切削刀具的制作方法

本发明涉及一种切削刀具，该切削刀具包括硬质合金的基材，所述切削刀具适合于加工非铁合金，最适合于ti合金和ni基合金。所述切削刀具包括梯度表面区域，并且在该梯度表面区域的最外部分中，粘结相梯度具有最低粘结相含量。硬质合金体还包括游离石墨。

背景技术：

由硬质合金制成的切削刀具在本领域中被熟知用于加工ti合金和ni合金。在加工这些类型的工件材料时，可能发生的一个问题是化学磨损。

化学磨损对于加工ti合金是常见的。因此，当选择用于加工ti合金的刀片时，发现与工件材料的可溶性和反应性是非常重要的。ti的极低导热性导致向刀片的热传递和增强的化学反应性。

碳含量对硬质合金结构的影响在本领域中是已知的。碳缺乏导致形成η相，例如w6co6c、w3co3c，而过量的碳导致游离石墨的析出。通常使碳含量平衡，使得形成η相或石墨。η相和石墨都被认为是要避免的东西。

技术实现要素：

本发明的一个目的是在加工非铁材料时通过减少化学磨损来改善切削刀具的刀具寿命。

化学磨损尤其导致形成co-ti熔体、碳在钴中的快速扩散以及ti和c之间的化学反应。ti与来自wc晶粒中的c反应，从而导致wc和η相(w6co6c、w3co3c)的降解或w2c形成。这导致硬质合金的脆化、晶粒的剥离(ripout)和刀具的快速磨损，这大大缩短了刀具寿命。

本发明涉及一种切削刀具，所述切削刀具包括硬质合金的基材，该硬质合金的基材包含wc和粘结相，所述切削刀具具有梯度表面区域，该梯度表面区域的厚度在50微米至400微米之间，并且在该梯度表面区域的最外部分中，粘结相梯度具有最低粘结相含量，其中所述切削刀具包括游离石墨。

本发明还涉及一种制造硬质合金切削刀具的方法，所述方法包括下列步骤：

提供第一硬质合金本体，所述第一硬质合金本体的碳含量在由该特定硬质合金组分的相图中的1000℃下的两相区的宽度确定的范围内，以及使所述第一硬质合金本体在渗碳环境中经受烧结步骤，使得形成厚度在50微米至400微米之间的梯度表面区域。

本发明还涉及使用如本文所述的切削刀具用于在ti或ti合金中进行加工。

已经发现，当根据本发明的切削工具用于加工ti合金时，硬质合金中的并且尤其是梯度表面区域中的游离石墨在加工期间与工件材料中的ti化学地相互作用。这种相互作用是根据本发明的硬质合金将导致延长的刀具寿命的原因之一。

附图说明

图1示出了含wc和6重量％co的硬质合金的相图。

图2示出了含wc和10重量％co的硬质合金的相图。

图3示出了如示例1中所描述的根据本发明的硬质合金的lom图像。

图4示出了如示例2中所描述的根据本发明的硬质合金的lom图像。

图5示出了如通过thermocalc计算的1000℃下的不同钴含量的第一硬质合金中的以重量％计的适当碳含量的曲线图。

具体实施方式

根据本发明的硬质合金中的wc适合地具有在0.4微米至10微米之间，优选地在1.2微米至4.0微米之间的平均粒度。

除了wc和粘结相之外，硬质合金还可以包含在制造硬质合金的领域中常见的其它组分，例如nb、ta、ti和cr。这些元素的量可以在总硬质合金的20ppm(按重量计算)和5重量％之间变化。

在本发明的一个实施例中，另外的组分(即，除了wc之外)的量在总硬质合金的20ppm(按重量计算)与1重量％之间，优选地在20ppm与250ppm(按重量计算)之间。

在本发明的另一个实施例中，wc是存在的唯一硬质组分。

硬质合金还可以包含少量本领域常见的其它元素，诸如稀土族、氧化物、铝化物和硼化物。

包含硬质合金的基材的切削刀具中的粘结相含量适合地在2重量％至25重量％之间，优选地在4重量％至10重量％之间，更优选地在5重量％至7重量％之间。

粘结相可以包含co、ni和fe中的一者或多者。

在本发明的一个实施例中，粘结相主要包括co，在本文中这意味着仅添加co作为粘结相的原料。然而，在制造期间，其它元素可能在co中部分地溶解。

根据本发明，梯度表面区域不含粘结相，即，梯度表面区域中的粘结相含量低于硬质合金的大块体部分(bulk)中的粘结相含量。测量粘结相含量的一种方法是通过带有eds/wds检测器的microprobejeol的jxa8530f。

梯度表面区域的厚度适合地在50微米至400微米之间，优选地在120微米至250微米之间。表面梯度区域被定义为刀具的表面与粘结相含量不再改变的点(即，大块体部分开始的地方)之间的区域。

在本发明的一个实施例中，梯度表面区域中的粘结相含量是大块体部分中的粘结相含量的0.2至0.9。梯度表面区域中的粘结相含量从表面开始向大块体部分增加是逐渐的，直至梯度表面区域的末端为止。

包含硬质合金的基材的切削刀具中的石墨含量使得当使用光学显微镜(lom)时，可以清楚地看到石墨析出物。石墨可以在梯度表面区域中看到，并且在一些情况下也可以遍及整个硬质合金本体，即，梯度表面区域和大块体部分两者。

描述游离石墨量的一种方法是根据diniso4505测量的c孔隙度。在本文中这意味着在100倍(fach(法赫))的放大率的图像中，其中图像包括刀具的鼻部，优选地是切削刃，以及至少600微米×600微米的刀具区域，具有最大游离石墨量的区域中的c孔隙度适合地在c02与c08之间，优选地在c04至c08之间，更优选地在c06与c08之间。

在本发明的一个实施例中，石墨存在于梯度表面区域中。

在本发明的一个实施例中，石墨仅存在于梯度表面区域中。

在本发明的一个实施例中，硬质合金由wc和co以及不可避免的杂质组成。产品中的总碳含量将随wc含量而变化，因为其对总碳含量有贡献。

例如，对于包含94重量％wc和6重量％co的硬质合金，材料中的总碳含量适合地在5.80重量％至5.95重量％之间，优选地在5.89重量％至5.93重量％之间。碳含量可以例如通过如示例中所描述的leco仪器来测量。

在本发明的一个实施例中，硬质合金由wc和5重量％-7重量％co以及不可避免的杂质组成。

现有技术中通常为硬质合金刀具提供涂层，以便延长刀具寿命。根据本发明的硬质合金可以是未涂覆的或者可以设置有涂层，适合地为本领域已知的cvd或pvd涂层。

在本发明的一个实施例中，根据本发明的切削刀具适合地未涂覆。

在本发明的一个实施例中，硬质合金体设置有用于磨损检测的涂层，例如，厚度为0.2-3微米的tin。

在本发明的另一个实施例中，硬质合金体设置有包含碳的涂层，例如，通过例如cvd沉积的厚度为0.2-3微米的dlc涂层，以便提供额外的碳源。

在本发明的另一个实施例中，通过cvd沉积，硬质合金体设置有包括厚度为0.2-3微米的zrc单层的涂层。

这里的切削刀具是指刀片、钻头或端铣刀。

在本发明的一个实施例中，切削刀具是车削刀片。

包含根据本发明的硬质合金的基材的切削刀具适合用于加工非铁合金，最适合于ti或ti合金和/或ni基合金并且最适合于ti或ti合金。ti和ti合金的示例适合地为α、β和γ合金，例如α-ti和α合金(诸如ti5al2.5sn)，近α合金(诸如ti6al2sn4zr2mo)，α+β合金(诸如ti6al2sn4zr6mo和ti6al4v)。ni基合金的示例是inconel718、waspaloy和haynes282合金。

本发明还涉及使用如本文所述的切削刀具用于在ti或ti合金中进行加工。

本发明还涉及一种制造包含根据上述的硬质合金的基材的切削刀具的方法。

制造根据本发明的包含硬质合金的基材的切削刀具的方法，其中第一硬质合金本体具有特定碳含量，然后使所述第一硬质合金本体在渗碳环境中经受烧结步骤。

第一硬质合金本体可以是碳含量在由该特定的硬质合金的相图中的1000℃下的两相区(即，在wc+固体粘结相的区域中)的宽度确定的范围内的任何硬质合金本体。

在本领域中，众所周知的是，根据组分，例如，cr或诸如fe或ni的其它粘结相金属的存在，该区域的碳极限变化。两相区的碳极限也随wc含量而变化。这在图1(对于94重量％wc+6重量％co)和图2(对于90重量％wc+10重量％co)中示出。可以看出，包含重量％wc+6重量％co的第一硬质合金本体中的碳含量应在虚线之间，也就是距离x，即，如在相图中所限定的，在1000℃的温度下，在5.70重量％至5.77重量％c之间，而对于90重量％wc+10重量％co，如在相图中所限定的，在1000℃的温度下，对应的范围将在5.40重量％至5.53重量％c之间。

在本发明的一个实施例中，如上面已经所描述的，第一硬质合金本体中的碳含量在由两相区的宽度确定的范围的下半部分中。

在本发明的一个实施例中，对于包含6重量％co的wc-co系统，意味着第一硬质合金本体中的碳含量适合地在5.70重量％至5.77重量％c之间，优选地在5.70重量％至5.72重量％c之间。

在本发明的一个实施例中，对于包含10重量％co的wc-co体系，意味着第一硬质合金本体中的碳含量适合地在5.40重量％至5.53重量％c之间，优选地在5.40重量％至5.46重量％c之间。

在本发明的一个实施例中，在具有wc+7重量％co的组分的第一硬质合金本体中的碳含量在5.62重量％至5.71重量％c之间。

在本发明的一个实施例中，具有wc+8重量％co的组分的第一硬质合金本体的碳含量在5.55重量％至5.65重量％c之间。

在本发明的一个实施例中，具有wc+9重量％co的组分的第一硬质合金本体的碳含量在5.47重量％至5.59重量％c之间。

根据常规技术，第一硬质合金本体(firstcementedbody)也可以用形成硬质组分的粉末和形成粘结相的粉末来制造。

形成硬质组分的粉末选自在制造硬质合金领域中常见的材料，如wc或ta、ti、nb、cr、hf、v、mo和zr中的一种或多种的碳化物或碳氮化物。

wc可以是具有以下元素中的一个或组合的高温渗碳的wc或掺杂的wc：mo、cr、zr、ta、nb、ti、hf、v，如在wo2014/191505或wo2014/191511中所描述的。

在本发明的一个实施例中，第一硬质合金本体没有粘结相梯度。在本文中这意味着硬质合金本体具有基本上均匀分布的粘结相，即，目的是在制造第一烧结体时没有梯度。

硬质组分的至少一部分也可以作为回收的硬质合金材料的形式添加。这些材料通常通过冶金或化学手段来回收，例如，通过锌回收工艺(prz)、电解回收、萃取或氧化来回收。这样的原料可以包含诸如w、c、co的许多元素以及ta、ti、nb、cr、zr、hf、v和mo中的至少一种或多种。

形成粘结相的粉末可以是一种单个粘结金属的粉末，或两种或更多种金属的粉末混合物，或两种或更多种金属的合金的粉末。粘结金属选自cr、mo、fe、co或ni，优选地选自co、fe或ni，最优地为co。

形成粘结相的添加的粉末的粒度适合地在0.5微米至3微米之间，优选地在0.5微米至1.5微米之间。形成粘结相的粉末量适合地在2重量％至25重量％之间，优选地在4重量％至10重量％之间，更优选地在5重量％至7重量％之间。

制造第一硬质合金本体的方法通常通过形成如下的浆料开始，该浆料包含形成硬质组分(即，wc和根据上述的可能的任何其它添加剂)的粉末、形成粘结相的粉末、有机粘结剂(例如peg或石蜡)以及研磨液(例如水/乙醇)。浆料适合地在球磨机或碾磨机(attritormill)中研磨。

在进行研磨之前，通过向粉末混合物中加入碳黑来调节碳含量，以便实现如已经在上文中所描述的第一硬质合金本体中的期望的碳含量。

然后，适合地根据已知技术(特别是喷雾干燥)将浆料干燥成颗粒。

随后，通过压制操作(诸如单轴压制、多轴压制等)将干燥的颗粒形成生坯体。随后，根据任何常规烧结方法(例如，真空烧结、烧结hip、放电等离子体烧结等)烧结生坯体，以便形成第一硬质合金本体。

然后，在渗碳环境中烧结第一硬质合金本体。

在本发明的一个实施例中，在渗碳环境中烧结发生在与形成第一硬质合金本体的烧结相同的炉子中，而不在之间移动硬质合金本体。

在本发明的另一个实施例中，在渗碳环境中烧结与形成第一硬质合金本体的烧结分开地发生，例如通过使用不同的炉子。

在渗碳环境中烧结的烧结温度将根据第一硬质合金本体的组分而变化。在渗碳环境中烧结在烧结炉中在至少高于形成第一液体的温度(即，wc+co液+co固相区的下限)的温度下发生。在图1和图2两者中都可以看到wc+co液+co固相区。

在渗碳环境中烧结的烧结温度适合地低于1500℃。

例如，对于具有6重量％co的wc-co，温度适合地在1300℃至1370℃之间，优选地在1340℃至1350℃之间。

在本发明的一个实施例中，渗碳环境由一种或多种含碳气体提供，例如ch4、co。在烧结期间也可以存在h2气体。

在本发明的一个实施例中，渗碳环境可以由碳源(诸如碳涂层或碳粉或碳溶液)提供。

在渗碳环境中烧结的持续时间适合地为15分钟至4小时，优选地为40分钟至2小时。持续时间在本文中是指在最高温度下的时间。

示例1(发明)

将wc、6重量％co与附加的碳制成的混合物混合并搅拌持续18小时，在真空条件下在1410℃下压制并烧结持续1小时。在烧结之后，硬质合金由嵌入co金属粘结相的wc组成。烧结之后的总碳为5.70重量％c。通过燃烧样品来测量碳含量，然后通过固态ir检测来分析产物。在lecowc-600仪器中进行分析。值的精度为±0.01重量％。

在第一烧结步骤之后，通过在包含ch4/h2的混合物的烧结气氛中在1350℃的温度下对硬质合金本体进行热处理达1小时来使硬质合金体经受第二烧结步骤，以在硬质合金中产生贫co的梯度表面区域。在热处理之后，根据isodin4505，硬质合金包含wc、co和游离石墨析出物，且c孔隙度为c06。另外，由于在与硬质合金相比具有较高的碳活度(carbonactivity)的气氛中进行烧结处理，所以在硬质合金中形成了130微米的贫co的梯度表面区域。在图3中可以看到硬质合金本体的lom图像。

利用具有射束能量为15kw50na、探针直径为1微米、停留时间为1000毫秒的eds/wds检测器的microprobejeol的jxa8530f在三个不同位置(即：鼻部、前刀面和正面)处在刀片的横截面上测量梯度。

在热处理之后通过leco测量的总碳含量为5.89重量％c。该硬质合金体称为样品1。

示例2(发明)

将wc、6重量％co与附加的碳制成的混合物混合并搅拌达18小时，在真空条件下在1410℃下压制并烧结达1小时。在烧结之后，硬质合金包含嵌入co金属粘结相的wc。在烧结之后的总碳含量为5.76重量％c。

在第一烧结步骤之后，通过在包含ch4/h2的混合物的烧结气氛中在1350℃的温度下使硬质合金体进行热处理达1小时来使硬质合金本体经受第二烧结步骤，以在硬质合金中产生贫co的梯度表面区域。在热处理之后，根据isodin4505，硬质合金包含wc、co和游离石墨析出物，且c孔隙度为c06。另外，由于在与硬质合金相比具有较高的碳活度的气氛中进行烧结处理，所以在硬质合金中形成了100微米的贫co的梯度表面区域。在热处理之后通过leco测量的总碳含量为5.91重量％c。在图4中可以看到硬质合金本体的lom图像。已经如在示例1中所述的那样测量了c孔隙度、梯度和碳含量。该硬质合金体称为样品2。

示例3(发明+涂层)

根据本发明制备的硬质合金(示例1)涂覆有通过常规化学气相沉积制备的0.3微米的tin粘结层和1.6微米的zrc层组成的多层。该硬质合金体称为样品3。

示例4(比较例)

将wc、6重量％co与附加的额外碳制成的混合物混合并搅拌达18小时，在真空条件下在1410℃下压制并烧结达1小时。在烧结之后，硬质合金包含嵌入co金属粘结相中的wc。在烧结之后通过leco测量的总碳为5.76重量％c。已经如示例1中所述的那样测量了碳含量。不存在游离石墨的梯度。该硬质合金体称为样品4。

示例5(比较例)

将wc、6重量％co与添加的w金属制成的混合物混合并搅拌达18小时，在真空条件下在1410℃下压制并烧结达1小时。在烧结之后，硬质合金包含嵌入co金属粘结相中的wc和低碳化物(w、co)xc(m6c、m12c)析出物，即η相。在烧结之后通过leco测量的总碳为5.36重量％c。

在第一烧结步骤之后，通过在包含ch4/h2混合物的烧结气氛中，在1350℃的温度下对硬质合金体进行热处理达1小时来使硬质合金本体经受第二烧结步骤。在热处理之后，硬质合金包含wc、co和低碳化物(w、co)xc(m6c、m12c)析出物，即η相。此外，在硬质合金中形成了厚度为300微米的无低碳化物(w、co)xc(m6c、m12c)析出物的贪co的梯度表面区域。通过leco测量的总碳含量为5.55重量％c。没有观察到游离石墨。已经如示例1中所述的那样测量了梯度和碳含量。该硬质合金体称为样品5。

示例6(比较例)

将wc、6重量％co与附加的额外碳制成的混合物混合并搅拌达18小时，在真空条件下在1410℃下压制并烧结达1小时。在烧结之后，硬质合金包含嵌入co金属粘结相中的wc和游离石墨析出物，根据isodin4505，其具有c06孔隙度。在烧结之后通过leco测量的总碳为5.80重量％c。不存在梯度。已经如在示例1中所述的那样测量了c孔隙度和碳含量。该硬质合金体称为样品6。

示例7(比较例)

将wc、6重量％co与附加的碳制成的混合物混合并搅拌达18小时，在真空条件下在1410℃下压制并烧结达1小时。在烧结之后，硬质合金包含嵌入co金属粘结相中的wc和游离石墨析出物。在烧结之后通过leco测量的总碳为5.80重量％c。

在第一烧结步骤之后，通过在包含ch4/h2的混合物的烧结气氛中在1350℃的温度下对硬质合金体进行热处理达1小时来使硬质合金本体经受第二烧结步骤，以在硬质合金的表面上产生贫co的梯度表面区域。在热处理之后，根据isodin4505，硬质合金由wc、co和游离石墨析出物组成，根据isodin4505，其具有c06的c孔隙度。另外，由于在相比硬质合金具有较高的碳活度的气氛中进行烧结处理，在硬质合金中形成了具有30微米的钴粘结剂梯度的梯度表面区域。在热处理之后通过leco测量的总碳含量为5.90重量％c。已经如在示例1中所述的那样测量了c孔隙度、梯度和碳含量。该硬质合金体称为样品7。

示例8(工作示例)

使用下列条件在ti6al4v合金中在车削操作下测试所有刀片。

ap＝0.2

fn＝0.2

vc＝75米/分钟。

刀具寿命标准为延伸的后刀面磨损超过0.4mm。

结果在表1中可以看到。

表1

结果表明，与所有其它硬质合金相比，根据本发明生产的硬质合金表现出显著改善的寿命。结果还表明，在渗碳气氛中烧结之前，第一硬质合金本体中的碳含量对于硬质合金本体的性能是重要的。