CN109097654B - 一种重载加工用数控刀片及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及数控刀片领域，具体涉及一种重载加工用数控刀片及其制备方法，数控刀片包括硬质合金基体和涂层，硬质合金基体上脱β层厚度为1~5μm；硬质合金基体由Co、TNC8、TiCN、（TI、W）C和WC组成。该数控刀片制备方法如下：分别称取Co、TNC8、TiCN、（TI、W）C和WC；将准备好的Co、TNC8、TiCN、（TI、W）C和WC与成型剂混合均匀后一起放入球磨机进行球磨，将球磨结束后的混合物进行制粒、压制和烧结，制得硬质合金基体；在制备好的硬质合金基体表面涂覆CVD涂层，再进行喷砂处理，得重载加工用数控刀片。本发明制备的数控刀片达到了耐磨性和抗冲击性能较好，能满足重载加工的需要。

Description

一种重载加工用数控刀片及其制备方法
技术领域
本发明涉及数控刀片领域，更具体地，涉及一种重载加工用数控刀片及其制备方法。
背景技术
数控刀片是可转位车削刀片的总称，主要应用在金属的车削、铣削、切断切槽、螺纹车削等领域。在机械加工过程中，数控刀片要适应加工零件品种多，批量小的要求，必须具有很高的高温硬度和耐磨性，必要的抗弯强度，冲击韧性和化学惰性，且不易变形。
现有技术中，提高硬质合金韧性主要采用下列三种方法：采用超细C晶粒，增大WC粒度，提高粘结相含量。这些工艺对原材料的要求较高，提高了生产的成本。而且对数控刀片而言，材料硬度越高，其韧性就越低，材料的韧性和硬度很难兼顾。在进行重载加工时，对数控刀片的选择要求更高，要具有耐磨损，抗冲击，韧性好的特点。
发明内容
本发明要解决的技术问题是针对现有技术中重载加工用的数控刀片耐磨性、韧性和抗冲击性能的不足，提供一种重载加工用数控刀片，包括硬质合金基体和涂层。该刀片韧性和硬度兼顾，同时具有良好的耐磨性和抗冲击性能，能够满足重载加工的需求。
本发明要解决的另一技术问题是提供所述重载加工用数控刀片的制备方法，采用Co、TNC8、TiCN、(TI、W)C和WC作为硬质合金基体的原材料，控制原材料中的C/W比，降低硬质合金基体中碳含量，优化晶体结构，达到提升刀片工作性能的目的。
本发明的目的通过以下技术方案实现：
一种重载加工用数控刀片，包括硬质合金基体和涂层，硬质合金基体上脱β层厚度为1～5μm。
进一步地，硬质合金基体由Co、TNC8、TiCN、(TI、W)C和WC组成,Co、TNC8、TiCN、(TI、W)C和WC的质量分数比为8:3.8:0.9:4.4:83，硬质合金基体磁饱和为80～85％。
本发明通过选用磁饱和较低的硬质合金基体，促使WC在溶解析出后呈现不一样的生长，使得WC尖角及边界具有更小应力，不容易产生应力相对集中，在重力切削过程中，各晶界之间不容易产生相对滑移。同时，较低的磁饱和能降低硬质合金基体上的脱β层厚度，防止脱β层厚度过高影响切削性能。硬质合金基体上的脱β层使得基体在涂层过程中能缓冲涂层产生的应力，以及防止涂层裂纹向基体内部的扩张。通过增加硬质合金基体中的Co含量，提升了硬质合金基体的韧性。该设计既提高了刀片本身的韧性，也适当提高了刀片的耐磨性能。
本发明还提供一种所述重载加工用数控刀片的制备方法，包括以下步骤：
S1.分别称取Co、TNC8、TiCN、(TI、W)C和WC；
S2.将步骤S1中准备好的的Co、TNC8、TiCN、(TI、W)C和WC与成型剂混合均匀，进行球磨；
S3.将步骤S2制备的混合物进行制粒、压制和烧结，制得硬质合金基体；
S4.将步骤S3制备的硬质合金基体涂覆CVD涂层，再进行喷砂处理。得重载加工用数控刀片。
进一步地，步骤S1中所称取的Co、TNC8、TiCN、(TI、W)C和WC的质量分数比为8:3.8:0.8:4.4:83。
进一步地，步骤S2中成型剂为聚乙二醇，成型剂用量为原材料用量的2％。
进一步地，步骤S2中球磨采用倾斜式球磨机。
进一步地，步骤S2中的研磨时间为11～15小时。
步骤S3中烧结成型过程包括连续烧结，包括正压脱脂，真空烧结、分压烧结、终温烧结和自然冷却五个阶段。
进一步地，正压脱脂阶段工艺为：前30min从25℃匀速升温至180℃，随后30min匀速升温至310℃，随后60min匀速升温至370℃，随后270min匀速升温至380℃，随后120min匀速升温至450℃，随后保温150min；氢气烧结过程中氢气流量为100slm。
本发明通过正压脱脂，消除添加的成型剂，提高了硬质合金的纯度。
进一步地，极限真空烧结阶段工艺为：前90min从450℃匀速升温至800℃，随后保温60min，随后90min匀速升温至1200℃，随后保温30min，随后20min匀速升温至1300℃，随后30min匀速升温至1350℃。
进一步地，分压烧结阶段工艺为：将氩气充入烧结炉内，30min内从1350℃匀速升温至1450℃，升温过程中氩气压强为52bar；达到终温1450℃时；
进一步地，终温烧结阶段工艺如下：温度为1450℃，氩气压强为90bar，时间为40min。
进一步地，冷却阶段将硬质合金基体自然降温冷却至120℃。
进一步地，步骤S4中CVD涂层材质为MT-TiCN+Al2O3。
与现有技术相比，本发明的有益效果如下：
本发明通过提高Co含量，增加数控刀片的韧性；通过降低硬质合金基体的磁饱和，减少硬质合金基体的脱β层厚度。在制备过程中，通过缩短球磨时间，达到改变WC的原有形貌的效果，改善界面应力状态，提高硬质合金基体的整体性能。
本发明提供的数控刀片达到了韧性和耐磨性兼顾的技术效果，同时具备良好的抗冲击性能，能满足重载切削的刀具性能要求。
附图说明
图1为重载加工用数控刀片的基体金相照片。
具体实施方式
附图仅用于示例性说明，不能理解为对本发明的限制；为了更好说明本实施例，附图某些部件会有省略、放大或缩小，并不代表实际产品的尺寸；对于本领域技术人员来说，附图中某些公知结构及其说明可能省略是可以理解的。附图中描述位置关系仅用于示例性说明，不能理解为对本发明的限制。
实施例1
本实施例提供一种重载加工用数控刀片的制备方法，其步骤如下：
S1.分别称取Co，TNC8、TiCN、(TI、W)C和WC，其中Co的质量分数为8％，TNC8的质量分数为3.8％，TiCN的质量分数为0.8％，(TI、W)C的质量分数为4.4％；
S2.在步骤S1中称好的原材料加入原材料重量2％的聚乙二醇，混合均匀后放入倾斜式球磨机球磨15小时；
S3在步骤S2球磨得到的混合物中，进行制粒、压制后，进行烧结，烧结过程如下：将物料放入氢气气氛的烧结炉中，前30min从25℃匀速升温至180℃，随后30min匀速升温至310℃，随后60min匀速升温至370℃，随后270min匀速升温至380℃，随后120min匀速升温至450℃，随后保温150min，上述烧结过程中氢气流量为100slm；随后抽出烧结炉内气体至真空状态，90min从450℃匀速升温至800℃，随后保温60min，随后90min匀速升温至1200℃，随后保温30min，随后20min匀速升温至1300℃，随后30min匀速升温至1350℃；然后向烧结炉内注入氩气至氩气压强为52bar，随后30min内从1350℃匀速升温至1450℃；温度达到1450℃后，往炉内充入氩气至压强为90bar，并保温40min；随后自然冷却至120℃，得硬质合金基体，该基体脱β层厚度为5μm，磁饱和为85％；
S4.在步骤S3制备的硬质合金基体上，涂覆CVD涂层，涂层材质为MT-TiCN+Al2O3，再经喷砂处理后得重载加工用数控刀片。
实施例2
本实施例提供一种重载加工用数控刀片的制备方法，其步骤如下：
S1.分别称取Co，TNC8、TiCN、(TI、W)C和WC，其中Co的质量分数为8％，TNC8的质量分数为3.8％，TiCN的质量分数为0.8％，(TI、W)C的质量分数为4.4％；
S2.在步骤S1中称好的原材料加入原材料重量2％的聚乙二醇，混合均匀后放入倾斜式球磨机球磨13小时，将球磨好的粉末混合均匀；
S3在步骤S2球磨得到的混合物中，进行制粒、压制后，进行烧结，烧结过程如下：将物料放入氢气气氛的烧结炉中，前30min从25℃匀速升温至180℃，随后30min匀速升温至310℃，随后60min匀速升温至370℃，随后270min匀速升温至380℃，随后120min匀速升温至450℃，随后保温150min，上述烧结过程中氢气流量为100slm；随后抽出烧结炉内气体至真空状态，90min从450℃匀速升温至800℃，随后保温60min，随后90min匀速升温至1200℃，随后保温30min，随后20min匀速升温至1300℃，随后30min匀速升温至1350℃；然后向烧结炉内注入氩气至氩气压强为52bar，随后30min内从1350℃匀速升温至1450℃；温度达到1450℃后，往炉内充入氩气至压强为90bar，并保温40min；随后自然冷却至120℃，得硬质合金基体，该基体脱β层厚度为2μm，磁饱和为82％；
S4.在步骤S3制备的硬质合金基体上，涂覆CVD涂层，涂层材质为MT-TiCN+Al2O3，再经喷砂处理后得重载加工用数控刀片。
实施例3
本实施例提供一种重载加工用数控刀片的制备方法，其步骤如下：
S1.分别称取Co，TNC8、TiCN、(TI、W)C和WC，其中Co的质量分数为8％，TNC8的质量分数为3.8％，TiCN的质量分数为0.8％，(TI、W)C的质量分数为4.4％；
S2.在步骤S1中称好的原材料加入原材料重量2％的聚乙二醇，混合均匀后放入倾斜式球磨机球磨11小时，将球磨好的粉末混合均匀；
S3在步骤S2球磨得到的混合物中，进行制粒、压制后，进行烧结，烧结过程如下：将物料放入氢气气氛的烧结炉中，前30min从25℃匀速升温至180℃，随后30min匀速升温至310℃，随后60min匀速升温至370℃，随后270min匀速升温至380℃，随后120min匀速升温至450℃，随后保温150min，上述烧结过程中氢气流量为100slm；随后抽出烧结炉内气体至真空状态，90min从450℃匀速升温至800℃，随后保温60min，随后90min匀速升温至1200℃，随后保温30min，随后20min匀速升温至1300℃，随后30min匀速升温至1350℃；然后向烧结炉内注入氩气至氩气压强为52bar，随后30min内从1350℃匀速升温至1450℃；温度达到1450℃后，往炉内充入氩气至压强为90bar，并保温40min；随后自然冷却至120℃，得硬质合金基体，该基体脱β层厚度为1μm，磁饱和为80％；
S4.在步骤S3制备的硬质合金基体上，涂覆CVD涂层，涂层材质为MT-TiCN+Al2O3，再经喷砂处理后得重载加工用数控刀片。
对实施例1～3制备的数控刀片和现有数控刀片进行刀具寿命和冲击试验测试。
刀具寿命为刀具磨损达到规定标准时的总切削时间，国家标准中规定，在正常磨损时，磨损标准为：磨损量VB＝0.3mm。本次刀具寿命测试所用的测试材质为45#钢，硬度HB160。切削参数如下：切削速度Vc＝280m/min，进给量Fn＝0.3mm/r，切深量Ap＝1.0mm。测试结果如表1所示：
表1
Figure BDA0001774245790000051
Figure BDA0001774245790000061
通过对试验数据分析可知，现有的数控刀片在32分钟时，达到正常磨损值；而实施例1和实施例2在35分钟左右达到正常磨损值。所以，本发明所提供的重载加工用数控刀片的寿命要高于现有技术中的数控刀片，具有更好的耐磨性能。
刀具冲击试验方法是在一根圆形钢棒的圆周上开4个通槽，然后用刀片进行外圆断续切削，并对刀片进行检测评定。本次刀具抗冲击试验所用的测试材质为4通槽的45#钢，硬度HB160。切削参数如下：切削速度Vc＝240m/min，进给量Fn＝0.3mm/r，切深量Ap＝1.0mm。冲击试验结果为，实施例1～3制备的重载加工用数控刀片在切削6分钟后出现崩刃，而现有数控刀片在切削4分钟后出现崩刃。所以，本发明所提供的数控刀片具有更好的抗冲击性能。
结合刀具寿命测试和抗冲击试验的数据可知，与现有数控刀片相比，本发明提供的重载加工用数控刀片的耐磨性能、刀具寿命和抗冲击性能均有所提高，能满足重载加工的需要。
显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明的技术方案所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明权利要求的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种重载加工用数控刀片，包括硬质合金基体和涂层，其特征在于，所述硬质合金基体上脱β层厚度为1~2μm，所述硬质合金基体由Co、TNC8、TiCN、（TI、W）C和WC组成，所述Co、TNC8、TiCN、（TI、W）C和WC的质量分数比为8:3.8:0.8:4.4:83，所述硬质合金基体磁饱和为80~85%；
所述重载加工用数控刀片的制备方法包括如下步骤：
S1.分别称取Co、TNC8、TiCN、（TI、W）C和WC；
S2.将步骤S1中准备好的的Co、TNC8、TiCN、（TI、W）C和WC与成型剂混合均匀，进行球磨，所述球磨时间为11~15小时；
S3.将步骤S2制备的混合物进行制粒、压制和烧结，制得硬质合金基体；
S4.将步骤S3制备的硬质合金基体涂覆CVD涂层，再进行喷砂处理，得重载加工用数控刀片。
2.如权利要求1所述的数控刀片制备方法，其特征在于，步骤S2中所述球磨采用倾斜式球磨机。
3.如权利要求1所述的数控刀片，其特征在于，步骤S2中所述成型剂为聚乙二醇，聚乙二醇用量为混合粉末用量的2%。
4.如权利要求1所述的数控刀片，其特征在于，步骤S3中烧结成型过程为连续烧结，包括正压脱脂，真空烧结、分压烧结、终温烧结和自然冷却五个阶段。
5.如权利要求1所述的数控刀片，其特征在于，步骤S4中所述CVD涂层材质为MT-TiCN+Al2O3。
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