复合材料，其中所述金刚石微粒在尺寸上大约在1-140微米之间。

15.一种金属间结合金刚石复合材料，包括高温金属间粘合剂和金刚石微粒，所述复合材料通过下述步骤形成：

磨制所述高温金属间粘合剂和金刚石微粒，压制所述高温金属间粘合剂和金刚石微粒，烧结所述高温金属间粘合剂和金刚石微粒，以形成所述金属间结合金刚石复合材料，

其中，所述高温金属间粘合剂包括：具有至少约1200℃的处理温度的合金。

16.一种金属间结合金刚石复合材料，包括设置在一粘合剂内的金刚石微粒，所述金刚石微粒和粘合剂均限定热膨胀系数，其中，所述金刚石微粒的热膨胀系数与所述粘合剂的热膨胀系数之差相对较大。

17.一种形成金属间结合金刚石复合材料的处理方法，包括以下步骤：

(a)磨制所述金属间粘合剂和金刚石微粒；

(b)压制所述金属间粘合剂和金刚石微粒；和

(c)在至少约1200℃的处理温度下烧结所述金属间粘合剂和金刚石微粒。

18.根据权利要求17的处理方法，其中所述磨制的步骤包括：在溶剂中湿磨。

19.根据权利要求18的处理方法，在步骤(b)中的压制之前，进一步包括：对磨制后的所述金属间粘合剂和金刚石微粒进行干燥。

20.根据权利要求17的处理方法，在步骤(b)中的压制之前，进一步包括：对磨制后的所述金属间粘合剂和金刚石微粒通过筛进行筛分。

21.根据权利要求17的处理方法，其中所述烧结金属间粘合剂和金刚石微粒的步骤从由连续烧结、真空烧结、真空压力烧结、热压和热等静压所组成的组中选出。

22.根据权利要求17的处理方法，其中所述金属间粘合剂为从由以下物质所组成的组中选出的合金：铝化镍(Ni₃Al)；铝化镍(Ni₃Al)和TiC(碳化钛)；铝化镍(Ni₃Al)和硼(B)；铝化镍(Ni₃Al)和钼(Mo)；铝化镍(Ni₃Al)、硼(B)和钼(Mo)；和铝化镍(Ni₃Al)、硼(B)、钼(Mo)、和碳化钛(TiC)。

23.根据权利要求17的处理方法，其中所述金刚石微粒占所述复合材料的重量的大约20％-70％。

24.根据权利要求17的处理方法，其中所述金刚石微粒在尺寸上大约在1-140微米之间。

25.一种包括金刚石微粒的金属间复合材料，所述金属间复合材料通过具有至少约1200℃的温度的高温处理而形成，从而使所述金刚石微粒保持无损而且不会由于所述高温处理而转变成石墨或者蒸发。