專利名稱：球化硬質材料粉末的制備方法
技術領域：
本發(fā)明涉及用于制備硬質合金涂層的硬質材料粉末、硬質合金粉末及其顆粒的技術領域。這里涉及非常堅硬的密實材料，該材料最好是以球形涂覆于如鉆孔工具和鉆桿之類的刀具上，使得這些刀具和工件在受到摩擦和沖擊作用時具有很高的抗磨損性和韌性。
本發(fā)明特別涉及到球化的硬質合金粉末--一般用MexMy粉末表達--或者相應的顆粒，它們通過火焰噴射、等離子噴射和相關的技術被涂覆成摩擦件的涂層。這里，預先制備的粉末例如在直流等離子體中被噴涂于要涂覆的表面上。
對于上述意義的涂層粉末，其傳統(tǒng)的生產工藝方法包括如下工藝過程首先是混合并研磨硬質合金粉末(如以WC／W2C為基體)的各組分，由此制得初始混合料。接著將此混合料在大約3000℃下制成非常均勻的熔體。該熔體冷卻后，將一起熔化的硬質合金進行粉碎并過篩。接下來將其中具有預定的較小顆粒尺寸的那部分粉末再次進行加熱，使其變得圓滑(該過程可以在等離子體中進行)，而且在接著進行冷卻后即可用于涂層。
很容易看到，這種已有的方法，僅其加工步驟的數(shù)量就已經非常繁瑣。另外，該方法的能量消耗與費用也是非常高的，這是由于產生高溫熔體、以及隨后對硬質材料的粉碎所造成的。
在EP 0 687 650 A1中給出了一種方法，它能夠對上述方法進行簡化，并縮短工藝流程。其中，硬質材料，如碳化鎢，是通過等離子火焰在坩鍋中被熔化的。使用等離子火焰明顯地縮短了熔化過程的時間。當制得硬質材料熔體后，將它在一定的熔體流束條件下傾倒于一個快速旋轉的冷卻板上。該冷卻板以非常高的轉速旋轉，并受到冷卻，由此形成非常細小的硬質材料球。通過該方法得到的硬質材料顆粒質量穩(wěn)定、并具有確定組織，后者僅在非常有限的范圍內受到一些影響。因此，仍然存在著探索新型、低成本的硬質合金涂層粉末制備方法的需要。
本發(fā)明的目的是提供具有良好的流動性、無離析的粉末或者顆粒，用于通過等離子體噴涂制造摩擦件的硬質材料涂層，以及建立一種相關的制備方法，該方法應當在盡量少的工藝步驟中完成，其能耗低、費用低。
根據(jù)本發(fā)明，上述目的是通過一種球化硬質合金粉末的制備方法來實現(xiàn)的，其工藝步驟如下--制造研磨得很細的硬質材料粉末初始混合料、顆?；蛘吆醒心サ煤芗毜挠操|材料粉末的懸浮體，其中混合料、顆?；蛘邞腋◇w的選擇應當使得在高頻等離子體條件下，硬質材料組分之間、與氣體和／或懸浮體的組分能夠進行化學反應和／或形成一種合金；--用載體氣流將粉末混合料、顆?；蛘邞腋◇w送入感應耦合高頻等離子體(ICP)的工作氣流中，--上述反應過程或者合金化過程與球化硬質合金顆粒的形成由此可在一個步驟中完成。
混合料的制備首先是通過已知的方法制得。為此，后面的涂層所需要的硬質材料的組分或者該硬質材料的起始物，隨后將在本工藝方法中與反應性氣體在等離子體內發(fā)生反應，然后在如球磨機之類的設備中進行混合并研磨細化。
混合料既可以直接以懸浮體形式使用，也可以另外細化成顆粒，如在噴霧干燥器內進行，根據(jù)具體情況還可能隨后進行脫氣處理。由該硬質材料粉末也能夠制造懸浮體，例如利用一種碳氫化合物來制備，后者與粉末組分在等離子體中進行反應。
這樣制得的粉末、顆?；蛘邞腋◇w狀的混合料，隨后在載體氣流中被送入到一種熱的感應耦合高頻等離子體(ICP)的工作氣體中。為此，上面所給的硬質材料混合料隨載體氣流穿過HF-等離子體的等離子弧。
ICP-等離子體的發(fā)生裝置是已有的并能夠實際使用。因此，這里對于相關的合適設備不再贅述。
穿過等離子體的球化顆粒在一個附加的驟冷氣流中以很高速度被冷卻到再結晶溫度以下，并且在等離子體的后面被收集起來。驟冷氣流是一個惰性的附加冷卻氣流，是特殊地輸送到系統(tǒng)中的。
本發(fā)明中特殊的優(yōu)勢在于極其緊湊的工藝流程。因為不論是組分間的反應、合金化過程，還是球化，都是在等離子體內部一步完成的，因而省掉了熔化起始物的特別步驟和與之相關聯(lián)的其它后續(xù)步驟熔融產物的粉碎、篩分、圓滑處理。工藝方法的流程變得非常簡單，而且縮短了很多。因此，本工藝方法的實施過程在能耗和費用方面是非常有利的。
得到的產物是球形的硬質材料粉末，其成分均勻，而且在涂層制備的加工過程中顯示了良好的流動性。這里，術語“球化硬質材料粉末”代表了由硬質材料合金制得的、完全消除了棱角的圓滑顆粒。
依據(jù)本發(fā)明得到的球形顆粒，相對于其它方法制得的顆粒而言，優(yōu)勢在于其比較均勻的結構和所有顆粒均為球狀。利用本發(fā)明的方法，能夠制得粒徑分布范圍相當窄并且可調整的、不同大小等級的顆粒。
在本發(fā)明的意義上，硬質材料或者硬質合金在狹義上代表的是MexMy形式的化合物，其中Me代表一種金屬，而M是一種準金屬(該式應當理解為能夠相互結合不同的金屬與準金屬)。具體而言，人們可以將“金屬硬質材料”理解為元素周期表中第IVa至VIa族的過渡族金屬與原子尺寸較小的元素碳、氮、硼和硅之間的化合物，即金屬鈦、鋯、鉿、釩、鈮、鉭、鉻、鉬和鎢以及它們的混合物的碳化物、氮化物、碳氮化物、硼化物和硅化物。
在本發(fā)明的意義上，優(yōu)選的合金系為(W2C)0．5+z(WC)0．5-z(其中z＜0．5)，它具有高韌性和2000以上的高維氏硬度。
硬質合金粉末初始混合料的初始組分可以是以下任何一組a)W2C+WCb)WC+Wc)W+Cd)W+CnH2n+2e)W+其它起始物可以是金屬、或者金屬氧化物、或者是由確定的各組分之間預先形成的合金。
為了使ICP-等離子體穩(wěn)定，此外還需要工作氣流和外層氣流。在氣流中，必須要有載體氣流來將粉末、顆粒、或者是懸浮體狀的初始混合料吹入，并且為了在等離子體之后將顆粒迅速冷卻下來，必須有所謂的驟冷氣流。
除硬質合金起始物之間的反應外，還可能與工作氣體和／或載體氣體之間發(fā)生反應，只要該氣體對初始混合料的組分而言不是惰性氣體，作為后者的例子是稀有氣體，特別是氬氣。
如果使用反應性氣體，可以選擇一種能夠在等離子體條件下與初始混合料的組分中金屬或者金屬氧化物形成碳化物或者氮化物的氣體，在前一種情況下最好是甲烷，而在后一種情況下優(yōu)選是氮氣。
初始混合料組分與反應性氣體之間的反應可以通過以下的基本反應式給出熱的感應耦合HF-等離子體的溫度最好是在3000℃以上，而在4000℃以上時則更好。高的感應場的作用一般使反應加速并對生成W2C／WC的反應平衡產生有利的影響。
受到吹動穿過HF-等離子體并停止反應的初始混合料最好是在104K／s以上的冷卻速度下驟冷。
以下借助于實施例對本發(fā)明予以詳細說明。
權利要求
1.制備球化硬質材料粉末的方法，其包含以下工藝步驟--制造研磨得很細的硬質材料粉末初始混合料、顆?；蛘吆醒心サ煤芗毜挠操|材料粉末的懸浮體，其中混合料、顆?；蛘邞腋◇w的選擇應當使得在高頻等離子體條件下，硬質材料組分之間、與氣體和／或懸浮體的組分能夠進行化學反應和／或形成一種合金；--用載體氣流將粉末混合料、顆?；蛘邞腋◇w送入到熱的感應耦合高頻等離子體(ICP)的工作氣流中，--上述反應過程或者合金化過程與球化硬質合金顆粒的形成由此在一個步驟中完成。
2.如權利要求1所述的方法，其特征在于，制備硬質材料混合料的初始組分是以下任何一組a)W2C+Wb)WC+Wc)W+Cd)W+CnH2n+2e)W+其它。
3.如權利要求1所述的方法，其特征在于，一種或者多種金屬反應物為氧化物或者準金屬化合物。
4.如權利要求2或3所述的方法，其特征在于，利用本方法制得的合金是一個兩相的、非均勻的W2C／WC合金，其一般組成為(W2C)0．5+z(WC)0．5-z’其中z＜0．5。
5.如權利要求1至4之一所述的方法，其特征在于，所述工作和／或載體氣體對于混合料中的組分來說是惰性的氣體。
6.如權利要求5所述的方法，其特征在于，所述惰性氣體是一種稀有氣體，優(yōu)選氬氣。
7.如權利要求1至4之一所述的方法，其特征在于，至少一種氣體對于初始混合料的組分是反應性的氣體。
8.如權利要求7所述的方法，其特征在于，所述反應性氣體是一種能夠在等離子體條件下與作為初始混合料組分的金屬或者金屬氧化物形成碳化物的氣體，優(yōu)選甲烷。
9.如權利要求7所述的方法，其特征在于，所述反應性氣體是一種能夠在等離子體條件下與作為初始混合料組分的金屬或者金屬氧化物形成氮化物的氣體，優(yōu)選氮氣。
10.如權利要求1至9之一所述的方法，其特征在于，HF-等離子體的溫度高于3000℃，最好是在4000℃以上。
11.如權利要求1至10之一所述的方法，其特征在于，被吹動穿過HF-等離子體的初始混合料或者懸浮體，在通過等離子體弧之后以104K／s以上的冷卻速度被驟冷。
全文摘要
本發(fā)明涉及制備球化硬質材料粉末的方法,其中被研磨細的硬質材料粉末初始混合料被送入到感應耦合的熱高頻等離子體(ICP)中,因而在等離子體中能夠同時進行化學反應形成合金以及顆粒的球化。此外,可以將一系列由MeM/Me或者Me/M以所需要的金屬－準金屬的比例組成的混合料借助于載體氣流的幫助沿軸向被注入到感應耦合高頻等離子體中。經球化的硬質材料粉末非常適合于用作磨損的防護。
文檔編號B22F9/16GK1290581SQ0012459
公開日2001年4月11日 申請日期2000年9月22日 優(yōu)先權日1999年9月22日
發(fā)明者瓦爾特·弗盧爾許茨, 亞歷山大·克萊因, 魯?shù)稀せ舳? 西蒙·扎克哈里恩 申請人:硬質合金投資有限公司