CN112439889B - 一种包覆富镍镍钛合金的钛或钛合金复合刀具的制备方法 - Google Patents

一种包覆富镍镍钛合金的钛或钛合金复合刀具的制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种包覆富镍镍钛合金的钛或钛合金复合刀具的制备方法，该方法包括以下步骤：一、机械加工；二、熔炼与浇铸；三、热处理；四、机械加工。本发明通过机械加工得到刀具坯芯，通过熔炼与浇铸将富镍镍钛合金和钛或钛合金的优势充分结合，制备了包覆富镍镍钛合金的钛或钛合金复合刀具，具有较高的强度和耐磨性，满足了复合刀具对强度和耐磨性的要求，表面的富镍镍钛合金具有良好的耐蚀性，可用于海洋环境和水下作业，芯部的钛或钛合金具有良好的弹性和韧性匹配，可以起到缓冲的作用，避免复合刀具因受较大应力而开裂，本发明制备工艺简单、生产效率高、材料利用率高、成本低，能有效解决传统复合刀具制备过程的工艺复杂、成本高昂等缺点。

Description

一种包覆富镍镍钛合金的钛或钛合金复合刀具的制备方法
技术领域
本发明属于金属复合刀具技术领域，具体涉及一种包覆富镍镍钛合金的钛或钛合金复合刀具的制备方法。
背景技术
富镍镍钛合金属于二元Ni-Ti系合金中一种富镍特殊成分的合金，该合金具有较高的硬度(HRC＝56～62)，较低的弹性模量,较低的密度(6.71g/cm3)，良好的耐磨性能、耐腐蚀性能和尺寸稳定性等，有望成为未来航空航天、海洋工程和武器装备等领域的重要结构材料。虽然，富镍镍钛合金有上述诸多优点，但是，由于富镍镍钛合金具有金属间化合物的本征脆性，导致直接使用富镍镍钛合金制备的刀具脆性较大，固溶硬化处理容易开裂，而且，硬化处理后的延伸率不到2％。然而，钛或钛合金具有密度低(4.5g/cm3)、比强度高、弹性模量低，良好的强度、塑性和韧性匹配等优异的综合性能。但是，钛或钛合金的硬度较低，目前高强钛合金硬度最高为HRC＝46。此外，钛或钛合金耐磨性也较差。因此，也不能直接用钛或钛合金制备刀具。
因此需要一种既具有较高的强度和耐磨性，又具有良好的耐蚀性的刀具。
发明内容
本发明所要解决的技术问题在于针对上述现有技术的不足，提供一种包覆富镍镍钛合金的钛或钛合金复合刀具的制备方法。该方法通过机械加工得到模具，通过熔炼与浇铸将富镍镍钛合金和钛或钛合金的优势充分结合，制备了包覆富镍镍钛合金的钛或钛合金复合刀具，具有较高的强度和耐磨性，满足了复合刀具对强度和耐磨性的要求，并具有良好的耐蚀性，可用于海洋环境和水下作业，芯部的钛或钛合金具有良好的弹性和韧性匹配，可以起到缓冲的作用，避免复合刀具因受较大应力而开裂，本发明制备工艺简单、生产效率高、材料利用率高、成本低，能有效解决传统复合刀具制备过程的工艺复杂、成本高昂等缺点。
为解决上述技术问题，本发明提供的技术方案为：一种包覆富镍镍钛合金的钛或钛合金复合刀具的制备方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：
步骤一、机械加工：将钛或钛合金板进行加工，得到刀具坯芯；
步骤二、熔炼与浇铸：将富镍镍钛合金铸锭放入真空凝壳炉的坩埚中进行真空熔炼，得到富镍镍钛合金熔液，然后将得到的富镍镍钛合金熔液浇铸到放置有步骤一中得到的刀具坯芯的模具中，冷却后得到浇铸刀具坯体；所述富镍镍钛合金铸锭中镍的质量分数为59％～61％；
步骤三、热处理：将步骤二中得到的浇铸刀具坯体依次进行固溶处理和退火处理，得到热处理后的刀具坯体；
步骤四、机械加工：将步骤三中得到的热处理后的刀具坯体进行机械加工，得到包覆富镍镍钛合金的钛或钛合金复合刀具。
本发明通过将钛或钛合金板加工为刀具坯芯，然后将富镍镍钛合金浇注在刀具坯芯表面，在通过固溶、退火和机械加工处理，得到了包覆富镍镍钛合金的钛或钛合金复合刀具，解决了直接使用富镍镍钛合金制备的刀具脆性较大，固溶硬化处理容易开裂的不足，也解决了直接使用钛或钛合金制备的刀具硬度较低，耐磨性较差的不足，制备的复合刀具的坯芯为钛或钛合金，表层为富镍镍钛合金，将富镍镍钛合金与钛或钛合金的优势充分结合，复合刀具表层的富镍镍钛合金，具有较高的强度和耐磨性，满足了复合刀具对强度和耐磨性的要求，并具有良好的耐蚀性，可用于海洋环境和水下作业，复合刀具芯部的钛或钛合金具有良好的塑性和韧性匹配，可以起到缓冲作用，避免复合刀具因受较大应力而开裂，此外，制备的复合刀具还具有密度较小，便于携带和使用的优点；本发明在浇铸后，使富镍镍钛合金与钛或钛合金之间形成过渡层，将富镍镍钛合金与钛或钛合金通过过渡层很好的熔合在一起，在复合刀具的使用过程中过渡层主要起到了传递能量的桥梁作用，富镍镍钛合金能够通过过渡层桥梁将受到的较大的的冲击功传递给芯部塑性和韧性匹配较好的钛或钛合金材料，通过弹性应变吸收和消耗这些能量，最终起到缓冲作用，避免富镍镍钛合金因应力集中导致刀具开裂；本发明通过固溶处理，使浇铸刀具坯体表面包覆的富镍镍钛合金中的Ni3Ti2相和Ni3Ti相充分固溶，同时析出具有较高硬度的细针状Ni4Ti3相，Ni4Ti3相属于对称性较差的菱形晶体结构，此外，Ni4Ti3相的广义层错能较高，滑移系很难开动，因此，Ni4Ti3相具有较高的硬度，从而使复合刀具获得具有较高硬度、较好耐磨性和耐腐蚀性能的表层组织；本发明通过退火处理，消除了固溶过程中析出Ni4Ti3相造成的较大的相变内应力，增加了热处理后的刀具坯体的延展性和韧性，提高了复合刀具的性能；本发明通过将热处理后的刀具坯体进行机械加工，去除了经热处理后的刀具表面的氧化层，并将刀具通过机械加工成所需的成品复合刀具，便于携带和使用。
上述的一种包覆富镍镍钛合金的钛或钛合金复合刀具的制备方法，其特征在于，步骤一中所述机械加工的过程为：采用线切割机床、数控车床、数控铣床和数控磨床，将钛或钛合金板加工为厚1mm～3mm的刀具坯芯。本发明对钛或钛合金板采用线切割机床、数控车床、数控铣床和数控磨床进行加工，可根据具体需要加工出任意形状的刀具坯芯，使本发明制备的复合刀具满足实际使用的需求，本发明通过控制刀具坯芯的厚度，使复合刀具芯部的钛或钛合金具有良好的弹性和韧性匹配，在复合刀具使用过程中，当复合刀具受到较大的冲击功时，芯部的钛或钛合金可以通过弹性应变吸收和消耗这些能量，最终起到缓冲作用，避免富镍镍钛合金因应力集中导致复合刀具开裂，芯部的钛或钛合金厚度为1mm～3mm，可以吸收较多的能量，起到很好的缓冲作用，芯部钛或钛合金厚度过小，吸收能量较小，不能起到充分的缓冲作用，芯部钛或钛合金厚度过大，只有部分钛或钛合金层起到了缓冲作用，此外，复合刀具厚度会相对较厚，较笨重，不利于携带和使用，也会影响外观。
上述的一种包覆富镍镍钛合金的钛或钛合金复合刀具的制备方法，其特征在于，步骤二中所述真空熔炼的电流为16000A～18000A，电压为36V～39V，真空度为2.5Pa～3.5Pa。本发明通过控制真空熔炼的电流和电压，实现了富镍镍钛合金铸锭的完全熔化，使后续的浇注处理顺利进行，保证了不会因电流和电压过小，导致的富镍镍钛合金铸锭不能被充分熔化，影响浇铸，降低生产效率的不足，也保证了不会因电流和电压过大，导致的造成熔炼过程中部分元素的挥发，影响合金成分，提高生产成本的不足；本发明通过控制真空熔炼的真空度，提高了富镍镍钛合金熔液的质量，保证了浇铸刀具坯体表面的富镍镍钛合金既不会发生增氧，影响性能，也能保证生产效率，降低生产成本，避免了真空度较低，熔炼和浇铸过程中都会造成材料增氧，材料中氧含量的增加会严重影响材料的性能，会降低富镍镍钛合金的硬度，会严重降低钛或钛合金的塑性和韧性等综合性能，影响浇铸后过渡层的质量，最终对复合刀具的性能产生严重不良影响的不足，避免了真空度过高，需要增加抽真空机械系统的运行时间，增加了生产成本，降低了生产效率的不足。
上述的一种包覆富镍镍钛合金的钛或钛合金复合刀具的制备方法，其特征在于，步骤二中所述浇铸刀具坯体中富镍镍钛合金浇铸层的厚度为2mm～4mm。本发明通过控制富镍镍钛合金浇铸层的厚度，保证了复合刀具中芯部的钛或钛合金和包覆的富镍镍钛合金具有合适的厚度匹配，避免了厚度过小导致的造成表层富镍镍钛合金层较薄，使用过程中不能充分发挥富镍镍钛合金本身具有的高硬度，良好的耐磨性和耐腐蚀性等优点，在使用过程中复合刀具会不断磨损，会严重缩短富镍镍钛合金层的使用寿命，避免了厚度过厚导致的使用过程中，复合刀具受到冲击功后不能很好的将能量传递给芯部的钛或钛合金层，可能会由于表层富镍镍钛合金层应力集中，造成复合刀具开裂，另一方面富镍镍钛合金的密度要大于钛或钛合金的密度，厚度过厚，会增加刀具的重量，使刀具不够轻便，不利于携带和使用。
上述的一种包覆富镍镍钛合金的钛或钛合金复合刀具的制备方法，其特征在于，步骤二中所述冷却的过程为：在真空度不大于5Pa的条件下随炉冷却。本发明通过控制冷却过程的真空度，保证了浇铸刀具坯体表面不会形成氧化层，提高了复合刀具的质量。
上述的一种包覆富镍镍钛合金的钛或钛合金复合刀具的制备方法，其特征在于，步骤三中所述固溶处理的过程为：加热至1090℃～1110℃后保温2h～2.5h，然后进行空冷。本发明通过控制固溶处理的温度和时间，保证了浇铸刀具坯体表面包覆的富镍镍钛合金中的Ni3Ti2相和Ni3Ti相充分固溶，使包覆的富镍镍钛合金中具有合适的晶粒尺寸，避免了温度过高，会增加富镍镍钛合金中晶粒的尺寸，晶粒过大，对该合金的性能会产生不利影响的不足，避免了温度过低，Ni3Ti2相和Ni3Ti相不能充分溶解，也会大大降低富镍镍钛合金的硬度和耐摩擦的不足，避免了时间过短Ni3Ti2相和Ni3Ti相不能充分溶解，会大大降低富镍镍钛合金的硬度和耐摩擦的不足，避免了时间过长，晶粒会生长过大，对包覆富镍镍钛合金的钛合金复合刀具的性能会产生不利影响的不足；本发明通过空冷的目的是为了保证特定的冷却速率，同时减少热处理后的刀具坯体冷却过程中的内应力，避免热处理后的刀具坯体由于内应力过大开裂。
上述的一种包覆富镍镍钛合金的钛或钛合金复合刀具的制备方法，其特征在于，步骤三中所述退火处理的过程为：加热至440℃～460℃后保温4h～4.5h，然后进行空冷。本发明通过控制退火处理的温度和时间，保证了固溶过程中析出Ni4Ti3相造成的较大的相变内应力的完全消除，降低生产成本，提高生产效率，避免了温度过高和保温时间过长导致的造成硬相Ni4Ti3相的分解，严重影响富镍镍钛合金的硬度、耐磨性和耐腐蚀性，也避免了温度过低和保温时间过短导致的内应力不能完全消除，影响复合刀具性能的不足；本发明通过空冷的目的是为了保证特定的冷却速率，保证了形成的Ni4Ti3相的不会发生分解。
上述的一种包覆富镍镍钛合金的钛或钛合金复合刀具的制备方法，其特征在于，步骤四中所述机械加工的过程为：使用线切割机床、数控车床、数控铣床和数控磨床将热处理后的刀具坯体加工为包覆富镍镍钛合金的钛或钛合金复合刀具。本发明通过系列的机械加工，去除了经热处理后的刀具坯体表面的氧化层，并将热处理后的刀具坯体通过机械加工成所需的成品复合刀具，便于携带和使用。
本发明与现有技术相比具有以下优点：
1、本发明将富镍镍钛合金与钛或钛合金的优势充分结合，制备了包覆富镍镍钛合金的钛或钛合金复合刀具，坯芯为钛或钛合金，表层为富镍镍钛合金，表层的富镍镍钛合金，具有较高的强度和耐磨性，满足了复合刀具对强度和耐磨性的要求，并具有良好的耐蚀性，可用于海洋环境和水下作业，芯部的钛或钛合金具有良好的弹性和韧性匹配，可以起到缓冲作用，避免复合刀具因受较大应力而开裂。
2、本发明通过简单的浇注处理制备了包覆富镍镍钛合金的钛或钛合金复合刀具，制造方法简单、灵活，可以制造不同尺寸、符合技术要求的各种包覆富镍镍钛合金的钛或钛合金复合刀具，解决了传统复合刀具制造工艺复杂、成本高和效率低的缺点。
3、本发明使用的富镍镍钛合金与钛或钛合金的密度都较低，制备的复合刀具重量较轻，便于使用。
综上所述，本发明制备的复合刀具具有很好的耐蚀性，可用于海洋环境和水下作业，本发明生产工艺流程短、成本低，能有效解决传统复合刀具制造工艺复杂、成本高等缺陷。
下面通过附图和实施例对本发明的技术方案作进一步的详细描述。
附图说明
图1为本发明实施例1制备的包覆富镍镍钛合金的钛合金复合刀具的SEM图。
图2为本发明实施例2制备的包覆富镍镍钛合金的钛复合刀具的SEM图。
具体实施方式
实施例1
本实施例包括以下步骤：
步骤一、机械加工：将钛合金板进行机械加工，得到刀具坯芯；所述钛合金板的材质为TC4，所述机械加工的过程为：采用线切割机床、数控车床、数控铣床和数控磨床，将钛合金板加工为厚1mm～3mm的刀具坯芯；
步骤二、熔炼与浇铸：将富镍镍钛合金铸锭放入真空凝壳炉的坩埚中进行真空熔炼，得到富镍镍钛合金熔液，然后将得到的富镍镍钛合金熔液浇铸到放置有步骤一中得到的刀具坯芯的模具中，冷却后得到浇铸刀具坯体；所述真空熔炼的电流为16000A～18000A，电压为36V～39V，真空度为2.5Pa～3.5Pa；所述浇铸刀具坯体中富镍镍钛合金浇铸层的厚度为4mm；所述冷却的过程为：在真空度为4Pa的条件下随炉冷却；所述富镍镍钛合金铸锭中镍的质量分数为59％；
步骤三、热处理：将步骤二中得到的浇铸刀具坯体依次进行固溶处理和退火处理，得到热处理后的刀具坯体；所述固溶处理的过程为：加热至1100℃后保温2.5h，然后进行空冷；所述退火处理的过程为：加热至450℃后保温4.5h，然后进行空冷；
步骤四、机械加工：将步骤三中得到的热处理后的刀具坯体进行机械加工，得到包覆富镍镍钛合金的钛合金复合刀具；所述机械加工的过程为：使用线切割机床、数控车床、数控铣床和数控磨床将热处理后的刀具坯体加工为包覆富镍镍钛合金的钛合金复合刀具。
图1为本实施例制备的包覆富镍镍钛合金的钛合金复合刀具的SEM图，从图1中可以看出，上部分是TC4钛合金层组织，下部分为富镍镍钛合金层组织，两部分的交叉为过渡层，中间的过渡层没有任何缩孔、气孔和夹杂，说明两种材料已很好的熔合在一起，保证了包覆富镍镍钛合金的钛合金复合刀具的优异性能。
实施例2
本实施例包括以下步骤：
步骤一、机械加工：将钛板进行机械加工，得到刀具坯芯；所述钛板的材质为TA1，所述机械加工的过程为：采用线切割机床、数控车床、数控铣床和数控磨床，将钛板加工为厚1mm～2mm的刀具坯芯；
步骤二、熔炼与浇铸：将富镍镍钛合金铸锭放入真空凝壳炉的坩埚中进行真空熔炼，得到富镍镍钛合金熔液，然后将得到的富镍镍钛合金熔液浇铸到放置有步骤一中得到的刀具坯芯的模具中，冷却后得到浇铸刀具坯体；所述真空熔炼的电流为16000A～18000A，电压为36V～39V，真空度为2.5Pa～3.5Pa；所述浇铸刀具坯体中富镍镍钛合金浇铸层的厚度为3mm；所述冷却的过程为：在真空度为4.5Pa的条件下随炉冷却；所述富镍镍钛合金中镍的质量分数为60％；
步骤三、热处理：将步骤二中得到的浇铸刀具坯体依次进行固溶处理和退火处理，得到热处理后的刀具坯体；所述固溶处理的过程为：加热至1110℃后保温2.3h，然后进行空冷；所述退火处理的过程为：加热至440℃后保温4.3h，然后进行空冷；
步骤四、机械加工：将步骤三中得到的热处理后的刀具坯体进行机械加工，得到包覆富镍镍钛合金的钛复合刀具；所述机械加工的过程为：使用线切割机床、数控车床、数控铣床和数控磨床将热处理后的刀具坯体加工为包覆富镍镍钛合金的钛复合刀具。
图2为本实施例制备的包覆富镍镍钛合金的钛复合刀具的SEM图，从图2中可以看出，上部分是TA1钛合金层组织，下部分为富镍镍钛合金层组织，两部分的交叉为过渡层，中间的过渡层没有任何缩孔、气孔和夹杂，说明两种材料已很好的熔合在一起，保证了包覆富镍镍钛合金的钛合金复合刀具的优异性能。
实施例3
本实施例包括以下步骤：
步骤一、机械加工：将钛板进行机械加工，得到刀具坯芯；所述钛板的材质为TA1，所述机械加工的过程为：采用线切割机床、数控车床、数控铣床和数控磨床，将钛板加工为厚2mm～3mm的刀具坯芯；
步骤二、熔炼与浇铸：将富镍镍钛合金铸锭放入真空凝壳炉的坩埚中进行真空熔炼，得到富镍镍钛合金熔液，然后将得到的富镍镍钛合金熔液浇铸到放置有步骤一中得到的刀具坯芯的模具中，冷却后得到浇铸刀具坯体；所述富镍镍钛合金中镍的质量分数为61％；所述真空熔炼的电流为16000A～18000A，电压为36V～39V，真空度为2.5Pa～3.5Pa；所述浇铸刀具坯体中富镍镍钛合金浇铸层的厚度为2mm；所述冷却的过程为：在真空度为4Pa的条件下随炉冷却；
步骤三、热处理：将步骤二中得到的浇铸刀具坯体依次进行固溶处理和退火处理，得到热处理后的刀具坯体；所述固溶处理的过程为：加热至1090℃后保温2h，然后进行空冷；所述退火处理的过程为：加热至460℃后保温4h，然后进行空冷；
步骤四、机械加工：将步骤三中得到的热处理后的刀具坯体进行机械加工，得到包覆富镍镍钛合金的钛复合刀具；所述机械加工的过程为：使用线切割机床、数控车床、数控铣床和数控磨床将热处理后的刀具坯体加工为包覆富镍镍钛合金的钛复合刀具。
以上所述，仅是本发明的较佳实施例，并非对本发明作任何限制。凡是根据发明技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、变更以及等效变化，均仍属于本发明技术方案的保护范围内。

Claims (8)

1.一种包覆富镍镍钛合金的钛或钛合金复合刀具的制备方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：
步骤一、机械加工：将钛或钛合金板进行加工，得到刀具坯芯；
步骤二、熔炼与浇铸：将富镍镍钛合金铸锭放入真空凝壳炉的坩埚中进行真空熔炼，得到富镍镍钛合金熔液，然后将得到的富镍镍钛合金熔液浇铸到放置有步骤一中得到的刀具坯芯的模具中，冷却后得到浇铸刀具坯体；所述富镍镍钛合金铸锭中镍的质量分数为59％～61％；
步骤三、热处理：将步骤二中得到的浇铸刀具坯体依次进行固溶处理和退火处理，得到热处理后的刀具坯体；
步骤四、机械加工：将步骤三中得到的热处理后的刀具坯体进行机械加工，得到包覆富镍镍钛合金的钛或钛合金复合刀具。
2.按照权利要求1所述的一种包覆富镍镍钛合金的钛或钛合金复合刀具的制备方法，其特征在于，步骤一中所述机械加工的过程为：采用线切割机床、数控车床、数控铣床和数控磨床，将钛或钛合金板加工为厚1mm～3mm的刀具坯芯。
3.按照权利要求1所述的一种包覆富镍镍钛合金的钛或钛合金复合刀具的制备方法，其特征在于，步骤二中所述真空熔炼的电流为16000A～18000A，电压为36V～39V，真空度为2.5Pa～3.5Pa。
4.按照权利要求1所述的一种包覆富镍镍钛合金的钛或钛合金复合刀具的制备方法，其特征在于，步骤二中所述浇铸刀具坯体中富镍镍钛合金浇铸层的厚度为2mm～4mm。
5.按照权利要求1所述的一种包覆富镍镍钛合金的钛或钛合金复合刀具的制备方法，其特征在于，步骤二中所述冷却的过程为：在真空度不大于5Pa的条件下随炉冷却。
6.按照权利要求1所述的一种包覆富镍镍钛合金的钛或钛合金复合刀具的制备方法，其特征在于，步骤三中所述固溶处理的过程为：加热至1090℃～1110℃后保温2h～2.5h，然后进行空冷。
7.按照权利要求1所述的一种包覆富镍镍钛合金的钛或钛合金复合刀具的制备方法，其特征在于，步骤三中所述退火处理的过程为：加热至440℃～460℃后保温4h～4.5h，然后进行空冷。
8.按照权利要求1所述的一种包覆富镍镍钛合金的钛或钛合金复合刀具的制备方法，其特征在于，步骤四中所述机械加工的过程为：使用线切割机床、数控车床、数控铣床和数控磨床将热处理后的刀具坯体加工为包覆富镍镍钛合金的钛或钛合金复合刀具。
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