一种硬质合金刀片及其制备方法
【专利摘要】本发明公开了一种硬质合金刀片及其制备方法。硬质合金刀片包括硬质合金刀片基体和涂层，硬质合金刀片基体是以Co作为粘结相，以碳化钨和含钛立方相化合物作为硬质相，粘结相中固溶有W元素和Cr元素，W元素占粘结相的质量分数为2wt.％～10wt.％，Cr元素占粘结相的质量分数为1wt.％～10wt.％，含钛立方相化合物为包含有Ta元素和Nb元素中的一种或两种以及Ti元素的碳氮化合物，碳化钨的晶粒分布具有双峰结构。制备方法包括配料、混合制粉、压制成型、烧结和涂层制备。本发明的硬质合金刀片具有高硬度、韧性和强度且切削性能优越稳定的优点，通用性强，适合各种加工领域，制备方法工艺简单、成本低。
【专利说明】
一种硬质合金刀片及其制备方法
技术领域
[0001] 本发明涉及一种硬质合金刀片，尤其涉及一种具有非均匀WC粒度分布的表层缺立 方相梯度结构的硬质合金涂层刀片。
【背景技术】
[0002] 制造金属切削刀具的材料必须具有很高的高温硬度和耐磨性，具有必要的抗弯强 度、冲击韧性和化学惰性，以及良好的工艺性(切削加工、锻造和热处理等），且不易变形。然 而，材料硬度越高，其韧性就越低，亦即是说材料的硬度和韧性很难同时兼备。现有技术采 用非均匀结构或梯度结构来改进硬质合金的性能，例如专利文献US4277283号美国专利文 献，以及CN1079179A号中国专利文献已经公开了表层缺立方相结构的硬质合金基体及其制 备方法。在刀片基体表面涂层的制备中，在刀具表面涂覆高硬度的涂层(如TiN、TiC、TiCN、 CrN等)可减轻刀片的磨蚀磨损、粘结磨损和扩散磨损，增加刀片的耐用度;而在刀片表面涂 覆高硬度的Al2〇3涂层可以有效避免氧化磨损，例如US4490191号美国专利文献以及 CN1091683A号中国专利文献等公开了氧化物涂层刀具的制备方法以及各种提高氧化物涂 层附着性能的预处理方法。但是上述的文献中只是单独从一个角度对切削刀片的性能进行 优化，切削刀片通用性不高，具有一定的局限性。为了使切削刀片具有一定的通用性并适用 于各种加工领域，有必要对刀片基体和刀片涂层的微观结构和各项参数指标作进一步调整 制备出通用性高且切削性能优越稳定的切削刀片。
【发明内容】
[0003] 本发明要解决的技术问题是克服现有技术的不足，提供一种同时具有高硬度、韧 性和强度且切削性能优越稳定的硬质合金刀片。该硬质合金刀片通用性强，适合各种加工 领域，尤其涉及到包括铸铁、合金钢、不锈钢等金属材料的加工。
[0004] 为解决上述技术问题，本发明采用以下技术方案：
[0005] -种硬质合金刀片，包括硬质合金刀片基体和设于所述硬质合金刀片基体上的涂 层，所述硬质合金刀片基体是以Co作为粘结相，以碳化钨和含钛立方相化合物作为硬质相， 所述硬质合金刀片基体中，所述粘结相的质量分数为4wt. %~10wt. %，所述含钛立方相化 合物的质量分数为2wt. %~8wt. %，其余为碳化钨;所述粘结相中固溶有W元素和Cr元素， 所述W元素占粘结相的质量分数为2wt. %~10wt. %，所述Cr元素占粘结相的质量分数为 lwt. %~10wt. % ;所述含钛立方相化合物为包含有Ta元素和Nb元素中的一种或两种以及 Ti元素的碳氮化合物;所述碳化妈的晶粒分布具有双峰结构，一个峰介于0.3μηι~0.9μηι之 间，另一个峰介于1.2μηι~3.5μηι之间。
[0006] 上述的硬质合金刀片中，优选的，所述含钛立方相化合物中Ti原子与含钛立方相 化合物中所有金属原子的原子比为0.45~0.70;所述硬质合金刀片基体中N元素与Ti元素 的原子比为0.1~0.2。
[0007] 上述的硬质合金刀片中，优选的，所述硬质合金刀片基体具有平均粘结相含量(质 量分数)为标称粘结相含量1~2倍的含钛立方相化合物缺失的表层结构，所述表层结构的 厚度为5μηι~50μηι。
[0008] 上述的硬质合金刀片中，优选的，所述硬质合金刀片基体中，所述粘结相的质量分 数为5wt. %~8wt. % ;和/或，所述W元素占粘结相的质量分数为4wt. %~8wt. %，所述Cr元 素占粘结相的质量分数为4wt. %~8wt. %。
[0009] 上述的硬质合金刀片中，优选的，所述Cr元素是以金属固溶体或Cr的碳化物形式 加入。
[0010] 为了进一步提高硬质合金刀片的性能，上述的硬质合金刀片中，优选的，所述硬质 合金刀片基体上设有细晶多层涂层，由里到外依次包括有：
[0011] 最里层的TiN层，厚度为Ο.?μπι~Ιμπι，所述TiN层的晶粒为等轴晶粒，平均晶粒度彡 0.5μπι ；
[0012] 一层TiCN层，厚度为3μπι~12μπι，所述TiCN层的晶粒为柱状晶，平均晶粒度为0·2μπι ~1. Oym，柱状晶晶粒的长径比大于5;
[0013] 最外层的α-Α?2〇3层，厚度为2μηι~ΙΟμπι，平均晶粒度为0 · 2μηι~2 · Ομπι。
[0014] 作为一个总的技术构思，本发明还提供了一种上述的硬质合金刀片的制备方法， 包括以下步骤：
[0015] (1)配料:选用Co金属粉、含钛立方相化合物和碳化钨粉作为原料，各原料的质量 百分比为：
[0017]其中，所述含钛立方相化合物为包含有Ta元素和Nb元素中的一种或两种以及Ti元 素的碳氮化合物;所述碳化钨粉包括粗碳化钨粉和细碳化钨粉，所述粗碳化钨粉的平均粒 度为3μπ?~ΙΟμL?，所述细碳化钨粉的平均粒度为0 · 5μπ?~1 · 5μπ?，所述细碳化钨粉与粗碳化钨 粉的质量比为0.1~0.5:1;
[0018] (2)混合制粉:先将细碳化钨粉和Co金属粉进行混合并预球磨，然后加入粗碳化钨 粉、含钛立方相化合物和成型剂进行球磨，球磨后干燥，得到混合料粉末；
[0019] (3)压制成型:将所述混合料粉末压制成型，得到压坯；
[0020] (4)烧结：
[0021] (4.1)脱成型剂:将步骤(3)所得压坯置于氢气气氛中，升温至成型剂脱除温度，以 脱除成型剂；
[0022] (4.2)第一烧结保温阶段:脱成型剂后，真空条件下继续升温烧结，待烧结温度升 至1320°C~1370°C时，通入20mbar~60mbar的Ar保护气体，在Ar气氛下保温烧结0 · 5h~lh;
[0023] (4.3)第二烧结保温阶段:第一烧结保温阶段结束后，在真空环境下升温烧结，待 烧结温度升至140CTC~147CTC时，通入30mbar~120mbar的Ar保护气体，在Ar气氛下保温烧 结0.5h~1.5h;
[0024] (4.4)第一冷却阶段：第二烧结保温阶段结束后，保持Ar气氛，冷却至1150°C~ 1250 〇C；
[0025] (4.5)第二冷却阶段:第一冷却阶段结束后，通入氢气，在氢气气氛下冷却至室温， 得到硬质合金刀具基体；
[0026] (5)涂层制备:在步骤(4.5)所得硬质合金刀具基体上制备涂层。
[0027] 上述的硬质合金刀片的制备方法中，优选的，所述步骤（1)中，所述粗碳化钨粉的 平均粒度为5μπ?~ΙΟμL?，所述细碳化钨粉的平均粒度为0.8μπ?~1.2μπ?，所述细碳化钨粉与粗 碳化钨粉的质量比为0.2~0.4:1。
[0028] 上述的硬质合金刀片的制备方法中，优选的，所述步骤(5)中，所述涂层采用常规 CVD方法制备得到。
[0029] 本发明中，所述含钛立方相化合物可以是由多种单一金属元素的碳化物、氮化物、 碳氮化物粉末形式独立添加（比如以 照具体成分进行必要的组合后添加），也可以是由含有两种或两种以上金属元素的碳化物、 氮化物、碳氮化物构成的复合化合物形式添加（比如以（Ti，W) C、（Ta，Nb)C、（ Ti，Ta，Nb) C、 (Ti，Ta，Nb)CN等形式按照具体成分进行必要的组合后添加），优选以复合化合物形式添加。
[0030] 本发明的硬质合金刀片基体中，W元素占粘结相的质量分数为2wt. %~10wt. %， 结合以下计算公式，可得出在制备方法的烧结过程中，需控制C/W原子比在0.78~0.90之 间。
[0031] 本发明中，粘结相中固溶的W元素含量的计算方法如下：
[0032] W% = [l-C/W原子比]Χ100%/1·74，
[0033] C/W原子比= σ/16· 1+1 · 13Xwt. %Cr/wt. %Co，
[0034] 〇为合金的饱和磁矩，单位yTm3/Kg。
[0035] Cr元素含量可采用能谱方法测量。
[0036] 与现有技术相比，本发明的优点在于：
[0037] 1、本发明的硬质合金刀片基体成分中可同时加入03&、他、1^等过渡金属元素， 组合了Cr元素和Ta、Nb、Ti立方化合物的优点，其中Cr元素增强了WC/Co界面强度和韧性，提 高了粘结相的抗氧化能力和扩散能力，Ta、Nb、Ti的立方碳化物或碳氮化物能提高硬质合金 的硬度和高温性能；另外，通过优化粘结相中W元素含量，提高粘结相的硬度、抗氧化能力， 从而提高硬质合金的硬度和高温性能。
[0038] 2、本发明的硬质合金刀片基体具有平均粘结相含量为标称粘结相含量1~2倍的 含钛立方相化合物缺失的表层结构，高Co含量的含钛立方相化合物缺失的表层结构可以有 效的抑制CVD涂层裂纹向基体内部的扩展，这使得切削刀具具有优良的刃口强度和抗冲击 性能。
[0039] 3、本发明的硬质合金刀片基体对Ti在含钛立方相化合物所有金属原子中的比例 (如Ti/(Ti+Ta+Nb))以及N/Ti比例进行了精确的控制，从而实现组织结构以及力学性能的 最优化。通过对Ti在含钛立方相化合物所有金属原子中比例的精确控制可以提高立方相固 溶体成分均匀性、改善立方相固溶体与WC以及与粘结相之间界面的结合强度和韧性，从而 提高合金的力学性能;通过对N/Ti比例的精确控制可以提高表层高韧性的梯度结构(包括 厚度和化学成分)的精确控制。
[0040] 4、本发明的硬质合金刀片基体WC具有双峰结构，粗细两种晶粒均匀分布在基体中 可以看作是具有高硬度和高强度的亚微米或者超细合金与韧性的粗晶合金的复合，它在相 同的硬度下具有更好的韧性和强度。
[0041] 5、本发明的硬质合金刀片在基体上涂有细晶多层涂层，有优异耐磨性、抗高温塑 性变形能力和良好抗冲击性能的硬质合金基体结合TiN/TiCN/Al2〇3的多层CVD涂层，经测试 试验表明，本发明的硬质合金刀片具有出色的抗塑性变形能力和抗月牙洼磨损能力，还具 备优良的断裂韧性和抗热裂纹扩展能力，非常适合普通钢、不锈钢的半精加工和精加工。
【附图说明】
[0042] 图1是本发明实施例1中硬质合金刀片基体的截面和芯部金相结构图。
[0043] 图2是本发明实施例2中硬质合金刀片基体的截面和芯部金相结构图。
[0044] 图3是本发明实施例3中硬质合金刀片基体的截面和芯部金相结构图。
[0045] 图4是对比例1硬质合金刀片基体的截面和芯部金相结构图。
[0046] 其中，左边图为截面SEM照片，左边图的白色横线是用于区分表层和芯部的辅助 线，右边图为芯部SEM照片，黑色物质为粘结相，白色物质为WC，灰色物质为含钛立方相化合 物。
【具体实施方式】
[0047] 以下结合说明书附图和具体优选的实施例对本发明作进一步描述，但并不因此而 限制本发明的保护范围。
[0048] 实施例1:
[0049] 一种本发明的硬质合金刀片，刀片型号为WNMG080408。该硬质合金刀片包括硬质 合金刀片基体和设于硬质合金刀片基体上的涂层。本实施例硬质合金刀片基体成分见表1 和表2。以5.6wt. % (不包括固溶的W和Cr)的Co金属作为粘结相，以WC和含钛立方相化合物 作为硬质相，余量为WC。在粘结相中固溶有W、Cr元素，粘结相中Cr固溶含量为3.2wt. % (Cr 元素占粘结相的质量分数），Cr元素以Cr3C2形式加入，W固溶含量为5.6wt.%(W元素占粘结 相的质量分数）。硬质合金刀片基体具有平均粘结相含量为标称Co粘结相含量1.5倍的含钛 立方相化合物缺失的表层结构，表层结构的厚度为15μπι。合金中含钛立方相化合物的平均 粒径为2.(^111，1^/(11+了 &+恥)原子比为0.6 4/11原子比为0.18。碳化钨1(：晶粒分布具有双 峰结构，其中一个峰为〇.5μηι，另一个峰为2. Ομπι。本实施例的硬质合金刀片基体的截面和芯 部金相结构图如图1所示，性能参数见表3。
[0050]该硬质合金基体上有细晶多层涂层(CVD涂层），由里到外依次包括有：
[00511 -最里层的TiN层，厚度为0.5μπι，该层晶粒为等轴晶粒，平均晶粒度0.2μπι;
[0052]--层TiCN层，厚度为7μπι，该层晶粒为柱状晶，平均晶粒度为0.8μπι，柱状晶粒长径 比为9;
[0053]-最外层的a-Ah〇3层，厚度为6μηι，平均晶粒度为1 ·6μηι。
[0054] 一种上述本实施例的硬质合金刀片的制备方法，包括以下步骤：
[0055] (1)配料：按比例配制混合原料粉末，本实施例中5.6wt. %的Co粉、2.5wt. %的 (11，￥)(：、0.9￥1%的110).5~.5、2.3￥1%的（了&，恥)(：，0.2^^.%的〇3〇2粉末，余量^：粉。賈： 粉包括粗、细两种不同粒度的WC粉，粗WC粉的平均粒度为5 . Ομπι，细WC粉的平均粒度为Ο . 6μ m;细WC粉和粗WC粉的质量比为0.3:1;硬质合金基体中C/W原子比等于0.9。在配料时根据合 金成分的需要适当添加少量的C粉或W粉来控制烧结后合金的C/W原子比，从而控制粘结相 中W的固溶含量。由于具体操作过程中存在很多变量，受到诸如原料氧含量、球磨过程、烧结 气氛等很多因素的影响，此处需根据硬质合金成分的需要来添加 C粉或W粉才能控制合金C/ W原子比，在配料过程中是无法给出具体量的，但行业内的技术人员是具有这种调整能力 的。
[0056] (2)混合制粉:先将细WC粉和Co粉混合后用球磨机预球磨12h，然后配入准备好的 粗WC粉、（Ti，W)C、TiCo. 5N〇. 5、（Ta，Nb) C粉和Cr3C2粉末，加上成型剂(可采用常规成型剂，对应 的成型剂脱除温度是已知的，成型剂占原料总量的质量分数为2wt. %~3wt. %均可）和配 料用酒精搅拌均匀进行球磨(球磨时间在20h~30h均可），球磨后干燥制成混合料粉末； [0057] (3)压制:将上述混合料粉末压制成型，得到压坯；
[0058] (4)烧结：将上述压坯进行高温烧结后得到本实施例1中的硬质合金刀片基体，具 体过程如下：
[0059] (4.1)脱成型剂:先将上述压坯置于烧结炉中，在氢气气氛下升温至成型剂脱除温 度，以脱除成型剂；
[0060] (4.2)第一烧结保温阶段:从成型剂脱除温度继续升温进行升温烧结，升温至1320 °C，保温0.5小时(优选步骤），继续升温至1350°C，通入60mbar氩气，在氩气保护下烧结lh; [0061 ] (4.3)第二烧结保温阶段：第一烧结保温阶段结束后，在真空环境下继续升温烧 结，待烧结炉内温度升至1450°C，进入保温阶段，开始通入SOmbar氩气，保温1小时；
[0062] (4.4)第一冷却阶段:第二烧结保温阶段结束后，保持烧结炉内氩气气氛冷却到 1180。。；
[0063] (4.5)第二冷却阶段:随后通入氢气并在氢气气氛下冷却到室温，最终得到表层梯 度结构的厚度为15μπι的硬质合金刀片基体，其显微组织形貌见图1，性能参数见表3。
[0064] 在上述烧结过程中，W溶解到Co相中，溶解度的大小受到C/W比的控制，而C/W比的 控制在步骤（1)中已经说明，通过调整C粉添加比例来调整，
【发明内容】
中已经给出了W含量的 计算公式。
[0065] (5)制备涂层:采用常规CVD涂层技术在上述所得硬质合金刀片基体上由里到外依 次制备TiN层、TiCN层和α-Α1 2〇3层。
[0066] 实施例2:
[0067] 一种本发明的硬质合金刀片，刀片型号为WNMG080408。该硬质合金刀片包括硬质 合金刀片基体和设于硬质合金刀片基体上的涂层。本实施例硬质合金刀片基体成分见表1 和表2，以6.8wt. % Co金属作为粘结相，以WC和含钛立方相化合物作为硬质相，余量为WC。在 粘结相中固溶有W、Cr元素，粘结相中Cr固溶含量为4.8wt. %，Cr元素以Cr3C2形式加入，W固 溶含量为6.5wt. %。硬质合金刀片基体具有平均粘结相含量为标称Co粘结相含量1.7倍的 含钛立方相化合物缺失的表层结构，表层结构的厚度为20μπι。合金中含钛立方相化合物的 平均粒径为2.2以111，1^/(11+了 &+恥)原子比为0.6 4/11原子比为0.18。碳化钨(1〇晶粒分布 具有双峰结构，其中一个峰为0.7μπι，另一个峰为3. Ομπι。本实施例的硬质合金刀片基体的截 面和芯部金相结构图如图2所示，性能参数见表3。
[0068]该硬质合金基体上有细晶多层涂层，由里到外依次包括有：
[0069]-最里层的TiN层，厚度为0.4μπι，该层晶粒为等轴晶粒，平均晶粒度0.2μπι;
[0070]-一层TiCN层，厚度为8μπι，该层晶粒为柱状晶，平均晶粒度为0.8μπι，柱状晶粒长径 比为10;
[0071 ]-最外层的a-Ah〇3层，厚度为5μηι，平均晶粒度为1 ·5μηι。
[0072] -种上述本实施例的硬质合金刀片基体的制备方法，制备步骤与实施例1基本相 同，区别仅在于:6.8￥扒％的(：〇粉、2.5￥1%的（1^，'\〇(：、0.9￥1%的1^(：。.5~.5、2.2￥1%的 (Ta，Nb) C，0.38 %的Cr3C2，余量WC粉，合金中C/W原子比等于0.88，WC粉包括粗、细两种不同 粒度的WC粉，粗WC粉的平均粒度为8 · Ομπι，细WC粉的平均粒度为0 · 8μπι;细WC粉和粗WC粉的质 量比为0.25:1。
[0073] 实施例3:
[0074] 一种本发明的硬质合金刀片，刀片型号为WNMG080408。该硬质合金刀片包括硬质 合金刀片基体和设于硬质合金刀片基体上的涂层。本实施例硬质合金刀片基体成分见表1 和表2，以8.4wt. % Co金属作为粘结相，以WC和含钛立方相化合物作为硬质相，余量为WC。在 粘结相中固溶有W、Cr元素，粘结相中Cr固溶含量为6.8wt. %，Cr元素以Cr3C2形式加入，W固 溶含量为6.3wt. %。硬质合金刀片基体具有平均粘结相含量为标称Co粘结相含量1.8倍的 含钛立方相化合物缺失的表层结构，厚度为20μπι。合金中含钛立方相化合物的平均粒径为 1.5ym，Ti/(Ti+Ta+Nb)原子比为0.65，N/Ti原子比为0.17。碳化钨(WC)晶粒分布具有双峰结 构，其中一个峰为〇. 9μπι，另一个峰为3.2μπι。本实施例的硬质合金刀片基体的截面和芯部金 相结构图如图3所示，性能参数见表3。
[0075]该硬质合金基体上有细晶多层涂层，由里到外依次包括有：
[0076]-最里层的TiN层，厚度为0 · 6μπι，该层晶粒为等轴晶粒，平均晶粒度0 · 22μπι;
[0077]-一层TiCN层，厚度为7.5μπι，该层晶粒为柱状晶，平均晶粒度为0.9μπι，柱状晶粒长 径比为8;
[0078]-最外层的a-Ah〇3层，厚度为6·4μηι，平均晶粒度为1 ·8μηι。
[0079] -种上述本实施例的硬质合金刀片基体的制备方法，制备步骤与实施例1基本相 同，区别仅在于：8.4wt · % 的Co 粉、4.0wt ·% 的（Ti，W)C、l .Owt · % 的TiC〇.5N〇.5、6 .Owt · % 的 (Ta，Nb) C，0.60 %的Cr3C2，余量WC粉，合金中C/W原子比等于0.89，WC粉包括粗、细两种不同 粒度的WC粉，粗WC粉的平均粒度为10 · Ομπι，细WC粉的平均粒度为1 · Ομπι;细WC粉和粗WC粉的 质量比为0.4:1。
[0080] 对比例1:
[00811 一种现有技术的型号为WNMG080408的硬质合金涂层刀片，其硬质合金刀片基体的 基本成分见表1和表2，性能参数见表3。硬质合金刀片基体的成分包括：5.5wt. %的Co、 1.5wt. %的Ti、2.5wt. %的Ta、2.0wt. %的Nb、0.10wt. %的N，其余为WC，WC平均晶粒度为 2.5μπι，梯度层厚度为5μπι。涂层为细晶多层涂层，由里到外依次包括有:最里层的TiN层，厚 度为0·5μπι，平均晶粒度0·2μπι;中间TiCN层，厚度为5μπι，平均晶粒度为1·3μπι;最外层的α-Α1 203层，厚度为4μπι，平均晶粒度为2.4μπι。该对比例的硬质合金刀片基体的截面和芯部金相 结构图如图4所示。该硬质合金涂层刀片是采用常规方法制备得到。
[0082] 对比例2:
[0083] 一种现有技术的型号为WNMG080408的硬质合金涂层刀片，其硬质合金刀片基体的 基本成分见表1和表2，性能参数见表3。硬质合金刀片基体的成分包括：6.5wt. %的Co、 2.0wt. %的Ti、2.5wt. %的Ta、1.5wt. %的Nb、0.08wt. %的N，其余为WC，WC平均晶粒度为 2.1M1，梯度层厚度为ΙΟμπι。涂层为细晶多层涂层，由里到外依次包括有:最里层的TiN层，厚 度为0·5μπι，平均晶粒度0·2μπι;中间TiCN层，厚度为5μπι，平均晶粒度为1·3μπι;最外层的α-Α1 2〇3层，厚度为5μπι，平均晶粒度为2.4μπι。该硬质合金涂层刀片是采用常规方法制备得到。
[0084] 对比例3:
[0085] 一种现有技术的型号为WNMG080408的硬质合金涂层刀片，其硬质合金刀片基体的 基本成分见表1和表2，性能参数见表3。硬质合金刀片基体的成分包括：8 . Owt. %的Co、 2.8wt. %的Ti、2.0wt. %的Ta、1.5wt. %的Nb、0.08wt. %的N，其余为WC，WC平均晶粒度为 2.6μπι，梯度层厚度为15μπι。涂层为细晶多层涂层，由里到外依次包括有:最里层的TiN层，厚 度为0.5μπι，平均晶粒度0.2μπι;中间TiCN层，厚度为5.5μπι，平均晶粒度为1.5μπι;最外层的α-Α1 2〇3层，厚度为4μπι，平均晶粒度为2.2μπι。该硬质合金涂层刀片是采用常规方法制备得到。
[0086] 图1-3中硬质合金刀片基体截面和芯部的金相结构，其中黑色物质为粘结相，白色 物质为WC，灰色物质为含钛立方相化合物，左边的图为截面的金相结构，可以看出图的上边 部分黑色的粘结相多于下边部分的黑色的粘结相，上边部分的灰色含钛立方相化合物少于 下边部分灰色含钛立方相化合物，从而显示出实施例1-3的硬质合金刀片基体具有梯度结 构；右边的图为芯部的金相结构，可以看出白色的WC具有不同的晶粒度，而且小晶粒度的WC 颗粒均匀分布在大晶粒度的WC颗粒周围，以填充大晶粒度的WC颗粒周围孔隙，降低堆积孔 隙率，从而降低合金烧结致密的难度，降低合金的WC晶粒度、邻接度，提高合金的韧性同时 灰色立方相化合物颗粒平均粒度更细小。图4所示的对比例1的硬质合金刀片基体截面和芯 部的扫描电镜照片中，左边图为截面的金相结构，右边的图为芯部的金相结构，可以看出白 色的WC虽具有不同的晶粒度，但是小晶粒度的WC颗粒聚集在一起，大晶粒度的WC颗粒聚集 在一起，并不是均匀分布，灰色立方相化合物颗粒平均粒度更粗，与本发明硬质合金刀片基 体芯部的金相结构是不同的。
[0087] 为了说明本发明的切削刀片基体比普通切削刀片基体具有更优异的性能，将实施 例1-3和对比例1-3所制备的切削刀片基体的物理和力学性能进行测试后进行比较，如下表 3所示，从表中可以看出：本发明的硬质合金刀片基体的表面均有立方相缺失的表层结构， 而普通的硬质合金刀片基体无立方相缺失的表层结构；本发明的硬质合金刀片基体的密 度、室温硬度、断裂韧性和抗弯强度均优于普通的硬质合金刀片基体，其硬度和断裂韧性同 时提高，抗弯强度也明显更高。
[0088] 表1实施例1-3和对比例1-3硬质合金刀片基体的化学成分
[0090] 表2实施例1-3和对比例1-3硬质合金刀片基体的化学成分[0091]
[0092]表3实施例1-3和对比例1-3硬质合金刀片基体的物理和力学性能
[0095]为了说明本发明的涂层后硬质合金刀片具有通用性强且性能优越稳定的特点，做 以下实验：
[0096] 对比试验1:
[0097]以上各实施例和对比例的硬质合金刀片，进行以下切削试验来对比刀片的耐磨性 和寿命。切削条件如下表4所示。
[0098]表4:对比试验1的切削条件参数
[0100] 测量刀片后刀面磨损量Vb，当Vb达到或超过0.3mm时则认为刀片失效。
[0101] 经过试验测试，各实施例和对比例的硬质合金刀片的切削时间和磨损量对比如下 表5所示。
[0102] 表5对比试验1结果
[0103]
[0104] 由上表5试验结果来看，实施例的硬质合金刀片相比于对比例，在不同切削条件下 的切削时间提高了 10%~25%，切削刀片的寿命明显延长，且刀片发生烧刀的可能性降低， 切削时的稳定性明显提尚。
[0105] 对比试验2:
[0106] 以上各实施例和对比例的硬质合金刀片，进行以下切削试验来对比刀片的耐磨性 和寿命。切削条件如下表6所示。
[0107]表6:对比试验2的切削条件参数
[0109] 测量刀片后刀面磨损量Vb，当Vb达到或超过0.3mm时则认为刀片失效。
[0110] 经过试验测试，各实施例和对比例的硬质合金刀片的切削时间和磨损量对比如下 表7所示。
[0111] 表7对比试验2结果
[0113] 由上表7试验结果来看，实施例的硬质合金刀片相比于对比例，其在不同切削条件 下的切削时间提高了 10%~30%，切削刀片的寿命明显延长，且刀片发生烧刀的可能性降 低，切削时的稳定性明显提高。
[0114] 对比试验3:
[0115] 以上各实施例和对比例的硬质合金刀片，进行以下切削试验来对比刀片的耐磨性 和寿命。切削条件如下表8所示。
[0116]表8:对比试验3的切削条件参数
[0118] 测量刀片后刀面磨损量Vb，当Vb达到或超过0.2mm时则认为刀片失效。
[0119] 经过试验测试，各实施例和对比例的硬质合金刀片的切削时间和磨损量对比如下 表9所示。
[0120] 表9对比试验3结果
[0121]
[0122] 由上表9试验结果来看，实施例的硬质合金刀片相比于对比例，在不同切削条件下 的切削时间提高了 10%~20%，切削刀片的寿命明显延长，且刀片发生烧刀的可能性降低， 切削时的稳定性明显提尚。
[0123] 以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制。虽 然本发明已以较佳实施例揭示如上，然而并非用以限定本发明。任何熟悉本领域的技术人 员，在不脱离本发明的精神实质和技术方案的情况下，都可利用上述揭示的方法和技术内 容对本发明技术方案做出许多可能的变动和修饰，或修改为等同变化的等效实施例。因此， 凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所做的任何简单 修改、等同替换、等效变化及修饰，均仍属于本发明技术方案保护的范围内。
【主权项】
1. 一种硬质合金刀片，包括硬质合金刀片基体和设于所述硬质合金刀片基体上的涂 层，所述硬质合金刀片基体是以Co作为粘结相，以碳化钨和含钛立方相化合物作为硬质相， 其特征在于，所述硬质合金刀片基体中，所述粘结相的质量分数为4wt. %~10wt. %，所述 含钛立方相化合物的质量分数为2wt. %~8wt. %，其余为碳化妈;所述粘结相中固溶有W元 素和Cr元素，所述W元素占粘结相的质量分数为2wt. %~10wt. %，所述Cr元素占粘结相的 质量分数为lwt. %~10wt. % ;所述含钛立方相化合物为包含有Ta元素和Nb元素中的一种 或两种以及Ti元素的碳氮化合物;所述碳化钨的晶粒分布具有双峰结构，一个峰介于0.3μπι ~0.9μηι之间，另一个峰介于1.2μηι~3.5μηι之间。2. 根据权利要求1所述的硬质合金刀片，其特征在于，所述含钛立方相化合物中Ti原子 与含钛立方相化合物中所有金属原子的原子比为0.45~0.70;所述硬质合金刀片基体中N 元素与Ti元素的原子比为0.1~0.2。3. 根据权利要求1所述的硬质合金刀片，其特征在于，所述硬质合金刀片基体具有平均 粘结相含量为标称粘结相含量1~2倍的含钛立方相化合物缺失的表层结构，所述表层结构 的厚度为5μηι~50μηι。4. 根据权利要求1~3中任一项所述的硬质合金刀片，其特征在于，所述硬质合金刀片 基体中，所述粘结相的质量分数为5wt. %~8wt. % ;和/或，所述W元素占粘结相的质量分数 为4wt. %~8wt. %，所述Cr元素占粘结相的质量分数为4wt. %~8wt. %。5. 根据权利要求1~3中任一项所述的硬质合金刀片，其特征在于，所述Cr元素是以金 属固溶体或Cr的碳化物形式加入。6. 根据权利要求1~3中任一项所述的硬质合金刀片，其特征在于，所述硬质合金刀片 基体上设有细晶多层涂层，由里到外依次包括有： 最里层的TiN层，厚度为Ο.?μπ?~Ιμπ?，所述TiN层的晶粒为等轴晶粒，平均晶粒度彡0.5μ m； 一层TiCN层，厚度为3μπι~12μπι，所述TiCN层的晶粒为柱状晶，平均晶粒度为0.2μπι~ 1. Own，柱状晶晶粒的长径比大于5; 最外层的α_Α?2〇3层，厚度为2μηι~ΙΟμπι，平均晶粒度为0.2μηι~2.0μηι。7. -种如权利要求1~6中任一项所述的硬质合金刀片的制备方法，包括以下步骤： (1)配料:选用Co金属粉、含钛立方相化合物和碳化钨粉作为原料，各原料的质量百分 比为： Co 金属粉 4wt.%~10wt.%， 含钛立方相化合物 2wt.%~8wt.%, Cr-;C:粉木 0.05\v.t·%~l.Ovvt·%，和 碳化f乌粉 余量.> 各原料质量百分比总和为100 %， 其中，所述含钛立方相化合物为包含有Ta元素和Nb元素中的一种或两种以及Ti元素的 碳氮化合物;所述碳化钨粉包括粗碳化钨粉和细碳化钨粉，所述粗碳化钨粉的平均粒度为3 μπι~ΙΟμπι，所述细碳化妈粉的平均粒度为0.5μηι~1.5μηι，所述细碳化妈粉与粗碳化妈粉的 质量比为0.1~0.5:1; (2) 混合制粉:先将细碳化钨粉和Co金属粉进行混合并预球磨，然后加入粗碳化钨粉、 含钛立方相化合物和成型剂进行球磨，球磨后干燥，得到混合料粉末； (3) 压制成型:将所述混合料粉末压制成型，得到压坯； (4) 烧结： (4.1) 脱成型剂:将步骤(3)所得压坯置于氢气气氛中，升温至成型剂脱除温度，以脱除 成型剂； (4.2) 第一烧结保温阶段：脱成型剂后，真空条件下继续升温烧结，待烧结温度升至 132CTC~137CTC时，通入20mbar~60mbar的Ar保护气体，在Ar气氛下保温烧结0.5h~lh; (4.3) 第二烧结保温阶段:第一烧结保温阶段结束后，在真空环境下升温烧结，待烧结 温度升至1400 °C~1470 °C时，通入30mbar~120mbar的Ar保护气体，在Ar气氛下保温烧结 0.5h~l .5h； (4.4) 第一冷却阶段:第二烧结保温阶段结束后，保持Ar气氛，冷却至ll5(rc~l25(rc; (4.5) 第二冷却阶段:第一冷却阶段结束后，通入氢气，在氢气气氛下冷却至室温，得到 硬质合金刀具基体； (5) 涂层制备:在步骤(4.5)所得硬质合金刀具基体上制备涂层。8. 根据权利要求7所述的硬质合金刀片的制备方法，其特征在于，所述步骤（1)中，所述 粗碳化钨粉的平均粒度为5μπ?~ΙΟμL?，所述细碳化钨粉的平均粒度为0.8μπ?~1.2μπ?，所述细 碳化妈粉与粗碳化妈粉的质量比为〇. 2~0.4:1。9. 根据权利要求7或8所述的硬质合金刀片的制备方法，其特征在于，所述步骤(5)中， 所述涂层采用常规CVD方法制备得到。
【文档编号】B22F3/10GK105950937SQ201610343116
【公开日】2016年9月21日
【申请日】2016年5月23日
【发明人】谢文, 左锐, 温光华, 陈响明, 王社权
【申请人】株洲钻石切削刀具股份有限公司