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CN101809203A - 工具 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及粘附磨蚀减少而热阻增加的经涂布金属切削工具。

Description

工具
技术领域
本发明涉及粘附磨蚀减少和热阻增加的经涂布金属切削工具，尤其是用于机加工合金如钢、铸铁、精钢(precious steels)以及非铁基合金如超合金的硬金属工具。
背景技术
用于切削金属的硬金属工具是复合材料，由至少两相组成，其中一相是粘结相，另外一相或多相是硬材料相。特别地，以下材料是可能的硬材料：钨、钼、钛、锆、铪、铬、钒、铌和钽。粘结相一般由钴组成，并且视碳在烧结期间的活性情况包含部分这类难熔金属，所述难熔金属的形成自由焓足够低，使其在烧结期间可分解为金属形式，特别是W、Cr和Mo。
除钴外，粘结相还可包含Fe和Ni；或者，只包含Fe和Ni，而不含钴。这种粘结相在毒性方面具有自身的优点，因为与碳化物接触时，其接触腐蚀性低于纯钴的接触腐蚀性。由于Fe和Ni更易得到，所以过去有许多试验都涉及在硬金属切削工具中使用FeCoNi基或FeNi基粘结体系，但迄今为止，从技术角度看，前述体系在这方面不及其他硬金属应用成功。
根据光学或电子光学方法的测定，在烧结之后的烧结状态下，粘结相包含尺寸在10μm与0.05μm之间的硬材料相——具体取决于切削任务。此尺寸主要通过所用硬材料粉末的细度调节。
切削工具的特征是具有更精确的几何特征，其任务是例如将工具插入工具架，该工具架以非正面形式(non-positive manner)接受切削力，从而形成碎片，使碎片按目标形式碎裂，并在可能的情况下，在除去碎片的同时散逸所产生的热量。所谓可换的切削插件的特征是具有来源于矩形棱柱形或板形、中心往往设孔的基本几何特征，还具有一个或多个切削刃，刃上有按目标方式形成的珩磨部。其他切削工具如分离工具因其几何特征而具有自支承性，仅设置一个切削刃。其表面常常还具有凸点或浮雕的特征，以最大程度减小碎片与切削工具的接触面积。选择适当几何特征对切削工具的寿命、切削表面质量和碎片破裂的安全性极为重要。
Preikschat的论文[卡尔斯鲁厄技术大学(Technische
Figure GPA00001087202900021
Karlsruhe)，1994，即KfK 3550，ISSN 0303-4003]描述了用含FeCoNi粘结剂的未涂布硬金属工具对灰口铸铁GG30进行的切削试验。所述工具的寿命取决于强粘附磨蚀及由此产生的高切削力，其中具有马氏体结构的粘结剂体系与具有纯立方面心晶格的粘结相(奥氏体)的同类工具相比，显示在具有更高粘结强度的基础上磨损更少。然而，奥氏体粘结剂(假如含量低)的寿命曲线优于马氏体粘结剂曲线，即在更高的切削速度下更有利。就粘附磨蚀而言，当用于硬金属工具时，上述两种粘结体系明显不如纯钴。
除粘附磨蚀外，热阻对切削工具的寿命也非常重要。在剪切条件产生碎片时，切削刃变得很热，并承受强机械剪切负荷。前述作用的综合结果是产生塑性蠕变，若切削刃的高温蠕变强度对于给定的应用来说不够，则切削刃将下降。在此情况下，以高进给速度进行连续车削操作、高强度合金和干加工特别重要，但工具不能充分冷却。由于测定热阻和蠕变强度非常耗时，所以实际是测量热硬度作为参考变量，部分以其随时间的变化作为参考变量。在物理冶金学领域，一般知道Fe、Co或Ni基合金的热硬度可通过向合金中加入元素周期表第6a副族的元素来提高。在以钴为粘结剂生产硬金属的情况下，可通过在烧结期间控制碳势在粘结剂中加入至多约6重量％的钨，产生具有极佳热阻和热硬度的硬金属工具。在具有低钴含量的FeCoNi基、尤其是FeNi含量低的FeCoNi基粘结剂体系中，随着钴含量的减少，溶解的钨也越来越少，所以对机械加工来说，这些粘结剂合金的热阻值一般是不足的。在1250℃，WC在Fe、Co和Ni中的溶解度一般分别为7重量％、22重量％和12重量％，具体还要看碳的含量如何。因此，有关专家认为当钴含量减小时，可预期热硬度下降，所以越发不适合用作切削金属的硬金属工具中的粘结相。随着钴含量增加，粘结相成本将上升，在最后加工期间相应的研磨灰尘对健康造成的危害也增大，所以在生产金属切削工具时，尽可能减少粘结相中钴的含量也受到关注。
以纯Fe和纯Co作粘结剂的硬金属具有良好的热硬度值，而以纯Ni作粘结剂的硬金属十分不利，原因是镍具有高延展性。
根据Prakash的论文[Leo J.Prakash，卡尔斯鲁厄大学，1979，机械工程系，KfK 2984]的描述，在合金中加入Cr和/或Mo，可提高以FeCoNi作粘结剂的WC基硬金属的热硬度。直至600℃，热硬度主要由粘结剂的高温性质决定。在高于前述温度时，热硬度由所用硬材料粉末产生的硬材料骨架结构决定。然而，对于钴含量小于40％的各种FeCoNi基粘结合金，无须在合金例如FeCoNi70/15/15、65/20/15和25/25/50中加入其他元素，它们在400℃与800℃之间的热硬度值与纯钴粘结剂的热硬度值相同甚至更优，尽管这些粘结合金的密度小于钴，因而粘结剂在硬金属中的体积含量更高。因此，这种粘结合金主要适合阻止切削刃上的应变，其效果与钴一样好，对于上面最后提到的合金来说甚至明显好得多。
两种奥氏体粘结相FeCoNi 25/25/50和50/25/25的硬度对温度的依赖性非常突出：虽然室温下的初始硬度水平较低，但800℃时的硬度值甚至超过以钴为粘结相时的硬度值。下降是单调而均匀的，但是钴，特别是含马氏体粘结相的硬金属所具有的特征是非均匀过程。其原因可能是马氏体随温度变化越来越多地转化为奥氏体，使结构不稳定，加剧了蠕变过程，从而降低了测得的热硬度。然而，Preikschat的论文清楚表明，基于其较低的强度值，奥氏体粘结相不易经受粘附磨蚀。因此，热硬度和蠕变强度方面的优点可能还无人要求权利。
除上面已提及的其他元素Cr和Mo外，Re和Ru也可用来提高热阻。Fe含量较高的Fe、Co、Ni基粘结合金中的碳含量也能提高热硬度。同时包含纯Co和FeCoNi或FeNi粘结剂的烧结硬金属自然包含部分溶解碳和/或钨。这些元素的浓度必须按照目标方式调节，所述调节可这样完成：在制备混合物和烧结过程中控制碳平衡，测量烧结物的密度和磁性，常常还要测量碳含量。若碳含量过高或过低，它们将形成有害的所谓“η相”，并发生根据ISO 4505分类的碳分离。这两种结果都是非常不利的。具有高热硬度值的硬金属优选通过在使用有高浓度钨的粘结剂来生产，因为这可增加热硬度，尤其是在η相边界上。对规定的碳含量，其他元素如Cr和Mo在粘结金属相中的溶解限度是由在该溶解限度以上出现的η相所决定。
此外，对于进行间断操作的硬金属工具，如间断车削或磨削中的工具，抗热冲性具有影响。此变量有赖于诸如高温下的膨胀系数、热导系数和拉伸强度这样的物理变量。根据切削刃处的所谓蜂窝状裂纹(comb crack)就能判断缺乏抗热冲性。
发明内容
本发明涉及具有以下性质的硬金属工具，尤其是可换的切削插件或其他机械加工工具：
1.具有适合金属机加工的几何特征、具有适合金属机械加工的涂层、至少一个硬材料相以及单相或多相粘结剂的硬金属工具，其特征在于，粘结相中元素铁(Fe)、钴(Co)和镍(Ni)占这些元素总量的比例分别为：Co为0-40重量％，优选5-40重量％；Fe为20-90重量％；Ni为5-75重量％，它们的比例之和为100％。
2.如第1项所述硬金属工具，其特征在于，由烧结过程产生的粘结相与钨形成合金，钨的含量导致合金中既不含η相，也不发生碳分离。
3.如第1项或第2项所述硬金属工具，其特征在于，由烧结过程产生的粘结相与Cr和/或Mo形成合金，Cr和/或Mo的用量为能使合金中不形成η相的最大含量。
4.如第1项至第3项中任一项所述硬金属工具，其特征在于，钴含量低于5％，并与最多达到其溶解限度的钼形成合金，其中通过加入钼金属、其氮化物或其氧化物产生该钼含量。
5.如第1项至第4项中任一项所述硬金属工具，其特征在于，粘结相包含一个、两个或三个选自奥氏体相、马氏体相和四方变形马氏体相(tetragonallydeformed martensitic phase)的混合相。
6.如第1项至第5项中任一项或多项所述硬金属工具，其特征在于，粘结相还包含5-30重量％的铬，且金属Co、Ni、Cr和Fe的重量百分数之和小于或等于100重量％。
7.如第1项至第6项中任一项或多项所述硬金属工具，其特征在于，粘结相还包含最多5质量％的V、Mo和/或Al和/或Ti、W、Ta/Nb、Zr和/或Hf，其各自含量小于或等于相应材料在各情况中的溶解限度，且/或包含最多15质量％的Mn。
8.如第1项至第7项中任一项所述硬金属工具，其特征在于，粘结相还包含氧、氮和/或硼，其含量等于或小于其最大溶解度。
9.如第1项至第8项中任一项所述硬金属工具，其特征在于，通过一定方式调节粘结相中碳的含量，使得没有松散碳的分离。
10.如第1项至第9项中任一项所述硬金属工具，其特征在于，所述涂层包含至少一种难熔金属氮化物、硼氮化物、金刚石、氧化物、硫化物或其混合物。
11.如第1项至第10项任一项所述硬金属工具，其特征在于，所述涂层包含氮化钛、氮化铝钛TiAlN、TiCN、氧化铝、TiTaNbC、碳化钨或其混合物。
12.如第1项至第11项中任一项所述硬金属工具，其特征在于，所述涂层包含至少两层，优选具有不同层厚和/或多种涂层材料的至少两层。
13.如第1项至第12项中任一项所述硬金属工具，其特征在于，所述涂层的层序为TiN/TiCN/Al2O3/TiN或TiN/TiCN7Al2O3/TiN。
14.如第1项至第13项中任一项所述硬金属工具，其特征在于，所述涂层的厚度为0.5-100μm，优选1-50μm，更优选2-20μm，特别优选3-10μm。
15.如第1项至第14项中任一项所述硬金属工具，其特征在于，所述硬材料相的平均粒径为0.1-10μm，优选0.2-7μm，特别优选0.3-4μm或0.5-4μm或1-3μm。
16.如第1项至第15项中任一项所述硬金属工具，其特征在于，所述粘结相不含任何比例的六方相。
17.如第1项至第16项中任一项所述硬金属工具，其特征在于，所述硬材料相包含碳化物、氮化物和/或碳氮化合物，优选难熔金属，和/或其混合物。
18.如第1项至第17项中任一项所述硬金属工具，其特征在于，所述硬材料相包含碳化钨或其混合晶体。
19.如第18项所述硬金属工具，其特征在于，还包含至少一种立方碳化物相或混合碳化物相，立方碳化物相的含量最高可达30重量％。
20.制造第1项至第19项中任一项所述硬金属工具的方法，其特征在于，所述方法包括以下述步骤：
-提供具有上述一项或多项所述组成的粘结剂金属粉末；
-提供硬材料粉末；
-混合所述硬材料和粘结剂金属粉末，得到第一混合物；
-压制所述第一混合物，形成坯体；
-烧结所述坯体，形成烧结体；
-若合适，对所述烧结体进行机械再加工；
-施加上述一项或多项所述涂层。
21.如第20项所述制造硬金属工具的方法，其特征在于，所述硬材料粉末的平均粒径为0.3-10μm，优选0.5-7μm，特别是1-4μm。
22.如第20项或第21项所述制造硬金属工具的方法，其特征在于，所述硬材料的BET表面积为0.1-8m2/g，优选0.2-6m2/g，或者0.1-4m2/g，特别是0.25-4.5m2/g，或者0.3-4m2/g或5m2/g。
23.如第20项-第22项中任一项所述制造硬金属工具的方法，其特征在于，所述硬材料是碳化钨、二碳化钨或它们的混合物。
24.使用第1项至第19项中任一项所述硬金属工具对金属工件或非金属工件进行机械加工的方法。
25.如第24项所述用切削材料对含铬金属工具进行机械加工的方法，其特征在于，切削材料的粘结相中铬的含量不高于工件钢合金中铬的含量。
26.如第24项或第25项所述使用方法，其特征在于，此金属工件是由钢、铸铁、不锈钢以及非铁基合金如超合金、铝、黄铜、钛或塑料、纤维复合材料组成的工件。
具体实施方式
下面寻找一种用于机械加工金属合金的硬金属工具，其中粘结剂的钴含量尽可能低。
概括起来可以这样说，粘合力太强和热阻不足是现有技术中硬金属工具失效的主要原因。因此，迄今尚无人披露在现有技术方案的基础上确实地结合实用的硬金属工具，用于对相应的金属工件进行机械加工。
因此，本发明的任务是提供实用的硬金属切削工具，其特征在于具有减小的粘附磨蚀和增加的热阻，使其适合作为硬金属工具用于机械加工合金，如钢、铸铁、不锈钢以及非铁合金，如超合金。
所述硬金属工具完成了本发明的这个任务。因此，本发明的硬金属工具具有以下特征：
1)涂层，
以及
2)a)FeCoNi基粘结相，它在室温下至少部分是奥氏体，其特征是包含5％-40％Co，90％-20％Fe，最小5％-最大75％Ni(其中不管粘结剂中的其他组分，它们的含量之和总是算作100％)；此外，当作为WC基上的硬金属粘结剂时，还会因烧结过程而包含W和/或C；若合适，当使用Cr和/或Mo的相应碳化物、氮化物或金属粉末时，还包含Cr和/或Mo。
3)适合机械加工金属材料和支承于工具架中的几何特征。
钴的所述范围是考虑了以下两方面因素的折中结果，一方面是与WC接触的粉状粘结合金的吸入毒性增加40％以上，另一方面是粘结剂中钨的溶解度随钴含量的减少而降低。钴含量低于5％时，钨的溶解度太低，必须用溶解度更大的钼代替钨。钼不采用碳化钼化合物形式，因为它们在烧结至不希望的程度中可与例如碳化钨形成混合碳化物，从而使粘结剂失效；而适合采用的是金属氮化物或在烧结过程中可分解的氮化物，使金属钼立即溶解在粘结剂中，从而可使用全部的钼，增加了粘结剂的热阻。
钴含量高于5％时，也可用利用此机制，但不是必须的。
本发明硬金属工具的特征是具有精确的几何特征，其任务是例如将工具插入工具架，该工具架以非正面形式接受切削力，从而形成碎片，使碎片按目标形式碎裂，并在可能的情况下，在除去碎片的同时散逸所产生的热量。所谓可替换的切削插件的常见几何特征是合适的。其特征常常是具有来源于矩形棱柱形或板形、中心往往设孔的基本几何特征，还具有一个或多个切削刃，刃上有按目标方式形成的珩磨部，例如矩形板、六边形板或八边形板。其他切削工具如分离工具因其几何特征而具有自支承性，仅含一个切削刃。其表面常常还具有凸点或浮案的特征，以最大程度减小碎片与切削工具的接触面积。
粘结合金可同时为奥氏体(立方面心)和马氏体(立方体心，在合适的情况下为变形四方)，它可包含所述两相或三相的混合相。然而，优选采用高比例的奥氏体，因为其热硬度与温度有良好的变化关系，所述比例可通过粘结相中Fe、Co和Ni组分的比例进行调节。
说得更具体点，硬金属工具由用于机械加工金属工件(例如钢、铸铁、不锈钢以及非铁基合金如超合金)的硬金属或金属陶瓷切削材料组成，所述材料具有硬材料相、粘结相和涂层，所述硬材料相包含碳化物、氮化物和/或碳氮化合物，所述粘结相由铁、钴和镍组成，其中包含5-40％钴、90-20％铁和5-75％镍，它们的比例加起来为100％。
硬金属工具内粘结相的含量为3-40重量％，优选5-20重量％，它与硬材料相加起来为100％。此外，还可存在例如金刚石、金属间相或氧化物。
此外，本发明涉及硬金属工具在机械加工金属工件方面的使用方法。
在硬金属如金属陶瓷的结构中，粘结剂的作用是在烧结温度下形成液相，它总体能与硬材料相相容，使之散开。液态粘结相的特征是在烧结温度下对硬材料相具有突出的溶解性，但冷却后能将其分离。此外，粘结相的特征是具有相应于应用目的的机械性质和该应用中的温度，因而粘结剂导致尽可能坚硬和粗糙的硬金属或金属陶瓷体的连续性。在机械加工操作中，如对各种钢，特别是奥氏体钢进行车削、磨削或钻孔时，虽然几何特征合适，但经常可观察到硬金属或金属陶瓷切削材料与钢工件发生粘合，由于切削工具的磨损增加，以及由此导致的工件加工质量较差，所以所述情况是不适宜的。
本发明同样解决了这个问题，因为涂层在此发挥了有益作用。
根据本发明，粘结相包含0重量％-40重量％Co，5重量％-75重量％Ni，20重量％-90重量％Fe。此外，在本发明另一实施方式的结构内，可包含5-30重量％Cr，其中金属Co、Ni、Cr和Fe的含量之和不超过100％。在无钴粘结剂中，钴可以不可避免的污染物形式存在。这样，粘结相可在各种情况下另外包含至多5重量％的V、Mo和/或Al，最多至其溶解限度的Ti、W、Ta/Nb、Zr和/或Hf，以及至多15重量％的Mn。此外，粘结剂中可包含最多至其最大溶解度的氧、氮和/或硼。切削材料中的含碳量可以一定方式调节，使得最多存在痕量η相，并且不发生松散碳的分离。较佳的是，粘结相不含任何比例的六方相。
本发明工具中的粘结相可通过使用具有所需组成的粘结剂金属粉末制造工具来得到。制造工具所用的粘结剂金属粉末可利用常规方法得到，如混合粘结剂金属粉末中的元素态金属粉末，或者雾化具有所需组成的熔融合金。预制合金粉末特别适合前述目的，可按例如WO 97/21844、US 8102454、US5912399、WO 00/23631、EP1079950所述，通过在合适的沉淀剂中沉淀金属盐溶液，然后还原，得到所需组成的预制合金粉末。这种预制合金粉末也可如WO 2008/034903所述，以它与元素态粉末的混合物作为粘结剂金属粉末使用。
虽然钢所含金属与碳的反应和相互作用机制非常复杂，但令人意外的是，机械加工金属工件的过程显示，当工具经涂布后，可得到优异的结果。
可用作硬材料相的有常见的碳化物、氮化物和/或碳氮化合物(carbonnitride)，优选难熔金属的上述化合物，以及与立方碳化物的混合物和混合晶体，例如TiTaNbC。其中特别有利的是碳化钨。一般地，硬材料相以粉末形式使用。所用硬材料粉末的平均粒径(根据ASTM-B-330，FSSS)大部分为0.3-10μm，优选0.4-7μm，或者0.5-4μm。所用硬材料粉末的特征是通常具有小于0.1-4m2/g的BET表面积。
然而，也可以使用BET表面积为0.1-8m2/g，优选0.2-6m2/g，特别优选0.25-4.5m2/g或0.3-4m2/g或5m2/g的硬材料粉末。
也可以使用不同性质的粉末的混合物，例如平均粒径为1μm的碳化钨粉末与平均粒径为5μm的碳化钨粉末的混合物。
在本发明的又一个实施方式中，使用碳化钨(WC)与二碳化钨(W2C)的混合物作为硬材料相。所述混合物可以粉末混合物存在，也可以粉末粒子中含两种物质的混合物的形式存在。
然而，也可以使用BET表面积为1-8m2/g，优选2-6m2/g，特别优选2.5-4.5m2/g，或者3-4m2/g或5m2/g的硬材料粉末，特别是碳化钨粉末。
所述涂层由难熔金属氮化物、硼氮化物、金刚石、氧化物、硫化物或其混合物组成。特别合适的有氮化钛TiN、氮化铝钛TiAlN、TiCN、TiAlSiN、Al2O3、TiTaNbC、MoS2或其混合物。一些介稳态或无定形涂层也是合适的，如TiAlN或钨/碳。
此外，也可以采用具有不同层厚和涂层材料的多层涂层。可能的层序有例如TiN/TiCN、Al2O3/TiN、TiN/TiCN、Al2O3/TiN。涂层的常见厚度为数微米至数百微米。多数情况下，涂层的总厚度为1-50μm，优选2-20μm，特别优选3-10μm。
这些涂层可通过CVD(化学气相沉积)、PVD(物理气相沉积)或相关方法施加。
若合适，在施加涂层之前，可通过烧结或后处理对硬金属基材表面上或表面附近区域的组成加以改变，以获得理想的层粘合。
一般地，所述涂层非常适应具体的待机械加工材料和硬金属。所述涂层优选处于压缩应力下；拉伸应力常常导致裂纹和剥落。
本发明的硬金属工具适用于机械加工金属工件或非金属工件。
这样一来，这些工件可以是含铬金属工件，其中在切削材料，即根据本发明制备硬金属工具的材料的粘结相中，铬的含量不高于工件的钢合金中铬的含量。
此外，所述工件可由钢、铸铁、不锈钢以及非铁基合金如超合金、铝、黄铜或钛制成。也可加工非金属材料，例如纤维复合材料或热塑性塑料或硬塑性塑料，它们也可利用纤维如玻璃纤维或碳纤维、填充剂或其他增强材料如纳米复合物增强。
本发明还涉及制造上述一项或多项所述硬金属工具的方法，所述方法包括以下步骤：
-提供具有本发明组合物的粘结剂金属粉末；
-提供硬材料粉末；
-混合所述硬材料和粘结剂金属粉末，得到第一混合物；
-压制所述第一混合物，形成坯体；
-烧结所述坯体，形成烧结体；
-若合适，对所述烧结体进行机械再加工；
-施加本发明涂层。
上面描述了合适的粘结金属粉末和硬材料粉末。在本发明的一个具体实施方式的框架中，可通过制备具有所需组成的预制合金金属粉末来提供所述粘结剂金属粉末，如WO 97/21844、US 8102454、US 5912399、WO 00/23631、EP1079950所述，这些文献前面已经参考过。在本发明的又一个实施方式的框架中，可通过混合预制合金金属粉末和一种或多种仅由一种金属组成的元素态粉末，即金属粉末来提供，如WO 2008/034903所述，该文献前面已经参考过。
较佳的是，所述硬材料粉末的一个特征是其平均粒径为0.3-10μm，优选0.5-7μm，更优选1-4μm。所述硬材料粉末的另一个特征是其BET表面积为0.1-8m2/g，更优选0.2-6m2/g，或0.1-4m2/g，特别优选0.25-4.5m2/g，或0.3-4m2/g或5m2/g。较佳的是，碳化钨或这些物质的混合物可用作硬材料。
所述混合方法优选通过常用湿研磨法在例如悬浮体中实施。
第一混合物还可包含压制或烧结助剂，例如蜡材料、长链羧酸、其酯和盐，或者聚合物如聚乙二醇或聚丙烯酸酯。
坯体压制方法一般通过单轴压制法在50-250MPa的压力下实施。
烧结方法多数在1200℃-1600℃、优选1250℃-1550℃的温度下，在惰性气氛或真空中进行。
实施例
实施例1)
在研磨机中，通过湿研磨获得由94重量％WC和6重量％粘结剂组成的硬金属粉末混合物，其中WC的粒径为0.8微米(ASTM B330)，粘结剂由70Fe12Co18Ni组成，然后在常规喷雾干燥器中处理所得混合物，产生粒状材料。已通过一定方式调节混合物的含碳量，使所得硬金属不会在烧结时产生任何有害的第三相，例如游离碳相或缺碳相(η相)。按照以下步骤制备具有CNMG120408型几何特征的硬金属可替换切削插件：通过轴向干压制制备球粒；随后在石墨烧结炉中，在1450℃真空中烧结1小时。对硬金属半成品的金相检查表明，硬金属的特征是具有均匀结构，WC粒径约为0.6微米。粘结剂分布良好，观察到的粒径高达3微米的WC粗颗粒非常少。硬金属的硬度为1920kg/mm2(10kg负荷下的维氏硬度，“HV10”)。射线检测表明，所述粘结剂主要由马氏体和少量残余奥氏体组成。
将硬金属可替换的切削插件的坯体研磨至所需尺寸，珩磨切削刃，随后涂布工业领域常见的TiAlN基PVD涂层。进行寿命测试，即在不用冷却剂的情况下车削42CrMo4型低合金钢，切削速度为250m/min，进给速度为0.3mm/转，切削深度为2mm。
比较例1)：具有相同几何特征、相同涂层和相同组成，但完全结合钴的常规WC-Co硬金属的寿命为5分钟，相比之下，实施例1中WC-70Fe12Co18Ni硬金属在相同机械加工条件下的寿命可达6分钟。达到寿命终点的标准是磨损标记的宽度(“VBmax”)达到0.2mm。
实施例2)
如上所述，根据常规方法制备由94重量％WC和6重量％粘结成分组成的硬金属粉末混合物，其中WC的粒径为0.8微米，粘结成分由50Fe25Co25Ni组成。烧结硬金属的硬度为1850kg/mm2(HV10)。所得结构非常均匀，不存在＞2微米的WC粗粒。粘结剂是纯奥氏体。将用于可替换切削插件的烧结坯体研磨，其中一部分涂布常见的TiAlN基PVD涂层，层厚约为5μm。另一部分可替换切削插件的坯体涂布常见的TiN/TiCN/Al2O3/TiN基CVD涂层，总层厚为8微米。对这些经PVD和CVD涂布的可替换切削插件进行寿命测试，即在CNC受控的处理中心车削钢42CrMo4，切削速度为220m/min。
比较例2)：为比较目的而制备的组成相同的WC-Co可替换切削插件显示在未涂布形式下具有6分钟的寿命，而经PVD涂布的WC-50Fe25Co25Ni可替换切削插件的寿命为8.5分钟，具有相同基材、经CVD涂布的可替换切削插件的寿命为8.0分钟。达到寿命终点的标准是磨损标记的宽度VBmax达到0.2mm。WC-Co可替换切削插件的寿命较低与切削刃的较高塑性变形和工件表面结构相应变差有关。
实施例3)
在研磨机中，通过湿研磨获得由83.5重量％WC、8％混合碳化物和8.5重量％粘结剂组成的硬金属粉末混合物，其中WC的粒径为1.1微米，混合碳是由TiTaNbC组成的混合晶体，粘结剂由70Fe12Co18Ni组成，然后在常规喷雾干燥器中处理所得混合物，产生粒状材料。已通过一定方式调节混合物的含碳量，使所得硬金属不会在烧结时包含任何有害的第三相，例如游离碳相或η相。制造具有CNMG120408型几何特征的硬金属可替换切削插件，随后在石墨烧结炉中，在1450℃真空中烧结1小时。对硬金属半成品的金相检查表明，硬金属的特征是具有均匀结构，WC粒径约为1.2微米，混合晶体的粒径为1微米。粘结剂分布良好。硬金属的硬度为1600kg/mm2(HV10)，射线检测表明，所述粘结剂主要由马氏体和少量残余奥氏体组成。
将硬金属可替换切削插件的坯体研磨至所需尺寸，珩磨切削刃，随后涂布常见的TiN/TiCN/Al2O3/TiN基CVD多层涂层，总层厚为8微米。进行寿命测试，即在不用冷却剂的情况下车削42CrMo4型低合金钢，切削速度为200m/min，进给速度为0.32mm/转，切削深度为2mm。
比较例3)：具有相同几何特征、相同涂层和相同组成的常规硬金属WC-TiCTaC-Co(P20/P25型)的寿命为10分钟。在相同机械加工条件下，WC-TiC-TaC-70Fe12Co18Ni硬金属的寿命可达12分钟。达到寿命终点的标准是磨损标记的宽度VBmax达到0.2mm。
在寿命终结时，结合钴的常规硬金属工具的切削刃发生明显的塑性变形，而结合FeCoNi的硬金属工具发生一定的月牙洼磨损(crater wear)和自由面磨损(free surface wear)。涂层呈现磨损迹象，但仍保持完好。未观察到粘附磨蚀的迹象。

Claims (16)

1.一种具有适合金属机械加工的几何特征、具有适合金属机械加工的涂层、至少一个硬材料相以及单相或多相粘结相的硬金属工具，其特征在于，粘结相中元素铁(Fe)、钴(Co)和镍(Ni)占这些元素总量的比例分别为：Co为0-40重量％，优选为5-40重量％；Fe为20-90重量％；Ni为5-75重量％，它们的比例之和为100％。
2.如权利要求1所述硬金属工具，其特征在于，由烧结过程产生的粘结相与Cr和/或Mo形成合金，Cr和/或Mo的最大用量为能使合金中不形成η相。
3.如前述权利要求中任一项所述硬金属工具，其特征在于，钴含量低于5％，并与最多达到其溶解限度的钼形成合金，其中通过加入钼金属、其氮化物或其氧化物产生钼含量。
4.如前述权利要求中任一项所述硬金属工具，其特征在于，粘结相包含5-30重量％的铬，且金属Co、Ni、Cr和Fe的百分数之和小于或等于100重量％。
5.如前述权利要求中任一项所述硬金属工具，其特征在于，粘结相还包含最多5质量％的V、Mo和/或Al和/或Ti、W、Wa/Nb、Zr和/或Hf，其各自含量小于或等于相应材料在各情况中的溶解限度，且/或包含最多15质量％的Mn。
6.如前述权利要求中任一项所述硬金属工具，其特征在于，通过一定方式调节粘结相中碳的含量，使得没有松散碳的分离。
7.如前述权利要求中任一项所述硬金属工具，其特征在于，所述涂层包含氮化钛、氮化铝钛TiAlN、TiCN、氧化铝、TiTaNbC、碳化钨或其混合物。
8.如前述权利要求中任一项所述硬金属工具，其特征在于，所述涂层包含至少两层，它们优选具有不同层厚和/或涂层材料。
9.如前述权利要求中任一项所述硬金属工具，其特征在于，所述涂层的层序为TiN/TiCN/Al2O3/TiN或TiN/TiCN7Al2O3/TiN。
10.如前述权利要求中任一项所述硬金属工具，其特征在于，所述涂层的厚度为0.5-100μm，优选1-50μm，更优选2-20μm，特别优选3-10μm。
11.如前述权利要求中任一项所述硬金属工具，其特征在于，所述硬材料相的平均粒径为0.1-10μm，优选0.2-7μm，特别优选0.3-4μm或0.5-4μm或3μm。
12.如前述权利要求中任一项所述硬金属工具，其特征在于，所述硬材料相包含碳化物、氮化物和/或碳氮化合物，优选难熔金属，和/或其混合物，并包含最多30重量％的一种或多种立方碳化物相。
13.一种制造前述权利要求中任一项所述硬金属工具的方法，其特征在于，所述方法包括以下述步骤：
-提供具有上述一项或多项权利要求所述组成的粘结剂金属粉末；
-提供硬材料粉末；
-混合所述硬材料和粘结剂金属粉末，得到第一混合物；
-压制所述第一混合物，形成坯体；
-烧结所述坯体，形成烧结体；
-若合适，对所述烧结体进行机械再加工；
-施加上述一项或多项权利要求所述涂层。
14.一种制造前述权利要求中任一项所述硬金属工具的方法，其特征在于，所述硬材料粉末的平均粒径为0.3-10μm，优选0.5-7μm，特别是1-4μm。
15.使用前述权利要求中任一项所述硬金属工具对金属工件或非金属工件进行机械加工的方法。
16.如权利要求24或25所述使用方法，其特征在于，此金属工件是由钢、铸铁、不锈钢以及非铁基合金如超合金、铝、黄铜、钛或塑料、纤维复合材料组成的工件。
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