CN105067485A - 基于激光熔覆粘接的刀具与工件的扩散偶的制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于激光熔覆粘接的刀具与工件的扩散偶的制备方法。主要包括如下步骤：对已知材料的刀具或刀片切割成试样，使切割后的试样至少具有一个凹槽或容腔；将待实验工件切割成试样，使切割后的试样与步骤A所得试样贴合后至少具有一个共同的凹槽或容腔；将所得两试样进行研磨抛光，使两试样分别具有至少一个抛光面；将所得两试样的抛光面贴合，并利用夹具将两试样装夹固定，把熔覆材料置于两试样形成的凹槽或容腔中；将两试样用激光熔覆法粘接在一起，来形成扩散偶；将制备好的扩散偶进行清洗，然后放入保温炉中进行加热保温；将保温后的扩散偶取出，取出表面氧化层，再进行抛光和清洗后，取扩散偶的芯部进行试样分析。

Description

基于激光熔覆粘接的刀具与工件的扩散偶的制备方法

技术领域

本发明涉及机械与材料科学领域，具体的说，是涉及一种基于激光熔覆粘接的刀具与工件的扩散偶的制备方法。

背景技术

在切削过程中，由于切削区的温度比较高，高速切削加工中的温度高达1000℃，高温作用使得刀具材料和工件材料之间发生元素的相互扩散，造成刀具的磨损。刀具的表面始终与刚切削出的工件表面相接触，尤其对一些化学性质较活泼的工件材料，它们与刀具材料的亲和性强，刀具材料和工件材料接触面的化学元素可能发生相互扩散，导致自身的化学成分发生改变，从而影响刀具的切削加工性能。

因此在切削前需要针对工件的材料特性，选择与之相匹配的刀具进行切削加工作业。

刀具材料与工件材料的化学性能匹配主要是指刀具材料与工件材料的化学亲和性、化学反应、扩散和溶解等化学性能参数要相互匹配。通过扩散试验，利用扫描电镜、能谱分析观察刀具和工件的扩散程度以及扩散形貌，分析扩散部分的组分、各种刀具材料与工件材料产生扩散的温度和扩散的难易程度，从而得出刀具材料与工件材料的扩散匹配关系，来选择较为适宜的与工件材料匹配的刀具材料。

但是，实际加工过程中，很难对刀具和工件材料之间动态的元素扩散问题进行深入的研究。迄今为止，对扩散实验方法的研究较少，主要有铆钉法、扩散焊和夹具法等。

目前最常用的方法就是夹具夹持。夹具由两块打孔的钢板通过两个高温螺栓连接组成，将刀具和工件放在两块钢板之间，然后夹紧。该方法存在较多的缺陷，具体为：

(1)需要根据试块的尺寸来制作专用夹具，在一定程度上造成了资源的浪费，且成本高较高，通用性较差；

(2)夹具制好后，需要对夹具进行研磨处理，保证夹具的清洁度，从而延长了实验时间，消耗人力物力；

(3)夹具夹紧试样时，两接触试样的接触面易产生滑移，导致两面不能按要求接触，不利于扩散结果的观察、分析；

(4)经高温处理拆除夹具后，两接触的扩散试样易分离，导致无法观察扩散结果。

因此，如何设计一种全新的装置或方法，来便于观察元素扩散实验中刀具与工件的相对材料特性，是本领域技术人员亟需解决的问题。

发明内容

本发明的目的是为克服上述现有技术的不足，提供及一种基于激光熔覆粘接的刀具与工件的扩散偶的制备方法。本发明通过激光熔覆方法来实现刀具与工件扩散偶的高效制备，制备过程中利用激光的高准度克服了现有技术中因夹具加持力变化而使得刀具与工件接触面相对氧化影响实验效果等多个弊端。

为了达成上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种基于激光熔覆粘接的刀具与工件的扩散偶的制备方法，包括如下步骤：

A、对已知材料的刀具或刀片切割成试样，使切割后的试样至少具有一个凹槽或容腔；

B、将待实验工件切割成试样，使切割后的试样与步骤A所得试样贴合后至少具有一个共同的凹槽或容腔；

C、对步骤B所得两试样进行研磨抛光，使两试样分别具有至少一个抛光面；

D、将步骤C所得两试样的抛光面贴合，并利用夹具将两试样装夹固定，把熔覆材料置于两试样形成的凹槽或容腔中；

E、将两试样用激光熔覆法粘接在一起，来形成扩散偶；

F、将制备好的扩散偶进行清洗，然后放入保温炉中进行加热保温；

G、将保温后的扩散偶取出，去除表面氧化层，再进行抛光和清洗后，取扩散偶的芯部进行试样分析。

上述制备方法中，优选的是，步骤C中，两试样抛光完成后，进行超声波清洗，再进行步骤D。

上述制备方法中，优选的是，步骤A中，刀具或刀片采用线切割装置进行切割，切割后的刀片或刀具为梯形体结构。

上述制备方法中，优选的是，步骤B中，工件采用线切割装置进行切割，切割后的工件为梯形体结构。

上述制备方法中，优选的是，在丙酮中进行超声波清洗。

上述制备方法中，优选的是，所述夹具包括两夹持板，任一夹持板上均具有通孔，两夹持板通过多个螺栓和螺母将步骤D所得两试样夹持在中间。

上述制备方法中，优选的是，相匹配的螺栓与螺母被扭矩扳手紧固，且所有的螺栓与螺母的扭力相同。

本发明的有益效果是：

(1)在高温加热的过程中不会由于夹具的松开而产生缝隙导致两接触面发生氧化，影响扩散实验效果；

(2)扩散偶试件保温结束后进行EDS观察时，两试件不会分开，从而保证扩散时与EDS扫描时的位置一致；

(3)进行不同的试验时无需制作特定的夹具，进而大大降低实验成本，缩短试验周期。

附图说明

图1是本发明中刀具与工件的相对配合图；

图中：1、刀具试样，2、工件试样，3、熔覆区，4、保护气，5、激光束。

具体实施方式

下面将结合附图对本发明进行详细说明。

实施例1：如图1所示，一种基于激光熔覆粘接的刀具与工件的扩散偶的制备方法，包括如下步骤：

A、选取株洲硬质合金厂的硬质合金刀具YG6作为刀具试样1，将潍柴动力发动机的缸体用灰铸铁HT250作为工件试样2，

B、采用线切割的方式将刀具试样1切割为16mm×8mm×6mm的梯形体结构，加采用线切割的方式将工件试样2切成16mm×8mm×4mm的梯形体结构；

C、将步骤A和步骤B所得试样进行二次切割，使切割后的两试样贴合后至少能形成一个凹槽或容腔，用于放置熔覆粉末，便于两试样以冶金状态牢牢地结合在一起；

D、对步骤C所得刀具试样1和工件试样2待结合面及待熔覆表面在磨床上依次进行粗磨、精磨，保证较好的至少一个相对应表面的平整度；

E、对刀具试样1和工件试样2的相互结合面在金相试样抛光机上进行研磨抛光，用三坐标测量仪MISTIAL775测量两试件待结合面的平面度，并用分析纯丙酮在超声清洗机中进行清洗，保证结合面清洁无污染，以便更好地相互吻合；

利用夹具将两试样装夹固定，把熔覆材料置于两试样形成的凹槽或容腔中；

F、将刀具试样1和工件试样2装夹固定，螺栓的紧固用定力矩扳手施加同样大小的预紧力，然后选择合适的粉末材料用激光熔覆的方法将偶件的两端面进行粘接熔覆，制备“刀具-工件”扩散偶，且控制接触面的缝隙在5μm以下；

G、将制备好的扩散偶进行清洗后，放到保温炉中进行加热保温，控制温度为800K，保温时间30min，高温后接触面的缝隙在0～2μm之间；

H、将扩散偶取出，除去表面的氧化层、抛光处理并清洗后，取扩散偶的中间部分进行试样的元素扩散分析。

上述制备方法中，所述夹具包括两夹持板，任一夹持板上均具有通孔，两夹持板通过多个螺栓和螺母将步骤D所得两试样夹持在中间。

在具体实验过程中，根据工件试样2和刀具试样1材料的不同，所用的熔覆材料也不同，常用的材料及性能见下表1：

表1常用的激光熔覆粉末性能及参数

激光熔覆的具体操作过程如下：根据工件和刀具的材料选择合适的熔覆区3粉末材料；根据熔覆区3的大小及厚度选择合理的功率密度、扫描速度、送粉速度。在一定的作用时间下，粉末的颗粒粒度越小，熔覆区3熔化越充分，裂纹的倾向就越小。使用二氧化碳气体激光器进行激光熔覆时的输出功率为6kW(即保护气4为二氧化碳)，激光束5直径3mm，光束扫描速度是500mm/min。熔覆区与基体之间呈良好的冶金结合状态，结合强度高，耐磨、耐蚀和耐热性能好，且该方法的热影响区小，熔覆区3与基材结合处形成的激光束对工件的热影响区的范围大约0.3～1.0mm，不会对实验中扩散区的观察产生影响。

上述方法中，试样分析是在电子扫描显微镜(SEM)和能谱分析仪(EDS)上进行的。SEM观察是在刀具材料和工件材料的扩散界面两侧进行线扫描分析，观察不同元素沿该扫描线的含量变化，EDS观察的方法是在刀具和工件的扩散界面两侧分别取一些点，对每一个点进行EDS元素定量分析，得到元素含量变化曲线，根据以上结果来分析刀具-工件材料的元素扩散规律。

采用本发明中的方法制备扩散偶可以方便地进行扩散实验的研究，能够有效避免接触面的氧化，能够保证SEM进行线扫描的方向与实际扩散位置的方向一致，为扩散实验的研究提高了实验效率，节省了实验成本。

值得注意的是，现有刀具中，包括两种结构，即切削部(刀片)和刀杆为一体结构或切削部(刀片)与刀杆为可拆卸结构。而本方案中所提及的刀具，其实质即为切削部(刀片)。在本发明的基础上，本领域技术人员若是利用本方法对切削部(刀片)与工件进行扩散偶制备，应当视为落入本发明的保护范围。

对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现，未予以详细说明的部分，为现有技术，在此不进行赘述。

Claims (7)

1.一种基于激光熔覆粘接的刀具与工件的扩散偶的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：

A、对已知材料的刀具或刀片切割成试样，使切割后的试样至少具有一个凹槽或容腔；

B、将待实验工件切割成试样，使切割后的试样与步骤A所得试样贴合后至少具有一个共同的凹槽或容腔；

C、对步骤B所得两试样进行研磨抛光，使两试样分别具有至少一个抛光面；

D、将步骤C所得两试样的抛光面贴合，并利用夹具将两试样装夹固定，把熔覆材料置于两试样形成的凹槽或容腔中；

E、将两试样用激光熔覆法粘接在一起，来形成扩散偶；

F、将制备好的扩散偶进行清洗，然后放入保温炉中进行加热保温；

G、将保温后的扩散偶取出，取出表面氧化层，再进行抛光和清洗后，取扩散偶的芯部进行试样分析。

2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤C中，两试样抛光完成后，进行超声波清洗，再进行步骤D。

3.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤A中，刀具或刀片采用线切割装置进行切割，切割后的刀片或刀具为梯形体结构。

4.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤B中，工件采用线切割装置进行切割，切割后的工件为梯形体结构。

5.根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于，在丙酮中进行超声波清洗。

6.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述夹具包括两夹持板，任一夹持板上均具有通孔，两夹持板通过多个螺栓和螺母将步骤D所得两试样夹持在中间。

7.上根据权利要求6所述的制备方法，其特征在于，相匹配的螺栓与螺母被扭矩扳手紧固，且所有的螺栓与螺母的扭力相同。