[发明专利]形成具有功能梯度材料的新颖组合物的金属或陶瓷制品的方法和包含所述组合物的制品

说明书

发明描述

相关申请的交叉引用

本申请要求2012年9月27日提交的美国临时申请第61/706,693号和2012年12月13日提交的美国临时申请第61/736,791号的权益，这两件临时申请的公开内容均以引用方式并入本文中。

发明领域

本发明涉及一种通过形成不同组成的粉末的生坯体并压实和烧结此类生坯体来制备具有非均匀组成的金属和陶瓷制品(例如钻机、磨机、切削和成形工具、线模和机械组件)的方法。

发明背景

工具寿命是由工具对若干种类型的磨损的耐性和其对重负荷和冲击的反应来决定，而现实是耐磨性的增加通常以牺牲强度为代价。现今，最佳工具呈现最佳折衷，因此在特殊应用中的使用受限。为限制此类折衷，已使用涂布技术来不仅提供较长的工具寿命，而且还提供增加的切削速度和进料。粉末冶金和烧结已引起开发具有提高硬度和韧性的新材料。例如通过化学气相沉积(CVD)、物理气相沉积(PVD)或等离子体辅助化学气相沉积(PACVD)向烧结合金中添加硬涂层会增加耐磨性。

通过各种工程改造(包括层压、部件几何形状)和通过额外机械和/或热过程以提高局部耐磨性来改善机械性能。然而，这些额外过程会增加成本且耗费时间，并且通常需要更多工艺步骤，例如铜焊、锻造、热处理、研磨或磨光。

外部涂布溶液具有若干主要缺点，包括在使用中涂层脱层和开裂(由不同涂层和基底热膨胀率以及弯曲和表面负荷所致)并且所需高CVD工艺温度(900℃至1200℃)可能不符合烧结部分的强度或几何形状所需的热处理。

此外，即使在工具表面上使用高性能涂层，涂层最终仍会失效，并且由于基础材料的性质不足以在切削速度下操作，因此工具会极快地失效。尽管此类工具可通过重新施加CVD涂层得以恢复，但一个涂层或多个涂层的重新施加通常在经济上不可行。

因此，本发明的一个目的是提供一种新颖功能梯度材料(FGM)，其具有可在工具或制品中的不同位置处进行改变而在工具或制品中的不同区域间的界面处不表现出失效的性质。此新颖FGM由可烧结生坯粉末(其可为增塑粉末)与常见或相容基质和粘合剂材料组合而成，所述基质和粘合剂材料使得经设计的界面具有过渡型梯度并且结合强度是常规层状界面中的结合强度的许多倍。

本发明的另一目的是相对于常规磨损层压体使得工具或制品的工作表面和切削边缘处的可用磨损极限、摩擦系数和韧性性质增加。

本发明的另一目的是提供除接受中性或较弱界面外的性质的经设计和改造的过渡。本发明的另一目的是提供经济的制造，其通过以下方式实现：(a)减少所需昂贵材料的量，(b)使用连续挤出、粉末注射模制(PIM)、或增塑粉末金属和陶瓷的压延或粉末金属和陶瓷的干燥粉末层覆，和(c)通过减少工艺步骤或生产工具或部件所需的工艺步骤的数量来降低成本。

这些目的是通过由不同类型的压实和烧结材料(例如坚韧涂布硬质粉末(TCHP))形成工具或制品来实现，如美国专利6,372,346中所公开，该专利全文以引用方式并入本文中。此类材料表现出提供优异金属切削工具和制品所需的性质的组合。由于将粒子结合至由TCHP构成的烧结制品中的粘结剂材料的性质，层压体之间的界面异常强。此强度通过使用挤出或注射模具、辊或模具形式使材料逐渐过渡而得以进一步增强，此类形式提供在其层状界面处互锁不同材料的独特凹槽。

发明概述

根据本发明，提供一种制备功能梯度材料的制品的方法。所述方法包括：提供复合粉末，例如此前提及的TCHP和至少一种载体”粉末。

在一个实施方案中，第一粉末由多个核粒子构成，所述核粒子基本上由具有式M_aX_b的第一金属化合物或多种金属化合物组成，其中M为选自以下的金属：钛、锆、铪、钒、铌、钽、铬、钼、钨、铝、镁、铜和硅；X为选自氮、碳、硼、硫和氧的元素；并且a和b为大于0至高达且包括14的数。