CN116000301A - 一种碳化钨-氮化硅陶瓷复合立铣刀及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明为一种碳化钨‑氮化硅陶瓷复合立铣刀及其制备方法。包括如下步骤：制备氮化硅基粉末、碳化钨基粉末和过渡层粉末；采用上部直径大，下部直径小，中间直径逐渐过渡的模具，按照从上到下碳化钨材料‑过渡层材料‑氮化硅陶瓷粉末的顺序填入模具中，预压；烧结机构放入等离子烧结炉中以50～100℃/min的升温速率进行烧结，烧结温度为1250℃～1650℃，烧结压力为50～70MPa，保温时间为6min，随后随炉冷却，制得碳化钨/氮化硅复合棒材；对碳化钨/氮化硅复合棒材进行加工得到碳化钨/氮化硅陶瓷复合立铣刀。本发明的立铣刀同时具有氮化硅陶瓷材料优异的高温切削性能以及耐磨性能和硬质合金材料较高的韧性和强度，同时过渡层也具有较高的结合力以及力学性能。
Description
技术领域
本发明属于刀具领域，具体涉及一种碳化钨-氮化硅陶瓷复合立铣刀及其制备方法。
背景技术
镍基高温合金广泛的应有于航空发动机、航天器和火箭发动机的关键热端部件，其高效高质量绿色切削加工工艺一直是切削技术领域的研究热点和难点，而高性能整体式立铣刀是能够实现复杂型面镍基高温合金热端部件高效高质量绿色切削加工的首要条件。目前整体立铣刀棒料主要通过热压、气压烧结方式进行制备，且棒料以硬质合金、金属陶瓷材料为主，由于镍基高温合金属于难加工材料，在进行切削加工时，切削温度较高，而硬质合金立铣刀在高温环境下切削性能会严重下降从而导致刀具寿命短、工件加工表面质量差以及加工效率低，且在进行切削加工时，需要添加大量切削液对刀具进行降温处理从而造成环境污染；以金属陶瓷材料制备的整体立铣刀虽然在高温时能保持较优异的切削性能，但其韧性相较于硬质合金仍有很大差距，由于切削过程的切削力较大，陶瓷立铣刀极易崩刃以及在刀柄处发生断裂。
发明内容
本发明的目的在于提供一种刀头为氮化硅陶瓷材料、刀柄为碳化钨硬质合金材料，中间为碳化钨/氮化硅复合过渡层的立铣刀棒料等离子烧结制备方法。
实现本发明目的的技术解决方案为：一种碳化钨-氮化硅陶瓷复合立铣刀的制备方法，包括如下步骤：
步骤(1)：制备氮化硅基粉末、碳化钨基粉末和过渡层粉末；
步骤(2)：采用上部直径大，下部直径小，中间直径逐渐过渡的模具，按照从上到下碳化钨材料-过渡层材料-氮化硅陶瓷粉末的顺序填入模具中，预压；
步骤(3)：将步骤(2)装配预压后的烧结机构放入等离子烧结炉中以50～100℃/min的升温速率进行烧结，烧结温度为1250℃～1650℃，烧结压力为50～70MPa，保温时间为6min，随后随炉冷却，制得碳化钨/氮化硅复合棒材；
步骤(4)：对步骤(3)得到的碳化钨/氮化硅复合棒材进行加工得到碳化钨/氮化硅陶瓷复合立铣刀。
进一步的，步骤(1)中制备氮化硅基粉末具体为：
按比例称取Si3N491％、MgSiN25％、Y2O33％、CeO21％，进行球磨混合24±5h，混合结束后，将粉末放入120±10℃真空干燥箱中干燥，研磨，过筛。
进一步的，步骤(1)中制备碳化钨基粉末具体为：
按比例称取WC71.2％、(Ti,W)C20％、Co8％、VC0.4％、Cr3C20.4％，进行超声辅助搅拌，混合结束后，将粉末放入120±10℃真空干燥箱中干燥，研磨，过筛。
进一步的，步骤(1)中制备过渡层粉末具体为：
按xWC+(1-x)Si3N4的比例进行球磨混合24±5h，其中x＝0～1，x为WC基硬质合金质量百分比，混合结束后，将粉末放入120±10℃真空干燥箱中干燥，研磨，过筛。
进一步的，步骤(2)中碳化钨材料的厚度为20mm±2，过渡层为3-6层，每一层的厚度为0.4-0.6mm，氮化硅基材料的厚度为20mm±2。
进一步的，步骤(2)中过渡层中越靠近碳化钨材料x值越大。
进一步的，步骤(3)中烧结气氛为氩气，烧结气压为标准大气压以下0.5MPa。
进一步的，模具材料为石墨，模具总高为80±8mm，模具上部直径为75±7mm，高度为30±3mm，模具下部直径为50±5mm，高度为30±3mm，中间部分由直径75mm向50mm均匀过渡；
进一步的，模具中心是直径为10.6±1mm的通孔，用于装填粉末，在模具外侧有一排测温孔，测温孔直径为3±0.3mm，深度距离内壁1.5±0.1mm。
一种碳化钨/氮化硅陶瓷复合立铣刀，采用上述的方法制备。
本发明与现有技术相比，其显著优点在于：
(1)通过添加碳化钨/氮化硅过渡层的方法，将氮化硅陶瓷材料和碳化钨硬质合金连接，使棒料制备的整体立铣刀同时具有氮化硅陶瓷优异的高温切削性能和耐磨性能以及碳化钨硬质合金的高弹性模量、高强度以及高韧性的特点。
(2)从等离子烧结原理出发，分析温度场与模具形状的关系，通过改变模具直径实现在WC基硬质合金和Si3N4基陶瓷主体部分形成两个较为均匀的烧结温度场，同时在WC基硬质合金和Si3N4基陶瓷界面上设计合理的成份及过渡层(降低WC基硬质合金Co含量以及增加Si3N4基陶瓷氧化物烧结助剂)将界面烧结温度控制在1400℃～1500℃之间，从而获得了力学性能最优的WC/Si3N4复合结构。
附图说明
图1为等离子烧结制备的碳化钨/氮化硅陶瓷复合结构棒料加工的整体立铣刀的结构图。
图2为本发明烧结采用的烧结机构示意图。
附图标记说明：
1-上垫片，2-烧结模具，3-碳化钨材料，4-氮化硅材料，5-下垫片，6-下压头，7-碳化钨/氮化硅过渡材料，8-上压头，9-碳化钨基刀柄，10-碳化钨/氮化硅过渡层，11-氮化硅基刀头。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步详细描述。
一种碳化钨-氮化硅陶瓷复合结构棒料，包括如下部分：具备高弹性模量和韧性的碳化钨基部分用于刀柄；具备优异的高温力学性能的氮化硅基陶瓷用于切削部分；具备良好过渡性能的碳化钨/氮化硅过渡层。
本发明提供了上述碳化钨/氮化硅陶瓷复合结构棒料各部分的组分，以重量百分数计，包括如下成分：氮化硅陶瓷部分：Si3N491％、MgSiN25％、Y2O33％、CeO21％；碳化钨基部分：WC71.2％、(Ti,W)C20％、Co8％、VC0.4％、Cr3C20.4％；过渡层部分：多层xWC+(1-x)Si3N4(x＝0～1，x为WC基硬质合金质量百分比)。
所述的氮化硅基粉末、碳化钨基粉末和过渡层粉末制备工艺，步骤如下：按比例称取Si3N491％、MgSiN25％、Y2O33％、CeO21％，进行球磨混合24h，混合结束后，将粉末放入120℃真空干燥箱中干燥，研磨，过筛(100目)；
按比例称取WC71.2％、(Ti,W)C20％、Co8％、VC0.4％、Cr3C20.4％，进行超声辅助搅拌，混合结束后，将粉末放入120℃真空干燥箱中干燥，研磨，过筛(100目)；按xWC+(1-x)Si3N4(x＝0～1，x为WC基硬质合金质量百分比)的比例进行球磨混合24h，混合结束后，将粉末放入120℃真空干燥箱中干燥，研磨，过筛(100目)；
所述的碳化钨/氮化硅陶瓷复合结构棒料的等离子烧结制备工艺，其特征在于，包括如下步骤：
(1)按照碳化钨硬质合金基(20mm)-过渡层(每层0.5mm)-氮化硅陶瓷基(20mm)的顺序填入模具中，并预压；
(2)放入等离子烧结炉以中以50～100℃/min的升温速率进行烧结，烧结温度为1250℃～1650℃，烧结压力为50～70MPa，保温时间为6min，随后随炉冷却，制得碳化钨/氮化硅复合棒料。
所述的碳化钨/氮化硅陶瓷过渡层模具，模具整体结构是一个回转体，模具总高为80mm，模具外部结构两端是不同直径的圆柱，尺寸分别为φ75×30mm、φ50×30mm，中间部分由直径75mm向50mm均匀过渡；模具中心是直径为10.6mm的通孔，用于装填粉末，在模具外侧有一排测温孔，测温孔直径为3mm，深度距离内壁1.5mm。模具材料为石墨。
实施例1
一种碳化钨-氮化硅陶瓷复合结构棒料及其等离子烧结的制备方法，具体为：按比例称取Si3N491％、MgSiN25％、Y2O33％、CeO21％，进行球磨混合24h，混合结束后，将粉末放入真空干燥箱中干燥，研磨，过筛后得到氮化硅材料粉末；按比例称取WC71.2％、(Ti,W)C20％、Co8％、VC0.4％、Cr3C20.4％，进行超声辅助搅拌，混合结束后，将粉末放入真空干燥箱中干燥，研磨，过筛后得到硬质合金材料粉末；按xWC+(1-x)Si3N4(x为WC基硬质合金质量百分比，x＝0.9,0.8,0.7,0.6,0.5,0.4,0.3,0.2,0.1)的比例进行球磨混合24h，混合结束后，将粉末放入真空干燥箱中干燥，研磨，过筛后得到9份碳化钨/氮化硅复合材料粉末材料；如图2所示按照碳化钨硬质合金基(20mm)-过渡层(每层0.5mm，共9层)-氮化硅陶瓷基(20mm)的顺序填入模具中，放入等离子烧结炉以中50～100℃/min的升温速率在氩气气氛中进行烧结，烧结温度为1650℃，烧结压力为50MPa，保温时间为6min，随后随炉冷却，制得碳化钨/氮化硅复合棒料。
实施例2
一种碳化钨-氮化硅陶瓷复合结构棒料及其等离子烧结的制备方法，具体为：按比例称取Si3N491％、MgSiN25％、Y2O33％、CeO21％，进行球磨混合24h，混合结束后，将粉末放入真空干燥箱中干燥，研磨，过筛后得到氮化硅材料粉末；按比例称取WC71.2％、(Ti,W)C20％、Co8％、VC0.4％、Cr3C20.4％，进行超声辅助搅拌，混合结束后，将粉末放入真空干燥箱中干燥，研磨，过筛后得到硬质合金材料粉末；按xWC+(1-x)Si3N4(x为WC基硬质合金质量百分比，x＝0.8,0.6,0.4,0.2)的比例进行球磨混合24h，混合结束后，将粉末放入真空干燥箱中干燥，研磨，过筛后得到4份碳化钨/氮化硅复合材料粉末材料；如图2所示按照碳化钨硬质合金基(20mm)-过渡层(每层0.5mm，共4层)-氮化硅陶瓷基(20mm)的顺序填入模具中，放入等离子烧结炉以中50～100℃/min的升温速率在氩气气氛中进行烧结，烧结温度为1650℃，烧结压力为50MPa，保温时间为6min，随后随炉冷却，制得碳化钨/氮化硅复合棒料。
Claims (10)
1.一种碳化钨-氮化硅陶瓷复合立铣刀的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤(1)：制备氮化硅基粉末、碳化钨基粉末和过渡层粉末；
步骤(2)：采用上部直径大，下部直径小，中间直径逐渐过渡的模具，按照从上到下碳化钨材料-过渡层材料-氮化硅陶瓷粉末的顺序填入模具中，预压；
步骤(3)：将步骤(2)装配预压后的烧结机构放入等离子烧结炉中以50～100℃/min的升温速率进行烧结，烧结温度为1250℃～1650℃，烧结压力为50～70MPa，保温时间为6min，随后随炉冷却，制得碳化钨/氮化硅复合棒材；
步骤(4)：对步骤(3)得到的碳化钨/氮化硅复合棒材进行加工得到碳化钨/氮化硅陶瓷复合立铣刀。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤(1)中制备氮化硅基粉末具体为：
按比例称取Si3N491％、MgSiN25％、Y2O33％、CeO21％，进行球磨混合24±5h，混合结束后，将粉末放入120±10℃真空干燥箱中干燥，研磨，过筛。
3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，步骤(1)中制备碳化钨基粉末具体为：
按比例称取WC71.2％、(Ti,W)C20％、Co8％、VC0.4％、Cr3C20.4％，进行超声辅助搅拌，混合结束后，将粉末放入120±10℃真空干燥箱中干燥，研磨，过筛。
4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，步骤(1)中制备过渡层粉末具体为：
按xWC+(1-x)Si3N4的比例进行球磨混合24±5h，其中x＝0～1，x为WC基硬质合金质量百分比，混合结束后，将粉末放入120±10℃真空干燥箱中干燥，研磨，过筛。
5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，步骤(2)中碳化钨材料的厚度为20mm±2，过渡层为3-6层，每一层的厚度为0.4-0.6mm，氮化硅基材料的厚度为20mm±2。
6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，步骤(2)中过渡层中越靠近碳化钨材料x值越大。
7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，步骤(3)中烧结气氛为氩气，烧结气压为标准大气压以下0.5MPa。
8.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，模具材料为石墨，模具总高为80±8mm，模具上部直径为75±7mm，高度为30±3mm，模具下部直径为50±5mm，高度为30±3mm，中间部分由直径75mm向50mm均匀过渡。
9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，模具中心是直径为10.6±1mm的通孔，用于装填粉末，在模具外侧有一排测温孔，测温孔直径为3±0.3mm，深度距离内壁1.5±0.1mm。
10.一种碳化钨-氮化硅陶瓷复合立铣刀，其特征在于，采用权利要求1-9任一项所述的方法制备。
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