專利名稱：包含硬質陶瓷相以及cu-ni-sn熔滲合金的復合材料的制作方法
包含硬質陶瓷相以及CU-NI-SN熔滲合金的復合材料 發明領域本發明涉及復合材料，這些復合材料包含熔滲有金屬合金的一種硬 質陶瓷相，并且更具體涉及一種Cu-Ni-Sn熔滲合金的用途，該熔滲合 金可經受熱處理并且顯示出改進的性能。背景資料熔滲合金與硬質陶覺(如WC或鑄造碳化物) 一起被用在鉆頭以及 其他切削刀具應用中。為了制造這種復合材料，在一個模具中裝滿陶瓷 粉末與熔滲合金粉末的混合物，將其加熱在該熔滲合金的液相溫度之 上，然后進行冷卻以獲得一種復合材料。美國專利號5,589,268、5,733,649 以及5，733，664中披露了含有這種復合材料的刀具的實例，它們通過引 用結合在此的。常規的熔滲合金包含銅、錳、鎳以及錫。當這種Cu-Mn-Ni-Sn合 金被用在焊接到鉆頭的鋼質桿上的復合材料中時，在該復合材料與該鋼 質桿之間的界面處傾向于發生扭斷類型的失效。另一種常規的熔滲合金包含銅、錳、鎳以及鋅。這種Cu-Mn-Ni-Zn 熔滲合金的使用可以減少或消除以上指出的扭斷失效，但是也可能引起 抗腐蝕性的降低。存在對包含一種熔滲合金的復合材料的需要，該熔滲合金具有提高 了的腐蝕性能以及韌性。發明概述本發明提供了包含一種硬質陶瓷相以及一種Cu基熔滲合金的復合 材料。該硬質陶瓷相可以包括碳化物類、硼化物類、氮化物類以及氧化 物類。合適的碳化物類包括碳化鎢、碳化鉭、碳化鈮、碳化鉬、碳化鉻、6碳化釩、碳化鋯、碳化鉿、碳化鈦以及鑄造的碳化物類。可以使用的硼 化物類如二硼化鈦以及其他難熔金屬的硼化物。Cu基熔滲合金可以是含有Ni和Sn (并且可以任選地含有Nb )的 一種亞穩合金。在一個實施方案中，該Cu-M-Sn熔滲合金基本上不含 Mn。該復合材料可以經過熱處理以提高其機械性能。例如，熔滲合金 的成分可以選擇為使得在升高的溫度下對復合材料進行固溶處理以及 老化處理之后提高了其硬度、耐磨損性、韌性和/或橫向斷裂強度。這些 復合材料適合用于切削刀具等。本發明的 一方面是提供包含一種硬質陶瓷相、以及一種金屬相的一 種復合材料，該金屬相包括含有Ni和Sn的一種經過熱處理的Cu基熔 滲合金。本發明的另 一 方面是提供制造一種復合材料的 一種方法，該方法包 括將一種合金熔滲到硬質陶瓷顆粒中，其中該熔滲合金基本上由Cu、 Ni以及Sn組成。本發明的另外方面是提供熱處理一種復合材料的一種方法，該方法 提供了包含一種硬質陶瓷相以及含有Cu、 Ni和Sn的一種熔滲合金的 一種復合材料，然后對該復合材料進行熱老化處理。本發明的這些以及其他方面將在下面的說明中變得更清楚。附圖
簡要說明圖l是含有本發明的 一種復合材料的 一個切削刀頭的等角視圖。 圖2示意地展示了用于固結根據本發明的一個實施方案的復合材料 的一個加固器。圖3M示了形成一種復合材料并對其進行熱處理的一種方法的流 程圖，該復合材料包含根據本發明的一個實施方案的一種硬質陶瓷相以 及一種熔滲合金。詳細說明提供了包含一種硬質陶瓷相以及一種Cu基熔滲合金的一種復合材料。根據本發明的一個實施方案，該熔滲合金是一種亞穩的Cu-Ni-Sn 合金。這種亞穩的Cu-Ni-Sn合金可以任選地含有Nb，并且可以基本上 不含Mn。該熔滲合金還可以基本上不含Zn。該Cu-Ni-Sn合金經過熱 處理以改進復合材料的性能。圖l是一個切削刀頭5的等角視圖，該切削刀頭包括由本發明的一 種復合材料制成的一個切削頭部6，該復合材料包含一種硬質陶瓷相以 及一種熱處理的Cu-Ni-Sn熔滲合金。離散的金剛石元件7可以被粘合 在切削頭部6向前的表面上。硼化物類、氮化物類以及氧化物類。用作硬質陶瓷相的合適的碳化物類 包括碳化鵠、碳化鉭、碳化鈮、碳化鉬、碳化鉻、碳化釩、碳化鋯、碳 化鉿、碳化鈦以及鑄造的碳化物類。合適的硼化物類包括二硼化鈦以及 其他難炫金屬的硼化物。碳化鴒作為硬質陶瓷相可能是特別合適的。根據本發明的一個實施方案，該熔滲合金是已經接受了熱老化處理 的一種亞穩的Cu-Ni-Sn合金。如在此使用的，術語"亞穩的，，意味著當 具有一個混溶間隙的一種合金在該混溶間隙以上被均化處理或固溶處 理并且然后冷卻至在該混溶間隙之中或之下的一個溫度接著進行熱老 化處理時形成的一種顯微結構，該熱老化處理形成了具有不同成分的、 具有提供應變硬化的不同晶格參數的組成。所生成的熱老化的亞穩顯微 結構顯示出至少一種改進的機械性能，如增大的硬度、耐磨損性、韌性 和/或橫向斷裂強度。與沉淀強化的合金相比，通過對復合材料(包含本 發明的亞穩熔滲合金)進行熱處理而實現的改進的機械性能是應變硬化 的結果，這種應變硬化是由具有相同晶體結構但不同的晶格參數的非常 精細的區域所引起的。這些亞穩結構的精細性的特征為具有不同晶格參 數的區域之間的距離，該距離是在從大約50至大約1，000埃的數量級上。包含在該Cu-Ni-Sn熔滲合金中的銅的含量的典型范圍是從大約60 至卯百分比，例如，從大約80至大約85重量百分比。作為一個具體 實例，銅的含量可以是大約82重量百分比。包含在該熔滲合金中的Ni的含量的典型范圍是從大約5至大約25重量百分比，例如，從大約8至大約12重量百分比。作為一個具體實 例，Ni含量可以是大約10重量百分比。包含在該熔滲合金中的Sn的含量的典型范圍是從大約4至大約20 重量百分比，例如，從大約5至大約12重量百分比。作為一個具體實 例，Sn可以包含該熔滲合金的大約8重量百分比。根據本發明的一個實施方案，該熔滲合金可以額外地包含Nb。包 含在該熔滲合金中的Nb的含量典型地是從O至大約5重量百分比，例 如，從大約0.1至大約1重量百分比。作為一個具體實例，Nb的含量可 以是大約0.2重量百分比。在本發明的一個實施方案中，該熔滲合金基本上不含Mn。如在此 使用的，術語"基本上不含"意味著一種元素如Mn不是作為一種合金元 素被有目的地加入熔滲合金中的，而是僅存在于該熔滲合金中高至痕量 值或作為一種雜質。可以選擇硬質陶資粉末和熔滲合金粉末的相對含量，以便在最終的 復合材料中產生陶瓷相和熔滲合金相所希望的比值。在重量百分比基礎 上硬質陶瓷相典型地是該復合材料的最主導的相。在一個實施方案中， 硬質陶瓷相可以包含復合材料的從大約60至大約80重量百分比，而熔 滲合金可以包含復合材料的從大約20至大約40重量百分比。作為一個 具體實例，硬質陶資相可以包含復合材料的大約67重量百分比，而熔 滲合金可以包含復合材料的大約33重量百分比。除了以上指出的硬質陶瓷相和熔滲合金相以外，該復合材料可以任 選地包含至少一種另外的相。例如，該另外的相可以包括鐵、4600鋼、 鵠、鈷、鎳、錳、硅、鉬、銅、鋅、鉻、硼、碳、復合碳化物Ti相材料、 氮化物類和/或碳氮化物類。ti相材料具有公式M6C或M12C，其中， M是形成碳化物的金屬(如Co、 Fe、 Ni以及W )的組合，例如，Co3W3C。 這種任選的另外的相可以按高達大約5重量百分比的總量存在于熔滲合 金中。圖2示意地展示了用于固結本發明的復合材料的一個加固器。圖2 所示出的產品組件包括總體上表示為11的一個碳質模具，該碳質模具具有一個底壁12和一個直立壁13。模具ll在其中限定了一個空間。該 組件進一步包括一個頂部構件14，該頂部構件安裝在模具11的開口上。 應該理解，頂部構件14的使用根據人們希望的氣壓控制程度是可任選 的。一個鋼質桿17在該粉末被倒入該模具之前被安放在該模具之中。 鋼質桿17的一部分在粉末混合物16之中，而鋼質桿17的另一部分在 混合物16的外面。桿17在其一端具有螺紋18，而在其另一端具有凹槽 19。關于該模具的內容物，多個離散的金剛石15被安放在該模具中的 選定位置上，以便使這些金剛石在該最終產品的表面上的選定位置上。 陶瓷基體粉末16是碳基粉末，該粉末被倒入模具11之中以便在這些金 剛石15的上邊。 一旦這些金剛石15已經被放置并且陶瓷基體粉末16 被倒入模具之中，本發明的一種Cu-Ni-Sn熔滲合金20被安放在模具11 中的粉末混合物16的上邊。然后頂部件14被安放在該模具上，并且該 模具被放入一個加熱爐之中然后加熱至大約1，200°C,這樣熔滲合金20 熔化并且對粉末物質進行熔滲。其產物是一種最終產品，在該產品中熔 滲合金將陶瓷粉末粘合在一起，該基體在其中保持這些金剛石，并且該 復合材料粘合在鋼質桿上。圖3示意性地展示了形成一種復合材料并對其進行熱處理的一種方 法，根據本發明的一個實施方案，該復合材料包含一種硬質陶瓷相以及 一種熔滲合金。硬質陶瓷粉末混有Cu-Ni-Sn熔滲合金粉末并且被固結。 在一個模具中，可以通過將該粉末混合物加熱到該熔滲合金的液相溫度 之上進行固結。在該固結步驟中，典型地使用從大約1,170至1，210°C 的溫度，例如，大約1，200。C的固結溫度可能是合適的。該固結溫度被 保持一段足夠的時間，以允許該熔滲合金粉末熔化并且粘合該硬質陶瓷 粉末，以便形成一種密實的復合材料。該固結溫度可以典型地被保持在 小于1分鐘至大于5小時的一段持續時間內。作為一個具體實例，該固 結溫度可以被保持大約30分鐘。該固結的復合材料可以被冷卻至(例如)室溫，隨后在例如從大約650至大約卯0。C的升高的溫度下進行固溶。作為一個具體實例，該固 溶溫度可以是大約825°C。在這種升高的溫度下的固溶可以典型地進行 從0.5至24小時，例如，大約1.5小時。在該固溶步驟之后，該復合材料可以通過任何合適的方式(如空氣 冷卻)被冷卻至室溫。然后該固溶的并且冷卻的復合材料可以在一個溫 度下以及足夠的時間內被熱老化，以增加該復合材料的至少一種機械性 能。例如，熱老化溫度的范圍可以是從大約IOO至大約600°C，典型地 是從大約300至大約400。C。典型的熱老化時間可以是從0.5至24小時， 例如，大約5小時。在該熱老化步驟之后，該復合材料可以通過任何合 適的方式(如空氣冷卻)被冷卻。制備了在表1中所列出的多種熔滲合金。合金A是根據本發明的一 個實施方案的一種Cu-Ni-Sn-Nb熔滲合金。合金B是為了比較的目的而 提供的一種Cu-Mn-Ni-Zn合金。表l熔滲合金成》合金類型含量(wt. % )CuMnNiSnZnNbA亞穩合金81.8010800.2BCu-Mn-Ni-Zn合金532415080表1中的合金被制成大致W英寸的小丸(合金A)或乂2英寸的正方 體(合金B)。使用多個石墨模具制作熔滲實驗的樣品，這些樣品包擴 一種合金或33%的合金與67%的P卯WC基體粉末的一種混合物，該 基體粉末包含67%的粗晶WC (-80 + 325目)以及31%的鑄造碳化物 (-325目)。通過將這些裝滿的模具在氫氣下加熱至1，200°C、保溫30分鐘、然 后冷卻至室溫而制成這些實驗樣品。這些樣品被用來測定沖擊韌性、 B611磨損數、以及橫向斷裂強度(TRS)。在亞穩合金A的情況下， 在多個樣品上使用了以下的熱處理以評估這種處理在提高該合金的性 能上的有效性在825。C下固溶；保溫1.5或5小時；水淬或空氣冷卻；在350。C下老化5小時；然后空氣冷卻。實驗結果在表2中列出。表2熱處理的效果以及合金A與合金B熔滲的碳化物之間的比較合金A (鑄態)A (1.5 hr/WQ )A (5 hr/AC )B硬度(HV) ( 100%合金)111251602140沖擊韌性(ft-lb)1.962.512.82.6B611磨損數量0.630.80.780.65TRS (ksi)95.5146.9130卯根據本發明的一個實施方案，通過熱處理可以顯著地增加亞穩合金A的硬度。在這個實施方案中，空氣冷卻可以如水淬一樣有效。在固溶 1.5小時并且老化之后提高了合金A試樣的TRS。合金A試樣的TRS 與固溶5小時并且老化之后的基本相等。根據本發明的實施方案，有可能對一種亞穩的熔滲合金進行熱處理 以超過常規的Cu基熔滲合金的耐磨損性和TRS。由本發明的亞穩的熔 滲合金制成的鉆頭能夠容易地進行熱處理以獲得使用性能的最佳組合。細節的多種變體而無需背離如所附權利要求中限定的本發明。
權利要求
1.一種復合材料，包含一種硬質陶瓷相；以及一種金屬相，該金屬相包括含有Ni和Sn的一種熱處理的Cu基熔滲合金。
2. 如權利要求1所述的復合材料，其中該熱處理的Cu基熔滲合金是一種亞穩合金。
3. 如權利要求1所述的復合材料，其中Ni包含該熱處理的Cu基熔滲合金的從大約5至大約25重量百分比、并且Sn包含該熱處理的Cu基熔滲合金的從大約4至大約20重量百分比。
4. 如權利要求1所述的復合材料，其中Ni包含該熱處理的Cu基熔滲合金的從大約8至大約12重量百分比、并且Sn包含該熱處理的Cu基熔滲合金的從大約5至大約12重量百分比。
5. 如權利要求1所述的復合材料，其中該熱處理的Cu基熔滲合金進一步包含Nb。
6. 如權利要求5所述的復合材料，其中Nb包含該熱處理的Cu基熔滲合金的從大約0.1至大約1重量百分比。
7. 如權利要求1所述的復合材料，其中該熱處理的Cu基熔滲合金包含從大約8至大約12重量百分比的Ni、從大約5至大約12重量百分比的Sn、以及從大約0.1至大約1重量百分比的Nb。
8. 如權利要求1所述的復合材料，其中該熱處理的Cu基熔滲合金基本上不含Mn。
9. 如權利要求1所述的復合材料，其中該硬質陶瓷相包含該復合材料的從大約60至大約80重量百分比、并且該熔滲合金包含該復合材料的從大約20至大約40重量百分比。
10. 如權利要求1所述的復合材料，其中該硬質陶瓷相包括至少一種碳化物，它選自碳化鴒、碳化鉭、碳化鈮、碳化鉬、碳化鉻、碳化釩、碳化鋯、碳化鉿、以及碳化鈦。
11. 如權利要求IO所述的復合材料，其中該碳化物包括wc。
12. 如權利要求l所述的復合材料，進一步包含至少一種另外的相。
13. 如權利要求12所述的復合材料，其中該至少一種另外的相包括鐵、4600鋼、鵠、鈷、鎳、錳、硅、鉬、銅、鋅、鉻、硼、碳、碳化物Ti相材料、氮化物類和/或碳氮化物類。
14. 如權利要求l所述的復合材料，進一步包含Co。
15. 如權利要求1所述的復合材料，其中該復合材料已經經受了在從大約100至大約60(TC的溫度下、經過從大約0.5至大約24小時時間的熱老化。
16. 制造一種復合材料的一種方法，包擴將一種合金熔滲到硬質陶瓷顆粒中，其中該熔滲合金基本上由Cu、 Ni以及Sn組成。
17. 如權利要求16所述的方法，其中Ni包含該熔滲合金的從大約5至大約25重量百分比、并且Sn包含該熔滲合金的從大約4至大約20重量百分比。
18. 如權利要求16所述的復合材料，其中該熔滲合金進一步包含Nb。
19. 如權利要求18所述的方法，其中該熔滲合金包含從大約8至大約12重量百分比的Ni、從大約5至大約12重量百分比的Sn、以及從大約0.1至大約1重量百分比的Nb。
20. 如權利要求16所述的方法，其中該熔滲合金基本上不含Mn。
21. 如權利要求16所述的方法，其中該硬質陶瓷相是含有該復合材料的從大約60至大約80重量百分比的一種碳化物。
22. 如權利要求16所述的方法，進一步包括對該復合材料進行熱老化處理。
23. 如權利要求22所述的方法，其中該熱老化處理是在從大約100至大約600°C的溫度下、經過從大約0.5至大約24小時的時間來進行的。
24. 對一種復合材料進行熱處理的一種方法，包括提供包含一種硬質陶瓷相以及一種熔滲合金的一種復合材料，該熔滲合金包含Cu、 Ni和Sn;并且對該復合材料進行熱老化處理。
25. 如權利要求24所述的方法，其中該熱老化處理是在從大約100至大約600°C的溫度下、經過從大約0.5至大約24小時的時間來進行的。
26. 如權利要求24所述的方法，其中該熱老化處理是在從大約300至大約400。C的溫度下進行。
27. 如權利要求24所述的方法，其中對該復合材料進行固溶處理并 且在該熱老化處理之前冷卻。
28. 如權利要求24所述的方法，其中Ni包含該熔滲合金的從大約5 至大約25重量百分比、并且Sn包含該熔滲合金的從大約4至大約20重 量百分比。
29. 如權利要求24所述的復合材料，其中該熔滲合金進一步包含Nb。
30. 如權利要求29所述的方法，其中該熔滲合金包含從大約8至大 約12重量百分比的Ni、從大約5至大約12重量百分比的Sn、以及從大 約0.1至大約1重量百分比的Nb。
31. 如權利要求24所述的方法，其中該熔滲合金基本上不含Mn。
全文摘要
在此披露了包含一種硬質陶瓷相(16)以及一種熔滲合金(20)的復合材料。硬質陶瓷相(16)可以包括一種碳化物，如碳化鎢和/或鑄造碳化物。熔滲合金(20)是Cu基的并且含有Ni和Sn。熔滲合金(20)可以進一步包含Nb，并且可以基本上不含Mn。該復合材料可以經過熱處理以提高其機械性能。例如，Cu-Ni-Sn熔滲合金(20)的組成可以選擇為使得在該復合材料在高溫下經過固溶以及老化處理之后提高其硬度、耐磨損性、韌性和/或橫向斷裂強度。
文檔編號C22C29/00GK101631885SQ200880005873
公開日2010年1月20日 申請日期2008年2月20日 優先權日2007年2月22日
發明者A·S·瓦特韋, H·E·凱利 申請人:鈷碳化鎢硬質合金公司