[发明专利]用于切削碳纤维或玻璃纤维的硬质合金刀具及其制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及纤维增强复合材料的切削加工技术领域，特别涉及一种用于切削碳纤维或玻璃纤维的硬质合金刀具及其制备方法。

背景技术

纤维增强复合材料是近代发展起来的一类新型复合材料的总称，它主要以纤维(如碳纤维、玻璃纤维等)为增强材料、以合成树脂为基体材料，经过特定的定型工艺制造而成。由于具有质量轻、比强度和比刚度大、耐腐蚀、耐高温等一系列优点，在现代工业中得到了越来越多的关注，特别是广泛应用于航空航天、国防工业和体育器材等技术领域。

纤维增强复合材料的切削加工不同于普通材料的切削加工，存在由该类材料特性所带来的特有的加工难度。一方面，由于切削刀具与复合材料切削面之间的摩擦力的存在，复合材料中的碳纤维织物或玻璃纤维织物不断变碎，未排出的切屑对刀具有强烈的磨料作用，研磨刀具表面，致使刀具急剧磨损；另一方面，也是由于切削面上摩擦力的存在，切削时必然产生大量的热量，而纤维增强复合材料的导热性普遍较小，导致了切削加工过程中的散热条件极差，热量大部分聚集在刀具的刀尖、刀刃附件，这样更加剧了刀具刃口的磨损。

现有的研究大多着眼于通过改进切削刀具的结构或切削工艺参数，实现对碳纤维或玻璃纤维的切削加工过程的改进，但改进效果并不十分理想，碳纤维、玻璃纤维及其复合材料仍被认为是典型的难加工材料。

发明内容

本发明的一个目的在于从改进切削刀具的合金材料入手，提供一种用于切削碳纤维和玻璃纤维的硬质合金刀具，以克服碳纤维和玻璃纤维切削加工过程中遇到的刀具易磨损问题。

本发明的另一个目的在于提供上述用于切削碳纤维或玻璃纤维的硬质合金刀具的制备方法。

为解决上述技术问题，本发明的实施方式提供了一种用于切削碳纤维或玻璃纤维的硬质合金刀具，该硬质合金刀具包含合金基底与设于合金基底表面的纳米涂层，其中，该合金基底以质量百分含量计包含：TiC 10～15％， Co 0.3～0.6％，Mo 0.3％～0.4％，Mn 0.8％～1.6％，Nb 0.3％～0.4％，Cr 1.0％～ 1.6％，Al 0.6％～1.0％，余量为WC；该纳米涂层为TiAlN纳米涂层。优选地，该硬质合金刀具的合金基底以质量百分含量计包含：TiC 12％，Co 0.5％，Mo 0.4％，Mn 1.0％，Nb 0.4％，Cr 1.2％，Al 0.8％，余量为WC。

本发明的实施方式所提供的上述硬质合金刀具，包含了合金基底以及设于合金基底表面的纳米涂层。在合金基底的化学组成中，包含了高硬度难熔金属的碳化物WC和TiC，二者为合金基底的主要组成成分，也是合金基底的硬化相，其提供了作为切削刀具材料所必须的硬度和耐磨度的基础。Co 和Mo作为粘结相，对合金基底的硬化相进行粘结。在由上述硬化相和粘结相组成的合金材料的基础上，本发明为了满足对碳纤维或玻璃纤维进行切削过程中对于刀具耐磨耐蚀性的特殊要求，同时引入了Mn、Nb复合添加以及 Cr、Al复合添加。Mn和Nb的复合添加起到如下作用：微量的Nb加入合金中形成稳定的难熔化合物，可细化铸态组织，有利于提高合金的韧塑性及疲劳强度，且对提高合金的耐磨耐蚀性很有好处；Mn元素的加入可显著推迟合金的高温区转变，使Nb元素对合金组织及性能的影响作用得到更大的发挥。此外，Cr和Al的复合添加起到如下作用：Cr和Al的加入也可进一步细化合金的铸态组织，提高合金的耐腐蚀性能以及抗氧化性能，延长刀具的使用寿命。更重要的是，本发明在合金基底表面设有TiAlN纳米涂层，在TiAlN涂层中，Al原子置换TiN中的一部分Ti院子后使晶格发生畸变，晶格畸变度大的涂层，晶界增多且位错较多、不易滑移，从而导致涂层的硬度得到提高；此外，Al元素在高温下转化为氧化铝，也可进一步降低切削过程中刀具的合金基底所发生的氧化磨损。

与现有的合金刀具相比，本发明的实施方式所提供的硬质合金刀具，通过调整合金基底的合金元素组成、并在合金基底的表面增设TiAlN纳米涂层，使其具有更为优异的硬度和耐磨耐蚀性能，可适用于对碳纤维或玻璃纤维的切削加工，减少加工过程中刀具的磨损速度，提高刀具的使用寿命。

优选地，本发明的实施方式所提供的用于切削碳纤维或玻璃纤维的硬质合金刀具，其合金基底的厚度为4～10mm，该厚度的合金材料适合于作为刀具的基底材料，应用于对碳纤维或玻璃纤维的切削加工工业中。