本發(fā)明涉及金屬粉末制造制品，具體涉及一種用于鈦合金切削加工的新型硬質(zhì)合金刀具及其制備方法。

背景技術(shù)：

1、鈦合金是一種高強(qiáng)輕質(zhì)材料，擁有優(yōu)異的機(jī)械性能和耐蝕性，被廣泛用于航空航天、汽車、生物醫(yī)療等領(lǐng)域。然而，由于鈦合金的高強(qiáng)度、低熱導(dǎo)率、高化學(xué)反應(yīng)活性以及低彈性模量等特性，使得鈦合金的加工難度居高不下，使高速高精度加工鈦合金成為一道難題。

2、目前商業(yè)化的硬質(zhì)合金刀具被廣泛用于鈦合金的切削加工，但仍存在加工效率低、易剝落、切屑去除率低等問題。而隨著制造業(yè)的飛速發(fā)展，鈦合金的應(yīng)用占比逐年上升，工業(yè)應(yīng)用中對鈦合金切削效率以及切削精度要求也在不斷提高，由此對切削加工鈦合金的硬質(zhì)合金刀具也提出了更高的性能要求。

3、為提高硬質(zhì)合金刀具的切削性能，目前針對硬質(zhì)合金刀具的優(yōu)化方案主要集中在刀具表面涂層構(gòu)造、微織構(gòu)設(shè)計(jì)，以及刀具的幾何形狀優(yōu)化。這些方案在一定程度上有效提高了刀具切削力，優(yōu)化了切削過程中的熱管理和切屑排除能力。但由于刀具基體材料的強(qiáng)度和高溫力學(xué)性能有限，因此面對鈦合金這類難加工材料時(shí)，仍難以滿足高效、精密的加工要求。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、本發(fā)明意在提供一種用于鈦合金切削加工的新型硬質(zhì)合金刀具及其制備方法，以解決現(xiàn)有技術(shù)中硬質(zhì)合金刀具難以滿足對鈦合金材料高精度、高效的加工要求問題。

2、為達(dá)到上述目的，本發(fā)明采用如下技術(shù)方案，一種用于鈦合金切削加工的新型硬質(zhì)合金刀具及其制備方法，本方案采用少主元數(shù)量的中/高熵合金粘結(jié)劑硬質(zhì)合金與晶粒生長抑制劑相結(jié)合，獲得新型硬質(zhì)合金刀具，提高硬質(zhì)合金刀具服役性能，優(yōu)化鈦合金制品加工效率和精度。其中，硬質(zhì)合金刀具包括所述硬質(zhì)合金刀具的基體采用以下元素組成：co、ni、fe；其中各元素摩爾百分比為5％～35％，成分質(zhì)量比為co：ni：fe＝3～6:2～4:1～5；并摻雜晶粒抑制劑制得。

3、進(jìn)一步的，還包括al元素，其粒度選擇為1～4μm，其成分質(zhì)量比為2～13wt.％。

4、進(jìn)一步的，還包括ti元素，其粒度選擇為1～4μm，其成分質(zhì)量比為3～24wt.％。

5、進(jìn)一步的，還包括cr元素，其粒度選擇為1～4μm，其成分質(zhì)量比為3～21wt.％。

6、本發(fā)明的另一目的在于用于上述硬質(zhì)合金刀具的制備方法，包括以下步驟，

7、步驟1，黏結(jié)相粉末制備：采用co粉、ni粉和fe粉三種元素作為黏結(jié)相，其成分質(zhì)量比為co：ni：fe＝3～6:2～4:1～5；并添加al粉或ti粉或cr粉，粒度選擇為1～4μm；將選定的四種元素粉末按照各元素摩爾比為5％～35％進(jìn)行混合，獲得黏結(jié)相粉末；

8、步驟2，復(fù)合粉末制備：選用粒度為0.5～1.2μm的wc粉末，將wc粉末與黏結(jié)相粉末混合；并添加晶粒抑制劑進(jìn)行混合，所述晶粒抑制劑占比為0.2～1.2wt.％，獲得復(fù)合粉末；

9、步驟3，硬質(zhì)合金粉末制備：將復(fù)合粉末放入球磨機(jī)中，并加入石蠟、保護(hù)氣氛和酒精，按照設(shè)定的研磨參數(shù)進(jìn)行研磨，并在研磨后進(jìn)行干燥，獲得硬質(zhì)合金粉末；

10、步驟4，樣品成形：將硬質(zhì)合金粉末壓制成壓坯，并將壓坯按照燒結(jié)方式進(jìn)行燒結(jié)后，獲得硬質(zhì)合金刀具基體。

11、進(jìn)一步的，在步驟1中，co粉、ni粉和fe粉的粒度為1.5～3.8μm，成分質(zhì)量比為co：ni：fe＝5:4:1wt.％。

12、進(jìn)一步的，在步驟2中，所述晶粒抑制劑為cr3c2、vc、tac中的一種或多種；所述晶粒抑制劑的占比設(shè)為0.4～0.9wt.％。

13、進(jìn)一步的，在步驟3中，加入石蠟的占比為2wt.％；所述酒精為球磨介質(zhì)，球料比為2:1～8:1；所述研磨參數(shù)設(shè)置為：磨機(jī)轉(zhuǎn)速50～120r/min，研磨時(shí)間12～48h；在干燥時(shí)，設(shè)置干燥溫度為60～100℃，干燥時(shí)間為40～80min。

14、進(jìn)一步的，在步驟4中，所述燒結(jié)方式為采用燒結(jié)溫度為1350～1470℃，低壓燒結(jié)1h。

15、進(jìn)一步的，所述保護(hù)氣氛為氮?dú)饣驓鍤猓辉诓襟E3中，還包括在干燥后，進(jìn)行造粒、過篩，獲得硬質(zhì)合金粉末。

16、本方案的原理及優(yōu)點(diǎn)是：

17、刀具基體的性能是刀具高質(zhì)量發(fā)展的首要前提，傳統(tǒng)硬質(zhì)合金刀具基體主要以co為黏結(jié)相，wc為硬質(zhì)相，具有較優(yōu)異的硬度、耐磨性和彈性模量，但隨著制造業(yè)對刀具材料性能要求的提升，傳統(tǒng)硬質(zhì)合金刀具基體材料逐漸難以滿足要求。

18、目前采用中/高熵合金作為硬質(zhì)合金粘結(jié)劑，呈現(xiàn)出較co粘結(jié)劑硬質(zhì)合金更優(yōu)異的硬度、斷裂韌性、耐蝕性和高溫抗氧化性能。中/高熵合金是一類多主元合金，由五種及以上幾乎相等百分比的元素組成，這些合金組織中通常具有明顯的晶格畸變和固溶強(qiáng)化特征，因而具有獨(dú)特的組織和優(yōu)異的高溫力學(xué)性能。為進(jìn)一步提高中/高熵合金性能，現(xiàn)有技術(shù)中常采用添加對應(yīng)性能的元素并調(diào)節(jié)相應(yīng)元素配比來實(shí)現(xiàn)，但若主元數(shù)量過多，又會導(dǎo)致中/高熵合金晶格畸變和元素過飽和偏析較嚴(yán)重，使其韌性較低，難以滿足高溫切削所需的強(qiáng)度和韌性要求。但若主元數(shù)量過少，中/高熵合金擴(kuò)散遲滯效應(yīng)減弱，wc晶粒異常長大現(xiàn)象增加，導(dǎo)致硬質(zhì)合金硬度與高溫強(qiáng)度下降，也難以滿足性能要求，因此在硬質(zhì)合金的制備上，至少都會采用四種以上元素，保證性能要求，如公開號為cn104372230a的專利，公開了一種包含ni、fe、co、cr、al等至少五種元素的方案以提高硬質(zhì)合金性能。

19、并且由于中/高熵合金各主組分間彼此固溶，原子間相互作用復(fù)雜，晶格畸變嚴(yán)重,進(jìn)而導(dǎo)致合金組織具有較強(qiáng)烈的擴(kuò)散遲滯效應(yīng)，該效應(yīng)強(qiáng)度受組分?jǐn)?shù)量、組分物理化學(xué)性質(zhì)的直接影響，在該效應(yīng)作用下，組分的溶解、析出過程將受到抑制。因此在中/高熵合金粘結(jié)劑硬質(zhì)合金的制備過程中，一般不需要采用晶粒抑制劑，反而會增加工序和成本，并且添加晶粒抑制劑還可能對合金的其他性能產(chǎn)生影響，因此一般不會額外添加晶粒抑制劑。

20、由于在現(xiàn)有技術(shù)中，為提高硬質(zhì)合金的綜合能力，普遍的方式為進(jìn)一步添加具有相應(yīng)優(yōu)異性能的元素，而不會考慮反向減少合成元素。但本方案跳出常規(guī)的增加主元合金數(shù)量制備方式的固有思維，而是采用減少主元數(shù)量的方式，以臨界點(diǎn)3～4種少主元數(shù)量作為組成元素進(jìn)行硬質(zhì)合金基體的制備。其原因在于，我們發(fā)現(xiàn)在添加了過多主元數(shù)量后，反而會導(dǎo)致中/高熵合金晶格畸變和元素過飽和偏析較嚴(yán)重，使其韌性較低，難以滿足高溫切削所需的強(qiáng)度和韌性要求，因此常會選用5種及以上元素。而本方案能夠?qū)崿F(xiàn)3～4種少主元數(shù)量，是因?yàn)楸痉桨竿瑫r(shí)結(jié)合了有效的成分質(zhì)量比參數(shù)進(jìn)行配置，并在制備過程中添加了一般不會使用的晶粒抑制劑，制備超細(xì)晶高性能硬質(zhì)合金刀具基體，即不用增加過多的主元數(shù)量，又能達(dá)到高性能服役需求。同時(shí)，通過合理控制晶粒抑制劑的用量配比，既不影響中/高熵合金各主組分間彼此固溶，達(dá)到本身的抑制效果，又能抑制wc晶粒異常長大現(xiàn)象，從而提高硬質(zhì)合金的性能，跳出不需要使用晶粒抑制劑的技術(shù)偏見，有效提高硬質(zhì)合金刀具高溫服役性能，提升鈦合金制品加工效率和精度。

技術(shù)特征：

1.一種用于鈦合金切削加工的新型硬質(zhì)合金刀具，其特征在于，所述硬質(zhì)合金刀具的基體采用以下元素組成：co、ni、fe；其中各元素摩爾百分比為5％～35％，成分質(zhì)量比為co：ni：fe＝3～6:2～4:1～5；并摻雜晶粒抑制劑制得。

2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種用于鈦合金切削加工的新型硬質(zhì)合金刀具，其特征在于：還包括al元素，其粒度選擇為1～4μm，其成分質(zhì)量比為2～13wt.％。

3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種用于鈦合金切削加工的新型硬質(zhì)合金刀具，其特征在于：還包括ti元素，其粒度選擇為1～4μm，其成分質(zhì)量比為3～24wt.％。

4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種用于鈦合金切削加工的新型硬質(zhì)合金刀具，其特征在于：還包括cr元素，其粒度選擇為1～4μm，其成分質(zhì)量比為3～21wt.％。

5.一種用于鈦合金切削加工的新型硬質(zhì)合金刀具制備方法，其特征在于，應(yīng)用于權(quán)利要求1-4中任一所述的一種用于鈦合金切削加工的新型硬質(zhì)合金刀具，包括以下步驟，

6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的一種用于鈦合金切削加工的新型硬質(zhì)合金刀具制備方法，其特征在于：在步驟1中，co粉、ni粉和fe粉的粒度為1.5～3.8μm，成分質(zhì)量比為co：ni：fe＝5:4:1wt.％。

7.根據(jù)權(quán)利要求5所述的一種用于鈦合金切削加工的新型硬質(zhì)合金刀具制備方法，其特征在于：在步驟2中，所述晶粒抑制劑為cr3c2、vc、tac中的一種或多種；所述晶粒抑制劑的占比設(shè)為0.4～0.9wt.％。

8.根據(jù)權(quán)利要求5所述的一種用于鈦合金切削加工的新型硬質(zhì)合金刀具制備方法，其特征在于：在步驟3中，加入石蠟的占比為2wt.％；所述酒精為球磨介質(zhì)，球料比為2:1～8:1；所述研磨參數(shù)設(shè)置為：磨機(jī)轉(zhuǎn)速50～120r/min，研磨時(shí)間12～48h；在干燥時(shí)，設(shè)置干燥溫度為60～100℃，干燥時(shí)間為40～80min。

9.根據(jù)權(quán)利要求5所述的一種用于鈦合金切削加工的新型硬質(zhì)合金刀具制備方法，其特征在于：在步驟4中，所述燒結(jié)方式為采用燒結(jié)溫度為1350～1470℃，低壓燒結(jié)1h。

10.根據(jù)權(quán)利要求5所述的一種用于鈦合金切削加工的新型硬質(zhì)合金刀具制備方法，其特征在于：所述保護(hù)氣氛為氮?dú)饣驓鍤?；在步驟3中，還包括在干燥后，進(jìn)行造粒、過篩，獲得硬質(zhì)合金粉末。

技術(shù)總結(jié)
本發(fā)明涉及金屬粉末制造制品技術(shù)領(lǐng)域，公開了一種用于鈦合金切削加工的新型硬質(zhì)合金刀具及其制備方法，所述硬質(zhì)合金刀具的基體采用以下元素組成：Co、Ni、Fe；其中各元素摩爾百分比為5％～35％，成分比為Co：Ni：Fe＝3～6:2～4:1～5；制備方法包括采用Co粉、Ni粉和Fe粉，以及Al粉或Ti粉或Cr粉，將選定的四種元素粉末按照各元素摩爾比為5％～35％進(jìn)行混合，獲得黏結(jié)相粉末；將黏結(jié)相粉末與WC粉末混合，并添加晶粒抑制劑混合獲得復(fù)合粉末；將復(fù)合粉末研磨干燥后進(jìn)行壓坯，燒結(jié)后制得硬質(zhì)合金刀具基體。本發(fā)明采用少主元數(shù)量的中/高熵合金粘結(jié)劑硬質(zhì)合金與晶粒抑制劑相結(jié)合，制備硬質(zhì)合金刀具基體，提高硬質(zhì)合金刀具服役性能，優(yōu)化鈦合金制品加工效率和精度。

技術(shù)研發(fā)人員：任達(dá)平,吳金波,張偉,何清勇,謝波,唐琛
受保護(hù)的技術(shù)使用者：成都工具研究所有限公司
技術(shù)研發(fā)日：
技術(shù)公布日：2025/1/6