本發(fā)明涉及切削工具，具體為一種晶粒定向sialon陶瓷切削刀片及其制備方法。

背景技術(shù)：

1、sialon陶瓷具有高化學(xué)穩(wěn)定性、高紅硬性、高溫強(qiáng)度好、自潤(rùn)滑、抗氧化性等優(yōu)點(diǎn)，是理想高溫結(jié)構(gòu)材料之一，作為切削刀具，可對(duì)鑄鐵和鎳基高溫合金等金屬材料進(jìn)行高速加工。

2、sialon陶瓷是一種具有特殊微觀結(jié)構(gòu)的陶瓷材料，其晶粒呈長(zhǎng)柱狀，晶粒自身物理、力學(xué)性能各向異性。在多晶體中，這種晶粒長(zhǎng)軸方向隨機(jī)取向，形成整體均勻并且整體呈現(xiàn)各向同性。為充分應(yīng)用其晶體某個(gè)方向的優(yōu)異性能，可對(duì)晶粒取向進(jìn)行設(shè)計(jì)，使其多晶材料呈現(xiàn)各向異性，從而實(shí)現(xiàn)材料性能的優(yōu)化。通過控制制備多晶sialon陶瓷的工藝參數(shù)，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)?sialon?陶瓷性能的精確設(shè)計(jì)和調(diào)控，滿足不同應(yīng)用場(chǎng)景的需求。

3、隨著工具技術(shù)的日益革新，現(xiàn)代刀具設(shè)計(jì)正逐步向可轉(zhuǎn)位刀片、多功能、專用的復(fù)合刀具和模塊化工具系統(tǒng)轉(zhuǎn)變。在這一趨勢(shì)中，多種精密、高效、優(yōu)質(zhì)的可轉(zhuǎn)位刀片已被廣泛應(yīng)用于車削、銑削、鉆削等加工過程中，成為當(dāng)前刀具設(shè)計(jì)的主流形式。在眾多可轉(zhuǎn)位刀片結(jié)構(gòu)中，標(biāo)準(zhǔn)形狀的刀片因其通用性和適應(yīng)性而占據(jù)主導(dǎo)地位。對(duì)于陶瓷刀具而言，相對(duì)于硬質(zhì)合金等刀具，其材料強(qiáng)度和韌性較低，大長(zhǎng)徑比的陶瓷刀具應(yīng)用范圍較窄，為充分發(fā)揮其優(yōu)勢(shì)特性，其主要應(yīng)用形式傾向于可轉(zhuǎn)位刀片。這種刀片設(shè)計(jì)特點(diǎn)在于其多個(gè)不同方向上擁有相同的切削刃結(jié)構(gòu)，從而確保轉(zhuǎn)位的精確度、操作的便捷性以及成本效益。

4、目前，均質(zhì)結(jié)構(gòu)sialon陶瓷切削刀具已大量使用，用于高速加工鎳基合金可大大提高效率。然而，由于鎳基合金等難加工材料的加工硬化嚴(yán)重，造成刀具邊界磨損嚴(yán)重，壽命短。這主要由于陶瓷刀具在邊界毛刺沖擊下，前、后刀面部分沿切削方向脆性剝落。因此，設(shè)計(jì)前、后刀面和切削刃的微觀結(jié)構(gòu)，使其沿切削方向具有更高強(qiáng)度和韌性是解決邊界磨損的有效方法。已有研究中，整體晶粒擇優(yōu)取向的氮化硅、sialon陶瓷材料已經(jīng)取得較好性能。但是，作為轉(zhuǎn)位刀片，一方面，這些材料不能滿足轉(zhuǎn)位切削刃均具有同樣的晶粒取向結(jié)構(gòu)；另一方面整體定向刀具的某些方向強(qiáng)度低，硬度低，在使用中容易斷裂破損，因此難以取得實(shí)際應(yīng)用。同時(shí)，在標(biāo)準(zhǔn)轉(zhuǎn)位刀片中，多數(shù)刀片的厚度尺寸均超過3?mm，因此以整體織構(gòu)化sialon陶瓷作為刀片制備成本高，難以取得競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)而得到推廣。因此，新型的整體高強(qiáng)度，刃部晶粒取向優(yōu)化的sialon陶瓷轉(zhuǎn)位刀片可獲得更優(yōu)異的使用性能，并且應(yīng)成本低，可持續(xù)綠色發(fā)展。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的不足，本發(fā)明提供了一種晶粒定向sialon陶瓷切削刀片及其制備方法，解決采用整體織構(gòu)化sialon陶瓷材料作為可轉(zhuǎn)位刀片，會(huì)導(dǎo)致刀片各刀尖處晶粒取向不一致、刀片尺寸設(shè)計(jì)受限以及穩(wěn)定性下降等問題。

2、為實(shí)現(xiàn)以上目的，本發(fā)明通過以下技術(shù)方案予以實(shí)現(xiàn)：一種晶粒定向sialon陶瓷切削刀片，所述刀片包括一個(gè)sialon陶瓷層和至少一個(gè)基體；

3、所述sialon陶瓷層中的晶粒在刀片刃口處沿優(yōu)選的取向排列；

4、所述基體與sialon陶瓷層之間通過一個(gè)具有互鎖穿插結(jié)構(gòu)的界面復(fù)合，其中該界面結(jié)構(gòu)包括由至少一種異質(zhì)材料構(gòu)成的復(fù)合層；

5、所述刀片的每個(gè)切削刃在晶粒取向上具有一致性，每個(gè)刀尖的晶粒取向相對(duì)角度保持一致。

6、優(yōu)選的，所述基體為高速鋼、硬質(zhì)合金、金屬陶瓷和氮化硅中的一種或幾種。

7、優(yōu)選的，所述優(yōu)選的晶粒取向?yàn)榫Я５拈L(zhǎng)軸與刀片的主切削力方向相平行或成一定角度，以優(yōu)化刀片的切削性能和耐久性。

8、優(yōu)選的，所述復(fù)合層包括由wc、tic或ticn為主要成分的陶瓷材料，該層通過燒結(jié)或化學(xué)反應(yīng)與sialon陶瓷層結(jié)合。

9、優(yōu)選的，所述每個(gè)刀尖的晶粒取向的相對(duì)角度保持一致的特征是通過在制備過程中控制石墨模具的壓頭配置和壓縮方向來實(shí)現(xiàn)，確保在燒結(jié)過程中晶粒沿預(yù)定方向成長(zhǎng)。

10、本發(fā)明還提供一種晶粒定向sialon陶瓷切削刀片的制備方法，包括以下步驟：

11、s1、將原料粉體和復(fù)合層放入石墨模具，通過快速升溫加熱，采用具有凹陷型腔結(jié)構(gòu)的石墨壓頭，經(jīng)三面限制壓縮并進(jìn)行燒結(jié)，獲得晶粒擇優(yōu)取向的sialon陶瓷復(fù)合片毛坯；

12、s2、將所述晶粒擇優(yōu)取向的sialon陶瓷復(fù)合片毛坯承壓表面打磨平整，并沿著晶粒方向切割成刀尖形狀sialon陶瓷復(fù)合片；

13、s3、將所述刀尖形狀sialon陶瓷復(fù)合片按照其晶粒平行或垂直切削刃方向焊接于基體上，得到晶粒定向sialon陶瓷刀片胚體；

14、s4、將所得刀片胚體沿晶粒方向精密刃磨，得到晶粒定向sialon陶瓷切削刀片。

15、優(yōu)選的，所述步驟s1的三面限制壓縮包括：側(cè)面為限制面，垂直壓縮方向的面為自由面，其中側(cè)面為平面或圓弧面。

16、優(yōu)選的，所述步驟s1的燒結(jié)的工藝包括：

17、在受控的溫度和壓力條件下進(jìn)行加熱和保溫，以實(shí)現(xiàn)sialon陶瓷層的晶粒擇優(yōu)取向；

18、加熱至預(yù)設(shè)溫度區(qū)間內(nèi)的一個(gè)溫度點(diǎn)，并在該溫度下維持一定時(shí)間，隨后以控制的速率升溫至更高的溫度以完成燒結(jié)；

19、燒結(jié)完成后，以控制的速率降溫至低于燒結(jié)溫度的一個(gè)安全溫度，以保證材料的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性。

20、優(yōu)選的，所述燒結(jié)的工藝包括：

21、以50～300℃/min的速率升溫至1300～1500℃，并加壓1～5mpa，在1300～1500℃保溫10～30?min，并加壓1～5mpa；

22、再以30～200℃/min的速率升溫至1600～1900℃，并加壓20～30mpa；在1600～1900℃保溫5～60?min，并加壓30～50mpa；

23、再以30～100℃/min的速率降溫至500～900℃，并加壓1～5mpa；

24、最后隨爐冷卻至室溫并卸壓脫模。

25、優(yōu)選的，所述步驟s3的焊接為爐中釬焊，工藝包括：

26、以10～30℃/min的速率升溫至200～500℃，并保溫5～20min；

27、再以6～20℃/min的速率升溫至700～950℃，并保溫5～30min；

28、再以5～15℃/min的速率降溫至室溫。

29、本發(fā)明提供了一種晶粒定向sialon陶瓷切削刀片及其制備方法。具備以下有益效果：

30、1、本發(fā)明與傳統(tǒng)sialon陶瓷切削刀片相比，晶粒定向的sialon陶瓷復(fù)合切削刀片，進(jìn)一步提高了抗溝槽磨損能力，或抗磨粒磨損能力，在主切削力方向強(qiáng)度更高、穩(wěn)定性更好。

31、2、本發(fā)明與整體擇優(yōu)取向材料的刀片相比，本發(fā)明的刀片每個(gè)切削刃具有一致性，其各刀尖的晶粒取向相對(duì)角度一致。

32、3、本發(fā)明與直接釬焊陶瓷刀具相比，本發(fā)明的刀片具有互鎖穿插的異質(zhì)界面結(jié)構(gòu)，具有高強(qiáng)度，可在大懸伸下工作，并且切削參數(shù)范圍更廣，可在更大的切削用量下進(jìn)行切削加工。因?yàn)樘沾傻毒咄ǔＴ谇邢魃疃容^小，進(jìn)給量較小的情況下使用，通過小尺寸織構(gòu)化sialon陶瓷刀具材料與大尺寸基體的復(fù)合，不但解決織構(gòu)化sialon材料尺寸不足的問題，還可有效提高織構(gòu)化材料的使用率，減少有限尺寸材料的浪費(fèi)，降低成本。

33、4、本發(fā)明可實(shí)現(xiàn)大尺寸晶粒定向刀片的制備，并且高性能的晶粒定向陶瓷材料的利用率高，制造成本低，具有很強(qiáng)的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力。