CN104582876A

CN104582876A - 烧结粉末金属复合材料制品

Info

Publication number: CN104582876A
Application number: CN201380037695.4A
Authority: CN
Inventors: P·K·米尔钱达尼; M·E·钱德勒
Original assignee: Kennametal Inc
Current assignee: Kennametal Inc
Priority date: 2012-07-26
Filing date: 2013-07-02
Publication date: 2015-04-29
Also published as: WO2014018235A8; WO2014018235A3; DE112013003682T5; WO2014018235A2

Abstract

本发明公开了一种烧结粉末金属复合材料制品，所述制品包括第一区域，所述第一区域包含烧结硬颗粒材料，如烧结碳化物。所述制品包括第二区域，所述第二区域包含：选自钢、镍、镍合金、钛、钛合金、钼、钼合金、钴、钴合金、钨、钨合金的金属材料；以及从0至最高30体积％的硬颗粒。所述第一区域冶金结合到所述第二区域上，所述第一区域和所述第二区域中的每个具有大于100微米的厚度。所述第二区域包括至少一个机械连接结构，使得所述烧结粉末金属复合材料制品可被连接到另一个制品上。所述制品包括地钻制品、金属切削工具、金属成形工具、木工工具和磨损制品中的一者。

Description

烧结粉末金属复合材料制品

技术领域

本发明涉及包括烧结硬颗粒(cemented hard particle)的改善制品和制备此类制品的方法。

背景技术

在科技上和商业上由烧结硬颗粒构成的材料是重要的。烧结硬颗粒包括嵌入连续金属粘结相中的含有硬质金属的颗粒和/或陶瓷颗粒的不连续分散相。许多此类材料具有耐摩擦磨损性、强度以及断裂韧性的独特组合。烧结碳化物广泛用于需要高耐磨性的应用，例如金属切削和金属成形工具、地钻和岩石切削工具、机器中的磨损件等等。

本文所用的术语具有以下含义。“强度”是材料断裂或失效时的应力。“断裂韧性”是材料在断裂前吸收能量和塑性变形的能力。“韧性”与从起点到断裂点的在应力-应变曲线下的面积成正比。参见McGraw Hill Dictionary of Scientific and Technical Terms(《麦格劳-希尔科学技术术语词典》，1994年，第5版)。“耐磨性”是材料抵抗其表面损坏的能力。“磨损”通常涉及由于材料与接触表面或物质之间的相对运动而引起的材料的逐渐损失。参见Metals HandbookDesk Edition(《金属手册案头卷》，1998年，第2版)。

分散的硬颗粒相通常包括例如碳化物、氮化物、硼化物、硅化物、氧化物以及这些类型的化合物中的任一种的固溶体中的一者或多者的颗粒。通常用于烧结硬颗粒材料的硬颗粒是例如碳化钨的金属碳化物，并且因此这些材料通常统称为“烧结碳化物”。将硬颗粒粘结或“烧结”在一起的连续粘结相通常包括例如钴、钴合金、镍、镍合金、铁和铁合金中的至少一者。另外，例如铬、钼、钌、硼、钨、钽、钛和铌的合金元素可包含在粘结相中，以增强特定性能。各种可商购获得的烧结碳化物等级至少在一种性质方面，例如组成、粒度或不连续相和/或连续相的体积分数方面有所不同。

在大多数应用中，烧结碳化物部件用作构成用于金属切削、金属成形、岩石钻孔等等的最终产品的更大部件总成的一部分。例如，用于金属切削的工具通常包括其上连接有烧结碳化物刀片的钢刀架。相似地，用于金属成形的工具通常包括连接到钢主体的烧结碳化物套筒或插入物。另外，用于钻地的旋转锥形钻头包括钢件和烧结碳化物地钻插入件的总成。另外，金刚石基地钻头包括连接到螺纹钢套筒的烧结碳化物主体。

对于某些应用而言，可将由烧结硬颗粒形成的部件连接到由不同材料诸如钢、有色金属合金和塑料形成的部件上。用于连接此类部件的技术包括冶金技术，例如硬钎焊、焊接和软钎焊，以及机械技术，例如压力或收缩配合、施用环氧树脂和其他粘合剂，以及机械结构的配合，诸如螺纹联接和键槽布置。

当使用常规冶金或机械技术将烧结硬颗粒部件连接到由钢或有色合金形成的部件时会遇到问题。烧结碳化物材料与大部分钢(以及大部分有色合金)之间的热膨胀系数(CTE)的差异是显著的。例如，钢的CTE在约10×10^-6in/in/K至15×10^-6in/in/K的范围内，其是烧结碳化物的约5×10^-6in/in/K至7×10^-6in/in/K的CTE范围的约两倍。某些有色合金的CTE超过钢的CTE，从而导致更显著的CTE不匹配。如果使用诸如硬钎焊或焊接的冶金结合技术将烧结碳化物部件连接到钢部件上，例如，在冷却过程中由于部件收缩速率的差异在部件之间的界面处可产生巨大的应力。这些应力通常导致在部件的界面和其附近产生裂纹。这些缺陷削弱了烧结硬颗粒区域与金属或金属区域之间的结合以及部件本身的连接区域。

一般来讲，使用螺纹、键槽或其他机械结构将烧结硬颗粒部件机械连接到钢或其他金属部件上是不现实的，因为相对于钢和其他金属和金属合金来说烧结碳化物的断裂韧性低。此外，烧结碳化物(例如)是高度缺口敏感的，并且易于在尖角处过早形成裂纹。当在部件上设计诸如螺纹和键槽的机械结构时，部件中的角是难以避免的。因此，烧结硬颗粒部件可在包括该机械结构的区域中过早断裂。

授予Carlsson等人的美国专利No.5,359,772中所述的技术试图克服在形成具有连接到金属区域的烧结碳化物区域的复合材料制品的过程中遇到的某些困难。Carlsson教导了将铁旋铸到预成形的烧结碳化物环上的技术。Carlsson宣称该技术在铁与烧结碳化物之间形成了“冶金结合”。Carlsson的铸铁中的成分必须小心控制，使得奥氏体的一部分形成贝氏体，以释放在从铸造温度冷却的过程中在烧结碳化物与铸铁之间由于收缩差异而引起的应力。然而，这种转变在复合材料形成之后的热处理步骤中发生，以释放已经存在的应力。因此，在Carlsson的方法中在铸铁和烧结碳化物之间形成的结合可能已经遭受应力破坏。另外，Carlsson中描述的结合技术具有有限的实用性，并且将仅在使用旋铸和铸铁时可能有效，对于其他金属或金属合金会无效。

与将烧结硬颗粒部件连接到不同材料的部件(尤其是金属部件)上相关的困难对于设计工程师来说已经形成巨大挑战，并且限制了烧结硬颗粒部件的应用。因此，需要改善的烧结硬颗粒-金属制品以及相关的材料、方法和设计。

发明内容

根据本发明的一个非限制性实施例涉及烧结粉末金属复合材料制品，该制品包括：含有烧结硬颗粒材料的第一区域；以及第二区域。第二区域包括：为金属和金属合金中的一者的金属材料，其中金属和金属合金选自钢、镍、镍合金、钛、钛合金、钼、钼合金、钴、钴合金、钨、钨合金；以及分散在金属材料中的从0至最高30体积％的硬颗粒。第一区域冶金结合到第二区域，并且第一区域和第二区域中的每一者均具有大于100微米的厚度。第二区域包括至少一个机械连接机构，适于使用该至少一个机械连接机构将烧结粉末金属复合材料制品连接到另一个制品上。在非限制性实施例中，所述至少一个机械连接机构包括螺纹、狭槽、键槽、夹紧区域、齿、嵌齿、台阶、斜面、孔、销轴和臂中的至少一者。在非限制性实施例中，烧结粉末金属复合材料制品包括固定切削器地钻头、用于旋转锥形地钻头的地钻插入物、金属切削钻头、模块化金属切削钻头、轧辊和抛光辊。

根据本发明的另一个方面，在非限制性实施例中，烧结粉末金属复合材料制品为地钻制品。烧结粉末金属复合材料地钻制品包括：第一区域，其为包含烧结硬颗粒材料的工作区域；以及第二区域，其为金属区域。该金属区域包括：为金属和金属合金中的一者的金属材料，其中金属和金属合金选自钢、镍、镍合金、钛、钛合金、钼、钼合金、钴、钴合金、钨和钨合金；以及分散在金属材料中的从0至最高30体积％的硬颗粒。工作区域冶金结合到金属区域，并且工作区域和金属区域中的每一者均具有大于100微米的厚度。金属区域包括至少一个机械连接机构，适于使用该至少一个机械连接机构将烧结粉末金属复合材料地钻制品连接到另一个制品上。在非限制性实施例中，所述至少一个机械结构包括螺纹、狭槽、键槽、夹紧区域、齿、嵌齿、台阶、斜面、孔、销轴和臂中的至少一者。在非限制性实施例中，地钻制品包括固定切削器地钻头、用于旋转锥形地钻头的地钻插入物、用于旋转锥形地钻头的喷嘴、用于地钻冲击钻头的喷嘴、量规砖(gagebrick)、多晶金刚石复合片(PDC)基底和采煤镐中的一者。

根据本发明的另一个方面，在非限制性实施例中，烧结粉末金属复合材料制品为金属切削工具。烧结粉末金属复合材料金属切削工具包括：第一区域，其为包含烧结硬颗粒材料的工作区域，以及第二区域，其为金属区域。该金属区域包括：为金属和金属合金中的一者的金属材料，其中金属和金属合金选自钢、镍、镍合金、钛、钛合金、钼、钼合金、钴、钴合金、钨和钨合金；以及分散在金属材料中的从0至最高30体积％的硬颗粒。工作区域冶金结合到金属区域，并且工作区域和金属区域中的每一者均具有大于100微米的厚度。金属区域包括至少一个机械连接机构，适于使用该至少一个机械连接机构将烧结粉末金属复合材料金属切削工具连接到另一个制品上。在非限制性实施例中，所述至少一个机械结构包括螺纹、狭槽、键槽、夹紧区域、齿、嵌齿、台阶、斜面、孔、销轴和臂中的至少一者。在非限制性实施例中，烧结粉末金属复合材料金属切削工具包括金属切削钻头、模块化金属切削钻头、铣削工具、模块化铣削工具、车削工具、成形工具、螺纹工具、钻孔工具、滚齿和齿轮切削工具、攻丝工具、锯切工具和铰孔工具中的一者。

根据本发明的另一个方面，在非限制性实施例中，烧结粉末金属复合材料制品为金属成形工具。烧结粉末金属复合材料金属成形工具包括：第一区域，其为包含烧结硬颗粒材料的工作区域；以及第二区域，其为金属区域。该金属区域包括：为金属和金属合金中的一者的金属材料，其中金属和金属合金选自钢、镍、镍合金、钛、钛合金、钼、钼合金、钴、钴合金、钨和钨合金；以及分散在金属材料中的从0至最高30体积％的硬颗粒。工作区域冶金结合到金属区域，并且工作区域和金属区域中的每一者均具有大于100微米的厚度。金属区域包括至少一个机械连接机构，适于使用该至少一个机械连接机构将烧结粉末金属复合材料金属成形工具连接到另一个制品上。在非限制性实施例中，所述至少一个机械结构包括螺纹、狭槽、键槽、夹紧区域、齿、嵌齿、台阶、斜面、孔、销轴和臂中的至少一者。在某些非限制性实施例中，烧结粉末金属复合材料金属成形工具包括轧辊、抛光辊、拉丝模、拉管模、拉棒模、镦制凹模、粉末压制模、连续模、层压模、冲孔模、挤出模、热锻模、冷锻模、剥离模、修边模、钉夹持模、弹簧成形模、线材成形模、模锻模、线材压扁模、线材压扁辊、芯轴、拉管塞、罐成形模、用于金属热轧的辊和用于金属冷轧的辊中的一者。

根据本发明的另一个方面，在非限制性实施例中，烧结粉末金属复合材料制品为木工工具。烧结粉末金属复合材料木工工具包括：第一区域，其为包含烧结硬颗粒材料的工作区域；以及第二区域，其为金属区域；该金属区域包括：为金属和金属合金中的一者的金属材料，其中金属和金属合金选自钢、镍、镍合金、钛、钛合金、钼、钼合金、钴、钴合金、钨和钨合金；以及分散在金属材料中的从0至最高30体积％的硬颗粒。工作区域冶金结合到第二区域，并且第一区域和第二区域中的每一者均具有大于100微米的厚度。金属区域包括至少一个机械连接机构，适于使用该至少一个机械连接机构将烧结粉末金属复合材料木工工具连接到另一个制品上。在非限制性实施例中，所述至少一个机械结构包括螺纹、狭槽、键槽、夹紧区域、齿、嵌齿、台阶、斜面、孔、销轴和臂中的至少一者。在某些非限制性实施例中，烧结粉末金属复合材料木工工具包括伐木锯条、刨铁、刳刨机和锯子中的一者。

根据本发明的另一个方面，在非限制性实施例中，烧结粉末金属复合材料制品为磨损制品。烧结粉末金属复合材料磨损制品包括：第一区域，其为包含烧结硬颗粒材料的磨损区域；以及第二区域，其为金属区域。该金属区域包括：为金属和金属合金中的一者的金属材料，其中金属和金属合金选自钢、镍、镍合金、钛、钛合金、钼、钼合金、钴、钴合金、钨和钨合金；以及分散在金属材料中的从0至最高30体积％的硬颗粒。磨损区域冶金结合到金属区域，并且磨损区域和金属区域中的每一者均具有大于100微米的厚度。金属区域包括至少一个机械连接机构，适于使用该至少一个机械连接机构将烧结粉末金属复合材料磨损制品连接到另一个制品上。在非限制性实施例中，所述至少一个机械结构包括螺纹、狭槽、键槽、夹紧区域、齿、嵌齿、台阶、斜面、孔、销轴和臂中的至少一者。在某些非限制性实施例中，烧结粉末金属复合材料磨损制品包括砧座、用于金刚石合成的模具、喷丸喷嘴、油漆喷嘴、镗杆、切条刀、密封环、阀部件、塞规、滑规、环规、用于油泵的滚珠、用于油泵的座、用于油田应用的修整部件和用于油田应用的扼流圈部件中的一者。

附图说明

可以参照附图更好地理解本文所描述的主题的特征和优点，其中：

图1示出了根据本发明的烧结粉末金属复合材料制品的非限制性实施例，该制品包括冶金结合到镍区域的烧结碳化物区域，其中左侧示出的制品包括加工进入镍区域的螺纹；

图2为根据本发明的烧结粉末金属复合材料地钻制品的非限制性实施例的示意图，该制品包括烧结粉末金属复合材料固定切削器地钻头；

图3为根据本发明的烧结粉末金属复合材料地钻制品的非限制性实施例的示意图，该制品包括用于旋转锥形地钻头的烧结粉末金属复合材料插入物；

图4为根据本发明的烧结粉末金属复合材料金属切削制品的非限制性实施例的示意图，该制品包括烧结粉末金属复合材料钻头；

图5为根据本发明的烧结粉末金属复合材料金属切削制品的非限制性实施例的示意图，该制品包括烧结粉末金属复合材料模块化金属切削钻头；

图6为根据本发明的烧结粉末金属复合材料金属成形制品的非限制性实施例的示意图，该制品包括烧结粉末金属复合材料轧辊；

图7为根据本发明的烧结粉末金属复合材料金属成形制品的非限制性实施例的示意图，该制品包括烧结粉末金属复合材料抛光辊；

图8为根据本发明的烧结粉末金属复合材料木工制品的非限制性实施例的示意图，该制品包括烧结粉末金属复合材料伐木锯条；

图9为根据本发明的烧结粉末金属复合材料磨损制品的非限制性实施例的示意图，该制品包括烧结粉末金属复合材料砧座；

图10示出了根据本发明的三层烧结粉末金属复合材料制品的一个非限制性实施例，其中该复合材料包括烧结碳化物区域、镍区域和钢区域；以及

图11为根据本发明的烧结粉末金属复合材料制品一区域的横截面的显微照片，其中该复合材料包括烧结碳化物区域和钨合金区域，并且其中该图示出了复合材料的冶金结合区域。在钨合金部分中可见的颗粒为纯钨晶粒。在烧结碳化物区域中可见的颗粒为烧结碳化物颗粒。

具体实施方式

在非限制性实施例的本说明书中和权利要求中，除了在操作实例或另外指明的情况下，表示成分和产品的量或特征、加工条件等的所有数字均应理解为在所有情况下用术语“约”来修饰。因此，除非有相反的说明，否则在以下描述和所附权利要求中提及的任何数值参数均为近似值，其可根据想要在本发明描述的主题中获得的所需性质而变化。至少且并不试图限制将等同原则应用于权利要求书的范围，每个数值参数应至少根据记录的有效数位的数目并且通过施加惯常的四舍五入法来进行解释。

另外，本文所列举的任何数值范围旨在包括其中包含的所有子范围。例如，范围“1至10”旨在包括在所列举的最小值1与所列举的最大值10之间(并且包括1和10)的所有子范围，即，具有等于或大于1的最小值以及等于或小于10的最大值。本文所列举的任何最大数值限制旨在包括其中包含的所有较小数值限制，并且本文所列举的任何最小数值限制旨在包括其中包含的所有较大数值限制。因此，本申请人保留修改本发明(包括权利要求书)的权利，以便明确地列举纳入本文所明确列举的范围内的任何子范围。所有此类范围旨在在本文中以固有方式公开，使得修改以明确列举任何此类子范围将符合美国法典35§112第一段和美国法典35§132(a)的要求。

除非另外指明，否则本文使用的语法冠词“一”“一个”、“一种”以及“所述”旨在包括“至少一个”或“一个或多个”。因此，本文中使用的冠词是指一个或不止一个(即，至少一个)冠词的受体。举例来说，“部件”是指一个或多个部件，因此，可能预期有不止一个部件，并且所描述的实施例的实施中可以采用或使用不止一个所述部件。

本发明包括各个实施例的描述。应当了解，本文所述的所有实施例都是示例性的、说明性的和非限制性的。因此，本发明不受各个示例性的、说明性的和非限制性的实施例的描述的限制。相反，本发明仅由权利要求书限定，所述权利要求书可经修改以列举本发明中明确地或固有地描述的、或本发明以其他方式明确地或固有地支持的任何特征。

被叙述为以引用方式整体或部分并入本文的任何专利、出版物或其他公开材料仅以并入材料不与本发明中阐述的现有定义、表达或其他公开材料相冲突的程度并入本文。因此，并且在必要的程度内，本文阐述的公开内容取代以引用方式并入本文的任何冲突材料。被叙述为以引用方式并入本文但与本文阐述的现有定义、表达或其他公开材料相冲突的任何材料或其一部分仅以并入材料与现有公开材料之间不发生冲突的程度并入。

根据本发明的某些实施例涉及烧结粉末金属复合材料制品。复合材料制品为包含至少两个区域的物体，每个区域由不同的材料构成。根据本发明的烧结粉末金属复合材料制品包括至少第一区域，该第一区域可为工作区域或磨损区域并且包括烧结硬颗粒材料。第一区域冶金结合到第二区域上，该第二区域为金属区域并且包括为金属和金属合金中的一者的金属材料。图1示出了根据本发明的复合材料制品的两个非限制性例子。烧结粉末金属复合材料制品100包括冶金结合到镍区域112形式的第二区域上的烧结碳化物区域110形式的第一区域。烧结粉末金属复合材料制品200包括冶金结合到螺纹镍区域212形式的第二区域上的烧结碳化物区域210形式的第一区域。

如本领域中已知的，烧结粉末金属材料通过压制和烧结大量的冶金粉末来制备。在常规的压制和烧结过程中，将冶金粉末混合物置于模具的空隙中并压紧以形成“生坯”。烧结生坯，这使坯块致密化并将单独的粉末颗粒冶金结合在一起。在某些情况下，可在烧结过程中将坯块固结至完全或接近完全的理论密度。

在根据本发明的复合材料制品中，第一区域的烧结硬颗粒材料为包含分散在连续粘结相中的硬颗粒的不连续相的复合材料。第二区域中包含的金属材料为钢、镍、镍合金、钛、钛合金、钼、钼合金、钴、钴合金、钨和钨合金中的至少一者。两个区域由压制和烧结在一起的冶金粉末形成。在烧结过程中，在第一区域和第二区域之间(例如，在第一区域中的烧结硬颗粒材料与第二区域中的金属材料之间的界面处)形成冶金结合。

本发明人确定在烧结过程中在第一区域(包含烧结硬颗粒材料)和第二区域(包含为金属和金属合金中的一者的金属材料)之间形成的冶金结合令人惊讶且出乎意料地牢固。在根据本发明制备的各种实施例中，第一区域和第二区域之间的冶金结合没有显著缺陷(包括裂纹和脆的二次相)。当使用常规技术将烧结硬颗粒材料结合到金属或金属合金上时常常出现此类结合缺陷。根据本发明形成的冶金结合在显微结构水平上直接在第一区域和第二区域之间形成，并且显著比通过用于将烧结碳化物和金属或金属合金结合在一起的现有技术(例如，授予Carlsson的美国专利No.5,359,772中描述的铸造技术)形成的结合牢固。包括将熔铁铸造到烧结硬颗粒上的Carlsson的方法不能形成牢固结合。熔铁通过与碳化钨颗粒发生化学反应并形成通常称为η相的脆性相而与烧结碳化物反应。因此界面是弱的和脆的。由Carlsson中描述的技术形成的结合被限制于可在相对低熔点的熔融铸铁和预成形的烧结碳化物之间形成的相对弱的结合。此外，该技术仅适用于铸铁，因为其依赖奥氏体到贝氏体的转变以便在结合区域释放应力。

使用本文阐述的材料通过本发明的压制和烧结技术形成的冶金结合避免了其他结合技术中经历的应力和破裂。根据本发明形成的牢固结合有效地抵消了由于结合材料的热膨胀性质的差异而引起的应力，使得没有在复合材料制品的第一区域和第二区域之间的界面处形成裂纹。据信这至少部分是通过本发明的技术形成的出乎预料的牢固冶金结合的性质的结果，并且也是在本发明的技术中发现的材料的相容性的结果。已经发现，并非所有的金属和金属合金都可被烧结至如烧结碳化物的烧结硬颗粒材料。

在根据本发明的某些非限制性实施例中，包含烧结硬颗粒材料的第一区域具有大于100微米的厚度。另外，在某些非限制性实施例中，第一区域具有大于涂层厚度的厚度。在根据本发明的某些非限制性实施例中，第一区域和第二区域各自具有大于100微米的厚度。在某些其他非限制性实施例中，第一区域和第二区域中的每一者均具有大于0.1厘米的厚度。在其他实施例中，第一区域和第二区域各自具有大于0.5厘米的厚度。根据本发明的某些其他非限制性实施例包括具有大于1厘米的厚度的第一区域和第二区域。其他实施例包括具有大于5厘米的厚度的第一区域和第二区域。另外，在根据本发明的某些非限制性实施例中，烧结粉末金属复合材料制品的至少第二区域或另一个区域具有足以使该区域包括机械连接结构(例如，螺纹或键槽)的厚度，使得复合材料制品可通过该机械连接结构连接到另一个制品。

本文所述的实施例在复合材料制品的第一区域(包含烧结硬颗粒材料)和第二区域(包含为金属和金属合金中的一者的金属材料)之间实现出乎意料且令人惊讶地牢固冶金结合。在根据本发明的某些非限制性实施例中，第一区域和第二区域之间优异结合的形成与在复合材料的第二区域上包含的有利机械结构(诸如螺纹和键槽)结合，以提供可用于多种应用或适于连接到其它制品以用于专门应用的牢固和耐用复合材料制品。

在根据本发明的其他非限制性实施例中，第二区域的金属或金属合金的导热率小于第一区域的烧结硬颗粒材料的导热率，其中两个导热率均在室温(20℃)下评估。不受任何具体理论的限制，据信，第二区域的金属或金属合金的导热率必须小于第一区域的烧结硬颗粒材料的导热率，以便在第一区域和第二区域之间形成具有足以用于某些要求高的应用的强度的冶金结合。在某些非限制性实施例中，只有导热率小于烧结碳化物的金属或金属合金可用于第二区域。在某些非限制性实施例中，第二区域或第二区域的任何金属或金属合金具有小于100W/mK的导热率。在其他非限制性实施例中，第二区域或第二区域的任何金属或金属合金可具有小于90W/mK的导热率。

在根据本发明的某些其他非限制性实施例中，复合材料制品的第二区域的金属或金属合金具有高于1200℃的熔点。不受任何具体理论的限制，据信，第二区域的金属或金属合金的熔点必须高于1200℃，以便与第一区域的烧结硬颗粒材料形成具有足以用于某些要求高的应用的结合强度的冶金结合。在其他非限制性实施例中，复合材料制品的第二区域的金属或金属合金具有高于1275℃的熔点。在一些实施例中，第二区域的金属或金属合金的熔点高于铸铁。

根据本发明，第一区域中包含的烧结硬颗粒材料必须包括至少60体积％的分散硬颗粒。如果烧结硬颗粒材料包括小于60体积％的硬颗粒，则烧结硬颗粒材料将不具有使用烧结硬颗粒材料的应用中所需的耐磨擦磨损性、强度以及断裂韧性的所需组合。参见Kenneth J.A.Brookes,Handbook of Hardmetals and Hard Materials(InternationalCarbide Data,1992)(《硬金属和硬质材料手册》，国际碳化物数据，1992年)。因此，如本文所用，短语“烧结硬颗粒”和“烧结硬颗粒材料”是指包含分散在连续粘结材料中的硬颗粒的不连续相的复合材料，并且其中复合材料包括至少60体积％的硬颗粒不连续相。

在根据本发明的复合材料制品的某些非限制性实施例中，第二区域的金属或金属合金可包括分散在其中的从0至最高50体积％的硬颗粒(基于金属或金属合金的体积计)。相对于不含此类硬颗粒的相同材料，在金属或金属合金中存在一定浓度的此类颗粒可提高金属或合金的耐磨性，但对金属或金属合金的机械加工性没有显著的不利影响。显然，在第二区域的金属材料中存在最高50体积％的此类颗粒不会产生如本文所定义的烧结硬颗粒材料，这至少是因为硬颗粒的体积分数显著小于在烧结硬颗粒材料中的体积分数。另外，已经发现，在根据本发明的某些复合材料制品中，第二区域的金属或金属合金中硬颗粒的存在可改变该区域的收缩特性，以便更接近于第一区域的收缩特性。这样，可以调整第二区域的CTE以更好地确保与第一区域的CTE的相容性，从而防止在冶金结合区域中形成可导致裂纹的应力。

因此，在根据本发明的某些非限制性实施例中，复合材料制品的第二区域的金属或金属合金包括从0至最高50体积％或从0至最高30体积％，并且优选地不超过20体积％至30体积％的分散在金属或金属合金中的硬颗粒。据信，会影响金属或金属合金的耐磨性和/或收缩性质的金属或金属合金区域中的硬颗粒的最小量为约2体积％至5体积％。因此，在根据本发明的某些非限制性实施例中，复合材料制品的第二区域的金属或金属合金包括2体积％至50体积％，并且优选地2体积％至30体积％的分散在金属或金属合金中的硬颗粒。其他实施例可包括5体积％至50体积％，或5体积％至30体积％的分散在金属或金属合金中的硬颗粒。其他实施例可包括2体积％至20体积％，或5体积％至20体积％的分散在金属或金属合金中的硬颗粒。某些其他非限制性实施例可包括20体积％至30体积％的分散在金属或金属合金中的硬颗粒。

如本文所用，术语“硬颗粒”是指具有约80HRA或更大或者700HV或更大的硬度的颗粒或粉末。第一区域和任选地第二区域中包括的硬颗粒可选自例如碳化物颗粒、氮化物颗粒、硼化物颗粒、硅化物颗粒、氧化物颗粒以及它们的混合物和固溶体。在某些非限制性实施例中，第二区域的金属或金属合金包括最高50体积％或最高30体积％的分散的碳化钨颗粒。

在根据本发明的某些非限制性实施例中，第一区域的烧结硬颗粒材料的分散硬颗粒相可包括选自碳化物颗粒、氮化物颗粒、硼化物颗粒、硅化物颗粒、氧化物颗粒和包括它们中的一者或多者的混合物或固溶体的颗粒的一种或多种硬颗粒。在某些非限制性实施例中，硬颗粒可包括选自钛、铬、钒、锆、铪、钽、钼、铌和钨的至少一种过渡金属的碳化物颗粒。在其他非限制性实施例中，第一区域的烧结硬颗粒材料的连续粘结相包括钴、钴合金、镍、镍合金、铁和铁合金中的至少一者。粘结剂还可包括例如选自钨、铬、钛、钽、钒、钼、铌、锆、铪和碳的一种或多种元素，其含量最高至这些元素在粘结剂中的溶解限度。另外，粘结剂可包括最高5重量％的选自铜、锰、银、铝和钌的一种或多种元素。本领域的技术人员将会认识到，可将烧结硬颗粒材料的任何或所有成分例如以元素形式、作为化合物和/或作为母合金引入到由其形成烧结硬颗粒材料的冶金粉末中。

烧结硬颗粒材料(诸如烧结碳化物)的性质取决于包括硬颗粒平均粒度和硬颗粒和/或粘结剂的重量分数或体积分数的参数。一般来讲，当粒度减小和/或粘结剂含量降低时，硬度和耐磨性增大。另一方面，当粒度增大和/或粘结剂含量增加时，断裂韧性增大。因此，当选择用于任何应用的烧结硬颗粒材料等级时在耐磨性和断裂韧性之间存在权衡。当耐磨性增大时，断裂韧性通常减小，反之亦然。

本发明制品的某些非限制性实施例包括硬颗粒、所述硬颗粒包括选自钛、铬、钒、锆、铪、钽、钼、铌和钨的至少一种过渡金属的碳化物颗粒。在某些非限制性实施例中，硬颗粒包括碳化钨颗粒。在某些非限制性实施例中，碳化钨颗粒可具有0.3μm至10μm的平均粒度。

第一区域中的烧结硬颗粒材料的硬颗粒优选地占烧结硬颗粒材料总体积的约60体积％至约98体积％。硬颗粒分散在粘结剂基体中，该粘结剂基体优选地占烧结硬颗粒材料总体积的约2体积％至约40体积％。

根据本发明的复合材料制品的实施例还可以包括混合烧结碳化物，例如，美国专利No.7,384,443中所描述的任何混合烧结碳化物，该专利的全部公开内容以引用方式并入本文。例如，根据本发明的制品可包括至少第一区域，该第一区域包括混合烧结碳化物并且冶金结合到包括金属和金属合金中的一者的第二区域。某些其他制品可包括至少第一区域、第二区域和第三区域，所述第一区域包含烧结硬颗粒材料，所述第二区域包含为金属和金属合金中的至少一者的金属材料，所述第三区域包含混合烧结碳化物材料，其中第一区域和第三区域冶金结合到第二区域。

通常，混合烧结碳化物为包含分散在整个第二烧结碳化物连续相中的至少一种烧结碳化物等级的颗粒的材料，从而形成烧结碳化物的微观复合材料。相对于某些其他混合烧结碳化物，美国专利No.7,384,443的混合烧结碳化物具有低的分散相颗粒连续率(contiguityratio)和改善的性质。优选地，根据本发明的实施例中所包括的混合烧结碳化物的分散相的连续率小于或等于0.48。另外，根据本发明的实施例中所包括的混合烧结碳化物优选地包含硬度大于混合烧结碳化物连续相的硬度的分散相。例如，在根据本发明的复合材料制品的一个或多个区域中包括的混合烧结碳化物的某些非限制性实施例中，混合烧结碳化物中的分散相的硬度优选地大于或等于88洛氏硬度(Rockwell A Hardness,HRA)并且小于或等于95HRA，混合烧结碳化物中的连续相的硬度大于或等于78HRA并且小于或等于91HRA。

根据本发明的制品的另外的非限制性实施例可在制品的一个或多个区域中包括混合烧结碳化物，其中分散的烧结碳化物相的体积分数小于混合烧结碳化物的50体积％，并且其中分散的烧结碳化物相的连续率小于或等于混合烧结碳化物中的分散的烧结碳化物相的体积分数的1.5倍。

制备混合烧结碳化物的方法的实施例允许形成具有低连续率的分散的烧结碳化物相的此类材料。复合材料结构中分散相的连续程度可用连续率C_t来表征。可以使用以引用方式并入本文的Underwood,Quantitative Microscope,279-290(1968)(Underwood，《定量显微镜》，第279-290页，1968年)中描述的定量金相技术来测定C_t。该技术还在美国专利No.7,384,443中有所定义，并且其包括确定放置在为材料的显微照片的微观结构上的已知长度无规取向的线与特定结构特征形成的交叉点的数目。对线与分散相/分散相交汇处形成的交叉点的总数目计数(N_Lαα)，同样对线与分散相/连续相界面形成的交叉点的数目计数(N_Lαβ)。用公式C_t＝2Ν_Lαα/(Ν_Lαβ+2N_Lαα)计算连续率C_t。

连续率为与其他分散的第一相颗粒接触的分散相颗粒的表面积的平均分数(fraction)的量度。当分散颗粒从完全分散变化为完全团聚结构时，该比率可在0至1的范围内变化。连续率描述分散相的连续程度，而不考虑分散相区域的体积分数或大小。然而，通常，对于较高的分散相体积分数而言，分散相的连续率也可能较高。

就具有硬烧结碳化物分散相的混合烧结碳化物而言，连续率越低，裂纹将不会传播通过连续的硬质相区域的可能性越大。该破裂过程可以是具有累积效应的重复过程，从而导致混合烧结碳化物制品(例如，地钻头)的整体韧性降低。

美国专利No.7,384,443中公开了一种制备具有改善的性能的混合烧结碳化物的方法。该制备混合烧结碳化物的方法包括将部分和完全烧结的分散烧结碳化物等级的颗粒中的至少一者与连续烧结碳化物等级的生坯和未烧结颗粒中的至少一者混合。然后固结混合物，并使用常规方法进行烧结。分散相颗粒的部分或完全烧结引起颗粒的强化(与“生坯”颗粒相比)。继而，强化的分散相颗粒在混合物的固结过程中将具有提高的抗坍塌性。根据所需的分散相的强度，分散相颗粒可在约400℃至约1300℃范围内的温度下部分或完全烧结。可以用多种方法烧结颗粒，例如但不限于氢气烧结和真空烧结。颗粒的烧结可以导致润滑剂的去除、氧化还原、致密化和微观结构形成。在共混之前部分或完全烧结分散相颗粒的方法导致在共混物固结过程中分散相坍塌的减少。

根据本发明的制品的某些实施例包括第二区域，所述第二区域包含为金属和金属合金中的一者的金属材料，其中第二区域包括至少一个机械连接机构或其他机械结构。如本文所用，机械连接机构使得根据本发明的某些制品能够连接到某些其他制品上并且作为较大装置的一部分起作用。机械连接机构可包括例如螺纹、狭槽、键槽、夹紧区域、齿或嵌齿、台阶、斜面、孔、销轴和/或臂。因为烧结硬颗粒材料的有限拉伸强度和缺口敏感性，先前不可能成功地在仅由烧结硬颗粒形成的用于某些要求高的应用的制品上包括此类机械连接机构。现有技术制品包括金属或金属合金区域，所述金属或金属合金区域包括一个或多个机械连接机构，该机械连接机构以共同压制和烧结之外的方式连接至烧结硬颗粒区域。此类现有技术制品在金属或金属合金与烧结硬颗粒区域之间的结合相对较弱，严重限制了该制品可能的应用。

用于制造烧结硬颗粒材料部件的方法通常包括将包括硬颗粒和粉末状粘结剂的粉末状成分混配或混合，以形成冶金粉末混合物。可以固结或压制冶金粉末混合物以形成生坯。然后烧结生坯以形成制品或制品的一部分。根据一种方法，冶金粉末混合物通常在10,000psi和60,000psi之间的压力下通过机械压制或等静压制来固结，以形成生坯。在某些情况下，生坯可在约400℃和1200℃之间的温度下预烧结，以形成“褐”坯(“brown”compact)。随后烧结生坯或褐坯，以便使冶金粉末颗粒自发地粘结在一起并使坯块进一步致密化。在某些非限制性实施例中，可在真空或氢气中烧结粉末坯块。在某些非限制性实施例中，在300psi至2000psi的压力下和1350℃至1500℃的温度下对坯块进行过压烧结。烧结之后，可对制品进行适当的加工，以形成所需形状或制品的特定几何形状的其他特征结构。

本发明的实施例包括制备烧结粉末金属复合材料制品的方法。一种此类方法包括将第一冶金粉末放置到模具空隙的第一区域中，其中第一粉末包括硬颗粒和粉末状粘结剂。将第二冶金粉末混合物放置到模具空隙的第二区域中。第二粉末可包括金属粉末和金属合金粉末中的至少一者，所述金属粉末和金属合金粉末选自钢粉末、镍粉末、镍合金粉末、钼粉末、钼合金粉末、钛粉末、钛合金粉末、钴粉末、钴合金粉末、钨粉末和钨合金粉末。第二粉末可以接触第一粉末，或者首先可通过分隔装置将第二粉末与模具中的第一粉末分隔开。根据复合材料制品中所需的烧结硬颗粒和金属或金属合金区域的数量，可将模具划分成另外的区域或以其他方式包括另外的区域，在另外的区域中可放置另外的冶金粉末混合物。例如，模具可通过以下方式被隔分成几个区域：在模具空隙中放置一个或多个物理隔离物以限定若干区域，和/或仅通过使用不同的粉末填充模具的多个区域而不在相邻粉末间提供隔离物。选择冶金粉末以实现本文所述制品的相应区域的所需性能。本发明方法实施例中使用的材料可包括本文讨论的任何材料，但为粉末形式，以使得它们可被压制和烧结。一旦将粉末填充到模具中后，移除任何隔离物并且随后固结模具中的粉末以形成生坯。粉末可例如通过机械压制或等静压制固结。随后可烧结生坯以提供烧结粉末金属复合材料制品，该制品包括由第一粉末形成的并冶金结合到由第二金属或金属合金粉末形成的第二区域上的烧结硬颗粒区域。例如，烧结可在适于自发结合粉末颗粒和适于使制品致密化的温度下进行，诸如最高1500℃的温度。

制备烧结粉末金属制品的常规方法可用于提供各种形状的并且包括各种几何特征结构的烧结制品。此类常规方法对于本领域的普通技术人员将是易知的。这些人在考虑本发明之后可易于对常规方法进行调整以制备根据本发明的复合材料制品。

根据本发明的方法的另一非限制性实施例包括将模具中的第一冶金粉末固结以形成第一生坯，以及将第一生坯放入第二模具中，其中第一生坯填充第二模具的一部分。第二模具可至少部分地填充有第二冶金粉末。可将第二冶金粉末和第一生坯固结以形成第二生坯。最后，烧结第二生坯，以使坯块进一步致密化，并且在第一冶金粉末区域与第二冶金粉末区域之间形成冶金结合。如果必要的话，可将第一生坯预烧结最高约1200℃的温度，以便为第一生坯提供附加强度。根据本发明方法的此类实施例在用于特定应用的复合材料制品的不同区域的设计中提供增加的灵活性。根据本文的实施例，第一生坯可用任何所需的粉末金属材料设计成任何所需的形状。此外，该过程可根据需要优选地在烧结之前重复多次。例如，在固结以形成第二生坯之后，可将第二生坯放入具有第三冶金粉末的第三模具中并固结以形成第三生坯。通过此类重复过程，可以形成更复杂的形状。可以形成包括不同性能的多个明确限定的区域的制品。例如，本发明的复合材料制品可在例如需要增加的耐磨性处包括烧结硬颗粒材料，并在需要提供机械连接机构的制品区域中包括金属或金属合金。

根据本发明的方法的某些实施例涉及烧结粉末金属复合材料制品。如本文所用，复合材料制品为包括至少两个区域的物体，每个区域由不同的材料构成。根据本发明的烧结粉末金属复合材料制品包括至少第一区域，该第一区域包含烧结硬颗粒并且冶金结合到第二区域上，该第二区域包含金属和金属合金中的至少一者。

以下实例旨在进一步描述某些非限制性实施例，而不限制本发明的范围。本领域的普通技术人员将会知道，以下实例的变型形式在仅由权利要求书限定的本发明的范围内是可能的。

实例1

图1示出了根据本发明的复合材料制品的两个非限制性示例性实施例。图1示出了采用根据本发明的以下方法制造的烧结碳化物-金属复合材料制品100、200，所述制品由冶金结合到镍部分112、212上的烧结碳化物部分110、210构成。将由按重量计70％的碳化钨、18％的钴和12％的镍构成的烧结碳化物粉末层(以FL30^TM粉末从美国阿拉巴马州麦迪逊的ATI Firth Sterling公司(ATI Firth Sterling,Madison,Alabama,USA)商购获得)放入模具中，使其与镍粉末层(以Inco123型高纯度镍从美国新泽西州威科夫的Inco特殊产品公司(Inco SpecialProducts,Wyckoff,New Jersey,USA)商购获得)接触，并且共同压制以形成由固结粉末材料的两个不同层构成的单个生坯。在100吨的液压机中使用大约20,000psi的压制压力进行压制(或固结)。所得的生坯为直径大约1.5英寸并且长度大约2英寸的圆柱体。烧结碳化物层大约0.7英寸长，并且镍层大约1.3英寸长。压制后，复合材料坯块在真空炉中在1380℃下烧结。在烧结过程中，坯块沿任何方向的线性收缩率为大约18％。复合材料烧结制品在外径上研磨，并且在制品中的一个的镍部分212上加工螺纹。图1B为显微照片，其示出了制品100和制品200的烧结碳化物材料300与镍材料301的界面处的微观结构。图1B清楚地示出了在界面区域302处冶金结合在一起的烧结碳化物和镍部分。界面区域中没有出现裂纹。

实例2

根据本发明的非限制性方面，烧结粉末金属复合材料制品可为或包括地钻制品。参见图2，根据本发明的烧结粉末金属复合材料地钻制品的非限制性实施例包括固定切削器地钻头300。固定切削器地钻头300包括为工作区域的第一区域302。如本文所用，“工作区域”是指适于实现制品的所需实用性(例如，地钻孔、金属切割、金属成形等等)的制品区域。第一区域302包含可为例如烧结碳化物的烧结硬颗粒材料。第一区域302包含典型的特征结构，例如，可连接地钻插入物的凹槽。第一区域302直接冶金结合到第二区域304上，该第二区域为包含为金属和金属合金中的一者的金属材料的金属区域。第二区域304包含螺纹306形式的机械连接机构。在非限制性实施例中，第二区域304包含如钢合金的金属材料。第二区域304的螺纹306适于将固定切削器地钻头300连接到钻柱(未示出)上。第二区域304可包含如本文所公开的任何合适的金属或金属合金。第二区域304包含从0至最高30体积％的硬颗粒。取代螺纹306或与其一起，第二区域304还可以包括本文所公开的机械连接机构中的任何一者或多者，并且其适于适当地将钻头300连接到钻柱上。图2中所示的为了包括作为工作区域、直接冶金结合到带螺纹的为金属材料的第二区域304上的烧结硬颗粒材料第一区域302的固定切削器地钻头300的构造消除了使用焊接以将连接区域连接到工作区域上的需要，从而避免了与焊接相关的问题。此类问题包括由于在焊接过程中固有的升温和冷却期间烧结硬颗粒工作区域和金属或金属合金连接区域的膨胀和收缩速率显著不同而在焊接区域中形成裂纹。可以使用如本文所述的方法和本领域中的普通技术人员已知的其他方法由冶金粉末制造为工作区域的固定切削器地钻头第一区域302。例如，由烧结硬颗粒形成固定切削器地钻头的方法在美国专利No.7,954,569中公开，该专利的全部公开内容据此以引用方式并入本文。

在非限制性实施例中，烧结粉末金属复合材料固定切削器地钻头300的第一区域302包括压制和烧结的冶金粉末，该冶金粉末包含硬颗粒，该硬颗粒包括碳化物颗粒、氮化物颗粒、硼化物颗粒、硅化物颗粒、氧化物颗粒和它们的固溶体中的至少一者；以及烧结硬颗粒材料的粘结相，其包含钴、钴合金、钼、钼合金、镍、镍合金、铁和铁合金中的至少一者。在某些非限制性实施例中，第一区域302包含20体积％至40体积％的粘结相和60体积％至80体积％的硬颗粒。

在制造烧结粉末金属复合材料固定切削器地钻头的方法的某个非限制性实施例中，第一区域302的冶金粉末为得自美国阿拉巴马州麦迪逊的ATI Firth Sterling公司(ATI Firth Sterling,Madison,Alabama,USA)的FL30^TM粉末。FL30^TM粉末包含按重量计70％的碳化钨、18％的钴和12％的镍。第二区域304的钢合金粉末由按重量计94％的101海绵铁粉(从美国新泽西州希那明森的海格纳士公司(Hoeganaes,Cinnaminson,New Jersey,USA)商购获得)、4.0％的高纯度(99.9％)铜粉(从美国加利福尼亚州洛杉矶的美国元素公司(American Elements,Los Angeles,California,USA)商购获得)、2.0％的镍(以Inco 123型高纯度镍从美国新泽西州威科夫的Inco特殊产品公司(Inco Special Products,Wyckoff,New Jersey,USA)商购获得)和0.4％的石墨粉(以FP-161从美国俄亥俄州查格林福尔斯市的石墨销售公司(Graphite Sales,Inc.,Chagrin Falls,Ohio,USA)商购获得)构成。在适当成形的模具的第一区域中填充FL30^TM粉末以形成第一区域302，并且在模具的第二区域中填充具有上文提供的组成的钢合金粉末以形成第二区域304。加工条件与上文实例1中公开的条件相同。在压制和烧结之后，对包含钢合金的金属区域进行加工以包括螺纹。

实例3

参见图3，根据本发明的烧结粉末金属复合材料制品的另一个非限制性实施例包括用于旋转锥形地钻头(未示出)的烧结粉末金属复合材料地钻插入物(insert)310。旋转锥形地钻头的一般构造对于本领域的普通技术人员是已知的，并且在此不再描述。用于旋转锥形地钻头的烧结粉末金属复合材料地钻插入物310包括第一区域312，该第一区域312为工作区域并且包含可为例如烧结碳化物的烧结硬颗粒材料。第一区域312直接冶金结合到第二区域314上，该第二区域为包含为金属和金属合金中的一者的金属材料的金属区域。第二区域314包含螺纹316形式的机械连接机构。在某一非限制性实施例中，第二区域314的金属材料为钢合金。然而，应当理解，第二区域314可包含如本文所公开的任何其他合适的金属或金属合金。第二区域314包含从0至最高30体积％的硬颗粒。另外，应当理解，取代螺纹316或与其一起，地钻插入物310的第二区域314可包括本文所公开的机械连接机构中的任何合适的一种。图3中所示的为了包括作为工作区域、直接冶金结合到带螺纹的为金属材料的第二区域314上的烧结硬颗粒材料第一区域312的地钻插入物310的构造使得插入物310螺纹连接于旋转锥形地钻头的钢锥(未示出)中提供的螺纹孔内。

在非限制性实施例中，烧结粉末金属复合材料地钻插入物310的第一区域312由压制和烧结的冶金粉末构成，所述冶金粉末包括：硬颗粒，该硬颗粒包括碳化物颗粒、氮化物颗粒、硼化物颗粒、硅化物颗粒、氧化物颗粒和它们的固溶体中的至少一者；以及粘结相，其包含钴、钴合金、钼、钼合金、镍、镍合金、铁和铁合金中的至少一者。在某一非限制性实施例中，工作区域包含10体积％至25体积％的粘结相和75体积％至90体积％的硬颗粒。

在根据本发明的制造烧结粉末金属复合材料固定切削器地钻头的方法的某些非限制性实施例中，第一区域312的冶金粉末为得自美国阿拉巴马州麦迪逊的ATI Firth Sterling公司(ATI Firth Sterling,Madison,Alabama,USA)的231级或941级或55B级粉末。231级粉末包含按重量计90％的碳化钨和10％的钴。941级粉末包含按重量计89％的碳化钨和11％的钴。55B级粉末包含按重量计84％的碳化钨和16％的钴。第二区域314的钢合金粉末与实例2中相同。在适当成形的模具的第一区域中填充231级或941级或55B级粉末以形成第一区域312，并且在模具的第二区域中填充钢合金粉末以形成第二区域314。加工条件与上文实例1中公开的条件相同。在压制和烧结之后，对包含钢合金的第二区域314进行加工以包括螺纹。

将用于常规旋转锥形地钻头的常规烧结碳化物切削刀片(cuttinginsert)压入配合至形成钻头组件的一部分的钢锥中的刀片槽内。如果常规刀片中的一者或多者在钻孔过程中破损或过早磨损，那么必须废弃整个地钻头(其包括钻头主体和连接至其的切削刀片)，即使其余的刀片并没有破损或没有不可接受的磨损。废弃整个常规钻头是因为一旦将常规的切削刀片连接到常规的旋转锥形地钻头的钢锥上，就极其难以取下和更换切削刀片。包括带螺纹的第二区域314的根据本发明的切削刀片310的实施例可旋入或旋出钢锥中的螺纹插孔，使得切削刀片磨损或破损时，更换单独的切削刀片310相对简单，并且消除了丢弃整个地钻头的需要，所述第二区域为直接结合到为工作区域的烧结硬颗粒材料第一区域312上的金属区域。可以使用如本文所述的方法和本领域的普通技术人员已知的其他方法由冶金粉末制造烧结粉末金属复合材料切削刀片310。

虽然图2和图3示出了根据本发明的地钻制品的特定非限制性实施例，但应当理解，其他地钻制品也在本发明的范围内。在本发明范围内的其他烧结粉末金属复合材料地钻制品包括但不限于固定切削器地钻头、用于旋转锥形地钻头的切削刀片、用于旋转锥形地钻头的喷嘴、用于地钻冲击钻头的喷嘴、量规砖、多晶金刚石复合片(PDC)基底和采煤镐。每种此类烧结粉末金属地钻制品包括第一区域，所述第一区域为包含烧结硬颗粒材料的工作区域并且直接冶金结合到第二区域上，所述第二区域为包含为金属和金属合金中的一者的金属材料的金属区域。第二区域包括至少一个连接结构，适于使用该连接结构将地钻制品连接到另一个制品上。

实例4

根据本发明的另一个非限制性方面，烧结粉末金属复合材料制品包括烧结粉末金属复合材料金属切削工具。参见图4，烧结粉末金属复合材料金属切削工具的非限制性实施例包括烧结粉末金属复合材料金属切削钻头320。钻头320包括第一区域322，该第一区域为包含可以是例如烧结碳化物的烧结硬颗粒材料的工作区域并且包括切削刃324。第一区域322直接冶金结合到为金属区域的第二区域326上，所述金属区域包含为金属和金属合金中的一者的金属材料并且还包括适于将钻头320夹紧到刀架(未示出)中的夹紧区域328形式的机械连接机构。在某些非限制性实施例中，第二区域326包含钢合金。应当认识到，第二区域326可包含如本文所公开的任何合适的金属或金属合金，并且取代夹紧区域328或与其一起，钻头320的第二区域326可包括本文所公开的机械连接机构中的任一种。第二区域326包括从0至最高30体积％的硬颗粒。可以使用如本文所述的方法和本领域的普通技术人员已知的其他方法由冶金粉末制造烧结粉末金属复合材料金属切削钻头320。

在非限制性实施例中，为烧结粉末金属复合材料金属切削钻头320的工作区域的第一区域322由压制和烧结的冶金粉末构成，该冶金粉末包含硬颗粒，该硬颗粒包括碳化物颗粒、氮化物颗粒、硼化物颗粒、硅化物颗粒、氧化物颗粒和它们的固溶体中的至少一者；以及烧结硬颗粒材料的粘结相，其包含钴、钴合金、钼、钼合金、镍、镍合金、铁和铁合金中的至少一者。在某些非限制性实施例中，第一区域322包含10体积％至25体积％的粘结相和75体积％至90体积％的硬颗粒。

在制造烧结粉末金属复合材料金属切削钻头的方法的某些非限制性实施例中，为工作区域的第一区域322的冶金粉末为得自美国阿拉巴马州麦迪逊的ATI Firth Sterling公司(ATI Firth Sterling,Madison,Alabama,USA)的H17级或FR10级或FR15级粉末。H17级粉末包含按重量计90％的碳化钨和10％的钴。FR10级包含按重量计90％的碳化钨和10％的碳。FR15粉末包含按重量计85％的碳化钨和15％的钴。第二区域326的钢合金粉末与来自实例2的钢合金粉末相同。在适当成形的模具的第一区域中填充H17级或FR10级或FR15级粉末以形成第一区域322，并且在第二区域中填充钢合金粉末以形成第二区域326。加工条件与上文实例1中公开的条件相同。压制和烧结之后，包含钢合金的第二区域326充当用于连接到钻头的夹紧区域。

目前，金属切削钻头通常由烧结碳化物固体块制成。需要高耐磨性的钻头的实际工作部分相当小并且可为例如大约0.25英寸至0.5英寸(0.635cm至1.27cm)长。钻头的其余部分为钻进部分提供支持。烧结粉末金属复合材料金属切削钻头320的包括直接冶金结合到第二区域324上的第一区域322的构造可显著降低与钻孔操作相关联的成本，所述第一区域为包括烧结硬颗粒材料和切削刃324的工作区域，所述第二区域为包含为金属和金属合金中的一者的金属材料并具有夹紧区域326的金属区域，如图4所示。通过提供相对较短的第一区域322，烧结粉末金属复合材料金属切削钻头320的成本相对于常规的整体式钻头有所降低，所述第一区域为包括例如适当硬和耐磨损的烧结硬颗粒材料的工作区域，其直接冶金结合到较长的不昂贵的第二区域326上，所述第二区域为包含为金属和金属合金中的一者的金属材料的金属区域，其为第一区域322提供支撑，并且提供有用于将烧结粉末金属复合材料金属切削钻头320连接到工具架或钻具上的连接结构。应当认识到，可以使用第一区域322和第二区域326的任何有效长度，并且此类设计在本发明的范围内。

实例5

参见图5，根据本发明的烧结粉末金属复合材料金属切削工具的非限制性方面包括模块化金属切削钻头330。模块化金属切削钻头330包括工作区域形式的第一区域332，所述工作区域包含烧结硬颗粒材料并包括切削刃334。为工作区域的第一区域332冶金结合到为金属区域的第二区域336上，所述金属区域包括至少一种金属或金属合金并且包括适于将模块化金属切削钻头330螺纹连接到柄部(未示出)的螺纹338形式的连接结构。在非限制性实施例中，第二区域336包含钢合金。然而，应当理解，第二区域336可包含如本文所公开的任何金属或金属合金。第二区域336包含从0至最高30体积％的硬颗粒。还应当理解，取代螺纹338或与其一起，烧结粉末金属复合材料模块化金属切削钻头330的第二区域336可包括本文所公开的合适的机械连接机构中的任一种。可以使用如本文所述的方法和本领域普通技术人员已知的其他方法由冶金粉末制造烧结粉末金属复合材料模块化金属切削钻头330。

在非限制性实施例中，为烧结粉末金属复合材料模块化金属切削钻头330的工作区域的第一区域332由压制和烧结的冶金粉末构成，该冶金粉末包含硬颗粒，该硬颗粒包括碳化物颗粒、氮化物颗粒、硼化物颗粒、硅化物颗粒、氧化物颗粒和它们的固溶体中的至少一者；以及烧结硬颗粒材料的粘结相，其包含钴、钴合金、钼、钼合金、镍、镍合金、铁和铁合金中的至少一者。在某一非限制性实施例中，第一区域332包含10体积％至25体积％的粘结相和75体积％至90体积％的硬颗粒。

在制造烧结粉末金属复合材料模块化金属切削钻头的方法的某些非限制性实施例中，第一区域332的冶金粉末为得自美国阿拉巴马州麦迪逊的ATI Firth Sterling公司(ATI Firth Sterling,Madison,Alabama,USA)的H17级或FR10级或FR15级粉末(参见上文)。第二区域336的钢合金粉末与实例2中的钢合金粉末相同。在适当成形的模具的第一区域中填充H17级或FR10级或FR15级粉末以形成第一区域332，并且在第二区域中填充钢合金粉末以形成第二区域336。加工条件与上文实例1中公开的条件相同。压制和烧结之后，对由钢合金粉末形成的第二区域336进行加工以包括螺纹。

如上所述，金属切削钻头通常由固体烧结碳化物制成，相对于许多金属和金属合金，所述固体烧结碳化物是昂贵的材料。图5中示出的烧结粉末金属复合材料模块化金属切削钻头330的设计允许使用相对较小的烧结硬颗粒第一区域332，该第一区域为具有切削刃334的工作区域并直接冶金结合到相对较大并且不昂贵的第二区域336上，该第二区域为包含螺纹338的金属区域。金属切削钻头的成本因此可显著降低。然后可将螺纹部分紧固到机械工具柄上。此外，可易于对第二区域336进行加工，以提供螺纹或其他连接结构。相比之下，对烧结硬颗粒材料的加工更加困难。

虽然图4和图5示出了根据本发明的金属切削制品的特定非限制性实施例，但应当认识到，其他金属切削制品也在本发明的范围内。本发明范围内的其他烧结粉末金属复合材料金属切削制品包括但不限于铣削工具、模块化铣削工具、车削工具、成形工具、螺纹加工工具、钻孔工具、滚齿和齿轮加工工具、攻丝工具、锯切工具和铰孔工具。每种此类烧结粉末金属复合材料金属切削制品包括第一区域，所述第一区域为包含烧结硬颗粒材料的工作区域并且直接冶金结合到第二区域上，所述第二区域为包含为金属和金属合金中的一者的金属材料的金属区域。第一区域包括加工工件的结构。第二区域包括至少一个连接结构，适于使用该连接结构将烧结粉末金属复合材料金属切削制品连接到另一个制品上。

实例6

根据本发明的另一个非限制性方面，烧结粉末金属复合材料制品包括烧结粉末金属复合材料金属成形工具。参见图6，根据本发明的烧结粉末金属复合材料金属成形工具的非限制性实施例包括烧结粉末金属复合材料轧辊340。烧结粉末金属复合材料轧辊340可用于例如钢棒和杆的热轧。烧结粉末金属复合材料轧辊340包括第一区域342，该第一区域为用于轧制金属和金属合金的工作区域。第一区域342包含可为例如烧结碳化物的烧结硬颗粒材料。第一区域342冶金结合到第二区域344上，该第二区域为金属区域并且支撑第一区域342，所述金属区域包含金属材料，所述金属材料包括金属和金属合金中的一者。如图6所示，第二区域344可适于作为烧结粉末金属复合材料轧辊340的内环部分，其支撑由第一区域342构成的外环部分。第二区域344包括键槽或狭槽346形式的连接结构，该连接结构适于在轧制过程期间将轧辊340连接到驱动烧结粉末金属复合材料轧辊340的一个或多个轴(未示出)上。在非限制性实施例中，第二区域344包含钢合金。然而，应当理解，第二区域344可包含如本文所公开的任何合适的金属或金属合金。第二区域344包含从0至最高30体积％的硬颗粒。还应当理解，取代键槽或狭槽346或与其一起，轧辊340的第二区域344可包括本文所公开的任何机械连接机构。轧辊的尺寸是本领域普通技术人员所熟知的，并且可被配置为适应具体需要。因此，那些细节不需要在本文中公开。可以使用如本文所述的方法和本领域普通技术人员已知的其他方法由冶金粉末制造烧结粉末金属复合材料轧辊340。

在非限制性实施例中，为烧结粉末金属复合材料轧辊340的工作区域的第一区域342由压制和烧结的冶金粉末构成，该冶金粉末包含硬颗粒，该硬颗粒包括碳化物颗粒、氮化物颗粒、硼化物颗粒、硅化物颗粒、氧化物颗粒和它们的固溶体中的至少一者；以及烧结硬颗粒材料的粘结相，其包含钴、钴合金、钼、钼合金、镍、镍合金、铁和铁合金中的至少一者。在某些非限制性实施例中，第一区域342包含15体积％至40体积％的粘结相和60体积％至85体积％的硬颗粒。

在制造烧结粉末金属复合材料轧辊的方法的某些非限制性实施例中，第一区域342的冶金粉末为得自美国阿拉巴马州麦迪逊的ATIFirth Sterling公司(ATI Firth Sterling,Madison,Alabama,USA)的R61级或H20级或H25级粉末。R61级粉末包含按重量计85％的碳化钨和15％的钴。H20级粉末包含按重量计80％的碳化钨和20％的钴。H25级包含按重量计75％的碳化钨和25％的钴。第二区域344的钢合金粉末与实例2中的钢合金粉末相同。在适当成形的模具的第一区域(或工作区域)中填充R61级或H20级或H25级粉末以形成第一区域342，在模具的第二区域中填充钢合金粉末以形成第二区域344。加工条件与上文实例1中公开的条件相同。压制和烧结之后，对包含钢合金的第二区域344进行加工，以包括键槽和狭槽中的至少一者。

用于棒和杆的热轧制的轧辊通常由烧结碳化物制成。由于烧结碳化物为相对较脆的材料，所以在轧制过程期间在由单一烧结碳化物制成的辊中提供狭槽或键槽以使辊能够连接到用于驱动辊的轴上通常是不可行的。因此，精细的方法(例如使用液压致动的膨胀材料)通常用于驱动单一烧结碳化物轧辊。如果环向应力水平过高，这些技术可导致轧辊的过早破损，或者如果液压力过低，可导致轧辊的滑移。

通过根据本发明的某些非限制性实施例解决了所述问题，例如图6中示出的烧结粉末金属复合材料轧辊340，其包括烧结硬颗粒材料第一区域342和第二区域344，所述第一区域为用于轧制金属或金属合金的工作区域，所述第二区域为支撑并提供适于在使用期间允许轧辊被驱动的结构的金属区域。例如，可对第二区域344进行加工以包含连接结构，诸如键槽和狭槽346，其可用于将烧结粉末金属复合材料轧辊340连接到例如选择性地旋转并刚性驱动烧结粉末金属复合材料轧辊340的轴上。

实例7

参见图7，根据本发明的烧结粉末金属复合材料金属成形制品的非限制性实施例包括烧结粉末金属复合材料抛光辊350。如本领域中已知的，抛光辊可用于磨光钢滚珠轴承，以在轴承上赋予抛光面。通常将抛光辊组装到钢轴上，并且辊通过键槽构造刚性连接到轴上。如上文所讨论的轧辊的情形，在相对较脆的烧结碳化物材料中提供键槽通常是不可行的。因此，抛光辊通常完全由工具钢(诸如D-2钢合金)制成。

仍参见图7，根据本发明的烧结粉末金属复合材料抛光辊350的非限制性实施例包括第一区域352，该第一区域为用于磨光金属或金属合金的工作区域，并且冶金结合到第二区域354上，该第二区域为包含金属材料的金属区域并且支撑第一区域352，所述金属材料包括金属和金属合金中的一者。第二区域354包括为键槽或狭槽356的连接结构，其适于允许在磨光过程期间将烧结粉末金属复合材料抛光辊350连接到选择性地旋转以驱动烧结粉末金属复合材料抛光辊350的轴(未示出)上。第一区域352包含可为例如烧结碳化物的烧结硬颗粒材料。如图7所示，为金属区域的第二区域354可适于作为内环部分，其支撑由为工作区域的第一区域352构成的外环部分。在非限制性实施例中，第二区域354包含钢合金。应当理解，第二区域354可包含如本文所公开的用于第二区域354的任何金属或金属合金。第二区域354包含从0至最高30体积％的硬颗粒。还应当理解，取代键槽或狭槽356或与其一起，烧结粉末金属复合材料抛光辊350的第二区域354可包括本文所公开的机械连接机构中的任一种。抛光辊350的尺寸和其他特征是本领域普通技术人员所理解的，因此，不必在本文中公开。可以使用如本文所述的方法和本领域普通技术人员已知的其他方法由冶金粉末制造烧结粉末金属复合材料抛光辊350。

在非限制性实施例中，烧结粉末金属复合材料抛光辊350的第一区域352由压制和烧结的冶金粉末构成，该冶金粉末包含硬颗粒，该硬颗粒包括碳化物颗粒、氮化物颗粒、硼化物颗粒、硅化物颗粒、氧化物颗粒和它们的固溶体中的至少一者；以及烧结硬颗粒材料的粘结相，其包含钴、钴合金、钼、钼合金、镍、镍合金、铁和铁合金中的至少一者。在某一非限制性实施例中，工作区域包含15体积％至40体积％的粘结相和60体积％至85体积％的硬颗粒。

在制造烧结粉末金属复合材料抛光辊350的方法的某些非限制性实施例中，第一区域352的冶金粉末为得自美国阿拉巴马州麦迪逊的ATI Firth Sterling公司(ATI Firth Sterling,Madison,Alabama,USA)的R61级或H20级或H25级粉末(参见上文)。第二区域354的钢合金粉末包括与实例2中相同的钢合金粉末。在适当成形的模具的第一区域中填充R61级或H20级或H25级粉末以形成第一区域352，并且在第二区域中填充钢合金粉末以形成第二区域354。加工条件与上文实例1中公开的条件相同。压制和烧结之后，对包含钢合金的金属区域进行加工以包括键槽和狭槽中的至少一者。

虽然图6和图7示出了根据本发明的金属成形制品的特定非限制性实施例，但应当认识到，其他金属成形制品也在本发明的范围内。本发明范围内的其他烧结粉末金属复合材料金属成形制品包括但不限于拉丝模、拉管模、拉棒模、镦锻模、粉末压制模、连续模、层压模、冲孔模、挤出模、热锻模、冷锻模、剥离模、修边模、钉夹持模、弹簧成形模、线材成形模、模锻模、线材压扁模、线材压扁辊、芯轴、拉管塞、罐成形模、用于金属热轧的辊，以及用于金属冷轧的辊。每种此类烧结粉末金属金属成形制品包括第一区域，所述第一区域为包含烧结硬颗粒材料的工作区域，并且直接冶金结合到第二区域上，所述第二区域为包含为金属和金属合金中的一者的金属材料的金属区域。第二区域包括至少一个连接结构，适于使用该连接结构将金属成形制品连接到另一个制品上。

实例8

根据本发明的另一个非限制性方面，烧结粉末金属复合材料制品包括烧结粉末金属复合材料木工工具。参见图8，烧结粉末金属复合材料木工工具的非限制性实施例包括烧结粉末金属复合材料伐木锯条360。烧结粉末金属复合材料伐木锯条360包括为工作区域的第一区域362，其包括切削齿364，并且包含可为例如烧结碳化物的烧结硬颗粒材料。第一区域362直接冶金结合到第二区域366上，该第二区域为包含为金属和金属合金中的至少一者的金属材料的金属区域。第二区域366包括带有狭槽(未示出)的连接区域367形式的连接结构，其适于使用例如螺栓369将锯条360连接到锯手柄368上。在非限制性实施例中，第二区域366包含钢合金。然而，应当理解，第二区域366可包含本文所公开的任何金属或金属合金。第二区域366包含从0至最高30体积％的硬颗粒。还应当理解，取代带有狭槽(未示出)的连接区域367或与其一起，烧结粉末金属复合材料伐木锯条360的第二区域366可包括本文所公开的任何合适的机械连接机构。图8中示出的复合材料烧结伐木锯条360包括相对较小的烧结硬颗粒材料第一区域362，其为包括锯齿364的工作区域，其直接冶金结合到第二区域366上，该第二区域可由显著较便宜的包括金属和金属合金中的一者的材料制备，但仍提供承受锯切操作期间产生的力所需的机械性能。相对于由烧结碳化物或其他烧结硬颗粒材料制造整个锯条，该构造可显著节约成本。可以使用如本文所述的方法和本领域普通技术人员已知的其他方法由冶金粉末制造烧结粉末金属复合材料伐木锯条360。

在非限制性实施例中，例示为烧结粉末金属复合材料伐木锯条360的烧结粉末金属复合材料木工工具的第一区域362由压制和烧结的冶金粉末构成，该冶金粉末包含硬颗粒，该硬颗粒包括碳化物颗粒、氮化物颗粒、硼化物颗粒、硅化物颗粒、氧化物颗粒和它们的固溶体中的至少一者；以及烧结硬颗粒材料的粘结相，其包含钴、钴合金、钼、钼合金、镍、镍合金、铁和铁合金中的至少一者。在某些非限制性实施例中，第一区域362包含6体积％至20体积％的粘结相和80体积％至94体积％的硬颗粒。

在制造烧结粉末金属复合材料木工工具的方法的某些非限制性实施例中，第一区域362的冶金粉末为得自美国阿拉巴马州麦迪逊的ATI Firth Sterling公司(ATI Firth Sterling,Madison,Alabama,USA)的HU6C或H17粉末。HU6C级粉末包含按重量计94％的碳化钨和6％的钴。H17级粉末包含按重量计90％的碳化钨和10％的钴。第二区域366的钢合金粉末与实例2的钢合金粉末相同。在适当成形的模具的第一区域中填充HU6C或H17粉末以形成第一区域362，并且在模具的第二区域中填充钢合金粉末以形成第二区域366。加工条件与上文实例1中公开的条件相同。压制和烧结之后，对包含钢合金的金属区域进行加工，以包括用于将锯条螺栓连接到手柄的螺纹、狭槽和孔中的至少一者。

虽然图8示出了根据本发明的烧结粉末金属复合材料木工工具的特定非限制性实施例，但应当认识到，其他烧结粉末金属复合材料木工工具也在本发明的范围内。本发明范围内的其他烧结粉末金属复合材料木工工具包括但不限于刨铁和刳刨机。每种此类烧结粉末金属复合材料木工工具包括第一区域，所述第一区域为包含烧结硬颗粒材料的工作区域，并且直接冶金结合到第二区域上，所述第二区域为包含为金属和金属合金中的一者的金属材料的金属区域。金属区域包括至少一个连接结构，适于使用该连接结构将工具连接到另一个制品上。

实例9

根据本发明的又一个方面，烧结粉末金属复合材料制品的非限制性实施例包括烧结粉末金属复合材料磨损制品。参见图9，烧结粉末金属复合材料磨损制品的非限制性实施例为烧结粉末金属复合材料砧座370的形式。烧结粉末金属复合材料砧座370包括第一区域372，该区域为包含可为例如烧结碳化物的烧结硬颗粒材料的磨损区域。术语“磨损区域”是指根据本发明的某些非限制性实施例的复合材料烧结金属制品在使用期间将受到磨损的部分，例如磨损表面。为磨损区域的第一区域372直接冶金结合到为金属区域的第二区域374上，该金属区域包含金属材料，所述金属材料包括金属和金属合金中的一者，并且包含适于将烧结粉末金属复合材料砧座370螺纹连接到工具架(未示出)或其他制品上的螺纹376。在某些非限制性实施例中，第二区域374包含钢合金。然而，应当理解，第二区域374可包含如本文所公开的用于第二区域374的任何合适的金属或金属合金。第二区域374包含从0至最高30体积％的硬颗粒。此外，应当理解，取代螺纹376或与其一起，砧座370的第二区域374可包括本文所公开的机械连接机构中的任一种。可易于对第二区域374的金属材料进行加工以提供螺纹或其他连接结构，这提供了将烧结粉末金属复合材料砧座370连接到工具架或其他制品上的便捷方式。鉴于使用相对较昂贵的烧结硬颗粒材料可限于烧结粉末金属复合材料砧座370的磨损区域372，所以制备烧结粉末金属复合材料砧座370可比完全由烧结碳化物构成的砧座便宜得多。可以使用如本文所述的方法和本领域普通技术人员已知的其他方法由冶金粉末制造烧结粉末金属复合材料砧座370。

在非限制性实施例中，为烧结粉末金属复合材料砧座370的磨损区域的第一区域372由压制和烧结的冶金粉末构成，该冶金粉末包含硬颗粒，该硬颗粒包括碳化物颗粒、氮化物颗粒、硼化物颗粒、硅化物颗粒、氧化物颗粒和它们的固体溶液中的至少一者；以及烧结硬颗粒材料的粘结相，其包含钴、钴合金、钼、钼合金、镍、镍合金、铁和铁合金中的至少一者。在某一非限制性实施例中，第一区域372包含10体积％至30体积％的粘结相和70体积％至90体积％的硬颗粒。

在制造烧结粉末金属复合材料砧座370的方法的某些非限制性实施例中，第一区域372的冶金粉末为得自美国阿拉巴马州麦迪逊的ATI Firth Sterling公司(ATI Firth Sterling,Madison,Alabama,USA)的MPD10或MPD2C或R61粉末。MPD10级粉末包含按重量计90％的碳化钨和按重量计10％的钴。MPD2C级粉末包含按重量计88.5％的碳化钨和11.5％的钴。R61级粉末包含按重量计85％的碳化钨和15％的钴。第二区域374的钢合金粉末包括与实例2中相同的钢合金粉末。在适当成形的模具的第一区域中填充MPD10或MPD2C或R61粉末以形成第一区域372，在模具的第二区域中填充钢合金粉末以形成第二区域374。加工条件与上文实例1中公开的条件相同。压制和烧结之后，对包含钢合金的第二区域374进行加工以包括用于将砧座370连接到另一个制品上的螺纹。

虽然图9示出了根据本发明的烧结粉末金属复合材料磨损制品的特定非限制性实施例，但应当认识到，其他烧结粉末金属复合材料磨损制品也在本发明的范围内。可被视为磨损制品的本发明范围内的其他复合材料烧结粉末产品包括但不限于用于金刚石合成的模具、喷丸喷嘴、油漆喷嘴、镗杆、切条刀、密封环、阀部件、塞规、滑规、环规、用于油泵的滚珠、用于油泵的座、用于油田应用的修整部件和用于油田应用的扼流圈部件。本领域的普通技术人员理解磨损区域在所列举的磨损制品上的位置，因此所列举的磨损制品无需在本文中进一步描述。每个此类烧结粉末金属磨损制品包括第一区域，该第一区域为包含烧结硬颗粒材料的磨损区域，并且直接冶金结合到为金属区域的第二区域上，该金属区域包含为金属和金属合金中的一者的金属材料。第二区域包括至少一个连接结构，适于使用该连接结构将磨损制品连接到另一个制品上。

实例10

图10示出了通过根据本发明的粉末金属压制和烧结技术制造并且包括三个单独层的烧结碳化物-金属合金复合材料制品400。第一层401由烧结碳化物构成，所述烧结碳化物由FL30^TM形成(参见上文)。第二层402由镍构成，所述镍由镍粉末形成，并且第三层403由钢构成，所述钢由钢粉末形成。用于制造该复合材料的方法与实例1中所用的方法基本上相同，不同的是三层粉末被一起共同压制以形成生坯，而不是两层。三个层呈现为均匀地冶金结合在一起，形成复合材料制品。烧结碳化物与镍区域之间的界面附近的烧结制品的外部上没有明显的裂纹。

实例11

根据本发明使用以下方法制造由烧结碳化物部分和钨合金部分组成的复合材料制品。将一层烧结碳化物粉末(FL30^TM粉末)放置在模具中，与一层钨合金粉末(由70％的钨、24％的镍和6％的铜组成)接触，并将它们共同压制以形成由两个不同的固结粉末层组成的单个复合材料生坯。在100吨的液压机中使用大约20,000psi的压制压力进行压制(或固结)。生坯为直径大约1.5英寸并且长大约2英寸的圆柱体。烧结碳化物层为大约1.0英寸长，并且钨合金层也为大约1.0英寸长。压制之后，在氢气中在1400℃下烧结复合材料坯块，这在烧结钨合金时最小化或消除了氧化。烧结过程中，坯块沿着任意10个方向的线性收缩率为大约18％。图11示出了微观结构，其清楚地示出了在界面501处冶金结合在一起的烧结碳化物502和钨合金500部分。界面区域没有明显的裂纹。

尽管上述描述必要地只提出了有限数量的实施例，但相关领域的普通技术人员将会知道，本领域的技术人员可对本文中已描述和示出的实例的主题和其他细节进行各种改变，并且所有这些修改将保留在在此和所附权利要求中表述的本发明的原理和范围内。例如，尽管本发明必要地只提出了根据本发明构造的旋转锉的有限数量的实施例，但应当理解，本发明和相关的权利要求书并不如此受限。本领域的普通技术人员根据本文中所述的必要有限数量的实施例的方针和精神将易于确定其它的烧结粉末金属复合材料制品。因此，应当理解，本发明并不限于本文所公开或包含的特定实施例，但旨在涵盖在权利要求书所限定的本发明原理和范围内的多种修改形式。本领域的技术人员还将理解，可以在不脱离本发明的广义发明构思的情况下对上述实施例进行改变。

Claims

1.一种烧结粉末金属复合材料地钻制品，包括：

第一区域，所述第一区域包含烧结硬颗粒材料；以及

第二区域，所述第二区域包含

选自钢、镍、镍合金、钛、钛合金、钼、钼合金、钴、钴合金、钨、和钨合金的金属材料，以及

从0体积％至最高30体积％的硬颗粒；

其中所述第一区域冶金结合到所述第二区域上；其中所述第一区域和所述第二区域中的每个具有大于100微米的厚度；并且

其中所述第二区域包括至少一个适于将所述烧结粉末金属复合材料地钻制品连接到另一个制品上的机械连接结构。

2.根据权利要求1所述的烧结粉末金属复合材料地钻制品，其中所述至少一个机械结构包括螺纹、狭槽、键槽、夹紧区域、齿、嵌齿、台阶、斜面、孔、销轴和臂中的至少一者。

3.根据权利要求1所述的烧结粉末金属复合材料地钻制品，其中所述地钻制品包括固定切削器地钻头、用于旋转锥形地钻头的地钻插入物、用于旋转锥形地钻头的喷嘴、用于地钻冲击钻头的喷嘴、量规砖、多晶金刚石复合片(PDC)基底和采煤镐中的至少一者。

4.根据权利要求1所述的烧结粉末金属复合材料地钻制品，其中：

所述烧结粉末金属复合材料地钻制品包括固定切削器地钻头；并且

所述第一区域包括固定切削器地钻头主体区域。

5.根据权利要求4所述的烧结粉末金属复合材料地钻制品，其中所述第二区域的所述机械连接结构包括螺纹区域。

6.根据权利要求1所述的烧结粉末金属复合材料地钻制品，其中：

所述烧结粉末金属复合材料地钻制品包括地钻插入物；并且

所述第一区域包括工作区域。

7.根据权利要求6所述的烧结粉末金属复合材料地钻制品，其中所述第二区域的所述机械连接结构包括螺纹区域。

8.一种烧结粉末金属复合材料金属切削工具，包括：

第一区域，所述第一区域包含烧结硬颗粒材料；和第二区域，所述第二区域包含

从0体积％至最高30体积％的硬颗粒；

其中所述第二区域包括至少一个适于将所述烧结粉末金属复合材料金属切削工具连接到另一个制品上的机械连接结构。

9.根据权利要求8所述的烧结粉末金属复合材料金属切削工具，其中所述至少一个机械结构包括螺纹、狭槽、键槽、夹紧区域、齿、嵌齿、台阶、斜面、孔、销轴和臂中的至少一者。

10.根据权利要求8所述的烧结粉末金属复合材料金属切削工具，其中所述金属切削工具包括金属切削钻头、模块化金属切削钻头、铣削工具、模块化铣削工具、车削工具、成形工具、螺纹加工工具、钻孔工具、滚齿和齿轮切削工具、攻丝工具、锯切工具和铰孔工具中的至少一者。

11.根据权利要求8所述的烧结粉末金属复合材料金属切削工具，其中：

所述烧结粉末金属复合材料金属切削工具包括金属切削钻头；和

所述第一区域包括工作区域。

12.根据权利要求11所述的烧结粉末金属复合材料金属切削工具，其中所述第二区域的所述机械连接机构包括适于夹紧在工具架中的夹紧区域。

13.根据权利要求8所述的烧结粉末金属复合材料金属切削工具，其中：

所述烧结粉末金属复合材料金属切削工具包括模块化金属切削钻头；并且

所述第一区域包括工作区域。

14.根据权利要求13所述的烧结粉末金属复合材料金属切削工具，其中所述第二区域的所述机械连接机构包括螺纹区域。

15.一种烧结粉末金属复合材料金属成形工具，包括：

从0体积％至最高30体积％的硬颗粒；

其中所述第二区域包含至少一个适于将所述烧结粉末金属复合材料金属成形工具连接到另一个制品上的机械连接机构。

16.根据权利要求15所述的烧结粉末金属复合材料金属成形工具，其中所述至少一个机械结构包括螺纹、狭槽、键槽、夹紧区域、齿、嵌齿、台阶、斜面、孔、销轴和臂中的至少一者。

17.根据权利要求15所述的烧结粉末金属复合材料金属成形工具，其中所述金属成形工具包括轧辊、抛光辊、拉丝模、拉管模、拉棒模、镦制凹模、粉末压制模、连续模、层压模、冲孔模、挤出模、热锻模、冷锻模、剥离模、修边模、钉夹持模、弹簧成形模、线材成形模、模锻模、线材压扁模、线材压扁辊、芯轴、拉管塞、罐成形模、用于金属热轧的辊和用于金属冷轧的辊中的至少一者。

18.根据权利要求15所述的烧结粉末金属复合材料金属成形工具，其中：所述烧结粉末金属复合材料金属成形工具包括轧辊；并且所述第一区域包括工作区域。

19.根据权利要求18所述的烧结粉末金属复合材料金属成形工具，其中所述第二区域的所述机械连接机构包括键槽和狭槽中的至少一者。

20.根据权利要求15所述的烧结粉末金属复合材料金属成形工具，其中：

所述烧结粉末金属复合材料金属成形工具包括抛光辊；并且

所述第一区域包括工作区域。

21.根据权利要求20所述的烧结粉末金属复合材料金属成形工具，其中所述第二区域的所述机械连接机构包括键槽和狭槽中的至少一者。

22.一种烧结粉末金属复合材料木工工具，包括：

从0至最高30体积％的硬颗粒；

其中所述第一区域冶金结合到所述第二区域上；其中所述第一区域和所述第二区域中的每个具有大于100微米的厚度；和

其中所述第二区域包括至少一个适于将所述烧结粉末金属木工工具连接到另一个制品上的机械连接机构。

23.根据权利要求22所述的烧结粉末金属复合材料木工工具，其中所述至少一个机械结构包括螺纹、狭槽、键槽、夹紧区域、齿、嵌齿、台阶、斜面、孔、销轴和臂中的至少一者。

24.根据权利要求22所述的烧结粉末金属复合材料木工工具，其中所述木工工具包括伐木锯、刨铁和刳刨机中的一者。

25.根据权利要求22所述的烧结粉末金属复合材料木工工具，其中：

所述烧结粉末金属复合材料木工工具包括伐木锯；和

所述第一区域包括工作区域。

26.根据权利要求25所述的烧结粉末金属复合材料木工工具，其中所述第二区域的所述机械连接机构包括螺纹和狭槽中的至少一者。

27.一种烧结粉末金属复合材料磨损制品，包括：

从0体积％至最高30体积％的硬颗粒；

其中所述第二区域包括至少一个适于将所述烧结粉末金属复合材料磨损制品连接到另一个制品上的机械连接机构。

28.根据权利要求27所述的烧结粉末金属复合材料磨损制品，其中所述至少一个机械结构包括螺纹、狭槽、键槽、夹紧区域、齿、嵌齿、台阶、斜面、孔、销轴和臂中的至少一者。

29.根据权利要求27所述的烧结粉末金属复合材料磨损制品，其中所述磨损制品包括砧座、用于金刚石合成的模具、喷丸喷嘴、油漆喷嘴、镗杆、切条刀、密封环、阀部件、塞规、滑规、环规、用于油泵的滚珠、用于油泵的座、用于油田应用的修整部件和用于油田应用的扼流圈部件中的至少一者。

30.根据权利要求27所述的烧结粉末金属复合材料磨损制品，其中：

所述烧结粉末金属复合材料磨损制品包括砧座；并且所述第一区域包括适合为磨损区域的工作区域。

32.根据权利要求27所述的烧结粉末金属复合材料磨损制品，其中所述第二区域的所述机械连接机构包括螺纹区域。