加工工具的制作方法

由硬质合金材料制成的切削加工工具通常用于切削加工含金属材料，特别是金属和含金属复合材料。硬质合金材料是一种复合材料，其中可以特别由金属碳化物和碳氮化物组成的硬质颗粒嵌入延性金属粘合剂中。其中硬质颗粒至少主要由碳化钨(wc)形成并且粘合剂是钴基或镍基合金，特别是钴基合金的硬质合金材料是最普遍的。基于金属的合金意味着该金属形成合金的主要成分。

作为切削加工工具，使用固体烧结硬质材料工具，其中切削区域与烧结硬质材料的工具轴一体形成，以及还具有由可固定到工具的主要元素的烧结硬质材料制成的可更换切削刀片的工具。在固体烧结硬质材料工具的情况下，可以任选地通过不同的烧结硬质材料类型形成各种区域。此外，切削加工工具通常还设置有硬质材料涂层，其通过例如pvd(物理气相沉积)工艺或cvd(化学气相沉积)工艺沉积在烧结硬质材料上。

在具有可更换的切削刀片的切削加工工具领域中，有时将切削硬质材料用于切削刀片，其中金属粘合剂由钴-钌合金(co-ru合金)形成。除了钴和钌之外，co-ru合金还可以包含其他元素。然而，已经发现这些已知的烧结硬质材料还不具有高热强度，碳化钨晶粒的细晶粒尺寸和高断裂韧性的组合，这是许多切削加工应用所期望的。

本发明的目的是提供一种用于含金属工具的改进的切削加工工具以及用于含金属材料的切削加工工具的烧结硬质材料的相应改进的用途，借助于该切削加工工具，尤其是实现了高热强度，细晶粒尺寸和高断裂韧性的改进组合。

该目的通过如权利要求1所述的用于含金属材料的切削加工工具实现。有利的实施例在从属权利要求中指出。

切削加工工具具有由烧结硬质材料构成的基础材料，该硬质材料具有嵌入韧性金属粘合剂中的硬质材料颗粒。金属粘合剂是co-ru合金。硬质材料颗粒至少主要由碳化钨的平均晶粒尺寸为0.1-1.2μm的碳化钨形成。基材的(co+ru)含量为烧结硬质材料重量的5-17％，ru含量(钌含量)为(co+ru)含量重量的6-16％，mo含量(钼含量)在烧结硬质材料重量的0.1-3.0％范围内，ti(钛)，ta(钽)和/或nb(铌)的含量在每种情况下小于烧结硬质材料重量的0.2％。和v含量(钒含量)为<0.3％的烧结硬质材料重量，优选<0.2％重量。就本发明目的而言，(co+ru)含量是烧结硬质材料中钴和钌的总含量(以重量％计)，其通过添加以重量％计的co含量(钴含量)和ru含量(钌含量)以重量％计。特别地，使用所示范围内的ru含量可以实现高的热强度。在ru含量低于总粘合剂含量的约6％重量(即(co+ru)含量)时，没有实现令人满意的热强度改善，而在过高的ru含量高于(co+ru)含量的约16％重量时，微观结构性能受到不利影响。已经发现，有针对性地添加钼对烧结硬质材料的性质具有特别有利的影响，特别是wc的细晶粒尺寸和高断裂韧性的特别有利的组合。钼尤其可以以mo2c(碳化钼)的形式添加，但也可以添加例如金属钼。已发现添加所示量的钼是特别有利的。当mo的加入量大于3.0％(重量)时，至少没有观察到烧结硬质材料性能的进一步改善。为了获得高硬度，可以有利地添加少量的钒，特别是以vc(碳化钒)的形式，但v含量不应超过烧结硬质材料的约0.3％重量以避免脆化，从而降低断裂韧性。v含量应优选小于烧结硬质材料重量的0.2％。取决于所得烧结硬质材料的所需性能，添加少量ti，ta和/或nb也是有利的，其中添加尤其可以以tic，tac，nbc的形式进行或混合碳化物的形式进行。然而，为了不危及通过所示的ru含量和mo含量实现的性能改进，重要的是保持ti含量，ta含量和nb含量在每种情况下至少低于烧结硬质材料重量的0.2％，优选在每种情况下低于烧结硬质材料重量的0.15％。用于含金属材料的切削加工工具例如可以构造为固体烧结硬质材料工具，其中用于切削加工的切削区域与由烧结硬质材料构成的轴一体形成。然而，例如，也可以使用具有不同烧结硬质材料的区域，例如，切削区域具有与轴区域不同的胶合硬质材料类型。然而，切削加工工具例如也可以构造为可更换的切削刀片，该切削刀片构造成用于紧固到合适的刀架。在用于含金属材料的切削加工工具中由硬质合金材料构成的基础材料也可任选地以本身已知的方式设置有硬质材料涂层，该硬质材料涂层尤其可通过以下方式形成：cvd(化学气相沉积)工艺或pvd(物理气相沉积)工艺。根据本发明的用于含金属材料的切削加工工具提供了高热强度，细晶粒尺寸和高断裂韧性的特别有利的组合，其特别地还适用于切削加工难以加工的材料，特别是高合金钢，钛合金和高温合金。特别地，基础材料的组成可以通过xrf(x射线荧光分析)的元素分析来确定。

在一个实施方案中，烧结硬质材料的mo含量为烧结硬质材料重量的0.15-2.5％。mo的含量约为0.15％(重量)时，mo的积极效果变得特别明显。由于成本原因，添加超过2.5％重量的烧结硬质材料也是不利的。

在一个实施方案中，碳化钨的平均晶粒尺寸为0.15μm-0.9μm。已经发现，特别是硬度，断裂韧性和热强度的有利组合，其不仅可以用于可更换的切削刀片而且还可以用作固体烧结硬质材料工具，可以在这样的晶粒尺寸下与表示烧结硬质材料的组成相结合被获得。

在一个实施方案中，所述烧结硬质材料还具有cr含量在(co+ru)含量的重量0-7.5％，优选重量2-7.5％。

为了在烧结过程中可靠地抑制wc晶粒的不希望的晶粒生长，从而获得所需的均匀的小晶粒尺寸的碳化钨晶粒，添加cr作为晶粒生长抑制剂的量至少为(co+ru)含量的(重量)2％是有利的。由于cr在粘合剂中可溶至一定百分比，因此cr含量适当地基于烧结硬质材料的粘合剂含量，即基于(co+ru)含量。另一方面，cr含量必须保持足够低，低于(co+ru)含量的约7.5％，以便不会使得钴对碳化钨颗粒的润湿产生不利影响。

cr含量优选小于ru含量。特别地，cr含量优选小于ru含量的一半。在这种情况下，首先可靠地获得所需的热强度增加，并且实现碳化钨颗粒的相对小的平均晶粒尺寸，但另一方面，粘合剂对碳化钨颗粒的润湿不会受到不必要的损害。避免了碳化铬的析出物。

在一个实施方案中，ru含量为(co+ru)含量的重量的8-14％。在这种情况下，由于相对高的ru含量，可靠地实现了热强度的显着增加，另一方面，可能对微观结构性能产生不利影响的过高的ru含量也可靠地被预防。

在一个实施方案中，ti，ta和/或nb的含量在每种情况下为0-0.15％重量。换句话说，例如，可以在烧结硬质材料中不存在ti，ta和nb，但是也可以仅有ti，ta和nb中的一种，ti，ta和nb中的两种。或者全部三种在硬质合金材料中分别以0.15％(重量)的量存在。以这种方式，烧结硬质材料的性质可以首先另外受到元素的有针对性添加的影响，另一方面，ti，ta和/或nb的含量也允许使用已经含有少量ti，ta和/或nb的原始材料，例如由于在回收过程中回收的烧结硬质材料粉末。

(ti+ta+nb)的总含量优选为烧结硬质材料重量的0-0.2％，更优选为重量的0-0.15％。在这种情况下，ti，ta和nb的额外总量保持很小，以致通过ru含量和mo含量以及任选的cr含量实现的积极效果不会受到不利影响。

在一个优选的实施方案中，烧结硬质材料的wc含量为80-95％重量。

在一个实施例中，切削加工工具的基础材料可另外设置有cvd或pvd硬质材料涂层。在这种情况下，切削加工工具的特性可以更好地与加工含金属材料的条件相匹配。然而，应该注意的是，根据要加工的材料，还可以发现没有进一步硬质材料涂层的加工是有利的。

在一个实施例中，切削加工工具被配置为固体烧结硬质材料工具，其具有与轴一体形成的切削区域。已经发现，通过所示组合物可以实现高热强度，高硬度和同时相对高的断裂韧性的组合特别有利于这种切削加工工具。

该目的还通过使用用于如权利要求12所述的用于含金属材料的切削加工工具的烧结硬质材料来实现。有利的实施例在从属权利要求中指出。

烧结硬质材料具有嵌入韧性金属粘合剂中的硬质材料颗粒。金属粘合剂是co-ru合金。硬质材料颗粒至少主要由碳化钨的平均晶粒尺寸为0.1-1.2μm的碳化钨形成。该烧结硬质材料的(co+ru)含量为烧结硬质材料的5-17％重量，ru含量为(co+ru)含量的6-16％重量，mo含量在烧结硬质材料的0.1-3.0％重量，ti，ta和/或nb的含量在每种情况下<0.2％烧结硬质材料的重量，优选在每种情况下<0.15％重量，和v含量<0.3％烧结硬质材料的重量，优选<0.2％重量。高热强度，细晶粒尺寸和高断裂韧性的特别有利的组合特别适用于难以加工的材料的切削加工，特别是高合金钢，钛合金和超合金，通过这种用途实现烧结硬质材料。

在一个实施方案中，烧结硬质材料的cr含量为(co+ru)含量的2-7.5％重量。作为用于设定cr含量的原始粉末，可以使用特别是cr3c2粉末。但是，例如，也可以以相应的量添加氮化铬粉末，碳氮化铬粉末等。已经发现添加所示量的铬是特别有利的。

本发明的其他优点和有用方面可以从以下参考附图的工作实例的描述中得出。

附图显示：

图1a)和b)是根据第一实施例的用于含金属材料的切削加工工具的示意图；

图2是根据第二实施例的用于含金属材料的切削加工工具的示意图，该切削加工工具具有容纳切削加工工具的工具主元件；

图3：根据实施方案的第一实施例的用于含金属材料的切削加工工具的由烧结硬质材料组成的基材的10000×放大的电子显微照片；和

图4：根据实施方案的第二实施例的用于含金属材料的切削加工工具的由烧结硬质材料构成的基材的10000×放大的电子显微照片。

实施方案

第一实施例

用于含金属材料的切削加工工具1的第一实施例示意性地示于图1a)和图1b)中，且图1a)是沿切削加工工具1的纵向轴线的示意性端面视图。图1b)是垂直于纵轴的方向的示意性侧视图。

如图1a)所示和如图1b)所示，根据第一实施例，用于含金属材料的切削加工工具1构造为具有与轴2一体形成的切削区域3的固体烧结硬质材料工具。尽管用于于含金属材料的切削加工工具1配置为图1a)和图1b)所示中的铣刀。例如，也可以将固体烧结硬质材料工具配置用于其他切削加工操作，例如，如钻，铰刀，去毛器等。

切削加工工具1具有由烧结硬质材料4构成的基础材料，该硬质材料4具有嵌入韧性金属粘合剂5中的硬质材料颗粒6。金属粘合剂5是co-ru合金，其包含钴和钌以及其他合金元素，如下所述。硬质材料颗粒6至少主要由碳化钨形成，wc颗粒的平均晶粒尺寸在0.1μm至1.2μm的范围内。除了wc晶粒之外，还可以以相对少的量存在其他硬质材料颗粒，例如tic，tac，nbc等。该烧结硬质材料的钴和钌((co+ru)含量)总含量为烧结硬质材料重量的5-17％，ru含量为(co+ru)含量的重量的6-16％。。该烧结硬质材料还具有钼含量为烧结硬质材料重量的0.1-3.0％。ti，ta和nb的含量在每种情况下小于烧结硬质材料的0.2％重量，并且钒含量同样小于0.3％重量，优选小于0.2％重量。烧结硬质材料还可以优选包含铬，铬含量优选为(co+ru)含量的2至7.5％重量。切削加工工具1的制造在粉末冶金生产过程中进行，如下面将参考具体实例所述。尽管在该实施例中存在由单个烧结硬质材料构成的单件式构造，但是例如也可以使切削加工工具1的各种区域具有不同的烧结硬质材料类型。

第二个实施例

用于含金属材料的切削加工工具100的第二实施例在图2中示意性地示出。根据第二实施例的切削加工工具100构造为可更换的切削刀片，其构造成用于紧固到工具主元件101。

尽管用于车削的切削刀片示意性地描绘为图2中的切削加工工具100，切削刀片也可以配置用于不同类型的加工，例如，尽管所示的特定切削刀片构造成通过紧固螺钉紧固，但是用于以另一种方式紧固的构造，例如，用于铣削，钻孔等。通过夹具，夹紧楔等固定也是可能的。

如参照第一实施例所述，根据第二实施例的切削加工工具100还具有由烧结硬质材料4构成的基底材料。

例子

根据以下实施例的用于含金属材料的切削加工工具的基础材料的烧结硬质材料的生产，在每种情况下在粉末冶金生产过程中进行，具有原始粉末，即wc粉末，co粉末。在每种情况下，ru粉末，mo2c粉末和任选的cr3c2粉末和/或vc粉末在第一步骤中彼此混合。在各自不含任何钌的比较例子中，不使用ru粉末。

作为co粉末，使用平均粒径为0.6-1.8μm的粉末，特别是平均粒径为约0.8μm(fsss1μm)。作为ru粉末，使用可获得的具有相对大的平均粒径为约38.5μm的粉末，但是具有例如<1μm至95μm的粒径的其他ru粉末也可以容易地使用。此外，平均粒径为约1-2μm的cr3c2粉末也是用过。所用的wc粉末的平均粒径为0.3-2.5μm，特别是约0.8μm。所用mo2c粉末的平均粒径为约2μm。平均粒径为约1μm的vc粉末被使用。

在实验中，将粉末混合物在立式球磨机中加入包含乙醚和常规压制助剂(例如石蜡)的研磨介质约3小时进行研磨。然后以这种方式获得的悬浮液以本身已知的方式在喷雾干燥器中喷雾干燥。

随后在实验中通过干袋压制生产棒状生坯。以这种方式生产的用于工具坯料的生坯随后在1430℃下在烧结-hip工艺(hip＝热等静压)中致密化。

从以这种方式制造的工具坯料的一部分，以本身已知的方式通过研磨生产固体烧结硬质材料铣刀作为用于含金属材料的切削加工工具1，然后使用这些进行切削加工实验。

此外，还将通过研磨生产的悬浮液喷雾干燥，并将所得颗粒在模压机中压实，用于生坯，用于部分实施例中的可交换切削刀片。这些用于可更换切削刀片的生坯也随后以相应的方式烧结，以便生产可更换的切削刀片，作为用于含金属材料的切削加工工具100。

尽管上面已经描述了涉及添加有机溶剂的研磨和随后的喷雾干燥的生产，但是例如也可以使用水代替有机溶剂作为研磨介质，如生产硬质合金材料的粉末冶金技术领域中已知的那样。此外，可以使用本领域中常用的其他成型方法，特别是挤出或模压，代替所述的干袋压制。为了调节工具坯料的碳余量，可以以本身已知的方式另外引入少量炭黑或钨。代替实验中使用的cr3c2粉末，也可以使用相应量的例如氮化铬粉末或碳氮化铬粉末。代替实验中使用的mo2c粉末，也可以使用金属mo粉末。在一些实施例中，使用在喷雾干燥器中通过喷雾干燥，在旋转蒸发器中干燥并随后使用具有250μm筛孔的筛子进行筛分来代替在研磨操作之后获得的干燥悬浮液。

应当注意，在上面的描述中，烧结硬质材料的成分的含量部分地基于总的烧结硬质材料并且部分地基于(co+ru)含量。此外，在上面的描述中，经常参考相应金属cr，mo等的含量。在下面的制备实施例(以及表1)的描述中，其中所得组合物是根据各原料的比例确定的，另一方面，比例通常以烧结硬质材料的％重量表示。在每种情况下，构成100％所需的重量百分比由碳化钨组成。

例1

制备具有下列组成的烧结硬质材料作为用于含金属材料的切削加工工具的基础材料。

实施例1的烧结硬质材料的co含量为烧结硬质材料的10％重量，ru含量为1.5％重量，mo含量通过添加0.6％重量的mo2c粉末，余量为碳化钨(wc)。硬质合金的生产是在粉末冶金过程中进行的。这导致：(co+ru)含量为烧结硬质材料的11.5％重量，ru含量为(co+ru)含量的约13％重量，mo含量为约烧结硬质材料的0.56％重量。

通过维氏硬度测量(hv30)测定样品的硬度，并测定断裂韧度kic(shetty)。为了检查碳余量和所得的晶粒尺寸，以本身已知的方式确定磁矫顽力场强度hc和饱和磁化强度4πσ。根据国际标准iso4499-2：2008(e)，粒度也被测量为“线性截距长度”。ebsd抛光部分的图像作为基础。这些图像的测量方法例如描述于：k.p.mingard等人，“ebsd与传统硬质金属粒度测量方法的比较”，国际耐火金属与硬质材料杂志27(2009)213-223”。所确定的值总结在下面的表2中。图3中示出了根据实施例1的样品的抛光部分的10000×放大的电子显微照片。

例2

以与实施例1中所述的烧结硬质材料的制备类似的方式，使用co含量为10％重量，ru含量为1.5％重量，通过添加cr含量为0.6％的制备cr3c2粉末的重量和另外的mo含量为通过添加0.6％重量的mo2c，余量为碳化钨(wc)，设定的烧结硬质材料。这导致：(co+ru)含量为烧结硬质材料的11.5％重量，ru含量为(co+ru)含量的约13％重量，cr含量为(co+ru)含量的约4.5％重量，并且mo含量为烧结硬质材料的约0.56％重量。

再次，确定表2中总结的测量参数。根据实施例2的样品放大10000×的电子显微照片示于图4中。从实施例1的比较可以看出，附加的cr含量对硬度具有正面影响，具有基本相同的断裂韧性。

比较例1

作为比较例1，以类似的方式生产，烧结硬质材料具有co含量为烧结硬质材料的11.5％重量，mo含量为通过添加mo2c粉末的0.6％重量，余量为碳化钨(wc)。

对于该比较例1，也确定了表2中所示的测量参数。

表2中总结的结果的比较显示仅获得显着更低的硬度。

例3

以类似于上述制备方法的方式，另外的烧结硬质材料额外具有更高的mo含量，如下：10％重量的co，1.5％重量的ru，1.2％重量的mo2c。结果是：(co+ru)含量为烧结硬质材料的11.5％重量，ru含量为(co+ru)含量的约13％重量，mo含量为烧结硬质材料的约1.1％重量。

确定的测量值可以从表2中看出。

比较例2

以类似的方式，如下制备烧结硬质材料作为比较例2：10％重量的co，1.5％重量的ru，余量为wc。

从表2中可以看出，在这种情况下仅实现了显着更低的断裂韧性。

例4

作为例4，使用以下原料制备另外的烧结硬质材料作为用于含金属材料的切削加工工具的基础材料：8.7％重量的co，1.3％重量的ru，0.6％重量的cr3c2，0.3％重量的mo2c。结果是：(co+ru)含量为烧结硬质材料的10％重量，ru含量为(co+ru)含量的约13％重量，cr含量为(co+ru)含量的约5.2％重量和mo含量约为烧结硬质材料重量的0.28％。

从表2中的测量值可以看出，如所预期的，在较低的总粘合剂含量(co+ru)下实现了显着更大的硬度，但是与之相关的断裂韧性的降低令人惊讶地仅相对较小。

比较例3

作为比较例3，还研究了一种无钌烧结硬质材料，其co含量按重量计算为10％，mo和cr含量与例4相当。

从表4中可以看出，在实施例4中实现了比在该比较例3中显着更大的硬度hv30。

例5

作为实施例5，使用以下原料，通过适当的制造方法，制造烧结硬质材料作为含金属材料的切削加工工具的基础材料：5.5％重量的co，0.8％重量的ru，0.4％重量的cr3c2,0.2％重量的mo2c。结果是：(co+ru)含量为烧结硬质材料的6.3％重量，ru含量为(co+ru)含量的约13％重量，cr含量为(co+ru)含量的约5.5％重量和mo含量为烧结硬质材料重量的约0.19％。

从表2中可以看出，硬度的显着增加是由于总粘合剂含量(co+ru)显着降低，令人惊讶的是，观察到的断裂韧性仅有相对小的降低。

例6

作为用于含金属材料的切削加工工具的基础材料的烧结硬质材料由以下起始材料制备：如例6所示：13％重量的co，1.9％重量的ru，1.2％重量的cr3c2,0.8％重量的mo2c。结果是：(co+ru)含量为烧结硬质材料的14.9％重量，ru含量为(co+ru)含量的约13％重量，cr含量为(co+ru)含量的约7％重量和mo含量约为烧结硬质材料重量的0.75％。

表1

表2

表1总结了各个例和比较例的组合物，以硬质合金的重量百分比计，在每种情况下通过wc形成100％的余量。表2总结了各个例和比较例的测定值。