[发明专利]具有设计的坚硬表面的功能梯度碳化钨硬质合金及其制备方法

说明书

背景

本申请涉及含有金属粘合剂梯度的功能梯度碳化钨硬质合金材料。所 述金属粘合剂可以是钴、镍、铁或其合金。这种材料可用于金属切削工具、 用于石油勘探的岩石钻孔工具，采矿、建筑和道路施工工具，以及许多其 他的金属加工工具、金属成形工具、金属塑形工具和其他应用。对于背景 信息，读者应该参考美国专利申请公布第2005/0276717号，所述专利申请 通过引用明确地并入。

如以上提到的先前专利公布所说明的，期望构建包括一定量的金属粘 合剂的碳化钨硬质合金材料(“WC”材料)。期望构建具有韧性和耐磨性 的组合的碳化钨硬质合金材料。

碳化钨硬质合金由大体积分数的在金属粘合剂基质中的WC颗粒组 成，是用于金属加工、金属成形、采矿、石油和天然气钻井和所有其他应 用的最广泛使用的工业工具材料之一。与传统的碳化钨硬质合金相比，具 有从表面延伸至烧结层的内部的金属粘合剂梯度的功能梯度碳化钨硬质 合金(FGM碳化钨硬质合金)提供机械特性的优越组合。例如，在表面区 域具有较低金属粘合剂含量的FGM碳化钨硬质合金显示出较好的耐磨性 能，产生较坚硬的表面与较坚韧的核心的组合。虽然容易理解FGM碳化 钨硬质合金的潜在优势，然而FGM碳化钨硬质合金的制造是严峻的挑战。 通常经真空中的液相烧结(LPS)方法烧结碳化钨硬质合金。不幸地是， 当具有初始金属粘合剂梯度的碳化钨硬质合金经受液相烧结时，出现液态 金属粘合剂相的迁移，且金属粘合剂的梯度容易消失。

概述

简单概括地说，描述了制备功能梯度碳化钨硬质合金材料的方法。在 一个实施方案中，该方法可包括获得碳化钨和金属粘合剂的烧结碳化钨硬 质合金。烧结材料可经一种方法热处理，所述方法包括在多相非平衡态的 第一温度范围下加热所述烧结材料的步骤，在此温度范围下，至少固体碳 化钨、液体金属粘合剂和固体金属粘合剂共存。此外，在热处理方法后， 所述材料包括具有比材料主体的金属粘合剂含量的额定值低的金属粘合 剂含量的表面层。任选地，所述热处理方法可以是两步方法，其包括在渗 碳气氛中和在多相非平衡态以上的温度下加热烧结材料，以致液体金属粘 合剂而非固体金属粘合剂与碳化钨共存，然后在多相区域的温度范围下加 热。在又一个任选的实施方案中，所述热处理方法可以是三步方法，其包 括继多相非平衡态之后在脱碳气氛和低于多相区域的温度下加热所述烧 结材料，以致固体金属粘合剂而非液体金属粘合剂与碳化钨共存。

附图简述

通过之后的详细描述以及附图，本发明的其他特征和优势将变得明 显，所述详细描述和附图阐释例如本发明的特征；且其中

图1是显示WC-Co样品的表面区域的钴含量的图，表明3步热处理 后，钴减少的表面层形成。

图2是具有10wt％(重量百分比)Co的W-Co-C系统的三元相图的纵 断面。

图3是显示WC-Co样品的表面区域的钴含量的图，表明1步热处理 后，钴减少的表面层形成。

图4是显示WC-Co样品的表面区域的钴含量的图，表明2步热处理 后，钴减少的表面层形成。

现在参考阐释的示例性实施方案，且用于本文的具体语言将描述相同 地含义。然而，应理解，此处旨在不限制本发明的范围。

详细描述

在公开和描述本发明之前，应理解，本公开不限于本文公开的特定方 法步骤和材料，因为这种方法步骤和材料在某种程度上可改变。还应理解， 本文使用的术语仅用于描述特定实施方案的目的。该术语无意为限制性 的，因为本公开的范围旨在仅通过附加的权利要求和其同等要求限制。

必须注意，如本说明书和附加的权利要求中所用，单数形式“一(a)”、 “一(an)”和“该(the)”包括复数指示物，除非文中清楚地另外指出。

如本文所用，“表面层”指从表面到金属粘合剂含量升高至与额定组 成的金属粘合剂含量相等的深度处的厚度。

如本文所用，“材料的主体”或“所述材料的主体”指非所述表面层 的材料部分。

如本文所用，“热处理”通常指可具有一个或多个步骤的单一连续加 热方法。通常，多步方法是其中逐步调整温度以获得新的区域且在各步骤 之间不需要或甚至通常不期望冷却的单一加热运行的一部分。

如本文所用，“额定”指所述材料的平均组成，不论其为均匀的或是 有梯度的。