CN112831705A - 碳化钨基胶合硬质材料 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种碳化钨基胶合硬质材料，其包括：平均粒度为0.1至1.3μm的碳化钨；1.0至5.0重量％的(Co+Ni)，其中Co/(Co+Ni)的重量％比值为0.4≤Co/(Co+Ni)≤0.95；0.1至1.0重量％的Cr，Cr与(Co+Ni)的重量％比值为0.05≤Cr/(Co+Ni)≤0.20；0.01至0.3重量％的Mo；和0.02至0.45重量％的Me，其中Me＝选自Ta、Nb、Hf和Ti中的一种或多种元素，优选为Ta和/或Nb；以及0.01≤Me/(Co+Ni)≤0.13。

Description

碳化钨基胶合硬质材料
技术领域
本发明涉及一种碳化钨基胶合硬质材料，该材料在木工工具或成形工具中的用途，以及具有由该胶合硬质材料构成的工作区域的木工工具和具有由该材料构成的工作区域的成形工具。
背景技术
碳化钨基胶合硬质材料是复合材料，其中至少主要由碳化钨形成的硬质材料颗粒形成该复合材料的主要部分，并且这些硬质材料颗粒之间的空隙由延展性金属粘结剂填充。这种胶合硬质材料由于其有利的材料性能，特别是高硬度与良好的断裂韧度的组合，已经在许多领域中使用了许多年，例如在金属的切削加工中、在耐磨部件中、在木工工具中、在成形工具中等。当这种胶合硬质材料用于各种应用领域时对材料的要求是非常不同的。特别地，在一些应用中，主要是高硬度是重要的，而在其它应用中，硬度和韧度的非常平衡的组合是重要的，并且在其它应用中，例如良好的耐腐蚀性也是重要的。
特别是当这种胶合硬质材料用于木工工具和成形工具时，除了胶合硬质材料的高硬度和良好的耐腐蚀性之外，高断裂韧度KIc和高横向断裂强度TRS也是关键的。
发明内容
本发明的目的是提供一种改进的碳化钨基胶合硬质材料，其具有硬度、耐腐蚀性、断裂韧度和横向断裂强度的特别有利的组合，尤其是用于木工工具或成形工具，并且还提供一种改进的木工工具和一种改进的成形工具。
该目的通过根据权利要求1的碳化钨基胶合硬质材料实现。在从属权利要求中指出了有利的实施方式。
胶合硬质材料包括：平均粒度为0.1至1.3μm的碳化钨；1.0至5.0重量％的(Co+Ni)，其中Co/(Co+Ni)的重量％比值为0.4≤Co/(Co+Ni)≤0.95；0.1至1.0重量％的Cr，Cr与(Co+Ni)的重量％比值为0.05≤Cr/(Co+Ni)≤0.20；0.01至0.3重量％的Mo；以及0.02至0.45重量％的Me，其中Me＝选自由Ta、Nb、Hf和Ti组成的组中的一种或多种元素，优选Ta和/或Nb；以及0.01≤Me/(Co+Ni)≤0.13。
在胶合硬质材料中碳化钨的比例可特别优选地为92至98.5重量％。这里，(Co+Ni)的重量％是指Co和Ni以重量百分比计的总比例。Me/(Co+Ni)比值也以重量百分比确定。本发明的胶合硬质材料实现了高硬度、良好的耐腐蚀性和同时对于高硬度的高断裂韧度和横向断裂强度的有利组合，这是特别有利的，尤其是对于在木工工具和成形工具中的用途是特别有利的。有利性能归因于Co和Ni的在所示范围内的组合、Cr和Mo在所示范围内的目标添加、以及元素Ti、Ta、Hf和Nb中的至少一种以所示量的目标添加。因此，该胶合硬质材料包含WC、Co、Ni、Cr和Mo以及元素Ta、Nb、Hf和Ti中的至少一种，但也可以包含多种这些元素。胶合硬质材料可优选地包含Ta、Nb，或Ta和Nb的组合。除非在本说明书中另外指出，在每种情况下的量和比值涉及组分的重量百分比。铬可以在胶合硬质材料的粉末冶金制造中例如作为纯金属或以Cr3C2或Cr2N粉末的形式添加。Mo优选以Mo2C粉末的形式添加，但也可以作为例如纯金属或例如(W，Mo)C混合碳化物添加。其它元素可例如特别地作为碳化物MeC、因此作为TaC、NbC等添加，或作为混合碳化物如(Ta，Nb)C或(W，Me)C，特别地例如(W，Ta)C或例如(W，Ti，Ta，Nb)C等添加。胶合硬质材料可优选地仅具有所示的组成和不可避免的杂质，即基本上由所示的组成构成。
在一个实施方式中，胶合硬质材料具有0.1至0.8μm的碳化钨平均粒度，这代表了硬度和断裂韧度以及还有横向断裂强度之间的特别有利的折衷，尤其是对于在木工工具或成形工具中的用途。胶合硬质材料可以优选地具有0.2至0.5μm的碳化钨平均粒度。
在一个实施方式中，Co/(Co+Ni)比值为：0.6≤Co/(Co+Ni)≤0.9。在该比值下，特别地，实现了一方面碳化钨颗粒与粘结剂的良好润湿与另一方面的胶合硬质材料的高耐腐蚀性和断裂韧度之间的良好平衡。
在一个实施方式中，Cr/(Co+Ni)重量％比值为：0.05≤Cr/(Co+Ni)≤0.15。在该范围内，特别地，Cr相对于主要粘合剂成分Co和Ni的量使得实现高硬度和耐腐蚀性，但同时制造过程中的工艺参数在常规容差内仍然足够不敏感。
在一个实施方式中，Mo与Cr的重量％比值为：Mo/Cr<0.5；优选地Mo/Cr<0.4。Cr与Mo比值的明显较高比例对硬度和耐腐蚀性之间的折衷以及其次对断裂韧度和横向断裂强度具有积极的影响。
在一个实施方式中，0.02≤Me/(Co+Ni)≤0.08。在此，该比值也以重量％确定。在该范围内，特别地，添加Ta、Nb、Hf和/或Ti中的一种或多种元素对材料性能具有积极的影响。特别优选地，Me＝Ta和/或Nb。
Me与Cr的重量％比值优选为：Me/Cr<0.65。特别地，Me/Cr可以>0.05，以达到附加添加的足够影响，但另一方面避免不利的影响。
在一个实施方式中，胶合硬质材料具有在2050至2450范围内的维氏硬度HV10。这种高硬度特别有利于用于木工工具或成形工具中。根据ISO 3878:1991(“硬质合金-维氏硬度试验”)的维氏硬度HV10特别优选在以下范围内：HV10＝2550-100×(Co+Ni)的重量％±150。
在一个实施方式中，胶合硬质材料具有在7.1至8.5MPa·m1/2范围内的断裂韧度KIC。根据ISO 28079:2009使用10kgf的压痕载荷(对应于98.0665N)进行测量。断裂韧度KIC(以MPa·m1/2计)特别地可在以下范围内：
KIC＝6.8+(1/3)×(Co+Ni)的重量％±0.5，
优选地在以下范围内
KIC＝6.8+(1/3)×(Co+Ni)的重量％±0.3。
在一个实施方式中，胶合硬质材料具有在2560MPa至4230MPa范围内的横向断裂强度。横向断裂强度根据标准ISO 3327:2009使用具有圆柱形横截面(形状C)的试样测定。以MPa计的横向断裂强度可以特别地在以下范围内：
TRS＝2150+(2500/6)×(Co+Ni)的重量％±500，
优选在以下范围内：
TRS＝2150+(2500/6)×(Co+Ni)的重量％±300。
该目的还通过根据权利要求11的胶合硬质材料用于木工工具或成形工具的用途来实现。
该目的还通过根据权利要求12的木工工具实现，所述木工工具具有由这种碳化钨基胶合硬质材料制成的工作区域。
该目的还通过根据权利要求13的成形工具实现，所述成形工具具有由这种碳化钨基胶合硬质材料制成的工作区域。
在一个实施方式中，成形工具是用于冷成形的工具，特别是用于线材制造的拉深凹模或深拉深工具。
附图说明
本发明的进一步优点和有效的方面能够通过参考附图对以下实施例的描述而获得。
附图示出了：
图1：根据一个示例性实施方式的具有由胶合硬质材料构成的工作区域的木工工具的示意图；
图2：图1的细节II的放大示意图；
图3：根据另一示例性实施方式的具有由胶合硬质材料构成的工作区域的成形工具的示意图；
图4：图3的成形工具的示意性平面图；
图5：图3的成形工具的示意性横截面图；
图6：根据比较例1的胶合硬质材料的光学显微照片；
图7：根据示例1的胶合硬质材料的光学显微照片；
图8：根据示例2的胶合硬质材料的光学显微照片；
图9：根据示例3的胶合硬质材料的光学显微照片；以及
图10：根据示例4的胶合硬质材料的光学显微照片。
具体实施方式
下面将首先概括地描述碳化钨基胶合硬质材料的示例性实施方式。
胶合硬质材料的具体组成将在下面更详细地描述。
胶合硬质材料主要由平均粒度在0.1至1.3μm范围内的碳化钨组成。平均粒度可优选地在0.1至0.8μm范围内。平均粒度特别优选地在0.2至0.5μm范围内。
碳化钨在胶合硬质材料中的比例可以特别地是92至98.5重量％。胶合硬质材料另外包括延展性金属粘结剂。在示例性实施方式，金属粘结剂主要由Co(钴)和Ni(镍)组成，其中Co与Co和Ni的总和的重量百分比比值为0.4至0.95。该比值优选在0.6至0.9的范围内；即金属粘结剂中Co的比例优选地大于金属粘结剂中Ni的比例。
碳化钨基胶合硬质材料还包括0.1至1重量％的Cr，Cr与Co和Ni的总和的重量百分比比值选择为使得0.05≤Cr/(Co+Ni)≤0.20。当Cr含量保持在该范围内时，获得所需的晶粒细化效果，并且可以大大避免含铬的混合碳化物沉淀。优选地：0.05≤Cr/(Co+Ni)≤0.15。在这种情况下，可以特别可靠地避免含铬的混合碳化物沉淀，而不必将粉末冶金制造过程中的制造参数保持在窄容差范围内。
该示例性实施方式的胶合硬质材料还另外包括0.01至0.3重量％的Mo。Mo含量优选地设定为显着低于Cr含量，优选地低于Cr含量的一半，特别优选对低于Cr含量的40％。
根据本发明，该胶合硬质材料还包括选自Ta、Nb、Hf和Ti中的一种或多种元素，一种或多种元素在该胶合硬质材料中的总比例在0.02至0.45重量百分比范围内。Ta、Nb、Hf和Ti的总比例与Co和Ni的总比例的比值在0.01至0.13范围内。该比值可特别优选地在0.02至0.08范围内。胶合硬质材料可优选地仅包括来自由Ta、Nb、Hf和Ti组成的组中的Ta和/或Nb，这两种元素对胶合硬质材料的物理性能具有特别积极的影响。在胶合硬质材料中由Ta、Nb、Hf和Ti组成的组中的其它元素的总比例可以优选地显著小于在胶合硬质材料中Cr的比例，特别是小于Cr含量的65％。
根据示例性实施方式的胶合硬质材料以粉末冶金方式制造，其中使用粒度(FSSS，费氏粒度)为0.5μm的WC粉末，FSSS粒度为0.9μm的Co粉末，FSSS粒度为2.5μm的Ni粉末，FSSS粒度为1.5μm的Cr3C2粉末，FSSS粒度为1.35μm的Mo2C粉末，FSSS粒度为1.2μm的NbC粉末，FSSS粒度为0.9μm的TaC粉末和FSSS粒度为1.2μm的(Ta，Nb)C粉末(更准确地：(Ta0.6，Nb0.4)C粉末)。通过在球磨机或磨碎机中将各起始粉末与溶剂混合，随后以常规方式喷雾干燥来进行制造。将所得颗粒材料压制并形成所需形状，随后以常规方式烧结，以获得胶合硬质材料。作为成形工具的工作区域的用于钢丝的拉深凹模，和作为圆锯形式的木工工具的工作区域的锯齿，由该胶合硬质材料制造。胶合硬质材料中的碳化钨晶粒的平均晶粒尺寸的测定，通过EBSD(电子背散射衍射)图像的“当量圆直径(ECD)”法进行。该方法例如，描述在“Development of a quantitative method for grain size measurement using EBSD”中；理学硕士论文，斯德哥尔摩(Stockholm 2012)，Frederik Josefsson著。
图1和图2中描述了具有由如上所述的碳化钨基胶合硬质材料制成的工作区域10的木工工具100的第一示例性实施方式。
在具体描述的示例性实施方式中，木工工具100是具有多个锯齿的圆锯片，每个锯齿形成与待加工的木材接合的工作区域10。由锯齿形式的胶合硬质材料构成的工作区域10在每种情况下例如通过焊点冶金结合到圆锯片的主元件11，该主元件11例如可以以传统方式由钢制成。
尽管在图1和图2中通过示例的方式将圆锯片描述为木工工具，但碳化钨基胶合硬质材料也可用作其它木工工具上的工作区域。
图3至图5中描绘了具有由如上所述的碳化钨基胶合硬质材料制成的工作区域20的成形工具200的示例性实施方式。
在图3至图5中具体描述的示例性实施方式中，成形工具200是用于冷成形的工具，特别是用于线材制造的拉深凹模，并且工作区域20是与待加工材料例如钢丝直接接触的拉深板。由胶合硬质材料构成的工作区域20容纳在例如可由钢制成的壳体21中。
示例
比较例1
作为比较例，碳化钨基胶合硬质材料通过上述粉末冶金方法使用以下组成而制造：2.25重量％的Co，0.75重量％的Ni；0.35重量％的Cr(对应于0.4重量％的作为起始材料的Cr3C2)，0.047重量％的Mo(对应于0.05重量％的作为起始材料Mo2C)，余量为WC和不可避免的杂质。因此WC的比例为约96.55重量％。图6中示出了胶合硬质材料的显微组织的光学显微照片。
在制造过程中，设定碳平衡，使得所得的胶合硬质材料至少基本上不含η相，即，不含不期望的(Wx，Coy)zC混合相，并且基本上不含碳沉淀。在此上下文中，基本上不含η相是指存在0至不大于0.5体积％的η相。
碳化钨晶粒的平均晶粒尺寸在0.2至0.5μm的范围内。测得维氏硬度HV10为2140，断裂韧度KIC为7.8MPa·m1/2，横向断裂强度为3200MPa。
示例1
碳化钨基胶合硬质材料通过上述粉末冶金制造方法使用以下组成而制造：2.7重量％的Co，0.9重量％的Ni，0.45重量％的Cr(对应于0.52重量％的作为起始材料的Cr3C2)，0.047重量％的Mo(对应于0.05重量％的作为起始材料的Mo2C)和0.094重量％的Ta(对应于0.1重量％的作为起始材料的TaC)，余量为WC和不可避免的杂质。WC的比例因此为约95.73重量％。Co+Ni的含量为3.6重量％，Co/(Co+Ni)比值为0.75。Cr/(Co+Ni)比值为0.125。Me/(Co+Ni)比值为0.026；在本示例1中Me＝Ta。图7中示出了胶合硬质材料的显微组织的光学显微照片。
在该示例中，同样，在制造过程中设定碳平衡，使得所得的胶合硬质材料至少基本上不含η相，即，不含不期望的(Wx，Coy)zC混合相，并且基本上不含碳沉淀。
胶合硬质材料中碳化钨晶粒的平均晶粒尺寸在0.2至0.5μm的范围内。维氏硬度HV10(根据ISO 3878:1991)测定为2145。断裂韧度KIC也如上所述测定，为8.0MPa·m1/2。通过上述方法测定的横向断裂强度为3650MPa。
由此可见，在硬度HV10相当的情况下，与比较例1的胶合硬质材料相比，示例1的碳化钨基胶合硬质材料具有更高的断裂韧度KIC和更高的横向断裂强度。
示例2
碳化钨基胶合硬质材料通过上述粉末冶金制造方法使用以下组成而制造：3.15重量％的Co，1.05重量％的Ni，0.83重量％的Cr(对应于0.96重量％的作为起始材料的Cr3C2)，0.132重量％的Mo(对应于0.14重量％的作为起始材料的Mo2C)和0.188重量％的Ta(对应于0.2重量％的作为起始材料的TaC)，余量为WC和不可避免的杂质。WC的比例因此为约94.50重量％。Co+Ni的含量为4.2重量％，Co/(Co+Ni)比值为0.75。Cr/(Co+Ni)比值为0.198。Me/(Co+Ni)比值为0.045；在本示例2中同样Me＝Ta。图8中示出了胶合硬质材料的光学显微照片。
在该示例中，也设定碳平衡，使得胶合硬质材料基本上不含η相和无碳沉淀。
碳化钨晶粒的平均晶粒尺寸在0.2至0.5μm的范围内。测得维氏硬度HV10为2180，断裂韧度KIC为8.1MPa·m1/2，横向断裂强度为3800MPa。
由此可见，在较高的硬度HV10下，与比较例1相比，示例2的胶合硬质材料具有较高的断裂韧度KIC和较高的横向断裂强度。
示例3
碳化钨基胶合硬质材料通过上述粉末冶金制造方法使用以下组成而制造：2.7重量％的Co，0.9重量％的Ni，0.45重量％的Cr(对应于0.52重量％的作为起始材料的Cr3C2)；0.094重量％的Mo(对应于0.1重量％的作为起始材料的Mo2C)和0.177重量％的Nb(对应于0.2重量％的作为起始材料的NbC)，余量为WC和不可避免的杂质。WC的比例因此为约95.58重量％。在该示例3中，Me是Nb。图9中示出了胶合硬质材料的光学显微照片。
在该示例中，也设定碳平衡，使得胶合硬质材料基本上不含η相和无碳沉淀。
碳化钨晶粒的平均晶粒尺寸在0.2至0.5μm的范围内。维氏硬度HV10＝2235，断裂韧度KIC为7.9MPa·m1/2，横向断裂强度为3600MPa。
由此可见，在显著更高的硬度HV10下，与比较例1相比，示例3的胶合硬质材料具有较高的断裂韧度KIC和较高的横向断裂强度。
示例4
碳化钨基胶合硬质材料通过上述粉末冶金制造方法使用以下组成而制造：2.7重量％的Co，0.9重量％的Ni，0.45重量％的Cr(对应于0.52重量％的作为起始材料的Cr3C2)，0.094重量％的Mo(对应于0.10重量％的作为起始材料的Mo2C)，0.113重量％的Ta(对应于0.2重量％的作为起始材料的(Ta，Nb)C)和0.071重量％的Nb(对应于0.2重量％的作为起始材料的(Ta，Nb)C)，余量为WC和不可避免的杂质。WC的比例因此为约95.58重量％。Co+Ni的含量为3.6重量％，Co/(Co+Ni)比值为0.75。Cr/(Co+Ni)比值为0.125。Me/(Co+Ni)比值为0.051；在本示例4中Me＝Ta+Nb。图10中示出了该胶合硬质材料的显微组织的光学显微照片。
在该示例中，也设定碳平衡，使得胶合硬质材料基本上不含η相和无碳沉淀。
胶合硬质材料中碳化钨晶粒的平均晶粒尺寸在0.2至0.5μm的范围内。维氏硬度HV10(根据ISO 3878:1991)测定为2220。断裂韧度KIC也如上所述测定，为7.9MPa·m1/2。通过上述方法测定的横向断裂强度为3500MPa。
由此可见，在显著更高的硬度HV10下，与比较例1相比，示例4的胶合硬质材料具有较高的断裂韧度KIC和较高的横向断裂强度。

Claims (14)

1.一种碳化钨基胶合硬质材料，其包括：
平均粒度为0.1至1.3μm的碳化钨；
1.0至5.0重量％的(Co+Ni)，其中Co/(Co+Ni)的重量％比值为0.4≤Co/(Co+Ni)≤0.95；
0.1至1.0重量％的Cr，Cr与(Co+Ni)的重量％比值为0.05≤Cr/(Co+Ni)≤0.20；
0.01至0.3重量％的Mo；以及
0.02至0.45重量％的Me，其中Me＝来自由Ta、Nb、Hf和Ti组成的组中的一种或多种元素，优选为Ta和/或Nb；以及
0.01≤Me/(Co+Ni)≤0.13。
2.根据权利要求1所述的碳化钨基胶合硬质材料，其中，所述碳化钨的平均粒度为0.1至0.8μm，优选为0.2至0.5μm。
3.根据权利要求1或2所述的碳化钨基胶合硬质材料，其中，0.6≤Co/(Co+Ni)≤0.9。
4.根据前述权利要求中任一项所述的碳化钨基胶合硬质材料，其中，0.05≤Cr/(Co+Ni)≤0.15。
5.根据前述权利要求中任一项所述的碳化钨基胶合硬质材料，其中，Mo与Cr的重量％比值使得：Mo/Cr<0.5；优选地Mo/Cr<0.4。
6.根据前述权利要求中任一项所述的碳化钨基胶合硬质材料，其中，0.02≤Me/(Co+Ni)≤0.08。
7.根据前述权利要求中任一项所述的碳化钨基胶合硬质材料，其中，Me与Cr的重量％比值使得：Me/Cr<0.65。
8.根据前述权利要求中任一项所述的碳化钨基胶合硬质材料，其具有在由以下等式给出的范围内的硬度HV10：
HV10＝2550-100×(Co+Ni)的重量％±150。
9.根据前述权利要求中任一项所述的碳化钨基胶合硬质材料，其具有在以MPa·m1/2为单位的以下范围内的断裂韧度KIC：
KIC＝6.8+(1/3)×(Co+Ni)的重量％±0.5。
10.根据前述权利要求中任一项所述的碳化钨基胶合硬质材料，其具有以MPa为单位的以下范围内的横向断裂强度TRS：
TRS＝2150+(2500/6)×(Co+Ni)的重量％±500。
11.胶合硬质材料用于木工工具或成形工具的用途。
12.一种木工工具，其具有由根据权利要求1至10中任一项所述的碳化钨基胶合硬质合金材料制成的工作区域。
13.一种成形工具，其具有由根据权利要求1至10中任一项所述的碳化钨基胶合硬质合金材料制成的工作区域。
14.根据权利要求13所述的成形工具，其中，所述成形工具是用于冷成形的工具，特别是用于线材制造的拉深凹模或深拉深工具。
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