[发明专利]一种WC-Co与CBN-Co梯度复合刀具材料及制备方法

说明书

一种WC‑Co与CBN‑Co梯度复合刀具材料，由基体层、连接层、第一过渡层、第二过渡层和外耐磨层组成，基体层为WC‑Co，连接层、第一过渡层、第二过渡层以及外耐磨层均为WC‑Co与CBN‑Co的混合粉体，并且从连接层到外耐磨层，WC‑Co的质量分数呈梯度减少；通过化学镀在WC和CBN两种粉体表面包覆金属Co，得到WC‑Co和CBN‑Co两种粉体，并以WC‑Co作为基体层，WC‑Co和CBN‑Co的混合粉体以不同混合比例分别作为连接层、第一过渡层、第二过渡层和外耐磨层，将制备的粉体依次装填在石墨模具内后，于真空条件下均匀加压进行放电等离子烧结，断电自然冷却至室温，得到梯度复合刀具材料；该材料具有极好的硬度、耐磨性及低的摩擦系数，一定程度上解决了陶瓷复合材料的“硬度和韧性不可调和的矛盾”。

技术领域

本发明属于刀具材料及加工的技术领域，具体涉及一种WC-Co与CBN-Co梯度复合刀具材料及制备方法。

背景技术

在机加工过程中,刀具作为切削过程主要的直接执行者,在工件的切削加工过程中不可避免地存在磨损、破损甚至断裂等现象,特别是在高速切削中,刀具的磨损尤为严重；出现磨损现象后,刀具的寿命会急剧下降,所加工的工件表面粗糙度上升,易导致工件的尺寸超出设计公差,虽然及时换刀具可以一定程度上解决工件精度不足的问题,但对于加工航空航天、新型模具等加工难度比较高的器具,特别涉及到有国防要求的大型零件或精密零件,过频的换刀会增大零件的重复定位误差,达不到设计要求。

切削刀具表面涂层技术是近几十年来适应市场需求发展起来的材料表面改性技术。采用涂层技术可以有效提高切削刀具的使用寿命，使刀具获得优良的综合性能，从而大幅度提高机械加工效率。因此，业内人士把涂层技术、刀具材料、切削加工工艺称为切削刀具制造领域的三大关键技术。

尽管CVD涂层具有很好的耐磨性，但CVD工艺亦有其先天缺陷：一是工艺处理温度高，易造成刀具材料抗弯强度下降；二是薄膜内部呈拉应力状态，易导致刀具使用时产生微裂纹；三是CVD工艺排放的废气、废液会造成较大环境污染。同样，PVD工艺虽然优点很多，但目前仍然存在一定的问题。比如，PVD工艺处理温度较低，因此涂层与刀具基体、涂层与涂层之间的界面结合强度较低，一方面使涂层厚度受到了限制，同时使涂层在切削负荷的作用下很快因开裂和剥落而失效，涂层与刀具基体的性能差异较大，涂层内易形成较大的残余应力，导致刀具在切削 (尤其是断续切削) 负荷的作用下，易产生微裂纹。

叠层结构设计丰富了陶瓷材料强韧化的方法, 是近几年发展起来的材料增强增韧新技术，这种结构是通过模仿贝壳而来，自然界中贝壳的珍珠层是一种天然的层状结构材料，其断裂韧性却比普通单一均质结构高出3000倍以上。该种设计具有强韧化效果显著、材料体系多、设计灵活等优点,是目前复合材料强韧化的有效途径之一。对于叠层陶瓷的研究大部分还停留在材料体系的构建上，而对于叠层复合刀具,目前国内外研究较少。叠层结构的出现，如果合理地应用在上刀具，既可提高与基体的结合强度，又能具有多种涂层材料的综合物理机械性能，从而满足不同材料、不同加工条件的要求 （段振兴.新型叠层复合陶瓷刀具的研制及其切削性能研究[D].山东大学, 2009）。

中国专利 公开了梯度叠层涂层刀具及其制备方法(ZL 201110214393.2) ，所制备的ZrTiN复合涂层刀具有较高的硬度和强度、优异的抗磨损和抗腐蚀性能，但是在切削有色金属材料时其表面摩擦系数较高，刀具使用寿命无法满足使用需要。中国专利公开了一种新型叠层自润滑陶瓷刀具材料及其制备方法（ZL 201610232992.X），它是涉及一种新型叠层自润滑陶瓷刀具材料TiC/TiN+TiB₂/TiN及其制备方法。以TiC/30wt%TiN为基体、TiB₂/15wt%TiN为叠层，利用各层热膨胀系数差异在表层产生残余压应力及表层原位反应形成的润滑膜提高复合材料综合性能，但是由于各层材料本身的热膨胀系数差别，刀具在切削难加工材料时，叠层材料在其分界面处还是容易产生裂纹，刀具寿命较低。