專利名稱：硬質(zhì)合金組合物及其制備方法
本申請(qǐng)要求如下專利申請(qǐng)的優(yōu)先權(quán)2003年6月2日提交的U.S.實(shí)用專利申請(qǐng)10/453，085和兩個(gè)U.S.臨時(shí)申請(qǐng)，2003年1月13日提交的60/439，838和2003年2月20日提交的60/449，305，題目同為“HardmetalCompositions with Novel Binder Compositions”。
背景技術(shù)：
本申請(qǐng)涉及硬質(zhì)合金組合物，它們的制備方法，以及相關(guān)的應(yīng)用。
硬質(zhì)合金包括多種復(fù)合材料，特指堅(jiān)硬難熔材料，這些材料還表現(xiàn)出高耐磨性。廣泛使用的硬質(zhì)合金實(shí)例包括燒結(jié)的或滲碳的碳化物或碳氮化物，或者這些材料的組合物。一些稱作金屬陶瓷的硬質(zhì)合金，在其組成中可以包括用粘合劑金屬微粒粘結(jié)的加工過(guò)的金屬陶瓷微粒(例如TiC)。某些硬質(zhì)合金組合物已經(jīng)在技術(shù)文獻(xiàn)中作了記錄。例如，在Brookes’World Dictionary and Handbook of Hardmetals，第6版，International CarbideData，United Kingdom(1996)中出版了硬質(zhì)合金組合物的綜合匯編。
可以在多種應(yīng)用領(lǐng)域中使用硬質(zhì)合金。代表性的應(yīng)用方面包括切割金屬、石頭和其他硬材料的切削工具，拔絲模，刀具，切割煤塊、各種礦石和巖石的采礦工具，以及石油鉆井工具和其他鉆孔應(yīng)用。此外，還可以使用這種硬質(zhì)合金來(lái)建造各種設(shè)備的外殼和外表面或外層，以滿足設(shè)備操作或者設(shè)備操作環(huán)境條件的特殊需要。
許多硬質(zhì)合金可以通過(guò)如下方法形成首先將堅(jiān)硬難熔的碳化物或碳氮化物顆粒分散在粘合劑基體中，然后壓制和燒結(jié)混合物。燒結(jié)過(guò)程使粘合劑基體粘合顆粒并壓縮混合物以形成所得到的硬質(zhì)合金。硬顆粒主要使所得到的硬質(zhì)合金具有堅(jiān)硬和難熔的性質(zhì)。
發(fā)明概述下面描述的硬質(zhì)合金材料包括含硬顆粒和粘合劑基體的材料，其中硬顆粒含第一種材料，粘合劑基體含第二種不同的材料。硬顆粒以基本均勻的方式立體地分散在粘合劑基體中。硬顆粒的第一種材料可以包括，例如基于碳化鎢的材料，基于碳化鈦的材料，以及基于碳化鎢和碳化鈦混合物的材料。粘合劑基體的第二種材料可以包括，尤其是錸，錸和鈷的混合物，鎳基高溫合金，鎳基高溫合金和錸的混合物，鎳基高溫合金、錸和鈷的混合物，以及這些材料和其他材料的混合材料。鎳基高溫合金可以處于γ-γ’冶金相。
在各種執(zhí)行方案中，例如第二種材料的體積可以占材料總體積的約3％～約40％。對(duì)于某些實(shí)際應(yīng)用，粘合劑基體所含的錸數(shù)量可以大于材料總重量的25％。在其他的應(yīng)用領(lǐng)域中，第二種材料可以包括Ni基高溫合金。某些實(shí)際應(yīng)用中Ni基高溫合金可以包括Ni和者如Re的其他元素。
按照一種執(zhí)行方案，可以用如下方法制備本申請(qǐng)的硬質(zhì)合金材料在真空條件下燒結(jié)材料混合物，并通過(guò)氣體介質(zhì)加壓進(jìn)行固相燒結(jié)。
這些硬質(zhì)合金材料和組合物方法的優(yōu)點(diǎn)可以包括如下一個(gè)或多個(gè)方面一般有更優(yōu)良的硬度，高溫下增強(qiáng)的硬度，以及改善的耐腐蝕和抗氧化性。
現(xiàn)結(jié)合附圖、發(fā)明詳述和權(quán)利要求書來(lái)詳細(xì)描述本發(fā)明的這些和其他特征、執(zhí)行方案和優(yōu)點(diǎn)。
附圖描述

圖1所示為根據(jù)一個(gè)執(zhí)行方案中制備硬質(zhì)合金的一個(gè)示例性制備流程。
圖2所示為制備固相硬質(zhì)合金的示例性兩步燒結(jié)方法。
圖3、4、5、6、7和8所示為所選示例性硬質(zhì)合金的各種測(cè)量的性質(zhì)。
發(fā)明詳述硬質(zhì)合金組合物的重要性在于它們直接影響著硬質(zhì)合金在其預(yù)定應(yīng)用領(lǐng)域中的技術(shù)性能，以及在制備這種硬質(zhì)合金過(guò)程中采用的加工條件和設(shè)備。硬質(zhì)合金組合物還可以直接影響硬質(zhì)合金原材料的成本，以及與制備方法有關(guān)的成本。考慮到這些原因和其他的原因，硬質(zhì)合金行業(yè)已經(jīng)進(jìn)行了廣泛的努力來(lái)開(kāi)發(fā)技術(shù)上更優(yōu)良和經(jīng)濟(jì)實(shí)用的硬質(zhì)合金組合物。本申請(qǐng)描述的是，除了其他特征外，含選擇的粘合劑基體材料的硬質(zhì)合金材料組合物，它們一起產(chǎn)生性能優(yōu)勢(shì)。
感興趣的硬質(zhì)合金的材料組合物包括各種硬顆粒和各種粘合劑基體材料。一般而言，硬顆粒可以由元素周期表中IVB族金屬碳化物(例如TiC、ZrC、HfC)、VB族金屬碳化物(例如VC、NbC、TaC)以及VIB族金屬碳化物(例如Cr3C2、Mo2C、WC)形成。此外，還可以使用由元素周期表IVB族金屬元素形成的氮化物(例如TiN、ZrN、HfN)和VB族金屬元素形成的氮化物(例如VN、NbN和TaN)。例如，一種在許多硬質(zhì)合金中廣泛使用的硬質(zhì)合金顆粒材料組合物是碳化鎢，如碳化一鎢(WC)。各種氮化物可以和碳化物混合在一起形成硬顆粒?？梢詫⑸鲜龅暮推渌膬煞N或多種碳化物和氮化物組合在一起形成WC基硬質(zhì)合金或不含WC的硬質(zhì)合金。不同碳化物的混合物實(shí)例包括但不限于WC和TiC的混合物，以及WC、TiC和TaC的混合物。
粘合劑基體的材料組合物，除了提供用于將硬顆粒粘合到一起的基體外，可以顯著地影響所得到的硬質(zhì)合金的硬度和耐熔性質(zhì)。一般而言，粘合劑基體可以包括元素周期表第8列中的一種或多種過(guò)渡金屬，例如鈷(Co)、鎳(Ni)和鐵(Fe)，以及6B列的金屬，例如鉬(Mo)和鉻(Cr)?？梢詫煞N或多種這樣的和其他的粘合劑金屬混合在一起，形成用于粘合合適的硬顆粒所需要的粘合劑基體。例如，一些粘合劑基體使用了具有不同相對(duì)重量的Co、Ni和Mo的組合物。
此處描述的硬質(zhì)合金組合物有一部分是基于如下認(rèn)識(shí)而開(kāi)發(fā)出來(lái)的可以對(duì)粘合劑基體材料組合物進(jìn)行特殊的配置和定制，來(lái)得到滿足各種應(yīng)用領(lǐng)域中特殊需要的高性能硬質(zhì)合金。具體而言，粘合劑基體材料組合物對(duì)所得到的硬質(zhì)合金的其他材料性質(zhì)，例如彈性，剛性以及強(qiáng)度參數(shù)(包括橫斷裂強(qiáng)度，抗拉強(qiáng)度和沖擊強(qiáng)度)有明顯的影響。因此，本發(fā)明人認(rèn)識(shí)到為了改善所得到硬質(zhì)合金的材料性質(zhì)和性能，需要提供一種合適的粘合劑基體材料組合物，以更好地和硬顆粒材料組合物以及硬質(zhì)合金的其他組分相匹配。
更具體而言，這些硬質(zhì)合金組合物使用的是這樣的粘合劑基體，該粘合劑基體包括錸、鎳基高溫合金或者至少一種鎳基高溫合金和其他粘合劑材料的組合物。其他合適的粘合劑材料可以包括尤其是錸(Re)或鈷。Ni基高溫合金在較高溫度下表現(xiàn)出高材料強(qiáng)度。所得到的用這種粘合劑材料形成的硬質(zhì)合金可以得益于錸和Ni高溫合金在高溫下的高材料強(qiáng)度，并在高溫下顯示增強(qiáng)的性能。此外，Ni基高溫合金還具有優(yōu)良的耐腐蝕和抗氧化性，因而當(dāng)將這種Ni基高溫合金用作粘合劑材料時(shí)，可以改善硬質(zhì)合金相應(yīng)的抵抗力。
本申請(qǐng)描述的硬質(zhì)合金組合物包含的粘合劑基體含量可以占硬質(zhì)合金中材料總體積的約3％～約40％，所以相應(yīng)的硬顆粒體積百分比為約97％～約60％。在上述體積百分比范圍內(nèi)，在某些具體執(zhí)行方案中粘合劑基體材料的體積可以為硬質(zhì)合金材料總體積的約4％～約35％。更優(yōu)選地，一些硬質(zhì)合金的粘合劑基體含量可以占硬質(zhì)合金中材料總體積的約5％～約30％。粘合劑基體材料在所得到的硬質(zhì)合金總重量中的重量百分比可以從硬質(zhì)合金的具體組成中得到。
在各種執(zhí)行方案中，粘合劑基體的組成可以主要由鎳基高溫合金，以及由鎳基高溫合金和諸如Re、Co、Ni、Fe、Mo和Cr的其他元素的各種組合形成。感興趣的Ni基高溫合金除了Ni外還可以包含元素Co、Cr、Al、Ti、Mo、W，以及其他元素例如Ta、Nb、B、Zr和C。例如，Ni基高溫合金可以包括如下以高溫合金總重量計(jì)的重量百分比的組成金屬約30％～約70％的Ni，約10％～約30％的Cr，約0％～約25％的Co，總量約4％～約12％的Al和Ti，約0％～約10％的Mo，約0％～約10％的W，約0％～約10％的Ta，約0％～約5％的Nb，以及約0％～約5％的HfoNi基高溫合金還可以包括Re和Hf中的一種或兩種，例如0％～約10％的Re和0％～約5％的Hf。含Re的Ni基高溫合金可用于高溫應(yīng)用領(lǐng)域。Ni基高溫合金還可以包括少量的其他元素，例如B、Zr和C。
TaC和NbC在一定程度上具有相似的性質(zhì)，在某些具體執(zhí)行方案的硬質(zhì)合金組合物中可以用于部分或全部替代或者相互取代。HfC和NbC中的任一個(gè)或兩者也都可用于取代或替代硬質(zhì)合金設(shè)計(jì)中的部分或全部TaC。WC、TiC、TaC可以分別地或者混合在一起以固溶體形式被制備出來(lái)。當(dāng)使用混合物時(shí)，可以選擇至少一種如下的混合物(1)WC、TiC和TaC的混合物，(2)WC、TiC和NbC的混合物，(3)WC、TiC，和TaC與NbC中至少一種的混合物，以及(4)WC、TiC，和HfC與NbC中至少一種的混合物。多種碳化物的固溶體可以具有比幾種碳化物的混合物更好的性質(zhì)和性能。因此，可以從如下固溶體中至少選擇一種作為硬顆粒(1)WC、TiC和TaC的固溶體，(2)WC、TiC和NbC固溶體，(3)WC、TiC，和TaC與NbC中至少一種的固溶體，以及(4)WC、TiC，和HfC與NbC中至少一種的固溶體。
作為粘合劑材料的鎳基高溫合金可以處于γ-γ’相，其中具有FCC結(jié)構(gòu)的γ’相和γ相相混合。這種鎳基高溫合金的強(qiáng)度在一定程度上隨溫度升高而增加。這種鎳基高溫合金另一種所需的性質(zhì)是其高抗氧化性和耐腐蝕性。可以用鎳基高溫合金部分或完全取代各種Co基粘合劑組合物中的Co。正如本申請(qǐng)中公開(kāi)的實(shí)施例所證實(shí)的，在硬質(zhì)合金粘合劑基體中同時(shí)包含錸和鎳基高溫合金可以顯著改善所得到的硬質(zhì)合金的性能，這得益于Re的存在使硬質(zhì)合金在高溫下具有更優(yōu)良的性能，同時(shí)還利用Ni基高溫合金相對(duì)較低的燒結(jié)溫度來(lái)保持合理的低燒結(jié)溫度使制備容易進(jìn)行。此外，這種粘合劑組合物中相對(duì)較低的Re含量可以降低粘合劑材料的成本，因而這種材料在經(jīng)濟(jì)上是可行的。
基于粘合劑基體的具體組成，這種鎳基高溫合金在粘合劑基體所有材料組分中的重量百分比為幾個(gè)百分點(diǎn)至100％。典型的鎳基高溫合金可以主要包括鎳和其他處于γ-γ’相強(qiáng)化狀態(tài)的金屬組分，所以其顯示強(qiáng)化強(qiáng)度隨著溫度的升高而加強(qiáng)。
各種鎳基高溫合金的熔點(diǎn)可以低于普通的粘合劑材料鈷的熔點(diǎn)，例如Special Metals的商品名為Rene-95、Udimet-700、Udimet-720的合金，這些合金主要含有與Co、Cr、Al、Ti、Mo、Nb、W、B及Zr結(jié)合的Ni。因此，與使用含Co粘合劑的硬質(zhì)合金相比，單獨(dú)使用這種鎳基高溫合金作為粘合劑材料可能不增加所得到的硬質(zhì)合金的熔點(diǎn)。
但是，在一個(gè)執(zhí)行方案中，可以在粘合劑中使用鎳基高溫合金來(lái)提高材料強(qiáng)度，并在接近或超過(guò)500℃的溫度下改善所得硬質(zhì)合金的材料硬度。對(duì)一些制備樣品的測(cè)試已經(jīng)證實(shí)在低操作溫度下，與粘合劑中不含Ni基高溫合金的類似材料組合物相比，在粘合劑中含Ni基高溫合金的硬質(zhì)合金的材料硬度和強(qiáng)度可以顯著地改善，例如至少10％。下表顯示了測(cè)量得到的粘合劑中含Ni基合金的樣品P65和P46A與以純Co作為粘合劑的樣品P49和P47A相比較的硬度參數(shù)，其中樣品的組成列于表4中。
粘合劑中Ni基高溫合金(NS)的作用
值得注意的是，在超過(guò)500℃的高操作溫度下，粘合劑中含Ni基高溫合金的硬質(zhì)合金樣品與粘合劑中不含Ni基高溫合金的類似硬質(zhì)合金樣品相比，可以表現(xiàn)出明顯提高的材料硬度。此外，以Ni基高溫合金作為粘合劑材料與使用常規(guī)的Co作為粘合劑的硬質(zhì)合金或金屬陶瓷相比，還可以改善所得到的硬質(zhì)合金或金屬陶瓷的耐腐蝕性。
可以單獨(dú)使用鎳基高溫合金或者與其他元素組合使用，來(lái)形成所需要的粘合劑基體?？梢院玩嚮邷睾辖鸾M合形成粘合劑基體的其他元素包括但不限于另一種鎳基高溫合金，其他的非鎳基合金，Re、Co、Ni、Fe、Mo和Cr。
可以使用錸作為粘合劑材料使硬顆粒具有強(qiáng)結(jié)合力，特別是可以制備出高熔點(diǎn)的硬質(zhì)合金材料。錸的熔點(diǎn)約為3180℃，遠(yuǎn)高于通常使用作為粘合劑材料的鈷的熔點(diǎn)1495℃。錸的這種特性對(duì)增加含使用錸的粘合劑的硬質(zhì)合金的性能有部分作用，例如，增加所得到的硬質(zhì)合金在高溫下的硬度和強(qiáng)度。Re還具有作為粘合劑材料所需的其他性質(zhì)。例如，粘合劑基體中含Re的硬質(zhì)合金與粘合劑基體中不含Re的類似硬質(zhì)合金相比，其硬度、橫斷裂強(qiáng)度、斷裂韌度和熔點(diǎn)可以顯著提高。在示例性的在粘合劑基體中含Re的WC基硬質(zhì)合金中，其硬度Hv已經(jīng)超過(guò)了2600Kg/mm2?，F(xiàn)已表明一些示例性的WC基硬質(zhì)合金的熔點(diǎn)，即燒結(jié)溫度，已經(jīng)超過(guò)了2200℃。作為對(duì)比，引用的Brookes表2.1中含Co的WC基硬質(zhì)合金的燒結(jié)溫度低于1500℃。硬質(zhì)合金的燒結(jié)溫度高，則可以在低于燒結(jié)溫度的高溫下使用該材料進(jìn)行操作。例如，基于這種含Re硬質(zhì)合金材料的工具可以在高速下操作，以減少處理時(shí)間和處理的總生產(chǎn)量。
但是，在硬質(zhì)合金中使用Re作為粘合劑材料在實(shí)際工作可能存在限制。例如，所需要的Re的高溫性質(zhì)一般導(dǎo)致制備時(shí)的高燒結(jié)溫度。因此，常規(guī)燒結(jié)方法使用的烘爐或熔爐需要在高燒結(jié)溫度或者該溫度以上進(jìn)行操作。能夠在這樣高的溫度下，例如超過(guò)2200℃下操作的烘爐或熔爐，可能非常昂貴而不能廣泛用于商業(yè)用途。U.S.P 5,476,531公開(kāi)了使用快速全向壓制(ROC)法降低在制備WC基硬質(zhì)合金中加工溫度，該WC基硬質(zhì)合金以純Re作為粘合劑材料，其含量為每一種硬質(zhì)合金總重量的6％～18％。但是，這種ROC方法仍然昂貴，并且一般不適用于工業(yè)制備。
此處所述的硬質(zhì)合金組合物及其組合物方法的一個(gè)潛在優(yōu)勢(shì)在于它們可以提供或允許一種更實(shí)用的制備方法，該方法用于在其粘合劑基體中制備含Re或Re與其他粘合劑材料混合物的硬質(zhì)合金。具體而言，該兩步法可以制備Re含量超過(guò)所得到的硬質(zhì)合金總重量25％的硬質(zhì)合金。這種Re含量超過(guò)25％的硬質(zhì)合金可以用于在高溫下達(dá)到高硬度和材料強(qiáng)度。
使用純Re作為硬質(zhì)合金粘合劑材料的另一個(gè)限制在于Re在約350℃或更高溫度下在空氣中劇烈氧化。這樣差的抗氧化性可能嚴(yán)重減少在任何超過(guò)約300℃的實(shí)際應(yīng)用中的使用純Re作為粘合劑。由于Ni基高溫合金在1000℃以下具有特別強(qiáng)的強(qiáng)度和抗氧化性，使用Ni基高溫合金和在粘合劑中Re是主要材料的Re的混合物可以用于改善使用這種混合物作為粘合劑的硬質(zhì)合金的強(qiáng)度和抗氧化性。另一方面，向主要含Ni基高溫合金的粘合劑中加入Re可以增加所得到的硬質(zhì)合金的熔化范圍，并改善Ni基高溫合金粘合劑的高溫強(qiáng)度和蠕變阻力。
一般而言，在硬質(zhì)合金中，錸在粘合劑基體中的重量百分比應(yīng)當(dāng)占粘合劑基體總重量的幾個(gè)百分點(diǎn)～幾乎100％。優(yōu)選錸在粘合劑基體中的重量百分比應(yīng)當(dāng)?shù)扔诨蚋哂?％。具體而言，錸在粘合劑基體中的重量百分比可以為粘合劑基體的10％或以上。在一些具體執(zhí)行方案中，錸在粘合劑基體中的重量百分比可以為所得到的硬質(zhì)合金總重量的25％或更高。可以采用本申請(qǐng)所述的兩步法在相對(duì)較低的溫度下制備含這樣高濃度Re的硬質(zhì)合金。
由于錸一般比硬質(zhì)合金中使用的其他材料更昂貴，在設(shè)計(jì)含錸的粘合劑基體時(shí)必須考慮其成本。下面給出的一些實(shí)例反映了這方面的考慮。一般而言，依照一個(gè)執(zhí)行方案，一種硬質(zhì)合金組合物包括含第一種材料的分散硬顆粒和含第二種不同材料的粘合劑基體，第二種材料包括錸，其中硬顆粒以一種基本均勻的方式立體地分散于粘合劑基體中。粘合劑基體可以是Re和其他粘合劑材料的混合物，以減少Re的總含量，部分為了降低原材料的總成本，部分為了研究其他粘合劑材料的存在對(duì)增強(qiáng)粘合劑基體性能的影響。含Re和其他粘合劑材料混合物的粘合劑基體實(shí)例包括Re和至少一種Ni基高溫合金的混合物，Re、Co和至少一種Ni基高溫合金的混合物，Re和Co的混合物等。
表1列出了一些感興趣的硬質(zhì)合金組合物實(shí)例。該表中，WC基組合物被稱作“硬質(zhì)合金”，TiC基組合物被稱作“金屬陶瓷”。傳統(tǒng)意義上，通過(guò)Ni和Mo的混合物或者Ni和Mo2C的混合物粘合的TiC顆粒是金屬陶瓷。此處所述的金屬陶瓷還包括由TiC和TiN混合物、TiC、TiN、WC、TaC和NbC的混合物與粘合劑基體形成的硬顆粒，其中粘合劑基體是由Ni和Mo的混合物或Ni和Mo2C的混合物制成的。對(duì)于每一種硬質(zhì)合金組合物，所指定粘合劑材料都分別列出三種不同的重量百分比范圍。例如，粘合劑可以是Ni基高溫合金和鈷的混合物，硬顆粒可以是WC、TiC、TaC和NbC的混合物。在該組合物中，粘合劑可以占硬質(zhì)合金總重量的約2％～約40％。在某些實(shí)際應(yīng)用中，可以將該范圍設(shè)置為約3％～約35％，在其他應(yīng)用中還可以進(jìn)一步縮小范圍至約4％～約30％。
表1(NSNi基高溫合金)
可以用如下的方法制備在粘合劑基體中含Re或鎳基高溫合金的硬質(zhì)合金。首先，制備含所需硬顆粒的粉末，例如一種或多種碳化物或碳氮化物。這種粉末可以包括不同碳化物的混合物或者碳化物和氮化物的混合物。將該粉末和合適的粘合劑基體材料混合在一起，粘合劑基體材料中包括Re或鎳基高溫合金。此外，可以向混合物中加入壓制潤(rùn)滑劑，例如蠟。
在理想的時(shí)間內(nèi)，例如幾個(gè)小時(shí)，通過(guò)碾磨或磨碎法將硬顆粒、粘合劑基體材料和潤(rùn)滑劑的混合物碾磨或磨碎，以充分混合材料，使每個(gè)硬顆粒都涂有粘合劑基體材料，以便于在隨后的處理中粘合這些硬顆粒。還應(yīng)當(dāng)在硬顆粒上涂上潤(rùn)滑材料來(lái)潤(rùn)滑這些材料，以便于混合處理并減少或消除硬顆粒的氧化。接著，依次進(jìn)行壓制、預(yù)燒結(jié)、成形，最后燒結(jié)，將磨碎的混合物加工形成所得到的硬質(zhì)合金。燒結(jié)方法是通過(guò)在低于硬顆粒熔化溫度的溫度下進(jìn)行加熱，來(lái)將粉末材料轉(zhuǎn)化成連續(xù)物質(zhì)的處理方法，并可以在通過(guò)壓力預(yù)先壓制之后進(jìn)行燒結(jié)處理。在該方法中，粘合劑材料被壓實(shí)成連續(xù)的粘合劑基體以在其中粘合硬顆粒。還可以在所得到的硬質(zhì)合金表面上形成一層或多層附加涂層，以加強(qiáng)硬質(zhì)合金的性能。圖1是該制備方法執(zhí)行方案的流程圖。
在一個(gè)執(zhí)行方案中，燒結(jié)碳化物的制備方法包括在溶劑中濕磨、真空干燥、壓制和在真空中進(jìn)行液相燒結(jié)。液相燒結(jié)的溫度介于粘合劑材料的熔點(diǎn)(例如Co為1495℃)和硬質(zhì)合金混合物的低共熔溫度(例如WC-Co為1320℃)之間。一般而言，滲碳碳化物的燒結(jié)溫度為1360～1480℃。對(duì)于在粘合劑合金中含低濃度Re或Ni基高溫合金的新材料，其制備方法和常規(guī)的燒結(jié)碳化物的制備方法相同。真空液相燒結(jié)的原理在這里得到了應(yīng)用。燒結(jié)溫度略高于粘合劑合金和碳化物的低共熔溫度。例如P17(粘合劑合金中含25重量％的Re)的燒結(jié)條件為在真空中1700℃下燒結(jié)1小時(shí)。
圖2所示為基于固態(tài)相燒結(jié)來(lái)制備本申請(qǐng)所述的各種硬質(zhì)合金的兩步制備方法?？梢杂眠@種兩步燒結(jié)法制備的硬質(zhì)合金實(shí)例包括在粘合劑基體中含高濃度Re的硬質(zhì)合金，其在其他方法中需要在高溫下進(jìn)行液相燒結(jié)。兩步法可以在相對(duì)低的溫度下，例如在2200℃下進(jìn)行，采用的是工業(yè)上切實(shí)可行的烘爐，并且以相當(dāng)?shù)偷某杀局苽溆操|(zhì)合金。在這種兩步法中排除了液相燒結(jié)步驟，原因在于液相燒結(jié)由于粘合劑合金和碳化物的低共熔溫度一般很高而可能沒(méi)有實(shí)用性。如上所述，在這樣高的溫度下燒結(jié)需要在高溫下操作的烘爐，而這種烘爐可能在商業(yè)上是不切實(shí)際的。
兩步法的第一步是真空燒結(jié)，即將粘合劑基體和硬顆粒的混合材料在真空中燒結(jié)。最初與常規(guī)制備燒結(jié)碳化物的方法一樣，對(duì)混合物進(jìn)行例如濕磨、干燥和壓制處理。燒結(jié)的第一步是在低于粘合劑基體和硬顆粒材料的低共熔溫度下進(jìn)行的，目的是除去或消除相互連接的多孔結(jié)構(gòu)。第二步是在低于低共熔溫度的溫度下并在加壓條件下進(jìn)行固相燒結(jié)，以除去或消除第一步燒結(jié)后燒結(jié)混合物中留下的殘存多孔結(jié)構(gòu)和空隙?？梢詫⒏邷氐褥o壓(HIP)法用作第二步燒結(jié)方法。在燒結(jié)過(guò)程同時(shí)向材料加熱和加壓，以降低處理溫度，在不加壓時(shí)處理溫度會(huì)更高?？梢允褂弥T如惰性氣體的氣體介質(zhì)向材料施壓和傳遞壓力。壓力可以為1000巴或以上。在HIP法中加壓降低了所需要的處理溫度，并可以使用常規(guī)的烘爐或熔爐。用于獲得完全壓實(shí)材料的固相燒結(jié)和HIP的溫度一般明顯低于液相燒結(jié)的溫度。例如，使用純Re作為粘合劑的樣品P62可以通過(guò)如下方法被完全密實(shí)在2200℃下真空燒結(jié)1到2小時(shí)，然后在約2000℃、30,000PSI壓力下，在諸如Ar的惰性氣體中進(jìn)行HIP約1小時(shí)。值得注意的是，使用顆粒直徑小于0.5μm的超細(xì)硬顆?？梢越档屯耆軐?shí)硬質(zhì)合金(細(xì)顆粒的大小為幾個(gè)微米)的燒結(jié)溫度。例如，在制備樣品P62和P63時(shí)，使用這種超細(xì)WC可以降低燒結(jié)溫度，例如降低至約2000℃。這種兩步法比ROC法更經(jīng)濟(jì)，并且可以用于工業(yè)生產(chǎn)。
如下部分描述了示例性的基于各種至少包含錸或鎳基高溫合金的粘合劑基體的硬質(zhì)合金組合物及其性質(zhì)。
表2提供一些用于制備示例性硬質(zhì)合金的組成材料的編號(hào)(批號(hào))清單，其中H1表示錸，L1、L2和L3表示三種示例性的鎳基高溫合金商品。表3還分別列出了上述三種示例性鎳基高溫合金Udimet720(U720)、Rene’95(R-95)和Udimet 700(U700)的組成高溫合金。表4列出了示例性硬質(zhì)合金的組成，這些硬質(zhì)合金的粘合劑基體中既可以包含錸或鎳基高溫合金，也可以不含這些組分。例如，P17批的材料組合物主要包括作為粘合劑的88克T32(WC)、3克I32(TiC)、3克A31(TaC)、1.5克H1(Re)和4.5克L2(R-95)，以及2克作為潤(rùn)滑劑的蠟。批號(hào)P58表示不含Re而以鎳基高溫合金L2作為唯一的粘合劑材料的硬質(zhì)合金。制備出這些硬質(zhì)合金并進(jìn)行測(cè)試，以說(shuō)明錸或鎳基高溫合金的一種或兩者作為粘合劑材料對(duì)所得到的硬質(zhì)合金各種性質(zhì)的影響。表5-8還提供了上述定義的不同批號(hào)樣品組成和性質(zhì)的總結(jié)信息。
圖3～圖8顯示了本申請(qǐng)所選擇樣品的測(cè)量結(jié)果。圖3和4顯示了測(cè)量出的一些示例性硬質(zhì)合金的鋼切削級(jí)的剛度和硬度參數(shù)。圖5和6為一些示例性硬質(zhì)合金非鐵切削級(jí)的剛度和硬度參數(shù)。測(cè)量是在固相燒結(jié)HIP處理之前和之后進(jìn)行的，并且數(shù)據(jù)顯示HIP處理同時(shí)顯著改善了材料的剛度和硬度。圖7顯示了一些樣品的硬度作為隨溫度的函數(shù)的測(cè)量結(jié)果。作為比較，圖7和8還顯示了商品C2和C6碳化物在相同測(cè)試條件下的測(cè)量結(jié)果，其中圖7為硬度的測(cè)量結(jié)果，圖8為從室溫(RT)下硬度值變化情況的測(cè)量結(jié)果。顯然，基于此處所述組合物的硬質(zhì)合金樣品在高溫時(shí)的硬度方面勝過(guò)工業(yè)級(jí)的材料。這些結(jié)果證明以Re和(或)鎳基高溫合金為粘合劑材料的粘合劑基體與Co基粘合劑基體材料相比性能更優(yōu)越。
表2
表3
表4
下面描述的幾個(gè)示例性硬質(zhì)合金種類是為了說(shuō)明上述各種硬質(zhì)合金組合物的一般設(shè)計(jì)思路，這些硬質(zhì)合金組合物包含Re和鎳基高溫合金中的任一種，或者兩者都包含。示例性硬質(zhì)合金組合物種類是根據(jù)所得到的硬質(zhì)合金或金屬陶瓷的粘合劑基體組成而定的。第一類使用含純Re的粘合劑基體，第二類使用的是含Re-Co合金的粘合劑基體，第三類使用含Ni基高溫合金的粘合劑基體，第四類使用的是含如下合金的粘合劑基體，所述的合金含有與含Co或者不含Co的Re結(jié)合的含Ni基高溫合金。
一般而言，感興趣的用于硬質(zhì)合金的堅(jiān)硬且難熔顆?？梢园?，但不限于碳化物、氮化物、碳氮化物、硼化物和硅化物。碳化物的一些實(shí)例包括WC、TiC、TaC、HfC、NbC、Mo2C、Cr2C3、VC、ZrC、B4C和SiC。氮化物的實(shí)例包括TiN、ZrN、HfN、VN、NbN、TaN和BN。碳氮化物實(shí)例包括Ti(C，N)、Ta(C，N)、Nb(C，N)、Hf(C，N)、Zr(C，N)和V(C，N)。硼化物實(shí)例包括TiB2、ZrB2、HfB2、TaB2、VB2、MoB2、WB和W2B。此外，硅化物實(shí)例為TaSi2、WSi2、NbSi2和MoSi2。上面確定的四類硬質(zhì)合金或金屬陶瓷還可以使用這些和其他的堅(jiān)硬且難熔顆粒。
在第一類基于純Re合金粘合劑基體的硬質(zhì)合金中，Re可以約占硬質(zhì)合金或金屬陶瓷所用材料組合物總體積的5％～40％。例如，表4中編號(hào)P62的樣品含10體積％純Re，70體積％WC，15體積％TiC和5體積％的TaC。該組成約對(duì)應(yīng)于如下重量百分含量14.48％的Re，75.43％WC，5.09％TiC和5.0％的TaC。在制備過(guò)程中，將試樣P62-4在2100℃下真空燒結(jié)約1小時(shí)，在2158℃下真空燒結(jié)約1小時(shí)。該材料的密度為約14.51g/cc，而計(jì)算出的密度為14.50g/cc。于室溫，負(fù)載為10Kg下測(cè)量10次獲得的平均硬度Hv為2627±35Kg/mm2。通過(guò)在10Kg負(fù)載下Palmvist裂縫長(zhǎng)度估測(cè)出的表面斷裂韌度KSC約7.4×106Pa·m1/2。
該類型的另一個(gè)實(shí)例為表4中的P66。該樣品的體積百分比組成如下約20％的Re、60％的WC、15％的TiC和5％的TaC。該樣品以重量百分比表示為約27.92％的Re、62.35％的WC、4.91％的TiC和4.82％的TaC。試樣P66-4是用如下方法加工的首先在約2200℃下真空燒結(jié)處理1小時(shí)，然后用HIP法在固相燒結(jié)，以除去多孔結(jié)構(gòu)和空隙。所得到的硬質(zhì)合金的密度為約14.40g/cc，而計(jì)算出的密度為15.04g/cc。于室溫，負(fù)載10Kg下測(cè)量7次獲得的平均硬度Hv約2402±44Kg/mm2。表面斷裂韌度KSC約為8.1×106Pa·m1/2。樣品P66和此處所述的其他組合物含有重量百分比超過(guò)25％的高濃度Re，作為單獨(dú)的粘合劑材料，或者在粘合劑中含一種由兩種或多種不同的粘合劑材料，這些組合物可用于各種在高操作溫度下的應(yīng)用領(lǐng)域，并可以采用基于固相燒結(jié)的兩步法來(lái)制備。
Re粘合的多種類堅(jiān)硬且難熔顆粒，例如碳化物，氮化物，碳氮化物，硅化物和硼化物(bobides)，他們具有的微觀結(jié)構(gòu)和性質(zhì)可以給Re粘合WC材料提供如下優(yōu)點(diǎn)。例如，Re粘合的WC-TiC-TaC在鋼切割中比Re粘合的WC材料具有更好的耐成坑性。另一個(gè)實(shí)例是由在Re粘合劑中粘合的Mo2C和TiC的難熔顆粒而形成的材料。
至于第二類以Re-Co合金作為粘合劑基體的硬質(zhì)合金，Re-Co合金可以約占組合物中所用材料組合物總體積的5～40體積％。在某些執(zhí)行方案中，粘合劑中的Re-與-Co的比例可以在約0.01～0.99之間變化。與Co粘合的硬質(zhì)合金相比，包含Re的硬質(zhì)合金可以改善，特別是在高溫下，所得到的硬質(zhì)合金的機(jī)械性質(zhì)，例如硬度、強(qiáng)度和剛度。對(duì)于大多數(shù)使用這種粘合劑基體的材料而言，Re含量越高，高溫性質(zhì)越好。
表4中樣品P31是該類型的一個(gè)實(shí)例，其體積百分比為2.5％的Re、7.5％的Co和90％的WC，且重量百分比為3.44％的Re、4.40％的Co和92.12％的WC。在制備時(shí)，將試樣P31-1在1725℃下真空燒結(jié)約1小時(shí)。燒結(jié)時(shí)稍微產(chǎn)生一些多孔和空隙。所得到的硬質(zhì)合金的密度約為15.16g/cc(計(jì)算出的密度為15.27g/cc)。于室溫，10Kg負(fù)載下的平均硬度Hv約為1889±18Kg/mm2，表面斷裂韌度KSC約為7.7×106Pa·m1/2。此外，在燒結(jié)后，用熱等靜壓(HIP)法在約1600℃/15Ksi下處理試樣P31-1約1小時(shí)。HIP減少或基本消除化合物中的多孔結(jié)構(gòu)和空隙，增加了材料密度。HIP之后，測(cè)量的密度約為15.25g/cc(計(jì)算出的密度為15.27g/cc)。于室溫，10Kg下測(cè)量的硬度Hv約為1887±12Kg/mm2。表面斷裂韌度KSC約為7.6×106Pa·m1/2。
該類型的另一個(gè)實(shí)例是表4中的P32，其體積百分比為5.0％的Re、5.0％的Co和90％的WC(重量百分比為6.75％的Re、2.88％的Co和90.38％的WC)。將試樣P32-4在1800℃下真空燒結(jié)約1小時(shí)。測(cè)量的密度約為15.58g/cc，而計(jì)算出的密度為15.57g/cc。于室溫，10Kg下測(cè)量的硬度Hv約為2065Kg/mm2。表面斷裂韌度KSC約為5.9×106Pa·m1/2。同樣在燒結(jié)后將試樣P32-4在1600℃/15Ksi下HIP處理約1小時(shí)。測(cè)量密度約為15.57g/cc(計(jì)算出的密度為15.57g/cc)。于室溫，10Kg下測(cè)量的平均硬度Hv約為2010±12Kg/mm2。表面斷裂韌度KSC約為5.8×106pa·m1/2。
第三個(gè)實(shí)例是表4中的P33，該樣品的體積百分比組成為7.5％的Re、2.5％的Co和90％的WC，重量百分比為9.93％的Re、1.41％的Co和88.66％的WC。在制備時(shí)將試樣P33-7在1950℃下真空燒結(jié)約1小時(shí)，燒結(jié)后(樣品)具有一些多孔結(jié)構(gòu)和空隙。測(cè)量密度約15.38g/cc(計(jì)算出的密度為15.87g/cc)。于室溫，10Kg壓力下測(cè)量的硬度Hv約為2081Kg/mm2。表面斷裂韌度KSC約為5.6×106Pa·m1/2。燒結(jié)后將試樣P33-7在1600℃/15Ksi下HIP處理約1小時(shí)。測(cè)量的密度約為15.82g/cc(計(jì)算出的密度為15.87g/cc)。于室溫，10Kg下測(cè)量的平均硬度Hv約為2039±18Kg/mm2。表面斷裂韌度KSC約為6.5×106Pa·m1/2。
表5 Re-Co合金粘合的硬質(zhì)合金
表4中的樣品P55、P56、P56A和P57也是以Re-Co合金作為粘合劑基體類型硬質(zhì)合金的實(shí)例。除P57不含VC外，這些樣品含有約1.8％的Re、7.2％的Co、0.6％的VC，且其余為WC。制備這些不同的組合物是為了研究硬質(zhì)合金顆粒大小對(duì)Hv和Ksc的影響。表5列出了試驗(yàn)結(jié)果。
表6 Ni基高溫合金、Ni、Re和Co的性質(zhì)
第三類基于含Ni基高溫合金的粘合劑基體，其中Ni基高溫合金占所得到的硬質(zhì)合金總體積的5～40％。Ni基高溫合金是γ’強(qiáng)化的高溫合金族。使用三種不同強(qiáng)度合金Rene’95、Udimet 720和Udimet 700作為實(shí)例來(lái)證明粘合劑強(qiáng)度對(duì)硬質(zhì)合金機(jī)械性能的影響。Ni基高溫合金具有高強(qiáng)度，特別是在升高的溫度下。這些合金還具有良好的環(huán)境抵抗力，例如在高溫下耐腐蝕性和抗氧化性。因此，與鈷粘合的硬質(zhì)合金相比，可以使用Ni基高溫合金來(lái)增加Ni基高溫合金粘合的硬質(zhì)合金的硬度。值得注意的是，Ni基高溫合金的抗張強(qiáng)度比表6所示的普通粘合劑材料鈷要強(qiáng)很多。這進(jìn)一步表明Ni基高溫合金是良好的硬質(zhì)合金的粘合劑材料。
這種類型的一個(gè)實(shí)例是表4中的P58，該樣品含7.5重量％的Rene’95、0.6重量％的VC和91.9重量％的WC，與之比較的是表4中鈷粘合的P54(8％的Co、0.6％的VC和91.4％的WC)。如表7所示，P58的硬度明顯高于P54的硬度。
表7 P54和P58的比較
第四類是以Ni基高溫合金加Re作為粘合劑，例如兩者的體積約占所得到的硬質(zhì)合金或金屬陶瓷材料總體積的5％～40％。因?yàn)镽e的加入增加了Ni基高溫合金加Re的粘合劑合金的熔點(diǎn)，含Ni基高溫合金加Re粘合劑的硬質(zhì)合金的處理溫度隨著Re含量增加而升高。表8中列出了幾種不同Re濃度的硬質(zhì)合金。表9還顯示了表8中的硬質(zhì)合金測(cè)定的性能。
表8 含Ni基高溫合金加Re粘合劑的硬質(zhì)合金
表9 Ni基高溫合金和Re粘合的硬質(zhì)合金性質(zhì)
第四類的另一個(gè)實(shí)例使用的是Ni基高溫合金加Re和Co作為粘合劑，也約占5～40體積％的硬質(zhì)合金組合物。表10中列出了由Ni基高溫合金加Re和Co粘合的硬質(zhì)合金的示例性組合物。
表10 Ni基高溫合金加Re和Co粘合的硬質(zhì)合金組合物
對(duì)所選樣品進(jìn)行測(cè)量來(lái)研究含Ni基高溫合金的粘合劑基體的性能。一般而言，Ni基高溫合金不僅在高溫下表現(xiàn)出優(yōu)異的強(qiáng)度，還在高溫下具有突出的抗氧化性和耐腐蝕性。Ni基高溫合金具有復(fù)雜的微觀結(jié)構(gòu)和強(qiáng)化機(jī)理。一般而言，Ni基高溫合金的強(qiáng)化主要?dú)w因于γ-γ’的沉淀強(qiáng)化和固溶體強(qiáng)化。對(duì)所選樣品的測(cè)量結(jié)果證明可以使用Ni基高溫合金作為高性能的硬質(zhì)合金粘合劑材料。
表11列出了所選樣品以它們的硬質(zhì)合金總重量的重量百分比表示的組成。樣品中的WC顆粒大小為0.2μm。表12列出了進(jìn)行兩步法和測(cè)量樣品的密度、硬度參數(shù)以及剛度參數(shù)的條件。帕姆奎斯特(Palmqvist)斷裂韌度Ksc是從Vicker Indentor產(chǎn)生的帕姆奎斯特裂縫總長(zhǎng)度計(jì)算得到的Ksc＝0.087*(Hv*W)1/2。參見(jiàn)，例如Warren和H.Matzke，Proceedings Of theInternational Conference On the Science of Hard Materials，Jackson，Wyoming，1981年8月23-28日。硬度Hv和裂縫長(zhǎng)度是10Kg的負(fù)載下測(cè)量15秒得到的。在每個(gè)測(cè)量過(guò)程中，對(duì)每個(gè)試樣重復(fù)測(cè)量8次，使用平均值來(lái)計(jì)算所列的數(shù)據(jù)。
表11
表12
所測(cè)試的樣品中，樣品P54使用常規(guī)的田Co組成的粘合劑。樣品P58中使用Ni高溫合金R-95取代樣品P54中的Co作為粘合劑。其結(jié)果是Hv從P54的2090增加到P58的2246。在樣品P56中，使用Re和Co的混合物代替Co作為粘合劑，相應(yīng)的Hv從P54的2090增加到P56的2133。樣品P72、P73、P74具有相同的Re含量，但是Co和R95數(shù)量不同。樣品P73和P74中使用Re、Co和R95混合物取代樣品P72中的Re和Co混合物作為粘合劑。硬度Hv從2041(P72)增加到2217(P73)和2223(P74)。
表13
還對(duì)所選樣品進(jìn)行測(cè)量以進(jìn)一步研究在粘合劑基體中含有Re的粘合劑基體的性能。表13列出了測(cè)試樣品。使用的兩種不同顆粒大小，2μm和0.2μm的WC顆粒。表14列出了進(jìn)行兩步法和測(cè)量所選樣品的密度、硬度參數(shù)以及剛度參數(shù)的條件。
表14
表15還顯示了在不同溫度下測(cè)量的所選樣品的硬度參數(shù)，其中努氏硬度(Knoop hardness)Hk是在Nikon QM熱硬度檢測(cè)器上15秒的1Kg的負(fù)載下進(jìn)行測(cè)量的，R是升高測(cè)試溫度下的Hk與25℃下的Hk的比值。C2和C6碳化物的熱硬度試樣是用從MSC Co.(Melville，NY)購(gòu)買的鑲嵌物SNU434制備的。
表15(給定溫度下，每個(gè)測(cè)量值都是3次不同測(cè)量的平均值)
在硬質(zhì)合金的粘合劑基體中包含的Re增加了粘合劑合金的熔點(diǎn)，這種粘合劑合金包括Co-Re、Ni高溫合金-Re、Ni高溫合金-Re-Co。例如，樣品P63的熔點(diǎn)遠(yuǎn)高于用于進(jìn)行固相燒結(jié)處理的溫度2200℃。這種粘合劑中含Re的硬質(zhì)合金的熱硬度值(例如P17～P63)遠(yuǎn)高于常規(guī)的Co粘合的硬質(zhì)合金(C2和C6碳化物)。特別是上述測(cè)量結(jié)果表明增加粘合劑中Re的濃度提高了高溫下的硬度。在這些測(cè)試樣品中，以純Re作為粘合劑的樣品P62A硬度最高。粘合劑組成為94％Re和6％Ni基高溫合金R95的樣品P63硬度次之。樣品P40A(71.9％Re-29.1％R95)、P49(69.9％Re-30.1％R95)、P51(88.5％Re-11.5％R95)和P50(71.9％Re-28.1％R95)的硬度屬于下一級(jí)。這些測(cè)試樣品中，粘合劑中含62.5％的Re和37.5％的R95的樣品P48在高溫下的硬度最低，部分原因在于其Re含量是最低的。
另一類硬質(zhì)合金中，硬質(zhì)合金或金屬陶瓷可以包括在含Ni和Mo或Mo2C的粘合劑基體中粘合的TiC和TiN?？梢杂萌缦陆M分完全或部分取代金屬陶瓷中的粘合劑NiRe、Re加Co、Ni基高溫合金、Re加Ni基高溫合金、以及Re加Co和Ni基高溫合金。例如，P38和P39是典型的Ni粘合的金屬陶瓷。樣品P34是Rene95粘合的金屬陶瓷。P35、P36、P37和P45是Re加Rene95粘合的金屬陶瓷。表16列出了P34、35、36、37、38、39、和45組合物。
表16 P34～P39組合物
上述硬質(zhì)合金或金屬陶瓷組合物可用于各種應(yīng)用領(lǐng)域。例如，可以使用這種材料來(lái)制備工具的磨損部分，通過(guò)使用磨損部分切割、研磨或在目標(biāo)物上鉆孔，以除去目標(biāo)物材料。這種工具可以包括由不同材料例如鋼制成的載體部分。然后將磨損部分作為鑲嵌物接合在載體部分上。可以把工具設(shè)計(jì)成包括結(jié)合在載體部分上的多個(gè)鑲嵌物。例如，一些采礦鉆孔機(jī)可以包括由硬質(zhì)合金材料制成的多個(gè)扣位。這種工具的實(shí)例包括鉆孔機(jī)，切割器，例如刀、鋸、研磨機(jī)、鉆孔機(jī)。備選地，可以使用此處描述的硬質(zhì)合金來(lái)制備整個(gè)工具頭，作為用于切割、鉆孔或其他機(jī)械操作的磨損部分。還可以使用硬質(zhì)合金顆粒制備用于拋光或研磨各種材料的磨料。此外，還可以使用這種硬質(zhì)合金來(lái)建造各種設(shè)備的外殼和外表面或者外層，以滿足設(shè)備操作或操作環(huán)境條件的特殊要求。
更具體而言，可以使用此處描述的硬質(zhì)合金來(lái)制備加工金屬、復(fù)合材料、塑料和木材的切割工具。該切割工具可以包括用于車削、銑削、鉆孔和鉆井的可標(biāo)記鑲嵌物，鉆孔機(jī)，端銑刀，擴(kuò)孔鉆，螺絲模，滾刀和銑刀。由于這種工具的切割刃在加工時(shí)溫度可能高于500℃，當(dāng)在這種切割工具中使用硬質(zhì)合金組合物時(shí)，在上述高溫操作條件下可以具有特殊的優(yōu)勢(shì)，例如延長(zhǎng)工具使用壽命并通過(guò)增加切割速度來(lái)提高這種工具的生產(chǎn)率。
可以使用此處描述的硬質(zhì)合金來(lái)制備用于拔絲、擠壓、鍛造和冷鍛的工具。還可以作為用于粉末加工的模具和沖壓機(jī)。此外，可以使用這種硬質(zhì)合金作為用于巖石鉆孔和開(kāi)采的耐磨材料。
本申請(qǐng)只公開(kāi)了少數(shù)執(zhí)行方案和實(shí)施例。但是，應(yīng)當(dāng)理解可以在不離開(kāi)本發(fā)明精神的情況下進(jìn)行變更和改善，這些都包括在后附權(quán)利要求中。
權(quán)利要求
1.一種材料，其包括含第一種材料的硬顆粒；和含第二種不同材料的粘合劑基體，所述第二種材料的體積占材料總體積的約3％～約40％，所述粘合劑基體包含超過(guò)材料總重量的25％的錸，其中所述硬顆粒以基本均勻分布的方式立體地分散在粘合劑基體中。
2.根據(jù)權(quán)利要求1的材料，其中所述的第一種材料包括含鎢的碳化物。
3.根據(jù)權(quán)利要求2的材料，其中所述碳化物包括碳化一鎢(WC)。
4.根據(jù)權(quán)利要求2的材料，其中所述第一種材料還包括另一種含不同于鎢的金屬元素的碳化物。
5.根據(jù)權(quán)利要求4的材料，其中所述的金屬元素是鈦(Ti)。
6.根據(jù)權(quán)利要求4的材料，其中所述的金屬元素是鉭(Ta)。
7.根據(jù)權(quán)利要求4的材料，其中所述的金屬元素是鈮(Nb)。
8.根據(jù)權(quán)利要求4的材料，其中所述的金屬元素是釩(V)。
9.根據(jù)權(quán)利要求4的材料，其中所述的金屬元素是鉻(Cr)。
10.根據(jù)權(quán)利要求4的材料，其中所述的金屬元素是鉿(Hf)。
11.根據(jù)權(quán)利要求4的材料，其中所述的金屬元素是鉬(Mo)。
12.根據(jù)權(quán)利要求2的材料，其中所述的第一種材料還包括氮化物。
13.根據(jù)權(quán)利要求12的材料，其中所述的氮化物包括TiN或HfN。
14.根據(jù)權(quán)利要求1的材料，其中所述的第一種材料還包括氮化物。
15.根據(jù)權(quán)利要求14的材料，其中所述的氮化物包括TiN或HfN。
16.根據(jù)權(quán)利要求1的材料，其中所述的粘合劑基體還包括鈷(Co)。
17.根據(jù)權(quán)利要求1的材料，其中所述的粘合劑基體還包括鎳(Ni)。
18.根據(jù)權(quán)利要求1的材料，其中所述的粘合劑基體還包括鉬(Mo)。
19.根據(jù)權(quán)利要求1的材料，其中所述的粘合劑基體還包括鐵(Fe)。
20.根據(jù)權(quán)利要求1的材料，其中所述的粘合劑基體還包括鉻(Cr)。
21.根據(jù)權(quán)利要求1的材料，其中所述的粘合劑基體還包括Ni基高溫合金。
22.根據(jù)權(quán)利要求21的材料，其中所述的粘合劑基體還包活鈷。
23.一種材料，該材料包含含第一種材料的硬顆粒，所述的第一種材料含有選自下組中至少一種的混合物(1)WC、TiC和TaC的混合物，(2)WC、TiC和NbC的混合物，(3)WC、TiC，和TaC與NbC中至少一種的混合物，和(4)WC、TiC，和HfC與NbC中至少一種的混合物；和含第二種不同材料的粘合劑基體，所述的粘合劑基體的體積占材料總體積的約3％～約40％，所述的粘合劑基體包含錸，其中所述硬顆粒以基本均勻分布的方式立體地分散在粘合劑基體中。
24.根據(jù)權(quán)利要求23的材料，其中所述的粘合劑基體還包括Ni基高溫合金。
25.一種材料，該材料包含含第一種材料的硬顆粒，所述第一種材料含有Mo2C和TiC的混合物；和含第二種不同材料的粘合劑基體，所述粘合劑基體的體積占材料總體積的約3％～約40％，所述粘合劑基體包含錸，其中所述硬顆粒以基本均勻分布的方式立體地分散在粘合劑基體中。
26.根據(jù)權(quán)利要求25的材料，其中所述的第一種材料還包括TiN。
27.根據(jù)權(quán)利要求25的材料，其中所述粘合劑基體還包括Ni基高溫合金。
28.一種方法，該方法包括將硬顆粒粉和含錸的粘合劑基體材料混合在一起形成分級(jí)粉末；處理所述的分級(jí)粉末，使用粘合劑基體材料來(lái)粘合所述的硬顆粒，制備出固體硬質(zhì)合金材料，其中所述的處理包括(1)在真空條件下固相燒結(jié)所述分級(jí)粉末，和(2)在惰性氣體介質(zhì)中加壓固相燒結(jié)所述分級(jí)粉末。
29.根據(jù)權(quán)利要求28的方法，其中所述的粘合劑基體材料還包括Ni基高溫合金。
30.根據(jù)權(quán)利要求29的方法，其中所述的粘合劑基體材料還包括鈷。
31.根據(jù)權(quán)利要求28的方法，其中所述的粘合劑基體材料還包括鈷。
32.根據(jù)權(quán)利要求28的方法，其中每步燒結(jié)都是在低于所述的硬顆粒和粘合劑基體材料的低共熔溫度下進(jìn)行的。
33.一種材料，該材料包含含第一種材料的硬顆粒；和含第二種不同材料的粘合劑基體，所述的粘合劑基體包括Ni基高溫合金，其中所述的硬顆粒以基本均勻分布的方式立體地分散在粘合劑基體中。
34.根據(jù)權(quán)利要求33的材料，其中所述的第一種材料包括含鎢的碳化物。
35.根據(jù)權(quán)利要求34的材料，其中所述的碳化物包括碳化一鎢(WC)。
36.根據(jù)權(quán)利要求34的材料，其中所述的第一種材料還包括另一種含不同于鎢的金屬元素的碳化物。
37.根據(jù)權(quán)利要求36的材料，其中所述的金屬元素是鈦(Ti)。
38.根據(jù)權(quán)利要求36的材料，其中所述的金屬元素是鉭(Ta)。
39.根據(jù)權(quán)利要求36的材料，其中所述的金屬元素是鈮(Nb)。
40.根據(jù)權(quán)利要求36的材料，其中所述的金屬元素是釩(V)。
41.根據(jù)權(quán)利要求36的材料，其中所述的金屬元素是鉻(Cr)。
42.根據(jù)權(quán)利要求36的材料，其中所述的金屬元素是鉿(Hf)。
43.根據(jù)權(quán)利要求36的材料，其中所述的金屬元素是鉬(Mo))。
44.根據(jù)權(quán)利要求34的材料，其中所述的第一種材料還包括氮化物。
45.根據(jù)權(quán)利要求44的材料，其中所述的氮化物包括TiN。
46.根據(jù)權(quán)利要求44的材料，其中所述的氮化物包括HfN。
47.根據(jù)權(quán)利要求33的材料，其中所述的第一種材料還包括氮化物。
48.根據(jù)權(quán)利要求47的材料，其中氮化物包括TjN和HfN中的至少一種。
49.根據(jù)權(quán)利要求33的材料，其中所述的鎳基高溫合金主要包含鎳，并且還包含其他元素。
50.根據(jù)權(quán)利要求49的材料，其中所述的其他元素包括Co、Cr、Al、Ti、Mo、Nb、W和Zr。
51.根據(jù)權(quán)利要求33的材料，其中所述的粘合劑基體還包括第二種不同的鎳基高溫合金。
52.根據(jù)權(quán)利要求51的材料，其中所述的粘合劑基體還包括錸。
53.根據(jù)權(quán)利要求52的材料，其中所述的粘合劑基體還包括鈷。
54.根據(jù)權(quán)利要求33的材料，其中所述的粘合劑基體還包括錸。
55.根據(jù)權(quán)利要求54的材料，其中所述的粘合劑基體還包括鈷。
56.根據(jù)權(quán)利要求33的材料，其中所述的粘合劑基體還包括鈷。
57.根據(jù)權(quán)利要求33的材料，其中所述的粘合劑基體還包括鎳。
58.根據(jù)權(quán)利要求33的材料，其中所述的粘合劑基體還包括鐵。
59.根據(jù)權(quán)利要求33的材料，其中所述的粘合劑基體還包括鉬。
60.根據(jù)權(quán)利要求33的材料，其中所述的粘合劑基體還包括鉻。
61.根據(jù)權(quán)利要求33的材料，其中所述的粘合劑基體還包括不是鎳基合金的另一種合金。
62.一種材料，該材料包含含第一種材料的硬顆粒，所述的第一種材料包含TiC和TiN；和含第二種不同材料的粘合劑基體，所述的第二種材料包括Ni、Mo和Mo2C中的至少一種，其中所述的硬顆粒以基本均勻分布的方式立體地分散在所述粘合劑基體中。
63.根據(jù)權(quán)利要求62的材料，其中所述的粘合劑基體還包括Re。
64.根據(jù)權(quán)利要求63的材料，其中所述的粘合劑基體還包括Co。
65.根據(jù)權(quán)利要求64的材料，其中所述的粘合劑基體還包括鎳基高溫合金。
66.根據(jù)權(quán)利要求63的材料，其中所述的粘合劑基體還包括鎳基高溫合金。
67.根據(jù)權(quán)利要求62的材料，其中所述的粘合劑基體還包括鎳基高溫合金。
68.一種方法，該方法包括通過(guò)將硬顆粒粉和含鎳基高溫合金的粘合劑基體材料混合在一起形成分級(jí)粉末；通過(guò)使用粘合劑基體粘合硬顆粒，來(lái)處理所述的分級(jí)粉末，以制備出固體硬質(zhì)合金材料。
69.根據(jù)權(quán)利要求68的方法，其中所述的處理包括依次進(jìn)行的壓制操作、第一次燒結(jié)操作、成型操作和第二次燒結(jié)操作。
70.根據(jù)權(quán)利要求68的方法，該方法還包括在混合前，制備還包含錸的粘合劑基體材料。
71.根據(jù)權(quán)利要求68的方法，該方法還包括在混合前，制備還包含鈷的粘合劑基體材料。
72.根據(jù)權(quán)利要求68的方法，其中所述的處理包括在熱等靜壓法中的固相燒結(jié)處理。
73.根據(jù)權(quán)利要求68的方法，其中處理包括(1)在真空條件下固相燒結(jié)所述的分級(jí)粉末，和(2)在惰性氣體介質(zhì)中加壓固相燒結(jié)所述的分級(jí)粉末。
74.根據(jù)權(quán)利要求68的方法，該方法還包括在混合前，制備顆粒大小不足0.5μm的硬顆粒，來(lái)降低燒結(jié)操作的溫度。
75.一種設(shè)備，該設(shè)備包括從目標(biāo)物上清除材料的磨損部分，所述的磨損部分含這樣一種材料，所述的材料包括含第一種材料的硬顆粒；和含第二種不同材料的粘合劑基體，所述的第二種材料包括錸和Ni基高溫合金，其中所述硬顆粒以基本均勻分布的方式立體地分散在粘合劑基體中。
76.根據(jù)權(quán)利要求75的設(shè)備，其中所述的粘合劑基體還包括鈷。
77.一種設(shè)備，該設(shè)備包括含這樣一種材料的磨損部分，所述的材料包括含第一種材料的硬顆粒；和含第二種不同材料的粘合劑基體，所述的第二種材料包括Ni基高溫合金，其中所述的硬顆粒以基本均勻分布的方式立體地分散在所述粘合劑基體中。
78.一種材料，該材料包含含第一種材料的硬顆粒，所述的第一種材料選自下組中至少一種的固溶體(1)WC、TiC和TaC的固溶體，(2)WC、TiC和NbC的固溶體，(3)WC、TiC，和TaC與NbC中至少一種的的固溶體，和(4)WC、TiC，和HfC與NbC中至少一種的固溶體；和含第二種不同材料的粘合劑基體，所述的粘合劑基體的體積占材料總體積的約3％～約40％，所述的粘合劑基體包含錸，其中所述的硬顆粒以基本均勻分布的方式立體地分散在所述粘合劑基體中。
79.根據(jù)權(quán)利要求78的材料，其中所述的硬顆粒包括WC、TiC和TaC的固溶體，所述的粘合劑基體是由純Re形成的。
80.根據(jù)權(quán)利要求79的材料，其中所述的固溶體約為材料總重量的72％，Re約占材料總重量的28％。
81.根據(jù)權(quán)利要求79的材料，其中固溶體約為材料總重量的85％，Re約占材料總重量的15％。
82.根據(jù)權(quán)利要求79的材料，其中TiC和TaC的數(shù)量近似相等，其總量小于WC的數(shù)量。
83.根據(jù)權(quán)利要求78的材料，其中所述的硬顆粒包括WC、TiC和TaC的固溶體，所述的粘合劑基體包括Re和Ni高溫合金。
84.根據(jù)權(quán)利要求83的材料，其中TiC和TaC每一種都占材料總重量的約3％至小于約6％，WC占材料總重量的78％～89％。
85.根據(jù)權(quán)利要求83的材料，其中粘合劑基體還包括Co。
86.根據(jù)權(quán)利要求83的材料，其中所述的Ni基高溫合金主要包含Ni和包括Co、Cr、Al、Ti、Mo、Nb、W、Zr、B、C和V的其他元素。
87.根據(jù)權(quán)利要求78的材料，其中所述的粘合劑基體包括Re和含Re的Ni基高溫合金。
88.根據(jù)權(quán)利要求21的材料，其中所述的Ni基高溫合金包括Re。
89.根據(jù)權(quán)利要求24的材料，其中所述的Ni基高溫合金包括Re。
90.根據(jù)權(quán)利要求21的材料，其中所述的Ni基高溫合金包括Re。
91.根據(jù)權(quán)利要求33的材料，其中所述的Ni基高溫合金包括Re。
92.根據(jù)權(quán)利要求33的材料，其中所述Ni基高溫合金處于γ-γ’相。
93.根據(jù)權(quán)利要求50的材料，其中所述的其他元素還包括Re。
全文摘要
硬質(zhì)合金組合物，每種組合物包括含第一種材料的硬顆粒，以及含第二種不同材料的粘合劑基體，該第二種材料包含錸或Ni基高溫合金?？梢允褂脙刹綗Y(jié)方法，在相對(duì)較低的燒結(jié)溫度下在固相制備這種硬質(zhì)合金，以制備出基本上完全密實(shí)的硬質(zhì)合金。
文檔編號(hào)C22C29/02GK1592795SQ03801022
公開(kāi)日2005年3月9日 申請(qǐng)日期2003年7月8日 優(yōu)先權(quán)日2003年1月13日
發(fā)明者劉效融 申請(qǐng)人:杰出金屬實(shí)業(yè)公司