CN101631885A - 包含硬质陶瓷相以及cu-ni-sn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Cu基的并且含有Ni和Sn。熔渗合金(20)可以进一步包含Nb，并且可以基本上不含Mn。该复合材料可以经过热处理以提高其机械性能。例如，Cu－Ni－Sn熔渗合金(20)的组成可以选择为使得在该复合材料在高温下经过固溶以及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-SN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，并且更具体涉及一种Cu-Ni-Sn熔渗合金的用途，该熔渗合金可经受热处理并且显示出改进的性能。
背景资料
熔渗合金与硬质陶瓷(如WC或铸造碳化物)一起被用在钻头以及其他切削刀具应用中。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，将其加热在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，它们通过引用结合在此的。
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，在该复合材料与该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。这种Cu-Mn-Ni-Zn熔渗合金的使用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、碳化钛以及铸造的碳化物类。可以使用的硼化物类如二硼化钛以及其他难熔金属的硼化物。
Cu基熔渗合金可以是含有Ni和Sn(并且可以任选地含有Nb)的一种亚稳合金。在一个实施方案中，该Cu-Ni-Sn熔渗合金基本上不含Mn。该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、以及一种金属相的一种复合材料，该金属相包括含有Ni和Sn的一种经过热处理的Cu基熔渗合金。
本发明的另一方面是提供制造一种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，其中该熔渗合金基本上由Cu、Ni以及Sn组成。
本发明的另外方面是提供热处理一种复合材料的一种方法，该方法提供了包含一种硬质陶瓷相以及含有Cu、Ni和Sn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老化处理。
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是含有本发明的一种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加固器。
图3是展示了形成一种复合材料并对其进行热处理的一种方法的流程图，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。根据本发明的一个实施方案，该熔渗合金是一种亚稳的Cu-Ni-Sn合金。这种亚稳的Cu-Ni-Sn合金可以任选地含有Nb，并且可以基本上不含Mn。该熔渗合金还可以基本上不含Zn。该Cu-Ni-Sn合金经过热处理以改进复合材料的性能。
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-Sn熔渗合金。离散的金刚石元件7可以被粘合在切削头部6向前的表面上。
适合于在本发明的复合材料中使用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，该熔渗合金是已经接受了热老化处理的一种亚稳的Cu-Ni-Sn合金。如在此使用的，术语“亚稳的”意味着当具有一个混溶间隙的一种合金在该混溶间隙以上被均化处理或固溶处理并且然后冷却至在该混溶间隙之中或之下的一个温度接着进行热老化处理时形成的一种显微结构，该热老化处理形成了具有不同成分的、具有提供应变硬化的不同晶格参数的组成。所生成的热老化的亚稳显微结构显示出至少一种改进的机械性能，如增大的硬度、耐磨损性、韧性和/或横向断裂强度。与沉淀强化的合金相比，通过对复合材料(包含本发明的亚稳熔渗合金)进行热处理而实现的改进的机械性能是应变硬化的结果，这种应变硬化是由具有相同晶体结构但不同的晶格参数的非常精细的区域所引起的。这些亚稳结构的精细性的特征为具有不同晶格参数的区域之间的距离，该距离是在从大约50至大约1,000埃的数量级上。
包含在该Cu-Ni-Sn熔渗合金中的铜的含量的典型范围是从大约60至90百分比，例如，从大约80至大约85重量百分比。作为一个具体实例，铜的含量可以是大约82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5至大约25重量百分比，例如，从大约8至大约12重量百分比。作为一个具体实例，Ni含量可以是大约10重量百分比。
包含在该熔渗合金中的Sn的含量的典型范围是从大约4至大约20重量百分比，例如，从大约5至大约12重量百分比。作为一个具体实例，Sn可以包含该熔渗合金的大约8重量百分比。
根据本发明的一个实施方案，该熔渗合金可以额外地包含Nb。包含在该熔渗合金中的Nb的含量典型地是从0至大约5重量百分比，例如，从大约0.1至大约1重量百分比。作为一个具体实例，Nb的含量可以是大约0.2重量百分比。
在本发明的一个实施方案中，该熔渗合金基本上不含Mn。如在此使用的，术语“基本上不含”意味着一种元素如Mn不是作为一种合金元素被有目的地加入熔渗合金中的，而是仅存在于该熔渗合金中高至痕量值或作为一种杂质。
可以选择硬质陶瓷粉末和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主导的相。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重量百分比的总量存在于熔渗合金中。
图2示意地展示了用于固结本发明的复合材料的一个加固器。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，顶部构件14的使用根据人们希望的气压控制程度是可任选的。
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之中。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被安放在该模具中的选定位置上，以便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-Sn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熔化并且对粉末物质进行熔渗。其产物是一种最终产品，在该产品中熔渗合金将陶瓷粉末粘合在一起，该基体在其中保持这些金刚石，并且该复合材料粘合在钢质杆上。
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熔渗合金。硬质陶瓷粉末混有Cu-Ni-Sn熔渗合金粉末并且被固结。在一个模具中，可以通过将该粉末混合物加热到该熔渗合金的液相温度之上进行固结。在该固结步骤中，典型地使用从大约1,170至1,210℃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小时的一段持续时间内。作为一个具体实例，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650至大约900℃的升高的温度下进行固溶。作为一个具体实例，该固溶温度可以是大约825℃。在这种升高的温度下的固溶可以典型地进行从0.5至24小时，例如，大约1.5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)被冷却至室温。然后该固溶的并且冷却的复合材料可以在一个温度下以及足够的时间内被热老化，以增加该复合材料的至少一种机械性能。例如，热老化温度的范围可以是从大约100至大约600℃，典型地是从大约300至大约400℃。典型的热老化时间可以是从0.5至24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-Sn-Nb熔渗合金。合金B是为了比较的目的而提供的一种Cu-Mn-Ni-Zn合金。
表1
熔渗合金成分
Figure G2008800058734D00061
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)。在亚稳合金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825℃下固溶；保温1.5或5小时；水淬或空气冷却；在350℃下老化5小时；然后空气冷却。实验结果在表2中列出。
表2
热处理的效果以及合金A与合金B熔渗的碳化物之间的比较
合金   A(铸态)   A(1.5hr/WQ)   A(5hr/AC) B
 硬度(HV)(100％合金)   111   251   602   140
 冲击韧性(ft-lb)   1.96   2.51   2.8   2.6
 B611磨损数量   0.63   0.8   0.78   0.65
 TRS(ksi)   95.5   146.9   130   90
根据本发明的一个实施方案，通过热处理可以显著地增加亚稳合金A的硬度。在这个实施方案中，空气冷却可以如水淬一样有效。在固溶1.5小时并且老化之后提高了合金A试样的TRS。合金A试样的TRS与固溶5小时并且老化之后的基本相等。
根据本发明的实施方案，有可能对一种亚稳的熔渗合金进行热处理以超过常规的Cu基熔渗合金的耐磨损性和TRS。由本发明的亚稳的熔渗合金制成的钻头能够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明显的是可以做出对本发明的细节的多种变体而无需背离如所附权利要求中限定的本发明。

Claims (31)

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Sn的一种热处理的Cu基熔渗合金。
2.如权利要求1所述的复合材料，其中该热处理的Cu基熔渗合金是一种亚稳合金。
3.如权利要求1所述的复合材料，其中Ni包含该热处理的Cu基熔渗合金的从大约5至大约25重量百分比、并且Sn包含该热处理的Cu基熔渗合金的从大约4至大约20重量百分比。
4.如权利要求1所述的复合材料，其中Ni包含该热处理的Cu基熔渗合金的从大约8至大约12重量百分比、并且Sn包含该热处理的Cu基熔渗合金的从大约5至大约12重量百分比。
5.如权利要求1所述的复合材料，其中该热处理的Cu基熔渗合金进一步包含Nb。
6.如权利要求5所述的复合材料，其中Nb包含该热处理的Cu基熔渗合金的从大约0.1至大约1重量百分比。
7.如权利要求1所述的复合材料，其中该热处理的Cu基熔渗合金包含从大约8至大约12重量百分比的Ni、从大约5至大约12重量百分比的Sn、以及从大约0.1至大约1重量百分比的Nb。
8.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Mn。
9.如权利要求1所述的复合材料，其中该硬质陶瓷相包含该复合材料的从大约60至大约80重量百分比、并且该熔渗合金包含该复合材料的从大约20至大约40重量百分比。
10.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、碳化钽、碳化铌、碳化钼、碳化铬、碳化钒、碳化锆、碳化铪、以及碳化钛。
11.如权利要求10所述的复合材料，其中该碳化物包括WC。
12.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。
13.如权利要求12所述的复合材料，其中该至少一种另外的相包括铁、4600钢、钨、钴、镍、锰、硅、钼、铜、锌、铬、硼、碳、碳化物η相材料、氮化物类和/或碳氮化物类。
14.如权利要求1所述的复合材料，进一步包含Co。
15.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大约100至大约600℃的温度下、经过从大约0.5至大约24小时时间的热老化。
16.制造一种复合材料的一种方法，包扩将一种合金熔渗到硬质陶瓷颗粒中，其中该熔渗合金基本上由Cu、Ni以及Sn组成。
17.如权利要求16所述的方法，其中Ni包含该熔渗合金的从大约5至大约25重量百分比、并且Sn包含该熔渗合金的从大约4至大约20重量百分比。
18.如权利要求16所述的复合材料，其中该熔渗合金进一步包含Nb。
19.如权利要求18所述的方法，其中该熔渗合金包含从大约8至大约12重量百分比的Ni、从大约5至大约12重量百分比的Sn、以及从大约0.1至大约1重量百分比的Nb。
20.如权利要求16所述的方法，其中该熔渗合金基本上不含Mn。
21.如权利要求16所述的方法，其中该硬质陶瓷相是含有该复合材料的从大约60至大约80重量百分比的一种碳化物。
22.如权利要求16所述的方法，进一步包括对该复合材料进行热老化处理。
23.如权利要求22所述的方法，其中该热老化处理是在从大约100至大约600℃的温度下、经过从大约0.5至大约24小时的时间来进行的。
24.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Cu、Ni和Sn；并且
对该复合材料进行热老化处理。
25.如权利要求24所述的方法，其中该热老化处理是在从大约100至大约600℃的温度下、经过从大约0.5至大约24小时的时间来进行的。
26.如权利要求24所述的方法，其中该热老化处理是在从大约300至大约400℃的温度下进行。
27.如权利要求24所述的方法，其中对该复合材料进行固溶处理并且在该热老化处理之前冷却。
28.如权利要求24所述的方法，其中Ni包含该熔渗合金的从大约5至大约25重量百分比、并且Sn包含该熔渗合金的从大约4至大约20重量百分比。
29.如权利要求24所述的复合材料，其中该熔渗合金进一步包含Nb。
30.如权利要求29所述的方法，其中该熔渗合金包含从大约8至大约12重量百分比的Ni、从大约5至大约12重量百分比的Sn、以及从大约0.1至大约1重量百分比的Nb。
31.如权利要求24所述的方法，其中该熔渗合金基本上不含Mn。
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