專利名稱：高性能刀具涂層材料及其熔煉方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及合金技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及的是ー種高性能刀具涂層材料及其熔煉方法。
背景技術(shù)：
刀具，被稱作裝備制造業(yè)的“牙齒”，刀具技術(shù)能級的提升對促進整個裝備制造業(yè)的進步和水平的提高至關(guān)重要。提升刀具技術(shù)能級，切削性能是關(guān)鍵，而刀具切削性能很大程度上依賴于刀具材料。切削過程中，刀具要承受高溫、高壓、摩擦和沖擊的作用，因此，刀具必須有高的硬度和耐磨性、足夠的強度和韌性、良好的耐熱性和熱沖擊性能。
目前常用高速鋼、硬質(zhì)合金、陶瓷、立方氮化硼、金剛石等作為刀具材料，還有新發(fā)展起來的涂層刀具，即在ー些韌性較好的硬質(zhì)合金或高速鋼刀具基體上，涂覆ー層耐磨性高的難熔化金屬化合物而得到性能較好的刀具。常用的涂層材料有TiC、TiN和Al2O3等。目前用于制作刀具的材料有高速鋼、硬質(zhì)合金、陶瓷、立方氮化硼、金剛石等。高速鋼刀具耐高溫和硬度稍差，導(dǎo)致耐磨性不高，不宣用于高速切削。硬質(zhì)合金刀具耐磨性和耐熱性較好，但是承受切削振動與沖擊的能力較差，一般工作溫度要低于600°C。陶瓷刀具耐磨性、耐熱性好，但抗彎強度和韌性差，其中氧化鋁系陶瓷刀具精加工和半精加工冷硬鑄鐵、淬硬鋼很有效；氮化硅系陶瓷刀具適用于加工鑄鐵及高溫合金，切削鋼料效果不明顯。立方氮化硼主要用于切削高硬的黒色金屬，一般是干式加工，經(jīng)常加工件的表面光潔度不太好。金剛石刀具在耐磨性、硬度等方面都勝于以上幾種刀具材料，但是它不適合加工鋼鐵材料，在聞溫條件下刀具極易廣生破壞。另外ー種發(fā)展起來的刀具就是涂層刀具，目前常用的涂層材料有TiC、TiN和Al2O3等。涂層刀具的研究、推廣和使用發(fā)展很迅速。雖然涂層刀具發(fā)展很快，在車削和銑削方面的應(yīng)用很廣泛，但是任有很多局限性，目前的涂層刀具不適宜加工高溫合金、鈦合金及非金屬材料，也不適宜粗加工有夾砂、硬皮的鍛鑄件。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是針對現(xiàn)有刀具材料的各種缺點和應(yīng)用局限性，開發(fā)ー種高性能刀具涂層材料及其熔煉方法；高性能刀具涂層材料具有高硬度、良好的耐磨性和耐高溫性能、較小的脆性，同時適用于各種材料的切削，提高刀具的適用壽命，從而可以降低成本。本發(fā)明的技術(shù)方案如下一種高性能刀具涂層材料,包括 Al、Co、Cr、Fe、Ni、Mo、Ti、Si, Al、Co、Cr、Fe、Ni、Mo、Ti、Si 的摩爾比為 I : I : I : I : I : I : O. 5 : O. 5。所述的高性能刀具涂層材料的熔煉方法，包括Al、Co、Cr、Fe、Ni、Mo、Ti、Si，Al、Co、Cr、Fe、Ni、Mo、Ti、Si 的摩爾比為 I : I : I : I : I : I : O. 5 : O. 5 ;合金熔煉前，先將原料分為兩組，熔點高較難熔煉且熔煉后易形成固溶體的元素Mo、Ti分為ー組，將剩下其它的較易熔煉的元素分為ー組，分別將各組原料放入水冷銅坩堝內(nèi)；將電弧爐抽真空，當(dāng)達到I. 33 X 10_3Pa后充入純氬氣，再次抽真空，達到I. 33 X 10_3Pa后再次充入純氬氣，并使?fàn)t內(nèi)氣壓稍大于I X IO5Pa,在此條件下進行熔煉，以保護試樣不受氧化；熔煉過程中，分別將第一組元素Mo、Ti及第ニ組元素Al、Co、Cr、Fe、Ni、Si放入銅坩堝內(nèi)熔煉成兩種合金，再將各組熔煉的合金放在同一個銅坩堝內(nèi)，在電弧爐內(nèi)反復(fù)熔煉4至5次，以保證合金成分的均勻性。選擇Al、Cr、Co、Fe、Ni、Mo、Ti和Si組成高熵合金體系，這些元素可以使合金獲得高的硬度以及良好的高溫性能。Cr可以提高抗氧化性和耐蝕性；Ni有較好的強度和韌性以及耐熱性；Mo在高溫時保持足夠的強度和抗蠕變能力；A1具有抗氧化性和抗腐蝕性能， 招與絡(luò)、娃合用，可顯者提聞耐聞溫腐蝕的能力；Ti提聞強度和朝性，在聞溫聞壓下可提聞抗腐蝕能力；Co可以提高熱強性，但是屬于貴重重金屬；Si有良好的高溫性能。選擇這些金屬元素來熔煉高熵合金期望獲得更好的硬度和高溫性能。實驗發(fā)現(xiàn)該系列的高熵合金具有很高的硬度，而且在1100°C退火10個小時后仍然不發(fā)生軟化現(xiàn)象，可見也有很好的耐高溫性能。其中AlC0CrFeNiM0Tia5Sia5的脆性較小，具有很高的強度，可以達到1000. 9HV0.2，且在1000°C以上仍然不會軟化，另外還可以通過熱處理進ー步提高各方面的性能。該高熵合金的這些性能符合作為刀具涂層所要求的良好耐磨性、足夠強度、良好耐熱性和良好エ藝性等要求,并且不會在切削摩擦產(chǎn)生高溫時與材料發(fā)生反應(yīng)，所以沒有應(yīng)用的局限性。經(jīng)測試，高性能刀具涂層材料AlCoCrFeNiMoTia5Sia5 硬度為 1000. 9HV0.200 , 6 0 0°C退火10個小時其硬度基本不發(fā)生改變，800°C、1100°C退火10個小時硬度僅下降8%和12%，說明該高熵合金具有良好的抗高溫軟化性能，用于制作刀具的涂層材料，刀具的切削性能較目前常用的刀具材料可以有很大的提高。使用這種合金作為刀具涂層沒有適用范圍的局限性，可以應(yīng)用于各種材料的切削。由于該合金有非常好的硬度、耐磨性和耐高溫性能，可以大大提高切削精度和刀具的使用壽命，這也有利于切削成本的降低。
具體實施例方式以下結(jié)合具體實施例，對本發(fā)明進行詳細說明。I.高熵合金刀具涂層材料的成分為=AlCoCrFeNiMoTia5Sia5，Al、Co、Cr、Fe、Ni、Mo、Ti、Si 的摩爾比為 I : I : I : I : I : I : O. 5 : O. 5 ;2.高熵合金熔煉エ藝(I)合金熔煉前，先將原料分為兩組，熔點高較難熔煉且熔煉后易形成固溶體的元素Mo、Ti (因為高熵合金通常為比較簡單的固溶體結(jié)構(gòu))分為ー組，將剩下其它的較易熔煉的元素分為一組，分別將各組原料放入水冷銅坩堝內(nèi)。(2)將電弧爐抽真空，當(dāng)達到I. 33X10_3Pa后充入純氬氣，再次抽真空，達到I. 33X10_3Pa后再次充入純氬氣，并使?fàn)t內(nèi)氣壓稍大于IXlO5Pa,在此條件下進行第(3)步的熔煉，以保護試樣不受氧化。(3)熔煉過程中，分別將第一組元素Mo、Ti及第ニ組元素Al、Co、Cr、Fe、Ni、Si放入銅坩堝內(nèi)熔煉成兩種合金，再將各組熔煉的合金放在同一個銅坩堝內(nèi)，在電弧爐內(nèi)反復(fù)熔煉4至5次，以保證合金成分的均勻性。電弧爐熔煉時溫度很高，從中心到爐壁溫度不均勻，熔池中心溫度達到6000攝氏度，可以在幾分鐘內(nèi)熔化金屬，因此不需要專門控制溫度和時間。(4)為了得到成分均勻，且不發(fā)生飛濺導(dǎo)致成分損失，應(yīng)當(dāng)控制熔煉合金的質(zhì)量^ IOg,熔煉的合金越少，其改善飛濺和裂紋的情況越好。
應(yīng)當(dāng)理解的是，對本領(lǐng)域普通技術(shù)人員來說，可以根據(jù)上述說明加以改進或變換，而所有這些改進和變換都應(yīng)屬于本發(fā)明所附權(quán)利要求的保護范圍。
權(quán)利要求
1.ー種高性能刀具涂層材料，其特征在于，包括Al、Co、Cr、Fe、Ni、Mo、Ti、Si，Al、Co、Cr、Fe、Ni、Mo、Ti、Si 的摩爾比為 I : I : I : I : I : I : O. 5 : O. 5。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的高性能刀具涂層材料的熔煉方法，其特征在干包括 Al、Co、Cr、Fe、Ni、Mo、Ti、Si，Al、Co、Cr、Fe、Ni、Mo、Ti、Si 的摩爾比為 I:I I I I I O. 5 O. 5 ;合金熔煉前，先將原料分為兩組，熔點高較難熔煉且熔煉后易形成固溶體的元素Mo、Ti分為ー組，將剩下其它的較易熔煉的元素分為ー組，分別將各組原料放入水冷銅坩堝內(nèi)；將電弧爐抽真空，當(dāng)達到1.33X10_3Pa后充入純氬氣，再次抽真空，達到I. 33 X 10_3Pa后再次充入純氬氣，并使?fàn)t內(nèi)氣壓稍大于I X IO5Pa,在此條件下進行熔煉，以保護試樣不受氧化；熔煉過程中，分別將第一組元素Mo、Ti及第ニ組元素Al、Co、Cr.Fe.Ni,Si放入銅坩堝內(nèi)熔煉成兩種合金，再將各組熔煉的合金放在同一個銅坩堝內(nèi)，在電弧爐內(nèi)反復(fù)熔煉4至5次，以保證合金成分的均勻性。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種高性能刀具涂層材料及其熔煉方法，包括Al、Co、Cr、Fe、Ni、Mo、Ti、Si，Al、Co、Cr、Fe、Ni、Mo、Ti、Si的摩爾比為1∶1∶1∶1∶1∶1∶0.5∶0.5。經(jīng)測試，高性能刀具涂層材料AlCoCrFeNiMoTi0.5Si0.5硬度為1000.9HV0.200，600℃退火10個小時其硬度基本不發(fā)生改變，800℃、1100℃退火10個小時硬度僅下降8％和12％，說明該高熵合金具有良好的抗高溫軟化性能，用于制作刀具的涂層材料，刀具的切削性能較目前常用的刀具材料可以有很大的提高。使用這種合金作為刀具涂層沒有適用范圍的局限性，可以應(yīng)用于各種材料的切削。
文檔編號C22C1/02GK102676903SQ20121011326
公開日2012年9月19日 申請日期2012年4月13日 優(yōu)先權(quán)日2012年4月13日
發(fā)明者劉曉, 張勇, 梁紅玉, 羅娟, 顏雨飛 申請人:太原工業(yè)學(xué)院