CN101631883B - 包含硬质陶瓷相以及cu-ni-mn熔渗合金的复合材料 - Google Patents

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Abstract

在此披露了包含一种硬质陶瓷相(16)以及一种熔渗合金(20)的复合材料。硬质陶瓷相(16)可以包括一种碳化物，如碳化钨和/或铸造碳化物。熔渗合金(20)是一种含有Ni和Mn的可热处理的Cu基熔渗合金。熔渗合金(20)可以基本上不含Sn和Zn。该复合材料经过热处理以提高其机械性能。例如，Cu-Ni-Mn熔渗合金(20)的成分可以选择为使得在对该复合材料进行固溶处理、冷却以及热老化处理之后提高其硬度、耐磨损性、韧性和/或横向断裂强度。

Description

包含硬质陶瓷相以及CU-NI-MN熔渗合金的复合材料
发明领域
本发明涉及复合材料，这些复合材料包含熔渗有金属合金的一种硬质陶瓷相，并且更具体地涉及一种Cu-Ni-Mn熔渗合金的使用，该熔渗合金可经受热处理并且显示了改进的性能。
背景资料
熔渗合金与硬质陶瓷(如WC或铸造碳化物)一起用在钻头应用中。为了制造这种复合材料，在一个模具中装满陶瓷粉末与熔渗合金粉末的混合物，加热到该熔渗合金的液相温度之上，然后进行冷却以获得一种复合材料。美国专利号5,589,268、5,733,649以及5,733,664中披露了含有这种复合材料的刀具的实例，它们通过引用被结合在此。
常规的熔渗合金包含铜、锰、镍以及锡。当这种Cu-Mn-Ni-Sn合金被用在焊接到钻头的钢质杆上的复合材料中时，在复合材料与钢质杆之间的界面处倾向于发生扭断类型的失效。
另一种常规的熔渗合金包含铜、锰、镍以及锌。使用这种Cu-Mn-Ni-Zn熔渗合金可以减少或消除以上指出的扭断失效，但是也可能引起抗腐蚀性的降低。
存在对包含一种熔渗合金的复合材料的需要，该熔渗合金具有提高了的腐蚀性能以及韧性。
发明概述
本发明提供了包含一种硬质陶瓷相以及一种Cu基熔渗合金的复合材料。该硬质陶瓷相可以包括碳化物类、硼化物类、氮化物类以及氧化物类。合适的碳化物类包括碳化钨、碳化钽、碳化铌、碳化钼、碳化铬、碳化钒、碳化锆、碳化铪、碳化钛钡以及铸造的碳化物类。可以使用硼化物类，如二硼化钛以及其他难熔金属的硼化物。
Cu基熔渗合金是含有Ni和Mn的一种可热处理合金。在某些实施方案中，熔渗合金基本上不含Sn和Zn。复合材料可以经过热处理以提高其机械性能。例如，熔渗合金的成分可以选择为使得在升高的温度下对该复合材料进行固溶处理以及老化处理之后提高了其硬度、耐磨损性、韧性和/或横向断裂强度。这些复合材料适合用于切削刀具等。
本发明的一方面是提供包含一种硬质陶瓷相、以及一种热处理的金属相的一种复合材料，该热处理的金属相包括含有Ni和Mn的一种Cu基熔渗合金。
本发明的另一方面是提供制造复合材料的一种方法，该方法包括将一种合金熔渗到硬质陶瓷颗粒中，其中该熔渗合金是基本上由Cu、Ni以及Mn组成的一种可热处理的合金。
本发明的再一个方面是提供一种复合材料进行热处理的一种方法，该方法提供了包含一种硬质陶瓷相以及含有Cu、Ni和Mn的一种熔渗合金的一种复合材料，然后对该复合材料进行热处理。
本发明的这些以及其他方面将在下面的说明中变得更清楚。
附图简要说明
图1是包括本发明的复合材料的一个切削刀头的等角视图。
图2示意地展示了用于固结根据本发明的一个实施方案的复合材料的一个固定器。
图3是展示了形成一种复合材料并对其热处理的方法的流程图，该复合材料包含根据本发明的一个实施方案的一种硬质陶瓷相以及一种Cu-Ni-Mn熔渗合金。
详细说明
提供了包含一种硬质陶瓷相以及一种Cu基熔渗合金的一种复合材料。该熔渗合金是一种Cu-Ni-Mn合金，该Cu-Ni-Mn合金能够经过热处理以提高该复合材料的性能。经热处理的Cu-Ni-Mn合金可以基本上不含Sn和Zn。该复合材料对于诸如切削刀具的用途是有用的。
图1是一个切削刀头5的等角视图，该切削刀头包括由本发明的一种复合材料制成的一个切削头部6，该复合材料包含一种硬质陶瓷相以及一种热处理的Cu-Ni-Mn熔渗合金。离散的金刚石组分7可以被粘接在切削头部6向前的表面上。
适合于根据本发明的用途的硬质陶瓷材料包括碳化物类、硼化物类、氮化物类以及氧化物类。用作硬质陶瓷相的合适的碳化物类包括碳化钨、碳化钽、碳化铌、碳化钼、碳化铬、碳化钒、碳化锆、碳化铪、碳化钛以及铸造的碳化物类。合适的硼化物类包括二硼化钛以及其他难熔金属的硼化物。碳化钨(例如，以烧结渗碳粗晶碳化钨颗粒的形式)作为硬质陶瓷相可能是特别合适的。
根据本发明的一个实施方案，该熔渗合金是一种可热处理的Cu-Ni-Mn合金。如在此使用的，术语“可热处理的”意味着一种合金或包含该合金的复合材料在该合金或复合材料被固溶处理、冷却并且热老化处理之后显示出至少一种提高的机械性能，如增加的硬度、耐磨损性、韧性和/或横向断裂强度。在固溶步骤中，溶质原子被溶解以形成一种单相固溶体。在冷却步骤中，例如，该固溶的材料被快速冷却或淬火至室温，以形成一种过饱和的固溶体。在热老化步骤中，例如，该过饱和的固溶体被加热至一个中间温度(即，在一个两相区域之中)，在该温度下第二相的沉淀形成为精细的分散的颗粒。在沉淀相-基体的界面处产生了晶格应变，这对位错运动提供了增加的阻力。因此，作为热处理过程的结果，该可热处理的Cu-Ni-Mn熔渗合金显示出沉淀硬化。
包含在该熔渗合金中的铜的含量的典型范围是从大约30至70百分比，例如，从大约55至大约65重量百分比。作为一个具体的实例，铜的含量可以是大约60重量百分比。
包含在该熔渗合金中的Ni的含量的典型范围是从大约15至大约35重量百分比，例如，从大约18至大约22重量百分比。作为一个具体的实例，Ni含量可以是大约20重量百分比。
包含在该熔渗合金中的Mn的含量的典型范围是从大约15至大约35重量百分比，例如，从大约18至大约22重量百分比。作为一个具体的实例，Mn可以包含该熔渗合金的大约20重量百分比。
Ni与Mn之比是可以控制的。例如，Ni∶Mn的原子比的典型范围可以是从大约0.8∶1至大约1.2∶1。在一个实施方案中，Ni∶Mn的原子比可以是1∶1。在另一个实施方案中，Ni∶Mn的原子比可以大于1∶1，例如，从大约1.01∶1至大约1.1∶1，以便增加沉淀硬化的效果。
在本发明的一个实施方案中，该熔渗合金基本上不含Sn和Zn。如在此使用的，术语“基本上不含Sn和Zn”意味着Sn和Zn不是作为合金元素被有目的地加入该熔渗合金中的，而仅存在于该熔渗合金中高达痕量值或作为杂质。
该热处理的Cu-Ni-Mn熔渗合金包含多种强化沉淀物，例如，具有面心立方结构的MnNi金属间化合物材料的形式。
可以选择硬质陶瓷粉末和Cu-Ni-Mn熔渗合金粉末的相对含量，以便在最终的复合材料中产生陶瓷相和熔渗合金相的所希望的比值。在重量百分比基础上硬质陶瓷相典型地是该复合材料的最为主导性的相。在一个实施方案中，硬质陶瓷相可以包含复合材料的从大约60至大约80重量百分比，而Cu-Ni-Mn熔渗合金可以包含复合材料的从大约20至大约40重量百分比。作为一个具体的实例，硬质陶瓷相可以包含复合材料的大约67重量百分比，而Cu-Ni-Mn熔渗合金可以包含复合材料的大约33重量百分比。
除了以上指出的硬质陶瓷相和Cu-Ni-Mn熔渗合金相以外，该复合材料可以任选地包含至少一种另外的相。例如，该另外的相可以包括铁、4600钢、钨、钴、镍、锰、硅、钼、铜、锌、铬、硼、碳、复合碳化物η相材料、氮化物类和/或碳氮化物类。η相材料具有公式M6C或M12C，其中，M是形成碳化物的金属(如Co、Fe、Ni以及W)的组合，例如，Co3W3C。这种任选的另外的相可以按高达大约5重量百分比的总含量存在于该熔渗合金中。
图2示意地展示了用于固结本发明的复合材料的一个固定器。图2所示出的产品组件包括总体上表示为11的一个碳质模具，该碳质模具具有一个底壁12和一个直立壁13。模具11在其中限定了一个空间。该组件进一步包括一个顶部构件14，该顶部构件安装在模具11的开口上。应该理解，根据人们希望的气压控制程度顶部构件14的使用是可任选的。
一个钢质杆17在该粉末被倒入该模具之前被安放在该模具中。钢质杆17的一部分在粉末混合物16之中，而钢质杆17的另一部分在混合物16的外面。杆17在其一端具有螺纹18，而在其另一端具有凹槽19。
关于该模具的内容物，多个离散的金刚石15被安放在该模具中选定位置上，以使这些金刚石在该最终产品的表面上的选定位置上。陶瓷基体粉末16是碳基粉末，该粉末被倒入模具11之中以便在这些金刚石15的上边。一旦这些金刚石15已经被放置并且陶瓷基体粉末16被倒入模具之中，本发明的一种Cu-Ni-Mn熔渗合金20被安放在模具11中的粉末混合物16的上边。然后顶部件14被安放在该模具上，并且该模具被放入一个加热炉之中然后加热至大约1,200℃，这样熔渗合金20熔化并且对该粉末物质进行熔渗。其结果是一种最终产品，在该产品中该熔渗合金将该陶瓷粉末粘合在一起，该基体在其中包含这些金刚石，并且该复合材料粘合在该钢质杆上。
图3示意性地展示了形成一种复合材料并对其进行热处理的一种方法，根据本发明的一个实施方案，该复合材料包含一种硬质陶瓷相以及一种Cu-Ni-Mn熔渗合金。硬质陶瓷粉末混合有一种Cu-Ni-Mn熔渗合金粉末并且被固结。可以在一个模具中通过在Cu-Ni-Mn熔渗合金的液相温度之上加热该粉末混合物进行固结。在该固结步骤中，典型地使用从大约1,100至1,200℃的温度，例如，大约1,200℃的固结温度可能是合适的。该固结温度被保持一段足够的时间，以允许该Cu-Ni-Mn熔渗合金粉末熔化并且粘合该硬质陶瓷粉末，以便形成一种密实的复合材料。该固结温度可以典型地被保持在小于1分钟至大于5小时的持续时间内。作为一个具体的实例，该固结温度可以被保持大约30分钟。
该固结的复合材料可以被冷却至(例如)室温，随后在例如从大约500至大约1,000℃的高温(典型地是从大约750至大约900℃)下进行固溶。作为一个具体的实例，该固溶温度可以是大约850℃。在这种升高的温度下的固溶可以典型地进行从0.5至3小时，例如，大约2小时。
在该固溶步骤之后，该复合材料可以通过任何合适的方式(如空气冷却)以一个相当快的冷却速率被冷却至室温。然后该固溶的并且冷却的复合材料可以在足以增加该复合材料的至少一个机械性能的温度下以及时间内被热老化。例如，老化温度的范围可以是从大约100至大约450℃，典型地是从大约300至大约450℃。作为一个具体的实例，可以使用大约430℃的热老化温度。典型的热老化时间可以是从0.5至72小时，例如，大约5小时。在该热老化步骤之后，该复合材料可以通过任何合适的方式(如空气冷却)被冷却。
制备了在表1中所列出的多种熔渗合金。合金A是根据本发明的一个实施方案的一种Cu-Ni-Mn熔渗合金。合金B是为了比较的目的提供的一种Cu-Mn-Ni-Zn合金。
表1
熔渗合金的组成
Figure G2008800059101D00061
表1中的合金被制成大致1/4英寸的小丸(合金A)或1/2英寸的正方体(合金B)。使用多个石墨模具制作熔渗实验的样品，这些样品包扩一种合金或33％的合金与67％的P90WC基体粉末的一种混合物，该基体粉末包含67％的粗晶WC(-80+325目)以及31％的铸造碳化物(-325目)。
通过将这些装满的模具在氩气或氢气下加热至1,200℃、保温30分钟、然后冷却至室温而制成这些实验样品。这些样品被用来测定冲击韧性、B611磨损数、以及横向断裂强度(TRS)。在Cu-Ni-Mn合金A的情况下，在多个样品上使用了以下的热处理以评估这种处理在提高该合金的性能上的有效性：在850℃下固溶；保持2小时；空气冷却；在430℃下老化8至72小时；然后空气冷却。实验结果在表2中列出。
表2
碳化钨与熔渗合金复合材料的性能
合金   A(铸态)   A(热处理的) B
 硬度(HV)(100％合金) 120 410 140
 冲击韧性(ft-lb)   1.0   2.5   2.6
 B611磨损数   0.67   0.98   0.65
 TRS(ksi)   98   110   90
如表2所示，与常规的用合金B熔渗的复合材料相比，通过热处理可以显著地提高包含合金A的这些复合材料的机械性能。根据本发明的实施方案，有可能的对一种Cu-Ni-Mn熔渗合金进行热处理以超过常规的Cu基熔渗合金的性能，如，耐磨损性以及TRS。由本发明的亚稳的熔渗合金制成的钻头能够被容易地进行热处理以获得使用性能的最佳组合。
虽然为了解说的目的在以上已经说明了本发明的多个具体实施方式，但是对于本领域那些普通技术人员来说将很显然可以做出对本发明的这些细节的众多变体而无需背离如所附权利要求中限定的本发明。

Claims (18)

1.一种复合材料，包含：
一种硬质陶瓷相；以及
一种金属相，该金属相包括含有Ni和Mn的一种热处理的Cu基熔渗合金，
其中该硬质陶瓷相包含该复合材料的从60至80重量百分比，并且该熔渗合金包含该复合材料的从20至40重量百分比，并且
其中该热处理的Cu基熔渗合金基本上不含Zn，且包含从15至35重量百分比的Ni、从15至35重量百分比的Mn、以及余量的Cu和附带的杂质。
2.如权利要求1所述的复合材料，其中该热处理的Cu基熔渗合金包含从18至22重量百分比的Ni、18至22重量百分比的Mn、以及余量的Cu和附带的杂质。
3.如权利要求1所述的复合材料，其中该热处理的Cu基熔渗合金基本上不含Sn。
4.如权利要求1所述的复合材料，其中该硬质陶瓷相包括至少一种碳化物，它选自碳化钨、碳化钛、碳化钽、碳化铌、碳化钼、碳化铬、碳化钒、碳化锆、以及碳化铪。
5.如权利要求4所述的复合材料，其中该碳化物包括WC。
6.如权利要求1所述的复合材料，进一步包含至少一种另外的相，所述至少一种另外的相包括铁、4600钢、钨、钴、镍、锰、硅、钼、铜、锌、铬、硼、碳、氮化物类和/或碳氮化物类。
7.如权利要求1所述的复合材料，进一步包含Co。
8.如权利要求1所述的复合材料，其中该复合材料已经经受了在从100至450℃的温度下、经过从0.5至72小时时间的热老化。
9.制造一种复合材料的一种方法，包括：
将一种合金熔渗到硬质陶瓷颗粒中并冷却至室温，其中该熔渗合金基本上不含Zn并且包含从15至35重量百分比的Ni、从15至35重量百分比的Mn、以及余量的Cu和附带的杂质；其中该硬质陶瓷相包含该复合材料的从60至80重量百分比，并且该熔渗合金包含该复合材料的从20至40重量百分比；和
对该复合材料进行热处理，所述热处理包括步骤：
在500至1000℃的高温下进行固溶处理0.5至3小时，然后
将该固溶处理的复合材料冷却至室温，和然后
对该固溶且冷却的复合材料进行热老化，所述热老化的温度为100至450℃且时间为0.5至72小时。
10.如权利要求9所述的方法，其中该熔渗合金包含从15至35重量百分比的Ni、从15至35重量百分比的Mn、以及余量的Cu和附带的杂质。
11.如权利要求9所述的方法，其中该熔渗合金包含从18至22重量百分比的Ni、从18至22重量百分比的Mn、以及余量的Cu和附带的杂质。
12.如权利要求9所述的方法，其中该熔渗合金基本上不含Sn。
13.如权利要求9所述的方法，其中该硬质陶瓷颗粒包括WC。
14.对一种复合材料进行热处理的一种方法，包括：
提供包含一种硬质陶瓷相以及一种熔渗合金的一种复合材料，该熔渗合金包含从15至35重量百分比的Ni、从15至35重量百分比的Mn、以及余量的Cu和附带的杂质；；其中该硬质陶瓷相包含该复合材料的从60至80重量百分比，并且该熔渗合金包含该复合材料的从20至40重量百分比，并且该熔渗合金基本上不含Zn；和
对该复合材料进行热处理，所述热处理包括步骤：
在500至1000℃的高温下进行固溶处理0.5至3小时，然后
将该固溶处理的复合材料冷却至室温，和然后
对该固溶且冷却的复合材料进行热老化，所述热老化的温度为100至450℃且时间为0.5至72小时。
15.如权利要求14所述的方法，其中该热处理包括在一个升高的温度下对该复合材料进行固溶处理并且在对该复合材料进行热老化处理的步骤之前冷却该固溶的复合材料，所述升高的温度是500至1,000℃，并且所述固溶处理持续0.5至3小时的时间。
16.如权利要求14所述的方法，其中经过热处理的熔渗合金包含从15至35重量百分比的Ni、从15至35重量百分比的Mn、以及余量的Cu和附带的杂质。
17.如权利要求14所述的方法，其中经过热处理的熔渗合金包含从18至22重量百分比的Ni、从18至22重量百分比的Mn、以及余量的Cu和附带的杂质。
18.如权利要求17所述的方法，其中该熔渗合金基本上不含Sn。
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