CN102632261B - 一种金属陶瓷刀具及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种金属陶瓷刀具，所述金属陶瓷刀具的组成及重量百分比含量分别为：TiCN30-60wt%，TiB5-15wt%，VC0-3wt%，MoC10-20wt%，Ni0-10wt%，Cu0.5-5wt%，WC0-15wt%，Al2O35-30wt%，TaC0-10wt%。本发明还提供了的所述金属陶瓷刀具的制备方法。本发明提供的金属陶瓷刀具中，通过对组分的种类和含量进行适当选择，使得本发明的金属陶瓷刀具中硬质相和粘结相之间既能在界面形成元素的相互扩散，又不发生剧烈的化学反应，防止生成脆性相和恶化界面性能，从而保证本发明提供的金属陶瓷刀具的整体性能和使用寿命均得到有效提高，应用领域得到大大拓展。
Description
技术领域
本发明属于切削刀具领域，具体涉及一种金属陶瓷刀具及其制备方法。
背景技术
随着现代科学技术的进步与工业的快速发展，传统的刀具产品已难以满足材料加工的需要，如传统的YG、YT系列硬质合金刀具面对高速与高强度材料时硬度不够，时有冲击破碎现象发生。此外，也有利用CVD涂层设备在硬质合金上涂一层陶瓷涂层，但由于涂层很薄，容易磨损，因界面结合强度低易产生涂层剥落，并且设备投资大，工艺比较复杂。
新型陶瓷刀具材料由于具有高硬度、高耐磨性、高耐热性和高的化学稳定性等独特的性能，近些年来在切削领域得到较为广泛的应用。金属陶瓷材料是通过粉末冶金方法制取的金属与陶瓷的复合材料，兼具金属与陶瓷的优点，具体包括耐高温、耐腐蚀、高硬度、高抗氧化性能等。制备金属陶瓷时，加入TiCN后能有效提高红硬性、耐磨性、抗氧化性和抗腐蚀性等性能，而合金的抗弯强度、抗压强度、热导率有所降低。这种金属陶瓷可以明显提高车削速度和被加工件的精度、光洁度，填补了WC基硬质合金和陶瓷工具之间的空白。
目前工业市场上金属陶瓷刀具主要有TiC基、Ti(C，N)基刀具材料。以专利号为CN200810031010.6发明为例，它公开了一种含硼的碳氮化钛基金属陶瓷刀具材料及其制备方法，该刀具材料是以碳氮化钛作为基材，其特征在于刀具中含有质量分数为0.005～0.25％的硼，其它各类元素的质量百分比分别为：C 6～11％、N 2～7％，Ti 35～70％、W 5～20％、Mo 0～12％、 Ta 0～9％，Nb 1～7％、Co和Ni的总含量在6～25％。
上述金属陶瓷刀具产品，由于其脆性大，抗变能力小，韧性低，在切削加工时易发生破损，可靠性较差，不稳定，易发生“崩刃”现象，面对高速加工高强度材料时，力不从心，使用寿命有限。
目前国内外研究采用多种增韧机制来提高陶瓷刀具韧性，但效果不十分理想。例如采用颗粒弥散增韧，其增韧幅度十分有限；采用相变增韧，陶瓷刀具的增韧效果随切削温度的升高而下降，且韧性增加的同时硬度降低；采用晶须增韧，能显著提高陶瓷刀具材料的断裂韧性，但价格昂贵，使用成本高。
发明内容
本发明解决了现有技术中金属陶瓷刀具存在的脆性大、韧性低导致刀具整体性能和使用寿命较低的技术问题。
本发明提供了一种金属陶瓷刀具，所述金属陶瓷刀具的组成及重量百分比含量分别为：TiCN 30-60wt%，TiB 5-15wt%，VC 0-3wt%，MoC 10-20wt%，Ni 0-10wt%，Cu 0.5-5wt%，WC 0-15wt%，Al2O3 5-30wt%，TaC 0-10wt%。
本发明还提供了所述金属陶瓷刀具的制备方法，包括以下步骤：
A、将原料按重量百分比含量TiCN 30-60wt%，TiB 5-15wt%，VC 0-3wt%，MoC 10-20wt%，Ni 0-10wt%，Cu 0.5-5wt%，WC 0-15wt%，Al2O3 5-30wt%，TaC 0-10wt%混合后进行球磨，然后在真空下干燥；
B、往经过步骤A的混合物中加入成型剂后造粒，加压成型得到坯体；
C、将坯体在真空下进行预烧结，得到半成品；
D、将半成品进行再次加压处理，以高于预烧结的温度进行真空烧结，表面处理后得到成品金属陶瓷刀具。
本发明提供的金属陶瓷刀具组份中，通过添加微量的Cu来能有效提高粘结相的韧性，添加Al2O3颗粒能实现弥散增韧，使得本发明的金属陶瓷刀具中硬质相和粘结相之间既能在界面形成元素的相互扩散，又不发生剧烈的化学反应，防止生成脆性相和恶化界面性能，实现在不降低硬度的前提下提高金属陶瓷材料韧性的目的。本发明提供的金属陶瓷刀具的硬度达92.0HRA，抗弯强度达1800N/mm2，较现有技术中的TiC基、Ti(C，N) 金属陶瓷刀具使用寿命提高1-3倍，抗氧化性提高30-45%，稳定性较高，应用领域得到大大拓展。
附图说明
图1为本发明提供的金属陶瓷刀具的制备方法的工艺流程图。
具体实施方式
本发明提供了一种金属陶瓷刀具，所述金属陶瓷刀具的组成及重量百分比含量分别为：TiCN 30-60wt%，TiB 5-15wt%，VC 0-3wt%，MoC 10-20wt%，Ni 0-10wt%，Cu 0-5wt%，WC 0-15wt%，Al2O3 5-30wt%，TaC 0-10wt%。
本发明提供的金属陶瓷刀具中，通过对组分的种类和含量进行适当选择，使得本发明的金属陶瓷刀具中硬质相和粘结相之间既能在界面形成元素的相互扩散，又不发生剧烈的化学反应，防止生成脆性相和恶化界面性能，本发明提供的金属陶瓷刀具的硬度达92.0HRA，抗弯强度达1800N/mm2，较现有技术中的TiC基、Ti(C，N) 金属陶瓷刀具使用寿命提高1-3倍，抗氧化性提高30-45%，稳定性较高，应用领域得到大大拓展。具体地，本发明提供的金属陶瓷刀具可广泛应用在铣刀、拉丝模及其它耐磨件与切削刀具领域，具有良好的经济价值和使用前景。
作为本发明的一种优选实施方式，所述金属陶瓷刀具的组成及重量百分比含量分别为：TiCN 40-50wt%，TiB 8-12wt%，VC 1-2wt%，MoC 12-18wt%，Ni 3-7wt%，Cu 2-4wt%，WC 2-10wt%，Al2O3 10-20wt%，TaC 4-6wt%。
本发明还提供了所述金属陶瓷刀具的制备方法，如图1所示，包括以下步骤：
A、将原料按重量百分比含量TiCN 30-60wt%，TiB 5-15wt%，VC 0-3wt%，MoC 10-20wt%，Ni 0-10wt%，Cu 0.5-5wt%，WC 0-15wt%，Al2O3 5-30wt%，TaC 0-10wt%混合后进行球磨，然后在真空下干燥；
B、往经过步骤A的混合物中加入成型剂后造粒，加压成型得到坯体；
C、将坯体在真空下进行预烧结，得到半成品；
D、将半成品进行再次加压处理，以高于预烧结的温度进行真空烧结，表面处理后得到成品金属陶瓷刀具。
本发明中，步骤A中，球磨时球料比为5：1-8：1，球磨时间为24-48h。所述球磨可采用球磨罐或球磨桶进行，本发明没有特殊限定。所述球磨介质液为无水乙醇。
球磨完成后，对球磨体系进行真空下干燥。优选情况下，步骤A中，真空下干燥的条件为：干燥温度为70-150℃，干燥时间为6-12h。
根据本发明的方法，往真空下干燥的混合体系中加入成型剂造粒，然后进行加压成型，得到坯体。本发明中，所述成型剂为本领域技术人员常用的各种成型剂，例如可以为苯乙烯-丁二烯-苯乙烯镶段聚合物或聚乙二醇（PEG）。所述加压成型的压力为50-70吨，加压成型的时间为1至3min。
然后对坯体在真空下进行低温预烧结。本步骤C中，预烧结的条件为：预烧结温度为500-1000℃，预烧结时间为30-120min。
预烧结完成后得到半成品，然后对半成品进行再次加压处理，高温烧结，最后表面处理得到成品刀具。其中，再次加压处理的压力为70-90吨，加压时间为1至5min。
本发明中，真空烧结的温度高于预烧结的温度。具体地，真空烧结温度为1100-1500℃，真空烧结时间为1-3h。
本发明中，所述表面处理为本领域技术人员的公知技术，包括打磨和抛光处理。其中，打磨包括对经过真空烧结的产品进行粗磨和细磨，抛光包括对经过打磨的产品采用金刚石研磨膏进行抛光处理。
为了使本发明所解决的技术问题、技术方案及有益效果更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
实施例1
（1）配料：按以下重量份数称取原料：TiCN 40份，TiB 8份，VC 2份，MoC 14份，Ni 5份，Cu 2份，WC 6份，Al2O3 19份，TaC 4份，将上述原料按比例装入合金球磨桶中，球料比为8：1，以无水乙醇为介质液球磨24h；球磨完成后在真空下干燥，干燥温度为70℃，干燥时间为8h。
（2）往真空干燥后的体系中加入成型剂PEG后造粒，然后进行加压成型，压力为50吨，加压成型时间为2min，得到坯体。
（3）将坯体在800℃下真空预烧结60min，得到半成品刀具；然后对半成品刀具进行再次加压处理，压力为70吨，加压时间为4min；然后在1400℃下真空烧结1h，最后对表面进行粗磨与细磨，对打磨后的刀具表面利用金刚石研磨膏进行抛光，得到成品金属陶瓷刀具S1。
检测其性能得：本实施例金属陶瓷刀具S1的硬度为92.3HRA，抗弯强度为2050 N/mm2，。经切削使用实验证明，本实施例金属陶瓷刀具S1可应用在铣刀、车刀等切削刀具领域，较现有技术中的TiC基、Ti(C，N) 金属陶瓷刀具而言使用寿命提高1-3倍，抗氧化性提高30-45%。
实施例2
（1）配料：按以下重量份数称取原料：TiCN 42份，TiB 10份，VC 1份，MoC 12份，Ni 5份，Cu 3份，WC 6份，Al2O3 16份，TaC 5份，将上述原料按比例装入合金球磨桶中，球料比为6：1，以无水乙醇为介质液球磨40h；球磨完成后在真空下干燥，干燥温度为100℃，干燥时间为8h。
（2）往真空干燥后的体系中加入成型剂PEG后造粒，然后进行加压成型，压力为60吨，加压成型时间为1min，得到坯体。
（3）将坯体在900℃下真空预烧结60min，得到半成品刀具；然后对半成品刀具进行再次加压处理，压力为70吨，加压时间为4min；然后在1500℃下真空烧结1h，最后对表面进行粗磨与细磨，对打磨后的刀具表面利用金刚石研磨膏进行抛光，得到成品金属陶瓷刀具S2。
检测其性能得：本实施例金属陶瓷刀具S2的硬度达92.2HRA，抗弯强度达2100N/mm2。经切削使用实验证明，本实施例金属陶瓷刀具S2可应用在铣刀、车刀等切削刀具领域，较现有技术中的TiC基、Ti(C，N) 金属陶瓷刀具而言使用寿命提高1-3倍，抗氧化性提高30-45%。
实施例3
（1）配料：按以下重量份数称取原料：TiCN 45份，TiB 12份，VC 2份，MoC 12份，Ni 4份，Cu 2份，WC 4份，Al2O3 13份，TaC 6份，将上述原料按比例装入合金球磨桶中，球料比为5：1，以无水乙醇为介质液球磨30h；球磨完成后在真空下干燥，干燥温度为100℃，干燥时间为6h。
（2）往真空干燥后的体系中加入成型剂PEG后造粒，然后进行加压成型，压力为50吨，加压成型时间为3min，得到坯体。
（3）将坯体在700℃下真空预烧结50min，得到半成品刀具；然后对半成品刀具进行再次加压处理，压力为70吨，加压时间为4min；然后在1400℃下真空烧结3h，最后对表面进行粗磨与细磨，对打磨后的刀具表面利用金刚石研磨膏进行抛光，得到成品金属陶瓷刀具S3。
检测其性能得：本实施例金属陶瓷刀具S3的硬度达92.5HRA，抗弯强度达1950N/mm2。经切削使用实验证明，本实施例金属陶瓷刀具S3可应用在铣刀、车刀等切削刀具领域，较现有技术中的TiC基、Ti(C，N) 金属陶瓷刀具而言使用寿命提高1-3倍，抗氧化性提高30-45%。
实施例4
（1）配料：按以下重量份数称取原料：TiCN 48份，TiB 8份，VC 1份，MoC 18份，Ni 3份，Cu 3份，WC 3份，Al2O3 12份，TaC 4份，将上述原料按比例装入合金球磨桶中，球料比为8：1，以无水乙醇为介质液球磨24h；球磨完成后在真空下干燥，干燥温度为70℃，干燥时间为12h。
（2）往真空干燥后的体系中加入成型剂苯乙烯-丁二烯-苯乙烯镶段聚合物后造粒，然后进行加压成型，压力为50吨，加压成型时间为2.5min，得到坯体。吨
（3）将坯体在800℃下真空预烧结120min，得到半成品刀具；然后对半成品刀具进行再次加压处理，压力为80吨，加压时间为3min；然后在1400℃下真空烧结3h，最后对表面进行粗磨与细磨，对打磨后的刀具表面利用金刚石研磨膏进行抛光，得到成品金属陶瓷刀具S4。
检测其性能得：本实施例金属陶瓷刀具S4的硬度达92.6HRA，抗弯强度达1900N/mm2。经切削使用实验证明，本实施例金属陶瓷刀具S1可应用在铣刀、车刀等切削刀具领域，较现有技术中的TiC基、Ti(C，N) 金属陶瓷刀具而言使用寿命提高1-3倍，抗氧化性提高30-45%。
实施例5
（1）配料：按以下重量份数称取原料：TiCN 50份，TiB 8份，VC 2份，MoC 12份，Ni 3份，Cu 3份，WC 3份，Al2O3 14份，TaC 5份，将上述原料按比例装入合金球磨桶中，球料比为8：1，以无水乙醇为介质液球磨24h；球磨完成后在真空下干燥，干燥温度为90℃，干燥时间为10h。
（2）往真空干燥后的体系中加入成型剂苯乙烯-丁二烯-苯乙烯镶段聚合物后造粒，然后进行加压成型，压力为50吨，加压成型时间为1.5min，得到坯体。
（3）将坯体在800℃下真空预烧结30min，得到半成品刀具；然后对半成品刀具进行再次加压处理，压力为70吨，加压时间为1min；然后在1300℃下真空烧结3h，最后对表面进行粗磨与细磨，对打磨后的刀具表面利用金刚石研磨膏进行抛光，得到成品金属陶瓷刀具S5。
检测其性能得：本实施例金属陶瓷刀具S5的硬度达92.5HRA，抗弯强度达1890N/mm2。经切削使用实验证明，本实施例金属陶瓷刀具S1可应用在铣刀、车刀等切削刀具领域，较现有技术中的TiC基、Ti(C，N) 金属陶瓷刀具而言使用寿命提高1-3倍，抗氧化性提高30-45%。
实施例6
（1）配料：按以下重量份数称取原料：TiCN 30份，TiB 15份，MoC 20份，Ni 7份，Cu 4份，WC 10份，Al2O3 14份，将上述原料按比例装入合金球磨桶中，球料比为7：1，以无水乙醇为介质液球磨48h；球磨完成后在真空下干燥，干燥温度为150℃，干燥时间为6h。
（2）往真空干燥后的体系中加入成型剂PEG后造粒，然后进行加压成型，压力为70吨，加压成型时间为1min，得到坯体。
（3）将坯体在500℃下真空预烧结100min，得到半成品刀具；然后对半成品刀具进行再次加压处理，压力为90吨，加压时间为1min；然后在1100℃下真空烧结3h，最后对表面进行粗磨与细磨，对打磨后的刀具表面利用金刚石研磨膏进行抛光，得到成品金属陶瓷刀具S6。
检测其性能得：本实施例金属陶瓷刀具S6的硬度达92.2HRA，抗弯强度达2120N/mm2。经切削使用实验证明，本实施例金属陶瓷刀具S1可应用在铣刀、车刀等切削刀具领域，较现有技术中的TiC基、Ti(C，N) 金属陶瓷刀具而言使用寿命提高1-3倍，抗氧化性提高30-45%。
实施例7
（1）配料：按以下重量份数称取原料：TiCN 35份，TiB 14份，VC 0.5份，MoC19份，Ni 9份，Cu 4.5份，WC 13份，Al2O3 5份，将上述原料按比例装入合金球磨桶中，球料比为6：1，以无水乙醇为介质液球磨35h；球磨完成后在真空下干燥，干燥温度为100℃，干燥时间为8h。
（2）往真空干燥后的体系中加入成型剂PEG后造粒，然后进行加压成型，压力为60吨，加压成型时间为2min，得到坯体。
（3）将坯体在900℃下真空预烧结80min，得到半成品刀具；然后对半成品刀具进行再次加压处理，压力为80吨，加压时间为3min；然后在1300℃下真空烧结2h，最后对表面进行粗磨与细磨，对打磨后的刀具表面利用金刚石研磨膏进行抛光，得到成品金属陶瓷刀具S7。
检测其性能得：本实施例金属陶瓷刀具S7的硬度达92.1HRA，抗弯强度达2100N/mm2。经切削使用实验证明，本实施例金属陶瓷刀具S1可应用在铣刀、车刀等切削刀具领域，较现有技术中的TiC基、Ti(C，N) 金属陶瓷刀具而言使用寿命提高1-3倍，抗氧化性提高30-45%。
实施例8
（1）配料：按以下重量份数称取原料：TiCN 60份，TiB 5份，VC 3份，MoC 10份，Ni 5份，Cu 1份，WC 1份，Al2O3 5份，TaC 10份，将上述原料按比例装入合金球磨桶中，球料比为7：1，以无水乙醇为介质液球磨26h；球磨完成后在真空下干燥，干燥温度为130℃，干燥时间为9h。
（2）往真空干燥后的体系中加入成型剂PEG后造粒，然后进行加压成型，压力为70吨，加压成型时间为3min，得到坯体。
（3）将坯体在1000℃下真空预烧结30min，得到半成品刀具；然后对半成品刀具进行再次加压处理，压力为70吨，加压时间为5min；然后在1200℃下真空烧结2h，最后对表面进行粗磨与细磨，对打磨后的刀具表面利用金刚石研磨膏进行抛光，得到成品金属陶瓷刀具S8。
检测其性能得：本实施例金属陶瓷刀具S8的硬度达92.5HRA，抗弯强度达1830N/mm2。经切削使用实验证明，本实施例金属陶瓷刀具S1可应用在铣刀、车刀等切削刀具领域，较现有技术中的TiC基、Ti(C，N) 金属陶瓷刀具而言使用寿命提高1-3倍，抗氧化性提高30-45%。
以上实施例仅为本发明的优选实施方式，应当指出，对于本领域技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，所作出的若干改进，也应视为本发明的保护范围。
Claims (10)
1.一种金属陶瓷刀具，其特征在于，所述金属陶瓷刀具的组成及重量百分比含量分别为：TiCN 30-60wt%，TiB 5-15wt%，VC 0-3wt%，MoC 10-20wt%，Ni 0-10wt%，Cu 0.5-5wt%，WC 0-15wt%，Al2O3 5-30wt%，TaC 0-10wt%。
2.根据权利要求1所述的金属陶瓷刀具，其特征在于，所述金属陶瓷刀具的组成及重量百分比含量分别为：TiCN 40-50wt%，TiB 8-12wt%，VC 1-2wt%，MoC 12-18wt%，Ni 3-7wt%，Cu 2-4wt%，WC 2-10wt%，Al2O3 10-20wt%，TaC 4-6wt%。
3.根据权利要求2所述的金属陶瓷刀具，其特征在于，所述金属陶瓷刀具的组成及重量百分比含量分别为：TiCN 42wt%，TiB 10wt%，VC 1wt%，MoC 12wt%，Ni 5wt%，Cu 3wt%，WC 6wt%，Al2O3 16wt%，TaC 5wt%。
4.一种如权利要求1所述的金属陶瓷刀具的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
A、将原料按重量百分比含量TiCN 30-60wt%，TiB 5-15wt%，VC 0-3wt%，MoC 10-20wt%，Ni 0-10wt%，Cu 0.5-5wt%，WC 0-15wt%，Al2O3 5-30wt%，TaC 0-10wt%混合后进行球磨，然后在真空下干燥；
B、往经过步骤A的混合物中加入成型剂后造粒，加压成型得到坯体；
C、将坯体在真空下进行预烧结，得到半成品；
D、将半成品进行再次加压处理，以高于预烧结的温度进行真空烧结，表面处理后得到成品金属陶瓷刀具。
5.根据权利要求4所述的制备方法，其特征在于，步骤A中，球磨时球料比为5：1-8：1，球磨时间为24-48h，球磨介质液为无水乙醇，真空下干燥的条件为：干燥温度为70-150℃，干燥时间为6-12h。
6.根据权利要求4所述的制备方法，其特征在于，步骤B中，成型剂为苯乙烯-丁二烯-苯乙烯镶段聚合物或聚乙二醇，加压成型的压力为50-70吨，加压成型的时间为1至3min。
7.根据权利要求4所述的制备方法，其特征在于，步骤C中，预烧结的条件为：预烧结温度为500-1000℃，预烧结时间为30-120min。
8.根据权利要求4所述的制备方法，其特征在于，步骤D中，再次加压处理的压力为70-90吨，加压时间为1-5min。
9.根据权利要求4或8所述的制备方法，其特征在于，步骤D中，真空烧结的条件为：真空烧结温度为1100-1500℃，真空烧结时间为1-3h。
10.根据权利要求4或8所述的制备方法，其特征在于，步骤D中，表面处理包括打磨和抛光；其中，打磨包括对经过真空烧结的产品进行粗磨和细磨，抛光包括对经过打磨的产品采用金刚石研磨膏进行抛光处理。
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