制造hip凝固部件的方法及包含耐磨层的hip部件的制作方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种制造根据权利要求1的前序部分的HIP凝固部件的方法。本发明还涉及一种根据权利要求10的前序部分的HIP凝固部件。本发明还涉及一种根据权利要求15的用于制造HIP凝固部件的粉末混合物。
【背景技术】
[0002]经受磨损的部件，比如在开采应用中的耐磨部件，通常设置有耐磨材料层。在某些情形中，整个部件可以由耐磨材料制造。
[0003]等离子体转移弧焊接(PTAW)是用于在产品上制造耐磨涂层的常规方法。在PTAW中，硬质碳化钨颗粒和韧性(ductile)金属粉末的粉末混合物被通过喷嘴供应到等离子体中，在等离子体中，粉末熔化，使得固体碳化钨颗粒悬浮在熔融的金属粉末中。熔化的粉末被转移到钢制部件的表面上，在此处，熔化的粉末凝固成包括处在较韧性金属粘结剂相的基体中的硬质碳化钨颗粒的耐磨层。在耐磨层中，硬质相和韧性相以及其分布的体积比对于耐磨层的性能和总体寿命是非常重要的。
[0004]然而，通过PTAW施加的耐磨层具有很多缺陷。例如，在凝固由PTAW施加的耐磨层期间，合金元素在熔融的金属基体中分离并使比如硼化物和碳化物的夹杂物快速生长成大块或细长的针状形状。随着夹杂物生长，它们相互连接并形成在相邻的碳化钨颗粒之间的韧性金属相中的脆性网，因而降低耐磨层的韧性。图9显示了常规的PTAW施加的材料的一部分的SEM图像。在该图像中，相互连接的针状和块状硼化物和碳化钨的网在大的白色钨颗粒之间的基体中是可见的。
[0005]而且，由于碳化钨和粘结剂相的金属合金之间的密度差，碳化钨趋向于朝向所施加的耐磨层的底部下沉。这造成耐磨层的表面区域中硬质颗粒的较低密度，因此降低耐磨层的硬度。图8显示了常规PTAW施加的材料的一部分，其中表面区域具有很少碳化钨。
[0006]进一步难以利用PTAW制造较厚的耐磨层，这是因为热应力在凝固期间在层中产生。而且，难以使用PTAW将耐磨层施加到复杂形状的部件。
[0007]因此，本发明的目的是解决上述问题中的至少一个。具体地，本发明的目的是实现一种允许制造具有改进的耐磨性的部件的方法。本发明的另外的目的是实现一种具有高耐磨性的部件。本发明的又一目的是提供一种允许制造具有高耐磨性的部件的粉末混合物。
【发明内容】
[0008]根据本发明的第一方面，上述目的中的至少一个通过一种制造耐磨部件的方法来实现，该方法包括如下步骤:
[0009]-提供限定所述部件的形状的至少一部分的模子；
[0010]_提供第一粉末，其中所述第一粉末是包含30_70vol %的碳化鹤粉末和70-30vol%的镍基合金粉末的粉末混合物，其中镍基合金按重量％计由以下组成:
[0011]C:0-1.0 ；Cr:0-14.0 ；S1:2.5-4.5 ；B:1.25-3.0 ；Fe:l.0-4.5 ;平衡量的 Ni 和不可避免的杂质；并且其中碳化钨粉末具有105-250 μ m的颗粒尺寸且镍基合金粉末具有32 μ m的最大颗粒尺寸；
[0012]-用所述粉末混合物填充所述模子的至少一部分；
[0013]-使所述模子在预定的温度、预定的等静压力下经受预定的时间的热等静压(HIP)，使得镲基合金的颗粒彼此冶金结合。
[0014]本发明方法的主要优点是:整个HIP过程在低于镍基合金的熔点的温度下执行，使得镍基合金颗粒扩散结合到彼此。在HIP期间，在镍基合金基体中析出硼化物和碳化物。硼化物和氮化物析出物的生长率还有形状受合金元素穿过固体基体的扩散率限制。在基体中析出的硼化物和碳化物因此是小的，典型地具有5至10 μπι的颗粒尺寸且以单个离散颗粒的形式分布在韧性基体材料中。
[0015]在由本发明方法制造的HIP部件中，这是有利的，因为小的且离散分布的硼化物和碳化物析出物在不造成过量脆性的情况下加强韧性镍基合金基体。该机制防止基体的所谓的“洗出(wash-out) ”且由此增加部件的耐磨性。
[0016]关于在本发明方法中使用的粉末混合物，重要的是，镍基合金颗粒的平均尺寸与碳化钨颗粒的平均尺寸相比较小。这具有如下效果:粉末混合物可以以基本上所有碳化钨颗粒分别单独地嵌入在镍基合金颗粒中且均匀地分布在粉末混合物中的方式进行共混和处理。或者，换句话说，使得基本上每一个钨颗粒完全地被镍基合金颗粒包围。“基本上所有”意味着仅碳化钨颗粒的非常小的部分彼此接触。术语“均匀地”意味着相邻的钨颗粒之间的距离在整个粉末混合物体积中近似恒定。
[0017]在由本发明方法制造的HIP部件中，在镍基合金基体中离散的、没有相互连接的颗粒的均质分布将在整个部件中产生均匀的硬度且因此产生高的耐磨性。
【附图说明】
[0018]图1是显示了用于制造HIP凝固部件的本发明方法的步骤的流程图。
[0019]图2a和图2b是在用于制造HIP凝固部件的本发明方法中使用的模子的示意图。
[0020]图3a和图3b是将本发明的镍基合金粉末与常规粉末比较的示意图。
[0021]图4是本发明部件的样品的15X放大的SEM图片。
[0022]图5是本发明部件的样品的200X放大的SEM图片。
[0023]图6是本发明部件的样品的800X放大的SEM图片。
[0024]图7是本发明部件的样品的200K X放大的SEM图片。
[0025]图8是根据现有技术的PTAW施加的材料的一部分的图片。
[0026]图9是根据现有技术的PTAW施加的材料的一部分的SEM图像。
[0027]图10是根据本发明的优选实施例的部件的示意图。
[0028]图lla-d是示出根据本发明的第一替代方式的用于制造部件的步骤的示意图。
[0029]图12a_c是示出根据本发明的第二替代方式的用于制造部件的步骤的示意图。
【具体实施方式】
[0030]图1示意性地显示了本发明的步骤。
[0031]在第一步骤中，提供模子10。模子10，也称为模具或膜盒，在图2a中以侧视图显示出来并且其限定最终部件的形状或轮廓的至少一部分。模子10典型地由钢片制造，比如焊接在一起的碳钢片。模子可以具有任何形状。在图2a中，模子限定柱体的外形且具有圆形底板11、周向外壁12和通过在模子填充之后焊接而密封到外壁12的盖13。模子10还可以限定最终部件的一部分。在该情形下，模子10被焊接到预制造的部件15，例如锻造的或铸造的部件。模子10从而设计成使得模子的壁中的一个壁由预制造的部件15的表面构成，参见图2b。这具有预制造的部件可以设置有耐磨材料层的优点。
[0032]在第二步骤中，提供粉末混合物。根据本发明，粉末混合物由碳化钨颗粒和镍基合金粉末组成。碳化钨颗粒可以是WC或W2C或者WC和W2C的混合物。碳化钨颗粒可以是球形或多面形状。钨颗粒的尺寸，即，筛分粒度是105-250 μπι。这应被理解成粉末混合物包括在105ym直到250 μπι之间的不同尺寸的钨颗粒的混合物。根据变体形式，钨颗粒的筛分粒度是150-200 μπι。在最终HIP部件中，非常硬的钨颗粒提供耐磨性。
[0033]镍基合金的粉末构成最终凝固部件中的韧性相。镍基合金的粉末具有按重量％(wt% )计的以下组分:C:0-1.0 ；Cr:0-14.0 ；S1:2.5-4.5 ；B:1.25-3.0 ；Fe:l.0-4.5 ;平衡量的Ni和不可避免的杂质。镍基合金是坚固的且韧性的并且因此非常适合作为耐磨应用中的基体材料。
[0034]碳与铬和铁一起形成小的富含金属碳化物，例如，在韧性镍基合金基体中析出的仏3(:6和17(:3。所析出的碳化物通过阻止位错传播而加强基体。优选地，镍基合金粉末包括至少0.25wt%的碳，以便确保富含金属碳化物的充分析出。然而，太多的碳可能导致减小基体的韧性的石墨的析出且因此应限制到1.0wt %。例如，碳的量是0.25-0.35或
0.5-0.75wt%。认为碳可以促进