кермет, содержащий связующее с повышенной пластичностью, и способ его получения

Формула изобретения

1. Кермет, содержащий, по меньшей мере, один твердый компонент и Co-Ni-Fe-связующее, содержащее приблизительно от 40 до 90 вес. % кобальта, остальное в упомянутом связующем составляют никель и железо и, необязательно, случайные примеси, при этом содержание никеля составляет, по меньшей мере, 4, но не более 36 вес. % упомянутого связующего, а содержание железа составляет, по меньшей мере, 4, но не более 36 вес. % упомянутого связующего, при этом упомянутое связующее имеет отношение Ni: Fe приблизительно от 1,5: 1 до 1: 1,5, в котором упомянутый, по меньшей мере, один твердый компонент содержит, по меньшей мере, один из карбидов, нитридов, карбонитридов, их смесей и их твердых растворов: и в котором Co-Ni-Fe-связующее имеет, по существу, кубическую гранецентрированную (fсс) структуру и нечувствительно к напряжениям и деформациям, вызывающим фазовые превращения.

2. Кермет по п. 1, в котором упомянутое Co-Ni-Fe-связующее представляет собой аустенит.

3. Кермет по п. 1 или 2, в котором упомянутое связующее имеет отношение Ni: Fe около 1: 1.

4. Кермет по любому из пп. 1-3, в котором упомянутое связующее имеет отношение кобальт: никель: железо приблизительно 1,8: 1: 1.

5. Кермет по любому из пп. 1-4, в котором упомянутое связующее составляет в кермете от 0,2 до 35 вес. %.

6. Кермет по п. 5, в котором упомянутое связующее составляет в кермете от 3 до 30 вес. %.

7. Кермет по любому из пп. 1-6, в котором упомянутый, по меньшей мере, один твердый компонент содержит, по меньшей мере, один карбид, по меньшей мере, одного из карбидов титана, циркония, гафния, ванадия, ниобия, тантала, хрома, молибдена и вольфрама.

8. Кермет по любому из пп. 1-7, в котором упомянутый, по меньшей мере, один твердый компонент содержит, по меньшей мере, один карбонитрид, по меньшей мере, одного из карбонитридов титана, циркония, гафния, ванадия, ниобия, тантала, хрома, молибдена и вольфрама.

9. Кермет по любому из пп. 1-8, в котором, по меньшей мере, один из упомянутых карбидов представляет собой карбид вольфрама (WC).

10. Кермет по п. 9, который дополнительно содержит, по меньшей мере, один карбид из, по меньшей мере, одного из карбидов титана, циркония, гафния, ванадия, ниобия, тантала, хрома и молибдена.

11. Кермет по п. 9 или 10, который дополнительно содержит, по меньшей мере, один карбонитрид из, по меньшей мере, одного из карбонитридов титана, циркония, гафния, ванадия, ниобия, тантала, хрома, молибдена и вольфрама.

12. Кермет по любому из пп. 1-8, в котором, по меньшей мере, один из упомянутых карбонитридов представляет собой карбонитрид титана (TiCN).

13. Кермет по п. 12, который дополнительно содержит, по меньшей мере, один карбид из, по меньшей мере, одного из карбидов титана, циркония, гафния, ванадия, ниобия, тантала, хрома и молибдена и вольфрама.

14. Кермет по п. 12 или 13, который дополнительно содержит, по меньшей мере, один карбонитрид из, по меньшей мере, одного из карбонитридов циркония, гафния, ванадия, ниобия, тантала, хрома, молибдена и вольфрама.

15. Кермет по любому из пп. 1-11, в котором содержание упомянутого связующего составляет приблизительно от 5 до 27 вес. % и его применяют в качестве инструмента долбежного типа в горнодобывающей и строительной промышленности.

16. Кермет по п. 15, в котором содержание упомянутого связующего составляет приблизительно от 5 до 19 вес. %.

17. Кермет по любому из пп. 1-11, в котором содержание упомянутого связующего составляет приблизительно от 5 до 19 вес. % и его применяют в качестве инструмента роторных машин в горнодобывающей и строительной промышленности.

18. Кермет по п. 17, в котором содержание упомянутого связующего, составляет приблизительно от 5 до 15 вес. %.

19. Кермет по любому из пп. 1-11, в котором содержание упомянутого связующего составляет приблизительно от 8 до 30 вес. % и его применяют в качестве пробойника головок винтов.

20. Кермет по п. 19, в котором содержание упомянутого связующего составляет приблизительно от 10 до 25 вес. %.

21. Кермет по любому из пп. 1-14, в котором содержание упомянутого связующего составляет приблизительно от 2 до 19 вес. % и его применяют в качестве режущего инструмента фальценарезного оборудования для обработки заготовок.

22. Кермет по п. 21, в котором содержание упомянутого связующего составляет приблизительно от 5 до 14 вес. %.

23. Кермет по любому из пп. 1-14, в котором содержание упомянутого связующего составляет приблизительно от 0,2 до 19 вес. % и его применяют в качестве длинномерного роторного инструмента для механической обработки материалов.

24. Кермет по п. 23, в котором содержание упомянутого связующего составляет приблизительно от 5 до 16 вес. %.

25. Способ получения кермета по любому одному из пп. 1-14, включающий этапы: использования, по меньшей мере, одного твердого компонента, содержащего, по меньшей мере, один из карбидов, нитридов, карбонитридов, их смесей и их твердых растворов; смешивания связующего с, по меньшей мере, одним из твердых компонентов для образования порошковой смеси, причем упомянутое связующее содержит приблизительно от 40 до 90 вес. % кобальта, остальное в упомянутом связующем составляют никель и железо и, необязательно, случайные примеси, при этом содержание никеля составляет, по меньшей мере, 4, но не более 36 вес. % упомянутого связующего, и содержание железа составляет, по меньшей мере, 4, но не более 36 вес. % упомянутого связующего, при этом упомянутое связующее имеет отношение Ni: Fe приблизительно от 1,5: 1 до 1: 1,5 и уплотнения порошковой смеси для получения кермета.

26. Способ по п. 25, в котором уплотнение включает, по меньшей мере, одно из вакуумного спекания и спекания под давлением.

27. Способ по п. 25 или 26, в котором упомянутое связующее содержит смесь кобальта, никеля и железа.

28. Способ по п. 25 или 26, в котором упомянутое связующее содержит сплав кобальта, никеля и железа.

29. Способ по любому из пп. 25-28, в котором упомянутый, по меньшей мере, один твердый компонент содержит, по меньшей мере, один карбид, по меньшей мере, одного из карбидов титана, циркония, гафния, ванадия, ниобия, тантала, хрома, молибдена и вольфрама.

30. Способ по любому из пп. 25-29, в котором упомянутый, по меньшей мере, один твердый компонент содержит, по меньшей мере, один карбонитрид, по меньшей мере, одного из карбонитридов титана, циркония, гафния, ванадия, ниобия, тантала, хрома, молибдена и вольфрама.

Описание изобретения к патенту

Предшествующий уровень техники

Керметы представляют собой композиционные материалы, состоящие из твердого компонента, который может иметь или не иметь трехмерные внутренние связи, и связующего, которое может скреплять вместе или связывать твердый компонент. Примером типичного кермета является кермет на основе карбида вольфрама (WC) (WC-кермет), известный так же, как связанный кобальтом карбид вольфрама и WC-Co. Здесь твердым компонентом является WC, тогда как связующим является кобальт (Со-связующее), как, например, сплав на основе кобальта-вольфрама-углерода. Это Со-связующее содержит приблизительно 98 весовых процентов (вес.%) кобальта.

Кобальт является основным связующим для керметов. Например, около 15% мирового рынка первичного кобальта используют для производства твердых материалов, включая WC-керметы. Приблизительно 26% мирового рынка первичного кобальта используют для производства суперсплавов, разработанных для усовершенствования турбин авиационных двигателей - фактор, который позволяет относить кобальт к стратегическим материалам. Вплоть до 45% мирового производства первичного кобальта сосредоточено в политически нестабильных регионах. Эти факторы не только влияют на высокую стоимость кобальта, но также объясняют неустойчивость и колебания его стоимости. Таким образом, было бы желательно снизить количество кобальта, используемого в качестве связующего в керметах.

Prakash с соавторами в своей работе, относящейся к WC-керметам, попытался достичь этой цели посредством замены Со-связующего на обогащенное железом связующее железо-кобальт-никель (Fe-Co-Ni-связующее) (смотрите, например, L. J. Prakash et al., Doctoral Thesis (Автореферат докторской диссертации), Kernforschungszntrum Karlsruhe, Germany, Institute Fuer Material - und Festkoeperforschung, 1980, и "The Influence of the Binder Composition on the Properties of WC-Fe/Co/Ni Cemented Carbides", Mod. Dev. Powder Metal (1981), 14, 255-268). Согласно L.J Prakash с соавторами WC-керметы, содержащие обогащенное железом Fe-Co-Ni-связующее, были упрочнены путем стабилизации кубической объемно-центрированной структуры (bсс) в Fe-Co-Ni-связующем. Эту bсс-структуру получили за счет мартенситного превращения. Хотя L.J. Prakash с соавторами сосредоточили исследования на связующем из обогащенных железом мартенситных сплавов, они разработали только одно Co-Ni-Fe-связующее, содержащее 50 вес.% кобальта, 25 вес.% никеля и 25 вес.% железа.

Guilemany с соавторами изучали механические свойства WC-керметов, содержащих Со-связующее и повысили сопротивление коррозии WC-керметов, содержащих обогащенное никелем связующее никель-железо, заменившее Со-связующее, при высоком содержании связующего и полученных путем спекания с последующим HIP-ом (горячее изостатическое прессование) (смотрите, например, Guilemany с соавторами, "Mechanical-Property Relationships of Co/WC and Co-Ni-Fe/WC Hard Metal Alloys" Int. J. of Refractory & Hard Materials (1993-1994) 12, 199-206).

С металлургической точки зрения кобальт интересен тем, что он является аллотропным, то есть при температурах выше приблизительно 417^oС атомы чистого кобальта имеют кубическую гранецентированную (fcc) структуру, а при температурах менее приблизительно 417^oС атомы чистого кобальта имеют гексагональную плотно упакованную (hcp) структуру. Таким образом, приблизительно при 417^oС чистый кобальт испытывает аллотропическое превращение, т.е. происходит изменение fcc-структуры в hcp-структуру (превращение fcc --> hcp). Легирование кобальта может временно подавлять превращение fcc --> hcp, стабилизируя fcc-структуру. Например, известно, что легирование кобальта вольфрамом и углеродом для получения сплава Co-W-C (Со-связующее) постепенно стабилизирует fcc-структуру (смотрите, например, W. DaWihl et al., Kobalt 22 (1964) 16). Однако хорошо известно, что напряжения и/или деформации вызывают превращение fcc --> hcp (смотрите, например, U. Schleinkofer et al., Materials Science and Engineering A194 (1995) 1 и Materials Science and Engineering A194 (1996) 103). У WC-керметов, содержащих Со-связующее, напряжения и/или деформации, возникшие в процессе охлаждения керметов после уплотнения (например, после вакуумного спекания, спекания под давлением, горячего изостатического прессования и т. п. ), могут вызвать превращение fcc --> hcp. Кроме того, хорошо известно, что циклическое нагружение WC-керметов, содержащих Со-связующее, например, такое циклическое нагружение, при котором может происходить околокритический рост трещин, вызывает превращение fcc --> hcp. Заявители [настоящего изобретения] установили, что присутствие у керметов hcp-структуры в связующем может оказаться вредным, поскольку это может привести в результате к охрупчиванию связующего. Таким образом, было бы желательно найти связующее, которое не только может обеспечить экономию средств и предсказуемость цен, но также не проявляет таких механизмов охрупчивания, как локальное превращение fcc --> hcp.

С учетом изложенных выше причин существует потребность в получении кермета, содержащего связующее с более высокой пластичностью по сравнению с Со-связующим, получение которого не требует больших затрат.

Краткое описание изобретения

Заявители настоящего изобретения установили, что наличие hcp-структуры в связующем кермета может оказаться вредным. Наличие hcp-структуры приводит в результате к охрупчиванию связующего. Заявители связывают решение этой проблемы, в том числе с использованием связующего, обладающего высокой пластичностью. Настоящее изобретение направлено на получение кермета, содержащего связующее, которое имеет предпочтительно fcc-структуру, с повышенной пластичностью (пластичное связующее обладает пониженным механическим упрочнением), которая стабильна даже в условиях высоких напряжений и/или деформаций. Кермет в соответствии с настоящим изобретением также удовлетворяет необходимость в недорогом кермете с улучшенной предсказуемостью стоимости. Кермет содержит твердый компонент и связующее с повышенной пластичностью, что повышает сопротивление растрескиванию кермета. Хотя кермет, содержащий пластичное связующее, может иметь более низкую твердость по сравнению с керметом, содержащим Со-связующее, суммарную твердость кермета по настоящему изобретению можно регулировать посредством изменения распределения размеров зерен твердого компонента и/или количества твердого компонента без ущерба для прочности и/или ударной вязкости. Для увеличения твердости кермета без ущерба для прочности и/или ударной вязкости предпочтительно, чтобы количество твердого компонента было повышенным. К одному из преимуществ кермета в соответствии с настоящим изобретением, по сравнению с керметом, содержащим Со-связующее, относится повышенное сопротивление растрескиванию и надежность, которые могут быть следствием пластичности связующего. Другим преимуществом кермета в соответствии с настоящим изобретением является повышенная коррозионная стойкость и/или сопротивление окислению по сравнению с керметом, содержащим Со-связующее.

Кермет в соответствии с настоящим изобретением содержит, по меньшей мере, один твердый компонент и связующее кобальт-никель-железо (Co-Ni-Fe-связующее). Co-Ni-Fe-связующее содержит приблизительно от 40 до 90 вес.% кобальта, остальное в упомянутом связующем составляют никель и железо и необязательно случайные примеси, при содержании никеля, по меньшей мере, 4 вес.%, но не более 36 вес.% от упомянутого связующего и при содержании железа, по меньшей мере, 4 вес.%, но не более 36% от упомянутого связующего, причем упомянутое связующее имеет отношение Ni:Fe приблизительно от 1,5:1 до 1: 1,5; однако к этому пункту изобретения не относится кермет, который имеет Co-Ni-Fe-связующее, содержащее 50 вес.% кобальта, 25 вес.% никеля и 25 вес.% железа. Co-Ni-Fe-связующее предпочтительно имеет по существу кубическую гранецентрированную (fcc) кристаллическую структуру и, когда подвергается пластической деформации, не испытывает под действием напряжений и деформаций фазового превращения. Упомянутое Co-Ni-Fe-связующее предпочтительно имеет по существу аустенитную структуру. Этот кермет, содержащий Co-Ni-Fe-связующее, можно получать при более низких затратах и при меньшем их колебании, чем кермет, содержащий Со-связующее. К преимуществам керметов, содержащих Co-Ni-Fe-связующее, относятся повышенное сопротивление растрескиванию и надежность и повышенное сопротивление коррозии и/или стойкость к окислению, и то и другое по сравнению с керметами, содержащими Со-связующее.

Пластичное связующее в соответствии с настоящим изобретением уникально в том случае, когда подвергается пластической деформации, при этом у связующего сохраняется его кристаллическая fcc-структура, и исключено возникновение напряжений и/или деформаций, вызывающих [фазовые] превращения. Заявители настоящего изобретения измерили у керметов, содержащих Co-Ni-Fe-связующее, характеристики прочности и усталости, которые составляют вплоть до приблизительно 2400 мегапаскалей (МПа) для прочности на изгиб и вплоть до приблизительно 1550 МПа для циклической усталости (200 000 циклов изгиба приблизительно при комнатной температуре). Заявители полагают, что вплоть до того уровня напряжений и деформаций, которого достигают вышеприведенные характеристики, практически не возникает напряжений и/или деформаций, вызывающих фазовые превращения в Co-Ni-Fe-связующем.

ЧЕРТЕЖИ

Эти и другие признаки, аспекты и преимущества настоящего изобретения станут понятней при ознакомлении со следующим далее подробным описанием, формулой изобретения и чертежами, где:

на фиг. 1 показана оптическая микрофотография микроструктуры WC-кермета из уровня техники, содержащего Со-связующее и полученного вакуумным спеканием при температуре приблизительно 1550^oС;

на фиг.1а показано черно-белое изображение фиг.1 типа, используемого для фрактографического анализа по площади микроструктуры WC-кермета из уровня техники, содержащего Со-связующее и полученного вакуумным спеканием при температуре приблизительно 1550^oС;

на фиг. 2 показана (для сравнения с фиг.1) оптическая микрофотография микроструктуры WC-кермета в соответствии с настоящим изобретением, содержащего Co-Ni-Fe-связующее и полученного вакуумным спеканием при температуре приблизительно 1550^oС;

на фиг.2а показано (для сравнения с фиг.1а) черно-белое изображение фиг. 2 типа, используемого для фрактографического анализа по площади микроструктуры WC-кермета в соответствии с настоящим изобретением, содержащего Co-Ni-Fe-связующее и полученного вакуумным спеканием при температуре приблизительно 1550^oС;

на фиг.3 показано изображение в отраженных электронах (BEI) микроструктуры WC-кермета в соответствии с настоящим изобретением, содержащего Co-Ni-Fe-связующее и полученного вакуумным спеканием при температуре приблизительно 1535^oС;

на фиг.4 показана картина распределения атомарного вольфрама (W), полученная методом спектроскопии рассеяния энергии (EDS), соответствующая микроструктуре WC-кермета на фиг.3;

на фиг.5 показана картина распределения атомарного углерода (С), полученная методом EDS, соответствующая микроструктуре WC-кермета на фиг.3;

на фиг.6 показана картина распределения атомарного кислорода (О), полученная методом EDS, соответствующая микроструктуре WC-кермета на фиг.3;

на фиг.7 показана картина распределения атомарного кобальта (Со), полученная методом EDS, соответствующая микроструктуре WC-кермета на фиг.3;

на фиг.8 показана картина распределения атомарного никеля (Ni), полученная методом EDS, соответствующая микроструктуре WC-кермета на фиг.3;

на фиг. 9 показана картина распределения атомарного железа (Fe), полученная методом EDS, соответствующая микроструктуре WC-кермета на фиг.3;

на фиг. 10 показана картина распределения атомарного титана (Ti), полученная методом EDS, соответствующая микроструктуре WC-кермета на фиг.3;

на фиг. 11 показана микрофотография, полученная на просвечивающем электронном микроскопе (ТЕМ), фрагмента связующего в WC-кермете по уровню техники, содержащем Со-связующее и полученном вакуумным спеканием при температуре приблизительно 1535^oС, иллюстрирующая высокую концентрацию дефектов упаковки в этих WC-керметах по прототипу изобретения;

на фиг.12 показана микрофотография, полученная на ТЕМ, фрагмента связующего в WC-кермете по уровню техники, содержащем Со-связующее и полученном вакуумным спеканием при температуре приблизительно 1535^oС, иллюстрирующая, что высокая концентрация дефектов упаковки существует повсюду в известных WC-керметах;

на фиг. 13 показана для сравнения микрофотография, полученная на ТЕМ, фрагмента связующего в кермете в соответствии с настоящим изобретением, включающем WC-кермет, содержащий Co-Ni-Fe-связующее и полученном вакуумным спеканием при температуре приблизительно 1535^oС, иллюстрирующая отсутствие дефектов упаковки;

на фиг.14, 14а и 14b показана для сравнения микрофотография, полученная на ТЕМ, причем для получения результатов по выбранной области дифракции (SAD) использовали съемку на ТЕМ вдоль направления [031] зоны и съемку на ТЕМ вдоль направления [101] зоны съемки фрагмента связующего в WC-кермете в соответствии с настоящим изобретением, содержащем Co-Ni-Fe-связующее и полученным вакуумным спеканием при температуре приблизительно 1535^oС;

на фиг. 15 и 15а показана микрофотография, полученная на ТЕМ, фрагмента связующего в WC-кермете по уровню техники, содержащем Со-связующее и полученном вакуумным спеканием при температуре приблизительно 1535^oС, иллюстрирующая механизм растрескивания из-за высокой концентрации дефектов упаковки;

на фиг. 16 и 16а показана для сравнения микрофотография, полученная на ТЕМ, фрагмента связующего в WC-кермете в соответствии с настоящим изобретением, содержащем Co-Ni-Fe-связующее и полученном вакуумным спеканием при температуре приблизительно 1535^oС, иллюстрирующая скорее наличие пластической деформации и высокую естественную плотность дислокации в этом WC-кермете, чем механизм образования трещин, вызванных дефектами упаковки в WC-кермете в соответствии с уровнем техники;

на фиг.17 показаны для сравнения графики распределения Вейбулла для прочности разрушения при поперечном изгибе (TRS) WC-кермета по уровню техники, содержащему Со-связующее (показанные белыми кружками "o" и [пунктирной] линией - - -) и WC-кермета в соответствии с настоящим изобретением, содержащего Co-Ni-Fe-связующее (показанные точками "" [штрихпунктирной] линией ---), оба получены вакуумным спеканием при температуре приблизительно 1535^oС;

на фиг.18 показаны для сравнения графики распределении Вейбулла для TRS WC-кермета по прототипу изобретения, содержащему Со-связующее (показанные белыми кружками "o" и [пунктирной] линией - - -) и WC-кермета в соответствии с настоящим изобретением, содержащего Co-Ni-Fe-связующее (показанные точками "" и [штрихпунктирной] линией ---), оба получены вакуумным спеканием при температуре приблизительно 1550^oС;

на фиг.19 показаны для сравнения графики распределения Вейбулла для TRS WC-кермета по уровню техники, содержащему Со-связующее (показанные белыми кружками "o" и [пунктирной] линией - - -) и WC-кермета в соответствии с настоящим изобретением, содержащего Co-Ni-Fe-связующее (показанные точками "" и [штрихпунктирной] линией ---), оба получены вакуумным спеканием при температуре приблизительно 1550^oС;

на фиг. 20 показаны для сравнения данные по характеристике усталостного разрушения - амплитуде напряжений (_max) как функции количества циклов до разрушения приблизительно при комнатной температуре на воздухе у WC-кермета по прототипу изобретения, содержащему Со-связующее (показанные белыми кружками "o" и [пунктирной] линией - - -), и WC-кермета в соответствии с настоящим изобретением, содержащего Co-Ni-Fe-связующее (показанные точками "" и [штрихпунктирной] линией ---), оба получены вакуумным спеканием при температуре приблизительно 1550^oС;

на фиг. 21 показаны для сравнения данные по характеристике усталостное разрушение - амплитуда напряжений (_max) как функции количества циклов до разрушения, полученные при испытаниях приблизительно при температуре 700^oС на воздухе WC-кермета по прототипу изобретения, содержащему Со-связующее (показанные белыми кружками "o" и [пунктирной] линией - - -), и WC-кермета в соответствии с настоящим изобретением, содержащего Co-Ni-Fe-связующее (показанные точками "" и [штрихпунктирной] линией ---), оба получены вакуумным спеканием при температуре приблизительно 1550^oС; и

на фиг.22 показаны для сравнения данные по характеристике малоциклового усталостного разрушения при растяжении-сжатии - амплитуде напряжений (_max) как функции количества циклов до разрушения, полученные при испытаниях приблизительно при комнатной температуре на воздухе WC-кермета по уровню техники, содержащему Со-связующее (показанные белыми кружками "o" и [пунктирной] линией - - -), и WC-кермета в соответствии с настоящим изобретением, содержащего Co-Ni-Fe-связующее (показанные точками "" и [штрихпунктирной] линией ---), оба получены вакуумным спеканием при температуре приблизительно 1550^oС.

Подробное описание изобретения

Кермет в соответствии с настоящим изобретением, содержащий связующее с повышенной пластичностью (пластичное связующее обладает пониженным механическим упрочнением) содержит, по меньшей мере, один твердый компонент и связующее, которое в сочетании, по меньшей мере, с одним твердым компонентом обладает улучшенными свойствами, например повышенным сопротивлением к околокритическому росту трещин при циклической усталости, повышенной прочностью и необязательно повышенной стойкостью к окислению и/или повышенной коррозионной стойкостью.

Кермет по настоящему изобретению необязательно может обладать коррозионной стойкостью и/или стойкостью к окислению в окружающей среде (например, в твердой, жидкой, газообразной или любой комбинации перечисленного), благодаря либо (1) химической инертности кермета, (2) образованию у кермета защитного барьера от взаимодействия окружающей среды и кермета, или (3) благодаря обоим факторам.

Более предпочтительная композиция Co-Ni-Fe-связующего имеет отношение Ni: Fe приблизительно 1:1. Еще более предпочтительная композиция Co-Ni-Fe-связующего имеет отношение кобальт:никель:железо приблизительно 1,8:1:1.

Специалистам в данной области техники должно быть понятно, что Co-Ni-Fe-связующее необязательно может содержать случайные примеси, выделяющиеся из исходных материалов, в ходе процессов порошковой металлургии, измельчения и/или спекания, а также под влиянием окружающей среды.

Специалистам в данной области техники должно быть понятно, что содержание связующего в керметах по настоящему изобретению зависит от таких факторов, как состав и/или геометрические размеры твердого компонента, использование кермета и состав связующего. Например, когда кермет по настоящему изобретению представляет собой WC-кермет, содержащий Co-Ni-Fe-связующее, то содержание связующего может составлять приблизительно от 0,4 до 35 вес. % (предпочтительно от 3 до 30 вес.%), а когда кермет по настоящему изобретению представляет собой TiCN-кермет, содержащий Co-Ni-Fe-связующее, то содержание связующего может составлять приблизительно от 0,3 до 25 вес.% (предпочтительно от 3 до 20 вес.%). Кроме того, например, если WC-кермет по настоящему изобретению используют в качестве инструмента долбежного типа в горнодобывающей или строительной промышленности, то содержание связующего может составлять приблизительно от 5 до 27 вес.% (предпочтительно приблизительно от 5 до 19 вес.%); а если WC-кермет по настоящему изобретению, содержащий Co-Ni-Fe-связующее, используют как инструмент роторной машины в горнодобывающей или строительной промышленности, то содержание связующего может составлять приблизительно от 5 до 19 вес.% (предпочтительно приблизительно от 5 до 15 вес.%); и если WC-кермет по настоящему изобретению, содержащий Co-Ni-Fe-связующее, используют в качестве пробойника головок винтов, то содержание связующего может составлять приблизительно от 8 до 30 вес. % (предпочтительно приблизительно от 10 до 25 вес.%); и если WC-кермет по настоящему изобретению, содержащий Co-Ni-Fe-связующее, используют в качестве режущего инструмента фальценарезного оборудования при обработке заготовок, то содержание связующего может составлять приблизительно от 2 до 19 вес.% (предпочтительно приблизительно от 5 до 14 вес.%); и если WC-кермет по настоящему изобретению, содержащий Co-Ni-Fe-связующее, используют в качестве длинномерного инструмента роторной машины для механической обработки материалов, то содержание связующего может составлять приблизительно от 0,2 до 19 вес.% (предпочтительно приблизительно от 5 до 16 вес.%).

Твердый компонент может содержать, по меньшей мере, один из боридов, карбидов, нитридов, карбонитридов, оксидов, силицидов, их смеси, их твердые растворы или комбинации перечисленного выше. Металл, по меньшей мере, в одном из боридов, карбидов, нитридов, оксидов или силицидов может содержать один или несколько металлов из групп 2, 3 (включая лантониды, актиноиды), 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 11, 12, 13 и 14 по классификации Международного союза теоретической и прикладной химии (IUPAC). Предпочтительно, по меньшей мере, один твердый компонент может включать карбиды, нитриды, карбонитриды, их смеси, их твердые растворы или любые комбинации перечисленного выше. Металл в карбидах, нитридах и карбонитридах может включать один или несколько металлов из групп 3, включая лантаниды и актиноиды, 4, 5 и 6 по классификации Международного союза теоретической и прикладной химии (IUPAC); а более предпочтительно один или более из титана, циркония, гафния, ванадия, ниобия, тантала, хрома, молибдена и вольфрама.

В этом контексте керметы по настоящему изобретению можно отнести к композиции, основу которой составляет твердый компонент. Например, если основу твердого компонента составляет карбид, то кермет можно определить как карбидный кермет. Если основу твердого компонента составляет карбид вольфрама (WC), то кермет можно определить, как кермет с карбидом вольфрама или WC-кермет. Подобным образом керметы можно называть, например, боридными керметами, нитридными керметами, оксидными керметами, силицидными керметами, карбонитридными керметами, оксинитридными керметами. Например, если основу твердых компонентов составляют карбонитриды титана (TiCN), то кермет можно назвать титано-карбонитридным керметом или TiCN-керметом. Эти обозначения не предназначены для ограничения приведенными выше примерами, а всего лишь составляют основу, служащую для взаимопонимания между специалистами в данной области техники.

Что касается величины, то размер зерен твердого компонента кермета, содержащего высокопластичное связующее, может находиться в диапазоне от субмикрона приблизительно до 100 мкм (м) или более. К материалам сумикрометрового размера относятся наноструктурные материалы размером приблизительно от 1 до 100 нанометров (0,1 мкм) или более. Специалистам в данной области техники понятно, что размер зерен твердого компонента у керметов по настоящему изобретению зависит от таких факторов, как состав и/или геометрия твердого компонента, применения кермета и состава связующего. Заявители полагают, например, что, когда кермет по настоящему изобретению представляет собой WC-кермет, содержащий Co-Ni-Fe-связующее, то размер зерен твердого компонента может составлять приблизительно от 0,1 до 40 мкм, а когда кермет по настоящему изобретению представляет собой TiCN-кермет, содержащий Co-Ni-Fe-связующее, то размер зерен твердого компонента может составлять приблизительно от 0,5 до 6 мкм. Кроме того, заявители считают, например, что, когда WC-кормет по настоящему изобретению, содержащий Co-Ni-Fe-связующее, используют качестве инструмента долбежного типа или роторного инструмента в горнодобывающей и строительной промышленности, то размер зерен твердого компонента может составлять приблизительно от 1 до 30 мкм (предпочтительно приблизительно от 1 до 25 мкм); а когда WC-кермет по настоящему изобретению, содержащий Co-Ni-Fe-связующее, используют в качестве пробойника головок винтов, то размер зерен твердого компонента может составлять приблизительно от 1 до 25 мкм (предпочтительно приблизительно от 1 до 15 мкм); и когда кермет по настоящему изобретению, содержащий Co-Ni-Fe-связующее, используют в качестве режущего инструмента фальценарезного оборудования для обработки заготовок, то размер зерен твердого компонента может составлять приблизительно от 0,1 до 40 мкм (предпочтительно приблизительно от 0,5 до 10 мкм); и когда кермет по настоящему изобретению, содержащий Co-Ni-Fe-связующее, используют в качестве длинномерного роторного инструмента для механической обработки материалов, то размер зерен твердого компонента может составлять приблизительно от 0,1 до 12 мкм (предпочтительно приблизительно 8 мкм и менее).

Заявители имеют в виду, что между каждыми крайними значениями приведенных здесь диапазонов, например, содержания связующего, отношения Ni:Fe, размера зерен твердого компонента, и т.д. предусмотрено приращение, как если бы это было специально установлено. Например, диапазон содержания связующего приблизительно от 0,2 до 35 вес.% предусматривает приращения приблизительно в 1 вес.%, тем самым конкретно включая приблизительно 0,2 вес.%, 1 вес.%, 2 вес. %, 3 вес. %,..., 33 вес.%, 34 вес.% и 35 вес.% связующего. Тогда как, например, для состава связующего диапазон содержания кобальта приблизительно от 40 до 90 вес.% предусматривает приращения приблизительно 1 вес.%, тем самым конкретно включая 40 вес.%, 41 вес.%, 42 вес.%,..., 88 вес.%, 89 вес.% и 90 вес.%, тогда как каждый из диапазонов содержания никеля и железа приблизительно от 4 до 36 вес.% предусматривает приращения приблизительно 1 вес. %, тем самым конкретно включая 4 вес.%, 5 вес.%, 6 вес.%,..., 34 вес.%, 35 вес. % и 36 вес.% Кроме того, например, диапазон отношения Ni:Fe приблизительно от 1,5:1 до 1:1,5 предусматривает приращения приблизительно в 0,1, тем самым конкретно включая 1,5:1, 1,4:1,..., 1:1,..., 1:1,4 и 1:1,5). Помимо этого, например, диапазон размеров зерен твердого компонента приблизительно от 0,1 до 40 мкм предусматривает приращения приблизительно в 1 мкм, тем самым конкретно включая 1 мкм, 2 мкм, 3 мкм,..., 38 мкм, 39 мкм и 40 мкм.

Керметы по настоящему изобретению можно использовать либо с покрытием, либо без него, в зависимости от использования кермета. Если кермет надлежит использовать с покрытием, то на него наносят покрытие, чтобы получить соответствующие свойства, такие, например, как смазываемость, износостойкость, удовлетворительное сцепление с керметом, химическую инертность по отношению к обрабатываемым материалам при температуре использования и коэффициент теплового расширения, чтобы быть совместимым с ними у кермета (т.е., совместимым с термофизическими свойствами). Покрытие можно наносить с использованием технологий CVD (химическое осаждение из паровой фазы) и/или PVD (осаждение под давлением из паровой фазы).

Примеры материалов для покрытия, которое может содержать один или несколько слоев одного или нескольких компонентов, можно выбирать из следующих веществ, которые не следует считать всеохватывающими: окись алюминия, окись циркония, оксинитрид алюминия, оксинитрид кремния, SiAlON, бориды элементов 4, 5 и 6 группы по классификации IUPAC (Международного союза теоретической и прикладной химии), включая карбонитрид титана, нитриды элементов из групп 4, 5 и 6 по классификации IUPAC, включая нитрид титана, карбиды элементов из групп 4, 5 и 6 по классификации IUPAC, включая карбид титана, нитрид бора с кубической решеткой, нитрид кремния, нитрид углерода, нитрид алюминия, алмаз, алмазоподобный углерод и нитрид титана с алюминием.

Керметы по настоящему изобретению можно получать из порошковой смеси, содержащей порошковый твердый компонент и порошковое связующее, которые можно компактировать посредством любых способов формования, например прессованием, таким как одноосное, двуосное, трехосное, гидростатическое прессование или прессование в гидроподушке (например, изостатическое прессование) как при комнатной температуре, так и при повышенной температуре (например, посредством горячего прессования, горячего изостатического прессования); разливкой; литьем под давлением; экструзией; отливкой ленты; отливкой эмульсии; отливкой полос или комбинацией упомянутых способов. Некоторые из этих способов описаны в патентах США 4491559, 4249955, 3888662 и 3850368, существо которых в целом присоединено к настоящему изобретению путем ссылки.

В любом случае, была компактирована или нет порошковая смесь, ее геометрическая форма в твердом виде может быть любой известной специалистам в данной области техники. Для получения формы или комбинации форм порошковую смесь можно формовать перед уплотнением, в процессе и/или после уплотнения. Технология формования перед уплотнением может включать любое из вышеупомянутых средств, а также механическую формовку или формовку пластической деформацией неспеченной заготовки или их комбинации. Технологии формования после уплотнения могут включать любые механические операции, такие как дробление, электроискровая обработка, зачистка щетками, резание и т.п.

Неспеченную заготовку, состоящую из порошковой смеси, затем можно уплотнить любыми средствами, которые совместимы с получением кермета по настоящему изобретению. Предпочтительным способом является жидкофазное спекание. Такие способы включают вакуумное спекание, спекание под давлением (известное так же, как спекание при горячем изостатическом прессовании - HIP), горячее изостатическое прессование (HIP) и т.д. Эти способы выполняют при температуре и/или давлении, достаточных для получения изделия по существу с теоретической плотностью, имеющего минимальную пористость. Например, для WC-кермета, содержащего Co-Ni-Fe-связующее, такие температуры могут составлять диапазон приблизительно от 1300^oС (2373^oF) до 1760^oС (3200^oF), а предпочтительно приблизительно от 1400^oС (2552^oF) до 1600^oС (2912^oF). Давление уплотнения может составлять диапазон приблизительно от нуля (0) кПа (нуля (0) фунтов на квадратный дюйм) до 206 МПа (30 килофунтов на квадратный дюйм). Для карбидного кермета давление спекания (известного как спекание HIP-ом) можно выполнять в диапазоне приблизительно от 1,7 МПа (250 фунтов на квадратный дюйм) до 13,8 МПа (2 килофунта на квадратный дюйм) при температурах приблизительно от 1370^oС (2498^oF) до 1600^oС (2912^oF), тогда как горячее изостатическое прессование можно выполнять в диапазоне приблизительно от 68 МПа (10 килофунтов на квадратный дюйм) до 206 МПа (30 килофунтов на квадратный дюйм) при температурах приблизительно от 1310^oС (2373^oF) до 1760^oС (3200^oF).

Уплотнение можно выполнять при отсутствии атмосферы, то есть в вакууме, или в инертной атмосфере, например, одного или нескольких газов группы 18 по классификации IUPAC; в науглероживающих атмосферах; в азотирующих атмосферах, например, азота, форминг-газа (96% азота, 4% водорода), аммиака и т.д.; либо в смеси восстановительных газов, например, Н₂/Н₂O, СО/СO₂, СО/Н₂/СO₂/Н₂O, и т.д.; или любые комбинации перечисленного выше.

Настоящее изобретение иллюстрируют далее следующим. Предусмотрено продемонстрировать и прояснить различные аспекты настоящего изобретения: однако, следующее далее не нужно истолковывать как ограничение сферы притязаний настоящего изобретения.

В таблице 1 обобщены номинальные данные по содержанию связующего в весовых %, отношение Co:Ni:Fe, тип кермета, содержание 1-го твердого компонента в вес.%, размер 1-го твердого компонента в мкм, содержание 2-го твердого компонента в вес.%, размер 2-го твердого компонента в мкм, содержание 3-го твердого компонента в вес.%, размер 3-го твердого компонента в мкм, способ измельчения (где WBM - влажное измельчение в шаровой мельнице, a AT - измельчение в аттриторе), время измельчения в часах, и способ уплотнения (Dnsfctn*)

(где VS - спеченный в вакууме,

HIP - полученный горячим изостатическим прессованием и PC - спеченный под давлением (также известно как спекание HIP-oм),

(Temp) - температура и время (hr) (часы) для номера WC-керметов и TiCN-керметов в пределах сферы притязаний настоящего изобретения.

Эти материалы были получены при использовании обычной технологии порошковой металлургии, как описано, например, в "World Directory and Handbook of HARDMETALS AND HARD MATERIALS", Sixth Edition, by Kenneth J.A. Brookes, International Carbide DATA (1996); "PRINCIPLES OF TUNGSTEN CARBIDE ENGINEERING" Second Edition, by George Schneider, Society of Carbide and Tool Engineers (1989); "Cermet-Handbook", Hertel AG, Werkzeuge + Hartstoffe, Fuerth, Bavaria, Germany (1993); и "CEMENTED CARBIDES", by P. Schwarzkopf & R. Kieffer, The Macmillan Company (1960) - существо которых в целом присоединено к настоящему изобретению путем ссылки.

Эти керметы были получены при использовании существующих в продаже ингредиентов (которые описаны, например, в "World Directory and Handbook of HARDMETALS AND HARD MATERIALS" Sixth Edition). Например, материал 8, WC-кермет из таблицы 1, изготовили из порции приблизительно в 10 килограммов (кг) исходных порошков, в которой содержалось приблизительно 89,9 вес.% WC (размер частиц от -80 до +400 меш [приблизительно от 38 до 180 мкм] микрокристаллического карбида вольфрама от фирмы Kennametal Inc., Fallon, Невада означает, что этот исходный WC соответствовал также материалам 5 и 8-12 из таблицы 1]), приблизительно 4,5 вес.% существующего в продаже ультрамелкого порошка кобальта, приблизительно 2,5 вес.% существующего в продаже порошка никеля (INCO Grade 255, фирма INCO International, Канада), 2,5 вес.% существующего в продаже порошка железа (Carbonyl Iron Powder CN, фирма BASF Corporation, Mount Olive, Нью-Джерси) и приблизительно 0,6 вес.% порошка металлического вольфрама (размер частиц приблизительно 1 мкм, фирма Kennametal Inc., Fallon, Невада). Эту порцию, в которую добавили приблизительно 2,1 вес. % парафина и приблизительно 0,3 вес.% поверхностно-активного вещества, соединили приблизительно с 4,5 литрами нафты (нефтяные дистилляты "LACOLENE", фирма Ashland Chemical Co., Columbus, Огайо) при влажном измельчении в шаровой мельнице в течение приблизительно 16 часов. Измельченную смесь высушили в сушилке с лопастной мешалкой, подвергли измельчению в сухом состоянии с использованием мельницы Fritzmill и гранулированию для получения порошка для прессования, имеющего плотность по Скотту (Scott) приблизительно 25х10⁶ кг/м³ (63,4 грамм/дюйм³). Порошок для прессования обладал высокими характеристиками текучести при формовке прессованием неспеченных заготовок в форме квадратной пластины (основы для вставок типа SNG433).

Неспеченные заготовки поместили в вакуумную спекательную печь на соответствующее приспособление для уплотнения. Печь с ее содержимым в атмосфере водорода, вакуумированной приблизительно до 0,9 килопаскалей (кПа) (7 Торр), нагревали приблизительно от комнатной температуры приблизительно до 180^oС (350^oF) в течение приблизительно 9/12 часа (45 минут) под вакуумом и выдерживали в течение приблизительно 3/12 часа (15 минут); нагревали приблизительно до 370^oС (700^oF) в течение приблизительно 9/12 часа и выдерживали в течение 4/12 часа (20 минут); нагревали приблизительно до 430^oС (800^oF) в течение приблизительно 5/12 часа (25 минут) и выдерживали в течение приблизительно 4/12 часа; нагревали приблизительно до 540^oС (1000^oF) в течение приблизительно 5/12 часа и выдерживали в течение приблизительно 2/12 часа (10 минут); нагревали приблизительно до 590^oС (1100^oF) в течение приблизительно 4/12 часа; затем, после отключения подачи газообразного водорода, нагревали приблизительно до 1120^oС (2050^oF) в течение приблизительно 16/12 часа (80 минут) и выдерживали в течение приблизительно 4/12 часа под вакуумом в диапазоне приблизительно от 15 до 23 микрометров; нагревали приблизительно до 1370^oС (2500^oF) в течение приблизительно 9/12 часа и выдерживали в течение приблизительно 4/12 часа, с одновременным введением аргона до достижения давления приблизительно 1,995 кПа (15 Торр); нагревали приблизительно до 1550^oС (2825^oF) в течение приблизительно 19/12 часа при поддержании давления аргона приблизительно 1,995 кПа (15 Торр) и выдерживали в течение приблизительно 9/12 часа; а затем прекратили поддерживать давление в печи, и печь вместе с ее содержимым охладили приблизительно до комнатной температуры. Как понятно любому специалисту в данной области техники, материал 8 в таблице 1 был получен с помощью известных технологий. В этом отношении возможность использовать известные технологии и, в частности, вакуумное спекание, является преимуществом настоящего изобретения в отличие от принципов, принятых в данной области техники.

Подобным образом, как и материал 8, материалы 1-7 и 9-12 таблицы 1 подвергли формованию, компактированию и уплотнению с использованием по существу стандартных технологий. Для уплотнения материалов 1-4, 6, 7, 11 и 12 использовали спекание под давлением (известное также как HIP-ом) при подъеме давления атмосферы в спекательной печи приблизительно до 4 МПа (40 бар) в течение приблизительно последних 10 минут при температуре, приведенной в таблице 1. Кроме того, были получены материалы для сравнения с прототипом изобретения, содержащие только Со-связующее, для материалов 2, 4-6 и 9-12, тогда как материалы для сравнения с прототипом изобретения, содержащие Co-Ni-связующее (Co:Ni=2:1), были получены для материала 7.

Результаты по механическим, физическим свойствам и микроструктуре материалов 1-8 таблицы 1 по сравнению с материалами по уровню техники обобщены в таблице 2. В частности, в таблице 2 приведены данные по плотности (в г/см³), магнитному насыщению (0,1 Tм³/кг), коэрцитивной силе ( в эрстедах, измерены практически в соответствии с Международным стандартом ISO 3326: "Твердые сплавы - Определение (намагничивания) коэрцитивности", сущность которого в целом присоединена к настоящему описанию путем ссылки), твердость по Виккерсу (Hv₃₀, измерены практически в соответствии с Международным стандартом ISO 3878: "Твердые сплавы - испытание твердости по Виккерсу", сущность которого в целом присоединена к настоящему описанию путем ссылки), длительной прочности при поперечном изгибе (в МПа, измерены практически в соответствии с Международным стандартом ISO 3327/Тип В: "Твердые сплавы - Определение длительной прочности при поперечном изгибе", сущность которого в целом присоединена к настоящему описанию путем ссылки), и пористоcти (измерены практически в соответствии с Международным стандартом ISO 4505: "Твердые сплавы - Металлографическое определение пористости и несвязанного углерода"), сущность которого в целом присоединена к настоящему описанию путем ссылки.

Были определены и обобщены в таблицах 3, 4, 5 и 6 главнейшие характеристики материалов 9-12 и для сравнения материалов по прототипу изобретения. Данные включают плотность (г/см³), магнитное насыщение (Тм³/кг), коэрцитивную силу (Нс, эрстеды), твердость по Виккерсу (HV30), твердость по Роквеллу (HRA), вязкость разрушения (K_Ic в мегапаскалях корень квадратный из метра [МПам^1/2] ), определенные практически в соответствии с ASTM Designation: C1161-90 Standard Test Method for Flexural Strength of Advanced Ceramics at

Ambient Temperature (Определение ASTM: C1161-90 "Стандартные методы испытаний прочности на изгиб современных керамических материалов при температуре окружающей среды"), American Society Testing and Materials (Американское общество испытаний материалов (ASTM)), Philadelphia, PA, сущность которого целиком присоединена к настоящему описанию путем ссылки), отношение компонентов в связующем (в вес.% Co:Ni:Fe, определенное по результатам химического анализа), содержание связующего (в вес.% от кермета), длительную прочность при поперечном изгибе (TRS, мегапаскали, (МПа)), определенную практически в соответствии с методом, описанным Schleinkofer с соавторами в Materials Science and Engineering, A194 (1995), 1-8, для таблицы 4 и по методу ISO 3327 для таблиц 3, 5 и 6, сущность которых в целом присоединена к настоящему описанию путем ссылки), теплопроводность (th.cond., калория/смсекундаградус Цельсия (кал/(смсек^oС), определенная практически путем использования импульсной лазерной техники), горячую твердость по Виккерсу при 20^oС, 200^oС, 400^oС, 600^oС и 800^oС (HV100/10, определенную посредством получения отпечатков индентора на нагретых образцах кермета при нагрузке приблизительно 100 граммов в течение приблизительно 10 секунд), и результаты химического анализа связующего, (в вес.%, полученные при использовании метода флуоресценции рентгеновских лучей [только Со, Ni и Fe в связующем: установлено, что присутствуют карбиды Та, Ti, Nb и Сr и что тем самым они являются частью твердых компонентов; остальное до 100 вес.% составляет WC или TiCN, как приведено в таблице 1 для соответствующего материала - #, плюс случайные примеси, если какие-то присутствуют]).

Вкратце, приведенные данные показывают, что WC-кермет, содержащий Co-Ni-Fe-связующее, обладает свойствами, которые, по меньшей мере, сравнимы со свойствами сравниваемых WC-керметов, содержащих Со-связующее, и, как правило, даже выше. Для лучшего определения количественных показателей WC-керметов, содержащих Co-Ni-Fe-связующее, были, выполнены дополнительные исследования микроструктуры, включая оптическую микроскопию, просвечивающую электронную микроскопию и сканирующую электронную микроскопию. На фиг.1 представлена оптическая фотография микроструктуры WC-кермета по уровню техники, содержащего в качестве твердого компонента 4 карбид вольфрама и Со-связующее 2 и полученного вакуумным спеканием при температуре приблизительно 1550^oС (материал 10 по уровню техники). На фиг.2 представлена оптическая фотография микроструктуры WC-кермета по уровню техники, содержащего в качестве твердого компонента" 4 карбид вольфрама и Co-Ni-Fe-связующее 6 и также полученного вакуумным спеканием при температуре приблизительно 1550^oС (материал 10 [по настоящему изобретению] ). Микроструктуры оказались, по существу, одинаковыми. Содержание связующего в объемных процентах (практически определенного измерением площади в процентах твердой составляющей) у материала 10 по уровню техники и материала 10 [по настоящему изобретению] составляет приблизительно 12,8 и 11,9 при увеличении приблизительно 1875х (6,4 мкм), показанные на фиг. 1а и 2а соответственно. Дополнительно измеренные значения при увеличении приблизительно 1200х (10 мкм) составляют приблизительно 13/4 и 14 [об.%] соответственно. Процентное содержание площадей связующего для материала 9 по уровню техники и материала 9 [по настоящему изобретению] составляет приблизительно 15,3 и 15,1 при увеличении приблизительно 1200х (10 мкм) соответственно. Процентное содержание площадей связующего для материала 11 по уровню техники и материала 11 [по настоящему изобретению] составляет приблизительно 14,6 и 15,1 при увеличении приблизительно 1200х (10 мкм) соответственно. Эти данные подтверждают, что WC-кермет, содержащий Co-Ni-Fe-связующее, по существу имеет одинаковое распределение твердого компонента, в объемных процентах, с WC-керметом по уровню техники, содержащим Со-связующее, если оба получены из порций порошков, составленных по существу на основе одинакового количества в весовых процентах, твердого компонента и связующего.

На фиг.3-10 показана связь распределения элементов в образце материала 9 с особенностями его микроструктуры (исследованная на сканирующем электронном микроскопе (Модель ISM65-3, фирма JEOL LTD, Токио, Япония), снабженного системой электронной пушки с катодом из LaB₆ и системой регистрации рассеяния энергии рентгеновского излучения с кремний-литиевым детектором (фирма Oxford Instruments Inc. , Отдел аналитических систем. Группа микроанализа. Bucks, Англия)). На фиг. 3 представлено изображение в отраженных электронах (BEI) микроструктуры материала 9, содержащего Co-Ni-Fe-связующее 6, WC, как твердый компонент 4, и карбид титана 10, как твердый компонент. На фиг.4-10 представлены картины распределения элементов для вольфрама (W), углерода (С), кислорода (О), кобальта (Со), никеля (Ni), железа (Fe) и титана (Ti) соответственно, относящиеся к микроструктуре фиг.3 Совпадение Со, Ni и Fe свидетельствует об их присутствии как связующего. Отсутствие совпадения Со, Ni и Fe с W свидетельствует, что Co-Ni-Fe-связующее цементирует карбид вольфрама. Тот факт, что площадь на фиг.10 показывает концентрацию Ti, одинаковую с площадью в отраженных электронах (BEI) на фиг.3 подтверждает присутствие титана в составе карбида.

Было выполнено изучение материала 11 по уровню техники и материала 11 [по настоящему изобретению] посредством просвечивающей электронной микроскопии. Образцы обоих материалов изготовили по существу в соответствии с методом, описанным в публикации "Fatigue of Hard Metals and Cermets under Cyclically Varying Stress", представленной Uve Schleinkofer"ом как тезисы докторской диссертации на Техническом факультете Университета Erlangen-Nuernberg, Германия (1995), сущность которого целиком присоединена к настоящему описанию путем ссылки. Исследования были выполнены с использованием сканирующего просвечивающего электронного микроскопа (STEM) EM400T фирмы Phillips Electronics, оборудованного системой регистрации рассеяния энергии рентгеновского излучения с кремний-литиевым детектором (фирма Oxford Instruments Inc. , Отдел аналитических систем. Группа микроанализа, Bucks, Англия)). На фиг. 11 представлено полученное на ТЕМ изображение Со-связующего материала 11 по прототипу изобретения. По всему Со-связующему видны плоскостные дефекты упаковки 12 с высокой концентрацией их в областях 14. Каждый дефект упаковки представляет собой тонкий слой Со-связующего испытавшего превращение fcc --> hcp. Эти области с высокой концентрцией дефектов упаковки свидетельствуют о значительном превращении fcc --> hcp в Со-связующем. Одно из объяснений появления плоскостных дефектов упаковки состоит в том, что Со-связующее имеет низкую энергию дефектов упаковки. Поэтому возникновение напряжений и/или деформаций вызывает превращение в таком случае fcc-структуры в hcp-структуру. На фиг.12 представлено полученное на ТЕМ изображение другой области Со-связующего 2 поблизости от карбида вольфрама 4 как твердого компонента в материале 11 по прототипу изобретения. Так же, как на фиг. 11, плоскостные дефекты упаковки 12 видны по всему Со-связующему 2 с их высокой концентрацией в областях 14.

На фиг. 13 в отличие от этого представлено изображение Co-Ni-Fe-связующего 2 материала 11, полученное на ТЕМ. Кроме карбида вольфрама 4 в качестве твердого компонента, на фиг.13 показаны дислокации 16. Заявители полагают, что, в отличие от материала 11 по уровню техники, Co-Ni-Fe-связующее материала 11 [по настоящему изобретению] имеет высокую энергию дефектов упаковки, что препятствует образованию плоскостных дефектов упаковки. Кроме того, заявители считают, что энергия дефектов упаковки имеет уровень, который допускает беспрепятственное движение дислокаций. На фиг.14, 14а и 14b для сравнения показана полученная на ТЕМ микрофотография, результаты по выбранной области дифракции (SAD) вдоль направления [031] зоны и результаты SAD вдоль направления [101] зоны для Co-Ni-Fe-связующего материала 11 [по настоящему изобретению]. Результаты SAD на фиг.14а и 14b характерны для наличия fcc-структуры и отсутствия hcp-структуры. Поэтому возникновение напряжений и/или деформаций в Co-Ni-Fe-связующем вызывает появление неплоскостных дефектов, таких как дислокации 16. Такое поведение показывает, что в Co-Ni-Fe-связующем имеет место более высокая пластическая деформация, чем в Со-связующем. Тяжелые последствия ограниченной пластической деформации в Со-связующем показаны на фиг. 15 и 15а. На этих полученных на ТЕМ изображениях показана трещина 22, которая образовалась в Со-связующем 4, ориентация 20 и 20" трещины и ее совпадение с ориентацией 18 и 18" дефекта упаковки. В отличие от этого преимущества пластичности Co-Ni-Fe-связующего показаны на фиг.16 и 16а. На этих полученных на ТЕМ изображениях показана отдельная дислокация 38, следы скольжения дислокации 26 на поверхности тонкого среза, показанного ТЕМ, и высокая плотность неплоскостных, незакрепленных дислокаций, которые характерны для высокой пластической деформации 24 Co-Ni-Fe-связующего 6.

С использованием статистического анализа Вейбулла была проанализирована прочность разрушения при поперечном изгибе (TRS) материала 9 по уровню техники и материала 9 [по настоящему изобретению]. На фиг.17 представлен график распределения Вейбулла для прочности разрушении при поперечном изгибе (TRS) для материала 9 по уровню техники, содержащего Со-связующее (показанный незакрашенными кружками "о"), и материала 9 (показанный точками ""). Материал 9 по уровню техники имеет коэффициент Вейбулла приблизительно 20,4 и среднюю TRS (прочность на изгиб) приблизительно 1949 МПа, оба из которых определены из линеаризованного методом наименьших квадратов уравнения

ln(ln(1/(1-F)))=20,422ln(/МПа)-154,7

(показанного на графике [пунктирной] линией- - -). В этом уравнении F= (i-0,5)/Ni, где i является простым числом, Ni представляет собой общее количество испытанных образцов, а представляет собой измеренную прочность на изгиб материала. Материал 9 [по настоящему изобретению] имеет коэффициент Вейбулла приблизительно 27,9 и среднюю TRS (прочность на изгиб) приблизительно 2050 МПа, каждое значение из которых определено из линеаризованного методом наименьших квадратов уравнения

ln(ln(1/(1-F)))=27,915ln(/МПа)-212,87

(показанного на графике [штрихпунктирной] линией ---).

С использованием статистического анализа Вейбулла была проанализирована прочность разрушения при поперечном изгибе (TRS) материала 10 по уровню техники и материала 10 [по настоящему изобретению]. На фиг.18 представлен график распределения Вейбулла для прочности разрушения при поперечном изгибе (TRS) для материала 10 по уровню техники, содержащего Со-связующее (показанный незакрашенными кружками "o"), и материала 10 (показанный точками ""). Материал 10 в соответствии с уровнем техники имеет коэффициент Вейбулла приблизительно 32,4 и среднюю TRS (прочность на изгиб) приблизительно 1942 МПа, которые оба определены из линеаризованного методом наименьших квадратов уравнения

ln(ln(1/(1-F)))=32,4189ln(/МПа)-245,46

(показанного на графике [пунктирной] линией - - -). Материал 10 [по настоящему изобретению] имеет коэффициент Вейбулла приблизительно 9,9 и среднюю TRS (прочность на изгиб) приблизительно 2089 МПа, каждое значение из которых определено из линеаризованного методом наименьших квадратов уравнения

ln(ln(1/(1-F)))=9,9775ln(/МПа)-75,509

(показанного на графике [штрихпунктирной] линией ---).

С использованием статистического анализа Вейбулла была проанализирована прочность разрушения при поперечном изгибе (TRS) материала 12 по уровню техники и материала 12 [по настоящему изобретению]. На фиг.19 представлен график распределения Вейбулла для прочности разрушения при поперечном изгибе (TRS) для материала 12 по уровню техники, содержащего Со-связующее (показанный незакрашенными кружками "o"), и материала 12 (показанный точками ""). Материал 12 в соответствии с уровнем техники имеет коэффициент Вейбулла приблизительно 35,1 и среднюю TRS (прочность на изгиб) приблизительно 2085 МПа, которые оба определены из линеаризованного методом наименьших квадратов уравнения

ln(ln(1/(1-F)))=30,094ln(/МПа)-268,3

(показанного на графике [пунктирной] линией - - -). Материал 12 [по настоящему изобретению] имеет коэффициент Вейбулла приблизительно 17,2 и среднюю TRS (прочность на изгиб) приблизительно 2110 МПа, каждое значение для которых определено из линеаризованного методом наименьших квадратов уравнения

ln(ln(1/(1-F)))=17,202ln(/МПа)-131,67

(показанного на графике [штрихпунктирной] линией ---).

Усталостные характеристики материала 10 по уровню техники и материала 10 [по настоящему изобретению] определили приблизительно при комнатной температуре, приблизительно при 700^oС на воздухе (оба испытания выполняли практически по методике, описанной в публикациях U. Schleinkofer, H.G. Sockel, P. Schlund, К. Gorting, W. Heinrich, Mat. Sci. Eng. A194 (1995) 1; U. Schleinkofer, Doctorate Thesis, University of Erlangen-Nurnberg, Erlangen, 1995; U. Schleinkofer, H. G. Sockel, K. Gorting, W. Heinrich, Mat. Sci. Eng. A209 (1996) 313; и U.Schleinkofer, H.O. Sockel, К. Gorting, W. Heinrich, Int. J. of Refractory Metals and Hard Materials 15 (1997) 103, сущность которых в целом присоединена к настоящему описанию путем ссылки), и приблизительно при 700^oС в атмосфере аргона (испытания выполнили практически в соответствии с публикацией В. Roebuck, M.G. Gee, Mat. Sci. Eng. A209 (1996) 358, сущность которой в целом присоединена к настоящему описанию путем ссылки), а результаты показаны на фиг.20, 21 и 22 соответственно. В частности, на фиг.20 показаны данные по амплитуде напряжений (_max) как функции числа циклов при испытании на усталость при комнатной температуре на воздухе для материала 10 по уровню техники (показанные незакрашенными кружками "o") и для материала 10 [по настоящему изобретению] (показанные точками ""). На фиг.21 представлены данные по амплитуде напряжений (_max) как функции числа циклов при испытании на усталость при температуре 700^oС на воздухе для сравнения материала 10 по уровню техники (показанные незакрашенными кружками "o") и материала 10 [по настоящему изобретению] (показанные точками ""). На фиг.22 показаны данные по характеристикам низкоцикловой усталости (амплитуда напряжении (_max) как функции числа циклов при испытании на усталость) при температуре 700^oС в атмосфере аргона для материала 10 по уровню техники (показанные незакрашенными кружками "o") и для материала 10 [по настоящему изобретению] (показанные точками ""). При всех трех испытаниях материал 10 [по настоящему изобретению] обладал, по меньшей мере, таким же продолжительным пределом усталости, как и материал 10 по уровню техники, а как правило, более продолжительным. Как видно из фиг.20, материал 10 [по настоящему изобретению] обладает очень высоким пределом усталости. В частности, три испытания были остановлены (обозначены "-->" на фиг.20) при не определенном до конца пределе усталости, принятом как 200000 циклов. Кроме того, на фиг.22 отчетливо видно, что материал 10 [по настоящему изобретению] имеет при повышенной температуре более высокий предел усталости при одинаковом уровне напряжений.

Патенты и другие публикации, упомянутые в данном описании, целиком присоединены к настоящему описанию путем ссылки.

Специалистам в данной области техники должно быть ясно из ознакомления с приведенным описанием или практическим использованием настоящего изобретения, что могут быть другие варианты изобретения. Например, керметы в соответствии с настоящим изобретением могут быть использованы для переработки материалов или извлечении породы, например, в горнодобывающей промышленности, строительстве, сельском хозяйстве и при обработке металлов. Некоторые примеры применения в сельском хозяйстве включают использование в решетных станах зерноуборочных машин, вставок для сельскохозяйственных инструментов, дисковых ножей, обрубных ножниц или шлифовальных кругов, фальцовочных инструментов и инструментов для земляных работ. Некоторые примеры применения в горнодобывающей промышленности и строительстве включают режущие и землеройные инструменты, бурильные инструменты, сверла для минералов и породы, лезвия для строительного оборудования, шарошки, инструменты для земляных работ, дробильные машины и экскаваторное оборудование. Некоторые примеры применения для обработки материалов включают сверла, торцевые фрезы, развертки, резьбонарезные инструменты, вставки для резания или фрезерования материалов, вставки для резания или фрезерования материалов с приспособлениями для регулирования съема стружки и вставки с покрытиями, нанесенными любым из способов химического осаждения из паровой фазы (CVD), осаждения под давлением из паровой фазы (PVD) для резания или фрезерования материалов, покрытия в процессе превращения и т.д. Конкретные примеры использования керметов в соответствии с настоящим изобретением включают использование материала 3 таблицы 1 в качестве пробойника головок винтов. Керметы, используемые в качестве пробойника головок винтов, должны обладать высокой ударной вязкостью. Материал 3, WC-кермет, содержащий приблизительно 22 вес.% Co-Ni-Fe-связующего, испытали для сравнения с материалом 4 по уровню техники, содержащим приблизительно 27 вес.% Со-связующего. При использовании пробойников головок винтов, изготовленных из материала 3, по существу вместо пробойников головок винтов, изготовленных из материала 4 по уровню техники, получили 60000-90000 винтов по сравнению с 30000-50000 винтов. Кроме того, было обнаружено, что материал 3 более легко обрабатывается механически (например, при снятии стружки), чем материал 4 по уровню техники.

Следует иметь в виду, что описание и примеры считают только иллюстративными, тогда как истинная сфера и объем притязаний изобретения определены ниже в формуле изобретения.