用於製造燒結碳化物產品的方法
2023-05-30 11:43:01
專利名稱：用於製造燒結碳化物產品的方法
技術領域：
本發明涉及利用粉末注射成型或者擠出法製造碳化鎢基硬質合金工具或組件的方法。
背景技術：
基於碳化鎢的硬質合金是由至少一種在一種粘結相中的硬質相的小m等級)顆粒構成的複合物。這些材料經常包含硬質相碳化鎢(WC)。此外，也可以包括具有一般組成(Ti、Nb、Ta、W) C的其它金屬碳化物，以及金屬碳-氮化物，例如，Ti (C、N)。粘結相通常由鈷(Co)組成。也可以使用其它粘結相成分，例如鈷、鎳和鐵的組合物，或者鎳和鐵的組合物。碳化鎢基硬質合金的工業產品通常包括使用研磨液體在溼的狀態下將給定比例的原料和添加劑粉末共混。該液體經常為醇，例如乙醇或水，或其混合物。然後將所述混合物磨成均勻的漿體。溼磨操作是出於解聚集和充分混合原料的目的。單獨的原料顆粒也在某種程度上被破碎。然後乾燥和粒化所獲得的漿體，例如通過噴霧乾燥器。可將因此獲得的粒狀物用於單軸壓制生坯或用於擠出或注射成型。注射成型在塑料工業是常見的，其中將包括熱塑性聚合物或熱固性聚合物的材料加熱並使其強制進入具有預定形狀的模具內。該方法用於粉末工藝時常常被稱為粉末注射成型(PIM)。該方法優選地用於具有複雜幾何形狀的部件。在碳化鎢基體硬質合金部件的粉末注射成型中，通常使用四個順序的步驟I.將粒狀燒結碳化物粉末與粘結劑體系混合。所述粘結劑體系作為粉末的載體，構成所得材料的25-60體積％，常常被稱為原料。準確濃度取決於在成型期間的所需的工藝性能。所述混合是通過添加所有成分進入被加熱到高於有機粘結劑熔融溫度的溫度的混合機之內而進行的。以近似4X4_的小球獲得所得的原料。2.使用所述混合的原料進行注射成型。所述材料被加熱到100-240°C然後被強制進入具有預定形狀的空腔之內。然後將由此得到的部件冷卻並從所述空腔移除。3.從獲得的部件去除粘結劑。所述去除能夠通過在適當的溶劑中提取和/或通過使用適當的氣氛在爐中加熱來完成。該步驟通常被稱為脫脂步驟。4.燒結所述部件。使用常用的用於燒結碳化物的燒結過程。原料的擠出包括上述步驟1，3和4。替代強制原料進入預定形狀的空腔內的是，使原料連續地強制通過一個具有預定截面的模具。原料的固含量，O，是硬質成分與有機成分相比的體積數，O能夠利用以下等式算出；O = p f-p v/p s-p v其中P s是燒結狀態的燒結碳化物的密度，P v是有機成分的平均密度，P f是原料的密度，採用氦比重儀測量。當將具有有機粘結劑的燒結碳化物粉末混合時，一個常見的問題是有機粘結劑的一部分不能在原料中恰當地散布。而是，一小部分有機粘結劑形成顆粒，比所述硬質成分的粒度要大很多，即在10-30 ii m範圍內。在生坯的脫脂期間，這些顆粒將被移除，在結構中留下孔隙。一個常見消除這些孔隙的方法是使用具有施加的Ar靜壓的燒結，也就是HIP燒結。當使用HIP燒結時，所述孔隙將填充有金屬粘結相，如果所述孔隙與施加的壓力沒有物理連接。接近於生坯表面的孔隙會坍塌以形成表面孔隙，例如直接位於生坯表面的孔隙。在表面的孔隙會嚴重地降低燒結材料的宏觀機械強度。填充在多數材料的前述孔隙中的金屬粘結劑會同時降低燒結材料的機械強度。另一個常見的問題是，如果有機粘結劑的顆粒較大，也就是說在20-30 u m範圍內，在脫脂步驟期間，這些顆粒將隨著氣體快速產生而熱解，在材料結構內形成氣泡。
發明內容
本發明的一個目標是解決這些問題。
圖I示出一個LOM顯微照片，根據現有技術的燒結碳化物的大約1000倍的微觀結構的放大圖。圖2示出一個LOM顯微照片，根據本發明的燒結碳化物的大約1000倍的微觀結構的放大圖。
具體實施例方式令人驚訝的是，通過在混合機內加熱燒結碳化物粉末混合物和通過添加熔融形式的有機粘結劑，確保溫度未降到低於所述有機粘結劑的熔化溫度，沒有形成有機粘結劑顆粒且前述問題能被解決。本發明的方法包括以下步驟I)溼磨原料，在水或者乙醇或其組合中，優選的80wt%乙醇和20wt%水以及
0.1-1. 2wt%，優選的0. 25-0. 55wt%羧酸，優選硬脂酸，作為隨後乾燥過程中的成粒劑。需要的羧酸越多，硬質成分的粒度越小。2)將在上述溼磨步驟期間形成的漿料乾燥。3)通過與有機粘結劑捏合將所述乾燥的粉末混合，所述有機粘結劑包括30-60wt%烯屬聚合物，40-70wt%蠟，以達到0 = 0. 52-0. 58、優選0. 54-0. 56的固含量。所述混合在分批混合機或者螺旋擠出機，優選雙螺杆擠出機內進行。當使用分批混合機時，首先將燒結碳化物粉末混合物添加到被加熱的混合機內。當混合機內的粉末混合物的溫度高於有機粘結劑的熔點時，將熔融形式的有機粘結劑緩慢添加到混合機內，確保粉末混合物和有機粘結劑的溫度不會降低到低於有機粘結劑的熔融溫度，優選在95和180°C之間。當雙螺杆擠出機被用於混合時，在螺杆開端處添加有機粘結劑，和通過側流道添加粉末硬質成分，確保粉末混合進入熔體內以及確保溫度不會降到低於有機粘結劑的熔融溫度。粉末成分可通過若干側流道沿著雙螺杆擠出機被添加，或者材料能貫穿雙螺杆擠出機若干次以確保溫度不會降到低於所述有機粘結劑的熔融溫度。可選擇地，粉末硬質成分在被加到熔融有機粘結劑之前被預熱以確保溫度不會降到低於有機粘結劑的熔融溫度。然後使材料形成為大約4 X 4mm尺寸的小球。4)在一個常規注塑成型機內將原料注射成型。可選擇地，將原料在單螺杆、雙螺杆或柱塞式擠出機中擠出。將材料加熱到100-240°C，優選110-130°C，然後在注射成型的情況下，使其強制進入具有預定形狀的空腔內。在擠出時，使材料強制通過具有預定截面的模具。在注射成型中獲得的部件被冷卻然後從空腔中移去。擠出物被切割成預定長度的片段。5)將獲得的部件脫脂。脫脂分兩步進行。5a)通過在非極性溶劑內在31_80°C、優選在50_65°C提取出蠟和礦油。通過試驗確定避免裂縫以及按照本說明書的其他缺點形成所必須的條件在本領域普通技術人員的技術範圍內。5b)通過在爐中，優選在流動氣態介質氣氛內，在2毫巴到標準大氣壓下，加熱至高達450°C。通過試驗確定避免裂縫以及按照本說明書的其他缺點形成所必須的條件在本領域普通技術人員的技術範圍內。6)在真空下在脫脂爐內以900_1250°C的溫度、優選在約1200°C下預燒結所述部件。7)使用常規燒結技術燒結所述部件。本發明可被用於燒結碳化物的所有的組成，以及通常使用的所有WC粒度。明顯的，其同樣可被用於碳氮化鈦基材料。在一個實施發生中，使用了常規晶粒生長抑制劑的WC粒徑應該為0. 2-1. 5 Um0在另一個實施例中，WC粒徑應該為I. 5-4 Um0 本發明同樣涉及包括在粘結相中的硬質成分的燒結碳化物基硬質合金部件。所述部件具有根據ISO 4505標準的AOO BOO COO的孔隙度，具有0. 2-0. 5um的平均粘結相池尺寸的均質粘結劑分布。實施例I通過將780g 鈷粉(0MG 超細)，38. 66g Cr3C2 (H C Starck)，5161g WC (H C StarckDS 80)，20. 44g W金屬粉末，16g費託蠟(SasolHl)和22g硬脂酸在I. 6L由乙醇和水(按重量80 20)構成的研磨液體中溼磨40小時而製得WC-13wt% Co亞微米燒結碳化物粉末。當噴霧乾燥漿料時，將硬脂酸在這個步驟階段中添加以作為成粒劑。將所得的漿料噴霧乾燥為粒狀的粉末。實施例2 (對比例)在曲棍式強力混合機(Werner&Pfleiderer LUK I. 0)中，通過捏合2500g實施例I的粉末和50. 97g根據陶氏方法具有93 °C的DSC熔點的聚乙烯(乙烯-共-(a-辛烯)(Engage 8440, Dow Plastics)和 45. 87g 具有 58_60°C熔點的石蠟(Sasol Wax 5805)和
5.06g具有在45和60°C (Merkur VARA AB)之間的熔點的礦油，混合實施例I中製得的粉末。將所述曲棍式強力混合機加熱到150°C，添加原料。混合物被運轉直至產生平滑粘性的原料。這導致具有8. 23g/ml的密度，對應於0. 553的O的原料。實施例3 (本發明)在曲棍式強力混合機(Werner&Pfleiderer LUK I. 0)中，通過捏合2500g實施例I的粉末和50. 97g根據陶氏方法具有93 °C的DSC熔點的聚乙烯(乙烯-共-(a-辛烯)(Engage 8440, Dow Plastics)和 45. 87g 具有 58_60°C溶點的石臘(Sasol Wax)和 5. 06g具有在45和60°C (Merkur VARA AB)之間的熔點的礦油，混合實施例I中製得的粉末。將所述曲棍式強力混合機加熱到150°C，首先將粉末硬質成分添加到混合機。當粉末硬質成分的溫度高於有機粘結劑的熔解溫度時，將有機粘結劑以熔融形式緩慢地添加到所述混合機，確保溫度不會降到低於所述有機粘結劑的熔融溫度。使所述混合機運轉直至產生平滑粘性的原料。這導致具有8. 23g/ml的密度，對應於0. 553的O的原料。實施例4 (對比例)將在實施例2中製得的原料供給到注射成型機(Battenfeld HM60/130/22)。該機器用於Seco Tools Minimaster 10毫米立統刀生還的注射成型。實施例5 (本發明)將在實施例3中製得的原料供給到注塑成型機(Battenfeld HM60/130/22)。該機器用於Seco Tools Minimaster 10毫米立統刀生還的注射成型。實施例6 (對比例)將在實施例4中製造的部件在燒結HIP爐(PVA COD 733R)中以1420°C及總的加熱時間為60分鐘通過提取和燒結實現脫脂。保持在峰值溫度30分鐘後，爐內壓力被升高到 3MPa 的 Ar。在燒結後，部件被切斷以便檢查。從實施例4獲得的部件沒有碳孔隙，eta相和孔隙，也就是說，根據ISO 4505為A00 B00 COO0該部件顯示出鈷池和開式表面孔隙。平均鈷池尺寸在0.5-1. Oii m。參見圖I。實施例7 (本發明)將在實施例5中製造的部件在燒結HIP爐(PVA COD 733R)中以1420°C及總的加熱時間為60分鐘通過提取和燒結實現脫脂。保持在峰值溫度30分鐘後，爐內壓力被升高到 3MPa 的 Ar。在燒結後，部件被切斷以便檢查。從實施例5獲得的部件沒有碳孔隙，裂縫，eta相和孔隙，也就是說，根據ISO 4505為A00 B00 C00。沒有表面孔隙且微觀結構顯示均勻鈷分配。平均鈷池尺寸在0. 2-0. 5 ii m。參見圖2。
權利要求
1.一種用於製造燒結碳化物基硬質合金部件的方法，所述硬質合金部件包括處於粘結相中的硬質成分，通過將在具有熔點的有機粘結劑中的硬質成分和粘結相的混合物進行粉末注射成型或者擠出製得所述部件，該方法包括如下步驟 混合硬質成分的粉末和粘結相以形成混合物； 加熱所述硬質成分和粘結相的混合物到一個溫度； 當硬質成分和粘結相的混合物的溫度高於有機粘結劑的熔點時，添加熔融形式的有機粘結劑，確保溫度不會降到低於有機粘結劑的熔點； 通過粉末注射成型或者擠出形成所述部件； 通過脫脂步驟從獲得的部件中去除所述有機粘結劑； 燒結所述部件。
2.根據權利要求I所述的方法，其特徵在於保持硬質成分和粘結相的混合物的溫度在95和180°C之間。
3.根據權利要求I所述的方法，其特徵在於在分批混合機中進行混合。
4.根據權利要求I所述的方法，其特徵在於在擠出機中進行混合。
5.根據權利要求4的方法，其特徵在於所述擠出機是雙螺杆擠出機。
6.包括根據權利要求1-5所述的處於粘結相中的硬質成分的燒結碳化物基硬質合金部件，其特徵在於所述部件具有均勻粘結相分布，具有0. 2-0. 5 u m的平均粘結相池尺寸。
全文摘要
本發明涉及一種用於製造燒結碳化物基硬質合金部件的方法，所述硬質合金部件包括處於粘結相中的硬質成分，通過將在具有熔點的有機粘結劑中的硬質成分和粘結相的混合物進行粉末注射成型或者擠出製得所述部件，該方法包括如下步驟混合硬質成分的粉末和粘結相以形成混合物；加熱所述硬質成分和粘結相的混合物到一個溫度；當硬質成分和粘結相的混合物的溫度高於有機粘結劑的熔點時，添加熔融形式的有機粘結劑，確保溫度不降到低於所述有機粘結劑的熔點；通過粉末注射成型或者擠出形成所述部件；通過脫脂步驟從獲得的部件中去除所述有機粘結劑；和燒結所述部件。
文檔編號B22F1/00GK102985198SQ201180026188
公開日2013年3月20日 申請日期2011年5月25日 優先權日2010年5月26日
發明者佩爾·強森 申請人:山高刀具公司