硬金屬材料的制作方法
【專利說明】
[0001] 分案申請
[0002] 本申請是申請日為2011年2月1日，申請?zhí)枮?01180016660. 3,發(fā)明名稱為"硬 金屬材料"的專利申請的分案申請。
技術(shù)領(lǐng)域
[0003] 本發(fā)明概括而言涉及硬金屬材料，其包含如本文所述的分散于主體金屬或金屬合 金中的耐火材料顆粒。
[0004] ASM材料工程詞典將術(shù)語"硬金屬"定義為具有高硬度、強(qiáng)度和耐磨性的燒結(jié)材料 的統(tǒng)稱術(shù)語。
[0005] 本發(fā)明還提供由所述硬金屬材料制造的部件。本發(fā)明特別（盡管絕非排他地）涉 及重量超過IOOkg且通常超過1噸的大部件。
[0006] 本發(fā)明還提供從所述硬金屬材料制造所述部件的方法。
[0007] 在更具體的發(fā)明，盡管絕不是排他的發(fā)明，本發(fā)明涉及用于需要耐磨性的應(yīng)用的 硬金屬材料。
【背景技術(shù)】
[0008] 已知可利用粉末冶金從包含分散于主體金屬（該術(shù)語在本文被理解為包括金屬 合金）中的耐火顆粒的硬金屬材料制造小部件。
[0009] 粉末冶金工藝包括在升高的溫度下減壓下且通常于惰性氣氛中燒結(jié)機(jī)械混合的 耐火粉末。
[0010] "燒結(jié)"包括通過固態(tài)反應(yīng)在低于形成液態(tài)所需的溫度下且通常在減壓下使粉末 狀材料粘結(jié)。在燒結(jié)過程中，在低于金屬粘結(jié)劑熔點的溫度下，金屬粘結(jié)劑相和耐火顆粒的 粉末通過壓力和熱焊接在一起。燒結(jié)通常用于制造陶瓷部件，且其在諸如粉末冶金等領(lǐng)域 也發(fā)現(xiàn)應(yīng)用，用以制造含非常高熔點的材料的產(chǎn)品。
[0011] 粉末冶金學(xué)是用于制造相對小的、簡單形狀的耐磨性部件諸如碳化鎢刀具的有用 方法。然而，粉末冶金學(xué)不是一種從硬金屬材料制造重量超過IOOkgS以及通常超過1噸的 較大的、復(fù)雜形狀的硬金屬耐磨性部件諸如泵推進(jìn)器和破碎機(jī)耐磨部件的實用方法。這特 別是在通常需要較大的高耐磨性部件的采礦和礦物加工業(yè)的應(yīng)用中是一個問題。
[0012] 已知的是，在制造用于采礦和礦物加工業(yè)應(yīng)用中的部件時利用耐磨金屬合金，諸 如高鉻白口鐵。例如，在將開采的礦石從礦廠位置運輸?shù)降V物加工廠的自卸卡車的底座上 形成硬面合金。在另一實例中，耐磨合金鑄件用于形成將懸浮于水中的礦石顆粒漿輸送經(jīng) 過礦石加工廠的浮選回路中的加工階段。
[0013] 對上述每個實例中的耐磨合金的斷裂韌性和耐腐蝕性的要求是不同的，而因此， 所述耐磨合金組成是不同的。然而，除其他性質(zhì)之外，兩者之間的共同因素是對提供耐磨性 的需要。一般而言，通過控制合金組成可獲得較高的耐磨性，但是存在對其他性質(zhì)的取舍。
[0014] 對于其中耐磨性是關(guān)鍵性質(zhì)的任何給定環(huán)境，期望提供具有期望的性質(zhì)和改進(jìn)的 耐磨性的材料，同時在這些性質(zhì)的平衡之間較少讓步。
[0015] 應(yīng)注意，說明書包括對重量百分比（wt. % )和體積百分比（vol. % )的提及。在 說明書中提到NbC的情況下，其中NbC具有類似于主體金屬的密度，這些術(shù)語是可互換的。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0016] 本申請在深入的研宄和開發(fā)工作中發(fā)現(xiàn)，含有分散體、通常為5-50vol%耐火材料 細(xì)粒的分散體（其不溶于主體金屬且在本文中被描述為液體金屬漿液）的液體主體金屬在 鑄造中傾倒過程中具有優(yōu)良的流動性，而且所述漿液易于流動而填充砂模，從而生產(chǎn)硬金 屬材料的致密鑄件。
[0017] 術(shù)語"不溶的"在本文被理解為意指對于所有意圖和目的，耐火材料都不溶于主體 金屬?？赡艽嬖谟邢薜娜芙舛?。然而，耐火顆?；静煌谥黧w金屬，原因在于分配到主體 金屬的耐火材料顆粒中的過渡金屬是可忽略的。
[0018] 申請人還已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，在主體金屬中混合和分散不溶性耐火顆?？梢砸杂行У姆绞?在液態(tài)中在惰性氣氛諸如真空爐中進(jìn)行，以最小化耐火材顆粒中反應(yīng)元素的氧化。
[0019] 本發(fā)明不同于申請人已知的標(biāo)準(zhǔn)鑄造實踐，其包括將含在鑄件中的所有合金化添 加物完全熔化而形成單相液體，以確保在傾倒入模具過程中的最大流動性。
[0020] 申請人還發(fā)現(xiàn)，當(dāng)在某些生產(chǎn)參數(shù)內(nèi)按照本發(fā)明鑄造時，液體金屬漿的流動性足 以產(chǎn)生一系列從小套管到大套管的精湛的硬金屬材料鑄件，其具有特定的耐磨性、斷裂韌 性和耐腐蝕性，適合大范圍的運行中的操作條件。
[0021] 生產(chǎn)參數(shù)可包括耐火材料的粒徑、反應(yīng)性、熱膨脹或收縮、密度和溶度中的任意一 種或多種，如下面進(jìn)一步討論的。
[0022] 寬泛的說，本發(fā)明提供包含分散于主體金屬中的5-50vol%耐火材料顆粒的硬金 屬材料。
[0023] 在本發(fā)明的上下文中，術(shù)語"硬金屬材料"應(yīng)理解為包括分散于硬主體金屬中的9 種過渡金屬中任意一種或多種的高熔點碳化物和/或氮化物和/或硼化物的顆粒，所述過 渡金屬為鈦、錯、鉿、軌、銀、鉭、絡(luò)、鉬和鶴，所述硬主體金屬充當(dāng)基料相（binder phase)。通 常，主體金屬是鐵基金屬合金。這些顆粒中的每一個是耐火材料的顆粒而且在本文中被稱 為"耐火材料"。
[0024] 耐火材料的顆?？梢允且环N過渡金屬的碳化物和/或硼化物和/或氮化物，諸如 NbC0
[0025] 耐火材料的顆?？梢允嵌喾N過渡金屬的碳化物和/或硼化物和/或氮化物，其中 所述顆粒是過渡金屬的碳化物和/或硼化物和/或氮化物的化學(xué)混合物（與物理混合物相 對）。換言之，在碳化物的情況中，耐火材料的顆?？梢允且裕∕pM 2)C描述的類型，其中"M" 是過渡金屬。本文進(jìn)一步討論的一個實例是（Nb, Ti)C。
[0026] 硬金屬可包含分散于主體金屬中的5_40vol %耐火材料顆粒。
[0027] 硬金屬可包含分散于主體金屬中的大于IOvol %的耐火材料顆粒。
[0028] 硬金屬可包含分散于主體金屬中的大于15vol %的耐火材料顆粒。
[0029] 硬金屬可包含分散于主體金屬中的小于30vol %的耐火材料顆粒。
[0030] 硬金屬可包含分散于主體金屬中的小于25vol %的耐火材料顆粒。
[0031] 主體金屬可以是鐵基合金（諸如鋼或鑄鐵）、不銹鋼、奧氏體錳鋼諸如哈德菲爾高 猛鋼（Hadfield steel)，或者鐵基或鎳基或鈷基超耐熱合金。
[0032] 本發(fā)明還提供形成硬金屬材料的方法，包括：
[0033] (a)在例如惰性氣氛中形成硬金屬材料的漿液，其包含分散于液體主體金屬中的 5-50 vol %耐火材料顆粒，和
[0034] (b)使所述漿液固化，形成固體硬金屬材料。
[0035] 本發(fā)明還提供制造硬金屬材料部件的方法，包括：
[0036] (a)在例如惰性氣氛中形成硬金屬材料的漿液，其包含分散于液體主體金屬中的 5-50 vol %耐火材料顆粒，和
[0037] (b)在惰性氣氛中將所述漿液傾倒入模具中并形成所述部件的鑄件。
[0038] 所述方法可包括在從腔室中移除空氣的真空條件下于腔室中形成漿液然后形成 所述組件的鑄件，并將惰性氣體諸如氬供應(yīng)到該腔室中。以舉例的形式，所述方法可在真空 熔化爐中進(jìn)行。
[0039] 所述方法可包括選擇生產(chǎn)參數(shù)以在步驟（a)中形成具有必需的流動性的漿液，以 便在步驟（b)中進(jìn)行處理。在任何給定的情況中，注意到標(biāo)準(zhǔn)鑄造實踐考慮，諸如待形成的 部件尺寸和形狀以及為提供必需的部件微結(jié)構(gòu)所需的分散（均勻的或分離的），本領(lǐng)域技 術(shù)人員能夠確定處理步驟（b)所需的流動性。
[0040] 所述生產(chǎn)參數(shù)可包括耐火材料的粒徑、反應(yīng)性、密度和溶度中的任一種或多種，如 在下面進(jìn)一步討論的。
[0041] 耐火材料粒徑
[0042] 耐火材料可以具有細(xì)小粒徑。細(xì)小耐火材料粒徑可能是確保在主體金屬中均勻分 散所必需的。大部分過渡金屬耐火材料的熔點超過1800°C，而且耐火材料通常在主體液體 金屬中是不溶的。申請人已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，在直徑上，粒徑小于500微米、通常小于150微米的耐 火粉末在液體金屬漿液中提供最佳流動特征并在硬金屬鑄件的微結(jié)構(gòu)中產(chǎn)生期望的耐火 微粒的均勻分散。
[0043] 耐火材料的粒徑可以是小于400微米。
[0044] 耐火材料的粒徑可以是小于200微米。
[0045] 耐火材料的粒徑可以是小于150微米。
[0046] 耐火材料可以如下被添加至主體液體金屬中。
[0047] (a)作為具有選定粒度分布的細(xì)粉
[0048] 例如，15wt. %形式為碳化銀（NbC)的耐火材料顆粒（直徑小于（minus) 50微米） 添加至形式為高鉻白口鐵主體金屬的液體主體金屬中。NbC表現(xiàn)出24GPa的維氏硬度、 3600°C的熔點和在約1500°C的鑄造溫度下在主體液體金屬中非常低的溶度。液體金屬漿液 包含不溶性NbC顆粒（直徑小于50微米）在主體液體金屬中的懸浮液。在固化后，微結(jié)構(gòu) 顯示15vol % NbC細(xì)粒（直徑小于50微米）在高鉻白口鐵基質(zhì)中的分散體，所述高鉻白口 鐵基質(zhì)含有在該基質(zhì)中的可忽略量的（小于〇. 3wt. % )溶解態(tài)的鈮。
[0049] (b)上述過渡金屬或相同過渡金屬的鐵基合金可被添加至很多主體金屬中，該主 體金屬含有元素碳、硼和氮的所有組合和置換。
[0050] 例如，如在下面更詳細(xì)描述的，申請人已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，在1500°C Fe-Nb易于溶于主體液 體金屬中而且鈮立刻與主體液體金屬中的碳結(jié)合而原位形成直徑粒徑小于50微米的碳化 鈮。
[0051] 反應(yīng)性耐火材料<