专利名称：以纳米TiN改性的TiC或Ti(C,N)基金属陶瓷刀具、该刀具的制造工艺及刀具的使用方法
技术领域：
本发明涉及金属陶瓷刀具、粉末冶金技术和工具技术。
背景技术：
金属陶瓷材料是用粉末冶金方法制取的金属与陶瓷的复合材料。早期的TiC、Ti(C，N)基金属陶瓷是用来填补WC-Co系硬质合金和Al2O3陶瓷工具材料之间的空隙，适于做高速精加工的工具。而1971年以后出现的含N的金属陶瓷刀具材料(Ti(C，N)基金属陶瓷)由于具有耐磨、耐高温、耐氧化和耐蚀性好等一系列优点，在国外已被广泛应用于制造刀具。目前，日本刀具的三分之一采用该种材料制造。在国内，切削刀具多用WC-Co、WC-TiC＝Co系硬质合金制造，其中典型的YG8、YT15硬质合金刀具在高速切削普通碳钢、不锈钢、灰铸铁及切削淬火钢等难加工材料时，已无法胜任，必须采用陶瓷刀具、金属陶瓷刀具、立方氮化硼(CBN)刀具或人造金刚石刀具。人造金钢石刀具和CBN刀具在切削较硬材料时具有优越性，但其价格昂贵，因而限制了其应用范围。对陶瓷刀具而言，由于其脆性大、切削时易崩刃、成本较高因而目前在工厂中也未能普遍应用。而普通的Ti(C，N)基金属陶瓷刀具在高速切削普通碳钢、不锈钢及切削冷硬铸铁和不锈钢等难加工材料时，由于其抗弯强度和韧性较低，易发生“崩刃”现象。
随着现代科学技术和现代工业的发展，对刀具提出了越来越高的要求。开发一种成本更低、综合性能更优越的新型金属陶瓷刀具以部分替代目前广泛使用的硬质合金刀具已成为当务之急。
随着上个世纪八十年代纳米科技的出现，给人们提供了用纳米改性的方法来制备具有超细晶粒的高性能纳米复合材料的发展空间。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是避免上述现有技术中所存在的不足之处，提供出1、一种成本相当或略高、综合性能更为优越的以纳米TiN改性的TiC或Ti(C，N)基金属陶瓷刀具。
2、一种上述以纳米TiN改性的TiC或Ti(C，N)基金属陶瓷刀具的制造工艺。
3、一种上述金属陶瓷刀具的使用方法。
本发明解决技术问题所采用的技术方案是1、以纳米TiN改性的TiC或Ti(C，N)基金属陶瓷刀具，其特点是该刀具材料的成分为以TiC或Ti(C，N)为基材，添加TiN(nm)2～15wt％。
2、上述的金属陶刀具的制造工艺，其特点是采用粉末冶金法，其工艺路线为成分设计→纳米TiN分散→混合粉的球磨→加入成型剂后进行压制→脱除成型剂、预烧→真空烧结→刀片磨制。
3、上述的金属陶瓷刀具的使用方法，其特点是刀具的安装角度为α0＝9°、γ0＝-8°、κr＝45°、κr’＝45°。
与已有技术相比，本发明的有益效果体现在以纳米TiN改性的TiC或Ti(C，N)基金属陶瓷刀具不仅具有硬度高、耐磨性好的优点，同时还具有热稳定性、导热性、耐蚀性、抗氧化性以及高温硬度、高温强度等优点。与硬质合金刀具(YG8及YT15等)相比，纳米TiN改性的TiC、Ti(C，N)基金属陶瓷刀具的耐用度和使用寿命提高1-50倍，切削速度1.5-3倍，成本与硬质合金刀具相当或略高，而金属切削加工费用下降20-40％。与普通的Ti(C，N)基金属陶瓷刀具相比，纳米TiN改性的TiC、Ti(C，N)基金属陶瓷刀具具有更高的可靠性。本发明的对于刀具材料的发展和技术进步起到积极的推广作用。刀具使用者可以通过提高切削效率、提高切削精度和降低刀具消耗，从而降低切消加工费用而直接获得经济效益。此外，本发明金属陶瓷材料性能价格比高，使用面广，可广泛在铣刀、拉丝模及其它耐磨件上得到应用。
图面说明
图1为本发明金属陶瓷刀具的制造工艺流程图。
图2为本发明刀具制造工艺中成型剂脱除工艺曲线。
图3为本发明刀具制造工艺中真空烧结曲线。
具体实施例方式纳米TiN改性的TiC或Ti(C，N)基金属陶瓷刀具，其材料成分为以TiC或Ti(C，N)为基材，添加TiN(nm)2～15wt％。
具体实施中，以TiC为基材的金属陶瓷有两个系列，以Ti(C，N)为基材的金属陶瓷有四个系列，其中，以TiC为基材系列一成分为2～15wt％ TiN(nm)、10～20wt％ Mo2C、5～25wt％ Ni、0～15wt％ WC、0～5wt％ NbC、0～5wt％ TaC、TiC余量。
系列二成分为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)为基材系列一成分为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。
系列二成分为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。
系列三成分为2～15wt％ TiN(nm)、10～20wt％ Mo2C、5～25wt％ Ni、0～15wt％ WC、0～5wt％ NbC、0～5wt％ TaC、Ti(C，N)余量。
系列四成分为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。
关于纳米TiN改性的TiC、Ti(C，N)基金属陶瓷刀具的制造实施例1参见附图1、图2和图3。
1、刀具材料成分10wt％ TiN(nm)、12wt％ Mo2C、20wt％ Ni、12wt％ WC、TiC余量。其中，TiN为纳米粉，30-50nm，其它成分为微米粉，1-3μm。
2、纳米TiN分散按粉末与分散介质1∶10的比例称量纳米TiN粉末，量取分散介质无水乙醇于烧杯中，然后加入表面活性剂吐温-80加入量为3wt％，或十二烷基苯璜酸加入量为5wt％。用ZB220-T超声波仪对纳米TiN粉进行分散，分散的时间为30-40min。
3、混合粉的球磨将经过分散的纳米TiN粉浆料倒入装有其它微米粉末的尼龙球磨罐中，然后放入无水乙醇(球料比为1∶7)。在QM-IF行星式球磨机中以175r/min的转速球磨24小时，然后将球磨后的浆料放在80℃的电热干燥箱中进行干燥，干燥后加入成型剂汽油橡胶或石蜡或聚乙烯醇水溶液(浓度为6-7wt％)，进行造粒。
4、压制成型放入模具中的成型压力为150-180MPa，较为合适的压力为180MPa。
5、脱除成型剂、预烧→真空烧结将压制后的毛坯放入烘箱中烘干后，再放入烧结炉中脱除成型剂，温度为200℃-800℃，加热时间为10-25小时(成型剂脱除曲线如图2所示)。预烧后的刀具毛坯放入真空烧结炉中以1380℃-1430℃的温度烧结，烧结温度为1420℃时效果较佳，保温时间为1小时(真空烧结曲线如图3所示)。
6、刀片磨制将烧结的刀片在磨床上用金刚石砂轮按标准磨削成各种规格，如按TNUN160408标准磨削成三角形刀片，或按SNUN150406标准磨削成四方形刀片等。
关于刀具的使用方法刀具的安装角度为α0＝9°、γ0＝-8°、κr＝45°、κr’＝45°。
刀具切削参数为切削速度150-400m/min，切削深度为0.5-2mm，进刀量为0.1-0.5mm/r。
比如，机床为CA6140车床，工件为正火态的45#钢棒。切削条件为干切削，其切削参数具体为切削速度300m/min，切削深度为2mm，进刀量为0.5mm/r。
试验证明与硬质合金刀具(YG8及YT15等)相比，纳米TiN改性的TiC基金属陶瓷刀具的寿命提高1-50倍，而切削加工费用下降20-40％。
本实施例中的刀具材料成分也可以为取2wt％ TiN(nm)、15wt％ Mo2C、10wt％ Ni、10wt％ WC、TiC余量。其中，TiN为纳米粉，30-50nm，其它成分为微米粉，1-3μm。
或取15wt％ TiN(nm)、12wt％ Mo2C、10wt％ Ni、15wt％ WC、TiC余量。其中，TiN为纳米粉，30-50nm，其它成分为微米粉，1-3μm。
实施例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为纳米粉，30-50nm，其它成分为微米粉，1-3μm。
2、纳米TiN分散按粉末与分散介质1∶10的比例称量纳米TiN粉末，量取分散介质无水乙醇于烧杯中，然后加入表面活性剂吐温-80加入量为3wt％，或十二烷基苯璜酸加入量为5wt％。用ZB220-T超声波仪对纳米TiN粉进行分散，分散的时间为30-40min。
3、混合粉的球磨将经过分散的纳米TiN粉浆料倒入装有其它微米粉末的尼龙球磨罐中，然后放入无水乙醇(球料比为1∶7)。在QM-IF行星式球磨机中以175r/min的转速球磨36小时，然后将球磨后的浆料放在80℃的电热干燥箱中进行干燥，干燥后加入成型剂汽油橡胶或石蜡或聚乙烯醇水溶液(浓度为6-7wt％)，进行造粒。
4、压制成型放入模具中的成型压力为150-180MPa，较为合适的压力为170MPa。
5、脱除成型剂、预烧→真空烧结；将压制后的毛坯放入烘箱中烘干后，再放入真空烧结炉中进行脱脂，脱脂温度为200℃-800℃，较为适宜的温度是400℃，加热时间为10-25小时。脱脂后的刀具毛坯放入真空烧结炉中以1380℃-1430℃的温度烧结，比较适当的温度为1400℃，保温时间为1小时。
6、刀片磨制同样可以将烧结的刀片在磨床上用金刚石砂轮按标准磨削成各种规格，如按TNUN160408标准磨削成三角形刀片，或按SNUN150406标准磨削成四方形刀片等。
7、刀具的使用方法刀具的安装角度α0＝9°、γ0＝-8°、κr＝45°、κr’＝45°。
刀具切削参数为切削速度150-400m/min，切削深度为0.5-2mm，进刀量为0.1-0.5mm/r。
比如，机床为CA6140车床，工件为灰铸铁，硬度为HB220，切削条件为干切削，其切削参数具体为切削速度200m/min，切削深度为1mm，进刀量为0.5mm/r。
试验证明与普通的Ti(C，N)基金属陶瓷刀具相比，纳米TiN改性的TiC基金属陶瓷刀具的寿命提高1-10倍，而切削加工费用下降15-40％。
本实施例中刀具材料成分也可以为取2wt％ TiN(nm)、8wt％ TiN(μm)、10wt％ Mo2C、10wt％ WC、10wt％ Ni、5wt％ Co、TiC余量。其中，TiN为纳米粉，30-50nm，其它成分为微米粉，1-3μm。
或取15wt％ TiN(nm)、5wt％ TiN(μm)、12wt％ Mo2C、12wt％ WC、5wt％ Ni、5wt％ Co、TiC余量。其中，TiN为纳米粉，30-50nm，其它成分为微米粉，1-3μm。
在上述实施例1、2中，为了进一步提高刀具的高温性能(如红硬性)及耐磨性等，可考虑适量添加NbC和TaC。
权利要求
1.一种以纳米TiN改性的TiC或Ti(C，N)基金属陶瓷刀具，其特征是所述刀具其材料成分为以TiC或Ti(C，N)为基材，添加TiN(nm)2～15wt％。
2.根据权利要求1所述的以纳米TiN改性的TiC或Ti(C，N)基金属陶瓷刀具，其特征是所述以TiC为基材的材料成分为Mo2C 10～20wt％、Ni 5～25wt％、WC 0～15wt％、NbC 0～5wt％、TaC 0～5wt％、TiC余量。
3.根据权利要求1所述的以纳米TiN改性的TiC或Ti(C，N)基金属陶瓷刀具，其特征是所述以TiC为基材的材料成分为Mo2C 10～20wt％、Ni 5～15wt％、WC 0～15wt％、NbC 0～5wt％、TaC 0～5wt％、Co 5～15wt％、TiC余量。
4.根据权利要求1所述的以纳米TiN改性的TiC或Ti(C，N)基金属陶瓷刀具，其特征是所述以Ti(C，N)为基材的材料成分为TiN(μm)5～10wt％、Mo2C 10～20wt％、Ni 5～25wt％、WC 0～15wt％、NbC 0～5wt％、TaC 0～5wt％、TiC余量。
5.根据权利要求1所述的以纳米TiN改性的TiC或Ti(C，N)基金属陶瓷刀具，其特征是所述以Ti(C，N)为基材的材料成分为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.根据权利要求1所述的以纳米TiN改性的TiC或Ti(C，N)基金属陶瓷刀具，其特征是所述以Ti(C，N)为基材的材料成分为Mo2C 10～20wt％、Ni 5～25wt％、WC 0～15wt％、NbC 0～5wt％、TaC 0～5wt％、Ti(C，N)余量。
7.根据权利要求1所述的以纳米TiN改性的TiC或Ti(C，N)基金属陶瓷刀具，其特征是所述以Ti(C，N)为基材的材料成分为Mo2C 10～20wt％、Ni 5～15wt％、WC 0～15wt％、NbC 0～5wt％、TaC 0～5wt％、Co 5～15wt％、Ti(C，N)余量。
8.一种权利要求1所述的金属陶瓷刀具的制造工艺，其特征是采用粉末冶金法，其工艺路线为成分设计→纳米TiN分散→混合粉的球磨→加入成型剂后进行压制→脱除成型剂、预烧→真空烧结→刀片磨制。
9.根据权利要求8所述的刀具的制造工艺，其特征是在所述纳米TiN的分散工艺中，分散介质为无水乙醇；表面活性剂为吐温80或十二烷基苯璜酸，采用超声波分散。
10.根据权利要求9所述的刀具的制造工艺，其特征是粉末与作为分散介质的无水乙醇的比例为1∶10，作为表面活性剂的吐温80加入量为3wt％，或十二烷基苯璜酸加入量为5wt％，超声波分散时间为30-40min。
11.根据权利要求8所述的刀具的制造工艺，其特征是所述刀具的成型压力为150-180MPa，成型剂脱除温度为200℃-800℃，加热时间为10-25小时。
12.根据权利要求8所述的刀具的制造工艺，其特征是所述真空烧结温度为1380℃-1430℃，保温时间为1小时。
13.一种权利要求1所述刀具的使用方法，其特征是所述刀具的安装角度为α0＝9°、γ0＝-8°、κr＝45°、κr’＝45°。
14.根据权利要求13所述的刀具的使用方法，其特征是所述刀具的切削速度为150-400m/min，切削深度为0.5-2mm，进刀量为0.1-0.5mm/r。
全文摘要
以纳米TiN改性的TiC或Ti(C，N)基金属陶瓷刀具、该刀具的制造工艺及刀具的使用方法。其中，以纳米TiN改性的TiC、Ti(C，N)基金属陶瓷材料的成分是以TiC或Ti(C，N)为基材，添加TiN(nm)2～15wt％。本发明刀具硬度高、耐磨性好，其热稳定性、导热性、耐蚀性、抗氧化性以及高温硬度、高温强度等都有明显优势。与硬质合金刀具相比，本刀具的耐用度和使用寿命提高1－50倍，切削速度提高1.5－3倍，成本与其相当或略高，而金属切削加工费用下降20－40％。与普通的Ti(C，N)基金属陶瓷刀具相比，本刀具具有更高的可靠性。
文档编号C22C29/10GK1477222SQ0213816
公开日2004年2月25日 申请日期2002年8月21日 优先权日2002年8月21日
发明者刘宁, 张立德, 李广海, 许育东, 周杰, 谢峰, 曾庆梅, 张崇高, 姜治, 刘 宁 申请人:合肥工业大学