[发明专利]制造包括至少一个致密材料块体的元件的方法

说明书

技术领域

本发明涉及包括至少一个由分散于塑性粘结相中的硬质颗粒构成的致密材料块体的元件的制造，其中可以通过浸渗或吸液(imbibition)使致密材料局部富集粘结相。

本发明特别涉及由也称为金属陶瓷的陶瓷/金属复合材料制成的工具的制造，并特别涉及用于石油和/或矿物钻探的工具的制造。

背景技术

浸渗或吸液应理解为完全致密的固/液系统中液体的富集，其中在该系统中，至少一种固相呈能够通过吸收液体而调整其形态的充胀(gains)形式，从而使该系统更高能稳定。在由存在于该系统中的迁移压力产生的驱动力的作用下产生液体的富集。

钻削工具由其上安装有用于切削或磨削岩石的刀具的头部构成。作为工具的工作部分的刀具在大部分情况下基于碳化物、即一种非常硬但脆性的材料而形成。当所述工具用于钻削由不同硬度的岩石构成的地质层时，该脆性尤其不利。这种异质性可能导致在刀具内产生裂纹，从而导致由于剥落产生的刀具磨损或刀具断裂。

为了降低刀具过早磨损或断裂的风险，已经有人考虑由金属陶瓷制造刀具，其芯部比与岩石直接接触的外表面塑性更强。因此，在保持优良的切削能力(与岩石接触的低粘结相区域)的同时，刀具的芯部将更耐冲击(粘结相富集区域)。

为了制造已知为具有称为功能梯度材料(FGM)的组分(或成分)梯度或性能梯度的刀具的这种刀具，已经有人提出制造具有孔隙梯度的非致密金属陶瓷，并通过粘结相渗入它们，从而提高金属陶瓷的芯部区域的塑性。然而，由于该方法导致在浸渍之前便存在的碳化物骨架的部分破坏，从而使得刀具无法获得理想的特性，因而该方法是不适宜的，特别是对于碳化钨-钴(WC-Co)系统而言是不适宜的。

渗入是仅在由也称为毛细压力的毛细管现象所导致的驱动力的作用下产生的非完全致密固/液系统中液体的富集。浸渍除了涉及两个凝聚相(固/液)之外，还涉及称为非凝聚相(气相)的第三相。

也已经有人提出通过自然烧结(不需要施加外部压力)制造在多层元件的固体相中具有组分梯度的金属陶瓷，其具有坚硬的外表面和塑性(易延展的)芯部，元件的每一层具有不同的组分。但是，该方法不能使材料完全致密化，并且必须随后进行昂贵的热等静压成型处理。此外，因为需要制造一系列彼此相适应的元件层并且每层具有不同的组分，因而具有组分梯度的金属陶瓷的制备很复杂。最后，该既复杂又非常昂贵的制备方法无法获得连续的组分梯度。相应地，如此获得的金属陶瓷包括具有基本不同硬度和膨胀系数的连续层，从而导致在两个连续层之间的界面处分层的风险。

为了弥补固相烧结的缺陷，已经有人提出通过自然液相烧结制造所述材料，其可以在单一步骤中非常迅速地获得具有完全致密、渐进组织(结构)的材料。然而，该方法具有由于小厚度层之间液体的迁移而显著削弱组分梯度的缺陷。此外，完全出乎意料地，当停留于液态的时间低于一临界时间时，组分梯度保持不连续，其中当超过该临界时间时，金属陶瓷完全均质化。

由于这些各种各样的原因，已经提出的上述三种方法不适于具有令人满意的使用性能、即表面的耐磨性和芯部的塑性或韧性的钻削工具的工业化生产。

此外，为了改善切削工具的使用寿命，已经有人提出在金属陶瓷的表面上沉积氮化物、碳氮化物、氧化物或硼化物的硬质涂层。例如美国专利4,548,786或4,610,931中已描述了这种方法。然而，这些方法具有以下缺陷，即其只能改善金属陶瓷的耐磨蚀性并且这种改善只能在很小的厚度(几微米)上获得。此外，由于涂层的特性与刀具不同，在经受刀具的热机械应力后，所述层可能发生分层或剥落。

也已经有人提出通过使对碳而言为亚(低于)化学计量的金属陶瓷与富碳气相(甲烷)接触来同时改善WC-Co型金属陶瓷的表面耐磨性和抗冲击性。在温度的影响下，气相中的碳扩散到亚化学计量的金属陶瓷中并依据化学反应式2C+Co₃W₃C(η相)→3WC+3Co与η相反应，从而释放出钴，该释放出的钴向着贫钴区域移动。然而，例如在美国专利4,743,515中描述的这种方法具有以下缺陷，即其导致1或2毫米以上范围内富钴的粘结相梯度，而金属陶瓷芯部由于由η相构成而保持脆性并且在反复冲击下易于断裂。

最后，已经有人提出制造具有特殊结构、尤其是蜂窝结构的切削工具，其具有结合了优良的耐磨性和优良的韧性的优点。这种具有功能性微结构的金属陶瓷显示出塑性/脆性性能的折衷性，这对于预定的应用而言很重要但仍不足。该复合材料为美国专利5,880,382的主题。

发明内容