专利名称：具有富含粘结相的表面区的涂层烧结碳化物的制作方法
技术领域：
本发明涉及涂层烧结碳化物(cemented carbide)，其具有基本不含伽玛相(gamma phase)的富含粘结相的表面区(binder phase enrichedsurface zone)，该涂层烧结碳化物包括WC、基于Co、Ni或Fe的金属粘结剂、和亚微米伽玛相。
用于金属切削的烧结碳化物品种(grades)通常含有平均晶粒粒度范围为1-5μm的WC、伽玛相、TiC、NbC、TaC、ZrC、HfC和VC中的至少一种和大量溶解的WC的立方固溶体、以及5-15wt-％的通常为Co的粘结相。通过改变WC晶粒粒度、粘结相和/或伽玛相的体积分数、伽玛相的组成，以及通过优化碳含量，使它们的性能得到优化。
伽玛相提高烧结碳化物的热硬度和化学耐磨性。通过向烧结碳化物粉末中添加立方碳化物如NbC、TaC、TiC、ZrC和HfC或相同元素的混合碳化物来形成伽玛相。在烧结过程中形成的伽玛相通过溶解与沉淀过程进行生长，其将溶解大量的钨，并将具有2-4μm级的晶粒粒度。
美国专利申请公开第2005/0126336号公开了烧结碳化物，其包括WC、基于Co、Ni或Fe的粘结相、和伽玛相、其中所述的伽玛相的平均晶粒粒度＜1μm。这通过如下过程来实现在基于Ti、Nb和Ta的伽玛相的典型烧结温度下，即在1450℃的温度下，添加粉末，该粉末能够形成具有平衡含量WC的(WC-content in equilibrium)伽玛相。
具有富含粘结相的表面区的涂层烧结碳化物刀片现在被广泛用于钢材和不锈钢材(stainless materials)的机械加工中。由于富含粘结相的表面区的作用，使刀具材料的应用范围得以扩展。
制备具有富含粘结相的表面区的烧结碳化物的方法或工艺即所谓的梯度烧结(gradient sintering)工艺，已记载在许多专利或专利申请中，所述烧结碳化物含有WC、立方晶相(cubic phase)(碳氮化物)和粘结相。根据美国专利第4,227,283号和美国专利第4,610,931号，使用含氮添加物并在真空中进行烧结，但是根据美国专利第4,548,786号，在气相中添加氮。结果是先前立方晶相溶解后被其占据的体积(volume)现在被液态粘结金属所占据。通过该过程产生了富含粘结相的表面区。溶解的立方晶相中的金属成分向内扩散，并在仍存在于材料中的未溶解的伽玛相上沉淀。因此在富含粘结相的表面区内的区域中这些元素的含量增加，同时粘结相含量相应地降低。在该区域中裂缝容易生长，其对机械加工期间的断裂频率具有决定性的影响。美国专利第5,761,593号公开了解决该问题的方法。
本发明的目的是提供具有改进韧性的粘结相浓集的烧结碳化物，其中耐塑性变形性基本保持不变。
图1显示了根据本发明的涂层烧结碳化物刀片的截面，其中A-烧结碳化物的内部B-富含粘结相的表面区C-涂层现在意外地发现具有亚微米伽玛相的粘结相浓集的烧结碳化物可以实现上述目的。
现在根据本发明提供了涂层烧结碳化物，其包括WC、基于Co、Ni或Fe的粘结相、和伽玛相，并且其具有基本不含伽玛相的富含粘结相的表面区，所述伽玛相的平均晶粒粒度＜1μm。烧结碳化物中粘结相的含量为3-15wt-％，优选6-12wt-％，并且伽玛相的量为3-25vol-％，优选5-15vol-％。在一个优选实施方案中，WC的平均晶粒粒度＜1μm。
现在根据本发明提供了烧结碳化物，其具有立方碳化物被耗尽(depleted)的＜70μm厚，优选10-40μm厚的富含粘结相的表面区。烧结碳化物刀体表面区中粘结相的最大含量为烧结碳化物刀体内部位置中粘结相含量的1.1倍以上(＞1.1倍)，优选1.25-3倍。
本发明还涉及通过传统的粉末冶金方法制备烧结碳化物的方法，该烧结碳化物包括WC、基于Co、Ni或Fe的粘结相、和伽玛相，所述粉末冶金方法是如下的过程湿磨粉末形成硬质成分(hardconstituents)和粘结相，干燥压制并烧结成为所需形状与尺寸的刀体。根据本发明，形成伽玛相的粉末是作为与WC熔合(alloyed with)的立方混合碳化物(Ti，Nb，Ta，W)C来添加的，形成伽玛相的粉末优选具有亚微米晶粒粒度，所述WC的量是这样确定的WC的摩尔分数为xwc，在烧结温度下伽玛相WC的平衡含量(equilibrium gamma phase WCcontent)用WC的摩尔分数xewc来表示，使xwc与xewc的比fwc＝xwc/xewc为0.6-1.0，优选0.8-1.0，其中下述关系式给出了在烧结温度下WC的溶解度，xewc＝(0.383*xTiC+0.117*xNbC+0.136*xTaC)/(xTiC+xNbC+xTaC)，通过WC的摩尔分数xwc得出WC的量。
在一个优选实施方案中WC粉末也是亚微米级的。
通过粉末冶金方法制备烧结碳化物刀片，所述粉末冶金方法包括，研磨(milling)粉末混合物形成硬质成分和包括少量氮的粘结相，干燥、压制并在真空下烧结以得到所需的粘结相富集。这通过下列两种方法中的任一种或其组合来实现(i)如美国专利第4,610,931号所公开的，通过在惰性气氛下或在真空中烧结含氮化物或碳氮化物的预烧结的或压实的(compacted)刀体，或(ii)如美国专利第4,548,786号所公开的通过氮化压实的刀体，然后通过在惰性气氛下或在真空中烧结。通过粉末或通过烧结工艺或通过它们的组合方法中所添加的氮的量，决定了烧结过程中立方碳化物相的溶解速率。氮的最适宜的量取决于立方碳化物相的类型与数量，并且以伽玛相形成元素为基准其重量百分比可以为0.1至8wt％。对于方法(i)，以TiN或Ti(C，N)的形式添加氮，或者可以以碳氮化物的形式添加上述混合碳化物(Ti，Nb，Ta，W)C。
然后，如本领域所属技术人员所理解地，可以用一层或多层传统涂层材料例如Al2O3、TiN、TiC、TiCN、TiAlN等通过传统工艺(例如，CVD、PVD)来对刀片进行涂层。
权利要求
1.涂层烧结碳化物，包括WC、基于Co、Ni或Fe的粘结相、和伽玛相，并且具有基本不含伽玛相的富含粘结相的表面区，其特征在于所述伽玛相的平均晶粒粒度＜1μm。
2.如前一权利要求所述的烧结碳化物，其特征在于所述粘结相的含量为3-15wt-％，优选6-12wt-％。
3.如前面任一权利要求所述的烧结碳化物，其特征在于所述伽玛相的量为3-25vol-％，优选5-15vol-％。
4.如前面任一权利要求所述的烧结碳化物，其特征在于所述WC的平均晶粒粒度＜1μm。
5.通过本领域已知的粉末冶金方法制备烧结碳化物的方法，该烧结碳化物包括WC、基于Co、Ni或Fe的粘结相、伽玛相，并且具有基本不含伽玛相的表面区，其特征在于形成伽玛相的粉末是作为与WC熔合的立方混合碳化物(Ti，Nb，Ta，W)C来添加的，所述WC的量是这样确定的WC的摩尔分数为xwc，在烧结温度下平衡伽玛相WC的含量用WC的摩尔分数xewc来表示，使xwc与xewc的比fwc＝xwc/xewc为0.6-1.0，优选0.8-1.0，其中下述关系式给出了在烧结温度下WC的溶解度，xewc＝(0.383*xTiC+0.117*xNbC+0.136*xTaC)/(xTiC+xNbC+xTaC)，通过WC的摩尔分数xwc得出WC的量。
6.如权利要求5所述的方法，其特征在于所述伽玛相粉末的晶粒粒度＜1μm。
7.如权利要求5或6所述的方法，其特征在于所述的WC粉末是亚微米级的。
8.如权利要求5所述的方法，其特征在于所述的立方混合碳化物(Ti，Nb，Ta，W)C含有氮。
全文摘要
本发明涉及涂层烧结碳化物，其包括WC、基于Co、Ni或Fe的粘结相、和伽玛相，并且其具有基本不含伽玛相的富含粘结相的表面区。所述伽玛相的平均晶粒粒度≠1μm。以这种方法得到了具有改进韧性和基本不变的耐塑性变形性的粘结相浓集的烧结碳化物。
文档编号B22F3/12GK1854320SQ20061007461
公开日2006年11月1日 申请日期2006年4月20日 优先权日2005年4月20日
发明者苏珊·诺格伦 申请人:山特维克知识产权股份有限公司