專利名稱：含鋯和鈮的硬質(zhì)合金體及其制備方法
背景技術(shù)：
本發(fā)明提供具有提高的塑性變形抗力的硬質(zhì)合金燒結(jié)體，其包括碳化鎢(WC)、粘結(jié)劑金屬相和一種或多種固溶體相，所述固溶體相包括元素周期表IVb，Vb和VIb族中至少一種元素的至少一種碳化物、氮化物和碳氮化物。本發(fā)明也提供制備這種硬質(zhì)合金燒結(jié)體的方法。這些硬質(zhì)合金燒結(jié)體可用于制造刀具，特別是用于加工鋼及其他金屬或金屬合金的可標(biāo)度刀頭。
由例如Nemeth等的美國(guó)專利Re.34,180可了解硬質(zhì)合金燒結(jié)體以及制備該合金體的粉末冶金方法。鈷最早被用作主要組元-碳化鎢的粘接劑金屬，但是，如美國(guó)專利6,024,776的教導(dǎo)，鈷鎳鐵合金顯示尤其可用作碳化鎢以及鈦、鋯、鉿、釩、鈮、鉭、鉻、鉬和鎢中之至少一種元素的其他碳化物、氮化物和碳氮化物的粘結(jié)劑相。
已進(jìn)行了大量的嘗試，以便改善采用粉末冶金方法制備的硬質(zhì)合金燒結(jié)體的性能或特性。這些性能包括(但不限于)硬度、耐磨性、高溫塑性變形性能、密度、磁性能、耐側(cè)面磨損性能和火口形成抗力。為了提供在高速切削速度下具有改善耐磨性能的刀具，已知例如硬質(zhì)合金燒結(jié)體中應(yīng)該含有較高的鈦或鉭和鈮。但是，另一方面，已知鈦或鉭或鈮與碳化鎢形成固溶碳化物，因此增加這些元素的含量會(huì)導(dǎo)致強(qiáng)度明顯下降，原因在于隨著固溶碳化物的形成，提供硬質(zhì)合金燒結(jié)體最大強(qiáng)度的碳化鎢相的量減少。
另外，為本領(lǐng)域的專業(yè)人員周知的事實(shí)是添加鋯與鉿能夠同時(shí)提高硬質(zhì)合金燒結(jié)體的室溫和高溫下的強(qiáng)度。但是，強(qiáng)度提高的同時(shí)，硬度和耐磨性下降。此外，添加鋯的一個(gè)缺點(diǎn)是鋯與氧的親和力很高，且潤(rùn)濕性差，這會(huì)妨礙制備硬質(zhì)合金燒結(jié)體所采用的燒結(jié)過程。
美國(guó)專利5,643,658和5,503,925(在此通過引用并入這兩項(xiàng)專利)的目的是借助在碳化鎢與鐵族粘結(jié)劑金屬的混合物粉末中添加鋯和/或鉿的碳化物、氮化物和碳氮化物改善硬質(zhì)合金燒結(jié)體的熱硬度和高溫耐磨性。結(jié)果鋯和鉿中至少之一的硬相與IVb，Vb和VIb族金屬(但排除鋯和鉿)的其他硬相共存，所述硬相在每種情況下均與碳化鎢形成固溶體。由于鋯與氧的親和力高，因此，原料粉末材料必須含有極低的氧，或者必須通過使用還原性燒結(jié)氣氛控制氧含量。
2002年12月13日公開的JP-A2-2002-356734公開了包含WC、由至少一種鐵族金屬構(gòu)成的粘結(jié)劑相和一種或多種固溶體相的硬質(zhì)合金燒結(jié)體，其中，一種所述固溶體相包括Zr和Nb，除了該固溶體相之外，所有的固溶體相均包含Ti，V，Cr，Mo，Ta和W中之至少一種元素，但不許含有Zr和Nb。根據(jù)該日本專利文件，當(dāng)鉭含量(按TaC計(jì)算)低于總組成的1重量％時(shí)，能夠獲得最佳的切削結(jié)果。
本發(fā)明的目的是獲得在高溫下具有較高塑性變形抗力，并且因此具有較高耐磨性的新型硬質(zhì)合金燒結(jié)體。此外，本發(fā)明的目的是提供生產(chǎn)所述硬質(zhì)合金燒結(jié)體的粉末冶金方法。更具體地，本發(fā)明的一個(gè)目的是提供具有含鋯和鈮的至少兩種共存固溶體相，或者單一含鋯和鈮的均勻固溶體相的硬質(zhì)合金燒結(jié)體。
本發(fā)明的另一個(gè)目的在于提供一種生產(chǎn)所述硬質(zhì)合金燒結(jié)體的方法，包括提供粉末混合物的步驟，該粉末混合物在燒結(jié)時(shí)，能夠提供至少兩種共存固溶體相或者單一均勻固溶體相(兩種情況下均含鋯和鈮)，并且使元素周期表IVb，Vb和VIb族元素的硬組元具有改善的燒結(jié)活性與潤(rùn)濕性。
發(fā)明概述本發(fā)明的一種形式是具有較高塑性變形抗力的硬質(zhì)合金燒結(jié)體。該硬質(zhì)合金燒結(jié)體包括碳化鎢、含有至少一種鐵族金屬或其合金的粘結(jié)劑相，以及一種或多種固溶體相，其中，每一種固溶體相包含至少一種鋯、鈮與鎢的組合的碳化物和碳氮化物。
本發(fā)明的另一種形式是生產(chǎn)所述硬質(zhì)合金燒結(jié)體的方法，其包括如下步驟提供包括碳化鎢、含有至少一種鐵族金屬或其合金的粘結(jié)劑金屬粉末，以及至少一種鋯與鈮的碳化物和碳氮化物的粉末混合物；將所述粉末混合物制成生坯；以及在1400-1560℃下對(duì)所述生坯進(jìn)行真空燒結(jié)或HIP燒結(jié)，其中，采用粉末狀鋯與鈮的碳化物或碳氮化物的固溶體形成所述粉末混合物。
本發(fā)明的又一種形式是包括具有前傾面和側(cè)面的刀體的刀具，其中，前傾面與側(cè)面在其交截處相交，形成切削刃。刀體包含碳化鎢、含有至少一種鐵族金屬或其合金的粘結(jié)劑相、以及一種或多種固溶體相，每種固溶體相包含鋯、鈮和鎢的組合的碳化物和碳氮化物中的至少一種。
本發(fā)明的又一種形式是具有較高塑性變形抗力的硬質(zhì)合金燒結(jié)體。該硬質(zhì)合金燒結(jié)體包含碳化鎢、含有至少一種鐵族金屬或其合金的粘結(jié)劑相、以及一種或多種固溶體相，其中每種所述固溶體相包含由鋯、鈮與鎢構(gòu)成的組合的碳化物和碳氮化物中的至少一種。
附圖簡(jiǎn)述下面是對(duì)構(gòu)成本專利申請(qǐng)一部分的附圖的簡(jiǎn)要描述

圖1是本發(fā)明刀具的等比例視圖，其中，刀具為CNMG型刀具；圖2A是展示試樣(A)(一種硬質(zhì)合金燒結(jié)體)的未腐蝕顯微組織的光學(xué)顯微照片，該照片放大倍數(shù)為1500倍(10微米標(biāo)尺)，其中，試樣(A)根據(jù)此后描述的本發(fā)明制備而成，而且，試樣(A)的孔隙率＜A02，如圖2A所示；圖2B是展示試樣(B)(一種硬質(zhì)合金燒結(jié)體)的未腐蝕顯微組織的光學(xué)顯微照片，該照片放大倍數(shù)為1500倍(10微米標(biāo)尺)，其中，試樣(B)根據(jù)此后描述的傳統(tǒng)方法制備而成，而且，試樣(B)的殘余孔隙率為A08，如圖2B所示；圖3A是一個(gè)燒結(jié)彎曲強(qiáng)度試棒異截面的光學(xué)顯微照片，該試棒根據(jù)此后描述的本發(fā)明制備而成，并且未出現(xiàn)燒結(jié)扭曲(sinterdistortion)；
圖3B是一個(gè)燒結(jié)彎曲強(qiáng)度試棒橫截面的光學(xué)顯微照片，該試棒根據(jù)此后描述的傳統(tǒng)方法制備而成，非常清晰地表明存在燒結(jié)扭曲；圖4是展示本發(fā)明硬質(zhì)合金燒結(jié)體的一個(gè)實(shí)施方案的未腐蝕顯微組織的光學(xué)顯微照片(20微米標(biāo)尺)，其中，可看出無固溶碳化物的粘結(jié)劑富集表面區(qū)，其中，富集粘結(jié)劑的表面區(qū)自基體與單一均勻固溶體相(MC)的表面開始，并且向內(nèi)延伸；以及圖5是展示本發(fā)明硬質(zhì)合金燒結(jié)體的另一個(gè)實(shí)施方案的未腐蝕顯微組織的光學(xué)顯微照片(20微米標(biāo)尺)，其中，可看出無固溶碳化物的粘結(jié)劑富集表面區(qū)，其中，富集粘結(jié)劑的表面區(qū)自基體表面開始，并且向內(nèi)延伸，而且，在無固溶體相的富集粘結(jié)劑的表面區(qū)下面，可看到存在單一相MC1(MC1為淺褐色)的區(qū)域，并且，在MC1區(qū)域下面，存在具有兩種共存固溶碳化物相的區(qū)域，其中，一種固溶體相是MC1，其為淺褐色，另一種固溶體相為MC2，其呈深褐色。
具體實(shí)施方案詳述參照?qǐng)D1，所示出的是一般標(biāo)記為20的刀具，即硬質(zhì)合金燒結(jié)體。刀具20具有前傾面22和側(cè)面24。前傾面22與側(cè)面24相交處為切削刃26。刀具20還包括開口28，通過該開口將刀具20固定在刀架上。圖5所示的刀具類型是CNMG型刀具。不應(yīng)該認(rèn)為在圖1中的CNMG型刀具的描述是對(duì)本發(fā)明的范圍的限制。應(yīng)該理解到本發(fā)明是可以用作刀具的新型硬質(zhì)合金材料，其中刀具的幾何形狀可以是任何已知的刀具形狀。
關(guān)于刀具即硬質(zhì)合金燒結(jié)體的組成，該組成包含碳化鎢和粘結(jié)劑，以及一種或多種固溶體相，所述固溶體相包含作為例子以表達(dá)式(Zr，Nb，W)C和/或(Zr，Nb，W)CN表示的鋯、鈮和鎢組合的碳化物和/或碳氮化物。在該組成的一個(gè)優(yōu)選實(shí)施方案中，僅僅固溶體相中的一種由鋯、鈮和鎢的組合的碳化物或碳氮化物組成。在該組成的另一個(gè)優(yōu)選實(shí)施方案中，由鋯、鈮與鎢的組合的碳化物或碳氮化物組成的固溶體相是刀體中的唯一固溶體相，其中，在所述固溶體相中不存在其他元素如鈦、鉿、釩、鉭、鉻和鉬。
在該組成的又一個(gè)優(yōu)選實(shí)施方案中，一種固溶體相包括鋯、鈮與鎢的組合的碳化物或碳氮化物以及鈦、鉿、釩、鉭、鉻和鉬中之一種或多種元素的至少一種碳化物、氮化物或碳氮化物，其中，所述固溶體相可以是刀體中的唯一固溶體相或者是兩種或更多種不同固溶體相中的一種。更具體地，可以存在兩種或更多種不同固溶體相，其中每種固溶體相分別包括鋯、鈮與鎢組合的碳化物或碳氮化物，以及鈦、鉿、釩、鉭、鉻和鉬中之一種或多種元素的至少一種碳化物、氮化物或碳氮化物。在固溶體相包括鋯、鈮與鎢組合的碳化物或碳氮化物以及包含一種或多種其他金屬的至少一種碳化物、氮化物或碳氮化物的情況下，甚至更優(yōu)選所述至少一種其它金屬是鈦、鉭和鉿中之一種或多種。
根據(jù)本發(fā)明，粘結(jié)劑合金優(yōu)選包含鈷、CoNi合金或CoNiFe合金，每種合金可以或者不可以包含附加的合金元素如鉻和鎢。粘結(jié)劑合金含量?jī)?yōu)選約為整個(gè)燒結(jié)體的3-15重量％。
優(yōu)選地，一種或多種固溶體相中鋯、鈮與鎢組合的碳化物或碳氮化物的總含量約為整個(gè)燒結(jié)體的1-15重量％。還優(yōu)選本發(fā)明的這些實(shí)施方案中，元素鈦、鉿、釩、鉭、鉻和鉬的總含量不超過整個(gè)燒結(jié)體的約8重量％。根據(jù)本發(fā)明特別優(yōu)選的實(shí)施方案，鈦含量為約整個(gè)燒結(jié)體的1-8重量％，鉭含量為約整個(gè)燒結(jié)體的1-7重量％，鉿含量為約整個(gè)燒結(jié)體的1-4重量％。
如果硬質(zhì)合金體中的質(zhì)量比Nb/(Zr+Nb)大于約0.5，更優(yōu)選大于或等于約0.6，則在硬質(zhì)合金燒結(jié)體中形成的單一均勻固溶體相或者兩種或多種共存的固溶體相明顯增加。
根據(jù)本發(fā)明的又一個(gè)方面，硬質(zhì)合金燒結(jié)體包含至少一種所述氮化物或碳氮化物，并且，包括最外層區(qū)，該區(qū)沒有任何固溶體相，但是富集粘結(jié)劑，自所述燒結(jié)體未涂覆表面，粘結(jié)劑的富集深度最高達(dá)約50微米(μm)。圖4和5示出了這種實(shí)施方案。
本領(lǐng)域的專業(yè)人員已確認(rèn)，在燒結(jié)期間，一旦原料粉末混合物中存在至少一種氮化物或碳氮化物，則會(huì)誘發(fā)粘結(jié)劑的富集和無固溶碳化物(SSC)表面區(qū)的形成。由于燒結(jié)期間形成自由氮，將會(huì)發(fā)生粘結(jié)劑金屬?gòu)谋倔w向表面的擴(kuò)散，以及固溶體相從表面區(qū)向本體的擴(kuò)散，形成粘結(jié)劑富集并且沒有任何固溶體相的表面區(qū)。由于上述擴(kuò)散過程，則根據(jù)本發(fā)明一個(gè)甚至更優(yōu)選的實(shí)施方案，在粘結(jié)劑富集區(qū)下面會(huì)形成顯示在燒結(jié)體表面與中心之間的濃度梯度的兩種或多種共存的不同固溶體相。但是，在僅僅一種單一固溶體相均勻分布在整個(gè)燒結(jié)體的那些情況下，所述單一且均勻的固溶體相將位于粘結(jié)劑富集區(qū)下面，這樣，單一固溶體相在整個(gè)所述燒結(jié)體中均勻分布，但在粘結(jié)劑富集區(qū)中除外。
根據(jù)本發(fā)明的又一優(yōu)選實(shí)施方案，在硬質(zhì)合金燒結(jié)體的表面上涂覆根據(jù)公知的物理氣相沉積(PVD)或化學(xué)氣相沉積(CVD)方法沉積的一個(gè)或多個(gè)耐磨層。優(yōu)選這些耐磨涂層包括元素周期表IVb，Vb和VIb族金屬的一種或多種碳化物、氮化物、碳氮化物、氧化物或硼化物以及氧化鋁。
參照本發(fā)明的方法方面，根據(jù)本發(fā)明方法的一個(gè)優(yōu)選實(shí)施方案，采用質(zhì)量比Nb/(Zr+Nb)大于約0.5，優(yōu)選大于或等于0.6或者更高的鋯與鈮的組合的碳化物或碳氮化物作為鋯與鈮組合的碳化物或碳氮化物的粉末固溶體。鋯、鈮與鎢組合的碳化物或碳氮化物的粉末固溶體含量?jī)?yōu)選為約整個(gè)粉末混合物的1-15重量％。
優(yōu)選在本發(fā)明的方法中采用鈷粉末、鈷和鎳的粉末或鈷和鎳和鐵的粉末或者鈷-鎳合金粉末或鈷-鎳-鐵合金粉末作為粘結(jié)劑金屬粉末。任選地，粘結(jié)劑金屬粉末可以包括附加元素，優(yōu)選鉻與鎢中之一種或多種。優(yōu)選粘結(jié)劑金屬粉末含量為約整個(gè)粉末混合物的3-15重量％。
根據(jù)本發(fā)明的另一個(gè)實(shí)施方案，所述粉末混合物還包括鈦、鉿、釩、鉭、鉻和鉬中之一種或多種元素的至少一種碳化物、氮化物或碳氮化物。優(yōu)選粉末混合物包括元素鈦、鉿、釩、鉭、鉻和鉬中之至少一種，其含量為約整個(gè)粉末混合物的1-8重量％。
本發(fā)明人令人驚奇地發(fā)現(xiàn)由于在原料粉末混合物中以鋯與鈮組合的碳化物或碳氮化物的粉末固溶體形式添加了鋯和鈮，而不是分別以單獨(dú)方式使用碳化鋯加碳化鈮或碳氮化鋯加碳氮化鈮，因此，依據(jù)原料粉末混合物中添加的化合物，在根據(jù)本發(fā)明方法燒結(jié)期間形成了或者是包括鋯、鈮與鎢組合的所述碳化物和/或所述碳氮化物的單一均勻固溶體相，或者是包括鋯、鈮與鎢組合的所述碳化物和/或所述碳氮化物、以及鈦、鉿、釩、鉭、鉻和鉬中之一種或多種元素的至少一種碳化物、氮化物或碳氮化物的兩種或多種共存固溶體相。
與前述文件不同，根據(jù)本發(fā)明，燒結(jié)時(shí)，添加在原料粉末混合物中的所有元素均溶解在每種共存固溶體相中。例如，最高達(dá)約65重量％鎢、最高達(dá)約75重量％鈮、最高達(dá)約60重量％鋯、最高達(dá)約20重量％鈦、最高達(dá)約15重量％鉭以及最高達(dá)約20重量％鉿可以溶解在所述共存固溶體相中。
根據(jù)本發(fā)明使用鋯與鈮的組合的碳化物或碳氮化物的粉末固溶體作為原料粉末混合物的一部分的另一個(gè)優(yōu)點(diǎn)在于組成中可以添加含量為約整個(gè)原料粉末混合物的1重量％或更高的鉭，以改善粘結(jié)劑相分布和韌性。
如果原料粉末混合物中添加具有比例約40重量％碳化鋯和約60重量％碳化鈮的鋯與鈮組合的碳化物或碳氮化物的粉末固溶體，則根據(jù)本發(fā)明形成的固溶體相均勻性能夠獲得最佳結(jié)果。
參照?qǐng)D2A和圖2B，其中每個(gè)圖分別是兩個(gè)試樣，即試樣(A)和試樣(B)未腐蝕顯微組織的1500X光學(xué)顯微照片(每個(gè)顯微照片的標(biāo)尺為10微米)。試樣(A)根據(jù)本發(fā)明在原料粉末混合物中使用(Zr，Nb)C制備而成，而試樣(B)采用傳統(tǒng)方法通過在原料粉末混合物中使用單獨(dú)碳化物即ZrC和NbC而不是(Zr，Nb)C制備而成。圖2A表明試樣(A)的孔隙率小于A02，圖2B表明試樣(B)的孔隙率為A08。此外，由圖2A可看出與試樣(B)的顯微組織(參見圖2B，其為采用ZrC+NbC作為原料粉末混合物一部分通過傳統(tǒng)方法制備的硬質(zhì)合金燒結(jié)體)相比，就孔隙率而言，通過在原料粉末中使用(Zr，Nb)C固溶體獲得的試樣(A)的顯微組織要更加均勻。
參照?qǐng)D3A和圖3B，這兩個(gè)圖是燒結(jié)彎曲強(qiáng)度試棒橫截面的光學(xué)顯微照片。圖3B示出的是采用傳統(tǒng)方法在原料粉末中使用ZrC和NbC制備的試樣(B)的顯微組織，其中可以看出存在非常清晰的燒結(jié)扭曲。圖3A示出的是根據(jù)本發(fā)明使用鋯與鈮的固溶碳化物(Zr，Nb)C制備的試樣(A)的顯微組織，其中圖3A未顯示燒結(jié)扭曲。這種比較表明就燒結(jié)扭曲而言，本發(fā)明的試樣(A)比傳統(tǒng)試樣(B)好的多。
如前所述，使用鋯與鈮組合的碳化物或碳氮化物的粉末固溶體作為原料粉末混合物一部分的又一個(gè)優(yōu)點(diǎn)在于與制備硬質(zhì)合金燒結(jié)體的傳統(tǒng)方法相比，該方法的氧親和力較低，因此不必采用還原性燒結(jié)氣氛。由于避免控制和監(jiān)控?zé)Y(jié)氣氛的還原質(zhì)量，因此，與現(xiàn)有技術(shù)相比，根據(jù)本發(fā)明的燒結(jié)變得更容易，且成本更低。
參照?qǐng)D4，圖4是本發(fā)明硬質(zhì)合金燒結(jié)體的一個(gè)實(shí)施方案的光學(xué)顯微照片，其中示出了無固溶碳化物的粘結(jié)劑富集表面區(qū)和一個(gè)單一的均勻固溶體相(MC)。圖4表明本發(fā)明能夠制備具有單一均勻的固溶體相的硬質(zhì)合金燒結(jié)體。
參照?qǐng)D5，圖5是本發(fā)明硬質(zhì)合金燒結(jié)體的另一個(gè)實(shí)施方案的光學(xué)顯微照片，其中示出了無固溶碳化物的粘結(jié)劑富集表面區(qū)。在無固溶碳化物的粘結(jié)劑富集表面區(qū)下面，示出了一個(gè)存在固溶體相MC1的區(qū)域。MC1呈淺褐色。在僅僅存在MC1固溶體相的區(qū)域下面，存在一個(gè)含兩種共存固溶體相的區(qū)域。一種固溶體相是MC1，其呈淺褐色。另一種固溶體相是MC2，其呈深褐色。圖5表明本發(fā)明能夠制備出具有位于最外層無固溶體相的粘結(jié)劑富集區(qū)下面、光學(xué)顯微鏡可見的不同的共存固溶體相(MC1；(MC1+MC2))的硬質(zhì)合金燒結(jié)體。
通過下面的實(shí)施例，將詳細(xì)介紹本發(fā)明的進(jìn)一步細(xì)節(jié)。表1示出的是在后面給出的各實(shí)施例中使用的原材料。
表1 用于實(shí)施例的原材料
就實(shí)施例的工藝而言，對(duì)于每個(gè)實(shí)施例，將特定的原材料在研磨機(jī)中濕磨10個(gè)小時(shí)，然后進(jìn)行干燥。將獲得的粉末混合物壓制成生坯，并且根據(jù)實(shí)施例中所述的燒結(jié)條件進(jìn)行燒結(jié)。在實(shí)施例中，除非另有說明，所給出的百分?jǐn)?shù)均為重量百分?jǐn)?shù)。
為粉末冶金領(lǐng)域?qū)I(yè)人員所公知的是元素對(duì)鉭與鈮以及元素對(duì)鋯與鉿在大多數(shù)情況下相互伴生，因此，經(jīng)常難于實(shí)現(xiàn)完全分離。這就是為什么在商業(yè)場(chǎng)合，有少量或痕量的鈮將存在于鉭中(反之亦然)以及有少量或痕量的鋯將存在于鉿中(反之亦然)的原因。不論何時(shí)提及這些元素或它們的化合物的名稱或者化學(xué)式，這一點(diǎn)對(duì)于本公開也是成立的。
實(shí)施例1
制備出具有表2所示組成(重量百分?jǐn)?shù))的粉末混合物A和B。由所述粉末混合物壓制成TRS棒(ISO 3327，B型)，形成生坯。將該生坯在1430-1520℃下HIP燒結(jié)。對(duì)所獲得的硬質(zhì)合金燒結(jié)體進(jìn)行冶金測(cè)試。圖2A和2B以及圖3A和3B示出了上述測(cè)試的結(jié)果。試樣A(根據(jù)本發(fā)明)表明其孔隙率＜A02(參見圖2A)，而試樣B(現(xiàn)有技術(shù)的對(duì)照例)表明其具有高的殘余孔隙率(參見圖2B)和強(qiáng)烈的燒結(jié)扭曲(參見圖3B)。
表2 試樣(A)和(B)的原料粉末混合物(重量百分?jǐn)?shù))
所獲得的試樣(A)和(B)的硬質(zhì)合金燒結(jié)體具有下面表3所示的下述性能。
表3 試樣(A)和(B)的所選性能
關(guān)于表3中的各列，密度單位是克/立方厘米，磁飽和強(qiáng)度單位是0.1微特斯拉立方米/公斤，矯頑力(Hc)的單位是奧斯特，硬度為使用30公斤載荷測(cè)得的維氏硬度值，孔隙率通過肉眼觀察確定。下面介紹用來確定表3以及整個(gè)專利申請(qǐng)中所述各性能的測(cè)試方法。確定密度的方法根據(jù)名稱為“孔隙率低于2％的粉末冶金(P/M)材料的密度確定的試驗(yàn)方法(Test Method for Density Determination for PowderMetallurgy(P/M)Materials Containing Less Than Two PercentPorosity)”的ASTM標(biāo)準(zhǔn)B311-93(2002)e1進(jìn)行。確定磁飽和強(qiáng)度的方法根據(jù)名稱為“確定硬質(zhì)合金磁飽和強(qiáng)度(Ms)的標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)方法(Standard Test Methods for Determination of MAGNETICSaturation(Ms)of Cemented Carbides)”的ASTM標(biāo)準(zhǔn)B886-03進(jìn)行。確定矯頑力的方法是按照名稱為“確定硬質(zhì)合金矯頑力(Hcs)的標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)方法(Standard Test Method for Determination ofCoercivity(Hcs)for Cemented Carbides)”的ASTM標(biāo)準(zhǔn)B887-03。確定維氏硬度的方法根據(jù)名稱為“金屬材料維氏硬度的標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)方法(Standard Test Method for VICKERS Hardness of MetallicMaterials)”的ASTM標(biāo)準(zhǔn)E92-82(2003)e1進(jìn)行。用來確定孔隙率的方法根據(jù)名稱為“硬質(zhì)合金中表觀孔隙率的標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)方法”的ASTM標(biāo)準(zhǔn)B276-91(2000)進(jìn)行。
實(shí)施例2與實(shí)施例1類似，制備出粉末混合物C-G，如下面的表4所示。
表4 試樣C-G的原料粉末混合物
*作為(Ta，Nb)C 70/30
作為(W，Ti)C 50/50
由粉末混合物C-G壓制出具有CNMG120412-UN幾何形狀的刀頭，然后燒結(jié)(HIP燒結(jié)1505℃/85min)并且進(jìn)行CVD涂覆，形成包括碳氮化鈦和氧化鋁層的標(biāo)準(zhǔn)多層涂層。所有的試樣進(jìn)行相同的涂覆。所獲得的燒結(jié)體具有下面表5所示的下述性能。
表5 試樣C-G的所選性能
對(duì)這些刀頭進(jìn)行變形抗力車削試驗(yàn)，試驗(yàn)條件如下工件材料42CrMo4(1.7225)-合金鋼切削速度500，550m/min，從550m/min開始，以25m/min的幅度增加，直至刀頭由于熱過載出現(xiàn)塑性變形而失效。
切削時(shí)間對(duì)于每個(gè)切削速度均為15秒進(jìn)刀量0.4mm/轉(zhuǎn)切削深度2.5mm冷卻劑無上述試驗(yàn)的結(jié)果列于下面的表6中。
表6實(shí)施例C-G的實(shí)驗(yàn)結(jié)果
此外，對(duì)由粉末混合物C-G制成的CVD涂覆(涂層與實(shí)施例2相同)刀頭進(jìn)行磨損車削試驗(yàn)，試驗(yàn)條件如下工件材料42CrMo4(1.7225)-合金鋼切削速度320-340m/min切削時(shí)間對(duì)于每個(gè)切削速度均為2分鐘進(jìn)刀量0.3mm/轉(zhuǎn)切削深度2.5mm冷卻劑無結(jié)果如表7所示，其中，以毫米給出側(cè)面磨損量。
表7試樣C-G的試驗(yàn)結(jié)果
用粉末混合物D，C，F(xiàn)和G壓制出試樣并進(jìn)行燒結(jié)。對(duì)這些試樣進(jìn)行熱硬度試驗(yàn)(維氏硬度)，試驗(yàn)條件如下試驗(yàn)重量1000克試驗(yàn)溫度室溫，400，600，800和900℃。
硬度試驗(yàn)結(jié)果列于下面的表8中。
表8試樣D，C，F(xiàn)和G的維氏硬度試驗(yàn)結(jié)果
同熱硬度車削試驗(yàn)一樣，維氏硬度(熱硬度)試驗(yàn)表明與現(xiàn)有技術(shù)相比，根據(jù)本發(fā)明的燒結(jié)體在較高溫度下的塑性變形抗力明顯增加。
采用掃描電子顯微鏡(SEM)并借助EDAX分析了試樣C，D，E和F的固溶碳化物(SSC)相的組成。光學(xué)顯微鏡可確定在試樣D，E和F中存在兩種不同的SSC相，而試樣C只有一種SSC相。當(dāng)存在兩種不同SSC相時(shí)，與較淺色的SSC相相比，較深色相中鎢含量高而鋯含量低。上述確定結(jié)果列于下面的表9中，表中固溶碳化物(燒結(jié)態(tài))的組成為重量百分?jǐn)?shù)。
表9試樣C，D，E和F固溶體相的組成
實(shí)施例3與實(shí)施例1類似，制備出粉末混合物H-K，如下面的表10所示。
表10 試樣H-K的原料粉末混合物
*WC1和WC2的混合物75％WC1，25％WC2
作為(W，Ti)C 50/50由粉末混合物H，I，J和K(現(xiàn)有技術(shù))制造，壓制，燒結(jié)/HIP燒結(jié)(1505℃/85min)和CVD涂覆，得到具有CNMG120412-UN幾何形狀的刀頭。所獲得的燒結(jié)體具有下面如表11所示的性能。
表11試樣H-K的所選性能
對(duì)這些刀頭進(jìn)行熱硬度試驗(yàn)，試驗(yàn)條件如下工件材料42CrMo4(1.7225)-合金鋼切削速度從450m/min開始，以25m/min的幅度增加，直至刀頭由于熱過載出現(xiàn)塑性變形而失效。
切削時(shí)間對(duì)于每個(gè)切削速度均為15秒進(jìn)刀量0.4mm/轉(zhuǎn)切削深度2.5μm冷卻劑無上述切削試驗(yàn)的結(jié)果列于下面的表12中。
表12試樣K-J的切削試驗(yàn)結(jié)果
總之，上述試驗(yàn)結(jié)果表明刀具壽命提高約20-67％。
此外，由混合物H-K制成另外的刀頭并進(jìn)行CVD涂覆。采用增加的切削速度對(duì)這些涂層刀頭進(jìn)行磨損車削試驗(yàn)，試驗(yàn)參數(shù)如下工件材料42CrMo4(1.7225)-合金鋼切削速度260，300，320和340m/min切削時(shí)間對(duì)于每個(gè)切削速度均為2分鐘進(jìn)刀量0.5mm/轉(zhuǎn)切削深度1.5mm冷卻劑無結(jié)果如表13所示。
表13 涂層試樣K-J的切削試驗(yàn)結(jié)果
實(shí)施例4根據(jù)表14所示組成制備出粉末混合物L(fēng)和M(現(xiàn)有技術(shù))(下面給出的組成是重量百分?jǐn)?shù))表14 試樣L和M的原料粉末混合物
*作為(Ta，Nb)C 70/30
作為(W，Ti)C 50/50
由粉末混合物L(fēng)和M壓制出具有CNMG120412-UN幾何形狀的刀頭，然后進(jìn)行燒結(jié)(HIP燒結(jié)1505℃/85min)和CVD涂覆。所獲得的燒結(jié)體具有下面如表15所示的性能。
除了上述實(shí)施例給出的性能之外，表15還給出了富鈷的無SSC區(qū)的深度(單位微米)，以及除碳化鎢之外的立方碳化物的體積百分?jǐn)?shù)。
表15刀頭試樣L和M的所選性能
對(duì)這些刀頭進(jìn)行韌性實(shí)驗(yàn)(斷續(xù)切削試驗(yàn))，試驗(yàn)條件如下工件材料Ck60(1.1221)-碳鋼切削速度200m/min切削深度2.5mm進(jìn)刀量0.3，0.4，0.5mm/轉(zhuǎn)，每個(gè)進(jìn)刀量100次沖擊冷卻劑無根據(jù)上述增量增大進(jìn)刀量，直至出現(xiàn)破壞。下面的表16給出了韌性試驗(yàn)結(jié)果。
表16試樣L和M的韌性實(shí)驗(yàn)(斷續(xù)切削)結(jié)果
對(duì)另外的刀頭進(jìn)行變形抗力車削試驗(yàn)，試驗(yàn)條件如下工件材料42CrMo4(1.7225)-合金鋼切削速度400，430，460m/min，以30m/min的幅度增加，直至刀頭由于熱過載出現(xiàn)塑性變形而失效。
切削時(shí)間對(duì)于每個(gè)切削速度均為5秒切削深度2.5mm進(jìn)刀量0.3mm/轉(zhuǎn)冷卻劑無表17給出了這些變形抗力車削試驗(yàn)的結(jié)果。
表17試樣L和M的變形抗力車削試驗(yàn)結(jié)果
還對(duì)另外的刀頭進(jìn)行了磨損車削試驗(yàn)，試驗(yàn)條件如下工件材料42CrMo4(1.7225)-合金鋼切削速度208m/min切削深度2.5mm進(jìn)刀量0.4mm/轉(zhuǎn)冷卻劑無下面的表18給出了磨損車削試驗(yàn)結(jié)果。
表18試樣L和M的磨損車削試驗(yàn)結(jié)果
實(shí)施例5制備出具有表19所示組成(單位重量百分?jǐn)?shù))的粉末混合物N和O。
表19試樣N和O的原料粉末組成
作為(W，Ti)C50/50由原料粉末混合物N和O，壓制出生坯(TRS棒，ISO 3327，B型)并且在1530℃下真空燒結(jié)60分。試樣N和O的燒結(jié)態(tài)性能示于下面的表20中。
表20試樣N和O的所選性能
分析燒結(jié)體發(fā)現(xiàn)試樣N存在光學(xué)顯微鏡下可辨別的兩種不同的共存固溶體相。在光學(xué)顯微鏡下試樣O只顯示一種均勻固溶體相。試樣N和O的組成的分析結(jié)果示于下面的表21中。
表21試樣N和O中固溶碳化物(燒結(jié)態(tài))的組成(組分單位為重量百分?jǐn)?shù))
*)SSC1區(qū)的厚度約80-120μm前述現(xiàn)有技術(shù)存在的問題可以由本發(fā)明加以克服，本發(fā)明提供具有較高塑性變形抗力的硬質(zhì)合金燒結(jié)體，包含碳化鎢、含有至少一種鐵族金屬或其合金的粘結(jié)劑相以及一種或多種固溶體相，其中，每種固溶體相均包含鋯、鈮與鎢的組合的碳化物和碳氮化物中的至少一種。此外，現(xiàn)有技術(shù)存在的問題可以由本發(fā)明的方法加以克服，其中，該方法是一種根據(jù)本發(fā)明制備所述硬質(zhì)合金燒結(jié)體的方法，其包括如下步驟(a)提供一種粉末混合物，該混合物包括碳化鎢、含有至少一種鐵族金屬或其合金的粘結(jié)劑金屬相以及鋯與鈮的碳化物和碳氮化物中的至少一種；(b)將所述粉末混合物制成生坯；(c)在1400-1560℃下真空燒結(jié)或HIP燒結(jié)所述生坯；其中，在步驟(a)中，使用鋯與鈮的碳化物或碳氮化物的粉末狀固溶體制成所述粉末混合物。本發(fā)明的硬質(zhì)合金燒結(jié)體具有較高的塑性變形抗力，致使由所述燒結(jié)硬質(zhì)合金制成的刀具耐磨性提高、使用壽命延長(zhǎng)。此外，與現(xiàn)有硬質(zhì)合金燒結(jié)體相比，本發(fā)明能夠獲得顯著降低的孔隙率和燒結(jié)扭曲。
本發(fā)明的方法還具有一個(gè)明顯優(yōu)點(diǎn)，根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)優(yōu)選實(shí)施方案，所述方法使用的是粉末狀固溶體(Zr，Nb)C，而不是傳統(tǒng)使用的單一碳化物ZrC和NbC。該優(yōu)點(diǎn)的原因在于(Zr，Nb)C固溶體與氧的親和力較低，結(jié)果，既不需要還原性燒結(jié)氣氛，也不需要對(duì)燒結(jié)氣氛的還原能力進(jìn)行連續(xù)控制。
在此通過引用并入此處述及的專利和其它文件。通過考慮此處公開的本發(fā)明的說明書和實(shí)踐，本領(lǐng)域的專業(yè)人員將會(huì)明顯發(fā)現(xiàn)本發(fā)明的其它實(shí)施方案。本發(fā)明的說明書和實(shí)施例僅僅是說明性的，并不打算對(duì)本發(fā)明的范圍進(jìn)行限制。
權(quán)利要求
1.一種具有較高塑性變形抗力的硬質(zhì)合金燒結(jié)體，其包括碳化鎢、含有至少一種鐵族金屬或其合金的粘結(jié)劑相以及一種或多種固溶體相，其中，每種固溶體相均包含鋯、鈮與鎢的組合的碳化物和碳氮化物中的至少一種。
2.根據(jù)權(quán)利要求1的燒結(jié)體，其中，所述固溶體相中的一種由鋯、鈮與鎢的組合的碳化物或碳氮化物組成。
3.根據(jù)權(quán)利要求2的燒結(jié)體，其中，所述由鋯、鈮與鎢的組合的碳化物或碳氮化物組成的固溶體相是所述燒結(jié)體中唯一的固溶體相。
4.根據(jù)權(quán)利要求1的燒結(jié)體，其中，所述固溶體相中的一種包含鋯、鈮與鎢的組合的碳化物或碳氮化物以及鈦、鉿、釩、鉭、鉻和鉬中之一種或多種的至少一種碳化物、氮化物或碳氮化物。
5.根據(jù)權(quán)利要求4的燒結(jié)體，其中，所述包含鋯、鈮與鎢組合的碳化物或碳氮化物以及鈦、鉿、釩、鉭、鉻和鉬中之一種或多種元素的至少一種碳化物、氮化物或碳氮化物的固溶體相是所述燒結(jié)體中唯一的固溶體相。
6.根據(jù)權(quán)利要求1的燒結(jié)體，其中，存在兩種或多種不同的固溶體相，每種固溶體相包含鋯、鈮與鎢組合的碳化物或碳氮化物以及鈦、鉿、釩、鉭、鉻和鉬中之一種或多種的至少一種碳化物、氮化物或碳氮化物。
7.根據(jù)權(quán)利要求4，5或6中之任何一項(xiàng)的燒結(jié)體，其中，所述至少一種碳化物、氮化物或碳氮化物是鈦、鉭和鉿中之一種或多種的碳化物、氮化物或碳氮化物。
8.根據(jù)權(quán)利要求1-7中之任何一項(xiàng)的燒結(jié)體，其中，所述粘結(jié)劑相包含鈷、CoNi合金或CoNiFe合金。
9.根據(jù)權(quán)利要求8的燒結(jié)體，其中，所述粘結(jié)劑相還包含鉻與鎢中一種或兩種。
10.根據(jù)權(quán)利要求1-9中之任何一項(xiàng)的燒結(jié)體，其中，所述粘結(jié)劑相占所述燒結(jié)體總重量的3-15％。
11.根據(jù)權(quán)利要求1-10中之任何一項(xiàng)的燒結(jié)體，其中，所述一種或多種固溶體相中的鋯、鈮與鎢的組合的碳化物或碳氮化物的總含量占所述燒結(jié)體總重量的1-15％。
12.根據(jù)權(quán)利要求1-11中之任何一項(xiàng)的燒結(jié)體，其中，元素鈦、鉿、釩、鉭、鉻和鉬的總含量不超過所述燒結(jié)體總重量的8％。
13.根據(jù)權(quán)利要求12的燒結(jié)體，其中，鈦占所述燒結(jié)體總重量的1-8％。
14.根據(jù)權(quán)利要求12的燒結(jié)體，其中，鉭占所述燒結(jié)體總重量的1-7％。
15.根據(jù)權(quán)利要求12的燒結(jié)體，其中，鉿占所述燒結(jié)體總重量的1-4％。
16.根據(jù)權(quán)利要求1-15中之任何一項(xiàng)的燒結(jié)體，所述燒結(jié)體中質(zhì)量比Nb/(Zr+Nb)大于0.5。
17.根據(jù)權(quán)利要求16的燒結(jié)體，其中，質(zhì)量比Nb/(Zr+Nb)為0.6或更高。
18.根據(jù)權(quán)利要求1至17中之任何一項(xiàng)的燒結(jié)體，其中，所述燒結(jié)體包含至少一種所述碳化物或碳氮化物，并且包含最外層區(qū)，該最外層區(qū)不存在任何固溶體相，但是富含粘結(jié)劑，其深度距所述燒結(jié)體的未涂覆表面最高達(dá)約50μm。
19.根據(jù)權(quán)利要求18的燒結(jié)體，其在所述粘結(jié)劑富集區(qū)下面存在一個(gè)單一固溶體相，該單一固溶體相在除了所述粘結(jié)劑富集區(qū)之外的整個(gè)所述燒結(jié)體范圍內(nèi)均勻分布。
20.根據(jù)權(quán)利要求18的燒結(jié)體，其在所述粘結(jié)劑富集區(qū)下面存在兩個(gè)或多個(gè)共存的不同固溶體相，所述不同固溶體相的濃度在所述燒結(jié)體表面與中心部之間具有濃度梯度。
21.根據(jù)權(quán)利要求1-20中之任何一項(xiàng)的燒結(jié)體，其中，在所述燒結(jié)體表面上涂覆一個(gè)或多個(gè)耐磨PVD或CVD層。
22.一種制備根據(jù)權(quán)利要求1-20中之任何一項(xiàng)的硬質(zhì)合金燒結(jié)體的方法，其包括如下步驟(a)提供包括碳化鎢、含有至少一種鐵族金屬或其合金的粘結(jié)劑金屬粉末，以及鋯與鈮的碳化物和碳氮化物中至少一種的粉末混合物；(b)將所述粉末混合物制成生坯；(c)在1400-1560℃下對(duì)所述生坯進(jìn)行真空燒結(jié)或HIP燒結(jié)，其特征在于在步驟(a)中，采用鋯與鈮的碳化物或碳氮化物的粉末狀的固溶體形成所述粉末混合物。
23.根據(jù)權(quán)利要求22的方法，其中，采用質(zhì)量比Nb/(Zr+Nb)大于0.5的鋯與鈮組合的碳化物或碳氮化物的固溶體作為所述鋯與鈮組合的碳化物或碳氮化物的粉末狀的固溶體。
24.根據(jù)權(quán)利要求23的方法，其中，采用的是質(zhì)量比Nb/(Zr+Nb)為0.6或更高的鋯與鈮組合的碳化物或碳氮化物的粉末狀的固溶體。
25.根據(jù)權(quán)利要求22-24中之任何一項(xiàng)的方法，其中，采用鈷、粉末狀CoNi合金或粉末狀CoNiFe合金作為所述粘結(jié)劑金屬粉末。
26.根據(jù)權(quán)利要求25的方法，其中，所述粘結(jié)劑金屬粉末還含有鉻和鎢中之至少一種。
27.根據(jù)權(quán)利要求22-26中之任何一項(xiàng)的方法，其中，所述粘結(jié)劑金屬粉末占所述粉末混合物總重量的3-15％。
28.根據(jù)權(quán)利要求22-27中之任何一項(xiàng)的方法，其中，所述粉末混合物還包括鈦、鉿、釩、鉭、鉻和鉬中之一種或多種的至少一種碳化物、氮化物或碳氮化物。
29.根據(jù)權(quán)利要求22-28中之任何一項(xiàng)的方法，其中，所述的鋯與鈮組合的碳化物或碳氮化物的粉末狀固溶體占所述粉末混合物總重量的1-15％。
30.根據(jù)權(quán)利要求22-29中之任何一項(xiàng)的方法，其中，所述粉末混合物包括元素鈦、鉿、釩、鉭、鉻和鉬中之至少一種，其含量為所述粉末混合物總重量的1-8重量％。
31.根據(jù)權(quán)利要求1-20中之任何一項(xiàng)的硬質(zhì)合金燒結(jié)體在刀具生產(chǎn)中的應(yīng)用。
32.根據(jù)權(quán)利要求31的應(yīng)用，其用于制備刀頭。
33.根據(jù)權(quán)利要求31或32的應(yīng)用，其中，所述燒結(jié)體包含最外層區(qū)，該最外層區(qū)不存在任何固溶體相，但是富含粘結(jié)劑，其深度距未涂覆表面最高達(dá)約50μm。
34.根據(jù)權(quán)利要求31-33中之任何一項(xiàng)的應(yīng)用，其中，所述燒結(jié)體在所述粘結(jié)劑富集區(qū)下面具有一個(gè)單一固溶體相，該單一固溶體相在除了所述粘結(jié)劑富集區(qū)之外的整個(gè)所述燒結(jié)體范圍內(nèi)均勻分布。
35.根據(jù)權(quán)利要求31-34中之任何一項(xiàng)的應(yīng)用，其中，所述燒結(jié)體在所述粘結(jié)劑富集區(qū)下面具有兩個(gè)或多個(gè)共存的不同固溶體相。
36.根據(jù)權(quán)利要求31-35中之任何一項(xiàng)的應(yīng)用，其中，所述刀具還包括一個(gè)在所述燒結(jié)體上的耐磨涂層。
全文摘要
一種硬質(zhì)合金燒結(jié)體(例如刀具)及其制備方法。硬質(zhì)合金燒結(jié)體包括碳化鎢、含有至少一種鐵族金屬或其合金的粘結(jié)劑相以及一種或多種固溶體相。每種固溶體相均包含鋯、鈮與鎢組合的碳化物和碳氮化物中的至少一種。所述方法包括提供粉末混合物，該粉末混合物包括碳化鎢、含有至少一種鐵族元素或其合金的粘結(jié)劑金屬粉末以及鋯與鈮的碳化物和碳氮化物中的至少一種，所述鋯與鈮的碳化物和碳氮化物包括鋯與鈮的碳化物或碳氮化物的粉末，將所述粉末混合物制成生坯，以及在1400－1560℃下對(duì)所述生坯進(jìn)行真空燒結(jié)或HIP燒結(jié)。
文檔編號(hào)B23B27/14GK1833040SQ200480022850
公開日2006年9月13日 申請(qǐng)日期2004年10月6日 優(yōu)先權(quán)日2003年12月3日
發(fā)明者H-W·海因里希, M·沃爾夫, D·施密特 申請(qǐng)人:鈷碳化鎢硬質(zhì)合金公司