CN106853532A - 一种复合结构的金属陶瓷和或硬质合金烧结体及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种复合结构的金属陶瓷和或硬质合金烧结体及其制备方法，包括芯部和包覆层，所述芯部与包覆层之间构成冶金结合面。芯部和包覆层由两种具有不同的硬度、强度、韧性等物理力学性能和使用性能的TiC、Ti(C,N)基金属陶瓷和/或WC基硬质合金材料制成，用上述材料制作的刀具可以满足产品加工中对刀具不同部位的不同性能要求。本发明所述的复合结构的金属陶瓷和/或硬质合金烧结体，通过冶金成型方法，在高温下，或者高温高压下，使芯部部件与外围包覆层通过原子相互扩散而形成冶金结合面。由于该复合结构在烧结过程中形成，不需要再增加单独的机械连接步骤，具有界面结合强度高、界面应力小，工艺简单，制造成本低廉的特点。
Description
技术领域
本发明属于用粉末冶金方法生产制造生产制造金属陶瓷和/或硬质合金烧结体的技术，特别涉及一种用于制造金属切削工具的金属陶瓷和/或硬质合金棒料及其制造方法，该金属陶瓷和/或硬质合金棒料具有由不同材质的芯部和包覆层构成的复合结构，从而使所制成的切削刀具的中心和边刃具有不同的使用性能。具体而言，本发明涉及一种具有复合结构的TiC、Ti(C,N)基金属陶瓷和/或WC硬质合金棒料及其制造方法。
背景技术
用于金属切削的整体刀具，如：立铣刀、钻头等。立铣刀、钻头等广泛用于CNC加工中心加工形状复杂的工件。立铣刀和钻头一般为圆柱形状，直径一般在φ3～φ12mm，有时带有φ2mm左右的内冷却孔。整体刀具一般采用高速钢、WC基硬质合金和TiC、Ti(C,N)基金属陶瓷棒料制造。在加工过程中，刀具的各部位的切削条件是不同的，比如对球头立铣刀而言，在铣削过程中，刀具的中心刃和边刃的线速不同，边刃线速最大，中心(即刀尖)部位线速最小(可视为零)，边刃最先与工件接触，主要受冲击作用，需要有好的强韧性，以免崩刃；而刀尖则主要受高热、大挤压和摩擦作用，因此需要具有更高的耐热性，抗塑性变形和耐磨性。随着金属切削技术的快速发展，对刀具切削效率和寿命的要求也越来越高。因此，刀具材质也逐步从高速钢改成WC基硬质合金再改成Ti基金属陶瓷，甚至采用Si4N3、Al2O3等无机非金属陶瓷。但是正如前文所提到的球头立铣刀，因为各部位线速度的差异，承受了不同的切削作用，对材料的性能要求不同。为了解决这类问题，工程技术人员从刀具的材质选择、刃口设计花费了很多努力，取得了很好效果。如美国专利US5026227采用TiC-NbC基金属陶瓷制造立铣刀；美国专利US7909545B2对刀尖的几何角度进行了优化设计，改善了其服役工况；美国专利US8177459B2针对这类问题发明了一种在球头部位采用机械夹固的方式嵌入一块硬质合金、金属陶瓷、陶瓷或PCD刀头的组合球头立铣刀。P.Koshy,D.K.Aspinwall,R.C.(P.Koshy,D.K.Aspinwall,R.C.Dewes,A composite tool for ball end milling,Journal of Engineering Manufacture215(2001)1157-1163)等公开了一种采用一片金属陶瓷刀片，一片硬质合金刀片巧妙的构造成以金属陶瓷刀片为刀尖以硬质合金刀片为外刃的机夹式复合球头立铣刀。以上技术均在某种程度上改善了刀具寿命，但也存在可靠性欠佳、制作复杂、难于制造小规格(φ＜16mm)刀具等不足。美国专利US6511265B1公开了一种复合旋转工具，包含两个部分，两个部分由性能不同的硬质合金合成。其制备方法是采用一种特殊结构的模具，将组成两部分的硬质合金材料粉末同时装入模具的相应部位，共同压型，然后烧结致密。但这种方法对于两个部分所用的硬质合金材料的性能及成分限制很大，两种材料的成型性及烧结特性等必须相匹配，否则将出现烧结收缩不一致导致两部分无法粘结。同时这种方法对模具的要求较高，模具结构复杂。因此，该方法存在工艺控制难度大，成材率不高，两部分所用的材质受限等不足。
针对上述现有技术存在的不足，本发明致力于提供一种用于制作整体刀具(立铣刀，钻头等)的复合结构的金属陶瓷和/或硬质合金圆棒烧结体(棒料)，使其中心部位及外围包覆层具有不同的使用性能。
发明内容
本发明目的在于：提供一种复合结构的金属陶瓷和/或硬质合金烧结体，用于制作整体刀具(立铣刀、钻头等)，其中心部位及外围包覆层具有不同的物理力学性能和使用性能，且结合界面强度高，复合结合面牢固，具有优良的综合性能。
本发明进一步的目的在于提供一种制备复合结构的金属陶瓷或硬质合金烧结体的方法。
本发明再进一步的目的是提供一种整体刀具(立铣刀，钻头等)在切削过程中因边刃和刀尖的线速度及工况差异导致的性能失配的解决方案。
本发明更进一步的目的是提供一种制备具有复合结构的金属陶瓷或硬质合金烧结体的方法。
为了解决以上技术问题，所述复合结构的金属陶瓷或硬质合金烧结体，采用如下技术方案：
其包括芯部和包覆层，所述芯部与包覆层之间构成冶金结合面。本发明的复合结构的金属陶瓷或硬质合金烧结体，通过冶金成型方法，在高温下，或者高温高压下，使芯部部件与包覆层之间的原子相互扩散而形成冶金结合面。所获得的这种结合或连接状态，相较现有的连接技术，如过盈配合，机械夹持等机械连接、胶粘结，或焊接连接等，界面结合强度更高。
本发明所述芯部材料为金属陶瓷或硬质合金，所述包覆层为另一种性能不同的硬质合金或金属陶瓷。如芯部金属陶瓷材料+包覆层金属陶瓷材料，或芯部硬质合金材料+包覆层硬质合金材料，或芯部金属陶瓷材料+包覆层硬质合金材料，或芯部硬质合金材料+包覆层金属陶瓷材料等相互搭配。
所述的金属陶瓷材料为TiC和或Ti(C,N)基金属陶瓷。
所述硬质合金为WC硬质合金。
所述的芯部金属陶瓷和或硬质合金与包覆层金属陶瓷和或硬质合金是两种物理力学性能(硬度、强度、韧性等)或使用性能(耐高温、耐冲击、抗变形等)不同的TiC和或Ti(C,N)金属陶瓷和或WC硬质合金。用上述材料制作的刀具可以满足产品加工中对刀具不同部位的不同性能要求。
所述烧结体为棒材或管材。
本发明技术方案还涉及上述复合结构金属陶瓷和/或硬质合金棒料的制备方法，包括如下步骤：
(1)芯部制备：采用常规粉末冶金方法制备金属陶瓷或硬质合金棒材，或金属陶瓷或硬质合金管材成品，获得所需的芯部部件，其外径尺寸为d1；
(2)包覆层制备：采用常规粉末冶金方法制备金属陶瓷或硬质合金管材压制生坯，获得所需的包覆层部件,其内孔尺寸为d2；所述包覆层的内孔尺寸与芯部部件的外径尺寸满足如下公式：
d2/k＜d1＜d2，式中k是管材生坯内孔的烧结收缩系数；
(3)复合：将芯部部件套入包覆层生坯的内孔，将复合件再次采用常规粉末冶金方法制备复合结构的金属陶瓷或硬质合金烧结体成品。
更进一步的改进是，所述制备方法中芯部与包覆层均采用TiC和或Ti(C,N)基金属陶瓷。
更进一步的改进是，所述芯部为硬质合金，包覆层为TiC和或Ti(C,N)基金属陶瓷。
更进一步的改进是，所述芯部、包覆层材质均为WC硬质合金。
上述制备方法，将已烧结的棒材或管材成品套入生坯管材内孔中，让复合件在烧结温度下一起烧结致密。烧结过程中，作为包覆层的管材生坯将收缩致密，而芯部部件已经烧结致密，再次烧结不再收缩，其尺寸将保持为d1，因为d2/k＜d1，包覆层管材受到芯部部件的阻碍，不能自由收缩，其巨大的收缩压力将使包覆层紧紧地裹住芯部，同时包覆层和芯部部件结合处在高温液相烧结过程中原子相互扩散连接形成紧密的冶金粘结结合面。降温出炉，即得到所需的复合成品。
常规的机械连接复合材料，芯部部件和包覆层均需要通过冶金成型方法分别压制、烧结制作成品后，再机械连接。而本发明的复合金属陶瓷和或硬质合金棒料，在包覆层的烧结步骤中，将包覆层与已制备的芯部部件成品套接后一并烧结，通过芯部部件和包覆层产品的不同收缩状况，以及高温(和或高温高压)下的套接产品接触面的液相相互扩散迁移，使芯部部件和包覆层之间紧密粘结，界面结合强度高。不需要再增加单独的机械连接步骤。
本发明具有复合界面结合强度高、工艺简单，制造成本低廉，且界面应力小的特点。
附图说明
本发明将通过实施例并参照附图的方式说明，其中：
图1.是本发明所述的复合棒材的截面结构示意图。
图2.为实施例1合金结合界面处×100倍金相组织。
图3.为实施例1合金结合界面处×1000倍金相组织(箭头指向界面)。
图4.为实施例2合金结合界面处×750倍金相组织(箭头指向界面)。
具体实施方式
本说明书中公开的所有特征，或公开的所有方法或过程中的步骤，除了互相排斥的特征和/或步骤以外，均可以以任何方式组合。本说明书(包括任何附加权利要求、摘要和附图)中公开的任一特征，除非特别叙述，均可被其他等效或具有类似目的的替代特征加以替换。即，除非特别叙述，每个特征只是一系列等效或类似特征中的一个例子而已。
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。但不应将此理解为发明的上述主题的范围仅限于下述实施例。
实施例1：
按照如下步骤，制备一种金属陶瓷复合棒料。
步骤一：根据使用需要，选择芯部1材质A为Ti(C,N)基金属陶瓷(硬度HRA＝93.2，断裂强度KIC＝7.5MPa.m1/2，抗弯强度TRS＝1760MPa，密度Density＝6.27g/cm3)，采用挤压方法制备上述材质φ3.8mm的棒材生坯，生坯再经T＝1450℃压力烧结致密，得到φ3.2mm的合金毛坯，精磨加工成外径d1为φ3.0±0.01mm的精磨棒，表面光洁度为Ra0.6。
步骤二：根据使用要求，选择包覆层2材质B为Ti(C,N)基金属陶瓷(HRA＝91.8，KIC＝9.1MPa.m1/2，TRS＝2060MPa，Density＝6.49g/cm3)，采用挤压方法制备上述材质φ7.5×φ3.5mm的管材生坯；
经测算，包覆层生坯内孔d2的烧结收缩系数k＝1.179，其正常烧结，自由收缩得到的内径d3＝d2/k＝3.5/1.197＝2.92mm。(图中未示出)
步骤三：将步骤一、二得到φ3.0±0.01mm精磨棒套入φ7.5×φ3.5mm管材生坯内孔，将其一起在1445℃的温度下烧结致密，降温出炉。即得到图1所示的复合结构棒料产品，其结合界面处的金相组织如图2、3。
该复合体的包覆层2外径D收缩为φ6.4mm，包覆层的内径与芯部1外径d1为φ3.0mm，即d3＜d1＜d2。复合体的外部φ3.0mm-φ6.4mm范围内为材质A，芯部φ0mm-φ3.0mm范围内为材质B。该棒料因内外材质均为Ti(C,N)基金属陶瓷，具有相同的化学成分，结合强度高，采用该棒料制作的φ6.0h6×60mm规格的球头立铣刀，边刃为强韧性好的B材质，抗崩刃性好，而刀尖部位(芯部)为A材质，硬度高，耐磨，抗塑性变形能力强。
实施例2：
按照如下步骤，制备一种金属陶瓷复合棒料。
步骤一：根据使用需要，选择材质A为Ti(C,N)基金属陶瓷(HRA＝91.8，断裂强度KIC＝9.1MPa.m1/2，抗弯强度TRS＝2060MPa，密度＝6.49g/cm3)采用等静压方法制备φ7.5mm的棒材生坯，经T＝1445℃压力烧结致密，得到φ6.4mm的合金毛坯，精磨加工成φ6.0±0.02mm的精磨棒，表面光洁度为Ra0.8。
步骤二：根据使用要求，选择材质B为WC基硬质合金(HRA＝91.6，KIC＝10.8MPa.m1/2，TRS＝3840MPa，Density＝14.43g/cm3)，采用等静压方法制备φ15.5×φ7.0mm的管材生坯。
该材质管材生坯内孔的烧结收缩系数k＝1.214，其自由收缩得到的内孔φd3＝5.76mm。
步骤三：将步骤一、二得到φ6.0±0.02mm精磨棒套入φ15.5×φ7.0mm管材生坯内孔，将其一起在1420℃的温度下烧结致密，降温出炉，即得到复合体。其结合界面处的金相组织如图4。
复合体外部φ6.0mm-φ10.5mm范围内为B材质，芯部φ0mm-φ6.0mm范围内为A材质的复合棒料。采用该棒料制作的φ10.0h6×75mm规格的球头立铣刀的边刃为WC基硬质合金材质，强韧性好，满足较大切削量的加工要求，而刀尖部位(芯部)为Ti(C,N)基金属陶瓷材质，耐热性及抗粘着磨损能力好，可适应更高的加工速度，加工面光洁度高。
上述作为包覆层的管材和作为芯部的棒材的尺寸可以根据实际使用需要，任意设计。上述作为芯部的棒料也可以制作成带φ2mm(根据刀具设计决定)左右内冷孔的管材。
需要说明的是：虽然上述实施例已经详细描述了本发明的结构，但本发明并不限于上述实施例，如步骤1、2中，其芯部也可制成带孔管材，也可以根据实际使用的需要改变芯部的尺寸或内外部所选择的材质。凡是本领域技术人员从上述实施例中不经过创造性劳动就可以想到的替换结构，均属于本发明的保护范围。在不脱离本发明的精神和基本特征的情况下，本发明可以具体化为其他具体的形式。因此本发明的实例可以认为在所有方面均是说明性和没有限制性的，由附加的权利要求所表明的本发明范围胜于上述说明书的范围，因此在其内涵和权利要求等效范围之内的所有变化均包含在其所要求保护的范围之中。
Claims (10)
1.一种复合结构的金属陶瓷和或硬质合金烧结体，其特征在于，包括芯部和包覆层，所述芯部与包覆层之间构成冶金结合面。
2.如权利要求1所述的复合结构的金属陶瓷和或硬质合金烧结体，其特征在于，所述芯部材料为金属陶瓷或硬质合金，所述包覆层为硬质合金或金属陶瓷。
3.如权利要求2所述的复合结构的金属陶瓷和或硬质合金烧结体，其特征在于，所述芯部的金属陶瓷与包覆层的金属陶瓷为TiC和或Ti(C,N)基金属陶瓷。
4.如权利要求2所述的复合结构的金属陶瓷和或硬质合金烧结体，其特征在于，所述芯部为WC硬质合金，包覆层为TiC和或Ti(C,N)基金属陶瓷。
5.如权利要求2所述的复合结构的金属陶瓷和或硬质合金烧结体，其特征在于，所述芯部、包覆层材质均为WC硬质合金。
6.如权利要求1所述的复合结构的金属陶瓷和或硬质合金烧结体，其特征在于，所述烧结体为棒材或管材。
7.一种复合结构的金属陶瓷和或硬质合金烧结体的制备方法，包括如下步骤：
(1)芯部部件制备：采用常规粉末冶金方法制备金属陶瓷或硬质合金烧结成品，获得所需的芯部部件；
(2)包覆层制备：采用常规粉末冶金方法制备金属陶瓷或硬质合金管材压制生坯，获得所需的包覆层部件；
(3)复合：将芯部部件套入包覆层的内孔，将复合件再次采用常规粉末冶金方法烧结，芯部与包覆层之间紧密粘结，芯部与包覆层之间构成冶金结合面，获得复合结构的金属陶瓷和或硬质合金烧结体。
8.如权利要求7所述的制备方法，其特征在于，所述芯部与包覆层均采用TiC和或Ti(C,N)基金属陶瓷。
9.如权利要求7所述的制备方法，其特征在于，所述芯部为WC硬质合金，包覆 层为TiC和或Ti(C,N)基金属陶瓷。
10.如权利要求7所述的制备方法，其特征在于，所述芯部、包覆层材质均为WC硬质合金。
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