固结坚韧涂覆的硬质粉体的方法技术

本发明专利技术涉及一种通过液相烧结法将颗粒材料固结成具有常规方法不可获得的性能组合的制品的方法。这些颗粒材料由核心微粒组成，这些核心微粒单独地涂覆有断裂韧性相对高于核心的金属化合物层（如ＷＣ或ＴａＣ）。这些涂覆的微粒包括含有金属如Ｃｏ或Ｎｉ的外层。将具有这些涂层的微粒压制形成制品，并且在其中达到全密度且不会降解形成核心微粒的材料的压力和温度下压实该制品。（*该技术在2024年保护过期，可自由使用*）

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】
本专利技术公开了一种在低压力或无压力下将坚韧涂覆的硬质粉体(Tough-Coated Hard Powders)(TCHP)固结(consolidate)为基本上全密度的方法，和使用该方法固结的制品。该方法是一种制备TCHP材料烧结体的成本有效的方法，其基于液相烧结，由此提供了高于传统硬制品和本领域目前已知的工具材料的增值。
技术介绍
烧结可以定义为出于将微粒结合在一起形成固体制品的目的而对粉体或坯块(compact)进行的热处理。在一些其中粉体由至少两种具有不同熔点的截然不同材料的混合物组成的应用中，将粉体混合物压实为多孔(“未烧结的(green)”)坯体。在高于最低熔融组份熔点的温度下加热该坯体，并且液化一部分压实的松散粉体混合物。将该坯体保持在烧结温度下预定时间之后，使材料冷却且液体将该坯体凝固和“粘接(cement)”为致密的有用结构。该体系的实例为铜/锡、铁/铜、和碳化钨/钴。在该方法中，压实体的致密化作用在液体相存在下进行，并且该烧结方法称为“液相烧结法(LPS)”。一些体系中，特别是固结“硬质金属”如碳化钨与其它陶瓷微粒时，LPS有时被称为常规烧结。在LPS方法中，有益的是在烧结温度下存在某一最小量的液相以确保粘结剂相的转移，由此实现均匀分布和致密化作用。通常也有益的是限制液相的存在量，由此避免部件变形和晶粒生长。该液化作用例如能使得增大物质转移、微粒重排、形成骨架结构、和致密化作用。通常认为，这是通过在外部不规则物被液化时聚拢这些微粒、和通过这些液体的迁移以填充空隙而实现的。冷却时，发生重结晶且经常发生晶粒生长。由于结构的致密化作用可以降低作为全部体积百分比的孔隙率。致密化作用的速率可以受例如烧结温度、烧结时间、烧结压力、烧结气氛、和存在的粘结剂组份重量份数的影响。通常在范围为1325℃～1475℃的烧结温度下，进行常规硬质金属如碳化钨-钴(WC-Co)坯块的液相烧结。当烧结WC-Co硬质金属期间加热WC-Co坯块时，钴将在约700℃下开始表现为类似于非常粘的液体，并且扩散将随着温度的增加而增加，同时Co粘度相应降低。认为Co金属类似于油脂的行为和粘度产生了毛细管吸引力，导致Co强烈倾向于润湿尽可能多的WC表面。这引起WC微粒的重排，并且即使在形成了第一液相之前该复合材料也会开始收缩。在1275℃下，钴粘结剂金属开始溶解WC微粒，并且三元共熔反应开始形成Co-W-C合金。当温度继续升高时，增大的表面润湿、液化作用、和毛细管力导致连续的微粒重排和粉体材料收缩，由此形成期望的制品形状，同时晶界在WC晶粒与Co粘结剂相之间的界面移动。在烧结部件中的高密度、均匀性、和WC化学计量是对WC-Co微结构完整性和强度的基本要求。在提供WC-Co材料的结构韧性方面，同样重要的是液相烧结期间确保适当的局部碳平衡，其消除了脆性贫碳Co3W3Cθ相的形成和因过多碳导致的碳孔隙。可以通过选择适当的烧结温度和压力来实现消除微结构中破坏强度的孔隙和晶粒生长。例如，温度必须高到足以液化足够量的材料，以实现填充微粒之间孔隙所必须的传质；同时保持温度低到足以避免引起晶粒生长的WC过度溶解。在毛细管力不足以提供接近于理论密度的致密化作用时，可以施加外部压力。常规烧结中，通常将少量(3～18wt％)钴与WC混合。钴粘结剂在致密化作用中起作用，并且期望其均匀分布，由此实现WC-Co微结构的均匀性。通常在烧结的WC-Co部件中发现微结构缺陷。通常原因为直径几乎相等的WC与Co粉固有的不完美混合(即使长时间混合)。期望的是，该方法用恰好使得Co/WC比例在整个混合物内基本上均匀的用量的Co来封装(或者至少结合)每个WC微粒。统计上，几乎不太可能实现这样的结果，因为不能获得足够小的钴纳米微粒与WC微粒均匀共混。其中钴氧化、爆炸性引火反应(pyrophoric)和微粒团聚阻碍了它们的获得性。结果是得到了具有富Co和贫Co区域的WC-Co混合物。液相首先在富Co区域中出现，并且未浸透WC的钴通过(a)消耗附近较小的WC晶体(最小的晶体可能全部被消耗)和(b)通过将未浸透的Co经过长距离移向贫Co区而寻求热动力学平衡，由此溶解越来越多的WC直到达到饱和。因此，需要高于形成液相所必须的温度来液化和转移钴到贫Co区，其中贫Co区需要平衡且需要足够的Co液体来润湿WC微粒。通常采用(a)极长的球磨时间、(b)更高的烧结温度、和(c)更长的烧结时间来抑制这种不均匀Co分布的影响。球磨旨在将大多数WC微粒降低为细微粒，细微粒在加热期间优先被Co溶解。后两种手段有助于扩大粘结剂相和规范烧结期间液体钴的分散，但是它们也增大了WC的溶解。另外，一些Co将沿它们的晶界渗入WC微粒，因为WC/WC界面能高于(更大正量)WC/Co的界面能，至少只要存在界面角几乎垂直于界面的晶界。冷却时，饱和的WC-Co溶液沉淀WC、优选地成核和重结晶WC到交界上，剩下较大的未溶解的WC晶体，当进行固结时形成不期望的奥斯特瓦尔德熟化(Ostwald ripening)(晶粒生长)现象。该晶粒生长进行直到温度降低到低于1275℃(Co-W-C体系的三元共熔体)。图1显示了伪二元的WC-Co相图。对于WC-Co材料来说通常烧结密度几乎为100％。因此，增大烧结温度有助于粘结剂移动，但是也导致过多的WC溶解，引起不期望的晶粒生长。必须小心地权衡烧结温度和烧结时间之间的折衷。最大温度必须高到足以液化足以实现填充微粒之间空隙所必须的传质(平衡结构强度)；同时尝试避免过高温度持续过长时间以至于无法避免晶粒生长(其也降低结构强度)。由于对于高质量硬质金属微结构来说控制烧结温度是一个主要方面，因此已采用了替代的烧结技术。这些技术包括研究缩减烧结时间(例如微波烧结)和使用气体压力(例如热压、热等静压制(hot isostatic pressing)、和Ceracon and Roc-Tec烧结-锻造方法)，由此实现较低温度下的固结。固结常规硬质金属中使用的另一方法是，增加粘结剂如钴的重量份数。其范围可以为18-25wt％。这样不仅增大了液体的存在量，而且可以具有增加结构韧性的有益效果。但是，该方法也存在两种显著的缺陷，且因此通常要避免。首先，增加粘结剂重量百分比减少了结构中WC(耐磨相)的重量百分比，并且因此降低了耐磨性。其次，增加粘结剂量也溶解了更多的WC，显著导致冷却期间的晶粒生长。另外，过去七十年里仅有的改进常规碳化物耐磨性(同时保持WC-Co基质的高断裂韧性)的方法为(a)不断改进和提高常规粉体和固结处理方法，(b)添加薄的耐磨涂层，和(c)在WC-Co基质上层合更硬的材料。改进常规WC-Co微结构为时间、温度、粒径、和其它产品与工艺参数的精确平衡。过去五十年里已通过更好的烧结温度控制和使用更高纯度、高均匀的WC与Co原料粉体实现了常规碳化物的不断改进。由于过去三十年里引入了外涂层，在具有WC-Co韧性的材料耐磨性方面的改进几乎已减慢到停止。虽然这些技术已减少了液相烧结常规硬质金属中存在的问题，但是仍然存在对于制备具有一些性质的微粒的方法和由这些微粒形成的制品未满足的需求，该微粒的这些性质使得烧结后整个WC和粘结剂粉体内性质均匀。为了避免前述缺陷，本专利技术提供了通过液相烧本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种形成制品的方法，所述方法包括：提供多个由一种核心微粒材料、或多种不同核心微粒材料组成的核心微粒，所述核心微粒材料选自于：金属与类金属氮化物、金属与类金属碳化物、金属与类金属氮碳化物、金属与类金属硼化物、金属与类金属氧化物、金属与类金属硫化物、金属与类金属硅化物、和金刚石；在大多数所述核心微粒上提供中间层，所述中间层包含第二化合物，该化合物组成不同于所述核心微粒材料且具有相对较高的断裂韧性，所述第二化合物能够与所述核心微粒材料结合并且能够与选自于下列的金属结合：铁、钴、镍、铜、钛、铝、镁、锂、铍、银、金、铂和它们的混合物，由此形成涂覆的微粒；将外层施用到所述涂覆的微粒上，所述外层包含选自于下列的金属：铁、钴、镍、和它们的混合物，由此在所述中间层上形成实质上连续的外层，由此形成组份微粒；将多个所述组份微粒成形为制品；在足以液化至少一部分所述外层的温度下烧结所述制品，并且持续时间足以将至少一部分所述中间层溶解于由所述外层形成的液体中，由此提供达到实质上全密度的有效量的液体，而无需显著的外部固结压力；和在所述液体与所述核心微粒显著的不利相互作用之前，凝固由所述外层与所述中间层形成的液体。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】

【专利技术属性】
技术研发人员：理查德E托特，
申请(专利权)人：阿洛梅特公司，
类型：发明
国别省市：US[美国]