一種機械加工刀具的制備方法
【專利摘要】本發(fā)明公開一種機械加工刀具的制備方法，屬于機械加工刀具制造【技術(shù)領(lǐng)域】；所述方法采用熱噴涂技術(shù)制備厚度為1mm-10mm的硬質(zhì)合金類刀具或陶瓷刀具；采用熱噴涂技術(shù)可以高效率和低成本的制備刀具需求發(fā)展趨勢的機械加工刀具；采用熱噴涂技術(shù)在相應模版上制備獲得組織結(jié)構(gòu)均勻和高耐磨性、抗氧化性及高溫紅硬性良好的硬質(zhì)合金類刀具或陶瓷刀具，獲得刀具材料可以有單一材料組成，也可以有多層不同材料復合噴涂制備完成；獲得的刀具可以進行相應的二次熱處理（如滲碳、滲氮、高溫燒結(jié)）或涂層涂覆，也可以直接加工（激光和砂輪）獲得使用刀具；同時本技術(shù)制備的刀具具有良好的自潤滑能力和自刃性以及更高的硬度和韌性，從而提高刀具壽命和加工效率。
【專利說明】 一種機械加工刀具的制備方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種機械加工刀具的制備方法，屬于機械加工刀具制造【技術(shù)領(lǐng)域】。
【背景技術(shù)】
[0002]常用的機械加工刀具主要包括硬質(zhì)合金刀具和陶瓷刀具。上述兩種刀具一般采用粉末冶金工藝制成，大都由硬度和熔點很高的硬質(zhì)相和粘結(jié)劑(也稱粘結(jié)相)組成。其中硬質(zhì)合金刀具中的傳統(tǒng)扣、IX系列硬質(zhì)合金刀具硬度已經(jīng)不能滿足高速高強度加工材料，時常發(fā)生沖擊破碎。為了提高硬質(zhì)合金刀具的性能，目前在基體材料方面，出現(xiàn)利用超細晶粒以及梯度合金等基體材料，以及加入其它元素等高性能硬質(zhì)合金，提高基體材料的性能，但是在耐磨性、抗氧化性和高溫紅硬性等方面仍然不能滿足要求。目前利用涂層技術(shù)？卩0或”0等，在合金刀具表面添加一層涂層，從開始單一的IX涂層已進入到八1203、11⑶、313隊、⑶隊11^1^以及金剛石等多種涂層，可以提高刀具壽命和加工效率以及提高工件的表面質(zhì)量。但由于上述涂層較薄，在刀具使用過程中容易磨損，或者涂層與基體的界面結(jié)合強度低容易導致涂層脫落，導致刀具整體性能和壽命嚴重下降，增加了生產(chǎn)成本，并且加工工藝復雜。陶瓷刀具材料具有高硬度、高耐磨性、高耐熱性和高穩(wěn)定性的特點和性能，從而使陶瓷刀具在機械加工領(lǐng)域得到大量的推廣和使用。與硬質(zhì)合金刀具相似，陶瓷刀具也是利用粉末冶金工藝制造，比如II (0, 基金屬陶瓷是一種新型顆粒增強型復合材料，同時具有了金屬和陶瓷的性能。(立方氮化硼)刀具是利用立方氮化硼為原料，添加粘結(jié)劑，在高溫高壓下合成立方氮化硼刀具。上述陶瓷刀具也是利用基本陶瓷材料和一定的結(jié)合劑(或催化劑等),在一定的環(huán)境條件下利用粉末冶金工藝熱壓成型生成所需要的陶瓷刀具。
[0003]中國專利85103011 “高韌性氮化硅基陶瓷刀具材料及其制造方法”在313隊刀具材料中加入21~02或碳化物作為彌散體，通過粉末冶金的熱壓燒結(jié)獲得刀具，由于彌散體的存在提高刀具的抗沖擊性。中國專利201210061142] “一種氮化硅基陶瓷刀具材料及其制備方法”、201010590272.3 “超細1顆粒增韌補強1182基復合陶瓷刀具材料及其制備方法”和200810031010.6 “含硼的碳氮化鈦基金屬陶瓷刀具材料及其制備工藝”專利都是通過在基體材料中添加其它材料或元素制備獲得粉料，然后進行熱壓燒結(jié)獲得刀具。中國專利200610000810.2 “陶瓷刀具的金屬離子注入表面改性方法”通過在氮化硅以及復合氮化硅、氧化鋁以及復合氧化鋁、硬質(zhì)合金、碳氮化硅、氧化鋯以及氧化鋯增韌陶瓷刀具基體表面注入離子(鈦、鋯、鉻、鉬、鎢),改善了陶瓷刀具表面狀態(tài)，提高了切肩性能。中國專利201320075428.3 “一種表面涂覆有抗沖擊耐磨涂層的刀片”通過在基體表面涂覆具有抗沖擊性耐磨涂層II隊110, XI (0,幻、(八1，0) I提高刀具的速度，降低加工成本。中國專利200410024226.1 “一種自潤滑陶瓷刀具材料”直接在材料中添加固體潤滑劑，中國專利20121047210.6 “一種微納復合織構(gòu)自潤滑陶瓷刀具及其制備方法”采用激光加工技術(shù)在相應刀面加工出微米級織構(gòu)，并在相應織構(gòu)中填充固體潤滑劑，從而保證刀具在很寬的溫度范圍內(nèi)均具有自潤滑能力，可應用于干式和難加工材料的加工，但是激光加工增加了刀具成本。
[0004]總之，以上制備刀具方法特點決定了刀具生產(chǎn)工藝過程復雜，添加成分或其它物質(zhì)繁多，而且有些添加劑需要在制備過程中去除，以及在刀具表面進行涂層制備，都增加了制備成本。另外工藝復雜生產(chǎn)控制步驟出現(xiàn)問題容易導致刀具質(zhì)量下降或不合格，刀具成品率不高。影響機械加工成本因素眾多，性價比高的刀具是降低加工成本的關(guān)鍵，減少潤滑液的用量也是重要因素之一，故自潤滑高強度和強韌性刀具成為加工刀具的發(fā)展趨勢。目前，利用粉末冶金熱壓法制備的刀具存在孔隙率不均勻、密度不一致、強度不均一。而熱噴涂技術(shù)多用于表面強化和表面改性，比如通過在高速鋼刀具金屬基體表面噴涂一層涂層，提高刀具的耐磨、耐蝕、耐高溫氧化、電絕緣、隔熱、防輻射、減磨和密封等性能，但是還沒有相關(guān)文獻及專利資料說明熱噴涂技術(shù)直接制備刀具本體或母體。
【發(fā)明內(nèi)容】
[0005]本發(fā)明要解決的技術(shù)問題是:解決現(xiàn)有機械加工刀具制備方法制備工序復雜和刀具性能控制困難，解決目前粉末冶金熱壓法制備的刀具存在孔隙率不均勻、密度不一致、強度不均一現(xiàn)象。
[0006]本發(fā)明的目的是提供一種機械加工刀具的制備方法，所述方法直接利用熱噴涂技術(shù)在相應模版上噴涂硬質(zhì)合金類粉末或陶瓷粉末制備得到硬質(zhì)合金類刀具或陶瓷刀具。
[0007]本發(fā)明所述硬質(zhì)合金類粉末為難熔金屬的硬質(zhì)化合物〔IV 8、V 8、VI8族金屬的碳化物、氮化物、硼化物、硅化物和氧化鋁或氧化鈦)與非金屬(硼、碳或硅)和金屬化0、附、10或八1)任意混合。
[0008]所述陶瓷粉末為氧化物(如氧化鋁)或非氧化物(如陶瓷粉末中的一種，或多種物質(zhì)按任意比例混合。
[0009]本發(fā)明所述模版為鋼、銅或鑄鐵類高熱傳導率板狀材料，厚度為
[0010]本發(fā)明所述機械加工刀具的厚度為1111111-50111111。
[0011]本發(fā)明所述熱噴涂刀具可以有一層單一材料制備完成，也可以是多層不同材料復合形成。
[0012]本發(fā)明所述的機械加工刀具的制備方法，其特征在于具體包括以下步驟:
(1)硬質(zhì)合金類粉末或陶瓷粉末進行電熔燒結(jié)，然后利用破碎法獲得粒度為0.5-45^.11的粉末，將干燥粉末送入等離子噴涂設(shè)備；
(2)對模版表面進行光滑處理使表面粗糙度?1觸，然后利用干燥空氣對模版表面進行潔凈處理或者涂覆高溫涂料(如氧化鎂涂料、氧化鋁涂料)；
(3)啟動噴涂系統(tǒng)和機械手進行一次或多次等離子噴涂；
(4)對噴涂有刀具材料的模版分離，涂覆有高溫涂料的可以自動分離，無涂料模版進行自然冷卻或腐蝕剝離使刀具材料與模版自動分離，獲得刀具母體；
(5)對步驟(4)得到的刀具母體直接使用或者進行加工處理或者進行相應的二次熱處理(如滲碳、滲氮、高溫燒結(jié))或者涂層涂覆后再進行加工處理，最終獲得刀具。
[0013]本發(fā)明所述的機械加工刀具的制備方法，其特征在于中等離子噴涂的工藝參數(shù)為:主氣為紅和隊，氬氣的氣流量為80~12017111111，氮氣的氣流量為；工作電流為380~450八，工作電壓為120~1607 ；送粉器送粉氣體為紅，氣體流量為30~6017111111 ；噴嘴距離基體距離為1042(3111,噴嘴的移動速度為0.005-0.04111/80
[0014]本發(fā)明所述熱噴涂技術(shù)制備刀具可以一次熱噴涂制備完成，也可以多次熱噴涂完成；本發(fā)明所述熱噴涂刀具可以有一層單一材料制備完成，也可以有多層不同材料復合形成。
[0015]本發(fā)明中的熱噴涂技術(shù)除普通氣穩(wěn)等離子噴涂技術(shù)外，還包括超音速等離子噴涂技術(shù)、超音速火焰噴涂技術(shù)、水穩(wěn)等離子噴涂技術(shù)、電弧噴涂技術(shù)和爆炸噴涂技術(shù)等。
[0016]與現(xiàn)有技術(shù)方案相比，本發(fā)明采用的技術(shù)方案產(chǎn)生的有益效果如下:
(1)本發(fā)明所述熱噴涂技術(shù)制備刀具不是在刀具基體上進行涂層制備，而是直接制備厚度為1111111-50111111的致密硬質(zhì)合金類刀具、陶瓷或復合材料刀具；
(2)本發(fā)明相對于目前粉末冶金熱壓法:在制備材料上可以減少粘結(jié)劑等額外材料(如聚乙烯醇、纖維素醚、淀粉)的加入，在工藝可以減少熱壓前初步成型步驟以及去除額外添加材料的工藝步驟，在結(jié)構(gòu)上可以得到孔隙率均勻、密度一致和強度均一刀具，在性能上提高了刀具的硬度、韌性、自潤滑性能和自刃性及耐磨性。
[0017](3)利用熱噴涂技術(shù)制備的刀具，可以通過調(diào)節(jié)材料配方和噴涂工藝參數(shù)來控制微孔形狀、孔徑、分布狀態(tài)(均勻分布和梯度分布)和孔隙率，從而可以讓刀具在使用過程中具有吸附冷卻潤滑液的能力，提高刀具冷卻潤滑能力，保證自刃性，提高刀具壽命和速度；
(4)利用熱噴涂技術(shù)制備的刀具，可以在熱噴涂過程中，直接添加元素及材料或噴涂過程中自我合成具有自潤滑能力材料；上述材料在提高自潤滑能力的同時，還可以提高刀具的抗磨蝕能力。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0018]圖1為本發(fā)明的工藝流程圖；
圖2為本發(fā)明中一層單一材料熱噴涂刀具的結(jié)構(gòu)示意圖；
圖3為本發(fā)明中多層不同材料復合形成的熱噴涂刀具結(jié)構(gòu)示意圖。
【具體實施方式】
[0019]下面結(jié)合附圖和【具體實施方式】對本發(fā)明作進一步詳細說明，但本發(fā)明的保護范圍并不限于所述內(nèi)容。
[0020]實施例1
(1)將硬質(zhì)合金類粉末⑶1(?合金、氧化鋁與硼粉)進行電熔燒結(jié)，然后利用破碎法獲得的粉末粒度為25 VIII，將干燥粉末送入等離子噴涂設(shè)備；
(2)對厚度3挪模版鋼基表面進行光滑處理(粗糙度卩3?丨她)，然后利用干燥空氣對模版表面進行潔凈處理并涂覆0.氧化鎂涂料；
(3)啟動噴涂系統(tǒng)和機械手進行等離子噴涂，工藝參數(shù)為:主氣為紅和隊，氬氣的氣流量為8017111111，氮氣的氣流量為2017111111 ；工作電流為415八，工作電壓為1407 ；送粉器送粉氣體為紅，氣體流量為6017111111 ；噴嘴距離基體距離為10(3111，噴嘴的移動速度為0.01111/8，按照模版一定方向一次完成所需厚度等離子噴涂；得到的噴涂刀具(如圖2所示)厚度為5皿，致密度99.5%，孔徑1迦;
(4)涂覆有高溫涂料模版可以讓刀具和模版自動分離，獲得刀具母體；
(5)直接進行加工(激光和砂輪),通過切割、拋光和打磨獲得刀具；本實施例制備得到刀具的硬度為！！狀90-95、破壞韌性5腿^ ? 1^5。
[0021]實施例2
(1)將陶瓷粉末(氧化鋁、氧化鈦與氮化硅和硼粉)進行電熔燒結(jié)，然后利用破碎法獲得的粉末粒度為10 VIII，將干燥粉末送入等離子噴涂設(shè)備；
(2)對厚度3挪模版銅基表面進行光滑處理丨她)，然后利用干燥空氣對模版表面進行潔凈處理；
(3)啟動噴涂系統(tǒng)和機械手進行等離子噴涂，工藝參數(shù)為:主氣為紅和隊，氬氣的氣流量為10017111111，氮氣的氣流量為3017111111 ；工作電流為450八，工作電壓為1207 ；送粉器送粉氣體為紅，氣體流量為4517111111 ；噴嘴距離基體距離為12(3111，噴嘴的移動速度為0.005111/8，按照模版一定方向一次完成所需厚度等離子噴涂。得到的噴涂刀具厚度為川臟，孔隙率可達6%、孔徑5)^11的刀具；
(4)對噴涂有刀具材料的模版進行自然冷卻，由于兩者的熱膨脹系數(shù)差異，導致刀具材料與模版自動分離，獲得刀具母體；
(5)對刀具母體進行相應的二次熱處理(高溫燒結(jié)),然后進行表面加工(激光和砂輪)，通過切割、拋光和打磨獲得刀具；本實施例制備得到刀具的硬度取3000~3500、破壞韌性
81？3 10 5。
[0022]實施例3
(1)將硬質(zhì)合金類粉末(碳化鎢與(?)進行電熔燒結(jié)，然后利用破碎法獲得的粉末粒度為45 V %將干燥粉末送入等離子噴涂設(shè)備；
(2)對厚度1挪模版銅基表面進行光滑處理1網(wǎng)0，然后利用干燥空氣對模版表面進行潔凈處理；
(3)啟動噴涂系統(tǒng)和機械手進行等離子噴涂，工藝參數(shù)為:主氣為紅和隊，氬氣的氣流量為12017111111，氮氣的氣流量為3017111111 ；工作電流為420八，工作電壓為1607 ；送粉器送粉氣體為紅，氣體流量為4517111111 ；噴嘴距離基體距離為12(3111，噴嘴的移動速度為0.02111/8，按照模版一定方向一次完成所需厚度等離子噴涂；得到的噴涂刀具厚度為孔隙率可達6%、孔徑5)^11的刀具；
(4)對噴涂有刀具材料的模版進行自然冷卻，由于兩者的熱膨脹系數(shù)差異，導致刀具材料與模版自動分離，獲得刀具母體；
(5)對刀具母體進行表面涂層涂覆(利用形成八II涂層),然后進行表面加工(激光和砂輪),通過切割、拋光和打磨獲得刀具；本實施例制備得到刀具的硬度?。?忙70、破壞韌性 91？3.1/5。
[0023]實施例4
(1)將硬質(zhì)合金類粉末(附(?合金、氧化鋁、10812)進行燒結(jié)，然后利用破碎法獲得的粉末粒度為0.5 V?。?！，將干燥粉末送入等離子噴涂系統(tǒng)送粉器(1 ?；另外將合金氧化物陶瓷粉末(附(?合金、碳化硅、硼化鈦)進行燒結(jié)，然后利用破碎法獲得的粉末粒度為0.5 4！11，將干燥粉末送入等離子噴涂系統(tǒng)送粉器(2)；
(2)對厚度2(3111模版鋼基表面進行光滑處理然后利用干燥空氣對模版表面進行潔凈處理；
(3)啟動噴涂系統(tǒng)和機械手進行等離子噴涂，噴涂送粉器(1)工藝參數(shù)為:主氣為紅和隊，氬氣的氣流量為12017111111，氮氣的氣流量為1017111111 ；工作電流為380八，工作電壓為120乂 ；送粉器送粉氣體為紅，氣體流量為3017111111 ；噴嘴距離基體距離為11挪，噴嘴的移動速度為 0.02111/8 ；
噴涂送粉器(2)工藝參數(shù)為:主氣為紅和隊，氬氣的氣流量為9517111111，氮氣的氣流量為2517111111 ；工作電流為380八，工作電壓為135乂 ；送粉器送粉氣體為紅，氣體流量為301/111111 ；噴嘴距離基體距離為10(3111，噴嘴的移動速度為0.01111/8 ；
噴涂過程中，完成送粉器(1)中的材料一層噴涂后，用送粉器(2)中材料同樣位置進行噴涂，這樣交替往復，按照模版一定方向一次完成所需厚度等離子噴涂；最終得到的噴涂刀具厚度為5111111 ；
(4)對噴涂有刀具材料的模版刀具表面進行涂蠟，進行酸性腐蝕是刀具與模版分離，獲得刀具母體；
(5)直接進行加工(砂輪),通過切割、拋光和打磨獲得刀具；本實施例制備得到刀具的硬度冊仙6、破壞韌性6腿^.1^5。
[0024]實施例5
(1)將硬質(zhì)合金類粉末(氮化鈦、鋁和氮化硼)進行電熔燒結(jié)，然后利用破碎法獲得的粉末粒度為1 VIII，將干燥粉末送入等離子噴涂設(shè)備；
(2)對厚度2挪模版鑄鐵基表面進行光滑處理丨她)，然后利用干燥空氣對模版表面進行潔凈處理；
(3)啟動噴涂系統(tǒng)和機械手進行等離子噴涂，工藝參數(shù)為:主氣為紅和隊，氬氣的氣流量為9017111111，氮氣的氣流量為2517111111 ；工作電流為390八，工作電壓為1207 ；送粉器送粉氣體為紅，氣體流量為3017111111 ；噴嘴距離基體距離為12(3111，噴嘴的移動速度為0.04111/8，按照模版一定方向3次等離子噴涂達到所需刀具厚度。得到的噴涂刀具厚度為川臟，孔隙率可達6%、孔徑51^11的刀具；
(4)對噴涂有刀具材料的模版進行自然冷卻，由于兩者的熱膨脹系數(shù)差異，導致刀具材料與模版自動分離，獲得刀具母體；
(5)對刀具母體進行二次熱處理(高溫燒結(jié)和滲氮)，然后進行表面加工(激光和砂輪)，通過切割、拋光和打磨獲得刀具；本實施例制備得到刀具的硬度11狀9 5、破壞韌性41？3 10 5。
【權(quán)利要求】
1.一種機械加工刀具的制備方法，其特征在于:所述方法直接利用熱噴涂技術(shù)在相應模版上噴涂硬質(zhì)合金類粉末或陶瓷粉末制備得到硬質(zhì)合金類刀具或陶瓷刀具； 所述模版為鋼、銅或鑄鐵類高熱傳導率板狀材料，厚度為l~3cm。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的機械加工刀具的制備方法，其特征在于:所述機械加工刀具的厚度為lmm-50mmo
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的機械加工刀具的制備方法，其特征在于:所述硬質(zhì)合金類粉末為難熔金屬的硬質(zhì)化合物、非金屬和金屬中的兩種或三種按任意比例混合得到； 所述難熔金屬的硬質(zhì)化合物為IV B、V B,VI B族金屬的碳化物、氮化物、硼化物、硅化物、氧化鋁、氧化鈦中的一種；所述非金屬為硼、碳、硅中的一種；所述金屬為Co、N1、Mo、Al中的一種。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的機械加工刀具的制備方法，其特征在于:所述熱噴涂刀具可以有一層單一材料制備完成，也可以是多層不同材料復合形成。
5.根據(jù)權(quán)利要求1、2或3所述的機械加工刀具的制備方法，其特征在于具體包括以下步驟: (1)硬質(zhì)合金類粉末或陶瓷粉末進行電熔燒結(jié)，然后利用破碎法獲得粒度為0.5-45 μ m的粉末，將干燥粉末送入等離子噴涂設(shè)備； (2)對模版表面進行光滑處理使表面粗糙度<lMffl，然后利用干燥空氣對模版表面進行潔凈處理直接使用或者涂覆高溫涂料； (3)啟動噴涂系統(tǒng)和機械手進行一次或多次等離子噴涂； (4)對噴涂有刀具材料的模版分離，涂覆有高溫涂料的可以自動分離，無涂料模版進行自然冷卻或腐蝕剝離使刀具材料與模版自動分離，獲得刀具母體； (5)對步驟(4)得到的刀具母體直接使用或者進行加工處理或者進行相應的二次熱處理或者涂層涂覆后再進行加工處理，最終獲得刀具。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的機械加工刀具的制備方法，其特征在于:步驟(3)中等離子噴涂的工藝參數(shù)為:主氣為Ar和N2，氬氣的氣流量為80~120L/min，氮氣的氣流量為10~30L/min ；工作電流為380~450A，工作電壓為120~160V ;送粉器送粉氣體為Ar，氣體流量為30~60L/min ;噴嘴距離基體距離為10~12cm，噴嘴的移動速度為0.005-0.04m/s。
【文檔編號】C23C4/12GK104498859SQ201410730695
【公開日】2015年4月8日 申請日期:2014年12月5日 優(yōu)先權(quán)日:2014年12月5日
【發(fā)明者】宋鵬, 劉光亮, 蔣業(yè)華, 周會會, 黃太紅 申請人:昆明理工大學