专利名称：用于耐磨损应用的碳化物球粒的制作方法
技术领域：
本发明涉及耐磨组合物、并且更具体地涉及包含相对少量金属粘结剂的碳化物球粒，这些碳化物球粒用于不同的应用中，如硬质焊面材料以及块体复合材料。背景资料碳化物球粒总体上可以用于耐磨应用中，如用于形成钻尖的复合材料，例如钻地用钻头的钻头尖，或者作为硬质焊面组合物，例如用于岩石钻头的硬质焊面组合物或者作为等离子钨弧涂覆组合物。当用在硬质焊面应用中时，这些碳化物球粒总体上是烧结的 (cemented/sintered)碳化鹤球粒。授予Keshavan等人的美国专利号4，944，774披露了用在硬质焊面材料中的烧结碳化钨。这些烧结碳化钨包括与量值范围从6至8重量百分比的钴结合在一起的碳化钨小颗粒。该烧结碳化钨是通过将碳化钨、有机蜡、以及钴粉相混合；将这些混合的粉末压制而形成生压坯；并且将该复合材料在接近钴的熔点的温度下进行烧结而制成的。然后可以将生成的致密的烧结碳化物粉碎以形成烧结碳化钨颗粒以便用在硬质焊面应用中。在美国专利号 3，800，891 ；RE 37，127 ；6, 248，149 ；6, 659，206 ；以及 6，782，958 中披露了其他的硬质焊面组合物。常规地使用圆盘和管式造粒方法来制造包含相对大量金属粘结剂(例如6重量百分比的钴)的碳化物球粒。在这些技术中，将碳化钨粉末和钴粉末与蜡在一种有机溶液中研磨几小时，然后将研磨过的粉末在一个真空干燥器中干燥。在该圆盘造粒方法中，将该粉末连续送入一个转盘造粒机的顶部以形成生坯球粒。该盘式造粒机典型地以每分钟大约15转以相对于水平面50°至75°的角度旋转。随着造粒机的旋转，通过颗粒聚结而发生附聚。较大的附聚体旋转到外侧盘缘并且容易地从该盘中排出。在管式造粒方法中，将研磨且干燥过的粉末送入一个管或者滚筒式造粒机的一端处以形成生坯球粒。该滚筒式造粒机以每分钟大约15转旋转以通过颗粒聚结而引起附聚。 这些附聚体在该管的另一末端被连续排出。在这两种圆盘和管式造粒方法中，这些附聚的生坯球粒可以被确定尺寸。可以将尺寸过小的球粒再循环并且可以将尺寸过大的球粒压碎并且被再循环，是通过将这些球粒送回到使用这些粉末的造粒机中。然后将适当尺寸的生坯球粒进行烧结、并且如果必要的话可以破碎成单独的球粒。尽管圆盘和管式造粒方法已经有效地用于制造具有相对大量金属粘结剂的碳化物球粒，但尝试来通过此类方法制造含有小于3重量百分比钴的碳化物球粒已是不成功的。本发明提供了用于形成具有量值小于3重量百分比的金属粘结剂(如钴)的碳化物球粒一种的改进方法。发明概述本发明的一个方面是提供一种用于形成碳化物球粒的方法，包括将包含硬质碳化物粉末颗粒和小于3重量百分比金属粘结剂粉末颗粒的一种混合物进行压制以形成一个生压坯、将所形成的生压坯进行粉碎以形成包括这些碳化物和金属粘结剂粉末颗粒的有小面的粒料、将这些有小面的粒料成型以形成包括这些碳化物和金属粘结剂粉末颗粒的基本上球形的生坯球粒、并且将这些基本上球形的生坯球粒进行烧结以形成包含小于3重量百分比金属粘结剂的致密的基本上球形的烧结球粒。本发明的另一方面是提供用于将一个耐磨层施加到一个工件上的一种硬质焊面的焊条，该硬质焊面的焊条包括一个套管以及多个碳化物球粒，这些碳化物球粒包括硬质金属碳化物以及小于3重量百分比的一种金属粘结剂。本发明的一个另外的方面是提供包含烧结碳化物球粒的一种耐磨性硬质焊面组合物，这些碳化物球粒包括硬质金属碳化物颗粒以及小于3重量百分比的金属粘结剂。本发明的这些以及其他方面将从下面的说明中变得更清楚。附图简要说明
图1是根据本发明的一个实施方案用于形成碳化物球粒的一种制造方法的流程图。图2是根据本发明所生产的烧结碳化物球粒在用作硬质焊面的焊条的该金属管内部的一个局部示意的纵截面视图。图3是在图1的粉碎步骤中形成的松散粒料的显微照片。图4是在图1的成型步骤中形成的球形生坯球粒的显微照片。图5是在图1的烧结步骤中形成的球形烧结球粒的显微照片。图6是一张显微照片，示出了根据本发明的一个实施方案制成的包括2重量百分比钴的一种碳化物球粒的显微结构。图7是沉积在包含根据本发明的实施方案制成的烧结碳化物球粒的一个基底上的硬质焊面组合物的一个部分的显微照片。详细说明本发明提供了用于制造具有相对少量金属粘结剂的碳化物球粒的一种方法。这些烧结的碳化物球粒可以根据图1中所展示的方法来生产，其中将碳化物颗粒和量值小于碳化物和金属粘结剂粉末总重量百分之3的金属粘结剂颗粒与有机蜡(例如，石蜡)一起混合、进行压制以形成一个生压坯、粉碎或者压碎以便形成粒料、翻动以便形成球形生坯球粒、并且烧结以形成致密的球形的烧结碳化物球粒。在起始的混合步骤中，可以将碳化物粉末和金属粘结剂粉末与蜡在一种有机溶液中研磨几小时(例如约4至6小时)、并且然后进行真空干燥。将研磨过的粉末送入一个压机中，在这里它们被压制而形成一种生压坯或者毛坯。可以使用任何类型的压机，如单轴压机，施加从约2000至约IOOOOpsi压力。将形成的生压坯或毛坯进行粉碎，例如压碎，以形成包括这些碳化物和金属粘结剂颗粒的松散的、有小面的粒料。例如，可以将该生压坯送入一台斯托克斯造粒机中以形成粒料。斯托克斯造粒机是迫使材料穿过一个筛网从而生产粒料的一种机器。这些粒料具有小面的形状(带有尖锐的边缘)并且尺寸的范围可以典型地从约ASTM 200目(74微米)至约ASTM 10目(1885微米)，例如从约ASTM 40目(381微米)至约ASTM16目(1130目)。 图3的显微照片中示出了由图1的粉碎步骤生产的小面粒料的一个样品，如以下实例中更全面讨论的。
然后将这些有小面的粒料成型以去除尖锐的边缘并且形成包含这些碳化物和金属粘结剂的圆化的或者基本上球形的生坯球粒。该成型步骤可以包括使这些粒料经受一个摇滚过程，例如在一个研磨机滚筒中，接着是一个筛选过程以获得均勻的球粒尺寸。这些圆化的生坯球粒的尺寸的范围典型地可以从约ASTM 40目(381微米)至约ASTM 16目(1130 微米)，例如约ASTM 20目(860微米)。图4的显微照片中示出了由图1的成型步骤生产的圆化的并且基本上球形的球粒的一个样品，如以下实例中更全面讨论的。然后将这些生坯球粒烧结而非直接送入一个压机中来形成部件。最后的步骤包括将这些生坯球粒进行烧结以形成致密的圆化的或者基本上球形的烧结碳化物球粒，其中每个球粒含有基于烧结球粒的重量小于约3重量百分比的金属粘结剂。烧结温度的范围典型地可以从约1380°C至约1480°C，例如约1450°C。可替代地，可以使用在约1900°C温度下的真空烧结，接着是在惰性气氛(如Ar)中例如在1500psi和1900°C下或者在30000psi和 1500°C下的热等静压。这些圆化的烧结球粒的尺寸范围典型地可以从约ASTM 40目(381微米)至约ASTM-10目(1885微米)，例如约ASTM 20目(860微米)。图5的显微照片中示出了由图1的烧结步骤生产的圆化的烧结球粒的一个样品，如以下实例中更全面讨论的。在本发明的一个实施方案中，该金属粘结剂可以存在的量值的范围基于混合物的总重量是从零或0. 01至2. 9重量百分比。例如，该金属粘结剂可以占基于混合物总重的从约0. 5至约2. 5的重量百分比。在一个实施方案中，金属粘结剂存在的量值为约2重量百分比。加入该混合物中的碳化物的量的范围典型地是基于该混合物的总量值从约97. 1至约99. 99或100重量百分比。例如，该碳化物可以占基于混合物总重的从约97. 5至约99. 5 的重量百分比。在一个实施方案中，该碳化物存在的量值为约98重量百分比。根据本发明的方法生产的这些烧结的碳化物球粒包括硬质碳化物颗粒以及处于如上所说明的类似量值的金属粘结剂。由于这些烧结的碳化物球粒中相对低量值的金属粘结剂，它们的硬度超越具有更高量值金属粘结剂的烧结碳化物球粒(对于给定晶粒大小的硬质碳化物颗粒)而得到增大。该碳化物可以选自碳化钨(WC)、碳化二钨(W2C)、碳化钛(TiC)、碳化钽(TaC)、碳化铬(Cr3C2)、以及碳化钒(VC)。可以任选地将硼化物如二硼化钛(TiB2)加入该或这些碳化物中或者单独来使用。例如，该碳化物可以包括具有高达10重量百分比W2C的WC。同样地，可以向WC中加入量值高达2重量百分比的Cr3C2和/或量值高达0. 5重量百分比的VC。 其他任选的元素可以按高达0. 5重量百分比的量值来加入，诸如Ni、Ti、Ta以及Nb。该碳化物可以按平均颗粒尺寸为从约0. 5至约10微米、典型地从约2至约4微米的粉末的形式来提供。该金属粘结剂可以选自钴、铁、镍、钢、以及它们的多种混合物。该金属粘结剂可以按平均颗粒尺寸为从约0. 5至约100微米、典型地从约35至约45微米的粉末的形式来提{共。本发明的碳化物球粒可以用在涉及表面改性的若干耐磨应用中的任何一种之中。 这些包括硬质焊面、等离子钨弧、以及高速氧燃料涂覆应用。例如，这些碳化物球粒可以用作硬质焊面材料以及工件的切削表面，这些工件包括多种工具，如手铲和电铲、切削工具、 锤、农业工具、钻头尖等。这些碳化物球粒还可以在用于固定刀具的石油和天然气钻尖的基体粉末中使用。与目前可供使用的含有更大量值金属粘结剂(例如钴)的碳化物球粒相比较，这些碳化物球粒提供了改进的机械特性(包括改进的耐磨性)，同时维持所要求的强度以及为了这些硬质焊面材料被施用其上的工具的更长寿命所要求的韧性。根据本发明的一个实施方案，本发明的烧结碳化物球粒可以用于硬质焊面的焊条 10中，在该硬质焊面的焊条中这些球粒被包含在图2中示意性示出的一个硬质焊面的管12 中，其中焊条10的直径和长度未按比例来描绘。硬质焊面的焊条10包括一个软钢皮或者铁套管12，它包含根据本发明制成的碳化物球粒14。除这些碳化物球粒14之外，在管12中可以任选地包括典型地在硬质焊面的焊条中使用的其他材料，如脱氧剂类、焊剂类以及树脂粘结剂类。管12的内径ID的范围可以从约0. 11英寸至约0. 22英寸，并且管12的外径 OD的范围可以从约0. 13英寸至约0. 28英寸。管壁厚度可以是从约0. 016英寸至约0. 06 英寸。焊条10长度L的范围可以从约10至约30英寸。可以将该硬质焊面通过将焊条的一端熔化在待涂覆的基底表面上而施加到不同的基底上。钢管或焊条在它被焊接到表面上时熔化并且为这些碳化物球粒提供基体。基底表面上的硬质焊面层厚度的范围可以从约0. 0625至约0. 5英寸。授予Newman等人的美国专利号5，250，355中披露了可以用于施加一种硬质焊面组合物(包括根据本发明的传授内容的烧结碳化钨球粒)的一种形成硬质焊面方法，该专利可以通过引用结合在此。本发明的烧结碳化物球粒可以用于形成一种复合材料，该复合材料不仅用作本体上和/或切割元件上的硬质焊面、而且用于形成该本体以及切削元件的多个部分或全部、 并且用作块体复合材料。本发明的烧结碳化物球粒还可以用于基体粉末(用于固定刀具的石油和天然气钻尖)、等离子钨弧(PTA)粉末、以及高速氧染料(HVOF)粉末中。以下示例旨在展示本发明的不同方面、而并非旨在限制本发明的范围。实例制造了包括碳化钨颗粒和2重量百分比金属粘结剂的烧结碳化物球粒。将具有的平均颗粒尺寸为约5微米的碳化钨粉末以98重量百分比的量值与具有的平均颗粒尺寸为约1微米的2重量百分比钴粉末进行混合。将石蜡以该粉末混合物的2重量百分比的量值与该粉末在一个球磨机中混合约12小时。在一个单轴压机中以每平方英寸3吨的压力将该混合物进行压制以形成一个生压坯。通过迫使该生压坯通过一个斯托克斯造粒机筛网而粉碎该生压坯，该斯托克斯造粒机筛网将该生压坯压碎而形成具有约1130微米平均颗粒尺寸的有小面的粒料。图3是该样品的有小面的粒料的显微照片，示出了这些粒料的尖锐边缘。然后通过将这些粒料在一个研磨机滚筒中以每分钟约50至120转的速度翻滚约 60分钟从而圆化掉这些尖锐边缘来将这些有小面的粒料成型为总体上球形的生坯球粒。图 4是所成型的具有约1295微米平均颗粒尺寸的基本上球形的生坯球粒的显微照片。将这些生坯成粒的球形球粒以松散的形式载入一个陶瓷舟皿中并且载入一个在约1450°C下的具有如下倾斜升温、保持、以及冷却程序的一个烧结-热等静压炉中从室温以每分钟0. 5至3度的倾斜速率倾斜升温至400°C ；在400°C下保持1小时；从400°C以每分钟6度倾斜升温至1400°C ；在1400度下保持30分钟；并且通过关掉炉子的电源而允许以炉子的自然冷却速率冷却来进行冷却。在这段时间内，钴发生熔化来帮助将相邻的碳化物颗粒一起结合或者粘结在各个球粒之内。然后在一个辊式压碎机中将所生成的烧结碳化钨球粒进行处理以便将烧结过程中粘在一起的任何球粒打碎。所生成的烧结碳化物球粒的尺寸的范围为从约200目(74微米)至约-80目(178微米)，并且具有的平均颗粒尺寸为约125微米。图5是所形成的致密的烧结的总体上球形的球粒的显微照片。图6是这些碳化物球粒之一的显微结构的显微照片。然后将所生成的碳化物球粒的一部分引入一个硬质焊面的管中、并且作为一种硬质焊面组合物通过使用常规的硬质焊面应用技术而施加到一个钢基底上。该硬质焊面的管是由一个钢皮制成的，具有的内径为0. 156英寸、外径为0. 18英寸、厚度为0. 024英寸、并且长度为观英寸。图7是所生成的硬质焊面组合物的一个截面的显微照片，该组合物包含涂敷到基底上的本发明的碳化物球粒。这个硬质焊面的厚度为约0. 125英寸。虽然出于解说目的已经在上面说明了本发明的多个具体实施方式
，但是对于本领域那些普通技术人员而言明显的是无需背离如所附权利要求书中限定的本发明即可进行对本发明的细节的多种变更。
权利要求
1.一种用于形成碳化物球粒的方法，包括将一种包括碳化物粉末颗粒和小于3重量百分比的金属粘结剂粉末颗粒的混合物进行压制以形成一个生压坯；将所形成的生压坯粉碎以形成包括这些碳化物和金属粘结剂粉末颗粒的有小面的粒料；将这些有小面的粒料成型以形成包括这些碳化物和金属粘结剂粉末颗粒的基本上球形的生坯球粒；并且将这些基本上球形的生坯球粒进行烧结以形成包含小于3重量百分比金属粘结剂的致密的基本上球形的烧结碳化物球粒。
2.如权利要求1所述的方法，其中该金属粘结剂存在的量值是从约0.01至约2. 9重量百分比。
3.如权利要求1所述的方法，其中该金属粘结剂存在的量值是从约0.5至约2. 5重量百分比。
4.如权利要求1所述的方法，其中该金属粘结剂存在的量值是约2重量百分比。
5.如权利要求1所述的方法，其中该金属粘结剂包括钴、铁、镍、钢、或者它们的一种组合。
6.如权利要求1所述的方法，其中该金属粘结剂包括钴。
7.如权利要求1所述的方法，其中该碳化物包括碳化钨、碳化二钨、碳化钛、碳化钽、碳化铬、碳化钒、或者它们的一种组合。
8.如权利要求1所述的方法，其中该碳化物包括碳化钨。
9.如权利要求1所述的方法，其中这些有小面的粒料具有从约74至约1885微米的平均尺寸，这些基本上球形的生坯球粒具有从约381至约1130微米的平均尺寸，并且这些致密的球形烧结球粒具有从约381至约1885微米的平均尺寸。
10.如权利要求1所述的方法，其中该粉碎步骤包括迫使所形成的生压坯穿过一个筛网以便将该生压坯压碎从而形成处于选定尺寸的这些有小面的粒料。
11.如权利要求1所述的方法，其中该成型步骤包括使这些有小面的粒料经受一个摇滚过程以形成这些基本上球形的生坯球粒。
12.如权利要求1所述的方法，其中该烧结是在范围在约1380°C与1480°C之间的温度下完成的。
13.—种通过权利要求1所述的方法制成的烧结碳化物球粒，包含小于3重量百分比的该金属粘结剂。
14.一种硬质焊面的焊条，用于将一个耐磨层施加到一个工件上，该硬质焊面的焊条包括一个套管；以及包含于该套管中的多个碳化物球粒，这些碳化物球粒包括硬质金属碳化物以及小于3 重量百分比的一种金属粘结剂。
15.如权利要求14所述的硬质焊面的焊条，其中该金属粘结剂存在的量值是从约0.01 至约2. 9重量百分比。
16.如权利要求14所述的硬质焊面的焊条，其中该金属粘结剂存在的量值是从约0.5至约2. 5重量百分比。
17.如权利要求14所述的硬质焊面的焊条，其中该套管包括铁或钢。
18.一种耐磨硬质焊面组合物，包括烧结的碳化物球粒，这些碳化物球粒包括硬质金属碳化物颗粒以及小于3重量百分比的金属粘结剂。
19.如权利要求18所述的耐磨硬质焊面组合物，其中该金属粘结剂存在的量值是从约 0.01至约2. 9重量百分比。
20.如权利要求18所述的耐磨硬质焊面组合物，其中该金属粘结剂存在的量值是从约 0.5至约2. 5重量百分比。
全文摘要
本发明涉及用于耐磨损应用的碳化物球粒。通过压制、粉碎、成型、以及烧结的步骤来生产包括相对少量金属粘结剂的碳化物球粒。这些碳化物球粒可以用作耐磨的硬质焊面材料，这些硬质表面材料适用于不同类型的工具。这些碳化物球粒提供了改进的机械特性如硬度和磨损性、同时维持了所要求的韧性和强度水平。
文档编号B23K35/30GK102312147SQ20111017450
公开日2012年1月11日 申请日期2011年6月27日 优先权日2010年6月30日
发明者D·巴纳吉, T·W·科尔克, 田宏波, 邓欣, 郑青军 申请人:钴碳化钨硬质合金公司