專利名稱：：具有超低熱傳導率的燒結(jié)碳化物的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
：本發(fā)明涉及耐磨損材料的領(lǐng)域，并且具體地涉及一種用在造粒?？诿嬉约邦愃莆镏械牡蜔醾鲗薀Y(jié)碳化物。背景資料造粒是用于產(chǎn)生新生產(chǎn)的或回收的塑性樹脂的均勻顆粒尺寸的一種方法。石油工業(yè)使用這種方法來生產(chǎn)?；木垡蚁?、聚丙烯以及其他聚合物材料，在它們中具有填充劑材料以允許這些材料的更有效的處理和加工。這種造粒方法開始于使來自一個擠出機的熔化聚合物強行通過一個?？谝孕纬啥喙删酆衔飿渲?。典型地，這種造粒方法是在水下進行的，在水中這些股在流出?？跁r立即被沿著模口面的表面經(jīng)過的一個旋轉(zhuǎn)的切刀切割。這種操作在一個封閉的環(huán)境中進行，因為水循環(huán)經(jīng)過既冷卻了?？诿嬉矓y帶這些粒料離開該封閉的環(huán)境。然后這些粒料在最終封裝或進一步加工之前被傳送到一個脫水/干燥系統(tǒng)中。通常，造粒機的?？诿媸怯膳c該造粒機的本體不同的材料制成或可以涂覆有一種不同的材料。因為造粒機上的大部分磨損發(fā)生在這個面上，所以使用硬質(zhì)、耐磨損并且耐腐蝕的?？诿娌牧显试S該造粒機有更長的壽命。在?？诒倔w必須更換之前可以將?？诿娌牧细鼡Q數(shù)次。?？诿娌牧弦?jīng)受一系列有害的環(huán)境條件，例如極端的溫度、浸沒在水環(huán)境中以及來自流動的聚合物材料的不斷的表面沖蝕、以及造成的穴蝕的切刀的運動。除了是硬質(zhì)的和耐磨損之外，一種模口面材料還應該具有低的熱傳導率以及高的耐腐蝕性/抗穴蝕性。當今，用作磨損墊片和孔口尖端的兩種最常見的?？诿娌牧鲜氰F-碳化鈦(Ferro-TiC)和碳化鴇鈷(WC-Co)合金。這些磨損墊片和孔口尖端被嵌入?？诿姘宓牟讳P鋼合金和/或陶瓷材料中。Ferro-TiC是一種可機加工的并且可硬化的合金/鋼結(jié)合的碳化鈦。Ferro-TiC典型地是一種碳化鈦(TiC)加上鉻(Cr)、鉬(Mo)、碳-鐵合金(C-Fe)和/或鈦的金屬基復合材料。例如，如在美國專利號5，366，138(Vela等人)中所講述的一種典型的Ferro-TiC組合物包括30-32%的TiC、9-鄉(xiāng)的Cr、3-6.5%的Co、3_4.5%的Ni、2-4%的Mo、0-1%的Al、1-2%的Ti、0-1%的Cr以及40-50%的Fe。超硬的、圓化的碳化鈦顆粒被均勻地分布為遍及可硬化的鋼合金的基體。在退火狀態(tài)下的制造是用普通的工具和設(shè)備實現(xiàn)的，隨后進行常規(guī)的熱處理以獲得最大硬度。WC-Co基的燒結(jié)碳化物包括一系列的復合材料，這些復合材料包含由一種金屬粘合劑粘合在一起的硬質(zhì)碳化物顆粒。碳化物相的比例通常是在該復合材料的總重量的70-97%之間，并且其晶粒尺寸平均在0.2與14iim之間。例如，在美國專利號4，923，512(Timm等人)中披露了一種典型的鈷結(jié)合的碳化鴇材料。Timm等人講述了一種組合物，該組合物具有的WC的量是83-99重量％并且鈷的量是1-18重量％。硬質(zhì)相的碳化鎢(WC)于粘結(jié)相的鈷(Co)—起形成了基本的燒結(jié)碳化物結(jié)構(gòu)。除了WC-Co組合物外，燒結(jié)碳化物可以包含小部分的次級碳化物，如，碳化鈦(TiC)、碳化鉭(TaC)、以及碳化鈮(NbC)。4這些次級碳化物是互溶的并且還可以溶解一個高比例的碳化鎢。此外，所生產(chǎn)的燒結(jié)碳化物具有與其他金屬合金化、或被其完全替代的鈷粘結(jié)相，這些其他的金屬是如鎳(M)、鉻(Cr)、鉬(Mo)、鐵(Fe)或這些元素的合金。因此，典型地存在構(gòu)成燒結(jié)碳化物的三種單獨的相，碳化鴇的a-相、一種粘合劑材料(例如，Co、Ni、等)的P-相、以及單一的或固溶的碳化物相(例如，WC和TiC、和/或TaC、和/或NbC、和/或氮化物類或碳氮化物類)的Y-相。Ferro-TiC合金盡管總體上在耐磨損應用中有效，但是與可比的WC-Co合金相比是更昂貴并且更難于加工的。例如，雖然WC-Co合金可以是不昂貴的并且容易地在空氣中銀焊或銅焊在?？诒倔w上，但Ferro-TiC合金不能用常規(guī)的方法直接銀焊或銅焊在?？谏稀．斢米骺卓诩舛藭r，WC-Co材料盡管具有與Ferro-TiC類似的耐腐蝕性和耐磨損性，但是受損于所不希望的高熱傳導率。因為循環(huán)水在表面上的冷卻作用，所以高熱傳導率會由于孔口尖端將熱傳導離開正被擠出的聚合物而導致聚合物在?？诳卓谥械哪獭．斕畛鋭┎牧媳话谌缇郾┲袝r，這尤為明顯。授予Majagi等人的美國專利號6，521，353(通過引用將其結(jié)合在此)披露了一種硬質(zhì)金屬，該硬質(zhì)金屬包括大量的碳化鎢以及少量的碳化鈦，它們用一種鈷和鎳的粘合劑材料燒結(jié)在一起。對用在造粒?？诿婧推渌吣p應用中的硬質(zhì)金屬合金材料存在一種持續(xù)的需要，這種硬質(zhì)金屬合金材料具有與陶瓷材料相比超低的熱傳導率、高耐磨損性和耐腐蝕性，并且與陶瓷材料相比相對便宜、容易制造和更容易與鋼結(jié)合。發(fā)明概述通過本發(fā)明滿足了以上的需要，本發(fā)明提供了一種硬質(zhì)合金材料，該材料包括小于該材料的50重量百分比的量的碳化鴇、小于約30重量百分比的量的碳化鈦以及一種鈷和鎳的粘合劑材料。本發(fā)明的材料的熱傳導率是約12￥&"/!11.1(或更小。在本發(fā)明的其他方面中，鉬和/或鉻被包括在該粘合劑材料中以進一步降低熱傳導率并且提高該材料的耐腐蝕性。在本發(fā)明的又一個方面，在該材料中包括了附加的碳化物，如碳化鉻和/或碳化鉭鈮。本發(fā)明的一個方面是提供一種耐磨損、低熱傳導率的合金，該合金包括具有約12Watt/m。K或更小的熱傳導率的一種合金。該合金包括小于50重量百分比的量的碳化鎢、至少30重量百分比的量的碳化鈦以及一種包括鈷和/或鎳的粘合劑材料。本發(fā)明的另一方面是提供在造粒?？诿嬷芯哂屑s12Watt/m。K或更小的熱傳導率的一種低熱傳導率的硬質(zhì)金屬組合物，該組合物包括小于50重量百分比的量的碳化鎢、至少30重量百分比的量的碳化鈦、以及一種包括鈷和/或鎳的粘合劑材料。本發(fā)明的再一個方面是提供一種造粒模口，它包括一個?？诒倔w、以及在所述?？诒倔w的一個表面上的一個模口面，所述?？诿姘ㄒ环N合金。該合金包括小于50重量百分比的量的碳化鎢、至少30重量百分比的量的碳化鈦以及一種包括鈷和/或鎳的粘合劑材料。本發(fā)明的這些以及其他方面將在下面的說明中變得更清楚。附圖簡要說明圖1是利用本發(fā)明的硬質(zhì)金屬合金材料的一種造粒模口的示圖。圖2是圖1的造粒?？诘慕孛鎴D。圖3是本發(fā)明的硬質(zhì)金屬合金組合物的一個實施方案的顯微結(jié)構(gòu)照片。詳細說明圖1和圖2展示了用在一個造粒模口板10上的一個?？诿姘?0的一個優(yōu)選實施方案。如在美國專利號4，856，974(Wolf)(通過引用結(jié)合在此)中所披露的造粒?？诎?0具有一個本體20和一個?？诿姘?0。?？诿姘?0可以是一個分開的可替換的物品或可以是在本體20上的或在具有一個模口面板的形狀的物品基體上的一個涂層。例如，?？诿姘?0由一個第一構(gòu)件34組成，該第一構(gòu)件具有嵌入在其中的多個總體上呈圓柱形的孔口尖端52和多個磨損墊片58。例如，第一構(gòu)件34可以是一種不銹鋼(例如，15-5Kl鋼)或一種在氧化鋁或氧化鋯基的陶瓷上的一種熱噴涂物或它們的一種組合。通過任何適合的方法(如銅焊)將孔口尖端52附接在第一構(gòu)件34上。在第一構(gòu)件34如上述是一種陶瓷的情況下，可以在該陶瓷與這些插入件52和磨損墊片58之間有一層鋼。本體20還可以是一種不銹鋼(例如，15-5ra鋼)并且在其中具有多個擠出孔口22和加熱通道24。這些孔口22還可以穿過模口面板10并且在那里被這些孔口尖端52包圍。在一個優(yōu)選實施方案中，這些孔口尖端52和磨損墊片58是碳化鎢(WC)和碳化鈦(TiC)的燒結(jié)物品。該燒結(jié)碳化物材料包括小于50重量百分比的WC，優(yōu)選從約30至約45重量百分比的WC，并且更優(yōu)選從約35至約40重量百分比的WC。該燒結(jié)碳化物材料還包括大于約30重量百分比的量的碳化鈦(TiC)，優(yōu)選從約30至約45重量百分比的TiC，更優(yōu)選從約35至約40重量百分比的TiC。在一個實施方案中，WC和TiC的量基本上是相等的。在加工過程中限制材料的晶粒(特別是WC晶粒)生長是重要的，這樣可以獲得小的晶粒尺寸、高硬度、高磁矯頑性以及低孔隙率。為了實現(xiàn)這一點，可以加入一種晶粒生長抑制劑。該晶粒生長抑制劑優(yōu)選是另一種碳化物，并且可以是單獨的或組合的任何金屬碳化物，如碳化鉻、碳化鉬、碳化鉭、碳化鈮或碳化釩。這些元素形成碳化物類或與該組合物中的WC形成固溶碳化物類。該組合物優(yōu)選包含形成碳化物和/或固溶碳化物的多種元素，如IVB族、VB族和VIB族元素，優(yōu)選單獨的或互相組合的Ta、Nb、Zr、Mo、和Cr。更優(yōu)選地，至少一種但有可能是多種元素的碳化物類按以下的量存在于該組合物中大約0.1至大約5重量百分比的&3(:2、大約1至大約8重量百分比的TaC、大約0.5至大約5重量百分比的NbC(優(yōu)選大約2-5重量百分比的碳化鉭和碳化鈮總量)、大約0.5至大約3重量百分比的ZrC以及大約O.5至大約3重量百分比的Mc^C。優(yōu)選這些元素可以作為一種元素、合金或碳化物被加入該混合物中。這些碳化物還能夠以下列元素中的一種或多種的任何組合存在Ta、Hf、Zr、Mo、Cr、Nb、Ta、V和W，以此形成一種碳化物或固溶碳化物。一些或所有的Cr和Mo可以存在于該粘合劑材料中。Mo和/或Cr還進一步降低?？诿姘?0的熱傳導率。此夕卜，Mo和/或Cr改進了耐腐蝕性并且有助于燒結(jié)過程。理想地，Mo是以大約O.5重量百分比的量存在的并且Cr是以大約0.5重量百分比的量存在的。該粘合劑材料優(yōu)選包含鈷(Co)、鎳(Ni)和/或Co或Ni的合金的任何組合，并且優(yōu)選在該組合物中存在的量是該全部組合物的從大約10至大約30百分比。鈷含量典型地是從大約3至大約15重量百分比，并且更優(yōu)選從大約6至大約8重量百分比。鎳含量典型地是從大約8至大約25重量百分比，并且更優(yōu)選從大約10至大約15重量百分比。該燒結(jié)碳化物材料還可以包括高達10重量百分比的量值的TaNbC，典型地從大約0.5至大約5重量百分比，并且更優(yōu)選從大約1至大約3重量百分比。TaNbC減少了由旋轉(zhuǎn)的切刀在?？诿嫔系哪Σ廉a(chǎn)生的局部熱量的磨損擦傷的趨勢。在本發(fā)明的另一個實施方案中，該硬質(zhì)金屬合金組合物中可以包括元素Hf、Ti、Zr、Mo、Cr、Ta、Nb和V中的任一種或多種的氮化物和/或碳氮化物，優(yōu)選全部或部分取代它們的上述碳化物的含量。優(yōu)選地，該組合物包含Ti和/或Zr的氮化物。優(yōu)選地，TiN被加入的量是該組合物的大約10重量百分比，并且更優(yōu)選地，是大約15至大約25重量百分比的量。優(yōu)選地，ZrN被加入的量是該組合物的大約0.5至3重量百分比，并且更優(yōu)選地，是大約0.5至大約1.0重量百分比的量。在以下說明用于形成這些孔口尖端52和磨損墊片58的一種優(yōu)選的方法。每個組分部分都是以粉末形式提供的。這種粉末典型地包含以上列出的組分元素和化合物與石蠟的混合物。在本發(fā)明中所使用的粉末材料優(yōu)選是通過使用WC-Co球和庚烷/丙酮等的濕法盤式研磨而制成的。研磨時間可以根據(jù)所使用的研磨方法和所希望的WC和TiC顆粒的晶粒尺寸而變化。研磨的粉末可以被噴霧干燥或還被以常規(guī)的?；问绞褂谩Ｑ心サ姆勰┩ㄟ^單軸向壓制、冷等靜壓壓制、注塑模制或擠出法被壓制成希望的形狀(稱為生坯)并且然后除蠟。除蠟優(yōu)選是在50至60(TC之間在真空/U氣氛下完成的?？梢栽诖蠹s600-120(TC的溫度下并且在真空/H2氣氛下進行進一步的預燒結(jié)。—旦完成所希望的形狀，對生坯進行燒結(jié)以產(chǎn)生完全致密的部件。用于燒結(jié)生坯的代表性方法包括無壓或真空燒結(jié)或真空燒結(jié)然后跟隨瞬間多向擠壓(R0C)或單軸向熱壓。優(yōu)選地，該生坯是真空燒結(jié)的，優(yōu)選跟隨有一個后燒結(jié)HIP(熱等靜壓)過程以進一步使該燒結(jié)的產(chǎn)品致密化。優(yōu)選地，將該生坯在大約1360C至大約1480C的溫度在真空加熱爐中燒結(jié)20分鐘至大約90分鐘。更優(yōu)選地，燒結(jié)進行大約40-60分鐘。燒結(jié)之后，常常有必要對該燒結(jié)的部件進行熱等靜壓以完全閉合所有的孔。進行熱等靜壓的溫度與燒結(jié)溫度類似但是在100至30，000磅/平方英寸優(yōu)選500至1500磅/平方英寸的壓力下，并且更優(yōu)選在144(TC大約800磅/平方英寸下進行。優(yōu)選地，該材料的最終孔隙率等于或優(yōu)于A04-B02-C00。該生坯還可以使用ROC方法進行燒結(jié)，在美國專利號4，744，943(Timm)、美國專利號4，656，002和4，341，557(Lizenby)、美國專利號4，428，906(Rozmus)以及Kelto，MetalsHandbook，"RapidOmnidirectionalCompaction，，第7巻，542-546頁中描述了該方法的不同方面，它們各自通過引用結(jié)合在此。在ROC方法中，將多孔的生坯首先包埋在一種壓力傳遞材料中，該材料在燒結(jié)溫度的作用類似于一種粘性液體。該材料和生坯被容納在一個容器或殼體中，該容器或殼體具有足夠的塑性，這樣就在隨后的處理過程中不會裂縫或破碎。為了完成這個過程，例如，該殼體可以包含一個薄的鋼襯層。該生坯可以被包覆在一個阻擋層中，如石墨箔片或氮化硼。合適的壓力傳遞材料包括具有足夠粘度的玻璃，這樣7玻璃在所施加的壓力下不滲入生坯之中。代表性的玻璃包括含有高濃度的硅和硼的玻璃。在一個最終制造步驟中，所燒結(jié)的產(chǎn)品根據(jù)其要求的最終光潔度和/或形狀通過例如附加的研磨、精研和/或拋光過程來進行最后加工。例如，本發(fā)明的燒結(jié)的產(chǎn)品可以是?？诿?、材料試件、涂覆的?？诒倔w、孔口尖端52或磨損墊片58。優(yōu)選地，這些孔口尖端52和磨損墊片58在處理之后將具有在1至20微米之間并且優(yōu)選在3至6微米之間的平均晶粒尺寸。這些孔口尖端52和磨損墊片58的硬度優(yōu)選是在HRA標度上測量的從大約86至大約93的范圍內(nèi)。在以下的實例中進一步描述本發(fā)明的實施。實例根據(jù)本發(fā)明的一個實施方案，制成具有以下標稱成分的一個樣品38.5重量百分比的碳化鎢；38.5重量百分比的碳化鈦；13重量百分比的鎳；7重量百分比的鈷；2重量百分比的TaNbC;0.5重量百分比的碳化鉻；以及0.5重量百分比的鉬。表1和表2示出了根據(jù)本發(fā)明的一個實施方案的WC/TiC燒結(jié)碳化物材料的整體化學組成和材料特性。該整體化學組成是處理之前的本發(fā)明的粉末材料的整體化學組成。這些材料特性是根據(jù)本發(fā)明制備的試件(即，增密之后)的材料特性。圖3示出了該材料的顯微結(jié)構(gòu)。^!標稱化學組成(wt.%)<table>tableseeoriginaldocumentpage8</column></row><table><table>tableseeoriginaldocumentpage9</column></row><table>本發(fā)明的燒結(jié)碳化物具有傳統(tǒng)的碳化物相比至少小約10倍的熱傳導率，以及比大多數(shù)陶瓷材料高至少約2至3倍的斷裂韌度和強度。在一個實施方案中，燒結(jié)碳化鎢的熱傳導率在室溫下是12W/m°K或更小。這種材料可以使用現(xiàn)有的方法(Ni金屬噴鍍+銅焊)被銅焊在鋼上。已經(jīng)達到超出5，000磅/平方英寸的銅焊強度。以上說明和附圖展示了實現(xiàn)本發(fā)明的目的、特征以及優(yōu)點的多個優(yōu)選實施方案。無意將本發(fā)明限于這些展示的實施方案。在以下權(quán)利要求的精神和范圍內(nèi)的本發(fā)明的任何修改均應被認為是本發(fā)明的一部分。權(quán)利要求一種耐磨損、低熱傳導率的合金，該合金具有大約12Watt/m°K或更小的熱傳導率，所述合金包括一個小于50重量百分比的量的碳化鎢；一個至少30重量百分比的量的碳化鈦；以及一種包含鈷和/或鎳的粘合劑材料。2.如權(quán)利要求1所述的耐磨損合金，其中該碳化鎢存在的量是在大約30與大約45重量百分比之間。3.如權(quán)利要求1所述的耐磨損合金，其中該碳化鎢存在的量是在大約35與大約40重量百分比之間。4.如權(quán)利要求1所述的耐磨損合金，其中該碳化鈦存在的量是在大約30至大約45重量百分比之間。5.如權(quán)利要求1所述的耐磨損合金，其中該碳化鈦存在的量是在大約35至大約40重量百分比之間。6.如權(quán)利要求1所述的耐磨損合金，其中該碳化鎢和碳化鈦是以基本上相同的量存在。7.如權(quán)利要求1所述的耐磨損合金，包括從大約10至大約30重量百分比的該粘合劑材料。8.如權(quán)利要求7所述的耐磨損合金，其中鎳構(gòu)成該耐磨損合金的從大約8至大約25重量百分比。9.如權(quán)利要求7所述的耐磨損合金，其中鈷構(gòu)成該耐磨損合金的從大約3至大約15重量百分比。10.如權(quán)利要求1所述的耐磨損合金，進一步包括至少一種碳化物或固溶碳化物，該碳化物或固溶碳化物由選自下組的一種或多種元素形成，該組的構(gòu)成為IVB、VB和VIB族元素。11.如權(quán)利要求io所述的耐磨損合金，其中所述至少一種碳化物或固溶碳化物是選自下組，其構(gòu)成為Cr、Ta、Nb、Zr禾PMo。12.如權(quán)利要求1所述的耐磨損合金，其中所述粘合劑材料進一步包括選自下組的至少一種元素，該組的構(gòu)成為Mo和Cr。13.如權(quán)利要求1所述的耐磨損合金，其中該耐磨損合金具有至少大約88HRA的硬度。14.如權(quán)利要求1所述的耐磨損合金，其中該耐磨損合金被用作一個造粒?？诿嬷械囊粋€插入件。15.在一個造粒?？诿嬷械?、具有大約12Watt/m。K或更小的熱傳導率一種低熱傳導率硬質(zhì)金屬組合物，該組合物包括一個小于大約50重量百分比的量的碳化鴇；一個至少30重量百分比的量的碳化鈦；以及一種包括鈷和/或鎳的粘合劑材料。16.如權(quán)利要求15所述的硬質(zhì)金屬，其中該碳化鎢存在的量是在大約30與大約45重量百分比之間。17.如權(quán)利要求15所述的耐磨損合金，其中該碳化鎢存在的量是在大約35與大約40重量百分比之間。18.如權(quán)利要求15所述的耐磨損合金，其中該碳化鈦存在的量是在大約30至大約45重量百分比之間。19.如權(quán)利要求15所述的硬質(zhì)金屬，其中該碳化鈦存在的量是大約35至大約40重量百分比。20.如權(quán)利要求15所述的硬質(zhì)金屬，其中該耐磨損合金具有至少大約88HRA的硬度。21.—種造粒模口，包括一個?？诒倔w；以及在所述模口本體的一個表面上的一個?？诿?，所述?？诿姘ㄒ环N合金，該合金包括一個小于50重量百分比的量的碳化鴇；一個至少30重量百分比的量的碳化鈦；以及一種包括鈷和/或鎳的粘合劑材料。全文摘要一種硬質(zhì)合金材料，包括小于該材料的50重量百分比的量的碳化鎢、至少大約30重量百分比的量的碳化鈦、以及一種鈷和鎳的粘合劑材料。在本發(fā)明的其他方面中，包括了鉬和/或鉻以進一步降低該材料的熱傳導率。本發(fā)明的材料的熱傳導率是大約12Watt/m°K或更小。文檔編號C22C29/02GK101702922SQ200880020448公開日2010年5月5日申請日期2008年5月8日優(yōu)先權(quán)日2007年5月21日發(fā)明者D·巴納吉申請人:鈷碳化鎢硬質(zhì)合金公司