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                    • 專利名稱:工具的制作方法
                      技術領域
                      本發明涉及適用于對材料進行鑽孔或研磨的硬質合金工具(hard metal tool)。
                      現有技術
                      本發明涉及工具的幾何學,其特征是工具由硬質合金構成,工具具有 縱軸和橫截面,該縱軸也是材料加工過程中的旋轉軸,而橫截面與該縱軸 垂直並且橫截面外圍呈圓形。工具的直徑d(相當于外圍圓形的直徑)小于工 具的長度,其比例爲l/d,其中l是旋轉軸的長度。在鑽孔的過程中,將繞 著縱軸旋轉的工具抵靠在待鑽孔的材料上加壓。工具端部的切割邊産生碎 屑,在鑽孔達到一定深度後,立即通過工具圓柱體表面中的一個或多個螺 旋形或直線形通道除去這些碎屑。1/d比例可以在5-20之間;但是,對于電 子工業中加工印刷電路板的微型鑽頭而言,該比例無論如何要達到200。在 研磨的情況中,對工具進行額外的設計,這樣不僅提供在端部的通道,而 且還提供具有與圓柱體表面橫切的切割效應的通道;可以完全或部分地省 略碎屑輸送通道。
                      在鑽孔的情況中,工具的橫截面必須能傳遞一定的扭矩,該扭矩由切 割力和通道內碎屑輸送力組成。如果碎屑滯塞,則産生峰值負載。通道中 能承擔負載的橫截面面積減小,可能造成裂紋開始急劇生長,結果導致工 具破裂。
                      不斷小型化的趨勢造成可傳遞扭矩的二次方下降以及工具直徑的減 小,而切割力僅僅是線性下降。由于工具破裂的可能性增加,導致加工的 可靠性下降。這特別影響用于電子工業中印刷電路板的鑽孔和研磨的工具 以及深孔鑽頭。
                      研磨不僅産生鑽孔中所述的負載,而且還産生橫向力,即相對于旋轉軸垂直作用的力。工具在達到磨損極限之前過早或不可預計地破裂,將形 成廢料、出現計劃外的故障,以及耗費時間更換工具,造成經濟損失。
                      待傳遞的最大工具力取決于硬質合金材料的性質, 一般可通過熟悉的
                      機械性質值如彎曲破裂強度或斷裂韌度(Ku:)來確定。在硬質合金工業中, 通常依據Shetty公式由維氏硬度壓痕(Vickers hardness indentation)的裂紋 長度、硬度和負載計算斷裂韌度。然而,彎曲破裂強度描述包含能引發斷 裂的缺陷的實體,Kic值表征了材料本身的斷裂韌度,因而說明了一種材料 完全不含缺陷時的潛在強度,因此更適合系統性地比較材料,而無需考慮 微觀結構的品質。工具的耐磨性和硬度之間存在一種大致的正相關性。但 是,在各情況中只能以犧牲另一種性質爲代價來提高硬度和強度。例如, 希望所描述的工具能夠在不損失硬度的情況下提高強度,或者在不損失強 度的情況下提高硬度。
                      硬質合金即作爲粘結劑的鐵族的金屬("粘結劑相")和硬質材料(碳化 物,氮化物,"硬質材料相")的複合材料具有更優越的性質,意味著這些材 料比其它類型的材料在加工(例如有機/無機地)金屬、石頭和複合材料方面 更容易被人接受。碳化鎢具有高硬度和耐磨性,再結合高彈性模量,因此 在這方面特別突出。所用的金屬粘結劑主要是钴。燒結操作說明該金屬粘 結劑不僅包含W和C,而且如果使用例如碳化鉻作爲硬質材料,則還可能 包含部分Cr。在一些情況中,金屬粘結劑還可包含Fe和Ni。 EP 1 007 751 Al描述了使用包含Fe、 Co和Ni的粘結劑提供塑性改進的硬質合金,該材 料在燒結後歸爲完全奧氏體粘結劑相。WO 99/10550描述了用于鑽孔和研 磨的具有奧氏體粘結劑相的工具,其中金屬粘結劑包含40-90重量%的Co 和各4-36重量%的Ni和Fe,其中Fe禾Q Ni以1.5:1-1:1.5的比例存在。
                      己經知道,通過改變硬質合金中金屬粘結劑相的Fe:Co:Ni比例可以在 很寬的範圍內調整相組成。盡管完全由钴粘結的硬質合金(purely Co-bound hard metal)中的金屬粘結劑相在燒結後是奧氏體,並且在承受負載時可能變 爲六方體,WO 99/10550揭示了 FeCoNi粘結劑合金在燒結後穩定的奧氏體 晶格態的益處。粘結劑合金包含90-60重量%的Co,構成100重量%的其 余成分是Fe和Ni,其中Fe:Ni比例約爲1+/-0.5。由于這類完全奧氏體粘結劑相具有穩定的晶格類型,所以它們在直至熔點的所有溫度下都能提供
                      益處。在Wittmann論文中對合金體系FeNi進行的研究特別明顯;在這些 研究中,在從完全奧氏體粘結劑相(FeNi 80/20)向雙相區(FeNi 85/15)轉變 時,硬度增加,而裂紋長度之和明顯減小。所研究的同樣在雙相奧氏體/馬 氏體區中的具有粘結劑體系FeCoNi 70/10/20的硬質合金的裂紋長度之和 也小于完全由钴粘結的硬質合金的裂紋長度之和。因此,與奧氏體粘結劑 相相比,在不損失強度的情況下提高硬度或在不損失硬度的情況下提高強 度的要求可以用奧氏體/馬氏體粘結劑相來實現。但是,在本發明人精確評 估Wittmann的論文並由硬度、裂紋長度和負載之類的詳細數據計算K1C 值後,已經發現存在一定比例的馬氏體相並不是獲得高K,c值所必需的條 件;例如從FeNi 85/15粘結的硬質合金的性質及其K^值隨通過射線照相 術確定的碳含量和馬氏體含量變化的進程可以看出這一點。實際上,與具 有相同硬度的钴粘結的硬質合金相比KK:值的增加似乎是具有高鐵含量和 高Ni:Co比的粘結劑合金的性質,並且似乎與作爲必要條件的馬氏體相的 存在沒有根本聯系。因此,依據本發明,優選的是Fe含量爲50-90重量%, 更優選是Fe含量在65-90重量%的範圍內。
                      發明概述
                      本發明的目的是提高由硬質合金制備的研磨和鑽孔工具的強度,並由 此提高其承擔負載的能力,從而提高加工可靠性。同時,硬度應保持在相
                      當的水平。通過一種研磨和鑽孔工具來實現該目的,該工具具有任選的雙 相(奧氏體/馬氏體)粘結劑相,該相滿足以下條件Fe含量爲50-90重量%, Co:Ni小于l。爲了增加熱硬度,金屬粘結劑相可有利地包含其它合金添加 劑如Cr。
                      重要的是該工具的功能區由硬質合金構成。因此,該工具可以是帶鋼 柄的,也就是說只有實際的工具部分是由硬質合金構成的,而加工工具的 過渡部分由不同材料構成,例如鋼。可通過例如收縮配合或焊接等連接方 法實現過渡。
                      因此,本發明涉及一種硬質合金工具,該工具圍繞其自身的縱軸旋轉,其l/d比(長度與直徑的比)爲2-200,用于切割加工材料,所述工具至少包
                      含雙相奧氏體/馬氏體粘結劑相和硬質材料。
                      具體而言,本發明涉及一種硬質合金工具,該工具圍繞其自身的縱軸
                      旋轉,其l/d比(長度與直徑的比)爲2-200,用于切割加工材料,所述工具 包含粘結劑相和硬質材料,其中所述粘結劑相由具有鐵、鎳和钴主粘結劑 成分的硬質合金粘結劑相組成,其中鐵含量爲50-90重量%,鎳含量爲10-30 重量%,钴含量最多爲30重量%。因此,钴含量爲0-30重量%或5-30重 量%。
                      以下粘結劑組分含量是有利的Fe爲70-90重量%,優選爲75-85重 量%或70-80重量%; Ni爲10-20重量%,優選爲15-20重量%或18-20重 量,任選的钴含量爲4-15重量%或5-12重量%。
                      Co:Ni比例優選小于或等于1,特別優選爲0.5-0,該比例與粘結劑中 這些金屬的以重量百分數(重量%)表述的量有關。
                      以下粘結劑組成是特別有利的
                      Fe 70-90重量%, Co0-30重量。/q, Ni 10-20重量%;或 Fe 75-85重量%, Ni 15-20重量%;或 Fe 75-85重量%, Co 4-15重量%, Nil5-20重量%;或 Fe 70-80重量%, Co5-12重量0/。, Ni 18-20重量%。 如果Co:Ni比例小于或等于1或爲0-0.5,則這些粘結劑組合物是特別 有利的。
                      特別優選的各粘結劑組合物的例子是FeNi 85/15, 82/18和80/20, FeCoNi 70/12/18, FeCoNi 80/5/15, 70/10/20, 65/20/15和75/5/20。
                      粘結劑成分含量以基于粘結劑組合物的重量百分數給出。上述小于或 等于l或者小于0.5的钴:鎳比例與這些金屬的以重量百分數表述的量有關。
                      在本發明的該實施方式中,除了不可避免的雜質外,粘結劑不含上述 組分以外的任何其它組分。
                      在本發明的另一個實施方式中,粘結劑還包含元素C、 N、 Cr、 V、 W、 Mo、 Ta、 Nb、 Hf、 Ti、 Zr、 Mn、 Ru、 Re、 Al、 Ce和La,這些元素可單 獨存在或者以組合的形式存在。可使用相應的氮化物、碳化物或碳氮化物,或者使用元素粉末來引入這些元素。以整個粘結劑相爲基准計,這些元素
                      的總含量最高可以達到10重量%。加入這些元素還適合促進Fe-Co-Ni粘 結劑的多相性(polyphasicity),或者甚至促進該粘結劑的單相性 (monophasicity)。這些元素在粘結劑中的含量適宜爲0.05-10重量%,優選 爲0.1-5重量%。在本發明的該實施方式中,除了不可避免的雜質外,粘結 劑不含任何其它組分。 .
                      所用粘結劑的其它組分還可以是不可避免的雜質,例如氧、氮、銅和 錳。這些雜質中的一些或全部在燒結後都可能存在于粘結劑相中。
                      構成本發明的工具的硬質合金所具有的粘結劑含量爲3-50重量%,特 別優選爲5-25重量%。
                      依據本發明,在燒結後粘結劑相任選地是雙相。這意味著粘結劑相在 燒結後要麽直接是雙相或多相的,要麽在使用過程中粘結劑相轉變爲雙相 或多相的。
                      粘結劑的單相性、雙相性或多相性也可通過額外的熱處理來實現,即 例如對工具進行退火的額外的熱處理步驟。這類熱處理、冷卻和回火操作 是冶金和鐵基合金處理技術領域的技術人員熟知的。但是,熱處理也不可 避免地受到不同處理步驟的影響,其中要麽對工具進行加熱,要麽是依賴 摩擦熱或焊接過程中不可避免地放熱。
                      另外,工具任選地包含一種硬質材料,該硬質材料包含一個或多個增 加強度的精細分布的第三相,該第三相選自氧化物、氮化物、碳化物或金 屬間相。合適的硬質材料是本領域技術人員已知的;以下列出的僅僅是例 子碳化鎢、碳化釩、碳化鉻、碳化钛、碳化钽、碳化铌或氮化钛、或它 們相互的混合相。
                      還可對所述工具設置一個或多個塗層,例如金剛石、氧化鋁、氮化钛 或氮化钛鋁。這些塗層可通過CVD或PVD方法或它們的組合施加,如果 合適,還可以交替的方式施加。
                      所述工具還可以具有沿縱軸不同的粘結劑相比例,以及/或者沿著與工 具縱軸橫切的徑向不同的相組成,以及/或者沿著縱軸和/或橫軸不同的粘結 劑體積比。所述工具可任選地沿軸具有空心區域,以向切割邊提供冷卻劑而便于 加工。
                      特別地,本發明的工具可用于加工複合材料、印刷電路板、鐵基或非 鐵基金屬材料、木材、石材(例如,建築石材和土)或它們的組合。可通過 鑽孔和/或研磨進行加工。因此,本發明還涉及使用本發明的工具通過鑽孔 或研磨來加工材料。
                      因此,本發明另外還涉及用于加工材料(特別是上述材料)的裝置,其 中所述裝置包括本發明的工具。
                      實施例
                      1.在磨碎機中通過濕研磨生産硬質合金粉末混合物,該混合物包括90 重量%的粒度爲0.8微米FSSS(ASTMB330)的WC粉末和10重量%的由 預合金的70Fel2Col8Ni粉末(以重量X計的合金元素的量)組成的粘結劑合 金,在常規噴霧幹燥機中處理該混合物,形成細粒。在噴霧幹燥之前,在 不斷攪拌下,向濕研磨後除去研磨球得到的懸浮液中加入石蠟乳液,使得 噴霧幹燥的細粒中的蠟含量爲2重量%。通過以一定的方式加入炭黑來設 定混合物中的碳含量,使得在燒結後,硬質合金不含任何有害的第三相, 例如遊離碳或缺碳碳化物("T1相")。可以使用擠出(爲此目的,事先使用有機 增塑劑進行捏和)和軸向幹壓生産硬質合金圓棒,然後驅除有機增塑成分或 蠟後,在石墨燒結爐中在145(TC真空燒結1小時。半成品的硬質合金産品 的金相學研究表明該硬質合金具有以下特征均勻的微觀結構,WC粒度 約爲0.8微米。粘結劑分布良好,只能觀察到極少的粒度達到3微米或以上 的WC粗粒。硬質合金的硬度爲1720HV10,射線照相術的研究顯示粘結劑 由馬氏體和奧氏體組成。對硬質合金坯件進行磨削,形成用于加工金屬的 長度D=10毫米(尺寸類似于DIN 6527)的三邊研磨工具(three-edged milling tools),然後在工具上設置工業上常用的TiAlN基PVD塗層。在以250米/ 分鍾的切割速度在42CrMo4型低合金鋼上進行仿形銑削的過程中測試工具 壽命。作爲比較的常規WC-Co硬質合金的工具壽命爲70份;則用 WC-FeCoNi硬質合金在相同加工條件下實現的工具壽命爲100份。2.按照實施例l所述,生産一種硬質合金粉末混合物,該混合物包括
                      92重量X的粒度爲0.6微米FSSS的WC和8重量X的由預合金的85Fel5Ni 組成的粘結劑,在將該混合物與合適的塑料粘結劑捏和後,在柱塞式壓出 機中成形,在燒結後形成直徑爲3.25毫米的硬質合金坯件。通過HIP方法 燒結的硬質合金的硬度爲1900HV10。微觀結構非常均勻,沒有粒度大于2 微米的WC粗粒。對該坯件進行加工,形成直徑爲1.5毫米的硬質合金銑 刀。這些工具用于在常規工業操作條件下加工電子工業中使用的印刷電路 板,這些操作條件指基底材料、鑽孔條件、鑽孔基底、CNC機器、抽吸-提取體系、以及進料和旋轉速度的測試參數。作爲比較的由WC-Co構成的 銑刀在破裂行爲測試中的工具壽命爲10.1m,而包含FeNi粘結劑的銑刀在 該測試中的工具壽命爲13.5mm。還測試了 WC-85Fel5Ni硬質合金作爲直徑 小于0.3毫米的鑽頭用于印刷電路板的情況。標准鑽頭的平均磨損爲11個 單位,而WC-FeNi鑽頭的磨損只有8.5個單位。關于鑽頭的使用壽命,標 准鑽頭的使用壽命爲3500個鑽孔,而WC-FeNi鑽頭的使用壽命達到4500 個鑽孔。常規WC-Co鑽頭與WC-FeNi鑽頭相比,主切割邊斷裂的風險更 高。
                      權利要求
                      1.一種硬質合金工具,該工具圍繞其自身的縱軸旋轉,其l/d比爲2-200,用于對材料進行鑽孔或研磨,其中所述硬質合金工具包含硬質材料相和粘結劑相,其中主要的粘結劑成分是鐵、鎳和钴,鐵含量爲50-90重量%,鎳含量爲10-30重量%,钴含量最多爲30重量%,並且基于重量%钴與鎳的Co∶Ni比小于或等于1。
                      2. 如權利要求l所述的工具,其特征在于,硬質合金的粘結劑含量爲3- 50重量%。
                      3. 如權利要求2所述的工具,其特征在于,所述粘結劑相在燒結後是 雙相或多相的,或者在使用過程中轉變爲雙相或多相的。
                      4. 如權利要求3所述的工具,其特征在于,所述粘結劑的雙相性或多 相性可通過熱處理實現。
                      5. 如權利要求3所述的工具,其特征在于,所述粘結劑的多相性受C、 N、 Cr、 V、 Ta、 Mo、 W、 Nb、 Hf、 Ti、 Zr、 Mn、 Ru、 Re、 Al、 Ce和La 等單獨的元素或它們的組合影響,基于整個粘結劑相,這些元素的含量之 和最多爲10重量%。
                      6. 如權利要求1至5中任一項所述的工具,其特征在于,多相Fe-Co-Ni 粘結劑包含一個或多個增加強度的精細分布的第三相,該第三相選自氧化 物、氮化物、碳化物或金屬間相。
                      7. 如權利要求1至6中一項或多項所述的工具,其特征在于,所述工 具具有一個或多個塗層。
                      8. 如權利要求l至7中一項或多項所述的工具,其特征在于,所述工 具沿縱軸具有不同的粘結劑相比例。
                      9. 如權利要求1至8中一項或多項所述的工具,其特征在于,所述工 具沿與工具縱軸橫切的徑向方向具有不同的相組成。
                      10. 如權利要求l至9中一項或多項所述的工具,其特征在于,所述 工具沿縱軸和/或橫軸具有不同的粘結劑體積比例。
                      11. 如權利要求1至10中一項或多項所述的工具,其特征在于,所述工具只有功能區是由硬質合金構成的。
                      12. 如權利要求1至11中一項或多項所述的工具,其特征在于,所述 工具沿軸具有空心區域,以爲切割邊提供冷卻劑而便于加工。
                      13. 如權利要求1至12中一項或多項所述的工具,其特征在于,特別用于加工複合材料、印刷電路板、鐵基或非鐵基金屬材料、木材、石材(例 如,建築石材和土)或它們的組合,所述加工操作適宜通過鑽孔和/或研磨進行。
                      14. 如權利要求1至13中一項或多項所述的工具通過鑽孔或研磨在對 材料進行加工中的應用。
                      15. —種用于加工材料的裝置,其特征在于,所述裝置包含如權利要 求1至13中一項或多項所述的工具。
                      全文摘要
                      本發明的主題涉及適用于對材料進行鑽孔或研磨的硬質合金工具。
                      文檔編號C22C29/08GK101652490SQ200880011402
                      公開日2010年2月17日 申請日期2008年4月7日 優先權日2007年4月11日
                      發明者L·帕卡什 申請人:H.C.施塔克有限公司
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