低粘结剂的耐磨的硬质金属

摘要

本发明是一种低粘结剂的耐磨材料，其按原料的重量百分比计包含：15％‑20％的以元素或化合物形式添加的碳化钼，0.9％‑3％的钴、镍或钴与镍的组合的合金，0％‑0.1％的碳化铬，以及任选的碳化钛或碳化钛钨，和余量的碳化钨。

权利要求

1.一种低粘结剂的耐磨材料，所述耐磨材料按原料重量百分比计由如下成分组成：

15％-20％的以元素或化合物形式添加的碳化钼；0.9％-3％的钴、镍或钴与镍的组合的合金；0％-0.1％的碳化铬，任意含量的碳化钛和/或碳化钛钨，和余量的碳化钨。

2.根据权利要求1所述的低粘结剂的耐磨材料，所述耐磨材料还包含碳化钛。

3.根据权利要求1所述的低粘结剂的耐磨材料，所述耐磨材料还包含碳化钛钨。

4.根据权利要求1所述的低粘结剂的耐磨材料，所述耐磨材料包含20％的钼和1.8％的钴。

5.根据权利要求1所述的低粘结剂的耐磨材料，所述耐磨材料包含20％的钼和1.8％的镍。

6.根据权利要求1所述的低粘结剂的耐磨材料，所述耐磨材料包含0％的碳化铬。

7.根据权利要求1所述的低粘结剂的磨材料，所述耐磨材料包含0.1％的碳化铬。

8.根据权利要求1所述的低粘结剂的耐磨材料在密封环、耐磨垫、拉丝模或复合钻削应用中的用途。

9.一种制备低粘结剂的耐磨材料的方法，所述方法包括如下的步骤：提供15％-20％的以元素或化合物形式添加的碳化钼，提供0.9-3％的钴、镍或钴与镍的组合的合金，提供

0％-0.1％的碳化铬，提供任意含量的碳化钛和/或碳化钛钨，提供余量的碳化钨，以形成粉末混合物；

研磨所述粉末混合物；

干燥所述粉末混合物；

筛分所述粉末混合物；

压制所述粉末混合物；和

在氩气气氛中在50巴的压力下在从1450℃的温度下烧结所述粉末混合物。

10.根据权利要求9所述的方法，所述方法还包括提供碳化钛的步骤。

11.根据权利要求9所述的方法，所述方法还包括提供碳化钛钨的步骤。

12.根据权利要求9所述的方法，所述方法还包括提供20％的钼和1.8％的钴的步骤。

13.根据权利要求9所述的方法，所述方法还包括提供20％的钼和1.8％的镍的步骤。

14.根据权利要求9所述的方法，所述方法还包括提供0.1％的碳化铬的步骤。

说明书

低粘结剂的耐磨的硬质金属

[0001] 技术领域和工业实用性

[0002] 本公开内容涉及一种具有低粘结剂含量但具有高Mo2C含量的WC基材料，所述材料表现出高硬度和低摩擦系数。

发明内容

[0003] 在一个实施方案中，低粘结剂的耐磨材料按重量百分比计包含：约15％-约20％的碳化钼，约0.9％-约3％的钴、镍或钴与镍的组合的合金，约0％-约0.1％的碳化铬，和余量的碳化钨。这种新型材料具有高的耐磨性和耐腐蚀性。

[0004] 在另一个实施方案中，低粘结剂的耐磨材料包含20％的碳化钼和1.8％的钴。

[0005] 在又一个实施方案中，低粘结剂的耐磨材料包含0.1％的碳化铬。

[0006] 根据关于附图的优选实施方案的以下的发明详述，本发明的这些和其它的目的、特征、方面、优点将变得更加明显，在所述附图中：

附图说明

[0007] 图1是所测试的两种无粘结剂变体的耐磨性图。

[0008] 图2A示例表2的样品15/0.9的孔隙率。

[0009] 图2B示例表2的样品15/1.8的孔隙率。

[0010] 图2C示例表2的样品20/0.9的孔隙率。

[0011] 图2D示例表2的样品20/1.8的孔隙率。

[0012] 图3A-3E是表2的样品15/0.9中存在的显微结构的电子显微镜图像以及EDX图。

[0013] 图4A-4E是表2的样品20/1.8中存在的显微结构的电子显微镜图像以及EDX图。

[0014] 图5是两种无粘结剂变体和样品15/0.9、20/0.9、15/1.8和20/1.8的耐磨性图。

[0015] 图6示例具有Cr3C2的15/0.9变体的孔隙率。

[0016] 图7A-7E是没有Cr3C2的样品15/0.9中存在的显微结构的电子显微镜图像以及EDX图。

[0017] 图8是所测试的两种变体的耐磨性图。

[0018] 图9是三种变体和等级20/1.82之间的HV30图。

[0019] 图10是三种变体和等级20/1.82之间的KIC图。

[0020] 图11A示例样品19.87/2.4的孔隙率。

[0021] 图11B示例样品19.75/3的孔隙率。

[0022] 图11C示例样品20/1.8WCO20的孔隙率。

[0023] 图12是表8的变体的耐磨性图。

[0024] 发明详述

[0025] 在本文中，无粘结剂碳化钨被定义为一种不具有任何金属相例如钴、铁或镍的碳化钨。由于没有任何金属相，其因此显示出优异的高的抗氧化性和高的抗腐蚀性，以及高硬度和高导热性。其也可以承受比常规硬质合金高得多的温度。然而，由于没有任何低熔点相，因此致密的无粘结剂碳化钨的烧结是很困难的。具有低金属相的碳化钨可以用于制造泵设备、用于钻削复合材料的工具、拉丝模、耐磨垫、密封环，以及许多利用硬质材料的其它应用。

[0026] 因此，本发明的一个目的是提供一种组合物，该组合物提供了硬度(与孔隙率相关)、断裂韧性、耐磨性和压制压力之间的良好平衡。

[0027] 本发明的一个实施方案是一种低粘结剂的耐磨材料，其按原料的重量百分比计包含：约15％-约20％的以元素或化合物形式添加的碳化钼，约0.9％-约3％的钴、镍或钴与镍的组合的合金，约0％-约0.1％的碳化铬，和余量的碳化钨。任选地，该低粘结剂的耐磨材料可包含例如碳化钛和/或碳化钛钨的材料。

[0028] 本发明的另一个实施方案是一种低粘结的耐磨材料，其按原料的重量百分比计包含：约20％的以元素或化合物形式添加的钼，约1.8％的钴的合金，约0％-约0.1％的碳化铬，和余量的碳化钨。任选地，该低粘结剂的耐磨材料可包含例如碳化钛和/或碳化钛钨的材料。

[0029] 本发明的另一个实施方案是一种低粘结剂的耐磨材料，其按原料重量百分比计包含：约20％的以元素或化合物形式添加的钼，约1.8％的镍的合金，约0％-约0.1％的碳化铬，和余量的碳化钨。任选地，该低粘结剂的耐磨材料可包含例如碳化钛和/或碳化钛钨的材料。

[0030] 本发明的另一个实施方案是一种低粘结剂的耐磨材料，其按原料重量百分比计包含：约20％的以元素或化合物形式添加的钼，约1.8％的镍的合金，约0.1％的碳化铬，和余量的碳化钨。任选地，该低粘结剂的耐磨材料可包含例如碳化钛和/或碳化钛钨的材料。

[0031] 另一个实施方案包括一种制备低粘结剂的耐磨材料的方法，该方法包括如下的步骤：提供约15％-约20％的以元素或化合物形式添加的碳化钼，提供约0.9％-约3％的钴、镍或钴与镍的组合的合金，提供约0％-约0.1％的碳化铬，提供余量的碳化钨，从而形成粉末混合物(powder blend)，研磨该粉末混合物，干燥该粉末混合物，筛分该粉末混合物；压制该粉末混合物，并在氩气气氛中在约50巴的压力下在约1450℃的温度下烧结该粉末混合物。

[0032] 上述方法的另一个实施方案包括提供碳化钛的附加步骤。

[0033] 上述方法的另一个实施方案包括提供碳化钛钨的附加步骤。

[0034] 上述方法的另一个实施方案包括提供约20％的钼和约1.8％的钴的附加步骤。

[0035] 上述方法的另一个实施方案包括提供约20％的钼和约1.8％的镍的附加步骤。

[0036] 上述方法的另一实施方案包括提供约0.1％的碳化铬的附加步骤。

[0037] 具有低摩擦性和良好导热性的耐磨等级被用于圆角工具和密封环的应用领域。根据一个实施方案，Mo2C变体的组成示于表1中。

[0038] 表1

[0039]  Mo2C变体
WC008 84
Mo2C 15
Co 0.9
PEG3400 2

[0040] 如图1的图中所示的，表1中的Mo2C变体表现出高硬度和高磨损。

具体实施方式

[0041] 在下文中将描述根据本发明不同实施方案的物体(body)的实施例，并且将公开制备这些物体的方法。

[0042] 实施例1

[0043] 在球磨机中研磨4种不同的粉末组合物；所述组合物示于表2中。加入PEG作为压制剂。在Gallenkamp烘箱(型号135/30027)中在75℃干燥该粉末，通过500μm目筛进行筛分，并采用Tox压力机(型号STE510-008-102)压制成40×25×5mm的法戈(fargo)片。在FCT Anlagenbau股份有限公司的Sinter-HIP炉中，在1450℃下、在50巴高等静压氩气压力下烧结这些样品。

[0044] 表2A

[0045]

[0046] 在烧结后，各物体先用200μm和80μm的粗砂抛光，再用9μm、3μm和1μm金刚石磨浆抛光。测量断裂韧性K1c和硬度HV30。表3显示在样品之间没有测量到K1c和HV30的显著差异。

[0047] 表3

[0048]样品 HV301 K1c Shetty(谢蒂)
15/0.9 2200 7.1
15/1.8 2196 7
20/0.9 2193 7
20/1.8 2139 6.8

[0049] 图2A-2D是示例4个样品变体各自的孔隙率的照片。在20k放大倍率下，用反向散射电子检测器以10kV的高电压(EHT)和6mm焦距(WD)拍摄SEM图像，并且以21kV的EHT、13mm的WD拍摄EDX图，从而研究所制备的组合物中存在的显微结构和相。

[0050] 表2B

[0051]

[0052] 对于样品15/0.9，图3A-3D是电子显微镜图像，图3E是EDX图；对于样品20/1.8，图4A-4D的电子显微镜图像，图4E是EDX图。可以看出，WC晶粒是圆形的，且晶粒度小于1μm，因此晶粒度接近起始的WC材料尺寸。因此，看起来在烧结期间晶粒没有生长。总之，晶粒的圆度表明，没有通过溶解-再沉淀发生太大的晶粒生长，而是通过晶粒聚结(coalescence)发生。

[0053] 图3E和4E表明可以观察到3个相。

[0054] 在表示出最好的孔隙率的样品上进行B611磨损试验。B611磨损试验完全按照ASTM，85(2005)进行。结果示于图5的图中。

[0055] 如图所示，结果(s)表明，与先前的无粘结剂变体相比，4个样品15/0.9、20/0.9、15/1.8和20/1.8表现出较好的磨损结果。

[0056] 以如之前所述的相同的方式进行实验，以确定除去抑制剂碳化铬的效果。已知晶粒度小于1μm，在不添加抑制剂碳化铬的情况下进行另一次研磨。从而评价对碳化铬对性能的影响。

[0057] 不含碳化铬的15/0.9变体的配方示于表4中。

[0058] 表4

[0059]WC 84.1
Mo2C 15
CoSub 0.9
Cr3C2 0
PEG 2

[0060] 测量含碳化铬的15/0.9变体和不含碳化铬的15/0.9变体的K1C和HV30。结果示于表5中。

[0061] 表5

[0062]等级 HV30 K1C
15/0.9 2200 7.1
不含Cr3C2的15/0.9 2241 7.1

[0063] 在HV30和K1C上未观察到变化，表明碳化铬的存在不影响这些性能。

[0064] 对于不含Cr3C2的样品15/0.9，图7A-7D是电子显微镜图像，图7E是EDX图。观察结果与15/0.9的之前变体相同，特别是晶粒是圆形的且尺寸为约1μm。在图7E中也可以观察到所述3个相。已知Cr3C2可以改善耐腐蚀性，但在另一方面它看起来对显微结构和组成没有影响，因此对硬度和断裂韧性也没有影响。

[0065] 在含有和不含Cr3C2的变体上进行了磨损试验，结果示于图8中。

[0066] 在所有之前的实验中，在1450℃下、在50巴高等静压氩气压力下进行烧结。在下文的另一个实施例示出在Carbolite真空炉(型号16/75/450)中将20/1.8变体烧结至1450℃。

[0067] 表6

[0068]等级 HV30 K1C Shetty
20/1.8 HIP 2191 7.2
20/1.8真空 2190 6.9

[0069] 表6表明，在硬度或断裂韧性方面没有显著变化。

[0070] 因为约600cm-3的耐磨性、在磨损路径上没有孔隙的可靠性和在Mo和Co分布中的同质性，20/1.8看起来是最好的变体。

[0071] 在另外的实施例中，进行了提高断裂韧性的测试。一般地，增加K1C避免了裂纹扩展。通常钴含量越高，硬度越低且断裂韧性越高。因此，将表7中示出的实施例在更高钴含量的情况下进行研磨。表7中还示出了另一个实施例，其中用2.0μm的WC代替0.8μm的WC以观察晶粒度对断裂韧性的影响。

[0072] 表7

[0073]

[0074] 在Gallenkamp烘箱(型号135/30027)中在75℃下干燥该粉末，通过500μm目筛进行筛分，并采用Tox压力机(型号STE 510-008-102)压制成40×25×5mm的法戈片。在FCT Anlagenbau股份有限公司的Sinter-HIP炉中，在1450℃下、在50巴高等静压氩气压力下烧结这些样品。参考图9和图10，对所述3个新变体和等级20/1.82之间的HV30和K1C进行比较。结果如所预期的，随着钴含量增加硬度降低；然而，未观察到断裂韧性的改善。

[0075] 变体的孔隙率示于图11A-11C中。

[0076] 参考图12，耐磨性结果与硬度结果相一致，即耐磨性随硬度而降低。在另一个实施例中还已经显示，通过以其元素组分的形式Mo+C加入碳化钼可以实现相同的材料性质，就好像其以化合物形式Mo2C添加的一样。对15/0.9组合物的变体进行研磨、压制，然后在1450℃下、在50巴高等静压氩气压力下进行烧结，所述变体包含84.1％WC、0.9％Co、14.12％Mo、0.88％C、2.0％PEG。HV30被测定为2185，K1C被测定为7.2，这与由加入了化合物形式的15％Mo2C的相同组成制造的样品是相当的。

[0077] 在另一个实施例中，还探讨了一种不同的粘结剂体系的效果。对于一些应用，如泵的应用，也可以使用镍(Ni)粘结剂。

[0078] 表8

[0079]等级 HV30 K1C Shetty
20/1.82 Co 2191 7.2
20/1.82 Ni 2094 7.3

[0080] 如在表8中所示的，在Ni的情况下硬度略低，但仍处于高水平。K1C没有变化。

[0081] 尽管已经针对本发明特定的实施方案描述了本发明，但是本领域普通技术人员将清楚许多其它的变体和改进以及其它的用途。因此，优选本发明不是由本文中的具体公开内容限定的，而是仅由所附的权利要求书限定的。