本實(shí)用新型涉及一種金屬坯體,尤其涉及一種由粉末冶金材料制成的切削坯體,以及采用坯體制成的刀具。
背景技術(shù):
粉末冶金是制取金屬粉末或用金屬粉末(或金屬粉末與非金屬粉末的混合物)作為原料,經(jīng)過成形和燒結(jié),制造金屬材料、復(fù)合材料以及各種類型制品的工藝技術(shù)。粉末冶金法與生產(chǎn)陶瓷有相似的地方,均屬于粉末燒結(jié)技術(shù),因此,粉末冶金技術(shù)也可用于陶瓷材料的制備。
廣義的粉末冶金制品業(yè)涵括了鐵石刀具、硬質(zhì)合金、磁性材料以及粉末冶金制品等。狹義的粉末冶金制品業(yè)僅指粉末冶金制品,包括粉末冶金零件(占絕大部分)、含油軸承和金屬射出成型制品等。
硬質(zhì)合金是以高硬度難熔金屬的碳化物(WC、TiC)微米級粉末為主要成分,以鈷(Co)或鎳(Ni)、鉬(Mo)為粘結(jié)劑,在真空爐或氫氣還原爐中燒結(jié)而成的粉末冶金制品,也屬于一類粉末冶金材料。此外,IV B、V B、VI B族金屬的碳化物、氮化物、硼化物等,由于硬度和熔點(diǎn)特別高,也一并統(tǒng)稱為硬質(zhì)合金。
金屬陶瓷為了使陶瓷既可以耐高溫又不容易破碎,人們在制作陶瓷的粘土里加了些金屬粉,因此制成了金屬陶瓷,其也屬于一類粉末冶金材。金屬陶瓷中的陶瓷相是具有高熔點(diǎn)、高硬度的氧化物或難熔化合物,金屬相主要是過渡元素(鐵、鈷、鎳、鉻、鎢和鉬等)及其合金。
金屬基金屬陶瓷是在金屬基體中加入氧化物細(xì)粉制得,又稱彌散增強(qiáng)材料,如:燒結(jié)鋁(鋁-氧化鋁)、燒結(jié)鈹(鈹-氧化鈹)和TD鎳(鎳-氧化釷)等。由一種或幾種陶瓷相與金屬相或合金所組成的復(fù)合材料。
陶瓷基金屬陶瓷主要可以細(xì)分為:氧化物基金屬陶瓷,如:以氧化鋁、氧化鋯、氧化鎂、氧化鈹?shù)葹榛w,與金屬鎢、鉻或鈷復(fù)合而成;碳化物基金屬陶瓷,如:以碳化鈦、碳化硅、碳化鎢等為基體,與金屬鈷、鎳、鉻、鎢、鉬等金屬復(fù)合而成;氮化物基金屬陶瓷,如:以氮化鈦、氮化硼、氮化硅和氮化鉭為基體;硼化物基金屬陶瓷,如:以硼化鈦、硼化鉭、硼化釩、硼化鉻、硼化鋯、硼化鎢、硼化鉬、硼化鈮、硼化鉿等為基體,與部分金屬材料復(fù)合而成;硅化物基金屬陶瓷,如:以硅化錳、硅化鐵、硅化鈷、硅化鎳、硅化鈦、硅化鋯、硅化鈮、硅化釩、硅化鈮、硅化鉭、硅化鉬、硅化鎢、硅化鋇等為基體,與部分或微量金屬材料復(fù)合而成。
粉末冶金具有獨(dú)特的化學(xué)組成和機(jī)械、物理性能,而這些性能是用傳統(tǒng)的熔鑄方 法無法獲得的。運(yùn)用粉末冶金技術(shù)可以直接制成多孔、半致密或全致密材料和制品,如含油軸承、齒輪、凸輪、導(dǎo)桿和刀具等,是一種少無切削工藝。
粉末冶金工藝包括:
1)原料粉末的制備?,F(xiàn)有的制粉方法大體可分為兩類:機(jī)械法和物理化學(xué)法。而機(jī)械法可分為:機(jī)械粉碎及霧化法;物理化學(xué)法又分為:電化腐蝕法、還原法、化合法、還原-化合法、氣相沉積法、液相沉積法以及電解法。其中應(yīng)用最為廣泛的是還原法、霧化法和電解法。
2)粉末成型為坯塊。成型的目的是制得一定形狀和尺寸的壓坯,并使其具有一定的密度和強(qiáng)度。成型的方法基本上分為加壓成型和無壓成型。加壓成型中應(yīng)用最多的是模壓成型。此外還可使用3D打印技術(shù)進(jìn)行坯塊的制作。
3)坯塊的燒結(jié)。燒結(jié)是粉末冶金工藝中的關(guān)鍵性工序。成型后的壓坯通過燒結(jié)使其得到所要求的最終物理機(jī)械性能。
4)產(chǎn)品的后序處理。燒結(jié)后的處理,可以根據(jù)產(chǎn)品要求的不同,采取多種方式。如:精整、浸油、機(jī)加工、熱處理及電鍍等。
金屬陶瓷的耐磨性、紅硬性和抗黏著性都比硬質(zhì)合金更突出,但其韌性不足(抗折力RTS在1,600~2,400)遠(yuǎn)不及硬質(zhì)合金(抗折力RTS在3,000~4,400)。
因此,長期以來金屬陶瓷最多作為刀片使用。另一方面即使有少數(shù)幾家企業(yè)提供規(guī)格有限(主要考慮抗折力,棒料一般在D6mm~D12mm,長度在100mm以內(nèi))的棒料用于制造圓柱形回轉(zhuǎn)整體刀具,由于金屬陶瓷棒料難以加工成型(一般加工耗時(shí)2倍以上),還存在易斷和易裂等情形(良品率通常不到80%),難有刀具制造企業(yè)愿意規(guī)模化生產(chǎn)。因此長期以來金屬陶瓷作為一種好的硬質(zhì)材料無法廣泛應(yīng)用在刀具行業(yè)。
技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素:
本實(shí)用新型的一個目的在于提供一種硬質(zhì)材料坯體,采用金屬陶瓷和硬質(zhì)合金制造,能用于刀具的制造。
本實(shí)用新型的另一個目的在于提供一種刀具,采用粉末冶金制成的金屬陶瓷切削坯體制造,同時(shí)具有硬質(zhì)合金的高抗彎折力和金屬陶瓷刃的良好切削性能,同時(shí)還便于加工制造。
對于機(jī)加工領(lǐng)域的刀具,如:孔加工刀具、銑刀和鏜刀等,其外觀通常以整體呈現(xiàn)圓柱形較為常見,還具有槽體和切削端部等特征。從加工效率角度,這些刀具一般具有2枚以上的切削刃,切削刃也較常見地設(shè)置于切削端部。
一種硬質(zhì)材料坯體,系棒料,包括硬質(zhì)合金和金屬陶瓷,金屬陶瓷包裹于硬質(zhì)合金外,金屬陶瓷為包材,硬質(zhì)合金為芯材,金屬陶瓷層的厚度不小于0.3mm。
在硬質(zhì)合金體和金屬陶瓷層兩種材料為冶金結(jié)合,其中,芯材材料粘結(jié)相5wt%~30wt%,粘結(jié)相為金屬,如:但不限于鐵、鎳和鈷;包材材料硬質(zhì)相的粒徑 0.1μm~1.5μm。
本實(shí)用新型技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的有益效果:
本實(shí)用新型的硬質(zhì)材料坯體,系棒料,包括硬質(zhì)合金體和金屬陶瓷層,金屬陶瓷層包裹于硬質(zhì)合金外。金屬陶瓷作為殼體能使得刃部有足夠多而連續(xù)密實(shí)/不經(jīng)過燒焊熱損傷的材料構(gòu)成,大大增強(qiáng)了刃部的耐磨性、紅硬性和抗黏著性。硬質(zhì)合金作為芯體使得棒料具有良好的抗彎折力和剛性,同時(shí)使得整個刀具修磨過程中仍主要對硬質(zhì)合金進(jìn)行磨削,縮短了金屬陶瓷刀具的制造耗時(shí)。
附圖說明
圖1為本實(shí)用新型提供的硬質(zhì)材料坯體一實(shí)施例的示意圖;
圖2為以圖1提供的坯料制得的直槽刀具一實(shí)施例的示意圖;
圖3為本實(shí)用新型提供的硬質(zhì)材料坯體另一實(shí)施例的示意圖。
圖4為以圖3提供的坯料制得的刀具坯體一實(shí)施例的示意圖;
具體實(shí)施方式
以下結(jié)合附圖詳細(xì)描述本實(shí)用新型的技術(shù)方案。本實(shí)用新型實(shí)施例僅用以說明本實(shí)用新型的技術(shù)方案而非限制,盡管參照較佳實(shí)施例對本實(shí)用新型進(jìn)行了詳細(xì)說明,本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)理解,可以對實(shí)用新型的技術(shù)方案進(jìn)行修改或者等同替換,而不脫離本實(shí)用新型技術(shù)方案的精神和范圍,其均應(yīng)涵蓋在本實(shí)用新型的權(quán)利要求范圍中。
本實(shí)施例的硬質(zhì)材料坯體如圖1、如圖2、圖3和圖4所示,其為棒料,包括硬質(zhì)合金100和金屬陶瓷200,金屬陶瓷層包裹于硬質(zhì)合金外,金屬陶瓷層的厚度不小于0.3mm。
在硬質(zhì)合金和金屬陶瓷層兩種材料為冶金結(jié)合。其中,硬質(zhì)合金粘結(jié)相5wt%~30wt%,系金屬,如:鐵、鎳和鈷之一種或幾種,金屬陶瓷硬質(zhì)相的粒徑0.1μm~1.5μm。
該坯體采用如下成型方法解決在燒結(jié)時(shí)坯料常見的熱形變和收縮現(xiàn)象,使得坯體的構(gòu)造符合設(shè)計(jì)要求,便于后續(xù)利用,提高制造效率。具體方法為:
先通過模壓的方法,將金屬陶瓷/硬質(zhì)合金粉料壓制成坯料。如:在模具里置入金屬陶瓷或硬質(zhì)合金粉料后,于5T~100T壓力下進(jìn)行模壓制成,模壓壓力優(yōu)先選擇10T。
再如:在模具里置入金屬陶瓷或硬質(zhì)合金粉料后先通過模壓獲得預(yù)成型刀具坯體,接著對預(yù)成型刀具坯體進(jìn)行等靜壓處理而得。本實(shí)施例中,優(yōu)先采用液體冷等靜壓方式,壓力為5T~200T,尤其是100T制得坯料。
然后,將制成的坯料進(jìn)行預(yù)燒結(jié)(參見:CN102632261B),溫度如:140℃~1100℃,時(shí)間如:10分鐘~360分鐘
最后,將干燥的坯料整體埋入三氧化二銦粉末中并壓實(shí)后一同以熱等靜壓(HIP)方法對坯體進(jìn)行燒結(jié),通入氬氣(用于加壓和氣氛保護(hù))、氫氣(用于和揮發(fā)物反應(yīng))和氮?dú)?用于加壓和氣氛保護(hù)),制得坯體。
坯料隨著加熱而產(chǎn)生收縮,密實(shí)的三氧化二銦粉末可起到自動支撐、墊縫的效果,幫助坯料保持原有形狀,如:槽體不發(fā)生形變,螺旋角度保持設(shè)計(jì)要求。
如圖1和如圖2,本實(shí)施例坯料的成型法,包括:
在模具里置入金屬陶瓷粉料后再置入預(yù)先通過模壓(壓力為5T~100T,優(yōu)先選擇10T,后同)、擠壓(壓力為5T~100T,優(yōu)先選擇10T)或者等靜壓(如:液體冷等靜壓,壓力為5T~200T,優(yōu)先選擇100T)形成的硬質(zhì)合金體,然后進(jìn)行成型(如:模壓一步法、等靜壓一步法和先模壓再等靜壓兩步法等)。
圖3和圖4所示,本實(shí)施例坯料的成型法,包括:
通過模壓、擠壓或者等靜壓的方式形成硬質(zhì)合金芯材坯料,再經(jīng)預(yù)成型(如:先預(yù)燒結(jié)再機(jī)加工預(yù)成型的兩步法工藝),以及干燥后,再與金屬陶瓷粉料層整體進(jìn)行成型。
以本實(shí)用新型方法制成的金屬陶瓷包覆棒料,生產(chǎn)直徑12mm立銑刀,加工時(shí)間僅比同直徑硬質(zhì)合金刀具增加5%,而同直徑純金屬陶瓷棒料的生產(chǎn)時(shí)間是硬質(zhì)合金刀具的2倍以上。而加工效果(被加工表面光潔度)均等同于金屬陶瓷刀具,加工進(jìn)給速度均等同于金屬陶瓷刀具,并且得益于硬質(zhì)合金芯材,斷續(xù)加工(沖擊性加工)時(shí)的加工壽命比純金屬陶瓷棒料立銑刀延長50%(以刃口崩刃為衡量刀具壽命的依據(jù))。