[发明专利]具有干燥组成的硬质合金

说明书

技术领域

本发明涉及有待用于切削和机械加工工具的硬质合金，其主要特 征在于使用钒和铌作为合金元素。因此，它们容许使用较少含量的昂 贵的钨和钼合金元素。基于其显微组织方面的精密合金设计容许本发 明的合金除了相当大的合金成本降低以外，具有与切削工具中使用的 传统硬质合金等同的性能。

背景技术

本发明的合金预期用于的切削工具在大量的机械加工操作中使 用。这些工具的主要实例为钻头，其当前占世界上这些材料消耗的绝 对多数。其它重要的工具为研磨机、丝锥(tap)、平头钉(tack)、 锯和刀头。对于这些应用，要求所用的合金具有若干性能，其中这三 种是最重要的：耐磨损性、考虑到高的机械加工温度的耐热性、和为 了避免工具切削区域的裂开或断裂的韧性。

金属机械工业是这类工具的最大消费者。在主要使用钻头的钻孔 操作中，最大产量生产和新式设备当前除了硬质合金以外还使用大量 用碳化物基材料制成的工具。该材料可以分类为金属陶瓷化合物。在 磨损方面它提供显著的寿命增长，尽管它具有明显更高的成本。另一 方面，较低复杂性的操作主要使用硬质铁基合金，作为例如铝钻孔或 其它非铁合金、木材切削、较低产量机械加工和同样重要的家庭应用。 另外，硬质金属的较大脆性导致较高的振动所造成的断裂敏感性，从 而除了阻碍它们在一些特定类型的工具例如丝锥中的使用以外，还阻 碍它们在旧设备中的使用。

因此，硬质铁基合金除了由于其同等重要的相对于硬质金属工具 的成本竞争力以外，由于其机械和摩擦性能而极大地用于切削工具中。 然而，世界上钢和铁基合金的高消耗已经导致这些合金显著的成本提 高。例如，在钻头方面，其成本的大部分归因于原料成本，即用于制 造它们的合金。因此，合金成本提高降低这些材料在许多情形中的竞 争力，转向使用硬质合金或者转向低合金和低性能钢。

用于切削工具的硬质合金的典型实例为AISI M或AISI T系列组 合物，其中AISI M2钢最为重要。对于要求更大应变的那些工具，使 用钴合金。M42和M35钢是这类的主要实例，主要使用前者。这些合 金的基本化学组成示于表1，其中钨、钼、钒和钴元素最为重要—它 们主要决定合金的最终成本。这些元素的成本影响示于表2，按2006 年6月的合金成本标准化。

因此，明确需要新的硬质合金组合物，其可用于工业生产，能够 满足较低含量昂贵合金元素的要求而且具有相同性能。M2钢是最重要 的材料，需要开发其替代合金。至于与钴相关的组合物，M42将是主 要的有待替代的元素。

本发明的合金满足所有这些需要。

表1：现有技术合金。根据质量和铁余量百分数，仅示出主要的 合金元素。通过公式Mo+0.8V+0.6W+0.6Co计算出元素的成本影响之 和，其中将2006年4月时每种元素与成本相关的比率标准化成1％钼 成本。

*在该类中更加重要

发明内容

用于切削工具的硬质铁基合金的性能与其显微组织中存在的碳 化物紧密相关，无论它们是微米级的大的不溶解碳化物还是纳米级的 极细的碳化物。前者在材料的耐磨损性方面是重要的，而后者提供热 处理之后的硬度和耐热性。详细回顾了合金元素在上述碳化物形成中 的行为而且改变了传统观念。为此，本发明使用铌作为合金元素，从 而降低总的钼、钨和钒含量。

然而，本研究并非集中在合金元素的常规取代。在若干材料科学 和化学领域的许多论文中，已经致力于具有相似特征的合金元素的取 代。与本发明有关的重要实例为周期表的4B和5B族元素，即钛、钒、 锆、铌和钽。在许多情形中这些元素提供相似的效果，因为它们具有 相似的原子结构。然而，在用于切削工具的硬质合金中，出现显著差 异。钒大量用于这些材料，它一被铌取代，就失去钒重要的有益效果， 特别是在二次硬化方面。因此，本发明的合金没有大的钒含量，钒不 是被铌取代，而是同时添加。

与钒不同，铌几乎不引起二次硬化，尽管它很容易构成一次碳化 物。这些碳化物是具有高硬度的MC型碳化物，硬度远高于硬质传统合 金中形成的其它一次型的硬度。因此，可以减少其它一次碳化物构成 元素(主要是钨和钼)的含量，这是本发明的原理，其目的在于替代 M2合金。在替代M42方面，最有效的一次铌碳化物也用于促进钴含量 的降低，钴是另一种昂贵元素。