用於接合燒結碳化物的合金及其複合材料的製作方法

2024-04-01 18:34:05 1

專利名稱：用於接合燒結碳化物的合金及其複合材料的製作方法
技術領域：
本發明涉及用於接合燒結碳化物的合金及其複合材料，所述碳化物可用於耐磨工具或切削工具。
含有與結合相相結合的硬粒碳化物、氮化物或類似物的燒結碳化物可用於切削工具、塑料加工工具如軋輥和衝床，和用於土木工程的鑽孔工具，以及採礦場合，這是因為它們的硬度高且耐磨。然而，使用燒結碳化物的嚴重問題在於機械加工困難，所以費用高，並且由於它們的韌性較低，易於損壞，所以它們具有有限的用途。克服這種困難或限制所涉及的途徑是釺焊和熔接，以及機械固定，例如燒結碳化物與基體材料螺栓連接或熱壓配合，由此獲得了複合材料，其中所述基體材料如鋼價廉且機械加工性能好。
機械固定如螺栓連接、熱壓配合、以及夾緊必須為固定難以機械加工的燒結碳化物進行額外的工作，由形狀、和機械加工考慮，最終會造成其用途上不可避免的限制。當使用釺焊材料時，由於釺焊材料、燒結碳化物以及基體材料之間熱膨脹係數的不同所產生內應力，往往使釺焊材料或燒結碳化物破裂。使用釺焊材料的另一個問題是它的熔點低於燒結碳化物或基體材料的熔點，所以它產生的複合材料耐熱溫度低，因此降低了強度。
有關使用釺焊材料的這種問題可以通過基體材料經擴散接合直接與燒結碳化物接合而被避免。然而，當例如鋼與最有代表性的燒結碳化物之一的WC-Co型燒結碳化物擴散接合時，正如在前述的釺焊情況下，由於巨大熱膨脹的差異而產生熱應力，所以存在得不到任何優質的接合的問題，並且在擴散層中形成脆性相。在鋼與WC-Ni型燒結碳化物接合時，通過擴散接合也得不到任何優質的接合。
因此，本發明的目的在於提供一種接合合金，該合金即使與WC-Co或WC-Ni型燒結碳化物接合時，也能保證有足夠的接合強度而在接合處不形成脆性相。本發明另一個目的是提供高可靠性、高強度和高效能的便宜的燒結碳化物的複合材料，該材料包含燒結碳化物-接合合金-鋼體系。
上述目的通過下面如(1)-(6)所限定的實施方案能夠達到。
(1)用於與燒結碳化物接合的合金，其特徵在於作為合金成分含有1.0-2.3％(質量)的碳和15.5-34.7％(質量)的鎢，其餘為鈷和/鎳以及不可避免的雜質。
(2)用於與燒結碳化物接合的合金，其特徵在於作為合金成分含有1.0-2.3％(質量)的碳，15.5-34.7％(質量)的鎢和至多達30％(質量)的鐵，其餘為鈷和/或鎳以及不可避免的雜質。
(3)按(1)或(2)所述的合金，其特徵在於，還含有至多達3％(質量)的矽和至多3％(質量)的錳。
(4)按(1)-(3)中任一項所述的合金，其特徵在於還含有至多達10％(質量)的選自鉻、鉬、釩、鈮、鈦、鋯、和鉭中的至少一種元素。
(5)包含燒結碳化物和接合到所述燒結碳化物的接合合金而形成整體結構的複合材料，其特徵在於所述接合合金是按(1)-(4)中任一項所列舉的合金。
(6)包含燒結碳化物和接合到所述燒結碳化物的接合合金和接合到所述接合合金的鋼而形成整體結構的複合材料，其特徵在於所述接合合金是按(1)-(4)中任一項所列舉的合金。
在下文中，參照本發明最佳實施方案，對本發明作相當詳細的說明。
根據本發明，發現對於主要由硬粒碳化鎢或WC和與由鈷或Co，鎳或Ni、及其合金所組成的結合相相結合而構成的WC-Co或WC-Ni型燒結碳化物來說，當獲得沒有使合金脆化的η相或游離碳的優質結構是重要的，所以有必要把包括碳或C在內的各合金成分的含量置於嚴密的控制之下。
即，優質燒結碳化物含有硬粒和富有延展性的Co、Ni或諸如此類的結合相(γ)。當硬粒是WC時，結合碳量為6.13％。例如WC-16％Co型燒結碳化物，在6.06-6.3％的結合碳量時，包含WC加γ兩相。但是，當結合碳量沒有達到6.06％時，則由於η相的形成而使合金變脆。另一方面，在結合碳量超過6.3％時，由於游離碳的形成再次使燒結碳化物脆化。
在這裡考慮使燒結碳化物與另外的金屬在規定的溫度下接合的情況。在所述接合溫度下，如果與燒結碳化物接合的金屬(叫做接合金屬)的C電位低於燒結碳化物中結合相(γ)的C電位，則碳從燒結碳化物向接合金屬擴散，導致燒結碳化物中結合相的C含量下降。同樣地，燒結碳化物中結合相的Co含量的下降，也能促使η相的形成。如果接合金屬的C電位高於燒結碳化物的C電位，接合金屬和燒結碳化物之間的接合界面，由於在該接合界面處形成游離碳而使其脆化。
本發明特殊目的在於儘可能地減小接合過程中在接合界面上C和Co或Ni含量的變化，由此獲得優質結合。
用於本發明的術語「燒結碳化物」可理解為包括主要由WC硬粒組成的合金。還可以理解為部分WC可被選自鉻或Cr、鉬或Mo、釩或V、鈮或Nb、鈦或Ti、鋯或Zr、以及鉭或Ta中至少一種元素的碳化物或氮化物所取代。用於本發明的術語「燒結碳化物中的結合相」可理解為主要由Co或Ni或其合金所組成的，並且含有形成燒結碳化物中硬粒的元素的量是與結合相中的平衡。
為了與本發明的燒結碳化物接合，對於合金化學組成的限制將在下面闡明。
本發明的接合合金經擴散與燒結碳化物接合。在這種情況下，低於1000℃的接合溫度是不可取的，因為接合是不能達到的，為了接合必須更長的加熱時間和過量的壓力。接合溫度超過1300℃仍然不可取，因為在其中液相的形成，使燒結碳化物大量變形。
在本發明中，使用含有1.0-2.3％(質量)的碳和15.5-34.7％(質量)鎢，其餘為鈷和/或鎳的接合合金，用作相當於在1000-1300℃的溫度下在燒結碳化物中結合相的化學組成的合金，在該溫度下它們經擴散接合而能基本上接合在一起。
當碳含量沒有達到1.0％(質量)或鎢含量超過34.7％(質量)時，由於在燒結碳化物和接合合金之間的接合界面上形成η相而使燒結碳化物與接合合金的結合變脆。當碳含量超過2.3％(質量)或鎢含量沒有達到15.5％(質量)時，燒結碳化物和接合合金的結合仍然變脆，這是由於在它們兩者之間的接合界面上形成游離碳的緣故。優選的是，碳和鎢的含量按WC當量計算約為1∶15.3-16.5或按WC的含量計算為15-37％(質量)的範圍內。
為了降低成本，將鐵或Fe加到接合合金中。然而，值得注意的是Fe是一種在燒結碳化物和接合合金間的接合界面上易於形成η相的元素。因此優選是Fe含量的上限是30％(質量)，因為Fe含量超過30％(質量)時，燒結碳化物和接合合金間的接合界面脆化。
為了合金熔體脫酸，可往接合合金中加入矽或Si，和錳或Mn。用於接合到本發明的燒結碳化物的接合合金可利用的不僅是鑄件形式，也可以是合金粉末形式。尤其是，Si和Mn的加入對於防止噴霧噴嘴的阻塞問題是非常有效的，噴嘴阻塞是由熔體直接生產合金粉末時經常遇到的。為了獲得這一效果而不偏離本發明涵義，可往接合合金中加入至多達3％(質量)的矽，和至多達3％(質量)的錳。
在接合合金要與之結合的燒結碳化物中的部分WC，可被Cr、Mo、V、Nb、Ti、Zr和Ta中的至少一種元素的碳化物或氮化物取代時，本發明的接合合金可含有總量中的至多達10％(質量)的Cr、Mo、V、Nb、Ti、Zr、和Ta中的至少一種。當這些元素的總量超過10％(質量)時。接合合金與燒結碳化物的優質接合由於其脆性而是不能達到的。這就是取代元素(一種或多種)含量上限為10％(質量)的原因。
用於接合到本發明的燒結碳化物的合金可採用通過常規的熔煉法熔化原料並澆鑄所得熔體而獲得的的澆鑄片。本發明的接合合金也可採用由霧化或機械破碎所得到的粉末形式，所得到的粉末可燒結也可不燒結。此外，本發明的接合合金能以含鈷、鎢、和碳的粉末混合物的粉末壓塊形式提供，該壓塊可燒結也可不燒結。通過電鍍，濺射和蒸發可以形成接合中間層。
當以澆鑄片或燒結粉末的形式提供本發明的接合合金時，如有必要，首先將接合合金機械加工成所需的形式。再使這樣成型的接合合金與燒結碳化物在它們的接合表面上接觸。最後，在把壓力垂直施加到接合表面上時，於1000-1300℃的溫度下加熱組件，任選地接著加壓，以擴散接合。這樣，就能獲得燒結碳化物/接合合金的複合材料。將燒結碳化物與鋼結合的複合材料另一實施方案中，先把接合合金疊加到燒結碳化物上，再把鋼疊加到接合合金上以形成組件，最後，按上文剛提到的對組件進行加壓和加熱。
具有更高接合強度的複合材料的第三個實施方案中，含有燒結碳化物和本發明的接合合金的封裝組件或含有燒結碳化物，本發明的接合合金和鋼的封裝組件經過HIP處理，而不經前述同軸加壓和加熱。
在複合材料的第四個實施方案中，首先如上所述將本發明的接合合金和燒結碳化物接合。其次，接合合金與鋼通過適當的已知方法如焊接、壓焊和擴散接合而接合在一起。
當本發明接合合金按粉末狀提供時，通過使用上述HIP法可獲得燒結碳化物/接合合金複合材料或燒結碳化物/接合合金/鋼複合材料。燒結碳化物/接合合金複合材料的另外一個實施方案是通過在壓制過程中或之後在用於燒結碳化物的粉末組分上層壓用於本發明接合合金的粉末成分，接著進行燒結而製得的。
實驗結果實驗1示於表1中的合金是使用感應電爐通過熔煉法而製備的，並成型為錠，各重5kg。直徑12mm和長度50mm的接合合金圓棒是從各錠1/4處切出來的。此外，提供直徑12mm和長度為50mm的WC-13％(質量)Co燒結碳化物圓棒。
接合合金圓棒，與面對面地放置的燒結碳化物圓棒一起，插入內徑12mm、厚5mm和長120mm的低碳鋼套管中，依次於10-4乇的減壓下密封，如此密封的套管在1200atm、和1200℃下在HIP裝置內處理3小時，接著，緩慢冷卻。然後使套管材料通過旋轉用切割工藝而除去以獲得直徑8mm、長100mm的彎曲試驗樣品。發現彎曲試驗樣品是優質複合材料，其中接合合金緊緊地與燒結碳化物接合。
表1合金序號 化學成分(％重量)Co NiCW其它組分1餘量-1.2519.1Si:1.2,Mn:0.92餘量-2.0130.73餘量 20.2 1.9830.34 - 餘量 1.8227.85餘量-2.0030.06餘量-0.9019.97JIS SS41鋼在負載集中在接合合金和燒結碳化物接合處，使各彎曲試驗件經過三點彎曲試驗，其支點間距離為80mm。結果列於表2，這表明在有燒結碳化物的合金1-5號的接合處未發現破裂，或達到了優質接合。表2實驗序號合金序號 彎曲試驗結果破裂時的最大應力(MPa)破裂位點1 11,960 2 to 5mm*2 22,050 2 to 5mm*3 32,010 2 to 5mm*4 41,980 2 to 5mm*5 52,100 2 to 5mm*比較1 6 X斷裂比較2 7 X斷裂*在燒結碳化物的側面上在2-5處出現破裂**在機械加工過程中接合表面處出現斷裂。實驗2從示於表1中的1-5號合金錠上切下直徑為12mm、厚3mm的接合合金圓盤。另外提供直徑12mm、長50mm的WC-13％(重量)的Co燒結碳化物圓棒和直徑12mm、長50mm的JIS SKD11鋼圓棒。按已說明的順序疊加的燒結碳化圓棒、接合合金圓盤和鋼圓棒的組件，放入內徑12mm、厚1mm和長120mm的低碳鋼套管，再於10-4乇的減壓下密封。使這樣密封的套管置於HIP裝置中，於1200大氣壓和1200℃下處理3小時，接著緩慢冷卻。再通過旋轉用切割工藝除去套管材料，獲得直徑8mm和長度100mm的彎曲試驗樣品。發現這種彎曲試驗樣品是優質複合材料，其中接合合金與燒結碳化物牢固地接合。
在負荷集中在接合合金與燒結碳化物接合處，支點間的距離為80mm時，使各彎曲試驗樣品經三點彎曲試驗。結果列於表3中，表明在有燒結碳化物的1-5號合金的結合處，未發現破裂，或者達到了堅實的接合。
表3實驗序號 合金序號 彎曲試驗結果破裂時的最大應力(MPa)破裂位點6 12,0302 to 5mm*7 22,1502 to 5mm*8 32,0802 to 5mm*9 41,9802 to 5mm*10 52,0002 to 5mm**，見表2實驗3把列於表1中的1號合金熔體霧化成粉末，然後分級獲得60-300目的合金粉末。另一方面，提供直徑12mm、長50mm的WC-13％(重量)Co燒結碳化物圓棒和直徑12mm、長50mm的JIS SKD11鋼圓棒。
首先，把燒結碳化物圓棒插入內徑12mm、厚5mm和長120mm的低碳鋼套管，然後再把合金粉末(1.24克)放入並搗實進套管。接著，把鋼圓棒插入套管，再在10-4乇的減壓下密封。這樣密封的套管置於HIP裝置中，於1200atm.和1200℃下處理3小時，接著緩慢冷卻。通過旋轉採用切割工藝除去套管材料，獲得直徑8mm和長為100mm的彎曲試驗樣品。發現這種彎曲試驗樣品是優質複合材料，其中接合合金與燒結碳化物牢固地接合著。
在負荷集中在接合合金與燒結碳化物結合處時，使各彎曲試驗樣品在支點之間距離為80mm時進行三點彎曲試驗。結果表明在1-5號合金與燒結碳化物的結合處未發現破裂，或者達到了堅實的接合。
實驗結果表明根據本發明，可以獲得燒結碳化物/接合合金複合材料和燒結碳化物/鋼複合材料，各種材料都具有改進的接合強度。實驗4使用感應電爐通過熔煉方法製備列於表4中的合金，並成型為錠，各錠重5kg。由各錠1/4處切下直徑20mm和長15mm的合金圓棒。此外，提供直徑20mm和長20mm的WC-12％(重量)Co燒結碳化物棒。
表4合金序號 化學成分(％重量)Ni Fe CW8 餘量 10 1.25 19.19 餘量 20 1.25 19.110 餘量 30 1.25 19.111 餘量 40 1.25 19.1將接合合金棒和燒結碳化物棒以面對面的方式插入低碳鋼套管，將套管在10-4乇的減壓下密封。這樣密封的套管置於HIP裝置內，在1,200atm.和1200下處理3小時，接著緩慢冷卻。在旋轉下用切割工藝除去套管材料後，棒組件由鋼絲切割切開，然後研磨而獲得彎曲試驗樣品，它包括在其長度方向上的結合表面並具有3.0mm厚度、5.0mm寬度和30mm長度。發現這種彎曲試驗樣品是優質複合材料，其中接合合金牢固地與燒結碳化物接合。
厚度方向的負荷集中在接合合金與燒結碳化物接合處時，在支點間的距離為20mm下，使各彎曲試驗樣品進行三點彎曲試驗。列於表5中的結果表明，使用8-10號合金的11-13號實施例中的接合處沒有破裂，並且破裂時的最大應力有高值，這表明達到了堅實接合程度。然而，在高鐵含量的11號合金的3號對比例中，結合處表面破裂並對破裂時最大應力顯示相當低的值。表5實驗序號合金序號彎曲試驗結果破裂時的最大應力(MPa)破裂位點11 8686 2 to 5mm*12 9588 2 to 5mm*13 10 392 2 to 5mm*比較例31198 結合表面*，見表2實驗5如同實驗4，具有表6所示的這種化學組成的12-14號合金，與Co含量為6-18％(重量)的超硬材料相接合，以獲得彎曲試驗樣品。發現各樣品是優質複合材料，其中接合合金緊緊地與燒結碳化物接合。
表6合金序號 化學成分(％重量)Co Ni C WNo.12 餘量 - 1.2519.1No.13 - 餘量1.2519.1No.14 12 餘量1.2519.1厚度方向的負荷集中在接合合金與燒結碳化物接合處時，在支點間距離為20mm時，使各彎曲試驗樣品進行三點彎曲試驗。示於表7中的結果表明按本發明實施例的結合處沒有破裂並且對破裂時最大應力有很高的值，這表明達到了堅實的接合。表7實驗序號 結合結構燒結碳化物接合合金(MPa)彎曲強度14WC-12％Co 合金.12 1,62615WC-15％Co 合金.12 1,66616WC-18％Co 合金.12 1,74417WC-6％Co 合金.13 1,27418WC-9％Co 合金.13 1,45019WC-12％Co 合金.13 1,47020WC 15％Co 合金.13 1,66621WC-18％Co 合金.13 1,74222WC-6％Co 合金.14 1,19223WC-9％Co 合金.14 1,68624WC-12％Co 合金.14 1,804表7(續)實驗序號 破裂位點 吸收能(J) 極大偏轉(mm) 形變狀態14 0.5mm*0.08 0.12 S.E.D.15 0.5mm*0.11 0.16 S.E.D.16 0.5mm*0.12 0.17 S.E.D.17 0.5mm*0.05 0.09 P.D.18 0.5mm*0.58 1.00 L.P.D.190.5mm*0.780.38L.P.D.20無破裂1.032.29V.L.P.D.21無破裂0.860.78V.L.P.D.220.5mm*0.110.17P.D.230.5mm*0.380.40L.P.D.24無破裂0.830.91V.L.P.D.
*，見表2S.E.D.基本彈性形變P.D.塑性形變L.P.D.大塑性形變V.L.P.D.非常大的塑性形變正如前述所見，本發明能提供一種接合合金，它能保證與WC-Co或WC-Ni型燒結碳化物的結合具有改進的接合強度，不會在其中產生脆相。通過將接合合金與燒結碳化物接合在一起，有可能提供具有改進接合強度的複合材料。這種複合材料的接合合金部分能經受已知的機械加工、熱處理、放電處理和焊接，這樣就提高了燒結碳化物的實用性。通過採用接合合金作中間層使燒結碳化物和堅韌的鋼接合在一起，有可能提供一種價廉的、但可靠的具有改進接合強度的燒結碳化物/鋼複合材料。
儘管已經描述了一些最佳實施方案但從上面所述，對本發明仍可進行許多改進和變更。也應當理解在所附權利要求書的範圍內，除了特別說明外本發明是能實施的。
權利要求
1．一種用於接合燒結碳化物的合金，作為合金成分含有1.0-2.3％(質量)的碳和15.5-34.7％(質量)的鎢，其餘為鈷和/或鎳以及不可避免的雜質。
2．一種用於接合燒結碳化物的合金，作為合金成分含有1.0-2.3％(質量)的碳，15.5-34.7％(質量)的鎢和至多達30％(質量)的鐵，其餘為鈷和/或鎳以及不可避免的雜質。
3．按權利要求1或2的所述的合金，它還含有至多達3％(質量)的矽和至多達3％(質量)的錳。
4．按權利要求1-3中任一項所述的合金，它還含有至多達10％(質量)的選自鉻、鉬、釩、鈮、鈦、鋯和鉭中的至少一種元素。
5．一種複合材料，它含有燒結碳化物和與所述燒結碳化物接合的接合合金以形成整體結構，其中所述接合合金是一種按權利要求1-4中任一項所列舉的合金。
6．一種複合材料，它含有燒結碳化物，一種與所述燒結碳化物接合的接合合金和與所述接合合金接合的鋼以形成整體結構，其中所述接合合金是按權利要求1-4中任一項所列舉的合金。
全文摘要
本發明的接合合金是基於Co、Ni或其合金,並含有1.0—2.3%(質量)的C和15.5—34.7%(質量)的W。用HIP以鑄件或粉末形式的接合合金經擴散接合而與WC－Co或WC－Ni型燒結碳化物結合成整體。可以獲得燒結碳化物和接合合金的複合材料,並且也可與鋼接合。接合合金還含有至多30%(質量)的Fe,至多3%(質量)的Si和至多3%(質量)的Mn以及多達10%(質量)選自Cr、Mo、V、Nb、Ti、Zr和Ta中至少一種。這樣可獲得具有改進接合強度的結合合金,即使與WC－Co或WC－Ni型燒結碳化物接合其中也不會產生脆相,以及其複合材料。
文檔編號B22F7/06GK1209373SQ9811607
公開日1999年3月3日 申請日期1998年7月16日 優先權日1997年7月17日
發明者渡邊靖 申請人:大同特殊鋼株式會社