复合金属陶瓷制品及其制造方法
2020-01-05

复合金属陶瓷制品及其制造方法

讨论了由金属陶瓷,优选的是胶结碳化物,更优选的是碳化钨,构成的制品,其制造方法和使用方法,这种制品至少具有两个区域,所说的两个区域至少有一个性质不同。优选的是,所说的金属陶瓷还表现出均匀的或控制的磨损以赋予制品自锐化性能。该多区域金属陶瓷在磨损应用中特别有用。通过并排放置并致密化具有不同性质(例如,不同的碳化钨颗粒尺寸、或不同的碳化钨化学组成、或不同的粘结剂含量、或不同的粘结剂化学组成、或者上述的任意组合)的至少两种粉末混合物制备这种金属陶瓷。优选的是,所说的金属陶瓷的第一个区域包括具有较粗颗粒尺寸的第一种陶瓷组分和预定含量的粘结剂,第二个区域,与第一个区域并置或邻接,包括第二种陶瓷组分,优选的是碳化物,具有小于第一个区域的颗粒尺寸的颗粒尺寸,大于第一个区域的粘结剂含量的第二种粘结剂含量,或者同时具备这两者。相对于用于磨损这样的应用中的整体金属陶瓷的使用寿命来说,这些制品具有较长的使用寿命。本发明的多区域金属陶瓷可以用于构成材料处理或切除的工具的制品,例如,包括,采矿、构造、农业和金属切割。

可以通过物理方法除去的分隔物可以简单到在所说的两种粉末混合物的装料过程中在模具内放入一张纸或其它薄的分隔物,它们可以在粉末混合物装料后,在粉末混合物致密化之前从模具中移走。更复杂的可以通过物理方法除去的分隔物可以包括同心的或偏向的管(不可透过的或可以透过的薄板、筛网或网状物,可以是金属的或陶瓷的或聚合物的或天然材料的,或者上述的任意组合)。可以通过物理方法除去的分隔物的形状可以是帮助所说的至少两种粉末混合物分隔的任何形状。

一个解决以降低材料的另一个性能为代价来调整整体金属陶瓷的一个性能这种无休止的循环的方法是把几种整体金属陶瓷结合在一起形成多区域金属陶瓷制品。世界上的许多个人和公司的资源(即时间和资金)已经投入到开发多区域的胶结碳化物制品中。通过在该课题方面的出版物、美国和外国的专利,以及外国的专利公布的数量可以表明投入到其开发方面的资源的数量。一些美国和外国的专利,以及外国的专利公布包括:美国专利Nos.2,888,247;3,909,895;4,194,790;4,359,355;4,427,098;4,722,405;4,743,515;4,820,482;4,854,405;5,074,62 3;5,333,520和5,335,738,外国的专利公布Nos.DE-A-3 519101;GB-A 8 06 406;EPA-0 111 600;DE-A-3 005 684;DE-A-3 519738 FR-A-2 343 885;GB-A-1 115 908;GB-A-2 017 153;和EP-A-0 542704。尽管表明了资源的量,但是在工业上还没有令人满意的多区域的胶结碳化物制品可以解决现存的问题。此外,还没有令人满意的制造多区域的胶结碳化物制品的方法。而且,还没有令人满意的自锐化整体的胶结碳化物,更不用说多区域的胶结碳化物制品。此外,还没有令人满意的方法制造出能够自锐化的多区域的胶结碳化物制品。

对于第二种粉末混合物的一个限制是其陶瓷组分的平均颗粒尺寸小于第一种粉末混合物的陶瓷组分的平均颗粒尺寸。对于第一种粉末混合物,陶瓷组分(优选的是碳化物)的颗粒尺寸范围可以从约亚微米级~约420微米或更大。亚微米级包括超细结构和纳米结构的材料。纳米结构材料具有范围约为1纳米~100纳米或更大的结构特征。优选的颗粒尺寸范围约为亚微米级~30微米,可能具有颗粒尺寸的离散,一般在约40微米的数量级上。优选的是第二种粉末混合物的陶瓷组分(优选的是碳化物)的平均颗粒尺寸范围约为1~30微米或更大,可能具有颗粒尺寸的离散,一般在约40微米的数量级上。与第一种粉末混合物的不同,第二种粉末混合物的陶瓷组分的平均颗粒尺寸(优选的是碳化物,更优选的是碳化钨)范围约为0.5~8微米,优选的是约为1~5微米;更优选的是约为2~5微米。

从尺度上来说,所说的至少两个区域的陶瓷组分(优选的是碳化物)的尺寸范围是从亚微米级到约420微米或更大。亚微米包括超细结构和纳米结构材料。纳米结构的结构特征为尺寸范围为1纳米到约300纳米或更大。第一个区域中的陶瓷组分(优选的是碳化物)的平均颗粒尺寸大于第二个区域的陶瓷组分(优选的是碳化物)的平均颗粒尺寸。

提供了具有预选的陶瓷组分(优选的是碳化物)的颗粒尺寸或颗粒尺寸分布的第一种粉末混合物和具有较细的陶瓷组分(优选的是碳化物)颗粒尺寸或颗粒尺寸分布的至少一种另外的粉末混合物。所说的至少两者粉末混合物至少是部分邻接的。所说的至少部分邻接提供或促进了在压实和致密化(例如,烧结)后,具有至少具有一种不同性能的至少两个区域的新型产品的形成。

对于多区域制品的截面,生坯的截面形状可以是简单的或复杂的或者二者的组合,包括包括多边形;例如,正方形、矩形、平行四边形、梯形、三角形、五边形、六边形等;圆形;环形;椭圆形等然后通过液相烧结把由所说的分隔的并且至少有部分邻接的至少两种粉末混合物构成的生坯致密化。致密化可以包括与制造本发明的制品相匹配的任何方法。这样的方法包括真空烧结、压力烧结、热等静压烧结(HIPping)等。这些方法在足以产生具有最小气孔率的理论上明显致密的制品的温度和/或压力下进行。例如,对于碳化钨-钴制品,该温度包括在约1300℃(2373°F)~1650℃(3002°F)范围内的温度;优选的是,约为1350℃(2462°F)~1537℃(2732°F);更优选的是约为1500℃(2732°F)~1525℃(2777°F)。致密化的压力范围约为0kPa(0psi)~206,850kPa(30,000psi)。对于碳化物制品,压力烧结可以在约1,723kPa(250psi)~13,790kPa(2000psi)的压力下,在约1370℃(2498°F)~1540℃(2804°F)的温度下进行,而热等静压可以在约58,950kPa(10,000psi)-206,850kPa(30,000psi)的压力下,在约1,310℃(2372°F)-约1430℃(2606°F)的温度下进行。

对于第二种粉末混合物的一个限制是其陶瓷组分的平均颗粒尺寸小于第一种粉末混合物的陶瓷组分的平均颗粒尺寸。对于第一种粉末混合物,陶瓷组分(优选的是碳化物)的颗粒尺寸范围可以从约亚微米级~约420微米或更大。亚微米级包括超细结构和纳米结构的材料。纳米结构材料具有范围约为1纳米~100纳米或更大的结构特征。优选的颗粒尺寸范围约为亚微米级~30微米,可能具有颗粒尺寸的离散,一般在约40微米的数量级上。优选的是第二种粉末混合物的陶瓷组分(优选的是碳化物)的平均颗粒尺寸范围约为1~30微米或更大,可能具有颗粒尺寸的离散,一般在约40微米的数量级上。与第一种粉末混合物的不同,第二种粉末混合物的陶瓷组分的平均颗粒尺寸(优选的是碳化物,更优选的是碳化钨)范围约为0.5~8微米,优选的是约为1~5微米;更优选的是约为2~5微米。

在本发明的一个实施方案中,可以选择第一种粉末混合物和第二种粉末混合物的组成,使得得到的制品表现出上述讨论的特性。例如,第一种粉末混合物的陶瓷组分(优选的是碳化物)的平均颗粒尺寸比第二种粉末混合物的陶瓷组分的平均颗粒尺寸大。此外,第一种粉末混合物和第二种粉末混合物的粘结剂含量可以是基本相同的或明显不同的。而且,粘结剂的化学组成或陶瓷组分的化学组成(优选的是碳化物的化学组成)或者这两者可以是基本相同的、明显不同的、或在所说的至少两种粉末混合物之间连续变化。