CN103114233A - 一种涂层梯度硬质合金刀具材料 - Google Patents
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Abstract
一种涂层梯度硬质合金刀具材料，本发明涉及刀具材料。本发明是要解决传统刀具材料存在强度和韧性差，耐热及抗氧化性弱导致使用寿命短并且影响被切削件精度的问题。一种涂层梯度硬质合金刀具材料的由基体和涂层材料组成，所述基体由WC粉末、TiC粉末、（Ta,Nb）C固溶体粉末、Co粉和La与Sm混合稀土粉末构成；涂层材料由Ti元素、Al元素、N元素和Si元素构成。本发明刀具基体具备较高的强度和韧性，抗氧化性强，切削性能明显高于普通TiAlN刀具的性能，使用寿命约提高50%，加工后的工件表面粗糙度降低了30%，尺寸精度提高了50%。本发明用于制备一种涂层梯度硬质合金刀具。
Description
技术领域
本发明涉及刀具材料。
背景技术
硬质合金是一种以难熔金属化合物（WC、TaC、TiC、NbC等）为基体，以过渡族金属（Co、Ni、Fe）为粘结相，采用粉末冶金方法制备的金属陶瓷工具材料。由于其高硬度、高强度、高弹性模量、耐磨损、耐腐蚀、热膨胀系数小以及化学性质稳定等优点，在金属切削加工领域有着重要的应用。
在高速切削时，刀刃温度最高可达900℃。刀具的失效形式主要表现为崩刃和磨损。
刀具崩刃主要是由于刀具基体内产生裂纹并扩展引起的。为了尽可能防止由于裂纹扩展而导致的材料失效，可对基体进行梯度处理，是在涂层基体表面区域形成脱立方相碳化物和碳氮化物的韧性区域，这种结构既有利于涂层与基体的结合，又可形成韧性缓冲区。当裂纹扩展到该区域时，其良好的塑性和韧性可以吸收裂纹扩展时的能量。能够有效地阻止涂层中形成的裂纹向合金内部扩展，提高界面结合强度和降低界面应力集中，延长合金切削工具的使用寿命。
刀具的磨损主要表现为机械摩擦磨损（刀具后面磨损的主要形式）、粘结磨损、扩散磨损、摩擦氧化磨损（刀具刀刃磨损及月牙洼磨损的主要形式）和疲劳磨损，这5种磨损直接影响刀具使用寿命。
目前，传统刀具材料存在强度和韧性差，耐热及抗氧化性弱导致使用寿命短并且影响被切削件精度的问题。
发明内容
本发明是要解决传统刀具材料存在强度和韧性差，耐热及抗氧化性弱导致使用寿命短并且影响被切削件精度的问题，而提供一种涂层梯度硬质合金刀具材料。
一种涂层梯度硬质合金刀具材料的由基体和涂层材料组成，所述基体按重量份数由60～80份WC粉末、5～10份TiC粉末、10～15份（Ta,Nb）C固溶体粉末、5～15份Co粉和0.07～0.15份La与Sm混合稀土粉末构成；涂层材料按重量份数由25～50份Ti元素、15～35份Al元素、25～60份N元素和0.33～5份Si元素构成。
本发明添加稀土元素Sm的硬质合金中，WC的晶粒度由原始粒度3.04μm减小到了2.54μm，稀土元素Sm对WC晶粒度的细化作用可解释为：(1)Sm减少了合金中的游离碳，则Co液相相对减少，亦减少了WC溶解-析出长大的机会；(2)Sm易于粘附于WC颗粒表面，则减低了WC表面能，使WC在液相中的溶解度下降，阻碍了重结晶过程，抑制了WC长大。
稀土元素La对杂质元素硫、氧、氮、钙等有很大的亲和力，易于和界面上的这些杂质元素S形成复杂化合物LaS，还能改善化合物的形态，成为理想的球状。试验证实，添加稀土元素后硬质合金中杂质元素的含量减少至其未添加稀土元素的50%～60%。化合物为球状这一特点增加了硬质合金的断裂韧性，初步计算约增加了10%。
净化作用使粘结相在WC上的润湿性得到改善，提高了界面连接强度，这也是稀土强化硬质合金的主要原因之一。粘结相由高温冷却到室温是γfcc→γhcp是扩散型相变。其中主要是γfcc相，γhcp相所占比例为10%左右。由于La和Sm的综合作用可以抑制此扩散型相变，La会和Co(fcc)易于生成Co12La、Co5La，Sm与Co(fcc)易于生成Co17Sm2、Co7Sm2，减少γfcc的含量，从而可以减少γhcp在粘结相中含量。稀土本身并不能固溶于γ中，但是由于两种稀土元素在WC/Co相界面上的偏聚却影响了W、Ti等元素从Co中的脱溶。可以提高粘界相中的W、Ti含量，从而可以起到固溶强化的作用。
本发明的有益效果是：
1、刀具基体具备较高的强度和韧性；
2、刀具微观结构孔隙率低，晶界纯净且晶粒细小；
3、刀具涂层材料具备低摩擦系数，同时具有高室温硬度和高温硬度，抗氧化性强；
4、该刀具涂层的耐热及抗氧化温度在1000℃；
5、刀具的切削性能明显高于普通TiAlN刀具的性能，使用寿命约提高50%；
6、加工后的工件表面粗糙度降低了30%，尺寸精度提高了50%，效率提高了50%。
本发明用于制备一种涂层梯度硬质合金刀具。
具体实施方式
本发明技术方案不局限于以下所列举的具体实施方式，还包括各具体实施方式之间的任意组合。
具体实施方式一：本实施方式一种涂层梯度硬质合金刀具材料的由基体和涂层材料组成，所述基体按重量份数由60～80份WC粉末、5～10份TiC粉末、10～15份（Ta,Nb）C固溶体粉末、5～15份Co粉和0.07～0.15份La与Sm混合稀土粉末构成；涂层材料按重量份数由25～50份Ti元素、15～35份Al元素、25～60份N元素和0.33～5份Si元素构成。
本实施方式的有益效果是：
1、刀具基体具备较高的强度和韧性；
2、刀具微观结构孔隙率低，晶界纯净且晶粒细小；
3、刀具涂层材料具备低摩擦系数，同时具有高室温硬度和高温硬度，抗氧化性强；
4、该刀具涂层的耐热及抗氧化温度在1000℃；
5、刀具的切削性能明显高于普通TiAlN刀具的性能，使用寿命约提高50%；
6、加工后的工件表面粗糙度降低了30%，尺寸精度提高了50%，效率提高了50%。
具体实施方式二：本实施方式与具体实施方式一不同的是：WC粉末的平均粒度为0.5μm～3.5μm。其它与具体实施方式一相同。
具体实施方式三：本实施方式与具体实施方式一或二不同的是：La与Sm混合稀土粉末中La和Sm的质量比为1﹕1，混合稀土粉末的平均粒度为0.1μm～0.5μm。其它与具体实施方式一或二相同。
具体实施方式四：本实施方式与具体实施方式一至三之一不同的是：Si元素的平均粒度为10nm～100nm。其它与具体实施方式一至三之一相同。
具体实施方式五：本实施方式与具体实施方式一至四之一不同的是：涂层材料厚度为5μm～40μm。其它与具体实施方式一至四之一相同。
采用以下实施例验证本发明的有益效果：
实施例一：
本实施例一种涂层梯度硬质合金刀具材料的基体按重量份数由70份WC粉末、8份TiC粉末、12份（Ta,Nb）C固溶体粉末、10份Co粉和0.14份La与Sm混合稀土粉末构成；涂层材料按重量份数由36.5份Ti元素、28份Al元素、35.5份N元素和2.4份Si元素构成。
其中，WC粉末的平均粒度为1μm～2μm，La与Sm的质量比为1﹕1，混合稀土粉末的平均粒度为1μm～2μm，Si元素的平均粒度为80nm，涂层材料厚度为30μm。
本实施例制备的涂层梯度硬质合金刀具经钢轨测试有以下结果：
切削速度αv=300m/min，进给量f=0.2mm/r，背吃刀量ap=0.8mm（轨面）、2mm（轨侧），钢轨材料：U71Mn。
该刀具性能检测结果如下：
涂层后合金的物理和力学性能
该刀具刃口附近前、后刀面的脱β层的厚度呈梯度变化，平均厚度为350μm，刀面20μm厚度内Co含量约为平均钴含量1.5倍。
该刀具材料的相对密度为99%，洛氏硬度为92HRA，抗弯强度为3500MPa。
该刀具涂层的显微硬度为HV0.253750。
该刀具涂层的热稳定温度达到了1000℃。
切削后钢轨表面精度较普通切削加工后提高了50%，表面粗糙度降低了30%，加工效率提高了50%。
结合上述实验结果可知，此刀具在服役过程中能保持优良的性能，可以替代类似产品。
Claims (5)
1.一种涂层梯度硬质合金刀具材料，其特征在于一种涂层梯度硬质合金刀具材料的由基体和涂层材料组成，所述基体按重量份数由60～80份WC粉末、5～10份TiC粉末、10～15份（Ta,Nb）C固溶体粉末、5～15份Co粉和0.07～0.15份La与Sm混合稀土粉末构成；涂层材料按重量份数由25～50份Ti元素、15～35份Al元素、25～60份N元素和0.33～5份Si元素构成。
2.根据权利要求1所述的一种涂层梯度硬质合金刀具材料，其特征在于WC粉末的平均粒度为0.5μm～3.5μm。
3.根据权利要求2所述的一种涂层梯度硬质合金刀具材料，其特征在于La与Sm混合稀土粉末中La和Sm的质量比为1﹕1，混合稀土粉末的平均粒度为0.1μm～0.5μm。
4.根据权利要求3所述的一种涂层梯度硬质合金刀具材料，其特征在于Si元素的平均粒度为10nm～100nm。
5.根据权利要求4所述的一种涂层梯度硬质合金刀具材料，其特征在于涂层材料厚度为5μm～40μm。
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