[发明专利]烧结碳化物-金属合金复合物

说明书

技术领域

本发明涉及包括烧结硬颗粒(cemented hard particles)的改进型制品和制备此种制品的方法。

背景技术

在科技上和商业上由烧结硬颗粒构成的材料是重要的。烧结硬颗粒包括嵌入连续金属粘结相中的硬金属颗粒(即包含金属的)和/或陶瓷颗粒的不连续分散相。许多此种材料具有特有的结合了耐磨损和磨耗、强度、和断裂韧度的性质。

用于此处的术语具有以下意思。“强度”是材料断裂或故障时的应力。“断裂韧度”是材料在断裂前吸收能量和塑性变形的能力。“韧性”与从起点到断裂点的在应力-应变曲线下的面积成比例。见McGraw Hill的Dictionary of Scientific and Technical Terms(5th ed.1994)。“耐磨性”是材料抵抗其表面破坏的能力。“磨损”通常包括由于在材料和接触面或物质之间的相对运动所引起的材料的累进损失。见Metals Handbook Desk Edition(2d ed.1998)。

分散硬颗粒相通常包括例如一种或多种碳化物、氮化物、硼化物、硅化物、氧化物的颗粒，和任何这些类型的化合物的固溶体的颗粒。通常用于烧结硬颗粒材料的硬颗粒是例如碳化钨的金属碳化物，并且由此这些材料通常一般是指“烧结碳化物(cemented carbide)”。连续粘结相，其粘结或“烧结(cements)”硬颗粒在一起，通常包括，例如，钴、钴合金、镍、镍合金、铁和铁合金中的至少之一。另外，例如铬、钼、钌、硼、钨、钽、钛、和铌的合金元素可包含在粘结相中用于提高特殊性能。不同的商业可获得的烧结碳化物等级根据例如组成、粒度、或不连续相和/或连续相的体积分数的至少一种性质来区分。

对于一些应用来说，由烧结硬颗粒形成的部件可能需要连接到由例如钢、非铁金属合金、和塑料的不同材料形成的部件。用于连接此种部件的技术包括例如铜焊(brazing)、焊接(welding)、和锡焊(soldering)的冶金技术，和例如压力或收缩配合(shrink fitting)、施用环氧树脂(epoxy)和其它粘合剂、和配合例如螺纹偶联和键槽设置的机械特征的机械技术。

当使用常规冶金或机械技术将烧结硬颗粒部件连接到由钢或非铁合金形成的部件时，问题出现了。在烧结碳化物材料和多数钢(同时还有多数非铁合金)之间的热膨胀系数(CTE)的差异是显著的。例如，钢的CTE范围从大约10x 10^-6in/in/°K到15x 10^-6in/in/°K，其大约是烧结碳化物的5x10^-6in/in/°K到7x 10^-6in/in/°K的CTE范围的两倍。某些非铁合金的CTE超过了钢，导致更加显著的CTE的不匹配。如果使用例如铜焊或焊接的冶金结合技术将烧结碳化物部件连接到钢部件上，例如，在冷却过程中由于部件收缩率的不同在部件之间的界面会产生巨大的应力。这些应力通常导致在部件的界面和靠近部件的界面的地方产生裂缝。这些缺陷削弱了在烧结硬颗粒区域和金属或金属区域之间、以及部件本身的连接区域之间的连接。

一般来说，因为相对于钢或其它金属或金属合金来说烧结碳化物的断裂韧度是低的，使用螺纹、键槽或其它机械特征将烧结硬颗粒部件机械连接至钢或其它金属部件上是不现实的。此外，烧结碳化物，例如，是高度缺口敏感的(notch-sensitive)并且易于在尖锐转角处过早形成裂缝。当在部件上设计例如螺纹和键槽的机械特征时，部件中的转角难于避免。因此，烧结硬颗粒部件可在掺入机械特性的区域内过早断裂。

在Carlsson等人的美国专利No.5,359,772中描述的技术试图克服在形成具有连接到金属区域的烧结碳化物区域的复合制品的过程中遇到的困难。Carlsson教导了一种将铁旋压铸造(spin-casting)到预成型的烧结碳化物环上的技术。Carlsson宣称此种技术在铁和烧结碳化物之间形成了一种“冶金结合”。Carlsson的铸铁中的组成必须小心控制，由此一部分奥氏体形成贝氏体，以便缓解在从铸造温度冷却的过程中在烧结碳化物和铸铁之间由于差异收缩引起的应力。然而，在复合物形成后的热处理步骤中此种转变会发生，以缓解已经存在的应力。因此，在Carlsson的方法中形成的在铸铁和烧结碳化物之间的连接还可能已经遭受应力破坏。此外，Carlsson描述的连接技术具有有限的效用，并且仅在使用旋压铸造和铸铁时有潜在的效用，对于其它金属或金属合金将无效。