低熔點(diǎn)金屬粘合劑的制作方法
【專利說明】低溶點(diǎn)金屬粘合劑
【背景技術(shù)】
[0001] 鉆頭體的制造涉及加熱放在鉆頭體模具中的硬基質(zhì)顆粒（如碳化鎢）與金屬粘 合劑（bindermetal)的混合物，所述加熱在1875-2100華氏度（°F)的溫度下持續(xù)約75 至205分鐘以使所述金屬粘合劑滲透進(jìn)入所述硬基質(zhì)顆粒中。滲透過程產(chǎn)生了形成"鉆頭 體"的金屬-基質(zhì)復(fù)合材料。當(dāng)熔融金屬粘合劑通過毛細(xì)作用流過在硬基質(zhì)顆粒的晶粒之 間的空隙時(shí)，發(fā)生滲透。冷卻后，硬基質(zhì)顆粒與金屬粘合劑形成堅(jiān)硬、耐用、結(jié)實(shí)的金屬-基 質(zhì)復(fù)合材料。如果滲透過程是不完全的，則鉆頭體通常是有缺陷的，并且可能有裂紋。滲透 取決于流過硬基質(zhì)顆粒的晶粒的周圍并附著在基質(zhì)晶粒上的熔融金屬粘合劑。對(duì)于完全的 滲透，金屬粘合劑徹底融化，以便具有良好的流動(dòng)性和附著性。然而，在孕鑲金剛石鉆頭體 (其中金剛石也混合入或嵌入基質(zhì)顆粒中）的情況下，長(zhǎng)時(shí)間的高滲透溫度（如，1875至 2100°F)損害了金剛石，以及增加了鉆頭體的熱破裂傾向。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0002] 本
【發(fā)明內(nèi)容】
介紹了一系列概念，這些概念在下面的【具體實(shí)施方式】中有進(jìn)一步的描 述。本
【發(fā)明內(nèi)容】
既不是意在確定要求保護(hù)的主題的關(guān)鍵特征或必要特征，也不是意在幫助 限制要求保護(hù)的主題的范圍。
[0003] 在一些實(shí)施方案中，金屬粘合劑組合物具有1500°F或更低的熔點(diǎn)，該金屬粘合 劑包含總重量占約26. 5%至約30. 5%的鋅（Zn)和錫（Sn)，其中Zn占至少約12%且Sn占 至少約6. 5% ;鎳（Ni)占約4. 5%至約6. 5重量％ ;錳（Mn)占約11 %至約26重量％ ;并且 銅（Cu)占約40%至約55重量％。在一些實(shí)施方案中，金屬粘合劑組合物不包含錳（Mn)。 所公開的金屬粘合劑作為滲透劑用于在1800°F或更低的滲透溫度下滲透硬基質(zhì)顆粒，并 且該金屬粘合劑保持與用目前可用的金屬粘合劑制備的基質(zhì)相當(dāng)?shù)膹?qiáng)度和韌性。
【附圖說明】
[0004] 參照附圖描述金屬粘合劑的實(shí)施方案。
[0005] 圖1-6示出了由對(duì)根據(jù)一個(gè)或多個(gè)實(shí)施方案的以下金屬粘合劑中的每一種進(jìn)行 的差不掃描量熱法<X*SC)計(jì)算的溫度相關(guān)熱流曲線：由式2、式3、式4、式5、式6和比較式 1分別表示的相應(yīng)金屬粘合劑；其中頂線表示加熱曲線（5)且底線表示冷卻曲線（10)，并且 測(cè)得的熔點(diǎn)溫度為加熱曲線（5)的指示峰值（15)。
[0006] 圖7是掃描電子顯微鏡（SEM)圖像，其示出了由碳化鎢顆粒和比較式1的富Cu金 屬粘合劑制備的滲透金屬-基質(zhì)復(fù)合材料經(jīng)Spinodal蝕刻劑蝕刻后的粘合劑結(jié)構(gòu)，其中指 出了碳化鎢（20)和富Cu相（25)。
[0007]圖8是能量色散譜儀（EDS)光譜，其示出了圖7的比較式1金屬-基質(zhì)復(fù)合材料 的單一富CuFCC(面心立方）相（25)。
[0008] 圖9是掃描電子顯微鏡（SEM)圖像，其示出了根據(jù)一個(gè)或多個(gè)實(shí)施方案的由碳化 鶴顆粒和式4的金屬粘合劑制備的金屬-基質(zhì)復(fù)合材料經(jīng)Spinodal蝕刻劑蝕刻后的粘合 劑結(jié)構(gòu)。
[0009] 圖10是根據(jù)一個(gè)或多個(gè)實(shí)施方案的圖9的式4金屬-基質(zhì)復(fù)合材料的富Sn和Ni FCC相（35)的EDS光譜。
[0010] 圖11是根據(jù)一個(gè)或多個(gè)實(shí)施方案的圖9的式4金屬-基質(zhì)復(fù)合材料的富Cu和Zn FCC相（30)的EDS光譜。
[0011] 圖12示出了根據(jù)一個(gè)或多個(gè)實(shí)施方案的具有滲透的碳化鎢和式4金屬粘合劑的 固體基質(zhì)在所示的1950°F、1800°F和1700°F的三個(gè)滲透溫度下的三個(gè)光學(xué)顯微鏡 (0M)圖像，其中指出了eta相（40)、單晶碳化鎢（20)和鑄造碳化鎢（22)。
[0012] 圖13是比較式-1的金屬粘合劑的透射電子顯微鏡（TEM)圖像，其中測(cè)得的FCC 晶格參數(shù)為a=3.75A (作為參考，aCu=3.61人），指出了單一的FCC相富Cu粘合劑（45)。
[0013] 圖14是圖13的TEM圖像的選定區(qū)域衍射（SAD)圖案。
[0014] 圖15是根據(jù)一個(gè)或多個(gè)實(shí)施方案的式3的FCC-1相（50)的TEM圖像，其中測(cè)得 的FCC晶格參數(shù)為a=3.69A。
[0015] 圖16是圖15的TEM圖像的SAD圖案。
[0016] 圖17是根據(jù)一個(gè)或多個(gè)實(shí)施方案的式3的FCC-2相（55)的TEM圖像，其中測(cè)得 的FCC晶格參數(shù)為a=6.丨5A。
[0017] 圖18示出了圖17的TEM圖像的選定區(qū)域衍射（SAD)圖案。
[0018] 圖19示出了將樣品傾斜至與圖18的TEM圖像成另一角度后得到的圖17的TEM 圖像的SAD圖案。
[0019] 圖20是根據(jù)一個(gè)或多個(gè)實(shí)施方案的式3金屬粘合劑的FCC-1 (50)和FCC-2(55) 相的TEM圖像，其放大倍數(shù)低于圖15和17的TEM圖像。
【具體實(shí)施方式】
[0020] 鉆地鉆頭體可以由金屬-基質(zhì)復(fù)合材料制成，所述復(fù)合材料包含硬質(zhì)顆粒相和可 延展金屬相。硬質(zhì)相包含耐火或陶瓷化合物（例如，氮化物和碳化物如碳化鎢），并且金屬 相可以是金屬粘合劑，例如由銅和其它有色合金制成的金屬。可使用粉末（即顆粒）冶金 法形成金屬-基質(zhì)復(fù)合材料，該方法包括熱壓、燒結(jié)和滲透。鉆頭體可在其外表面的至少一 部分上孕鑲有超硬材料。這樣的鉆頭體被稱為孕鑲超硬材料的鉆頭體。對(duì)于孕鑲超硬材料 的鉆頭體而言，金屬-基質(zhì)復(fù)合材料也用作支撐超硬材料的支撐材料。在這樣的實(shí)施方案 中，金屬-基質(zhì)復(fù)合材料具有特別受控的物理性質(zhì)和機(jī)械性質(zhì)，以暴露超硬材料。形成鉆頭 體的方法如美國(guó)專利號(hào)6, 394, 202和美國(guó)專利號(hào)8, 109, 177中所述。鉆頭體的一些實(shí)例包 括孕鑲鉆頭體、具有磨料熱壓嵌入物（GHI，grithot-pressedinsert)的孕鑲鉆頭體和多 晶金剛石復(fù)合片（PDC)鉆頭體。
[0021] 如本發(fā)明所述，金屬-基質(zhì)復(fù)合材料的滲透包括將金屬-基質(zhì)加熱至一定溫度， 該溫度高得足以使金屬粘合劑（也稱為滲透劑）熔化并結(jié)合至硬質(zhì)顆粒相。如此，在金 屬-基質(zhì)復(fù)合材料的滲透過程中，金屬粘合劑開始熔融且流動(dòng)，并附著在硬顆粒的晶粒 上。因此，金屬粘合劑的熔點(diǎn)溫度直接決定了用于形成金屬-基質(zhì)復(fù)合材料的滲透溫 度。如本文中所用，熔點(diǎn)或熔化溫度為具體組合物的液相溫度，如HsinWang和Wallace Porter,ThermalConductivity27/ThermalExpansion15,2004年10月（ISBN-10:19320 78347|ISBN-13:978-1932078343)中所述。
[0022] 根據(jù)一個(gè)或多個(gè)實(shí)施方案，具有1500°F或更低的熔點(diǎn)的粘合劑允許的滲透溫度 是約1800°F或更低，并帶來金屬-基質(zhì)復(fù)合材料的相的改善。在一些實(shí)施方案中，由上述 金屬粘合劑形成的復(fù)合材料中的面心立方-1 (FCC-1)相和FCC-2相處于大致平衡的狀態(tài)。 即FCC-1與FCC-2的比率為1-1. 5(FCC-1)比1. 0(FCC-2)。此外，在約1800。F或更低的 低滲透溫度下，復(fù)合材料的eta相減少。由具有減少的eta相和大致（1. 0-1. 5:1. 0)平衡 的FCC-1相與FCC-2相的復(fù)合材料形成的鉆頭體具有減少的熱破裂傾向。
[0023] 用于孕鑲鉆頭體中的超硬材料的例子包括多晶金剛石（PCD)和熱穩(wěn)定多晶金剛 石（TSP)，這兩者都是本領(lǐng)域已知的。P⑶和TSP材料的例子如美國(guó)專利號(hào)8, 020, 644中所 述?？梢允褂萌魏魏线m的粘合劑（例如鈷或碳化硅粘合劑）形成TSP材料。此外，較高密 度的TSP材料由利用較少鈷粘合劑的較高密度的PCD材料形成。在一些實(shí)施方案中，在形 成孕鑲超硬材料的鉆頭體時(shí)，金屬-基質(zhì)復(fù)合材料是通過用本發(fā)明公開的較低熔點(diǎn)溫度的 金屬粘合劑在約1800°F的滲透溫度下滲透得到的。在一些實(shí)施方案中，在形成孕鑲PCD 或TSP的孕鑲鉆頭體（有時(shí)也稱為孕鑲金剛石鉆頭體）時(shí)，金屬-基質(zhì)復(fù)合材料是通過用 本發(fā)明公開的較低熔點(diǎn)溫度的金屬粘合劑在約1800°F的滲透溫度下滲透得到的，這樣使 得金剛石在孕鑲金剛石鉆頭體的加工過程中不容易受到損害。
[0024] -個(gè)或多個(gè)實(shí)施方案包括一種金屬粘合劑組合物，該金屬粘合劑組合物具有 1500°F或更低的熔點(diǎn)溫度，其中金屬粘合劑除銅（Cu)、錳（Mn)和鎳（Ni)外還包括增加 量的錫（Sn)和鋅（Zn)、以及特定總量的這兩種金屬。如本文中所述，用于制造鉆頭體部 件中的金屬粘合劑組合物具有1500°F或更低的熔點(diǎn)溫度，并且在較低的滲透溫度（如 1800°F或更低）下充分熔化以獲得良好的流動(dòng)性和對(duì)硬顆?；|(zhì)晶粒的附著性，從而有 效地降低鉆頭體的熱破裂傾向。
[0025] 在一些實(shí)施方案中，較低熔點(diǎn)溫度的金屬粘合劑組合物具有與較高熔點(diǎn)溫度的金 屬粘合劑組合物相當(dāng)?shù)膹?qiáng)度。即，在金屬粘合劑組合物中特定增加的Sn或Z