专利名称：具有设计的坚硬表面的功能梯度碳化钨硬质合金及其制备方法
具有设计的坚硬表面的功能梯度碳化钨硬质合金及其制备方法背景本申请涉及含有金属粘合剂梯度的功能梯度碳化钨硬质合金材料。所述金属粘合 剂可以是钴、镍、铁或其合金。这种材料可用于金属切削工具、用于石油勘探的岩石钻孔工 具，采矿、建筑和道路施工工具，以及许多其他的金属加工工具、金属成形工具、金属塑形工 具和其他应用。对于背景信息，读者应该参考美国专利申请公布第2005/0276717号，所述 专利申请通过引用明确地并入。如以上提到的先前专利公布所说明的，期望构建包括一定量的金属粘合剂的碳化 钨硬质合金材料(“WC”材料)。期望构建具有韧性和耐磨性的组合的碳化钨硬质合金材 料。碳化钨硬质合金由大体积分数的在金属粘合剂基质中的WC颗粒组成，是用于金 属加工、金属成形、采矿、石油和天然气钻井和所有其他应用的最广泛使用的工业工具材料 之一。与传统的碳化钨硬质合金相比，具有从表面延伸至烧结层的内部的金属粘合剂梯度 的功能梯度碳化钨硬质合金(FGM碳化钨硬质合金)提供机械特性的优越组合。例如，在表 面区域具有较低金属粘合剂含量的FGM碳化钨硬质合金显示出较好的耐磨性能，产生较坚 硬的表面与较坚韧的核心的组合。虽然容易理解FGM碳化钨硬质合金的潜在优势，然而FGM 碳化钨硬质合金的制造是严峻的挑战。通常经真空中的液相烧结(LPS)方法烧结碳化钨硬 质合金。不幸地是，当具有初始金属粘合剂梯度的碳化钨硬质合金经受液相烧结时，出现液 态金属粘合剂相的迁移，且金属粘合剂的梯度容易消失。概述简单概括地说，描述了制备功能梯度碳化钨硬质合金材料的方法。在一个实施方 案中，该方法可包括获得碳化钨和金属粘合剂的烧结碳化钨硬质合金。烧结材料可经一种 方法热处理，所述方法包括在多相非平衡态的第一温度范围下加热所述烧结材料的步骤， 在此温度范围下，至少固体碳化钨、液体金属粘合剂和固体金属粘合剂共存。此外，在热处 理方法后，所述材料包括具有比材料主体的金属粘合剂含量的额定值低的金属粘合剂含量 的表面层。任选地，所述热处理方法可以是两步方法，其包括在渗碳气氛中和在多相非平衡 态以上的温度下加热烧结材料，以致液体金属粘合剂而非固体金属粘合剂与碳化钨共存， 然后在多相区域的温度范围下加热。在又一个任选的实施方案中，所述热处理方法可以是 三步方法，其包括继多相非平衡态之后在脱碳气氛和低于多相区域的温度下加热所述烧结 材料，以致固体金属粘合剂而非液体金属粘合剂与碳化钨共存。附图简述通过之后的详细描述以及附图，本发明的其他特征和优势将变得明显，所述详细 描述和附图阐释例如本发明的特征；且其中
图1是显示WC-Co样品的表面区域的钴含量的图，表明3步热处理后，钴减少的表 面层形成。图2是具有IOwt % (重量百分比)Co的W-Co-C系统的三元相图的纵断面。
图3是显示WC-C0样品的表面区域的钴含量的图，表明1步热处理后，钴减少的表 面层形成。图4是显示WC-Co样品的表面区域的钴含量的图，表明2步热处理后，钴减少的表 面层形成。现在参考阐释的示例性实施方案，且用于本文的具体语言将描述相同地含义。然 而，应理解，此处旨在不限制本发明的范围。详细描述在公开和描述本发明之前，应理解，本公开不限于本文公开的特定方法步骤和材 料，因为这种方法步骤和材料在某种程度上可改变。还应理解，本文使用的术语仅用于描述 特定实施方案的目的。该术语无意为限制性的，因为本公开的范围旨在仅通过附加的权利 要求和其同等要求限制。
必须注意，如本说明书和附加的权利要求中所用，单数形式“一 (a) ”、“一 (an) ”和 “该(the)”包括复数指示物，除非文中清楚地另外指出。如本文所用，“表面层”指从表面到金属粘合剂含量升高至与额定组成的金属粘合 剂含量相等的深度处的厚度。如本文所用，“材料的主体”或“所述材料的主体”指非所述表面层的材料部分。如本文所用，“热处理”通常指可具有一个或多个步骤的单一连续加热方法。通常， 多步方法是其中逐步调整温度以获得新的区域且在各步骤之间不需要或甚至通常不期望 冷却的单一加热运行的一部分。如本文所用，“额定”指所述材料的平均组成，不论其为均勻的或是有梯度的。如本文所用，当指范围时，“在…内”包括范围的端点。例如，在多相区域内的温度， 将包括多相区域的端点；即如果多相区域是1275°C和1325°C之间的温度范围，则认为所述 的范围将包括端点1275和1325。可使用独特设计的热处理方法由烧结碳化钨硬质合金材料获得功能梯度碳化钨 硬质合金材料。获得烧结碳化钨硬质合金材料的方法一般包括制备碳化钨和金属粘合剂的 粉末混合物，并将所述粉末压制到一起。在一些实施方案中，可使用已知技术，诸如使用单 轴冷模加压方法压制所述粉末，尽管其他的压制技术可能是合适的。压制后，则可根据标准烧结程序，例如在1400°C，真空下，烧结该粉末。如本领域所 知，这种烧结方法可产生均勻的碳化钨硬质合金材料，且WC基质中金属粘合剂的量在整个 样品中是相等的(均勻的或基本均勻的)。然而，在本实施方案中，执行其他的方法以产生所需的具有改良的特性的功能梯 度(FGM)碳化钨硬质合金。特别地，这一步骤是“热处理”方法。该热处理方法自身包括至 少一个在多相区域的温度范围中热处理的步骤，在所述温度范围内，至少固体碳化钨、液体 金属粘合剂和固体金属粘合剂共存。还可存在其他的固体添加剂，诸如其他过渡金属的碳 化物，包括VC、Cr2C3> NbC, TiC、TaC0该热处理方法还可包括在多相区域以上或以下的温度 范围中的一个或多个额外步骤。明显地，已发现2步和3步热处理提供更理想的结果，甚至 超过1步热处理方法。热处理方法作为整体或其组成步骤，可在相同的烧结冶炼进程中进 行，不用从该炉中移出样品，或在不同的炉不同的热循环中进行。例如，如果在常见的冶炼 进程中进行烧结和热处理，则本文描述的热处理方法成为烧结循环的延伸。所需的FGM碳化钨硬质合金与传统碳化钨硬质合金相比，具有更加坚硬和更加耐磨的表面层，以及更加 坚韧的核心。坚硬和耐磨表面层可主要由具有梯度金属粘合剂含量的碳化钨硬质合金组成。表 面的金属粘合剂含量可明显低于主体的额定组成的金属粘合剂含量。金属粘合剂含量按 照与距离表面的深度的函数增加，且在某一深度可达到并甚至超过组合物的额定组成。表 面的金属粘合剂含量可小于额定组成的95%，且在一些情况下，小于额定组成的的30%至 90%。表面层的深度可超过10微米，诸如从50至5000微米。为了制造以上描述的功能梯度碳化钨硬质合金产物，描述了以下方法。
烧结碳化钨硬质合金材料可根据工业中使用的标准生产程序制备。烧结碳化钨硬 质合金材料可从合适的商业来源制备或获得。一方面，金属粘合剂可以是钴、镍、铁或它们 的合金。另一方面，所述烧结材料可进一步包括钛、钽、铬、钼、铌、钒及其碳化物、氮化物和 碳氮化物中的至少一种。通常，大多数这些添加剂可以小于约20衬％的量存在，尽管对于特 定的应用可进行变化。通常，为粒度精化或高温变形和化学耐磨性的改善而加入这些添加 剂。烧结碳化钨硬质合金材料可具有亚化学计量(或相对于化学计量碳减少)、化学 计量或超化学计量(或或相对于化学计量碳过量)的碳含量。一方面，碳含量可以是亚化 学计量的。WC按照其式的化学计量的碳含量按重量计是6. 125%。加入金属粘合剂后，总 碳含量将根据金属粘合剂含量按比例减少。热处理方法之前，可任选地施用预处理，其中对烧结材料脱碳。预处理可在与热处 理方法相同的冶炼进程中进行，或在不同的冶炼进程或不同的炉中进行。可通过使所述烧 结材料经受脱碳气氛来进行这种脱碳步骤。例如，该气氛可以是真空、氢气、氮气或类似气氛。关于所述材料的碳含量的另一方面是，在热处理方法前，所述材料的碳含量可足 够高，以致材料中没有复杂的碳化物。具有比碳化钨的碳含量低的碳含量的复杂碳化物是 不期望的钨和金属粘合剂的易碎碳化物，当总碳含量非常低时，该易碎碳化物形成。当金属 粘合剂是钴时，复杂碳化物是具有通式Co3W3C的η -相。如果烧结材料中具有以上提到的复杂碳化物，在热处理方法前，可应用渗碳预处 理以除去复杂碳化物。预处理可在与热处理方法相同的冶炼进程中进行，或在不同的冶炼 进程进行。可通过使所述烧结材料经受渗碳气氛来进行这种渗碳步骤。例如，所述气氛可 包括二氧化碳、一氧化碳、甲烷以及类似气氛，且可包括任选的载体气体，诸如氮气、氧气或 类似气体。本发明的另一方面是，热处理可包括在多相区域温度范围内进行的多相区域处理 步骤，在所述温度范围中，至少固体碳化钨、液体金属粘合剂和固体金属粘合剂共存。这一 步骤在本文中称为多相区域步骤。这一步骤在材料中基本上不存在复杂碳化物的情况下， 可影响是否可获得明显的金属粘合剂梯度。一方面，对于未搀杂的WC-Co (即粘合剂是钴， 且没有其他的添加剂)，多相区域温度范围是1275°C至1325°C。当加入其他过渡元素诸如 V、Cr、Ta、Ti和Mo的碳化物时，温度，多相区域温度范围将根据精确的含量而改变。当由 镍、铁或合金代替钴的金属粘合剂时，温度，多相区域温度范围也将改变。如果热处理方法 仅包括这一步骤，则这一步骤可在渗碳气氛中进行，且称为一步热处理。无论如何，所述烧结材料在热处理的任何步骤期间，可没有复杂的碳化物。本发明的另一方面是，热处理方法还可包括在多相区域之外的温度范围的其他一 个或两个步骤，以致热处理成为2步或3步热处理。高于多相区域的步骤称为液体粘合剂 区域步骤，因为这一步骤中，液体金属粘合剂而非固体金属粘合剂与WC共存；而低于多相 区域的步骤称为固体粘合剂区域步骤，因为这一步骤中，固体金属粘合剂而非液体金属粘 合剂与WC共存。这些各个区域的具体温度极限将随着材料和相对比例的选择而改变。本发明的另一方面是，2步热处理可包括液体粘合剂区域步骤，随后是多相区域步 骤。第一步可在渗碳气氛中进行。第二步可在以下中进行a)真空、b)惰性气体、c)非渗 碳和非脱碳气氛、d)脱碳气氛或e)渗碳气氛。一方面，第二步在渗碳气氛下进行。另一方面，多步骤热处理方法可包括在固体粘合剂区域的第三步。一方面，3步热 处理可包括液体粘合剂区域步骤，然后是多相区域步骤，然后是固体粘合剂区域步骤。第一 步可在渗碳气氛中进行。第二步可在以下中进行a)真空、b)惰性气体、c)非渗碳和非脱 碳气氛、d)脱碳气氛或e)渗碳气氛。一方面，第二步在渗碳气氛下进行。第三步可在a)非 渗碳气氛，包括真空、中性和惰性或b)脱碳气氛中进行。一方面，第三步可在脱碳气氛下进 行。任选地，热处理是两步方法，其包括通过多相区域步骤的热处理的第一步，随后是 通过固体粘合剂区域步骤的热处理的第二步。例如，在一定温度范围内将烧结材料加热至 多相非平衡态，但未加热至形成所有液体粘合剂，所述温度范围低于多相区域温度以致加 热所述烧结材料之后固体金属粘合剂而非液体金属粘合剂与固体碳化钨共存。碳的过饱和可在材料的表面产生游离碳。根据预期的应用，这种游离碳可能不是 商业上可接受的。因此，如果游离碳是不期望的，则可执行任选的脱碳步骤。这可通过任何 合适的方法除去，且在一个实例中，可包括在加热状态下，但在所有固体的温度范围内保持 该材料。可应用真空或脱碳气氛，以致碳扩散到材料中和/或从表面除去。制备功能梯度碳化钨硬质合金材料的方法可包括获得碳化钨的烧结碳化钨硬质 合金、金属粘合剂和任选的添加剂，并经一步或多步热处理方法热处理该烧结材料。如本文 所描述，所述热处理方法包括至少在多相区域的温度范围内加热烧结材料的步骤，在此温 度范围下，至少固体碳化钨、液体金属粘合剂和固体金属粘合剂共存。此外，热处理步骤后， 所述材料包括具有比材料主体的金属粘合剂含量的额定值低的金属粘合剂含量的表面层。在一个实施方案中，可通过本文描述的任何热处理方法制备功能梯度碳化钨硬质 合金材料。一方面，可通过1步热处理方法制备功能梯度碳化钨硬质合金材料。另一方面， 可通过2步热处理方法制备功能梯度碳化钨硬质合金材料。又一方面，可通过3步热处理 方法制备功能梯度碳化钨硬质合金材料。如本文所讨论，与未由本方法形成的材料对比，该材料可具有优越的特性。一方面，功能梯度碳化钨硬质合金可包括坚硬的表面层和坚韧的核心，其中使用在1至50千克 负载下的标准维氏硬度测试方法，表面的硬度高于内部中心的硬度至少30维氏硬度数。此 夕卜，在一些情况下，功能梯度碳化钨硬质合金可基本不含石墨(即游离碳)，且在许多情况 下，完全不含石墨。在其他可选的方面，游离碳可滞留在微观结构中，从而到达材料较深 处。另外，使用本文描述的方法，功能梯度碳化钨硬质合金可具有接近额定(即在额定的 5-10%内)的内部(比表面层梯度深)金属粘合剂含量。本文中，“额定”指平均主体含量(即总粘合剂/总材料)。另一方面是，可在从接近真空至大气压以上的压力范围下，优选在IOtorr和 IOOMPa之间，执行热处理。又一方面是，可执行热处理方法作为标准烧结循环的添加步骤，且不用从炉中移 出样品。换言之，所需的FGM碳化钨硬质合金材料可在一个热循环中由粉末制备。这是可 能的，因为粘合剂金属梯度形成的动力学速率十分快。如果由于其他非技术原因而需要时， 还可使用分离的处理程序。一般说来，认为金属粘合剂梯度是在热处理的多相区域步骤中形成。尽管这一机 制的所有细节未完全了解，且不受以下观察的束缚，看起来金属粘合剂梯度形成的机制依 据以下两个原理1)其中液体_粘合剂/固体-粘合剂/WC共存的多相区域中，液体粘合剂相的体 积分数依据碳含量；且
2)如果其他条件相同，液体粘合剂相在烧结材料中从具有更多液体粘合剂相的区 域迁移至具有较少液体粘合剂相的区域。如图2所示，W-Co-C系统的三元相图阐释该机制。多相区域(在此实例中为3相 区域)位于图的中心区域，在多相区域中WC、液体金属粘合剂(在此实例中为钴)和固体 金属粘合剂(在此实例中为钴)在约1275°C至约1325°C的温度范围中共存。在这一多相 区域种，渗碳条件下，固体Co相的减少的消耗下，液体Co相的量随着增加碳含量而显著增 力口。碳扩散至材料的表面，在表面上产生较高比例的液体粘合剂。当在这一温度范围下渗 碳时，根据相图，固体Co相将转化成液体Co相。在固体-Co/液体-Co/WC多相区域的左边 界(即固相线)，固体Co相的体积分数高，且没有液体Co相；而在多相区域的右边界(即 液相线)，固体Co相的体积分数接近0，且液体Co相的体积分数最大化。液体粘合剂和固 体粘合剂的相对比例由产生的穿过材料的碳梯度影响。碳梯度提供使液体粘合剂从表面迁 离的“诱导力”，以致表面附近的粘合剂含量降低。通过在这一条件下冷却，最终产物中可保 留这一粘合剂梯度。不期望受到任何特定理论的束缚，关于对热处理的多相区域步骤中的Co梯度的 机制的以下观察可总结如下表面渗碳=>表面区域的固体Co部分地或完全地转化成液体=>表面区域的液体Co增加=>表面和核心区域之间的液体Co分布的平衡破坏=>液体Co从表面区域迁移至核心区域=>Co梯度形成。假定以上机制，一般期望的方法如下。例如，对于将要在1300°C下渗碳的具有化学 计量C含量(5. 53wt% C)的WC-IOwt % Co样品，渗碳前，C和Co含量在整个样品中是均勻 的。因此，表面区域中液体Co相的体积分数等于其在核心区域中的体积分数。换言之，液 体Co相在样品中的分布在表面和核心之间是平衡的。在渗碳方法期间，表面区域的C含量 增加，导致表面区域中液体Co相的体积分数增加。表面区域中的液体Co相的较高体积分 数破坏了表面区域和核心区域之间的液体Co相分布的平衡，导致液体Co相从表面区域迁移至核心区域，并因此导致在表面区域中具有降低的Co含量的Co梯度的形成。然而，应注意，金属粘合剂迁移的以上描述指出改变的热动力学方向。产物中的最 终梯度还依赖于对方法的动力学，包括碳扩散和液体迁移的控制。使用1-步热处理方法的实验显示，获得的Co梯度的厚度通常小于200 μ m。Co梯 度的这一有限厚度导致碳通过1-步热处理扩散至产物的深度有限。在1-步热处理中，碳 扩散方法和钴梯度形成方法相互结合。换言之，Co梯度边界与碳扩散的边界匹配。随着碳 扩散进行，表面层附近的液体Co含量的体积分数降低，这反过来显著降低碳的扩散通量和 梯度层的进展。因此，热处理可包括扩散、相位变换和液体迁移以及其他单位方法。然而，对于许多应用，特别是岩石钻井，性能的显著收益可能需要较厚的梯度。因 此设计2步热处理以制备较厚的梯度，其经由分离碳扩散和钴梯度形成，从而克服1步热处 理中碳扩散深度的限制。一方面，2步热处理的第一步可以是液体粘合剂区域步骤，且可在渗碳气氛中，在 多相区域的温度范围以上的温度下执行。在此温度下，所有的金属粘合剂以液态存在，因 此，表面区域中碳含量的增加将不会显著增加液体金属粘合剂相的量的增加，并驱动液体 金属粘合剂内迁，导致表面金属粘合剂含量的降低。因此，这一步骤中碳扩散的深度可能非 常大。一方面，2步热处理的第二步可以是多相区域步骤。一旦温度降低至多相区域温度 范围，表面区域和核心区域两者中的液体金属粘合剂的部分将转化成固体。更多的液体金 属粘合剂将在表面区域中，因为表面区域具有更高的碳含量。这破坏了表面区域和核心区 域之间的液体金属粘合剂分布的平衡，引起液体金属粘合剂从表面迁移至核心，因此在表 面和核心之间形成金属粘合剂梯度。这样，金属粘合剂梯度的最终深度等于在第一步中获 得的碳扩散的非常大的深度。使用2步热处理的实验显示，获得的金属粘合剂梯度的厚度通常小于600 μ m。此 夕卜，梯度厚度的增加经常产生具有游离石墨的表面层的出现，这将没有游离石墨的梯度层 的厚度限制在200至500 μ m。为了进一步增加没有游离石墨的梯度厚度，设计了 3步热处理，其经由将第三步 加入到2步热处理方法以除去游离石墨。3步热处理中的第三步可以是固体粘合剂区域步骤，其可在低于多相区域的温度 范围的温度下进行。在此温度下，所有的粘合剂以固态存在。将烧结材料在脱碳气氛中维 持充足的一段时间后，发现游离石墨消失。因为这一步骤中没有液体金属粘合剂，在这一步 骤之前形成的金属粘合剂梯度发现被保留。因此，使用3步热处理方法可制备非常厚的没 有游离石墨的Co梯度。一方面，产生的厚度可超过2000 μ m。事实上，没有对梯度的最大厚 度的限制。根据材料的应用和组分的实际尺寸，梯度的厚度可从50至5000微米或更大变 化。值得指出的是，制备相似的具有钴减少的表面的FGM WC-Co的公知DP碳化物方法 的机制不同于本发明。在DP碳化物方法中，核心区域的渗碳热处理之前和之后存在η相， 而表面区域中η相通过碳化反应被完全消耗。CH , (g) + j Co 3 W3C (s) = 2B 2(g) + jWC ( ^ ) + y Co (/)等式(1) 经以上反应，表面区域的液体Co的释放驱动液体Co内迁，并产生Co减少的表面。对于在本方法中使用的样本，热处理之前和之后都不存在η相，表明这一方法中 形成Co梯度的不同机制，如在以上部分中讨论。以下实施例阐释了许多目前已知的本组合物、系统和方法的实施方案。然而，应理 解，以下实施例仅示例或阐释本组合物、系统和方法的原理的应用。本领域技术人员可设计 许多改良和可选的组合物、方法和系统，且没有脱离本系统和方法的精神和范围。附加的权 利要求旨在覆盖这种改良和安排。因此，尽管以上已经特别描述了本组合物、系统和方法， 以下实施例提供进一步的细节，连同何种实施方案目前被认为是可接受的实施方案
实施例实施例1 一经1-步热处理的WC-Co。传统地液相烧结均勻WC-Co用于1步热处理试验。额定Co含量为13wt%。C含 量为亚化学计量。在混合的甲烷(CH4)和氢(H2)的渗碳气氛中进行1-步骤热处理的多相区域步骤， 其在1300°C下保持3小时。气体混合物中的(Ph2)2AV4是50，总压力是lbar。处理后，将样品的横截面刨光，并用Murakami试剂蚀刻10秒以确定是否有任何的 Co3W3C(Il)相或游离石墨存在。垂直于表面的钴浓度分布曲线使用能量色散谱(EDS)技术 测量。钴含量的各个数据点是通过扫描刨光表面上的10 μ mX 140 μ m矩形区域获得的平均 值。数据的标准变化小于测量的钴含量的10%。如图3所示，获得的Co含量分布证明在表面形成具有减少的Co含量的Co梯度。 梯度的厚度为约120 μ m。实施例2—经2步热处理的WC-Co与实施例1中相同的材料用于2步热处理试验。2步热处理的第一步是液体-Co-区域步骤，且在在混合的甲烷(CH4)和氢(H2)的 渗碳气氛中进行，其在1370°C下保持0.5小时。气体混合物中的(Ph2)2AV4是900，总压力 是 Ibar0第二步是3相区域步骤，且在混合的甲烷(CH4)和氢(H2)的渗碳气氛中进行，其在 1300°C下保持1小时。气体混合物中的(Ph2)2AV4是50，总压力是lbar。分析方法与实施例1相同。如图4所示，获得的Co含量分布证明在表面形成具有 减少的Co含量的较厚的Co梯度。梯度的厚度为约500 μ m。因此，本数据显示2步热处理 提供超过1步热处理的意外结果。实施例3—经3步热处理的WC-Co与实施例1中相同的材料用于3步热处理试验。第一步是液体-Co-区域步骤，且在在混合的甲烷(CH4)和氢(H2)的渗碳气氛中进 行，其在1370°C下保持25分钟。气体混合物中的(Ph2)2AV4是50，总压力是lbar。第二步是3相区域步骤，且在混合的甲烷(CH4)和氢(H2)的渗碳气氛中进行，其在 1290°C下保持1小时。气体混合物中的(Ph2)2AV4是50，总压力是lbar。第三步是固体-Co-区域步骤，且在在混合的甲烷(CH4)和氢(H2)的脱碳气氛中进行，其在1230°C下保持12小时。气体混合物中的(Ph2)2AV4是1300，总压力是lbar。分析方法与实施例1相同。如图1所示，获得的Co含量分布证明在表面形成具有减少的Co含量的较厚的Co梯度。梯度的厚度为约2500 μ m。在处理的材料中没有游离石墨。因此，本数据显示3步热 处理提供超过1步热处理的意外结果。尽管参考了某些优选的实施方案描述了本公开，本领域技术人员将理解，可进行 多种改良、变化、省略和代替，且没有脱离本公开的精神。因此，本发明旨在仅通过以下的权 利要求的范围限制。
权利要求
一种制备功能梯度碳化钨硬质合金材料的方法，所述方法包括获得包括碳化钨和金属粘合剂的烧结碳化钨硬质合金材料；经控制的扩散方法热处理所述烧结材料，其包括在多相温度范围内将所述烧结材料加热至多相非平衡态，其中液体和固体粘合剂相共存，且其中所述多相非平衡态包括固体碳化钨、液体金属粘合剂和固体金属粘合剂；且在预定时间处冷却所述烧结材料以使得所述功能梯度碳化钨硬质合金具有金属粘合剂含量比所述功能梯度碳化钨硬质合金的主体中的所述金属粘合剂额定值的含量低的表面层。
2.如权利要求1所述的方法，其中所述获得所述烧结材料包括制备包括碳化钨粉末和金属粘合剂粉末的粉末混合物；压制所述粉末混合物；且烧结所述压制的粉末混合物。
3.如权利要求1所述的方法，其进一步包括在所述热处理前预处理，其中所述烧结材 料被脱碳或渗碳。
4.如权利要求1所述的方法，其中所述烧结材料在所述热处理前，基本没有复杂碳化 物或n相。
5.如权利要求1所述的方法，其中所述烧结材料含有亚化学计量的碳含量。
6.如权利要求1所述的方法，其中所述烧结材料含有化学计量的碳含量。
7.如权利要求1所述的方法，其中所述烧结材料含有超化学计量的碳含量。
8.如权利要求1所述的方法，所述热处理是一步方法，其中所述烧结材料仅在渗碳气 氛和所述多相温度范围内被加热。
9.如权利要求1所述的方法，其中所述金属粘合剂是钴、镍、铁或其合金。
10.如权利要求1所述的方法，其中所述热处理是两步方法，其进一步包括在液体粘合 剂温度范围内将所述烧结材料加热至液体粘合剂区域，在所述温度范围中液体金属粘合剂 而非固体金属粘合剂与碳化钨共存，其中所述液体粘合剂区域在所述多相非平衡态之前执 行。
11.如权利要求10所述的方法，其中所述热处理是三步方法，其进一步包括在固体粘 合剂温度范围内将所述烧结材料加热至固体粘合剂区域，在所述温度范围中固体金属粘合 剂而非液体金属粘合剂与固体碳化钨共存，其中所述固体粘合剂区域在所述多相非平衡态 之后执行。
12.如权利要求1所述的方法，其中所述热处理是两步方法，其进一步包括在固体粘合 剂温度范围内将所述烧结材料加热至固体粘合剂区域，在所述温度范围中固体金属粘合剂 而非液体金属粘合剂与固体碳化钨共存，其中所述固体粘合剂区域在所述多相非平衡态之 后执行。
13.如权利要求1所述的方法，其中所述热处理在相同的炉内进行，且不用从所述炉移 出所述材料，无论所述热处理是一步、两步或三步方法。
14.如权利要求1所述的方法，其中所述烧结碳化钨硬质合金进一步包括钛、钽、铬、 钼、铌、钒、其碳化物、其氮化物和其碳氮化物中的至少一种。
15.如权利要求1所述的方法，其中所述功能梯度碳化钨硬质合金没有石墨。
16.如权利要求1所述的方法，其中所述功能梯度碳化钨硬质合金没有η相或钨和过 度金属粘合剂的其他复杂碳化物。
17.一种功能梯度碳化钨硬质合金材料，其由权利要求1所述的方法制备。
18.如权利要求17所述的功能梯度碳化钨硬质合金材料，所述功能梯度碳化钨硬质合 金材料包括坚硬的表面层和坚韧的核心，其中使用在1至50千克负载下的标准维氏硬度测 试方法，所述表面层的硬度高于所述材料的中心的硬度至少30维氏硬度数。
19.如权利要求17所述的功能梯度碳化钨硬质合金材料，其中所述表面的金属粘合剂 含量小于95%的所述额定值。
20.如权利要求17所述的功能梯度碳化钨硬质合金材料，其中所述表面层的厚度大于 10微米。
21.如权利要求17所述的功能梯度碳化钨硬质合金材料，其中所述功能梯度碳化钨硬 质合金材料没有石墨。
22.如权利要求17所述的功能梯度碳化钨硬质合金材料，其中所述功能梯度碳化钨硬 质合金没有Π相或钨和过度金属粘合剂的其他复杂碳化物。
全文摘要
公开并描述了经热处理烧结碳化钨硬质合金制备功能梯度碳化钨硬质合金材料的方法。热处理方法包括至少将所述烧结材料加热至多相非平衡的温度范围的步骤，其中包括固体碳化钨、液体金属粘合剂和固体金属粘合剂的多相共存。此外，热处理方法后，所述材料包括具有比材料主体的金属粘合剂含量的额定值低的金属粘合剂含量的表面层。
文档编号C22C29/02GK101818272SQ20101000339
公开日2010年9月1日 申请日期2010年1月19日 优先权日2009年11月19日
发明者J·郭, P·樊, Z·Z·方 申请人:犹他大学研究基金会