專利名稱：金屬陶瓷切削刀具的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及金屬陶瓷組合物。它特別涉及供切削金屬和合金用的金屬陶瓷切削刀具。
在本文中，金屬陶瓷意指包含一種碳氮化鈦和一種金屬粘結(jié)劑的燒結(jié)制品。
在過去，各種各樣的金屬陶瓷切削刀具已用于機(jī)加工金屬和合金。這些金屬陶瓷包括在Rudy的美國(guó)專利3971656號(hào)中所描述的那些金屬陶瓷，它們?cè)谟秀f或鎢的固溶體中都包含鈦的碳氮化物和一種粘結(jié)劑金屬或合金，例如鎳和/或鈷。在美國(guó)專利3993692;3741733;3671201;4120719號(hào)中，描述了含有碳氮化鈦的另外的金屬陶瓷組合物，在這方面有價(jià)值的文章是H.Doi的“新的TiC和TiC-TiN基金屬陶瓷”《硬質(zhì)材料學(xué)》(1986)P489～523。這種金屬陶瓷切削刀具組合物(重量百分比，W/O)的商品實(shí)例列于表Ⅰ。
表Ⅰ商品金屬陶瓷切削刀具的標(biāo)稱成分品級(jí)ABCDE元素Ti35.651.04842.041.6W20.314.716.516.015.0Mo8.39.112.19.410.0Ni5.14.84.49.79.8Co8.24.94.91.91.7Ni+Co總量13.39.79.311.611.5Ta4.60.4-8.88.5Nb1.20.4---V2.91.4---C9.79.9-9.79.4N2.82.8-3.13.4O0.5----
盡管具有上述成分的切削刀具可很好工作，還須要有用于車削用途的金屬陶瓷成分的切削刀具，該刀具的韌性相當(dāng)于或優(yōu)于先有技術(shù)的商品金屬陶瓷切削刀具，并且在金屬切削中，它有較好的耐磨性和明顯好的效能(即，刀具壽命更長(zhǎng))。
本發(fā)明者意外地發(fā)現(xiàn)供高速、精車(即小走刀量)加工的改進(jìn)型金屬陶瓷切削刀具是由金屬陶瓷組成中高含鎢量和低金屬粘結(jié)劑量相結(jié)合而提供的，該金屬陶瓷含有如下成分約3.5～6.5W/O的鎳;約4.5～7.5W/O的鈷，其中鎳加鈷總量在約8～11W/O之間;約20～25W/O的鎢;約5～11W/O的鉬;最多達(dá)約6W/O的鉭加鈮;最多達(dá)約0.05W/O的鉻;最多達(dá)約1W/O的鋁;最多達(dá)約3W/O的釩;除了雜質(zhì)外其余部分基本是鈦、碳和氮;其中至少全部的碳和氮基本是以金屬化合物的形式存在，而該金屬化合物是選自于金屬碳氮化合物以及金屬碳化物和金屬碳氮化物的混合物，而金屬選自于鎢、鉬、鈦、鉭、鈮、釩、鉻，它們的固溶體和它們的混合。
在依照本發(fā)明的組合物中，金屬粘結(jié)劑(Ni+Co)總含量至少應(yīng)是8.0W/O，才能提供必須的斷裂韌性，因?yàn)闇p少粘結(jié)劑量能導(dǎo)致較低的斷裂韌性。然而，粘結(jié)劑量不應(yīng)超過11W/O，因?yàn)槟湍バ院偷毒邏勖S粘結(jié)劑量增加而降低。鑒于在本發(fā)明中有大量碳化鎢，所以既添加了鎳也添加了鈷，因?yàn)殒嚱?Wets)碳化鈦和碳氮化鈦比鈷好，而鈷浸濕碳化鎢比鎳好。最好鎳保持在約3.5和5.5W/O之間，并且鈷保持在約4.5和6.5W/O之間。限定鎳在約3.5～4.5W/O，并且限定鈷在約4.5-5.5W/O為更好。
至少含有約5W/O的鉬，以改善鎳粘結(jié)劑與碳氮化鈦晶粒的濕潤(rùn)能力。然而，最好鉬量不超過11W/O。本發(fā)明的成分中含有約9.5～10.5W/O的鉬為更好。
在該成分中含有約20W/O以上的鎢，使該制品具備良好導(dǎo)熱性并提供韌性和耐磨性的最佳組合。然而，鎢量不應(yīng)超過約25W/O，因?yàn)槌^這個(gè)量，按切削刀具在使用期間月牙洼耐磨性較差來分析，鎢對(duì)耐化學(xué)磨蝕的有害影響可能是明顯的。為了可靠保證有所需要的月牙洼耐磨性，最好鎢保持低于約23%。
應(yīng)注意到由本發(fā)明制成的切削刀具所獲得的優(yōu)良切削刀具性能是在沒有使用昂貴的合金元素鉭情況下意外得到的。盡管由于使用鉭會(huì)增加費(fèi)用，最好不用這種元素，但為了進(jìn)一步改進(jìn)性能，打算可單獨(dú)添加鉭，或與鈮、釩、鉻或鋁中一種或多種元素一起使用。
為了提高抗熱沖擊和變形能力，可添加鉭和/或鈮，在數(shù)量上不超過約6W/O(Ta+Nb總量)。
為了通過形成鈦-釩碳化物和碳氮化物固溶體而提供優(yōu)良抗高溫變形能力，含釩量最多達(dá)約3W/O，但最好低于2W/O。
為了通過加強(qiáng)粘結(jié)劑而改善抗高溫蠕變能力，可以添加最大量為0.05W/O的鉻。在0.05W/O以上，鉻具有減弱粘結(jié)劑可塑性并因而減弱該制品韌性的趨勢(shì)。
為了通過在粘結(jié)劑中形成鋁化鎳沉淀而提供優(yōu)良粘結(jié)劑強(qiáng)度，還可以在本發(fā)明組分中添加最多達(dá)約1W/O的鋁。
除了雜質(zhì)(即氧)外，該材料的剩余組分是鈦、碳和氮、在沒有故意添加鉭、鈮、釩或鋁時(shí)，它們可以作為雜質(zhì)存在，每種量低于0.05W/O。
該制品是用原料以常規(guī)粉末冶金技術(shù)制成的，鈦以碳化鈦和碳氮化鈦粉末形式添加其中。最好以金屬碳化物粉形式添加鎢、鉬、釩、鉭、鈮和鉻。鉭也可以氮化鉭粉形式添加。以金屬粉形式添加鈷和鎳。如果添加鋁，可以鋁化合物形式添加。最好把這些粉末在一起研磨，壓縮，然后燒結(jié)，提供一個(gè)至少是非常致密的型材，無論研磨和/或衍磨與否，都可用它作為可換位的切削刀片(anindexablecuttinginsert)。
結(jié)合下面簡(jiǎn)述的附圖
，在評(píng)述下面關(guān)于本發(fā)明最佳實(shí)施方案詳細(xì)描述后，本發(fā)明的這些方面和其它方面將更顯而易見了。
該圖是表示用SEM(掃描電子顯微鏡)在5000X放大倍數(shù)下觀測(cè)到的依照本發(fā)明切削刀片(cuttinginsert)的典型顯微結(jié)構(gòu)。
依照本發(fā)明，碳化鎢、碳氮化鈦、碳化鈦、碳化鉬、鈷和鎳粉添加在一起，形成第一種混合原料(混合料Ⅰ)，重3000g，如表Ⅱ和表Ⅲ所示。
該混合原料在有庚烷的研磨容器中，用21000克燒結(jié)碳化鎢圓滾研磨36小時(shí)，得到視粒度約為0.7～0.8μ。把該磨細(xì)泥漿放入裝有潤(rùn)滑劑和表面活化劑的西格馬葉片干燥器(Sigmabladedryer)，干燥后，通過一個(gè)篩子把混合料費(fèi)茲研磨(Fitzmilled)然后，把混合料冷壓成丸并真空燒結(jié)。在加熱的過程中，先在1200℃溫度下保持30分鐘，然后升溫到1450℃，保持90分鐘，在這之后關(guān)閉電源并讓爐子冷卻，燒結(jié)過程結(jié)束。
前述加工的結(jié)果得到具有如圖所示典型顯微結(jié)構(gòu)的粉末冶金產(chǎn)品。如圖所示，碳化物和碳氮化物的晶粒是很細(xì)的(＜1～3μ)并呈現(xiàn)雙峰粒度分布。
在圖中所示的大黑晶粒被認(rèn)為是可能在固溶體中含有鉬和/或鎢的碳氮化鈦相。大黑晶粒周圍的淺灰相被認(rèn)為是比黑相含鉬和/或鎢多的碳氮化鈦相。白晶粒被認(rèn)為是有富碳化物晶粒的鎢，碳化物晶粒還可能包含在鉬和鈦的固溶體中。因?yàn)閽呙桦娮语@微鏡的性質(zhì)，含有鎳、鈷和鉬并可能含有少量鎢、碳、鈦和氮的粘結(jié)劑相在圖中未能很好顯示出。
前述加工至少得到了呈現(xiàn)A型孔隙(典型地僅是A02至A04孔隙)的一個(gè)非常致密的產(chǎn)品。不可取的B型孔隙可能存在，但對(duì)切削性能不存在有害影響。
利用類似混合料Ⅰ的方法，研磨、壓縮和燒結(jié)，依照本發(fā)明制造了第二種混合料(混合料Ⅱ)，最值得注意的區(qū)別是使用氬氣粉末冶金而不是真空粉末冶金技術(shù)?；旌狭息虮然旌狭息窈u量高。
為了比較，制造了超出本發(fā)明含鎢量低第三種混合料(混合料Ⅲ)?；旌狭息瘛ⅱ蚝廷鬅Y(jié)后的化學(xué)組成(以W/O)和性質(zhì)及其它性能列于表Ⅳ。應(yīng)注意到，燒結(jié)后的混合料Ⅰ含有約23W/O的鎢，比研磨前混合料中鎢量(見表Ⅲ)增加約2.5W/O。這個(gè)含鎢量增加被認(rèn)為是由于從用來研磨粉末混合料的燒結(jié)碳化鎢圓滾中吸取了碳化鎢。
然后，把由前述三種混合料燒結(jié)的產(chǎn)品磨成SNG-433型可轉(zhuǎn)位切削刀頭，并且在金屬切削試驗(yàn)中，對(duì)照由商品級(jí)B、C、D和E構(gòu)成的SNG-433型刀頭進(jìn)行試驗(yàn)，在表Ⅴ至表Ⅳ中描述了該試驗(yàn)方法和結(jié)果(發(fā)表的刀具壽命以分為單位)。
在表Ⅴ所描述的試驗(yàn)中，清楚表明在高速，小進(jìn)刀量(即精加工條件)的車削試驗(yàn)條件下使用，依照本發(fā)明的混合料Ⅱ顯然優(yōu)于所試驗(yàn)的商品級(jí)。然而，在表Ⅵ所描述的試驗(yàn)中所使用的高速和大進(jìn)刀量條件下(粗加工)，混合料Ⅱ的性能大致相當(dāng)于商品級(jí)C和B。
表Ⅳ燒結(jié)后的化學(xué)組成和性質(zhì)混合料號(hào)ⅠⅡⅢ元素Ti4342.946W23.024.919.7Mo10.09.010.2Ni4.53.84.3Co5.25.15.6Ni+Co總量9.78.99.9Ta---Nb---Cr---V---C10.610.211.0N2.62.82.7O0.70.5-性質(zhì)比重(g/cc)6.76.76.68硬度(洛氏A)93.293.293.2磁飽和(Ms)7.69.89.0矯頑力(Hc)174205195孔隙A02A06/A08A02B00-4
表Ⅴ車削AISI1045鋼(180～200BHN)刀具材料刀具壽命及刀具損壞類型平均值商品級(jí)D20.0fw11.8fw13.0fw14.9商品級(jí)E14.2mw10.5fw8.7fw11.1混合料Ⅱ34.0fw39.8fw32.9fw-ch35.6商品級(jí)C11.9fw12.2fw19.7fw14.6商品級(jí)B28.1fw19.2fw14.9fw20.7試驗(yàn)條件1000sfm(表面英尺/分)/.010ipr(英寸/轉(zhuǎn))/.100英寸doc(吃刀深度)SNG-433(.003～.004吋×25°K-刃棱面(land))15°導(dǎo)角無冷卻劑刀具壽命標(biāo)準(zhǔn)(適用于表Ⅴ-Ⅳ中的所有試驗(yàn))fw-.015″均勻側(cè)面磨損mw-.030″集中側(cè)面磨損Cr-.004″月牙洼磨損dn-.030″缺口深度ch-.030″集中磨損或碎片bK-破裂表Ⅵ車削AISI1045鋼(180～200BHN)刀具材料刀具壽命及刀具損壞類型商品級(jí)D2.4bK商品級(jí)E2.1bK混合料Ⅱ3.5cr商品級(jí)C3.6fw商品級(jí)B3.3cr試驗(yàn)條件1000sfm/.026ipr/.100吋doc試驗(yàn)條件其余部分同于表Ⅴ。
在表Ⅶ所描述的試驗(yàn)中，混合料Ⅱ的工作性能優(yōu)于對(duì)照混合料Ⅲ和商品級(jí)B的裕度至少為2至1左右。
在表Ⅷ所描述的試驗(yàn)中，混合料Ⅱ的工作性能優(yōu)于商品級(jí)B的裕度為稍低于2至1，而優(yōu)于對(duì)照混合料Ⅲ的裕度為稍低于3至1。在一個(gè)試驗(yàn)中，僅8.1分鐘后混合料Ⅱ就失敗了，接著檢驗(yàn)了刀片發(fā)現(xiàn)它比其它已說明的早期破損刀片有稍大的K-刃棱面。
從前述試驗(yàn)表明，在精加工型車削條件下，混合料Ⅱ比已試的商品級(jí)表現(xiàn)出較好的耐磨性。
表Ⅶ車削AISI1045鋼(180～200BHZ)刀具材料刀具壽命及刀具損壞類型平均值混合料Ⅲ11.5dn15.8fw17.9mw15.1混合料Ⅱ34.9fw44.2bK44.8fw41.3商品級(jí)B14.4fw24.8fw14.8fw18.0試驗(yàn)條件同表Ⅴ表Ⅷ車削AISI4340鋼(280～300BHN)刀具材料刀具壽命及刀具損壞類型平均值混合料Ⅲ3.7fw5.5mw7.4mw5.5混合料Ⅱ8.1fw18.4fw22.0fw16.2商品級(jí)B9.0fw8.5fw9.9fw9.1試驗(yàn)條件800sfm/.010ipr/.100英寸doc其余試驗(yàn)條件同于表Ⅴ中。
在表Ⅸ所描述的試驗(yàn)中，研究了切削刀口加工(倒棱珩磨。即K-刃棱面的)的影響，并把依照本發(fā)明已珩磨切削刀頭與已珩磨商品刀頭做了性能比較。正如在表Ⅸ所見，已珩磨混合料Ⅰ刀頭顯著優(yōu)于K-刃棱面混合料Ⅰ刀頭。進(jìn)一步觀察到，已珩磨混合料Ⅰ刀頭并不比K-刃棱面混合料Ⅰ刀頭更易于
平和破裂。
表Ⅸ車削AISI4340鋼(280～800BHN)刀具材料刀刃制備刀具壽命及刀具損壞類型平均值混合料Ⅰ衍磨22.8fw24.6cr19.9fw22.4混合料ⅠK-刃棱面13.2cr14.7fw14.0商品級(jí)B珩磨9.9fw14.9fw14.3fw13.0混合料Ⅱ珩磨18.2fw19.8bK15.0ch17.7商品級(jí)C珩磨18.0fw18.0dn12.8dn16.3試驗(yàn)條件1200sfm/.010ipr/.100英寸docSNG-433(.001～.002英寸倒園珩磨)SNG-433(.003～.004英寸×25°K-刃棱面)15°導(dǎo)角無冷卻劑已珩磨的混合料Ⅰ刀片性能也顯著好于已珩磨的商品級(jí)B和C及已磨的混合料Ⅱ刀片。已磨的混合料Ⅱ刀片性能大致相當(dāng)于商品級(jí)C并且略好于商品級(jí)B的刀片。
由于可買到A級(jí)切削刀片的幾何形狀不同，在本發(fā)明(以混合料Ⅰ和Ⅱ作為例子)和商品級(jí)A之間不可能直接比較。然而，用類似((不相同)的幾何形狀刀片，做了本發(fā)明對(duì)A級(jí)比較的嘗試。在這些試驗(yàn)中，雖然A級(jí)刀片比依照本發(fā)明的刀片具有較長(zhǎng)的壽命，但這些結(jié)果是無說服力的，因?yàn)殡y以確定觀測(cè)到性能方面的差異是否是由于刀片的幾何形狀，化學(xué)組成或兩者都有所致。應(yīng)該注意到，商品級(jí)A含有大量的鉭、鈮和釩合金元素還有高含量的鎢。盡管本發(fā)明允許加入這類合金元素，但是混合料Ⅰ和Ⅱ不包含這類合金元素。
本文引用了與此有關(guān)的各種專利和資料。
本發(fā)明的另外一些實(shí)施例在考慮本文公開的本發(fā)明詳細(xì)說明或?qū)嵤┖髮?duì)熟悉本技術(shù)的人來說是顯而易見的。顯然這些說明和實(shí)施例僅僅是下列權(quán)利要求所表示的本發(fā)明真實(shí)范圍和精神的實(shí)例。
權(quán)利要求
1.一種包括下述主要成分的金屬陶瓷切削刀具約3.5～6.5W/O的鎳；約4.5～7.5W/O的鈷；在其中鎳+鈷的總量在約8.0～11.0W/O之間；約20～25W/O的鎢；約5～11.0W/O的鉬；最多達(dá)約6W/O的鉭加鈮；最多達(dá)約0.05W/O的鉻；最多達(dá)約1W/O的鋁；最多達(dá)約3W/O的釩；和必要的其余成分是鈦、碳和氮，其中至少全部碳和氮基本是選自于金屬碳氮化物以及金屬碳化物和金屬碳氮化物的混合物的以金屬化合物形式存在的，所說的金屬是選自于鎢、鉬、鈦、鉭、鈮、釩、鉻及它們的固溶體和它們的混合物。
2.根據(jù)權(quán)利要求1的金屬陶瓷切削刀具，其中，鎳被限制在3.5～5.5W/O之間。
3.根據(jù)權(quán)利要求1的金屬陶瓷切削刀具，其中，鈷被限制在4.5～6.5W/O之間。
4.根據(jù)權(quán)利要求1的金屬陶瓷切削刀具，其中，鎳被限制在3.5～4.5W/O之間。
5.根據(jù)權(quán)利要求3的燒結(jié)金屬陶瓷切削刀具，其中，鎳被限制在3.5～4.5W/O之間。
6.根據(jù)權(quán)利要求1的燒結(jié)金屬陶瓷切削刀具，其中，鈷被限制在4.5～5.5W/O之間。
7.根據(jù)權(quán)利要求4的燒結(jié)金屬陶瓷切削刀具，其中，鈷被限制在4.5～5.5W/O之間。
8.根據(jù)權(quán)利要求1的燒結(jié)金屬陶瓷切削刀具，其中，鉬被限制在約9.5～10.5W/O之間。
9.根據(jù)權(quán)利要求4的燒結(jié)金屬陶瓷切削刀具，其中，鉬被限制在約10～10.4之間。
10.根據(jù)權(quán)利要求1的燒結(jié)金屬陶瓷切削刀具，其中，釩是一種不多于0.05W/O的雜質(zhì)。
11.根據(jù)權(quán)利要求4的燒結(jié)金屬陶瓷切削刀具，其中，釩是不多于0.05W/O的雜質(zhì)。
12.根據(jù)權(quán)利要求8的燒結(jié)金屬陶瓷切削刀具，其中，釩是一種不多于0.05W/O的雜質(zhì)。
13.根據(jù)權(quán)利要求9的燒結(jié)金屬陶瓷切削刀具，其中，釩是一種不多于0.05W/O的雜質(zhì)。
14.根據(jù)權(quán)利要求1的金屬陶瓷切削刀具，其中，鉭是一種不多于0.05W/O的雜質(zhì)，并且鈮也是一種不多于0.05W/O的雜質(zhì)。
15.根據(jù)權(quán)利要求7的金屬陶瓷切削刀具，其中，鉭是一種不多于0.05W/O的雜質(zhì)，并且其中，鈮也是一種不多于0.05W/O的雜質(zhì)。
16.根據(jù)權(quán)利要求8的金屬陶瓷切削刀具，其中，鉭是一種不多于0.05W/O的雜質(zhì)，并且其中，鈮也是一種不多于0.05W/O的雜質(zhì)。
17.根據(jù)權(quán)利要求9的金屬陶瓷切削刀具，其中，鉭是一種不多于0.05W/O的雜質(zhì)，并且其中，鈮也是一種不多于0.05W/O的雜質(zhì)。
18.根據(jù)權(quán)利要求10的金屬陶瓷切削刀具，其中，鉭是一種不多于0.05W/O的雜質(zhì)，并且其中，鈮也是一種不多于0.05W/O的雜質(zhì)。
19.根據(jù)權(quán)利要求13的金屬陶瓷切削刀具，其中，鉭是一種不多于0.05W/O的雜質(zhì)，并且其中，鈮也是一種不多于0.05W/O的雜質(zhì)。
20.根據(jù)權(quán)利要求1的金屬陶瓷切削刀具，其中，鎢被限制在約20～23W/O。
21.根據(jù)權(quán)利要求7的金屬陶瓷切削刀具，其中，鎢被限制在約20～23W/O。
22.根據(jù)權(quán)利要求8的金屬陶瓷切削刀具，其中，鎢被限制在約20～23W/O。
23.根據(jù)權(quán)利要求9的金屬陶瓷切削刀具，其中，鎢被限制在約20～23W/O。
24.一種包括下述主要成分的金屬陶瓷切削刀具約3.5～4.5W/O的鎳;約4.5～5.5W/O的鈷;約20～25W/O的鎢;約9.5～10.5W/O的鉬;除了雜質(zhì)之外，必要的其余成分是鈦、碳和氮;在其中至少所說的全部碳和氮基本以選自于鈦、鎢、鉬、它們的固溶體和它們的混合物的碳化物和碳氮化物的金屬化合物形式存在。
全文摘要
提供一種包括下述成分的金屬陶瓷切削刀具約3.5～6.5W/O(重量百分率)的鎳；約4.5～7.5W/O的鈷，在其中鎳加鈷的總量在8～11W/O之間；約20～25W/O的鎢；約5～11W/O的鉬；最多達(dá)約6W/O的鉭加鈮；最多達(dá)約0.05W/O的鉻；最多達(dá)約1W/O的鋁；和最多達(dá)約3W/O的釩；其余成分主要是鈦、碳和氮。至少全部碳和氮基本是以選自于金屬碳氮化物以及金屬碳化物和金屬碳氮化物的混合物的金屬化合物形式存在，所說的金屬是選自于鎢鉬鈦鉭鈮釩鉻、它們的固溶體和它們的混合物。
文檔編號(hào)F02B3/06GK1032775SQ88107079
公開日1989年5月10日 申請(qǐng)日期1988年10月14日 優(yōu)先權(quán)日1987年10月14日
發(fā)明者阿納卡維爾·撒泰·桑塞姆, 康利V·愛德華 申請(qǐng)人:鈷碳化鎢硬質(zhì)合金公司