CN110004344A - 一种刀具材料及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种刀具材料，该刀具材料含有TiCN和粘结相，余量为硬质合金固溶体，硬质合金固溶体为(W，Ti，Ta，Nb，Zr，Mo)C。本发明还提供了硬质合金固溶体及刀具材料的制备方法。相比现有技术添加各种不同的粉末碳化物合金添加剂，本发明的刀具材料中，所需合金元素为固溶体的形式，避免了分别添加不同碳化物时会产生的误差以及各种不同添加剂可能带入的杂质，提高了刀具材料的性能，保证了产品质量的稳定和寿命的延长。
Description
技术领域
本发明属于金属陶瓷技术领域，具体涉及一种刀具材料及其制备方法。
背景技术
先进制造技术对人类科学技术的发展起着至关重要的推动作用，机械加工技术作为先进制造技术中的重要组成部分，逐渐朝着更加柔性、更加高效、更加精密的方向发展，高速切削技术是先进制造技术最重要的加工工艺之一。具有高硬度、高耐磨性和高化学稳定性等特性的先进刀具材料是先进切削加工技术应用的技术基础。
相比于传统的硬质合金，TiCN基金属陶瓷虽然强度、韧性不足，但是具有化学稳定性好、与金属亲和力小、抗粘结和扩散能力强、切削时不易产生积削瘤、加工表面质量好、红硬性高、摩擦系数小、抗月牙洼磨损能力强、耐腐蚀性高，以及接近陶瓷材料的硬度和耐磨性等优势，并且抗弯强度和断裂韧性比陶瓷高。因此，高速切削加工刀具材料首选TiCN基陶瓷，TiCN基陶瓷刀具主要用于正火和调制钢材料的半精加工和精加工。TiCN基金属陶瓷除了适于加工普通铸件与钢材外，也可加工淬硬钢、高强钢、冷硬铸铁和镍基高温合金等难加工材料。
为增强TiCN陶瓷的耐磨性，通常向TiCN陶瓷中直接添加WC、TaC、和Mo2C等多种碳化物，而这些碳化物的添加方式为依次逐渐添加或机械混合后同时添加，这两种添加方式存在的问题是烧结后形成的多元固溶体成份不均匀，材料性能不稳定，导致最终的产品质量不稳定，刀具寿命波动较大，用户的满意度低。
发明内容
为解决现有技术中，刀具材料所存在的问题，本发明的目的之一是提供一种刀具材料。
本发明的目的之二是提供上述刀具材料的制备方法。
为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：
一种刀具材料，包括以下质量百分比计的组分：
TiCN40～50％，
粘结相10～20％，
余量为硬质合金固溶体，所述硬质合金固溶体为(W，Ti，Ta，Nb，Zr，Mo)C。
优选地，所述粘结相为Co粉和Ni粉按质量比为1:1的混合。
进一步优选地，所述Co粉和Ni粉的粒径为1μm。
优选地，所述硬质合金固溶体中，WC、TiC、TaC、NbC、ZrC和Mo2C的质量比为(20～40)：(10～30)：(15～35)：(10～30)：(3～15)：(10～30)。
进一步优选地，所述硬质合金固溶体中，ZrC的添加量为NbC质量的1/3～1/2。
优选地，所述硬质合金固溶体的粒度为2～3μm。
优选地，硬质合金固溶体的制备方法为：
(s1)按配比将WC、TiO2、TaO2、Nb2O5、ZrO2和Mo2C混合，同时加入适量炭黑粉末干混后捣实，得料坯；
(s2)将料坯放入石墨舟内，在1900～2200℃、H2气氛条件下碳化还原2～4h后粉碎，即得硬质合金固溶体。
上述刀具材料的制备方法，步骤包括：
(1)按配比称取所述TiCN、粘结相和硬质合金固溶体，混合后进行第一次球磨；
(2)向步骤(1)得到的混合料中加入成型剂后进行第二次球磨，卸料后经干燥、过筛和制粒后得到料粒；
(3)将步骤(2)得到的料粒压制成型后烧结，即得所述刀具材料。
优选地，步骤(1)中，所述第一次球磨的球料比为(5～6):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，所述烧结的温度为1420～1500℃，烧结的时间为60～90min。
TiCN是由TiC和TiN形成的一种固溶体，TiC和TiN均具有面心立方点阵的NaCl型结构，属于Fm-3m空间群，根据Hume-Rothery Principle法则，C、N负离子半径较大，因此，占据面心立方的晶格点阵，而Ti粒子半径较小，则Ti离子在八面体(1/2，0，0)点的空隙中，此种结构使TiC和TiN形成连续固溶体。
为增强TiCN陶瓷的耐磨性，通常向TiCN陶瓷中直接添加WC、TaC、和Mo2C等多种碳化物，而这些碳化物的添加方式为依次逐渐添加或机械混合后同时添加，这两种添加方式，首先，烧结后形成的多元固溶体成份不均匀，导致材料性能不稳定，最终造成的产品质量不稳定，刀具寿命波动较大，用户的满意度低。其次，针对不同的碳化物需要分开称重，而多次称重会导致误差的积累，最终影响碳化物总量的准确度。再者，各种碳化物的纯度不同，加入多种碳化物，难以控制最终产品的纯度，易使最终产品中含有较多的杂质。而本发明为固溶体的形式，先将WC、TiO2、TaO2、Nb2O5、ZrO2和Mo2C制备成固溶体(W，Ti，Ta，Nb，Zr，Mo)C，在制备刀具材料时只需要添加固溶体一种物质即可，避免了多次称量会产生的误差以及各种不同添加剂可能带入的杂质。此外，固溶体中多种碳化物的使用也减少了TaC的含量，降低了材料的成本。
本发明的有益效果
1、相比现有技术添加各种不同的粉末碳化物合金添加剂，本发明的刀具材料中，所需合金元素为固溶体的形式，避免了分别添加不同碳化物时由于固溶体成份不均匀而导致材料性能不稳定的问题，也避免了会产生的误差以及各种不同添加剂可能带入的杂质，提高了刀具材料的性能，保证了产品质量的稳定和寿命的延长；
2、本发明刀具材料所用的固溶体中，采用价格相对低廉的WC、TiC、NbC和ZrC部分替代TaC，解决了现有技术中，大量添加TaC价格高的问题；
3、本发明刀具材料中，ZrC的添加大幅提升了刀具材料的性能，制备得到的刀具材料强度超过2800MPa。
具体实施方式
以下是本发明的具体实施例，并结合实施例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
本例提供了三种刀具材料配方，具体配比如表1所示。
表1刀具材料A～C的配比明细
表1中，粘结相为Co粉和Ni粉按质量比为1:1的混合，Co粉和Ni粉的粒径为1μm，硬质合金固溶体中，ZrC的添加量为NbC质量的1/3～1/2，硬质合金固溶体的粒度为2～3μm。
实施例2
本例提供了硬质合金固溶体的制备方法，具体为：
(s1)按配比将WC、TiO2、TaO2、Nb2O5、ZrO2和Mo2C混合，加入炭黑粉末干混后捣实，得料坯；
(s2)将料坯放入石墨舟内，在1900～2200℃、H2气氛条件下碳化还原2～4h后粉碎，即得硬质合金固溶体。
实施例3
本例提供了刀具材料的制备方法，步骤包括：
(1)按配比称取所述TiCN、粘结相和硬质合金固溶体，混合后进行第一次球磨；
(2)向步骤(1)得到的混合料中加入成型剂后进行第二次球磨，卸料后经干燥、过筛和制粒后得到料粒；
(3)将步骤(2)得到的料粒压制成型后烧结，即得所述刀具材料。
步骤(1)中，第一次球磨的球料比为(5～6):1，球磨介质为无水乙醇，球磨时间为36～48h。成型剂为聚乙二醇。烧结的温度为1420～1500℃，烧结的时间为60～90min。
对比例1
本例提供了D和E两种刀具材料，具体配比如表2所示。
表2刀具材料D和E的配比明细
检测例
采用实施例2提供的硬质合金固溶体的制备方法，和实施例3提供的刀具材料的制备方法，根据表1、表2和表3的配比制备得到了A～G7种对应编号的刀具材料，测试材料的基本性能，结果如表3所示。
表3刀具材料性能测试结果
| 材料编号 | 硬度 | 強度 | 钴磁 | 矫顽 |
| A | 92.7 | 2858 | 7.5 | 15.8 |
| B | 92.0 | 2856 | 8.5 | 16.8 |
| C | 91.0 | 2810 | 7.8 | 15.2 |
| D | 89.2 | 2347 | 7.2 | 14.3 |
| E | 87.9 | 2399 | 7.4 | 14.1 |
根据表3结果可知，本发明的刀具材料强度超过2800MPa，硬度大于92，D、E材料中ZrC的缺失会引起刀具材料性能下降。
Claims (10)
1.一种刀具材料，其特征在于，包括以下质量百分比计的组分：
TiCN40～50％，
粘结相10～20％，
余量为硬质合金固溶体，所述硬质合金固溶体为(W，Ti，Ta，Nb，Zr，Mo)C。
2.根据权利要求1所述的刀具材料，其特征在于，所述粘结相为Co粉和Ni粉按质量比为1:1的混合。
3.根据权利要求1所述的刀具材料，其特征在于，所述硬质合金固溶体中，WC、TiC、TaC、NbC、ZrC和Mo2C的质量比为(20～40)：(10～30)：(15～35)：(10～30)：(3～15)：(10～30)。
4.根据权利要求3所述的刀具材料，其特征在于，所述硬质合金固溶体中，ZrC的添加量为NbC质量的1/3～1/2。
5.根据权利要求1所述的刀具材料，其特征在于，所述硬质合金固溶体的粒度为2～3μm。
6.根据权利要求1～5任一项所述的刀具材料，其特征在于，所述硬质合金固溶体的制备方法为：
(s1)按配比将WC、TiO2、TaO2、Nb2O5、ZrO2和Mo2C混合，加入炭黑粉末干混后捣实，得料坯；
(s2)将料坯放入石墨舟内，在1900～2200℃、H2气氛条件下碳化还原2～4h后粉碎，即得硬质合金固溶体。
7.根据权利要求1～5任一项所述刀具材料的制备方法，其特征在于，步骤包括：
(1)按配比称取所述TiCN、粘结相和硬质合金固溶体，混合后进行第一次球磨；
(2)向步骤(1)得到的混合料中加入成型剂后进行第二次球磨，卸料后经干燥、过筛和制粒后得到料粒；
(3)将步骤(2)得到的料粒压制成型后烧结，即得所述刀具材料。
8.根据权利要求7所述刀具材料的制备方法，其特征在于，步骤(1)中，所述第一次球磨的球料比为(5～6):1，球磨介质为无水乙醇，球磨时间为36～48h。
9.根据权利要求7所述刀具材料的制备方法，其特征在于，所述成型剂为聚乙二醇。
10.根据权利要求7所述刀具材料的制备方法，其特征在于，所述烧结的温度为1420～1500℃，烧结的时间为60～90min。
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