[发明专利]超硬复合材料及其制成方法

说明书

【技术领域】

本发明涉及超硬复合材料，更特别涉及此材料应用的结合金属的组成。

【背景技术】

超硬复合材料从1920年初期开始发展以来，因其具有高硬度、耐高温性、耐磨耗性等特性，即被视为相当成功的复合材料并广为工业界所采用。超硬复合材料以碳化物超硬复合材料为最大宗，可约略分为两大类：(1)碳化钨(WC)为主的超硬复合材料，以及(2)碳化钛(TiC)为主的超硬复合材料。一般的超硬复合材料是由两种完全不同的组成所构成：一种为熔点与硬度都非常高但容易脆裂的碳化物等陶瓷相颗粒所组成如碳化钨、碳化钛、碳化钒、碳化铌、碳化铬、碳化钽等碳化物及碳氮化物、硼化物、氧化物；另一种则为硬度低韧性高的结合金属(binder metals)。碳化钨超硬复合材料使用的结合金属大都以钴(Co)为主。而碳化钛超硬合金则通常以镍或镍钼合金作为结合金属。此复合材料制作的技术系采用粉末冶金法，即在烧结温度下，结合金属形成液相或与碳化物形成共晶液相，利用毛细现象将碳化物颗粒包覆及内聚收缩，获得高烧结密度。为更提高烧结密度，亦可采加压烧结法(press sintering)，或烧结后再热均压法(hot isostatic pressing)，因此超硬复合材料可以由碳化物显现其高硬度与耐磨耗性，而结合金属则提供所需的韧性。

上述两大类的超硬复合材料常应用在切削刀具、模具、工具与耐磨耗组件上，包括车刀、铣刀、绞刀、刨刀、锯片、钻头、冲头、剪切模、成型模、抽制模、挤型模、手表零件、原子笔珠等。其中以碳化钨超硬复合材料的应用最为广泛，依据不同的应用要求，超硬复合材料的选择范围也因而相当广泛，通常结合金属含量愈低，强化材料的含量愈高，硬度及耐磨性都会增加，但相反，韧性及耐冲击性也跟着降低，较易破裂。因此对于要求硬而耐磨的应用，强化材料的含量须提高，而对于韧性要求较高的应用，强化材料的含量就得降低。此外，对于腐蚀环境下的耐磨组件或高温下应用的组件，其耐蚀性或耐氧化性等特性也都需一并考虑。随着时代的进步，人类生活水平日益提高，不管是传统工业或高科技产业，对于各种零组件的需求及生产与日俱增，如何提高生产效率、延长寿命及降低成本已成为刀具、模具、工具及耐磨构件必然的发展趋势。然而，传统碳化钨、碳化钛等碳化物超硬复合材料的韧性、耐温性、耐磨性、耐蚀性、抗黏性在不同的应用场合下仍常嫌不足。

传统的碳化钨超硬复合材料使用的结合金属以钴为主，少数为铁、镍或铁钴镍的合金。日本专利JP 8,319,532提出具抗腐蚀性的冲头材料是以碳化钨为主，使用的结合金属是镍基材料，含量百分比为5～15wt％，其中镍基的结合金属除了镍外，还包含额外的3～13wt％ Cr₃C₂。在日本专利JP10,110,235中，碳化钨超硬复合材料的结合金属以铁为主，还含有钒、铬、碳化铬与碳化钒。在美国专利US 6,030,912中，作为WC+W₂C的结合金属成分为：铁、钴、镍中的一种或多种金属，含量为0.02～0.1wt％及一种或多种周期表中的IVA、VA和VIA等过渡金属元素的碳化物、氮化物和碳氮化物，含量为0.3～3wt％。在美国专利US 6,241,799中，以钴和/或镍作为碳化钨的烧结金属，为了抑制碳化钨晶粒在烧结过程中产生晶粒成长的现象，结合金属的配方为：钴最多含90wt％、镍最多含90wt％、铬含量介于3～15wt％之间、钨与钼的最高含量分别为30wt％及15wt％。

目前碳化钨超硬复合材料需求量最大的地区为中国大陆，因此中国大陆有相当多的专利被提出来，大部分的需求都是高强度、高硬度、高韧性及高耐磨耗性。如中国专利CN 1,548,567以高锰钢作为碳化钨的结合金属，高锰钢的成分为14～18wt％的锰、3～6wt％的镍、0.9～1.9wt％的碳与74.1～82.1wt％的铁，这种碳化钨材料具有高强度、高硬度及高耐磨耗性。也有许多是在结合金属中加入碳化物的专利，如中国专利CN 1,554,789是将4～6wt％钴与0.3～0.6wt％碳化钽作为结合金属，并将此结合金属与碳化钨粉体混合烧结，可得较高耐磨性与高韧性的碳化钨复合材料。再如中国专利CN 1,718,813是以7～9wt％的钴+0.1～0.5wt％的碳化钒+0.3～0.7wt％的碳化铬作为结合金属，并与碳化钨烧结，可得较高强度、高硬度、高韧性的碳化钨复合材料。