微钻刀柄用细径铁基复合材料及其制备方法与流程

本发明涉及微钻刀柄的，具体而言，涉及微钻刀柄用细径铁基复合材料及其制备方法。

背景技术：

1、微型钻头(简称微钻)通常是指钻头直径小于0.2mm的精密加工工具，广泛应用于电子制造领域，尤其是印刷电路板(pcb)的微孔加工中，对加工精度有着严苛的要求。近年来，随着电子信息与通信技术的持续进步，微钻的实用直径已逐步降至0.05mm乃至更小的水平，对微钻各项性能指标的要求也随之进一步提高。

2、微钻的钻头部分通常采用硬质合金材料制造，以获得优异的硬度(耐磨性)、抗拉强度(抗断裂能力)和弹性模量(刚度)。然而，硬质合金价格高昂且脆性较大，在装夹受力时易出现崩裂问题，因此在实际应用中往往将硬质合金钻头与刀柄部分通过焊接方式进行连接。刀柄作为微钻的夹持和传力部件，同样需要满足上述性能要求。具体而言，在频繁的装夹操作中，刀柄与夹套之间反复接触摩擦，要求刀柄表面具备良好的硬度以维持夹持精度；微钻通常在极高转速下工作，要求刀柄材料具备较高的抗拉强度，以降低高速旋转时的离心载荷与动态失稳风险；微钻在钻孔过程中，切削部分因承受切削力而极易产生弯曲与偏摆，要求刀柄具有足够的弹性模量以抑制振动并维持加工精度；此外，加工环境中广泛使用切削液及存在湿热气氛，要求刀柄材料具有优异的耐腐蚀性能，以防止表面腐蚀产物的积累对夹持面精度与可靠性造成不利影响。综上所述，微钻刀柄材料须同时具备高硬度、高抗拉强度、高弹性模量以及优异耐腐蚀性等综合性能。

3、目前，微钻刀柄主要采用合金钢和不锈钢这两类材料。其中，合金钢综合力学性能优良，但耐腐蚀性能相对不足，在湿式加工环境中长期使用后表面状态易发生劣化，影响夹持配合的稳定性。不锈钢具有更优的耐腐蚀性，但其硬度仍有待提高，同时受限于自身弹性模量水平，刀柄刚性亦存在不足。总体而言，现有金属材料体系在同时兼顾高硬度、高抗拉强度、高弹性模量与耐腐蚀等多维度性能需求方面存在固有的局限性。

技术实现思路

1、本发明所要解决的技术问题在于提供一种耐腐蚀性能好，同时保持甚至增强材料的硬度、抗拉强度和弹性模量的微钻刀柄用细径铁基复合材料及其制备方法，技术方案如下：

2、微钻刀柄用细径铁基复合材料，由原料粉经粉末冶金制备得到，原料粉包括按重量份数计的70～95份不锈钢粉、4～30份强化相混合粉、0.05～1份氢化镧粉；所述强化相混合粉包括氮化钛粉、硼化钛粉、氮化钒粉、硼化钒粉。

3、本发明的微钻刀柄用细径铁基复合材料具有的优点是：

4、在强化相混合粉中，氮化钛、硼化钛、氮化钒、硼化钒这四种陶瓷强化相之间形成多层次的协同强化效应：（1）从化合物类型来看，氮化物(氮化钛、氮化钒)具有高硬度和优异的化学稳定性，硼化物(硼化钛、硼化钒)则具有更高的硬度和更高的弹性模量，两类化合物相互配合，使复合材料在硬度、抗拉强度和弹性模量方面获得优于单一类型强化相体系的综合表现。（2）从金属元素来看，钛基化合物(氮化钛、硼化钛)与钒基化合物(氮化钒、硼化钒)的物理性质存在差异，二者共同引入有利于改善强化相与基体的配合，对提升材料的抗拉强度和弹性模量具有积极作用。（3）从晶体结构来看，氮化钛与氮化钒、硼化钛与硼化钒分别具有相近的晶体结构和良好的晶体学相容性，多种强化相共存时可在不同尺度上协同发挥强化作用，有利于同时提升复合材料的硬度和弹性模量。（4）上述四种陶瓷强化相均具有优异的化学惰性，在不锈钢基体中不会引入活性腐蚀源或破坏基体钝化膜的完整性，从而在提升硬度和弹性模量的同时保持了复合材料优异的耐腐蚀性能。（5）上述四种陶瓷强化相以高硬度颗粒形式弥散分布于基体表面层中，可显著提高刀柄表面的硬度和抗塑性变形能力，有效抵抗刀柄与夹套之间因频繁装夹产生的反复接触磨损，维持夹持面的尺寸精度。

5、氢化镧粉在烧结过程中分解释放活性氢原子，能够有效还原粉末颗粒表面的氧化膜，改善不锈钢基体与强化相之间的界面结合；同时释出的镧元素有利于改善基体组织，对提升复合材料的硬度和抗拉强度具有积极作用。

6、由此，上述三类组分的配比设计在保证不锈钢基体具有足够抗拉强度和加工性的前提下，通过四种陶瓷强化相的多层次协同增强和稀土微合金化的界面优化，使复合材料同时获得了高硬度、高抗拉强度、高弹性模量和优异耐腐蚀性的综合性能，能够满足微钻刀柄在高转速、频繁装夹和湿式加工环境下的苛刻服役要求。

7、作为上述的微钻刀柄用细径铁基复合材料的进一步改进：所述不锈钢粉为316不锈钢粉或304不锈钢粉，粒度为1～5μm。由此，316不锈钢粉和304不锈钢粉均具有优异的耐腐蚀性能和良好的强韧性匹配，粒度控制在1～5μm有利于与强化相颗粒均匀混合并提高烧结活性，获得组织细密、界面结合良好的复合材料基体。

8、作为上述的微钻刀柄用细径铁基复合材料的进一步改进：所述强化相混合粉中，任意两种粉末的重量比值为0.95～1.05，由此，四种强化相粉末近等比配置，避免某一组分过量导致的性能偏倚，使氮化物与硼化物、钛基与钒基化合物之间的协同强化效果最大化；所述强化相混合粉中，每种粉末的粒度为0.8～3μm，由此，与基体粉末尺寸相匹配，有利于均匀弥散分布并避免因颗粒过细而引发的团聚问题。

9、作为上述的微钻刀柄用细径铁基复合材料的进一步改进：所述氢化镧粉的粒度为0.2～1μm。由此，较细的粒径使其在球磨过程中更易分散至基体粉末颗粒间隙处，有利于在烧结时充分发挥还原净化和晶界细化作用。

10、作为上述的微钻刀柄用细径铁基复合材料的进一步改进：细径铁基复合材料的外径为2～6mm。由此，与主流微钻刀柄的尺寸规格相匹配，可直接适配现有pcb钻孔设备的夹持系统，无需额外设计专用夹具。

11、作为上述的微钻刀柄用细径铁基复合材料的进一步改进：原料粉还包括按重量份数计的0.3～1份纳米稀土氧化物粉和0.5～2份六方氮化硼粉；所述纳米稀土氧化物粉为la2o3、y2o3、ceo2中任意几种，粒度为20～100nm；所述六方氮化硼粉的粒度为3～5μm。由此，纳米稀土氧化物粉在基体中形成细小弥散的钉扎质点，可进一步抑制晶粒长大、提升高温组织稳定性；六方氮化硼具有层状自润滑结构，其引入可降低刀柄与夹套之间的摩擦系数，减少频繁装夹造成的表面磨损，两者协同进一步提升复合材料的综合服役性能。

12、上述的微钻刀柄用细径铁基复合材料的制备方法，包括以下步骤：

13、（1）将硬质合金球磨球、原料粉和成型剂球磨混合，然后干燥和压制成型，得到压坯；

14、（2）对压坯进行烧结处理，得到毛坯；

15、（3）对毛坯进行旋锻处理，得到复合材料。

16、本发明的微钻刀柄用细径铁基复合材料的制备方法的创新主要在于采用了旋锻处理，产生的效果是：（1）旋锻处理进行径向压缩力的反复施加，能够有效消除烧结过程中残留的孔隙，使材料致密度趋近理论密度。（2）旋锻处理引入的塑性变形可改善强化相颗粒的分布均匀性，并使材料获得沿轴向取向的组织，从而显著提升材料的抗拉强度和弹性模量。（3）旋锻产生的热力耦合作用有利于增强基体与强化相之间的界面结合，改善了常规粉末冶金烧结体因残余孔隙率偏高、强化相分布不均而导致力学性能和服役稳定性不足的问题。

17、由此，通过烧结与旋锻相结合的工艺路线，精确控制棒材外径尺寸，使成品在满足微钻刀柄几何精度要求的同时获得远优于单一烧结工艺的综合力学性能，实现了微钻刀柄用高性能细径复合材料的可靠制备。

18、作为上述的制备方法的进一步改进：步骤（2）采用两段烧结，依次为：

19、在氢氩混合气氛、常压条件下，从室温升温至200～600℃，保温2～6小时；

20、在氩气气氛、4～6mpa气压条件下，继续升温至1250～1310℃，保温2～4小时，随炉冷却即得到毛坯。

21、第一段还原气氛烧结主要实现成型剂的脱除和氢化镧的分解还原，氢气组分可充分还原粉末表面氧化膜；第二段惰性气氛加压烧结可有效抑制孔隙残留并促进致密化，避免了强化相在高温下的氧化分解。由此，通过两段式工艺，确保毛坯兼具高致密度和良好的相结构稳定性。

22、作为上述的制备方法的进一步改进：步骤（3）中，旋锻处理温度为1000～1150℃，处于不锈钢基体良好塑性变形温度区间，既保证充分的变形能力又避免晶粒过度长大；总断面缩减率为30～70%，单道次断面缩减率为8～15%，实现了累积大变形量与单次适度变形的平衡，避免单次变形过大导致的开裂风险；锻打频率为500～800次/分钟，保证变形均匀连续；旋锻完成后先降温至800～900℃并保温10～30分钟，起到消除残余应力和稳定组织的退火效果，然后自然冷却获得均匀稳定的最终组织。

23、作为上述的制备方法的进一步改进：还包括将旋锻处理得到的棒材浸入液氮中保持2～6小时，取出后自然回温至室温，得到复合材料。由此，旋锻后棒材浸入液氮进行深冷处理，有利于进一步提高材料的硬度和抗拉强度，并改善材料的尺寸稳定性。

24、下面通过具体实施方式对本发明做进一步的说明。本发明附加的方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。