CN111286661A

CN111286661A - 一种高温合金加工工具及其应用

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Publication number: CN111286661A
Application number: CN202010129111.8A
Authority: CN
Inventors: 殷磊; 周爱国; 谭卓鹏; 欧阳水林; 傅声华; 薛彦; 张坤; 廖星文
Original assignee: Ganzhou Achteck Tool Technology Co ltd
Current assignee: Ganzhou Achteck Tool Technology Co ltd
Priority date: 2020-02-28
Filing date: 2020-02-28
Publication date: 2020-06-16

Abstract

本发明公开了一种高温合金加工工具及其应用，所述工具包括基底，该包含基底按重量百分比计的化学成分：钴(Co)10‑13％、铬(Cr)0.4‑1.3％、碳化钨(WC)84‑89％、稀有金属元素0.2‑1.5％。高温合金加工工具具有优异的切削性能、高温强硬度和高使用寿命。实际切削结果表明具有上述组成的基底比目前已知的高温合金机械加工用切削工具表现好，搭配涂层后在半精加工和精加工方面表现更好。

Description

一种高温合金加工工具及其应用

技术领域

本发明属于材料加工领域，具体涉及一种高温合金加工工具及其应用。

背景技术

目前，高温合金主要应用于航空航天、航舶等领域；其中常见的镍基合金零部件有航空发动机涡轮盘、叶片等，常见的钛基合金有零部件有Ti5553材质的飞机起落架支柱、TiAl6V4的发动机支架和机翼结构件等。

高温合金具有高温化学活性大、导热系数低、弹性模量低、与其它金属相比摩擦系数大的特点，基于以上特性，高温合金(例如钛合金)切削加工过程中存在切屑的变形系数小、单位面积的切削力大、切削温度高、冷硬、粘结、扩散严重等现象。用于切削的工具容易产生磨料磨损、粘接磨损和扩散磨损。

制作高温合金加工工具采用的材料主要有WC-Co硬度合金、金属陶瓷、PCBN、PCD等。其中WC-Co硬度合金工具在车削和铣削方面得到了广泛的应用，金属陶瓷、PCBN、PCD等工具主要应用于车削精加工。其中，WC-Co硬质合金无涂层工具主要用于钛合金材料的粗加工领域，涂层工具则主要应用于钛合金材料的精加工领域。现今，主流的高温合金加工工具牌号有MS2050、WSM45X、CTC5240等，具体牌号如山高XOEX 10T324R-M06 MS2050、218.20-100ER-ME05 MS2050、Jabro JHP 770，瓦尔特玉米铣刀M3255、整体铣刀Ti40、Ti50等。

如前所述，金属陶瓷、PCBN、PCD等材料因其具备高硬度等特性，被广泛应用于钛合金的连续精车削加工，但其同时存在脆性大的缺陷，导致工况适用能力较差，且不可循环使用。为了降低加工成本，更多以硬质合金为基底的加工工具被应用于高温合金的切削加工领域。

US6575671公开了一种含铬的硬质合金基底，其设有由倾斜面和侧面交叉构成的切削刃，并由如下成分组成：10.4-12.7重量百分比(重量％)的钴，0.2-1.2重量％的铬，以及86.1-89.4重量％的碳化钨。由这种基底制成的刀具需要磨制刃口后才能使用，刀具精度较差，难以适用于高温合金的精加工状况。

为了适应更高的精度要求、满足更长的切削寿命需求，越来越多的涂层被开发，并应用于加工工具，以提高其高温合金加工性能。

EP2201152B1公开了一种特别是用于钛基合金机械加工的切削工具刀片，该刀片包含硬质合金基底和涂层。所述硬质合金基底如下成分组成：4-14重量％的Co，元素Ti、Ta、Nb或Cr中的至少一种，其重量％不超过5，以及余量的WC。所述涂层由一个或多个难熔化合物层构成，其中至少一层包含NbN立方晶体。

CN100525968公开了一种切削工具，包括基底和涂层，所述涂层由一层或多层的难熔化合物层构成，所述难熔化合物层中至少一层包含h-Me1Me2X相，其中，Me为金属元素V、Cr、Nb和Ta中的至少一种，Me2为金属元素Ti、Zr、Hf、Al和Si中的至少一种，X为非金属元素N、C、O或B中的至少一种。

US 5325747公开了一种涂层切削工具刀片，其包含基底和涂层，所述涂层包含至少一个可能具有残余拉应力的CVD层，以及至少一个具有高残余压应力的层。涂层的最外层优选为具有残余压应力的层。基底为具有硬质难熔晶粒的复合物。

CN201380034919公开了一种涂层切削刀片，其包含硬质合金基底和包含NbN层的涂层，其中硬质合金基底包含11-12.5重量％的钴、0.2-1.2重量％的铬和86.3-88.4重量％的碳化钨。

综上所述，现有技术中，用于高温合金加工领域的工具所采用的基体材质大多含有Ti、Ta等元素，这些元素在提高硬质合金硬度的同时，降低了基体韧性，导致工具在加工过程更容易产生崩刃。

发明内容

为解决现有技术中存在的缺陷和不足，本发明的一个目的在于提供具有耐高温性能、抗崩损能力、高耐磨损能力和长使用寿命的高温合金加工工具。

为达到上述目的，本发明通过以下技术方案实现：

高温合金加工工具，所述工具包括基底，该基底包含按重量百分比计的化学成分：钴(Co)10-13％、铬(Cr)0.4-1.3％、碳化钨(WC)84-89％、稀有金属元素0.2-1.5％。

当按重量百分比计的化学成分相加不足100％时，余量为不可避免的杂质成分。本发明中所涉及的“杂质”、“杂质成分”、“杂质元素”等技术名称，所指仅限于存在于原材料(如矿石等)、燃料(如焦炭等)、添加剂或催化剂等中的，经由冶金过程不可避免地掺杂进入到最终成品合金中的成分，如磷(P)、硫(S)或碳化物等，其含量无需足以影响合金性能；除此之外的化学成分，如能够提供或影响合金性能的钛(Ti)、钽(Ta)等，其含量微小时，亦可属于杂质，其提供或影响的合金性能通常起到正面作用(如降低对于恶劣工况的适应性等)，同样地，其含量亦无需足以产生或影响合金性能。

已经证实，含量在上述范围内的钴元素使得基体材料具有良好的抗冲击性能，从而提高刀具使用寿命；含量在上述范围内的稀有金属元素使得基体材料高温硬度和强度获得提升。因此，以上述基底制备的高温合金加工工具具有优异的切削性能、高温强硬度和高使用寿命。实际切削结果表明具有上述组成的基底比目前已知的高温合金机械加工用切削工具表现好，搭配涂层后在半精加工和精加工方面表现更好。

在其中一个实施例中，所述基底中稀有金属元素包括以下各项中的至少一者：铼(Re)、钌(Ru)、钇(Y)、镧(La)、铈(Ce)、镨(Pr)、钐(Sm)、铽(Tb)或镝(Dy)。所述稀有金属元素包括了通常所称的稀土金属元素，稀有金属添加至钴、铬、钨等合金中，具有净化合金晶界、抑制合金高温相变的作用，从而改善合金的物理化学性能，并提高合金的高温机械性能。本发明中，能够提高加工工具的高温硬度和强度。此外，稀土金属元素一般较软、可锻、有延展性，在高温下呈粉末状其反应性尤为强烈。因此，在加工工具的基底中添加的上述元素具有优秀的冶金性能，在基底的冶炼制备过程中不会增加工艺难度，利于技术推广，采用粉末冶金技术制备基底时，效果明显。

在其中一个实施例中，所述基底中化学成分稀有金属(Ru、Re、Dy等)的重量百分比优选为0.5-1.5％。含量在上述范围内的稀有金属元素作为含钴合金的添加剂，使得合金粘结相显微组织均匀，合金具有更高的硬度和强度。

在其中一个实施例中，所述基底中化学成分铬(Cr)的重量百分比优选为0.8-1.3％。含量在上述范围内的铬元素作为含钴合金的添加剂，使得合金显微组织均匀，具有更好的耐腐蚀能力。

在其中一个实施例中，所述基底中化学成分碳化钨(WC)的重量百分比优选为85-86％。

在其中一个实施例中，所述基底中化学成分碳化钨(WC)的显微组织在研磨抛光的截面的平均截距长度为0.5-1.6μm。

WC相具有细化的晶粒。

在其中一个实施例中，所述基底的矫顽力为100-260Oe。

在其中一个实施例中，所述基底的矫顽力优选为150-230Oe。

WC-Co类硬质合金中均匀分布着体积含量较少的磁性Co相和体积含量较多的非磁性WC相，而只有铁磁性物质Co才会在外磁场作用下显现出磁性。矫顽力是其中一个很重要的参数，它能够反应合金晶粒大小和分布等状况。利用合金矫顽力能够无损检测合金相关性能。合金的矫顽力受到钴含量、合金总碳、烧结工艺及添加剂等因素的影响，通过控制矫顽力能够将上述影响因素综合调控至相互协调状态，以此来总体控制合金质量。

将矫顽力控制在上述范围内，可以得到WC相晶粒细化、分布均匀的合金基底。

在其中一个实施例中，所述基底的抗弯强度4000-5500MPa。基底的抗弯强度在此范围内具有更好的抗冲击能力。

在其中一个实施例中，所述基底的断裂韧性≥16MPam^1/2。基底的断裂韧性在此范围内具有更好的抗崩损能力。

本发明的第二个目的在于提供上述高温合金加工工具的应用。

上述的高温合金加工工具应用在切削镍基高温合金、钛基高温合金方面。

在其中一个实施例中，上述的高温合金加工工具在切削镍基高温合金、钛基高温合金方面的应用，特别是用于粗加工和中等粗加工方面。

在其中一个实施例中，上述的高温合金加工工具在切削镍基高温合金、钛基高温合金方面的应用，特别是用于半精加工和精加工方面，在此应用方面，所述工具的基底在表面之上涂覆有涂层。

所述涂层可以采用PVD、CVD等技术形成，本专利的说明书和权利要求书中，使用的术语“在......上/之上涂覆”、“在......上/之上形成”、“在......上/之上沉积”和“在......上/之上提供”是指在表面和/或空间上形成、沉积或提供，但并非一定和表面接触。例如，在基底“之上涂覆”涂层不排除在所形成的涂层和基底之间存在相同或不同组成的一层或多层其它涂层。举例来说，基底本身可以包括冶金过程中在其表面形成的成分均一的层/膜，例如那些本领域已知的合金基底本身表面形成的氧化层/膜。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

高温合金加工工具基底中加入了稀有金属元素，可以改善合金的物理化学性能，本发明中，能够提高加工工具的高温硬度和强度，使得工具在切削高温合金过程中表现良好的抗崩损能力和高耐磨损能力；另一方面，申请人发现，现有技术中用于高温合金加工领域的工具所采用的基体材质大多含有Ti、Ta等元素，这些元素在提高硬质合金硬度的同时，降低了基体韧性，导致工具在加工过程更容易产生崩刃。本申请优选只含有Co、WC、Cr的硬质合金刀具，韧性比含有Ti、Ta等元素的硬质合金要好，但是也不排除实际生产中含有微量Ti、Ta等元素，虽然含有微量Ti、Ta等元素可能导致恶劣工况下性能下降；此外，为了达到足以适用于高温合金加工状况的精度和使用寿命等性能，上述的加工工具需要在表面涂覆涂层，导致制造成本高，工序复杂，且难以重复利用，本申请的技术方案在未涂覆涂层时其性能就可以超越传统刀具，涂覆涂层后性能更优；

添加的稀有金属元素具有优秀的冶金性能，在基底的冶炼制备过程中不会增加工艺难度，利于技术推广，采用粉末冶金技术制备基底时，效果明显；

本发明范围内含量的钴元素使得合金基底具更高的韧性，并能减少对冲击的敏感性能，延长工具的使用寿命；

将矫顽力控制在本发明的范围内，可以得到WC相晶粒细化、分布均匀的合金基底；

本发明的工具既可以单独用于切削加工高温合金，又可以搭配不同的涂层制作成涂层刀具来切削加工高温合金，具有更广的适用范围。

附图说明

图1是本发明具体实施方式的基底显微组织照片。

具体实施方式

以下通过具体实施例再对本发明的上述内容作进一步的详细说明。但不应将此理解为本发明上述主题的范围仅局限于以下的实施例。在不脱离本发明上述技术思想的情况下，根据本领域普通技术知识和惯用手段做出的各种替换或变更，均应包括在本发明的范围内。

在本文中所披露的范围的端点和任何值都不限于该精确的范围或值，这些范围或值应当理解为包含接近这些范围或值的值。对于数值范围来说，各个范围的端点值之间、各个范围的端点值和单独的点值之间，以及单独的点值之间可以彼此组合而得到一个或多个新的数值范围，这些数值范围应被视为在本文中具体公开。

根据本发明的一个示例性实施方式，通过如下方式制造基底：粉末冶金技术，湿式研磨形成硬质成分和粘结相的粉末，将研磨的混合物压制成所需形状和大小的坯体并进行烧结。根据所述方法，提供的基底包含10-13重量％的Co、0.4-1.3重量％的Cr，84-89重量％的WC、0.2-1.5重量％的稀有金属，余量是不可避免的其他杂质成分。在研磨和抛光的代表性截面上测量的碳化钨相的平均截距长度在0.4-1.0μm的范围内。通过本示例性实施方式制得的基底显微组织照片如图1所示，显微组织晶粒细小，分布均匀，无明显分布取向，未形成条带状碳化物。

实施例一

实施例一根据本发明的一种示例性实施方式的制成的高温合金切削刀具，其基底具有的组成为11.5重量％的Co、0.85重量％的Cr，87重量％的WC、0.6重量％的稀有金属，余量是不可避免的其他杂质成分，本实施例中，稀有金属元素为质量百分比1:2和La和Tb的混合物。通过常规研磨粉末、压制生坯压坯和烧结制成基底，随后由上述基底制造切削刀具。对烧结后的基底显微组织进行研究，测得碳化钨相的平均截距长度为0.50μm，对基底的机械/力学性能进行测试，测得以下参数：矫顽力206Oe，抗弯强度4582MPa，断裂韧性18.6MPam^1/2。

实施例二

实施例二根据本发明的一种示例性实施方式的制成的高温合金切削刀具，其基底具有的组成为12.8重量％的Co、0.95重量％的Cr，1.5重量％的稀有金属，余量是WC和不可避免的其他杂质成分，本实施例中，稀有金属元素为质量百分比为1:3的Re和Dy。通过常规研磨粉末、压制生坯压坯和烧结制成基底，随后由上述基底制造切削刀具。对烧结后的基底显微组织进行研究，测得碳化钨相的平均截距长度为0.56μm，对基底的机械/力学性能进行测试，测得以下参数：矫顽力212Oe，抗弯强度4986MPa，断裂韧性19.1MPam^1/2。

对照实施例

对照实施例根据现有技术的一种示例性实施方式的制成的高温合金切削刀具，其具有的组成为12.8重量％的Co、0.95重量％的Cr，余量是WC。与本发明相比，其基底不含有稀有金属元素。通过常规研磨粉末、压制生坯压坯和烧结制成基底，随后由上述基底制造切削刀具。对烧结后的基底显微组织进行研究，测得碳化钨相的平均截距长度为0.56μm，对基底的机械/力学性能进行测试，测得以下参数：矫顽力221Oe，抗弯强度4184MPa，断裂韧性15.8MPam^1/2。

通过上述各实施例所制造的刀具对Ti-6Al-4V航空发动叶片样品的仿型铣削进行测试：

材料：钛Ti-6Al-4V

部件：叶片

刀片类型：RPMT 1204MOE-T1000

切削速度：35m/分钟

进给：0.15mm/齿

切口深度：1.5mm

冷却剂：乳化液

测试结果如表1所示。

表1

	工具寿命(工件数)
		实施例一	7
实施例二	8
		对照实施例	3

通过上述各实施例所制造的刀具对HST2425钛合金铰链方肩铣削进行测试：

材料：钛HST2425

部件：铰链

刀片类型：LNMX 060410R-MM3

切削速度：75m/分钟

进给：0.45mm/齿

切口深度：0.8mm

冷却剂：乳化液

测试结果如表2所示。

表2

	工具寿命(min)
		实施例一	46.7
实施例二	47.6
		对照实施例	29.3

结果显示，在铣削操作中，本发明刀具的工具寿命相对于现有技术有着显著的提高。

以上实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims

1.一种高温合金加工工具，其特征在于，所述工具包括基底，该基底包含按重量百分比计的化学成分：钴(Co)10-13％、铬(Cr)0.4-1.3％、碳化钨(WC)84-89％、稀有金属元素0.2-1.5％。

2.根据权利要求1所述的高温合金加工工具，其特征在于，所述基底中稀有金属元素包括以下各项中的至少一者：铼(Re)、钌(Ru)、钇(Y)、镧(La)、铈(Ce)、镨(Pr)、钐(Sm)、铽(Tb)或镝(Dy)。

3.根据权利要求1所述的高温合金加工工具，其特征在于，所述基底中化学成分铬(Cr)的重量百分比为0.8-1.3％。

4.根据权利要求1所述的高温合金加工工具，其特征在于，所述基底中化学成分碳化钨(WC)的重量百分比为85-86％。

5.根据权利要求4所述的高温合金加工工具，其特征在于，所述基底中化学成分碳化钨(WC)的显微组织在研磨抛光的截面的平均截距长度为0.5-1.6μm。

6.根据权利要求1-5任一项所述的高温合金加工工具，其特征在于，所述基底的矫顽力为100-260Oe。

7.根据权利要求1-5任一项所述的高温合金加工工具，其特征在于，所述基底的抗弯强度4500-5500MPa。

8.根据权利要求1-5任一项所述的高温合金加工工具，其特征在于，所述基底的断裂韧性≥16MPam^1/2。

9.根据权利要求6所述的高温合金加工工具，其特征在于，所述基底的矫顽力为150-230Oe。

10.根据权利要求1-9任一项所述的高温合金加工工具在切削镍基高温合金或钛基高温合金方面的应用。

11.根据权利要求10所述的高温合金加工工具在切削镍基高温合金、钛基高温合金方面的应用，其特征在于，用于粗加工和中等粗加工方面。

12.根据权利要求10所述的高温合金加工工具在切削镍基高温合金或钛基高温合金方面的应用，其特征在于，在所述工具的基底表面之上涂覆有涂层，用于半精加工和精加工方面。