一种WC-Co与CBN-Co梯度复合刀具材料及制备方法技术

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”。

A WC Co and CBN Co gradient composite tool material and preparation method thereof

A WC Co and CBN Co gradient composite tool material is composed of base layer, the connection layer, the first layer, second transition layer and outer wear layer, base layer is WC Co, connection layer, the first layer, transition layer and wear-resisting layer second are mixed powder of Co and WC CBN Co, and from the connection layer to the outer wear layer, the mass fraction of WC Co gradient decrease; by electroless plating on WC and CBN two kinds of powder coating on the surface of metal Co, WC Co and CBN Co two kinds of powder, and with WC Co as the substrate layer, mixed powder WC Co and CBN Co with different mixing ratio were used as the connection layer, the first layer, second transition layer and outer wear layer, the preparation of the powder are filled in the graphite mold, in vacuum conditions under uniform pressure by spark plasma sintering, power has cooled to room temperature. The gradient composite tool material has excellent hardness, wear resistance and low friction coefficient. It solves the contradiction between hardness and toughness of ceramic composites to a certain extent\.

【技术实现步骤摘要】
一种WC-Co与CBN-Co梯度复合刀具材料及制备方法
本专利技术属于刀具材料及加工的
，具体涉及一种WC-Co与CBN-Co梯度复合刀具材料及制备方法。
技术介绍
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(ZL201110214393.2)，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（ZL201610232992.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。立方氮化硼（CBN）属共价键化合物，有着高的化学稳定'性、热稳定性和电阻率及仅次于金刚石的硬度。CBN以微米级颗粒的形式添加在硬质合金中，不仅对耐磨性能有所提高，而且由于CBN对裂纹扩展的阻碍作用，复合材料的韧性会有明显提高。因此，WC-Co-cBN复合材料有巨大潜力成为解决硬质合金硬度和韧性矛盾的复合材料。中国专利公开一种WC-Co-CBN复合材料的制备方法（ZL201610232992.X），它是采用热压烧结的方法，烧结温度低，烧结时间较短，即可保证CBN不相变，也可使材料有大的收缩率和高的体积密度。由于WC和CBN均非常难烧结，同时在烧结过程中存在WC颗粒与CBN颗粒的直接接触，使得该条件下制备高性能的WC-Co-CBN复合材料非常困难。
技术实现思路
本专利技术的目的在于克服上述现有技术的不足，提供一种WC-Co与CBN-Co梯度复合刀具材料及制备方法，采用化学镀的方法，在WC和CBN超细粉体表面镀一层Co金属，得到WC-Co和CBN-Co粉体，按照一定的梯度配比与顺序装填在石墨模具内进行放电等离子烧结，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”。本专利技术解决上述技术问题所采用的技术方案是：一种WC-Co与CBN-Co梯度复合刀具材料，该材料依次由经烧结而成的基体层、连接层、第一过渡层、第二过渡层和外耐磨层组成，从外耐磨层到基体层，每一层占材料总质量的质量分数分别为15%、12.5%、10%、7.5%和55%，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。一种制备所述的WC-Co与CBN-Co梯度复合刀具材料的方法，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，按照基体层、连接层、第一过渡层、第二过渡层和外耐磨层的顺序，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，然后断电自然冷却至室温，即得到梯度复合刀具材料；所述化学镀所用的镀液中主盐为15~40g/l的硫酸钴、络合剂为50g/l的柠檬酸三钠、还原剂为20~60g/l的次亚磷酸钠、缓冲剂为25g/l硼酸，配制镀液的方法为：（1）用去离子水溶解硫酸钴，得到溶液a；（2）用去离子水溶解柠檬酸三钠，得到澄清溶液b；（3）将溶液a加入溶液b中，搅拌混合溶液，得到主盐络合溶液c；（4）常温下，用去离子水溶解次亚磷酸钠，搅拌均匀，得到溶液d；（5）将溶液d加入主盐络合溶液c中，边加边搅拌，得到溶液e；（6）用去离子水溶解硼酸，搅拌均匀，得到澄清溶液f；（7）将溶液f加入溶液e中，边加边搅拌，得到镀液；（8）用氢氧化钠调整镀液的PH值为8~11，然后加去离子水定容；连接层、第一过渡层、第二过渡层和外耐磨层中，每一层WC-Co和CBN-Co的混合粉体的配制方法为：按照WC-Co和CBN-Co在所在层中的质量分数，分别取经化学镀处理的WC-Co粉体和CBN-Co粉体，倒入装有去离子水的容器中，混匀得到混合物Ⅰ，去离子水的质量为WC-Co粉体和CBN-Co粉体总质量的7~8倍；对混合物Ⅰ进行超声搅拌，保持混合物Ⅰ的温度为105℃；超声搅拌35min后，按照聚乙二醇和混合物Ⅰ的质量比为1:80，取聚乙二醇加入到混合物Ⅰ中，继续超声搅拌，得到混合物Ⅱ；将所得混合物Ⅱ真空干燥后过筛，得到WC-Co和CBN-Co的混合粉体；在所述放电等离子烧结过程中，装填在石墨模具中的基体层、连接层、第一过渡层、第二过渡层和外耐磨层占梯度复合刀具材料的质量分数依次为55%、7.5%、10%、12.5%和15%。优选的，所述WC粉体纯度大于99.1%，平均粒本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种WC‑Co与CBN‑Co梯度复合刀具材料，其特征在于：该材料依次由经烧结而成的基体层、连接层、第一过渡层、第二过渡层和外耐磨层组成，从外耐磨层到基体层，每一层占材料总质量的质量分数分别为15%、12.5%、10%、7.5%和55%，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。

【技术特征摘要】
1.一种WC-Co与CBN-Co梯度复合刀具材料，其特征在于：该材料依次由经烧结而成的基体层、连接层、第一过渡层、第二过渡层和外耐磨层组成，从外耐磨层到基体层，每一层占材料总质量的质量分数分别为15%、12.5%、10%、7.5%和55%，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。2.一种制备如权利要求1所述的WC-Co与CBN-Co梯度复合刀具材料的方法，其特征在于：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，按照基体层、连接层、第一过渡层、第二过渡层和外耐磨层的顺序，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，然后断电自然冷却至室温，即得到梯度复合刀具材料；所述化学镀所用的镀液中主盐为15~40g/l的硫酸钴、络合剂为50g/l的柠檬酸三钠、还原剂为20~60g/l的次亚磷酸钠、缓冲剂为25g/l硼酸，配制镀液的方法为：（1）用去离子水溶解硫酸钴，得到溶液a；（2）用去离子水溶解柠檬酸三钠，得到澄清溶液b；（3）将溶液a加入溶液b中，搅拌混合溶液，得到主盐络合溶液c；（4）常温下，用去离子水溶解次亚磷酸钠，搅拌均匀，得到溶液d；（5）将溶液d加入主盐络合溶液c中，边加边搅拌，得到溶液e；（6）用去离子水溶解硼酸，搅拌均匀，得到澄清溶液f；（7）将溶液f加入溶液e中，边加边搅拌，得到镀液；（8）用氢氧化钠调整镀液的PH值为8~11，然后加去离子水定容；连接层、第一过渡层、第二过渡层和外耐磨层中，每一层WC-Co和CBN-Co的混合粉体的配制方法为：按照WC-Co和CBN-Co在所在层中的质量分数，分别取经化学镀处理的WC-Co粉体和CBN-Co粉体，倒入装有去离子水的容器中，混匀得到混合物Ⅰ，去离子水的质量为WC-Co粉体和CBN-Co粉体总质量的7~8倍；对混合物Ⅰ进行超声搅拌，保持混合物Ⅰ的温度为105℃；超声搅拌35min后，按照聚乙二醇和混合物Ⅰ的质量比为1:80，取聚乙二醇加入到混合物Ⅰ中，继续超声搅拌，得到混合物Ⅱ；将所得混合物Ⅱ真空干燥后过筛，得到WC-Co和CBN-Co的混合粉体；在所述放电等离子烧结过程中，装填在石墨模具中的基体层、连接层、第一过渡...

【专利技术属性】
技术研发人员：李彬，王红，
申请(专利权)人：洛阳理工学院，
类型：发明
国别省市：河南,41