CN114014692A - 一种高红硬性金属陶瓷刀片 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种高红硬性金属陶瓷刀片，包括具有金属陶瓷基的微孔内衬；在微孔内衬上设置有多个用于与金属基外层熔融熔接的通孔；以及所述金属基外层熔覆在微孔内衬外层，且所述金属基外层中含有25‑35％的碳化硅、氮化硅中任一种的粒子。本发明以金属陶瓷基作为微孔内衬，可以减少对金属陶瓷材料的使用，同时，微孔内衬外层利用浇筑法熔覆金属基外层，且所述金属基外层中含有25‑35％的碳化硅、氮化硅中任一种的粒子，金属基外层选用高钨或高钼类似高速钢的材料，在金属基中掺杂碳化硅或氮化硅高硬度、高耐磨以及难以熔融的金属陶瓷粉末，以增强金属基的硬度和耐磨性，以及红硬性。

Description

一种高红硬性金属陶瓷刀片
技术领域
本发明涉及金属陶瓷刀具技术领域，尤其是一种高红硬性金属陶瓷刀片。
背景技术
金属陶瓷刀具具有超高硬度和强度，可以作为钻、刻刀、高强度刀具的使用，其基本采用的是真空热压烧结炉中烧结而成，由于金属陶瓷刀具工艺复杂，不仅要求要有合理的金属陶瓷基配伍，还要严格的控制其烧制条件，在新品研究和试制过程会造成大量的材料浪费，而且这些技术基本掌握在日本京瓷、瑞士山高、德国瓦尔特级美国肯纳等公司，因此，突破这一技术，具有很高的难度和壁垒。
一般的，超硬合金、金属陶瓷都可以作为刀具草料，超硬合金在选用时，一般要在超硬合金的外表形成一层金属陶瓷，来增强其硬度和耐磨性。
例如公开号为：“CN103379975A”公开了在碳化钨(WC)中添加钴(Co)的粉末并烧结而生成的WC-Co；在WC-Co中添加碳化钛(TiC)的WC-TiC-Co；在WC-TiC-Co中添加碳化钽(TaC)的WC-TiC-TaC-Co等。另外，金属陶瓷是使金属与陶瓷成分合成的烧结合成材料，具体地说，比如有以碳化钛(TiC)、氮化钛(TiN)为主成分的钛化合物等。刀具的表面可以采用化学蒸镀(CVD)法或物理蒸镀(PVD)法而由被膜被覆。作为被膜的组成，例如有碳化钛(TiC)、氮化钛(TiN)、碳氮化钛(TiCN)、氧化铝(Al2O3)等。
传统的刀具一般选用的是纯钛、钛合金以及高速钢，用高速钢或者钛金属制造切削工具，除因其具有高硬度、高耐磨性和足够的韧性之外，还有一个重要因素是具有红硬性。虽然高速钢或者钛金属在性能上不如金属陶瓷，但是，通过研究发现，向高速钢或者钛金属掺杂微米级金属陶瓷粉末，可以极大的提高高速钢或者钛金属的硬度、耐磨性，同时还能提高红硬性。
发明内容
本发明的目的在于提供一种高红硬性金属陶瓷刀片，以解决上述背景技术中提出的问题。
为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：
一种高红硬性金属陶瓷刀片，包括
具有金属陶瓷基的微孔内衬；
在微孔内衬上设置有多个用于与金属基外层熔融熔接的通孔；以及
所述金属基外层熔覆在微孔内衬外层，且所述金属基外层中含有25-35％的碳化硅、氮化硅中任一种的粒子。
所述微孔内衬是以微米级氧化锆粉末为主要成分，
以纳米级有机树脂粉末为成孔剂，
以微米级氧化镁为烧结助剂，
以微米级氧化钇为稳定剂，混合后加入真空热压烧结炉中烧结而成；
所述微孔内衬将微米级氧化锆粉末、纳米级有机树脂粉末、微米级氧化镁以及微米级氧化钇进行均匀搅拌，混合后加入真空热压烧结炉中烧结而成，其烧结的条件为：以50℃/min的升温速率将炉内温度升至1400-1550℃，在最高温度下保温5-8分钟，然后以50℃/min的降温速率将炉内温度降至1300-1350℃，保温30-50分钟，烧结压力为45-55MPa，保温结束后，随炉冷却至室温。
所述微孔内衬包括如下质量百分比的组分：
微米级氧化锆粉末65-70％，
成孔剂：纳米级有机树脂粉末20-33.5％；
烧结助剂：微米级氧化镁为0.05-1％；
稳定剂：微米级氧化钇0.05-0.5％。
所述微孔内衬是以微米级氧化铝粉末为主要成分，
以纳米级有机树脂粉末为成孔剂，
以微米级氧化镁为烧结助剂，
以微米级氧化钇为稳定剂，混合后加入真空热压烧结炉中烧结而成。
所述微孔内衬将微米级氧化锆粉末、纳米级有机树脂粉末、微米级氧化镁以及微米级氧化钇进行均匀搅拌，混合后加入真空热压烧结炉中烧结而成，其烧结的条件为：以50℃/min的升温速率将炉内温度升至1450-1600℃，在最高温度下保温5-8分钟，然后以50℃/min的降温速率将炉内温度降至1350-1400℃，保温30-50分钟，烧结压力为45-55MPa，保温结束后，随炉冷却至室温。
所述微孔内衬包括如下质量百分比的组分：
微米级氧化铝粉末65-70％，
成孔剂：纳米级有机树脂粉末20-33.5％；
烧结助剂：微米级氧化镁为0.05-1％；
稳定剂：微米级氧化钇0.05-0.5％。
所述金属基含有的化学元素成分及其质量百分比为:
钨5.8-7.4；
钼3.0-4.5；
钛3.0-3.5；
钴1.2-1.5；
碳0.3-0.5；
锑0.03-0.05；
余量为铁及其它不可避免的杂质。
所述金属基含有的化学元素成分及其质量百分比为:
钨2.6-4.4；
钼5.5-6.5；
钛2.0-2.5；
钴1.2-1.5；
锰1-1.5；
碳0.3-0.5；
锑0.03-0.05；
铷0.05-0.08；
余量为铁及其它不可避免的杂质。
所述金属基外层熔覆在微孔内衬外层方法包括：
将金属陶瓷基的微孔内衬放入在模具中固定；
将金属基放置在真空炉加热到1750-1900℃至熔融状态形成金属基熔融液，将熔融液加入至模具中，在加入过程中，均匀混入质量分为25-35％的碳化硅或氮化硅微米级粉末；然后在800-1000℃，保温20-33.5分钟，压力为20-25MPa，保温结束后，随模具却至室温。
再加入至模具之前，将所述模具进行预热，预热温度为600-800℃。
所述碳化硅或氮化硅微米级粉末的加入量与金属基熔融液的质量百分比为：
微米级碳化硅粉末28-30％；
或，微米级氮化硅粉末28-30％；
其余为金属基熔融液。
本发明以金属陶瓷基作为微孔内衬，可以减少对金属陶瓷材料的使用，同时，微孔内衬外层利用浇筑法熔覆金属基外层，且所述金属基外层中含有25-35％的碳化硅、氮化硅中任一种的粒子，金属基外层选用高钨或高钼类似高速钢的材料，在金属基中掺杂碳化硅或氮化硅高硬度、高耐磨以及难以熔融的金属陶瓷粉末，以增强金属基的硬度和耐磨性，以及红硬性。
附图说明
图1为本发明金属陶瓷刀具的结构示意图；
图2为本发明中微孔内衬的结构示意图。
具体实施方式
以下结合附图对本发明进行详细的描述，参照图1至图2。
实施例1
本发明提供了一种高红硬性金属陶瓷刀片，包括
具有金属陶瓷基的微孔内衬3；为了便于后期在模具中放置，微孔内衬3的两端适当的设置有一定的余量，待整个流程完毕后，可以将余量打磨掉。
在微孔内衬上设置有多个用于与金属基外层熔融熔接的通孔；以及
所述金属基外层熔覆在微孔内衬外层1，且所述金属基外层中含有25-35％的碳化硅粒子2。
在上述中，所述微孔内衬是以微米级氧化锆粉末为主要成分，
以纳米级有机树脂粉末为成孔剂，
以微米级氧化镁为烧结助剂，
以微米级氧化钇为稳定剂，混合后加入真空热压烧结炉中烧结而成；
所述微孔内衬包括如下质量百分比的组分：
微米级氧化锆粉末65％，
成孔剂：纳米级有机树脂粉末33.5％；
烧结助剂：微米级氧化镁为1％；
稳定剂：微米级氧化钇0.5％；
所述微孔内衬将微米级氧化锆粉末、纳米级有机树脂粉末、微米级氧化镁以及微米级氧化钇进行均匀搅拌，混合后加入真空热压烧结炉中烧结而成，其烧结的条件为：以50℃/min的升温速率将炉内温度升至1550℃，在最高温度下保温8分钟，然后以50℃/min的降温速率将炉内温度降至1350℃，保温50分钟，烧结压力为55MPa，保温结束后，随炉冷却至室温。
上述中，纳米级有机树脂粉末在加热过程中通过烧结析出以气体的形态被析出，金属陶瓷基表面呈微孔状。同时，在烧结时，需要放置在烧结模具中，烧结模具内具有多个排列均匀的柱体，柱体以形成通孔，通孔的目的用于在进行熔覆时，掺杂碳化硅粉末的金属基熔融液可以通过通孔与金属陶瓷基熔接在一起。
所述金属基含有的化学元素成分及其质量百分比为:
钨7.4；
钼4.5；
钛3.5；
钴1.5；
碳0.5；
锑0.05；
余量为铁及其它不可避免的杂质。
所述金属基外层熔覆在微孔内衬外层方法包括：
将金属陶瓷基的微孔内衬放入在模具固定并进行预热，预热温度为800℃，
将金属基放置在真空炉加热到1900℃至熔融状态形成金属基熔融液，将熔融液加入至模具中，在加入过程中，均匀混入质量分为35％的碳化硅或氮化硅微米级粉末；
然后在1000℃，保温33.5分钟，压力为25MPa，保温结束后，随模具却至室温。
在上述中，所述碳化硅或氮化硅微米级粉末的加入量与金属基熔融液的质量百分比为：微米级碳化硅粉末28-30％；余量为金属基熔融液；
熔覆时，通孔的目的用于将掺杂碳化硅粉末的金属基熔融液通孔与金属陶瓷基迅速的熔接在一起，以保证两侧能够获得均匀厚度的金属基，一般，微孔的孔径为50-80微米，微米级碳化硅粉末直径为1-3微米，金属基熔融液和微米级碳化硅粉末融合后能够渗入微孔中，和金属陶瓷基形成良好的熔接。在熔覆过程中，由于液相中掺杂了碳化硅粉末，温度会下降，收缩很快完成，接着产生结晶转变，形成基本组织和结构。
将上述得到的产品进行测试，晶粒度um：2.65；硬度HAR：90.5；抗弯强度MPa：2500；弹性模量GPa：530；热胀系数10/C：4.0。
实施例2
本发明提供了一种高红硬性金属陶瓷刀片，包括
具有金属陶瓷基的微孔内衬3，为了便于后期在模具中放置，微孔内衬3的两端适当的设置有一定的余量，待整个流程完毕后，可以将余量打磨掉。
在微孔内衬上设置有多个用于与金属基外层熔融熔接的通孔；以及
所述金属基外层熔覆在微孔内衬外层1，且所述金属基外层中含有25-35％的碳化硅粒子2。
在上述中，所述微孔内衬是以微米级氧化锆粉末为主要成分，
以纳米级有机树脂粉末为成孔剂，
以微米级氧化镁为烧结助剂，
以微米级氧化钇为稳定剂，混合后加入真空热压烧结炉中烧结而成；
所述微孔内衬包括如下质量百分比的组分：
微米级氧化锆粉末70％，
成孔剂：纳米级有机树脂粉末28.5％；
烧结助剂：微米级氧化镁为1％；
稳定剂：微米级氧化钇0.5％；
所述微孔内衬将微米级氧化锆粉末、纳米级有机树脂粉末、微米级氧化镁以及微米级氧化钇进行均匀搅拌，混合后加入真空热压烧结炉中烧结而成，其烧结的条件为：以50℃/min的升温速率将炉内温度升至1400℃，在最高温度下保温54分钟，然后以50℃/min的降温速率将炉内温度降至1300℃，保温40分钟，烧结压力为45MPa，保温结束后，随炉冷却至室温。
上述中，纳米级有机树脂粉末在加热过程中通过烧结析出以气体的形态被析出，金属陶瓷基表面呈微孔状。同时，在烧结时，需要放置在烧结模具中，烧结模具内具有多个排列均匀的柱体，柱体以形成通孔，通孔的目的用于在进行熔覆时，掺杂碳化硅粉末的金属基熔融液可以通过通孔与金属陶瓷基熔接在一起。
所述金属基含有的化学元素成分及其质量百分比为:
钨6.3；
钼3.2；
钛3.0；
钴1.2；
碳0.3；
锑0.03；
余量为铁及其它不可避免的杂质。
所述金属基外层熔覆在微孔内衬外层方法包括：
将金属陶瓷基的微孔内衬放入在模具固定并进行预热，预热温度为600℃，
将金属基放置在真空炉加热到1800℃至熔融状态形成金属基熔融液，将熔融液加入至模具中，在加入过程中，均匀混入质量分为30-33％的碳化硅或氮化硅微米级粉末；
然后在800℃，保温30分钟，压力为20MPa，保温结束后，随模具却至室温。
在上述中，所述碳化硅或氮化硅微米级粉末的加入量与金属基熔融液的质量百分比为：微米级碳化硅粉末28-30％；余量为金属基熔融液；
熔覆时，通孔的目的用于将掺杂碳化硅粉末的金属基熔融液通孔与金属陶瓷基迅速的熔接在一起，以保证两侧能够获得均匀厚度的金属基，一般，微孔的孔径为50-80微米，微米级碳化硅粉末直径为1-3微米，金属基熔融液和微米级碳化硅粉末融合后能够渗入微孔中，和金属陶瓷基形成良好的熔接，在熔覆过程中，由于液相中掺杂了碳化硅粉末，温度会下降，收缩很快完成，接着产生结晶转变，形成基本组织和结构。
将上述得到的产品进行测试，晶粒度um：2.58；硬度HAR：89.5；抗弯强度MPa：2550；弹性模量GPa：520；热胀系数10/C：4.3。
实施例3
本发明提供了一种高红硬性金属陶瓷刀片，包括
具有金属陶瓷基的微孔内衬3；为了便于后期在模具中放置，微孔内衬3的两端适当的设置有一定的余量，待整个流程完毕后，可以将余量打磨掉。
在微孔内衬上设置有多个用于与金属基外层熔融熔接的通孔；以及
所述金属基外层熔覆在微孔内衬外层1，且所述金属基外层中含有25-35％的碳化硅粒子2。
在上述中，所述微孔内衬是以微米级氧化锆粉末为主要成分，
以纳米级有机树脂粉末为成孔剂，
以微米级氧化镁为烧结助剂，
以微米级氧化钇为稳定剂，混合后加入真空热压烧结炉中烧结而成；
所述微孔内衬包括如下质量百分比的组分：
微米级氧化锆粉末68％，
成孔剂：纳米级有机树脂粉末31.5％；
烧结助剂：微米级氧化镁为1％；
稳定剂：微米级氧化钇0.5％；
所述微孔内衬将微米级氧化锆粉末、纳米级有机树脂粉末、微米级氧化镁以及微米级氧化钇进行均匀搅拌，混合后加入真空热压烧结炉中烧结而成，其烧结的条件为：以50℃/min的升温速率将炉内温度升至1450℃，在最高温度下保温6分钟，然后以50℃/min的降温速率将炉内温度降至1350℃，保温40分钟，烧结压力为50MPa，保温结束后，随炉冷却至室温。
上述中，纳米级有机树脂粉末在加热过程中通过烧结析出以气体的形态被析出，金属陶瓷基表面呈微孔状。同时，在烧结时，需要放置在烧结模具中，烧结模具内具有多个排列均匀的柱体，柱体以形成通孔，通孔的目的用于在进行熔覆时，掺杂碳化硅粉末的金属基熔融液可以通过通孔与金属陶瓷基熔接在一起。
所述金属基含有的化学元素成分及其质量百分比为:
钨7.0；
钼4.0；
钛3.1；
钴1.3；
碳0.4；
锑0.04；
余量为铁及其它不可避免的杂质。
所述金属基外层熔覆在微孔内衬外层方法包括：
将金属陶瓷基的微孔内衬放入在模具固定并进行预热，预热温度为800℃，
将金属基放置在真空炉加热到1850℃至熔融状态形成金属基熔融液，将熔融液加入至模具中，在加入过程中，均匀混入质量分为30-33％的碳化硅或氮化硅微米级粉末；
然后在1000℃，保温30分钟，压力为25MPa，保温结束后，随模具却至室温。
在上述中，所述碳化硅或氮化硅微米级粉末的加入量与金属基熔融液的质量百分比为：微米级碳化硅粉末28-30％；余量为金属基熔融液；
熔覆时，通孔的目的用于将掺杂碳化硅粉末的金属基熔融液通孔与金属陶瓷基迅速的熔接在一起，以保证两侧能够获得均匀厚度的金属基，一般，微孔的孔径为50-80微米，微米级碳化硅粉末直径为1-3微米，金属基熔融液和微米级碳化硅粉末融合后能够渗入微孔中，和金属陶瓷基形成良好的熔接，在熔覆过程中，由于液相中掺杂了碳化硅粉末，温度会下降，收缩很快完成，接着产生结晶转变，形成基本组织和结构。
将上述得到的产品进行测试，晶粒度um：2.65；硬度HAR：92.5；抗弯强度MPa：2680；弹性模量GPa：540；热胀系数10/C：4.8。
上述实施例1-3中，微米级氧化锆粉末还可以用微米级氧化铝粉末代替，在与实施例1-3条件不变的情况下，利用微米级氧化铝粉末代替微米级氧化锆粉末，经过测试，晶粒度um：2.55-2.65；硬度HAR：89.5-92；抗弯强度MPa：2400-2550；弹性模量GPa：540-560；热胀系数10/C：4.2-4.5。
在上述的实施例中，
所述金属基还可以时高钼金属基，含有的化学元素成分及其质量百分比为:钨2.6-4.4；钼5.5-6.5；钛2.0-2.5；钴1.2-1.5；锰1-1.5；碳0.3-0.5；锑0.03-0.05；铷0.05-0.08；余量为铁及其它不可避免的杂质。
将高钼金属基替代上述实施例1-3中的高钨金属基，经过测试，晶粒度um：2.50-2.60；硬度HAR：91-92.5；抗弯强度MPa：2500-2750；弹性模量GPa：530-540；热胀系数10/C：4.5-4.7。
在上述中，微米级氮化硅粉末用于替代微米级碳化硅粉末，在条件相同下，微米级碳化硅粉末代替微米级氮化硅粉末时，其结果与米级氮化硅粉末结果类似。
本发明可以用于制备钻刀、铣刀、刻刀等刀具。
本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想。以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，由于文字表达的有限性，而客观上存在无限的具体结构，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进、润饰或变化，也可以将上述技术特征以适当的方式进行组合；这些改进润饰、变化或组合，或未经改进将发明的构思和技术方案直接应用于其它场合的，均应视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种高红硬性金属陶瓷刀片，其特征在于，包括
具有金属陶瓷基的微孔内衬；
在微孔内衬上设置有多个用于与金属基外层熔融熔接的通孔；以及
所述金属基外层熔覆在微孔内衬外层，且所述金属基外层中含有25-35％的碳化硅、氮化硅中任一种的粒子。
2.根据权利要求1所述的高红硬性金属陶瓷刀片，其特征在于，所述微孔内衬是以微米级氧化锆粉末为主要成分，
以纳米级有机树脂粉末为成孔剂，
以微米级氧化镁为烧结助剂，
以微米级氧化钇为稳定剂，混合后加入真空热压烧结炉中烧结而成；
所述微孔内衬将微米级氧化锆粉末、纳米级有机树脂粉末、微米级氧化镁以及微米级氧化钇进行均匀搅拌，混合后加入真空热压烧结炉中烧结而成，其烧结的条件为：以50℃/min的升温速率将炉内温度升至1400-1550℃，在最高温度下保温5-8分钟，然后以50℃/min的降温速率将炉内温度降至1300-1350℃，保温30-50分钟，烧结压力为45-55MPa，保温结束后，随炉冷却至室温。
3.根据权利要求2所述的高红硬性金属陶瓷刀片，其特征在于，所述微孔内衬包括如下质量百分比的组分：
微米级氧化锆粉末65-70％，
成孔剂：纳米级有机树脂粉末20-33.5％；
烧结助剂：微米级氧化镁为0.05-1％；
稳定剂：微米级氧化钇0.05-0.5％。
4.根据权利要求1所述的高红硬性金属陶瓷刀片，其特征在于，所述微孔内衬是以微米级氧化铝粉末为主要成分，
以纳米级有机树脂粉末为成孔剂，
以微米级氧化镁为烧结助剂，
以微米级氧化钇为稳定剂，混合后加入真空热压烧结炉中烧结而成。
所述微孔内衬将微米级氧化锆粉末、纳米级有机树脂粉末、微米级氧化镁以及微米级氧化钇进行均匀搅拌，混合后加入真空热压烧结炉中烧结而成，其烧结的条件为：以50℃/min的升温速率将炉内温度升至1450-1600℃，在最高温度下保温5-8分钟，然后以50℃/min的降温速率将炉内温度降至1350-1400℃，保温30-50分钟，烧结压力为45-55MPa，保温结束后，随炉冷却至室温。
5.根据权利要求4所述的高红硬性金属陶瓷刀片，其特征在于，所述微孔内衬包括如下质量百分比的组分：
微米级氧化铝粉末65-70％，
成孔剂：纳米级有机树脂粉末20-33.5％；
烧结助剂：微米级氧化镁为0.05-1％；
稳定剂：微米级氧化钇0.05-0.5％。
6.根据权利要求1所述的高红硬性金属陶瓷刀片，其特征在于，所述金属基含有的化学元素成分及其质量百分比为:
钨5.8-7.4；
钼3.0-4.5；
钛3.0-3.5；
钴1.2-1.5；
碳0.3-0.5；
锑0.03-0.05；
余量为铁及其它不可避免的杂质。
7.根据权利要求1所述的高红硬性金属陶瓷刀片，其特征在于，所述金属基含有的化学元素成分及其质量百分比为:
钨2.6-4.4；
钼5.5-6.5；
钛2.0-2.5；
钴1.2-1.5；
锰1-1.5；
碳0.3-0.5；
锑0.03-0.05；
铷0.05-0.08；
余量为铁及其它不可避免的杂质。
8.根据权利要求1所述的高红硬性金属陶瓷刀片，其特征在于，所述金属基外层熔覆在微孔内衬外层方法包括：
将金属陶瓷基的微孔内衬放入在模具中固定；
将金属基放置在真空炉加热到1750-1900℃至熔融状态形成金属基熔融液，将熔融液加入至模具中，在加入过程中，均匀混入质量分为25-35％的碳化硅或氮化硅微米级粉末；然后在800-1000℃，保温20-33.5分钟，压力为20-25MPa，保温结束后，随模具却至室温。
9.根据权利要求8所述的高红硬性金属陶瓷刀片，其特征在于，再加入至模具之前，将所述模具进行预热，预热温度为600-800℃。
10.根据权利要求8所述的高红硬性金属陶瓷刀片，其特征在于，所述碳化硅或氮化硅微米级粉末的加入量与金属基熔融液的质量百分比为：
微米级碳化硅粉末28-30％；
或，微米级氮化硅粉末28-30％；
其余为金属基熔融液。
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