一种用于塑料模具钢半精加工和精加工的金属陶瓷圆棒铣刀及其制备方法与流程

本技术涉及金属陶瓷材料，尤其是涉及一种用于塑料模具钢半精加工和精加工的金属陶瓷圆棒铣刀及其制备方法。

背景技术：

1、在塑料模具钢（如p20、718、s136等）的精密加工领域，尤其是涉及玻璃纤维或矿物填料增强的牌号时，对切削刀具的综合性能提出了较高要求。目前，应用较为广泛的刀具材料主要包括硬质合金及传统金属陶瓷。硬质合金凭借其良好的强韧性配合，在一定程度上能够满足常规加工需求；而以碳氮化钛（ticn）为硬质相、镍钴为粘结相的传统金属陶瓷，因其材料本身具有较高的硬度与良好的化学稳定性，在追求高表面光洁度的精加工工序中受到关注。这些现有技术方案为模具钢加工提供了基础的工具选择。

2、然而，现有的金属陶瓷刀具技术在应对高性能塑料模具钢的半精与精加工时，仍面临一些局限性。其不足之处主要体现在，传统工艺制备的金属陶瓷材料内部，硬质相颗粒与金属粘结相之间的界面结合往往不够理想，这在一定程度上制约了材料整体韧性与可靠性的进一步提升。在断续切削或加工增强材料时，较弱的界面结合可能成为裂纹萌生与扩展的路径，导致刀具易发生微观崩刃，影响加工表面质量与刀具寿命。

技术实现思路

1、为改善金属陶瓷铣刀界面结合不足影响韧性的问题，提供了一种用于塑料模具钢半精加工和精加工的金属陶瓷圆棒铣刀及其制备方法。

2、本发明的上述第一个发明目的是通过以下技术方案得以实现的：

3、一种用于塑料模具钢半精加工和精加工的金属陶瓷圆棒铣刀，tic0.5n0.5 40%~60%，wc 15%~25%，mo2c 3%~9%，tac 2~6%，nbc 1~3%，co 5%～10%，ni 5%～10%，cr3c2 0.04-0.06%，y2o3 0.01-0.3%，zrc 0.3-0.5%，hfb2 1-2%。

4、通过采用上述技术方案，tic0.5n0.5作为主硬质相，提供刀具所需的高硬度和耐磨性，wc的加入可改善金属粘结相对硬质相的润湿性，由于wc与co系粘结相具有良好的界面结合特性，其部分固溶于tic0.5n0.5边缘或独立存在于晶界，能增强整体烧结活性并抑制硬质相晶粒长大，mo2c有助于改善液相烧结时粘结相的流动铺展特性，tac与nbc作为晶粒生长抑制剂，通过偏析于晶界降低晶界迁移率，细化晶粒尺寸，提升抗弯强度与韧性，cr3c2的少量添加可进一步细化晶粒，同时增强硬质相的抗氧化能力，y2o3作为稀土氧化物添加剂，净化晶界，吸附原料粉体中残留的氧、硫等杂质元素，形成稳定的稀土氧硫化物颗粒钉扎于晶界，阻碍晶界滑移，并改善粘结相与硬质相的界面结合状态，zrc属于高熔点、高硬度的组分，可固溶强化硬质相或形成弥散分布的硬质颗粒，提升材料的高温强度与抗塑性变形能力；hfb2作为增强相，在烧结过程中阻碍tic0.5n0.5、wc等硬质相晶粒生长，使组织细化至亚微米级，晶界数量增加显著阻碍位错运动与裂纹扩展，同时细晶结构使裂纹扩展路径更曲折，消耗更多断裂能，且烧结过程中hf、b元素向tic0.5n0.5基体扩散，形成(ti,hf)(c,n)和(hf,ti)b2固溶体，提升晶格稳定性与界面结合强度，减少界面应力集中，抑制沿晶断裂，促使断裂模式从沿晶向穿晶沿晶混合转变，显著提高断裂韧性；稀土氧化物净化界面并增强结合。

5、本发明的上述第二个发明目的是通过以下技术方案实现的：

6、上述用于塑料模具钢半精加工和精加工的金属陶瓷圆棒铣刀的制备方法，包括以下步骤：

7、s1：将基体粉末原料与成型剂、湿磨介质进行湿法混合得到混合浆料，混合浆料喷雾造粒得到混合粒粉；

8、s2：将混合粒粉装入模具中，压制成棒状生坯，将生坯烧结致密得到棒坯；

9、s3：对棒坯进行开刃、粗磨、细磨以及抛光处理得到金属陶瓷圆棒铣刀；

10、基体粉末原料包括表面改性tic0.5n0.5；

11、表面改性tic0.5n0.5的制备方法包括以下步骤：

12、将tic0.5n0.5粉加入由无水乙醇和乙酰丙酮组成的混合溶剂中，分散得到分散浆料；向分散浆料中加入陶瓷前驱体溶液，陶瓷前驱体溶液包含钛酸四丁酯和硼酸三丁酯，进行水解缩合反应，形成包覆有溶胶凝胶层的复合粉末；将复合粉末进行干燥和热处理，得到一次包覆粉末；将一次包覆粉末与金属有机化合物溶液混合处理，金属有机化合物包含乙酰丙酮钴、乙酰丙酮镍和高铼酸铵，之后进行干燥和分解处理，得到表面改性tic0.5n0.5。

13、通过采用上述技术方案，通过表面改性处理赋予tic0.5n0.5颗粒复合包覆结构，tic0.5n0.5作为金属陶瓷的硬质相基体，本身兼具tic的高硬度和tin的优异化学稳定性，表面改性过程中，首先利用无水乙醇与乙酰丙酮的混合溶剂体系实现tic0.5n0.5颗粒的充分分散，乙酰丙酮作为螯合剂可吸附于颗粒表面形成空间位阻，减少硬质相团聚；引入的陶瓷前驱体溶液中的钛酸四丁酯在控制水解条件下生成含钛的溶胶网络，硼酸三丁酯同步水解产生硼氧网络结构，二者在颗粒表面共缩聚形成含钛硼的凝胶包覆层，经干燥与热处理后，该层转化为非晶或纳米晶态的钛硼氧化物过渡层，提供物理化学屏障，有利于避免后续金属有机化合物直接接触tic0.5n0.5表面，并改善与金属粘结相的相容性；采用乙酰丙酮钴、乙酰丙酮镍及高铼酸铵的混合溶液处理，金属有机化合物在干燥与分解过程中于过渡层外表面形成含有钴、镍、铼的氧化物或金属前驱体层，最终烧结时，外层的钴、镍组分可原位还原为金属粘结相核心元素，增强硬质相与粘结相的界面结合力，铼元素可固溶进入粘结相或偏聚于相界，抑制烧结过程中硬质相颗粒的异常长大，同时提升界面结合强度与高温抗软化能力，且铼降低ni-co粘结相的层错能，促进钴从面心立方向六方密堆结构转变，产生形变诱发马氏体相变，提高粘结相的强度和塑性；

14、湿法混合使各组分与成型剂在溶剂中均匀分散，喷雾造粒形成的粒粉具有规则的球形形貌与良好的流动性，有利于后续压制成型时坯体密度均匀，最终获得高致密度的棒坯；

15、该制备方法所得金属陶瓷圆棒铣刀在用于塑料模具钢的半精加工与精加工时，能够表现出良好的韧性，表面改性处理的tic0.5n0.5颗粒通过钛硼氧化物过渡层与含钴镍铼金属前驱体层的协同作用，增强硬质相与金属粘结相之间的界面结合强度，有效抑制切削过程中沿晶裂纹的萌生与扩展，从而提升刀具的抗崩刃性与抗热震韧性，且铼元素在界面的偏聚可在高温切削条件下阻碍位错运动与晶界滑移，维持刃口强度，降低变形倾向，tic0.5n0.5本身的高硬度与良好抗氧化性保证刀具在连续切削时保持刃口锋利度与耐磨性，喷雾造粒粉体优异的压制性能确保生坯密度分布均匀，烧结后棒坯内部缺陷少，有利于后续磨削加工精度的保持；整体工艺路径通过界面的多层次设计，使金属陶瓷刀具兼具硬质相的高耐磨性和粘结相增韧效果，在半精加工与精加工阶段能够获得稳定的加工表面质量与较长的刀具使用寿命。

16、优选的，陶瓷前驱体溶液中，钛酸四丁酯与硼酸三丁酯的摩尔比为(1-3):1。

17、通过采用上述技术方案，在此摩尔比范围内，钛硼氧复合凝胶层的化学组成与网络结构趋于优化，过量的钛源使包覆层主要呈现类二氧化钛的化学稳定性，适量的硼掺杂则在热处理过程中产生少量液相或促进原子扩散，增强包覆层与tic0.5n0.5基体以及外层金属前驱体分解产物的连接强度，若钛酸四丁酯比例过低，则包覆层中钛含量不足，削弱其作为中间阻挡层的化学相容性与热稳定性；若硼酸三丁酯比例过低，则凝胶层缺乏足够的交联调节，干燥与热处理阶段易出现微裂纹，导致后续金属层覆盖不连续。

18、优选的，水解缩合反应的反应温度为50℃-70℃，反应时间为2-4h。

19、通过采用上述技术方案，此范围内精确控制水解缩合反应条件，制备得到的包覆层具有较高的均匀性与致密度，为后续热处理转化为稳定过渡层提供了结构基础，该过渡层能够有效缓和硬质相与金属粘结相之间的热膨胀系数失配，降低界面残余应力，使得在铣刀使用过程中，减少界面微裂纹萌生，对维持刀具刃口完整性、提升韧性具有积极作用。

20、优选的，s2中，烧结过程为加压烧结。

21、通过采用上述技术方案，外加的压力提供额外的致密化驱动力，不仅能降低烧结温度，还能有效抑制晶粒在高温下的异常长大，从而在实现致密的同时，保留材料的细晶组织结构，提升了产品的韧性，减少内部缺陷。

22、优选的，s2中，烧结过程，烧结温度为1450℃-1550℃。

23、通过采用上述技术方案，此范围内，该烧结温度使得金属陶瓷棒坯获得接近理论密度的致密结构，内部残留孔隙少，高致密度直接降低刀具材料内部缺陷作为裂纹源的可能，提升铣刀在使用过程中抵抗裂纹扩展与机械冲击的能力。

24、优选的，成型剂为聚乙二醇4000或者石蜡。

25、通过采用上述技术方案，石蜡具有优异的润滑性，能有效降低压制摩擦力，获得密度均匀的高强度压坯；聚乙二醇4000则可利用水溶性实现快速、低残留的脱除，适用于制备高纯净度、高性能的金属陶瓷刀具；两种成型剂工艺适应性强，能保证成型质量。

26、综上，本技术至少具备以下有益效果：

27、（1）通过表面改性对tic0.5n0.5颗粒构建复合包覆结构，以乙酰丙酮辅助分散并利用钛酸四丁酯与硼酸三丁酯共缩聚形成钛硼氧化物过渡层，有效抑制硬质相团聚，改善与金属粘结相相容性，为后续界面强化提供物理化学屏障；

28、（2）在过渡层外引入含钴、镍、铼的金属有机前驱体，经烧结后钴镍原位还原为粘结相核心元素以增强界面结合力，铼元素偏聚于相界可抑制硬质相异常长大，提升界面结合强度；

29、（3）经喷雾造粒获得流动性优良的球形粉体，有助于压制成型密度均匀、缺陷减少；所得刀具在塑料模具钢半精及精加工中可有效抑制沿晶裂纹扩展，加工表面质量与刀具寿命表现稳定。