本發(fā)明涉及到合金材料領(lǐng)域，具體的說(shuō)是一種刀具用高耐磨合金材料及其制備方法。
背景技術(shù)：
刀具作為切削過(guò)程的直接執(zhí)行者，在工件的切削加工過(guò)程中不可避免地存在著磨損和破損等現(xiàn)象，特別是在高速切削中，刀具的磨損尤為嚴(yán)重。高速難加工材料時(shí)，由于切削溫度很高，刀具的擴(kuò)散磨損成為刀具的主要磨損機(jī)理之一。
磨損后的刀具壽命急劇下降，工件表面粗糙度上升，工件的尺寸往往會(huì)超出設(shè)計(jì)公差。雖然及時(shí)換刀可以解決部分工件精度的不足的問(wèn)題，但對(duì)于加工航空航天、新型模具等難加工材料，特別涉及到有國(guó)防要求的大型或精密零件，過(guò)頻的換刀會(huì)增加整體零件的重復(fù)定位誤差，達(dá)不到設(shè)計(jì)要求。
硬質(zhì)合金應(yīng)用于制造業(yè)的加工刀具，具有硬度高、良好的高溫性能和優(yōu)秀的耐磨性能，號(hào)稱(chēng)工業(yè)的牙齒，做為金屬切削用合金隨著組分變化衍生出針對(duì)各種材質(zhì)牌號(hào)。
碳化鎢基硬質(zhì)合金由于其高強(qiáng)度、高硬度、高耐磨性和高紅硬性，被廣泛地用作切削刀具、礦山工具和耐磨零件等，從沖擊韌性和耐磨性綜合要求而言，低鈷粗晶粒合金結(jié)構(gòu)能滿(mǎn)足這種要求。但是目前我國(guó)對(duì)金屬陶瓷在性能方面的改進(jìn)仍不理想，現(xiàn)有金屬陶瓷的洛氏硬度和抗彎強(qiáng)度仍有待進(jìn)一步提高。
技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：
本發(fā)明的目的是提供一種刀具用高耐磨合金材料及其制備方法，該合金材料中加入了晶粒細(xì)化劑，從而在燒結(jié)時(shí)抑制了晶粒的生長(zhǎng)，從而提高了硬質(zhì)合金的硬度和耐磨性，同時(shí)，其中添加有增強(qiáng)劑，也能夠進(jìn)一步的提高合金材料的強(qiáng)度和耐磨性能。
本發(fā)明為實(shí)現(xiàn)上述技術(shù)目的所采用的技術(shù)方案為：一種刀具用高耐磨合金材料，該合金材料的原料由基料、基料重量6-8%的晶粒細(xì)化劑和基料重量4-5%的增強(qiáng)劑組成，其中，按照重量比，基料由55-60份的納米碳化鈦、8-12份的納米氮化鈦、12-14份的碳化鎢、7-9份的碳化鈮、5-7份銅粉和3-5份鈷粉，晶粒細(xì)化劑由5-7份的碳化鉻、4-5份的硼化鋯、2-3份的氧化鈰、1-2份碳化鉬和1-2份的氮化鎂組成，增強(qiáng)劑為12-16份的納米晶勃姆石、4-6份的氮化錳和2-3份的氮化鋁混合而成。
所述晶粒細(xì)化劑中還含有1-2份的碳化鈹。
所述增強(qiáng)劑中還含有0.5-1份的納米碳化硅。
上述刀具用高耐磨合金材料的制備方法，包括以下步驟：
1）按照上述的比例分別稱(chēng)取各材料混合磨粉，并在氫氣氛圍中還原得到貧碳合金粉末，再將貧碳合金粉末壓制成型后真空燒結(jié)，從而得到預(yù)燒結(jié)基體；
2）對(duì)得到的預(yù)燒結(jié)基體在氫氣氛圍中，在1480-1500℃進(jìn)行滲碳處理110分鐘，得到滲碳后的硬質(zhì)合金材料；
3）將滲碳后的硬質(zhì)合金材料放入模具中進(jìn)行燒結(jié)，從而得到產(chǎn)品；
在將滲碳后的硬質(zhì)合金材料放入模具中燒結(jié)之前，預(yù)先在模具的內(nèi)壁涂覆一層保護(hù)涂料，該保護(hù)涂料由有機(jī)基體、有機(jī)基體重量5-7%的鈦白粉以及有機(jī)基體重量12-16%的添加劑混合而成，其中，添加劑為石墨、碳化硅粉和硼化鋯以1:5:10的重量比混合而成，有機(jī)基體為氯磺化聚乙烯、聚氧丙基甘油醚、醋酸乙酯、羧甲基纖維素、正丁醇和吐溫-80以8:6:35:4:12:7的重量比混合而成。
所述燒結(jié)為多段式燒結(jié)，具體步驟如下：
a）在300mpa的壓力下，以40℃/min的升溫速率升至150℃，并在該溫度下保溫30min；
b）保持該壓力，以40℃/min的升溫速率升至400℃，并在該溫度下保溫30min；
c）將壓力增至500mpa，以110℃/min的升溫速率升至800℃，并在該溫度下保溫90min；
d）將燒結(jié)壓力調(diào)至280mpa，以40℃/min的升溫速率升至1100℃，并在該溫度下燒結(jié)5min；
e）以50℃/min的冷卻速率降溫至300℃，然后隨爐冷卻至室溫即完成燒結(jié)。
所述步驟1）中將各材料混合磨粉是指，將各材料混合后加入球磨介質(zhì)進(jìn)行濕磨，濕磨完成后將料漿進(jìn)行過(guò)濾，然后采用噴霧干燥器進(jìn)行霧化干燥，最后得到的粉末粒徑不超過(guò)4微米；其中，球磨介質(zhì)為乙醇和丙酮等體積混合，且球磨介質(zhì)與各材料的原料液固比為400-600ml/kg，球磨的球料比為4-6:1。
所述步驟1）中氫氣氛圍中還原時(shí)，還原溫度為1100℃，還原時(shí)間為60-70min。
所述步驟1）中將貧碳合金粉末壓制成型后真空燒結(jié)是指，先將貧碳合金粉末在240mpa的壓力下壓制成型，而后在溫度1500℃、真空度為1×10-5pa、壓力為20mpa的條件下燒結(jié)80min。
本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比，具有以下優(yōu)點(diǎn)：
1）本發(fā)明采用碳化鉻、硼化鋯、氧化鈰、碳化鉬和氮化鎂共同組成晶粒細(xì)化劑，其中，氧化鈰的加入，能夠固溶到鈷相中，起到抑制晶粒長(zhǎng)大的作用，而且鈰元素相比較于其他元素更活潑，能夠與合金中的雜質(zhì)元素結(jié)合，從而起到凈化晶界、消除部分缺陷的作用；而且，滲碳過(guò)程中，氧化鈰可以減緩鈷相中碳化鎢的溶解析出，進(jìn)而大大減緩了碳化鎢晶粒的長(zhǎng)大，這為制備高性能硬質(zhì)合金提供必要條件。滲碳過(guò)程中，添加氧化鈰的合金晶粒仍然較未添加合金更為細(xì)小，所以最后形成的合金表層晶粒較為細(xì)小；同時(shí)細(xì)小的晶粒促進(jìn)了滲碳反應(yīng)的進(jìn)行，更多的鈷往硬質(zhì)合金內(nèi)部遷移，使得表層低鈷、細(xì)小晶粒，進(jìn)而提高了硬質(zhì)合金表層的硬度；
2）碳化鉻、硼化鋯、碳化鉬和氮化鎂不僅能夠起到抑制晶粒長(zhǎng)大外，而且由于硼化鋯和氮化鎂的加入，還可以提高合金材料的高溫切削硬度和耐磨性；
3）增強(qiáng)劑中的納米晶勃姆石煅燒生成分散狀態(tài)的納米氧化鋁粉，這些納米氧化鋁粉包覆在碳化鎢顆粒表面形成了一層薄膜，該薄膜抑制了碳化鎢晶粒的長(zhǎng)大，起到了細(xì)化晶粒的作用；而且分散態(tài)的納米氧化鋁能夠彌散在基體中，起到固溶強(qiáng)化的作用，提高了合金材料的強(qiáng)度和耐磨性；其中含有的氮化鋁是一種高溫下穩(wěn)定的化合物，其具有有效隔絕硬質(zhì)相中ti、n、c原子向外的擴(kuò)散的作用，從而有效抑制ti、n、c原子在粘接相中的溶解和析出，降低了高溫下生成的碳氮化鈦在粘接相中的溶解度，減少碳氮化鈦在粘接相中溶解析出再長(zhǎng)大導(dǎo)致的n分解，增強(qiáng)碳氮化鈦的穩(wěn)定性，使碳氮化鈦晶粒得到細(xì)化，提高合金材料的硬度和強(qiáng)韌性；
4）本發(fā)明中納米氮化鈦的加入可顯著提高金屬陶瓷綜合力學(xué)性能，納米氮化鈦在粘接相中的溶解占位而降低了硬質(zhì)相在粘接相中的溶解度，由此使硬質(zhì)相的晶粒得到細(xì)化；納米氮化鈦對(duì)錯(cuò)位起釘扎作用，增大了位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)的阻礙；納米氮化鈦易在粘接相中溶解，其還有的鈦對(duì)粘接相金屬起固溶強(qiáng)化作用；
5）本發(fā)明通過(guò)在燒結(jié)的模具中預(yù)先涂覆一層保護(hù)涂料，該保護(hù)涂料以氯磺化聚乙烯、聚氧丙基甘油醚、醋酸乙酯、羧甲基纖維素、正丁醇和吐溫-80形成有機(jī)基體，有機(jī)基體的存在，不僅使鈦白粉和添加劑能夠均勻的附著于燒結(jié)材料的外表，而且在高溫下，能夠作為一部分碳源來(lái)彌補(bǔ)燒結(jié)過(guò)程中碳的不足，從而平衡最終產(chǎn)品的碳含量，有助于提高產(chǎn)品的力學(xué)性能；添加劑中含有的碳化硅和硼化鋯也能夠在高溫下參與到合金材料的燒結(jié)中，從而增強(qiáng)合金表層的強(qiáng)度、硬度和耐磨性；
6）本發(fā)明制備的合金材料的硬度最高可達(dá)到hra112.7，抗彎強(qiáng)度最高可達(dá)3017n/mm2，具有良好的耐磨損性能，從而可以有效的延長(zhǎng)所加工刀具的壽命以及提高刀具的切削效率。
具體實(shí)施方式
下面結(jié)合具體實(shí)施例對(duì)本發(fā)明做進(jìn)一步的闡述。本發(fā)明所用的碳化鎢、碳化鈮、銅粉、鈷粉、碳化鉻、硼化鋯、氧化鈰、碳化鉬、氮化鎂、氮化錳和氮化鋁等原料均為超細(xì)粉末，其細(xì)度一般不超過(guò)20微米。
實(shí)施例1
一種刀具用高耐磨合金材料，該合金材料的原料由基料、基料重量6%的晶粒細(xì)化劑和基料重量4%的增強(qiáng)劑組成，其中，按照重量比，基料由55份的納米碳化鈦、8份的納米氮化鈦、12份的碳化鎢、7份的碳化鈮、5份銅粉和3份鈷粉，晶粒細(xì)化劑由5份的碳化鉻、4份的硼化鋯、2份的氧化鈰、1份碳化鉬和1份的氮化鎂組成，增強(qiáng)劑為12份的納米晶勃姆石、4份的氮化錳和2份的氮化鋁混合而成。
上述刀具用高耐磨合金材料的制備方法，包括以下步驟：
1）按照上述的比例分別稱(chēng)取各材料混合磨粉，并在氫氣氛圍中還原得到貧碳合金粉末，再將貧碳合金粉末壓制成型后真空燒結(jié)，從而得到預(yù)燒結(jié)基體；
2）對(duì)得到的預(yù)燒結(jié)基體在氫氣氛圍中，在1480℃進(jìn)行滲碳處理110分鐘，得到滲碳后的硬質(zhì)合金材料；
3）將滲碳后的硬質(zhì)合金材料放入模具中進(jìn)行燒結(jié)，從而得到產(chǎn)品；
其中，在將滲碳后的硬質(zhì)合金材料放入模具中燒結(jié)之前，預(yù)先在模具的內(nèi)壁涂覆一層保護(hù)涂料，該保護(hù)涂料由有機(jī)基體、有機(jī)基體重量5%的鈦白粉以及有機(jī)基體重量12%的添加劑混合而成，其中，添加劑為石墨、碳化硅粉和硼化鋯以1:5:10的重量比混合而成，有機(jī)基體為氯磺化聚乙烯、聚氧丙基甘油醚、醋酸乙酯、羧甲基纖維素、正丁醇和吐溫-80以8:6:35:4:12:7的重量比混合而成。
取樣檢測(cè)，該合金材料的硬度hra99.3，抗彎強(qiáng)度最高可達(dá)2980n/mm2。
以上為本實(shí)施例的基本實(shí)施方式，可在以上基礎(chǔ)上做進(jìn)一步的優(yōu)化和改進(jìn)：
如，所述晶粒細(xì)化劑中還含有1份的碳化鈹；
又如，所述增強(qiáng)劑中還含有0.5份的納米碳化硅；
再如，所述燒結(jié)為多段式燒結(jié)，具體步驟如下：
a）在300mpa的壓力下，以40℃/min的升溫速率升至150℃，并在該溫度下保溫30min；
b）保持該壓力，以40℃/min的升溫速率升至400℃，并在該溫度下保溫30min；
c）將壓力增至500mpa，以110℃/min的升溫速率升至800℃，并在該溫度下保溫90min；
d）將燒結(jié)壓力調(diào)至280mpa，以40℃/min的升溫速率升至1100℃，并在該溫度下燒結(jié)5min；
e）以50℃/min的冷卻速率降溫至300℃，然后隨爐冷卻至室溫即完成燒結(jié)；
又再如，所述步驟1）中將各材料混合磨粉是指，將各材料混合后加入球磨介質(zhì)進(jìn)行濕磨，濕磨完成后將料漿進(jìn)行過(guò)濾，然后采用噴霧干燥器進(jìn)行霧化干燥，最后得到的粉末粒徑不超過(guò)4微米；其中，球磨介質(zhì)為乙醇和丙酮等體積混合，且球磨介質(zhì)與各材料的原料液固比為400ml/kg，球磨的球料比為4:1；
又再如，所述步驟1）中氫氣氛圍中還原時(shí)，還原溫度為1100℃，還原時(shí)間為60min；
最后，所述步驟1）中將貧碳合金粉末壓制成型后真空燒結(jié)是指，先將貧碳合金粉末在240mpa的壓力下壓制成型，而后在溫度1500℃、真空度為1×10-5pa、壓力為20mpa的條件下燒結(jié)80min。
實(shí)施例2
一種刀具用高耐磨合金材料，該合金材料的原料由基料、基料重量8%的晶粒細(xì)化劑和基料重量5%的增強(qiáng)劑組成，其中，按照重量比，基料由60份的納米碳化鈦、12份的納米氮化鈦、14份的碳化鎢、9份的碳化鈮、7份銅粉和5份鈷粉，晶粒細(xì)化劑由7份的碳化鉻、5份的硼化鋯、3份的氧化鈰、2份碳化鉬和2份的氮化鎂組成，增強(qiáng)劑為16份的納米晶勃姆石、6份的氮化錳和3份的氮化鋁混合而成。
上述刀具用高耐磨合金材料的制備方法，包括以下步驟：
1）按照上述的比例分別稱(chēng)取各材料混合磨粉，并在氫氣氛圍中還原得到貧碳合金粉末，再將貧碳合金粉末壓制成型后真空燒結(jié)，從而得到預(yù)燒結(jié)基體；
2）對(duì)得到的預(yù)燒結(jié)基體在氫氣氛圍中，在1500℃進(jìn)行滲碳處理110分鐘，得到滲碳后的硬質(zhì)合金材料；
3）將滲碳后的硬質(zhì)合金材料放入模具中進(jìn)行燒結(jié)，從而得到產(chǎn)品；
其中，在將滲碳后的硬質(zhì)合金材料放入模具中燒結(jié)之前，預(yù)先在模具的內(nèi)壁涂覆一層保護(hù)涂料，該保護(hù)涂料由有機(jī)基體、有機(jī)基體重量7%的鈦白粉以及有機(jī)基體重量16%的添加劑混合而成，其中，添加劑為石墨、碳化硅粉和硼化鋯以1:5:10的重量比混合而成，有機(jī)基體為氯磺化聚乙烯、聚氧丙基甘油醚、醋酸乙酯、羧甲基纖維素、正丁醇和吐溫-80以8:6:35:4:12:7的重量比混合而成。
取樣檢測(cè)，該合金材料的硬度hra112.7，抗彎強(qiáng)度最高可達(dá)3017n/mm2。
以上為本實(shí)施例的基本實(shí)施方式，可在以上基礎(chǔ)上做進(jìn)一步的優(yōu)化和改進(jìn)：
如，所述晶粒細(xì)化劑中還含有2份的碳化鈹；
又如，所述增強(qiáng)劑中還含有1份的納米碳化硅；
再如，所述燒結(jié)為多段式燒結(jié)，具體步驟如下：
a）在300mpa的壓力下，以40℃/min的升溫速率升至150℃，并在該溫度下保溫30min；
b）保持該壓力，以40℃/min的升溫速率升至400℃，并在該溫度下保溫30min；
c）將壓力增至500mpa，以110℃/min的升溫速率升至800℃，并在該溫度下保溫90min；
d）將燒結(jié)壓力調(diào)至280mpa，以40℃/min的升溫速率升至1100℃，并在該溫度下燒結(jié)5min；
e）以50℃/min的冷卻速率降溫至300℃，然后隨爐冷卻至室溫即完成燒結(jié)；
又再如，所述步驟1）中將各材料混合磨粉是指，將各材料混合后加入球磨介質(zhì)進(jìn)行濕磨，濕磨完成后將料漿進(jìn)行過(guò)濾，然后采用噴霧干燥器進(jìn)行霧化干燥，最后得到的粉末粒徑不超過(guò)4微米；其中，球磨介質(zhì)為乙醇和丙酮等體積混合，且球磨介質(zhì)與各材料的原料液固比為600ml/kg，球磨的球料比為6:1；
又再如，所述步驟1）中氫氣氛圍中還原時(shí)，還原溫度為1100℃，還原時(shí)間為70min；
最后，所述步驟1）中將貧碳合金粉末壓制成型后真空燒結(jié)是指，先將貧碳合金粉末在240mpa的壓力下壓制成型，而后在溫度1500℃、真空度為1×10-5pa、壓力為20mpa的條件下燒結(jié)80min。
實(shí)施例3
一種刀具用高耐磨合金材料，該合金材料的原料由基料、基料重量7%的晶粒細(xì)化劑和基料重量4.5%的增強(qiáng)劑組成，其中，按照重量比，基料由57.5份的納米碳化鈦、10份的納米氮化鈦、13份的碳化鎢、8份的碳化鈮、6份銅粉和4份鈷粉，晶粒細(xì)化劑由6份的碳化鉻、4.5份的硼化鋯、2.5份的氧化鈰、1.5份碳化鉬和1.5份的氮化鎂組成，增強(qiáng)劑為14份的納米晶勃姆石、5份的氮化錳和2.5份的氮化鋁混合而成。
上述刀具用高耐磨合金材料的制備方法，包括以下步驟：
1）按照上述的比例分別稱(chēng)取各材料混合磨粉，并在氫氣氛圍中還原得到貧碳合金粉末，再將貧碳合金粉末壓制成型后真空燒結(jié)，從而得到預(yù)燒結(jié)基體；
2）對(duì)得到的預(yù)燒結(jié)基體在氫氣氛圍中，在1490℃進(jìn)行滲碳處理110分鐘，得到滲碳后的硬質(zhì)合金材料；
3）將滲碳后的硬質(zhì)合金材料放入模具中進(jìn)行燒結(jié)，從而得到產(chǎn)品；
其中，在將滲碳后的硬質(zhì)合金材料放入模具中燒結(jié)之前，預(yù)先在模具的內(nèi)壁涂覆一層保護(hù)涂料，該保護(hù)涂料由有機(jī)基體、有機(jī)基體重量6%的鈦白粉以及有機(jī)基體重量14%的添加劑混合而成，其中，添加劑為石墨、碳化硅粉和硼化鋯以1:5:10的重量比混合而成，有機(jī)基體為氯磺化聚乙烯、聚氧丙基甘油醚、醋酸乙酯、羧甲基纖維素、正丁醇和吐溫-80以8:6:35:4:12:7的重量比混合而成。
取樣檢測(cè)，該合金材料的硬度hra107.5，抗彎強(qiáng)度最高可達(dá)2997n/mm2。
以上為本實(shí)施例的基本實(shí)施方式，可在以上基礎(chǔ)上做進(jìn)一步的優(yōu)化和改進(jìn)：
如，所述晶粒細(xì)化劑中還含有1.5份的碳化鈹；
又如，所述增強(qiáng)劑中還含有0.75份的納米碳化硅；
再如，所述燒結(jié)為多段式燒結(jié)，具體步驟如下：
a）在300mpa的壓力下，以40℃/min的升溫速率升至150℃，并在該溫度下保溫30min；
b）保持該壓力，以40℃/min的升溫速率升至400℃，并在該溫度下保溫30min；
c）將壓力增至500mpa，以110℃/min的升溫速率升至800℃，并在該溫度下保溫90min；
d）將燒結(jié)壓力調(diào)至280mpa，以40℃/min的升溫速率升至1100℃，并在該溫度下燒結(jié)5min；
e）以50℃/min的冷卻速率降溫至300℃，然后隨爐冷卻至室溫即完成燒結(jié)；
又再如，所述步驟1）中將各材料混合磨粉是指，將各材料混合后加入球磨介質(zhì)進(jìn)行濕磨，濕磨完成后將料漿進(jìn)行過(guò)濾，然后采用噴霧干燥器進(jìn)行霧化干燥，最后得到的粉末粒徑不超過(guò)4微米；其中，球磨介質(zhì)為乙醇和丙酮等體積混合，且球磨介質(zhì)與各材料的原料液固比為500ml/kg，球磨的球料比為5:1；
又再如，所述步驟1）中氫氣氛圍中還原時(shí)，還原溫度為1100℃，還原時(shí)間為65min；
最后，所述步驟1）中將貧碳合金粉末壓制成型后真空燒結(jié)是指，先將貧碳合金粉末在240mpa的壓力下壓制成型，而后在溫度1500℃、真空度為1×10-5pa、壓力為20mpa的條件下燒結(jié)80min。