专利名称：金属陶瓷切削刀具的制作方法
技术领域：
本发明涉及金属陶瓷组合物。它特别涉及供切削金属和合金用的金属陶瓷切削刀具。
在本文中，金属陶瓷意指包含一种碳氮化钛和一种金属粘结剂的烧结制品。
在过去，各种各样的金属陶瓷切削刀具已用于机加工金属和合金。这些金属陶瓷包括在Rudy的美国专利3971656号中所描述的那些金属陶瓷，它们在有钼或钨的固溶体中都包含钛的碳氮化物和一种粘结剂金属或合金，例如镍和/或钴。在美国专利3993692;3741733;3671201;4120719号中，描述了含有碳氮化钛的另外的金属陶瓷组合物，在这方面有价值的文章是H.Doi的“新的TiC和TiC-TiN基金属陶瓷”《硬质材料学》(1986)P489～523。这种金属陶瓷切削刀具组合物(重量百分比，W/O)的商品实例列于表Ⅰ。
表Ⅰ商品金属陶瓷切削刀具的标称成分品级ABCDE元素Ti35.651.04842.041.6W20.314.716.516.015.0Mo8.39.112.19.410.0Ni5.14.84.49.79.8Co8.24.94.91.91.7Ni+Co总量13.39.79.311.611.5Ta4.60.4-8.88.5Nb1.20.4---V2.91.4---C9.79.9-9.79.4N2.82.8-3.13.4O0.5----
尽管具有上述成分的切削刀具可很好工作，还须要有用于车削用途的金属陶瓷成分的切削刀具，该刀具的韧性相当于或优于先有技术的商品金属陶瓷切削刀具，并且在金属切削中，它有较好的耐磨性和明显好的效能(即，刀具寿命更长)。
本发明者意外地发现供高速、精车(即小走刀量)加工的改进型金属陶瓷切削刀具是由金属陶瓷组成中高含钨量和低金属粘结剂量相结合而提供的，该金属陶瓷含有如下成分约3.5～6.5W/O的镍;约4.5～7.5W/O的钴，其中镍加钴总量在约8～11W/O之间;约20～25W/O的钨;约5～11W/O的钼;最多达约6W/O的钽加铌;最多达约0.05W/O的铬;最多达约1W/O的铝;最多达约3W/O的钒;除了杂质外其余部分基本是钛、碳和氮;其中至少全部的碳和氮基本是以金属化合物的形式存在，而该金属化合物是选自于金属碳氮化合物以及金属碳化物和金属碳氮化物的混合物，而金属选自于钨、钼、钛、钽、铌、钒、铬，它们的固溶体和它们的混合。
在依照本发明的组合物中，金属粘结剂(Ni+Co)总含量至少应是8.0W/O，才能提供必须的断裂韧性，因为减少粘结剂量能导致较低的断裂韧性。然而，粘结剂量不应超过11W/O，因为耐磨性和刀具寿命随粘结剂量增加而降低。鉴于在本发明中有大量碳化钨，所以既添加了镍也添加了钴，因为镍浸湿(Wets)碳化钛和碳氮化钛比钴好，而钴浸湿碳化钨比镍好。最好镍保持在约3.5和5.5W/O之间，并且钴保持在约4.5和6.5W/O之间。限定镍在约3.5～4.5W/O，并且限定钴在约4.5-5.5W/O为更好。
至少含有约5W/O的钼，以改善镍粘结剂与碳氮化钛晶粒的湿润能力。然而，最好钼量不超过11W/O。本发明的成分中含有约9.5～10.5W/O的钼为更好。
在该成分中含有约20W/O以上的钨，使该制品具备良好导热性并提供韧性和耐磨性的最佳组合。然而，钨量不应超过约25W/O，因为超过这个量，按切削刀具在使用期间月牙洼耐磨性较差来分析，钨对耐化学磨蚀的有害影响可能是明显的。为了可靠保证有所需要的月牙洼耐磨性，最好钨保持低于约23%。
应注意到由本发明制成的切削刀具所获得的优良切削刀具性能是在没有使用昂贵的合金元素钽情况下意外得到的。尽管由于使用钽会增加费用，最好不用这种元素，但为了进一步改进性能，打算可单独添加钽，或与铌、钒、铬或铝中一种或多种元素一起使用。
为了提高抗热冲击和变形能力，可添加钽和/或铌，在数量上不超过约6W/O(Ta+Nb总量)。
为了通过形成钛-钒碳化物和碳氮化物固溶体而提供优良抗高温变形能力，含钒量最多达约3W/O，但最好低于2W/O。
为了通过加强粘结剂而改善抗高温蠕变能力，可以添加最大量为0.05W/O的铬。在0.05W/O以上，铬具有减弱粘结剂可塑性并因而减弱该制品韧性的趋势。
为了通过在粘结剂中形成铝化镍沉淀而提供优良粘结剂强度，还可以在本发明组分中添加最多达约1W/O的铝。
除了杂质(即氧)外，该材料的剩余组分是钛、碳和氮、在没有故意添加钽、铌、钒或铝时，它们可以作为杂质存在，每种量低于0.05W/O。
该制品是用原料以常规粉末冶金技术制成的，钛以碳化钛和碳氮化钛粉末形式添加其中。最好以金属碳化物粉形式添加钨、钼、钒、钽、铌和铬。钽也可以氮化钽粉形式添加。以金属粉形式添加钴和镍。如果添加铝，可以铝化合物形式添加。最好把这些粉末在一起研磨，压缩，然后烧结，提供一个至少是非常致密的型材，无论研磨和/或衍磨与否，都可用它作为可换位的切削刀片(anindexablecuttinginsert)。
结合下面简述的附图
，在评述下面关于本发明最佳实施方案详细描述后，本发明的这些方面和其它方面将更显而易见了。
该图是表示用SEM(扫描电子显微镜)在5000X放大倍数下观测到的依照本发明切削刀片(cuttinginsert)的典型显微结构。
依照本发明，碳化钨、碳氮化钛、碳化钛、碳化钼、钴和镍粉添加在一起，形成第一种混合原料(混合料Ⅰ)，重3000g，如表Ⅱ和表Ⅲ所示。
该混合原料在有庚烷的研磨容器中，用21000克烧结碳化钨圆滚研磨36小时，得到视粒度约为0.7～0.8μ。把该磨细泥浆放入装有润滑剂和表面活化剂的西格马叶片干燥器(Sigmabladedryer)，干燥后，通过一个筛子把混合料费兹研磨(Fitzmilled)然后，把混合料冷压成丸并真空烧结。在加热的过程中，先在1200℃温度下保持30分钟，然后升温到1450℃，保持90分钟，在这之后关闭电源并让炉子冷却，烧结过程结束。
前述加工的结果得到具有如图所示典型显微结构的粉末冶金产品。如图所示，碳化物和碳氮化物的晶粒是很细的(＜1～3μ)并呈现双峰粒度分布。
在图中所示的大黑晶粒被认为是可能在固溶体中含有钼和/或钨的碳氮化钛相。大黑晶粒周围的浅灰相被认为是比黑相含钼和/或钨多的碳氮化钛相。白晶粒被认为是有富碳化物晶粒的钨，碳化物晶粒还可能包含在钼和钛的固溶体中。因为扫描电子显微镜的性质，含有镍、钴和钼并可能含有少量钨、碳、钛和氮的粘结剂相在图中未能很好显示出。
前述加工至少得到了呈现A型孔隙(典型地仅是A02至A04孔隙)的一个非常致密的产品。不可取的B型孔隙可能存在，但对切削性能不存在有害影响。
利用类似混合料Ⅰ的方法，研磨、压缩和烧结，依照本发明制造了第二种混合料(混合料Ⅱ)，最值得注意的区别是使用氩气粉末冶金而不是真空粉末冶金技术。混合料Ⅱ比混合料Ⅰ含钨量高。
为了比较，制造了超出本发明含钨量低第三种混合料(混合料Ⅲ)。混合料Ⅰ、Ⅱ和Ⅲ烧结后的化学组成(以W/O)和性质及其它性能列于表Ⅳ。应注意到，烧结后的混合料Ⅰ含有约23W/O的钨，比研磨前混合料中钨量(见表Ⅲ)增加约2.5W/O。这个含钨量增加被认为是由于从用来研磨粉末混合料的烧结碳化钨圆滚中吸取了碳化钨。
然后，把由前述三种混合料烧结的产品磨成SNG-433型可转位切削刀头，并且在金属切削试验中，对照由商品级B、C、D和E构成的SNG-433型刀头进行试验，在表Ⅴ至表Ⅳ中描述了该试验方法和结果(发表的刀具寿命以分为单位)。
在表Ⅴ所描述的试验中，清楚表明在高速，小进刀量(即精加工条件)的车削试验条件下使用，依照本发明的混合料Ⅱ显然优于所试验的商品级。然而，在表Ⅵ所描述的试验中所使用的高速和大进刀量条件下(粗加工)，混合料Ⅱ的性能大致相当于商品级C和B。
表Ⅳ烧结后的化学组成和性质混合料号ⅠⅡⅢ元素Ti4342.946W23.024.919.7Mo10.09.010.2Ni4.53.84.3Co5.25.15.6Ni+Co总量9.78.99.9Ta---Nb---Cr---V---C10.610.211.0N2.62.82.7O0.70.5-性质比重(g/cc)6.76.76.68硬度(洛氏A)93.293.293.2磁饱和(Ms)7.69.89.0矫顽力(Hc)174205195孔隙A02A06/A08A02B00-4
表Ⅴ车削AISI1045钢(180～200BHN)刀具材料刀具寿命及刀具损坏类型平均值商品级D20.0fw11.8fw13.0fw14.9商品级E14.2mw10.5fw8.7fw11.1混合料Ⅱ34.0fw39.8fw32.9fw-ch35.6商品级C11.9fw12.2fw19.7fw14.6商品级B28.1fw19.2fw14.9fw20.7试验条件1000sfm(表面英尺/分)/.010ipr(英寸/转)/.100英寸doc(吃刀深度)SNG-433(.003～.004吋×25°K-刃棱面(land))15°导角无冷却剂刀具寿命标准(适用于表Ⅴ-Ⅳ中的所有试验)fw-.015″均匀侧面磨损mw-.030″集中侧面磨损Cr-.004″月牙洼磨损dn-.030″缺口深度ch-.030″集中磨损或碎片bK-破裂表Ⅵ车削AISI1045钢(180～200BHN)刀具材料刀具寿命及刀具损坏类型商品级D2.4bK商品级E2.1bK混合料Ⅱ3.5cr商品级C3.6fw商品级B3.3cr试验条件1000sfm/.026ipr/.100吋doc试验条件其余部分同于表Ⅴ。
在表Ⅶ所描述的试验中，混合料Ⅱ的工作性能优于对照混合料Ⅲ和商品级B的裕度至少为2至1左右。
在表Ⅷ所描述的试验中，混合料Ⅱ的工作性能优于商品级B的裕度为稍低于2至1，而优于对照混合料Ⅲ的裕度为稍低于3至1。在一个试验中，仅8.1分钟后混合料Ⅱ就失败了，接着检验了刀片发现它比其它已说明的早期破损刀片有稍大的K-刃棱面。
从前述试验表明，在精加工型车削条件下，混合料Ⅱ比已试的商品级表现出较好的耐磨性。
表Ⅶ车削AISI1045钢(180～200BHZ)刀具材料刀具寿命及刀具损坏类型平均值混合料Ⅲ11.5dn15.8fw17.9mw15.1混合料Ⅱ34.9fw44.2bK44.8fw41.3商品级B14.4fw24.8fw14.8fw18.0试验条件同表Ⅴ表Ⅷ车削AISI4340钢(280～300BHN)刀具材料刀具寿命及刀具损坏类型平均值混合料Ⅲ3.7fw5.5mw7.4mw5.5混合料Ⅱ8.1fw18.4fw22.0fw16.2商品级B9.0fw8.5fw9.9fw9.1试验条件800sfm/.010ipr/.100英寸doc其余试验条件同于表Ⅴ中。
在表Ⅸ所描述的试验中，研究了切削刀口加工(倒棱珩磨。即K-刃棱面的)的影响，并把依照本发明已珩磨切削刀头与已珩磨商品刀头做了性能比较。正如在表Ⅸ所见，已珩磨混合料Ⅰ刀头显著优于K-刃棱面混合料Ⅰ刀头。进一步观察到，已珩磨混合料Ⅰ刀头并不比K-刃棱面混合料Ⅰ刀头更易于
平和破裂。
表Ⅸ车削AISI4340钢(280～800BHN)刀具材料刀刃制备刀具寿命及刀具损坏类型平均值混合料Ⅰ衍磨22.8fw24.6cr19.9fw22.4混合料ⅠK-刃棱面13.2cr14.7fw14.0商品级B珩磨9.9fw14.9fw14.3fw13.0混合料Ⅱ珩磨18.2fw19.8bK15.0ch17.7商品级C珩磨18.0fw18.0dn12.8dn16.3试验条件1200sfm/.010ipr/.100英寸docSNG-433(.001～.002英寸倒园珩磨)SNG-433(.003～.004英寸×25°K-刃棱面)15°导角无冷却剂已珩磨的混合料Ⅰ刀片性能也显著好于已珩磨的商品级B和C及已磨的混合料Ⅱ刀片。已磨的混合料Ⅱ刀片性能大致相当于商品级C并且略好于商品级B的刀片。
由于可买到A级切削刀片的几何形状不同，在本发明(以混合料Ⅰ和Ⅱ作为例子)和商品级A之间不可能直接比较。然而，用类似((不相同)的几何形状刀片，做了本发明对A级比较的尝试。在这些试验中，虽然A级刀片比依照本发明的刀片具有较长的寿命，但这些结果是无说服力的，因为难以确定观测到性能方面的差异是否是由于刀片的几何形状，化学组成或两者都有所致。应该注意到，商品级A含有大量的钽、铌和钒合金元素还有高含量的钨。尽管本发明允许加入这类合金元素，但是混合料Ⅰ和Ⅱ不包含这类合金元素。
本文引用了与此有关的各种专利和资料。
本发明的另外一些实施例在考虑本文公开的本发明详细说明或实施后对熟悉本技术的人来说是显而易见的。显然这些说明和实施例仅仅是下列权利要求所表示的本发明真实范围和精神的实例。
权利要求
1.一种包括下述主要成分的金属陶瓷切削刀具约3.5～6.5W/O的镍；约4.5～7.5W/O的钴；在其中镍+钴的总量在约8.0～11.0W/O之间；约20～25W/O的钨；约5～11.0W/O的钼；最多达约6W/O的钽加铌；最多达约0.05W/O的铬；最多达约1W/O的铝；最多达约3W/O的钒；和必要的其余成分是钛、碳和氮，其中至少全部碳和氮基本是选自于金属碳氮化物以及金属碳化物和金属碳氮化物的混合物的以金属化合物形式存在的，所说的金属是选自于钨、钼、钛、钽、铌、钒、铬及它们的固溶体和它们的混合物。
2.根据权利要求1的金属陶瓷切削刀具，其中，镍被限制在3.5～5.5W/O之间。
3.根据权利要求1的金属陶瓷切削刀具，其中，钴被限制在4.5～6.5W/O之间。
4.根据权利要求1的金属陶瓷切削刀具，其中，镍被限制在3.5～4.5W/O之间。
5.根据权利要求3的烧结金属陶瓷切削刀具，其中，镍被限制在3.5～4.5W/O之间。
6.根据权利要求1的烧结金属陶瓷切削刀具，其中，钴被限制在4.5～5.5W/O之间。
7.根据权利要求4的烧结金属陶瓷切削刀具，其中，钴被限制在4.5～5.5W/O之间。
8.根据权利要求1的烧结金属陶瓷切削刀具，其中，钼被限制在约9.5～10.5W/O之间。
9.根据权利要求4的烧结金属陶瓷切削刀具，其中，钼被限制在约10～10.4之间。
10.根据权利要求1的烧结金属陶瓷切削刀具，其中，钒是一种不多于0.05W/O的杂质。
11.根据权利要求4的烧结金属陶瓷切削刀具，其中，钒是不多于0.05W/O的杂质。
12.根据权利要求8的烧结金属陶瓷切削刀具，其中，钒是一种不多于0.05W/O的杂质。
13.根据权利要求9的烧结金属陶瓷切削刀具，其中，钒是一种不多于0.05W/O的杂质。
14.根据权利要求1的金属陶瓷切削刀具，其中，钽是一种不多于0.05W/O的杂质，并且铌也是一种不多于0.05W/O的杂质。
15.根据权利要求7的金属陶瓷切削刀具，其中，钽是一种不多于0.05W/O的杂质，并且其中，铌也是一种不多于0.05W/O的杂质。
16.根据权利要求8的金属陶瓷切削刀具，其中，钽是一种不多于0.05W/O的杂质，并且其中，铌也是一种不多于0.05W/O的杂质。
17.根据权利要求9的金属陶瓷切削刀具，其中，钽是一种不多于0.05W/O的杂质，并且其中，铌也是一种不多于0.05W/O的杂质。
18.根据权利要求10的金属陶瓷切削刀具，其中，钽是一种不多于0.05W/O的杂质，并且其中，铌也是一种不多于0.05W/O的杂质。
19.根据权利要求13的金属陶瓷切削刀具，其中，钽是一种不多于0.05W/O的杂质，并且其中，铌也是一种不多于0.05W/O的杂质。
20.根据权利要求1的金属陶瓷切削刀具，其中，钨被限制在约20～23W/O。
21.根据权利要求7的金属陶瓷切削刀具，其中，钨被限制在约20～23W/O。
22.根据权利要求8的金属陶瓷切削刀具，其中，钨被限制在约20～23W/O。
23.根据权利要求9的金属陶瓷切削刀具，其中，钨被限制在约20～23W/O。
24.一种包括下述主要成分的金属陶瓷切削刀具约3.5～4.5W/O的镍;约4.5～5.5W/O的钴;约20～25W/O的钨;约9.5～10.5W/O的钼;除了杂质之外，必要的其余成分是钛、碳和氮;在其中至少所说的全部碳和氮基本以选自于钛、钨、钼、它们的固溶体和它们的混合物的碳化物和碳氮化物的金属化合物形式存在。
全文摘要
提供一种包括下述成分的金属陶瓷切削刀具约3.5～6.5W/O(重量百分率)的镍；约4.5～7.5W/O的钴，在其中镍加钴的总量在8～11W/O之间；约20～25W/O的钨；约5～11W/O的钼；最多达约6W/O的钽加铌；最多达约0.05W/O的铬；最多达约1W/O的铝；和最多达约3W/O的钒；其余成分主要是钛、碳和氮。至少全部碳和氮基本是以选自于金属碳氮化物以及金属碳化物和金属碳氮化物的混合物的金属化合物形式存在，所说的金属是选自于钨钼钛钽铌钒铬、它们的固溶体和它们的混合物。
文档编号F02B3/06GK1032775SQ88107079
公开日1989年5月10日 申请日期1988年10月14日 优先权日1987年10月14日
发明者阿纳卡维尔·撒泰·桑塞姆, 康利V·爱德华 申请人:钴碳化钨硬质合金公司