CN114603142A - 基于雀尾螳螂虾螯棒微观结构的晶粒定向仿生刀具的制备方法 - Google Patents

基于雀尾螳螂虾螯棒微观结构的晶粒定向仿生刀具的制备方法 Download PDF

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Abstract

基于雀尾螳螂虾螯棒微观结构的晶粒定向仿生刀具的制备方法，它属于机械金属切削刀具和工程仿生学技术领域。它要解决现有方法制备的刀具存在强度和抗冲击性能差的问题。方法：一、分别称取外层、第一过渡层、第二过渡层和第三过渡层的原料，再分别球磨、干燥和过筛；二、分别压制；三、烧结和磁化；四、粘结；五、磨削和涂层。本发明制备的晶粒定向仿生刀具分为四层，体现为雀尾螳螂虾螯棒“螺旋‑叠层”的微观结构；本发明从仿生角度出发，在具有高强度的同时，当受到冲击时，通过其特有的螺旋结构旋转和伸缩卸掉冲击能量，独特的叠层结构还可以吸收冲击能量。本发明中适用于雀尾螳螂虾螯棒微观结构的晶粒定向仿生刀具的制备。

Description

基于雀尾螳螂虾螯棒微观结构的晶粒定向仿生刀具的制备 方法
技术领域
本发明属于机械金属切削刀具和工程仿生学技术领域，具体涉及基于雀尾螳螂虾螯棒微观结构的晶粒定向仿生刀具的制备方法。
背景技术
切削加工是机械加工领域应用最广泛的加工技术，刀具则是实现切削加工的直接执行者，因此在机械加工领域对刀具的要求也越来越高。刀具在切削时要承受摩擦、振动、冲击等多重作用。刀具在工作时，要承受很大的压力载荷，同时由于切削时产生的金属塑性变形以及刀具、工件相互接触表面产生剧烈摩擦并产生很大的应力。刀具切削部分也要承受一定的冲击作用，这会使刀具发生断裂，从而失效。因此，提高刀具的强度和抗冲击能力是刀具设计的关键性问题之一。
随着仿生学的出现，学者们发现在自然界中有许多生物具有优良的生物学结构，如雀尾螳螂虾螯是螳螂虾捕食和御敌的利器，它可以像锤子一样击碎甲壳类、贝类及螺类等动物的硬壳，其具有的轻质、抗冲击特性远超过绝大多数人造机械。通过大量的研究发现，它是由矿物质几丁质组成的排列成多区纤维结构(螺旋-叠层)的复合材料。当受到外力冲击时，通过螺旋结构旋转和伸缩卸掉冲击能量，叠层结构吸收冲击能量，从而提高材料韧性，使其呈现出优异的高强、止裂、耐冲击等特性。
在切削加工中，常规类硬质合金(WC-Co)刀具通常以WC为硬质相，以Co为粘结相，并且其内部晶粒的取向是随机的，传统的硬质合金在烧结时其WC晶粒容易长大，影响硬质合金刀具的强度和抗冲击的性能，为了克服这一弊病，若能控制硬质合金晶粒排布取向并形成优良的微观结构，将大大的提高硬质合金刀具的强度和抗冲击能力，优化硬质合金性能。若能对雀尾螳螂虾螯棒的微观结构进行结构优化，并将其合理的应用于硬质合金刀具制备的过程中，为具有高强度和抗冲击能力的硬质合金刀具的制备提供了一种新方法。
发明内容
本发明的目的是解决现有方法制备的刀具存在强度和抗冲击性能差的问题，而提供基于雀尾螳螂虾螯棒微观结构的晶粒定向仿生刀具的制备方法。
雀尾螳螂虾螯棒微观结构的晶粒定向仿生刀具的制备方法，它按以下步骤进行：
一、按照重量份数称取95份粒度为2.5μm的WC粉末和5份粒度为1.5μm的Co粉末，作为外层材料原料；
按照重量份数称取86份粒度为2.5μm的WC粉末和14份粒度为1.5μm的Co粉末，作为第一过渡层原料；
按照重量份数称取82份粒度为2.5μm的WC粉末和12份粒度为1.5μm的Co粉末，作为第二过渡层原料；
按照重量份数称取90份粒度为2.5μm的WC粉末和10份粒度为1.5μm的Co粉末，作为第三过渡层原料；
上述四种原料分别放入球磨机中，球磨后再置于真空干燥箱，于120℃下干燥2～3h，然后过筛网，分别得到外层材料、第一过渡层材料、第二过渡层材料和第三过渡层材料；
二、在四个相同石墨模具中分别填入外层材料、第一过渡层材料、第二过渡层材料和第三过渡层材料，然后使用压力机进行预压，再于300MPa下保压1min，分别获得压制后的各层压坯；
三、将上述压制后的各层压坯，分别置于高温烧结炉内，在惰性气氛下，以80～90℃/min的速度升温至850℃，然后以30℃/min的速度升温至950℃，再以50～60℃/min的速度升温至1400℃并保温55min，然后随炉冷却，分别获得烧结后外层、烧结后第一过渡层、烧结后第二过渡层和烧结后第三过渡层；其中当烧结温度达到1000℃时，对高温烧结炉内施加30MPa压力至保温结束；
上述烧结过程中在烧结温度达到1298℃时，对压制后第三过渡层和压制后第一过渡层施加磁场强度为2.0T方向水平向左的匀强磁场，磁化时间为60s；对压制后第二过渡层和压制后外层施加磁场强度为2.0T方向水平向右的匀强磁场，磁化时间为60s；
四、上述烧结后外层、烧结后第一过渡层、烧结后第二过渡层和烧结后第三过渡层，分别对其粘结面进行电化学氧化成膜处理，然后分别在粘结面涂敷粘结剂，再依次按照烧结后第三过渡层、烧结后第二过渡层、烧结后第一过渡层和烧结后外层的顺序进行平行粘结，并于110℃下保温1h，然后加压0.05MPa，再于150℃下固化1～3h，随炉冷却至室温，获得刀具的整体硬质合金件；
五、上述刀具的整体硬质合金件，使用含1.5亿颗微小工业金刚石砂轮的磨床对其进行磨削，然后进行涂层，即完成雀尾螳螂虾螯棒微观结构的晶粒定向仿生刀具的制备；
步骤一中WC粉末和Co粉末各自纯度，按质量分数计均为≥99.8％；
步骤一中球磨：采用卧式球磨机，球料比为3:1，转速为250r/min，球磨时间为12h，磨球采用为直径6mm的不锈钢合金球，介质为无水乙醇；
步骤一中所述筛网为300μm筛网；
步骤二中模具根据所需制造的刀片型号进行选择；
步骤三中惰性气氛：通入50mbr的Ar气体；
步骤四中粘结剂牌号为HT-2717；
步骤五中进行涂层采用的是化学气相沉积法，涂层为厚度5μm的Al2O3。
本发明基于仿生学原理，仿生模本来源于自然界中雀尾螳螂虾螯棒的微观“螺旋-叠层”结构，在此基础上对模型进行优化，通过本发明所述方法实现晶粒定向仿生刀具的制备。
本发明制备的晶粒定向仿生刀具，层数分为四层，分别为外层、第一过渡层、第二过渡层和第三过渡层，体现为雀尾螳螂虾螯棒“螺旋-叠层”的微观结构；晶粒定向仿生刀具材料，其主要材料为难熔金属碳化物WC和金属粘接剂Co，故其金相组织主要有两相，且Co是强磁性材料，正常情况下其内部晶粒排布取向是随机的，但在施加外磁场的作用下会产生强烈的电磁现象，从而改变两相的组织状态；在磁场作用下，WC和Co发生调幅分解，析出强磁相即Co相，其会随机悬浮在非磁材料WC中；晶粒旋转微观表现为：析出的第二相为棒状，在磁场的作用下改变了晶粒内部力的平衡，第二相的易磁化轴会与磁场方向产生夹角，使晶粒体系发生旋转，这一过程会在很短的时间内完成，并且有利于Co相均匀的分布，并在外加磁场的作用下会形成类似“闭环”结构进而实现晶粒定向排布。根据仿生刀具各层所施加磁场方向不同，实现相邻两层晶粒体系旋转方向不同，经四层叠加以后，在微观上呈现晶粒的“螺旋-叠层”结构，虽然各层之间存在粘结层，但是粘结层的存在不会改变已经形成的结构，在仿生刀具进行工作时，粘结层在保证整体一致性的情况下，仿生刀具切削时在受到冲击、震动的情况下也能起到吸收能量的作用。
本发明从仿生角度出发，发现雀尾螳螂虾螯棒微观结构以“螺旋-叠层”方式排列，在具有高强度的同时，当受到冲击时，通过其特有的螺旋结构旋转和伸缩卸掉冲击能量，独特的叠层结构还可以吸收冲击能量。通过对雀尾螳螂虾螯棒“叠层-螺旋”微观结构的优化，把其合理的应用在硬质合金刀具(WC-Co)中，进而获得高强度和抗冲击的仿生刀具。
本发明中适用于雀尾螳螂虾螯棒微观结构的晶粒定向仿生刀具的制备。
附图说明
图1为实施例中仿生刀具的微观结构模型图；
图2为实施例中仿生刀具的示意图，其中1表示外层，2表示第一过渡层，3表示第二过渡层，4表示第三过渡层，5表示粘结剂的使用位置；
图3为实施例中仿生刀具的内部微观晶粒排布取向模型图；
图4为实施例中仿生刀具的内部微观晶粒排布取向模型图；
图5为实施例中仿生刀具的内部微观晶粒排布取向模型图。
具体实施方式
本发明技术方案不局限于以下所列举具体实施方式，还包括各具体实施方式间的任意组合。
具体实施方式一：本实施方式雀尾螳螂虾螯棒微观结构的晶粒定向仿生刀具的制备方法，它按以下步骤进行：
一、按照重量份数称取95份粒度为2.5μm的WC粉末和5份粒度为1.5μm的Co粉末，作为外层材料原料；
按照重量份数称取86份粒度为2.5μm的WC粉末和14份粒度为1.5μm的Co粉末，作为第一过渡层原料；
按照重量份数称取82份粒度为2.5μm的WC粉末和12份粒度为1.5μm的Co粉末，作为第二过渡层原料；
按照重量份数称取90份粒度为2.5μm的WC粉末和10份粒度为1.5μm的Co粉末，作为第三过渡层原料；
上述四种原料分别放入球磨机中，球磨后再置于真空干燥箱，于120℃下干燥2～3h，然后过筛网，分别得到外层材料、第一过渡层材料、第二过渡层材料和第三过渡层材料；
二、在四个相同石墨模具中分别填入外层材料、第一过渡层材料、第二过渡层材料和第三过渡层材料，然后使用压力机进行预压，再于300MPa下保压1min，分别获得压制后的各层压坯；
三、将上述压制后的各层压坯，分别置于高温烧结炉内，在惰性气氛下，以80～90℃/min的速度升温至850℃，然后以30℃/min的速度升温至950℃，再以50～60℃/min的速度升温至1400℃并保温55min，然后随炉冷却，分别获得烧结后外层、烧结后第一过渡层、烧结后第二过渡层和烧结后第三过渡层；其中当烧结温度达到1000℃时，对高温烧结炉内施加30MPa压力至保温结束；
上述烧结过程中在烧结温度达到1298℃时，对压制后第三过渡层和压制后第一过渡层施加磁场强度为2.0T方向水平向左的匀强磁场，磁化时间为60s；对压制后第二过渡层和压制后外层施加磁场强度为2.0T方向水平向右的匀强磁场，磁化时间为60s；
四、上述烧结后外层、烧结后第一过渡层、烧结后第二过渡层和烧结后第三过渡层，分别对其粘结面进行电化学氧化成膜处理，然后分别在粘结面涂敷粘结剂，再依次按照烧结后第三过渡层、烧结后第二过渡层、烧结后第一过渡层和烧结后外层的顺序进行平行粘结，并于110℃下保温1h，然后加压0.05MPa，再于150℃下固化1～3h，随炉冷却至室温，获得刀具的整体硬质合金件；
五、上述刀具的整体硬质合金件，使用含1.5亿颗微小工业金刚石砂轮的磨床对其进行磨削，然后进行涂层，即完成雀尾螳螂虾螯棒微观结构的晶粒定向仿生刀具的制备。
本实施方式步骤四中所得刀具的整体硬质合金件，要进行缺陷探伤及整体性检测以保证达到试验标准。
本实施方式步骤五中磨削的目的是使刀具的整体硬质合金件达到精确的形状、尺寸和公差。
本实施方式步骤五中采用化学气相沉积法进行涂层，目的是为刀具提供扩散屏障，防止氧化，既保持了刀具的韧性，又提高了刀具的耐磨性和使用寿命。
具体实施方式二：本实施方式与具体实施方式一不同的是，步骤一中WC粉末和Co粉末各自纯度，按质量分数计均为≥99.8％。其它步骤及参数与具体实施方式一相同。
具体实施方式三：本实施方式与具体实施方式一或二不同的是，步骤一中球磨：采用卧式球磨机，球料比为3:1，转速为250r/min，球磨时间为12h，磨球采用为直径6mm的不锈钢合金球，介质为无水乙醇。其它步骤及参数与具体实施方式一或二相同。
具体实施方式四：本实施方式与具体实施方式一至三之一不同的是，步骤一中所述筛网为300μm筛网。其它步骤及参数与具体实施方式一至三之一相同。
具体实施方式五：本实施方式与具体实施方式一至四之一不同的是，步骤二中模具根据所需制造的刀片型号进行选择。其它步骤及参数与具体实施方式一至四之一相同。
具体实施方式六：本实施方式与具体实施方式一至五之一不同的是，步骤三中惰性气氛：通入50mbr的Ar气体。其它步骤及参数与具体实施方式一至五之一相同。
具体实施方式七：本实施方式与具体实施方式一至六之一同的是，步骤三中以85℃/min的速度升温至850℃，然后以30℃/min的速度升温至950℃，再以55℃/min的速度升温至1400℃并保温55min。其它步骤及参数与具体实施方式一至六之一相同。
具体实施方式八：本实施方式与具体实施方式一至七之一同的是，步骤四中粘结剂牌号为HT-2717。其它步骤及参数与具体实施方式一至七之一相同。
本实施方式中粘结剂为市售商品。
具体实施方式九：本实施方式与具体实施方式一至八之一同的是，步骤四中150℃下固化2h。其它步骤及参数与具体实施方式一至八之一相同。
具体实施方式十：本实施方式与具体实施方式一至九之一同的是，步骤五中进行涂层采用的是化学气相沉积法，涂层为厚度5μm的Al2O3。其它步骤及参数与具体实施方式一至九之一相同。
通过以下实施例验证本发明的有益效果：
实施例：
雀尾螳螂虾螯棒微观结构的晶粒定向仿生刀具的制备方法，它按以下步骤进行：
一、按照重量份数称取95份粒度为2.5μm的WC粉末和5份粒度为1.5μm的Co粉末，作为外层材料原料；
按照重量份数称取86份粒度为2.5μm的WC粉末和14份粒度为1.5μm的Co粉末，作为第一过渡层原料；
按照重量份数称取82份粒度为2.5μm的WC粉末和12份粒度为1.5μm的Co粉末，作为第二过渡层原料；
按照重量份数称取90份粒度为2.5μm的WC粉末和10份粒度为1.5μm的Co粉末，作为第三过渡层原料；
上述四种原料分别放入球磨机中，球磨后再置于真空干燥箱，于120℃下干燥2～3h，然后过筛网，分别得到外层材料、第一过渡层材料、第二过渡层材料和第三过渡层材料；
二、在四个相同石墨模具中分别填入外层材料、第一过渡层材料、第二过渡层材料和第三过渡层材料，然后使用压力机进行预压，再于300MPa下保压1min，分别获得压制后的各层压坯；
三、将上述压制后的各层压坯，分别置于高温烧结炉内，在惰性气氛下，以85℃/min的速度升温至850℃，然后以30℃/min的速度升温至950℃，再以55℃/min的速度升温至1400℃并保温55min，然后随炉冷却，分别获得烧结后外层、烧结后第一过渡层、烧结后第二过渡层和烧结后第三过渡层；其中当烧结温度达到1000℃时，对高温烧结炉内施加30MPa压力至保温结束；
上述烧结过程中在烧结温度达到1298℃时，对压制后第三过渡层和压制后第一过渡层施加磁场强度为2.0T方向水平向左的匀强磁场，磁化时间为60s；对压制后第二过渡层和压制后外层施加磁场强度为2.0T方向水平向右的匀强磁场，磁化时间为60s；
四、上述烧结后外层、烧结后第一过渡层、烧结后第二过渡层和烧结后第三过渡层，分别对其粘结面进行电化学氧化成膜处理，然后分别在粘结面涂敷粘结剂，再依次按照烧结后第三过渡层、烧结后第二过渡层、烧结后第一过渡层和烧结后外层的顺序进行平行粘结，并于110℃下保温1h，然后加压0.05MPa，再于150℃下固化2h，随炉冷却至室温，获得刀具的整体硬质合金件；
五、上述刀具的整体硬质合金件，使用含1.5亿颗微小工业金刚石砂轮的磨床对其进行磨削，然后进行涂层，即完成雀尾螳螂虾螯棒微观结构的晶粒定向仿生刀具的制备。
本实施例步骤一中WC粉末和Co粉末各自纯度，按质量分数计均为≥99.8％。
本实施例步骤一中球磨：采用卧式球磨机，球料比为3:1，转速为250r/min，球磨时间为12h，磨球采用为直径6mm的不锈钢合金球，介质为无水乙醇。
本实施例步骤一中所述筛网为300μm筛网。
本实施例步骤二中模具根据所需制造的刀片型号进行选择。
本实施例步骤三中惰性气氛：通入50mbr的Ar气体。
本实施例步骤四中粘结剂牌号为HT-2717。
本实施例步骤五中进行涂层采用的是化学气相沉积法，涂层为厚度5μm的Al2O3。
本实施例步骤四中所得刀具的整体硬质合金件，要进行缺陷探伤及整体性检测以保证达到试验标准。
本实施例步骤五中磨削的目的是使刀具的整体硬质合金件达到精确的形状、尺寸和公差。
本实施例中制备所得仿生刀具，其结构及晶粒排布方式，体现为雀尾螳螂虾螯棒“螺旋-叠层”的微观结构(见图1)，仿生刀具层数分为四层，分别为外层、第一过渡层、第二过渡层和第三过渡层，其示意图如2所示，其内部微观晶粒排布取向模型图，如图3、图4和图5所示，仿生刀具材料，其主要材料为难熔金属碳化物WC和金属粘接剂Co，故其金相组织主要有两相，且Co是强磁性材料，正常情况下其内部晶粒排布取向是随机的，但在施加外磁场的作用下会产生强烈的电磁现象，从而改变两相的组织状态；在磁场作用下，WC和Co发生调幅分解，析出强磁相即Co相，其会随机悬浮在非磁材料WC中；晶粒旋转微观表现为：析出的第二相为棒状，在磁场的作用下改变了晶粒内部力的平衡，第二相的易磁化轴会与磁场方向产生夹角，使晶粒体系发生旋转，这一过程会在很短的时间内完成，并且有利于Co相均匀的分布，并在外加磁场的作用下会形成类似“闭环”结构进而实现晶粒定向排布。
根据仿生刀具各层所施加磁场方向不同，实现相邻两层晶粒体系旋转方向不同，经四层叠加以后，在微观上呈现晶粒的“螺旋-叠层”结构，虽然各层之间存在粘结层，但是粘结层的存在不会改变已经形成的结构，在仿生刀具进行工作时，粘结层在保证整体一致性的情况下，仿生刀具切削时在受到冲击、震动的情况下也能起到吸收能量的作用。

Claims (10)

1.基于雀尾螳螂虾螯棒微观结构的晶粒定向仿生刀具的制备方法，其特征在于它按以下步骤进行：
一、按照重量份数称取95份粒度为2.5μm的WC粉末和5份粒度为1.5μm的Co粉末，作为外层材料原料；
按照重量份数称取86份粒度为2.5μm的WC粉末和14份粒度为1.5μm的Co粉末，作为第一过渡层原料；
按照重量份数称取82份粒度为2.5μm的WC粉末和12份粒度为1.5μm的Co粉末，作为第二过渡层原料；
按照重量份数称取90份粒度为2.5μm的WC粉末和10份粒度为1.5μm的Co粉末，作为第三过渡层原料；
上述四种原料分别放入球磨机中，球磨后再置于真空干燥箱，于120℃下干燥2～3h，然后过筛网，分别得到外层材料、第一过渡层材料、第二过渡层材料和第三过渡层材料；
二、在四个相同石墨模具中分别填入外层材料、第一过渡层材料、第二过渡层材料和第三过渡层材料，然后使用压力机进行预压，再于300MPa下保压1min，分别获得压制后的各层压坯；
三、将上述压制后的各层压坯，分别置于高温烧结炉内，在惰性气氛下，以80～90℃/min的速度升温至850℃，然后以30℃/min的速度升温至950℃，再以50～60℃/min的速度升温至1400℃并保温55min，然后随炉冷却，分别获得烧结后外层、烧结后第一过渡层、烧结后第二过渡层和烧结后第三过渡层；其中当烧结温度达到1000℃时，对高温烧结炉内施加30MPa压力至保温结束；
上述烧结过程中在烧结温度达到1298℃时，对压制后第三过渡层和压制后第一过渡层施加磁场强度为2.0T方向水平向左的匀强磁场，磁化时间为60s；对压制后第二过渡层和压制后外层施加磁场强度为2.0T方向水平向右的匀强磁场，磁化时间为60s；
四、上述烧结后外层、烧结后第一过渡层、烧结后第二过渡层和烧结后第三过渡层，分别对其粘结面进行电化学氧化成膜处理，然后分别在粘结面涂敷粘结剂，再依次按照烧结后第三过渡层、烧结后第二过渡层、烧结后第一过渡层和烧结后外层的顺序进行平行粘结，并于110℃下保温1h，然后加压0.05MPa，再于150℃下固化1～3h，随炉冷却至室温，获得刀具的整体硬质合金件；
五、上述刀具的整体硬质合金件，使用含1.5亿颗微小工业金刚石砂轮的磨床对其进行磨削，然后进行涂层，即完成雀尾螳螂虾螯棒微观结构的晶粒定向仿生刀具的制备。
2.根据权利要求1所述的基于雀尾螳螂虾螯棒微观结构的晶粒定向仿生刀具的制备方法，其特征在于步骤一中WC粉末和Co粉末各自纯度，按质量分数计均为≥99.8％。
3.根据权利要求1所述的基于雀尾螳螂虾螯棒微观结构的晶粒定向仿生刀具的制备方法，其特征在于步骤一中球磨：采用卧式球磨机，球料比为3:1，转速为250r/min，球磨时间为12h，磨球采用为直径6mm的不锈钢合金球，介质为无水乙醇。
4.根据权利要求1所述的基于雀尾螳螂虾螯棒微观结构的晶粒定向仿生刀具的制备方法，其特征在于步骤一中所述筛网为300μm筛网。
5.根据权利要求1所述的基于雀尾螳螂虾螯棒微观结构的晶粒定向仿生刀具的制备方法，其特征在于步骤二中模具根据所需制造的刀片型号进行选择。
6.根据权利要求1所述的基于雀尾螳螂虾螯棒微观结构的晶粒定向仿生刀具的制备方法，其特征在于步骤三中惰性气氛：通入50mbr的Ar气体。
7.根据权利要求1所述的基于雀尾螳螂虾螯棒微观结构的晶粒定向仿生刀具的制备方法，其特征在于步骤三中以85℃/min的速度升温至850℃，然后以30℃/min的速度升温至950℃，再以55℃/min的速度升温至1400℃并保温55min。
8.根据权利要求1所述的基于雀尾螳螂虾螯棒微观结构的晶粒定向仿生刀具的制备方法，其特征在于步骤四中粘结剂牌号为HT-2717。
9.根据权利要求1所述的基于雀尾螳螂虾螯棒微观结构的晶粒定向仿生刀具的制备方法，其特征在于步骤四中150℃下固化2h。
10.根据权利要求1所述的基于雀尾螳螂虾螯棒微观结构的晶粒定向仿生刀具的制备方法，其特征在于步骤五中进行涂层采用的是化学气相沉积法，涂层为厚度5μm的Al2O3。
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