專利名稱：含金剛石的復合材料組成的磨損件的制作方法
技術領域：
本發明涉及由含金剛石的復合材料組成的磨損件，和生產所述磨損件的方法。
背景技術：
術語“磨損件”意為受到高磨損應力的部件。取決于所述磨損應力，應用廣泛種類的原料，例如硬化鋼、高速工具鋼、斯特萊特硬質合金、硬金屬和硬質材料。出于越來越多的對耐磨性的需求，含有金剛石的復合材料或材料復合物越來越引起注意。
就此，US 4,124,401中描述了一種聚晶金剛石材料，其中單獨的金剛石顆粒由碳化硅和金屬碳化物或者金屬硅化物結合在一起。根據US4,124,401所得原料雖然非常硬，但只能用很復雜的路線加工出形狀。
EP 0,116,403公開了一種含金剛石的復合材料，其由80到90％體積百分比的金剛石和10到20％體積百分比的含Ni和含Si的相組成，Ni以鎳或者硅化鎳的形式存在，Si以硅、碳化硅或者硅化鎳的形式存在。在金剛石顆粒之間沒有另外相成分存在。為了使單獨的金剛石顆粒之間充分結合，需要使燒結溫度＞1400℃。由于金剛石在常壓以及上述溫度下不再穩定，需要相應地根據壓力/溫度圖采用高壓，以免金剛石分解。為實現此目的所需的設備是昂貴的。此外，通過這種方法制造的金剛石復合材料，其斷裂韌性非常低，缺乏可加工性。
生產金剛石/硅-碳化物復合材料的方法描述于WO 99/12866中，用硅或者硅合金滲透金剛石骨架而進行生產。由于硅的高熔點和由此而來的高滲透溫度，金剛石極易轉化為石墨或者，更進一步地，轉化為碳化硅。由于其高脆性，所述材料在機械可加工性上存在很嚴重的問題，并且難于解決。
US 4,902,652中描述了一種生產燒結金剛石材料的方法。在其中，使用物理涂敷法將4a、5a和6a族的過渡金屬元素、硼和硅淀積在金剛石粉末上。隨后，用固相燒結法使被涂覆的金剛石顆粒彼此結合。不利之處是所得產品具有高孔隙率、低斷裂韌性和貧乏的可加工性。
US 5,045,972描述了一種復合材料，其中，除尺寸為1到50μm的金剛石顆粒之外，還有鋁、鎂、銅、銀或者它們的合金構成的金屬基質。其不利之處在于金屬基質僅為不充分地結合至金剛石顆粒，結果是其機械完整性沒有達到足夠的程度。還有例如粒徑＜3μm的精細金剛石粉末的用途，可以從US 5,008,737中得到，其不能改善金剛石/金屬的結合。
US 5,783,316描述了一種方法，其中金剛石顆粒被涂覆以鎢、鋯、錸、鉻或鈦，然后壓實被涂覆微粒，所得多孔坯體用例如銅、銀或者銅/銀熔融體加以滲透。這種方法制造的復合材料因其高涂覆成本和不足的耐磨性而限制了其應用領域。
發明內容
因此本發明的目的在于提供一種由含金剛石復合材料組成的磨損件，具有高耐磨性，并且由于其充分的成形可加工性，可以相對低成本地制造。
所述目的通過權利要求1所述的磨損件達成。由于其金剛石組分、碳化相和硬質金屬或金屬間合金的關系，根據本發明的磨損件具有優秀的耐磨性。術語“金屬合金”理解為單一相或多相材料，其中除金屬結構組分之外，還可以包含金屬間化合的、半金屬或陶瓷結構組分。術語“金屬間合金”理解為由主要的金屬間相組成的材料。
含金剛石復合材料的斷裂韌性和由此而來的工藝性能，例如，舉例而言是機械可加工性，這些性能由于韌性的金屬或金屬間相成分而達到足夠的程度。金剛石顆粒和金屬/金屬間合金之間的結合力具有提高斷裂韌性的效果，因為碳化相是在它們之間形成。適宜的碳化物-形成元素是元素周期表中IIIb、IVb、Vb和VIb族的過渡元素，鑭系元素，硼和硅。如果忽略放射性和高成本的元素，這些物質是硅、鈦、鋯、鉿、釩、鈮、鉭、鉻、鉬、鎢、硼、鈧、釔和鑭系元素。復合碳化物由兩種或兩種以上所述的元素組成，其還可以使金剛石顆粒和金屬/金屬間合金之間具有良好的結合。這種碳化相優選用金剛石與碳化物形成元素反應而得。為了達到良好的結合，納米范圍厚度或者覆蓋度＞60％的碳化相即足以應用。本文中的術語“覆蓋度”意為金剛石顆粒部分被碳化相包覆比例。根據以上的論述，碳化相的體積含量應＞0.001％。如果超出12％的上限體積含量，其斷裂韌性下降至低于臨界值，也不再具有低成本加工性。
一種或多種碳化物形成元素還可以溶解或分離的形式存在于金屬/金屬間合金中，其單獨地或與另外合金元素一同引起金屬/金屬間合金產生固結。為了使含金剛石復合材料達到足夠的耐磨性，必須使金屬/金屬間合金在室溫下的最低硬度＞250HV，優選＞400HV。碳化物形成元素的選擇取決于金屬/金屬間合金的基體金屬、磨損件的生產方法和幾何形狀。強碳化物形成元素，例如鈦、鋯、鉿、鉻、鉬、釩和鎢，可在滲透過程期間在表面附近形成厚碳化物層，結果局部產生碳化物形成元素的損耗，或阻止滲透過程進行。因此這些元素優選適于生產較小的磨損件。較大的磨損件在生產時使用硅、硼、釔和鑭作為碳化物形成元素較為有利。這些元素是相對弱的生成碳化物的元素，從而所形成碳化物層較薄。用硅進行的測試表明即使Si/C在數層原子層范圍內富集于金剛石顆粒表面，仍然足夠使金屬合金與金剛石顆粒充分結合。
適宜用于金屬合金的基體金屬是鋁、鐵、鈷、鎳、銅、鋅、銀、鉛和錫，開頭的六種元素是特別適合的。碳化物形成元素和任選的其它合金元素以沉積形式或金屬間相成分的形式溶解于金屬合金中或合并于其中。這種情況下，合金成分經過選擇，使其液相線溫度＜1400℃，固相線溫度優選＜1200℃。這可以使其具有相對低的處理溫度，例如滲透或熱壓溫度。顯然，根據石墨/金剛石的壓力/溫度相圖，在較低的＜1kbar氣壓下，優選＜50bar氣壓下進行處理是合理的。同常規的聚晶金剛石(PCD)比較，這意味著[adv.]顯著地減少降低生產成本。
為了使室溫硬度＞250HV，優選＞400HV，可以采用通常的強度增加機制，特別是固體-溶液和沉淀硬化。在本文中被認為特別適宜的是沉淀-硬化的鋁合金，例如，舉例而言，鋁-鎂-硅-銅、鋁-銅-鈦、鋁-硅-銅和鋁-硅-鎂、過共晶鋁-硅合金、可熱處理的銅合金以及，還優選添加硅、更進一步是鉻和/或鋯的合金、過共晶銀-硅合金和鐵、鈷和鎳合金，其液相線或固相線溫度通過添加的硅和/或硼降低至權利要求1的規定值。
即使金剛石的體積含量為40％，也可以達到優秀的耐磨性。而金剛石的體積含量為90％的上限構成成本-有效生產的障礙。此外，對于高金剛石含量而言，其不能確保金剛石復合材料具有足夠的斷裂韌性。金剛石、碳化物和金屬相含量改變后，就有可能制造出定制的磨損件，以符合耐磨性、機械加工性和成本范疇內各種合理的要求。
只要體積含量不越過5％，進一步的結構組分不會削弱性能至不可接受的程度。此外，這種結構組分可以完全避免使用，例如，舉例而言，有時小部分的無定形碳可以完全避免使用，只在產品的費用較高時使用。
特別有利的碳化相和金屬/金屬間合金的體積含量分別約為0.1到10％和10到30％。
測試顯示金剛石粉末可以在寬泛的粒度范圍內進行加工。除天然金剛石之外，甚至更加經濟的人造金剛石也可以加工。以普通可獲得的包覆金剛石類也可以達到優良的加工結果。從而，這些最具經濟性的類別也可以在各種情況下被采用。當使用的金剛石粉末粒徑為20到200μm時，可以達到特別有利的耐磨性。
通過應用具有雙峰粒徑分布的金剛石粉末，有可能達到高的金剛石封裝密度，因而達到高體積含量。所述雙峰粒徑分布的金剛石粉末的第一個分布最大值在7到60μm，第二個分布最大值在80到260μm。
磨損件可以應用于各種可能領域。在水射流噴嘴、鉆頭鑲嵌塊、鋸齒和鉆尖中，已經可以達到初始的優異結果。根據本發明的材料，特別是當使用基于銅、鋁或銀的金屬相，由于其優異的導熱性，適合用于磨損應力與熱的產生有關的情形。用于飛行器、鐵路車輛、汽車和摩托車的制動盤敘述于此，僅僅作為示例。
各種可行的方法均可用于生產。因此，可以將涂覆有碳化物形成元素的金剛石粉末與金屬粉末在一定溫度和壓力下壓縮。例如，可以在熱壓機或熱等靜壓機中進行此操作。已經證實滲透是特別有利的。這樣即制造出前體或中間產物，除金剛石粉末之外，其還可以包含粘合劑。特別有利的是在溫度作用下直至高比例熱解的粘合劑。有利的粘合劑含量為約1到20％重量比。金剛石粉末和粘合劑在常規的混合器或研磨器中混合，然后成形，其可以通過注入模具或在壓力輔助下進行，例如，通過壓縮或通過金屬-噴粉-模制進行。隨后，將中間產物加熱到一定溫度，使粘合劑至少部分地受熱分解。然而，在加熱和入滲過程期間，所述粘合劑也可以發生熱分解。入滲過程可以不加壓或在壓力輔助下進行。后者可以在燒結HIP裝置中進行，或者通過壓鑄法而進行。對于組合物的選擇，有必要考慮各入滲合金(滲透入多孔坯體的合金)的液相線溫度不高于1400℃，以不高于1200℃為宜，否則金剛石被分解的比例過高。用共晶成分進行滲透的是特別適合的。
具體實施例方式
以下將通過生產實施例更詳細地解釋本發明。
實施例1在200MPa壓力下，通過模型壓縮方法將平均粒度為90μm的人造金剛石粉末壓入尺寸為35mm×35mm×5mm的板中。所述板的空隙率約為20％體積比。
隨后，將此板覆蓋以一片已經在前述的方法中熔融的入滲合金，所述合金的液相線和固相線溫度通過熱分析法測定。此入滲合金復合物顯示于表1中。首先在燒結HIP裝置中，于真空下將具孔金剛石坯體和入滲合金加熱到，高于各入滲合金的液相線溫度70℃。靜置10分鐘后，設定氬氣壓力為40bar。繼續靜置5分鐘，關閉加熱，用氬氣覆蓋樣品，使其冷卻到室溫，在200℃和在相應的無差異溫度下，對所述樣品作進一步的熱處理一小時。在進行研究的全部各種形式中，均可形成包覆金剛石顆粒的碳化相。
將根據本發明的金剛石復合材料進行噴砂測試，與鈷含量2％重量比的硬質金屬相比較。其相對于參照硬質金屬的侵蝕速率顯示于表1中。
表1
權利要求
1.由含金剛石的復合材料組成的磨損件，其中包含40到90％體積比的金剛石顆粒，0.001到12％體積比的由一種或多種硅、鈦、鋯、鉿、釩、鈮、鉭、鉻、鉬、鎢、硼、鈧、釔和鑭系元素形成的碳化相，和7到49％體積比的液相線溫度＜1400℃的金屬或金屬間合金，所述金屬或金屬間合金包含溶解或沉積形式的一種或多種碳化物形成元素，其在室溫下硬度＞250HV。
2.根據權利要求1所述的磨損件，其特征在于金剛石顆粒的表面至少60％以所述碳化相包覆。
3.根據權利要求1或2所述的磨損件，其特征在于所述金屬或金屬間合金的固相線溫度＜1200℃。
4.根據前述任意一項權利要求所述的磨損件，其特征在于所述金屬或金屬間合金與碳化相的體積比大于4。
5.根據前述任意一項權利要求所述的磨損件，其特征在于碳化相由硅形成。
6.根據權利要求1到4中任意一項所述的磨損件，其特征在于所述碳化相由一種或多種鈦、鋯、鉿、釩、鈮、鉭、鉻、鉬和鎢元素形成。
7.根據前述任意一項權利要求所述的磨損件，其特征在于所述碳化相至少部分地通過與金剛石的碳反應而形成。
8.根據前述任意一項權利要求所述的磨損件，其特征在于所述金屬或金屬間合金包含超過50％重量比的鐵、鈷、鎳、銅、銀、鋅和鋁中的元素。
9.根據權利要求8所述的磨損件，其特征在于所述金屬合金是可熱處理的鋁合金，其含有硅和/或鈦。
10.根據權利要求8所述的磨損件，其特征在于所述金屬合金是過共晶鋁-硅合金。
11.根據權利要求8所述的磨損件，其特征在于所述金屬合金是可熱處理的銅合金，其含有鋯、鉻和/或硅。
12.根據前述任意一項權利要求所述的磨損件，其特征在于所述金屬或金屬間合金的硬度＞400HV。
13.根據前述任意一項權利要求所述的磨損件，其特征在于所述金屬或金屬間合金的液相線溫度＜1200℃。
14.根據前述任意一項權利要求所述的磨損件，其特征在于另外的相比例低于5％體積比。
15.根據前述任意一項權利要求所述的磨損件，其特征在于金剛石平均粒徑為20到200μm。
16.根據前述任意一項權利要求所述的磨損件，其特征在于金剛石粒徑為雙峰分布，第一個分布最大值在7到60μm，第二個分布最大值在80到260μm。
17.根據前述任意一項權利要求所述的磨損件，其特征在于所述復合材料包含60到80％體積比的金剛石顆粒，1到10％體積比的碳化相和10到30％體積比的金屬合金。
18.根據前述任意一項權利要求所述的磨損件，其用作研磨性水噴射切割裝置的噴嘴或混合管。
19.根據前述任意一項權利要求所述的磨損件，其用作鉆具的鉆頭鑲嵌塊或鉆尖。
20.根據前述任意一項權利要求所述的磨損件，其用作制動盤。
21.根據前述任意一項權利要求所述的磨損件，其用作磨輪。
22.根據前述任意一項權利要求所述的磨損件，其用作鋸齒。
23.根據前述任意一項權利要求所述磨損件的生產方法，其特征在于至少包含以下工藝步驟-無壓力或壓力輔助成形中間產物，所述中間產物包含平均粒度20到200μm的金剛石顆粒，任選的金屬相和/或粘合劑，成形步驟后，金剛石相對于中間產物總體積的比例為40到90％；-無壓力或壓力輔助加熱中間產物和入滲合金，所述入滲合金基于鐵、鈷、鎳、銅、銀、鋅、鉛、錫或鋁和至少一種來自硅、鈦、鋯、鉿、釩、鈮、鉭、鉻、鉬、鎢、硼、鈧、釔和鑭系元素的合金元素，加熱至所述入滲合金的液相線溫度以上，但是低于1450℃，使入滲合金滲透于所述中間產物，中間產物至少97％的孔隙被填充。
24.根據權利要求1到22中任意一項所述磨損件的生產方法，其特征在于所述方法至少包含以下的工藝步驟-混合或碾磨中間產物，所述中間產物至少由平均粒度20到200μm的金剛石顆粒和基于鐵、鈷、鎳、銅、銀、鋅、鉛、錫或鋁與至少一種來自硅、鈦、鋯、鉿、釩、鈮、鉭、鉻、鉬、鎢、硼、鈧、釔和鑭系元素的入滲合金組成；-用所述中間產物填充熱壓機的模具，加熱至溫度T，500℃＜T＜1200℃，以及熱壓所述中間產物。
25.根據權利要求23或24所述的方法，其特征在于入滲合金具有共晶成分或接近共晶成分。
全文摘要
本發明涉及由含金剛石復合材料組成的磨損件，和用于生產所述磨損件的方法。由含金剛石復合材料組成的磨損件包含40到90％體積比的金剛石顆粒，0.001到12％體積比的碳化相，其由一種或多種硅、鈦、鋯、鉿、釩、鈮、鉭、鉻、鉬、鎢、硼、鈧、釔和鑭系元素與7到49％體積比的液相線溫度＜1400℃的金屬或金屬間合金形成，所述金屬或金屬間合金包含一種或多種溶解或沉積形式的碳化物形成元素，其在室溫下的硬度＞250HV。
文檔編號C22C26/00GK1961090SQ200580017772
公開日2007年5月9日 申請日期2005年5月30日 優先權日2004年6月1日
發明者羅爾夫·克斯特斯, 阿恩特·呂特克 申請人:森拉天時奧地利有限公司