專利名稱：燒結(jié)體及其制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種由硬金屬組成、特別是由一種以含有Co、Ni和/或Fe粘結(jié)劑的WC為基的硬金屬組成的燒結(jié)體，或者是由金屬陶瓷組成的燒結(jié)體、特別是由一種含有由Co、Ni和/或Fe構(gòu)成為粘結(jié)劑的(Ti，W)(C，N)或(Ti，Mo)(C，N)組成的金屬陶瓷。
另外，本發(fā)明還涉及一種制備這種燒結(jié)體的方法。
所述種類的燒結(jié)體可特別作為刀片鑲?cè)杏糜谇邢骷庸ぬ幚碇小?br> 本發(fā)明的任務(wù)在于提供一種具有更好切削性能的燒結(jié)體。另外本發(fā)明還提供一種制備該類燒結(jié)體的方法，該方法能使加工時間更短并且在盡可能深的滲透區(qū)內(nèi)對組織產(chǎn)生影響。
該任務(wù)可通過如權(quán)利要求1所述的燒結(jié)體或通過如權(quán)利要求6所述的方法來解決。
本發(fā)明的進一步方案記載在從屬權(quán)利要求中。
原則上，特別是以氮化滲氮或硝化滲氮或者硝基滲碳形式進行的等離子體擴散處理過程是一種應(yīng)用己久的用以調(diào)質(zhì)改進鋼表面的方法，其用以提高鋼的耐熔焊性和耐腐蝕性。最近，也有對鈦合金和鎢鉻鈷合金進行等離子擴散處理的方法，通過滲入作用而改變該合金體邊緣區(qū)域的組織，方法是構(gòu)成一個擴散區(qū)，或者一個或多個結(jié)合層。所滲入的物質(zhì)可以是諸如氮或碳，除了可能會改變晶格的間距外，它們不會改變基質(zhì)材料的結(jié)晶學(xué)結(jié)構(gòu)。在這一擴散層或近表面區(qū)域上可以形成單一或多個結(jié)合層，它們構(gòu)成了例如將基質(zhì)材料的元素與滲入的物質(zhì)粘結(jié)起來的另一相。
公開號為JP05302140A的文獻摘要中公開了一種金屬陶瓷，其由硬質(zhì)相如TiCN和粘結(jié)金屬如Co和Ni組成并且要置于一個氣相的氮等離子體氣氛中，其中的等離子體通過高頻或微波放電產(chǎn)生。這里，會形成10至500μm厚的氮化物區(qū)，在該區(qū)域中含有均勻分布且粒徑≤0.1μm的TiN顆粒。與此相反，在本發(fā)明的燒結(jié)體中，在近表面區(qū)域內(nèi)含有通過等離子體激發(fā)的氣相而形成的其他組織成分，其粒徑大小為該組織成分的尺度數(shù)量級，并且該組織成分中通常具有硬質(zhì)金屬和金屬陶瓷組成的硬質(zhì)成分。等離子體激活的氣相中所含有的、滲入到表面中去的物質(zhì)可以是可被激發(fā)成為等離子體狀態(tài)的氮、碳、硼、金屬。與純粹以熱激發(fā)的氣相不同，進行等離子激發(fā)的氣相處理的燒結(jié)體具有一個甚至在更深的范圍內(nèi)受到影響的表面區(qū)域。等離子激發(fā)的氣相可根據(jù)等離子體的氣體組成的不同，也能在近表面區(qū)域?qū)崿F(xiàn)純化和/或還原作用，在平整度方面改善表面粗糙度以及形成全新的組織成分(相)及排列。根據(jù)本發(fā)明，近表面邊界區(qū)的組成也可以改善其后施涂的由碳化物、氮化物、氧化物、硼化物或碳或這些物質(zhì)混合物構(gòu)成的涂層的粘結(jié)性。等離子體激發(fā)的處理過程也能對粘結(jié)劑相產(chǎn)生影響，例如等離子體激發(fā)的氮可導(dǎo)致形成鈷-鎳-或鐵的氮化物，而利用熱激發(fā)的氮是無法實現(xiàn)這一點的。
優(yōu)選本發(fā)明燒結(jié)體具有其中由于遷移和/或擴散而含有來自于等離子體激發(fā)的氣相的物質(zhì)或是由此形成的化合物的邊緣區(qū)域。受影響的邊界區(qū)域的深度可通過選擇工藝參數(shù)溫度、壓力和處理時間以及例如該邊界區(qū)域的組織不均勻性控制在不超過1200μm的范圍內(nèi)。
特別的，由于等離子體激發(fā)的氣相，在邊界區(qū)域中還另外含有粒徑≥0.2μm的氮化物顆粒。
為制備這種燒結(jié)體，采用一種方法，其中粉末冶金學(xué)地預(yù)處理硬金屬或金屬陶瓷并壓制成坯體，然后在加熱到燒結(jié)溫度過程中、在燒結(jié)期間或在進行最后燒結(jié)后，至少要按時間間隔、優(yōu)選經(jīng)過至少10分鐘至100分鐘的時間段并且是在最大3×104Pa的壓力下完全或只是部分地使這些坯體處于等離子體激發(fā)的氣相中。等離子體激發(fā)可通過微波放電或通過輝光發(fā)電來進行，其中又優(yōu)選利用脈沖法來產(chǎn)生輝光放電，該方法中連通燒結(jié)體當(dāng)作陰極使用，在陰極上施加一個脈沖直流電壓。優(yōu)選的直流電壓在200至900V之間。在脈沖間歇期，直流電壓下降到0V或是剩余直流電壓，其中所述剩余直流電壓等于或大于參與氣體的最低離子化電勢值，但是最大為脈沖直流電壓最大值的50％。若在脈沖間歇期保持剩余直流電壓不變，則其與最大脈沖直流電壓值之比應(yīng)為0.02至0.5。脈沖直流電壓的周期為20μs至20ms之間。脈沖寬度對脈沖間歇期之比為0.1至0.6。
如上所述的，在等離子體激發(fā)的氣相中應(yīng)含有氮、碳、硼或可等離子體激發(fā)的金屬、化合物或前述物質(zhì)的混合物，或前體。
根據(jù)本發(fā)明方法的一個改進方案，要在通入反應(yīng)性氣體或反應(yīng)性氣體混合物之前，將要處理的物體置于惰性氣氛中，特別是由稀有氣體和/或化學(xué)還原劑，優(yōu)選為氫氣組成的惰性氣氛。非化學(xué)反應(yīng)性物質(zhì)，例如氬用于清潔表面，然后在另一方法步驟中通入等離子體激發(fā)的氣相，通過有針對性的遷移和擴散過程而溶散到近表面層中。氣相中所含的氫用于激發(fā)表面上的還原過程，特別是用于分解氧化沉積物。
為在等離子體激發(fā)的氣相中處理燒結(jié)體，優(yōu)選將溫度選擇在高于900℃至1350℃。
以下將根據(jù)所探討的實施例以及附圖來闡述本發(fā)明的其他一些優(yōu)點。附圖為

圖1至4分別為燒結(jié)體的顯微鏡圖，其中將受過等離子體激發(fā)的氣相處理的燒結(jié)體(分別為a)與對比試驗樣品(分別為b)做對比。
實施例1首先，在1350℃的過共晶溫度下并于300mbar壓力下在氮氣氛中，處理兩個WC-Ti(C，N)-Co型的、經(jīng)燒結(jié)的且具有相同化學(xué)組成的硬質(zhì)金屬體(均為40質(zhì)量％的W、25.5質(zhì)量％Ti、9質(zhì)量％Ta、0.5質(zhì)量％Nb、7質(zhì)量％C、3質(zhì)量％N和15質(zhì)量％Co)20分鐘，其中，對第一個硬質(zhì)金屬體加載等離子體，對第二個則不必加載。在此兩個樣品中會形成所謂的梯度層，該層中富集鈦的碳氮化物而同時又置換掉試樣內(nèi)部的WC成分。但是，由圖1a和圖1b的對比可看出，在加載氮等離子體的試樣(圖1a)中，受氮影響的區(qū)域明顯大于只是加熱而非等離子體激活的氣相進行處理的試樣的相同區(qū)域。
實施例2在1350℃的溫度和300mbar的壓力下使燒結(jié)的WC-Ti(C，N)-Co-硬質(zhì)金屬體的側(cè)面和上面都經(jīng)受氮等離子體處理，而其下面則不進行這種等離子體處理。所述硬質(zhì)金屬體的組成為60.5質(zhì)量％W、16質(zhì)量％Ti、5質(zhì)量％Ta、0.3質(zhì)量％Nb、7質(zhì)量％C和1.2質(zhì)量％N以及10質(zhì)量％Co。從顯示了硬質(zhì)金屬體上面顯微鏡圖的圖2a中可以看出，形成了約25μm厚的富集Ti(C，N)且不含有圖中明亮顯示的WC顆粒的層，同時如圖2b所示的下面顯微鏡圖則顯示實際上這里沒有受到任何只是受熱激發(fā)的、滲入的氮的影響。
實施例3
在1250℃的過共晶溫度下并且在150mbar N2的條件下退火(glühen)兩個經(jīng)燒結(jié)的硬質(zhì)金屬體60min，所述硬質(zhì)金屬體的組成為40質(zhì)量％W、25.5質(zhì)量％Ti、9質(zhì)量％Ta、0.5質(zhì)量％Nb、7質(zhì)量％C、3質(zhì)量％N和15質(zhì)量％Co，其中將第一硬質(zhì)金屬體置于等離子體激發(fā)的氮中而使第二個只是在氣相中受到只是受熱激發(fā)的氮處理。如圖3a所示，加載等離子體的試樣中WC的置換作用明顯深入到直至1200μm。在圖3a中可以看到，Ti(C，N)的富集層深至約20μm。相反，如圖3b所示，僅受熱氮氣氛處理的硬質(zhì)金屬體則顯示出只有深至5μm的邊界影響區(qū)。
實施例4在1250℃的過共晶溫度下并且在150mbar N2的條件下退火兩個經(jīng)燒結(jié)的硬質(zhì)金屬體60min，所述硬質(zhì)金屬體的組成為60.5質(zhì)量％W、16質(zhì)量％Ti、5質(zhì)量％Ta、0.3質(zhì)量％Nb、7質(zhì)量％C和1.2質(zhì)量％N以及10質(zhì)量％Co，其中再將第一金屬體在等離子體激發(fā)的氣相中進行退火，而使第二個在只是純受熱激發(fā)的氣相中進行處理。加載等離子體的試樣具有厚度為50μm的氮化物層和位于其下的約40μm厚的含有較少WC含量的區(qū)域(參見圖4a)，而在只是受到熱激發(fā)的氮氣相處理的金屬體中，只具有5μm厚的氮化物層和小于5μm厚的位于其下的區(qū)域。
以上實施例表明，通過在等離子體激發(fā)的氣相中對燒結(jié)體進行處理就能調(diào)節(jié)預(yù)定的組織不均勻性和/或可以產(chǎn)生一個結(jié)合層，該結(jié)合層能改善燒結(jié)體的使用性能，如刀具使用壽命、耐用度和切削加工時與其他部件的反應(yīng)性小。優(yōu)選通過輝光放電來產(chǎn)生等離子體激發(fā)作用，特別是要借助于脈沖法，其可避免形成電弧。在整個處理時間段內(nèi)，不必總保持等離子體激發(fā)。將氣壓保持在不超過300mbar的范圍內(nèi)，在該范圍內(nèi)可以達到一種等離子狀態(tài)，即可以點燃并保持等離子體。選擇處理溫度或其臨界值即能進一步實現(xiàn)，燒結(jié)體的內(nèi)部區(qū)域也不受到明顯的熱影響，從而將燒結(jié)體內(nèi)的結(jié)構(gòu)保持在初始形狀并且只是影響到近表面區(qū)域。通過部分遮蓋燒結(jié)體表面或?qū)⑵浞疵娣胖没蛲扛?，就能使得在那里沒有等離子體侵入或者不會形成所謂的等離子邊。在這些位置處，只需要通過某些氣氛和所調(diào)節(jié)的工藝參數(shù)即能影響可能發(fā)生的組織改性，而不是通過其會在近表面邊界區(qū)得到不同的組織改性作用的等離子體來進行。
如果需要或有要求，也可以在等離子體激發(fā)的氣相中的處理過程之前先進行一個退火處理過程，以此來凈化表面。另一替代或附加的方案是，也可以在等離子體激發(fā)的氣相處理過程之前進行一個在由化學(xué)還原劑組成的氣相中進行的處理過程。
通過等離子體的影響，在近表面的邊界區(qū)域中可以產(chǎn)生新的相，它們?nèi)绻麤]有等離子激發(fā)作用是不可能形成的。因此，利用本發(fā)明的方法既可在近表面的邊界區(qū)得到經(jīng)改變的相組成，也能得到組織受影響的更深的滲入?yún)^(qū)和通過選擇工藝參數(shù)調(diào)節(jié)理想的組織不均勻性。相比于那些現(xiàn)有技術(shù)中已知的可比較的燒結(jié)體，那些同樣方法得到的表面光滑度或粗糙度(后者在所需要的涂覆方面)也是頗具優(yōu)點的。
權(quán)利要求
1.由硬金屬組成，特別是由一種以含有Co、Ni和/或Fe粘結(jié)劑的WC為基的硬金屬組成的燒結(jié)體，或者是由金屬陶瓷組成的燒結(jié)體，特別是由一種含有由Co、Ni和/或Fe構(gòu)成為粘結(jié)劑的(Ti，W)(C，N)或(Ti，Mo)(C，N)組成的金屬陶瓷，其特征在于，在加熱過程中、在燒結(jié)期間或在進行最后燒結(jié)后，至少要按時間間隔、優(yōu)選經(jīng)過至少10分鐘至100分鐘的時間段并且是在最大3×104Pa的壓力下完全或只是部分地使燒結(jié)體處于等離子體激發(fā)的氣相中。
2.如權(quán)利要求1所述的燒結(jié)體，其特征在于，在近表面的邊界區(qū)域內(nèi)，通過遷移和/或擴散而含有來自于等離子體激發(fā)的氣相的物質(zhì)或是由此所形成的化合物。
3.如權(quán)利要求1或2所述的燒結(jié)體，其特征在于，在等離子體激發(fā)的氣相中處理燒結(jié)體，該氣相中含有氮、碳、硼、金屬、化合物或它們的混合物或相應(yīng)的前體。
4.如權(quán)利要求1至3之一所述的燒結(jié)體，其特征在于，在燒結(jié)體的近表面區(qū)域含有粒徑≥0.2μm的氮化物顆粒。
5.如權(quán)利要求1至4之一所述的燒結(jié)體，其特征在于，燒結(jié)體的組織梯度為從表面指向燒結(jié)體的內(nèi)部。
6.制備如權(quán)利要求1至5之一所述的由硬金屬或金屬陶瓷構(gòu)成的燒結(jié)體的方法，其特征在于，在加熱到燒結(jié)溫度過程中、在燒結(jié)期間或在進行最后燒結(jié)后，至少要按時間間隔、優(yōu)選經(jīng)過至少10分鐘至100分鐘的時間段并且是在最大3×104Pa的壓力下完全或只是部分地使經(jīng)以粉末冶金法預(yù)處理過的并壓制成坯體的燒結(jié)體處于等離子體激發(fā)的氣相中，優(yōu)選是在900℃至1350℃的溫度下。
7.如權(quán)利要求6所述的方法，其特征在于，通過微波或通過輝光放電來產(chǎn)生等離子體激發(fā)，且優(yōu)選利用脈沖法，在該法中連通燒結(jié)體作為陰極使用并在其上施加脈沖直流電壓。
8.如權(quán)利要求6或7所述的方法，其特征在于，等離子體激發(fā)的氣相中含有氮、碳、硼、金屬、化合物或它們的混合物。
9.如權(quán)利要求6至8之一所述的方法，其特征在于，在輸入反應(yīng)性氣體或反應(yīng)性氣體混合物之前，氣相由惰性氣體、特別優(yōu)選稀有氣體組成和/或含有化學(xué)還原劑，優(yōu)選為氫。
10.如權(quán)利要求6至9之一所述的方法，其特征在于，在等離子體激發(fā)的氣相中進行處理時遮蓋基材體的表面一部分。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種由硬金屬組成，特別是由一種以含有Co、Ni和/或Fe粘結(jié)劑的WC為基的硬金屬組成的燒結(jié)體，或者是由金屬陶瓷組成的燒結(jié)體，特別是由一種含有由Co、Ni和/或Fe構(gòu)成為粘結(jié)劑的(Ti，W)(C，N)或(Ti，Mo)(C，N)組成的金屬陶瓷；以及還涉及制備這種燒結(jié)體的方法。根據(jù)本發(fā)明，在加熱過程中、在燒結(jié)期間或在進行最后燒結(jié)成后，至少要按時間間隔、優(yōu)選經(jīng)過至少10分鐘至100分鐘的時間段并且是在最大3×10
文檔編號C22C29/02GK1842508SQ200480013740
公開日2006年10月4日 申請日期2004年4月29日 優(yōu)先權(quán)日2003年5月21日
發(fā)明者W·倫高爾, K·德賴爾, K·勒迪格 申請人:鈷碳化鎢硬質(zhì)合金維迪亞產(chǎn)品有限公司及兩合公司