[发明专利]深海矿产资源和干热岩开采用硬质合金及其制备方法和应用

说明书

本发明涉及深海矿产资源和干热岩开采用硬质合金及其制备方法，所述硬质合金具有抗磨蚀和自润滑功能，所述制备方法包括与超硬材料形成复合材料的制备方法。本发明分别在硬质合金烧结过程中和在超硬复合材料高温高压复合过程中，通过稀土氧化物与WS₂或MoS₂原位反应，形成具有自润滑功能的稀土氧硫化物RE₂O₂S；通过硬质合金中RE₂O₂S、硬质相和粘结相或超硬材料中RE₂O₂S和超硬相协同作用，实现抗磨蚀功能；在所述硬质合金中添加Ni、Cr₃C₂和TaC进一步改善其抗磨蚀性能。本发明能低成本改善硬质合金和超硬复合材料的使用寿命，能满足极端服役工况对新型凿岩硬质合金和超硬复合材料高综合性能和高服役寿命的需求。

技术领域

本发明涉及深海矿产资源和干热岩开采用硬质合金，属于硬质合金、超硬材料以及凿岩工具领域。

背景技术

由于凿岩效率与材料的弹性模量、硬度、强度、耐磨性、冲击韧性密切相关，因此WC–Co基硬质合金是凿岩工具的钻头关键部件最常用的材质。随着陆地矿产资源的日渐枯竭，深海矿产资源和以干热岩为代表的新型矿产资源已成为矿产资源开发的新重心。

海底区域资源蕴藏丰富，包括多金属结核、富钴结壳、海底热液硫化物等。多金属结核可能是海底分布最大的金属资源。富钴结壳也是一种海底重要的金属矿产资源，其中钴的平均含量高于陆地80倍。海底热液矿床主要出现在约2000m深水处的大洋中脊和地层断裂活动带，是一种具有远景意义的海底多金属矿产资源。深海矿产资源的开采技术水平标志着一个国家海洋资源开发的综合势力水平。

干热岩通常温度＞200℃，埋深数千米，是一种内部不存在流体或仅有少量地下流体的高温岩体。这种岩体的成分变化大,绝大部分为中生代以来的中酸性侵入岩，部分是中新生代的变质岩和厚度巨大的块状沉积岩。全球陆区干热岩资源量相当于4950万亿吨标准煤，是全球所有石油、天然气和煤炭蕴藏能量的近30倍。中国大陆3～10km深处干热岩资源量约合856万亿吨标准煤，占世界干热岩资源量的约1/6。

深海海底存矿区岩石种类和岩石结构复杂、温度多变，干热岩岩石结构复杂、岩体高温，两类工况的共性特征是对凿岩工具具有很强的磨蚀性。显然，进一步改善凿岩用硬质合金以及凿岩用硬质合金与超硬材料形成的超硬复合材料(简称超硬复合材料)的抗氧化性能和耐腐蚀性能是提高其对高温磨蚀和岩体磨蚀极端服役工况的适应性，改善其使用寿命的有效途径。

稀土氧硫化物，即RE₂O₂S具有高熔点和自润滑功能，在高温下具有很强的化学稳定性，但是如何将此特性应用于凿岩用硬质合金和凿岩用超硬复合材料，未见报道。

发明内容

本发明的第一个目的是提供一种深海矿产资源和干热岩开采用硬质合金及其与超硬材料形成的超硬复合材料，以满足高温磨蚀或岩体磨蚀等极端服役工况对硬质合金和超硬复合材料具有优异的抗氧化性能或耐腐蚀性能和优异的耐磨性能的要求。本发明在提高硬质合金和超硬复合材料抗氧化性能和耐腐蚀性能的同时，通过赋予硬质合金和超硬复合材料自润滑功能，进一步改善硬质合金和超硬材料在高温磨蚀或岩体磨蚀极端服役工况条件下的耐磨性能，以进一步改善其使用寿命。本发明的第二个目的是提供一种对服役工况具有广泛适应性的具有自润滑功能、抗高温磨蚀和抗岩体磨蚀的高性能硬质合金和超硬复合材料的低成本制备方法；所述低成本制备方法是指与传统参比合金相比，新型合金的制造成本基本不增加，通过价格较低或价格相当的合金添加剂，实现对材料的改性和材料综合性能的提升。