CN106583731A - 一种用于火车轮毂加工的涂层刀具的制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种用于火车轮毂加工的涂层刀具的制备方法，包括以下步骤：(1)将WC粉、Co粉和MCxNy粉以重量比为81‑87:6‑10:7‑9混合，置于无水乙醇中进行球磨，球磨48‑72h，然后过滤，采用喷雾干燥器进行雾化干燥，制粒；(2)制备涂层基体：利用依次梯度加压烧结技术进行操作；(3)涂层刀具的制备：采用MT‑CVD涂层技术沉积TiN+TiCN+TiCO+α‑Al2O3+TiCN+TiN的涂层结构。该方法制备的涂层刀具可用于火车轮毂加工，其耐磨性和冲击性均较优异。
Description
技术领域
本发明属于机械切削刀具制造技术领域，具体涉及一种用于火车轮毂加工的涂层刀具的制备方法。
背景技术
高速铁路的开建和营运为国家经济的发展做出了突出贡献，对火车轮毂的要求也与日俱增，这不仅仅体现在轮毂数量方面，更体现在高精度、高强度、高耐磨性及可修复的高寿命方面，这类轮毂材质由于加入了合金元素(如V)且采用干式高速切削，加工余量大，刀具的消耗也较大。
针对高强度合金钢轮毂的特点，先进制造厂家率先采用数控仿形刀具进行加工，取得了较好的加工表面光洁度效果。随着机床制造业的发展，数字化、柔性化已融入CNC机床，切削刀具也向着高强度、高耐磨性、高红硬性的数控涂层刀具发展，加工高强度合金钢轮毂的数控刀具也就应运而生。
加工火车轮毂的硬质合金刀具主要为高精度的数控涂层刀具，它是由具有梯度富钴结构的P类硬质合金作为涂层基体，结合TiN、AL2O3、MT-TiCN的化学涂层(CVD)组成，适用于轮毂的精加工到半精加工的范围。
火车轮毂钢的材质是含碳量从0.60％至1.70％高碳钢，由于可以淬硬和回火，其金相组织、机械性能和金属利用率等方面均优于铸造车轮。在进行仿形车削加工轮毂钢时会产生较大的切削力和较高的切削温度，刀具主要的失效形式有在切削力和切削温度作用下导致的刃口塑性变形，也有高温下工件材料与刀具材料粘结导致的粘结磨损、扩散磨损和氧化磨损，表现形式有崩刃、碎裂、剥落、裂纹破损等。为此，刀片应当具有更高的韧性、高温强度和高温硬度。
当前，表面粘结相富集的涂层基体结合MT-CVD(中温化学气相沉积)技术的涂层刀具广泛地应用于碳钢、合金钢的加工中。这类涂层刀具由于“具有有效阻止裂纹扩展的粘结相富集的基体、对基体影响较小的MT-CVD(沉积温度相对较低)、有效地提高刀片耐磨性的含α-AL2O3的复合涂层”的特点，刀具的寿命得到有效地提高。
在刀具基体的制备方面，制造含有WC、立方相和粘结相富集表面区的硬质合金属于梯度烧结技术，有专利文献已经公开了粘结相含量梯度变化的硬质合金基体及其制备方法，可以获得基本上不具有立方相的粘结相富集表面区，但在实际应用中不同程度地会出现刃口塑性变形和抗磨损能力差的现象。
在刀具涂层的制备方面，采用MT-CVD方法在切削刀片基体上沉积钛的氮化物、碳化物、碳氮化物以及氧化铝，这在现有的很多专利文献中已经有描述。但现CVD涂层刀片普遍采用TiN++TiCN+α-AL2O3+TiCN+TiN的MTCVD复合结构，该复合结构虽具有一定的通用性，但也限制了其在某些特殊领域(例如轮毂钢车削)的应用。
综上所述，针对火车轮毂钢的加工有必要对刀具基体和涂层进行必要的优化，以适应其加工条件有效提升刀具寿命。
发明内容
针对现有技术中的上述不足，本发明提供了一种用于火车轮毂加工的涂层刀具的制备方法，可有效解决现有技术中涂层刀具无法用于火车轮毂加工的问题。
一种用于火车轮毂加工的涂层刀具的制备方法，包括以下步骤：
(1)制备硬质合金基体
将WC粉、Co粉和MCxNy粉(多元固溶化合物)以重量比为81-87:6-10:7-9混合，置于无水乙醇中进行球磨，球磨48-72h，然后过滤，采用喷雾干燥器进行雾化干燥，制粒；其中M为ⅣB、ⅤB、ⅥB族元素中的4种或四种以上；M、C和N的质量比为83-89:8-12:3-5；x＝0.7-0.75，y＝1-x；无水乙醇与混合粉末的体积质量比为320-360mL/kg；
(2)制备涂层基体
将步骤(1)制得的硬质合金基体压制成型后置于烧结炉中，利用依次梯度加压烧结技术进行操作，即炉内温度以2-5℃/min的速度从室温升至370℃，保温120-180min，炉内压力≤1000Pa，保温结束后，继续以2-5℃/min的速度将温度升至450℃，保温180-240min，炉内压力≤2000Pa，保温结束后，以3-6℃/min的速度将温度升至1350℃，保温60-90min，炉内压力为30-100Pa，保温结束后，再以3-6℃/min的速度将温度升至1460℃，保温60-120min，同时充入惰性气体，使炉内压力保持5-6Pa，保温结束后将其冷却至室温，得涂层基体；
(3)涂层刀具的制备
在步骤(2)所得的涂层基体上进行涂层，涂层结构由里向外分别为TiN、TiCN、TiCO、α-Al2O3、TiCN和TiN层；
采用现有的CVD工艺在硬质合金基体上沉积α-Al2O3层内外的TiN层和TiCO层，利用MTCVD或CVD工艺沉积TiCN层；
α-Al2O3涂层的沉积工艺：以H2作为载体，流量为50-60LPM，炉内温度为1000-1050℃，压力为50-200mbar，依次通入CO2、H2S、HCl气体，其流量分别为2-5LPM，100-200mLPM，1-3LPM，Al3Cl发生器内H2流量为5-20LPM，HCl气体流量为2-4LPM；
(4)对涂层后的刀具表面进行湿喷砂处理，使其表面粗糙度Ra≤0.20μm。
进一步地，步骤(1)中WC粉的粒径为6-7μm，化合总碳含量≥6.1％。
进一步地，步骤(1)中Co粉的粒径为1-2μm。
进一步地，步骤(1)中MCxNy粉的粒径为1-2.5μm。
进一步地，步骤(1)中M为元素W、Ti、Ta和Nb，W、Ti、Ta和Nb的质量比为2.8-3.2:32-34:32-34:19-21；
进一步地，步骤(3)中所用气体中水分含量低于5ppm。
进一步地，步骤(3)中所得α-Al2O3涂层的结构为：厚度0.5-20μm，呈等轴细晶，粒径尺寸为0.5-4μm，并具有至少(104)、(110)、(113)、(024)、(116)、(214)、(300)7个晶面取向，织构系数TC(104)≥2.5，优化为TC≥3.0，织构系数TC由以下等式表达：
式中，
I(hkl)：(hkl)晶面所反射的测量强度；
I。(hkl)：依据JCPDS卡片对应的03-1033标准强度；
n：计算中使用的反射的数目。
本发明提供的用于火车轮毂加工的涂层刀具的制备方法，具有以下有益效果：
(1)本发明采用多元固溶化合物(MCxNy粉)，各成分通过高温碳化形成复合固溶体，可以极大地降低因杂质元素带来的影响，在确保材料的韧性的同时，还可以提高其抗磨损能力。
(2)采用依次梯度加压烧结法得到具有表面粘结相富集(脱β层)的涂层基体，具有梯度结构的表面富钴合金基体使涂层切削刃强度更高，提高了涂层抗裂纹扩展能力，提高了基体与涂层的结合强度以及刀具的抗弯强度。划痕强度实验表明：基体成分相同情况下，梯度结构涂层刀片的基体与涂层结合强度比无梯度结构涂层刀片的基体与涂层结合强度大。硬质合金刀片的切削实验也表明：基体和涂层成分相同的情况下，有梯度结构涂层硬质合金刀片的切削性能比无梯度结构涂层硬质合金刀片的切削性能优良。
(3)采用本发明提供的α-Al2O3涂层技术，可得到有益于高温切削的至少(104)、(110)、(113)、(024)、(116)、(214)、(300)7个晶面取向。
Al2O3涂层具有很高的化学稳定性和优良的热屏障特性，是高速切削工具理想的涂层材料。通过CVD涂层可以获得三种不同的Al2O3涂层：α-Al2O3、κ-Al2O3、γ-Al2O3。其中α-Al2O3是最稳定的物相，亚稳定的κ、γ相将通过沉积中、后的热处理以及切削加工过程中产生的热量转变为温度α相，在相变发生的体积收缩将降低或破坏Al2O3涂层的粘附性，为此，获得具有稳定α-Al2O3的涂层组织是保证涂层刀具加工优异性能的前提。
(4)采用湿喷砂对涂层刀具进行表面处理可以有益地提高刀具的使用性能，其目的在于：改善刀具切削刃的圆化程度和消除涂层应力，提升刀具的使用性能。
具体实施方式
实施例1
一种用于火车轮毂加工的涂层刀具的制备方法，包括以下步骤：
(1)制备硬质合金基体
原料：粒径为6-7μm的WC粉；粒径为1-2μm的Co粉，Co粉呈类球形；多元固溶(W、Ti、Ta、Nb)CxNy的粒径为1-2.5μm。
原料重量百分比：WC粉85％(化合总碳≥6.1％)、Co粉7％(类球形)、多元固溶(W,Ta,Nb,Ti)CxNy(x:0.7-0.75；y:1-x)粉末8％，W：3.0％；Ti：32％；Ta：32％；Nb：20％；C：10％；N：3.0％。
将各组分原料进行湿磨，球磨介质为无水乙醇，无水乙醇与原料粉末的原料液固比为350mL/kg，球磨的球料比为4:1，球磨时间为68h，湿磨完成后将料浆进行过滤，采用喷雾干燥器进行雾化干燥制粒。
压制的规格型号：SNMG120408-MD(耐磨试验)；SNUN120408(冲击试验)。
(2)制备涂层基体
将步骤(1)制得的硬质合金基体压制成型后置于烧结炉中，利用依次梯度加压烧结法得到具有表面粘结相富集(脱β层)的涂层基体。工艺参数：炉内温度从室温升至370℃，升温速率为2-5℃/min，在370℃保温120-180min，炉内压力≤1000pa；保温结束后，由370℃升至450℃，升温速率为2-5℃/min，在450℃下保温180-240min，炉内压力≤2000pa；保温结束后，由450℃升至1350℃，升温速率为3-6℃/min，在1350℃保温60-90min，炉内压力30-100pa，完成固相烧结；保温结束后，由1350℃升至1460℃，升温速率为3-6℃/min，在1460℃保温60-120min，同时充入惰性气体，保持炉内压力为5-6MPa；加压保温结束后断电强制冷却至室温。
(3)涂层刀具的制备
在步骤(2)所得的涂层基体上进行涂层，涂层结构由里向外分别为TiN、TiCN、TiCO、α-Al2O3、TiCN和TiN层；
采用现有的CVD工艺在硬质合金基体上沉积α-Al2O3层内外的TiN层和TiCO层，利用MTCVD或CVD工艺沉积TiCN层；
α-Al2O3涂层的沉积工艺：以H2作为载体，流量为50-60LPM，炉内温度为1000-1050℃，压力为50-200mbar，分阶段通入CO2、H2S、HCl气体，其流量分别为2-5LPM，100-200mLPM，1-3LPM，Al3Cl发生器内H2流量为5-20LPM，HCl气体流量为2-4LPM；在Al2O3形核过程中，各气体水分含量必须低于5ppm。所得α-Al2O3涂层的结构为：厚度0.5-20μm，呈等轴细晶，粒径尺寸为0.5-4μm，并具有至少(104)、(110)、(113)、(024)、(116)、(214)、(300)7个晶面取向，织构系数TC(104)≥3.0。
(4)对涂层后的刀具表面进行湿喷砂处理，使其表面粗糙度Ra≤0.20μm。参数为白玉刚400目，气压≥0.5MPa，频率为50Hz。
实施例2
实施例2与实施例1不同之处为：硬质合金基体不采用多元固溶的(M)CxNy化合物，且是无N的各单一化合物，成分如下：
WC:85％；WC-TiC：5.5％；TaC/NbC：2.5％；Co：7％。
实施例3
实施例3与实施例1不同之处为：α-AL2O3的晶面取向为(001)、(131)、(036)、(125)、(211)、(217)，织构系数TC(001)为2.0。
实施例4
实施例4与实施例1不同之处为：硬质合金基体不采用多元固溶的(M)CxNy化合物，且是无N的各单一化合物，成分如下：
WC:85％；WC-TiC：5.5％；TaC/NbC：2.5％；Co：7％。
α-AL2O3的晶面取向为(001)、(131)、(036)、(125)、(211)、(217)，织构系数TC(001)为1.8。
实验例
对实施例1-4进行以下实验：
1、耐磨性实验
被加工工件：50#钢；刀片型号：SNMG120408-MD；切削速度：150m/min；走刀量：0.3mm/rev；切削深度：2.5mm；切削形式：干式切削；试验机床：数控加工中心；切削时间：40min。
寿命评价：在相同时间和加工条件下，测试加工刀具(刀片)的后刀面磨损值Vb，Vb越小，耐磨损能力越好，结果见表1：
表1各实施例产品耐磨损实验结果
| 实施例 | Vb(mm) |
| 实施例1 | 0.13 |
| 实施例2 | 0.24 |
| 实施例3 | 0.33 |
| 实施例4 | 0.45 |
2、冲击实验
被加工工件：T10钢；刀片型号：SNKN120408；切削速度：120m/min走刀量：0.3mm/rev；切削深度：2.0mm；切削形式：干式切削；试验机床：数控精密车床，无极调速。
夹具：在一根Ф180×300的圆棒上开出4条20mm宽、40mm深的通槽，垂直于槽的侧面有M12的紧固螺钉，用于夹固冲击的T10板材。
寿命评价：在相同时间和加工条件下，测试加工刀具(刀片)的耐冲击次数(直至刀片破损)，次数越高，冲击性能越好，结果见表2：
表2各实施例产品冲击实验结果
| 实施例 | 耐冲击次数(次) |
| 实施例1 | 4500 |
| 实施例2 | 3620 |
| 实施例3 | 4020 |
| 实施例4 | 3580 |
由耐磨性和冲击性实验结果可知，实施例1所得产品在耐磨和冲击实验中均表现出优异的综合性能。
Claims (7)
1.一种用于火车轮毂加工的涂层刀具的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)制备硬质合金基体
将WC粉、Co粉和MCxNy粉以重量比为81-87:6-10:7-9混合，置于无水乙醇中进行球磨，球磨48-72h，然后过滤，干燥，制粒；其中M为ⅣB、ⅤB、ⅥB族元素中的4种或4种以上；M、C和N的质量比为83-89:8-12:3-5；x＝0.7-0.75，y＝1-x；无水乙醇与混合粉末的体积质量比为320-360mL/kg；
(2)制备涂层基体
将步骤(1)制得的硬质合金基体压制成型后置于烧结炉中，炉内温度以2-5℃/min的速度从室温升至370℃，保温120-180min，炉内压力≤1000Pa，保温结束后，继续以2-5℃/min的速度将温度升至450℃，保温180-240min，炉内压力≤2000Pa，保温结束后，以3-6℃/min的速度将温度升至1350℃，保温60-90min，炉内压力为30-100Pa，保温结束后，再以3-6℃/min的速度将温度升至1460℃，保温60-120min，同时充入惰性气体，使炉内压力保持5-6MPa，保温结束后将其冷却至室温，得涂层基体；
(3)涂层刀具的制备
在步骤(2)所得的涂层基体上进行涂层，涂层结构由里向外分别为TiN、TiCN、TiCO、α-Al2O3、TiCN和TiN层；
采用CVD工艺在硬质合金基体上沉积α-Al2O3层内外的TiN层和TiCO层，利用MTCVD或CVD工艺沉积TiCN层；
α-Al2O3涂层的沉积工艺：以H2作为载体，流量为50-60LPM，炉内温度为1000-1050℃，压力为50-200mbar，依次通入CO2、H2S、HCl气体，其流量分别为2-5LPM，100-200mLPM，1-3LPM，AlCl3发生器内H2流量为5-20LPM，HCl气体流量为2-4LPM；
(4)对涂层后的刀具表面进行湿喷砂处理，使其表面粗糙度Ra≤0.20μm。
2.根据权利要求1所述的用于火车轮毂加工的涂层刀具的制备方法，其特征在于，步骤(1)中WC粉的粒径为6-7μm，化合总碳含量≥6.1％。
3.根据权利要求1所述的用于火车轮毂加工的涂层刀具的制备方法，其特征在于，步骤(1)中Co粉的粒径为1-2μm。
4.根据权利要求1所述的用于火车轮毂加工的涂层刀具的制备方法，其特征在于，步骤(1)中MCxNy粉的粒径为1-2.5μm。
5.根据权利要求1所述的用于火车轮毂加工的涂层刀具的制备方法，其特征在于，步骤(1)中M为元素W、Ti、Ta和Nb，W、Ti、Ta和Nb的质量比为2.8-3.2:32-34:32-34:19-21。
6.根据权利要求1所述的用于火车轮毂加工的涂层刀具的制备方法，其特征在于，步骤(3)中所用气体中水分含量低于5ppm。
7.根据权利要求1所述的用于火车轮毂加工的涂层刀具的制备方法，其特征在于，步骤(3)中所得α-Al2O3涂层的结构为：厚度0.5-20μm，呈等轴细晶，粒径尺寸为0.5-4μm，并具有至少(104)、(110)、(113)、(024)、(116)、(214)、(300)7个晶面取向。
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Denomination of invention: Preparation method of coated cutting tool used for processing train wheel hubs Effective date of registration: 20200506 Granted publication date: 20180330 Pledgee: Chengdu high investment financing Company limited by guarantee Pledgor: CHENGDU BANGPU CUTTING TOOLS Co.,Ltd. Registration number: Y2020510000044 |
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