烧结碳化物材料及其制备方法
【技术领域】
[0001] 本公开涉及一种例如用于合成金刚石或C-BN或者制造多晶金刚石或C-BN用的高 压部件的烧结碳化物材料，及其制备方法。
【背景技术】
[0002] 公知的是，用于金刚石合成和多晶金刚石（P⑶）生产的高压高温（HPHT)部件（包 括砧座和模具）的烧结碳化物受到高的压力、温度和负载。这种不利条件导致其变形，并且 如果变形超过一定水平时，HPHT部件失效。在这一方面，很重要的是烧结碳化物材料具有 高水平的杨氏模量，以减少在高压力下的变形，从而提高HPHT部件的变形抵抗性和寿命。
[0003] 因此，需要用于制造高压高温部件的烧结碳化物材料，所述部件具有改进的变形 抵抗性以及高的断裂韧性和强度。
[0004] 发明概述
[0005] 从第一方面看，提供了一种包含WC、Co和Re的烧结碳化物材料，其中：
[0006] 所述烧结碳化物材料包含约3至约10重量％的Co和约0. 5至约8重量％的Re ;
[0007] 烧结碳化物材料的等效总碳（ETC)含量相对于WC为约6. 3重量％至约6. 9重 量％ ;
[0008] 烧结碳化物材料基本上不含n相和游离碳。
[0009] 从第二方面看，提供了一种多晶超硬结构，包含：
[0010] 包含以上定义的烧结碳化物材料的基材；和
[0011] 沿界面接合到基材的多晶超硬材料本体。
[0012] 从第三方面看，提供了一种适用于钻进土中的旋转钻头的刀具，该刀具包含含有 如上所定义的烧结碳化物材料的基材，该基材接合到多晶超硬材料本体。
[0013] 从第四方面看，提供了一种PCD元件，其用于钻进土中的旋转剪切钻头（shear bit)，用于冲击转头或者用于沥青降解或采矿的镐，该PCD元件包含接合到如上所定义的 烧结碳化物材料本体的超硬多晶材料本体。
[0014] 从第五方面看，用于钻进土中的钻头或钻头部件，包含如上定义的P⑶元件。
[0015] 从第六方面看，提供了生产如上定义的烧结碳化物材料的方法，该方法包括：
[0016] 研磨烧结碳化物混合物，该烧结碳化物混合物含有WC和碳、以及Re、Co、Ni和/或 Fe和任选的晶粒生长抑制剂，所述晶粒生长抑制剂包含V、Cr、Ta、Ti、Mo、Zr、Nb和Hf或其 碳化物中的一种或多种；
[0017] 从混合物压制烧结碳化物制品；
[0018] 在高于约1450°C的温度下在真空中烧结该制品约1到10分钟，且在Ar (HIP)压力 下烧结约5到120分钟；和
[0019] 将所述制品从烧结温度冷却到约1300摄氏度（°C )。
[0020] 从第七方面看，提供了一种再利用如上所定义的烧结碳化物材料的方法，该方法 包括：在保护气氛中与液体Zn熔化碳化物材料，使Zn蒸发以形成所得产物；和研磨所得到 的产物从而从该产物回收Re。
[0021] 从第八方面看，提供了一种再利用如上所定义的烧结碳化物材料的方法，该方法 包括：使烧结碳化物材料经受酸浸出混合物以从烧结碳化物材料除去粘合剂相；和从除去 的粘合剂相化学回收Co和Re。
[0022] 从第九方面看，提供了一种再利用如上所定义的烧结碳化物材料的方法，该方法 包括烧结碳化物材料的氧化以溶解碳化物、Re和Co,和回收Re。
[0023] 从第十方面看，提供了一种在高压部件中使用烧结碳化物材料用于合成金刚石或 c-BN或者制造多晶金刚石或c-BN的用途，所述高压部件在高于5GPa的压力和高于1100°C 的温度下操作，其中所述烧结碳化物材料包含：
[0024] -种或多种金属的碳化物，其为第二碳化物相的形式，或溶于所述材料中的粘合 剂相，所述一种或多种金属包含Ti、V、Cr、Mn、Zr、Nb、Mo、Hf和/或Ta ;
[0025] 约0. 5至约8重量％的Re和约3至约10重量％的Co;
[0026] 烧结碳化物材料的等效总碳（ETC)含量相对于WC为约6. 3重量％至约6. 9重量％
[0027] 该烧结碳化物材料基本上不含n相和游离碳。
【附图说明】
[0028] 现在参照附图以举例的方式描述实施方案，在附图中：
[0029] 图1是根据第一实施例和包含WC-Co-Re的烧结碳化物材料的SEM图；
[0030] 图2是图1的WC-Co-Re烧结碳化物材料的EBSD图；和
[0031] 图3是示出常规的WC-Co烧结碳化物材料的显微组织的EBSD图。 具体实施方案
[0032] 众所周知，相对于常规的WC - Co材料的WC，等效总碳（ETC)含量介于约6. 0和 6. 3 重量％之间。[参见例如〃Exner H.，Gurl 和 J. A review of parameters influencing some mechanical propert ies of tungsten carbide - cobalt alloy. Powder Met， 13(1970) 13-31)'， 和 I. Konyashin，S. Hlawatschek，B. Ries，F. Lachmann，T. Weirich， F. Dorn,A. Sologubenko on the^Mechanism of WC Coarsening in WC-Co Hardmetals with Various Carbon Contents"， International Journal of Refractory Metals 和 Hard Materials，27 (2009) 234-243〃]。当碳含量比该范围的碳含量低或高时，附加相（例如n 相或游离碳）出现在碳化物显微组织中，导致WC-Co材料的机械性能例如压缩强度、横向断 裂强度和断裂韧性的显著下降。
[0033] 现已令人惊奇地认识到，如果WC-Co-Re烧结碳化物具有显著增加碳含量，其对应 于等效总碳（ETC)含量相对于WC为6. 3重量％至6. 9重量％，其机械性能如压缩强度、横 向断裂强度、硬度、断裂韧性和热硬度可得到显著改善。
[0034] 虽然不希望受理论束缚，但对此的一个可能原因也许是在这样的材料中的 WC-Co-Re烧结碳化物的粘合剂相中存在残余压应力。
[0035] 根据关于WC-Co烧结碳化物中的残余应力的许多出版物，在WC-Co中的粘合剂相 总是在高的残余拉应力下，导致常规WC-Co材料的降低的硬度和断裂韧性的组合[参见例 如Mari D，Clausen B，Bourke M A M，Buss K 的题为"Measurement of res idual thermal stressinWC_Cobyneutrondiffraction"的出版物，Int.J.RefractoryMet.Hard Mater.，2009 ;27:282-287"，KrawitzA D，VenterA M，DrakeEF，LuyckxSB，ClausenB 的题为''PhaseresponseinWC-Nitocycliccompressiveloading和 itsrelationto roughness〃的出版物，Int.J.RefractoryMet.HardMater.，2009;27:313-316" 和 Coats D I，KrawitzA D 的题为"Effectofparticlesizeonthermalresidualstressin WC-Cocomposites〃的出版物，Mater.Sci.Engin.，2003 ;A359:338-342"]。
[0036] 如本文所使用的，"超硬材料"是具有至少约25GPa的维氏硬度的材料。金刚石和 立方氮化硼（cBN)的材料是超硬材料的例子。
[0037] 如本文所使用的，"超硬结构"是指包括多晶超硬材料或超硬复合材料，或包含接 合到烧结碳化物基材的多晶超硬材料和超硬复合材料的结构。
[0038] 如本文所用的，多晶金刚石（P⑶）是包含大量金刚石晶粒的PCS材料，其显著部分 直接互相结合，并且其中金刚石的含量为材料的至少约80体积％。在PCD材料的一个实施 方案中，金刚石晶粒之间的间隙可以至少部分地填充有包含用于金刚石的催化剂的粘合剂 材料。如本文所使用的，"间隙"或"间隙区域"是PCD材料的金刚石晶粒之间的区域。在 PCD材料的实施方案中，间隙或间隙区域可以基本上或部分地填充有金刚石以外的材料，或 者它们可以是基本上空的。PCD材料的实施方案可包含至少一个区域，由此已从间隙中去除 催化剂材料，留下金刚石晶粒之间的间隙空隙。
[0039] 如本文所用，多晶立方氮化硼（PCBN)材料是包含大量分散在耐磨基体内的cBN晶 粒的PCS材料，该耐磨基体可以包含陶瓷或金属材料，或两者，并且其中cBN的含量是材料 的至少约50体积％。在PCBN材料的一些实施方案中，cBN晶粒的含量为至少约60体积％， 至少约70体积％或至少约80体积％。超硬材料的实施方案可包含分散在硬基体中的超硬 材料晶粒，其中硬基体优选包含陶瓷材料作为主要成分，且优选陶瓷材料选自碳化硅、氮化 钛和碳氮化钛。
[0040] 参考图1和图2中，烧结碳化物材料包含大量硬质材料的晶粒，所述硬质材料的晶 粒包含碳化