CN1961090A - 含金刚石的复合材料组成的磨损件 - Google Patents

Abstract

本发明涉及由含金刚石复合材料组成的磨损件，和用于生产所述磨损件的方法。由含金刚石复合材料组成的磨损件包含40到90％体积比的金刚石颗粒，0.001到12％体积比的碳化相，其由一种或多种硅、钛、锆、铪、钒、铌、钽、铬、钼、钨、硼、钪、钇和镧系元素与7到49％体积比的液相线温度＜1400℃的金属或金属间合金形成，所述金属或金属间合金包含一种或多种溶解或沉积形式的碳化物形成元素，其在室温下的硬度＞250HV。

Description

含金刚石的复合材料组成的磨损件

技术领域

本发明涉及由含金刚石的复合材料组成的磨损件，和生产所述磨损件的方法。

背景技术

术语“磨损件”意为受到高磨损应力的部件。取决于所述磨损应力，应用广泛种类的原料，例如硬化钢、高速工具钢、斯特莱特硬质合金、硬金属和硬质材料。出于越来越多的对耐磨性的需求，含有金刚石的复合材料或材料复合物越来越引起注意。

就此，US 4,124,401中描述了一种聚晶金刚石材料，其中单独的金刚石颗粒由碳化硅和金属碳化物或者金属硅化物结合在一起。根据US4,124,401所得原料虽然非常硬，但只能用很复杂的路线加工出形状。

EP 0,116,403公开了一种含金刚石的复合材料，其由80到90％体积百分比的金刚石和10到20％体积百分比的含Ni和含Si的相组成，Ni以镍或者硅化镍的形式存在，Si以硅、碳化硅或者硅化镍的形式存在。在金刚石颗粒之间没有另外相成分存在。为了使单独的金刚石颗粒之间充分结合，需要使烧结温度＞1400℃。由于金刚石在常压以及上述温度下不再稳定，需要相应地根据压力/温度图采用高压，以免金刚石分解。为实现此目的所需的设备是昂贵的。此外，通过这种方法制造的金刚石复合材料，其断裂韧性非常低，缺乏可加工性。

生产金刚石/硅-碳化物复合材料的方法描述于WO 99/12866中，用硅或者硅合金渗透金刚石骨架而进行生产。由于硅的高熔点和由此而来的高渗透温度，金刚石极易转化为石墨或者，更进一步地，转化为碳化硅。由于其高脆性，所述材料在机械可加工性上存在很严重的问题，并且难于解决。

US 4,902,652中描述了一种生产烧结金刚石材料的方法。在其中，使用物理涂敷法将4a、5a和6a族的过渡金属元素、硼和硅淀积在金刚石粉末上。随后，用固相烧结法使被涂覆的金刚石颗粒彼此结合。不利之处是所得产品具有高孔隙率、低断裂韧性和贫乏的可加工性。

US 5,045,972描述了一种复合材料，其中，除尺寸为1到50μm的金刚石颗粒之外，还有铝、镁、铜、银或者它们的合金构成的金属基质。其不利之处在于金属基质仅为不充分地结合至金刚石颗粒，结果是其机械完整性没有达到足够的程度。还有例如粒径＜3μm的精细金刚石粉末的用途，可以从US 5,008,737中得到，其不能改善金刚石/金属的结合。

US 5,783,316描述了一种方法，其中金刚石颗粒被涂覆以钨、锆、铼、铬或钛，然后压实被涂覆微粒，所得多孔坯体用例如铜、银或者铜/银熔融体加以渗透。这种方法制造的复合材料因其高涂覆成本和不足的耐磨性而限制了其应用领域。

发明内容

因此本发明的目的在于提供一种由含金刚石复合材料组成的磨损件，具有高耐磨性，并且由于其充分的成形可加工性，可以相对低成本地制造。

所述目的通过权利要求1所述的磨损件达成。由于其金刚石组分、碳化相和硬质金属或金属间合金的关系，根据本发明的磨损件具有优秀的耐磨性。术语“金属合金”理解为单一相或多相材料，其中除金属结构组分之外，还可以包含金属间化合的、半金属或陶瓷结构组分。术语“金属间合金”理解为由主要的金属间相组成的材料。

含金刚石复合材料的断裂韧性和由此而来的工艺性能，例如，举例而言是机械可加工性，这些性能由于韧性的金属或金属间相成分而达到足够的程度。金刚石颗粒和金属/金属间合金之间的结合力具有提高断裂韧性的效果，因为碳化相是在它们之间形成。适宜的碳化物-形成元素是元素周期表中IIIb、IVb、Vb和VIb族的过渡元素，镧系元素，硼和硅。如果忽略放射性和高成本的元素，这些物质是硅、钛、锆、铪、钒、铌、钽、铬、钼、钨、硼、钪、钇和镧系元素。复合碳化物由两种或两种以上所述的元素组成，其还可以使金刚石颗粒和金属/金属间合金之间具有良好的结合。这种碳化相优选用金刚石与碳化物形成元素反应而得。为了达到良好的结合，纳米范围厚度或者覆盖度＞60％的碳化相即足以应用。本文中的术语“覆盖度”意为金刚石颗粒部分被碳化相包覆比例。根据以上的论述，碳化相的体积含量应＞0.001％。如果超出12％的上限体积含量，其断裂韧性下降至低于临界值，也不再具有低成本加工性。

一种或多种碳化物形成元素还可以溶解或分离的形式存在于金属/金属间合金中，其单独地或与另外合金元素一同引起金属/金属间合金产生固结。为了使含金刚石复合材料达到足够的耐磨性，必须使金属/金属间合金在室温下的最低硬度＞250HV，优选＞400HV。碳化物形成元素的选择取决于金属/金属间合金的基体金属、磨损件的生产方法和几何形状。强碳化物形成元素，例如钛、锆、铪、铬、钼、钒和钨，可在渗透过程期间在表面附近形成厚碳化物层，结果局部产生碳化物形成元素的损耗，或阻止渗透过程进行。因此这些元素优选适于生产较小的磨损件。较大的磨损件在生产时使用硅、硼、钇和镧作为碳化物形成元素较为有利。这些元素是相对弱的生成碳化物的元素，从而所形成碳化物层较薄。用硅进行的测试表明即使Si/C在数层原子层范围内富集于金刚石颗粒表面，仍然足够使金属合金与金刚石颗粒充分结合。

适宜用于金属合金的基体金属是铝、铁、钴、镍、铜、锌、银、铅和锡，开头的六种元素是特别适合的。碳化物形成元素和任选的其它合金元素以沉积形式或金属间相成分的形式溶解于金属合金中或合并于其中。这种情况下，合金成分经过选择，使其液相线温度＜1400℃，固相线温度优选＜1200℃。这可以使其具有相对低的处理温度，例如渗透或热压温度。显然，根据石墨/金刚石的压力/温度相图，在较低的＜1kbar气压下，优选＜50bar气压下进行处理是合理的。同常规的聚晶金刚石(PCD)比较，这意味着[adv.]显著地减少降低生产成本。

为了使室温硬度＞250HV，优选＞400HV，可以采用通常的强度增加机制，特别是固体-溶液和沉淀硬化。在本文中被认为特别适宜的是沉淀-硬化的铝合金，例如，举例而言，铝-镁-硅-铜、铝-铜-钛、铝-硅-铜和铝-硅-镁、过共晶铝-硅合金、可热处理的铜合金以及，还优选添加硅、更进一步是铬和/或锆的合金、过共晶银-硅合金和铁、钴和镍合金，其液相线或固相线温度通过添加的硅和/或硼降低至权利要求1的规定值。

即使金刚石的体积含量为40％，也可以达到优秀的耐磨性。而金刚石的体积含量为90％的上限构成成本-有效生产的障碍。此外，对于高金刚石含量而言，其不能确保金刚石复合材料具有足够的断裂韧性。金刚石、碳化物和金属相含量改变后，就有可能制造出定制的磨损件，以符合耐磨性、机械加工性和成本范畴内各种合理的要求。

只要体积含量不越过5％，进一步的结构组分不会削弱性能至不可接受的程度。此外，这种结构组分可以完全避免使用，例如，举例而言，有时小部分的无定形碳可以完全避免使用，只在产品的费用较高时使用。

特别有利的碳化相和金属/金属间合金的体积含量分别约为0.1到10％和10到30％。

测试显示金刚石粉末可以在宽泛的粒度范围内进行加工。除天然金刚石之外，甚至更加经济的人造金刚石也可以加工。以普通可获得的包覆金刚石类也可以达到优良的加工结果。从而，这些最具经济性的类别也可以在各种情况下被采用。当使用的金刚石粉末粒径为20到200μm时，可以达到特别有利的耐磨性。

通过应用具有双峰粒径分布的金刚石粉末，有可能达到高的金刚石封装密度，因而达到高体积含量。所述双峰粒径分布的金刚石粉末的第一个分布最大值在7到60μm，第二个分布最大值在80到260μm。

磨损件可以应用于各种可能领域。在水射流喷嘴、钻头镶嵌块、锯齿和钻尖中，已经可以达到初始的优异结果。根据本发明的材料，特别是当使用基于铜、铝或银的金属相，由于其优异的导热性，适合用于磨损应力与热的产生有关的情形。用于飞行器、铁路车辆、汽车和摩托车的制动盘叙述于此，仅仅作为示例。

各种可行的方法均可用于生产。因此，可以将涂覆有碳化物形成元素的金刚石粉末与金属粉末在一定温度和压力下压缩。例如，可以在热压机或热等静压机中进行此操作。已经证实渗透是特别有利的。这样即制造出前体或中间产物，除金刚石粉末之外，其还可以包含粘合剂。特别有利的是在温度作用下直至高比例热解的粘合剂。有利的粘合剂含量为约1到20％重量比。金刚石粉末和粘合剂在常规的混合器或研磨器中混合，然后成形，其可以通过注入模具或在压力辅助下进行，例如，通过压缩或通过金属-喷粉-模制进行。随后，将中间产物加热到一定温度，使粘合剂至少部分地受热分解。然而，在加热和入渗过程期间，所述粘合剂也可以发生热分解。入渗过程可以不加压或在压力辅助下进行。后者可以在烧结HIP装置中进行，或者通过压铸法而进行。对于组合物的选择，有必要考虑各入渗合金(渗透入多孔坯体的合金)的液相线温度不高于1400℃，以不高于1200℃为宜，否则金刚石被分解的比例过高。用共晶成分进行渗透的是特别适合的。

具体实施方式

以下将通过生产实施例更详细地解释本发明。

实施例1

在200MPa压力下，通过模型压缩方法将平均粒度为90μm的人造金刚石粉末压入尺寸为35mm×35mm×5mm的板中。所述板的空隙率约为20％体积比。

随后，将此板覆盖以一片已经在前述的方法中熔融的入渗合金，所述合金的液相线和固相线温度通过热分析法测定。此入渗合金复合物显示于表1中。首先在烧结HIP装置中，于真空下将具孔金刚石坯体和入渗合金加热到，高于各入渗合金的液相线温度70℃。静置10分钟后，设定氩气压力为40bar。继续静置5分钟，关闭加热，用氩气覆盖样品，使其冷却到室温，在200℃和在相应的无差异温度下，对所述样品作进一步的热处理一小时。在进行研究的全部各种形式中，均可形成包覆金刚石颗粒的碳化相。

将根据本发明的金刚石复合材料进行喷砂测试，与钴含量2％重量比的硬质金属相比较。其相对于参照硬质金属的侵蚀速率显示于表1中。

表1

根据本发明的材料	入渗合金的组合物(wt％)	相对侵蚀速率
			Cu 10％Ni 10％Si	0.5
	Cu 2％Zr 10％Si	0.6
			Cu 3％Cr 10％Si	0.6
	Al 3.5％Cu 7％Si	0.7
			Al 30％Si	0.7

	Al 5％Ti 7％Si	0.75
			Ni 29％Si	0.6
	Ni 15％Cr 7％Fe 2.5％Ti 20％Si	0.35
			Zn 4％Cr	0.65
	Fe 20％Cr 20％Si	0.45
			WC 2％Co		1

Claims (25)

1.由含金刚石的复合材料组成的磨损件，其中包含40到90％体积比的金刚石颗粒，0.001到12％体积比的由一种或多种硅、钛、锆、铪、钒、铌、钽、铬、钼、钨、硼、钪、钇和镧系元素形成的碳化相，和7到49％体积比的液相线温度＜1400℃的金属或金属间合金，所述金属或金属间合金包含溶解或沉积形式的一种或多种碳化物形成元素，其在室温下硬度＞250HV。

2.根据权利要求1所述的磨损件，其特征在于金刚石颗粒的表面至少60％以所述碳化相包覆。

3.根据权利要求1或2所述的磨损件，其特征在于所述金属或金属间合金的固相线温度＜1200℃。

4.根据前述任意一项权利要求所述的磨损件，其特征在于所述金属或金属间合金与碳化相的体积比大于4。

5.根据前述任意一项权利要求所述的磨损件，其特征在于碳化相由硅形成。

6.根据权利要求1到4中任意一项所述的磨损件，其特征在于所述碳化相由一种或多种钛、锆、铪、钒、铌、钽、铬、钼和钨元素形成。

7.根据前述任意一项权利要求所述的磨损件，其特征在于所述碳化相至少部分地通过与金刚石的碳反应而形成。

8.根据前述任意一项权利要求所述的磨损件，其特征在于所述金属或金属间合金包含超过50％重量比的铁、钴、镍、铜、银、锌和铝中的元素。

9.根据权利要求8所述的磨损件，其特征在于所述金属合金是可热处理的铝合金，其含有硅和/或钛。

10.根据权利要求8所述的磨损件，其特征在于所述金属合金是过共晶铝-硅合金。

11.根据权利要求8所述的磨损件，其特征在于所述金属合金是可热处理的铜合金，其含有锆、铬和/或硅。

12.根据前述任意一项权利要求所述的磨损件，其特征在于所述金属或金属间合金的硬度＞400HV。

13.根据前述任意一项权利要求所述的磨损件，其特征在于所述金属或金属间合金的液相线温度＜1200℃。

14.根据前述任意一项权利要求所述的磨损件，其特征在于另外的相比例低于5％体积比。

15.根据前述任意一项权利要求所述的磨损件，其特征在于金刚石平均粒径为20到200μm。

16.根据前述任意一项权利要求所述的磨损件，其特征在于金刚石粒径为双峰分布，第一个分布最大值在7到60μm，第二个分布最大值在80到260μm。

17.根据前述任意一项权利要求所述的磨损件，其特征在于所述复合材料包含60到80％体积比的金刚石颗粒，1到10％体积比的碳化相和10到30％体积比的金属合金。

18.根据前述任意一项权利要求所述的磨损件，其用作研磨性水喷射切割装置的喷嘴或混合管。

19.根据前述任意一项权利要求所述的磨损件，其用作钻具的钻头镶嵌块或钻尖。

20.根据前述任意一项权利要求所述的磨损件，其用作制动盘。

21.根据前述任意一项权利要求所述的磨损件，其用作磨轮。

22.根据前述任意一项权利要求所述的磨损件，其用作锯齿。

23.根据前述任意一项权利要求所述磨损件的生产方法，其特征在于至少包含以下工艺步骤：

-无压力或压力辅助成形中间产物，所述中间产物包含平均粒度20到200μm的金刚石颗粒，任选的金属相和/或粘合剂，成形步骤后，金刚石相对于中间产物总体积的比例为40到90％；

-无压力或压力辅助加热中间产物和入渗合金，所述入渗合金基于铁、钴、镍、铜、银、锌、铅、锡或铝和至少一种来自硅、钛、锆、铪、钒、铌、钽、铬、钼、钨、硼、钪、钇和镧系元素的合金元素，加热至所述入渗合金的液相线温度以上，但是低于1450℃，使入渗合金渗透于所述中间产物，中间产物至少97％的孔隙被填充。

24.根据权利要求1到22中任意一项所述磨损件的生产方法，其特征在于所述方法至少包含以下的工艺步骤：

-混合或碾磨中间产物，所述中间产物至少由平均粒度20到200μm的金刚石颗粒和基于铁、钴、镍、铜、银、锌、铅、锡或铝与至少一种来自硅、钛、锆、铪、钒、铌、钽、铬、钼、钨、硼、钪、钇和镧系元素的入渗合金组成；

-用所述中间产物填充热压机的模具，加热至温度T，500℃＜T＜1200℃，以及热压所述中间产物。

25.根据权利要求23或24所述的方法，其特征在于入渗合金具有共晶成分或接近共晶成分。