用于切削碳纤维或玻璃纤维的硬质合金刀具及其制备方法
【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碳纤 维或玻璃纤维的硬质合金刀具及其制备方法。
【背景技术】
[0002] 纤维增强复合材料是近代发展起来的一类新型复合材料的总称，它主要以纤维 (如碳纤维、玻璃纤维等）为增强材料、以合成树脂为基体材料，经过特定的定型工艺制造 而成。由于具有质量轻、比强度和比刚度大、耐腐蚀、耐高温等一系列优点，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] 纤维增强复合材料的切削加工不同于普通材料的切削加工，存在由该类材料特性 所带来的特有的加工难度。一方面，由于切削刀具与复合材料切削面之间的摩擦力的存在， 复合材料中的碳纤维织物或玻璃纤维织物不断变碎，未排出的切肩对刀具有强烈的磨料作 用，研磨刀具表面，致使刀具急剧磨损；另一方面，也是由于切削面上摩擦力的存在，切削时 必然产生大量的热量，而纤维增强复合材料的导热性普遍较小，导致了切削加工过程中的 散热条件极差，热量大部分聚集在刀具的刀尖、刀刃附件，这样更加剧了刀具刃口的磨损。
[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，实现对碳纤维 或玻璃纤维的切削加工过程的改进，但改进效果并不十分理想，碳纤维、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，提供一种用于切削碳纤 维和玻璃纤维的硬质合金刀具，以克服碳纤维和玻璃纤维切削加工过程中遇到的刀具易磨 损问题。
[0006] 本发明的另一个目的在于提供上述用于切削碳纤维或玻璃纤维的硬质合金刀具 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碳纤维或玻璃纤维 的硬质合金刀具，该硬质合金刀具包含合金基底与设于合金基底表面的纳米涂层，其中，该 合金基底以质量百分含量计包含：TiC 10~15%，Co 0.3~0.6%，Mo 0.3%~0.4%，Mn 0.8% ~1.6%，Nb 0.3% ~0.4%，Cr 1.0% ~1·6%，Α1 0.6% ~1.0%，余量为 WC;该纳 米涂层为TiAlN纳米涂层。优选地，该硬质合金刀具的合金基底以质量百分含量计包含： TiC 12%，Co 0.5%，Mo 0.4%，Mn 1.0%，Nb 0.4%，Cr 1.2%，Al 0.8%，余量为 WC。
[0008] 本发明的实施方式所提供的上述硬质合金刀具，包含了合金基底以及设于合金基 底表面的纳米涂层。在合金基底的化学组成中，包含了高硬度难熔金属的碳化物WC和TiC， 二者为合金基底的主要组成成分，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。在由上 述硬化相和粘结相组成的合金材料的基础上，本发明为了满足对碳纤维或玻璃纤维进行切 削过程中对于刀具耐磨耐蚀性的特殊要求，同时引入了 Mn、Nb复合添加以及Cr、Al复合添 加。Mn和Nb的复合添加起到如下作用：微量的Nb加入合金中形成稳定的难熔化合物，可细 化铸态组织，有利于提高合金的韧塑性及疲劳强度，且对提高合金的耐磨耐蚀性很有好处； Mn元素的加入可显著推迟合金的高温区转变，使Nb元素对合金组织及性能的影响作用得 到更大的发挥。此外，Cr和Al的复合添加起到如下作用：Cr和Al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。更重要的 是，本发明在合金基底表面设有TiAlN纳米涂层，在TiAlN涂层中，Al原子置换TiN中的一 部分Ti院子后使晶格发生畸变，晶格畸变度大的涂层，晶界增多且位错较多、不易滑移，从 而导致涂层的硬度得到提高；此外，Al元素在高温下转化为氧化铝，也可进一步降低切削 过程中刀具的合金基底所发生的氧化磨损。
[0009] 与现有的合金刀具相比，本发明的实施方式所提供的硬质合金刀具，通过调整合 金基底的合金元素组成、并在合金基底的表面增设TiAlN纳米涂层，使其具有更为优异的 硬度和耐磨耐蚀性能，可适用于对碳纤维或玻璃纤维的切削加工，减少加工过程中刀具的 磨损速度，提高刀具的使用寿命。
[0010] 优选地，本发明的实施方式所提供的用于切削碳纤维或玻璃纤维的硬质合金刀 具，其合金基底的厚度为4~10_，该厚度的合金材料适合于作为刀具的基底材料，应用于 对碳纤维或玻璃纤维的切削加工工业中。
[0011] 优选地，本发明的实施方式所提供的用于切削碳纤维或玻璃纤维的硬质合金刀 具，其 TiAlN 纳米涂层为 TiAliciN-TiAl2ciN-TiAl3tlN 梯度涂层，该 TiAliciN-TiAl2ciN-TiAl3tlN 梯 度涂层的总厚度为2~3um。在TiAlN纳米涂层中，Al含量的变化对应涂层的晶粒形状、 尺寸和晶格结构的变化，进而直接影响该纳米涂层的硬度。TiAl iciN-TiAl2ciN-TiAl3tlN梯度涂 层中，三种形状的晶格结构交替排列，相互交错，可使涂层的硬度得到最大限度的提高。与 合金基底4~IOmm的厚度相对应的，该TiAl iciN-TiAl2ciN-TiAl3tlN梯度涂层的总厚度为2~ 3um为较佳的选择。
[0012] 优选地，本发明的实施方式所提供的用于切削碳纤维或玻璃纤维的硬质合金刀 具，其合金基底与TiAlN纳米涂层之间还设有ZrO 2镀层，该ZrO 2镀层的厚度为0. 5~lum。 该ZrO2镀层的增设可改善TiAlN纳米涂层的性能，如减少TiAlN纳米涂层发生塌陷的程度、 减少扩散磨损，从而进一步提高合金刀具的抗磨损能力。且该层只需在合金基底的 表面形成一层薄薄的氧化层，即可实现上述改善TiAlN纳米涂层性能的作用，因而本发明 的实施方式中将ZrOj^层的厚度设为0. 5~lum。
[0013] 此外，本发明的实施方式还提供上述用于切削碳纤维或玻璃纤维的硬质合金刀具 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，所述合金基底以质量百分 含量计包含：TiC 10 ~15%，Co 0· 3 ~0· 6%，Mo 0· 3%~0· 4%，Mn 0· 8%~L 6%，Nb 0· 3%~0.4%，Cr 1.0%~L 6%，Al 0.6%~1.0%，余量为WC; (2)在步骤（1)制备得到 的合金基底的表面，以电弧离子镀沉积法制备TiAlN纳米涂层。
[0014] 具体地，本发明的实施方式所提供的用于切削碳纤维或玻璃纤维的硬质合金刀 具的制备方法中，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：TiC 10 ~15%，Co 0· 3 ~0· 6%，Mo 0· 3%~0· 4%，Mn 0· 8%~1. 6%，Nb 0· 3%~ 0.4%，Cr 1.0%~1·6%，Α1 0.6%~1.0%，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1500~1800°C下保温50~80分钟，然后置 于惰性气氛保护的加压炉中，以1500~1800°C烧结60~90分钟，即制备得到所述合金基 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的用于切削碳纤维或玻璃纤维的硬质合 金刀具的制备方法中，以电弧离子镀沉积法制备TiAlN纳米涂层的步骤为：在合金 基底的表面用电弧离子镀沉积法依次沉积TiAl ltlN层、TiAl2tlN层和TiAl3tlN层，制得 TiAliciN-TiAl2ciN-TiAl3tlN 梯度涂层；其中，TiAlltlN 层、TiAl2tlN 层和 TiAl3tlN 层的沉积时间分 别为25~30分钟。
[0016] 进一步地，本发明的实施方式所提供的用于切削碳纤维或玻璃纤维的硬质合金刀 具的制备方法中，在步骤（1)和步骤（2)之间，还包含下述步骤：在合金基底的表面，以等离 子喷涂法制备ZrO 2镀层。
【附图说明】
[0017] 图1是实施例1的用于切削碳纤维或玻璃纤维的硬质合金刀具的复合层状结构示 意图；
[0018] 图2是实施例2的用于切削碳纤维或玻璃纤维的硬质合金刀具的复合层状结构示 意图。
【具体实施方式】
[0019] 为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明的各实 施方式进行详细的阐述。然而，本领域的普通技术人员可以理解，在本发明各实施方式中， 为了使读者更好地理解本申请而提出了许多技术细节。但是，即使没有这些技术细节和基 于以下各实施方式的种种变化和修改，也可以实现本申请各权利要求所要求保护的技术方 案。
[0020] 实施例1
[0021] 本发明的第实施例1涉及一种用于切削碳纤维或玻璃纤维的硬质合金刀具， 该硬质合金刀具包含合金基底1与设于合金基底1表面的纳米涂层2,其层状复合结构 示意图如附图1所示。其中，合金基底1以质量百分含量计包含：TiC 12%，Co 0.5%， Mo 0.4%，Mn L 0%，Nb (λ 4%，Cr L 2%，Al (λ 8%，余量为 WC;该合金基底 1 的厚度为 8mm。此外，在合金基底1的表面，设有TiAlN纳米涂层，具体来说，该TiAlN纳米涂层为 TiAliciN-TiAl2ciN-TiAl3tlN 梯度涂层，在本实施方式中，该 TiAliciN-TiAl2ciN-TiAl3tlN 梯度涂层 的总厚度为3um〇
[0022] 本实施例的硬质合金刀具的制备过程为：
[0023] (1)以烧结法制备硬质合金刀具的合金基底：
[0024] 以质量百分含量计，称取下述原料：TiC 12%，Co 0. 5%，Mo 0. 4%，Mn 1. 0%，Nb 0.4%，Cr 1·2%，Α1 0.8%，余量为 WC。
[0025] 将称取的原料，与作为球磨介质的丙酮一起加入球磨机中进行湿磨，将湿磨后得 到的浆料蒸干，加入成型剂石蜡，烘干过筛；将得到的合金粉末压制成型，并使该成型的铸 体的厚度为8mm，于真空炉中在1500°C下保温80分钟，然后置于氩气保护的加压炉中，以 1500°C烧结90分钟，即制备得到硬质合金刀具的合金基底。
[0026] (2)以电弧离子镀沉积法制备TiAlN纳米涂层：
[0027] 将上步中制备的合金基底表面清洁处理光滑之后，用常规的电弧离子镀沉积 法在合金基底的表面，依次沉积TiAl ltlN层、TiAl2tlN层和TiAl3tlN层，其中，TiAlltlN层、 TiAl2tlN层和TiAl3