一种聚晶超硬刀具及其制备方法.pdf

本发明公开了一种聚晶超硬刀具及其制备方法，所述聚晶超硬刀具包括刀体部和刃口部，所述刃口部位于所述刀体部两个以上表面的交汇处；所述刀体部与刃口部材料均为聚晶材料，刃口部材料的平均结晶度大于所述刀体部材料的平均结晶度。本发明的聚晶超硬刀具，刃口部材料的结晶度大于刀体部材料的结晶度，使刃口的应力减小，刃口的硬度提高，从而延长了刀具的使用寿命。本发明制备方法通过采用金属诱导的工艺，提高刃口的结晶度，从而减小刃口应力，同时提高刃口硬度，延长了刀具的使用寿命；该制备方法工艺简单，操作方便，适合大规模工业化生产。

权利要求书
1.  一种聚晶超硬刀具，其特征在于：包括刀体部和刃口部，所述刃口部固连在所述 刀体部两个以上表面的交汇处；所述刀体部与刃口部材料均为聚晶材料，刃口部材料的平 均结晶度大于所述刀体部材料的平均结晶度。

2.  根据权利要求1所述的聚晶超硬刀具，其特征在于：所述刃口部材料的平均结晶 度比所述刀体部材料的平均结晶度大10％以上。

3.  根据权利要求1或2所述的聚晶超硬刀具，其特征在于：所述刃口部材料的结晶 度沿朝向所述刀体部的方向逐渐减小。

4.  根据权利要求1或2所述的聚晶超硬刀具，其特征在于：所述刃口部材料的结晶 区呈层状分布。

5.  根据权利要求4所述的聚晶超硬刀具，其特征在于：沿远离所述刀体部的方向， 所述刃口部材料结晶区呈水平层状分布，且高结晶度的结晶层与低结晶度的结晶层间隔排 列分布。

6.  根据权利要求4所述的聚晶超硬刀具，其特征在于：沿远离所述刀体部的方向， 所述刃口部材料结晶区呈竖直层状分布，且高结晶度的结晶层与低结晶度的结晶层间隔排 列分布。

7.  一种如权利要求1所述的聚晶超硬刀具的制备方法，其特征在于：包括下列步骤：
1)取聚晶超硬刀具的成型模具，在成型模具的成型槽中放入诱导金属后，在成型槽 槽口处放置遮挡片将成型槽密封，得密封成型槽；
2)取步骤2)所得密封成型槽加热退火，使诱导金属在成型槽内熔融后，冷却至室温， 诱导金属堆积在成型槽的各个顶角，得成型槽内具有诱导金属层的成型模具；
3)在具有诱导金属层的成型槽内加入聚晶超硬刀具合成料后，在成型槽槽口处放置 对应的遮挡片，合模组装形成组合块，进行高温高压合成，即得。

8.  根据权利要求7所述的聚晶超硬刀具的制备方法，其特征在于：所述成型模具为 石墨模具。

9.  根据权利要求7所述的聚晶超硬刀具的制备方法，其特征在于：所述诱导金属为 碱金属、碱土金属、铝基合金中的任意一种或组合。

10.  根据权利要求7所述的聚晶超硬刀具的制备方法，其特征在于：步骤2)中，对 成型槽内的诱导金属层进行修饰，使诱导金属层具有三角形、长方形、梯形或条带状结构。

说明书一种聚晶超硬刀具及其制备方法
技术领域
本发明属于超硬刀具技术领域，具体涉及一种聚晶超硬刀具，同时还涉及一种聚晶超 硬刀具的制备方法。
背景技术
在金属的机加工中，使用的刀具按材料分大致包括：硬质合金刀具、陶瓷刀具以及聚 晶超硬刀具。其中，聚晶超硬刀具硬度高、使用寿命长，尤其是可以用于精加工，实现了 以车代磨，不会产生难以回收处理的金属废渣，提高了加工效率，实现绿色切削，因此得 到了广泛应用。
常用的聚晶超硬刀具有聚晶金刚石刀具和聚晶立方氮化硼刀具等，一般需要将其安装 在刀杆上，然后将刀杆固定到机床上，对金属工件进行车铣刨等加工。如图1所示，聚晶 超硬刀具(带断屑槽10)一般包括刀体部1和刃口部2，刃口部2的有效部位为正面的A 角、B角，以及背面与A角、B角相对的C角、D角；上述四个刃口部的有效部位参与对 工件的车削等加工，当该部位的刃口磨损量超过一定数值后，刀具报废，即达到了使用寿 命。
刀具的刃口部分具有较高的应力，因此不能太锐利，以免在对工件进行加工过程中刀 具崩刃；传统做法是磨出刃口后，再对刃口进行倒圆处理，使刃口具有一定的弧度。上述 减小刃口应力的方法缺点是使刀片变钝，在高速切削时刀片震动大，即出现常说的“震刀” 现象，该现象进一步恶化了刃口的磨损，造成刀具寿命缩短。
发明内容
本发明的目的是提供一种聚晶超硬刀具，解决现有刀具因刃口应力较高造成的使用寿 命短的问题。
本发明的第二个目的是提供一种聚晶超硬刀具的制备方法。
为了实现以上目的，本发明所采用的技术方案是：
一种聚晶超硬刀具，包括刀体部和刃口部，所述刃口部固连在所述刀体部两个以上表 面的交汇处；所述刀体部与刃口部材料均为聚晶材料，刃口部材料的平均结晶度大于所述 刀体部材料的平均结晶度。
所述聚晶材料为聚晶立方氮化硼材料或聚晶金刚石材料。
所述刃口部材料的平均结晶度比所述刀体部材料的平均结晶度大10％以上。
所述刃口部的平均结晶度为40％～60％；所述刀体部的平均结晶度为30％～50％。
所述刃口部为高出刀体部的凸沿；沿远离刀体部的方向，宽度逐渐缩小。
所述刃口部的横截面为三角形、正方形或长方形。
所述刃口部材料的结晶度沿朝向所述刀体部的方向逐渐减小。
所述刃口部材料的结晶区呈层状分布。
沿远离所述刀体部的方向，所述刃口部材料结晶区呈水平层状分布，且高结晶度的结 晶层与低结晶度的结晶层间隔排列分布。
沿远离所述刀体部的方向，所述刃口部材料结晶区呈竖直层状分布，且高结晶度的结 晶层与低结晶度的结晶层间隔排列分布。
所述高结晶度是指结晶度为50％～60％；所述低结晶度是指结晶度为40％～45％。
所述结晶层的宽度为0.3～0.5mm。
刃口部结晶层的结晶度均大于刀体部结晶度。
刃口部材料结晶区呈层状分布，该结构使刃口具有低的应力和高的硬度的同时，还具 有优异的韧性，以及优异的组织切削裂纹扩展的性能。
本发明的聚晶超硬刀具为带断屑槽或不带断屑槽的刀具。
一种上述的聚晶超硬刀具的制备方法，包括下列步骤：
1)取聚晶超硬刀具的成型模具，在成型模具的成型槽中放入诱导金属后，在成型槽 槽口处放置遮挡片将成型槽密封，得密封成型槽；
2)取步骤2)所得密封成型槽加热退火，使诱导金属在成型槽内熔融后，冷却至室温， 诱导金属堆积在成型槽的各个顶角，得成型槽内具有诱导金属层的成型模具；
3)在具有诱导金属层的成型槽内加入聚晶超硬刀具合成料后，在成型槽槽口处放置 对应的遮挡片，合模组装形成组合块，进行高温高压合成，即得。
所述成型模具为石墨模具。步骤1)中，将成型模具密封是将遮挡片放在成型槽的槽 口进行密封；所述遮挡片为石墨遮挡片。
所述成型模具的成型槽形状依据所需的聚晶超硬刀具的形状设计，可为菱形、三角形、 正方形等。
所述诱导金属为粉末状。
所述诱导金属为碱金属、碱土金属、铝基合金中的任意一种或组合。诱导金属为常温 下稳定的碱金属，如Mg等，或者常温下稳定的铝基合金，如Al-Ni、Al-Cr、Al-Mn、Al-Co 合金或者上述两者的组合。诱导金属可以和合成料的触媒相同，也可以和合成料的触媒不 同。
所述合成料为本领域常规的合成聚晶金刚石或聚晶立方氮化硼材料的合成料。
加入诱导金属的量以其熔融并冷却后能够在成型槽内的各个槽面上顶角处形成厚度 不大于2.5mm的金属层为宜。加入诱导金属的量太少无法形成特定连续的金属层；加入诱 导金属的量也不易过多，过多时各个槽面上的金属层将发生严重的相互交叉，最终在顶角 位置形成成堆的金属体，不利于后续形成刀片的锋利刃口。
一般情况下，结晶度与诱导金属的量为正相关关系；结晶金属越多，聚晶材料的结晶 度越高。
优选的，诱导金属层的厚度为0.1～2.0mm。
诱导金属的加入质量为成型刀具质量的0.5％～1.0％。
成型槽内具有诱导金属层的成型模具中，单层诱导金属层与成型刀具的厚度比为0.5～ 2.5:10～20。
步骤2)中，所述加热退火是将密封成型槽放入退火炉中进行退火处理。所述退火处 理优选真空退火或惰性气氛退火。诱导金属熔融后，堆积在成型槽的各个顶角。
所述加热退火是将密封成型槽加热至650～1000℃，保温10～30min。
步骤2)中，对成型槽内的诱导金属层进行修饰，使诱导金属层具有三角形、长方形、 梯形或条带状结构。所述条带状结构是诱导金属层带与空白带间隔排列分布。
步骤3)中，所述高温高压合成过程是本领域常规的顶压机高温高压合成法，顶压机 为六面顶压机、八面顶压机等。高温高压合成所需的原料为本领域常规的氮化硼粉末与触 媒的混合物。所述触媒为碱金属、碱土金属及其氮化物，或者碱金属、碱土金属的硼氮化 物，或者铝基合金触媒等常规触媒。
步骤3)中，合模组装形成组合块是在成型槽内放入合成料后，压实并覆盖上副高石 墨片，将上述模具上下覆盖导电片放入碳杯。
上述聚晶超硬刀具的制备方法中，诱导金属粉末在高温熔融的过程中，优先堆积在成 型槽的顶角，即成型过程中形成刀具刃口部的位置，机理是：在高温下，诱导金属粉末发 生蒸发，蒸发的金属原子落下并吸附在成型槽内而形成连续的金属膜，落下的金属原子也 具有一定的几率发生解吸而再次逃逸；成型槽的顶角处，如两个相交槽内壁立面的交界线 处，尤其是交界线和成型槽上下平面的交汇点处(即顶角的位置)，逃逸的金属很容易碰 到相邻立面或相邻平面而发生再次沉积，即交界线处尤其是交汇点处的金属逃逸的几率较 小，从而发生了诱导金属的优先沉积。
本发明的聚晶超硬刀具，可以是立方氮化硼聚晶刀具或者金刚石聚晶刀具。本发明的 聚晶超硬刀具，可以是整体刀具，即刀具整体为聚晶材料；也可以为焊接刀具，即将聚晶 材料(固连有刃口部的刀体部)焊接在硬质合金上形成刀具。
本发明的聚晶超硬刀具，包括刀体部和刃口部，所述刃口部位于所述刀体部两个以上 表面的交汇处；所述刀体部与刃口部材料相同，均为聚晶立方氮化硼或聚晶金刚石材料， 刃口部材料的结晶度大于刀体部材料的结晶度，使刃口的应力减小，刃口的硬度提高，保 证刃口部在切削时具有较小的应力和较大的硬度，同时不会降低刀体部的韧性，从而延长 了刀具的使用寿命。
对于聚晶材料而言，结晶度越高，其内部势能越低，单晶态是能量最低状态，也是最 稳定的状态。在单晶状态下，材料内部具有很小的应力，因而不容易发生应力诱导的聚晶 崩裂现象，但是目前能够合成的最大尺寸的立方氮化硼单晶尚不足以制成刀片。
本发明的聚晶超硬刀具的制备方法，在成型模具的成型槽中放入诱导金属，加热退火 使诱导金属在成型槽内熔融、冷却形成诱导金属层，再加入聚晶超硬刀具合成料，进行高 温高压合成；该制备方法通过采用金属诱导的工艺，提高刃口的结晶度，从而减小刃口应 力，同时提高刃口硬度，延长了刀具的使用寿命；该制备方法工艺简单，操作方便，适合 大规模工业化生产。
附图说明
图1为聚晶超硬刀具(带断屑槽)的结构示意图；
图2为实施例1的聚晶超硬刀具的结构示意图；
图3为图2的剖视图图；
图4为实施例1的成型模具的结构示意图；
图5为图4中A’处的放大图；
图6为实施例2的聚晶超硬刀具的结构示意图；
图7为实施例2的成型模具的A’处的放大图；
图8为实施例5的聚晶超硬刀具的结构示意图；
图9为实施例6的聚晶超硬刀具的结构示意图。
具体实施方式
下面结合具体实施方式对本发明作进一步的说明。
实施例1
本实施例的聚晶超硬刀具，如图2、3所示，图3为图2中沿AB对角线的剖视图，所 述聚晶超硬刀具包括刀体部1和刃口部2，所述刀体部1为菱形，所述刃口部2为三角体 形，刃口部2固连在所述刀体部1上、下表面与侧面的交汇处(顶角A处，其他顶角处同 A，图中未画出)；所述刀体部与刃口部材料均为聚晶立方氮化硼材料，刃口部材料的平均 结晶度为48％，刀体部材料的平均结晶度为32％，刃口部材料的平均结晶度比所述刀体部 材料的平均结晶度大16％；沿远离所述刀体部1的方向(刀具厚度方向上)，所述刃口部2 材料结晶区呈水平层状分布，且高结晶度(平均为52％)的结晶层5(宽度为0.5mm)与 低结晶度(平均为40％)的结晶层4(宽度为0.3mm)间隔排列分布。
本实施例的聚晶超硬刀具的制备方法，包括下列步骤：
1)取聚晶超硬刀具的成型模具，该成型模具为石墨模具，石墨模具上具有与欲成型 的聚晶超硬刀具相对应的成型槽，在成型槽中放入诱导金属粉末(Mg粉，具体加入量为 聚晶超硬材料合成料质量的0.7％)后，在成型槽槽口处放置石墨遮挡片将成型槽密封，得 密封成型槽；
2)取步骤2)所得密封成型槽放入退火炉中，加热至670℃保温20min进行真空退火 处理，使诱导金属在成型槽内熔融后，冷却至室温，诱导金属堆积在成型槽的各个顶角， 在各自顶角处槽内壁上形成连续的诱导金属层，对诱导金属层进行修饰，如图4、5所示 (图4、5中，6为成型模具，7为成型槽，A’为成型槽与刀具上A角对应的顶角，a为成 型槽槽底面、b和c为成型槽侧壁)，在成型槽7对应顶角A’处槽内侧壁b、c上形成宽度 为0.5mm、厚度为0.6mm的诱导金属层带8与宽度为0.3mm的空白带9间隔排列、水平 分布(与目标成型品对应，其他顶角处同A’，图中未画出)，得成型槽内具有诱导金属层 的成型模具；
3)在具有诱导金属层的成型槽内加入聚晶超硬刀具合成料(所述合成料由以下质量 百分含量的组分组成：氮化硼90％、碳化钛5％、铝4％、硅1％；平均粒径5μm)，压实后 在成型槽槽口处放置对应的石墨遮挡片形成组合件，在所述组合件上下防止导电片，并置 于碳杯中形成组合块，进行高温高压合成，去除合成的刀具毛坯进行表面打磨，即得所述 聚晶超硬刀具。
实施例2
本实施例的聚晶超硬刀具，与实施例1不同之处在于，如图6所示，沿远离所述刀体 部1的方向(刀具厚度方向上)，所述刃口部2材料结晶区呈竖直层状分布，且高结晶度 (平均为55％)的结晶层5(宽度为0.4mm)与低结晶度(平均为41％)的结晶层4(宽 度为0.3mm)间隔排列分布。
本实施例的聚晶超硬刀具的制备方法，包括下列步骤：
1)取聚晶超硬刀具的成型模具，该成型模具为石墨模具，石墨模具上具有与欲成型 的聚晶超硬刀具相对应的成型槽，在成型槽中放入诱导金属粉末(Al-Ni合金，具体加入 量为聚晶超硬刀具合成料质量的1.0％)后，在成型槽槽口处放置石墨遮挡片将成型槽密封， 得密封成型槽；
2)取步骤2)所得密封成型槽放入退火炉中，加热至750℃保温30min进行真空退火 处理，使诱导金属在成型槽内熔融后，冷却至室温，诱导金属堆积在成型槽的各个顶角， 在各自顶角处槽内壁上形成连续的诱导金属层，对诱导金属层进行修饰，如图7所示，在 成型槽A’顶角处槽底面a上形成宽度为0.4mm、厚度为1mm的诱导金属层带与宽度为 0.3mm的空白带间隔排列分布(与目标成型品对应，其他顶角处同A’，C、D顶角处的诱 导金属层位于石墨遮挡片上)，得成型槽内具有诱导金属层的成型模具；
3)在具有诱导金属层的成型槽内加入聚晶超硬刀具合成料(所述合成料由以下质量 百分含量的组分组成：氮化硼90％、碳化钛5％、铝4％、硅1％；平均粒径5μm)，压实后 在成型槽槽口处放置对应的石墨遮挡片形成组合件，在所述组合件上下防止导电片，并置 于碳杯中形成组合块，进行高温高压合成，去除合成的刀具毛坯进行表面打磨，即得所述 聚晶超硬刀具。
实施例3
本实施例的聚晶超硬刀具，与实施例1不同之处在于，所述刀体部与刃口部材料均为 聚晶金刚石材料；沿朝向所述刀体部的方向(刀具厚度方向)，所述刃口部材料的结晶度 逐渐减小，结晶度从55％减小到43％，平均结晶度为50％；所述刀体部材料的结晶度为 37％。
本实施例的聚晶超硬刀具的制备方法，包括下列步骤：
1)取聚晶超硬刀具的成型模具，该成型模具为石墨模具，石墨模具上具有与欲成型 的聚晶超硬刀具相对应的成型槽，在成型槽中放入诱导金属粉末(Al-Cr合金，具体加入 量为聚晶超硬材料合成料质量的0.7％)后，在成型槽槽口处放置石墨遮挡片将成型槽密封， 得密封成型槽；
2)取步骤2)所得密封成型槽放入退火炉中，加热至730℃保温25min进行真空退火 处理，使诱导金属在成型槽内熔融后，冷却至室温，诱导金属堆积在成型槽的各个顶角， 在各自顶角处槽内侧壁上形成连续的诱导金属层，对诱导金属层进行修饰，形成长方形， 沿朝向所述刀体部的方向(刀具厚度方向)，诱导金属层的厚度逐渐减小(从0.4mm厚度 减小到0.4mm厚度)，得成型槽内具有诱导金属层的成型模具；
3)在具有诱导金属层的成型槽内加入聚晶超硬刀具合成料(所述合成料包含以下质 量百分含量的组分：金刚石92％、钴2％、镍3％；平均粒径10μm)，压实后在成型槽槽口 处放置对应的石墨遮挡片形成组合件，在所述组合件上下防止导电片，并置于碳杯中形成 组合块，进行高温高压合成，去除合成的刀具毛坯进行表面打磨，即得所述聚晶超硬刀具。
实施例4
本实施例的聚晶超硬刀具，所述刀体部与刃口部材料均为聚晶立方氮化硼材料；与实 施例1不同之处在于：所述刃口部沿朝向所述刀体部的方向(与刀具厚度垂直的方向)， 所述刃口部材料的结晶度逐渐减小，结晶度从55％减小到43％，平均结晶度为51％；所述 刀体部材料的结晶度为40％。
本实施例的聚晶超硬刀具的制备方法，包括下列步骤：
1)取聚晶超硬刀具的成型模具，该成型模具为石墨模具，石墨模具上具有与欲成型 的聚晶超硬刀具相对应的成型槽，在成型槽中放入诱导金属粉末(Al-Mg合金，具体加入 量为聚晶超硬材料合成料质量的0.6％)后，在成型槽槽口处放置石墨遮挡片将成型槽密封， 得密封成型槽；
2)取步骤2)所得密封成型槽放入退火炉中，加热至650℃保温25min进行真空退火 处理，使诱导金属在成型槽内熔融后，冷却至室温，诱导金属堆积在成型槽的各个顶角， 对诱导金属层进行修饰，在各顶角处槽底面及顶面(石墨遮挡片上)形成直角三角形，沿 朝向所述刀体部的方向(与刀具厚度垂直的方向)，诱导金属层的厚度逐渐减小(从1.0mm 厚度减小到0.5mm厚度)，得成型槽内具有诱导金属层的成型模具；
3)在具有诱导金属层的成型槽内加入聚晶超硬刀具合成料(所述合成料包含以下质 量百分含量的组分：立方氮化硼93％；主要结合剂为氮化铝；平均粒径10μm)，压实后在 成型槽槽口处放置对应的石墨遮挡片形成组合件，在所述组合件上下防止导电片，并置于 碳杯中形成组合块，进行高温高压合成，去除合成的刀具毛坯进行表面打磨，即得所述聚 晶超硬刀具。
实施例5
本实施例的聚晶超硬刀具，如图8(刃口部的放大图)所示，为带有断屑槽10的刀具 (外形同图1)，具体是在实施例1所得聚晶超硬刀具的基础上加工出断屑槽10。
实施例6
本实施例的聚晶超硬刀具，如图9(刃口部的放大图)所示，为带有断屑槽10的刀具 (外形同图1)，具体是在实施例2所得聚晶超硬刀具的基础上加工出断屑槽10。
实验例
本实验例对实施例1-4所得刀具的使用性能进行检测。检测方法：取实施例1-4所得 刀具和对比例刀具各10片，相同型号，切削工件为直径150mm、长度200mm的钢件，切 削去除厚度为5mm，切削条件为：切深：0.2mm，进给：0.1mm/round。切削完成后测量 后刀磨损(后刀磨损量一般为判定刀片报废的标准)，求出十片实施例刀片的后刀磨损量 的平均值，和对比例的平均值对比。检测结果如表1所示。
其中对比例刀具的制备方法为：在石墨模具的成型槽内加入聚晶超硬刀具合成料(具 体配方同实施例合成料配方)，压实后在成型槽槽口处放置石墨遮挡片形成组合件，在所 述组合件上下防止导电片，并置于碳杯中形成组合块，进行高温高压合成，去除合成的刀 具毛坯进行表面打磨，即得所述聚晶超硬刀具。
表1使用性能检测结果

从表1可以看出，实施例1-4所得聚晶超硬刀具的后刀磨损不超过0.4mm，远远低于 对比例的后刀磨损量。实验结果表明：本发明的聚晶超硬刀具，刃口部在切削时具有较小 的应力和较大的硬度，刀具具有优良的使用性能和较长的使用寿命。