耐磨机械部件及其生产方法 【技术领域】
本发明涉及耐磨机械部件及其生产方法。更具体地，本发明涉及耐磨机械部件及其生产方法，所述耐磨机械部件具有在基底金属体上形成的超硬合金层，使得耐磨机械部件可用于需要耐磨性的摩擦接触区域。
背景技术
超硬合金由硬质颗粒和粘合剂组成，所述硬质颗粒如碳化物包括碳化钨和碳化铬、氮化物或硼化物，所述粘合剂如单一金属或合金，所述单一金属包括镍和钴，所述合金包括镍系合金或钴系合金。依靠其优异的耐磨性，超硬合金已经被广泛用于需要高耐磨性的工具和机械部件领域。
为了将超硬合金用作机械部件，通常将其粘结于基底金属体如铁基合金。例如，已经提出了包括以下步骤的粘结超硬合金的方法：混合硬质颗粒和粘合剂形成硬质颗粒和粘合剂的混合物，对混合物进行成型加工使其成为具有所需形状的预型件，加热并烧结预型件生产烧结体，然后使用和不使用填充金属将烧结体粘结于基底金属体。
还提出了包括以下步骤的粘合超硬合金的方法：混合硬质颗粒和树脂形成硬质颗粒和树脂的混合物，对混合物进行成型加工使其成为所需的混合物预型件，将混合物预型件放在基底金属体上，然后加热预型件使预型件粘结于基底金属体，同时除去树脂。
然而上述方法的缺点在于，为了生产机械部件，它们必须经历混合、成型加工和烧结步骤，导致生产时间延长、劳动力过多和生产成本增加。
另外，在现有技术的方法中需要将烧结体粘结于基底金属体。很难将烧结体粘结，特别是当基底金属体的形状复杂时，也就是说现有技术的方法的应用具有局限性。
考虑到这一点，提出了不使用烧结步骤而将预型件热粘结于基底金属体的方法。然而，在那种情况下，当在粘结法中热收缩时，存在预型件出现裂纹和裂开的问题。
粘结法的另一个例子是热喷镀。这种热喷涂方法包括以下步骤：混合预定比例的硬质颗粒和粘合剂粉末，使用高压气体将混合物加热到其熔点以上的温度，将加热的混合物喷镀到基底金属体上，从而在基底金属体上形成包含许多孔隙的非均质喷镀层，并使在基底金属体上形成地喷镀层再次熔融以除去孔隙，从而使超硬合金粘结于基底金属体。
这种粘结法的缺点在于，在将加热的喷镀层喷镀到基底金属体的过程中，混合的粉末失散或消失，使其回收率非常低。另外，因为需要在将硬质颗粒和粘合剂粉末混合之后加热混合物、使混合物熔融、将熔融的混合物喷镀到基底金属体、然后使喷镀层再次熔融，整个方法非常复杂。这导致生产时间延长、劳动力增大和生产成本增加。
【发明内容】
因此，构思了本发明以解决现有技术中固有的上述缺点，本发明的目的是提供具有优异的粘结强度的耐磨机械部件，以及通过更简单的方法生产所述耐磨机械部件的方法。
本发明的另一个目的是提供具有高硬度和优异耐磨性的耐磨机械部件，以及使用更简单的粘结步骤生产所述耐磨机械部件的方法。
本发明的另一个目的是提供具有优异粘结强度的耐磨机械部件及其生产方法，所述耐磨性机械构件的粘结强度与基底金属体的形状无关。
为了实现上述目的，本发明提供了生产耐磨机械部件的方法，其包括以下步骤：将一种或多种物选自碳化物、氮化物和硼化物的物质的硬质颗粒淀积到铁基金属体上达到预定厚度；将粘合剂粉末淀积到硬质颗粒层的上面达到预定厚度；和加热硬质颗粒、粘合剂粉末、和铁基金属体，使得所述铁基金属体和所述硬质颗粒粘结在一起。
所述方法可另外包括在将硬质颗粒淀积到铁基金属体上之后压缩硬质颗粒层的步骤。
【附图说明】
根据以下详细说明和附图，本发明的上述和其它目的、特征和优点将是更显而易见的，其中：
图1表示本发明的耐磨机械部件的示意图；
图2为说明生产本发明的耐磨机械部件的方法流程图；
图3到图5为表示生产本发明的耐磨机械部件的方法步骤的横剖面示意图；
图6为表示根据本发明方法生产的耐磨机械部件的超硬合金和铁基金属体之间的粘结界面的结构的显微照片；
图7为说明生产本发明的机械部件的方法的流程图；和
图8到图11为表示根据本发明的另一个实施方案生产耐磨机械部件的方法步骤的横剖面示意图。
优选实施方案详述
以下参考附图描述本发明的优选实施方案。
首先参考图1，本发明的耐磨机械部件包括铁基金属体10和粘结于铁基金属体10的超硬合金层40。超硬合金层40通过加热由混合硬质颗粒和粘合剂形成的粉末形成，所述硬质颗粒由一种或多种选自碳化物、氮化物和硼化物的物质组成。
粘合剂的例子以粘合剂全部组成的重量计包括1-5重量％的硼(B)，1-5重量％的硅(Si)、5-10重量％的铬(Cr)、1-5重量％的铁(Fe)，余量为镍。以重量计，粘合剂的加入量为硬质颗粒的1-5倍。
粘合剂的另一个例子以粘合剂全部组成的重量计包括0.01-1重量％的碳(C)、0.5-10重量％的硼(B)、3-12重量％的硅(Si)、2-20重量％的铬(Cr)、0.1-4重量％的铁(Fe)，余量为镍。这种粘合剂具有优异的与上述硬质颗粒混合的性能，并且以重量计，其加入量为硬质颗粒的0.2-4倍。
同时，虽然可包含碳(C)和硼(B)作为粘合剂的组分，但可加入碳化硼(B4C)代替这些组分。如果需要，碳化硼(B4C)的加入量以粘合剂全部组成的重量计为0.6-11重量％。
下面参考图2到图6详细说明生产耐磨机械部件的方法。
首先，本发明的方法包括的步骤为：提供硬质颗粒作为超硬合金的原料，和将硬质颗粒淀积到铁基金属体10上达到预定厚度，从而形成硬质颗粒层20(S101)。使用碳化物、氮化物或硼化物作为原料粉末，并可包含碳化钨(WC)。
如果完成了硬质颗粒的淀积，则提供粘合剂粉末并然后将其淀积到硬质颗粒层20上，从而形成粘合剂层30(S103)。粘合剂粉末可包含硼(B)或含硼化合物、硅(Si)、铬(Cr)、铁(Fe)和镍(Ni)。有可能使用各个粘合剂元素的合金粉末或混合粉末作为粘合剂粉末。
从下表1中的试验结果可以看出，最优选粘合剂以粘合剂全部组成的重量计包含1-5重量％的硼(B)、1-5重量％的硅(Si)、5-10重量％的铬(Cr)、1-5重量％的铁(Fe)，余量为镍。
这是因为，如果硼、硅、铁、铬和镍的量超出上述范围，则粘合剂的熔点升高，结果是粘合剂既不在随后描述的热处理过程中与硬质颗粒反应，又不使硬质颗粒与铁基金属体粘结。
表1：具有不同组成的粘合剂的特征 试验 编号 粘合剂(重量％) 硬质颗粒(对粘合剂) 粘合剂的熔融 与铁基金属体的反应 B Si Cr Fe Ni WC 1 0.9 0.9 4.9 0.9 余量 1倍 部分熔融 不反应 2 0.9 1.1 5.0 1.0 余量 1倍 未熔融 不反应 3 1.0 0.9 5.0 1.0 余量 1倍 部分熔融 不反应 4 1.1 1.2 4.9 1.0 余量 1倍 未熔融 不反应 5 1.0 1.0 5.0 1.0 余量 1倍 熔融 反应 6 2.7 3.4 7.4 2.8 余量 1倍 熔融 反应 7 3.3 2.8 8.3 4.5 余量 1倍 熔融 反应 8 5.0 5.0 10.0 5.0 余量 1倍 熔融 反应 9 5.1 5.1 10.1 5.1 余量 1倍 部分熔融 不反应 10 5.3 4.6 7.8 2.3 余量 1倍 未熔融 不反应 11 3.3 5.3 6.2 3.2 余量 1倍 未熔融 不反应 12 4.5 3.2 10.4 4.0 余量 1倍 未熔融 不反应 13 4.5 3.2 5.8 5.4 余量 1倍 未熔融 不反应 14 5.1 5.1 10.1 5.1 余量 1倍 部分熔融 不反应
另外，根据下表2的试验结果，优选粘合剂的加入量以重量计应为硬质颗粒的1-5倍。这是因为，如果粘合剂的重量以重量计低于硬质颗粒的1倍，则在热处理过程中超硬合金层可能出现裂纹和裂开，如果粘合剂的重量以重量计大于硬质颗粒的5倍，则在热处理之后超硬合金的硬度可能降低。
表2：粘合剂与硬质颗粒比的效果 试验 编号 粘合剂(重量％) 粘合剂对硬质颗粒的 重量比(WC) 超硬合金层的硬度 超硬合金层的裂纹 B Si Cr Fe Ni 1 2.7 3.4 7.4 2.8 余量 0.9倍 HRA 85 存在 2 2.7 3.4 7.4 2.8 余量 1倍 HRA 83 不存在 3 2.7 3.4 7.4 2.8 余量 3倍 HRA 83 不存在 4 2.7 3.4 7.4 2.8 余量 5倍 HRA 80 不存在 5 2.7 3.4 7.4 2.8 余量 6倍 HRA 74 不存在
粘合剂粉末的另一个例子可包含碳(C)、硼(B)、硅(Si)、铬(Cr)、铁(Fe)和镍(Ni)。另外，有可能使用合金粉末或混合的元素粉末作为粘合剂粉末。
根据试验结果，发现最优选使用的粘合剂以粘合剂全部组成的重量计包含0.01-1重量％的碳(C)、0.5-10重量％的硼(B)、3-12重量％的硅(Si)、2-20重量％的铬(Cr)、0.1-4重量％的铁(Fe)，余量为镍。
这是因为，如果加入的引起粘合剂熔点降低的硼和硅的量分别低于0.5重量％和3.0重量％，则其降低镍合金熔点的效果变得极小；如果加入的硼和硅的量分别高于10重量％和12重量％，则可能形成Ni-Si-B系合金或Si-B系合金，从而增加脆性。因此，加入的硼和硅的量分别为0.5-10重量％和3-12重量％是合适的。
另外，如果加入的改善抗腐蚀性能和表现出增加高温强度的效果的铬的量低于2重量％，则其抗腐蚀性能变得极小，如果加入的铬的量高于20重量％，则形成碳化物，从而降低镍合金的抗腐蚀性能。因此，以粘合剂的重量计，加入的铬的量为2-20重量％是合适的。
如果不向粘合剂中加入作为固体溶液硬化元素的碳和铁，则镍合金的硬度大大降低。如果加入的碳的量高于1.0重量％，则产生过量的碳，其在固体溶液相中不溶，并使结构均匀性变差。而如果铁的加入量高于4重量％，则形成Ni-Fe系合金，从而降低镍合金的硬度。因此，加入的碳和铁的量以粘合剂的重量计分别为0.01-1重量％和0.1-4重量％是合适的。
根据试验结果，发现最优选使用的粘合剂的重量为硬质颗粒重量的0.2-4倍。这是因为，如果粘合剂的重量低于硬质颗粒重量的0.2倍，则粘合剂粉末不能充分地渗入到硬质颗粒之间的空隙，因此在热处理之后超硬合金层可能裂纹和裂开。如果粘合剂的重量超过硬质颗粒重量的4倍，则在渗入到硬质颗粒之间的空隙之后残留的粘合剂粉末在粘合表面到处流动，从而造成粘结的超硬合金层的表面上不均匀。
虽然上述的另一个例子使用碳(C)和硼(B)作为粘合剂的组分，有可能加入碳化硼(B4C)代替这些组分。在高于900℃的温度下以硼B和碳C的形式将碳化硼(B4C)溶解到镍系合金中，从而作为碳和硼的代用品。优选加入的碳化硼(B4C)的量以粘合剂全部组成的重量计为0.6-11重量％。
再参考图2、4和5，在已经完成硬质颗粒和粘合剂的淀积之后，加热按照顺序淀积的硬质颗粒层20和粘合剂30层使得铁基金属体10和硬质颗粒粘结在一起(S105)。具体地，如果对淀积的硬质颗粒层20和粘合剂层30进行热处理，通过施加的热量使粘合剂层30熔融，熔融的粘合剂渗入和通过在硬质颗粒层20中形成的空隙，从而一边与铁基金属体10接触一边固定硬质颗粒，通过扩散反应使硬质颗粒粘结于铁基金属体10。通过这一反应，在铁基金属体10上形成了超硬层40。
热处理步骤在约980℃到1,200℃的温度下进行5分钟到10小时，在惰性或还原剂的氮气、氢气和氩气的气氛中使用氧气炬进行，或在在真空气氛中进行。
如果热处理已经完成，将粘结在一起的铁基金属体和超硬合金逐渐冷却到正常温度以下，对冷却的机械部件进行机械加工(S107)。进行机械加工以切割和研磨机械部件的内外表面使其成为适合使用的形状，从而增加机械部件的精度。
如图6中所示，通过上述多个步骤生产的耐磨机械部件具有粘结在一起的铁基金属体10和超硬合金层40，所述粘合具有高的粘结强度。
图7到图11表示本发明生产耐磨机械部件的方法的另一个实施方案。在这一实施方案的方法中进一步包括的步骤为：在将硬质颗粒淀积到铁基金属体10上达到预定厚度(S101)之后，通过使用压缩设备如压机压缩淀积的硬质颗粒层20(S101-1)。
压缩硬质颗粒层20的原因是使硬质颗粒平坦地和均匀地分布在铁基金属体10上以及减少在硬质颗粒之间形成的空隙。硬质颗粒在铁基金属体10上的不均匀分布可能在随后的热处理时降低超硬合金的硬度。另外，如果不减少在硬质颗粒之间形成的空隙，就要过多地使用渗入到空隙中的昂贵的粘合剂，从而导致生产成本增加和超硬合金的硬度变差。
同时，优选在对淀积的硬质颗粒层20进行压缩的过程中施加的压力为约10-5,000kg/cm2。小于10kg/cm2的压力不足使得硬质颗粒平坦地和均匀地分布和除去硬质颗粒之间的空隙。另外，大于5,000kg/cm2的压力可能引起体系金属体10变形。因此，优选压缩硬质颗粒层20的压力为约10-5,000kg/cm2。
根据这一实施方案的方法，通过压缩硬质颗粒层20减少颗粒间的空隙和增加密度，可以避免过多地使用昂贵的粘合剂并可在热处理时增加超硬合金的硬度。特别是，超硬合金硬度的增加可以增加耐磨机械部件的耐磨性。
当在上述范围内改变粘合剂的组成比和加热条件时，通过使用本发明的方法可生产多种机械部件，并在以下实施例中对生产的耐磨机械部件进行磨耗试验。
实施例1
将由碳化钨(WC)粉末形成的100g硬质颗粒平坦地和均匀地分布和布置在直径为5cm的盘形铁基金属体上，然后用100kg/cm2的压力压缩。然后，将包含0.45重量％的碳(C)粉末、3.5重量％的硼(B)粉末、3.0重量％的硅(Si)粉末、8.0重量％的铬(Cr)粉末、2.5重量％的铁(Fe)粉末和余量为镍(Ni)粉末的粘合剂粉末平坦地布置在压缩过的硬质颗粒层上，所述粘合剂粉末的量为80g，为硬质颗粒重量的0.8倍，然后将具有硬质颗粒层和粘合剂层的铁基金属体装入到真空气氛的加热炉中，将其加热到1,100℃，然后在该温度下保持一小时，从而生产具有厚度为约1.5mm的超硬合金层的耐磨机械部件。在得到的粘合有超硬合金的金属体上既没有观察到不均匀也没有观察到裂纹，并且超硬合金层的硬度也均匀地为约HRA 80到HRA 83。另外，使用泥土和沙子的磨耗试验的结果证实，超硬合金层的磨耗量最高为铁基合金的三分之一。
实施例2
将由氮化硅(Si3N4)粉末形成的100g硬质颗粒平坦地和均匀地分布和布置在直径为5cm的盘形铁基金属体上，然后用1,000kg/cm2的压力压缩。然后，将包含0.010重量％的碳(C)粉末、0.5重量％的硼(B)粉末、3.0重量％的硅(Si)粉末、2.0重量％的铬(Cr)粉末、0.1重量％的铁(Fe)粉末和余量为镍(Ni)粉末的合金粘合剂粉末平坦地布置在压缩过的硬质颗粒层上，所述粘合剂粉末的量为50g，为硬质颗粒重量的0.5倍，然后将具有硬质颗粒层和粘合剂层的铁基金属体装入到真空气氛的加热炉中，将其加热到1,050℃，然后在该温度下保持一小时，从而生产具有厚度为约0.8mm的硬质合金层的耐磨机械部件。在得到的粘合有硬质合金的金属体上既没有观察到不均匀也没有观察到裂纹，并且硬质合金层的硬度也均匀地为约HRA 82到HRA 85。另外，使用泥土和沙子的磨耗试验的结果证实，硬质合金层的磨耗量最高为铁基合金的五分之一。
实施例3
将由80g碳化钨(WC)粉末和20g碳化铬(Cr3C2)粉末形成的100g硬质颗粒平坦地和均匀地分布和布置在直径为5cm的盘形铁基金属体上，然后用1,500kg/cm2的压力压缩。然后，将包含1.0重量％的碳(C)粉末、10.0重量％的硼(B)粉末、12.0重量％的硅(Si)粉末、20.0重量％的铬(Cr)粉末、4.0重量％的铁(Fe)粉末和余量为镍(Ni)粉末的合金粘合剂粉末平坦地布置在压缩过的硬质颗粒层上，所述粘合剂粉末的量为30g，为硬质颗粒重量的0.3倍，然后使用氧气炬将具有硬质颗粒层和粘合剂层的铁基金属体加热到1,200℃，然后在该温度下保持五分钟，从而生产具有厚度为约0.8mm的超硬合金层的耐磨机械部件。在得到的粘合有超硬合金的金属体上既没有观察到不均匀也没有观察到裂纹，并且超硬合金层的硬度也均匀地为约HRA 84到HRA86。另外，使用泥土和沙子的磨耗试验的结果证实，超硬合金层的磨耗量最高为铁基合金的六分之一。
实施例4
将由80g碳化钨(WC)粉末和20g碳化铬(Cr3C2)粉末形成的100g硬质颗粒平坦地和均匀地分布和布置在直径为5cm的盘形铁基金属体上，然后用1,500kg/cm2的压力压缩。然后，将包含3.5重量％的碳化硼(B4C)粉末、4.5重量％的硅(Si)粉末、11.0重量％的铬(Cr)粉末、2.8重量％的铁(Fe)粉末和余量为镍(Ni)粉末的粘合剂粉末平坦地布置在压缩过的硬质颗粒层上，所述粘合剂粉末的量为20g，为硬质颗粒重量的0.2倍，然后使用具有还原气氛的加热炉将具有硬质颗粒层和粘合剂层的铁基金属体加热到1,100℃，然后在该温度下保持三十分钟，从而生产具有厚度为约0.3mm的超硬合金层的耐磨机械部件。在得到的粘合有超硬合金的金属体上既没有观察到不均匀也没有观察到裂纹，并且超硬合金层的硬度也均匀地为约HRA 85到HRA 86。另外，使用泥土和沙子的磨耗试验的结果证实，超硬合金层的磨耗量最高为铁基合金的七分之一。
实施例5
将由80g碳化钨(WC)粉末和20g氮化硅(Si3N4)粉末形成的100g硬质颗粒平坦地和均匀地分布和布置在直径为5cm的盘形铁基金属体上，然后用10kg/cm2的压力压缩。然后，将包含2.5重量％的碳化硼(B4C)粉末、4.5重量％的硅(Si)粉末、11.0重量％的铬(Cr)粉末、2.8重量％的铁(Fe)粉末和余量为镍(Ni)粉末的合金粘合剂粉末平坦地布置在压缩过的硬质颗粒层上，所述粘合剂粉末的量为80g，为硬质颗粒重量的0.8倍，然后使用真空气氛的加热炉将具有硬质颗粒层和粘合剂层的铁基金属体加热到980℃，然后在该温度下保持五分钟，从而生产具有厚度为约1.5mm的超硬合金层的耐磨机械部件。在得到的粘合有超硬合金的金属体上既没有观察到不均匀也没有观察到裂纹，并且超硬合金层的硬度也均匀地为约HRA 80到HRA 82。另外，使用泥土和沙子的磨耗试验的结果证实，超硬合金层的磨耗量最高为铁基合金的四分之一。
实施例6
将由80g碳化钨(WC)粉末、16g氮化硅(Si3N4)粉末和4g碳化硼(B4C)粉末形成的100g硬质颗粒平坦地和均匀地分布和布置在直径为5cm的盘形铁基金属体上，然后用5,000kg/cm2的压力压缩。然后，将包含2.0重量％的碳化硼(B4C)粉末、4.5重量％的硅(Si)粉末、11.0重量％的铬(Cr)粉末、2.8重量％的铁(Fe)粉末和余量为镍(Ni)粉末的合金粘合剂粉末平坦地布置在压缩过的硬质颗粒层上，所述粘合剂粉末的量为90g，为硬质颗粒重量的0.9倍，然后使用真空气氛的加热炉将具有硬质颗粒层和粘合剂层的铁基金属体加热到1,100℃，然后在该温度下保持五分钟，从而生产具有厚度为约2.0mm的超硬合金层的耐磨机械部件。在得到的粘合有硬质合金的金属体上既没有观察到不均匀也没有观察到裂纹，并且硬质合金层的硬度也均匀地为约HRA87到HRA 88。另外，使用泥土和沙子的磨耗试验的结果证实，硬质合金层的磨耗量最高为铁基合金的十分之一。
实施例7
将由80g碳化钨(WC)粉末、16g氮化硅(Si3N4)粉末和4g碳化硼(B4C)粉末形成的100g硬质颗粒平坦地和均匀地分布和布置在直径为5cm的盘形铁基金属体上，然后用5,000kg/cm2的压力压缩。然后，将包含2.0重量％的碳化硼(B4C)粉末、4.5重量％的硅(Si)粉末、11.0重量％的铬(Cr)粉末、2.8重量％的铁(Fe)粉末和余量为镍(Ni)粉末的合金粘合剂粉末平坦地布置在压缩过的硬质颗粒层上，所述粘合剂粉末的量为400g，为硬质颗粒重量的4倍，然后使用真空气氛的加热炉将具有硬质颗粒层和粘合剂层的铁基金属体加热到1,100℃，然后在该温度下保持五分钟，从而生产具有厚度为约5.0mm的硬质合金层的耐磨机械部件。在得到的粘合有硬质合金的金属体上既没有观察到不均匀也没有观察到裂纹，并且硬质合金层的硬度也均匀地为约HRA87到HRA 88。另外，使用泥土和沙子的磨耗试验的结果证实，硬质合金的磨耗量最高为铁基合金的三分之一。
因此，发现使用本发明的方法在上述组成比例和加热条件下生产的耐磨部件具有优异的耐磨性和耐冲击性。
如上所述，根据本发明，有可能得到具有高硬度和优异耐磨性的耐磨机械部件。特别是，有可能不使用现有技术中的混合粘合剂与硬质颗粒和对混合物进行成型加工的步骤而得到耐磨机械部件。此外，因为不进行混合和成型加工步骤，可以缩短整个操作过程，并可显著降低操作时间和成本。此外，因为在淀积到基底金属体上之后加热硬质颗粒和粘合剂，并使其粘结在一起，有可能使超硬合金粘结于基底金属体，而与基底金属体的形状无关。
虽然已经参考本发明的某些优选实施方案表示和描述了本发明，本领域技术人员可以理解，可对本发明的形式和细节进行多种改变，而不脱离附加的权利要求书定义的本发明的精神和范围。