CN102596448A - 螺纹滚压模 - Google Patents
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Abstract
一种螺纹滚压模(10)包括螺纹滚压区域(12)，所述螺纹滚压区域包含包括螺纹形式(16)的工作表面(14)。螺纹滚压模(10)的螺纹滚压区域(12)包括具有硬度范围在78HRA到89HRA的烧结硬质合金材料。在某些实施方案中，螺纹滚压模(10)可以进一步地包括至少一个非硬质合金件(18)，其与不防止工作件与工作表面接触的螺纹滚压区域的区中的螺纹滚压区域(12)冶金键合，并且其中非硬质合金件(18)包括金属区域和金属基体复合体区域中的至少一个。
Description
技术领域
本发明涉及用于在一个机器零件上产生螺纹以便于使其固定到另一个机器零件上的螺纹滚压模，以及涉及制造螺纹滚压模的方法。更特别地，本发明涉及包含烧结硬质合金的螺纹滚压区域的螺纹滚压模，以及涉及制成所述螺纹滚压模的方法。
背景技术
螺纹通常用作将一个机械零件固定到另一个机械零件的手段。例如车削(使用单个点或者成形工具)以及磨(使用单触点或者成形轮)的加工技术被用作金属去除的方法，以在工件中生成理想的螺纹几何形状。这些方法通常被称为螺纹切削方法。
螺纹切削技术具有某些固有的缺点。螺纹切削技术通常慢且花费多，并且需要使用昂贵的机床，其包括特别的工具。螺纹切削技术对于处理大的产品批次是节省成本的。因为螺纹切削包括加工毛坯，产生切削屑形式的废料。另外，切削螺纹的光洁度可以小于期望。
在机器零件中形成螺纹的可替代方法包括使用“无屑”金属成形技术，即，在其中不切削工件并且不形成屑的螺纹成形技术。无屑螺纹成形技术的实例是螺纹滚压技术。螺纹滚压技术包括在设置在两个或者多个螺纹滚压模之间的圆柱型金属零件上滚压螺纹，所述螺纹滚压模包括具有理想螺纹几何形状的镜像的工作面。传统地，螺纹滚压模可以是圆形的或者平的。当工件被压紧在彼此运动的模和模之间时，在工件上生成螺纹的几何形状。圆形的螺纹滚压模彼此相对旋转。平的螺纹滚压模彼此相对以线性或者往复运动的方式运动。螺纹滚压因此是冷成形、或者运动而不是将工件材料去除来形成螺纹的方法。这示意性地在图1A和1B中所图示。图1A示意性地图示了设置在圆柱形毛坯侧面上的螺纹滚压模，以及图1(b)示意性地图示了通过相对于模旋转毛坯来产生的最后产品。如图1A和1B中所图示的，向上或者向外运动毛坯材料以形成螺纹的工艺导致了大于毛坯直径(图1B)的螺纹大径(图1A)。
螺纹滚压在工件上形成螺纹的加工或者切削技术方面提出了若干个优点。例如，大量材料由于螺纹滚压技术的“无屑”特性可以免于成为废料使用。同时，因为螺纹滚压通过向上和向外来变形材料而形成螺纹，所以毛坯可以小于通过螺纹切削形成螺纹时所要求的，从而导致了另外的材料节省。此外，螺纹滚压可以以高的螺纹速度并且利用较长的同类工具寿命来产生螺纹和相关的形式。因此，螺纹滚压对于大量生产是切实可行的技术。螺纹滚压还是在其中不存在任何磨损的冷成形技术，并且螺纹滚压模可以在它们的整个使用寿命中操作，而不需要周期性的确定尺寸。
螺纹滚压还导致工件的螺纹区域中材料的硬度和屈服强度的明显增加，这是由于螺纹滚压操作中由所施加的压力引起的加工硬化(work hardening)。螺纹滚压可以产生比切削螺纹更强例如直到20%的螺纹。滚压成的螺纹还呈现降低的切口灵敏度以及改进的抗疲劳性。冷成形技术的螺纹滚压还典型导致具有优秀的微观结构、光滑的镜面光洁度，以及改进的颗粒结构的螺纹，以用于更高的强度。
在螺纹切削方面，螺纹滚压的优点示意性地在图2A和图2B中图示出。图2A示意性地示出了在工件螺纹区域中导致螺纹切削的微观结构流线。图2B示意性地示出了在工件螺纹区域中导致螺纹滚压的微观结构流线。图表明：通过螺纹滚压不产生任何废料，这依赖于产生螺纹的工件材料的运动。图2B中所示出的流线还表明：通过螺纹滚压之中材料的流动来产生硬度改进和强度增加。
传统的螺纹滚压模典型地由高速钢以及其它工具钢制成。由钢制成的螺纹滚压模具有若干局限性。高速钢和工具钢的压力强度可以不明显地高于普通工件材料(例如，合金钢以及其它结构合金)的压力强度。实际上，传统的螺纹滚压模材料的压力强度可以更低于高强度工件材料(例如，镍基和钛基航空航天合金以及某些防腐蚀合金)的压力强度。通常，用来制成螺纹滚压模的工具钢的压力和屈服强度降到大约275,000psi以下。当螺纹滚压模材料的压力强度基本上不超过工件材料的压力强度时，模经受过度的塑性变形以及提前失效。
除了具有比较高的压力强度之外，螺纹滚压模材料应当比工件材料具有基本上更大的刚性。通常，然而，目前在螺纹滚压中使用的高速钢和工具钢不具有比普通工件材料更高的刚性。这些工具钢的刚性(即，杨氏模量)降到大约32×106psi以下。由这些高速钢和工具钢所制成的螺纹滚压模可以在螺纹滚压工艺过程中承受过度的塑性变形，这使得螺纹几何形状上很难保持精密公差。
此外，由高速钢和工具钢所制成的螺纹滚压模可以被希望呈现与许多普通工件材料相比较仅仅更高的耐磨性。例如，在螺纹滚压模中使用的某些工具钢的磨损量(如根据ASTM G65-040，“Standard Test Method for MeasuringAbrasion Using the Dry Sand/Rubber Wheel Apparatus”来计量)是大约100mm3。因此，模的使用寿命由于过度的磨损而受限。
因此，需要由与传统地在螺纹滚压模中使用的高速和其它工具钢相比呈现强度(特别地是压力强度)、刚性、以及耐磨性的较好结合的材料制成的螺纹滚压模。这种材料将提供增加的模使用寿命并且还可以允许模用来在工件材料上产生不能容易地使用传统模来处理的螺纹。
发明内容
在根据本发明的非限制性实施方案中，螺纹滚压模包含螺纹滚压区域，其包括含螺纹形式的工作表面。螺纹滚压区域包括具有在78HRA到89HRA范围内的硬度的烧结硬质合金。
在根据本发明的另一个非限制性实施方案中，螺纹滚压模包含螺纹滚压区域，其包括含螺纹形式的工作表面，其中，螺纹滚压区域包括具有至少400,000psi的压力屈服强度、在50×106psi到80×106psi的杨氏模量、根据ASTM G65-04估计的在5mm3到30mm3范围内的磨损量、至少15ksi·in1/2的断裂韧性、以及至少300ksi的横向断裂强度中的至少一个的烧结硬质合金。
在根据本发明的又一个非限制性的实施方案中，螺纹滚压模包括螺纹滚压区域，其包括含螺纹形式的工作表面，其中，至少螺纹滚压区域的工作表面包括烧结硬质合金材料。在某些非限制的实施方案中，螺纹滚压模包括：至少一个非硬质合金件，其与不防止工作表面接触工件的螺纹滚压区域的区中螺纹滚压区域冶金键合。在某些非限制性实施方案中，非硬质合金件包括金属区域和金属基体复合物中的至少一个。
在根据本发明的又一个实施方案中，螺纹滚压模包括螺纹滚压区域，其包括含螺纹形式的工作表面，以及与螺纹滚压区域冶金键合的非硬质合金件，其中，至少螺纹滚压区域的工作表面包括烧结硬质合金材料，其具有至少400,000psi压力屈服强度、在50×106psi到80×106psi的杨氏模量、根据ASTM G65-04所估计的在5mm3到30mm3范围内的磨损量、78HRA到89HRA范围内的硬度、至少15ksi·in1/2的断裂韧性、以及至少300ksi的横向断裂强度中的至少一个。
附图说明
参考附图可以更好地理解本文所描述的物件和方法的特征和优点，其中：
图1A和1B是示出了传统的螺纹滚压工艺的某些方面的示意性画法；
图2A和2B分别是工件材料在由螺纹切削和螺纹滚压所形成的螺纹形成区域中的微观结构流线的示意性画法；
图3是根据本发明的圆形螺纹滚压模的一个非限制性实施方案的示意性画法，其中，模包括非硬质合金区域和具有在78HRA到89HRA范围内的硬度(洛氏硬度值“A”)的烧结硬质合金工作表面；
图4是根据本发明的平的螺纹滚压模的一个非限制性实施方案的示意性画法，其中，模包括非硬质合金区域和具有在78HRA到89HRA范围内的硬度的烧结硬质合金工作表面；
图5是根据本发明的平的螺纹滚压模的另外的非限制性实施方案的示意性画法，其中，模包括两个非硬质合金区域和具有在78HRA到89HRA范围内的硬度的烧结硬质合金工作表面；
图6是根据本发明的圆形的螺纹滚压模的另外的非限制性实施方案的示意性画法，其中，模包括具有分层结构或者梯度结构的烧结硬质合金区域和烧结硬质合金工作表面；以及
图7是根据本发明的圆形的螺纹滚压模的一个非限制性实施方案的照片，包含具有在78HRA到89HRA范围内的硬度的烧结硬质合金材料。
当考虑以下根据本发明的某些非限制性实施方案的详细描述时，读者将理解在先的详细描述，以及其它描述。
具体实施方式
在非限制性实施方案的本描述中，不同于在操作实例中或者以其它方式指出的地方，表达数量和特征的所有数字都将被理解为在所有的例子中由术语“大约”来修改。因此，除非相反的指出，在以下描述中所说明的任何数字参数是人们试图在根据本发明的物件和方法中得到的可以根据理想参数改变的近似值。至少，并且不是因为尝试限制权利要求范围的等同物原理的应用，在本发明中所描述的每个数字参数将至少根据所公布的有效数字的数并且通过应用普通的成圆技术来解释。
据称通过引入并入本文的任何专利、出版物或者其它公开材料在本文仅仅整个地或者部分地被并入，以致于所并入的材料不与现有的定义、陈述或者在本公开内容中所提出的其他公开材料相冲突。因此，以及必须的，本文所提出的公开内容取代通过引用并入本文的任何相冲突的材料。据说通过引用并入本文但是与现有的定义、陈述或者在本公开内容中所提出的其他公开材料相冲突的任何材料或者其一部分仅仅被并入使在该所并入的材料和现有的公开材料之间不引起任何冲突的程度。
在图3中描绘出根据本公开内容的圆形螺纹滚压模10的一个非限制性实施方案。在图4和图5中描绘出根据本公开内容的平的螺纹滚压模30的非限制性实施方案。将要理解的是，虽然在本文所描绘和描述的有新颖性和创造性的螺纹滚压模的特定实施方案是圆形的或者平的螺纹滚压模，但是本发明还包括另外的螺纹滚压模结构，对于本领域普通技术人员而言，现在或者以后是已知的。螺纹滚压模10，30中的每一个包括含工作表面14的螺纹滚压区域12，所述工作表面是接触工件并在其上形成螺纹的螺纹滚压模的表面。因此，工作表面14包括螺纹形式16。模10，30中每一个的螺纹滚压区域12包含烧结硬质合金材料。根据某些实施方案，烧结硬质合金具有78HRA到89HRA范围内的硬度。
在非限制性实施方案中，螺纹滚压区域12的烧结硬质合金材料可以具有至少400,000psi的压力屈服强度。在另一个非限制性实施方案中，螺纹滚压区域12的烧结硬质合金材料可以具有至少50×106psi的杨氏模量。螺纹滚压模10的非限制性实施方案包含烧结硬质合金螺纹滚压区域12，其中，烧结硬质合金材料具有50×106psi到80×106psi范围内的杨氏模量。在又一个非限制性实施方案中，螺纹滚压区域12的烧结硬质合金材料可以具有不大于如根据ASTM G65-04所估计的30mm3的磨损量。在一个非限制性实施方案中，螺纹滚压区域12的烧结硬质合金材料具有如根据ASTM G65-04所估计的5mm3到30mm3范围内的磨损量。
根据本公开内容的螺纹滚压模10，30的一个非限制性实施方案，螺纹滚压区域12的烧结硬质合金材料可以具有包括至少400,000psi的压力屈服强度、至少50×106psi的杨氏模量、以及不大于如根据ASTM G65-04所估计的30mm3的磨损量的性质的结合。在另一个非限制性实施方案中，螺纹滚压区域12的烧结硬质合金材料可以具有至少15ksi·in1/2的断裂韧性。再有一个非限制性实施方案中，螺纹滚压区域12的烧结硬质合金材料可以具有至少300ksi的横向断裂强度。
根据某些其它的非限制性实施方案，螺纹滚压模10，30的螺纹滚压区域12的烧结硬质合金材料具有至少400,000psi的压力屈服强度、在50×106psi到80×106psi范围内的杨氏模量、如根据ASTM G65-04所估计的在5mm3到30mm3范围内的磨损量、在78HRA到89HRA范围内的硬度、至少15ksi·in1/2的断裂韧性、以及至少300ksi的横向断裂强度中的一个或者多个。
根据本公开内容的某些非限制性实施方案，螺纹滚压模10，30的工作表面14的螺纹形式16可以包括V型螺纹、梯形螺纹、圆螺纹、以及锯齿螺纹中的一个。将要理解的是，然而，这种螺纹形式的图案不是全面的，并且对于本领域普通技术人员而言，现在或者以后已知的任何其它合适的螺纹形式可以包括在根据本公开内容的螺纹滚压模上。
在某些非限制性实施方案中，包括在螺纹滚压区域中的烧结硬质合金以及任选地，包括在根据本公开内容的螺纹滚压模中其它区域中的烧结硬质合金材料是使用传统的粉末冶金技术来制成的。这种技术包括：例如，机械地或者等静压压制金属粉末混合物，以形成具有理想形状和尺寸的“半成品的(green)”部件；任选地，以在400℃到1200℃的范围内的温度热处理或者“预烧结”半成品的部件，以提供“褐色的”部件；任选地，以半成品的或者褐色状态来加工部件，以给予某些理想的形状特征；并且以烧结温度(例如，在1350℃到1600℃的范围内)加热部件。用于提供烧结硬质合金材料的其它技术以及步骤的顺序将对于本领域技术人员是显然的。在合适的环境中，这些其它技术中的一个或者多个可以用来提供根据本公开内容的螺纹滚压模中所包括的烧结硬质合金材料，并且对于本领域技术人员而言，一旦其阅读本公开内容，如何采用这样一个或者多个技术来提供本螺纹滚压模将是显然的。
在根据本公开内容的螺纹滚压模的某些非限制性实施方案中，根据本发明的包括在螺纹滚压模中的烧结硬质合金材料可以是使用操作(车削、铣削、磨削、以及电火花加工)来精加工。同时，在根据本公开内容的螺纹滚压模的某些非限制性实施方案中，在螺纹滚压模所包括的精加工材料可以镀有提供耐磨性和/或其它有益特性的材料。这种镀层可以通过使用传统的镀层技术来应用，例如，化学气相沉积(CVD)和/或物理气相沉积(PVD)。可以在根据本公开内容的螺纹滚压模中所包括的硬质合金材料的全部或者区域上提供作为镀层的耐磨性材料的非限制性实施方案包括：在单个层中或者再多层的结合中的Al2O3、TiC、Ti(C,N)。可以在根据本公开内容的螺纹滚压模中所包括的硬质合金材料上提供作为涂层的其它可能材料，可以作为单层或者作为多层涂层的一部分，对于本领域普通技术人员将是已知的，并且在本文被包含。
在某些非限制性实施方案中，根据本公开内容的螺纹滚压模的螺纹滚压区域中所包括的硬质合金材料包括：不连续的分散相以及连续粘结相。不连续的分散相包括：选自周期表的IVB族、VB族或者VIB族的至少一种金属的碳化合物的硬颗粒。这些材料包括：例如，钛、锆、铪、钒、铌、钽、铬、钼和钨。连续粘结相包括：钴、钴合金、镍、镍合金、铁、以及铁合金中的一个或者多个。在某些非限制性实施方案中，在螺纹滚压区域中所包括的烧结硬质合金材料包括：分散相的重量百分比60直到重量百分比98，以及连续粘结相的重量百分比2直到重量百分比40。根据某些非限制性实施方案，分散相的硬碳颗粒具有在0.3μm到20μm范围内的平均晶粒尺寸。
在某些非限制性实施方案中，在根据本公开方案的螺纹滚压模的螺纹滚压区域中所包括的烧结硬质合金材料的连续粘结相包括：选自钨、锆、钛、钒、铌和碳的至少一种添加剂，其在连续粘结相中浓度直到附加物达到溶解极限。在某些非限制性实施方案中，螺纹滚压区域中的烧结硬质合金材料的连续粘结相包括：选自硅、硼、铝、铜、钌、和锰的至少一种添加剂，其总浓度基于连续粘结相的总重量为高达5%重量。
在根据本公开内容的螺纹滚压模的某些非限制性实施方案中，螺纹滚压区域的工作表面包括：具有在78HRA到89HRA范围内的表面硬度的烧结硬质合金材料。具有该特别的表面硬度的烧结等级包括但不限于包括含碳化钨颗粒的分散的不连续相、和含钴的连续粘结相的等级。各种市场上可买到的用来生产多等级的烧结硬质合金材料的粉末混合物对于本领域技术人员是已知的，并且可以从各种源(例如，ATI Engineerd Products，Grant，Alabama，USA)得到。可以用在根据本公开内容的螺纹滚压模的不同实施方案中的市场上可以得到的硬质合金等级的非限制性实施方案包括：ATI Firth等级FL10、FL15、FL20、FL25、FL30、FL35、H20、H25、ND20、ND25、ND30、H71、R52和R61。不同的硬质合金等级典型地在碳颗粒组分、碳颗粒晶粒尺寸、粘结相体积分数、以及粘结相组分的一个或者多个方面不同，这些变化影响烧结硬质合金材料的最后的物理和机械性质。
图3-6示意性地图示了根据本公开内容的螺纹滚压模的某些非限制性实施方案。螺纹滚压模10，30，40中的每一个包括包含工作表面14，44的螺纹滚压区域12，42，工作表面又包括螺纹形式16(图6中未示出)。螺纹滚压模10，30，40中的每一个还包括支撑螺纹滚压区域12的非工作区域18。根据图6中的螺纹滚压模40，在某些实施方案中，非工作区域18包括与螺纹滚压区域42相同的烧结硬质合金材料，或者可以包括其它等级的硬质合金材料的一层或者多层，例如，层46，48，50和52。在某些其它的非限制性实施方案中，非工作区域18可以包括至少一种硬质合金材料，其与模的螺纹滚压区域中所包括的烧结硬质合金材料在至少一种特性方面不同。不同的至少一种特性可以从例如组分以及物理或者机械性质中选择。可以不同的物理和/或机械性质包括但不限于压力屈服强度、杨氏模量、硬度、韧性、耐磨性、以及横向断裂强度。在根据本公开内容的螺纹滚压模的某些实施方案中，模可以在螺纹滚压模的不同区域中(其被选择去提供理想的性质，例如，压力屈服强度、杨氏模量、硬度、韧性、耐磨性、以及横向断裂强度，特别是在模的区域中)包括不同等级的硬质合金材料。
再参考图6的示意性图示，根据本公开内容的圆形螺纹滚压模的非限制性实例可以包括若干个区域不同等级的烧结硬质合金材料。螺纹滚压模40包含包括工作表面44的螺纹滚压区域42。螺纹滚压区域42可以包括具有适于在模40计划用于的工件上形成螺纹的机械性质的硬质合金等级。在非限制性实施方案中，螺纹滚压区域42的工作表面44具有78HRA到89HRA范围内的表面硬度、大于400,000psi的压力屈服强度、大于50×106psi的刚度(杨氏模量)、以及小于30mm3的磨损量(如由ASTM G65-04所估计的)。非工作区域18包括与螺纹滚压区域44邻近的烧结硬质合金材料的第二层46。非工作区域18还包括具有与螺纹滚压区域44的硬质合金材料不同的至少一种机械性质或者特性并且彼此也不同的随后的层48，50和52。可以在若干个层46，48，50，52和螺纹滚压区域44之间不同的特性的实例可以是平均硬颗粒尺寸、硬颗粒组分、硬颗粒浓度、粘结相组分以及粘结相浓度中的一个或者多个。可以在若干个层46，48，50，52和螺纹滚压区域44之间不同的物理和/或机械性质包括但不限于压力屈服强度、杨氏模量、硬度、韧性、耐磨性以及横向断裂强度。
在螺纹滚压模40的非限制性实施方案中，第二层46可以包括具有硬度小于工作表面44层的硬度，以便于更好地将螺纹滚压操作中经历的应力更好传递，并且使工作表面44处以及螺纹滚压区域42中烧结硬质合金材料的开裂最小化。烧结硬质合金层48，50，52硬度逐渐减小，以便于传递来自相对较硬的工作表面44的应力，并且因此避免工作表面44处以及螺纹滚压区域42中烧结硬质合金材料的开裂。要指出的是，在图6中所描绘的圆形螺纹滚压模的非限制性实施方案中，最深层52限定安装孔54，其简化将螺纹滚压模安装到螺纹滚压机(未示出)。最深层52包括具有相对于螺纹滚压区域42的硬质合金材料减小的硬度的硬质合金材料，并且该布置可以更好地吸收在螺纹滚压操作中所生成的应力，以及增加螺纹滚压模40的使用寿命。对于本领域技术人员显而易见的是，当阅读本公开内容，不是硬度或者除硬度之外的机械性质可以在图6所图示出的多层硬质合金螺纹滚压模的层中变化。在多层螺纹滚压模(例如，模40)的层中的这些其它机械性质的变化也包含在该公开内容的实施方案的范围内。
在包含以图6中所描绘的分层方式来布置的多个不同等级的硬质合金的螺纹滚压模的非限制性实施方案中，螺纹滚压区域42、第二层46、以及随后的层48，50，52理想的厚度可以由本领域普通技术人员来确定，以提供和/或最优化理想的性质。用于螺纹滚压区域42的最小厚度的非限制性实例可以是从10mm到12mm。此外，虽然图6中描绘了包含不同烧结硬质合金材料的五个分离层42，46，48，50，52的螺纹滚压模，但是要认识的是，本公开内容的螺纹滚压模可以根据所希望的最后性质包括多于或者少于烧结硬质合金材料的五层和/或等级。在又一个非限制性实施方案中，代替包含烧结硬质合金材料的分离层42，46，48，50，52，层可以很薄，以便于从螺纹滚压区域42的工作表面44到最深层52提供理想的一个或者多个性质的基本上连续的梯度，从而提供更大的应力传递效率。要理解的是，根据包括多层或者梯度结构的硬质合金材料的本公开内容的螺纹滚压模的可能布置和特性的在先描述可以应用到圆形螺纹滚压模、平的螺纹滚压模，以及具有其它结构的螺纹滚压模。
用于生产具有不同性质的烧结硬质合金材料区的物件的某些非限制性方法在美国专利No.6,511,265中被描述，其通过引用整体并入本文。一个此类方法包括：将包含硬颗粒和粘结颗粒的第一冶金粉末混合物放置到模子空隙的第一区域。模子可以是例如干袋橡胶模子。具有不同的包含硬颗粒和粘结颗粒的组合物的第二冶金粉末混合物被放置到模子空隙的第二区域。根据在螺纹滚压模中所希望的不同硬质合金材料的区域数量，模子可以被分成另外的区域，其中，设置特殊的冶金粉末混合物。模子可以被分成这些区域，例如，通过将物理分隔物放在模子的空隙中，以限定若干个区域。在某些实施方案中，物理分隔物可以是暂时的分隔物，例如，纸(该分隔物在随后的烧结步骤中分解和消失)。冶金粉末混合物被选择以在如以上所述的螺纹滚压模的相应区域中获得理想的性质。在某些实施方案中，至少第一区域和第二区域和位于模子空隙中的任何其它邻近区域的一部分实现彼此接触，并且在模子内部的材料然后静压压紧，以使冶金粉末混合物密实，并且形成压实粉末的半成品压块。压块然后被烧结，以进一步地使压块密实并且在第一个和第二以及如果存在的任何其它区域之间形成自生键合。烧结的压块提供可以被加工成特别的理想螺纹滚压模几何形状的毛坯。这些几何形状对于本领域技术人员是已知的，并且在本文不特别地描述。
在具有如图6中所描绘的结构的螺纹滚压模的一个非限制性实施方案中，烧结硬质合金的螺纹滚压区域42、第二层46、以及另外的层48，50，52中的一个或者多个可以由混合的硬质合金材料组成。正如本领域技术人员所已知的，混合的硬质合金包括：分散到各处并且嵌入第二硬质合金等级的连续粘结相的第一硬质合金等级的不连续相。因此，混合的硬质合金可以被认为作为不同硬质合金的组分。
在根据本公开内容的螺纹滚压的一个非限制性实施方案中，螺纹滚压模包括：混合的硬质合金，其中，混合硬质合金的分散相的粘结剂浓度是分散相的2到15重量百分比，并且混合硬质合金的连续粘结相的粘结剂浓度是连续粘结相的6到30重量百分比。
在根据本公开内容的物件的某些非限制性实施方案中所包括的混合的硬质合金可以具有相对低的邻接率，由此改进混合硬质合金相对于其它硬质合金的某些性质。可以在根据本公开内容的螺纹滚压模的实施方案中使用的混合硬质合金的非限制性实施方案在美国专利No.7,384,443中被描述，其通过引用整体并入本文。可以包括在本文物件中的混合硬质合金组分的某些实施方案具有分散相的邻接率，其不大于0.48。在某些实施方案中，混合硬质合金的分散相的邻接率可以小于0.4，或者小于0.2。形成具有相对低邻接率的混合硬质合金的方法包括：例如，部分地或者全部地烧结硬质合金的分散等级的颗粒；利用未烧结的或者“半成品的”第二等级硬质合金粉末来混合这些“预烧结”颗粒；压实混合物；以及烧结混合物。这种方法的细节在所并入的美国专利No.7,384,443中详细描述，并且因此将对本领域技术人员是已知的。用于测量邻接率的金相技术也在所并入的美国专利No.7,384,443中详细描述，并且将对本领域技术人员是已知的。
参考图3-5，根据本公开内容的另一方面，根据本公开内容的螺纹滚压模10，30可以包括在螺纹滚压模的非工作区域18中的一个或者多个非硬质合金区域。包含非硬质合金材料的非工作区域18可以与包含硬质合金材料的螺纹滚压区域12冶金键合，并且被定位以便于不防止工作表面14与将车螺纹的工件接触。在一个非限制性实施方案中，在非工作区域中的非硬质合金材料包括金属或者金属合金与金属基体复合物中的至少一种。在某些非限制性实施方案中，在螺纹滚压模10，30中所包括的非工作区域18中的非硬质合金材料可以是选自铁、铁合金、镍、镍合金、钴、钴合金、铜、铜合金、铝、铝合金、钛、钛合金、钨和钨合金的固体金属材料。
在根据本公开内容的螺纹滚压模的又一个非限制性实施方案中，非硬质合金件的金属基体复合物包括：硬颗粒和由金属基体材料结合在一起的金属颗粒中的至少一种，其中，金属基体材料的熔化温度低于金属基体复合物的硬颗粒和/或金属颗粒的熔化温度。
在某些其它的非限制性实施方案中，在螺纹滚压模10，30的非工作区域18中所包括的非硬质合金件是包括金属或者金属合金晶粒、颗粒、和/或分散在连续的金属或者金属合金基体混合材料中的粉末的复合物材料。在某些非限制性实施方案中，非工作区域18中的非硬质合金件包括选自钨、钨合金、钽、钽合金、钼、钼合金、铌、铌合金、钛、钛合金、镍、镍合金、钴、钴合金、铁和铁合金的金属材料的颗粒或者晶粒的复合物材料。在一个特别的非限制性实施方案中，在根据本公开内容的螺纹滚压模10，30中所包括的非工作区域18中的非硬质合金件包括：分散在金属或者金属合金的基体中的钨晶粒。
根据本公开内容的螺纹滚压模的另一个非限制性实施方案包括包含硬颗粒的金属基体混合材料。非限制性实施方案包括：选自周期表的IVB、VB和VIB族的金属的至少一种碳化物的硬颗粒。在一个非限制性实施方案中，金属基体混合材料的硬颗粒包括：碳化物、氧化物、氮化物、硼化物和硅化物中的至少一种的颗粒。
根据一个非限制性实施方案，金属基体材料包括铜、铜合金、铝、铝合金、铁、铁合金、镍、镍合金、钴、钴合金、钛、钛合金、青铜合金和黄铜合金中的至少一种。在一个非限制性实施方案中，金属基体材料是青铜，其基本上由78重量百分比的铜、10重量百分比的镍、6重量百分比的锰、6重量百分比的锡、以及偶存的杂质构成。在另一个非限制性实施方案中，金属基体材料基本上由53重量百分比的铜、24重量百分比的锰、15重量百分比的镍、8重量百分比的锌、以及偶存的杂质构成。在非限制性实施方案中，金属基体材料可以包括直到10重量百分比的元素，其将降低金属基体材料的熔点，例如但不限于硼、硅和铬中的至少一种。
在某些实施方案中，包括在螺纹滚压模10，30中的非硬质合金件可以被加工成包括螺纹或者其它特征，以使得螺纹滚压模10，30可以被机械地附着到螺纹滚压机(未示出)。
如图3和4中所描绘的，在非限制性实施方案中，非工作区域18中的至少一个非硬质合金件可以与螺纹滚压区域12的相对侧56(与螺纹滚压区域12的工作表面14相对)上的螺纹滚压区域12冶金键合。在其它的实施方案中，如图5中所描绘的，在非工作区域18中的至少一个非硬质合金件可以与螺纹滚压区域12的邻近侧58(即，与螺纹滚压区域12的工作表面14侧向邻近)上的螺纹滚压区域12冶金键合。要认识到的是，非硬质合金件可以在不防止含有螺纹形式16的工作表面14接触工件的任何位置与烧结硬质合金的螺纹滚压区域12冶金键合。
根据本公开内容的一方面，用于形成包含非硬质合金件或者区域的烧结硬质合金的螺纹滚压模的非限制性方法包括：提供烧结硬质合金的螺纹滚压区域或者烧结硬质合金的螺纹滚压模。任选地，如以上所公开的包含金属或者合金的一个或者多个非硬质合金件可以被放置与模子空隙中的烧结硬质合金的螺纹滚压区域或者烧结硬质合金的螺纹滚压模的非工作区域邻近。烧结硬质合金的螺纹滚压区域或者螺纹滚压模和可选的固态金属或者金属合金件之间的空间限定未被占用的空间。多个无机颗粒被加到至少一部分未被占用的空间中。无机颗粒可以包括硬颗粒、金属晶粒、颗粒、以及粉末中的一个或者多个。在多个无机颗粒和烧结硬质合金的螺纹滚压区域或者螺纹滚压模以及任选的固态金属件之间的剩余空隙空间限定了剩余部分的空间。剩余部分的空间通过用熔化的金属或者金属合金基体材料的渗入至少部分地填充，所述金属或者金属合金基体材料与无机材料一起形成金属基体复合体材料，具有比任何无机颗粒更低的熔化温度。当冷却时，金属基体复合体中的金属与无机颗粒和烧结硬质合金的螺纹滚压模以及，以及如果存在的话，任何非硬质合金金属或者金属合金件，一起键合。当从模子中移出时，具有包含金属或者金属合金区域和金属基体复合物区域中的至少一个的非硬质合金件的烧结硬质合金的螺纹滚压模可以被加工且精制到理想形状。该渗入工艺在美国专利申请序列号No.12/196,815中被公开，其通过引用整体并入本文。
由本公开内容所包括的螺纹滚压模的又一个非限制性实施方案包括包含具有螺纹形式的工作表面的螺纹滚压区域，其中，至少螺纹滚压区域的工作表面包括烧结硬质合金材料，以及至少一个非硬质合金件与不防止接近工作表面的工件的螺纹滚压区域中的区中螺纹滚压区域冶金键合。非硬质合金件包括：金属区域和金属基体复合物区域中的至少一个。非硬质合金件可以是可加工的，以便于简化例如将烧结的陶瓷螺纹滚压模安装到螺纹滚压机。
在非限制性实施方案中，螺纹滚压区域的烧结硬质合金具有至少400,000psi的压力屈服强度、在50×106psi到80×106psi范围内的杨氏模量、根据ASTM G65-04所估计的在5mm3到30mm3范围内的磨损量、在78HRA到89HRA范围内的硬度、至少15ksi·in1/2的断裂韧性、以及至少300ksi的横向断裂强度。
实施例1
图7是由如该公开内容所包含的烧结硬质合金制成的螺纹滚压模的照片。模由圆柱形的烧结硬质合金环组成，其中在模的工作表面上具有理想的螺纹形状。烧结硬质合金的圆柱形部件是使用传统粉末冶金技术来首先制成的，该传统的粉末冶金技术通过在使用20,000psi压力的液压中来压实FirthGrade ND-25冶金粉末(从ATI Engineered Products，Grant，Alabama获得)以形成圆柱形毛坯。高温烧结圆柱形毛坯在过压色温熔炉中于1350℃来实施，以提供烧结硬质合金材料，其包括25%重量的钴连续粘结相和75%重量的分散的钨碳化物颗粒。通过使用传统的机床和加工实践，圆柱形硬质合金材料毛坯被加工成提供图7中所图示的理想螺纹形式。
图7中所图示的螺纹滚压模的性质包括：83.0HRA的硬度、450,000psi的压力强度、68×106psi的杨氏模量、以及如由ASTM G65-04所测量的23mm3的磨损量。
实施例2
如实施例1中所描述的，准备了圆形的烧结硬质合金的螺纹滚压模，并且将其放置在石墨模子中。将粉末化的钨加到模子中以覆盖螺纹滚压模。将基本上由78重量百分比的铜、10重量百分比的镍、6重量百分比的锰、6重量百分比的锡、以及偶存的杂质构成的渗入粉末混合物放置在设置于石墨模子上方的漏斗中。将模组放置在1350℃的温度(其高于渗入粉末混合物的熔点)的真空炉中。在熔化渗入粉末混合物时所形成的熔化的材料渗入钨粉末和螺纹滚压模之间的空间。因为熔化的材料冷却且固化，所以它使由粉末化的钨形成的钨碳化物颗粒与模结合，并且形成非硬质合金的非工作部分。随后，将滚压模加工成形成包括如图3中所示意性描绘的非硬质合金的非工作区域18的烧结陶瓷的螺纹滚压模。加工非硬质合金的非工作区域以促使螺纹滚压模安装到螺纹滚压机器上。
将要理解的是，本说明书说明了与清楚理解根据本公开内容的螺纹滚压模相关的本发明的这些方面。对于本领域普通技术人员是显而易见的，并且因此将不促进更好地理解在本文介绍的主题的某些方面未被介绍，以便于简化本说明书。虽然仅仅本文必须描述了有限数量的实施方案，但是本领域普通技术人员将在考虑前述说明书时认识到：可以采用许多修改和变化。所有的这些变化和修改都旨在由前述说明书和以下的权利要求覆盖。
Claims (32)
1.一种螺纹滚压模，包括：
螺纹滚压区域，其包含包括螺纹形式的工作表面，其中所述螺纹滚压区域包含具有在78HRA到89HRA范围内的硬度的烧结硬质合金材料。
2.如权利要求1所述的螺纹滚压模，其中所述螺纹滚压区域的所述烧结硬质合金材料具有至少400,000psi的压力屈服强度。
3.如权利要求1所述的螺纹滚压模，其中所述螺纹滚压区域的所述烧结硬质合金材料具有至少50×106psi的杨氏模量。
4.如权利要求1所述的螺纹滚压模，其中所述螺纹滚压区域的所述烧结硬质合金材料具有不大于根据ASTM G65-04所估计的30mm3的磨损量。
5.如权利要求1所述的螺纹滚压模，其中所述螺纹滚压区域的所述烧结硬质合金材料具有至少400,000psi的压力屈服强度、至少50×106psi的杨氏模量以及不大于根据ASTM G65-04所估计的30mm3的磨损量。
6.如权利要求1所述的螺纹滚压模，其中所述螺纹滚压区域的所述烧结硬质合金材料的所述杨氏模量在50×106psi到80×106psi的范围内。
7.如权利要求1所述的螺纹滚压模，其中所述螺纹滚压区域的所述烧结硬质合金材料的所述磨损量在根据ASTM G65-04所估计的5mm3到30mm3的范围内。
8.如权利要求1所述的螺纹滚压模，其中所述螺纹滚压区域的所述烧结硬质合金材料具有至少15ksi·in1/2的断裂韧性。
9.如权利要求1所述的螺纹滚压模，其中所述螺纹滚压区域的所述烧结硬质合金材料具有至少300ksi的横向断裂强度。
10.如权利要求1所述的螺纹滚压模，其中所述螺纹滚压区域的所述烧结硬质合金材料具有至少400,000psi的压力屈服强度、在50×106psi到80×106psi的范围内的杨氏模量、根据ASTM G65-04所估计的5mm3到30mm3的范围内的磨损量、至少15ksi·in1/2的断裂韧性、以及至少300ksi的横向断裂强度。
11.如权利要求1所述的螺纹滚压模，其中所述螺纹滚压模选自由平的螺纹滚压模和圆柱形的螺纹滚压模所组成的组。
12.如权利要求1所述的螺纹滚压模，其中所述螺纹滚压区域的所述烧结硬质合金材料包括选自所述周期表的IVB、VB、VIB族的金属的至少一种碳化物的硬颗粒，其分散在包含钴、钴合金、镍、镍合金、铁和铁合金中的至少一种的连续粘结剂中。
13.如权利要求12所述的螺纹滚压模，其中所述螺纹滚压区域的所述烧结硬质合金材料包含60重量百分比直到98重量百分比的硬颗粒和2重量百分比到40重量百分比的连续粘结剂。
14.如权利要求12所述的螺纹滚压模，其中所述螺纹滚压区域的所述烧结硬质合金材料进一步地包括选自钨、铬、钛、钒、铌和碳的至少一种添加剂，所述添加剂在所述粘结剂中的浓度直到溶解极限。
15.如权利要求12所述的螺纹滚压模，其中所述烧结硬质合金材料的所述粘结剂进一步地包括：高达5%重量的、选自硅、硼、铝、铜、钌和锰的至少一种添加剂。
16.如权利要求12所述的螺纹滚压模，其中所述硬颗粒具有在0.3μm到20μm的范围内的平均晶粒尺寸。
17.如权利要求1所述的螺纹滚压模，其中至少所述螺纹滚压区域的所述工作表面包括混合硬质合金。
18.如权利要求17所述的螺纹滚压模，其中所述混合硬质合金的分散相具有小于0.48的邻接率。
19.如权利要求1所述的螺纹滚压模，其中所述螺纹滚压区域包括包含不同等级的硬质合金材料的分层结构和梯度结构中的一个。
20.如权利要求1所述的螺纹滚压模，进一步地包括：至少一个非硬质合金件，其与所述螺纹滚压区域的所述工作表面相对的所述螺纹滚压区域的一侧上的所述螺纹滚压区域冶金键合。
21.如权利要求20所述的螺纹滚压模，其中至少一个非硬质合金件包括金属或者金属合金区域和金属基体复合物区域中的至少一个。
22.如权利要求21所述的螺纹滚压模，其中所述非硬质合金件的所述金属或者金属合金区域包括：镍、镍合金、钴、钴合金、铁、铁合金、钛、钛合金、铜、铜合金、铝和铝合金中的至少一种。
23.如权利要求21所述的螺纹滚压模，其中所述非硬质合金件的所述金属基体复合物包括：硬颗粒和由基体金属结合在一起的金属颗粒中的至少一种，并且其中所述基体金属的熔点温度低于所述金属基体复合物中的所述硬颗粒和所述金属颗粒的任何一种的温度。
24.如权利要求23所述的螺纹滚压模，其中所述金属基体复合物的所述硬颗粒包括选自周期表的IVB、VB和VIB族的金属的至少一种碳化物。
25.如权利要求23所述的螺纹滚压模，其中所述金属基体复合物的所述硬颗粒包括碳化物、氧化物、氮化物、硼化物以及硅化物中的至少一种。
26.如权利要求23所述的螺纹滚压模，其中所述金属基体复合物的所述金属颗粒包括：钨、钨合金、钽、钽合金、钼、钼合金、铌、铌合金、钛、钛合金、镍、镍合金、钴、钴合金、铁和铁合金中的至少一种的晶粒。
27.如权利要求20所述的螺纹滚压模，其中所述至少一个非硬质合金件是可加工的。
28.如权利要求23所述的螺纹滚压模，其中所述基体金属包括：镍、镍合金、钴、钴合金、铁、铁合金、铜、铜合金、铝、铝合金、钛、钛合金、青铜和黄铜中的至少一种。
29.如权利要求23所述的螺纹滚压模，其中所述基体金属包括：基本上由78重量百分比的铜、10重量百分比的镍、6重量百分比的锰、6重量百分比的锡、以及偶存的杂质构成的青铜。
30.如权利要求1所述的螺纹滚压模，其中所述螺纹形式包括：V型螺纹、梯形螺纹、圆螺纹、以及锯齿螺纹中的至少一种。
31.一种螺纹滚压模，包括：
螺纹滚压区域，其包含包括螺纹形式的工作表面，其中所述螺纹滚压区域的所述工作表面包括烧结硬质合金材料；以及
至少一个非硬质合金件，其与不防止工件接触所述工作表面的所述螺纹滚压区域中的区中的所述螺纹滚压区域冶金键合，其中所述非硬质合金件包括金属区域和金属基体复合物区域中的至少一个。
32.如权利要求31所述的螺纹滚压模，其中所述工作表面的所述烧结硬质合金具有：至少400,000psi的压力屈服强度、在50×106psi到80×106psi的范围内的杨氏模量、根据ASTM G65-04所估计的5mm3到30mm3的范围内的磨损量、在78HRA到89HRA范围内的硬度、至少15ksi·in1/2的断裂韧性、以及至少300ksi的横向断裂强度。
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