CN105562690A - 一种增材制造材料及利用该材料的刀刃增材制造工艺 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种增材制造材料及利用该材料的刀刃增材制造工艺。增材制造材料由铁基自熔性合金粉末和碳化钛粉末按比例混合而成，其中铁基自熔性合金粉末质量百分比为40-60%，碳化钛粉末质量百分比为60-40%。利用上述增材制造材料的刀刃增材制造工艺，包括以下工艺步骤：混合粉末研磨、烘干、刀刃打磨除锈、清洗油污、同轴送粉、激光照射在刀刃处形成强化层。本发明的优点在于，增材制取的强化层厚度均匀，表面质量优良，组织致密均匀，硬度高，耐磨性强，无气孔、裂纹等缺陷；刃口硬度可达到HV1000以上，耐磨性是基体的3-4倍，使用寿命是传统刀具的10倍以上；可以减少高端钢材进口量，降低高端刀具的制作成本，提升高端刀具的市场竞争力。

Description

一种增材制造材料及利用该材料的刀刃增材制造工艺
技术领域
本发明属于增材制造领域，更具体地说，尤其涉及一种增材制造材料及利用该材料的刀刃增材制造工艺。
背景技术
目前我国刀具的制作材料一般选择不锈钢，刀具冲压成形后再通过热处理技术提高刀具的强度、硬度及耐磨性能，但是普通马氏体不锈钢刀具经过热处理强化后刃口硬度一般在HV600左右，已经越来越难以满足人们对高端刀具高硬度、高耐磨性等性能的要求，很多国内企业采用国外的优质钢材，例如日本千层钢来制造高性能刀具，但这同时也增加了高端刀具的制造成本。
增材制造技术是采用材料逐渐累加的方法制造实体零件的技术，相对于传统的材料去除－切削加工技术，是一种“自下而上”的制造方法。采用增材制造技术可以在基体材料表面添加硬质合金粉末，利用高能量密度的激光束产生的超高温度熔化硬质合金材料和基材，凝固后在基材表面形成特殊性能的强化层，以达到改善其表面性能的目的。采用增材制造的方法在普通不锈钢刀具的刀刃表面制取强化层，经开刃后硬度可达基体的4-5倍，耐磨性可达基体的3-4倍，真正实现好钢用在刀刃上，大幅度降低刀具的制造成本。
发明内容
本发明的目的是为了解决上述存在的问题，提供一种成本低廉、耐磨性好、硬度高、热力学性能稳定的增材制造材料，以及利用该增材制造材料增材制造组织致密性好、硬度高、耐磨性好的刀具刃口的刀刃增材制造工艺。
本发明通过以下技术方案实现。
本发明提供了一种增材制造材料，其由铁基自熔性合金粉末和碳化钛粉末按比例混合而成，其中铁基自熔性合金粉末质量百分比为40-60%，碳化钛粉末质量百分比为60-40%。
上述铁基自熔性合金粉末尺寸为50-300um，所含成分质量百分组成为C：0.1-0.25、Ni：7-10、Cr：14-17、Mo：0.6-0.75、Si：1-1.5、B：2-4，余量为Fe；所述碳化钛尺寸为10-50um。
本发明还提供了一种利用上述增材制造材料的刀刃增材制造工艺，包括以下工艺步骤：
1）、将质量百分比为40-60%的铁基自熔性合金和质量百分比为60-40%碳化钛的混合粉末置于球磨机的球磨罐中球磨10-15小时，转速为300-320r/min然后将经球磨后的粉末置于真空烘干箱中烘干；
2）、将上述混合粉末放在100-120℃温度下烘干1.5-2小时后保温，保温温度为30-40℃，保温时间至少30分钟，待混合粉末冷却至室温后移至送粉器中；
3）、将刀具的刀刃处打磨去除铁锈，再清洗刀刃表面油污，然后用专用夹具将刀具固定；
4）、在刀具的刀刃表面采用激光通过同轴送粉的方式进行增材制造形成强化层。
上述步骤3）中的刀具材料为4Cr13不锈钢，厚度范围为1.5-3.5mm。
上述步骤4）中的送粉速度为30-50g/min。
上述步骤4）中所述激光工艺参数为激光功率范围1-3KW，激光光斑直径1-2mm，离焦量1-2mm，扫描速度15-30mm/s，氩气保护。
本发明的优点在于，在不锈钢刀具的刀刃表面增材制取的强化层厚度均匀，表面质量优良，组织致密均匀，硬度高，耐磨性强，无气孔、裂纹等缺陷；采用本发明制备的刀具经开刃后，刃口硬度可达到HV1000以上，耐磨性是基体的3-4倍，使用寿命是传统刀具的10倍以上；可以减少高端钢材进口量，降低高端刀具的制作成本，提升高端刀具的市场竞争力。
附图说明
图1是本发明刀刃增材制造工艺的示意图。
图2是本发明实施例1刀刃的增材制造强化层的SEM形貌。
图3是本发明实施例2刀刃的增材制造强化层的SEM形貌。
图4是本发明实施例刀具的增材制造强化层的显微硬度。
其中：1为激光熔覆头，2为刀刃，3为增材制造材料，4为增材制造强化层。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步详细描述。
以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围
实施例1
本实施例的增材制造材料按质量百分比，由40%的碳化钛粉末和60%的铁基自熔性合金粉末混合组成，其中铁基自熔性合金粉末尺寸范围为50-200um，所含成分质量百分组成为C：0.2、Ni：8、Cr：15、Mo：0.65、Si：1、B：3，余量为Fe，碳化钛尺寸范围为10-50um。
利用上述增材制造材料的刀刃增材制造工艺，包括以下工艺步骤：
1）、将上述混合粉末放入球磨机的球磨罐中，也可以将上述混合粉末与适量的无水乙醇和适量的球磨珠子一块放入球磨机的球磨罐中，设定球磨机的转速为300r/min，球磨12个小时；
2）、将球磨后的混合粉末放入真空烘干箱中干燥处理，设定烘干温度为100℃，烘干时间为1.5小时，保温温度为30℃，保温时间至少30分钟，然后将混合粉末移至转盘式送粉器中；
3）、选择材料为4Cr13不锈钢，厚度为2.5mm的刀具作为基体材料，将刀具刀刃处用500#砂纸打磨除锈，丙酮溶液清洗刀刃表面油污，用专用夹具将刀具固定。其它可除锈和油污的方法也适用于本发明；
4）、采用同轴送粉的方式，以碟片式激光器作为增材制造热源，在刀具的刀刃表面进行增材制造形成强化层，其中激光功率1.2KW，激光光斑直径1.2mm，离焦量1mm，扫描速度15mm/s，送粉速度为35g/min，氩气保护。其中碟片式激光器作为增材制造热源优选方案，但不是必选方案，其它可稳定连续输出激光的激光器也适用于本发明。
实施例2
本实施例的增材制造材料按质量百分比，由60%的碳化钛粉末和40%的铁基自熔性合金粉末混合组成，其中铁基自熔性合金粉末尺寸范围为50-200um，所含成分质量百分组成为C：0.2、Ni：8、Cr：15、Mo：0.65、Si：1、B：3，余量为Fe，碳化钛尺寸范围为10-50um。
利用上述增材制造材料的刀刃增材制造工艺，包括以下工艺步骤：
1）、将上述混合粉末放入球磨机的球磨罐中，也可以将上述混合粉末与适量的无水乙醇和适量的球磨珠子一块放入球磨机的球磨罐中，设定球磨机的转速为320r/min，球磨12个小时；
2）、将球磨后的混合粉末放入真空烘干箱中干燥处理，设定烘干温度为120℃，烘干时间为2小时，保温温度为40℃，保温时间至少30分钟，然后将混合粉末移至转盘式送粉器中；
3）、选择材料为4Cr13不锈钢，厚度为3.5mm的刀具作为基体材料，将刀具刀刃处用500#砂纸打磨除锈，丙酮溶液清洗刀刃表面油污，用专用夹具将刀具固定。其它可除锈和油污的方法也适用于本发明；
4）、采用同轴送粉的方式，以碟片式激光器作为增材制造热源，在刀具的刀刃表面进行增材制造形成强化层，其中激光功率2.8KW，激光光斑直径2mm，离焦量1.5mm，扫描速度30mm/s，送粉速度为45g/min，氩气保护。
实施例1和实施例2的刀刃增材制造过程示意图如图1所示。激光熔覆头1在刀刃2表面采用同轴送粉的方式将铁基自熔性合金粉末和碳化钛粉末混合而成的增材制造材料3在刀刃表面形成强化层4。
实施例1所得强化层的SEM形貌如图2所示，图显示碳化钛在基体中呈不规则颗粒状或雪花状，并有轻微团聚现象，但总体分布比较均匀，组织中无气孔、裂纹等缺陷。实施例2所得强化层的SEM形貌如图3所示，图显示碳化钛在基体中也呈不规则颗粒状或雪花状，无团聚现象，分布均匀，并且组织中无气孔、裂纹等缺陷。
实施例1和实施例2所得强化层的显微硬度如图3所示。可见实施例1的强化层显微硬度范围为HV780-971，实施例2的强化层显微硬度范围为HV770-1182，可见碳化钛含量在40-60%范围内，熔覆层硬度随碳化钛含量增多而升高。
以上实施例是本发明较佳实施方案，但本发明的实施方案并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的本质与原理所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均同理包括在本发明的专利保护范围之内。

Claims (6)

1.一种增材制造材料，其特征在于，其由铁基自熔性合金粉末和碳化钛粉末按比例混合而成，其中铁基自熔性合金粉末质量百分比为40-60%，碳化钛粉末质量百分比为60-40%。
2.根据权利要求1所述的增材制造材料，其特征在于，所述铁基自熔性合金粉末尺寸为50-200um，所含成分质量百分组成为C：0.1-0.25、Ni：7-10、Cr：14-17、Mo：0.6-0.75、Si：1-1.5、B：2-4，余量为Fe；所述碳化钛尺寸为10-100um。
3.一种利用权利要求1所述的增材制造材料的刀刃增材制造工艺，其特征在于，包括以下工艺步骤：
1）、将质量百分比为40-60%的铁基自熔性合金和质量百分比为60-40%碳化钛的混合粉末置于球磨机的球磨罐中球磨10-15小时，转速为300-320r/min，然后将经球磨后的粉末置于真空烘干箱中烘干；
2）、将上述混合粉末放在100-120℃温度下烘干1.5-2小时后保温，保温温度为30-40℃，保温时间至少30分钟，待混合粉末冷却至室温后移至送粉器中；
3）、将刀具的刀刃处打磨去除铁锈，再清洗刀刃表面油污，然后用专用夹具将刀具固定；
4）、在刀具的刀刃表面采用激光通过同轴送粉的方式进行增材制造形成强化层。
4.根据权利要求3所述的刀刃增材制造工艺，其特征在于，所述步骤3）中的刀具材料为4Cr13不锈钢，厚度范围为1.5-3.5mm。
5.根据权利要求3所述的刀刃增材制造工艺，其特征在于，所述步骤4）中的送粉速度为30-50g/min。
6.根据权利要求3所述的刀刃增材制造工艺，其特征在于，所述步骤4）中所述激光工艺参数为激光功率范围1-3KW，激光光斑直径1-2mm，离焦量1-2mm，扫描速度15-30mm/s，氩气保护。
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