CN117840436B - 一种硬质合金双料棒材及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于硬质合金制造技术领域，具体涉及一种硬质合金双料棒材及其制备方法，所述硬质合金双料棒由用于制作刀柄的部分和用于制作刀头的部分组成，取掺碳化钛的锌熔料作为制作刀柄的部分的原料；取正常牌号的硬质合金棒材料的相应原料作为制作刀头的部分的原料；制作刀柄的部分的原料与制作刀头的部分的原料在同一模具中经过一体成型烧结，烧结后的双料棒毛坯的变形量为±0.1%，加工余量≤0.2mm；刀柄与刀头结合处的应力小，结合强度高，能够承受较高的剪切力，可提升刀具的品质及寿命。
Description
技术领域
本发明属于硬质合金制造技术领域，具体为一种硬质合金双料棒材及其制备方法。
背景技术
硬质合金作为一种刀具材料，是高速切削技术的重要组成部分，在切削实践中发挥着不可或缺的作用。整体硬质合金铣刀或钻头是以硬质合金棒材为原料加工而成，而制备硬质合金棒材需要添加90wt%左右的碳化钨粉末及10wt%左右的金属钴粉，碳化钨和金属钴属于战略资源且价格昂贵，因此废旧硬质合金的回收再利用变得势在必行。将废旧的硬质合金用锌熔法处理后得到锌熔料，相较于原生的碳化钨粉末，锌熔料的价格要明显更低，锌熔料的使用可以降低硬质合金的原料成本。
硬质合金的铣刀分为刀柄和刀头两部分，其中刀头是直接与工件接触并参与切削的部分，而刀柄只是提供夹持并不参与切削，刀柄完全可以用低成本的原料来制备。目前市场上涌现了很多焊接式的硬质合金铣刀或钻头，其刀柄大多采用钢或钢结硬质合金材料制成，虽然这可以降低生产成本，但是由于是采用焊接的方式，在刀柄与刀头的焊接处存在较大的应力，在大切削力的工况加工中刀具易在焊接处发生折断，承受不了大的剪切力。
刀柄采用低成本的锌熔料粉末原料与正常牌号的硬质合金刀头原料粉末在同一模具中一体压制成型烧结，与焊接刀具相比，由于采用的是一体成型，刀柄与刀头的结合处不存在应力，可以承受更大的剪切力。但这会带来一个新的问题，由于刀柄的原料与刀头的原料差别比较大，两者原料的收缩系数会有较大的差异，在烧结后会出现变形、弯曲的问题。
发明内容
为解决现有技术存在的问题，本发明的主要目的是提出一种硬质合金双料棒材及其制备方法，以期克服现有技术中采用不同的原料在同一模具中成型，因不同原料的收缩系数差异造成烧结后的毛坯出现变形、弯曲的问题，可将棒材毛坯的加工余量控制到较低水平。
为解决上述技术问题，根据本发明的一个方面，本发明提供了如下技术方案：
一种硬质合金双料棒材的制备方法，所述硬质合金双料棒由用于制作刀柄的部分和用于制作刀头的部分组成，包括如下步骤：
S1、取掺碳化钛的锌熔料作为制作刀柄的部分的原料；取正常牌号的硬质合金棒材料的相应原料作为制作刀头的部分的原料；
S2、根据制作刀柄的部分的原料和制作刀头的部分的原料的松比检测结果，计算出制作刀柄的部分的原料和制作刀头的部分的原料重量，根据重量数据，将制作刀柄的部分的原料和制作刀头的部分的原料分别置于不同的料筒中，装入同一模具中，在自动压机中压制成所需规格尺寸的成型棒材压坯；
S3、将成型的棒材压坯送入加压烧结炉进行烧结；待烧结炉冷却至室温后，取出毛坯，即为硬质合金双料棒材。
作为本发明所述的一种硬质合金双料棒材的制备方法的优选方案，其中：所述步骤S1中，制作刀柄的部分的原料包括TiC粉、锌熔WC粉及Co粉。
作为本发明所述的一种硬质合金双料棒材的制备方法的优选方案，其中：所述步骤S1中，制作刀柄的部分的原料中，所述TiC粉的质量百分比为4~25wt%，Co粉的质量百分比为4~15wt%，余量为锌熔WC粉。
作为本发明所述的一种硬质合金双料棒材的制备方法的优选方案，其中：所述步骤S1中，按制作刀柄的部分的原料配方，取TiC粉、锌熔WC粉及Co粉，经充分的球磨混合后进行喷雾，制备成制作刀柄的部分的原料。
作为本发明所述的一种硬质合金双料棒材的制备方法的优选方案，其中：所述步骤S2中，制作刀柄的部分的原料和制作刀头的部分的原料在同一模具中的体积比为(2~8):(8~2)。
作为本发明所述的一种硬质合金双料棒材的制备方法的优选方案，其中：所述步骤S3中，烧结工艺步骤为：
S31、压坯入炉，抽真空；
S32、升温脱蜡；
S33、固相烧结；
S34、加压烧结；
S35、冷却、卸压、出炉。
作为本发明所述的一种硬质合金双料棒材的制备方法的优选方案，其中：所述步骤S32中，脱蜡温度为200~500℃，脱蜡时间为400~700min。
作为本发明所述的一种硬质合金双料棒材的制备方法的优选方案，其中：所述步骤S33中，固相烧结的温度为500~1300℃，固相烧结的时间为160~400min。
作为本发明所述的一种硬质合金双料棒材的制备方法的优选方案，其中：所述步骤S34中，加压烧结时通入氩气，氩气压力5~10MPa，加压烧结的温度为1400~1480℃，加压烧结的时间为60~120min。
为解决上述技术问题，根据本发明的另一个方面，本发明提供了如下技术方案：
一种硬质合金双料棒材，采用上述的硬质合金双料棒材的制备方法制备得到。
作为本发明所述的一种硬质合金双料棒材的优选方案，其中：所述棒材的直径为3.2~25mm，烧结后的双料棒毛坯的变形量为±0.1%，加工余量≤0.2mm。
本发明的有益效果如下：
本发明提供一种硬质合金双料棒材及其制备方法，所述硬质合金双料棒由用于制作刀柄的部分和用于制作刀头的部分组成，取掺碳化钛的锌熔料作为制作刀柄的部分的原料；取正常牌号的硬质合金棒材料的相应原料作为制作刀头的部分的原料；制作刀柄的部分的原料与制作刀头的部分的原料在同一模具中经过一体成型烧结，烧结后的双料棒毛坯的变形量为±0.1%，加工余量≤0.2mm；刀柄与刀头结合处的应力小，结合强度高，能够承受较高的剪切力，可提升刀具的品质及寿命。
具体实施方式
下面将结合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发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明的提出一种硬质合金双料棒材及其制备方法，以期克服现有技术中采用不同的原料在同一模具中成型，因不同原料的收缩系数差异造成烧结后的毛坯出现变形、弯曲的问题，可将棒材毛坯的加工余量控制到较低水平。具有如下优势：
（1）由于刀柄是非切削部分，可以使用锌熔WC粉来制备，且对锌熔WC粉的品位无要求，实现资源的可回收循环再利用。本发明通过调整制作刀柄部分的原料组成及喷雾造粒参数来调整粉末的松装密度，降低刀头部分的原料与刀柄部分的原料收缩系数的差异；同时，TiC粉的理论密度为4.93g/cm3，而WC粉的理论密度为15.72g/cm3，同样重量的TiC粉的体积要远大于WC粉的体积，TiC粉的加入可以减少柄部用粉量，且TiC粉的价格要比WC粉便宜，TiC粉的加入可以进一步降低棒材的制造成本；
（2）制作刀柄的部分的原料与制作刀头的部分的原料在同一模具中经过一体成型烧结，烧结后的双料棒毛坯的变形量为±0.1%，加工余量≤0.2mm；刀柄与刀头结合处的应力小，结合强度高，能够承受较高的剪切力，可提升刀具的品质及寿命。
根据本发明的一个方面，本发明提供了如下技术方案：
一种硬质合金双料棒材的制备方法，所述硬质合金双料棒由用于制作刀柄的部分和用于制作刀头的部分组成，包括如下步骤：
S1、取掺碳化钛的锌熔料作为制作刀柄的部分的原料；取正常牌号的硬质合金棒材料的相应原料作为制作刀头的部分的原料；
S2、根据制作刀柄的部分的原料和制作刀头的部分的原料的松比检测结果，计算出制作刀柄的部分的原料和制作刀头的部分的原料重量，根据重量数据，将制作刀柄的部分的原料和制作刀头的部分的原料分别置于不同的料筒中，经由双料靴装入同一模具中，在自动压机中压制成所需规格尺寸的成型棒材压坯；
S3、将成型的棒材压坯送入加压烧结炉进行烧结；待烧结炉冷却至室温后，取出毛坯，即为硬质合金双料棒材。
优选的，所述步骤S1中，制作刀柄的部分的原料包括TiC粉、锌熔WC粉及Co粉。进一步优选的，制作刀柄的部分的原料中，所述TiC粉的质量百分比为4~25wt%，Co粉的质量百分比为4~15wt%，余量为锌熔WC粉。进一步优选的，按制作刀柄的部分的原料配方，取TiC粉、锌熔WC粉及Co粉，经充分的球磨混合后进行喷雾，制备成制作刀柄的部分的原料。
优选的，所述步骤S2中，制作刀柄的部分的原料和制作刀头的部分的原料在同一模具中的体积比为(2~8):(8~2)。
优选的，所述步骤S2中，在确定好所要制备的双料棒规格后，根据双料棒的规格，计算出双料棒的体积。根据刀柄部分的原料成分配比及刀头部分的原料成分配比，分别计算出刀柄和刀头料的理论密度，在设置好刀柄和刀头的体积比后，根据双料棒的体积，可以计算出双料棒毛坯中刀柄和刀头占的体积，由m=ρ（理论密度）×V（体积），计算出刀柄和刀头所需的粉料量。根据制作刀柄的部分的原料和制作刀头的部分的原料的松比检测结果，在计算出制作刀头和制作刀柄所需的粉料量后，根据V=m（所需粉料重量）/ρ（粉料松比），计算出刀头和刀柄料的粉末装填体积。根据粉末的装填体积比，由已知模具的长度可以分别计算出刀柄装填粉末及刀头装填粉末占模具的长度比值，根据这一比值，设置好双料靴的位置。
优选的，所述步骤S3中，烧结工艺步骤为：
S31、压坯入炉，抽真空至1~100Pa；
S32、升温脱蜡；
S33、固相烧结；
S34、加压烧结；
S35、冷却、卸压、出炉。
优选的，所述步骤S32中，脱蜡温度为200~500℃，脱蜡时间为400~700min。
优选的，所述步骤S33中，固相烧结的温度为500~1300℃，时间为160~400min。
优选的，所述步骤S34中，加压烧结时通入氩气，氩气压力5~10MPa，加压烧结的温度为1400~1480℃，保温时间为60~120min。
根据本发明的另一个方面，本发明提供了如下技术方案：
一种硬质合金双料棒材，采用上述的硬质合金双料棒材的制备方法制备得到。
作为本发明所述的一种硬质合金双料棒材的优选方案，其中：所述棒材的直径为3.2~25mm，烧结后的双料棒毛坯的变形量为±0.1%，加工余量≤0.2mm。
以下结合具体实施例对本发明技术方案进行进一步说明。
实施例1
一种硬质合金双料棒材的制备方法，所述硬质合金双料棒由用于制作刀柄的部分和用于制作刀头的部分组成，包括如下步骤：
S1、取掺碳化钛的锌熔料作为制作刀柄的部分的原料；取正常牌号的硬质合金棒材料的相应原料作为制作刀头的部分的原料；
选取6wt%Co粉-4wt%TiC粉-90wt%锌熔WC粉，在以无水乙醇为介质的球磨罐中进行充分的球磨混合后，直接喷雾制备成制作刀柄的部分的原料；
选取6wt%Co粉-0.7wt%Cr3C2粉-0.3wt%VC粉-93wt%WC粉，在以无水乙醇为介质的球磨罐中进行充分的球磨混合后，直接喷雾制备成制作刀头的部分的原料。
S2、根据制作刀柄的部分的原料和制作刀头的部分的原料的松比检测结果，计算出制作刀柄的部分的原料和制作刀头的部分的原料重量，制作刀柄的部分的原料和制作刀头的部分的原料在同一模具中的体积比为8:2，根据重量数据，设置好双料靴的位置；将制作刀柄的部分的原料和制作刀头的部分的原料分别置于不同的料筒中，经由双料靴装入同一φ3.2×50mm的模具中，在自动压机中压制成成型棒材压坯；
S3、将成型的棒材压坯送入加压烧结炉进行烧结；待烧结炉冷却至室温后，取出毛坯，即为硬质合金双料棒材。
烧结工艺步骤为：
S31、压坯入炉，抽真空至50Pa；
S32、升温脱蜡；脱蜡温度为500℃，脱蜡时间为450min。
S33、固相烧结；固相烧结的温度为1300℃，脱蜡时间为160min。
S34、加压烧结；加压烧结时通入氩气，氩气压力5MPa，加压烧结的温度为1410℃，保温时间为60min。
S35、冷却、卸压、出炉。
对本实施例制备的硬质合金双料棒材进行测试，测试棒材两端及两种料在结合处的直径方向的尺寸数据，尺寸的极差值为0.03mm，直线度非常好。
实施例2
一种硬质合金双料棒材的制备方法，所述硬质合金双料棒由用于制作刀柄的部分和用于制作刀头的部分组成，包括如下步骤：
S1、取掺碳化钛的锌熔料作为制作刀柄的部分的原料；取正常牌号的硬质合金棒材料的相应原料作为制作刀头的部分的原料；
选取10wt%Co粉-15wt%TiC粉-75wt%锌熔WC粉，在以无水乙醇为介质的球磨罐中进行充分的球磨混合后，直接喷雾制备成制作刀柄的部分的原料；
选取10wt%Co粉-0.7wt%Cr3C2粉-89.3wt%WC粉，在以无水乙醇为介质的球磨罐中进行充分的球磨混合后，直接喷雾制备成制作刀头的部分的原料。
S2、根据制作刀柄的部分的原料和制作刀头的部分的原料的松比检测结果，计算出制作刀柄的部分的原料和制作刀头的部分的原料重量，制作刀柄的部分的原料和制作刀头的部分的原料在同一模具中的体积比为5:5，根据重量数据，设置好双料靴的位置；将制作刀柄的部分的原料和制作刀头的部分的原料分别置于不同的料筒中，经由双料靴装入同一φ10×100mm的模具中，在自动压机中压制成成型棒材压坯；
S3、将成型的棒材压坯送入加压烧结炉进行烧结；待烧结炉冷却至室温后，取出毛坯，即为硬质合金双料棒材。
烧结工艺步骤为：
S31、压坯入炉，抽真空至50Pa；
S32、升温脱蜡；脱蜡温度为500℃，脱蜡时间为550min。
S33、固相烧结；固相烧结的温度为1250℃，脱蜡时间为230min。
S34、加压烧结；加压烧结时通入氩气，氩气压力5MPa，加压烧结的温度为1450℃，保温时间为90min。
S35、冷却、卸压、出炉。
对本实施例制备的硬质合金双料棒材进行测试，测试棒材两端及两种料在结合处的直径方向的尺寸数据，尺寸的极差值为0.08mm，直线度非常好。
实施例3
一种硬质合金双料棒材的制备方法，所述硬质合金双料棒由用于制作刀柄的部分和用于制作刀头的部分组成，包括如下步骤：
S1、取掺碳化钛的锌熔料作为制作刀柄的部分的原料；取正常牌号的硬质合金棒材料的相应原料作为制作刀头的部分的原料；
选取15wt%Co粉-25wt%TiC粉-60wt%锌熔WC粉，在以无水乙醇为介质的球磨罐中进行充分的球磨混合后，直接喷雾制备成制作刀柄的部分的原料；
选取15wt%Co粉-1.5wt%Cr3C2粉-83.5wt%WC粉，在以无水乙醇为介质的球磨罐中进行充分的球磨混合后，直接喷雾制备成制作刀头的部分的原料。
S2、根据制作刀柄的部分的原料和制作刀头的部分的原料的松比检测结果，计算出制作刀柄的部分的原料和制作刀头的部分的原料重量，制作刀柄的部分的原料和制作刀头的部分的原料在同一模具中的体积比为4:6，根据重量数据，设置好双料靴的位置；将制作刀柄的部分的原料和制作刀头的部分的原料分别置于不同的料筒中，经由双料靴装入同一φ25×100mm的模具中，在自动压机中压制成成型棒材压坯；
S3、将成型的棒材压坯送入加压烧结炉进行烧结；待烧结炉冷却至室温后，取出毛坯，即为硬质合金双料棒材。
烧结工艺步骤为：
S31、压坯入炉，抽真空至50Pa；
S32、升温脱蜡；脱蜡温度为450℃，脱蜡时间为650min。
S33、固相烧结；固相烧结的温度为1200℃，脱蜡时间为300min。
S34、加压烧结；加压烧结时通入氩气，氩气压力5MPa，加压烧结的温度为1480℃，保温时间为120min。
S35、冷却、卸压、出炉。
对本实施例制备的硬质合金双料棒材进行测试，测试棒材两端及两种料在结合处的直径方向的尺寸数据，尺寸的极差值为0.08mm，直线度非常好。
实施例4
一种硬质合金双料棒材的制备方法，所述硬质合金双料棒由用于制作刀柄的部分和用于制作刀头的部分组成，包括如下步骤：
S1、取掺碳化钛的锌熔料作为制作刀柄的部分的原料；取正常牌号的硬质合金棒材料的相应原料作为制作刀头的部分的原料；
选取10wt%Co粉-8wt%TiC粉-82wt%锌熔WC粉，在以无水乙醇为介质的球磨罐中进行充分的球磨混合后，直接喷雾制备成制作刀柄的部分的原料；
选取12wt%Co粉-1wt%Cr3C2粉-87wt%WC粉，在以无水乙醇为介质的球磨罐中进行充分的球磨混合后，直接喷雾制备成制作刀头的部分的原料。
S2、根据制作刀柄的部分的原料和制作刀头的部分的原料的松比检测结果，计算出制作刀柄的部分的原料和制作刀头的部分的原料重量，制作刀柄的部分的原料和制作刀头的部分的原料在同一模具中的体积比为8：2，根据重量数据，设置好双料靴的位置；将制作刀柄的部分的原料和制作刀头的部分的原料分别置于不同的料筒中，经由双料靴装入同一φ16×100mm的模具中，在自动压机中压制成成型棒材压坯；
S3、将成型的棒材压坯送入加压烧结炉进行烧结；待烧结炉冷却至室温后，取出毛坯，即为硬质合金双料棒材。
烧结工艺步骤为：
S31、压坯入炉，抽真空至50Pa；
S32、升温脱蜡；脱蜡温度为500℃，脱蜡时间为700min。
S33、固相烧结；固相烧结的温度为1300℃，脱蜡时间为400min。
S34、加压烧结；加压烧结时通入氩气，氩气压力9MPa，加压烧结的温度为1450℃，保温时间为120min。
S35、冷却、卸压、出炉。
对本实施例制备的硬质合金双料棒材进行测试，测试棒材两端及两种料在结合处的直径方向的尺寸数据，尺寸的极差值为0.1mm，直线度非常好。
对比例1
与实施例2不同之处在于，步骤S1中，刀柄部分的原料成分为25wt%Co粉-75wt%熔锌WC粉。
本对比例烧结后的毛坯发生了明显的弯曲变形。
对比例2
与实施例2不同之处在于，步骤S1中，刀柄部分的原料成分为18wt%Co粉-30wt%TiC-52wt%锌熔WC粉。
对本对比例制备的硬质合金双料棒材进行测试，测试棒材两端及两种料在结合处的直径方向的尺寸数据，尺寸的极差值为2.2mm，直线度较差。
对各实施例和对比例所制备的硬质合金双料棒材进行抗弯强度的测试，结果见下表，可见本发明的硬质合金双料棒材的抗弯强度≥2850MPa。抗弯强度的测试采用C试样（试样尺寸为φ3.3×25），跨距为14mm，加载速率为0.5mm/min。
对各实施例和对比例所制备的硬质合金棒材进行剪切强度的测试，结果见下表，可见本发明的硬质合金双料棒材的剪切强度≥1550MPa。剪切强度的测试在万能材料试验机上进行，试样尺寸为φ5×100，加载速率为10MPa/s。
将实施例2、对比例1及对比例2所制备的硬质合金双料棒材制备成同规格尺寸的铣刀，对所制备的铣刀进行切削试验，试验材料为316L，铣削方式为槽铣，切削参数为：切削速度Vc为80m/min，进给fz为0.03mm/tooth，以后刀面磨损VB达到0.02mm判断刀具失效；刀具的切削寿命结果如下表所示。
由上述的实施例和对比例可以看出，本发明所述硬质合金双料棒由用于制作刀柄的部分和用于制作刀头的部分组成，取掺碳化钛的锌熔料作为制作刀柄的部分的原料；取正常牌号的硬质合金棒材料的相应原料作为制作刀头的部分的原料；制作刀柄的部分的原料与制作刀头的部分的原料在同一模具中经过一体成型烧结，烧结后的双料棒毛坯的变形量为±0.1%，加工余量≤0.2mm；刀柄与刀头结合处的应力小，结合强度高，能够承受较高的剪切力，可提升刀具的品质及寿命。
以上所述仅为本发明的优选实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是在本发明的发明构思下，利用本发明说明书内容所作的等效结构变换，或直接/间接运用在其他相关的技术领域均包括在本发明的专利保护范围内。
Claims (3)
1.一种硬质合金双料棒材的制备方法，其特征在于，所述硬质合金双料棒由用于制作刀柄的部分和用于制作刀头的部分组成，包括如下步骤：
S1、取掺碳化钛的锌熔料作为制作刀柄的部分的原料；取正常牌号的硬质合金棒材料的相应原料作为制作刀头的部分的原料；制作刀柄的部分的原料中，TiC粉的质量百分比为4~25wt%，Co粉的质量百分比为4~15wt%，余量为锌熔WC粉；按制作刀柄的部分的原料配方，取TiC粉、锌熔WC粉及Co粉，经充分的球磨混合后进行喷雾，制备成制作刀柄的部分的原料；
S2、根据制作刀柄的部分的原料和制作刀头的部分的原料的松比检测结果，计算出制作刀柄的部分的原料和制作刀头的部分的原料重量，根据重量数据，将制作刀柄的部分的原料和制作刀头的部分的原料分别置于不同的料筒中，装入同一模具中，在自动压机中压制成所需规格尺寸的成型棒材压坯；
S3、将成型的棒材压坯送入加压烧结炉进行烧结；烧结工艺步骤为：
S31、压坯入炉，抽真空；
S32、升温脱蜡；脱蜡温度为200~500℃，脱蜡时间为400~700min；
S33、固相烧结；固相烧结的温度为500~1300℃，固相烧结的时间为160~400min；
S34、加压烧结；加压烧结时通入氩气，氩气压力5~10MPa，加压烧结的温度为1400~1480℃，加压烧结的时间为60~120min；
S35、冷却、卸压、出炉；
待烧结炉冷却至室温后，取出毛坯，即为硬质合金双料棒材；所述棒材的直径为3.2~25mm，烧结后的双料棒毛坯的变形量为±0.1%，加工余量≤0.2mm；硬质合金双料棒材的抗弯强度≥2850MPa，剪切强度≥1550MPa。
2.根据权利要求1所述的硬质合金双料棒材的制备方法，其特征在于，所述步骤S2中，制作刀柄的部分的原料和制作刀头的部分的原料在同一模具中的体积比为(2~8):(8~2)。
3.一种硬质合金双料棒材，其特征在于，采用权利要求1-2任一项所述的硬质合金双料棒材的制备方法制备得到。
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