[发明专利]超硬增强的硬质金属

说明书

引言

本发明涉及用超硬材料增强的硬质金属和它们的制造方法。

发明背景

硬质金属被理解为是包含通过金属或金属合金(典型地包括钴、铁或镍)保持在一起的陶瓷材料(例如碳化钨)颗粒的材料类型。钴胶结的碳化钨是常见的硬质金属类型。硬质金属广泛用于机加工、切削、钻削或破碎含硬材料或耐磨材料的工件或物体(body)，或者在使用中可遭受到磨蚀的部件。

超硬增强的硬质金属被理解为是指包含金刚石或其它超硬材料的颗粒以及硬材料的颗粒的复合材料，其中这些颗粒通过粘合剂、优选金属性粘合剂保持在一起。

美国专利5,453,105号公开了一种生产磨削产品的方法，该方法包括：提供金刚石颗粒和离散碳化物颗粒的混合物，所述金刚石颗粒比所述碳化物颗粒小并且在该混合物中以大于50体积％的量存在，以及在能够将该混合物粘结成硬聚结体的粘合剂存在下使该混合物经受提高的温度和压力条件，在该条件下金刚石在晶体学上是稳定的。

美国专利5,889,219号公开了通过直接电阻加热和加压烧结形成的复合元件，该复合元件含有：选自WC、TiC、TiN和Ti(C，N)的至少一种成分的硬材料，由铁族金属构成的粘合剂材料，以及金刚石晶粒。

美国专利7,033,408号公开了一种生产磨削产品的方法，该方法包括：(1)提供离散碳化物颗粒物料和金刚石颗粒物料的混合物，所述金刚石颗粒在该混合物中的存在量使得磨削产品中的金刚石含量为25重量％或更小；和(2)在能够将该混合物粘结成粘着、烧结产品的粘结金属或合金的存在下，使该混合物经受提高的温度和压力条件，在该条件下金刚石在晶体学上是稳定的并且基本上没有石墨形成，从而产生磨削产品。

需要提供用金刚石或其它超硬颗粒增强的硬质金属，所述增强的硬质金属具有显著增强的机械性能。还需要制造这样的增强硬质金属的方法。

发明概述

根据本发明的第一方面，提供了包含颗粒状硬材料和粘合剂材料以及至少一种构造物(formation)的超硬增强的硬质金属，所述构造物含有芯簇(core cluster)和多个与该芯簇间隔开、围绕且小于该芯簇的伴簇(satellite cluster)，并且所述芯簇和伴簇各自含有多个邻接的超硬颗粒。

术语“邻接”意欲涵盖粘结、交互生长或简单接触。

优选地，超硬颗粒包括金刚石。

优选地，各个伴簇的平均体积小于芯簇平均体积的约20％，更优选地，各个伴簇的平均体积小于芯簇平均体积的约10％。

优选地，各个伴簇所含超硬颗粒数目少于芯簇内所含超硬颗粒数目的约20％，更优选地，各个伴簇所含超硬颗粒数目少于芯簇内所含超硬颗粒数目的约10％。

硬质金属被理解为是包含通过金属或金属合金(典型地包括钴、铁或镍)(粘合剂材料)保持在一起的陶瓷材料(例如碳化钨)颗粒的材料类型。钴胶结的碳化钨是优选的硬质金属类型。

关于材料所用的术语“超硬”被理解为是指该材料具有至少30GPa的硬度。金刚石和立方氮化硼(cBN)是超硬材料的例子。

关于材料所用的术语“硬”被理解为是指该材料具有约15GPa至小于30GPa的硬度。碳化钨和碳化钛是硬材料的例子。

优选地，芯簇包含多个超硬颗粒和硬材料颗粒。

在本发明的优选实施方案中，芯簇包含将含有粘合剂材料和少很多的超硬材料或基本上无超硬颗粒的区域包封的超硬颗粒和硬材料环套(collar)或壳体(shell)。优选地，所述区域内的粘合剂材料富含碳。术语“富含碳”是指比其余粘合剂中的平均值相对更多、但仍少于热力学碳溶解度水平的碳。作为替代方案，芯簇可以含有直接粘结到超硬颗粒和硬材料环套或壳体的超硬颗粒。

优选地，硬材料包含金属碳化物、金属氧化物或金属氮化物，低氧化硼或碳化硼，更优选地，包含金属碳化物和甚至更优选地选自WC、TiC、VC、Cr₃C₂、Cr₇C₃、ZrC、Mo₂C、HfC、NbC、Nb₂C、TaC、Ta₂C、W₂C、SiC和Al₄C₃。最优选地，存在WC或TiC作为硬材料。

根据本发明，提供了一种超硬增强的硬质金属，该超硬增强的硬质金属包含多个分散在该硬质金属中的构造物。