制造hip凝固部件的方法及包含耐磨層的hip部件的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種制造根據(jù)權(quán)利要求1的前序部分的HIP凝固部件的方法。本發(fā)明還涉及一種根據(jù)權(quán)利要求10的前序部分的HIP凝固部件。本發(fā)明還涉及一種根據(jù)權(quán)利要求15的用于制造HIP凝固部件的粉末混合物。
【背景技術(shù)】
[0002]經(jīng)受磨損的部件，比如在開(kāi)采應(yīng)用中的耐磨部件，通常設(shè)置有耐磨材料層。在某些情形中，整個(gè)部件可以由耐磨材料制造。
[0003]等離子體轉(zhuǎn)移弧焊接(PTAW)是用于在產(chǎn)品上制造耐磨涂層的常規(guī)方法。在PTAW中，硬質(zhì)碳化鎢顆粒和韌性(ductile)金屬粉末的粉末混合物被通過(guò)噴嘴供應(yīng)到等離子體中，在等離子體中，粉末熔化，使得固體碳化鎢顆粒懸浮在熔融的金屬粉末中。熔化的粉末被轉(zhuǎn)移到鋼制部件的表面上，在此處，熔化的粉末凝固成包括處在較韌性金屬粘結(jié)劑相的基體中的硬質(zhì)碳化鎢顆粒的耐磨層。在耐磨層中，硬質(zhì)相和韌性相以及其分布的體積比對(duì)于耐磨層的性能和總體壽命是非常重要的。
[0004]然而，通過(guò)PTAW施加的耐磨層具有很多缺陷。例如，在凝固由PTAW施加的耐磨層期間，合金元素在熔融的金屬基體中分離并使比如硼化物和碳化物的夾雜物快速生長(zhǎng)成大塊或細(xì)長(zhǎng)的針狀形狀。隨著夾雜物生長(zhǎng)，它們相互連接并形成在相鄰的碳化鎢顆粒之間的韌性金屬相中的脆性網(wǎng)，因而降低耐磨層的韌性。圖9顯示了常規(guī)的PTAW施加的材料的一部分的SEM圖像。在該圖像中，相互連接的針狀和塊狀硼化物和碳化鎢的網(wǎng)在大的白色鎢顆粒之間的基體中是可見(jiàn)的。
[0005]而且，由于碳化鎢和粘結(jié)劑相的金屬合金之間的密度差，碳化鎢趨向于朝向所施加的耐磨層的底部下沉。這造成耐磨層的表面區(qū)域中硬質(zhì)顆粒的較低密度，因此降低耐磨層的硬度。圖8顯示了常規(guī)PTAW施加的材料的一部分，其中表面區(qū)域具有很少碳化鎢。
[0006]進(jìn)一步難以利用PTAW制造較厚的耐磨層，這是因?yàn)闊釕?yīng)力在凝固期間在層中產(chǎn)生。而且，難以使用PTAW將耐磨層施加到復(fù)雜形狀的部件。
[0007]因此，本發(fā)明的目的是解決上述問(wèn)題中的至少一個(gè)。具體地，本發(fā)明的目的是實(shí)現(xiàn)一種允許制造具有改進(jìn)的耐磨性的部件的方法。本發(fā)明的另外的目的是實(shí)現(xiàn)一種具有高耐磨性的部件。本發(fā)明的又一目的是提供一種允許制造具有高耐磨性的部件的粉末混合物。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0008]根據(jù)本發(fā)明的第一方面，上述目的中的至少一個(gè)通過(guò)一種制造耐磨部件的方法來(lái)實(shí)現(xiàn)，該方法包括如下步驟:
[0009]-提供限定所述部件的形狀的至少一部分的模子；
[0010]_提供第一粉末，其中所述第一粉末是包含30_70vol %的碳化鶴粉末和70-30vol%的鎳基合金粉末的粉末混合物，其中鎳基合金按重量％計(jì)由以下組成:
[0011]C:0-1.0 ；Cr:0-14.0 ；S1:2.5-4.5 ；B:1.25-3.0 ；Fe:l.0-4.5 ;平衡量的 Ni 和不可避免的雜質(zhì)；并且其中碳化鎢粉末具有105-250 μ m的顆粒尺寸且鎳基合金粉末具有32 μ m的最大顆粒尺寸；
[0012]-用所述粉末混合物填充所述模子的至少一部分；
[0013]-使所述模子在預(yù)定的溫度、預(yù)定的等靜壓力下經(jīng)受預(yù)定的時(shí)間的熱等靜壓(HIP)，使得镲基合金的顆粒彼此冶金結(jié)合。
[0014]本發(fā)明方法的主要優(yōu)點(diǎn)是:整個(gè)HIP過(guò)程在低于鎳基合金的熔點(diǎn)的溫度下執(zhí)行，使得鎳基合金顆粒擴(kuò)散結(jié)合到彼此。在HIP期間，在鎳基合金基體中析出硼化物和碳化物。硼化物和氮化物析出物的生長(zhǎng)率還有形狀受合金元素穿過(guò)固體基體的擴(kuò)散率限制。在基體中析出的硼化物和碳化物因此是小的，典型地具有5至10 μπι的顆粒尺寸且以單個(gè)離散顆粒的形式分布在韌性基體材料中。
[0015]在由本發(fā)明方法制造的HIP部件中，這是有利的，因?yàn)樾〉那译x散分布的硼化物和碳化物析出物在不造成過(guò)量脆性的情況下加強(qiáng)韌性鎳基合金基體。該機(jī)制防止基體的所謂的“洗出(wash-out) ”且由此增加部件的耐磨性。
[0016]關(guān)于在本發(fā)明方法中使用的粉末混合物，重要的是，鎳基合金顆粒的平均尺寸與碳化鎢顆粒的平均尺寸相比較小。這具有如下效果:粉末混合物可以以基本上所有碳化鎢顆粒分別單獨(dú)地嵌入在鎳基合金顆粒中且均勻地分布在粉末混合物中的方式進(jìn)行共混和處理?；蛘?，換句話(huà)說(shuō)，使得基本上每一個(gè)鎢顆粒完全地被鎳基合金顆粒包圍?！盎旧纤小币馕吨鴥H碳化鎢顆粒的非常小的部分彼此接觸。術(shù)語(yǔ)“均勻地”意味著相鄰的鎢顆粒之間的距離在整個(gè)粉末混合物體積中近似恒定。
[0017]在由本發(fā)明方法制造的HIP部件中，在鎳基合金基體中離散的、沒(méi)有相互連接的顆粒的均質(zhì)分布將在整個(gè)部件中產(chǎn)生均勻的硬度且因此產(chǎn)生高的耐磨性。
【附圖說(shuō)明】
[0018]圖1是顯示了用于制造HIP凝固部件的本發(fā)明方法的步驟的流程圖。
[0019]圖2a和圖2b是在用于制造HIP凝固部件的本發(fā)明方法中使用的模子的示意圖。
[0020]圖3a和圖3b是將本發(fā)明的鎳基合金粉末與常規(guī)粉末比較的示意圖。
[0021]圖4是本發(fā)明部件的樣品的15X放大的SEM圖片。
[0022]圖5是本發(fā)明部件的樣品的200X放大的SEM圖片。
[0023]圖6是本發(fā)明部件的樣品的800X放大的SEM圖片。
[0024]圖7是本發(fā)明部件的樣品的200K X放大的SEM圖片。
[0025]圖8是根據(jù)現(xiàn)有技術(shù)的PTAW施加的材料的一部分的圖片。
[0026]圖9是根據(jù)現(xiàn)有技術(shù)的PTAW施加的材料的一部分的SEM圖像。
[0027]圖10是根據(jù)本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例的部件的示意圖。
[0028]圖lla-d是示出根據(jù)本發(fā)明的第一替代方式的用于制造部件的步驟的示意圖。
[0029]圖12a_c是示出根據(jù)本發(fā)明的第二替代方式的用于制造部件的步驟的示意圖。
【具體實(shí)施方式】
[0030]圖1示意性地顯示了本發(fā)明的步驟。
[0031]在第一步驟中，提供模子10。模子10，也稱(chēng)為模具或膜盒，在圖2a中以側(cè)視圖顯示出來(lái)并且其限定最終部件的形狀或輪廓的至少一部分。模子10典型地由鋼片制造，比如焊接在一起的碳鋼片。模子可以具有任何形狀。在圖2a中，模子限定柱體的外形且具有圓形底板11、周向外壁12和通過(guò)在模子填充之后焊接而密封到外壁12的蓋13。模子10還可以限定最終部件的一部分。在該情形下，模子10被焊接到預(yù)制造的部件15，例如鍛造的或鑄造的部件。模子10從而設(shè)計(jì)成使得模子的壁中的一個(gè)壁由預(yù)制造的部件15的表面構(gòu)成，參見(jiàn)圖2b。這具有預(yù)制造的部件可以設(shè)置有耐磨材料層的優(yōu)點(diǎn)。
[0032]在第二步驟中，提供粉末混合物。根據(jù)本發(fā)明，粉末混合物由碳化鎢顆粒和鎳基合金粉末組成。碳化鎢顆?？梢允荳C或W2C或者WC和W2C的混合物。碳化鎢顆粒可以是球形或多面形狀。鎢顆粒的尺寸，即，篩分粒度是105-250 μπι。這應(yīng)被理解成粉末混合物包括在105ym直到250 μπι之間的不同尺寸的鎢顆粒的混合物。根據(jù)變體形式，鎢顆粒的篩分粒度是150-200 μπι。在最終HIP部件中，非常硬的鎢顆粒提供耐磨性。
[0033]鎳基合金的粉末構(gòu)成最終凝固部件中的韌性相。鎳基合金的粉末具有按重量％(wt% )計(jì)的以下組分:C:0-1.0 ；Cr:0-14.0 ；S1:2.5-4.5 ；B:1.25-3.0 ；Fe:l.0-4.5 ;平衡量的Ni和不可避免的雜質(zhì)。鎳基合金是堅(jiān)固的且韌性的并且因此非常適合作為耐磨應(yīng)用中的基體材料。
[0034]碳與鉻和鐵一起形成小的富含金屬碳化物，例如，在韌性鎳基合金基體中析出的仏3(:6和17(:3。所析出的碳化物通過(guò)阻止位錯(cuò)傳播而加強(qiáng)基體。優(yōu)選地，鎳基合金粉末包括至少0.25wt%的碳，以便確保富含金屬碳化物的充分析出。然而，太多的碳可能導(dǎo)致減小基體的韌性的石墨的析出且因此應(yīng)限制到1.0wt %。例如，碳的量是0.25-0.35或
0.5-0.75wt%。認(rèn)為碳可以促進(jìn)