專利名稱：包含具有改善的塑性的粘結劑的金屬陶瓷及其制造方法和用途的制作方法
背景
金屬陶瓷是包含硬質組元和粘結劑的復合材料，所述硬質組元可以是或者可以不是三維互連的，所述粘結劑將所述硬質組元連結一起或者粘合起來。傳統金屬陶瓷的一個實例是碳化鎢(WC)金屬陶瓷(WC-金屬陶瓷)，也稱為是鈷結碳化鎢硬質合金和WC-Co。這里，比如對于鈷-鎢-碳合金而言，硬質組元是WC，而粘結劑是鈷(Co粘結劑)。這種Co粘結劑含有約98wt％鈷。
鈷是金屬陶瓷的主要粘結劑。例如，每年世界主要鈷市場的約15％用于制造包括WC-金屬陶瓷在內的硬材料。每年世界主要鈷市場的26％用來制造為先進地航空汽輪發(fā)動機開發(fā)的超級合金-此為鈷被看作是一種戰(zhàn)略性材料的一個因素。高達約45％的世界主要的鈷產量來自于政治不穩(wěn)定地區(qū)。這些因素不僅造成鈷的價格很高，而且也是鈷的價格波動飄忽不定的原因。因此，有必要減少用作金屬陶瓷中的粘結劑的鈷量。
Prakash等在涉及WC-金屬陶瓷的工作中，試圖通過用一種富鐵的鐵-鈷-鎳粘結劑(Fe-Co-Ni粘結劑)代替Co粘結劑來達到這一目的。(參見，例如，L.J.Prakash的博士論文，kernforschungszentrumkarlsruhe，Germany，Institute Fuer Material-und Festkoeperforschung，1980和L.J.Prakash等在1981年第14卷，第255-268頁的Mod.Dev.Powder Metal上發(fā)表的文章“The Influence of The Binder Compositionon the Properties of WC-Fe/Co/Ni cemented carbides”)。根據Prakash等的工作，包含富鐵的Fe-Co-Ni粘結劑的WC-金屬陶瓷通過使所述Fe-Co-Ni粘結劑穩(wěn)定處于體心立方(bcc)結構來進行強化。所述bcc結構通過馬氏體轉變獲得。盡管prakash等的工作主要集中在富鐵的馬氏體粘結劑合金上，但是他們僅公開了一種組成為50wt/％鈷、25wt％鎳和25wt％鐵的Co-Ni-Fe粘結劑。
Guilemany等研究了含有Co粘結劑的WC-金屬陶瓷和含有高含量的其中的Co為富鎳鎳-鐵所替換的Co粘結劑的耐腐蝕性強的WC-金屬陶瓷的機械性能，所述WC-金屬陶瓷通過燒結，之后再采用HIP處理獲得。(參見，例如，Guilemany等的文章“Mechanical-PropertyRelationships of Co/WC and Co-Ni-Fe/WC Hard Metal Alloys，”Int.J.of Refractory & Hard Materials(1993-1994)12，199-206)。
冶金上講，鈷令人感興趣的原因在于其具有同素異構性-即，在高于約417℃的溫度下，純鈷的原子以面心立方(fcc)結構排列，而在低于約417℃的溫度下，純鈷的原子以密排六方(hcp)結構排列。因此，在約417℃，純鈷會發(fā)生同素異構轉變，即所述fcc結構變成hcp結構(fcc→hcp轉變)。合金化的鈷可以通過使所述fcc結構穩(wěn)定來暫時抑制所述fcc→hcp轉變的發(fā)生。例如，已知的是，用鎢和碳合金化的鈷形成Co-W-C合金(Co粘結劑)能暫時穩(wěn)定所述fcc結構。(參見，例如，W.Dawihl等的文章，kobalt 22(1964)16)。然而，眾所周知的是，對Co-W-C合金(Co粘結劑)進行應力和/或應變處理會誘發(fā)fcc→hcp轉變。(參見，例如，U.Schleinkofer等的文章，Materials Science and EngineeringA194(1995)1和Materials Science and Engineering A194(1996)103)。在含有Co粘結劑的WC-金屬陶瓷中，在致密化(例如，真空燒結、壓力燒結。熱等靜壓……等)處理后進行的金屬陶瓷冷卻期間所產生的應力和/或應變會誘發(fā)fcc→hcp轉變。此外，眾所周知的是，對含有Co粘結劑的WC-金屬陶瓷進行循環(huán)加載，例如可導致亞臨界裂紋擴展的循環(huán)加載，會誘發(fā)fcc→hcp轉變。本申請人已經確定，在金屬陶瓷的粘結劑中存在hcp結構有害，因為這會造成粘結劑的脆化。因此，有必要尋找一種粘結劑，該粘結劑的價格不僅便宜并具有成本可預測性，而且不會發(fā)生脆化如局部的fcc→hcp轉變。
出于上述原因，需要一種包含塑性高于所述Co粘結劑的并且能夠廉價生產的粘結劑的金屬陶瓷。
簡述
本申請人已經確定，金屬陶瓷的粘結劑中存在hcp結構有害。所述hcp結構會導致粘結劑的脆化。本申請人已確定了一種包括使用具有較高塑性的粘結劑的方法解決這一問題。本發(fā)明致力于獲得一種包含具有改進的塑性(所述塑性粘結劑具有較低的加工硬化能力)的粘結劑，優(yōu)選包含具有fcc結構的粘結劑的金屬陶瓷，所述粘結劑甚至在高應力和/或應變條件下都穩(wěn)定。本發(fā)明的金屬陶瓷也能滿足對低成本并且具有改善的價格預期性的金屬陶瓷的需求，所述金屬陶瓷包含硬質組元和具有能夠改善所述金屬陶瓷的抗裂性的較佳塑性的粘結劑。盡管相對于可比較的具有Co粘結劑的金屬陶瓷而言，具有塑性粘結劑的金屬陶瓷的硬度可能較低，但是，可以在不犧牲強度和/或韌性的前提下，通過改變硬質組元的晶粒尺寸分布和/或硬質組元的量來調整本發(fā)明金屬陶瓷的總體硬度。優(yōu)選地，增加硬質組元的量以便在不犧牲金屬陶瓷的強度和/或韌性的前提下，提高金屬陶瓷的硬度。本發(fā)明的金屬陶瓷的優(yōu)點之一是與可比較的具有Co粘結劑的金屬陶瓷相比，其具有改善的抗裂性和可靠性，這能歸因于粘結劑的塑性。本發(fā)明的金屬陶瓷的另一個優(yōu)點是相對于可比較的具有Co粘結劑的金屬陶瓷而言，其具有改善的耐腐蝕性和/或抗氧化性。
本發(fā)明的金屬陶瓷包含至少一種硬質組元和一種鈷-鎳-鐵粘結劑(Co-Ni-Fe粘結劑)。所述Co-Ni-Fe粘結劑含有約40-90wt％的鈷，所述粘結劑的余下部分為鎳和鐵以及任選的附帶雜質，其中，鎳含量至少為所述粘結劑的4wt％但不高于36wt％，鐵含量至少為所述粘結劑的4wt％，但不高于36wt％，所述粘結劑中，Ni∶Fe之比值為約1.5∶1-1∶1.5；然而，包含由50wt％鈷，25wt％鎳和25wt％鐵組成的Co-Ni-Fe粘結劑的金屬陶瓷不包括在內。優(yōu)選地，所述Co-Ni-Fe粘結劑基本為面心立方(fcc)晶體結構并且在進行塑性變形時，不會發(fā)生應力或應變誘發(fā)的相變。優(yōu)選地，所述Co-Ni-Fe粘結劑的組織基本是奧氏體。這種具有Co-Ni-Fe粘結劑的金屬陶瓷可以在比具有Co粘結劑的金屬陶瓷更低和波動更小的價格下進行生產。具有Co-Ni-Fe粘結劑的金屬陶瓷的優(yōu)點在于相對于可比較的具有Co粘結劑的金屬陶瓷而言，其具有改善的抗裂性和可靠性，以及改善的耐腐蝕性和/或抗氧化性。
本發(fā)明的塑性粘結劑是獨一無二的，原因是甚至在進行塑性變形時，所述粘結劑仍保持其fcc晶體結構不變，能避免發(fā)生應力和/或應變誘發(fā)的轉變。本申請人已對具有Co-Ni-Fe粘結劑的金屬陶瓷的強度和疲勞性能進行了測量，其彎曲強度高達約2400兆帕斯卡(MPa)，循環(huán)疲勞強度高達約1550MPa(約室溫下彎曲200,000個循環(huán))。本申請人認為，應力和/應變高達上述水平時，在所述Co-Ni-Fe粘結劑中基本不會出現應力和/或應變誘發(fā)的相變，表明其具有較佳的性能。
附圖
參照下面的介紹、隨后的權利要求以及附圖，可對本發(fā)明的這些以及其它的特點，方面和優(yōu)點加以更好地了解，其中，所述附圖中


圖1是通過在約1550℃下真空燒結獲得的現有技術的具有Co粘結劑的WC-金屬陶瓷的顯微組織的光學顯微照片；
圖1a是圖1的黑白圖像，可用于對在約1550℃下真空燒結獲得的現有技術的具有Co粘結劑的WC-金屬陶瓷的顯微組織進行面積分數分析；
圖2(用于與圖1進行比較)是在約1550℃下真空燒結獲得的本發(fā)明的具有Co-Ni-Fe粘結劑的WC-金屬陶瓷的顯微組織的光學顯微照片；
圖2a(用于與圖1a進行比較)是圖2的黑白圖像，可用于對在約1550℃下真空燒結獲得的本發(fā)明的具有Co粘結劑的WC-金屬陶瓷的顯微組織進行面積分數分析；
圖3是通過在約1535℃下真空燒結獲得的本發(fā)明的具有Co-Ni-Fe粘結劑的WC-金屬陶瓷的顯微組織的背散射電子圖像(BEI)；
圖4是與圖3的WC-金屬陶瓷的顯微組織相對應的鎢(W)的能量分散譜(EDS)的元素分布圖5是與圖3的WC-金屬陶瓷的顯微組織相對應的碳(C)的EDS元素分布圖6是與圖3的WC-金屬陶瓷的顯微組織相對應的氧(O)的EDS元素分布圖7是與圖3的WC-金屬陶瓷的顯微組織相對應的鈷(Co)的EDS元素分布圖8是與圖3的WC-金屬陶瓷的顯微組織相對應的鎳(Ni)的EDS元素分布圖9是與圖3的WC-金屬陶瓷的顯微組織相對應的鐵(Fe)的EDS元素分布圖10是與圖3的WC-金屬陶瓷的顯微組織相對應的鈦(Ti)的EDS元素分布圖11是通過約1535℃下真空燒結獲得的現有技術的具有鈷粘結劑的WC-金屬陶瓷中的粘結劑池(binder pool)的透射電子顯微術(TEM)的顯微照片，表明在所述的現有技術的WC-金屬陶瓷中存在高濃度的堆垛層錯；
圖12是通過在約1535℃下真空燒結獲得的現有技術的具有鈷粘結劑的WC-金屬陶瓷中的另一個粘結劑池的TEM顯微照片，表明在所述現有技術的WC-金屬陶瓷的整個范圍內均存在高濃度的堆垛層錯；
圖13是一對照性的TEM顯微照片，其展示的是通過在約1535℃下真空燒結獲得的包括含Co-Ni-Fe粘結劑的WC-金屬陶瓷的本發(fā)明的金屬陶瓷中的粘結劑池，表明無堆垛層錯存在；
圖14，14a和14b分別是通過在約1535℃下真空燒結獲得的本發(fā)明的具有Co-Ni-Fe粘結劑的WC-金屬陶瓷的粘結劑池的對照性的TEM顯微照片，和采用TEM沿著所述粘結劑池的晶帶軸
的選區(qū)衍射(SAD)的結果以及采用TEM沿著所述粘結劑池的晶帶軸[101]進行SAD的結果。
圖15和15a分別是通過在約1535℃下真空燒結獲得的現有技術的具有Co粘結劑的WC-金屬陶瓷中的粘結劑池的TEM顯微照片，表明存在由高密度的堆垛層錯引起的開裂機制。
圖16和16a分別是用于進行比較的一種WC-金屬陶瓷中的粘結劑池的TEM顯微照片，所述WC-金屬陶瓷是通過在約1535℃下真空燒結獲得的本發(fā)明的具有Co-Ni-Fe粘結劑WC-金屬陶瓷，表明在本發(fā)明的WC-金屬陶瓷中，存在塑性變形和高密度的不受約束的位錯，而不是象在現有技術的WC-金屬陶瓷中那樣，存在由堆垛層錯引起的開裂機制；
圖17是現有技術的具有Co粘結劑的WC-金屬陶瓷(用空心圈“○”和-----線表示)和作為對照的本發(fā)明的具有Co-Ni-Fe粘結劑的WC-金屬陶瓷(用圓點“●”和---線表示)的橫向斷裂強度(TRS)的Weibull分布曲線圖，所述兩種WC-金屬陶瓷均在約1535℃下采用真空燒結獲得；
圖18是現有技術的具有Co粘結劑的WC-金屬陶瓷(用空心圓圈“○”和-----線表示)和作為對照的本發(fā)明的具有Co-Ni-Fe粘結劑的WC-金屬陶瓷(用圓點“●”和---線表示)的TRS的Weibull分布曲線圖，所述兩種WC-金屬陶瓷均在約1550℃下采用真空燒結獲得；
圖19是現有技術的具有Co粘結劑的WC-金屬陶瓷(用空心圓圈“○”和-----線表示)和作為對照的本發(fā)明的具有Co-Ni-Fe粘結劑的WC-金屬陶瓷(用圓點“●”和---線表示)的TRS的Weibull分布曲線圖，所述兩種WC-金屬陶瓷均采用在約1550℃下的壓力燒結獲得；
圖20是現有技術的具有Co粘結劑的WC-金屬陶瓷(用空心圓圈“○”和-----線表示)和作為對照的本發(fā)明的具有Co-Ni-Fe粘結劑的WC-金屬陶瓷(用圓點“●”和---線表示)在空氣中，約室溫下的彎曲疲勞性能數據-應力幅度(σmax)與直至失效時的循環(huán)次數間的關系，所述兩種WC-金屬陶瓷均采用在約1550℃下的真空燒結獲得；
圖21是現有技術的具有Co粘結劑的WC-金屬陶瓷(用空心圓圈“○”和-----線表示)和作為對照的本發(fā)明的具有Co-Ni-Fe粘結劑的WC-金屬陶瓷(用圓點“●”和---線表示)在空氣中，約700℃下測試的彎曲疲勞性能數據-應力幅度(σmax)與直至失效時的循環(huán)次數間的關系，所述兩種WC-金屬陶瓷均采用在約1550℃下的真空燒結獲得。
圖22是現有技術的具有Co粘結劑的WC-金屬陶瓷(用空心圓圈“○”和-----線表示)和作為對照的本發(fā)明的具有Co-Ni-Fe粘結劑的WC-金屬陶瓷(用圓點“●”和---線表示)在空氣中，約室溫下測得的低周拉伸-壓縮疲勞性能數據-應力幅度(σmax)與直至失效時的循環(huán)次數間的關系，所述兩種WC-金屬陶瓷均采用在約1550℃下的真空燒結獲得。
描述
本發(fā)明的包含具有改善的塑性的粘結劑(塑性粘結劑具有降低的加工硬化性能)的金屬陶瓷包含至少一種硬質組元和一種粘結劑，所述粘結劑在與所述至少一種硬質組元相結合時具有改善的性能，所述性能包括，例如，循環(huán)疲勞時改善的亞臨界裂紋擴展抗力，改善的強度，以及，任選地，改善的抗氧化性和/或改善的耐腐蝕性。
任選地，本發(fā)明的金屬陶瓷可以在一定環(huán)境(例如，固態(tài)，液態(tài)，氣態(tài)環(huán)境，或者上述三種物態(tài)之任意組合)下展示出耐腐蝕性和/或抗氧化性，其原因在于(1)所述金屬陶瓷具有化學惰性，或者(2)在所述金屬陶瓷上形成一保護屏障層，從而阻止所述環(huán)境與所述金屬陶瓷間發(fā)生相互作用；或者(3)上述兩方面因素的共同作用。
所述Co-Ni-Fe粘結劑的一個更優(yōu)選的化學組成包含Ni∶Fe的比值約為1∶1。所述Co-Ni-Fe粘結劑的一個甚至更優(yōu)選的化學組成包括鈷∶鎳∶鐵之比值約為1.8∶1∶1。
本領域的技術人員將會意識到的是，Co-Ni-Fe粘結劑可以任選地包含源自于原材料，粉末冶金，研磨和/或者燒結過程以及環(huán)境影響的附帶雜質。
本領域的技術人員將會意識到的是，本發(fā)明的金屬陶瓷中的粘結劑含量取決于諸如硬質組元的化學組成和/或幾何形狀，金屬陶瓷的用途，以及粘結劑的化學組成等因素。例如，當本發(fā)明的金屬陶瓷包括具有Co-Ni-Fe粘結劑的WC-金屬陶瓷時，粘結劑的含量可為約0.2～35wt％(優(yōu)選3～30wt％)，而當本發(fā)明的金屬陶瓷包括具有Co-Ni-Fe粘結劑的TiCN-金屬陶瓷時，粘結劑的含量可為約0.3～25wt％(優(yōu)選3～20wt％)。作為又一個實例，當本發(fā)明的具有Co-Ni-Fe粘結劑的WC-金屬陶瓷用作采礦業(yè)和建筑業(yè)的挖掘工具時，粘結劑含量可為約5～27wt％(優(yōu)選約5～19wt％)；當本發(fā)明的具有Co-Ni-Fe粘結劑的WC-金屬陶瓷用作采礦業(yè)和建筑業(yè)的旋轉工具時，粘結劑含量可為約5～19wt％(優(yōu)選5～15wt％)；當本發(fā)明的具有Co-Ni-Fe粘結劑的WC-金屬陶瓷用作螺旋沖頭(screw head punch)時，粘結劑含量可為約8～30wt％(優(yōu)選約為10～25wt％)；當本發(fā)明的具有Co-Ni-Fe粘結劑的金屬陶瓷用作進行工件材料的有切屑機加工的切削刀具時，粘結劑含量可為約2～19wt％(優(yōu)選約5～14wt％)；當本發(fā)明的具有Co-Ni-Fe粘結劑的金屬陶瓷用作材料機加工的細長旋轉工具時，粘結劑含量可為約0.2～19wt％(優(yōu)選約5～16wt％)。
硬質組元可包含下述各種物質中之至少一種，所述各種物質包括硼化物，碳化物，氮化物，碳氮化物，氧化物，硅化物，它們的混和物，它們的固溶體或者上述各物質的組合。所述硼化物、碳化物、氮化物、氧化物，或者硅化物中的至少一種中的金屬可以包括一種或多種選自國際純和應用化學聯合會(IUPAC)規(guī)定的第2，3，(包括鑭系，錒系)，4，5，6，7，8，9，10，11，12，13和14族中的金屬元素。優(yōu)選地，所述至少一種硬質組元可包括碳化物、氮化物、碳氮化物、它們的混合物、它們的固溶體、或者上述各物質的任意組合。所述碳化物、氮化物和碳氮化物中的金屬可以包括一種或多種IUPAC的3族，包括鑭系和錒系，4，5，和6族中的金屬元素；并且更優(yōu)選包括鈦、鋯、鉿、釩、鈮、鉭、鉻、鉬和鎢中的一種或多種。
在這里，本發(fā)明的金屬陶瓷可以依據構成所述硬質組元的大部分的化學組成來稱謂。例如，如果所述硬質組元的大部分是碳化物，則所述金屬陶瓷可被稱作碳化物-金屬陶瓷。如果所述硬質組元的大部分是碳化鎢(WC)，則所述金屬陶瓷可被稱為碳化鎢金屬陶瓷或者WC-金屬陶瓷。類似地，金屬陶瓷可以稱為，例如，硼化物金屬陶瓷，氮化物金屬陶瓷，氧化物金屬陶瓷，硅化物金屬陶瓷，碳氮化物金屬陶瓷，氧氮化物金屬陶瓷。例如，如果所述硬質組元的大部分是碳氮化鈦(TiCN)，則所述金屬陶瓷可被稱作碳氮化鈦金屬陶瓷或者TiCN-金屬陶瓷。這種命名法不應受上述實例所限，相反，它構成的是能為本領域的技術人員共同理解的基礎。
在尺寸方面，具有高塑性粘結劑的金屬陶瓷的硬質組元的晶粒尺寸范圍為從亞微米級到約100微米(μm)或以上。亞微米包括具有結構特征從約1納米到約100納米(0.1μm)或者100納米以上的納米結構的材料。本領域的技術人員將意識到的是，本發(fā)明的金屬陶瓷中的硬質組元的晶粒尺寸取決于諸如硬組元的化學組成和/或幾何形狀，金屬陶瓷的用途，以及粘結劑的化學組成等因素。例如，本申請人認為，當本發(fā)明的金屬陶瓷是具有Co-Ni-Fe粘結劑的WC-金屬陶瓷時，所述硬質組元的晶粒尺寸可為約0.1-40μm，當本發(fā)明的金屬陶瓷是具有Co-Ni-Fe粘結劑的TiCN-金屬陶瓷時，所述硬質組元的晶粒尺寸可為約0.5-6μm。作為進一步的實例，本申請者相信，當本發(fā)明的具有Co-Ni-Fe粘結劑的WC-金屬陶瓷用作采礦業(yè)和建筑業(yè)的挖掘工具或旋轉工具時，所述硬質組元的晶粒尺寸可為約1-30μm(優(yōu)選約為1-25μm)；當本發(fā)明的具有Co-Ni-Fe粘結劑的WC-金屬陶瓷用作螺旋沖頭時，所述硬質組元的晶粒尺寸可為約1-25μm(優(yōu)選約1-15μm)；當本發(fā)明的具有Co-Ni-Fe粘結劑的金屬陶瓷用作進行工件材料的有切屑機加工的切削刀具時，所述硬質組元的晶粒尺寸可為約0.1-40μm(優(yōu)選約為0.5-10μm)；當本發(fā)明的具有Co-Ni-Fe粘結劑的金屬陶瓷用作進行材料機加工的細長的旋轉工具時，所述硬質組元的晶粒尺寸可為約0.1-12μm(優(yōu)選小于或等于8μm)。
本申請者的意圖是，此處所公開的，例如，粘結劑含量、粘結劑化學組成、Ni∶Fe比值、硬質組元的晶粒尺寸、硬質組元含量，…等的范圍中兩終點間的每個增量均包括在本發(fā)明中，就仿佛對所述每個增量進行了專門指定一樣。例如，約0.2-35wt％的粘結劑含量范圍包括約1wt％的增量，因此，其具體應包含約0.2wt％，1wt％，2wt％，3wt％，…33wt％，34wt％和35wt％的粘結劑。而例如對于粘結劑的化學組成而言，約40-90wt％的鈷含量范圍包括約1wt％的增量，因此，其具體包含40wt％，41wt％，42wt％，…88wt％，89wt％和90wt％，而約4-36wt％的鎳和鐵的含量范圍均包括約1wt％的增量，因此，其具體應包括4wt％，5wt％，6wt％，…34wt％，35wt％和36wt％。另外，例如，約1.5∶1-1∶1.5的Ni∶Fe比值范圍包括約0.1的增量，因此，其包含的具體比值為1.5∶1，1.4∶1，…，1∶1，…1∶1.4，和1∶1.5。再者，例如，約0.1-40μm的硬質組元晶粒尺寸包括約1μm的增量，因此，其包含的具體尺寸為約1μm，2μm，3μm，…38μm，39μm和40μm。
本發(fā)明的金屬陶瓷可以依據金屬陶瓷的用途，經涂覆處理后使用或者未經涂覆處理直接使用。如果所述金屬陶瓷經涂覆處理后使用，則所述金屬陶瓷上涂覆的涂層應具有適當的性能，例如，潤滑性，耐磨性，令人滿意的與金屬陶瓷的粘著性，在使用溫度下對工件材料的化學惰性，以及與金屬陶瓷一致的熱膨脹系數(即，相當的熱物理性能)。所述涂層可以采用CVD和/或PVD技術制備。
所述涂層材料可以包含一層或多層的一種或多種不同組元，所述涂層材料的實例可從下面給出的材料中選擇，所給出材料并非窮舉氧化鋁、氧化鋯、氧氮化鋁，氧氮化硅，SiALON，IUPAC第4，5和6族中的元素的硼化物，IUPAC第4，5和6族中的元素的碳氮化物，包括碳氮化鈦，IUPAC第4，5和6族中的元素的氮化物，包括氮化鈦，IUPAC中第4，5和6族中元素的碳化物，包括碳化鈦，立方氮化硼，氮化硅，氮化碳，氮化鋁，金剛石，類金剛石碳以及氮化鈦鋁。
本發(fā)明的金屬陶瓷可以由包含粉末狀硬質組元和粉末狀粘結劑的粉末混合物制備而成，可以采用任何成形手段將所述粉末混合物加以密實，所述手段包括，例如，在室溫下的壓制或者在高溫下的壓制(例如，熱壓，熱等靜壓)，比如，單軸壓制，雙軸壓制，三軸壓制，靜液壓制，或者濕包套壓制(例如等靜壓制)，澆注；注射模塑；擠壓；流延；料漿澆注；泥漿澆注；或者上述方法的任意組合。所述的部分方法在美國專利4,491,559；4,249,955，3,888,662；和3,850,368中進行了討論，在本申請中，其整體引入作為參考。
無論如何，不管粉末混合物是否已密實化，其固態(tài)幾何形狀可以是任何一種本領域的技術人員能夠想象到的形狀。為獲得一種形狀或者各種形狀的組合，粉末混合物的成形可以在致密化處理之前、該過程中和/或致密化之后進行。致密化處理之前的成形技術包括上述任何方法以及生坯機加工或者生坯的可塑成形或者所述方法的組合。致密化處理后的成形技術可包括任何機加工手段如磨削，電火花加工，電刷珩磨，切削…等。
包含粉末混合物的生坯然后可以采用任何與制造本發(fā)明的金屬陶瓷相匹配的方法進行致密化處理。一個優(yōu)選的方法是液相燒結。這種方法包括真空燒結、壓力燒結(也稱為燒結-HIP法)，熱等靜壓制(HIPping)等。實施所述方法的溫度和/或壓力應足以獲得基本理論密度的孔隙率最小的部件。例如，對于具有Co-Ni-Fe粘結劑的WC-金屬陶瓷，所述溫度為約1300-1760℃(2373-3200°F)，并且優(yōu)選為約1400～1600℃(2552-2912°F)。致密化的壓力為約0～206MPa(0～30ksi)。對于碳化物金屬陶瓷，壓力燒結(即燒結-HIP法)可在約1.7-13.8MPa(約250psi-2ksi)的壓力下進行，實施溫度為約1370-1600℃(2498-2912°F)，而HIPping法可在約68-206MPa(10-30ksi)的壓力以及1310-1760℃(2373-3200°F)的溫度下進行。
致密化處理可在不存在任何氣氛時，即真空中進行；或者在惰性氣氛，例如，IUPAC第18族中的一種或多種氣體中進行；在滲碳氣氛中進行；在含氮的氣氛，例如，氮氣，合成氣體(96％氮氣，4％氫氣)，氨，等中進行；或者在還原性氣體混合物，如H2/H2O，CO/CO2，CO/H2/CO2/H2O等中進行；或者在上述各種氣體之任意組合的氣氛中進行。
下面對本發(fā)明進行說明。下面的描述中對本發(fā)明的各個方面做了證實和闡明，但是，不應把所作的描述看成為對本發(fā)明的范圍的限制。
表1中概括的內容包括名義粘結劑含量wt％，Co∶Ni∶Fe比值，金屬陶瓷類型，第一種硬質組元的wt％，第一種硬質組元的尺寸(μm)，第二種硬質組元的wt％，第二種硬質組元的尺寸(μm)，第三種硬質組元的wt％，第三種硬質組元的尺寸(μm)，研磨方法(其中，WBM＝濕法球磨，AT＝碾磨機研磨)，研磨時間(小時)，以及致密化(Dnsfctn*)方法(其中VS＝真空燒結，HIP＝熱等靜壓，PS＝壓力燒結[也稱作燒結-HIP法])，溫度(Temp)，時間(小時)，所涉及的幾種WC-金屬陶瓷和TiCN-金屬陶瓷均處于本發(fā)明的范圍之內。所述這些材料均采用在下述文獻中介紹的傳統的粉末冶金技術進行生產，所述文獻例如有Kenneth J.A.Brookes著的“World Directory and Handbook ofHARDMETALS AND HARD MATERIALS”第六版，Internationalcarbide DATA(1996)；George Schneider著的“PRINCIPLES OFTUNGSTEN CARBIDE ENGINEERING”第二版，Society of Carbideand Tool Engineers(1989)；“Cermet-Handbook”，Hertel AG，werkzeuge+Hartstoffe，Fuerth，Bavaria，Germany(1993)；以及P.Schwarzkopf和R.Kieffer著的“CEMENTED CARBIDES”，TheMacmillan Company(1960)-在本專利申請中，此處整體引入上述文獻以供參考。
使用市售的組分制備所述這些金屬陶瓷(例如，參閱“WorldDirectory and Handbook of HARDMETALS AND HARDMATERIALS”第六版)。例如，材料8，表1中的一種WC-金屬陶瓷，由約10公斤(kg)的原始粉末批料制備而成，所述批料包含約89.9wt％WC(-80+400目)[粒子尺寸介于約38μm和180μm之間]的粗晶碳化鎢，來自kennametal Inc.Fallon，Nevada[該碳化鎢也是表1中的材料5和8-12的原始WC]，約4.5wt％的市售的超細鈷粉末，約2.5wt％的市售鎳粉末(INCO Grade 255，INCO International，Canada)，2.5wt％市售的鐵粉末(產地Carbonyl Iron Powder CN，BASF Corporation，Mount Olive，New Jersey)，以及約0.6wt％的鎢金屬粉末(粒子尺寸約1μm，來自kennametal Inc.Fallon，Nevada)。這批料中需添加約2.1wt％的石蠟和約0.3wt％的表面活性劑，并與約4.5升的石腦油(“LACOLENE”牌的石油餾分，來自Ashland Chemical Co.，Columbus，OH)相混合，進行濕法球磨約16小時。所述研磨后的混合物在sigma葉片式干燥器中進行干燥，使用Fritzmill磨機進行干研磨，并且團球化，以產生Scott密度約25×106kg/m3(63.4克/英寸3)的壓制粉末。所述壓制粉末在通過壓制成形為方板形生坯(基于SNG433型刀片)的過程中具有良好的流動性能。
將所述生坯置于真空燒結爐中的專用爐具上進行致密化處理。在被排空至0.9千帕斯卡(KPa)[7乇]的氫氣氛中，將所述燒結爐及其爐內物質在真空條件下，用約9/12個小時由室溫加熱至約180℃(350°F)，并保持約3/12個小時；用約9/12個小時加熱至370℃(700°F)并保持約4/12個小時；用約5/12個小時加熱至約430℃(800°F)并保持約4/12個小時；用約5/12小時加熱至約540℃(1000°F)并保持約2/12小時；用約4/12小時加熱至約590℃(1100°F)；然后，關掉氫氣，在約15-23μm的真空下，用約16/12個小時加熱至約1120℃(2050°F)并保持約4/12個小時；用約9/12個小時加熱至約1370℃(2500°F)并保持約4/12個小時，同時通入氬氣至氣體壓力達約1.995KPa(15乇)；在將氬氣壓力保持在約1.995KPa(15乇)的同時，用約19/12個小時加熱至約1550℃(2825°F)并保持約9/12個小時；然后，關掉爐子電源，并且使爐子及爐內物質冷卻至約室溫。正如本領域的任何技術人員所了解的那樣，表1中的材料8采用已知技術制備。在這一方面，利用已知技術，尤其是真空燒結技術的能力是本發(fā)明的一個優(yōu)點，并且與本領域的有關教導相反。
與材料8類似，表1中的材料1-7和9-12均采用大體上標準的技術來加以成形、密實化和致密化。材料1-4，6，7，11和12的致密化處理采用壓力燒結法(也稱為燒結-HIP法)進行，其中，在如表1中所示的溫度下，在最后的約10分鐘的時間內，燒結爐中的氣氛壓力升至約4MPa(40巴)。此外，制備了作為對照的只含有Co粘結劑的現有技術的材料，以便與材料2，4-6和9-12進行比較，同時也制備了作為對照的含有Co-Ni粘結劑(Co∶Ni＝2∶1)的現有技術的材料，以便和材料7進行比較。
表1中的材料1-8以及作為對照的現有技術的材料的機械，物理和顯微組織性能的結果分別在表2中列出。尤其是，表2列出的性能包括密度(g/cm3)，磁飽和值(0.1μTm3/kg)，矯頑力(Oe，基本上依據國際標準ISO 3326Hardmetals-Determination of(the magnetization)Coercivity加以測定，本申請中全部引入這一標準作為參考)，硬度(Hv30，基本上依據國際標準ISO 3878Hardmetals-Vickers硬度試驗加以測定，本申請中全部引入此標準作為參考)，橫向斷裂強度(MPa，基本依據國際標準ISO 3327/B型Hardmetals-Determination of transverserupture strength加以測定，本申請中全部引入此標準作為參考)，以及孔隙率(基本上依據國際標準ISO 4505Hardmetals-Metallographicdetermination of porosity and Uncombined Carbon加以測定，本申請中全部引入此標準作為參考)。
對材料9-12和作為對照的現有技術的材料進行了深入評價，所獲結果分別列于表3，4，5和6中。所獲數據包括密度(g/cm3)，磁飽和值(Tm3/kg)，矯頑力(Hc，奧斯特)，維氏硬度(HV30)，洛氏硬度(HRA)，斷裂韌性(KIC，兆帕斯卡×米的平方根[MPam1/2]，測定所依據的ASTM的規(guī)定是C1161-90 standard Test Method for FlexuralStrength of Advanced Ceramics at Ambient Temperature，philadelphia，美國試驗和材料學會PA，本申請中整體引入此規(guī)定作為參考)，粘結劑比值(wt％ Co∶wt％Ni∶wt％Fe，依據化學分析結果確定)，粘結劑含量(金屬陶瓷的重量百分數)，橫向斷裂強度(TRS，兆帕斯卡(MPa)，其中，表4基本采用Schleinkofer等介紹的方法確定，所述方法參見MaterialsScience and Engineering，A194(1995)，1-8，表3，5和6中的結果依據ISO 3327加以確定，本申請中將其整體引入作為參考)，熱傳導性(熱導率，卡/厘米-秒-攝氏度(cal/(cm·s·℃))，基本上采用脈沖激光技術確定)，20℃，200℃，400℃，600℃，和800℃時的熱維氏硬度(Hv100/10，通過采用約100克的載荷壓入某一溫度下的金屬陶瓷樣品約10秒鐘來測定)，以及粘結劑的化學分析結果(wt.％，采用X射線熒光技術測定[粘結劑中只有Co，Ni和Fe；Ta，Ti，Nb和Cr假定以碳化物形式存在，因而是硬質組元的一部分；100wt.％含量中的余下部分為WC或TiCN，不同材料時的WC或TiCN含量在表1中分別給出，如果存在，還有附帶雜質])。
表3材料性能之比較-1535℃下真空燒結* 磁飽和值** 矯頑力*** 維氏硬度****洛氏硬度# 粘結劑比值(Co∶Ni∶Fe)## 材料中粘結劑總含量###橫向斷裂強度(此值由Weibull分布結果確定)#### 導熱性 熱維氏硬度化學分析結果(wt％)
表4材料性能之比較-1550℃下的真空燒結* 磁飽和值** 矯頑力*** 維氏硬度****洛氏硬度# 粘結劑比值(Co∶Ni∶Fe)## 材料中粘結劑總含量
### 橫向斷裂強度(此值由Weibull分布結果確定)####導熱性
熱維氏硬度化學分析結果(wt％)
表5材料性能之比較-1485℃下的壓力燒結*磁飽和值** 矯頑力*** 維氏硬度**** 洛氏硬度#粘結劑比值(Co∶Ni∶Fe)## 材料中粘結劑總含量
### 橫向斷裂強度(此值由Weibull分布結果確定)#### 導熱性
熱維氏硬度化學分析結果(wt％)
表6材料性能之比較-1550℃下的壓力燒結* 磁飽和值** 矯頑力*** 維氏硬度****洛氏硬度# 粘結劑比值(Co∶Ni∶Fe)## 材料中的粘結劑總量
### 橫斷裂強度(此值由Weibull分布結果確定)####導熱性
熱維氏硬度化學分析結果(wt％)
簡言之，上述結果證實，與作為對照的具有Co粘結劑的WC-金屬陶瓷的性能相比，具有Co-Ni-Fe粘結劑的WC-金屬陶瓷的性能至少與之相當，并且一般而言還更優(yōu)一些。為了對本發(fā)明的具有Co-Ni-Fe粘結劑的WC-金屬陶瓷進行更確切地評價，使用了其它的顯微組織觀察手段，包括光學顯微術、透射電子顯微術以及掃描電子顯微術。圖1是現有技術的具有碳化鎢硬質組元4和Co粘結劑2的WC-金屬陶瓷的顯微組織的光學照片，所述金屬陶瓷通過在約1550℃下的真空燒結而成(現有技術的材料10)。圖2是具有碳化鎢硬質組元4和Co-Ni-Fe粘結劑6的WC-金屬陶瓷的顯微組織的光學照片，所述WC-金屬陶瓷也由在約1550℃下的真空燒結而成(材料10)。上述兩種顯微組織似乎基本相同?，F有技術的材料10和材料10中的粘結劑的體積百分數(基本上通過測量黑區(qū)的面積百分數來加以確定)在約1875×(6.4μm)下的測量結果分別為12.8和11.9，如圖1a和圖2a所示。另外，在約1200X(10μm)下測量的結果分別為約13.4和14.0。在約1200X(10μm)下測得的現有技術的材料9和材料9中的粘結劑的面積百分數分別為約15.3和15.1。在約1200X(10μm)下測得的現有技術的材料11和材料11中粘結劑的面積百分數分別為約14.6和15.1。這些數據證實，當具有Co-Ni-Fe粘結劑的WC-金屬陶瓷和現有技術的具有Co粘結劑的WC-金屬陶瓷均由依據大體相同重量百分數的硬質組元和粘結劑配制的粉末批料制備而成時，這兩種WC-金屬陶瓷的硬質組元和粘結劑的體積百分數基本相同。
圖3-10將材料9樣品中的元素分布(使用JSM-6400掃描電子顯微鏡(型號ISM65-3；生產商JEOL LTD，Tokyo，Japan)，通過能量色散譜儀在掃描電子顯微鏡中進行確定，所用掃描電子顯微鏡配置有LaB6陰極電子槍系統和帶有硅-鋰探測量的能量色散X射線系統(生產商Oxford Instruments Inc.，Analytical System Division，Microanalysis Group，Bucks，England)與其組織特征聯系起來。圖3是包含Co-Ni-Fe粘結劑6，WC硬質組元4和碳化鈦硬質組元10的材料9的顯微組織的背散射電子像(BEI)。圖4-10分別是與圖3中的顯微組織相對應的鎢(W)，碳(C)，氧(O)，鈷(Co)，鎳(Ni)，鐵(Fe)，和鈦(Ti)的元素分布圖。Co，Ni和Fe分布的一致性證實它們是作為粘結劑存在的。Co，Ni和Fe與W的分布不一致證實Co-Ni-Fe粘結劑將碳化鎢粘結一起。將圖10中展示Ti存在的區(qū)域和圖3中相同區(qū)域的BEI像聯系起來，可認為有含鈦的碳化物存在。
對現有技術的材料11和材料11進行了透射電子顯微(TEM)分析。所述兩種材料的樣品均基本上根據Uwe Schleinkofer的博士論文“Fatigue of Hard Metals and Cermets Under Cyclically VaryingStress”中介紹的方法進行制備，該博士論文在1995年被提交至德國的the Erlangen-Nvernberg大學工學部，它在本申請中整體引入作參考。使用Phillips Electronics EM400T掃描電子顯微鏡(STEM)進行了分析，所述STEM裝備有帶有硅鋰探測器的能量色散X射線系統(生產商Oxford Instruments Inc.Analytical system Division，MicroanalysisGroup，Bucks，England)。圖11示出的是現有技術的材料11的Co粘結劑2的TEM像。面狀堆垛層錯12似乎遍及具有高濃度的堆垛層錯區(qū)14的Co粘結劑2中。每個堆垛層錯代表一薄層發(fā)生fcc→hcp轉變的Co粘結劑。這些高濃度的堆垛層錯區(qū)代表發(fā)生明顯的fcc→hcp轉變的Co粘結劑。出現面狀堆垛層錯的原因之一是Co粘結劑的堆垛層錯能低。結果，應力和/或應變的作用導致其它的fcc結構轉變成hcp結構，造成Co粘結劑的硬化。圖12示出的是現有技術的材料11中與碳化鎢硬質組元4相鄰的Co粘結劑2的另一個區(qū)域的TEM像。與圖11相似，面狀堆垛層錯12似乎遍及具有高濃度的堆垛層錯區(qū)14的Co粘結劑2中。
相反，圖13示出的是材料11的Co-Ni-Fe粘結劑2的TEM像。除了碳化鎢硬質組元4之外，圖13中有位錯16存在。與現有技術的材料11不同，本申請人認為材料11的Co-Ni-Fe粘結劑的堆垛層錯能高，從而抑制了面狀堆垛層錯的形成。另外，本申請人認為該堆垛層錯能的值可使位錯進行無約束的運動。圖14，14a和14b分別示出了作為比較的材料11的Co-Ni-Fe粘結劑的TEM顯微照片，沿著所述粘結劑的
晶帶軸的選區(qū)衍射(SAD)結果以及沿著[101]晶帶軸的SAD結果。圖14a和14b的SAD結果具有fcc結構的特點，而沒有hcp結構特征存在。因此，應力和/或應變對Co-Ni-Fe粘結劑的作用產生的是非面狀缺陷如位錯16。這一特點意味著Co-Ni-Fe粘結劑中存在比在Co粘結劑中程度更大的塑性變形。Co粘結劑中的有限塑性變形的結果在圖15和15a中顯著地展現出來。這些TEM圖像展示出Co粘結劑4中形成的裂紋22，裂紋的取向22和20’，而且還可看出裂紋的取向與堆垛層錯的取向18和18’一致。相反，Co-Ni-Fe粘結劑的塑性的好處在圖16和16a中體現出來。這些TEM圖像表明存在單一的位錯38，在TEM的薄斷面表面上存在位錯滑移標記26以及存在高密度的非面狀無約束的位錯，所述高密度的位錯表明Co-Ni-Fe粘結劑6的塑性變形24程度高。
采用Weibull統計方法對測得的現有技術的材料9以及材料9的橫向斷裂強度(TRS)進行了分析。圖17是現有技術的具有Co粘結劑的材料9(用空心圓圈“○”表示)和材料9(用圓點“●”代表)的TRS的Weibull分布曲線圖?，F有技術的材料9的Weibull模量約20.4，平均TRS(彎曲強度)約1949MPa，上述二性能均由線性最小二乘擬合方程In(In(1/(1-F)))＝20.422·In(σ/MPa)-154.7(用圖中的-----線代表)來確定。在該方程中，F＝(i-0.5)/Ni，其中，i是樣品數，Ni是試驗的樣品的總數，σ是測得的材料的彎曲強度。材料9的Weibull模量約27.9，平均TRS(彎曲強度)約2050MPa，上述二性能均由線性最小二乘擬合方程In(In(1/(1-F)))＝27.915·In(σ/MPa)-212.87(用圖中的-----代表)來確定。
采用Weibull統計方法對測得的現有技術的材料10以及材料10的TRS進行了分析。圖18是現有技術的具有Co粘結劑的材料10(用空心圓圈“○”表示)和材料10(用圓點“●”代表)的TRS的Weibull分布圖?，F有技術的材料10的Weibull模量約32.4，平均TRS(彎曲強度)約1942MPa，上述二性能均由線性最小二乘擬合方程In(In(1/(1-F)))＝32.4189·In(σ/MPa)-254.46(在圖中用-----線代表)來確定。材料10的Weibull模量約9.9，平均TRS(彎曲強度)約2089MPa，上述二性能均由線性最小二乘擬合方程In(In(1/(1-F)))＝9.9775·In(σ/MPa)-75.509(在圖中用-----線代表)來確定。
采用Weibull統計方法對測得的現有技術的材料12和材料12的TRS進行了分析。圖19是現有技術的具有Co粘結劑的材料12(用空心圓圈“○”代表)和材料12(用圓點“●”代表)的橫向斷裂強度(TRS)的Weibull分布圖。現有技術的材料12的Weibull模量約35.1，平均橫向斷裂強度(彎曲強度)約2085MPa，上述二性能均由線性最小二乘擬合方程In(In(1/(1-F)))＝35.094·In(σ/MPa)-268.2(在圖中用-----線代表)來確定。材料12的Weibull模量約17.2，平均橫斷裂強度(彎曲強度)約2110MPa，上述二性能均由線性最小二乘擬合方程In(In(1/(1-F)))＝17.202·In(σ/MPa)-131.67(在圖中用-----線代表)。
對在空氣中，室溫以及約700℃下的現有技術的材料10和材料10的疲勞性能進行了評價(所基本依據的測定方法的出處分別是U.Schleinkofer，H.G.Sockel，P.Schlund，K.Grting，W.Heinrich，Mat.Sci.Eng.A194(1995)1；U.Schleinkofer，博士論文，Erlangen-Nrnberg大學，Erlange，1995；U.Schleinkofer，H.G.Sockel，K.Grting，W.Heinrich，Mat.Sci.Eng.A209(1996)313；U.Schleinkofer，H.G.Sockel，K.Grting，W.Heinrich，Int.J.of Refractory Metals & Hard Materials15(1997)103，本申請中引入上述文獻作為參考)，并在氬氣氛中，約700℃下，對上述兩種材料的疲勞性能進行了評價(測定方法見B.Roebuck，M.G.Gee，Mat.Sci.Eng.A209(1996)358，本申請中引入此文獻作為參考)，并且將所獲結果分別在圖20，21和22中示出。尤其是，圖20示出的是現有技術的材料10(用空心圓圈“○”代表)和材料10(用圓點“●”代表)在空氣中，室溫下的應力幅度(σmax)與直至失效時的循環(huán)次數間的關系。圖21示出的是現有技術的材料10(用空心圓圈“○”代表)和材料10(用圓點“●”代表)在空氣中，700℃下的應力幅度(σmax)與試驗至失效時的循環(huán)次數間的關系。圖22示出的是現有技術的材料10(用空心圓圈“○”代表)和材料10(用圓點“●”代表)在氬氣氛中，700℃下的低周疲勞性能數據(應力幅度[σmax]與試驗至失效時的循環(huán)次數間的關系)。在全部三種試驗中，材料10的疲勞壽命至少與現有技術的材料10的疲勞壽命一樣長，而且一般而言，還有所改善。由圖20可看出，材料10具有較優(yōu)的疲勞壽命。尤其是，三種試驗均在達到被限定的無限壽命-200,000個循環(huán)時停止(圖20中用“●→”表示)。此外，圖22清楚地證實，在高溫下，對于同樣的應力水平，材料10具有較優(yōu)的疲勞壽命。
在本申請中指明的專利和其它文件整體引入本文作為參考。
從此處公開的本發(fā)明的說明書和實施過程的角度考慮，本發(fā)明的其它實施方案對于本領域的技術人員都是顯而易見的。例如，本發(fā)明的金屬陶瓷可用于進行材料的控制或去除，包括，例如，采礦業(yè)，建筑業(yè)，農業(yè)以及金屬去除的應用場合。農業(yè)應用場合的幾個實例包括播種開溝器，農業(yè)工具刀片，盤式葉片，樹樁切割機或磨碎機，犁地工具和土地耕作工具。采礦業(yè)和建筑業(yè)的應用場合的一些實例包括切削或開鑿工具，地鉆，礦物或巖石鉆具，建筑裝備葉片，刀輪切削具，土地加工工具，粉碎機以及挖掘工具。材料去除應用場合的一些實例包括鉆頭、端銑刀、鉸刀、翻新工具，材料切削或銑削刀片，具有切屑控制特性的材料切削或銑削刀片，以及包括涂層的材料切削或銑削刀片，所述涂層采用化學氣相沉積(CVD)，壓力氣相沉積(PVD)，轉化涂覆等中任一技術進行涂覆。本發(fā)明的金屬陶瓷的一個具體應用實例是將表1中的材料3用作螺旋沖頭。用作螺紋沖頭的金屬陶瓷必須具有高的沖擊韌性。材料3是含有約22wt％的Co-Ni-Fe粘結劑的WC-金屬陶瓷，其與現有技術的材料4進行對比試驗，所述材料4含有約27wt％的Co粘結劑。由材料3制成的螺旋沖頭優(yōu)于由現有技術的材料4制成的螺旋沖頭-所產生的旋進次數分別為60,000-90,000和30,000-50,000。另外，也注意到，材料3比現有技術的材料4更容易進行機加工(例如，形成切屑)。
本說明書和實施例只具有說明性作用，本發(fā)明的真實范圍和精神由附后的權利要求書確定。
權利要求
1.一種金屬陶瓷，其包含至少一種硬質組元和一種Co-Ni-Fe粘結劑，所述粘結劑含有約40～90wt％的鈷，所述粘結劑的余下部分由鎳和鐵以及，任選的附帶雜質組成，其中，鎳至少為所述粘結劑的4wt％但不超過36wt％，鐵至少為所述粘結劑的4wt％但不超過36wt％，所述粘結劑中的Ni∶Fe比值為約1.5∶1～1∶1.5，但包含由50wt％鈷，25wt％鎳和25wt％鐵組成的Co-Ni-Fe粘結劑的金屬陶瓷除外。
2.根據權利要求1的金屬陶瓷，其中，所述的Co-Ni-Fe粘結劑基本具有面心立方(fcc)結構，并且在進行塑性變形時，不會產生應力或應變誘發(fā)的相變。
3.根據權利要求1或權利要求2的金屬陶瓷，其中所述Co-Ni-Fe粘結劑基本上是奧氏體型的。
4.根據權利要求1-3中之任一項的金屬陶瓷，其中所述粘結劑中的Ni∶Fe比值約為1∶1。
5.根據權利要求1-4中之任一項的金屬陶瓷，其中所述粘結劑中的鈷∶鎳∶鐵之比值約為1.8∶1∶1。
6.根據權利要求1-5中之任一項的金屬陶瓷，其中所述粘結劑為所述金屬陶瓷的0.2-35wt％。
7.根據權利要求6的金屬陶瓷，其中所述粘結劑為所述金屬陶瓷的3-30wt％。
8.根據權利要求1-7中之任一項的金屬陶瓷，其中，所述至少一種硬質組元包括碳化物、氮化物、碳氮化物、它們的混合物以及它們的固溶體中至少之一種。
9.根據權利要求1-8中之任一項的金屬陶瓷，其中，所述至少一種硬質組元包括至少一種碳化物，所述碳化物為鈦、鋯、鉿、釩、鈮、鉭、鉻、鉬和鎢中的至少之一種的碳化物。
10.根據權利要求1-9中之任一項的金屬陶瓷，其中，所述至少一種硬質組元包括至少一種碳氮化物，所述碳氮化物為鈦、鋯、鉿、釩、鈮、鉭、鉻、鉬和鎢中的至少之一種的碳氮化物。
11.根據權利要求8-10中之任一項的金屬陶瓷，其中，至少一種所述碳化物是碳化鎢(WC)。
12.根據權利要求11的WC-金屬陶瓷，其進一步包含至少一種碳化物，所述碳化物為鈦、鋯、鉿、釩、鈮、鉭、鉻和鉬中的至少一種的碳化物。
13.根據權利要求11或權利要求12的WC-金屬陶瓷，其進一步包含至少一種碳氮化物，所述碳氮化物為鈦、鋯、鉿、釩、鈮、鉭、鉻、鉬和鎢中的至少一種的碳氮化物。
14.根據權利要求8-10中之任一項的金屬陶瓷，其中，至少一種所述的碳氮化物是碳氮化鈦(TiCN)。
15.根據權利要求14的TiCN-金屬陶瓷，其進一步包含至少一種碳化物，所述碳化物為鈦、鋯、鉿、釩、鈮、鉭、鉻、鉬和鎢中的至少一種的碳化物。
16.根據權利要求14或權利要求15的TiCN-金屬陶瓷，其進一步包含至少一種碳氮化物，所述碳氮化物為鋯、鉿、釩、鈮、鉭、鉻、鉬和鎢中的至少一種的碳氮化物。
17.根據權利要求1-16中之任一項的金屬陶瓷的制造方法，其包括的步驟為
提供至少一種硬質組元；
將粘結劑與所述至少一種硬質組元混合，以形成一種粉末混合物，所述粘結劑包含約40-90wt％鈷，所述粘結劑的余下部分由鎳和鐵以及任選的附帶雜質組成，其中，鎳至少為所述粘結劑的4wt％但不超36wt％，鐵至少為所述粘結劑的4wt％但不超過36wt％，所述粘結劑中的Ni∶Fe比值為約1.5∶1-1∶1.5；但是，組成為50wt％鈷，25wt％鎳和25wt％鐵的粘結劑除外；以及
對所述粉末混合物進行致密化處理，以獲得所述金屬陶瓷。
18.根據權利要求17的方法，其中所述致密化處理包括真空燒結和壓力燒結中的至少一種。
19.根據權利要求17或權利要求18的方法，其中，所述的粘結劑包括鈷、鎳和鐵的混合物。
20.根據權利要求17或權利要求18的方法，其中，所述的粘結劑包括鈷、鎳和鐵的合金。
21.根據權利要求17-20中之任一項的方法，其中，所述的至少一種硬質組元包含碳化物、氮化物、碳氮化物、它們的混合物以及它們的固溶體中的至少一種。
22.根據權利要求17-21中之任一項的方法，其中，所述的至少一種硬質組元包含至少一種碳化物，所述碳化物為鈦、鋯、鉿、釩、鈮、鉭、鉻、鉬和鎢中的至少一種的碳化物。
23.根據權利要求17-22中之任一項的方法，其中，所述的至少一種硬質組元包含至少一種碳氮化物，所述碳氮化物為鈦、鋯、鉿、釩、鈮、鉭、鉻、鉬和鎢中的至少一種的碳氮化物。
24.根據權利要求1-13中之任一項的金屬陶瓷和包括含50wt％鈷，25wt％鎳和25wt％鐵的Co-Ni-Fe粘結劑的金屬陶瓷作為采礦業(yè)和建筑業(yè)的挖掘型工具的用途，其中，所述粘結劑約為所述金屬陶瓷的5-27wt％。
25.根據權利要求24的用途，其中，所述粘結劑約為金屬陶瓷的5-19wt％。
26.根據權利要求1-13中之任一項的金屬陶瓷和包括含50wt％鈷，25wt％鎳和25wt％鐵的Co-Ni-Fe粘結劑的金屬陶瓷作為采礦業(yè)和建筑業(yè)的旋轉工具的用途，其中所述粘結劑約為所述金屬陶瓷的5-19wt％。
27.根據權利要求26的用途，其中，所述粘結劑約為所述金屬陶瓷的5-15wt％。
28.根據權利要求1-13中之任一項的金屬陶瓷和包括含50wt％鈷，25wt％鎳和25wt％鐵的Co-Ni-Fe粘結劑的金屬陶瓷作為螺旋沖頭的用途，其中，所述粘結劑約為所述金屬陶瓷的8-30wt％。
29.根據權利要求28的用途，其中，所述粘結劑約為所述金屬陶瓷的10-25wt％。
30.根據權利要求1-16中之任一項的金屬陶瓷和包括含50wt％鈷，25wt％鎳和25wt％鐵的Co-Ni-Fe粘結劑的金屬陶瓷作為用于工件材料的有屑機加工的切削工具的用途，其中，所述粘結劑約為所述金屬陶瓷的2-19wt％。
31.根據權利要求30的用途，其中，所述粘結劑約為所述金屬陶瓷的5-14wt％。
32.根據權利要求1-16中之任一項的金屬陶瓷和包括含50wt％鈷，25wt％鎳和25wt％鐵的Co-Ni-Fe粘結劑的金屬陶瓷作為材料機加工的細長的旋轉工具的用途，其中，所述粘結劑約為所述金屬陶瓷的0.2-19wt％。
33.根據權利要求32的用途，其中，所述粘結劑約為所述金屬陶瓷的5-16wt％。
全文摘要
公開了具有Co－Ni－Fe粘結劑的金屬陶瓷,以及所述金屬陶瓷的制造方法和用途。該Co－Ni－Fe粘結劑含有約40—90wt%鈷,余下部分為Ni,Fe和附帶雜質。所述粘結劑的特點是甚至在進行塑性變形時,其基本上仍保持面心立方的晶體結構不變,并且避免應力和/或應變誘發(fā)的相變發(fā)生。換言之,所述Co－Ni－Fe粘結劑加工硬化性較低。該金屬陶瓷用作采礦業(yè)和建筑業(yè)的工具,用作機加工材料的工具,以及用作螺旋沖頭。
文檔編號C22C29/08GK1268188SQ9880854
公開日2000年9月27日 申請日期1998年8月20日 優(yōu)先權日1997年8月27日
發(fā)明者H－W·海恩里克, M·沃爾夫, D·施米德特, U·施勒因克夫 申請人:鈷碳化鎢硬質合金公司