专利名称：钨铼化合物和复合物及其制备方法
技术领域：
本发明涉及钨铼化合物和复合物及其制备方法。
背景技术：
各种各样的硬材料和制备硬材料的方法已经被用于制备切削工具和用于搅拌摩 擦焊的工具。用于搅拌摩擦焊的工具包括硬金属针，该硬金属针沿着两个部件之间的接 头移动以便将两个部件塑化并焊接在一起。由于这个过程对工具耗损较大，所以非常需 要坚硬和牢固的材料。结果，硬金属化合物和复合物已经被开发来改善耐磨性。现有技术中的硬材料包括与粘合剂、例如钴或铼结合的碳化物，例如碳化钨。 基于碳化物的硬材料仅使用常规的烧结方法采用铼作为粘合剂来生产。钨_铼合金也使 用标准的胶接方法来生产。这样的钨_铼合金可以被用作用于高温工具和仪器的合金涂 层。然而，在切削工具(例如在地面勘探钻头中使用的切削元件)以及其他工具(例如 搅拌摩擦焊工具)中需要具有改善的耐磨性的材料。发明_既述本发明涉及钨铼化合物和复合物，更特别地涉及一种制备钨铼化合物和复合物 的方法。在一实施例中，提供了一种在高温和高压下制备钨铼复合物的方法。将经过混 合、涂覆或合金化的钨(W)和铼(Re)粉末在高温和高压下烧结以形成一种独特的复合材 料，而不是使用常规的胶接方法简单地使它们合金化。在另一实施例中，将一种超硬材料加入W-Re复合物中以得到具有均勻的微结 构的超硬材料和W-Re的烧结体。钨、铼和超硬材料在高温和高压下进行烧结。超硬材 料可以是立方氮化硼、金刚石或者其他超硬材料。在得到的复合材料中，超硬材料的颗粒均勻地分布在烧结体中。超硬材料改善 了烧结部分的耐磨性，而难熔的W-Re粘合剂在高温操作条件下保持了强度和韧性。由 于其具有较高的重结晶温度，W-Re合金粘合剂提供了所需的韧性并改善了高温时的性能 (与单独的W或者Re相比较)。超硬材料也与W-Re基体形成了牢固的结合。在一实施例中，制备材料的方法包括提供钨和铼并在高温和高压下烧结钨和 铼。高温落在1000°c至2300°C的范围内，高压落在20至65千巴的范围内。该方法还 可以包括在高温和高压下将一种超硬材料与钨和铼进行烧结。在一实施例中，高压高温烧结粘合剂包括钨和铼，其中钨在粘合剂中的体积范 围为大约50%至大约99%，而铼在在粘合剂中的体积范围为大约50%至大约1%。在另一实施例中，复合材料包括刚刚描述的粘合剂和一种超硬材料，例如金刚 石或立方氮化硼。超硬材料与W-Re基体结合形成多晶复合材料。在另一个典型的实施例中，提供了一种搅拌焊接工具，其具有用于焊接两件材 料的至少一部分或至少针的一部分，其中至少一部分和/或所述至少针的一部分是使用 上述方法中任意一个制备的或来自上述材料中的任意一种。
图IA为在1200°C下烧结的具有立方氮化硼(CBN)的W-Re复合物在两个不同 的放大率下的扫描电镜图像的照片复制；图IB为在1400°C下烧结的具有CBN的W-Re复合物在两个不同的放大率下的 扫描电镜图像的照片复制；图2A为在1200°C下烧结的具有CBN的W-Re复合物在两个不同的放大率下的 扫描电镜图像的照片复制；图2B为在1400°C下烧结的具有CBN的W-Re复合物在两个不同的放大率下的 扫描电镜图像的照片复制；图3为在1400°C下烧结的具有CBN和铝的W-Re复合物在两个不同的放大率下 的扫描电镜图像的照片复制；图4为W-Re粉末的混合物的扫描电镜图像的照片复制；图5为在1400°C下烧结的具有金刚石的W-Re复合物的扫描电镜图像的照片复 制；图6为图5中的复合物的反散射电子图像的照片复制；图7为结合在基底上的W-Re复合物的主视图；图8A为在1200°C下烧结的W-Re复合物的扫描电镜图像的照片复制；图8B为在1400°C下烧结的W-Re复合物的扫描电镜图像的照片复制。
具体实施例方式本发明涉及钨铼化合物和复合物，更特别地涉及一种在高温高压下制备钨铼化 合物和复合物的方法。在一实施例中，提供了一种在高温和高压下制备钨铼复合物的方 法。将钨(W)和铼(Re)粉末在高温和高压下(HPHT烧结)烧结以形成一种独特的复合 材料，而不是使用常规的胶接或烧结工艺简单地使它们合金化。在一典型的实施例中，将W-Re混合物引入称为“罐”的通常由铌或钼形成的 外壳内。然后具有混合物的罐被放入压力机内并经过高压和高温的条件。将提高的压力 和温度条件保持足够的时间以便烧结材料。在烧结工艺后，将外壳和它的内含物冷却并 将压力降低至环境条件。在本发明的典型的实施例中，W-Re复合物是通过HPHT烧结制备的，这与常规 的烧结形成对比。在HPHT烧结中，在高度提高的压力和温度下进行烧结工艺。在一些 实施例中，温度的范围在大约1000°C至大约1600°C，压力的范围在大约20至大约65千 巴。在其他的实施例中，温度达到了 2300°C。如下面更全面地讨论那样，HPHT烧结导 致了烧结材料之间的化学结合，而不是简单地通过熔化硬的颗粒周围的粘合剂而将硬的 颗粒固定就位。在一个典型的实施例中，在烧结之前，得到粉末形式的钨和铼并将其结合形成 混合物。钨和铼在混合物中的相对百分比可以根据需要的材料性质变化。在一个实施例 中，化合物包括大约25%或更少的铼以及大约75%或更多的钨。这些百分比通过体积测量。通过HPHT烧结得到的W-Re复合物材料的例子在图8A和8B中示出。图8A示出了在1200°C下烧结的W-Re复合物，图8B示出了在1400°C下烧结的W-Re复合物。 图像显示钨颗粒802结合到了铼颗粒804上。在通过HPHT烧结制备的W-Re复合物材料中，铼提供了在高温下改善的韧性和 强度。W-Re化合物具有比单独的钨或铼更高的重结晶温度，导致了改善的高温性能。 例如，当复合材料被用于制造搅拌摩擦焊工具时，与现有技术中用传统的W-Re合金或 碳化钨制备的搅拌摩擦焊工具相比，该工具可以跨过更长的距离进行焊接。W-Re复合 物的改善的高温性能提供了改善的耐磨性。与常规的烧结相比，HPHT烧结也产生了具 有更高密度的材料。在另一实施例中，将一种超硬材料加入W-Re基体中，并对混合物进行HPHT 烧结以形成具有均勻的微结构的超硬材料和W-Re的复合物。将钨、铼和超硬的材料 一起混合，然后在高温和高压下烧结以形成多晶超硬材料。超硬材料可以是立方氮化 硼(CBN)、金刚石、金刚石样的碳、现有技术中已知的其他超硬材料或者这些材料的组
I=I ο在典型的实施例中，超硬材料与钨和铼混合的相对比例是按体积计大约50%的 超硬材料和50%的W-Re。W-Re混合物通常是25%或者更低的Re。然而，这个比例 是非常灵活的，与W相比，Re的百分比可在50%至之间变化。此外，超硬材料的 百分比可以在至99%之间变化。如上所述，然后将混合物在高温和高压下烧结，形 成多晶超硬复合材料。得到的多晶复合材料包括由钨_铼粘合剂合金结合的多晶超硬材 料。对采用立方氮化硼(CBN)作为超硬材料的三种不同的W-Re复合物进行检验。 所有复合物包括50 %的超硬材料和50 %的W-Re (按体积计)。第一种CBN W-Re复合 物100(参照以下的图1和表1)包括作为超硬材料的立方氮化硼。立方氮化硼的尺寸范 围为2-4微米。第二种CBN W-Re复合物200和第三种CBN W-Re复合物300也包括 立方氮化硼，但其具有的尺寸范围为12-22微米。第三种复合物也包括按重量计的 铝。这些混合物各自以粉末形式混合30分钟。然后将前两种复合物在不同的压制温度 (1200°C和1400°C )下进行压制，而第三种是在1400°C下进行压制。以下是这些材料所得到的硬度表 1
压制温度rc)12001400CBN 等级(μιη)2-412-222-412-2212-22 (w/添加Al)硬度(kg/mm2)123512361263118813351230121912521126134012291202126011921337 为了比较，常规的合金W-Re棒的硬度是430-480kg/mm2，常规的烧结的W-Re的硬度是600-650kg/mm2。因此，与常规的烧结的W-Re和市售的W-Re棒相比，具有 50% (按体积计)的超硬材料的W-Re复合物显示出增加了 2-3倍的硬度。在较高温度 下，粗糙级的CBN显示了比精细级的CBN稍低的强度。添加了铝的第三种复合物显示 出最高的硬度。 为了提供与来自立方氮化硼的氮的反应，在第三种复合物中添加了铝。当第三 种复合物中的材料在高温和高压下烧结时，硼与铼反应形成硼化铼。然后剩下的氮与加 入到混合物中的铝反应。以下是这些复合物的密度表 权利要求
1.一种制备材料的方法，包括 提供钨和铼；和在高温和高压下烧结所述钨和铼。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，高温在大约1000°C至大约2300°C的范 围内。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，高压在大约20至大约65千巴的范围内。
4.根据权利要求1所述的方法，还包括将一种超硬材料与钨和铼混合形成混合 物，并将混合物在高温和高压下烧结以形成多晶复合材料。
5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，超硬材料选自由立方氮化硼、金刚石和 金刚石样碳组成的组中。
6.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，超硬材料选自由立方氮化硼、金刚石和 金刚石样碳组成的组中。
7.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，超硬材料占材料体积的大约50%或更 多，而钨和铼占材料体积的大约50%或更少。
8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，超硬材料是立方氮化硼，并且形成化学 键包括在硼的至少一部分和铼的至少一部分之间形成化学键。
9.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，超硬材料是金刚石，并且形成化学键包 括在金刚石的至少一部分和钨的至少一部分之间形成化学键。
10.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，按体积计钨和铼的比例是大约3 1。
11.根据权利要求1所述的方法，还包括提供一基底，其中烧结包括烧结钨、铼和基底。
12.一种高温高压烧结粘合剂，包括钨，其中钨占粘合剂体积的大约50%至大约99% ；和 铼，其中铼占粘合剂的体积的大约至大约50%。
13.据权利要求12所述的粘合剂，其特征在于，铼占粘合剂总体积的大约25%。
14.一种多晶复合材料，包括钨、铼、和与钨或铼中至少一个相结合的多晶超硬材料。
15.根据权利要求14所述的材料，其特征在于，所述钨和铼形成粘合剂，其中钨占粘 合剂的体积的大约50%至大约99%，铼占粘合剂的体积的大约50%至大约1%。
16.根据权利要求15所述的材料，其特征在于，超硬材料占多晶复合材料体积的大约 50%或更高。
17.根据权利要求15所述的材料，其特征在于，铼占粘合剂的体积的大约25%。
18.根据权利要求15所述的材料，其特征在于，超硬材料是立方氮化硼，并且硼的至 少一部分与铼化学结合。
19.根据权利要求15所述的材料，其特征在于，超硬材料是金刚石，并且金刚石的至 少一部分与钨化学结合。
20.根据权利要求14所述的材料，其特征在于，所述钨、铼和超硬材料确定了一多晶 超硬材料层，其中复合材料还包括结合到所述多晶超硬材料层上的基底。
21.—种多晶复合材料，其包括一粘合剂和一种多晶超硬材料，其中该粘合剂包括 钨，其中钨占粘合剂的体积的大约50%至大约99% ；钼，其中钼占粘合剂的体积的大约至大约50%。
22.根据权利要求21所述的材料，其特征在于，所述钨、钼和超硬材料确定了一多晶 超硬材料层，其中复合材料还包括结合到所述多晶超硬材料层上的基底。
23.—种多晶复合材料，其包括一粘合剂和一种超硬材料，其中该粘合剂包括 钨，其中钨占粘合剂的体积的大约50%至大约99% ；镧，其中镧占粘合剂的体积的大约至大约50%。
24.根据权利要求23所述的材料，其特征在于，所述钨、镧和超硬材料确定了一多晶 超硬材料层，其中复合材料还包括结合到所述多晶超硬材料层上的基底。
25.—种制备多晶复合材料的方法，包括 提供一种粘合剂，该粘合剂包括钨，其中钨占粘合剂的体积的大约50%至大约99% ；和 钼，其中钼占粘合剂的体积的大约至大约50% ； 提供一种超硬材料；和在高温和高压下烧结粘合剂和超硬材料以形成多晶复合材料。
26.—种制备多晶复合材料的方法，包括 提供一种粘合剂，该粘合剂包括钨，其中钨占粘合剂的体积的大约50%至大约99% ；和 镧，其中钼占粘合剂的体积的大约至大约50% ； 提供一种超硬材料；和在高温和高压下烧结粘合剂和超硬材料以形成多晶复合材料。
27.一种搅拌摩擦焊工具，其包括至少一个由权利要求14至24中任意一项所述的材 料所形成的部分。
28.—种搅拌摩擦焊工具，其包括至少一个使用权利要求1至11、25和26中任意一 项中所述的方法所形成的部分。
29.—种搅拌摩擦焊工具，其包括用于焊接两部件的针，其中所述针的至少一部分包 括权利要求14至24中任意一项所述的材料。
30.—种搅拌摩擦焊工具，其包括用于焊接两部件的针，其中所述针的至少一部分包 括由权利要求1至11、25和26中任意一项所述的方法所形成的材料。
全文摘要
本发明涉及钨铼化合物和复合物及其制备方法。将钨和铼粉末一起混合后，在高温和高压下烧结形成一种独特的化合物。也可以加入一种超硬的材料。将钨、铼和超硬的材料一起混合后，在高温和高压下烧结。
文档编号C22C1/04GK102016087SQ200980114042
公开日2011年4月13日 申请日期2009年4月21日 优先权日2008年4月21日
发明者刘庆元, 斯科特·帕克, 斯科特·霍尔曼, 罗塞尔·斯蒂尔 申请人:史密斯国际有限公司