[发明专利]韧性材料涂覆的硬粉

说明书

本申请是申请日为1998年5月13日、申请号为98805014.5的中国专利申请的分案申请。

本申请是在1997年5月13日提交的申请号为60/046,885的临时申请的基础上形成的。

本发明涉及陶瓷粉末和由这种粉末制成的烧结材料。这种材料特别适合作为金属成形器件，如金属切削和成形工具。

在三十年代中期，开始用烧结的碳化钨粉末工具代替合金钢工具，由于前者具有优良的硬度、固有的高韧性和横向机械强度而快速成为规范。这种材料的硬度改进了工具的寿命，其韧性和强度可更快地进刀、加快速度和更有进取性的锻制参数从而有助于提高生产率。二战后碳化物工具的开发和市场化明显加快。

即使这种材料最终也会磨损，这种磨损的机理仍未完全清楚。工具逐渐磨损导致要加工成形的材料变形，为了要保持工件尺寸公差，当该工具不能形成正确尺寸的工件时，必需将其替换。更换工具前的使用时间或成形工件的数量最终决定工具的寿命极限。更换工具和重新调整操作、不适配的制造、返工和工作进度失控导致的生产率损失是寻求能延长工具寿命的材料的动力。

工具的寿命取决于其对各种磨损的耐受性、对重负载的反应和对震动的反应。一般来说，碎屑除去速度(快速进刀和高切削速度)、拉伸和成形压力越大，并且工具形貌保持得越持久，该工具就越好。优良的切削和成形工具必须同时是坚硬、坚固、和不易弯曲的，并且抗碎裂、抗开裂、抗热断裂、抗疲劳、不与工件发生化学反应和抗磨损。因此，对烧结工具的主要机械性能要求是强度、硬度、高的弹性模量、高的断裂韧性、与工件的化学作用低，以及低的摩擦系数，以便在工件成形的同时减少热量积聚。

近年来，粉末冶金(PM)工业有了明显的发展，因为粉末能冷流至精确的模具中。这使得通常是大体积的模具能重复使用，同时大大减少机械加工、成形和其它加工步骤，因为该烧结的部件已非常接近其所需的形状，即“近似最终形状”。趋向于要求这些部件(目前主要由铝、铁和铜粉制成)具有与工具相同的某些品质。因此，对许多PM制品进行额外的锻造、涂覆或热处理加工，使之具有局部硬度、韧性和强度。许多这些部件需要具有抗震和耐磨性，使之具有与工具相同的机械性能。

在工具和坚硬的制品中，一般通过牺牲强度来增加耐磨性；目前，最好的工具最佳地兼顾各种要求，因此限制了其在特殊用途中的使用。

除了碳化钨以外，还发现其它合金、涂覆技术和两者的结合不仅能延长工具寿命，而且还能提高切削速率和进刀速率。粉末冶金法和烧结开发出新的材料，这些新材料具有增强的硬度和韧性，通过例如化学气相沉积(CVD)、物理气相沉积(PVD)或等离子体相助的化学气相沉积(PACVD)在烧结的合金上施加硬涂层以提高耐磨性。

现有技术文献中已报道了许多关于在粉末上形成涂层、涂覆基材和其它硬材料的增强方法。工具材料领域的现有技术公开了目前已知的并通常用于获得这种增强的耐磨性和韧性的六种方法；每种方法均具有明显的优点和明显的缺点：(1)混合坚硬相和韧性相颗粒，(2)用化学气相沉积(或其它方法)在烧结基材上涂覆硬相层，(3)组合使用方法1和方法2，(4)陶瓷金属(金属陶瓷)压制，(5)对于特殊类型的工具(研磨和砂磨介质)，将低浓度金刚石或cBN大颗粒化学结合在坚硬但相对易碎的研磨基材上，和(6)功能梯度材料(FGM)。

这些解决方案均未能兼顾所需的工具性能，目前仅有化学气相沉积(CVD或PVD)法用于需要提高耐磨性的某些机械部件中。

尽管本领域使用并且报道了许多辅助处理方法及其变化，但是在烧结前将坚硬的WC-TiN-Co合金颗粒与碳化物粉末相混合具有许多缺点。由于这些较硬的颗粒与粘合剂之间的相互溶解性低，因此在硬颗粒含量高于6-10重量％时基材的横向强度快速下降。与表面涂层相比，表面硬度和耐磨性也随之降低。由于与粘合剂连结弱的数量很少的硬颗粒(在需要硬颗粒的表面上少于一成)会整体脱落，耐磨机理也未有很大的改善。

在工具钢或烧结制品基材(烧结后)上的这些坚硬的金属间化合物和金属陶瓷层的坚硬外涂层的价值在于它们能形成较高的表面硬度，该硬度值通常为2400维氏硬度(TiN)至5000维氏硬度(立方氮化硼)至9000(金刚石)。同样，对于本领域使用并公开的所有辅助处理、变化和烧结助剂(包括附加涂层、局部改变基材结构和降低粒径的掺杂剂或涂层)，该外涂层方法具有数个主要的缺点，包括使用时涂层脱层和开裂(由涂层和基材的热膨胀率不同，和由弯曲及表面压力造成)，并且所需的较高CVD加工温度(900-1200℃)与烧结部件的强度或形貌所需的热处理不相容。