专利名称：用于采矿和建筑应用的硬质合金工具及制造该工具的方法
技术领域：
本发明涉及一种优选用于岩石和矿物的钻孔/切割工具中的硬质合金体。而且也包括用于沥青和混凝土的硬质合金工具。更确切地说，本发明涉及通过烧结技术制得的硬质合金工具，其中存在两种具有互补特性的不同微结构区域。
在硬质合金中，颗粒尺寸及粘合剂相(如钴)含量，都对复合材料的性能具有影响。例如，碳化钨的较小/较细颗粒尺寸导致更好的抗磨损性材料。通常钴含量的增加导致韧性的增加。
具有精细颗粒尺寸的硬质合金通过在初始粉末混合物中混合颗粒细化剂制得。这种硬质合金整个微结构都具有精细颗粒尺寸。粗颗粒尺寸的硬质合金通过烧结而没有混入任何颗粒细化剂被制得，因为如WC-Co复合材料的硬质合金倾向于在烧结中WC颗粒粗化。这种硬质合金整个微结构都具有粗颗粒尺寸。可以知晓的是，这些坚硬体在整个硬质合金体都具有统一的微结构。
具有至少两个不同微结构区域的硬质合金体在本领域是已知的。例如具有强韧硬质合金级别的钻心和更高抗磨损级别钻盖的钻孔机在EP-A-951576中公开。
EP-A-194018涉及一种由粗颗粒的碳化钨颗粒中心层和较细颗粒的碳化钨颗粒的外围层制得的拨丝模。最初这些层具有相同的钴含量。烧结之后中心的粗颗粒层的钴含量降低。
EP-A-257869公开了一种具有抗磨损顶部和强硬心部的凿岩钻头球齿。该顶部由具有低Co含量和精细WC颗粒尺寸的粉末制得，而心部由具有高Co含量和粗WC颗粒的粉末制得。没有公开任何关于在烧结之后这两部分中Co含量的内容。然而，在这种情况下粗颗粒部分中的Co含量也将因精细颗粒层中Co含量的增加而减少。类似的公开内容可见US 4,359,335。
可选的方法公开在US 4,743,515中，其公开了优选用于岩石钻孔和矿物切割的硬质合金体。硬质合金体包括含有η相的硬质合金核，该硬质合金核由不含η相的硬质合金表面区域包围，并且表面的钴含量低而紧邻η相区域的钴含量较高。US 4,843,039也相似，但是它涉及用于金属加工的切削工具刀片。
US 5,623,723公开了一种制造具有抗磨损表面区域的硬质合金体的方法。该方法包括下列步骤提供硬质合金压坯；将颗粒细化剂粉末置于压坯的暴露表面的至少一部分之上；以及热处理该压坯和颗粒细化剂粉末以使颗粒细化剂扩散到压坯的中心，从而由放置有颗粒细化剂的暴露表面向内地形成表面区域和形成内部区域。因此得到如下的硬质合金体表面区域具有较小的颗粒尺寸但Co含量较该硬质合金体的内部高。这意味着由于较小WC颗粒尺寸而得到的增高的抗磨损性因为Co含量的增加而一定程度地丧失。
因此本发明的目的在于提供一种硬质合金体和制造该硬质合金体的方法，该硬质合金体的表面区域具有低粘合剂相含量和精细WC颗粒尺寸并因此具有高抗磨损性。
本发明另一个目的在于提供一种硬质合金刀片/球齿，该硬质合金刀片/球齿在表面部分具有压缩应力，这对刀片/球齿的强度和韧性都具有积极的影响。
已经惊奇地发现可能通过碳化钨和粘合剂的单独混合物得到如下的硬质合金体表面部分同内部相比具有较小的颗粒尺寸和较低的钴含量。
图1是显示硬度(HV3)和钴含量(WDS-分析)与离表面的距离的图表，其中颗粒细化剂粉末置于根据本发明的用于采矿应用的球齿上。
图2是显示铬含量(WDS-分析)与离表面的距离的图表，其中颗粒细化剂粉末置于根据本发明的球齿上。
图3a是显示距离表面20μm处的微结构的微观图(FEG-SEM，2000x，BSE模式)，其中颗粒细化剂粉末置于根据本发明的球齿上。
图3b是显示距离表面2.5mm处的微结构的微观图(FEG-SEM，2000x，BSE模式)，其中细化剂粉末置于根据本发明的球齿上。
图3c是显示本发明球齿内部(中心)的微结构的微观图(FEG-SEM，2000x，BSE模式)。
根据本发明，提供了一种用于采矿和建筑应用的硬质合金工具刀片/球齿，包括至少一个表面部分，该表面部分粘合剂含量很低并且其宽度是硬质合金体的直径/宽度的0.05-0.9倍、优选地0.1-0.5倍，最优选地0.15-0.4倍，并且颗粒尺寸比内部的低而且Co含量比内部的低，这导致烧结之后表面的压缩应力。更特别的是表面部分的Co含量＜1倍、优选地＜0.9倍、最优选地＜0.75倍的内部Co含量，并且表面区域的WC颗粒尺寸＜1倍、优选地＜0.9倍、最优选地＜0.8倍的内部WC颗粒尺寸。优选地该表面区域含有Cr使得表面部分的参数A(＝(重量％Cr/重量％粘合剂相)+0.01)和在合金体的最低Cr含量的部分取样的参数B(＝(重量％Cr/重量％粘合剂相)+0.01)之间的比率A/B＞1.5，优选地A/B＞3.0。
硬质合金的成分是WC+Co，具有4-25重量％、优选地5-10重量％的公称Co含量和截取值的算术平均值为1-15μm、优选地1.5-5μm的公称WC颗粒尺寸。
在一个实施方式中，该硬质合金含有η相。
在另一个实施方式中，精细颗粒部分和粗颗粒部分之间的Co含量最高。
本发明也涉及一种制造具有抗磨损的表面区域的硬质合金体的方法，该方法包括下列步骤-提供硬质合金压坯，该硬质合金压坯由含有形成坚硬成分和Co和/或Ni粘合剂相的粉末的单独粉末制得；-可能地将该压坯磨制成所需的形状和尺寸；-通过蘸、喷雾、涂覆应用薄带或其它方式将含有颗粒细化剂的粉末置于压坯暴露表面的至少一部分之上，颗粒细化剂优选是任何碳化铬(Cr3C2，Cr23C6和Cr7C3或它们的混合物)或碳和铬的混合物或其它含有铬和碳和/或氮的化合物；-烧结该压坯和颗粒细化剂粉末使得颗粒细化剂从施加有颗粒细化剂的表面扩散开，从而形成同内部相比具有低粘合剂相含量、高铬含量和小WC颗粒尺寸的梯度区域；-可能地在烧结的最后阶段加入均衡气压以得到致密体；-可能地在低于烧结温度的温度下和1-100MPa的压力下进行后HIP。
-可能地磨制成最终形状；-可能地使用磨制或任何其它机械方法将不需要的碳化物和/或石墨从表面除去；烧结时间尽可能短以得到具有同内部相比颗粒尺寸较小和钴含量较低的表面部分的致密体。
硬质合金压坯的公称碳含量应当通过考虑所施加的颗粒细化剂带来的碳来确定。而且也可使用将导致含有η相微结构的压坯。烧结应当进行尽可能短的时间以得到所需的结构和具有封闭气孔的合金体、优选地致密体。烧结时间取决于WC的颗粒尺寸和硬质合金的成分并且因此不能被更精密地确定。本领域的技术人员能够确定是否已经得到该所需的结构并且根据本说明书改变烧结条件。假如需要的话，该合金体能在同烧结温度相比较低的HIP温度下和2-100MPa的压力下被后HIP。
可选地，颗粒细化剂/碳化铬粉末置于预烧结的合金体之上，该合金体之后在比预烧结温度高的温度下被热处理以得到所需的结构。
实施例1硬质合金压坯如下制得从粉末压缩成圆柱状压坯(直径12mm)，该粉末具有如下成分94重量％WC和6重量％Co。WC原材料相对颗粒较粗并且平均颗粒尺寸为3.0μm(FSSS)。所有的表面被用含有Cr3C2的薄层(0.02g Cr3C2/cm2)覆盖。之后该压坯在1350℃下被烧结30分钟。在烧结的最后15分钟内施加10MPa的均衡气压以得到致密体。检测烧结的球齿的横截面。表面上看不到任何Cr3C2。图1显示了硬度和钴含量与离预先由Cr3C2覆盖的表面的距离的图表。钴含量在接近表面处最低而且随着距离的增加而增加直至最大值之后又再次降低。硬度在接近表面处最高而且随着距离的增加而减小直至最小值之后朝中心又再次升高。图2是显示铬含量与离预先由Cr3C2覆盖的表面的距离的图表。铬含量在接近表面处最高而且随着距离的增加而减小。图3a是显示距离表面20μm处微结构的微观图(FEG-SEM，2000x，BSE模式)。图3b是显示距离表面2.5mm处微结构的微观图(FEG-SEM，2000x，BSE模式)。图3c是显示球齿内部(距预先由Cr3C2覆盖的表面6mm处)的微结构的微观图(FEG-SEM，2000x，BSE模式)。测量为截取值的算术平均值的WC颗粒尺寸显示在表1中。
表权利要求
1.一种用于采矿和建筑的硬质合金工具刀片/球齿，该硬质合金工具刀片/球齿包括Co和/或Ni粘合剂相的坚硬成分和至少一个表面部分及内部，在该表面部分中颗粒尺寸较内部的小，其特征在于具有精细颗粒尺寸的表面部分具有较内部低的粘合剂相含量。
2.根据前述权利要求的硬质合金刀片/球齿，其特征在于表面部分的粘合剂相含量＜1倍、优选地＜0.9倍、最优选地＜0.75倍的内部的粘合剂相含量。
3.根据前述任何权利要求的硬质合金刀片/球齿，其特征在于表面部分的WC颗粒尺寸＜1倍、优选地＜0.9倍、最优选地＜0.8倍的内部的WC颗粒尺寸。
4.根据前述任何权利要求的硬质合金刀片/球齿，其特征在于表面部分含有Cr使得表面部分的参数A(＝(重量％Cr/重量％粘合剂相)+0.01)和在合金体的最低Cr含量的部分取样的参数B(＝(重量％Cr/重量％粘合剂相)+0.01)之间的比率A/B＞1.5，优选地A/B＞3.0。
5.根据前述任何权利要求的硬质合金体，其特征在于粘合剂含量很低的表面部分的宽度是硬质合金体的直径/宽度的0.05-0.9倍、优选地0.1-0.5倍，最优选地0.15-0.4倍。
6.根据前述任何权利要求的硬质合金体，其特征在于硬质合金的成分是WC+粘合剂，具有4-25重量％、优选地5-10重量％的公称粘合剂含量和截取值的算术平均值为1-15μm、优选地1.5-5μm的公称烧结WC颗粒尺寸。
7.根据前述任何权利要求的硬质合金体，其特征在于含有η相。
8.根据前述任何权利要求的硬质合金体，其特征在于精细颗粒部分和粗颗粒部分之间的Co含量最高。
9.一种制造具有抗磨损的表面区域的硬质合金体的方法，该方法包括下列步骤-提供由单独粉末制得的硬质合金压坯；-可能地预烧结压坯并将该压坯磨制成所需的形状和尺寸；-将含有碳和/或氮的颗粒细化剂粉末置于压坯/预烧结毛坯的暴露表面的至少一部分之上，颗粒细化剂优选地含有Cr；-烧结该压坯/预烧结毛坯和颗粒细化剂粉末使得颗粒细化剂向合金体的中心扩散，从而从其上放置有颗粒细化剂的暴露表面处向内形成表面区域并形成内部区域；-可能地在烧结最后阶段加入均衡气压以得到致密体；-可能地在低于烧结温度的温度下和1-100MPa的压力下进行后HIP；-可能地磨制成最终形状；-可能地使用磨制或任何其它机械方法将不需要的碳化物和/或石墨从表面除去；其特征在于所述烧结所进行的时间为得到具有同内部相比颗粒尺寸较小和钴含量较低的表面部分的致密体。
全文摘要
本发明涉及一种用于采矿和建筑的硬质合金切割工具刀片/球齿，该硬质合金切割工具刀片/球齿包含Co和/或Ni粘合剂相的坚硬成分和至少一个表面部分和内部，在该表面部分中颗粒尺寸较内部的小。具有精细颗粒尺寸的表面部分具有较内部低的粘合剂相含量。
文档编号C22C29/08GK1894431SQ200480037135
公开日2007年1月10日 申请日期2004年12月7日 优先权日2003年12月15日
发明者马蒂亚斯·蒂尔曼, 苏珊·诺格伦, 玛丽安娜·柯林 申请人:山特维克知识产权股份有限公司