硬金属材料的制作方法
【专利说明】
[0001] 分案申请
[0002] 本申请是申请日为2011年2月1日，申请号为201180016660. 3,发明名称为"硬 金属材料"的专利申请的分案申请。
技术领域
[0003] 本发明概括而言涉及硬金属材料，其包含如本文所述的分散于主体金属或金属合 金中的耐火材料颗粒。
[0004] ASM材料工程词典将术语"硬金属"定义为具有高硬度、强度和耐磨性的烧结材料 的统称术语。
[0005] 本发明还提供由所述硬金属材料制造的部件。本发明特别（尽管绝非排他地）涉 及重量超过IOOkg且通常超过1吨的大部件。
[0006] 本发明还提供从所述硬金属材料制造所述部件的方法。
[0007] 在更具体的发明，尽管绝不是排他的发明，本发明涉及用于需要耐磨性的应用的 硬金属材料。
【背景技术】
[0008] 已知可利用粉末冶金从包含分散于主体金属（该术语在本文被理解为包括金属 合金）中的耐火颗粒的硬金属材料制造小部件。
[0009] 粉末冶金工艺包括在升高的温度下减压下且通常于惰性气氛中烧结机械混合的 耐火粉末。
[0010] "烧结"包括通过固态反应在低于形成液态所需的温度下且通常在减压下使粉末 状材料粘结。在烧结过程中，在低于金属粘结剂熔点的温度下，金属粘结剂相和耐火颗粒的 粉末通过压力和热焊接在一起。烧结通常用于制造陶瓷部件，且其在诸如粉末冶金等领域 也发现应用，用以制造含非常高熔点的材料的产品。
[0011] 粉末冶金学是用于制造相对小的、简单形状的耐磨性部件诸如碳化钨刀具的有用 方法。然而，粉末冶金学不是一种从硬金属材料制造重量超过IOOkgS以及通常超过1吨的 较大的、复杂形状的硬金属耐磨性部件诸如泵推进器和破碎机耐磨部件的实用方法。这特 别是在通常需要较大的高耐磨性部件的采矿和矿物加工业的应用中是一个问题。
[0012] 已知的是，在制造用于采矿和矿物加工业应用中的部件时利用耐磨金属合金，诸 如高铬白口铁。例如，在将开采的矿石从矿厂位置运输到矿物加工厂的自卸卡车的底座上 形成硬面合金。在另一实例中，耐磨合金铸件用于形成将悬浮于水中的矿石颗粒浆输送经 过矿石加工厂的浮选回路中的加工阶段。
[0013] 对上述每个实例中的耐磨合金的断裂韧性和耐腐蚀性的要求是不同的，而因此， 所述耐磨合金组成是不同的。然而，除其他性质之外，两者之间的共同因素是对提供耐磨性 的需要。一般而言，通过控制合金组成可获得较高的耐磨性，但是存在对其他性质的取舍。
[0014] 对于其中耐磨性是关键性质的任何给定环境，期望提供具有期望的性质和改进的 耐磨性的材料，同时在这些性质的平衡之间较少让步。
[0015] 应注意，说明书包括对重量百分比（wt. % )和体积百分比（vol. % )的提及。在 说明书中提到NbC的情况下，其中NbC具有类似于主体金属的密度，这些术语是可互换的。
【发明内容】
[0016] 本申请在深入的研宄和开发工作中发现，含有分散体、通常为5-50vol%耐火材料 细粒的分散体（其不溶于主体金属且在本文中被描述为液体金属浆液）的液体主体金属在 铸造中倾倒过程中具有优良的流动性，而且所述浆液易于流动而填充砂模，从而生产硬金 属材料的致密铸件。
[0017] 术语"不溶的"在本文被理解为意指对于所有意图和目的，耐火材料都不溶于主体 金属。可能存在有限的溶解度。然而，耐火颗粒基本不同于主体金属，原因在于分配到主体 金属的耐火材料颗粒中的过渡金属是可忽略的。
[0018] 申请人还已经发现，在主体金属中混合和分散不溶性耐火颗粒可以以有效的方式 在液态中在惰性气氛诸如真空炉中进行，以最小化耐火材颗粒中反应元素的氧化。
[0019] 本发明不同于申请人已知的标准铸造实践，其包括将含在铸件中的所有合金化添 加物完全熔化而形成单相液体，以确保在倾倒入模具过程中的最大流动性。
[0020] 申请人还发现，当在某些生产参数内按照本发明铸造时，液体金属浆的流动性足 以产生一系列从小套管到大套管的精湛的硬金属材料铸件，其具有特定的耐磨性、断裂韧 性和耐腐蚀性，适合大范围的运行中的操作条件。
[0021] 生产参数可包括耐火材料的粒径、反应性、热膨胀或收缩、密度和溶度中的任意一 种或多种，如下面进一步讨论的。
[0022] 宽泛的说，本发明提供包含分散于主体金属中的5-50vol%耐火材料颗粒的硬金 属材料。
[0023] 在本发明的上下文中，术语"硬金属材料"应理解为包括分散于硬主体金属中的9 种过渡金属中任意一种或多种的高熔点碳化物和/或氮化物和/或硼化物的颗粒，所述过 渡金属为钛、错、铪、轨、银、钽、络、钼和鹤，所述硬主体金属充当基料相（binder phase)。通 常，主体金属是铁基金属合金。这些颗粒中的每一个是耐火材料的颗粒而且在本文中被称 为"耐火材料"。
[0024] 耐火材料的颗粒可以是一种过渡金属的碳化物和/或硼化物和/或氮化物，诸如 NbC0
[0025] 耐火材料的颗粒可以是多种过渡金属的碳化物和/或硼化物和/或氮化物，其中 所述颗粒是过渡金属的碳化物和/或硼化物和/或氮化物的化学混合物（与物理混合物相 对）。换言之，在碳化物的情况中，耐火材料的颗粒可以是以（MpM 2)C描述的类型，其中"M" 是过渡金属。本文进一步讨论的一个实例是（Nb, Ti)C。
[0026] 硬金属可包含分散于主体金属中的5_40vol %耐火材料颗粒。
[0027] 硬金属可包含分散于主体金属中的大于IOvol %的耐火材料颗粒。
[0028] 硬金属可包含分散于主体金属中的大于15vol %的耐火材料颗粒。
[0029] 硬金属可包含分散于主体金属中的小于30vol %的耐火材料颗粒。
[0030] 硬金属可包含分散于主体金属中的小于25vol %的耐火材料颗粒。
[0031] 主体金属可以是铁基合金（诸如钢或铸铁）、不锈钢、奥氏体锰钢诸如哈德菲尔高 猛钢（Hadfield steel)，或者铁基或镍基或钴基超耐热合金。
[0032] 本发明还提供形成硬金属材料的方法，包括：
[0033] (a)在例如惰性气氛中形成硬金属材料的浆液，其包含分散于液体主体金属中的 5-50 vol %耐火材料颗粒，和
[0034] (b)使所述浆液固化，形成固体硬金属材料。
[0035] 本发明还提供制造硬金属材料部件的方法，包括：
[0036] (a)在例如惰性气氛中形成硬金属材料的浆液，其包含分散于液体主体金属中的 5-50 vol %耐火材料颗粒，和
[0037] (b)在惰性气氛中将所述浆液倾倒入模具中并形成所述部件的铸件。
[0038] 所述方法可包括在从腔室中移除空气的真空条件下于腔室中形成浆液然后形成 所述组件的铸件，并将惰性气体诸如氩供应到该腔室中。以举例的形式，所述方法可在真空 熔化炉中进行。
[0039] 所述方法可包括选择生产参数以在步骤（a)中形成具有必需的流动性的浆液，以 便在步骤（b)中进行处理。在任何给定的情况中，注意到标准铸造实践考虑，诸如待形成的 部件尺寸和形状以及为提供必需的部件微结构所需的分散（均匀的或分离的），本领域技 术人员能够确定处理步骤（b)所需的流动性。
[0040] 所述生产参数可包括耐火材料的粒径、反应性、密度和溶度中的任一种或多种，如 在下面进一步讨论的。
[0041] 耐火材料粒径
[0042] 耐火材料可以具有细小粒径。细小耐火材料粒径可能是确保在主体金属中均匀分 散所必需的。大部分过渡金属耐火材料的熔点超过1800°C，而且耐火材料通常在主体液体 金属中是不溶的。申请人已经发现，在直径上，粒径小于500微米、通常小于150微米的耐 火粉末在液体金属浆液中提供最佳流动特征并在硬金属铸件的微结构中产生期望的耐火 微粒的均匀分散。
[0043] 耐火材料的粒径可以是小于400微米。
[0044] 耐火材料的粒径可以是小于200微米。
[0045] 耐火材料的粒径可以是小于150微米。
[0046] 耐火材料可以如下被添加至主体液体金属中。
[0047] (a)作为具有选定粒度分布的细粉
[0048] 例如，15wt. %形式为碳化银（NbC)的耐火材料颗粒（直径小于（minus) 50微米） 添加至形式为高铬白口铁主体金属的液体主体金属中。NbC表现出24GPa的维氏硬度、 3600°C的熔点和在约1500°C的铸造温度下在主体液体金属中非常低的溶度。液体金属浆液 包含不溶性NbC颗粒（直径小于50微米）在主体液体金属中的悬浮液。在固化后，微结构 显示15vol % NbC细粒（直径小于50微米）在高铬白口铁基质中的分散体，所述高铬白口 铁基质含有在该基质中的可忽略量的（小于〇. 3wt. % )溶解态的铌。
[0049] (b)上述过渡金属或相同过渡金属的铁基合金可被添加至很多主体金属中，该主 体金属含有元素碳、硼和氮的所有组合和置换。
[0050] 例如，如在下面更详细描述的，申请人已经发现，在1500°C Fe-Nb易于溶于主体液 体金属中而且铌立刻与主体液体金属中的碳结合而原位形成直径粒径小于50微米的碳化 铌。
[0051] 反应性耐火材料<