專利名稱：金屬陶瓷的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及以Ti為主要組分、鈷為粘結(jié)劑相的燒結(jié)碳氮化物合金，其具有改進(jìn)的性能，特別是當(dāng)作為用于鋼和鑄鐵切削的工具材料時(shí)。更特別地，本發(fā)明涉及具有特定組成和控制的相對(duì)飽和磁化強(qiáng)度以及磁矯頑力的碳氮化物基合金，所述合金具有耐磨料磨損性能、韌性和耐塑性變形的最優(yōu)組合。
背景技術(shù)：
鈦基碳氮化物合金，所謂的金屬陶瓷，被廣泛用于金屬切削的目的。與WC-Co基材料相比，當(dāng)與熱鋼接觸時(shí)，即使是無(wú)涂層時(shí)，金屬陶瓷也具有優(yōu)良的化學(xué)穩(wěn)定性，但是具有顯著較低的韌性。這使它們最適合用于精整操作，通常精整操作的特征在于切削刃上的有限的機(jī)械載荷以及精整部件的高的表面光潔度要求。金屬陶瓷包括嵌入一般為Co和/或Ni的金屬粘結(jié)劑相內(nèi)的碳氮化物硬質(zhì)成分。 該硬質(zhì)成分顆粒一般具有復(fù)雜的結(jié)構(gòu)，具有通常被其它組成的一個(gè)或多個(gè)邊緣圍繞的核。 除了 Ti，加入VIa族元素，通常為Mo和W兩者，以促進(jìn)粘結(jié)劑和硬質(zhì)成分之間的潤(rùn)濕，并通過(guò)固溶淬火強(qiáng)化粘結(jié)劑相。在所有如今市售可得的合金中，還加入一種或多種IVa和/或 Va族的元素，例如&、Hf、V、Nb和Ta。使用粉末冶金方法制得金屬陶瓷。將形成粘結(jié)劑相的粉末和形成硬質(zhì)成分的粉末混合、壓制和燒結(jié)。在近些年中，做了許多嘗試以控制金屬陶瓷在切削工具應(yīng)用中的主要性能，即韌性、耐磨性和耐塑性變形性。特別是關(guān)于粘結(jié)劑相的化學(xué)組成做了許多工作。US 6，344，170、US 6，344，445和US 6，325，838涉及以鈦為主要組分的碳氮化物合金的燒結(jié)體，其用作切削工具材料時(shí)具有改進(jìn)的性能。這通過(guò)使特定化學(xué)組成的碳氮化物基硬質(zhì)相與極度固溶淬火(extremely solution hardened)的Co粘結(jié)劑相結(jié)合而實(shí)現(xiàn)。 通過(guò)優(yōu)化Ti-Ta-W-C-N-Co體系中的組成和燒結(jié)過(guò)程，實(shí)現(xiàn)改進(jìn)的韌性和耐塑性變形性。用于優(yōu)化韌性和耐塑性變形性的兩個(gè)參數(shù)是Ta-和Co-含量。在由于Co和Ni之間的固溶淬火的區(qū)別導(dǎo)致的韌性行為方面，與混合的Co-Ni-基粘結(jié)劑相比，使用純的Co-基粘結(jié)劑是非常有利的。US 7，332，122 和 US 7，157，044 是類似的。它們涉及包含 Ti、Nb、W、C、N 和 Co 的鈦基碳氮化物合金。通過(guò)用Nb代替US 6，344，170中的Ta，并仔細(xì)控制不溶的Ti (C, N)核的量，達(dá)到對(duì)工藝性能的進(jìn)一步優(yōu)化。更特別地，所述專利涉及特定組成的碳氮化物基硬質(zhì)相，優(yōu)化了不溶的Ti (C,N)核的量以達(dá)到最大耐磨料磨損性能，同時(shí)優(yōu)化了 Co和Nb的含量以給出希望的韌性和耐塑性變形性。發(fā)明概述本發(fā)明的目的是設(shè)計(jì)和制備具有特定組成和控制的相對(duì)飽和磁化強(qiáng)度以及磁矯頑力的金屬陶瓷材料，所述材料具有耐磨料磨損性能、韌性和耐塑性變形性的最優(yōu)組合。通過(guò)使用合金體系Ti-Ta-Nb-W-C-N-Co實(shí)現(xiàn)該目的。對(duì)于預(yù)期應(yīng)用領(lǐng)域，已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了一組賦予耐磨料磨損性能、韌性和耐塑性變形性的最優(yōu)組合的限定條件。


圖1表示顯微結(jié)構(gòu)的細(xì)節(jié)，圖2表示根據(jù)本發(fā)明的合金的較低放大倍率的顯微結(jié)構(gòu)，其中在掃描電子顯微鏡中在反向散射模式中觀察，其中A圖示了不溶的Ti (C，N)-核B圖示了有時(shí)圍繞在A-核周圍的復(fù)雜的碳氮化物相和C圖示了 Co粘結(jié)劑相。根據(jù)本發(fā)明，意想不到地發(fā)現(xiàn)，通過(guò)優(yōu)化溶解在Co-基粘結(jié)劑中的碳氮化物形成物的量、Ta與Nb之間的比例以及硬質(zhì)成分粒度，實(shí)現(xiàn)了對(duì)于預(yù)期應(yīng)用領(lǐng)域的耐磨料磨損性能、韌性、耐塑性變形性和工件表面光潔度的最優(yōu)組合。在粘結(jié)劑相中的溶解的碳氮化物形成物的含量可以用S值表示，樣品的飽和磁化強(qiáng)度除以樣品中相同量的純Co的飽和磁化強(qiáng)度。該S值取決于在粘結(jié)劑相中溶解的金屬的含量，其隨溶質(zhì)的量的降低而升高。硬質(zhì)成分的燒結(jié)粒度可用磁矯頑力表示。必須選擇Co含量以給出對(duì)于預(yù)想應(yīng)用領(lǐng)域的希望的性能。這最好通過(guò)7至21wt% 的Co含量達(dá)到。特別地，在Co含量為8至15wt %的第一實(shí)施方式中，對(duì)于精加工應(yīng)用，Co含量必須為8至IOwt%，對(duì)于需要平衡耐塑性變形性和韌性的應(yīng)用，Co含量為12至15wt%。 在需要較高韌性的第二實(shí)施方式中，優(yōu)選的Co含量是15至20wt%。W含量必須為14至22wt%，優(yōu)選16至19wt%。Ta含量必須為5至1 Iwt %，優(yōu)選6至9wt%。Nb含量必須為2至7wt %，優(yōu)選3至5wt %。Ti含量必須為33至50wt%，優(yōu)選37至47wt%。加入的Ta的wt%和Nb的wt%的比例必須為1. 8至2. 1。燒結(jié)合金中總的N/C重量比必須在0. 6至0. 75的范圍內(nèi)。必須調(diào)整C含量以使相對(duì)飽和磁化強(qiáng)度在0. 60至0. 90范圍內(nèi)，優(yōu)選0. 65至0. 80。用磁矯頑力表示的平均粒度取決于加入Co的量，且必須為Hc = (18. 2-0. 2*Co wt% ) +/-E kA/m，其中 E 為 2. 0，優(yōu)選 1. 5，最優(yōu)選 1. 0。對(duì)于某些需要甚至更高耐磨性的加工操作來(lái)說(shuō)，利用PVD、CVD、MTCVD或類似的技術(shù)，用薄的耐磨涂層涂覆本發(fā)明的坯體是有利的。在本發(fā)明的另一方面，提供了制備燒結(jié)鈦基碳氮化物合金的方法。使X在 0. 45-0. 55范圍內(nèi)并且FSSS粒度為1至2 μ m的TICxN1^x,TaC,NbC和WC的硬質(zhì)成分粉末與 Co粉末混合成為如上給出的限度內(nèi)的組合物，并將其壓制成希望形狀的坯體。在隊(duì)-Ar氣氛中在1370-1500°C范圍內(nèi)的溫度下燒結(jié)0. 5-1小時(shí)，所述氣氛的總壓力為10-40毫巴，N2 的分壓為0. 5至4毫巴。本領(lǐng)域技術(shù)人員能夠通過(guò)實(shí)驗(yàn)確定得到根據(jù)本說(shuō)明書的希望的微觀結(jié)構(gòu)所需的條件。
具體實(shí)施例方式實(shí)施例1通過(guò)濕磨如下物質(zhì)制得標(biāo)稱組成(wt% )為Ti 46. 4,Ta 8. 2,Nb 4. 2、W 17. UCo 9.0, N 6. 1且N/C比例為0. 69 (本發(fā)明，合金A)、0. 74 (參考，合金B(yǎng))和0. 64 (參考，合金C)的三種粉末混合物FSSS 粒度為 1. 25 μ m 的 TiC0 50N0 50粒度為2. 1 μ m 的 TaC粒度為2. 0 μ m 的 NbC粒度為2. 5μπι 的 WC粒度為0. 80 μ m 的 Co助壓劑，PEG。將粉末噴霧干燥并壓制為SNUN120408刀片。將該刀片在H2中脫蠟，然后在1480°C 在N2-Ar氣氛中燒結(jié)1. 0小時(shí)，總壓力為10毫巴，N2的分壓為1毫巴，然后研磨并作常規(guī)的刃處理。通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)冶金技術(shù)制得刀片的拋光橫截面，并使用掃描電子顯微鏡表征。圖1和圖2表示這樣的橫截面的掃描電子顯微圖，在反向散射模式中拍攝。根據(jù)ISO 4505標(biāo)準(zhǔn)確定孔隙率。通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)方法確定磁性質(zhì)。
權(quán)利要求
1.包含Ti、Nb、Ta、W、C、N和Co的鈦基碳氮化物合金，其特征在于相對(duì)飽和磁化強(qiáng)度為 0. 60 至 0. 90，優(yōu)選 0. 65 至 0. 80，且磁矯頑力 Hc = (18. 2-0. 2*Co wt% )+/_E kA/m，其中E為2. 0，優(yōu)選1. 5。
2.根據(jù)權(quán)利要求1的鈦基碳氮化物合金，其特征在于所述合金包含 -7 至Co，-14 至 20wt%^ W, -5 至 llwt%^ Ta, -2 至Nb，和-33 至 50wt%^ Ti。
3.根據(jù)權(quán)利要求2的鈦基碳氮化物合金，其特征在于所述合金包含 -16 至 18wt%^ W,-6 至iTa,-3 至Nb，和-37 至Ti。
4.根據(jù)權(quán)利要求2或3的鈦基碳氮化物合金，其特征在于所述合金包含 -8 至 15wt%^ Co。
5.根據(jù)權(quán)利要求2或3的鈦基碳氮化物合金，其特征在于所述合金包含 -15 至 20wt%^ Co。
6.根據(jù)權(quán)利要求2至5中任一項(xiàng)的鈦基碳氮化物合金，其特征在于總的N/C重量比為0.6 至 0. 75。
7.根據(jù)權(quán)利要求2至6中任一項(xiàng)的鈦基碳氮化物合金，其特征在于Ta/Nb的重量比為1.8 至 2. 1。
8.根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項(xiàng)的鈦基碳氮化物合金，其特征在于使用PVD、CVD、MTCVD 或類似的技術(shù)，用薄的耐磨涂層涂覆所述合金。
9.制備包含Ti、Nb、Ta、W、C、N和Co的燒結(jié)鈦基碳氮化物合金的方法，其中所述方法包括將X在0. 45-0. 55范圍內(nèi)并且FSSS粒度為1至2 μ m的TiCxN1-X^ TaC, NbC和WC的硬質(zhì)成分粉末與Co粉末混合成為組合物，并將其壓制成所需形狀的坯體，在N2-Ar氣氛中燒結(jié)， 其特征在于所述氣氛的總壓力為10-40毫巴，N2的分壓為0. 5至4毫巴，在1370-1500°C的溫度下燒結(jié)0. 5-1小時(shí)。
全文摘要
本發(fā)明涉及包含Ti、Nb、Ta、W、C、N和Co的鈦基碳氮化物合金。該合金包含7至21wt％的Co、14至20wt％的W、5至11wt％的Ta、2至7wt％的Nb和33至50wt％的Ti，因此總的N/C重量比為0.6至0.75，Ta/Nb的重量比為1.8至2.1，相對(duì)飽和磁化強(qiáng)度為0.60至0.90，磁矯頑力Hc＝(18.2-0.2*Co wt％)+/-E kA/m，其中E為2.0。本發(fā)明還涉及制備所述合金的方法。
文檔編號(hào)C22C29/04GK102257171SQ200980151187
公開(kāi)日2011年11月23日 申請(qǐng)日期2009年12月17日 優(yōu)先權(quán)日2008年12月18日
發(fā)明者博·揚(yáng)松, 托馬斯·佩爾松, 珍妮·薩克里松 申請(qǐng)人:山高刀具公司