CN102439181A

CN102439181A - 硬质合金工具

Info

Publication number: CN102439181A
Application number: CN2010800175453A
Authority: CN
Inventors: 斯特凡·埃德吕德
Original assignee: Sandvik Intellectual Property AB
Current assignee: Hebborn Materials And Technology Co ltd
Priority date: 2009-04-27
Filing date: 2010-04-26
Publication date: 2012-05-02
Anticipated expiration: 2030-04-26
Also published as: EP2425028A1; US20120093597A1; US9127335B2; CN102439181B; KR101714095B1; KR20120016617A; PL2425028T3; JP2012525501A; JP5902613B2; EP2425028A4; ES2653945T3; WO2010126424A1; EP2425028B1

Abstract

本发明涉及一种硬质合金，其具有在基于Co和/或Ni的分布良好的粘结相中硬质组分的均匀且致密的微观结构，根据ISO 4505其孔隙度为A00-B00。所述硬质合金的纳米孔隙度为小于2.5孔/1000μm²，尺寸为0.5-1μm。通过使用比表面积为3至8m²/g的海绵状粘结相粉末而制备所述硬质合金，所述海绵状颗粒的粒度为1至5μm。

Description

硬质合金工具

技术领域

本发明涉及具有优异性能的WC-Co基硬质合金，具体地，该硬质合金可用作木材加工、印刷电路板钻孔以及拉丝的工具，且还可用作金属切削操作的工具。

背景技术

通常通过如下方法制备硬质合金体：在球磨机中，通过湿磨将WC、TiC、NbC、TaC、Ni和/或Co的粉末以及压制剂(通常为蜡基的)混合成为浆料，将该浆料喷雾干燥至可流动的待压制粉末，将该粉末压缩为所需形状和尺寸的坯体，并随后进行烧结。

一般地，Co或Ni粉末通常具有宽的粒径分布，并具有蠕虫状结构的牢固团聚颗粒，参见图1。即使在超微磨碎机进行碾磨时，该粉末也难于解团聚。粘结相含量低会导致粘结相湖(binder phase lake)和非均质的微观结构，使得物理和化学性能发生变化。

US 6,346,137公开的粘结相粉末主要具有晶粒聚集的近球形晶粒，其平均粒度为0.5-2μm，参见图2。该粉末具有小的比表面积(SSA)，这也使得在低的粘结相含量情况下获得均匀的硬质合金结构存在问题。

在US 4,539,041中公开了另一种粘结相粉末。该粉末具有球形亚微米粒度颗粒，参见图3。这种粉末用作硬质合金中的粘结相的应用描述于美国专利5,441,693中。通过使用这种粉末，粘结相颗粒更好地分散，使得微观结构变得更加均匀。因此，烧结后存在较少的粘结相湖，且烧结温度可进一步降低。

小的粒度和/或低的粘结相含量将导致更高的硬度。通常，需要获得粒度与粘结相含量之间的折衷，以实现最优的烧结性，例如，在低烧结温度下的硬质合金的低孔隙度。相对于具有略粗粒度的硬质合金，具有非常微细粒度的硬质合金通常需要更高的粘结相含量，以利用粘结相使得WC晶粒被适当地均匀地润湿。粘结相在WC颗粒上的润湿还受到粘结相在烧结前的分散和分布的影响，并且该WC颗粒应进行非常好的解团聚和/或分离，以获得大的比表面积。为了使硬质合金工作性能优化，重要的是使该微观结构尽可能地均匀。

具有非常微细粒度的硬质合金在低含量粘结相情况下，可观察到孔隙度微细，以至于在光学显微镜下观察不到，因此，不适用ISO 4505。使用扫描电子显微镜(SEM)，以二次电子模式，在5000的放大倍率下观察到该纳米尺寸孔隙度。该孔径小于1μm。为量化纳米孔隙度，在每个为1000μm²的5个不同区域中计数孔径范围为0.5至1μm的孔的数目。

这种孔隙度对于耐磨性具有负面影响。可通过将硬质合金在压力下进行烧结(烧结热等静压(Sinter-HIP))或热等静压后处理而将该孔隙度最小化。

附图说明

图1至3显示了具有a)图1的蠕虫状结构的Co粉末的扫描电子显微镜图像；具有b)图2的带有小的SSA的近球形的Co粉末的扫描电子显微镜图像；具有c)图3的亚微米粒度和球形的Co粉末的扫描电子显微镜图像。

图4显示了在本发明中使用的海绵状颗粒Co粉末的扫描电子显微镜图像。

图5是显示纳米孔隙度的硬质合金的微观结构的扫描电子显微镜图像。

发明内容

本发明的目的是提供一种具有改进的烧结性的硬质合金，特别地，其具有微细的WC粒度和/或低的粘结相含量。

在本发明的一个方面中，提供了一种利用碾磨、压制和烧结粉末的粉末冶金法制备一种烧结体的方法，所述烧结体包括一种或多种硬质成分和基于钴和/或镍的粘结相，其中，至少部分粘结相粉末的比表面积为3至8m²/g，粘结相粉末颗粒的粒度为1至5μm。

在本发明的另一方面中，提供了一种利用碾磨、压制和烧结粉末的粉末冶金法制备一种烧结体的方法，所述烧结体包括一种或多种硬质成分和基于钴和/或镍的粘结相，其中，至少部分粘结相粉末为海绵状，其比表面积为3至8m²/g，该海绵状颗粒的粒度为1至5μm。

根据本发明，提供了一种利用碾磨、压制和烧结粉末的粉末冶金法形成硬质成分和粘结相，而制备的具有改进的烧结性的硬质合金，所述硬质合金基于碳化钨和粘结相，所述粘结相基于Ni和/或Co，其中，条件是，适当地，所述粘结相包括大于25％、优选50％、最优选75％的Ni和/或Co粉末，其由费氏粒度为1至5μm，比表面积/BET为3至8m²/g的海绵状颗粒构成。所述改进的烧结性显示为在保护气氛中将烧结的硬质合金再加热至1370-1410℃约1小时之后基本不变的纳米孔隙度。

本发明还涉及一种硬质合金，其特别用于木材加工、印刷电路板钻孔以及拉丝或金属切削，所述硬质合金具有均匀且致密的微观结构，粘结相分布良好，根据ISO 4505的孔隙度为A00-B00，且如上所述的纳米孔隙度为＜2.5孔/1000μm²。在保护气氛中在1370-1410℃下进行热处理约1小时之后，该纳米孔隙度提高了一些至小于3孔/1000μm²。

优选地，粘结相的总含量为＜8wt％、优选为0.8-6wt％、更优选为1.5-4wt％、更优选为1.5-＜3wt％、最优选为1.5-2.9wt％。

优选地，粘结相的总含量为＜8wt％、优选为0.8-6wt％、最优选为1.5-4wt％，高达5wt％的TiC+NbC+TaC，且其余为WC。烧结的WC的平均粒度优选＜1μm、更优选＜0.8μm。

在第一种实施方式中，粘结相的组成为40至80wt％的Co、优选50至70wt％的Co、最优选55至65wt％的Co，最多为15wt％的Cr、优选6至12wt％的Cr且最优选8-11wt％的Cr，余量为Ni，优选25至35wt％的Ni。

在第二种实施方式中，该硬质合金由如下物质构成：1.5至2.0wt％的Co、0.4-0.8wt％的Ni和0.2-0.4wt％的Cr，其余为碳化钨，其中烧结的WC的平均粒度＜0.8μm。

该硬质合金可设有本领域已知的涂层。

本发明还涉及根据上述的硬质合金的应用，其中，将其用作

-锯片或刀片，用于切削或机械加工木材或木材类产品，特别是胶合板、刨花板和中密度或高密度纤维板(MDF/HDF)，

-用于冷成型操作的拉丝模或工具，

-印刷电路板钻头和磨石，或

-用于金属的切屑形成机械加工的涂覆的或未涂覆的刀片。

具体实施方式

实施例1

由如下合金A-D制备用于铣刀的刀片。根据传统的制备方法，在烧结步骤中，将该刀片在烧结热等静压炉中在1410℃且压力为6MPa下进行烧结。

根据本发明的第一硬质合金(A)由如下物质构成：1.9wt％的Co、0.7wt％的Ni和0.3wt％的Cr，其余为碳化钨，根据FSSS，所述碳化钨的平均粒度为0.5μm。参见图4，可商购的Co和Ni粉末具有海绵结构，且FSSS(费氏微筛分粒器)粒度为1.5μm，BET比表面积为4m²/g。

第二硬质合金(B)具有与A相同的组成，并具有相同的WC粒度。在这种情况下，参见图3，使用了球形的多元醇Co和Ni粉末，FSSS粒度为0.7μm，且BET比表面积为2m²/g。

第三硬质合金(C)具有与A相同的组成，并具有相同的WC粒度。在这种情况下，所用的Co和Ni粉末制备自用于制备硬质合金的工业基准的氢氧化物。参见图1，FSSS粒度为0.9μm，且BET比表面积为2m²/g。

第四硬质合金(D)具有与A相同的组成，并具有相同的WC粒度。在这种情况下，使用了由羰基分解法制备的Co和Ni粉末。参见图2，FSSS粒度为0.9μm，且BET比表面积为1.8m²/g。

根据本发明的第五硬质合金(E)由如下物质构成：1.9wt％的Co、0.7wt％的Ni和0.3wt％的Cr，其余为碳化钨，根据FSSS，所述碳化钨的平均粒度为0.5μm。可商购的Ni粉末具有海绵结构，且FSSS(费氏微筛分粒器)粒度为1.5μm，BET比表面积为4m²/g。Co粉末为球形的多元醇Co粉末，FSSS粒度为0.7μm，且BET比表面积为2m²/g。因此，海绵状粘结相比例为约27wt％。

对于该刀片的密度、硬度、孔隙度和纳米孔隙度进行冶金性分析。使用扫描电子显微镜，以二次电子模式，在5000的放大倍率下测定纳米孔隙度，并以如上述的每1000μm²的孔数目进行报告。利用由带有场发射枪的扫描电子显微镜(FEG-SEM)获得的显微照片测定烧结的WC的平均粒度。通过使用半自动化装置，并考虑形状效应，获得评估结果。

结果

在氩气气氛中在1400℃对合金A、B和D进行热处理1小时。冶金性研究给出了截面区域的不同纳米孔隙度水平。合金A的表面和本体(bulk)的放大5000倍的FEG-SEM照片显示了2.5孔/1000μm²。合金B显示了20孔/1000μm²。合金D显示了大于20孔/1000μm²。

实施例2

测试包括使用包含三个相同的来自实施例1的可转位刀片的φ125mm侧铣刀对HDF型纤维板进行机械加工。切削速度为4500rpm或29m/s，进给速率为10m/min，切削深度为2mm。作为刀刃线磨损的测量，在2000和10000m距离之后，确定刀刃半径，结果如下：

从该测试结果明显看出，相对于最佳的现有技术B，根据本发明制备的A刀片的磨损下降了多于33％。

实施例3

对得自实施例1的硬质合金A、B和C拉丝模进行拉丝测试。该模具进行了打磨，同时进行了抛光。在用于拉丝不锈钢：AISI 1005的生产拉丝机中进行试运转。该模具在相同的工作条件下一个接一个地进行拉丝。在该拉丝测试中使用了每一变型的三个模具。

工作条件：

拉丝速度：25m/s

模具的进线直径：0.26mm

模具的内部轮廓：2α＝10°，定径带0.15×d1(0.23×0.15mm)

在40和80km后测量模具的同心度。

在Wyko光学轮廓仪中测量拉丝通道的截面磨损轮廓。

同心度结果：

对于所有模具，从丝材进线直径在硬质合金的接触区域观察到磨损环。

80km后，变型B显示出三个模具中的不均匀的椭圆化。该模具中的一个具有0.120mm的椭圆化。

得自Wyko轮廓仪的磨损结果。

拉丝通道的光学扫描沿着该通道进行并跨过了该模具的通道。

磨损(Ra值)的差异通过磨损平面(尤其是对于变型C)中WC晶粒的明显点蚀进行解释。根据本发明制得的模具具有高平整度完整磨损表面，并在同心度和磨损行为方面显示了最好的性能结果。

实施例4

锯切应用

锯切铝合金JIS AC2B的杆和管引起了积屑瘤(BUE)的问题，以及在切削刀刃线中硬质合金晶粒形成点蚀的问题。合金JIS AC2B的特征是Si和Cu的含量显著。因此，考虑到低含量的粘结相和高耐磨性来选择在该应用中使用的硬质合金等级。

对根据实施例1的等级组合物进行干锯切测试。在该锯切应用中，等级D是商品级，且根据本发明的等级A，以及等级B已用于具有矩形截面(尺寸200×20mm)的固体铝杆(JIS AC2B)的锯切测试。在该测试中选用了外径(OD)为300mm且具有48个SW167型锯片的圆锯(Sandvik)。

将该锯片的切削刃进行磨削以具有高的锋锐度，并在切削测试之前，使用金刚锉进行温和的刀刃处理。

切削条件：

切削速度：80m/秒

进给速率：40mm/秒

刀面角：15°

后角：6°

通过测量切削力来评估切削过程。分别在切削长度为10m和100m之后测量刀刃磨损。

在使用喷射的润滑剂(合成酯)的干切削中进行切削。

耐磨性

备注：该铝杆的切削表面较钝，表面粗糙度为Ry＞6μm，且利用锯B和D进行该切削过程100m后，不合格。根据本发明，表面粗糙度为Ry＝2μm。

在100m处，锯B和D的切削力几乎高于锯A的两倍。

锯片磨损的特征是由于WC-碎裂以及从碳化物骨架除去碎屑/碎片造成的微观和宏观磨耗。相对于现有技术，根据本发明的锯的特征在于良好的刀刃保持性和更高的耐磨性。

实施例5

设计了一种车削测试，其模拟印刷电路板(PCB)的微钻削。

从PCB面板切削20-30个圆盘的堆栈，并安装至心轴，该心轴随后在车床的夹头中旋转。使用一种特意经过磨削具有非常锋利刀刃的刀头以通常所用双刃微钻的每转进给量的50％来车削堆栈的外径，所述刀头具有的刀面角和后角与该微钻的刀面角和后角紧密配合。选择该堆栈的直径和厚度以使显示出的螺旋钻孔距离约等于5000正常深度(normal depth)0.3mm直径的钻孔。

已经显示了在该车削测试中观察到的磨损量与实际PCB微钻削测试中观察的磨损量具有良好的一致性。

已经发现，相对于在上述车削测试中确定的PCB加工等级，根据本发明在实施例1中的硬质合金(A)具有更好的耐磨性。发现，在切削速度为100m/min，进给速率为0.010mm/转且切削深度为0.25mm条件下，硬质合金(A)在1260m的螺旋切削距离中的侧面磨损带宽为36μm。

经比较，标准的6％钴0.4μm碳化钨PCB常规等级(routing grade)的磨损带为46μm。

在使用相同进给速率和切削深度而切削速度为200m/min的条件下，硬质合金(A)在1250m的螺旋距离中的侧面磨损带为32μm，相比之下，传统6％钴等级为37μm。

在又使用相同进给速率和切削深度而具有400m/min的高切削速度的条件下，硬质合金(A)在1230m的螺旋距离中的侧面磨损带宽为28μm，相比之下，传统6％钴等级为36μm。在所有上述测试中，没有出现崩刃。

此外，还将硬质合金(A)与现有技术中的3％钴0.8μm粒度的WC-Co等级进行了比较。

在切削速度为100m/min，进给速率为0.010mm/转且切削深度为0.25mm的条件下，3％钴等级在切削1260m的螺旋距离后的不规则侧面磨损最大宽度为73μm。该等级显示出由于韧性不足而出现的刀刃微崩。

尽管在等级(A)中存在低的粘结相含量，但是如上述，该等级未显示出刀刃微崩，并显示了36μm的均匀磨损。

Claims

1.一种利用碾磨、压制和烧结粉末的粉末冶金法制备烧结体的方法，所述烧结体包括一种或多种硬质成分和基于钴和/或镍的粘结相，其特征在于，至少部分所述粘结相粉末的比表面积为3至8m²/g，且颗粒的粒度为1至5μm。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，至少部分所述粘结相粉末为海绵状，其比表面积为3至8m²/g，所述海绵状颗粒的粒度为1至5μm。

3.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，所述烧结体为硬质合金，其中粘结相的总含量＜8wt％，TiC+NbC+TaC的含量＜5wt％，且其余为粒度＜1μm的WC。

4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，粘结相的总含量为0.8-6wt％。

5.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，粘结相的总含量为1.5-4wt％。

6.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述烧结体的WC粒度＜0.8μm。

7.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述烧结体的WC粒度＜0.5μm。

8.一种硬质合金，在基于Co和/或Ni的分布良好的粘结相中，具有均匀且致密微观结构的硬质组分，根据ISO 4505其孔隙度为A00-B00，其特征在于，纳米孔隙度小于2.5孔/1000μm²。

9.根据权利要求8所述的硬质合金，其特征在于，在保护气氛中在1370-1410℃下进行热处理约1小时之后，纳米孔隙度小于3孔/1000μm²。

10.根据权利要求8或9所述的硬质合金，其特征在于，粘结相的含量为＜3wt％。

11.根据权利要求8或9所述的硬质合金，其特征在于，粘结相的含量为＜8wt％，其余为平均粒度＜1μm的WC。

12.根据权利要求8或9所述的硬质合金，其特征在于，所述粘结相的组成为40至80wt％的Co，最多15wt％的Cr，余量的Ni。

13.根据权利要求8或9所述的硬质合金，其特征在于，所述硬质合金由如下物质构成：约1.9wt％的Co、约0.7wt％的Ni和约0.3wt％的Cr，其余为平均WC粒度＜0.8μm的碳化钨。

14.根据权利要求8-13所述的硬质合金作为刀片以及钻头或磨石的用途，其中所述刀片用于切削或机械加工木材或木材基产品，特别是胶合板、刨花板和中密度或高密度纤维板，所述钻头和磨石用于印刷电路板钻孔。

15.根据权利要求8-13所述的硬质合金作为拉丝模的用途。

16.根据权利要求8-13所述的硬质合金作为用于金属的切削或机械加工的刀片的用途。