專利名稱：一種用于鑄鐵車削加工的硬質(zhì)合金及其硬質(zhì)合金涂層刀片的制作方法
技術領域：
本發(fā)明屬于金屬切削加工領域，尤其涉及用于制備硬質(zhì)合金刀具的基體材料及其制成的刀片。
背景技術：
硬質(zhì)合金刀具廣泛應用于金屬切削加工領域。在硬質(zhì)合金刀具的切削過程中，存在兩種失效方式:磨損和破損。刀具磨損主要包括磨粒磨損、粘結磨損、擴散磨損和氧化磨損。在不同的切削條件下，加工不同材料的工件時，其磨損的主要原因可能是其中的一種或幾種，總的來說切削溫度較低時以磨粒磨損為主，切削溫度較高時以擴散磨損、氧化磨損為主。刀具破損主要是塑性變形破損和脆性破損(崩刃、破裂、剝落、裂紋破損)。硬質(zhì)合金刀具硬度高、脆性大，是粉末燒結體，可能具有不均勻性等缺陷。在切削加工過程中，特別是在斷續(xù)切削條件下，或因為加工材料的不均性導致切削加工帶有斷續(xù)切削的性質(zhì)時，切削刀具受到機械和熱沖擊容易產(chǎn)生脆性破損。實驗表明刀具早期破損，受熱應力影響小，主要是受機械沖擊作用所致；刀具后期疲勞破損主要是在機械和熱沖擊共同作用下刀具內(nèi)裂紋失穩(wěn)擴展所致。在高速高效切削加工或加工耐高溫材料時可能達到很高的切削溫度，過高的溫度會降低刀具材料的屈服強度，在切削力的作用下導致塑性變形而喪失切削能力。為了適應高速高效加工、非連續(xù)加工和惡劣條件加工的要求，刀具需要更高的耐磨性和韌性。硬質(zhì)合金的韌性和硬度通常很難同時提高，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相含量，因此耐磨性和抗塑性變形能力隨之降低。因此，如何在韌性和硬度之間獲得平衡，一直是研究人員所關注的。鑄鐵加工時對刀具基體產(chǎn)生沖擊和磨粒磨損，對刀具基體的韌性和抗磨粒磨損能力要求比較高。早期的鑄鐵加工用硬質(zhì)合金刀具基體材質(zhì)一般以WC-Co合金為主體，通過添加少量的Ta、Nb、Ti等立方相化合物來提高其耐磨性能。如專利文獻US2002021432公開了一種用于灰鐵和球鐵纟先削的硬質(zhì)合金基體，其成分為7.3 7.9wt.%的Co, 1.0 1.8wt.%的Ta和Nb的立方相化合物，其余為WC ；US2006110532公開了一種用于銑削高合金化灰鐵的的硬質(zhì)合金基體，其成分為5 8wt.%的Co，少于0.5wt.%的Ta、Ti和/或Nb的立方相化合物，其余為WC ；US2007134517公開了一種用于鑄鐵車削的硬質(zhì)合金基體，其成分為6 8wt.%的(:0，2 3wt.%的了&(:和0.2% 0.35%的恥(:，其余為1(:。上述專利文獻所提供的技術方案制備的硬質(zhì)合金雖然具有較好的抗磨粒磨損能力，但是在整體韌性以及抗氧化/擴散磨損方面仍然存在不足。隨著金屬切削加工參數(shù)的不斷提升，對刀具基體材質(zhì)的韌性和耐磨性提出了更高的要求，原有的基體材質(zhì)越來越顯示出整體性能上的不足
發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明要解決的技術問題是克服現(xiàn)有技術的不足，提供一種同時具有高耐磨性和高韌性的用于鑄鐵車削加工的硬質(zhì)合金及硬質(zhì)合金涂層刀片。為解決上述技術問題，本發(fā)明提出如下技術方案:一種用于鑄鐵車削加工的硬質(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相，以包括WC和過渡金屬元素的立方碳化物在內(nèi)的化合物作為硬質(zhì)相，在所述粘結相中固溶有Cr元素,所述粘結相的含量為4wt.0A IOwt.% ,所述Cr元素占粘結相的含量為Iwt.% IOwt.%,所述立方碳化物的含量為0.5wt.% 2wt.%,余量為WC ;所述硬質(zhì)合金中WC的平均粒徑為0.8 μ m 1.5 μ m，所述立方碳化物的平均粒徑為WC平均粒徑的0.8 1.5倍。上述的用于鑄鐵車削加工的硬質(zhì)合金，所述粘結相的含量優(yōu)選為5wt.% 8wt.% ο上述的用于鑄鐵車削加工的硬質(zhì)合金，所述Cr元素占粘結相的含量優(yōu)選為4wt.% 8wt.%。上述的用于鑄鐵車削加工的硬質(zhì)合金，所述過渡金屬元素的立方碳化物優(yōu)選包括Ta的立方碳化物和Nb的立方碳化物。更進一步的，所述過渡金屬元素的立方碳化物的總含量優(yōu)選為0.8wt.% L 5wt.%。上述的用于鑄鐵車削加工的硬質(zhì)合金，所述硬質(zhì)相中WC的平均粒徑優(yōu)選為
1.0 μ m 1.2 μ m，所述立方碳化物的平均粒徑優(yōu)選為WC平均粒徑的1.0 1.2倍。上述的用于鑄鐵車削加工的硬質(zhì)合金，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。作為一個總的技術 構思，本發(fā)明還提供一種用于鑄鐵車削加工的硬質(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)有技術相比，本發(fā)明的優(yōu)點在于:本發(fā)明的硬質(zhì)合金基體在成分方面，同時加入Cr、Ta、Nb等元素，組合了 Cr元素和Ta、Nb的碳化物的優(yōu)點，其中Cr元素增強了 WC/Co界面強度和韌性、提高粘結相抗氧化、擴散能力，Ta、Nb的碳化物提高合金硬度和高溫性能；結構方面，由于Cr元素具有控制晶粒的作用，同時通過原料粒度的控制即可以對硬質(zhì)合金中化合物的粒度進行控制，本發(fā)明的硬質(zhì)合金具有合理的WC粒度以及合理的立方相化合物與WC之間粒度搭配。綜上，本發(fā)明的硬質(zhì)合金的耐磨性和韌性同時得到提高，從而具有出色的抗磨粒磨損和抗氧化/擴散磨損能力，以及優(yōu)良的斷裂韌性和抗熱裂紋擴展能力，非常適合做為鑄鐵尤其是球墨鑄鐵車削加工刀具的基體材質(zhì)。
具體實施例方式以下結合具體實施例對本發(fā)明的技術方案作進一步的描述。實施例1:一種本發(fā)明的用于鑄鐵車削加工的硬質(zhì)合金，該硬質(zhì)合金主要以金屬Co作為粘結相，以包括WC和Ta、Nb的立方碳化物在內(nèi)的化合物作為硬質(zhì)相，在粘結相中固溶有Cr元素。本發(fā)明的硬質(zhì)合金中，粘結相的含量為6.3wt.%，Cr元素占粘結相的含量為4.5wt.%,立方碳化物的含量為1.1wt.%，其中含0.85wt.%的TaC和0.25wt.%的NbC，余量為WC ；硬質(zhì)合金中WC的平均粒徑為1.2 μ m，立方碳化物的平均粒徑為1.0 μ m。本發(fā)明硬質(zhì)合金的制備方法包括以下步驟:準備好原料為WC、TaNbC, Cr3C2和Co粉，平均粒徑分別為1.5 μ m、1.0 μ m、0.8 μ m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，然后進行1440°C的真空燒結，具體的燒結工藝為:先以5°C /min IO0C /min的升溫速率加熱到1250°C 1300°C，保溫IOmin 30min，然后以2°C /min 50C /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1440°C保溫60min,最后冷卻至室溫,得到本實施例的硬質(zhì)合金刀片基體。實施例2:
一種本發(fā)明的用于鑄鐵車削加工的硬質(zhì)合金，該硬質(zhì)合金主要以金屬Co作為粘結相，以包括WC和Ta、Nb的立方碳化物在內(nèi)的化合物作為硬質(zhì)相，在粘結相中固溶有Cr元素。本發(fā)明的硬質(zhì)合金中，粘結相的含量為5.8wt.%, Cr元素占粘結相的含量為5wt.%,立方碳化物的含量為0.55wt.%，其中含0.44wt.%的TaC和0.1lwt.%的NbC，余量為WC ；硬質(zhì)合金中WC的平均粒徑為1.0 μ m，立方碳化物的平均粒徑為1.2 μ m。本發(fā)明硬質(zhì)合金的制備方法包括以下步驟:準備好原料為WC、TaNbC, Cr3C2和Co粉，平均粒徑分別為1.0 μ m、1.0 μ m、0.8 μ m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，然后進行1440°C的真空燒結，具體的燒結工藝為:先以5°C /min IO0C /min的升溫速率加熱到1250°C 1300°C，保溫IOmin 30min，然后以2°C /min 50C /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1440°C保溫60min,最后冷卻至室溫,得到本實施例的硬質(zhì)合金刀片基體。對比例1:—種現(xiàn)有技術的硬質(zhì)合金基體，其成分包括:6wt.%的(:0、0.8wt.%的Ta、
0.2wt.%的Nb，其余為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，然后進行1440°C真空燒結得到硬質(zhì)合金刀片基體。對比例2:一種現(xiàn)有技術的硬質(zhì)合金基體，其成分包括:5.5wt.%的Co、0.4wt.%的Ta、
0.lwt.%的Nb，其余為WC ;按其成分比例配制混合粉末，經(jīng)過球磨后壓制成刀片粗坯，然后進行1440°C真空燒結得到硬質(zhì)合金刀片基體。對比試驗:以上各實施例和對比例的硬質(zhì)合金刀片基體其型號完全相同，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)合金涂層刀片進行切削試驗來對比硬質(zhì)合金基體的耐磨性和韌性。切削條件如下表I所示。表1:對比實驗切削條件參數(shù)
權利要求
1.一種用于鑄鐵車削加工的硬質(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相，以包括WC和過渡金屬元素的立方碳化物在內(nèi)的化合物作為硬質(zhì)相，其特征在于:在所述粘結相中固溶有Cr元素，所述粘結相的含量為4wt.0A IOwt.%,所述Cr元素占粘結相的含量為lwt.% IOwt.%，所述立方碳化物的含量為0.5wt.% 2wt.%，余量為WC ;所述硬質(zhì)合金中WC的平均粒徑為0.8 μ m 1.5 μ m，所述立方碳化物的平均粒徑為WC平均粒徑的0.8 1.5倍。
2.根據(jù)權利要求1所述的用于鑄鐵車削加工的硬質(zhì)合金，其特征在于:所述粘結相的含量為5wt.% 8wt.% ο
3.根據(jù)權利要求1所述的用于鑄鐵車削加工的硬質(zhì)合金，其特征在于:所述Cr元素占粘結相的含量為4wt.Yo 8wt.%。
4.根據(jù)權利要求1所述的用于鑄鐵車削加工的硬質(zhì)合金，其特征在于:所述過渡金屬元素的立方碳化物包括Ta的立方碳化物和Nb的立方碳化物。
5.根據(jù)權利要求4所述的用于鑄鐵車削加工的硬質(zhì)合金，其特征在于:所述過渡金屬元素的立方碳化物的含量為0.8wt.% 1.5wt.%。
6.根據(jù)權利要求1所述的用于鑄鐵車削加工的硬質(zhì)合金，其特征在于:所述硬質(zhì)相中WC的平均粒徑為1.0 μ m 1.2 μ m，所述立方碳化物的平均粒徑為WC平均粒徑的1.0 1.2 倍。
7.根據(jù)權利要求1 6中任一項所述的用于鑄鐵車削加工的硬質(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。
8.一種用于鑄鐵車削加工的硬質(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利要求1 7中任一項所述的硬質(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)明公開了一種用于鑄鐵車削加工的硬質(zhì)合金，其是以包括Co、Ni、Fe中至少一種的金屬元素作為粘結相，以包括WC和過渡金屬元素的立方碳化物在內(nèi)的化合物作為硬質(zhì)相，在粘結相中固溶有Cr元素，粘結相的含量為4wt.％～10wt.％，Cr元素占粘結相的含量為1wt.％～10wt.％，立方碳化物的含量為0.5wt.％～2wt.％，余量為WC；硬質(zhì)合金中WC的平均粒徑為0.8μm～1.5μm，立方碳化物的平均粒徑為WC平均粒徑的0.8～1.5倍。本發(fā)明的硬質(zhì)合金及其涂層刀片同時具有高耐磨性和高韌性。
文檔編號B23B27/14GK103160724SQ20111042025
公開日2013年6月19日 申請日期2011年12月15日 優(yōu)先權日2011年12月15日
發(fā)明者周定良, 謝文, 黃文亮, 黃前葆, 王社權 申請人:株洲鉆石切削刀具股份有限公司