CN109996629B - 机械加工ti、ti合金和ni基合金的方法 - Google Patents

机械加工ti、ti合金和ni基合金的方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及包含WC和少量粘结相的硬质合金切削刀具在低温条件下在机械加工Ti、Ti合金和Ni基合金时的用途。本发明导致显著延长的刀具寿命。

Description

机械加工TI、TI合金和NI基合金的方法
技术领域
本发明涉及包含WC和少量粘结相的硬质合金切削刀具在低温条件下在机械加工Ti、Ti合金和Ni基合金时的用途。
背景技术
由硬质合金制成的切削刀具在本领域中是众所周知的，用于机械加工Ti合金和诸如Inconel的Ni合金。已知这些材料难以机械加工。机械加工这些类型的工件材料时可出现的问题之一是化学磨损。
对于机械加工Ti合金，化学磨损是常见的。因此，当选择用于机械加工Ti合金的刀片时，发现其与工件材料的溶解性和反应性非常重要。Ti的极低导热性导致热量传递到刀片并增强化学反应性。
在机械加工领域中还众所周知的是，使用一定类型的冷却以保持温度降低是有益的。
在许多应用中，使用冷却剂来实现这一点。然而，传统的冷却剂并不总是环保的且需要进行处理。冷却剂的再循环是困难的，因为它会包含来自工件材料的切屑。较大的切屑当然可以去除，但是会留下几微米范围内的较小切屑。如果重复使用所述冷却剂，这些小碎片会对工件材料造成损坏。
而且，在一些航空航天应用中，使用常规冷却剂如乳液或MQL(最小量润滑)，限制了再循环切屑的可能性。例如，在一些航空航天应用中，由于冷却剂乳液或润滑剂的污染，在生产新合金时不能使用回收的切屑。
对于一些应用，通过常规冷却剂(乳液)实现的冷却效果是不够的。低温机械加工是实现更有效冷却效果的一种替代方案。由于环境原因，低温冷却也是常规冷却剂的良好替代品，因为它们是无毒的。
本发明的一个目的是改善机械加工Ti、Ti合金和Ni基合金时刀具的寿命。
发明详述
本发明涉及一种切削刀具的用途，该切削刀具包括硬质合金基材，该基材包括WC及含量为1-5wt％的粘结相，并且平均WC晶粒尺寸为1.2-8μm。该切削刀具用于在具有低温冷却剂的情况下机械加工Ti、Ti合金或Ni基合金。
多年来，低温的定义有所不同。科学定义是温度应低于-153℃。然而，近年来，该定义有所扩展，在最近的出版物中，例如，还包括温度为-80℃的CO2。
低温冷却在本文中是指冷却剂的温度低于-50℃。适当地，冷却剂是液态氮和/或CO2。
在本发明的一个实施方式中，冷却剂是液态氮。
在本发明的另一个实施方式中，冷却剂是液态CO2。CO2可以是液体(超临界)、气体或液体/气体混合物的形式。
在本发明的一个实施方式中，低温冷却剂与MQL(最小量润滑)结合。
在本发明的另一个实施方式中，低温冷却剂与压缩空气结合。有时这有助于从切削区域移除切屑。
在本发明的另一个实施方式中，低温冷却剂与压缩空气和MQL(最小量润滑)结合。
冷却剂的流动取决于确切的应用和设置，但合适地是0.05至1kg/分钟。冷却剂的压力也根据具体应用和设置而变化，但适当地是3至100巴。
根据机械加工操作的类型和刀具类型等，冷却剂可以以不同的方式应用。
在本发明的一个实施方式中，冷却剂通过外部冷却提供。这意味着冷却剂由一个或多个分开的喷嘴提供，这些喷嘴朝向进行机械加工的区域，即刀具与工件材料接触的地方。
在本发明的一个实施方式中，冷却剂由经由刀具夹具的内部冷却来提供。这意味着冷却剂由刀具夹具中的通道提供，该通道将冷却剂直接施加到切削刀具上。
在本发明的一个实施方式中，冷却剂由以闭合回路的方式经由刀具夹具和切削刀具的内部冷却提供。这意味着冷却剂经由通道提供，该通道以闭合回路的方式将冷却剂引导通过刀具夹具并通过切削刀具，然后再次通过刀具夹具。因此冷却剂可以重复使用。
在本发明的一个实施方式中，冷却剂由经由刀具夹具和切削刀具的内部冷却提供，并且冷却剂离开切削刀具，即没有闭合回路。这种实施方式通常用于例如钻头。
在本发明的一个实施方式中，冷却剂可以通过如上所述的至少两种类型的冷却方法的组合来提供，即，所述冷却方法选自外部冷却、通过刀具夹具的内部冷却以及以闭合回路或不以闭合回路的方式通过刀具夹具且通过切削刀具的内部冷却。
在本发明的一个实施方式中，该机械加工方法适当地为车削操作。合适的机械加工参数为Vc为30-200m/分钟，优选为30-120m/分钟，更优选为100-120m/分钟，ap为0.1-5mm，优选为0.3-2mm。进给速率fz合适地为0.05-0.4mm/转，优选为0.05-0.3mm/转。
根据本发明的包括硬质合金基材的切削刀具适用于机械加工非铁合金，最适合于Ti或Ti-合金和/或Ni基合金，并且最适合于Ti或Ti合金。Ti和Ti合金的实例合适地是α合金、β合金和γ合金，例如，α-Ti和α-合金诸如Ti5Al2.5Sn，近α-合金如Ti6Al2Sn4Zr2Mo，α+β合金如Ti6Al2Sn4Zr6Mo和Ti6Al4V。Ni基合金的实例是Inconel 718、Waspaloy和Haynes 282合金。
所述切削刀具包括含有WC和粘结相的硬质合金，其中粘结相含量为1与5wt％之间，平均WC晶粒尺寸合适地为1.2-8μm。
根据本发明的硬质合金中的WC合适地具有1.2-8μm的平均晶粒尺寸，该平均晶粒尺寸优选2-5μm，更优选3-4μm。优选通过在扫描电子显微镜图像上使用线性截距法测量WC晶粒尺寸。在生产等中，可以通过矫顽力测量来估计晶粒尺寸。
除了WC和粘结相之外，所述硬质合金还可以包含制造硬质合金领域中常见的其它组分，例如Nb、Ta、Ti和Cr。这些元素的量可以在总硬质合金重量的20ppm与5wt％之间变化。
在本发明的一个实施方式中，附加组分的量，即除WC之外的附加组分的量，在总硬质合金重量的20ppm与1wt％之间，优选20-250ppm。
在本发明的另一个实施方式中，WC是存在的唯一硬质组分。
所述硬质合金还可包含少量本领域常见的其它成分，例如稀土元素、氧化物、铝化物和硼化物。
包含硬质合金基材的切削刀具中的粘结相含量合适地为1-5wt％，优选2-4wt％。
粘结相可包含Co、Ni和Fe中的一种或多种。
在本发明的一个实施方式中，粘结相主要包含Co。在本文中，其意味作为粘结相的原料，仅添加Co。但是，在制造过程中，其它成分可部分地溶解在Co中。
所述硬质合金适合不含η相和游离石墨。优选地，硬质合金具有略微过量化学计量的碳含量。
在本发明的一个实施方式中，硬质合金由WC和Co以及不可避免的杂质组成。
在本领域中通常提供具有涂层的硬质合金刀具以增加刀具寿命。根据本发明的硬质合金可以是未涂覆的或者可以具有涂层，合适地是本领域已知的CVD或PVD涂层。
在本发明的一个实施方式中，根据本发明的切削刀具适当地未涂覆。
在本发明的一个实施方式中，硬质合金体具有可用于磨损检测的涂层，例如，厚度为0.2-3μm的TiN。
在本发明的另一个实施方式中，硬质合金体具有包含碳的涂层，例如，具有通过例如CVD沉积的厚度为0.2-3μm的DLC涂层。
在本发明的另一个实施方式中，硬质合金体具有包含厚度为0.5-15μm的金刚石的涂层。
在本发明的另一个实施方式中，硬质合金体具有通过CVD沉积的厚度为0.2-3μm的包含ZrC单层的涂层。
在此，切削刀具是指刀片、钻头或端铣刀。
在本发明的一个实施方式中，切削刀具是车削刀片。
此外，本发明还涉及一种通过使用如上所述的切削刀具并使用低温冷却剂来机械加工Ti、Ti合金或Ni基合金的方法，该切削刀具包括含有WC和含量在1-5wt％之间的粘结相、且平均WC颗粒尺寸在1.2与8μm之间的硬质合金基材。
实施例
实施例1(本发明)
将由具有平均晶粒尺寸的WC和3wt％Co制成的混合物混合并共混18小时，在真空条件下在1410℃压制和烧结1小时。烧结后，硬质合金由嵌入Co金属粘结相中的WC组成。然后将烧结件在1410℃下进行第二烧结步骤1小时。
由16.5kA/m的矫顽力计算，得到的硬质合金的WC晶粒尺寸为3.4μm，所述矫顽力已使用根据DIN ISO 3326的Foerster Koerzimat CS1.096来测得。
该硬质合金体称为样品1。
实例2(参比)
将由WC、6wt％的Co与另外的额外碳制成的混合物混合并共混18小时，在真空条件下在1410℃下压制和烧结1小时。烧结之后，硬质合金包括嵌入Co金属粘结相中的WC。使用根据DIN ISO 3326的Foerster Koerzimat CS1.096测量，矫顽力为18kA/m。
使用线性截距法测量的WC平均晶粒尺寸为0.76μm。
该硬质合金体称为样品2。
实例3(工作例)
使用以下条件在Ti6Al4V合金的车削操作中测试实施例1和2中描述的刀片：
ap＝2mm
Fz＝0.1-0.2mm/转，可变
Vc＝70m/分钟
冷却：液氮，7巴，0.85kg/分钟，通过夹具内部冷却
刀具寿命标准是侧面磨损(VB＝0.3mm)、缺口(VBn＝0.4mm)或刃毁坏。
结果可以在表1中看到，其中每个结果是两次测试的平均值，即两个刀片的平均值。
表1
切削刀具 进给速率(mm/转) 刀具寿命(分钟)
样品1(本发明) 0.1 47
样本2(比较例) 0.1 20
样品1(本发明) 0.15 22
样本2(比较例) 0.15 6
样品1(本发明) 0.2 16
样本2(比较例) 0.2 3
实例4(工作例)
使用以下条件在Ti6Al4V合金的车削操作中测试实施例1和2中描述的刀片：
ap＝2mm
Fz＝0.1-0.2mm/转，可变
Vc＝115m/分钟
冷却：液氮，7巴，0.85kg/分钟，通过夹具内部冷却
刀具寿命标准是侧面磨损(VB＝0.3mm)、缺口(VBn＝0.4mm)或刃毁坏。
结果可以在表2中看到，其中每个结果是两次测试的平均值，即两个刀片的平均值。
表2
切削刀具 进给速率(mm/转) 刀具寿命(分钟)
样品1(本发明) 0.1 4.5
样本2(比较例) 0.1 1
样品1(本发明) 0.15 4
样本2(比较例) 0.15 0.5
样品1(本发明) 0.2 2
样本2(比较例) 0.2 0.3
。

Claims (12)

1.一种包括硬质合金基材的切削刀具的用途，所述硬质合金基材包括WC和含量为1-5wt％的粘结相，并且平均WC晶粒尺寸在1.2μm和8μm之间，并且其中所述硬质合金不含η相和游离石墨，所述切削刀具用于机械加工Ti、Ti合金或Ni基合金，其中使用低温冷却剂，其中所述低温冷却剂的温度低于-50℃。
2.根据权利要求1所述的切削刀具的用途，其特征在于，所述冷却剂是液态氮。
3.根据权利要求1所述的切削刀具的用途，其特征在于，所述冷却剂是液态CO2。
4.根据权利要求1至3中任一项所述的切削刀具的用途，其特征在于，车削操作是以Vc为30-200m/分钟、ap为0.1-5mm且进给速率为0.05-0.4mm/转来操作的。
5.根据权利要求1至3中任一项所述的切削刀具的用途，其特征在于，所述冷却剂是通过外部冷却提供的。
6.根据权利要求1至3中任一项所述的切削刀具的用途，其特征在于，所述冷却剂是通过经由刀具夹具的内部冷却来提供的。
7.根据权利要求6所述的切削刀具的用途，其特征在于，所述冷却剂是通过经由所述刀具夹具和所述切削刀具的内部冷却来提供的。
8.根据权利要求1至3中任一项所述的切削刀具的用途，其特征在于，所述硬质合金中WC的平均晶粒尺寸在2μm和5μm之间。
9.根据权利要求1至3中任一项所述的切削刀具的用途，其特征在于，所述粘结相为钴，其量为2wt％至4wt％。
10.根据权利要求1至3中任一项所述的切削刀具的用途，其特征在于，所述切削刀具是未涂覆的。
11.根据权利要求1至3中任一项所述的切削刀具的用途，其特征在于，所述切削刀具设有涂层。
12.一种机械加工Ti、Ti合金和Ni基合金的方法，所述方法包括
-使用包括硬质合金基材的切削刀具，所述硬质合金基材包括WC和含量为1-5wt％的粘结相，并且平均WC晶粒尺寸在1.2μm和8μm之间，并且其中所述硬质合金不含η相和游离石墨，和
-使用低温冷却剂，其中所述低温冷却剂的温度低于-50℃。
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