CN102676903B - 高性能刀具涂层材料及其熔炼方法 - Google Patents

高性能刀具涂层材料及其熔炼方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种高性能刀具涂层材料及其熔炼方法，包括Al、Co、Cr、Fe、Ni、Mo、Ti、Si，Al、Co、Cr、Fe、Ni、Mo、Ti、Si的摩尔比为1∶1∶1∶1∶1∶1∶0.5∶0.5。经测试，高性能刀具涂层材料AlCoCrFeNiMoTi0.5Si0.5硬度为1000.9HV0.200，600℃退火10个小时其硬度基本不发生改变，800℃、1100℃退火10个小时硬度仅下降8％和12％，说明该高熵合金具有良好的抗高温软化性能，用于制作刀具的涂层材料，刀具的切削性能较目前常用的刀具材料可以有很大的提高。使用这种合金作为刀具涂层没有适用范围的局限性，可以应用于各种材料的切削。

Description

高性能刀具涂层材料及其熔炼方法
技术领域
本发明涉及合金技术领域，尤其涉及的是一种高性能刀具涂层材料及其熔炼方法。 
背景技术
刀具，被称作装备制造业的“牙齿”，刀具技术能级的提升对促进整个装备制造业的进步和水平的提高至关重要。提升刀具技术能级，切削性能是关键，而刀具切削性能很大程度上依赖于刀具材料。切削过程中，刀具要承受高温、高压、摩擦和冲击的作用，因此，刀具必须有高的硬度和耐磨性、足够的强度和韧性、良好的耐热性和热冲击性能。 
目前常用高速钢、硬质合金、陶瓷、立方氮化硼、金刚石等作为刀具材料，还有新发展起来的涂层刀具，即在一些韧性较好的硬质合金或高速钢刀具基体上，涂覆一层耐磨性高的难熔化金属化合物而得到性能较好的刀具。常用的涂层材料有：TiC、TiN和Al2O3等。 
目前用于制作刀具的材料有高速钢、硬质合金、陶瓷、立方氮化硼、金刚石等。 
高速钢刀具耐高温和硬度稍差，导致耐磨性不高，不宜用于高速切削。 
硬质合金刀具耐磨性和耐热性较好，但是承受切削振动与冲击的能力较差，一般工作温度要低于600℃。 
陶瓷刀具耐磨性、耐热性好，但抗弯强度和韧性差，其中氧化铝系陶瓷刀具精加工和半精加工冷硬铸铁、淬硬钢很有效；氮化硅系陶瓷刀具适用于加工铸铁及高温合金，切削钢料效果不明显。 
立方氮化硼主要用于切削高硬的黑色金属，一般是干式加工，经常加工件的表面光洁度不太好。 
金刚石刀具在耐磨性、硬度等方面都胜于以上几种刀具材料，但是它不适合加工钢 铁材料，在高温条件下刀具极易产生破坏。 
另外一种发展起来的刀具就是涂层刀具，目前常用的涂层材料有：TiC、TiN和Al2O3等。涂层刀具的研究、推广和使用发展很迅速。 
虽然涂层刀具发展很快，在车削和铣削方面的应用很广泛，但是任有很多局限性，目前的涂层刀具不适宜加工高温合金、钛合金及非金属材料，也不适宜粗加工有夹砂、硬皮的锻铸件。 
发明内容
本发明所要解决的技术问题是针对现有刀具材料的各种缺点和应用局限性，开发一种高性能刀具涂层材料及其熔炼方法；高性能刀具涂层材料具有高硬度、良好的耐磨性和耐高温性能、较小的脆性，同时适用于各种材料的切削，提高刀具的适用寿命，从而可以降低成本。 
本发明的技术方案如下： 
一种高性能刀具涂层材料，包括Al、Co、Cr、Fe、Ni、Mo、Ti、Si，Al、Co、Cr、Fe、Ni、Mo、Ti、Si的摩尔比为1∶1∶1∶1∶1∶1∶0.5∶0.5。 
所述的高性能刀具涂层材料的熔炼方法，包括Al、Co、Cr、Fe、Ni、Mo、Ti、Si，Al、Co、Cr、Fe、Ni、Mo、Ti、Si的摩尔比为1∶1∶1∶1∶1∶1∶0.5∶0.5；合金熔炼前，先将原料分为两组，熔点高较难熔炼且熔炼后易形成固溶体的元素Mo、Ti分为一组，将剩下其它的较易熔炼的元素分为一组，分别将各组原料放入水冷铜坩埚内；将电弧炉抽真空，当达到1.33×10-3Pa后充入纯氩气，再次抽真空，达到1.33×10-3Pa后再次充入纯氩气，并使炉内气压稍大于1×105Pa，在此条件下进行熔炼，以保护试样不受氧化；熔炼过程中，分别将第一组元素Mo、Ti及第二组元素Al、Co、Cr、Fe、Ni、Si放入铜坩埚内熔炼成两种合金，再将各组熔炼的合金放在同一个铜坩埚内，在电弧炉内反复熔炼4至5次，以保证合金成分的均匀性。 
选择Al、Cr、Co、Fe、Ni、Mo、Ti和Si组成高熵合金体系，这些元素可以使合金获得高的硬度以及良好的高温性能。Cr可以提高抗氧化性和耐蚀性；Ni有较好的强度和韧性以及耐热性；Mo在高温时保持足够的强度和抗蠕变能力；Al具有抗氧化性和抗腐蚀性能，铝与铬、硅合用，可显著提高耐高温腐蚀的能力；Ti提高强度和韧性，在高温高压下可提高抗腐蚀能力；Co可以提高热强性，但是属于贵重重金属；Si有良好的高温性能。选择这些金属元素来熔炼高熵合金期望获得更好的硬度和高温性能。
实验发现：该系列的高熵合金具有很高的硬度，而且在1100℃退火10个小时后仍然不发生软化现象，可见也有很好的耐高温性能。其中AlCoCrFeNiMoTi0.5Si0.5的脆性较小，具有很高的强度，可以达到1000.9HV0.2，且在1000℃以上仍然不会软化，另外还可以通过热处理进一步提高各方面的性能。该高熵合金的这些性能符合作为刀具涂层所要求的良好耐磨性、足够强度、良好耐热性和良好工艺性等要求，并且不会在切削摩擦产生高温时与材料发生反应，所以没有应用的局限性。 
经测试，高性能刀具涂层材料AlCoCrFeNiMoTi0.5Si0.5硬度为1000.9HV0.200，600℃退火10个小时其硬度基本不发生改变，800℃、1100℃退火10个小时硬度仅下降8％和12％，说明该高熵合金具有良好的抗高温软化性能，用于制作刀具的涂层材料，刀具的切削性能较目前常用的刀具材料可以有很大的提高。使用这种合金作为刀具涂层没有适用范围的局限性，可以应用于各种材料的切削。由于该合金有非常好的硬度、耐磨性和耐高温性能，可以大大提高切削精度和刀具的使用寿命，这也有利于切削成本的降低。 
具体实施方式
以下结合具体实施例，对本发明进行详细说明。 
1.高熵合金刀具涂层材料的成分为：AlCoCrFeNiMoTi0.5Si0.5，Al、Co、Cr、Fe、Ni、Mo、Ti、Si的摩尔比为1∶1∶1∶1∶1∶1∶0.5∶0.5； 
2.高熵合金熔炼工艺： 
(1)合金熔炼前，先将原料分为两组，熔点高较难熔炼且熔炼后易形成固溶体的元素Mo、Ti(因为高熵合金通常为比较简单的固溶体结构)分为一组，将剩下其它的较易熔炼的元素分为一组，分别将各组原料放入水冷铜坩埚内。 
(2)将电弧炉抽真空，当达到1.33×10-3Pa后充入纯氩气，再次抽真空，达到1.33 ×10-3Pa后再次充入纯氩气，并使炉内气压稍大于1×105Pa，在此条件下进行第(3)步的熔炼，以保护试样不受氧化。 
(3)熔炼过程中，分别将第一组元素Mo、Ti及第二组元素Al、Co、Cr、Fe、Ni、Si放入铜坩埚内熔炼成两种合金，再将各组熔炼的合金放在同一个铜坩埚内，在电弧炉内反复熔炼4至5次，以保证合金成分的均匀性。电弧炉熔炼时温度很高，从中心到炉壁温度不均匀，熔池中心温度达到6000摄氏度，可以在几分钟内熔化金属，因此不需要专门控制温度和时间。 
(4)为了得到成分均匀，且不发生飞溅导致成分损失，应当控制熔炼合金的质量≤10g，熔炼的合金越少，其改善飞溅和裂纹的情况越好。 
应当理解的是，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，而所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。 

Claims (2)

1.一种高性能刀具涂层材料，其特征在于，包括Al、Co、Cr、Fe、Ni、Mo、Ti、Si，Al、Co、Cr、Fe、Ni、Mo、Ti、Si的摩尔比为1∶1∶1∶1∶1∶1∶0.5∶0.5。
2.根据权利要求1所述的高性能刀具涂层材料的熔炼方法，其特征在于：包括Al、Co、Cr、Fe、Ni、Mo、Ti、Si，Al、Co、Cr、Fe、Ni、Mo、Ti、Si的摩尔比为1：1∶1∶1∶1∶1∶0.5∶0.5；合金熔炼前，先将原料分为两组，熔点高较难熔炼且熔炼后易形成固溶体的元素Mo、Ti分为一组，将剩下其它的较易熔炼的元素分为一组，分别将各组原料放入水冷铜坩埚内；将电弧炉抽真空，当达到1.33×10-3Pa后充入纯氩气，再次抽真空，达到1.33×10-3Pa后再次充入纯氩气，并使炉内气压稍大于1×105Pa，在此条件下进行熔炼，以保护试样不受氧化；熔炼过程中，分别将第一组元素Mo、Ti及第二组元素Al、Co、Cr、Fe、Ni、Si放入铜坩埚内熔炼成两种合金，再将各组熔炼的合金放在同一个铜坩埚内，在电弧炉内反复熔炼4至5次，以保证合金成分的均匀性。
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