专利名称：具有粘结剂相浓集的表面区的硬质合金的利记博彩app
技术领域：
本发明涉及具有粘结剂相浓集的表面区的涂层硬质合金刀片及其制造方法。更具体地说，本发明涉及涂层刀片，其中粘结剂相浓集的表面区经过改良，使其韧性与抗塑性变形很好地结合。
今天，具有粘结剂相浓集的表面区的涂层硬质合金刀片很大程度上用于加工钢和不锈钢材料。通过粘结剂浓集的表面区，应用领域得以拓宽。
在含有WC、立方体相和粘结剂相的硬质合金上产生粘结剂相浓集的表面区的方法称为逐步烧结法，一段时间以来，例如，通过美国专利4277283(Tobioka)、美国专利4610931(Nemeth)、美国专利480283(Taniguchi)、美国专利5106674(Okada)已为众所周知。
Tobioda和Nemeth的专利说明了通过熔解靠近刀片表面的立方体相来达到粘结剂相浓集的方法。他们的方法需要立体相含有一些氮，因为在烧结温度下立方体相的熔解要求在要烧结的刀体内部的氮分压、氮的活性，超过在烧结气氛中的氮分压。氮可在烧结循环开始时，通过粉末和/或熔炉气氛加入。立方体相的熔解量是较小的，它被粘结剂相充满，从而得到理想的粘结剂相浓集。结果可获得一般约25μm厚，主要由WC和粘结剂相组成的表面区。在这个区域下面，可得到一个立方体相浓集和粘结剂相相应减损的区域。其后果是，这个区域变脆，裂纹较容易生长。瑞典专利申请9200530-5提出了消除这后一区域的方法。
粘结剂相浓集的表面区，例如根据Okoda的专利，也可通过受控的冷却而达到，或者例如，根据Taniguchi的专利通过在烧结后或在烧结过程中，在粘结剂相的的固体/液体区域内，在恒温下的受控脱碳作用而达到。这种粘结剂浓集的硬质合金刀片的结构特点是有一个厚度在25-35μm以下的表面区，它包含许多厚度在1-3μm的，主要与表面平行的粘结剂相的分层次排列的叠层。最厚的和最连续的叠层是在靠近表面的15μm内。另外，在刀片的内部有一定数量的游离碳。
长期以来已经知道，对某些硬质合金可能构成分层次排列的结构。在区域内粘结剂相浓集的程度及其在表面下的深度与晶隙间的平衡有很大的依赖性，同时也与烧结后通过固化区域的冷却速率有关。为了可控地形成分层次的叠层，晶隙平衡，即形成碳化物/氮化物元素的量与碳和氮的量之比必需控制在一个窄小的组成范围内。
通过熔解立方体相构成的具有粘结剂浓集的硬质合金，与分层次的硬质合金相比，其特点通常是韧性相当低，同时抗塑性变形性能很高。这种类型的硬质合金的显示的较低的韧性和高的抗变形性能主要是由于粘结剂相浓集以下的区域内的立方体相的浓集和粘结剂相的相应减损造成的。
含有分层次粘结剂相递减的硬质合金的特点通常是韧性极其好，同时抗塑性变形性能较差。韧性是粘结剂相浓集和粘结剂相的分层次结构两者共同作用的结果。抗塑性变形性能降低占支配地位的原因是由于切削区内的非常大的剪切应力引起在最接近表面的厚粘结剂相的分层次排列叠层中的局部滑动。
令人惊奇地是，现有已经发现，将熔解立方体相得到的粘结剂相的浓集与形成分层次排列叠层的要求结合起来可获得一种独特的结构。根据本发明的结构，与以前已知的结构相比，其特点是分层次排列的叠层位置较深，同时最大的粘结剂相浓集较低和不太明显。将熔解立方体相与形成分层次排列叠层结合起来的可能性提供了优化用于切削刀具的碳化钨基硬质合金性能的新途径。
图1表示了根据本发明的粘结剂相浓集表面区的1200倍放大的结构。
图2表示本发明的在粘结剂相浓集的表面区中Ti、Co和W的分布。
在图1和2中，A+B表示粘结剂相浓集的表面区，C为内部区，S代表粘结剂相的分层次排列叠层。
根据本发明，现在已有一种小于75μm，最好是20-50μm厚的粘结剂相浓集的表面区A+B(图1和2)。这个粘结剂相浓集的表面区的外部A的厚度至少为10μm，最好＜25μm，是基本没有立方体相的。这个表面区的内部B，厚度至少为10μm，最好为＜30μm，含有立方体相和分层次排列的粘结剂相层S。分层次的粘结剂相叠层在这个内部中较厚，在较薄的地方扩展较好，而在表面区的外部很少扩展。整体来看，粘结剂相浓集的表面区的粘结剂相含量高于刀体中粘结剂相的正常含量，在内部B中达到最大，为正常粘结剂相含量的1.5-4倍，最好为2-3倍。此外，整体来说，表面区的内部B的金属钨含量小于刀体的正常钨含量，并且小于0.95倍，最好为0.75-0.9倍，正常金属钨含量。粘结剂相浓集的表面区以及其下的厚度约为100-300μm的区域C有基本正常的WC、立方体相和粘结剂相的含量，它们不含石墨。但是，在本发明的硬质合金内部存在着C04-C08的C-气孔。在硬质合金表面的顶部有厚为1-2μm的薄的钴和/或石墨层。
本发明适用于不同量的粘结剂相和立方体相的硬质合金，粘结剂相最好含有钴和熔解的碳化物形成元素，如钨，钛和铌。然而，没有理由相信，有意地或无意地加入镍或铁会明显影响结果，也没有理由相信加入少量的能与粘结剂相生成金属间相的金属或任何其他形式的分散会明显影响结果。
生成粘结剂相的元素量其重量可在2%和10%之间变化，最好在4%和8%间。生成立方体相的元素的量可以相当自由地变化。本发明适用于含有不同量钛、钽、铌、钒、钨和/或钼的硬质合金。使立方体碳化物的量相应于立方体碳化物生成元素钛、钽和铌等重量的4-15%，最好为7-10%可达到韧性与抗变形性的最佳结合。通过粉末或通过烧结过程加入的氮量决定了烧结过程中立方体相的熔解速率。氮的最优的量决定于立方体相的量，其重量可在IVB族和VB族元素重量的0.1与3%之间变化。
根据本发明，在粘结剂相中要求达到理想分层结构的碳量与共晶体组成一致，即石墨饱和。因此，碳的最佳量是所有其他元素的函数，并且不易陈述。碳的含量可通过非常精确的配料和烧结程度或通过与烧结有关的渗碳处理来控制。
根据本发明的硬质合金的生产最有利的办法是在惰性气体或真空中，在1380-1520℃下将含有氮和最优量碳(如上所述为了生成分层次排列的叠层)预烧结或密实的刀体烧结15至180分钟、接着以20-100℃/时，最好是40-75℃/h的速率缓慢冷却，在1300-1220℃，最好是1290-1250℃下通过固化区域。另一种可供选择的流程是在含有CH4/H2和/或CO2/CO混合物的碳化气体中，在1380-1520℃下将微亚共晶体刀体烧结30-180分钟，接着根据以上所述，在同样的气体中，最好是惰性气体或真空中缓慢冷却。
根据本发明的硬质合金刀片最好用CVD或PVD技术涂以薄的已知耐磨涂层。最好，沉积的最内涂层为例如，钛的碳化物，氮化物，碳氮化物，氧碳化物，氧氮化物或氧碳氮化物，接着涂以氧化物顶层，最好为铝的氧化物。在沉积前，除去硬质合金表面顶上的钴和/或石墨层，例如用电解刻蚀或喷砂法。
实例1车削刀片CNMG120408由按重量计2.2%的TiC，0.4%的TiCN，3.6%的TaC，2.4%的NbC，6.5%的Co，其余为有0.25%重量的超化学计量的碳含量的WC组成的粉末混合物压制而成。刀片在H2中于450℃以下烧结以脱蜡，然后在真空中于1350℃以下烧结，此后在保护气体Ar中于1450℃下烧结1小时。这部分是按标准规范进行的。冷却是在60℃/时的控制得很好的温度降速率下，在1290-1240℃的温度范围内，在和烧结过程一样的保护气体中完成的。此后，冷却就如维持有保护气体的正常炉膛冷却一样，继续进行。
在刀片的粘结剂相浓集的表面区中的结构为1.5μm厚的完全没有立方体相A的粘结剂相中度浓集的外部，其中分层次排列的粘结剂相结构呈现较弱。在这个外部的下面有一个20μm厚的包含立方体相的区域，并且有较强的粘结剂相浓集作为分层次的粘结剂相结构B。这B部分内的最大钴含量按重量计约为17%。其次，在B部分下面有一个区域C，它大约有150-200μm厚，具有完全正常的立方体相和粘结剂相含量，但没有石墨。在刀片的内部，石墨达C08。在表面上有钴和石墨的薄膜。这个薄膜用与刀刃倒圆处理相关的电化学方法除去。根据已知的CVD技术，刀片涂以大约10μm的TiCN和Al2O3涂层。
实例2车削刀片CNMG120408由与实例1中同样的，但含有大约按重量计0.20%的超化学计量的碳的粉末混合物压制而成。刀片在H2中，在450℃以下烧结以脱蜡，接着在真空中，在1350℃下烧结，此后在碳化气氛CH4/H2中，1bar压力和1450℃下烧结1小时。冷却是在保护惰性气体中，以60℃/h的控制良好的温度降速率，在1290-1240℃的温度间隔内进行的。此后，冷却象正常的维持有保护气体的炉膛冷却一样继续进行。
刀片的结构与前面例子的刀片结构完全相同。刀片按实例1经过酸蚀，刀刃倒圆和涂层。
实例3(比较实例)按照实例1，同样形式的刀片由与实例1中的同样的方法，但是以TiC代替了TiCN的粉末混合物压制而成，并经过烧结。与实例1的刀片相比，刀片表面结构的特点是区域A几乎消失(＜5μm)，即带有立方体相和强的粘结剂相浓集的区域B扩展到表面，并有约25%重量的最大明显钴含量。区域C的结构与实例1一样。刀片按实例1经过酸蚀，刀刃倒圆和涂层。
实例4车削刀片CNMG120408由按重量计，2.7%TiCN、3.6%TaC、2.4%NbC、6.5%Co和其余为有含量为0.30%重量的超化学计量的碳的WC组成的粉末混合物压制而成。刀片在H2中达480℃进行烧结以脱蜡，然后在真空中加热至1350℃烧结，此后在保护气体Ar中，1450℃下烧结1小时，这部分是按照标准规范进行的。
在冷却过程中，采用了控制良好的温度降速率70℃/h，在1295-1230℃的温度范围内，在和烧结过程一样的保护气体中来进行。此后，冷却就象正常的维持有保护气体的炉膛冷却一样继续进行。
刀片表面区的结构由25μm厚的基本没有立方体相和分层排列的粘结剂相结构A的粘结剂相中度浓集的外部组成。在这个外部下面有一15μm厚的含有立方体相和具有粘结剂相中度浓集作为分层排列的粘结剂相结构B的区域。这部分的钴最大含量为约10%的重量。区域C和刀片的内部与实例1相同。刀片按实例1经过酸蚀，刀刃例圆和涂层。
实例5(对比实例)同样形式的刀片由与实例4相似的粉末混合物压制而成，并按照实例4经过烧结，但没有受控的冷却步骤。
刀片表面的结构由最外层的20-25μm厚的基本没有立方体相的粘结剂相中度浓集区组成。无分层的粘结剂相出现的倾向。在这个表面区域下面，有一个大约75-100μm厚的粘结剂相减少而立方体相浓集的区域。这个区的钴最小含量约为重量的5%。刀片的内部有C-气孔，C08。刀片按实例4经过酸蚀、刀刃倒圆和涂层。
实例6利用实例1，2，3，4和5的CNMG120408刀片，在硬度为HB110的非合金钢上进行间断车削试验，切削数据如下速度80m/min，进给量0.30mm/转，切削深度2mm。
每一个方案用于30个刀刃进行切削，直至断裂或最长切削时间10分钟。下表表示平均刀具寿命。
平均刀具寿命(分)实例1(本发明)10(没有断裂)实例2(本发明)10(没有断裂)实例3(已知技术)10(没有断裂)实例4(本发明)4.5实例5(已知技术)0.5如果可能，为了在实例1，2和3之间进行区别，重复了同一试验，但使用了切削液，得到了如下结果平均刀具寿命(分)实例1(本发明)10(仍没有断裂)实例2(本发明)10(仍没有断裂)实例3(已知方法)10(仍没有断裂)实例4(本发明)1.5
实例5(已知技术)0.1实例7在硬度为HB280的韧性-淬硬钢上连续车削，对实例1，2，3，4和5的刀片进行试验。使用了下列切削数据速度250m/min，进给量0.25mm/转，切削深度2mm。
车削工序导致了切削刃边的塑性变形，这可从刀片清洁后的表面上有侧面磨损看出。对5个刀刃的每一个测量了侧面磨损0.4mm的时间，结果如下平均刀具寿命(分)实例1(本发明)8.3)实例2(本发明)8.0实例3(已知技术)3.5实例4(本发明)18.5实例5(已知技术)20.3由实例6和7可以清楚地看出，本发明实例4的刀片，比已知方法的刀片韧性性能要好得多，同时其抗变形的性能也不会严重削弱。此外，本发明实例1和2的刀片，与已知技术相比，具有明显较好的抗变形性能，同时韧性也不丧失。很明显，这可达到切削性能和因此而取得的应用范围的扩大。
权利要求
1.在粘结剂相中含碳化钨和立方体相的有粘结剂相浓集的表面区的硬质，其特征在于粘结剂相浓集的表面区具有一基本没有立方体相外部和含有立方体相和分层次排列粘结剂相叠层的内部。
2.根据前述权利要求的硬质合金，其特征在于所述表面区的厚度为＜75，最好为20-50μm;所述外部的厚度为＞10μm，最好＜25μm，和所述内部的厚度为＞10μm，最好＜30μm。
3.根据前述权利要求中任何一项的硬质合金，其特征在于在所述内部是，粘结剂相的最大含量为正常粘结剂相含量的1.5-4，最好为2-3倍;而钨属的最小含量小于硬质合金正常钨含量的0.95。
4.制造粘结剂相浓集的硬质合金的方法，其特征在于将预烧结或未烧结的含有氮和最佳数量的碳的刀体在惰性气氛或真空中，在1380-1520℃下烧结15-180分钟，然后以20-100℃/h，最好是40-75℃/h的速率缓慢冷却，通过1300-1220℃，最好是1290-1250℃的固化区域。
5.制造粘结剂相浓集的硬质合金的方法，其特征在于将微亚共晶体刀体在含有CH4/H2和/或CO2/CO混合物的碳化气氛中，在1380-1520℃温度下烧结30-180分钟，接着在同样气体或最好是惰性气体或真空中缓慢冷却。
全文摘要
本发明涉及浓集粘结剂的新方法。它将熔解立方体相形成的粘结剂相浓集与生成分层次的叠层要求结合起来，产生一种独特的结构。这种新结构的特点是分层次排列的叠层愈深，最大的粘结剂相浓集愈小。将熔解立方体相与生成分层次的叠层结合的可能性为优化用于切削刀具的碳化钨基硬质合金性能提供了新的途径。通过控制熔解的深度、隙间平衡和冷却速率可以获得具有韧性的抗塑料变形独特结构的硬质合金。
文档编号C22C1/05GK1089532SQ9312101
公开日1994年7月20日 申请日期1993年12月18日 优先权日1992年12月18日
发明者P·古思塔夫松, L·奥克松, A·约思特伦德 申请人:桑德维克公司