專利名稱：制造硬質(zhì)合金的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及硬質(zhì)合金刀片以及借助于燒結(jié)的制造方法，其中如此形成的燒結(jié)刀片沒(méi)有結(jié)合劑相表面層。因此，刀片的表面中的結(jié)合劑含量類似于或者小于塊體相中的結(jié)合劑含量。
背景技術(shù)：
在硬質(zhì)合金已經(jīng)用于金屬切削的幾乎70年期間，一直在硬質(zhì)合金刀片生產(chǎn)領(lǐng)域進(jìn)行改進(jìn)。粉末壓制到近凈形狀逐漸增多的使用已經(jīng)導(dǎo)致了對(duì)于具有良好限定表面的硬質(zhì)合金等級(jí)的需要，其適于在沒(méi)有預(yù)處理的情況之下進(jìn)行物理氣相沉積(PVD)、化學(xué)氣相沉積(CVD)和中溫化學(xué)氣相沉積(MTVD)涂層。這種刀片一般由金屬碳化物(一般為WC)制成，通常加入有其它金屬(比如Nb、Ti、Ta等)的碳化物以及鈷的金屬粘結(jié)相。為了提高耐磨性，通常將一種或多種耐磨材料(比如TiC、TiN、Al2O3等)的薄層涂敷于表面上。
很多硬質(zhì)合金等級(jí)的共同問(wèn)題是存在著部分地或完全地覆蓋外部碳化鎢晶粒的粘結(jié)相表面層。這種厚度能大于1μm的不希望粘結(jié)相層在燒結(jié)步驟期間發(fā)展。如果有粘結(jié)相層出現(xiàn)在表面上，則其對(duì)于CVD和PVD工藝都有負(fù)面影響，導(dǎo)致產(chǎn)生機(jī)械性能變劣的層以及涂層與基質(zhì)的粘結(jié)不夠。因此，在執(zhí)行沉積工藝之前，必須移除粘結(jié)相層。粘結(jié)層的出現(xiàn)與碳化鎢晶粒的尺寸有關(guān)系。通常，隨著晶粒尺寸降低到低于大約2μm，并且尤其是低于大約1.5μm，粘結(jié)層變得在表面上更普遍并且因而出現(xiàn)了更多關(guān)于機(jī)械性能和涂層粘結(jié)的問(wèn)題。精細(xì)和亞微細(xì)粒等級(jí)的硬質(zhì)合金尤其易于受到表面粘結(jié)形成的影響。
雖然現(xiàn)有技術(shù)中已經(jīng)用很多方式解決了粘結(jié)相形成的問(wèn)題，但是其中大多數(shù)方式可以分類為兩個(gè)寬泛的類別。第一類的方法是防止粘結(jié)相的最初形成。第二類的方法是允許粘結(jié)相最初形成于表面上，然后試圖通過(guò)機(jī)械的或化學(xué)的方式來(lái)移除結(jié)合劑。
如前所述，粘結(jié)相表面層傾向于出現(xiàn)在晶粒尺寸小于大約2μm的硬質(zhì)合金等級(jí)中。因此，簡(jiǎn)單地通過(guò)將晶粒尺寸保持在粘結(jié)相形成的限度之上，就能避免全部問(wèn)題。然而，較大的晶粒尺寸帶來(lái)了其自身的缺點(diǎn)。例如，在塊體硬質(zhì)合金中的給定粘結(jié)物水平下，室溫(RT)硬度，即對(duì)塑性變形的抗力，隨著晶粒尺寸增大而降低。類似地，為了獲得給定RT硬度的水平，結(jié)合劑的水平必須隨著碳化鎢晶粒尺寸的增大而降低。由于結(jié)合劑水平越高，則韌性增大，因而其總體效應(yīng)是隨著晶粒尺寸增大，RT硬度或韌性一般會(huì)受到損失。
較大晶粒尺寸下硬度和韌性之間的權(quán)衡問(wèn)題由美國(guó)專利No.6,333,100以獨(dú)特的方式解決，該專利教導(dǎo)了將高等級(jí)的立方碳化物(4-12wt％)添加入粉末成分。該專利所得到的燒結(jié)碳化物刀片沿著切削刃的任一側(cè)均具有一定厚度和成分的富含鈷粘結(jié)相且基本上沒(méi)有立方碳化物的表面區(qū)域。其連同切削刃附近立方碳化物的優(yōu)化一起，有助于對(duì)塑性變形的抗力以及韌性的同時(shí)改進(jìn)。與此同時(shí)，因?yàn)榈镀膶?shí)際表面(與緊鄰地在表面之下的表面區(qū)域相對(duì))由于其中使用了大晶粒尺寸而沒(méi)有過(guò)多的粘結(jié)相，因而涂層將仍然粘結(jié)至刀片并且將維持機(jī)械性能。
雖然該專利的教導(dǎo)通過(guò)改進(jìn)在硬質(zhì)合金中使用大碳化鎢晶粒的權(quán)衡而顯著地使現(xiàn)有技術(shù)進(jìn)步，但是其代價(jià)是用較大的晶粒尺寸來(lái)直接解決粘結(jié)相形成的問(wèn)題。于是，使用較小晶粒尺寸的優(yōu)點(diǎn)就被放棄了。而且，該專利要求結(jié)合多個(gè)具體特點(diǎn)，這可能需要仔細(xì)監(jiān)控，比如具體某一厚度的富含粘結(jié)相的表面區(qū)域。與對(duì)成分和幾何形狀要求不甚嚴(yán)格的工藝相比，這在一些情況下會(huì)提高生產(chǎn)成本。
粘結(jié)相形成也能通過(guò)嚴(yán)密地控制冷卻溫度來(lái)抑制，如美國(guó)專利No.6,207,102所述，其中教導(dǎo)了使硬質(zhì)合金在燒結(jié)之后快速冷卻?？焖倮鋮s就產(chǎn)生了沒(méi)有粘結(jié)相層的表面。這種方法雖然有效，但是卻需要特殊的設(shè)備并且監(jiān)控冷卻步驟以產(chǎn)生期望的結(jié)果。
第二類的方法，也就是那些允許粘結(jié)層的最初形成并且隨后試圖將其移除的方法，包括比如通過(guò)噴砂來(lái)進(jìn)行機(jī)械移除的步驟。然而，噴砂難以控制，這是因?yàn)椴荒軠?zhǔn)確地控制噴砂深度。這又導(dǎo)致涂層刀片成品性能的分散以及對(duì)基質(zhì)表面的硬質(zhì)成分晶粒的損傷。然而，在美國(guó)專利No.6,132,293中公開(kāi)了用精細(xì)顆粒進(jìn)行的噴砂，在不損傷硬質(zhì)成分晶粒的情況之下得到了粘結(jié)相層均勻的移除。
或者，也能使用化學(xué)的或電解的方法來(lái)移除粘結(jié)層。然而，這些方法并非僅僅移除鈷表面層。它們還導(dǎo)致了深度透入，尤其是在靠近刀片邊緣的區(qū)域中。這可能會(huì)在層和基質(zhì)之前形成不希望的孔隙度，與此同時(shí)，粘結(jié)層可能會(huì)部分地存在于刀片的其它區(qū)域中。
上述現(xiàn)有技術(shù)方法的又一缺點(diǎn)在于它們需要額外的生產(chǎn)步驟來(lái)移除表面粘結(jié)層，并且為此對(duì)于大規(guī)模生產(chǎn)而言就不具有吸引力。因此希望燒結(jié)能以不形成粘結(jié)相層的方式進(jìn)行。

發(fā)明內(nèi)容
因此本發(fā)明的一個(gè)目標(biāo)是提供一種用于提高涂層粘結(jié)于硬質(zhì)合金基質(zhì)的方法。
本發(fā)明的另一目標(biāo)是提供一種如上的方法，從而在燒結(jié)期間，在無(wú)需特定溫度之下通過(guò)控制基質(zhì)表面處的粘結(jié)相量來(lái)實(shí)現(xiàn)提高的粘結(jié)。
本發(fā)明的又一目標(biāo)是提供一種如上的方法，其避免了在燒結(jié)后步驟中需要表面粘結(jié)層的機(jī)械的或化學(xué)的移除。
本發(fā)明的再一目標(biāo)是提供一種如上的方法，其提供了通過(guò)改變粉末成分來(lái)對(duì)出現(xiàn)在燒結(jié)后基質(zhì)表面上的粘結(jié)相量進(jìn)行精確控制。
本發(fā)明的再一目標(biāo)是提供一種如上的方法，其允許在沒(méi)有粘結(jié)相表面層伴隨形成的情況之下制造出具有小晶粒尺寸的硬質(zhì)合金等級(jí)。
本發(fā)明的再一目標(biāo)是提供一種用如上方法形成的硬質(zhì)合金刀片。
本發(fā)明的再一目標(biāo)是提供一種用如上的硬質(zhì)合金刀片，其具有通過(guò)化學(xué)或物理氣相沉積而涂敷于其上的牢固粘結(jié)的表面涂層。
這些目標(biāo)以及在下面描述中闡述的其它目標(biāo)通過(guò)一種制造硬質(zhì)合金的方法來(lái)獲得，該方法包括以下步驟提供碳化鎢、結(jié)合劑以及立方相[(Ti，Zr，Hf，Ta，Nb)(C，N)]的混合物，其中該結(jié)合劑包含鈷、鐵或鎳或它們的任意組合，所述立方相包括其量足以抑制結(jié)合劑在燒結(jié)物品表面上聚集的立方碳氮化物和/或碳化物的混合物；將混合物形成為成形物品；和燒結(jié)所述成形物品以形成燒結(jié)物品。
本發(fā)明的目標(biāo)還通過(guò)一種制造涂層硬質(zhì)合金體的方法來(lái)獲得，該涂層硬質(zhì)合金體具有3至15wt％的結(jié)合劑成分，具有不小于(0.17×Co含量)wt％(例如對(duì)于Co＝6wt％則為1wt％)且最大值為4.0wt％的立方相。對(duì)于金屬而言，該成分具有介于大約0.08至大約1.0的Ti/立方相的重量比，這意味著立方相成分的范圍能從純Ti(C1-xNx)到僅具有少量Ti的成分。表達(dá)為N/Ti的氮含量(摩爾比)大于0.05且小于0.6。碳化鉻含量從零到大約2wt％，對(duì)于晶粒尺寸小于1μm而言，其優(yōu)選地從大約0.2到大約1.5wt％，并且剩下的為WC。該方法包括通過(guò)加熱到燒結(jié)溫度來(lái)燒結(jié)硬質(zhì)合金的步驟。本發(fā)明優(yōu)選的燒結(jié)方法包括HIP燒結(jié)和真空燒結(jié)，從而氮能通過(guò)立方相和/或作為氮?dú)庠谶_(dá)到Ts(燒結(jié)溫度)之前加入。適合的Ts處于1380-1500℃的范圍內(nèi)，并且燒結(jié)時(shí)間為10-90分鐘，此后進(jìn)行冷卻、進(jìn)行后燒結(jié)處理、給該硬質(zhì)合金體提供一個(gè)耐磨的薄涂層，該涂層包括至少一個(gè)通過(guò)CVD、MTCVD或PVD技術(shù)涂敷的層，并且進(jìn)行后涂層處理，比如刷洗和/或拋光。


為了更完全地理解本發(fā)明，可以結(jié)合附圖閱讀以下詳細(xì)描述，在附圖中圖1示出了現(xiàn)有技術(shù)中的硬質(zhì)合金刀片表面4000倍放大的頂視圖，該表面幾乎全都由粘結(jié)相層覆蓋，并且該硬質(zhì)合金刀片具有6.0wt％的Co、0.5wt％的碳化鉻以及晶粒尺寸為0.8μm的剩余WC的成分；圖2示出了根據(jù)本發(fā)明中的硬質(zhì)合金刀片表面4000倍放大的頂視圖，該硬質(zhì)合金刀片具有6wt％的Co、0.5wt％的碳化鉻、具有0.5wt％的Ti且N/Ti比為約0.4的2wt％的立方碳氮化物((Ti，Ta，Nb)(C，N))，以及晶粒尺寸為0.8μm的剩余WC的成分。棱角顆粒是WC并且位于其間的是粘結(jié)相；圖3示出了硬質(zhì)合金拋光的橫截面的1000倍放大視圖，其成分包括6wt％的Co、0.5wt％的碳化鉻、具有0.5wt％的Ti且N/Ti比為約0.4的2wt％的立方碳氮化物[(Ti，Ta，Nb)(C，N)]，以及晶粒尺寸為0.8μm的剩余WC；圖4示出了根據(jù)本發(fā)明的硬質(zhì)合金從表面向下到100μm的Co含量與深度的曲線圖，所述硬質(zhì)合金的成分包括6wt％的Co、0.5wt％的碳化鉻、具有0.5wt％的Ti且N/Ti比為約0.4的2wt％的立方碳氮化物((Ti，Ta，Nb)(C，N))，以及晶粒尺寸為0.8μm的剩余WC；和圖5示出了涂層的硬質(zhì)合金刀片在機(jī)械加工1分鐘之后40倍放大的頂視圖。C和E示出了嚴(yán)重月牙洼磨損(crater wear)。根據(jù)本發(fā)明的D和F示出了對(duì)月牙洼磨損的較好耐磨性并且因此表現(xiàn)出更長(zhǎng)的工具壽命。
具體實(shí)施例方式
本發(fā)明提供了一種制造硬質(zhì)合金刀片(比如用于切削工具的刀片)的方法，其具有在燒結(jié)狀態(tài)下粘結(jié)相材料水平可控的表面。尤其是，已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，硬質(zhì)合金表面上粘結(jié)相材料的水平能通過(guò)將相對(duì)少量的立方碳氮化物加入用于形成硬質(zhì)合金的粉末成分中來(lái)進(jìn)行控制。甚至對(duì)于尺寸為1.5μm或更小的那些碳化鎢晶粒、以及甚至下降到亞微細(xì)粒等級(jí)的硬質(zhì)合金等級(jí)，也能控制粘結(jié)相水平。
立方相在控制表面結(jié)合劑成分中所扮演的作用到目前為止還沒(méi)有被認(rèn)識(shí)到，因而完全是無(wú)法預(yù)期的。而且對(duì)于將對(duì)結(jié)合劑水平的作用與表面隔離開(kāi)從而使硬質(zhì)合金的其它區(qū)域相對(duì)而言不受影響的能力也是無(wú)法與其的。因而，加入相對(duì)少量立方碳氮化物，可以在表面處獲得受控水平的結(jié)合劑，并且在表面本身緊鄰的下面(即在所謂的表面區(qū)域)具有很少或沒(méi)有結(jié)合劑富集。這能通過(guò)將圖1和圖2-4相比較而看出。
“受控水平”的意思是碳化物制品表面上的粘結(jié)相數(shù)量可作為制造參數(shù)的函數(shù)而變化，尤其是，通過(guò)將立方碳氮化物加入粉末混合物和/或通過(guò)在燒結(jié)步驟期間加入氮?dú)?。通過(guò)改變?cè)诜勰┲屑尤氲幕蛟跓Y(jié)期間與氮?dú)庠谠匦纬傻牧⒎教嫉锏臄?shù)量和成分，表面處結(jié)合劑的數(shù)量能被控制到類似于硬質(zhì)合金塊體相中結(jié)合劑的數(shù)量，或者其能從塊體相水平下降。為了本發(fā)明的目的，優(yōu)選地將表面結(jié)合劑的數(shù)量控制為小于塊體相中結(jié)合劑的數(shù)量。在任一情況下，硬質(zhì)合金表面都沒(méi)有過(guò)多的有害粘結(jié)相層。表面結(jié)合劑水平的控制，以及尤其是防止結(jié)合劑不希望地聚集到高于塊體相中水平的能力，從而得到實(shí)現(xiàn)，而沒(méi)有與前述方法相關(guān)的問(wèn)題，前述方法舉例來(lái)說(shuō)通過(guò)在表面粘結(jié)相形成之后將其機(jī)械地移除，或者通過(guò)利用特殊的溫控設(shè)備來(lái)精密地控制燒結(jié)物的冷卻。
本發(fā)明的硬質(zhì)合金包括碳化鎢(WC)基的第一相，所述第一相由包括基于鈷(Co)、鐵(Fe)、鎳(Ni)或其組合的金屬結(jié)合劑的第二相所包圍，并且還包括立方碳氮化物和/或碳化物[(Ti，Zr，Hf，Ta，Nb)(C，N)]的混合物的附加相，所述附加相的數(shù)量足以抑制結(jié)合劑在燒結(jié)物和/或碳化鉻表面上的聚集。在一個(gè)特別優(yōu)選的實(shí)施例中，粘結(jié)相是鈷。
盡管可以使用具有大晶粒尺寸的碳化鎢等級(jí)，但是本發(fā)明的益處利用更精細(xì)的等級(jí)來(lái)實(shí)現(xiàn)。用作第一相的碳化鎢等級(jí)因而包括晶粒尺寸約為1.5μm或更小的，并且優(yōu)選地約為1.0μm或更小的那些等級(jí)。
當(dāng)對(duì)材料進(jìn)行燒結(jié)時(shí)，令人驚奇地發(fā)現(xiàn)，并未出現(xiàn)通常會(huì)出現(xiàn)的過(guò)多粘結(jié)相。如圖3和4所示，形成了沒(méi)有立方碳化物的區(qū)域，并且表面處粘結(jié)相濃度最多與硬質(zhì)合金塊體相同，并且一般來(lái)說(shuō)明顯較低。最終結(jié)果令人驚奇的是出現(xiàn)了一種沒(méi)有結(jié)合劑表面層的材料，并且該材料看起來(lái)且表現(xiàn)為類似于具有相同結(jié)合劑含量的基質(zhì)，而沒(méi)有立方碳氮化物。立方碳氮化物添加物的量足夠地小，以使得與沒(méi)有該添加物的硬質(zhì)合金相比，對(duì)物理性能(例如硬度和斷裂韌性)的影響最小，然而其量足夠地大，也就是說(shuō)，大于其室溫溶解度極限，使得在燒結(jié)硬質(zhì)合金冷卻期間立方相再沉淀。
雖然不受具體理論的限制，但是相信立方碳氮化物溶解在刀片的表面下面并且再沉淀在刀片中氮活性高于表面區(qū)域的塊體中，粘結(jié)相填充了表面下面由溶解的碳氮化物所留下的孔隙。
在本發(fā)明中有用的燒結(jié)技術(shù)在例如美國(guó)專利No.4,277,283、No.4,610,931、No.4,548,786、No.6,554,548和No.6,333,100以及WO98/16665中有詳細(xì)描述，所有這些的全部?jī)?nèi)容都通過(guò)參考結(jié)合于此。雖然這些專利所述的燒結(jié)技術(shù)類似于那些用于本發(fā)明的技術(shù)，但是現(xiàn)有專利描述的表面區(qū)域嚴(yán)重地富集鈷，并且因而與塊體材料相比，表面的材料特性有顯著差異。本發(fā)明優(yōu)選的燒結(jié)方法包括HIP燒結(jié)以及真空燒結(jié)，從而氮?dú)饽茉谶_(dá)到Ts之前通過(guò)立方相和/或作為氮?dú)饧尤?。所使用的燒結(jié)溫度在1380-1500℃的范圍內(nèi)，優(yōu)選地為1390-1460℃，并且燒結(jié)時(shí)間為10-90分鐘，優(yōu)選地為30-60分鐘。加入氮的量將通過(guò)燒結(jié)工藝期間立方相的溶解速度來(lái)決定凝固之后元素在硬質(zhì)合金中的總體分布。所要加入氮的最佳量取決于硬質(zhì)合金的成分并且尤其取決于立方相的量。確切的條件在一定程度上取決于所用燒結(jié)設(shè)備的設(shè)計(jì)。
在燒結(jié)后，粘結(jié)相將包含鎢和其它加入的元素，其量相應(yīng)于室溫下它們?cè)谡辰Y(jié)相中相應(yīng)的溶解度。僅僅是加入的鉻的量(如果有的話)優(yōu)選地低于粘結(jié)相在室溫下的溶解度極限。
在根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)優(yōu)選實(shí)施例中，用于精車不銹鋼和Ni基合金的刀片具有4.8-5.8wt％的Co含量、0.16-0.36wt％的碳化鉻、1.5-2.0wt％立方碳氮化物[(TiaTabNbc)(C，N)]，其中，(a+b+c)＝1；0.1＜a＜0.5；0.5＜b+c＜0.8且0.10＜N(mol)/Ti(mol)＜0.45，并且表面處的結(jié)合劑的量為大約2.5-3.0wt％。刀片具有1-3μm的(Ti1-xSix))N PVD覆層，其中x介于0.1-0.2之間，和/或其中x介于0.6-0.7之間的PVD(Ti1-xAlx))N涂層，碳化鎢相在磨削和拋光的典型橫截面上測(cè)得的平均截距長(zhǎng)度處于0.5-0.9μm的范圍內(nèi)。截距長(zhǎng)度借助于對(duì)放大1000倍的顯微照片進(jìn)行圖像分析來(lái)測(cè)量并計(jì)算為大約1000個(gè)截距長(zhǎng)度的平均值。在又一優(yōu)選實(shí)施例中，TiN和/或CrN和/或ZrN或其混合物的頂層沉積在最外面。
在另一個(gè)優(yōu)選實(shí)施例中，用于粗車不銹鋼和Ni基合金的介質(zhì)的刀片具有4.8-5.8wt％的Co含量、0.16-0.36wt％的碳化鉻、1.5-2.0wt％立方碳氮化物[(TiaTabNbc)(C，N)]，其中(a+b+c)＝1；0.1＜a＜0.5；0.5＜b+c＜0.8且0.10＜N(mol)/Ti(mol)＜0.45，并且表面處的結(jié)合劑的量為大約2.5-3.0wt％。刀片具有3-15μm的、主要由Al2O3構(gòu)成的CVD涂層，其中碳化鎢相的平均截距長(zhǎng)度處于0.5-0.9μm的范圍內(nèi)。在又一優(yōu)選實(shí)施例中，TiN和/或ZrN或其混合物的CVD頂層沉積在最外面。
在又一個(gè)優(yōu)選實(shí)施例中，用于車螺紋、開(kāi)槽和切斷的刀片具有7.5-8.5wt％的Co含量、0.26-0.52wt％的碳化鉻、1.5-2.0wt％立方碳氮化物[(TiaTabNbc)(C，N)]，其中(a+b+c)＝1；0.1＜a＜0.5；0.5＜b+c＜0.8且0.10＜N(mol)/Ti(mol)＜0.45，并且表面處結(jié)合劑的量為大約3.5-5wt％。刀片具有1-3μm的(Ti1-xSix)N的PVD涂層，其中x介于0.1-0.2之間，和/或其中x介于0.6.0.7之間的PVD(Ti1-xAlx)N涂層，碳化鎢相的平均截距長(zhǎng)度處于0.5-0.9μm的范圍內(nèi)。在又一優(yōu)選實(shí)施例中，TiN和/或CrN和/或ZrN或其混合物的頂層沉積在最外面。
在又一個(gè)優(yōu)選實(shí)施例中，用于銑削的刀片具有9.2-10.1wt％的Co含量、0.36-0.62wt％的碳化鉻、1.5-2.0wt％立方碳氮化物[(TiaTabNbc)(C，N)]，其中(a+b+c)＝1；0.1＜a＜0.5；0.5＜b+c＜0.8且0.10＜N(mol)/Ti(mol)＜0.45，并且表面處結(jié)合劑的量為大約4-5.5wt％。刀片具有1-3μm的(Ti1-xSix)N的PVD涂層，其中x介于0.1-0.2之間，和/或其中x介于0.6-0.7之間的PVD(Ti1-xAlx)N涂層，碳化鎢相的平均截距長(zhǎng)度處于0.5-0.9μm的范圍內(nèi)。在又一優(yōu)選實(shí)施例中，TiN和/或CrN和/或ZrN或其混合物的頂層沉積在最外面。
在又一個(gè)優(yōu)選實(shí)施例中，用于端銑硬化鋼的刀片具有4.6-5.3wt％的Co含量、0.20-0.35wt％的碳化鉻、1.5-2.0wt％立方碳氮化物[(TiaTabNbc)(C，N)]，其中(a+b+c)＝1；0.1＜a＜0.5；0.5＜b+c＜0.8且0.10＜N(mol)/Ti(mol)＜0.45，并且表面處結(jié)合劑的量為大約2-3wt％。刀片具有1-3μm的(Ti1-xSix)N的PVD涂層，其中x介于0.1-0.2之間，和/或其中x介于0.6-0.7之間的PVD(Ti1-xAlx)N涂層，碳化鎢相的平均截距長(zhǎng)度處于0.3-0.7μm的范圍內(nèi)。在又一優(yōu)選實(shí)施例中，TiN和/或CrN和/或ZrN或其混合物的頂層沉積在最外面。
根據(jù)本發(fā)明的硬質(zhì)合金的其它一般范圍和優(yōu)選范圍如下，所有百分比都基于粉末混合物的總重量。
結(jié)合劑包括從約3wt％至約15wt％，優(yōu)選地從約4wt％到約10wt％的粉末。立方碳氮化物包括不少于(0.17×Co含量)wt％，例如對(duì)于Co＝6wt％而言為1wt％，并且碳氮化物最多為4.0wt％；希望的是不少于(0.2×Co含量)wt％，例如對(duì)于Co＝6wt％而言為1.2wt％，并且碳氮化物最多為3.5wt％；優(yōu)選地是不少于(0.2×Co含量)wt％，例如對(duì)于Co＝6wt％而言為1.2wt％，并且碳氮化物最多為3.0wt％；并且最優(yōu)選地不超過(guò)(0.22×Co含量)wt％，例如對(duì)于Co＝6wt％而言為1.32wt％，并且碳氮化物最多為2.2wt％。碳化鉻從零至約2wt％，優(yōu)選地從約0.2wt％至約1.5wt％，對(duì)于晶粒尺寸小于1μm。表達(dá)為N/Ti的氮含量(摩爾比)大于約0.05且小于約0.6，優(yōu)選地大于約0.15且小于約0.55，并且余量WC具有從約0.2μm至約1.5μm的晶粒尺寸，優(yōu)選地具有從約0.4μm至約1.2μm的晶粒尺寸。另外，所述成分具有介于約0.08至約1.0之間的Ti/碳氮化物的重量比，這意味著碳氮化物成分的范圍能從純Ti(C，N)至僅具有少量Ti的成分。
本發(fā)明的方法為硬質(zhì)合金提供了對(duì)于可能基質(zhì)、幾何形狀和涂層組合的生產(chǎn)率和通用性的積極影響。這又導(dǎo)致了更高的總體生產(chǎn)率、更好的生產(chǎn)經(jīng)濟(jì)性和更好的產(chǎn)品。
根據(jù)本發(fā)明，燒結(jié)以常規(guī)的方式進(jìn)行并且不需要新設(shè)備的投資。立方碳氮化物相的最佳成分取決于硬質(zhì)合金的成分以及燒結(jié)條件。表面上結(jié)合劑的量能夠通過(guò)使用裝備有能量色散譜儀(EDS)的掃描電子顯微設(shè)備(SEM)、并將未知表面的密度與相同標(biāo)準(zhǔn)成分的拋光橫截面相比較來(lái)確定。
例子1A.)具有6.0wt％的Co、0.5wt％的碳化鉻和晶粒尺寸為0.8μm的余量WC、類型為CNMG120408的硬質(zhì)合金刀片，將其在1420℃下以常規(guī)方式(在Ts下60分鐘；P(ar)max＝30巴；并且從Ts的冷卻速率小于6℃/分鐘)進(jìn)行HIP燒結(jié)。表面用結(jié)合劑層覆蓋高達(dá)98％，如圖1所示。
B.)具有6.0wt％的Co、0.5wt％的碳化鉻、具有0.5wt％的Ti且N/Ti比約為0.4的2wt％的立方碳氮化物((Ti，Ta，Nb)(C，N))以及晶粒尺寸為0.8μm的余量WC、類型為CNMG120408的刀片以與上述相同的方式燒結(jié)，并且具有由約3wt％的Co所覆蓋的表面，這低于6wt％的標(biāo)稱值，如圖2所示。無(wú)碳化物區(qū)域?yàn)榇蠹s60-70μm深，且最大的Co富集為0.8wt％(Comax-Cobulk)。
例子2具有6.0wt％的Co、1.5wt％的立方碳化物和晶粒尺寸為1.5μm的余量WC、類型為SNUN 120408的硬質(zhì)合金刀片在Ts＝1460℃(在Ts下60分鐘；P(ar)＝50毫巴；并且從Ts的冷卻速率小于10℃/分鐘)下以常規(guī)方式進(jìn)行真空燒結(jié)。表面用結(jié)合劑層覆蓋高達(dá)45％。具有6.0wt％的Co、具有0.25wt％的Ti且N/Ti比為約0.4的1.5wt％的立方碳氮化物((Ti，Ta，Nb)(C，N))、以及晶粒尺寸為1.5μm的余量WC的刀片以與上述相同的方式燒結(jié)，具有用約3wt％的Co所覆蓋的表面，這低于6wt％的標(biāo)稱值。無(wú)碳化物區(qū)域?yàn)榇蠹s60-70μm深，且最大的Co富集為0.7wt％(Comax-Cobulk)。
例子3這個(gè)例子將示出本發(fā)明在加工中的優(yōu)點(diǎn)。
C.)利用PVD技術(shù)，用3μm的(Ti35Al75)N/TiN涂層來(lái)覆蓋A的刀片。
D.)利用PVD技術(shù)，用3μm的(Ti35Al75)N/TiN涂層來(lái)覆蓋B的刀片。
E.)利用MTCVD和CVD技術(shù)，用2μm的Ti(C，N)N/TiN和2μm的Al2O3涂層來(lái)覆蓋A的刀片。
F.)利用MTCVD和CVD技術(shù)，用2μm的Ti(C，N)N/TiN和2μm的Al2O3涂層來(lái)覆蓋B的刀片。
測(cè)試C和E的刀片，并就縱向車削操作中的工具壽命與D和F的刀片相比較。
切削時(shí)間60秒材料不銹鋼316L切削速度140米/分鐘進(jìn)給0.4毫米/轉(zhuǎn)切削深度2毫米備注濕車削測(cè)試結(jié)果如圖5所示，其中示出了根據(jù)本發(fā)明的硬質(zhì)合金刀片D和F比現(xiàn)有技術(shù)的C和E顯示了更長(zhǎng)的工具壽命，具體地是針對(duì)月牙洼磨損。本發(fā)明顯示了將含有等于或低于標(biāo)稱粘結(jié)相含量的硬質(zhì)合金表面與CVD和MTCVD或PVD技術(shù)相結(jié)合的優(yōu)點(diǎn)。
在前述詳細(xì)說(shuō)明中已經(jīng)描述了本發(fā)明的原理、優(yōu)選實(shí)施例和操作方式。然而，將要在這里進(jìn)行的發(fā)明并不視為限于所公開(kāi)的具體形式，因?yàn)檫@些都被認(rèn)為是示例性的而非限制性的。本領(lǐng)域的技術(shù)人員在不背離本發(fā)明精神的情況之下能作出變化和改變。
權(quán)利要求
1.一種制造硬質(zhì)合金的方法，包括以下步驟提供碳化鎢、結(jié)合劑以及含有IVB族元素(Ti，Zr，Hf)的碳氮化物，其中該結(jié)合劑從由鈷、鐵、鎳及其混合物所構(gòu)成的組中選擇；將該混合物形成為具有表面和位于所述表面下面的表面區(qū)域的成形物品；和燒結(jié)所述成形物品，并且同時(shí)維持表面處的結(jié)合劑的濃度不大于所述物品塊體內(nèi)的結(jié)合劑濃度。
2.根據(jù)權(quán)利要求1的方法，其中維持表面處的結(jié)合劑的濃度的步驟包括提供一定量的含有IVB族元素的碳氮化物，其量足以抑制所述結(jié)合劑在所述表面上的聚集。
3.根據(jù)權(quán)利要求1的方法，其中在燒結(jié)硬質(zhì)合金中的粘結(jié)相的分布基本上不受所述碳氮化物存在的影響。
4.根據(jù)權(quán)利要求1的方法，包括通過(guò)化學(xué)氣相沉積來(lái)涂敷至少一個(gè)涂層的步驟。
5.根據(jù)權(quán)利要求1的方法，包括通過(guò)物理氣相沉積來(lái)涂敷至少一個(gè)涂層的步驟。
6.一種燒結(jié)硬質(zhì)合金，包括從由鈷、鐵、鎳及其混合物所構(gòu)成的組中選擇的結(jié)合劑、從大約1.0wt％至小于4wt％范圍內(nèi)的立方碳氮化物，其包括元素[Ti、Zr或Hf]中的至少一種，其量足以抑制所述結(jié)合劑在該燒結(jié)硬質(zhì)合金的表面上的聚集、以及平均晶粒尺寸為大約1.5μm或更小的余量碳化鎢。
7.根據(jù)權(quán)利要求6的硬質(zhì)合金，其中所述混合物中碳氮化物的量不小于所述混合物中鈷的量的大約0.17倍。
8.根據(jù)權(quán)利要求6的硬質(zhì)合金，其中所述混合物中碳氮化物的最大量為大約3.5wt％。
9.根據(jù)權(quán)利要求8的硬質(zhì)合金，其中所述混合物中碳氮化物的量不小于所述混合物中鈷的量的大約0.20倍。
10.根據(jù)權(quán)利要求6的硬質(zhì)合金，其中所述混合物中碳氮化物的最大量為大約3.0wt％。
11.根據(jù)權(quán)利要求10的硬質(zhì)合金，其中所述混合物中碳氮化物的量不小于所述混合物中鈷的量的大約0.20倍。
12.根據(jù)權(quán)利要求6的硬質(zhì)合金，其中所述混合物中碳氮化物的最大量為大約2.2wt％。
13.根據(jù)權(quán)利要求12的硬質(zhì)合金，其中所述混合物中碳氮化物的量不小于所述混合物中鈷的量的大約0.22倍。
14.根據(jù)權(quán)利要求6的硬質(zhì)合金，其中還包括其量大于零且直至大約2wt％的碳化鉻。
15.根據(jù)權(quán)利要求6的硬質(zhì)合金，其中還包括其量大于零且直至大約1.0wt％的碳化鉻。
16.根據(jù)權(quán)利要求6的硬質(zhì)合金，其中碳化鎢具有從大約0.2μm至大約1.5μm的平均晶粒尺寸。
17.根據(jù)權(quán)利要求6的硬質(zhì)合金，其中碳化鎢具有從大約0.4μm至大約1.2μm的平均晶粒尺寸。
18.根據(jù)權(quán)利要求6的硬質(zhì)合金，其中結(jié)合劑包括鈷并且其中所述表面處的鈷結(jié)合劑的量是塊體相中結(jié)合劑量的大約50％至大約75％。
19.根據(jù)權(quán)利要求6的硬質(zhì)合金，其中所述硬質(zhì)合金的碳氮化物成分具有介于大約0.08和大約1.0之間的Ti/碳氮化物的重量比。
20.根據(jù)權(quán)利要求6的硬質(zhì)合金，其中還包括至少一個(gè)通過(guò)化學(xué)氣相沉積涂敷的涂層。
21.根據(jù)權(quán)利要求6的硬質(zhì)合金，其中還包括至少一個(gè)通過(guò)物理氣相沉積涂敷的涂層。
22.根據(jù)權(quán)利要求6的硬質(zhì)合金，其中碳化鎢具有1.0μm或更小的晶粒尺寸。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種制造表面沒(méi)有有害粘結(jié)相層的硬質(zhì)合金的方法。這通過(guò)將受控量的碳氮化物包括在碳化物成分內(nèi)而獲得。本發(fā)明還涉及如此形成的硬質(zhì)合金。
文檔編號(hào)C22C1/05GK101048522SQ200580037010
公開(kāi)日2007年10月3日 申請(qǐng)日期2005年10月31日 優(yōu)先權(quán)日2004年10月29日
發(fā)明者羅爾夫·奧洛夫松, 尼克拉斯·阿倫 申請(qǐng)人:山高刀具公司