CN105039763A - 一种钛基复合刀具材料的粉末冶金制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开的一种钛基复合刀具材料的粉末冶金方法，包括向Ti粉中加入机油和磨球进行混粉、加入平均粒径为0.5μm的B4C粉末进行二次混粉、再分别加入平均粒径为5μm和20μm的B4C粉末进行三次混粉、最后经过预压成型和真空热压烧结后即可制得钛基复合刀具材料。本发明的一种钛基复合刀具材料的粉末冶金制备方法以纯Ti粉末和不同粒度的B4C粉末为原料，利用Ti与B4C间的原位反应，通过粉末冶金法制备一种以Ti为基体，包含TiC、TiB和B4C等多种高强度和高耐磨陶瓷相增强体的钛基复合刀具材料，该方法所采用的原料价格相对低廉，工艺简单，可实现低成本的工业化生产，所制备的刀具材料硬度高于65HRC，并具有与金属相当的韧性和良好的耐磨性，可用作精密和高速切削刀具材料。

Description

一种钛基复合刀具材料的粉末冶金制备方法
技术领域
本发明属于材料制备技术领域，具体涉及一种钛基复合刀具材料的粉末冶金制备方法。
背景技术
切削加工是现代制造业应用最广泛的加工技术之一，随着机械工业的发展以及材料强度的不断提高，高精度切削加工的需求日益增多，这也对刀具材料提出了更为苛刻的要求。刀具材料的发展历经高速合金钢、硬质合金、陶瓷材料，直至新近发展的以金刚石和立方氮化硼为主的超硬涂层材料以及金属陶瓷刀具等。
高速钢具有良好韧性和成形性，但存在耐磨性、耐热性较差等缺陷，且高速钢材料中的一些主要元素(如钨)的储藏资源在世界范围内日渐枯竭；硬质合金具有较高的硬度和红硬性，但耐磨性和强韧性不易兼顾，使用者只能根据具体加工对象和加工条件在众多硬质合金牌号中选择适用的刀具材料，这给硬质合金刀具的选用和管理带来诸多不便；陶瓷材料具有高的硬度、红硬性和耐磨性，但其脆性大、横向断裂强度低、断裂韧性低、承受冲击载荷差；而新近发展的以金刚石和立方氮化硼为主的超硬涂层材料，高昂的成本和复杂的制备工艺等局限极大地限制了其广泛应用。
综上所述，研发一种兼顾强度、韧性、硬度、耐磨性等多方面性能的新型刀具材料，并实现其低成本和工业化制备意义重大。
发明内容
本发明的目的在于提供一种钛基复合刀具材料的粉末冶金制备方法，解决了现有刀具材料强度、韧性、硬度和耐磨性等不能良好统一的问题，并可实现低成本的工业化生产。
本发明所采用的技术方案是：一种钛基复合刀具材料的粉末冶金制备方法，包括以下步骤：
步骤一：将称量好的Ti粉末装入混料罐中并加入机油以及磨球，进行初次混粉2h；
步骤二：向步骤一获得的粉末中加入称量好的、平均粒径为0.5μm的B4C粉末，进行二次混粉4h；
步骤三：向步骤二获得的混合粉末中加入称量好的、平均粒径分别为5和20μm的B4C粉末，进行三次混粉2h；
步骤四：将步骤三获得的混合粉末装入石墨模具中进行预压，然后放入真空烧结炉中进行热压烧结，待随炉冷却后取样即获得钛基复合刀具材料。
本发明的特点还在于，
步骤一中的Ti粉末的平均粒径为20um，加入的机油的添加量为钛粉末质量的0.06％-0.1％。
步骤一中加入的磨球是直径分别为3mm和8mm的两种氧化锆球，氧化锆球与Ti粉末的质量比为3:1，并且大小氧化锆球的质量比为4:1。
步骤一到步骤三中三次混粉均采用V形混料机，其转速为120r/min。
步骤二和步骤三中平均粒径分别为0.5μm、5μm和20μm的B4C粉末质量之和占Ti粉末质量的15％-20％，三种不同平均粒径的B4C粉末质量均占总B4C的质量分数为1/6-1/2，三种质量分数之和为1。
步骤四中预压压强为30MPa，热压烧结的升温速率为10℃-15℃/min，烧结温度为1000℃-1150℃，保温时间为30min-60min。
本发明的一种钛基复合刀具材料的粉末冶金制备方法解决了现有刀具材料强度、韧性、硬度和耐磨性等不能良好统一的问题，其以纯Ti粉末和不同粒度的B4C粉末为原料，利用Ti与B4C间的原位反应，通过粉末冶金法制备一种以Ti为基体，包含TiC、TiB和B4C等多种高强度和高耐磨陶瓷相增强体的钛基复合刀具材料，该方法所采用的原料价格相对低廉，工艺简单，可实现低成本的工业化生产，所制备的刀具材料硬度高于65HRC，并具有与金属相当的韧性以及良好的耐磨性，可用作精密和高速切削刀具材料。
附图说明
图1是本发明的一种钛基复合刀具材料的粉末冶金制备方法的技术路线图；
图2是本发明的一种钛基复合刀具材料的粉末冶金制备方法制备的钛基复合刀具材料的X射线衍射图谱；
图3是本发明的一种钛基复合刀具材料的粉末冶金制备方法制备的钛基复合刀具材料放大1000倍的扫描电镜图；
图4是本发明的一种钛基复合刀具材料的粉末冶金制备方法制备的钛基复合刀具材料放大2000倍的扫描电镜图。
具体实施方式
本发明的一种钛基复合刀具材料的粉末冶金方法的技术路线图如图1所示，其制备方法包括向Ti粉中加入机油和磨球进行混粉、加入平均粒径为0.5μm的B4C粉末进行二次混粉、再分别加入平均粒径为5μm和20μm的B4C粉末进行三次混粉、最后经过预压成型和真空热压烧结后即可制得钛基复合刀具材料。
下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。
实施例1
本实施例以纯Ti粉末和平均粒径分别为0.5um、5um、20um的B4C粉末为原料，制备钛基金属陶瓷复合刀具材料，其中三种不同粒度的B4C粉末的总质量分数为15％，质量比为2:3:1，具体步骤如下：
称取8.5g纯Ti粉放入混料罐中，加入直径为8mm的氧化锆磨球24g(约8颗)和直径为3mm氧化锆磨6g(约6颗)，并滴入0.0068g机油，在V形混粉机以120r/min的转速进行初次混粉2h。
初次混粉结束，加入0.5g平均粒径为0.5um的B4C，在V形混粉机上以同样的转速进行二次混粉4h。
二次混粉结束，再加入0.75g平均粒径为5um的B4C和0.25g平均粒径为20um的B4C，在V形混粉机上以同样转速进行三次混粉2h。
三次混粉结束，取出混合粉末，装入Φ15mm的石墨模具中并用10MPa的压强进行预压，随后在真空热压烧结炉中烧结，其中，烧结温度为1100℃，升温速率10℃/min，保温时间60min，压强30MPa。所制备的复合材料致密度为96.2％，硬度高达68HRC。
本发明实施例1所制备的钛基复合刀具材料的X射线衍射图谱如图2所示，从中可以看出复合刀具材料主要由TiC和TiB组成，此外还包括一定数量的Ti和B4C。
本发明实施例1所制备的钛基复合刀具材料放大1000倍的扫描电镜照片如图3所示，从中可以看出，复合刀具材料具有较高的致密度。
本发明实施例1所制备的钛基复合刀具材料放大2000倍的扫描电镜照片如图4所示，从中可清晰地看到反应残留的B4C颗粒，以及其周围与Ti基体形成的颗粒状TiC和晶须状TiB。陶瓷颗粒与基体结合良好，有利于发挥其耐磨性和强度。
本发明的一种钛基金属陶瓷复合刀具材料制备方法解决了现有刀具材料的制备方法存在的强度低、韧性低、脆性大、耐磨性差以及制作成本高的缺点。本发明的一种钛基金属陶瓷复合刀具材料制备方法以Ti粉为材料，通过加入机油，再加入平均粒径为0.5um的B4C初次混粉，使其充分包裹在Ti粉表面，以便结合更好，最后加入平均粒径分别为5um和20um的B4C混粉后，进行热压烧结即制得。本发明拟控制Ti与B4C间的原位反应程度，通过原位反应产生的TiC和TiB等陶瓷相强化钛基体，而未反应的B4C颗粒本身就是目前应用较为广泛的耐磨材料，可显著提高复合材料的耐磨性。由于各类陶瓷相弥散分布在钛金属基体中，彼此通过金属与陶瓷的原位反应界面连接，可有效改善复合材料的断裂韧性和强度，降低了其脆性，从而获得一种兼具金属和陶瓷刀具材料各自优势的新型钛基复合刀具材料。此发明所需的真空热压烧结设备和制备工艺简单、而且制备成本较为低廉、能耗较低，降低了成本，对于工业化大规模生产具有很高的价值。
实施例2
本实施例以纯Ti粉末和平均粒径分别为0.5um、5um、20um的B4C粉末为原料，制备钛基金属陶瓷复合刀具材料，其中三种不同粒度的B4C粉末的总质量分数为15％，质量比为3:2:1，具体步骤如下：
称取8.5g纯Ti粉放入混料罐中，加入直径为8mm的氧化锆磨球24g(约8颗)和直径为3mm氧化锆磨6g(约6颗)，并滴入0.0068g机油，在V形混粉机以120r/min的转速进行初次混粉2h。
初次混粉结束，加入0.75g平均粒径为0.5um的B4C，在V形混粉机上以同样的转速进行二次混粉4h。
二次混粉结束，再加入0.5g平均粒径为5um的B4C和0.25g平均粒径为20um的B4C，在V形混粉机上以同样转速进行三次混粉2h。
三次混粉结束，取出混合粉末，装入Φ15的石墨模具中并用10MPa的压强进行预压，随后在真空热压烧结炉中烧结，其中，烧结温度为1000℃，升温速率12℃/min，保温时间30min，压强30MPa。
实施例3
本实施例以纯Ti粉末和平均粒径分别为0.5um、5um、20um的B4C粉末为原料，制备钛基金属陶瓷复合刀具材料，其中三种不同粒度的B4C粉末的总质量分数为17.5％，质量比为1:2:3，具体步骤如下：
称取8.25g纯Ti粉放入混料罐中，加入直径为8mm的氧化锆磨球24g(约8颗)和直径为3mm氧化锆磨6g(约6颗)，并滴入0.0066g机油，在V形混粉机以120r/min的转速进行初次混粉2h。
初次混粉结束，加入0.292g平均粒径为0.5um的B4C，在V形混粉机上以同样的转速进行二次混粉4h。
二次混粉结束，再加入0.583g平均粒径为5um的B4C和0.0.875g平均粒径为20um的B4C，在V形混粉机上以同样转速进行三次混粉2h。
三次混粉结束，取出混合粉末，装入Φ15的石墨模具中并用10MPa的压强进行预压，随后在真空热压烧结炉中烧结。烧结温度为1150℃，升温速率15℃/min，保温时间60min，压强30MPa。
实施例4
本实施例以纯Ti粉末和平均粒径分别为0.5um、5um、20um的B4C粉末为原料，制备钛基金属陶瓷复合刀具材料，其中三种不同粒度的B4C粉末的总质量分数为20％，质量比为2:3:1，具体步骤如下：
称取8.0g纯Ti粉放入混料罐中，加入直径为8mm的氧化锆磨球24g(约8颗)和直径为3mm氧化锆磨6g(约6颗)，并滴入0.0064g机油，在V形混粉机以120r/min的转速进行初次混粉2h。
初次混粉结束，加入0.667g平均粒径为0.5um的B4C，在V形混粉机上以同样的转速进行二次混粉4h。
二次混粉结束，再加入1.0g平均粒径为5um的B4C和0.333g平均粒径为20um的B4C，在V形混粉机上以同样转速进行三次混粉2h。
三次混粉结束，取出混合粉末，装入Φ15的石墨模具中并用10MPa的压强进行预压，随后在真空热压烧结炉中烧结，其中，烧结温度为1100℃，升温速率10℃/min，保温时间60min，压强30MPa。

Claims (6)

1.一种钛基复合刀具材料的粉末冶金制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤一：将称量好的Ti粉末装入混料罐中并加入机油以及磨球，进行初次混粉2h；
步骤二：向步骤一获得的粉末中加入称量好的、平均粒径为0.5μm的B4C粉末，进行二次混粉4h；
步骤三：向步骤二获得的混合粉末中加入称量好的、平均粒径分别为5和20μm的B4C粉末，进行三次混粉2h；
步骤四：将步骤三获得的混合粉末装入石墨模具中进行预压，然后放入真空烧结炉中进行热压烧结，待随炉冷却后取样即获得钛基复合刀具材料。
2.如权利要求1所述的一种钛基复合刀具材料的粉末冶金制备方法，其特征在于，所述步骤一中的Ti粉末的平均粒径为20um，加入的机油的添加量为钛粉末质量的0.06％-0.1％。
3.如权利要求1所述的一种钛基复合刀具材料的粉末冶金制备方法，其特征在于，所述步骤一中加入的磨球是直径分别为3mm和8mm的两种氧化锆球，氧化锆球与Ti粉末的质量比为3:1，并且大小氧化锆球的质量比为4:1。
4.如权利要求1所述的一种钛基复合刀具材料的粉末冶金制备方法，其特征在于，所述步骤一到步骤三中三次混粉均采用V形混料机，其转速为120r/min。
5.如权利要求1所述的一种钛基复合刀具材料的粉末冶金制备方法，其特征在于，所述步骤二和步骤三中平均粒径分别为0.5μm、5μm和20μm的B4C粉末质量之和占Ti粉末质量的15％-20％，所述三种不同平均粒径的B4C粉末质量均占总B4C的质量分数为1/6-1/2，三种质量分数之和为1。
6.如权利要求1所述的一种钛基复合刀具材料的粉末冶金制备方法，其特征在于，所述步骤四中预压压强为30MPa，热压烧结的升温速率为10℃-15℃/min，烧结温度为1000℃-1150℃，保温时间为30min-60min。
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