CN112935258A - 一种用于耐热合金铣削的硬质合金刀片及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种用于耐热合金铣削的硬质合金刀片及其制备方法，所述刀片包括基体和涂层；所述基体包括WC硬质相，Co粘结相以及Re‑Ru复合添加剂；所述Co的质量百分含量为基体质量的6～12wt％，所述Re‑Ru复合添加剂的质量总含量为Co质量的5～25％，其余为WC，其中，Re‑Ru复合添加剂中Ru的质量百分比为40～80％；本发明通过快冷烧结法制备硬质合金刀片的基体和电弧离子镀的方法在基体上沉积AlxCr(0.90～1)‑ xXN涂层，得到的硬质合金刀片兼具优越的高温性能和抗塑性变形能力，具备了铣削耐热合金所需的耐磨性、韧性和高温性能。制备方法成本低，工艺简单可控，适用于大规模工业生产。

Description

一种用于耐热合金铣削的硬质合金刀片及其制备方法
技术领域
本发明涉及金属切削加工技术领域，特别涉及一种用于耐热合金铣削的硬质合金刀片及其制备方法。
背景技术
硬质合金因为兼具高硬度和高强度，被广泛适用于金属切削加工领域。但常规的硬质合金材料在铣削耐热合金时常因高温性能和韧性不足而表现出耐磨性差、崩刀等现象。目前使用较广泛的耐热合金主要有三类，分别是耐热不锈钢、钛合金、高温合金。这些合金被大规模用于锅炉、能源、化工、航空航天等领域。耐热不锈钢常用于能源领域，作为汽轮机叶片材料，近年来从1Cr12、1Cr13等马氏体不锈钢向17-4等沉淀硬化不锈钢转变，加工难度进一步增加；钛合金、高温合金则一直是金属切削领域中的难切削材料。耐热合金由于本身具有较好的强度、硬度，耐蚀性和高温性能也十分卓越，因此对刀具材料的综合性能有很高的要求。
传统的WC-Co合金在加工耐热合金时常会出现不耐磨、崩刀和塑性变形等情况。针对这些情况，目前已有部分改善方案：专利CN106544566A提出了一种耐腐蚀耐高温硬质合金及其制备方法。这种合金包括0.2～1.0％的Cr3C2，0.2～0.6％的TaC，6～12％的铼-钼-镍合金粉，其余为WC；其中Cr3C2和TaC的粒度为0.8～1.5μm，铼-钼-镍合金粉和WC的粒度为1～2μm。虽然该合金具有较好的耐腐蚀性和高温性能，但Ni作为粘结相对WC的润湿性不及Co，综合力学性能也不及传统的WC-Co合金，应用在金属切削领域差强人意。专利CN103464741B提出了一种稀土改性WC-Co类硬质合金刀具材料的方法：通过添加8～10％的Co、0.3～1％的超细VC、0.1～1％的Re或Ru，其余为WC，使用传统粉末冶金方法，制备出的硬质合金刀具材料兼具良好的常温力学性能和高温硬度，可广泛适用于叶片及不锈钢的粗铣。但随着加工效率的提升和工件材料的升级，这种刀具材料也表现出了局限性。
发明内容
针对刀片在铣削耐热合金时易出现的不耐磨、崩刃、塑性变形的问题，本发明提供了一种用于耐热合金铣削的硬质合金刀片及其制备方法，通过合理设计合金成分和烧结工艺，提高涂层的高温性能，实现常温力学性能和高温力学性能的综合提升。
为了达到上述目的，本发明提供了一种用于耐热合金铣削的硬质合金刀片，包括基体和涂层；
所述基体包括WC硬质相，Co粘结相以及Re-Ru复合添加剂；
所述Co的质量百分含量为基体质量的6～12wt％，所述Re-Ru复合添加剂的质量总含量为Co质量的5～25％，其余为WC，
其中，Re-Ru复合添加剂中Ru的质量百分比为40～80％；
所述涂层成分为AlxCr(0.90～1)-xXN，其中，x＝0.5～0.7；X为Si、V、Nb、B元素中的一种或几种，
优选地，所述基体中Co的比饱和磁化强度与Co的质量分数之比为0.6～0.8，
优选地，所述基体的矫顽磁力控制在10～20kA·m-1之间。
优选地，所述WC原料粒度为0.5～5μm。
优选地，所述涂层中，X的原子数百分含量不超过10at％。
优选地，所述涂层厚度为1～6μm。
本发明还提供了上述硬质合金刀片的制备方法，包括以下步骤：
步骤1：用快冷烧结法制备硬质合金刀片的基体；
其中，所述步骤1包括：
步骤1.1：按原料配比进行配料，加入介质进行于球磨，得到浆料；
步骤1.2：将浆料进行喷雾干燥和压制，得到坯体；
步骤1.3：将坯体进行烧结，然后以60～105℃/min的进行快冷至800℃，最后在2h内冷至室温，得到基体。
步骤2：用电弧离子镀的方式在基体上沉积AlxCr(0.90～1)-xXN涂层。
优选地，所述步骤1.1中，介质为酒精，所述球磨时间为12～18h，球料比为5:1。
优选地，所述步骤1.3中，烧结温度为1410～1450℃，烧结气氛为氩气，烧结时间为1h。
优选地，所述氩气压力为500～1000KPa。
本发明的上述方案有如下的有益效果：
本发明提供的用于铣削耐热合金的硬质合金刀片由基体和涂层组成，基体具有足够的韧性和硬度，兼具优越的高温性能和抗塑性变形能力，涂层则兼具较高的硬度和高温抗氧化性。涂层与基体间结合力良好，使刀片具备了铣削耐热合金所需的耐磨性、韧性和高温性能。
本发明的用于铣削耐热合金的硬质合金刀片的制备方法，所述原料和设备来源广，成本较低；工艺简单可控，适用于大规模工业生产。
附图说明
图1为本发明的硬质合金刀片的SEM图像。
图2为分别添加Re添加剂、Re-Ru复合添加剂和Ru添加剂的粘结相XRD图。
【附图标记说明】
a-涂层；b-硬质相；c-粘结相。
具体实施方式
为使本发明要解决的技术问题、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图及具体实施例进行详细描述。
实施例1
一种本发明的硬质合金刀片，记为刀片A，刀片型号为RPHT1204MO，包括硬质合金基体和覆盖于基体上的涂层。基体的原料规格、成分和物理性能见表1；
制备过程：基体采用快冷烧结法，按原料配比进行配料后，以酒精为球磨介质球磨12h，球料比为5:1，再经过喷雾干燥和压制，然后在900kPa氩气气氛下以1440℃的温度烧结1h，再以80℃/min的冷却速度快冷至800℃，最后在2h内冷至室温。
涂层采用电弧离子镀的方式涂覆Al0.66Cr0.29Si0.05N涂层，涂层厚度为5μm。
实施例2
一种本发明的硬质合金刀片，记为刀片B，刀片型号为RPHT1204MO，包括硬质合金基体和覆盖于基体上的涂层。基体的原料规格、成分和物理性能见表1。
制备过程：与实施例1相同。
对比例1
本对比例的硬质合金刀片Co的质量百分含量为5.5wt％，记为刀片C，包括硬质合金基体和覆盖于基体上的涂层。基体的原料规格、成分和物理性能见表1。
制备过程：基体的烧结条件与实施例1相同。冷却时为随炉冷却至室温，冷却时间在4h以上。涂层与实施例相同。
对比例2
本对比例的硬质合金刀片Co的质量百分含量为13wt％，记为刀片D，包括硬质合金基体和覆盖于基体上的涂层。基体的原料规格、成分和物理性能见表1。
制备过程：与对比例1相同。
表1刀片A～D基体的原料规格、成分和物理性能
Figure BDA0002924865930000041
对刀片A～D进行相同条件的切削实验，比较相同切削时间下的后刀面磨损，结果如表2所示。
表2刀片A～D的切削参数及结果
Figure BDA0002924865930000042
Figure BDA0002924865930000051
由表2可以发现，对比例的刀片C切削时已崩刃，而刀片D则磨损过大。相比之下，本发明的刀片A、B未产生崩刃，磨损也较小。
本发明实施例的基体中，Re和Ru作为粘结相的强化元素添加。Re和Ru固溶于Co中后，都可以提高高温性能，促进Co从fcc向hcp结构转变。然而，Re和Ru添加量在Co中占比较低时，不足以促进Co从fcc向hcp转变，起不到强化作用；而占比过高则会使Co全部转化为hcp，大幅降低韧性，同时大幅提升成本。因此将Re和Ru总量控制在Co含量的5～25％可以在获得较好的强化效果的同时保证韧性，控制住生产成本。
本发明实施例的基体通过快冷烧结法制备。快冷可以大幅度保留Re和Ru在粘结相中的固溶，增强固溶强化效果。
实施例3
一种本发明的硬质合金刀片，记为刀片E，刀片型号为RPKT1204MO，包括硬质合金基体和覆盖于基体上的涂层。基体的原料规格、成分和物理性能如下表3所示。
制备过程：基体采用快冷烧结法制备，按原料配比进行配料后，以酒精为球磨介质球磨14h，球料比为5:1，再经过喷雾干燥和压制，然后在900kPa氩气气氛下以1410℃的温度烧结1h，再以95℃/min的冷却速度快冷至800℃，最后在2h内冷至室温。
涂层采用电弧离子镀的方式涂覆Al0.7Cr0.22Si0.08N涂层，涂层厚度为4.2μm。
实施例4
一种本发明的硬质合金刀片，记为刀片F，刀片型号为RPKT1204MO，包括硬质合金基体和覆盖于基体上的涂层。基体的原料规格、成分和物理性能如下表3所示。
制备过程：与实施例相同。
对比例3～4
分别选取市面上现有技术的两种产品，记为刀片G和刀片H，基体的原料规格、成分和物理性能如下表3所示。
表3刀片E～H基体的原料规格、成分和物理性能
Figure BDA0002924865930000061
对刀片E～H进行相同条件的切削实验，比较到失效为止总的加工时间，结果如表4所示。
表4刀片E～H的切削参数及结果
Figure BDA0002924865930000062
由表4可以发现，本发明的刀片E和F较现有技术的产品G和H总切削时间提升约50％。
本发明提供的用于耐热合金铣削的硬质合金刀片的基体中，复合添加Re和Ru，并控制Ru在Re-Ru复合添加剂总量中的占比为40～80％。如图2所示，尽管单独添加Re或Ru都可以起到上述的强化效果，但Re同时具有细化晶粒的作用，相对Ru而言，其促进Co从fcc向hcp转变的能力更强，只添加Re的合金中Cohcp的比例较高，这都对合金韧性有不利影响；只添加Ru的合金中Cofcc比例更高，对韧性的影响更小，但Ru可以粗化WC晶粒，不利于性能控制，同时Ru的价格昂贵，这对于大规模生产的成本控制造成了巨大压力。因此同时添加Re和Ru并控制Ru的比例在一定范围内，可以调控合金中Cohcp与Cofcc的比例，既能提高高温性能，又能保证韧性，控制生产成本。
实施例5
一种本发明的硬质合金刀片，记为刀片I，刀片型号为APMT1605PDER，包括硬质合金基体和覆盖于基体上的涂层。基体的原料规格、成分和物理性能如下表5所示：
制备过程：基体采用快冷烧结法制备：按原料配比进行配料后，以酒精为球磨介质球磨18h，球料比为5:1，再经过喷雾干燥和压制，然后在900kPa氩气气氛下以1440℃的温度烧结1h，再以60℃/min的冷却速度快冷至800℃，最后在2h内冷至室温。涂层采用电弧离子镀的方式涂覆Al0.65Cr0.25V0.10N涂层，涂层厚度为5μm。
实施例6
一种本发明的硬质合金刀片，记为刀片J，刀片型号为APMT1605PDER，包括硬质合金基体和覆盖于基体上的涂层。基体的原料规格、成分和物理性能如下表5所示：
制备过程：与实施例1。
对比例5
本比对例基体中Co的比饱和磁化强度与Co的质量分数之比(Com％/Cowt％)为0.85，基体的矫顽磁力Hc为9.68kA·m-1，其它与实施例5相同。记为刀片K。
对比例6
本比对例基体中Co的比饱和磁化强度与Co的质量分数之比(Com％/Cowt％)为0.58，基体的矫顽磁力Hc为24.47kA·m-1，其它与实施例6相同。记为刀片L。
表5刀片I～L基体的原料规格、成分和物理性能
Figure BDA0002924865930000081
对刀片I～L进行切削实验，比较到失效为止总的加工时间，结果如表6所示。
表6刀片I～L的切削参数及结果
Figure BDA0002924865930000082
由表6可以发现，本发明的刀片I和J较对比例的刀片K和L切削时间有不同程度提升。
本发明中实施例的基体，Co的比饱和磁化强度与Co的质量分数之比为0.6～0.8，矫顽磁力控制在10～20kA·m-1之间。比饱和磁化强度(Com％)，可以间接反映合金中的C含量，在Co含量一定的情况下，Com％越高表示C含量越高，反之则C含量越低。对于传统的Co含量低于12％的WC-Co合金，当Co的比饱和磁化强度与Co的质量分数低于80％时容易出现晶粒粗大的脆性贫碳相M6C、M12C(M通常为Co和W)，对合金性能有极大损害。但在合金中添加Re+Ru后可以降低避免生成贫碳相的C含量临界值，合金Com％/Co％值可以控制在更低的比例，从而增大Re和Ru在Co中的固溶强化效果。矫顽磁力(Hc)可以间接衡量WC晶粒度，在Co含量一定时，Hc越高表示WC晶粒越细，反之则越粗。铣削耐热合金对刀片的耐磨性和韧性都有很高的要求，因此WC晶粒度的控制十分重要，将Hc控制在10～20kA·m-1可以在确保具备良好抗崩刃性的前提下提高耐磨性。
实施例7
一种本发明的硬质合金刀片，记为刀片M，刀片型号为RPKT10T3MO，包括硬质合金基体和覆盖于基体上的涂层，如图1所示。基体的原料规格、成分和物理性能如下表7所示。
制备过程：传统粉末冶金方法用快冷烧结法制备：按原料配比进行配料后，以酒精为球磨介质球磨17h，球料比为5:1，再经过喷雾干燥和压制，然后在890kPa氩气气氛下以1450℃的温度烧结1h，再以80℃/min的冷却速度快冷至800℃，最后在2h内冷至室温。
涂层采用电弧离子镀的方法分别涂覆Al0.55Cr0.4Si0.05N涂层，涂层厚度为3μm。
实施例8
一种本发明的硬质合金刀片，记为刀片N，刀片型号为RPKT10T3MO，包括硬质合金基体和覆盖于基体上的涂层。基体的原料规格、成分和物理性能如下表7所示。
制备过程：基本与实施例7相同，不同点在于涂层为Al0.65Cr0.3B0.05N，厚度为5μm。
对比例7
一种硬质合金刀片，记为刀片O，刀片型号为RPKT10T3MO，包括硬质合金基体和覆盖于基体上的涂层。基体的原料规格、成分和物理性能如下表7所示。
制备过程：基体制备与实施例1相同，不同点在于涂层为Ti0.5Al0.5N，厚度为3μm。
对比例8
一种硬质合金刀片，记为刀片P，刀片型号为RPKT10T3MO，包括硬质合金基体和覆盖于基体上的涂层。基体的原料规格、成分和物理性能如下表7所示。
制备过程：基体制备与实施例1相同，不同点在于涂层为Al0.45Cr0.55N，厚度为7μm。
表7刀片M～P基体的原料规格、成分和物理性能
Figure BDA0002924865930000101
对刀片M～P进行切削实验，比较相同加工时间下后刀面的磨损，结果如表8所示。
表8刀片M～P的切削参数及结果
Figure BDA0002924865930000102
由表8可以发现，本发明的刀片M和N较对比例的刀片O和P使用寿命和切削稳定性上都有明显优势。
本发明实施例用于耐热合金铣削的涂层为AlxCr(0.90～1)-xXN，其中X为Si、V、Nb、B元素中的一种或几种，总量不超过10at％。目前常用的TiAlN涂层在加工钛合金等含Ti工件时由于元素间的亲和更容易发生扩散磨损，因此不适用于部分耐热合金的加工。同时以AlCrN为基础的PVD涂层相较TiAlN涂层而言，虽然硬度略有下降，但使用Cr替代Ti可以提高Al在涂层中的占比，在切削温度较高的工况下，更多的Al有利于切削中形成更多Al2O3，既有良好的隔热效果，同时具备优秀的抗氧化性，正适合耐热合金的铣削工况。合金中加入少量X元素则可以有效细化涂层晶粒，提高AlCrN涂层不足的硬度。因此将涂层成分和厚度控制在所述范围内可以较好的适应耐热合金的铣削工况。
以上所述是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明所述原理的前提下，还可以作出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种用于耐热合金铣削的硬质合金刀片，其特征在于，包括基体和涂层；
所述基体包括WC硬质相，Co粘结相以及Re-Ru复合添加剂；
所述Co的质量百分含量为基体质量的6～12wt％，所述Re-Ru复合添加剂的质量总含量为Co质量的5～25％，其余为WC，
其中，Re-Ru复合添加剂中Ru的质量百分比为40～80％；
所述涂层成分为AlxCr(0.90～1)-xXN，其中，x＝0.5～0.7；X为Si、V、Nb、B元素中的一种或几种。
2.根据权利要求1所述的硬质合金刀片，其特征在于，所述基体中Co的比饱和磁化强度与Co的质量分数之比为0.6～0.8。
3.根据权利要求1所述的硬质合金刀片，其特征在于，所述基体的矫顽磁力控制在10～20kA·m-1之间。
4.根据权利要求1所述的硬质合金刀片，其特征在于，所述WC原料粒度为0.5～5μm。
5.根据权利要求1所述的硬质合金刀片，其特征在于，所述涂层中，X的原子数百分含量不超过10at％；所述涂层厚度为1～6μm。
6.一种如权利要求1～5任一项所述的硬质合金刀片的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1：用快冷烧结法制备硬质合金刀片的基体；
步骤2：用电弧离子镀的方式在基体上沉积AlxCr(0.90～1)-xXN涂层。
7.根据权利要求6所述的硬质合金刀片的制备方法，其特征在于，所述步骤1包括：
步骤1.1：按原料配比进行配料，加入介质进行于球磨，得到浆料；
步骤1.2：将浆料进行喷雾干燥和压制，得到坯体；
步骤1.3：将坯体进行烧结，然后以60～105℃/min的进行快冷至800℃，最后在2h内冷至室温，得到基体。
8.根据权利要求6所述的硬质合金刀片的制备方法，其特征在于，所述步骤1.1中，介质为酒精，所述球磨时间为12～18h，球料比为5:1。
9.根据权利要求6所述的硬质合金刀片的制备方法，其特征在于，所述步骤1.3中，烧结温度为1410～1450℃，烧结气氛为氩气，烧结时间为1h。
10.根据权利要求9所述的硬质合金刀片的制备方法，其特征在于，所述氩气压力为500～1000KPa。
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