CN111041420A - 一种拉刀刀具及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种拉刀刀具，包括刀具基体和涂覆在表面的铝钛硅涂层。其中，刀具基体由合金制成，包括重量百分比为1.3％～2％的C、4％～5％的Cr、1.5％～3％的Mo、4％～6％的V、8％～12％的W、7％～9％的Co，余量为Fe；铝钛硅涂层中铝元素的重量百分比为50％～70％，钛元素的重量百分比为20％～40％，硅元素的重量百分比为5％～15％。制备方法如下：A、刀具基体预处理；B、涂层沉积，将预处理后的刀具基体安装入真空镀膜机中，加热至450℃，调节至真空度为5～6×10‑3Pa；打开氩气流量阀，并调节真空度至0.1～10Pa，调节离子轰击电压至200V～1kV负高压，离击时间5min～30min，对刀具基体表面进行等离子清洗；而后打开纯钛靶和N2流量阀，先沉积氮化钛打底层15～20min；再打开铝钛硅靶，调节真空度至3～5Pa，调节电流至150～200A，铝钛硅纳米复合层沉积20～30min。

Description

一种拉刀刀具及其制备方法
技术领域
本发明金属刀具材料制备领域，特别涉及一种拉刀刀具的材料选择及其制备方法。
背景技术
拉刀是用于拉削的加工工具，安装在特殊拉屑设备拉床上。刀具表面上有多排刀齿，各排刀齿的尺寸和形状从切入端至切出端依次增加和变化。当拉刀作拉削运动时，每个刀齿就从工件上切下一定厚度的金属，最终得到所要求的尺寸和形状。因此，拉刀常用于成批和大量生产中加工圆孔、花键孔、键槽、平面和成形表面等，生产率很高。
现有技术中，拉刀多采用传统的S500冶炼高速钢制成。在实际操作实践中，现有拉刀寿命只能达到20000件，此时拉刀基体出现损坏，导致加工件表面粗糙度高，只能停工进行刀具更换，而高的刀具更换频率必然会严重影响设备的工作效率。
发明内容
为解决现有技术的不足，本发明从拉刀刀具材质上着手，提供了一种带有涂层的拉刀刀具及其制备方法。为了实现上述目的，本发明通过以下技术方案实施：
本发明提供了一种拉刀刀具，具有这样的技术特征：包括刀具基体以及涂覆在刀具基体表面的铝钛硅涂层。其中，刀具基体由合金制成，该合金包括重量百分比为1.3％～2％的C、4％～5％的Cr、1.5％～3％的Mo、4％～6％的V、8％～12％的W、7％～9％的Co，余量为Fe；铝钛硅涂层中铝元素的重量百分比为50％～70％，钛元素的重量百分比为20％～40％，硅元素的重量百分比为5％～15％。
优选的，在本发明提供的拉刀刀具中，合金优选包括重量百分比为1.64％的C、4.75％的Cr、3％的Mo、4.8％的V、10.40％的W、7.98％的Co，余量为Fe。铝钛硅涂层中铝元素的重量百分比优选为60％，钛元素的重量百分比优选为30％，硅元素的重量百分比优选为10％。
优选的，在本发明提供的拉刀刀具中，刀具基体合金采用粉末冶金工艺制备。
传统的刀具基体合金采用传统冶炼工艺制备，通过对照根据两种工艺制备得到的合金的金相结构(图3)，粉末冶金工艺制备的合金粒度均匀度高，表面更光滑；而根据传统冶炼工艺制备得到的合金，粒度均一性低，表面凹凸不平，杂质感明显。
优选的，在本发明提供的拉刀刀具中，铝钛硅涂层的硬度为4000HV，摩擦系数为0.45，厚度为3.1μm。通过实验摸索，该性能的铝钛硅涂层采用传统镀膜工艺能够实现镀膜沉积，且能大幅提高刀具的硬度和强度，使其加工寿命由当前的20000件提升至60000件，综合考虑加工成本，性价比最高。
进一步，本发明还提供了拉刀刀具的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
A、刀具基体预处理
将刀具基体进行去毛刺、超声清洗以及烘干预处理，得到表面光滑的刀具基体；
B、涂层沉积
将预处理后的刀具基体安装入真空镀膜机中，加热至450℃，同时调节至真空度为5～6×10-3Pa；打开氩气流量阀，并调节真空度至0.1～10Pa，调节离子轰击电压至200V～1kV负高压，离击时间5min～30min，对刀具基体表面进行等离子清洗；而后打开纯钛靶和N2流量阀，先沉积氮化钛打底层15～20min；再打开铝钛硅靶，调节真空度至3～5Pa，调节电流至150～200A，进行铝钛硅纳米复合层沉积20～30min。
优选的，在本发明提供的拉刀刀具的制备方法中，步骤A中，超声清洗时所采用的超声波频率为50～100KHz，超声波清洗时间为10～20min，而后采用超纯水冲洗5～10min，氮气吹干。
本发明的有益效果如下：
本发明提供的拉刀刀具包括刀具基体以及涂覆在刀具基体表面的铝钛硅涂层。刀具基本的合金成分包括重量百分比为1.3％～2％的C、4％～5％的Cr、1.5％～3％的Mo、4％～6％的V、8％～12％的W、7％～9％的Co，余量为Fe。铝钛硅涂层中铝元素的重量百分比为50％～70％，钛元素的重量百分比为20％～40％，硅元素的重量百分比为5％～15％。
首先，相对于现有的拉刀刀具合金组分，本发明合金中大幅降低了Mo的含量，同时大幅增加V和W的含量。一方面，钨含量的增加，除增加了钢中碳化物含量外，而且还能部分地溶入铁中形成固溶体，从而显著增加钢的回火稳定性、红硬性、热强性以及由于形成碳化物而增加的耐磨性，进而能显著提高钢的切削性；钒和铁形成连续的固溶体，强烈地缩小奥氏体相区，实现了钢的实际晶粒度的调节，进而提高了钢的淬透性，并且钒和碳、氮、氧都有极强的亲和力，有助于提高钢的强度和韧性，更能满足刀具用钢高强度和高硬度的需求。另一方面，V和W的含量增加，Mo含量的降低，增加了刀具基体与铝钛硅涂层之间的膜基结合力和残余应力，有助于涂层沉积实现。
其次，TiALSiN涂层通过常规镀膜技术即可实现在刀具基体上的沉积，其实现了刀具抗机械磨损性和热硬性的大幅提高，满足了高度加工对于刀具材料的硬度和强度的性能需求。
通过实际验证，本发明的拉刀刀具寿命由当前的20000件提升至60000件，极大降低了更换刀具的频率，提高了拉床的工作效率。
附图说明
图1为不同合金组分对于刀具基体性能的影响示意图；
图2为本发明刀具基体合金与传统S500冶炼高速钢合金的金相对比图，其中(a)为S500冶炼高速钢合金的金相图，(b)为本发明刀具基体合金的金相图；
图3为本发明刀具基体(S390)与传统S500冶炼高速钢刀具基体的红硬性和耐磨性比对结果；
图4为本发明拉刀刀具涂层前后表面状态对比结果，其中(a)为涂层前刀具表面状态，(b)为涂层后刀具表面状态。
具体实施方式
下面结合本发明的附图和实施例对本发明的实施作详细说明，以下实施例是在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。
本发明所用试剂和原料均市售可得或可按文献方法制备。下列实施例中未注明具体条件的实验方法，通常按照常规条件或按照制造厂商所建议的条件。
本实施例提供的拉刀刀具，包括刀具基体以及涂覆在刀具基体表面的铝钛硅涂层。铝钛硅涂层通过真空镀膜的方式沉积在刀具基体表面。
刀具基体由不锈钢合金制成，本实施例中将该合金命名为S390钢，其包括重量百分比为1.3％～2％的C、4％～5％的Cr、1.5％～3％的Mo、4％～6％的V、8％～12％的W、7％～9％的Co，余量为Fe。优选组成为包括重量百分比为1.64％的C、4.75％的Cr、3％的Mo、4.8％的V、10.40％的W、7.98％的Co，余量为Fe。
合金中不同组分对合金性能的影响参见图1，C、V以及W对于合金中碳化物的含量影响最大，进而对于合金耐磨性的影响最大；Co对热硬性和抗压性的性能的影响最大。
相对于传统的采用S500钢制备的拉刀刀具，本实施例中的S390钢合金减少了Mo含量，增加了V和W的含量，组分比对见表1：
表1 S390钢合金与S500钢组分对比
Figure BDA0002340770850000041
S500钢和S390钢的红硬性和耐磨性的比较参见图2。根据图2可知，S390钢的红硬性和耐磨性均显著优于S500钢。
在合金制备工艺上，本发明的刀具基体合金采用粉末冶金工艺，传统的刀具基体合金采用传统冶炼工艺制备。通过对照根据两种工艺制备得到的合金的金相结构(图3)，本发明合金的粒度均匀度高，表面更光滑；而根据传统冶炼工艺制备得到的合金，粒度均一性低，表面凹凸不平，杂质感明显。
一方面，钨含量的增加，不仅增加了钢中碳化物含量外，而且还能部分地溶入铁中形成固溶体，从而显著增加钢的回火稳定性、红硬性、热强性以及由于形成碳化物而增加的耐磨性，能显著提高钢的切削性；钒和铁形成连续的固溶体，强烈地缩小奥氏体相区，实现了钢的实际晶粒度的调节，进而提高了钢的淬透性，并且钒和碳、氮、氧都有极强的亲和力，有助于提高钢的强度和韧性，更能满足刀具用钢高强度和高硬度的需求。另一方面，V和W的含量增加，Mo含量的降低，增加了刀具基体与铝钛硅涂层之间的膜基结合力和残余应力，有助于涂层沉积实现。
本实施例中，铝钛硅涂层中铝元素的重量百分比为50％～70％，钛元素的重量百分比为20％～40％，硅元素的重量百分比为5％～15％。其中，铝元素的重量百分比优选为60％，钛元素的重量百分比优选为30％，硅元素的重量百分比优选为10％。
本实施例中铝钛硅涂层的厚度为3.1μm，热稳定温度为1000℃。根据DIN ENISO8505标准进行硬度测试，铝钛硅涂层的硬度为4000HV；根据VDLRL3196进行结合力测试，其摩擦系数为0.45。通过实验摸索，该性能的铝钛硅涂层能够采用传统镀膜工艺能够实现镀膜沉积，且能大幅提高刀具的硬度和强度，使其加工寿命由当前的20000件提升至60000件，综合考虑加工成本，性价比最高。
TiALSiN涂层是在真空条件下采用物理方法，将固体材料源表面气化成气态原子、分子或部分电离成离子通过低气压过程在基体表面沉积具有某种特殊功能的薄膜技术。具体步骤如下：
A、刀具基体预处理
将刀具基体进行去毛刺、超声清洗以及烘干预处理，得到表面光滑的刀具基体。超声清洗时所采用的超声波频率为50～100KHz，超声波清洗时间为10～20min，而后采用超纯水冲洗5～10min，氮气吹干。
B、涂层沉积
将预处理后的刀具基体安装入真空镀膜机中，加热至450℃，同时调节至真空度为5～6×10-3Pa；打开氩气流量阀，并调节真空度至0.1～10Pa，调节离子轰击电压至200V～1kV负高压，离击时间5min～30min，对刀具基体表面进行等离子清洗；而后打开纯钛靶和N2流量阀，先沉积氮化钛打底层15～20min；再打开铝钛硅靶，调节真空度至3～5Pa，调节电流至150～200A，进行铝钛硅纳米复合层沉积20～30min。
表面微观结构对比结果见图4，涂层前，刀具表面呈现凹凸状，涂层后刀具表面光滑。TiALSiN涂层实现了刀具抗机械磨损性和热硬性的大幅提高，满足了高度加工对于刀具材料的硬度和强度的性能需求。通过实际验证，本发明的拉刀刀具寿命由当前的20000件提升至60000件，极大降低了更换刀具的频率，提高了拉床的工作效率。
以上已对本发明创造的较佳实施例进行了具体说明，但本发明创造并不限于所述实施例，熟悉本领域的技术人员在不违背本发明创造精神的前提下还可作出种种的等同的变型或替换，这些等同的变型或替换均包含在本申请权利要求所限定的范围内。

Claims (6)

1.一种拉刀刀具，其特征在于，包括刀具基体以及涂覆在所述刀具基体表面的铝钛硅涂层，
其中，所述刀具基体由合金制成，该合金包括重量百分比为1.3％～2％的C、4％～5％的Cr、1.5％～3％的Mo、4％～6％的V、8％～12％的W、7％～9％的Co，余量为Fe；
所述铝钛硅涂层中铝元素的重量百分比为50％～70％，钛元素的重量百分比为20％～40％，硅元素的重量百分比为5％～15％。
2.根据权利要求1所述的拉刀刀具，其特征在于：
其中，所述合金包括重量百分比为1.64％的C、4.75％的Cr、3％的Mo、4.8％的V、10.40％的W、7.98％的Co，余量为Fe；
所述铝钛硅涂层中铝元素的重量百分比为60％，钛元素的重量百分比为30％，硅元素的重量百分比为10％。
3.根据权利要求1所述的拉刀刀具，其特征在于：
其中，所述刀具基体合金采用粉末冶金工艺制备。
4.根据权利要求1所述的拉刀刀具，其特征在于：
其中，所述铝钛硅涂层的硬度为4000HV，摩擦系数为0.45，厚度为3.1μm。
5.权利要求1所述的拉刀刀具的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
A、刀具基体预处理
将刀具基体进行去毛刺、超声清洗以及烘干预处理，得到表面光滑的刀具基体；
B、涂层沉积
将预处理后的刀具基体安装入真空镀膜机中，加热至450℃，同时调节至真空度为5～6×10-3Pa；打开氩气流量阀，并调节真空度至0.1～10Pa，调节离子轰击电压至200V～1kV负高压，离击时间5min～30min，对刀具基体表面进行等离子清洗；而后打开纯钛靶和N2流量阀，先沉积氮化钛打底层15～20min；再打开铝钛硅靶，调节真空度至3～5Pa，调节电流至150～200A，进行铝钛硅纳米复合层沉积20～30min。
6.根据权利要求5所述的拉刀刀具的制备方法，其特征在于：
其中，步骤A中，超声清洗时所采用的超声波频率为50～100KHz，超声波清洗时间为10～20min，而后采用超纯水冲洗5～10min，氮气吹干。
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