CN115896578A - 一种超细硬质合金刀具材料及其制备方法和应用 - Google Patents
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Abstract
本发明提出了一种超细硬质合金刀具材料及其制备方法和应用。超细硬质合金刀具材料，按照重量百分比计，其原料包括：13～17％的Co粉，1.5～3.5％的TaC粉，0.9～1.8％的Cr3C2粉，0～0.5％的VC粉，以及余量的WC粉；其中，所述TaC粉、Cr3C2粉和VC粉的总重量与Co粉的重量比为(0.2～0.3)：1。本发明采用Cr3C2、VC和TaC复合晶粒长大抑制剂，获得耐磨性和韧性的完美匹配，同时，较高含量TaC的复合加入使合金形成均匀分布的(Ta,W)C固溶体相，能显著提高合金的高温硬度和高温稳定性，使其在钛合金精加工方面表现优异，同时可满足钛合金粗精一体加工的要求，实现了粗精加工的一体化，大大提高了加工效率。
Description
技术领域
本发明属于粉末冶金技术领域，具体涉及一种超细硬质合金刀具材料及其制备方法和应用。
背景技术
钛合金以优异的综合力学性能、低密度以及良好的耐腐蚀性，被誉为是一种使人类走向太空时代的战略性金属材料，不仅在航空航天及军工领域得到广泛的使用，而且开始逐渐渗透到经济生活的各个方面,如人工关节，阀门螺栓等等。随着钛合金的广泛运用，钛合金的加工市场受到更多的关注和研究。近年来，我国高端装备制造业快速发展：国产大飞机成功下线，高铁走出国门。这些高端装备的发展带来了大型复杂结构钛合金构件需求的急剧增长。
钛合金作为一种难加工材料，在加工时的切削力只是略高于同等硬度的钢，但是加工钛合金的物理现象比加工钢要复杂得多，从而使钛合金加工面临巨大的困难。大多数钛合金的热导率很低，只有钢的1/7，铝的1/16。因此，在切削钛合金过程中产生的热量不会迅速传递给工件或被切屑带走，而集聚在切削区域，所产生的温度可高达1 000℃以上，使刀具的刃口迅速磨损、崩裂和生成积屑瘤，快速出现磨损的刀刃，又使切削区域产生更多的热量，进一步缩短刀具的寿命。切削过程中产生的高温同时破坏了钛合金零件的表面完整性，导致零件几何精度下降和出现严重减少其疲劳强度的加工硬化现象。“热”是钛合金难加工的“罪魁祸首”。
目前，国内外市场上满足钛合金加工的刀具材质主要为钴含量在10～13％之间的单一WC粘结相硬质合金，其硬度在HV30：1600～1800之间，抗弯强度在4000MPa以上，断裂韧性在9～11MPam1/2之间。但是在切削温度达到800℃以上时，这类合金的硬度降低到常温硬度的60～80％，极大的影响刀具的使用寿命。保持高温硬度的方法之一是在合金中加入定量的TaC，但是这会导致韧性的一定下降。本发明拟同时采用较高的钴含量和较高的TaC添加量，以及较低加量的VC/Cr3C2抑制剂，通过采用较高的钴含量提高Ta在Co相中的溶解度，促进固溶强化。同时，通过将(TaC+Cr3C2+VC)/Co重量比值控制在0.2～0.3之间，一方面采用较低加量的VC/Cr3C2复合添加产生最佳的硬度和韧性组合，另一方面采用较高加量的TaC通过机械合金化形成均匀分布的(Ta,W)C固溶体相，提高合金的高温硬度和高温稳定性。再结合选择较细晶粒度的WC粉末，最终可获得最佳使用效果的超细硬质合金刀具材料，满足钛合金粗精加工的要求。
发明内容
为了解决现有技术中的上述问题，本发明提出了一种超细硬质合金刀具材料及其制备方法和应用。
第一方面，本发明提出了一种超细硬质合金刀具材料，其原料按照重量百分比计，原料组分包括：13～17％的Co粉，1.5～3.5％的TaC粉，0.9～1.8％的Cr3C2粉，0～0.5％的VC粉，以及余量的WC粉；
其中，所述TaC粉、Cr3C2粉和VC粉的总重量与Co粉的重量比为(0.2～0.3)：1。
作为本发明的具体实施方式，所述WC粉的费氏粒度为0.2～0.5μm。
作为本发明的具体实施方式，所述Co粉、所述TaC粉、所述Cr3C2粉和所述VC粉费氏粒度各自独立地小于1.2μm。
作为本发明的具体实施方式，所述超细硬质合金刀具材料的原料还包括成型剂；优选地，所述成型剂为聚乙二醇、石蜡中的一种，所述成型剂加入量为金属粉料原料总质量的1～4％。
作为本发明的具体实施方式，所述超细硬质合金刀具材料的晶粒度尺寸为0.3～0.8μm，硬度HV30为1500～1700，抗弯强度为4000MPa～6000MPa，断裂韧性为10～12MPam1/2。
本发明中的上述原料均可自制，也可商购获得，本发明对此不作特别限定。
第二方面，本发明提供了所述超细硬质合金刀具材料的制备方法，包括以下步骤：
S1：将TaC粉、Cr3C2粉、VC粉和球磨介质加入球磨机，进行预制球磨，再加入WC粉、Co粉和成型剂，进行混合球磨得到料浆；
S2：将步骤S1得到的料浆进行喷雾干燥，制得混合料；
S3：将步骤S2得到的混合料进行压制成型，制得压坯；
S4：将步骤S3得到的压坯进行压力烧结，烧结完毕后，得到超细硬质合金刀具材料。
作为本发明的具体实施方式，所述步骤S1中，成型剂为聚乙二醇、石蜡中的一种，成型剂加入量为金属粉料原料总质量的1～4％；球磨介质为无水酒精，加入量达到液固比450～500ml/Kg。
作为本发明的具体实施方式，所述步骤S1中，所述预制球磨时间为2～10h，所述混合球磨时间为30～60h；所述球磨机参数包括球料比为(5～10):1，转速为30～40转/分。
作为本发明的具体实施方式，所述步骤S3中，所述压制成型包括采用模压、挤压和等静压中的一种。
作为本发明的具体实施方式，所述步骤S4中，压力烧结温度为1400～1450℃，烧结压力为45～100bar，烧结时间为0.5～1h。
第三方面，本发明提供了所述超细硬质合金刀具材料在钛合金粗精加工切削刀具领域的应用。
与现有技术相比，本发明的有益效果在于：
采用Cr3C2、VC和TaC复合晶粒长大抑制剂，获得耐磨性和韧性的完美匹配，同时，较高含量TaC的复合加入使合金形成均匀分布的(Ta,W)C固溶体相，能显著提高合金的高温硬度和高温稳定性，使其在钛合金精加工方面表现优异，同时可满足钛合金粗精一体加工的要求，实现了粗精加工的一体化，大大提高了加工效率。
附图说明
图1为本发明实施例1制备的超细硬质合金的扫描电镜照片；
图2a为本发明实施例1超细硬质合金制作的铣刀在铣削TC4钛合金5h后的刃口形貌图；
图2b为德国KF公司的K44UF牌号硬质合金加工的铣刀在铣削TC4钛合金5h后的刃口形貌图；
图3为本发明实施例2中制备的超细硬质合金的扫描电镜照片；
图4a为本发明实施例2制备的超细硬质合金制作的铣刀在铣削TC4钛合金5h后的端齿磨损形貌图；
图4b为德国KF公司的K44UF牌号硬质合金加工的铣刀在铣削TC4钛合金5h后的端齿磨损形貌图。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明作进一步说明，但并不构成对本发明的任何限制。
本发明各实施例中所用的对比材质为德国KF公司的K44UF牌号硬质合金加工成铣刀。
实施例1
本实施例提供了一种超细硬质合金刀具材料及其制备方法，具体细节如下：
配料时选用费氏粒度为1.0um的Co粉重量百分比为13％，1.2um的TaC重量百分比为1.5％，1.2um的Cr3C2重量百分比为1.8％，VC重量百分比为0，
(TaC+Cr3C2+VC)/Co重量比值为0.25，余量为费氏粒度为0.5um的WC粉末，控制碳平衡为+0.10％。以聚乙二醇为成型剂(成型剂的加入量为5种粉末总质量的1％)，以酒精作球磨介质，液固比450ml/Kg，球料比为5:1，球磨机转速为40转/分。
先将TaC、Cr3C2、VC三种晶粒长大抑制剂加入球磨机，同时加入球磨介质，进行预制球磨，预制球磨时间为2h；预制球磨完成后，加入WC粉末和Co粉，并加入成型剂，进行混合球磨30h。球磨完毕后，进行喷雾干燥制得混合料。
混合料经模压成型后，在压力烧结炉1450℃烧结，(烧结压力为45bar，烧结时间为1h)，烧结完毕后，得到超细硬质合金刀具材料。
将实施例1得到的得到超细硬质合金刀具材料进行粗磨，分别制得Φ3.25*38.5mm和Φ6.0*50mm的棒材，Φ3.25mm棒材用于物理性能测试，其合金晶粒度尺寸为0.6～0.8μm，其HV30为1630，抗弯强度4087MPa，断裂韧性10.8MPam1/2，扫描电镜图如图1所示。
将实施例1得到的Φ6.0*50mm棒材与德国KF公司的K44UF牌号硬质合金加工成铣刀进行TC4钛合金铣削测试。经过5h的切削对比，两种材料制成刀具的刃口如图2所示。由图2知，本发明的超细硬质合金的刃口完整性明显优于德国K44UF，最终使用寿命较德国K44UF提高23％。
实施例2
本实施例提供了一种超细硬质合金刀具材料及其制备方法，具体细节如下：
配料时选用费氏粒度为0.8um的Co粉重量百分比为14％，1.0um的TaC重量百分比为2.2％，1.0um的Cr3C2重量百分比为1.5％，1.0um的VC重量百分比为0.1％，(TaC+Cr3C2+VC)/Co重量比值为0.27，余量为费氏粒度为0.45um的WC粉末，控制碳平衡为+0.11％。以聚乙二醇为成型剂(成型剂的加入量为5种粉末总质量的2％)，以酒精作球磨介质，液固比460ml/Kg，球料比为6:1，球磨机转速为38转/分。
先将TaC、Cr3C2、VC三种晶粒长大抑制剂加入球磨机，同时加入球磨介质，进行预制球磨，预制球磨时间为4h；预制球磨完成后，加入WC粉末和Co粉，并加入成型剂，进行混合球磨40h。球磨完毕后，进行喷雾干燥制得混合料。
混合料经模压成型后，在压力烧结炉1440℃烧结，(烧结压力为60bar，烧结时间为50min)，烧结完毕后，得到超细硬质合金刀具材料。
将实施例2得到的超细硬质合金刀具材料进行粗磨，分别制得Φ3.25*38.5mm和Φ6.0*50mm的棒材，Φ3.25mm棒材用于物理性能测试，其合金晶粒度尺寸为0.55～0.8μm，其HV30为1620，抗弯强度4196MPa，断裂韧性10.9MPam1/2，扫描电镜图如图3所示。
将实施例2得到的Φ6.0*50mm棒材与德国KF公司的K44UF牌号硬质合金加工成铣刀进行TC4钛合金铣削测试。经过5h的切削对比，两种材料制成刀具的端齿磨损形貌如图4所示。由图4知，本发明的超细硬质合金的端齿完整性明显优于德国K44UF，最终使用寿命较德国K44UF提高22％。
实施例3
本实施例提供了一种超细硬质合金刀具材料及其制备方法，具体细节如下：
配料时选用费氏粒度为0.7um的Co粉重量百分比为15％，0.9um的TaC重量百分比为2.6％，0.9um的Cr3C2重量百分比为1.3％，0.9um的VC重量百分比为0.2％，(TaC+Cr3C2+VC)/Co重量比值为0.27，余量为费氏粒度为0.4um的WC粉末，控制碳平衡为+0.10％。以聚乙二醇为成型剂(成型剂的加入量为5种粉末总质量的2.5％)，以酒精作球磨介质，液固比470ml/Kg，球料比为7:1，球磨机转速为35转/分。
先将TaC、Cr3C2、VC三种晶粒长大抑制剂加入球磨机，同时加入球磨介质，进行预制球磨，预制球磨时间为6h；预制球磨完成后，加入WC粉末和Co粉，并加入成型剂，进行混合球磨50h。球磨完毕后，进行喷雾干燥制得混合料。
混合料经模压成型后，在压力烧结炉1430℃烧结，(烧结压力为75bar，烧结时间为40min)，烧结完毕后得到超细硬质合金刀具材料。
将实施例3得到的超细硬质合金刀具材料进行粗磨，分别制得Φ3.25*38.5mm和Φ6.0*50mm的棒材，Φ3.25mm棒材用于物理性能测试，其合金晶粒度尺寸为0.5～0.7μm，其HV30为1600，抗弯强度4231MPa，断裂韧性11.1MPam1/2，扫描电镜图与图3类似。
将实施例3得到的Φ6.0*50mm棒材与德国KF公司的K44UF牌号硬质合金加工成铣刀进行TC4钛合金铣削测试。经过5h的切削对比，两种材料制成刀具的刃口形貌与图2类似，该超细硬质合金最终使用寿命较德国K44UF提高21.5％。
实施例4
本实施例提供了一种超细硬质合金刀具材料及其制备方法，具体细节如下：
配料时选用费氏粒度为0.6um的Co粉重量百分比为16％，0.8um的TaC重量百分比为3％，0.8um的Cr3C2重量百分比为1.1％，0.8um的VC重量百分比为0.3％，(TaC+Cr3C2+VC)/Co重量比值为0.28，余量为费氏粒度为0.3um的WC粉末，控制碳平衡为+0.12％。以聚乙二醇为成型剂(成型剂的加入量为5种粉末总质量的3％)，以酒精作球磨介质，液固比480ml/Kg，球料比为9:1，球磨机转速为33转/分。
先将TaC、Cr3C2、VC三种晶粒长大抑制剂加入球磨机，同时加入球磨介质，进行预制球磨，预制球磨时间为8h；预制球磨完成后，加入WC粉末和Co粉，并加入成型剂，进行混合球磨55h。球磨完毕后，进行喷雾干燥制得混合料。
混合料经模压成型后，在压力烧结炉1410℃烧结，(烧结压力为90bar，烧结时间为35min)，烧结完毕后得到超细硬质合金刀具材料。
将实施例4得到的超细硬质合金刀具材料进行粗磨，分别制得Φ3.25*38.5mm和Φ6.0*50mm的棒材，Φ3.25mm棒材用于物理性能测试，其合金晶粒度尺寸为0.4～0.6μm，其HV30为1580，抗弯强度4283MPa，断裂韧性11.3MPam1/2，扫描电镜图与图3类似。
将实施例4得到的Φ6.0*50mm棒材与德国KF公司的K44UF牌号硬质合金加工成铣刀进行TC4钛合金铣削测试。经过5h的切削对比，两种材料制成刀具的端齿形貌与图4类似，该超细硬质合金最终使用寿命较德国K44UF提高21％。
实施例5
本实施例提供了一种超细硬质合金刀具材料及其制备方法，具体细节如下：
配料时选用费氏粒度为0.5um的Co粉重量百分比为17％，0.7um的TaC重量百分比为3.5％，0.7um的Cr3C2重量百分比为0.9％，0.7um的VC重量百分比为0.5％，(TaC+Cr3C2+VC)/Co重量比值为0.29，余量为费氏粒度为0.2um的WC粉末，控制碳平衡为+0.11％。以聚乙二醇为成型剂(成型剂的加入量为5种粉末总质量的4％)，以酒精作球磨介质，液固比500ml/Kg，球料比为10:1，球磨机转速为30转/分。
先将TaC、Cr3C2、VC三种晶粒长大抑制剂加入球磨机，同时加入球磨介质，进行预制球磨，预制球磨时间为10h；预制球磨完成后，加入WC粉末和Co粉，并加入成型剂，进行混合球磨60h。球磨完毕后，进行喷雾干燥制得混合料。
混合料经模压成型后，在压力烧结炉1400℃烧结，(烧结压力为100bar，烧结时间为30min)，烧结完毕后得到超细硬质合金刀具材料。
将实施例5得到的超细硬质合金刀具材料进行粗磨，分别制得Φ3.25*38.5mm和Φ6.0*50mm的棒材，Φ3.25mm棒材用于物理性能测试，其合金晶粒度尺寸为0.3～0.5μm，其HV30为1560，抗弯强度4325MPa，断裂韧性11.5MPam1/2，扫描电镜图与图3类似。
将实施例5得到的Φ6.0*50mm棒材与德国KF公司的K44UF牌号硬质合金加工成铣刀进行TC4钛合金铣削测试。经过5h的切削对比，两种材料制成刀具的刃口形貌与图2类似，该超细硬质合金最终使用寿命较德国K44UF提高22％。
综上，本发明的超细硬质合金刀具材料，采用Cr3C2、VC和TaC复合晶粒长大抑制剂，获得耐磨性和韧性的完美匹配，同时，较高含量TaC的复合加入使合金形成均匀分布的(Ta,W)C固溶体相，能显著提高合金的高温硬度和高温稳定性，使其在钛合金精加工方面表现优异，同时可满足钛合金粗精一体加工的要求，实现了粗精加工的一体化，大大提高了加工效率。
在本发明中的提到的任何数值，如果在任何最低值和任何最高值之间只是有两个单位的间隔，则包括从最低值到最高值的每次增加一个单位的所有值。例如，如果声明一种组分的量，或诸如温度、压力、时间等工艺变量的值为50-90，在本说明书中它的意思是具体列举了51-89、52-88……以及69-71以及70-71等数值。对于非整数的值，可以适当考虑以0.1、0.01、0.001或0.0001为一单位。这仅是一些特殊指明的例子。在本申请中，以相似方式，所列举的最低值和最高值之间的数值的所有可能组合都被认为已经公开。
应当注意的是，以上所述的实施例仅用于解释本发明，并不构成对本发明的任何限制。通过参照典型实施例对本发明进行了描述，但应当理解为其中所用的词语为描述性和解释性词汇，而不是限定性词汇。可以按规定在本发明权利要求的范围内对本发明作出修改，以及在不背离本发明的范围和精神内对本发明进行修订。尽管其中描述的本发明涉及特定的方法、材料和实施例，但是并不意味着本发明限于其中公开的特定例，相反，本发明可扩展至其他所有具有相同功能的方法和应用。
Claims (10)
1.一种超细硬质合金刀具材料，其特征在于，按照重量百分比计，其原料包括：13～17％的Co粉，1.5～3.5％的TaC粉，0.9～1.8％的Cr3C2粉，0～0.5％的VC粉，以及余量的WC粉；
其中，所述TaC粉、Cr3C2粉和VC粉的总重量与Co粉的重量比为(0.2～0.3)：1。
2.根据权利要求1所述的超细硬质合金刀具材料，其特征在于，所述WC粉的费氏粒度为0.2～0.5μm；和/或所述Co粉、所述TaC粉、所述Cr3C2粉和所述VC粉费氏粒度各自独立地小于1.2μm。
3.根据权利要求1或2所述的超细硬质合金刀具材料，其特征在于，所述超细硬质合金刀具材料的原料还包括成型剂；优选地，所述成型剂为聚乙二醇、石蜡中的一种，和/或所述成型剂加入量为金属粉料原料总质量的1～4％。
4.根据权利要求1-3任一项所述的超细硬质合金刀具材料，其特征在于，所述超细硬质合金刀具材料的晶粒度尺寸为0.3～0.8μm，硬度HV30为1500～1700，抗弯强度为4000MPa～6000MPa，断裂韧性为10～12MPam1/2。
5.一种权利要求1-4任一项所述的超细硬质合金刀具材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1：将TaC粉、Cr3C2粉、VC粉和球磨介质加入球磨机，进行预制球磨，再加入WC粉、Co粉和任选的成型剂，进行混合球磨得到料浆；
S2：将步骤S1得到的料浆进行喷雾干燥，制得混合料；
S3：将步骤S2得到的混合料进行压制成型，制得压坯；
S4：将步骤S3得到的压坯进行压力烧结，烧结完毕后，得到超细硬质合金刀具材料。
6.根据权利要求5所述的制备方法，其特征在于，所述步骤S1中，所述步骤S1中，成型剂为聚乙二醇、石蜡中的一种，成型剂加入量为金属粉料原料总质量的1～4％；和/或球磨介质为无水酒精，加入量达到液固比450～500ml/Kg。
7.根据权利要求5或6所述的制备方法，其特征在于，所述步骤S1中，所述预制球磨时间为2～10h，和/或所述混合球磨时间为30～60h；和/或所述球磨机参数包括：球料比为(5～10):1，转速为30～40转/分。
8.根据权利要求5-7任一项所述的制备方法，其特征在于，所述步骤S3中，所述压制成型包括采用模压、挤压和等静压中的一种。
9.根据权利要求5-8任一项所述的制备方法，其特征在于，所述步骤S4中，压力烧结温度为1400～1450℃，烧结压力为45～100bar，烧结时间为0.5～1h。
10.权利要求1-4任一项所述的超细硬质合金刀具材料或权利要求5-9任一项所述的制备方法制得的超细硬质合金刀具材料在钛合金粗精加工切削刀具领域中的应用。
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2022
- 2022-10-28 CN CN202211338019.8A patent/CN115896578A/zh active Pending
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