專利名稱：硬質(zhì)金屬體或陶瓷體及其制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種硬質(zhì)金屬體或陶瓷體，具有由WC和周期表IVa或Va族至少一種元素的至少一種碳化物、氮化物、碳氮化物或氧碳氮化物組成的硬質(zhì)材料相，并具有由Fe、Co和/或Ni組成的粘結(jié)劑相，其比例為3-25質(zhì)量％，具有單個(gè)或具有多個(gè)彼此鄰接的表面，其中，在該單個(gè)或至少一個(gè)表面下面設(shè)置2-100μm厚的第一層，其具有比例為2-25質(zhì)量％的粘結(jié)金屬和至多25體積％的周期表IVa族的一種或多種金屬的氮化物或碳氮化物和/或至多10體積％的V、Nb、Ta和/或Cr的碳化物和/或碳氮化物。
本發(fā)明還涉及一種制備上述物體的方法，是在燒結(jié)后或在燒結(jié)期間進(jìn)行第一次熱處理，以產(chǎn)生上述層。
在DE 19752289C1中引用多篇文獻(xiàn)論述，表面附近的、粘結(jié)劑富集的并且混合碳化物貧乏的區(qū)域?qū)τ诨w的韌性和涂覆在該基體上的涂層的粘附性有較大影響。通過(guò)加入氮?dú)獾牡に?，運(yùn)走立方的混合碳化物相，在隨后的真空處理中可以再除去氮?dú)?，并使該混合碳化物相在粘結(jié)金屬中優(yōu)選溶解并擴(kuò)散傳送。為了制備這種基體的邊緣區(qū)或梯度結(jié)構(gòu)，提出了多種方法例如可以在粘結(jié)劑相的熔化溫度以下進(jìn)行硬質(zhì)金屬的氮化處理，接著在真空下最高加熱到燒結(jié)溫度。氮化所需的氮?dú)饧瓤梢酝ㄟ^(guò)使用的氮?dú)夥找部梢砸杂操|(zhì)材料碳化物的氮化物或碳氮化物形式通入硬質(zhì)金屬混合物料中。在真空下進(jìn)行燒結(jié)，從而可以形成梯度區(qū)。該梯度區(qū)還可以通過(guò)以下方式得到，該硬質(zhì)金屬在從約1150℃直到最高1300℃的溫度范圍內(nèi)燒結(jié)后，接著在高壓下進(jìn)行氮化處理?；蛘撸瑸榱藷Y(jié)硬質(zhì)金屬，可以通過(guò)生長(zhǎng)至600℃、保溫、加熱到燒結(jié)溫度以及接著在0.1到100Pa下進(jìn)行真空燒結(jié)，隨后進(jìn)行壓力燒結(jié)而實(shí)現(xiàn)。將該硬質(zhì)金屬成型體冷卻到1280℃以下后，對(duì)該燒結(jié)體用1到10MPa的氮?dú)膺M(jìn)行壓力處理，接著在10到100Pa進(jìn)行真空處理。
DE 19752289C1的缺點(diǎn)在于，隨后機(jī)械拋光加工基體以形成最終輪廓時(shí)會(huì)隨之出現(xiàn)邊緣區(qū)至少部分被涂覆，使得又完全或部分地喪失被認(rèn)為是積極的梯度區(qū)性質(zhì)。為了克服該缺點(diǎn)，在DE 19752289中提出，在拋光加工后，將該基體在真空中在約600-1300℃下進(jìn)行至多150分鐘時(shí)間的后處理。從而在機(jī)械加工過(guò)的表面重新形成表面邊緣區(qū)，其富集粘結(jié)金屬并且沒(méi)有立方的混合碳化物。該層厚度為5-35μm。
本發(fā)明的目的在于，改善開(kāi)頭所述的硬質(zhì)金屬體或陶瓷體的耐磨性。特別是可以改善那些用作切削工具的硬質(zhì)金屬體或陶瓷體的耐磨性。
該目的是通過(guò)根據(jù)權(quán)利要求1的硬質(zhì)金屬體或陶瓷體而實(shí)現(xiàn)的。
根據(jù)本發(fā)明，該硬質(zhì)金屬體或陶瓷體在2到100μm厚、粘結(jié)劑比例高并且混合碳化物比例小的第一層下面有另一2到40μm厚的第二層，其氮比例比第一層的高，并主要由周期表IVa族金屬的氮化物和/或碳氮化物組成，并且具有相比例為至多10體積％的元素W、Mo、V、Ta、Nb、Cr的碳化物、氮化物、碳氮化物或氧碳氮化物和/或溶于該硬質(zhì)材料相的比例為至多5質(zhì)量％的V、Nb、Ta和至多2質(zhì)量％的Cr、Mo、W，并含有至多15質(zhì)量％的粘結(jié)劑。在該第二層下面存在厚度為2到100μm的過(guò)渡區(qū)，其中，該組成逐漸改變?yōu)橛操|(zhì)金屬體或陶瓷體核內(nèi)部的均勻組成。因此，在第一層得到較具韌性并且耐腐蝕的、WC比例較高的區(qū)域，而在位于其下的第二層存在耐擴(kuò)散的、氮化物比例或碳氮化物比例較高的硬質(zhì)層。
按照本發(fā)明一種改進(jìn)方案，所述第一層只有至多2質(zhì)量％的V、Nb、Ta和/或Cr至少一種金屬的碳化物或碳氮化物。
優(yōu)選該第一層的組成包括4到15質(zhì)量％或7到22體積％的粘結(jié)金屬、80到96質(zhì)量％或66到93體積％的WC以及0到5質(zhì)量％或0到12體積％的TiCN和/或TiN。上述物質(zhì)的總量為100質(zhì)量％或100體積％。
該第二層優(yōu)選具有3到15質(zhì)量％或2到15體積％的粘結(jié)金屬、0到50質(zhì)量％或0到30體積％的WC以及35到98質(zhì)量％或55到98體積％的TiCN或TiN，其中，粘結(jié)金屬、WC和TiCN和/或TiN的總量為100質(zhì)量％或100體積％。
如果在所述第二層中氮化物只以金屬氮化物形式存在，則優(yōu)選該層中氮含量為8到22質(zhì)量％。當(dāng)存在金屬碳氮化物時(shí)，則氮化物含量下降到氮被碳代替的程度。當(dāng)存在一半(為50原子％)TiCN時(shí)，第二層的氮含量最小，因此優(yōu)選到一半，即為4到22質(zhì)量％。
或者，該目的還可以通過(guò)根據(jù)權(quán)利要求6的物體實(shí)現(xiàn)。對(duì)于該物體，粘結(jié)劑金屬富集的并且混合碳化物貧乏的第一層的一個(gè)或多個(gè)表面被磨光、蝕去或通過(guò)其他方法除去，使得相關(guān)表面下面的硬質(zhì)金屬體或陶瓷體具有根據(jù)權(quán)利要求3的層結(jié)構(gòu)。
按照本發(fā)明另一技術(shù)方案，該硬質(zhì)金屬體或陶瓷體另外在至少一個(gè)表面上具有一個(gè)一層或多層的涂層。該涂層可以由周期表IVa-Vla族元素的碳化物、氮化物、碳氮化物、氧化物、氧氮化物組成，但也可以由Al2O3、ZrO2、HfO2、AION或碳組成，優(yōu)選作為金剛石或者硫化鉬或硫化鎢。例如通過(guò)PVD或CVD涂覆的附加層的數(shù)量以及層組成的選擇視使用目的而定。
使用根據(jù)權(quán)利要求8的方法制備以上描述的硬質(zhì)金屬體或陶瓷體。對(duì)用粉末冶金方法制得的硬質(zhì)金屬體或陶瓷體在燒結(jié)后或燒結(jié)期間進(jìn)行第一次熱處理，以產(chǎn)生粘結(jié)金屬富集的2-100μm厚的層，在該熱處理后，在50mbar(5×103Pa)到100bar(107Pa)氮?dú)鈮毫Φ牡獨(dú)夥障拢诘凸踩垡韵?，?yōu)選在1000℃到1200℃下進(jìn)行處理。此時(shí)該粘結(jié)金屬富集并且混合碳化物貧乏的第一層的組成基本上保持不變。使用氮?dú)獾臒崽幚砥陂g氮傳送到物體內(nèi)部，同時(shí)外面2到100μm厚的第一層對(duì)于鈦和其他任選在物體中存在的親氮金屬起到阻礙擴(kuò)散的作用，使其不能向外遷移。因此表面附近的第一層具有膜的作用，其允許氮從外向內(nèi)通過(guò)，同時(shí)阻止親氮金屬向外擴(kuò)散。不過(guò)該膜狀作用只在低共熔以下的溫度范圍內(nèi)出現(xiàn)，即在1000℃到1200℃。在較高溫度下，鈦或其他親氮金屬在基體表面方向擴(kuò)散，并在表面附近的邊緣區(qū)形成相應(yīng)的氮化物。在低于1000℃溫度下延緩氮擴(kuò)散，使得在第二層中實(shí)際上不再出現(xiàn)氮富集的理想效果。因此，在第二次熱處理時(shí)保持該溫度范圍決定了本發(fā)明方法的實(shí)現(xiàn)。
或者，還可以在第一次處理步驟后，該處理步驟是為了使第一層中的混合碳化物貧乏并且粘結(jié)金屬富集，在5×103Pa到107Pa氮?dú)鈮毫Φ牡獨(dú)夥罩校诘凸踩巯?，?yōu)選在1000℃到1200℃的溫度下處理該物體之前，可以通過(guò)磨光、蝕去或其他方法除去在至少一個(gè)表面下面所形成的層。在事先通過(guò)第一次熱處理形成的層被除去的地方，在該表面下面直接形成氮富集的2到40μm厚的具有較高氮比例的層。
該方法特別可以用于用作切削工具的基體，在裸露表面下面存在權(quán)利要求1中所描述的a)到c)的層順序，而在切削面上或至少在該切削面的切削邊緣附近區(qū)域只存在根據(jù)b)和c)或者權(quán)利要求3的層順序。
與只進(jìn)行現(xiàn)有技術(shù)已知的熱處理方法的基體所組成的工具相比，根據(jù)磨痕寬度和月牙洼深度測(cè)量的連續(xù)切削的耐用度提高了8到10倍。
權(quán)利要求
1.硬質(zhì)金屬體或陶瓷體，其具有由WC和周期表IVa或Va族至少一種元素的至少一種碳化物、氮化物、碳氮化物或氧碳氮化物組成的硬質(zhì)材料相，并具有由Fe、Co和/或Ni組成的粘結(jié)劑相，其比例為3-25質(zhì)量％，具有單個(gè)或具有多個(gè)彼此鄰接的表面，其中，在該單個(gè)或至少一個(gè)表面下面a)設(shè)置2-100μm厚的第一層，其具有比例為2-25質(zhì)量％的粘結(jié)金屬和至多25體積％的周期表IVa族的一種或多種金屬的氮化物或碳氮化物和/或至多10體積％的V、Nb、Ta和/或Cr的碳化物和/或碳氮化物，余量為WC，其中，上述金屬的氮化物、碳氮化物或碳化物的量至少為0.01體積％，其特征在于，b)在該第一層下面設(shè)置2到40μm厚的第二層，其氮比例比第一層的高，并主要由周期表IVa族金屬的氮化物和/或碳氮化物組成，并且具有相比例為至多10體積％的元素W、Mo、V、Ta、Nb、Cr的碳化物、氮化物、碳氮化物或氧碳氮化物和/或溶于該硬質(zhì)材料相的比例為至多5質(zhì)量％的V、Nb、Ta和至多2質(zhì)量％的Cr、Mo、W，并含有至多15質(zhì)量％的粘結(jié)劑，其中上述相比例的量至少為0.01體積％和/或溶于該硬質(zhì)材料的上述比例的量至少為0.01質(zhì)量％，c)在該第二層下面設(shè)置厚度為2到100μm的過(guò)渡區(qū)，其中，該組成逐漸改變?yōu)橛操|(zhì)金屬體或陶瓷體核內(nèi)部的均勻組成。
2.根據(jù)權(quán)利要求1的硬質(zhì)金屬體或陶瓷體，其特征在于，根據(jù)a)的第一層具有至多2質(zhì)量％的金屬V、Nb、Ta和/或Cr之一種的碳化物或碳氮化物。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2的硬質(zhì)金屬體或陶瓷體，其特征在于，根據(jù)a)的第一層具有4到15質(zhì)量％或7到22體積％的粘結(jié)金屬、80到96質(zhì)量％或66到93體積％的WC以及0到5質(zhì)量％或0到12體積％的TiCN和/或TiN，其中，粘結(jié)金屬、WC和TiCN和/或TiN的總量為100質(zhì)量％或100體積％。
4.根據(jù)權(quán)利要求1到3之一的硬質(zhì)金屬體或陶瓷體，其特征在于，根據(jù)b)的第二層含有3到15質(zhì)量％或2到15體積％的粘結(jié)金屬、0到50質(zhì)量％或0到30體積％的WC以及35到98質(zhì)量％或55到98體積％的TiCN或TiN，其中，粘結(jié)金屬、WC和TiCN和/或TiN的總量為100質(zhì)量％或100體積％。
5.根據(jù)權(quán)利要求1到4之一的硬質(zhì)金屬體或陶瓷體，其特征在于，根據(jù)b)的第二層中的氮含量為8到22質(zhì)量％，當(dāng)該層中結(jié)合的氮化物只以金屬氮化物存在，并且氮含量相應(yīng)于金屬碳氮化物中N原子被代替的比例時(shí)，相應(yīng)地成比例變小。
6.硬質(zhì)金屬體或陶瓷體，其具有由WC和周期表IVa或Va族至少一種元素的至少一種碳化物、氮化物、碳氮化物或氧碳氮化物組成的硬質(zhì)材料相，并具有由Fe、Co和/或Ni組成的粘結(jié)劑相，其比例為3-25質(zhì)量％，其特征在于，在該單個(gè)或至少一個(gè)表面下面設(shè)置2到40μm厚的層，其主要由周期表IVa族金屬的氮化物和/或碳氮化物組成，并且具有相比例為至多10體積％的元素W、Mo、V、Ta、Nb、Cr的碳化物、氮化物、碳氮化物或氧碳氮化物和/或溶于該硬質(zhì)材料相的比例為至多5質(zhì)量％的V、Nb、Ta和至多2質(zhì)量％的Cr、Mo、W，并含有至多15質(zhì)量％的粘結(jié)劑，并且在該第二層下面設(shè)置厚度為2到100μm的過(guò)渡區(qū)，其中，該組成逐漸改變?yōu)橛操|(zhì)金屬體或陶瓷體核內(nèi)部的均勻組成。
7.根據(jù)權(quán)利要求1到6之一的硬質(zhì)金屬體或陶瓷體，其特征在于，至少一個(gè)表面具有一個(gè)一層或多層的涂層，該涂層由周期表IVa到Vla族元素的碳化物、氮化物、碳氮化物或氧氮化物、Al2O3、ZrO2、HfO2、AION或碳組成，優(yōu)選為金剛石或者硫化鉬或硫化鎢。
8.制備根據(jù)權(quán)利要求1到5之一的硬質(zhì)金屬體或陶瓷體的方法，在燒結(jié)后或燒結(jié)期間進(jìn)行第一次熱處理，以產(chǎn)生根據(jù)a)的層，其特征在于，在該熱處理后，在5×103Pa到5×107Pa N2壓力的氮?dú)夥障拢诘凸踩垡韵?，?yōu)選在1000℃到1200℃下處理該物體。
9.制備根據(jù)權(quán)利要求6的硬質(zhì)金屬體或陶瓷體的方法，在燒結(jié)后或燒結(jié)期間進(jìn)行第一次熱處理，以產(chǎn)生根據(jù)a)的層，其特征在于，至少部分或完全除去2到100μm厚的具有組成a)的第一層，之后，在5×103Pa到5×107Pa N2壓力的氮?dú)夥障?，在低共熔以下，?yōu)選在1000℃到1200℃下處理該物體。
10.根據(jù)權(quán)利要求8或9制備硬質(zhì)金屬體或陶瓷體的方法，其特征在于，隨后通過(guò)PVD或CVD一層或多層地涂覆該基體。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種硬質(zhì)金屬體或陶瓷體，其具有單個(gè)或具有多個(gè)彼此鄰接的表面，其中，在該單個(gè)或至少一個(gè)表面下面設(shè)置2－100μm厚的第一層，其具有比例為2－25質(zhì)量％的粘結(jié)金屬和至多25體積％的周期表IVa族的一種或多種金屬的氮化物或碳氮化物和/或至多10體積％的V、Nb、Ta和/或Cr的碳化物和/或碳氮化物，以及余量的WC，在該第一層下面設(shè)置2到40μm厚的第二層，其氮比例比第一層的高，并主要由周期表IVa族金屬的氮化物和/或碳氮化物組成，并且具有相比例為至多10體積％的元素
文檔編號(hào)C21D1/34GK1820089SQ200480017007
公開(kāi)日2006年8月16日 申請(qǐng)日期2004年5月14日 優(yōu)先權(quán)日2003年9月12日
發(fā)明者W·倫高爾, V·烏查卡爾, K·德賴爾, D·卡塞爾, H·W·道布 申請(qǐng)人:鈷碳化鎢硬質(zhì)合金維迪亞產(chǎn)品有限公司及兩合公司