螺紋滾壓模的制作方法

專利名稱：螺紋滾壓模的制作方法
技術領域：
本發明涉及用于在ー個機器零件上產生螺紋以便于使其固定到另ー個機器零件上的螺紋滾壓模，以及涉及制造螺紋滾壓模的方法。更特別地，本發明涉及包含燒結硬質合金的螺紋滾壓區域的螺紋滾壓模，以及涉及制成所述螺紋滾壓模的方法。
背景技術：
螺紋通常用作將ー個機械零件固定到另ー個機械零件的手段。例如車削(使用單個點或者成形工具)以及磨(使用單觸點或者成形輪)的加工技術被用作金屬去除的方法，以在エ件中生成理想的螺紋幾何形狀。這些方法通常被稱為螺紋切削方法。螺紋切削技術具有某些固有的缺點。螺紋切削技術通常慢且花費多，并且需要使用昂貴的機床，其包括特別的工具。螺紋切削技術對于處理大的產品批次是節省成本的。 因為螺紋切削包括加工毛坯，產生切削屑形式的廢料。另外，切削螺紋的光潔度可以小于期望。在機器零件中形成螺紋的可替代方法包括使用“無屑”金屬成形技木，S卩，在其中不切削エ件并且不形成屑的螺紋成形技木。無屑螺紋成形技術的實例是螺紋滾壓技木。螺紋滾壓技術包括在設置在兩個或者多個螺紋滾壓模之間的圓柱型金屬零件上滾壓螺紋，所述螺紋滾壓模包括具有理想螺紋幾何形狀的鏡像的工作面。傳統地，螺紋滾壓模可以是圓形的或者平的。當エ件被壓緊在彼此運動的模和模之間時，在エ件上生成螺紋的幾何形狀。 圓形的螺紋滾壓模彼此相對旋轉。平的螺紋滾壓模彼此相對以線性或者往復運動的方式運動。螺紋滾壓因此是冷成形、或者運動而不是將エ件材料去除來形成螺紋的方法。這示意性地在圖IA和IB中所圖示。圖IA示意性地圖示了設置在圓柱形毛坯側面上的螺紋滾壓摸，以及圖1(b)示意性地圖示了通過相對于模旋轉毛坯來產生的最后產品。如圖IA和IB 中所圖示的，向上或者向外運動毛坯材料以形成螺紋的エ藝導致了大于毛坯直徑(圖1B) 的螺紋大徑(圖1A)。螺紋滾壓在エ件上形成螺紋的加工或者切削技術方面提出了若干個優點。例如， 大量材料由于螺紋滾壓技術的“無屑”特性可以免于成為廢料使用。同吋，因為螺紋滾壓通過向上和向外來變形材料而形成螺紋，所以毛坯可以小于通過螺紋切削形成螺紋時所要求的，從而導致了另外的材料節省。此外，螺紋滾壓可以以高的螺紋速度并且利用較長的同類工具壽命來產生螺紋和相關的形式。因此，螺紋滾壓對于大量生產是切實可行的技木。螺紋滾壓還是在其中不存在任何磨損的冷成形技木，并且螺紋滾壓模可以在它們的整個使用壽命中操作，而不需要周期性的確定尺寸。螺紋滾壓還導致エ件的螺紋區域中材料的硬度和屈服強度的明顯增加，這是由于螺紋滾壓操作中由所施加的壓カ引起的加工硬化(work hardening)。螺紋滾壓可以產生比切削螺紋更強例如直到20%的螺紋。滾壓成的螺紋還呈現降低的切ロ靈敏度以及改進的抗疲勞性。冷成形技術的螺紋滾壓還典型導致具有優秀的微觀結構、光滑的鏡面光潔度，以及改進的顆粒結構的螺紋，以用于更高的強度。
在螺紋切削方面，螺紋滾壓的優點示意性地在圖2A和圖2B中圖示出。圖2A示意性地示出了在エ件螺紋區域中導致螺紋切削的微觀結構流線。圖2B示意性地示出了在エ 件螺紋區域中導致螺紋滾壓的微觀結構流線。圖表明通過螺紋滾壓不產生任何廢料，這依賴于產生螺紋的エ件材料的運動。圖2B中所示出的流線還表明通過螺紋滾壓之中材料的流動來產生硬度改進和強度增加。傳統的螺紋滾壓模典型地由高速鋼以及其它工具鋼制成。由鋼制成的螺紋滾壓模具有若干局限性。高速鋼和工具鋼的壓力強度可以不明顯地高于普通エ件材料(例如，合金鋼以及其它結構合金)的壓カ強度。實際上，傳統的螺紋滾壓模材料的壓カ強度可以更低于高強度エ件材料(例如，鎳基和鈦基航空航天合金以及某些防腐蝕合金)的壓カ強度。 通常，用來制成螺紋滾壓模的工具鋼的壓力和屈服強度降到大約275，OOOpsi以下。當螺紋滾壓模材料的壓カ強度基本上不超過エ件材料的壓カ強度時，模經受過度的塑性變形以及提前失效。除了具有比較高的壓カ強度之外，螺紋滾壓模材料應當比エ件材料具有基本上更大的剛性。通常，然而，目前在螺紋滾壓中使用的高速鋼和工具鋼不具有比普通エ件材料更高的剛性。這些工具鋼的剛性(即，楊氏模量)降到大約32X Kfpsi以下。由這些高速鋼和工具鋼所制成的螺紋滾壓模可以在螺紋滾壓エ藝過程中承受過度的塑性變形，這使得螺紋幾何形狀上很難保持精密公差。此外，由高速鋼和工具鋼所制成的螺紋滾壓模可以被希望呈現與許多普通エ件材料相比較僅僅更高的耐磨性。例如，在螺紋滾壓模中使用的某些工具鋼的磨損量(如根據 ASTM G65-040, “Standard Test Method for Measuring Abrasion Using the Dry Sand/ Rubber Wheel Apparatus”來計量)是大約100mm3。因此，模的使用壽命由于過度的磨損而受限。因此，需要由與傳統地在螺紋滾壓模中使用的高速和其它工具鋼相比呈現強度 (特別地是壓力強度)、剛性、以及耐磨性的較好結合的材料制成的螺紋滾壓模。這種材料將提供増加的模使用壽命并且還可以允許模用來在エ件材料上產生不能容易地使用傳統模來處理的螺紋。

發明內容
在根據本發明的非限制性實施方案中，螺紋滾壓模包含螺紋滾壓區域，其包括含螺紋形式的工作表面。螺紋滾壓區域包括具有在78HRA到89HRA范圍內的硬度的燒結硬質
I=I 巫 ο在根據本發明的另ー個非限制性實施方案中，螺紋滾壓模包含螺紋滾壓區域，其包括含螺紋形式的工作表面，其中，螺紋滾壓區域包括具有至少400，OOOpsi的壓カ屈服強度、在50 X Kfpsi到80 X Kfpsi的楊氏模量、根據ASTM G65-04估計的在5謹3到30謹3范圍內的磨損量、至少15ksi · in172的斷裂韌性、以及至少300ksi的橫向斷裂強度中的至少一個的燒結硬質合金。在根據本發明的又一個非限制性的實施方案中，螺紋滾壓模包括螺紋滾壓區域， 其包括含螺紋形式的工作表面，其中，至少螺紋滾壓區域的工作表面包括燒結硬質合金材料。在某些非限制的實施方案中，螺紋滾壓模包括至少ー個非硬質合金件，其與不防止ェ作表面接觸工件的螺紋滾壓區域的區中螺紋滾壓區域冶金鍵合。在某些非限制性實施方案中，非硬質合金件包括金屬區域和金屬基體復合物中的至少一個。在根據本發明的又一個實施方案中，螺紋滾壓模包括螺紋滾壓區域，其包括含螺紋形式的工作表面，以及與螺紋滾壓區域冶金鍵合的非硬質合金件，其中，至少螺紋滾壓區域的工作表面包括燒結硬質合金材料，其具有至少400，OOOpsi壓力屈服強度、在50 X IO6Psi到80 X IO6Psi的楊氏模量、根據ASTM G65-04所估計的在5mm3到30mm3范圍內的磨損量、78HRA到89HRA范圍內的硬度、至少15ksi · in1/2的斷裂韌性、以及至少300ksi的橫向斷裂強度中的至少一個。


參考附圖可以更好地理解本文所描述的物件和方法的特征和優點，其中圖IA和IB是示出了傳統的螺紋滾壓工藝的某些方面的示意性畫法；圖2A和2B分別是工件材料在由螺紋切削和螺紋滾壓所形成的螺紋形成區域中的微觀結構流線的示意性畫法；圖3是根據本發明的圓形螺紋滾壓模的一個非限制性實施方案的示意性畫法，其中，模包括非硬質合金區域和具有在78HRA到89HRA范圍內的硬度(洛氏硬度值“A”)的燒結硬質合金工作表面；圖4是根據本發明的平的螺紋滾壓模的一個非限制性實施方案的示意性畫法，其中，模包括非硬質合金區域和具有在78HRA到89HRA范圍內的硬度的燒結硬質合金工作表面；圖5是根據本發明的平的螺紋滾壓模的另外的非限制性實施方案的示意性畫法，其中，模包括兩個非硬質合金區域和具有在78HRA到89HRA范圍內的硬度的燒結硬質合金工作表面；圖6是根據本發明的圓形的螺紋滾壓模的另外的非限制性實施方案的示意性畫法，其中，模包括具有分層結構或者梯度結構的燒結硬質合金區域和燒結硬質合金工作表面；以及圖7是根據本發明的圓形的螺紋滾壓模的一個非限制性實施方案的照片，包含具有在78HRA到89HRA范圍內的硬度的燒結硬質合金材料。當考慮以下根據本發明的某些非限制性實施方案的詳細描述時，讀者將理解在先的詳細描述，以及其它描述。
具體實施例方式在非限制性實施方案的本描述中，不同于在操作實例中或者以其它方式指出的地方，表達數量和特征的所有數字都將被理解為在所有的例子中由術語“大約”來修改。因此，除非相反的指出，在以下描述中所說明的任何數字參數是人們試圖在根據本發明的物件和方法中得到的可以根據理想參數改變的近似值。至少，并且不是因為嘗試限制權利要求范圍的等同物原理的應用，在本發明中所描述的每個數字參數將至少根據所公布的有效數字的數并且通過應用普通的成圓技術來解釋。據稱通過引入并入本文的任何專利、出版物或者其它公開材料在本文僅僅整個地或者部分地被并入，以致于所并入的材料不與現有的定義、陳述或者在本公開內容中所提出的其他公開材料相沖突。因此，以及必須的，本文所提出的公開內容取代通過引用并入本文的任何相沖突的材料。據說通過引用并入本文但是與現有的定義、陳述或者在本公開內容中所提出的其他公開材料相沖突的任何材料或者其一部分僅僅被并入使在該所并入的材料和現有的公開材料之間不引起任何沖突的程度。在圖3中描繪出根據本公開內容的圓形螺紋滾壓模10的一個非限制性實施方案。在圖4和圖5中描繪出根據本公開內容的平的螺紋滾壓模30的非限制性實施方案。將要理解的是，雖然在本文所描繪和描述的有新穎性和創造性的螺紋滾壓模的特定實施方案是圓形的或者平的螺紋滾壓模，但是本發明還包括另外的螺紋滾壓模結構，對于本領域普通技術人員而言，現在或者以后是已知的。螺紋滾壓模10，30中的每一個包括含工作表面14的螺紋滾壓區域12，所述工作表面是接觸工件并在其上形成螺紋的螺紋滾壓模的表面。因此，工作表面14包括螺紋形式16。模10，30中每一個的螺紋滾壓區域12包含燒結硬質合金材料。根據某些實施方案，燒結硬質合金具有78HRA到89HRA范圍內的硬度。在非限制性實施方案中，螺紋滾壓區域12的燒結硬質合金材料可以具有至少400, OOOpsi的壓力屈服強度。在另一個非限制性實施方案中，螺紋滾壓區域12的燒結硬質合金材料可以具有至少SOXlOf5Psi的楊氏模量。螺紋滾壓模10的非限制性實施方案包含燒結硬質合金螺紋滾壓區域12，其中，燒結硬質合金材料具有SOXlOf5Psi到SOXlOf5Psi范圍內的楊氏模量。在又一個非限制性實施方案中，螺紋滾壓區域12的燒結硬質合金材料可以具有不大于如根據ASTM G65-04所估計的30mm3的磨損量。在一個非限制性實施方案中，螺紋滾壓區域12的燒結硬質合金材料具有如根據ASTM G65-04所估計的5mm3到30mm3范圍內的磨損量。根據本公開內容的螺紋滾壓模10，30的一個非限制性實施方案，螺紋滾壓區域12的燒結硬質合金材料可以具有包括至少400，OOOpsi的壓力屈服強度、至少SOXlOf5Psi的楊氏模量、以及不大于如根據ASTM G65-04所估計的30mm3的磨損量的性質的結合。在另一個非限制性實施方案中，螺紋滾壓區域12的燒結硬質合金材料可以具有至少15ksi · in172的斷裂韌性。再有一個非限制性實施方案中，螺紋滾壓區域12的燒結硬質合金材料可以具有至少300ksi的橫向斷裂強度。根據某些其它的非限制性實施方案，螺紋滾壓模10，30的螺紋滾壓區域12的燒結硬質合金材料具有至少400，OOOpsi的壓力屈服強度、在SOXlOf5Psi到SOXlifpsi范圍內的楊氏模量、如根據ASTM G65-04所估計的在5mm3到30mm3范圍內的磨損量、在78HRA到89HRA范圍內的硬度、至少15ksi · η1/2的斷裂韌性、以及至少300ksi的橫向斷裂強度中的一個或者多個。根據本公開內容的某些非限制性實施方案，螺紋滾壓模10，30的工作表面14的螺紋形式16可以包括V型螺紋、梯形螺紋、圓螺紋、以及鋸齒螺紋中的一個。將要理解的是，然而，這種螺紋形式的圖案不是全面的，并且對于本領域普通技術人員而言，現在或者以后已知的任何其它合適的螺紋形式可以包括在根據本公開內容的螺紋滾壓模上。在某些非限制性實施方案中，包括在螺紋滾壓區域中的燒結硬質合金以及任選地，包括在根據本公開內容的螺紋滾壓模中其它區域中的燒結硬質合金材料是使用傳統的粉末冶金技術來制成的。這種技術包括例如，機械地或者等靜壓壓制金屬粉末混合物，以形成具有理想形狀和尺寸的“半成品的(green) ”部件；任選地，以在400°C到1200°C的范圍內的溫度熱處理或者“預燒結”半成品的部件，以提供“褐色的”部件；任選地，以半成品的或者褐色狀態來加工部件，以給予某些理想的形狀特征；并且以燒結溫度(例如，在1350°C到1600°C的范圍內)加熱部件。用于提供燒結硬質合金材料的其它技術以及步驟的順序將對于本領域技術人員是顯然的。在合適的環境中，這些其它技術中的一個或者多個可以用來提供根據本公開內容的螺紋滾壓模中所包括的燒結硬質合金材料，并且對于本領域技術人員而言，一旦其閱讀本公開內容，如何采用這樣一個或者多個技術來提供本螺紋滾壓模將是顯然的。在根據本公開內容的螺紋滾壓模的某些非限制性實施方案中，根據本發明的包括在螺紋滾壓模中的燒結硬質合金材料可以是使用操作(車削、銑削、磨削、以及電火花加工)來精加工。同時，在根據本公開內容的螺紋滾壓模的某些非限制性實施方案中，在螺紋滾壓模所包括的精加工材料可以鍍有提供耐磨性和/或其它有益特性的材料。這種鍍層可以通過使用傳統的鍍層技術來應用，例如，化學氣相沉積(CVD)和/或物理氣相沉積(PVD)。可以在根據本公開內容的螺紋滾壓模中所包括的硬質合金材料的全部或者區域上提供作為鍍層的耐磨性材料的非限制性實施方案包括在單個層中或者再多層的結合中的A1203、TiC、Ti (C, N)。可以在根據本公開內容的螺紋滾壓模中所包括的硬質合金材料上提供作為涂層的其它可能材料，可以作為單層或者作為多層涂層的一部分，對于本領域普通技術人員將是已知的，并且在本文被包含。在某些非限制性實施方案中，根據本公開內容的螺紋滾壓模的螺紋滾壓區域中所包括的硬質合金材料包括不連續的分散相以及連續粘結相。不連續的分散相包括選自周期表的IVB族、VB族或者VIB族的至少一種金屬的碳化合物的硬顆粒。這些材料包括例如，鈦、鋯、鉿、釩、鈮、鉭、鉻、鉬和鎢。連續粘結相包括鈷、鈷合金、鎳、鎳合金、鐵、以及鐵合金中的一個或者多個。在某些非限制性實施方案中，在螺紋滾壓區域中所包括的燒結硬質合金材料包括分散相的重量百分比60直到重量百分比98，以及連續粘結相的重量百分比2直到重量百分比40。根據某些非限制性實施方案，分散相的硬碳顆粒具有在0. 3 μ m到20 μ m范圍內的平均晶粒尺寸。在某些非限制性實施方案中，在根據本公開方案的螺紋滾壓模的螺紋滾壓區域中所包括的燒結硬質合金材料的連續粘結相包括選自鎢、鋯、鈦、釩、鈮和碳的至少一種添加劑，其在連續粘結相中濃度直到附加物達到溶解極限。在某些非限制性實施方案中，螺紋滾壓區域中的燒結硬質合金材料的連續粘結相包括選自硅、硼、鋁、銅、釕、和錳的至少一種添加劑，其總濃度基于連續粘結相的總重量為高達5%重量。在根據本公開內容的螺紋滾壓模的某些非限制性實施方案中，螺紋滾壓區域的工作表面包括具有在78HRA到89HRA范圍內的表面硬度的燒結硬質合金材料。具有該特別的表面硬度的燒結等級包括但不限于包括含碳化鎢顆粒的分散的不連續相、和含鈷的連續粘結相的等級。各種市場上可買到的用來生產多等級的燒結硬質合金材料的粉末混合物對于本領域技術人員是已知的，并且可以從各種源(例如，ATI Engineerd Products, Grant,Alabama，USA)得到。可以用在根據本公開內容的螺紋滾壓模的不同實施方案中的市場上可以得到的硬質合金等級的非限制性實施方案包括ATI Firth等級FL10、FL15、FL20、FL25、FL30、FL35、H20、H25、ND20、ND25、ND30、H71、R52和R61。不同的硬質合金等級典型地在碳顆粒組分、碳顆粒晶粒尺寸、粘結相體積分數、以及粘結相組分的一個或者多個方面不同，這些變化影響燒結硬質合金材料的最后的物理和機械性質。圖3-6示意性地圖示了根據本公開內容的螺紋滾壓模的某些非限制性實施方案。螺紋滾壓模10，30，40中的每一個包括包含工作表面14，44的螺紋滾壓區域12，42，工作表面又包括螺紋形式16(圖6中未示出)。螺紋滾壓模10，30，40中的每一個還包括支撐螺紋滾壓區域12的非工作區域18。根據圖6中的螺紋滾壓模40，在某些實施方案中，非工作區域18包括與螺紋滾壓區域42相同的燒結硬質合金材料，或者可以包括其它等級的硬質合金材料的一層或者多層，例如，層46，48，50和52。在某些其它的非限制性實施方案中，非工作區域18可以包括至少一種硬質合金材料，其與模的螺紋滾壓區域中所包括的燒結硬質合金材料在至少一種特性方面不同。不同的至少一種特性可以從例如組分以及物理或者機械性質中選擇。可以不同的物理和/或機械性質包括但不限于壓力屈服強度、楊氏模量、硬度、韌性、耐磨性、以及橫向斷裂強度。在根據本公開內容的螺紋滾壓模的某些實施方案中，模可以在螺紋滾壓模的不同區域中(其被選擇去提供理想的性質，例如，壓力屈服強度、楊氏模量、硬度、韌性、耐磨性、以及橫向斷裂強度，特別是在模的區域中)包括不同等級的硬質合金材料。再參考圖6的示意性圖示，根據本公開內容的圓形螺紋滾壓模的非限制性實例可以包括若干個區域不同等級的燒結硬質合金材料。螺紋滾壓模40包含包括工作表面44的螺紋滾壓區域42。螺紋滾壓區域42可以包括具有適于在模40計劃用于的工件上形成螺紋的機械性質的硬質合金等級。在非限制性實施方案中，螺紋滾壓區域42的工作表面44具有78HRA到89HRA范圍內的表面硬度、大于400，OOOpsi的壓力屈服強度、大于50X Kfpsi的剛度(楊氏模量)、以及小于30mm3的磨損量(如由ASTM G65-04所估計的)。非工作區域18包括與螺紋滾壓區域44鄰近的燒結硬質合金材料的第二層46。非工作區域18還包括具有與螺紋滾壓區域44的硬質合金材料不同的至少一種機械性質或者特性并且彼此也不同的隨后的層48，50和52。可以在若干個層46，48，50，52和螺紋滾壓區域44之間不同的特性的實例可以是平均硬顆粒尺寸、硬顆粒組分、硬顆粒濃度、粘結相組分以及粘結相濃度中的一個或者多個。可以在若干個層46，48，50，52和螺紋滾壓區域44之間不同的物理和/或機械性質包括但不限于壓力屈服強度、楊氏模量、硬度、韌性、耐磨性以及橫向斷裂強度。在螺紋滾壓模40的非限制性實施方案中，第二層46可以包括具有硬度小于工作表面44層的硬度，以便于更好地將螺紋滾壓操作中經歷的應力更好傳遞，并且使工作表面44處以及螺紋滾壓區域42中燒結硬質合金材料的開裂最小化。燒結硬質合金層48，50，52硬度逐漸減小，以便于傳遞來自相對較硬的工作表面44的應力，并且因此避免工作表面44處以及螺紋滾壓區域42中燒結硬質合金材料的開裂。要指出的是，在圖6中所描繪的圓形螺紋滾壓模的非限制性實施方案中，最深層52限定安裝孔M，其簡化將螺紋滾壓模安裝到螺紋滾壓機(未示出)。最深層52包括具有相對于螺紋滾壓區域42的硬質合金材料減小的硬度的硬質合金材料，并且該布置可以更好地吸收在螺紋滾壓操作中所生成的應力，以及增加螺紋滾壓模40的使用壽命。對于本領域技術人員顯而易見的是，當閱讀本公開內容，不是硬度或者除硬度之外的機械性質可以在圖6所圖示出的多層硬質合金螺紋滾壓模的層中變化。在多層螺紋滾壓模(例如，模40)的層中的這些其它機械性質的變化也包含在該公開內容的實施方案的范圍內。
在包含以圖6中所描繪的分層方式來布置的多個不同等級的硬質合金的螺紋滾壓模的非限制性實施方案中，螺紋滾壓區域42、第二層46、以及隨后的層48，50，52理想的厚度可以由本領域普通技術人員來確定，以提供和/或最優化理想的性質。用于螺紋滾壓區域42的最小厚度的非限制性實例可以是從IOmm到12mm。此外，雖然圖6中描繪了包含不同燒結硬質合金材料的五個分離層42，46，48，50，52的螺紋滾壓模，但是要認識的是，本公開內容的螺紋滾壓模可以根據所希望的最后性質包括多于或者少于燒結硬質合金材料的五層和/或等級。在又一個非限制性實施方案中，代替包含燒結硬質合金材料的分離層42，46，48，50，52，層可以很薄，以便于從螺紋滾壓區域42的工作表面44到最深層52提供理想的一個或者多個性質的基本上連續的梯度，從而提供更大的應力傳遞效率。要理解的是，根據包括多層或者梯度結構的硬質合金材料的本公開內容的螺紋滾壓模的可能布置和特性的在先描述可以應用到圓形螺紋滾壓模、平的螺紋滾壓模，以及具有其它結構的螺紋滾壓模。用于生產具有不同性質的燒結硬質合金材料區的物件的某些非限制性方法在美國專利No. 6，511，265中被描述，其通過引用整體并入本文。一個此類方法包括將包含硬顆粒和粘結顆粒的第一冶金粉末混合物放置到模子空隙的第一區域。模子可以是例如干袋橡膠模子。具有不同的包含硬顆粒和粘結顆粒的組合物的第二冶金粉末混合物被放置到模子空隙的第二區域。根據在螺紋滾壓模中所希望的不同硬質合金材料的區域數量，模子可以被分成另外的區域，其中，設置特殊的冶金粉末混合物。模子可以被分成這些區域，例如，通過將物理分隔物放在模子的空隙中，以限定若干個區域。在某些實施方案中，物理分隔物可以是暫時的分隔物，例如，紙(該分隔物在隨后的燒結步驟中分解和消失)。冶金粉末混合物被選擇以在如以上所述的螺紋滾壓模的相應區域中獲得理想的性質。在某些實施方案中，至少第一區域和第二區域和位于模子空隙中的任何其它鄰近區域的一部分實現彼此接觸，并且在模子內部的材料然后靜壓壓緊，以使冶金粉末混合物密實，并且形成壓實粉末的半成品壓塊。壓塊然后被燒結，以進一步地使壓塊密實并且在第一個和第二以及如果存在的任何其它區域之間形成自生鍵合。燒結的壓塊提供可以被加工成特別的理想螺紋滾壓模幾何形狀的毛坯。這些幾何形狀對于本領域技術人員是已知的，并且在本文不特別地描述。在具有如圖6中所描繪的結構的螺紋滾壓模的一個非限制性實施方案中，燒結硬質合金的螺紋滾壓區域42、第二層46、以及另外的層48，50，52中的一個或者多個可以由混合的硬質合金材料組成。正如本領域技術人員所已知的，混合的硬質合金包括分散到各處并且嵌入第二硬質合金等級的連續粘結相的第一硬質合金等級的不連續相。因此，混合的硬質合金可以被認為作為不同硬質合金的組分。在根據本公開內容的螺紋滾壓的一個非限制性實施方案中，螺紋滾壓模包括混合的硬質合金，其中，混合硬質合金的分散相的粘結劑濃度是分散相的2到15重量百分比，并且混合硬質合金的連續粘結相的粘結劑濃度是連續粘結相的6到30重量百分比。在根據本公開內容的物件的某些非限制性實施方案中所包括的混合的硬質合金可以具有相對低的鄰接率，由此改進混合硬質合金相對于其它硬質合金的某些性質。可以在根據本公開內容的螺紋滾壓模的實施方案中使用的混合硬質合金的非限制性實施方案在美國專利No. 7，384，443中被描述，其通過引用整體并入本文。可以包括在本文物件中的混合硬質合金組分的某些實施方案具有分散相的鄰接率，其不大于0. 48。在某些實施方案中，混合硬質合金的分散相的鄰接率可以小于0. 4，或者小于0. 2。形成具有相對低鄰接率的混合硬質合金的方法包括例如，部分地或者全部地燒結硬質合金的分散等級的顆粒；利用未燒結的或者“半成品的”第二等級硬質合金粉末來混合這些“預燒結”顆粒；壓實混合物；以及燒結混合物。這種方法的細節在所并入的美國專利No. 7，384，443中詳細描述，并且因此將對本領域技術人員是已知的。用于測量鄰接率的金相技術也在所并入的美國專利No. 7，384，443中詳細描述，并且將對本領域技術人員是已知的。參考圖3-5，根據本公開內容的另一方面，根據本公開內容的螺紋滾壓模10，30可以包括在螺紋滾壓模的非工作區域18中的一個或者多個非硬質合金區域。包含非硬質合金材料的非工作區域18可以與包含硬質合金材料的螺紋滾壓區域12冶金鍵合，并且被定位以便于不防止工作表面14與將車螺紋的工件接觸。在一個非限制性實施方案中，在非工作區域中的非硬質合金材料包括金屬或者金屬合金與金屬基體復合物中的至少一種。在某些非限制性實施方案中，在螺紋滾壓模10，30中所包括的非工作區域18中的非硬質合金材料可以是選自鐵、鐵合金、鎳、鎳合金、鈷、鈷合金、銅、銅合金、鋁、鋁合金、鈦、鈦合金、鎢和鎢合金的固體金屬材料。在根據本公開內容的螺紋滾壓模的又一個非限制性實施方案中，非硬質合金件的金屬基體復合物包括硬顆粒和由金屬基體材料結合在一起的金屬顆粒中的至少一種，其中，金屬基體材料的熔化溫度低于金屬基體復合物的硬顆粒和/或金屬顆粒的熔化溫度。在某些其它的非限制性實施方案中，在螺紋滾壓模10，30的非工作區域18中所包括的非硬質合金件是包括金屬或者金屬合金晶粒、顆粒、和/或分散在連續的金屬或者金屬合金基體混合材料中的粉末的復合物材料。在某些非限制性實施方案中，非工作區域18中的非硬質合金件包括選自鎢、鎢合金、鉭、鉭合金、鉬、鉬合金、鈮、鈮合金、鈦、鈦合金、鎳、鎳合金、鈷、鈷合金、鐵和鐵合金的金屬材料的顆粒或者晶粒的復合物材料。在一個特別的非限制性實施方案中，在根據本公開內容的螺紋滾壓模10，30中所包括的非工作區域18中的非硬質合金件包括分散在金屬或者金屬合金的基體中的鎢晶粒。根據本公開內容的螺紋滾壓模的另一個非限制性實施方案包括包含硬顆粒的金屬基體混合材料。非限制性實施方案包括選自周期表的IVB、VB和VIB族的金屬的至少一種碳化物的硬顆粒。在一個非限制性實施方案中，金屬基體混合材料的硬顆粒包括碳化物、氧化物、氮化物、硼化物和硅化物中的至少一種的顆粒。根據一個非限制性實施方案，金屬基體材料包括銅、銅合金、鋁、鋁合金、鐵、鐵合金、鎳、鎳合金、鈷、鈷合金、鈦、鈦合金、青銅合金和黃銅合金中的至少一種。在一個非限制性實施方案中，金屬基體材料是青銅，其基本上由78重量百分比的銅、10重量百分比的鎳、6重量百分比的錳、6重量百分比的錫、以及偶存的雜質構成。在另一個非限制性實施方案中，金屬基體材料基本上由53重量百分比的銅、M重量百分比的錳、15重量百分比的鎳、8重量百分比的鋅、以及偶存的雜質構成。在非限制性實施方案中，金屬基體材料可以包括直到10重量百分比的元素，其將降低金屬基體材料的熔點，例如但不限于硼、硅和鉻中的至少一種。在某些實施方案中，包括在螺紋滾壓模10，30中的非硬質合金件可以被加工成包括螺紋或者其它特征，以使得螺紋滾壓模10，30可以被機械地附著到螺紋滾壓機(未示出)。
如圖3和4中所描繪的，在非限制性實施方案中，非工作區域18中的至少一個非硬質合金件可以與螺紋滾壓區域12的相對側56 (與螺紋滾壓區域12的工作表面14相對)上的螺紋滾壓區域12冶金鍵合。在其它的實施方案中，如圖5中所描繪的，在非工作區域18中的至少一個非硬質合金件可以與螺紋滾壓區域12的鄰近側58(即，與螺紋滾壓區域12的工作表面14側向鄰近)上的螺紋滾壓區域12冶金鍵合。要認識到的是，非硬質合金件可以在不防止含有螺紋形式16的工作表面14接觸工件的任何位置與燒結硬質合金的螺紋滾壓區域12冶金鍵合。根據本公開內容的一方面，用于形成包含非硬質合金件或者區域的燒結硬質合金的螺紋滾壓模的非限制性方法包括提供燒結硬質合金的螺紋滾壓區域或者燒結硬質合金的螺紋滾壓模。任選地，如以上所公開的包含金屬或者合金的一個或者多個非硬質合金件可以被放置與模子空隙中的燒結硬質合金的螺紋滾壓區域或者燒結硬質合金的螺紋滾壓模的非工作區域鄰近。燒結硬質合金的螺紋滾壓區域或者螺紋滾壓模和可選的固態金屬或者金屬合金件之間的空間限定未被占用的空間。多個無機顆粒被加到至少一部分未被占用的空間中。無機顆粒可以包括硬顆粒、金屬晶粒、顆粒、以及粉末中的一個或者多個。在多個無機顆粒和燒結硬質合金的螺紋滾壓區域或者螺紋滾壓模以及任選的固態金屬件之間的剩余空隙空間限定了剩余部分的空間。剩余部分的空間通過用熔化的金屬或者金屬合金基體材料的滲入至少部分地填充，所述金屬或者金屬合金基體材料與無機材料一起形成金屬基體復合體材料，具有比任何無機顆粒更低的熔化溫度。當冷卻時，金屬基體復合體中的金屬與無機顆粒和燒結硬質合金的螺紋滾壓模以及，以及如果存在的話，任何非硬質合金金屬或者金屬合金件，一起鍵合。當從模子中移出時，具有包含金屬或者金屬合金區域和金屬基體復合物區域中的至少一個的非硬質合金件的燒結硬質合金的螺紋滾壓模可以被加工且精制到理想形狀。該滲入工藝在美國專利申請序列號No. 12/196,815中被公開，其通過引用整體并入本文。由本公開內容所包括的螺紋滾壓模的又一個非限制性實施方案包括包含具有螺紋形式的工作表面的螺紋滾壓區域，其中，至少螺紋滾壓區域的工作表面包括燒結硬質合金材料，以及至少一個非硬質合金件與不防止接近工作表面的工件的螺紋滾壓區域中的區中螺紋滾壓區域冶金鍵合。非硬質合金件包括金屬區域和金屬基體復合物區域中的至少一個。非硬質合金件可以是可加工的，以便于簡化例如將燒結的陶瓷螺紋滾壓模安裝到螺紋滾壓機。在非限制性實施方案中，螺紋滾壓區域的燒結硬質合金具有至少400，OOOpsi的壓力屈服強度、在SOXlOf5Psi到SOXlOf5Psi范圍內的楊氏模量、根據ASTM G65-04所估計的在5mm3到30mm3范圍內的磨損量、在78HRA到89HRA范圍內的硬度、至少15ksi · in1/2的斷裂韌性、以及至少300ksi的橫向斷裂強度。實施例1圖7是由如該公開內容所包含的燒結硬質合金制成的螺紋滾壓模的照片。模由圓柱形的燒結硬質合金環組成，其中在模的工作表面上具有理想的螺紋形狀。燒結硬質合金的圓柱形部件是使用傳統粉末冶金技術來首先制成的，該傳統的粉末冶金技術通過在使用20，OOOpsi壓力的液壓中來壓實FirthGrade ND-25冶金粉末(從ATI EngineeredProducts，Grant，Alabama獲得)以形成圓柱形毛坯。高溫燒結圓柱形毛坯在過壓色溫熔爐中于1350°C來實施，以提供燒結硬質合金材料，其包括25%重量的鈷連續粘結相和75%重量的分散的鎢碳化物顆粒。通過使用傳統的機床和加工實踐，圓柱形硬質合金材料毛坯被加工成提供圖7中所圖示的理想螺紋形式。圖7中所圖示的螺紋滾壓模的性質包括83. OHRA的硬度、450，OOOpsi的壓力強度、68X Kfpsi的楊氏模量、以及如由ASTM G65-04所測量的23mm3的磨損量。實施例2如實施例1中所描述的，準備了圓形的燒結硬質合金的螺紋滾壓模，并且將其放置在石墨模子中。將粉末化的鎢加到模子中以覆蓋螺紋滾壓模。將基本上由78重量百分比的銅、10重量百分比的鎳、6重量百分比的錳、6重量百分比的錫、以及偶存的雜質構成的滲入粉末混合物放置在設置于石墨模子上方的漏斗中。將模組放置在1350°C的溫度(其高于滲入粉末混合物的熔點)的真空爐中。在熔化滲入粉末混合物時所形成的熔化的材料滲入鎢粉末和螺紋滾壓模之間的空間。因為熔化的材料冷卻且固化，所以它使由粉末化的鎢形成的鎢碳化物顆粒與模結合，并且形成非硬質合金的非工作部分。隨后，將滾壓模加工成形成包括如圖3中所示意性描繪的非硬質合金的非工作區域18的燒結陶瓷的螺紋滾壓模。加工非硬質合金的非工作區域以促使螺紋滾壓模安裝到螺紋滾壓機器上。將要理解的是，本說明書說明了與清楚理解根據本公開內容的螺紋滾壓模相關的本發明的這些方面。對于本領域普通技術人員是顯而易見的，并且因此將不促進更好地理解在本文介紹的主題的某些方面未被介紹，以便于簡化本說明書。雖然僅僅本文必須描述了有限數量的實施方案，但是本領域普通技術人員將在考慮前述說明書時認識到可以采用許多修改和變化。所有的這些變化和修改都旨在由前述說明書和以下的權利要求覆蓋。
權利要求
1.ー種螺紋滾壓摸，包括螺紋滾壓區域，其包含包括螺紋形式的工作表面，其中所述螺紋滾壓區域包含具有在 78HRA到89HRA范圍內的硬度的燒結硬質合金材料。
2.如權利要求1所述的螺紋滾壓摸，其中所述螺紋滾壓區域的所述燒結硬質合金材料具有至少400，OOOpsi的壓カ屈服強度。
3.如權利要求1所述的螺紋滾壓摸，其中所述螺紋滾壓區域的所述燒結硬質合金材料具有至少50X Kfpsi的楊氏模量。
4.如權利要求1所述的螺紋滾壓摸，其中所述螺紋滾壓區域的所述燒結硬質合金材料具有不大于根據ASTM G65-04所估計的30mm3的磨損量。
5.如權利要求1所述的螺紋滾壓摸，其中所述螺紋滾壓區域的所述燒結硬質合金材料具有至少400，OOOpsi的壓カ屈服強度、至少SOXlOf5Psi的楊氏模量以及不大于根據ASTM G65-04所估計的30mm3的磨損量。
6.如權利要求1所述的螺紋滾壓摸，其中所述螺紋滾壓區域的所述燒結硬質合金材料的所述楊氏模量在SOXlOf5Psi到SOXlOf5Psi的范圍內。
7.如權利要求1所述的螺紋滾壓摸，其中所述螺紋滾壓區域的所述燒結硬質合金材料的所述磨損量在根據ASTM G65-04所估計的5mm3到30mm3的范圍內。
8.如權利要求1所述的螺紋滾壓摸，其中所述螺紋滾壓區域的所述燒結硬質合金材料具有至少15ksi · in172的斷裂韌性。
9.如權利要求1所述的螺紋滾壓摸，其中所述螺紋滾壓區域的所述燒結硬質合金材料具有至少300ksi的橫向斷裂強度。
10.如權利要求1所述的螺紋滾壓摸，其中所述螺紋滾壓區域的所述燒結硬質合金材料具有至少400，OOOpsi的壓カ屈服強度、在SOXlOf5Psi到80X Kfpsi的范圍內的楊氏模量、根據ASTM G65-04所估計的5mm3到30mm3的范圍內的磨損量、至少15ksi · in1/2的斷裂韌性、以及至少300ksi的橫向斷裂強度。
11.如權利要求1所述的螺紋滾壓摸，其中所述螺紋滾壓模選自由平的螺紋滾壓模和圓柱形的螺紋滾壓模所組成的組。
12.如權利要求1所述的螺紋滾壓摸，其中所述螺紋滾壓區域的所述燒結硬質合金材料包括選自所述周期表的IVB、VB、VIB族的金屬的至少ー種碳化物的硬顆粒，其分散在包含鈷、鈷合金、鎳、鎳合金、鐵和鐵合金中的至少ー種的連續粘結劑中。
13.如權利要求12所述的螺紋滾壓摸，其中所述螺紋滾壓區域的所述燒結硬質合金材料包含60重量百分比直到98重量百分比的硬顆粒和2重量百分比到40重量百分比的連續粘結劑。
14.如權利要求12所述的螺紋滾壓摸，其中所述螺紋滾壓區域的所述燒結硬質合金材料進ー步地包括選自鎢、鉻、鈦、釩、鈮和碳的至少ー種添加剤，所述添加劑在所述粘結劑中的濃度直到溶解極限。
15.如權利要求12所述的螺紋滾壓摸，其中所述燒結硬質合金材料的所述粘結劑進ー 步地包括高達5%重量的、選自硅、硼、鋁、銅、釕和錳的至少ー種添加剤。
16.如權利要求12所述的螺紋滾壓摸，其中所述硬顆粒具有在0.3 μ m到20 μ m的范圍內的平均晶粒尺寸。
17.如權利要求1所述的螺紋滾壓摸，其中至少所述螺紋滾壓區域的所述工作表面包括混合硬質合金。
18.如權利要求17所述的螺紋滾壓摸，其中所述混合硬質合金的分散相具有小于0.48 的鄰接率。
19.如權利要求1所述的螺紋滾壓摸，其中所述螺紋滾壓區域包括包含不同等級的硬質合金材料的分層結構和梯度結構中的ー個。
20.如權利要求1所述的螺紋滾壓摸，進ー步地包括至少ー個非硬質合金件，其與所述螺紋滾壓區域的所述工作表面相対的所述螺紋滾壓區域的一側上的所述螺紋滾壓區域冶金鍵合。
21.如權利要求20所述的螺紋滾壓摸，其中至少ー個非硬質合金件包括金屬或者金屬合金區域和金屬基體復合物區域中的至少ー個。
22.如權利要求21所述的螺紋滾壓摸，其中所述非硬質合金件的所述金屬或者金屬合金區域包括鎳、鎳合金、鈷、鈷合金、鐵、鐵合金、鈦、鈦合金、銅、銅合金、鋁和鋁合金中的至少ー種。
23.如權利要求21所述的螺紋滾壓摸，其中所述非硬質合金件的所述金屬基體復合物包括硬顆粒和由基體金屬結合在一起的金屬顆粒中的至少ー種，并且其中所述基體金屬的熔點溫度低于所述金屬基體復合物中的所述硬顆粒和所述金屬顆粒的任何ー種的溫度。
24.如權利要求23所述的螺紋滾壓摸，其中所述金屬基體復合物的所述硬顆粒包括選自周期表的IVB、VB和VIB族的金屬的至少ー種碳化物。
25.如權利要求23所述的螺紋滾壓摸，其中所述金屬基體復合物的所述硬顆粒包括碳化物、氧化物、氮化物、硼化物以及硅化物中的至少ー種。
26.如權利要求23所述的螺紋滾壓摸，其中所述金屬基體復合物的所述金屬顆粒包括鶴、鎢合金、鉭、鉭合金、鉬、鉬合金、鈮、鈮合金、鈦、鈦合金、鎳、鎳合金、鈷、鈷合金、鐵和鐵合金中的至少ー種的晶粒。
27.如權利要求20所述的螺紋滾壓摸，其中所述至少ー個非硬質合金件是可加工的。
28.如權利要求23所述的螺紋滾壓摸，其中所述基體金屬包括鎳、鎳合金、鈷、鈷合金、鐵、鐵合金、銅、銅合金、鋁、鋁合金、鈦、鈦合金、青銅和黃銅中的至少ー種。
29.如權利要求23所述的螺紋滾壓摸，其中所述基體金屬包括基本上由78重量百分比的銅、10重量百分比的鎳、6重量百分比的錳、6重量百分比的錫、以及偶存的雜質構成的青銅。
30.如權利要求1所述的螺紋滾壓摸，其中所述螺紋形式包括V型螺紋、梯形螺紋、圓螺紋、以及鋸齒螺紋中的至少ー種。
31.ー種螺紋滾壓摸，包括螺紋滾壓區域，其包含包括螺紋形式的工作表面，其中所述螺紋滾壓區域的所述工作表面包括燒結硬質合金材料；以及至少ー個非硬質合金件，其與不防止エ件接觸所述工作表面的所述螺紋滾壓區域中的區中的所述螺紋滾壓區域冶金鍵合，其中所述非硬質合金件包括金屬區域和金屬基體復合物區域中的至少ー個。
32.如權利要求31所述的螺紋滾壓摸，其中所述工作表面的所述燒結硬質合金具有至少400，OOOpsi的壓カ屈服強度、在50X Kfpsi到80X Kfpsi的范圍內的楊氏模量、根據 ASTM G65-04所估計的5mm3到30mm3的范圍內的磨損量、在78HRA到89HRA范圍內的硬度、 至少15ksi · in172的斷裂韌性、以及至少300ksi的橫向斷裂強度。
全文摘要
一種螺紋滾壓模(10)包括螺紋滾壓區域(12)，所述螺紋滾壓區域包含包括螺紋形式(16)的工作表面(14)。螺紋滾壓模(10)的螺紋滾壓區域(12)包括具有硬度范圍在78HRA到89HRA的燒結硬質合金材料。在某些實施方案中，螺紋滾壓模(10)可以進一步地包括至少一個非硬質合金件(18)，其與不防止工作件與工作表面接觸的螺紋滾壓區域的區中的螺紋滾壓區域(12)冶金鍵合，并且其中非硬質合金件(18)包括金屬區域和金屬基體復合體區域中的至少一個。
文檔編號B21H3/04GK102596448SQ201080050402
公開日2012年7月18日 申請日期2010年10月22日 優先權日2009年11月11日
發明者G.L.鮑曼, M.D.布朗, P.K.默克安達尼, V.B.舒克 申請人:Tdy工業公司