CN108883469B - 硬质合金体的表面硬化 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种在金属粘结相中包含WC的硬质合金刀体。所述硬质合金刀体包括主体部和表面部。表面部中的WC的晶粒度小于刀体的主体部中的晶粒度，这产生了增加的表面硬度和增加的耐磨性。表面部中的WC的中值晶粒厚度tg为20‑300nm，主体部的平均晶粒度为0.5‑8μm。本发明还涉及一种对硬质合金刀体进行表面硬化的方法。
Description
发明领域
本发明涉及一种在金属粘结相中包含WC的硬质合金刀体，并且该刀体包括表面部和主体部。表面部中的WC的晶粒度小于所述刀体的主体部中的晶粒度，这产生了增加的表面硬度和增加的耐磨性。
背景技术
硬质合金是如今众所周知且经常使用的材料，用于各种苛刻的应用例如金属切削的切削工具、采矿钻头和磨损件中。它是一种可承受高要求情形、大力和高温的材料。
提高硬质合金刀体的耐磨性的一种方法是增加硬质合金材料本身的表面的硬度。EP 1548136 A1公开了一种在烧结过程中将Cr和C施加在硬质合金刀体的表面上并由此降低Co含量并限制表面区域中的WC晶粒度的方法。
一直需要提供具有增加的耐磨性的硬质合金刀体，例如可承受越来越长切削时间的切削的切削工具。
发明内容
本发明的一个目的是提供一种具有增加的耐磨性的硬质合金刀体。另一个目的是提供一种制造这种硬质合金刀体的方法。
该目的是通过根据权利要求1所述的硬质合金刀体和根据权利要求8所述的表面硬化硬质合金刀体的方法来实现。优选的实施方式在从属权利要求中列出。
本发明涉及一种硬质合金的刀体，其中所述硬质合金在金属粘结相中包含WC。所述刀体由主体部和表面部组成。表面部中的WC的中值晶粒厚度tg为20-300nm。表面部中的WC的中值晶粒厚度tg可以是20-200nm、20-100nm或20-50nm。表面部中的金属粘结相含量为主体部中的金属粘结相含量的50-120体积％，优选80-100体积％。主体部中的WC的平均晶粒尺寸为0.5-8μm，优选0.5-5μm。
表面部和主体部之间的晶粒度的差异是有利的，因为表面部中较小的晶粒度产生较高的表面硬度，而所述刀体的表面处较高的硬度产生对例如磨料磨损的改善的耐受性。如果差异太小，即晶粒度相似，则不会注意到表面硬度的增加。本发明的另一个优点在于，因为主体部可以保留其初始的韧性特性，所以所述刀体的增加的表面硬度同时产生增加的耐磨性。在所述刀体的主体部中的较大的WC晶粒度通常在为所述刀体提供韧性方面产生益处。
本发明的硬质合金刀体可以是切削工具，例如用于铣削、钻孔或车削的切削工具，例如切削刀具刀片、钻头或端铣刀。该工具可以例如用于金属材料例如碳钢、不锈钢、铸铁、钛合金或其它合金或金属材料的金属切削。
本发明的硬质合金刀体可以是用于采矿应用的钻头或线材用拉模或锻造工具。
术语“硬质合金”在本文中旨在表示在金属粘结相中包含硬质组分的材料。硬质合金包含WC晶粒，并且还可以包含Ta、Ti、Nb、Cr、Hf、V、Mo和Zr中的一种或多种的其它碳化物或碳氮化物，例如TiN、TiC和/或TiCN。WC晶粒存在于所述刀体的表面部和主体部两者中。如果硬质合金中存在其它碳化物和/或氮化物，则它们可以位于表面部中、主体中或两者中。硬质合金刀体应优选包含至少60重量％，更优选大于65重量％的WC，最优选至少70重量％的WC。
金属粘结相是金属，并且所述金属可以例如单独地选自Cr、Mo、Fe、Co或Ni或者其任何组合。优选地，金属粘结相仅包含Co，Co和Ni的组合，或Co、Ni和Fe的组合。金属粘结相可包含本领域技术人员已知的其它合适金属。
在一个实施方式中，所述刀体的表面是所述刀体的最外表面。因此，刀体表面可以对应于刀体的最外表面。在一个可选实施方式中，刀体的表面可涂覆有表面涂层，导致涂层的最外表面对应于刀体的最外表面，并且硬质合金刀体的表面面向涂层的最内表面。
这里将刀体的“主体部”定义为通常是刀体的主要部分，即刀体的不是表面部的部分的硬质合金。主体部中的WC的晶粒度通常是刀体的WC的初始晶粒度，即在烧结过程后获得的WC的晶粒度。在测量WC晶粒度时，表面部不是主体部的一部分。在一个实施方式中，刀体由表面部和主体部组成。
术语刀体的“表面部”在本文中旨在表示如下的表面部，其经处理以使得该区域中的晶粒度比围绕所述表面部的区域中的晶粒度小，即比在主体部中的晶粒度小。表面部位于刀体的表面。表面部在刀体的表面平面中延伸，并且在垂直于表面的通常朝向刀体芯部的方向上也延伸。表面部在垂直于表面的方向上的延伸在本文中限定了表面部的厚度。根据具体应用和需要，刀体可设置有一个或多个表面部。
与刀体的主体中的WC晶粒相比，刀体的表面部中的WC晶粒较小。表面部中的WC晶粒在本文中定义为具有厚度tg和长度lg。WC晶粒的厚度是晶粒在其最小尺寸处的宽度。长度是在其最大尺寸处的宽度。可以用经典的线性截线法方法测量主体部的WC晶粒度。表面部中的WC晶粒可以例如利用以下方法测量：制作表面部表面的放大50.000倍的显微照片。在显微照片中画一条7μm的表示样品表面处距离的直线。测量由该线相交的每个WC晶粒的厚度tg和长度lg。在相同样品的第二张显微照片上重复该过程。基于来自两个显微照片的测量结果来计算该特定表面部的中值厚度tg和中值长度lg。
表面部中的金属粘结相含量为主体部中的金属粘结相含量的50-120体积％。这是有利的，因为金属粘结相有助于表面部本身的韧性，并有助于与主体部的增加的粘合性。如果粘结相含量太高，则表面部的硬度降低。金属粘结相含量可以例如通过辉光放电光学发射透镜(GDOES)来研究。
根据本发明的一个实施方式，在垂直于刀体表面的方向上测量，所述表面部的平均厚度为0.5-20μm，优选0.5-15μm。表面部的厚度可以是0.5-10μm、0.5-5μm或0.5-2μm。厚度可以通过研究刀体的贯通切割来测量。由于WC晶粒度的明显差异，表面部和主体部之间的边界通常非常容易找到。如果表面部的厚度低于优选厚度，则来自增加的耐磨性的改善将不太明显。
在一个实施方式中，表面部包括板状和/或针状WC晶粒。板状和/或针状WC晶粒的一个优点在于，这些晶粒可影响裂纹扩展，因此形成的任何裂纹都会沿着晶粒偏斜，从而松散能量。在一个实施方式中，板状和/或针状WC晶粒的中值厚度tg小于200nm，优选小于150nm，更优选小于100nm，甚至更优选小于50nm。板状和/或针状WC晶粒的中值厚度tg可以是20-200nm、20-100nm或20-50nm。板状和/或针状WC晶粒的厚度可以在表面部的横截面的图像中测量，或者从顶视图测量。板状和/或针状WC晶粒的长度lg可以是亚微米至微米。在一个实施方式中，板状和/或针状WC晶粒的中值长度lg为100-500nm，优选100-400nm，更优选100-300nm。在本发明的一个实施方式中，板状和/或针状WC晶粒的lg/tg比>3，优选>4。在一个实施方式中，所述lg/tg比在3和10之间，优选在4和8之间。
根据本发明的一个实施方式，表面部在工具表面处延伸至少为2mm2。表面部随表面的延伸可由技术人员调整以适合具体应用。根据本发明的表面硬化非常灵活，因为可以处理仅受益于增加的硬度的任何区域，而其它区域可以不进行处理。
根据一个实施方式，刀体包括耐磨涂层，例如CVD或PVD涂层。耐磨涂层通常是可以增加刀体的磨料耐磨性和耐化学耐磨性的陶瓷涂层。涂层优选是陶瓷涂层，例如TiN、TiCN、Al2O3或TiAlN或它们中的任何的组合。这些涂层通常是易碎的并且需要由相对硬质的刀体支撑而不会破碎或剥落。本发明的硬质合金刀体的表面部可以改善涂层的这种支撑，从而延长了刀体的寿命，甚至对于在其它方面对涂层而言太弱的硬质合金刀体来说也是如此。
根据本发明的一个实施方式，刀体是切削工具，并且表面部位于要参与切割的刀体区域中。由于表面部的目的是增加刀体的耐磨性，并且是切割中正常磨损所涉及的区域，因此表面部自然地放置在该区域中。或者，该部可以仅放置在前刀面上、仅放置在后刀面上、仅放置在切削刃上或这些的任何组合上。在一个替代方案中，刀片的整个外表面可以是表面部。
本发明还涉及一种制造表面硬化的硬质合金刀体的方法，所述方法包括以下步骤：
-提供包含WC的烧结硬质合金和金属粘结剂的硬质合金刀体，其中所述硬质合金刀体包括由表面围绕的主体，
-在高于或等于WC的熔融温度的温度下对硬质合金刀体的一部分表面进行第一局部热处理，从而形成硬质合金刀体的表面部，
-在等于或低于金属粘结相的熔融温度且低于WC的熔融温度的温度下，在使得WC再结晶的中性或渗碳气氛中，对硬质合金刀体进行第二热处理，从而形成设置有表面部的硬质合金刀体，其中WC的中值晶粒厚度tg为20-300nm，表面部中的金属粘结相含量为50-120体积％，以及主体部中的WC的平均晶粒度的比率为0.5-8μm。
作为该方法中的第一步提供的硬质合金的刀体可以用常规方法制造，所述常规方法例如包括粉末混合、研磨、喷雾干燥、压制、烧结和设定几何形状的预处理，例如喷砂或刷涂。作为该方法中的第一步骤提供的硬质合金刀体是具有为其用途选择的几何形状的烧结硬质合金刀体。在应用第一局部热处理之前，可以用诸如研磨、抛光或喷砂的方法对刀体进行预处理。可以应用一种预处理或多种预处理来例如影响刀体的表面粗糙度、几何形状和/或残余应力。
对硬质合金刀体进行第一局部热处理。在该第一局部热处理期间，通过熔融硬质合金刀体的表面部中的WC晶粒来引发形成表面部。WC晶粒可以通过例如向表面施加激光束来熔融。同时随着WC晶粒熔融，金属粘结相蒸发，由此该表面部分粘结相锐减。在第一局部热处理期间，在表面区域中金属粘结相含量减小，并且该表面区域可以大于表面部，即通过第一热处理可以减少表面部正下方的金属粘结相的量。在第一局部热处理期间使用的激光束需要具有足够的强度和功率来熔融WC。
在第一局部热处理之后，进行硬质合金刀体的第二热处理。在第二热处理期间，完成表面部的形成。先前熔融的WC晶粒在该步骤中再结晶，并且金属粘结相从主体部转移并进入到表面部中。第二热处理期间的温度需要足以使WC晶粒结晶，并且结晶速率优选在使再结晶可控的水平。第二热处理期间的温度应该等于或低于金属粘结相的熔融温度。过高的温度可导致WC在液态金属粘结相中的溶解和再析出过程(奥斯特瓦尔熟化)和聚结以及WC的晶粒粗化。如果温度太低，则不会发生再成核和/或金属粘结相移动。第二热处理期间的温度优选在800℃和1250℃之间，更优选在900℃和1200℃之间，最优选在1050℃和1150℃之间。
在第二热处理之前，表面部脱碳。在第二热处理期间，金属粘结相从主体部扩散到表面部中。为了再结晶WC晶粒，需要存在碳。碳可以跟随金属粘结相到达表面部和/或从周围气氛到达表面部。所述气氛不能是脱碳的，例如具有高的H2分压的气氛，因为从表面除去碳将抵消表面部中的WC的再结晶。中性气氛在本文中限定为不与表面部反应的气氛，例如Ar气氛或真空。
在该第二热处理期间的气氛适于可使金属粘结相移动。金属粘结相在升高的温度下的移动受到压力和碳存在的影响。表面部中的小晶粒吸引金属粘结相并可能有助于粘结相移动。
主体中的金属粘结相的初始含量影响表面部的形成，因为较高含量的金属粘结相使得在第二热处理期间可以使用较低的温度来再结晶WC。通常，硬质合金刀体的主体的较小晶粒度和主体的较低金属粘结相含量增加了形成的表面部的厚度，而较大的WC晶粒和较高的金属粘结相含量增加了第二热处理的速度。
本领域技术人员可以调整第一局部热处理和第二热处理的时间选择。
在本发明的一个实施方式中，所述局部表面热处理是用激光进行的。在本发明的另一个实施方式中，所述第一局部表面处理是用电火花加工(EDM)进行的。局部热处理可以替代地用技术人员已知的任何其它合适的技术进行，所述技术导致刀体表面处的WC的局部熔融。可以使用其它已知方法来提供第一局部表面处理，例如表面的电腐蚀熔融或电子束熔融。
在本发明的一个实施方式中，在第一局部热处理期间施加普通加热以降低裂纹的风险。
在本发明的一个实施方式中，第二热处理包括在1050-1150℃下加热刀体的步骤。在本发明的一个实施方式中，在第二热处理期间在50-70分钟内施加1050-1150℃的温度。如果温度太低，则金属粘结相向表面部中的渗透将不充分，从而导致表面部与主体部的结合力低。如果温度太高，WC晶粒将长得更大，并且减小的WC晶粒度的效果将降低。此外，通常在形成表面部之前研磨硬质合金刀体并充分地确定几何形状，并且如果在过高的温度下进行热处理，则可导致刀体的形状变形。
在本发明的一个实施方式中，第二热处理是在真空中或在包含CO、CH4和/或Ar的气氛中进行的。在一个实施方式中，第二热处理是在真空，例如10-2毫巴的真空中进行的。在一个实施方式中，第二热处理是在中性Ar气氛中在约80-100毫巴的压力下进行的。
从以下结合附图的具体实施方式中，本发明的其它目的和特征将变得清楚。
附图说明
在附图中：
图1.样品D+P3+T(浸泡)1100的表面部的顶视图的扫描电子显微镜(SEM)图。WC晶粒为浅色。
图2.样品D+P3+T(浸泡)1100的表面部的贯通切割(横截面)的扫描电子显微镜(SEM)图。在表面部(1)的较小WC晶粒下方可以看到主体部(2)的较大WC晶粒。
图3.样品E+P3+T(浸泡)1100的表面部分的贯通切割(横截面)的扫描电子显微镜(SEM)图。在表面部(1)的较小WC晶粒下方可以看到主体部(2)的较大WC晶粒。
图4.晶粒的示意图，示出了具有晶粒长度lg和晶粒厚度tg的WC晶粒。
图5.样品D+P3+T(浸泡)1100的表面部的断裂横截面的扫描电子显微镜(SEM)图。
图6.样品D+P3的在施加第二热处理之前，即紧接着第一局部热处理之后的引发形成的表面部的断裂横截面的扫描电子显微镜(SEM)图。
具体实施方式
将结合以下实施例更详细地公开本发明的实施方式。这些实施例被认为是示例性的而非限制性的实施方式。
实施例
实施例1
制造具有表1中所示组成的SNUN 120408几何形状的硬质合金刀片。使用包括粉末研磨和混合、喷雾干燥、压制和烧结的标准粉末工艺生产硬质合金刀片。表1中所示的组成基于在初始研磨和混合步骤中添加的粉末的重量。在烧结刀片的贯通切割中，使用线性截线法测量WC的晶粒度。在烧结刀片的前刀面上，在维氏硬度计压头中，按HV30测量硬度。
表1.硬质合金刀体
对硬质合金刀体A、B、C、D和E进行激光处理以引发在此也称为表面部的局部硬化表面区域的形成。使用波长为1064nm且最大功率为50W的Medicom LD50s Nd：YAG激光进行在此是激光热处理的第一局部热处理。对每个硬质合金刀体处理约2mm2的面积。在不同处理T1、T2、T3、T4、T5和P3处使用的激光设置如表2所示。
表2.激光设置
选择激光的设置足够高以产生WC晶粒的熔融，同时足够低而不会向表面引入表面粗糙度或裂纹。如果重叠太高，则裂纹密度将会高得不可接受。
随后在第二热处理中对激光处理的样品进行热处理。第二热处理的目的是让WC晶粒再成核并生长到合适的晶粒度，并使金属粘结相扩散到激光处理部分中以增加其韧性。再成核的WC晶粒的形状可以是板状和/或针状。
通过将激光处理的样品D+P3置于PVA-Tepla COV 231R机器中进行第二热处理。在第一步中，在H2气氛中将温度升至350℃。在随后的第二步骤中，在Ar气氛中和90毫巴下，温度以每分钟10℃的速度增加至温度T(浸泡)。在随后的第三步骤中，在Ar保护气氛中，在90毫巴下，将温度保持在温度T(浸泡)下1小时。在第四且最终步骤中，降低温度并将样品冷却至室温。在800℃和900℃下在1atm H2中也进行第二热处理，但在这种情况下，没有观察到WC晶粒。
表3示出了第二热处理的温度T(浸泡)的评价。温度T(浸泡)施加1小时。据发现，基于再结晶的WC晶粒的尺寸和基于硬度，1100℃是合适的使用温度。利用ISO14577方法，用载荷为15mN/20秒的显微硬度压头Fischerscope在样品上测量表面层的显微硬度。用HUpl(300mN/60s)为25521N/mm2的WC/Co标准样品进行校准。
表3.第二热处理后的表面部的硬度
在T(浸泡)1100℃的第二热处理之后，在横截面图像处测量表面部的厚度。结果示于表4中。
表4.表面部的厚度
用T5热处理的样品A-E和样品D+P3的表面部关于WC晶粒度进行分析。用以下方法测量表面部的WC晶粒长度lg和厚度tg：对于相同的样品，提供表面部的表面的四张50.000倍放大率的SEM显微照片。在显微照片中画一条7μm的表示样品表面处距离的直线。测量由线相交的每个WC晶粒的厚度tg和长度lg。在相同样品的第二张显微照片上重复该过程。计算该特定表面部的中值厚度tg和中值长度lg。计算每个样品的lg/tg比。结果示于表5中。
表5.表面部和主体部的WC晶粒度
实施例2
实施例1的但具有铣削几何形状SPKN 1203EDER的样品D+P3+T(浸泡)1100用如下涂层进行PVD涂覆，该涂层包含全部用电弧蒸发沉积的0.3μm厚的TiN内层、4μm层厚的纳米层状TiAlN中间层和0.5μm的TiN最外层。
在C60的工件材料中，在两个单独的干铣削切削试验中评价PVD涂覆的样品。切削参数示于表6中。试验后对切削刃的后续研究表明，在切削过程中没有发生涂层剥落。
表6.切削参数
实施例3
实施例1的但具有车削几何形状CNMG 120408的样品D+P3+T(浸泡)1100用CVD涂层进行CVD涂覆，所述CVD涂层包括0.3μm的TiN内层、3.5μm的MT-TiCN层、0.2μm的TiCNO粘结层和3.5μm的Al2O3最外层。CVD涂覆的样品在湿喷砂工艺中用氧化铝成功喷砂。在针对AISI316L的工件材料的车削切削试验中评估CVD涂覆的样品。没有使用切削流体。切削参数为：切削速度：200m/分钟，进给：0.25mm/齿，切口深度：1.5mm。没有观察到涂层剥落。包含根据本发明的表面部的涂覆刀片的寿命与参照物即没有设置表面部的涂覆刀片的寿命相当。
虽然已经结合各种示例性实施方式描述了本发明，但是应理解，本发明不限于所公开的示例性实施方式，相反，其旨在覆盖权利要求书内的各种修改和等同布置。此外，应该认识到，本发明的任何公开的形式或实施方式可以作为设计选择的一般事项并入任何其它公开或描述或建议的形式或实施方式中。因此，意图是仅如由权利要求书的范围所指示的进行限制。
Claims (6)
1.一种制造表面硬化的硬质合金刀体的方法，所述方法包括以下步骤：
- 提供包含WC的烧结硬质合金和金属粘结相的硬质合金刀体，其中所述硬质合金刀体包括由表面围绕的主体部，
- 在高于或等于WC的熔融温度的温度下，对所述硬质合金刀体的一部分表面进行第一局部热处理，从而形成所述硬质合金刀体的表面部，
- 在等于或低于所述金属粘结相的熔融温度的温度下，在使得WC再结晶的中性渗碳气氛中，对所述硬质合金刀体进行第二热处理，从而形成设置有表面部的硬质合金刀体，其中WC的中值晶粒厚度tg为20-300 nm，所述表面部中的金属粘结相含量为所述主体部中的金属粘结相含量的50-120 体积%，以及所述主体部中的WC的平均晶粒度为0.5-8 μm。
2.根据权利要求1所述的方法，其中所述第一局部热处理是利用激光进行的。
3.根据权利要求1所述的方法，其中所述第一局部热处理是利用电火花加工(EDM)进行的。
4.根据权利要求1-3中任一项所述的方法，其中所述第二热处理包括在1050-1150℃下加热所述刀体的步骤。
5.根据权利要求4所述的方法，其中在50-70分钟期间施加1050-1150℃的温度。
6.根据权利要求1-3中任一项所述的方法，其中所述第二热处理是在真空中或在包含CO、CH4和/或Ar的气氛中进行的。
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