CN113059157A - 一种sps有压烧结超细晶wc基硬质合金异形刀具的方法 - Google Patents

一种sps有压烧结超细晶wc基硬质合金异形刀具的方法 Download PDF

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Abstract

本发明属于异形刀具制备领域，具体涉及一种SPS的有压烧结超细晶WC基硬质合金异形刀具的方法。本发明将WC基硬质合金刀具材料粉末采取超声振荡方式混合均匀，然后取出进行真空干燥、研磨、过筛处理；接着在石墨模具中用金属压头对制备的粉末进行压制，利用金属压头的特殊表面形貌压制出刀具纹路，保压完成以后拔出金属压头，硬质合金素坯保持在模具内部，在其表面添加cBN粉末进行二次预压，使用保温材料将带有二次预压粉体的模具包裹，并放入放电等离子炉中进行烧结，烧制出具有复杂型面的超细晶WC基硬质合金刀具。本发明可以在保证刀具材料的高致密度和综合力学性能的同时，制备出高性能和复杂形状为一体的异形刀具。

Description

一种SPS有压烧结超细晶WC基硬质合金异形刀具的方法
技术领域
本发明属于异形刀具制备领域，具体涉及一种SPS有压烧结超细晶WC基硬质合金异形刀具的方法。
背景技术
硬质合金由于具有高硬度和高耐磨性被广泛的应用于切削刀具、航天器材、仪器仪表、武器装备等领域。为了使硬质合金刀具具有更高的性能以适应难加工材料的加工要求，通常对刀具进行优化。
对刀具的优化主要包括高性能刀具材料的研制和刀具结构的优化，而对于刀具结构的优化主要集中在切屑槽、刀具前角、刃倾角等刀具几何参数的优化设计。研究表明，刀具几何参数中，前角的大小直接影响切削过程中刀具的变形和摩擦，因此对切削力和切削温度的影响最大。随着前角的增大，切削力和切削温度降低。此外，正的刃倾角使切屑排出时，偏离已加工表面，避免因切屑冲击而损伤工件加工表面，从而提高加工工件表面质量。此外在一定的切削条件下，使用合适的排屑槽，不仅能改变切屑的自然流出方向和卷曲形式，还能让切屑按照更为合理的方向流出。
目前具有复杂刀面的刀具，一般使用无压烧结的制备方式，采取加胶-高压压制素胚-无压烧结的方式，但素胚的优劣对压制时的力学性能乃至最终刀具品质产生很大影响，压制的素胚密度难以保持均匀，而且脱模后会发生不同程度的回弹，并且在烧结过程中会出现收缩不均匀，最终导致刀具尺寸精度下降，并且刀具内部存在应力集中。有压烧结制备的刀具致密度和性能一般都高于无压烧结，其中放电等离子烧结(SPS)方式作为有压烧结的一种具有烧结速度快、烧结温度低，节能、环保，而且由于等离子体的活化和快速升温烧结的作用，抑制了晶粒的长大，保持了原始颗粒的微观结构，从而在本质上提高了烧结体的性能。而SPS高的烧结压力会使刀具表面的复杂形貌压溃而无法使用，导致无法像无压烧结一样采取加胶-高压压制-无压烧结技术路线，因此确定高致密度、高综合力学性能，且具有正前角和排屑槽等复杂纹路WC基硬质合金异形刀具的制备工艺，对推广和应用高性能硬质合金刀具具有重要意义。
发明内容
本发明的目的在于提供一种具有复杂表面的超细晶WC基硬质合金刀具的有压烧结制备方法；使用该方法优化烧结工艺，可以在保证材料致密度和材料的综合力学性能的同时，制备出具有排屑槽的复杂刀面的超细晶WC基硬质合金刀具。
实现本发明目的的技术解决方案为：一种SPS有压烧结超细晶WC基硬质合金异形刀具的方法，包括如下步骤：
步骤(1)：按比例分别称取碳化钨WC，钴Co，镍Ni和铁Fe粉末，加入盛有无水乙醇的锥形瓶中，进行超声振荡的同时进行机械搅拌；
步骤(2)：将超声振荡之后的混合粉末干燥、研磨和过筛；
步骤(3)：制备与异形刀具相匹配的金属压头；
步骤(4)：将步骤(2)过筛之后的混合粉末放入石墨模具的型腔中，采用步骤(3)制备的金属压头压制出异形刀具型面和排屑槽；
步骤(5)：取出金属压头，保留步骤(4)压制的刀具素坯在模具内，在素坯上填入微米级立方氮化硼cBN，再通过石墨压头进行二次预压；
步骤(6)：使用保温材料将步骤(5)中带有二次预压粉体的模具包裹，并放入放电等离子炉中进行真空烧结，脱模得到超细晶WC基硬质合金异形刀具。
进一步的，步骤(1)中的混合粉末的组成以质量百分比计如下：90～96wt％的碳化钨WC，2～10wt％的钴Co，0～5wt％的镍Ni，0～5wt％的铁Fe；进行超声振荡1-2h。
进一步的，步骤(1)中碳化钨WC的粒径为50-100nm，钴Co的粒径为500-800nm，镍Ni的粒径为500-800nm，铁Fe粒径为500-800nm。
进一步的，步骤(4)中放入的硬质合金混合粉末的量为8-15g，氮化硼cBN粉末量为0.8-1.2g，混合粉末为原位压制，不从模具内取出。
进一步的，步骤(4)中金属压头压制复合粉末压力为20-50MPa，保压时间均为3-5min。
进一步的，步骤(6)的真空烧结过程具体为：烧结压力为30-100MPa，以100±10℃/min的升温速率持续升温到1100-1300℃，并在此温度下保温3-5min，然后随炉冷却至室温。
一种采用上述方法制备的超细晶WC基硬质合金异形刀具。
本发明与现有技术相比，其显著优点在于：
(1)本发明的制备方法，在通过金属压头压制出产品的近最终产品之后，在硬质合金粉末素坯上填入微米级立方氮化硼cBN，再通过石墨压头进行二次预压，最后进行放电等离子烧结，可以得到净成形且具有复杂刀面形状的异形刀具，避免了后续加工，提高了刀具的生产效率。
(2)本发明所用的基体WC粉体粒径为纳米级，经烧结后的硬质合金刀具晶粒细小，同时可增加粘结相的高分散性，可使烧结出的刀具韧性和硬度均有所提高。
(3)通过设计不同表面结构的金属压头能够得到各种槽型的硬质合金刀具，可以提高硬质合金刀具的切削加工能力，推广高性能硬质合金刀具的适用范围。
附图说明
图1为本发明SPS有压烧结超细晶WC基硬质合金异形刀具制备原理图。
图2为本发明所用金属压头实物图。
图3为本发明的超细晶WC基硬质合金异形刀具实物图，图(a)为俯视图，图(b)为侧视图。其上表面侧方凹槽弧面为排屑槽。
附图标记说明：
1-微米级cBN粉，2-硬质合金混合粉末，3-石墨纸，4-石墨模具，5-石墨压头。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步详细描述。
本发明通过有压烧结制备方法，制备的具有复杂表面的WC基硬质合金刀具的材料组分质量配比为：碳化钨WC：92％，钴Co：2.67％，镍Ni：2.67％，铁Fe：2.67％。
有压烧结制备方法具体包括如下步骤：
步骤1，按比例称取粒径60nm WC粉末、600nm Co粉末、600nmNi粉末、600nmFe粉末混合，室温下以无水乙醇作为振荡介质，进行超声振荡；
步骤2，将混合粉料干燥，研磨，过筛；
步骤3，装入WC-8(Co-Ni-Fe)粉末12g，cBN粉0.8g，WC/Co粉末为原位压制，不从模具内取出；使用金属压头压制出刀具角度和排屑槽，将压头拔出后保持素胚在石墨模具中，填入微米级立方氮化硼cBN，进行二次粉末预压；模具内径尺寸为13.5mm×13.5mm，压制刀具表面压力为30MPa，所述的粉末预压压力为30MPa，保压时间均为3min。
步骤4，使用保温材料将带有二次预压粉体的模具包裹，并放入放电等离子炉中进行真空烧结，烧结压力为100MPa，以100℃/min的升温速率持续升温到1200℃，并在此温度下保温3min，然后随炉冷却至室温，制备出复杂刀面的超细晶WC基硬质合金异形刀具。
有压烧结实现刀具正前角和排屑槽的制备，无需对刀具再加工，而且采用立方氮化硼cBN填充的方法，致密度可达99％以上，其力学性能良好，硬度为21.02GPa，断裂韧性为11.24MPa·m1/2。
实施例1
按质量百分数按比例称取92wt％WC(60nm)+2.67wt％Co(600nm)+2.67wt％Ni(600nm)+2.67％wt％Fe(600nm)混合，室温下以无水乙醇作为振荡介质，进行超声振荡2h，随后将混合粉末在真空干燥箱中烘干研磨，并过100目筛，将制备好的混合粉末加入到石墨模具中，使用金属压头在30MPa压力下保压3min，压制出刀具纹路，将压头拔出后保持预压粉体在石墨模具中，填入0.8g微米级立方氮化硼，在30MPa压力下保压3min；使用保温材料将带有二次预压粉体的模具包裹，并放入放电等离子炉中，将炉腔内抽成真空状态，压强至6Pa，施加压力为100MPa，以100℃/min的升温速率将试样加热至1200℃，保温3min，最后随炉冷却。
经测试得，所制备材料的维氏硬度为21.02GPa，断裂韧性为11.24MPa·m1/2，致密度达到99.48％。
实施例2
按质量百分数按比例称取92wt％WC(60nm)+2.67wt％Co(600nm)+2.67wt％Ni(600nm)+2.67％wt％Fe(600nm)混合，室温下以无水乙醇作为振荡介质，进行超声振荡2h，随后将混合粉末在真空干燥箱中烘干研磨，并过100目筛，将制备好的混合粉末加入到石墨模具中，使用金属压头在30MPa压力下保压3min，压制出刀具纹路，将压头拔出后保持预压粉体在石墨模具中，填入0.4g微米级立方氮化硼，在30MPa压力下保压3min；使用保温材料将带有二次预压粉体的模具包裹，并放入放电等离子炉中，将炉腔内抽成真空状态，压强至6Pa，施加压力为100MPa，以100℃/min的升温速率将试样加热至1200℃，保温2min，最后随炉冷却。
经测试得，所制备材料的维氏硬度为21.26GPa，断裂韧性为10.01MPa·m1/2，致密度达到99.23％。
实施例3
按质量百分数按比例称92wt％WC(60nm)+2.67wt％Co(600nm)+2.67wt％Ni(600nm)+2.67％wt％Fe(600nm)混合，室温下以无水乙醇作为振荡介质，进行超声振荡2h，随后将混合粉末在真空干燥箱中烘干研磨，并过100目筛，将制备好的混合粉末加入到石墨模具中，使用金属压头在30MPa压力下保压3min，压制出刀具纹路，将压头拔出后保持预压粉体在石墨模具中，填入0.8g微米级立方氮化硼，在30MPa压力下保压3min；使用保温材料将带有二次预压粉体的模具包裹，并放入放电等离子炉中，将炉腔内抽成真空状态，压强至6Pa，施加压力为140MPa，以100℃/min的升温速率将试样加热至1200℃，保温5min，最后随炉冷却。
经测试得，所制备材料的维氏硬度为21.23GPa，断裂韧性为10.96MPa·m1/2，致密度达到99.8％。

Claims (7)

1.一种SPS有压烧结超细晶WC基硬质合金异形刀具的方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤(1)：按比例分别称取碳化钨WC，钴Co，镍Ni和铁Fe粉末，加入盛有无水乙醇的锥形瓶中，进行超声振荡的同时进行机械搅拌；
步骤(2)：将超声振荡之后的混合粉末干燥、研磨和过筛；
步骤(3)：制备与异形刀具相匹配的金属压头；
步骤(4)：将步骤(2)过筛之后的混合粉末放入石墨模具的型腔中，采用步骤(3)制备的金属压头压制出异形刀具型面和排屑槽；
步骤(5)：取出金属压头，保留步骤(4)压制的刀具素坯在模具内，在素坯上填入微米级立方氮化硼cBN，再通过石墨压头进行二次预压；
步骤(6)：使用保温材料将步骤(5)中带有二次预压粉体的模具包裹，并放入放电等离子炉中进行真空烧结，脱模得到超细晶WC基硬质合金异形刀具。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤(1)中的混合粉末的组成以质量百分比计如下：90～96wt％的碳化钨WC，2～10wt％的钴Co，0～5wt％的镍Ni，0～5wt％的铁Fe；进行超声振荡1-2h。
3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，步骤(1)中碳化钨WC的粒径为50-100nm，钴Co的粒径为500-800nm，镍Ni的粒径为500-800nm，铁Fe粒径为500-800nm。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤(4)中放入的硬质合金混合粉末的量为8-15g，氮化硼cBN粉末量为0.8-1.2g，混合粉末为原位压制，不从模具内取出。
5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤(4)中金属压头压制复合粉末压力为20-50MPa，保压时间均为3-5min。
6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤(6)的真空烧结过程具体为：烧结压力为30-100MPa，以100±10℃/min的升温速率持续升温到1100-1300℃，并在此温度下保温3-5min，然后随炉冷却至室温。
7.一种采用权利要求1-6任一项所述的方法制备的超细晶WC基硬质合金异形刀具。
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