复合金属陶瓷制品及其制造方法 金属陶瓷是用于描述由一个硬质组分和粘结剂组分组成的块体材料的术语。所说的硬质组分包括非金属化合物或准金属化合物。所说地硬质组分在二维或三维方向上可能相连，也可能不相连。所说的粘结剂包括金属或合金，通常在三维方向上相连。粘结剂把硬质组分结合在一起形成块体材料。每种块体金属陶瓷的性能来自陶瓷组分的性质和粘结剂组分的性质的相互作用。例如，硬质组分或粘结剂组分表现出铁磁性，整个块体材料也可以表现出铁磁性。
金属陶瓷系列可以定义为由用特定的粘结剂组分结合的特定的陶瓷组分组成的块体金属陶瓷。用钴合金结合的碳化钨是一个系列的实例(WC-Co系列，一种胶结碳化物)。例如，通过分别调整或者一起调整每个组分的含量、特性或含量和特性可以设计金属陶瓷系列的性能。但是，材料的一种性能的改进常常会降低另一个性能。例如，在改进WC-Co系列的耐磨性时，一般会降低材料的抗断裂性能。因此，在设计整体胶结碳化物时，从未结束过以降低另一个性能为代价而改进材料的一个性能的循环。
尽管如此，仍然在承受较大磨损、冲击或同时承受二者的设备中使用整体胶结碳化物。但是，仅仅选择设备中的某些部分用整体胶结碳化物构成，而不是用整体胶结碳化物建造整个设备。这些选择的部分承受磨损、冲击或同时承受二者。在某些设备中，所说的胶结碳化物部分具有特定的形式，使其能够维持设备的最大效率。随着所说的特定形式的改变，设备的效率降低。如果该设备用于切削工件，从工件上去除的量会随所说的胶结碳化物偏离特定的形式的程度而减少。
例如，随着用在与冲击钻相连的胶结碳化物块体的特定圆顶形形式的改变，曾经为优化的形状的胶结碳化物块体会由于圆顶的切向磨损而变成平顶。随着gage row上的平顶的逐渐发展，钻孔的直径减小。在圆顶向平顶的转变过程中，驱动冲击钻的马达的动力增大，从而增大了磨损速率。一个解决特定形式的损耗的方法包括把胶结碳化物从使用的设备上拆除并进行整形…由于从孔(最大到几百米深)中撤出冲击钻需要的时间和在整形过程中设备的生产使用的损失，这种方法的成本是较高的。另一种解决方法是敲碎用过的胶结碳化物部分，换上新的胶结碳化物…由于从孔(最大到几百米深)中撤出冲击钻需要的时间和在重新安装过程中设备的生产使用的损失，以及敲碎的胶结碳化物的因素，这种方法的成本也是高的。伴随后一种解决方法的附加的成本包括重钻当所说的圆顶的胶结碳化物变成平顶时产生的尺寸较小的部分孔。如果这些胶结碳化物能够保持其特定的形式更长的时间，例如，通过增大耐磨性，那么就会产生经济上的和技术上的收益。
一个解决以降低材料的另一个性能为代价来调整整体金属陶瓷的一个性能这种无休止的循环的方法是把几种整体金属陶瓷结合在一起形成多区域金属陶瓷制品。世界上的许多个人和公司的资源(即时间和资金)已经投入到开发多区域的胶结碳化物制品中。通过在该课题方面的出版物、美国和外国的专利，以及外国的专利公布的数量可以表明投入到其开发方面的资源的数量。一些美国和外国的专利，以及外国的专利公布包括：美国专利Nos.2,888,247；3,909,895；4,194,790；4,359,355；4,427,098；4,722,405；4,743,515；4,820,482；4,854,405；5,074,623；5,333,520和5,335,738，外国的专利公布Nos.DE-A-3519101；GB-A806406；EPA-0111600；DE-A-3005684；DE-A-3519738 FR-A-2343885；GB-A-1115908；GB-A-2017153；和EP-A-0542704。尽管表明了资源的量，但是在工业上还没有令人满意的多区域的胶结碳化物制品可以解决现存的问题。此外，还没有令人满意的制造多区域的胶结碳化物制品的方法。而且，还没有令人满意的方法制造出具有改进的耐磨性的多区域的胶结碳化物制品。
某些资源花费在“想法的实验”和仅仅提出希望上…其中没有告诉制造这样的多区域的胶结碳化物制品的方法。
其它的资源花费在开发复杂的方法上。一些方法包括预设计起始配料、生坯的几何形状，或者同时预设计这两者。例如，把用于制造多区域的胶结碳化物制品的起始配料单独地成型为不同的生坯。有时候，所说的单独成型的生坯也单独地烧结，有时候在磨光之后通过焊接，铜焊或收缩配合进行装配形成多区域的胶结碳化物制品。有时，单独成型的生坯可以先装配，然后烧结。构成单独成型生坯的相同配料的不同组合对应于不同的烧结过程。配料的每一种组合的收缩是唯一的。配料的每一种组合唯一地对应于烧结温度、烧结时间、烧结气氛、或上述这些因素的任何组合。只有进行成型模具和生坯尺寸的复杂的预设计，才能使烧结在装配之后进行。为了进行预设计，需要一个多方面的数据库，其中包括配料对于不同的温度、时间、气氛或上述因素的任何组合的响应。这样的数据库的建立和维护是成本上所不允许的。为了避免这些成本，必须使用精细的工艺控制设备。这也是昂贵的。此外，在使用精细的工艺控制设备时，对于预定工艺参数的微小偏差会产生碎片，而不是得到有用的多区域的胶结碳化物制品。
还有一些资源花费在繁复的成型多区域的胶结碳化物制品的方法上。例如，先烧结非化学计量的整体的胶结碳化物制品。其组成中碳量不足，因此烧结的碳化物中含有η相。然后把这种整体的胶结碳化物制品经过碳化环境，通过反应消除每个制品外围部分的η相。除了配料的预设计之外，这些方法需要中间的加工工序和碳化设备。而且，由于一旦碳化的外围区域被磨掉，所得的多区域的胶结碳化物就不能再用，所以，所得的碳化物仅提供了最小的利益。
由于上述原因，对于多区域的金属陶瓷制品和多区域的胶结碳化物制品，有一种能够低成本地制造的需求。此外，对于多区域的金属陶瓷制品和多区域的胶结碳化物制品，还有一种需求，即能够表现出优异的耐磨性，而且可以低成本地制造。
本发明涉及由金属陶瓷构成的制品，优选的是由胶结碳化物构成的制品，其中至少有两个区域，这两个区域至少具有一种不同的性质。本发明还涉及这些独特的新型制品的使用方法。同时本发明涉及这些独特的新型制品的制造方法。更具体地，本发明的方法涉及控制至少部分邻接的至少两种粉末混合物的相互作用，使得在致密化时，所得的区域表现出与每一种致密化的粉末作为单独的物体所表现出的性能相关的性能。
本发明满足了长期以来在金属陶瓷技术方面一种需求，即通过提供至少有两个区域的制品，这些区域至少有一个性质不同(优选的是百分比磁饱和强度不同)，来改进金属陶瓷材料体系。在用于与钢卡具结合形成钻孔工具时，这样的多区域制品是特别有用的。一个实例包括至少具有一个表现出优异的耐磨性的前区，和一个表现出优异的强度或韧性、或同时具有优异的强度和韧性的后区的金属陶瓷制品。所说的至少两个区域的组合的另一个优点包括通过把后面的部分扩展到前面的部分增强了对前面的部分的支持。
通过认识到在制造多区域制品中遇到的问题的解决方法，本发明提供了一种制造该制品的方法。以前，制造多区域制品的尝试的失败是由于在制品的致密化过程中产生的未控制相邻的粉末混合物之间的粘结剂的迁移。因此，通过利用工艺参数(例如，不同的硬质组分的颗粒尺寸或不同的硬质组分的化学性质或不同的粘结剂含量或不同的粘结剂化学性质、致密化温度、致密化压力、致密化气氛、、或上述参数的任何组合)的叠加效应得到独特的新型多区域制品的方法来制造本发明的制品。这些方法包括试验烧结每种粉末混合物、确定试验烧结的金属陶瓷的性能、和如果合适，用合适的外加剂调整粉末混合物的化学性质。尤其是本发明的方法得到由一种硬质组分和铁磁组分构成的金属陶瓷。在试验烧结之后，确定试验烧结的金属陶瓷的磁性能(如，矫顽力(Hc)和磁饱和强度)、化学成分和矿物成分。使用这些数据通过添加硬质组分、粘结剂(或二者同时添加)的原料来调整每种粉末混合物的化学性质，如果需要，在致密化过程中控制邻接的粉末混合物中的粘结剂的迁移。此外，在对每种粉末混合物进行调整以调整每种粉末混合物的磁饱和强度之后，在一定温度下把所说的粉末混合物邻接放置一定的时间，使每种粉末混合物足以完全致密化，足以控制粘结剂的迁移，并在所得的至少两个区域之间自动形成金相结合。可以调整每种粉末混合物的磁饱和强度，使其值对应于每种粉末混合物的粘结剂的合适的液相温度。例如，在碳化钨-钴体系中，调整每种粉末混合物的磁饱和强度使得每种粉末混合物产生完全致密化，并控制粘结剂在每种粉末混合物之间的迁移，优选的是使得致密化温度最低，致密化时间最短。
本发明的独特的新型制品至少由两个区域构成，也可以由多区域构成。第一个区域由第一种硬质组分，优选的是碳化物，和第一种预定含量的粘结剂构成。制品的第二个区域，与第一层并置或邻接，由第二种硬质组分和第二种预定含量的粘结剂构成。第一个区域和第二个区域的粘结剂含量可能不同。本发明的制品的第一个区域可以比第二个区域更耐磨。在用于磨损方面的用途中，该制品相对于以前技术的制品的使用寿命来说，可能具有更长的使用寿命。
在本发明的一个实施方案中，通过改变硬质组分的颗粒尺寸、或硬质组分的化学性质、或粘结剂含量、或粘结剂的化学性质、或上述参数的任何组合，来调整所说的至少两个区域中的每一个区域的至少一个性质。所说的至少一个性质可以包括密度、颜色、外观、反应活性、电导率、强度、断裂韧性、弹性模量、剪切模量、硬度、热导率、热膨胀系数、比热、磁化率、摩擦系数、耐磨性、抗冲击性、耐化学侵蚀性等、或上述性质的任何组合中的任何性质。
在本发明的一个实施方案中，可以变化所说的至少两个区域的量。例如，第一个区域的厚度相对于第二个区域的厚度可以从第一个区域在第二个区域上形成涂层变化到第二个区域在第一个区域上形成涂层。优选的在对于整体金属陶瓷可能会产生缺陷的制品的一部分上放置所说的第一个区域。当然，第一个区域和第二个区域也可以具有基本相同的比例。
在本发明的一个实施方案中，第一个区域和第二个区域的并置可以是层状界面、或弯曲界面、或复杂界面、或者上述各种界面的组合。此外，第一个区域也可以完全包围第二个区域或被第二个区域包围。
在本发明的一个实施方案中，本发明的制品可以用作材料的处理或去除，例如，包括采矿、构造、农业、和机械加工。一些农业应用的具体实例包括种子进料斗(见美国专利No.5,325,799)、农业工具的刀具(见美国专利Nos.5,314,029和5,310,009)、圆盘刀具(见美国专利No.5,297,634.)、树桩切割器或碎木机(见美国专利Nos.5,005,622；4,998,574；和4,214,617)、犁地工具(见美国专利Nos.4,360,068和4,216,832)、泥土加工工具(见美国专利Nos.4,859,543；4,326,592；和3,934,654)。一些采矿和构造应用包括切割和挖掘工具(见美国专利Nos.5,324,098；5,261,499；5,219,209；5,141,289；5,131,481；5,112,411； 5,067,262；4,981,328；和4,316,636)、地钻(见美国专利Nos.5,143163；和4,917,196)、矿石或岩石钻(见美国专利Nos.5,184,689；5,172,775；4,716,976；4,603,751；4,550,791；4,549,615；4,324,368；和3,763,941)、构造设备刀具(见美国专利Nos.4,770,253；4,715,450；和3,888,027)、滚动切割机(见美国专利Nos.3,804,425；和3,734,213)、泥土加工工具(见美国专利Nos.4,859,543；4,542,943；和4,194,791)、粉碎机械(见美国专利Nos.4,177,956和3,995,782)、挖掘工具(见美国专利Nos.4,346,934；4,069,880；和3,558,671)、和其它采矿和构造工具(见美国专利Nos.5,226,489；5,184,925；5,131,724；4,821,819；4,817,743；4,674,802；4,371,210；4,361,197；4,335,794；4,083,605；4,005,906；和3,797,592)。一些机械加工应用的实例包括材料切削刀具(见美国专利Nos.4,946,319；4,685,844；4,610,931；4,340,324；4,318,643；4,297,050；4,259,033；和2,201,979(RE 30,908))、带有刀屑控制作用的材料切削刀具(见美国专利Nos.5,141,367；5,122,017；5,166,167；50,032,050；4,993,893；4,963,060；4,957,396；4,854,784；和4,834,592)、带有通过化学气相沉积(CVD)、物理气相沉积(PVD)、转化涂层等方法涂敷的涂层的材料切割刀具(见美国专利Nos.5,325,747；5,266,388；5,250,367；5,232,318；5,188,489；5,075,181；4,984,940；和4,610,931(RE 34,180))。所有上述与应用有关的专利的主要内容以参考的形式结合在本申请中。尤其是这些制品可以用于耐磨应用中，其中需要一种用前面的部分加工或除去材料(例如，岩石、木材、矿石、煤、泥土、道路表面、合成材料、金属、合金、复合材料(陶瓷基复合材料(CMCs)金属基复合材料(MMCs)、和聚合物基或塑料基复合材料(PMCs))、聚合物等)的具有预先选择的几何形状的制品。更具体地，这些制品可以用在希望维持产品的工作部或接触部(或者这两者)结合在工具内部，以延长工具的寿命。
本发明的一个实施方案涉及制造这种新型独特的制品的新方法。即，以预定的方式排列至少一个第一种粉末混合物和和一个第二种粉末混合物形成生坯。如果生坯的形状和最终制品的形状明显不一致，那么，可以通过生坯加工、或塑性形变、或生坯雕塑、或者通过任何其它的的方法，使生坯形成要求的形状。然后不管是否已经成形过，可以把生坯致密化形成金属陶瓷，优选的是胶结碳化物制品，更优选的是碳化钨-钴制品。如果致密化的制品没有预成形，或者要求另外的成形，可以使致密化的制品经过研磨或其它的加工工序。
在本发明的一个实施方案中，可以选择第一种粉末混合物和第二种粉末混合物的组成，使得得到的制品表现出上述讨论的特性。例如，确定第一种粉末混合物名义化学组成和第二种粉末混合物的名义化学组成，使得所说的至少两种粉末混合物的致密化温度、致密化时间、或者这二者最小化，通常是对于每一种粉末混合物而言。而且，在致密化过程中，控制粘结剂在所说的至少两种粉末混合物之间的迁移。此外，第一种粉末混合物和第二种粉末混合物的粘结剂含量可以明显不同的。而且，通过改变粘结剂的化学性质、或硬质组分的化学性质(优选的是碳化物的化学性质)、或两者同时改变来调整所得的制品区域的百分比磁饱和强度。调整百分比磁饱和强度的方法包括向粉末混合物中添加硬质组分的原料。在所说的至少两种粉末混合物之间，百分比磁饱和强度可以是基本相同的，明显不同的或连续变化的。
通过磁饱和强度控制粘结剂在至少两种邻近的粉末混合物中的迁移是新颖独特的。传统上，通过测量烧结的胶结碳化物的试样的硬度来控制胶结碳化物的组成。如果测得的硬度在特定的硬度范围内，可以认为胶结碳化物的化学组成是可以接受的。但是，由于对于一组试样来说，即使该试样组中的每个试样具有相同的测试硬度，其磁饱和强度范围可以从最小的可能值到最大的可能值，所以这可能是靠不住的。类似地，对于一组试样来说，即使该试样组中的每个试样具有相同的测试的磁饱和强度，其测量硬度范围可以从最小的可能值到最大的可能值。非常简单，传统的硬度测量方法没有提供碳化物的化学组成和测试结果之间的精确的关系，用磁饱和强度测量则可以得到这种关系。
然而，磁饱和强度测量不仅为精确的碳化物化学组成控制提供了一种方法，更重要的是磁饱和强度测量提供了促进多区域的金属陶瓷形成的方法。这些方法，在与致密化条件(即，温度、压力、时间、或上述的任何组合)结合时，可以用于生产具有最小气孔率的理论上基本致密的多区域金属陶瓷制品，在各个区域内的粘结剂含量均匀分布，直到各个区域之间的界面上。在多区域制品中，控制基本均匀的区域(在区域间界面处用突然的或不连续的组成变化)的形成的能力是本发明的非常有意义的贡献。更具体地，确定温度、时间、或上述因素的任何组合使其与百分比磁饱和强度一致，对于每种粉末混合物，百分比磁饱和强度是要调整的，从而控制结合器在致密化过程中迁移。在与碳化物-钴有关的一个优选的实施方案中，在调整每种粉末混合物的百分比磁饱和强度以后，使每种粉末混合物的致密化时间和致密化温度一致，并且最小化，使得每种粉末混合物完全致密化，而且控制粘结剂的迁移。
图1是根据本发明的一般制品101的截面示意图，包括第一个区域102和第二个区域或至少一个另外的区域103。
图2A、2B、2C、2D、2E和2F是本发明包括的制品或制品部分的可能几何形状的剖视示意图的实例。
图3A是对应于实施例1的方法的装料机构301的截面示意图。
图3B是对应于实施例1的方法的压制机构的截面示意图。
图3C是用实施例1的方法制备的生坯320的截面示意图。
图4A通过根据实施例1的方法制备的烧结制品401的纵向剖面放大约4倍的显微照片。
图4B、4C、和4D分别是根据实施例1的方法制备的制品的第一个区域413和第二个区域414之间的界面417、第一个区域413、第二个区域414的放大约500倍的显微照片。
图4E、4F和4G分别是根据实施例1的方法制备的制品的第一个区域413和第二个区域414之间的界面417、第一个区域413、第二个区域414的放大约1500倍的显微照片。
图5对应于根据实施例1的方法制备制品的纵向剖面的不同位置的硬度测量结果(即硬度分布图)
图6对应于装有实施例1的方法制备的制品的冲击钻601的示意图。
图7A、7B和7C分别是根据实施例2的方法制备的制品的第一个区域713和第二个区域714之间的界面717、第一个区域713、和第二个区域714的放大的约500倍的显微照片。
图7D、7E和7F分别是根据实施例2的方法制备的制品的第一个区域713和第二个区域714之间的界面、第一个区域713、第二个区域714的放大约1,500倍的显微照片。
图8对应于根据实施例2的方法制备的制品的纵向剖面的不同位置上的硬度测试结果(即硬度分布函数)。
图9A是通过根据实施例3的方法制备的烧结制品901的纵向剖面的放大约4倍的显微照片。
图9B、9C和9D分别是根据实施例3的方法制备的制品的第一个区域913和第二个区域914之间的界面、第一个区域913、和第二个区域914的放大约500倍的显微照片。
图9E、9F和9G分别是根据实施例3的方法制备的制品的第一个区域913和第二个区域914之间的界面、第一个区域913、和第二个区域914的放大约1,500倍的显微照片。
图10对应于用EDS技术确定的粘结剂浓度的结果与离根据实施例3的方法制备的制品大部分前表面的距离的函数关系。
参考图1所描述的假想的制品101来描述本发明的制品。例如，图1中的A-A线可以代表制品的边界或表面、镜面对称的对称面、圆柱或旋转对称体的轴线等。在下列讨论中，假定A-A线是圆柱或旋转对称体的轴。对于熟悉该技术的技术人员来说，很明显，下列讨论可以扩展到具有复杂几何形状的制品中。因此，下列讨论不应该作为限制，而应该作为起点。
参看图1，制品101有与第二个区域或至少一个另外的区域103邻接并结合成整体的一个第一个区域102。对于熟悉该技术的技术人员可以理解，在本发明的制品中可以包括多个区域。界面104确定了相邻的至少两个区域的边界。在一个优选的实施方案中，界面104是自动形成的。制品101还可以包括由图1所示的至少一部分第一个区域102的材料确定的前表面105和由至少一部分第二个区域或至少一个另外的区域103的材料确定的后表面106。
从组成上看，构成所说的至少两个区域的材料由金属陶瓷组成。每种金属陶瓷包括一个硬质组分和一个粘结剂。这样的硬质组分可以包括硼化物、碳化物、氮化物、氧化物、硅化物、及其混合物、其溶液或上述物质的任何组合中的至少一种。硼化物、碳化物、氮化物、氧化物或硅化物中的至少一种中的金属包括选自国际纯化学和应用化学联合会(IUPAC)的第2、3(包括镧系元素和锕系元素)、4、5、6、7、8、9、10、11、12、13和14族中一种或多种金属。优选的是，所说的硬质组分包括碳化物、碳化物的混合物、碳化物的溶液或上述的任何组合。碳化物中的金属包括选自IUPAC的第3(包括镧系和锕系元素)、4、5、和6族的一种或多种金属；更优选的是Ti、Zr、Hf、V、Nb、Ta、Cr、Mo和W中的一种或多种；甚至更优选的是钨。
所说的至少两个区域的粘结剂包括金属、玻璃或陶瓷(即在液相烧结过程中形成或帮助形成液相并且是铁磁体的任何材料)。优选的是所说的粘结剂包括选自IUPAC的第8、9和10族的一种或多种金属；更优选的是铁、镍、钴、其混合物、其合金、以及上述的任何组合中的一种或多种；更优选的是钴或钴合金，如钴-钨合金。粘结剂包括单一的金属、金属的混合物、金属的合金或上述的任意组合。
从尺度上来说，所说的至少两个区域的硬质组分(优选的是碳化物)的尺寸范围是从亚微米级到约420微米或更大。亚微米包括超细结构和纳米结构材料。纳米结构的结构特征为尺寸范围为1纳米到约300纳米或更大。第一个区域中的硬质组分(优选的是碳化物)的平均颗粒尺寸可以大于、小于、或等于第二个区域的硬质组分(优选的是碳化物)的平均颗粒尺寸。
在一个优选的实施方案中，所说的第一个区域的硬质组分(优选的是碳化物，更优选的是碳化钨)的颗粒尺寸范围约为亚微米级到约30微米或更大，可能具有颗粒尺寸的离散，一般在40微米的数量级上，优选的是第一个区域的硬质组分的颗粒尺寸范围约为1微米到约30微米或更大，可能具有颗粒尺寸的离散，一般在40微米的数量级上，而平均颗粒尺寸范围约为亚微米级到约12微米，优选的是约1微米到约8微米。更优选的是约为1微米～5微米。类似地，所说的第二个区域的硬质组分的颗粒尺寸范围约为亚微米级到约30微米或更大，可能具有颗粒尺寸的离散，一般在40微米的数量级上，优选的是，第二个区域的硬质组分的颗粒尺寸范围约为1微米到约30微米或更大，可能具有颗粒尺寸的离散，一般在40微米的数量级上，而平均颗粒尺寸范围约为亚微米级到约20微米，优选的是约1微米到约12微米。更优选的是约为3微米～10微米。
一般来说，通过在George F.Vander Voort编写的“金相学原理和实践”(McGraw Hill Book Company，New York，NY在1984年出版的)中所叙述的哪些定量的金相技术，可以把所说的陶瓷组分的颗粒尺寸和粘结剂含量与粘结剂的平均自由程联系起来。确定硬质组分颗粒尺寸的其它方法包括光学比较法和诸如在1992年1月由American Society for Testing andMaterials，Philadelphia，PA批准的ASTM代号为B390-92的题目为“评价胶结碳化钨的表观晶粒尺寸和分布的标准实践”中所讨论的分级技术。这些方法的结果提供了表观颗粒尺寸和表观颗粒尺寸分布。
在一个优选的实施方案中，第一个区域的粘结剂含量(用重量表示)约为1％或1％以下～约30％或更多；优选的是约为1％～15％；更优选的是约为2％～10％；甚至更优选的是约为3％～6％。类似地，所说的第二个区域或至少一个另外的区域的粘结剂含量(用重量表示)约为2％或2％以下～30％或更多；优选的是2％～20％；更优选的是约为4％～15％；甚至更优选的是约为6％～20％。第二个区域的粘结剂含量可以大于第一个区域的粘结剂含量，在一个优选的实施方案中就是大于。
制品的立体几何形状可以是简单的或复杂的，或者两者的任意组合。立体几何形状包括立方体、平行六面体、锥体、截头锥体、圆柱体、空心圆柱体、圆锥体、截头圆锥体、球体(包括球形的环状体、弓形体和扇形体和带有圆柱形或圆锥形孔的球体)、圆环、薄的圆筒、ungula、桶形、棱柱体、椭圆体及其组合体。类似地，这样的制品的横截面可以是简单的或复杂的，或者二者的组合。这样的形状可以包括多边形(例如，正方形、矩形、平行四边形、梯形、三角形、五边形、六边形等)、圆形、环形、椭圆形及其组合。图2A、2B、2C、2D、2E和2F表明了组合成各种立体几何形状的第一个区域210、第二个区域211和在某些情况下的第三个区域212(图2D)的组合。这些图是制品和制品的部分的剖视截面图(图2A的锥形帽、或锥形的hybrid或松土机的锥体；图2B的压块；图2C的推土机的刃具、或刮刀、或犁刃；图2D的脊形钻的刀刃；图2E的用于材料的碎屑形成加工的切削刀具；图2F的锥形塞子或刀具)，这些图进一步表明了前边缘或前表面207，和外表面或后表面208。
再参看图1，确定了第一个区域102和第二个区域103之间边界的界面104可以以对称的方式或不对称的方式把制品101分开，或者仅仅把制品101部分分开。以这种方式，可以变化第一个区域102和所说的至少一个另外的区域103的体积比来设计制品101的最优化整体性能。
通过提供第一种粉末混合物和至少一种另外的粉末混合物或第二种粉末混合物形成本发明的新型制品。对于熟悉该技术的技术人员来说，明显的是，可以提供多种粉末混合物。每种粉末混合物包括至少一种硬质组分、至少一种粘结剂、优选的是至少一种润滑剂(一种促进所说的至少一种硬质组分和至少一种粘结剂的结合和聚集的有机物或无机物)和任选的至少一种表面活性剂。关于构成至少两个区域的制品的材料的组成，每种粉末的硬质组分的组成可以是相同的或不同的，包括任何一种或所有那些上面讨论的材料或上面讨论的材料的前驱体。在一个涉及碳化物，特别是碳化钨的优选的实施方案中，所说的碳化物或者通过如美国专利Nos.3,379,503和4,834,963中所述的铝热反应制得，或者是把矿石(如，对于钨是钨锰铁矿或白钨矿)还原成金属，然后通过与碳结合并加热使所说的金属碳化形成碳化物。类似地，关于用于制品的所说的至少两个区域的粘结剂，每种粉末的粘结剂也可以是相同的或不同的，包括任何一种或所有的那些上面讨论的粘结剂或上面讨论的粘结剂的前驱体。
制备每种粉末混合物的方法可以包括，例如，用短棒和园滚研磨，接着进行混合，然后在西格玛绞刀型干燥器和喷雾干燥器中进行干燥。在任何情况下，通过可与压实或致密化装置，或者在两者同时使用时的两种装置相配合的装置，制备每种粉末混合物。
提供具有预先选择的硬质组分(优选的是碳化物)的颗粒尺寸或颗粒尺寸分布的第一种粉末混合物，和具有较粗的硬质组分(优选的是碳化钨)颗粒尺寸或颗粒尺寸分布的至少一种另外的粉末混合物。所说的至少两种粉末混合物至少部分并排放置。所说的至少部分并排放置提供或帮助所说的至少有两个个区域的新型制品的制备，所说的至少两个区域在通过烧结密实或致密化以后，至少有一个不同的性质。
相对于所说的至少一个另外的粉末混合物，第一种粉末混合物含有具有较细颗粒尺寸的硬质组分，优选的是碳化物。颗粒尺寸范围约为亚微米(亚微米包括超细结构和纳米结构材料。纳米结构材料的结构特征约为1纳米到约100纳米或更大)到约420微米或更大；优选的是，颗粒尺寸范围约为亚微米～30微米或更大，可能具有颗粒尺寸的离散，一般在40微米的数量级上。在这些优选的颗粒尺寸中，平均颗粒尺寸的范围约为亚微米级～约12微米；优选的是约为1微米～约8微米；更优选的是约为1微米～5微米。
预先选择第一种粉末混合物的粘结剂量以调整性能，例如，为制品的所得的第一个区域提供足够的耐磨性，以适应其广泛的用途。预先选择的粘结剂量的范围(用重量表示)约为1％或更少～30％或更多；优选的是约为1％～15％；更优选的是约为2％～8％；甚至更优选的是约为2％～4％。
每种粉末混合物中的粘结剂的颗粒尺寸可以是能促进本发明的制品成形的任意尺寸。合适的尺寸是平均颗粒尺寸小于约5微米；优选的是小于约2.5微米；更优选的是小于约1.8微米。
第二种粉末混合物的硬质组分的平均颗粒尺寸可以大于第一种粉末混合物的硬质组分的平均颗粒尺寸，在一个优选的实施方案中就是这样。对于第一种粉末混合物，硬质组分(优选的是碳化物)的颗粒尺寸范围可以从约亚微米级～约420微米或更大。亚微米级包括超细结构和纳米结构的材料。纳米结构材料的范围约为1纳米～100纳米或更大。优选的颗粒尺寸范围约为亚微米级～30微米，可能具有颗粒尺寸的离散，一般在约40微米的数量级上。与第一种粉末混合物不同，硬质组分(优选的是碳化物)的平均颗粒尺寸范围约为1～20微米；优选的是约为1微米～12微米；更优选的是约为3～10微米。
选择每种粉末混合物的粘结剂含量来促进制品的形成，并针对其特定的用途为制品提供最优的性能。因此，第一种粉末混合物的粘结剂含量可以小于或等于第二种粉末混合物的粘结剂含量。因此，第二种粉末混合物粘结剂含量(用重量表示)与第一种粉末混合物的预先选择的粘结剂含量的百分数相差约0～14个百分点；优选的是，相差约9个百分点；更优选的是，相差约6个百分点；甚至更优选的是相差约4个百分点。在一个优选的实施方案中，第一种粉末混合物的粘结剂含量小于第二种粉末混合物的粘结剂含量。例如，如果第一种粉末混合物的预先选择的粘结剂含量约为6wt％，那么第二种粉末混合物的粘结剂含量可能是约20wt％，优选的是约15wt％，更优选的是约12wt％，甚至更优选的是约10wt％。
调整每种粉末混合物的百分比磁饱和强度，使其即能促进多区域制品的形成，又能为制品的特定用途提供最优化的性能。第一种粉末混合物的试验烧结试样的百分比磁饱和强度可以大于或小于第二种粉末混合物的磁饱和强度。因此，每种粉末混合物的试验烧结试样的百分比磁饱和强度的范围可以从粘结剂的最小值到可以为100的粘结剂的最大值。在一个优选的实施方案中，第一种粉末混合物的试验烧结试样的百分比磁饱和强度大于第二种粉末混合物的试验烧结试样的百分比磁饱和强度。
未合金化的钴的磁饱和强度约为160emug/cm3(17,870gauss/cm3；1.787tesla/cm3；2019gauss/gram；201.9tesla/kg；或16.1tesla/kg)或用百分比磁饱和强度表示为100。碳在钴中基本是不溶的，而钨是可溶的，最多约为20％。磁饱和强度与钴中溶解的钨的浓度之间的关系的范围在由于钨-碳-钴体系缺碳而产生的η相的沉淀和由于钨-钴-碳体系富碳而产生的碳的沉淀(也叫“C”气孔率)之间。在该范围内，百分比磁饱和强度的范围约为79～100。因此，在钨-碳-钴体系中，每种粉末混合物的试验烧结试样的百分比磁饱和强度的范围可以是约为最小值79到最大值100。在一个涉及碳化钨-钴体系的优选的实施方案中，粘结剂含量高的粉末混合物的试验烧结试样的百分比磁饱和强度可以小于粘结剂含量低于所说的高粘结剂含量的粉末混合物的试验烧结试样的百分比磁饱和强度。
可以用任何方法提供所说的至少两种粉末混合物，使得至少每种粉末混合物的一部分可以部分邻接。例如，这样的方法可以包括倾倒；注模；挤压，同时挤压或顺序挤压；流延；泥浆浇注；粉浆浇注；顺序压制；共同压制；或上述的任意组合。美国专利Nos.4,491,559；4,249,955；3,888,662；和3,850,368中讨论了这些方法中的一些，在本申请中把它们完整地作为参考。
在生坯的成形过程中，通过供料装置或通过分隔装置、或者通过这两者使所说的至少两种粉末混合物至少保持部分分隔。例如，供料装置的实例可以包括上面讨论的装置，而分隔装置可以包括可通过物理方法除去的分隔物或可通过化学方法除去的分隔物，或者二者一起使用。
可以通过物理方法除去的分隔物可以简单到在所说的两种粉末混合物的装料过程中在模具内放入一张纸或其它薄的分隔物，它们可以在粉末混合物装料后，在粉末混合物致密化之前从模具中移走。更复杂的可以通过物理方法除去的分隔物可以包括同心的或偏向的管(不可透过的或可以透过的薄板、筛网或网状物，可以是金属的或陶瓷的或聚合物的或天然材料的，或者上述的任意组合)。可以通过物理方法除去的分隔物的形状可以是帮助所说的至少两种粉末混合物分隔的任何形状。
可以通过化学方法除去的分隔物包括可以通过化学方法除去或消耗掉的分隔所说的至少两种粉末混合物的分隔物，可以是简单的或者复杂的形式，或二者的组合、可以是可透过的或不可透过的，或者二者的组合。这样的装置可以包括过滤材料、或热解材料、或逸出材料、或可合金化的材料、或者上述的任意组合。可以通过化学方法除去的分隔物可以帮助所说的至少两个区域的截面及立体几何形状为复杂形状的本发明的制品的成形。
在本发明的一个优选的实施方案中，所说的分隔的并至少部分邻接的至少两种粉末混合物可以通过压制进行致密化，例如，包括单轴压制、双轴压制、三轴压制、等静压、在室温下湿袋压制或在较高的温度下压制(例如，热压)。
在任何情况下，对于多区域制品的几何形状，无论是压实的还是不压实的，分隔的并且至少部分邻接的至少两种粉末混合物的立体几何形状可以包括所有那些上述讨论过的几何形状。为了得到直接的形状或形状的组合，所说的分隔的并且至少部分邻接的至少两种粉末混合物可以在致密化之前，或者在致密化之后成形，或者在致密化前后都进行成形。致密化之前的成形技术可以包括上述的供料方法以及生坯加工或使生坯塑性变形，或者其组合中的任何一种。致密化之后的成形可以包括研磨或任何机械加工工序。
对于多区域制品的截面，生坯的截面形状可以是简单的或复杂的或者二者的组合，包括所有的关于制品的截面的讨论中列举的那些形状。
然后通过液相烧结把由所说的分隔的并且至少有部分邻接的至少两种粉末混合物构成的生坯致密化。致密化可以包括与制造本发明的制品相匹配的任何方法。这样的方法包括真空烧结、压力烧结、热等静压烧结(HIPping)等。这些方法在足以产生具有最小气孔率的理论上明显致密的制品的温度和/或压力下进行。更具体地，确定所说的温度和时间，与磁饱和强度一致，在涉及碳化钨-钴体系的一个优选的实施方案中，使每种粉末的烧结温度和压力最小化，并在烧结过程中控制粘结剂的迁移。即，在调整每种粉末混合物的磁饱和强度之后，每种粉末混合物的致密化温度一致，并且使致密化时间最小化。
例如，对于碳化钨-钴制品，该温度包括在约1300℃(2373°F)～1650℃(3002°F)范围内的温度。致密化的压力范围约为0kPa(0psi)～206,850kPa(30,000psi)。对于碳化物制品，压力烧结可以在约1,723kPa(250psi)～13,790kPa(2000psi)的压力下，在约1370℃(2498°F)～1540℃(2804°F)的温度下进行，而热等静压可以在约58,950kPa(10,000psi)-206,850kPa(30,000psi)的压力下，在约1,310℃(2372°F)-约1430℃(2606°F)的温度下进行。致密化反应是致密化时间、致密化温度、致密化压力、每种粉末混合物的组成、每种粉末混合物的百分比磁饱和强度、或上述的任意组合的函数。优选的是，用每种粉末的百分比磁饱和强度控制烧结过程中粘结剂在每种粉末混合物中的迁移，同时形成基本致密的多区域制品，使致密化时间和致密化温度最小化。
致密化可以在没有空气，即真空的情况下进行；或者在惰性气体中进行，如在IUPAC第18族的一种或多种气体中进行，在碳化气氛中进行；在含氮气氛中进行，如氮气、成形气体(96％的氮气、4％的氢气)、氨气等；或者在还原性的混合气体中进行，如，H2/H2O，CO/CO2，CO/H2/CO2/H2O等；或上述的任意组合。
在不希望局限于任何特定的理论，或局限于对于本发明的解释，试图解释本发明的工作时，似乎本发明特别适用于由铁磁性粘结剂和非铁磁性硬质组分构成的系统。本发明还特别适用于多区域制品的制备，并且可以作如下总结。从整体的金属陶瓷的知识出发，对于一种应用，可以选择粘结剂含量、硬质组分的化学组成和颗粒尺寸或颗粒尺寸分布、以及制品的第一个区域和至少一个另外的区域的相对数量。然后选择具有合适的硬质组分化学组成和颗粒尺寸或颗粒尺寸分布的每种粉末混合物。但是，由于理解粘结剂在致密化过程中可能迁移，选择第一种粉末混合物的粘结剂含量小于多区域制品的第一个区域所要求的粘结剂含量，至少一种另外的粉末混合物的粘结剂含量大于多区域制品中的所说的至少一个另外的区域所要求的粘结剂的含量。然后通过制备烧结的试样来表征每种粉末混合物，至少确定每个试样的百分比磁饱和强度；但是，也可以确定粘结剂含量、颗粒尺寸或颗粒尺寸分布、或任何其它性能。然后考虑每种粉末混合物的百分比磁饱和强度。为了控制粘结剂在粉末混合物之间的迁移，在优选的碳化钨-钴体系中，希望粘结剂含量较大的粉末混合物的试样的百分比磁饱和强度低于粘结剂含量较小的粉末混合物的试样的百分比磁饱和强度。因此，只有在必要时，才向一种、几种或所有的粉末混合物中加入合适的外加剂，以得到每种粉末混合物的磁饱和强度之间的要求的关系。随着每种粉末的颗粒尺寸或颗粒尺寸分布、粘结剂含量、和百分比磁饱和强度之间的关系的确定，就选定了能产生没有不需要的特征的基本致密化的制品的致密化温度和致密化时间。这最后一步可能需要评价粘结剂在烧结的多区域制品的区域中的分布的迭代法，然后选择可以产生最后目标的多区域制品的不同的致密化温度、致密化时间或者这两者。在一个优选的实施方案中，压力烧结能够使多区域生坯在较低的致密化温度、较短的致密化时间、或者两者同时降低的条件下致密化，因此提供了额外的粘结剂迁移的控制。在这种情况下，所说的迭代法也可以包括除了温度和时间以外的烧结压力的选择。
本发明通过下列实施例说明。提供这些实施例是为了说明并澄清本发明的各个方面。这些实施例不限制所声明的发明范围。
实施例1
市场上可以购得的由整体的碳化钨-钴的胶结碳化物(记为WC-Co)构成的用于旋转冲击岩石钻的块体。一个整体的WC-Co制品由约6wt％的钴粘结剂，其余为碳化钨硬质组分颗粒组成。这种整体的WC-Co制品的硬度为91.0RA，WC的颗粒尺寸范围约为1～8微米。本实施例说明由至少两个自发产生金相结合的层构成的块体的制备方法。此外，本实施例说明所得的多区域块体比块体的轴心区域的整体WC-Co制品的韧性更大，比块体的圆顶区域的整体WC-Co制品的耐磨性更高。
如果相对于整体WC-Co制品，得到任何下列参数、或下列参数的组合，可以实现块体的圆顶区域的耐磨性的提高：更细的颗粒尺寸、更低的钴含量或更高的硬度。
为了制备根据本发明的实施例，在本发明的一个优选的实施方案中，分别制备了造粒的第一种粉末混合物和造粒的第二种粉末混合物。第一种粉末混合物(在图3A、3B和3C中记为313)包括约95.16wt％的粗晶碳化钨(Kwnnametal Inc.Fallon，Nevada)、约2.44wt％的市场上可以购得的超细钴粘结剂、约2.15wt％的石蜡润滑剂、和0.25wt％的表面活性剂。仅仅第一种粉末混合物的烧结试样表明，这种整体的WC-Co含有约2.5wt％的钴，WC颗粒尺寸范围约为1～5微米，其Rockwell A硬度约为92.4。测得这种整体的WC-Co的百分比磁饱和强度(用与LDJ Model 702磁万用表(LDJElectronics Inc.，Troy，Michigan)相连的LDJ Model SM-8001饱和感应系统测量)约为100，而金相分析证明没有“C”气孔率。
如果相对于整体WC-Co组合物，得到任何下列参数、或下列参数的组合，可以实现块体的轴心区域的韧性的提高：更粗的颗粒尺寸、更高的钴含量或更低的硬度。
第二种粉末混合物(在图3A、3B和3C中记为314)包括约90.57wt％的粗晶碳化钨(Kwnnametal Inc.Fallon，Nevada)、约7.03wt％的市场上可以购得的超细钴粘结剂、约2.15wt％的石蜡润滑剂、和0.25wt％的表面活性剂。烧结试样的第一次表征表明其百分比磁饱和强度高于要求值，因此向第二种粉末混合物加入足够量的钨金属粉以降低百分比磁饱和强度。仅仅调整后的第二种粉末混合物的烧结试样的第二次表征表明这种整体的WC-Co中含有约7.2wt％的钴，WC颗粒尺寸范围约为1～12微米，其Rockwell A硬度约为89.4。测得这种整体的WC-Co的百分比磁饱和强度约为91。
然后把第一种粉末混合物313和调整后的第二种粉末混合物314，在直径约为20mm(0.80英寸)的第一个模具的孔穴和第二个大的模具孔穴中，用在图3A和图3B中记为301和318的压制机构顺序压制成生坯。压制机构301包括具有成形表面312的下冲头303和具有成形表面316的上冲头315，以及模具302的圆筒形侧壁的配合。首先把约55克调整后的第二种的粉末混合物装入模具孔穴中。在以约56,050牛顿(N)(12,600磅(1bs))的荷载压实后，取出仅由所说的调整后的第二种粉末混合物构成的前驱体生坯，放在一边用于以后的加工。重复该过程，直至制得足够数量的仅由所说的调整后的第二种粉末混合物构成的前驱体生坯。
然后把约15.3克的第一种粉末混合物放在图3B示意标出的作为压制机构318的第二个模具孔穴中，其尺寸略大于原来的模具孔穴。压制机构318包括具有成形表面312A的下冲头303A和具有成形表面316A的上冲头315A，以及模具302A的圆筒形侧壁的配合。此后，把仅由调整后的第二种粉末混合物构成的前驱体生坯放入，使其与第一种粉末混合物313接触，以约68,948牛顿(N)(15,500磅(1bs))的荷载把两者压实。在去掉荷载后，从模具孔穴中取出多区域生坯320，该生坯具有一个由下冲头303A确定的前区321和一个由上冲头315A确定的后区。而且，所说的多区域生坯320由压实的调整后的第二种粉末混合物314和第一种粉末混合物313构成。重复该操作，直至得到足够数量的由第一种粉末混合物313和调整后的第二种粉末混合物314构成的多区域生坯。此外，成形几个仅由第一种粉末混合物313的坯体和几个仅由调整后的第二种粉末混合物314构成的坯体。这些坯体用作多区域生坯320的烧结过程中的控制试样。
一旦成形了足够数量的多区域生坯320，就把生坯320和控制试样放在Ultra-Temp压力烧结炉中。把炉子及其装载物抽真空到约0.665千帕斯卡(kPa)(5torr)，然后在真空下以约3.3℃(6°F)/分钟的速率从约室温升温到约177℃(350°F)；在约177℃(350°F)保温约15分钟；以约3.3℃(6°F)/分钟的速率从约177℃(350°F)加热到约371℃(700°F)；在约371℃(700°F)保温约90分钟；以约1.7℃(3°F)/分钟的速率从约371℃(350°F)加热到约427℃(800°F)；在约427℃(800°F)保温约45分钟；以约1.4℃(2.5°F)/分钟的速率从约427℃(800°F)加热到约538℃(1000°F)；在约538℃(1000°F)保温约12分钟；以约1.4℃(2.5°F)/分钟的速率从约538℃(1000°F)加热到约593℃(1100°F)，然后以以约4.4℃(8°F)/分钟的速率从约593℃(1000°F)加热到约1,121℃(2050°F)；在范围约为13微米～29微米的真空下在约1,121℃(2050°F)保温约30分钟；以约4.4℃(8°F)/分钟的速率从约1,121℃(2050°F)加热到约1,288℃(2350°F)；在引入氩气到约1.995kPa(15torr)的条件下，在约1,288℃(2350°F)保温约30分钟；在引入氩气到约4,137kPa(600psi)的条件下，以约3.3℃(6°F)/分钟的速率从约1,288℃(2350°F)加热到约1441℃(2625°F)；在约1441℃(2625°F)保温约10分钟；然后关闭炉子的动力，以约5.6℃(10°F)的速度把炉子及其装载物冷却到大约室温。
然后用金相技术、湿化学分析、磁性能表征、硬度和x射线能谱分析(EDS)表征几个烧结的制品(直径约为16.9mm(0.664英寸))，包括仅由第一种粉末混合物和仅由第二种粉末混合物构成的烧结的控制试样。
化学分析结果表明，在压力烧结后，第二个区域或后区的钴粘结剂含量约为6wt％。这是比烧结的整体的调整的第二种粉末混合物的约7.2wt％减少了。由金相技术表征所确定的，WC硬质组分的颗粒尺寸基本保持不变，因此范围约为1～12微米。正如所预想的那样，在块体的后区或轴心区域的第二个区域的组合物的韧性比整体的WC-Co块体的韧性大。即，所说的第二个区域具有较粗的颗粒尺寸(1～12μm对1～8μm)、较低的硬度(89.7RA对91.0RA)、以及与市场上可以购得的整体WC-Co制品相同的钴粘结剂含量。
同时，控制钴粘结剂从轴心或第一种粉末混合物向圆顶区域或第一种粉末混合物的迁移，使得构成圆顶的第一个区域的钴粘结剂含量约为4.5％(从3％增加的)、因此变成要求的组合物，即，硬度为91.1RA，颗粒尺寸约为1～5微米。以这种方式，使得构成圆顶区域的第一个区域的组合物比市场上可以购得的整体WC-Co块体的耐磨性更大。这是因为第一个区域具有更细的颗粒尺寸(1-5μm对1～8μm)、较低的粘结剂含量、类似的硬度(91.1RA对91.0RA)，因此应该具有更大的耐磨性。
图4A是具有在界面417处与第二个区域414接触的第一个区域413的烧结制品401的纵向截面的放大约4倍的显微照片。前区421对应于多区域生坯的前区，后区422对应于生坯的后区。第一个区域413和至少一个另外的区域414之间的界面417的微观结构以约500倍的放大倍数表示于图4B，而以约1500倍的放大倍数表示于图4E。图4C和4D是约放大500倍的第一个区域413和第二个区域414的显微照片，而图4F和4G是约放大1500倍的第一个区域413和第二个区域414的显微照片。第一个区域413和第二个区域414的组成表示于图4E、4F和4G，包括钴合金粘结剂425、细颗粒碳化钨426和粗颗粒碳化钨427。由于碳化钨颗粒尺寸和钴合金粘结剂含量的突然变化，在图4E中可以清楚地看到自动形成的结合线417。有一个优异的自动形成的金相结合，其中没有缺陷和掺杂物。这些致密的烧结制品也没有η相和“C”气孔。图5表示制品上的硬度分布的结果，表明第一个区域413的硬度(这种制品的圆顶或顶部，Rocjwekk A≌91.0-91.2)高于第二个区域414的硬度(该制品的后区或轴心区域，RockwellA≌89.5-89.9)。
图6是由钻体602构成的用于泥土形成钻孔的工具601的示意图，钻体上带有一个与驱动装置连接的端部602，另一个认为是前端的端部604形成工作面，一般是平面并与钻体602的纵向轴线垂直。钻体由从前端604向后扩展的周边612构成，优选的是在向后的方向上逐渐向内变细。
周边612的后部，钻体的直径可以减小，以利于减少的材料沿钻体602向后流动，钻体可以进一步提供轴向的凹槽，以利于由钻头或流体钻孔609带来的材料的流动，用于钻体的冷却并促进物料的流动。钻体还可以配有轴向的凹槽606和流体钻孔609。
钻体602的前工作端提供一些轴向的孔(在图6中未表示)，在孔中安装棒状的有圆顶状外面端部的块体610、611，这些块体从工作面604沿轴向向外突出。块体610、611可以靠压力安装在钻头内，也可以用其它方法，如钎焊，安装在钻头内。块体610、611在面604上沿径向和周向分布，从而减少对钻头601的冲击的形成。
在靠近外壁612和钻头602的前端604的结合处，提供了轴向倾斜的钻头(在图6中未表示)，其中安装块体607，块体607也具有圆顶形的外面端部。如果需要，块体607可以和块体610、611完全一样。
在图中可以看到，块体610、611的外面端部不仅从钻体602的前端604沿轴向突出，而且沿径向突出。因此，沿钻体602的周边分布的块体607作为标准块体，保持由钻头钻出的孔的尺寸基本恒定。
这是重要的，因为如果在向前钻孔时，钻头601磨损，由钻头形成的孔会逐渐变小，将会难以向孔内放入新的钻头。因此，在钻孔操作过程中，标准块体具有极其重要的作用。通过提供至少另一排在周边612范围内的径向延伸到钻体602的周边中，并从钻体602的前端604向后沿轴向间隔排列的块体，可以增强所钻的孔的尺寸的保持。所说的块体在钻体602上沿周边分布，每个标准块体607优选的是在轴向上有一个另外的块体。
实施例2
基本重复实施例1的方法，除了第二种粉末混合物314包括约91.55wt％的粗晶碳化钨(Kennametal Inc.，Fallon，Nevada)、约6.05wt％的市场上可以购得的钴粘结剂、约2.15wt％的石蜡润滑剂、和约0.25wt％的表面活性剂。试样的表征表明，这种整体的WC-Co试样含有约6.2wt％的钴，WC的颗粒尺寸因为1～12微米，Rockwell A硬度约为89.7。这种整体的WC-Co试样的百分比磁饱和强度约为89。第一个区域713和至少一个另外的区域714之间的界面放大约500倍的显微结构表示于图7A，而放大约1500倍的显微结构表示于图7D。图7B和7C是第一个区域713和第二个区域714放大500倍的显微照片，而图7E和7F是第一个区域713和第二个区域714放大1500倍的显微照片。第一个区域713和第二个区域714的组成表示于图7D、7E和7F，包括钴合金粘结剂725、细颗粒碳化钨726和粗颗粒碳化钨727。由于碳化钨颗粒尺寸和钴合金粘结剂含量的突然变化，在图7D中可以清楚地看到自动形成的结合线417。有一个优异的自动形成的金相结合，其中没有缺陷和掺杂物。这些致密的烧结制品也没有η相和“C”气孔。图8表示所得的制品上的硬度分布的结果，表明第一个区域的硬度(这种制品的圆顶或顶部，Rocjwekk A≌91.4-91.7)高于第二个区域414的硬度(该制品的后区或轴心区域，Rockwell A≌89.7-90.0)。
实施例3
本实施例说明(在其它事项中的)调整粉末混合物以控制烧结过程中粘结剂在粉末混合物之间的迁移，形成在各个区域中由特定的组合物构成的多区域坯体的方法，所说的各个区域包括，例如，轴心区域和圆顶区域。此外，本实施例说明在用两种不同的WC-Co粉末混合物制备的多区域采矿用块体中，磁饱和强度对控制钴合金粘结剂迁移的影响。具体地，所说的多区域采矿用块体可以包括一个圆顶区域，所说的圆顶区域的耐磨性比轴心区域更高，而轴心区域的韧性比圆顶区域更大。为了在一个块体中取得这种结构，圆顶区域应该含有约7～8wt％的钴粘结剂，轴心区域应该含有约10wt％的钴粘结剂。
为了制得根据本实施例的制品，分别制备低于粉末混合物和造粒的第二种粉末混合物。第一种粉末混合物包括约94.57wt％的扩散碳化的碳化钨(Kennametal Inc.Henderson，North Carolina)、约3.03wt％的市场上可以购得的超细钴粘结剂、约2.15wt％的石蜡润滑剂、和约0.25wt％的表面活性剂。仅有第一种粉末的烧结试样的表征表明，这种整体的WC-Co试样含有约3.1wt％的钴，WC颗粒尺寸范围约为1～5微米，其中许多颗粒约为2～4微米，Rockwell A硬度约为92.4。这种整体的WC-Co试样的百分比磁饱和强度约为94，而金相分析证明没有“C”气孔。
第二种粉末混合物包括约85.49wt％的粗晶碳化钨(Kennametal Inc.，Fallon，Nevada)、约11.81wt％的市场上可以购得的钴粘结剂、约2.15wt％的石蜡润滑剂、和约0.25wt％的表面活性剂。烧结试样的第一次表征表明其百分比磁饱和强度高于要求值，因此向第二种粉末混合物加入足够量的钨金属粉(约为粉末混合物的1.6wt％)以降低百分比磁饱和强度。仅仅调整后的第二种粉末混合物的烧结试样的第二次表征表明这种整体的WC-Co中含有约12.1wt％的钴，WC颗粒尺寸范围约为1～9微米，其中许多颗粒的尺寸约为6～9微米，其Rockwell A硬度约为87.8。测得这种整体的WC-Co的百分比磁饱和强度约为87，而金相分析证明没有η相。
然后把第一种粉末混合物和调整后的第二种粉末混合物顺序装入直径约为20mm(0.80英寸)的模具的孔穴中，并压制成生坯。首先，把约9克的第一种粉末混合物装入模具孔穴，然后把约25克的调整后的第二种粉末混合物装入模具孔穴，以约55,160牛顿(N)(8000磅(1bs))的荷载压实。在除去荷载后，把多区域生坯从模具孔穴中取出，所说的多区域生坯的前表面由下冲头确定，后表面由上冲头确定。重复该操作，直至制得足够数量的由第一种粉末混合物和调整后的第二种粉末混合物构成的多区域生坯。此外，还成形一些仅由第一种粉末混合物构成的坯体和一些仅由调整后的第二种粉末混合物构成的坯体。用这些坯体作为所说的多区域生坯烧结过程中的控制试样。
一旦成形了足够数量的多区域生坯，随后根据实施例1的方法把所说的生坯和控制试样致密化。
图9A是具有在界面917处与第二个区域914接触的第一个区域913的烧结制品901的纵向截面的放大约3.5倍的显微照片。前区921对应于多区域生坯的前区，后区922对应于生坯的后区域。第一个区域913和至少一个另外的区域914之间的界面917的微观结构以约500倍的放大倍数表示于图9B，而以约1500倍的放大倍数表示于图9E。图9C和9D是约放大500倍的第一个区域913和第二个区域914的显微照片，而图9F和9G是约放大1500倍的第一个区域913和第二个区域914的显微照片。第一个区域913和第二个区域914的组成表示于图9E、9F和9G，包括钴合金粘结剂925、细颗粒碳化钨926和粗颗粒碳化钨927。由于碳化钨颗粒尺寸和钴合金粘结剂含量的突然变化，在图9E中可以清楚地看到自动形成的结合线917。有一个优异的自动形成的金相结合，其中没有缺陷和掺杂物。这些致密的烧结制品也没有η相和“C”气孔。
为了定量确定在用本实施例的方法制备的块体中的钴的分布，把烧结的多区域块体沿中心纵向切开，得到6.4mm(0.25英寸)厚的部分，然后进行研磨和抛光。用X-射线能谱分析(EDS)从圆顶后面朝向块体的轴心部分通过无标准点探针分析分析所得的研磨、抛光的试样。具体地，使用装有LaB6阴极电子枪系统和带有硅-锂检测器(Oxford Instruments Inc.，Analytical System Division，Microanalysis Group，Bucks，England)的X-射线能谱系统，加速电压约为20keV的JSM-6400扫描电子显微镜(Model No.ISM64-3，JEOL LTD，Tokyo，Japan)。测量的扫描面积约为125微米×4微米。以相同的时间间隔(约50秒的时间)扫描每个面积。在相邻的面积之间的步进尺寸约为1mm(0.039英寸)。图10表示这种无标准分析的结果，结果表明如何由于轴心区域的磁饱和强度比圆顶区域的磁饱和强度低来控制钴合金粘结剂的迁移。还可以注意到在圆顶区域内直到界面917上的钴合金粘结剂浓度的均匀性，在界面上，钴合金的浓度突然升高变成韧性较大的轴心区域的整体部分。在圆顶区域直到两种组合物的界面上的钴的均匀分布是本实施方案的一个有意义的贡献。图10上的数字是在圆顶区域内的得到的Rockwell硬度沿距离的增量，这表示了圆顶区域的硬度是基本均匀的。所以圆顶区域的耐磨性是相对恒定的，并使块体的圆顶表面在随后的任何修复过程中经受磨损使用或重新研磨时，圆顶的耐磨性能保持相对恒定。
在压力烧结之后，评价轴心区域的钴合金粘结剂含量和物理性质。钴合金粘结剂含量基本达到目标，约为10.4wt％；硬度约为89.1；颗粒尺寸保持不变，大多数约为6～9微米。类似地，评价圆顶区域的钴合金粘结剂含量和物理性质。所说的钴合金粘结剂含量基本达到目标，约为8.1wt％；硬度为90.9RA；颗粒尺寸保持不变，大多数约为2～4微米。
在刚刚描述的方法中，取得了至少两个区域的块体的目标组合物及其伴随的性能。由于下列关系，圆顶区域由耐磨组合物构成，轴心区域由韧性更大的组合物构成：圆顶区域的钴含量小于轴心区域的钴含量(8.1％比10.4％)；圆顶区域的颗粒尺寸小于轴心区域的颗粒尺寸(2-4μm比6-9μm)；圆顶区域的硬度高于轴心区域的硬度(90.9RA比89.1RA)。