專利名稱：包括含鈷－鎳－鐵粘結(jié)劑的金屬陶瓷刀片的挖掘型工具的制作方法
背景技術(shù)：
本發(fā)明涉及在軸向前端具有硬的刀片的挖掘型工具(pick-styletool)，例如，道路平整工具或者點擊式采礦工具或者自由面長壁作業(yè)(open-face Longwall)工具。典型地，所述挖掘工具已用于穿透地層或者其它基底(例如，瀝青路面)，其中，所述挖掘型工具或者以可轉(zhuǎn)動方式，或者以不可轉(zhuǎn)動方式，由驅(qū)動部件(例如，鼓輪(drum)或者鏈條)進行帶動。
所述典型的挖掘型工具在軸向前端連接有硬質(zhì)刀片。所述硬質(zhì)刀片是所述挖掘型工具中首先撞擊地層或者其它基底的部分。所述硬質(zhì)刀片包含碳化鎢金屬陶瓷(WC-金屬陶瓷)，也稱為鈷結(jié)碳化鎢硬質(zhì)合金和WC-Co。這里，鈷粘結(jié)劑(Co粘結(jié)劑)將碳化鎢粒子粘合一起。盡管由具有Co粘結(jié)劑的WC-金屬陶瓷制造的硬質(zhì)刀片已得到成功應(yīng)用，但仍存在一些不足之處。
一個不足之處是高達45％的世界主要鈷產(chǎn)量來自于政治不穩(wěn)定地區(qū)(如，在過去的十年間，已發(fā)生武裝革命或者和平革命，而且仍將會發(fā)生其它革命的地區(qū))。每年世界主要鈷市場的約15％用于制造包括WC-金屬陶瓷的硬材料、每年世界主要鈷市場的約26％用于制造為先進的航空汽輪發(fā)動機而開發(fā)的超級合金-此為鈷被認為是一種戰(zhàn)略性材料的原因之一。所述這些因素不僅造成鈷的成本很高，而且也說明了鈷的價格波動為什么捉摸不定。因此，鈷一直比較貴，這進而又造成WC-金屬陶瓷硬質(zhì)刀片的價格以及整個挖掘型工具的價格的上升。所述挖掘型工具的價格的增加一直是硬質(zhì)刀片使用Co粘結(jié)劑所造成的一個不令人滿意的結(jié)果。因此，有必要降低WC-金屬陶瓷的硬質(zhì)刀片的粘結(jié)劑中的鈷含量。
另外，由于主要的產(chǎn)地的鈷儲藏量最大，因此，有可能因上述原因之一造成鈷的供應(yīng)中斷。當然，不能得到鈷是不希望發(fā)生的事情。
挖掘型工具在腐蝕性環(huán)境中工作。盡管所述WC-金屬陶瓷的硬質(zhì)刀片在這種環(huán)境中使用就已綽綽有余，但仍需要開發(fā)一種耐腐蝕性得到改善，同時，磨損性能與WC-金屬陶瓷的硬質(zhì)刀片基本相當?shù)挠操|(zhì)刀片。
盡管WC-金屬陶瓷的硬質(zhì)刀片已得到成功應(yīng)用，但是仍然需要提供一種不存在價格高且可能中斷供應(yīng)等缺點的硬質(zhì)刀片，如前所述，所述缺點與鈷的使用密不可分。也需要開發(fā)一種在腐蝕性環(huán)境中使用的硬質(zhì)刀片，所述刀片具有改善的耐腐蝕性，同時又具有與具有Co粘結(jié)劑的WC-金屬陶瓷基本相當?shù)哪p性能。
簡述在一個實施方案中，本發(fā)明是一種包含細長的工具主體的挖掘型工具，所述工具主體具有一個軸向前端和一個軸向后端。硬質(zhì)刀片在軸向前端與工具主體結(jié)合一起。所述硬質(zhì)刀片的化學組成包含約5～27wt％(重量比)粘結(jié)劑，和約73-95wt％的碳化鎢(WC)。所述粘結(jié)劑包括一種鈷-鎳-鐵粘結(jié)劑(Co-Ni-Fe粘結(jié)劑)。
在另一個實施方案中，本發(fā)明是一種應(yīng)用于挖掘型工具中的硬質(zhì)刀片，所述挖掘型工具包括帶有一個軸向前端的細長工具主體。所述硬質(zhì)刀片在所述軸向前端與工具主體連接一起。所述硬質(zhì)刀片的化學組成包含約5～27wt％的粘結(jié)劑和約73～95wt％的碳化鎢(WC)。所述粘結(jié)劑包括一種Co-Ni-Fe粘結(jié)劑。
在又一個實施方案中，本發(fā)明涉及一種包含細長的工具主體的可旋轉(zhuǎn)的切削工具，所述工具主體具有一個軸向前端，硬質(zhì)刀片在該軸向前端與工具主體連接一起。所述硬質(zhì)刀片的化學組成含有約5～27wt％的粘結(jié)劑。所述粘結(jié)劑包含至少約40wt％鈷，但不超過約90wt％鈷，余下部分由鎳和鐵以及任選的附帶雜質(zhì)組成，其中，鎳含量至少為約4wt％，鐵含量至少約4wt％，所述碳化鎢的晶粒尺寸為約1-30μm。
即使不存在那些未在此處具體公開的元素、步驟、組元、或成分，此處說明性公開的本發(fā)明也可以得到適當實施。
附圖簡述下面是對構(gòu)成本專利申請的一部分的附圖的簡要說明

圖1是一種可轉(zhuǎn)動的挖掘型工具的側(cè)視圖，所述工具被旋轉(zhuǎn)保持在一塊形結(jié)構(gòu)中，圖中，已將部分塊結(jié)構(gòu)去除掉，以便展現(xiàn)出所述挖掘型工具(例如，安裝到道路平整鼓輪上的道路平整工具或者安裝到采礦鼓輪上的采礦工具)；以及圖2是一種長壁型采礦工具的側(cè)視圖，所述采礦工具是一種用刀夾以不可轉(zhuǎn)動方式固定的不可轉(zhuǎn)動的挖掘型采礦工具，所述刀夾被安裝到驅(qū)動鏈條或者其它驅(qū)動部件上。
描述參照圖1，所說明的是一般如圖中20所示的可轉(zhuǎn)動的挖掘型工具。道路整平工具以及挖掘型采礦工具均可看作是可轉(zhuǎn)動的挖掘型工具20。挖掘型工具20具有細長的鋼主體22，所述鋼主體22上有一個軸向后端24和一個相對的軸向前端26。硬質(zhì)刀片(或者刀頭)28與工具主體22的軸向前端26上的承窩連接一起。下面將對制造硬質(zhì)刀片28的材料的化學組成進行詳細討論。
所述挖掘型工具20旋轉(zhuǎn)安裝在塊體30中。塊體30包括一個鏜孔32，工具20的后部(或者柄部)借助彈性定位套管34的作用而保持在所述鏜孔32中，所述套管34例如是在DenBesten等的美國專利4,201,421中介紹的套管，在此引入作為參考。所述塊體30可以安裝到道路平整或者采礦工具的鼓輪36上，或者安裝到本領(lǐng)域所知曉的其它驅(qū)動機構(gòu)如鏈條上。在使用過程中，所述挖掘型工具20圍繞其中心長軸A-A旋轉(zhuǎn)。在Prizzi等的美國專利5,219,209中對所述道路平整工具20，以及，尤其是所述硬質(zhì)刀片28的幾何形狀作了進一步的介紹，所述美國專利的名稱是ROTATABLE CUTTING BIT INSERT，受讓人是Kennametal Inc.，Latrobe，Pennsylvania，也是本發(fā)明的受讓人。在此引入美國專利5,219,209作參考。
參照圖2，所說明的是一種一般標記為40的不可轉(zhuǎn)動的長壁型采礦工具。所述長壁采礦工具40可看成是一種挖掘型采礦工具。長壁工具40包括具有一個前端44和一個后端46的細長的鋼主體42。所述主體42上存在一個與其后端46相鄰的后部柄部48。所述后部柄部48一般具有矩形截面。硬質(zhì)刀片50與工具主體42的前端44上的基座連接一起。下面將對制造所述硬質(zhì)刀片50的材料的化學組成進行詳細討論。在使用期間，所述長壁工具40不圍繞其中心長軸旋轉(zhuǎn)。
在這一方面，用于制造挖掘型工具20(用來進行道路平整或采礦)的硬質(zhì)刀片28或者長壁型采礦工具40的硬質(zhì)刀片50的具有Co-Ni-Fe粘結(jié)劑的WC金屬陶瓷的化學組成包括含有Co-Ni-Fe粘結(jié)劑和碳化鎢(WC)的WC-金屬陶瓷。所述Co-Ni-Fe粘結(jié)劑中的鈷至少約40wt％，但不超過90wt％，余下部分由鎳和鐵以及任選的附帶雜質(zhì)組成，其中，鎳含量至少約4wt％，鐵含量至少約4wt％。本申請人相信，應(yīng)優(yōu)選包含不超過約36wt％Ni和不超過約36wt％Fe的Co-Ni-Fe粘結(jié)劑。所述Co-Ni-Fe粘結(jié)劑的一個優(yōu)選的化學組成包括約40-90wt％Co，約4～36wt％Ni，約4～36wt％Fe，并且，Ni∶Fe比值為1.5∶1-1∶1.5。所述Co-Ni-Fe粘結(jié)劑的一個更優(yōu)選的化學組成包含約40-90wt％Co，并且，Ni∶Fe之比值為約1∶1。所述Co-Ni-Fe粘結(jié)劑的一個甚至更優(yōu)選的化學組成包括鈷∶鎳∶鐵之比值為約1.8∶1∶1。
本發(fā)明的Co-Ni-Fe粘結(jié)劑是獨一無二的，原因在于甚至在發(fā)生塑性變形時，所述粘結(jié)劑仍保持其面心立方(fcc)晶體結(jié)構(gòu)不變，并且能避免應(yīng)力和/或應(yīng)變誘發(fā)的轉(zhuǎn)變發(fā)生。本申請已對具有Co-Ni-Fe粘結(jié)劑的金屬陶瓷的強度和疲勞性能進行了測量，結(jié)果是其彎曲強度高達約2400兆帕斯卡(MPa)，循環(huán)疲勞(約室溫下彎曲200,000個循環(huán))強度為約1550MPa。本申請人認為，在上述的應(yīng)力和/或應(yīng)變水平下，所述Co-Ni-Fe粘結(jié)劑中基本不會有應(yīng)力和/或應(yīng)變誘發(fā)的相變發(fā)生，因此，具有較優(yōu)的性能。
WC-金屬陶瓷中Co-Ni-Fe粘結(jié)劑的優(yōu)選范圍為約5～27wt％。WC-金屬陶瓷中Co-Ni-Fe粘結(jié)劑的一個更優(yōu)選的范圍為約5-19wt％。WC-金屬陶瓷中Co-Ni-Fe粘結(jié)劑的一個甚至更優(yōu)的范圍為約5-13wt％。
所述WC-金屬陶瓷中的碳化鎢(WC)晶粒尺寸范圍最寬約為1-30μm。所述WC的晶粒尺寸的居中范圍約1-25μm。
本申請人的意圖是，此處所公開的，例如粘結(jié)劑含量、粘結(jié)劑化學組成、Ni∶Fe比值、硬質(zhì)組元的晶粒尺寸、硬質(zhì)組元含量等的范圍的兩端點間的每一個增量均包括在本文范圍中，就仿佛對所述每個增量進行了具體說明一樣。例如，約5-27wt％的粘結(jié)劑含量范圍包括約1wt％的增量，因此，其具體應(yīng)包括約5wt％，6wt％，7wt％，…25wt％，26wt％，27wt％的粘結(jié)劑。而例如對于粘結(jié)劑的化學組成而言，約40-90wt％的鈷含量范圍包括約1wt％的增量，因此，其具體應(yīng)包含40wt％，41wt％，42wt％，…88wt％，89wt％和90wt％的鈷，而約4-36wt％的鎳和鐵的含量范圍均包括約1wt％的增量，因此，其具體應(yīng)包含4wt％，5wt％，6wt％，…34wt％，35wt％，和36wt％。另外，例如，約1.5∶1-1∶1.5的Ni∶Fe比值范圍包括約0.1的增量，因此，其包含的具體比值為1.5∶1，1.4∶1，…1∶1，…1∶1.4和1∶1.5。再者，例如，約1-30μm的硬質(zhì)組元的晶粒尺寸包括約1μm的增量，因此，其具體包含的尺寸為約1μm，2μm，3μm，…28μm，29μm和30μm。
下面對本發(fā)明進行說明。下面的描述中對本發(fā)明的各個方面進行了證實和闡明，但是，不應(yīng)把所作的描述看成是對本發(fā)明的范圍的限制。
如表1所示，采用傳統(tǒng)的粉末技術(shù)生產(chǎn)出具有本發(fā)明的Co-Ni-Fe粘結(jié)劑的WC-金屬陶瓷和作為對照的具有Co粘結(jié)劑的傳統(tǒng)WC-金屬陶瓷，介紹所述傳統(tǒng)粉末技術(shù)的文獻例如有Kenneth J.A.Brookes的“World Directory and Handbook of HARDMETALS AND HARDMATERIALS”第六版，International Carbide DATA(1996)；GeorgeSchneider的“PRINCIPLES OF TUNGSTEN CARBIDE ENGINEERING”第二版，Society of Carbide and Tool Engineers (1989)；P.Schwarzkopf和R.Kieffer的“CEMENTED CARBIDES”，The MacmillanCompany(1960)-在此引入上述文獻，以供參考。特別是，表1歸納列出了本發(fā)明的WC-金屬陶瓷以及作為對照的現(xiàn)有技術(shù)的具有Co粘結(jié)劑的WC-金屬陶瓷中的粘結(jié)劑名義含量(wt％)，粘結(jié)劑名義組成，以及硬組元的化學組成和含量(wt％)。這就是說，已獲得的用于如表1所示的本發(fā)明的和傳統(tǒng)的化學組成的各種市售成分在獨立的碾磨機中與己烷混合，均勻混合時間為約4.5小時。在由各種成分組成的均勻混合的混合物經(jīng)過適當?shù)母稍锖?，就壓制成具有用于進行性能評價的板材形狀的生坯。通過在約1570℃下的真空燒結(jié)來對所述生坯進行致密化處理，時間約1小時。
表1

*原始粉末-80+400目(粒子尺寸為約38～180μm)的粗晶碳化鎢，生產(chǎn)商kennametal Inc.Fallon，Nevada。
如表2所示，測定了本發(fā)明的和傳統(tǒng)WC-金屬陶瓷的密度(g/cm3)，磁飽和值(0.1μTm3/kg)，矯頑力(Oe，測定方法國際標準ISO3326硬質(zhì)合金-矯頑力(磁化強度)的測定)，硬度(HV30，測量方法國際標準ISO 3878硬質(zhì)合金-Vickers硬度測量)，橫向斷裂強度(MPa，測量方法國際標準ISO 3327/B型硬質(zhì)合金-橫向斷裂強度的測定)和孔隙率(測量方法國際標準ISO 4505硬質(zhì)合金-孔隙率和未結(jié)合碳的金相測定)。與具有Co粘結(jié)劑的傳統(tǒng)WC-金屬陶瓷相比，具有Co-Ni-Fe粘結(jié)劑的WC-金屬陶瓷的硬度與之相當，但橫向斷裂強度卻得到改善。
表2

因此可看出，本申請人的發(fā)明所提供的挖掘型工具，以及挖掘型工具的硬質(zhì)刀片克服了用鈷作為硬質(zhì)刀片中的粘結(jié)劑所存在的某些固有缺陷。更具體而言，在所述硬質(zhì)刀片中使用Co-Ni-Fe粘結(jié)劑而不是Co粘結(jié)劑，能夠降低硬質(zhì)刀片的成本，并且，因此，降低整個挖掘型工具的成本。在所述硬質(zhì)刀片中使用Co-Ni-Fe粘結(jié)劑而不是使用Co粘結(jié)劑，可以減小由于擁有主要鈷資源的國家的政治不穩(wěn)定性而導致無法獲得粘結(jié)劑合金中的主要組元，即鈷的可能。而且，顯而易見的是，本申請人的發(fā)明提供的挖掘型工具，以及挖掘型工具的硬質(zhì)刀片具有改善的耐腐蝕性，而其磨損性能與碳化鎢-鈷硬質(zhì)刀片相當，并未受到損害。
在此引入的專利和其它文件作為參考。
從此處公開的本發(fā)明的說明書或者實施過程的角度考慮，本發(fā)明其它實施方案對于本領(lǐng)域的技術(shù)人員而言都是顯而易見的。意思是說，本說明書和實施例只具有說明性作用，本發(fā)明的真實范圍和精神由附后的權(quán)利要求書確定。
權(quán)利要求
1.一種挖掘型工具，包括一個具有軸向前端和軸向后端的細長的工具主體；一個在其軸向前端與所述工具主體連接一起的硬質(zhì)刀片；所述硬質(zhì)刀片包括一種WC-金屬陶瓷，所述WC-金屬陶瓷含有碳化鎢和約5-27wt％的Co-Ni-Fe粘結(jié)劑，所述Co-Ni-Fe粘結(jié)劑含有約40-90wt％鈷，該粘結(jié)劑的其余部分由鎳和鐵以及任選的附帶雜質(zhì)組成，其中，鎳為約4-36wt％，鐵為約4-36wt％，Ni∶Fe比值約1.5∶1-1∶1.5。
2.根據(jù)權(quán)利要求1的挖掘型工具，其中，所述WC-金屬陶瓷包含約5-19wt％的Co-Ni-Fe粘結(jié)劑。
3.根據(jù)權(quán)利要求1的挖掘型工具，其中，所述WC-金屬陶瓷包含約5-13wt％的Co-Ni-Fe粘結(jié)劑。
4.根據(jù)權(quán)利要求1的挖掘型工具，其中，所述Co-Ni-Fe粘結(jié)劑包含約46-57wt％的鈷。
5.根據(jù)權(quán)利要求1的挖掘型工具，其中，所述Co-Ni-Fe粘結(jié)劑包含約40-90wt％鈷，并且其Ni∶Fe比值為約1∶1。
6.根據(jù)權(quán)利要求1的挖掘型采礦工具，其中，所述Co-Ni-Fe粘結(jié)劑中的鈷∶鎳∶鐵之比值為約1.8∶1∶1。
7.根據(jù)權(quán)利要求1的挖掘型工具，其中，所述碳化鎢的晶粒尺寸為約1-30μm。
8.根據(jù)權(quán)利要求1的挖掘型工具，其中，所述碳化鎢的晶粒尺寸為約1-25μm。
9.根據(jù)權(quán)利要求1的挖掘型工具，其中所述Co-Ni-Fe粘合劑包含在塑性變形時不發(fā)生應(yīng)力和應(yīng)變誘發(fā)的轉(zhuǎn)變的并基本保持其面心立方結(jié)構(gòu)(fcc)不變的fcc結(jié)構(gòu)。
10.根據(jù)權(quán)利要求1的挖掘型工具，其中，所述Co-Ni-Fe粘結(jié)劑包括面心立方固溶合金。
11.根據(jù)權(quán)利要求1的挖掘型工具，其中，所述工具主體具有一個中心長軸，而且，所述工具在使用期間可圍繞其中心長軸轉(zhuǎn)動。
12.根據(jù)權(quán)利要求1的挖掘型工具，其中，所述工具主體具有一個中心長軸，而且，所述工具在使用期間不能圍繞其中心長軸轉(zhuǎn)動。
13.應(yīng)用于挖掘型工具中的硬質(zhì)刀片，該工具包括帶有一個軸向前端的細長工具主體，其中，所述硬質(zhì)刀片在其軸向前端與所述工具主體連接一起，所述硬質(zhì)刀片包括一種WC-金屬陶瓷，所述WC-金屬陶瓷含有碳化鎢和約5-27wt％的Co-Ni-Fe粘結(jié)劑，所述Co-Ni-Fe粘結(jié)劑含有約40-90wt％的鈷，其余下部分由鎳和鐵以及任選的附帶雜質(zhì)組成，其中，鎳為約4-36wt％，鐵為約4-36wt％，并且，Ni∶Fe比值為約1.5∶1-1∶1.5。
14.根據(jù)權(quán)利要求13的硬質(zhì)刀片，其中，所述WC-金屬陶瓷包含約5-19wt％的Co-Ni-Fe粘結(jié)劑。
15.根據(jù)權(quán)利要求13的硬質(zhì)刀片，其中，所述WC-金屬陶瓷包含約5-13wt％的Co-Ni-Fe粘結(jié)劑。
16.根據(jù)權(quán)利要求13的硬質(zhì)刀片，其中，所述Co-Ni-Fe粘結(jié)劑包含面心立方固溶合金。
17.根據(jù)權(quán)利要求13的硬質(zhì)刀片，其中，所述Co-Ni-Fe粘結(jié)劑包含約46-57wt％的鈷。
18.根據(jù)權(quán)利要求13的硬質(zhì)刀片，其中，所述Co-Ni-Fe粘結(jié)劑含有約40-90wt％鈷，而且其中的Ni∶Fe比值為約1∶1。
19.根據(jù)權(quán)利要求13的硬質(zhì)刀片，其中，所述Co-Ni-Fe粘結(jié)劑中的鈷∶鎳∶鐵之比值為約1.8∶1∶1。
20.根據(jù)權(quán)利要求13的硬質(zhì)刀片，其中，所述碳化鎢的晶粒尺寸為約1-30μm。
21.根據(jù)權(quán)利要求13的硬質(zhì)刀片，其中，所述碳化鎢的晶粒尺寸為約1-25μm。
22.一種可轉(zhuǎn)動的切削工具，其包含一個具有軸向前端的細長的工具主體；和一個在其軸向前端與工具主體連接一起的硬質(zhì)刀片；以及所述硬質(zhì)刀片包括一種WC-金屬陶瓷，所述WC-金屬陶瓷基本上由約1-30μm的碳化鎢和約5-27wt％的固溶型面心立方的Co-Ni-Fe粘結(jié)劑組成，所述Co-Ni-Fe粘結(jié)劑含有約40-90wt％的鈷，其余下部分由鎳和鐵以及任選的附帶雜質(zhì)組成，其中的鎳為約4-36wt％，鐵為約4-36wt％，而且，Ni∶Fe比值為約1.5∶1-1∶1.5。
全文摘要
公開了一種挖掘型工具,所述挖掘型工具包括一個帶有軸向前端(26)和軸向后端(24)的細長工具主體(22),和一個在所述軸向前端與工具主體連接一起的硬質(zhì)刀片(28)。所述硬質(zhì)刀片包括一種含有碳化鎢和約5—27wt%的Co－Ni－Fe粘結(jié)劑的WC－金屬陶瓷。所述Co－Ni－Fe粘結(jié)劑的特征是甚至在發(fā)生塑性變形時,所述粘結(jié)劑仍基本上保持其面心立方(fcc)的晶體結(jié)構(gòu)不變,能避免應(yīng)力和/或應(yīng)變誘發(fā)的轉(zhuǎn)變發(fā)生。
文檔編號E21C35/18GK1268190SQ98808522
公開日2000年9月27日 申請日期1998年8月20日 優(yōu)先權(quán)日1997年8月27日
發(fā)明者H－W·海恩里克, M·沃爾夫, D·施米德特, U·施勒因克夫 申請人:鈷碳化鎢硬質(zhì)合金公司