本发明的合金预期用于的切削工具在大量的机械加工操作中使 用。这些工具的主要实例为钻头，其当前占世界上这些材料消耗的绝 对多数。其它重要的工具为研磨机、丝锥(tap)、平头钉(tack)、 锯和刀头。对于这些应用，要求所用的合金具有若干性能，其中这三 种是最重要的：耐磨损性、考虑到高的机械加工温度的耐热性、和为 了避免工具切削区域的裂开或断裂的韧性。
金属机械工业是这类工具的最大消费者。在主要使用钻头的钻孔 操作中，最大产量生产和新式设备当前除了硬质合金以外还使用大量 用碳化物基材料制成的工具。该材料可以分类为金属陶瓷化合物。在 磨损方面它提供显著的寿命增长，尽管它具有明显更高的成本。另一 方面，较低复杂性的操作主要使用硬质铁基合金，作为例如铝钻孔或 其它非铁合金、木材切削、较低产量机械加工和同样重要的家庭应用。 另外，硬质金属的较大脆性导致较高的振动所造成的断裂敏感性，从 而除了阻碍它们在一些特定类型的工具例如丝锥中的使用以外，还阻 碍它们在旧设备中的使用。
因此，硬质铁基合金除了由于其同等重要的相对于硬质金属工具 的成本竞争力以外，由于其机械和摩擦性能而极大地用于切削工具中。 然而，世界上钢和铁基合金的高消耗已经导致这些合金显著的成本提 高。例如，在钻头方面，其成本的大部分归因于原料成本，即用于制 造它们的合金。因此，合金成本提高降低这些材料在许多情形中的竞 争力，转向使用硬质合金或者转向低合金和低性能钢。
用于切削工具的硬质合金的典型实例为AISI M或AISI T系列组 合物，其中AISI M2钢最为重要。对于要求更大应变的那些工具，使 用钴合金。M42和M 35钢是这类的主要实例，主要使用前者。这些合 金的基本化学组成示于表1，其中钨、钼、钒和钴元素最为重要-它 们主要决定合金的最终成本。这些元素的成本影响示于表2，按2006 年6月的合金成本标准化。
因此，明确需要新的硬质合金组合物，其可用于工业生产，能够 满足较低含量昂贵合金元素的要求而且具有相同性能。M2钢是最重要 的材料，需要开发其替代合金。至于与钴相关的组合物，M42将是主 要的有待替代的元素。
本发明的合金满足所有这些需要。
表1：现有技术合金。根据质量和铁余量百分数，仅示出主要的 合金元素。通过公式Mo+0.8V+0.6W+0.6Co计算出元素的成本影响之 和，其中将2006年4月时每种元素与成本相关的比率标准化成1％钼 成本。

*在该类中更加重要

用于切削工具的硬质铁基合金的性能与其显微组织中存在的碳 化物紧密相关，无论它们是微米级的大的不溶解碳化物还是纳米级的 极细的碳化物。前者在材料的耐磨损性方面是重要的，而后者提供热 处理之后的硬度和耐热性。详细回顾了合金元素在上述碳化物形成中 的行为而且改变了传统观念。为此，本发明使用铌作为合金元素，从 而降低总的钼、钨和钒含量。
然而，本研究并非集中在合金元素的常规取代。在若干材料科学 和化学领域的许多论文中，已经致力于具有相似特征的合金元素的取 代。与本发明有关的重要实例为周期表的4B和5B族元素，即钛、钒、 锆、铌和钽。在许多情形中这些元素提供相似的效果，因为它们具有 相似的原子结构。然而，在用于切削工具的硬质合金中，出现显著差 异。钒大量用于这些材料，它一被铌取代，就失去钒重要的有益效果， 特别是在二次硬化方面。因此，本发明的合金没有大的钒含量，钒不 是被铌取代，而是同时添加。
与钒不同，铌几乎不引起二次硬化，尽管它很容易构成一次碳化 物。这些碳化物是具有高硬度的MC型碳化物，硬度远高于硬质传统合 金中形成的其它一次型的硬度。因此，可以减少其它一次碳化物构成 元素(主要是钨和钼)的含量，这是本发明的原理，其目的在于替代 M2合金。在替代M42方面，最有效的一次铌碳化物也用于促进钴含量 的降低，钴是另一种昂贵元素。
除了提供最佳合金的定义以外，本发明还涉及该材料的工业生 产。在较重的锭块中，铌倾向于形成尺寸比上述合金中通常存在的碳 化物显著更大的一次碳化物；它们的碳化物在英国文献中被称为块状 碳化物(block carbides)。这些碳化物危害铌的有益效果，因为它 们如果更分散的话会促进更高的耐磨损性。另外，一次粗大碳化物还 降低这些合金的其它性能，例如可研磨性和韧性。因此，本发明的另 一目的为在凝固期间铌碳化物的成核机制方面起作用，从而促进其在 最终产物中的细化。
为满足上述条件，本发明的合金具有按质量百分数由以下构成的 合金元素：
0.5-2.0C，优选0.8-1.5C，典型1.0C。
1.0-10.0Cr，优选3.0-7.0Cr，典型4.0Cr。
7.0-14.0Weq(等效钨)，其中由Weq＝W+2.Mo比率得到Weq，优选 8.5-11.5Weq，典型10.0Weq。
0.5-3.5Nb，优选1.0-2.5Nb，典型1.7Nb，其中Nb可以按照 1.0％Nb对应0.5％V的比率被V部分取代，或者Nb可以按照1.0％Nb 对应0.5％Ti或1.0％Zr或Ta的比率被Zr、Ti和Ta部分或全部取代。
0.5-3.5V，优选1.0-2.5V，典型1.8V，其中V可以按照1.0％ Nb对应0.5％V的比率被Nb部分或全部取代。在V被Nb取代的情况 下，必须根据该比率计算出合金的最终Nb含量，然后加到现有的合金 规定含量。
如下所述，可以将铝和硅同时添加到本发明的合金中，提供碳化 物细化方面的益处。然而，由于合金制造更容易和提供更高的硬度， 在本发明的合金中也可以产生不含铝的组合物。因此，必须按质量百 分数如下定量加入铝和硅含量：
-对于以Al和Si作为残余元素的组合物而言，最大1.0Al和 最大1.0Si，优选最大0.5Al和Si，典型最大0.2Al和Si。在这 样的情况下，Al和Si必须作为杂质处理。
-对于需要Al和Si用于显微组织细化的组合物而言，0.2-3.5Al 或Si，优选0.5-2.0Al或Si，典型1.0Al或Si。
如下所述，还可以将钴添加到上述组合物中，除了使它成为钴相 关材料例如M42的替代以外，还提供性能方面的额外益处。因此，钴 含量对于本发明的合金是任选的，取决于它的预期用途。
-在添加的情况下，必须如下定量加入：1.0-10.0Co，优选 3.0-7.0Co，典型5.0Co。
-在较便宜的合金、即意图替代通常的传统合金例如M2的那些 合金中，钴含量必须最大是8.0，优选最大5.0Co，典型最大0.50Co。
对于在锭块的工业生产中重要的铌碳化物细化，本发明的合金可 以具有如下控制条件，它们对于所有应用不一定是强制的，因此对于 该合金不是强制的：
-最大0.030N，优选最大0.015N，典型最大0.010N。
-0.005-0.20Ce，优选0.01-0.10Ce，典型0.050Ce，其它元 素为稀土元素；稀土元素为周期表的镧系或锕系元素，以及La、Ac、 Hf和Rf元素。
余量为铁以及金属或非金属杂质，它们是炼钢过程中不可避免 的，其中所述非金属杂质按质量百分数不限制地包括如下元素：
最大2.0Mn，优选最大1.0Mn，典型最大0.5Mn。
最大2.0Ni，优选最大1.0Ni，典型最大0.5Ni。
最大2.0Cu，优选最大1.0Cu，典型最大0.5Cu。
最大0.10P，优选最大0.05P，典型最大0.03P。
最大0.20S，优选最大0.050S，典型最大0.008S。
在下面示出该新材料组成规格的理由，描述每种合金元素的作 用。按质量百分数定义百分数。
C：碳是热处理响应、马氏体硬度、一次碳化物形成和回火时析 出的二次碳化物形成的主要原因。其含量必须低于2.0％，优选最大 1.5％，以便在淬火后残余奥氏体的存在不会过高，另外避免形成过度 粗大的一次碳化物。然而，碳含量必须足够形成一次碳化物(主要是 每当与铌结合时)，以及在回火时形成二次碳化物，而且在淬火后提 供马氏体硬化。因此，碳含量必须不低于0.5％，优选高于0.8％的碳。
Cr：铬对于切削工具中所用的硬质合金非常重要，其促进淬火能 力，即容许马氏体形成而不需要过于突然的冷却。另外，为大型工件 提供均匀的硬度。为了这些效果，在本发明的合金中，必须以大于1％ 含量提供铬，典型高于3％。然而，过高的铬含量导致M7C3型的粗大碳 化物的形成，从而导致可研磨性和韧性降低。因此，必须使合金具有 低于10％、典型低于7.0％的铬含量。
W和Mo：钨和钼在硬质传统合金中具有非常相似的行为，在许多 情况下是可互换的。在上述合金中，钨和钼具有两种作用：1-产生M6C 或M2C型的共晶碳化物，它们全部或部分转化成M6C碳化物，而且在淬 火时几乎不溶解。这样的碳化物也称为一次碳化物，它们对耐磨损性 而言是重要的。2-大量的钨和钼形成二次碳化物，所述二次碳化物在 奥氏体化期间溶解，而且在淬火后的回火期间它们以很细的二次碳化 物再析出。钨和钼的这两种作用都重要而且几乎消耗相同量的这些元 素。例如具有6％钼和5％钨的M2合金中，它们的大约一半在奥氏体化 和淬火之后处在固溶体中，剩余的一半保持为不溶解的碳化物。在本 发明的合金中，以主要意图用于二次硬化而较少用于形成一次碳化物 的含量添加钼和钨；如下所述，铌起到这种作用。因此，节省钨和钼 的量，其在传统合金中意图用于形成一次碳化物，从而导致相当大的 合金成本降低。
V：钒对于一次碳化物的形成以及回火时的二次析出而言与钼和 钨一样重要。相对于M2合金，保持该元素含量几乎不变。这是钒二次 析出的作用在这些材料中极其重要的理由，因为该元素的碳化物非常 耐聚结，因此它们对于材料对切削加工中形成的高温的耐受性至关重 要。钒一次碳化物并不大量存在于M2钢中。然而，这些碳化物是MC 型碳化物，其硬度远高于M6C碳化物(富含钼和钨)，提供更高的耐 磨损性。因此，考虑到MC碳化物对于材料耐磨损性的重要性，在本发 明的合金中不减少奥氏体化期间不溶解的过量钒。另外，奥氏体化期 间钒在奥氏体晶粒生长控制方面具有显著影响。为了所有这些效果， 钒含量必须不低于0.5％，优选高于1.2％。为了不形成过度粗大的碳化 物，以及另外为了不过度增加合金成本，必须控制最大钒含量，它应 当低于3.5％，优选低于2.5％。因此，在本发明的合金中，如下所述， 钒含量没有被铌取代。合金概念远超过这一点，在一次和二次碳化物 形成方面是完全不同的设置。
Nb：铌的作用对于本发明的合金至关重要，其形成MC型碳化物， 它们可以是共晶或一次碳化物。这些碳化物示出大约2400HV的高硬 度，高于硬度大约1500HV的M6C型富含钼和钨的一次碳化物。M6C碳 化物是传统合金例如M2钢的主要碳化物。在本发明中，通过钼和钨含 量降低，这些碳化物的体积减小；然而，它们被引入铌的情况下形成 的碳化物所弥补。
除了铌碳化物更高的硬度以外，考虑到它们在钼和钨的碳化物的 共晶反应之前以一次或共晶方式的凝固，铌碳化物具有较低的齿条 (spline)形态的浓度。在M2钢中，例如，来源于M2C碳化物分解的 M6C型碳化物在共晶反应中形成并且因此在齿间区非常富集。在金属成 形后，碳化物以齿条排列，其在该方向上容许裂缝和碎片。因此，添 加铌连同减少钨和钼提供了良好分布且高硬度的碳化物，从而是非常 期望的。铌碳化物在高温下形成，而且它们是第一个形成的，尽管它 们与钒碳化物不同无法溶解大量的钼和钨。因此，这些元素的含量尽 管低于M2合金，但是完全可用于二次硬化。
在更多的合金化金属例如M42合金中，铌碳化物提供非常显著的 耐磨损性，从而容许也降低钴含量。通过该改进，存在一定硬度降低， 然而由于铌碳化物的有益作用，工具仍然有高性能。
在本发明的合金中引入铌的最终结果可以概括成三点：1-铌产生 轻微溶解其它合金元素、提供高硬度而且在热成形之后均匀分布的碳 化物；所有这些方面都提供高耐磨损性。2-因此，可以忽略一次的钨 和钼的碳化物，从而容许这些元素总含量的减少，这些元素在用于切 削工具的合金中是最贵的。3-对于钴相关的材料，例如M42，可以减 少该元素含量；这种改进导致热处理之后较低的硬度，然而，由于存 在铌碳化物，耐磨损性和工具性能仍然是高的。
为了所有这些效果，铌含量必须最少是0.5％，优选高于1.0％。 然而，过高的铌含量导致形成过于粗大的碳化物，从而危害材料的韧 性和可研磨性。因此，铌含量必须低于3.5％，优选低于2.5％。
N：在本发明合金的生产中可以在任选的基础上控制氮。在许多 情况下，这些材料的工业生产导致最终棒材中的粗大碳化物，这对于 产品质量是不可接受的。在这样的情况下，极其重要的是在一次铌碳 化物的凝固、特别是它们的成核中起作用。包括铌在内的4B或5B元 素族在高温下形成非常稳定的亚硝酸盐。这些亚硝酸盐充当MC碳化物 凝固的核，因此充当用于铌碳化物的核。此外，MC碳化物形成发生地 越早，可用于它们生长的时间会越长，这在一达到共晶温度时就发生。 因此，解决一次铌碳化物变粗问题的可能性是减少合金的总氮含量， 从而除去碳化物的成核剂。氮含量必须低至在借助于电炉炼钢的生产 中可行的程度，并且低于0.025％的氮含量是期望的，优选低于0.015％， 且最佳低于0.010％。
Ce和稀土元素：铈和来自镧系或锕系的其它稀土元素也可以在铌 碳化物的细化中起作用。在高温下，这些元素形成含氧亚硝酸盐 (oxinitrite)，从而减少液态金属中的游离氮。它们充当另一种减 少氮含量以及从而减少一次铌碳化物的成核亚硝酸盐的方法。最终结 果是一种更有力的细化碳化物的方式而且使它们的工业生产变得更容 易。
Si和Al：作为一种向铌碳化物提供更高细化的方法，已经试验 过在硅含量增加的同时添加铝。虽然这导致一些细化，但是这些元素 在热处理之后提供的硬度降低。因此，只有在使用上述元素、即借助 于铈添加和减少氮来控制碳化物尺寸不可行的情况下才必须使用它 们。在这样的情况下，铝和硅含量必须最少0.5％，优选等于或高于 1.0％。然而，由于高氧化和形成夹杂物的倾向，以及由于引起铁素体 的硬化，这些元素的最大含量必须低于3.5％，典型低于2％。
残余物：其它元素，例如锰、镍、铜和通常作为液态钢形成过程 的常见残余物而获得的那些元素必须被看作与炼钢脱氧工艺有关的或 者制造工艺固有的杂质。因此，考虑到由锰、镍和铜导致的残余奥氏 体形成的增加，这些元素含量限于1.5％，优选低于2.0％。磷和硫在晶 粒轮廓和其它界面偏析，因此磷必须低于0.10％，优选低于0.05％，硫 低于0.20％，优选最大0.050％。
所述的合金可以借助于常规或特殊工艺例如粉末炼钢(dust steelwork)、喷射成形或连铸以轧制或锻造产品形式制成诸如盘条 (wire rod)、锭块块、棒材、线材、板材和带材的产品。
附图说明
下面参照附图描述进行的一些实验，其中：
图1示出现有技术ET1合金熔炼料(fusion)的原态显微组织， 示出钒、钨和钼元素的X-射线分布图(mapping)。在所述分布图中， 点密度越大，化学元素的相对浓度越大。通过电子扫描显微术(MEV)， 二次电子获得显微组织；通过WDS获得X-射线分布图。
图2示出现有技术ET2合金熔炼料的原态显微组织，示出钒、钨 和钼元素的X-射线分布图。在所述分布图中，点密度越大，化学元素 的相对浓度越大。通过电子扫描显微术(MEV)，二次电子获得显微组 织；通过WDS获得X-射线分布图。
图3示出本发明PI1合金熔炼料的原态显微组织，示出钒、钨、 钼和铌元素的X-射线分布图。在所述分布图中，点密度越大，化学元 素的相对浓度越大。通过电子扫描显微术(MEV)，二次电子获得显微 组织；通过WDS获得X-射线分布图。
图4示出本发明PI2合金熔炼料的原态显微组织，示出钒、钨、 钼和铌元素的X-射线分布图。在所述分布图中，点密度越大，化学元 素的相对浓度越大。通过电子扫描显微术(MEV)，二次电子获得显微 组织；通过WDS获得X-射线分布图。
图5示出本发明PI3合金熔炼料的原态显微组织，示出钒、钨、 钼和铌元素的X-射线分布图。在所述分布图中，点密度越大，化学元 素的相对浓度越大。通过电子扫描显微术(MEV)，二次电子获得显微 组织；通过WDS获得X-射线分布图。
图6示出本发明PI4合金熔炼料的原态显微组织，示出钒、钨、 钼和铌元素的X-射线分布图。在所述分布图中，点密度越大，化学元 素的相对浓度越大。通过电子扫描显微术(MEV)，二次电子获得显微 组织；通过WDS获得X-射线分布图。
图7示出对于在每条曲线的右上角标明的两种奥氏体化温度，合 金的回火曲线。该结果是对于具有8mm截面的试样，所述试样在所示 温度经受奥氏体化，在一定温度的油中进行淬火5分钟并双重回火2 小时。所有处理在真空下进行。
图8示出ET1、ET2、PI1、PI2和PI3合金的钻孔试验结果。主 要试验响应为直到工具故障进行的钻孔数，以柱状图示出这些数据， 其偏差用误差棒示出。试验条件：提高到41±1HRC的4340钻孔，600 r pm的转速，切削速度13.56m/min和0.06mm/转的推进量。
图9概括了PI1合金中添加铈和减少氮含量在原态凝固组织中的 影响。其它元素保持几乎不变，如表7所示。原态凝固状态下的试样 为500g锭块和约40mm的圆形平均截面。截面二分之一半径的代表性 区域的光学显微照片；没有金相刻蚀，只是在金刚石和氧化铝抛光之 后。
在图10中，借助于光学显微术比较现有技术ET1和ET2合金以 及PI1、PI2、PI3和PI4合金的原态凝固显微组织。试验锭块基础区 域为55kg。示出代表性的显微照片，没有金相刻蚀，只是在金刚石和 氧化铝抛光之后。
图11比较在用4％硝酸乙醇腐蚀液(nital)深刻蚀之后，在经过 淬火和回火的状态下在硬度峰值的ET1、ET2、PI1、PI2、PI3和PI4 合金各自的代表性显微组织。大约提高500倍。

实施例1：为了限定本发明的合金组合物，制成几种合金并且与 本领域中包括的现有技术合金进行比较。化学组成示于表2；本发明 的合金在下文称为P1，现有技术合金称为ET；ET1合金对应M2钢， ET2合金对应M42。按钼成本进行标准化，量化最昂贵的元素之和：钨、 钼、钒和钴。
表2示出本发明组合物中合金元素的显著减少，这转化为较低的 成本，正如表3所示合金的相对成本所表明。至于合金成本，必须将 PI1和PI2组合物与现有技术ET1合金比较，必须将PI3和PI4组合 物与ET2合金比较，因为这些新组合物目的在于取代传统合金。因此， 本发明的PI1合金相对于ET1导致38％的合金成本降低，对于钴组合 物，注意到本发明的PI3合金提供47％的合金成本降低。因此，本发 明的合金有效满足切削工具合金中成本降低的当前需要。由于组成差 异仅与铝和硅含量有关，而它们在所述合金中具有可以忽略不计的成 本，因此PI2和PI4合金分别相对于PI1和PI3合金没有表现出成本 差异。
在真空感应炉中借助于相似的工艺制备6种合金(ET1、ET2、PI1、 PI2、PI3和PI4)的锭块熔炼料，通过铸铁锭块机进行渗漏，制成约 55kg的锭块。在凝固后，将锭块亚临界退火，最初观察6种组合物的 原态熔炼料显微组织，如图1-6所示。可以清楚地看到，相对于PI1、 PI2、PI3和PI4合金，在ET1和ET2合金的一次碳化物中，由X-射线 分布图中的点密度给出的钒、钼和钨元素的浓度显著更高。另一方面， 这些倾向于形成具有占优势的铌元素的碳化物。这些碳化物为MC型碳 化物而且具有高硬度；因此，它们能够令人满意地取代更高成本元素 的碳化物，例如钨和钼。另外，铌碳化物具有引起关注的特性：它们 在固溶体中没有显著量的其它元素，主要是指钼、钨和钒。因此，它 们容许这些元素更自由以形成二次碳化物，这些二次碳化物在最后的 热回火处理后对于实现材料应用所需的高硬度是重要的。
表2：两种现有技术合金(ET1至ET4)和本发明合金(PI)的化 学组成。通过式Mo+0.8V+0.6W+0.6Co计算Mo、W、V和Co对成本的贡 献之和，其中比率与每种元素在2006年4月的成本有关，通过钼成本 标准化。该和以绝对值(abs.)以及由ET1合金标准化的相对值 (relat.)表示。

总之，图1-6示出PI1、PI2和PI3合金的一次碳化物主要是富 集铌的，因为该元素有意形成MC型碳化物。这类碳化物比现有技术合 金的一次碳化物消耗较少量的钨、钼和钒。因此，它们容许在合金中 减少上述元素的总含量，这是本发明的目的。
表3：金属含量成本，即，ET1、ET2、PI1、PI2、PI3和PI4合 金中所含的金属一合金。由ETl或ET2合金的金属含量成本对数值进行 标准化。PI1和PI2两者以及PI3和PI4两者的成本相同，因为仅有 的差别与Si和Al含量有关，它们在合金成本上的影响可忽略不计。 该计算意图用于电炉炼钢生产，数据为2006年6月。
  合金成本   ET1   ET2   PI1和PI2   PI3和PI4   合金所含金属的成本，按   ET1合金成本标准化   100   166   62   89   合金所含金属的成本，按   ET2合金标准化   60   100   37   53
除了关于一次碳化物的作用的论述以外，热处理之后的硬度对于 意图用于切削工具的合金是至关重要的。主要由二次析出提供的硬度 是造成以下的原因：保持碳化物固着于模具、防止它们被拔出，从而 提供在许多应用中所需的机械抗力以及减少材料中磨料的渗透。所有 这些效果使得高硬度对于材料的耐磨损性重要。因此，在轧制8mm圆 棒的试验锭块后观察热处理响应。所有组合物的试样经受油淬处理， 在1180-1200℃之间奥氏体化5分钟，它们中的一些还在450-600℃之 间双重回火2小时。
表4示出对于1180和1200℃的奥氏体化温度，ET1、ET2、PI1、 PI2、PI3和PI4合金在淬火和回火之后的硬度；以曲线形式将这些结 果示于图7。这些数据示出三个重要方面。首先，ET1和PI1合金在硬 度方面具有相似的形为，这表明实际上PI1组合物的钼、钨和钒含量 的减少没有损害回火后的硬度，因为保持了二次硬化所必需的这些元 素的含量。在这样的情况下，本发明的PI1合金实现其重要结果之一： 通过保持相同硬度提供合金元素的减少。另外，PI1合金主要具有一 次MC型碳化物，其具有更高的硬度并且因此提供高耐磨损性。
由热处理后的数据获得的第二个重要结论是PI3合金相对它意图 取代的ET2合金的较低硬度。如表2所示，与ET2合金相比PI3合金 主要是钼和钴含量显著降低，而且由这些元素产生的含量不足以导致 相同的热处理后的硬度，因此存在上述事实。在该意义上，ET2合金 的更大钼含量对提供碳化物的微细析出是重要的，而钴在碳化物的析 出和聚结动力学方面具有重要作用。尽管具有较低的硬度，但是更硬 的铌碳化物仍然可以导致合适的性能，如实施例2所示。
关于硬度结果的第三个重要结论涉及铝和硅的作用。PI2和PI4 合金分别与PI1和PI3合金相当，虽然它们具有高得多的铝和硅含量 (约1.0-1.5％)。图7曲线和表4数据表明在使具有高硅和铝含量的 合金回火之后硬度降低，在这种情况下高含量是不期望的。然而，如 图3-6对比示出以及如实施例3和图10所述，高的铝和硅含量提供碳 化物的细化。因此，对于其中碳化物细化是重要问题的那样应用，本 发明的合金可以添加高的硅和铝含量。
表4：现有技术合金(ET1和ET2)及本发明的合金的热处理响应。 在1180和1200℃奥氏体化、在油中淬火以及在所示温度下两次2小 时回火后的HRC硬度结果。


所述合金的另一重要参数是奥氏体晶粒的尺寸。这总是与微修整 (microchipping)用的韧性和耐磨性有关。在几种奥氏体化条件后， 在所述合金的情况下评价这些图，结果示于表5。合金ET1及其替代 合金PI1具有相似的晶粒尺寸，如同ET2及替代者PI3一样。至于合 金PI2和PI4，晶粒尺寸更细，可能归因于这些合金更细化的碳化物， 它们阻止奥氏体化期间晶粒的生长。因此，这是这些元素的另一有益 效果。
表5：对于在1160-1200℃之间奥氏体化的钢，奥氏体晶粒的尺 寸，通过Snyder-Graff截取法测定。标记±表示测量的标准偏差。

实施例2：测试如实施例1所示开发和描述的合金用于工业应用。在 8.0mm规格轧制并且通过热配线(hot wiring)减到更小规格，从中 试规模批料制成钻孔型工具。然后在与工业钻孔所用条件类似的条件 下进行钻孔试验，将本发明合金的性能与现有技术合金进行比较。
钻孔试验的结果示于表6，并在图8中图解示出。考虑到实验偏 差，对于合金PI1和ET1以及合金PI3和ET2看到相同的结果。该结 果证实了对于上述合金所描述的整个组成调整，也就是用铌作为一次 碳化物的形成物，用于此目的的钼和钨含量减少以及这些元素特别用 于二次硬化。要强调的结果是合金PI3相对ET2的结果。尽管如表4 和图7所示具有低得多的硬度等级，但是合金PI3可示出相当类似的 性能。如果考虑试验离散性的话，这甚至与合金ET2的性能相同。
表6：用来自几种试验合金的钻头进行的切削试验结果。测试至 少3件工具得到的数据。试验条件：600r pm，切削速度13.56m/mi n 和推进量0.06mm/转以及钻头6.35mm直径。“±”后的数字表示测 量结果的标准偏差。
    计数对象     孔数目     ET1     45.3±2.1     PI1     43.3±3.1     PI2     42.0±2.6     ET2     59.2±2.7     PI3     55.0±2.0
因此，上述结果表明开发的合金的有效性。如表3所示，本发明 的合金在合金成本上降低38-47％，保持高的切削性能。从而，这些新 的合金是工具工业的重要替代物。它们满足合金成本增加的当前需求， 从而提高由这些硬质合金制成的工具对于工具应用的竞争力。
实施例3：正如所述，本发明合金的合适性质以及实现的性能对 于在显著的成本降低下替代现有技术合金是重要的。这尤其通过使用 铌作为合金元素并且通过考虑到其它合金元素使化学组成充分再平衡 而完成。然而，铌在大型锭块的情况下对工业应用会造成不便，特别 是在过大的碳化物方面。
铌碳化物在初生形态下直接从液体形成，即它们以孤立方式或者 以共晶方式生长。一次碳化物是首先形成的碳化物，因此它们更多地 生长。由于其自发形态，与共晶碳化物更加针状的形式不同，一次碳 化物在热成型(conforming)过程中没有非常破碎。因此，一旦在凝 固过程中形成粗大碳化物，它们将在最终产物中继续变粗大。这样的 碳化物由于韧性和尤其是整流(rectifying)性能损失而在许多规格 中是不可接受的。对于本发明，重要的是保持铌碳化物分散和细微， 因为它们在耐磨性方面是主要起作用者。
已经研究了新的组合物以细化铌碳化物，如下表7所示。如图9 所示，基于以小型500g锭块在浴中收集的试样，原态凝固显微组织获 得结果。化学组成基于合金PI1，然而改变氮和铈含量。
避免粗大一次碳化物问题的主要方法是引导铌更趋向形成更易 于破碎的共晶碳化物而较少形成一次碳化物。为此，必须通过这些碳 化物成核时的行为防止或阻碍高温下一次碳化物的形成。一旦它们在 较低温度下成核(或者没有成核)，这些碳化物将较少生长，其余的 铌将以共晶碳化物形式析出。
在本发明中采取这种策略，以便使合金PI1至PI4的工业生产更 容易。因此，利用了钒或铌的氮化物的减少。它们比碳化物更稳定， 在更高温度下形成，因此它们充当形成富铌的碳化物的核。这些核的 减少导致晚形成碳化物，从而导致其细化。首先，研究了减少氮对总 体凝固组织的影响。如图9所示，氮含量的减少使粗大一次碳化物的 量有效减少。
表7：基于本发明合金PI1的化学组成，但是改变氮和铈含量。
  元素   高N   低N   高N+Ce   低N+Ce   C   1.09   1.09   1.07   1.05   Si   0.33   0.31   0.33   0.3   Mn   0.30   0.30   0.30   0.31   P   0.013   0.014   0.012   0.011   S   0.006   0.005   0.001   0.001   Co   0.03   0.03   0.03   0.03   Cr   3.92   3.85   3.87   3.81   Mo   3.25   3.25   3.24   3.19   Ni   0.08   0.08   0.08   0.07   V   1.74   1.73   1.77   1.71   W   3.37   3.36   3.37   3.33   Cu   0.03   0.03   0.03   0.03   Ti   0.009   0.009   0.008   0.007   Nb   1.74   1.77   1.87   1.77   Al   0.021   0.02   0.041   0.036   N(ppm)   110   270   300   120   Ce   -   -   0.038   0.055
尽管氮有这种重要作用，但是在电炉炼钢中难以获得极低的氮含 量，即远低于100ppm。因此，通过添加铈将另一种方法用于细化碳化 物。该元素在远高于铌碳化物析出温度的温度下形成氧氮化物。因此， 它们充当减少形成钒或铌的氮化物核的游离氮含量的另一种方法。
因此，如图9所示，在本发明的合金中减少氮含量连同以0.050％ 左右的含量添加铈导致形成的铌碳化物显著细化。这可以用于其中细 化条件对于凝固速度更为关键的情形，例如较大锭块的情况。然而， 本发明的合金也可以在通常的氮含量下并且不添加铈而制成，因为对 于炼钢实践，这两种改进需要更细致和昂贵的工艺。
实施例4：上面的实施例仅论述一次铌碳化物的细化。在本实施 例中，提供通过采用铝和硅含量细化共晶铌碳化物的可能性。如图10 所示，高硅和铝合金具有薄且较长“臂”的铌共晶体。这尤其出现在 不含钴的合金中，即合金PI1至合金PI2。这种效果的原因仍不完全 清楚，但是它们可能与铝和硅在一次碳化物中的溶解度的影响有关。 由于它们在碳化物中具有低溶解度，这些元素在高含量时在凝固以前 集中，这使得其生长困难而且引起所看到的细化。
在8mm规格轧制后，在材料的显微组织上比较铝和硅的作用。如 图11所示，在显微组织基质底部，显微组织有略微细化，尤其是在较 细的全体碳化物方面。这一事实是引人关注的，因为它产生更细的奥 氏体晶粒，如上面在表5中所述。因此，可以将高的铝和硅含量应用 于本发明的合金。然而，如实施例1所示，这些含量会损害其它性质， 例如热处理后的最终硬度。另外，高的铝含量导致操作生产困难，因 为它们提高液态金属的反应性，产生更多铁素体硬化以及提高退火所 需的温度。
简而言之，在本发明的合金中1.0-1.5％的高铝和硅含量可以是引 人关注的，趋向进一步细化碳化物而且如实施例1所示减小晶粒尺寸。 然而，除了生产困难以外，考虑到所得的硬度，必须检验所述材料预 期的应用。
权利要求书(按照条约第19条的修改)
1.具有干燥组成的硬质合金，其特征在于具有按质量百分数由以 下构成的元素化学组成：0.5-2.0碳；1.0-7.0铬；7.0-12.0由比率 2Mo+W给出的钨等价物；0.5-3.5铌，铌可以按2％铌对应每1％钒的比 率由钒部分或全部取代；0.5-3.5钒，钒可以按2％铌对应每1％钒的比 率由铌部分或全部取代；低于10.0的钴，余量基本上为Fe和制备过 程中不可避免的杂质；该合金是通过铸造锭块制备，要么通过常规铸 造要么通过连续铸造，将所述锭块热锻或轧制到最终的应用尺寸。
2.具有干燥组成的硬质合金，其特征在于具有按质量百分数基本 上由以下构成的元素化学组成：0.9-1.5碳；3.0-6.0铬；8.0-12.0 由比率2Mo+W给出的钨等价物；1.0-2.5铌，铌可以按2％铌对应每1％ 钒的比率由钒部分或全部取代；1.0-2.5钒，钒可以按2％铌对应每1％ 钒的比率由铌部分或全部取代；低于7.0的钴，余量基本上为Fe和制 备过程中不可避免的杂质。
3.具有干燥组成的硬质合金，其特征在于具有按质量百分数基本 上由以下构成的元素化学组成：0.9-1.5碳；3.0-6.0铬；8.5-11.5 由比率2Mo+W给出的钨等价物；1.5-2.3铌，铌可以按2％铌对应每1％ 钒的比率由钒部分或全部取代；1.5-2.3钒，钒可以按2％铌对应每1％ 钒的比率由铌部分或全部取代；低于7.0的钴，余量基本上为Fe和制 备过程中不可避免的杂质。
4.具有干燥组成的硬质合金，其特征在于具有按质量百分数基本 上由以下构成的元素化学组成：0.95-1.20碳，3.0-5.0铬，2.5-4.5 钨，2.5-4.5钼，1.5-2.0铌，1.5-2.3钒；低于2.0的钴，余量基本 上为Fe和制备过程中不可避免的杂质。
5.具有干燥组成的硬质合金，其特征在于具有按质量百分数基本 上由以下构成的元素化学组成：1.0-1.2碳，3.0-5.0铬，3.0-4.0钨， 2.8-4.0钼，1.6-1.9铌，1.5-2.0钒；低于1.0的钴，余量基本上为 Fe和制备过程中不可避免的杂质。
6.权利要求1-4任一项的具有干燥组成的硬质合金，其特征在于 按质量百分数具有低于1.0的钴。
7.权利要求1-12任一项的具有干燥组成的硬质合金，其特征在 于按质量百分数具有低于0.5的钴。
8.权利要求1-12任一项的具有干燥组成的硬质合金，其特征在 于按质量百分数具有低于0.2的钴。
9.权利要求1的具有干燥组成的硬质合金，其特征在于按质量百 分数具有1.0-10.0％的钴。
10.权利要求1-3任一项的具有干燥组成的硬质合金，其特征在 于按质量百分数具有3.0-7.0％的钴。
11.具有干燥组成的硬质合金，其特征在于具有按质量百分数基本 上由以下构成的元素化学组成：1.0-1.2碳，3.0-5.0铬，3.0-4.0钨， 2.8-4.0钼，1.6-1.9铌，1.5-2.0钒；4.0-6.0％的钴，余量基本上为 Fe和制备过程中不可避免的杂质。
12.权利要求1-11任一项的具有干燥组成的硬质合金，其特征在 于按质量百分数具有0.005-0.20的铈，铈可以按1∶1的比率由称为稀 土的其它元素部分或全部取代，周期表中的镧系或锕系元素、以及La、 Ac、Hf和Rf元素被看作稀土。
13.权利要求1-11任一项的具有干燥组成的硬质合金，其特征在 于按质量百分数具有0.005-0.20的铈，铈可以按1∶1的比率由称为稀 土的其它元素部分或全部取代，周期表中的镧系或锕系元素被看作稀 土。
14.权利要求1-11任一项的具有干燥组成的硬质合金，其特征在 于按质量百分数具有0.010-0.10的铈，铈可以按1∶1的比率由称为稀 土的其它元素部分或全部取代，周期表中的镧系或锕系元素被看作稀 土。
15.权利要求1-11任一项的具有干燥组成的硬质合金，其特征在 于按质量百分数具有0.030-0.070的铈，铈可以按1∶1的比率由称为 稀土的其它元素部分或全部取代，周期表中的镧系或锕系元素被看作 稀土。
16.权利要求1-15任一项的具有干燥组成的硬质合金，其特征在 于按质量百分数具有低于0.030的氮。
17.权利要求1-15任一项的具有干燥组成的硬质合金，其特征在 于按质量百分数具有低于0.015的氮。
18.权利要求1-15任一项的具有干燥组成的硬质合金，其特征在 于按质量百分数具有低于0.010的氮。
19.具有干燥组成的硬质合金，其特征在于具有按质量百分数基本 上由以下构成的元素化学组成：0.9-1.5碳，3.0-6.0铬，8.0-12.0 由比率2Mo+W给出的钨等价物；1.5-2.3铌，铌可以按2％铌对应每1％ 钒的比率由钒部分或全部取代；1.5-2.3钒，钒可以按2％铌对应每1％ 钒的比率由铌部分或全部取代；低于5.0的钴，0.005-0.20的铈，铈 可以按1∶1的比率由称为稀土的其它元素部分或全部取代，周期表中 的镧系或锕系元素被看作稀土，低于0.020的氮，余量基本上为Fe 和制备过程中不可避免的杂质。
20.具有干燥组成的硬质合金，其特征在于具有按质量百分数基本 上由以下构成的元素化学组成：0.95-1.20碳，3.0-5.0铬，2.5-4.5 钨，2.5-4.5钼，1.5-2.0铌，1.5-2.3钒，低于2.0的钴，0.010-0.10 的铈，铈可以按1∶1的比率由称为稀土的其它元素部分或全部取代， 周期表中的镧系或锕系元素被看作稀土，低于0.015的氮，余量基本 上为Fe和制备过程中不可避免的杂质。
21.具有干燥组成的硬质合金，其特征在于具有按质量百分数基 本上由以下构成的元素化学组成：0.95-1.20碳，3.0-5.0铬，2.5-4.5 钨，2.5-4.5钼，1.5-2.0铌，1.5-2.3钒，3.0-7.0钴，0.010-0.10 的铈，铈可以按1∶1的比率由称为稀土的其它元素部分或全部取代， 周期表中的镧系或锕系元素被看作稀土，低于0.015的氮，余量基本 上为Fe和制备过程中不可避免的杂质。
22.权利要求1-21任一项的具有干燥组成的硬质合金，其特征在 于按质量百分数具有至多0.5锰，至多0.2铝，至多0.04磷，至多 0.005硫和至多0.01氮。
23.权利要求1-21任一项的具有干燥组成的硬质合金，其特征在 于按质量百分数具有0.01-3.0％的铝。
24.权利要求1-21任一项的具有干燥组成的硬质合金，其特征在 于按质量百分数具有0.8-1.7％的铝。
25.权利要求1-24任一项的具有干燥组成的硬质合金，其特征在 于按质量百分数具有0.5-3.0％的硅。
26.权利要求1-24任一项的具有干燥组成的硬质合金，其特征在 于按质量百分数具有0.8-1.2％的硅。
27.权利要求1-21任一项的具有干燥组成的硬质合金，其特征在 于按质量百分数具有0.5-2.5％的铝和0.8-2.5％的硅。
28.权利要求1-21任一项的具有干燥组成的硬质合金，其特征在 于按质量百分数具有0.8-1.7％的铝和0.8-1.2％的硅。
29.权利要求1-28任一项的具有干燥组成的硬质合金，其特征在 于按质量百分数具有部分或全部取代元素铌或钒的元素钛、锆或钽， 取代比率为1份T i对应1份钒或0.5份铌；和1份Ta或Zr对应2 份钒或1份铌。
30.权利要求1-29任一项的具有干燥组成的硬质合金，其特征在 于用于切削和机械加工的工具。
31.权利要求1-30任一项的具有干燥组成的硬质合金，其特征在 于用于有待在手动机器或锯子中使用的锯，无论它们完全由高速钢形 成还是双金属型的，后者包括仅由高速钢制成的切削部分。
32.权利要求1-31任一项的具有干燥组成的硬质合金，其特征在 于用于旋转切削工具，例如螺旋钻头、研磨装置、丝锥、模具以及用 于机械加工金属材料或其它材料的其它工具。
33.权利要求1-32任一项的具有干燥组成的硬质合金，其特征在 于用于具有低工作寿命预期的机械加工工具，例如低产量工业工具和 家用工具。
34.权利要求1-33任一项的具有干燥组成的硬质合金，其特征在 于机械应用部件，例如汽车部件和一般的机械构件。
35.权利要求1-34任一项的具有干燥组成的硬质合金，其特征在 于通过涉及合金破碎和聚结，尤其是粉末冶金、粉末注射和喷射成型 的工艺制备，由热成型、冷成型获得最终产物，或者在原态铸造状态 下直接使用产物。
36.权利要求1-34任一项的具有干燥组成的硬质合金，其特征在 于通过常规铸造、连续铸造工艺制备，由热成型、冷成型获得最终产 物，或者在原态铸造状态下直接使用产物。
根据19条修改的声明
修改了国际申请PCT/BR2007/000187的权利要求，避免所要求的 范围与国际检索单位在国际检索报告中提及的相关文件即D1、D2和 D 3相重叠，从而保证本申请的新颖性方面，其在使用低含量的昂贵合 金元素的切削工具中具有良好性能。只有通过PCT/BR2007/000187 所述的两种方法才可能实现这种特征：1)独特的元素组合，即降低锰 和钨的含量并添加铌；2)显微组织细化的几种可能性，涉及在现有技 术中未公开的组成特征。以下给出详细说明。
关于D1(AT382167B)：D1显示了相当宽的化学组成范围，特别是 对于钼、钨和钴的范围。AT382167B要求的范围导致钨等价物(＝Mo +2W)为0-30％，而钴为0.2-12％。这些值比本发明实际所述的范围宽 得多，其中钨等价物为约17％且钴为约10％(根据AT382167B的表1)。 另一方面，国际申请PCT/BR2007/000187的新颖性方面涉及使用显著 更低量的这些元素，将钨等价物降低为10％，且钴为约5％甚至低于0.2％ (PCT/BR2007/000187的表2)。这样的改变导致成本的显著降低，正 如PCT2007/000187的表3中所论述，实际上，这就是PCT2007/000187 相对于现有技术的合金且特别是相对于AT 382167B的合金所具有的主 要新颖性。另一重要特征是PCT2007/000187发明了几种细化显微组织 的机制，这对于铌合金化的钢是重要的，并且也是AT382167B未公开 的。总之，PCT/BR2007/000187的一些权利要求落入了AT382167B权 利要求的范围内，但它们正是降低成本和细化显微组织的特殊范围。 为了进一步阐明该区别，修改了PCT/BR2007/000187中钼和钨的范围 (权利要求1-3及19)，并添加了限制钴的权利要求(权利要求9-11)。
关于D2(DE19621091A1)：该文件相对于PCT/BR2007/00018具有 独特的性能和应用。DE19621091A1旨在高的耐腐蚀性，出于此目的使 用高的铬含量，如D2的表1中所限定的8-12％。而在PCT/BR2007/00018 中因显微组织特征必须避免高的铬含量，如第7页所述。尽管利用了 完全不同的概念，但DE19621091A1和PCT/BR2007/00018两者宽的铬 范围导致了一些权利要求的重叠。为了避免这种重叠，对PCT/BR2007/ 00018中的铬范围进行了修改(权利要求1-4，权利要求19)。
关于D3(WO1993/002818)：D3公开了利用不同方法的合金，因为 具有不同的碳含量和制造方法，对于WO1993/002818所述制造方法限 定为粉末冶金。相反，PCT/BR2007/00018具有使用常规铸造方法和高 碳含量的可能性，这分别有助于降低成本和改进性能。为了突出这些 区别，对权利要求1中的制造方法进行了修改，并缩小了权利要求2、 3和19中的碳含量范围。