DE102020114633A1 - Verbundwerkstoffplattierungen und anwendungen davon - Google Patents

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cladding
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Qingjun Zheng
Johnny Martin
James Faust
Jonathan W. Bitler
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Kennametal Inc
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Abstract

In einem Aspekt werden hierin Artikel beschrieben, die Verbundwerkstoffplattierungen umfassen, die in einigen Ausführungsformen wünschenswerte Eigenschaften wie Wärmeleitfähigkeit, Bruchdurchbiegung, Bruchzähigkeit, Verschleißfestigkeit und/oder Erosionsbeständigkeit aufweisen. Kurz gesagt, ein hierin beschriebener Artikel umfasst ein metallisches Substrat und eine an dem metallischen Substrat haftende Plattierung, wobei die Plattierung zumindest 10 Gewichtsprozent gesinterte Hartmetallpellets umfasst, die in einem Matrixmetall oder einer Matrixlegierung dispergiert sind, wobei die gesinterten Hartmetallpellets eine Kugel-, eine kugelähnliche Form oder eine Mischung aus Kugel- und kugelähnlichen Formen aufweisen.

Description

  • VERWANDTE ANMELDUNGSDATEN
  • Bei der vorliegenden Anmeldung handelt es sich um eine Teilfortsetzung der am 4. Juni 2019 eingereichten US-Patentanmeldung mit der Seriennummer 16/431.211 .
  • TECHNISCHES GEBIET
  • Die vorliegende Erfindung betrifft Plattierungen für Metall- und Legierungssubstrate und insbesondere Plattierungen, die eine Hartstoffteilchenphase umfassen, die kugelförmige und/oder kugelähnliche Hartmetallpellets beinhaltet.
  • HINTERGRUND
  • Plattierungen werden häufig auf Artikel oder Komponenten angewandt, die rauen Umgebungen oder Betriebszuständen unterworfen sind, in der Bemühung die Nutzungsdauer der Artikel oder Komponenten zu verlängern. Je nach der Art des zu hemmenden Defekts stehen verschiedene Plattierungsvarianten und Konstruktionen zur Verfügung. Beispielsweise sind verschleißfeste, erosions- und korrosionsbeständige Plattierungen für Metall- und Legierungssubstrate entwickelt worden. Im Falle von verschleißfesten und/oder erosionsbeständigen Plattierungen wird oft eine Konstruktion aus diskreten Hartstoffteilchen, die in einer Metall- oder Legierungsmatrix dispergiert sind, gewählt. Obwohl Verschleiß und Erosion in einer Vielzahl von Anwendungen wirksam gehemmt werden, weisen auf dieser Konstruktion basierende Plattierungen oft Verluste in der Bruchdurchbiegung und Bruchzähigkeit auf, wodurch die Plattierungen rissanfällig werden.
  • KURZDARSTELLUNG
  • In einem Aspekt werden Artikel beschrieben, die aus Verbundwerkstoffplattierungen bestehen, die in einigen Ausführungsformen eine thermische Leitfähigkeit, eine Bruchdurchbiegung, eine Bruchzähigkeit, eine Verschleißfestigkeit und/oder eine Erosionsfestigkeit aufweisen. Kurz gesagt, ein hierin beschriebener Artikel umfasst ein metallisches Substrat und eine an dem metallischen Substrat haftende Plattierung, wobei die Plattierung zumindest 10 Gewichtsprozent gesinterte Hartmetallpellets umfasst, die in einem Matrixmetall oder einer Matrixlegierung dispergiert sind, wobei die gesinterten Hartmetallpellets eine Kugelform, eine kugelähnliche Form oder eine Mischung aus Kugel- und kugelähnlichen Formen aufweisen.
  • In einem anderen Aspekt werden hierin Verbundartikel zur Herstellung von Plattierungen beschrieben. In einigen Ausführungsformen besteht ein Verbundartikel aus einem polymeren Träger und in dem polymeren Träger dispergierten gesinterten Hartmetallpellets, wobei die gesinterten Hartmetallpellets eine scheinbare Dichte von 4 g/cm3 bis 7,5 g/cm3 aufweisen, wobei der Verbundartikel eine Dichte von 7,0-10 g/cm3 aufweist. In einigen Ausführungsformen umfasst der Verbundartikel ferner im polymeren Träger dispergiertes Metallpulver oder Pulverlegierung. Darüber hinaus können in einigen Ausführungsformen mehr als 80 Prozent der gesinterten Hartmetallpellets durch Sieben (ASTM B214 oder Laserbeugungs-Teilchengrößenanalyse, ASTM B822) eine Teilchengröße von weniger als 105 µm oder 140 Mesh aufweisen. Außerdem können mehr als 80 Prozent der gesinterten Hartmetallpellets eine Teilchengröße von weniger als 74 µm oder 200 Mesh haben.
  • In einem weiteren Aspekt werden Verfahren zur Herstellung plattierter Artikel vorgestellt. Verfahren zur Herstellung eines plattierten Artikels, umfassend das Bereitstellen eines metallischen Substrates und das Positionieren einer Schicht aus gesinterten Hartmetallpellets, die in einem organischen Träger dispergiert sind, über dem metallischen Substrat, wobei die gesinterten Hartmetallpellets eine Kugelform, kugelähnliche Form oder eine Mischung aus Kugel- und kugelähnlichen Formen aufweisen. Das Matrixmetall oder die Matrixlegierung wird ebenfalls über dem metallischen Substrat positioniert. In einigen Ausführungsformen wird das Matrixmetall oder die Matrixlegierung in dem organischen Träger mit den gesinterten Hartmetallpellets dispergiert. Alternativ wird das Matrixmetall oder die Matrixlegierung in einem separaten organischen Träger dispergiert oder ist als Folie vorgesehen. Das Matrixmetall oder die Matrixlegierung wird erwärmt, um die Schicht aus gesinterten Hartmetallpellets zu infiltrieren, die eine Verbundwerkstoffplattierung bereitstellen, die auf dem Substrat haftet.
  • Diese und weitere Ausführungsformen werden in der folgenden detaillierten Beschreibung weitergehend beschrieben.
  • Figurenliste
    • 1 ist eine Rasterelektronenmikroskopie(REM)-Aufnahme von gesinterten Hartmetallpellets mit einer Mischung aus kugelförmigen und kugelähnlichen Formen gemäß einigen Ausführungsformen.
    • 2 ist eine REM-Aufnahme von gesinterten Hartmetallteilchen mit winkelförmigen und/oder facettierten Formen.
    • In 3 sind Wärmeleitfähigkeitsdisparitäten zwischen vorherigen Plattierungen, die gemäß einigen Ausführungsformen winkelförmige gesinterte Hartmetalle und Plattierungen der vorliegenden Offenbarung, die kugelförmige und/oder kugelähnliche Hartmetallpellets umfassen, verwenden.
    • 4(a) liefert Elastizitätsmodul-Vergleichsdaten der hierin beschriebenen Plattierungen mit früheren Plattierungen, bei denen winkelförmige gesinterte Hartmetalle verwendet wurden, gemäß einigen Ausführungsformen.
    • 4(b) liefert Schermodul-Vergleichsdaten von hierin beschriebenen Plattierungen mit früheren Plattierungen, bei denen winkelförmige gesinterte Hartmetalle verwendet wurden, gemäß einigen Ausführungsformen.
    • 5(a) ist ein Bild, das Mikrohärte-Tests unter Nutzung eines Pyramiden-Diamant-Eindringkörpers bei 0,5 kg (HV0,5) eines kugelähnlichen gesinterten Hartmetallteilchens einer hierin enthaltenen Plattierung, gemäß einigen Ausführungsformen veranschaulicht.
    • 5(b) ist ein Bild eines Mikrohärte-Tests unter Nutzung eines Pyramiden-Diamant-Eindringkörpers bei 0,5 kg (HV0,5) eines winkelförmigen gesinterten Hartmetallpellets einer früheren Plattierungsarchitektur.
    • 5(c) veranschaulicht die Mikrohärte-Testergebnisse, bei denen das winkelförmige gesinterte Hartmetall eine höhere Härte im Vergleich zu kugelähnlichem gesintertem Hartmetall aufweist.
    • 6 veranschaulicht die Härte der hierin beschriebenen Plattierungen, die kugelförmige und/oder kugelähnliche gesinterte Hartmetallteilchen umfassen, im Vergleich zu früheren Plattierungen mit winkelförmigen gesinterten Hartmetallteilchen, gemäß einigen Ausführungsformen.
    • 7(a) ist eine optische Schliffbildansicht einer hierin beschriebenen Plattierung, die kugelförmige und/oder kugelähnliche gesinterte Hartmetallpellets gemäß einigen Ausführungsformen umfasst.
    • 7(b) ist eine optische Schliffbildansicht einer Plattierung, die winkelförmige und/oder facettierte gesinterte Hartmetallteilchen einer vorherigen Plattierungsarchitektur umfasst.
    • 8 veranschaulicht die thermische Belastbarkeit der hierin beschriebenen Plattierungen, die kugelförmige und/oder kugelähnliche gesinterte Hartmetallteilchen umfassen, im Vergleich zu früheren Plattierungen mit winkelförmigen gesinterten Hartmetallteilchen, gemäß einigen Ausführungsformen.
    • 9 ist eine optische Schliffbildansicht einer hierin beschriebenen Plattierung, die kugelförmige und/oder kugelähnliche gesinterte Hartmetallpellets gemäß einigen Ausführungsformen umfasst.
  • DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
  • Hierin beschriebene Ausführungsformen sind unter Bezugnahme auf die folgende detaillierte Beschreibung und die Beispiele und deren vorhergehenden und folgenden Beschreibungen leichter zu verstehen. Hierin beschriebene Elemente, Vorrichtungen und Verfahren sind jedoch nicht auf die in der detaillierten Beschreibung und in den Beispielen dargestellten spezifischen Ausführungsformen beschränkt. Es sollte erkannt werden, dass diese Ausführungsformen lediglich die Prinzipien der vorliegenden Erfindung veranschaulichen. Zahlreiche Modifikationen und Anpassungen sind für Fachleute auf dem Gebiet ohne Weiteres ersichtlich, ohne vom Sinn und Umfang der Erfindung abzuweichen.
  • Plattierte Artikel
  • Hierin beschriebene Artikel umfassen ein metallisches Substrat und eine an dem metallischen Substrat haftende Plattierung, wobei die Plattierung zumindest 10 Gewichtsprozent gesinterte Hartmetallpellets umfasst, die in einem Matrixmetall oder einer Matrixlegierung dispergiert sind, wobei die gesinterten Hartmetallpellets eine Kugelform, eine kugelähnliche Form oder eine Mischung aus kugelförmigen und kugelähnlichen Formen aufweisen. 1 ist eine REM-Mikroskopieaufnahme von gesinterten Hartmetallpellets mit einer Mischung aus kugelförmigen und kugelähnlichen Formen gemäß einigen Ausführungsformen. Die kugelförmige und kugelähnliche Beschaffenheit der gesinterten Hartmetallpellets steht in scharfem Kontrast zu den winkelförmigen und facettierten Teilchen, die in früheren Plattierungen, wie z. B. den in der SEM-Aufnahme von 2 veranschaulichten, verwendet wurden. In einigen Ausführungsformen haben die kugelförmigen und/oder kugelähnlichen gesinterten Hartmetallpellets ein Seitenverhältnis von 0,5 bis 1. Die kugelförmigen und/oder kugelähnlichen gesinterten Hartmetallpellets können in einigen Ausführungsformen auch ein Seitenverhältnis von 0,6-1, 0,7-1 oder 0,8-1 haben.
  • Die kugelförmigen und/oder kugelähnlichen gesinterten Hartmetallteilchen der Plattierung umfassen jeweils individuelle Metallcarbidkörnungen, die gesintert und durch eine metallische Bindephase miteinander verbunden sind. Individuelle Metallcarbidkörnungen eines gesinterten Hartmetallteilchens können jede Größe haben, die mit den Zielen der vorliegenden Erfindung vereinbar ist. In einigen Ausführungsformen haben die Metallcarbidkörnungen eines gesinterten Hartmetallpellets im Allgemeinen eine Größe von weniger als 3 µm, z. B. 1-2 Mikrometer. Metallcarbidkörnungen von gesinterten Hartmetallpellets können auch Größen von weniger als 1 µm, einschließlich weniger als 100 nm, aufweisen.
  • Die kugelförmigen und/oder kugelähnlichen gesinterten Hartmetallpellets umfassen Metallcarbidkörnungen, ausgewählt aus der Gruppe, bestehend aus Metallcarbiden der Gruppe IVB, Metallcarbiden der Gruppe VB, Metallcarbiden der Gruppe VIB und Mischungen davon. In einigen Ausführungsformen ist Wolframhartmetall das einzige Metallcarbid der gesinterten Hartmetallpellets. In weiteren Ausführungsformen werden ein oder mehrere Metallcarbide der Gruppen IVB, VB und/oder VIB mit Wolframhartmetall kombiniert, um die gesinterten Pellets zu erhalten. So können z. B. Chrom-, Titan-, Vanadium-, Tantal-, Niob-, Zirkon- und/oder Hafniumcarbid und/oder deren feste Lösungen bei der Herstellung von gesinterten Pellets mit Wolframcarbid kombiniert werden. Wolframhartmetall kann im Allgemeinen in den gesinterten Pellets in einer Menge von zumindest etwa 80 oder 85 Gewichtsprozent vorhanden sein. In einigen Ausführungsformen sind andere Metallcarbide der Gruppe IVB, VB und/oder VIB als Wolframhartmetall in den gesinterten Pellets in einer Menge von 0,1 bis 5 Gewichtsprozent vorhanden.
  • In einigen Ausführungsformen umfassen die gesinterten Hartmetallpellets geringe Mengen an doppelwertige Metallcarbiden oder niedrigerwertigen Metallcarbiden. Doppelwertige und/oder niedrigerwertige Metallcarbide beinhalten, sind jedoch nicht beschränkt auf, Eta-Phase (Co3W3C oder Co6W6C), W2C und/oder W3C. Außerdem können die gesinterten Hartmetallpellets eine gleichmäßige oder im Wesentlichen gleichmäßige Mikrostruktur aufweisen.
  • Kugelförmige und/oder kugelähnliche gesinterte Hartmetallpellets umfassen ein metallisches Bindemittel. Metallisches Bindemittel aus gesinterten Hartmetallpellets kann aus der Gruppe, bestehend aus Kobalt, Nickel und Eisen und deren Legierungen ausgewählt werden. In einigen Ausführungsformen ist metallisches Bindemittel in den gesinterten Hartmetallpellets in einer Menge von 3 bis 20 Gewichtsprozent vorhanden. Metallisches Bindemittel kann auch in den gesinterten Hartmetallteilchen in einer aus Tabelle I ausgewählten Menge vorhanden sein. Tabelle I - Metallischer Bindemittelgehalt (Gew.-%)
    3-15
    4-13
    5-12
    Das metallische Bindemittel der gesinterten Hartmetallpellets kann auch einen oder mehrere Zusätze, wie z. B. Edelmetallzusätze, umfassen. In einigen Ausführungsformen kann das metallische Bindemittel einen Zusatzstoff umfassen, der ausgewählt ist aus der Gruppe, bestehend aus Platin, Palladium, Rhenium, Rhodium und Ruthenium und Legierungen davon. In anderen Ausführungsformen kann ein Zusatzstoff zu dem metallischen Bindemittel Molybdän, Silicium oder Kombinationen davon umfassen. Ein Zusatzstoff kann in dem metallischen Bindemittel in jedem Betrag vorhanden sein, der mit den Zwecken der vorliegenden Erfindung nicht unvereinbar ist. Zum Beispiel können Zusatzstoff(e) im metallischen Bindemittel in einer Menge von 0,1 bis 10 Gewichtsprozent des gesinterten Hartmetallpellets vorhanden sein.
  • In einigen Ausführungsformen weisen die kugelförmigen und/oder kugelähnlichen gesinterten Hartmetallpellets eine durchschnittliche individuelle Porosität von weniger als 5 Vol.-% auf. Darüber hinaus können in einigen Ausführungsformen die gesinterten Hartmetallpellets eine durchschnittliche individuelle Teilchenporosität von weniger als 2 % oder weniger als 1 % aufweisen. In ähnlicher Weise können kugelförmige und/oder kugelähnliche gesinterte Hartmetallpellets eine theoretische Volldichte von mehr als 98 % oder 99 % Prozent aufweisen. Die gesinterten Hartmetallpellets können eine beliebige durchschnittliche Größe haben, die mit der Herstellung von Metallmatrix-Verbundwerkstoffplattierungen mit wünschenswerten Eigenschaften einschließlich, jedoch nicht beschränkt auf, verbesserte Wärmeleitfähigkeit, Bruchdurchbiegung, Bruchzähigkeit, Verschleißfestigkeit und/oder Erosionsbeständigkeit vereinbar ist. Kugelförmige und/oder kugelähnliche gesinterte Hartmetallpellets der Plattierung haben eine durchschnittliche Größe von 10 µm bis 100 µm In einigen Ausführungsformen haben mehr als 50 Prozent der gesinterten Hartmetallpellets eine Größe von weniger als 45 µm.
  • Wie oben beschrieben, sind kugelförmige und/oder kugelähnliche gesinterte Hartmetallpellets in der Plattierung in einer Menge von zumindest 10 Gewichtsprozent vorhanden. In einigen Ausführungsformen sind gesinterte Hartmetallpellets in einer Menge von 20 bis 80 Gewichtsprozent der Plattierung vorhanden. Kugelförmige und/oder kugelähnliche gesinterte Hartmetallpellets können auch in einer aus Tabelle II ausgewählten Menge in der Plattierung vorhanden sein. Tabelle II - Menge an gesinterten Hartmetallpellets (Gew.-% der Plattierung)
    35-75
    40-70
    50-75
    50-65
  • Die hierin beschriebenen Plattierungen können zusätzlich zu den kugelförmigen und/oder kugelähnlichen gesinterten Hartmetallpellets in einigen Ausführungsformen auch Hartstoffteilchen umfassen. Diese Hartstoffteilchen können Nitride von Aluminium, Bor, Silicium, Titan, Zirkonium, Hafnium, Tantal oder Niob, einschließlich kubischem Bornitrid, oder Mischungen davon umfassen. Zusätzlich können Hartstoffteilchen Boride wie Titandiborid, B4C oder Tantalboride oder Silizide wie MoSi2 oder Al2O3-SiN umfassen. Hartstoffteilchen können zudem zerkleinertes Hartmetall, zerkleinertes Carbid, zerkleinertes Nitrid, zerkleinertes Borid, zerkleinertes Silizid oder Kombinationen davon umfassen.
  • Die kugelförmigen und/oder kugelähnlichen gesinterten Hartmetallpellets und gegebenenfalls Hartstoffteilchen sind in einem Matrixmetall oder einer Matrixlegierung der Plattierung dispergiert. In einigen Ausführungsformen weisen z. B. die kugelförmigen und/oder kugelähnlichen gesinterten Hartmetallpellets und optionale Hartstoffteilchen eine gleichmäßige oder im Wesentlichen gleichmäßige Verteilung entlang der Querschnittsdicke der Plattierung auf und weisen kein Absinken der Teilchen auf. Das Absinken von Teilchen bezieht sich auf den Zustand, in dem Hartstoffteilchen an der Basis der Plattierung in der Nähe des metallischen Substrats absinken oder sich dort ansammeln. 9 in einer optischen Querschnitts-Schliffbildansicht einer hierin beschriebenen Plattierung, die kugelförmige und/oder kugelähnliche gesinterte Hartmetallpellets gemäß einigen Ausführungsformen umfasst. Wie in 9 veranschaulicht, sind die kugelförmigen und/oder kugelähnlichen Teilchen gleichmäßig oder im Wesentlichen gleichmäßig entlang der Querschnittsdicke der Plattierung verteilt und weisen kein Absinken der Teilchen auf.
  • Jedes Matrixmetall oder jede Matrixlegierung, das/die mit den Zielen der Bereitstellung von Plattierungen mit wünschenswerten Eigenschaften vereinbar ist, kann verwendet werden. In einigen Ausführungsformen ist die Matrixlegierung eine Legierung auf Nickelbasis. Eine Matrixlegierung auf Nickelbasis kann z. B. eine Zusammensetzung haben, die aus Tabelle III ausgewählt wird. Tabelle III - Matrixlegierungen auf Nickelbasis
    Element Betrag (Gew.-%)
    Chrom 0-30
    Molybdän 0-28
    Wolfram 0-15
    Niob 0-6
    Tantal 0-6
    Titan 0-6
    Eisen 0-30
    Kobalt 0-15
    Kupfer 0-50
    Kohlenstoff 0-2
    Mangan 0-2
    Silicium 0-10
    Phosphor 0-10
    Schwefel 0-0,1
    Aluminium 0-1
    Bor 0-5
    Nickel Rest
    In einigen Ausführungsformen umfasst die Matrixlegierung der Plattierung auf Nickelbasis 18-23 Gew.-% Chrom, 5-11 Gew.-% Molybdän, insgesamt 2-5 Gew.-% Niob und Tantal, 0-5 Gew.-% Eisen, 0,1-5 Gew.-% Bor und den Rest Nickel. Alternativ umfasst die Matrixlegierung der Plattierung auf Nickelbasis 12-20 Gew.-% Chrom, 5-11 Gew.-% Eisen, 0,5-2 Gew.-% Mangan, 0-2 Gew.-% Silicium, 0-1 Gew.-% Kupfer, 0-2 Gew.-% Kohlenstoff, 0,1-5 Gew.-% Bor und den Rest Nickel. Ferner kann eine Matrixlegierung der Plattierung auf Nickelbasis 3-27 Gew.-% Chrom, 0-10 Gew.-% Silicium, 0-10 Gew.-% Phosphor, 0-10 Gew.-% Eisen, 0-2 Gew.-% Kohlenstoff, 0-5 Gew.-% Bor und den Rest Nickel umfassen. Die Matrixlegierung auf Nickelbasis kann auch eine Zusammensetzung haben, die aus Tabelle IV ausgewählt wird. Tabelle IV - Matrixlegierungen auf Nickelbasis
    Legierung auf Ni-Basis Zusammensetzungsparameter (Gew.-%)
    1 Ni-(13,5-16)%Cr-(2-5)%B-(0-0,1)%C
    2 Ni-(13 -15)%Cr-(3-6)%Si-(3 -6)%Fe-(2-4)%B-C
    3 Ni-(3-6)%Si-(2-5)%B-C
    4 Ni-(13-15)%Cr-(9-11)%P-C
    5 Ni-(23-27)%Cr-(9-11)%P
    6 Ni-(17-21)%Cr-(9-11)%Si-C
    7 Ni-(20-24)%Cr-(5-7,5)%Si-(3-6)%P
    8 Ni-(13-17)%Cr-(6-10)%Si
    9 Ni-(15-19)%Cr-(7-11)%Si-)-(0,05-0,2)%B
    10 Ni-(5-9)%Cr-(4-6)%P-(46-54)%Cu
    11 Ni-(4-6)%Cr-(62-68)%Cu-(2,5-4,5)%P
    12 Ni-(13-15)%Cr-(2, 75-3,5)%B-(4,5-5,0)%Si-(4,5-5,0)%Fe-(0,6-0,9)%C
    13 Ni-(18,6-19,5)%Cr-(9,7-10,5)%Si
    14 Ni-(8-10)%Cr-(1,5-2,5)%B-(3-4)%Si-(2-3)%Fe
    15 Ni-(5,5-8,5)%Cr-(2,5-3,5)%B-(4-5)%Si-(2,5-4)%Fe
  • Die Matrixlegierung der Plattierung kann in einigen Ausführungsformen auf Kobaltbasis basieren. Die Legierung auf Kobaltbasis kann z. B. eine Zusammensetzung haben, die aus Tabelle V ausgewählt wird. Tabelle V - Legierungen auf Kobaltbasis
    Element Betrag (Gew.-%)
    Chrom 5-35
    Wolfram 0-35
    Molybdän 0-35
    Nickel 0-20
    Eisen 0-25
    Mangan 0-2
    Silicium 0-5
    Vanadium 0-5
    Kohlenstoff 0-4
    Bor 0-5
    Kobalt Rest
  • In einigen Ausführungsformen hat die Matrixlegierung der Plattierung auf Kobaltbasis eine in Tabelle VI ausgewählte Zusammensetzung. Tabelle VI - Gesinterte Plattierungslegierung auf Kobaltbasis
    Legierung auf Kobaltbasis Zusammensetzungsparameter (Gew.-%)
    1 Co-(15-35)%Cr-(0-35)%W-(0-20)%Mo-(0-20)%Ni-(0-25)%Fe-(0-2)%Mn-(0-5)%Si-(0-5)%V -(0-4)%C-(0-5)%B
    2 Co-(20-35)%Cr-(0-10)%W-(0-10)%Mo-(0-2)%Ni-(0-2)%Fe-(0-2)%Mn-(0-5)%Si-(0-2)%V -(0-0,4)%C-(0-5)%B
    3 Co-(5-20)%Cr-(0-2)%W -(10- 3 5)%Mo-(0-20)%Ni -(0-5)%Fe-(0-2)%Mn-(0-5)%Si-(0-5)%V -(0-0,3)%C-(0-5)%B
    4 Co-(15- 35)%Cr-(0- 35)% W -(0-20)%Mo-(0-20)%Ni-(0-25)%Fe-(0-1 ,5)%Mn-(0-2)%Si-(0-5)%V-(0-3,5)%C-(0-1)%B
    5 Co-(20-35)%Cr-(0-10)%W-(0-10)%Mo-(0-1,5)%Ni-(0-1,5)%Fe-(0-1,5)%Mn-(0-1,5)%Si-(0-1)% V-(0-0,35)%C-(0-0,5)%B
    6 Co-(5-20)%Cr-(0-1)%W-(10-3 5)%Mo-(0-20)%Ni-(0-5)%Fe-(0-1)%Mn-(0, 5-5)%Si-(0-1 )%V -(0-0.2)%C-(0-1)%B
  • Die Matrixlegierung der Plattierung kann in einem anderem Aspekt eine Legierung auf Eisenbasis sein. Die Legierung auf Eisenbasis umfasst in einigen Ausführungsformen 0,2-6 Gew.-% Kohlenstoff, 0-5 Gew.-% Chrom, 0-37 Gew.-% Mangan, 0-16 Gew.-% Molybdän und den Rest Eisen. In einigen Ausführungsformen weisen Plattierungslegierungen auf Eisenbasis eine Zusammensetzung gemäß Tabelle VII auf. Tabelle VII - Infiltrationslegierung auf Eisenbasis
    Legierung auf Eisenbasis Zusammensetzungsparameter (Gew.-%)
    1 Fe-(2-6)%C
    2 Fe-(2-6)%C-(0-5)%Cr-(28-37)%Mn
    3 Fe-(2-6)%C-(0,1-5)%Cr
    4 Fe-(2-6)%C-(0-37)%Mn-(8-16)%Mo
    Die Matrixlegierung kann in Kombination mit den kugelförmigen und/oder kugelähnlichen gesinterten Hartmetallpellets und gegebenenfalls Hartstoffteilchen für das Gleichgewicht der Plattierung sorgen.
  • Plattierungen, die mit den hierin beschriebenen Verfahren auf metallische Substrate aufgebracht werden, können jede gewünschte Dicke haben. In einigen Ausführungsformen hat eine auf ein metallisches Substrat aufgebrachte Plattierung eine Dicke gemäß Tabelle VIII. Tabelle VIII - Schichtdicke
    > 50 µm
    > 100 µm
    100 µm-20 mm
    500 µm-5 mm
  • Plattierungen, deren Architektur, Zusammensetzung und/oder Eigenschaften hierin beschrieben sind, können wünschenswerte Eigenschaften aufweisen, einschließlich verbesserter Wärmeleitfähigkeit, Bruchdurchbiegung, Bruchzähigkeit, Verschleißfestigkeit und/oder Erosionsbeständigkeit. Eine Plattierung, die z. B. kugelförmige und/oder kugelähnliche gesinterte Hartmetallteilchen umfasst, kann eine Wärmeleitfähigkeit von zumindest 25 W/(m-K) bei 25 °C aufweisen. In einigen Ausführungsformen hat die Plattierung eine Wärmeleitfähigkeit von zumindest 30 W/(m-K) oder zumindest 35 W/(m-K) bei 25 °C. Die Wärmeleitfähigkeit von Plattierungen kann nach ASTM E1461 bestimmt werden. Die kugelförmige und/oder kugelähnliche Morphologie der gesinterten Hartmetallpellets verbessert die Wärmeleitfähigkeit der Plattierung erheblich. In Tabelle IX sind die Wärmeleitfähigkeiten von Plattierungen angegeben, die nach den in Abschnitt III unten beschriebenen Verfahren unter Verwendung kugelförmiger und/oder kugelähnlicher gesinterter Wolframhartmetallpellets hergestellt wurden. Wärmeleitfähigkeiten von Vergleichsplattierungen aus winkelförmigen und/oder facettierten gesinterten Hartmetallteilchen sind ebenfalls in Tabelle IX aufgeführt. Tabelle IX - Wärmeleitfähigkeit der Plattierung W/(m-K)
    Gew.-% der gesinterten Hartmetallpellets in der Plattierung winkelförmig kugelähnlich
    25 °C 100 °C 25 °C 100 °C
    65 20,5 16,1 36,0 38,1
    55 20,2 14,4 29,4 29,9
    50 16,6 14,3 25,6 27,9
    3 veranschaulicht ferner die Unterschiede in der Wärmeleitfähigkeit zwischen früheren Plattierungen mit winkelförmigen gesinterten Hartmetallen und den Plattierungen der vorliegenden Offenlegung, die kugelförmige und/oder kugelähnliche gesinterte Hartmetallpellets umfassen.
  • Die hierin beschriebenen Plattierungen können zudem eine Bruchzähigkeit (KIc) von mehr als 12 Mpa√m0,5 oder mehr als 13 Mpa√m0,5 aufweisen, wenn die gesinterten Hartmetallpellets in einer Menge von zumindest 55 Gewichtsprozent der Plattierung vorhanden sind. In einigen Ausführungsformen beträgt die Bruchzähigkeit der Plattierung zumindest 15 Mpa√m0,5 bei einer Belastung von 55 Gewichtsprozent der kugelförmigen und/oder kugelähnlichen gesinterten Hartmetallpellets. Tabelle X liefert Bruchzähigkeits-Vergleichsdaten der hierin beschriebenen Plattierungen mit früheren Plattierungen aus winkelförmigen gesinterten Hartmetallen, gemäß einigen Ausführungsformen. Tabelle X - Bruchzähigkeit der Plattierung (Mpa√m0,5)
    Gew.-% der gesinterten Hartmetallpellets in der Plattierung winkelförmig kugelähnlich
    65 10,05 13,23
    55 13,00 17,44
    Wie in Tabelle X angegeben, wiesen die hierin beschriebenen Plattierungen aus kugelförmigen und/oder kugelähnlichen gesinterten Hartmetallpellets dramatische Steigerungen der Bruchzähigkeit auf. Die Bruchzähigkeitswerte von Plattierungen wurden nach einem modifizierten Verfahren ermittelt, das auf ASTM E399 basiert, wie in Deng et al., Toughness Measurement of Cemented Carbides with Chevron-Notched Three-Point Bend Test, Advanced EngineeringMaterials, 2010, 12, Nr. 9, dargelegt.
  • Die hierin beschriebenen Plattierungen können zudem eine Bruchdurchbiegung von zumindest 650 MPa aufweisen, wenn die gesinterten Hartmetallpellets in einer Menge von zumindest 55 Gewichtsprozent der Plattierung vorhanden sind. In einigen Ausführungsformen beträgt die Bruchdurchbiegung der Plattierung zumindest 750 MPa bei einer Belastung von 55 Gewichtsprozent oder mehr der kugelförmigen und/oder kugelähnlichen gesinterten Hartmetallteilchen. Tabelle XI liefert Vergleichsdaten zur Bruchdurchbiegung der hierin beschriebenen Plattierungen mit früheren Plattierungen aus winkelförmigen gesinterten Hartmetallen, gemäß einigen Ausführungsformen. Tabelle XI - Bruchdurchbiegung (MPa) der Plattierung
    Gew.-% der gesinterten Hartmetallpellets in der Plattierung winkelförmig kugelähnlich
    65 562 665
    55 660 788
    50 763 843
    Wie in Tabelle XI angegeben, wiesen die hierin beschriebenen Plattierungen aus kugelförmigen und/oder kugelähnlichen gesinterten Hartmetallpellets signifikante Steigerungen der Bruchdurchbiegung auf. Bruchdurchbiegungswerte von Plattierungen wurden gemäß ASTM B406 (2015) bestimmt.
  • Die hierin beschriebenen Plattierungen können außerdem eine wünschenswerte oder erhöhte thermische Belastbarkeit aufweisen. Thermoermüdung ist ein üblicher Versagensmechanismus für Werkzeuge, Plattierungen und zugehörige Materialien, die thermischen Wechselbeanspruchungen ausgesetzt sind. Thermische Wechselbeanspruchung kann eine Reihe von Rissen in Werkzeugwerkstoffen hervorrufen und dadurch die Leistung und Lebensdauer der Werkstoffe beeinträchtigen. Abrupte und wiederholte Temperaturänderungen, wie sie z. B. bei einer Plattierung auftreten, können große thermische Spannungen erzeugen, die Mikrorissbildung zwischen der Hartstoffteilchen- und der Matrixlegierungsphase induzieren. Die Wärmespannungsbeständigkeit kann gemäß mehreren Verfahren ermittelt werden, je nachdem, ob Bruchdurchbiegung oder Bruchzähigkeit (KIc) in die Berechnung einbezogen wird. Für die hierin genannten Zwecke wird der Wärmespannungswiderstand (R) einer Plattierung gemäß der Gleichung ermittelt: R = σ m ( 1 − ν ) λ α E
    Figure DE102020114633A1_0001
    wobei σmdie Bruchdurchbiegung, v die Poissonzahl, λ die Wärmeleitfähigkeit, α der Wärmeausdehnungskoeffizient und E der Elastizitätsmodul ist. 8 stellt Vergleichsdaten zur thermischen Belastbarkeit der hierin beschriebenen Plattierungen mit früheren Plattierungen aus winkelförmigen gesinterten Hartmetallen bereit. Wie in 8 veranschaulicht, sind die Werte der Temperaturwechselbeständigkeit normalisiert (winkelförmig = 1). In einigen Ausführungsformen haben Plattierungen mit der hierin beschriebenen Zusammensetzung und Struktur einen normalisierten Wärmespannungswiderstand von mehr als 1,5, mehr als 2 oder mehr als 2,5.
  • Des Weiteren hat sich herausgestellt, dass hierin beschriebene Plattierungen, die gesinterte Hartmetallpellets mit Kugelform und/oder kugelähnlicher Form umfassen, im Vergleich zu früheren Plattierungen, die winkelförmige und/oder facettierte gesinterte Hartmetallteilchen umfassen, Verringerungen des Elastizitäts- und Schermoduls aufweisen können. Verringerungen des Elastizitätsmoduls können es z. B. ermöglichen, dass die Plattierung besser an den Elastizitätsmodul des metallischen Substrats angepasst wird, wodurch die Wahrscheinlichkeit von Plattierungsrissen verringert und die Haftung der Plattierung verbessert wird. In einigen Ausführungsformen hat z. B. eine aus kugelförmigen und/oder kugelähnlichen gesinterten Hartmetallpellets bestehende Plattierung einen um 30-65 Prozent höheren Elastizitätsmodul als der Elastizitätsmodul des metallischen Substrats. 4(a) stellt Elastizitätsmodul-Vergleichsdaten der hierin beschriebenen Plattierungen mit früheren Plattierungen mit winkelförmigen gesinterten Hartmetallen bereit. In ähnlicher Weise stellt 4(b) Schermodul-Vergleichsdaten von hierin beschriebenen Plattierungen mit früheren Plattierungen aus winkelförmigen gesinterten Hartmetallen bereit. Plattierungen, die die kugelförmigen und/oder kugelähnlichen gesinterten Hartmetallteilchen umfassen, weisen bemerkenswerte Verringerungen des Elastizitäts- und Schermoduls auf, wodurch die Plattierung besser an die Eigenschaften des metallischen Substrats angepasst werden kann.
  • Wichtig ist, dass die hierin beschriebenen verbesserten Eigenschaften der Wärmeleitfähigkeit, der Bruchzähigkeit, der Bruchdurchbiegung, des Elastizitätsmoduls und des Schermoduls, die von den hierin beschriebenen Plattierungen geboten werden, die Abrieb- und Erosionsbeständigkeit der Plattierungen nicht beeinträchtigen. In einigen Ausführungsformen weisen Plattierungen mit der hierin beschriebenen Architektur, Zusammensetzung und/oder den hierin beschriebenen Eigenschaften einen durchschnittlichen Volumenverlust (AVL) von weniger als 12 mm3 gemäß dem ASTM G65 Standardprüfverfahren zur Messung des Abriebs unter Verwendung des trockenen Sand-/Gummirades, Verfahren A, auf. In einigen Ausführungsformen beträgt die AVL weniger als 10 mm3. Tabelle XII liefert AVL-Vergleichsdaten der hierin beschriebenen Plattierungen mit früheren Plattierungen mit winkelförmigen gesinterten Hartmetallen, gemäß einigen Ausführungsformen. Tabelle XII - Abriebbeständigkeit der Plattierung (ASTM G65, Verfahren A)
    Gew.-% der gesinterten Hartmetallpellets in der Plattierung winkelförmig (AVL - mm3) kugelähnlich (AVL - mm3)
    65 7,54 7,34
    55 11,52 9,81
    50 14,88 11,74
    Wie in Tabelle XII angegeben, weisen die hierin beschriebenen Plattierungen aus kugelförmigen und/oder kugelähnlichen gesinterten Hartmetallpellets bessere oder vergleichbare Abriebbeständigkeiten auf.
  • Darüber hinaus weisen in einigen Ausführungsformen Plattierungen mit der hierin beschriebenen Architektur, Zusammensetzung und/oder den hierin beschriebenen Eigenschaften eine Erosionsrate von weniger als 0,05 mm3/g bei einem Teilchenaufprallwinkel von 90° gemäß ASTM G76-07 - Standardprüfverfahren zur Durchführung von Erosionstests durch Feststoffteilchenbeaufschlagung mittels Gasstrahlen - auf. Tabelle XIII liefert Volumenverlust-Vergleichsdaten von hierin beschriebenen Plattierungen mit früheren Plattierungen mit winkelförmigen gesinterten Hartmetallen, gemäß einigen Ausführungsformen. Tabelle XII - Plattierungs-Erosionsbeständigkeit (ASTM G76, Volumenverlust, mm3/g)
    Gew.-% der gesinterten Hartmetallpellets in der Plattierung winkelförmig kugelähnlich
    65 0,025 0,026
    55 0,031 0,031
    Wie in Tabelle XII angegeben, umfassen die hierin beschriebenen Plattierungen aus kugelförmigen und/oder kugelähnlichen gesinterten Hartmetallpellets vergleichbare Erosionsbeständigkeiten.
  • Es wurde zusätzlich festgestellt, dass kugelförmige und/oder kugelähnliche gesinterte Hartmetallteilchen eine geringere Härte aufweisen können als winkelförmige und/oder facettierte gesinterte Hartmetallpellets oder -teilchen. 5(a) ist ein Bild, das Mikrohärte-Tests (HV0,5) eines kugelähnlichen, gesinterten Hartmetallpellets einer Plattierung veranschaulicht. In ähnlicher Weise ist 5(b) ein Bild von Mikrohärte-Tests (HV0,5) eines winkelförmigen gesinterten Hartmetallpellets einer früheren Plattierungsarchitektur. 5(c) veranschaulicht die Mikrohärte-Testergebnisse, bei der das winkelförmige gesinterte Hartmetall eine höhere Härte aufweist. Bemerkenswert ist, dass die geringere Härte des kugelähnlichen gesinterten Hartmetalls die Plattierungshärte nicht beeinträchtigte. 6 veranschaulicht die Härte der hierin beschriebenen Plattierungen, die kugelförmige und/oder kugelähnliche gesinterte Hartmetallteilchen umfassen, im Vergleich zu früheren Plattierungen, die winkelförmige gesinterte Hartmetallteilchen umfassen, gemäß einigen Ausführungsformen. Wie in 6 veranschaulicht, wiesen die hierin beschriebenen Plattierungen eine größere oder vergleichbare Härte (HRC) auf. Darüber hinaus wurde überraschenderweise festgestellt, dass eine geringere Härte des kugelähnlichen gesinterten Hartmetalls keine Plattierungs-Erosionsbeständigkeit oder Plattierungs-Abriebbeständigkeit umfasst.
  • Es wurde dementsprechend überraschenderweise festgestellt, dass die Einbeziehung kugelförmiger und/oder kugelähnlicher gesinterter Hartmetallteilchen in das Matrixmetall oder die Matrixlegierung einer Plattierung die Wärmeleitfähigkeit, die Bruchdurchbiegung und die Bruchzähigkeit ohne gleichzeitige Kompromisse oder Reduzierungen der Abriebbeständigkeit, der Erosionsbeständigkeit und/oder der Härte verbessern kann.
  • Darüber hinaus weisen Plattierungen mit der hierin beschriebenen Zusammensetzung, Architektur und/oder den hierin beschriebenen Eigenschaften im Allgemeinen eine Porosität von weniger als 5 Vol.-% auf. In einigen Ausführungsformen weisen die Plattierungen eine Porosität von weniger als 2 Vol.-% oder weniger als 1 Vol.-% auf.
  • Wie hierin beschrieben, werden die Plattierungen auf metallische Substrate geklebt. Die hierin beschriebenen Plattierungen können in einigen Ausführungsformen metallurgisch mit den metallischen Substraten verbunden werden, indem sie auf die metallischen Substrate aufgeklebt werden. Zu den geeigneten metallischen Substraten gehören Metall- oder Legierungssubstrate. Ein metallisches Substrat kann z. B. eine Legierung auf Eisenbasis, eine Legierung auf Nickelbasis, eine Legierung auf Kobaltbasis, eine Legierung auf Kupferbasis oder eine andere Legierung sein. In einigen Ausführungsformen sind Nickel-Legierungssubstrate unter den INCONEL®, HASTELLOY® und/oder BALCO® Handelsbezeichnungen im Handel erhältlich. Kobalt-Legierungssubstrate sind in einigen Ausführungsformen unter der Handelsbezeichnung STELLITE®, TRIBALOY® und/oder MEGALLIUM® im Handel erhältlich. In einigen Ausführungsformen umfassen die Substrate Gusseisen, kohlenstoffarme Stähle, legierte Stähle, Werkzeugstähle oder rostfreie Stähle. Ein Substrat kann zudem ein feuerfestes Legierungsmaterial, wie z. B. Legierungen auf Wolframbasis, Legierungen auf Molybdänbasis oder Legierungen auf Chrombasis, umfassen.
  • Außerdem können Substrate verschiedene Geometrien aufweisen. In einigen Ausführungsformen hat ein Substrat eine zylindrische Geometrie, wobei die Oberfläche des Innendurchmessers (ID), die Oberfläche des Außendurchmessers (OD) oder beide mit einer hierin beschriebenen Plattierung beschichtet sind. In einigen Ausführungsformen umfassen die Substrate beispielsweise Verschleißkissen, Granulierdüsen, Radiallager, Extruderzylinder, Extruderschnecken, Komponenten zur Durchflussregelung, Rollenkonusmeißel, feste Schneidmeißel, Rohrleitungen oder Rohre. Die vorgenannten Substrate können in Ölbohr- und/oder Gasbohranwendungen, petrochemischen Anwendungen, in der Energieerzeugung, in der Lebensmittel- und Tierfutterindustrie sowie in allgemeinen technischen Anwendungen eingesetzt werden, bei denen Abrieb, Erosion und/oder andere Arten von Verschleiß auftreten.
  • II. Verbundartikel
  • In einem weiteren Aspekt werden hierin Verbundartikel zur Herstellung von Plattierungen beschrieben. In einigen Ausführungsformen umfasst ein Verbundartikel einen polymeren Träger und gesinterte Hartmetallpellets, die in dem polymeren Träger dispergiert sind, wobei die gesinterten Hartmetallpellets eine scheinbare Dichte von 4 g/cm3 bis 7,5 g/cm3 aufweisen, wobei der Verbundartikel eine Dichte von 7,0-10 g/cm3 aufweist. In einigen Ausführungsformen weisen die gesinterten Hartmetallpellets eine Klopfdichte von 6,5 g/cm3 bis 9 g/cm3 auf. Gesinterte Hartmetallpellets, die in dem polymeren Träger dispergiert sind, können jede Zusammensetzung und/oder Eigenschaften haben, die in Abschnitt I oben beschrieben sind. In einigen Ausführungsformen haben die gesinterten Hartmetallpellets z. B. eine Kugelform, eine kugelähnliche Form oder eine Mischung aus Kugel- und kugelähnlicher Form. Darüber hinaus können die gesinterten Hartmetallpellets im polymeren Träger in jeder Menge vorhanden sein, die mit der Herstellung einer Plattierung mit einer Pelletbeladung, die aus Tabelle II ausgewählt ist, konsistent ist.
  • In einigen Ausführungsformen umfasst der Verbundartikel ferner Metallpulver oder eine Pulverlegierung, die in dem polymeren Träger dispergiert ist. Die Pulverlegierung in dem polymeren Träger kann jede in Abschnitt I oben beschriebene Zusammensetzung haben, einschließlich jeder Legierungszusammensetzung, die in den Tabellen III-VII aufgeführt ist. In einigen Ausführungsformen ist der polymere Träger fibrilliert, wie z. B. fibrilliertes Fluorpolymer. Die fibrillierte Morphologie des polymeren Trägers kann dem Träger und dem daraus resultierenden Verbundartikel Flexibilität und andere stoffähnliche Eigenschaften verleihen. Diese Eigenschaften ermöglichen es, den Verbundartikel auf eine Vielzahl komplexer Oberflächen, einschließlich OD- und ID-Oberflächen metallischer Substrate, aufzubringen.
  • Der polymere Träger, die gesinterten Hartmetallpellets und gegebenenfalls die Pulverlegierung werden mechanisch bearbeitet oder verarbeitet, um die gesinterten Pellets und die Pulverlegierung in dem organischen Träger einzuschließen. In einer Ausführung werden z. B. die gesinterten Hartmetallpellets und die Pulverlegierung mit 3-15 Vol.-% PTFE gemischt und mechanisch bearbeitet, um das PTFE zu fibrillieren und die gesinterten Pellets und die Legierung einzuschließen. Die mechanische Bearbeitung kann Walzen, Kugelfräsen, Strecken, Dehnen, Spreizen oder Kombinationen davon umfassen. In einigen Ausführungsformen wird das Blech, das die gesinterten Pellets und die Pulverlegierung umfasst, einem kaltisostatischen Pressen unterzogen. Die resultierende Platte kann einen niedrigen Elastizitätsmodul und eine hohe Grünfestigkeit aufweisen. In einigen Ausführungsformen wird ein Blech, das die gesinterten Hartmetallpellets und gegebenenfalls eine Pulverlegierung umfasst, gemäß der Offenbarung eines oder mehrerer der US-Patente 3.743.556, 3.864.124, 3.916.506, 4.194.040 und 5.352.526 hergestellt, die hiermit jeweils in ihrer Gesamtheit durch Bezugnahme berücksichtigt sind.
  • III. Verfahren zur Plattierung von Artikeln
  • In einem weiteren Aspekt werden Verfahren zur Herstellung von plattierten Artikeln bereitgestellt. Verfahren zur Herstellung eines plattierten Artikels, umfassend das Bereitstellen eines metallischen Substrates und das Positionieren einer Schicht aus gesinterten Hartmetallpellets, die in einem organischen Träger dispergiert sind, über dem metallischen Substrat, wobei die gesinterten Hartmetallpellets eine Kugelform, kugelähnliche Form oder eine Mischung aus Kugel- und kugelähnlichen Formen aufweisen. Das Matrixmetall oder die Matrixlegierung wird ebenfalls über dem metallischen Substrat positioniert. In einigen Ausführungsformen ist das Matrixmetall oder die Matrixlegierung zusammen mit den gesinterten Hartmetallpellets in dem organischen Träger dispergiert. Alternativ wird das Matrixmetall oder die Matrixlegierung in einem separaten organischen Träger dispergiert oder als Folie bereitgestellt. Das Matrixmetall oder die Matrixlegierung wird erhitzt, um die Schicht aus gesinterten Hartmetallpellets zu infiltrieren und eine an dem Substrat haftende Verbundwerkstoffplattierung zu bilden. In einigen Ausführungsformen ist der organische Träger der gesinterten Hartmetallpellets und/oder des Matrixmetalls oder der Matrixlegierung, wie oben in Abschnitt II beschrieben, ein polymerer Träger. Alternativ dazu kann der organische Träger eine Flüssigkeit oder Farbe sein, wie die in den US-Patenten 6.649.682 und 7.262.240 beschriebenen Trägerzusammensetzungen, die hiermit jeweils in ihrer Gesamtheit durch Bezugnahme berücksichtigt sind.
  • Plattierungen, die nach den hierin beschriebenen Verfahren hergestellt werden, können jede Zusammensetzung, Architektur und/oder Eigenschaften haben, die in Abschnitt I oben beschrieben sind. 7(a) ist eine optische Schliffbildansicht einer hierin beschriebenen Plattierung, die kugelförmige und/oder kugelähnliche gesinterte Hartmetallpellets gemäß einigen Ausführungsformen umfasst. Die kugelförmigen und/oder kugelähnlichen gesinterten Hartmetallpellets von 7(a) sind in einer Matrixlegierung dispergiert. Die kugelförmigen und/oder kugelähnlichen Pellets von Plattierungen der vorliegenden Offenbarung stehen, wie in 7(b) dargestellt, in scharfem Kontrast zu den winkelförmigen und/oder facettierten gesinterten Hartmetallteilchen/-Pellets, die in früheren Plattierungen verwendet wurden. Wie oben beschrieben, können die kugelförmigen und/oder kugelähnlichen gesinterten Hartmetallteilchen unerwartet eine oder mehrere der Eigenschaften Wärmeleitfähigkeit, Bruchdurchbiegung und Bruchzähigkeit ohne gleichzeitige Beeinträchtigung oder Verringerung der Abriebbeständigkeit, Erosionsbeständigkeit und/oder Härte verbessern.
  • Es wurden verschiedene Ausführungsformen der Erfindung zur Erfüllung der verschiedenen Zwecke der Erfindung beschrieben. Es sollte erkannt werden, dass diese Ausführungsformen lediglich die Prinzipien der vorliegenden Erfindung veranschaulichen. Zahlreiche Modifikationen und Anpassungen davon sind für Fachleute auf dem Gebiet ohne Weiteres ersichtlich, ohne vom Sinn und Umfang der Erfindung abzuweichen.
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
  • Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
  • Zitierte Patentliteratur
    • US 16/431211 [0001]
    • US 3743556 [0037]
    • US 3864124 [0037]
    • US 3916506 [0037]
    • US 4194040 [0037]
    • US 5352526 [0037]
    • US 6649682 [0038]
    • US 7262240 [0038]
  • Zitierte Nicht-Patentliteratur
    • ASTM B214 [0005]
    • ASTM B822 [0005]
    • ASTM E399 [0024]
    • Deng et al., Toughness Measurement of Cemented Carbides with Chevron-Notched Three-Point Bend Test, Advanced EngineeringMaterials, 2010, 12, Nr. 9, dargelegt [0024]
    • ASTM B406 (2015) [0025]

Claims (27)

  1. Artikel, umfassend: ein metallisches Substrat; und eine an dem metallischen Substrat haftende Plattierung, wobei die Plattierung zumindest 10 Gew.-% gesinterte Hartmetallpellets umfasst, die in einem Matrixmetall oder einer Matrixlegierung dispergiert sind, wobei die gesinterten Hartmetallpellets eine Kugelform, kugelähnliche Form oder eine Mischung aus Kugel- und kugelähnlicher Form aufweisen.
  2. Artikel nach Anspruch 1, wobei die gesinterten Hartmetallpellets ein Seitenverhältnis von 0,5 bis 1 aufweisen.
  3. Artikel nach Anspruch 1 oder 2, wobei die gesinterten Hartmetallpellets in einer Menge von 40 - 70 Gewichtsprozent der Plattierung vorhanden sind.
  4. Artikel nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei eines oder mehrere der gesinterten Hartmetallpellets ein metallisches Bindemittel in einer Menge von 3 bis 20 Gewichtsprozent des Pellets umfassen.
  5. Artikel nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die gesinterten Hartmetallpellets eine theoretische Dichte von zumindest 98 Prozent aufweisen.
  6. Artikel nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die gesinterten Hartmetallpellets eine durchschnittliche Größe von 10 µm bis 100 µm aufweisen.
  7. Artikel nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei eines oder mehrere der gesinterten Hartmetallpellets Metallcarbidkörnungen mit einer Größe von weniger als 3 µm umfasst.
  8. Artikel nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Plattierung eine Wärmeleitfähigkeit von zumindest 25 W/(m-K) bei 25 °C aufweist.
  9. Artikel nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Plattierung eine Bruchzähigkeit (KIc) von mehr als 13 Mpa√m0,5 aufweist, wenn die gesinterten Hartmetallpellets in einer Menge von zumindest 55 Gewichtsprozent der Plattierung vorhanden sind.
  10. Artikel nach Anspruch 9, wobei die Bruchzähigkeit größer als 15 Mpa√m0,5 ist.
  11. Artikel nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Plattierung eine Bruchdurchbiegung von zumindest 650 MPa aufweist, wenn die gesinterten Hartmetallpellets in einer Menge von zumindest 55 Gewichtsprozent der Plattierung vorhanden sind.
  12. Artikel nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Plattierung einen Elastizitätsmodul aufweist, der 30 - 65 Prozent größer ist als der Elastizitätsmodul des metallischen Substrats.
  13. Artikel nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei mehr als 50 Prozent der gesinterten Hartmetallteilchen eine Größe von weniger als 45 µm aufweisen.
  14. Artikel nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Plattierung eine Porosität von weniger als 2 Vol.-% aufweist.
  15. Artikel nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Plattierung einen normalisierten Wärmespannungswiderstand von mehr als 1,5 aufweist.
  16. Artikel nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die gesinterten Hartmetallpellets kein Absinken der Teilchen aufweisen.
  17. Verfahren zur Herstellung eines plattierten Artikels, umfassend: Bereitstellen eines metallischen Substrats; Positionieren einer Schicht aus gesinterten Hartmetallpellets, die in einem organischen Träger dispergiert sind, über dem metallischen Substrat, wobei die gesinterten Hartmetallpellets eine Kugelform, kugelähnliche Form oder eine Mischung aus Kugel- und kugelähnlichen Formen aufweisen; Positionieren eines Matrixmetalls oder einer Matrixlegierung über dem metallischen Substrat; und Erhitzen des Matrixmetalls oder der Matrixlegierung, um die Schicht aus gesinterten Hartmetallpellets zu infiltrieren, wodurch eine an dem Substrat haftende Verbundwerkstoffplattierung bereitgestellt wird, wobei die Verbundwerkstoffplattierung eine normalisierte thermische Spannungsbeständigkeit von mehr als 1,5 aufweist.
  18. Verfahren nach Anspruch 17, wobei der organische Träger ein polymeres Material umfasst.
  19. Verfahren nach Anspruch 17 oder 18, wobei der organische Träger eine flüssige Komponente umfasst.
  20. Verfahren nach einem der Ansprüche 17 bis 19, wobei die gesinterten Hartmetallpellets in einer Menge von 40 - 70 Gewichtsprozent der Plattierung vorhanden sind.
  21. Verfahren nach einem der Ansprüche 17 bis 20, wobei die gesinterten Hartmetallpellets eine theoretische Dichte von zumindest 98 Prozent aufweisen.
  22. Verfahren nach einem der Ansprüche 17 bis 21, wobei das Plattieren eine Wärmeleitfähigkeit von zumindest 25 W/(mDK) bei 25 °C aufweist.
  23. Verfahren nach einem der Ansprüche 17 bis 22, wobei die Plattierung eine Bruchzähigkeit (KIc) von mehr als 12 Mpa√m0,5 aufweist, wenn die gesinterten Hartmetallpellets in einer Menge von zumindest 55 Gewichtsprozent der Plattierung vorhanden sind.
  24. Verfahren nach einem der Ansprüche 17 bis 23, wobei die Bruchzähigkeit größer als 15 Mpa√m0,5 ist.
  25. Verfahren nach einem der Ansprüche 17 bis 24, wobei die Plattierung einen Elastizitätsmodul aufweist, der 30 - 65 Prozent größer ist als der Elastizitätsmodul des metallischen Substrats.
  26. Verfahren nach einem der Ansprüche 17 bis 25, wobei das Plattieren einen normalisierten Wärmespannungswiderstand von mehr als 1,5 aufweist.
  27. Verfahren nach einem der Ansprüche 17 bis 26, wobei die gesinterten Hartmetallpellets kein Absinken der Teilchen aufweisen.
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