用于木材切削应用的钴基合金的制作方法

本发明涉及钴基合金，并且具体地讲，涉及用于木材切削应用的钴基合金和相关联的工具。
背景技术：
：木材切削是复杂的过程，其中许多现象交叉。各种因素有助于产生良好的切削。这些因素通常包括锯片速度、张力、厚度、宽度、锐度或齿角(间隙、面、钩)、齿槽形状和深度、齿距或间距、木材进给速度和木材种类。与金属和各种合金系统相比，木材不是均质且不同的材料，而是多面且非均质的生物材料。工具磨损可由严重的断裂或碎裂(灾难性)、磨蚀、侵蚀、微断裂、温度效应、电化学腐蚀、水分和/或氧化引起。此外，锐利的切削刃对广泛了解的加工质量具有积极影响，并且因此从工业角度来看，增加工具的使用寿命至关重要。然而，在许多情况下，用于金属加工的切削工具和相关联的材料在很大程度上不适用于木材切削应用。因此，需要开发新的材料系统来解决木材切削应用中遇到的独特条件和因素。技术实现要素：在一个方面，本文描述了钴基合金，该钴基合金具有允许木材切削应用所需的硬度、耐腐蚀性、韧性和耐磨性的平衡的组成和微观结构。简而言之，钴基合金包含量为15-30体积％的富铬碳化物相，量为9-15体积％的富钨相，以及余量的包含镍、铬、钒和钨的富钴固溶体基质。在另一个方面，描述了工具制品。在一些实施方案中，工具制品包括由钴基合金形成的一个或多个切削元件，该钴基合金包含量为15-30体积％的富铬碳化物相，量为9-15体积％的富钨相，以及余量的包含镍、铬、钒和钨的富钴固溶体基质。切削元件可以是用于木材切削应用的锯片的尖端。在另一个方面，描述了用于切削工具制造的线或杆。例如，用于切削工具制造的线或杆包含钴基合金，该钴基合金包含量为15-30体积％的富铬碳化物相，量为9-15体积％的富钨相，以及余量的包含镍、铬、钒和钨的富钴固溶体基质。在一些实施方案中，线或杆在切削工具形成中熔化。如本文所详述，钴基合金的线或杆可被熔化以形成用于木材切削应用的锯片的尖端。在另外的方面，描述了切削木材的方法。在一些实施方案中，切削木材的方法包括由钴基合金形成锯片的切削尖端，该钴基合金包含量为25-32重量％的铬、量为18-21重量％的钨、量为4-6重量％的镍、量为0.5-1.5重量％的钒、量为0.1-1重量％的碳、量为0-2重量％的硼，以及余量的钴。将切削尖端联接到锯主体，并且通过锯主体的移动用尖端切削木材。这些和其他实施方案在下文的具体实施方式中进一步描述。附图说明图1是根据一些实施方案的在本文中描述的钴基合金的扫描电子显微照片(sem)。图2示出根据一些实施方案的相对于stellitetm12钴基合金，本文所述的钴基合金对5％hcl水溶液的重量耐腐蚀性。图3示出根据一些实施方案的与stellitetm12相比，本文所述的钴基合金对10％h2so4水溶液的耐腐蚀性。图4示出根据一些实施方案的用于木材切削的尖端的各种结构特征。图5示出根据一些实施方案的对于本发明和对比钴基合金的切削尖端宽度相对于木材切削长度的变化。图6示出根据一些实施方案的对于本发明和对比钴基合金的切削尖端直径相对于切削长度的变化。图7示出根据一个实施方案的钴基合金尖端。具体实施方式参考以下具体实施方式和实施例以及前述和下述内容可更容易地理解本文所述的实施方案。然而，本文所述的元素、设备和方法并不限于具体实施方式和实施例中所述的具体实施方案。应当认识到，这些实施方案仅示例性地说明本发明的原理。在不脱离本发明实质和范围的情况下，多种修改和变更对于本领域技术人员而言将是显而易见的。i.钴基合金在一个方面，本文描述了钴基合金，该钴基合金具有允许木材切削应用所需的硬度、韧性、耐腐蚀性和耐磨性的平衡的组成和微观结构。钴基合金包含量为15-30体积％的富铬碳化物相，量为9-15体积％的富钨相，以及余量的包含镍、铬、钒和钨的富钴固溶体基质。在一些实施方案中，富铬碳化物相和富钨相分散在整个富钴固溶体基质中。图1是根据一些实施方案的钴基合金的sem。富钴基质相是灰色的，其中分散有富铬碳化物相(黑色)。富钨相(白色)也分散在富钴基质相中。现在转向特定组分，富铬碳化物相以15-30体积％的量存在于钴基合金中。在一些实施方案中，富铬碳化物相以选自表i的量存在。表i-富cr碳化物相(体积％)17-2819-2720-2522-24在一些实施方案中，富铬碳化物相包含选自由m7c3、m23c6、m6c及其混合物组成的组的碳化物，其中m是铬或铬与钨和钴中的至少一者的组合。如图1所示，富铬碳化物相可表现出若干形态，包括不规则形状、球状、米粒状或它们的混合。如本文所述，富钨相以9-15体积％的量存在于钴基合金中。富钨相还可以10-14体积％或10.5-12.5体积％的量存在。在一些实施方案中，富钨相与富钴固溶体基质中的富铬碳化物相相邻和/或接触。富钨相可包含一种或多种物质，包括但不限于含钨的复合碳化物(co3w3c、co6w6c)和/或金属间化合物诸如co3w和/或co7w6。其中分散了富钨相和富铬碳化物相的富钴固溶体基质可包含与钴形成固溶体的若干元素组分。例如，富钴固溶体可包括镍、铬、钒和钨。在一些实施方案中，存在附加过渡金属，包括但不限于铁、钼和/或其他ivb-viiib族过渡金属。富钴固溶体基质形成余量的合金组合物。因此，富钴基质相可通常以55-76体积％的量存在。在一些实施方案中，富钴固溶体基质以65-70体积％的量存在。富钴固溶体的晶体结构可以是立方、六方或它们的混合物。在一些实施方案中，富钴固溶体的晶体结构是面心立方(fcc)、六方密堆积(hcp)或它们的混合。如果需要，可以选择稳定钴的立方晶体结构的元素以用于与钴形成合金以形成富钴固溶体。例如，稳定钴的立方晶体结构的元素可以以与钴形成固溶体的总元素的13-20重量％的量存在。在一些实施方案中，立方稳定元素以与钴形成固溶体的总元素的14-17重量％的量存在。稳定钴的立方晶体结构的元素可选自由铁、镍、锰、钒、碳及其各种混合物组成的组。独立于铁、镍、锰、钒和碳的那些立方稳定元素或者除了铁、镍、锰、钒和碳的那些立方稳定元素之外还可采用其他立方稳定元素。在一些实施方案中，本文所述的钴基合金中不包括强mc碳化物形成元素。当形成mc碳化物时，若干元素显示出吉布斯自由能的大的负变化。此类元素可与铬竞争以用于碳化物形成。如本文进一步所述，在一些实施方案中，在钴基合金组合物中碳含量可被限制为0.1至1重量％。为了排除对有限碳的竞争并且有利于形成富铬碳化物相，在金属碳化物形成时引起吉布斯自由能的大变化的元素通常可被最小化或排除在钴基合金之外。在一些实施方案中，例如，钛、锆、铌、铪和/或钽被最小化或排除在本文所述的钴基合金之外。当最小化时，这些元素可单独以小于0.5重量％的量存在。除了上述微观结构相之外，钴基合金可具有30至35的铬/碳比。在一些实施方案中，cr/c比为31-34或32-33。在这些范围内的cr/c比可为钴基合金提供对各种腐蚀性物质的期望抵抗性，所述腐蚀性物质包括但不限于盐酸(hcl)、硫酸(h2so4)和/或硝酸(hno3)。图2示出相对于可从宾夕法尼亚州拉特罗布的肯纳公司(kennametal,inc.,latrobe,pa)商购获得的stellitetm12钴基合金，本文所述的钴基合金对5％hcl水溶液的耐腐蚀性。如图2所示，具有本文所述的组成和特性的钴基合金与stellitetm12相比表现出显著更小的重量损失，并且在相当长的时间内维持更高的耐腐蚀性。图3示出与stellitetm12相比，本文所述的钴基合金对10％h2so4水溶液的耐腐蚀性。本文所述的钴基合金具有优异的耐h2so4性，在400小时的暴露时间内基本上不表现出重量损失。相比之下，stellitetm12样品在250小时的暴露时间内重量下降了近20％。除了cr/c比之外，钴基合金可具有20至25的钨/碳比。在一些实施方案中，w/c比为21-24或22-23。具有上述值中的任一个的w/c比可有助于钴合金组合物的耐磨性，从而延长由合金组合物形成的切削元件的寿命。图4-图6示出由本文所述的钴基合金提供的耐磨性的增强。切削尖端由本文所述的钴基合金通过超固液相烧结制造，并且与由stellitetm12通过超固液相烧结制造的切削尖端进行比较。测量木材切削后的切削尖端宽度和切削尖端直径作为耐磨性的指标。切削尖端宽度的变化被定义为从起始尖端宽度的变化，该宽度是磨损和未磨损齿面的切线之间的距离。切削尖端直径是最适合齿尖的圆形的尺寸。这些结构原理在图4中进一步示出。图5示出了切削尖端宽度相对于木材切削长度的变化。如图5所示，与由stellitetm12形成的切削尖端相比，由具有本文所述组成和特性的钴基合金形成的切削尖端表现出显著更大的耐磨性。类似地，由本文所述的钴基合金形成的切削尖端显示出尖端直径显著更小的侵蚀，如图6所示。钴基合金还可包含硼。对于本合金系统，硼可降低表面张力以增强切削元件形成期间钴基合金的致密化。如本文进一步所述，在一些实施方案中，切削元件可通过包括超固液相烧结的粉末冶金技术由钴基合金形成。当存在时，硼可结合到富铬碳化物相中。例如，硼可形成cr7(c,b)3和/或cr23(c,b)6。值得注意的是，已发现(cr+v)/(c+b)比在钴基合金的延展性和韧性中起作用。虽然金属碳化物形成增强了硬度和耐磨性，但是需要延展性和韧性来抑制或防止钴基合金的破裂和破损，特别是在切削未经处理的木材的高度可变的操作条件下。在一些实施方案中，(cr+v)/(c+b)比具有大于10的值。在其他实施方案中，钴基合金的(cr+v)/(c+b)具有选自表ii的值。表ii-(cr+v)/(c+b)的值≥15≥2010-4015-3020-25如本文进一步详述，具有在该第i部分中描述的组成和特性的钴基合金可被提供为用于切削工具形成的线或杆。在一些实施方案中，线或杆在切削工具形成中(诸如在切削元件的焊接沉积中)熔化。钴基合金的线或杆例如可被熔化以形成用于木材切削应用的锯片的尖端。ii.工具制品在另一个方面，描述了工具制品。在一些实施方案中，工具制品包括由钴基合金形成的一个或多个切削元件，该钴基合金包含量为15-30体积％的富铬碳化物相，量为9-15体积％的富钨相，以及余量的包含镍、铬、钒和钨的富钴固溶体基质。切削元件可以是用于木材切削应用的锯片的尖端。形成切削元件(包括锯片的尖端)的钴基合金可具有本文在第i部分中描述的任何组成和/或特性。例如，钴基合金可具有在第i部分中描述的cr/c和w/c比。此外，富铬碳化物相可包含选自由m7c3、m23c6、m6c及其混合物组成的组的碳化物，其中m是铬或铬与钨和钴中的至少一者的组合。包括锯片尖端的切削元件可具有用于木材切削应用的任何设计、几何形状、角度和/或间距。在一些实施方案中，由本文所述的钴基合金形成的切削尖端通过焊接或钎焊接合到锯主体。例如，切削尖端可被涂覆有钎焊材料，并通过电阻焊接或感应焊接接合到锯主体以确保足够的粘结强度。在此类实施方案中，通常通过粉末冶金技术来预先形成切削尖端，该粉末冶金技术包括粉末形式的钴基合金的超固液相烧结。另选地，切削尖端可通过线或杆形式的钴基合金的焊接沉积来沉积。钴基合金杆或线可通过连续铸造或通过粉末冶金技术生产。iii.切削木材的方法在另外的方面，描述了切削木材的方法。在一些实施方案中，切削木材的方法包括由钴基合金形成锯片的切削尖端，该钴基合金包含量为25-32重量％的铬、量为18-21重量％的钨、量为4-6重量％的镍、量为0.5-1.5重量％的钒、量为0.1-1重量％的碳、量为0-2重量％的硼，以及余量的钴。将切削尖端联接到锯主体，并且通过锯主体的移动用尖端切削木材。钴基合金的组成方面可被特别设定为向切削尖端提供第i部分中描述的微观结构相，包括富铬碳化物相、富钨相和富钴固溶体。例如，稳定钴的立方晶体结构的元素可以以与固溶体相中的钴形成合金的总元素的13-20重量％的量包含在合金中。稳定钴的立方晶体结构的元素可选自由铁、镍、锰、钒、碳及其各种混合物组成的组。独立于铁、镍、锰、钒和碳的那些立方稳定元素或者除了铁、镍、锰、钒和碳的那些立方稳定元素之外还可采用其他立方稳定元素。此外，在金属碳化物(mc)形成时引起吉布斯自由能的大变化的金属可通常被最小化或排除在钴基合金之外。在一些实施方案中，例如，钛、锆、铌、铪和/或钽被最小化或排除在本文所述的钴基合金之外。在一些实施方案中，最小化或排除这些金属可促进富铬碳化物相的形成。另外，硼可存在于钴基合金组合物中。如本文所述，钴基合金可表现出具有大于10的值的(cr+v)/(c+b)比。在其他实施方案中，钴基合金的(cr+v)/(c+b)具有选自上表ii的值。用于木材切削应用的切削尖端可通过若干方法由钴基合金形成。在一些实施方案中，提供具有该第iii部分中详述的组成参数的粉末钴基合金，并且进行液相烧结以提供切削尖端。在此类实施方案中，切削尖端预先形成并随后通过钎焊或焊接联接到锯主体。另选地，钴基合金被提供为杆或线，以用于在锯主体上焊接沉积切削尖端。由切削尖端切削的木材可以是任何形式，包括未加工或未经处理的木材。例如，包括本文所述的尖端的锯片可在现场用于从森林采伐木材。在其他实施方案中，由切削尖端切削的木材经历了一个或多个加工步骤。木材切削也可在各种温度下进行。在一些实施方案中，当由钴基合金形成的尖端切削时，木材处于冷冻或部分冷冻状态。通过以下非限制性实例对这些和其他实施例进行进一步说明。实施例1-钴基合金切削尖端示于图7中的c150-240尖端由具有本文在第i部分中描述的组成的钴基合金形成。切削测试采用具有17.125”直径和42齿的10”vda锯。钩角为30°，并且上升切削spf木材。没有观察到尖端破损和碎裂，并且钴基合金尖端比stellitetm12对应物锐利25-30％。尖端接地良好，并且在切削8小时后，锯维持锐度并且比stellitetm12比较锯更锐利。因此，在8小时的切削后，stellitetm12锯需要磨锐，而采用本文所述的钴基合金的锯在随后的使用中不需要磨锐。实施例2-钴基合金切削尖端wg7140欧式尖端由具有本文在第i部分中描述的组成的钴基合金形成。切削测试采用具有19”直径和35齿的较大vda锯。钩角为28°，并且上升切削云杉、松树和香脂木材。应当注意，由本文所述的钴基合金形成的尖端比stellitetm12尖端更容易磨削，并且尖端看起来比stellitetm12尖端更锐利。在切削16至24小时后，钴基合金尖端需要最小的磨锐，指示高耐磨性。实施例3-钴基合金切削尖端250×0.140三角形切削尖端由具有本文在第i部分中描述的组成的钴基合金形成。切削测试采用具有22”直径和24齿的锯。钩角为30°，并且上升切削雪松木材。测试在寒冷的冬天用脏的木材进行。切削尖端持续整整一天的切削(8-9小时)，而无需更换。针对实现本发明多个目的，现已描述了本发明的多个实施方案。应当认识到，这些实施方案仅示例性地说明本发明的原理。在不脱离本发明实质和范围的情况下，其多种修改和变更对于本领域技术人员而言将是显而易见的。当前第1页12