專利名稱：一種金屬陶瓷刀具及其制備方法
技術領域：
本發(fā)明屬于切削刀具領域，具體涉及一種金屬陶瓷刀具及其制備方法。
背景技術：
隨著現(xiàn)代科學技術的進步與工業(yè)的快速發(fā)展，傳統(tǒng)的刀具產(chǎn)品已難以滿足材料加工的需要，如傳統(tǒng)的YG、YT 系列硬質合金刀具面對高速與高強度材料時硬度不夠，時有沖擊破碎現(xiàn)象發(fā)生。此外，也有利用CVD涂層設備在硬質合金上涂一層陶瓷涂層，但由于涂層很薄，容易磨損，因界面結合強度低易產(chǎn)生涂層剝落，并且設備投資大，工藝比較復雜。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穩(wěn)定性等獨特的性能，近些年來在切削領域得到較為廣泛的應用。金屬陶瓷材料是通過粉末冶金方法制取的金屬與陶瓷的復合材料，兼具金屬與陶瓷的優(yōu)點，具體包括耐高溫、耐腐蝕、高硬度、高抗氧化性能等。制備金屬陶瓷時，加入TiCN后能有效提高紅硬性、耐磨性、抗氧化性和抗腐蝕性等性能，而合金的抗彎強度、抗壓強度、熱導率有所降低。這種金屬陶瓷可以明顯提高車削速度和被加工件的精度、光潔度，填補了 WC基硬質合金和陶瓷工具之間的空白。目前工業(yè)市場上金屬陶瓷刀具主要有TiC基、Ti (C，N)基刀具材料。以專利號為CN200810031010. 6發(fā)明為例，它公開了一種含硼的碳氮化鈦基金屬陶瓷刀具材料及其制備方法，該刀具材料是以碳氮化鈦作為基材，其特征在于刀具中含有質量分數(shù)為O. 005
O.25%的硼，其它各類元素的質量百分比分別為C 6 11%、N 2 7%，Ti 35 70%、W5 20%、Mo O 12%、Ta O 9%，Nb I 7%、Co和Ni的總含量在6 25%。上述金屬陶瓷刀具產(chǎn)品，由于其脆性大，抗變能力小，韌性低，在切削加工時易發(fā)生破損，可靠性較差，不穩(wěn)定，易發(fā)生“崩刃”現(xiàn)象，面對高速加工高強度材料時，力不從心，使用壽命有限。目前國內外研究采用多種增韌機制來提高陶瓷刀具韌性，但效果不十分理想。例如采用顆粒彌散增韌，其增韌幅度十分有限；采用相變增韌，陶瓷刀具的增韌效果隨切削溫度的升高而下降，且韌性增加的同時硬度降低；采用晶須增韌，能顯著提高陶瓷刀具材料的斷裂韌性，但價格昂貴，使用成本高。

發(fā)明內容
本發(fā)明解決了現(xiàn)有技術中金屬陶瓷刀具存在的脆性大、韌性低導致刀具整體性能和使用壽命較低的技術問題。本發(fā)明提供了一種金屬陶瓷刀具，所述金屬陶瓷刀具的組成及重量百分比含量分別為TiCN 30-60wt%, TiB 5-15wt%,VC 0-3wt%, MoC 10-20wt%, Ni 0-10wt%, Cu 0. 5-5wt%,WC 0-15wt%, Al2O3 5-30wt%, TaC 0_10wt%。本發(fā)明還提供了所述金屬陶瓷刀具的制備方法，包括以下步驟
A、將原料按重量百分比含量 TiCN 30-60wt%,TiB 5_15wt%，VC 0_3wt%，MoC 10-20wt%,Ni 0-10wt%, Cu 0. 5-5wt%, WC 0-15wt%, Al2O3 5-30wt%, TaC 0_10wt% 混合后進行球磨，然后在真空下 干燥；
B、往經(jīng)過步驟A的混合物中加入成型劑后造粒，加壓成型得到坯體；
C、將坯體在真空下進行預燒結，得到半成品；
D、將半成品進行再次加壓處理，以高于預燒結的溫度進行真空燒結，表面處理后得到成品金屬陶瓷刀具。本發(fā)明提供的金屬陶瓷刀具組份中，通過添加微量的Cu來能有效提高粘結相的韌性，添加Al2O3顆粒能實現(xiàn)彌散增韌，使得本發(fā)明的金屬陶瓷刀具中硬質相和粘結相之間既能在界面形成元素的相互擴散，又不發(fā)生劇烈的化學反應，防止生成脆性相和惡化界面性能，實現(xiàn)在不降低硬度的前提下提高金屬陶瓷材料韌性的目的。本發(fā)明提供的金屬陶瓷刀具的硬度達92. 0HRA，抗彎強度達180(^/1111112，較現(xiàn)有技術中的11(基、11((，沁金屬陶瓷刀具使用壽命提高1-3倍，抗氧化性提高30-45%，穩(wěn)定性較高，應用領域得到大大拓展。


圖I為本發(fā)明提供的金屬陶瓷刀具的制備方法的工藝流程圖。
具體實施例方式本發(fā)明提供了一種金屬陶瓷刀具，所述金屬陶瓷刀具的組成及重量百分比含量分別為TiCN 30-60wt%, TiB 5-15wt%, VC 0-3wt%, MoC 10-20wt%, Ni 0_10wt%, Cu 0-5wt%,WC 0-15wt%, Al2O3 5-30wt%, TaC 0_10wt%。本發(fā)明提供的金屬陶瓷刀具中，通過對組分的種類和含量進行適當選擇，使得本發(fā)明的金屬陶瓷刀具中硬質相和粘結相之間既能在界面形成元素的相互擴散，又不發(fā)生劇烈的化學反應，防止生成脆性相和惡化界面性能，本發(fā)明提供的金屬陶瓷刀具的硬度達92. 0HRA，抗彎強度達1800N/mm2，較現(xiàn)有技術中的TiC基、Ti (C，N)金屬陶瓷刀具使用壽命提高1-3倍，抗氧化性提高30-45%，穩(wěn)定性較高，應用領域得到大大拓展。具體地，本發(fā)明提供的金屬陶瓷刀具可廣泛應用在銑刀、拉絲模及其它耐磨件與切削刀具領域，具有良好的經(jīng)濟價值和使用前景。作為本發(fā)明的一種優(yōu)選實施方式，所述金屬陶瓷刀具的組成及重量百分比含量分別為TiCN 40-50wt%, TiB 8-12wt%, VC l-2wt%, MoC 12-18wt%, Ni 3-7wt%, Cu 2-4wt%, WC2_10wt%，Al2O3 10_20wt%，TaC 4_6wt%。本發(fā)明還提供了所述金屬陶瓷刀具的制備方法，如圖I所示，包括以下步驟
A、將原料按重量百分比含量TiCN 30-60wt%,TiB 5_15wt%，VC 0_3wt%，MoC 10-20wt%,Ni 0-10wt%, Cu 0. 5-5wt%, WC 0-15wt%, Al2O3 5-30wt%, TaC 0_10wt% 混合后進行球磨，然后在真空下干燥；
B、往經(jīng)過步驟A的混合物中加入成型劑后造粒，加壓成型得到坯體；
C、將坯體在真空下進行預燒結，得到半成品；
D、將半成品進行再次加壓處理，以高于預燒結的溫度進行真空燒結，表面處理后得到成品金屬陶瓷刀具。本發(fā)明中，步驟A中，球磨時球料比為5 :1_8 :1，球磨時間為24_48h。所述球磨可采用球磨罐或球磨桶進行，本發(fā)明沒有特殊限定。所述球磨介質液為無水乙醇。
球磨完成后，對球磨體系進行真空下干燥。優(yōu)選情況下，步驟A中，真空下干燥的條件為干燥溫度為70-150°C，干燥時間為6-12h。根據(jù)本發(fā)明的方法，往真空下干燥的混合體系中加入成型劑造粒，然后進行加壓成型，得到坯體。本發(fā)明中，所述成型劑為本領域技術人員常用的各種成型劑，例如可以為苯乙烯-丁二烯-苯乙烯鑲段聚合物或聚乙二醇(PEG)。所述加壓成型的壓力為50-70噸，加壓成型的時間為I至3min。然后對坯體在真空下進行低溫預燒結。本步驟C中，預燒結的條件為預燒結溫度為500-1000°C，預燒結時間為30-120min。預燒結完成后得到半成品，然后對半成品進行再次加壓處理，高溫燒結，最后表面 處理得到成品刀具。其中，再次加壓處理的壓力為70-90噸，加壓時間為I至5min。本發(fā)明中，真空燒結的溫度高于預燒結的溫度。具體地，真空燒結溫度為1100-1500°C，真空燒結時間為l_3h。本發(fā)明中，所述表面處理為本領域技術人員的公知技術，包括打磨和拋光處理。其中，打磨包括對經(jīng)過真空燒結的產(chǎn)品進行粗磨和細磨，拋光包括對經(jīng)過打磨的產(chǎn)品采用金剛石研磨膏進行拋光處理。為了使本發(fā)明所解決的技術問題、技術方案及有益效果更加清楚明白，以下結合實施例，對本發(fā)明進行進一步詳細說明。應當理解，此處所描述的具體實施例僅僅用以解釋本發(fā)明，并不用于限定本發(fā)明。實施例I
Cl)配料按以下重量份數(shù)稱取原料=TiCN 40份，TiB 8份，VC 2份，MoC 14份，Ni 5份，Cu 2份，WC 6份，Al2O3 19份，TaC 4份，將上述原料按比例裝入合金球磨桶中，球料比為8 :1，以無水乙醇為介質液球磨24h ;球磨完成后在真空下干燥，干燥溫度為70°C，干燥時間為8h。(2 )往真空干燥后的體系中加入成型劑PEG后造粒，然后進行加壓成型，壓力為50噸，加壓成型時間為2min,得到還體。(3)將坯體在800°C下真空預燒結60min，得到半成品刀具；然后對半成品刀具進行再次加壓處理，壓力為70噸，加壓時間為4min ;然后在1400°C下真空燒結lh，最后對表面進行粗磨與細磨，對打磨后的刀具表面利用金剛石研磨膏進行拋光，得到成品金屬陶瓷刀具SI。檢測其性能得本實施例金屬陶瓷刀具SI的硬度為92. 3HRA,抗彎強度為2050 N/mm2’。經(jīng)切削使用實驗證明，本實施例金屬陶瓷刀具SI可應用在銑刀、車刀等切削刀具領域，較現(xiàn)有技術中的TiC基、Ti (C，N)金屬陶瓷刀具而言使用壽命提高1-3倍，抗氧化性提高 30-45%。實施例2
(I)配料按以下重量份數(shù)稱取原料TiCN 42份，TiB 10份，VC I份，MoC 12份，Ni 5份，Cu 3份，WC 6份，Al2O3 16份，TaC 5份，將上述原料按比例裝入合金球磨桶中，球料比為6 :1，以無水乙醇為介質液球磨40h ;球磨完成后在真空下干燥，干燥溫度為100°C，干燥時間為8h。(2 )往真空干燥后的體系中加入成型劑PEG后造粒，然后進行加壓成型，壓力為60噸，加壓成型時間為Imin,得到還體。(3)將坯體在900°C下真空預燒結60min，得到半成品刀具；然后對半成品刀具進行再次加壓處理，壓力為70噸，加壓時間為4min ;然后在1500°C下真空燒結lh，最后對表面進行粗磨與細磨，對打磨后的刀具表面利用金剛石研磨膏進行拋光，得到成品金屬陶瓷刀具S2。檢測其性能得本實施例金屬陶瓷刀具S2的硬度達92. 2HRA，抗彎強度達2100N/mm2。經(jīng)切削使用實驗證明，本實施例金屬陶瓷刀具S2可應用在銑刀、車刀等切削刀具領域，較現(xiàn)有技術中的TiC基、Ti (C，N)金屬陶瓷刀具而言使用壽命提高1-3倍，抗氧化性提高30-45%ο實施例3
(I)配料按以下重量份數(shù)稱取原料TiCN 45份，TiB 12份，VC 2份，MoC 12份，Ni 4份，Cu 2份，WC 4份，Al2O3 13份，TaC 6份，將上述原料按比例裝入合金球磨桶中，球料比為5 :1，以無水乙醇為介質液球磨30h ;球磨完成后在真空下干燥，干燥溫度為100°C，干燥時間為6h。(2 )往真空干燥后的體系中加入成型劑PEG后造粒，然后進行加壓成型，壓力為50噸,加壓成型時間為3min，得到坯體。(3)將坯體在700°C下真空預燒結50min，得到半成品刀具；然后對半成品刀具進行再次加壓處理，壓力為70噸，加壓時間為4min ;然后在1400°C下真空燒結3h，最后對表面進行粗磨與細磨，對打磨后的刀具表面利用金剛石研磨膏進行拋光，得到成品金屬陶瓷刀具S3。檢測其性能得本實施例金屬陶瓷刀具S3的硬度達92. 5HRA,抗彎強度達1950N/mm2。經(jīng)切削使用實驗證明，本實施例金屬陶瓷刀具S3可應用在銑刀、車刀等切削刀具領域，較現(xiàn)有技術中的TiC基、Ti (C，N)金屬陶瓷刀具而言使用壽命提高1-3倍，抗氧化性提高30-45%ο實施例4
Cl)配料按以下重量份數(shù)稱取原料=TiCN 48份，TiB 8份，VC I份，MoC 18份，Ni 3份，Cu 3份，WC 3份，Al2O3 12份，TaC 4份，將上述原料按比例裝入合金球磨桶中，球料比為8 :1，以無水乙醇為介質液球磨24h ;球磨完成后在真空下干燥，干燥溫度為70°C，干燥時間為12h。(2)往真空干燥后的體系中加入成型劑苯乙烯-丁二烯-苯乙烯鑲段聚合物后造粒，然后進行加壓成型，壓力為50噸，加壓成型時間為2. 5min，得到坯體。噸
(3)將坯體在800°C下真空預燒結120min，得到半成品刀具；然后對半成品刀具進行再次加壓處理，壓力為80噸，加壓時間為3min ;然后在1400°C下真空燒結3h，最后對表面進行粗磨與細磨，對打磨后的刀具表面利用金剛石研磨膏進行拋光，得到成品金屬陶瓷刀具S4。檢測其性能得本實施例金屬陶瓷刀具S4的硬度達92. 6HRA,抗彎強度達1900N/mm2。經(jīng)切削使用實驗證明，本實施例金屬陶瓷刀具SI可應用在銑刀、車刀等切削刀具領域，較現(xiàn)有技術中的TiC基、Ti (C，N)金屬陶瓷刀具而言使用壽命提高1-3倍，抗氧化性提高30-45%ο
實施例5
Cl)配料按以下重量份數(shù)稱取原料=TiCN 50份，TiB 8份，VC 2份，MoC 12份，Ni 3份，Cu 3份，WC 3份，Al2O3 14份，TaC 5份，將上述原料按比例裝入合金球磨桶中，球料比為8:1，以無水乙醇為介質液球磨24h ;球磨完成后在真空下干燥，干燥溫度為90°C，干燥時間為IOh。(2)往真空干燥后的體系中加入成型劑苯乙烯-丁二烯-苯乙烯鑲段聚合物后造粒，然后進行加壓成型，壓力為50噸，加壓成型時間為I. 5min，得到坯體。
(3)將坯體在800°C下真空預燒結30min，得到半成品刀具；然后對半成品刀具進行再次加壓處理，壓力為70噸，加壓時間為Imin ;然后在1300°C下真空燒結3h，最后對表面進行粗磨與細磨，對打磨后的刀具表面利用金剛石研磨膏進行拋光，得到成品金屬陶瓷刀具S5。檢測其性能得本實施例金屬陶瓷刀具S5的硬度達92. 5HRA,抗彎強度達1890N/mm2。經(jīng)切削使用實驗證明，本實施例金屬陶瓷刀具SI可應用在銑刀、車刀等切削刀具領域，較現(xiàn)有技術中的TiC基、Ti (C，N)金屬陶瓷刀具而言使用壽命提高1-3倍，抗氧化性提高30-45%ο實施例6
(I)配料按以下重量份數(shù)稱取原料TiCN 30份，TiB 15份，MoC 20份，Ni 7份，Cu 4份，WC 10份，Al2O3 14份，將上述原料按比例裝入合金球磨桶中，球料比為7 :1，以無水乙醇為介質液球磨48h ;球磨完成后在真空下干燥，干燥溫度為150°C，干燥時間為6h。(2 )往真空干燥后的體系中加入成型劑PEG后造粒，然后進行加壓成型，壓力為70噸，加壓成型時間為Imin,得到還體。(3)將坯體在500°C下真空預燒結lOOmin，得到半成品刀具；然后對半成品刀具進行再次加壓處理，壓力為90噸，加壓時間為Imin ;然后在1100°C下真空燒結3h，最后對表面進行粗磨與細磨，對打磨后的刀具表面利用金剛石研磨膏進行拋光，得到成品金屬陶瓷刀具S6。檢測其性能得本實施例金屬陶瓷刀具S6的硬度達92. 2HRA，抗彎強度達2120N/mm2。經(jīng)切削使用實驗證明，本實施例金屬陶瓷刀具SI可應用在銑刀、車刀等切削刀具領域，較現(xiàn)有技術中的TiC基、Ti (C，N)金屬陶瓷刀具而言使用壽命提高1-3倍，抗氧化性提高30-45%ο實施例7
Cl)配料按以下重量份數(shù)稱取原料=TiCN 35份，TiB 14份，VC O. 5份，MoC19份，Ni9份，Cu 4. 5份，WC 13份，Al2O3 5份，將上述原料按比例裝入合金球磨桶中，球料比為6 :1，以無水乙醇為介質液球磨35h ;球磨完成后在真空下干燥，干燥溫度為100°C，干燥時間為8h。(2 )往真空干燥后的體系中加入成型劑PEG后造粒，然后進行加壓成型，壓力為60噸，加壓成型時間為2min,得到還體。(3)將坯體在900°C下真空預燒結80min，得到半成品刀具；然后對半成品刀具進行再次加壓處理，壓力為80噸，加壓時間為3min ;然后在1300°C下真空燒結2h，最后對表面進行粗磨與細磨，對打磨后的刀具表面利用金剛石研磨膏進行拋光，得到成品金屬陶瓷刀具S7。檢測其性能得本實施例金屬陶瓷刀具S7的硬度達92. 1HRA，抗彎強度達2100N/mm2。經(jīng)切削使用實驗證明，本實施例金屬陶瓷刀具SI可應用在銑刀、車刀等切削刀具領域，較現(xiàn)有技術中的TiC基、Ti (C，N)金屬陶瓷刀具而言使用壽命提高1-3倍，抗氧化性提高30-45%ο實施例8
Cl)配料按以下重量份數(shù)稱取原料=TiCN 60份，TiB 5份，VC 3份，MoC 10份，Ni 5份，Cu I份，WC I份，Al2O3 5份，TaC 10份，將上述原料按比例裝入合金球磨桶中，球料比為7 :1，以無水乙醇為介質液球磨26h ;球磨完成后在真空下干燥，干燥溫度為130°C，干燥時間為9h。
(2 )往真空干燥后的體系中加入成型劑PEG后造粒，然后進行加壓成型，壓力為70噸,加壓成型時間為3min，得到坯體。(3)將坯體在1000°C下真空預燒結30min，得到半成品刀具；然后對半成品刀具進行再次加壓處理，壓力為70噸，加壓時間為5min ;然后在1200°C下真空燒結2h，最后對表面進行粗磨與細磨，對打磨后的刀具表面利用金剛石研磨膏進行拋光，得到成品金屬陶瓷刀具S8。檢測其性能得本實施例金屬陶瓷刀具S8的硬度達92. 5HRA,抗彎強度達1830N/mm2。經(jīng)切削使用實驗證明，本實施例金屬陶瓷刀具SI可應用在銑刀、車刀等切削刀具領域，較現(xiàn)有技術中的TiC基、Ti (C，N)金屬陶瓷刀具而言使用壽命提高1-3倍，抗氧化性提高30-45%ο以上實施例僅為本發(fā)明的優(yōu)選實施方式，應當指出，對于本領域技術人員來說，在不脫離本發(fā)明原理的前提下，所作出的若干改進，也應視為本發(fā)明的保護范圍。
權利要求
1.一種金屬陶瓷刀具，其特征在于，所述金屬陶瓷刀具的組成及重量百分比含量分別為TiCN 30-60wt%, TiB 5-15wt%, VC 0-3wt%, MoC 10-20wt%, Ni 0-10wt%, Cu 0. 5-5wt%,WC 0-15wt%,Al2O3 5-30wt%, TaC 0_10wt%。
2.根據(jù)權利要求I所述的金屬陶瓷刀具，其特征在于，所述金屬陶瓷刀具的組成及重量百分比含量分別為TiCN 40-50wt%, TiB 8_12wt%，VC l_2wt%，MoC 12_18wt%，Ni3-7wt%, Cu 2-4wt%, WC 2-10wt%, Al2O3 10-20wt%, TaC 4_6wt%。
3.根據(jù)權利要求2所述的金屬陶瓷刀具，其特征在于，所述金屬陶瓷刀具的組成及重量百分比含量分別為TiCN 42wt%, TiB 10wt%, VC lwt%, MoC 12wt%, Ni 5wt%, Cu 3wt%, WC6wt%, Al2O3 16wt%, TaC 5wt%。
4.一種如權利要求I或2所述的金屬陶瓷刀具的制備方法，其特征在于，包括以下步驟 A、將原料按重量百分比含量TiCN 30-60wt%,TiB 5_15wt%，VC 0_3wt%，MoC 10-20wt%,Ni 0-10wt%, Cu 0. 5-5wt%, WC 0-15wt%, Al2O3 5-30wt%, TaC 0_10wt% 混合后進行球磨，然后在真空下干燥； B、往經(jīng)過步驟A的混合物中加入成型劑后造粒，加壓成型得到坯體； C、將坯體在真空下進行預燒結，得到半成品； D、將半成品進行再次加壓處理，以高于預燒結的溫度進行真空燒結，表面處理后得到成品金屬陶瓷刀具。
5.根據(jù)權利要求4所述的制備方法，其特征在于，步驟A中，球磨時球料比為5:1-8 :1，球磨時間為24-48h，球磨介質液為無水乙醇，真空下干燥的條件為干燥溫度為70-150°C，干燥時間為6-12h。
6.根據(jù)權利要求4所述的制備方法，其特征在于，步驟B中，成型劑為苯乙烯-丁二烯-苯乙烯鑲段聚合物或聚乙二醇，加壓成型的壓力為50-70噸，加壓成型的時間為I至3min。
7.根據(jù)權利要求4所述的制備方法，其特征在于，步驟C中，預燒結的條件為預燒結溫度為500-1000°C，預燒結時間為30-120min。
8.根據(jù)權利要求4所述的制備方法，其特征在于，步驟D中，再次加壓處理的壓力為70-90噸，加壓時間為l_5min。
9.根據(jù)權利要求4或8所述的制備方法，其特征在于，步驟D中，真空燒結的條件為真空燒結溫度為1100-1500°C，真空燒結時間為l_3h。
10.根據(jù)權利要求4或8所述的制備方法，其特征在于，步驟D中，表面處理包括打磨和拋光；其中，打磨包括對經(jīng)過真空燒結的產(chǎn)品進行粗磨和細磨，拋光包括對經(jīng)過打磨的產(chǎn)品采用金剛石研磨膏進行拋光處理。
全文摘要
本發(fā)明提供了一種金屬陶瓷刀具，所述金屬陶瓷刀具的組成及重量百分比含量分別為TiCN30-60wt%，TiB5-15wt%，VC0-3wt%，MoC10-20wt%，Ni0-10wt%，Cu0.5-5wt%，WC0-15wt%，Al2O35-30wt%，TaC0-10wt%。本發(fā)明還提供了的所述金屬陶瓷刀具的制備方法。本發(fā)明提供的金屬陶瓷刀具中，通過對組分的種類和含量進行適當選擇，使得本發(fā)明的金屬陶瓷刀具中硬質相和粘結相之間既能在界面形成元素的相互擴散，又不發(fā)生劇烈的化學反應，防止生成脆性相和惡化界面性能，從而保證本發(fā)明提供的金屬陶瓷刀具的整體性能和使用壽命均得到有效提高，應用領域得到大大拓展。
文檔編號B23C5/00GK102632261SQ201210125740
公開日2012年8月15日 申請日期2012年4月26日 優(yōu)先權日2012年4月26日
發(fā)明者陳明 申請人:株洲精工硬質合金有限公司