專利名稱：一種涂層梯度硬質合金刀具材料的制作方法
技術領域：
本發明涉及刀具材料。
背景技術：
硬質合金是一種以難熔金屬化合物(WC、TaC、TiC、NbC等)為基體，以過渡族金屬(Co、N1、Fe)為粘結相，采用粉末冶金方法制備的金屬陶瓷工具材料。由于其高硬度、高強度、高彈性模量、耐磨損、耐腐蝕、熱膨脹系數小以及化學性質穩定等優點，在金屬切削加工領域有著重要的應用。在高速切削時，刀刃溫度最高可達900°C。刀具的失效形式主要表現為崩刃和磨損。刀具崩刃主要是由于刀具基體內產生裂紋并擴展引起的。為了盡可能防止由于裂紋擴展而導致的材料失效，可對基體進行梯度處理，是在涂層基體表面區域形成脫立方相碳化物和碳氮化物的韌性區域，這種結構既有利于涂層與基體的結合，又可形成韌性緩沖區。當裂紋擴展到該區域時，其良好的塑性和韌性可以吸收裂紋擴展時的能量。能夠有效地阻止涂層中形成的裂紋向合金內部擴展，提高界面結合強度和降低界面應力集中，延長合金切削工具的使用壽命。刀具的磨損主要表現為機械摩擦磨損(刀具后面磨損的主要形式)、粘結磨損、擴散磨損、摩擦氧化磨損(刀具刀刃磨損及月牙洼磨損的主要形式)和疲勞磨損，這5種磨損直接影響刀具使用壽命。目前，傳統刀具材料存在強度和韌性差，耐熱及抗氧化性弱導致使用壽命短并且影響被切削件精度的問題。

發明內容
本發明是要解決傳統刀具材料存在強度和韌性差，耐熱及抗氧化性弱導致使用壽命短并且影響被切削件精度的問題，而提供一種涂層梯度硬質合金刀具材料。一種涂層梯度硬質合金刀具材料的由基體和涂層材料組成，所述基體按重量份數由60 80份WC粉末、5 10份TiC粉末、10 15份(Ta, Nb)C固溶體粉末、5 15份Co粉和0.07 0.15份La與Sm混合稀土粉末構成；涂層材料按重量份數由25 50份Ti元素、15 35份Al元素、25 60份N元素和0.33 5份Si元素構成。本發明添加稀土元素Sm的硬質合金中，WC的晶粒度由原始粒度3.04 μ m減小到了 2.54μπι，稀土元素Sm對WC晶粒度的細化作用可解釋為:(I) Sm減少了合金中的游離碳，則Co液相相對減少，亦減少了 WC溶解-析出長大的機會；(2) Sm易于粘附于WC顆粒表面，則減低了 WC表面能，使WC在液相中的溶解度下降，阻礙了重結晶過程，抑制了 WC長大。稀土元素La對雜質元素硫、氧、氮、鈣等有很大的親和力，易于和界面上的這些雜質元素S形成復雜化合物LaS，還能改善化合物的形態，成為理想的球狀。試驗證實，添加稀土元素后硬質合金中雜質元素的含量減少至其未添加稀土元素的50% 60%。化合物為球狀這一特點增加了硬質合金的斷裂韌性，初步計算約增加了 10%。凈化作用使粘結相在WC上的潤濕性得到改善，提高了界面連接強度，這也是稀土強化硬質合金的主要原因之一。粘結相由高溫冷卻到室溫是Y fee— Yhcp是擴散型相變。其中主要是Yfcc相，Yhcp相所占比例為10%左右。由于La和Sm的綜合作用可以抑制此擴散型相變，La會和Co (fee)易于生成Co12La、Co5La, Sm與Co (fee)易于生成Co17Sm2、Co7Sm2,減少Y fee的含量,從而可以減少Yhcp在粘結相中含量。稀土本身并不能固溶于Y中，但是由于兩種稀土元素在WC/Co相界面上的偏聚卻影響了 W、Ti等元素從Co中的脫溶。可以提高粘界相中的W、Ti含量，從而可以起到固溶強化的作用。本發明的有益效果是:1、刀具基體具備較高的強度和韌性；2、刀具微觀結構孔隙率低，晶界純凈且晶粒細??；3、刀具涂層材料具備低摩擦系數，同時具有高室溫硬度和高溫硬度，抗氧化性強；4、該刀具涂層的耐熱及抗氧化溫度在1000°C ；5、刀具的切削性能明顯高于普通TiAlN刀具的性能，使用壽命約提高50% ；6、加工后的工件表面粗糙度降低了 30%，尺寸精度提高了 50%，效率提高了 50%。本發明用于制備一種涂層梯度硬質合金刀具。
具體實施例方式本發明技術方案不局限于以下所列舉的具體實施方式
，還包括各具體實施方式
之間的任意組合。
具體實施方式
一:本實施方式一種涂層梯度硬質合金刀具材料的由基體和涂層材料組成，所述基體按重量份數由60 80份WC粉末、5 10份TiC粉末、10 15份(Ta，Nb )C固溶體粉末、5 15份Co粉和0.07 0.15份La與Sm混合稀土粉末構成；涂層材料按重量份數由25 50份Ti元素、15 35份Al元素、25 60份N元素和0.33 5份Si元素構成。本實施方式的有益效果是:1、刀具基體具備較高的強度和韌性；2、刀具微觀結構孔隙率低，晶界純凈且晶粒細??；3、刀具涂層材料具備低摩擦系數，同時具有高室溫硬度和高溫硬度，抗氧化性強；4、該刀具涂層的耐熱及抗氧化溫度在1000°C ；5、刀具的切削性能明顯高于普通TiAlN刀具的性能，使用壽命約提高50% ；6、加工后的工件表面粗糙度降低了 30%，尺寸精度提高了 50%，效率提高了 50%。
具體實施方式
二:本實施方式與具體實施方式
一不同的是:WC粉末的平均粒度為
0.5μηι 3.5μηι。其它與具體實施方式
一相同。
具體實施方式
三:本實施方式與具體實施方式
一或二不同的是:La與Sm混合稀土粉末中La和Sm的質量比為1: 1，混合稀土粉末的平均粒度為0.1 μ m 0.5 μ m。其它與具體實施方式
一或二相同。
具體實施方式
四:本實施方式與具體實施方式
一至三之一不同的是:Si元素的平均粒度為IOnm lOOnm。其它與具體實施方式
一至三之一相同。
具體實施方式
五:本實施方式與具體實施方式
一至四之一不同的是:涂層材料厚度為5μηι 40μηι。其它與具體實施方式
一至四之一相同。采用以下實施例驗證本發明的有益效果:實施例一:本實施例一種涂層梯度硬質合金刀具材料的基體按重量份數由70份WC粉末、8份TiC粉末、12份(Ta，Nb) C固溶體粉末、10份Co粉和0.14份La與Sm混合稀土粉末構成；涂層材料按重量份數由36.5份Ti元素、28份Al元素、35.5份N元素和2.4份Si元素構成。其中，WC粉末的平均粒度為Ιμπι 2ym，La與Sm的質量比為1: 1，混合稀土粉末的平均粒度為I μ m 2 μ m，Si元素的平均粒度為80nm，涂層材料厚度為30 μ m。本實施例制備的涂層梯度硬質合金刀具經鋼軌測試有以下結果:
切削速度a v=300m/min,進給量 f=0.2mm/r,背吃刀量 ap=0.8mm (軌面)、2mm (軌側)，鋼軌材料:U71Mn。該刀具性能檢測結果如下:涂層后合金的物理和力學性能
權利要求
1.一種涂層梯度硬質合金刀具材料，其特征在于一種涂層梯度硬質合金刀具材料的由基體和涂層材料組成，所述基體按重量份數由60 80份WC粉末、5 10份TiC粉末、10 15份(Ta，Nb) C固溶體粉末、5 15份Co粉和0.07 0.15份La與Sm混合稀土粉末構成；涂層材料按重量份數由25 50份Ti元素、15 35份Al元素、25 60份N元素和0.33 5份Si元素構成。
2.根據權利要求1所述的一種涂層梯度硬質合金刀具材料，其特征在于WC粉末的平均粒度為0.5 μ m 3.5 μ m。
3.根據權利要求2所述的一種涂層梯度硬質合金刀具材料，其特征在于La與Sm混合稀土粉末中La和Sm的質量比為1:1，混合稀土粉末的平均粒度為0.1 μ m 0.5 μ m。
4.根據權利要求3所述的一種涂層梯度硬質合金刀具材料，其特征在于Si元素的平均粒度為10nm 100nm。
5.根據權利要求4所述的一種涂層梯度硬質合金刀具材料，其特征在于涂層材料厚度力 5 μ m 40 μ m。
全文摘要
一種涂層梯度硬質合金刀具材料，本發明涉及刀具材料。本發明是要解決傳統刀具材料存在強度和韌性差，耐熱及抗氧化性弱導致使用壽命短并且影響被切削件精度的問題。一種涂層梯度硬質合金刀具材料的由基體和涂層材料組成，所述基體由WC粉末、TiC粉末、(Ta,Nb)C固溶體粉末、Co粉和La與Sm混合稀土粉末構成；涂層材料由Ti元素、Al元素、N元素和Si元素構成。本發明刀具基體具備較高的強度和韌性，抗氧化性強，切削性能明顯高于普通TiAlN刀具的性能，使用壽命約提高50%，加工后的工件表面粗糙度降低了30%，尺寸精度提高了50%。本發明用于制備一種涂層梯度硬質合金刀具。
文檔編號C22C29/16GK103114233SQ20131008040
公開日2013年5月22日 申請日期2013年3月13日 優先權日2013年3月13日
發明者陳輝, 王麗君, 茍國慶, 劉艷, 陳林 申請人:成都廣正科技有限公司