專利名稱：具有富集粘結(jié)相表面區(qū)的硬質(zhì)合金的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及具有富集粘結(jié)相表面區(qū)的涂層硬質(zhì)合金刀具及其制造方法。更具體地講，本發(fā)明涉及改性硬質(zhì)合金的涂層刀具，由此在給定的化學成分和晶粒尺寸下獲得優(yōu)越的機械性能，這包括非常好的韌性與高的塑變抗性之間的平衡。
具有富集粘結(jié)相表面區(qū)的涂層硬質(zhì)合金刀具現(xiàn)已廣泛用于機械加工鋼鐵和不銹鋼材料。因為富集粘結(jié)相表面區(qū)使切削刀具材料獲得了廣泛的應用范圍。
制造具有富集粘結(jié)相表面區(qū)的含有WC、立方相(γ-相)和粘結(jié)相的硬質(zhì)合金的方法或工藝屬于梯度燒結(jié)的技術(shù)領(lǐng)域，并可通過一系列專利和專利申請而得知。例如根據(jù)美國專利4277283和4610931，使用含氮的添加物，并且在真空下進行燒結(jié)，而依據(jù)美國專利4548786以氣相形式加入氮。由此獲得了富集粘結(jié)相且基本貧化立方相的表面區(qū)。美國專利4830930公開了通過在燒結(jié)后進行脫碳而獲得的粘結(jié)相富集體，但由此而獲得的富集體中也含有立方相。
在美國專利4649084中，在燒結(jié)時使用氮氣，以節(jié)省工藝步驟并改善隨后沉積氧化物涂層的粘結(jié)性。
粘結(jié)金屬在表面層的富集體的機械斷裂意指硬質(zhì)合金吸收變形并阻止裂紋擴展增長的能力。按本方法而獲得的材料與具有相同成分但為均勻組織的材料相比較，這種材料具有改進的承受斷裂的能力，可經(jīng)受更大的變形或阻止裂紋擴展。這樣，該切削材料獲得更好的韌性。
根據(jù)已知技術(shù)，在梯度燒結(jié)時，包括含氮硬質(zhì)合金的真空燒結(jié)，該氮通常是通過加入少量含氮原料來加入。由于在爐氣氛中當燒結(jié)時氮的活性比在立方相中的平均氮活性低這樣的一個事實，則含氮立方相通過液態(tài)粘結(jié)相將氮釋放到爐氣氛中。對于這一溶解過程的動力學存在某些分歧。一種觀點認為是當?shù)蛛x出后，則產(chǎn)生了立方相完全溶解于材料表面層中的條件。認為這一過程是由氮的擴散和金屬組分在立方相中的擴散而控制。結(jié)果先前由立方相所占據(jù)的體積在其溶解后由液態(tài)粘結(jié)相占據(jù)。通過這一過程，在粘結(jié)相凝固后則產(chǎn)生了富集粘結(jié)相表面層。在溶解的立方相中的金屬組分是向內(nèi)擴散的并以在該材料尚存的有用未溶立方相的形式沉淀。因此造這些成元素在粘結(jié)相富集表面內(nèi)側(cè)區(qū)域中的含量增加，與此同時，在粘結(jié)相中含量相應減少。
通過上述工藝制得的具有粘結(jié)相富集的硬質(zhì)合金中的Co、Ti和W的特征分布與距表面的距離之間的函數(shù)關(guān)系于美國專利4830930中，例如

圖1。在外表面存在粘結(jié)相富集并且完全或部分貧化立方相的表面區(qū)。在其內(nèi)側(cè)的區(qū)域具有存在于立方相中的金屬元素的富集，特別是Ti、Ta和Nb，并且其中粘結(jié)相的含量明顯低于內(nèi)部的平均粘結(jié)相含量。具有約6%(重量)鈷和9%(重量)立方相的硬質(zhì)合金中的粘結(jié)相含量的減少量可以到約2%(重量)，即相對減少30%。裂紋易于該區(qū)域擴展，這在機加工時對斷裂頻率有決定性影響。
現(xiàn)已證明，如果在其中粘結(jié)相為液態(tài)的溫度下將真空燒結(jié)的具有粘結(jié)相富集表面區(qū)的含氮硬質(zhì)合金進行氮氣處理，其韌性可進一步提高。在獲得韌性改進的同時，并且塑變抗性基本保持不變。這樣擴大了其應用范圍，對于具有相同組織的硬質(zhì)合金來講，要覆蓋與之相同的應用范圍，大到通常需要兩級或更高級別。
圖1示出了根據(jù)本發(fā)明的粘結(jié)相富集的硬質(zhì)合金中Co和與距表面的距離之間的函數(shù)關(guān)系。
圖2示出了已知技術(shù)中粘結(jié)相富集的硬質(zhì)合金中Co和Ti的分布與距表面的距離之間的函數(shù)關(guān)系。
圖3示出了本發(fā)明硬質(zhì)合金表面區(qū)域的光學顯微組織照片(1200×)，其中A是粘結(jié)相富集而無立方相的表面區(qū)域，B是該區(qū)域的上部。
本發(fā)明涉及一種在梯度燒結(jié)后進行的工藝，該工藝包括含氮硬質(zhì)合金在真空下或惰性氣氛下燒結(jié)，該工藝步驟可以是分離的或完整的工藝步驟。該工藝的特征是在1280-1430℃之間的溫度下(優(yōu)選在1320-1400℃溫度下)，以40-400毫巴(優(yōu)選150-350毫巴)的壓力將氮氣加入到燒結(jié)爐中。適于氮氣處理的時間為5-100分鐘，優(yōu)選10-50分鐘，將氮氣一直保持到粘結(jié)相凝固的約1275-1300℃溫度。然而，甚至該粘結(jié)相在真空或在惰性氣氛中凝固也可獲得主要的效果。已證明，對于含6-10%(重量)立方相的硬質(zhì)合金在100-350毫巴壓力于1350-1380℃溫度下，或?qū)τ诤?-15%(重量)立方相的硬質(zhì)合金在50-150毫巴壓力于1280-1320℃溫度下，在吹氣期內(nèi)，氮氣處理時間在5-50分鐘是特別合適的。
本發(fā)明的工藝特別適合應用于由含氮材料通過在很低氮氣壓力下于真空中或惰性氣體中燒結(jié)而制得的粘結(jié)相富集的硬質(zhì)合金。這對于含有鈦、鉭、鈮、鎢、釩、和/或鉬和鈷基和/或鎳基粘結(jié)相的硬質(zhì)合金有效。當立方相的含量在6-15%(重量)之間，優(yōu)選7-10%(重量)以鈦含量表示為0.4-10%(重量)之間時以及當粘結(jié)相含量為3.5%-12%(重量)之間時，可以獲得最佳的韌性和塑變抗性的結(jié)合，其中所述立方相的含量可用構(gòu)成立方碳化物的金屬元素(即Ti、Ta、Tb等)的含量來表示，該硬質(zhì)合金當用于車削時，立方相含量優(yōu)選為1-4%(重量)，粘結(jié)相含量優(yōu)選為5-7.5%(重量);當用于銑削時，立方相含量優(yōu)選為2-10%(重量)、粘結(jié)相含量優(yōu)選為6-12%(重量)。
碳的含量可以低于碳飽和度直到相應于最大CO8，優(yōu)選CO2-08的含量。
依據(jù)本發(fā)明方法，具有改進韌性和塑變抗性的硬質(zhì)合金，含有WC和碳氮化物和/或碳化物的立方相，優(yōu)選含Ti的，其在Co和/或Ni基的粘結(jié)相中并具有優(yōu)選＜50μm厚的粘結(jié)相富集表面區(qū)域。緊接粘結(jié)相富集的內(nèi)側(cè)在硬質(zhì)合金內(nèi)部存在＜300μm，優(yōu)選＜200μm厚的具有粘結(jié)相含量為0.85-1，優(yōu)選0.9-1，更優(yōu)選為0.92-1的一個區(qū)域。并且該區(qū)域中立方相的含量基本恒定并等于硬質(zhì)合金內(nèi)部的含量。該粘結(jié)相富集區(qū)域基本不含立方相，即它含有WC和粘結(jié)相，這除了立方相含量≤50%(體積)的最外表面(very surface)。在硬質(zhì)合金內(nèi)部距表面10-30μm之內(nèi)的粘結(jié)相富集區(qū)域的粘結(jié)相含量最大1.1，優(yōu)選1.25-2。
本發(fā)明的硬質(zhì)合金適于通過CVD或PVD技術(shù)用已知薄耐磨涂層進行涂層。優(yōu)選使用鈦的碳化物、氮化物或碳氮化物作為最內(nèi)部的涂層。在涂層之前，將硬質(zhì)合金修整，例如噴丸處理，以基本上去除石墨和立方相。
本發(fā)明的工藝完全是為了改善硬質(zhì)合金的性能。當其使用時，在該材料不存在裂紋易于擴展的區(qū)域。因而由此得到的硬質(zhì)合金比用已知方法得到的具有明顯更好的韌性。通過選擇具有很強塑變抗性的硬質(zhì)合金的成分，由此可以用本發(fā)明的工藝來獲得非常好的韌性和非常好的塑變抗性的結(jié)合，由此而賦于該硬質(zhì)合金以優(yōu)越的性能。
實施例1將具有0.15%(重量)過化學計量含碳量的含有1.9%(重量)TiC、1.4%(重量)TiCN、3.3%(重量)TaC、2.2%(重量)NbC、6.5%(重量)Co和余量為WC的車削刀具CNMG 120408的混合粉末壓制，帶H2將該刀具燒結(jié)至450℃以脫蠟并在真空中燒結(jié)至1350℃，在此之后加入保護氣體Ar于1450℃再燒結(jié)1小時。這部分是完全標準的燒結(jié)。
在冷卻期，依據(jù)本發(fā)明進行如下處理用300毫巴N2氣氛于1375℃保持30分鐘，之后，在N2中連續(xù)冷卻到1200℃，此時將氣體轉(zhuǎn)為氬氣。
由此得到的切削刀具表面組織由基本不含立方的25μm厚粘結(jié)相富集區(qū)域所構(gòu)成，并且在該區(qū)域下面的區(qū)域稍微分化粘結(jié)相，在刀具內(nèi)部含量為0.92-1，并且基本不富集立方相，見圖1。
在最外表面，存在覆蓋面積約為40%的立方相顆粒以及Co、WC和石墨。刀具內(nèi)部呈現(xiàn)C-孔隙，CO4。在常規(guī)邊角修圓和修整后，表面所存在的立方相部分則被去除。通過常規(guī)CVD技術(shù)用8μm厚TiC和TiN層將該切削刀具涂層。
實施例2(實施例1的參照例)將與實施例1中的刀具相同的粉末以相同方式壓制，并按實施例1中標準燒結(jié)來燒結(jié)，即在1450℃保溫時用Ar保護氣體。在Ar氣保護下冷卻。
該表面組織由25μm厚的基本不含立方相的粘結(jié)相富集區(qū)域構(gòu)成，而在其下面的100-150μm厚區(qū)域明顯貧化粘結(jié)相，在該刀具內(nèi)部具有最小含量約為標定含量的70%并富集立方相，見圖2。在該刀具內(nèi)部呈現(xiàn)C-孔隙，CO4。這是用已知方法進行梯度燒結(jié)硬質(zhì)合金的典型組織。用已知方法將刀具邊角修圓并涂層。
實施例3用實施例1和2的CNMG120408刀具進行間歇車削試驗。所用切削參數(shù)如下速度＝80m/分進刀量＝0.30m/回轉(zhuǎn)切削深度＝2.0mm將每種刀具的30個刀刃進行試驗直至斷裂。對本發(fā)明的刀具，其平均壽命為4.6分鐘，而已知方法的刀具為1.3分鐘。
實施例4用實施例1和2的刀具對具有硬度HB＝280的淬火回火鋼進行連續(xù)切削試驗，所用切削參數(shù)如下速度＝250m/分進刀量＝0.25mm/回轉(zhuǎn)切削深度＝2.0mm該操作導致了切削刀刃的塑性變形，這可通過刀具缺口面上的耐磨相而觀察到。對五個刀刃的每一個都測量相寬度達到0.40mm時所需的時間。本發(fā)明的刀具平均刀具壽命為10.9分鐘，而已知方法的平均刀具壽命11.2分鐘。
由實施例3和4可以證明，本發(fā)明的刀具比已知方法的刀具明顯具有更好韌性而并不明顯地降低其塑變抗性。
實施例5將具有0.05%欠化學計量含碳量的含有(重量%)5.5Ti、1.9TiCN、5TaC、2.5NbC、9.5Co和余量WC的銑削刀片SPKR1203EDR粉末壓制。除燒結(jié)溫度為1410℃外，按實施例1進行燒結(jié)，在冷卻時按下列參數(shù)進行處理在125毫巴N2氣下于1310℃保溫20分鐘。
組織檢測表明約15μm厚的粘結(jié)相富集區(qū)，其中基本不含立方相。在該表面區(qū)下面，存在粘結(jié)相不明顯貧比區(qū)，它比標定含量低的量小于10%。
在表面，存在覆蓋面積＜10%的立方相顆粒以及WC和粘結(jié)相。該刀具不含有C-孔隙，見圖3。
在常規(guī)的邊角修圓和修整后，表面上的大部分立方相被去除，尤其是靠近刀刃的區(qū)域。通過常規(guī)CVD技術(shù)用約6μm厚的Ti和TiN層將該刀具涂層。
實施例6(實施例5的參照例)以相同的方式將與實施例5相同的粉末壓制，并按實施例5中標準燒結(jié)將刀具燒結(jié)，即在1410℃保溫時用Ar保護。在Ar保護下進行冷卻。該切削區(qū)的表面結(jié)構(gòu)由約15μm厚的基本不含立方相的粘結(jié)相富集區(qū)組成。在該區(qū)下面是100-130μm厚的明顯貧化粘結(jié)相的區(qū)，具有最小低于標定含量約30%，以相應程度富集立方相。該刀具內(nèi)部不呈現(xiàn)C-孔隙。這是已知方法燒結(jié)硬質(zhì)合金的典型組織。
將該刀具按實施例5進行邊角修圓并涂層。
實施例7用實施例5和6的銑削刀片對淬火回火鋼SS2541進行銑削試驗，對工件進行50mm厚的面銑削。該銑削是用125mm直徑的銑刀體上的一個銑刀牙進行的。將銑刀體固定，使其中心位于工件軸側(cè)的上方。所用切削參數(shù)如下速度＝90m/分進刀量＝0.3mm/回轉(zhuǎn)切削深度＝2mm對20個刀刃測量刀具直至斷裂所需的時間。實施例5的刀具的平均刀具壽命為9.3分鐘，而實施例6的為3.2分鐘。由此表明發(fā)明的刀具具有明顯的改進的韌性。
權(quán)利要求
1.一種具有改進韌性和塑變抗性的硬質(zhì)合金刀具，該硬質(zhì)合金刀具含有在以Co和/或Ni為基的粘結(jié)相中的WC和碳化物和/或碳氮化物立方相，并具有粘結(jié)相富集表面區(qū)，其特征在于立方相的含量在6-15%(重量)之間，該立方相的含量以形成立方碳化合物的金屬元素的含量來表示，以及在粘結(jié)相富集表面區(qū)下面的區(qū)域中粘結(jié)相的含量為該刀具內(nèi)部中的含量的0.85-1，而立方相的含量基本恒定且等于該刀具內(nèi)部的含量。
2.根據(jù)前面權(quán)利要求的硬質(zhì)合金刀具，其特征在于在粘結(jié)相富集區(qū)中立方相的含量基本為0。
3.根據(jù)上述任一個權(quán)利要求的硬質(zhì)合金刀具，其特征在于該刀具表面上立方相的表面百分數(shù)＜50%。
4.根據(jù)上述任一個權(quán)利要求的硬質(zhì)合金刀具，其特征在于在粘結(jié)相富集區(qū)中粘結(jié)相具有的最大含量為大于其內(nèi)部的粘結(jié)相含量的1.1倍且處于距表面10-30μm的距離內(nèi)。
5.根據(jù)上述任一個權(quán)利要求的硬質(zhì)合金刀具，其特征在于用CVD或PVD技術(shù)在該刀具上至少沉積一層耐磨涂層。
6.根據(jù)上述任一個權(quán)利要求的硬質(zhì)合金刀具，其特征在于其最內(nèi)層沉積碳化物、氮化物或碳氮化物，優(yōu)選是鈦的碳化物、氮化物或碳氮化物。
7.一種制造粘結(jié)相富集的硬質(zhì)合金刀具的方法，包括用已知方法在真空中燒結(jié)含氮的材料，其特征在于在燒結(jié)后，在1280-1430℃溫度下，于40-400毫巴氮氣中將該刀具熱處理5-100分鐘。
全文摘要
本發(fā)明涉及具有改進韌性和塑變抗性的硬質(zhì)合金刀具，它含有在以Co和/或Ni為基的粘結(jié)相中的WC和碳化物和/或碳氮化物立方相，并具有粘結(jié)相富集表面區(qū)。該刀具中粘結(jié)相含量為3.5-12％(重量)。在粘結(jié)相富集表面區(qū)下面的區(qū)域中粘結(jié)相的含量為該刀具內(nèi)部含量的0.85-1，而立方相的含量基本恒定且等于該刀具內(nèi)部的含量。
文檔編號C22C1/05GK1079179SQ9310296
公開日1993年12月8日 申請日期1993年2月20日 優(yōu)先權(quán)日1992年2月21日
發(fā)明者A·奧斯特倫, U·奧斯卡森, P·古斯塔森, L·艾科森 申請人:桑德維克公司