CN107338437B - 一种激光熔覆石墨烯-陶瓷自润滑涂层刀具及其制备方法 - Google Patents

一种激光熔覆石墨烯-陶瓷自润滑涂层刀具及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明属于机械切削刀具制造技术领域，涉及了一种激光熔覆石墨烯‑陶瓷自润滑涂层刀具及其制备方法。所述自润滑涂层刀具的基体材料为高速钢，刀具前刀面为石墨烯‑陶瓷自润滑涂层。该自润滑涂层通过将石墨烯添加至Al2O3或Si3N4基陶瓷混合粉末中，采用CO2激光同步送粉方式在刀具前刀面熔覆制成。该刀具具有韧性好、硬度高及自润滑作用的特点。干切削时，利用石墨烯在陶瓷刀具表面形成连续的固体润滑膜，从而实现刀具本身的自润滑功能。

Description

一种激光熔覆石墨烯-陶瓷自润滑涂层刀具及其制备方法
技术领域
本发明属于机械切削刀具制造领域，涉及了一种激光熔覆石墨烯-陶瓷自润滑涂层刀具及其制备方法。
背景技术
由于切削液费用较高，且造成环境污染，干切削加工已成为绿色加工的一个研究热点。但高速干切削时，前刀面上刀-屑之间的摩擦异常剧烈，产生了大量的热，导致了刀具的快速磨损。因此迫切需要研究开发无污染、高效且具有高硬度、高耐磨性能的新型刀具，以降低摩擦从而提高刀具寿命。目前国内外广泛使用的切削刀具材料主要有高速钢，硬质合金、陶瓷及金刚石刀具等。高速钢导热性能差，硬度低，耐磨性能较差，因此不适合加工难加工材料；硬质合金及陶瓷刀具等由于材料本身的脆性较大，制造过程中容易出现刃口断裂导致刀具的寿命降低；金刚石刀具等制造成本较高。目前涂层刀具使用较为广泛，但由于其涂层厚度较薄，使用寿命有限。
中国专利“申请号：CN200910256536.9”报道了一种软硬复合涂层刀具及其制备方法，该刀具采用中频磁控沉积和多弧离子镀膜方法制备MoS2/ZrN复合涂层刀具，该刀具既具有较低的摩擦系数，又具有较高的硬度。但由于其涂层厚度较薄，因此作用时间较短。中国专利“申请号：CN03107823.0”报道了一种刀具及其加工方法，利用激光熔覆技术在刀具刀刃上熔覆一层纳米碳纤维，纳米陶瓷及超细硬质合金粉末组成的合金强化硬化层，提高其硬度和耐磨性能从而延长刀具寿命，但该刀具并不能实现自润滑功能。中国专利“申请号：201610928498.7”报道了一种添加氧化铝包覆石墨烯的自润滑陶瓷刀具材料，将氧化铝包覆石墨烯添加至陶瓷刀具混合粉料中，采用真空热压烧结工艺制备出具有自润滑功效的陶瓷刀具材料。该刀具具有较高的硬度且具有较好的自润滑性能，但刀具韧性有待进一步提高。中国专利“申请号：201310465488.0”报道了一种激光熔覆软硬复合涂层自润滑刀具的制备方法，采用激光送粉方式在刀具表面首先熔覆Al2O3陶瓷或硬质合金硬质涂层，然后熔覆镍包MoS2或WS2粉末软涂层，从而实现刀具表面既具有较高的硬度又具有自润滑功能。但该刀具经过长时间切削，表面软涂层磨损后，容易导致只残留硬涂层，从而减小了自润滑效果。
发明内容
技术问题：本发明的目的在于克服上述现有技术的不足，提供一种激光熔覆石墨烯-陶瓷自润滑涂层刀具及其制备方法。该刀具表面具有较厚的自润滑涂层，涂层与基体之间具有较高的结合强度。同时，该刀具具有良好的韧性和极高的硬度。
技术方案：本发明是通过以下方法实现的：
本发明的一种激光熔覆石墨烯-陶瓷自润滑涂层刀具，刀具基体材料为高速钢，其特征在于刀具前刀面为石墨烯-陶瓷自润滑涂层。
一种激光熔覆石墨烯-陶瓷自润滑涂层刀具的制备方法，其特征在于：将石墨烯添加至Al2O3或Si3N4基等陶瓷混合粉末中，采用CO2激光同步送粉方式在高速钢刀具前刀面熔覆一层石墨烯-陶瓷自润滑涂层，其具体的制备方法如下：
(1)将刀具依次放在酒精和丙酮溶液中超声清洗20-30min，进行去油污处理；
(2)将氧化铝包覆石墨烯粉末添加至商用镍包Al2O3基或商用镍包Si3N4基陶瓷混合粉末中配置混合粉料，其主要成分(重量百分比)：50-60％镍包Al2O3或50-60％镍包Si3N4，5-10％氧化铝包覆石墨烯，20-40％TiC，1-2％Ni和0.5-1％Mo，各材料的重量百分比之和为100％；
(3)激光熔覆采用同步送粉方式进行，采用波长为10.6μm的CO2激光。调整激光加工参数如下：激光功率为300-800W，光斑直径1-3mm，扫描速度3-8mm/s，搭接率Φ＝30-50％；将配制好的混合粉料装入送粉器中，调整送粉器送粉速率为10-20g/cm3；
(4)采用CO2激光通过同步送粉方式将混合粉料熔覆在刀具前刀面，其涂层厚度为500-1000μm；送粉气与保护气均采用氩气，熔覆完成后对刀具表面进行修整。
有益效果：本发明制备的激光熔覆石墨烯-陶瓷自润滑涂层刀具，刀具整体韧性较好，表面硬度较高且具有自润滑功效。干切削时，刀具表面涂层能够在刀-屑接触界面形成连续的润滑膜，从而减小摩擦磨损、抑制粘结，实现刀具整个生命周期内的自润滑功效。
附图说明
图1是激光熔覆石墨烯-陶瓷自润滑涂层刀具结构示意图，其中：1为刀具基体材料，2为石墨烯-陶瓷自润滑涂层。
具体实施方式
以下“氧化铝包覆石墨烯”采用文献“熊鑫，石墨烯/氧化铝复合粉体的制备及其在浇注料中的应用，武汉科技大学硕士毕业论文”中方法制备所得。
实施例1：
一种激光熔覆石墨烯-陶瓷自润滑涂层刀具及其制备方法，刀具基体材料为W18Cr4V高速钢，刀具表面为石墨烯-Al2O3基陶瓷自润滑涂层。该自润滑涂层通过将石墨烯添加至Al2O3基陶瓷混合粉末中，采用CO2激光同步送粉方式在刀具前刀面熔覆制成。其具体的制备方法如下：
(1)将刀具依次放在酒精和丙酮溶液中超声清洗20min，进行去油污处理；
(2)将氧化铝包覆石墨烯粉末添加至商用镍包Al2O3基陶瓷混合粉末中配置混合粉料，其主要成分(重量百分比)：50％镍包Al2O3，8％氧化铝包覆石墨烯，40％TiC，1％Ni和1％Mo，各材料的重量百分比之和为100％；
(3)激光熔覆采用同步送粉方式进行，采用波长为10.6μm的CO2激光。调整激光加工参数如下：激光功率为800W，光斑直径2mm，扫描速度6mm/s，搭接率Φ＝50％；将配制好的混合粉料装入送粉器中，调整送粉器送粉速率为20g/cm3；
(4)采用CO2激光通过同步送粉方式将混合粉料熔覆在刀具前刀面，其涂层厚度为1000μm；送粉气与保护气均采用氩气，熔覆完成后对刀具表面进行修整。
实施例2：
一种激光熔覆石墨烯-陶瓷自润滑涂层刀具及其制备方法，刀具基体材料为W9Mo3Cr4V高速钢，刀具表面为石墨烯-Si3N4基陶瓷自润滑涂层。该自润滑涂层通过将石墨烯添加至Si3N4基陶瓷混合粉末中，采用CO2激光同步送粉方式在刀具前刀面熔覆制成。其具体的制备方法如下：
(1)将刀具依次放在酒精和丙酮溶液中超声清洗30min，进行去油污处理；
(2)将氧化铝包覆石墨烯粉末添加至商用镍包Si3N4基陶瓷混合粉末中配置混合粉料，其主要成分(重量百分比)：57％镍包Si3N4，10％氧化铝包覆石墨烯，30％TiC，2％Ni和1％Mo，各材料的重量百分比之和为100％；
(3)激光熔覆采用同步送粉方式进行，采用波长为10.6μm的CO2激光。调整激光加工参数如下：激光功率为500W，光斑直径1mm，扫描速度4mm/s，搭接率Φ＝30％；将配制好的混合粉料装入送粉器中，调整送粉器送粉速率为15g/cm3；
(4)采用CO2激光通过同步送粉方式将混合粉料熔覆在刀具前刀面，其涂层厚度为800μm；送粉气与保护气均采用氩气，熔覆完成后对刀具表面进行修整。
实施例3：
一种在刀具表面激光熔覆石墨烯-陶瓷自润滑涂层的方法，刀具基体材料为W12Cr4V4Mo高速钢，刀具表面为石墨烯-Si3N4基陶瓷自润滑涂层。该自润滑涂层通过将石墨烯添加至Si3N4基陶瓷混合粉末中，采用CO2激光同步送粉方式在刀具前刀面熔覆制成。其具体的制备方法如下：
(1)将刀具依次放在酒精和丙酮溶液中超声清洗25min，进行去油污处理；
(2)将氧化铝包覆石墨烯粉末添加至商用镍包Si3N4陶瓷粉末中配置混合粉料，其主要成分(重量百分比)：60％镍包Si3N4，5％氧化铝包覆石墨烯，33％TiC，1.5％Ni和0.5％Mo，各材料的重量百分比之和为100％；
(3)激光熔覆采用同步送粉方式进行，采用波长为10.6μm的CO2激光。调整激光加工参数如下：激光功率为300W，光斑直径3mm，扫描速度8mm/s，搭接率Φ＝40％；将配制好的混合粉料装入送粉器中，调整送粉器送粉速率为10g/cm3；
(4)采用CO2激光通过同步送粉方式将混合粉料熔覆在刀具前刀面，其涂层厚度为500μm；送粉气与保护气均采用氩气，熔覆完成后对刀具表面进行修整。

Claims (6)

1.一种激光熔覆石墨烯-陶瓷自润滑涂层刀具，刀具基体材料为高速钢，其特征在于，刀具前刀面为石墨烯-陶瓷自润滑涂层；所述的激光熔覆石墨烯-陶瓷自润滑涂层刀具的制备方法，是将石墨烯添加至Al2O3或Si3N4基陶瓷混合粉末中，采用CO2激光同步送粉方式在高速钢刀具前刀面熔覆一层石墨烯-陶瓷自润滑涂层。
2.根据权利要求1所述的激光熔覆石墨烯-陶瓷自润滑涂层刀具，其特征在于，所述自润滑涂层厚度为500-1000 μm。
3.权利要求1或2所述的激光熔覆石墨烯-陶瓷自润滑涂层刀具的制备方法，其特征在于：将石墨烯添加至Al2O3或Si3N4基陶瓷混合粉末中，采用CO2激光同步送粉方式在高速钢刀具前刀面熔覆一层石墨烯-陶瓷自润滑涂层。
4.根据权利要求3所述的激光熔覆石墨烯-陶瓷自润滑涂层刀具的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1) 将刀具依次放在酒精和丙酮溶液中超声清洗20-30 min，进行去油污处理；
(2) 将氧化铝包覆石墨烯粉末添加至镍包Al2O3基或镍包Si3N4基陶瓷混合粉末中配置混合粉料；
(3) 激光熔覆采用同步送粉方式进行，采用波长为10.6 μm 的CO2激光，调整激光加工参数，将配制好的混合粉料装入送粉器中，调整送粉器送粉速率为10-20 g/cm3；
(4) 采用CO2激光通过同步送粉方式将混合粉料熔覆在刀具前刀面；送粉气与保护气均采用氩气，熔覆完成后对刀具表面进行修整。
5.根据权利要求4所述的激光熔覆石墨烯-陶瓷自润滑涂层刀具的制备方法，其特征在于，步骤（2）所述混合粉料中各主要成分（重量百分比）如下：50-60% 镍包Al2O3或50-60% 镍包Si3N4，5-10% 氧化铝包覆石墨烯，20-40% TiC，1-2% Ni和0.5-1% Mo，各材料的重量百分比之和为100%。
6.根据权利要求4所述的激光熔覆石墨烯-陶瓷自润滑涂层刀具的制备方法，其特征在于，步骤（3）中激光加工参数如下：激光功率为300-800 W，光斑直径1-3 mm，扫描速度3-8mm/s，搭接率Φ＝30-50%。
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