CN1486288A - 机加工工具及其制造方法 - Google Patents

Abstract

一种机加工工具比如钻头(10)的加工表面由富金属部分(22)组成。钻头(10)的中部由富陶瓷部分(20)制成。进一步地，梯度部分(24)位于富陶瓷部分(20)和富金属部分(22)之间。在梯度部分(24)中，金属组成比从富陶瓷部分(22)到富金属部分(20)逐渐增高。即：钻头(10)由梯度复合材料组成，其中从该机加工工具的表面向内，陶瓷组成比增高，金属组成比降低。

Description

机加工工具及其制造方法

技术领域

本发明涉及一种机加工工具及其制造方法。根据本发明，该机加工工具由梯度复合材料制成，其中从该机加工工具的表面向内，陶瓷组成比和金属组成比是变化的。

背景技术

当在工件上制孔或者镗孔时，首先，用钻头在工件上进行粗糙的镗孔加工，然后，用铰刀进行切削加工。

用于钻头或者铰刀的构成材料包括，例如：含高碳钢作为主要成分的按日本工业标准定义的SK材料，SKD材料，或者SKH材料(所谓的高速工具钢)，超级合金材料如镍基合金和钴基合金，及超硬材料如陶瓷与金属的复合材料。为了提高抗磨损性，钻头或铰刀的表面有时用硬质陶瓷的涂层膜进行涂覆，如TiC或TiN。

高速工具钢和超级合金材料具有高的强度和高的韧性。然而，高速工具钢和超级合金没有足够的抗磨损性，抗压强度和刚度。超硬材料具有高的抗磨损性，抗压强度和刚度。然而，超硬材料没有足够的韧性，倾向于产生裂纹和断裂。也就是说，高速工具钢和超级合金材料的特性与超硬材料的特性是相反的。所以，用于钻头或铰刀的构成材料的选择要考虑到工件的构成材料以及当进行镗孔加工或者切削加工时施加到钻头或铰刀上的多种应力的大小。这些应力包括当压力作用到工件上时施加的压缩应力，作用到牵引部分和切削部分上的拉应力和施加于被加工的部分与未被加工的部分之间的拉应力。

钻头或铰刀具有高的硬度，高的强度和高的韧性是所期望的。要获得长的使用寿命，高硬度，也就是高的抗磨损性是必需的。高的强度有助于防止钻头或铰刀的变形，即使在其上施加了上述应力。而且，具有高韧性的钻头或铰刀很少遇到裂纹和断裂的产生。然而，传统的钻头或铰刀不具有上述的所有特性。

例如，在钻头或铰刀由超硬材料组成的情况下，通过提高金属组成比来提高韧性是可能的。然而，金属组成比高的超硬材料不具有高的硬度和强度。所以，钻头或铰刀的使用寿命可能不长。相反，降低金属组成比，通过牺牲韧性来提高硬度和强度是可能的，然而，趋向于更频繁的产生裂纹和断裂。

如上所述，具有高的硬度和强度的超硬材料不具有高的韧性。具有高的韧性的超硬材料不具有高的硬度和强度。所以，一并提高钻头或铰刀的所有特性(硬度，强度和韧性)是困难的。

发明公开

本发明为解决上述问题而设计，其目的是提供一种长使用寿命的机加工工具，其中很少产生变形，裂纹和断裂；以及这种机加工工具的制造方法。

为实现上述目的，依据本发明，机加工工具由含陶瓷和金属的复合材料组成，

其中从该机加工工具的表面向内，陶瓷组成比增高，金属组成比降低。

如上构建的机加工工具具有金属的韧性，陶瓷的硬度和强度。所以，很少产生裂纹和断裂，抗磨损性得到提高，而且很少发生变形。

适用于该机加工工具的陶瓷材料包括选自W，Cr，Mo，Ti，V，Zr，Hf和镧系元素的碳化物，氮化物和碳氮化物中的至少一种。适用于该机加工工具的金属材料包括选自Fe，Ni，Co及由这些金属中的两种或更多种组成的合金中的至少一种。另外地，金属可以进一步包含Cr，Mn，V和Ti中的至少一种。

该种情况下，陶瓷组成比和金属组成比按重量比为85∶15到95∶5。如果金属按重量比少于5份，就会因为韧性差而趋向于产生裂纹和断裂。如果金属按重量比超过15份，则硬度和强度及抗磨损性差。进而，当加工工件时，倾向于产生变形。

优选地，为延长该机加工工具的使用寿命和提高加工工件的精确度，该机加工工具的加工表面的维氏硬度不小于1700。

钻头和铰刀是这种机加工工具的优选例子。

依据本发明的另一方面，提供一种制造这种机加工工具的方法，其中，从该机加工工具的表面向内，陶瓷组成比增高，金属组成比降低。该方法包括如下步骤：

用含陶瓷粉体和金属粉体的混合粉体制备密实体；

烧结所述密实体制备多孔件(初级烧结步骤)；

用含催化剂的溶液浸渍所述多孔件；并

在氮化气氛下，将用含催化剂的溶液浸渍的所述多孔件进行再烧结，制备成致密的烧结产品(次级烧结步骤)，

其中，在再烧结步骤中，当炉子开始升温时，将氮化气体引入炉子中。

在此工序中，在次级烧结步骤中，存在于多孔件表面附近的金属晶粒早于陶瓷晶粒开始晶粒生长。而且，存在于多孔件表面附近的陶瓷晶粒的晶粒生长被氮化气体如氮气所抑制，因为氮化气体通常阻碍陶瓷晶粒的晶粒生长。存在于多孔件中部的陶瓷晶粒的晶粒生长不会受到抑制，因为在多孔件的中部几乎没有氮化气体存在。而且，在多孔件中的陶瓷晶粒的晶粒生长因催化剂而得到促进。

由于上述原因，金属晶粒集中在表面附近。通过这种方式，获得从表面向内，金属组成比降低且陶瓷组成比增高的梯度复合材料是可能的。

为了提供可用来进行镗孔和切削工件的具有足够的硬度，强度和韧性的机加工工具，优选的陶瓷晶粒由选自W，Cr，Mo，Ti，V，Zr，Hf和镧系元素的碳化物，氮化物和碳氮化物中的至少一种组成，且金属晶粒由选自Fe，Ni，Co及包含这些金属中的两种或更多种的合金中的至少一种组成。进一步地，Cr，Mn，V和Ti中的至少一种可以加入到金属晶粒中。

此时，陶瓷组成比和金属组成比按重量比为85∶15到95∶5。如果金属按重量比少于5份，会因为韧性差而趋向于产生裂纹和断裂。如果金属按重量比超过15份，则硬度和强度及抗磨损性差。进而，当加工工件时，倾向于产生变形。

在含催化剂的溶液中优选的催化剂的例子是Fe，Ni，Co，Mn，Cr，Mo，Ti或者镧系元素。

举例来讲，优选的氮化气体是氮气，由于这种气体容易处理，而且容易控制反应速率。

通过下面的与附图一同进行的描述，本发明的上述和其它的目的，特征和优点将更加明显。在附图中，以说明性示例的方式说明了本发明的一个优选的实施方案。

附图简述

图1是依据本发明第一个实施方案的一种机加工工具(钻头)的整体结构和局部纵向截面示意图；

图2是沿图1中箭头所示的II-II线所得的剖面图；

图3是依据本发明第二个实施方案的一种机加工工具(铰刀)的整体结构示意图；

图4是沿图3中箭头所示的IV-IV线所得的剖面图；

图5是说明依据本发明的实施方案制造机加工工具的方法流程图；及

图6是使用第一个实施方案的钻头和商业可获的钻头得到的所加工孔数与VB磨损量之间的关系图。

本发明的最佳实施模式

参照附图，对依据本发明的机加工工具及其制造方法的优选实施方案作详细描述。

图1示意了依据本发明的第一个实施方案的机加工工具钻头10的整体结构，并有局部纵向截面图。钻头10是一种麻花钻头，具有刃部12和杆部14。刃部12和杆部14整体地制成一个部件。刃部12包括两个始于刃顶16并以预先确定的旋转角度沿轴向(箭头A的方向)延伸的切削刃18。

图2是沿图1中箭头所示的II-II线得到的剖面图。如图2所示，钻头10包括组成比不同的三个部分。在内部的富陶瓷部分20中，陶瓷组成比是相对高的。在外部的富金属部分(钻头10的表面)22中，金属组成比是相对高的。梯度部分24位于富陶瓷部分20和富金属部分22之间。在梯度部分24中，金属组成比从富陶瓷部分20到富金属部分22向外逐渐增高。

在钻头10中，在构成加工表面的富金属部分22中的金属组成比最高，并且向内比率降低。相反，在构成加工表面的富金属部分22中的陶瓷组成比最低，并且向内比率增高。即：钻头10由梯度复合材料组成，其中从表面向内，金属组成比降低，陶瓷组成比增高。

适用于钻头10的陶瓷材料包括选自W，Cr，Mo，Ti，V，Zr，Hf和镧系元素的碳化物，氮化物和碳氮化物中的至少一种。

适用于钻头10的金属材料包括选自Fe，Ni，Co及由这些金属中的两种或更多种组成的合金中的至少一种。另外地，金属可以进一步包含Cr，Mn，V和Ti中的至少一种。当用上述陶瓷和金属来作构成材料时，制备具有足够强度，硬度和韧性以进行钻孔加工的钻头10是可能的。

当用上述陶瓷和金属作为钻头10的构成材料时，陶瓷组成比和金属组成比为85∶15到95∶5(重量比)。如果金属按重量比少于5份，会因为韧性差而趋向于产生裂纹和断裂。如果金属按重量比超过15份，则硬度和强度及抗磨损性差。进而，当加工工件时，倾向于产生变形。

优选地，钻头10的加工表面具有不小于1700的维氏硬度(Hv)。如果Hv小于1700，由于硬度差，钻头10的使用寿命可能不长。而且，此时，在工件和钻头10之间的摩擦系数(μ)高。结果，在钻孔加工中产生的热和应力增加。所以，工件表面倾向于不能精确加工。为了保证工件表面加工的精确度和钻头10的长的使用寿命，优选的Hv不小于1750。

接下来，图3是依据本发明的第二个实施方案的一种机加工工具铰刀30的整体结构示意图。

铰刀30包括刃部32和杆部34。刃部32和杆部34整体地制成一个部件。刃部32包括六个沿轴向(箭头B的方向)延伸的切削刃36。

图4是沿图3中箭头所示的IV-IV线得到的剖面图。如图4所示，铰刀30包括组成比不同的三个部分(内部的的富陶瓷部分38，梯度部分42和外部的富金属部分40)。

在梯度部分42中，金属组成比从富陶瓷部分38到富金属部分40向外逐渐增高。即：与如上所述的钻头10一样，铰刀30由梯度复合材料组成，其中从表面向内，金属组成比降低，陶瓷组成比增高。

适用于铰刀30的陶瓷和金属可以是例如上述的非氧化物陶瓷和金属。同样地，此种情况下，当陶瓷和金属的组成比为85∶15到95∶5时，制备具有足够的强度，硬度和韧性以进行切削加工的铰刀30是可能的。与上述钻头10一样，加工表面的维氏硬度(Hv)不小于1750。

在如上所述的钻头10和铰刀30中，表面(在外部的部分)的韧性高，内部的硬度和强度高。也就是说，当对工件进行镗孔加工或者切削加工时，硬度，强度和韧性都是足够的。所以，使用寿命长，很少发生变形，很少产生裂纹和断裂。

根据图5流程图中所示的方法能够制造钻头10和铰刀30。如图5所示，制造方法包括获得密实体的烧结步骤S1，烧结密实体制备多孔件的初级烧结步骤S2，用含催化剂的溶液浸渍所述多孔件的浸渍步骤S3，和对多孔件进行再烧结以制备致密的烧结产品的次级烧结步骤S4。

由于如上所述的原因，优选使用选自W，Cr，Mo，Ti，V，Zr，Hf和镧系元素的碳化物，氮化物和碳氮化物中的至少一种的陶瓷粉体。而且，优选使用选自Fe，Ni，Co及包含这些金属中的两种或更多种的合金中的至少一种的金属粉体。进一步地，也可以加入Cr，Mn，V和Ti中的至少一种。在混合粉体中的陶瓷粉体和金属粉体的组成比(陶瓷粉体∶金属粉体)在85∶15到95∶5。

为制备具有与钻头10或者铰刀30形状相对应的密实体，向混合粉体施加一个成型载荷。在此工序中，为了在后面要描述的初级烧结步骤中获得多孔件，成型载荷的确定应使金属粉体不产生任何的塑性变形。具体地，优选的成型载荷在大约100-300MPa。此种情况下，成功避免了金属粉体产生塑性变形，因此，密实体中的开孔是不闭合的。

随后，在初级烧结步骤S2中，将密实体烧结成气孔仍然保持开放的多孔件。如果在此阶段制得致密烧结产品，则在浸渍步骤S3中用含催化剂的溶液浸渍致密烧结产品是困难的。

所以，在初级烧结步骤S2中，烧结温度和时间的确定仅使金属晶粒彼此熔合，当金属晶粒间成颈时烧结工序就结束。在初级烧结步骤S2中，陶瓷晶粒彼此间没有熔合。由此，在该工序中密实体转变成多孔件，体积没有发生显著的变化。

接下来，在浸渍步骤S3中，多孔件用含催化剂的溶液进行浸渍。具体地，将多孔件浸入到含催化剂的溶液中。浸渍的结果，含催化剂的溶液通过开孔渗透到多孔件中。

在次级烧结步骤S4中，可以使用任何适于促进陶瓷晶粒生长的催化剂，包括，但不限于，Fe，Ni，Co，Mn，Cr，Mo，Ti和镧系元素。那些可用作含催化剂的溶液的溶液，包括通过将含有上述金属的金属盐溶解在溶剂而获得的溶液和有机金属溶液。

在此工序中，催化剂分散或者溶解在溶剂中，分离成单个的分子或离子。所以，在浸渍步骤S3中，分离成单个的分子或离子的催化剂均匀的分散到多孔件中。由此，在次级烧结步骤S4中，在多孔件中，从表面向内，陶瓷晶粒的生长得到促进。

在浸渍步骤S3之后，含催化剂的溶液静置自然干燥。可选地，可以将多孔件加热来干燥含催化剂的溶液。

最后，在次级烧结步骤S4中，将多孔件在氮气气氛下再烧结制备成致密的烧结产品。在次级烧结步骤S4中，当炉子开始升温时，将用来作为气氛的氮化气体引入炉子中。由此，获得致密烧结产品(梯度复合材料)，也就是，作为产品的钻头10或者铰刀30，其中陶瓷和金属的组成比为85∶15到95∶5。

在次级烧结步骤S4中，在多孔件表面附近存在的陶瓷晶粒的晶粒生长受到作为气氛的氮化气体的阻碍。氮化气体几乎不能进入到多孔件中。所以，在多孔件内存在的陶瓷晶粒的晶粒生长与表面相比，受氮化气体阻碍的程度小。而且，在多孔件中的陶瓷晶粒的晶粒生长得到催化剂的促进。

因此，在次级烧结步骤S4中，在多孔件表面附近的陶瓷晶粒的晶粒生长受到抑制，而在多孔件内的晶粒生长得到促进。结果，金属晶粒重新排布而集中在表面附近。也就是说，在得到的梯度复合材料中，在多孔件的表面附近的金属组成比高，而在多孔件内部陶瓷组成比高。

如上所述，在次级烧结步骤S4中，通过在开始升温时引入氮化气体气氛，使存在于用含有催化剂的溶液浸渍的多孔件内部的陶瓷晶粒的晶粒生长程度与位于表面附近的部分中的相比是能够提高的。这样，金属晶粒产生重新排布。结果，能够获得梯度复合材料(钻头10或铰刀30)，其中从表面向内金属组成比降低，陶瓷组成比增高。

由于在上述所得的钻头10或者铰刀30的表面附近金属组成比是相对高的，所以对钻头10或者铰刀30表面进行研磨以提高其尺寸精度是可能的。也就是说，在钻头10或者铰刀30中的具有高的硬度和强度的富陶瓷部分20，38的厚度在经过研磨加工后显著增加了。另一方面，富金属部分22，40保持在钻头10或者铰刀30的表面附近。所以，可能获得具有足够韧性，硬度和强度的钻头10或者铰刀30。

在本发明的实施方案中，成型步骤S1和初级烧结步骤S2是分开进行的。可选地，步骤S1和S2可以同时进行，例如，通过热等静压(HIP)。

实施例

采用湿法，用己烷按重量比将90份平均粒径为1μm的碳化钨(WC)，2份平均粒径为2μm的碳化钽(TaC)，1份平均粒径为3.5μm的碳化铌(NbC)和7份平均粒径为1.4μm的钴(Co)混合制备成混合粉体。随后，通过等静压的方法，采用120MPa的压力依照钻头10的形状将混合粉体在模具中成型。所得密实体在900℃下保持30分钟制备成多孔件。

随后，将多孔件在浓度为10％的Ni离子溶液中浸渍3分钟。这样，Ni离子分散到多孔件中。接着，将多孔件于90℃放置1小时并干燥。

随后，将多孔件在1400℃下，在氮气气氛下再烧结1小时零20分钟。这样，就获得了钻头10(梯度复合材料)的致密烧结产品，其直径为12mm，总长为100mm，刃部12的长度是60mm。氮气在炉子开始升温时引入炉子中。

所得钻头10切开后用电子显微镜进行观察。发现表面存在的陶瓷晶粒是圆形的而且细小，然而，存在于钻头10中部的晶粒有极大的晶粒生长。

分别用钻头10，一种商业可获的由用粒径为大约0.6到0.8μm的陶瓷晶粒作原料的超细颗粒烧结产品组成的钻头，及一种由用粒径小于0.4μm的陶瓷晶粒作原料的超微细颗粒烧结产品组成的钻头在AC8B材料(高硅铝合金)上以500米/分钟的钻孔速度成功制备了每个深度为40mm的圆孔，观察加工孔数与VB磨损量之间的关系。观察结果如图6中所示。在图6中，明显地，与那两种商业可获的产品相比，钻头10有相当优异的抗磨损性，并有长的使用寿命。

在采用两种商业可获的产品的情况下，在加工10000个孔之前就形成了切削瘤(build-up edge)，结果孔的尺寸精度也降低了。另一方面，当使用钻头10时，甚至在加工60000个孔之后，仍没有发现切削瘤的形成，可以成功而精确的制孔。

以同样的方式，获得了直径15mm，总长90mm，刃部32为30mm的铰刀30(梯度复合材料)。当用电子显微镜对铰刀30的切开表面进行观察时，同样发现，铰刀30中，表面存在的陶瓷晶粒是圆形的而且细小，存在于铰刀30中部的晶粒有极大的晶粒生长。富陶瓷部分38在表面以下深5mm的范围。

分别用铰刀30，一种商业可获的由超细颗粒烧结产品组成的铰刀，及一种由超微细颗粒烧结产品组成的铰刀对在AC8B材料上制得的孔进行切削加工，观察加工孔数与VB磨损量之间的关系。在采用两种商业可获的产品的情况下，在加工30000个孔之后其VB磨损量大约超过了0.2mm。当使用铰刀30时，甚至在加工60000个孔之后，VB磨损量仍小于0.15mm。而且，在商业可获的产品中，在加工10000个孔之前就形成了切削瘤。在铰刀30中，甚至在加工60000个孔之后，仍没有发现切削瘤的形成，可以成功而精确的制孔。

如上所述，明显地，与那些商业可获的产品相比，钻头10和铰刀30有相当优异的抗磨损性，并因此具有长的使用寿命。

在钻头10和铰刀30中没有切削瘤形成是因为它们的加工表面由富陶瓷部分20，38组成。即：在加工表面附近的金属组成比小，并因此显著抑制了在镗孔加工或者切削加工过程中与做工件的AC8B材料之间的相互作用。

如上所述，根据本发明的机加工工具由梯度复合材料组成，其中从表面向内，金属组成比降低，陶瓷组成比增高。所以，根据本发明的机加工工具有高的硬度和强度及高的韧性。据此，因为其抗磨损性优异，该机加工工具具有长的使用寿命，很少发生变形。而且，很少产生裂纹和断裂。进一步地，提高加工精度也是可能的。

在根据本发明制造机加工工具的方法中，由含催化剂的溶液浸渍的多孔件在氮气气氛下进行再烧结来制备机加工工具(梯度复合材料)。在此工序中，多孔件表面附近存在的陶瓷晶粒的晶粒生长受到氮气的抑制，而多孔件内的陶瓷晶粒的晶粒生长受到催化剂的促进。据此，金属晶粒集中在表面。所以，获得从表面向内金属组成比降低，陶瓷组成比上升的机加工工具是可能的，也就是说，机加工工具在表面具有高的韧性，在内部具有高的硬度。

尽管本发明参照优选的实施方案进行了具体的说明和描述，应该明白的是，在不脱离后面的权利要求中所限定的本发明的主旨和范围的情况下，本专业技术人员可以对其进行变动和完善。

Claims (14)

1.一种由包含陶瓷和金属的复合材料组成的机加工工具，

其中从该机加工工具的表面向内，所述陶瓷组成比增高，且所述金属组成比降低。

2.权利要求1中的机加工工具，其中该机加工工具包含W，Cr，Mo，Ti，V，Zr，Hf和镧系元素的碳化物，氮化物和碳氮化物中的至少一种作为所述陶瓷，并包含Fe，Ni，Co及包含这些金属中的两种或更多种的合金中的至少一种作为所述金属，而且所述陶瓷组成比和所述金属组成比按重量比为85∶15到95∶5。

3.权利要求2中的机加工工具，其中该机加工工具进一步含有Cr，Mn，V和Ti中的至少一种作为所述金属。

4.权利要求1中的机加工工具，其中该机加工工具的所述表面的维氏硬度不小于1700。

5.权利要求1中的机加工工具，其中该机加工工具是钻头(10)或者铰刀(30)。

6.权利要求2中的机加工工具，其中该机加工工具是钻头(10)或者铰刀(30)。

7.权利要求3中的机加工工具，其中该机加工工具是钻头(10)或者铰刀(30)。

8.一种制造机加工工具的方法，其中从该机加工工具的表面向内，陶瓷组成比增高，金属组成比降低，该方法包含如下步骤：

用含陶瓷粉体和金属粉体的混合粉体制备密实体；

烧结所述密实体制备多孔件；

用含催化剂的溶液浸渍所述多孔件；并

在氮化气体的气氛下，将用所述含催化剂的溶液浸渍的所述多孔件进行再烧结，制备成致密烧结产品，

其中，在所述再烧结步骤中，当炉子升温开始时，将所述氮化气体引入所述炉子中。

9.权利要求8中的制造所述机加工工具的方法，其中用选自W，Cr，Mo，Ti，V，Zr，Hf和镧系元素的碳化物，氮化物和碳氮化物中的至少一种粉体作为所述陶瓷粉体，并用选自Fe，Ni，Co及包含这些金属中的两种或更多种的合金中的至少一种粉体作为所述金属粉体，以制备混合粉体，其中所述陶瓷粉体与所述金属粉体按重量比85∶15到95∶5混合。

10.权利要求9中的制造所述机加工工具的方法，其中进一步将Cr，Mn，V和Ti中的至少一种与所述金属粉体相混合。

11.权利要求8中的制造所述机加工工具的方法，其中，在所述含催化剂的溶液中的催化剂是Fe，Ni，Co，Mn，Cr，Mo，Ti或者镧系元素。

12.权利要求8中的制造所述机加工工具的方法，其中用氮气作为所述氮化气体。

13.权利要求10中的制造所述机加工工具的方法，其中，在所述含催化剂的溶液中的催化剂是Fe，Ni，Co，Mn，Cr，Mo，Ti或者镧系元素。

14.权利要求13中的制造所述机加工工具的方法，其中用氮气作为所述氮化气体。

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