專利名稱：硬金屬材料的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明概括而言涉及硬金屬材料，其包含如本文所述的分散于主體金屬或金屬合金中的耐火材料顆粒。ASM材料工程詞典將術(shù)語(yǔ)“硬金屬”定義為具有高硬度、強(qiáng)度和耐磨性的燒結(jié)材料的統(tǒng)稱術(shù)語(yǔ)。本發(fā)明還提供由所述硬金屬材料制造的部件。本發(fā)明特別(盡管絕非排他地)涉及重量超過(guò)IOOkg且通常超過(guò)I噸的大部件。本發(fā)明還提供從所述硬金屬材料制造所述部件的方法。 在更具體的發(fā)明，盡管絕不是排他的發(fā)明，本發(fā)明涉及用于需要耐磨性的應(yīng)用的硬金屬材料。
背景技術(shù)：
已知可利用粉末冶金從包含分散于主體金屬(該術(shù)語(yǔ)在本文被理解為包括金屬合金)中的耐火顆粒的硬金屬材料制造小部件。粉末冶金工藝包括在升高的溫度下減壓下且通常于惰性氣氛中燒結(jié)機(jī)械混合的耐火粉末。“燒結(jié)”包括通過(guò)固態(tài)反應(yīng)在低于形成液態(tài)所需的溫度下且通常在減壓下使粉末狀材料粘結(jié)。在燒結(jié)過(guò)程中，在低于金屬粘結(jié)劑熔點(diǎn)的溫度下，金屬粘結(jié)劑相和耐火顆粒的粉末通過(guò)壓力和熱焊接在一起。燒結(jié)通常用于制造陶瓷部件，且其在諸如粉末冶金等領(lǐng)域也發(fā)現(xiàn)應(yīng)用，用以制造含非常高熔點(diǎn)的材料的產(chǎn)品。粉末冶金學(xué)是用于制造相對(duì)小的、簡(jiǎn)單形狀的耐磨性部件諸如碳化鎢刀具的有用方法。然而，粉末冶金學(xué)不是一種從硬金屬材料制造重量超過(guò)IOOkgs以及通常超過(guò)I噸的較大的、復(fù)雜形狀的硬金屬耐磨性部件諸如泵推進(jìn)器和破碎機(jī)耐磨部件的實(shí)用方法。這特別是在通常需要較大的高耐磨性部件的采礦和礦物加工業(yè)的應(yīng)用中是一個(gè)問(wèn)題。已知的是，在制造用于采礦和礦物加工業(yè)應(yīng)用中的部件時(shí)利用耐磨金屬合金，諸如高鉻白口鐵。例如，在將開(kāi)采的礦石從礦廠位置運(yùn)輸?shù)降V物加工廠的自卸卡車的底座上形成硬面合金。在另一實(shí)例中，耐磨合金鑄件用于形成將懸浮于水中的礦石顆粒漿輸送經(jīng)過(guò)礦石加工廠的浮選回路中的加工階段。對(duì)上述每個(gè)實(shí)例中的耐磨合金的斷裂韌性和耐腐蝕性的要求是不同的，而因此，所述耐磨合金組成是不同的。然而，除其他性質(zhì)之外，兩者之間的共同因素是對(duì)提供耐磨性的需要。一般而言，通過(guò)控制合金組成可獲得較高的耐磨性，但是存在對(duì)其他性質(zhì)的取舍。對(duì)于其中耐磨性是關(guān)鍵性質(zhì)的任何給定環(huán)境，期望提供具有期望的性質(zhì)和改進(jìn)的耐磨性的材料，同時(shí)在這些性質(zhì)的平衡之間較少讓步。應(yīng)注意，說(shuō)明書包括對(duì)重量百分比(wt. %)和體積百分比(vol. %)的提及。在說(shuō)明書中提到NbC的情況下，其中NbC具有類似于主體金屬的密度，這些術(shù)語(yǔ)是可互換的。

發(fā)明內(nèi)容
本申請(qǐng)?jiān)谏钊氲难芯亢烷_(kāi)發(fā)工作中發(fā)現(xiàn)，含有分散體、通常為5-50vol%耐火材料細(xì)粒的分散體(其不溶于主體金屬且在本文中被描述為液體金屬漿液)的液體主體金屬在鑄造中傾倒過(guò)程中具有優(yōu)良的流動(dòng)性，而且所述漿液易于流動(dòng)而填充砂模，從而生產(chǎn)硬金屬材料的致密鑄件。術(shù)語(yǔ)“不溶的”在本文被理解為意指對(duì)于所有意圖和目的，耐火材料都不溶于主體金屬。可能存在有限的溶解度。然而，耐火顆?；静煌谥黧w金屬，原因在于分配到主體金屬的耐火材料顆粒中的過(guò)渡金屬是可忽略的。申請(qǐng)人:還已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，在主體金屬中混合和分散不溶性耐火顆?？梢砸杂行У姆绞皆谝簯B(tài)中在惰性氣氛諸如真空爐中進(jìn)行，以最小化耐火材顆粒中反應(yīng)元素的氧化。本發(fā)明不同于申請(qǐng)人已知的標(biāo)準(zhǔn)鑄造實(shí)踐，其包括將含在鑄件中的所有合金化添 加物完全熔化而形成單相液體，以確保在傾倒入模具過(guò)程中的最大流動(dòng)性。申請(qǐng)人:還發(fā)現(xiàn)，當(dāng)在某些生產(chǎn)參數(shù)內(nèi)按照本發(fā)明鑄造時(shí)，液體金屬漿的流動(dòng)性足以產(chǎn)生一系列從小套管到大套管的精湛的硬金屬材料鑄件，其具有特定的耐磨性、斷裂韌性和耐腐蝕性，適合大范圍的運(yùn)行中的操作條件。生產(chǎn)參數(shù)可包括耐火材料的粒徑、反應(yīng)性、熱膨脹或收縮、密度和溶度中的任意一種或多種，如下面進(jìn)一步討論的。寬泛的說(shuō)，本發(fā)明提供包含分散于主體金屬中的5-50vol%耐火材料顆粒的硬金屬材料。 在本發(fā)明的上下文中，術(shù)語(yǔ)“硬金屬材料”應(yīng)理解為包括分散于硬主體金屬中的9種過(guò)渡金屬中任意一種或多種的高熔點(diǎn)碳化物和/或氮化物和/或硼化物的顆粒，所述過(guò)渡金屬為鈦、錯(cuò)、鉿、f凡、銀、鉭、鉻、鑰和鶴，所述硬主體金屬充當(dāng)基料相(binder phase)。通常，主體金屬是鐵基金屬合金。這些顆粒中的每一個(gè)是耐火材料的顆粒而且在本文中被稱為“耐火材料”。耐火材料的顆?？梢允且环N過(guò)渡金屬的碳化物和/或硼化物和/或氮化物，諸如NbC。耐火材料的顆?？梢允嵌喾N過(guò)渡金屬的碳化物和/或硼化物和/或氮化物，其中所述顆粒是過(guò)渡金屬的碳化物和/或硼化物和/或氮化物的化學(xué)混合物(與物理混合物相對(duì))。換言之，在碳化物的情況中，耐火材料的顆?？梢允且?M1, M2)C描述的類型，其中“M”是過(guò)渡金屬。本文進(jìn)一步討論的一個(gè)實(shí)例是(Nb，Ti)C。硬金屬可包含分散于主體金屬中的5_40vol%耐火材料顆粒。硬金屬可包含分散于主體金屬中的大于10vol%的耐火材料顆粒。硬金屬可包含分散于主體金屬中的大于15vol%的耐火材料顆粒。硬金屬可包含分散于主體金屬中的小于30vol%的耐火材料顆粒。硬金屬可包含分散于主體金屬中的小于25vol%的耐火材料顆粒。主體金屬可以是鐵基合金(諸如鋼或鑄鐵)、不銹鋼、奧氏體錳鋼諸如哈德菲爾高猛鋼(Hadfield steel),或者鐵基或鎳基或鈷基超耐熱合金。本發(fā)明還提供形成硬金屬材料的方法，包括(a)在例如惰性氣氛中形成硬金屬材料的漿液，其包含分散于液體主體金屬中的5-50vol%耐火材料顆粒，和(b)使所述漿液固化，形成固體硬金屬材料。本發(fā)明還提供制造硬金屬材料部件的方法，包括(a)在例如惰性氣氛中形成硬金屬材料的漿液，其包含分散于液體主體金屬中的5-50vol%耐火材料顆粒，和(b)在惰性氣氛中將所述漿液傾倒入模具中并形成所述部件的鑄件。所述方法可包括在從腔室中移除空氣的真空條件下于腔室中形成漿液然后形成所述組件的鑄件，并將惰性氣體諸如氬供應(yīng)到該腔室中。以舉例的形式，所述方法可在真空熔化爐中進(jìn)行。
所述方法可包括選擇生產(chǎn)參數(shù)以在步驟(a)中形成具有必需的流動(dòng)性的漿液，以便在步驟(b)中進(jìn)行處理。在任何給定的情況中，注意到標(biāo)準(zhǔn)鑄造實(shí)踐考慮，諸如待形成的部件尺寸和形狀以及為提供必需的部件微結(jié)構(gòu)所需的分散(均勻的或分離的)，本領(lǐng)域技術(shù)人員能夠確定處理步驟(b)所需的流動(dòng)性。所述生產(chǎn)參數(shù)可包括耐火材料的粒徑、反應(yīng)性、密度和溶度中的任一種或多種，如在下面進(jìn)一步討論的。耐火材料粒徑耐火材料可以具有細(xì)小粒徑。細(xì)小耐火材料粒徑可能是確保在主體金屬中均勻分散所必需的。大部分過(guò)渡金屬耐火材料的熔點(diǎn)超過(guò)1800°C，而且耐火材料通常在主體液體金屬中是不溶的。申請(qǐng)人已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，在直徑上，粒徑小于500微米、通常小于150微米的耐火粉末在液體金屬漿液中提供最佳流動(dòng)特征并在硬金屬鑄件的微結(jié)構(gòu)中產(chǎn)生期望的耐火微粒的均勻分散。耐火材料的粒徑可以是小于400微米。耐火材料的粒徑可以是小于200微米。耐火材料的粒徑可以是小于150微米。耐火材料可以如下被添加至主體液體金屬中。(a)作為具有選定粒度分布的細(xì)粉例如，15wt. %形式為碳化銀(NbC)的耐火材料顆粒(直徑小于(minus) 50微米)添加至形式為高鉻白口鐵主體金屬的液體主體金屬中。NbC表現(xiàn)出24GPa的維氏硬度、3600°C的熔點(diǎn)和在約1500°C的鑄造溫度下在主體液體金屬中非常低的溶度。液體金屬漿液包含不溶性NbC顆粒(直徑小于50微米)在主體液體金屬中的懸浮液。在固化后，微結(jié)構(gòu)顯示15vol%NbC細(xì)粒(直徑小于50微米)在高鉻白口鐵基質(zhì)中的分散體，所述高鉻白口鐵基質(zhì)含有在該基質(zhì)中的可忽略量的(小于O. 3wt. %)溶解態(tài)的鈮。(b)上述過(guò)渡金屬或相同過(guò)渡金屬的鐵基合金可被添加至很多主體金屬中，該主體金屬含有元素碳、硼和氮的所有組合和置換。例如，如在下面更詳細(xì)描述的，申請(qǐng)人已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，在1500°C Fe-Nb易于溶于主體液體金屬中而且鈮立刻與主體液體金屬中的碳結(jié)合而原位形成直徑粒徑小于50微米的碳化鈮。反應(yīng)性耐火材料上述的大部分過(guò)渡金屬耐火材料被歸類為“反應(yīng)元素”，即，個(gè)體金屬元素和/或其碳化物、氮化物或硼化物化合物形式在約1500°C的金屬鑄造溫度下易于與空氣反應(yīng)而形成不需要的金屬氧化物和/或大量氣體諸如CO2，其可在鑄件中導(dǎo)致嚴(yán)重的多孔性。在硬金屬鑄件中的氧化和多孔性的問(wèn)題(其由液體金屬漿液產(chǎn)生并與升高的溫度下反應(yīng)性耐火材料在空氣中化學(xué)反應(yīng)相關(guān))通過(guò)在惰性氣氛中熔化和傾倒液體金屬漿液而得以克服。選擇相比主體金屬具有較低的熱膨脹或收縮的耐火材料顆粒在文獻(xiàn)中已經(jīng)對(duì)硬金屬材料中耐火顆粒與主體金屬之間的不佳粘合進(jìn)行了不同地報(bào)告。申請(qǐng)人沒(méi)有發(fā)現(xiàn)在由申請(qǐng)人評(píng)價(jià)的耐火顆粒與大范圍的主體金屬之間的不佳粘合的跡象。盡管不希望束縛于下述觀點(diǎn)，所觀察到的優(yōu)良粘合很大部分上被申請(qǐng)人歸因于在硬金屬材料鑄造過(guò)程中采用了惰性氣氛，以及在從固相線向環(huán)境溫度的冷卻過(guò)程中相比主體金屬的熱收縮低得多、通常低約50%的過(guò)渡金屬耐火顆粒的熱收縮，這在耐火材料顆粒上產(chǎn)生壓縮力，在固化時(shí)該壓縮力將顆粒牢固地保持在主體金屬中。已經(jīng)發(fā)現(xiàn)由申請(qǐng)人在惰性氣氛中生產(chǎn)的硬金屬材料鑄件中的所有耐火顆粒處于壓縮荷載下，這確保了與主體金屬的緊密接觸和優(yōu)良粘合。
耐火材料的密度顆粒耐火材料的密度與液態(tài)的主體金屬的密度相比，是本發(fā)明方法過(guò)程中要考慮的參數(shù)，以便控制耐火顆粒在熱主體金屬中的分散。在一些情況中，可能重要的是避免液體主體金屬中的耐火材料顆粒分離。在其他情況中，分離可能是期望的。例如，主體鐵基液體金屬在1400°C的標(biāo)稱密度是6. 9g/cc。當(dāng)將密度為15. 7g/cc的碳化鎢顆粒添加至主體鐵基金屬時(shí)，在主體金屬固化之前該WC顆粒將沉到模具的底部。當(dāng)將密度為4. 8g/cc的碳化鈦顆粒添加至同樣的主體鐵基金屬時(shí)，該TiC顆粒將漂浮到鑄桶或模具的頂部。1400°C時(shí)密度為7. 7g/cc的碳化鈮相當(dāng)接近于6. 9g/cc的主體液體金屬的密度，并且相比TiC或WC在液體主體金屬中不易于分離。然而，申請(qǐng)人已經(jīng)觀察到，當(dāng)固化時(shí)間處于30分鐘或以上的級(jí)數(shù)時(shí)，在本發(fā)明的方法過(guò)程中，NbC顆粒將分離到大段白口鐵鑄件的底部。如在下面更詳細(xì)描述的，碳化鈮和碳化鈦具有相似的晶體結(jié)構(gòu)而且是同晶的。在(Nb，Ti)C化合物中選擇所需的Nb/Ti比產(chǎn)生在鑄造溫度下具有在4. 8-7. 7g/cc范圍內(nèi)的任何所述密度的耐火材料。使固體耐火顆粒與液體主體金屬的密度在鑄造溫度下相匹配消除了在本發(fā)明方法過(guò)程中出現(xiàn)的微粒在熔體中的分離。耐火材料的溶度按照本發(fā)明的方法，添加耐火材料顆粒(對(duì)于所有意圖和目的，其是不溶的，即，在主體液體金屬中具有最低限度的固體溶度)而產(chǎn)生鑄件生產(chǎn)出一種硬金屬材料，其展示出非常類似于主體金屬的物理和化學(xué)性質(zhì)，且由于存在著高體積百分比的硬耐火材料顆粒在微結(jié)構(gòu)中的受控分散，其具有顯著改善的耐磨性。例如，在升高的溫度下，形式為(Nb，Ti)C的耐火材料在形式為(a)液體哈德菲爾高錳鋼和(b)液體316不銹鋼和(c)液體高鉻白口鐵的液體主體金屬中溶度是可忽略的 O. 3wt%)。將15wt%具有所需密度的(Nb，Ti) C添加至這三種金屬中，然后對(duì)每種主體金屬進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化熱處理步驟，生產(chǎn)出由15vol%主碳化鈮-鈦在主體金屬中的均勻分散體組成的微結(jié)構(gòu)，所述主體金屬基本不含鈮和鈦，即，耐火材料漿液顆粒中的過(guò)渡金屬向主體金屬的分配是可忽略的。因此，顆粒耐火材料對(duì)主體金屬的熱處理的化學(xué)作用和反應(yīng)的影響是可忽略的。
通過(guò)本發(fā)明方法生產(chǎn)的三種硬金屬材料分別展示出(a)哈德菲爾高錳鋼、(b)316不銹鋼和(c)高鉻白口鐵的已知的物理和化學(xué)性質(zhì)，且由于存在15vol%主碳化鈮-鈦在微結(jié)構(gòu)中的分散體而具有增加的耐磨性。除上述之外，特別地，申請(qǐng)人已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，提供具有微結(jié)構(gòu)且包括分散于主體金屬基質(zhì)中的碳化鈮顆粒和/或碳化鈮和碳化鈦的化學(xué)(與物理相對(duì))混合物顆粒的硬金屬材料，顯著改進(jìn)該硬金屬材料的耐磨性，而不會(huì)不利地影響其他合金化元素對(duì)該硬金屬材料的其他性質(zhì)所具有的貢獻(xiàn)。另外，特別地，申請(qǐng)人已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，能夠?qū)⑻蓟壓吞蓟伒幕瘜W(xué)混合物的顆粒密度調(diào)整至與形成硬金屬材料基質(zhì)的主體金屬的密度有關(guān)的足夠程度，以便使得能夠選擇性控制顆粒在基質(zhì)中分散，從顆粒的均勻分散到顆粒的非均勻分散。這種密度控制機(jī)會(huì)是與硬金屬材料鑄件相關(guān)的重要發(fā)現(xiàn)。特別地，由于這種發(fā)現(xiàn)，現(xiàn)在能夠生產(chǎn)出顆粒在鑄件的部件中受控分離的硬金屬材料鑄件。這對(duì)于鑄件的一些終端用途應(yīng)用而言是重要的，諸如期望 在硬金屬材料的鑄件表面附近具有高耐磨顆粒濃度的情況中。同樣，在鑄件的其他最終用途應(yīng)用中，期望具有顆粒在鑄件基質(zhì)中的均勻分散。另外，申請(qǐng)人已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，形成硬金屬材料或該材料的鑄件，以包含分散于主體金屬(其形成硬金屬材料的基質(zhì))中的10-25wt%、甚或高達(dá)33wt%或更高的碳化銀顆粒和/或碳化鈮和碳化鈦的化學(xué)混合物顆粒，對(duì)主體金屬中的鐵基材料的耐腐蝕性和硬度不會(huì)有顯著的負(fù)面影響。因此，本發(fā)明使得獲得高耐磨性的硬金屬材料而不會(huì)損失其他所需的材料性質(zhì)成為可能。因此，提供了形成耐磨硬金屬材料的方法，所述方法包括以下述形式添加(a)鈮或(b)鈮和鈦至含有主體金屬的熔體中，該形式產(chǎn)生范圍在10至40wt%的硬金屬材料總重的碳化鈮顆粒和/或碳化鈮和碳化鈦化學(xué)混合物顆粒；以及使所述熔體固化而形成固體硬金屬材料。術(shù)語(yǔ)“碳化鈮和碳化鈦的化學(xué)混合物”和“碳化鈮/碳化鈦”在下文中應(yīng)理解為是同義詞。另外，術(shù)語(yǔ)“化學(xué)混合物”在該情況中應(yīng)理解為意指碳化鈮和碳化鈦不是作為單獨(dú)的顆粒存在于該混合物中，而是作為碳化鈮/鈦顆粒存在。碳化鈮和碳化鈦各具有約2500的維氏硬(HV)，其超過(guò)碳化鉻硬度約1000HV。因此，具有含10-40wt%碳化鈮顆粒和/或碳化鈮/鈦顆粒的微結(jié)構(gòu)的硬金屬材料具有優(yōu)良的耐磨性。然而，申請(qǐng)人的工作的一個(gè)重要方面已經(jīng)認(rèn)識(shí)到，碳化鈮和碳化鈦以及碳化鈮/鈦相對(duì)于硬金屬材料中的其他組分在化學(xué)上是基本惰性的，因此，那些組分為該硬金屬材料提供了基于它們而選擇的性質(zhì)。例如，添加至鑄鐵合金中的鉻仍產(chǎn)生碳化鉻并提供耐腐蝕性。在硬面方法中，所述熔體可以是焊接熔池(weld pool)的形式。在這些情況中，鈮和/或鈦可以金屬絲合金被添加至焊接熔池中，以便計(jì)量鈮和/或鈦的添加。所述熔體可以是用于形成鑄件的熔體的形式?？紤]在固體硬金屬材料中形成碳化鈮和/或碳化鈮/鈦顆粒的要求，則鈮和鈦可以以任何合適的形式被添加至熔體中。例如，所述方法包括將鐵-鈮例如鐵-鈮顆粒形式的鈮添加至所述熔體中。在這種情況中，鐵-鈮溶于熔體中，且在熔體中所產(chǎn)生的游離鈮和碳在熔體中形成碳化鈮。
所述方法還可包括將鈮作為元素鈮添加至所述熔體中。 所述方法還可包括將鈮和鈦?zhàn)鳛殍F-鈮-鈦添加至所述熔體中。所述方法還可包括將碳化鈮顆粒形式的鈮添加至熔體中。所述方法還可包括將碳化鈮/鈦顆粒形式的鈮和鈦添加至熔體中。在這兩種情況中，所固化的金屬合金可由懸浮在熔體中的碳化鈮顆粒和/或碳化鈮/鈦顆粒的漿液形成。預(yù)期如果這些碳化物在熔體中的重量分?jǐn)?shù)太高，則漿液的流動(dòng)性能可能受到不利地影響，結(jié)果是可能產(chǎn)生不佳的熔體鑄件。然而，鑄造漿液與鑄造廠中的標(biāo)準(zhǔn)操作方法形成對(duì)比，其涉及鑄造純的(單相)液態(tài)熔體，即，其中熔體高于該熔體最高熔點(diǎn)組分的液相線溫度。碳化鈮/鈦顆?？梢允峭ㄊ?Nbx，Tiy) C的任何合適的化學(xué)混合物。以舉例的方式，碳化鈮 / 鈦可以是(Nb。.5，Tia5)C 或(NbQ.25，Tia75)C 或(Nba75，Tia25)C。 鈮和/鈦可以被添加至熔體，以產(chǎn)生碳化鈮顆粒和/或碳化鈮/鈦顆粒，其范圍基于固化硬金屬材料的總重為12wt%至33wt%碳化銀和碳化銀/鈦。鈮和/鈦可以被添加至熔體，以產(chǎn)生碳化鈮顆粒和/或碳化鈮/鈦顆粒，其范圍基于固化硬金屬材料的總重為12wt%至25wt%碳化銀和碳化銀/鈦。碳化鈮和/或碳化鈮/鈦顆粒在固化硬金屬材料的微結(jié)構(gòu)中的量可取決于體系。申請(qǐng)人:特別關(guān)注包含鐵基合金形式的主體金屬的固體硬金屬材料，諸如描述為高絡(luò)白口鐵、不鎊鋼和奧氏體猛鋼(諸如哈德菲爾聞猛鋼)的鐵基合金。對(duì)于鐵基合金而目，碳化鈮和/或碳化鈮/鈦顆粒在最終微結(jié)構(gòu)中的量可在固化硬金屬材料總重的10-33wt%范圍內(nèi)或在固化硬金屬材料總重的12-25wt%范圍內(nèi)。碳化鈮和/或碳化鈮/鈦的粒徑可以在I至150 μ m的直徑范圍內(nèi)。所述方法可包括借助惰性氣體或磁感應(yīng)或任何合適的工具攪拌熔體，以便在熔體中分散碳化鈮和/或碳化鈮/鈦的顆粒。所述方法可包括在惰性條件下諸如氬覆蓋下添加碳化鈮顆粒和/或碳化鈮/鈦顆粒至熔體中，以降低同時(shí)被添加至熔體中的碳化鈮和/或碳化鈦氧化的程度。所述方法可包括在惰性條件下諸如氬覆蓋下添加鐵-鈮和/或鐵-鈦和/或鐵-鈮-鈦的顆粒至熔體中，以降低同時(shí)被添加至熔體中的鈮和/或鈦氧化的程度。在固化硬金屬材料中需要碳化鈮/鈦顆粒的情況中，所述方法可包括在惰性條件下預(yù)熔化鐵-鈮和鐵-鈦和/或鐵-鈮-鈦并形成作為鐵、鈮和鈦的均質(zhì)化學(xué)混合物的液相以及固化該化學(xué)混合物。然后該化學(xué)混合物可按需要進(jìn)行處理，例如通過(guò)擠壓成所需的粒徑，然后在惰性條件下被添加至熔體(含碳)。鐵、鈮和鈦溶解在熔體中，而且熔體中的鈮和鈦以及碳在該熔體中形成碳化鈮/鈦。所述方法可包括通過(guò)將熔體鑄造成鑄造殘品諸如泵推進(jìn)器或泵喉部襯套(pumpthroatbush)而形成固化的硬金屬材料。該鑄造產(chǎn)品可經(jīng)歷隨后的熱處理以調(diào)整該微結(jié)構(gòu)，從而獲得所需的合金性質(zhì)。還提供可按照上述方法形成的硬金屬材料。還提供了鑄造上述硬金屬材料的方法，其含有碳化鈮和碳化鈦的化學(xué)混合物顆粒在形成鑄件的基質(zhì)的主體金屬中的分散體，所述方法包括相對(duì)于基質(zhì)材料的密度選擇鈮/鈦顆粒的密度，從而選擇性控制鈮/鈦顆粒在該基質(zhì)中的分散，范圍由均勻分散到非均勻分散。
還提供了由上述方法制備的上述硬金屬材料的鑄件。所述鑄件可包含碳化鈮/碳化鈦顆粒在基質(zhì)中的均勻分散體。例如，所述鑄件可以是泵推進(jìn)器。所述鑄件可包含碳化鈮/碳化鈦顆粒在基質(zhì)中的非均勻分散體。例如，所述鑄件可以是泵喉部襯套。所述主體金屬可以是鐵基合金，諸如高鉻白口鐵、不銹鋼或奧氏體錳鋼(諸如哈德菲爾高錳鋼)。附圖
簡(jiǎn)述現(xiàn)在僅以實(shí)例的方式，參考附圖描述本發(fā)明的實(shí)施方式，其中 圖I是包含27wt%碳化鉻和15wt%碳化鈮的高鉻白口鐵合金的顯微照片。圖2是包含15wt%碳化鈮的馬氏體不銹鋼(等級(jí)420C)的顯微照片。
具體實(shí)施例方式申請(qǐng)人:在將10_30wt%NbC和Nb/TiC顆粒添加至廣泛選擇的鐵基合金之后進(jìn)行了一系列的實(shí)驗(yàn)室熔化試驗(yàn)，所述鐵基合金包括高鉻白鐵、奧氏體錳鋼(包括哈德菲爾高錳鋼)、超耐熱合金、不銹鋼(包括雙相體(duplex)、鐵素體、奧氏體和馬氏體)和硬面堆焊(weld deposits)。申請(qǐng)人:進(jìn)行了另外廣泛的工作，研讀了由申請(qǐng)人直接編輯的以及在其他來(lái)源中的關(guān)于過(guò)渡金屬的碳化物、硼化物和氮化物以及這些金屬的氮化物、硼化物和氮化物的化學(xué)組合的數(shù)據(jù)，而且已經(jīng)確定，本文所報(bào)告的實(shí)驗(yàn)工作的發(fā)現(xiàn)同樣適用鐵基主體金屬中的過(guò)渡金屬的這些碳化物、硼化物和氮化物以及元素組合。包含15wt%NbC的高鉻白口鐵合金的微結(jié)構(gòu)的一個(gè)實(shí)例示于圖I中。通過(guò)從熔體鑄造50g鑄塊生成該合金，所述熔體在電弧熔化爐中在氬分壓下于水冷卻的銅爐床中產(chǎn)生，即，所述鑄塊是冷鑄的。將NbC作為離散顆粒添加至熔爐熔體中，該顆粒具有2至20 μ m直徑范圍的粒徑。在其他實(shí)施方式中，申請(qǐng)人已經(jīng)檢驗(yàn)了 NbC的各種其他粒徑范圍的應(yīng)用，包括直徑〈45 μ m、直徑45至75 μ m、直徑為75至150 μ m以及直徑〈100 μ m。高鉻白口鐵合金常規(guī)依賴于高鉻含量以產(chǎn)生大量的硬碳化鉻，其為鑄件提供高耐磨性。另外，高鉻白口鐵合通常依賴于留在鐵基質(zhì)中的一些鉻并為合金提供耐腐蝕性。圖I中的微結(jié)構(gòu)展示了含低共熔M7C3碳化物(約30vol%)細(xì)分散體和15wt%NbC顆粒分散體的鐵基質(zhì)，所述NbC顆粒作為該附圖中的白色球形體相顯示。圖2所示的微結(jié)構(gòu)是420C等級(jí)的馬氏體不銹鋼形式，通過(guò)與上述關(guān)于圖I中所示的高鉻白口鐵相同的方法生產(chǎn)。相反，NbC顆粒(在圖2中為白色)并非如在高鉻白口鐵中是規(guī)則的球形體，而是不規(guī)則的NbC碳化物形狀，其看來(lái)是已經(jīng)與NbC成合金的各種不銹鋼等級(jí)所特有典型的。上面報(bào)告的實(shí)驗(yàn)工作以及由申請(qǐng)人實(shí)施的其他實(shí)驗(yàn)工作表明，利用范圍為10-30wt%NbC的碳化鈮顆粒在鐵基主體金屬中產(chǎn)生的合金顯示出非常有前景的微結(jié)構(gòu)、焊接特性和鑄造鑄件特征。這些效果在于高NbC含量添加至這些材料中顯著增加了耐磨性，同時(shí)不會(huì)不利地影響原鐵基材料的可鑄性、可焊性、對(duì)熱處理的反應(yīng)以及機(jī)械性能。
圖I中的測(cè)試鑄件以及申請(qǐng)人生產(chǎn)的其他測(cè)試鑄件的微結(jié)構(gòu)顯示，添加至鐵基合金中的所有NbC顆粒是在液體金屬中的懸浮的主碳化物(primary carbides)。推論是所有高于液相線溫度(約1300-1400°C )的常規(guī)鑄件是“純液體”，即單相液體。然而，當(dāng)添加例如20wt%碳化鈮顆粒時(shí)，該顆粒保持懸浮，因此液體金屬和NbC顆粒近似具有優(yōu)良流動(dòng)性的“漿液”(2個(gè)相)，其為生產(chǎn)致密鑄件的強(qiáng)制性要求。當(dāng)碳化鈮/鈦顆粒添加至液體金屬中時(shí)，實(shí)驗(yàn)工作發(fā)現(xiàn)類似結(jié)果。然而，應(yīng)理解，通過(guò)向熔體添加鐵-鈮，碳化鈮可作為固體顆粒在熔體中形成，而不是添加到熔體中。在這類情況中，熔體含有碳，而碳的重量百分比比鈮的重量百分比大八分之一。在鐵-鈮添加的情況中，鐵和鈮在熔體中分離。對(duì)碳具有高親和性的鈮與來(lái)自液體熔體的碳化學(xué)結(jié)合形成分散于該液體熔體中的固體碳化鈮顆粒。鑄造之后，熔體被鑄造 為由懸浮于液體熔體中的固體碳化鈮顆粒組成的“漿液”。固化后，鑄件將具有包含分散于鐵基質(zhì)中的碳化鈮的微結(jié)構(gòu)。對(duì)于碳化鈮/鈦顆粒也獲得類似的微結(jié)構(gòu)。向鐵基材料添加10_30wt%NbC顆粒的優(yōu)勢(shì)總結(jié)在下面。(a)與高鉻白口鐵合金中存在的M7C3碳化物的硬度1500HV相比，NbC的硬度是約2500HV。(b)鈮是非常強(qiáng)的碳化物形成元素，而且可作為含鐵鈮或NbC粉末被添加至鐵基熔體中。(C)NbC的熔點(diǎn)是3600°C，S卩，比鋼、鑄鐵和硬面堆焊的鐵基熔體高約2000°C。另夕卜，細(xì)NbC顆粒(例如，直徑2至20μπι)在鑄造過(guò)程中尺寸不會(huì)增長(zhǎng)或者在熔體中結(jié)合。就熔體的可鑄性以及所得到的鑄造產(chǎn)品的耐磨性而言這是重要的。當(dāng)細(xì)NbC顆粒的分散體遍及微結(jié)構(gòu)均勻分布時(shí)，鑄造產(chǎn)品的耐磨性得到優(yōu)化。(d)其他元素例如Cr、Mn和Fe不溶于高熔點(diǎn)NbC顆粒。因此，NbC顆粒的化學(xué)組成沒(méi)有更改，而且其在制備熔體過(guò)程中以及鑄造之后將保留其物理性質(zhì)。(e)NbC在鐵基質(zhì)中的溶度是可以忽略的(〈O. 3wt%)，這表明向鐵基材料中添加NbC不會(huì)導(dǎo)致對(duì)熱處理的反應(yīng)具有可觀察的影響或者鐵基質(zhì)的材料性質(zhì)的變化。(f)NbC的密度在室溫下是7.82g/cc。這非常接近鐵基材料的密度，其約為7. 5g/cc。這意味著NbC顆粒在液體熔體中不會(huì)由于下沉(例如，與碳化鎢相比，其密度為15. 8g/cc)或由于漂浮(例如，與碳化鈦相比，其密度為4.93g/cc)而分開(kāi)。(g)高體積分?jǐn)?shù)NbC顆粒在微結(jié)構(gòu)中的存在將導(dǎo)致在鑄造和熱處理過(guò)程中更細(xì)的鐵基質(zhì)晶粒尺寸。這改進(jìn)了鑄件的機(jī)械性能。(h)據(jù)估計(jì),20wt%NbC添加至現(xiàn)有的耐磨高鉻白口鐵合金家族中將改進(jìn)這些材料的耐磨性，在一些情況下可能以數(shù)量級(jí)改進(jìn)。(i)通過(guò)觀察所得到的微結(jié)構(gòu)，認(rèn)為將10_25wt%NbC添加至各種不銹鋼中，例如馬氏體、奧氏體、鐵素體和雙相體，將大幅增加磨損期限，而各種等級(jí)的韌性、耐腐蝕性和機(jī)械性能的下降是可忽略的。(j)將20wt%NbC添加至哈德菲爾德高錳鋼(其通常用在原生巖壓碎機(jī)(諸如顎式破碎機(jī)或回轉(zhuǎn)壓碎機(jī))的襯層中，在那里高沖擊韌性是必需的)將產(chǎn)生相比原始哈德菲爾德高錳鋼具有大得多的磨損期限、而不會(huì)減小此鋼鐵固有的異常韌性和加工硬化能力。(k)將20wt%NbC添加至工具鋼中將極大改進(jìn)工具磨損期限同時(shí)保持原有的材料性能。碳化鈮可如下所述以兩種不同方式添加至鐵基合金中，諸如高鉻白口鐵。I.作為細(xì)碳化鈮顆粒(直徑2-100微米)添加至熔體，按照上述實(shí)驗(yàn)室工作。2.在必需的化學(xué)計(jì)算量的先前溶于熔體中的碳的存在下，作為細(xì)鐵-鈮粉末(小于1_直徑)。NbC的密度在室溫下是7. 8g/cc，這與高鉻白口鐵的密度接近(7. 5g/cc)。具有類似密度的相的存在有助于實(shí)現(xiàn)鑄造過(guò)程中NbC顆粒在液體金屬中的均勻分散。然而，通過(guò)申請(qǐng)人進(jìn)行的實(shí)驗(yàn)室實(shí)驗(yàn)顯示，當(dāng)使熔體在低于主體金屬的液相線溫度約150°C靜置15分鐘時(shí)，由于細(xì)NbC顆粒下沉到鑄塊的底部，在高鉻白口鐵+5wt%NbC合金中發(fā)生NbC的分離。
高鉻白口鐵與NbC之間的密度差隨溫度增加。高鉻白口鐵熱膨脹系數(shù)是NbC的兩倍。另外，在約1260°C下固相到液相轉(zhuǎn)變時(shí)高鉻白口鐵經(jīng)歷了體積的梯度增加。因此，高鉻白口鐵在1400°C下的液態(tài)密度是6.9g/cc，而NbC在1400°C低密度是約7. 7g/cc。申請(qǐng)人已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，在1300°C或更高的鑄造廠鑄造溫度下這種密度差足以引發(fā)NbC顆粒在液體高鉻白口鐵中分離。碳化鈦在很多特征上類似于NbC。晶體結(jié)構(gòu)相同，其基數(shù)為225。NbC的晶格參數(shù)是4 47A,TiC的晶格參數(shù)是4.32AjiC和Nbc是同晶的，即Ti容易取代Nbc中的Nb原子。TiC的使度類似于NbCo TiC的熔點(diǎn)的3160°C，其類似于NbC的熔點(diǎn)(3600°C )。
然而，TiC的密度在室溫下是4. 9g/cc，這比NbC的密度小得多。因?yàn)門iC和NbC是同晶的，因此通過(guò)選擇通式(Nbx，Tiy) C的相應(yīng)化學(xué)組成，能夠獲得4. 9-7. 8g/cc范圍內(nèi)的混合碳化物的任意密度值。以舉例的方式，碳化鈮/鈦可以是(Nba5，Tia5)C或(Nba25，Tia75)C或(Nba75Jia25)C15該密度差是在常規(guī)鑄造廠鑄造溫度下減少硬質(zhì)固體碳化物在液體金屬中分離的成本有效之方法的基礎(chǔ)。具體地，能夠在4. 9-7. 8g/cc范圍內(nèi)選擇性調(diào)整碳化鈮/鈦的密度并控制顆粒在金屬合金鑄件(諸如高鉻白鐵，其包含所述顆粒)中是否形成均勻分散體還是在其中分離。對(duì)于一些鑄件(其中遍及鑄件的均勻耐磨性是期望的)，以及對(duì)于其他鑄件(其中期望在該鑄件的一個(gè)區(qū)段諸如表面具有耐磨顆粒的濃度)，這種選擇可能是期望的。說(shuō)明書以vol%提及本發(fā)明硬金屬材料的微結(jié)構(gòu)，而不是通常的體相化學(xué)wt%。提供下面所列的表，以解釋選擇這種命名法的原因。在表中的如2種情況中，主體金屬的化學(xué)是相同的，而且基本是聞絡(luò)白絡(luò)鑄鐵,其化學(xué)式=Fe-27Cr-2. 7C-2Mn_0. 5Si。使同一主體金屬中的這兩種硬金屬材料的微結(jié)構(gòu)(即10和20vol%NbC)可見(jiàn)直覺(jué)上是簡(jiǎn)單的。然而，這兩種硬金屬材料的體相化學(xué)(如通過(guò)通常的鑄造光譜分析技術(shù)所測(cè)定的)并沒(méi)有清楚地傳達(dá)這兩種硬金屬材料之間的簡(jiǎn)單差異。表中的第三種和第四種情況針對(duì)哈德菲爾高錳鋼中10和20vol%NbC重復(fù)該操作。主體金屬的化學(xué)是相同的，而且基本為Fe-12Mn-l. 2C_2Mn_0. 5Si。同樣，這兩種硬金屬材料的體相化學(xué)非常不同而且并非是描述微結(jié)構(gòu)的。微結(jié)構(gòu)=90vol%白口鐵 +10vol%NbC
權(quán)利要求
1.一種硬金屬材料,其包含分散于主體金屬中的5-50vol%耐火材料的顆粒。
2.如權(quán)利要求I所述的硬金屬材料，其中所述耐火材料包括下述九種過(guò)渡金屬中任一種或多種的碳化物和/或氮化物和/或硼化物的顆粒鈦、鋯、鉿、釩、鈮、鉭、鉻、鑰和鎢。
3.如權(quán)利要求I或2所述的硬金屬材料,其包含分散于所述主體金屬中的5-40vol%的耐火材料的顆粒。
4.如前述權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的硬金屬材料，其包含分散于所述主體金屬中的大于10vol%的耐火材料的顆粒。
5.如前述權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的硬金屬材料，其包含分散于所述主體金屬中的大于15vol%的耐火材料的顆粒。
6.如前述權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的硬金屬材料，其包含分散于所述主體金屬中的小于30vol%的耐火材料的顆粒。
7.如前述權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的硬金屬材料，其包含分散于所述主體金屬中的小于25vol%的耐火材料的顆粒。
8.如前述權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的硬金屬材料，其中所述主體金屬包括鐵基合金(諸如鋼或鑄鐵)、不銹鋼、奧氏體錳鋼，或者鐵基或鎳基或鈷基超耐熱合金。
9.一種制造硬金屬材料的部件的方法，包括 (a)在惰性氣氛中形成硬金屬材料的衆(zhòng)液，其包含分散于液體主體金屬中的5-50vol%耐火材料的顆粒，和 (b)諸如在惰性氣氛中將所述漿液傾倒入模具中，并形成所述部件的鑄件。
10.如權(quán)利要求9所述的方法，包括在從腔室中移除空氣的真空條件下于腔室中形成漿液然后形成所述組件的鑄件，并將惰性氣體諸如氬供應(yīng)到所述腔室中。
11.如權(quán)利要求9或10所述的方法，包括選擇生產(chǎn)參數(shù)以在步驟(a)中形成具有必需的流動(dòng)性的漿液，以便在步驟(b)中進(jìn)行處理。
12.如權(quán)利要求11所述的方法，其中所述生產(chǎn)參數(shù)包括耐火材料的粒徑、反應(yīng)性、密度和溶度中的任一種或多種。
13.如權(quán)利要求9-12中任一項(xiàng)所述的方法，其中所述耐火材料的粒徑小于400微米。
14.如權(quán)利要求9-13中任一項(xiàng)所述的方法，其中所述耐火材料的粒徑小于150微米。
15.如權(quán)利要求9-14中任一項(xiàng)所述的方法，包括選擇熱收縮比所述主體金屬小的耐火材料。
16.如權(quán)利要求9-15中任一項(xiàng)所述的方法，包括相比液態(tài)主體金屬的密度選擇所述耐火材料的密度，以控制所述耐火材料的顆粒在所述主體金屬中的分散。
17.如權(quán)利要求9-16中任一項(xiàng)所述的方法，包括選擇所述耐火材料以便在所述液體主體金屬中具有最低限度的固體溶度。
18.一種形成耐磨硬金屬材料的方法，所述方法包括以下述形式添加(a)鈮或(b)鈮和鈦至含有主體金屬的熔體中，所述形式在固化金屬合金的微結(jié)構(gòu)中產(chǎn)生范圍在10至40wt%的硬金屬材料總重的碳化鈮顆粒和/或碳化鈮和碳化鈦化學(xué)混合物顆粒；以及使所述熔體固化而形成固體硬金屬材料。
19.如權(quán)利要求18所述的方法，包括將所述鈮和/鈦添加至所述熔體，以產(chǎn)生碳化鈮顆粒和/或碳化鈮/鈦顆粒，其范圍基于所述固化硬金屬材料的總重為12wt%至33wt%碳化鈮和碳化鈮/鈦。
20.如權(quán)利要求18或19所述的方法，其中所述碳化鈮/鈦顆粒具有通式(Nbx，Tiy)C。
21.如權(quán)利要求18-20中任一項(xiàng)所述的方法，包括以碳化鈮顆粒和/或碳化鈮/鈦顆粒的形式將鈮和/或鈦添加至所述熔體中。
22.如權(quán)利要求21所述的方法，包括形成懸浮于所述熔體中的碳化鈮顆粒和/或碳化鈮/鈦顆粒的漿液，并使所述熔體固化而形成所述固化硬金屬材料。
23.—種鑄造硬金屬材料的方法，所述硬金屬材料含有碳化鈮和碳化鈦的化學(xué)混合物在形成所述硬金屬材料的基質(zhì)的主體金屬中的分散體，所述方法包括相對(duì)于所述主體金屬的密度選擇鈮/鈦顆粒的密度，從而選擇性控制所述鈮/鈦顆粒在所述基質(zhì)中的分散，范圍由均勻分散到非均勻分散。
24.通過(guò)權(quán)利要求23所述的方法制造的金屬合金的鑄件。
25.如權(quán)利要求24所述的鑄件，包含鈮/鈦顆粒在所述基質(zhì)中的均勻分散體。
26.如權(quán)利要求24所述的鑄件，包含鈮/鈦顆粒在所述基質(zhì)中的非均勻分散體。
27.如權(quán)利要求23-26中任一項(xiàng)所述的鑄件，其中所述金屬合金是鐵基合金(諸如鋼或鑄鐵，諸如高鉻白口鐵)、不銹鋼或奧氏體錳鋼(諸如哈德菲爾高錳鋼)。
28.一種形成硬金屬材料的方法，包括 (a)形成硬金屬材料的漿液,其包含分散于液體主體金屬中的5-50vol%耐火材料顆粒,和 (b)使所述漿液固化，以形成固體硬金屬材料。
29.一種形成耐磨硬金屬材料的方法，所述方法包括以下述形式添加九種過(guò)渡金屬鈦、鋯、鉿、釩、鈮、鉭、鉻、鑰和鎢中任意一種或多種至主體金屬的熔體中，所述形式產(chǎn)生范圍在5至50vol%的硬金屬材料總體積的所述九種過(guò)渡金屬中任一種或多種的碳化物和/或氮化物和/或硼化物的顆粒；以及使所述熔體固化而形成固體硬金屬材料。
30.一種鑄造硬金屬材料的方法，所述硬金屬材料含有九種過(guò)渡金屬鈦、鋯、鉿、釩、鈮、鉭、鉻、鑰和鎢中任意一種或多種的碳化物和/或氮化物和/或硼化物的耐火材料顆粒在形成主體金屬中的分散體，所述主體金屬在固體鑄件中形成所述硬金屬材料的基質(zhì)，所述方法包括相對(duì)于所述主體金屬的密度選擇所述耐火材料顆粒的密度，從而選擇性控制所述耐火材料顆粒在固體鑄件的基質(zhì)中的分散，范圍由均勻分散到非均勻分散。
全文摘要
本發(fā)明公開(kāi)了硬金屬材料和制造所述硬金屬材料的部件的方法。所述硬金屬材料包含分散于主體金屬中的5-50vol%的耐火材料的顆粒。所述方法包括在惰性氣氛中形成分散于液體主體金屬中的5-50vol%的耐火材料顆粒的漿液，以及將所述漿液傾倒入模具中并形成所述部件的鑄件。
文檔編號(hào)C22C29/14GK102822367SQ201180016660
公開(kāi)日2012年12月12日 申請(qǐng)日期2011年2月1日 優(yōu)先權(quán)日2010年2月5日
發(fā)明者K.多爾曼 申請(qǐng)人:偉爾礦物澳大利亞私人有限公司