烧结的粘结碳化物本体、粘结碳化物本体的用途和生产方法
【专利摘要】本发明涉及烧结的粘结碳化物本体、粘结碳化物本体的用途和生产方法。一种烧结的粘结碳化物本体，包括碳化钨作为硬质材料以及一种包含钴（Co）、铬（Cr）和铜（Cu）的金属粘结剂。钴在该烧结的粘结碳化物中是以按重量计7.0%至14.0%的比例存在。铜的比例是按重量计从0.05%至3.8%并且铬的比例是按重量计从0.2%至1.9%，在各自的情况下均是基于该烧结的粘结碳化物本体的总重量。该粘结碳化物本体有利地用于切削钛和钛合金、铸铁以及钢。
【专利说明】烧结的粘结碳化物本体、粘结碳化物本体的用途和生产方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及烧结的粘结碳化物本体，该烧结的粘结碳化物本体包括碳化钨作为硬质材料相以及一种包含钴、铬、和铜的金属粘结剂。
【背景技术】
[0002]在用于切削目的粘结碳化物的情况下，粘结碳化物等级的品质大部分是由其高温特性决定的。这些粘结碳化物的硬度通常随着温度的增大显著下降，并且同时由该粘结碳化物生产的切削镶片或其他本体的变形行为同样地剧烈变化。
[0003]这些烧结的粘结碳化物的机械特性同样受通过粉末冶金法生产它们的方式所影响。在相应的生坯烧结过程中不可避免的晶粒生长对该烧结的粘结碳化物的横向断裂强度和/或硬度具有负面影响。因此，特定的碳化物被混合至起始粉末混合物中作为晶粒生长抑制剂。最常使用的晶粒生长抑制剂是碳化钽、碳化铬和碳化钒，其中由于金属钽和铌的自然缔合并且考虑成本原因，碳化钽通常被用作(Ta，Nb)C混合碳化物。
[0004]在这些粘结碳化物粉末烧结的过程中，来自碳化钨和这些晶粒生长抑制剂的金属二者中的钨均扩散至该粘结剂相中并且溶解在其中而形成一种固溶体。由于这些金属在该粘结剂金属中的溶解度在较高温度下大于在室温下，在室温下不再可溶解的过剩量可能再次从该粘结剂相中沉淀出来。
[0005]在某些应用中 ，例如在金属和金属合金的铣削中，切削操作被不断地中断，其中切削刀具通过该切削操作过程中的加热以及该中断阶段中的冷却而被暴露在热膨胀与收缩之间的连续交替中。这种波动的温度加载产生了热裂纹，这可能是该切削刀具的不均匀磨损的一个原因。
[0006]基于具有钴-铬粘结剂相的碳化钨(例如WC-11.5%Co-0.5%Cr)的烧结的粘结碳化物本体已经表现出良好的高温性能和良好的热冲击耐受性。这些粘结碳化物因此优选地被用作用于铣削钢或铸铁的切削刀具。
[0007]DD267063A1描述了烧结的粘结碳化物本体，这些烧结的粘结碳化物本体被用作切削木材和塑料的切削镶片。这些切削镶片中钴的比例按重量计是约4%至6%。另外，存在按重量计0.5%至1%的铬和按重量计0.5%至1.5%的铜，在各自情况下均是基于该烧结的粘结碳化物本体的总组成。与对比性的无铜合金相比并且在给定相同的硬度时，铜的添加应该会产生更高的横向断裂强度和改进的热导率。
[0008]然而，已知的含铜的粘结碳化物的极低的磁饱和表明了该粘结剂合金中存在着相当比例的亚化学计量的脆性相。由于缺乏韧性，因此DD267063A1中描述的切削镶片不适合用于机加工金属和金属合金。
【发明内容】
[0009]本发明是基于提供烧结的粘结碳化物等级的目的，这些烧结的粘结碳化物等级在切削试验中具有改善的磨损行为并且可以被用于所有种类的金属切削操作，特别是用于铣削金属和金属合金以及用于生产切削镶片和其他切削刀具。
[0010]根据本发明，这个目的是通过具有权利要求1的特征的一种烧结的粘结碳化物本体实现的。
[0011]根据本发明的烧结的粘结碳化物本体包括碳化钨作为硬质材料以及一种包含钴(Co)、铬(Cr)和铜(Cu)的金属粘结剂。钴在该烧结的粘结碳化物中是以按重量计7.0%至14.0%、优选按重量计9.0%至12.0%的比例存在。铜的比例是按重量计从0.05%至3.8%、优选的是按重量计0.2%至3.6%，并且铬的比例是按重量计从0.2%至1.9%、优选的是按重量计0.4%至1.9%、特别是按重量计0.8%至1.9%，在各自情况下均是基于该烧结的粘结碳化物本体的总重量。 [0012]本发明已经成功提供了具有良好的耐热冲击性的烧结的粘结碳化物，并且这些烧结的粘结碳化物特别适用于具有中断的切削操作的应用中，例如钢、铸铁以及其他金属合金特别是钛和钛合金的铣削。已经出乎意料地发现，在多种多样的应用中，铜的添加在切削试验中带来了这些工具的使用寿命的显著改善。假设的是在切削操作过程中铜的添加抵消了热裂纹的出现，即使根据本发明的粘结碳化物本体具有低于不含铜添加的对比组成的热导率。根据本发明的粘结碳化物本体的硬度不受铜添加的不利影响并且可以通过例如使用一种细粒碳化钨来设定，其方式是获得已知的含铬粘结碳化物的硬度。
[0013]在从属权利要求中指明了本发明的多个优选实施例，并且这些优选实施例可以任选地并且彼此独立地进行组合。
[0014]为了生产该粘结碳化物本体，优选地是以切削镶片的形式，将包含WC作为硬质材料、Co和Cu作为金属粘结剂并且包含Cr的化合物(特别是Cr3C2)并且适当时包含其他元素(例如T1、Zr、Hf、Ta、Nb、V和/或Mo)的化合物在球磨机或磨碎机中研磨，如果适当的话添加碳或钨以及普通的研磨助剂和/或压制助剂，进行压制以便形成具有所希望形式的生坯并且然后将其进行烧结，并且如果适当的话向其提供一个硬质耐磨损涂层。
[0015]有待添加至该起始粉末混合物中的碳和/或钨的量是本领域的技术人员已知的并且熟悉的。有待添加的这些量以一种既不形成脆性n相也不形成游离碳的方式来选择。
[0016]由于铜的熔点低，所以在含铜的起始粉末混合物的烧结过程中可能发生铜损失。因此，根据本发明的烧结的粘结碳化物可以具有一个铜梯度，该铜梯度具有的铜含量从该粘结碳化物本体的内核朝向外壳下降。
[0017]根据本发明的粘结碳化物本体的硬质材料优选地由碳化钨(除不可避免的杂质以外)组成。
[0018]用来生产该烧结的粘结碳化物本体的WC粉末的平均粒度优选地位于约0.1至
8.Ομ--的范围内、优选地在约0.9与5.0 μ m之间。
[0019]作为碳化钨的替代物，该粘结碳化物本体可以包含至少一种另外的硬质材料，其比例为按质量计高达5%、优选地按质量计高达3%、并且特别优选地按质量计0.4%至2.5%，这种硬质材料是选自:金属钛、锆、铪、铌、钽、钒和钥的碳化物、氮化物、碳氮化物，包括其混合物和固溶体。
[0020]优选的另外的硬质材料是TaC、TaNbC以及ZrNbC还以及TiC。
[0021]为了生产根据本发明的粘结碳化物本体，还可能的是有利地使用那些已经掺杂了碳化铬(Cr3C2)的商业WC等级。
[0022]该金属粘结剂优选地在该烧结的粘结碳化物中是以按体积计19.0%至23.0%的比
例存在。
[0023]根据一个优选的实施例，该烧结的粘结碳化物本体具有的钴比例为按重量计9.0%至 12%。[0024]在这个实施例中，基于该粘结剂中Co、Cu和Cr组分的总重量，该烧结的粘结碳化物本体中的铜比例是从1.7%至24.5%。
[0025]基于该粘结剂中Co、Cu和Cr组分的总重量，该烧结的粘结碳化物本体中的铬比例优选地是从6.0%至14.4%。
[0026]在Co、Cr和Cu的所述比例范围内，有可能的是生产出对于具有中断的切削操作的金属材料切削而言具有硬度和韧性还以及横向断裂强度的最佳组合的烧结的粘结碳化物本体。
[0027]根据另外一个优选的实施例，该烧结的粘结碳化物本体的铜比例位于室温下该3相体系Co-Cu-Cr中Cu的溶解度极限以下。
[0028]该烧结的粘结碳化物本体优选地具有在粘结碳化物本体中按重量计0.2%至0.8%的铜比例。
[0029]基于该金属粘结剂的总重量，铜比例优选地位于1.7%至6.1%的范围内。
[0030]由这些粘结碳化物制成的切削刀具优选地用于切削钛和钛合金。
[0031]根据本发明另外一个实施例，该烧结的粘结碳化物本体包括一种金属粘结剂，该金属粘结剂具有的铜比例位于该3相体系Co-Cu-Cr中Cu的溶解度极限以上。
[0032]基于该粘结碳化物本体的总重量，该烧结的粘结碳化物本体中的铜比例优选地位于按重量计1.2%至3.6%的范围内。
[0033]基于该粘结剂中Co、Cu和Cr组分的总重量，该铜比例优选地是从8.4%至24.5%。
[0034]具有高的铜比例的粘结碳化物本体特别适用于铣削铸铁和钢并且优选地用于没有冷却剂的应用。
[0035]根据该烧结的粘结碳化物本体的另外一个实施例，该粘结碳化物本体中的铬比例位于该3相体系Co-Cu-Cr中Cr的溶解度极限以下。
[0036]在这个实施例中，基于该粘结碳化物本体的总重量，该铬比例优选地位于按重量计0.4%至0.8%的范围内。
[0037]基于该粘结剂中Co、Cu和Cr组分的总重量，该铬比例优选地是从6.0%至8.0%。
[0038]根据另外一个实施例，该烧结的粘结碳化物本体中的Cr比例位于该3相体系Co-Cu-Cr中Cr的溶解度极限以上。
[0039]在这个实施例中，基于该粘结碳化物本体的总重量，该粘结碳化物本体的铬比例优选地位于按重量计1.4%至1.9%的范围内。
[0040]基于该金属粘结剂中Co、Cu和Cr组分的总重量，该铬比例优选地是从9.7%至
14.4%ο
[0041]如果铬和/或铜的比例位于各自的溶解度极限以上，则将进行假设:该金属粘结剂除了该Co-Cu-Cr固溶体相至外，在各自情况下还具有该过量金属的第二或第三相。
[0042]根据本发明的烧结的粘结碳化物本体优选地用作切削刀具并且具有至少一个切削刃，该切削刃是在一个侧面与一个前刀面相遇的点处形成的。该切削刀具可以按钻头、钻尖、车床、铣刀或这些工具的一部分的形式、切削镶片或可转位镶片的形式存在。
[0043]该烧结的粘结碳化物本体优选地配备有施加至该本体上的至少一个耐磨涂层。
[0044]该耐磨涂层可以包括一个或多个层并且可以通过物理或化学气相沉积(CVD或PVD)施加至该本体上。这些层彼此独立地通常由以下各项组成:来自元素周期表的第4、5、和6族中的金属的碳化物、碳氮化物、羧基氮化物(carboxynitride)或氮化物,特别是TiC、TiN和/或TiCN，还以及氧化铝、TiAl和TiAlN0
[0045]该耐热涂层优选地包括按CVD工艺中所施加的至少一个TiCN涂层以及施加至该TiCN层上的一个氧化铝层。进一步优选的是具有TiAlN的PVD层的涂层。
[0046]以下实例中对本发明的另外多个实施例进行了说明，但这些实施例不应被理解为具有限制作用。
【专利附图】
【附图说明】
[0047]在附图中:
[0048]-图1示出了与已知的含铬的粘结碳化物等级相比，根据本发明的粘结碳化物在20°C与600°C之间的热导率的图形展示；
[0049]-图2示出了与已知的含铬的粘结碳化 物等级相比而言取决于根据本发明的粘结碳化物的温度的热膨胀系数的图形展示；并且
[0050]-图3示出了根据本发明的粘结碳化物的含量三角形，指出了在该三相体系Co-Cu-Cr中Cr和Cu在室温下的溶解度极限。
【具体实施方式】
[0051]为了生产根据本发明的烧结的粘结碳化物，在以下所有实例中，将粉状原材料Co、Cu和Cr3C2以及剩余物WC还以及任选的W和/或C在磨碎机或球磨机中进行湿式研磨并且接着干燥。接着由该研磨和干燥过的粉末混合物压制成具有在各自情况下指出的几何形状的工具生坯。然后将这些生坯在1400°C与约1450°C之间的温度下、在氩气中进行烧结直到达到最大密度。
[0052]在烧结的粘结碳化物成型本体已经冷却至室温之后，借助于普通切削试验来测定所获得的这些烧结的粘结碳化物的高温特性。
[0053]另外，对根据本发明的粘结碳化物等级和一些已知的粘结碳化物等级的根据IS03369的密度、根据IS03878的维氏硬度(HV50)、根据IS03326的矫顽力(He)、磁饱和(MS)、根据IS028079的Palmqvist韧度(Klc)以及根据IS03327类型B的横向断裂强度(TRS)进行测定并相互比较。磁饱和是在来自塞塔拉姆(Setaram)的Sigmameter D-5001上测量的。
[0054]下复I指出了通过X射线荧光分析在该烧结的粘结碳化物中所测定的粘结剂比例的组成还以及所研究的粘结碳化物等级(如该起始粉末混合物中所使用的)的碳化钨的平均粒度。标记“mass500”表示来自世泰科(H.C.Starck)的高度渗碳的碳化钨，具有约4.7μηι 至 5.8μηι 的粒度。
[0055]复1
【权利要求】
1.一种烧结的粘结碳化物本体，包含碳化钨和一种包含钴、铬以及铜的金属粘结剂，其中钴是以按重量计7.0%至14.0%的比例存在，铜是以按重量计0.05%至3.8%的比例存在并且铬是以按重量计0.2%至1.9%的比例存在，在各自的情况下均是基于该烧结的粘结碳化物本体的总重量。
2.如权利要求1所述的粘结碳化物本体,其中钴的比例是按重量计从9.0%至12.0%。
3.如权利要求1或2所述的粘结碳化物本体，其中铬的比例是按重量计从0.4%至1.9%、特别地是按重量计0.8%至1.9%。
4.如权利要求1至3之一所述的粘结碳化物本体，其中铜的比例是按重量计从0.2%至3.6%。
5.如权利要求1至4之一所述的粘结碳化物本体，其中基于该粘结剂中Co、Cu和Cr组分的标称总重量，该金属粘结剂中的铜比例是按重量计从1.7%至28.8%、优选地按重量计1.7% 至 24.5%。
6.如权利要求1至5之一所述的粘结碳化物本体，其中基于该粘结剂中Co、Cu和Cr组分的标称总重量，该金属粘结剂中的铬比例是按重量计6.0%至14.4%。
7.如权利要求1至6之一所述的粘结碳化物本体，其中该粘结剂是以按体积计19.0%至23.0%的比例存在。
8.如权利要求1至7之一所述的粘结碳化物本体，其中该粘结碳化物本体的铜比例位于该3相体系Co-Cu-Cr中Cu的溶解度极限以下。
9.如权利要求8所述的粘结碳化物本体，其中该粘结碳化物本体的铜比例位于按重量计0.2%至0.8%的范围内。
10.如权利要求8所述的粘结碳化物本体，其中基于该粘结剂中Co、Cu和Cr组分的标称总重量，该金属粘结剂中的铜比例位于1.7%至6.1%的范围内。
11.如权利要求1至7之一所述的粘结碳化物本体，其中该粘结碳化物本体的铜比例位于该3相体系Co-Cu-Cr中Cu的溶解度极限以上。
12.如权利要求11所述的粘结碳化物本体，其中该粘结碳化物本体的铜比例位于按重量计1.2%至3.6%的范围内。
13.如权利要求11所述的粘结碳化物本体，其中基于该粘结剂中Co、Cu和Cr组分的标称总重量，该金属粘结剂中的铜比例位于按重量计8.4%至24.5%的范围内。
14.如以上权利要求之一所述的粘结碳化物本体，其中该粘结碳化物本体的铬比例位于该3相体系Co-Cu-Cr中Cr的溶解度极限以下。
15.如权利要求14所述的粘结碳化物本体，其中该粘结碳化物本体的Cr比例位于按重量计0.4%至0.8%的范围内。
16.如权利要求14所述的粘结碳化物本体，其中基于该粘结剂中Co、Cu和Cr组分的标称总重量，该金属粘结剂中的铬比例位于按重量计6.0%至8.0%的范围内。
17.如权利要求1至13之一所述的粘结碳化物本体，其中该粘结碳化物本体的铬比例位于该3相体系Co-Cu-Cr中Cr的溶解度极限以上。
18.如权利要求15所述的粘结碳化物本体，其中该烧结的粘结碳化物本体的铬比例位于按重量计1.4%至1.9%的范围内。
19.如权利要求14所述的粘结碳化物本体，其中基于该粘结剂中Co、Cu和Cr组分的标称总重量，该金属粘结剂中的铬比例位于按重量计9.7%至14.4%的范围内。
20.如以上权利要求之一所述的粘结碳化物本体，其中该本体具有一个铜梯度，该铜梯度具有的铜含量从内核向外壳下降。
21.如以上权利要求之一所述的粘结碳化物本体，其中该本体除了碳化钨之外还包含一种或多种化合物作为硬质材料，该一种或多种化合物是选自:金属钛、锆、铪、铌、钽、钒和钥的碳化物、氮化物、碳氮化物，包括其混合物和固溶体。
22.如以上权利要求之一所述的粘结碳化物本体,其中该本体具有至少一个切削刃，该至少一个切削刃是在一个侧面与一个前刀面的相遇点处形成的。
23.如以上权利要求之一所述的粘结碳化物本体，具有施加至该本体上的至少一个耐磨涂层。
24.如以上权利要求之一所述的烧结的粘结碳化物本体用于切削、特别是铣削金属和金属合金的用途。
25.如权利要求24所述的用途，其中该粘结碳化物本体是用于切削钛和钛合金。
26.如权利要求25所述的用途，其中基于该粘结碳化物本体的总重量，该粘结碳化物本体具有的铜比例是按重量计0.2%至1.2%。
27.如权利要求25所述的用途，其中该粘结碳化物本体中的铜比例位于室温下铜的溶解度极限以下。
28.如权利要求25所述的用途，其中基于该粘结碳化物本体中Co、Cu和Cr组分的标称总重量，该粘结碳化物本体具有的在该金属粘结剂中的铜比例是按重量计最大约10%。
29.如权利要求24所述的用途，其中该粘结碳化物本体是用于切削铸铁、特别是球墨铸铁。
30.如权利要求29所述的用途，其中基于该粘结碳化物本体的总重量，该粘结碳化物本体具有的铜比例是按重量计0.7%至3.6%、特别是按重量计1.2%至2.6%。
31.如权利要求30所述的用途，其中该铜比例是按重量计从2.4%至2.6%，并且铬比例是按重量计从0.8%至1.3%。
32.如权利要求30所述的用途，其中该铜比例是按重量计从0.7%至1.4%，并且铬比例是按重量计从1.4%至1.9%。
33.如权利要求24所述的用途，其中该粘结碳化物本体是用于切削铸铁、特别是球墨铸铁。
34.如权利要求31所述的用途，其中基于该粘结碳化物本体的总重量，该粘结碳化物本体具有的铜比例是按重量计0.8%至3.6%、特别是按重量计2.4%至3.6%。
35.如权利要求33所述的用途，其中该铬比例是按重量计从0.8%至1.9%。
36.一种用于生产如权利要求1至23之一所述的烧结的粘结碳化物本体的方法，在该方法中形成一种包含碳化钨、Co、Cu还以及Cr化合物的粉状混合物以产生一个生坯并且将其在1400° C至1450° C的温度下进行烧结并且任选地进行热等静压，其中该烧结的粘结碳化物本体包含比例为按重量计7.0%至14.0%的钴、比例为按重量计0.05%至3.8%的铜以及比例为按重量计0.2%至1.9%的铬，在各自的情况下均是基于该粘结碳化物本体的总质量。
【文档编号】C22C1/05GK103572135SQ201310312575
【公开日】2014年2月12日 申请日期:2013年7月24日 优先权日:2012年8月6日
【发明者】M·沃尔夫, G·罗德尔, A·黑尔德费尔, D·施密特 申请人:钴碳化钨硬质合金公司