专利名称：陶瓷－硬质合金复合刀片及其工艺的制作方法
技术领域：
本发明属机械制造领域，特别涉及陶瓷—硬质合金复合刀片及其工艺。
新型陶瓷刀具材料由于具有高硬度、高耐磨性、高耐热性和高的化学稳定性等独特的性能，近些年来在切削加工领域得到较为广泛的应用。但由于陶瓷刀具存在的韧性和强度低，在切削加工时易发生破损，可靠性较差，并且由于陶瓷刀具焊接困难，对在小孔及窄槽和其它需要焊接刀具的加工中由于机夹体积大或机夹力不足而限制了使用。目前国内外有研究用多种增韧机制来提高陶瓷刀具韧性的，但效果不十分理想。如采用颗粒弥散增韧，其增韧幅度十分有限；采用相变增韧，陶瓷刀具的增韧效果随切削温度的升高而下降，且韧性增加的同时，强度降低；采用晶须增韧，能显著提高陶瓷刀具材料的断裂韧性，但价格昂贵，使用成本高。此外，也有利用CVD涂层设备在硬质合金上涂一层陶瓷涂层，由于涂层很薄，容易磨损；因界面结合强度低也易产生涂层剥落，并且设备投资大，工艺比较复杂。
本发明的目的是提高陶瓷刀具材料的断裂韧性和抗弯强度，研究应用热压烧结技术将陶瓷和硬质合金材料直接热压覆层制备新型的复合刀片。
本发明的技术关键在于从陶瓷刀具切削性能和应用出发，研究以高强度、高弹性模量的硬质合金作为基体材料，上层为陶瓷粉末，底层为硬质合金粉末；或上、下层为陶瓷粉末，中间为硬质合金粉末，在高温热压烧结炉中热压烧结成型。充分利用陶瓷的高硬度、高耐磨性、化学稳定性和硬质合金的高断裂韧性、高强度特性，研究出陶瓷/硬质合金、陶瓷/硬质合金/陶瓷两种复合刀片材料。
本发明的单面覆层陶瓷—硬质合金复合刀片材料组分为Al2O3+Ti(W)C/TiC+Ni，重量配比(％)为Al2O3∶Ti(W)C/TiC∶Ni＝42-48∶58-52/80-85∶20-15，其中，最佳配比为Al2O3∶Ti(W)C/TiC∶Ni＝45∶55/82∶18。双面覆层陶瓷—硬质合金复合刀片材料组分为Al2O3+Ti(W)C/TiC+Ni/Al2O3+Ti(W)C，其成分重量比(％)为Al2O3∶Ti(W)C/TiC∶Ni/Al2O3∶Ni/Al2O3∶Ti(W)C＝42-48∶58-52/85-90∶15-10/42-48∶58-52，其中，最佳配比为Al2O3∶Ti(W)C/TiC∶Ni/Al2O3∶Ti(W)C＝45∶55/87∶13/45∶55。
陶瓷—硬质合金界面结合机制是形成完好复合刀片的关键，采用TiC硬质合金以及Ni作为粘结剂既能在界面形成元素的相互扩散，又不发生剧烈的化学反应，防止了生成脆性相和恶化界面性能。本发明的陶瓷—硬质合金复合刀片材料，所选用的硬质合金热膨胀系数和弹性模量均应大于陶瓷。试验表明，当陶瓷的热膨胀系数大于硬质合金时，在陶瓷层内形成拉应力，该拉应力在陶瓷层产生垂直界面的裂纹，陶瓷表层的残余拉应力对材料性能不利；当硬质合金的热膨胀系数大于陶瓷时，在陶瓷内形成残余压应力，有利于提高陶瓷层的物理机械性能，但热膨胀系数的差值不宜过大，否则，引起界面开裂，或在硬质合金内产生垂直界面的裂纹。此外，由于陶瓷与硬质合金的弹性模量不同，受载时，弹性模量大的一层承受更多的载荷。陶瓷—硬质合金复合刀具材料利用硬质合金的弹性模量比陶瓷大的特点，在不降低断裂韧性的情况下，使材料的强度有较大的提高。本发明的单面覆层陶瓷—硬质合金复合刀片，其陶瓷和硬质合金的热膨胀系数分别为7.7×10-6和8.7×10-61/℃。刀具机械性能为硬度HRC94-95，抗弯强度850-1000MPa，断裂韧性5.3-5.8MPa·m1/2。在小孔和窄槽加工中可以焊接使用。双面覆层陶瓷—硬质合金刀片，其陶瓷和硬质合金的热膨胀系数分别为7.7×10-6和8.2×10-61/℃。刀具机械性能为硬度HRC94-95，抗弯强度800-900MPa，断裂韧性5.3-5.8MPa·m1/2。
本发明的陶瓷—硬质合金复合刀片采用高温热压炉进行压制成型，炉内通有氢气或氮气。其工艺参数为热压温度1700-1800℃，保温时间7-15min，压力35MPa。
本发明的陶瓷—硬质合金复合刀片与相同的纯复相陶瓷刀具相比，断裂韧性提高12-18％，抗弯强度提高20-30％。耐磨性能和抗破损性能提高20-30％。具有显著的经济和社会效益。
权利要求
1.陶瓷—硬质合金复合刀片及其工艺，采用热压烧结炉，在氢气或氮气气氛中热压烧结，其特征在于该复合刀具材料为单面覆层和双面覆层，单面覆层为陶瓷/硬质合金，双面为陶瓷/硬质合金/陶瓷，硬质合金的热膨胀系数和弹性模量均大于陶瓷。
2.根据权利要求1所述的陶瓷—硬质合金复合刀片及其工艺，其特征在于所述的单面覆层陶瓷—硬质合金复合刀具材料组分及其重量配比(％)为Al2O3∶Ti(W)C/TiC∶Ni＝42-48∶58-52/80-85∶20-15。
3.根据权利要求1所述的陶瓷—硬质合金复合刀片及其工艺，其特征在于所述的双面覆层陶瓷—硬质合金复合刀具材料组分及其重量配比(％)为Al2O3∶Ti(W)C/TiC∶Ni/Al2O3∶Ti(W)C＝42-48∶58-52/85-90∶15-10/42-48∶58-52。
4.根据权利要求1、2所述的陶瓷—硬质合金复合刀片材料，其特征在于所述的单面覆层陶瓷—硬质合金的最佳重量配比(％)为Al2O3∶Ti(W)C/TiC∶Ni＝45∶55/82∶18。
5.根据权利要求1、3所述的陶瓷—硬质合金复合刀片材料，其特征在于所述的双面覆层陶瓷—硬质合金的最佳重量配比(％)为Al2O3∶Ti(W)C/TiC∶Ni/Al2O3∶Ti(W)C＝45∶55/87∶13/45∶55
6.根据权利要求1、2、3所述的陶瓷—硬质合金复合刀片材料及其工艺，其特征在于该陶瓷—硬质合金的热压烧结工艺参数为热压温度1700-1800℃，保温时间7-15min，压力35MPa。
全文摘要
本发明陶瓷－硬质合金复合刀具及其工艺。用高强度、高弹性模量的硬质合金作为基体材料,上层为陶瓷粉末,底层为硬质合金粉末;或上、下层为陶瓷粉末,中间为硬质合金粉末,在氢气或氮气气氛中热压烧结,利用陶瓷的高硬度、高耐磨性、化学稳定性和硬质合金的高断裂韧性、高强度特性,提高陶瓷刀具材料的断裂韧性和抗弯强度。与相同的纯陶瓷刀具相比,断裂韧性提高12—18%,抗弯强度提高20—30%。耐磨性能和抗破损性能提高20—30%。
文档编号B22F7/02GK1256983SQ9812210
公开日2000年6月21日 申请日期1998年12月4日 优先权日1998年12月4日
发明者李兆前, 艾兴, 周建强, 邓建新, 黄传真, 赵军, 侯志刚, 张玮, 袁伟, 钮平章 申请人:山东工业大学