[发明专利]一种Ti(C,N)基金属陶瓷工具及其制备方法

说明书

本发明公开了一种Ti(C,N)基金属陶瓷工具及其制备方法，属于金属陶瓷复合材料制造技术领域，所述金属陶瓷工具至少一个表面为单功能梯度层结构，同时至少一个表面为双功能梯度层结构；所述制备方法包括：称取各原料，湿磨，干燥，压制成坯体；烧结，得到金属陶瓷块；按照工具的使用要求，对金属陶瓷块中需要制备为单功能梯度层结构的表面进行处理；清洗后，进行热处理，得到所述金属陶瓷工具；本发明在一块Ti(C,N)基金属陶瓷材料上构建了具有高硬度、优异的抗氧化能力及耐磨性能的单功能梯度层的表面和具有高导热性、高韧性的双功能梯度层的表面，从而有效提高了刀具的切削精度和使用寿命。

技术领域

本发明属于金属陶瓷复合材料制造技术领域，具体涉及一种Ti(C,N)基金属陶瓷工具及其制备方法。

背景技术

Ti(C,N)基金属陶瓷作为一类钛系硬质合金，因其较钨钴硬质合金具有更高的红硬性，更好的抗氧化性和更强的耐磨性，被用于制造用于切削工具、耐磨零件的烧结体。并且因其优异的表面加工质量，常被应用于半精加工和精加工中。由于具有更优异的化学稳定性，通常不需要如钨钴硬质合金一般，采用化学气相沉积(CVD)或物理气相沉积(PVD)在Ti(C,N)基金属陶瓷表面上镀一层或多层的TiN、Al₂O₃或TiAlN涂层。然而，随着现代加工对工具的更高要求和更多难加工材料的出现，需要对Ti(C,N)基金属陶瓷工具的表面进行更多的优化。

除了上述提到的涂层方法外，采用梯度烧结(Gradient sintering)的工艺在硬质合金或金属陶瓷表面构建功能梯度层也是提高工具切削寿命和切削精度的方法。而且，该工艺不会由于因为涂层和基体之间热膨胀系数不同，导致涂层和基体之间的应力集中，使得工具内部产生细微的缺陷，降低工具寿命。中国专利CN104044308A公开了一种由梯度烧结体和硬质包覆层构成的金属陶瓷工具，其中梯度烧结体的表面由外层的铁族元素(Fe，Co，Ni)富集层和内层的WC基硬质合金构成，芯部为TiCN基金属陶瓷基体。在工具的表面，还有Al₂O₃、Ti的碳氮化物镀膜作为氧化保护层，在最终的切削实验中，工具寿命整体理想，但仍出现了镀膜的开裂和磨损的现象，并且由于梯度烧结体表面为硬度较低的铁族元素富集层和WC基硬质合金，在镀膜磨损后，镀膜之下的梯度烧结层迅速剥落，后刀面磨损严重，刀具几何尺寸变化，导致加工精度骤降。在另一例中国专利CN200510094582中，发明人通过氮气氮化金属陶瓷烧结体的方法，在Ti(C,N)基金属陶瓷表面构建了一种功能梯度层，最终刀具的表面硬度较高。但是，由于其采用了纳米粉体作为原料，原料成本较高，而且其采用的6MPa以下压力的氮气，使得氮化时间有可能长达24小时，并且1100～1250℃的氮化温度会造成晶粒的二次长大，不利于对材料微观组织的优化。

综上所述，该领域为数不多的公开文献显示，在Ti(C,N)基金属陶瓷表面通过梯度烧结构建功能梯度层的方法是有先例的，并且有证据显示这种方法对于提升刀具寿命有所帮助。但是，切削过程中的磨损机制十分复杂，以车削过程为例，前刀面、后刀面、刀片刃口的受力状态、磨损机理都不尽相同，对刀具各个几何表面的性能要求显然不同。若以期达到更佳的切削精度和刀具寿命，单一类型的功能梯度层显然无法满足日益严苛的加工条件。

发明内容

为解决上述技术问题，本发明提供了一种Ti(C,N)基金属陶瓷工具及其制备方法，针对切削工况对Ti(C,N)基金属陶瓷工具不同表面的要求，在工具的不同表面，如前刀面、后刀面上构建不同形态的功能梯度层，以应对相应的工况要求，来达到提升切削质量和工具寿命的目的。

为实现上述目的，本发明提供了以下技术方案：

本发明的技术方案之一：一种Ti(C,N)基金属陶瓷工具，至少一个表面为单功能梯度层结构，同时至少一个表面为双功能梯度层结构；

所述金属陶瓷工具的原料以质量百分比计，包括：

其余为WC；