本發(fā)明屬于用粉末冶金方法生產(chǎn)制造生產(chǎn)制造金屬陶瓷和/或硬質(zhì)合金燒結(jié)體的技術(shù)，特別涉及一種用于制造金屬切削工具的金屬陶瓷和/或硬質(zhì)合金棒料及其制造方法，該金屬陶瓷和/或硬質(zhì)合金棒料具有由不同材質(zhì)的芯部和包覆層構(gòu)成的復(fù)合結(jié)構(gòu)，從而使所制成的切削刀具的中心和邊刃具有不同的使用性能。具體而言，本發(fā)明涉及一種具有復(fù)合結(jié)構(gòu)的TiC、Ti(C,N)基金屬陶瓷和/或WC硬質(zhì)合金棒料及其制造方法。

背景技術(shù)：

用于金屬切削的整體刀具，如：立銑刀、鉆頭等。立銑刀、鉆頭等廣泛用于CNC加工中心加工形狀復(fù)雜的工件。立銑刀和鉆頭一般為圓柱形狀，直徑一般在φ3～φ12mm，有時帶有φ2mm左右的內(nèi)冷卻孔。整體刀具一般采用高速鋼、WC基硬質(zhì)合金和TiC、Ti(C,N)基金屬陶瓷棒料制造。在加工過程中，刀具的各部位的切削條件是不同的，比如對球頭立銑刀而言，在銑削過程中，刀具的中心刃和邊刃的線速不同，邊刃線速最大，中心(即刀尖)部位線速最小(可視為零)，邊刃最先與工件接觸，主要受沖擊作用，需要有好的強韌性，以免崩刃；而刀尖則主要受高熱、大擠壓和摩擦作用，因此需要具有更高的耐熱性，抗塑性變形和耐磨性。隨著金屬切削技術(shù)的快速發(fā)展，對刀具切削效率和壽命的要求也越來越高。因此，刀具材質(zhì)也逐步從高速鋼改成WC基硬質(zhì)合金再改成Ti基金屬陶瓷，甚至采用Si4N3、Al2O3等無機非金屬陶瓷。但是正如前文所提到的球頭立銑刀，因為各部位線速度的差異，承受了不同的切削作用，對材料的性能要求不同。為了解決這類問題，工程技術(shù)人員從刀具的材質(zhì)選擇、刃口設(shè)計花費了很多努力，取得了很好效果。如美國專利US5026227采用TiC-NbC基 金屬陶瓷制造立銑刀；美國專利US7909545B2對刀尖的幾何角度進行了優(yōu)化設(shè)計，改善了其服役工況；美國專利US8177459B2針對這類問題發(fā)明了一種在球頭部位采用機械夾固的方式嵌入一塊硬質(zhì)合金、金屬陶瓷、陶瓷或PCD刀頭的組合球頭立銑刀。P.Koshy,D.K.Aspinwall,R.C.(P.Koshy,D.K.Aspinwall,R.C.Dewes,A composite tool for ball end milling,Journal of Engineering Manufacture215(2001)1157-1163)等公開了一種采用一片金屬陶瓷刀片，一片硬質(zhì)合金刀片巧妙的構(gòu)造成以金屬陶瓷刀片為刀尖以硬質(zhì)合金刀片為外刃的機夾式復(fù)合球頭立銑刀。以上技術(shù)均在某種程度上改善了刀具壽命，但也存在可靠性欠佳、制作復(fù)雜、難于制造小規(guī)格(φ＜16mm)刀具等不足。美國專利US6511265B1公開了一種復(fù)合旋轉(zhuǎn)工具，包含兩個部分，兩個部分由性能不同的硬質(zhì)合金合成。其制備方法是采用一種特殊結(jié)構(gòu)的模具，將組成兩部分的硬質(zhì)合金材料粉末同時裝入模具的相應(yīng)部位，共同壓型，然后燒結(jié)致密。但這種方法對于兩個部分所用的硬質(zhì)合金材料的性能及成分限制很大，兩種材料的成型性及燒結(jié)特性等必須相匹配，否則將出現(xiàn)燒結(jié)收縮不一致導(dǎo)致兩部分無法粘結(jié)。同時這種方法對模具的要求較高，模具結(jié)構(gòu)復(fù)雜。因此，該方法存在工藝控制難度大，成材率不高，兩部分所用的材質(zhì)受限等不足。

針對上述現(xiàn)有技術(shù)存在的不足，本發(fā)明致力于提供一種用于制作整體刀具(立銑刀，鉆頭等)的復(fù)合結(jié)構(gòu)的金屬陶瓷和/或硬質(zhì)合金圓棒燒結(jié)體(棒料)，使其中心部位及外圍包覆層具有不同的使用性能。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明目的在于：提供一種復(fù)合結(jié)構(gòu)的金屬陶瓷和/或硬質(zhì)合金燒結(jié)體，用于制作整體刀具(立銑刀、鉆頭等)，其中心部位及外圍包覆層具有不同的物理力學(xué)性能和使用性能，且結(jié)合界面強度高，復(fù)合結(jié)合面牢固，具有優(yōu)良的綜 合性能。

本發(fā)明進一步的目的在于提供一種制備復(fù)合結(jié)構(gòu)的金屬陶瓷或硬質(zhì)合金燒結(jié)體的方法。

本發(fā)明再進一步的目的是提供一種整體刀具(立銑刀，鉆頭等)在切削過程中因邊刃和刀尖的線速度及工況差異導(dǎo)致的性能失配的解決方案。

本發(fā)明更進一步的目的是提供一種制備具有復(fù)合結(jié)構(gòu)的金屬陶瓷或硬質(zhì)合金燒結(jié)體的方法。

為了解決以上技術(shù)問題，所述復(fù)合結(jié)構(gòu)的金屬陶瓷或硬質(zhì)合金燒結(jié)體，采用如下技術(shù)方案：

其包括芯部和包覆層，所述芯部與包覆層之間構(gòu)成冶金結(jié)合面。本發(fā)明的復(fù)合結(jié)構(gòu)的金屬陶瓷或硬質(zhì)合金燒結(jié)體，通過冶金成型方法，在高溫下，或者高溫高壓下，使芯部部件與包覆層之間的原子相互擴散而形成冶金結(jié)合面。所獲得的這種結(jié)合或連接狀態(tài)，相較現(xiàn)有的連接技術(shù)，如過盈配合，機械夾持等機械連接、膠粘結(jié)，或焊接連接等，界面結(jié)合強度更高。

本發(fā)明所述芯部材料為金屬陶瓷或硬質(zhì)合金，所述包覆層為另一種性能不同的硬質(zhì)合金或金屬陶瓷。如芯部金屬陶瓷材料+包覆層金屬陶瓷材料，或芯部硬質(zhì)合金材料+包覆層硬質(zhì)合金材料，或芯部金屬陶瓷材料+包覆層硬質(zhì)合金材料，或芯部硬質(zhì)合金材料+包覆層金屬陶瓷材料等相互搭配。

所述的金屬陶瓷材料為TiC和或Ti(C,N)基金屬陶瓷。

所述硬質(zhì)合金為WC硬質(zhì)合金。

所述的芯部金屬陶瓷和或硬質(zhì)合金與包覆層金屬陶瓷和或硬質(zhì)合金是兩種物理力學(xué)性能(硬度、強度、韌性等)或使用性能(耐高溫、耐沖擊、抗變形等)不同的TiC和或Ti(C,N)金屬陶瓷和或WC硬質(zhì)合金。用上述材料制作的 刀具可以滿足產(chǎn)品加工中對刀具不同部位的不同性能要求。

所述燒結(jié)體為棒材或管材。

本發(fā)明技術(shù)方案還涉及上述復(fù)合結(jié)構(gòu)金屬陶瓷和/或硬質(zhì)合金棒料的制備方法，包括如下步驟：

(1)芯部制備：采用常規(guī)粉末冶金方法制備金屬陶瓷或硬質(zhì)合金棒材，或金屬陶瓷或硬質(zhì)合金管材成品，獲得所需的芯部部件，其外徑尺寸為d1；

(2)包覆層制備：采用常規(guī)粉末冶金方法制備金屬陶瓷或硬質(zhì)合金管材壓制生坯，獲得所需的包覆層部件,其內(nèi)孔尺寸為d2；所述包覆層的內(nèi)孔尺寸與芯部部件的外徑尺寸滿足如下公式：

d2/k＜d1＜d2，式中k是管材生坯內(nèi)孔的燒結(jié)收縮系數(shù)；

(3)復(fù)合：將芯部部件套入包覆層生坯的內(nèi)孔，將復(fù)合件再次采用常規(guī)粉末冶金方法制備復(fù)合結(jié)構(gòu)的金屬陶瓷或硬質(zhì)合金燒結(jié)體成品。

更進一步的改進是，所述制備方法中芯部與包覆層均采用TiC和或Ti(C,N)基金屬陶瓷。

更進一步的改進是，所述芯部為硬質(zhì)合金，包覆層為TiC和或Ti(C,N)基金屬陶瓷。

更進一步的改進是，所述芯部、包覆層材質(zhì)均為WC硬質(zhì)合金。

上述制備方法，將已燒結(jié)的棒材或管材成品套入生坯管材內(nèi)孔中，讓復(fù)合件在燒結(jié)溫度下一起燒結(jié)致密。燒結(jié)過程中，作為包覆層的管材生坯將收縮致密，而芯部部件已經(jīng)燒結(jié)致密，再次燒結(jié)不再收縮，其尺寸將保持為d1，因為d2/k＜d1，包覆層管材受到芯部部件的阻礙，不能自由收縮，其巨大的收縮壓力將使包覆層緊緊地裹住芯部，同時包覆層和芯部部件結(jié)合處在高溫液相燒結(jié)過程中原子相互擴散連接形成緊密的冶金粘結(jié)結(jié)合面。降溫出爐，即得到所需 的復(fù)合成品。

常規(guī)的機械連接復(fù)合材料，芯部部件和包覆層均需要通過冶金成型方法分別壓制、燒結(jié)制作成品后，再機械連接。而本發(fā)明的復(fù)合金屬陶瓷和或硬質(zhì)合金棒料，在包覆層的燒結(jié)步驟中，將包覆層與已制備的芯部部件成品套接后一并燒結(jié)，通過芯部部件和包覆層產(chǎn)品的不同收縮狀況，以及高溫(和或高溫高壓)下的套接產(chǎn)品接觸面的液相相互擴散遷移，使芯部部件和包覆層之間緊密粘結(jié)，界面結(jié)合強度高。不需要再增加單獨的機械連接步驟。

本發(fā)明具有復(fù)合界面結(jié)合強度高、工藝簡單，制造成本低廉，且界面應(yīng)力小的特點。

附圖說明

本發(fā)明將通過實施例并參照附圖的方式說明，其中：

圖1.是本發(fā)明所述的復(fù)合棒材的截面結(jié)構(gòu)示意圖。

圖2.為實施例1合金結(jié)合界面處×100倍金相組織。

圖3.為實施例1合金結(jié)合界面處×1000倍金相組織(箭頭指向界面)。

圖4.為實施例2合金結(jié)合界面處×750倍金相組織(箭頭指向界面)。

具體實施方式

本說明書中公開的所有特征，或公開的所有方法或過程中的步驟，除了互相排斥的特征和/或步驟以外，均可以以任何方式組合。本說明書(包括任何附加權(quán)利要求、摘要和附圖)中公開的任一特征，除非特別敘述，均可被其他等效或具有類似目的的替代特征加以替換。即，除非特別敘述，每個特征只是一系列等效或類似特征中的一個例子而已。

下面結(jié)合附圖和具體實施方式對本發(fā)明作進一步詳細說明。但不應(yīng)將此理解為發(fā)明的上述主題的范圍僅限于下述實施例。

實施例1：

按照如下步驟，制備一種金屬陶瓷復(fù)合棒料。

步驟一：根據(jù)使用需要，選擇芯部1材質(zhì)A為Ti(C,N)基金屬陶瓷(硬度HRA＝93.2，斷裂強度K_IC＝7.5MPa.m^1/2，抗彎強度TRS＝1760MPa，密度Density＝6.27g/cm³)，采用擠壓方法制備上述材質(zhì)φ3.8mm的棒材生坯，生坯再經(jīng)T＝1450℃壓力燒結(jié)致密，得到φ3.2mm的合金毛坯，精磨加工成外徑d1為φ3.0±0.01mm的精磨棒，表面光潔度為Ra0.6。

步驟二：根據(jù)使用要求，選擇包覆層2材質(zhì)B為Ti(C,N)基金屬陶瓷(HRA＝91.8，K_IC＝9.1MPa.m^1/2，TRS＝2060MPa，Density＝6.49g/cm³)，采用擠壓方法制備上述材質(zhì)φ7.5×φ3.5mm的管材生坯；

經(jīng)測算，包覆層生坯內(nèi)孔d2的燒結(jié)收縮系數(shù)k＝1.179，其正常燒結(jié)，自由收縮得到的內(nèi)徑d3＝d2/k＝3.5/1.197＝2.92mm。(圖中未示出)

步驟三：將步驟一、二得到φ3.0±0.01mm精磨棒套入φ7.5×φ3.5mm管材生坯內(nèi)孔，將其一起在1445℃的溫度下燒結(jié)致密，降溫出爐。即得到圖1所示的復(fù)合結(jié)構(gòu)棒料產(chǎn)品，其結(jié)合界面處的金相組織如圖2、3。

該復(fù)合體的包覆層2外徑D收縮為φ6.4mm，包覆層的內(nèi)徑與芯部1外徑d1為φ3.0mm，即d3＜d1＜d2。復(fù)合體的外部φ3.0mm-φ6.4mm范圍內(nèi)為材質(zhì)A，芯部φ0mm-φ3.0mm范圍內(nèi)為材質(zhì)B。該棒料因內(nèi)外材質(zhì)均為Ti(C,N)基金屬陶瓷，具有相同的化學(xué)成分，結(jié)合強度高，采用該棒料制作的φ6.0h6×60mm規(guī)格的球頭立銑刀，邊刃為強韌性好的B材質(zhì)，抗崩刃性好，而刀尖部位(芯部)為A材質(zhì)，硬度高，耐磨，抗塑性變形能力強。

實施例2：

按照如下步驟，制備一種金屬陶瓷復(fù)合棒料。

步驟一：根據(jù)使用需要，選擇材質(zhì)A為Ti(C,N)基金屬陶瓷(HRA＝91.8，斷裂強度K_IC＝9.1MPa.m^1/2，抗彎強度TRS＝2060MPa，密度＝6.49g/cm³)采用等靜壓方法制備φ7.5mm的棒材生坯，經(jīng)T＝1445℃壓力燒結(jié)致密，得到φ6.4mm的合金毛坯，精磨加工成φ6.0±0.02mm的精磨棒，表面光潔度為Ra0.8。

步驟二：根據(jù)使用要求，選擇材質(zhì)B為WC基硬質(zhì)合金(HRA＝91.6，K_IC＝10.8MPa.m^1/2，TRS＝3840MPa，Density＝14.43g/cm³)，采用等靜壓方法制備φ15.5×φ7.0mm的管材生坯。

該材質(zhì)管材生坯內(nèi)孔的燒結(jié)收縮系數(shù)k＝1.214，其自由收縮得到的內(nèi)孔φd3＝5.76mm。

步驟三：將步驟一、二得到φ6.0±0.02mm精磨棒套入φ15.5×φ7.0mm管材生坯內(nèi)孔，將其一起在1420℃的溫度下燒結(jié)致密，降溫出爐，即得到復(fù)合體。其結(jié)合界面處的金相組織如圖4。

復(fù)合體外部φ6.0mm-φ10.5mm范圍內(nèi)為B材質(zhì)，芯部φ0mm-φ6.0mm范圍內(nèi)為A材質(zhì)的復(fù)合棒料。采用該棒料制作的φ10.0h6×75mm規(guī)格的球頭立銑刀的邊刃為WC基硬質(zhì)合金材質(zhì)，強韌性好，滿足較大切削量的加工要求，而刀尖部位(芯部)為Ti(C,N)基金屬陶瓷材質(zhì)，耐熱性及抗粘著磨損能力好，可適應(yīng)更高的加工速度，加工面光潔度高。

上述作為包覆層的管材和作為芯部的棒材的尺寸可以根據(jù)實際使用需要，任意設(shè)計。上述作為芯部的棒料也可以制作成帶φ2mm(根據(jù)刀具設(shè)計決定)左右內(nèi)冷孔的管材。

需要說明的是：雖然上述實施例已經(jīng)詳細描述了本發(fā)明的結(jié)構(gòu)，但本發(fā)明并不限于上述實施例，如步驟1、2中，其芯部也可制成帶孔管材，也可以根據(jù)實際使用的需要改變芯部的尺寸或內(nèi)外部所選擇的材質(zhì)。凡是本領(lǐng)域技術(shù)人員從上 述實施例中不經(jīng)過創(chuàng)造性勞動就可以想到的替換結(jié)構(gòu)，均屬于本發(fā)明的保護范圍。在不脫離本發(fā)明的精神和基本特征的情況下，本發(fā)明可以具體化為其他具體的形式。因此本發(fā)明的實例可以認為在所有方面均是說明性和沒有限制性的，由附加的權(quán)利要求所表明的本發(fā)明范圍勝于上述說明書的范圍，因此在其內(nèi)涵和權(quán)利要求等效范圍之內(nèi)的所有變化均包含在其所要求保護的范圍之中。