CN115194159B - 一种双层立方氮化硼刀具及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及切削加工技术领域，本发明提供了一种可用于干式加工钢铁的双层立方氮化硼刀具及其制备方法，所述的双层立方氮化硼刀具由支撑层及其一个表面上的切削层构成，所述切削层具有点状刀尖，主要为立方氮化硼，厚度为0.6‑1.0毫米；所述切削层中立方氮化硼的质量含量在80％以上；所述支撑层主要为碳化钨，厚度为1.8‑3.2毫米。本发明的双层立方氮化硼刀具既具有较好的切削性能和精度，又具有较好传热等性能，确保了刀具的使用寿命，还降低了成本。实践显示，使用此刀具，一个刀尖可加工600‑700只缸套，大大延长了刀具的使用寿命。

Description

一种双层立方氮化硼刀具及其制备方法
技术领域
本发明涉及切削加工技术领域，尤其涉及一种可用于干式加工钢铁的双层立方氮化硼刀具及其制备方法。
背景技术
在切削金属等加工领域，刀具直接切除工件上的余量并形成已加工表面。现有的刀具主要有金刚石刀具、立方氮化硼刀具、碳化钨刀具以及其他刀具，这些刀具的一个共同点就是大部分为单一材料组分，如金刚石刀具主要成分是金刚石，立方氮化硼刀具是以立方氮化硼为主要成分。并且，传统的刀具结构只有一层，由于刀具存在磨损只有刀尖部分可以使用，在使用到一定程度时刀具由于不能使用而丢弃，这样既造成极大的资源浪费，又会造成环境污染。
立方氮化硼刀具一般是利用人工方法在高温高压条件下用立方氮化硼微粉和少量结合剂制成，其硬度仅次于金刚石而远远高于其它刀具材料。立方氮化硼在刀具中的应用越来越广泛，也有一定的多层刀具出现。例如，申请号为201320305433.9的中国专利文献公开了一种切削用立方氮化硼刀具，该刀具包括位于上、下端面的立方氮化硼聚晶层以及位于上、下端面立方氮化硼聚晶层之间的至少一层硬质合金基体，相邻的硬质合金基体之间用立方氮化硼聚晶层隔开。
上述的切削用立方氮化硼刀具为三层结构，其可以减少原材料立方氮化硼微粉的用量，降低成本等。但是，在该刀具的一面切削层用过之后，由于尖部磨损的缘故，使用另一面时容易固定不牢导致加工精度不能保证；而且在干加工时，所述刀具的传热性能和耐热性能不足，进而导致使用寿命大大的缩短。
发明内容
有鉴于此，本发明提供一种双层立方氮化硼刀具及其制备方法，本发明提供的立方氮化硼刀具可以减少氮化硼原料用量，从而降低成本，同时又不降低切削性能和精度，达到节约成本、提高切削效率的目的，特别适用于干加工。
本发明提供一种双层立方氮化硼刀具，其由支撑层及其一个表面上的切削层构成，所述切削层具有点状刀尖，主要为立方氮化硼，厚度为0.6-1.0毫米；所述切削层中立方氮化硼的质量含量在80％以上；所述支撑层主要为碳化钨，厚度为2.3-2.6毫米。
优选地，所述切削层组分质量百分比如下：立方氮化硼80％-90％，铝1％-2％、钴4％-6％、钨3％-6％和氮化钛0-1％。
优选地，所述立方氮化硼粒度小于1μm。
优选地，所述支撑层组分质量百分比如下：碳化钨85％-95％；和钴5％-15％。
优选地，所述碳化钨为WC14。
本发明提供如前所述的双层立方氮化硼刀具的制备方法，包括以下步骤：
将支撑层混合料装于模具中，然后在其一个表面上设置切削层混合料，经过加热压制与烧结，得到成型刀具；所述切削层混合料包括80wt％以上的立方氮化硼，所述支撑层混合料主要包括碳化钨；
将所述成型刀具进行磨制，得到所述双层立方氮化硼刀具。
优选地，所述支撑层混合料和切削层混合料分别经过湿法球磨混料、干燥得到；所述湿法球磨混料均采用碳化钨球，并加入无水乙醇进行；所述干燥依次为烘干和真空干燥。
优选地，所述支撑层混合料包括：85-95wt％碳化钨粉和5-15wt％钴粉，所述钴粉粒度为0.5-1微米；所述切削层混合料包括：80-90wt％立方氮化硼和余量粘接剂；所述粘接剂包括铝1％-2％、钴4％-6％、钨3％-6％和氮化钛0-1％，粒度小于1μm。
优选地，所述加热压制与烧结使用六面顶压机进行，先设定温度为550-600℃，力为8.0-8.5Gpa，时间为3-6分钟压制成型；然后设定温度为1800-1900℃，力为8.2-8.3Gpa，时间为25-30分钟烧结。
优选地，所得到的双层立方氮化硼刀具用于干式加工。
与现有技术相比，本发明所述的立方氮化硼刀具的结构是双层的，上面一层是立方氮化硼切削层(厚度0.6-1.0mm)，主要作用是在加工过程中起到较好的切削作用，下面一层为支撑层(厚度1.8-3.2mm)，其采用碳化钨成分，主要起到支撑作用同时具有较好的导热性能。
由于刀具在加工过程中是逐渐磨损的，当刀具磨损到一定程度就必须重新修整或丢弃。为了降低材料的费用以及提高材料利用率，减少对立方氮化硼原料的用量，本发明将刀具设计成双层结构。同时考虑到刀具的整体强度，以及刀具在加工过程中的传热性能等，本发明使用导热性能和强度均较好的碳化钨，以确保刀具的整体性能，这样不但有效的减少了立方氮化硼的用量，同时又不影响刀具的使用性能。因此，本发明的双层立方氮化硼刀具既具有较好的切削性能和精度，又具有较好传热等性能，确保了刀具的使用寿命，还降低了成本。实践显示，使用此刀具，一个刀尖可加工600-700只缸套，大大延长了刀具的使用寿命。
附图说明
图1为本发明实施例1中的刀具实物图。
具体实施方式
下面对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。
本发明提供了一种双层立方氮化硼刀具，其由支撑层及其一个表面上的切削层构成，所述切削层具有点状刀尖，主要为立方氮化硼，厚度为0.6-1.0毫米；所述切削层中立方氮化硼的质量含量在80％以上；所述支撑层主要为碳化钨，厚度为1.8-3.2毫米。
本发明提供的立方氮化硼刀具具有良好导热性能和切削性能，并且成本较低，可用于干式加工钢铁等方面。
本发明实施例提供的用于干式加工的刀具分为两层结构，一层为具有点状刀尖的切削层，该切削层主要为立方氮化硼成分，厚度为0.6-1.0毫米，优选0.6-0.9mm；其依靠氮化硼的高硬度和高强度，以及尖锐的棱角可达到快速切削的目的。
本发明所述切削层中，立方氮化硼的质量含量在80％以上；在本发明的实施例中，所述切削层组分质量百分比具体如下：立方氮化硼80％-90％，铝(Al)1％-2％、钴(Co)4％-6％、钨(W)3％-6％和氮化钛(TiN)0-1％。所述切削层中的铝、钴、钨和氮化钛成分主要从粘接剂引入，其中，铝主要起粘结作用，同时也是脱氧剂；钴用于提高成型性，具有较好的烧结性能，同时可以作为耐磨抗破损剂；使用钨、氮化钛来增加材料的致密性；此外还具有较好的耐热性等。进一步地，所述的立方氮化硼和粘接剂的粒度均小于1μm。
在本发明中，所述的双层的氮化硼刀具另一层为支撑层，其主要成分为高熔点、高硬度的碳化钨；所述支撑层厚度为1.8-3.2毫米，优选为2.3-2.6毫米，主要起到支撑氮化硼切削层的作用。由于本发明的支撑层为导热性能较好的WC层，确保了刀具材料的高温导热性能；而且保证切削性能的同时，大大减少了立方氮化硼的用量，减少了资源浪费，提高了材料的利用率。
在本发明的优选实施例中，所述支撑层组分质量百分比如下：碳化钨85％-95％和钴5％-15％。所述的碳化钨和钴分别通过粉末材料引入，一般采用细颗粒碳化钨主要起到骨骼支架作用；作为优选，所述碳化钨为WC14(对应1.41～1.80μm)。所述的钴粉利于获得好的烧结成型性能，同时具有好的抗弯性能，增加材料的韧性，以及自锐性较好；而铁基变形性要大于钴基，不够锋利，镍基综合性能有待提升。进一步地，钴粉含量优选为6-10％，粒度可为0.5-1微米。
本发明实施例提供的立方氮化硼刀具主要是小尺寸类型，例如长度为9.5毫米，总厚度为3.2毫米，切削层厚度为0.8毫米的立方氮化硼刀具，但可以根据需要选用不同尺寸的模具制成不同尺寸的刀具。
本发明实施例提供了用于干式加工的上述双层结构刀具，突破了刀具切削部分和支撑部分使用同一组分的束缚；通过创新性的研究，申请人不仅提出了成本较低的双层的设计方案，而且利用刀具中的某些组分高温导热性能，从而使刀具整体具有良好导热等性能，更利于切削加工和节约成本。
相应地，本发明提供了如前所述的双层立方氮化硼刀具的制备方法，包括以下步骤：
将支撑层混合料装于模具中，然后在其一个表面上设置切削层混合料，经过加热压制与烧结，得到成型刀具；所述切削层混合料包括80wt％以上的立方氮化硼，所述支撑层混合料主要包括碳化钨；
将所述成型刀具进行磨制，得到所述双层立方氮化硼刀具。
本发明实施例通过混料、干燥，分别得到所述的支撑层混合料、切削层混合料。所述切削层混合料包括80wt％以上的立方氮化硼，具体包括：80-90wt％立方氮化硼和余量粘接剂；所述粘接剂包括铝1％-2％、钴4％-6％、钨3％-6％和氮化钛0-1％。本发明实施方案中采用铝粉、钴粉、氮化钛粉和钨粉，且总量为10-20％，以起到粘接立方氮化硼切削层的作用。所述立方氮化硼和粘接剂的粒度优选均为0-1μm，采用市售各冶金粉末产品即可。
并且，所述支撑层混合料主要包括碳化钨，具体包括：85-95wt％碳化钨粉和5-15wt％钴粉。本发明一般采用市售细颗粒碳化钨，作为优选，所述碳化钨为WC14；所述钴粉的粒度可为0.5-1微米。
具体地，本发明实施例分别将切削层各组分、支撑层各组分在球磨机中进行混合；其中，独立地优选采用湿法球磨混料的方式。以支撑层混合料制备为例，混合料原料与球的比例可为1:3-1:5，球为碳化钨球，滴入无水乙醇，无水乙醇:混合料的总体积比为1:8-1:16；优选设定转速为250-320转/分钟，时间可设定为5小时。所述切削层混合料的制备工艺相同，其中先混合得到粘接剂。所有原料一并混合，但切削层和支撑层是分别混合的，混合工艺基本一样。
在本发明的实施例中，所述的干燥依次为烘干和真空干燥，去除粉末原料中的水分和无水乙醇；其中真空干燥还可防止在高温下发生氧化。先将球与混合料放在100℃-105℃烘箱中烘干，2-3小时后取出，冷却后进行筛分，将球与混合料进行分离。然后，将混合好的分离料分别放到真空炉中干燥，温度优选为650℃-750℃，真空度为0.05Mpa-0.1Mpa，时间可为4-5小时。
得到支撑层混合料、切削层混合料后，本发明实施例进行装模：首先将支撑层混合料均匀的摊平在石墨模具中，其厚度为总厚度3/4，然后在其表面上均匀的摊放上切削层混合料，其厚度为总厚度的1/4。在本发明的实施例中，可以根据需要选用不同尺寸的模具制成不同尺寸的刀具。
装模完成后，本发明实施例使用六面顶压机进行加热压制与烧结，具体工艺包括：先设定温度为550-600℃，力为8.0-8.5Gpa，时间为3-6分钟，实施加热压制；然后设定温度为1800-1900℃，力为8.2-8.3Gpa，时间为25-30分钟烧结。本发明实施例通过一次冲压、一次烧结成型，工艺简单，减少了电力和人工等资源的浪费。
最后，本发明实施例进行磨制：将成型的刀具取出，用金刚石砂轮粗磨、精磨，最后研磨成型，得到一定尺寸的立方氮化硼双层结构刀具。
本发明实施例所得到的双层立方氮化硼刀具特别适用于干(式)加工，如用于缸套等钢铁制品干式加工(干加工是在不加切削液的情况下，刀具与零件直接接触，因此需要刀具具有一定的导热和散热性能)；其具有较好的切削性能和精度，同时又具有较好传热性能等，切削效率提高，从而延长了刀具使用寿命。经实践，使用数控车床对同一批缸套进行干式加工，加工600只时，本发明所述的刀具磨损仅0.12毫米。
为了更好理解本发明技术内容，下面提供具体实施例，对本发明做进一步的说明。以下实施例所用的原料均为市售。
实施例1
一种立方氮化硼刀具，分为切削层和支撑层两层，切削层各组分的质量百分比：铝粉1.2％、钴粉5.6％、钨粉3.8％、氮化钛0.4％，余量为立方氮化硼。粘结剂与立方氮化硼是一块混合的；粘结剂粒度为小于1微米。立方氮化硼的粒度越细小，其耐磨性能越好，抗压强度越高。支撑层各组分的质量百分比为：碳化钨90％，其粒度为WC14；钴粉10％，其粒度为0.5-1微米。
该刀具的具体制备工艺如下：
1、混料：分别将切削层各组分，支撑层各组分在球磨机中进行混合。其中混合料与球的比例为1:3，球为碳化钨球，滴入无水乙醇，无水乙醇:混合料的体积比为1:15，设定转速为280转/分钟，时间设定为5小时。
2、干燥：先将球与混合料放在100℃-105℃烘箱中烘干2.2小时，取出冷却后进行筛分，将球与混合料进行分离。然后将混合好的分离料分别放到真空炉中干燥，温度为740℃，真空度为0.06Mpa，时间为4.2小时。以上相同工艺下，分别得到支撑层混合料、切削层混合料。
3、装模：首先将支撑层混合料均匀的摊平在石墨模具中，其厚度为总厚度3/4，然后在其上均匀的摊放上切削层混合料，其厚度为总厚度的1/4。
4、加热压制与烧结：使用六面顶压机，先设定温度为580℃，力为8.3Gpa，时间为4分钟压制成型。然后设定温度为1850℃，力为8.2Gpa，时间为28分钟烧结。
5、磨制：将成型的刀具取出，用金刚石砂轮粗磨、精磨，最后研磨成型，得到长度为9.5毫米，总厚度为3.2毫米，切削层厚度为0.8毫米的立方氮化硼刀具，实物如图1所示。
6、使用数控车床对同一批缸套进行干式加工，加工600只时，刀具磨损0.14毫米。
实施例2
一种立方氮化硼刀具，分为切削层和支撑层两层，切削层各组分的质量百分比：铝粉1.8％、钴粉5.5％、钨粉5.5％、氮化钛0.6％，余量为立方氮化硼。以上粘结剂各组分的粒度为小于1微米；支撑层各组分的质量百分比为：碳化钨94％，其粒度为WC14；钴粉6％，其粒度为0.5-1微米。
该刀具的具体制备工艺如下：
1、混料：分别将切削层各组分，支撑层各组分在球磨机中进行混合。其中混合料与球的比例为1:5，球为碳化钨球，滴入无水乙醇，无水乙醇:混合料的体积比为1:10，设定转速为300转/分钟，时间设定为4.5小时。
2、干燥：先将球与混合料放在100℃-105℃烘箱中烘干2.5小时，取出冷却后进行筛分，将球与混合料进行分离。然后将混合好的分离料分别放到真空炉中干燥，温度为680℃，真空度为0.08Mpa，时间为4.5小时。以上相同工艺下，分别得到支撑层混合料、切削层混合料。
3、装模：首先将支撑层混合料均匀的摊平在石墨模具中，其厚度为总厚度3/4，然后在其上均匀的摊放上切削层混合料，其厚度为总厚度的1/4。
4、加热压制与烧结：使用六面顶压机，先设定温度为560℃，力为8.5Gpa，时间为3.5分钟压制成型。然后设定温度为1880℃，力为8.5Gpa，时间为26分钟烧结。
5、磨制：将成型的刀具取出，用金刚石砂轮粗磨、精磨，最后研磨成型，得到长度为12毫米，总厚度为4.0毫米，切削层厚度为1.0毫米的立方氮化硼刀具。
6、使用数控车床对同一批缸套进行干式加工，加工600只时，刀具磨损0.12毫米。
实施例3
一种双层立方氮化硼刀具，分为切削层和支撑层两层，切削层各组分的质量百分比：铝粉1.8％、钴粉5.5％、钨粉5.5％、氮化钛0.6％，余量为立方氮化硼。以上粘结剂各组分的粒度为小于1微米；支撑层各组分的质量百分比为：碳化钨94％，其粒度为WC14；钴粉6％，其粒度为0.5-1微米。
该刀具的具体制备工艺如下：
1、混料：分别将切削层各组分，支撑层各组分在球磨机中进行混合。其中混合料与球的比例为1:4，球为碳化钨球，滴入无水乙醇，无水乙醇:混合料的体积比为1:8，设定转速为320转/分钟，时间设定为5小时。
2、干燥：先将球与混合料放在100℃-105℃烘箱中烘干2.5小时，取出冷却后进行筛分，将球与混合料进行分离。然后将混合好的分离料分别放到真空炉中干燥，温度为740℃，真空度为0.09Mpa，时间为4.8小时。以上相同工艺下，分别得到支撑层混合料、切削层混合料。
3、装模：首先将支撑层混合料均匀的摊平在石墨模具中，其厚度为总厚度3/4，然后在其上均匀的摊放上切削层混合料，其厚度为总厚度的1/4。
4、加热压制与烧结：使用六面顶压机，先设定温度为580℃，力为8.2Gpa，时间为5.5分钟压制成型。然后设定温度为1860℃，力为8.2Gpa，时间为28分钟烧结。
5、磨制：将成型的刀具取出，用金刚石砂轮粗磨、精磨，最后研磨成型，得到长度为8.5毫米，总厚度为2.4毫米，切削层厚度为0.6毫米的立方氮化硼刀具。
6、使用数控车床对同一批缸套进行干式加工，加工600只时，刀具磨损0.14毫米。
实施例1中刀具硬度在4800HV；实施例2中刀具硬度在4900HV；实施例3中刀具硬度4850HV。双层结构的结合程度可以用抗弯强度来表示，本发明可以达到一定的抗弯强度而不分层。
本发明实施例是加工到600只后将刀头取下，然后测定刀头的磨损量。一般使用单层刀具加工时，加工到400多只时刀具磨损量就达到0.15mm。而此方案加工600只时，刀具磨损均小于或等于0.14mm。
由以上实施例可知，使用本发明此双层立方氮化硼刀具，一个刀尖可加工600-700只缸套。本发明的双层立方氮化硼刀具既具有较好的切削性能和精度，又具有较好传热等性能，确保了刀具的使用寿命，还降低了成本。
本发明的所述实施例仅仅是为了清楚说明本发明所作的举例，而并非是对本发明实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，还可在上述说明的基础上做出其它不同形式的变化或变动，这里无需也无法对所有实施方式予以穷举，而这些属于本发明的精神所引申出的显而易见的变化或变动仍处于本发明的保护范围内。
以上所述的仅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，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (9)

1.一种双层立方氮化硼刀具的制备方法，包括以下步骤：
将支撑层混合料装于模具中，然后在其一个表面上设置切削层混合料，经过加热压制与烧结，得到成型刀具；所述切削层混合料包括80wt％以上的立方氮化硼，所述支撑层混合料主要包括碳化钨；
将所述成型刀具进行磨制，得到双层立方氮化硼刀具；
所述双层立方氮化硼刀具由支撑层及其一个表面上的切削层构成，所述切削层具有点状刀尖，主要为立方氮化硼，厚度为0.6-1.0毫米；所述切削层中立方氮化硼的质量含量在80％以上；所述支撑层主要为碳化钨，厚度为1.8-3.2毫米。
2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述双层立方氮化硼刀具的切削层组分质量百分比如下：立方氮化硼80％-90％，铝1％-2％、钴4％-6％、钨3％-6％和氮化钛0-1％。
3.根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于，所述双层立方氮化硼刀具的立方氮化硼粒度小于1μm。
4.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述双层立方氮化硼刀具的支撑层组分质量百分比如下：碳化钨85％-95％；和钴5％-15％。
5.根据权利要求4所述的制备方法，其特征在于，所述双层立方氮化硼刀具碳化钨为WC14。
6.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述支撑层混合料和切削层混合料分别经过湿法球磨混料、干燥得到；所述湿法球磨混料均采用碳化钨球，并加入无水乙醇进行；所述干燥依次为烘干和真空干燥。
7.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述支撑层混合料包括：85-95wt％碳化钨粉和5-15wt％钴粉，所述钴粉粒度为0.5-1微米；所述切削层混合料包括：80-90wt％立方氮化硼和余量粘接剂；所述粘接剂包括铝1％-2％、钴4％-6％、钨3％-6％和氮化钛0-1％，粒度小于1μm。
8.根据权利要求1-7任一项所述的制备方法，其特征在于，所述加热压制与烧结使用六面顶压机进行，先设定温度为550-600℃，力为8.0-8.5Gpa，时间为3-6分钟压制成型；然后设定温度为1800-1900℃，力为8.2-8.3Gpa，时间为25-30分钟烧结。
9.根据权利要求8所述的制备方法，其特征在于，所得到的双层立方氮化硼刀具用于干式加工。
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