一种加工蠕墨铸铁的梯度刀具材料的制作方法

1.本发明涉及一种专用于加工蠕墨铸铁的新型梯度刀具材料及其制备方法，属于新材料技术领域。


背景技术：

2.蠕墨铸铁(cgi)具有球墨铸铁的高强度和耐磨性，又有类似灰铸铁良好的铸造工艺性、导热性、减振性，比灰铸铁高得多的疲劳强度和耐热疲劳性，其拉伸强度约为灰铸铁的两倍，高温下材料强度比灰铸铁高，它可在较高碳当量下获得高强度，使铸件薄壁轻量化。目前蠕墨铸铁主要应用在重卡、内燃机行业，如缸体、缸盖、增压器壳、缸套、活塞环、制动毂(刹车毂)、制动盘(包括铁路机车用)等。蠕墨铸铁应用广泛，但在蠕墨铸铁进行切削加工的过程中，普遍存在刀具易磨损、加工效果差、效率低下、精度难以保证以及加工费用高的难点，这严重阻碍了蠕墨铸铁的推广应用。
3.目前加工蠕墨铸铁的刀具主要有涂层硬质合金刀具、cbn刀具、陶瓷刀具等，研究者普遍认为涂层硬质合金刀具是最适合加工cgi的刀具材料，但是由于涂层和基体热膨胀系数的不同，在涂层和基体之间界面存在应力集中现象，在断续切削(铣削)cgi过程中容易产生热裂纹，热裂纹引起刀具微崩刃，崩刃引起刀具基体裸露，进而引起刀具破损失效，同时热裂纹会增加刀具的扩散磨损和氧化磨损。


技术实现要素：

4.本发明所要解决的技术问题是针对现有技术存在的缺陷，提供一种专用于加工蠕墨铸铁的新型梯度刀具材料，有效地缓解热应力集中现象，减少热裂纹的萌生，进而提高刀具的寿命。
5.为解决这一技术问题，本发明提供了一种加工蠕墨铸铁的梯度刀具材料，由以下质量份的原料制成：
6.表层：wc：87～94份、al2o3：3～7份、co：2～6份、y2o3：0～1份；
7.次表层：wc：87～94份、al2o3：1～5份、co：4～8份、y2o3：0～1 份；
8.中间层：wc：87～94份、al2o3：0～3份、co：6～10份、y2o3：0～1 份。
9.优选的，由以下质量份的原料制成：
10.表层：wc：90份、al2o3：7份、co：2份、y2o3：1份；
11.次表层：wc：90份、al2o3：5份、co：4份、y2o3：1份；
12.中间层：wc：90份、al2o3：3份、co：6份、y2o3：1份。
13.其制备方法步骤如下：
14.(1)按照各层的组分配比，配制三组不同组分配比的粉料，分别装入聚氨酯球磨筒中，al2o3粉末以氧化铝球为球磨球，其他粉末以碳化钨球为球磨球，酒精为球磨介质，封闭后放在滚筒式球磨机上湿球磨48小时；将球磨后的原料粉末放入真空干燥箱中进行干燥，干燥温度为100～150℃，优选120℃；干燥后过80～120目筛，优选100目筛，将过筛后的粉体
封装待用；
15.(2)按各层的组分配比称量后分别装入聚氨酯球磨筒中，以碳化钨球为球磨球，球料比10:1，酒精为球磨介质，封闭后放在滚筒式球磨机上湿球磨 48小时；将球磨后的原料粉末放入真空干燥箱中进行干燥，封装备用；
16.(3)按照刀具制备需要的用量称取每层粉末的质量，采用手工铺层方法在石墨套筒中逐层铺垫，然后放入真空烧结炉中；在真空条件下，15～25min 升至750～850℃，5～15min升至950～1050℃，25～35min升高到1350～1650℃，从950～1050℃开始匀速加压，到1350～1650℃，压力加到28～36mpa；优选的，20min升至800℃，10min升至1000℃，30min升高到1450℃，从1000℃开始匀速加压，到1450℃，压力加到32mpa；
17.(4)在1350～1650℃温度下施加压力28～36mpa、保温20～40min的条件下热压烧结成型；优选的，在1450℃温度下施加压力32mpa、保温30min的条件下热压烧结成型。
18.进一步的，所述wc的粒径为0.3-0.5μm，所述al2o3的粒径为0.4-0.6μm，所述co的粒径为0.4-0.6μm，所述y2o3的粒径为0.8-1.2μm。
19.优选的，所述wc的粒径为0.4μm，所述al2o3的粒径为0.5μm，所述 co的粒径为0.5μm，所述y2o3的粒径为1μm。
20.进一步的，所述表层与次表层、次表层与中间层的层厚比均为0.2；层厚比
21.进一步的，所述手工铺层方法为：首先将表层材料装入高强度石墨模具中，用石墨棒旋转压平；然后铺第二层即次表层材料，采用同样的方法使其压平；之后采用同样的方式铺第三层即中间层材料、第四层即次表层材料和第五层即表层材料。
22.有益效果：本发明采用叠层技术，使金属相和陶瓷相呈对称形双向梯度分布，对称型双向分布规律，这样制作的刀片两面均可以做前刀面使用，使刀具两表层具有高硬度和耐磨性，中间层具有良好的强韧性和塑性，使刀具能够承受较高的冲击载荷；通过调整材料组分，使刀具每层材料之间热膨胀系数、导热系数由表及里逐渐增大，能有效地缓解热应力集中现象，减少热裂纹的萌生，进而提高刀具的寿命。
附图说明
23.图1为本发明梯度刀具结构的结构示意图；
24.图2为本发明实施例1制备的刀具材料抛光面的扫描电镜图片。
25.图中：1、表层；2、次表层；3、中间层。
具体实施方式
26.如图1和图2所示，本发明提供了一种加工蠕墨铸铁的梯度刀具材料，由以下质量份的原料制成：表层：wc 86～90份、al2o33～7份、co 2～6份、 y2o30～2份；次表层：wc 86～90份、al2o31～5份、co 4～8份、y2o30～1份；中间层：wc 86～90份、al2o30～3份、co 6～10份、y2o30～1份；其制备方法如下：
27.(1)按照各层的组分配比，配制三组粉料，分别装入聚氨酯球磨筒中， al2o3粉末以氧化铝球为球磨球，其他粉末以碳化钨球为球磨球，酒精为球磨介质，封闭后放在滚筒式球
磨机上湿球磨48小时；将球磨后的原料粉末放入真空干燥箱中进行干燥，干燥温度为100～150℃，干燥后过80～120目筛，将过筛后的粉体封装待用；
28.(2)按各层的组分配比称量后分别装入聚氨酯球磨筒中，以碳化钨球为球磨球，球料比10:1，酒精为球磨介质，封闭后放在滚筒式球磨机上湿球磨 48小时；将球磨后的原料粉末放入真空干燥箱中进行干燥，封装备用；
29.(3)按照刀具制备需要的用量称取每层粉末的质量，采用手工铺层方法在石墨套筒中逐层铺垫，然后放入真空烧结炉中；在真空条件下，15～25min 升至750～850℃，5～15min升至950～1050℃，25～35min升高到1350～1650℃，从950～1050℃开始匀速加压，到1350～1650℃，压力加到28～36mpa；
30.(4)在1350～1650℃温度下施加压力28～36mpa、保温20～40min的条件下热压烧结成型。
31.为了抑制刀具热裂纹的产生，本发明根据前期建立的高速铣削蠕墨铸铁刀具三维瞬态温度场和热应力场，以减低刀具内部温度梯度和热应力为原则，设计一个组分含量分布和微观结构具有梯度特征的刀具。通过调整梯度刀具每层组分的含量来调整整体材料的物性参数，进而来降低刀具内部温度梯度，降低刀具内部热应力，本发明以此为原则，设计了多种梯度刀具材料组分优化方案，梯度刀具，每层组分不仅要有利于提高其力学性能，同时层与层之间的热膨胀系数和导热系数要满足由表及里逐渐变化的要求，可以缓解刀具热应力。本发明通过大量实验，进行了多组组分优化，最终优化出同时具有综合力学性能优异，且满足热膨胀系数和导热系数等物性参数由表及里逐渐变化，缓解刀具内部热应力，抑制刀具内部产生热裂纹的梯度刀具。
32.根据前期建立的基于周期性传热的高速铣削蠕墨铸铁刀具三维瞬态温度场模型，可以得出，硬质合金刀具在高速铣削蠕墨铸铁时，最高温度主要分布在刀具前刀面，并且刀具前刀面、后刀面及刀具刃口上各点在不同时刻以及在同一时刻不同点之间存在很大温度梯度，刀具刃口上某一点在刀具切出工件时刻和空切结束时刻的最大温度梯度达500℃。刀具刃口不同点在刀具切出工件时刻，两者之间最大温度梯度达到580℃。温度梯度的产生，最终导致刀具热裂纹的产生，为了抑制刀具热裂纹的产生，本发明设计一个组分含量分布和微观结构具有梯度特征的刀具。根据温度场模型可知，高速铣削蠕墨铸铁最高温度为900℃左右，而硬质合金刀具的工作温度远低于该温度，所以依据高速铣削加工蠕墨铸铁的刀具温度，本发明选择在wc基体中，添加具有更高的硬度、更优良的化学稳定性、耐磨性、耐热性，抗氧化能力和高温力学性能的al2o3，在温度最高的刀具前刀面，添加更高含量的al2o3，使刀具可以应用在更高的切削温度下。
33.基于高速铣削蠕墨铸铁刀具三维瞬态温度场模型，提出一个组分含量分布和微观结构具有梯度特征的设计模型。采用叠层技术，使金属相co和陶瓷相al2o3呈对称形双向梯度分布，对称型双向分布规律，这样制作的刀片两面均可以做前刀面使用，使刀具两表层具有高硬度和耐磨性，中间层具有良好的强韧性和塑性。同时，使梯度刀具的热膨胀系数由表及里逐渐增大，以保证刀具材料烧结后冷却过程中于表面形成残余压应力，有利于提高前刀面硬度，有利于提高材料的抗热震性能；同时，使梯度刀具导热系数由表及里增大，前刀面低的导热系数可起到隔热作用以使更多切削热由切屑带走，从而保护刀具本体，还可提高抗热震残余强度，而且刀具内部逐渐增大导热系数，可以降低刀具内部温度梯度，进而减
低刀具内部热应力。
34.实施例1
35.表1-1为本实施例所述的刀具材料各层的组分。
36.表1-1(wt％)
[0037][0038]
其制备方法步骤如下：
[0039]
(1)按照各层的组分配比，配制三组粉料，分别装入聚氨酯球磨筒中， al2o3粉末以氧化铝球为球磨球，其他粉末以碳化钨球为球磨球，酒精为球磨介质，封闭后放在滚筒式球磨机上湿球磨48小时；将球磨后的原料粉末放入真空干燥箱中进行干燥，干燥温度为120℃，干燥后过100目筛，将过筛后的粉体封装待用；
[0040]
(2)按各层的组分配比称量后分别装入聚氨酯球磨筒中，以碳化钨球为球磨球，球料比10:1，酒精为球磨介质，封闭后放在滚筒式球磨机上湿球磨 48小时；将球磨后的原料粉末放入真空干燥箱中进行干燥，封装备用；
[0041]
(3)按照刀具制备需要的用量称取每层粉末的质量，采用手工铺层方法在石墨套筒中逐层铺垫，即：首先将表层1的材料装入高强度石墨模具中，用石墨棒旋转压平；然后铺第二层即次表层2的材料，采用同样的方法使其压平；之后采用同样的方式铺第三层即中间层3的材料、第四层即次表层2 的材料和第五层即表层1的材料；所述表层1与次表层2、次表层2与中间层 3的层厚比均为0.2；层厚比然后放入真空烧结炉中；在真空条件下，20min升至800℃，10min升至1000℃，30min升高到1450℃，从 1000℃开始匀速加压，到1450℃，压力加到32mpa；
[0042]
(4)在1450℃温度下施加压力32mpa、保温30min的条件下热压烧结成型，即得。
[0043]
采用叠层技术，使金属相co和陶瓷相al2o3呈对称形双向梯度分布，对称型双向分布规律，这样制作的刀片两面均可以做前刀面使用，使刀具两表层具有高硬度和耐磨性，中间层具有良好的强韧性和塑性。同时，使梯度刀具的热膨胀系数由表及里逐渐增大，以保证刀具材料烧结后冷却过程中于表面形成残余压应力，有利于提高前刀面硬度，有利于提高材料的抗热震性能；同时，使梯度刀具导热系数由表及里增大，前刀面低的导热系数可起到隔热作用以使更多切削热由切屑带走，从而保护刀具本体，还可提高抗热震残余强度，而且刀具内部逐渐增大导热系数，可以降低刀具内部温度梯度，进而减低刀具内部热应力。
[0044]
表1-2为本实施例制备的刀具材料各层的物理性能
[0045]
表1-2
[0046][0047]
表1-3为本实施例制备的刀具材料的力学性能
[0048]
表1-3
[0049][0050]
通过图2，可以看到实施例1制备的刀具材料的抛光面的微观形貌，具有组分分布比较均匀，部分晶粒长大明显，气孔较少，致密度较好的特征。
[0051]
实施例2
[0052]
表2-1为本实施例所述的刀具材料各层的组分。
[0053]
表2-1(wt％)
[0054][0055]
其制备方法步骤如实施例1的制备方法步骤。
[0056]
表2-2为本实施例制备的刀具材料各层的物理性能
[0057]
表2-2
[0058][0059]
表2-3为本实施例制备的刀具材料的力学性能
[0060]
表2-3
[0061][0062]
实施例3
[0063]
表3-1为本实施例所述的刀具材料各层的组分。
[0064]
表3-1(wt％)
[0065][0066]
其制备方法步骤如实施例1的制备方法步骤。
[0067]
表3-2为本实施例制备的刀具材料各层的物理性能
[0068]
表3-2
[0069][0070]
表3-3为本实施例制备的刀具材料的力学性能
[0071]
表3-3
[0072][0073]
实施例4
[0074]
表4-1为本实施例所述的刀具材料各层的组分。
[0075]
表4-1(wt％)
[0076][0077]
其制备方法步骤如实施例1的制备方法步骤。
[0078]
表4-2为本实施例制备的刀具材料各层的物理性能
[0079]
表4-2
[0080][0081]
表4-3为本实施例制备的刀具材料的力学性能
[0082]
表4-3
[0083][0084]
实施例5
[0085]
表5-1为本实施例所述的刀具材料各层的组分。
[0086]
表5-1(wt％)
[0087][0088]
其制备方法步骤如实施例1的制备方法步骤，但
[0089]
步骤(3)中，在真空条件下，20min升至800℃，10min升至1000℃， 30min升高到1450℃，从1000℃开始匀速加压，到1500℃，压力加到32mpa；
[0090]
(4)在1500℃温度下施加压力32mpa、保温30min的条件下热压烧结成型，即得。
[0091]
表5-2为本实施例制备的刀具材料各层的物理性能
[0092]
表5-2
[0093][0094]
表5-3为本实施例制备的刀具材料的力学性能
[0095]
表5-3
[0096][0097]
实施例6
[0098]
表6-1为本实施例所述的刀具材料各层的组分。
[0099]
表6-1(wt％)
[0100][0101]
其制备方法步骤如实施例1的制备方法步骤，但
[0102]
步骤(3)中，在真空条件下，20min升至800℃，10min升至1000℃， 30min升高到1450℃，从1000℃开始匀速加压，到1550℃，压力加到32mpa；
[0103]
(4)在1550℃温度下施加压力32mpa、保温30min的条件下热压烧结成型，即得。
[0104]
表6-2为本实施例制备的刀具材料各层的物理性能
[0105]
表6-2
[0106][0107]
表6-3为本实施例制备的刀具材料的力学性能
[0108]
表6-3
[0109][0110]
对照例
[0111]
中国发明专利zl 202010112689.2公开了“一种高综合性能的硬质合金刀具材料及其制备方法”，其制备的均质wc-al2o3复合刀具材料的组分及力学性能如表7-1所示。
[0112]
表7-1(wt％)
[0113][0114]
本发明实施例1制备的梯度刀具材料，其表层：wc90份、al2o37份、 co 2份、y2o31份；次表层：wc90份、al2o35份、co 4份、y2o31份；中间层：wc 90份、al2o33份、co 6份、y2o31份，经试验检测，其断裂韧度为15.0
±
0.6mpa
·m1/2
、抗弯强度为1211.2
±
64.1mpa、维氏硬度为20.1
±
0.3gpa。与对照例表7-1中5号相比，在抗弯强度略有提高的情况下，其硬度和断裂韧度分别提高了6％和37.7％；与对照例表7-1中6号相比，其在保持高硬度的同时，其断裂韧度和抗弯强度分别提高了21.6％和20.8％。
[0115]
由上述实施例可以看出，本发明制备的刀具材料，不仅具有优异的综合力学性能，而且其弹性模量、热膨胀系数、导热系数由表及里逐渐增加，可有效地缓解热应力集中现象，减少热裂纹的萌生，进一步提高了刀具的使用寿命。
[0116]
本发明通过在表层加入大量的al2o3，使刀具两表层具有高硬度和耐磨性，然后由表及里调整al2o3和金属相co的含量，使刀具中间层具有良好的强韧性和塑性，使该刀具能
够承受较高的冲击载荷。通过调整al2o3和co的含量，使其导热系数和热膨胀系数由表及里逐渐增加。能有效地缓解热应力集中现象，减少热裂纹的萌生，进而提高了刀具的寿命。
[0117]
本发明上述实施方案，只是举例说明，不是仅有的，所有在发明范围内或等同本发明的范围内的改变均被本发明包围。