烧结体硼化的方法和用于冷成型操作的工具及具有硼化烧结体的中空耐磨零件技术

耐磨烧结体(12，70)由无粘结相碳化物、金属陶瓷或硬质合金例如WC、W2C和/或η相制成，具有小于6.0μm的晶粒尺寸和小于6％的粘结相(例如Co‑Ni‑Fe)。用产硼方法对所述烧结体(12，70)的至少一些工作面(42，86)进行表面处理(130)，所述产硼方法包括施加(132)具有硼或铝含量的低粘度液体介质，并且在低于大气压的压力下或含氢气的气氛下在1200℃至1450℃下加热(134)以形成处理过的工作面(42，86)的硬度增加至少50至200HV5的硬度梯度以及使得所述硼化烧结体的工作面更坚韧的在表面区域中的有利的压缩应力。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】烧结体硼化的方法和用于冷成型操作的工具及具有硼化烧结体的中空耐磨零件
和工业实用性本公开内容总体上涉及无粘结相碳化物(BC)、金属陶瓷或硬质合金(CC)的耐磨烧结体，其中所述烧结体主要由具有超细晶粒尺寸和低粘结相含量的硬质相组成。对烧结体进行硼处理以在主体的特定体积中获得功能梯度特性。烧结体的功能梯度特性增加了硬度，在表面中产生了有利的压缩应力，并且改善了烧结体的抗侵蚀性和耐磨性。本公开内容还涉及对耐磨烧结体进行硼处理以在主体的特定体积中获得功能梯度特性的方法。
技术介绍
在下面的讨论中，参考了特定结构和/或方法。然而，以下参考不应被解释为承认这些结构和/或方法构成现有技术。申请人明确保留了证明此类结构和/或方法不具有本专利技术现有技术的资格的权利。硬质合金、金属陶瓷和无粘结相碳化物用于要求高硬度和高耐磨性的应用中。这些硬质材料的典型应用包括密封件、轴承、冷镦模具、研磨液喷嘴和冷成型工具(例如拉丝模具)。先前已经描述了几种对硬质合金(CC)表面进行硼化的方法，所述方法包括：用具有硼材料、活化剂和填料的组成的糊料覆盖硬质合金表面以维持硼化的表面；在压实硬质合金粉末的烧结期间在硬质合金的微结构中形成和分布一种η相(包含钨(W)、硼(B)、碳(C)、钴(Co)和/或镍(Ni)的第三四元相)；以及通过使用含硼气体或产硼材料与填料一起在硬质合金基底上形成硼化物层。与硬质合金材料和用硼化处理来制造此类硬质合金材料的方法相关的信息可以在美国专利号6,464,748；美国专利号5,948,523；和美国专利申请公开号2015/0307980中找到，所述专利中每一者的公开内容以引用方式并入本文。然而，尽管目前对硼化有所了解，但是由于应用现有硼化技术(诸如硼糊料)的困难，以及在小直径(特别是1-2mm以下的直径)的开口、通道或孔中获得有效硼扩散反应的能力，对拉模、喷嘴的磨损表面和其它小尺寸或难以接近的表面进行硼化仍存在问题。
技术实现思路
总体而言，本公开内容涉及一种耐磨烧结体(例如，拉模模坯(nib)或喷嘴)。所述烧结体由无粘结相碳化物、金属陶瓷或硬质合金制成，主要具有晶粒尺寸超细且粘结相含量低的硬质相。所述烧结体包含晶粒尺寸小于6.0μm的WC和/或W2C和/或η相。在一些实施方式中，所述烧结体包含少于6％的粘结相(例如，Co-Ni-Fe)。所述烧结体包含用产硼方法(即硼化)处理的表面，所述方法包括具有例如氮化硼和表面活性剂的低粘度液体介质。所述液体介质的粘度足以以受控的方式施加足够的硼化剂，同时还能够施加到用常规手段难以到达的区域(例如，施加到孔直径低至0.2mm以下的、拉模模坯的孔表面或用于水射流切割设备的喷嘴的内径表面上)。所述产硼方法包括在施加低粘度液体介质之后的高温热处理。硼化表面形成硬度增加至少50至200HV5(或至少100至150HV5)的硬度梯度、以及在表面区域中的有利的压缩应力，这使得硼化的拉模或喷嘴的内径表面更坚韧。现已表明，粘结相消耗区从工作面的至少一部分向内延伸到一定深度，并且能够通过使用产硼材料、溶剂和表面活性剂的低粘度液体介质在各种主体和工具的孔(诸如具有低粘结相含量(例如，小于6重量％粘结相)的超细WC材料(例如，直径小于或等于0.5μm的晶粒尺寸)或无粘结相碳化物的拉模模坯、以及水射流切割设备的喷嘴中的孔或通道)中形成硬度梯度。如本文所公开的，有可能拉模或喷嘴能够最小化或完全避免源自硼化烧结零件内的低粘度液体介质的残留物，这使得对直径低至0.2mm以下的孔和通道、喷嘴和拉模模坯进行硼化成为可能。而且，通过在例如拉模或喷嘴的孔中使用含硼的低粘度液体介质，能够在此类硼化局部区域中获得硬度梯度。所述工序还最大限度地减少了η相的形成，这使得在硼化工序之后能够保持对拉模或喷嘴的尺寸和形状的良好控制。在硼化表面中形成的硬度梯度在表面区域中具有高硬度和有利的压缩应力，这使得例如硼化的拉模和喷嘴的内径表面更坚韧。本文所公开的实施方式包括硬质合金烧结体，所述硬质合金烧结体包含将上表面与下表面连接的外表面、以及限定从上表面延伸穿过硬质合金烧结体到达下表面的孔的内表面。所述硬质合金烧结体具有包含以下项的组成：(i)WC和W2C中的至少一种、(ii)金属碳化物、金属碳氮化物或金属氧碳氮化物的硬质相、和(iii)粘结相。所述内表面包含工作面，并且所述硬质合金烧结体包含从所述工作面的至少一部分向内延伸至一定深度的粘结相消耗区，其中在所述粘结相消耗区中的粘结相的量为小于2.5重量％，并且其中所述粘结相消耗区具有包含晶粒尺寸小于6.0μm的η相的微结构。本文所公开的实施方式还包括制造硬质合金烧结体的方法，所述硬质合金烧结体具有从工作面向内延伸至一定深度的粘结相消耗区。所述方法包括将硬质合金体烧结和用产硼方法处理所述工作面的至少一部分，所述产硼方法包括以下步骤：(a)施加包含硼或含硼材料、溶剂和表面活性剂的组合物，以及(b)在低于大气压的压力下或在含氢气的气氛中加热至在1200℃至1450℃(优选在1400℃至1420℃)的范围内的温度。所述硬质合金烧结体具有包含以下项的组成：(i)WC和W2C中的至少一种、(ii)金属碳化物、金属碳氮化物或金属氧碳氮化物的硬质相、和(iii)粘结相。所述硬质合金烧结体包含限定了从上表面延伸穿过硬质合金烧结体到达下表面的孔的内表面，其中所述内表面包含工作面，并且所述产硼方法产生出从用产硼方法处理的工作面的所述至少一部分向内延伸至一定深度的粘结相消耗区，其中在所述粘结相消耗区中的粘结相的量为小于2.5重量％，并且其中所述粘结相消耗区具有包含晶粒尺寸小于6.0μm的η相的微结构。在一些实施方式中，所述方法任选地包括在用所述产硼方法处理之前对所述硬质合金烧结体的所述工作面的至少所述部分进行表面精加工。所述硬质合金烧结体和产生粘结相消耗区的方法能够用于制造冷成型工具，诸如用于拉丝的模坯和水射流切割设备的喷嘴。在实验上，已对几种由孔直径小于3mm的不同等级的硬质合金制成的拉模和由孔尺寸为约1mm的无粘结相碳化物或硬质合金制成的水射流喷嘴进行硼化以用于研究和试验。用包含硼化合物、溶剂和表面活性剂的低粘度液体介质进行表面处理，其中所述低粘度液体介质在真空中于1410℃下热处理期间被施加到此类烧结零件的工作面上并且进行硼化。附图说明当结合附图阅读时，可以更好地理解前述
技术实现思路
以及以下对实施方式的详细描述。应当理解，所描绘的实施方式不限于所示的精确布置和手段。图1A和1B示出了常规拉模模坯的实例(图1A)和用于例如水射流切割设备的常规喷嘴的实例。图2A示出了包含碳化钨的拉模或安装在支撑壳体中的其它硬质金属嵌件(也称为模坯)的横截面。图2B示出了示例性模坯的一部分(包括模坯中孔的几个不同表面部分)的横截面。图2C示出了包含碳化钨的水射流切割器或其它硬质金属喷嘴的横截面。图3概述了制造具有从工作面向内延伸至一定深度的粘结相消耗区的硬质合金烧结体的方法。图4是六个样品(样品A至F)的放大1本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种硬质合金烧结体(12，70)，包含：/n将上表面(16，82)与下表面(20，84)连接的外表面(22，80)；和/n限定从上表面(18，82)延伸穿过硬质合金烧结体(12，70)到达下表面(20，84)的孔(16，72)的内表面，/n其中所述孔(16，72)包含工作面(42，86)，/n其中所述硬质合金烧结体(12，70)具有包含以下项的组成：(i)WC和W2C中的至少一种，(ii)金属碳化物、金属碳氮化物或金属氧碳氮化物的硬质相，和(iii)粘结相，/n其中所述硬质合金烧结体包含从所述工作面的至少一部分向内延伸至一定深度的粘结相消耗区，/n其中所述粘结相消耗区中粘结相的量为小于2.5重量％，并且/n其中所述粘结相消耗区具有包含晶粒尺寸为小于6.0μm的η相的微结构。/n

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】1.一种硬质合金烧结体(12，70)，包含：
将上表面(16，82)与下表面(20，84)连接的外表面(22，80)；和
限定从上表面(18，82)延伸穿过硬质合金烧结体(12，70)到达下表面(20，84)的孔(16，72)的内表面，
其中所述孔(16，72)包含工作面(42，86)，
其中所述硬质合金烧结体(12，70)具有包含以下项的组成：(i)WC和W2C中的至少一种，(ii)金属碳化物、金属碳氮化物或金属氧碳氮化物的硬质相，和(iii)粘结相，
其中所述硬质合金烧结体包含从所述工作面的至少一部分向内延伸至一定深度的粘结相消耗区，
其中所述粘结相消耗区中粘结相的量为小于2.5重量％，并且
其中所述粘结相消耗区具有包含晶粒尺寸为小于6.0μm的η相的微结构。


2.根据权利要求1所述的硬质合金烧结体，其中所述粘结相消耗区具有硬度梯度，其中所述工作面处的硬度(使用维氏硬度5(HV5)测量)比所述深度处的硬度(使用维氏硬度5(HV5)测量)大至少100HV5，优选大100至500HV5，更优选大100至200HV5。


3.根据权利要求1所述的硬质合金烧结体，其中所述粘结相消耗区在所述工作面处的硬度(使用维氏硬度5(HV5)测量)为1400至2300HV5。


4.根据权利要求1-3中任一项所述的硬质合金烧结体，其中所述深度为至多25μm。


5.根据权利要求1-4中任一项所述的硬质合金烧结体，其中所述硬质合金烧结体的磁饱和度相对于没有所述粘结相消耗区的硬质合金烧结体的磁饱和度而言降低。


6.根据权利要求1-5中任一项所述的硬质合金烧结体，其中所述硬质合金烧结体中的粘结相为小于或等于6重量％。


7.根据权利要求1-6中任一项所述的硬质合金烧结体，其中所述粘结相包含铁族金属。


8.根据权利要求1-6中任一项所述的硬质合金烧结体，其中所述粘结相包含钴、镍和铁中的至少一种。


9.根据权利要求1-8中任一项所述的硬质合金烧结体，其中所述硬质相的平均晶粒尺寸直径为小于0.5μm。


10.一种冷成型工具，包含根据权利要求1-9中任一项所述的硬质合金烧结体。


11.根据权利要求10所述的冷成型工具，其中所述冷成型工具是用于拉丝的模坯(12)。


12.根据权利要求11所述的冷成型工具，其中所述工作面(42)的所述至少一部分在拉丝操作期间接触通过所述模坯(12)拉延的丝。


13.根据权利要求11所述的冷成型工具，其中所述工作面(42)的所述至少一部分是支承表面(38)和接近角表面(36)中的一者或多者。


14.一种喷嘴(70)，包含根据权利要求1-9中任一项所述的硬质合金烧结体。


15.一种水射流切割器，包含根据权利要求14所述的喷嘴(70)。


16.根据权利要求15所述的水射流切割器，其中所...

【专利技术属性】
技术研发人员：斯特凡·斯文奥洛夫·埃德吕德，
申请(专利权)人：瑞典海博恩材料与技术有限公司，
类型：发明
国别省市：瑞典;SE