烧结碳化物-金属合金复合物的制作方法

专利名称：烧结碳化物-金属合金复合物的制作方法
技术领域：
本发明涉及包括烧结硬颗粒(cemented hard particles)的改进型制品和制备此 种制品的方法。
背景技术：
在科技上和商业上由烧结硬颗粒构成的材料是重要的。烧结硬颗粒包括嵌入连续 金属粘结相中的硬金属颗粒(即包含金属的)和/或陶瓷颗粒的不连续分散相。许多此种 材料具有特有的结合了耐磨损和磨耗、强度、和断裂韧度的性质。用于此处的术语具有以下意思。“强度”是材料断裂或故障时的应力。“断裂韧 度”是材料在断裂前吸收能量和塑性变形的能力。“韧性”与从起点到断裂点的在应力-应 变曲线下的面积成比例。见 McGraw Hill 的 Dictionary of Scientific and Technical Terms (5th ed. 1994)。“耐磨性”是材料抵抗其表面破坏的能力。“磨损”通常包括由于在 材料和接触面或物质之间的相对运动所引起的材料的累进损失。见Metals Handbook Desk Edition (2d ed. 1998)。分散硬颗粒相通常包括例如一种或多种碳化物、氮化物、硼化物、硅化物、氧化 物的颗粒，和任何这些类型的化合物的固溶体的颗粒。通常用于烧结硬颗粒材料的硬颗 粒是例如碳化钨的金属碳化物，并且由此这些材料通常一般是指“烧结碳化物(cemented carbide)”。连续粘结相，其粘结或“烧结(cements) ”硬颗粒在一起，通常包括，例如，钴、钴 合金、镍、镍合金、铁和铁合金中的至少之一。另外，例如铬、钼、钌、硼、钨、钽、钛、和铌的合 金元素可包含在粘结相中用于提高特殊性能。不同的商业可获得的烧结碳化物等级根据例 如组成、粒度、或不连续相和/或连续相的体积分数的至少一种性质来区分。对于一些应用来说，由烧结硬颗粒形成的部件可能需要连接到由例如钢、非 铁金属合金、和塑料的不同材料形成的部件。用于连接此种部件的技术包括例如铜焊 (brazing)、焊接(welding)、和锡焊(soldering)的冶金技术，和例如压力或收缩配合 (shrink fitting)、施用环氧树脂(印oxy)和其它粘合剂、和配合例如螺纹偶联和键槽设置 的机械特征的机械技术。当使用常规冶金或机械技术将烧结硬颗粒部件连接到由钢或非铁合金形成的部 件时，问题出现了。在烧结碳化物材料和多数钢(同时还有多数非铁合金)之间的热膨胀系 数(CTE)的差异是显著的。例如，钢的CTE范围从大约IOx lO-Win/。K到15x 10-W in/° K，其大约是烧结碳化物的5X10_6in/in/° K到7x lO-Win/。K的CTE范围的两倍。 某些非铁合金的CTE超过了钢，导致更加显著的CTE的不匹配。如果使用例如铜焊或焊接 的冶金结合技术将烧结碳化物部件连接到钢部件上，例如，在冷却过程中由于部件收缩率 的不同在部件之间的界面会产生巨大的应力。这些应力通常导致在部件的界面和靠近部件 的界面的地方产生裂缝。这些缺陷削弱了在烧结硬颗粒区域和金属或金属区域之间、以及 部件本身的连接区域之间的连接。—般来说，因为相对于钢或其它金属或金属合金来说烧结碳化物的断裂韧度是低的，使用螺纹、键槽或其它机械特征将烧结硬颗粒部件机械连接至钢或其它金属部件上是 不现实的。此外，烧结碳化物，例如，是高度缺口敏感的(notch-sensitive)并且易于在尖 锐转角处过早形成裂缝。当在部件上设计例如螺纹和键槽的机械特征时，部件中的转角难 于避免。因此，烧结硬颗粒部件可在掺入机械特性的区域内过早断裂。在Carlsson等人的美国专利No. 5，359，772中描述的技术试图克服在形成具有连 接到金属区域的烧结碳化物区域的复合制品的过程中遇到的困难。Carlsson教导了一种将 铁旋压铸造(spin-casting)到预成型的烧结碳化物环上的技术。Carlsson宣称此种技术 在铁和烧结碳化物之间形成了一种“冶金结合”。Carlsson的铸铁中的组成必须小心控制， 由此一部分奥氏体形成贝氏体，以便缓解在从铸造温度冷却的过程中在烧结碳化物和铸铁 之间由于差异收缩引起的应力。然而，在复合物形成后的热处理步骤中此种转变会发生，以 缓解已经存在的应力。因此，在Carlsson的方法中形成的在铸铁和烧结碳化物之间的连接 还可能已经遭受应力破坏。此外，Carlsson描述的连接技术具有有限的效用，并且仅在使 用旋压铸造和铸铁时有潜在的效用，对于其它金属或金属合金将无效。与将烧结硬颗粒部件连接到不相似材料部件、特别是金属部件上的相关困难对于 设计工程师来说已经形成巨大挑战，并已限制了烧结硬颗粒的应用。由此，需要改进的烧结 硬颗粒_金属和相关材料、方法和设计。发明概述根据本发明的一个非限制实施方式是关于复合烧结粉末金属制品，该制品包括含 烧结硬颗粒的第一区域和含金属和金属合金至少一种的第二区域。金属或金属合金选自 钢、镍、镍合金、钛、钛合金、钼、钼合金、钴、钴合金、钨、和钨合金。第一区域冶金结合到第二 区域上，并且第二区域的厚度超过100微米。根据本发明的另外一个非限制实施方式是关于制备复合烧结粉末金属制品的方 法。该方法包括在模具(mold)的第一区域中提供第一粉末，并在模具的第二区域中提供第 二粉末，其中第二粉末接触第一粉末。第一粉末包括硬颗粒和粉末状结合剂。第二粉末包 括选自钢粉末、镍粉末、镍合金粉末、钼粉末、钼合金粉末、钛粉末、钛合金粉末、钴粉末、钴 合金粉末、钨粉末、和钨合金粉末的金属粉末和金属合金粉末中的至少一种。该方法还包括 在模具中固结第一粉末和第二粉末以便提供生坯(green compact)。烧结生坯以便提供包 括冶金结合到第二区域的第一区域的复合烧结粉末金属制品。第一区域包括烧结第一粉末 形成的烧结硬颗粒材料。第二区域包括烧结第二粉末形成的金属或金属合金。


本文所述主题的特点和益处可通过此处的附图可以更好的理解，其中图IA示出了根据本发明的复合烧结粉末金属制品的非限制实施方式，其包括冶 金结合到镍区域的烧结碳化物区域，其中左边示出的制品包括加工进入镍区域的螺纹。图IB是根据本发明的烧结碳化物_镍复合制品的一个非限制实施方式的冶金结 合区域的横切面显微照片。图2示出了根据本发明的三层复合烧结粉末金属制品的一个非限制实施方式，其 中该复合物包括烧结碳化物区域、镍区域、和钢区域。图3是根据本发明的复合烧结粉末金属制品的区域的横切面显微照片，其中该复合物包括烧结碳化物区域和钨合金区域，并且其中该图表明了复合物的冶金结合区域。在 钨合金部分可看到的颗粒是纯钨颗粒。在烧结碳化物区域可看到的颗粒是烧结碳化物颗 粒。发明详述在本发明的非限制实施方式和权利要求中，除非在操作实施例中或有相反说明， 表示成分和产品的量或特征、工艺条件等的所有数字应理解为在所有的情况下可使用“大 约”来修饰。因此，除非有相反的说明，任何下述说明和权利要求中的数字参数是近似值，其 可根据想要在本发明主题中得到的所需性质而改变。至少，不是企图使用等同原则对权利 要求的范围进行限制，每个数字参数应至少根据所报告的有效数字的数量且通过使用通常 的凑整(rounding)方法来进行解释。根据本发明的某些实施方式涉及复合烧结粉末金属制品。复合制品是包含至少两 个区域的制品，每个区域由不同材料组成。根据本发明的复合烧结粉末金属制品包括至少 一第一区域，其包括烧结硬颗粒，该第一区域冶金结合到第二区域上，该第二区域包括金属 和金属合金中的至少一种。根据本发明的复合制品的两个非限制实施方式示于图IA中。烧 结粉末金属制品100包括以烧结碳化物区域110形式的第一区域，其冶金结合到以镍区域 112形式的第二区域。烧结粉末金属制品200包括以烧结碳化物区域210形式的第一区域， 其冶金结合到以螺纹镍区域212形式的第二区域。本领域技术人员均知烧结粉末金属材料是通过压制和烧结大量的冶金粉末来制 造的。在常规的压制和烧结过程中，将冶金粉末混合体置入模具空隙中并压制以形成“生 坯”。烧结生坯，其使得坯料密实并将单个粉末颗粒冶金结合到一起。在某些情况下，可在 烧结过程中将坯料固结至完全或接近完全的理论密度。在根据本发明的复合制品中，第一区域的烧结硬颗粒是包括分散在连续粘结相中 的硬颗粒非连续相的复合物。包括在第二区域中的金属和/或金属合金为选自钢、镍、镍合 金、钛、钛合金、钼、钼合金、钴、钴合金、钨、和钨合金中的一种或多种。该两个区域是由被压 制和烧结在一起的冶金粉末形成。在烧结过程中，在第一和第二区域间形成冶金结合，例 如，在第一区域中的烧结硬颗粒和第二区域中的金属和/或金属合金之间的界面处形成冶
虚纟口口。本发明人确定在烧结过程中形成在第一区域(包括烧结硬颗粒)和第二区域(包 括金属和金属合金中的至少一种)之间的冶金结合(metallurgical bond)惊人的和出乎 预料的牢固。在根据本发明的不同的实施方式中，第一和第二区域间的冶金结合没有显著 缺陷(包括裂缝和脆的次生相)。当使用常规技术将烧结硬颗粒材料连接到金属或金属合 金时此种连接缺陷经常出现。根据本发明形成的冶金结合在显微组织水平上直接形成于第 一和第二区域之间，并且显然比使用例如Carlsson的美国专利No. 5，359，772中所述的铸 造技术将烧结碳化物与金属或金属合金连接到一起的现有技术所形成的连接牢固。包括将 熔铁铸造到烧结硬颗粒上的Carlsson的方法不能形成牢固的连接。熔铁通过与碳化钨颗 粒起化学反应并形成通常所说的Π相的脆相而与烧结碳化物反应。因此界面是弱的和脆 的。由Carlsson所述技术所形成的连接被限制于可在相对低熔点的熔融铸铁和预成型的 烧结碳化物之间形成的相对弱的连接。此外，此种技术仅适用于铸铁，因为其依赖奥氏体到 贝氏体的转变，以便在连接区域缓解应力。
使用此处所述材料通过本文所述的压制和烧结技术形成的冶金结合避免了其它 连接技术中的应力和破裂。根据本发明形成的牢固连接有效地抵消了由于连接的材料的 热膨胀性的不同所引起的应力，由此没有在复合制品的第一和第二区域之间的界面形成裂 缝。相信这是至少部分由于通过本发明的技术形成的出乎预料的牢固冶金结合的性质所导 致的结果，并且也是由于在本文的技术中所发现的材料的相容性所导致的结果。已经发现 并非所有的金属和金属合金能够烧结成例如烧结碳化物的烧结硬颗粒。在根据本发明的某些实施方式中，包含烧结硬颗粒的第一区域具有超过100微米 的厚度。同样，在某些实施方式中，第一区域具有超过涂层的厚度。在根据本发明的某些实施方式中，第一和第二区域各自具有超过100微米的厚 度。在其它某些实施方式中，第一和第二区域各自具有超过0.1厘米的厚度。在其它实施 方式中，第一和第二区域各自具有超过0. 5厘米的厚度。根据本发明的某些其它实施方式 包括具有超过1厘米厚度的第一和第二区域。其它实施方式包括具有厚度超过5厘米的第 一和第二区域。同样，在根据本发明的某些实施方式中，至少复合烧结粉末金属制品的第二 区域或另一区域具有足够该区域包括机械连接特征(feature)的厚度，该机械连接特征例 如螺纹或键槽，以使复合制品通过机械连接特征可连接到另一制品上。这里描述的实施方式在复合制品的第一区域(包括烧结硬颗粒)和第二区域(包 括金属和金属合金中的至少一种)之间实现了出乎预料和令人惊讶的牢固的冶金结合。在 根据本发明的某些实施方式中，在第一和第二区域之间优异连接的形成与在复合物的第二 区域上结合有利的机械特征(例如螺纹或键槽)结合，以提供牢固和持久的复合制品，该复 合制品可用在多种应用中或适于连接到其它用于特殊应用的制品上。在根据本发明的其它实施方式中，第二区域的金属或金属合金的导热率小于第一 区域烧结硬颗粒材料的导热率，其中所有的导热率是在室温(20°C)下评估的。不限于任何 特定的理论，认为第二区域的金属或金属合金的导热率必须小于第一区域的烧结硬颗粒材 料的导热率，以便在第一和第二区域间形成的冶金结合具有足够的强度用于烧结硬颗粒材 料的某些要求高的应用。在某些实施方式中，只有导热率小于烧结碳化物导热率的金属或 金属合金可用于第二区域。在某些实施方式中，第二区域或任何第二区域的金属或金属合 金具有小于100W/mK的导热率。在某些实施方式中，第二区域或任何第二区域的金属或金 属合金可具有小于90W/mK的导热率。在根据本发明的某些其它实施方式中，复合制品的第二区域的金属或金属合金具 有超过1200°C的熔点。不受任何特定理论的限制，认为第二区域的金属或金属合金必须具 有超过1200°C的熔点，以便与第一区域的烧结硬颗粒材料形成的冶金结合具有的连接强度 足够用于烧结硬颗粒材料的某些要求高的应用。在其它实施方式中，复合制品的第二区域 的金属或金属合金具有超过1275°C的熔点。在一些实施方式中，第二区域的金属或金属合 金的熔点超过铸铁。根据本发明，包括在第一区域中的烧结硬颗粒必须包括至少60体积％的分 散的硬颗粒。如果烧结硬颗粒包括少于60体积％的硬颗粒，烧结硬颗粒材料将缺少 耐磨损和磨耗、强度、和断裂韧度的所需组合，这些性质的组合是使用烧结硬颗粒材 料的应用中需要的。见 Kenneth J. A. Brookes, Handbook of Hardmetals and Hard Materials (International Carbide Data，1992)。因此，如本文使用的，“烧结硬颗粒，，和“烧结硬颗粒材料”是指包括分散在连续粘结材料中的硬颗粒的非连续相的复合材料，并且 其中复合材料包括至少60体积％的硬颗粒非连续相。在根据本发明的复合制品的某些实施方式中，第二区域的金属或金属合金可包括 从0到50体积％的硬颗粒(基于金属或金属合金的体积)。相对于缺少此种硬颗粒的相 同材料来说，在金属或金属合金中的一定浓度此种颗粒的存在可提高金属或合金的耐磨 性，但对金属或金属合金的可加工性(machineability)没有显著的不利影响。显然，在金 属合金中存在高达50体积％的此种颗粒不会产生烧结硬颗粒材料，如此处定义的一样，至 少是因为硬颗粒的体积分数显著小于在烧结硬颗粒材料中的。另外，已发现在根据本发明 的某些复合制品中，第二区域的金属或金属合金中的硬颗粒的存在可改变此区域的收缩特 征，由此更加紧密接近于第一区域的收缩特征。以此种方式，第二区域的CTE可被调整为更 好地保证与第一区域的CTE的相容性，以便防止可导致裂缝的在冶金结合区域中应力的形 成。因此，根据本发明的某些实施方式，复合制品第二区域的金属或金属合金包括从0 到50体积％、优选不超过20至30 (no more than 20to 30)体积％的分散在金属或金属合 金中的硬颗粒。认为会影响金属或金属合金耐磨性和/或收缩性的金属或金属合金区域中 的硬颗粒的最小量在大约2到5体积％。由此，在根据本发明的某些实施方式中，复合制品 第二区域的金属或金属合金包括从2到50体积％的、优选从2到30体积％的分散在金属 或金属合金中的硬颗粒。其它实施方式可包括从5到50%硬颗粒，或从5到30体积％的硬 颗粒分散在金属或金属合金中。其它实施方式可包括从2到20、或从5到20体积％的分散 在金属或金属合金中的硬颗粒。某些其它实施方式可包括从20到30体积％的分散在金属 或金属合金中的硬颗粒。包括在第一区域以及任选地第二区域中的硬颗粒，可选自例如碳化物、氮化物、硼 化物、硅化物、氧化物、和它们的混合物和它们的固溶物。在某实施方式中，第二区域的金属 或金属合金包括多达50体积％的分散的碳化钨颗粒。在根据本发明的某些实施方式中，第一区域的烧结硬颗粒材料的分散硬颗粒相可 包括一种或多种选自碳化物、氮化物、硼化物、硅化物、氧化物、和它们的固溶物的硬颗粒。 在某些实施方式中，硬颗粒可包括至少一种选自钛、铬、钒、锆、铪、钽、钼、铌、和钨的过渡金 属的碳化物颗粒。在其它实施方式中，第一区域的烧结硬颗粒材料的连续粘结相包括钴、 钴合金、镍、镍合金、铁、和铁合金中的至少一种。粘结体(binder)也可包括例如一种或多 种选自钨、铬、钛、钽、钒、钼、铌、锆、铪和碳中的元素，含量直到这些元素在粘结体中的溶解 度极限。另外，粘结体可包括多达5重量％的一种或多种选自铜、锰、银、铝、和钌的元素。 本领域技术人员应当知道任何或所有的烧结硬颗粒材料的成分可引入到冶金粉末中，从而 烧结硬颗粒材料形成为单质形式(elemental form)、化合物(compounds)、和/或母合金 (master alloy)。烧结硬颗粒材料例如烧结碳化物的性质依赖于包括平均硬颗粒粒度和硬颗粒和/ 或粘结体的重量分数或体积分数的参数。通常情况下，随着粒度的降低和/或粘结体含量 的降低，硬度和耐磨性增加。另一方面，随着粒度的增加和/或粘结体含量的增加，断裂韧 度增加。因此，当选择烧结硬颗粒材料等级用于任何应用时在耐磨性和断裂韧度之间有个 平衡关系。当耐磨性增加时，断裂韧度通常降低，反之亦然。
本发明的制品的某些其它实施方式包括包含至少一种过渡金属的碳化物颗粒的 硬颗粒，其中过渡金属选自钛、铬、钒、锆、铪、钽、钼、铌、和钨。在某些其它实施方式中，硬颗 粒包括碳化钨颗粒。在其它实施方式中，碳化钨颗粒可具有从0.3到IOym的平均粒度。在第一区域中的烧结硬颗粒材料的硬颗粒优选占烧结硬颗粒材料总体积的大约 60到大约98的体积百分比。硬颗粒分散在粘结体基质中，该粘结体优选构成烧结硬颗粒材 料总体积的大约2到大约40的体积百分比。根据本发明的复合制品的实施方式也可包括混合(hybrid)烧结碳化物，混合烧 结碳化物例如同时待审的美国专利申请序列号No. 10/735，379中描述的任何混合烧结碳 化物，其全部内容引入此处作为参考。例如，根据本发明的制品可包含至少一个第一区域 (包括混合烧结碳化物)被冶金结合到包含金属和金属合金中一种的第二区域上。某些其 它制品可包含至少一个包括烧结硬颗粒的第一区域、包括金属和金属合金中至少一种的第 二区域，其中第一区域和第三区域被冶金结合到第二区域，并且第三区域包括混合烧结碳 化物材料。通常情况下，混合烧结碳化物是包含分散遍及第二烧结碳化物连续相的至少一种 烧结碳化物等级的颗粒的材料，从而形成了一种烧结碳化物的微观复合物。申请序列号为 No. 10/735, 379的混合烧结碳化物相对于某些其它混合烧结碳化物具有低分散相颗粒邻近 比率(contiguity ratio)和改进的性质。优选是，包括在根据本发明实施方式中的混合烧 结碳化物分散相的邻近比率小于或等于0. 48。同样，包括在根据本发明实施方式中的混合 烧结碳化物优选包含具有硬度超过混合烧结碳化物连续相硬度的分散相。例如，在包括在 根据本发明的复合制品的一个或多个区域中的混合烧结碳化物的某些实施方式中，混合烧 结碳化物中分散相的硬度优选超过或等于88洛氏硬度AOtockwell A Hardness,HRA)并小 于或等于95HRA，并且混合碳化物中连续相的硬度超过或等于78HRA且小于或等于91HRA。根据本发明制品的其它实施方式可在制品一个或多个区域中包括混合烧结碳化 物，其中分散的烧结碳化物相的体积分数小于混合烧结碳化物的50体积％，并且其中分散 的烧结碳化物相的邻近比率小于或等于分散的烧结碳化物相在混合烧结碳化物中的体积 分数的1.5倍。根据本发明制品的某些实施方式包括包含金属和金属合金中至少一种的第二区 域，其中该区域包括至少一种机械连接特征或其它机械特征。此处使用的机械连接特征使 得根据本发明的某些制品可连接到某些其它制品上并作为更大装置的部分起作用。机械连 接特征可包括，例如，螺纹、插槽(slots)、键槽、齿或嵌齿(cogs)、阶梯(St印S)、斜面、孔、 销(pins)和臂。因为烧结硬颗粒材料有限的抗拉强度和缺口敏感性，先前不可能在仅由烧 结硬颗粒形成的用于某些高要求应用的制品上成功地包含此种机械连接特征。现有技术的 制品包括包含一个或多个机械连接特征的金属或金属合金区域，其通过不同于共压制和烧 结的方式连接到烧结硬颗粒区域。此种现有技术的制品在金属或金属合金区域和烧结硬颗 粒区域之间的连接较弱，严重限制了制品可能的应用。用于生产烧结硬颗粒部件的方法典型地包括混拌(blending)或混合包括硬颗粒 和粉末状粘结体的粉末状成份以便形成冶金粉末混合物。冶金粉末混合物可被固结或压 制形成生坯(green compact)。该生坯随后烧结成为制品或制品的一部分。根据一个方 法，冶金粉末混合物通过机械压制或等静压制被固结成为生坯，典型的压力在10，000和60，OOOpsi之间。在某些情况下，生坯可在大约400°C和1200°C之间被预烧结形成“褐”坯 (“brown” compact)。随后生坯或褐坯被烧结以便将冶金粉末颗粒自发连接在一起并进一 步密实坯料。在某些实施方式中粉末坯料可在真空或在氢气中烧结。在一些实施方式中坯 料在 300-2000psi 和 1350-1500°C 温度下过压烧结(over pressure sintered)。烧结后， 可将制品适当加工成所需形状或制品特殊几何形状的其它特征。本发明的实施方式包括制备复合烧结粉末金属复合物制品的方法。一个此方法包 括将第一冶金粉末放入模具空隙的第一区域，其中第一粉末包括硬颗粒和粉末状粘结体。 将第二冶金粉末混合物放入模具空隙的第二区域。第二粉末可包括金属粉末和金属合金 粉末中的至少一种，其中金属粉末和金属合金粉末选自由钢粉、镍粉、镍合金粉、钼粉、钼合 金粉、钛粉、钛合金粉、钴粉、钴合金粉、钨粉和钨合金粉。第二粉末可接触第一粉末，或最 初通过隔离装置在模具中将其与第一粉末分开。根据在复合制品中所需的烧结硬颗粒和金 属或金属合金区域的数量，模具可划分成另外的区域，其中可处置另外的冶金粉末混合物。 例如，模具可通过以下方式被隔离成几个区域，在模具空隙中放置一个或多个物理隔离物 以限定几个区域，和/或仅通过使用不同的粉末填充模具区域而不在相邻粉末间使用隔离 物。选择冶金粉末以达到这里所述制品相应区域的所需性质。本发明方法实施方式中使用 的材料可包括任何此处所讨论的材料，但是是以粉末形式，由此它们可被压制和烧结。一旦 粉末被装载入模具后，移除任何隔离物并且在模具中的粉末随后被固结形成生坯。粉末可 例如，通过机械压制或等静压制固结。生坯随后可被烧结以便形成复合烧结粉末金属制品， 其包括由第一粉末形成的并冶金结合到由第二金属或金属合金粉末形成的第二区域上的 烧结硬颗粒区域。例如，烧结可在适于自发连接粉末颗粒和适于密实该制品的温度下进行， 例如至多1500°C的温度。制备烧结粉末金属制品的常规方法可用于形成具有不同形状和包括不同几何特 征的烧结制品。此类常规方法对于本领域技术人员来说是熟悉的。该类人，在考虑到本发 明后，可容易采用常规方法制造根据本发明的复合制品。根据本发明方法的另一实施方式包括在模具中固结第一冶金粉末形成第一生坯， 并将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结形成第二生坯。最后，烧结 第二生坯以进一步密实坯料并且在第一冶金粉末区域和第二冶金粉末区域之间形成冶金 结合。如果需要，第一生坯可被预先烧结至约1200°C的温度以便向第一生坯提供另外的 强度。根据本发明方法的此种实施方式在复合制品不同区域的设计中提供增加的灵活性 (flexibility)，对于特殊应用来说。根据此处的实施方式，第一生坯可用任何所需粉末金 属材料设计成任何所需形状。另外，该方法可根据需要重复许多次，优选是烧结之前。例如， 在固结形成第二生坯之后，第二生坯可与第三冶金粉末放入第三模具中并固结形成第三生 坯。通过此种重复方法，可形成更复杂形状。可形成包括不同性质的多个明显限定的区域 的制品。例如，本发明的复合制品可包括其中例如需要增加的耐磨性的烧结硬颗粒材料，和 在希望提供机械连接特征的制品区域中的金属或金属合金。根据本发明方法的某些实施方式涉及复合烧结粉末金属制品。如此处所使用的， 复合制品是包含至少两个区域的物件，每个区域由不同材料构成。根据本发明的复合烧结 粉末金属制品包括至少一第一区域，其包含烧结硬颗粒，第一区域冶金结合到第二区域，第二区域包含金属和金属合金中的至少一种。根据本发明复合制品的两个非限制性实施方式 示于图IA中。烧结粉末金属制品100包括冶金结合到镍区域112上的烧结碳化物区域110 形式的第一区域。烧结粉末金属制品200包括冶金结合到螺纹镍区域212形式的第二区域 上的以烧结碳化物区域210形式的第一区域。在根据本发明的复合制品中，第一区域的烧结硬颗粒是包括分散在连续粘结相中 的硬颗粒的非连续相的复合物。包括在第二区域中的金属和/或金属合金是选自钢、镍、镍 合金、钛、钛合金、钼、钼合金、钴、钴合金、钨和钨合金中的一种或多种。该两个区域由压制 和烧结在一起的冶金粉末形成。在烧结的过程中，冶金结合形成在第一和第二区域之间，例 如，在第一区域烧结硬颗粒和第二区域金属或金属合金之间的界面处。在根据本发明方法的实施方式中，本发明人确定烧结过程中在第一区域(包括烧 结硬颗粒)和第二区域(包括金属和金属合金中的至少一种)之间形成的冶金结合令人惊 讶和出乎预料的牢固。在根据本发明引申出的不同实施方式中，在第一和第二区域间的冶 金结合没有显著的缺陷(包括裂缝)。当使用通常技术将烧结硬颗粒材料连接到金属或金 属合金上时，通常出现此种连接缺陷。根据本发明形成的冶金结合在显微组织水平上直接 在第一和第二区域之间形成，并且比使用现有技术将烧结碳化物和金属或金属合金连接到 一起形成的连接要显著的牢固，例如如上所述的Carlsson的美国专利No. 5，359，772中所 述的铸造技术。使用此处所述材料通过压制和烧结技术形成的冶金结合避免了其它连接技 术所有的应力和裂缝。认为这至少部分是由于本发明技术形成的牢固冶金结合的性质所导 致的，并且也是使用在本技术中的材料的相容性所导致的。已经发现不是所有的金属和金 属合金都能烧结成例如烧结碳化物的烧结硬颗粒。同样，根据本发明形成的牢固连接有效 地抵消了由连接的材料的热膨胀性质的不同所导致的应力，因此没有在复合制品第一和第 二区域之间的界面中形成裂缝。在根据本发明方法的某些实施方式中，包含烧结硬颗粒的第一区域具有超过100 微米的厚度。同样，在某些实施方式中，第一区域具有超过涂层的厚度。此处所述方法的实施方式实现在复合制品第一区域(包括烧结硬颗粒)和第二区 域(包括金属和金属合金中至少一种)之间的出乎预料和令人惊讶的牢固冶金结合。在 根据本发明方法的某些实施方式中，在第一和第二区域之间的优异连接的形成与在复合物 第二区域上结合有利机械特征例如螺纹或键槽的步骤相结合，以提供牢固和持久的复合制 品，其可被用于不同应用中或适于连接到其它制品用于专门的应用。在根据本发明方法的某些实施方式中，第一和第二区域各自具有超过100微米的 厚度。在某些其它实施方式中，第一和第二区域各自具有超过0.1厘米的厚度。在其它实 施方式中，第一和第二区域各自具有超过0.5厘米的厚度。根据本发明的某些其它实施方 式包括具有超过1厘米厚度的第一和第二区域。其它实施方式包括具有超过5厘米厚度的 第一和第二区域。同样，在根据本发明方法的某些实施方式中，复合烧结粉末金属制品的至 少第二区域或另一区域具有足够该区域包括例如螺纹或键槽的机械连接特征的厚度，由此 复合制品通过该机械连接特征可连接到另一制品上。在根据本发明方法的其它实施方式中，第二区域的金属或金属合金具有的导热率 小于第一区域的烧结硬颗粒材料的导热率，其中所有导热率在室温(20°C)下评估。不限制 于任何特定的理论，认为第二区域的金属或金属合金必须具有小于第一区域烧结硬颗粒材
11料导热率的导热率，以便在第一和第二区域之间形成的冶金结合具有的足够强度，用于烧 结硬颗粒材料的某些高要求应用。在某些实施方式中，只有导热率小于烧结碳化物的金属 或金属合金可用于第二区域。在某些实施方式中，第二区域或任何第二区域的金属或金属 合金具有的导热率小于100W/mK。在其它实施方式中，第二区域或任何第二区域的金属或金 属合金具有的导热率小于90W/mK。在根据本发明方法的某些其它实施方式中，复合制品的第二区域的金属或金属合 金具有超过1200°C的熔点。不限制于任何特定的理论，认为第二区域的金属或金属合金必 须具有超过1200°C的熔点，以便与第一区域的烧结硬颗粒材料形成具有连接强度足够用于 烧结硬颗粒材料某些高要求应用的冶金结合。在其它实施方式中，复合制品第二区域的金 属或金属合金具有超过1275°C的熔点。在一些实施方式中，第二区域的金属或金属合金的 熔点超过铸铁。根据本发明，包括在第一区域中的烧结硬颗粒必须包括至少60体积％的分散的 硬颗粒。如果烧结硬颗粒包括少于60体积％的硬颗粒，烧结硬颗粒材料将缺少耐磨损和 磨耗、强度、和断裂韧度的所需组合，这些性质的组合是使用烧结硬颗粒材料的应用中需要 的。因此，如本文使用的，“烧结硬颗粒”和“烧结硬颗粒材料”是指包括分散在连续粘结材 料中的硬颗粒的非连续相的复合材料，并且其中复合材料包括至少60体积％的硬颗粒非 连续相。在根据本发明的制备复合制品的方法的某些实施方式中，第二区域的金属或金属 合金可包括从0到50体积％的硬颗粒(基于金属或金属合金的体积)。相对于缺少此种 硬颗粒的相同材料来说，在金属或金属合金中的一定浓度此种颗粒的存在可提高金属或合 金的耐磨性，但对金属或金属合金的可加工性(machineability)没有显著的不利影响。显 然，在金属合金中存在高达50体积％的此种颗粒不会产生烧结硬颗粒材料，如此处定义的 一样，至少是因为硬颗粒的体积分数显著小于在烧结硬颗粒材料中的。另外，已发现在根据 本发明的某些复合制品中，第二区域的金属或金属合金中的硬颗粒的存在可改变此区域的 收缩特征，由此更加紧密接近于第一区域的收缩特征。以此种方式，第二区域的CTE可被调 整为更好地保证与第一区域的CTE的相容性，以便防止可导致裂缝的在冶金结合区域中应 力的形成。因此，在根据本发明方法的某些实施方式中，复合制品第二区域的金属或金属合 金包括从0到50体积％、优选不超过20至30 (no more than 20to 30)体积％的分散在金 属或金属合金中的硬颗粒。认为会影响金属或金属合金耐磨性和/或收缩性的金属或金属 合金区域中的硬颗粒的最小量在大约2到5体积％。由此，在根据本发明的某些实施方式 中，复合制品第二区域的金属合金包括从2到50体积％的、优选从2到30体积％的分散在 金属或金属合金中的硬颗粒。其它实施方式可包括从5到50%硬颗粒，或从5到30体积％ 的硬颗粒分散在金属或金属合金中。其它实施方式可包括从2到20、或从5到20体积％的 分散在金属或金属合金中的硬颗粒。某些其它实施方式可包括从20到30体积％的分散在 金属或金属合金中的硬颗粒。包括在第一区域以及任选地第二区域中的硬颗粒，可选自例如碳化物、氮化物、硼 化物、硅化物、氧化物、和它们的混合物和它们的固溶物。在某实施方式中，第二区域的金属 或金属合金包括多达50体积％的分散的碳化钨颗粒。
在根据本发明方法的某些实施方式中，第一区域的烧结硬颗粒材料的分散硬颗粒 相可包括一种或多种选自碳化物、氮化物、硼化物、硅化物、氧化物、和它们的固溶物的硬颗 粒。在某些实施方式中，硬颗粒可包括至少一种选自钛、铬、钒、锆、铪、钽、钼、铌、和钨的过 渡金属的碳化物颗粒。在其它实施方式中，第一区域的烧结硬颗粒材料的连续粘结相包括 钴、钴合金、镍、镍合金、铁、和铁合金中的至少一种。粘结体(binder)也可包括例如一种或 多种选自钨、铬、钛、钽、钒、钼、铌、锆、铪和碳中的元素，含量直到这些元素在粘结体中的溶 解度极限。另外，粘结体可包括多达5重量％的一种或多种选自铜、锰、银、铝、和钌的元素。 本领域技术人员应当知道任何或所有的烧结硬颗粒材料的成分可加入到冶金粉末中，从而 烧结硬颗粒材料形成为单质形式(elemental form)、化合物(compounds)、和/或母合金 (master alloy)。烧结硬颗粒材料例如烧结碳化物的性质依赖于包括平均硬颗粒粒度和硬颗粒和/ 或粘结体的重量分数或体积分数的参数。通常情况下，随着粒度的降低和/或粘结体含量 的降低，硬度和耐磨性增加。另一方面，随着粒度的增加和/或粘结体含量的增加，断裂韧 度增加。因此，当选择烧结硬颗粒材料等级用于任何应用时在耐磨性和断裂韧度之间有个 平衡关系。当耐磨性增加时，断裂韧度通常降低，反之亦然。制备本发明的制品的方法的某些其它实施方式包括包含至少一种过渡金属的碳 化物颗粒的硬颗粒，其中过渡金属选自钛、铬、钒、锆、铪、钽、钼、铌、和钨。在某些其它实施 方式中，硬颗粒包括碳化钨颗粒。在其它实施方式中，碳化钨颗粒可具有从0. 3到10 μ m的 平均粒度。在第一区域中的烧结硬颗粒材料的硬颗粒优选占烧结硬颗粒材料总体积的大约 60到大约98的体积百分比。硬颗粒分散在粘结体基质中，该粘结体优选构成烧结硬颗粒材 料总体积的大约2到大约40的体积百分比。根据本发明的制备复合制品的方法的实施方式也可包括混合(hybrid)烧结碳化 物，混合烧结碳化物例如同时待审的美国专利申请序列号No. 10/735，379中描述的任何混 合烧结碳化物，其全部内容引入此处作为参考。例如，根据本发明的制品可包含至少一第一 区域(包括混合烧结碳化物)，其冶金结合到包含金属和金属合金中一种的第二区域上。某 些其它制品可包含至少一个包括烧结硬颗粒的第一区域、包括金属和金属合金中至少一种 的第二区域，和包括混合烧结碳化物材料的第三区域，其中第一区域和第三区域被冶金结 合到第二区域。通常情况下，混合烧结碳化物是包含分散遍及第二烧结碳化物连续相的至少一种 烧结碳化物等级的颗粒的材料，从而形成了一种烧结碳化物的微观复合物。申请序列号为 No. 10/735, 379的混合烧结碳化物相对于某些其它混合烧结碳化物具有低分散相颗粒邻近 比率(contiguity ratio)和改进的性质。优选是，包括在根据本发明实施方式中的混合烧 结碳化物分散相的邻近比率小于或等于0. 48。同样，包括在根据本发明实施方式中的混合 烧结碳化物优选包含具有硬度超过混合烧结碳化物连续相硬度的分散相。例如，在包括在 根据本发明的复合制品的一个或多个区域中的混合烧结碳化物的某些实施方式中，混合烧 结碳化物中分散相的硬度优选超过或等于88洛氏硬度A (Rockwell A Hardness, HRA)并小 于或等于95HRA，并且混合碳化物中连续相的硬度超过或等于78HRA且小于或等于91HRA。根据本发明的制备制品的方法的其它实施方式可在制品一个或多个区域中包括混合烧结碳化物，其中分散的烧结碳化物相的体积分数小于混合烧结碳化物的50体积％， 并且其中分散的烧结碳化物相的邻近比率小于或等于分散的烧结碳化物相在混合烧结碳 化物中的体积分数的1.5倍。根据本发明的制备制品的方法的某些实施方式包括至少在包含金属和金属合金 中至少一种的第二区域形成机械连接特征或其他机械特征。此处使用的机械连接特征使得 根据本发明的某些制品可连接到某些其它制品上并作为更大装置的部分起作用。机械连接 特征可包括，例如，螺纹、插槽(slots)、键槽、齿或嵌齿(cogs)、阶梯(St印S)、斜面、孔、销 (pins)和臂。因为烧结硬颗粒材料有限的抗拉强度和缺口敏感性，先前不可能在仅由烧结 硬颗粒形成的用于某些高要求应用的制品上成功地包含此种机械连接特征。现有技术的制 品包括包含一个或多个机械连接特征的金属或金属合金区域，其通过不同于共压制和烧结 的方式连接到烧结硬颗粒区域。此种现有技术的制品在金属或金属合金区域和烧结硬颗粒 区域之间的连接较弱，严重限制了制品可能的应用。实施例1图IA示出了烧结碳化物_金属复合制品100、200，所述制品由冶金结合到使用根 据本发明的下述方法制造的镍部分112、212上的烧结碳化物部分110、210构成。由70%碳 化钨、18%钴、和12%镍组成的烧结碳化物粉末层(可从美国阿拉巴马州麦迪逊(Madison) 的ATI Firth Sterling商购FL30 粉末)放入模具中与镍粉末层(可从美国新泽西州 怀科夫(Wyckoff)的IncoSpecial Products商购Inco Type 123高纯度镍)接触，并共 压制形成由固结粉末材料的两个不同层构成的单个生坯。在100吨的水压机中使用大约 20，OOOpsi的压力进行压制(或固结)。所得到生坯是直径大约1. 5英寸并且长度大约2 英寸的圆柱体。烧结碳化物层大约0.7英寸长，并且镍层大约1.3英寸长。压制后，复合坯 料在1380°C在真空炉中进行烧结。在烧结过程中，在任何方向上坯料的线性收缩(linear shrinkage)大约是18%。复合烧结制品在外径上研磨，并且螺纹在一个制品的镍部分212 中加工。图IB的显微相片示出了制品100和200在烧结碳化物材料300和镍材料301的 界面处的显微组织。图IB清楚示出在界面区域302处冶金结合在一起的烧结碳化物和镍 部分。没有裂缝出现在界面区域中。实施例2图2示出了通过根据本发明的粉末金属压制和烧结技术制造的并包括三个单独 的层的烧结碳化物-金属合金复合制品400。第一层401由烧结碳化物构成，从FL30 (见 上述)形成。第二层402由镍构成，从镍粉形成，且第三层403由钢构成，从钢粉形成。用 于制造复合物的方法与实施例1中所使用的方法基本相同，除了三层粉末被共压制在一起 形成生坯，而不是两层。该三层看起来均勻冶金结合在一起从而形成复合制品。在烧结制 品的外部没有裂缝在烧结碳化物和镍区域之间界面的附近出现。实施例3根据本发明使用如下方法制造由烧结碳化物部分和钨合金部分构成的复合制品。 将烧结碳化物粉末层(FL30 粉末)与钨合金粉末层(由70%钨、24%镍、和6%铜组成) 相接触地放入模具中，并共压制成由固结粉末的两个不同层构成的单一复合生坯。可在100 吨的水压机中使用大约20，OOOpsi的压制压力进行压制(或固结)。生坯是直径大约为1. 5 英寸和长大约为2英寸的圆柱体。烧结碳化物层大约1. 0英寸长并且钨合金层也大约1. 0英寸长。压制后，复合坯料在氢气中在1400°C下烧结，当烧结钨合金时其将氧化降低到最 小程度或消除了氧化。在烧结过程中，坯料沿任何方向的线性收缩为大约18%。图3示出 了显微组织，其清楚表明烧结碳化物502和钨合金500部分在界面501处冶金结合在一起。 没有裂缝出现在界面区域中。 虽然前述说明已经必要的说明了一些有限数量的实施方式，但本领域技术人员应 理解可对该主题和此处已经说明和示出的实施例的其它细节进行各种变化，并且所有的变 形将落入此处说明的本发明和权利要求的范围中。例如，尽管本发明仅必要说明了有限数 量的根据本发明构造的旋转锉(rotary burr)的实施方式，应当清楚的是其并不对本发明 和权利要求形成限定。本领域技术人员可容易的确定另外的旋转锉设计并可沿着此线索在 此处所说明的有限数量必要的实施方式的精神范围内来设计和制造另外的旋转锉。因此， 应当理解本发明不受所披露或加入到此处的具体实施方式
的限制，而是涵盖了在本发明的 原则和范围内的所有变形实施方式，如权利要求中所限定的。本领域技术人员应当意识到 可以对上述实施方式进行修改而不偏离广义的发明构思。
权利要求
1.复合烧结粉末金属制品，包含包含烧结硬颗粒的第一区域；和包含金属和金属合金中一种的第二区域，该金属和金属合金选自钢、镍、镍合金、钛、钛 合金、钼、钼合金、钴、钴合金、钨和钨合金，其中第一区域冶金结合到第二区域上，并且第一 区域和第二区域具有超过100微米的厚度。
2.权利要求1所述的复合烧结粉末金属制品，其中第二区域的金属或金属合金具有的 导热率小于烧结硬颗粒的导热率。
3.权利要求2所述的复合烧结粉末金属制品，其中第二区域的金属或金属合金具有小 于100W/mK的导热率。
4.权利要求1所述的复合烧结粉末金属制品，其中第二区域的金属或金属合金具有超 过1200°C的熔点。
5.权利要求1所述的复合烧结粉末金属制品，其中第二区域的金属或金属合金包括多 达50体积％的一种或多种选自碳化物、氮化物、硼化物、硅化物、氧化物、和它们的固溶物 的硬颗粒。
6.权利要求1所述的复合烧结粉末金属制品，其中第二区域的金属或金属合金包括多 达50体积％的碳化钨颗粒。
7.权利要求1所述的复合烧结粉末金属制品，其中烧结硬颗粒包括分散在连续粘结相 中的硬颗粒。
8.权利要求7所述的复合烧结粉末金属制品，其中硬颗粒包括一种或多种选自碳化 物、氮化物、硼化物、硅化物、氧化物和它们的固溶物的颗粒，且粘结相包括钴、钴合金、钼、 钼合金、镍、镍合金、铁和铁合金中的至少一种。
9.权利要求7所述的复合烧结粉末金属制品，其中硬颗粒包括至少一种选自钛、铬、 钒、锆、铪、钽、钼、铌和钨的过渡金属的碳化物颗粒。
10.权利要求1所述的复合烧结粉末金属制品，其中烧结硬颗粒包括碳化钨颗粒。
11.权利要求10所述的复合烧结粉末金属制品，其中碳化钨颗粒具有0.3到10 μ m的 平均粒度。
12.权利要求7所述的复合烧结粉末金属制品，其中粘结相包括钴。
13.权利要求1所述的复合烧结粉末金属制品，其中烧结硬颗粒包括2到40体积％的 连续粘结相和60到98体积％的分散在连续粘结相中的硬颗粒。
14.权利要求1所述的复合烧结粉末金属制品，其中烧结硬颗粒包括混合烧结碳化物 颗粒。
15.权利要求14所述的复合烧结粉末金属制品，其中混合烧结碳化物颗粒包含烧结碳化物连续相；和分散在烧结碳化物连续相中的烧结碳化物分散相，其中在混合烧结碳化物颗粒中的烧结碳化物分散相的邻近比率小于或等于0. 48。
16.权利要求14所述的复合烧结粉末金属制品，其中在混合烧结碳化物颗粒中的烧结 碳化物分散相的体积分数小于50体积％，并且在混合烧结碳化物相中的烧结碳化物分散 相的邻近比率小于或等于在混合烧结碳化物颗粒中的分散相的体积分数的1. 5倍。
17.—种制造复合烧结粉末金属制品的方法，包括在模具的第一区域中提供第一粉末，该第一粉末包含硬颗粒和粉末粘结体； 在模具第二区域中提供第二粉末，其中第二粉末接触第一粉末并包含金属粉末和金属 合金粉末中的至少一种，该金属粉末和金属合金粉末选自钢粉末、镍粉末、镍合金粉末、钼 粉末、钼合金粉末、钛粉末、钛合金粉末、钴粉末、钴合金粉末、钨粉末和钨合金粉末； 在模具中固结第一粉末和第二粉末以便提供生坯；和烧结生坯以便提供复合烧结粉末金属制品，其包含由第一粉末形成的并冶金结合到由 第二粉末形成的金属第二区域上的烧结硬颗粒区域。
18.权利要求17所述的方法，其中金属第二区域的导热率小于烧结硬颗粒区域的导热率。
19.权利要求8所述的方法，其中金属第二区域的导热率小于100W/mK。
20.权利要求17所述的方法，其中金属第二区域的熔点超过1200°C。
21.权利要求17所述的方法，其中金属第二区域包括高达50体积％的一种或多种选自 碳化物、氮化物、硼化物、硅化物、氧化物和它们的固溶物的硬颗粒。
22.权利要求17所述的方法，其中金属第二区域包括多达50体积％的碳化钨颗粒。
23.权利要求17所述的方法，其中烧结硬颗粒区域包括分散在连续粘结相中的硬颗粒。
24.权利要求23所述的方法，其中硬颗粒包括一种或多种选自碳化物、氮化物、硼化 物、硅化物、氧化物、和它们固溶物的硬颗粒，并且粘结相包括钴、钴合金、钼、钼合金、镍、镍 合金、铁和铁合金中的至少一种。
25.权利要求23所述的方法，其中硬颗粒包括至少一种选自钛、铬、钒、锆、铪、钽、钼、 铌和钨的过渡金属的碳化物颗粒。
26.权利要求17所述的方法，其中烧结硬颗粒区域包括碳化钨颗粒。
27.权利要求26所述的方法，其中碳化钨颗粒具有0.3到10μ m的平均粒度。
28.权利要求23所述的方法，其中粘结相包括钴。
29.权利要求17所述的方法，其中烧结硬颗粒区域包括2到40体积％的连续粘结相和 60到98体积％的分散在连续粘结相中的硬颗粒。
30.权利要求17所述的方法，其中烧结硬颗粒区域包括混合烧结碳化物颗粒。
31.权利要求30所述的方法，其中混合烧结碳化物颗粒包含 烧结碳化物连续相；和分散在烧结碳化物连续相中的烧结碳化物分散相；其中在混合烧结碳化物颗粒中的烧结碳化物分散相的邻近比率小于或等于0. 48。
32.权利要求31所述的方法，其中在混合烧结碳化物颗粒中的烧结碳化物分散相的体 积分数小于50体积％，并且在混合烧结碳化物颗粒中的烧结碳化物分散相的邻近比率小 于或等于在混合烧结碳化物颗粒中的分散相的体积分数的1. 5倍。
33.权利要求17所述的方法，其中金属第二区域具有至少100微米的厚度。
全文摘要
一种包括包含例如烧结碳化物的烧结硬颗粒的第一区域的宏观复合烧结粉末金属制品。该制品包括包含选自钢、镍、镍合金、钛、钛合金、钼、钼合金、钴、钴合金、钨、和钨合金的金属和金属合金之一的第二区域。第一区域冶金结合到第二区域上，并且第二区域具有超过100微米的厚度。此处也公开了制造宏观复合烧结粉末金属制品的方法。该方法包括共压制和烧结包括硬颗粒和粉末粘结体的第一金属粉末和包括金属或金属合金的第二金属粉末。
文档编号C22C29/00GK102112642SQ200980129471
公开日2011年6月29日 申请日期2009年6月2日 优先权日2008年6月2日
发明者埃里克.W.奥尔森, 普拉卡什.K.米尔钱达尼, 莫里斯.E.钱德勒 申请人:Tdy工业公司