CN1118812A - 基于钨的胶结碳化物粉末混合物及其制品 - Google Patents

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Abstract

一种用来生产基于钨的胶结碳化物材料的可烧结粉末混合物，所述粉末混合物包含至少70％(重量)的WC，约2-15％(重量)的铁族金属粘合剂，和可选的不超过15％(重量)的一种或多种周期表IVb族、Vb族和VIb族金属的碳化物、氧化物和碳氮化物；其特征在于：所述粉末混合物包含约1-8％(重量)Ta(Nb)氧化物和反应Ta(Nb)2O5+7C→2Ta(Nb)C+5CO所需的大约化学计量量的粉末的元素碳。

Description

基于钨的胶结碳化物粉末 混合物及其制品
本发明涉及改进的基于钨的胶结碳化物材料及用于烧结生产该改进的材料的粉末混合物。
基于钨的碳化物最广泛地用作各种刀具，通常主要由分散于铁族金属粘结剂(主要是钴)基体中的硬碳化钨相的烧结精细粒子组成，所述铁族金属粘结剂能赋予脆性碳化物以韧性，同时起着将碳化物粒子互相烧结在一起的烧结助剂的作用。具有这一WC/Co基本组成的烧结碳化物材料在商贸中称为“直接”烧结合金，本文将使用该词。与这些直接合金不同，目前使用的许多基于钨的烧结碳化物组合物是用相对少量(约0.25-5％)但却是重要的添加剂改性的，所述添加剂主要是其它脆性金属(一般是钛、钽、铌、铬、钒、钼、铪)的碳化物或氮化物或其它碳化物。本文将这种胶结碳化物称为“复合碳化物”或“多”碳化组合物。上述添加剂的主要目的是抑制碳化钨硬相的晶粒生长，以在整个材料中保持连续均匀的精细结构，从而避免了可能损害材料的力学强度和其它性能的不规整性，特别是避免导致断裂，尤其是在产品(例如切割插件)的拐角处的断裂。
传统上用于“直接”和复合胶结碳化物的更有效的晶粒长大抑制添加剂是碳化钽，通常其使用比例约为粉末混合物总量的2-14％，更常用约6-8％(重量)。在最终的烧结材料中，碳化钽与碳化钨形成固态溶液形式并能改善高切削边缘温度(尤其是刀具经受强烈振动)下的性能。
人们知道，市售碳化钽总是含有碳化铌，这是因为这两种元素的化学性质非常相似，将它们全分离是困难和昂贵的。然而，这样的分离在胶结碳化物材料的制造中是不必要的，因为铌具有与钽相似的有益效果，尽管程度低一些。按照上述观点，本文将钽和铌的碳化物和氧化物混合物分别记为“Ta(Nb)C”和“Ta(Nb)2O5”。各种市售级的“碳化钽”为Ta/Nb比差别很大，在3∶1—10∶1的范围内，尽管铌在改善高切削边缘温度性能方面不如钽有效，但钽中所含铌的比例在10-30％之间通常是可以接受的安全极限。
高级含钽多碳化物在提供具有较好切削性能的刀具的同时，也具有商业上的重要缺陷：由于碳化钽价格高，其价格也相当昂贵。加有碳化钽的。“直接”WC/Co胶结碳化物组合物的另一缺陷是由于碳化钽在整个胶结碳化物材料本体中分布不均匀，出现碳化钽的大团簇(所谓“花”)。
本发明的目的是提供改进的基于钨的胶结碳化物材料，它不存在上述缺陷。本发明的再一目的是提供能够烧结生成上述改进的胶结碳化物材料的可烧结粉末混合物。
我们惊讶地发现，在直接和复合胶结碳化物粉末混合物中，Ta(Nb)碳化物均可用廉价得多的Ta(Nb)氧化物来代替而不会对将该粉末混合物烧结获得的最终结碳化物产品的力学性能和耐久性产生不良影响。相反，由本发明的新的粉末混合物制成的最终胶结产物在许多情况下表现出比由包含Ta(Nb)碳化物的粉末混合物常规制备的对应产品更好的性能。基于上述发现，我们达到了本发明的目的。
从而，本发明的第一个方面是提供用来生产基于钨的胶结碳化物材料的可烧结粉末混合物，所述粉末混合物包含至少70％(重量)的WC，约2-15％(重量)的铁族金属粘合剂，和可选的不超过15％(重量)的一种或多种周期表IVb族、Vb族和VIb族金属的碳化物、氮化物和碳氮化物；其特征在于：所述粉末混合物包含约1-8％(重量)Ta(Nb)氧化物和反应
所需的大约化学计量量的粉末的元素碳。
本发明的第二个方面是提供用已知方法通过烧结上述本发明粉末混合物获得的基于钨的胶结碳化物材料。
对于直接胶结碳化物粉末混合物，我们发现，在本发明中，当用大约等量的(重量)氧化钽代替常规粉末中所用的碳化钽时，得到具有更均匀的精细结构的最终烧结产品，它几乎没有上述碳化钽团簇(“花”)，这可通过显微镜和Vickers硬度和断裂韧度(KIC)试验的标准偏差的惊人的降低看出，在KIC试验中，一般降低2.8-2.1％；在Vickers硬度试验中为1.2-0.4％。与常规的加有碳化钽的直接胶结碳化物相比，本发明的改进的胶结碳化物表现出相当的、有时甚至较高的断裂韧性。
当将本发明的原理应用于复合胶结碳化物粉末混合物时，即当常规加到所述混合物中的大约4.5-7％(重量)的碳化钽用氧化物钽完全或部分代替时，烧结得到的胶结碳化物产品与用碳化钽按常规方法制得的类似产品相比，具有相同的或更好的力学性能。如上所述，这一事实本身已经由廉价得多的氧化钽获得了经济方面的益处。然而，在碳化钽原料费用方面的实际节约被证明是相当高的，能节约2至5倍。其原因在于，本发明人非常惊人地发现，可以通过用相当少量比例——在某些情况下少到约20％(W/W)——的氧化钽全部或部分取代粉末混合物中的碳化钽可以获得基本上具有相同的极佳性能的烧结碳化物产品。对于复合胶结碳化物产品来说，与上述将本发明应用于直接胶结碳化物材料达到的节约相比，其节约又增加达5倍。
在本发明的可绕结粉末混合物的制备和由该混合物生产最终绕结碳化物的过程中包括的所有操作步骤均与胶结碳化物生产领域公知的常规操作基本相同。所述操作是指混合、研磨、添加润滑剂、压制、除去润滑剂、预烧结产生所谓“绿色”中间产物和最终烧结，以及可选地用化学气相沉积法或相当的方法将最终产品涂覆。
现在将用下列非限制性实施例详述本发明。实施例1—“直接”胶结碳化物产品的制备
将8％(重量)Co粉与1.15-2.3％(重量)粉状Ta(Nb)2O5和表1所示量的碳粉和剩余量(加至100％(重量))平均粒径为1.8μ的细WC粉末混合制得数批粉末混合物。加入1.9％(重量)石蜡和0.4ml/g丙酮并将混合物在实验室球磨机中研磨33小时。将该粉末混合物在12吨/平方英寸的压力下压制成切削插件毛坯，并将毛坯在真空下于1420℃烧结90分钟。然后在常压炉条件下冷却。
将所得插件的碳和力学性能与标准的Iscar“IC10”系列直接烧结碳化物插件比较，所述标准插件是由含有8％Co、2％Ta(Nb)C和其余为WC的粉末混合物制成的。结果示于表1中。
                                              表1
   批号                      组成(重量百分数)   SMS(1)(Ccm3/gr)     HC(2)(Oc) T.R.S.(3)(ksi)      HRa(4)      Kd(5)     密度(gr/cm3)    KIC(6)(mpa*m0.5)
   WC     Co     Ta(Nb)C Ta(Nb)5O2 C(加入的)
   IC10   90     8       2       -      -   164-178   175-195     ＞310   90.6-91.6   1.2-1.16  14.66-14.79       12.5
   90657 90.855     8       -     1.145     0.16     158     187     348     91.5     1.214      14.78         -
   90640  89.71     8       -     2.29     0.41     175     181     285     91.5     1.214      14.73       14.47
   90662  89.7     8       -     2.29     0.41     177     177     320     91.2     1.212      14.70       13.94
(1)比磁饱和
(2)矫顽磁力
(3)横向断裂强度
(4)洛氏“A”硬度
(5)收缩
(6)断裂韧度实施例2—复合胶结碳化物插件的生产
将90.05％(重量)细粉末状WC、6％(重量)Co粉、2.65％(重量)TiC、1.3％(重量)Ta(Nb)2O5和0.18％(重量)碳粉混合得到粉末混合物。加入2.1％(重量)石蜡和0.4ml/g丙酮并将混合物在实验室球磨机中研磨(介质比5∶1kg/kg)40小时(120,000转)。将粉末混合物在12吨/平方英寸的压力下压制得具有几何形状CNMG—432的切削插件毛坯。将毛坯按下述程序烧结：
在2乇的压力下以1-5℃/分钟的速率加热至1200℃。在该温度下烧结1小时后，在2乇的压力下将温度以4℃/分钟的速率升至1463℃直到当炉内充满压力的10乇的氮气时温度达到1290℃。在氮气压力下于1470℃继续烧结70-90℃分钟，然后在全真空下先以10℃/分钟再以5℃/分钟的速率将炉子冷却至800℃。在氮气氛中以5℃/分钟的速率继续冷却至室温。
烧结插件的Vickers硬度HV20＝1506—1548(kg/mm2)，断裂韧度K＝12.5—13.2(Mpa*m0.5)。
至于磁性能，该插件的比磁饱和SMS(specific magneticsaturation)＝130-138(Gcm3/g)，矫顽磁力HC＝180-199(Oe)。
将插件吹砂珩磨以备CVD涂覆。施用厚度为8-9μm的TiC—TiN涂层。
如下测试两件如上制得的插件的金属切削性能：1.对碳铜AISI1045的切削试验切削条件如下：
速度V＝260m/分钟    进给量f＝0.25mm/转
切削深度：a＝2mm    珩磨量＝0.04mm
结果示于下表2中。
                                 表2
    分钟          磨耗(mm)
    #1样品     #2样品
    2     0.07     0.076
    8     0.11     0.105
    12     0.13     0.14
    16     0.19     0.155
    18     -     0.17
2.对碳铜AISI 1060的铣削试验
工作长度为700mm，宽度为60mm
铣削条件为：
线速率：V＝88m/分钟，n＝280转/分钟
结果示于下表3中。
                                 表3
 No.     mm/min 每个刀齿的进给量     注
    1     80     0.285     通过
    2     100     0.357     通过
    3     160     0.571     通过
    4     160     0.571     通过
    5     200     0.714     通过
    6     200     0.714     通过
    7     200     0.714     通过
    8     250     0.89     通过
    9     250     0.89     通过
实施例3：复合胶结碳化物产品的生产
将74.8％(重量)细粉末状WC(1.4μ)、11％(重量)Co粉、7％(重量)TiC、7.2％(重量)Ta(Nb)2O5和1％(重量)碳粉混合得到粉末混合物。加入2.4％(重量)石蜡和0.4ml/g丙酮并将混合物在实验室球磨机中研磨(介质比5∶1kg/kg)38小时(114,000转)。将粉末混合物在12吨/平方英寸的压力下压制成T.R.S试样并将其在真空下于1420℃烧结90分钟，然后在常压炉条件下烧结。烧结试样的密度为12.52(g/cm3)，横向断裂强度T.R.S＝300(ksi)，洛氏“A”硬度HRa＝91.8。
至于磁性能，该插件的比磁饱和SMS＝228(Gcm3/g)，矫顽磁力HC＝206(Oe)。

Claims (9)

1.一种用来生产基于钨的胶结碳化物材料的可烧结粉末混合物，所述粉末混合物包含至少70％(重量)的WC，约2-15％(重量)的铁族金属粘合剂，和可选的不超过15％(重量)的一种或多种周期表IVb族、Vb族和VIb族金属的碳化物、氮化物和碳氮化物；其特征在于：所述粉末混合物包含约1-8％(重量)Ta(Nb)氧化物和反应
所需的大约化学计量量的粉末状元素碳。
2.权利要求1的用来生产基于钨的直接胶结碳化物材料的可烧结粉末混合物，所述粉末混合物的组成为大约6-8％(重量)钴粘结剂、大约1-3％(重量)Ta(Nb)氧化物和相应量的权利要求1定义的粉末状元素碳，剩下的为WC。
3.权利要求2的可烧结粉末混合物，它包含大约2.3％(重量)Ta(Nb)氧化物、大约0.4％(重量)碳粉和大约8％(重量)钴粘结剂，剩下的部分由WC构成。
4.权利要求1的用来生产基于钨的复合胶结碳化物材料的可烧结粉末混合物，所述混合物包含大约90％(重量)WC、大约6％(重量)Co，大约2.65％(重量)TiC、大约1.3％(重量)Ta(Nb)2O5和大约0.18％(重量)元素碳。
5.通过烧结权利要求1的粉末混合物获得的基于钨的胶结碳化物产品。
6.权利要求5的直接胶结碳化物产品，它是通过将权利要求2或3的粉末混合物烧结获得的。
7.权利要求5的复合胶结碳化物产品，它是通过将权利要求4的粉末混合物烧结获得的。
8.权利要求5的胶结碳化物产品，它是金属切削插件。
9.实质上已被本文描述和列举了的用来生产基于钨的胶结碳化物材料的可烧结粉末混合物。
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