專利名稱：以納米TiN改性的TiC或Ti(C,N)基金屬陶瓷刀具、該刀具的制造工藝及刀具的使用方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及金屬陶瓷刀具、粉末冶金技術(shù)和工具技術(shù)。
背景技術(shù)：
金屬陶瓷材料是用粉末冶金方法制取的金屬與陶瓷的復(fù)合材料。早期的TiC、Ti(C，N)基金屬陶瓷是用來填補(bǔ)WC-Co系硬質(zhì)合金和Al2O3陶瓷工具材料之間的空隙，適于做高速精加工的工具。而1971年以后出現(xiàn)的含N的金屬陶瓷刀具材料(Ti(C，N)基金屬陶瓷)由于具有耐磨、耐高溫、耐氧化和耐蝕性好等一系列優(yōu)點(diǎn)，在國外已被廣泛應(yīng)用于制造刀具。目前，日本刀具的三分之一采用該種材料制造。在國內(nèi)，切削刀具多用WC-Co、WC-TiC＝Co系硬質(zhì)合金制造，其中典型的YG8、YT15硬質(zhì)合金刀具在高速切削普通碳鋼、不銹鋼、灰鑄鐵及切削淬火鋼等難加工材料時，已無法勝任，必須采用陶瓷刀具、金屬陶瓷刀具、立方氮化硼(CBN)刀具或人造金剛石刀具。人造金鋼石刀具和CBN刀具在切削較硬材料時具有優(yōu)越性，但其價格昂貴，因而限制了其應(yīng)用范圍。對陶瓷刀具而言，由于其脆性大、切削時易崩刃、成本較高因而目前在工廠中也未能普遍應(yīng)用。而普通的Ti(C，N)基金屬陶瓷刀具在高速切削普通碳鋼、不銹鋼及切削冷硬鑄鐵和不銹鋼等難加工材料時，由于其抗彎強(qiáng)度和韌性較低，易發(fā)生“崩刃”現(xiàn)象。
隨著現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)和現(xiàn)代工業(yè)的發(fā)展，對刀具提出了越來越高的要求。開發(fā)一種成本更低、綜合性能更優(yōu)越的新型金屬陶瓷刀具以部分替代目前廣泛使用的硬質(zhì)合金刀具已成為當(dāng)務(wù)之急。
隨著上個世紀(jì)八十年代納米科技的出現(xiàn)，給人們提供了用納米改性的方法來制備具有超細(xì)晶粒的高性能納米復(fù)合材料的發(fā)展空間。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是避免上述現(xiàn)有技術(shù)中所存在的不足之處，提供出1、一種成本相當(dāng)或略高、綜合性能更為優(yōu)越的以納米TiN改性的TiC或Ti(C，N)基金屬陶瓷刀具。
2、一種上述以納米TiN改性的TiC或Ti(C，N)基金屬陶瓷刀具的制造工藝。
3、一種上述金屬陶瓷刀具的使用方法。
本發(fā)明解決技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案是1、以納米TiN改性的TiC或Ti(C，N)基金屬陶瓷刀具，其特點(diǎn)是該刀具材料的成分為以TiC或Ti(C，N)為基材，添加TiN(nm)2～15wt％。
2、上述的金屬陶刀具的制造工藝，其特點(diǎn)是采用粉末冶金法，其工藝路線為成分設(shè)計→納米TiN分散→混合粉的球磨→加入成型劑后進(jìn)行壓制→脫除成型劑、預(yù)燒→真空燒結(jié)→刀片磨制。
3、上述的金屬陶瓷刀具的使用方法，其特點(diǎn)是刀具的安裝角度為α0＝9°、γ0＝-8°、κr＝45°、κr’＝45°。
與已有技術(shù)相比，本發(fā)明的有益效果體現(xiàn)在以納米TiN改性的TiC或Ti(C，N)基金屬陶瓷刀具不僅具有硬度高、耐磨性好的優(yōu)點(diǎn)，同時還具有熱穩(wěn)定性、導(dǎo)熱性、耐蝕性、抗氧化性以及高溫硬度、高溫強(qiáng)度等優(yōu)點(diǎn)。與硬質(zhì)合金刀具(YG8及YT15等)相比，納米TiN改性的TiC、Ti(C，N)基金屬陶瓷刀具的耐用度和使用壽命提高1-50倍，切削速度1.5-3倍，成本與硬質(zhì)合金刀具相當(dāng)或略高，而金屬切削加工費(fèi)用下降20-40％。與普通的Ti(C，N)基金屬陶瓷刀具相比，納米TiN改性的TiC、Ti(C，N)基金屬陶瓷刀具具有更高的可靠性。本發(fā)明的對于刀具材料的發(fā)展和技術(shù)進(jìn)步起到積極的推廣作用。刀具使用者可以通過提高切削效率、提高切削精度和降低刀具消耗，從而降低切消加工費(fèi)用而直接獲得經(jīng)濟(jì)效益。此外，本發(fā)明金屬陶瓷材料性能價格比高，使用面廣，可廣泛在銑刀、拉絲模及其它耐磨件上得到應(yīng)用。
圖面說明

圖1為本發(fā)明金屬陶瓷刀具的制造工藝流程圖。
圖2為本發(fā)明刀具制造工藝中成型劑脫除工藝曲線。
圖3為本發(fā)明刀具制造工藝中真空燒結(jié)曲線。
具體實(shí)施例方式納米TiN改性的TiC或Ti(C，N)基金屬陶瓷刀具，其材料成分為以TiC或Ti(C，N)為基材，添加TiN(nm)2～15wt％。
具體實(shí)施中，以TiC為基材的金屬陶瓷有兩個系列，以Ti(C，N)為基材的金屬陶瓷有四個系列，其中，以TiC為基材系列一成分為2～15wt％ TiN(nm)、10～20wt％ Mo2C、5～25wt％ Ni、0～15wt％ WC、0～5wt％ NbC、0～5wt％ TaC、TiC余量。
系列二成分為2～15wt％ TiN(nm)、10～20wt％ Mo2C、5～15wt％ Ni、0～15wt％ WC、0～5wt％ NbC、0～5wt％ TaC、5～15wt％ Co、TiC余量。
以Ti(C，N)為基材系列一成分為2～15wt％ TiN(nm)、5～10wt％ TiN(μm)、10～20wt％Mo2C、5～25wt％ Ni、0～15wt％ WC、0～5wt％ NbC、0～5wt％ TaC、TiC余量。
系列二成分為2～15wt％ TiN(nm)、5～10wt％ TiN(μm)、10～20wt％Mo2C、5～15wt％ Ni、0～15wt％ WC、0～5wt％ NbC、0～5wt％ TaC、5～15wt％Co、TiC余量。
系列三成分為2～15wt％ TiN(nm)、10～20wt％ Mo2C、5～25wt％ Ni、0～15wt％ WC、0～5wt％ NbC、0～5wt％ TaC、Ti(C，N)余量。
系列四成分為2～15wt％ TiN(nm)、10～20wt％ Mo2C、5～15wt％ Ni、0～15wt％ WC、0～5wt％ NbC、0～5wt％ TaC、5～15wt％ Co、Ti(C，N)余量。
關(guān)于納米TiN改性的TiC、Ti(C，N)基金屬陶瓷刀具的制造實(shí)施例1參見附圖1、圖2和圖3。
1、刀具材料成分10wt％ TiN(nm)、12wt％ Mo2C、20wt％ Ni、12wt％ WC、TiC余量。其中，TiN為納米粉，30-50nm，其它成分為微米粉，1-3μm。
2、納米TiN分散按粉末與分散介質(zhì)1∶10的比例稱量納米TiN粉末，量取分散介質(zhì)無水乙醇于燒杯中，然后加入表面活性劑吐溫-80加入量為3wt％，或十二烷基苯璜酸加入量為5wt％。用ZB220-T超聲波儀對納米TiN粉進(jìn)行分散，分散的時間為30-40min。
3、混合粉的球磨將經(jīng)過分散的納米TiN粉漿料倒入裝有其它微米粉末的尼龍球磨罐中，然后放入無水乙醇(球料比為1∶7)。在QM-IF行星式球磨機(jī)中以175r/min的轉(zhuǎn)速球磨24小時，然后將球磨后的漿料放在80℃的電熱干燥箱中進(jìn)行干燥，干燥后加入成型劑汽油橡膠或石蠟或聚乙烯醇水溶液(濃度為6-7wt％)，進(jìn)行造粒。
4、壓制成型放入模具中的成型壓力為150-180MPa，較為合適的壓力為180MPa。
5、脫除成型劑、預(yù)燒→真空燒結(jié)將壓制后的毛坯放入烘箱中烘干后，再放入燒結(jié)爐中脫除成型劑，溫度為200℃-800℃，加熱時間為10-25小時(成型劑脫除曲線如圖2所示)。預(yù)燒后的刀具毛坯放入真空燒結(jié)爐中以1380℃-1430℃的溫度燒結(jié)，燒結(jié)溫度為1420℃時效果較佳，保溫時間為1小時(真空燒結(jié)曲線如圖3所示)。
6、刀片磨制將燒結(jié)的刀片在磨床上用金剛石砂輪按標(biāo)準(zhǔn)磨削成各種規(guī)格，如按TNUN160408標(biāo)準(zhǔn)磨削成三角形刀片，或按SNUN150406標(biāo)準(zhǔn)磨削成四方形刀片等。
關(guān)于刀具的使用方法刀具的安裝角度為α0＝9°、γ0＝-8°、κr＝45°、κr’＝45°。
刀具切削參數(shù)為切削速度150-400m/min，切削深度為0.5-2mm，進(jìn)刀量為0.1-0.5mm/r。
比如，機(jī)床為CA6140車床，工件為正火態(tài)的45#鋼棒。切削條件為干切削，其切削參數(shù)具體為切削速度300m/min，切削深度為2mm，進(jìn)刀量為0.5mm/r。
試驗(yàn)證明與硬質(zhì)合金刀具(YG8及YT15等)相比，納米TiN改性的TiC基金屬陶瓷刀具的壽命提高1-50倍，而切削加工費(fèi)用下降20-40％。
本實(shí)施例中的刀具材料成分也可以為取2wt％ TiN(nm)、15wt％ Mo2C、10wt％ Ni、10wt％ WC、TiC余量。其中，TiN為納米粉，30-50nm，其它成分為微米粉，1-3μm。
或取15wt％ TiN(nm)、12wt％ Mo2C、10wt％ Ni、15wt％ WC、TiC余量。其中，TiN為納米粉，30-50nm，其它成分為微米粉，1-3μm。
實(shí)施例21、刀具材料成分4wt％ TiN(nm)、6wt％ TiN(μm)、12wt％ Mo2C、15wt％ WC、5wt％ Ni、5wt％ Co、TiC余量。其中，TiN為納米粉，30-50nm，其它成分為微米粉，1-3μm。
2、納米TiN分散按粉末與分散介質(zhì)1∶10的比例稱量納米TiN粉末，量取分散介質(zhì)無水乙醇于燒杯中，然后加入表面活性劑吐溫-80加入量為3wt％，或十二烷基苯璜酸加入量為5wt％。用ZB220-T超聲波儀對納米TiN粉進(jìn)行分散，分散的時間為30-40min。
3、混合粉的球磨將經(jīng)過分散的納米TiN粉漿料倒入裝有其它微米粉末的尼龍球磨罐中，然后放入無水乙醇(球料比為1∶7)。在QM-IF行星式球磨機(jī)中以175r/min的轉(zhuǎn)速球磨36小時，然后將球磨后的漿料放在80℃的電熱干燥箱中進(jìn)行干燥，干燥后加入成型劑汽油橡膠或石蠟或聚乙烯醇水溶液(濃度為6-7wt％)，進(jìn)行造粒。
4、壓制成型放入模具中的成型壓力為150-180MPa，較為合適的壓力為170MPa。
5、脫除成型劑、預(yù)燒→真空燒結(jié)；將壓制后的毛坯放入烘箱中烘干后，再放入真空燒結(jié)爐中進(jìn)行脫脂，脫脂溫度為200℃-800℃，較為適宜的溫度是400℃，加熱時間為10-25小時。脫脂后的刀具毛坯放入真空燒結(jié)爐中以1380℃-1430℃的溫度燒結(jié)，比較適當(dāng)?shù)臏囟葹?400℃，保溫時間為1小時。
6、刀片磨制同樣可以將燒結(jié)的刀片在磨床上用金剛石砂輪按標(biāo)準(zhǔn)磨削成各種規(guī)格，如按TNUN160408標(biāo)準(zhǔn)磨削成三角形刀片，或按SNUN150406標(biāo)準(zhǔn)磨削成四方形刀片等。
7、刀具的使用方法刀具的安裝角度α0＝9°、γ0＝-8°、κr＝45°、κr’＝45°。
刀具切削參數(shù)為切削速度150-400m/min，切削深度為0.5-2mm，進(jìn)刀量為0.1-0.5mm/r。
比如，機(jī)床為CA6140車床，工件為灰鑄鐵，硬度為HB220，切削條件為干切削，其切削參數(shù)具體為切削速度200m/min，切削深度為1mm，進(jìn)刀量為0.5mm/r。
試驗(yàn)證明與普通的Ti(C，N)基金屬陶瓷刀具相比，納米TiN改性的TiC基金屬陶瓷刀具的壽命提高1-10倍，而切削加工費(fèi)用下降15-40％。
本實(shí)施例中刀具材料成分也可以為取2wt％ TiN(nm)、8wt％ TiN(μm)、10wt％ Mo2C、10wt％ WC、10wt％ Ni、5wt％ Co、TiC余量。其中，TiN為納米粉，30-50nm，其它成分為微米粉，1-3μm。
或取15wt％ TiN(nm)、5wt％ TiN(μm)、12wt％ Mo2C、12wt％ WC、5wt％ Ni、5wt％ Co、TiC余量。其中，TiN為納米粉，30-50nm，其它成分為微米粉，1-3μm。
在上述實(shí)施例1、2中，為了進(jìn)一步提高刀具的高溫性能(如紅硬性)及耐磨性等，可考慮適量添加NbC和TaC。
權(quán)利要求
1.一種以納米TiN改性的TiC或Ti(C，N)基金屬陶瓷刀具，其特征是所述刀具其材料成分為以TiC或Ti(C，N)為基材，添加TiN(nm)2～15wt％。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的以納米TiN改性的TiC或Ti(C，N)基金屬陶瓷刀具，其特征是所述以TiC為基材的材料成分為Mo2C 10～20wt％、Ni 5～25wt％、WC 0～15wt％、NbC 0～5wt％、TaC 0～5wt％、TiC余量。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的以納米TiN改性的TiC或Ti(C，N)基金屬陶瓷刀具，其特征是所述以TiC為基材的材料成分為Mo2C 10～20wt％、Ni 5～15wt％、WC 0～15wt％、NbC 0～5wt％、TaC 0～5wt％、Co 5～15wt％、TiC余量。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的以納米TiN改性的TiC或Ti(C，N)基金屬陶瓷刀具，其特征是所述以Ti(C，N)為基材的材料成分為TiN(μm)5～10wt％、Mo2C 10～20wt％、Ni 5～25wt％、WC 0～15wt％、NbC 0～5wt％、TaC 0～5wt％、TiC余量。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的以納米TiN改性的TiC或Ti(C，N)基金屬陶瓷刀具，其特征是所述以Ti(C，N)為基材的材料成分為TiN(μm)5～10wt％、Mo2C 10～20wt％、Ni 5～15wt％、WC 0～15wt％、NbC 0～5wt％、TaC 0～5wt％、Co 5～15wt％、TiC余量。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的以納米TiN改性的TiC或Ti(C，N)基金屬陶瓷刀具，其特征是所述以Ti(C，N)為基材的材料成分為Mo2C 10～20wt％、Ni 5～25wt％、WC 0～15wt％、NbC 0～5wt％、TaC 0～5wt％、Ti(C，N)余量。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的以納米TiN改性的TiC或Ti(C，N)基金屬陶瓷刀具，其特征是所述以Ti(C，N)為基材的材料成分為Mo2C 10～20wt％、Ni 5～15wt％、WC 0～15wt％、NbC 0～5wt％、TaC 0～5wt％、Co 5～15wt％、Ti(C，N)余量。
8.一種權(quán)利要求1所述的金屬陶瓷刀具的制造工藝，其特征是采用粉末冶金法，其工藝路線為成分設(shè)計→納米TiN分散→混合粉的球磨→加入成型劑后進(jìn)行壓制→脫除成型劑、預(yù)燒→真空燒結(jié)→刀片磨制。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的刀具的制造工藝，其特征是在所述納米TiN的分散工藝中，分散介質(zhì)為無水乙醇；表面活性劑為吐溫80或十二烷基苯璜酸，采用超聲波分散。
10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的刀具的制造工藝，其特征是粉末與作為分散介質(zhì)的無水乙醇的比例為1∶10，作為表面活性劑的吐溫80加入量為3wt％，或十二烷基苯璜酸加入量為5wt％，超聲波分散時間為30-40min。
11.根據(jù)權(quán)利要求8所述的刀具的制造工藝，其特征是所述刀具的成型壓力為150-180MPa，成型劑脫除溫度為200℃-800℃，加熱時間為10-25小時。
12.根據(jù)權(quán)利要求8所述的刀具的制造工藝，其特征是所述真空燒結(jié)溫度為1380℃-1430℃，保溫時間為1小時。
13.一種權(quán)利要求1所述刀具的使用方法，其特征是所述刀具的安裝角度為α0＝9°、γ0＝-8°、κr＝45°、κr’＝45°。
14.根據(jù)權(quán)利要求13所述的刀具的使用方法，其特征是所述刀具的切削速度為150-400m/min，切削深度為0.5-2mm，進(jìn)刀量為0.1-0.5mm/r。
全文摘要
以納米TiN改性的TiC或Ti(C，N)基金屬陶瓷刀具、該刀具的制造工藝及刀具的使用方法。其中，以納米TiN改性的TiC、Ti(C，N)基金屬陶瓷材料的成分是以TiC或Ti(C，N)為基材，添加TiN(nm)2～15wt％。本發(fā)明刀具硬度高、耐磨性好，其熱穩(wěn)定性、導(dǎo)熱性、耐蝕性、抗氧化性以及高溫硬度、高溫強(qiáng)度等都有明顯優(yōu)勢。與硬質(zhì)合金刀具相比，本刀具的耐用度和使用壽命提高1－50倍，切削速度提高1.5－3倍，成本與其相當(dāng)或略高，而金屬切削加工費(fèi)用下降20－40％。與普通的Ti(C，N)基金屬陶瓷刀具相比，本刀具具有更高的可靠性。
文檔編號C22C29/10GK1477222SQ0213816
公開日2004年2月25日 申請日期2002年8月21日 優(yōu)先權(quán)日2002年8月21日
發(fā)明者劉寧, 張立德, 李廣海, 許育東, 周杰, 謝峰, 曾慶梅, 張崇高, 姜治, 劉 寧 申請人:合肥工業(yè)大學(xué)