[发明专利]一种自扩散梯度功能复合刀具材料及其制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种自扩散梯度功能复合刀具材料及其制备，特别涉及制备表面硬、亚表层韧和整体强的具有梯度力学性能且层间界面无开裂的复合刀具材料，属于新材料技术领域。

背景技术

高速切削技术是一种先进现代制造技术，已被广泛地应用到航空、航天、汽车和兵器等制造领域，刀具技术是高速切削技术中的关键技术。通过梯度设计方法制备的硬质合金涂层刀具材料已成为应用最为广泛的刀具种类之一，其是通过在硬质合金上涂覆或沉积一层或多层耐磨材料而改善刀具的切削性能；然而涂层与基体的大物相跃变使制备中层间易产生热应力而形成危险裂纹，在难加工材料的高速切削加工中很容易使涂层剥落而造成刀具寿命短和加工效率低；虽然在涂层之前对基体进行梯度烧结处理，提高了基体与涂层的结合力，但涂层厚度始终受到限制，并且高速加工中涂层一旦剥落，刀具即无法重磨使用，同时该类刀具从基体到涂层的制备工艺较复杂,成本较高。

专利CN103553618A公开了一种超细碳化钒增强陶瓷刀具材料的制备方法，将TiB₂-TiC共晶粉体、超细VC粉体、Al₂O₃粉和纳米Ni粉装入球磨机中，用Al₂O₃球球磨10-50小时后干燥并将混合粉末用200目筛过筛；将过筛后的混合粉末置于石墨容器中封闭，将石墨容器放入真空高温烧结炉内直接加热并缓慢加压，在30-50分钟内温度升至1650℃，压力升至30MPa，在1650℃温度、30MPa压力下保温30±10分钟，停止加热自然冷却。该发明利用超细VC与TiB₂和TiC的良好相容性，在烧结过程中使VC能固溶进入TiC颗粒中形成固溶体，净化复合材料的晶界，阻止烧结过程中基体晶粒的异常长大，达到细化晶粒的目的，提高复合材料的综合力学性能。专利CN102094144A公开了一种超细WC颗粒增韧补强TiB₂基复合陶瓷刀具材料及其制备方法。制备超细WC颗粒增韧补强TiB₂基复合陶瓷刀具材料的混合粉末成分(质量比%)为：TiB₂70-75%、WC18-22%、Ni4-8%、Mo0-4%。制备工艺路线为:(1)将按比例配制的TiB₂、WC、Ni、Mo混合粉末装入缸式球磨机中，用硬质合金球磨24小时后用200目筛过筛；(2)将过筛后的配料装入上下封闭的石墨容器，再放入真空高温烧结炉内；(3)采用分阶段加压和阶梯逐步升温热压烧结制备TiB₂-WC复合陶瓷刀具材料。上述两个专利制备的是均质复合陶瓷刀具材料，即刀具材料的微观结构和力学性能在表面及其内部都是一样的；但要制备梯度的非均质复合陶瓷刀具材料，即材料由表及里的微观结构和力学性能呈现梯度的变化规律，还需要选择合适的材料组分并将具有不同物理化学相容性的组分整体进行烧结，并达到层间界面的低损伤结合。

专利CN101525235A一种多功能梯度复合陶瓷刀具材料的制备方法。该发明用高强度、高韧性和高弹性模量的硬质合金作为增强材料,上层为WC基纳米复合粉末WC+ZRO₂+AL₂O₃(WZA)，底层为硬质合金粉末WC+MO(WM)；或上下层为WC基纳米复合粉末WZA，中间为硬质合金粉末WM，在氮气气氛中热压烧结，利用WC基纳米复合材料的高硬度、高化学稳定性、高耐磨性和硬质合金的高强度、高断裂韧性，提高刀具材料的抗弯强度、断裂韧性和耐磨性能等。该专利所利用的层间结构为物理叠加而形成，层间损伤不容易控制。

发明内容

本发明的目的是克服现有技术不足，而提供一种自扩散梯度功能复合刀具材料及其制备方法，以Ti(C₅N₅)和WC等为基体组分，以Al₂O₃（稳定性优）、TiB₂（高温硬度高）和TiC（耐磨性好）等为表层组分，以Ni和Co等为金属粘结相，通过坯体铺层和精细化大压力烧结，在表层和基体层之间自扩散形成含大量金属Ni池的亚表层韧化相，使制备的刀具材料具有表层硬度高、亚表层韧性好和整体强度高的特点，该制备方法制备的刀具材料质量优良、成本低廉和工艺简单。

本发明采取的技术方案为：