专利名称：用于制造烧结碳化物产品的方法
技术领域：
本发明涉及利用粉末注射成型或者挤出法制造碳化钨基硬质合金工具或组件的方法。
背景技术：
基于碳化钨的硬质合金是由至少一种在一种粘结相中的硬质相的小m等级)颗粒构成的复合物。这些材料经常包含硬质相碳化钨(WC)。此外，也可以包括具有一般组成(Ti、Nb、Ta、W) C的其它金属碳化物，以及金属碳-氮化物，例如，Ti (C、N)。粘结相通常由钴(Co)组成。也可以使用其它粘结相成分，例如钴、镍和铁的组合物，或者镍和铁的组合物。碳化钨基硬质合金的工业产品通常包括使用研磨液体在湿的状态下将给定比例的原料和添加剂粉末共混。该液体经常为醇，例如乙醇或水，或其混合物。然后将所述混合物磨成均匀的浆体。湿磨操作是出于解聚集和充分混合原料的目的。单独的原料颗粒也在某种程度上被破碎。然后干燥和粒化所获得的浆体，例如通过喷雾干燥器。可将因此获得的粒状物用于单轴压制生坯或用于挤出或注射成型。注射成型在塑料工业是常见的，其中将包括热塑性聚合物或热固性聚合物的材料加热并使其强制进入具有预定形状的模具内。该方法用于粉末工艺时常常被称为粉末注射成型(PIM)。该方法优选地用于具有复杂几何形状的部件。在碳化钨基体硬质合金部件的粉末注射成型中，通常使用四个顺序的步骤I.将粒状烧结碳化物粉末与粘结剂体系混合。所述粘结剂体系作为粉末的载体，构成所得材料的25-60体积％，常常被称为原料。准确浓度取决于在成型期间的所需的工艺性能。所述混合是通过添加所有成分进入被加热到高于有机粘结剂熔融温度的温度的混合机之内而进行的。以近似4X4_的小球获得所得的原料。2.使用所述混合的原料进行注射成型。所述材料被加热到100-240°C然后被强制进入具有预定形状的空腔之内。然后将由此得到的部件冷却并从所述空腔移除。3.从获得的部件去除粘结剂。所述去除能够通过在适当的溶剂中提取和/或通过使用适当的气氛在炉中加热来完成。该步骤通常被称为脱脂步骤。4.烧结所述部件。使用常用的用于烧结碳化物的烧结过程。原料的挤出包括上述步骤1，3和4。替代强制原料进入预定形状的空腔内的是，使原料连续地强制通过一个具有预定截面的模具。原料的固含量，O，是硬质成分与有机成分相比的体积数，O能够利用以下等式算出；O = p f-p v/p s-p v其中P s是烧结状态的烧结碳化物的密度，P v是有机成分的平均密度，P f是原料的密度，采用氦比重仪测量。当将具有有机粘结剂的烧结碳化物粉末混合时，一个常见的问题是有机粘结剂的一部分不能在原料中恰当地散布。而是，一小部分有机粘结剂形成颗粒，比所述硬质成分的粒度要大很多，即在10-30 ii m范围内。在生坯的脱脂期间，这些颗粒将被移除，在结构中留下孔隙。一个常见消除这些孔隙的方法是使用具有施加的Ar静压的烧结，也就是HIP烧结。当使用HIP烧结时，所述孔隙将填充有金属粘结相，如果所述孔隙与施加的压力没有物理连接。接近于生坯表面的孔隙会坍塌以形成表面孔隙，例如直接位于生坯表面的孔隙。在表面的孔隙会严重地降低烧结材料的宏观机械强度。填充在多数材料的前述孔隙中的金属粘结剂会同时降低烧结材料的机械强度。另一个常见的问题是，如果有机粘结剂的颗粒较大，也就是说在20-30 u m范围内，在脱脂步骤期间，这些颗粒将随着气体快速产生而热解，在材料结构内形成气泡。
发明内容
本发明的一个目标是解决这些问题。
图I示出一个LOM显微照片，根据现有技术的烧结碳化物的大约1000倍的微观结构的放大图。图2示出一个LOM显微照片，根据本发明的烧结碳化物的大约1000倍的微观结构的放大图。
具体实施例方式令人惊讶的是，通过在混合机内加热烧结碳化物粉末混合物和通过添加熔融形式的有机粘结剂，确保温度未降到低于所述有机粘结剂的熔化温度，没有形成有机粘结剂颗粒且前述问题能被解决。本发明的方法包括以下步骤I)湿磨原料，在水或者乙醇或其组合中，优选的80wt%乙醇和20wt%水以及
0.1-1. 2wt%，优选的0. 25-0. 55wt%羧酸，优选硬脂酸，作为随后干燥过程中的成粒剂。需要的羧酸越多，硬质成分的粒度越小。2)将在上述湿磨步骤期间形成的浆料干燥。3)通过与有机粘结剂捏合将所述干燥的粉末混合，所述有机粘结剂包括30-60wt%烯属聚合物，40-70wt%蜡，以达到0 = 0. 52-0. 58、优选0. 54-0. 56的固含量。所述混合在分批混合机或者螺旋挤出机，优选双螺杆挤出机内进行。当使用分批混合机时，首先将烧结碳化物粉末混合物添加到被加热的混合机内。当混合机内的粉末混合物的温度高于有机粘结剂的熔点时，将熔融形式的有机粘结剂缓慢添加到混合机内，确保粉末混合物和有机粘结剂的温度不会降低到低于有机粘结剂的熔融温度，优选在95和180°C之间。当双螺杆挤出机被用于混合时，在螺杆开端处添加有机粘结剂，和通过侧流道添加粉末硬质成分，确保粉末混合进入熔体内以及确保温度不会降到低于有机粘结剂的熔融温度。粉末成分可通过若干侧流道沿着双螺杆挤出机被添加，或者材料能贯穿双螺杆挤出机若干次以确保温度不会降到低于所述有机粘结剂的熔融温度。可选择地，粉末硬质成分在被加到熔融有机粘结剂之前被预热以确保温度不会降到低于有机粘结剂的熔融温度。然后使材料形成为大约4 X 4mm尺寸的小球。4)在一个常规注塑成型机内将原料注射成型。可选择地，将原料在单螺杆、双螺杆或柱塞式挤出机中挤出。将材料加热到100-240°C，优选110-130°C，然后在注射成型的情况下，使其强制进入具有预定形状的空腔内。在挤出时，使材料强制通过具有预定截面的模具。在注射成型中获得的部件被冷却然后从空腔中移去。挤出物被切割成预定长度的片段。5)将获得的部件脱脂。脱脂分两步进行。5a)通过在非极性溶剂内在31_80°C、优选在50_65°C提取出蜡和矿油。通过试验确定避免裂缝以及按照本说明书的其他缺点形成所必须的条件在本领域普通技术人员的技术范围内。5b)通过在炉中，优选在流动气态介质气氛内，在2毫巴到标准大气压下，加热至高达450°C。通过试验确定避免裂缝以及按照本说明书的其他缺点形成所必须的条件在本领域普通技术人员的技术范围内。6)在真空下在脱脂炉内以900_1250°C的温度、优选在约1200°C下预烧结所述部件。7)使用常规烧结技术烧结所述部件。本发明可被用于烧结碳化物的所有的组成，以及通常使用的所有WC粒度。明显的，其同样可被用于碳氮化钛基材料。在一个实施发生中，使用了常规晶粒生长抑制剂的WC粒径应该为0. 2-1. 5 Um0在另一个实施例中，WC粒径应该为I. 5-4 Um0 本发明同样涉及包括在粘结相中的硬质成分的烧结碳化物基硬质合金部件。所述部件具有根据ISO 4505标准的AOO BOO COO的孔隙度，具有0. 2-0. 5um的平均粘结相池尺寸的均质粘结剂分布。实施例I通过将780g 钴粉(0MG 超细)，38. 66g Cr3C2 (H C Starck)，5161g WC (H C StarckDS 80)，20. 44g W金属粉末，16g费托蜡(SasolHl)和22g硬脂酸在I. 6L由乙醇和水(按重量80 20)构成的研磨液体中湿磨40小时而制得WC-13wt% Co亚微米烧结碳化物粉末。当喷雾干燥浆料时，将硬脂酸在这个步骤阶段中添加以作为成粒剂。将所得的浆料喷雾干燥为粒状的粉末。实施例2 (对比例)在曲棍式强力混合机(Werner&Pfleiderer LUK I. 0)中，通过捏合2500g实施例I的粉末和50. 97g根据陶氏方法具有93 °C的DSC熔点的聚乙烯(乙烯-共-(a-辛烯)(Engage 8440, Dow Plastics)和 45. 87g 具有 58_60°C熔点的石蜡(Sasol Wax 5805)和
5.06g具有在45和60°C (Merkur VARA AB)之间的熔点的矿油，混合实施例I中制得的粉末。将所述曲棍式强力混合机加热到150°C，添加原料。混合物被运转直至产生平滑粘性的原料。这导致具有8. 23g/ml的密度，对应于0. 553的O的原料。实施例3 (本发明)在曲棍式强力混合机(Werner&Pfleiderer LUK I. 0)中，通过捏合2500g实施例I的粉末和50. 97g根据陶氏方法具有93 °C的DSC熔点的聚乙烯(乙烯-共-(a-辛烯)(Engage 8440, Dow Plastics)和 45. 87g 具有 58_60°C溶点的石腊(Sasol Wax)和 5. 06g具有在45和60°C (Merkur VARA AB)之间的熔点的矿油，混合实施例I中制得的粉末。将所述曲棍式强力混合机加热到150°C，首先将粉末硬质成分添加到混合机。当粉末硬质成分的温度高于有机粘结剂的熔解温度时，将有机粘结剂以熔融形式缓慢地添加到所述混合机，确保温度不会降到低于所述有机粘结剂的熔融温度。使所述混合机运转直至产生平滑粘性的原料。这导致具有8. 23g/ml的密度，对应于0. 553的O的原料。实施例4 (对比例)将在实施例2中制得的原料供给到注射成型机(Battenfeld HM60/130/22)。该机器用于Seco Tools Minimaster 10毫米立统刀生还的注射成型。实施例5 (本发明)将在实施例3中制得的原料供给到注塑成型机(Battenfeld HM60/130/22)。该机器用于Seco Tools Minimaster 10毫米立统刀生还的注射成型。实施例6 (对比例)将在实施例4中制造的部件在烧结HIP炉(PVA COD 733R)中以1420°C及总的加热时间为60分钟通过提取和烧结实现脱脂。保持在峰值温度30分钟后，炉内压力被升高到 3MPa 的 Ar。在烧结后，部件被切断以便检查。从实施例4获得的部件没有碳孔隙，eta相和孔隙，也就是说，根据ISO 4505为A00 B00 COO0该部件显示出钴池和开式表面孔隙。平均钴池尺寸在0.5-1. Oii m。参见图I。实施例7 (本发明)将在实施例5中制造的部件在烧结HIP炉(PVA COD 733R)中以1420°C及总的加热时间为60分钟通过提取和烧结实现脱脂。保持在峰值温度30分钟后，炉内压力被升高到 3MPa 的 Ar。在烧结后，部件被切断以便检查。从实施例5获得的部件没有碳孔隙，裂缝，eta相和孔隙，也就是说，根据ISO 4505为A00 B00 C00。没有表面孔隙且微观结构显示均匀钴分配。平均钴池尺寸在0. 2-0. 5 ii m。参见图2。
权利要求
1.一种用于制造烧结碳化物基硬质合金部件的方法，所述硬质合金部件包括处于粘结相中的硬质成分，通过将在具有熔点的有机粘结剂中的硬质成分和粘结相的混合物进行粉末注射成型或者挤出制得所述部件，该方法包括如下步骤 混合硬质成分的粉末和粘结相以形成混合物； 加热所述硬质成分和粘结相的混合物到一个温度； 当硬质成分和粘结相的混合物的温度高于有机粘结剂的熔点时，添加熔融形式的有机粘结剂，确保温度不会降到低于有机粘结剂的熔点； 通过粉末注射成型或者挤出形成所述部件； 通过脱脂步骤从获得的部件中去除所述有机粘结剂； 烧结所述部件。
2.根据权利要求I所述的方法，其特征在于保持硬质成分和粘结相的混合物的温度在95和180°C之间。
3.根据权利要求I所述的方法，其特征在于在分批混合机中进行混合。
4.根据权利要求I所述的方法，其特征在于在挤出机中进行混合。
5.根据权利要求4的方法，其特征在于所述挤出机是双螺杆挤出机。
6.包括根据权利要求1-5所述的处于粘结相中的硬质成分的烧结碳化物基硬质合金部件，其特征在于所述部件具有均匀粘结相分布，具有0. 2-0. 5 u m的平均粘结相池尺寸。
全文摘要
本发明涉及一种用于制造烧结碳化物基硬质合金部件的方法，所述硬质合金部件包括处于粘结相中的硬质成分，通过将在具有熔点的有机粘结剂中的硬质成分和粘结相的混合物进行粉末注射成型或者挤出制得所述部件，该方法包括如下步骤混合硬质成分的粉末和粘结相以形成混合物；加热所述硬质成分和粘结相的混合物到一个温度；当硬质成分和粘结相的混合物的温度高于有机粘结剂的熔点时，添加熔融形式的有机粘结剂，确保温度不降到低于所述有机粘结剂的熔点；通过粉末注射成型或者挤出形成所述部件；通过脱脂步骤从获得的部件中去除所述有机粘结剂；和烧结所述部件。
文档编号B22F1/00GK102985198SQ201180026188
公开日2013年3月20日 申请日期2011年5月25日 优先权日2010年5月26日
发明者佩尔·强森 申请人:山高刀具公司