CN103160723A - 一种用于钢材通用加工刀具的硬质合金及其涂层刀片 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种用于钢材通用加工刀具的硬质合金及该硬质合金制成的涂层刀片,该硬质合金是以包括Co、Ni、Fe中至少一种的金属作为粘结相,以包括WC和含钛立方相化合物在内的物质作为硬质相,在粘结相中固溶有Cr,粘结相的含量为4~10wt.%,Cr占粘结相的含量为1~10wt.%,含钛立方相化合物的含量为2~8wt.%,余量为WC;硬质合金中WC的平均粒径为1~3μm,含钛立方相化合物的平均粒径为WC的0.5~1.5倍;硬质合金具有平均粘结相含量为标称含量1~2倍的立方相化合物缺失的表层结构。本发明的硬质合金及其刀片具有出色的抗塑性变形和抗月牙洼磨损能力,以及优良的断裂韧性和抗热裂纹扩展能力。
Description
技术领域
本发明属于金属切削加工领域,尤其涉及用于制备硬质合金刀具的基体材料及其涂层刀片。
背景技术
硬质合金刀具广泛应用于金属切削加工领域。金属车削用的硬质合金刀具基体一般由平均粒径介于0.5μm到5μm的WC、平均粒径介于1μm到5μm的立方相碳化物或碳氮化物、以及3wt%~15wt%的金属粘结相组成。硬质合金的性能可以通过调整WC和立方相颗粒粒度、粘结相体积分数以及碳含量来得到优化。通过加入一定量的立方相化物可以提高硬质合金的耐磨性、高温硬度、抗氧化性以及抗腐蚀性能。然而立方相化合物虽然硬度比WC高,但是其脆性也大,因此加入立方相化合物后硬质合金的强度和韧性会下降。为了削弱立方相化合物对合金强度和韧性的影响,车削用硬质合金刀具一般制备成具有表层富粘结相而无立方相化合物的梯度结构。
硬质合金的韧性和硬度通常很难同时提高,为了提高耐磨性和抗塑性变形能力,需要提高立方相化合物含量或降低粘结相含量,因此韧性随之降低;为了提高合金韧性则需要降低立方相化合物含量或提高粘结相含量,因此耐磨性和抗塑性变形能力随之降低。如何在硬质合金的韧性和硬度之间获得平衡,一直是研究人员所关注的。
早期有关梯度硬质合金的专利如US4548786、US5484468,通过在硬质合金表层形成一层无立方相的富粘结相层,从而使切削刀具韧性得到极大地提高。然而,按上述专利文献中公开的技术方案制备的硬质合金虽然韧性得到提高,在抗月牙洼磨损和抗高温塑性变形能力方面存在比较明显的不足。随着切削加工技术的不断进步,金属切削加工所用的切削参数不断提高,从而对切削刀具基体材质耐磨性、抗塑性变形能力以及韧性等性能要求不断提高。
发明内容
本发明要解决的技术问题是克服现有技术的不足,提供一种具有表层梯度结构、具有出色的抗塑性变形能力、抗月牙洼磨损能力、优良的断裂韧性和抗热裂纹扩展能力的用于钢材通用加工刀具的硬质合金及其涂层刀片。
为解决上述技术问题,本发明提出如下技术方案:
一种用于钢材通用加工刀具的硬质合金,所述硬质合金以包括Co、Ni、Fe中至少一种的金属元素作为粘结相,以包括WC和含钛立方相化合物在内的物质作为硬质相,其特征在于:在所述粘结相中固溶有Cr元素,所述粘结相的含量为4wt.%~10wt.%,所述Cr元素占粘结相的含量为1wt.%~10wt.%,所述含钛立方相化合物的含量为2wt.%~8wt.%;余量为WC;所述硬质合金中WC的平均粒径为1.0μm~3.0μm,所述含钛立方相化合物的平均粒径为WC的0.5~1.5倍;所述硬质合金具有平均粘结相含量为标称粘结相含量1~2倍的含钛立方相化合物缺失的表层结构。
上述的用于钢材通用加工刀具的硬质合金中,所述含钛立方相化合物优选包括钛元素和其他过渡金属元素的立方碳化物、立方氮化物和/或立方碳氮化物。进一步的,所述其他过渡金属元素优选为Ta和/或Nb。更优选的,所述立方相化合物特别包括TiCN,所述N元素与Ti元素的原子比为0.1~0.2(优选为0.15~0.2)。
上述的用于钢材通用加工刀具的硬质合金中,所述粘结相的含量优选为5wt.%~8wt.%。更优选的,所述Cr元素占粘结相的含量优选为4wt.%~8wt.%。
上述的用于钢材通用加工刀具的硬质合金中,所述WC的平均粒径优选为1.5μm~2.5μm;所述含钛立方相化合物的平均粒径优选为WC平均粒径的0.8~1.2倍。
上述的用于钢材通用加工刀具的硬质合金中,所述含钛立方相化合物的含量优选为4wt.%~6wt.%。
上述的用于钢材通用加工刀具的硬质合金中,所述表层结构的厚度优选为10μm~40μm(更优选10μm~30μm)。
上述的用于钢材通用加工刀具的硬质合金中,所述Cr元素优选是以金属固溶体或Cr的碳化物形式加入。
作为一个总的技术构思,本发明还提供一种用于钢材通用加工刀具的硬质合金涂层刀片,所述硬质合金涂层刀片是以上述的硬质合金为基体,所述硬质合金基体上涂覆有TiCN层和Al2O3涂层。
与现有技术相比,本发明的优点在于:
本发明的硬质合金在成分方面,同时加入Cr、Ta、Nb、Ti等过渡金属元素,组合了Cr元素和Ta、Nb、Ti立方碳化物的优点,其中Cr元素增强了WC/Co界面强度和韧性,提高了粘结相的抗氧化能力和扩散能力,Ta、Nb、Ti的立方碳化物或碳氮化物能提高硬质合金的硬度和高温性能;而在结构方面,本发明的硬质合金具有立方相缺失的表层高韧性的梯度结构,并且具有合理的立方相化合物与WC之间粒度搭配。经测试试验表明,本发明的硬质合金具有出色的抗塑性变形能力和抗月牙洼磨损能力,还具备优良的断裂韧性和抗热裂纹扩展能力,非常适合作为普通钢、不锈钢的半精加工和精加工的刀具通用基体材质。
具体实施方式
以下结合具体实施例对本发明的技术方案作进一步的描述。
实施例1:
一种本发明的用于钢材通用加工刀具的硬质合金,该硬质合金以Co金属作为粘结相,以包括WC和含钛立方相化合物在内的物质作为硬质相,该含钛立方相化合物包括TiCN、TiC和TaNbC。在粘结相中固溶有Cr元素,粘结相的含量为5.68wt.%(含Co5.5%和Cr0.18%),Cr元素占粘结相的含量为3wt.%;含钛立方相化合物成分包括1.6wt.%的TiC、0.4wt.%的TiCN、2.0wt.%的TaC和1.0wt.%的NbC(N/Ti原子比为0.17),余量为WC。本实施例的硬质合金中WC的平均粒径为1.8μm,含钛立方相化合物的平均粒径为2.0μm;硬质合金具有平均粘结相含量为标称Co粘结相含量1.5倍的含钛立方相化合物缺失的表层结构,厚度为10μm。
本发明硬质合金的制备方法包括以下步骤:准备好原料为WC、TiCN、TiC、TaNbC、Cr3C2和Co粉,平均粒径分别为3μm、1.0μm、1.2μm、1.5μm、0.8μm和1.0μm,按比例配制成混合粉末,经过球磨后压制成刀片粗坯,然后进行1450℃的真空烧结,具体的烧结工艺为:先以5℃/min~10℃/min的升温速率加热到1250℃~1300℃,保温10min~30min,然后以2℃/min~5℃/min的升温速率升温至1350℃~1400℃,再保温20min~40min,继续以2℃/min~5℃/min的速度升温至1450℃保温60min,最后冷却至室温,得到本实施例的硬质合金刀片基体。
实施例2:
一种本发明的用于钢材通用加工刀具的硬质合金,该硬质合金以Co金属作为粘结相,以包括WC和含钛立方相化合物在内的物质作为硬质相,该含钛立方相化合物包括TiCN、TiC和TaNbC。在粘结相中固溶有Cr元素,粘结相的含量为7.8wt.%(含Co7.5%和Cr0.3%),Cr元素占粘结相的含量为5wt.%;含钛立方相化合物成分包括1.9wt.%的TiC、0.5wt.%的TiCN、2.5wt.%的TaC和1.2wt.%的NbC(N/Ti原子比为0.18),余量为WC。本实施例的硬质合金中WC的平均粒径为2.0μm,含钛立方相化合物的平均粒径为2.2μm;硬质合金具有平均粘结相含量为标称Co粘结相含量1.7倍的含钛立方相化合物缺失的表层结构,厚度为20μm。
本发明硬质合金的制备方法包括以下步骤:准备好原料为WC、TiCN、TiC、TaNbC、Cr3C2和Co粉,平均粒径分别为3μm、1.0μm、1.2μm、1.5μm、0.8μm和1.0μm,按比例配制成混合粉末,经过球磨后压制成刀片粗坯,然后进行1450℃的真空烧结,具体的烧结工艺为:先以5℃/min~10℃/min的升温速率加热到1250℃~1300℃,保温10min~30min,然后以2℃/min~5℃/min的升温速率升温至1350℃~1400℃,再保温20min~40min,继续以2℃/min~5℃/min的速度升温至1450℃保温60min,最后冷却至室温,得到本实施例的硬质合金刀片基体。
实施例3:
一种本发明的用于钢材通用加工刀具的硬质合金,该硬质合金以Co金属作为粘结相,以包括WC和含钛立方相化合物在内的物质作为硬质相,该含钛立方相化合物包括TiCN、TiC和TaNbC。在粘结相中固溶有Cr元素,粘结相的含量为8.0wt.%,Cr元素占粘结相的含量为7.5wt.%;含钛立方相化合物成分包括2.0wt.%的TiC、0.5wt.%的TiCN、2.2wt.%的TaC和1.2wt.%的NbC(N/Ti原子比为0.17),余量为WC。本实施例的硬质合金中WC的平均粒径为1.6μm,含钛立方相化合物的平均粒径为1.5μm;硬质合金具有平均粘结相含量为标称Co粘结相含量1.8倍的含钛立方相化合物缺失的表层结构,厚度为20μm。
本发明硬质合金的制备方法包括以下步骤:准备好原料为WC、TiCN、TiC、TaNbC、Cr3C2和Co粉,平均粒径分别为2μm、0.8μm、1.0μm、1.0μm、0.8μm和1.0μm,按比例配制成混合粉末,经过球磨后压制成刀片粗坯,然后进行1450℃的真空烧结,具体的烧结工艺为:先以5℃/min~10℃/min的升温速率加热到1250℃~1300℃,保温10min~30min,然后以2℃/min~5℃/min的升温速率升温至1350℃~1400℃,再保温20min~40min,继续以2℃/min~5℃/min的速度升温至1450℃保温60min,最后冷却至室温,得到本实施例的硬质合金刀片基体。
对比例1:
一种现有技术的硬质合金基体,其成分包括:5.5wt.%的Co、2.0wt.%的Ti、2.0wt.%的Ta、1.0wt.%的Nb和WC,按其成分比例配制成混合粉末,经过球磨后压制成刀片粗坯,然后进行1450度真空烧结得到硬质合金刀片基体。
对比例2:
一种现有技术的硬质合金基体,其成分包括:7.5wt.%的Co、2.8wt.%的Ti、2.5wt.%的Ta、1.5wt.%的Nb、0.08wt.%的N和WC,按其成分比例配制成混合粉末,经过球磨后压制成刀片粗坯,然后进行1450度真空烧结得到硬质合金刀片基体。
对比试验1:
以上各实施例和对比例的硬质合金刀片基体其型号完全相同,且均经过研磨加工及表面处理后,利用CVD方法在上述各个硬质合金刀片表面镀上TiCN层和Al2O3涂层。将涂层后的各硬质合金涂层刀片进行以下切削试验来对比硬质合金基体的耐磨性和韧性。切削条件如下表1所示。
表1:对比试验1的切削条件参数
测量刀片后刀面磨损值Vb,当Vb达到或超过0.3mm时则认为刀片失效。
经过试验测试,各实施例和对比例的硬质合金涂层刀片的切削时间和磨损量对比如下表2和下表3所示。
表2:实施例1和对比例1的刀片在对比试验1中的对比
表3:实施例2、实施例3和对比例2的刀片在对比试验1中的对比
由上表2、表3可见,由于对比例的硬质合金基体中未添加Cr元素,且对比例中未严格控制WC和立方碳化物的粒度,从试验结果来看,实施例的硬质合金涂层刀片相比对比例,其在不同切削条件下的切削时间提高了10%~25%,切削刀片的寿命明显延长,且刀片发生烧刀的可能性降低,切削时的稳定性明显提高。
对比试验2:
以上各实施例和对比例的硬质合金刀片基体其型号完全相同,且均经过研磨加工及表面处理后,利用CVD方法在上述各个硬质合金刀片表面镀上TiCN层和Al2O3涂层。将涂层后的各硬质合金涂层刀片进行以下切削试验来对比硬质合金基体的耐磨性和韧性。切削条件如下表4所示。
表4:对比试验2的切削条件参数
测量刀片后刀面磨损值Vb,当Vb达到或超过0.3mm时则认为刀片失效。
经过试验测试,各实施例和对比例的硬质合金涂层刀片的切削时间和磨损量对比如下表5和下表6所示。
表5:实施例1和对比例1的刀片在对比试验2中的对比
表6:实施例2、实施例3和对比例2的刀片在对比试验2中的对比
由上表5、表6可见,由于对比例的硬质合金基体中未添加Cr元素,且对比例中未严格控制WC和立方碳化物的粒度,从试验结果来看,实施例的硬质合金涂层刀片相比对比例,其在不同切削条件下的切削时间提高了10%~30%,切削刀片的寿命明显延长,且刀片发生烧刀的可能性降低,切削时的稳定性明显提高。
从上述对比试验的结果可以看出,采用本发明的硬质合金基体材料及其制备的切削刀片,车削加工钢材时在抗月牙洼磨损和抗高温塑性变形能力方面具有比较明显的优势。
Claims (10)
1.一种用于钢材通用加工刀具的硬质合金,所述硬质合金以包括Co、Ni、Fe中至少一种的金属元素作为粘结相,以包括WC和含钛立方相化合物在内的物质作为硬质相,其特征在于:在所述粘结相中固溶有Cr元素,所述粘结相的含量为4wt.%~10wt.%,所述Cr元素占粘结相的含量为1wt.%~10wt.%,所述含钛立方相化合物的含量为2wt.%~8wt.%;余量为WC;所述硬质合金中WC的平均粒径为1.0μm~3.0μm,所述含钛立方相化合物的平均粒径为WC的0.5~1.5倍;所述硬质合金具有平均粘结相含量为标称粘结相含量1~2倍的含钛立方相化合物缺失的表层结构。
2.根据权利要求1所述的用于钢材通用加工刀具的硬质合金,其特征在于:所述含钛立方相化合物包括钛元素和其他过渡金属元素的立方碳化物、立方氮化物和/或立方碳氮化物。
3.根据权利要求2所述的用于钢材通用加工刀具的硬质合金,其特征在于:所述其他过渡金属元素为Ta和/或Nb。
4.根据权利要求1所述的用于钢材通用加工刀具的硬质合金,其特征在于:所述硬质合金合金中N元素与Ti元素的原子比为0.1~0.2。
5.根据权利要求1所述的用于钢材通用加工刀具的硬质合金,其特征在于:所述粘结相的含量为5wt.%~8wt.%;所述Cr元素占粘结相的含量为4wt.%~8wt.%。
6.根据权利要求1所述的用于钢材通用加工刀具的硬质合金,其特征在于:所述硬质合金中WC的平均粒径为1.5μm~2.5μm;所述含钛立方相化合物的平均粒径为WC平均粒径的0.8~1.2倍。
7.根据权利要求1所述的用于钢材通用加工刀具的硬质合金,其特征在于:所述含钛立方相化合物的含量为4wt.%~6wt.%。
8.根据权利要求1所述的用于钢材通用加工刀具的硬质合金,其特征在于:所述表层结构的厚度为10μm~40μm。
9.根据权利要求1~8中任一项所述的用于钢材通用加工刀具的硬质合金,其特征在于:所述Cr元素是以金属固溶体或Cr的碳化物形式加入。
10.一种用于钢材通用加工刀具的硬质合金涂层刀片,其特征在于:所述硬质合金涂层刀片是以权利要求1~9中任一项所述的硬质合金为基体,所述硬质合金基体上涂覆有TiCN层和Al2O3涂层。
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