CN104625078A

CN104625078A - 用于切削碳纤维或玻璃纤维的硬质合金刀具及其制备方法

Info

Publication number: CN104625078A
Application number: CN201510080572.XA
Authority: CN
Inventors: 尹智勇; 凌军
Original assignee: Jiangsu Yin Electromechanical Science & Technology Co Ltd
Current assignee: Changyuan Heying Technology Henan Co ltd
Priority date: 2015-02-14
Filing date: 2015-02-14
Publication date: 2015-05-20
Anticipated expiration: 2035-02-14
Also published as: CN104625078B

Abstract

本发明涉及切削加工技术领域，公开了一种用于切削碳纤维或玻璃纤维的硬质合金刀具及其制备方法，该硬质合金刀具包含合金基底与设于合金基底表面的纳米涂层，该合金基底以质量百分含量计包含：TiC10～15％，Co0.3～0.6％，Mo 0.3％～0.4％，Mn0.8％～1.6％，Nb0.3％～0.4％，Cr1.0％～1.6％，Al0.6％～1.0％，余量为WC；该纳米涂层为TiAlN纳米涂层。该种硬质合金刀具的制备方法包含以烧结法制备合金基底的步骤和以电弧离子镀沉积法制备TiAlN纳米涂层的步骤。本发明所提供的硬质合金刀具由于具有优异的硬度和耐磨耐蚀性，适用于对碳纤维或玻璃纤维的切削加工。

Description

用于切削碳纤维或玻璃纤维的硬质合金刀具及其制备方法

技术领域

本发明涉及纤维增强复合材料的切削加工技术领域，特别涉及一种用于切削碳纤维或玻璃纤维的硬质合金刀具及其制备方法。

背景技术

纤维增强复合材料是近代发展起来的一类新型复合材料的总称，它主要以纤维(如碳纤维、玻璃纤维等)为增强材料、以合成树脂为基体材料，经过特定的定型工艺制造而成。由于具有质量轻、比强度和比刚度大、耐腐蚀、耐高温等一系列优点，在现代工业中得到了越来越多的关注，特别是广泛应用于航空航天、国防工业和体育器材等技术领域。

纤维增强复合材料的切削加工不同于普通材料的切削加工，存在由该类材料特性所带来的特有的加工难度。一方面，由于切削刀具与复合材料切削面之间的摩擦力的存在，复合材料中的碳纤维织物或玻璃纤维织物不断变碎，未排出的切屑对刀具有强烈的磨料作用，研磨刀具表面，致使刀具急剧磨损；另一方面，也是由于切削面上摩擦力的存在，切削时必然产生大量的热量，而纤维增强复合材料的导热性普遍较小，导致了切削加工过程中的散热条件极差，热量大部分聚集在刀具的刀尖、刀刃附件，这样更加剧了刀具刃口的磨损。

现有的研究大多着眼于通过改进切削刀具的结构或切削工艺参数，实现对碳纤维或玻璃纤维的切削加工过程的改进，但改进效果并不十分理想，碳纤维、玻璃纤维及其复合材料仍被认为是典型的难加工材料。

发明内容

本发明的一个目的在于从改进切削刀具的合金材料入手，提供一种用于切削碳纤维和玻璃纤维的硬质合金刀具，以克服碳纤维和玻璃纤维切削加工过程中遇到的刀具易磨损问题。

本发明的另一个目的在于提供上述用于切削碳纤维或玻璃纤维的硬质合金刀具的制备方法。

为解决上述技术问题，本发明的实施方式提供了一种用于切削碳纤维或玻璃纤维的硬质合金刀具，该硬质合金刀具包含合金基底与设于合金基底表面的纳米涂层，其中，该合金基底以质量百分含量计包含：TiC 10～15％，Co 0.3～0.6％，Mo 0.3％～0.4％，Mn 0.8％～1.6％，Nb 0.3％～0.4％，Cr 1.0％～1.6％，Al 0.6％～1.0％，余量为WC；该纳米涂层为TiAlN纳米涂层。优选地，该硬质合金刀具的合金基底以质量百分含量计包含：TiC 12％，Co 0.5％，Mo0.4％，Mn 1.0％，Nb 0.4％，Cr 1.2％，Al 0.8％，余量为WC。

本发明的实施方式所提供的上述硬质合金刀具，包含了合金基底以及设于合金基底表面的纳米涂层。在合金基底的化学组成中，包含了高硬度难熔金属的碳化物WC和TiC，二者为合金基底的主要组成成分，也是合金基底的硬化相，其提供了作为切削刀具材料所必须的硬度和耐磨度的基础。Co和Mo作为粘结相，对合金基底的硬化相进行粘结。在由上述硬化相和粘结相组成的合金材料的基础上，本发明为了满足对碳纤维或玻璃纤维进行切削过程中对于刀具耐磨耐蚀性的特殊要求，同时引入了Mn、Nb复合添加以及Cr、Al复合添加。Mn和Nb的复合添加起到如下作用：微量的Nb加入合金中形成稳定的难熔化合物，可细化铸态组织，有利于提高合金的韧塑性及疲劳强度，且对提高合金的耐磨耐蚀性很有好处；Mn元素的加入可显著推迟合金的高温区转变，使Nb元素对合金组织及性能的影响作用得到更大的发挥。此外，Cr和Al的复合添加起到如下作用：Cr和Al的加入也可进一步细化合金的铸态组织，提高合金的耐腐蚀性能以及抗氧化性能，延长刀具的使用寿命。更重要的是，本发明在合金基底表面设有TiAlN纳米涂层，在TiAlN涂层中，Al原子置换TiN中的一部分Ti院子后使晶格发生畸变，晶格畸变度大的涂层，晶界增多且位错较多、不易滑移，从而导致涂层的硬度得到提高；此外，Al元素在高温下转化为氧化铝，也可进一步降低切削过程中刀具的合金基底所发生的氧化磨损。

与现有的合金刀具相比，本发明的实施方式所提供的硬质合金刀具，通过调整合金基底的合金元素组成、并在合金基底的表面增设TiAlN纳米涂层，使其具有更为优异的硬度和耐磨耐蚀性能，可适用于对碳纤维或玻璃纤维的切削加工，减少加工过程中刀具的磨损速度，提高刀具的使用寿命。

优选地，本发明的实施方式所提供的用于切削碳纤维或玻璃纤维的硬质合金刀具，其合金基底的厚度为4～10mm，该厚度的合金材料适合于作为刀具的基底材料，应用于对碳纤维或玻璃纤维的切削加工工业中。

优选地，本发明的实施方式所提供的用于切削碳纤维或玻璃纤维的硬质合金刀具，其TiAlN纳米涂层为TiAl₁₀N-TiAl₂₀N-TiAl₃₀N梯度涂层，该TiAl₁₀N-TiAl₂₀N-TiAl₃₀N梯度涂层的总厚度为2～3um。在TiAlN纳米涂层中，Al含量的变化对应涂层的晶粒形状、尺寸和晶格结构的变化，进而直接影响该纳米涂层的硬度。TiAl₁₀N-TiAl₂₀N-TiAl₃₀N梯度涂层中，三种形状的晶格结构交替排列，相互交错，可使涂层的硬度得到最大限度的提高。与合金基底4～10mm的厚度相对应的，该TiAl₁₀N-TiAl₂₀N-TiAl₃₀N梯度涂层的总厚度为2～3um为较佳的选择。

优选地，本发明的实施方式所提供的用于切削碳纤维或玻璃纤维的硬质合金刀具，其合金基底与TiAlN纳米涂层之间还设有ZrO₂镀层，该ZrO₂镀层的厚度为0.5～1um。该ZrO₂镀层的增设可改善TiAlN纳米涂层的性能，如减少TiAlN纳米涂层发生塌陷的程度、减少扩散磨损，从而进一步提高合金刀具的抗磨损能力。且该ZrO₂镀层只需在合金基底的表面形成一层薄薄的氧化层，即可实现上述改善TiAlN纳米涂层性能的作用，因而本发明的实施方式中将ZrO₂镀层的厚度设为0.5～1um。

此外，本发明的实施方式还提供上述用于切削碳纤维或玻璃纤维的硬质合金刀具的制备方法，该方法包含下述步骤：(1)以烧结法制备合金基底，所述合金基底以质量百分含量计包含：TiC 10～15％，Co 0.3～0.6％，Mo0.3％～0.4％，Mn 0.8％～1.6％，Nb 0.3％～0.4％，Cr 1.0％～1.6％，Al 0.6％～1.0％，余量为WC；(2)在步骤(1)制备得到的合金基底的表面，以电弧离子镀沉积法制备TiAlN纳米涂层。

具体地，本发明的实施方式所提供的用于切削碳纤维或玻璃纤维的硬质合金刀具的制备方法中，以烧结法制备合金基底的步骤包含：(a)以质量百分含量计，称取下述原料：TiC 10～15％，Co 0.3～0.6％，Mo 0.3％～0.4％，Mn 0.8％～1.6％，Nb 0.3％～0.4％，Cr 1.0％～1.6％，Al 0.6％～1.0％，余量为WC；(b)取步骤(a)中称取的原料，与球磨介质一起加入球磨机中进行湿磨，将湿磨后得到的浆料蒸干，加入成型剂，烘干过筛；将得到的合金粉末压制成型后，于真空炉中在1500～1800℃下保温50～80分钟，然后置于惰性气氛保护的加压炉中，以1500～1800℃烧结60～90分钟，即制备得到所述合金基底。优选地，上述以烧结法制备合金基底的步骤中所使用的球磨介质为丙酮，所使用的成型剂为石蜡，所使用的惰性气氛为氩气。

具体地，本发明的实施方式所提供的用于切削碳纤维或玻璃纤维的硬质合金刀具的制备方法中，以电弧离子镀沉积法制备TiAlN纳米涂层的步骤为：在合金基底的表面用电弧离子镀沉积法依次沉积TiAl₁₀N层、TiAl₂₀N层和TiAl₃₀N层，制得TiAl₁₀N-TiAl₂₀N-TiAl₃₀N梯度涂层；其中，TiAl₁₀N层、TiAl₂₀N层和TiAl₃₀N层的沉积时间分别为25～30分钟。

进一步地，本发明的实施方式所提供的用于切削碳纤维或玻璃纤维的硬质合金刀具的制备方法中，在步骤(1)和步骤(2)之间，还包含下述步骤：在合金基底的表面，以等离子喷涂法制备ZrO₂镀层。

附图说明

图1是实施例1的用于切削碳纤维或玻璃纤维的硬质合金刀具的复合层状结构示意图；

图2是实施例2的用于切削碳纤维或玻璃纤维的硬质合金刀具的复合层状结构示意图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明的各实施方式进行详细的阐述。然而，本领域的普通技术人员可以理解，在本发明各实施方式中，为了使读者更好地理解本申请而提出了许多技术细节。但是，即使没有这些技术细节和基于以下各实施方式的种种变化和修改，也可以实现本申请各权利要求所要求保护的技术方案。

实施例1

本发明的第实施例1涉及一种用于切削碳纤维或玻璃纤维的硬质合金刀具，该硬质合金刀具包含合金基底1与设于合金基底1表面的纳米涂层2，其层状复合结构示意图如附图1所示。其中，合金基底1以质量百分含量计包含：TiC 12％，Co 0.5％，Mo 0.4％，Mn 1.0％，Nb 0.4％，Cr 1.2％，Al 0.8％，余量为WC；该合金基底1的厚度为8mm。此外，在合金基底1的表面，设有TiAlN纳米涂层，具体来说，该TiAlN纳米涂层为TiAl₁₀N-TiAl₂₀N-TiAl₃₀N梯度涂层，在本实施方式中，该TiAl₁₀N-TiAl₂₀N-TiAl₃₀N梯度涂层的总厚度为3um。

本实施例的硬质合金刀具的制备过程为：

(1)以烧结法制备硬质合金刀具的合金基底：

以质量百分含量计，称取下述原料：TiC 12％，Co 0.5％，Mo 0.4％，Mn1.0％，Nb 0.4％，Cr 1.2％，Al 0.8％，余量为WC。

将称取的原料，与作为球磨介质的丙酮一起加入球磨机中进行湿磨，将湿磨后得到的浆料蒸干，加入成型剂石蜡，烘干过筛；将得到的合金粉末压制成型，并使该成型的铸体的厚度为8mm，于真空炉中在1500℃下保温80分钟，然后置于氩气保护的加压炉中，以1500℃烧结90分钟，即制备得到硬质合金刀具的合金基底。

(2)以电弧离子镀沉积法制备TiAlN纳米涂层：

将上步中制备的合金基底表面清洁处理光滑之后，用常规的电弧离子镀沉积法在合金基底的表面，依次沉积TiAl₁₀N层、TiAl₂₀N层和TiAl₃₀N层，其中，TiAl₁₀N层、TiAl₂₀N层和TiAl₃₀N层的各层沉积时间分别为25分钟，这样，在合金基底的表面即制得了TiAl₁₀N-TiAl₂₀N-TiAl₃₀N梯度涂层，该TiAl₁₀N-TiAl₂₀N-TiAl₃₀N梯度涂层的总厚度3um，即制得本实施例的硬质合金刀具。

实施例2

本发明的实施例2所涉及的用于切削碳纤维或玻璃纤维的硬质合金刀具，也包含合金基底1与设于合金基底1表面的纳米涂层2，并且在合金基底1与纳米涂层2之间，还设有镀层3，其层状复合结构的示意图如附图2所示。其中，合金基底1以质量百分含量计包含：TiC 10％，Co 0.6％，Mo 0.3％，Mn 1.6％，Nb 0.3％，Cr 1.6％，Al 0.6％，余量为WC，该合金基底1的厚度为10mm。在该合金基底1的表面，设TiAlN纳米涂层2，具体来说，该TiAlN纳米涂层为TiAl₁₀N-TiAl₂₀N-TiAl₃₀N梯度涂层，该TiAl₁₀N-TiAl₂₀N-TiAl₃₀N梯度涂层的总厚度为2.5um。此外，设于合金基底1与TiAl₁₀N-TiAl₂₀N-TiAl₃₀N梯度涂层之间的化学电镀层为ZrO₂镀层3，该ZrO₂镀层3的厚度为1um。

本实施例的硬质合金刀具的制备过程为：

(1)以烧结法制备硬质合金刀具的合金基底：

以质量百分含量计，称取下述原料：TiC 10％，Co 0.6％，Mo 0.3％，Mn1.6％，Nb 0.3％，Cr 1.6％，Al 0.6％，余量为WC。

将称取的原料，与作为球磨介质的丙酮一起加入球磨机中进行湿磨，将湿磨后得到的浆料蒸干，加入成型剂石蜡，烘干过筛；将得到的合金粉末压制成型，并使该成型的铸体的厚度为10mm，于真空炉中在1800℃下保温60分钟，然后置于氩气保护的加压炉中，以1800℃烧结60分钟，即制备得到硬质合金刀具的合金基底。

(2)以等离子喷涂法制备ZrO₂镀层：

将上步中制备的合金基底表面清洁处理光滑之后，使用常规的等离子喷涂设备，在合金基底的表面喷涂ZrO₂镀层，并使该ZrO₂镀层的厚度为1um。

(3)以电弧离子镀沉积法制备TiAlN纳米涂层：

将上步中制备的带有ZrO₂镀层的合金基底表面，用常规的电弧离子镀沉积法在合金基底的表面，依次沉积TiAl₁₀N层、TiAl₂₀N层和TiAl₃₀N层，其中，TiAl₁₀N层、TiAl₂₀N层和TiAl₃₀N层的各层沉积时间分别为30分钟，这样，在合金基底的表面即制得了TiAl₁₀N-TiAl₂₀N-TiAl₃₀N梯度涂层，该TiAl₁₀N-TiAl₂₀N-TiAl₃₀N梯度涂层的总厚度2um，即制得本实施例的硬质合金刀具。

实施例3

本发明的实施例3所涉及的用于切削碳纤维或玻璃纤维的硬质合金刀具，也依次包含合金基底、设于合金基底表面的ZrO₂镀层和设于ZrO₂镀层表面的TiAl₁₀N-TiAl₂₀N-TiAl₃₀N梯度涂层。其中，合金基底以质量百分含量计包含：TiC 15％，Co 0.3％，Mo 0.35％，Mn 0.8％，Nb 0.4％，Cr 1.0％，Al 1.0％，余量为WC，该合金基底的厚度为4mm。在该合金基底的表面的ZrO₂镀层的厚度为0.5um。此外，TiAl₁₀N-TiAl₂₀N-TiAl₃₀N梯度涂层的总厚度为2um。

本实施例的硬质合金刀具的制备过程为：

(1)以烧结法制备硬质合金刀具的合金基底：

以质量百分含量计，称取下述原料：TiC 15％，Co 0.3％，Mo 0.35％，Mn 0.8％，Nb 0.4％，Cr 1.0％，Al 1.0％，余量为WC。

将称取的原料，与作为球磨介质的丙酮一起加入球磨机中进行湿磨，将湿磨后得到的浆料蒸干，加入成型剂石蜡，烘干过筛；将得到的合金粉末压制成型，并使该成型的铸体的厚度为4mm，于真空炉中在1600℃下保温50分钟，然后置于氩气保护的加压炉中，以1600℃烧结70分钟，即制备得到硬质合金刀具的合金基底。

(2)以等离子喷涂法制备ZrO₂镀层：

将上步中制备的合金基底表面清洁处理光滑之后，使用常规的等离子喷涂设备，在合金基底的表面喷涂ZrO₂镀层，并使该ZrO₂镀层的厚度为0.5um。

(3)以电弧离子镀沉积法制备TiAlN纳米涂层：

将上步中制备的带有ZrO₂镀层的合金基底表面，用常规的电弧离子镀沉积法在合金基底的表面，依次沉积TiAl₁₀N层、TiAl₂₀N层和TiAl₃₀N层，其中，TiAl₁₀N层、TiAl₂₀N层和TiAl₃₀N层的各层沉积时间分别为28分钟，这样，在合金基底的表面即制得了TiAl₁₀N-TiAl₂₀N-TiAl₃₀N梯度涂层，该TiAl₁₀N-TiAl₂₀N-TiAl₃₀N梯度涂层的总厚度2um，即制得本实施例的硬质合金刀具。

实施例4

采用硬质合金领域中通用的检测标准对实施例1、2、3制备的合金刀具的密度、硬度、耐磨性和耐蚀性进行检测，并以市售的硬质合金刀具作为对照。这些检测标准包括：用于检测合金密度的IS03369：1975、用于检测合金硬度的IS03878：1983、用于检测合金耐磨性的ASTM G65和用于检测合金耐蚀性的ASTM 61。检测结果如下表1所示：

表1检测试验结果

从上表可以看到，本发明的实施例1、2、3制备的硬质合金刀具，在密度、硬度、耐磨性和耐蚀性方面，均优于现有的市售刀具，因此在应用于碳纤维或玻璃纤维的切削加工中时，可有效地改善切削效果、减缓切削刀具发生磨损的速度、延长切削刀具的使用寿命。

本领域的普通技术人员可以理解，上述各实施方式是实现本发明的具体实施例，而在实际应用中，可以在形式上和细节上对其作各种改变，而不偏离本发明的精神和范围。

Claims

1.一种用于切削碳纤维或玻璃纤维的硬质合金刀具，其特征在于：所述硬质合金刀具包含合金基底与设于所述合金基底表面的纳米涂层，

所述合金基底以质量百分含量计包含：TiC 10～15％，Co 0.3～0.6％，Mo 0.3％～0.4％，Mn 0.8％～1.6％，Nb 0.3％～0.4％，Cr 1.0％～1.6％，Al0.6％～1.0％，余量为WC；

所述纳米涂层为TiAlN纳米涂层。

2.根据权利要求1所述的用于切削碳纤维或玻璃纤维的硬质合金刀具，其特征在于，所述合金基底以质量百分含量计包含：TiC 12％，Co 0.5％，Mo 0.4％，Mn 1.0％，Nb 0.4％，Cr 1.2％，Al 0.8％，余量为WC。

3.根据权利要求1所述的用于切削碳纤维或玻璃纤维的硬质合金刀具，其特征在于，所述合金基底的厚度为4～10mm。

4.根据权利要求1所述的用于切削碳纤维或玻璃纤维的硬质合金刀具，其特征在于，所述TiAlN纳米涂层为TiAl₁₀N-TiAl₂₀N-TiAl₃₀N梯度涂层，所述TiAl₁₀N-TiAl₂₀N-TiAl₃₀N梯度涂层的总厚度为2～3um。

5.根据权利要求1所述的用于切削碳纤维或玻璃纤维的硬质合金刀具，其特征在于，所述合金基底与所述TiAlN纳米涂层之间还设有ZrO₂镀层，所述ZrO₂镀层的厚度为0.5～1um。

6.一种用于切削碳纤维或玻璃纤维的硬质合金刀具的制备方法，其特征在于，包含下述步骤：

(1)以烧结法制备硬质合金刀具的合金基底，所述合金基底以质量百分含量计包含：TiC 10～15％，Co 0.3～0.6％，Mo 0.3％～0.4％，Mn 0.8％～1.6％，Nb 0.3％～0.4％，Cr 1.0％～1.6％，Al 0.6％～1.0％，余量为WC；

(2)在步骤(1)制备得到的合金基底的表面，以电弧离子镀沉积法制备TiAlN纳米涂层。

7.根据权利要求6所述的用于切削碳纤维或玻璃纤维的硬质合金刀具的制备方法，其特征在于，所述以烧结法制备硬质合金刀具的合金基底的步骤包含：

(a)以质量百分含量计，称取下述原料：TiC 10～15％，Co 0.3～0.6％，Mo 0.3％～0.4％，Mn 0.8％～1.6％，Nb 0.3％～0.4％，Cr 1.0％～1.6％，Al0.6％～1.0％，余量为WC；

(b)取步骤(a)中称取的原料，与球磨介质一起加入球磨机中进行湿磨，将湿磨后得到的浆料蒸干，加入成型剂，烘干过筛；然后将得到的合金粉末压制成型后，于真空炉中在1500～1800℃保温50～80分钟，最后置于惰性气氛保护的加压炉中，以1500～1800℃烧结60～90分钟，即制备得到所述合金基底。

8.根据权利要求7所述的用于切削碳纤维或玻璃纤维的硬质合金刀具的制备方法，其特征在于，所述球磨介质为丙酮，所述成型剂为石蜡，所述惰性气氛为氩气。

9.根据权利要求6所述的用于切削碳纤维或玻璃纤维的硬质合金刀具的制备方法，其特征在于，所述以电弧离子镀沉积法制备TiAlN纳米涂层的步骤为：在合金基底的表面用电弧离子镀沉积法依次沉积TiAl₁₀N层、TiAl₂₀N层和TiAl₃₀N层，制得TiAl₁₀N-TiAl₂₀N-TiAl₃₀N梯度涂层；其中，所述TiAl₁₀N层、TiAl₂₀N层和TiAl₃₀N层的沉积时间分别为25～30分钟。

10.根据权利要求6所述的用于切削碳纤维或玻璃纤维的硬质合金刀具的制备方法，其特征在于：在所述步骤(1)和步骤(2)之间，还包含下述步骤：在所述合金基底的表面，以等离子喷涂法制备ZrO₂镀层。