CN109280837B - 一种硬质合金刀具及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种硬质合金刀具，所述硬质合金刀具包括刀体和中温气相沉积化学涂层，所述刀体包括基体层和富Co，所述CVD化学涂层包括中温TiNC涂层和中温氧化铝涂层，所述中温TiNC涂层的厚度为6～15μm，所述中温氧化铝涂层的厚度为6～8μm。本发明的硬质合金刀具中，在基体层与表面涂层之间具有富Co层，富Co层使基体层与涂层的结合更加紧密，刀具表面的涂层为中温气相沉积(MT‑CVD)涂层，涂层表面经纳米微处理技术和专用特殊后处理技术处理，表面更加爱平滑，化学稳定性极强，不易发生熔敷欠损、熔敷脱落等异常现象，减少了铁屑对刀具表面的摩擦力，极大地提高了刀具寿命。

Description

一种硬质合金刀具及其制备方法
技术领域
本发明属于硬质合金技术领域，具体涉及一种硬质合金刀具及其制备方法。
背景技术
高铁轮毂，也叫动车/高铁轮对，使用CL70钢(C级钢)制造，因轮毂材料高硬度、高韧度的特殊性，火车轮毂特别是高铁轮毂的加工在机加工领域中属难加工产品，需要采用火车轮毂专用刀具加工，这种专用刀具的材料要求比一般地刀具具有更高的耐磨性，更好的红硬性和更高的韧性，需要用高端的硬质合金材料制造。目前国内所用的高铁火车轮毂刀具均为进口产品。
现有技术中，主要用针对CL60钢(B级钢)开发的刀具来加工C级钢，存在大批量C级钢HESA车轮(TSW-612)在加工过程中刀具损耗严重的问题，且耐用度降到50％以下。因此，急需开发一种加工适用于加工CL70钢的车轮刀具，以满足市场需求。
发明内容
为解决现有技术中存在的问题，本发明的目的之一在于提供一种硬质合金刀具。
本发明的目的之二在于提供上述刀具的制备方法。
一种硬质合金刀具，所述硬质合金刀具包括刀体和中温气相沉积(CVD)化学涂层，所述刀体包括基体层和富Co层，所述富Co层中的Co含量大于5％，所述富Co层的厚度为20～40μm；
所述CVD化学涂层包括中温TiNC涂层和中温氧化铝涂层，所述中温TiNC涂层的厚度为6～15μm，所述中温氧化铝涂层的厚度为6～8μm。
优选地，所述基体层包括以下重量份计的组分：
硬质相50～80份，
粘结相5～10份，
七元合金固溶体10～30份。
优选地，所述硬质相为WC粉。
优选地，所述粘结相为Co粉。
优选地，所述七元合金固溶体为(W，Re，Ti，Nb，Zr，Ta)C固溶体。
进一步优选地，所述(W，Re，Ti，Nb，Zr，Ta)C固溶体包括以下重量份计的组分：
WC 30～90份，
Re 3～5份
TiC 1～20份，
NbC 5～27份，
ZrC 1～13份，
TaC 1～13份。
上述硬质合金刀具的制备方法，步骤包括：
(1)按配比称取所述基体层组分，混合后球磨；
(2)向步骤(1)球磨后的混合料中加入成型剂，经干燥、制粒和压制得到坯体；
(3)脱除坯体中的成型剂后，烧结即得含有所述富Co层的刀体；
(4)在步骤(3)所得刀体上通过中温气相沉积法依次涂覆所述中温TiNC涂层和中温氧化铝涂层。
优选地，步骤(1)中，所述球磨的球料比为(3～3.5)：1，球磨介质为无水乙醇，球磨时间为36～48h。
优选地，所述成型剂为聚乙二醇。
优选地，步骤(3)中所述烧结的温度为1450～1500℃。
碳化钨(WC)，是一种由钨和碳组成的化合物，为黑色六方晶体，有金属光泽，硬度与金刚石相近，为电、热的良好导体，WC不溶于水、盐酸和硫酸，易溶于硝酸－氢氟酸的混合酸中，纯的碳化钨易碎，掺入少量钛、钴等金属，能减少脆性。用作钢材切割工具的碳化钨，常加入碳化钛、碳化钽或它们的混合物，以提高抗爆能力。
碳化钛(TiC)为浅灰色，属于立方晶系，不溶于水，与盐酸、硫酸几乎不起化学反应，能够溶解于王水、硝酸以及氢氟酸中，还可溶于碱性氧化物的溶液中。
碳化钽(TaC)是浅棕色金属状立方结晶粉末，属于氯化钠型立方晶系，对抑制晶粒长大有明显效果，不溶于水，难溶于无机酸，能溶于氢氟酸和硝酸的混合酸中并可分解。抗氧化能力强，易被焦硫酸钾熔融并分解。用于粉末冶金、切削工具、精细陶瓷、化学气相沉积、硬质耐磨合金刀具、工具、模具和耐磨耐蚀结构部件的添加剂，提高合金的韧性。
碳化铌(NbC)为带紫蓝色光的灰白粉末，溶于酸，不溶于硝酸和氢氟酸的混合物，不溶于水，常与碳化钨和碳化钽配合制超级硬质合金。
碳化锆(ZrC)为暗灰色有金属光泽的立方晶体，性脆，不溶于冷水和盐酸，可溶于含有硝酸或双氧水的氢氟酸和热浓硫酸。
本发明的有益效果
1、本发明的硬质合金刀具中，在基体层与表面涂层之间具有富Co层，富Co层使基体层与涂层的结合更加紧密，刀具表面的涂层为中温气相沉积(MT-CVD)涂层，涂层表面经纳米微处理技术和专用特殊后处理技术处理，表面更加爱平滑，化学稳定性极强，不易发生熔敷欠损、熔敷脱落等异常现象，减少了铁屑对刀具表面的摩擦力，极大地提高了刀具寿命；
2、与现有技术中，生产轮毂的WC-TiC-TaC-NbC-Co刀具相比，显微硬度达到1740HV，抗弯强度达到2500MPa，具有优良的耐磨性、抗冲击能力和韧性，刀具的使用寿命提升了200％；
3、无论在干式或重载切削条件，还是在精加工或轻粗加工高速火车车轮踏面时，相比传统的P05～P10材质，表现出更高的加工效率和稳定性。
附图说明
图1是实例2配方制备硬质合金刀具的刀体涂层球痕图。
图2是实施例2配方制备的硬质合金刀具的金相结构图。
具体实施方式
以下是本发明的具体实施例，并结合附图说明对本发明的技术方案作进一步的描述，但本发明并不限于这些实施例。
实施例1
一种硬质合金刀具，所述硬质合金刀具包括基体和中温CVD化学涂层；所述基体包括基体层和富Co层，富Co层中的Co含量大于7％，富Co层的厚度为20μm；所述中温CVD化学涂层，包括中温TiCN涂层和中温氧化铝涂层；其中TiCN的厚度为11μm，中温氧化铝涂层6μm。
所述基体层包括以下重量份计的组分：
硬质相WC79份，
粘结相7份，
七元合金固溶体14份，
所述七元合金固溶体为(W，Re，Ti，Nb，Zr，Ta)C固溶体，其中包括以下重量份计的组分：
WC35份，
Re3份
TiC16份，
NbC25份，
ZrC12份，
TaC9份。
实施例2
一种硬质合金刀具，所述硬质合金刀具包括基体和中温CVD化学涂层；所述基体包括基体层和富Co层，富Co层中的Co含量大于7％，富Co层的厚度为30μm；所述中温CVD化学涂层，包括中温TiCN涂层和中温氧化铝涂层；其中TiCN的厚度为15μm，中温氧化铝涂层6μm。
所述基体层包括以下重量份计的组分：
硬质相79份，
粘结相6份，
七元合金固溶体15份。
所述七元合金固溶体为(W，Re，Ti，Nb，Zr，Ta)C固溶体，其中包括以下重量份计的组分：
WC49份，
Re5份
TiC8份，
NbC23份，
ZrC12份，
TaC3份。
实施例3
一种硬质合金刀具，所述硬质合金刀具包括基体和中温CVD化学涂层；所述基体包括基体层和富Co层，富Co层中的Co含量大于5％，富Co层的厚度为30μm；所述中温CVD化学涂层，包括中温TiCN涂层和中温氧化铝涂层；其中TiCN的厚度为11μm，中温氧化铝涂层6μm。
所述基体层包括以下重量份计的组分：
硬质相75份，
粘结相7份，
七元合金固溶体18份。
所述七元合金固溶体为(W，Re，Ti，Nb，Zr，Ta)C固溶体，其中包括以下重量份计的组分：
WC86份，
Re 4份
TiC 2.5份，
NbC 5份，
ZrC 2份，
TaC 1.5份。
实施例4
硬质合金刀具的制备方法，步骤包括：
(1)按配比称取所述基体层组分，混合后球磨；
(2)向步骤(1)球磨后的混合料中加入成型剂，经干燥、制粒和压制得到坯体；
(3)脱除坯体中的成型剂后，烧结即得含有所述富Co层的刀体；
(4)在步骤(3)所得刀体上通过中温气相沉积法依次涂覆所述中温TiNC涂层和中温氧化铝涂层。
步骤(1)中，所述球磨的球料比为(3～3.5)：1，球磨介质为无水乙醇，球磨时间为36～48h。所述成型剂为聚乙二醇。步骤(3)中所述烧结的温度为1450～1500℃。
对比例1
一种硬质合金刀具，所述硬质合金刀具包括基体和中温CVD化学涂层；所述基体包括基体层和富Co层，富Co层中的Co含量大于5％，富Co层的厚度为20μm；所述中温CVD化学涂层，包括中温TiCN涂层和中温氧化铝涂层；其中TiCN的厚度为10μm，中温氧化铝涂层6μm。
所述基体层包括以下重量份计的组分：
硬质相80份，
粘结相6份，
五元合金固溶体14份。
所述五元合金固溶体为(W，Ti，Nb，Ta)C固溶体，其中包括以下重量份计的组分：
WC30份，
NbC20份，
TiC20份，
TaC30份。
对比例2
一种硬质合金刀具，所述硬质合金刀具包括基体和中温CVD化学涂层；所述基体包括基体层和富Co层，富Co层中的Co含量大于5％，富Co层的厚度为15μm；所述中温CVD化学涂层，包括中温TiCN涂层和中温氧化铝涂层；其中TiCN的厚度为10μm，中温氧化铝涂层6μm。
所述基体层包括以下重量份计的组分：
硬质相80份，
粘结相7份，
四元合金固溶体13份。
所述四元合金固溶体为(W，Ti，Ta)C固溶体，其中包括以下重量份计的组分：
WC30份，
TiC25份，
TaC45份。
检测例
根据实施例1～3和对比例1～2的配方，采用实施例4提供的方法，制备得到对应编号的5种硬质合金刀具，测试了显微硬度和抗弯强度，同时在用户现场切削C级钢车轮，观察刀具在加工多少件车轮后出现损坏，测试结果如表1所示。图1是实例2配方制备硬质合金刀具的刀体涂层球痕图，图2是实施例2配方制备的硬质合金刀具的金相结构图，其中1是基体，2是富Co层，3是中温TiCN涂层，4是中温氧化铝涂层。
表1硬质合金刀具测试结果
编号 显微硬度HV 抗弯强度/MPa 加工件数
实施例1 1680 2500 8/片
实施例2 1740 2300 9/片
实施例3 1640 2300 7/片
对比例1 1400 2100 4/片
对比例2 1380 2000 3/片
从表1可知，本发明的硬质合金刀具显微硬度、抗弯强度明显更优，同时实施例2的刀具在加工9件C级钢车轮后才出现损坏，使用寿命得到了显著增长。
本发明的硬质合金刀具中，在基体层与表面涂层之间具有富Co层，富Co层使基体层与涂层的结合更加紧密，刀具表面的涂层为中温气相沉积(MT-CVD)涂层，涂层表面经纳米微处理技术和专用特殊后处理技术处理，表面更加爱平滑，化学稳定性极强，不易发生熔敷欠损、熔敷脱落等异常现象，减少了铁屑对刀具表面的摩擦力，极大地提高了刀具寿命，与现有技术中，生产轮毂的WC-TiC-TaC-NbC-Co刀具相比，显微硬度达到1740HV，抗弯强度达到2500MPa，具有优良的耐磨性、抗冲击能力和韧性，刀具的使用寿命提升了200％，无论在干式或重载切削条件，还是在精加工或轻粗加工高速火车车轮踏面时，相比传统的P05～P10材质，表现出更高的加工效率和稳定性。

Claims (5)

1.一种硬质合金刀具，其特征在于，所述硬质合金刀具由刀体和中温气相沉积(CVD)化学涂层组成，所述刀体由基体层和富Co层组成，所述富Co层中的Co含量大于7％，所述富Co层的厚度为30μm；
所述CVD化学涂层由中温TiNC涂层和中温氧化铝涂层组成，所述中温TiNC涂层的厚度为15μm，所述中温氧化铝涂层的厚度为6μm；
所述基体层由以下重量份计的组分制备得到：
硬质相79份，
粘结相6份，
七元合金固溶体15份，
所述硬质相为WC粉，
所述粘结相为Co粉，
所述七元合金固溶体为(W，Re，Ti，Nb，Zr，Ta)C固溶体，
所述(W，Re，Ti，Nb，Zr，Ta)C固溶体由以下重量份计的组分制备得到：
WC 49份，
Re 5份，
TiC 8份，
NbC 23份，
ZrC 12份，
TaC 3份。
2.根据权利要求1所述硬质合金刀具的制备方法，其特征在于，步骤包括：
(1)按配比称取所述基体层组分，混合后球磨；
(2)向步骤(1)球磨后的混合料中加入成型剂，经干燥、制粒和压制得到坯体；
(3)脱除坯体中的成型剂后，烧结即得含有所述富Co层的刀体；
(4)在步骤(3)所得刀体上通过中温气相沉积法依次涂覆所述中温TiNC涂层和中温氧化铝涂层。
3.根据权利要求2所述硬质合金刀具的制备方法，其特征在于，步骤(1)中，所述球磨的球料比为(3～3.5)：1，球磨介质为无水乙醇，球磨时间为36～48h。
4.根据权利要求2硬质合金刀具的制备方法，其特征在于，所述成型剂为聚乙二醇。
5.根据权利要求2硬质合金刀具的制备方法，其特征在于，步骤(3)中所述烧结的温度。
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