專利名稱：硬質(zhì)合金的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及例如可以用于耐磨部件的硬質(zhì)合金領(lǐng)域?？梢栽诙喾N應(yīng)用中使用這樣的部件，例如用于鉆地，挖掘，油和氣的鉆探，建設(shè)，石頭、巖石、金屬、木頭和復(fù)合材料的切割，以及切削形成的機(jī)加工。
背景技術(shù)：
燒結(jié)硬質(zhì)合金，又被稱作硬質(zhì)合金，是硬質(zhì)材料類，其包含金屬碳化物和/或碳氮化物的硬質(zhì)相以及包含一種或多種鐵族金屬的金屬合金(metallic alloy)粘合劑，所述金屬選自于周期表的IVa族至VIa族。硬質(zhì)合金由粉末冶金法生產(chǎn)，該方法典型地包括以下步驟碾磨，混合，壓制和液相燒結(jié)。最常用的WC-Co硬質(zhì)合金的燒結(jié)溫度通常超過共晶溫度的熔點(diǎn)，其為約1300°C到1320°C。用于另一類被稱作金屬陶瓷的硬質(zhì)合金的燒結(jié)溫度高于Ti-C-Ni-Mo體系的熔點(diǎn)(該熔點(diǎn)為約1280°C )，該硬質(zhì)合金包含帶有Ni-Mo-基粘合劑的TiC或TiCN。典型地，硬質(zhì)合金的燒結(jié)溫度高于1350°C，因而在燒結(jié)期間允許形成高份數(shù)的液相從而提高燒結(jié)產(chǎn)品的全密度。術(shù)語“耐磨部件”理解為在應(yīng)用中承受或旨在承受磨損應(yīng)力的部件或組件。存在各種耐磨部件可承受的磨損應(yīng)力，例如磨蝕、侵蝕、腐蝕和其它形式的化學(xué)磨損。耐磨部件可以包含任何多種材料，取決于磨損部件期望耐受的磨損的性質(zhì)和強(qiáng)度，以及成本、尺寸和質(zhì)量上的制約。例如，燒結(jié)碳化鎢高度的耐磨蝕，但由于其高的密度和成本而典型地只能用作相對(duì)較小部件的主要成分，例如鉆頭插入件、鑿子、切削頭等?？梢栽谕诰蝮w，鉆頭體，漏斗以及研磨材料的載體中使用的較大耐磨部件典型地由硬質(zhì)鋼制成，在某些應(yīng)用中，該硬質(zhì)鋼與燒結(jié)硬質(zhì)合金相比顯著更經(jīng)濟(jì)。美國專利申請(qǐng)No. 2007/0092727教導(dǎo)了一種磨損部件，其包含金剛石晶粒，碳化物相例如為碳化鎢以及金屬合金，該金屬合金具有低于1400°C、優(yōu)選低于1200°C的液相線溫度。教導(dǎo)了兩種用于制作該耐磨部件的方法。在第一種方法中，使包含金剛石晶粒的中間制品與由選定的浸滲第一合金和選定的第二合金的源接觸，將該源和中間制品的溫度提高至高于浸滲合金的液相線，從而引起后者浸滲到中間制品的孔隙中。當(dāng)?shù)诙辖鸬慕M分與中間制品金剛石反應(yīng)時(shí)，形成碳化物。在更適合于制造較大耐磨部件的第二種方法中，使包含金剛石晶粒的中間材料與選自第一族的合金和選自第二族的合金一起在低于1200攝氏度CC )的溫度下進(jìn)行熱壓制。在第二種方法中不需要浸滲。舉例來說，在美國專利No. 5，660, 939和英國專利No. 2，167，088中教導(dǎo)了為核工業(yè)而開發(fā)的不銹鋼合金，該合金包含鉻、鎳、硅和碳，但是肯定不包含一般不適用于放射性的環(huán)境中的鈷。這些合金都是硬質(zhì)并且抗腐蝕的。在一系列專利中均公開了包含分散在硬質(zhì)合金的基體內(nèi)的未涂覆金剛石晶粒的材料，例如美國專利No. 1，996，598、英國專利No. 611，860，德國專利No. 531，077和瑞典專利 No. 192，637。在美國專利No. 5，723，177中記載了一種金剛石晶粒作為硬質(zhì)合金組分的用途，該金剛石晶粒涂覆有耐火金屬碳化物、氮化物、氧化物、硼化物、硅化物或其組合的 層。在金剛石晶粒上的這些涂層被認(rèn)為能夠抑制或阻止在燒結(jié)過程中金剛石的石墨化。然而，上述的美國專利僅公開了帶有較高液相線溫度的常規(guī)硬質(zhì)合金，在該溫度下，金剛石的石墨化或其它劣化得到提高或促進(jìn)。因此，含有金剛石的硬質(zhì)合金必須在沒有液相形成的情況下進(jìn)行燒結(jié)，即在低于約1300°C的溫度下。與在大型爐子中的燒結(jié)硬質(zhì)合金制品的較經(jīng)濟(jì)的常規(guī)分批方法相比，上述包含硬質(zhì)合金的各制品必須分別通過軸向壓制進(jìn)行熱壓制，從而獲得足夠高的密度。因此，根據(jù)該專利的教導(dǎo)所生產(chǎn)的制品具有相對(duì)較高的生產(chǎn)成本。無液相燒結(jié)的另一缺點(diǎn)為，不能獲得優(yōu)化的顯微組織以及完全消除材料中的殘余孔隙。另一描述含有涂覆金剛石晶粒的硬質(zhì)合金的專利為日本專利No. 2001040446。該對(duì)比文獻(xiàn)公開了一種帶有粘合劑的硬質(zhì)合金，該粘合劑包含F(xiàn)e族金屬，同時(shí)其教導(dǎo)了燒結(jié)溫度應(yīng)該相對(duì)較低(接近1300°C)，從而避免粘合劑相的完全熔化。因此，不能獲得該材料的最優(yōu)化顯微組織以及全密度。存在許多對(duì)比資料公開了特征在于低溫液相形成的含金剛石硬質(zhì)合金。美國專利申請(qǐng)No. US2007/0092727公開了一種含金剛石硬質(zhì)合金，該硬質(zhì)合金包含碳化物相和粘合劑相，該粘合劑相包含液相線溫度低于1400°C優(yōu)選低于1200°C的金屬或金屬間合金。金剛石晶粒未被涂覆，使得金剛石晶粒甚至在相對(duì)較低的燒結(jié)溫度下，在與含鐵族金屬的液態(tài)粘合劑接觸時(shí)，傾向于石墨化。PCT專利申請(qǐng)No. PCT/JP2006/301033描述一種含金剛石的硬質(zhì)合金，該硬質(zhì)合金的粘合劑包含0. 01-2. 0襯％的磷以降低液相形成的溫度。該硬質(zhì)合金的缺點(diǎn)在于，即使在較高的磷含量下，粘合劑相也僅是部分熔化，這趨于導(dǎo)致一些殘留孔隙。因而存在提供一種改良的冶金配制體(formnlation)，特別是硬質(zhì)合金的需求，其導(dǎo)致降低的金剛石或其它加入的超硬磨料例如CBN晶粒的劣化。希望得到的是，在等于或低于大氣壓下生產(chǎn)硬質(zhì)合金而不利用熱壓制，其能夠以低成本進(jìn)行大量生產(chǎn)。

發(fā)明內(nèi)容
根據(jù)本發(fā)明的第一個(gè)方面，提供了一種硬質(zhì)合金，其包含至少13體積％的金屬碳化物和粘合劑相以及3-39體積％的金剛石或CBN或其混合物，其中該金屬碳化物選自TiC、 VC、&C、NbC、MoC、HfC、TaC、WC或其組合，該粘合劑相包含一種或多種鐵族金屬或其合金以及0. 1-10重量％ Si和0. 1-10重量％ Cr并具有1280°C或更低的液相線溫度，該金剛石或 CBN涂覆有保護(hù)性涂層或其混合物。優(yōu)選地，該粘合劑相的液相線溫度低于1250°C，更優(yōu)選地低于1160°C。優(yōu)選地，該粘合劑相還包含1-20重量百分比(wt. % )的溶解碳。優(yōu)選地，Cr以碳化鉻和/或固溶體的形式存在于粘合劑相中。本發(fā)明的硬質(zhì)合金優(yōu)選地包括以金屬鉻絡(luò)合碳化物(Me，Cr)xCy形式存在的Cr，其中Me為Fe、Co和/或Ni，χ為1至23且y為1至6。優(yōu)選地，Si以粘合劑相中的固溶體形式或以Co，Ni和/或Fe的硅化物的形式存在。優(yōu)選地，該粘合劑相還包含最高10重量％的B、Al、S和/或Re。該金剛石和/或cBN晶粒優(yōu)選地具有1-500微米的平均尺寸。這些金剛石和/或CBN晶粒涂覆有保護(hù)性的涂層。在燒結(jié)過程中該保護(hù)性的涂層防護(hù)金剛石和CBN避免其受到粘合劑相的侵蝕，從而降低該晶粒的劣化。該涂層優(yōu)選地為周期表中的IVa至VIa族的金屬的碳化物，碳氮化物或氮化物，并且一般厚度大于0. 2 μ m。優(yōu)選地，該保護(hù)性的涂層包含由一種或多種周期表中的IVa至VIa族的金屬和/或其碳化物、碳氮化物或氮化物組成的單層或多層，該涂層具有至少0. 2 μ m的平均厚度。優(yōu)選 地，該粘合劑相為低合金鋼、中合金鋼或高合金鋼。優(yōu)選地，本發(fā)明的硬質(zhì)合金具有等于或高于99. 5%理論密度的密度。本發(fā)明的硬質(zhì)合金優(yōu)選地包括包含如下的顯微組織-平均尺寸為1-30μπι的(Cr，Me)xCy的圓形晶粒，其中Me，x和y如上文所限定；-平均尺寸為0.2-20 μ m的圓形或刻面化(facetted)晶粒的碳化物相；-由C、Cr、Si的固溶體組成的金屬基相和Me的碳化物相的成分，其中Me為Fe、 Co和/或Ni。在室溫下于Murakhami試劑中進(jìn)行5分鐘以上的蝕刻后，(Cr,Me) xCy的圓形晶粒在金相橫截面上可具有棕色或黃色的顏色。根據(jù)本發(fā)明的第二個(gè)方面，用于生產(chǎn)本發(fā)明的第一個(gè)方面的硬質(zhì)合金的方法包括以下步驟 提供粉末摻混物，其包含至少13體積％金屬碳化物，0. I-IOwt. % Si和 0. I-IOwt. % Cr以及鐵族金屬或其合金；·提供涂覆有保護(hù)性涂層的金剛石或cBN晶粒，該涂層優(yōu)選為碳化物，氮化物和/ 或碳氮化物涂層或其混合物；·將一定量的金剛石或cBN晶?；蚱浠旌衔飺胶系皆摲勰交煳镏?，從而形成混合物； 壓實(shí)該混合物從而形成生坯制品(green article)；和·在低于大氣壓下或在惰性氣氛下在不超過1250°C的溫度下燒結(jié)該生坯制品。對(duì)于許多應(yīng)用，特別是當(dāng)以復(fù)雜形狀的零件例如采礦鎬上的涂層的形式提供該硬質(zhì)合金時(shí)，優(yōu)選地在提高的溫度下在不超過五分鐘的短時(shí)間內(nèi)燒結(jié)生坯制品。更優(yōu)選地，在提高的溫度下的該燒結(jié)持續(xù)不超過3分鐘的時(shí)間段，更優(yōu)選不超過2分鐘的時(shí)間段。在提高的溫度下，燒結(jié)的最短時(shí)間通常為30秒。優(yōu)選地，該燒結(jié)溫度不高于1160°C。


本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施方案將會(huì)通過非限制性的實(shí)施例結(jié)合附圖進(jìn)行說明，其中圖1顯示在1160°C下燒結(jié)5分鐘的WC和Co-Cr-Si-C硬質(zhì)合金的顯微組織；圖2顯示了在1160°C下與Co-Cr-Si-C粘合劑燒結(jié)5分鐘后試樣的斷裂表面，其中該試樣包含TiC涂覆的金剛石(300-400 μ m, TC3B)；圖3a顯示了在已涂覆的金剛石晶粒和粘合劑之間的界面，以及獲取圖3b的拉曼光譜圖的線；圖3b顯示了在1160°C下燒結(jié)5分鐘的Co-Cr-Si-C粘合劑和TiC涂覆的金剛石之間界面處的拉曼光譜結(jié)果，顯示了在該界面處沒有石墨；
圖4顯示了帶有Co-Cr-Si-C粘合劑的含金剛石的硬質(zhì)合金與各種硬質(zhì)合金相對(duì)于金剛石砂輪的滑動(dòng)試驗(yàn)結(jié)果； 圖5顯示了在實(shí)施滑動(dòng)磨損試驗(yàn)后，與WC-Co硬質(zhì)合金對(duì)比，帶有Co-Cr-Si-C粘合劑的DEC的磨損，其結(jié)果如圖4中所示。
具體實(shí)施方案術(shù)語“金屬合金”，或更簡(jiǎn)單的“合金”，理解為意指包含至少一種金屬并具有金屬、 半金屬或金屬間特性的材料。其還可以包括陶瓷成分。本發(fā)明提供了一種硬質(zhì)合金，其包含碳化物晶粒和超硬質(zhì)相以及金屬粘合劑相， 該金屬粘合劑相包含鐵族金屬如鐵、鈷或鎳、或其合金，以及硅和鉻。在本發(fā)明的一個(gè)優(yōu)選的實(shí)施方案中，一種或多種類型的難熔金屬碳化物的晶粒分散在粘合劑相中，在一個(gè)特別優(yōu)選的實(shí)施方案中，在硬質(zhì)合金中存在約40至約80wt. %的WC或TiC或其組合。該碳化物晶粒優(yōu)選地具有1至30微米的平均當(dāng)量直徑，更優(yōu)選地具有3至20微米的平均當(dāng)量直徑。硬質(zhì)合金中還存在超硬質(zhì)相例如金剛石和/或cBN。在本發(fā)明的一種形式中，該超硬質(zhì)相的存在量為約5至30體積％，碳化物為WC或TiC或其組合并且存在量為約24至約 63wt. %。粘合劑相典型地可以包含帶有溶解的硅、鎢、鉻和鈦的鈷鐵合金。已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，在Me-Cr-Si-C體系(其中Me為Co、Ni或Fe)中，存在低于1280°C的低熔點(diǎn)共晶溫度，優(yōu)選地低于1250°C，且最優(yōu)選地低于1160°C。該共晶組合物具有所需的性能，即該熔體易于潤濕某些碳化物，特別是TiC、VC、ZrC, NbC、MoC, HfC, TaC, WC,并且能夠在低溫下于相對(duì)短時(shí)間內(nèi)的液相燒結(jié)期間有效地滲透多孔碳化物預(yù)成型體。因而，基于難熔碳化物以及Me-Cr-Si-C體系粘合劑的硬質(zhì)合金可以在非常低的溫度下被燒結(jié)至全密度。與常規(guī)的WC-Co硬質(zhì)合金相比，以這樣的形式獲得的硬質(zhì)合金具有高機(jī)械和表現(xiàn)性能的組合。在優(yōu)選的實(shí)施方案中，Co、Cr3C2和Si以重量％比75 2 5存在，或該比值附近。差熱分析顯示，該體系合金在1140和1150°C之間熔化。由于在本發(fā)明的硬質(zhì)合金配制體中的形成液相的低溫度，金剛石或CBN晶?？梢约{入到硬質(zhì)合金配制體中而無大量金剛石劣化成殘余孔隙的缺點(diǎn)。金剛石晶粒預(yù)涂覆有保護(hù)性涂層，該涂層優(yōu)選地包含元素周期表中IVa至IVa族金屬的碳化物、碳氮化物或氮化物。優(yōu)選的涂層為具有約Iym平均厚度的TiC，該TiC通過化學(xué)氣相沉積法(CVD)從 TiC14-CH4-H2氣體混合物在旋轉(zhuǎn)管中沉積，如本領(lǐng)域中所公知。在金剛石晶粒上的保護(hù)性涂層的組合以及低燒結(jié)溫度和短的燒結(jié)時(shí)間抑制或阻止了金剛石或CBN晶粒的劣化。例如，在金剛石的情況下，存在對(duì)于熱促進(jìn)的石墨化過程的抑制或阻止，金剛石因該石墨化過程而轉(zhuǎn)化為碳的軟石墨形式。晶粒涂層的第二個(gè)功能可能是其促進(jìn)了在堆焊硬質(zhì)表面層(耐磨)材料中晶粒的優(yōu)異的粘合和保持性能，而第三個(gè)功能可能是抑制或阻止某些金屬相與晶粒的反應(yīng)，例如鐵與金剛石。因此，含金剛石或CBN 的堆焊硬質(zhì)表面層材料具有特殊的機(jī)械性能和耐磨性能。在金剛石的情況下，已經(jīng)發(fā)現(xiàn)涂層的耐磨損性為WC-Co硬質(zhì)合金的耐磨損性的約100倍以上。為了獲得這些高的耐磨性， 該含金剛石的硬質(zhì)合金應(yīng)該包含至少3體積％或約IOwt. 的金剛石或CBN。本發(fā)明的硬質(zhì)合金可以通過混合和/或研磨粉末摻混物制得，該粉末摻混物包含硬質(zhì)合金組分和預(yù)涂覆金剛石晶粒的粉末，在不必顯著高于環(huán)境溫度的溫度下將該粉末摻混物壓實(shí)從而形成“生坯”制品，并在爐子中在低于大氣壓或在惰性氣氛下在低于1250°C， 優(yōu)選低于1200°C，最優(yōu)選低于1160°C的溫度下燒結(jié)該生坯制品不超過5分鐘，優(yōu)選地直到獲得該制品的全密度。

含金剛石或CBN的硬質(zhì)合金的生產(chǎn)工藝并不包括在石墨模具中對(duì)每個(gè)工件進(jìn)行昂貴的熱壓制，并且可易于在含金剛石的硬質(zhì)合金的大規(guī)模以及成本有效的生產(chǎn)中使用。 以這樣的方法獲得的合金剛石或CBN的硬質(zhì)合金可以用于金屬切削、采礦、耐磨部件等。圖1顯示了(Cr，Co)xCy的圓形晶粒，其在Murakhami試劑中蝕刻后具有棕色顏色， 并通過箭頭示出。該顯微組織包含約0. 5至5 μ m的刻面化WC晶粒，約1至10 μ m的(Cr， Co)xCy的圓形顆粒和在它們之間的Co基粘合劑中間層。圖2和3顯示了納入本發(fā)明硬質(zhì)合金中的金剛石顆?；静淮嬖谑?。參考圖 2可以看出，涂覆的金剛石晶粒被良好刻面化并且是有光澤的，這表明其在燒結(jié)過程中沒有石墨化。從圖3b可以看出，在左側(cè)，該光譜包含僅在約1320CHT1處典型對(duì)于金剛石的峰，并沒有其它峰。當(dāng)進(jìn)一步從左至右向金剛石_涂層-粘合劑界面看時(shí)，該金剛石峰變得更弱。 該拉曼光譜并沒有包含從涂層或粘合劑表面獲取的典型對(duì)于碳化物、金屬和合金的任何信號(hào)。注意到，在金剛石-涂層-粘合劑界面處除了金剛石峰外，并不存在其它峰，特別是不存在約1500cm-1至1600cm-1處的典型對(duì)于石墨的峰，表明在金剛石_涂層-粘合劑界面處不存在石墨。現(xiàn)在，將參考下述實(shí)施例(非限制性的)說明本發(fā)明，所述實(shí)施例被認(rèn)為是示例性的。然而，應(yīng)該理解的是，本發(fā)明并不僅限于所述實(shí)施例的特定細(xì)節(jié)。實(shí)施例1說明了帶有碳化物和粘合劑相的硬質(zhì)合金，該硬質(zhì)合金適于納入金剛石或CBN晶粒從而生產(chǎn)本發(fā)明的硬質(zhì)合金。實(shí)施例2說明了含有金剛石晶粒的硬質(zhì)合金。實(shí)施例1將Ikg批量的粉末在碾磨機(jī)中以乙烷介質(zhì)和20g石蠟以及6kg硬質(zhì)合金球碾磨6 小時(shí)，該粉末包含70wt. %平均直徑為約0. 8 μ m的WC粉末、22. 5wt. %的Co粉末、6% Cr3C2 的粉末和1. 5wt. %的Si粉末。在碾磨后，將所得的漿料干燥，然后將該粉末篩分從而除去團(tuán)聚體。通過常規(guī)冷壓方式壓實(shí)篩分的粉末，從而形成柱狀試樣，然后將其在真空中在 1160°C下燒結(jié)1分鐘。燒結(jié)試樣具有12. 4g/cm3的密度，250的硬度(HV30)，14. 6MPa mV2 的斷裂韌性，2700MPa的橫向斷裂強(qiáng)度。這些性能與常規(guī)含有類似粘合劑含量的WC-Co硬質(zhì)合金相當(dāng)。該試樣的顯微組織包含1至2 μ m的刻面化WC，包含1至10 μ π!的(Cr，Co)7C3 和(Cr，Co)23C6的圓形的混合物晶粒，以及基于Co和一些溶解的C、Cr與Si的粘合劑。該 (Cr，Co)7C3和(Cr，Co)23C6的圓形晶粒在Murakhami試劑中蝕刻金相橫截面2分鐘后具有微黃的顏色。發(fā)現(xiàn)粘合劑中Si的存在增加了其耐氧化性，如圖1所示。實(shí)施例2將Ikg批量的粉末在碾磨機(jī)中以乙烷介質(zhì)和20g石蠟以及6kg硬質(zhì)合金球碾磨6 小時(shí)，所述粉末包含67wt. %平均直徑為約0. 8 μ m的WC粉末、24wt. %的Co粉末、6. 4%的 Cr3C2粉末和1.6wt. % WSi粉末。在碾磨后，將所得的漿料干燥，然后將該粉末篩分從而除去團(tuán)聚體。在所得粉末中加入7wt. %水平的平均直徑為300至400 μ m且具有約0. 5 μ m平均厚度的TiC涂層的金剛石顆粒，然后通過Turbular混合器摻混成粉末。計(jì)算所加入的金剛石的重量百分比對(duì)應(yīng)于在最終燒結(jié)產(chǎn)品中的20體積％的金剛石。從而，在該階段，混合物包含 63wt. % WC,22. 5wt. % Co、7wt. %金剛石晶粒、6wt. % Cr3C2 和 1. 5wt. % Si。 通過常規(guī)冷壓方式壓實(shí)該粉末混合物從而形成柱狀試樣，將其在真空中在1160°C 下燒結(jié)1分鐘。該試樣的顯微組織包含1至2 μ m的刻面化WC，包含1至10 μ m的(Cr， Co) A和(Cr，Co)23C6的混合物的圓形晶粒，以及基于Co和一些溶解的C，Cr和Si的粘合齊U。該(Cr，Co)7C3和(Cr，Co)23C6的圓形晶粒在Murakhami試劑中蝕刻金相橫截面2分鐘后具有微黃的顏色。從燒結(jié)試樣上制取適于透射電子顯微術(shù)(TEM)的薄箔，并進(jìn)行TEM、SEM、 拉曼譜分析和光學(xué)顯微術(shù)。該分析顯示了不存在可測(cè)量的金剛石晶粒的石墨化。通過使用改進(jìn)ASTM B611試驗(yàn)檢測(cè)了燒結(jié)試樣的耐磨性，其中使用在樹脂粘合劑中包含150 μ m金剛石晶粒的金剛石研磨砂輪代替鋼輪，且沒有使用任何氧化鋁砂粒。作為對(duì)照，使用具有4% Co的細(xì)晶粒硬質(zhì)合金級(jí)別。在實(shí)施該測(cè)試后，硬質(zhì)合金對(duì)照物的磨損等于1. 7X 10_4cm7reV，而含金剛石硬質(zhì)合金的磨損等于1. 5 X IO^cmVrev0換句話說，含金剛石的硬質(zhì)合金的耐磨性超過硬質(zhì)合金對(duì)照物2個(gè)數(shù)量級(jí)。實(shí)施例3 利用實(shí)施例2的方法生產(chǎn)了各種含金剛石的硬質(zhì)合金。將這些含金剛石硬質(zhì)合金以及其它硬質(zhì)合金相對(duì)于商用金剛石砂輪進(jìn)行滑動(dòng)試驗(yàn)。以與ASTMB611磨損試驗(yàn)類似的方式進(jìn)行該滑動(dòng)試驗(yàn)，不同的是使用了金剛石砂輪代替鋼輪，且沒有使用氧化鋁顆粒。 通過測(cè)量試樣在試驗(yàn)之前和之后的重量獲得該硬質(zhì)合金的磨損，其中旋轉(zhuǎn)數(shù)為1000。具有 1A1-200-20-10-16 標(biāo)識(shí)的金剛石砂輪來自 Wuxi Xinfeng Diamond Tolls Factory (中國)生產(chǎn)。測(cè)試的硬質(zhì)合金的級(jí)別為:K04-WC-0. 2% VC-4% Co、K07-WC-0. 3% VC-0. 2% Cr3C2-7 % Co、T6-WC-6 % Co、B15N-WC-6. 5 % Co0測(cè)試的含金剛石的硬質(zhì)合金如下 D53-DEC20-50wt. % Co、13wt. % Cr3C2、3wt. % Si、包含 20 體積％金剛石的 34wt. % WC 的硬質(zhì)合金基體；D54-DEC20-35wt. % Co、9wt. % Cr3C2、2wt. % Si、包含20體積％金剛石的 54wt. % WC硬質(zhì)合金基體；D53-DBC30-與D53-DEC20中相同的硬質(zhì)合金基體，但是包含30 體積％金剛石。結(jié)果如圖4所示，從該圖可看出，含金剛石的硬質(zhì)合金的耐磨性高于常規(guī)硬質(zhì)合金的約兩個(gè)數(shù)量級(jí)。從圖5還可以看出，含金剛石的硬質(zhì)合金的磨損顯著低于常規(guī)硬質(zhì)合金的磨損。
權(quán)利要求
1.一種硬質(zhì)合金，其包含至少13體積％的金屬碳化物、粘合劑相和3-39體積％的金剛石或cBN晶?；蚱浠旌衔?，其中該金屬碳化物選自于TiC、VC、ZrC、NbC、MoC、HfC、TaC、WC 或其組合，該粘合劑相包含一種或多種鐵族金屬或其合金以及0. 1-10重量％ Si和0. 1-10 重量％ Cr并具有1280°C或更低的液相線溫度，該金剛石或cBN晶粒涂覆有保護(hù)性涂層。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的硬質(zhì)合金，其中該保護(hù)性涂層包含由一種或多種周期表IVa 至VIa族的金屬和/或其碳化物、碳氮化物或氮化物構(gòu)成的單層或多層，該涂層具有至少 0. 2μπι的平均厚度。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的硬質(zhì)合金，其中該粘合劑相的液相線溫度為低于 1160 "C。
4.根據(jù)前述權(quán)利要求任一項(xiàng)所述的硬質(zhì)合金，其中該粘合劑相還包含1至20重量％的溶解碳。
5.根據(jù)前述權(quán)利要求任一項(xiàng)所述的硬質(zhì)合金，其中Cr以碳化鉻和/或固溶體的形式存在于粘合劑相中。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的硬質(zhì)合金，其中Cr以金屬鉻絡(luò)合碳化物(Me，Cr)xCy的形式存在，其中Me為Fe、Co和/或Ni，χ為1至23且y為1至6。
7.根據(jù)前述權(quán)利要求任一項(xiàng)所述的硬質(zhì)合金，其中Si以固溶體的形式存在于粘合劑相中。
8.根據(jù)權(quán)利要求1-6任一項(xiàng)所述的硬質(zhì)合金，其中Si以Co、Ni和/或狗的硅化物的形式存在。
9.根據(jù)前述權(quán)利要求任一項(xiàng)所述的硬質(zhì)合金，其中該粘合劑相還包含最高為10重量％的B、A1、S和/或Re。
10.根據(jù)前述權(quán)利要求任一項(xiàng)所述的硬質(zhì)合金，其中該金剛石和/或cBN晶粒具有 1-500微米的平均尺寸。
11.根據(jù)前述權(quán)利要求任一項(xiàng)所述的硬質(zhì)合金，其中該粘合劑相為低合金鋼、中合金鋼或高合金鋼。
12.根據(jù)前述權(quán)利要求任一項(xiàng)所述的硬質(zhì)合金，其中該硬質(zhì)合金具有等于或高于 99. 5%理論密度的密度。
13.根據(jù)前述權(quán)利要求任一項(xiàng)所述的硬質(zhì)合金，其中該硬質(zhì)合金包括包含如下的顯微組織.平均尺寸為1_30μπι的(Cr，Me)xCy的圓形晶粒，其中Me，χ和y如權(quán)利要求6所限定；.平均尺寸為0. 2-20 μ m的圓形或刻面化晶粒的碳化物相；和 .由C、Cr、Si的固溶體組成的金屬基相和Me的碳化物相的成分，其中Me為Fe、Co和/ 或 Ni。
14.如權(quán)利要求13所述的硬質(zhì)合金，其中在室溫下于Muralchami試劑中進(jìn)行5分鐘或更長的蝕刻后，(Cr，Me)xCy的圓形晶粒在金相橫截面上具有棕色或黃色的顏色。
15.一種用于制備上述任一權(quán)利要求所述的硬質(zhì)合金的方法，其包括如下步驟 提供粉末摻混物，其包含至少13體積％金屬碳化物，0. I-IOwt. % Si和0. I-IOwt. % Cr以及鐵族金屬或合金； 提供涂覆有保護(hù)性涂層的金剛石或cBN晶粒，或其混合物； 將一定量的金剛石或cBN晶?；蚱浠旌衔飺胶系皆摲勰交煳镏校瑥亩纬蓳胶衔?； 壓實(shí)該摻合物從而形成生坯制品；和 在低于大氣壓下或在惰性氣氛下在不超過1250°C的溫度下燒結(jié)該生坯制品30秒至 5分鐘。
16.根據(jù)權(quán)利要求15所述的方法，其中該燒結(jié)時(shí)間為30秒至3分鐘。
17.根據(jù)權(quán)利要求16所述的方法，其中該燒結(jié)時(shí)間為30秒至2分鐘。
18.根據(jù)權(quán)利要求15至17任一項(xiàng)所述的方法，其中該燒結(jié)溫度不超過1160°C。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種硬質(zhì)合金，其包含至少13體積％的金屬碳化物，粘合劑相和3-39體積％的金剛石或CBN晶?；蚱浠旌衔铮渲性摻饘偬蓟镞x自TiC、VC、ZrC、NbC、MoC、HfC、TaC、WC或其組合，該粘合劑相包括一種或多種鐵族金屬或其合金以及0.1-10重量％Si和0.1-10重量％Cr，并且具有1280℃或更低的液相線溫度，該金剛石或CBN晶粒涂覆有保護(hù)性涂層，以及用于生產(chǎn)該硬質(zhì)合金的方法。
文檔編號(hào)C22C26/00GK102165081SQ200980136235
公開日2011年8月24日 申請(qǐng)日期2009年9月15日 優(yōu)先權(quán)日2008年9月15日
發(fā)明者B·H·里斯, F·F·拉馳曼, I·Y·肯雅辛 申請(qǐng)人:六號(hào)元素控股有限公司