一種用於鋼材通用加工刀具的硬質合金及其塗層刀片的製作方法
2023-05-17 18:04:21
專利名稱：一種用於鋼材通用加工刀具的硬質合金及其塗層刀片的製作方法
技術領域：
本發明屬於金屬切削加工領域，尤其涉及用於製備硬質合金刀具的基體材料及其塗層刀片。
背景技術：
硬質合金刀具廣泛應用於金屬切削加工領域。金屬車削用的硬質合金刀具基體一般由平均粒徑介於0. 5 μ m到5 μ m的WC、平均粒徑介於I μ m到5 μ m的立方相碳化物或碳氮化物、以及3wt% 15wt%的金屬粘結相組成。硬質合金的性能可以通過調整WC和立方相顆粒粒度、粘結相體積分數以及碳含量來得到優化。通過加入一定量的立方相化物可以提高硬質合金的耐磨性、高溫硬度、抗氧化性以及抗腐蝕性能。然而立方相化合物雖然硬度比WC高，但是其脆性也大，因此加入立方相化合物後硬質合金的強度和韌性會下降。為了削弱立方相化合物對合金強度和韌性的影響，車削用硬質合金刀具一般製備成具有表層富粘結相而無立方相化合物的梯度結構。硬質合金的韌性和硬度通常很難同時提高，為了提高耐磨性和抗塑性變形能力，需要提高立方相化合物含量或降低粘結相含量，因此韌性隨之降低；為了提高合金韌性則需要降低立方相化合物含量或提高粘結相含量，因此耐磨性和抗塑性變形能力隨之降低。如何在硬質合金的韌性和硬度之間獲得平衡，一直是研究人員所關注的。早期有關梯度硬質合金的專利如US4548786、US5484468，通過在硬質合金表層形成一層無立方相的富粘結相層，從而使切削刀具韌性得到極大地提高。然而，按上述專利文獻中公開的技術方案製備的硬質合金雖然韌性得到提高，在抗月牙窪磨損和抗高溫塑性變形能力方面存在比較明顯的不足。隨著切削加工技術的不斷進步，金屬切削加工所用的切削參數不斷提高，從而對切削刀具基體材質耐磨性、抗塑性變形能力以及韌性等性能要求不斷提聞。
發明內容
本發明要解決的技術問題是克服現有技術的不足，提供一種具有表層梯度結構、具有出色的抗塑性變形能力、抗月牙窪磨損能力、優良的斷裂韌性和抗熱裂紋擴展能力的用於鋼材通用加工刀具的硬質合金及其塗層刀片。為解決上述技術問題，本發明提出如下技術方案:一種用於鋼材通用加工刀具的硬質合金，所述硬質合金以包括Co、N1、Fe中至少一種的金屬元素作為粘結相，以包括WC和含鈦立方相化合物在內的物質作為硬質相，其特徵在於:在所述粘結相中固溶有Cr元素，所述粘結相的含量為4wt.% IOwt.%，所述Cr元素佔粘結相的含量為lwt.0A IOwt.%，所述含鈦立方相化合物的含量為2wt.0A 8wt.%;餘量為WC ;所述硬質合金中WC的平均粒徑為1.0 μ m 3.0 μ m，所述含鈦立方相化合物的平均粒徑為WC的0.5 1.5倍；所述硬質合金具有平均粘結相含量為標稱粘結相含量I 2倍的含鈦立方相化合物缺失的表層結構。
上述的用於鋼材通用加工刀具的硬質合金中，所述含鈦立方相化合物優選包括鈦元素和其他過渡金屬元素的立方碳化物、立方氮化物和/或立方碳氮化物。進一步的，所述其他過渡金屬元素優選為Ta和/或Nb。更優選的，所述立方相化合物特別包括TiCN，所述N元素與Ti元素的原子比為0.1 0.2 (優選為0.15 0.2)。上述的用於鋼材通用加工刀具的硬質合金中，所述粘結相的含量優選為5wt.0A 8wt.%。更優選的,所述Cr元素佔粘結相的含量優選為4wt.% 8wt.%。上述的用於鋼材通用加工刀具的硬質合金中，所述WC的平均粒徑優選為1.5μπι 2.5μπι ;所述含鈦立方相化合物的平均粒徑優選為WC平均粒徑的0.8 1.2倍。上述的用於鋼材通用加工刀具的硬質合金中，所述含鈦立方相化合物的含量優選為 4wt.% 6wt.% ο上述的用於鋼材通用加工刀具的硬質合金中，所述表層結構的厚度優選為10 μ m 40 μ m (更優選 10 μ m 30 μ m)。上述的用於鋼材通用加工刀具的硬質合金中，所述Cr元素優選是以金屬固溶體或Cr的碳化物形式加入。作為一個總的技術構思，本發明還提供一種用於鋼材通用加工刀具的硬質合金塗層刀片，所述硬質合金塗層刀片是以上述的硬質合金為基體，所述硬質合金基體上塗覆有TiCN層和Al2O3塗層。與現有 技術相比，本發明的優點在於:本發明的硬質合金在成分方面，同時加入Cr、Ta、Nb、Ti等過渡金屬元素，組合了Cr元素和Ta、Nb、Ti立方碳化物的優點，其中Cr元素增強了 WC/Co界面強度和韌性，提高了粘結相的抗氧化能力和擴散能力，Ta、Nb、Ti的立方碳化物或碳氮化物能提高硬質合金的硬度和高溫性能；而在結構方面，本發明的硬質合金具有立方相缺失的表層高韌性的梯度結構，並且具有合理的立方相化合物與WC之間粒度搭配。經測試試驗表明，本發明的硬質合金具有出色的抗塑性變形能力和抗月牙窪磨損能力，還具備優良的斷裂韌性和抗熱裂紋擴展能力，非常適合作為普通鋼、不鏽鋼的半精加工和精加工的刀具通用基體材質。
具體實施例方式以下結合具體實施例對本發明的技術方案作進一步的描述。實施例1:一種本發明的用於鋼材通用加工刀具的硬質合金，該硬質合金以Co金屬作為粘結相，以包括WC和含鈦立方相化合物在內的物質作為硬質相，該含鈦立方相化合物包括TiCN、TiC和TaNbC。在粘結相中固溶有Cr元素，粘結相的含量為5.68wt.% (含Co5.5%和Cr0.18% ),Cr元素佔粘結相的含量為3wt.% ;含鈦立方相化合物成分包括1.6wt.%的TiC,0.4wt.%的110隊2.0wt.和 LOwt.% 的 NbC (N/Ti 原子比為 0.17)，餘量為 WC。本實施例的硬質合金中WC的平均粒徑為1.8 μ m，含鈦立方相化合物的平均粒徑為2.0 μ m ;硬質合金具有平均粘結相含量為標稱Co粘結相含量1.5倍的含鈦立方相化合物缺失的表層結構，厚度為10 μ m。本發明硬質合金的製備方法包括以下步驟:準備好原料為WC、TiCN、TiC、TaNbC、Cr3C2 和 Co 粉，平均粒徑分別為 3μ 、1.Ομπκ .2μ 、1.5μ 、0.8μπι和 1.0 μ m，按比例配製成混合粉末，經過球磨後壓製成刀片粗坯，然後進行1450°C的真空燒結，具體的燒結工藝為:先以5°C /min 10°C /min的升溫速率加熱到1250°C 1300°C，保溫IOmin 30min，然後以2V /min 5°C /min的升溫速率升溫至1350°C 1400°C，再保溫20min 40min，繼續以2°C /min 5°C /min的速度升溫至1450°C保溫60min,最後冷卻至室溫,得到本實施例的硬質合金刀片基體。實施例2:一種本發明的用於鋼材通用加工刀具的硬質合金，該硬質合金以Co金屬作為粘結相，以包括WC和含鈦立方相化合物在內的物質作為硬質相，該含鈦立方相化合物包括TiCN、TiC和TaNbC。在粘結相中固溶有Cr元素，粘結相的含量為7.8wt.% (含Co7.5%和Cr0.3%) ,Cr元素佔粘結相的含量為5wt.%;含鈦立方相化合物成分包括1.9wt.%的11(:、
0.5wt.%的 TiCN、2.5wt.% 的 TaC 和 1.2wt.% 的 NbC (N/Ti 原子比為 0.18)，餘量為 WC。本實施例的硬質合金中WC的平均粒徑為2.0 μ m，含鈦立方相化合物的平均粒徑為2.2 μ m ;硬質合金具有平均粘結相含量為標稱Co粘結相含量1.7倍的含鈦立方相化合物缺失的表層結構，厚度為20 μ m。本發明硬質合金的製備方法包括以下步驟:準備好原料為WC、TiCN、TiC、TaNbC、Cr3C2 和 Co 粉，平均粒徑分別為 3μ 、1.Ομπκ .2μ 、1.5μ 、0.8μπι和 1.0 μ m，按比例配製成混合粉末，經過球磨後壓製成刀片粗坯，然後進行1450°C的真空燒結，具體的燒結工藝為:先以5°C /min 10°C /min的升溫速率加熱到1250°C 1300°C，保溫IOmin 30min，然後以2V /min 5°C /min的升溫速率升溫至1350°C 1400°C，再保溫20min 40min，繼續以2°C /min 5°C /min的速度升溫至1450°C保溫60min,最後冷卻至室溫,得到本實施例的硬質合金刀片基體 。實施例3:一種本發明的用於鋼材通用加工刀具的硬質合金，該硬質合金以Co金屬作為粘結相，以包括WC和含鈦立方相化合物在內的物質作為硬質相，該含鈦立方相化合物包括TiCN、TiC和TaNbC。在粘結相中固溶有Cr元素，粘結相的含量為8.0wt.%, Cr元素佔粘結相的含量為7.5wt.% ;含鈦立方相化合物成分包括2.0wt.%的TiC、0.5wt.%的TiCN、2.2wt.%的了&(:和1.2被.%的NbC(N/Ti原子比為0.17)，餘量為WC。本實施例的硬質合金中WC的平均粒徑為1.6 μ m，含鈦立方相化合物的平均粒徑為1.5 μ m ;硬質合金具有平均粘結相含量為標稱Co粘結相含量1.8倍的含鈦立方相化合物缺失的表層結構，厚度為20 μ m。本發明硬質合金的製備方法包括以下步驟:準備好原料為WC、TiCN、TiC、TaNbC、Cr3C2和Co粉,平均粒徑分別為2μπκ0.8μπκ1.Ομπκ .ΟμπκΟ.8μπι和1.0 μ m，按比例配製成混合粉末，經過球磨後壓製成刀片粗坯，然後進行1450°c的真空燒結，具體的燒結工藝為:先以5°C /min 10°C /min的升溫速率加熱到1250°C 1300°C，保溫IOmin 30min，然後以2V /min 5°C /min的升溫速率升溫至1350°C 1400°C，再保溫20min 40min，繼續以2V /min 5°C /min的速度升溫至1450°C保溫60min,最後冷卻至室溫,得到本實施例的硬質合金刀片基體。對比例1:—種現有技術的硬質合金基體，其成分包括:5.5wt.%的(:0、2.0￥1:.%的T1、2.0wt.%的Ta、1.0wt.%的Nb和WC,按其成分比例配製成混合粉末,經過球磨後壓製成刀片粗坯，然後進行1450度真空燒結得到硬質合金刀片基體。對比例2:一種現有技術的硬質合金基體，其成分包括:7.5wt.%的(:0、2.8被.％的T1、
2.5wt.%的了&、1.5 丨.％的唚、0.08wt.%的N和WC，按其成分比例配製成混合粉末，經過球磨後壓製成刀片粗坯，然後進行1450度真空燒結得到硬質合金刀片基體。對比試驗1:以上各實施例和對比例的硬質合金刀片基體其型號完全相同，且均經過研磨加工及表面處理後，利用CVD方法在上述各個硬質合金刀片表面鍍上TiCN層和Al2O3塗層。將塗層後的各硬質合金塗層刀片進行以下切削試驗來對比硬質合金基體的耐磨性和韌性。切削條件如下表I所示。表1:對比試驗I的切削條件參數
權利要求
1.一種用於鋼材通用加工刀具的硬質合金，所述硬質合金以包括Co、N1、Fe中至少一種的金屬元素作為粘結相，以包括WC和含鈦立方相化合物在內的物質作為硬質相，其特徵在於:在所述粘結相中固溶有Cr元素，所述粘結相的含量為4wt.% IOwt.%，所述Cr元素佔粘結相的含量為lwt.% IOwt.%，所述含鈦立方相化合物的含量為2wt.% 8wt.%;餘量為WC ;所述硬質合金中WC的平均粒徑為1.0 μ m 3.0 μ m，所述含鈦立方相化合物的平均粒徑為WC的0.5 1.5倍；所述硬質合金具有平均粘結相含量為標稱粘結相含量I 2倍的含鈦立方相化合物缺失的表層結構。
2.根據權利要求1所述的用於鋼材通用加工刀具的硬質合金，其特徵在於:所述含鈦立方相化合物包括鈦元素和其他過渡金屬元素的立方碳化物、立方氮化物和/或立方碳氮化物。
3.根據權利要求2所述的用於鋼材通用加工刀具的硬質合金，其特徵在於:所述其他過渡金屬元素為Ta和/或Nb。
4.根據權利要求1所述的用於鋼材通用加工刀具的硬質合金，其特徵在於:所述硬質合金合金中N元素與Ti元素的原子比為0.1 0.2。
5.根據權利要求1所述的用於鋼材通用加工刀具的硬質合金，其特徵在於:所述粘結相的含量為5wt.% 8wt.% ;所述Cr元素佔粘結相的含量為4wt.% 8wt.%。
6.根據權利要求1所述的用於鋼材通用加工刀具的硬質合金，其特徵在於:所述硬質合金中WC的平均粒徑為1.5μπι 2.5μ ;所述含鈦立方相化合物的平均粒徑為WC平均粒徑的0.8 1.2倍。
7.根據權利要求1所述的用於鋼材通用加工刀具的硬質合金，其特徵在於:所述含鈦立方相化合物的含量為4wt.% 6wt.%。
8.根據權利要求1所述的用於鋼材通用加工刀具的硬質合金，其特徵在於:所述表層結構的厚度為10 μ m 40 μ m。
9.根據權利要求1 8中任一項所述的用於鋼材通用加工刀具的硬質合金，其特徵在於:所述Cr元素是以金屬固溶體或Cr的碳化物形式加入。
10.一種用於鋼材通用加工刀具的硬質合金塗層刀片，其特徵在於:所述硬質合金塗層刀片是以權利要求1 9中任一項所述的硬質合金為基體，所述硬質合金基體上塗覆有TiCN層和Al2O3塗層。
全文摘要
本發明公開了一種用於鋼材通用加工刀具的硬質合金及該硬質合金製成的塗層刀片，該硬質合金是以包括Co、Ni、Fe中至少一種的金屬作為粘結相，以包括WC和含鈦立方相化合物在內的物質作為硬質相，在粘結相中固溶有Cr，粘結相的含量為4～10wt.％，Cr佔粘結相的含量為1～10wt.％，含鈦立方相化合物的含量為2～8wt.％，餘量為WC；硬質合金中WC的平均粒徑為1～3μm，含鈦立方相化合物的平均粒徑為WC的0.5～1.5倍；硬質合金具有平均粘結相含量為標稱含量1～2倍的立方相化合物缺失的表層結構。本發明的硬質合金及其刀片具有出色的抗塑性變形和抗月牙窪磨損能力，以及優良的斷裂韌性和抗熱裂紋擴展能力。
文檔編號C22C29/02GK103160723SQ20111042289
公開日2013年6月19日 申請日期2011年12月15日 優先權日2011年12月15日
發明者周定良, 謝文, 黃文亮, 黃前葆, 王社權 申請人:株洲鑽石切削刀具股份有限公司