专利名称：具有梯度结构的硬质合金结构部件的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种粉末冶金制造的结构部件，其由粘合剂含量为0.1-20wt.％的硬质金属合金制造，此合金中至少含有一种颗粒生长阻碍添加物以及涉及一种制造此部件的方法。
背景技术：
硬质金属可以理解为是一种复合材料，其基本上是由一种碳化成分和一种粘合剂组成。此必需的碳化物成分可以是碳化物或者金属W、Ti、Zr、Hf、V、Nb、Ta、Mo和Cr的碳化物。典型的粘合金属是Co、Ni和Fe。还可以使用其他的硬质物质，如碳氮化物(Karbonitride)。
硬质金属的性能由碳化物含量和粘合剂含量的比例、化学组成、碳化物颗粒尺寸和碳化物颗粒尺寸分布决定。由此可以产生很多使硬质金属特性适用于各个不同应用领域的可能性。
粘合剂含量的增加导致断裂韧性和抗弯强度的提高，同时硬度、刚性和抗压强度下降。在降低冲击韧性和断裂韧性条件下，碳化物颗粒大小的降低导致硬度、抗压强度和抗弯强度的增加。
对于硬质金属结构部件的制造来说，添加的碳化物粉末的颗粒尺寸在0.2μm-15μm之间以适合各自的使用目的。为了在使用细颗粒碳化物粉末时降低烧结过程中颗粒的粗糙程度，要加入颗粒生长阻碍添加物。有效的颗粒生长阻碍添加物是碳化钒、碳化铬、碳化钛、碳化钽和碳化铌。经常使用两种或者多种添加物，例如VC和Cr3C2或TaC，NbC和TiC的混合物。在加碳精炼过程前或过程中，加入颗粒生长阻碍添加物使其分布在主要成分中。如果硬质金属粉末的颗粒生长阻碍添加物或者硬质金属粉末的单个组分在细磨之前、之中或之后混合，效果也是明显的。
硬质金属结构部件可能会有局部的不同负载。对此基于两种或者多种硬质金属合金的复合材料是早就已知的，并且这种材料也是市售的。US5543235中描述了一种硬质金属复合材料，它通过粉末金属冶金的复合挤压而制造出，由于其组成和微观结构而带来了个别材料范围的不同。一种由两种硬质金属合金构成的旋转工具也在PCT/US00/33644中描述过。其制造方法同样优选为复合挤压。
制造硬质金属复合体的另一技术方案可以从US5594931中得到。在生坯(Grünling)上涂覆由粉末混合物、溶剂、粘合剂以及增塑剂组成的研磨料。用烧结使这样制造的复合生坯变得紧密。
然而上述复合材料是有缺陷的，在复合体中，性能不同的材料相互聚集产生应力集中。还要注意到，每个材料成分都具有自身特有的烧结特性。在烧结时会导致结构部件的变形。
然而，如果组分中两个材料范围之间的过渡区呈梯度，那么可以在很大程度上避免应力集中。组分中呈梯度的结构，可以被理解为在一个范围中，组分逐渐连续地发生变化。特别地，在涂覆的硬质金属的情况下，在涂层中和过渡涂层/基材中以及临近基材中形成梯度是早已公开的。例如通过添加碳氮化物达到这样的梯度。烧结时，硬质金属体边缘区域的氮会产生分解。金属的碳化或氮化元素向硬质金属体中央扩散。其中能得到边缘区域范围内粘合剂的富集和向着基质成分产生梯度过渡区。邻近硬质材料层具有粘合剂能够到达的边缘区域的可转位式切削刀片早已用于钢切削。然而，此梯度被限制在一个小的、靠近表面的范围内。
获得一个宽范围的梯度结构对于高负载的结构部件来说是有利的。因此能显著地延长寿命，更确切地说，特别地，是在对边缘和核中的硬质金属的机械要求不同时。
由于普通的粘合剂金属，例如钴，在烧结温度下显示出高的扩散性，所以在扩散过程中，在两个具有不同钴含量的硬质金属合金之间的过渡区域中实现浓度平衡是可能的。由此能获得一个连续的过渡区。一种这样的方法记载在EP0871556中。一个至少由两个粘合剂含量不同的范围组成的复合体通过复合挤压制造。烧结温度这样设置，即粘合剂金属由粘合剂含量高的复合范围扩散到粘合剂含量低的复合范围。烧结温度调整得非常精确直至不能实现完全的浓度平衡以及因此损失掉不同的材料特性是不利的。另一个不利之处是，复合挤压伴随着高的生产成本，在制备整体生坯时也是这种情况。
EP0247985和EP0498781同样公开了粘合剂相具有梯度的硬质金属体以及其制造方法。其中首先使用一种由工艺步骤得到的过碳化初始粉末混合物制造出具有平均分布的η-相的烧结体。接下来通过在碳化氛围中的处理来溶解边缘区域中的η-相。向着硬质金属体的中央方向，η-相的含量逐渐增加，粘合剂金属含量逐渐减少。然而缺点在于，η-相会使钢变脆。为此，附加的增碳步骤花费过多的时间和能量。
EP0111600公开了一种用于矿石加工的高要求的材料。该材料由内部范围和外部范围组成，这两个范围之间有机械特性的连续过渡区。一种高消耗的粉末供应作为技术方案被提出，用粉末供应的方法，在填充过程中粉末的浓度可能会连续发生改变。这样的粉末供应增加设备成本，使工艺控制困难。
发明内容
因此，本发明的任务是将提供一种具有梯度结构的硬质金属结构部件，其不具有现有技术中的缺陷。本发明的另外任务是提供一种制造它的方法。
由硬质金属合金制造的结构部件以及制造的方法可以解决本发明的任务，其中此硬质金属合金包括至少一种W、Ti、Ta、Mo、Zr、Hf、V、Nb、Cr和V金属的碳化物、混合碳化物或碳氮化物，至少一种V、Cr、Ti、Ta和Nb或这些金属的化合物的颗粒生长阻碍添加剂以及至少一种Co、Ni和Fe的金属粘合剂，其中至少一种颗粒生长阻碍添加剂中至少局部具有呈梯度的浓度分布。
颗粒生长阻碍添加剂的呈梯度的浓度分布导致碳化物颗粒尺寸呈梯度分布。另一个效果是机械特性也显示出了梯度分布。这在要求表面有高磨损耐久度和弯曲断裂强度以及内核有高韧性的地方是有利的，例如在成型材料或制金刚石的材料中。如果颗粒生长阻碍添加剂的浓度分布这样调整，即提高边缘区域的浓度值并沿着结构部件的中央方向减少，那么由此产生细颗粒的边缘区，并呈梯度向粗颗粒中央区过渡。由此，就制造出了在边缘区域具有极好磨损耐久度和弯曲断裂强度，并且在中央区具有好的韧性的结构部件。其就具有了改进的工具寿命。在高的周期性或冲击要求下，边缘区域中高的裂纹韧性会是有利的。这可以通过减少边缘区域中颗粒生长阻碍添加剂的含量来实现。通过颗粒大小的梯度分布和细颗粒化中央区可以改善结构部件的核心部分的抗压强度和抗弯强度特性。对于涂覆的部件这样的方式也是可以的。当硬质金属合金包括其他的未碳化硬质相时，只要因此不会对机械特性有明显的不利影响，同样会获得本发明的效果。
钒和铬的化合物可以作为优选的颗粒生长阻碍添加剂，最大的浓度值总计为2％(重量)。高含量会带来使钢变脆的影响。分散液或溶液在生坯表面的涂覆也可以作为有利的方法。其中，该分散液包括以细分散形式存在的颗粒生长阻碍添加剂。生坯可以以类似已压制的状态存在。如果生坯包括生长剂或增塑剂，那么按照本发明的有利方式，该生坯也能够处于生长或局部生长状态。分散液或溶液的涂覆可以通过例如浸渍、涂抹、喷涂完成。此外，分散液或溶液沿着敞开的微孔通道灌入生坯内部。作用时间和颗粒生长阻碍添加剂的含量基本上决定了吸入量或灌入深度。因此，按照所要求的分布，可以调整梯度，使其仅以微米的数量级延伸。然而，梯度一直到达结构部件的中央也是可以的。另外，该方法也可以这样实施，即首先将生坯完全用分散液浸透，然后，用相应的溶剂或用热处理方法再次从近表面区域除去该分散液。然后，在全部或局部表面涂覆该分散液。特别地，局部涂覆使仅该局部具有高硬度的结构部件和工具的制造成为可能，而且也有必需的耐磨性。剩余区域具有粗的结构和较高的裂纹韧性。此外，证明生坯的碳化物成分具有小于2μm的平均颗粒尺寸是有利的。
以下列出一些制造的例子，举例对本发明的实施作出说明。利用图1至图5说明实施例1至3的结果。
图1表示试样截面上的钒含量；图2表示钒含量及碳化物颗粒尺寸；图3表示试样截面上的硬度分布；图4表示一种拉丝工具的横截面示意图；图5表示试样截面上的硬度分布。
其中，图1和图2涉及实施例1。图3涉及实施例2，图4和图5涉及
具体实施例方式
实施例1一个含94％(重量)并具有平均颗粒大小为1μm的WC，其余为Co的硬质金属原料，用硬质金属工业的常规方法制造。用具有50kN压力的压模机(Matrizenpressen)，制成可转位式切削刀片形状的生坯。这些生坯经过常规的生长过程。此外，准备好一个由蒸馏水和V2O5组成的分散液，其中固体含量为2％(重量)，平均V2O5微粒尺寸小于50nm。随后将这些生坯在上面所述的分散液中浸渍5秒，接着在50℃的空气中干燥。将这些试样与未经后处理的对比生坯在1400℃的真空下烧结。用电子显微探头分析试样，用光学显微检验或硬度测试分析显微结构特性和机械特性，每种情况下均在各个横磨片上进行。图1表示，边缘区域的钒含量是0.24％(重量)，在试样的横截面上，此值向内部而逐渐减小。距试样边缘3.8mm处钒含量为0.08％(重量)。在对比试样中相应的钒浓度在微探针的指示极限以下。该呈梯度的钒分布带来呈梯度的颗粒稳定影响，以及WC-颗粒尺寸值都记录在图2中。如图3表示，随着边缘区平均颗粒尺寸向中央方向增加，相应的硬度值减小。
实施例2一个含89.5％(重量)并具有平均颗粒大小为0.8μm的WC，0.5％(重量)的Cr3C2，其余为Co的硬质金属原料，用硬质金属工业的常规方法制造。用具有50kN压力的压模机，制成可转位式切削刀片形状的生坯。这些生坯经过常规的生长过程。此外，准备好一个由蒸馏水和V2O5组成的分散液，其中固体含量为2％(重量)，平均V2O5微粒尺寸小于50nm。将这些生坯在上面所述的分散液中浸渍5秒，接着在50℃的空气中干燥。将这些试样与未经后处理对比生坯一起在1400℃的真空下烧结。借助电子束微探针进行试验的分析，用光学显微检验或硬度测试分析显微结构特性和机械特性。本发明的试样再次表现出具有0.21％(重量)V的边缘区值和0.03％(重量)V的中央区值的呈梯度的钒的浓度分布。相应的硬度值为1698 HV30或1648 HV30。硬度的分布描述在图3中。对比试样在整个横截面上表现出平均值为1605 HV30的均匀的硬度分布。本发明所述试样和参考试样也都经过弯曲试验。十次测试得到的平均值在本发明的试样中为3950Mpa，在对比试样中为3500Mpa。
实施例3一个含93.4％(重量)并具有平均颗粒大小为2.0μm的WC，0.2％(重量)的TiC，0.4％(重量)的TaC/NbC，其余为Co的硬质金属原料，用硬质金属工业的常规方法制造。用100Mpa的压力等静压压制，制成圆柱体生坯，通过机械加工使之成为一个硬质金属拉丝工具。该生坯经过一般的生长过程。分散液可以用蒸馏水和V2O5制得，其中固体含量为为2％(重量)，分散的V2O5微粒的颗粒尺寸小于50nm。随后将分散液有选择地涂覆在入口区域和钻孔区域中。再在50℃的空气下干燥。将试样在1400℃的真空下烧结。借助于金相试样制备方法准备一个横磨片，如图4所示。图4也表示一个借助电子束微探针和硬度测试显示出其特性的区域。边缘区钒含量为0.18％(重量)，在距试样边缘2mm处只有0.11％(重量)。图5表示逐渐的硬度分布。
权利要求
1.硬质金属合金制的结构部件，包括至少一种W、Ti、Ta、Mo、Zr、Hf、V、Nb、Cr和V金属的碳化物、混合碳化物或碳氮化物、至少一种V、Cr、Ti、Ta和Nb或这些金属的化合物的颗粒生长阻碍添加剂、至少一种Co、Ni和Fe的金属粘合剂，其中粘合剂含量为以重量百分比计的0.1-20，其特征在于，其中至少一种颗粒生长阻碍添加剂至少局部具有呈梯度的浓度分布。
2.权利要求1所述硬质金属合金制的结构部件，其特征在于，其至少局部具有呈梯度的颗粒尺寸分布。
3.权利要求1或2所述硬质金属合金制的结构部件，其特征在于，其至少局部具有呈梯度的硬度分布。
4.权利要求1至3之一所述硬质金属合金制的结构部件，其特征在于，其中的颗粒生长阻碍添加剂从结构部件的边缘区向着结构部件的中央区呈梯度递减。
5.权利要求4所述硬质金属合金制的结构部件，其特征在于，其中的碳化物颗粒大小从结构部件的边缘区向着结构部件的中央区呈梯度递增。
6.权利要求1至3之一所述硬质金属合金制的结构部件，其特征在于，其中的颗粒生长阻碍添加剂从结构部件的边缘区向着结构部件的中央区呈梯度递增。
7.权利要求6所述硬质金属合金制的结构部件，其特征在于，其中的碳化物颗粒大小从结构部件的边缘区向着结构部件的中央区呈梯度递减。
8.权利要求1至7之一所述硬质金属合金制的结构部件，其特征在于，颗粒生长阻碍添加剂由Cr和/或V或这些金属的化合物组成，其最大含量占硬质金属合金的2％(重量)，并且逐渐降低到一个值X，其中，0＜X＜1.0％(重量)。
9.制造权利要求1所述结构部件的方法，其特征在于，此方法至少包括以下步骤由硬质金属合金制造生坯，该合金包括至少一种W、Ti、Ta、Mo、Zr、Hf、V、Nb、Cr和V金属的碳化物、混合碳化物或碳氮化物、至少一种选自Co、Ni和Fe的金属粘合剂、以及任选的一种生长添加剂或一种增塑剂，按照常规的粉末金属冶金的压制或者成型方法制造；制造一种分散液或者溶液，其包括至少一种细分散或溶解的V、Cr、Ti、Ta和Nb或这些金属的化合物的颗粒生长阻碍添加剂；用例如浸渍、涂抹或喷涂将该分散液或溶液涂覆到生坯的表面上；为了调整浓度梯度，有针对性地使其产生影响；热加固。
10.制造权利要求1所述结构部件的方法，其特征在于，此方法至少包括以下步骤由硬质金属合金制造生坯，该合金包括至少一种W、Ti、Ta、Mo、Zr、Hf、V、Nb、Cr和V金属的碳化物、混合碳化物或碳氮化物、至少一种选自Co、Ni和Fe的金属粘合剂、以及任选的一种生长添加剂或一种增塑剂，按照常规的粉末金属冶金的压制或者成型方法制造；制造一种溶液，其包括至少一种V、Cr、Ti、Ta和Nb或这些金属的化合物的颗粒生长阻碍添加剂；用例如浸渍、涂抹或喷涂将该溶液涂覆到生坯的表面上；为了调整浓度梯度或完全浸透，有针对性地使其产生影响；用热处理和/或用一种溶剂使近表面范围的颗粒生长阻碍物逐渐分解；热加固。
11.权利要求9或10所述结构部件的制造方法，其特征在于，分散液或溶液仅涂覆在结构部件表面的部分范围上。
12.权利要求9或10所述结构部件的制造方法，其特征在于，生坯的碳化粉末成分的平均颗粒大小为＜2μm。
13.权利要求9或10所述结构部件的制造方法，其特征在于，用热处理步骤使该生坯至少局部生长。
全文摘要
本发明涉及一种由硬质金属通过粉末金属冶金法制备的结构部件，该硬质金属具有至少一种其浓度至少局部是梯度分布的选自V、Cr、Ti、Ta和Nb的颗粒生长阻碍添加剂。由此，机械特性也是梯度分布。此外，还涉及具有颗粒生长阻碍添加剂的浓度呈梯度分布的结构部件制造方法。其中将包括细分散或溶解的颗粒生长阻碍添加剂的分散液或者溶液涂覆在生坯的表面。通过分散液或者溶液沿着敞开的微孔通道的灌入，在生坯中的颗粒生长阻碍添加剂产生了梯度分布。此外，还描述了一种方法，此方法是将颗粒生长阻碍添加剂以溶液形式均匀分布在生坯上，紧接着在边缘范围处用热处理或溶剂逐渐分解它。
文档编号B22F7/02GK1480543SQ03147218
公开日2004年3月10日 申请日期2003年4月17日 优先权日2002年4月17日
发明者J·格拉茨勒, R·克斯特斯, 沃尔夫冈·格拉策尔, J 格拉茨勒, 冈 格拉策尔, 固厮 申请人:菩兰茜提琪股份公司