用于切削玻璃纤维的散热型复合刀具材料及其制备方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及纤维增强复合材料的切削加工技术领域，特别涉及一种用于切削玻璃 纤维的复合刀具材料及其制备方法。
【背景技术】
[0002] 玻璃纤维是一种性能优异的无机非金属材料，主要用做复合材料的增强体，目前 用于全球复合材料工业的增强材料主要有玻璃纤维、碳纤维和芳纶纤维，其中玻璃纤维占 整个用量的98. 8%。玻璃纤维复合材料以玻璃纤维为增强材料、以合成树脂为基体材料， 经特定的定型工艺制造而成。由于玻璃纤维复合材料具有质量轻、比强度和比刚度大、耐腐 蚀、耐高温等优点，在现代工业中得到了越来越多的关注，特别是广泛应用于航空航天、国 防工业和体育器材等技术领域。
[0003] 玻璃纤维的切削加工存在由玻璃纤维的特性所带来的特定的加工难度，其中一个 非常突出的方面就是由于玻璃纤维的导热性较小而产生的。在切削加工过程中，切削接触 面上的玻璃纤维织物在切削作用下不断变碎，未及时排出的切肩对刀具有强烈的磨料作 用，研磨刀具表面、产生大量的热量；而玻璃纤维的导热性非常小，在室温下的导热系数仅 为0. 027WAm?K)，导致了玻璃纤维切削加工过程中的散热条件极差，热量大部分聚集在刀 具的刀尖、刀刃附件，使刀具急剧磨损，为玻璃纤维的切削加工带来了较大的难度。
[0004] 现有的研宄大多着眼于通过改进切削刀具的结构或切削工艺参数，实现对玻璃纤 维加工性能的改进，但改进效果并不十分理想，玻璃纤维及其复合材料仍被认为是典型的 难加工材料。
【发明内容】
[0005] 本发明的一个目的在于从改进切削刀具的合金材料入手，提供一种用于切削玻璃 纤维的散热型复合刀具材料，以克服玻璃纤维切削加工过程中由于散热性差导致的刀具易 磨损问题。
[0006] 本发明的另一个目的在于提供上述用于切削玻璃纤维的散热型复合刀具材料的 制备方法。
[0007] 为解决上述技术问题，本发明的实施方式提供了一种用于切削玻璃纤维的散热型 复合刀具材料，该复合刀具材料包含合金基底与设于合金基底表面的至少一个复合涂层， 该种合金基底以质量百分含量计包含：Tic8~16%，Co1~2%，Mo0. 5%~0. 8%，Ni 7~10%，Cr1~2%，余量为WC;此外，设于合金基底表面的复合涂层包含碳纳米纤维层 和类金刚石层，且类金刚石层设于碳纳米纤维层远离合金基底的表面。优选地，该散热型复 合刀具材料的合金基底以质量百分含量计包含：TiC12%，Co1.5%，Mo0. 6%，Ni8%，Cr 1. 5%，余量为WC。
[0008] 本发明的实施方式所提供的上述刀具材料，包含了合金基底和设于合金基底表面 的复合涂层。该合金基底的化学组成中，高硬度难熔金属的碳化物WC和Tie为主要组成成 分，也是合金基底的硬化相，其提供了作为切削刀具材料所必须的硬度和耐磨度的基础。Co和Mo作为粘结相，对合金基底的硬化相进行粘结。此外，Ni和Cr的复合添加起到如下作 用：Ni的添加不但能提高合金材料的强度，又能保持合金材料良好的塑性和韧性，且Ni对 酸碱有较高的耐腐蚀能力，在高温下具有防锈和耐热能力，能在散热条件不佳的玻璃纤维 切削过程中对刀具材料其保护作用；Cr的加入也可进一步细化合金的铸态组织，提高合金 的耐腐蚀性能以及抗氧化性能，延长刀具的使用寿命。
[0009] 更重要的是，本发明的实施方式所提供的刀具材料，在合金基底的表面还设有复 合涂层，该复合涂层包含碳纳米纤维层和类金刚石层，且类金刚石层设于碳纳米纤维层远 离合金基底的表面。在该种复合层状结构中，与合金基底表面直接接触的碳纳米纤维层是 一种多孔碳基功能材料，具有低密度、高比模量、高导热等优点。在合金基底的表面增设碳 纳米纤维层作为热传导介质层，可提高本发明的刀具材料的导热率，使该材料制备成的刀 具在用于对玻璃纤维的切削加工时的散热性能得以提高，从而克服由于玻璃纤维的导热性 较小而引起的大量切削热聚集、导致刀具磨损问题。此外，为弥补碳纳米纤维膜在硬度和强 度方面的不足，本发明的实施方式在碳纳米纤维膜的表面又增设了类金刚石层，类金刚石 层不但具有较好的导热散热能力，而且具备优异的强度和硬度，既可提高刀具材料的硬度 和强度，又能进一步提高刀具材料整体的散热性能。值得补充说明的是，本发明的实施方式 中，由碳纳米纤维层和类金刚石层组成的复合涂层可超过一个，即碳纳米纤维层和类金刚 石层交替地设于合金基底的表面，只需保证直接接触合金基底的是碳纳米纤维层、而刀具 材料最外面的一层是硬度较好的类金刚石层，此种层状交替的复合结构可使刀具材料的散 热性和硬度达到最佳。
[0010] 与现有的刀具材料相比，本发明的实施方式所提供的复合刀具材料，通过调整合 金基底的元素组成、并在合金基底表面增设包含碳纳米纤维层和类金刚石层的复合涂层， 使其具有更为优异的导热散热性，且在硬度和耐磨性上也有提高，尤其适用于对玻璃纤维 的切削加工，可减少切削加工过程中刀具的刀尖、刀刃处的热量聚集，减缓刀具的磨损速 度、提高刀具的使用寿命。
[0011] 优选地，本发明的实施方式所提供的用于切削玻璃纤维的散热型复合刀具材料 中，碳纳米纤维层为聚丙烯腈基碳纳米纤维层，且该聚丙烯腈基碳纳米纤维层的厚度为 10~20nm。进一步优选地，本发明的实施方式所提供的用于切削玻璃纤维的散热型复合刀 具材料中，聚丙烯腈基碳纳米纤维层中掺有立方氮化硼晶粒。聚丙烯腈基碳纳米纤维层不 但易于制备，而且纤维分布均匀多孔，是作为本发明中的碳纳米纤维层的一种优选方案。此 外，掺于聚丙烯腈基碳纳米纤维层中的立方氮化硼晶粒，是一种不导电的散热性材料，且 硬度极高，将其掺入聚丙烯腈基碳纳米纤维层中，可进一步提高刀具材料的硬度和散热特 性。
[0012] 优选地，本发明的实施方式所提供的用于切削玻璃纤维的散热型复合刀具材料 中，合金基底的厚度为3~10mm，类金刚石层的厚度为1. 5~2. 5um。上述合金基底以及类 金刚石涂层的厚度是作为切削玻璃纤维的刀具材料的较合理方案。
[0013] 此外，本发明的实施方式还提供上述用于切削玻璃纤维的散热型复合刀具材料的 制备方法，该方法包含下述步骤：（1)以烧结法制备合金基底，该合金基底以质量百分含量 计包含：TiC8 ~16%，Co1 ~2%，Mo0? 5%~0? 8%，Ni7 ~10%，Cr1 ~2%，余量为 WC;(2)在步骤（1)制备得到的合金基底的表面，制备至少一个复合涂层，每个复合涂层以 下述步骤制备：以静电纺丝法制备聚丙烯腈基碳纳米纤维层，然后在聚丙烯腈基碳纳米纤 维层远离合金基底的表面，以离子束电镀法制备类金刚石层。
[0014] 具体地，本发明的实施方式所提供的用于切削玻璃纤维的散热型复合刀具材料的 制备方法中，以烧结法制备合金基底的步骤包含：(a)以质量百分含量计，称取下述原料： TiC8 ~16%，Co1 ~2%，Mo0? 5%~0? 8%，Ni7 ~10%，Cr1 ~2%，余量为WC; (b) 取步骤（a)中称取的原料，与球磨介质一起加入球磨机中进行湿磨，将湿磨后得到的浆料 蒸干，加入成型剂，烘干过筛；将得到的合金粉末压制成型后，于真空炉中在1400~1600°C 下保温40~60分钟，然后置于惰性气氛保护的加压炉中，以1400~1600°C烧结50~80 分钟，即制得合金基底。优选地，上述以烧结法制备合金基底的步骤中所使用的球磨介质为 丙酮，所使用的成型剂为石蜡，所使用的惰性气氛为氩气。
[0015] 具体地，本发明的实施方式所提供用于切削玻璃纤维的散热型复合刀具材料的制 备方法中，以静电纺丝法制备聚丙烯腈基碳纳米纤维层的步骤为：（i)将聚丙烯腈溶于N， N-二甲基甲酰胺中，在50~80°C水浴中磁力搅拌8~10小时，制得静电纺丝前驱体溶液， 其中，聚丙烯腈在该静电纺丝前驱体溶液中的质量百分含量为6~10% ; (ii)将步骤（i) 制得的静电纺丝前驱体溶液加入静电纺丝装置中，在合金基底的表面，以静电纺丝法制备 聚丙烯腈基纳米纤维膜；（iii)将步骤（ii)制得的表面带有聚丙烯腈基纳米纤