无钴、碳化钨基硬质合金材料制造技术

公开了一种无钴、碳化钨基硬质合金材料，其包含至少主要由碳化钨形成的70

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】无钴、碳化钨基硬质合金材料


[0001]本专利技术涉及一种无钴、碳化钨基硬质合金材料。

技术介绍

[0002]碳化钨基硬质合金材料是复合材料，其中至少主要由碳化钨形成的硬质物质颗粒形成该复合材料的主要部分，并且其中硬质物质颗粒之间的间隙由韧性金属粘结剂填充。这种硬质合金材料基于其有利的物理性质，例如特别是高硬度和良好的断裂韧性，已经在各种不同的领域中使用了许多年，例如在金属切削中、耐磨部件中、木工工具中、成形工具中等。当在各种使用领域中使用这种硬质合金材料时，材料的要求变化很大。对于某些应用，高硬度是主要标准，而对于其它应用，主要标准是例如良好的断裂韧性K
Ic
。取决于应用，除了硬度与断裂韧性K
Ic
的良好比率之外，其它重要因素可以包括高耐腐蚀性和高挠曲强度。
[0003]目前市面上的大多数碳化钨基硬质合金材料中，韧性金属粘结剂由钴或钴基合金形成。此处“元素基合金”是指该元素构成合金的最大成分。根据欧洲议会和理事会第1272/2008号法规(EC)以及修订第1908/2006号法规(EC)，该法规称为REACH，当含钴混合物及物质的钴含量大于0.1％时，其根据致癌性归类为1B类。因此，含钴的硬质合金材料以及硬质合金粉末及颗粒同样被列入可能对人体致癌的物质的癌症类别1B中。鉴于不断重复讨论含钴材料对健康的潜在危害，以及钴的自然储存经常发生在冲突地区，一段相当长的时间以来一直在努力开发不含钴的替代粘结剂体系。
[0004]本文讨论的材料包括具有铁镍基粘结剂的硬质合金材料，其在室温下理论上具有良好的机械性质，因此具有替代具有钴基粘结剂的传统硬质合金材料的潜力。然而，作为相对于具有钴基粘结剂的传统硬质合金材料的显著缺点，这些具有铁镍基粘结剂的硬质合金材料表现出：
[0005]‑
较低的耐腐蚀性，以及
[0006]‑
高温下明显的塑性变形(低耐蠕变性)。
[0007]虽然理论上可以尝试通过添加少量其他元素或化合物来改善这些性质，但这种添加物也会导致额外的问题。特别地，由于混合碳化物及η相沉淀，挠曲强度可能会显着降低，并且特别是由于在生产过程中对工艺气氛波动的敏感性增加，在生产硬质合金材料时会降低工艺稳定性。

技术实现思路

[0008]本专利技术的目的是提供一种改进的无钴、碳化钨基硬质合金材料，其除了高硬度、良好的断裂韧性K
Ic
和相对高的挠曲强度FS之外，还表现出良好的耐腐蚀性和高耐高温强度，并且还可以在硬质合金材料的常用生产设备中可靠地生产。
[0009]该目的通过根据权利要求1的无钴、碳化钨基硬质合金材料实现。从属权利要求中规定了有利的改进。
[0010]无钴、碳化钨基硬质合金材料具有：70
‑
97wt％的硬质物质颗粒，其至少主要由碳化钨形成，以及3
‑
30wt％的金属粘结剂，其是至少包括铁(Fe)、镍(Ni)和铬(Cr)的铁镍基合金。该硬质合金材料的Fe与(Ni+Fe)的比率为：
[0011]0.70≤Fe/(Fe+Ni)≤0.95，并且Cr含量为
[0012]0.5wt％≤Cr/(Fe+Ni+Cr)，并且
[0013](i)对于范围0.7≤Fe/(Fe+Ni)≤0.83：
[0014]Cr/(Fe+Ni+Cr)≤(
‑
0.625*(Fe/(Fe+Ni))+3.2688)wt％
[0015](ii)对于范围0.83≤Fe/(Fe+Ni)≤0.85：
[0016]Cr/(Fe+Ni+Cr)≤(
‑
27.5*(Fe/(Fe+Ni))+25.575)wt％
[0017](iii)对于范围0.85≤Fe/(Fe+Ni)≤0.95：
[0018]Cr/(Fe+Ni+Cr)≤2.2wt％。
[0019]该硬质合金材料可选地具有钼(Mo)含量，其相对于(Fe+Ni+Cr)为0wt％≤Mo/(Fe+Ni+Cr)≤10wt％，并且可选地具有钒(V)含量，其相对于(Fe+Ni+Cr)为0wt％≤V/(Fe+Ni+Cr)≤2wt％；以及不可避免的杂质，其总计不超过硬质合金材料的1wt％。
[0020]出于本说明的目的，除非另有明确指示，否则元素含量和彼此的比率总是以重量比或重量百分比(wt％)报告。更合理地，例如对于硬质物质颗粒的比例和金属粘结剂的比例，此处比率是基于硬质合金材料报告的，但如果关键因素是对于特定其他成分的比例(例如，相对于金属粘合剂的其他成分的比例)，此处比率是基于这些其他成分报告的。
[0021]因为粘结剂的两种主要成分Fe和Ni彼此的比率在0.70≤Fe/(Fe+Ni)≤0.95的范围内，粘结剂因此包含的Fe显著多于Ni(Fe占(Fe+Ni)总含量的70
‑
95wt％)，其在硬度、断裂韧性和挠曲强度的机械性质方面实现了良好的权衡。如果Fe含量更高，则硬质合金材料将变得太脆。在Fe含量较低，即Ni相对含量较高的情况下，既不能获得令人满意的硬度，也不能获得令人满意的断裂韧性。
[0022]然而，如果不添加Cr，硬质合金材料将不具有令人满意的耐腐蚀性，并且在高温下将具有明显的塑性变形，即低耐蠕变性。为了通过添加Cr实现足够的积极效果，Cr相对于Fe、Ni和Cr的总含量Cr/(Fe+Ni+Cr)为至少0.5wt％。已经确定，金属粘结剂中含有少量的此类Cr，才能获得令人满意的耐腐蚀性及令人满意的耐蠕变性的改善。然而，Cr在金属粘结剂中的溶解度是有限的。在添加Cr超过溶解度极限的情况下，含铬沉淀物以混合碳化物的形式形成，这对硬质合金材料的机械性质具有非常不利的影响，特别是导致挠曲强度的急剧降低。
[0023]Cr在金属粘结剂中的溶解度还取决于粘结剂的Fe含量(或Fe/(Fe+Ni)的比率)。Fe含量越高，Cr在金属粘结剂中的溶解度越低。当Fe含量较低，即金属粘结剂中的Ni含量较高时，Cr溶解度较高。
[0024]对于可靠生产无钴、碳化钨基硬质合金材料、而不形成对其机械性质产生不良影响的混合碳化物或η相沉淀的另一个关键因素是，粉末冶金生产工艺中硬质合金材料中的碳平衡。除了由起始粉末，例如碳化钨粉末(WC粉末)和碳化铬粉末(Cr3C2粉末)决定的碳含量之外，硬质合金材料中的碳平衡基本上还受到生产过程中工艺气氛的影响。在生产硬质合金材料的常用烧结炉中，工艺气氛不能随意精确调节；相反，碳平衡也特别受到相当大的公差影响。随着Cr含量的增加，碳平衡的工艺窗口变得越来越小，在该工艺窗口中既不形成
混合碳化物沉淀也不形成η相沉淀。
[0025]已经发现，为了在生产硬质合金材料的常用工业烧结炉中工艺稳定地生产无钴、碳化钨基硬质合金材料，必须将Cr含量保持在非常窄的范围内，其中Cr含量的上限主要取决于金属粘结剂的铁镍基合金中的Fe含量。在Fe含量相对于总含量(Fe+Ni)不超过约83wt％时，可以添加相对大量的Cr，直至接近Cr在金属粘结剂本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】1.一种无钴、碳化钨基硬质合金材料，具有：70
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97wt％的硬质物质颗粒，其至少主要由碳化钨形成，以及3
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30wt％的金属粘结剂，其是至少包含铁、镍和铬的铁镍基合金，其中Fe与(Ni+Fe)的比率为0.70≤Fe/(Fe+Ni)≤0.95；铬含量为0.5wt％≤Cr/(Fe+Ni+Cr)，并且(i)对于范围0.7≤Fe/(Fe+Ni)≤0.83：Cr/(Fe+Ni+Cr)≤(
‑
0.625*(Fe/(Fe+Ni))+3.2688)wt％(ii)对于范围0.83≤Fe/(Fe+Ni)≤0.85：Cr/(Fe+Ni+Cr)≤(
‑
27.5*(Fe/(Fe+Ni))+25.575)wt％(iii)对于范围0.85≤Fe/(Fe+Ni)≤0.95：Cr/(Fe+Ni+Cr)≤2.2wt％；可选地Mo含量，其相对于(Fe+Ni+Cr)为0wt％≤Mo/(Fe+Ni+Cr)≤10wt％；可选地V含量，其相对于(Fe+Ni+Cr)为0wt％≤V/(Fe+Ni+Cr)≤2wt％；以及不可避免的杂质，其总计不超过所述硬质合金材料的1wt％。2.根据权利要求1所述的无钴、碳化钨基硬质合...

【专利技术属性】
技术研发人员：拉尔夫，
申请(专利权)人：森拉天时卢森堡有限公司，
类型：发明
国别省市：