專利名稱：陶瓷－硬質(zhì)合金復(fù)合刀片及其工藝的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬機(jī)械制造領(lǐng)域，特別涉及陶瓷—硬質(zhì)合金復(fù)合刀片及其工藝。
新型陶瓷刀具材料由于具有高硬度、高耐磨性、高耐熱性和高的化學(xué)穩(wěn)定性等獨(dú)特的性能，近些年來(lái)在切削加工領(lǐng)域得到較為廣泛的應(yīng)用。但由于陶瓷刀具存在的韌性和強(qiáng)度低，在切削加工時(shí)易發(fā)生破損，可靠性較差，并且由于陶瓷刀具焊接困難，對(duì)在小孔及窄槽和其它需要焊接刀具的加工中由于機(jī)夾體積大或機(jī)夾力不足而限制了使用。目前國(guó)內(nèi)外有研究用多種增韌機(jī)制來(lái)提高陶瓷刀具韌性的，但效果不十分理想。如采用顆粒彌散增韌，其增韌幅度十分有限；采用相變?cè)鲰g，陶瓷刀具的增韌效果隨切削溫度的升高而下降，且韌性增加的同時(shí)，強(qiáng)度降低；采用晶須增韌，能顯著提高陶瓷刀具材料的斷裂韌性，但價(jià)格昂貴，使用成本高。此外，也有利用CVD涂層設(shè)備在硬質(zhì)合金上涂一層陶瓷涂層，由于涂層很薄，容易磨損；因界面結(jié)合強(qiáng)度低也易產(chǎn)生涂層剝落，并且設(shè)備投資大，工藝比較復(fù)雜。
本發(fā)明的目的是提高陶瓷刀具材料的斷裂韌性和抗彎強(qiáng)度，研究應(yīng)用熱壓燒結(jié)技術(shù)將陶瓷和硬質(zhì)合金材料直接熱壓覆層制備新型的復(fù)合刀片。
本發(fā)明的技術(shù)關(guān)鍵在于從陶瓷刀具切削性能和應(yīng)用出發(fā)，研究以高強(qiáng)度、高彈性模量的硬質(zhì)合金作為基體材料，上層為陶瓷粉末，底層為硬質(zhì)合金粉末；或上、下層為陶瓷粉末，中間為硬質(zhì)合金粉末，在高溫?zé)釅簾Y(jié)爐中熱壓燒結(jié)成型。充分利用陶瓷的高硬度、高耐磨性、化學(xué)穩(wěn)定性和硬質(zhì)合金的高斷裂韌性、高強(qiáng)度特性，研究出陶瓷/硬質(zhì)合金、陶瓷/硬質(zhì)合金/陶瓷兩種復(fù)合刀片材料。
本發(fā)明的單面覆層陶瓷—硬質(zhì)合金復(fù)合刀片材料組分為Al2O3+Ti(W)C/TiC+Ni，重量配比(％)為Al2O3∶Ti(W)C/TiC∶Ni＝42-48∶58-52/80-85∶20-15，其中，最佳配比為Al2O3∶Ti(W)C/TiC∶Ni＝45∶55/82∶18。雙面覆層陶瓷—硬質(zhì)合金復(fù)合刀片材料組分為Al2O3+Ti(W)C/TiC+Ni/Al2O3+Ti(W)C，其成分重量比(％)為Al2O3∶Ti(W)C/TiC∶Ni/Al2O3∶Ni/Al2O3∶Ti(W)C＝42-48∶58-52/85-90∶15-10/42-48∶58-52，其中，最佳配比為Al2O3∶Ti(W)C/TiC∶Ni/Al2O3∶Ti(W)C＝45∶55/87∶13/45∶55。
陶瓷—硬質(zhì)合金界面結(jié)合機(jī)制是形成完好復(fù)合刀片的關(guān)鍵，采用TiC硬質(zhì)合金以及Ni作為粘結(jié)劑既能在界面形成元素的相互擴(kuò)散，又不發(fā)生劇烈的化學(xué)反應(yīng)，防止了生成脆性相和惡化界面性能。本發(fā)明的陶瓷—硬質(zhì)合金復(fù)合刀片材料，所選用的硬質(zhì)合金熱膨脹系數(shù)和彈性模量均應(yīng)大于陶瓷。試驗(yàn)表明，當(dāng)陶瓷的熱膨脹系數(shù)大于硬質(zhì)合金時(shí)，在陶瓷層內(nèi)形成拉應(yīng)力，該拉應(yīng)力在陶瓷層產(chǎn)生垂直界面的裂紋，陶瓷表層的殘余拉應(yīng)力對(duì)材料性能不利；當(dāng)硬質(zhì)合金的熱膨脹系數(shù)大于陶瓷時(shí)，在陶瓷內(nèi)形成殘余壓應(yīng)力，有利于提高陶瓷層的物理機(jī)械性能，但熱膨脹系數(shù)的差值不宜過(guò)大，否則，引起界面開(kāi)裂，或在硬質(zhì)合金內(nèi)產(chǎn)生垂直界面的裂紋。此外，由于陶瓷與硬質(zhì)合金的彈性模量不同，受載時(shí)，彈性模量大的一層承受更多的載荷。陶瓷—硬質(zhì)合金復(fù)合刀具材料利用硬質(zhì)合金的彈性模量比陶瓷大的特點(diǎn)，在不降低斷裂韌性的情況下，使材料的強(qiáng)度有較大的提高。本發(fā)明的單面覆層陶瓷—硬質(zhì)合金復(fù)合刀片，其陶瓷和硬質(zhì)合金的熱膨脹系數(shù)分別為7.7×10-6和8.7×10-61/℃。刀具機(jī)械性能為硬度HRC94-95，抗彎強(qiáng)度850-1000MPa，斷裂韌性5.3-5.8MPa·m1/2。在小孔和窄槽加工中可以焊接使用。雙面覆層陶瓷—硬質(zhì)合金刀片，其陶瓷和硬質(zhì)合金的熱膨脹系數(shù)分別為7.7×10-6和8.2×10-61/℃。刀具機(jī)械性能為硬度HRC94-95，抗彎強(qiáng)度800-900MPa，斷裂韌性5.3-5.8MPa·m1/2。
本發(fā)明的陶瓷—硬質(zhì)合金復(fù)合刀片采用高溫?zé)釅籂t進(jìn)行壓制成型，爐內(nèi)通有氫氣或氮?dú)?。其工藝參?shù)為熱壓溫度1700-1800℃，保溫時(shí)間7-15min，壓力35MPa。
本發(fā)明的陶瓷—硬質(zhì)合金復(fù)合刀片與相同的純復(fù)相陶瓷刀具相比，斷裂韌性提高12-18％，抗彎強(qiáng)度提高20-30％。耐磨性能和抗破損性能提高20-30％。具有顯著的經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效益。
權(quán)利要求
1.陶瓷—硬質(zhì)合金復(fù)合刀片及其工藝，采用熱壓燒結(jié)爐，在氫氣或氮?dú)鈿夥罩袩釅簾Y(jié)，其特征在于該復(fù)合刀具材料為單面覆層和雙面覆層，單面覆層為陶瓷/硬質(zhì)合金，雙面為陶瓷/硬質(zhì)合金/陶瓷，硬質(zhì)合金的熱膨脹系數(shù)和彈性模量均大于陶瓷。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的陶瓷—硬質(zhì)合金復(fù)合刀片及其工藝，其特征在于所述的單面覆層陶瓷—硬質(zhì)合金復(fù)合刀具材料組分及其重量配比(％)為Al2O3∶Ti(W)C/TiC∶Ni＝42-48∶58-52/80-85∶20-15。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的陶瓷—硬質(zhì)合金復(fù)合刀片及其工藝，其特征在于所述的雙面覆層陶瓷—硬質(zhì)合金復(fù)合刀具材料組分及其重量配比(％)為Al2O3∶Ti(W)C/TiC∶Ni/Al2O3∶Ti(W)C＝42-48∶58-52/85-90∶15-10/42-48∶58-52。
4.根據(jù)權(quán)利要求1、2所述的陶瓷—硬質(zhì)合金復(fù)合刀片材料，其特征在于所述的單面覆層陶瓷—硬質(zhì)合金的最佳重量配比(％)為Al2O3∶Ti(W)C/TiC∶Ni＝45∶55/82∶18。
5.根據(jù)權(quán)利要求1、3所述的陶瓷—硬質(zhì)合金復(fù)合刀片材料，其特征在于所述的雙面覆層陶瓷—硬質(zhì)合金的最佳重量配比(％)為Al2O3∶Ti(W)C/TiC∶Ni/Al2O3∶Ti(W)C＝45∶55/87∶13/45∶55
6.根據(jù)權(quán)利要求1、2、3所述的陶瓷—硬質(zhì)合金復(fù)合刀片材料及其工藝，其特征在于該陶瓷—硬質(zhì)合金的熱壓燒結(jié)工藝參數(shù)為熱壓溫度1700-1800℃，保溫時(shí)間7-15min，壓力35MPa。
全文摘要
本發(fā)明陶瓷－硬質(zhì)合金復(fù)合刀具及其工藝。用高強(qiáng)度、高彈性模量的硬質(zhì)合金作為基體材料,上層為陶瓷粉末,底層為硬質(zhì)合金粉末;或上、下層為陶瓷粉末,中間為硬質(zhì)合金粉末,在氫氣或氮?dú)鈿夥罩袩釅簾Y(jié),利用陶瓷的高硬度、高耐磨性、化學(xué)穩(wěn)定性和硬質(zhì)合金的高斷裂韌性、高強(qiáng)度特性,提高陶瓷刀具材料的斷裂韌性和抗彎強(qiáng)度。與相同的純陶瓷刀具相比,斷裂韌性提高12—18%,抗彎強(qiáng)度提高20—30%。耐磨性能和抗破損性能提高20—30%。
文檔編號(hào)B22F7/02GK1256983SQ9812210
公開(kāi)日2000年6月21日 申請(qǐng)日期1998年12月4日 優(yōu)先權(quán)日1998年12月4日
發(fā)明者李兆前, 艾興, 周建強(qiáng), 鄧建新, 黃傳真, 趙軍, 侯志剛, 張瑋, 袁偉, 鈕平章 申請(qǐng)人:山東工業(yè)大學(xué)