專利名稱：硬質(zhì)合金的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種硬質(zhì)合金以及使用這種硬質(zhì)合金的工具。更具體地說，本發(fā)明涉及一種在切削工具和耐磨件中使用時(shí)可以提供優(yōu)異強(qiáng)度的硬質(zhì)合金。

背景技術(shù)：
傳統(tǒng)上，以平均粒徑不超過1微米的WC作為硬質(zhì)相的硬質(zhì)合金，即所謂的細(xì)晶粒硬質(zhì)合金，已知是一種具有優(yōu)異的強(qiáng)度和耐磨性的材料(例如，參見專利文獻(xiàn)1)。制備硬質(zhì)合金用細(xì)晶粒WC的標(biāo)準(zhǔn)方法是使用WC細(xì)粉末原料。但是，即使硬質(zhì)合金是使用WC細(xì)粉末原料制備的，由這些硬質(zhì)合金制成的工具根據(jù)其使用情況也會(huì)出現(xiàn)突然破損或斷裂的現(xiàn)象。出現(xiàn)這種現(xiàn)象的一個(gè)已知原因是通過大幅度減小WC(作為硬質(zhì)相)的粒度來增大硬度將相應(yīng)地導(dǎo)致斷裂韌性降低。而且，另一個(gè)因素是，當(dāng)用顯微鏡觀察剖面結(jié)構(gòu)時(shí)，觀察到長成至少2微米的粗WC的存在。這種粗WC容易成為破裂的起始點(diǎn)，并且使合金性能以及用作工具時(shí)的切削性能和耐磨性都明顯降低。由于硬質(zhì)合金一般都經(jīng)過液相燒結(jié)，所以在燒結(jié)過程中粘結(jié)相處于液相。在液相中發(fā)生固溶擴(kuò)散的硬質(zhì)相，在冷卻階段重新析出而成為粗WC。這樣就導(dǎo)致被稱為奧斯特瓦爾特(Ostwald)生長方式的晶粒長大。當(dāng)使用超細(xì)晶粒(例如小于1微米)粉末原料時(shí)，這種晶粒長大特別難以抑制。這將導(dǎo)致微細(xì)結(jié)構(gòu)的不均勻性。因此，為了抑制WC晶粒長大，人們已經(jīng)研究了在合金成分中加入能抑制晶粒長大的晶粒長大抑制劑，例如V、Cr或Ta(參見專利文獻(xiàn)2)。 日本專利公開No.昭61-195951日本專利公開No.2001-115229

發(fā)明內(nèi)容
加入V、Cr或Ta能抑制WC晶粒長大并且使平均粒徑細(xì)化。但是，僅通過加入這些晶粒長大抑制劑是難以完全抑制粗晶粒長大的。為此，除了進(jìn)行均勻的細(xì)化處理外，還必需減少易于成為斷裂源并且易于斷裂的粗晶粒。
而且，隨著硬質(zhì)合金中的WC細(xì)化，其硬度和強(qiáng)度都趨于增大。因此，提高硬度和強(qiáng)度的一種方法是在硬質(zhì)合金中使用更細(xì)的WC。更具體地說，可以使用平均粒徑不超過0.3微米的較細(xì)的WC粉末原料。但是，在使用這種類型的超細(xì)粉末原料時(shí)，更容易發(fā)生上文所述的晶粒長大現(xiàn)象，從而導(dǎo)致將會(huì)造成缺陷的粗晶粒。
本發(fā)明的一個(gè)目的是提供一種具有優(yōu)異的強(qiáng)度和韌性的硬質(zhì)合金，它具有均勻的細(xì)WC和數(shù)量為最低限度的粗WC。本發(fā)明的另一個(gè)目的是提供使用這種硬質(zhì)合金的加工工具。
為了達(dá)到上述目的，本發(fā)明人試圖通過使用較細(xì)的粉末原料來細(xì)化合金結(jié)構(gòu)。在具有細(xì)晶粒硬質(zhì)相的硬質(zhì)合金中，一般認(rèn)為強(qiáng)度(例如，橫斷裂強(qiáng)度)通常隨著WC粒徑變小而增大。但是，如果試圖使用細(xì)的粉末原料來得到超細(xì)(例如不超過1微米)的WC，則發(fā)生WC晶粒長大，從而導(dǎo)致強(qiáng)度下降。為了抑制WC晶粒長大，對(duì)粘結(jié)相的量與多種晶粒長大抑制劑及其組合物之間的關(guān)系進(jìn)行了反復(fù)研究。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，即使采用了通常被用作WC晶粒長大抑制劑的元素 (具體地說，Ta元素)，也會(huì)在含有該元素的相中發(fā)生晶粒長大，從而導(dǎo)致缺陷。而且還發(fā)現(xiàn)，即使采用了通常不被用作WC晶粒長大抑制劑的元素(具體地說，Ti元素)，通過加入預(yù)定量的該元素也可以極為有效地抑制WC長大。另外還發(fā)現(xiàn)，這種元素和粘結(jié)相中的元素之間存在著相互關(guān)系，并且WC長大抑制作用要求存在預(yù)定量的這種元素和預(yù)定量的粘結(jié)相中的元素。此外還發(fā)現(xiàn)，優(yōu)選的是控制通常被用作晶粒長大抑制劑的元素(具體地說，Cr元素)的量，使得其與粘結(jié)相的量之間具有預(yù)定的關(guān)系?；谶@些觀察，本發(fā)明限定了WC的平均粒徑。并且，本發(fā)明引入Cr和Ti作為促進(jìn)WC(其形成硬質(zhì)相)細(xì)化的元素。本發(fā)明還限定了Ti的含量、Cr與粘結(jié)相的量之間的關(guān)系、以及粘結(jié)相的含量。
更具體地說，本發(fā)明的硬質(zhì)合金包含作為硬質(zhì)相的WC，其平均粒徑不超過0.3微米；作為粘結(jié)相的至少一種鐵族金屬，其含量為5.5-15質(zhì)量％；Ti，其含量為0.005-0.06質(zhì)量％；Cr，其與所述粘結(jié)相的重量比為至少0.04并且不超過0.2；以及不可避免的雜質(zhì)，其構(gòu)成其余部分。特別的是，Ta的含量小于0.005質(zhì)量％。下面將詳細(xì)描述本發(fā)明。
本發(fā)明的硬質(zhì)合金是以WC作為硬質(zhì)相并以鐵族金屬元素(例如，Co、Ni或Fe)作為粘結(jié)相的燒結(jié)體。特別的是，燒結(jié)體中的硬質(zhì)相(WC)的平均粒徑不超過0.3微米。如果WC的平均粒徑超過0.3微米，則硬度(耐磨性)減小，并且強(qiáng)度(橫斷裂強(qiáng)度)下降。平均粒徑不超過0.1微米是優(yōu)選的。由于硬度和強(qiáng)度隨著WC的平均粒徑變小而增大，因此對(duì)平均粒徑?jīng)]有設(shè)置下限，但是就生產(chǎn)過程而言，平均粒徑實(shí)際上受到限制。使用顯微鏡(例如，使用SEM(掃描電子顯微鏡))在8000-10000×下觀察WC的平均粒徑，并使用Fullman方程(dm＝4NL/πNS，其中dm是平均粒徑，NL是沿顯微表面上任意直線每單位長度所存在的硬質(zhì)相(WC)的數(shù)量，NS是顯微表面上每單位面積所存在的硬質(zhì)相的數(shù)量)進(jìn)行計(jì)算。任意測量長度，并且計(jì)算出最終的單位長度(1微米)的粒徑。使用SEM在高放大倍數(shù)(例如，8000-10000×)下觀察硬質(zhì)合金的表面也是可以的。用計(jì)算機(jī)獲取圖像，并用圖像分析儀進(jìn)行分析。測量在一定的面積范圍(例如，20-30mm2)內(nèi)所存在的WC的粒徑(微米)，并且可以使用Fullman方程對(duì)這些數(shù)的平均值進(jìn)行適當(dāng)?shù)男拚?。由于本發(fā)明的燒結(jié)體的硬質(zhì)相具有超細(xì)的粒徑，因此即使在單位面積非常小(例如1平方微米)的時(shí)候，也可以進(jìn)行粒徑測量。在傳統(tǒng)的結(jié)構(gòu)控制方法中，將燒結(jié)體中的WC的平均粒徑細(xì)化到不超過0.3微米被認(rèn)為是相當(dāng)困難的。但是，在下面所述的本發(fā)明中，通過加入痕量的Ti、控制Cr的量并且使Ta不存在，就可以使平均粒徑不超過0.3微米。而且，優(yōu)選的是，使WC粉末原料的平均粒徑很小，以減少由晶粒長大而造成的粗化。
本發(fā)明的硬質(zhì)合金包含選自鐵族金屬中的至少一種元素作為粘結(jié)相。特別優(yōu)選的是Co?？梢詥问褂肅o作為粘結(jié)相，或者將一部分Co由Ni代替。粘結(jié)相的含量(如果粘結(jié)相是由多種元素形成的，則所述含量是總含量)為至少5.5質(zhì)量％并且不超過15質(zhì)量％。如果其含量小于5.5質(zhì)量％，那么即使Ti和Cr(下文描述)的含量合適，橫斷裂強(qiáng)度也會(huì)下降。如果其含量超過15質(zhì)量％，則粘結(jié)相太多，可能會(huì)導(dǎo)致粘結(jié)相中的W(鎢)過量而形成固溶體，并導(dǎo)致重新析出。這樣就難以抑制粗硬質(zhì)相(WC)的形成，從而使抑制粗硬質(zhì)相的優(yōu)勢被削弱。粘結(jié)相的含量更優(yōu)選為至少7.0質(zhì)量％并且不超過12.0質(zhì)量％。
本發(fā)明的硬質(zhì)合金引入Cr作為晶粒長大抑制劑，以抑制合金結(jié)構(gòu)中的WC晶粒的長大。特別的是，將Cr的含量設(shè)定為鐵族金屬元素(作為粘結(jié)相)重量的預(yù)定比例(重量百分?jǐn)?shù))。更具體地說，Cr與粘結(jié)相的重量比為至少0.04并且不超過0.2。該重量比為至少0.04是優(yōu)選的，這是因?yàn)樵诤哿康腡i(下文描述)的存在下所產(chǎn)生的協(xié)同效應(yīng)使得對(duì)晶粒長大的抑制作用增強(qiáng)。但是，如果該重量比大于0.2，則過量的Cr會(huì)導(dǎo)致微觀結(jié)構(gòu)中析出脆性相(例如，Cr的碳化物)，這種析出物是強(qiáng)度下降的起點(diǎn)。Cr的重量比更優(yōu)選為至少0.08并且不超過0.14。
除了上述的Cr以外，本發(fā)明還包含痕量的Ti。更具體地說，本發(fā)明包含至少0.005質(zhì)量％并且不超過0.06質(zhì)量％的Ti。Ti對(duì)晶粒長大的抑制性能被認(rèn)為是有限的，并且在傳統(tǒng)技術(shù)中幾乎從來沒有為了結(jié)構(gòu)控制的目的而主動(dòng)地加入Ti。但是，本發(fā)明的研究顯示出，在控制超細(xì)(例如不超過0.3微米)的WC時(shí)，痕量的Ti明顯有助于對(duì)WC晶粒長大進(jìn)行控制。在這方面，本發(fā)明人發(fā)現(xiàn)，除了僅包含痕量的Ti以外，如上所述，還對(duì)作為粘結(jié)相的鐵族金屬元素的含量進(jìn)行控制，更具體地說，將粘結(jié)相的含量設(shè)定為至少5.5質(zhì)量％，由此可以通過抑制晶粒長大來提高橫斷裂強(qiáng)度。當(dāng)加入痕量的Ti作為硬質(zhì)合金的一種成分時(shí)，粘結(jié)相的元素與WC的潤濕性有所下降。結(jié)果認(rèn)為，在液相出現(xiàn)時(shí)，WC向粘結(jié)相的固溶擴(kuò)散受到抑制，從而使WC的奧斯特瓦爾特長大受到抑制。因此，本發(fā)明限定粘結(jié)相含量以及Ti含量。如果Ti的含量小于0.005質(zhì)量％，則其含量下降到雜質(zhì)水平，從而使得對(duì)晶粒長大的抑制作用達(dá)到最低程度。如果其含量超過0.06質(zhì)量％，則強(qiáng)度下降。Ti含量更優(yōu)選為至少0.01質(zhì)量％并且不超過0.04質(zhì)量％。在本發(fā)明中，通過以這種方式在Cr以外又加入痕量的Ti，可以使WC達(dá)到均勻地細(xì)化，同時(shí)抑制粗顆粒(例如超過2微米的顆粒)的形成，從而得到優(yōu)異的橫斷裂強(qiáng)度。可以通過(例如)ICP(感應(yīng)耦合等離子譜)分析，來確定每種成分的含量。
在本發(fā)明的硬質(zhì)合金中，Ta含量小于0.005質(zhì)量％。本發(fā)明不包含明顯的Ta。因此，在本發(fā)明中，沒有Ta是最優(yōu)選的，即Ta含量為零。考慮到難免會(huì)含有Ta，因此其含量優(yōu)選為不超過0.003質(zhì)量％，并且0.005質(zhì)量％是上限。Ta是通常公認(rèn)的晶粒長大抑制劑，并且是被主動(dòng)加入的。但是，本發(fā)明人的研究結(jié)果表明，為了控制超細(xì)(例如不超過0.3微米)的WC，加入Ta是不利的。更具體地說，已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，當(dāng)在液相燒結(jié)過程中形成含有Ta的二元碳化物相((W，Ta)C)或Ta的碳化物時(shí)，硬質(zhì)相大幅度長大。還發(fā)現(xiàn)，即使是加入諸如Ti和Cr之類的元素，也難以通過抑制晶粒長大來細(xì)化這些含Ta的析出物。為此，本發(fā)明不含Ta。
此外，優(yōu)選的是加入預(yù)定量的V(釩)，從而更加有效地抑制晶粒長大并獲得穩(wěn)定的細(xì)化效果。更具體地說，引入V，使得V的重量(質(zhì)量百分?jǐn)?shù))與鐵族金屬元素(其作為粘結(jié)相)的重量(質(zhì)量百分?jǐn)?shù))的比值(重量比)為至少0.01并且不超過0.1。如果該重量比小于0.01，則細(xì)晶粒結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性不足，從而使得通過加入V而獲得的優(yōu)勢不夠充分。如果該重量比大于0.1，則硬質(zhì)相和粘結(jié)相的潤濕性變差，從而容易使斷裂韌性減小。更加優(yōu)選的是，該重量比為至少0.01并且不超過0.06。
制造本發(fā)明的含超細(xì)(例如，不超過0.3微米)的WC晶粒的硬質(zhì)合金的方法的一個(gè)例子是，制備粉末原料、混合并研磨粉末原料、壓制、燒結(jié)并進(jìn)行熱等靜壓(HIP)。關(guān)于WC粉末，優(yōu)選使用超細(xì)晶粒粉末，更具體地說，使用不超過0.5微米、特別是不超過0.2微米的超細(xì)晶粒粉末。這種超細(xì)晶粒WC粉末可以采用直接碳化法而得到，其中將氧化鎢直接碳化而得到超細(xì)并且均勻的WC顆粒。而且，通過混合和研磨粉末原料，可以將WC顆粒加工得更小。除了WC粉末以外，還要制備用于抑制晶粒長大的含有Cr、Ti和V(V是按需加入的)的粉末，并制備作為粘結(jié)相的鐵族金屬粉末。Cr、Ti和V可以以金屬單質(zhì)、化合物、復(fù)合化合物或固溶體的形式加入?；衔锖蛷?fù)合化合物的例子包括由選自碳、氮、氧和硼中的至少一種元素與Cr、Ti或V所形成的化合物。也可以使用市售可得的粉末?？梢詫⑦@些粉末預(yù)先混合，再另外進(jìn)行進(jìn)一步的混合和研磨?？晒┻x用的另一種方式是，可以分別制備這些粉末，并在混合和研磨步驟中將其混合?？梢酝ㄟ^測量來控制Ti含量，但是也可以(例如)用具有Ti涂層的球磨機(jī)進(jìn)行混合并控制混合時(shí)間。將經(jīng)過混合和研磨的物料在預(yù)定壓力(例如500-2000kg/cm2)下進(jìn)行壓制，并在真空中進(jìn)行燒結(jié)。優(yōu)選的是，燒結(jié)溫度低到可以使WC晶粒長大受到限制的溫度。更具體地說，優(yōu)選的溫度是1300-1350℃。在本發(fā)明中，在燒結(jié)之后進(jìn)行HIP，以提高硬度、橫斷裂強(qiáng)度和韌性。具體地說，HIP的條件是溫度類似于燒結(jié)溫度(1300-1350℃)；壓力為10-100MPa，優(yōu)選為約100MPa(1000atm)。通過以這種方式進(jìn)行HIP處理，即使采用低溫?zé)Y(jié)也可以得到具有上述優(yōu)異特性的硬質(zhì)合金。
本發(fā)明的硬質(zhì)合金適合于用作諸如切削工具或耐磨工具之類的加工工具的基材。切削工具的例子包括回轉(zhuǎn)工具，如鉆頭、端銑刀、回轉(zhuǎn)器(rotor)和鉸刀；用于印刷電路板的回轉(zhuǎn)工具，如微型鉆頭；以及車刀，如用于車削鋁、鑄鐵和鑄鋼的工具，以及精加工用可轉(zhuǎn)位刀頭。本發(fā)明的優(yōu)勢是可用于高精度加工應(yīng)用中，例如可用于加工要求尖銳邊緣的電氣和電子裝置。耐磨工具的例子包括諸如旋轉(zhuǎn)刀的切割工具和諸如沖孔模的沖孔工具。在其整個(gè)基材都使用本發(fā)明的硬質(zhì)合金的加工工具中，粗WC的量是在整個(gè)基材中而不是在部分基材中得以減少，這使得斷裂源最少化，從而得到改進(jìn)的耐破損性和耐斷裂性。而且，WC在整個(gè)基材中都是均勻細(xì)化的，這樣可以得到增強(qiáng)的強(qiáng)度和良好的加工性。
微型鉆頭是用于在印刷電路板和類似制品中進(jìn)行鉆孔的工具。直徑非常小(例如鉆頭直徑為0.1-0.3mm)的微型鉆頭變得越來越重要。對(duì)于諸如上述的非常小的直徑而言，整個(gè)基材的合金結(jié)構(gòu)必須微細(xì)而均勻，否則由于結(jié)構(gòu)中的粗硬質(zhì)相成為斷裂源，而易于發(fā)生破損和斷裂。因此，當(dāng)使用本發(fā)明的細(xì)晶粒硬質(zhì)合金作為微型鉆頭的基材時(shí)，由于本發(fā)明的硬質(zhì)合金所具有的特性，因此有望提供比傳統(tǒng)技術(shù)更為優(yōu)異的切削性能。而且，由于本發(fā)明的硬質(zhì)合金具有優(yōu)異的強(qiáng)度和韌性以及耐磨性，因此可以在諸如不銹鋼板的材料上進(jìn)行鉆孔，而傳統(tǒng)的微型鉆頭在碰到該材料時(shí)將斷裂。此外，當(dāng)使用本發(fā)明的硬質(zhì)合金時(shí)，可以制成超細(xì)鉆頭(例如，鉆頭直徑為0.05mm(50微米))。
在使用本發(fā)明的硬質(zhì)合金的車刀中，預(yù)計(jì)可以防止切削刃突然破裂等問題，從而提高耐破碎性，而硬度的提高預(yù)計(jì)可增強(qiáng)耐磨性，從而獲得優(yōu)異的切削性能。
上述的本發(fā)明的硬質(zhì)合金中含有Ti(通常幾乎從不被用作晶粒長大抑制劑)，同時(shí)不存在Ta(一直被用作晶粒長大抑制劑)。在本發(fā)明的硬質(zhì)合金中，粘結(jié)相、Cr和Ti的量被設(shè)定成使得硬質(zhì)相的晶粒長大受到有效的抑制。硬質(zhì)相被均勻地細(xì)化，并且粗顆粒的數(shù)量被減少。結(jié)果，在使用本發(fā)明的硬質(zhì)合金的各種加工工具中，通過硬質(zhì)相的均勻細(xì)化，可以減少由于微觀結(jié)構(gòu)中存在著粗硬質(zhì)相而導(dǎo)致的突然破損和斷裂，同時(shí)可以提高強(qiáng)度。因此可以同時(shí)得到高強(qiáng)度和高韌性。結(jié)果，本發(fā)明的硬質(zhì)合金可以用于多種加工場合，例如旋轉(zhuǎn)切削、精密切削、車削以及要求耐磨性的加工。
實(shí)施本發(fā)明的最佳方式 下面將描述本發(fā)明的實(shí)施方式。
(例1) 準(zhǔn)備平均粒徑為0.5微米的WC粉末原料、平均粒徑為1微米的Co粉末原料、成分如表1所示的Cr、V、Ti、Ta的化合物粉末、以及適量的C(碳)粉。按照表1所示的量(質(zhì)量％＝質(zhì)量百分?jǐn)?shù))混合這些原料，然后在球磨機(jī)中研磨并混合48小時(shí)。在使用噴霧干燥器干燥和造粒后，在1000kg/cm2的壓力下壓制混合物。然后，將所得物在真空中升溫到1350℃的燒結(jié)溫度，并在此燒結(jié)溫度下燒結(jié)1小時(shí)。接著在1320℃和100MPa下進(jìn)行1小時(shí)的HIP處理，得到硬質(zhì)合金測試樣品No.1-27。對(duì)于每個(gè)測試樣品，制備跨距為20mm的JIS試樣片、用于評(píng)價(jià)維氏硬度Hv的樣品、用于觀察結(jié)構(gòu)的樣品以及用于測量成分的樣品。
另外，制備以下與測試樣品No.6具有相同成分的測試樣品WC平均粒徑不同的樣品(測試樣品No.50)、用Ni取代部分Co的樣品(測試樣品No.51)、使用預(yù)混粉末的樣品(測試樣品No.52)、未進(jìn)行HIP的樣品(測試樣品No.53)。在測試樣品No.50中，準(zhǔn)備平均粒徑為1.0微米的WC粉末原料、平均粒徑為1微米的Co粉末原料、成分如表1所示的Cr和Ti的化合物粉末、以及適量的C粉。按照表1所示的量混合這些原料，然后在球磨機(jī)中研磨并混合48小時(shí)。然后，如上所述，進(jìn)行干燥、造粒和壓制，并將所得物在1400℃的燒結(jié)溫度下燒結(jié)。測試樣品No.51是在與測試樣品No.1-27相同的條件下制備的，不同之處在于，測試樣品No.51中使用平均粒徑為1微米的Co粉末原料和Ni粉末原料。測試樣品No.52是在與測試樣品No.1-27相同的條件下制備的，不同之處在于，測試樣品No.52中，成分如表1所示的粉末是預(yù)先混合的。在測試樣品No.52中，準(zhǔn)備其成分如表1所示的粉末。按照表1所示的量混合這些粉末，然后在球磨機(jī)中研磨并混合48小時(shí)。接著，如上所述，進(jìn)行干燥、造粒和壓制，并將所得物在1450℃的燒結(jié)溫度下燒結(jié)。
[表1] 為了確定所得到的測試樣品中的Cr、Ti、Ta和V的含量，使用用于測量成分的樣品進(jìn)行ICP分析。測定Cr與粘結(jié)相(Co或Co+Ni)的重量(質(zhì)量百分?jǐn)?shù))的重量比，同樣確定V的重量比。表1示出Ti的分析值、Cr與Co的重量比以及V與Co的重量比。對(duì)于沒有添加VC或TaC的測試樣品(在表1中用短線表示)，沒有檢測到V或Ta。
使用用于觀察結(jié)構(gòu)的樣品，用Fullman方程測定合金中的硬質(zhì)相(WC的平均粒徑(微米)。使用SEM(3000×)進(jìn)行觀察，單位長度和單位面積分別是1微米和1平方微米。此外，使用用于評(píng)價(jià)維氏硬度Hv的樣品來測量維氏硬度Hv。此外，使用JIS試樣片來進(jìn)行橫斷裂強(qiáng)度測試并確定橫斷裂強(qiáng)度。在這些測試中，橫斷裂強(qiáng)度測量是對(duì)每個(gè)測試樣品測量10片，并確定10片樣品的平均橫斷裂強(qiáng)度值(GPa)和最小值(GPa)。在這些橫斷裂強(qiáng)度試驗(yàn)的評(píng)價(jià)中，當(dāng)平均值和最小值之差較大時(shí)，可以說橫斷裂強(qiáng)度的變化較大，這表明其結(jié)構(gòu)中存在著易于形成斷裂源并且易于斷裂的粗硬質(zhì)相。結(jié)果顯示于表2中。
[表2] 如表2所示，在測試樣品No.4-7、10-11、15-18、23-27、51和52(其中都使用預(yù)定量的鐵族金屬作為粘結(jié)相，并含有痕量的Ti以及含有占粘結(jié)相預(yù)定比例的Cr)中，WC的平均粒徑都非常小，均不超過0.3微米，并且硬度高。此外還可以看出，在這些樣品中，平均橫斷裂強(qiáng)度都高，同時(shí)橫斷裂強(qiáng)度的變化都小。總體而言，隨著粒徑減小，硬度趨于增大，而橫斷裂強(qiáng)度趨于減小。但是，可以看出，測試樣品No.4-7、10、11、15-18、23-27、51和52都是既具有優(yōu)異的硬度，又具有優(yōu)異的橫斷裂強(qiáng)度。特別的是，可以看出，測試樣品No.23-27(都含有預(yù)定量的V)具有優(yōu)異的橫斷裂強(qiáng)度和優(yōu)異的硬度。
通過比較測試樣品No.1-8可以看出，粘結(jié)相含量影響強(qiáng)度。通過比較測試樣品No.6、測試樣品No.9-13可以看出，Ti含量影響對(duì)WC晶粒長大的抑制作用。通過比較測試樣品No.6、測試樣品No.14-19可以看出，Cr含量影響橫斷裂強(qiáng)度的變化。由于測試樣品No.14和測試樣品No.19的橫斷裂強(qiáng)度的變化程度都較大，據(jù)此推測其中存在著作為斷裂源并斷裂的粗硬質(zhì)相。更具體地說，可以看出，Cr含量有助于對(duì)WC晶粒長大的抑制作用。通過比較測試樣品No.6、測試樣品No.20-23可以看出，Ta的存在會(huì)影響對(duì)WC晶粒長大的抑制作用。
通過比較測試樣品No.6和測試樣品No.50可以看出，使用較細(xì)的粉末原料得到較細(xì)的WC，從而得到高強(qiáng)度高硬度的硬質(zhì)合金。通過比較測試樣品No.6和測試樣品No.51可以看出，粘結(jié)相中單使用Co使得硬質(zhì)合金具有優(yōu)異的特性。通過比較測試樣品No.6和測試樣品No.52可以看出，可以使用不同的粉末。通過比較測試樣品No.6和測試樣品No.53可以看出，低溫?zé)Y(jié)和HIP處理可以使細(xì)硬質(zhì)合金具有優(yōu)異的特性。
(例2) 按照測試樣品No.1-27的成分，使用粉末原料制備直徑為0.3mm的微型鉆頭。與例1一樣，將粉末研磨、混合、干燥和造粒。接著，將所得物壓制成直徑為3.5mm的棒，并在1350℃下燒結(jié)。在1320℃下進(jìn)行HIP處理，并進(jìn)行外部磨削(開槽)，由此得到微型鉆頭。
使用所制的微型鉆頭進(jìn)行鉆孔(通孔)試驗(yàn)，并評(píng)價(jià)切削情況。工件是由兩塊印刷電路板(每塊厚度為1.6mm)疊放而形成的，總厚度達(dá)到3.2mm，所述印刷電路板是由玻璃層和環(huán)氧樹脂層交替而成的4層疊層板(如ANSI定義的FR-4型覆銅箔層壓板)。在旋轉(zhuǎn)速度N＝150,000rpm、進(jìn)給量f=15微米/轉(zhuǎn)、并且沒有切削油(干式切削)的條件下進(jìn)行切削?；谥钡狡屏褧r(shí)所鉆的孔數(shù)來評(píng)價(jià)切削情況。結(jié)果顯示在表3中。
[表3] 如表3所示，由測試樣品No.4-7、10-11、15-18、23-27、51和52(其中都使用預(yù)定量的鐵族金屬作為粘結(jié)相，并含有痕量的Ti以及含有占粘結(jié)相預(yù)定比例的Cr)制成的微型鉆頭，都具有優(yōu)異的抗斷裂性，即具有優(yōu)異的韌性。這些結(jié)果的原因可能是，這些微型鉆頭中幾乎沒有粗WC。由此可以看出，由本發(fā)明的硬質(zhì)合金制成的切削工具可具有優(yōu)異的抗斷裂性和得到改善的工具使用壽命。
(例3) 按照例1中的測試樣品No.1-27的成分，使用粉末原料制備TNGG160404R-UM可轉(zhuǎn)位刀頭。進(jìn)行切削試驗(yàn)并評(píng)價(jià)切削情況。工件使用鋁材(ADC12)。在切削速率V＝500m/分鐘、進(jìn)給量f＝0.1mm/轉(zhuǎn)、切削深度d＝1.0mm、并且使用切削液(濕式切削)的條件下進(jìn)行切削?；谇邢?5小時(shí)后的后刀面磨損(VB磨損)來評(píng)價(jià)切削情況。結(jié)果確認(rèn)，對(duì)于由測試樣品No.4-7、10-11、15-18、23-27、51和52(其中都使用預(yù)定量的鐵族金屬作為粘結(jié)相，并含有痕量的Ti以及含有占粘結(jié)相預(yù)定比例的Cr)制成的刀頭，其磨損量都很低。這些結(jié)果被認(rèn)為是由于這些刀頭的硬質(zhì)相被均勻細(xì)化而造成的。由此可以看出，由本發(fā)明的硬質(zhì)合金制成的切削工具可具有優(yōu)異的耐磨性和得到改善的工具使用壽命。
(例4) 按照測試樣品No.1-27的成分，使用粉末原料制備沖孔模。進(jìn)行耐磨性試驗(yàn)以評(píng)價(jià)耐磨性。在本試驗(yàn)中，在厚度為0.2mm的不銹鋼板中沖出直徑為1.0mm的沖孔。在進(jìn)行預(yù)定數(shù)量的沖孔操作之后，對(duì)沖孔模的磨損進(jìn)行評(píng)價(jià)。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，對(duì)于由測試樣品No.4-7、10-11、15-18、23-27、51和52(其中都使用預(yù)定量的鐵族金屬作為粘結(jié)相，并含有痕量的Ti以及含有占粘結(jié)相預(yù)定比例的Cr)制成的沖孔模，其磨損量都較低，并且都具有優(yōu)異的強(qiáng)度。
工業(yè)實(shí)用性 本發(fā)明的硬質(zhì)合金適合于要求耐磨性、強(qiáng)度和韌性的各種工具材料。更具體地說，本發(fā)明適合應(yīng)用于耐磨工具和切削工具，例如回轉(zhuǎn)工具、用于加工印刷電路板的回轉(zhuǎn)工具、車刀、切割工具和沖孔工具。特別的是，本發(fā)明適合于微型制造應(yīng)用中所使用的工具材料，例如，電子工業(yè)所用的微型制造工具(諸如在印刷電路板中鉆孔用的直徑非常小的鉆頭(微型鉆頭)和類似工具)，以及用于加工在微型機(jī)械制造中使用的零件的工具。而且，本發(fā)明的加工工具適合在切削和耐磨加工中使用。
權(quán)利要求
1.一種硬質(zhì)合金，該硬質(zhì)合金包含
作為硬質(zhì)相的WC，其平均粒徑不超過0.3微米；
作為粘結(jié)相的至少一種鐵族金屬，其含量為5.5-15質(zhì)量％；
Ti，其含量為0.005-0.06質(zhì)量％；
Cr，其與所述粘結(jié)相的重量比為至少0.04并且不超過0.2；
Ta，其含量小于0.005質(zhì)量％；以及
不可避免的雜質(zhì)，其構(gòu)成其余部分。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的硬質(zhì)合金，其中所述粘結(jié)相由Co構(gòu)成。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的硬質(zhì)合金，該硬質(zhì)合金還包含V，該V與所述粘結(jié)相的重量比為至少0.01并且不超過0.1。
4.由根據(jù)權(quán)利要求1到3中的任意一項(xiàng)所述的硬質(zhì)合金制成的加工工具，所述加工工具是回轉(zhuǎn)工具、用于加工印刷電路板的回轉(zhuǎn)工具、車刀、切割工具或沖孔工具。
全文摘要
本發(fā)明通過均勻地細(xì)化合金中的WC以及通過有效地抑制粗WC的長大，從而提供一種具有優(yōu)異的強(qiáng)度和韌性的硬質(zhì)合金。在該硬質(zhì)合金中，平均粒徑不超過0.3微米的WC作為硬質(zhì)相，含量為5.5－15質(zhì)量％的至少一種鐵族金屬元素作為粘結(jié)相。除了硬質(zhì)相和粘結(jié)相以外，該硬質(zhì)合金中還含有0.005－0.06質(zhì)量％的Ti，與粘結(jié)相的重量比為至少0.04并且不超過0.2的Cr，以及由不可避免的雜質(zhì)構(gòu)成的其余部分。特別的是，該硬質(zhì)合金不含Ta。
文檔編號(hào)B23B27/14GK1950529SQ20058001395
公開日2007年4月18日 申請(qǐng)日期2005年10月5日 優(yōu)先權(quán)日2004年10月19日
發(fā)明者廣瀨和弘, 山本英司 申請(qǐng)人:住友電氣工業(yè)株式會(huì)社, 住友電工硬質(zhì)合金株式會(huì)社