CN101275213A - 制造包括至少一个致密材料块体的元件的方法 - Google Patents

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Abstract

一种制造包括至少一个由分散于粘结相中的性质相同或不同的硬质颗粒构成的致密材料块体(1，40，50)的元件的方法，其中通过浸渗材料的浸渗可以使致密材料局部富集粘结相，其特征在于，在块体的全部或部分表面上沉积保护材料，并留出至少一个浸渗区域，所述保护材料能够阻止浸渗材料穿过保护材料已经沉积于其上的壁进行迁移，并可改变粘结相向块体的迁移动力学，然后块体(1)的表面(3)的至少一个浸渗区域(4)与能够使块体局部富集粘结相的浸渗材料(2)接触，随后与浸渗材料接触的块体经受由加热、保温以及冷却构成的适宜的热循环，从而使浸渗材料和块体的粘结相部分地或完全变为液态，以使得粘结相的富集仅仅通过浸渗区域发生。

Description

制造包括至少一个致密材料块体的元件的方法
技术领域
本发明涉及包括至少一个由分散于塑性粘结相中的硬质颗粒构成的致密材料块体的元件的制造，其中可以通过浸渗或吸液(imbibition)使致密材料局部富集粘结相。
本发明特别涉及由也称为金属陶瓷的陶瓷/金属复合材料制成的工具的制造，并特别涉及用于石油和/或矿物钻探的工具的制造。
背景技术
浸渗或吸液应理解为完全致密的固/液系统中液体的富集，其中在该系统中，至少一种固相呈能够通过吸收液体而调整其形态的充胀(gains)形式，从而使该系统更高能稳定。在由存在于该系统中的迁移压力产生的驱动力的作用下产生液体的富集。
钻削工具由其上安装有用于切削或磨削岩石的刀具的头部构成。作为工具的工作部分的刀具在大部分情况下基于碳化物、即一种非常硬但脆性的材料而形成。当所述工具用于钻削由不同硬度的岩石构成的地质层时，该脆性尤其不利。这种异质性可能导致在刀具内产生裂纹，从而导致由于剥落产生的刀具磨损或刀具断裂。
为了降低刀具过早磨损或断裂的风险，已经有人考虑由金属陶瓷制造刀具，其芯部比与岩石直接接触的外表面塑性更强。因此，在保持优良的切削能力(与岩石接触的低粘结相区域)的同时，刀具的芯部将更耐冲击(粘结相富集区域)。
为了制造已知为具有称为功能梯度材料(FGM)的组分(或成分)梯度或性能梯度的刀具的这种刀具，已经有人提出制造具有孔隙梯度的非致密金属陶瓷，并通过粘结相渗入它们，从而提高金属陶瓷的芯部区域的塑性。然而，由于该方法导致在浸渍之前便存在的碳化物骨架的部分破坏，从而使得刀具无法获得理想的特性，因而该方法是不适宜的，特别是对于碳化钨-钴(WC-Co)系统而言是不适宜的。
渗入是仅在由也称为毛细压力的毛细管现象所导致的驱动力的作用下产生的非完全致密固/液系统中液体的富集。浸渍除了涉及两个凝聚相(固/液)之外，还涉及称为非凝聚相(气相)的第三相。
也已经有人提出通过自然烧结(不需要施加外部压力)制造在多层元件的固体相中具有组分梯度的金属陶瓷，其具有坚硬的外表面和塑性(易延展的)芯部，元件的每一层具有不同的组分。但是，该方法不能使材料完全致密化，并且必须随后进行昂贵的热等静压成型处理。此外，因为需要制造一系列彼此相适应的元件层并且每层具有不同的组分，因而具有组分梯度的金属陶瓷的制备很复杂。最后，该既复杂又非常昂贵的制备方法无法获得连续的组分梯度。相应地，如此获得的金属陶瓷包括具有基本不同硬度和膨胀系数的连续层，从而导致在两个连续层之间的界面处分层的风险。
为了弥补固相烧结的缺陷，已经有人提出通过自然液相烧结制造所述材料，其可以在单一步骤中非常迅速地获得具有完全致密、渐进组织(结构)的材料。然而，该方法具有由于小厚度层之间液体的迁移而显著削弱组分梯度的缺陷。此外，完全出乎意料地，当停留于液态的时间低于一临界时间时，组分梯度保持不连续，其中当超过该临界时间时，金属陶瓷完全均质化。
由于这些各种各样的原因，已经提出的上述三种方法不适于具有令人满意的使用性能、即表面的耐磨性和芯部的塑性或韧性的钻削工具的工业化生产。
此外，为了改善切削工具的使用寿命，已经有人提出在金属陶瓷的表面上沉积氮化物、碳氮化物、氧化物或硼化物的硬质涂层。例如美国专利4,548,786或4,610,931中已描述了这种方法。然而，这些方法具有以下缺陷，即其只能改善金属陶瓷的耐磨蚀性并且这种改善只能在很小的厚度(几微米)上获得。此外，由于涂层的特性与刀具不同，在经受刀具的热机械应力后，所述层可能发生分层或剥落。
也已经有人提出通过使对碳而言为亚(低于)化学计量的金属陶瓷与富碳气相(甲烷)接触来同时改善WC-Co型金属陶瓷的表面耐磨性和抗冲击性。在温度的影响下，气相中的碳扩散到亚化学计量的金属陶瓷中并依据化学反应式2C+Co3W3C(η相)→3WC+3Co与η相反应，从而释放出钴，该释放出的钴向着贫钴区域移动。然而，例如在美国专利4,743,515中描述的这种方法具有以下缺陷，即其导致1或2毫米以上范围内富钴的粘结相梯度，而金属陶瓷芯部由于由η相构成而保持脆性并且在反复冲击下易于断裂。
最后，已经有人提出制造具有特殊结构、尤其是蜂窝结构的切削工具，其具有结合了优良的耐磨性和优良的韧性的优点。这种具有功能性微结构的金属陶瓷显示出塑性/脆性性能的折衷性，这对于预定的应用而言很重要但仍不足。该复合材料为美国专利5,880,382的主题。
发明内容
本发明的目的在于通过提出允许在令人满意的工业条件下制造致密金属陶瓷基材料块体的措施来克服这些缺陷，该致密金属陶瓷基材料块体用于具有非常优异的表面耐磨性和优良的芯部韧性的切削或钻削工具，从而与常规工具相比具有改善的寿命。
为此，本发明涉及一种制造包括至少一个由分散于粘结相中的硬质颗粒构成的致密材料块体的元件的方法，其中通过浸渗材料的浸渗，该致密材料可以局部地以及在毫米级长度上富集粘结相。
根据该方法，在块体的全部或部分表面上沉积保护材料，并留出至少一个浸渗区域，该保护材料能够阻止浸渗材料穿过保护材料已经沉积于其上的壁进行迁移，并可能改变粘结相向块体的迁移动力学，接着浸渗区域与能够使块体局部地富集粘结相的浸渗材料接触，随后与浸渗材料接触的块体经受由加热、保温以及冷却构成的适宜的热循环处理，从而使浸渗材料的部分或全部、块体的粘结相的部分或全部变为液态，以使得粘结相的富集仅仅通过浸渗区域发生。
热循环优选以下述方式实施，以使得在由致密材料块体和浸渗材料构成的组件中形成温度梯度，从而在块体和浸渗材料的界面处达到最小浸渗温度，并且块体中的温度高于该最小浸渗温度，以及在该浸渗材料中，至少在所述界面附近，温度低于该最小浸渗温度。
也可以这样实施热循环，以使得处于液态的时间以及保持的温度产生对于所需的富集恰好足够的浸渗材料量。
浸渗材料例如由在低温和荷载下聚集的粉末压实体制得的片状件构成，其一个面与致密材料块体的表面接触。
浸渗材料还可以呈例如通过刷子沉积到致密材料块体的表面上的糊状物(粉末和水合粘结剂的混合物)的形式或者呈等离子或激光喷射涂层的形式。这种形式的浸渗材料的优点在于其可适应于所有块体几何形状。
与浸渗材料接触的致密材料块体优选被置于由对于浸渗材料具有化学惰性的难熔材料、例如氧化铝制成的坩锅中，并且在处于受控气氛下或真空中的炉子内加热。
构成块体的相通常包括至少一种由一种或多种金属碳化物构成的硬质颗粒以及优选与所述金属碳化物在一定温度下形成共晶体的塑性金属粘结相。该块体还可由其它硬质颗粒、例如金刚石颗粒构成。
浸渗材料优选具有与致密材料块体的粘结相相似的组分。特别是，在浸渗温度下，浸渗材料的组分接近于致密材料块体的粘结相的组分。例如，其包括至少85％(重量百分比)的在块体的金属碳化物和金属粘结相之间形成的共晶体，其熔点低于或等于或稍高于块体的粘结相的熔点，浸渗材料的金属粘结相包括选自钴(Co)、铁(Fe)、镍(Ni)的一种或多种金属元素，并且包括不超过15％(重量百分比)的选自铜(Cu)、硅(Si)、锰(Mn)、铬(Cr)、钼(Mo)、钨(W)、钒(V)、铌(Nb)、钽(Ta)、钛(Ti)、锆(Zr)、铪(Hf)的一种或多种金属元素，其余为杂质。
浸渗温度通常为浸渗材料的共晶点Te，并且通常与块体的粘结相的熔点相对应。
热循环优选包括将温度升高至保温温度Tm，其高于或等于浸渗材料的共晶温度Te，并且优选低于Te+200℃，更佳地低于Te+100℃，优选随后以温度Tm短暂保温，然后快速冷却(约50℃/分钟)至一低于Te的温度，最后缓慢冷却(10至5℃/分钟)至环境温度。
构成致密材料块体的材料可为WC-Co(碳化钨-钴)或WC-[Co和/或Ni和/或Fe](碳化钨-[钴和/或镍和/或铁)型金属陶瓷，可选地向其中加入金刚石颗粒，浸渗材料为WC-M型共晶体，M由选自钴(Co)、镍(Ni)和铁(Fe)的一种或多种金属构成。
构成致密材料块体的金属陶瓷尤其可为WC-Co型并可包括不超过35％(重量百分比)的钴，浸渗材料尤其可为包括不超过65％(重量百分比)的钴的WC-Co型共晶体。当保护层沉积于致密材料块体的表面上时，该保护层特别是可由氮化硼构成，但是也可选地可由石墨或氧化铝构成。
致密材料块体例如可作为钻削工具的刀具，并且在浸渗处理之后，PDC(聚晶金刚石复合片)或TSP(热稳定聚晶金刚石)型的带金刚石尖头被施加于块体的一个表面上。
带金刚石尖头可通过HPHT(高压-高温)工艺在浸渗处理之前直接施加于致密材料块体上。带金刚石尖头也可以施加于不同的均质金属陶瓷支撑块体上，该金属陶瓷支撑块体随后通过浸渗施加于前述通过浸渗处理的块体上。
本发明还涉及一种用于钻削工具的刀具，该钻削工具用于切削和/或磨削岩石，例如为镗孔钻头、矿镐、三牙轮钻头、灌注工具，该刀具包括由分散于粘结相中的硬质颗粒构成的特别是WC-Co型的块体，并可选地加入有金刚石，其在超过0.5毫米的长度上具有由工具的功能确定的形式的连续粘结相组分梯度，从而获得富含粘结相的韧性(强韧)芯部以及贫含粘结相并具有高硬度的表面。
刀具可在块体的一个表面上进一步安装PDC或TSP型的带金刚石尖头。
最后，本发明涉及一种岩石切削工具，其包括至少一个根据本发明的刀具或刀片，该工具例如可为用于石油或矿物钻探机、土木工程机械、或者地面或地下土壤挖掘机的工具。
最后，本发明涉及一种岩石磨削和/或岩石切削工具，其包括至少一个根据本发明的刀具。
附图说明
下面参照附图更详细、但并不意味着进行任何限制地描述本发明，其中：
图1是通过浸渗制造具有坚硬外表面和韧性芯部的致密金属陶瓷块体的示意图；
图2是具有坚硬外表面和韧性芯部的致密金属陶瓷块体的热浸渗循环的示意图；
图3是沿着致密金属陶瓷的高度方向的剖面图，该致密金属陶瓷的芯部已经通过浸渗变得更强韧；
图4是沿着从致密金属陶瓷的下表面到上表面的高度h的粘结相重新分配的示意性曲线，如图3所示，该致密金属陶瓷的芯部已经通过浸渗变得更强韧；
图5是由致密金属陶瓷块体构成的钻削工具的钻头的剖面图，该致密金属陶瓷块体的芯部已经变得更强韧并且金刚石尖头已经施加于其上；
图6是一钻削工具的钻头的剖面图，该钻头包括第一金属陶瓷块体，其中该第一金属陶瓷块体的芯部已经变得强韧，并且已经通过浸渗在其上施加了其上安装金刚石尖头的第二致密材料块体。
具体实施方式
通常，用于钻削工具、或者更广义地用于切削工具的刀具为包括通常呈平行六面体或圆柱状的块体的元件，该块体通过粉末冶金获得，并且由其结构一方面包括例如金属碳化物、特别是碳化钨的硬质颗粒，另一方面包括由金属或金属合金构成的粘结相的材料构成，在与碳化物接触时，粘结相在一定温度下可以形成熔点低于碳化物的熔点和金属或金属合金的熔点的共晶体。例如，该金属或金属合金为钴，但是也可以为铁、镍或这些金属的混合物。此外，粘结相可以包括合金金属，以重量百分比计，其总含量可达15％，但是通常不超过1％。合金金属可为用于提高电导率的铜，或相对于由碳化物和粘结相构成的系统可降低表面张力的硅，或者可为可以形成混合碳化物或除了碳化钨以外的MxCy型碳化物的碳化物形成元素。这些不同的元素尤其可为锰、铬、钼、钒、铌、钽、钛、锆和铪。
除了这些主要元素外，粘结相的组分可以包括常见于这类材料中并可改变硬质颗粒的形状和/或抑制其生长的合金元素。本领域的技术人员熟知这些元素。最后，这些材料的化学组分包括制备过程中产生的不可避免的杂质。本领域的技术人员熟知这些杂质。
对于一些应用而言，金刚石颗粒被加入，以增强刀具的耐磨性。这种金刚石颗粒被加入到用于通过烧结制造块体的粉末混合物中。
通常，烧结后，块体是致密的，并且由分散于粘结相中的硬质颗粒构成。因此，块体由致密材料制成。
对于WC-Co系统而言，在一定温度下形成的共晶体的组分中具有约65％(重量百分比)的钴。当然，如此获得的块状物的使用性能尤其取决于碳化物和金属或金属合金的相对比例。对于钻削材料而言，粘结相的含量通常远低于共晶体的含量，并且甚至基本上小于35％(重量百分比)。事实上，粘结相的含量越低，硬度越高，并且因此材料的耐磨性越高。然而，粘结相的含量越低，金属陶瓷的韧性越低。这些称为“金属陶瓷”的材料的这些性能对于本领域的技术人员而言是已知的。
此外，金属陶瓷的性能还取决于碳化物晶粒的大小和形状。
为了改善本发明的块体的性能，使用了通过浸渗使块体的一部分富含粘结相并且可选地改变其组分的方法，该方法由优选具有均匀组分的致密烧结金属陶瓷开始。
在满足一定条件的双相系统(硬质颗粒-粘结相)中可能出现浸渗现象。相应地，在浸渗温度下(T≥Te)，呈液态的粘结相必须润湿硬质颗粒，这些相同的硬质颗粒必须可在液态粘结相中部分溶解，并且系统必须显示出奥斯特瓦尔德熟化现象并伴随着硬质颗粒形状的改变而无需通过溶解-重新分配现象增大颗粒尺寸。
为了进行浸渗，需要使粘结相含量低于一临界值(对于WC-Co系统而言，以重量百分比计为35％)的金属陶瓷与具有适宜组分的浸渗材料接触，并将其整体置于使浸渗材料和粘结相呈液态或至少部分地呈液态的温度下。当满足这些条件时，发生粘结相向金属陶瓷内部的转移，并且因此金属陶瓷富集粘结相。通常，浸渗材料的组分优选与所述金属陶瓷的共晶体的组分相同或类似。在这种情况下，浸渗增加了金属陶瓷中粘结相的含量，且不改变材料的化学组分。该现象可持续到金属陶瓷中饱含粘结相为止。对于含有具有相同性质的浸渗材料的碳化钨/钴型金属陶瓷而言，金属陶瓷中钴含量为约35％(重量百分比)时出现饱和。
浸渗材料可以具有与致密金属陶瓷的粘结相不同的组分。在这种情况下，不仅金属陶瓷富集粘结相，而且其化学组分、以及可选地碳化物相也发生改变。
浸渗现象可被热激活，并且因此其动力学与温度、金属陶瓷中的粘结相的初始含量以及硬质颗粒的大小和形状相关。
浸渗通常用于通过将致密金属陶瓷块体的一端浸入于具有所述金属陶瓷的共晶体组分的液体中而使该块体富集粘结相。该方法的一个缺陷在于变为液体的浸渗材料不仅穿过接触区域、而且还穿过邻近接触区域的面迁移到金属陶瓷中，这使得难于控制梯度的形状。
因此，为了获得与利用浸入获得的常规结果相反的期望结果，发明人设计了以下过程。
如图1所示，由包埋于粘结相中的硬质颗粒构成的材料制成的块体1与由在特定温度下能够通过浸渗迁移到块体1的内部的浸渗材料构成的片状件(pellet)2接触。块体1通常为圆柱形或平行六面体状，并且包括下表面3、一个或多个侧表面5和上表面6。由浸渗材料构成的片状件2与块体1的下表面3接触，也称为浸渗区域的由浸渗材料构成的片状件2与块体1之间的接触区域4的表面积基本上小于块体1的下表面3的表面积。梯度的形状尤其是由浸渗区域相对于金属陶瓷的下表面3的定位和比例确定。块体1的一个或多个侧表面5和上表面6覆盖有保护材料层7。例如为氮化硼的保护材料一方面用于防止浸渗材料穿过保护层迁移，另一方面用于改变粘结相向块体的迁移动力学。由带有其保护层7的块体1以及浸渗材料片状件2构成的组件被置于在热处理温度下具有化学惰性的坩锅中，例如，该坩锅由氧化铝8制成，并被放置于处于受控气氛下的炉子9中，该炉子9可为真空炉或者处于氮气或氩气气氛下的炉子。该炉子必须能够达到足够的温度，从而使浸渗材料和块体的粘结相部分或全部处于液态，例如对于WC-Co块体而言，该温度为1350℃或者甚至1320℃，并且具有高的加热和冷却速率，从而可以控制、特别是减少组件处于所处理系统的共晶温度以上的时间，所述共晶温度为这样的温度，即当超过该温度时，发生浸渗现象，并且对于WC-Co型金属陶瓷而言，其为1300℃左右。该炉子可为电阻炉、感应炉、微波炉或SPS(放电等离子烧结)装置。
然后，对块体进行热循环处理，包括首先将其加热至一温度，该温度高于或等于至少使浸渗材料片状件2与块体1的下表面之间的接触区域4变为液态时的温度。以这样的方式进行加热，以使得块体内部的温度高于块体的共晶体的熔点Te。
优选地，将使用炉子本身的温度梯度，从而以这样的方式进行加热，以使得片状件2的至少一部分内部的温度低于浸渗材料的熔点。
通过上述方式，在浸渗材料片状件和块体的下表面之间的接触区域中，浸渗材料通过迁移渗透到致密材料块体内部；另一方面，其不能通过块体的外侧壁5或上壁6迁移。因此，致密材料块体的浸渗材料的富集基本上发生于在下壁3处敞开并向着块体内部延伸的内部区域中。
更准确地说，如图2所示，热处理包括加热至共晶体的熔点Te的阶段15、温度保持在Te以上至保温温度Tm的阶段16(其中在保温温度下块体保温时间为tm)、随后块体非常迅速地冷却至低于温度Te的温度的阶段17、以及最后缓慢冷却至环境温度的阶段18。
在加热阶段期间，在温度Te以下，浸渗材料固化并收缩。在温度Te之上，在接触表面处形成共晶液体。
临界温度与温度Te不能差异过大，但必须具有足够的温差，以产生足够量的液体并允许液体与将被浸渗的致密金属陶瓷处于化学平衡状态地进行润湿和迁移。温差例如为不超过200℃，更佳地不超过100℃，优选小于50℃。
在最小浸渗温度Te以上的总时间tt通常小于15分钟，并这样选择保温温度Tm和保温时间tm，以确保浸渗材料适当地分布于块体内部。本领域的技术人员很清楚如何选择这些参数。
在临界温度和共晶浸渗温度之间迅速进行冷却，以避免浸渗材料的未受控制的迁移。
为此，希望使快速冷却速率大于40℃/分钟，优选大于50℃/分钟，更优选大于60℃/分钟。然而，为了避免在致密材料块体中产生过量应力，优选冷却速率保持低于100℃/分钟。
在共晶温度以下，由于浸渗材料的迁移被阻止，以基本较缓慢的速率进行冷却，以避免在致密材料块体内部产生过量残余应力。
以上述方式，获得如图3的剖面图中所示的块体，其包括具有高粘结相含量的芯部20和具有低粘结相含量的外部区域21。由于其低粘结相含量，外部区域21具有非常高的硬度，因此具有非常高的耐磨性，但是具有较低的韧性。相反，由于其高粘结相含量，内部区域20具有非常好的韧性。
由于上述与在金属陶瓷中逐渐富集粘结相对应的浸渗过程，粘结相的含量发生连续变化，并且从芯部向块体的工作表面减小。这在图3中通过等粘结剂含量线22a、22b、22c、22d示出，并且在图4中通过粘结相沿着从致密金属陶瓷的下表面到上表面的高度的重新分配曲线示出。
当致密金属陶瓷块体为碳化钨/钴型时，钴含量必须小于35％(重量百分比)。超过该含量，无法进行浸渗过程。为了使该块体富集其自身的粘结剂，块体与由钴含量可为35-65％(重量百分比)的碳化钨/钴混合物构成的浸渗材料接触。优选地，对于WC-Co系统而言，混合物具有对应于65％(重量百分比)的钴的共晶组分。例如，通过优选在脱步勒混合机(Turbula)中湿法干燥数小时使碳化钨/钴混合物均质化。然后，例如在单动模具中在低温下压实，或与水合(含水)粘结剂混合。当浸渗材料在低温下压实时，其呈片状件的形式并与待处理的块体接触。
当浸渗材料由混合有水合粘结剂的粉末构成时，其可通过在可具有任意形状的限定区域上通过刷子沉积在块体上。其也可以通过等离子喷射或激光喷射进行沉积。通过刷子或通过喷射进行沉积的技术的优点在于可使浸渗材料在块体的任何区域上沉积，其形状可比平行六面体或圆柱体更复杂。
需要注意的是，对于每个待处理块体而言，浸渗区域的大小和形状必须适应于将在块体内产生的梯度的形状。本领域的技术人员很清楚如何进行这种适应性调整。
在其它方面，完全出乎预料地，发明人已经发现，致密材料块体的外表面上的保护层的存在对于块体内浸渗材料的迁移具有显著影响。特别是，发现保护层使得可以获得粘结相梯度，并且因此获得硬度梯度，这比不含保护材料时可获得的梯度更显著。而且，粘结相梯度可呈穹顶形或拱形。
该效果下述两个实例举例说明，所述实例均涉及致密碳化钨/钴块体的处理，其中处理前钴含量为13％(重量百分比)，浸渗材料由具有共晶组分的碳化钨/钴的片状件构成，也就是说，含有约65％(重量百分比)的钴。WC晶粒的尺寸例如为约1μm，其与1230HV的初始硬度相对应。在两种情况下，组件置于电阻炉内的氧化铝坩锅中，并在1350℃(试样温度)下加热3分钟。
在第一实例中，不与浸渗材料接触的块体的外壁覆盖有由氮化硼构成的保护材料。处理后，块体的外表面附近的硬度达到1370HV左右，而块体芯部内的最小硬度只有890HV，也就是说，硬度差为480HV左右，这使得可在5mm左右的距离上获得硬度变化。
在第二实例中，作为对比，块体的外壁未覆盖保护层。块体的外表面处所观察到的最大硬度为1200HV，块体的芯部处的最小硬度为1010HV，二者差异仅为190HV。
对于上述两种结果的差异可以具有不同的解释。尤其是，可以认为保护材料增大了粘结相和碳化物相之间的界面能，从而对粘结相向块体内部的迁移产生影响。
可以制造将构成工具刀具的块体的上述方法具有以下优点，即可以获得外部坚硬、内部强韧的块体。这种硬度变化在毫米级长度上产生。特别是，该硬度变化在大于0.5mm、优选大于1mm、甚至大于2mm、更甚至大于3mm但优选小于30mm、更佳地小于8mm、甚至小于5mm的长度上产生。
此外，发明人已经发现，在块体浸渗后，可以在块体的上表面上沉积合成金刚石尖头，同时部分地保持通过浸渗处理获得的梯度。具有相对大的厚度、优选大于0.5mm的金刚石层可通过由HPHT(高压-高温)工艺加压石墨粉末而布置。然后可获得如图5的剖面图所示的钻头，其由金属陶瓷支撑块体40构成，其芯部41已经通过浸渗富集粘结相，从而变得较强韧，金刚石尖头42施加于支撑块体的表面43上。
当金刚石尖头已经施加于已覆盖有如上所述的保护层的块体上时，支撑块体内的硬度梯度的幅度只有350HV，而不是480HV，但是试样周边的最大硬度为1550HV，而不是1370HV，并且块体底部的最小硬度为1200HV，而不是890HV，也就是说，与在HPHT操作前同样处理过的块体相比，支撑块体的表面较硬但芯部的韧性稍差。
这种硬度变化由金刚石加压操作所致，其对钴梯度具有影响，并因而对金刚石尖头的支撑体的硬度也产生影响。
为了在金属陶瓷支撑块体上沉积金刚石层，还可以根据如图6所示的第二种方法进行处理。
根据第二种方法，使用根据上述浸渗方法中的一种或另一种处理过的金属陶瓷块体50，以得到通过增加粘结相含量而韧性增强的芯部51。通过穿过表面55的浸渗，将由均匀致密金属陶瓷支撑块体53构成的刀具52施加到该金属陶瓷上，该均匀致密金属陶瓷上在此之前已经压上了金刚石尖头54。
块体53和50的组分被选择，以使得当它们接触并且置于高于或等于共晶温度的温度时，发生粘结相从一个块体向另一个块体的迁移，以确保两个块体的完美结合。为了获得这种结果，对于块体53和50而言，有利的是，选择具有使迁移压力不同的硬质颗粒组分和/或尺寸和/或形状的金属陶瓷。这些迁移压力尤其取决于碳化物颗粒的尺寸和形状以及粘结相的含量。本领域的技术人员很清楚如何选择该金属陶瓷结构。
上述方法可以生产用于诸如三牙轮钻的钻削工具的头部的刀具、PDC或TSP刀具、用于石油钻探的灌注工具、在采矿或土木工程领域用于岩石切削或岩石破碎工具或炮眼钻削的刀具、或材料加工工具。
这些刀具为包括至少一个由根据本发明的方法获得的致密材料块体或由该块体构成的元件。这些块体可以具有适应于所采用的工具而差异很大的形状。它们可相应地构成刀片。
这些刀具可安装到用于石油钻探或矿物钻探或土木工程领域中的任何类型的工具上，尤其是安装到地面或地下土壤挖掘机上。这些应用尤其是用于“局部挖掘”型或“持续开采”型或“采煤机”型采矿机或软岩石掘进机的镐。所述应用也可为尤其是用于诸如掘进机或道路钻孔机或旋转钻削刀具或轮转撞击钻削刀具的全断面机械的轮子。
该方法还可以用于制造金属加工工具的元件，其希望在韧性更强的主体上获得非常坚硬的工作表面。

Claims (20)

1.一种制造包括至少一个由分散于粘结相中的性质相同或不同的硬质颗粒构成的致密材料块体(1，40，50)的元件的方法，其中通过浸渗材料的浸渗可以使致密材料局部富集粘结相，其特征在于，在块体的全部或部分表面上沉积保护材料，并留出至少一个浸渗区域，所述保护材料能够阻止浸渗材料穿过保护材料已经沉积于其上的壁进行迁移，并可改变粘结相向块体的迁移动力学，然后块体(1)的表面(3)的至少一个浸渗区域(4)与能够使块体局部富集粘结相的浸渗材料(2)接触，随后与浸渗材料接触的块体经受由加热、保温以及冷却构成的适宜的热循环，从而使浸渗材料和块体的粘结相部分地或完全变为液态，以使得粘结相的富集仅仅通过浸渗区域发生。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述热循环被实施，以使得在由致密材料块体和浸渗材料构成的组件中形成温度梯度，从而在块体和浸渗材料的界面处达到最小浸渗温度，并且在块体中，至少在所述界面附近，温度高于所述最小浸渗温度，以及在所述浸渗材料中，至少在所述界面附近，温度低于所述最小浸渗温度，或者所述热循环被实施，以使得处于液态的时间以及保持的温度产生对于所需的富集恰好足够的浸渗材料的液体量。
3.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，所述浸渗材料为由聚集的粉末混合物构成的片状件(2)，所述片状件(2)的一个表面与块体的表面接触。
4.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，所述浸渗材料呈例如通过刷子、等离子喷射或激光喷射沉积到块体的表面上的覆盖层的形式。
5.根据权利要求1至4中任意一项所述的方法，其特征在于，与浸渗材料(2)接触的块体(1)在处于受控气氛下或真空中的炉子(9)中被加热。
6.根据权利要求1至5中任意一项所述的方法，其特征在于，构成块体的固体颗粒至少包括硬质金属碳化物颗粒，并且所述粘结相具有金属性质。
7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所述块体进一步包括以直径计尺寸最高达到1毫米的天然或合成金刚石颗粒。
8.根据权利要求6或7所述的方法，其特征在于，所述浸渗材料由分散于粘结相中的硬质颗粒构成，其中所述颗粒和所述粘结相可与所述块体具有相同或不同的性质，以及可与所述块体具有相同或不同的配比，包括如果系统中具有共晶体，所述配比对应于共晶组分。
9.根据权利要求6至8中任意一项所述的方法，其特征在于，以重量百分比计，所述浸渗材料的化学组分包含至少85％的在块体的金属碳化物和金属粘结相之间形成的共晶体，从而使得浸渗材料的粘结相和块体的粘结相之间的熔点之差小于200℃，并且包含不超过15％的选自于铜、硅、锰、铬、钼、钨、钒、铌、钽、钛、锆、铪的一种或多种金属元素，其余为杂质。
10.根据权利要求8或9所述的方法，其特征在于，所述浸渗温度为浸渗材料的共晶体的熔点Te。
11.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，与浸渗材料接触的块体所经受的热循环包括将温度升高至保温温度Tm，其在一范围[浸渗材料的共晶温度Te；Te+100℃]内，保温时间作为块体和所需梯度的几何形状的函数设定为0-15分钟，然后首先快速冷却(大于40℃/分钟)至低于Te的温度，最后缓慢冷却(小于10℃/分钟)至环境温度。
12.根据权利要求6至11中任意一项所述的方法，其特征在于，构成块体的材料为WC-Co或WC-[Co和/或Ni和/或Fe]型金属陶瓷，可选地向其中加入金刚石颗粒，并且所述浸渗材料为WC-M型，M由选自钴、镍和铁的一种或多种金属构成。
13.根据权利要求12所述的方法，其特征在于，构成块体的金属陶瓷为WC-Co型，并且以重量百分比计包括不超过35％的钴，且浸渗材料中钴的含量以重量百分比计为35-65％。
14.根据权利要求6-13中任意一项所述的方法，其特征在于，所述保护层由氮化硼、石墨或氧化铝构成。
15.根据权利要求1至14中任意一项所述的方法，其特征在于，所述块体(40，50)为用于钻削工具的刀具，并且在块体的浸渗处理之后，在块体的一个表面(43)上沉积PDC(聚晶金刚石复合片)或TSP(热稳定聚晶金刚石)型带金刚石尖头(42，54)。
16.根据权利要求15所述的方法，其特征在于，所述带金刚石尖头(43)通过HPHT直接施加于块体(40)上。
17.根据权利要求15所述的方法，其特征在于，所述带金刚石尖头(54)由通过浸渗施加于所述块体(50)上的金属陶瓷(53)承载。
18.一种用于岩石切削工具的刀具，例如由分散于粘结相中的硬质颗粒构成的块体，其尤其为WC-Co型，并可选地加入有金刚石颗粒，其特征在于，在超过0.5毫米的长度上，其具有呈由工具的功能确定的形状的连续粘结相组分梯度，以获得富含粘结相的韧性芯部以及具有高硬度和低粘结相含量的表面。
19.根据权利要求18所述的刀具，其特征在于，该刀具上安装有PDC或TSP型带金刚石尖头。
20.一种包括至少一个根据权利要求18或19所述的刀具或刀片的岩石切削工具，尤其是用于石油钻探机、矿物钻探机、土木工程机械、地面或地下土壤挖掘机的工具。
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