專利名稱：用于制造燒結(jié)碳化物產(chǎn)品的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及利用粉末注射成型或者擠出法制造碳化鎢基硬質(zhì)合金工具或組件的方法。
背景技術(shù)：
基于碳化鎢的硬質(zhì)合金是由至少一種在一種粘結(jié)相中的硬質(zhì)相的小m等級)顆粒構(gòu)成的復(fù)合物。這些材料經(jīng)常包含硬質(zhì)相碳化鎢(WC)。此外，也可以包括具有一般組成(Ti、Nb、Ta、W) C的其它金屬碳化物，以及金屬碳-氮化物，例如，Ti (C、N)。粘結(jié)相通常由鈷(Co)組成。也可以使用其它粘結(jié)相成分，例如鈷、鎳和鐵的組合物，或者鎳和鐵的組合物。碳化鎢基硬質(zhì)合金的工業(yè)產(chǎn)品通常包括使用研磨液體在濕的狀態(tài)下將給定比例的原料和添加劑粉末共混。該液體經(jīng)常為醇，例如乙醇或水，或其混合物。然后將所述混合物磨成均勻的漿體。濕磨操作是出于解聚集和充分混合原料的目的。單獨的原料顆粒也在某種程度上被破碎。然后干燥和?；@得的漿體，例如通過噴霧干燥器。可將因此獲得的粒狀物用于單軸壓制生坯或用于擠出或注射成型。注射成型在塑料工業(yè)是常見的，其中將包括熱塑性聚合物或熱固性聚合物的材料加熱并使其強制進入具有預(yù)定形狀的模具內(nèi)。該方法用于粉末工藝時常常被稱為粉末注射成型(PIM)。該方法優(yōu)選地用于具有復(fù)雜幾何形狀的部件。在碳化鎢基體硬質(zhì)合金部件的粉末注射成型中，通常使用四個順序的步驟I.將粒狀燒結(jié)碳化物粉末與粘結(jié)劑體系混合。所述粘結(jié)劑體系作為粉末的載體，構(gòu)成所得材料的25-60體積％，常常被稱為原料。準確濃度取決于在成型期間的所需的工藝性能。所述混合是通過添加所有成分進入被加熱到高于有機粘結(jié)劑熔融溫度的溫度的混合機之內(nèi)而進行的。以近似4X4_的小球獲得所得的原料。2.使用所述混合的原料進行注射成型。所述材料被加熱到100-240°C然后被強制進入具有預(yù)定形狀的空腔之內(nèi)。然后將由此得到的部件冷卻并從所述空腔移除。3.從獲得的部件去除粘結(jié)劑。所述去除能夠通過在適當(dāng)?shù)娜軇┲刑崛『?或通過使用適當(dāng)?shù)臍夥赵跔t中加熱來完成。該步驟通常被稱為脫脂步驟。4.燒結(jié)所述部件。使用常用的用于燒結(jié)碳化物的燒結(jié)過程。原料的擠出包括上述步驟1，3和4。替代強制原料進入預(yù)定形狀的空腔內(nèi)的是，使原料連續(xù)地強制通過一個具有預(yù)定截面的模具。原料的固含量，O，是硬質(zhì)成分與有機成分相比的體積數(shù)，O能夠利用以下等式算出；O = p f-p v/p s-p v其中P s是燒結(jié)狀態(tài)的燒結(jié)碳化物的密度，P v是有機成分的平均密度，P f是原料的密度，采用氦比重儀測量。當(dāng)將具有有機粘結(jié)劑的燒結(jié)碳化物粉末混合時，一個常見的問題是有機粘結(jié)劑的一部分不能在原料中恰當(dāng)?shù)厣⒉?。而是，一小部分有機粘結(jié)劑形成顆粒，比所述硬質(zhì)成分的粒度要大很多，即在10-30 ii m范圍內(nèi)。在生坯的脫脂期間，這些顆粒將被移除，在結(jié)構(gòu)中留下孔隙。一個常見消除這些孔隙的方法是使用具有施加的Ar靜壓的燒結(jié)，也就是HIP燒結(jié)。當(dāng)使用HIP燒結(jié)時，所述孔隙將填充有金屬粘結(jié)相，如果所述孔隙與施加的壓力沒有物理連接。接近于生坯表面的孔隙會坍塌以形成表面孔隙，例如直接位于生坯表面的孔隙。在表面的孔隙會嚴重地降低燒結(jié)材料的宏觀機械強度。填充在多數(shù)材料的前述孔隙中的金屬粘結(jié)劑會同時降低燒結(jié)材料的機械強度。另一個常見的問題是，如果有機粘結(jié)劑的顆粒較大，也就是說在20-30 u m范圍內(nèi)，在脫脂步驟期間，這些顆粒將隨著氣體快速產(chǎn)生而熱解，在材料結(jié)構(gòu)內(nèi)形成氣泡。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的一個目標是解決這些問題。


圖I示出一個LOM顯微照片，根據(jù)現(xiàn)有技術(shù)的燒結(jié)碳化物的大約1000倍的微觀結(jié)構(gòu)的放大圖。圖2示出一個LOM顯微照片，根據(jù)本發(fā)明的燒結(jié)碳化物的大約1000倍的微觀結(jié)構(gòu)的放大圖。
具體實施例方式令人驚訝的是，通過在混合機內(nèi)加熱燒結(jié)碳化物粉末混合物和通過添加熔融形式的有機粘結(jié)劑，確保溫度未降到低于所述有機粘結(jié)劑的熔化溫度，沒有形成有機粘結(jié)劑顆粒且前述問題能被解決。本發(fā)明的方法包括以下步驟I)濕磨原料，在水或者乙醇或其組合中，優(yōu)選的80wt%乙醇和20wt%水以及
0.1-1. 2wt%，優(yōu)選的0. 25-0. 55wt%羧酸，優(yōu)選硬脂酸，作為隨后干燥過程中的成粒劑。需要的羧酸越多，硬質(zhì)成分的粒度越小。2)將在上述濕磨步驟期間形成的漿料干燥。3)通過與有機粘結(jié)劑捏合將所述干燥的粉末混合，所述有機粘結(jié)劑包括30-60wt%烯屬聚合物，40-70wt%蠟，以達到0 = 0. 52-0. 58、優(yōu)選0. 54-0. 56的固含量。所述混合在分批混合機或者螺旋擠出機，優(yōu)選雙螺桿擠出機內(nèi)進行。當(dāng)使用分批混合機時，首先將燒結(jié)碳化物粉末混合物添加到被加熱的混合機內(nèi)。當(dāng)混合機內(nèi)的粉末混合物的溫度高于有機粘結(jié)劑的熔點時，將熔融形式的有機粘結(jié)劑緩慢添加到混合機內(nèi)，確保粉末混合物和有機粘結(jié)劑的溫度不會降低到低于有機粘結(jié)劑的熔融溫度，優(yōu)選在95和180°C之間。當(dāng)雙螺桿擠出機被用于混合時，在螺桿開端處添加有機粘結(jié)劑，和通過側(cè)流道添加粉末硬質(zhì)成分，確保粉末混合進入熔體內(nèi)以及確保溫度不會降到低于有機粘結(jié)劑的熔融溫度。粉末成分可通過若干側(cè)流道沿著雙螺桿擠出機被添加，或者材料能貫穿雙螺桿擠出機若干次以確保溫度不會降到低于所述有機粘結(jié)劑的熔融溫度?？蛇x擇地，粉末硬質(zhì)成分在被加到熔融有機粘結(jié)劑之前被預(yù)熱以確保溫度不會降到低于有機粘結(jié)劑的熔融溫度。然后使材料形成為大約4 X 4mm尺寸的小球。4)在一個常規(guī)注塑成型機內(nèi)將原料注射成型?？蛇x擇地，將原料在單螺桿、雙螺桿或柱塞式擠出機中擠出。將材料加熱到100-240°C，優(yōu)選110-130°C，然后在注射成型的情況下，使其強制進入具有預(yù)定形狀的空腔內(nèi)。在擠出時，使材料強制通過具有預(yù)定截面的模具。在注射成型中獲得的部件被冷卻然后從空腔中移去。擠出物被切割成預(yù)定長度的片段。5)將獲得的部件脫脂。脫脂分兩步進行。5a)通過在非極性溶劑內(nèi)在31_80°C、優(yōu)選在50_65°C提取出蠟和礦油。通過試驗確定避免裂縫以及按照本說明書的其他缺點形成所必須的條件在本領(lǐng)域普通技術(shù)人員的技術(shù)范圍內(nèi)。5b)通過在爐中，優(yōu)選在流動氣態(tài)介質(zhì)氣氛內(nèi)，在2毫巴到標準大氣壓下，加熱至高達450°C。通過試驗確定避免裂縫以及按照本說明書的其他缺點形成所必須的條件在本領(lǐng)域普通技術(shù)人員的技術(shù)范圍內(nèi)。6)在真空下在脫脂爐內(nèi)以900_1250°C的溫度、優(yōu)選在約1200°C下預(yù)燒結(jié)所述部件。7)使用常規(guī)燒結(jié)技術(shù)燒結(jié)所述部件。本發(fā)明可被用于燒結(jié)碳化物的所有的組成，以及通常使用的所有WC粒度。明顯的，其同樣可被用于碳氮化鈦基材料。在一個實施發(fā)生中，使用了常規(guī)晶粒生長抑制劑的WC粒徑應(yīng)該為0. 2-1. 5 Um0在另一個實施例中，WC粒徑應(yīng)該為I. 5-4 Um0 本發(fā)明同樣涉及包括在粘結(jié)相中的硬質(zhì)成分的燒結(jié)碳化物基硬質(zhì)合金部件。所述部件具有根據(jù)ISO 4505標準的AOO BOO COO的孔隙度，具有0. 2-0. 5um的平均粘結(jié)相池尺寸的均質(zhì)粘結(jié)劑分布。實施例I通過將780g 鈷粉(0MG 超細)，38. 66g Cr3C2 (H C Starck)，5161g WC (H C StarckDS 80)，20. 44g W金屬粉末，16g費托蠟(SasolHl)和22g硬脂酸在I. 6L由乙醇和水(按重量80 20)構(gòu)成的研磨液體中濕磨40小時而制得WC-13wt% Co亞微米燒結(jié)碳化物粉末。當(dāng)噴霧干燥漿料時，將硬脂酸在這個步驟階段中添加以作為成粒劑。將所得的漿料噴霧干燥為粒狀的粉末。實施例2 (對比例)在曲棍式強力混合機(Werner&Pfleiderer LUK I. 0)中，通過捏合2500g實施例I的粉末和50. 97g根據(jù)陶氏方法具有93 °C的DSC熔點的聚乙烯(乙烯-共-(a-辛烯)(Engage 8440, Dow Plastics)和 45. 87g 具有 58_60°C熔點的石蠟(Sasol Wax 5805)和
5.06g具有在45和60°C (Merkur VARA AB)之間的熔點的礦油，混合實施例I中制得的粉末。將所述曲棍式強力混合機加熱到150°C，添加原料?；旌衔锉贿\轉(zhuǎn)直至產(chǎn)生平滑粘性的原料。這導(dǎo)致具有8. 23g/ml的密度，對應(yīng)于0. 553的O的原料。實施例3 (本發(fā)明)在曲棍式強力混合機(Werner&Pfleiderer LUK I. 0)中，通過捏合2500g實施例I的粉末和50. 97g根據(jù)陶氏方法具有93 °C的DSC熔點的聚乙烯(乙烯-共-(a-辛烯)(Engage 8440, Dow Plastics)和 45. 87g 具有 58_60°C溶點的石臘(Sasol Wax)和 5. 06g具有在45和60°C (Merkur VARA AB)之間的熔點的礦油，混合實施例I中制得的粉末。將所述曲棍式強力混合機加熱到150°C，首先將粉末硬質(zhì)成分添加到混合機。當(dāng)粉末硬質(zhì)成分的溫度高于有機粘結(jié)劑的熔解溫度時，將有機粘結(jié)劑以熔融形式緩慢地添加到所述混合機，確保溫度不會降到低于所述有機粘結(jié)劑的熔融溫度。使所述混合機運轉(zhuǎn)直至產(chǎn)生平滑粘性的原料。這導(dǎo)致具有8. 23g/ml的密度，對應(yīng)于0. 553的O的原料。實施例4 (對比例)將在實施例2中制得的原料供給到注射成型機(Battenfeld HM60/130/22)。該機器用于Seco Tools Minimaster 10毫米立統(tǒng)刀生還的注射成型。實施例5 (本發(fā)明)將在實施例3中制得的原料供給到注塑成型機(Battenfeld HM60/130/22)。該機器用于Seco Tools Minimaster 10毫米立統(tǒng)刀生還的注射成型。實施例6 (對比例)將在實施例4中制造的部件在燒結(jié)HIP爐(PVA COD 733R)中以1420°C及總的加熱時間為60分鐘通過提取和燒結(jié)實現(xiàn)脫脂。保持在峰值溫度30分鐘后，爐內(nèi)壓力被升高到 3MPa 的 Ar。在燒結(jié)后，部件被切斷以便檢查。從實施例4獲得的部件沒有碳孔隙，eta相和孔隙，也就是說，根據(jù)ISO 4505為A00 B00 COO0該部件顯示出鈷池和開式表面孔隙。平均鈷池尺寸在0.5-1. Oii m。參見圖I。實施例7 (本發(fā)明)將在實施例5中制造的部件在燒結(jié)HIP爐(PVA COD 733R)中以1420°C及總的加熱時間為60分鐘通過提取和燒結(jié)實現(xiàn)脫脂。保持在峰值溫度30分鐘后，爐內(nèi)壓力被升高到 3MPa 的 Ar。在燒結(jié)后，部件被切斷以便檢查。從實施例5獲得的部件沒有碳孔隙，裂縫，eta相和孔隙，也就是說，根據(jù)ISO 4505為A00 B00 C00。沒有表面孔隙且微觀結(jié)構(gòu)顯示均勻鈷分配。平均鈷池尺寸在0. 2-0. 5 ii m。參見圖2。
權(quán)利要求
1.一種用于制造燒結(jié)碳化物基硬質(zhì)合金部件的方法，所述硬質(zhì)合金部件包括處于粘結(jié)相中的硬質(zhì)成分，通過將在具有熔點的有機粘結(jié)劑中的硬質(zhì)成分和粘結(jié)相的混合物進行粉末注射成型或者擠出制得所述部件，該方法包括如下步驟 混合硬質(zhì)成分的粉末和粘結(jié)相以形成混合物； 加熱所述硬質(zhì)成分和粘結(jié)相的混合物到一個溫度； 當(dāng)硬質(zhì)成分和粘結(jié)相的混合物的溫度高于有機粘結(jié)劑的熔點時，添加熔融形式的有機粘結(jié)劑，確保溫度不會降到低于有機粘結(jié)劑的熔點； 通過粉末注射成型或者擠出形成所述部件； 通過脫脂步驟從獲得的部件中去除所述有機粘結(jié)劑； 燒結(jié)所述部件。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的方法，其特征在于保持硬質(zhì)成分和粘結(jié)相的混合物的溫度在95和180°C之間。
3.根據(jù)權(quán)利要求I所述的方法，其特征在于在分批混合機中進行混合。
4.根據(jù)權(quán)利要求I所述的方法，其特征在于在擠出機中進行混合。
5.根據(jù)權(quán)利要求4的方法，其特征在于所述擠出機是雙螺桿擠出機。
6.包括根據(jù)權(quán)利要求1-5所述的處于粘結(jié)相中的硬質(zhì)成分的燒結(jié)碳化物基硬質(zhì)合金部件，其特征在于所述部件具有均勻粘結(jié)相分布，具有0. 2-0. 5 u m的平均粘結(jié)相池尺寸。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種用于制造燒結(jié)碳化物基硬質(zhì)合金部件的方法，所述硬質(zhì)合金部件包括處于粘結(jié)相中的硬質(zhì)成分，通過將在具有熔點的有機粘結(jié)劑中的硬質(zhì)成分和粘結(jié)相的混合物進行粉末注射成型或者擠出制得所述部件，該方法包括如下步驟混合硬質(zhì)成分的粉末和粘結(jié)相以形成混合物；加熱所述硬質(zhì)成分和粘結(jié)相的混合物到一個溫度；當(dāng)硬質(zhì)成分和粘結(jié)相的混合物的溫度高于有機粘結(jié)劑的熔點時，添加熔融形式的有機粘結(jié)劑，確保溫度不降到低于所述有機粘結(jié)劑的熔點；通過粉末注射成型或者擠出形成所述部件；通過脫脂步驟從獲得的部件中去除所述有機粘結(jié)劑；和燒結(jié)所述部件。
文檔編號B22F1/00GK102985198SQ201180026188
公開日2013年3月20日 申請日期2011年5月25日 優(yōu)先權(quán)日2010年5月26日
發(fā)明者佩爾·強森 申請人:山高刀具公司