CN112846259B - 用于钢材车削的刀具及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明提出了用于钢材车削的刀具及其制备方法。刀具包括由硬质合金形成的刀具基体，以及形成在基体上的涂层，刀具基体具有表层区，以及位于表层区远离涂层一侧的均质区，表层区具有富钴层，且富钴层中具有钛立方相化合物，硬质合金的平均粘结相含量为标称钴含量的1～1.5倍，富钴层中的所述钛立方相化合物，为立方相化合物标称含量的0.5～0.8倍。该刀具兼具硬度韧性、高屈服强以及高温红硬性，能适用于钢件的车削加工。

Description

用于钢材车削的刀具及其制备方法

技术领域

本发明涉及材料领域，具体地，涉及钢材车削材料，更具体地，涉及用于钢材车削的刀具及其制备方法。

背景技术

硬质合金是由难熔金属的硬质化合物和粘结金属通过粉末冶金工艺制成的一种合金材料，由于具有硬度高、耐磨、强度和韧性较好、耐热、耐腐蚀等一系列优良性能，被广泛应用于作刀具材料。特别是硬质合金具有高硬度和耐磨性，即使在500℃的温度下也基本保持不变，在1000℃时仍有很高的硬度，因此常被用于制备车削钢材的刀具。

然而，目前的硬质合金，难以在屈服强度、红硬性、抗塑性形变、抗磨损等性能中取得较为理想的平衡，而是仅能够提高上述性能中的一个或几个，例如，提高了硬质合金的硬度和韧性的同时，往往难以保证合金的屈服强度以及塑性形变问题等等。因此，目前的用于车削钢材的刀具及其制备方法仍有待改进。

发明内容

本申请是基于发明人对以下事实和问题的发现和认识作出的：

发明人发现，目前的硬质合金难以在屈服强度、红硬性、抗塑性形变、抗磨损等性能中取得较为理想的平衡，主要是由于硬质合金的内部结构不合理造成的：具体地，为了提高硬质合金的韧性，吸收在气相沉积涂层时由于涂层和基体间热膨胀系数的不同而在冷却过程中产生的热应力，减缓刀具在使用过程中微裂纹向基体内的扩展，从而提高刀具的使用寿命，可在硬质合金的基体表层形成一定厚度的缺立方相的梯度层。在缺立方相中不含硬脆的立方相，因而具有较高的韧性。然而由于表面无立方相富钴结构存在，这种硬质合金基体为表层富钴无立方相梯度结构作为刀具基体时，会降低材料的屈服强度和红硬性，因此导致该类型的硬质合金制成的刀片刃口容易产生塑性变形，导致刀面抗磨损能力下降。

本发明旨在至少在一定程度上解决以上相关技术中的技术问题之一。

为此，在本发明的一个方面，本发明提出了一种用于钢材车削的刀具，所述刀具包括由硬质合金形成的刀具基体，以及形成在所述基体上的涂层，所述刀具基体具有表层区，以及位于所述表层区远离所述涂层一侧的均质区，所述表层区具有富钴层，且所述富钴层中具有钛立方相化合物，其中，所述硬质合金的平均粘结相含量为标称钴含量的1～1.5倍，所述富钴层中的所述钛立方相化合物，为立方相化合物标称含量的0.5～0.8倍。该刀具兼具硬度韧性、高屈服强以及高温红硬性，能适用于钢件的车削加工。该刀具可以改善刃口的塑性变形，还要还能够提高刀片的抗磨损能力，可以有效避免由于立方碳氮化合物富集区过度暴露在前刀面上，而导致的刃口强度下降和刃口崩刃，进而可以同时提高刀片刃口和后刀面的抗磨损能力。另外，刀具基体上的多层涂层和刀具基体结合协同作用，可以保持刀片基体的强韧度和刀刃抗塑性变形能力的基础上，大大提高刀片的硬度和耐磨性。

根据本发明的实施例，所述硬质合金的硬质相包括碳化钨、钛立方相化合物、钽立方相化合物、铌立方相化合物的至少之一，所述硬质合金的粘结相含有Co，以及任选的Fe、Ni，基于所述硬质合金的总质量，所述粘结相的质量分数为4.5wt％～15wt％，所述硬质相质量分数为85wt％～95.5wt％，所述的碳化钨的粒度范围为0.1μm-10μm。由此，可以进一步提高该刀具的性能。

根据本发明的实施例，基于所述硬质合金的总质量，所述钛立方相化合物、所述钽立方相化合物、以及所述铌立方相化合物的总含量为1wt％-8wt％。由此，可以进一步提高该刀具的性能。

根据本发明的实施例，所述刀具具有由前刀面和后刀面相交而形成的刃口，位于所述刃口两侧的所述刀具基体中，在所述表层区中靠近所述均质区的一侧具有立方碳氮化合物富集区，所述立方碳氮化合物富集区的厚度为10～30微米，所述立方碳氮化合物富集区内的立方相化合物含量，为立方相化合物标称含量的1～1.3倍。由此，可以有效避免由于立方碳氮化合物富集区过度暴露在前刀面上，而导致的刃口强度下降和刃口崩刃，进而可以同时提高刀片刃口和后刀面的抗磨损能力。

根据本发明的实施例，所述钛立方相化合物包括：钛元素和其它过渡金属元素中一种或多种的立方碳化物、立方氮化物和/或立方碳氮化物，所述其它过渡金属元素包括W、Ta和Nb。由此，可以进一步提高该刀具的性能。

根据本发明的实施例，所述含钛立方相由TiC、(Ti，W)C、(Ta，Nb)C、TiCN以及TiN的至少之一组成，其中，(Ti，W)C中W的质量分数为45wt％～65wt％，(Ta，Nb)C中Ta以及Nb的质量比为(1.0～4.0)：1，TiCN中C以及N的原子比为(0.5～2.0)：1。由此，可以进一步提高该刀具的性能。

根据本发明的实施例，在所述表层区中，沿着由所述表层区至所述均相区的方向，Ti、Co、N、C元素的至少之一的含量呈梯度分布。

根据本发明的实施例，所述富钴层的厚度为10～30微米。

根据本发明的实施例，所述涂层包括依次层叠设置的TiN层、TiCN层、TiCNO过渡层以及α-Al₂O₃层，所述TiN层靠近所述表层区设置，其中，所述TiN层为等轴晶粒构成，厚度为0.1μm～2μm，平均晶粒度≤0.4μm；所述TiCN层为柱状晶构成，厚度1.5μm～10μm，平均晶粒度为0.1μm～2μm；所述TiCNO过渡层为针状晶粒或等轴晶粒构成，厚度为0.1μm～1.5μm，平均晶粒度≤0.5μm；所述α-Al₂O₃层为等轴晶粒，厚度为2μm～10μm，平均晶粒度为0.2μm～3μm。由此，可以进一步提高该刀具的性能。

在本发明的另一方面，本发明提出了一种制备前面所述的刀具的方法，该方法包括：(1)将原料、成型剂以及溶剂混合并球磨，干燥后得到混合料粉末，所述原料包括粘结相金属粉、含钛立方相化合物以及碳化钨粉；(2)将所述混合料粉末压制成型，得到压坯；(3)将所述压坯置于真空气氛下，升温至成型剂脱除温度，以脱出所述成型剂，对脱出了所述成型剂的所述压坯进行烧结处理，以便获得基体硬质合金，所述烧结处理包括：第一烧结保温阶段：待烧结温度升至1200℃～1350℃时，通入30mbar～150mbar的惰性气体，在惰性气氛下进行升温烧结，升温速率为1.5-5℃/min；第二烧结低压保温阶段：待烧结温度升至1400℃～1470℃时，降低炉内压力至40mbar～100mbar，在所述惰性气氛下保温烧结0.5h～1.5h；第三烧结低压保温阶段：待所述第二烧结低压保温阶段结束后，保持所述烧结温度为1400℃～1470℃，在氩气氛下进行高压保温烧结，烧结时间为0.5h～1.5h；第一冷却阶段：待所述第三烧结低压保温阶段结束后，在氩气氛下将所述压坯冷却至1150℃～1250℃；第二冷却阶段：待所述第一冷却阶段结束后，通入高压氩气，在氩气气氛下将所述压坯冷却至室温，(4)对所述基体硬质合金进行切割成型处理，以便形成刀具粗坯；(5)在所述刀具粗坯的表层形成涂层，以便形成所述刀具。利用该方法可以简便的获得具有特定结构的硬质合金，基于该硬质合金形成的刀具具有高强度和抗冲击性能以及高屈服强度、优良的红硬性等优点。

附图说明

图1显示了根据本发明一个实施例的刀具的结构示意图；

图2显示了根据本发明对比例1的刀具的结构示意图；

图3显示了根据本发明对比例2的刀具的结构示意图；

图4显示了根据本发明一个实施例的制备刀具的方法的流程示意图；

图5显示了根据本发明一个实施例的制备刀具的方法的部分流程示意图。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。

在本发明的一个方面，本发明提出了一种用于钢材车削的刀具。根据本发明的实施例，该刀具包括由硬质合金形成的刀具基体，以及形成在所述基体上的涂层100。该刀具的具体形状不受特别限制，例如，参考图1，该刀具1000可以具有前刀面10、后刀面20，以及由前刀面10和后刀面20相交形成的刃口30。根据本发明的具体实施例，硬质合金构成的刀具基体具有表层区200，以及位于表层区远离涂层一侧的均质区300。表层区200具有富钴层，且该富钴层中具有钛立方相化合物。具体地，硬质合金的平均粘结相含量为标称钴含量的1～2倍，富钴层中的钛立方相化合物，为立方相化合物标称含量的0.5～0.8倍。该刀具兼具硬度韧性、高屈服强以及高温红硬性，能适用于钢件的车削加工。该刀具1000可以改善刃口的塑性变形，还要还能够提高刀片的抗磨损能力，可以有效避免由于立方碳氮化合物富集区过度暴露在前刀面10上，而导致的刃口30强度下降和刃口崩刃，进而可以同时提高刀片刃口和后刀面的抗磨损能力。另外，刀具基体上的多层涂层结构和刀具基体结合协同作用，可以保持刀片基体的强韧度和刀刃抗塑性变形能力的基础上，大大提高刀片的硬度和耐磨性。

下面根据本发明的具体实施例，对该刀具1000的具体结构以及其特定结构的有益效果进行详细说明：

为方便理解，下面首先对根据本发明实施例的上述刀具可以兼具硬度韧性、高屈服强以及高温红硬性的部分原因进行说明：通常情况下，表层富钴的硬质合金，是由于在制备过程中，Ti元素(如含钛立方相化合物)向合金内部迁移，表层形成空位，同时钴元素向空位处迁移，从而在合金的表层形成富Co结构。故而目前的硬质合金难以在表层同时实现富Co结构以及钛立方相梯度层。也因此，难以兼顾硬质合金的硬度以及韧性。而根据本发明实施例的刀具，由于表层富钴层中还含有部分钛立方相化合物(含量略低于基体内部)，因此可以在保持刀具刃口的韧性的同时，提高刀具刃口处的屈服强度和红硬性，从而可以改善刃口的塑性变形。同时，由于表层区中的立方相化合物含量较低，可以有效避免由于立方碳氮化合物富集区过度暴露在前刀面上，而导致的刃口强度下降和刃口崩刃。并且，表层区具有富钴层，且富钴层中含有的钛立方相含量较少，同时在表层区富钴层下方，还可以存在含钛的立方碳氮化合物富集区，由此可以同时提高刀片刃口和后刀面的抗磨损能力。

根据本发明的实施例，基于所述硬质合金的总质量，所述粘结相的质量分数为4.5wt％～15wt％，所述硬质相质量分数为85wt％～95.5wt％。由此，可以进一步提高该硬质合金的性能。当粘结相含量以及硬质相含量在上述范围内时，可以较为容易的通过烧结形成根据本发明实施例的硬质合金，硬质相以及粘结相的比例较为合理，即可以在烧结过程中较好的湿润硬质相粉，又不会影响最终形成的合金的机械性能。

根据本发明的具体实施例，构成该刀具基体的硬质合金的硬质相可以包括碳化钨、钛立方相化合物、钽立方相化合物、铌立方相化合物的至少之一，粘结相可含有Co，以及任选的Fe、Ni。如，粘结相还可以含有铁，或是含有铁、钴以及任选的镍。硬质合金的硬质相包括碳化钨、钛立方相化合物、钽立方相化合物、铌立方相化合物的至少之一。碳化钨的粒度范围为0.1μm～10μm。由此，可以进一步提高该硬质合金的性能。具体的，基于所述硬质合金的总质量，钛立方相、钽立方相、以及铌立方相的总含量可以为1wt％-8wt％。由此，可以进一步提高该硬质合金的性能。

根据本发明的实施例，参考图2，在表层区靠近刀具1000外表面的一侧，可以具有富钴层210。也即是说，该刀具具有富钴的梯度结构，Co元素沿着由刀具外表面至刀具基体内部的方向，含量逐渐降低，呈梯度分布。此外，在表层区200中，除去上述富钴层结构，Ti、Co、N、C元素的至少之一的含量也可以呈梯度分布。由此，可以进一步提高该硬质合金的性能。也即是说，在表层区中，不仅Ti元素以及Co元素可以呈梯度分布，其余组分(元素)也可以呈梯度分布。由此，可以在硬质合金的表层形成多种组分共同构成的梯度层，进而有利于缓解CVD涂层裂纹向基体内部的扩展，从而可以提高该硬质合金制备的刀具的使用寿命。

根据本发明的具体实施例，富钴层210的厚度为10～30微米。厚度在上述范围内的富钴层可以较好的起到抑制CVD涂层裂纹向基体内部扩展的作用，并且可以有效提高刃口处红硬性，防止刃口崩刃。富钴层中平均粘结相含量为标称粘结相含量的1～2倍，如可以为1.2倍。同时，如前所述，该富钴层中还含有钛立方相化合物。其中钛立方相化合物，可以为基体中(与富钴层相比更靠近均质区的位置处)立方相化合物标称含量的0.5～0.8倍。由此，该富钴层不仅可以起到常规的富钴层所具有的提高韧性的效果，并且还可以避免由于立方相缺失，而带来的抗磨损能力下降、强度不足的缺点。

根据本发明的实施例，上述钛立方相化合物的具体组成不受特别限制，本领域技术人员可以根据实际需求进行选择。例如，钛立方相化合物可以包括钛元素和其它过渡金属元素中一种或多种的立方碳化物、立方氮化物和/或立方碳氮化物，其它过渡金属元素包括W、Ta和Nb。根据本发明的一些具体实施例，含钛立方相可以由TiC、(Ti，W)C、(Ta，Nb)C、TiCN以及TiN的至少之一组成，其中，(Ti，W)C中W的质量分数为45wt％～65wt％，(Ta，Nb)C中Ta以及Nb的质量比为(1.0～4.0)：1，TiCN中C以及N的原子比为(0.5～2.0)：1。

根据本发明的具体实施例，参考图1，刃口30处，具有立方碳氮化合物富集区220该刀具1000在位于刃口30两侧的所述刀具基体中，可以在表层区200中靠近均质区的一侧，也形成有立方碳氮化合物富集区220。立方碳氮化合物富集区220可含有钛的立方碳氮化合物、以及钽的立方碳氮化合物中的至少之一，立方碳氮化合物富集区的厚度为10～30微米，立方碳氮化合物富集区内的立方相化合物含量，为立方相化合物标称含量的1～1.3倍。刃口30两侧的基体中具有上述立方碳氮化合物富集区220，可提高该处刀体的强度，提高刀具的抗磨损能力。并且，该立方碳氮化合物富集区220并非位于表层区200中靠近刀具表面的一侧，也避免了立方相富集区暴露在表面而导致的该位置处脆性过强，从而可以避免刀具基体强度下降和崩坏。

根据本发明的实施例，刀具基体的外侧还具有涂层30。该涂层30可以是由多个亚层结构层叠形成的。具体的，该涂层为细晶多层涂层，由里到外(由刀具基体表面至涂层方向)依次包括有：设置在最里层的TiN层，厚度可以为0.1μm～2μm，该层晶粒为等轴晶粒，平均晶粒度≤0.4μm；TiN层外侧可以设置TiCN层，厚度为1.5μm～10μm，该层晶粒为柱状晶，平均晶粒度为0.1μm～2μm；TiN层外侧可以设置有TiCNO过渡层，厚度为0.1μm～1.5μm，该层晶粒为针状晶粒或等轴晶粒，平均晶粒度≤0.5μm；最外层可设置α-Al₂O₃层，厚度为2μm～10μm，等轴晶粒，平均晶粒度为0.2μm～3μm。

根据本发明一些具体的实施例，TiN层的厚度可以优选为0.2μm～1μm；TiCN层的厚度优选为3μm～7μm；TiCNO过渡层的厚度优选为0.2μm～1μm；α-Al₂O₃层的厚度优选为3μm～8μm。上述亚层结构采用的相对较厚的涂层设计，在保证涂层刀片的强度和较大的抗切削承载能力的基础上，可以有效地提高刀片的耐磨损性能。

根据本发明的实施例，TiCN层优选为中温化学气相沉积形成的涂层(即MT-TiCN层)，TiCN层的平均晶粒度优选为0.3μm～1.5μm；α-Al₂O₃层的平均晶粒度优选为0.4μm～1.5μm。MT-TiCN涂层的内应力较小，可以在相同厚度下提高涂层的韧性，阻止裂纹的扩散，减少刀具崩刃，在相同应力下增加涂层的厚度，提高耐磨性。将MT-TiCN涂层作为涂层刀片的主涂层，兼有TiN的良好韧性和TiC的良好硬度，可以显著地提高刀具的使用寿命。而α-Al₂O₃具有优异的力学性能、热稳定性和抗氧化性。并且，α-Al₂O₃与钢铁类工件材料具有很小的化学亲和力，在加工中表现出良好的抗粘结磨损、扩散磨损和氧化磨损性能。

综上所述，根据本发明实施例的硬质合金，表层兼具富Co特性以及钛立方相的梯度分布特性，因此可以较好的兼顾合金的屈服强度、红硬性、抗塑性形变、抗磨损。因此有该硬质合金构成的刀具，可以改善刃口的塑性变形，还要还能够提高刀片的抗磨损能力，可以有效避免由于立方碳氮化合物富集区过度暴露在前刀面上，而导致的刃口强度下降和刃口崩刃，进而可以同时提高刀片刃口和后刀面的抗磨损能力。并且，该硬质合金构成的基体结合上述涂层，还可以在保持刀片基体的强韧度和刀刃抗塑性变形能力的基础上，提高刀片的硬度和耐磨性，因而更适合于钢件材料的车削加工。

在本发明的另一方面，本发明提出了一种制备前面描述的刀具的方法。根据本发明的实施例，参考图4，该方法包括：

S100：制备混合粉料

根据本发明的实施例，在该步骤中，首先配置混合粉料。具体的，将原料、成型剂以及溶剂混合并球磨，干燥后得到混合料粉末。原料可以按照前面描述的硬质合金的化学组份进行调配，如具体的，可包括粘结相金属粉、钛立方相化合物以及碳化钨粉。球磨时所采用的溶剂也不受特别限制，本领域技术人员可以根据实际情况进行选择，例如可以为无水乙醇。由此，在该步骤中可以获得混合均匀、粒度适当的混合粉料，从而有利于提高后续烧结过程获得的合金的质量。

根据本发明的具体实施例，基于原料的总质量，原料可以是由4.5wt％～15wt％的粘结相金属粉，1wt％～8wt％的钛立方相化合物和余量的碳化钨粉构成。其中，粘结相金属粉为Co金属粉；碳化钨粉粒度范围为0.1～10μm。原料按照上述配比进行调配，可经过烧结处理后形成具有上述特定结构的硬质合金，从而可以进一步提高利用该方法制备的硬质合金的性能。

S200：压制成型

根据本发明的实施例，在该步骤中，将前面获得的混合料粉末压制成型，得到压坯。根据本发明的实施例，在该步骤中制备压坯的具体方法，以及压制的具体条件不受特别限制，本领域技术人员可以选择熟悉的方法以及条件进行压制，从而便于后续进行烧结处理。

S300：烧结处理

根据本发明的实施例，在该步骤中，对压制成型的压坯进行烧结处理。具体地，在进行烧结处理之前，首先可以将压坯置于真空气氛下，升温至成型剂脱除温度，以脱出上述成型剂。随后，对脱出了成型剂的压坯进行烧结处理，以形成根据本发明实施例的硬质合金。具体的，参考图5，烧结处理可以包括：

S310：第一烧结保温处理

根据本发明的实施例，在该步骤中，将压坯置于密闭的真空气氛中并加热，待烧结温度升至1200℃～1350℃时，通入30mbar～150mbar的惰性气体，如可以为Ar气，继续进行升温烧结，升温速率为1.5-5℃/min。

S320：第二烧结低压保温处理

根据本发明的实施例，在该步骤中，待烧结温度升至1400℃～1470℃时，降低炉内压力至40mbar～100mbar，在惰性气氛下保温烧结0.5h～1.5h。

S330：第三烧结低压保温处理

根据本发明的实施例，经过第二烧结低压保温处理之后，保持烧结温度为1400℃～1470℃，在氩气氛下保温烧结，炉内压力为20bar～60bar，烧结时间为0.5h～1h。

S340：第一冷却

根据本发明的实施例，进行第一冷却阶段的冷却。具体的，在第三烧结低压保温阶段结束后，在氩气氛下将经过第三烧结低压保温处理的压坯冷却至1150～1250摄氏度。

S350：第二冷却

根据本发明的实施例，第一冷却阶段结束后，在氩气气氛下将经过第一冷却的压坯冷却至室温，即：通入高压氩气，令压坯冷却至室温，以便获得基体硬质合金。

利用该方法可以简便的获得具有特定结构的硬质合金，该硬质合金由于表层含立方相微梯度富钴结构，因此不仅具有比均匀硬质合金在相同的硬度下更好的韧性和强度，还具有梯度合金立方相缺失的表层表现出的高强度和抗冲击性能以及高屈服强度、优良的红硬性等优点，实现了协同增效的效果。总的来说，该方法具有以下优点的至少之一：

(1)生产技术简便，可工业化程度高，生产的功能梯度硬质合金性能良好；

(2)所用工艺、设备简单，对现有的硬质合金制备工艺、设备要求变化不大，即可生产出高附加值产品，且容易实现技术转化；

(3)可通过调节配方、烧结温度、压力、烧结时间等工艺参数控制梯度层的厚度及成分，可利用一套产线生产多样化的产品。

S400：切割成型处理

根据本发明的实施例，在该步骤中，对前面获得的硬质合金进行切割成型处理，以形成刀具粗坯。在该步骤中，切割成型的具体操作不受特别限制，形成的刀具粗坯的形状也不受特别限制，本领域技术人员可以根据刀具的形状，控制该步骤中形成的刀具粗坯的形状，并选用熟悉的方式形成该刀具粗坯。例如，根据本发明一个具体的实施例，在该步骤中，还可以包括利用诸如含有SiC的尼龙刷，对刃口处进行圆化处理的步骤。

S500：形成涂层

根据本发明的实施例，在前面获得的刀具粗坯的表层形成涂层，进而可以获得前述的刀具。关于涂层的化学组成、厚度，前面已经进行了详细的描述，在此不再赘述。形成涂层中各个亚层结构的具体方法不受特别限制，本领域技术人员可以根据涂层的实际情况进行选择，例如，可选用熟悉的方法，形成如前所述的具有特定厚度以及细晶结构的亚层，多个亚层层叠设置，即可构成前述的涂层。

下面将结合实施例对本发明的方案进行解释。本领域技术人员将会理解，下面的实施例仅用于说明本发明，而不应视为限定本发明的范围。实施例中未注明具体技术或条件的，按照本领域内的文献所描述的技术或条件或者按照产品说明书进行。所用试剂或仪器未注明生产厂商者，均为可以通过市购获得的常规产品。

实施实例1：

(1)配料：选用粘结相金属粉、含钛立方相化合物和碳化钨粉作为原料，各原料的质量百分比为：钴粉7.5wt％；含钛和钽的立方碳氮化物5.2wt％,余量为碳化钨，各原料质量百分比总和为100％；碳化钨粉粒度为5μm；

(2)混合制粉：将碳化钨粉、粘结相金属粉、含钛立方相化合物以及成型剂进行球磨，使用石蜡作为成型剂(含量为2.2wt％)，采用无水乙醇作为溶剂，球磨后干燥，得到混合料粉末；

(3)压制成型：将所述混合料粉末压制成型，得到压坯；

(4)烧结：

4.1)脱成型剂：将所得压坯置于真空气氛条件下，升温至成型剂脱除温度，以脱除成型剂；

4.2)第一烧结阶段：脱成型剂后，继续升温烧结，待烧结温度升至1200℃时，通入100mbarAr保护气体，在Ar气氛下进行升温烧结至1350℃，升温速率为2℃/min，并在1350℃进行保温1h。

4.3)第二烧结保温阶段：第一烧结阶段结束后，待烧结温度升至1420℃后，炉内Ar气压力降为50mbar，并在Ar气氛下保温烧结1h；

4.4)第三烧结保温阶段：第二烧结保温阶段结束后，烧结温度为1420℃，在60bar的高压氩气氛下进行高压保温烧结，烧结时间为0.5h；

4.5)第一冷却阶段：第三烧结保温阶段结束后，在氩气氛下冷却至1250℃；

4.6)第二冷却阶段：第一冷却阶段结束后，通入高压氩气，在氩气气氛下冷却至室温，最终得到表层含立方相结构梯度硬质合金,且立方相由表层到里层递增，芯部位均质。如图2所示，金相照片显示表层存在立方相，扫描电镜(EDS)以5μm为一个单元由于表层到里面检测显示存在钴梯度，富钴层厚度约为20μm，且富钴层钴含量为标称钴含量的1.2倍。最后得到基体硬质合金。

4.7)采用含SiC的尼龙刷对刃口进行圆化处理。

4.8)采用喷砂进行涂层前处理。

4.9)对上述制得的硬质合金基体表面沉积如下涂层：

1)先利用CVD法在硬质合金基体上沉积一层TiN层12，等轴晶，厚度为0.5μm，平均晶粒度≤0.5μm；

2)然后利用MTCVD工艺在上述的TiN层上沉积一层TiCN层，化学组分为：TiC_0.5N_0.5，柱状晶，厚度为8μm，平均晶粒度为0.8μm；

3)再利用CVD法在上述的TiCN层上沉积一层TiCO过渡层10，针状晶粒，厚度为0.5μm，平均晶粒度≤0.5μm；

4)最后利用CVD法在上述的TiCO过渡层上沉积一层α-Al₂O₃层作为最外层，等轴晶粒，厚度为7μm，平均晶粒度为1.2μm，300μm的长度上测得的表面粗糙度Ra＝0.25μm，得到本实施例的用于钢材车削的硬质合金涂层刀片。

最后对上述制得的硬质合金涂层刀片采用喷砂、含硅尼龙刷抛光等表面处理，在300μm的长度3上测得的表面粗糙度Ra＝0.25μm。

经检测，该刀片中非均匀梯度硬质合金是以7.5wt％的Co为粘结相，以87.3wt％的碳化钨和含钛立方相化合物为硬质相，其中含钛和钽立方碳氮化合物含量为5.2％，余量为碳化钨。该刀具在如图1中所示出的L2位置处的平均粘结相含量为标称粘结相含量的1.2倍，且立方相含量为基体中立方相化合物标称含量的0.6倍，L2厚度约为15μm。如图1中所示出的L1处的立方相含量为标称含量的1.2倍，厚度约为10μm。

实施案例2

其余步骤同实施例1，所不同的是，各原料的质量百分比为：钴粉9.5wt％；含钛和钽立方相碳氮化合物5.3wt％，碳化钨为85.2wt％，各原料质量百分比总和为100％。

由于表层到里面检测显示存在钴梯度，富钴层厚度约为25μm，且富钴层钴含量为标称钴含量的1.4倍。富钴层中立方相含量为基体中立方相化合物标称含量的0.6倍。如图1中所示出的L1处立方相含量为标称含量的1.2倍，厚度约为10μm。

对比例1：

原料配比：7.5wt％的Co为粘结相，以87.3wt％的碳化钨和含钛立方相化合物为硬质相，其中含钛和钽立方碳氮化合物含量为5.2％，余量为碳化钨。将碳化钨粉、钴粉(Co)和立方碳氮化物或由这些立方化合物组成的固溶体添加剂混合制备成均匀的粉末混合料，并对粉末混合料进行压制成形，然后采用梯度烧结工艺进行烧结：在1430℃下通入100mbar氮气低压烧结，然后经高压烧结后在脱N气氛下冷却，形成硬质合金基体。刀具结构示意图见图2，在硬质合金基体表面形成一层粘结相富集表面区400，在粘结相富集表面区400下形成一层立方碳氮化合物富集区500。粘结相富集表面区400中不含有立方碳氮化合物。

该粘结相富集表面区内Co的含量为硬质合金基体中Co标称含量的1.4倍，立方碳氮化合物富集区内碳氮化合物的含量为硬质合金基体中碳氮化合物标称含量的1.3倍，制得的具有梯度结构的硬质合金基体组成包含有7.5wt％的Co 5wt％的Ti和Ta的立方碳氮化物，余量为WC；然后，对制备得到的具有梯度结构的硬质合金基体采用与刀片前刀面成45°角的方式对该刀片进行湿喷砂处理，去除刀片刃口的粘结相富集表面区，使刀片刃口圆化，最后得到基体硬质合金。涂层结构与实施例1相同。

对比产品B

原料配比同实施例1，不同的是，不采用梯度烧结，在1430℃温度下进行烧结，制备出均质结构的硬质合金基体。然后对硬质合金基体采用与刀片前刀面成45°角的方式对该刀片进行湿喷砂处理，使刀片刃口圆化，最后形成与实施例1相同的涂层。刀具结构结构示意图见图3，构成刀具基体的硬质合金为含有立方相以及Co的均质结构。

上述实施例1、2、3与对比产品A、B、C在不同切削条件下的对比试验数据及测试结果如下：

1、纵向车削40CrNi2Mo钢材棒，对上述刀片的耐磨性能进行比较测试。刀具寿命标准为后刀面磨损为0.3mm时的加工时间。切削条件见表1：

表1

材料	40CrNi2Mo(HB210-220)
		切削速度	310m/min；380m/min
进给量	0.1mm
		切削深度	1m
切削液	无

测试结果详见表2：

表2

试验结果表明：在钢材的高速车削加工中，本发明的实施例1由于具有含立方相的富集区形成的支撑结构及刃口结构，同时具有针对钢材车削加工优化的基体和涂层的结构组成，其相比于对比产品A，具有相同的富钴区域的同时，在富钴区域存在立方相，这将提高刀具的抗高温塑性变形能力；对比产品B，表面存在富钴区，可以更好的吸收加工中裂纹传播的能量，阻碍裂纹的扩展，因此，刀具的使用寿命得到明显改善。

纵向车削40CrNi2Mo钢材棒，对上述刀片的失效模式进行比较。刀具失效标准为刀刃崩刃、塑性变形、过度磨损(后刀面磨损为≥0.3mm)。

2.纵向切削一个圆柱形开槽棒，对上述刀片的抗冲击性能进行测试。刀具寿命标准为刀刃剥落、崩刃时的冲击时间。切削条件详见表3：

表3

材料	40CrNi2Mo(HB210-220)
		切削速度	300m/min
进给量	0.3mm
		切削深度	2m
切削液	无

测试结果见表4：

表4

测试产品	切削寿命(min)	失效方式
			本发明实例1	19.0	过度磨损
对比产品A	19.2	过度磨损
			对比产品B	10.2	刀尖崩刃

试验结果表明：在钢材的非连续、高速条件下加工中，本发明实施例1可以保持和比对比产品A相类似的切削寿命，且和对比产品B的抗冲击性能和刀尖韧性有明显改善。由此可以证明，根据本发明实施例的刀具，可以在连续切削高温的工况下保持良好的使用寿命，且也不会由于提升了连续切削工况下的使用寿命，而导致在断续加工工况中切削寿命的显著降低。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“顶”、“底”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征“上”或“下”可以是第一和第二特征直接接触，或第一和第二特征通过中间媒介间接接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”可是第一特征在第二特征正上方或斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”可以是第一特征在第二特征正下方或斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。

尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。

Claims (10)

1.一种用于钢材车削的刀具，所述刀具包括由硬质合金形成的刀具基体，以及形成在所述基体上的涂层，其特征在于，所述刀具基体具有表层区，以及位于所述表层区远离所述涂层一侧的均质区，所述表层区具有富钴层，且所述富钴层中具有钛立方相化合物，

其中，所述硬质合金的平均粘结相含量为标称钴含量的1～1.5倍，所述富钴层中的所述钛立方相化合物，为立方相化合物标称含量的0.5～0.8倍，

Co元素沿着由刀具基体外表面至刀具基体内部的方向，含量逐渐降低。

2.根据权利要求1所述的硬质合金，其特征在于，所述硬质合金的硬质相包括碳化钨、钛立方相化合物、钽立方相化合物、铌立方相化合物的至少之一，所述硬质合金的粘结相含有Co，以及任选的Fe、Ni，基于所述硬质合金的总质量，所述粘结相的质量分数为4.5wt％～15wt％，所述硬质相质量分数为85wt％～95.5wt％，所述的碳化钨的粒度范围为0.1μm～10μm。

3.根据权利要求2所述的硬质合金，其特征在于，基于所述硬质合金的总质量，所述钛立方相化合物、所述钽立方相化合物、以及所述铌立方相化合物的总含量为1wt％～8wt％。

4.根据权利要求1所述的硬质合金，其特征在于，所述刀具具有由前刀面和后刀面相交而形成的刃口，位于所述刃口两侧的所述刀具基体中，在所述表层区中靠近所述均质区的一侧具有立方碳氮化合物富集区，所述立方碳氮化合物富集区的厚度为10～30微米，所述立方碳氮化合物富集区内的立方相化合物含量，为立方相化合物标称含量的1～1.3倍。

5.根据权利要求1所述的硬质合金，其特征在于，所述钛立方相化合物包括：钛元素和其它过渡金属元素中一种或多种的立方碳化物、立方氮化物和/或立方碳氮化物，所述其它过渡金属元素包括W、Ta和Nb。

6.根据权利要求5所述的硬质合金，其特征在于，所述钛立方相化合物由TiC、(Ti，W)C、(Ta，Nb)C、TiCN以及TiN的至少之一组成，

其中，(Ti，W)C中W的质量分数为45wt％～65wt％，(Ta，Nb)C中Ta以及Nb的质量比为(1.0～4.0)：1，TiCN中C以及N的原子比为(0.5～2.0)：1。

7.根据权利要求1所述的硬质合金，其特征在于，在所述表层区中，沿着由所述表层区至所述均质区的方向，Ti、N、C元素的至少之一的含量呈梯度分布。

8.根据权利要求1所述的硬质合金，其特征在于，所述富钴层的厚度为10～50微米。

9.根据权利要求1所述的硬质合金，其特征在于，所述涂层包括依次层叠设置的TiN层、TiCN层、TiCNO过渡层以及α-Al₂O₃层，所述TiN层靠近所述表层区设置，其中，所述TiN层为等轴晶粒构成，厚度为0.1μm～2μm，平均晶粒度≤0.4μm；所述TiCN层为柱状晶构成，厚度1.5μm～10μm，平均晶粒度为0.1μm～2μm；所述TiCNO过渡层为针状晶粒或等轴晶粒构成，厚度为0.1μm～1.5μm，平均晶粒度≤0.5μm；所述α-Al₂O₃层为等轴晶粒，厚度为2μm～10μm，平均晶粒度为0.2μm～3μm。

10.一种制备权利要求1～9任一项所述的刀具材料的制备方法，其特征在于，包括：

(1)将原料、成型剂以及溶剂混合并球磨，干燥后得到混合料粉末，所述原料包括粘结相金属粉、含钛立方相化合物以及碳化钨粉；

(2)将所述混合料粉末压制成型，得到压坯；

(3)将所述压坯置于真空气氛下，升温至成型剂脱除温度，以脱出所述成型剂，对脱出了所述成型剂的所述压坯进行烧结处理，以便获得基体硬质合金，所述烧结处理包括：

第一烧结保温阶段：待烧结温度升至1200℃～1350℃时，通入30mbar～150mbar的惰性气体，在惰性气氛下进行升温烧结，升温速率为1.5-5℃/min；

第二烧结低压保温阶段：待烧结温度升至1400℃～1470℃时，降低炉内压力至40mbar～100mbar，在所述惰性气氛下保温烧结0.5h～1.5h；

第三烧结低压保温阶段：待所述第二烧结低压保温阶段结束后，保持所述烧结温度为1400℃～1470℃，在氩气氛下进行高压保温烧结，烧结时间为0.5h～1.5h；

第一冷却阶段：待所述第三烧结低压保温阶段结束后，在氩气氛下将所述压坯冷却至1150℃～1250℃；

第二冷却阶段：待所述第一冷却阶段结束后，通入高压氩气，在氩气气氛下将所述压坯冷却至室温，

(4)对所述基体硬质合金进行切割成型处理，以便形成刀具粗坯；

(5)在所述刀具粗坯的表层形成涂层，以便形成所述刀具。

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