一种抑制热裂纹萌生的斜向梯度刀具及制备方法

技术领域

本发明属于刀具加工领域，具体涉及抑制热裂纹萌生的斜向梯度刀具及制备方法。

背景技术

蠕墨铸铁(CGI)具有球墨铸铁的高强度和耐磨性，又有类似灰铸铁良好的铸造工艺性、导热性、减振性，比灰铸铁高得多的疲劳强度和耐热疲劳性，其拉伸强度约为灰铸铁的两倍，高温下材料强度比灰铸铁高，它可在较高碳当量下获得高强度，使铸件薄壁轻量化。目前蠕墨铸铁主要应用在重卡、内燃机行业，如缸体、缸盖、增压器壳、缸套、活塞环、制动毂(刹车毂)、制动盘(包括铁路机车用)等。蠕墨铸铁应用广泛，但在蠕墨铸铁进行切削加工的过程中，普遍存在刀具易磨损、加工效果差、效率低下、精度难以保证以及加工费用高的难点，这严重阻碍了蠕墨铸铁的推广应用。

目前加工蠕墨铸铁的刀具主要有涂层硬质合金刀具、CBN刀具、陶瓷刀具等，研究者普遍认为涂层硬质合金刀具是最适合加工蠕墨铸铁的刀具材料，但是由于涂层和基体热膨胀系数的不同，在涂层和基体之间界面存在应力集中现象，在断续切削(铣削)蠕墨铸铁过程中容易产生热裂纹，热裂纹引起刀具微崩刃，崩刃引起刀具基体裸露，进而引起刀具破损失效，同时热裂纹会增加刀具的扩散磨损和氧化磨损。

在专利CN 202210646021.5中，公开了一种加工蠕墨铸铁的梯度刀具材料，表层：WC：87～94份、Al

发明内容

针对现有技术存在的不足，本发明的目的是提供一种斜向梯度刀具及制备方法，该刀具可以降低刀具内部的温度梯度，进而降低刀具内部的热应力，同时抑制刀具前刀面、后刀面及刀具内部热裂纹的萌生或扩展。

为了实现上述目的，本发明是通过如下的技术方案来实现：

第一方面，本发明的实施例提供了一种抑制热裂纹萌生的斜向梯度刀具，包括呈双向梯度分布的表层、次表层、中间层；所述的表层材料的硬度和耐磨性大于次表层、中间层，所述的中间层材料的韧性和塑性大于表层、次表层；相邻层形成的梯度界面与刀具前刀面之间形成夹角α，其中，tanα＝a/b，a和b分别是刀具热裂纹在Y方向和X方向萌生区域的最大值。

作为进一步的技术方案，所述表层的材料质量份为WC 88～94份，Al

作为进一步的技术方案，表层与次表层、次表层与中间层的层厚比e均为0.2。

第二方面，本发明还提出了一种抑制热裂纹萌生的斜向梯度刀具的制备方法，如下：

步骤1确定硬质合金刀具YG6上热裂纹萌生的区域；

步骤2根据刀具热裂纹在X、Y方向的萌生区域，确定相邻材料层形成的梯度界面与刀具前刀面之间的夹角α；其中，tanα＝a/b，a和b分别是刀具热裂纹在Y方向和X方向萌生区域的最大值；

步骤3采用叠层方法，制备刀具，形成表层、次表层、中间层的双向梯度刀具，且要求表层材料的硬度和耐磨性大于次表层、中间层材料，所述的中间层材料的韧性和塑性大于表层、次表层材料；

步骤4根据步骤2得到的夹角α，利用线切割机床对步骤3得到的梯度刀具进行切割。

作为进一步的技术方案，所述表层的材料质量份为WC 88～94份，Al

作为进一步的技术方案，表层与次表层、次表层与中间层的层厚比e均为0.2。

作为进一步的技术方案，步骤1中确定刀具上热裂纹萌生区域的方法如下：

基于高速铣削蠕墨铸铁刀具三维瞬态温度场模型，建立了高速铣削蠕墨铸铁刀具三维瞬态热应力场模型；通过热疲劳实验，确定了刀具萌生疲劳热裂纹的热应力，结合刀具三维瞬态热应力场模型，确定了刀具上热裂纹萌生的区域。

作为进一步的技术方案，步骤3具体过程如下：

按层厚比计算各梯度层的厚度，分别称量复合材料；

依次在石墨套筒中铺入各梯度层，采用石墨棒压平，装入石墨模具中，采用真空热压烧结工艺，制备出烧结坯体。

上述本发明的实施例的有益效果如下：

定向精准设计梯度刀具的梯度方向角α(刀具前刀面与梯度界面的夹角)，梯度方向角影响刀具内部温度场的分布，合理的梯度方向角，可以降低刀具内部的温度梯度，进而降低刀具内部的热应力，抑制刀具热裂纹的萌生。根据热裂纹在刀具上萌生的区域定向精准设计梯度方向角。

附图说明

构成本发明的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。

图1是斜向梯度刀具结构示意图(梯度方向角α)；

图2是高速铣削蠕墨铸铁刀具三维瞬态热应力场(刀具切出工件时刻)；

图3是实施例1梯度刀具材料TDA的抛光面SEM；

图4是实施例1刀具TDA-X、TDA-XD、TDA和SY的磨损形貌(切削速度150m/min)，其中，(a)TDA-X，(b)TDA-XD，(c)TDA，(d)TDA局部放大图，(e)SY，(f)SY局部放大图。

图5是实施例1刀具TDA-X和商用刀具SY的磨损形貌(切削速度600m/min)，其中，(a)TDA-X前刀面，(b)TDA-X主切削刃，(c)SY前刀面，(d)SY主切削刃。

具体实施方式

应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本发明提供进一步的说明。除非另有指明，本发明使用的所有技术和科学术语具有与本发明所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本发明的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非本发明另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合；

名词解释部分：本发明中定义刀具主切削刃方向为Z方向，刀具后刀面所在的方向为X方向,刀具前刀面所在的方向为Y方向。

正如背景技术所介绍的，现有技术中存在的不足，为了解决如上的技术问题，本发明提出了一种抑制热裂纹萌生的斜向梯度刀具及制备方法。

本发明的一种典型的实施方式中，如图1所示，本实施例公开了一种具有抑制热裂纹萌生的新型斜向梯度刀具，总共包括五层，按照图1所示的方位，从上到下依次是：表层、次表层、中间层、次表层和表层；所述的表层材料的硬度和耐磨性大于次表层、中间层，所述的中间层材料的韧性和塑性大于表层、次表层；

具体的，上述表层、次表层、中间层可以由以下质量份的原料组成：表层WC 88～94份，Al

进一步的，上述具有抑制热裂纹萌生的新型斜向梯度刀具的制备方法如下：

(1)基于高速铣削蠕墨铸铁刀具三维瞬态温度场模型，建立了高速铣削蠕墨铸铁刀具三维瞬态热应力场模型；

(2)通过热疲劳实验，确定了刀具萌生疲劳热裂纹的热应力，结合刀具三维瞬态热应力场模型，确定了刀具上热裂纹萌生的区域。

(3)根据热裂纹在X、Y方向的萌生区域，确定梯度方向角α，其示意图如图1所示，即为刀具前刀面与梯度界面的夹角，则tanα＝a/b，a和b分别是刀具热裂纹在Y方向和X方向萌生区域的最大值。

(4)斜向梯度刀具的制备过程，其制备方法如下：首先制备梯度刀具，按层厚比0.2计算各梯度层的厚度，分别称量的复合材料；采用叠层技术，使金属相和陶瓷相呈对称分布，保证刀具的两个表面都可以做为前刀面，依次在石墨套筒中铺入各梯度层，采用石墨棒压平，装入石墨模具中，采用真空热压烧结工艺，制备出圆饼状烧结坯体。

根据定向精准设计的梯度方向角，利用线切割机床，对梯度刀具进行切割，制备斜向梯度刀具TDA-X、TDB-X和TDZ-X。

(5)采用强度-衰减法来考察材料的抗热冲击性，实验步骤如下：将热压烧结的圆形坯体，用线切割机床切成尺寸为3.2mm×4.2mm×30mm的长条试样，然后研磨、抛光成标准试样3mm×4mm×30mm备用。使用搭建的感应加热设备，先把试样放入感应加热器，加热10s达到设定温度，然后保温10s，之后水冷，然后吹干试件后，按照国家标准测量刀具材料的抗弯强度，即为材料的剩余强度。每种材料做3次实验，以其实验测试值的算术平均值作为材料的剩余抗弯强度σ

进一步，上述各梯度层复合材料可以按照发明专利ZL 202010112689.2.中公开的方法进行了混料、球磨和干燥。

实施例1

备选均质复合材料的组成如表1所示，各梯度层的物理性能如表2所示。WC-Al

表1备选均质复合材料的组成(wt％)

表2各梯度层的物理性能

表3WC-Al

上述的一种具有抑制热裂纹萌生的新型斜向梯度刀具的定向精准设计方法如下：

(1)基于高速铣削蠕墨铸铁刀具三维瞬态温度场模型，建立了高速铣削蠕墨铸铁刀具三维瞬态热应力场模型，提出了基于高速铣削蠕墨铸铁刀具三维瞬态热应力场模型预测刀具热裂纹萌生区域的方法。基于Ansys软件，加载高速铣削蠕墨铸铁刀具三维瞬态温度场模型，根据实际铣削的实验条件设置刀具的位移边界条件，获得了高速铣削蠕墨铸铁刀具三维热应力场分布规律。

(2)利用强激光模拟实验，对硬质合金刀具在对称端面铣削过程中的温度变化规律进行了模拟，激光加热刀具的加热时间和冷却时间是根据实际切削过程确定的，分别与实际铣削时的切削时间和空切时间相同，保证加热时的热冲击次数同实际铣削时刀具失效时的热冲击次数相同。利用红外热像仪的微距镜头进行测温，通过调节激光功率获得实验所需温度。通过热疲劳实验，确定了刀具萌生热裂纹的热应力，结合刀具三维热应力场，确定了刀具上热裂纹萌生的区域，切削实验验证表明预测的热裂纹萌生区域与实际刀具铣削过程中热裂纹萌生范围一致。得出均质硬质合金刀具YG6容易萌生热裂纹的区域是0≤X≤0.09mm，0≤Y≤0.27mm，0.25≤Z≤2.05mm。

(3)根据热裂纹在X、Y方向的萌生区域，确定梯度方向角α，其示意图如图1所示，即为刀具前刀面与梯度界面的夹角，则tanα＝a/b，a和b分别是刀具热裂纹在Y方向和X方向萌生区域的最大值。根据我们获得刀具在高速铣削CGI时，热裂纹在X和Y方向萌生的区域是X0～0.09mm，Y0～0.27mm，则tanα＝3，梯度方向角α为71.6°。

(4)斜向梯度刀具的制备方法如下：首先制备梯度刀具，按层厚比0.2计算各梯度层的厚度，分别称量各梯度层的复合材料(各梯度层复合材料已经按照发明专利ZL202010112689.2.的方法进行了混料、球磨和干燥)，采用叠层技术，使金属相和陶瓷相呈对称形双向梯度分布，依次在石墨套筒中铺入各梯度层，采用石墨棒压平，装入石墨模具中，采用真空热压烧结工艺，制备出圆饼状烧结坯体。然后，根据定向精准设计的梯度方向角(α＝71.6°)，利用线切割机床，对梯度刀具进行切割，制备斜向梯度刀具，代号为TDA-X。

(5)采用强度-衰减法来考察材料的抗热冲击性，实验步骤如下：将热压烧结的圆形坯体，根据设计的梯度方向角，用线切割机床切成尺寸为3.2mm×4.2mm×30mm的长条试样，然后研磨、抛光成标准试样3mm×4mm×30mm备用。使用搭建的感应加热设备，先把试样放入感应加热器，加热10s达到设定温度，然后保温10s，之后水冷，然后吹干试件后，按照国家标准测量刀具材料的抗弯强度，即为材料的剩余强度。每种材料做3次实验，以其实验测试值的算术平均值作为材料的剩余抗弯强度σ

对比例1：

表层的材料质量份为WC 94份，Al

对比例2：

表层的材料质量份为WC 94份，Al

(6)斜向梯度刀具在不同热震温差下的剩余强度及抑制热裂纹效果研究。

斜向梯度刀具在不同热震温差下的剩余强度如表4所示。由表4可知，在相同的热震温差下，与TDA和TDA-XD相比，TDA-X的剩余强度最高，并且其剩余强度随热震温差的升高而升高，在热震温差为700℃时，其剩余抗弯强度为1450±113MPa，具有优异的抗热冲击能力。

表4不同热震温差下的剩余强度

对比研究了刀具TDA、TDA-X、TDA-XD和商用涂层硬质合金刀具HNGX090520ML(简称SY)在切削速度150m/min，切削深度0.6mm，进给量0.10mm/r下刀具寿命和刀具磨损形貌，结果表明：TDA的刀具寿命为67.2min，TDA-X的刀具寿命为112.0min，TDA-XD的刀具寿命为96.7min，SY的刀具寿命为75min。TDA、TDA-X和TDA-XD刀具失效形式是前刀面月牙洼磨损和后刀面磨损，其磨损机理是扩散磨损和粘结磨损，但是TDA在刀具前刀面出现了热裂纹和机械裂纹，TDA-XD刀尖处出现了微崩刃。商用刀具SY前刀面出现了大面积涂层脱落，并且出现了热裂纹和机械裂纹。通过对比TDA、TDA-X、TDA-XD和SY刀具前刀面的磨损形貌，可以发现，斜向梯度刀具的精准定向设计，可以抑制刀具热裂纹的萌生，同时避免了刀具崩刃，所以斜向梯度刀具TDA-X的刀具寿命最高。

由于切削速度仅为150m/min，刀具切削温度较低，刀具不容易产生热裂纹，为了进一步研究斜向梯度刀具抑制热裂纹萌生的效果，研究了两种刀具TDA-X和商用刀具SY在相同切削时间、相同切削参数下的刀具磨损形貌。切削参数如下：切削速度600m/min，切削深度0.6mm，进给量0.10mm/r，切削时间2min。TDA-X在切削速度600m/min下，刀具前刀面和后刀面分别出现了两条热裂纹和一条热裂纹，主切削刃未出现热裂纹。商用刀具SY在切削速度600m/min下，刀具前刀面和后刀面均出现了多条热裂纹、涂层脱落和崩刃现象，而且主切削刃出现多条热裂纹。商用刀具SY崩刃的产生是由于热裂纹扩展导致的。斜向梯度刀具TDA-X显著抑制了热裂纹的萌生。

实施例2

备选均质复合材料的组成如表5所示，各梯度层的物理性能如表6所示。WC-Al

表5备选均质复合材料的组成(wt％)

表6各梯度层的物理性能

表7 WC-Al

上述的一种具有抑制热裂纹萌生的新型斜向梯度刀具的定向精准设计方法如下：

(1)基于高速铣削蠕墨铸铁刀具三维瞬态温度场模型，建立了高速铣削蠕墨铸铁刀具三维瞬态热应力场模型，提出了基于高速铣削蠕墨铸铁刀具三维瞬态热应力场模型预测刀具热裂纹萌生区域的方法。基于Ansys软件，加载高速铣削蠕墨铸铁刀具三维瞬态温度场模型，根据实际铣削的实验条件设置刀具的位移边界条件，获得了高速铣削蠕墨铸铁刀具三维热应力场分布规律。

(2)利用强激光模拟实验，对硬质合金刀具在对称端面铣削过程中的温度变化规律进行了模拟，激光加热刀具的加热时间和冷却时间是根据实际切削过程确定的，分别与实际铣削时的切削时间和空切时间相同，保证加热时的热冲击次数同实际铣削时刀具失效时的热冲击次数相同。利用红外热像仪的微距镜头进行测温，通过调节激光功率获得实验所需温度。通过热疲劳实验，确定了刀具萌生热裂纹的热应力，结合刀具三维热应力场，确定了刀具上热裂纹萌生的区域，切削实验验证表明预测的热裂纹萌生区域与实际刀具铣削过程中热裂纹萌生范围一致。得出均质硬质合金刀具YG6容易萌生热裂纹的区域是0≤X≤0.09mm，0≤Y≤0.27mm，0.25≤Z≤2.05mm。

(3)根据热裂纹在X、Y方向的萌生区域，确定梯度方向角α，其示意图如图1所示，即为刀具前刀面与梯度界面的夹角，则tanα＝a/b，a和b分别是刀具热裂纹在Y方向和X方向萌生区域的最大值。根据我们获得刀具在高速铣削CGI时，热裂纹在X和Y方向萌生的区域是X0～0.09mm，Y0～0.27mm，则tanα＝3，梯度方向角α为71.6°。

(4)斜向梯度刀具的制备方法如下：首先制备梯度刀具，按层厚比0.2计算各梯度层的厚度，分别称量各梯度层的复合材料(各梯度层复合材料已经按照发明专利ZL202010112689.2.的方法进行了混料、球磨和干燥)，采用叠层技术，使金属相和陶瓷相呈对称形双向梯度分布，依次在石墨套筒中铺入各梯度层，采用石墨棒压平，装入石墨模具中，采用真空热压烧结工艺，制备出圆饼状烧结坯体。然后，根据定向精准设计的梯度方向角(α＝71.6°)，利用线切割机床，对梯度刀具进行切割，制备斜向梯度刀具，代号为TDB-X。

(5)采用强度-衰减法来考察材料的抗热冲击性，实验步骤如下：将热压烧结的圆形坯体，根据设计的梯度方向角，用线切割机床切成尺寸为3.2mm×4.2mm×30mm的长条试样，然后研磨、抛光成标准试样3mm×4mm×30mm备用。使用搭建的感应加热设备，先把试样放入感应加热器，加热10s达到设定温度，然后保温10s，之后水冷，然后吹干试件后，按照国家标准测量刀具材料的抗弯强度，即为材料的剩余强度。每种材料做3次实验，以其实验测试值的算术平均值作为材料的剩余抗弯强度σ

对比例3：

表层的材料质量份为WC 88份，Al

对比例4：

表层的材料质量份为WC 88份，Al

(6)斜向梯度刀具在不同热震温差下的剩余强度

斜向梯度刀具在不同热震温差下的剩余强度如表8所示。由表8可知，在相同的热震温差下，与TDB和TDB-XD相比，TDB-X的剩余强度最高，并且其剩余强度随热震温差的增加而增加，在热震温差为700℃时，其剩余抗弯强度为1190±92MPa，具有优异的抗热冲击能力。

表8不同热震温差下的剩余强度

实施例3

备选均质复合材料的组成如表9所示，各梯度层的物理性能如表10所示。WC-Al

表9备选均质复合材料的组成(wt％)

表10各梯度层的物理性能

/>

表11WC-Al

上述的一种具有抑制热裂纹萌生的新型斜向梯度刀具的定向精准设计方法如下：

(1)基于高速铣削蠕墨铸铁刀具三维瞬态温度场模型，建立了高速铣削蠕墨铸铁刀具三维瞬态热应力场模型，提出了基于高速铣削蠕墨铸铁刀具三维瞬态热应力场模型预测刀具热裂纹萌生区域的方法。基于Ansys软件，加载高速铣削蠕墨铸铁刀具三维瞬态温度场模型，根据实际铣削的实验条件设置刀具的位移边界条件，获得了高速铣削蠕墨铸铁刀具三维热应力场分布规律。

(2)利用强激光模拟实验，对硬质合金刀具在对称端面铣削过程中的温度变化规律进行了模拟，激光加热刀具的加热时间和冷却时间是根据实际切削过程确定的，分别与实际铣削时的切削时间和空切时间相同，保证加热时的热冲击次数同实际铣削时刀具失效时的热冲击次数相同。利用红外热像仪的微距镜头进行测温，通过调节激光功率获得实验所需温度。通过热疲劳实验，确定了刀具萌生热裂纹的热应力，结合刀具三维热应力场，确定了刀具上热裂纹萌生的区域，切削实验验证表明预测的热裂纹萌生区域与实际刀具铣削过程中热裂纹萌生范围一致。得出均质硬质合金刀具YG6容易萌生热裂纹的区域是0≤X≤0.09mm，0≤Y≤0.27mm，0.25≤Z≤2.05mm。

(3)根据热裂纹在X、Y方向的萌生区域，确定梯度方向角α，其示意图如图1所示，即为刀具前刀面与梯度界面的夹角，则tanα＝a/b，a和b分别是刀具热裂纹在Y方向和X方向萌生区域的最大值。根据我们获得刀具在高速铣削CGI时，热裂纹在X和Y方向萌生的区域是X0～0.09mm，Y0～0.27mm，则tanα＝3，梯度方向角α为71.6°。

(4)斜向梯度刀具的制备方法如下：首先制备梯度刀具，按层厚比0.2计算各梯度层的厚度，分别称量各梯度层的复合材料(各梯度层复合材料已经按照发明专利ZL202010112689.2.的方法进行了混料、球磨和干燥)，采用叠层技术，使金属相和陶瓷相呈对称形双向梯度分布，依次在石墨套筒中铺入各梯度层，采用石墨棒压平，装入石墨模具中，采用真空热压烧结工艺，制备出圆饼状烧结坯体。然后，根据定向精准设计的梯度方向角(α＝71.6°)，利用线切割机床，对梯度刀具进行切割，制备斜向梯度刀具，代号为TDZ-X。

(5)采用强度-衰减法来考察材料的抗热冲击性，实验步骤如下：将热压烧结的圆形坯体，根据设计的梯度方向角，用线切割机床切成尺寸为3.2mm×4.2mm×30mm的长条试样，然后研磨、抛光成标准试样3mm×4mm×30mm备用。使用搭建的感应加热设备，先把试样放入感应加热器，加热10s达到设定温度，然后保温10s，之后水冷，然后吹干试件后，按照国家标准测量刀具材料的抗弯强度，即为材料的剩余强度。每种材料做3次实验，以其实验测试值的算术平均值作为材料的剩余抗弯强度σ

对比例5：

表层的材料质量份为WC 92份，Al

对比例6：

表层的材料质量份为WC 92份，Al

(6)斜向梯度刀具在不同热震温差下的剩余强度

斜向梯度刀具在不同热震温差下的剩余强度如表12所示。由表12可知，在相同的热震温差下，与TDZ和TDZ-XD相比，TDZ-X的剩余强度最高，并且其剩余强度随热震温差的增加而增加，在热震温差为700℃时，其剩余抗弯强度为1436±83MPa，具有优异的抗热冲击能力。

表12不同热震温差下的剩余强度

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。