CN105834433B - 消除硬质合金刀具残余热应力的方法 - Google Patents

消除硬质合金刀具残余热应力的方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种消除硬质合金刀具残余热应力的方法，将硬质合金刀具试样经平整度处理后装入冷压模具；再将装有硬质合金刀具试样的冷压模具载入压力机预压，保压后再经过两次提高压制压力，直至压力达到最大设定值，保压后按两步方式卸载压力，控制升压与降压速率，用相同压制参数重复压制8～12次。将压制后的硬质合金刀具试样侧面变为受压面，按相同压强改变压制载荷，并用相同压制参数重复操作，结束后取出试样，得到低内应力硬质合金刀具。

Description

消除硬质合金刀具残余热应力的方法
技术领域
本发明涉及一种消除切削刀具材料热应力的方法。
背景技术
硬质合金是一种无机非金属基复合材料，结合了碳化物陶瓷基体(WC、TiC等)具备的耐磨、耐高温优点和金属黏结剂(Co、Ni等)具有韧性的优点，广泛应用于高速切削刀具、模具、冲击工具等。作为一种切削刀具材料，要求硬质合金具有高温强度好及长寿命的特点，但由于碳化物陶瓷基体与金属黏结剂的热膨胀系数差别较大，使其在烧结成形过程中易产生残余热应力，该热应力随着碳化物晶粒细化、合金组分而变化。在受到外载荷时，特别是高温交变载荷条件下，残余热应力易造成刀具崩刃、成片剥落、断裂等非正常失效。
为提高硬质合金的高温强度，延长其使用寿命，已有学者通过热处理、机械振动、超声波、滚磨等方法消除硬质合金的残余热应力，但由于这些方法所需工艺较难控制且效率较低，因此不易广泛推广。
发明内容
本发明是针对现有硬质合金材料残余热应力不易快速、有效消除的现状，提供了一种消除其残余热应力的方法。
为达到以上目的，本发明是采取如下技术方案予以实现的，
一种消除硬质合金刀具残余热应力的方法，其特征在于，包括下述步骤：
(3)将烧结好的硬质合金刀具试样经平整度修整后装入冷压模具，并将装有该硬质合金刀具样品的冷压模具载入压力机；
(4)以150～170MPa/分钟的速率对试样加压，至430～560MPa下预压，短暂保压后，以150～190MPa/分钟的速率升压至1000～1200MPa，然后以大于190MPa/分钟的速率升压至1800～2000MPa，保压50～140秒；
(3)按两步方式卸载压力，首先以100MPa/分钟的卸压速率降压至900～1000MPa，然后以150MPa/分钟的卸压速率降压至0MPa；
(4)重复步骤(2)、(3)，对该硬质合金刀具试样正面进行至少6次循环压制，结束后取出硬质合金刀具试样；
(5)将硬质合金刀具毛坯侧面变为受压面，装入冷压磨具并载入压力机，按步骤(2)～(3)相同的压制条件及压强参数，进行步骤(2)～(4)的操作，结束后取出硬质合金刀具试样。
上述方法中，步骤(1)所述硬质合金刀具试样的平整度修整的工具为精细磨床。所述冷压模具为表面淬火的轴承钢材料。步骤(2)所述短暂保压的时间为10秒。步骤(4)所述循环压制的次数为8～12次；每次间隔时间小于30秒。
与现有技术相比，本发明具有以下特点和优势：
(1)在消除硬质合金刀具残余热应力过程中，本发明完全改变了已有方法中采用深冷热处理和高能处理的思路，而是根据大量研究成果，采用一种外加载荷的方式，并研究外加载荷、硬质合金显微组织和残余热应力之间的关系。此方法具有设备简单，工艺可控性强和高效率，克服了因深冷和高能处理的效率低的难题。
(2)在外加载荷消除硬质合金刀具残余热应力的工艺机理是：通过压力载荷使金属黏结相发生塑性变形，将作为第二类残余内应力的热应力转化为第三类残余内应力的晶体缺陷，即发生能量转化。转化能量主要存在于晶格中，提高合金强度和韧性。
本发明用外加载荷消除硬质合金刀具残余热应力，制备的硬质合金刀具样品的抗弯强度≥4640MPa、1000℃拉伸强度≥4461MPa。
具体实施方式
以下结合具体实施例对本发明作进一步的详细说明。
以下各实施例消除硬质合金刀具残余热应力的方法，抗弯强度测试条件符合《GB3851-83》标准，高温抗拉强度测试条件符合《GB4338-84》标准。
实施例1
(1)用精细磨床对已成形烧结好的尺寸为20mm×5mm×5mm的WC-11Co-2.1TaC硬质合金刀具试样进行平整度修整，修整后装入表面淬火轴承钢质的冷压模具。
(2)将装有硬质合金刀具试样的冷压模具载入压力机预压，压力方向与试样最小截面平行，升压速率150MPa/分钟，压力增大到500MPa，保压10秒；升压至1100MPa，升压速率180MPa/分钟，继续以200MPa/分钟升压至2000MPa，保压70秒；分两阶段降压，第一阶段为900MPa，速率100MPa/分钟，第二阶段0MPa，速率150MPa/分钟。
(3)遵循步骤(2)的工艺参数对硬质合金刀具试样进行10次循环压制，间隔时间25秒。
(4)将硬质合金刀具试样侧面变为受压面，按相同压强改变压制载荷，压力方向与试样最小截面平行，并重复步骤(2)、(3)操作，结束后取出试样。
实施例2
(1)用精细磨床对已成形烧结好的尺寸为20mm×5mm×5mm的WC-11Co-2.1TaC硬质合金刀具试样进行平整度修整，修整后装入表面淬火轴承钢质冷压模具。
(2)将装有硬质合金刀具试样的冷压模具载入压力机预压，压力方向与试样最小截面平行，升压速率170MPa/分钟，压力增大到530MPa，保压10秒；升压至1200MPa，升压速率190MPa/分钟，继续以200MPa/分钟升压至2000MPa，保压110秒；分两阶段降压，第一阶段为1000MPa，速率100MPa/分钟，第二阶段0MPa，速率150MPa/分钟。
(3)遵循步骤(2)的工艺参数对硬质合金刀具试样进行9次循环压制，间隔时间20秒。
(4)将硬质合金刀具试样侧面变为受压面，按相同压强改变压制载荷，压力方向与试样最小截面平行，并重复步骤(2)、(3)操作，结束后取出试样。
实施例3
(1)用精细磨床对已成形烧结好的尺寸为20mm×5mm×5mm的WC-11Co-2.1TaC硬质合金刀具试样进行平整度修整，修整后装入表面淬火轴承钢质冷压模具。
(2)将装有硬质合金刀具试样的冷压模具载入压力机预压，压力方向与试样最小截面平行，升压速率160MPa/分钟，压力增大到440MPa，保压10秒；升压至1000MPa，升压速率150MPa/分钟，继续以200MPa/分钟升压至1800MPa，保压140秒；分两阶段降压，第一阶段为1000MPa，速率100MPa/分钟，第二阶段0MPa，速率150MPa/分钟。
(3)遵循步骤(2)的工艺参数对硬质合金刀具试样进行12次循环压制，间隔时间25秒。
(4)将硬质合金刀具试样侧面变为受压面，按相同压强改变压制载荷，压力方向与试样最小截面平行，并重复步骤(2)、(3)操作，结束后取出试样。
实施例4
(1)用精细磨床对已成形烧结好的尺寸为20mm×5mm×5mm的WC-11Co-2.1TaC硬质合金刀具试样进行平整度修整，修整后装入表面淬火轴承钢质冷压模具。
(2)将装有硬质合金刀具试样的冷压模具载入压力机预压，压力方向与试样最小截面平行，升压速率150MPa/分钟，压力增大到540MPa，保压10秒；升压至1200MPa，升压速率170MPa/分钟，继续以200MPa/分钟升压至2000MPa，保压60秒；分两阶段降压，第一阶段为900MPa，速率100MPa/分钟，第二阶段0MPa，速率150MPa/分钟。
(3)遵循步骤(2)的工艺参数对硬质合金刀具试样进行8次循环压制，间隔时间20秒。
(4)将硬质合金刀具试样侧面变为受压面，按相同压强改变压制载荷，压力方向与试样最小截面平行，并重复步骤(2)、(3)操作，结束后取出试样。
对以上实施例所得硬质合金试样的性能进行了测试，结果列于表1。
表1不同实施例处理的硬质合金刀具试样的性能参数
由表1可以看出，用实施例1-4方法处理的硬质合金刀具试样具有残余内应力小、强度高及高温力学性能好等特点。
本发明根据转化残余热应力所承载能量形式的思路，通过精确控制外载荷的大小、加载方式改变硬质合金组织结构，提供了一条完整消除硬质合金刀具残余热应力的技术路线。

Claims (4)

1.一种消除硬质合金刀具残余热应力的方法，其特征在于，包括下述步骤：
(1)将烧结好的硬质合金刀具试样经平整度修整后装入冷压模具，并将装有该硬质合金刀具试样的冷压模具载入压力机；
(2)以150～170MPa/分钟的速率对硬质合金刀具试样加压，至430～560MPa下预压，短暂保压10秒后，以150～190MPa/分钟的速率升压至1000～1200MPa，然后以大于190MPa/分钟的速率升压至1800～2000MPa，保压50～140秒；
(3)按两步方式卸载压力，首先以100MPa/分钟的卸压速率降压至900～1000MPa，然后以150MPa/分钟的卸压速率降压至0MPa；
(4)重复步骤(2)、(3)，对该硬质合金刀具试样正面进行至少6次循环压制，结束后取出硬质合金刀具试样；
(5)将硬质合金刀具试样侧面变为受压面，装入冷压模具并载入压力机，按步骤(2)～(3)相同的压制条件及压强参数，进行步骤(2)～(4)的操作，结束后取出硬质合金刀具试样。
2.如权利要求1所述的消除硬质合金刀具残余热应力的方法，其特征在于，步骤(1)所述硬质合金刀具试样的平整度修整的工具为精细磨床。
3.如权利要求1所述的消除硬质合金刀具残余热应力的方法，其特征在于，所述冷压模具为表面淬火的轴承钢材料。
4.如权利要求1所述的消除硬质合金刀具残余热应力的方法，其特征在于，步骤(4)所述循环压制的次数为8～12次；每次间隔时间小于30秒。
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