CN109321804B - 一种用于切割碳纤维复合材料的硬质合金刀具主体制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种用于切割碳纤维复合材料的硬质合金刀具主体制备方法，用以解决现有切割碳纤维复合材料切割刀具易磨损、热稳定性差的问题，通过对硬质合金刀体混合料的成分进行改进、优化工艺步骤，使硬质合金刀具主体合金组织均匀致密、强度高、耐磨性好，加工稳点性高，对碳纤维复合材料的切割效果和加工效率都有显著提升。

Description

一种用于切割碳纤维复合材料的硬质合金刀具主体制备方法
技术领域
本申请涉及一种用于切割碳纤维复合材料的刀具，具体关于该刀具主体的制备方法。
背景技术
碳纤维材料是一种含碳元素在90%以上的纤维材料，由于其原子结构组成特殊，碳纤维材料具有低密度、高强度、高模量、耐高温、抗化学腐蚀、低电阻、高导热、低热膨胀以及耐辐射等优良特性，还具有纤维的柔曲性，比强度和比模量都优于其他纤维增强体。而将碳纤维与树脂、金属或陶瓷等基体复合形成的碳纤维复合材料，其力学强度及稳定性都要远远优于普通的结构钢，以至于在航空航天领域、汽车制造领域以及其他对“轻便、高强度”有需求的场合都得到了广泛的应用。但正是优于碳纤维复合材料的所述优点，该类材料并不易于加工，碳纤维复合材料的脆性大、硬度高并且加工时容易出现分层、撕裂和毛刺等问题，机械加工条件比较恶劣，因此，这对用于切割加工碳纤维复合材料的刀具也提出了潜在要求。当刀具在切割碳纤维复合材料时，材料与刀具之间产生了大量的热量，而碳纤维复合材料的热导率小，使热量难以及时排除，切削区域的热量聚集使温度迅速升高，不仅因为热膨胀率对加工效果有影响，过高的温度还会使刀具发生热反应，加剧其磨损；同时，该类材料粉末状的切屑在切削区域相当于磨粒，在刀具与工件之间进给切割时亦会加速刀具的磨损；磨损后的刀具在切割碳纤维复合材料时，由于切割参数的变化，使该类材料原子层受力变化从而产生错位的现象，并且受损的刀具也是该类材料在切割时产生大量毛刺的重要因素之一。因此，如何制造出满足碳纤维复合材料切割加工需求的刀具一直是个难点。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术中的不足，提供一种硬质合金刀具主体的制备方法，以保证刀具主体的基本力学性能和稳定性，使其满足碳纤维复合材料的加工需求。
为达到上述目的，本发明的方案如下：一种用于切割碳纤维复合材料的硬质合金刀具主体制备方法，包括以下步骤：
1.一种用于切割碳纤维复合材料的硬质合金刀具主体制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤一：制备混合料，将钴粉、碳化铬粉、碳化钨粉、碳化钽粉、碳化钛粉及碳化铌粉混合，其中钴粉质量占比为11.7-26.1%，碳化铬粉质量占比12.5-20.4%，碳化钨粉质量占比56.2-67.6%，碳化钽粉质量占比0.04-0.97%，碳化钛粉质量占比0.12-0.89%，碳化铌粉质量占比0.02-0.80%，其中，钴粉外观呈均匀一致的深灰色，无肉眼可见的夹杂物及结块，过120目筛网，钴粉中Co+Ni(%)>99、N(%)≤1.0、O(%)≤0.5、C(%)≤0.1、Fe(%)≤0.3，且松装密度(g/cm3)≥0.75；碳化铬粉外观呈灰色，粒度均匀，无肉眼可见的夹杂物及结块，过120目筛网，碳化铬粉中Cr3C2(%)>99.2，总碳含量(%)为11.68±0.05，化合碳含量(%)≥11.12，游离碳含量(%)≤0.56，其他杂质含量(%)不大于0.082；碳化钨粉外观呈深灰色，颜色应均匀一致，无机械杂物，具体地，WC(%)≥99.8、总碳含量(%)为6.13±0.05，化合碳含量(%)≥6.07，游离碳含量(%)≤0.06，其他杂质含量(%)不大于0.044；碳化钽粉外观呈均匀一致的浅黄色，无肉眼可见的杂质，过150目筛网，碳化钽粉中总碳含量(%)≥6.20、游离碳含量(%)≤0.20、Fe(%)≤1.0、O(%)≤0.15；碳化钛粉外观呈均匀一致的浅灰色，无肉眼可见的杂质，过150目筛网，碳化钛粉中总碳含量(%)≥24.14、游离碳含量(%)≤0.63；碳化铌粉外观呈均匀一致的黑灰色，无肉眼可见的杂质，过150目筛网，碳化铌粉中总碳含量(%)≥11、游离碳含量(%)≤0.30、N(%)≤0.10、松比g/cm3≤3.5；
步骤二：湿磨混合料，将上述混合料装入球磨机中，采用φ5-10mm合金球，设置转速34-36r/min，每湿磨8小时取样分析，直至连续随机取样五次磨制粒度均匀且直径小于1.0μm；
步骤三：湿磨料的干燥，料浆沉淀12-24小时后，抽出上层清酒精，将下层料浆转往干燥；料浆采用湿法合批，即将两批料均匀装入震干器的两个圆筒内，装料量应小于圆筒容积的90%；开始送气时，蒸汽压力不大于78.45kPa（0.8个大气压），一小时后升到196.13kPa（2个大气压）并开始震动；
步骤四：混合料的鉴定，取样1kg，一部分做化学分析Co、C、O、Ni、Fe、Ti元素，另一部分掺入5.5-6.3%橡胶汽油溶液并在120-160℃下过60-80目，擦碎压成抗弯条，编号试烧，将合金磨片后，然后进行金相分析和物理性能测定；
步骤五：混合料的掺胶或掺蜡制粒，为了增加压制品强度和改善混合料的压制成型性能，在压制前加入橡胶或石蜡汽油溶液混合，然后干燥、擦碎、制粒后以便自压机用料；
步骤六：压制成型，将混合料装入压膜框内并置于压机上，使粉末压缩而成所需形状及尺寸。所述压机可为杠杆自压机、双向自压机或油压机，收缩系数要求：自压机：1.185-1.22；油压机1.21-1.27；压制压力设定为58.8-147.1MPa（即600-1500kg）cm2，压制单重按试压定的单重控制，偏差≤±1.5%；压制过程中先采用预设压力的20%施压1.5h，每分钟压制65-70次，稳压30min，然后采用压力预设压力的60%施压1h，每分钟压制40-45次，稳压30min，最后使用预设压力施压45min，使压机每分钟压制15-20次，稳压30min。采用该压制工艺，成型后的压制品分层、裂纹等缺陷明显减少；
步骤七：为消除压制品内部应力，对压制品脱胶或脱蜡预烧，再去除残存橡胶汽油和石蜡汽油，以增加制品强度，便于后续加工、转移、检查。在钟罩式氢气炉中对压制品进行脱胶或脱蜡预烧；
步骤八：对完成预烧后的压制品进行真空烧结，设定真空度13.33-26.66Pa，在200min内将温度从室温升至1150℃，在1100-1150℃之间保温45min，再设定真空度为6.66-13.33Pa，在130min内将温度从1150℃升至1410℃，在1400-1410℃之间保温40min。烧结成品喷砂后表面无氧化现象，颜色均匀；断口组织应均匀一致，无黑心、孔洞、严重渗碳、脱碳、欠烧、过烧、分层、裂纹、未压好和麻孔等缺陷，断口脏化率小于8%。
进一步地，在上述步骤五中，根据所采用的成型剂不同，掺入方法有两种：a、橡胶汽油溶液，将一定浓度的橡胶汽油溶液均匀地加入到搅拌的混合料中，为了达到一定的均匀性，必须控制加入速度，保证橡胶汽油溶液的连续加入时间不少于10s，混合时间大于1min。b、石蜡汽油溶液：将一定浓度的石蜡汽油溶液均匀地加入到搅拌的混合料中，为达到均匀性，必须控制加入速度，保证石蜡汽油溶液的连续加入时间大于10s，混合时间大于1min。
擦碎：1)自压机用料过40-50目；2)异型油压机用料过80-100目；3)难压产品按压制要求擦碎；
制粒：1)自压机料要求制粒、干燥，然后过30目震动筛；2)油压掺胶干燥后过80目擦碎即可；
干燥:掺胶或掺蜡混合后的料每盘16kg分两盘放入干燥柜中进行干燥，干燥时间按蒸气压大小而定，一般在196.13-294.2kPa（即2-3个大气压）干燥0.5-1.5h，并在干燥时要翻动1-2次，干燥程度以不占光面金属为宜。
根据上述发明内容，本发明取得了以下技术效果：
在硬质合金刀具主体中添加所述质量比例、成份的碳化铬粉、碳化钽粉、碳化钛粉和碳化铌粉，优化了硬质合金基体的晶相组成，使硬质合金体在烧结成型后的强度、硬度和热稳定性均有不同幅度的提高，相比于以碳化钨为基体的硬质合金，本发明中合金基体各相晶粒比例更加均匀，硬度及耐磨性相比以碳化钨为主要基体材料（质量占比大于85%）的硬质合金有显著改善，将其用于制成切割碳纤维复合材料的刀具，刀具的强度高、耐磨性好，加工稳点性高，对碳纤维复合材料的切割效果和加工效率都有显著提升；同时，本发明制备硬质合金刀具主体的每个步骤都相互关联相互影响，个中配比参数、工艺参数和处理参数的选择都是在实际生产中通过多次试验不断调整获得，这些都是获得具有优异力学性能和加工稳定性硬质合金的关键因素。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
一种用于切割碳纤维复合材料的硬质合金刀具主体制备方法，包括以下步骤：
步骤一：制备混合料，将钴粉、碳化铬粉、碳化钨粉、碳化钽粉、碳化钛粉及碳化铌粉混合，其中钴粉质量占比为11.7-26.1%，碳化铬粉质量占比12.5-20.4%，碳化钨粉质量占比56.2-67.6%，碳化钽粉质量占比0.04-0.97%，碳化钛粉质量占比0.12-0.89%，碳化铌粉质量占比0.02-0.80%，其中，钴粉外观呈均匀一致的深灰色，无肉眼可见的夹杂物及结块，过120目筛网，钴粉中Co+Ni(%)>99、N(%)≤1.0、O(%)≤0.5、C(%)≤0.1、Fe(%)≤0.3，且松装密度(g/cm3)≥0.75；碳化铬粉外观呈灰色，粒度均匀，无肉眼可见的夹杂物及结块，过120目筛网，碳化铬粉中Cr3C2(%)>99.2，总碳含量(%)为11.68±0.05，化合碳含量(%)≥11.12，游离碳含量(%)≤0.56，其他杂质含量(%)不大于0.082；碳化钨粉外观呈深灰色，颜色应均匀一致，无机械杂物，具体地，WC(%)≥99.8、总碳含量(%)为6.13±0.05，化合碳含量(%)≥6.07，游离碳含量(%)≤0.06，其他杂质含量(%)不大于0.044；碳化钽粉外观呈均匀一致的浅黄色，无肉眼可见的杂质，过150目筛网，碳化钽粉中总碳含量(%)≥6.20、游离碳含量(%)≤0.20、Fe(%)≤1.0、O(%)≤0.15；碳化钛粉外观呈均匀一致的浅灰色，无肉眼可见的杂质，过150目筛网，碳化钛粉中总碳含量(%)≥24.14、游离碳含量(%)≤0.63；碳化铌粉外观呈均匀一致的黑灰色，无肉眼可见的杂质，过150目筛网，碳化铌粉中总碳含量(%)≥11、游离碳含量(%)≤0.30、N(%)≤0.10、松比g/cm3≤3.5。
步骤二：湿磨混合料，湿磨机装料前必须先装球加水磨72小时，然后卸出检查水磨后的情况，等筒体和表面均合格后用水将筒体和球洗干净，再将球装入筒内加入酒精磨24小时，然后用酒精清洗干净，即可做好投料准备工作；将上述混合料装入球磨机中，采用φ5-10mm合金球，设置转速34-36r/min，每湿磨8小时取样分析，直至连续随机取样五次磨制粒度均匀且直径小于1.0μm，卸料前向球磨机中加入30-40L酒精，冲稀料浆，卸出的料用320目过滤，然后用10-20L酒精冲稀3-5次，直到卸料干净为止；
步骤三：湿磨料的干燥，料浆沉淀12-24小时后，抽出上层清酒精，将下层料浆转往干燥；料浆采用湿法合批，即将两批料均匀装入震干器的两个圆筒内，装料量应小于圆筒容积的90%；开始送气时，蒸汽压力不大于78.45kPa（0.8个大气压），一小时后升到196.13KPa（2个大气压）并开始震动，干燥时间根据蒸汽压力的高低和不同牌号而定，以料干为原则；料干的鉴定，用光面金属棒检查料的干燥程度；料干后，通水进行冷却，冷却时间应保证料不受氧化为原则；干燥时，当蒸汽压力在49-196Kpa，干燥温度保持在80-120℃，干燥时间2-3小时，冷却时间2-3小时，夏天和细粒冷却时间要适当延长，卸料时要求料温低于45℃。
步骤四：混合料的鉴定，取样1kg，一部分做化学分析Co、C、O2、Ni、Fe、Ti元素，另一部分掺入5.5-6.3%橡胶汽油溶液并在120-160℃下过60-80目，擦碎压成抗弯条，编号试烧，将合金磨片后，然后进行金相分析和物理性能测定，放大100倍检查孔隙度，污垢总长度和石墨夹杂，试样经腐蚀后，放大1500倍晶粒大小分布，以及粘结相的厚度和分布，同时观察是否有第三相（η1相或石墨相）存在，以及碳化钨晶粒度、钴的厚度；之后进行断口低倍分析，合金在16-32倍放大镜下检查，每批检查产品断面5个，每个断口面积不小于1cm2，合金断口组织应均匀一致，无过烧、欠烧、渗碳、脱碳、分裂、裂纹和未压好。
步骤五：混合料的掺胶或掺蜡制粒，为了增加压制品强度和改善混合料的压制成型性能，在压制前加入橡胶或石蜡汽油溶液混合，然后干燥、擦碎、制粒后以便自压机用料。根据所采用的成型剂不同，掺入方法有两种：a、橡胶汽油溶液，将一定浓度的橡胶汽油溶液均匀地加入到搅拌的混合料中，为了达到一定的均匀性，必须控制加入速度，保证橡胶汽油溶液的连续加入时间不少于10s，混合时间大于1min。b、石蜡汽油溶液：将一定浓度的石蜡汽油溶液均匀地加入到搅拌的混合料中，为达到均匀性，必须控制加入速度，保证石蜡汽油溶液的连续加入时间大于10s，混合时间大于1min。
擦碎：1)自压机用料过40-50目；2)异型油压机用料过80-100目；3)难压产品按压制要求擦碎。
制粒：1)自压机料要求制粒、干燥，然后过30目震动筛；2)油压掺胶干燥后过80目擦碎即可。
干燥:掺胶或掺蜡混合后的料每盘16kg分两盘放入干燥柜中进行干燥，干燥时间按蒸气压大小而定，一般在196.13-294.2kPa（即2-3个大气压）干燥0.5-1.5h，并在干燥时要翻动1-2次，干燥程度以不占光面金属为宜。
掺胶或掺蜡制粒后还要进行相关技术检查，具体地，取掺胶或掺蜡后的混合料压制5-10片样品和8条抗弯式样，按正常工艺烧结，用25倍双筒放大镜检查合金断口，每批次检查5片，合金断口组织均匀一致，无过烧、欠烧、未压好、渗碳、脱碳、混料等缺陷，并测量抗弯强度。
步骤六：压制成型，将混合料装入压膜框内并置于压机上，使粉末压缩而成所需形状及尺寸。所述压机可为杠杆自压机、双向自压机或油压机，收缩系数要求：自压机：1.185-1.22；油压机1.21-1.27；压制压力设定为58.8-147.1MPa（即600-1500kg）cm2，压制单重按试压定的单重控制，偏差≤±1.5%；压制过程中先采用预设压力的20%施压1.5h，每分钟压制65-70次，稳压30min，然后采用压力预设压力的60%施压1h，每分钟压制40-45次，稳压30min，最后使用预设压力施压45min，使压机每分钟压制15-20次，稳压30min。采用该压制工艺，成型后的压制品分层、裂纹等缺陷明显减少。
步骤七：为消除压制品内部应力，对压制品脱蜡或脱胶预烧，再去除残存橡胶汽油和石蜡汽油，以增加制品强度，便于后续加工、转移、检查。在钟罩式氢气炉中对压制品进行脱蜡或脱胶预烧，对于经石蜡工艺制成的压制品，先采用低电流升温，采用氢气流量2.5m3/h将温度在2个小时内从室温均匀升至300℃，并在300℃保温150分钟；加热参数不变，继续在2小时内将温度从300℃升至500℃；采用高电流升温，其他参数不变，在1小时内将温度从500℃升至600℃；继续高电流升温，采用氢气流量1.0m3/h，在2小时内将温度从600℃升至800℃；在800℃保持30min后停电。对于经橡胶工艺制成的压制品，先采用低电流升温，采用氢气流量2.5m3/h将温度在2.5个小时内从室温均匀升至400℃，并在400℃保温150分钟；加热参数不变，继续在1.5小时内将温度从400℃升至500℃；采用高电流升温，其他参数不变，在1小时内将温度从500℃升至600℃；继续高电流升温，采用氢气流量1.0m3/h，在1.5小时内将温度从600℃升至800℃；在800℃保持30min后停电。
步骤八：对完成预烧后的压制品进行真空烧结，设定真空度13.33-26.66Pa，在200min内将温度从室温升至1150℃，在1100-1150℃之间保温45min，再设定真空度为6.66-13.33Pa，在130min内将温度从1150℃升至1410℃，在1400-1410℃之间保温40min。烧结成品喷砂后表面无氧化现象，颜色均匀；断口组织应均匀一致，无黑心、孔洞、严重渗碳、脱碳、欠烧、过烧、分层、裂纹、未压好和麻孔等缺陷，断口脏化率小于8%。
综上所述，采用本制备方法生产的硬质合金刀具主体合金组织均匀致密、强度高、耐磨性好，加工稳点性高，对碳纤维复合材料的切割效果和加工效率都有显著提升。
上述实施例只为说明本发明的技术构思及特点，其目的在于让熟悉此项技术的人士能够了解本发明的内容并据以实施，并不能以此限制本发明的保护范围。凡根据本发明精神实质所作的等效变化或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (2)

1.一种用于切割碳纤维复合材料的硬质合金刀具主体制备方法，其特征在于，具体包括以下步骤：
步骤一：制备混合料，将钴粉、碳化铬粉、碳化钨粉、碳化钽粉、碳化钛粉及碳化铌粉混合，其中钴粉质量占比为11.7-26.1％，碳化铬粉质量占比12.5-20.4％，碳化钨粉质量占比56.2-67.6％，碳化钽粉质量占比0.04-0.97％，碳化钛粉质量占比0.12-0.89％，碳化铌粉质量占比0.02-0.80％，其中，钴粉外观呈均匀一致的深灰色，无肉眼可见的夹杂物及结块，过120目筛网，钴粉中Co+Ni(％)>99、N(％)≤1.0、O(％)≤0.5、C(％)≤0.1、Fe(％)≤0.3，且松装密度(g/cm3)≥0.75；碳化铬粉外观呈灰色，粒度均匀，无肉眼可见的夹杂物及结块，过120目筛网，碳化铬粉中Cr3C2(％)>99.2，总碳含量(％)为11.68±0.05，化合碳含量(％)≥11.12，游离碳含量(％)≤0.56，其他杂质含量(％)不大于0.082；碳化钨粉外观呈深灰色，颜色应均匀一致，无机械杂物，具体地，WC(％)≥99.8、总碳含量(％)为6.13±0.05，化合碳含量(％)≥6.07，游离碳含量(％)≤0.06，其他杂质含量(％)不大于0.044；碳化钽粉外观呈均匀一致的浅黄色，无肉眼可见的杂质，过150目筛网，碳化钽粉中总碳含量(％)≥6.20、游离碳含量(％)≤0.20、Fe(％)≤1.0、O(％)≤0.15；碳化钛粉外观呈均匀一致的浅灰色，无肉眼可见的杂质，过150目筛网，碳化钛粉中总碳含量(％)≥24.14、游离碳含量(％)≤0.63；碳化铌粉外观呈均匀一致的黑灰色，无肉眼可见的杂质，过150目筛网，碳化铌粉中总碳含量(％)≥11、游离碳含量(％)≤0.30、N(％)≤0.10、松比g/cm3≤3.5；
步骤二：湿磨混合料，将上述混合料装入球磨机中，采用合金球，设置转速34-36r/min，每湿磨8小时取样分析，直至连续随机取样五次磨制粒度均匀且直径小于1.0μm；
步骤三：湿磨料的干燥，料浆沉淀12-24小时后，抽出上层清酒精，将下层料浆转往干燥；料浆采用湿法合批，即将两批料均匀装入震干器的两个圆筒内，装料量应小于圆筒容积的90％；
步骤四：混合料的鉴定，取样1kg，一部分做化学分析Co、C、O、Ni、Fe、Ti元素，另一部分掺入5.5-6.3％橡胶汽油溶液并在120-160℃下过60-80目，擦碎压成抗弯条，编号试烧，将合金磨片后，然后进行金相分析和物理性能测定；
步骤五：混合料的掺胶或掺蜡制粒，为了增加压制品强度和改善混合料的压制成型性能，在压制前加入橡胶或石蜡汽油溶液混合，然后干燥、擦碎、制粒后以便自压机用料；
步骤六：压制成型，将混合料装入压膜框内并置于压机上，使粉末压缩而成所需形状及尺寸；所述压机可为杠杆自压机、双向自压机或油压机，收缩系数要求：自压机：1.185-1.22；油压机1.21-1.27；
步骤七：为消除压制品内部应力，对压制品脱蜡或脱胶预烧，再去除残存橡胶汽油和石蜡汽油，以增加制品强度，便于后续加工、转移、检查；在钟罩式氢气炉中对压制品进行脱蜡或脱胶预烧；
步骤八：对完成预烧后的压制品进行真空烧结，设定真空度13.33-26.66Pa，在200min内将温度从室温升至1150℃，在1100-1150℃之间保温45min，再设定真空度为6.66-13.33Pa，在130min内将温度从1150℃升至1410℃，在1400-1410℃之间保温40min；烧结成品喷砂后表面无氧化现象，颜色均匀；断口组织应均匀一致，无黑心、孔洞、严重渗碳、脱碳、欠烧、过烧、分层、裂纹、未压好和麻孔等缺陷，断口脏化率小于8％。
2.根据如权利要求1所述的一种用于切割碳纤维复合材料的硬质合金刀具主体制备方法，在步骤五中，根据所采用的成型剂不同，掺入方法有两种：a、橡胶汽油溶液，将一定浓度的橡胶汽油溶液均匀地加入到搅拌的混合料中，为了达到一定的均匀性，必须控制加入速度，保证橡胶汽油溶液的连续加入时间不少于10s，混合时间大于1min；b、石蜡汽油溶液：将一定浓度的石蜡汽油溶液均匀地加入到搅拌的混合料中，为达到均匀性，必须控制加入速度，保证石蜡汽油溶液的连续加入时间大于10s，混合时间大于1min；擦碎：1)自压机用料过40-50目；2)异型油压机用料过80-100目；3)难压产品按压制要求擦碎；制粒：1)自压机料要求制粒、干燥，然后过30目震动筛；2)油压掺胶干燥后过80目擦碎即可；干燥:掺胶或掺蜡混合后的料每盘16kg分两盘放入干燥柜中进行干燥，干燥时间按蒸气压大小而定，一般在196.13-294.2kPa(即2-3个大气压)干燥0.5-1.5h，并在干燥时要翻动1-2次，干燥程度以不占光面金属为宜。
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