形成具有功能梯度材料的新穎組合物的金屬或陶瓷制品的方法和包含所述組合物的制品的制作方法
【專利說明】形成具有功能梯度材料的新穎組合物的金屬或陶瓷制品的 方法和包含所述組合物的制品
[0001] 發(fā)明描述
[0002] 相關(guān)申請的交叉引用
[0003] 本申請要求2012年9月27日提交的美國臨時(shí)申請第61/706, 693號和2012年12 月13日提交的美國臨時(shí)申請第61/736, 791號的權(quán)益，這兩件臨時(shí)申請的公開內(nèi)容均以引 用方式并入本文中。 發(fā)明領(lǐng)域
[0004] 本發(fā)明涉及一種通過形成不同組成的粉末的生坯體并壓實(shí)和燒結(jié)此類生坯體來 制備具有非均勻組成的金屬和陶瓷制品（例如鉆機(jī)、磨機(jī)、切削和成形工具、線模和機(jī)械組 件）的方法。
[0005] 發(fā)明背景
[0006] 工具壽命是由工具對若干種類型的磨損的耐性和其對重負(fù)荷和沖擊的反應(yīng)來決 定，而現(xiàn)實(shí)是耐磨性的增加通常以犧牲強(qiáng)度為代價(jià)?，F(xiàn)今，最佳工具呈現(xiàn)最佳折衷，因此在 特殊應(yīng)用中的使用受限。為限制此類折衷，已使用涂布技術(shù)來不僅提供較長的工具壽命，而 且還提供增加的切削速度和進(jìn)料。粉末冶金和燒結(jié)已引起開發(fā)具有提高硬度和韌性的新 材料。例如通過化學(xué)氣相沉積（CVD)、物理氣相沉積（PVD)或等離子體輔助化學(xué)氣相沉積 (PACVD)向燒結(jié)合金中添加硬涂層會增加耐磨性。
[0007] 通過各種工程改造（包括層壓、部件幾何形狀）和通過額外機(jī)械和/或熱過程以 提高局部耐磨性來改善機(jī)械性能。然而，這些額外過程會增加成本且耗費(fèi)時(shí)間，并且通常需 要更多工藝步驟，例如銅焊、鍛造、熱處理、研磨或磨光。
[0008] 外部涂布溶液具有若干主要缺點(diǎn)，包括在使用中涂層脫層和開裂（由不同涂層和 基底熱膨脹率以及彎曲和表面負(fù)荷所致）并且所需高CVD工藝溫度（900°C至1200°C)可 能不符合燒結(jié)部分的強(qiáng)度或幾何形狀所需的熱處理。
[0009] 此外，即使在工具表面上使用高性能涂層，涂層最終仍會失效，并且由于基礎(chǔ)材料 的性質(zhì)不足以在切削速度下操作，因此工具會極快地失效。盡管此類工具可通過重新施加 CVD涂層得以恢復(fù)，但一個(gè)涂層或多個(gè)涂層的重新施加通常在經(jīng)濟(jì)上不可行。
[0010] 因此，本發(fā)明的一個(gè)目的是提供一種新穎功能梯度材料（FGM)，其具有可在工具或 制品中的不同位置處進(jìn)行改變而在工具或制品中的不同區(qū)域間的界面處不表現(xiàn)出失效的 性質(zhì)。此新穎FGM由可燒結(jié)生坯粉末（其可為增塑粉末）與常見或相容基質(zhì)和粘合劑材料 組合而成，所述基質(zhì)和粘合劑材料使得經(jīng)設(shè)計(jì)的界面具有過渡型梯度并且結(jié)合強(qiáng)度是常規(guī) 層狀界面中的結(jié)合強(qiáng)度的許多倍。
[0011] 本發(fā)明的另一目的是相對于常規(guī)磨損層壓體使得工具或制品的工作表面和切削 邊緣處的可用磨損極限、摩擦系數(shù)和韌性性質(zhì)增加。
[0012] 本發(fā)明的另一目的是提供除接受中性或較弱界面外的性質(zhì)的經(jīng)設(shè)計(jì)和改造的過 渡。本發(fā)明的另一目的是提供經(jīng)濟(jì)的制造，其通過以下方式實(shí)現(xiàn)：(a)減少所需昂貴材料的 量，（b)使用連續(xù)擠出、粉末注射模制（PIM)、或增塑粉末金屬和陶瓷的壓延或粉末金屬和 陶瓷的干燥粉末層覆，和（c)通過減少工藝步驟或生產(chǎn)工具或部件所需的工藝步驟的數(shù)量 來降低成本。
[0013] 這些目的是通過由不同類型的壓實(shí)和燒結(jié)材料（例如堅(jiān)韌涂布硬質(zhì)粉末（TCHP)) 形成工具或制品來實(shí)現(xiàn)，如美國專利6, 372, 346中所公開，該專利全文以引用方式并入本 文中。此類材料表現(xiàn)出提供優(yōu)異金屬切削工具和制品所需的性質(zhì)的組合。由于將粒子結(jié)合 至由TCHP構(gòu)成的燒結(jié)制品中的粘結(jié)劑材料的性質(zhì)，層壓體之間的界面異常強(qiáng)。此強(qiáng)度通過 使用擠出或注射模具、輥或模具形式使材料逐漸過渡而得以進(jìn)一步增強(qiáng)，此類形式提供在 其層狀界面處互鎖不同材料的獨(dú)特凹槽。
[0014] 發(fā)明概述
[0015] 根據(jù)本發(fā)明，提供一種制備功能梯度材料的制品的方法。所述方法包括：提供復(fù)合 粉末，例如此前提及的TCHP和至少一種〃載體"粉末。
[0016] 在一個(gè)實(shí)施方案中，第一粉末由多個(gè)核粒子構(gòu)成，所述核粒子基本上由具有式MaXb 的第一金屬化合物或多種金屬化合物組成，其中M為選自以下的金屬：鈦、鋯、鉿、釩、鈮、 鉭、鉻、鉬、鎢、鋁、鎂、銅和娃；X為選自氮、碳、硼、硫和氧的元素；并且a和b為大于0至高 達(dá)且包括14的數(shù)。
[0017] 在一個(gè)非限制性實(shí)施方案中，核粒子材料選自：TiN、Ti(C，N)、TiC、TiB2、ZrC、ZrN、 ZrB2、HfC、HfN、HfB2、TaB2、VC、VN、cBN、hBN、A1203、Si3N4、SiB6、SiAICB、B4C、B203、W2B5、WB2、 WS2、AIN、AHfeB14、MoS2、MoSi2、Mo2B5、MoB2、MoFeB(硼化鐵鉬）、金剛石及其混合物。
[0018] 所述核粒子上具有基本上由第二金屬化合物組成的中間層，所述第二金屬化合物 的組成不同于第一金屬化合物且具有更高的相對斷裂韌性。所述第二金屬化合物能夠與所 述第一金屬化合物結(jié)合且能夠與選自鐵、鈷、鎳、銅、鈦、鋁、鎂、鋰、鈹、銀、金和鉑的金屬結(jié) 合。所述核粒子與所述中間層的組合形成被涂布粒子。
[0019] 第一粘結(jié)劑覆蓋被涂布粒子上的中間層并且粘結(jié)劑包含鐵、鈷、鎳、其混合物、其 合金或其金屬間化合物中的至少一者。在一個(gè)實(shí)施方案中，第二粉末混合物（例如具有核 粒子或不同于第一TCHP粉末的其它組分的TCHP粉末）可形成第二粉末混合物。
[0020] 為制備TCHP顆粒物質(zhì)的第一粉末和第二粉末以用于經(jīng)由異形模具或輥擠出、注 射或壓延至預(yù)壓實(shí)模具中，可將其增塑成高粘度但可流動且可模制狀態(tài)。通常用于增加本 文所述粉末的流動性的增塑粘結(jié)劑包括但不限于石蠟、硬脂酸、乙烯雙-硬脂酰胺（EBS)、 乙烯-醋酸乙烯酯、增塑劑（例如聚乙烯醇、聚乙二醇或合成樹脂）和混合或共混的類似有 關(guān)有機(jī)化合物，例如上述共聚物。這些增塑劑可在添加或不添加最通常30°C至150°C范圍 內(nèi)的熱的情況下在擠出、注射或壓延之前或同時(shí)與多個(gè)組分粒子混合。就干燥粉末層覆而 言，將粉末質(zhì)流控制傳送至其組合點(diǎn)并在不借助擠出機(jī)、注射機(jī)或壓延機(jī)的情況下在模具 中壓實(shí)。可使用蠟作為固結(jié)和脫模助劑。
[0021] 堅(jiān)韌涂布硬質(zhì)粒子（TCHP)是通過用極堅(jiān)韌材料（包括碳化鎢+鈷或鋼）包封極 硬核粒子（包括立方氮化硼、金剛石、氧化鋁、碳化硅和氮化鈦）而形成的經(jīng)設(shè)計(jì)的微結(jié)構(gòu)， 并且在一些情形下為納米結(jié)構(gòu)，所述極堅(jiān)韌材料在固結(jié)過程中變成鄰接基質(zhì)。在單一TCHP 變型中，可共存的期望性質(zhì)與存在于其均勻堅(jiān)韌基底中的不同核粒子材料一樣多。在一個(gè) 優(yōu)選實(shí)施方案中，TCHP粉末含有9-10重量％范圍內(nèi)的Co。此優(yōu)選材料的燒結(jié)收縮率為約 16%〇
[0022] 第一塑性粉末混合物中的鄰接基質(zhì)提供將耐磨粒子保持在原位的堅(jiān)韌載體基質(zhì)。 此塑性粉末混合物位于主要功能為耐磨性、低摩擦系數(shù)和/或其它期望性質(zhì)或性質(zhì)組合 (例如導(dǎo)熱性和導(dǎo)電性、耐腐蝕性或熱膨脹系數(shù)）的區(qū)中或表面上。
[0023] 第二塑性粉末混合物的功能是提供主要功能為提供增加的斷裂韌性和/或其它 期望性質(zhì)或性質(zhì)組合（例如導(dǎo)熱性和導(dǎo)電性、耐腐蝕性或熱膨脹系數(shù)）并降低成本的基底 層或區(qū)。在一個(gè)實(shí)施方案中，第二復(fù)合粉末的化學(xué)組成極類似于第一塑性粉末混合物的鄰 接基質(zhì)（或至少與其可結(jié)合且可燒結(jié)）。這產(chǎn)生提供與兩個(gè)基底相比不減少的界面強(qiáng)度的 冶金或化學(xué)結(jié)合。
[0024] 在一個(gè)實(shí)施方案中，第二粉末為鈷涂布的WC粒子或WC-Co混合物的復(fù)合材料或?yàn)?鋼、工具鋼、不銹鋼、鈦、鋁或基本上與第一粉末的鄰接基質(zhì)相同的其它粉末。
[0025] 或者，第二粉末組合物在化學(xué)或冶金上與第一粉末的鄰接基質(zhì)相容且可結(jié)合。
[0026] 然而一些層壓體需要不同層中存在的粘結(jié)劑或結(jié)合成分或化合物的量明顯不同 以促進(jìn)在各層之間擴(kuò)散并結(jié)合，因此具有經(jīng)選擇以具有基本上等效的粘結(jié)劑或結(jié)合相的功 能梯度TCHP基層壓體的基底材料層壓并不合適。
[0027] 本文所述的方法還可包含如此前所述的額外TCHP粉末的任何數(shù)量的混合物。例 如，在一個(gè)實(shí)施方案中，公開了一種或多種此前所述的載體粉末和至少兩種此前所述的 TCHP粉末，例如，基本上由具有式MaXb的金屬化合物組成的核粒子，其中M為選自以下的金 屬：鈦、鋯、鉿、釩、鈮、鉭、鉻、鉬、鎢、鋁、鎂、銅和硅；X為選自氮、碳、硼、硫和氧的元素；并且 a和b為大于0至高達(dá)且包括14的數(shù)。
[0028] 在一個(gè)非限制性實(shí)施方案中，核粒子材料選自：TiN、Ti(C，N)、TiC、TiB2、ZrC、ZrN、 ZrB2、HfC、HfN、HfB2、TaB2、VC、VN、cBN、hBN、A1203、Si3N4、SiB6、SiAICB、B4C、B203、W2B5、WB2、 WS2、AIN、A頂gB14、MoS2、MoSi2、Mo2B5、MoB2、MoFeB、金剛石及其混合物。
[0029] 在一個(gè)實(shí)施方案中，核粒子材料包含化學(xué)計(jì)量范圍內(nèi)的混合Fe-Mo-B化合物，其 可被作為類似取代基的Co、Ni取代。
[0030] 在另一非限制性實(shí)施方案中，中間層選自：WC、TaC、W2C以及WC與W2C的混合物。
[0031] 第二混合物的核粒子具有至少M(fèi)、X、a和b中的至少一者，不同于第一塑性混合物 中的M、X、a和b。第二混合物的核粒子上具有基本上由第一塑性混合物的第二金屬化合物 組成的中間層。第三化合物的核粒子和其中間層的組合形成第二被涂布粒子。
[0032] 各種粉末混合物成型為生坯體以使得第一粉末形成生坯體的第一部分，第二粉末 混合物形成生坯體的第二部分等等。
[0033] 成型、成形和壓制生坯體組合體的非限制性方法包括擠出、共擠出、粉末注射模 制、帶式澆注、壓延、干燥粉末層覆、漿液澆注、離心漿液澆注和濕粉末噴霧，漿液用于三維 形狀，離心用于涂布管，且濕噴霧用以沉積出軸對稱形狀。
[0034] 為在各層之間實(shí)現(xiàn)真實(shí)改造的過渡區(qū)，可在擠出、注射、壓延或干燥粉末遞送裝置 中提供帶有陡峭凹槽的擠出模具，所述擠出模具提供不同生坯層之間的更緊密界面以提供 過渡界面區(qū)中不同材料的新穎互鎖瓦狀重疊。
[0035] 磨損區(qū)中所用的一種材料為TCHP。此外，結(jié)構(gòu)區(qū)中所用的材料由與降低體積百分 比的核粒子一起或無核粒子用于TCHP中的中間和粘結(jié)劑層材料組成。隨后可壓實(shí)生坯體 組合體以形成壓實(shí)體或可將其直接注射至模具中。然后燒結(jié)所述壓實(shí)體以形成具有不同性 質(zhì)的區(qū)的制品，生坯體的第一部分形成制品的硬的耐磨部分，且生坯體的第二部分形成制 品或組件的堅(jiān)韌的強(qiáng)負(fù)荷承載部分。
[0036] 將作為功能梯度材料的生坯粉末混合物新穎地結(jié)合在一起使得術(shù)語〃功能梯度" 成為現(xiàn)實(shí)。例如，其可以較少操作為通常需要熱或物理操作（例如需