CN106929734A - 用于孔加工刀具导向块硬质合金材料及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种硬质合金材料及其制备方法，该材料粘结相Co含量5wt.％-15wt.％，四元固溶体(W，Ti，Ta，Nb)C含量为12wt.％-25wt.％，其余为WC。还公开了该硬质合金材料用于深孔加工刀具导向块的用途以及带有由该硬质合金材料制备的导向块的孔加工刀具。本发明的硬质合金材料能够充分发挥Ti以及Ta的优良性能，提高合金的硬度，并加强合金的耐磨性，能够改善合金的烧结性能；其材质硬度为92HRA左右，强度为2000Mpa以上，具有高的红硬性和耐磨性。

Description

用于孔加工刀具导向块硬质合金材料及其制备方法

技术领域

本发明涉及一种用于制备硬质合金刀具基体材料及其制备方法，还涉及带有由该材料制备的导向块的孔加工刀具，属于金属材料切屑加工刀具领域。

背景技术

随着机械工业的发展和市场对机械零件的多样性需求，作为装备制造技术中的一个重要分支，深孔加工技术面临着多品种、小批量、新型材料及越来越高的精度要求的挑战。

同时，深孔加工的特殊性也形成了加工过程中的难题：排屑难、冷却及润滑难、工具系统刚度低、刀具的自导向差。这些问题长期困扰着深孔加工的行业，极大地限制了深孔加工的工艺范围、加工效率以及加工质量，也限制了深孔加工技术向其他领域拓展的能力。特别是现有的深孔加工质量难以满足新产品的要求，成为制约整个机械加工技术发展的重大障碍。在制造行业中，几乎过半行业都对深孔加工有着直接的需求，深孔质量的好坏直接影响到机械产品的质量，因此开展寻求提高深孔加工质量的有效措施的研究已经成为当务之急。

而深孔加工刀具是影响深孔加工质量好坏的重要因素之一，内排屑深孔钻是在封闭或半封闭的状况下进行的，导致切削热不易传散，工艺系统刚性差，钻屑中产生切屑不断或者排屑不畅，常常引起崩刃或扭断钻杆的事故，冷却液进不到切削区时，造成刀具温度急剧上升，加速刀具的磨损。当钻孔的深度不断增加后，刀具悬伸量增大，工艺系统的刚性也随之降低。这些都对刀具材料提出了特别的要求。

导向块为了深孔加工切削平稳和加工偏移量小而配备，具有支撑、稳定与挤压作用，使得钻头具有了自导向的作用，是维持切削过程稳定性、保证深孔直线度的重要部分。切削过程中受到正压力、摩擦力，随着切削温度的升高，摩擦急剧引起磨料磨损、扩散磨损和氧化磨损。这就要求刀具材料能够在高温的条件下保持良好的硬度以及耐磨性。

目前常用的导向块材质有：YT15、YG8，这些材料在使用过程中存在脆性变大或磨损过快，导致加工过程中孔精度及尺寸达不到要求，这急需要开发性能更好的材质来满足深孔加工刀具更高层次的要求。

发明内容

本发明的目的是提供一种用于制备深孔加工刀具导向块的硬质合金材料，该材料具有高温红硬性好、耐磨性高的优点。

因此，本发明一方面是提供一种硬质合金材料，其特征在于，该材料的粘结相Co含量5wt.％-15wt.％，四元固溶体(W，Ti，Ta，Nb)C含量为12wt.％-25wt.％，其余为WC。

本发明另一方面是提供上述硬质合金材料的制备方法，该方法包括以下步骤：

1)、将WC、四元固溶体(W，Ti，Ta，Nb)C以及Co混合；

2)、加入湿磨介质和磨料，进行球磨，然后掺蜡混合；

3)、干燥制粒，然后压成刀片毛坯，经烧结制得所述硬质合金材料。

本发明还提供上述硬质合金材料用于深孔加工刀具导向块的用途，以及带有由该材料制备的导向块的孔加工刀具。

本发明所具有的有益效果包括：

本发明从化学成分上添加了大量(W，Ti，Ta，Nb)C四元固溶体，充分发挥Ti以及Ta的优良性能，提高合金的硬度；(W，Ti，Ta，Nb)C也能改善合金的高温性能，从而进一步加强合金的耐磨性；其中的TiC使得合金对碳的敏感降低，从而改善合金的烧结性能；本发明材质硬度为92HRA左右，强度为2000Mpa以上，具有高的红硬性和耐磨性。

附图说明

图1为带有由本发明硬质合金材料制备的导向块的孔加工刀具的侧视图，该深孔钻整体制作出刀体头部和刀体柄部；

图2为图1的孔加工刀具的正视图；

图3为带有由本发明硬质合金材料制备的导向块的孔加工刀具的侧视图，该深孔钻在刀体柄部加工出定位台和连接螺纹；

图4为图3的孔加工刀具的正视图；

图5为实施例1获得的合金材料切削镍基合金后的效果图；

图6为对比例获得的合金材料切削镍基合金后的效果图；

图7为实施例2获得的合金材料切削不锈钢后的效果图；

图8为对比例获得的合金材料切削不锈钢后的效果图。

各附图标记如下：

1-刀体头部

2-刀体柄部

3-刀片槽

31-刀片

4-导向块槽

41-导向块(刀片)

5-定位台

6-定位台

7-连接螺纹

具体实施方式

下面通过附图和实施例对本发明进一步详细说明。通过这些说明，本发明的特点和优点将变得更为清楚明确。

在这里专用的词“示例性”意为“用作例子、实施例或说明性”。这里作为“示例性”所说明的任何实施例不必解释为优于或好于其它实施例。尽管在附图中示出了实施例的各种方面，但是除非特别指出，不必按比例绘制附图。

根据本发明第一方面，提供一种硬质合金材料，其特征在于，该材料的粘结相Co含量5wt.％-15wt.％，四元固溶体(W，Ti，Ta，Nb)C含量为12wt.％-25wt.％，其余为WC。

根据本发明优选的实施方式，该硬质合金材料的粘结相Co含量优选为6wt.％-11wt.％，更优选粘结相的含量为8wt.％-10wt.％；

该硬质合金材料的四元固溶体(W，Ti，Ta，Nb)C含量优选为15wt.％-22wt.％，更优选四元固溶体含量为18wt.％-21wt.％。

进一步优选地，所述四元固溶体中，WC/TiC/TaC/NbC重量比为4.5-5.5：3.5-4.5：7.5-8.5：2.5-3.5，优选为4.8-5.2：3.8-4.2：7.8-8.2：2.8-3.2，更优选WC/TiC/TaC/NbC重量比为5：4：8：3。

该硬质合金材料除了上述粘结相Co和四元固溶体外，其余为WC。

根据本发明优选的实施方式，该硬质合金材料中WC的粒径为0.8-1.5um，更优选为1-1.2um。

优选地，四元固溶体的平均粒径为WC平均粒径的1.0-1.5倍，优选所述固溶体的平均粒径为WC平均粒径的1.0-1.2倍。

根据本发明第二方面，提供上述硬质合金材料的制备方法，该方法包括以下步骤：

步骤1、将WC、四元固溶体(W，Ti，Ta，Nb)C以及Co混合。

根据本发明，上述三种原料成分按配方配比进行混合，其中，Co含量5wt.％-15wt.％，优选为6wt.％-11wt.％，更优选为8wt.％-10wt.％，四元固溶体(W，Ti，Ta，Nb)C含量为12wt.％-25wt.％，优选为15wt.％-22wt.％，更优选为18wt.％-21wt.％，其余为WC。

根据本发明，上述三种原料成分具有各自的平均粒径，例如WC的平均粒径为1-2um，(W，Ti，Ta，Nb)C的平均粒径为1.5-2.5um，Co的平均粒径为约1um。

步骤2、加入湿磨介质和磨料，进行球磨，然后掺蜡混合；

根据本发明，所述湿磨介质优选为己烷，其添加量为每公斤粉末添加250-350毫升，例如300毫升。

根据本发明，所述磨料优选为球磨磨料，并且球料比为3-5：1，例如4：1，球磨时间为为2天至3天，例如64小时。

根据本发明，球磨之后掺蜡进行混合，例如混合1.5至3小时，例如2小时。

步骤3、干燥制粒，然后压成刀片毛坯，经烧结制得所述硬质合金材料。

根据本发明，在1400℃以上，例如1435℃温度下，在2-10MPa，优选3-5MPa的低压下进行烧结，烧结时间1至2小时，例如1.5小时，最终制得本发明的硬质合金材料。

根据本发明，上述硬质合金材料可用于深孔加工刀具导向块，由此获得一种带有由该材料制备的导向块的孔加工刀具，所述孔加工刀具为三刃错齿内排屑深孔钻，优选为小直径(例如φ16～25mm)的深孔钻。

如图3所示，孔加工刀具(深孔钻)包括刀体头部1和刀体柄部2，所述刀体头部1设置有双排屑孔、三个刀片槽3和二个导向块槽4，在导向块槽4上安装有由本发明硬质合金材料制备的导向块41，该深孔钻还在刀体柄部2加工出定位台5或6和连接螺纹7。上述刀体头部1和刀体柄部2首先是整体制作而成的(如图1所示)。

与大直径内排屑深孔钻通过刀座式机夹可转位结构安装刀片不同的是，本发明中，在三个刀片槽3上通过焊接方式安装切削刀片31(如图3所示)，这样使得刀片更加牢固并且节省空间，此外，刀片的焊接方式需保证切削刀片在钻头半径方向上能互相搭接。所述三个刀片可以按照较大直径(例如φ50～72mm)深孔钻头上的刀齿来设计，例如可以设计为外齿，内齿(中心齿)和中间齿，由于外齿、内齿和中间齿不在同一锥面上，因此达到比较好的分屑效果。

本发明的刀体头部1设置有双排屑孔，当高压切削液由钻杆外圆和孔壁间的缝隙注入时，切屑随同切削液经由该双排屑孔通过钻杆的中心孔排出。

通过本发明的双排屑孔三刃错齿结构，大大减小了深孔钻削时的径向力和扭矩，同时减少了焊接应力以及磨削应力，从而有利于提高刀具切削性能以及钻孔质量。

本发明中，在二个导向块槽4上通过焊接分别安装有导向块(或导向块刀片)41(如图1和3所示)。导向块是为了深孔加工切削平稳和加工偏移量小而配备的，两个导向块和外齿副刃能够三点定圆，从而自行导向进行切削，因此具有支撑、稳定与挤压作用，使得钻头具有了自导向的作用，是维持切削过程稳定性、保证深孔直线度的重要部分，还能有效防止孔发生偏斜，保证钻孔精度和光洁度。

本发明人发现，切削过程中导向块(或导向块刀片)41受到正压力、摩擦力，随着切削温度的升高，摩擦急剧引起磨料磨损、扩散磨损和氧化磨损。这就要求刀具材料能够在高温的条件下保持良好的硬度以及耐磨性。但目前常用的导向块材质有：YT15、YG8，这些材料在使用过程中存在脆性变大或磨损过快，导致加工过程中孔精度及尺寸达不到要求。

为了开发性能更好的材质以满足深孔加工刀具更高层次的要求，所述导向块(或导向块刀片)41采用本发明提供的上述硬质合金材料，该材料具有高温红硬性好、耐磨性高的优点。

根据本发明一种优选的实施方式，将所述刀体头部1与刀体柄部2整体制作而成(如图1所示)，优选通过精密铸造工艺整体制作出带排屑孔、刀片槽3、导向块槽4等的刀体头部1以及刀体柄部2。这种整体制作、一体成型的制造方法不但简化了刀具制造工艺，还在以下方面表现出明显优势：

省去了分别制造刀体头部与柄部后进行焊接的工艺，从而节省了专用焊接设备的投资，并且有效消除了头部与柄部焊接时的缺陷，易于保证头部与柄部的同心度。

根据本发明，如图3所示，所述刀体柄部2被加工出定位台5或6和连接螺纹7，所述定位台可以包括大小两种定位台5或6；所述连接螺纹7优选为矩形连接螺纹，通过该矩形螺纹，本发明的双排屑深孔钻和钻杆相连。

本发明的上述小直径三刃错齿内排屑深孔钻制备如下：

步骤1、制作出刀体头部1和刀体柄部2；

步骤2、在刀体头部1的刀片槽3上焊接刀片31，并在刀体头部1的导向块槽4上焊接导向块(刀片)41；

步骤3、在刀体柄部2加工出定位台5或6和连接螺纹7；

步骤4、加工出外圆几何尺寸和几何角度。

此外，还任选对刀片刃口进行强化处理，以及对刀片进行表面涂层处理，最终完成小直径三刃错齿内排屑深孔钻的制造。

根据本发明，所述刀体头部1与刀体柄部2整体制作而成，优选通过精密铸造工艺整体制作出带排屑孔、刀片槽3、导向块槽4等的刀体头部1以及刀体柄部2。

首先，如图1和2所示，整体制作出刀体头部1和刀体柄部2，刀体头部1上设置有双排屑孔(未示出)、刀片槽3和导向块槽4；

然后，如图3和4所示，在刀体头部1的刀片槽3上焊接刀片31，并在导向块槽4上焊接导向块(刀片)41；接着，在刀体柄部2分别加工出定位台5或6以及连接螺纹7；

最后，加工出外圆几何尺寸和角度，以及任选进行上述强化处理和涂层处理，从而制成小直径三刃错齿内排屑深孔钻。

本发明提供的硬质合金材料以及带有由其制得的导向块的孔加工刀具(深孔钻)整体上提高了刀具切削性能以及钻孔质量，其有益效果具体表现在以下几个方面：

1、本发明从化学成分上添加了大量(W，Ti，Ta，Nb)C四元固溶体，能够充分发挥Ti以及Ta的优良性能，提高合金的硬度；

2、(W，Ti，Ta，Nb)C也能够改善合金的高温性能，从而进一步加强合金的耐磨性；

3、其中的TiC使得合金对碳的敏感降低，从而能够改善合金的烧结性能；

4、本发明材质硬度为92HRA左右，强度为2000Mpa以上，具有高的红硬性和耐磨性；

5、另外，由该合金材料制备的切削刀具能够保证切削刀片在钻头半径方向上互相搭接；防止孔发生偏斜，保证了钻孔精度和光洁度；有效减小了深孔钻削时的径向力和扭矩，同时减少了焊接应力以及磨削应力；

6、尤其是省去了分别制造刀体头部与柄部后进行焊接的工艺，节省了专用焊接设备的投资；消除头部与柄部焊接时的缺陷，易于保证头部与柄部的同心度，简化刀具制造工艺。

实施例

实施例1

用于深孔加工刀具导向块硬质合金材料，粘结相Co含量10wt.％，四元固溶体(W，Ti，Ta，Nb)C含量为20wt.％，其余为WC，硬质合金中WC的粒径为1.1um，固溶体平均粒径为1.3um。

制备步骤如下：按照配方，将平均粒径分别为1um的WC、1.5um的(W，Ti，Ta，Nb)C、以及1um的Co，按比例混合，以己烷为湿磨介质，每公斤粉末加300毫升，球料比为4:1，球磨时间64h，参蜡混合2h，干燥制粒后压成刀片毛坯，在温度1435℃、3MPa低压烧结1.5h，得到本实施例的材料基体。

经检测，制备出材料的硬度为92.1HRA，强度为2400MPa。

实施例2

用于深孔加工刀具导向块硬质合金材料，粘结相Co含量8wt.％，四元固溶体(W，Ti，Ta，Nb)C含量为17wt.％，其余为WC，硬质合金中WC的粒径为1.3um，固溶体平均粒径为1.5um。

制备步骤如下：按照配方，将平均粒径分别为1.5um的WC、1.9um的(W，Ti，Ta，Nb)C、以及1um的Co，按比例混合，以己烷为湿磨介质，每公斤粉末加300毫升，球料比为4:1，球磨时间64h，参蜡混合2h，干燥制粒后压成刀片毛坯，在温度1435℃、3MPa低压烧结1.5h，得到本实施例的材料基体。

经检测，制备出材料的硬度为91.9HRA，强度为2100MPa。

对比例

一种现有技术的硬质合金，其成分包括：8wt％Co，92wt.％WC，按照比例配制成粉末，经过球磨后压制成刀片压坯，在1435℃下低压3MPa烧结1.5h得到本对比例硬质合金基体。

实验例

以上实施例和对比例硬质合金导向块型号完全相同，均经过研磨加工及表面处理后，利用PVD方法在其表面进行TiAlN涂层处理，将涂层后的导向块进行切削实验对比硬质合金基体材料的耐磨性。切削结果如下所示。

实验例1

将实施例1和对比例获得的合金材料按以下条件对镍基合金进行切削对比：

图5为实施例1获得的合金材料对镍基合金进行切削后的效果图，可见，导向块正常磨损；图6为对比例获得的合金材料对镍基合金进行切削后的效果图，可见，导向块磨损严重。

实验例2

将实施例2和对比例获得的合金材料按以下条件对不锈钢进行切削对比：

图7为实施例2获得的合金材料对不锈钢进行切削后的效果图，可见，导向块正常磨损；图8为对比例获得的合金材料对不锈钢进行切削后的效果图，可见，导向块磨损严重。

以上结合优选实施方式和范例性实例对本发明进行了详细说明。不过需要声明的是，这些具体实施方式仅是对本发明的阐述性解释，并不对本发明的保护范围构成任何限制。在不超出本发明精神和保护范围的情况下，可以对本发明技术内容及其实施方式进行各种改进、等价替换或修饰，这些均落入本发明的保护范围内。本发明的保护范围以所附权利要求为准。

Claims (10)

1.一种硬质合金材料，其特征在于，该材料的粘结相Co含量5wt.％-15wt.％，四元固溶体(W，Ti，Ta，Nb)C含量为12wt.％-25wt.％，其余为WC。

2.根据权利要求1所述的材料，其特征在于，

该材料的粘结相Co含量为5wt.％-15wt.％，更优选为8wt.％-10wt.％；

该硬质合金材料的四元固溶体(W，Ti，Ta，Nb)C含量为15wt.％-22wt.％，更优选为18wt.％-21wt.％。

3.根据权利要求1或2所述的材料，其特征在于，

所述四元固溶体中，WC/TiC/TaC/NbC重量比为4.5-5.5：3.5-4.5：7.5-8.5：2.5-3.5，优选为4.8-5.2：3.8-4.2：7.8-8.2：2.8-3.2，更优选WC/TiC/TaC/NbC重量比为5：4：8：3。

4.根据权利要求1至3之一所述的材料，其特征在于，

所述硬质合金材料中WC的粒径为为0.8-1.5um，优选为1-1.2um，和/或

所述四元固溶体的平均粒径为WC平均粒径的1.0-1.5倍，优选1.0-1.2倍。

5.制备根据权利要求1至4之一所述的硬质合金材料的方法，包括以下步骤：

1)、将WC、四元固溶体(W，Ti，Ta，Nb)C以及Co混合，

2)、加入湿磨介质和磨料，进行球磨，然后掺蜡混合，

3)、干燥制粒，然后压成刀片毛坯，经烧结制得所述硬质合金材料。

6.根据权利要求5所述的方法，其中，

WC的平均粒径为0.8-1.5um，(W，Ti，Ta，Nb)C的平均粒径为1-2um，Co的平均粒径为约1um。

7.根据权利要求5或6所述的方法，其中，

所述湿磨介质优选为己烷，其添加量为每公斤粉末添加250-350毫升，例如300毫升，和/或

所述磨料优选为球磨磨料，并且球料比3-5：1，例如4：1，球磨时间为为2天至3天，例如64小时，和/或

球磨之后掺蜡进行混合，例如混合数小时，优选1.5至3小时，例如2小时。

8.根据权利要求5至7之一所述的方法，其中，

烧结在1400℃以上，例如1435℃温度下，在2-10MPa，优选3-5MPa的低压下进行，烧结1至2小时，例如1.5小时。

9.根据权利要求1至4之一所述的硬质合金材料用于深孔加工刀具导向块的用途。

10.孔加工刀具，优选为三刃错齿内排屑深孔钻，其带有由该权利要求1至4之一所述硬质合金材料制备的导向块，

所述孔加工刀具(深孔钻)包括刀体头部1和刀体柄部2，所述刀体头部1设置有双排屑孔、三个刀片槽3和二个导向块槽4，在导向块槽4上安装有导向块41，该深孔钻还在刀体柄部2加工出定位台5或6和连接螺纹7，

优选刀体头部1和刀体柄部2首先是整体制作而成，例如通过精密铸造工艺整体制成。