本发明属于刀具材料技术领域。具体涉及一种WCoB-TiC复合陶瓷刀具材料及其制备方法。
技术背景
随着科学技术的进步，高速切削、干切削等切削技术不断发展，各类新型材料相继出现并加以应用，各种新型材料的切削加工处理也对切削刀具性能提出了更高的要求，而材料、结构和几何形状是决定刀具切削性能的三要素，其中刀具材料的性能起着关键性作用，特别是在高硬度、耐高温性、耐蚀性、强韧性等方面。目前国内外常用的切削刀具材料主要有高速钢、硬质合金以及陶瓷等。
高速钢是一种加入了较多W、Mo、Cr、V等合金元素的高合金工具钢，其含碳量为0.7~1.05wt%，高速钢具有较高耐热性，其切削温度可达600℃，与碳素工具钢及合金工具钢相比，其切削速度可成倍提高，高速钢具有良好的韧性和成形性，可用于制造几乎所有品种的刀具，如丝锥、麻花钻、齿轮刀具、拉刀、小直径铣刀等。但是，高速钢也存在耐磨性较差、耐热性较差、硬度较低、不能对高硬度材料进行快速切削和使用寿命短等缺陷，已难以满足现代切削加工对刀具材料越来越高的要求。
硬质合金虽然具有较高的硬度、耐磨性和红硬性，但在500~600℃高温时易氧化，不仅脆性较大，且可加工性、承受冲击和抗振能力差，在实际应用中有明显的缺陷。
与硬质合金相比，陶瓷材料具有更高的硬度、红硬性和耐磨性，因此，加工钢材时陶瓷刀具的耐用度为硬质合金刀具的10~20倍，其红硬性比硬质合金高2~6倍，且化学稳定性、抗氧化能力等均优于硬质合金。但是，陶瓷材料的缺点是脆性大、承受冲击载荷能力差，而且价格较高、成本过高。
技术实现要素：
本发明旨在克服现有技术缺陷，目的是提供一种制备成本低、工艺简单的WCoB-TiC复合陶瓷刀具材料的制备方法，用该方法所制备的WCoB-TiC复合陶瓷刀具材料硬度高、耐磨性好、工作温度高、红硬性好和韧性好。
为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：先以20~70wt%的碳化钨粉末、5~35wt%的二硼化钛粉末、10~60wt%的钴粉末、0.1~1wt%的碳粉末、0.1~2wt%的稀土氧化物粉末和0~5wt%的碳化硅纤维为原料，外加所述原料0.1~2wt%的抑制剂和3~6wt%的成型剂，球磨；在真空度为10-2~102Pa和温度为50~90℃的条件下干燥5~10h，筛分，得到粒径为2~75μm的合金粉末；将所述合金粉末压制为刀具毛坯，最后将所述刀具毛坯在1200~1500℃条件下烧结10~15h，机械加工，制得WCoB-TiC复合陶瓷刀具材料。
所述抑制剂为碳化钒、碳化铌和碳化铬中的一种以上；所述抑制剂的纯度大于99.0%，粒度为0.2~5μm。
所述稀土氧化物粉末为氧化钐、氧化镧和氧化钇中的一种以上，稀土氧化物粉末的纯度大于99.0%，粒度为0.2~10μm。
所述碳化硅纤维纯度大于99.0%。
所述球磨是在球磨机中湿磨20~100h；其中：球磨介质为无水乙醇、汽油、丙酮、己烷、四氯化碳、苯中的一种；磨球与原料的质量比为（5~10）∶1，所述磨球为硬质合金球、钢球、钢玉球中的一种。
所述烧结为真空烧结、热等静压烧结、活化烧结和放电等离子体烧结中的一种。
所述成型剂为液体石蜡、硬脂酸锌、聚乙烯醇缩丁醛、无水乙醇溶液、橡胶汽油溶液中的一种。
所述压制是在50～350MPa条件下采用模压或等静压进行的压制。
由于采用上述技术方案，本发明与现有技术相比具有如下积极效果：
本发明以碳化钨（WC）、钴（Co）粉、二硼化钛（TiB2）粉为主体原料，同时添加了少量的碳化物晶粒抑制剂、稀土氧化物以及碳化硅纤维，经干燥、成型和绕烧结，制得WCoB-TiC复合陶瓷刀具，工艺简单和成本低。
本发明采用密度较低的TiB2作为原材料，故所制备的WCoB-TiC复合陶瓷刀具具有密度低、工艺简单的特点，可以大大降低生产成本。本发明添加的碳化物晶粒抑制剂和稀土氧化物有细化晶粒、增强材料韧性的作用，SiC纤维的添加可以增加材料强韧性。因此，本发明制备的WCoB-TiC复合陶瓷刀具：比高速钢刀具硬度高、耐磨性好，比硬质合金刀具有更高的使用温度和耐蚀性，比陶瓷刀具有更好的韧性，能更好地满足其使用条件。
本发明制备的WCoB-TiC复合陶瓷刀具经检测：硬度为92HRA以上、工作温度为900~1000℃。
因此，本发明制备成本低和工艺简单，所制备的WCoB-TiC复合陶瓷刀具具有硬度高、耐磨性好、工作温度高、红硬性好和韧性好的特点。
具体实施方式
下面结合具体实施方式对本发明作进一步描述，并非对其保护范围的限制。
本具体实施方式中：
所述抑制剂的纯度大于99.0%，粒度为0.2~5μm。
所述稀土氧化物粉末的纯度大于99.0%，粒度为0.2~10μm。
所述碳化硅纤维纯度大于99.0%。
所述球磨是在球磨机中湿磨20~100h；其中：球磨介质为无水乙醇、汽油、丙酮、己烷、四氯化碳、苯中的一种；磨球与原料的质量比为（5~10）∶1，所述磨球为硬质合金球、钢球、钢玉球中的一种。
所述压制是在50～350MPa条件下采用模压或等静压进行的压制。
实施例中不再赘述。
实施例1
一种WCoB-TiC复合陶瓷刀具材料及其制备方法。先以20~40wt%的碳化钨粉末、18~35wt%的二硼化钛粉末、40~60wt%的钴粉末、0.1~0.4wt%的碳粉末和1.1~1.8wt%的稀土氧化物粉末为原料，外加所述原料0.1~0.8wt%的抑制剂和3~3.6wt%的成型剂，球磨；在真空度为10-2~102Pa和温度为50~90℃的条件下干燥5~10h，筛分，得到粒径为2~75μm的合金粉末；将所述合金粉末压制为刀具毛坯，最后将所述刀具毛坯在1200~1320℃条件下烧结13~15h，机械加工，制得WCoB-TiC复合陶瓷刀具材料。
所述抑制剂为碳化钒。
所述稀土氧化物粉末为氧化钐和氧化镧的混合物。
所述烧结为真空烧结。
所述成型剂为液体石蜡。
实施例2
一种WCoB-TiC复合陶瓷刀具材料及其制备方法。先以25~45wt%的碳化钨粉末、16~30wt%的二硼化钛粉末、35~55wt%的钴粉末、0.2~0.5wt%的碳粉末和0.3~1.0wt%的稀土氧化物粉末为原料，外加所述原料0.7~1.4wt%的抑制剂和3.4~4.0wt%的成型剂，球磨；在真空度为10-2~102Pa和温度为50~90℃的条件下干燥5~10h，筛分，得到粒径为2~75μm的合金粉末；将所述合金粉末压制为刀具毛坯，最后将所述刀具毛坯在1230~1350℃条件下烧结12~14h，机械加工，制得WCoB-TiC复合陶瓷刀具材料。
所述抑制剂为碳化钒和碳化铬的混合物。
所述稀土氧化物粉末为氧化镧。
所述烧结为热等静压烧结。
所述成型剂为硬脂酸锌。
实施例3
一种WCoB-TiC复合陶瓷刀具材料及其制备方法。先以30~50wt%的碳化钨粉末、14~28wt%的二硼化钛粉末、30~50wt%的钴粉末、0.3~0.6wt%的碳粉末和0.1~0.8wt%的稀土氧化物粉末为原料，外加所述原料1.3~2.0wt%的抑制剂和3.8~4.4wt%的成型剂，球磨；在真空度为10-2~102Pa和温度为50~90℃的条件下干燥5~10h，筛分，得到粒径为2~75μm的合金粉末；将所述合金粉末压制为刀具毛坯，最后将所述刀具毛坯在1260~1380℃条件下烧结12~14h，机械加工，制得WCoB-TiC复合陶瓷刀具材料。
所述抑制剂为碳化钒、碳化铌和碳化铬的混合物。
所述稀土氧化物粉末为氧化钇。
所述烧结为活化烧结。
所述成型剂为聚乙烯醇缩丁醛。
实施例4
一种WCoB-TiC复合陶瓷刀具材料及其制备方法。先以35~55wt%的碳化钨粉末、12~26wt%的二硼化钛粉末、25~45wt%的钴粉末、0.4~0.7wt%的碳粉末、0.5~1.2wt%的稀土氧化物粉末和1~3wt%的碳化硅纤维为原料，外加所述原料0.3~1.0wt%的抑制剂和4.2~4.8wt%的成型剂，球磨；在真空度为10-2~102Pa和温度为50~90℃的条件下干燥5~10h，筛分，得到粒径为2~75μm的合金粉末；将所述合金粉末压制为刀具毛坯，最后将所述刀具毛坯在1290~1410℃条件下烧结11~13h，机械加工，制得WCoB-TiC复合陶瓷刀具材料。
所述抑制剂为碳化铬。
所述稀土氧化物粉末为氧化钐。
所述烧结为放电等离子体烧结。
所述成型剂为无水乙醇溶液。
实施例5
一种WCoB-TiC复合陶瓷刀具材料及其制备方法。先以40~60wt%的碳化钨粉末、10~24wt%的二硼化钛粉末、20~40wt%的钴粉末、0.5~0.8wt%的碳粉末和1.3~2.0wt%的稀土氧化物粉末为原料，外加所述原料0.5~1.2wt%的抑制剂和4.6~5.2wt%的成型剂，球磨；在真空度为10-2~102Pa和温度为50~90℃的条件下干燥5~10h，筛分，得到粒径为2~75μm的合金粉末；将所述合金粉末压制为刀具毛坯，最后将所述刀具毛坯在1320~1440℃条件下烧结11~13h，机械加工，制得WCoB-TiC复合陶瓷刀具材料。
所述抑制剂为碳化铌。
所述稀土氧化物粉末为氧化钐、氧化镧和氧化钇中的混合物。
所述烧结为真空烧结。
所述成型剂为橡胶汽油溶液。
实施例6
一种WCoB-TiC复合陶瓷刀具材料及其制备方法。先以45~65wt%的碳化钨粉末、8~22wt%的二硼化钛粉末、15~35wt%的钴粉末、0.6~0.9wt%的碳粉末、0.9~1.6wt%的稀土氧化物粉末和2~4wt%的碳化硅纤维为原料，外加所述原料0.9~1.6wt%的抑制剂和5~5.6wt%的成型剂，球磨；在真空度为10-2~102Pa和温度为50~90℃的条件下干燥5~10h，筛分，得到粒径为2~75μm的合金粉末；将所述合金粉末压制为刀具毛坯，最后将所述刀具毛坯在1350~1470℃条件下烧结10~12h，机械加工，制得WCoB-TiC复合陶瓷刀具材料。
所述抑制剂为碳化铌和碳化铬的混合物。
所述稀土氧化物粉末为氧化镧和氧化钇的混合物。
所述烧结为热等静压烧结。
所述成型剂为液体石蜡。
实施例7
一种WCoB-TiC复合陶瓷刀具材料及其制备方法。先以50~70wt%的碳化钨粉末、5~20wt%的二硼化钛粉末、10~30wt%的钴粉末、0.7~1.0wt%的碳粉末、0.7~1.4wt%的稀土氧化物粉末和3~5wt%的碳化硅纤维为原料，外加所述原料1.1~1.8wt%的抑制剂和5.4~6.0wt%的成型剂，球磨；在真空度为10-2~102Pa和温度为50~90℃的条件下干燥5~10h，筛分，得到粒径为2~75μm的合金粉末；将所述合金粉末压制为刀具毛坯，最后将所述刀具毛坯在1380~1500℃条件下烧结10~12h，机械加工，制得WCoB-TiC复合陶瓷刀具材料。
所述抑制剂为碳化钒和碳化铌的混合物。
所述稀土氧化物粉末为氧化钐和氧化钇的混合物。
所述烧结为真空烧结。
所述成型剂为橡胶汽油溶液。
本具体实施方式与现有技术相比具有如下积极效果：
本具体实施方式以碳化钨（WC）、钴（Co）粉、二硼化钛（TiB2）粉为主体原料，同时添加了少量的碳化物晶粒抑制剂、稀土氧化物以及碳化硅纤维，经干燥、成型和绕烧结，制得WCoB-TiC复合陶瓷刀具，工艺简单和成本低。
本具体实施方式采用密度较低的TiB2作为原材料，故所制备的WCoB-TiC复合陶瓷刀具具有密度低、工艺简单的特点，可以大大降低生产成本。本具体实施方式添加的碳化物晶粒抑制剂和稀土氧化物有细化晶粒、增强材料韧性的作用，SiC纤维的添加可以增加材料强韧性。因此，本具体实施方式制备的WCoB-TiC复合陶瓷刀具：比高速钢刀具硬度高、耐磨性好，比硬质合金刀具有更高的使用温度和耐蚀性，比陶瓷刀具有更好的韧性，能更好地满足其使用条件。
本具体实施方式制备的WCoB-TiC复合陶瓷刀具经检测：硬度为92HRA以上、工作温度为900~1000℃。
因此，本具体实施方式制备成本低和工艺简单，所制备的WCoB-TiC复合陶瓷刀具具有硬度高、耐磨性好、工作温度高、红硬性好和韧性好的特点。