專利名稱：包含硬質(zhì)陶瓷相以及cu-ni-sn熔滲合金的復(fù)合材料的制作方法
包含硬質(zhì)陶瓷相以及CU-NI-SN熔滲合金的復(fù)合材料 發(fā)明領(lǐng)域本發(fā)明涉及復(fù)合材料，這些復(fù)合材料包含熔滲有金屬合金的一種硬 質(zhì)陶瓷相，并且更具體涉及一種Cu-Ni-Sn熔滲合金的用途，該熔滲合 金可經(jīng)受熱處理并且顯示出改進(jìn)的性能。背景資料熔滲合金與硬質(zhì)陶覺(如WC或鑄造碳化物) 一起被用在鉆頭以及 其他切削刀具應(yīng)用中。為了制造這種復(fù)合材料，在一個(gè)模具中裝滿陶瓷 粉末與熔滲合金粉末的混合物，將其加熱在該熔滲合金的液相溫度之 上，然后進(jìn)行冷卻以獲得一種復(fù)合材料。美國專利號(hào)5,589,268、5,733,649 以及5，733，664中披露了含有這種復(fù)合材料的刀具的實(shí)例，它們通過引 用結(jié)合在此的。常規(guī)的熔滲合金包含銅、錳、鎳以及錫。當(dāng)這種Cu-Mn-Ni-Sn合 金被用在焊接到鉆頭的鋼質(zhì)桿上的復(fù)合材料中時(shí)，在該復(fù)合材料與該鋼 質(zhì)桿之間的界面處傾向于發(fā)生扭斷類型的失效。另一種常規(guī)的熔滲合金包含銅、錳、鎳以及鋅。這種Cu-Mn-Ni-Zn 熔滲合金的使用可以減少或消除以上指出的扭斷失效，但是也可能引起 抗腐蝕性的降低。存在對包含一種熔滲合金的復(fù)合材料的需要，該熔滲合金具有提高 了的腐蝕性能以及韌性。發(fā)明概述本發(fā)明提供了包含一種硬質(zhì)陶瓷相以及一種Cu基熔滲合金的復(fù)合 材料。該硬質(zhì)陶瓷相可以包括碳化物類、硼化物類、氮化物類以及氧化 物類。合適的碳化物類包括碳化鎢、碳化鉭、碳化鈮、碳化鉬、碳化鉻、6碳化釩、碳化鋯、碳化鉿、碳化鈦以及鑄造的碳化物類。可以使用的硼 化物類如二硼化鈦以及其他難熔金屬的硼化物。Cu基熔滲合金可以是含有Ni和Sn (并且可以任選地含有Nb )的 一種亞穩(wěn)合金。在一個(gè)實(shí)施方案中，該Cu-M-Sn熔滲合金基本上不含 Mn。該復(fù)合材料可以經(jīng)過熱處理以提高其機(jī)械性能。例如，熔滲合金 的成分可以選擇為使得在升高的溫度下對復(fù)合材料進(jìn)行固溶處理以及 老化處理之后提高了其硬度、耐磨損性、韌性和/或橫向斷裂強(qiáng)度。這些 復(fù)合材料適合用于切削刀具等。本發(fā)明的 一方面是提供包含一種硬質(zhì)陶瓷相、以及一種金屬相的一 種復(fù)合材料，該金屬相包括含有Ni和Sn的一種經(jīng)過熱處理的Cu基熔 滲合金。本發(fā)明的另 一 方面是提供制造一種復(fù)合材料的 一種方法，該方法包 括將一種合金熔滲到硬質(zhì)陶瓷顆粒中，其中該熔滲合金基本上由Cu、 Ni以及Sn組成。本發(fā)明的另外方面是提供熱處理一種復(fù)合材料的一種方法，該方法 提供了包含一種硬質(zhì)陶瓷相以及含有Cu、 Ni和Sn的一種熔滲合金的 一種復(fù)合材料，然后對該復(fù)合材料進(jìn)行熱老化處理。本發(fā)明的這些以及其他方面將在下面的說明中變得更清楚。附圖
簡要說明圖l是含有本發(fā)明的 一種復(fù)合材料的 一個(gè)切削刀頭的等角視圖。 圖2示意地展示了用于固結(jié)根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施方案的復(fù)合材料 的一個(gè)加固器。圖3M示了形成一種復(fù)合材料并對其進(jìn)行熱處理的一種方法的流 程圖，該復(fù)合材料包含根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施方案的一種硬質(zhì)陶瓷相以 及一種熔滲合金。詳細(xì)說明提供了包含一種硬質(zhì)陶瓷相以及一種Cu基熔滲合金的一種復(fù)合材料。根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施方案，該熔滲合金是一種亞穩(wěn)的Cu-Ni-Sn 合金。這種亞穩(wěn)的Cu-Ni-Sn合金可以任選地含有Nb，并且可以基本上 不含Mn。該熔滲合金還可以基本上不含Zn。該Cu-Ni-Sn合金經(jīng)過熱 處理以改進(jìn)復(fù)合材料的性能。圖l是一個(gè)切削刀頭5的等角視圖，該切削刀頭包括由本發(fā)明的一 種復(fù)合材料制成的一個(gè)切削頭部6，該復(fù)合材料包含一種硬質(zhì)陶瓷相以 及一種熱處理的Cu-Ni-Sn熔滲合金。離散的金剛石元件7可以被粘合 在切削頭部6向前的表面上。硼化物類、氮化物類以及氧化物類。用作硬質(zhì)陶瓷相的合適的碳化物類 包括碳化鵠、碳化鉭、碳化鈮、碳化鉬、碳化鉻、碳化釩、碳化鋯、碳 化鉿、碳化鈦以及鑄造的碳化物類。合適的硼化物類包括二硼化鈦以及 其他難炫金屬的硼化物。碳化鴒作為硬質(zhì)陶瓷相可能是特別合適的。根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施方案，該熔滲合金是已經(jīng)接受了熱老化處理 的一種亞穩(wěn)的Cu-Ni-Sn合金。如在此使用的，術(shù)語"亞穩(wěn)的，，意味著當(dāng) 具有一個(gè)混溶間隙的一種合金在該混溶間隙以上被均化處理或固溶處 理并且然后冷卻至在該混溶間隙之中或之下的一個(gè)溫度接著進(jìn)行熱老 化處理時(shí)形成的一種顯微結(jié)構(gòu)，該熱老化處理形成了具有不同成分的、 具有提供應(yīng)變硬化的不同晶格參數(shù)的組成。所生成的熱老化的亞穩(wěn)顯微 結(jié)構(gòu)顯示出至少一種改進(jìn)的機(jī)械性能，如增大的硬度、耐磨損性、韌性 和/或橫向斷裂強(qiáng)度。與沉淀強(qiáng)化的合金相比，通過對復(fù)合材料(包含本 發(fā)明的亞穩(wěn)熔滲合金)進(jìn)行熱處理而實(shí)現(xiàn)的改進(jìn)的機(jī)械性能是應(yīng)變硬化 的結(jié)果，這種應(yīng)變硬化是由具有相同晶體結(jié)構(gòu)但不同的晶格參數(shù)的非常 精細(xì)的區(qū)域所引起的。這些亞穩(wěn)結(jié)構(gòu)的精細(xì)性的特征為具有不同晶格參 數(shù)的區(qū)域之間的距離，該距離是在從大約50至大約1，000埃的數(shù)量級(jí)上。包含在該Cu-Ni-Sn熔滲合金中的銅的含量的典型范圍是從大約60 至卯百分比，例如，從大約80至大約85重量百分比。作為一個(gè)具體 實(shí)例，銅的含量可以是大約82重量百分比。包含在該熔滲合金中的Ni的含量的典型范圍是從大約5至大約25重量百分比，例如，從大約8至大約12重量百分比。作為一個(gè)具體實(shí) 例，Ni含量可以是大約10重量百分比。包含在該熔滲合金中的Sn的含量的典型范圍是從大約4至大約20 重量百分比，例如，從大約5至大約12重量百分比。作為一個(gè)具體實(shí) 例，Sn可以包含該熔滲合金的大約8重量百分比。根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施方案，該熔滲合金可以額外地包含Nb。包 含在該熔滲合金中的Nb的含量典型地是從O至大約5重量百分比，例 如，從大約0.1至大約1重量百分比。作為一個(gè)具體實(shí)例，Nb的含量可 以是大約0.2重量百分比。在本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施方案中，該熔滲合金基本上不含Mn。如在此 使用的，術(shù)語"基本上不含"意味著一種元素如Mn不是作為一種合金元 素被有目的地加入熔滲合金中的，而是僅存在于該熔滲合金中高至痕量 值或作為一種雜質(zhì)。可以選擇硬質(zhì)陶資粉末和熔滲合金粉末的相對含量，以便在最終的 復(fù)合材料中產(chǎn)生陶瓷相和熔滲合金相所希望的比值。在重量百分比基礎(chǔ) 上硬質(zhì)陶瓷相典型地是該復(fù)合材料的最主導(dǎo)的相。在一個(gè)實(shí)施方案中， 硬質(zhì)陶瓷相可以包含復(fù)合材料的從大約60至大約80重量百分比，而熔 滲合金可以包含復(fù)合材料的從大約20至大約40重量百分比。作為一個(gè) 具體實(shí)例，硬質(zhì)陶資相可以包含復(fù)合材料的大約67重量百分比，而熔 滲合金可以包含復(fù)合材料的大約33重量百分比。除了以上指出的硬質(zhì)陶瓷相和熔滲合金相以外，該復(fù)合材料可以任 選地包含至少一種另外的相。例如，該另外的相可以包括鐵、4600鋼、 鵠、鈷、鎳、錳、硅、鉬、銅、鋅、鉻、硼、碳、復(fù)合碳化物Ti相材料、 氮化物類和/或碳氮化物類。ti相材料具有公式M6C或M12C，其中， M是形成碳化物的金屬(如Co、 Fe、 Ni以及W )的組合，例如，Co3W3C。 這種任選的另外的相可以按高達(dá)大約5重量百分比的總量存在于熔滲合 金中。圖2示意地展示了用于固結(jié)本發(fā)明的復(fù)合材料的一個(gè)加固器。圖2 所示出的產(chǎn)品組件包括總體上表示為11的一個(gè)碳質(zhì)模具，該碳質(zhì)模具具有一個(gè)底壁12和一個(gè)直立壁13。模具ll在其中限定了一個(gè)空間。該 組件進(jìn)一步包括一個(gè)頂部構(gòu)件14，該頂部構(gòu)件安裝在模具11的開口上。 應(yīng)該理解，頂部構(gòu)件14的使用根據(jù)人們希望的氣壓控制程度是可任選 的。一個(gè)鋼質(zhì)桿17在該粉末被倒入該模具之前被安放在該模具之中。 鋼質(zhì)桿17的一部分在粉末混合物16之中，而鋼質(zhì)桿17的另一部分在 混合物16的外面。桿17在其一端具有螺紋18，而在其另一端具有凹槽 19。關(guān)于該模具的內(nèi)容物，多個(gè)離散的金剛石15被安放在該模具中的 選定位置上，以便使這些金剛石在該最終產(chǎn)品的表面上的選定位置上。 陶瓷基體粉末16是碳基粉末，該粉末被倒入模具11之中以便在這些金 剛石15的上邊。 一旦這些金剛石15已經(jīng)被放置并且陶瓷基體粉末16 被倒入模具之中，本發(fā)明的一種Cu-Ni-Sn熔滲合金20被安放在模具11 中的粉末混合物16的上邊。然后頂部件14被安放在該模具上，并且該 模具被放入一個(gè)加熱爐之中然后加熱至大約1，200°C,這樣熔滲合金20 熔化并且對粉末物質(zhì)進(jìn)行熔滲。其產(chǎn)物是一種最終產(chǎn)品，在該產(chǎn)品中熔 滲合金將陶瓷粉末粘合在一起，該基體在其中保持這些金剛石，并且該 復(fù)合材料粘合在鋼質(zhì)桿上。圖3示意性地展示了形成一種復(fù)合材料并對其進(jìn)行熱處理的一種方 法，根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施方案，該復(fù)合材料包含一種硬質(zhì)陶瓷相以及 一種熔滲合金。硬質(zhì)陶瓷粉末混有Cu-Ni-Sn熔滲合金粉末并且被固結(jié)。 在一個(gè)模具中，可以通過將該粉末混合物加熱到該熔滲合金的液相溫度 之上進(jìn)行固結(jié)。在該固結(jié)步驟中，典型地使用從大約1,170至1，210°C 的溫度，例如，大約1，200。C的固結(jié)溫度可能是合適的。該固結(jié)溫度被 保持一段足夠的時(shí)間，以允許該熔滲合金粉末熔化并且粘合該硬質(zhì)陶瓷 粉末，以便形成一種密實(shí)的復(fù)合材料。該固結(jié)溫度可以典型地被保持在 小于1分鐘至大于5小時(shí)的一段持續(xù)時(shí)間內(nèi)。作為一個(gè)具體實(shí)例，該固 結(jié)溫度可以被保持大約30分鐘。該固結(jié)的復(fù)合材料可以被冷卻至(例如)室溫，隨后在例如從大約650至大約卯0。C的升高的溫度下進(jìn)行固溶。作為一個(gè)具體實(shí)例，該固 溶溫度可以是大約825°C。在這種升高的溫度下的固溶可以典型地進(jìn)行 從0.5至24小時(shí)，例如，大約1.5小時(shí)。在該固溶步驟之后，該復(fù)合材料可以通過任何合適的方式(如空氣 冷卻)被冷卻至室溫。然后該固溶的并且冷卻的復(fù)合材料可以在一個(gè)溫 度下以及足夠的時(shí)間內(nèi)被熱老化，以增加該復(fù)合材料的至少一種機(jī)械性 能。例如，熱老化溫度的范圍可以是從大約IOO至大約600°C，典型地 是從大約300至大約400。C。典型的熱老化時(shí)間可以是從0.5至24小時(shí)， 例如，大約5小時(shí)。在該熱老化步驟之后，該復(fù)合材料可以通過任何合 適的方式(如空氣冷卻)被冷卻。制備了在表1中所列出的多種熔滲合金。合金A是根據(jù)本發(fā)明的一 個(gè)實(shí)施方案的一種Cu-Ni-Sn-Nb熔滲合金。合金B(yǎng)是為了比較的目的而 提供的一種Cu-Mn-Ni-Zn合金。表l熔滲合金成》合金類型含量(wt. % )CuMnNiSnZnNbA亞穩(wěn)合金81.8010800.2BCu-Mn-Ni-Zn合金532415080表1中的合金被制成大致W英寸的小丸(合金A)或乂2英寸的正方 體(合金B(yǎng))。使用多個(gè)石墨模具制作熔滲實(shí)驗(yàn)的樣品，這些樣品包擴(kuò) 一種合金或33%的合金與67%的P卯WC基體粉末的一種混合物，該 基體粉末包含67%的粗晶WC (-80 + 325目)以及31%的鑄造碳化物 (-325目)。通過將這些裝滿的模具在氫氣下加熱至1，200°C、保溫30分鐘、然 后冷卻至室溫而制成這些實(shí)驗(yàn)樣品。這些樣品被用來測定沖擊韌性、 B611磨損數(shù)、以及橫向斷裂強(qiáng)度(TRS)。在亞穩(wěn)合金A的情況下， 在多個(gè)樣品上使用了以下的熱處理以評(píng)估這種處理在提高該合金的性 能上的有效性在825。C下固溶；保溫1.5或5小時(shí)；水淬或空氣冷卻；在350。C下老化5小時(shí)；然后空氣冷卻。實(shí)驗(yàn)結(jié)果在表2中列出。表2熱處理的效果以及合金A與合金B(yǎng)熔滲的碳化物之間的比較合金A (鑄態(tài))A (1.5 hr/WQ )A (5 hr/AC )B硬度(HV) ( 100%合金)111251602140沖擊韌性(ft-lb)1.962.512.82.6B611磨損數(shù)量0.630.80.780.65TRS (ksi)95.5146.9130卯根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施方案，通過熱處理可以顯著地增加亞穩(wěn)合金A的硬度。在這個(gè)實(shí)施方案中，空氣冷卻可以如水淬一樣有效。在固溶 1.5小時(shí)并且老化之后提高了合金A試樣的TRS。合金A試樣的TRS 與固溶5小時(shí)并且老化之后的基本相等。根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施方案，有可能對一種亞穩(wěn)的熔滲合金進(jìn)行熱處理 以超過常規(guī)的Cu基熔滲合金的耐磨損性和TRS。由本發(fā)明的亞穩(wěn)的熔 滲合金制成的鉆頭能夠容易地進(jìn)行熱處理以獲得使用性能的最佳組合。細(xì)節(jié)的多種變體而無需背離如所附權(quán)利要求中限定的本發(fā)明。
權(quán)利要求
1.一種復(fù)合材料，包含一種硬質(zhì)陶瓷相；以及一種金屬相，該金屬相包括含有Ni和Sn的一種熱處理的Cu基熔滲合金。
2. 如權(quán)利要求1所述的復(fù)合材料，其中該熱處理的Cu基熔滲合金是一種亞穩(wěn)合金。
3. 如權(quán)利要求1所述的復(fù)合材料，其中Ni包含該熱處理的Cu基熔滲合金的從大約5至大約25重量百分比、并且Sn包含該熱處理的Cu基熔滲合金的從大約4至大約20重量百分比。
4. 如權(quán)利要求1所述的復(fù)合材料，其中Ni包含該熱處理的Cu基熔滲合金的從大約8至大約12重量百分比、并且Sn包含該熱處理的Cu基熔滲合金的從大約5至大約12重量百分比。
5. 如權(quán)利要求1所述的復(fù)合材料，其中該熱處理的Cu基熔滲合金進(jìn)一步包含Nb。
6. 如權(quán)利要求5所述的復(fù)合材料，其中Nb包含該熱處理的Cu基熔滲合金的從大約0.1至大約1重量百分比。
7. 如權(quán)利要求1所述的復(fù)合材料，其中該熱處理的Cu基熔滲合金包含從大約8至大約12重量百分比的Ni、從大約5至大約12重量百分比的Sn、以及從大約0.1至大約1重量百分比的Nb。
8. 如權(quán)利要求1所述的復(fù)合材料，其中該熱處理的Cu基熔滲合金基本上不含Mn。
9. 如權(quán)利要求1所述的復(fù)合材料，其中該硬質(zhì)陶瓷相包含該復(fù)合材料的從大約60至大約80重量百分比、并且該熔滲合金包含該復(fù)合材料的從大約20至大約40重量百分比。
10. 如權(quán)利要求1所述的復(fù)合材料，其中該硬質(zhì)陶瓷相包括至少一種碳化物，它選自碳化鴒、碳化鉭、碳化鈮、碳化鉬、碳化鉻、碳化釩、碳化鋯、碳化鉿、以及碳化鈦。
11. 如權(quán)利要求IO所述的復(fù)合材料，其中該碳化物包括wc。
12. 如權(quán)利要求l所述的復(fù)合材料，進(jìn)一步包含至少一種另外的相。
13. 如權(quán)利要求12所述的復(fù)合材料，其中該至少一種另外的相包括鐵、4600鋼、鵠、鈷、鎳、錳、硅、鉬、銅、鋅、鉻、硼、碳、碳化物Ti相材料、氮化物類和/或碳氮化物類。
14. 如權(quán)利要求l所述的復(fù)合材料，進(jìn)一步包含Co。
15. 如權(quán)利要求1所述的復(fù)合材料，其中該復(fù)合材料已經(jīng)經(jīng)受了在從大約100至大約60(TC的溫度下、經(jīng)過從大約0.5至大約24小時(shí)時(shí)間的熱老化。
16. 制造一種復(fù)合材料的一種方法，包擴(kuò)將一種合金熔滲到硬質(zhì)陶瓷顆粒中，其中該熔滲合金基本上由Cu、 Ni以及Sn組成。
17. 如權(quán)利要求16所述的方法，其中Ni包含該熔滲合金的從大約5至大約25重量百分比、并且Sn包含該熔滲合金的從大約4至大約20重量百分比。
18. 如權(quán)利要求16所述的復(fù)合材料，其中該熔滲合金進(jìn)一步包含Nb。
19. 如權(quán)利要求18所述的方法，其中該熔滲合金包含從大約8至大約12重量百分比的Ni、從大約5至大約12重量百分比的Sn、以及從大約0.1至大約1重量百分比的Nb。
20. 如權(quán)利要求16所述的方法，其中該熔滲合金基本上不含Mn。
21. 如權(quán)利要求16所述的方法，其中該硬質(zhì)陶瓷相是含有該復(fù)合材料的從大約60至大約80重量百分比的一種碳化物。
22. 如權(quán)利要求16所述的方法，進(jìn)一步包括對該復(fù)合材料進(jìn)行熱老化處理。
23. 如權(quán)利要求22所述的方法，其中該熱老化處理是在從大約100至大約600°C的溫度下、經(jīng)過從大約0.5至大約24小時(shí)的時(shí)間來進(jìn)行的。
24. 對一種復(fù)合材料進(jìn)行熱處理的一種方法，包括提供包含一種硬質(zhì)陶瓷相以及一種熔滲合金的一種復(fù)合材料，該熔滲合金包含Cu、 Ni和Sn;并且對該復(fù)合材料進(jìn)行熱老化處理。
25. 如權(quán)利要求24所述的方法，其中該熱老化處理是在從大約100至大約600°C的溫度下、經(jīng)過從大約0.5至大約24小時(shí)的時(shí)間來進(jìn)行的。
26. 如權(quán)利要求24所述的方法，其中該熱老化處理是在從大約300至大約400。C的溫度下進(jìn)行。
27. 如權(quán)利要求24所述的方法，其中對該復(fù)合材料進(jìn)行固溶處理并 且在該熱老化處理之前冷卻。
28. 如權(quán)利要求24所述的方法，其中Ni包含該熔滲合金的從大約5 至大約25重量百分比、并且Sn包含該熔滲合金的從大約4至大約20重 量百分比。
29. 如權(quán)利要求24所述的復(fù)合材料，其中該熔滲合金進(jìn)一步包含Nb。
30. 如權(quán)利要求29所述的方法，其中該熔滲合金包含從大約8至大 約12重量百分比的Ni、從大約5至大約12重量百分比的Sn、以及從大 約0.1至大約1重量百分比的Nb。
31. 如權(quán)利要求24所述的方法，其中該熔滲合金基本上不含Mn。
全文摘要
在此披露了包含一種硬質(zhì)陶瓷相(16)以及一種熔滲合金(20)的復(fù)合材料。硬質(zhì)陶瓷相(16)可以包括一種碳化物，如碳化鎢和/或鑄造碳化物。熔滲合金(20)是Cu基的并且含有Ni和Sn。熔滲合金(20)可以進(jìn)一步包含Nb，并且可以基本上不含Mn。該復(fù)合材料可以經(jīng)過熱處理以提高其機(jī)械性能。例如，Cu-Ni-Sn熔滲合金(20)的組成可以選擇為使得在該復(fù)合材料在高溫下經(jīng)過固溶以及老化處理之后提高其硬度、耐磨損性、韌性和/或橫向斷裂強(qiáng)度。
文檔編號(hào)C22C29/00GK101631885SQ200880005873
公開日2010年1月20日 申請日期2008年2月20日 優(yōu)先權(quán)日2007年2月22日
發(fā)明者A·S·瓦特韋, H·E·凱利 申請人:鈷碳化鎢硬質(zhì)合金公司