一種硬質(zhì)合金刀片及其制備方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種硬質(zhì)合金刀片及其制備方法。硬質(zhì)合金刀片包括硬質(zhì)合金刀片基體和涂層，硬質(zhì)合金刀片基體是以Co作為粘結(jié)相，以碳化鎢和含鈦立方相化合物作為硬質(zhì)相，粘結(jié)相中固溶有W元素和Cr元素，W元素占粘結(jié)相的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為2wt.％～10wt.％，Cr元素占粘結(jié)相的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1wt.％～10wt.％，含鈦立方相化合物為包含有Ta元素和Nb元素中的一種或兩種以及Ti元素的碳氮化合物，碳化鎢的晶粒分布具有雙峰結(jié)構(gòu)。制備方法包括配料、混合制粉、壓制成型、燒結(jié)和涂層制備。本發(fā)明的硬質(zhì)合金刀片具有高硬度、韌性和強(qiáng)度且切削性能優(yōu)越穩(wěn)定的優(yōu)點(diǎn)，通用性強(qiáng)，適合各種加工領(lǐng)域，制備方法工藝簡(jiǎn)單、成本低。
【專利說(shuō)明】
一種硬質(zhì)合金刀片及其制備方法
技術(shù)領(lǐng)域
[0001] 本發(fā)明涉及一種硬質(zhì)合金刀片，尤其涉及一種具有非均勻WC粒度分布的表層缺立 方相梯度結(jié)構(gòu)的硬質(zhì)合金涂層刀片。
【背景技術(shù)】
[0002] 制造金屬切削刀具的材料必須具有很高的高溫硬度和耐磨性，具有必要的抗彎強(qiáng) 度、沖擊韌性和化學(xué)惰性，以及良好的工藝性(切削加工、鍛造和熱處理等），且不易變形。然 而，材料硬度越高，其韌性就越低，亦即是說(shuō)材料的硬度和韌性很難同時(shí)兼?zhèn)洹，F(xiàn)有技術(shù)采 用非均勻結(jié)構(gòu)或梯度結(jié)構(gòu)來(lái)改進(jìn)硬質(zhì)合金的性能，例如專利文獻(xiàn)US4277283號(hào)美國(guó)專利文 獻(xiàn)，以及CN1079179A號(hào)中國(guó)專利文獻(xiàn)已經(jīng)公開了表層缺立方相結(jié)構(gòu)的硬質(zhì)合金基體及其制 備方法。在刀片基體表面涂層的制備中，在刀具表面涂覆高硬度的涂層(如TiN、TiC、TiCN、 CrN等)可減輕刀片的磨蝕磨損、粘結(jié)磨損和擴(kuò)散磨損，增加刀片的耐用度;而在刀片表面涂 覆高硬度的Al2〇3涂層可以有效避免氧化磨損，例如US4490191號(hào)美國(guó)專利文獻(xiàn)以及 CN1091683A號(hào)中國(guó)專利文獻(xiàn)等公開了氧化物涂層刀具的制備方法以及各種提高氧化物涂 層附著性能的預(yù)處理方法。但是上述的文獻(xiàn)中只是單獨(dú)從一個(gè)角度對(duì)切削刀片的性能進(jìn)行 優(yōu)化，切削刀片通用性不高，具有一定的局限性。為了使切削刀片具有一定的通用性并適用 于各種加工領(lǐng)域，有必要對(duì)刀片基體和刀片涂層的微觀結(jié)構(gòu)和各項(xiàng)參數(shù)指標(biāo)作進(jìn)一步調(diào)整 制備出通用性高且切削性能優(yōu)越穩(wěn)定的切削刀片。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003] 本發(fā)明要解決的技術(shù)問(wèn)題是克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種同時(shí)具有高硬度、韌 性和強(qiáng)度且切削性能優(yōu)越穩(wěn)定的硬質(zhì)合金刀片。該硬質(zhì)合金刀片通用性強(qiáng)，適合各種加工 領(lǐng)域，尤其涉及到包括鑄鐵、合金鋼、不銹鋼等金屬材料的加工。
[0004] 為解決上述技術(shù)問(wèn)題，本發(fā)明采用以下技術(shù)方案：
[0005] -種硬質(zhì)合金刀片，包括硬質(zhì)合金刀片基體和設(shè)于所述硬質(zhì)合金刀片基體上的涂 層，所述硬質(zhì)合金刀片基體是以Co作為粘結(jié)相，以碳化鎢和含鈦立方相化合物作為硬質(zhì)相， 所述硬質(zhì)合金刀片基體中，所述粘結(jié)相的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為4wt. %~10wt. %，所述含鈦立方相化 合物的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為2wt. %~8wt. %，其余為碳化鎢;所述粘結(jié)相中固溶有W元素和Cr元素， 所述W元素占粘結(jié)相的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為2wt. %~10wt. %，所述Cr元素占粘結(jié)相的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為 lwt. %~10wt. % ;所述含鈦立方相化合物為包含有Ta元素和Nb元素中的一種或兩種以及 Ti元素的碳氮化合物;所述碳化媽的晶粒分布具有雙峰結(jié)構(gòu)，一個(gè)峰介于0.3μηι~0.9μηι之 間，另一個(gè)峰介于1.2μηι~3.5μηι之間。
[0006] 上述的硬質(zhì)合金刀片中，優(yōu)選的，所述含鈦立方相化合物中Ti原子與含鈦立方相 化合物中所有金屬原子的原子比為0.45~0.70;所述硬質(zhì)合金刀片基體中N元素與Ti元素 的原子比為0.1~0.2。
[0007] 上述的硬質(zhì)合金刀片中，優(yōu)選的，所述硬質(zhì)合金刀片基體具有平均粘結(jié)相含量(質(zhì) 量分?jǐn)?shù))為標(biāo)稱粘結(jié)相含量1~2倍的含鈦立方相化合物缺失的表層結(jié)構(gòu)，所述表層結(jié)構(gòu)的 厚度為5μηι~50μηι。
[0008] 上述的硬質(zhì)合金刀片中，優(yōu)選的，所述硬質(zhì)合金刀片基體中，所述粘結(jié)相的質(zhì)量分 數(shù)為5wt. %~8wt. % ;和/或，所述W元素占粘結(jié)相的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為4wt. %~8wt. %，所述Cr元 素占粘結(jié)相的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為4wt. %~8wt. %。
[0009] 上述的硬質(zhì)合金刀片中，優(yōu)選的，所述Cr元素是以金屬固溶體或Cr的碳化物形式 加入。
[0010] 為了進(jìn)一步提高硬質(zhì)合金刀片的性能，上述的硬質(zhì)合金刀片中，優(yōu)選的，所述硬質(zhì) 合金刀片基體上設(shè)有細(xì)晶多層涂層，由里到外依次包括有：
[0011] 最里層的TiN層，厚度為Ο.?μπι~Ιμπι，所述TiN層的晶粒為等軸晶粒，平均晶粒度彡 0.5μπι ；
[0012] 一層TiCN層，厚度為3μπι~12μπι，所述TiCN層的晶粒為柱狀晶，平均晶粒度為0·2μπι ~1. Oym，柱狀晶晶粒的長(zhǎng)徑比大于5;
[0013] 最外層的α-Α?2〇3層，厚度為2μηι~ΙΟμπι，平均晶粒度為0 · 2μηι~2 · Ομπι。
[0014] 作為一個(gè)總的技術(shù)構(gòu)思，本發(fā)明還提供了一種上述的硬質(zhì)合金刀片的制備方法， 包括以下步驟：
[0015] (1)配料:選用Co金屬粉、含鈦立方相化合物和碳化鎢粉作為原料，各原料的質(zhì)量 百分比為：
[0017]其中，所述含鈦立方相化合物為包含有Ta元素和Nb元素中的一種或兩種以及Ti元 素的碳氮化合物;所述碳化鎢粉包括粗碳化鎢粉和細(xì)碳化鎢粉，所述粗碳化鎢粉的平均粒 度為3μπ?~ΙΟμL?，所述細(xì)碳化鎢粉的平均粒度為0 · 5μπ?~1 · 5μπ?，所述細(xì)碳化鎢粉與粗碳化鎢 粉的質(zhì)量比為0.1~0.5:1;
[0018] (2)混合制粉:先將細(xì)碳化鎢粉和Co金屬粉進(jìn)行混合并預(yù)球磨，然后加入粗碳化鎢 粉、含鈦立方相化合物和成型劑進(jìn)行球磨，球磨后干燥，得到混合料粉末；
[0019] (3)壓制成型:將所述混合料粉末壓制成型，得到壓坯；
[0020] (4)燒結(jié)：
[0021] (4.1)脫成型劑:將步驟(3)所得壓坯置于氫氣氣氛中，升溫至成型劑脫除溫度，以 脫除成型劑；
[0022] (4.2)第一燒結(jié)保溫階段:脫成型劑后，真空條件下繼續(xù)升溫?zé)Y(jié)，待燒結(jié)溫度升 至1320°C~1370°C時(shí)，通入20mbar~60mbar的Ar保護(hù)氣體，在Ar氣氛下保溫?zé)Y(jié)0 · 5h~lh;
[0023] (4.3)第二燒結(jié)保溫階段:第一燒結(jié)保溫階段結(jié)束后，在真空環(huán)境下升溫?zé)Y(jié)，待 燒結(jié)溫度升至140CTC~147CTC時(shí)，通入30mbar~120mbar的Ar保護(hù)氣體，在Ar氣氛下保溫?zé)?結(jié)0.5h~1.5h;
[0024] (4.4)第一冷卻階段：第二燒結(jié)保溫階段結(jié)束后，保持Ar氣氛，冷卻至1150°C~ 1250 〇C；
[0025] (4.5)第二冷卻階段:第一冷卻階段結(jié)束后，通入氫氣，在氫氣氣氛下冷卻至室溫， 得到硬質(zhì)合金刀具基體；
[0026] (5)涂層制備:在步驟(4.5)所得硬質(zhì)合金刀具基體上制備涂層。
[0027] 上述的硬質(zhì)合金刀片的制備方法中，優(yōu)選的，所述步驟（1)中，所述粗碳化鎢粉的 平均粒度為5μπ?~ΙΟμL?，所述細(xì)碳化鎢粉的平均粒度為0.8μπ?~1.2μπ?，所述細(xì)碳化鎢粉與粗 碳化鎢粉的質(zhì)量比為0.2~0.4:1。
[0028] 上述的硬質(zhì)合金刀片的制備方法中，優(yōu)選的，所述步驟(5)中，所述涂層采用常規(guī) CVD方法制備得到。
[0029] 本發(fā)明中，所述含鈦立方相化合物可以是由多種單一金屬元素的碳化物、氮化物、 碳氮化物粉末形式獨(dú)立添加（比如以 照具體成分進(jìn)行必要的組合后添加），也可以是由含有兩種或兩種以上金屬元素的碳化物、 氮化物、碳氮化物構(gòu)成的復(fù)合化合物形式添加（比如以（Ti，W) C、（Ta，Nb)C、（ Ti，Ta，Nb) C、 (Ti，Ta，Nb)CN等形式按照具體成分進(jìn)行必要的組合后添加），優(yōu)選以復(fù)合化合物形式添加。
[0030] 本發(fā)明的硬質(zhì)合金刀片基體中，W元素占粘結(jié)相的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為2wt. %~10wt. %， 結(jié)合以下計(jì)算公式，可得出在制備方法的燒結(jié)過(guò)程中，需控制C/W原子比在0.78~0.90之 間。
[0031] 本發(fā)明中，粘結(jié)相中固溶的W元素含量的計(jì)算方法如下：
[0032] W% = [l-C/W原子比]Χ100%/1·74，
[0033] C/W原子比= σ/16· 1+1 · 13Xwt. %Cr/wt. %Co，
[0034] 〇為合金的飽和磁矩，單位yTm3/Kg。
[0035] Cr元素含量可采用能譜方法測(cè)量。
[0036] 與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)在于：
[0037] 1、本發(fā)明的硬質(zhì)合金刀片基體成分中可同時(shí)加入03&、他、1^等過(guò)渡金屬元素， 組合了Cr元素和Ta、Nb、Ti立方化合物的優(yōu)點(diǎn)，其中Cr元素增強(qiáng)了WC/Co界面強(qiáng)度和韌性，提 高了粘結(jié)相的抗氧化能力和擴(kuò)散能力，Ta、Nb、Ti的立方碳化物或碳氮化物能提高硬質(zhì)合金 的硬度和高溫性能；另外，通過(guò)優(yōu)化粘結(jié)相中W元素含量，提高粘結(jié)相的硬度、抗氧化能力， 從而提高硬質(zhì)合金的硬度和高溫性能。
[0038] 2、本發(fā)明的硬質(zhì)合金刀片基體具有平均粘結(jié)相含量為標(biāo)稱粘結(jié)相含量1~2倍的 含鈦立方相化合物缺失的表層結(jié)構(gòu)，高Co含量的含鈦立方相化合物缺失的表層結(jié)構(gòu)可以有 效的抑制CVD涂層裂紋向基體內(nèi)部的擴(kuò)展，這使得切削刀具具有優(yōu)良的刃口強(qiáng)度和抗沖擊 性能。
[0039] 3、本發(fā)明的硬質(zhì)合金刀片基體對(duì)Ti在含鈦立方相化合物所有金屬原子中的比例 (如Ti/(Ti+Ta+Nb))以及N/Ti比例進(jìn)行了精確的控制，從而實(shí)現(xiàn)組織結(jié)構(gòu)以及力學(xué)性能的 最優(yōu)化。通過(guò)對(duì)Ti在含鈦立方相化合物所有金屬原子中比例的精確控制可以提高立方相固 溶體成分均勻性、改善立方相固溶體與WC以及與粘結(jié)相之間界面的結(jié)合強(qiáng)度和韌性，從而 提高合金的力學(xué)性能;通過(guò)對(duì)N/Ti比例的精確控制可以提高表層高韌性的梯度結(jié)構(gòu)(包括 厚度和化學(xué)成分)的精確控制。
[0040] 4、本發(fā)明的硬質(zhì)合金刀片基體WC具有雙峰結(jié)構(gòu)，粗細(xì)兩種晶粒均勻分布在基體中 可以看作是具有高硬度和高強(qiáng)度的亞微米或者超細(xì)合金與韌性的粗晶合金的復(fù)合，它在相 同的硬度下具有更好的韌性和強(qiáng)度。
[0041] 5、本發(fā)明的硬質(zhì)合金刀片在基體上涂有細(xì)晶多層涂層，有優(yōu)異耐磨性、抗高溫塑 性變形能力和良好抗沖擊性能的硬質(zhì)合金基體結(jié)合TiN/TiCN/Al2〇3的多層CVD涂層，經(jīng)測(cè)試 試驗(yàn)表明，本發(fā)明的硬質(zhì)合金刀片具有出色的抗塑性變形能力和抗月牙洼磨損能力，還具 備優(yōu)良的斷裂韌性和抗熱裂紋擴(kuò)展能力，非常適合普通鋼、不銹鋼的半精加工和精加工。
【附圖說(shuō)明】
[0042] 圖1是本發(fā)明實(shí)施例1中硬質(zhì)合金刀片基體的截面和芯部金相結(jié)構(gòu)圖。
[0043] 圖2是本發(fā)明實(shí)施例2中硬質(zhì)合金刀片基體的截面和芯部金相結(jié)構(gòu)圖。
[0044] 圖3是本發(fā)明實(shí)施例3中硬質(zhì)合金刀片基體的截面和芯部金相結(jié)構(gòu)圖。
[0045] 圖4是對(duì)比例1硬質(zhì)合金刀片基體的截面和芯部金相結(jié)構(gòu)圖。
[0046] 其中，左邊圖為截面SEM照片，左邊圖的白色橫線是用于區(qū)分表層和芯部的輔助 線，右邊圖為芯部SEM照片，黑色物質(zhì)為粘結(jié)相，白色物質(zhì)為WC，灰色物質(zhì)為含鈦立方相化合 物。
【具體實(shí)施方式】
[0047] 以下結(jié)合說(shuō)明書附圖和具體優(yōu)選的實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步描述，但并不因此而 限制本發(fā)明的保護(hù)范圍。
[0048] 實(shí)施例1:
[0049] 一種本發(fā)明的硬質(zhì)合金刀片，刀片型號(hào)為WNMG080408。該硬質(zhì)合金刀片包括硬質(zhì) 合金刀片基體和設(shè)于硬質(zhì)合金刀片基體上的涂層。本實(shí)施例硬質(zhì)合金刀片基體成分見表1 和表2。以5.6wt. % (不包括固溶的W和Cr)的Co金屬作為粘結(jié)相，以WC和含鈦立方相化合物 作為硬質(zhì)相，余量為WC。在粘結(jié)相中固溶有W、Cr元素，粘結(jié)相中Cr固溶含量為3.2wt. % (Cr 元素占粘結(jié)相的質(zhì)量分?jǐn)?shù)），Cr元素以Cr3C2形式加入，W固溶含量為5.6wt.%(W元素占粘結(jié) 相的質(zhì)量分?jǐn)?shù)）。硬質(zhì)合金刀片基體具有平均粘結(jié)相含量為標(biāo)稱Co粘結(jié)相含量1.5倍的含鈦 立方相化合物缺失的表層結(jié)構(gòu)，表層結(jié)構(gòu)的厚度為15μπι。合金中含鈦立方相化合物的平均 粒徑為2.(^111，1^/(11+了 &+恥)原子比為0.6 4/11原子比為0.18。碳化鎢1(：晶粒分布具有雙 峰結(jié)構(gòu)，其中一個(gè)峰為〇.5μηι，另一個(gè)峰為2. Ομπι。本實(shí)施例的硬質(zhì)合金刀片基體的截面和芯 部金相結(jié)構(gòu)圖如圖1所示，性能參數(shù)見表3。
[0050]該硬質(zhì)合金基體上有細(xì)晶多層涂層(CVD涂層），由里到外依次包括有：
[00511 -最里層的TiN層，厚度為0.5μπι，該層晶粒為等軸晶粒，平均晶粒度0.2μπι;
[0052]--層TiCN層，厚度為7μπι，該層晶粒為柱狀晶，平均晶粒度為0.8μπι，柱狀晶粒長(zhǎng)徑 比為9;
[0053]-最外層的a-Ah〇3層，厚度為6μηι，平均晶粒度為1 ·6μηι。
[0054] 一種上述本實(shí)施例的硬質(zhì)合金刀片的制備方法，包括以下步驟：
[0055] (1)配料：按比例配制混合原料粉末，本實(shí)施例中5.6wt. %的Co粉、2.5wt. %的 (11，￥)(：、0.9￥1%的110).5~.5、2.3￥1%的（了&，恥)(：，0.2^^.%的〇3〇2粉末，余量^：粉。賈： 粉包括粗、細(xì)兩種不同粒度的WC粉，粗WC粉的平均粒度為5 . Ομπι，細(xì)WC粉的平均粒度為Ο . 6μ m;細(xì)WC粉和粗WC粉的質(zhì)量比為0.3:1;硬質(zhì)合金基體中C/W原子比等于0.9。在配料時(shí)根據(jù)合 金成分的需要適當(dāng)添加少量的C粉或W粉來(lái)控制燒結(jié)后合金的C/W原子比，從而控制粘結(jié)相 中W的固溶含量。由于具體操作過(guò)程中存在很多變量，受到諸如原料氧含量、球磨過(guò)程、燒結(jié) 氣氛等很多因素的影響，此處需根據(jù)硬質(zhì)合金成分的需要來(lái)添加 C粉或W粉才能控制合金C/ W原子比，在配料過(guò)程中是無(wú)法給出具體量的，但行業(yè)內(nèi)的技術(shù)人員是具有這種調(diào)整能力 的。
[0056] (2)混合制粉:先將細(xì)WC粉和Co粉混合后用球磨機(jī)預(yù)球磨12h，然后配入準(zhǔn)備好的 粗WC粉、（Ti，W)C、TiCo. 5N〇. 5、（Ta，Nb) C粉和Cr3C2粉末，加上成型劑(可采用常規(guī)成型劑，對(duì)應(yīng) 的成型劑脫除溫度是已知的，成型劑占原料總量的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為2wt. %~3wt. %均可）和配 料用酒精攪拌均勻進(jìn)行球磨(球磨時(shí)間在20h~30h均可），球磨后干燥制成混合料粉末； [0057] (3)壓制:將上述混合料粉末壓制成型，得到壓坯；
[0058] (4)燒結(jié)：將上述壓坯進(jìn)行高溫?zé)Y(jié)后得到本實(shí)施例1中的硬質(zhì)合金刀片基體，具 體過(guò)程如下：
[0059] (4.1)脫成型劑:先將上述壓坯置于燒結(jié)爐中，在氫氣氣氛下升溫至成型劑脫除溫 度，以脫除成型劑；
[0060] (4.2)第一燒結(jié)保溫階段:從成型劑脫除溫度繼續(xù)升溫進(jìn)行升溫?zé)Y(jié)，升溫至1320 °C，保溫0.5小時(shí)(優(yōu)選步驟），繼續(xù)升溫至1350°C，通入60mbar氬氣，在氬氣保護(hù)下燒結(jié)lh; [0061 ] (4.3)第二燒結(jié)保溫階段：第一燒結(jié)保溫階段結(jié)束后，在真空環(huán)境下繼續(xù)升溫?zé)?結(jié)，待燒結(jié)爐內(nèi)溫度升至1450°C，進(jìn)入保溫階段，開始通入SOmbar氬氣，保溫1小時(shí)；
[0062] (4.4)第一冷卻階段:第二燒結(jié)保溫階段結(jié)束后，保持燒結(jié)爐內(nèi)氬氣氣氛冷卻到 1180。。；
[0063] (4.5)第二冷卻階段:隨后通入氫氣并在氫氣氣氛下冷卻到室溫，最終得到表層梯 度結(jié)構(gòu)的厚度為15μπι的硬質(zhì)合金刀片基體，其顯微組織形貌見圖1，性能參數(shù)見表3。
[0064] 在上述燒結(jié)過(guò)程中，W溶解到Co相中，溶解度的大小受到C/W比的控制，而C/W比的 控制在步驟（1)中已經(jīng)說(shuō)明，通過(guò)調(diào)整C粉添加比例來(lái)調(diào)整，
【發(fā)明內(nèi)容】
中已經(jīng)給出了W含量的 計(jì)算公式。
[0065] (5)制備涂層:采用常規(guī)CVD涂層技術(shù)在上述所得硬質(zhì)合金刀片基體上由里到外依 次制備TiN層、TiCN層和α-Α1 2〇3層。
[0066] 實(shí)施例2:
[0067] 一種本發(fā)明的硬質(zhì)合金刀片，刀片型號(hào)為WNMG080408。該硬質(zhì)合金刀片包括硬質(zhì) 合金刀片基體和設(shè)于硬質(zhì)合金刀片基體上的涂層。本實(shí)施例硬質(zhì)合金刀片基體成分見表1 和表2，以6.8wt. % Co金屬作為粘結(jié)相，以WC和含鈦立方相化合物作為硬質(zhì)相，余量為WC。在 粘結(jié)相中固溶有W、Cr元素，粘結(jié)相中Cr固溶含量為4.8wt. %，Cr元素以Cr3C2形式加入，W固 溶含量為6.5wt. %。硬質(zhì)合金刀片基體具有平均粘結(jié)相含量為標(biāo)稱Co粘結(jié)相含量1.7倍的 含鈦立方相化合物缺失的表層結(jié)構(gòu)，表層結(jié)構(gòu)的厚度為20μπι。合金中含鈦立方相化合物的 平均粒徑為2.2以111，1^/(11+了 &+恥)原子比為0.6 4/11原子比為0.18。碳化鎢(1〇晶粒分布 具有雙峰結(jié)構(gòu)，其中一個(gè)峰為0.7μπι，另一個(gè)峰為3. Ομπι。本實(shí)施例的硬質(zhì)合金刀片基體的截 面和芯部金相結(jié)構(gòu)圖如圖2所示，性能參數(shù)見表3。
[0068]該硬質(zhì)合金基體上有細(xì)晶多層涂層，由里到外依次包括有：
[0069]-最里層的TiN層，厚度為0.4μπι，該層晶粒為等軸晶粒，平均晶粒度0.2μπι;
[0070]-一層TiCN層，厚度為8μπι，該層晶粒為柱狀晶，平均晶粒度為0.8μπι，柱狀晶粒長(zhǎng)徑 比為10;
[0071 ]-最外層的a-Ah〇3層，厚度為5μηι，平均晶粒度為1 ·5μηι。
[0072] -種上述本實(shí)施例的硬質(zhì)合金刀片基體的制備方法，制備步驟與實(shí)施例1基本相 同，區(qū)別僅在于:6.8￥扒％的(：〇粉、2.5￥1%的（1^，'\〇(：、0.9￥1%的1^(：。.5~.5、2.2￥1%的 (Ta，Nb) C，0.38 %的Cr3C2，余量WC粉，合金中C/W原子比等于0.88，WC粉包括粗、細(xì)兩種不同 粒度的WC粉，粗WC粉的平均粒度為8 · Ομπι，細(xì)WC粉的平均粒度為0 · 8μπι;細(xì)WC粉和粗WC粉的質(zhì) 量比為0.25:1。
[0073] 實(shí)施例3:
[0074] 一種本發(fā)明的硬質(zhì)合金刀片，刀片型號(hào)為WNMG080408。該硬質(zhì)合金刀片包括硬質(zhì) 合金刀片基體和設(shè)于硬質(zhì)合金刀片基體上的涂層。本實(shí)施例硬質(zhì)合金刀片基體成分見表1 和表2，以8.4wt. % Co金屬作為粘結(jié)相，以WC和含鈦立方相化合物作為硬質(zhì)相，余量為WC。在 粘結(jié)相中固溶有W、Cr元素，粘結(jié)相中Cr固溶含量為6.8wt. %，Cr元素以Cr3C2形式加入，W固 溶含量為6.3wt. %。硬質(zhì)合金刀片基體具有平均粘結(jié)相含量為標(biāo)稱Co粘結(jié)相含量1.8倍的 含鈦立方相化合物缺失的表層結(jié)構(gòu)，厚度為20μπι。合金中含鈦立方相化合物的平均粒徑為 1.5ym，Ti/(Ti+Ta+Nb)原子比為0.65，N/Ti原子比為0.17。碳化鎢(WC)晶粒分布具有雙峰結(jié) 構(gòu)，其中一個(gè)峰為〇. 9μπι，另一個(gè)峰為3.2μπι。本實(shí)施例的硬質(zhì)合金刀片基體的截面和芯部金 相結(jié)構(gòu)圖如圖3所示，性能參數(shù)見表3。
[0075]該硬質(zhì)合金基體上有細(xì)晶多層涂層，由里到外依次包括有：
[0076]-最里層的TiN層，厚度為0 · 6μπι，該層晶粒為等軸晶粒，平均晶粒度0 · 22μπι;
[0077]-一層TiCN層，厚度為7.5μπι，該層晶粒為柱狀晶，平均晶粒度為0.9μπι，柱狀晶粒長(zhǎng) 徑比為8;
[0078]-最外層的a-Ah〇3層，厚度為6·4μηι，平均晶粒度為1 ·8μηι。
[0079] -種上述本實(shí)施例的硬質(zhì)合金刀片基體的制備方法，制備步驟與實(shí)施例1基本相 同，區(qū)別僅在于：8.4wt · % 的Co 粉、4.0wt ·% 的（Ti，W)C、l .Owt · % 的TiC〇.5N〇.5、6 .Owt · % 的 (Ta，Nb) C，0.60 %的Cr3C2，余量WC粉，合金中C/W原子比等于0.89，WC粉包括粗、細(xì)兩種不同 粒度的WC粉，粗WC粉的平均粒度為10 · Ομπι，細(xì)WC粉的平均粒度為1 · Ομπι;細(xì)WC粉和粗WC粉的 質(zhì)量比為0.4:1。
[0080] 對(duì)比例1:
[00811 一種現(xiàn)有技術(shù)的型號(hào)為WNMG080408的硬質(zhì)合金涂層刀片，其硬質(zhì)合金刀片基體的 基本成分見表1和表2，性能參數(shù)見表3。硬質(zhì)合金刀片基體的成分包括：5.5wt. %的Co、 1.5wt. %的Ti、2.5wt. %的Ta、2.0wt. %的Nb、0.10wt. %的N，其余為WC，WC平均晶粒度為 2.5μπι，梯度層厚度為5μπι。涂層為細(xì)晶多層涂層，由里到外依次包括有:最里層的TiN層，厚 度為0·5μπι，平均晶粒度0·2μπι;中間TiCN層，厚度為5μπι，平均晶粒度為1·3μπι;最外層的α-Α1 203層，厚度為4μπι，平均晶粒度為2.4μπι。該對(duì)比例的硬質(zhì)合金刀片基體的截面和芯部金相 結(jié)構(gòu)圖如圖4所示。該硬質(zhì)合金涂層刀片是采用常規(guī)方法制備得到。
[0082] 對(duì)比例2:
[0083] 一種現(xiàn)有技術(shù)的型號(hào)為WNMG080408的硬質(zhì)合金涂層刀片，其硬質(zhì)合金刀片基體的 基本成分見表1和表2，性能參數(shù)見表3。硬質(zhì)合金刀片基體的成分包括：6.5wt. %的Co、 2.0wt. %的Ti、2.5wt. %的Ta、1.5wt. %的Nb、0.08wt. %的N，其余為WC，WC平均晶粒度為 2.1M1，梯度層厚度為ΙΟμπι。涂層為細(xì)晶多層涂層，由里到外依次包括有:最里層的TiN層，厚 度為0·5μπι，平均晶粒度0·2μπι;中間TiCN層，厚度為5μπι，平均晶粒度為1·3μπι;最外層的α-Α1 2〇3層，厚度為5μπι，平均晶粒度為2.4μπι。該硬質(zhì)合金涂層刀片是采用常規(guī)方法制備得到。
[0084] 對(duì)比例3:
[0085] 一種現(xiàn)有技術(shù)的型號(hào)為WNMG080408的硬質(zhì)合金涂層刀片，其硬質(zhì)合金刀片基體的 基本成分見表1和表2，性能參數(shù)見表3。硬質(zhì)合金刀片基體的成分包括：8 . Owt. %的Co、 2.8wt. %的Ti、2.0wt. %的Ta、1.5wt. %的Nb、0.08wt. %的N，其余為WC，WC平均晶粒度為 2.6μπι，梯度層厚度為15μπι。涂層為細(xì)晶多層涂層，由里到外依次包括有:最里層的TiN層，厚 度為0.5μπι，平均晶粒度0.2μπι;中間TiCN層，厚度為5.5μπι，平均晶粒度為1.5μπι;最外層的α-Α1 2〇3層，厚度為4μπι，平均晶粒度為2.2μπι。該硬質(zhì)合金涂層刀片是采用常規(guī)方法制備得到。
[0086] 圖1-3中硬質(zhì)合金刀片基體截面和芯部的金相結(jié)構(gòu)，其中黑色物質(zhì)為粘結(jié)相，白色 物質(zhì)為WC，灰色物質(zhì)為含鈦立方相化合物，左邊的圖為截面的金相結(jié)構(gòu)，可以看出圖的上邊 部分黑色的粘結(jié)相多于下邊部分的黑色的粘結(jié)相，上邊部分的灰色含鈦立方相化合物少于 下邊部分灰色含鈦立方相化合物，從而顯示出實(shí)施例1-3的硬質(zhì)合金刀片基體具有梯度結(jié) 構(gòu)；右邊的圖為芯部的金相結(jié)構(gòu)，可以看出白色的WC具有不同的晶粒度，而且小晶粒度的WC 顆粒均勻分布在大晶粒度的WC顆粒周圍，以填充大晶粒度的WC顆粒周圍孔隙，降低堆積孔 隙率，從而降低合金燒結(jié)致密的難度，降低合金的WC晶粒度、鄰接度，提高合金的韌性同時(shí) 灰色立方相化合物顆粒平均粒度更細(xì)小。圖4所示的對(duì)比例1的硬質(zhì)合金刀片基體截面和芯 部的掃描電鏡照片中，左邊圖為截面的金相結(jié)構(gòu)，右邊的圖為芯部的金相結(jié)構(gòu)，可以看出白 色的WC雖具有不同的晶粒度，但是小晶粒度的WC顆粒聚集在一起，大晶粒度的WC顆粒聚集 在一起，并不是均勻分布，灰色立方相化合物顆粒平均粒度更粗，與本發(fā)明硬質(zhì)合金刀片基 體芯部的金相結(jié)構(gòu)是不同的。
[0087] 為了說(shuō)明本發(fā)明的切削刀片基體比普通切削刀片基體具有更優(yōu)異的性能，將實(shí)施 例1-3和對(duì)比例1-3所制備的切削刀片基體的物理和力學(xué)性能進(jìn)行測(cè)試后進(jìn)行比較，如下表 3所示，從表中可以看出：本發(fā)明的硬質(zhì)合金刀片基體的表面均有立方相缺失的表層結(jié)構(gòu)， 而普通的硬質(zhì)合金刀片基體無(wú)立方相缺失的表層結(jié)構(gòu)；本發(fā)明的硬質(zhì)合金刀片基體的密 度、室溫硬度、斷裂韌性和抗彎強(qiáng)度均優(yōu)于普通的硬質(zhì)合金刀片基體，其硬度和斷裂韌性同 時(shí)提高，抗彎強(qiáng)度也明顯更高。
[0088] 表1實(shí)施例1-3和對(duì)比例1-3硬質(zhì)合金刀片基體的化學(xué)成分
[0090] 表2實(shí)施例1-3和對(duì)比例1-3硬質(zhì)合金刀片基體的化學(xué)成分[0091]
[0092]表3實(shí)施例1-3和對(duì)比例1-3硬質(zhì)合金刀片基體的物理和力學(xué)性能
[0095]為了說(shuō)明本發(fā)明的涂層后硬質(zhì)合金刀片具有通用性強(qiáng)且性能優(yōu)越穩(wěn)定的特點(diǎn)，做 以下實(shí)驗(yàn)：
[0096] 對(duì)比試驗(yàn)1:
[0097]以上各實(shí)施例和對(duì)比例的硬質(zhì)合金刀片，進(jìn)行以下切削試驗(yàn)來(lái)對(duì)比刀片的耐磨性 和壽命。切削條件如下表4所示。
[0098]表4:對(duì)比試驗(yàn)1的切削條件參數(shù)
[0100] 測(cè)量刀片后刀面磨損量Vb，當(dāng)Vb達(dá)到或超過(guò)0.3mm時(shí)則認(rèn)為刀片失效。
[0101] 經(jīng)過(guò)試驗(yàn)測(cè)試，各實(shí)施例和對(duì)比例的硬質(zhì)合金刀片的切削時(shí)間和磨損量對(duì)比如下 表5所示。
[0102] 表5對(duì)比試驗(yàn)1結(jié)果
[0103]
[0104] 由上表5試驗(yàn)結(jié)果來(lái)看，實(shí)施例的硬質(zhì)合金刀片相比于對(duì)比例，在不同切削條件下 的切削時(shí)間提高了 10%~25%，切削刀片的壽命明顯延長(zhǎng)，且刀片發(fā)生燒刀的可能性降低， 切削時(shí)的穩(wěn)定性明顯提尚。
[0105] 對(duì)比試驗(yàn)2:
[0106] 以上各實(shí)施例和對(duì)比例的硬質(zhì)合金刀片，進(jìn)行以下切削試驗(yàn)來(lái)對(duì)比刀片的耐磨性 和壽命。切削條件如下表6所示。
[0107]表6:對(duì)比試驗(yàn)2的切削條件參數(shù)
[0109] 測(cè)量刀片后刀面磨損量Vb，當(dāng)Vb達(dá)到或超過(guò)0.3mm時(shí)則認(rèn)為刀片失效。
[0110] 經(jīng)過(guò)試驗(yàn)測(cè)試，各實(shí)施例和對(duì)比例的硬質(zhì)合金刀片的切削時(shí)間和磨損量對(duì)比如下 表7所示。
[0111] 表7對(duì)比試驗(yàn)2結(jié)果
[0113] 由上表7試驗(yàn)結(jié)果來(lái)看，實(shí)施例的硬質(zhì)合金刀片相比于對(duì)比例，其在不同切削條件 下的切削時(shí)間提高了 10%~30%，切削刀片的壽命明顯延長(zhǎng)，且刀片發(fā)生燒刀的可能性降 低，切削時(shí)的穩(wěn)定性明顯提高。
[0114] 對(duì)比試驗(yàn)3:
[0115] 以上各實(shí)施例和對(duì)比例的硬質(zhì)合金刀片，進(jìn)行以下切削試驗(yàn)來(lái)對(duì)比刀片的耐磨性 和壽命。切削條件如下表8所示。
[0116]表8:對(duì)比試驗(yàn)3的切削條件參數(shù)
[0118] 測(cè)量刀片后刀面磨損量Vb，當(dāng)Vb達(dá)到或超過(guò)0.2mm時(shí)則認(rèn)為刀片失效。
[0119] 經(jīng)過(guò)試驗(yàn)測(cè)試，各實(shí)施例和對(duì)比例的硬質(zhì)合金刀片的切削時(shí)間和磨損量對(duì)比如下 表9所示。
[0120] 表9對(duì)比試驗(yàn)3結(jié)果
[0121]
[0122] 由上表9試驗(yàn)結(jié)果來(lái)看，實(shí)施例的硬質(zhì)合金刀片相比于對(duì)比例，在不同切削條件下 的切削時(shí)間提高了 10%~20%，切削刀片的壽命明顯延長(zhǎng)，且刀片發(fā)生燒刀的可能性降低， 切削時(shí)的穩(wěn)定性明顯提尚。
[0123] 以上所述，僅是本發(fā)明的較佳實(shí)施例而已，并非對(duì)本發(fā)明作任何形式上的限制。雖 然本發(fā)明已以較佳實(shí)施例揭示如上，然而并非用以限定本發(fā)明。任何熟悉本領(lǐng)域的技術(shù)人 員，在不脫離本發(fā)明的精神實(shí)質(zhì)和技術(shù)方案的情況下，都可利用上述揭示的方法和技術(shù)內(nèi) 容對(duì)本發(fā)明技術(shù)方案做出許多可能的變動(dòng)和修飾，或修改為等同變化的等效實(shí)施例。因此， 凡是未脫離本發(fā)明技術(shù)方案的內(nèi)容，依據(jù)本發(fā)明的技術(shù)實(shí)質(zhì)對(duì)以上實(shí)施例所做的任何簡(jiǎn)單 修改、等同替換、等效變化及修飾，均仍屬于本發(fā)明技術(shù)方案保護(hù)的范圍內(nèi)。
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 一種硬質(zhì)合金刀片，包括硬質(zhì)合金刀片基體和設(shè)于所述硬質(zhì)合金刀片基體上的涂 層，所述硬質(zhì)合金刀片基體是以Co作為粘結(jié)相，以碳化鎢和含鈦立方相化合物作為硬質(zhì)相， 其特征在于，所述硬質(zhì)合金刀片基體中，所述粘結(jié)相的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為4wt. %~10wt. %，所述 含鈦立方相化合物的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為2wt. %~8wt. %，其余為碳化媽;所述粘結(jié)相中固溶有W元 素和Cr元素，所述W元素占粘結(jié)相的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為2wt. %~10wt. %，所述Cr元素占粘結(jié)相的 質(zhì)量分?jǐn)?shù)為lwt. %~10wt. % ;所述含鈦立方相化合物為包含有Ta元素和Nb元素中的一種 或兩種以及Ti元素的碳氮化合物;所述碳化鎢的晶粒分布具有雙峰結(jié)構(gòu)，一個(gè)峰介于0.3μπι ~0.9μηι之間，另一個(gè)峰介于1.2μηι~3.5μηι之間。2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的硬質(zhì)合金刀片，其特征在于，所述含鈦立方相化合物中Ti原子 與含鈦立方相化合物中所有金屬原子的原子比為0.45~0.70;所述硬質(zhì)合金刀片基體中N 元素與Ti元素的原子比為0.1~0.2。3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的硬質(zhì)合金刀片，其特征在于，所述硬質(zhì)合金刀片基體具有平均 粘結(jié)相含量為標(biāo)稱粘結(jié)相含量1~2倍的含鈦立方相化合物缺失的表層結(jié)構(gòu)，所述表層結(jié)構(gòu) 的厚度為5μηι~50μηι。4. 根據(jù)權(quán)利要求1~3中任一項(xiàng)所述的硬質(zhì)合金刀片，其特征在于，所述硬質(zhì)合金刀片 基體中，所述粘結(jié)相的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為5wt. %~8wt. % ;和/或，所述W元素占粘結(jié)相的質(zhì)量分?jǐn)?shù) 為4wt. %~8wt. %，所述Cr元素占粘結(jié)相的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為4wt. %~8wt. %。5. 根據(jù)權(quán)利要求1~3中任一項(xiàng)所述的硬質(zhì)合金刀片，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。6. 根據(jù)權(quán)利要求1~3中任一項(xiàng)所述的硬質(zhì)合金刀片，其特征在于，所述硬質(zhì)合金刀片 基體上設(shè)有細(xì)晶多層涂層，由里到外依次包括有： 最里層的TiN層，厚度為Ο.?μπ?~Ιμπ?，所述TiN層的晶粒為等軸晶粒，平均晶粒度彡0.5μ m； 一層TiCN層，厚度為3μπι~12μπι，所述TiCN層的晶粒為柱狀晶，平均晶粒度為0.2μπι~ 1. Own，柱狀晶晶粒的長(zhǎng)徑比大于5; 最外層的α_Α?2〇3層，厚度為2μηι~ΙΟμπι，平均晶粒度為0.2μηι~2.0μηι。7. -種如權(quán)利要求1~6中任一項(xiàng)所述的硬質(zhì)合金刀片的制備方法，包括以下步驟： (1)配料:選用Co金屬粉、含鈦立方相化合物和碳化鎢粉作為原料，各原料的質(zhì)量百分 比為： Co 金屬粉 4wt.%~10wt.%， 含鈦立方相化合物 2wt.%~8wt.%, Cr-;C:粉木 0.05\v.t·%~l.Ovvt·%，和 碳化f烏粉 余量.> 各原料質(zhì)量百分比總和為100 %， 其中，所述含鈦立方相化合物為包含有Ta元素和Nb元素中的一種或兩種以及Ti元素的 碳氮化合物;所述碳化鎢粉包括粗碳化鎢粉和細(xì)碳化鎢粉，所述粗碳化鎢粉的平均粒度為3 μπι~ΙΟμπι，所述細(xì)碳化媽粉的平均粒度為0.5μηι~1.5μηι，所述細(xì)碳化媽粉與粗碳化媽粉的 質(zhì)量比為0.1~0.5:1; (2) 混合制粉:先將細(xì)碳化鎢粉和Co金屬粉進(jìn)行混合并預(yù)球磨，然后加入粗碳化鎢粉、 含鈦立方相化合物和成型劑進(jìn)行球磨，球磨后干燥，得到混合料粉末； (3) 壓制成型:將所述混合料粉末壓制成型，得到壓坯； (4) 燒結(jié)： (4.1) 脫成型劑:將步驟(3)所得壓坯置于氫氣氣氛中，升溫至成型劑脫除溫度，以脫除 成型劑； (4.2) 第一燒結(jié)保溫階段：脫成型劑后，真空條件下繼續(xù)升溫?zé)Y(jié)，待燒結(jié)溫度升至 132CTC~137CTC時(shí)，通入20mbar~60mbar的Ar保護(hù)氣體，在Ar氣氛下保溫?zé)Y(jié)0.5h~lh; (4.3) 第二燒結(jié)保溫階段:第一燒結(jié)保溫階段結(jié)束后，在真空環(huán)境下升溫?zé)Y(jié)，待燒結(jié) 溫度升至1400 °C~1470 °C時(shí)，通入30mbar~120mbar的Ar保護(hù)氣體，在Ar氣氛下保溫?zé)Y(jié) 0.5h~l .5h； (4.4) 第一冷卻階段:第二燒結(jié)保溫階段結(jié)束后，保持Ar氣氛，冷卻至ll5(rc~l25(rc; (4.5) 第二冷卻階段:第一冷卻階段結(jié)束后，通入氫氣，在氫氣氣氛下冷卻至室溫，得到 硬質(zhì)合金刀具基體； (5) 涂層制備:在步驟(4.5)所得硬質(zhì)合金刀具基體上制備涂層。8. 根據(jù)權(quán)利要求7所述的硬質(zhì)合金刀片的制備方法，其特征在于，所述步驟（1)中，所述 粗碳化鎢粉的平均粒度為5μπ?~ΙΟμL?，所述細(xì)碳化鎢粉的平均粒度為0.8μπ?~1.2μπ?，所述細(xì) 碳化媽粉與粗碳化媽粉的質(zhì)量比為〇. 2~0.4:1。9. 根據(jù)權(quán)利要求7或8所述的硬質(zhì)合金刀片的制備方法，其特征在于，所述步驟(5)中， 所述涂層采用常規(guī)CVD方法制備得到。
【文檔編號(hào)】B22F3/10GK105950937SQ201610343116
【公開日】2016年9月21日
【申請(qǐng)日】2016年5月23日
【發(fā)明人】謝文, 左銳, 溫光華, 陳響明, 王社權(quán)
【申請(qǐng)人】株洲鉆石切削刀具股份有限公司