[发明专利]具有富集粘结相表面区的硬质合金

说明书

本发明涉及具有富集粘结相表面区的涂层硬质合金刀具及其制造方法。更具体地讲，本发明涉及改性硬质合金的涂层刀具，由此在给定的化学成分和晶粒尺寸下获得优越的机械性能，这包括非常好的韧性与高的塑变抗性之间的平衡。

具有富集粘结相表面区的涂层硬质合金刀具现已广泛用于机械加工钢铁和不锈钢材料。因为富集粘结相表面区使切削刀具材料获得了广泛的应用范围。

制造具有富集粘结相表面区的含有WC、立方相(γ-相)和粘结相的硬质合金的方法或工艺属于梯度烧结的技术领域，并可通过一系列专利和专利申请而得知。例如根据美国专利4277283和4610931，使用含氮的添加物，并且在真空下进行烧结，而依据美国专利4548786以气相形式加入氮。由此获得了富集粘结相且基本贫化立方相的表面区。美国专利4830930公开了通过在烧结后进行脱碳而获得的粘结相富集体，但由此而获得的富集体中也含有立方相。

在美国专利4649084中，在烧结时使用氮气，以节省工艺步骤并改善随后沉积氧化物涂层的粘结性。

粘结金属在表面层的富集体的机械断裂意指硬质合金吸收变形并阻止裂纹扩展增长的能力。按本方法而获得的材料与具有相同成分但为均匀组织的材料相比较，这种材料具有改进的承受断裂的能力，可经受更大的变形或阻止裂纹扩展。这样，该切削材料获得更好的韧性。

根据已知技术，在梯度烧结时，包括含氮硬质合金的真空烧结，该氮通常是通过加入少量含氮原料来加入。由于在炉气氛中当烧结时氮的活性比在立方相中的平均氮活性低这样一个事实，则含氮立方相通过液态粘结相将氮释放到炉气氛中。对于这一溶解过程的动力学存在某些分歧。一种观点认为是当氮分离出后，则产生了立方相完全溶解于材料表面层中的条件。认为这一过程是由氮的扩散和金属组分在立方相中的扩散而控制。结果先前由立方相所占据的体积在其溶解后由液态粘结相占据。通过这一过程，在粘结相凝固后则产生了富集粘结相表面层。在溶解的立方相中的金属组分是向内扩散的并以在该材料尚存的有用未溶立方相的形式沉淀。因此造这些成元素在粘结相富集表面内侧区域中的含量增加，与此同时，在粘结相中含量相应减少。

通过上述工艺制得的具有粘结相富集的硬质合金中的Co、Ti和W的特征分布与距表面的距离之间的函数关系于美国专利4830930中，例如图1。在外表面存在粘结相富集并且完全或部分贫化立方相的表面区。在其内侧的区域具有存在于立方相中的金属元素的富集，特别是Ti、Ta和Nb，并且其中粘结相的含量明显低于内部的平均粘结相含量。具有约6％(重量)钴和9％(重量)立方相的硬质合金中的粘结相含量的减少量可以到约2％(重量)，即相对减少30％。裂纹易于该区域扩展，这在机加工时对断裂频率有决定性影响。

现已证明，如果在其中粘结相为液态的温度下将真空烧结的具有粘结相富集表面区的含氮硬质合金进行氮气处理，其韧性可进一步提高。在获得韧性改进的同时，并且塑变抗性基本保持不变。这样扩大了其应用范围，对于具有相同组织的硬质合金来讲，要覆盖与之相同的应用范围，大到通常需要两级或更高级别。

图1示出了根据本发明的粘结相富集的硬质合金中Co和与距表面的距离之间的函数关系。

图2示出了已知技术中粘结相富集的硬质合金中Co和Ti的分布与距表面的距离之间的函数关系。

图3示出了本发明硬质合金表面区域的光学显微组织照片(1200×)，其中A是粘结相富集而无立方相的表面区域，B是该区域的上部。

本发明涉及一种在梯度烧结后进行的工艺，该工艺包括含氮硬质合金在真空下或惰性气氛下烧结，该工艺步骤可以是分离的或完  整的工艺步骤。该工艺的特征是在1280-1430℃之间的温度下(优选在1320-1400℃温度下)，以40-400毫巴(优选150-350毫巴)的压力将氮气加入到烧结炉中。适于氮气处理的时间为5-100分钟，优选10-50分钟，将氮气一直保持到粘结相凝固的约1275-1300℃温度。然而，甚至该粘结相在真空或在惰性气氛中凝固也可获得主要的效果。已证明，对于含6-10％(重量)立方相的硬质合金在100-350毫巴压力于1350-1380℃温度下，或对于含8-15％(重量)立方相的硬质合金在50-150毫巴压力于1280-1320℃温度下，在吹气期内，氮气处理时间在5-50分钟是特别合适的。