CN117921005A - 一种高温合金加工用刀片及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于硬质合金制造技术领域，具体涉及一种高温合金加工用刀片及其制备方法，通过控制粘结相和钌的加入方式，配合合适的烧结工艺，提高了粘结相在硬质合金中分布均匀性以及钌在粘结相中强化FCC相的作用，本发明制备的高温合金加工用刀片比常规方法制备的刀片的矫顽力降低10%以上，断裂韧性和抗弯强度提高10%以上，使得刀片在切削加工高温合金过程中表现良好的抗崩损能力、高耐磨损能力和稳定性。
Description
技术领域
本发明属于硬质合金制造技术领域，具体为一种高温合金加工用刀片及其制备方法。
背景技术
高温合金具有导热系数低、弹性模量低、与其它金属相比摩擦系数大、高温化学活性大的特点，基于以上特性，高温合金切削加工过程中存在切屑的变形系数小、单位面积的切削力大、切削温度高、冷硬、粘结、扩散严重等现象。用于切削的工具容易产生磨料磨损、粘接磨损和扩散磨损。制作切削加工高温合金工具采用的材料主要有WC-Co硬度合金、PCBN、PCD等。其中WC-Co系硬度合金工具在车削和铣削方面得到了广泛的应用，陶瓷、PCBN、PCD等工具主要应用于车削精加工。其中，WC-Co硬质合金无涂层工具主要用于钛合金材料的粗加工领域，涂层工具则主要应用于钛合金材料的半精加工与精加工领域。如前所述，金属陶瓷、PCBN、PCD等材料因其具有高硬度等特性，被广泛应用于高温合金的连续精车削加工，但其同时存在脆性大的缺陷，导致工况适用能力较差，且不可循环使用。为了降低加工成本，更多以硬质合金为基底的加工工具被应用于高温合金的切削加工领域。
现有技术中，用于高温合金加工领域的工具所采用的基体材质主要成份为Co、WC、Cr、Ru及少量的Mo、Ta、Nb等元素。Cr、Ru及少量的Mo、Ta、Nb等元素在硬质合金中含量适当、分散均匀时能有效提高硬质合金强度与硬度，过量时会影响Co与WC的粘结强度，导致工具局部强度低、在加工过程中产生崩刃。现有通过球磨直接添加Cr、Ru及其它元素的方法，容易造成添加元素的局部聚集，影响局部Co与WC的粘结强度，形成微观组织缺陷，导致硬质合金强度降低，不但难以达到提升切削加工工具寿命的作用，还容易出现工具寿命不稳定的情况。
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高温合金加工用刀片及其制备方法。
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：
一种高温合金加工用刀片的制备方法，包括如下步骤：
S1、在WC粉末表面制备钴铬合金层得到WC复合粉末；
S2、取WC复合粉末、钌的有机化合物、碳粉混合得到原料，并加入球磨介质、成型剂后球磨，球磨后喷雾干燥，压制成型得到刀片生坯；
S3、刀片生坯进行烧结得到刀片毛坯，XRD衍射测出有FCC相钴；
S4、刀片毛坯经过研磨达到目标尺寸后进行刃口钝化处理，得到高温合金加工用刀片。
作为本发明所述的一种高温合金加工用刀片的制备方法的优选方案，其中：所述步骤S1中，WC粉末的费氏粒度为0.6～5.0μm。
作为本发明所述的一种高温合金加工用刀片的制备方法的优选方案，其中：所述步骤S1中，钴铬合金层的铬含量为1～40wt%，WC复合粉末中钴铬合金含量为10～13.5wt%。
作为本发明所述的一种高温合金加工用刀片的制备方法的优选方案，其中：所述步骤S1中，钴铬合金层的制备方法为硫酸钴、硫酸铬溶液化学沉积法，硫酸钴、硫酸铬溶液电化学沉积法，或者氯化钴、氯化铬与氢气反应的化学气相沉积法。
作为本发明所述的一种高温合金加工用刀片的制备方法的优选方案，其中：所述步骤S2中，钌的有机化合物包括乙醇钌、醋酸钌、二茂钌、羟基钌、羰基钌。
作为本发明所述的一种高温合金加工用刀片的制备方法的优选方案，其中：所述步骤S2中，所述原料以钌的有机化合物计，含有0.42～5.0wt%的钌有机化合物。
作为本发明所述的一种高温合金加工用刀片的制备方法的优选方案，其中：所述步骤S2中，所述原料含有94.9～99.58wt%的WC复合粉末，小于0.1wt%的碳粉。
作为本发明所述的一种高温合金加工用刀片的制备方法的优选方案，其中：所述步骤S3中，所述刀片毛坯含有0.2～2.0%的钌、含有86.5～90wt%的碳化钨及余量钴铬。
作为本发明所述的一种高温合金加工用刀片的制备方法的优选方案，其中：所述步骤S3中，烧结工艺包括：
S31、刀片生坯放入烧结炉，控制还原气氛分压为3～10kpa，烧结炉加热由室温缓慢升温至300～600℃保温60～120min，升温速度<1℃/min；
S32、继续升温至700℃，抽真空后在700～1000℃真空烧结90～150min，之后升温至1300～1550℃后充保护气体加压烧结30～45min，缓慢冷却至1000～1200℃保温60～90min，之后急速冷却至室温。
作为本发明所述的一种高温合金加工用刀片的制备方法的优选方案，其中：所述步骤S31中，还原气氛为H2或CH4。
作为本发明所述的一种高温合金加工用刀片的制备方法的优选方案，其中：所述步骤S32中，保护气体为氩气或氮气，保护气体的压力为大于1MPa。
作为本发明所述的一种高温合金加工用刀片的制备方法的优选方案，其中：所述步骤S32中，急速冷却的降温速度≥100℃/min。
作为本发明所述的一种高温合金加工用刀片的制备方法的优选方案，其中：所述步骤S4中，刃口钝化处理后还可以根据需要在刀片表面制备涂层得到高温合金加工用涂层刀片。
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：
一种高温合金加工用刀片，采用上述的高温合金加工用刀片的制备方法制备得到。
作为本发明所述的一种高温合金加工用刀片的优选方案，其中：高温合金加工用刀片的碳化钨相的平均截距长度为0.6～1.6μm。
本发明的有益效果如下：
本发明提供一种高温合金加工用刀片及其制备方法，通过控制粘结相和钌的加入方式，配合合适的烧结工艺，提高了粘结相在硬质合金中分布均匀性以及钌在粘结相中强化FCC相的作用，本发明制备的高温合金加工用刀片比常规方法制备的刀片的矫顽力降低10%以上，断裂韧性和抗弯强度提高10%以上，使得刀片在切削加工高温合金过程中表现良好的抗崩损能力、高耐磨损能力和稳定性。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图示出的结构获得其他的附图。
图1为本发明实施例1的高温合金加工用刀片的显微组织照片。
图2为本发明对比例1的高温合金加工用刀片的显微组织照片。
图3为本发明对比例2的高温合金加工用刀片的显微组织照片。
本发明目的的实现、功能特点及优点将结合实施例，参照附图做进一步说明。
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。
本发明的提出一种具有高抗崩损能力、高耐磨损能力、使用寿命长且稳定的高温合金加工用刀片及其制备方法。
研究发现，在碳化钨表面沉积钴铬合金可以使粘结相在硬质合金中分布更均匀，阻止了铬、钌等添加剂与碳化钨直接接触，减少了添加剂对粘结相与碳化钨结合强度的影响，提升了刀片材质的强度。钌有机化合物在料浆中的颗粒表面的吸附、分散均匀性比金属粉末更好，另外低温烧结后形成的钌颗粒由于具有大的比表面积在高温烧结阶段可快速与钴形成固溶体。而且钌有机化合物在钌的湿法冶炼过程中容易获得，相比金属（需要进行能耗更高的热还原、熔炼等冶金过程）添加成本更低、更加节能。另外本发明方法添加的钌在真空烧结过程中形成在碳化钨复合粉体表面附着的颗粒，对净化合金晶界的效果更好。高温烧结后的保温作用，进一步强化了合金中FCC相，使刀片加工高温合金能使切削速度提升20～30m/min。
根据本发明的一个方面，本发明提供了如下技术方案：
一种高温合金加工用刀片的制备方法，包括如下步骤：
S1、在WC粉末表面制备钴铬合金层得到WC复合粉末；
S2、取WC复合粉末、钌的有机化合物、碳粉混合得到原料，并加入球磨介质、成型剂后球磨，球磨后喷雾干燥，压制成型得到刀片生坯；
S3、刀片生坯进行烧结得到刀片毛坯；
S4、刀片毛坯经过研磨达到目标尺寸后进行刃口钝化处理，得到高温合金加工用刀片。
优选的，所述步骤S1中，WC粉末的费氏粒度为0.6～5.0μm；钴铬合金层的铬含量为1～40wt%，WC复合粉末中钴铬合金含量为10～13.5wt%，钴铬合金层厚度不超过200纳米，具体可以根据硬质合金目标成份设定钴铬合金的厚度，钴铬合金层的铬含量为1～40wt%，Co与Cr形成固溶体，为FCC与HCP两种晶体结构混合，具有良好韧性、抗氧化与耐腐蚀能力。通过化学分析或直接称量WC粉末的重量和沉积后WC复合粉末的重量来确定钴铬合金的含量。
优选的，所述步骤S1中，钴铬合金层的制备方法为硫酸钴、硫酸铬溶液化学沉积法，硫酸钴、硫酸铬溶液电化学沉积法，或者氯化钴、氯化铬与氢气反应的化学气相沉积法。
优选的，所述步骤S2中，钌的有机化合物包括乙醇钌、醋酸钌、二茂钌、羟基钌、羰基钌。
优选的，所述步骤S2中，所述原料0.42～5.0wt%的钌有机化合物，所述原料含有94.9～99.58wt%的WC复合粉末，小于0.1wt%的碳粉。
优选的，所述步骤S3中，所述刀片毛坯含有0.2～2.0%的钌、含有86.5～90wt%的碳化钨及余量钴铬。
优选的，所述步骤S3中，烧结工艺包括：
S31、刀片生坯放入烧结炉，控制还原气氛分压为3～10kPa，烧结炉加热由室温缓慢升温至300～400℃保温60～120min，升温速度<1℃/min；在低温还原气氛中脱除成型剂，脱除成型剂的同时使钌有机化合物分解为二氧化钌等氧化物实现还原；
S32、继续升温至500℃将成型剂脱除干净，抽真空后在500～800℃真空烧结90～150min，之后升温至1500～1550℃后充保护气体加压烧结30～45min，缓慢冷却至1000～1200℃保温60～90min，钌在真空烧结过程中形成在碳化钨复合粉体表面附着的颗粒，对净化合金晶界的效果更好；之后急速冷却至室温，使高温时生成的FCC结构的钴不会变成HCP结构，使粘结相具有高比例的强韧性FCC结构相。
优选的，所述步骤S31中，还原气氛为H2或CH4。
优选的，所述步骤S32中，保护气体为氩气或氮气，保护气体的压力为大于1MPa。
优选的，所述步骤S32中，急速冷却的降温速度≥100℃/min。
优选的，所述步骤S4中，刃口钝化处理后还可以根据需要在刀片表面制备涂层得到高温合金加工用涂层刀片。
根据本发明的另一个方面，本发明提供了如下技术方案：
一种高温合金加工用刀片，采用上述的高温合金加工用刀片的制备方法制备得到。
优选的，高温合金加工用刀片的碳化钨相的平均截距长度为0.6～1.6μm。
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
一种高温合金加工用刀片的制备方法，包括如下步骤：
S1、在WC粉末表面制备钴铬合金层得到WC复合粉末；
配制硫酸钴、硫酸铬（钴铬摩尔比为9:1）溶液，将充分破碎分级后的费氏粒度为1.0～2.0μm的碳化钨粉末加入溶液中，加入甲醛作为还原剂，加热、超声搅拌，粉体增重12.5%后过滤并在氢气保护下干燥。
S2、取WC复合粉末、钌的有机化合物、碳粉混合得到原料，并加入石蜡、酒精和油酸后球磨4h，球磨后喷雾干燥，压制成型得到刀片生坯；
所述原料含有0.48wt%的十二羰基钌，所述原料含有99.47wt%的WC复合粉末，0.05wt%的碳；
S3、刀片生坯进行烧结得到刀片毛坯；
S31、刀片生坯放入烧结炉，控制还原气氛H2分压为10kPa，烧结炉加热由室温缓慢升温至300℃保温120min，升温速度<1℃/min；
S32、继续升温至500℃将成型剂脱除干净，抽真空后在800℃真空烧结90min，之后升温至1550℃后充氮气保护气体加压烧结45min，缓慢冷却至1000℃保温90min，之后急速冷却至室温，急速冷却的降温速度为150℃/min。
S4、刀片毛坯经过研磨达到目标尺寸后进行刃口钝化处理，采用CVD方法涂覆TiAlN超硬涂层，得到高温合金加工用刀片。对高温合金加工用刀片的显微组织（如图1所示）进行研究，测得碳化钨相的平均截距长度为1.60μm，对其性能进行测试，测得以下参数：矫顽力为115Oe，抗弯强度为3921MPa，断裂韧性为21.6MPa·m1/2。
对比例1
与实施例1的不同之处在于，采用与实施例1同等含量的碳化钨粉、钴粉、碳化铬、钌粉直接混合球磨，得到的高温合金加工用刀片的显微组织如图2所示，测得碳化钨相的平均截距长度为1.6μm，对其性能进行测试，测得以下参数：矫顽力为132Oe，抗弯强度为3210MPa，断裂韧性为18.3MPa·m1/2。
对比例2
与实施例1的不同之处在于，不进行步骤S3的低温烧结工艺，采用常规加压烧结工艺，得到的高温合金加工用刀片的显微组织如图3所示，测得碳化钨相的平均截距长度为1.6μm，对其性能进行测试，测得以下参数：矫顽力为130Oe，抗弯强度为2697MPa，断裂韧性为18.9MPa·m1/2。
采用实施例1和对比例1-2制备的高温合金加工用刀片进行切削GH4169面铣测试：
材料：GH4169
部件：合金块
刀片类型：RPMT 1204M4E-MM4
切削速度：45m/min
进给：0.2mm/齿
切口深度：1.5mm
冷却剂：乳化液
测试结果如表1所示。
表1
对比例1-2出现个别刀尖崩损的情况。
实施例2
一种高温合金加工用刀片的制备方法，包括如下步骤：
S1、在WC粉末表面制备钴铬合金层得到WC复合粉末；
采用化学气相沉积法（CVD）在充分破碎分级后的粒径为0.5～1.0μm的碳化钨表面沉积钴铬合金，由高纯CoCl3、CrCl3、H2在900～1200℃时反应沉积而成，沉积完成后粉体增重13.5%。
S2、取WC复合粉末、钌的有机化合物、碳粉混合得到原料，并加入石蜡、酒精和油酸后球磨4h，球磨后喷雾干燥，压制成型得到刀片生坯；
所述原料含有5.0wt%的羟基钌，所述原料含有94.98wt%的WC复合粉末，0.02wt%的碳粉；
S3、刀片生坯进行烧结得到刀片毛坯；
S31、刀片生坯放入烧结炉，控制还原气氛CH4分压为3kPa，烧结炉加热由室温缓慢升温至400℃保温60min，升温速度<1℃/min；
S32、继续升温至500℃将成型剂脱除干净，抽真空后在600℃真空烧结150min，之后升温至1350℃后充氩气保护气体加压烧结35min，缓慢冷却至1200℃保温60min，之后急速冷却至室温，急速冷却的降温速度为120℃/min。
S4、刀片毛坯经过研磨达到目标尺寸后进行刃口钝化处理，采用CVD方法涂覆TiAlN-Al2O3超硬涂层，得到高温合金加工用刀片。对高温合金加工用刀片的显微组织进行研究，测得碳化钨相的平均截距长度为0.8μm，对其性能进行测试，测得以下参数：矫顽力191Oe，抗弯强度为4780MPa，断裂韧性为19.02MPa·m1/2。
对比例3
与实施例2的不同之处在于，采用与实施例2同等含量的碳化钨粉、钴粉、碳化铬、钌粉直接混合球磨，得到的高温合金加工用刀片，测得碳化钨相的平均截距长度为0.8μm，对其性能进行测试，测得以下参数：矫顽力为195Oe，抗弯强度为4367MPa，断裂韧性为18.5MPa·m1/2。
对比例4
与实施例2的不同之处在于，不进行步骤S3的低温烧结工艺，采用常规加压烧结工艺，得到的高温合金加工用刀片，测得碳化钨相的平均截距长度为0.8μm，对其性能进行测试，测得以下参数：矫顽力为216Oe，抗弯强度为4160MPa，断裂韧性为18.1MPa·m1/2。
采用实施例2和对比例3-4制备的高温合金加工用刀片进行切削TC18面铣测试：
材料：TC18
部件：合金块
刀片类型：RPMT 1204M4E-MM4
切削速度：50m/min
进给：0.15mm/齿
切口深度：1.5mm
冷却剂：乳化液
测试结果如表2所示。
表2
由上述实施例和对比例可以看出，通过控制粘结相和钌的加入方式，配合合适的烧结工艺，提高了粘结相在硬质合金中分布均匀性以及钌在粘结相中强化FCC相的作用，本发明制备的高温合金加工用刀片比常规方法制备的刀片的矫顽力降低10%以上，断裂韧性和抗弯强度提高10%以上，使得刀片在切削加工高温合金过程中表现良好的抗崩损能力、高耐磨损能力和稳定性。
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 (10)
1.一种高温合金加工用刀片的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
S1、在WC粉末表面制备钴铬合金层得到WC复合粉末；
S2、取WC复合粉末、钌的有机化合物、碳粉混合得到原料，并加入球磨介质、成型剂后球磨，球磨后喷雾干燥，压制成型得到刀片生坯；
S3、刀片生坯进行烧结得到刀片毛坯，XRD衍射测出有FCC相钴；
S4、刀片毛坯经过研磨达到目标尺寸后进行刃口钝化处理，得到高温合金加工用刀片。
2.根据权利要求1所述的高温合金加工用刀片的制备方法，其特征在于，所述步骤S1中，钴铬合金层的铬含量为1～40wt%，WC复合粉末中钴铬合金含量为10～13.5wt%。
3.根据权利要求1所述的高温合金加工用刀片的制备方法，其特征在于，所述步骤S1中，钴铬合金层的制备方法为硫酸钴、硫酸铬溶液化学沉积法，硫酸钴、硫酸铬溶液电化学沉积法，或者氯化钴、氯化铬与氢气反应的化学气相沉积法。
4.根据权利要求1所述的高温合金加工用刀片的制备方法，其特征在于，所述步骤S2中，钌的有机化合物包括乙醇钌、醋酸钌、二茂钌、羟基钌、羰基钌。
5.根据权利要求1所述的高温合金加工用刀片的制备方法，其特征在于，所述步骤S3中，烧结工艺包括：
S31、刀片生坯放入烧结炉，控制还原气氛分压为3～10kpa，烧结炉加热由室温缓慢升温至300～600℃保温60～120min，升温速度<1℃/min；
S32、继续升温至700℃，抽真空后在700～1000℃真空烧结90～150min，之后升温至1300～1550℃后充保护气体加压烧结30～45min，缓慢冷却至1000～1200℃保温60～90min，之后急速冷却至室温。
6.根据权利要求5所述的高温合金加工用刀片的制备方法，其特征在于，所述步骤S31中，还原气氛为H2或CH4。
7.根据权利要求5所述的高温合金加工用刀片的制备方法，其特征在于，所述步骤S32中，保护气体为氩气或氮气，保护气体的压力为大于1MPa。
8.根据权利要求5所述的高温合金加工用刀片的制备方法，其特征在于，所述步骤S32中，急速冷却的降温速度≥100℃/min。
9.一种高温合金加工用刀片，其特征在于，采用权利要求1-8任一项所述的高温合金加工用刀片的制备方法制备得到。
10.根据权利要求9所述的高温合金加工用刀片，其特征在于，高温合金加工用刀片的碳化钨相的平均截距长度为0.6～1.6μm。
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