CN104498859B

CN104498859B - 一种机械加工刀具的制备方法

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Publication number: CN104498859B
Application number: CN201410730695.9A
Authority: CN
Inventors: 宋鹏; 刘光亮; 蒋业华; 周会会; 黄太红
Original assignee: Kunming University of Science and Technology
Current assignee: Kunming University of Science and Technology
Priority date: 2014-12-05
Filing date: 2014-12-05
Publication date: 2018-10-02
Anticipated expiration: 2034-12-05
Also published as: CN104498859A

Abstract

本发明公开一种机械加工刀具的制备方法，属于机械加工刀具制造技术领域；所述方法采用热喷涂技术制备厚度为1mm‑10mm的硬质合金类刀具或陶瓷刀具；采用热喷涂技术可以高效率和低成本的制备刀具需求发展趋势的机械加工刀具；采用热喷涂技术在相应模版上制备获得组织结构均匀和高耐磨性、抗氧化性及高温红硬性良好的硬质合金类刀具或陶瓷刀具，获得刀具材料可以有单一材料组成，也可以有多层不同材料复合喷涂制备完成；获得的刀具可以进行相应的二次热处理（如渗碳、渗氮、高温烧结）或涂层涂覆，也可以直接加工（激光和砂轮）获得使用刀具；同时本技术制备的刀具具有良好的自润滑能力和自刃性以及更高的硬度和韧性，从而提高刀具寿命和加工效率。

Description

一种机械加工刀具的制备方法

技术领域

本发明涉及一种机械加工刀具的制备方法，属于机械加工刀具制造技术领域。

背景技术

常用的机械加工刀具主要包括硬质合金刀具和陶瓷刀具。上述两种刀具一般采用粉末冶金工艺制成，大都由硬度和熔点很高的硬质相和粘结剂（也称粘结相）组成。其中硬质合金刀具中的传统YG、YT系列硬质合金刀具硬度已经不能满足高速高强度加工材料，时常发生冲击破碎。为了提高硬质合金刀具的性能，目前在基体材料方面，出现利用超细晶粒以及梯度合金等基体材料，以及加入其它元素等高性能硬质合金，提高基体材料的性能，但是在耐磨性、抗氧化性和高温红硬性等方面仍然不能满足要求。目前利用涂层技术PVD或CVD等，在合金刀具表面添加一层涂层，从开始单一的TiC涂层已进入到Al₂O₃、TiCN、Si₃N₄、CBN、TiAlN以及金刚石等多种涂层，可以提高刀具寿命和加工效率以及提高工件的表面质量。但由于上述涂层较薄，在刀具使用过程中容易磨损，或者涂层与基体的界面结合强度低容易导致涂层脱落，导致刀具整体性能和寿命严重下降，增加了生产成本，并且加工工艺复杂。陶瓷刀具材料具有高硬度、高耐磨性、高耐热性和高稳定性的特点和性能，从而使陶瓷刀具在机械加工领域得到大量的推广和使用。与硬质合金刀具相似，陶瓷刀具也是利用粉末冶金工艺制造，比如Ti（C,N）基金属陶瓷是一种新型颗粒增强型复合材料，同时具有了金属和陶瓷的性能。CBN（立方氮化硼）刀具是利用立方氮化硼为原料，添加粘结剂，在高温高压下合成立方氮化硼刀具。上述陶瓷刀具也是利用基本陶瓷材料和一定的结合剂（或催化剂等），在一定的环境条件下利用粉末冶金工艺热压成型生成所需要的陶瓷刀具。

中国专利85103011“高韧性氮化硅基陶瓷刀具材料及其制造方法”在Si₃N₄刀具材料中加入ZrO₂或碳化物作为弥散体，通过粉末冶金的热压烧结获得刀具，由于弥散体的存在提高刀具的抗冲击性。中国专利201210061142.X“一种氮化硅基陶瓷刀具材料及其制备方法”、201010590272.3“超细WC颗粒增韧补强TiB₂基复合陶瓷刀具材料及其制备方法”和200810031010.6“含硼的碳氮化钛基金属陶瓷刀具材料及其制备工艺”专利都是通过在基体材料中添加其它材料或元素制备获得粉料，然后进行热压烧结获得刀具。中国专利200610000810.2“陶瓷刀具的金属离子注入表面改性方法”通过在氮化硅以及复合氮化硅、氧化铝以及复合氧化铝、硬质合金、碳氮化硅、氧化锆以及氧化锆增韧陶瓷刀具基体表面注入离子（钛、锆、铬、钼、钨），改善了陶瓷刀具表面状态，提高了切屑性能。中国专利201320075428.3“一种表面涂覆有抗冲击耐磨涂层的CBN刀片”通过在CBN基体表面涂覆具有抗冲击性耐磨涂层TiN、TiC、Ti（C，N）、（Al，Cr）N，提高刀具的速度，降低加工成本。中国专利200410024226.1“一种自润滑陶瓷刀具材料”直接在材料中添加固体润滑剂，中国专利20121047210.6“一种微纳复合织构自润滑陶瓷刀具及其制备方法”采用激光加工技术在相应刀面加工出微米级织构，并在相应织构中填充固体润滑剂，从而保证刀具在很宽的温度范围内均具有自润滑能力，可应用于干式和难加工材料的加工，但是激光加工增加了刀具成本。

总之，以上制备刀具方法特点决定了刀具生产工艺过程复杂，添加成分或其它物质繁多，而且有些添加剂需要在制备过程中去除，以及在刀具表面进行涂层制备，都增加了制备成本。另外工艺复杂生产控制步骤出现问题容易导致刀具质量下降或不合格，刀具成品率不高。影响机械加工成本因素众多，性价比高的刀具是降低加工成本的关键，减少润滑液的用量也是重要因素之一，故自润滑高强度和强韧性刀具成为加工刀具的发展趋势。目前，利用粉末冶金热压法制备的刀具存在孔隙率不均匀、密度不一致、强度不均一。而热喷涂技术多用于表面强化和表面改性，比如通过在高速钢刀具金属基体表面喷涂一层涂层，提高刀具的耐磨、耐蚀、耐高温氧化、电绝缘、隔热、防辐射、减磨和密封等性能，但是还没有相关文献及专利资料说明热喷涂技术直接制备刀具本体或母体。

发明内容

本发明要解决的技术问题是：解决现有机械加工刀具制备方法制备工序复杂和刀具性能控制困难，解决目前粉末冶金热压法制备的刀具存在孔隙率不均匀、密度不一致、强度不均一现象。

本发明的目的是提供一种机械加工刀具的制备方法，所述方法直接利用热喷涂技术在相应模版上喷涂硬质合金类粉末或陶瓷粉末制备得到硬质合金类刀具或陶瓷刀具。

本发明所述硬质合金类粉末为难熔金属的硬质化合物（ⅣB、ⅤB、ⅥB族金属的碳化物、氮化物、硼化物、硅化物和氧化铝或氧化钛）与非金属（硼、碳或硅）和金属（Co、Ni、Mo或Al）任意混合。

所述陶瓷粉末为氧化物（如氧化铝）或非氧化物（如SiN、SiC、BN、MoSi₂）陶瓷粉末中的一种，或多种物质按任意比例混合。

本发明所述模版为钢、铜或铸铁类高热传导率板状材料，厚度为1~3cm。

本发明所述机械加工刀具的厚度为1mm-50mm。

本发明所述热喷涂刀具可以有一层单一材料制备完成，也可以是多层不同材料复合形成。

本发明所述的机械加工刀具的制备方法，其特征在于具体包括以下步骤：

（1）硬质合金类粉末或陶瓷粉末进行电熔烧结，然后利用破碎法获得粒度为0.5~45μm的粉末，将干燥粉末送入等离子喷涂设备；

（2）对模版表面进行光滑处理使表面粗糙度≤1µm，然后利用干燥空气对模版表面进行洁净处理或者涂覆高温涂料（如氧化镁涂料、氧化铝涂料）；

（3）启动喷涂系统和机械手进行一次或多次等离子喷涂；

（4）对喷涂有刀具材料的模版分离，涂覆有高温涂料的可以自动分离，无涂料模版进行自然冷却或腐蚀剥离使刀具材料与模版自动分离，获得刀具母体；

（5）对步骤（4）得到的刀具母体直接使用或者进行加工处理或者进行相应的二次热处理（如渗碳、渗氮、高温烧结）或者涂层涂覆后再进行加工处理，最终获得刀具。

本发明所述的机械加工刀具的制备方法，其特征在于：步骤（3）中等离子喷涂的工艺参数为：主气为Ar和N₂，氩气的气流量为80~120L/min，氮气的气流量为10~30L/min；工作电流为380~450A，工作电压为120~160V；送粉器送粉气体为Ar，气体流量为30~60L/min；喷嘴距离基体距离为10~12cm，喷嘴的移动速度为0.005~0.04m/s。

本发明所述热喷涂技术制备刀具可以一次热喷涂制备完成，也可以多次热喷涂完成；本发明所述热喷涂刀具可以有一层单一材料制备完成，也可以有多层不同材料复合形成。

本发明中的热喷涂技术除普通气稳等离子喷涂技术外，还包括超音速等离子喷涂技术、超音速火焰喷涂技术、水稳等离子喷涂技术、电弧喷涂技术和爆炸喷涂技术等。

与现有技术方案相比，本发明采用的技术方案产生的有益效果如下：

（1）本发明所述热喷涂技术制备刀具不是在刀具基体上进行涂层制备，而是直接制备厚度为1mm-50mm的致密硬质合金类刀具、陶瓷或复合材料刀具；

（2）本发明相对于目前粉末冶金热压法：在制备材料上可以减少粘结剂等额外材料（如聚乙烯醇、纤维素醚、淀粉）的加入，在工艺可以减少热压前初步成型步骤以及去除额外添加材料的工艺步骤，在结构上可以得到孔隙率均匀、密度一致和强度均一刀具，在性能上提高了刀具的硬度、韧性、自润滑性能和自刃性及耐磨性。

（3）利用热喷涂技术制备的刀具，可以通过调节材料配方和喷涂工艺参数来控制微孔形状、孔径、分布状态（均匀分布和梯度分布）和孔隙率，从而可以让刀具在使用过程中具有吸附冷却润滑液的能力，提高刀具冷却润滑能力，保证自刃性，提高刀具寿命和速度；

（4）利用热喷涂技术制备的刀具，可以在热喷涂过程中，直接添加元素及材料或喷涂过程中自我合成具有自润滑能力材料；上述材料在提高自润滑能力的同时，还可以提高刀具的抗磨蚀能力。

附图说明

图1为本发明的工艺流程图；

图2为本发明中一层单一材料热喷涂刀具的结构示意图；

图3为本发明中多层不同材料复合形成的热喷涂刀具结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细说明，但本发明的保护范围并不限于所述内容。

实施例1

（1）将硬质合金类粉末（NiCo合金、氧化铝与硼粉）进行电熔烧结，然后利用破碎法获得的粉末粒度为25μm，将干燥粉末送入等离子喷涂设备；

（2）对厚度3cm模版钢基表面进行光滑处理（粗糙度R_a≤1µm），然后利用干燥空气对模版表面进行洁净处理并涂覆0.1mm氧化镁涂料；

（3）启动喷涂系统和机械手进行等离子喷涂，工艺参数为：主气为Ar和N₂，氩气的气流量为80L/min，氮气的气流量为20L/min；工作电流为415A，工作电压为140V；送粉器送粉气体为Ar，气体流量为60L/min；喷嘴距离基体距离为10cm，喷嘴的移动速度为0.01m/s，按照模版一定方向一次完成所需厚度等离子喷涂；得到的喷涂刀具（如图2所示）厚度为5mm，致密度99.5%，孔径1µm；

（4）涂覆有高温涂料模版可以让刀具和模版自动分离，获得刀具母体；

（5）直接进行加工（激光和砂轮），通过切割、抛光和打磨获得刀具；本实施例制备得到刀具的硬度为HRA90-95、破坏韧性5MPa·m^0.5。

实施例2

（1）将陶瓷粉末（氧化铝、氧化钛与氮化硅和硼粉）进行电熔烧结，然后利用破碎法获得的粉末粒度为10μm，将干燥粉末送入等离子喷涂设备；

（2）对厚度3cm模版铜基表面进行光滑处理（R_a≤1µm），然后利用干燥空气对模版表面进行洁净处理；

（3）启动喷涂系统和机械手进行等离子喷涂，工艺参数为：主气为Ar和N₂，氩气的气流量为100L/min，氮气的气流量为30L/min；工作电流为450A，工作电压为120V；送粉器送粉气体为Ar，气体流量为45L/min；喷嘴距离基体距离为12cm，喷嘴的移动速度为0.005m/s，按照模版一定方向一次完成所需厚度等离子喷涂。得到的喷涂刀具厚度为10mm，孔隙率可达6%、孔径5µm的刀具；

（4）对喷涂有刀具材料的模版进行自然冷却，由于两者的热膨胀系数差异，导致刀具材料与模版自动分离，获得刀具母体；

（5）对刀具母体进行相应的二次热处理（高温烧结），然后进行表面加工（激光和砂轮），通过切割、抛光和打磨获得刀具；本实施例制备得到刀具的硬度HV3000~3500、破坏韧性8MPa·m^0.5。

实施例3

（1）将硬质合金类粉末（碳化钨与Co）进行电熔烧结，然后利用破碎法获得的粉末粒度为45μm，将干燥粉末送入等离子喷涂设备；

（2）对厚度1cm模版铜基表面进行光滑处理（R_a≤1µm），然后利用干燥空气对模版表面进行洁净处理；

（3）启动喷涂系统和机械手进行等离子喷涂，工艺参数为：主气为Ar和N₂，氩气的气流量为120L/min，氮气的气流量为30L/min；工作电流为420A，工作电压为160V；送粉器送粉气体为Ar，气体流量为45L/min；喷嘴距离基体距离为12cm，喷嘴的移动速度为0.02m/s，按照模版一定方向一次完成所需厚度等离子喷涂；得到的喷涂刀具厚度为50mm，孔隙率可达6%、孔径5µm的刀具；

（5）对刀具母体进行表面涂层涂覆（利用PVD形成AlTiN涂层），然后进行表面加工（激光和砂轮），通过切割、抛光和打磨获得刀具；本实施例制备得到刀具的硬度HRC70、破坏韧性9MPa·m^0.5。

实施例4

（1）将硬质合金类粉末（NiCo合金、氧化铝、MoSi2）进行烧结，然后利用破碎法获得的粉末粒度为0.5μm，将干燥粉末送入等离子喷涂系统送粉器（1）；另外将合金氧化物陶瓷粉末（NiCo合金、碳化硅、硼化钛）进行烧结，然后利用破碎法获得的粉末粒度为0.5μm，将干燥粉末送入等离子喷涂系统送粉器（2）；

（2）对厚度2cm模版钢基表面进行光滑处理（R_a≤1µm），然后利用干燥空气对模版表面进行洁净处理；

（3）启动喷涂系统和机械手进行等离子喷涂，喷涂送粉器（1）工艺参数为：主气为Ar和N₂，氩气的气流量为120L/min，氮气的气流量为10L/min；工作电流为380A，工作电压为120V；送粉器送粉气体为Ar，气体流量为30L/min；喷嘴距离基体距离为11cm，喷嘴的移动速度为0.02m/s；

喷涂送粉器（2）工艺参数为：主气为Ar和N₂，氩气的气流量为95L/min，氮气的气流量为25L/min；工作电流为380A，工作电压为135V；送粉器送粉气体为Ar，气体流量为30L/min；喷嘴距离基体距离为10cm，喷嘴的移动速度为0.01m/s；

喷涂过程中，完成送粉器（1）中的材料一层喷涂后，用送粉器（2）中材料同样位置进行喷涂，这样交替往复，按照模版一定方向一次完成所需厚度等离子喷涂；最终得到的喷涂刀具厚度为5mm；

（4）对喷涂有刀具材料的模版刀具表面进行涂蜡，进行酸性腐蚀是刀具与模版分离，获得刀具母体；

（5）直接进行加工（砂轮），通过切割、抛光和打磨获得刀具；本实施例制备得到刀具的硬度HRA96、破坏韧性6MPa·m^0.5。

实施例5

（1）将硬质合金类粉末（氮化钛、铝和氮化硼）进行电熔烧结，然后利用破碎法获得的粉末粒度为1μm，将干燥粉末送入等离子喷涂设备；

（2）对厚度2cm模版铸铁基表面进行光滑处理（R_a≤1µm），然后利用干燥空气对模版表面进行洁净处理；

（3）启动喷涂系统和机械手进行等离子喷涂，工艺参数为：主气为Ar和N₂，氩气的气流量为90L/min，氮气的气流量为25L/min；工作电流为390A，工作电压为120V；送粉器送粉气体为Ar，气体流量为30L/min；喷嘴距离基体距离为12cm，喷嘴的移动速度为0.04m/s，按照模版一定方向3次等离子喷涂达到所需刀具厚度。得到的喷涂刀具厚度为10mm，孔隙率可达6%、孔径5µm的刀具；

（5）对刀具母体进行二次热处理（高温烧结和渗氮），然后进行表面加工（激光和砂轮），通过切割、抛光和打磨获得刀具；本实施例制备得到刀具的硬度HRA95、破坏韧性4MPa·m^0.5。

Claims

1.一种机械加工刀具的制备方法，其特征在于：所述方法直接利用热喷涂技术在相应模版上喷涂硬质合金类粉末或陶瓷粉末制备得到硬质合金类刀具或陶瓷刀具；

所述模版为钢、铜或铸铁类高热传导率板状材料，厚度为1~3cm；

所述的机械加工刀具的制备方法，具体包括以下步骤：

（2）对模版表面进行光滑处理使表面粗糙度≤1µm，然后利用干燥空气对模版表面进行洁净处理直接使用或者涂覆高温涂料；

（3）启动喷涂系统和机械手进行一次或多次等离子喷涂；

（5）对步骤（4）得到的刀具母体直接使用或者进行加工处理或者进行相应的二次热处理或者涂层涂覆后再进行加工处理，最终获得刀具；

所述机械加工刀具的厚度为1mm-50mm；

所述硬质合金类粉末为难熔金属的硬质化合物、非金属和金属中的两种或三种按任意比例混合得到；

所述难熔金属的硬质化合物为ⅣB、ⅤB、ⅥB族金属的碳化物、氮化物、硼化物、硅化物、氧化铝、氧化钛中的一种；所述非金属为硼、碳、硅中的一种；所述金属为Co、Ni、Mo、Al中的一种；

所述热喷涂刀具可以有一层单一材料制备完成，也可以是多层不同材料复合形成；

步骤（3）中等离子喷涂的工艺参数为：主气为Ar和N₂，氩气的气流量为80~120L/min，氮气的气流量为10~30L/min；工作电流为380~450A，工作电压为120~160V；送粉器送粉气体为Ar，气体流量为30~60L/min；喷嘴距离基体距离为10~12cm，喷嘴的移动速度为0.005~0.04m/s。