[發明專利]深海礦產資源和干熱巖開采用硬質合金及其制備方法和應用

有效

• 申請號: 202010616475.9
• 申請日: 2020-06-30
• 公開（公告）號: CN111705250B
• 公開（公告）日: 2021-11-23
• 發明（設計）人: 張立;陳述;吳厚平
• 申請（專利權）人: 中南大學
• 主分類號: C22C29/02
• 分類號: C22C29/02;C22C1/05;B22F7/06;C04B35/528;C04B35/5831;C04B35/5835;C04B35/622;C04B35/645;E21B10/46
• 代理公司: 長沙市融智專利事務所(普通合伙) 43114
• 代理人: 蔣太煒

1.深海礦產資源和干熱巖開采用硬質材料，其特征在于：所述硬質材料包括硬質合金和由硬質合金與超硬材料復合組成的超硬復合材料；

所述硬質合金和超硬復合材料具有抗高溫磨蝕和抗巖體磨蝕功能以及自潤滑功能；

所述硬質合金中包含硬質相、粘結相和稀土氧硫化物三種物相；所述硬質相是WC，其晶格中可固溶其它難熔金屬，其平均晶粒度≥1.6 μm；所述粘結相是指Co基合金或Co–Ni基合金；所述Co基合金和Co–Ni基合金在硬質合金燒結過程通過其它合金組元在粘結金屬Co或Co–Ni合金中固溶而形成；所述稀土氧硫化物通過稀土氧化物與硫化物原位反應而形成；所述硬質合金在燒結前具有以下成分特征：

粘結金屬Co或Co和Ni在合金中的質量分數為6~15%；

粘結金屬Co可獨立添加，也可與Ni聯合添加；聯合采用Co和Ni作粘結金屬時，Ni的質量分數占Co和Ni總量的30~50%；

Cr₃C₂的質量分數占粘結金屬Co或Co和Ni總量的0或5~10%；

TaC在合金中的質量分數為0或0.5~0.8%；

稀土氧化物在合金中的質量分數為0.1~0.5%；所述稀土為La、Ce、Y中的一種以上；所述稀土以氧化物形式添加，其添加量以氧化物計；硫化物的添加量以稀土添加量作為參照基準，以摩爾為計量標準，其添加量為稀土氧化物添加量的1/2；所述硫化物選自WS₂、MoS₂中的至少一種；

所述超硬復合材料是由超硬材料與硬質合金基體進行高溫高壓復合制備獲得；所述超硬材料是指金剛石和/或立方氮化硼；在所述超硬材料與硬質合金基體進行高溫高壓復合前，在金剛石或立方氮化硼原料粉末中添加稀土氧化物和WS₂；所述稀土氧化物在金剛石或立方氮化硼超硬材料中的質量分數為5~10%；所述WS₂的添加量以稀土添加量作為參照基準，其添加量為稀土氧化物添加量的1/2，以摩爾為計量標準；當鑿巖工況影響金剛石物相穩定性時，選用立方氮化硼作為超硬材料。

2.根據權利要求1所述的深海礦產資源和干熱巖開采用硬質材料，其特征在于：所述WC原料粉末的費氏粒度≥10 μm，Co粉和Ni粉原料粉末的費氏粒度為1.0~1.5 μm，Cr₃C₂、TaC、WS₂、MoS₂原料粉末的費氏粒度＜1.5 μm，稀土氧化物原料粉末的費氏粒度＜1.0 μm。

3.根據權利要求1-2任一項所述的深海礦產資源和干熱巖開采用硬質材料的制備方法，其特征在于：

所述硬質合金的制備工藝包括（1）濕磨混合料制備，（2）濕磨混合料干燥制粒，（3）干燥制粒料模壓成形，（4）壓坯的壓力燒結；

所述超硬復合材料由所述硬質合金作為基體，與超硬材料在六面頂壓機中進行高溫高壓復合。

4.根據權利要求3所述的制備方法，其特征在于：所述硬質合金濕磨混合料制備的濕磨時間為16~36小時；所述干燥制粒包括噴霧干燥制粒；硬質合金成形后所得壓坯進行后續壓力燒結；所述壓力燒結的燒結溫度為1420~1470℃，所述壓力燒結在壓力燒結爐內進行，在燒結溫度的保溫階段燒結爐內的壓強＞5 MPa。

5.根據權利要求3所述的制備方法，其特征在于：所述超硬復合材料在進行高溫高壓復合時，控制溫度為1430~1460℃、壓強＞5 GPa。

6.一種如權利要求1-2任一項所述的硬質材料的應用，其特征在于：所述應用包括將硬質合金和/或硬質合金與超硬材料復合組成的超硬復合材料用做深海礦產資源和干熱巖開采所需鑿巖工具的鉆頭關鍵部件。