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％，具有單個或具有多個彼此鄰接的表面，其中，在該單個或至少一個表面下面設置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)期間進行第一次熱處理，以產(chǎn)生上述層。
在DE 19752289C1中引用多篇文獻論述，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。通過加入氮氣的氮化工藝，運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氣，并使該混合碳化物相在粘結(jié)金屬中優(yōu)選溶解并擴散傳送。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。氮化所需的氮氣既可以通過使用的氮氣氛也可以以硬質(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。在真空下進行燒結(jié)，從而可以形成梯度區(qū)。該梯度區(qū)還可以通過以下方式得到，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，接著在高壓下進行氮化處理。或者，為了燒結(jié)硬質(zhì)金屬，可以通過生長至600℃、保溫、加熱到燒結(jié)溫度以及接著在0.1到100Pa下進行真空燒結(jié)，隨后進行壓力燒結(jié)而實現(xiàn)。將該硬質(zhì)金屬成型體冷卻到1280℃以下后，對該燒結(jié)體用1到10MPa的氮氣進行壓力處理，接著在10到100Pa進行真空處理。
DE 19752289C1的缺點在于，隨后機械拋光加工基體以形成最終輪廓時會隨之出現(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為是積極的梯度區(qū)性質(zhì)。為了克服該缺點，在DE 19752289中提出，在拋光加工后，將該基體在真空中在約600-1300℃下進行至多150分鐘時間的后處理。從而在機械加工過的表面重新形成表面邊緣區(qū)，其富集粘結(jié)金屬并且沒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。
該目的是通過根據(jù)權(quán)利要求1的硬質(zhì)金屬體或陶瓷體而實現(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％。當存在金屬碳氮化物時，則氮化物含量下降到氮被碳代替的程度。當存在一半(為50原子％)TiCN時，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，該目的還可以通過根據(jù)權(quán)利要求6的物體實現(xiàn)。對于該物體，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或多個表面被磨光、蝕去或通過其他方法除去，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表面上具有一個一層或多層的涂層。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)氮氣壓力的氮氣氛下，在低共熔以下，優(yōu)選在1000℃到1200℃下進行處理。此時該粘結(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。使用氮氣的熱處理期間氮傳送到物體內(nèi)部，同時外面2到100μm厚的第一層對于鈦和其他任選在物體中存在的親氮金屬起到阻礙擴散的作用，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，同時阻止親氮金屬向外擴散。不過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散，并在表面附近的邊緣區(qū)形成相應的氮化物。在低于1000℃溫度下延緩氮擴散，使得在第二層中實際上不再出現(xiàn)氮富集的理想效果。因此，在第二次熱處理時保持該溫度范圍決定了本發(fā)明方法的實現(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氮氣壓力的氮氣氛中，在低共熔下，優(yōu)選在1000℃到1200℃的溫度下處理該物體之前，可以通過磨光、蝕去或其他方法除去在至少一個表面下面所形成的層。在事先通過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％，具有單個或具有多個彼此鄰接的表面，其中，在該單個或至少一個表面下面a)設置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)在該第二層下面設置厚度為2到100μm的過渡區(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，并且氮含量相應于金屬碳氮化物中N原子被代替的比例時，相應地成比例變小。
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，在該單個或至少一個表面下面設置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置厚度為2到100μm的過渡區(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，至少一個表面具有一個一層或多層的涂層，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壓力的氮氣氛下，在低共熔以下，優(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壓力的氮氣氛下，在低共熔以下，優(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，其具有單個或具有多個彼此鄰接的表面，其中，在該單個或至少一個表面下面設置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C21D1/34GK1820089SQ200480017007
公開日2006年8月16日 申請日期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