用于接合烧结碳化物的合金及其复合材料制造技术

本发明专利技术的接合合金是基于Ｃｏ、Ｎｉ或其合金，并含有１．０－２．３％（质量）的Ｃ和１５．５－３４．７％（质量）的Ｗ。用ＨＩＰ以铸件或粉末形式的接合合金经扩散接合而与ＷＣ－Ｃｏ或ＷＣ－Ｎｉ型烧结碳化物结合成整体。可以获得烧结碳化物和接合合金的复合材料，并且也可与钢接合。接合合金还含有至多３０％（质量）的Ｆｅ，至多３％（质量）的Ｓｉ和至多３％（质量）的Ｍｎ以及多达１０％（质量）选自Ｃｒ、Ｍｏ、Ｖ、Ｎｂ、Ｔｉ、Ｚｒ和Ｔａ中至少一种。这样可获得具有改进接合强度的结合合金，即使与ＷＣ－Ｃｏ或ＷＣ－Ｎｉ型烧结碳化物接合其中也不会产生脆相，以及其复合材料。（*该技术在2018年保护过期，可自由使用*）

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及用于接合烧结碳化物的合金及其复合材料，所述碳化物可用于耐磨工具或切削工具。含有与结合相相结合的硬粒碳化物、氮化物或类似物的烧结碳化物可用于切削工具、塑料加工工具如轧辊和冲床，和用于土木工程的钻孔工具，以及采矿场合，这是因为它们的硬度高且耐磨。然而，使用烧结碳化物的严重问题在于机械加工困难，所以费用高，并且由于它们的韧性较低，易于损坏，所以它们具有有限的用途。克服这种困难或限制所涉及的途径是钎焊和熔接，以及机械固定，例如烧结碳化物与基体材料螺栓连接或热压配合，由此获得了复合材料，其中所述基体材料如钢价廉且机械加工性能好。机械固定如螺栓连接、热压配合、以及夹紧必须为固定难以机械加工的烧结碳化物进行额外的工作，由形状、和机械加工考虑，最终会造成其用途上不可避免的限制。当使用钎焊材料时，由于钎焊材料、烧结碳化物以及基体材料之间热膨胀系数的不同所产生内应力，往往使钎焊材料或烧结碳化物破裂。使用钎焊材料的另一个问题是它的熔点低于烧结碳化物或基体材料的熔点，所以它产生的复合材料耐热温度低，因此降低了强度。有关使用钎焊材料的这种问题可以通过基体材料经扩散接合直接与烧结碳化物接合而被避免。然而，当例如钢与最有代表性的烧结碳化物之一的WC-Co型烧结碳化物扩散接合时，正如在前述的钎焊情况下，由于巨大热膨胀的差异而产生热应力，所以存在得不到任何优质的接合的问题，并且在扩散层中形成脆性相。在钢与WC-Ni型烧结碳化物接合时，通过扩散接合也得不到任何优质的接合。因此，本专利技术的目的在于提供一种接合合金，该合金即使与WC-Co或WC-Ni型烧结碳化物接合时，也能保证有足够的接合强度而在接合处不形成脆性相。本专利技术另一个目的是提供高可靠性、高强度和高效能的便宜的烧结碳化物的复合材料，该材料包含烧结碳化物-接合合金-钢体系。上述目的通过下面如(1)-(6)所限定的实施方案能够达到。(1)用于与烧结碳化物接合的合金，其特征在于作为合金成分含有1.0-2.3％(质量)的碳和15.5-34.7％(质量)的钨，其余为钴和/镍以及不可避免的杂质。(2)用于与烧结碳化物接合的合金，其特征在于作为合金成分含有1.0-2.3％(质量)的碳，15.5-34.7％(质量)的钨和至多达30％(质量)的铁，其余为钴和/或镍以及不可避免的杂质。(3)按(1)或(2)所述的合金，其特征在于，还含有至多达3％(质量)的硅和至多3％(质量)的锰。(4)按(1)-(3)中任一项所述的合金，其特征在于还含有至多达10％(质量)的选自铬、钼、钒、铌、钛、锆、和钽中的至少一种元素。(5)包含烧结碳化物和接合到所述烧结碳化物的接合合金而形成整体结构的复合材料，其特征在于所述接合合金是按(1)-(4)中任一项所列举的合金。(6)包含烧结碳化物和接合到所述烧结碳化物的接合合金和接合到所述接合合金的钢而形成整体结构的复合材料，其特征在于所述接合合金是按(1)-(4)中任一项所列举的合金。在下文中，参照本专利技术最佳实施方案，对本专利技术作相当详细的说明。根据本专利技术，发现对于主要由硬粒碳化钨或WC和与由钴或Co，镍或Ni、及其合金所组成的结合相相结合而构成的WC-Co或WC-Ni型烧结碳化物来说，当获得没有使合金脆化的η相或游离碳的优质结构是重要的，所以有必要把包括碳或C在内的各合金成分的含量置于严密的控制之下。即，优质烧结碳化物含有硬粒和富有延展性的Co、Ni或诸如此类的结合相(γ)。当硬粒是WC时，结合碳量为6.13％。例如WC-16％Co型烧结碳化物，在6.06-6.3％的结合碳量时，包含WC加γ两相。但是，当结合碳量没有达到6.06％时，则由于η相的形成而使合金变脆。另一方面，在结合碳量超过6.3％时，由于游离碳的形成再次使烧结碳化物脆化。在这里考虑使烧结碳化物与另外的金属在规定的温度下接合的情况。在所述接合温度下，如果与烧结碳化物接合的金属(叫做接合金属)的C电位低于烧结碳化物中结合相(γ)的C电位，则碳从烧结碳化物向接合金属扩散，导致烧结碳化物中结合相的C含量下降。同样地，烧结碳化物中结合相的Co含量的下降，也能促使η相的形成。如果接合金属的C电位高于烧结碳化物的C电位，接合金属和烧结碳化物之间的接合界面，由于在该接合界面处形成游离碳而使其脆化。本专利技术特殊目的在于尽可能地减小接合过程中在接合界面上C和Co或Ni含量的变化，由此获得优质结合。用于本专利技术的术语“烧结碳化物”可理解为包括主要由WC硬粒组成的合金。还可以理解为部分WC可被选自铬或Cr、钼或Mo、钒或V、铌或Nb、钛或Ti、锆或Zr、以及钽或Ta中至少一种元素的碳化物或氮化物所取代。用于本专利技术的术语“烧结碳化物中的结合相”可理解为主要由Co或Ni或其合金所组成的，并且含有形成烧结碳化物中硬粒的元素的量是与结合相中的平衡。为了与本专利技术的烧结碳化物接合，对于合金化学组成的限制将在下面阐明。本专利技术的接合合金经扩散与烧结碳化物接合。在这种情况下，低于1000℃的接合温度是不可取的，因为接合是不能达到的，为了接合必须更长的加热时间和过量的压力。接合温度超过1300℃仍然不可取，因为在其中液相的形成，使烧结碳化物大量变形。在本专利技术中，使用含有1.0-2.3％(质量)的碳和15.5-34.7％(质量)钨，其余为钴和/或镍的接合合金，用作相当于在1000-1300℃的温度下在烧结碳化物中结合相的化学组成的合金，在该温度下它们经扩散接合而能基本上接合在一起。当碳含量没有达到1.0％(质量)或钨含量超过34.7％(质量)时，由于在烧结碳化物和接合合金之间的接合界面上形成η相而使烧结碳化物与接合合金的结合变脆。当碳含量超过2.3％(质量)或钨含量没有达到15.5％(质量)时，烧结碳化物和接合合金的结合仍然变脆，这是由于在它们两者之间的接合界面上形成游离碳的缘故。优选的是，碳和钨的含量按WC当量计算约为1∶15.3-16.5或按WC的含量计算为15-37％(质量)的范围内。为了降低成本，将铁或Fe加到接合合金中。然而，值得注意的是Fe是一种在烧结碳化物和接合合金间的接合界面上易于形成η相的元素。因此优选是Fe含量的上限是30％(质量)，因为Fe含量超过30％(质量)时，烧结碳化物和接合合金间的接合界面脆化。为了合金熔体脱酸，可往接合合金中加入硅或Si，和锰或Mn。用于接合到本专利技术的烧结碳化物的接合合金可利用的不仅是铸件形式，也可以是合金粉末形式。尤其是，Si和Mn的加入对于防止喷雾喷嘴的阻塞问题是非常有效的，喷嘴阻塞是由熔体直接生产合金粉末时经常遇到的。为了获得这一效果而不偏离本专利技术涵义，可往接合合金中加入至多达3％(质量)的硅，和至多达3％(质量)的锰。在接合合金要与之结合的烧结碳化物中的部分WC，可被Cr、Mo、V、Nb、Ti、Zr和Ta中的至少一种元素的碳化物或氮化物取代时，本专利技术的接合合金可含有总量中的至多达10％(质量)的Cr、Mo、V、Nb、Ti、Zr、和Ta中的至少一种。当这些元素的总量超过10％(质量)时。接合合金与烧结碳化物的优质接合由于其脆性而是不能达到的。这就是取代元素(一种或多种)含量上限为10％(质量)的原因。用于接合到本专利技术的烧结碳化物的合金可采用通过常规的熔炼法熔化原料并浇铸所得熔体而本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种用于接合烧结碳化物的合金，作为合金成分含有１．０－２．３％（质量）的碳和１５．５－３４．７％（质量）的钨，其余为钴和／或镍以及不可避免的杂质。

【技术特征摘要】
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【专利技术属性】
技术研发人员：渡边靖，
申请(专利权)人：大同特殊钢株式会社，
类型：发明
国别省市：JP[日本]