專利名稱：一種用于鋼材通用加工刀具的硬質(zhì)合金及其涂層刀片的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于金屬切削加工領(lǐng)域，尤其涉及用于制備硬質(zhì)合金刀具的基體材料及其涂層刀片。
背景技術(shù)：
硬質(zhì)合金刀具廣泛應(yīng)用于金屬切削加工領(lǐng)域。金屬車削用的硬質(zhì)合金刀具基體一般由平均粒徑介于0. 5 μ m到5 μ m的WC、平均粒徑介于I μ m到5 μ m的立方相碳化物或碳氮化物、以及3wt% 15wt%的金屬粘結(jié)相組成。硬質(zhì)合金的性能可以通過調(diào)整WC和立方相顆粒粒度、粘結(jié)相體積分?jǐn)?shù)以及碳含量來得到優(yōu)化。通過加入一定量的立方相化物可以提高硬質(zhì)合金的耐磨性、高溫硬度、抗氧化性以及抗腐蝕性能。然而立方相化合物雖然硬度比WC高，但是其脆性也大，因此加入立方相化合物后硬質(zhì)合金的強(qiáng)度和韌性會(huì)下降。為了削弱立方相化合物對(duì)合金強(qiáng)度和韌性的影響，車削用硬質(zhì)合金刀具一般制備成具有表層富粘結(jié)相而無立方相化合物的梯度結(jié)構(gòu)。硬質(zhì)合金的韌性和硬度通常很難同時(shí)提高，為了提高耐磨性和抗塑性變形能力，需要提高立方相化合物含量或降低粘結(jié)相含量，因此韌性隨之降低；為了提高合金韌性則需要降低立方相化合物含量或提高粘結(jié)相含量，因此耐磨性和抗塑性變形能力隨之降低。如何在硬質(zhì)合金的韌性和硬度之間獲得平衡，一直是研究人員所關(guān)注的。早期有關(guān)梯度硬質(zhì)合金的專利如US4548786、US5484468，通過在硬質(zhì)合金表層形成一層無立方相的富粘結(jié)相層，從而使切削刀具韌性得到極大地提高。然而，按上述專利文獻(xiàn)中公開的技術(shù)方案制備的硬質(zhì)合金雖然韌性得到提高，在抗月牙洼磨損和抗高溫塑性變形能力方面存在比較明顯的不足。隨著切削加工技術(shù)的不斷進(jìn)步，金屬切削加工所用的切削參數(shù)不斷提高，從而對(duì)切削刀具基體材質(zhì)耐磨性、抗塑性變形能力以及韌性等性能要求不斷提聞。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明要解決的技術(shù)問題是克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種具有表層梯度結(jié)構(gòu)、具有出色的抗塑性變形能力、抗月牙洼磨損能力、優(yōu)良的斷裂韌性和抗熱裂紋擴(kuò)展能力的用于鋼材通用加工刀具的硬質(zhì)合金及其涂層刀片。為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明提出如下技術(shù)方案:一種用于鋼材通用加工刀具的硬質(zhì)合金，所述硬質(zhì)合金以包括Co、N1、Fe中至少一種的金屬元素作為粘結(jié)相，以包括WC和含鈦立方相化合物在內(nèi)的物質(zhì)作為硬質(zhì)相，其特征在于:在所述粘結(jié)相中固溶有Cr元素，所述粘結(jié)相的含量為4wt.% IOwt.%，所述Cr元素占粘結(jié)相的含量為lwt.0A IOwt.%，所述含鈦立方相化合物的含量為2wt.0A 8wt.%;余量為WC ;所述硬質(zhì)合金中WC的平均粒徑為1.0 μ m 3.0 μ m，所述含鈦立方相化合物的平均粒徑為WC的0.5 1.5倍；所述硬質(zhì)合金具有平均粘結(jié)相含量為標(biāo)稱粘結(jié)相含量I 2倍的含鈦立方相化合物缺失的表層結(jié)構(gòu)。
上述的用于鋼材通用加工刀具的硬質(zhì)合金中，所述含鈦立方相化合物優(yōu)選包括鈦元素和其他過渡金屬元素的立方碳化物、立方氮化物和/或立方碳氮化物。進(jìn)一步的，所述其他過渡金屬元素優(yōu)選為Ta和/或Nb。更優(yōu)選的，所述立方相化合物特別包括TiCN，所述N元素與Ti元素的原子比為0.1 0.2 (優(yōu)選為0.15 0.2)。上述的用于鋼材通用加工刀具的硬質(zhì)合金中，所述粘結(jié)相的含量優(yōu)選為5wt.0A 8wt.%。更優(yōu)選的,所述Cr元素占粘結(jié)相的含量優(yōu)選為4wt.% 8wt.%。上述的用于鋼材通用加工刀具的硬質(zhì)合金中，所述WC的平均粒徑優(yōu)選為1.5μπι 2.5μπι ;所述含鈦立方相化合物的平均粒徑優(yōu)選為WC平均粒徑的0.8 1.2倍。上述的用于鋼材通用加工刀具的硬質(zhì)合金中，所述含鈦立方相化合物的含量優(yōu)選為 4wt.% 6wt.% ο上述的用于鋼材通用加工刀具的硬質(zhì)合金中，所述表層結(jié)構(gòu)的厚度優(yōu)選為10 μ m 40 μ m (更優(yōu)選 10 μ m 30 μ m)。上述的用于鋼材通用加工刀具的硬質(zhì)合金中，所述Cr元素優(yōu)選是以金屬固溶體或Cr的碳化物形式加入。作為一個(gè)總的技術(shù)構(gòu)思，本發(fā)明還提供一種用于鋼材通用加工刀具的硬質(zhì)合金涂層刀片，所述硬質(zhì)合金涂層刀片是以上述的硬質(zhì)合金為基體，所述硬質(zhì)合金基體上涂覆有TiCN層和Al2O3涂層。與現(xiàn)有 技術(shù)相比，本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)在于:本發(fā)明的硬質(zhì)合金在成分方面，同時(shí)加入Cr、Ta、Nb、Ti等過渡金屬元素，組合了Cr元素和Ta、Nb、Ti立方碳化物的優(yōu)點(diǎn)，其中Cr元素增強(qiáng)了 WC/Co界面強(qiáng)度和韌性，提高了粘結(jié)相的抗氧化能力和擴(kuò)散能力，Ta、Nb、Ti的立方碳化物或碳氮化物能提高硬質(zhì)合金的硬度和高溫性能；而在結(jié)構(gòu)方面，本發(fā)明的硬質(zhì)合金具有立方相缺失的表層高韌性的梯度結(jié)構(gòu)，并且具有合理的立方相化合物與WC之間粒度搭配。經(jīng)測(cè)試試驗(yàn)表明，本發(fā)明的硬質(zhì)合金具有出色的抗塑性變形能力和抗月牙洼磨損能力，還具備優(yōu)良的斷裂韌性和抗熱裂紋擴(kuò)展能力，非常適合作為普通鋼、不銹鋼的半精加工和精加工的刀具通用基體材質(zhì)。
具體實(shí)施例方式以下結(jié)合具體實(shí)施例對(duì)本發(fā)明的技術(shù)方案作進(jìn)一步的描述。實(shí)施例1:一種本發(fā)明的用于鋼材通用加工刀具的硬質(zhì)合金，該硬質(zhì)合金以Co金屬作為粘結(jié)相，以包括WC和含鈦立方相化合物在內(nèi)的物質(zhì)作為硬質(zhì)相，該含鈦立方相化合物包括TiCN、TiC和TaNbC。在粘結(jié)相中固溶有Cr元素，粘結(jié)相的含量為5.68wt.% (含Co5.5%和Cr0.18% ),Cr元素占粘結(jié)相的含量為3wt.% ;含鈦立方相化合物成分包括1.6wt.%的TiC,0.4wt.%的110隊(duì)2.0wt.和 LOwt.% 的 NbC (N/Ti 原子比為 0.17)，余量為 WC。本實(shí)施例的硬質(zhì)合金中WC的平均粒徑為1.8 μ m，含鈦立方相化合物的平均粒徑為2.0 μ m ;硬質(zhì)合金具有平均粘結(jié)相含量為標(biāo)稱Co粘結(jié)相含量1.5倍的含鈦立方相化合物缺失的表層結(jié)構(gòu)，厚度為10 μ m。本發(fā)明硬質(zhì)合金的制備方法包括以下步驟:準(zhǔn)備好原料為WC、TiCN、TiC、TaNbC、Cr3C2 和 Co 粉，平均粒徑分別為 3μ 、1.Ομπκ .2μ 、1.5μ 、0.8μπι和 1.0 μ m，按比例配制成混合粉末，經(jīng)過球磨后壓制成刀片粗坯，然后進(jìn)行1450°C的真空燒結(jié)，具體的燒結(jié)工藝為:先以5°C /min 10°C /min的升溫速率加熱到1250°C 1300°C，保溫IOmin 30min，然后以2V /min 5°C /min的升溫速率升溫至1350°C 1400°C，再保溫20min 40min，繼續(xù)以2°C /min 5°C /min的速度升溫至1450°C保溫60min,最后冷卻至室溫,得到本實(shí)施例的硬質(zhì)合金刀片基體。實(shí)施例2:一種本發(fā)明的用于鋼材通用加工刀具的硬質(zhì)合金，該硬質(zhì)合金以Co金屬作為粘結(jié)相，以包括WC和含鈦立方相化合物在內(nèi)的物質(zhì)作為硬質(zhì)相，該含鈦立方相化合物包括TiCN、TiC和TaNbC。在粘結(jié)相中固溶有Cr元素，粘結(jié)相的含量為7.8wt.% (含Co7.5%和Cr0.3%) ,Cr元素占粘結(jié)相的含量為5wt.%;含鈦立方相化合物成分包括1.9wt.%的11(:、
0.5wt.%的 TiCN、2.5wt.% 的 TaC 和 1.2wt.% 的 NbC (N/Ti 原子比為 0.18)，余量為 WC。本實(shí)施例的硬質(zhì)合金中WC的平均粒徑為2.0 μ m，含鈦立方相化合物的平均粒徑為2.2 μ m ;硬質(zhì)合金具有平均粘結(jié)相含量為標(biāo)稱Co粘結(jié)相含量1.7倍的含鈦立方相化合物缺失的表層結(jié)構(gòu)，厚度為20 μ m。本發(fā)明硬質(zhì)合金的制備方法包括以下步驟:準(zhǔn)備好原料為WC、TiCN、TiC、TaNbC、Cr3C2 和 Co 粉，平均粒徑分別為 3μ 、1.Ομπκ .2μ 、1.5μ 、0.8μπι和 1.0 μ m，按比例配制成混合粉末，經(jīng)過球磨后壓制成刀片粗坯，然后進(jìn)行1450°C的真空燒結(jié)，具體的燒結(jié)工藝為:先以5°C /min 10°C /min的升溫速率加熱到1250°C 1300°C，保溫IOmin 30min，然后以2V /min 5°C /min的升溫速率升溫至1350°C 1400°C，再保溫20min 40min，繼續(xù)以2°C /min 5°C /min的速度升溫至1450°C保溫60min,最后冷卻至室溫,得到本實(shí)施例的硬質(zhì)合金刀片基體 。實(shí)施例3:一種本發(fā)明的用于鋼材通用加工刀具的硬質(zhì)合金，該硬質(zhì)合金以Co金屬作為粘結(jié)相，以包括WC和含鈦立方相化合物在內(nèi)的物質(zhì)作為硬質(zhì)相，該含鈦立方相化合物包括TiCN、TiC和TaNbC。在粘結(jié)相中固溶有Cr元素，粘結(jié)相的含量為8.0wt.%, Cr元素占粘結(jié)相的含量為7.5wt.% ;含鈦立方相化合物成分包括2.0wt.%的TiC、0.5wt.%的TiCN、2.2wt.%的了&(:和1.2被.%的NbC(N/Ti原子比為0.17)，余量為WC。本實(shí)施例的硬質(zhì)合金中WC的平均粒徑為1.6 μ m，含鈦立方相化合物的平均粒徑為1.5 μ m ;硬質(zhì)合金具有平均粘結(jié)相含量為標(biāo)稱Co粘結(jié)相含量1.8倍的含鈦立方相化合物缺失的表層結(jié)構(gòu)，厚度為20 μ m。本發(fā)明硬質(zhì)合金的制備方法包括以下步驟:準(zhǔn)備好原料為WC、TiCN、TiC、TaNbC、Cr3C2和Co粉,平均粒徑分別為2μπκ0.8μπκ1.Ομπκ .ΟμπκΟ.8μπι和1.0 μ m，按比例配制成混合粉末，經(jīng)過球磨后壓制成刀片粗坯，然后進(jìn)行1450°c的真空燒結(jié)，具體的燒結(jié)工藝為:先以5°C /min 10°C /min的升溫速率加熱到1250°C 1300°C，保溫IOmin 30min，然后以2V /min 5°C /min的升溫速率升溫至1350°C 1400°C，再保溫20min 40min，繼續(xù)以2V /min 5°C /min的速度升溫至1450°C保溫60min,最后冷卻至室溫,得到本實(shí)施例的硬質(zhì)合金刀片基體。對(duì)比例1:—種現(xiàn)有技術(shù)的硬質(zhì)合金基體，其成分包括:5.5wt.%的(:0、2.0￥1:.%的T1、2.0wt.%的Ta、1.0wt.%的Nb和WC,按其成分比例配制成混合粉末,經(jīng)過球磨后壓制成刀片粗坯，然后進(jìn)行1450度真空燒結(jié)得到硬質(zhì)合金刀片基體。對(duì)比例2:一種現(xiàn)有技術(shù)的硬質(zhì)合金基體，其成分包括:7.5wt.%的(:0、2.8被.％的T1、
2.5wt.%的了&、1.5 丨.％的吣、0.08wt.%的N和WC，按其成分比例配制成混合粉末，經(jīng)過球磨后壓制成刀片粗坯，然后進(jìn)行1450度真空燒結(jié)得到硬質(zhì)合金刀片基體。對(duì)比試驗(yàn)1:以上各實(shí)施例和對(duì)比例的硬質(zhì)合金刀片基體其型號(hào)完全相同，且均經(jīng)過研磨加工及表面處理后，利用CVD方法在上述各個(gè)硬質(zhì)合金刀片表面鍍上TiCN層和Al2O3涂層。將涂層后的各硬質(zhì)合金涂層刀片進(jìn)行以下切削試驗(yàn)來對(duì)比硬質(zhì)合金基體的耐磨性和韌性。切削條件如下表I所示。表1:對(duì)比試驗(yàn)I的切削條件參數(shù)
權(quán)利要求
1.一種用于鋼材通用加工刀具的硬質(zhì)合金，所述硬質(zhì)合金以包括Co、N1、Fe中至少一種的金屬元素作為粘結(jié)相，以包括WC和含鈦立方相化合物在內(nèi)的物質(zhì)作為硬質(zhì)相，其特征在于:在所述粘結(jié)相中固溶有Cr元素，所述粘結(jié)相的含量為4wt.% IOwt.%，所述Cr元素占粘結(jié)相的含量為lwt.% IOwt.%，所述含鈦立方相化合物的含量為2wt.% 8wt.%;余量為WC ;所述硬質(zhì)合金中WC的平均粒徑為1.0 μ m 3.0 μ m，所述含鈦立方相化合物的平均粒徑為WC的0.5 1.5倍；所述硬質(zhì)合金具有平均粘結(jié)相含量為標(biāo)稱粘結(jié)相含量I 2倍的含鈦立方相化合物缺失的表層結(jié)構(gòu)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的用于鋼材通用加工刀具的硬質(zhì)合金，其特征在于:所述含鈦立方相化合物包括鈦元素和其他過渡金屬元素的立方碳化物、立方氮化物和/或立方碳氮化物。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的用于鋼材通用加工刀具的硬質(zhì)合金，其特征在于:所述其他過渡金屬元素為Ta和/或Nb。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的用于鋼材通用加工刀具的硬質(zhì)合金，其特征在于:所述硬質(zhì)合金合金中N元素與Ti元素的原子比為0.1 0.2。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的用于鋼材通用加工刀具的硬質(zhì)合金，其特征在于:所述粘結(jié)相的含量為5wt.% 8wt.% ;所述Cr元素占粘結(jié)相的含量為4wt.% 8wt.%。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的用于鋼材通用加工刀具的硬質(zhì)合金，其特征在于:所述硬質(zhì)合金中WC的平均粒徑為1.5μπι 2.5μ ;所述含鈦立方相化合物的平均粒徑為WC平均粒徑的0.8 1.2倍。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的用于鋼材通用加工刀具的硬質(zhì)合金，其特征在于:所述含鈦立方相化合物的含量為4wt.% 6wt.%。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的用于鋼材通用加工刀具的硬質(zhì)合金，其特征在于:所述表層結(jié)構(gòu)的厚度為10 μ m 40 μ m。
9.根據(jù)權(quán)利要求1 8中任一項(xiàng)所述的用于鋼材通用加工刀具的硬質(zhì)合金，其特征在于:所述Cr元素是以金屬固溶體或Cr的碳化物形式加入。
10.一種用于鋼材通用加工刀具的硬質(zhì)合金涂層刀片，其特征在于:所述硬質(zhì)合金涂層刀片是以權(quán)利要求1 9中任一項(xiàng)所述的硬質(zhì)合金為基體，所述硬質(zhì)合金基體上涂覆有TiCN層和Al2O3涂層。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種用于鋼材通用加工刀具的硬質(zhì)合金及該硬質(zhì)合金制成的涂層刀片，該硬質(zhì)合金是以包括Co、Ni、Fe中至少一種的金屬作為粘結(jié)相，以包括WC和含鈦立方相化合物在內(nèi)的物質(zhì)作為硬質(zhì)相，在粘結(jié)相中固溶有Cr，粘結(jié)相的含量為4～10wt.％，Cr占粘結(jié)相的含量為1～10wt.％，含鈦立方相化合物的含量為2～8wt.％，余量為WC；硬質(zhì)合金中WC的平均粒徑為1～3μm，含鈦立方相化合物的平均粒徑為WC的0.5～1.5倍；硬質(zhì)合金具有平均粘結(jié)相含量為標(biāo)稱含量1～2倍的立方相化合物缺失的表層結(jié)構(gòu)。本發(fā)明的硬質(zhì)合金及其刀片具有出色的抗塑性變形和抗月牙洼磨損能力，以及優(yōu)良的斷裂韌性和抗熱裂紋擴(kuò)展能力。
文檔編號(hào)C22C29/02GK103160723SQ20111042289
公開日2013年6月19日 申請(qǐng)日期2011年12月15日 優(yōu)先權(quán)日2011年12月15日
發(fā)明者周定良, 謝文, 黃文亮, 黃前葆, 王社權(quán) 申請(qǐng)人:株洲鉆石切削刀具股份有限公司