專利名稱：燒結(jié)碳化物-金屬合金復(fù)合物的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及包括燒結(jié)硬顆粒(cemented hard particles)的改進(jìn)型制品和制備此 種制品的方法。
背景技術(shù)：
在科技上和商業(yè)上由燒結(jié)硬顆粒構(gòu)成的材料是重要的。燒結(jié)硬顆粒包括嵌入連續(xù) 金屬粘結(jié)相中的硬金屬顆粒(即包含金屬的)和/或陶瓷顆粒的不連續(xù)分散相。許多此種 材料具有特有的結(jié)合了耐磨損和磨耗、強(qiáng)度、和斷裂韌度的性質(zhì)。用于此處的術(shù)語具有以下意思?！皬?qiáng)度”是材料斷裂或故障時的應(yīng)力?！皵嗔秧g 度”是材料在斷裂前吸收能量和塑性變形的能力?！绊g性”與從起點到斷裂點的在應(yīng)力-應(yīng) 變曲線下的面積成比例。見 McGraw Hill 的 Dictionary of Scientific and Technical Terms (5th ed. 1994)?！澳湍バ浴笔遣牧系挚蛊浔砻嫫茐牡哪芰??！澳p”通常包括由于在 材料和接觸面或物質(zhì)之間的相對運動所引起的材料的累進(jìn)損失。見Metals Handbook Desk Edition (2d ed. 1998)。分散硬顆粒相通常包括例如一種或多種碳化物、氮化物、硼化物、硅化物、氧化 物的顆粒，和任何這些類型的化合物的固溶體的顆粒。通常用于燒結(jié)硬顆粒材料的硬顆 粒是例如碳化鎢的金屬碳化物，并且由此這些材料通常一般是指“燒結(jié)碳化物(cemented carbide)”。連續(xù)粘結(jié)相，其粘結(jié)或“燒結(jié)(cements) ”硬顆粒在一起，通常包括，例如，鈷、鈷 合金、鎳、鎳合金、鐵和鐵合金中的至少之一。另外，例如鉻、鉬、釕、硼、鎢、鉭、鈦、和鈮的合 金元素可包含在粘結(jié)相中用于提高特殊性能。不同的商業(yè)可獲得的燒結(jié)碳化物等級根據(jù)例 如組成、粒度、或不連續(xù)相和/或連續(xù)相的體積分?jǐn)?shù)的至少一種性質(zhì)來區(qū)分。對于一些應(yīng)用來說，由燒結(jié)硬顆粒形成的部件可能需要連接到由例如鋼、非 鐵金屬合金、和塑料的不同材料形成的部件。用于連接此種部件的技術(shù)包括例如銅焊 (brazing)、焊接(welding)、和錫焊(soldering)的冶金技術(shù)，和例如壓力或收縮配合 (shrink fitting)、施用環(huán)氧樹脂(印oxy)和其它粘合劑、和配合例如螺紋偶聯(lián)和鍵槽設(shè)置 的機(jī)械特征的機(jī)械技術(shù)。當(dāng)使用常規(guī)冶金或機(jī)械技術(shù)將燒結(jié)硬顆粒部件連接到由鋼或非鐵合金形成的部 件時，問題出現(xiàn)了。在燒結(jié)碳化物材料和多數(shù)鋼(同時還有多數(shù)非鐵合金)之間的熱膨脹系 數(shù)(CTE)的差異是顯著的。例如，鋼的CTE范圍從大約IOx lO-Win/。K到15x 10-W in/° K，其大約是燒結(jié)碳化物的5X10_6in/in/° K到7x lO-Win/。K的CTE范圍的兩倍。 某些非鐵合金的CTE超過了鋼，導(dǎo)致更加顯著的CTE的不匹配。如果使用例如銅焊或焊接 的冶金結(jié)合技術(shù)將燒結(jié)碳化物部件連接到鋼部件上，例如，在冷卻過程中由于部件收縮率 的不同在部件之間的界面會產(chǎn)生巨大的應(yīng)力。這些應(yīng)力通常導(dǎo)致在部件的界面和靠近部件 的界面的地方產(chǎn)生裂縫。這些缺陷削弱了在燒結(jié)硬顆粒區(qū)域和金屬或金屬區(qū)域之間、以及 部件本身的連接區(qū)域之間的連接?！銇碚f，因為相對于鋼或其它金屬或金屬合金來說燒結(jié)碳化物的斷裂韌度是低的，使用螺紋、鍵槽或其它機(jī)械特征將燒結(jié)硬顆粒部件機(jī)械連接至鋼或其它金屬部件上是 不現(xiàn)實的。此外，燒結(jié)碳化物，例如，是高度缺口敏感的(notch-sensitive)并且易于在尖 銳轉(zhuǎn)角處過早形成裂縫。當(dāng)在部件上設(shè)計例如螺紋和鍵槽的機(jī)械特征時，部件中的轉(zhuǎn)角難 于避免。因此，燒結(jié)硬顆粒部件可在摻入機(jī)械特性的區(qū)域內(nèi)過早斷裂。在Carlsson等人的美國專利No. 5，359，772中描述的技術(shù)試圖克服在形成具有連 接到金屬區(qū)域的燒結(jié)碳化物區(qū)域的復(fù)合制品的過程中遇到的困難。Carlsson教導(dǎo)了一種將 鐵旋壓鑄造(spin-casting)到預(yù)成型的燒結(jié)碳化物環(huán)上的技術(shù)。Carlsson宣稱此種技術(shù) 在鐵和燒結(jié)碳化物之間形成了一種“冶金結(jié)合”。Carlsson的鑄鐵中的組成必須小心控制， 由此一部分奧氏體形成貝氏體，以便緩解在從鑄造溫度冷卻的過程中在燒結(jié)碳化物和鑄鐵 之間由于差異收縮引起的應(yīng)力。然而，在復(fù)合物形成后的熱處理步驟中此種轉(zhuǎn)變會發(fā)生，以 緩解已經(jīng)存在的應(yīng)力。因此，在Carlsson的方法中形成的在鑄鐵和燒結(jié)碳化物之間的連接 還可能已經(jīng)遭受應(yīng)力破壞。此外，Carlsson描述的連接技術(shù)具有有限的效用，并且僅在使 用旋壓鑄造和鑄鐵時有潛在的效用，對于其它金屬或金屬合金將無效。與將燒結(jié)硬顆粒部件連接到不相似材料部件、特別是金屬部件上的相關(guān)困難對于 設(shè)計工程師來說已經(jīng)形成巨大挑戰(zhàn)，并已限制了燒結(jié)硬顆粒的應(yīng)用。由此，需要改進(jìn)的燒結(jié) 硬顆粒_金屬和相關(guān)材料、方法和設(shè)計。發(fā)明概述根據(jù)本發(fā)明的一個非限制實施方式是關(guān)于復(fù)合燒結(jié)粉末金屬制品，該制品包括含 燒結(jié)硬顆粒的第一區(qū)域和含金屬和金屬合金至少一種的第二區(qū)域。金屬或金屬合金選自 鋼、鎳、鎳合金、鈦、鈦合金、鉬、鉬合金、鈷、鈷合金、鎢、和鎢合金。第一區(qū)域冶金結(jié)合到第二 區(qū)域上，并且第二區(qū)域的厚度超過100微米。根據(jù)本發(fā)明的另外一個非限制實施方式是關(guān)于制備復(fù)合燒結(jié)粉末金屬制品的方 法。該方法包括在模具(mold)的第一區(qū)域中提供第一粉末，并在模具的第二區(qū)域中提供第 二粉末，其中第二粉末接觸第一粉末。第一粉末包括硬顆粒和粉末狀結(jié)合劑。第二粉末包 括選自鋼粉末、鎳粉末、鎳合金粉末、鉬粉末、鉬合金粉末、鈦粉末、鈦合金粉末、鈷粉末、鈷 合金粉末、鎢粉末、和鎢合金粉末的金屬粉末和金屬合金粉末中的至少一種。該方法還包括 在模具中固結(jié)第一粉末和第二粉末以便提供生坯(green compact)。燒結(jié)生坯以便提供包 括冶金結(jié)合到第二區(qū)域的第一區(qū)域的復(fù)合燒結(jié)粉末金屬制品。第一區(qū)域包括燒結(jié)第一粉末 形成的燒結(jié)硬顆粒材料。第二區(qū)域包括燒結(jié)第二粉末形成的金屬或金屬合金。


本文所述主題的特點和益處可通過此處的附圖可以更好的理解，其中圖IA示出了根據(jù)本發(fā)明的復(fù)合燒結(jié)粉末金屬制品的非限制實施方式，其包括冶 金結(jié)合到鎳區(qū)域的燒結(jié)碳化物區(qū)域，其中左邊示出的制品包括加工進(jìn)入鎳區(qū)域的螺紋。圖IB是根據(jù)本發(fā)明的燒結(jié)碳化物_鎳復(fù)合制品的一個非限制實施方式的冶金結(jié) 合區(qū)域的橫切面顯微照片。圖2示出了根據(jù)本發(fā)明的三層復(fù)合燒結(jié)粉末金屬制品的一個非限制實施方式，其 中該復(fù)合物包括燒結(jié)碳化物區(qū)域、鎳區(qū)域、和鋼區(qū)域。圖3是根據(jù)本發(fā)明的復(fù)合燒結(jié)粉末金屬制品的區(qū)域的橫切面顯微照片，其中該復(fù)合物包括燒結(jié)碳化物區(qū)域和鎢合金區(qū)域，并且其中該圖表明了復(fù)合物的冶金結(jié)合區(qū)域。在 鎢合金部分可看到的顆粒是純鎢顆粒。在燒結(jié)碳化物區(qū)域可看到的顆粒是燒結(jié)碳化物顆 粒。發(fā)明詳述在本發(fā)明的非限制實施方式和權(quán)利要求中，除非在操作實施例中或有相反說明， 表示成分和產(chǎn)品的量或特征、工藝條件等的所有數(shù)字應(yīng)理解為在所有的情況下可使用“大 約”來修飾。因此，除非有相反的說明，任何下述說明和權(quán)利要求中的數(shù)字參數(shù)是近似值，其 可根據(jù)想要在本發(fā)明主題中得到的所需性質(zhì)而改變。至少，不是企圖使用等同原則對權(quán)利 要求的范圍進(jìn)行限制，每個數(shù)字參數(shù)應(yīng)至少根據(jù)所報告的有效數(shù)字的數(shù)量且通過使用通常 的湊整(rounding)方法來進(jìn)行解釋。根據(jù)本發(fā)明的某些實施方式涉及復(fù)合燒結(jié)粉末金屬制品。復(fù)合制品是包含至少兩 個區(qū)域的制品，每個區(qū)域由不同材料組成。根據(jù)本發(fā)明的復(fù)合燒結(jié)粉末金屬制品包括至少 一第一區(qū)域，其包括燒結(jié)硬顆粒，該第一區(qū)域冶金結(jié)合到第二區(qū)域上，該第二區(qū)域包括金屬 和金屬合金中的至少一種。根據(jù)本發(fā)明的復(fù)合制品的兩個非限制實施方式示于圖IA中。燒 結(jié)粉末金屬制品100包括以燒結(jié)碳化物區(qū)域110形式的第一區(qū)域，其冶金結(jié)合到以鎳區(qū)域 112形式的第二區(qū)域。燒結(jié)粉末金屬制品200包括以燒結(jié)碳化物區(qū)域210形式的第一區(qū)域， 其冶金結(jié)合到以螺紋鎳區(qū)域212形式的第二區(qū)域。本領(lǐng)域技術(shù)人員均知燒結(jié)粉末金屬材料是通過壓制和燒結(jié)大量的冶金粉末來制 造的。在常規(guī)的壓制和燒結(jié)過程中，將冶金粉末混合體置入模具空隙中并壓制以形成“生 坯”。燒結(jié)生坯，其使得坯料密實并將單個粉末顆粒冶金結(jié)合到一起。在某些情況下，可在 燒結(jié)過程中將坯料固結(jié)至完全或接近完全的理論密度。在根據(jù)本發(fā)明的復(fù)合制品中，第一區(qū)域的燒結(jié)硬顆粒是包括分散在連續(xù)粘結(jié)相中 的硬顆粒非連續(xù)相的復(fù)合物。包括在第二區(qū)域中的金屬和/或金屬合金為選自鋼、鎳、鎳合 金、鈦、鈦合金、鉬、鉬合金、鈷、鈷合金、鎢、和鎢合金中的一種或多種。該兩個區(qū)域是由被壓 制和燒結(jié)在一起的冶金粉末形成。在燒結(jié)過程中，在第一和第二區(qū)域間形成冶金結(jié)合，例 如，在第一區(qū)域中的燒結(jié)硬顆粒和第二區(qū)域中的金屬和/或金屬合金之間的界面處形成冶
虛纟口口。本發(fā)明人確定在燒結(jié)過程中形成在第一區(qū)域(包括燒結(jié)硬顆粒)和第二區(qū)域(包 括金屬和金屬合金中的至少一種)之間的冶金結(jié)合(metallurgical bond)驚人的和出乎 預(yù)料的牢固。在根據(jù)本發(fā)明的不同的實施方式中，第一和第二區(qū)域間的冶金結(jié)合沒有顯著 缺陷(包括裂縫和脆的次生相)。當(dāng)使用常規(guī)技術(shù)將燒結(jié)硬顆粒材料連接到金屬或金屬合 金時此種連接缺陷經(jīng)常出現(xiàn)。根據(jù)本發(fā)明形成的冶金結(jié)合在顯微組織水平上直接形成于第 一和第二區(qū)域之間，并且顯然比使用例如Carlsson的美國專利No. 5，359，772中所述的鑄 造技術(shù)將燒結(jié)碳化物與金屬或金屬合金連接到一起的現(xiàn)有技術(shù)所形成的連接牢固。包括將 熔鐵鑄造到燒結(jié)硬顆粒上的Carlsson的方法不能形成牢固的連接。熔鐵通過與碳化鎢顆 粒起化學(xué)反應(yīng)并形成通常所說的Π相的脆相而與燒結(jié)碳化物反應(yīng)。因此界面是弱的和脆 的。由Carlsson所述技術(shù)所形成的連接被限制于可在相對低熔點的熔融鑄鐵和預(yù)成型的 燒結(jié)碳化物之間形成的相對弱的連接。此外，此種技術(shù)僅適用于鑄鐵，因為其依賴奧氏體到 貝氏體的轉(zhuǎn)變，以便在連接區(qū)域緩解應(yīng)力。
使用此處所述材料通過本文所述的壓制和燒結(jié)技術(shù)形成的冶金結(jié)合避免了其它 連接技術(shù)中的應(yīng)力和破裂。根據(jù)本發(fā)明形成的牢固連接有效地抵消了由于連接的材料的 熱膨脹性的不同所引起的應(yīng)力，由此沒有在復(fù)合制品的第一和第二區(qū)域之間的界面形成裂 縫。相信這是至少部分由于通過本發(fā)明的技術(shù)形成的出乎預(yù)料的牢固冶金結(jié)合的性質(zhì)所導(dǎo) 致的結(jié)果，并且也是由于在本文的技術(shù)中所發(fā)現(xiàn)的材料的相容性所導(dǎo)致的結(jié)果。已經(jīng)發(fā)現(xiàn) 并非所有的金屬和金屬合金能夠燒結(jié)成例如燒結(jié)碳化物的燒結(jié)硬顆粒。在根據(jù)本發(fā)明的某些實施方式中，包含燒結(jié)硬顆粒的第一區(qū)域具有超過100微米 的厚度。同樣，在某些實施方式中，第一區(qū)域具有超過涂層的厚度。在根據(jù)本發(fā)明的某些實施方式中，第一和第二區(qū)域各自具有超過100微米的厚 度。在其它某些實施方式中，第一和第二區(qū)域各自具有超過0.1厘米的厚度。在其它實施 方式中，第一和第二區(qū)域各自具有超過0. 5厘米的厚度。根據(jù)本發(fā)明的某些其它實施方式 包括具有超過1厘米厚度的第一和第二區(qū)域。其它實施方式包括具有厚度超過5厘米的第 一和第二區(qū)域。同樣，在根據(jù)本發(fā)明的某些實施方式中，至少復(fù)合燒結(jié)粉末金屬制品的第二 區(qū)域或另一區(qū)域具有足夠該區(qū)域包括機(jī)械連接特征(feature)的厚度，該機(jī)械連接特征例 如螺紋或鍵槽，以使復(fù)合制品通過機(jī)械連接特征可連接到另一制品上。這里描述的實施方式在復(fù)合制品的第一區(qū)域(包括燒結(jié)硬顆粒)和第二區(qū)域(包 括金屬和金屬合金中的至少一種)之間實現(xiàn)了出乎預(yù)料和令人驚訝的牢固的冶金結(jié)合。在 根據(jù)本發(fā)明的某些實施方式中，在第一和第二區(qū)域之間優(yōu)異連接的形成與在復(fù)合物的第二 區(qū)域上結(jié)合有利的機(jī)械特征(例如螺紋或鍵槽)結(jié)合，以提供牢固和持久的復(fù)合制品，該復(fù) 合制品可用在多種應(yīng)用中或適于連接到其它用于特殊應(yīng)用的制品上。在根據(jù)本發(fā)明的其它實施方式中，第二區(qū)域的金屬或金屬合金的導(dǎo)熱率小于第一 區(qū)域燒結(jié)硬顆粒材料的導(dǎo)熱率，其中所有的導(dǎo)熱率是在室溫(20°C)下評估的。不限于任何 特定的理論，認(rèn)為第二區(qū)域的金屬或金屬合金的導(dǎo)熱率必須小于第一區(qū)域的燒結(jié)硬顆粒材 料的導(dǎo)熱率，以便在第一和第二區(qū)域間形成的冶金結(jié)合具有足夠的強(qiáng)度用于燒結(jié)硬顆粒材 料的某些要求高的應(yīng)用。在某些實施方式中，只有導(dǎo)熱率小于燒結(jié)碳化物導(dǎo)熱率的金屬或 金屬合金可用于第二區(qū)域。在某些實施方式中，第二區(qū)域或任何第二區(qū)域的金屬或金屬合 金具有小于100W/mK的導(dǎo)熱率。在某些實施方式中，第二區(qū)域或任何第二區(qū)域的金屬或金 屬合金可具有小于90W/mK的導(dǎo)熱率。在根據(jù)本發(fā)明的某些其它實施方式中，復(fù)合制品的第二區(qū)域的金屬或金屬合金具 有超過1200°C的熔點。不受任何特定理論的限制，認(rèn)為第二區(qū)域的金屬或金屬合金必須具 有超過1200°C的熔點，以便與第一區(qū)域的燒結(jié)硬顆粒材料形成的冶金結(jié)合具有的連接強(qiáng)度 足夠用于燒結(jié)硬顆粒材料的某些要求高的應(yīng)用。在其它實施方式中，復(fù)合制品的第二區(qū)域 的金屬或金屬合金具有超過1275°C的熔點。在一些實施方式中，第二區(qū)域的金屬或金屬合 金的熔點超過鑄鐵。根據(jù)本發(fā)明，包括在第一區(qū)域中的燒結(jié)硬顆粒必須包括至少60體積％的分 散的硬顆粒。如果燒結(jié)硬顆粒包括少于60體積％的硬顆粒，燒結(jié)硬顆粒材料將缺少 耐磨損和磨耗、強(qiáng)度、和斷裂韌度的所需組合，這些性質(zhì)的組合是使用燒結(jié)硬顆粒材 料的應(yīng)用中需要的。見 Kenneth J. A. Brookes, Handbook of Hardmetals and Hard Materials (International Carbide Data，1992)。因此，如本文使用的，“燒結(jié)硬顆粒，，和“燒結(jié)硬顆粒材料”是指包括分散在連續(xù)粘結(jié)材料中的硬顆粒的非連續(xù)相的復(fù)合材料，并且 其中復(fù)合材料包括至少60體積％的硬顆粒非連續(xù)相。在根據(jù)本發(fā)明的復(fù)合制品的某些實施方式中，第二區(qū)域的金屬或金屬合金可包括 從0到50體積％的硬顆粒(基于金屬或金屬合金的體積)。相對于缺少此種硬顆粒的相 同材料來說，在金屬或金屬合金中的一定濃度此種顆粒的存在可提高金屬或合金的耐磨 性，但對金屬或金屬合金的可加工性(machineability)沒有顯著的不利影響。顯然，在金 屬合金中存在高達(dá)50體積％的此種顆粒不會產(chǎn)生燒結(jié)硬顆粒材料，如此處定義的一樣，至 少是因為硬顆粒的體積分?jǐn)?shù)顯著小于在燒結(jié)硬顆粒材料中的。另外，已發(fā)現(xiàn)在根據(jù)本發(fā)明 的某些復(fù)合制品中，第二區(qū)域的金屬或金屬合金中的硬顆粒的存在可改變此區(qū)域的收縮特 征，由此更加緊密接近于第一區(qū)域的收縮特征。以此種方式，第二區(qū)域的CTE可被調(diào)整為更 好地保證與第一區(qū)域的CTE的相容性，以便防止可導(dǎo)致裂縫的在冶金結(jié)合區(qū)域中應(yīng)力的形 成。因此，根據(jù)本發(fā)明的某些實施方式，復(fù)合制品第二區(qū)域的金屬或金屬合金包括從0 到50體積％、優(yōu)選不超過20至30 (no more than 20to 30)體積％的分散在金屬或金屬合 金中的硬顆粒。認(rèn)為會影響金屬或金屬合金耐磨性和/或收縮性的金屬或金屬合金區(qū)域中 的硬顆粒的最小量在大約2到5體積％。由此，在根據(jù)本發(fā)明的某些實施方式中，復(fù)合制品 第二區(qū)域的金屬或金屬合金包括從2到50體積％的、優(yōu)選從2到30體積％的分散在金屬 或金屬合金中的硬顆粒。其它實施方式可包括從5到50%硬顆粒，或從5到30體積％的硬 顆粒分散在金屬或金屬合金中。其它實施方式可包括從2到20、或從5到20體積％的分散 在金屬或金屬合金中的硬顆粒。某些其它實施方式可包括從20到30體積％的分散在金屬 或金屬合金中的硬顆粒。包括在第一區(qū)域以及任選地第二區(qū)域中的硬顆粒，可選自例如碳化物、氮化物、硼 化物、硅化物、氧化物、和它們的混合物和它們的固溶物。在某實施方式中，第二區(qū)域的金屬 或金屬合金包括多達(dá)50體積％的分散的碳化鎢顆粒。在根據(jù)本發(fā)明的某些實施方式中，第一區(qū)域的燒結(jié)硬顆粒材料的分散硬顆粒相可 包括一種或多種選自碳化物、氮化物、硼化物、硅化物、氧化物、和它們的固溶物的硬顆粒。 在某些實施方式中，硬顆?？砂ㄖ辽僖环N選自鈦、鉻、釩、鋯、鉿、鉭、鉬、鈮、和鎢的過渡金 屬的碳化物顆粒。在其它實施方式中，第一區(qū)域的燒結(jié)硬顆粒材料的連續(xù)粘結(jié)相包括鈷、 鈷合金、鎳、鎳合金、鐵、和鐵合金中的至少一種。粘結(jié)體(binder)也可包括例如一種或多 種選自鎢、鉻、鈦、鉭、釩、鉬、鈮、鋯、鉿和碳中的元素，含量直到這些元素在粘結(jié)體中的溶解 度極限。另外，粘結(jié)體可包括多達(dá)5重量％的一種或多種選自銅、錳、銀、鋁、和釕的元素。 本領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)知道任何或所有的燒結(jié)硬顆粒材料的成分可引入到冶金粉末中，從而 燒結(jié)硬顆粒材料形成為單質(zhì)形式(elemental form)、化合物(compounds)、和/或母合金 (master alloy)。燒結(jié)硬顆粒材料例如燒結(jié)碳化物的性質(zhì)依賴于包括平均硬顆粒粒度和硬顆粒和/ 或粘結(jié)體的重量分?jǐn)?shù)或體積分?jǐn)?shù)的參數(shù)。通常情況下，隨著粒度的降低和/或粘結(jié)體含量 的降低，硬度和耐磨性增加。另一方面，隨著粒度的增加和/或粘結(jié)體含量的增加，斷裂韌 度增加。因此，當(dāng)選擇燒結(jié)硬顆粒材料等級用于任何應(yīng)用時在耐磨性和斷裂韌度之間有個 平衡關(guān)系。當(dāng)耐磨性增加時，斷裂韌度通常降低，反之亦然。
本發(fā)明的制品的某些其它實施方式包括包含至少一種過渡金屬的碳化物顆粒的 硬顆粒，其中過渡金屬選自鈦、鉻、釩、鋯、鉿、鉭、鉬、鈮、和鎢。在某些其它實施方式中，硬顆 粒包括碳化鎢顆粒。在其它實施方式中，碳化鎢顆?？删哂袕?.3到IOym的平均粒度。在第一區(qū)域中的燒結(jié)硬顆粒材料的硬顆粒優(yōu)選占燒結(jié)硬顆粒材料總體積的大約 60到大約98的體積百分比。硬顆粒分散在粘結(jié)體基質(zhì)中，該粘結(jié)體優(yōu)選構(gòu)成燒結(jié)硬顆粒材 料總體積的大約2到大約40的體積百分比。根據(jù)本發(fā)明的復(fù)合制品的實施方式也可包括混合(hybrid)燒結(jié)碳化物，混合燒 結(jié)碳化物例如同時待審的美國專利申請序列號No. 10/735，379中描述的任何混合燒結(jié)碳 化物，其全部內(nèi)容引入此處作為參考。例如，根據(jù)本發(fā)明的制品可包含至少一個第一區(qū)域 (包括混合燒結(jié)碳化物)被冶金結(jié)合到包含金屬和金屬合金中一種的第二區(qū)域上。某些其 它制品可包含至少一個包括燒結(jié)硬顆粒的第一區(qū)域、包括金屬和金屬合金中至少一種的第 二區(qū)域，其中第一區(qū)域和第三區(qū)域被冶金結(jié)合到第二區(qū)域，并且第三區(qū)域包括混合燒結(jié)碳 化物材料。通常情況下，混合燒結(jié)碳化物是包含分散遍及第二燒結(jié)碳化物連續(xù)相的至少一種 燒結(jié)碳化物等級的顆粒的材料，從而形成了一種燒結(jié)碳化物的微觀復(fù)合物。申請序列號為 No. 10/735, 379的混合燒結(jié)碳化物相對于某些其它混合燒結(jié)碳化物具有低分散相顆粒鄰近 比率(contiguity ratio)和改進(jìn)的性質(zhì)。優(yōu)選是，包括在根據(jù)本發(fā)明實施方式中的混合燒 結(jié)碳化物分散相的鄰近比率小于或等于0. 48。同樣，包括在根據(jù)本發(fā)明實施方式中的混合 燒結(jié)碳化物優(yōu)選包含具有硬度超過混合燒結(jié)碳化物連續(xù)相硬度的分散相。例如，在包括在 根據(jù)本發(fā)明的復(fù)合制品的一個或多個區(qū)域中的混合燒結(jié)碳化物的某些實施方式中，混合燒 結(jié)碳化物中分散相的硬度優(yōu)選超過或等于88洛氏硬度AOtockwell A Hardness,HRA)并小 于或等于95HRA，并且混合碳化物中連續(xù)相的硬度超過或等于78HRA且小于或等于91HRA。根據(jù)本發(fā)明制品的其它實施方式可在制品一個或多個區(qū)域中包括混合燒結(jié)碳化 物，其中分散的燒結(jié)碳化物相的體積分?jǐn)?shù)小于混合燒結(jié)碳化物的50體積％，并且其中分散 的燒結(jié)碳化物相的鄰近比率小于或等于分散的燒結(jié)碳化物相在混合燒結(jié)碳化物中的體積 分?jǐn)?shù)的1.5倍。根據(jù)本發(fā)明制品的某些實施方式包括包含金屬和金屬合金中至少一種的第二區(qū) 域，其中該區(qū)域包括至少一種機(jī)械連接特征或其它機(jī)械特征。此處使用的機(jī)械連接特征使 得根據(jù)本發(fā)明的某些制品可連接到某些其它制品上并作為更大裝置的部分起作用。機(jī)械連 接特征可包括，例如，螺紋、插槽(slots)、鍵槽、齒或嵌齒(cogs)、階梯(St印S)、斜面、孔、 銷(pins)和臂。因為燒結(jié)硬顆粒材料有限的抗拉強(qiáng)度和缺口敏感性，先前不可能在僅由燒 結(jié)硬顆粒形成的用于某些高要求應(yīng)用的制品上成功地包含此種機(jī)械連接特征?，F(xiàn)有技術(shù)的 制品包括包含一個或多個機(jī)械連接特征的金屬或金屬合金區(qū)域，其通過不同于共壓制和燒 結(jié)的方式連接到燒結(jié)硬顆粒區(qū)域。此種現(xiàn)有技術(shù)的制品在金屬或金屬合金區(qū)域和燒結(jié)硬顆 粒區(qū)域之間的連接較弱，嚴(yán)重限制了制品可能的應(yīng)用。用于生產(chǎn)燒結(jié)硬顆粒部件的方法典型地包括混拌(blending)或混合包括硬顆粒 和粉末狀粘結(jié)體的粉末狀成份以便形成冶金粉末混合物。冶金粉末混合物可被固結(jié)或壓 制形成生坯(green compact)。該生坯隨后燒結(jié)成為制品或制品的一部分。根據(jù)一個方 法，冶金粉末混合物通過機(jī)械壓制或等靜壓制被固結(jié)成為生坯，典型的壓力在10，000和60，OOOpsi之間。在某些情況下，生坯可在大約400°C和1200°C之間被預(yù)燒結(jié)形成“褐”坯 (“brown” compact)。隨后生坯或褐坯被燒結(jié)以便將冶金粉末顆粒自發(fā)連接在一起并進(jìn)一 步密實坯料。在某些實施方式中粉末坯料可在真空或在氫氣中燒結(jié)。在一些實施方式中坯 料在 300-2000psi 和 1350-1500°C 溫度下過壓燒結(jié)(over pressure sintered)。燒結(jié)后， 可將制品適當(dāng)加工成所需形狀或制品特殊幾何形狀的其它特征。本發(fā)明的實施方式包括制備復(fù)合燒結(jié)粉末金屬復(fù)合物制品的方法。一個此方法包 括將第一冶金粉末放入模具空隙的第一區(qū)域，其中第一粉末包括硬顆粒和粉末狀粘結(jié)體。 將第二冶金粉末混合物放入模具空隙的第二區(qū)域。第二粉末可包括金屬粉末和金屬合金 粉末中的至少一種，其中金屬粉末和金屬合金粉末選自由鋼粉、鎳粉、鎳合金粉、鉬粉、鉬合 金粉、鈦粉、鈦合金粉、鈷粉、鈷合金粉、鎢粉和鎢合金粉。第二粉末可接觸第一粉末，或最 初通過隔離裝置在模具中將其與第一粉末分開。根據(jù)在復(fù)合制品中所需的燒結(jié)硬顆粒和金 屬或金屬合金區(qū)域的數(shù)量，模具可劃分成另外的區(qū)域，其中可處置另外的冶金粉末混合物。 例如，模具可通過以下方式被隔離成幾個區(qū)域，在模具空隙中放置一個或多個物理隔離物 以限定幾個區(qū)域，和/或僅通過使用不同的粉末填充模具區(qū)域而不在相鄰粉末間使用隔離 物。選擇冶金粉末以達(dá)到這里所述制品相應(yīng)區(qū)域的所需性質(zhì)。本發(fā)明方法實施方式中使用 的材料可包括任何此處所討論的材料，但是是以粉末形式，由此它們可被壓制和燒結(jié)。一旦 粉末被裝載入模具后，移除任何隔離物并且在模具中的粉末隨后被固結(jié)形成生坯。粉末可 例如，通過機(jī)械壓制或等靜壓制固結(jié)。生坯隨后可被燒結(jié)以便形成復(fù)合燒結(jié)粉末金屬制品， 其包括由第一粉末形成的并冶金結(jié)合到由第二金屬或金屬合金粉末形成的第二區(qū)域上的 燒結(jié)硬顆粒區(qū)域。例如，燒結(jié)可在適于自發(fā)連接粉末顆粒和適于密實該制品的溫度下進(jìn)行， 例如至多1500°C的溫度。制備燒結(jié)粉末金屬制品的常規(guī)方法可用于形成具有不同形狀和包括不同幾何特 征的燒結(jié)制品。此類常規(guī)方法對于本領(lǐng)域技術(shù)人員來說是熟悉的。該類人，在考慮到本發(fā) 明后，可容易采用常規(guī)方法制造根據(jù)本發(fā)明的復(fù)合制品。根據(jù)本發(fā)明方法的另一實施方式包括在模具中固結(jié)第一冶金粉末形成第一生坯， 并將第一生坯放入第二模具，其中第一生坯填充第二模具的一部分。第二模具可至少部 分填充以第二冶金粉末。第二冶金粉末和第一生坯可被固結(jié)形成第二生坯。最后，燒結(jié) 第二生坯以進(jìn)一步密實坯料并且在第一冶金粉末區(qū)域和第二冶金粉末區(qū)域之間形成冶金 結(jié)合。如果需要，第一生坯可被預(yù)先燒結(jié)至約1200°C的溫度以便向第一生坯提供另外的 強(qiáng)度。根據(jù)本發(fā)明方法的此種實施方式在復(fù)合制品不同區(qū)域的設(shè)計中提供增加的靈活性 (flexibility)，對于特殊應(yīng)用來說。根據(jù)此處的實施方式，第一生坯可用任何所需粉末金 屬材料設(shè)計成任何所需形狀。另外，該方法可根據(jù)需要重復(fù)許多次，優(yōu)選是燒結(jié)之前。例如， 在固結(jié)形成第二生坯之后，第二生坯可與第三冶金粉末放入第三模具中并固結(jié)形成第三生 坯。通過此種重復(fù)方法，可形成更復(fù)雜形狀?？尚纬砂ú煌再|(zhì)的多個明顯限定的區(qū)域 的制品。例如，本發(fā)明的復(fù)合制品可包括其中例如需要增加的耐磨性的燒結(jié)硬顆粒材料，和 在希望提供機(jī)械連接特征的制品區(qū)域中的金屬或金屬合金。根據(jù)本發(fā)明方法的某些實施方式涉及復(fù)合燒結(jié)粉末金屬制品。如此處所使用的， 復(fù)合制品是包含至少兩個區(qū)域的物件，每個區(qū)域由不同材料構(gòu)成。根據(jù)本發(fā)明的復(fù)合燒結(jié) 粉末金屬制品包括至少一第一區(qū)域，其包含燒結(jié)硬顆粒，第一區(qū)域冶金結(jié)合到第二區(qū)域，第二區(qū)域包含金屬和金屬合金中的至少一種。根據(jù)本發(fā)明復(fù)合制品的兩個非限制性實施方式 示于圖IA中。燒結(jié)粉末金屬制品100包括冶金結(jié)合到鎳區(qū)域112上的燒結(jié)碳化物區(qū)域110 形式的第一區(qū)域。燒結(jié)粉末金屬制品200包括冶金結(jié)合到螺紋鎳區(qū)域212形式的第二區(qū)域 上的以燒結(jié)碳化物區(qū)域210形式的第一區(qū)域。在根據(jù)本發(fā)明的復(fù)合制品中，第一區(qū)域的燒結(jié)硬顆粒是包括分散在連續(xù)粘結(jié)相中 的硬顆粒的非連續(xù)相的復(fù)合物。包括在第二區(qū)域中的金屬和/或金屬合金是選自鋼、鎳、鎳 合金、鈦、鈦合金、鉬、鉬合金、鈷、鈷合金、鎢和鎢合金中的一種或多種。該兩個區(qū)域由壓制 和燒結(jié)在一起的冶金粉末形成。在燒結(jié)的過程中，冶金結(jié)合形成在第一和第二區(qū)域之間，例 如，在第一區(qū)域燒結(jié)硬顆粒和第二區(qū)域金屬或金屬合金之間的界面處。在根據(jù)本發(fā)明方法的實施方式中，本發(fā)明人確定燒結(jié)過程中在第一區(qū)域(包括燒 結(jié)硬顆粒)和第二區(qū)域(包括金屬和金屬合金中的至少一種)之間形成的冶金結(jié)合令人驚 訝和出乎預(yù)料的牢固。在根據(jù)本發(fā)明引申出的不同實施方式中，在第一和第二區(qū)域間的冶 金結(jié)合沒有顯著的缺陷(包括裂縫)。當(dāng)使用通常技術(shù)將燒結(jié)硬顆粒材料連接到金屬或金 屬合金上時，通常出現(xiàn)此種連接缺陷。根據(jù)本發(fā)明形成的冶金結(jié)合在顯微組織水平上直接 在第一和第二區(qū)域之間形成，并且比使用現(xiàn)有技術(shù)將燒結(jié)碳化物和金屬或金屬合金連接到 一起形成的連接要顯著的牢固，例如如上所述的Carlsson的美國專利No. 5，359，772中所 述的鑄造技術(shù)。使用此處所述材料通過壓制和燒結(jié)技術(shù)形成的冶金結(jié)合避免了其它連接技 術(shù)所有的應(yīng)力和裂縫。認(rèn)為這至少部分是由于本發(fā)明技術(shù)形成的牢固冶金結(jié)合的性質(zhì)所導(dǎo) 致的，并且也是使用在本技術(shù)中的材料的相容性所導(dǎo)致的。已經(jīng)發(fā)現(xiàn)不是所有的金屬和金 屬合金都能燒結(jié)成例如燒結(jié)碳化物的燒結(jié)硬顆粒。同樣，根據(jù)本發(fā)明形成的牢固連接有效 地抵消了由連接的材料的熱膨脹性質(zhì)的不同所導(dǎo)致的應(yīng)力，因此沒有在復(fù)合制品第一和第 二區(qū)域之間的界面中形成裂縫。在根據(jù)本發(fā)明方法的某些實施方式中，包含燒結(jié)硬顆粒的第一區(qū)域具有超過100 微米的厚度。同樣，在某些實施方式中，第一區(qū)域具有超過涂層的厚度。此處所述方法的實施方式實現(xiàn)在復(fù)合制品第一區(qū)域(包括燒結(jié)硬顆粒)和第二區(qū) 域(包括金屬和金屬合金中至少一種)之間的出乎預(yù)料和令人驚訝的牢固冶金結(jié)合。在 根據(jù)本發(fā)明方法的某些實施方式中，在第一和第二區(qū)域之間的優(yōu)異連接的形成與在復(fù)合物 第二區(qū)域上結(jié)合有利機(jī)械特征例如螺紋或鍵槽的步驟相結(jié)合，以提供牢固和持久的復(fù)合制 品，其可被用于不同應(yīng)用中或適于連接到其它制品用于專門的應(yīng)用。在根據(jù)本發(fā)明方法的某些實施方式中，第一和第二區(qū)域各自具有超過100微米的 厚度。在某些其它實施方式中，第一和第二區(qū)域各自具有超過0.1厘米的厚度。在其它實 施方式中，第一和第二區(qū)域各自具有超過0.5厘米的厚度。根據(jù)本發(fā)明的某些其它實施方 式包括具有超過1厘米厚度的第一和第二區(qū)域。其它實施方式包括具有超過5厘米厚度的 第一和第二區(qū)域。同樣，在根據(jù)本發(fā)明方法的某些實施方式中，復(fù)合燒結(jié)粉末金屬制品的至 少第二區(qū)域或另一區(qū)域具有足夠該區(qū)域包括例如螺紋或鍵槽的機(jī)械連接特征的厚度，由此 復(fù)合制品通過該機(jī)械連接特征可連接到另一制品上。在根據(jù)本發(fā)明方法的其它實施方式中，第二區(qū)域的金屬或金屬合金具有的導(dǎo)熱率 小于第一區(qū)域的燒結(jié)硬顆粒材料的導(dǎo)熱率，其中所有導(dǎo)熱率在室溫(20°C)下評估。不限制 于任何特定的理論，認(rèn)為第二區(qū)域的金屬或金屬合金必須具有小于第一區(qū)域燒結(jié)硬顆粒材
11料導(dǎo)熱率的導(dǎo)熱率，以便在第一和第二區(qū)域之間形成的冶金結(jié)合具有的足夠強(qiáng)度，用于燒 結(jié)硬顆粒材料的某些高要求應(yīng)用。在某些實施方式中，只有導(dǎo)熱率小于燒結(jié)碳化物的金屬 或金屬合金可用于第二區(qū)域。在某些實施方式中，第二區(qū)域或任何第二區(qū)域的金屬或金屬 合金具有的導(dǎo)熱率小于100W/mK。在其它實施方式中，第二區(qū)域或任何第二區(qū)域的金屬或金 屬合金具有的導(dǎo)熱率小于90W/mK。在根據(jù)本發(fā)明方法的某些其它實施方式中，復(fù)合制品的第二區(qū)域的金屬或金屬合 金具有超過1200°C的熔點。不限制于任何特定的理論，認(rèn)為第二區(qū)域的金屬或金屬合金必 須具有超過1200°C的熔點，以便與第一區(qū)域的燒結(jié)硬顆粒材料形成具有連接強(qiáng)度足夠用于 燒結(jié)硬顆粒材料某些高要求應(yīng)用的冶金結(jié)合。在其它實施方式中，復(fù)合制品第二區(qū)域的金 屬或金屬合金具有超過1275°C的熔點。在一些實施方式中，第二區(qū)域的金屬或金屬合金的 熔點超過鑄鐵。根據(jù)本發(fā)明，包括在第一區(qū)域中的燒結(jié)硬顆粒必須包括至少60體積％的分散的 硬顆粒。如果燒結(jié)硬顆粒包括少于60體積％的硬顆粒，燒結(jié)硬顆粒材料將缺少耐磨損和 磨耗、強(qiáng)度、和斷裂韌度的所需組合，這些性質(zhì)的組合是使用燒結(jié)硬顆粒材料的應(yīng)用中需要 的。因此，如本文使用的，“燒結(jié)硬顆?！焙汀盁Y(jié)硬顆粒材料”是指包括分散在連續(xù)粘結(jié)材 料中的硬顆粒的非連續(xù)相的復(fù)合材料，并且其中復(fù)合材料包括至少60體積％的硬顆粒非 連續(xù)相。在根據(jù)本發(fā)明的制備復(fù)合制品的方法的某些實施方式中，第二區(qū)域的金屬或金屬 合金可包括從0到50體積％的硬顆粒(基于金屬或金屬合金的體積)。相對于缺少此種 硬顆粒的相同材料來說，在金屬或金屬合金中的一定濃度此種顆粒的存在可提高金屬或合 金的耐磨性，但對金屬或金屬合金的可加工性(machineability)沒有顯著的不利影響。顯 然，在金屬合金中存在高達(dá)50體積％的此種顆粒不會產(chǎn)生燒結(jié)硬顆粒材料，如此處定義的 一樣，至少是因為硬顆粒的體積分?jǐn)?shù)顯著小于在燒結(jié)硬顆粒材料中的。另外，已發(fā)現(xiàn)在根據(jù) 本發(fā)明的某些復(fù)合制品中，第二區(qū)域的金屬或金屬合金中的硬顆粒的存在可改變此區(qū)域的 收縮特征，由此更加緊密接近于第一區(qū)域的收縮特征。以此種方式，第二區(qū)域的CTE可被調(diào) 整為更好地保證與第一區(qū)域的CTE的相容性，以便防止可導(dǎo)致裂縫的在冶金結(jié)合區(qū)域中應(yīng) 力的形成。因此，在根據(jù)本發(fā)明方法的某些實施方式中，復(fù)合制品第二區(qū)域的金屬或金屬合 金包括從0到50體積％、優(yōu)選不超過20至30 (no more than 20to 30)體積％的分散在金 屬或金屬合金中的硬顆粒。認(rèn)為會影響金屬或金屬合金耐磨性和/或收縮性的金屬或金屬 合金區(qū)域中的硬顆粒的最小量在大約2到5體積％。由此，在根據(jù)本發(fā)明的某些實施方式 中，復(fù)合制品第二區(qū)域的金屬合金包括從2到50體積％的、優(yōu)選從2到30體積％的分散在 金屬或金屬合金中的硬顆粒。其它實施方式可包括從5到50%硬顆粒，或從5到30體積％ 的硬顆粒分散在金屬或金屬合金中。其它實施方式可包括從2到20、或從5到20體積％的 分散在金屬或金屬合金中的硬顆粒。某些其它實施方式可包括從20到30體積％的分散在 金屬或金屬合金中的硬顆粒。包括在第一區(qū)域以及任選地第二區(qū)域中的硬顆粒，可選自例如碳化物、氮化物、硼 化物、硅化物、氧化物、和它們的混合物和它們的固溶物。在某實施方式中，第二區(qū)域的金屬 或金屬合金包括多達(dá)50體積％的分散的碳化鎢顆粒。
在根據(jù)本發(fā)明方法的某些實施方式中，第一區(qū)域的燒結(jié)硬顆粒材料的分散硬顆粒 相可包括一種或多種選自碳化物、氮化物、硼化物、硅化物、氧化物、和它們的固溶物的硬顆 粒。在某些實施方式中，硬顆?？砂ㄖ辽僖环N選自鈦、鉻、釩、鋯、鉿、鉭、鉬、鈮、和鎢的過 渡金屬的碳化物顆粒。在其它實施方式中，第一區(qū)域的燒結(jié)硬顆粒材料的連續(xù)粘結(jié)相包括 鈷、鈷合金、鎳、鎳合金、鐵、和鐵合金中的至少一種。粘結(jié)體(binder)也可包括例如一種或 多種選自鎢、鉻、鈦、鉭、釩、鉬、鈮、鋯、鉿和碳中的元素，含量直到這些元素在粘結(jié)體中的溶 解度極限。另外，粘結(jié)體可包括多達(dá)5重量％的一種或多種選自銅、錳、銀、鋁、和釕的元素。 本領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)知道任何或所有的燒結(jié)硬顆粒材料的成分可加入到冶金粉末中，從而 燒結(jié)硬顆粒材料形成為單質(zhì)形式(elemental form)、化合物(compounds)、和/或母合金 (master alloy)。燒結(jié)硬顆粒材料例如燒結(jié)碳化物的性質(zhì)依賴于包括平均硬顆粒粒度和硬顆粒和/ 或粘結(jié)體的重量分?jǐn)?shù)或體積分?jǐn)?shù)的參數(shù)。通常情況下，隨著粒度的降低和/或粘結(jié)體含量 的降低，硬度和耐磨性增加。另一方面，隨著粒度的增加和/或粘結(jié)體含量的增加，斷裂韌 度增加。因此，當(dāng)選擇燒結(jié)硬顆粒材料等級用于任何應(yīng)用時在耐磨性和斷裂韌度之間有個 平衡關(guān)系。當(dāng)耐磨性增加時，斷裂韌度通常降低，反之亦然。制備本發(fā)明的制品的方法的某些其它實施方式包括包含至少一種過渡金屬的碳 化物顆粒的硬顆粒，其中過渡金屬選自鈦、鉻、釩、鋯、鉿、鉭、鉬、鈮、和鎢。在某些其它實施 方式中，硬顆粒包括碳化鎢顆粒。在其它實施方式中，碳化鎢顆粒可具有從0. 3到10 μ m的 平均粒度。在第一區(qū)域中的燒結(jié)硬顆粒材料的硬顆粒優(yōu)選占燒結(jié)硬顆粒材料總體積的大約 60到大約98的體積百分比。硬顆粒分散在粘結(jié)體基質(zhì)中，該粘結(jié)體優(yōu)選構(gòu)成燒結(jié)硬顆粒材 料總體積的大約2到大約40的體積百分比。根據(jù)本發(fā)明的制備復(fù)合制品的方法的實施方式也可包括混合(hybrid)燒結(jié)碳化 物，混合燒結(jié)碳化物例如同時待審的美國專利申請序列號No. 10/735，379中描述的任何混 合燒結(jié)碳化物，其全部內(nèi)容引入此處作為參考。例如，根據(jù)本發(fā)明的制品可包含至少一第一 區(qū)域(包括混合燒結(jié)碳化物)，其冶金結(jié)合到包含金屬和金屬合金中一種的第二區(qū)域上。某 些其它制品可包含至少一個包括燒結(jié)硬顆粒的第一區(qū)域、包括金屬和金屬合金中至少一種 的第二區(qū)域，和包括混合燒結(jié)碳化物材料的第三區(qū)域，其中第一區(qū)域和第三區(qū)域被冶金結(jié) 合到第二區(qū)域。通常情況下，混合燒結(jié)碳化物是包含分散遍及第二燒結(jié)碳化物連續(xù)相的至少一種 燒結(jié)碳化物等級的顆粒的材料，從而形成了一種燒結(jié)碳化物的微觀復(fù)合物。申請序列號為 No. 10/735, 379的混合燒結(jié)碳化物相對于某些其它混合燒結(jié)碳化物具有低分散相顆粒鄰近 比率(contiguity ratio)和改進(jìn)的性質(zhì)。優(yōu)選是，包括在根據(jù)本發(fā)明實施方式中的混合燒 結(jié)碳化物分散相的鄰近比率小于或等于0. 48。同樣，包括在根據(jù)本發(fā)明實施方式中的混合 燒結(jié)碳化物優(yōu)選包含具有硬度超過混合燒結(jié)碳化物連續(xù)相硬度的分散相。例如，在包括在 根據(jù)本發(fā)明的復(fù)合制品的一個或多個區(qū)域中的混合燒結(jié)碳化物的某些實施方式中，混合燒 結(jié)碳化物中分散相的硬度優(yōu)選超過或等于88洛氏硬度A (Rockwell A Hardness, HRA)并小 于或等于95HRA，并且混合碳化物中連續(xù)相的硬度超過或等于78HRA且小于或等于91HRA。根據(jù)本發(fā)明的制備制品的方法的其它實施方式可在制品一個或多個區(qū)域中包括混合燒結(jié)碳化物，其中分散的燒結(jié)碳化物相的體積分?jǐn)?shù)小于混合燒結(jié)碳化物的50體積％， 并且其中分散的燒結(jié)碳化物相的鄰近比率小于或等于分散的燒結(jié)碳化物相在混合燒結(jié)碳 化物中的體積分?jǐn)?shù)的1.5倍。根據(jù)本發(fā)明的制備制品的方法的某些實施方式包括至少在包含金屬和金屬合金 中至少一種的第二區(qū)域形成機(jī)械連接特征或其他機(jī)械特征。此處使用的機(jī)械連接特征使得 根據(jù)本發(fā)明的某些制品可連接到某些其它制品上并作為更大裝置的部分起作用。機(jī)械連接 特征可包括，例如，螺紋、插槽(slots)、鍵槽、齒或嵌齒(cogs)、階梯(St印S)、斜面、孔、銷 (pins)和臂。因為燒結(jié)硬顆粒材料有限的抗拉強(qiáng)度和缺口敏感性，先前不可能在僅由燒結(jié) 硬顆粒形成的用于某些高要求應(yīng)用的制品上成功地包含此種機(jī)械連接特征。現(xiàn)有技術(shù)的制 品包括包含一個或多個機(jī)械連接特征的金屬或金屬合金區(qū)域，其通過不同于共壓制和燒結(jié) 的方式連接到燒結(jié)硬顆粒區(qū)域。此種現(xiàn)有技術(shù)的制品在金屬或金屬合金區(qū)域和燒結(jié)硬顆粒 區(qū)域之間的連接較弱，嚴(yán)重限制了制品可能的應(yīng)用。實施例1圖IA示出了燒結(jié)碳化物_金屬復(fù)合制品100、200，所述制品由冶金結(jié)合到使用根 據(jù)本發(fā)明的下述方法制造的鎳部分112、212上的燒結(jié)碳化物部分110、210構(gòu)成。由70%碳 化鎢、18%鈷、和12%鎳組成的燒結(jié)碳化物粉末層(可從美國阿拉巴馬州麥迪遜(Madison) 的ATI Firth Sterling商購FL30 粉末)放入模具中與鎳粉末層(可從美國新澤西州 懷科夫(Wyckoff)的IncoSpecial Products商購Inco Type 123高純度鎳)接觸，并共 壓制形成由固結(jié)粉末材料的兩個不同層構(gòu)成的單個生坯。在100噸的水壓機(jī)中使用大約 20，OOOpsi的壓力進(jìn)行壓制(或固結(jié))。所得到生坯是直徑大約1. 5英寸并且長度大約2 英寸的圓柱體。燒結(jié)碳化物層大約0.7英寸長，并且鎳層大約1.3英寸長。壓制后，復(fù)合坯 料在1380°C在真空爐中進(jìn)行燒結(jié)。在燒結(jié)過程中，在任何方向上坯料的線性收縮(linear shrinkage)大約是18%。復(fù)合燒結(jié)制品在外徑上研磨，并且螺紋在一個制品的鎳部分212 中加工。圖IB的顯微相片示出了制品100和200在燒結(jié)碳化物材料300和鎳材料301的 界面處的顯微組織。圖IB清楚示出在界面區(qū)域302處冶金結(jié)合在一起的燒結(jié)碳化物和鎳 部分。沒有裂縫出現(xiàn)在界面區(qū)域中。實施例2圖2示出了通過根據(jù)本發(fā)明的粉末金屬壓制和燒結(jié)技術(shù)制造的并包括三個單獨 的層的燒結(jié)碳化物-金屬合金復(fù)合制品400。第一層401由燒結(jié)碳化物構(gòu)成，從FL30 (見 上述)形成。第二層402由鎳構(gòu)成，從鎳粉形成，且第三層403由鋼構(gòu)成，從鋼粉形成。用 于制造復(fù)合物的方法與實施例1中所使用的方法基本相同，除了三層粉末被共壓制在一起 形成生坯，而不是兩層。該三層看起來均勻冶金結(jié)合在一起從而形成復(fù)合制品。在燒結(jié)制 品的外部沒有裂縫在燒結(jié)碳化物和鎳區(qū)域之間界面的附近出現(xiàn)。實施例3根據(jù)本發(fā)明使用如下方法制造由燒結(jié)碳化物部分和鎢合金部分構(gòu)成的復(fù)合制品。 將燒結(jié)碳化物粉末層(FL30 粉末)與鎢合金粉末層(由70%鎢、24%鎳、和6%銅組成) 相接觸地放入模具中，并共壓制成由固結(jié)粉末的兩個不同層構(gòu)成的單一復(fù)合生坯。可在100 噸的水壓機(jī)中使用大約20，OOOpsi的壓制壓力進(jìn)行壓制(或固結(jié))。生坯是直徑大約為1. 5 英寸和長大約為2英寸的圓柱體。燒結(jié)碳化物層大約1. 0英寸長并且鎢合金層也大約1. 0英寸長。壓制后，復(fù)合坯料在氫氣中在1400°C下燒結(jié)，當(dāng)燒結(jié)鎢合金時其將氧化降低到最 小程度或消除了氧化。在燒結(jié)過程中，坯料沿任何方向的線性收縮為大約18%。圖3示出 了顯微組織，其清楚表明燒結(jié)碳化物502和鎢合金500部分在界面501處冶金結(jié)合在一起。 沒有裂縫出現(xiàn)在界面區(qū)域中。 雖然前述說明已經(jīng)必要的說明了一些有限數(shù)量的實施方式，但本領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng) 理解可對該主題和此處已經(jīng)說明和示出的實施例的其它細(xì)節(jié)進(jìn)行各種變化，并且所有的變 形將落入此處說明的本發(fā)明和權(quán)利要求的范圍中。例如，盡管本發(fā)明僅必要說明了有限數(shù) 量的根據(jù)本發(fā)明構(gòu)造的旋轉(zhuǎn)銼(rotary burr)的實施方式，應(yīng)當(dāng)清楚的是其并不對本發(fā)明 和權(quán)利要求形成限定。本領(lǐng)域技術(shù)人員可容易的確定另外的旋轉(zhuǎn)銼設(shè)計并可沿著此線索在 此處所說明的有限數(shù)量必要的實施方式的精神范圍內(nèi)來設(shè)計和制造另外的旋轉(zhuǎn)銼。因此， 應(yīng)當(dāng)理解本發(fā)明不受所披露或加入到此處的具體實施方式
的限制，而是涵蓋了在本發(fā)明的 原則和范圍內(nèi)的所有變形實施方式，如權(quán)利要求中所限定的。本領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)意識到 可以對上述實施方式進(jìn)行修改而不偏離廣義的發(fā)明構(gòu)思。
權(quán)利要求
1.復(fù)合燒結(jié)粉末金屬制品，包含包含燒結(jié)硬顆粒的第一區(qū)域；和包含金屬和金屬合金中一種的第二區(qū)域，該金屬和金屬合金選自鋼、鎳、鎳合金、鈦、鈦 合金、鉬、鉬合金、鈷、鈷合金、鎢和鎢合金，其中第一區(qū)域冶金結(jié)合到第二區(qū)域上，并且第一 區(qū)域和第二區(qū)域具有超過100微米的厚度。
2.權(quán)利要求1所述的復(fù)合燒結(jié)粉末金屬制品，其中第二區(qū)域的金屬或金屬合金具有的 導(dǎo)熱率小于燒結(jié)硬顆粒的導(dǎo)熱率。
3.權(quán)利要求2所述的復(fù)合燒結(jié)粉末金屬制品，其中第二區(qū)域的金屬或金屬合金具有小 于100W/mK的導(dǎo)熱率。
4.權(quán)利要求1所述的復(fù)合燒結(jié)粉末金屬制品，其中第二區(qū)域的金屬或金屬合金具有超 過1200°C的熔點。
5.權(quán)利要求1所述的復(fù)合燒結(jié)粉末金屬制品，其中第二區(qū)域的金屬或金屬合金包括多 達(dá)50體積％的一種或多種選自碳化物、氮化物、硼化物、硅化物、氧化物、和它們的固溶物 的硬顆粒。
6.權(quán)利要求1所述的復(fù)合燒結(jié)粉末金屬制品，其中第二區(qū)域的金屬或金屬合金包括多 達(dá)50體積％的碳化鎢顆粒。
7.權(quán)利要求1所述的復(fù)合燒結(jié)粉末金屬制品，其中燒結(jié)硬顆粒包括分散在連續(xù)粘結(jié)相 中的硬顆粒。
8.權(quán)利要求7所述的復(fù)合燒結(jié)粉末金屬制品，其中硬顆粒包括一種或多種選自碳化 物、氮化物、硼化物、硅化物、氧化物和它們的固溶物的顆粒，且粘結(jié)相包括鈷、鈷合金、鉬、 鉬合金、鎳、鎳合金、鐵和鐵合金中的至少一種。
9.權(quán)利要求7所述的復(fù)合燒結(jié)粉末金屬制品，其中硬顆粒包括至少一種選自鈦、鉻、 釩、鋯、鉿、鉭、鉬、鈮和鎢的過渡金屬的碳化物顆粒。
10.權(quán)利要求1所述的復(fù)合燒結(jié)粉末金屬制品，其中燒結(jié)硬顆粒包括碳化鎢顆粒。
11.權(quán)利要求10所述的復(fù)合燒結(jié)粉末金屬制品，其中碳化鎢顆粒具有0.3到10 μ m的 平均粒度。
12.權(quán)利要求7所述的復(fù)合燒結(jié)粉末金屬制品，其中粘結(jié)相包括鈷。
13.權(quán)利要求1所述的復(fù)合燒結(jié)粉末金屬制品，其中燒結(jié)硬顆粒包括2到40體積％的 連續(xù)粘結(jié)相和60到98體積％的分散在連續(xù)粘結(jié)相中的硬顆粒。
14.權(quán)利要求1所述的復(fù)合燒結(jié)粉末金屬制品，其中燒結(jié)硬顆粒包括混合燒結(jié)碳化物 顆粒。
15.權(quán)利要求14所述的復(fù)合燒結(jié)粉末金屬制品，其中混合燒結(jié)碳化物顆粒包含燒結(jié)碳化物連續(xù)相；和分散在燒結(jié)碳化物連續(xù)相中的燒結(jié)碳化物分散相，其中在混合燒結(jié)碳化物顆粒中的燒結(jié)碳化物分散相的鄰近比率小于或等于0. 48。
16.權(quán)利要求14所述的復(fù)合燒結(jié)粉末金屬制品，其中在混合燒結(jié)碳化物顆粒中的燒結(jié) 碳化物分散相的體積分?jǐn)?shù)小于50體積％，并且在混合燒結(jié)碳化物相中的燒結(jié)碳化物分散 相的鄰近比率小于或等于在混合燒結(jié)碳化物顆粒中的分散相的體積分?jǐn)?shù)的1. 5倍。
17.—種制造復(fù)合燒結(jié)粉末金屬制品的方法，包括在模具的第一區(qū)域中提供第一粉末，該第一粉末包含硬顆粒和粉末粘結(jié)體； 在模具第二區(qū)域中提供第二粉末，其中第二粉末接觸第一粉末并包含金屬粉末和金屬 合金粉末中的至少一種，該金屬粉末和金屬合金粉末選自鋼粉末、鎳粉末、鎳合金粉末、鉬 粉末、鉬合金粉末、鈦粉末、鈦合金粉末、鈷粉末、鈷合金粉末、鎢粉末和鎢合金粉末； 在模具中固結(jié)第一粉末和第二粉末以便提供生坯；和燒結(jié)生坯以便提供復(fù)合燒結(jié)粉末金屬制品，其包含由第一粉末形成的并冶金結(jié)合到由 第二粉末形成的金屬第二區(qū)域上的燒結(jié)硬顆粒區(qū)域。
18.權(quán)利要求17所述的方法，其中金屬第二區(qū)域的導(dǎo)熱率小于燒結(jié)硬顆粒區(qū)域的導(dǎo)熱率。
19.權(quán)利要求8所述的方法，其中金屬第二區(qū)域的導(dǎo)熱率小于100W/mK。
20.權(quán)利要求17所述的方法，其中金屬第二區(qū)域的熔點超過1200°C。
21.權(quán)利要求17所述的方法，其中金屬第二區(qū)域包括高達(dá)50體積％的一種或多種選自 碳化物、氮化物、硼化物、硅化物、氧化物和它們的固溶物的硬顆粒。
22.權(quán)利要求17所述的方法，其中金屬第二區(qū)域包括多達(dá)50體積％的碳化鎢顆粒。
23.權(quán)利要求17所述的方法，其中燒結(jié)硬顆粒區(qū)域包括分散在連續(xù)粘結(jié)相中的硬顆粒。
24.權(quán)利要求23所述的方法，其中硬顆粒包括一種或多種選自碳化物、氮化物、硼化 物、硅化物、氧化物、和它們固溶物的硬顆粒，并且粘結(jié)相包括鈷、鈷合金、鉬、鉬合金、鎳、鎳 合金、鐵和鐵合金中的至少一種。
25.權(quán)利要求23所述的方法，其中硬顆粒包括至少一種選自鈦、鉻、釩、鋯、鉿、鉭、鉬、 鈮和鎢的過渡金屬的碳化物顆粒。
26.權(quán)利要求17所述的方法，其中燒結(jié)硬顆粒區(qū)域包括碳化鎢顆粒。
27.權(quán)利要求26所述的方法，其中碳化鎢顆粒具有0.3到10μ m的平均粒度。
28.權(quán)利要求23所述的方法，其中粘結(jié)相包括鈷。
29.權(quán)利要求17所述的方法，其中燒結(jié)硬顆粒區(qū)域包括2到40體積％的連續(xù)粘結(jié)相和 60到98體積％的分散在連續(xù)粘結(jié)相中的硬顆粒。
30.權(quán)利要求17所述的方法，其中燒結(jié)硬顆粒區(qū)域包括混合燒結(jié)碳化物顆粒。
31.權(quán)利要求30所述的方法，其中混合燒結(jié)碳化物顆粒包含 燒結(jié)碳化物連續(xù)相；和分散在燒結(jié)碳化物連續(xù)相中的燒結(jié)碳化物分散相；其中在混合燒結(jié)碳化物顆粒中的燒結(jié)碳化物分散相的鄰近比率小于或等于0. 48。
32.權(quán)利要求31所述的方法，其中在混合燒結(jié)碳化物顆粒中的燒結(jié)碳化物分散相的體 積分?jǐn)?shù)小于50體積％，并且在混合燒結(jié)碳化物顆粒中的燒結(jié)碳化物分散相的鄰近比率小 于或等于在混合燒結(jié)碳化物顆粒中的分散相的體積分?jǐn)?shù)的1. 5倍。
33.權(quán)利要求17所述的方法，其中金屬第二區(qū)域具有至少100微米的厚度。
全文摘要
一種包括包含例如燒結(jié)碳化物的燒結(jié)硬顆粒的第一區(qū)域的宏觀復(fù)合燒結(jié)粉末金屬制品。該制品包括包含選自鋼、鎳、鎳合金、鈦、鈦合金、鉬、鉬合金、鈷、鈷合金、鎢、和鎢合金的金屬和金屬合金之一的第二區(qū)域。第一區(qū)域冶金結(jié)合到第二區(qū)域上，并且第二區(qū)域具有超過100微米的厚度。此處也公開了制造宏觀復(fù)合燒結(jié)粉末金屬制品的方法。該方法包括共壓制和燒結(jié)包括硬顆粒和粉末粘結(jié)體的第一金屬粉末和包括金屬或金屬合金的第二金屬粉末。
文檔編號C22C29/00GK102112642SQ200980129471
公開日2011年6月29日 申請日期2009年6月2日 優(yōu)先權(quán)日2008年6月2日
發(fā)明者埃里克.W.奧爾森, 普拉卡什.K.米爾錢達(dá)尼, 莫里斯.E.錢德勒 申請人:Tdy工業(yè)公司