一种用于铸铁车削加工的硬质合金及其硬质合金涂层刀片

摘要

本发明公开了一种用于铸铁车削加工的硬质合金，其是以包括Co、Ni、Fe中至少一种的金属元素作为粘结相，以包括WC和过渡金属元素的立方碳化物在内的化合物作为硬质相，在粘结相中固溶有Cr元素，粘结相的含量为4wt.％～10wt.％，Cr元素占粘结相的含量为1wt.％～10wt.％，立方碳化物的含量为0.5wt.％～2wt.％，余量为WC；硬质合金中WC的平均粒径为0.8μm～1.5μm，立方碳化物的平均粒径为WC平均粒径的0.8～1.5倍。本发明的硬质合金及其涂层刀片同时具有高耐磨性和高韧性。

说明书

技术领域

本发明属于金属切削加工领域，尤其涉及用于制备硬质合金刀具的基体材料及其制成的 刀片。

背景技术

硬质合金刀具广泛应用于金属切削加工领域。在硬质合金刀具的切削过程中，存在两种 失效方式：磨损和破损。刀具磨损主要包括磨粒磨损、粘结磨损、扩散磨损和氧化磨损。在 不同的切削条件下，加工不同材料的工件时，其磨损的主要原因可能是其中的一种或几种， 总的来说切削温度较低时以磨粒磨损为主，切削温度较高时以扩散磨损、氧化磨损为主。刀 具破损主要是塑性变形破损和脆性破损(崩刃、破裂、剥落、裂纹破损)。硬质合金刀具硬度 高、脆性大，是粉末烧结体，可能具有不均匀性等缺陷。在切削加工过程中，特别是在断续 切削条件下，或因为加工材料的不均性导致切削加工带有断续切削的性质时，切削刀具受到 机械和热冲击容易产生脆性破损。实验表明刀具早期破损，受热应力影响小，主要是受机械 冲击作用所致；刀具后期疲劳破损主要是在机械和热冲击共同作用下刀具内裂纹失稳扩展所 致。在高速高效切削加工或加工耐高温材料时可能达到很高的切削温度，过高的温度会降低 刀具材料的屈服强度，在切削力的作用下导致塑性变形而丧失切削能力。为了适应高速高效 加工、非连续加工和恶劣条件加工的要求，刀具需要更高的耐磨性和韧性。

硬质合金的韧性和硬度通常很难同时提高，为了提高耐磨性和抗塑性变形能力，需要提 高立方相化合物含量或降低粘结相含量，因此韧性随之降低；为了提高合金韧性则需要降低 立方相化合物含量或提高粘结相含量，因此耐磨性和抗塑性变形能力随之降低。因此，如何 在韧性和硬度之间获得平衡，一直是研究人员所关注的。

铸铁加工时对刀具基体产生冲击和磨粒磨损，对刀具基体的韧性和抗磨粒磨损能力要求 比较高。早期的铸铁加工用硬质合金刀具基体材质一般以WC-Co合金为主体，通过添加少量 的Ta、Nb、Ti等立方相化合物来提高其耐磨性能。如专利文献US2002021432公开了一种用 于灰铁和球铁铣削的硬质合金基体，其成分为7.3～7.9wt.％的Co，1.0～1.8wt.％的Ta和Nb 的立方相化合物，其余为WC；US2006110532公开了一种用于铣削高合金化灰铁的的硬质合 金基体，其成分为5～8wt.％的Co，少于0.5wt.％的Ta、Ti和/或Nb的立方相化合物，其余 为WC；US2007134517公开了一种用于铸铁车削的硬质合金基体，其成分为6～8wt.％的Co， 2～3wt.％的TaC和0.2％～0.35％的NbC，其余为WC。上述专利文献所提供的技术方案制备 的硬质合金虽然具有较好的抗磨粒磨损能力，但是在整体韧性以及抗氧化/扩散磨损方面仍然 存在不足。随着金属切削加工参数的不断提升，对刀具基体材质的韧性和耐磨性提出了更高 的要求，原有的基体材质越来越显示出整体性能上的不足。

发明内容

本发明要解决的技术问题是克服现有技术的不足，提供一种同时具有高耐磨性和高韧性 的用于铸铁车削加工的硬质合金及硬质合金涂层刀片。

为解决上述技术问题，本发明提出如下技术方案：

一种用于铸铁车削加工的硬质合金，所述硬质合金以包括Co、Ni、Fe中至少一种的金 属元素作为粘结相，以包括WC和过渡金属元素的立方碳化物在内的化合物作为硬质相，在 所述粘结相中固溶有Cr元素，所述粘结相的含量为4wt.％～10wt.％，所述Cr元素占粘结相 的含量为1wt.％～10wt.％，所述立方碳化物的含量为0.5wt.％～2wt.％，余量为WC；所述硬 质合金中WC的平均粒径为0.8μm～1.5μm，所述立方碳化物的平均粒径为WC平均粒径的 0.8～1.5倍。

上述的用于铸铁车削加工的硬质合金，所述粘结相的含量优选为5wt.％～8wt.％。

上述的用于铸铁车削加工的硬质合金，所述Cr元素占粘结相的含量优选为4wt.％～ 8wt.％。

上述的用于铸铁车削加工的硬质合金，所述过渡金属元素的立方碳化物优选包括Ta的立 方碳化物和Nb的立方碳化物。更进一步的，所述过渡金属元素的立方碳化物的总含量优选 为0.8wt.％～1.5wt.％。

上述的用于铸铁车削加工的硬质合金，所述硬质相中WC的平均粒径优选为1.0μm～ 1.2μm，所述立方碳化物的平均粒径优选为WC平均粒径的1.0～1.2倍。

上述的用于铸铁车削加工的硬质合金，所述Cr元素优选是以金属固溶体或Cr的碳化物 形式加入。

作为一个总的技术构思，本发明还提供一种用于铸铁车削加工的硬质合金涂层刀片，所 述硬质合金涂层刀片是以上述的硬质合金为基体，所述硬质合金基体上涂覆有TiCN层和 Al₂O₃涂层。

与现有技术相比，本发明的优点在于：

本发明的硬质合金基体在成分方面，同时加入Cr、Ta、Nb等元素，组合了Cr元素和Ta、 Nb的碳化物的优点，其中Cr元素增强了WC/Co界面强度和韧性、提高粘结相抗氧化、扩散 能力，Ta、Nb的碳化物提高合金硬度和高温性能；结构方面，由于Cr元素具有控制晶粒的 作用，同时通过原料粒度的控制即可以对硬质合金中化合物的粒度进行控制，本发明的硬质 合金具有合理的WC粒度以及合理的立方相化合物与WC之间粒度搭配。综上，本发明的硬 质合金的耐磨性和韧性同时得到提高，从而具有出色的抗磨粒磨损和抗氧化/扩散磨损能力， 以及优良的断裂韧性和抗热裂纹扩展能力，非常适合做为铸铁尤其是球墨铸铁车削加工刀具 的基体材质。

具体实施方式

以下结合具体实施例对本发明的技术方案作进一步的描述。

实施例1：

一种本发明的用于铸铁车削加工的硬质合金，该硬质合金主要以金属Co作为粘结相， 以包括WC和Ta、Nb的立方碳化物在内的化合物作为硬质相，在粘结相中固溶有Cr元素。 本发明的硬质合金中，粘结相的含量为6.3wt.％，Cr元素占粘结相的含量为4.5wt.％，立方碳 化物的含量为1.1wt.％，其中含0.85wt.％的TaC和0.25wt.％的NbC，余量为WC；硬质合金 中WC的平均粒径为1.2μm，立方碳化物的平均粒径为1.0μm。

本发明硬质合金的制备方法包括以下步骤：准备好原料为WC、TaNbC、Cr₃C₂和Co粉， 平均粒径分别为1.5μm、1.0μm、0.8μm和1.0μm，按比例配制成混合粉末，经过球磨后压制 成刀片粗坯，然后进行1440℃的真空烧结，具体的烧结工艺为：先以5℃/min～10℃/min的 升温速率加热到1250℃～1300℃，保温10min～30min，然后以2℃/min～5℃/min的升温速 率升温至1350℃～1400℃，再保温20min～40min，继续以2℃/min～5℃/min的速度升温至 1440℃保温60min，最后冷却至室温，得到本实施例的硬质合金刀片基体。

实施例2：

一种本发明的用于铸铁车削加工的硬质合金，该硬质合金主要以金属Co作为粘结相， 以包括WC和Ta、Nb的立方碳化物在内的化合物作为硬质相，在粘结相中固溶有Cr元素。 本发明的硬质合金中，粘结相的含量为5.8wt.％，Cr元素占粘结相的含量为5wt.％，立方碳 化物的含量为0.55wt.％，其中含0.44wt.％的TaC和0.11wt.％的NbC，余量为WC；硬质合金 中WC的平均粒径为1.0μm，立方碳化物的平均粒径为1.2μm。

本发明硬质合金的制备方法包括以下步骤：准备好原料为WC、TaNbC、Cr₃C₂和Co粉， 平均粒径分别为1.0μm、1.0μm、0.8μm和1.0μm，按比例配制成混合粉末，经过球磨后压制 成刀片粗坯，然后进行1440℃的真空烧结，具体的烧结工艺为：先以5℃/min～10℃/min的 升温速率加热到1250℃～1300℃，保温10min～30min，然后以2℃/min～5℃/min的升温速 率升温至1350℃～1400℃，再保温20min～40min，继续以2℃/min～5℃/min的速度升温至 1440℃保温60min，最后冷却至室温，得到本实施例的硬质合金刀片基体。

对比例1：

一种现有技术的硬质合金基体，其成分包括：6wt.％的Co、0.8wt.％的Ta、0.2wt.％的Nb， 其余为WC；按其成分比例配制成混合粉末，经过球磨后压制成刀片粗坯，然后进行1440℃ 真空烧结得到硬质合金刀片基体。

对比例2：

一种现有技术的硬质合金基体，其成分包括：5.5wt.％的Co、0.4wt.％的Ta、0.1wt.％的 Nb，其余为WC；按其成分比例配制混合粉末，经过球磨后压制成刀片粗坯，然后进行1440 ℃真空烧结得到硬质合金刀片基体。

对比试验：

以上各实施例和对比例的硬质合金刀片基体其型号完全相同，且均经过研磨加工及表面 处理后，利用CVD方法在上述各个硬质合金刀片表面镀上TiCN层和Al₂O₃涂层。将涂层后 的各硬质合金涂层刀片进行切削试验来对比硬质合金基体的耐磨性和韧性。切削条件如下表 1所示。

表1：对比实验切削条件参数

测量刀片后刀面磨损值Vb，当Vb达到或超过0.3mm时则认为刀片失效。

经过实验测试，各实施例和对比例的硬质合金涂层刀片的切削时间对比如下表2和下表 3所示。

表2：实施例1和对比例1的切削时间对比

表3：实施例2和对比例2的切削时间对比

由上表可见，实施例和对比例的涂层刀片的硬质合金主要成分及涂层均基本相同，但是 对比例的硬质合金基体中未添加Cr元素，且对比例中未严格控制WC和立方碳化物的粒度， 从试验结果来看，本发明实施例的硬质合金涂层刀片相比对比例，其在不同切削条件下的切 削时间均提高了17％～35％，切削刀片的寿命明显延长，且刀片发生崩刃的可能性降低，切 削时的稳定性明显提高。

表4：各实施例和对比例的硬质合金涂层刀片的硬度和断裂韧性值对比

  基体编号  硬度(MPa)   断裂韧性(MPa·m^1/2)   实施例1   1550   10.4   实施例2   1620   9.8   对比例1   1520   10.1   对比例2   1580   9.5

由上表4的测试结果可以看出，在硬质合金基体的主要成分基本相同的前提下，实施例 1相比对比例1以及实施例2相比对比例2在硬度和断裂韧性上都有了明显的提高，用本发 明的硬质合金基体材料及制备的切削刀片，在耐磨性和韧性上也将获得相应提高。