一种用于火车轮毂加工的涂层刀具的制备方法技术

本发明专利技术公开了一种用于火车轮毂加工的涂层刀具的制备方法，包括以下步骤：(1)将WC粉、Co粉和MCxNy粉以重量比为81‑87:6‑10:7‑9混合，置于无水乙醇中进行球磨，球磨48‑72h，然后过滤，采用喷雾干燥器进行雾化干燥，制粒；(2)制备涂层基体：利用依次梯度加压烧结技术进行操作；(3)涂层刀具的制备：采用MT‑CVD涂层技术沉积TiN+TiCN+TiCO+α‑Al2O3+TiCN+TiN的涂层结构。该方法制备的涂层刀具可用于火车轮毂加工，其耐磨性和冲击性均较优异。

Preparation method of coated cutting tool for train hub processing

The invention discloses a preparation method for train wheel machining coating tool, which comprises the following steps: (1) WC powder, Co powder and MCxNy powder in the weight ratio of 81 87:6 10:7 9 mixing, ball milling in ethanol, milling 48 72h, then filtered by spray dryer for spray drying and granulating; (2) preparation of coating substrate by sequentially operating pressure gradient sintering technology; (3) coating was prepared by coating MT CVD deposition coating technology of TiN+TiCN+TiCO+ alpha Al2O3+TiCN+TiN. The coated tool can be used in the machining of the train hub, and its wear resistance and impact resistance are excellent.

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于机械切削刀具制造
，具体涉及一种用于火车轮毂加工的涂层刀具的制备方法。
技术介绍
高速铁路的开建和营运为国家经济的发展做出了突出贡献，对火车轮毂的要求也与日俱增，这不仅仅体现在轮毂数量方面，更体现在高精度、高强度、高耐磨性及可修复的高寿命方面，这类轮毂材质由于加入了合金元素(如V)且采用干式高速切削，加工余量大，刀具的消耗也较大。针对高强度合金钢轮毂的特点，先进制造厂家率先采用数控仿形刀具进行加工，取得了较好的加工表面光洁度效果。随着机床制造业的发展，数字化、柔性化已融入CNC机床，切削刀具也向着高强度、高耐磨性、高红硬性的数控涂层刀具发展，加工高强度合金钢轮毂的数控刀具也就应运而生。加工火车轮毂的硬质合金刀具主要为高精度的数控涂层刀具，它是由具有梯度富钴结构的P类硬质合金作为涂层基体，结合TiN、AL2O3、MT-TiCN的化学涂层(CVD)组成，适用于轮毂的精加工到半精加工的范围。火车轮毂钢的材质是含碳量从0.60％至1.70％高碳钢，由于可以淬硬和回火，其金相组织、机械性能和金属利用率等方面均优于铸造车轮。在进行仿形车削加工轮毂钢时会产生较大的切削力和较高的切削温度，刀具主要的失效形式有在切削力和切削温度作用下导致的刃口塑性变形，也有高温下工件材料与刀具材料粘结导致的粘结磨损、扩散磨损和氧化磨损，表现形式有崩刃、碎裂、剥落、裂纹破损等。为此，刀片应当具有更高的韧性、高温强度和高温硬度。当前，表面粘结相富集的涂层基体结合MT-CVD(中温化学气相沉积)技术的涂层刀具广泛地应用于碳钢、合金钢的加工中。这类涂层刀具由于“具有有效阻止裂纹扩展的粘结相富集的基体、对基体影响较小的MT-CVD(沉积温度相对较低)、有效地提高刀片耐磨性的含α-AL2O3的复合涂层”的特点，刀具的寿命得到有效地提高。在刀具基体的制备方面，制造含有WC、立方相和粘结相富集表面区的硬质合金属于梯度烧结技术，有专利文献已经公开了粘结相含量梯度变化的硬质合金基体及其制备方法，可以获得基本上不具有立方相的粘结相富集表面区，但在实际应用中不同程度地会出现刃口塑性变形和抗磨损能力差的现象。在刀具涂层的制备方面，采用MT-CVD方法在切削刀片基体上沉积钛的氮化物、碳化物、碳氮化物以及氧化铝，这在现有的很多专利文献中已经有描述。但现CVD涂层刀片普遍采用TiN++TiCN+α-AL2O3+TiCN+TiN的MTCVD复合结构，该复合结构虽具有一定的通用性，但也限制了其在某些特殊领域(例如轮毂钢车削)的应用。综上所述，针对火车轮毂钢的加工有必要对刀具基体和涂层进行必要的优化，以适应其加工条件有效提升刀具寿命。
技术实现思路
针对现有技术中的上述不足，本专利技术提供了一种用于火车轮毂加工的涂层刀具的制备方法，可有效解决现有技术中涂层刀具无法用于火车轮毂加工的问题。一种用于火车轮毂加工的涂层刀具的制备方法，包括以下步骤：(1)制备硬质合金基体将WC粉、Co粉和MCxNy粉(多元固溶化合物)以重量比为81-87:6-10:7-9混合，置于无水乙醇中进行球磨，球磨48-72h，然后过滤，采用喷雾干燥器进行雾化干燥，制粒；其中M为ⅣB、ⅤB、ⅥB族元素中的4种或四种以上；M、C和N的质量比为83-89:8-12:3-5；x＝0.7-0.75，y＝1-x；无水乙醇与混合粉末的体积质量比为320-360mL/kg；(2)制备涂层基体将步骤(1)制得的硬质合金基体压制成型后置于烧结炉中，利用依次梯度加压烧结技术进行操作，即炉内温度以2-5℃/min的速度从室温升至370℃，保温120-180min，炉内压力≤1000Pa，保温结束后，继续以2-5℃/min的速度将温度升至450℃，保温180-240min，炉内压力≤2000Pa，保温结束后，以3-6℃/min的速度将温度升至1350℃，保温60-90min，炉内压力为30-100Pa，保温结束后，再以3-6℃/min的速度将温度升至1460℃，保温60-120min，同时充入惰性气体，使炉内压力保持5-6Pa，保温结束后将其冷却至室温，得涂层基体；(3)涂层刀具的制备在步骤(2)所得的涂层基体上进行涂层，涂层结构由里向外分别为TiN、TiCN、TiCO、α-Al2O3、TiCN和TiN层；采用现有的CVD工艺在硬质合金基体上沉积α-Al2O3层内外的TiN层和TiCO层，利用MTCVD或CVD工艺沉积TiCN层；α-Al2O3涂层的沉积工艺：以H2作为载体，流量为50-60LPM，炉内温度为1000-1050℃，压力为50-200mbar，依次通入CO2、H2S、HCl气体，其流量分别为2-5LPM，100-200mLPM，1-3LPM，Al3Cl发生器内H2流量为5-20LPM，HCl气体流量为2-4LPM；(4)对涂层后的刀具表面进行湿喷砂处理，使其表面粗糙度Ra≤0.20μm。进一步地，步骤(1)中WC粉的粒径为6-7μm，化合总碳含量≥6.1％。进一步地，步骤(1)中Co粉的粒径为1-2μm。进一步地，步骤(1)中MCxNy粉的粒径为1-2.5μm。进一步地，步骤(1)中M为元素W、Ti、Ta和Nb，W、Ti、Ta和Nb的质量比为2.8-3.2:32-34:32-34:19-21；进一步地，步骤(3)中所用气体中水分含量低于5ppm。进一步地，步骤(3)中所得α-Al2O3涂层的结构为：厚度0.5-20μm，呈等轴细晶，粒径尺寸为0.5-4μm，并具有至少(104)、(110)、(113)、(024)、(116)、(214)、(300)7个晶面取向，织构系数TC(104)≥2.5，优化为TC≥3.0，织构系数TC由以下等式表达：式中，I(hkl)：(hkl)晶面所反射的测量强度；I。(hkl)：依据JCPDS卡片对应的03-1033标准强度；n：计算中使用的反射的数目。本专利技术提供的用于火车轮毂加工的涂层刀具的制备方法，具有以下有益效果：(1)本专利技术采用多元固溶化合物(MCxNy粉)，各成分通过高温碳化形成复合固溶体，可以极大地降低因杂质元素带来的影响，在确保材料的韧性的同时，还可以提高其抗磨损能力。(2)采用依次梯度加压烧结法得到具有表面粘结相富集(脱β层)的涂层基体，具有梯度结构的表面富钴合金基体使涂层切削刃强度更高，提高了涂层抗裂纹扩展能力，提高了基体与涂层的结合强度以及刀具的抗弯强度。划痕强度实验表明：基体成分相同情况下，梯度结构涂层刀片的基体与涂层结合强度比无梯度结构涂层刀片的基体与涂层结合强度大。硬质合金刀片的切削实验也表明：基体和涂层成分相同的情况下，有梯度结构涂层硬质合金刀片的切削性能比无梯度结构涂层硬质合金刀片的切削性能优良。(3)采用本专利技术提供的α-Al2O3涂层技术，可得到有益于高温切削的至少(104)、(110)、(113)、(024)、(116)、(214)、(300)7个晶面取向。Al2O3涂层具有很高的化学稳定性和优良的热屏障特性，是高速切削工具理想的涂层材料。通过CVD涂层可以获得三种不同的Al2O3涂层：α-Al2O3、κ-Al2O3、γ-Al2O3。其中α-Al2O3是最稳定的物相，亚稳定的κ、γ相将通过沉积中、后的热处理以及切削加工过本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种用于火车轮毂加工的涂层刀具的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：(1)制备硬质合金基体将WC粉、Co粉和MCxNy粉以重量比为81‑87:6‑10:7‑9混合，置于无水乙醇中进行球磨，球磨48‑72h，然后过滤，干燥，制粒；其中M为ⅣB、ⅤB、ⅥB族元素中的4种或4种以上；M、C和N的质量比为83‑89:8‑12:3‑5；x＝0.7‑0.75，y＝1‑x；无水乙醇与混合粉末的体积质量比为320‑360mL/kg；(2)制备涂层基体将步骤(1)制得的硬质合金基体压制成型后置于烧结炉中，炉内温度以2‑5℃/min的速度从室温升至370℃，保温120‑180min，炉内压力≤1000Pa，保温结束后，继续以2‑5℃/min的速度将温度升至450℃，保温180‑240min，炉内压力≤2000Pa，保温结束后，以3‑6℃/min的速度将温度升至1350℃，保温60‑90min，炉内压力为30‑100Pa，保温结束后，再以3‑6℃/min的速度将温度升至1460℃，保温60‑120min，同时充入惰性气体，使炉内压力保持5‑6MPa，保温结束后将其冷却至室温，得涂层基体；(3)涂层刀具的制备在步骤(2)所得的涂层基体上进行涂层，涂层结构由里向外分别为TiN、TiCN、TiCO、α‑Al2O3、TiCN和TiN层；采用CVD工艺在硬质合金基体上沉积α‑Al2O3层内外的TiN层和TiCO层，利用MTCVD或CVD工艺沉积TiCN层；α‑Al2O3涂层的沉积工艺：以H2作为载体，流量为50‑60LPM，炉内温度为1000‑1050℃，压力为50‑200mbar，依次通入CO2、H2S、HCl气体，其流量分别为2‑5LPM，100‑200mLPM，1‑3LPM，AlCl3发生器内H2流量为5‑20LPM，HCl气体流量为2‑4LPM；(4)对涂层后的刀具表面进行湿喷砂处理，使其表面粗糙度Ra≤0.20μm。...

【技术特征摘要】
1.一种用于火车轮毂加工的涂层刀具的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：(1)制备硬质合金基体将WC粉、Co粉和MCxNy粉以重量比为81-87:6-10:7-9混合，置于无水乙醇中进行球磨，球磨48-72h，然后过滤，干燥，制粒；其中M为ⅣB、ⅤB、ⅥB族元素中的4种或4种以上；M、C和N的质量比为83-89:8-12:3-5；x＝0.7-0.75，y＝1-x；无水乙醇与混合粉末的体积质量比为320-360mL/kg；(2)制备涂层基体将步骤(1)制得的硬质合金基体压制成型后置于烧结炉中，炉内温度以2-5℃/min的速度从室温升至370℃，保温120-180min，炉内压力≤1000Pa，保温结束后，继续以2-5℃/min的速度将温度升至450℃，保温180-240min，炉内压力≤2000Pa，保温结束后，以3-6℃/min的速度将温度升至1350℃，保温60-90min，炉内压力为30-100Pa，保温结束后，再以3-6℃/min的速度将温度升至1460℃，保温60-120min，同时充入惰性气体，使炉内压力保持5-6MPa，保温结束后将其冷却至室温，得涂层基体；(3)涂层刀具的制备在步骤(2)所得的涂层基体上进行涂层，涂层结构由里向外分别为TiN、TiCN、TiCO、α-Al2O3、TiCN和TiN层；采用CVD工艺在硬质合金基体上沉积α-Al2O3层内外的TiN层和TiCO层，利用MTCVD或CVD工艺沉积TiCN层；α-Al2O3涂层的沉积工艺：以H2作为载体...

【专利技术属性】
技术研发人员：李克林，
申请(专利权)人：成都邦普切削刀具股份有限公司，
类型：发明
国别省市：四川;51