專利名稱：金屬陶瓷體和制造金屬陶瓷體的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及具有提高的硬度和提高的耐塑性變形性的TiC基金屬陶瓷體。本發(fā)明還涉及制造這種金屬陶瓷體的方法。
背景技術(shù)：
如切削工具刀片等的燒結(jié)體通常由含有硬質(zhì)合金或鈦基碳化物或碳氮化物合金的材料制得。
鈦基碳化物或碳氮化物合金通常被稱為金屬陶瓷，且含有一種或多種硬組分以及粘結(jié)相，所述硬組分例如為例如鎢、鈦、鉭、鈮等的碳化物或碳氮化物，所述粘結(jié)相使得可能獲得在硬度和韌度方面的吸引人的性能。金屬陶瓷可用于很多應(yīng)用中，例如在金屬切削工具中、在耐磨部件中等?？赏ㄟ^改變組成和晶粒大小來調(diào)整所述性能從而適應(yīng)特定的應(yīng)用。 通過粉末冶金中常見的技術(shù)制得所述燒結(jié)體，所述常見的技術(shù)例如為研磨、造粒、壓制和燒結(jié)。在金屬陶瓷中的粘結(jié)相通常為Co、Fe或Ni或其混合物。
開發(fā)的第一種金屬陶瓷材料是TiC基的。在八十年代，引入了碳氮化物基的金屬陶瓷，并且從那時開發(fā)的大部分金屬陶瓷材料是碳氮化物基的。
對于常規(guī)的硬質(zhì)合金，即WC-Co基硬質(zhì)合金，通過加入鉻可以獲得在燒結(jié)后的細顆粒。然而，當(dāng)向碳氮化物基金屬陶瓷中加入鉻時，不能觀察到或幾乎不能觀察到對于晶粒大小的效果。
CN 1865477A公開了 TiC-WC基合金的導(dǎo)輥、閥芯或閥座，所述合金包含30-60重量％的打(、15-55重量％的呢、0-3重量％的了&、0-3重量％的0和10-30重量％的(0和 Ni的粘結(jié)相。
US 7，217，390描述了通過機械化學(xué)合成制造超細TiC基金屬陶瓷的方法，所述機械化學(xué)合成例如為高能球磨Ti的粉末、過渡金屬(M) ,Co和/或Ni粉末以及碳粉末?？蛇x地，能夠以碳化物形式加入Ti和過渡金屬。過渡金屬M可以是Mo、W、Nb、V或Cr中的至少一種元素。所述高能球磨將形成(Ti，M)C。
然而，高能球磨是一種復(fù)雜的工藝，并且將會有利的是能夠使用常規(guī)技術(shù)提供細顆粒的TiC基金屬陶瓷。
在常規(guī)的TiC基金屬陶瓷中，大量的TiC溶解，并且形成新的Ti-W-C晶粒，這導(dǎo)致不受控制的Ti-W-C晶粒生長和不均勻的晶粒大小以及性能例如硬度的劣化。
已知第V族元素例如Nb、Ta和V及其碳化物是硬質(zhì)合金的晶粒生長抑制劑。然而，向Ti (C，N)基金屬陶瓷中加入例如NbC不會降低晶粒大小，原因是在所述合金中的TiN 的量是在這些合金中的主要參數(shù)。向這些金屬陶瓷中加入第V族元素例如Nb、Ta和V及其碳化物增加了圍繞所述Ti (C，N)晶粒的較軟邊緣的形成，導(dǎo)致不利的硬度降低。
向金屬陶瓷中加入第V族元素的碳化物，例如NbC導(dǎo)致熱硬度的增加以及在較高切削溫度下的塑性變形性的改進，然而其也降低在較低切削溫度下的耐磨性。
然而，本發(fā)明通過如下方式降低了總的晶粒大小使具有小于起始材料晶粒大小的新核成核(并且邊緣具有與所述新核相同的組成)，保持硬度不變。發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的一個目的是提供燒結(jié)的金屬陶瓷體，其具有改進的耐塑性變形性。
本發(fā)明的又一目的是提供燒結(jié)的金屬陶瓷體，其具有小的晶粒大小和(Ti，W，Mx)C 晶粒(其中Mx是第V族元素)的更窄的晶粒大小分布。
本發(fā)明的又一目的是提供制造具有如上所公開的優(yōu)點的燒結(jié)的金屬陶瓷體的方法。
本發(fā)明的又一目的是提供燒結(jié)的金屬陶瓷，其包含Nb，且在保持的粘結(jié)相含量下硬度不降低。
現(xiàn)在已經(jīng)發(fā)現(xiàn)可以通過如下方法實現(xiàn)如上優(yōu)點提供TiC基金屬陶瓷體，其包含 Cr,和至少一種來自元素周期表第V族的元素，和具有如下結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)具有未溶的TiC核， 和具有(Ti，W，Mx)C合金的成核晶粒，其中Mx是V、Nb或Ta中的一種或多種?？偟木Я４笮⊥ㄟ^如下方式降低使具有小于起始材料晶粒大小的新核成核(并且邊緣具有與所述新核相同的組成)，保持硬度不變。


圖I顯示了根據(jù)本發(fā)明的燒結(jié)樣品的顯微結(jié)構(gòu)的示意圖。黑色區(qū)域(A)代表具有周圍邊緣的未溶的TiC核，白色區(qū)域(B)代表新形成的(Ti，W，Mx)C晶粒，和深灰色區(qū)域(C) 代表粘結(jié)相Co (Cr)。
圖2顯示了實施例I中的發(fā)明I的顯微結(jié)構(gòu)的反向散射SEM圖。黑色區(qū)域代表未溶的TiC核，白色區(qū)域代表新形成的(Ti，W，Mx)C晶粒，和深灰色區(qū)域代表粘結(jié)相Co(Cr)。
圖3顯示了實施例I中的發(fā)明4的顯微結(jié)構(gòu)的反向散射SEM圖。黑色區(qū)域代表未溶的TiC核，白色區(qū)域代表新形成的(Ti，W，Mx)C晶粒，和深灰色區(qū)域代表粘結(jié)相Co(Cr)。
圖4顯示了實施例2中的參比I的顯微結(jié)構(gòu)的反向散射SEM圖。黑色區(qū)域(B)代表未溶的TiC核?？梢钥吹絻煞N不同的新形成的(Ti，W) C晶粒，一種具有較高W含量如白色區(qū)域(A)，一種具有較低W含量如看到的大的淺灰色區(qū)域(D)，并且共粘結(jié)相顯示為深灰色區(qū)域(C)。
圖5顯示了實施例2中的參比3的顯微結(jié)構(gòu)的反向散射SEM圖?；液稚珔^(qū)域代表新形成的(Ti，W，Ta，Nb) C晶粒，白色區(qū)域代表六方WC晶粒，并且深灰色區(qū)域代表Co粘結(jié)相。
發(fā)明詳述
本發(fā)明涉及一種金屬陶瓷體，其包含使Ti/W原子比為2至5的TiC和WC，并且包含作為粘結(jié)相的含量為5至25體積％的鈷。所述金屬陶瓷還包含至少一種來自元素周期表第V族的元素，即M1J2和M3，其中Mi+M2+M3為Mx,使得Ti/Mx原子比在4至20之間，且W/ Mx原子比在I至6之間。所述金屬陶瓷體還以包含使Cr/Co原子比為0. 025至0. 14的Cr。
所述金屬陶瓷體基本不含氮。這是指所述金屬陶瓷體是由碳化物制得的，即，未使用含氮的原材料。然而，可能存在小量的氮，所述氮或者來自雜質(zhì)或者為使用氮氣的燒結(jié)過程的殘留物。優(yōu)選地，所述金屬陶瓷體包含小于0. 2重量％的氮。
在本發(fā)明的一個實施方式中，所述金屬陶瓷包含TiC和WC，使得Ti/W原子比優(yōu)選在3至4之間。
在本發(fā)明的一個實施方式中，所述金屬陶瓷包含至少一種來自元素周期表第V族的元素，即Mx，使得Ti/Mx原子比優(yōu)選在5至18之間。
在本發(fā)明的一個實施方式中，W/Mx原子比優(yōu)選在I. 5至5之間。
在本發(fā)明的一個實施方式中，所述至少一種來自元素周期表第V族的元素Mx適合地為V、Nb和Ta中的一種或多種，優(yōu)選Nb和Ta，最優(yōu)選Nb。
在本發(fā)明的一個實施方式中，所述粘結(jié)相是Co，其優(yōu)選以7至20體積％，更優(yōu)選以 8至18體積％的量存在。
在本發(fā)明的金屬陶瓷體中的鉻的量取決于Co金屬溶解鉻的能力。因此Cr的最高量取決于Co含量。Cr/Co原子比適合地為0. 025至0. 14，優(yōu)選為0. 035至0. 09。如果加入的鉻的量超過根據(jù)本發(fā)明的那些，可能不是所有的鉻都將溶于Co粘結(jié)相中，而是作為不希望的分離的含鉻相沉淀，例如作為碳化鉻或混合的含鉻碳化物沉淀。
所述金屬陶瓷體包含未溶的具有(Ti，W，Mx)C合金邊緣的TiC核以及在燒結(jié)過程中形成的(Ti，W，Mx)C晶粒。所述未溶的TiC核與源自作為原材料加入的TiC晶粒的那些相同。
(Ti，W，Mx) C合金的邊緣與新形成的(Ti，W，Mx) C晶粒具有基本相同的組成。
新形成的(Ti，W，Mx)C晶粒沒有邊緣。本發(fā)明的金屬陶瓷體也基本不含沉淀的六方WC。此處基本不含沉淀的六方WC是指通過X射線衍射不能發(fā)現(xiàn)六方WC峰，且在SEM圖中不能看到WC晶粒。
比例Q定義為在同一區(qū)域內(nèi)測量的TiC核的數(shù)量與新形成的(Ti，W，MX)C晶粒數(shù)量之間的比例。所述區(qū)域最小為150 iim2，優(yōu)選從SEM圖中。
Q適當(dāng)?shù)匦∮?，優(yōu)選小于4且最優(yōu)選小于3，但是大于0. I。
通過在磨光的橫截面的反向散射SEM圖中測量TiC核的平均長度來估計TiC核的平均晶粒大小。
通過測量沿反向散射SEM圖中的至少10條線的各個TiC核的長度Lnen確定燒結(jié)至全密度后的TiC核的平均長度，其中n= 1、2、……、n。然后TiC核的平均長度計算為^ LTiCn/n。
以與測量TiC核平均晶粒大小的相同的方式測量所述新形成的(Ti，W，MX)C晶粒的平均晶粒大小。
在燒結(jié)過程中形成的新的(Ti，W，Mx) C晶粒適合地具有0. 2至0. 8 之間，優(yōu)選 0. 35至0. 65 ii m之間的平均晶粒大小。
如在沒有(Ti，W，Mx)C邊緣的情況下測量的，剩余的TiC核的平均晶粒大小適當(dāng)?shù)卦?. 3至2 ii m之間，優(yōu)選在0. 4至I. 5 ii m之間，最優(yōu)選在0. 4至I. 0 y m之間。
在本發(fā)明的目標是需要高韌度應(yīng)用的實施方式中，所述金屬陶瓷體包含Nb，使得 Ti/Nb之比為5至10且W/Nb之比為I至3. 5，且包含Co，所述Co的量為10-25體積％，且主要取決于在原材料中的Co含量和TiC晶粒大小優(yōu)選具有在1200至2000HV30之間，優(yōu)選在1300至1900HV30之間的硬度。
在本發(fā)明的目標是需要高耐塑性變形性應(yīng)用的實施方式中，所述金屬陶瓷體包含Nb，使得Ti/Nb之比為10至18且W/Nb之比為3. 5至6，且包含Co，所述Co的量為5_17體積％，且主要取決于在原材料中的Co含量和TiC晶粒大小優(yōu)選具有在1450至2300HV30之間，優(yōu)選在1500至2100HV30之間的硬度。
所述金屬陶瓷體還可以包含在金屬陶瓷制造領(lǐng)域中常見的其它元素，例如一種或多種第IVa族和第VIa族的元素，例如，Mo、Zr和Hf，條件是所述一種或多種元素不顯著影響如上所述的結(jié)構(gòu)。
在本發(fā)明的另一實施方式中，所述金屬陶瓷體具有在A00B00和A04B02之間，優(yōu)選 A00B00至A02B02的孔隙度。
可將本發(fā)明的金屬陶瓷體用作切削工具，特別是切削工具刀片。所述金屬陶瓷體優(yōu)選還包含耐磨涂層，所述涂層包含至少一種選自Si、A1和元素周期表IVa、Va和VIa族的元素的至少一種碳化物、氮化物、碳氮化物、氧化物或硼化物的單層或多層。
本發(fā)明還涉及制造根據(jù)如上所述的金屬陶瓷體的方法，該方法包括如下步驟
形成包含如下物質(zhì)的粉末混合物
-TiC和WC，使得Ti W原子比適合地在2至5之間，
-至少一種元素周期表第V族的元素Mx的碳化物，使得Ti/Mx原子比在4至20之間，且W/Mx原子比在I至6之間，
-鈷粉末，使得在燒結(jié)之后，鈷粘結(jié)相構(gòu)成所述金屬陶瓷體的5至25體積％，
-Cr，其量使得Cr/Co原子比適合地在0. 025至0. 14之間，
然后根據(jù)常規(guī)技術(shù)，將所述粉末混合物進行研磨，并將所述混合物造粒，壓制和燒結(jié)成金屬陶瓷體。
以如下量加入形成粘結(jié)相的Co粉末，所述量使得在燒結(jié)金屬陶瓷中的鈷含量優(yōu)選為7至20體積％,最優(yōu)選為8至18體積％。
加入的鉻的量與鈷的量相關(guān)，使得Cr/Co原子比優(yōu)選為0. 035至0. 09。
在本發(fā)明的一個實施方式中，以與鈷預(yù)合金化的方式加入鉻。
在本發(fā)明的一個實施方式中，以Cr3C2形式加入鉻。
在本發(fā)明的一個實施方式中，適合地加入V、Nb和Ta的碳化物，優(yōu)選Nb和Ta的碳化物，最優(yōu)選NbC。
在本發(fā)明的一個實施方式中，加入TiC和WC使得Ti/W原子比優(yōu)選在3至4之間。
在本發(fā)明的一個實施方式中，以如下量加入至少一種元素周期表中第V族的元素 Mx的碳化物，使得Ti/Mx原子比優(yōu)選在5至18之間。
在本發(fā)明的一個實施方式中，以如下量加入至少一種元素周期表中第V族的元素 Mx的碳化物，使得W/Mx原子比優(yōu)選在I. 5至5之間。
在本發(fā)明的一個實施方式中，所述方法還可以包括加入在金屬陶瓷制造領(lǐng)域中常見的其它元素，例如第IVa族和/或第VIa族的元素，例如，Mo、Zr或Hf，條件是所述一種或多種元素不影響如上所述的結(jié)構(gòu)。
在有機液體(例如，乙醇、丙酮等)和有機粘結(jié)劑(例如石蠟、聚乙二醇、長鏈脂肪酸等)存在下將所述原材料粉末進行研磨以便于隨后的造粒操作。優(yōu)選通過使用研磨機 (旋轉(zhuǎn)球磨機、振動研磨機、磨碎機等)進行研磨。
優(yōu)選根據(jù)已知的技術(shù)，特別是噴霧干燥進行經(jīng)研磨的混合物的造粒。通過適當(dāng)?shù)膰娮煸诟稍锼惺箲腋∫红F化，所述懸浮液包含與所述有機液體和所述有機粘結(jié)劑混合的粉末材料，其中在干燥塔中小液滴即刻被熱氣體流干燥，例如在氮氣流中被干燥。形成小粒特別對于在隨后的階段中使用的壓制工具的自動進料是必要的。壓制操作優(yōu)選在凸凹模中進行，以對于所述材料給出對于最終坯體所希望的形狀以及與所希望的尺寸盡可能接近的尺寸(考慮收縮現(xiàn)象)。在壓制過程中，使壓制壓力保持在適合的范圍內(nèi)是重要的，并且使坯體內(nèi)的局部壓力盡可能小地偏離施加的壓力是重要的。這對于復(fù)雜的幾何結(jié)構(gòu)是特別重要的。在如下條件下對所述經(jīng)壓制的坯體進行燒結(jié)在惰性氣氛中或在真空中，在如下的溫度下和如下的時間內(nèi)，所述溫度和所述時間足以獲得具有適合的結(jié)構(gòu)均勻性的致密體。同樣可在高的氣體壓力下(熱等靜壓)進行所述燒結(jié)，或者可通過在適中的氣體壓力下的燒結(jié)處理對所述燒結(jié)進行補充(通常被稱為SINTER-HIP)。這種技術(shù)在本領(lǐng)域中是公知的。所述金屬陶瓷體優(yōu)選是切削工具，最優(yōu)選是切削工具刀片。在一個實施方式中，通過已知的PVD、CVD-或MT-CVD-技術(shù)將所述金屬陶瓷體涂覆以耐磨涂層，所述耐磨涂層包含至少一種選自Si、A1和元素周期表IVa、Va和VIa族的元素的至少一種碳化物、氮化物、碳氮化物、氧化物或硼化物的單層或多層。
具體實施例方式結(jié)合如下實施例進一步說明本發(fā)明，然而，這些實施例不是旨在限制本發(fā)明。實施例1(本發(fā)明)通過如下方法制造本發(fā)明的四種TiC-WC-Co-Cr-NbC金屬陶瓷體A-D 首先將根據(jù)表1的量的原材料TiC、WC、Co、Cr和NbC在球磨機中在乙醇/水(90/10)混合物中進行研磨50h。根據(jù)常規(guī)技術(shù)將所述懸浮液噴霧干燥，并且將所述粒狀的粉末壓制并在1430°C下燒結(jié)180分鐘。TiC粉末的平均晶粒大小為1. 5 μ m，WC粉末的平均晶粒大小為0. 9 μ m，NbC粉末的平均晶粒大小為1. 6 μ m，Co粉末的平均晶粒大小為0. 5 μ m和Cr3C2粉末的平均晶粒大小為2μπι。除非另外指明，此處給出的所有比例均為原子比。表 權(quán)利要求
1.一種金屬陶瓷體，其包含使Ti/W原子比為2至5的TiC和WC，其包含作為粘結(jié)相的含量為5至25體積％的鈷，其包含至少一種元素周期表第V族的使Ti/Mx原子比為4至20， 且W/Mx原子比為I至6的元素Mx，其包含使Cr/Co原子比為0. 025至0. 14的Cr。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的金屬陶瓷體，特征在于所述金屬陶瓷體基本不含氮。
3.根據(jù)權(quán)利要求I或2所述的金屬陶瓷體，特征在于所述Cr/Co原子比在0.035至 0. 09之間。
4.根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項所述的金屬陶瓷體，特征在于所述Ti/Mx原子比在5至 18之間。
5.根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項所述的金屬陶瓷體，特征在于所述W/^原子比在I.5至 5之間。
6.根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項所述的金屬陶瓷體，特征在于所述Ti/W原子比在3至4 之間。
7.根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項所述的金屬陶瓷體，特征在于Mx為Nb。
8.根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項所述的金屬陶瓷體，特征在于定義為在同一區(qū)域內(nèi)測量的TiC核的數(shù)量與新形成的(Ti，W，MX)C晶粒數(shù)量之比的比例Q小于6。
9.根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項所述的金屬陶瓷體，特征在于所述金屬陶瓷體是切削工具刀片。
10.一種制造金屬陶瓷體的方法，該方法包括如下步驟形成包含如下物質(zhì)的粉末混合物-TiC和WC，使得Ti W原子比適合地在2至5之間，-至少一種元素周期表第V族的元素Mx的碳化物，使得Ti/Mx原子比在4至20之間， 且W/Mx原子比在I至6之間，-鈷粉末，使得在燒結(jié)之后，該鈷粘結(jié)相構(gòu)成所述金屬陶瓷體的5至25體積％，-Cr，所述Cr的量使得Cr/Co原子比適合地在0. 025至0. 14之間，以及將所述粉末混合物進行研磨，并將所述混合物造粒，壓制和燒結(jié)成金屬陶瓷體。
11.根據(jù)權(quán)利要求10所述的方法，特征在于所述Ti/Mx原子比在5至18之間。10或11所述的方法，特征在于所述W/Mx原子比在I. 5至5之間。 10-12中任一項所述的方法，特征在于Mx為Nb。10-13中任一項所述的方法，特征在于所述Cr/Co原子比在0. 035至
12.根據(jù)權(quán)利要求
13.根據(jù)權(quán)利要求
14.根據(jù)權(quán)利要求 0. 09之間。
15.根據(jù)權(quán)利要求10-14中任一項所述的方法，特征在于以Cr3C2粉末形式加入Cr。
全文摘要
本發(fā)明涉及金屬陶瓷體和制造金屬陶瓷體的方法。具體地，本發(fā)明涉及TiC基金屬陶瓷體，其包含使Ti/W原子比為2至5的TiC和WC，其包含作為粘結(jié)相的含量為5至25體積％的鈷。另外，所述金屬陶瓷體包含至少一種來自元素周期表第V族的使Ti/Mx原子比為4至20，且W/Mx原子比為1至6的元素Mx。所述金屬陶瓷體還包含使Cr/Co原子比為0.025至0.14的Cr。所述金屬陶瓷體包含具有(Ti，W，Mx)C合金的邊緣的未溶的TiC核以及在燒結(jié)過程中形成的(Ti，W，Mx)C晶粒。本發(fā)明還涉及制造金屬陶瓷體的方法。
文檔編號C22C29/06GK102534337SQ20111042322
公開日2012年7月4日 申請日期2011年12月16日 優(yōu)先權(quán)日2010年12月17日
發(fā)明者格羅爾德·溫爾, 馬林·莫滕松 申請人:山特維克知識產(chǎn)權(quán)股份有限公司