[发明专利]超高强度可涂层TiCN基含钴钢结硬质合金及制备方法

说明书

本发明涉及一种超高强度、可涂层TiCN基含钴钢结硬质合金螺纹工具及其制造方法。其特征在于所述材料以含Co的Fe‑Mo‑Cr合金钢为基体，并加入质量分数为20%~35%的TiCN作为硬质相；采用高能球磨后定量预氧化增氧的方式活化粉末表面，提高基体烧结活性，继而利用烧结时的碳氧还原反应大大降低氧含量(＜800ppm)，并降低烧结温度；并引入强化元素钴改善合金的抗回火性、PVD涂层性以及强韧性。本发明材料具有高强度(2800~4000MPa)、高韧性(αk=7~15J/cm²，K_IC=20~28 MPa·m^1/2)，可突破传统钢结硬质合金仅用于中低端耐磨件的局限，制备出比高速钢更耐磨、比硬质合金耐崩刃的PVD涂层挤压和切削丝锥等螺纹工具。

技术领域

本发明属于工模具材料领域，具体提供了一种具有超高强度和高冲击韧性的含钴可涂层TiCN基钢结硬质合金。该材料在螺纹工具和 PVD涂层螺纹工具以及其他刀具领域具有很大的性能优势和应用潜力。

背景技术

螺纹工具对工具材料的耐磨性、韧性和强度具有较高的要求。如挤压丝锥是利用金属塑性变形原理而加工内螺纹的一种新型螺纹刀具，国内的高端挤压丝锥完全依赖进口，相较于切削丝锥及其他切削刀具，其具有螺纹强度高、工具不易磨损且寿命长等优点。进口挤压丝锥以粉末冶金高速钢材料为主，如PM30，但是在加工30HRC以上的工件时耐磨性不足，而用硬质合金制成的挤压丝锥则极易崩刃。

钢结硬质合金是一种以难熔金属硬质化合物为硬质相，以铁基合金作粘结相制成的硬质合金，兼有碳化物的硬度和耐磨性以及钢的良好力学性能和可热处理性能。但是，传统钢结硬质合金的抗回火性能不足，且强度一般低于1400MPa，因此其应用范围局限于中低端的模具或耐磨件领域，一般不能满足工具材料的使用要求。这主要的原因包括：高的杂质含量、低的致密度、较差的基体抗高温性能和硬质相与基体金属的润湿性差。

为此，本发明基于钢结硬质合金良好的热处理工艺的基础上，提出在传统钢结硬质合金中添加Co作为强化金属元素。其有益作用在于，一方面促进了C的扩散，有利于烧结过程中碳氧反应以及活化烧结的进行；同时，Co的添加有利于提高基体金属与硬质相的润湿性，提高马氏体点，并促进了材料回火过程中的二次硬化；最重要的是，由于Co的加入，可以有效地提高材料抗回火能力，材料在560-600℃仍具有较好的回火稳定性，可作为一种新型的PVD涂层材料，且材料强度高、抗崩刃、冲击韧性好。

本发明采用新型预氧化活化烧结工艺，在干燥过程中通过精确控制增氧量，把粉末氧含量控制在2.0～2.5％左右，再结合一定配碳量，在后续烧结的碳氧反应、活化烧结、和真空排气进行完全后，可达到碳、氧含量远远低于商业钢结硬质合金生产标准。同时，与专利 CN201510168558中所述的以铁-稀土中间合金作为添加剂的TiCN基钢结硬质合金材料相比，本发明不仅具有高强度、高韧性、杂质少、使用寿命高的特点，且其工艺流程短，设备简单、成本低，在较低的温度(1250～1350℃)下致密度即可达到99.5％以上，热处理后材料强度高、抗崩刃性能好，在实际的生产实践中都得到了有效的印证。

相较于传统WC-Co硬质合金和以TiC作为硬质相的GT35钢结硬质合金等，本发明提供的TiCN基含钴钢结硬质合金具有高硬度、高耐磨的同时，材料的冲击韧性好、特别是在强度、抗回火性能和耐崩刃、可涂层等方面都获得很大程度的优化。在未来的研究和发展中，本发明提供的一种具有低成本、高强度且高韧性的钢结硬质合金，有望克服硬质合金易崩缺、高速钢不耐磨损等不足成为最佳的挤压丝锥材料，并大量应用于工模具领域。此外，由于PVD涂层需要在中温环境中进行，易导致钢铁材料发生相变、体积变化和硬度变化，导致涂层结合力不强，本发明涉及的材料可为开发PVD钢结硬质合金涂层刀具提供一个新方向。

发明内容

本发明的目的在于开发出一种具有超高强度和高冲击韧性的含钴可涂层TiCN基钢结硬质合金材料，以满足人们在现代工业中对材料耐磨耐冲击、可涂层、使用寿命高等性能要求，尤其是工具材料。