復合金屬陶瓷制品及其制造方法

專利名稱：復合金屬陶瓷制品及其制造方法
金屬陶瓷是用于描述由一個陶瓷組分和粘結劑組分組成的整體材料的術語。所說的陶瓷組分包括非金屬化合物或金屬間化合物。所說的陶瓷組分可能在二維或三維方向上相連，也可能不相連。所說的粘結劑包括金屬或合金，通常在三維方向上相連。粘結劑把陶瓷組分結合在一起形成整體材料。每種整體金屬陶瓷的性能來自陶瓷組分的性質和粘結劑組分的性質的相互作用。
金屬陶瓷系列可以定義為由用特定的粘結劑組分結合的特定的陶瓷組分組成的整體金屬陶瓷。用鈷合金結合在一起的碳化鎢是一個系列的實例(WC-Co系列，一種膠結碳化物)。例如，通過分別調整或者一起調整每個組分的含量、特性或含量和特性可以設計金屬陶瓷系列的性能。但是，材料的一種性能的改進常常會降低另一個性能。例如，在改進WC-Co系列的耐磨性時，一般會降低材料的抗斷裂性能。因此，在設計整體膠結碳化物時，從未結束過以降低另一個性能為代價而改進材料的一個性能的循環。
盡管如此，仍然在承受較大磨損、沖擊或同時承受二者的設備中使用整體膠結碳化物。但是，僅僅選擇設備中的某些部分用整體膠結碳化物構成，而不是用整體膠結碳化物建造整個設備。這些選擇的部分承受磨損、沖擊或同時承受二者。在某些設備中，所說的膠結碳化物部分具有特定的形式，使其能夠維持設備的最大效率。隨著所說的特定形式的改變，設備的效率降低。如果該設備用于切削工件，從工件上去除的量會隨所說的膠結碳化物偏離特定的形式的程度而減少。
例如，隨著用于與連續采煤機械相連的膠結碳化物切削刀片的特定形式的改變，一旦銳利的膠結碳化物切削刀片轉變成鈍的膠結碳化物刀片，作用在煤層上的撞擊就會產生粉塵、細煤和噪音，而不是要求的粗煤。在這種轉變過程中，也會增大驅動所說的連續采煤機械的馬達所提供的動力。這種特定形式的變化的一個解決方法包括把設備從使用中移開，對所說的膠結碳化物進行整形…由于在整形過程中設備生產使用的損失，這種方法是成本高的。另一種解決方法包括敲碎用過的膠結碳化物部分并裝上新的膠結碳化物…由于在重新裝配和敲碎膠結碳化物的過程中設備的生產使用的損失，這種方法也是成本高的。例如，在改進WC-Co體系的耐磨性時，其抵抗斷裂的能力降低。如果可以制備這些膠結碳化物，使其保持其特定的形式，例如，通過自銳化，可以取得技術上的和經濟上的效益。
一個解決以降低材料的另一個性能為代價來調整整體金屬陶瓷的一個性能這種無休止的循環的方法是把幾種整體金屬陶瓷結合在一起形成多區域金屬陶瓷制品。世界上的許多個人和公司的資源(即時間和資金)已經投入到開發多區域的膠結碳化物制品中。通過在該課題方面的出版物、美國和外國的專利，以及外國的專利公布的數量可以表明投入到其開發方面的資源的數量。一些美國和外國的專利，以及外國的專利公布包括美國專利Nos.2,888,247；3,909,895；4,194,790；4,359,355；4,427,098；4,722,405；4,743,515；4,820,482；4,854,405；5,074,623；5,333,520和5,335,738，外國的專利公布Nos.DE-A-3519101；GB-A 806 406；EPA-0 111 600；DE-A-3 005 684；DE-A-3 519738 FR-A-2 343 885；GB-A-1 115 908；GB-A-2 017 153；和EP-A-0 542704。盡管表明了資源的量，但是在工業上還沒有令人滿意的多區域的膠結碳化物制品可以解決現存的問題。此外，還沒有令人滿意的制造多區域的膠結碳化物制品的方法。而且，還沒有令人滿意的自銳化整體的膠結碳化物，更不用說多區域的膠結碳化物制品。此外，還沒有令人滿意的方法制造出能夠自銳化的多區域的膠結碳化物制品。
某些資源(時間和資金)花費在“想法的實驗”和僅僅提出希望上…其中沒有告訴制造這樣的多區域的膠結碳化物制品的方法。
其它的資源花費在開發復雜的方法上。一些方法包括預設計起始配料、生坯的幾何形狀，或者同時預設計這兩者。例如，把用于制造多區域的膠結碳化物制品的起始配料單獨地成型為不同的生坯。有時候，所說的單獨成型的生坯也單獨地燒結，有時候在磨光之后通過焊接，銅焊或收縮配合進行裝配形成多區域的膠結碳化物制品。有時，單獨成型的生坯可以先裝配，然后燒結。構成單獨成型生坯的相同配料的不同組合對應于不同的燒結過程。配料的每一種組合的收縮是唯一的。配料的每一種組合唯一地對應于燒結溫度、燒結時間、燒結氣氛、或上述這些因素的任何組合。只有進行成型模具和生坯尺寸的復雜的預設計，才能使燒結在裝配之后進行。為了進行預設計，需要一個多方面的數據庫，其中包括配料對于不同的溫度、時間、氣氛或上述因素的任何組合的響應。這樣的數據庫的建立和維護是成本上所不允許的。為了避免這些成本，必須使用精細的工藝控制設備。這也是昂貴的。此外，在使用精細的工藝控制設備時，對于預定工藝參數的微小偏差會產生碎片，而不是得到有用的多區域的膠結碳化物制品。
還有一些資源花費在繁復的成型多區域的膠結碳化物制品的方法上。例如，先燒結非化學計量的整體的膠結碳化物制品。其組成中碳量不足，因此燒結的碳化物中含有η相。然后把這種整體的膠結碳化物制品經過碳化環境，通過反應消除每個制品外圍部分的η相。除了配料的預設計之外，這些方法需要中間的加工工序和碳化設備。而且，由于一旦碳化的外圍區域被磨掉，所得的多區域的膠結碳化物就不能再用，所以，所得的碳化物僅提供了最小的利益。
由于上述原因，對于多區域的膠結碳化物制品，有一種能夠低成本地制造的需求。此外，對于多區域的金屬陶瓷制品，有一種能夠低成本地制造的需求。此外，對于多區域的膠結碳化物制品，還有一種需求，即能夠自銳化并可以低成本地制造。對于多區域的金屬陶瓷制品，還有一種需求，即能夠自銳化并可以低成本地制造。
本發明涉及由金屬陶瓷構成的制品，優選的是由膠結碳化物構成的制品，其中至少有兩個區域，這兩個區域至少具有一種不同的性質。本發明還涉及這些獨特的新型制品的使用方法。同時本發明涉及這些獨特的新型制品的制造方法。
本發明滿足了長期以來在金屬陶瓷技術方面一種需求，即通過提供至少有兩個區域的制品，這些區域至少有一個性質不同，并且優選的是進一步表現出均勻的和可控制的耐磨性賦予用作工具的制品自銳化特性，來改進金屬陶瓷材料體系。在用于耐磨的應用中時，這樣的多區域制品是特別有用的。一個實例包括至少具有一個表現出優異的耐磨性的前區，和一個表現出較小耐磨性的后區的金屬陶瓷制品。所說的至少兩個區域的組合的另一個優點包括這樣的制品的均勻的可控制的耐磨性以及因此延長了的使用壽命，這是由于在用作操作中制品要消耗的切削部件時，這種獨特的特性賦予了制品切削能力的保持性能。
通過認識到在制造多區域制品中遇到的問題的解決方法，本發明提供了一種制造該制品的方法。以前，制造多區域制品的嘗試的失敗是由于制品的致密化過程中產生的缺陷(例如，生坯在燒結過程中開裂)。因此，通過利用工藝參數(例如，不同的碳化物顆粒尺寸、或不同的碳化物的化學組成、或不同的粘結劑含量、或不同的粘結劑化學組成、或上述參數的任何組合)的疊加效應得到獨特的新型多區域制品的方法來制造本發明的制品。這些制品相對于用于耐磨應用中的以前技術的制品，具有延長了的使用壽命。
本發明的獨特的新型制品至少由兩個區域構成，也可以由多區域構成。第一個區域由具有較粗顆粒的第一種陶瓷組分，優選的是碳化物，和預定含量的粘結劑構成。制品的第二個區域，與第一層并置或鄰接，由具有小于第一個區域的顆粒尺寸的顆粒尺寸的第二種陶瓷組分，優選的是碳化物，或大于第一個區域的粘結劑含量的第二種粘結劑含量構成，或者同時具有較小的顆粒尺寸和較小的粘結劑含量。本發明的制品的第一個區域可以比第二個區域更耐磨。
在本發明的一個實施方案中，通過改變陶瓷組分的顆粒尺寸、或陶瓷組分的化學組成、或粘結劑含量、或粘結劑的化學組成、或上述參數的任何組合，來調整所說的至少兩個區域中的每一個區域的至少一個性質。所說的至少一個性質可以包括密度、顏色、外觀、反應活性、電導率、強度、斷裂韌性、彈性模量、剪切模量、硬度、熱導率、熱膨脹系數、比熱、磁化率、摩擦系數、耐磨性、抗沖擊性、耐化學侵蝕性等、或上述性質的任何組合中的任何性質。
在本發明的一個實施方案中，可以變化所說的至少兩個區域的量。例如，第一個區域的厚度相對于第二個區域的厚度可以從第一個區域在第二個區域上形成涂層變化到第二個區域在第一個區域上形成涂層。優選的在對于整體金屬陶瓷可能會產生缺陷的制品的一部分上放置所說的第一個區域。當然，第一個區域和第二個區域也可以具有基本相同的比例。
在本發明的一個實施方案中，第一個區域和第二個區域的并置可以是層狀界面、或彎曲界面、或復雜界面、或者上述各種界面的組合。此外，第一個區域也可以完全包圍第二個區域或被第二個區域包圍。
在本發明的一個實施方案中，本發明的制品可以用作材料的處理或去除，例如，包括采礦、構造、農業、和金屬切除。一些農業應用的具體實例包括種子進料斗(見美國專利No.5,325,799)、農業工具的刀具(見美國專利Nos.5,314,029和5,310,009)、圓盤刀具(見美國專利No.5,297,634.)、樹樁切割器或碎木機(見美國專利Nos.5,005,622；4,998,574；和4,214,617)、犁地工具(見美國專利Nos.4,360,068和4,216,832)、泥土加工工具(見美國專利Nos.4,859,543；4,326,592；和3,934,654)。一些采礦和構造應用包括切割和挖掘工具(見美國專利Nos.5,324,098；5,261,499；5,219,209；5,141,289；5,131,481；5,112,411；5,067,262；4,981,328；和4,316,636)、地鉆(見美國專利Nos.5,143163；和4,917,196)、礦石或巖石鉆(見美國專利Nos.5,184,689；5,172,775；4,716,976；4,603,751；4,550,791；4,549,615；4,324,368；和3,763,941)、構造設備刀具(見美國專利Nos.4,770,253；4,715,450；和3,888,027)、滾動切割機(見美國專利Nos.3,804,425；和3,734,213)、泥土加工工具(見美國專利Nos.4,859,543；4,542,943；和4,194,791)、粉碎機械(見美國專利Nos.4,177,956和3,995,782)、挖掘工具(見美國專利Nos.4,346,934；4,069,880；和3,558,671)、和其它采礦和構造工具(見美國專利Nos.5,226,489；5,184,925；5,131,724；4,821,819；4,817,743；4,674,802；4,371,210；4,361,197；4,335,794；4,083,605；4,005,906；和3,797,592)。一些材料切除應用的實例包括材料切削或研磨刀具(見美國專利Nos.4,946,319；4,685,844；4,610,931；4,340,324；4,318,643；4,297,050；4,259,033；和2,201,979(RE 30,908))、帶有刀屑控制作用的材料切削或研磨刀具(見美國專利Nos.5,141,367；5,122,017；5,166,167；5,032,050；4,993,893；4,963,060；4,957,396；4,854,784；和4,834,592)、帶有通過化學氣相沉積(CVD)、物理氣相沉積(PVD)、轉化涂層等方法涂敷的涂層的材料切削或研磨刀具(見美國專利Nos.5,325,747；5,266,388；5,250,367；5,232,318；5,188,489；5,075,181；4,984,940；和4,610,931(RE 34,180))。所有上述與應用有關的專利的主要內容以參考的形式結合在本申請中。尤其是這些制品可以用于耐磨應用中，其中需要一種用前面的部分加工或切除材料(例如，巖石、木材、礦石、煤、泥土、道路表面、合成材料、金屬、合金、復合材料(陶瓷基復合材料(CMCs)、金屬基復合材料(MMCs)、和聚合物基或塑料基復合材料(PMCs))、聚合物等)的具有預先選擇的幾何形狀的制品。更具體地，這些制品可以用于在制品的耐磨壽命內，希望基本維持預選的幾何形狀。
本發明的一個實施方案涉及制造這種新型獨特的制品的新方法。即，以預定的方式排列至少一個第一種粉末混合物和和一個第二種粉末混合物形成生坯。如果生坯的形狀和最終制品的形狀明顯不一致，那么，可以通過生坯加工、或塑性形變、或生坯雕塑、或者通過任何其它的的方法，使生坯形成要求的形狀。然后不管是否已經成形過，可以把生坯致密化形成金屬陶瓷，優選的是膠結碳化物制品。如果致密化的制品沒有預成形，或者要求另外的成形，可以使致密化的制品經過研磨或其它的加工工序。
在本發明的一個實施方案中，可以選擇第一種粉末混合物和第二種粉末混合物的組成，使得得到的制品表現出上述討論的特性。例如，第一種粉末混合物的陶瓷組分(優選的是碳化物)的平均顆粒尺寸比第二種粉末混合物的陶瓷組分的平均顆粒尺寸大。此外，第一種粉末混合物和第二種粉末混合物的粘結劑含量可以是基本相同的或明顯不同的。而且，粘結劑的化學組成或陶瓷組分的化學組成(優選的是碳化物的化學組成)或者這兩者可以是基本相同的、明顯不同的、或在所說的至少兩種粉末混合物之間連續變化。


圖1是根據本發明的一般制品101的截面示意圖，包括第一個區域102和第二個區域或至少一個另外的區域103。
圖2A、2B、2C、2D、2E和2F是本發明包括的制品或制品部分的可能幾何形狀的剖視示意圖的實例。
圖3A是對應于實施例1的方法的裝料機構301的截面示意圖。
圖3B是對應于實施例1的方法的壓制機構的截面示意圖。
圖3C是用實施例1的方法制備的生坯320的截面示意圖。
圖4A通過根據實施例1的方法制備的燒結制品401的縱向剖面放大約3.4倍的顯微照片。
圖4B、4C、和4D分別是根據實施例1的方法制備的制品的第一個區域413和第二個區域414之間的界面417、第一個區域413、第二個區域414的放大約500倍的顯微照片。
圖4E、4F和4G分別是根據實施例1的方法制備的制品的第一個區域413和第二個區域414之間的界面417、第一個區域413、第二個區域414的放大約1500倍的顯微照片。
圖5A和圖5B對應于根據實施例1的方法制備的兩種直徑的制品用EDS技術確定的粘結劑能動確定結果與距離的關系。
圖6對應于根據實施例1的方法制備的制品的縱向剖面的不同位置的硬度測量結果(即硬度分布圖)圖7對應于裝有實施例1的方法制備的制品的沖擊鉆601剖面示意圖。
圖8A、8B和8C對應于根據本發明的實施例1的方法制備的制品(--------)和以前的技術制備的制品(----------)在如實施例1所述采煤4米深后的工具形式比較，和與起始工具形式(…………)的比較。
圖9A、9B和9C對應于本發明的制品和以前技術的制品在如實施例1所述采煤8米深(26.2英寸)后的比較，和與起始工具形式(………)的比較。
參看圖1所描述的假想的制品101來描述本發明的制品。例如，圖1中的A-A線可以代表制品的邊界或表面、鏡面對稱的對稱面、圓柱或旋轉對稱體的軸線等。在下列討論中，假定A-A線是界面。對于熟悉該技術的技術人員來說，很明顯，下列討論可以擴展到具有復雜幾何形狀的制品中。因此，下列討論不應該作為限制，而應該作為起點。
參看圖1，制品101有與第二個區域或至少一個另外的區域103鄰接并結合成整體的一個第一個區域102。對于熟悉該技術的技術人員可以理解，在本發明的制品中可以包括多個區域。界面104確定了相鄰的至少兩個區域的邊界。在一個優選的實施方案中，界面104是自動形成的。制品101還可以包括由圖1所示的至少一部分第一個區域102的材料確定的前表面105和由至少一部分第二個區域或至少一個另外的區域103的材料確定的后表面106。
從組成上看，構成所說的至少兩個區域的材料由金屬陶瓷組成。這樣的金屬陶瓷可以包括硼化物、碳化物、氮化物、氧化物、硅化物、及其混合物、其溶液或上述物質的任何組合中的至少一種。硼化物、碳化物、氮化物、氧化物或硅化物中的至少一種中的金屬包括選自國際純化學和應用化學聯合會(IUPAC)的第2、3(包括鑭系元素和錒系元素)、4、5、6、7、8、9、10、11、12、13和14族中一種或多種金屬。優選的是，所說的金屬陶瓷包括碳化物、碳化物的混合物、碳化物的溶液或上述的任何組合。碳化物中的金屬包括選自IUPAC的第3(包括鑭系和錒系元素)、4、5、和6族的一種或多種金屬；更優選的是Ti、Zr、Hf、V、Nb、Ta、Cr、Mo和W中的一種或多種；甚至更優選的是鎢。所說的至少兩個區域的金屬陶瓷的粘結劑包括金屬、玻璃或陶瓷(即在液相燒結過程中形成或幫助形成液相的任何材料)。優選的是所說的粘結劑包括選自IUPAC的第8、9和10族的一種或多種金屬；優選的是鐵、鎳、鈷、其混合物、其合金、以及上述的任何組合中的一種或多種；更優選的是鈷或鈷合金，如鈷-鎢合金。粘結劑包括單一的金屬、金屬的混合物、金屬的合金或上述的任意組合。
從尺度上來說，所說的至少兩個區域的陶瓷組分(優選的是碳化物)的尺寸范圍是從亞微米級到約420微米或更大。亞微米包括超細結構和納米結構材料。納米結構的結構特征為尺寸范圍為1納米到約300納米或更大。第一個區域中的陶瓷組分(優選的是碳化物)的平均顆粒尺寸大于第二個區域的陶瓷組分(優選的是碳化物)的平均顆粒尺寸。
在一個優選的實施方案中，所說的第一個區域的陶瓷組分(優選的是碳化物，更優選的是碳化鎢)的顆粒尺寸范圍約為亞微米級到約30微米或更大，可能具有顆粒尺寸的離散，一般在40微米的數量級上。優選的是第一個區域的陶瓷組分的顆粒尺寸范圍約為0.5微米到約30微米或更大，可能具有顆粒尺寸的離散，一般在40微米的數量級上，而平均顆粒尺寸范圍約為0.5微米到約12微米，優選的是約3微米到約10微米。更優選的是約為5微米～8微米。類似地，所說的第二個區域的陶瓷組分的顆粒尺寸范圍約為亞微米級到約30微米或更大，可能具有顆粒尺寸的離散，一般在40微米的數量級上。優選的是，第二個區域的陶瓷組分的顆粒尺寸范圍約為0.5微米到約30微米或更大，可能具有顆粒尺寸的離散，一般在40微米的數量級上，而平均顆粒尺寸范圍約0.5微米到約8微米，優選的是約1微米到約5微米。更優選的是約為2微米～5微米。
一般來說，通過在George F.Vander Voort編寫的“金相學理論和實踐”(McGraw Hill Book Company，New York，NY在1984年出版的)中所敘述的哪些定量的金相技術，可以把所說的陶瓷組分的顆粒尺寸和粘結劑含量與粘結劑的平均自由程聯系起來。確定硬質組分顆粒尺寸的其它方法包括光學比較法和諸如在1992年1月由American Society for Testing andMaterials，Phi1adelphia，PA批準的ASTM代號為B390-92的題目為“評價膠結碳化鎢中表觀晶粒尺寸和分布的村準實踐”中所討論的分級技術。這些方法的結果提供了表觀顆粒尺寸和表觀顆粒尺寸分布。
在與鐵磁性粘結劑有關的一個優選的實施方案中，如R.Porat和J.Malek在由V.K.Sarin.編輯的、由Elsevier Applied Science在Nassau，the Bahamas，November 9-13，1986召開的Third InternationalConference of the Science of Hard Materials的論文集中發表的一篇題為“由矯頑力和材料組成確定膠結碳化物中粘結劑的平均自由程”的文章中所述的那樣，所說的陶瓷組分(優選的是碳化物，更優選的是碳化鎢)的平均顆粒尺寸可能與所說的金屬陶瓷的粘結劑的重量百分數(Xb)、理論密度(ρth，克/立方厘米)以及燒結制品的均勻區域的矯頑力(Hc，千安/米，(kA/m))有關。對于鈷結合的碳化鎢制品，計算的碳化鎢平均顆粒尺寸，δ微米，由方程1給出，δ=0.3[80Hc](164822XCoρth)1/3---(1)]]>在一個優選的實施方案中，所說的第一個區域的陶瓷組分的平均顆粒尺寸與第二個區域的陶瓷組分的平均顆粒尺寸范圍約為1.5-12，優選的是約為1.5-3。
在一個優選的實施方案中，第一個區域的粘結劑含量(用重量表示)為約2％～約25％或更多；優選的是約為5％～10％；更優選的是約為5.5％～8％。類似地，所說的至少一個另外的區域的粘結劑含量(用重量表示)約為2％～25％，優選的是8％～15％。第二個區域的粘結劑含量大于第一個區域的粘結劑含量。
在一個優選的實施方案中，如Vander Voort所進行的一般討論，和Porat和Malek特別對于鐵磁材料所進行的討論的那樣，碳化物的顆粒尺寸和粘結劑的含量的組合可能與粘結劑的平均自由程λ有關。在具有鐵磁性金屬粘結劑的制品中的粘結劑的平均自由程(λ微米)是致密化制品的均勻區域的粘結劑重量百分數(Xb)、矯頑力(Hc，千安/米(kA/m))和理論密度(ρth，克/立方厘米)的函數。對于鈷結合的碳化鎢制品，鈷粘結劑的平均自由程λ由方程2給出λ=0.3XCoρth890-XCoρth(80Hc)(164822XCoρth)1/3---(2)]]>在一個優選的實施方案中，在第一個區域中的粘結劑的平均自由程尺寸的范圍約為0.5微米～2.5微米，優選的是約為0.8微米，而在所說的至少一個另外的區域中的粘結劑的平均自由程的尺寸的范圍約為0.5微米～1.5微米。
制品的立體幾何形狀可以是簡單的或復雜的，或者兩者的任意組合。立體幾何形狀包括立方體、平行六面體、錐體、截頭錐體、圓柱體、空心圓柱體、圓錐體、截頭圓錐體、球體(包括球形的環狀體、弓形體和扇形體和帶有圓柱形或圓錐形孔的球體)、圓環、薄的圓筒、ungula、桶形、棱柱體、橢圓體及其組合體。類似地，這樣的制品的橫截面可以是簡單的或復雜的，或者二者的組合。這樣的形狀可以包括多邊形(例如，正方形、矩形、平行四邊形、梯形、三角形、五邊形、六邊形等)、圓形、環形、橢圓形及其組合。圖2A、2B、2C、2D、2E和2F表明了組合成各種立體幾何形狀的第一個區域210、第二個區域211和在某些情況下的第三個區域212(圖2D)的組合。這些圖是制品或制品的部分的剖視截面圖(圖2A的錐形帽、或錐形的混合頭或松土機的錐體；圖2B的壓塊；圖2C的推土機的刃具、或刮刀、或犁刃；圖2D的脊形鉆的刀刃；圖2E的用于材料的碎屑形成加工的切削刀具；圖2F的錐形塞子或刀具)，這些圖進一步表明了前邊緣或前表面207，和外表面208。
再參看圖1，確定了第一個區域102和第二個區域103之間邊界的界面104可以以對稱的方式或不對稱的方式把制品101分開，或者僅僅把制品101部分分開。以這種方式，可以變化第一個區域102和所說的至少一個另外的區域103的體積比來設計制品101的最優化整體性能。在一個優選的實施方案中，第一步區域102對第二個區域103的體積比的范圍約為0.25-4；優選的是約為0.33-2.0；更優選的是約為0.4-2。
通過提供第一種粉末混合物和至少一種另外的粉末混合物或第二種粉末混合物形成本發明的新型制品。對于熟悉該技術的技術人員來說，明顯的是，可以提供多種粉末混合物。每種粉末混合物包括至少一種陶瓷組分、至少一種粘結劑、至少一種潤滑劑(一種促進所說的至少一種陶瓷組分和至少一種粘結劑的結合和聚集的有機物或無機物)、和任選的至少一種表面活性劑。例如，制備每種粉末的方法可以包括用短棒或圓柱研磨，然后混合，再在西格瑪絞刀型干燥器或噴霧干燥器中進行干燥。在每種情況下，通過可與壓實或致密化設備或兩者同時使用時的兩種設備相配合的設備制備每種粉末混合物。
提供了具有預選的陶瓷組分(優選的是碳化物)的顆粒尺寸或顆粒尺寸分布的第一種粉末混合物和具有較細的陶瓷組分(優選的是碳化物)顆粒尺寸或顆粒尺寸分布的至少一種另外的粉末混合物。所說的至少兩者粉末混合物至少是部分鄰接的。所說的至少部分鄰接提供或促進了在壓實和致密化(例如，燒結)后，具有至少具有一種不同性能的至少兩個區域的新型產品的形成。
相對于所說的至少一個另外的粉末混合物，第一種粉末混合物含有具有較粗顆粒尺寸的陶瓷組分，優選的是碳化物。顆粒尺寸范圍約為亞微米級到約420微米或更大；優選的是，顆粒尺寸范圍約為亞微米～30微米或更大，可能具有顆粒尺寸的離散，一般在40微米的數量級上。亞微米級包括超細結構和納米結構材料。納米結構材料具有范圍為1納米～約100納米或更大的結構特征。優選的是第一種粉末混合物的陶瓷組分的顆粒尺寸約為0.5～30微米或更大，可能具有顆粒尺寸的離散，一般在約40微米的數量級上，而平均顆粒尺寸范圍約為0.5-12微米；優選的是約為3～10微米；更優選的是約為5～8微米。
第一種粉末混合物的陶瓷組分可以包括硼化物、碳化物、氮化物、氧化物、硅化物、其混合物、其溶液或上述的任意組合。所說的硼化物、碳化物、氮化物、氧化物或硅化物的金屬包括IUPAC的第2、3、(包括鑭系和錒系元素)、4、5、6、7、8、9、10、11、12、13和14族中的一種或多種。優選的是所說的陶瓷組分包括碳化物，其混合物、或上述的任意組合。所說的碳化的金屬包括IUPAC的第3(包括鑭系和錒系元素)、4、5、和6族中的一種或多種金屬；更優選的是Ti、Zr、Hf、V、Nb、Ta、Cr、Mo和W中的一種或多種；甚至更優選的是鎢。
第一種粉末混合物的粘結劑可以包括與所說的的形成過程相匹配的并且不會在制品的應用中對制品的用途產生副作用的任何材料。這樣的材料包括金屬、陶瓷、玻璃、或上述的包括混合物、溶液和合金的任意組合。適用于用作粘結劑的金屬的實例包括IUPAC的第8、9和10族中的一種或多種金屬；優選的是Fe、Co、Ni、其混合物、其合金和其組合的一種或多種；更優選的是鈷或鈷合金，如鈷-鎢合金。金屬粘結劑可以包括粉末金屬混合物或合金粉末或這兩者。
預先選擇第一種粉末混合物的粘結劑量以調整性能，例如，為制品的所得的第一個區域提供足夠的耐磨性，以適應其廣泛的用途。已經發現，預先選擇的粘結劑含量的范圍(用重量表示)約為2％～25％或更多；更優選的是約為5％～15％；甚至更優選的是約為9％～10％。
第一種粉末混合物中的粘結劑的顆粒尺寸可以是能促進本發明的制品成形的任意尺寸。合適的尺寸是平均顆粒尺寸小于約5微米；優選的是小于約2.5微米；更優選的是小于約1.8微米。
對于第二種粉末混合物的一個限制是其陶瓷組分的平均顆粒尺寸小于第一種粉末混合物的陶瓷組分的平均顆粒尺寸。對于第一種粉末混合物，陶瓷組分(優選的是碳化物)的顆粒尺寸范圍可以從約亞微米級～約420微米或更大。亞微米級包括超細結構和納米結構的材料。納米結構材料具有范圍約為1納米～100納米或更大的結構特征。優選的顆粒尺寸范圍約為亞微米級～30微米，可能具有顆粒尺寸的離散，一般在約40微米的數量級上。優選的是第二種粉末混合物的陶瓷組分(優選的是碳化物)的平均顆粒尺寸范圍約為1～30微米或更大，可能具有顆粒尺寸的離散，一般在約40微米的數量級上。與第一種粉末混合物的不同，第二種粉末混合物的陶瓷組分的平均顆粒尺寸(優選的是碳化物，更優選的是碳化鎢)范圍約為0.5～8微米，優選的是約為1～5微米；更優選的是約為2～5微米。
選擇第一種粉末混合物的陶瓷組分的平均顆粒尺寸和第二種粉末混合物的平均顆粒尺寸的比例，來促進本發明的制品的形式，并使所得的制品的性能最優化。因此，認為平均粗顆粒尺寸與平均細顆粒尺寸的比例范圍約為1.5-12，優選的比例范圍約為1.5-3。
第二種或至少一種另外的粉末混合物的陶瓷組分的化學組成與第一種粉末混合物的化學組成可以基本相同，或明顯不同。因此，所說的化學組成包括第一種粉末混合物的明確敘述的化學組成。
選擇每種粉末混合物的粘結劑含量來促進制品的形成，并針對其特定的用途為制品提供最優的性能。因此，第一種粉末混合物的粘結劑含量可以大于、小于或等于第二種粉末混合物的粘結劑含量。優選的是第二種粉末混合物的粘結劑含量(用重量表示)與第一種粉末混合物的預先選擇的粘結劑含量的百分數相差約0～2個百分點；更優選的是，相差約0.5個百分點。在一個優選的實施方案中，第二種粉末混合物的粘結劑含量小于第一種粉末混合物的粘結劑含量。例如，如果第一種粉末混合物的預先選擇的粘結劑含量約為9.5wt％，那么第二種粉末混合物的粘結劑含量范圍約為7.5wt％-11.5wt％，優選的是約為9wt％～10wt％，更優選的是約7.5wt％-9.5wt％，甚至更優選的是約9wt％-9.5wt％。
可以用任何方法提供所說的至少兩種粉末混合物，使得至少每種粉末混合物的一部分可以部分鄰接。例如，這樣的方法可以包括傾倒；注模；擠壓，同時擠壓或順序擠壓；流延；泥漿澆注；粉漿澆注；順序壓制；共同壓制；或上述的任意組合。美國專利Nos.4,491,559；4,249,955；3,888,662；和3,850,368中討論了這些方法中的一些，在本申請中把它們完整地作為參考。
在生坯的成形過程中，通過供料裝置或通過分隔裝置、或者通過這兩者使所說的至少兩種粉末混合物至少保持部分分隔。例如，供料裝置的實例可以包括上面討論的裝置，而分隔裝置可以包括可通過物理方法除去的分隔物或可通過化學方法除去的分隔物，或者二者一起使用。
可以通過物理方法除去的分隔物可以簡單到在所說的兩種粉末混合物的裝料過程中在模具內放入一張紙或其它薄的分隔物，它們可以在粉末混合物裝料后，在粉末混合物致密化之前從模具中移走。更復雜的可以通過物理方法除去的分隔物可以包括同心的或偏向的管(不可透過的或可以透過的薄板、篩網或網狀物，可以是金屬的或陶瓷的或聚合物的或天然材料的，或者上述的任意組合)。可以通過物理方法除去的分隔物的形狀可以是幫助所說的至少兩種粉末混合物分隔的任何形狀。
可以通過化學方法除去的分隔物包括可以通過化學方法除去或消耗掉的分隔所說的至少兩種粉末混合物的分隔物，可以是簡單的或者復雜的形式，或二者的組合、可以是可透過的或不可透過的，或者二者的組合。這樣的裝置可以包括過濾材料、或熱解材料、或逸出材料、或可合金化的材料、或者上述的任意組合。可以通過化學方法除去的分隔物可以幫助所說的至少兩個區域的截面及立體幾何形狀為復雜形狀的本發明的制品的成形。
在本發明的一個優選的實施方案中，所說的分隔的并至少部分鄰接的至少兩種粉末混合物可以通過壓制進行致密化，例如，包括單軸壓制、雙軸壓制、三軸壓制、等靜壓、在室溫下濕袋壓制或在較高的溫度下壓制(例如，熱壓)。
在任何情況下，對于多區域制品的幾何形狀，無論是壓實的還是不壓實的，分隔的并且至少部分鄰接的至少兩種粉末混合物的立體幾何形狀可以包括立方體、平行六面體、錐體、截頭錐體、圓柱體、空心圓柱體、圓錐體、截頭圓錐體、球體、包括球形的環狀體、弓形體和扇形體和帶有圓柱形或圓錐形孔的球體)、圓環、薄的圓筒、ungula、桶形、棱柱體、橢圓體及其組合體。為了得到直接的形狀或形狀的組合，所說的分隔的并且至少部分鄰接的至少兩種粉末混合物可以在致密化之前，或者在致密化之后成形，或者在致密化前后都進行成形。致密化之前的成形技術可以包括上述的供料方法以及生坯加工或使生坯塑性變形，或者其組合中的任何一種。致密化之后的成形可以包括研磨或任何機械加工工序。
對于多區域制品的截面，生坯的截面形狀可以是簡單的或復雜的或者二者的組合，包括包括多邊形；例如，正方形、矩形、平行四邊形、梯形、三角形、五邊形、六邊形等；圓形；環形；橢圓形等然后通過液相燒結把由所說的分隔的并且至少有部分鄰接的至少兩種粉末混合物構成的生坯致密化。致密化可以包括與制造本發明的制品相匹配的任何方法。這樣的方法包括真空燒結、壓力燒結、熱等靜壓燒結(HIPping)等。這些方法在足以產生具有最小氣孔率的理論上明顯致密的制品的溫度和/或壓力下進行。例如，對于碳化鎢-鈷制品，該溫度包括在約1300℃(2373°F)～1650℃(3002°F)范圍內的溫度；優選的是，約為1350℃(2462°F)～1537℃(2732°F)；更優選的是約為1500℃(2732°F)～1525℃(2777°F)。致密化的壓力范圍約為0kPa(0psi)～206,850kPa(30,000psi)。對于碳化物制品，壓力燒結可以在約1,723kPa(250psi)～13,790kPa(2000psi)的壓力下，在約1370℃(2498°F)～1540℃(2804°F)的溫度下進行，而熱等靜壓可以在約58,950kPa(10,000psi)-206,850kPa(30,000psi)的壓力下，在約1,310℃(2372°F)-約1430℃(2606°F)的溫度下進行。
致密化可以在沒有空氣，即真空的情況下進行；或者在惰性氣體中進行，如在IUPAC第18族的一種或多種氣體中進行，在含氮氣氛中進行，如氮氣、成形氣體(96％的氮氣、4％的氫氣)、氨氣等；或者在還原性的混合氣體中進行，如，H2/H2O，C0/CO2，CO/H2/CO2/H2O等；或上述的任意組合。
在不希望局限于任何特定的理論，或局限于對于本發明的解釋，試圖解釋本發明的工作時，似乎當生坯為液相燒結時，粘結劑通過毛細管力從第一種粉末混合物遷移到第二種粉末混合物中，或者，第二種粉末混合物的陶瓷組分通過溶解、擴散、和沉淀機理遷移到第一種粉末混合物中，或者二者同時進行。
關于毛細管力遷移機理，金屬粘結劑，特別是在碳化鎢-鈷系統中，可以容易地潤濕陶瓷組分顆粒。第一種粉末混合物和第二種粉末混合物之間的顆粒尺寸差轉變成所說的至少兩種粉末混合物之間的相應的有效毛細管尺寸的差別。第二種粉末混合物(例如，具有細顆粒尺寸的粉末混合物)中的有效毛細管尺寸將會較小，因此，提供了熔融的粘結劑從第一種粉末混合物向第二種粉末混合物遷移的推動力。
關于溶解、擴散、和沉淀機理，所說的至少兩種粉末混合物的顆粒尺寸差轉變成為所說的至少兩種粉末混合物的有效顆粒表面積的相應的差別。第二種粉末混合物(即，細顆粒粉末)的有效表面積較大，因此，在致密化過程中，將會有減小面積的推動力。所以，較細的顆粒會優先地溶解在熔融的粘結劑中，擴散到第一種粉末混合物的區域內，并沉淀在第一種粉末混合物的較粗的顆粒上。
本發明通過下列實施例說明。提供這些實施例是為了說明并澄清本發明的各個方面。這些實施例不限制所聲明的發明范圍。
實施例I本實施例說明(在其它事項中)本發明的一種制品、本發明的一種制品的制造方法、和本發明的一種制品的使用方法。更具體地，本實施例說明具有第一個區域和第二種區域的一種制品的制備，所說的第一個區域含有粗顆粒尺寸的碳化物材料，第二個區域含有細顆粒尺寸的碳化物材料。第一個區域和第二個區域以預定的外形或表面形狀在一個單一的制品中的并排放置有利于其用于材料的切除，特別是用于采礦中的煤的切除。該實施例描述了制備該制品的方法、制品的性能和使用該制品的方法。
為了制備根據本實施例和本發明的制品，分別制備了造粒的第一種粉末混合物和造粒的第二種粉末混合物。第一種粉末混合物(在圖3A、3B和3C中標記為314)包括約87.76wt％的粗晶碳化鎢(Kennametal Inc.Fallon，Nevada)、約9.84wt％的市場上可以購得的超細鈷粘結劑、約2.15wt％的石蠟、和約0.25wt％的表面活性劑。
然后把一部分第一種粉末混合物燒結，通過在測量燒結制品的矯頑力(Hc)和粘結劑含量(XCo)之后，根據方程(1)計算所說的碳化鎢的平均顆粒尺寸約為6.7微米，其觀察到的顆粒尺寸范圍約為1～25微米，可能具有顆粒尺寸的離散，一般在約40微米的數量級上，第二種粉末混合物(在圖3A、3B和3C中標記為313)包括約88.82wt％的粗晶碳化鎢(Kennametal Inc.Fallon，Nevada)、約8.78wt％的市場上可以購得的超細鈷粘結劑、約2.15wt％的石蠟、和約0.25wt％的表面活性劑。在燒結塊中觀察到的碳化鎢的顆粒尺寸范圍約為1～9微米，可能具有顆粒尺寸的離散，一般在約40微米的數量級上，其根據方程(1)計算的平均顆粒尺寸約為2.8微米，然后把第一種粉末混合物314和第二種粉末混合物313用在圖3A中記為301的裝料機構裝在直徑約為19mm(0.75英寸)的模具孔穴中。裝料機構301包括與圓筒形側壁302相交的下沖頭303、外部裝料漏斗304，在外部裝料漏斗和模具孔穴之間有一個接觸點307，內部裝料漏斗308，通過可以通過物理方法除去的部分310在下沖頭303的接觸點311上與前部分確定的表面312接觸，所說的可以通過物理方法除去的部分310的直徑約為10mm(0.39英寸)。把約8.4克的第一種粉末混合物314倒入內部裝料漏斗308。把約18.6克的第二種粉末混合物313裝入外部裝料漏斗304。在第一種粉末混合物314和第二種粉末混合物313裝入模具孔穴中之后，移去內部的和外部的裝料漏斗，在第一種粉末混合物314和第二種粉末混合物313之間形成界面317。然后在約室溫下把具有后部分確定表面316的上沖頭315與第一種粉末混合物314和第二種粉末混合物313接觸，并施加約31，138牛頓(N)(7,000磅(lbs))的荷載。在卸掉荷載后，把生坯320從模具孔穴中取出，所說的生坯具有一個由下沖頭303確定的前部分321和由上沖頭315確定的后部分。此外，所說的生坯包括壓實的第一種粉末混合物314和第二種粉末混313。重復該操作直至成形足夠數量(約72個)的由第一種粉末混314和第二種粉末313構成的生坯。此外，還成形一些僅由第一種粉末混合物314坯體和第二種粉末混合物313構成的坯體。這些坯體在所說的生坯320的燒結過程中用作控制試樣，以確定由于與第二種粉末混合物接觸的第一種粉末混合物的共同致密化產生的變化的類型。
一旦成形了足夠數量的多區域生坯320，就把生坯320和控制試樣放在Ultra-Temp壓力燒結爐(Ultra-temp Corporation，Mt.Clement，Missouri)中。把爐子及其裝載物抽真空到約5torr，然后在真空下以約3.3℃(6°F)/分鐘的速率從約室溫升溫到約177℃(350°F)；在約177℃(350°F)保溫約15分鐘；以約3.3℃(6°F)/分鐘的速率從約177℃(350°F)加熱到約371℃(700°F)；在約371℃(700°F)保溫約90分鐘；以約1.7℃(3°F)/分鐘的速率從約371℃(350°F)加熱到約427℃(800°F)；在約427℃(800°F)保溫約45分鐘；以約1.4℃(2.5°F)/分鐘的速率從約427℃(800°F)加熱到約538℃(1000°F)；在約538℃(1000°F)保溫約12分鐘；以約1.4℃(2.5°F)/分鐘的速率從約538℃(1000°F)加熱到約593℃(1100°F)，然后以以約4.4℃(8°F)/分鐘的速率從約593℃(1000°F)加熱到約1,121℃(2050°F)；在范圍約為13微米～29微米的真空下在約1,121℃(2050°F)保溫約30分鐘；以約4.4℃(8°F)/分鐘的速率從約1,121℃(2050°F)加熱到約1,288℃(2350°F)；在引入氬氣到約15torr的條件下，在約1,288℃(2350°F)保溫約30分鐘；在引入氬氣到約5,516kPa(800psi)的條件下，以約3.3℃(6°F)/分鐘的速率從約1,288℃(2350°F)加熱到約1510℃(2750°F)；在約1510℃(2750°F)保溫約5分鐘；然后關閉爐子的電力，以約5.6℃(10°F)的速度把爐子及其裝載物冷卻到大約室溫。
然后用金相技術、濕化學分析、磁生能表征、硬度和x射線能譜分析(EDS)表征幾個燒結的制品(直徑約為15.9mm(0.625英寸)、尖端角度φ約為75℃)，包括僅由第一種粉末混合物構成的和僅由第二種粉末混合物構成的燒結的控制試樣。
表1列出了根據本實施例制備的制品的第一個區域和第二個區域的性能和僅由第一種粉末混合物構成的和僅由第二種粉末混合物構成的燒結的控制試樣的性能。濕化學分析結果表明在生坯致密化形成制品的過程中，鈷粘結劑從第一種粉末混合物向第二種粉末混合物遷移。鈷粘結劑的遷移影響相對于僅由第一種粉末混合物構成的燒結的控制試樣的第一個區域的硬度，和相對于燒結的僅由第二種粉末混合物構成的控制試樣的硬度。
圖4A是具有在界面417處與第二個區域413接觸的第一個區域414的燒結制品401的縱向截面的放大約3.4倍的顯微照片。前區421對應于生坯的前區，后區422對應于生坯的后區。第一個區域414和至少一個另外的區域413之間的界面417的微觀結構以約500倍的放大倍數表示于圖4B，而以約1500倍的放大倍數表示于圖4E。圖4C和4D是約放大500倍的第一個區域414和第二個區域413的顯微照片，而圖4F和4G是約放大1500倍的第一個區域414和第二個區域413的顯微照片。第一個區域414和第二個區域413的組成表示于圖4E、4F和4G，包括鈷合金粘結劑425、粗顆粒碳化鎢426和細顆粒碳化鎢427。由于碳化鎢顆粒尺寸的突然變化，在圖4E中可以清楚地看到自動形成的結合線417。有一個優異的自動形成的金相結合，其中沒有缺陷和摻雜物。這些致密的燒結制品也沒有η相和“C”氣孔。
表1
* 第一種粉末混合物**第二種粉末混合物
分析時，Nb，Cr和V，通常小于約0.01wt％其余為W+C+其它少量雜質§ 100％＝約160emu/克或1.7特斯拉或17,000高斯1奧斯特＝79.58安培-轉/m(A/M)＝0.08千安-轉/m(KA/m)
為了確定用本實施例的方法制品的制品內的鈷分布，用能譜X-射線分析(EDS)在兩種不同直徑的制品上分析研磨拋光的試樣。具體地，使用裝有LaB6陰極電子槍系統和帶有硅-鋰檢測器(0xford Instruments Inc.，Analytical System Division，Microanalysis Group，Bucks，England)的X-射線能譜系統，加速電壓約為20keV的JSM-6400掃描電子顯微鏡(Model No.ISM64-3，JEOL LTD，Tokyo，Japan)。測量的掃描面積約為125微米×4微米。以相同的時間間隔(約50秒的時間)掃描每個面積。在相鄰的面積之間的步進尺寸約為1nm(0.039英寸)。圖5A和5B表示這種無標準分析的結果以及在整個區域上的平均值。圖5A對應于在直徑約為10.5mm(0.413英寸)的制品上所作的探針分析結構，表示了鈷含量從第一個區域(平均約為11.9wt％)到第二個區域(平均約為7.2wt％)的梯度。類似地，圖5B表示直徑約為15.5mm(0.610英寸)的制品的探針分析結構，也表示了鈷含量從制品的第一個區域(平均約為12.3wt％)到第二個區域(平均約為7.6wt％)的梯度。
圖6表示制品上的硬度分布的結果，表明第一個區域的硬度(這種制品的內部或內核部分，Rockwell A≌87.4-87.8)低于第二個區域的硬度(該制品的外部或周圍部分，Rockwell A≌88.3-88.7)。
把足夠數量的根據本實施例制備的燒結制品焊接到鋼體上形成如圖7示意表示的用于與“KENNAMETAL”KB175SLSA切削系統相連的“KENNAMETAL”U765KSA錐形工具。所說的制品的焊接用以Massa等人發表的題為“Cutting Tool Having Tip with Lobes.”的美國專利No.5,324,098中提出的材料進行。把美國專利No.5,324,098的主要內容引作參考。錐形工具701由由帶有連接的硬質切削刀具702的延長的鋼體705構成。延長的鋼體705由一個軸向的前端710和軸向的后段707。在兩個端部710和707之間是徑向凸出的邊緣704，直徑擴大的部分711、和直徑減小的部分706。軸向的前端710包括用于容納硬質切削刀具702的插口709。硬質切削刀具705包括第一個區域714和至少部分自動形成金相結合的界面717的第二個區域715。硬質刀具702通過連接裝置703與延長的鋼體705相連。連接裝置703可以包括braising、收縮配合、公盈配合及其組合。錐形工具701還可以包括圖7所示的作為夾持套管或夾具的固定裝置。
該切削系統用于采煤的Joy 12HN9 Continuous Miner(JoyManufacturing Co.，Ltd.，Johannesburg，South Africa)。具體地，用粗顆粒碳化鎢-鈷合金(見表V中的試樣10)制成的以前技術的工具和裝有根據本實施例制備的制品的工具采煤一定的距離，煤的高度為3米(9.8英尺)，所說的煤具有一定的耐壓強度或約12MPa(3.5千磅/平方英寸(ksi))的硬度。在采煤4米(13.1英尺)、8米(26.2英尺)和12米(39.4英尺)后，確定裝有以前技術工具的根據本實施例制備的制品的工具的長度變化。還測量了一些工具的刀具的包含角。在采煤4米(13.1英尺)、8米(26.2英尺)和12米(39.4英尺)后各個位置確定的結果分別總結于表II、III和IV。具體地，表II、III和IV表示了工具的位置、裝有以前技術的工具和裝有本實施例的制品的工具的長度變化、以前技術的工具的刀具包含角的大小、本發明的包含角的大小、以及以前技術的工具的包含角的變化和本發明的包含角的變化的比值。應該注意所有工具的起始包含角約為75°。
為了圖解表示本發明的各個方面，圖8和圖9給出了本發明的刀具的形狀(------------)、以前技術的刀具(- - - - -)和起始刀具的形狀(…………)對于位置1、3和5在采煤4米(13.1英尺)后在切削系統中與位置的函數關系的比較，和位置1、5和6在采煤8米(26.2英尺)后的比較。表II、III、IV的數據和圖8和9中的比較表明(在其它事項中)根據本發明制備的制品表現出優異的耐磨性而且基本保持其原來的形狀。因此，本實施例表明(在其它事項中)制品的制備方法表現出優異的應用性能，包括材料的切割。
表II
表III
表IV
* 本發明的刀片包含角變化以前技術的刀片包含角變化 表III中的位置3和4的數據和表IV中的1和5的數據不能報告，因為本發明或以前技術的工具不能焊接或出現其它破壞實施例II本實施例表明(在其它事項中)可以與至少一種另外的粉末混合物結合形成本發明的制品的第一種粉末混合物的含量范圍。具體地，基本重復實施例I的方法形成直徑約為17.5mm(0.689英寸)的燒結制品，除了測得生坯的總質量約為47克而不是27克，測得的生坯直徑約為21mm(0.827英寸)。此外，用于形成本實施例的生坯的壓實荷載約為37，365N(8400lbs)而不是31，138N(7000lbs)。
和在實施例I中一樣，為了對比，制備了僅由第一種粉末混合物構成的和僅由第二種粉末混合物構成的控制試樣。以類似于實施例1的方法表征本實施例所得的制品。表V總結了結合形成生坯并最后形成致密的制品的第一種粉末混合物和第二種粉末混合物的重量百分數、第一種粉末混合物區域的尺寸、濕化學分析的結果、硬度測量的結果、磁性能測量的結果。因此，本實施例(在其它事項中)說明了設計用本發明的方法制備的制品的第一個區域和第二個區域的粘結劑含量的方法。
權利要求
1.一種制備復合材料坯體的方法，包括(a)提供至少兩種粉末混合物，包括第一種粉末混合物和至少一種另外的粉末混合物，第一種粉末混合物包括具有預定顆粒尺寸的第一種陶瓷組分和預定含量的第一種粘結劑；所說的至少一種另外的粉末混合物包括具有小于第一種粉末混合物的預定顆粒尺寸的顆粒尺寸的第二種陶瓷組分和基本與第一種粉末混合物的預定含量相同的第二種粘結劑；(b)并排放置所說的第一種粉末混合物和至少一種另外的粉末混合物，從而在所說的至少兩種粉末混合物之間至少形成一個至少部分接觸的界面；(c)把所說的并排放置的至少兩種粉末混合物加熱到足以使其部分致密化并自動結合所說的至少兩種粉末混合物的溫度，從而形成復合材料坯體，包括至少兩個至少部分自動結合的區域，所說的至少兩個區域至少有一個不同的性質。
2.根據權利要求1的方法，其中，所說的陶瓷組分包括硼化物、碳化物、氮化物、氧化物、硅化物、其混合物、其固溶體及其組合中的至少一種。
3.根據權利要求2的方法，其中，所說的至少一種硼化物、碳化物、氮化物、氧化物、硅化物、其混合物、其固溶體及其組合中的金屬包括IUPAC的第2、3、4、5、6、7、8、9、10、11、12、13和14族中的一種或多種元素。
4.根據權利要求1的方法，其中，所說的陶瓷組分包括IUPAC的第3、4、5和6族中的一種或多種金屬的至少一種碳化物。
5.根據權利要求4的方法，其中，所說的至少一種碳化物包括Ti、Zr、Hf、V、Nb、Ta、Cr、Mo和W中的一種或多種的至少一種碳化物。
6.根據權利要求5的方法，其中，所說的至少一種碳化物包括碳化鎢。
7.根據權利要求1的方法，其中，所說的預選的顆粒尺寸范圍約為亞微米級～420微米。
8.根據權利要求7的方法，其中，所說的預選的顆粒尺寸范圍約為亞微米級～30微米，可能具有在約40微米數量級上的顆粒的離散。
9.根據權利要求8的方法，其中，所說的預選的顆粒尺寸范圍約為1～30微米，可能具有在約40微米數量級上的顆粒的離散。
10.根據權利要求1的方法，其中，所說的第一種粉末混合物和所說的至少一種另外的粉末混合物的所說的粘結劑包括IUPAC的第8、9、10族的一種或多種金屬、其混合物、其合金及其組合。
11.根據權利要求10的方法，其中，所說的粘結劑包括鐵、鎳、鈷、其混合物、其合金的一種或多種。
12.根據權利要求11的方法，其中，所說的粘結劑基本由鈷或其合金構成。
13.根據權利要求1的方法，其中，所說的并排放置包括通過壓制、泥漿澆注、粉漿澆注、流延、注模、擠壓及其組合中的至少一種方法成形生坯。
14.根據權利要求13的方法，其中，通過壓制成形所說的生坯。
15.根據權利要求1的方法，其中，在至少一部分在所說的溫度下進行所說的至少部分致密化的過程中，所說的兩種粉末混合物至少部分承受壓力。
16.根據權利要求1的方法，其中，第一種粘結劑的預選量約為2wt％-25wt％。
17.根據權利要求16的方法，其中，粘結劑的預選量約為5～15wt％。
18.根據權利要求17的方法，其中，粘結劑的預選量約為8～10wt％。
19.根據權利要求1的方法，其中，第一種粉末混合物的陶瓷組分的平均顆粒尺寸與所說的至少一種另外的粉末混合物的陶瓷組分的平均顆粒尺寸的比值約為1.5-12。
20.根據權利要求19的方法，其中，第一種粉末混合物的陶瓷組分的顆粒尺寸與所說的至少一種另外的粉末混合物的陶瓷組分的平均顆粒尺寸的比值約為2～3。
21.根據權利要求1的方法，其中，在所說的至少兩種粉末混合物之間的至少一個部分的界面至少與生坯的一個表面相交。
22.根據權利要求1的方法，其中，在并排放置過程中，把至少一部分所說的至少兩種粉末混合物成形成預定的幾何形狀。
23.一種制品，包括(a)第一個區域，包括具有較粗平均顆粒尺寸的第一種陶瓷組分和第一種粘結劑，(b)至少一個另外的區域，包括第二種陶瓷組分和第二種粘結劑，其中，第二種陶瓷組分的平均顆粒尺寸小于第一個區域的陶瓷組分的平均顆粒尺寸，所說的至少一個另外的區域的第二種粘結劑含量大于第一個區域的第一種粘結劑含量，第一個區域和所說的至少一個另外的區域至少部分共用至少一個自動形成的界面。
24.根據權利要求23的制品，還包括至少一個表面，該表面至少部分包括所說的第一個區域和所說的至少一個另外的區域，并且與所說的至少部分共用的自動形成的界面至少部分相交。
25.根據權利要求23的制品，其中，所說的第一種和第二種陶瓷組分包括硼化物、碳化物、氮化物、氧化物、硅化物、其混合物、其溶液、及其組合的至少一種。
26.根據權利要求25的制品，其中，所說的至少一種硼化物、碳化物、氮化物、氧化物、硅化物、其混合物、其固溶體、及其組合中的金屬包括IUPAC的第2、3、4、5、6、7、8、9、10、11、12、13、和14族中的一種或多種金屬。
27.根據權利要求25的制品，其中，所說的第一種和第二種陶瓷組分包括IUPAC的第3、4、5和6的一種或多種金屬的至少一種碳化物。
28.根據權利要求27的制品，其中，所說的至少一種碳化物包括Ti、Zr、Hf、V、Nb、Ta、Cr、Mo和W中的一種或多種的至少一種碳化物。
29.根據權利要求28的制品，其中，所說的至少一種碳化物是碳化鎢。
30.根據權利要求23的制品，其中，所說的第一部分區域的第一種陶瓷組分顆粒尺寸范圍約為亞微米級～420微米。
31.根據權利要求30的制品，其中，所說的第一部分的第一種陶瓷組分顆粒尺寸范圍約為亞微米級～30微米，可能具有在約40微米數量級上的顆粒尺寸的離散。
32.根據權利要求31的制品，其中，所說的第一部分的第一種陶瓷組分顆粒尺寸范圍約為1為～30微米，可能具有在約40微米數量級上的顆粒尺寸的離散。
33.根據權利要求23的制品，其中，所說的粘結劑包括IUPAC的第8、9、10族的一種或多種金屬、其混合物、及其合金。
34.根據權利要求33的制品，其中，所說的粘結劑包括鐵、鎳、鈷、其混合物、其合金中的一種或多種。
35.根據權利要求34的制品，其中，所說的粘結劑基本由鈷或其合金組成。
36.根據權利要求3 5的制品，其中，所說的第一個區域的第一種粘結劑具有約為0.5～2.5微米的平均自由程。
37.根據權利要求36的制品，其中，所說的至少一個另外的區域的粘結劑具有約為0.5-1.5微米的平均自由程。
38.根據權利要求37的制品，其中，所說的至少一個另外的區域的粘結劑具有約為0.8微米的平均自由程。
39.根據權利要求23的制品，其中，所說的粘結劑含量約為2～25wt％。
40.根據權利要求39的制品，其中，所說的粘結劑量約為5～15wt％。
41.根據權利要求40的制品，其中，所說的粘結劑量約為8～10wt％。
42.根據權利要求23的制品，其中，所說的第一個區域的第一種陶瓷組分平均顆粒尺寸與所說的至少一個另外的區域的第二種陶瓷組分平均顆粒尺寸的比值約為1.5-12。
43.根據權利要求42的制品，其中，所說的第一個區域的第一種陶瓷組分平均顆粒尺寸與所說的至少一個另外的區域的第二種陶瓷組分平均顆粒尺寸的比值約為2.0-3.0。
44.一種制品的使用方法，包括(a)所說的制品的第一個區域的至少一部分與一種材料接觸；(b)所說的制品的至少一個另外的區域的至少一部分與一種材料接觸；(c)至少表面切割一部分所說的材料；(d)至少磨損制品的第一個區域的一部分；(e)至少磨損制品的所說的至少一個另外的區域的一部分到與第一個區域的所說的至少一部分相同的程度；(f)連續進行步驟(a)到(d)，從而相對于僅由一個區域組成的以前技術的制品延長所說的制品的使用壽命，其中至少一部分所說的制品包括至少兩個區域，所說的至少兩個區域至少有一個性質不同，其中，所說的第一個區域包括第一種陶瓷組分和第一種粘結劑，所說的至少一個另外的區域包括第二種陶瓷組分和第二種粘結劑，第二種陶瓷組分的顆粒尺寸小于第一個區域的第一種陶瓷組分的顆粒尺寸。
45.根據權利要求44的方法，其中，所說的材料包括一種礦石或礦物，所說的制品包括圓錐鉆。
46.根據權利要求44的方法，其中，所說的材料包括混凝土或其它人造材料，所說的制品包括圓錐鉆。
47.根據權利要求44的方法，其中，所說的制品包括帶有金屬陶瓷刀具的農用工具、圓盤刀片、樹樁切割機或研磨機、犁地工具、泥土處理工具、采礦挖掘或切割工具、泥土鉆、礦石或巖石鉆、粉碎機械、帶有或沒有涂層或切屑控制設計的切削刀具。
48.根據權利要求44的方法，其中，所說的材料包括天然材料、合成材料及其組合的至少一種。
49.根據權利要求47的方法，其中，所說的制品包括圓錐鉆。
50.用于挖掘的刀片，包括具有徑向向外延伸，而沿縱向軸x-x向后延伸的表面的前部；與工具本體連接的后部；所說的后部沿縱向軸x-x與所說的前部相連并位于所說的前部的后面；第一種金屬陶瓷組合物；第二種金屬陶瓷組合物；其中，所說的第一種金屬陶瓷組合物具有第一種陶瓷組分顆粒尺寸和第一種粘結劑含量；其中所說的第二種金屬陶瓷組合物具有第二種陶瓷組分顆粒尺寸和第二種粘結劑含量；其中所說的第一種粘結劑含量小于所說的第二種粘結劑含量，所說的第一種顆粒尺寸大于第二種顆粒尺寸；其中所說的第一種金屬陶瓷組合物位于徑向的內部，并且自動形成與第二種金屬陶瓷組合物的金相結合；其中在用于所說的挖掘過程中，第一種金屬陶瓷組合物比所說的第二種金屬陶瓷組合物更耐磨。
51.根據權利要求50的刀片，其中，所說的第一種金屬陶瓷組合物具有第一個向前的部分，所說的第二種金屬陶瓷組合物具有第二個向前的部分，其中所說的第一個向前的部分延伸到第二個向前的部分之外。
52.根據權利要求50的刀片，其中，所說的所說的第一種金屬陶瓷組合物具有第一種硬度，所說的第二種金屬陶瓷組合物具有第二種硬度，其中，所說的第二種硬度大于所說的第一種硬度。
53.根據權利要求51的刀片，其中，所說的第一種金屬陶瓷組合物具有第一種硬度，所說的第二種金屬陶瓷組合物具有第二種硬度，其中所說的第二種硬度大于所說的第一種硬度。
54.根據權利要求50的刀片，其中，所說的第一種金屬陶瓷基本由碳化鎢組成，所說的第一種粘結劑選自由鈷和鈷合金組成的組中，其中，所說的第二種膠結碳化物組合物基本由碳化鎢組成，所說的第二種粘結劑選自由鈷和鈷合金組成的組中。
55.根據權利要求50的刀片，其中，所說的第一種和所說的第二種金屬陶瓷組合物含有0體積百分數的η相。
56.根據權利要求54的刀片，其中，所說的第一種金屬陶瓷組合物含有約3～15wt％的鈷，所說的第二種金屬陶瓷組合物含有約5～25wt％的鈷。
57.根據權利要求54的金屬陶瓷刀片，其中，所說的第一種金屬陶瓷組合物含有約5～10wt％的鈷，所說的第二種金屬陶瓷組合物含有約8～15wt％的鈷。
58.根據權利要求50的刀片，其中，所說的第一種陶瓷組分的顆粒尺寸約為亞微米級～30微米，可能具有在約40微米數量級上的顆粒尺寸的離散。
59.根據權利要求58的刀片，其中，所說的第一種陶瓷組分的顆粒尺寸約為5～10微米。
60.一種膠結碳化物部件的制造方法，包括生產一種生坯，含有第一種粉末混合物和第二種粉末混合物，通過壓制并排放置的所說的第一種粉末混合物和所說的第二種粉末混合物，把第二種粉末混合物與所說的第一種粉末混合物隔開；所說的第一種粉末混合物包括第一種顆粒尺寸的碳化物顆粒和第一種粘結劑；所說的第二種粉末混合物包括第二種顆粒尺寸的碳化物顆粒和第二種粘結劑；通過液相燒結使所說的生坯致密化，并使至少一部分所說的第一種粘結劑遷移到所說的第二種粘結劑中，從而增加在所說的第二種粉末混合物中的粘結劑的濃度得到較高的粘結劑濃度；其中所說的第一種顆粒尺寸大于所說的第二種顆粒尺寸。
61.利用一種材料形式從而是這樣的利用產生磨損切削的工具，所說的工具包括具有相對的前端和后端的延長的工具本體；固定在所說的工具本體的前端上的硬質刀片，所說的硬質刀片包括(a)第一個區域，含有具有較粗的平均顆粒尺寸的第一種陶瓷組分和第一種粘結劑粘結劑；(b)至少一個另外的區域，含有第二種陶瓷組分和第二種粘結劑，其中第二種陶瓷組分的平均顆粒尺寸小于第一個區域的陶瓷組分的平均顆粒尺寸，所說的至少一個另外的區域的第二種粘結劑含量大于第一個區域的第一種粘結劑含量，第一個區域和所說的至少一個另外的區域至少部分共用至少一個自動形成的界面。
62.根據權利要求62的工具，還包括至少一個表面，該表面至少部分由所說的第一個區域和所說的至少一個另外的區域構成，并且與所說的至少部分共用的自動形成的界面至少部分相交。
63.根據權利要求62的工具，其中所述的硬質刀片還可自磨削。
64.根據權利要求62的工具，其中，所說的第一種陶瓷組分基本由碳化鎢組成，所說的第一種粘結劑選自由鈷和鈷合金組成的組中，其中，所說的第二種陶瓷組分基本由碳化鎢組成，所說的第二種粘結劑選自由鈷和鈷合金組成的組中。
全文摘要
討論了由金屬陶瓷,優選的是膠結碳化物,更優選的是碳化鎢,構成的制品,其制造方法和使用方法,這種制品至少有兩個區域,所說的兩個區域至少有一個性質不同。優選的是,所說的金屬陶瓷還表現出均勻的或控制的磨損以賦予制品自銳化性能。該多區域金屬陶瓷在磨損應用中特別有用。通過并排放置并致密化具有不同性質(例如,不同的碳化鎢顆粒尺寸、或不同的碳化鎢化學組成、或不同的粘結劑含量、或不同的粘結劑化學組成、或者上述的任意組合)的至少兩種粉末混合物制備這種金屬陶瓷。優選的是,所說的金屬陶瓷的第一個區域包括具有較粗顆粒尺寸的第一種陶瓷組分和預定含量的粘結劑,第二個區域,與第一個區域并置或鄰接,包括第二種陶瓷組分,優選的是碳化物,具有小于第一個區域的顆粒尺寸的顆粒尺寸,大于第一個區域的粘結劑含量的第二種粘結劑含量,或者同時具備這兩者。相對于用于磨損這樣的應用中的整體金屬陶瓷的使用壽命來說,這些制品具有較長的使用壽命。本發明的多區域金屬陶瓷可以用于構成材料處理或切除的工具的制品,例如,包括,采礦、構造、農業和金屬切割。
文檔編號E21B10/46GK1171068SQ95197006
公開日1998年1月21日 申請日期1995年10月30日 優先權日1994年12月23日
發明者T·R·瑪薩, J·S·范吉克, E·V·果雷 申請人:鈷碳化鎢硬質合金公司