金刚石金属复合材料 本发明涉及一种金刚石金属复合材料的制造方法， 一种生坯， 一种金刚石金属复 合材料， 和该金刚石金属复合材料的应用。
发明内容 由于材料使用的环境中存在磨损， 腐蚀， 磨蚀等情况， 在许多应用中都需要具有 特殊性能的材料。用于上述应用中的许多材料在高温和压力下制得， 参见 US4231195 和 US4242106。其它材料通过复杂的制备方法制得， 包括涂覆颗粒， 如 US6171691， US6031285 和 US5783316 所述。一些材料通过钎焊制得， 参见 US6039641。
制备金刚石复合材料时遇到的一个问题是， 金刚石不具有反应性， 与其他元素很 难结合。在另一方面， 金刚石在高温下热力学不稳定， 倾向转变成石墨。随着压力的增加， 金刚石的稳定区向高温扩展。 这是如今存在的绝大多数金刚石复合材料通过高温高压工艺 制备的原因。另一个问题是， 复杂的制造方法成本很高。
高温高压工艺还存在一个问题， 即该工艺制得的产品只能具有简单的几何形状， 如碟状或盘状。 这些工艺的另一个问题是尺寸限制， 这意味着不可能制得较大尺寸的产品。
金刚石复合材料的另一个问题是金刚石的钎焊能力较差。 这导致金刚石复合材料 的应用受到限制， 因为在这些应用中， 将金刚石钎焊到其它材料表面是必不可少的。
本发明通过新方法和新材料解决了上述提到的技术问题。因此本申请提供了一 种制造金刚石金属复合材料的新方法， 该方法包括将金刚石颗粒与金属填料颗粒混合形 成金刚石 / 金属填料混合物， 形成金刚石 / 金属填料混合物的生坯， 任选地在通过将生坯 加热到≤ 500 ℃的温度而对生坯进行预烧结之前或之后对生坯进行生坯机加工 (green machining) 制成工件， 在生坯或工件中熔渗入一种或多种润湿元素或在生坯或工件中熔渗 入一种或多种润湿合金， 该熔渗步骤在真空或≤ 200Bar 压力的惰性气氛中进行。
本发明的方法使得设计制造的金刚石复合材料和制造具有特殊应用所需性能的 复合材料成为可能。 通常， 随着金属填料含量的增加， 密度、 热膨胀、 断裂韧性和钎焊能力将 会增加， 但硬度和杨氏模量降低。 材料中加入的金属填料含量越高， 材料性能可调节的范围 越宽。因此， 根据本发明的方法包括将含量小于 100 重要百分比 (wt％ ) 的金属填料颗粒 (Me) 与含量为 D ＝ 100wt％ -Me 的金刚石颗粒 (D) 混合形成生坯。
填料颗粒选自由钛 (Ti)， 锆 (Zr)， 铪 (Hf)， 钒 (V)， 铌 (Nb)， 钽 (Ta)， 铬 (Cr)， 钼 (Mo)， 钨 (W)， 锝 (Tc)， 铼 (Re)， 铁 (Fe)， 钴 (Co)， 镍 (Ni)， 和硅 (Si) 组成的组中的一种或多 种元素或一种或多种元素合金。根据一种可选方案， 填料颗粒可选自由 Ti， Cr， Mo， W 和 Co 组成的组中的一种或多种元素或一种或多种元素的合金。
根据本发明的一种可选方案， 0.1-55wt％的金属填料颗粒可与 45-99.9wt％的金 刚石颗粒混合。 根据另一个可选方案， 0.5-50wt％的金属填料颗粒可与 50-99.5wt％的金刚 石颗粒混合。0.1-45wt％的金属填料颗粒与 55-99.9wt％的金刚石颗粒混合。根据另一个 可选方案， 0.5-30wt％的金属填料颗粒可与 70-99.5wt％的金刚石颗粒混合。 根据进一步可 选方案， 1.0-30wt％的金属填料颗粒可与 70-99wt％的金刚石颗粒混合。
该方法包括金刚石 / 填料混合物与粘结剂混合以稳定预烧结之前生坯的形状。粘 结剂可以是聚合物， 树脂， 纤维素， 淀粉， 等等。在本发明的方法中， 粘结剂的最大含量小于 50 体积％， 以使孔隙率小于 50vol％。原则上， 如果形成的生坯强度足够， 粘结剂的量应尽 量小。 所需粘结剂的量取决于所用粘结剂的种类， 颗粒大小和所设计产品的种类。 根据本发 明的一种可选方案， 粘结剂的量可≤ 10 重量百分比 (wt％ )。但有时， 例如在粉末注塑时， 粘结剂的量可≤ 20 重量百分比 (wt％ )。在下文中， 生坯被定义为由金刚石 / 填料混合物 加上或不加粘结剂形成的坯料， 而工件被定义为生坯经过生坯机加工后的产品。
根据一种可选方案， 所述方法包括金刚石 / 填料 / 粘结剂混合物通过喷雾干燥形 成颗粒， 然后颗粒通过压制形成生坯。根据另一个可选方案， 所述方法可包括将金刚石 / 填 料 / 粘结剂混合物通过铸造、 注塑、 辊压和挤出工艺中的一种制成生坯。
生坯在预烧结之前和 / 或之后进行的生坯机加工可以通过传统方式进行， 例如切 割， 锯， 钻， 磨， 和旋转等。该步骤可有效地的最小化或避免最终在硬料上的机加工。
根据本发明的方法， 预烧结在小于或等于 500℃的温度下在空气、 惰性气体或真空 中进行。 根据本发明的一个可选方案， 预烧结温度可低于或等于 450℃。 根据本发明的一个 可选方案， 预烧结温度可低于或等于 300℃。
生坯或工件在低于 1750℃的真空中通过向其中熔渗入润湿元素或润湿合金烧结 或粘结在一起。根据一个可选方案， 烧结温度可低于 1700℃。根据本发明的方法还包括通 过在压力小于或等于 200Bar， 温度小于 1700℃的惰性气氛中进行熔渗来实施粘结或烧结。 根据另一个方法， 熔渗可在小于或等于 100Bar 的压力下进行。惰性气氛可以为氩气， 氮气， 氢气或它们的任何混合物。
熔渗材料可以是一种或多种润湿元素， 或一种或多种润湿元素的一种或多种合 金。重要的是， 润湿材料在工件上的润湿角＜ 90 度。根据另一种可选方案， 润湿角小， 且 ≤ 45 度。
在根据本发明的方法的烧结步骤中， 用于熔渗入工件的润湿材料的量可至少高于 理论值 5wt％， 以保证工件的完全熔渗。
本发明的熔渗材料可以是润湿元素， 该元素可以是选自由锰 (Mn)， 钛 (Ti)， 铬 (Cr)， 钼 (Mo)， 钨 (W)， 铁 (Fe)， 钴 (Co)， 镍 (Ni)， 铜 (Cu)， 银 (Ag)， 金 (Au)， 铝 (Al) 和硅 (Si) 组成的组中的一种或多种元素。根据一种可选方案， 润湿元素可选自由 Ti， Mn， Cr， Cu 和 Si 组成的组中的一种或多种元素。
根据本发明的一种可选方案， 熔渗材料可以是润湿合金。该润湿合金可以是选自 由锰 (Mn)， 钛 (Ti)， 铬 (Cr)， 钼 (Mo)， 钨 (W)， 铁 (Fe)， 钴 (Co)， 镍 (Ni)， 铜 (Cu)， 银 (Ag)， 金 (Au)， 铝 (Al) 和硅 (Si) 组成的组中的两种或更多种元素的合金。根据一种可选方案， 润湿 合金可选自由 Ti， Mn， Cr， Cu 和 Si 组成的组中的两种或更多种元素。
根据本发明的一个可选方案， 润湿元素或润湿合金可具有小于或等于 1500℃的液 相线温度。根据另一个可选方案， 润湿元素或润湿合金可具有小于或等于 1450℃的液相线 温度。 根据另一个可选方案， 润湿元素或润湿合金可具有低于或等于 1400℃的液相线温度。
本发明进一步涉及一种生坯， 其包含金刚石和填料。任选地， 生坯可含有粘结剂。 填料是选自由钛 (Ti)， 锆 (Zr)， 铪 (Hf)， 钒 (V)， 铌 (Nb)， 钽 (Ta)， 铬 (Cr)， 钼 (Mo)， 钨 (W)， 锝 (Tc)， 铼 (Re)， 铁 (Fe)， 钴 (Co)， 镍 (Ni)， 和硅 (Si) 组成的组中的一种或多种元素或一种或多种元素的合金。根据一种可选方案， 填料可选自由 Ti， Cr， Mo， W 和 Co 组成的组中的一 种或多种元素或一种或多种元素的合金。
根据本发明的生坯可具有含量小于 100 重量百分比 (wt％ ) 的金属填料颗粒 (Me) 与含量为 D ＝ 100wt％ -Me 的金刚石颗粒 (D)。根据本发明的一种可选方案， 填料颗粒的含 量范围可为 0.1-55wt％， 金刚石颗粒的含量范围为 45-99.9wt％。根据另一个可选方案， 填 料颗粒的含量范围可为 0.5-50wt％， 金刚石颗粒的含量范围为 50-99.5wt％。根据进一步 的可选方案， 填料颗粒的含量范围可为 1.0-45wt％， 金刚石颗粒的含量范围为 55-99wt％。 任选地， 金属填料颗粒与金刚石颗粒的混合物也可包括粘结剂。粘结剂可以是聚合物， 树 脂， 纤维素， 淀粉， 等等。粘结剂的含量≤ 50 体积％， 以使孔隙率≤ 50vol％， 或者粘结剂的 含量应尽可能小。粘结剂的含量可以≤ 10 重量百分比 (wt％ )。
本发明进一步涉及一种金刚石复合材料， 其包含金刚石、 填料和润湿材料， 和/或 金刚石、 金属填料和润湿元素之间的反应产物。填料是选自由钛 (Ti)， 锆 (Zr)， 铪 (Hf)， 钒 (V)， 铌 (Nb)， 钽 (Ta)， 铬 (Cr)， 钼 (Mo)， 钨 (W)， 锝 (Tc)， 铼 (Re)， 铁 (Fe)， 钴 (Co)， 镍 (Ni)， 和硅 (Si) 组成的组中的一种或多种元素或一种或多种元素的合金。根据一种可选方案， 填料可选自由 Ti， Cr， Mo， W 和 Co 组成的组中的一种或多种元素或一种或多种元素的合金。 润湿材料是选自由锰 (Mn)， 钛 (Ti)， 铬 (Cr)， 钼 (Mo)， 钨 (W)， 铁 (Fe)， 钴 (Co)， 镍 (Ni)， 铜 (Cu)， 银 (Ag)， 金 (Au)， 铝 (Al) 和硅 (Si) 组成的组中的一种或多种润湿元素。根据一种可 选方案， 润湿元素可选自由 Ti， Mn， Cr， Cu 和 Si 组成的组中的一种或多种元素。 根据本发明的一种可选方案， 润湿材料可以是润湿合金。润湿合金可以是选自由 锰 (Mn)， 钛 (Ti)， 铬 (Cr)， 钼 (Mo)， 钨 (W)， 铁 (Fe)， 钴 (Co)， 镍 (Ni)， 铜 (Cu)， 银 (Ag)， 金 (Au)， 铝 (Al) 和硅 (Si) 组成的组中的两种或更多种元素的合金。根据一种可选方案， 润湿 合金可选自由 Ti， Mn， Cr， Cu 和 Si 组成的组中的两种或更多种元素。
本发明进一步涉及根据本发明的方法获得的产品。 本发明进一步涉及金刚石复合 材料作为硬质材料和 / 或研磨材料的应用。本发明的另一个可选方案为金刚石金属复合材 料作为喷嘴， 套筒， 砖瓦， 管或板， 切削工具， 钻头或采矿刀具中的材料的应用。另一个可选 方案可以是用于磨损部位的喷嘴， 套筒， 砖瓦， 管或板。另一个可选方案可以是用于高速离 心机的喷嘴。
本发明的进一步具体实施方式定义在权利要求中。 本发明通过下面的例子作出更 详细的解释。实施例的目的是为了测试本发明的金刚石复合材料， 并非限制发明的范围。
实施例 1 ： 金刚石 / 铬复合材料的制备
为表明宽含量范围的金属填料可被加入材料中， 制备了一系列的金刚石 / 铬复合 材料。 具有 5-30μm 粒径范围的金刚石粉与铬粉以不同重量比混合。 树脂用作压制粘结剂， 详细内容在表 1 中列出。粉末混合物在乙醇溶液中搅拌， 然后在空气中干燥。通过模压形 成直径 18mm， 厚度 2-3mm 的圆片， 其中 65kN 的压制压力保持 10 秒。生坯缓慢加热到 160℃ 保温 1h。烧结在 1565℃的真空中通过熔渗硅进行 6 分钟。不同试样的密度在表 1 中给出。
表1
Cr(w.％ )28152025456101918603 A CN 101918604说粘结剂 (wt.％ ) 密度 (g/cm3) 5 3.34明书4 3.36 3.7 3.41 3.4 3.44 3.2 3.674/4 页4.5 3.36表 1 说明随着 Cr 填料的量增加， 复合材料的密度也增加。可以预计热膨胀、 断裂 韧性和钎焊能力也将随之增加。这表明设计用于所需应用的复合材料成为可能。
实施例 2 ： 金属 / 金刚石复合材料的制备
W 和 Mo 分别与金刚石粉 ( 粒径 5-10μm) 混合。金属 / 金刚石重量比为 90 ∶ 10。 成型出圆片， 并如实施例 1 中同样的方法进行热处理。在石墨炉中进行烧结。试样在 470℃ 加热 10min， 然后在 700℃下加热 30min， 气氛为 N2+4％ H2。在真空中在 1280℃进行 30min 铜的熔渗。W/ 金刚石的密度为 9.27g/cm3， Mo/ 金刚石的密度为 7.85g/cm3。结果表明所选 填料元素也能影响材料性质， 如密度。
实施例 3 ： 金刚石 / 金属复合材料的制备
六种不同的金刚石 / 金属复合材料通过与实施例 1 类似的方法制备。金刚石 / 金 属重量比为 92 ∶ 8。不同试样的密度在表 2 中给出。
表2 金属 金属 (wt％ ) 密度 (g/cm3) Ti 8 3.27 Cr 8 3.36 Mo 8 3.43 W 8 3.46 Co 8 3.32 Cr+Mo 4+4 3.40
表 2 中的结果表明具有相同含量金属填料的复合材料密度不同， 其密度取决于金 属填料的种类或金属填料的组合。7