一种铝合金加工用硬质合金刀具材料及其制备方法技术

本发明专利技术公开了一种铝合金加工用硬质合金刀具材料及其制备方法，其中，所述材料由一种组合物制成，所述组合物包括Co、WC和ZrO2，还包括Al2O3，其中，ZrO2的粒径为5～50nm，Al2O3的粒径为5～55nm，且在所述组合物中，ZrO2的重量百分配比为0.2～1.5％，Al2O3的重量百分配比为0.1～1％；所述方法如下进行：(1)将ZrO2和Al2O3进行混合预处理，(2)混料制备与成型，(3)真空烧结，(4)低压烧结，得到所述硬质合金刀具材料。本发明专利技术采用纳米氧化锆和纳米氧化铝为晶粒抑制剂，降低WC硬质相晶粒尺寸，提高材料硬度，改善刀片切削耐磨性，且由于氧化锆与氧化铝的价格相对较低，显著降低了生产成本。

【技术实现步骤摘要】
一种铝合金加工用硬质合金刀具材料及其制备方法
本专利技术属于硬质合金材料领域，尤其涉及硬质合金刀具材料，具体地，涉及一种铝合金加工用硬质合金刀具材料及其制备方法。
技术介绍
由于铝合金材料具有密度低、导电性和导热性好、塑性好和耐腐蚀等优良性能，在航空、航天、汽车、机械制造、船舶及化学工业中应用广泛。尤其是随着现代交通运输装备对节能、安全、舒适、环保等方面的重视，高性能铝合金型材已成为实现交通运输装备轻量化的重要基础性材料。但是，由于铝合金热胀系数大、硬度低、塑性大，在切削时工件变形大、易粘刀、易形成积屑瘤，从而降低工件尺寸精度和表面粗糙度。因此，选择合适的铝合金加工刀具对产品的质量有着重要的影响。传统的铝合金切削刀具为金刚石刀具(据统计在整个PCD刀具的应用中约有67％用于铝合金加工)，其具有切削寿命长、切削速度高、耐冲击性好和工件表面质量稳定等优点，但是金刚石刀具的价格昂贵，造成铝合金加工成本高。除金刚石外，硬质合金也是一种铝合金切削的刀具材料。硬质合金是用粉末冶金方法制造的陶瓷～金属复合材料，具有硬度高、耐磨性好、红硬性和热硬度高等优点。根据Hall-petch关系式，材料的硬度与晶粒尺寸的平方根呈反比，因此，通过细化晶粒能够获得高硬度的超细硬质合金，可以用于铝合金的高速高精切削加工。目前制造超细硬质合金的方法主要采用超细的WC粉末、超细的Co粉，并添加一定量的WC晶粒长大抑制剂，其中WC晶粒长大抑制剂主要有：VC、Cr3C2、TaC、NbC、TiC、Mo2C、ZrC、HfC等。可见，目前超细硬质合金最主要的晶粒长大抑制剂是过渡族金属碳化物。虽然VC的抑制效果好，但是会明显损害硬质合金的强度。Cr3C2对硬质合金强度的负面影响没有VC那么大，但是由于Cr的化合价有多个值从而导致合金碳平衡的难度增加。而TaC和HfC等价格昂贵，其添加会显著增加硬质合金的成本。TiC的晶粒长大抑制效果不够明显，对制备高性能的超细硬质合金作用不大。可见，目前切削铝合金用的超细硬质合金刀片材料存在晶粒长大抑制效果不显著、抑制剂成本高、抑制剂添加降低硬质合金强度等问题。因此，对于超细硬质合金，有必要寻求一种新的、有效的、价格不高的晶粒长大抑制剂。
技术实现思路
为了解决上述问题，本专利技术人进行了锐意研究，以价格相对低廉的纳米ZrO2和Al2O3为晶粒长大抑制剂，得到了一种超细硬质合金材料，可满足铝合金加工用硬质合金刀片材料高硬度和高强度的综合要求，从而完成本专利技术。本专利技术一方面提供了一种硬质合金刀具材料组合物，具体体现在以下几个方面：(1)一种硬质合金刀具材料组合物，其中，所述材料由一种组合物制成，所述组合物包括Co、WC和ZrO2。(2)根据上述(1)所述的刀具材料，其中，在所述组合物中，Co的粒径为0.5～2μm，WC的粒径为0.2～0.8μm，优选地，Co的粒径为0.8～1.5μm，WC的粒径为0.3～0.6μm，更优选地，Co的粒径为1～1.5μm，WC的粒径为0.4～0.6μm。(3)根据上述(1)或(2)所述的刀具材料，其中，所述组合物还包括Al2O3。(4)根据上述(1)至(3)之一所述的刀具材料，其中，ZrO2的粒径为5～50nm，Al2O3的粒径为5～55nm，优选地，ZrO2的粒径为10～40nm，Al2O3的粒径为10～50nm，更优选地，ZrO2的粒径为10～20nm，Al2O3的粒径为20～40nm。(5)根据上述(3)或(4)所述的刀具材料，其中，所述组合物中组分的重量百分配比如下：Co4.0～8.0％，优选为5.0～7.0％，更优选为6.0％；ZrO2+Al2O30.2～2.5％，优选为0.4～2.0％，更优选为1～1.5％；WC余量。(6)根据上述(1)至(5)之一所述的刀具材料，其中，在所述组合物中，ZrO2的重量百分配比为0.2～1.5％，Al2O3的重量百分配比为0.1～1％，优选地，ZrO2的重量百分配比为0.4～1.2％，Al2O3的重量百分配比为0.2～0.8％，更优选地，ZrO2的重量百分配比为0.5～1.0％，Al2O3的重量百分配比为0.4～0.6％。本专利技术另一方面提供上述铝合金加工用硬质合金刀具材料的制备方法，具体体现在以下几个方面：(7)上述(1)至(6)之一所述铝合金加工用硬质合金刀具材料的制备方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：步骤1、将ZrO2和Al2O3进行混合预处理，得到ZrO2和Al2O3的混合粉末；步骤2、混料制备与成型，制成生坯；步骤3、真空烧结；步骤4、低压烧结，得到所述硬质合金刀具材料。(8)根据上述(7)所述的方法，其特征在于，在步骤1中，将ZrO2和Al2O3加入溶剂中进行超声分散处理，然后进行真空干燥，其中，所述溶剂选自甲醇、乙醇、正己烷、石油醚和汽油中的一种或几种，例如无水乙醇和汽油，优选地，ZrO2和Al2O3在溶剂中形成重量百分比为0.01～0.1％的悬浊液，更优选地，ZrO2和Al2O3在溶剂中形成重量百分比为0.02～0.5％的悬浊液，优选地，超声分散处理10～60min，优选20～50min，更优选30～40min；和/或在步骤2中，将步骤1得到的ZrO2和Al2O3的混合粉末以及Co粉和WC粉混合，加入球磨机进行研磨，然后过滤、干燥后压制成生坯，其中，采用有机溶剂为研磨介质，例如无水乙醇，优选地，研磨介质的加入量为100～500mL，更优选地，研磨介质的加入量为300～400mL；优选地，在研磨中加入SD成型剂，SD成型剂的加入量为4～7％，更优选SD成型剂的加入量为5.5～6.5％。(9)根据上述(7)或(8)所述的方法，其中，在步骤3中，将步骤2制成的生坯在真空炉中依次进行成型剂脱除烧结、固相阶段烧结和液相阶段烧结，所述成型剂脱除烧结如下进行：于10～15Pa、400～700℃下保温0.5～3h，优选地，于10～15Pa、550～600℃下保温1～2h；和/或所述固相阶段烧结如下进行：于5～10Pa、1000～1500℃下保温0.5～2h，优选地，于5～10Pa、1200～1300℃下保温1～1.5h；和/或所述液相阶段烧结如下进行：于1～5Pa、1300～1500℃下保温1～3h，优选地，于1～5Pa、1350～1450℃下保温1～2h，例如1h。(10)根据上述(7)至(9)之一所述的方法，其特征在于，在步骤4中，放入低压烧结炉中进行烧结，所述烧结优选如下进行：于氩气压力为2～12MPa、1300～1500℃下保温30～90min，优选地，于氩气压力为5～10MPa、1350～1450℃下保温40～80min，更优选地，于氩气压力为5～8MPa、1350～1400℃下保温45～75min。具体实施方式下面通过对本专利技术进行详细说明，本专利技术的特点和优点将随着这些说明而变得更为清楚、明确。本专利技术一方面公开了一种铝合金加工用硬质合金刀具材料，其中，所述材料由一种组合物制成，所述组合物包括Co、WC和ZrO2。其中，Co为粘结相，WC为刀具主体材料，ZrO2为晶粒抑制剂。根据本专利技术一种优选的实施方式，所述组合物还包括Al2O3。其中，Al2O3也是晶粒抑制剂，根据Hall-petch关系式，材料的硬度与晶粒尺寸的平方根呈反比，本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种铝合金加工用硬质合金刀具材料，其特征在于，所述材料由一种组合物制成，所述组合物包括Co、WC和ZrO2。

【技术特征摘要】
1.一种铝合金加工用硬质合金刀具材料，其特征在于，所述材料由一种组合物制成，所述组合物包括Co、WC和ZrO2。2.根据权利要求1所述的刀具材料，其特征在于，在所述组合物中，Co的粒径为0.5～2μm，WC的粒径为0.2～0.8μm，优选地，Co的粒径为0.8～1.5μm，WC的粒径为0.3～0.6μm，更优选地，Co的粒径为1～1.5μm，WC的粒径为0.4～0.6μm。3.根据权利要求1或2所述的组合物，其特征在于，所述组合物还包括Al2O3。4.根据权利要求1至3之一所述的刀具材料，其特征在于，ZrO2的粒径为5～50nm，Al2O3的粒径为5～55nm，优选地，ZrO2的粒径为10～40nm，Al2O3的粒径为10～50nm，更优选地，ZrO2的粒径为10～20nm，Al2O3的粒径为20～40nm。5.根据权利要求3或4所述的刀具材料，其特征在于，所述组合物中组分的重量百分配比如下：Co4.0～8.0％，优选为5.0～7.0％，更优选为6.0％；ZrO2+Al2O30.2～2.5％，优选为0.4～2.0％，更优选为1～1.5％；WC余量。6.根据权利要求1至5之一所述的刀具材料，其特征在于，在所述组合物中，ZrO2的重量百分配比为0.2～1.5％，Al2O3的重量百分配比为0.1～1％，优选地，ZrO2的重量百分配比为0.4～1.2％，Al2O3的重量百分配比为0.2～0.8％，更优选地，ZrO2的重量百分配比为0.5～1.0％，Al2O3的重量百分配比为0.4～0.6％。7.权利要求1至6之一所述的铝合金加工用硬质合金刀具材料的制备方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：步骤1、将ZrO2和Al2O3进行混合预处理，得到ZrO2和Al2O3的混合粉末；步骤2、混料制备与成型，制成生坯；步骤3、真空烧结；步骤4、低压烧结，得到所述硬质合金刀具材料。8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，在步骤1中，将ZrO2和Al2O3加入溶剂...

【专利技术属性】
技术研发人员：杨天恩，熊计，倪磊，肖雅，
申请(专利权)人：四川大学，
类型：发明
国别省市：四川,51