CN107838425A - 一种金属陶瓷刀具及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种金属陶瓷刀具，其制备原料包括TiC陶瓷粉末和合金粉末，TiC陶瓷粉末和合金粉末的重量比为(2‑9)：1。该金属陶瓷刀具的内部组织均匀，疏松、气孔等缺陷较少、致密度高、力学性能良好。本发明还公开了一种金属陶瓷刀具的制备方法，工艺简洁，依次经过以下步骤即可获取产品：按组分比例混粉→选区激光烧结→后处理→金属陶瓷刀具，大幅缩短了工艺流程；制造周期较传统工艺缩短了近40％；并且可成型任意复杂形状的零件，同时不需额外的辅助工具。

Description

一种金属陶瓷刀具及其制备方法
技术领域
本发明涉及刀具技术领域，尤其涉及一种金属陶瓷刀具及其制备方法。
背景技术
金属陶瓷具有硬度高、抗磨性强、摩擦系数和切削力小等优点，金属陶瓷刀具已经成为了刀具行业中的新生力量。传统的金属陶瓷刀具的制备流程一般如下：按组分配备粉末原料→混料→成型剂添加→湿磨→过筛→干燥→压制成型→真空/氮气压力烧结→后处理→金属陶瓷刀具。
但是，现有的金属陶瓷刀具存在以下缺陷：
(1)内部组织不均匀，缺陷较多；
(2)工艺流程复杂，制造周期长；
(3)成型结构简单，且压制成型时需专用包套、模具等辅助设施。
发明内容
为了克服现有技术的不足，本发明的目的之一在于提供一种内部组织细小、均匀，致密度高、力学性能良好的金属陶瓷刀具。
本发明的目的之二在于提供一种金属陶瓷刀具的制备方法，工艺流程简单，制造周期短，可成型任意复杂形状的零件，且不需额外的辅助工具。
本发明的目的之一采用如下技术方案实现：
一种金属陶瓷刀具，其制备原料包括TiC陶瓷粉末和合金粉末，所述TiC陶瓷粉末和所述合金粉末的重量比为(2-9)：1。
进一步地，所述合金粉末包括按照重量百分比计的以下组分：
Cr 17-23％；Fe 0.1-5％；Nb 3-5.5％；Mo 2.5-3.5％；Ni，余量。
进一步地，所述TiC陶瓷粉末和所述合金粉末的重量比为(2-7)：1。
进一步地，所述合金粉末包括按照重量百分比计的以下组分：
Co 60-65％；Cr 24-30％；Mo 5-7％；W 0.1-6％。
进一步地，所述TiC陶瓷粉末和所述合金粉末的重量比为(5-9)：1。
进一步地，所述合金粉末的粒度为5-50μm，所述TiC陶瓷粉末的粒度为5-30μm。
进一步地，所述合金粉末的形状为球形颗粒。
本发明的目的之二采用如下技术方案实现：
一种金属陶瓷刀具的制备方法，包括：
粉末制备步骤：将配方量的TiC陶瓷粉末和合金粉末混合均匀，获取金属陶瓷粉末；
激光烧结步骤：获取刀具的三维模型，将三维模型等分为若干层；然后在填充软件(Eplus hatch tool)中对每层的激光曝光路径进行分区和规划，并对激光功率和扫描速度、扫描间距等参数进行设置，输出相应的数据(格式为“.epa”)，最后导入装有所述金属陶瓷粉末的选区激光烧结成型机中，对成型机器的参数，如：循环风量、成型氛围氧含量、基板加热温度进行设置，待成型条件满足后，将所述金属陶瓷粉末在基板上进行逐层烧结，得到半成品；
后处理步骤：将所述半成品从所述基板上移除，进行表面处理，得到最终的金属陶瓷刀具。
进一步地，在所述粉末制备步骤中，将配方量的TiC陶瓷粉末和合金粉末置于三维混料机中进行混粉，混料时间为6-10h；在所述激光烧结步骤中，将所述三维模型等分为若干层，每一层的厚度为0.02-0.05mm；在所述后处理步骤中，采用线切割的方式将所述半成品从所述基板上移除，用氧化铝对所述半成品的表面进行喷砂处理。
进一步地，在所述激光烧结步骤中，当所述合金粉末为Cr-Fe-Nb-Mo-Ni合金时，激光功率为160-240W，扫描速度为0.5-1.2m/s；当所述合金粉末为Co-Cr-Mo-W合金时，激光功率为200-290W，扫描速度为0.9-1.6m/s。
相比现有技术，本发明的有益效果在于：
(1)本发明所提供的金属陶瓷刀具，内部组织细小、均匀，致密度高、力学性能良好，刀具的抗弯强度在800-900MPa之间，硬度为80-90HRA。
(2)本发明所提供的金属陶瓷刀具的制备方法，工艺简洁，依次经过以下步骤即可获取产品：按组分比例混粉→选区激光烧结→后处理→金属陶瓷刀具，大幅缩短了工艺流程；制造周期较传统工艺缩短了近40％；并且可成型任意复杂形状的零件，同时不需额外的辅助工具。基于该制备工艺获取的产品具有相对致密高、内部组织均匀、节省材料、可以成形复杂构件等优点。
附图说明
图1为本发明实施例1所提供的金属陶瓷刀具烧结前，TiC陶瓷粉末和合金粉末混合后的形貌图；
图2为本发明实施例1所提供的金属陶瓷刀具在扫描电镜下放大120倍的形貌图；
图3为本发明实施例1所提供的金属陶瓷刀具在扫描电镜下放大1000倍的形貌图。
具体实施方式
下面，结合附图以及具体实施方式，对本发明做进一步描述，需要说明的是，在不相冲突的前提下，以下描述的各实施例之间或各技术特征之间可以任意组合形成新的实施例。
一种金属陶瓷刀具，其制备原料包括TiC陶瓷粉末和合金粉末，TiC陶瓷粉末和合金粉末的重量比为(2-9)：1。其中，合金粉末为粘结相，TiC陶瓷粉末为硬质相。
但是，该金属陶瓷刀具的制备原料不限于TiC陶瓷粉末和合金粉末，在实际生产过程中，还可以添加合适的辅料用于提升刀具的特性，例如粘结剂等。
作为进一步的实施方式，TiC陶瓷粉末和合金粉末的重量比为(2-7)：1；合金粉末可以采用真空气雾化的方式生产获得，合金粉末包括按照重量百分比计的以下组分：Cr17-23％；Fe 0.1-5％；Nb 3-5.5％；Mo 2.5-3.5％；Ni，余量。
作为进一步的实施方式，TiC陶瓷粉末和合金粉末的重量比为(5-9)：1；合金粉末可以采用真空气雾化的方式生产获得，合金粉末包括按照重量百分比计的以下组分：Co60-65％；Cr 24-30％；Mo 5-7％；W 0.1-6％。
作为进一步的实施方式，合金粉末的粒度为5-50μm，其形状为球形颗粒，有利于保证后续加工时粉末的流动性；TiC陶瓷粉末的粒度为5-30μm，其颗粒较小，且为形状不规则的粉末，有利于提高金属陶瓷粉末的整体致密度。
本发明实施例所提供的金属陶瓷刀具，内部组织细小、均匀，致密度高、力学性能良好，刀具的抗弯强度在800-900MPa之间，硬度为80-90HRA。
一种金属陶瓷刀具的制备方法，包括：
粉末制备步骤：将配方量的TiC陶瓷粉末和合金粉末混合均匀，获取金属陶瓷粉末；
激光烧结步骤：获取刀具的三维模型，将三维模型等分为若干层；然后在填充软件(Eplus hatch tool)中对每层的激光曝光路径进行分区和规划，并对激光功率和扫描速度、扫描间距等参数进行设置，输出相应的数据(格式为“.epa”)，最后导入装有金属陶瓷粉末的选区激光烧结成型机中，对成型机器的参数，如：循环风量、成型氛围氧含量、基板加热温度进行设置，待成型条件满足后，将金属陶瓷粉末在基板上进行逐层烧结，得到半成品；
后处理步骤：将半成品从基板上移除，进行表面处理，得到最终的金属陶瓷刀具。
作为进一步的实施方式，在粉末制备步骤中，将配方量的TiC陶瓷粉末和合金粉末置于三维混料机中进行混粉，混料时间为6-10h。
作为进一步的实施方式，在激光烧结步骤中，将三维模型等分为若干层，每一层的厚度为0.02-0.05mm；通过路径规划软件对每个分层的激光曝光规则进行设计，并设置激光功率和扫描速度，当合金粉末为Cr-Fe-Nb-Mo-Ni合金时，激光功率为160-240W，扫描速度为0.5-1.2m/s；当合金粉末为Co-Cr-Mo-W合金时，激光功率为200-290W，扫描速度为0.9-1.6m/s；将数据导入至选区激光烧结成型机，待基板安装调试完毕、机器参数设置完毕、成型条件具备后可进行逐层烧结。
其中，路径规划软件的名称为“Eplus hatch tool”，其是杭州易加三维科技有限公司自主研发的软件，激光扫描路径规划策略为短直线分区扫描。
作为进一步的实施方式，在后处理步骤中，采用线切割的方式将半成品从基板上移除，用氧化铝对半成品的表面进行喷砂处理。
本发明实施例所提供的金属陶瓷刀具的制备方法，采用选区激光烧结成型机进行金属陶瓷刀具的烧结成型，基于分层制造的原理，利用高能量的光纤激光器将混合原料粉末中熔点较低、粘结性较好的粘结相(合金粉末)熔化，熔化的合金粉末将硬质陶瓷相(TiC陶瓷粉末)润湿包裹，逐层成形为实体零件。该工艺具有以下优点：
大幅缩短了工艺流程；制造周期较传统工艺缩短了近40％；并且可成型任意复杂形状的零件，同时不需额外的辅助工具；产品内部组织细小均匀、相对致密高、力学性能良好、节省材料等。
以下是本发明具体的实施例，在下述实施例中所采用的原材料、设备等除特殊限定外均可以通过购买方式获得。
实施例1-11
一种金属陶瓷刀具，其制备原料包括TiC陶瓷粉末和合金粉末，TiC陶瓷粉末和合金粉末的重量比如下表1所示，合金粉末的具体组成如下表1所示。
表1实施例1-11的金属陶瓷刀具的配方表
上述金属陶瓷刀具按照以下方法制备而成：
粉末制备步骤：将配方量的TiC陶瓷粉末和合金粉末置于三维混料机中进行混粉，混料时间为8h；
激光烧结步骤：获取刀具的三维模型，将三维模型等分为若干层，每一层的厚度为0.035mm；通过路径规划软件“Eplus hatch tool”对每个分层采用短直线分区扫描规则进行激光曝光，并设置激光功率为230W，扫描速度为1.2m/s；将数据导入至选区激光烧结成型机，待基板安装调试完毕、机器参数设置完毕、成型条件具备后可进行逐层烧结，得到半成品；
后处理步骤：采用线切割的方式将半成品从基板上移除，用氧化铝对半成品的表面进行喷砂处理，得到最终的金属陶瓷刀具。
效果评价及性能检测
1、力学性能测试
分别取实施例1-11的金属陶瓷刀具，对其抗弯折强度和硬度进行测试，测试结果如下表2所示。
表2实施例1-11的金属陶瓷刀具的力学性能测试结果记录表
从表2中的数据可得，实施例1-11的金属陶瓷刀具的抗弯强度在800-900MPa之间，硬度为80-90HRA之间，质量好，经久耐用。
2、电镜扫描测试
A、利用扫面电镜获取实施例1所提供的TiC陶瓷粉末和合金粉末混合后的形貌图，从图1中可得，合金粉末与TiC陶瓷粉末掺杂均匀性好，合金粉末为球形颗粒，有利于后续加工时合金-陶瓷粉末的流动性；而TiC陶瓷粉末为粒径较小的不规则形状，有利于提高合金-陶瓷粉末的整体致密度。实施例2-11的合金-陶瓷粉末的扫面电镜形貌图与实施例1相近，在此不再赘述。
B、利用扫面电镜分别获取实施例1所提供的金属陶瓷刀具放大120倍和1000倍的形貌图，从图2-3中可得，实施例1的金属陶瓷刀具放大后，内部组织细致均匀，致密度高。实施例2-11的金属陶瓷刀具的扫面电镜形貌图与实施例1相近，在此不再赘述。
上述实施方式仅为本发明的优选实施方式，不能以此来限定本发明保护的范围，本领域的技术人员在本发明的基础上所做的任何非实质性的变化及替换均属于本发明所要求保护的范围。

Claims (10)

1.一种金属陶瓷刀具，其特征在于，其制备原料包括TiC陶瓷粉末和合金粉末，所述TiC陶瓷粉末和所述合金粉末的重量比为(2-9)：1。
2.如权利要求1所述的金属陶瓷刀具，其特征在于，所述合金粉末包括按照重量百分比计的以下组分：
Cr 17-23％；Fe 0.1-5％；Nb 3-5.5％；Mo 2.5-3.5％；Ni，余量。
3.如权利要求2所述的金属陶瓷刀具，其特征在于，所述TiC陶瓷粉末和所述合金粉末的重量比为(2-7)：1。
4.如权利要求1所述的金属陶瓷刀具，其特征在于，所述合金粉末包括按照重量百分比计的以下组分：
Co 60-65％；Cr 24-30％；Mo 5-7％；W 0.1-6％。
5.如权利要求4所述的金属陶瓷刀具，其特征在于，所述TiC陶瓷粉末和所述合金粉末的重量比为(5-9)：1。
6.如权利要求1所述的金属陶瓷刀具，其特征在于，所述合金粉末的粒度为5-50μm，所述TiC陶瓷粉末的粒度为5-30μm。
7.如权利要求1所述的金属陶瓷刀具，其特征在于，所述合金粉末的形状为球形颗粒。
8.一种如权利要求1-7任一项所述的金属陶瓷刀具的制备方法，其特征在于，包括：
粉末制备步骤：将配方量的TiC陶瓷粉末和合金粉末混合均匀，获取金属陶瓷粉末；
激光烧结步骤：获取刀具的三维模型，将三维模型等分为若干层；然后在填充软件中对每层的激光曝光路径进行分区和规划，并对相关参数进行设置并导入装有所述金属陶瓷粉末的选区激光烧结成型机中，接着对所述选区激光烧结成型机的参数进行设置，待成型条件满足后，将所述金属陶瓷粉末在基板上进行逐层烧结，得到半成品；
后处理步骤：将所述半成品从所述基板上移除，进行表面处理，得到最终的金属陶瓷刀具。
9.如权利要求8所述的金属陶瓷刀具的制备方法，其特征在于，在所述粉末制备步骤中，将配方量的TiC陶瓷粉末和合金粉末置于三维混料机中进行混粉，混料时间为6-10h；在所述激光烧结步骤中，将所述三维模型等分为若干层，每一层的厚度为0.02-0.05mm；在所述后处理步骤中，采用线切割的方式将所述半成品从所述基板上移除，用氧化铝对所述半成品的表面进行喷砂处理。
10.如权利要求8所述的金属陶瓷刀具的制备方法，其特征在于，在所述激光烧结步骤中，当所述合金粉末为Cr-Fe-Nb-Mo-Ni合金时，激光功率为160-240W，扫描速度为0.5-1.2m/s；当所述合金粉末为Co-Cr-Mo-W合金时，激光功率为200-290W，扫描速度为0.9-1.6m/s。
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