CN110218997B - 一种刀具涂层的加工方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种刀具涂层的加工方法，包括：熔池形成步骤：通过同轴送粉通道将粘结相汇聚于等离子弧热源，粘结相熔化后沉积在刀具基材上形成熔池；增强相添加步骤：通过侧轴送粉通道将增强相送入等离子束移走后的熔池中，并在超声振动的条件下对粘结相和增强相进行熔覆，在刀具表面形成涂层；该加工方法解决了刀具涂层加工过程中存在的硬质相颗粒的送入问题、烧损问题以及在涂层中分布不均匀的问题，提高了刀具涂层的硬度、耐腐蚀性能、耐磨损性能，最终提高刀具的使用寿命。

Description

一种刀具涂层的加工方法
技术领域
本发明涉及一种刀具涂层的加工方法，属于材料加工技术领域。
背景技术
目前，常用的表面复合涂层的制备方法有电镀、表面堆焊、气相沉积、喷涂、激光熔覆以及等离子熔覆等。为了增加涂层的耐磨损、耐腐蚀等性能，常常在制备涂层的过程中加入碳化钨、碳化钛、碳化钒等具有高硬度的碳化物或者氮化物等。基础粉末与较细的硬质颗粒粉末通过球磨工艺均匀混合，然后进行涂层的制备。然而，在基础粉末与硬质相颗粒进行球磨混合的过程中会发生复杂的固相反应，球磨过程中产生的机械力(剪切力、冲击力等)可使金属粉末/硬质颗粒发生塑性变形、断裂、破碎、晶体结构重构等变化，因此球磨工艺改变了原粉末材料的初始形貌及结构特性，这些变化对后续的涂层制备工艺有着不可预估的影响。另外，采用较细的、不规则硬质颗粒粉末进行单独送粉时，容易引起送粉管堵塞的问题；当采用粒径较大的硬质相颗粒进行单独送粉制备涂层时，又存在较大粒径的硬质相在涂层中易剥落的问题。
在激光熔覆与等离子熔覆过程中，硬质相颗粒通常是和基础粉末混合后同时送入热源加热，这样在温度较高热源的作用下，会造成硬质颗粒的部分烧损，造成硬质相颗粒的浪费，且使制备涂层的实际性能不如预期性能。另外，在制备涂层过程中，硬质相颗粒的选择也是关键环节：现有的硬质相选择时未考虑硬质相颗粒与基础粉末材料的密度差问题，常常造成硬质相颗粒在涂层中分布不均匀以及涂层出现裂纹等问题，影响涂层的使用性能。
发明内容
为了克服现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种刀具涂层的加工方法，该加工方法解决了刀具涂层加工过程中存在的硬质相颗粒的送入问题、烧损问题以及在涂层中分布不均匀的问题，提高了刀具涂层的硬度、耐腐蚀性能、耐磨损性能，最终提高刀具的使用寿命。
实现本发明的目的可以通过采取如下技术方案达到：一种刀具涂层的加工方法，包括：
熔池形成步骤：通过同轴送粉通道将粘结相汇聚于等离子弧热源，粘结相熔化后沉积在刀具基材上形成熔池；
增强相添加步骤：通过侧轴送粉通道将增强相送入等离子束移走后的熔池中，并在超声振动的条件下对粘结相和增强相进行熔覆，在刀具表面形成涂层。
进一步地，粘结相为自熔性合金粉末，粉末密度为6-9g/cm3，粉末粒径为48-250μm。
进一步地，增强相包括碳化锆、碳化铌、氮化铌和硼化铌中的至少一种；增强相为球形颗粒，粒径为5-25μm，霍尔流速小于18s/50g。
进一步地，增强相熔覆步骤中，超声振动的功率为50-300W。
进一步地，粘结相和增强相的质量之比为20:(1-50)。
进一步地，同轴送粉通道中轴线和侧轴送粉通道的夹角为15-75度。
进一步地，同轴送粉通道的出料嘴与刀具基材的距离为5-15mm，粘结相的送入速度为10-25g/min。
进一步地，侧轴送粉通道的出料嘴与同轴送粉通道的出料嘴之间的水平距离为1-5cm，增强相的送入速度为5-14g/min。
进一步地，等离子束电弧为联合型等离子弧；
熔覆条件为：离子气流0.6-6L/min，保护气流5-25L/min，送粉气流量0.6-6L/min，熔覆电流3-180A，基值/引弧电流为0-29A，维弧电流为0-20A，熔覆时间50-300ms，间隔时间50-300ms，保护气延时0-5s，电流上升时间及下降时间均为0.1-0.5s，保护气提前0-3s，熔覆速度120-480mm/min。
相比现有技术，本发明的有益效果在于：
1、本发明以同轴送粉结合侧轴送粉的方式，可以降低增强相由于温度过高而造成的烧损现象；本发明避开了增强相与粘结相通过球磨混合的方法，因为此种方法在球磨过程中会破坏原材料的形貌及表面能，进而影响熔覆工艺及性能。采用侧轴送粉管道将增强相直接送进熔池，而非热源等离子弧，还可以减少由于直接送进热源而产生的烧损作用；
2、本发明在制备刀具涂层的过程中，超声振动的加入对熔覆后熔池金属的流动、结晶形核及晶粒的长大有显著地作用，生长中的晶粒在超声振动下破碎，形成多个形核核心，使形核率增加，最终形成晶粒细小的涂层。另外，超声振动对硬质相颗粒在涂层中的均匀分布具有良好的辅助作用，刀刃部位制备出无裂纹。
附图说明
图1为实施例1加工示意图；
图2为实施例1刀具开刃后的表面形貌；
图3为实施例1刀具开刃后的金相照片；
图4为实施例2刀具开刃后的表面形貌；
图5为实施例2刀具开刃后的金相照片；
图6为实施例3刀具开刃后的表面形貌；
图7为实施例3刀具开刃后的金相照片；
图8为对比例3涂层宏观裂纹形貌；
图9为对比例5刀具开刃后的金相照片；
图10为对比例5腐蚀形貌图片；
图11为对比例5腐蚀坑的金相照片；
图12为对比例6涂层的金相照片；
图中，1、粘结相；2、增强相。
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：
一种刀具涂层的加工方法，包括：
熔池形成步骤：通过同轴送粉通道将粘结相汇聚于等离子弧热源，粘结相熔化后沉积在刀具基材上形成熔池；粘结相为自熔性合金粉末，粉末密度为6-9g/cm3，粉末粒径为48-250μm；
粘结相的粒径限定48-250μm能够克服送粉堵塞的问题；
同轴送粉通道的出料嘴与刀具基材的距离为5-15mm，粘结相的送入速度为10-25g/min。
增强相添加步骤：通过侧轴送粉通道将增强相送入等离子束移走后的熔池中，增强相的送入速度为5-14g/min，并在超声振动功率为50-300W的条件下对粘结相和增强相进行熔覆，在刀具表面形成涂层；
侧轴送粉通道的出料嘴与同轴送粉通道的出料嘴之间的水平距离为1-5cm。
增强相包括碳化锆、碳化铌、氮化铌和硼化铌中的至少一种；增强相为球形颗粒，粒径为5-25μm，霍尔流速小于18s/50g；
粘结相的粉末密度限定6-9g/cm3，增强相材料为碳化锆、碳化铌、氮化铌和硼化铌，均为高硬度、高熔点，且密度和粘结相相近，密度范围为6.1-9.2g/cm3，密度相近可以有效防止增强相在涂层中分布不均匀。传统熔覆技术在进行增强相的选择时，未考虑增强相密度与粘结相密度的关系，容易造成增强相在熔池中由于密度差的问题而不均匀的分布于涂层中，影响涂层性能的均匀性；
粒径为5-25μm内既可以保证增强相顺利送出，还可以防止涂层在后期打磨过程中造成增强相脱落的问题。粒径较小时，细小颗粒在范德华力以及潮湿等作用下容易团聚，造成送粉过程中管道的堵塞；当粒径较大时，虽然侧轴送粉较容易实现，但是涂层在后期开刃打磨过程中容易造成增强相颗粒的脱落；
增强相为球形，且霍尔流速较小，可以保证增强相的顺利送进熔池；当增强相为非球形时，颗粒之间摩擦力较大，流动性能较差，同时造成霍尔流速时间较长，最终导致送粉困难；本发明采用球形粉末，具有良好的流动性能，可以实现侧轴送粉；
粘结相先与微束等离子热源相互作用，在基材上产生熔池，在等离子束移走后熔池凝固之前，增强相送入熔池后，在超声振动的作用可以使得增强相在熔池中的分布更加均匀。
粘结相和增强相的质量之比为20:(1-50)；
增强相在粘结相中起到提高硬度、耐磨等作用，均匀分布于涂层中可实现软硬结合的效果，最终增加涂层硬度及耐磨性能；但是增强相含量过少时，强化作用不明显；增强相含量过多时，粘结相相应地减少，在材料凝固过程中，凝固界面前沿得不到熔液的补充而出现宏观裂纹。
同轴送粉通道中轴线和侧轴送粉通道的夹角为15-75度；
此角度范围可以保证熔覆涂层具有良好的外观形貌，侧轴送粉通道的出料嘴与同轴送粉通道的出料嘴之间的夹角不能太大也不能过小，否则影响熔覆涂层的外观形貌。
等离子束电弧为联合型等离子弧；
即非转移弧和转移弧同时工作，非转移弧的作用是引弧和维弧，使转移弧在小电流下仍能稳定工作，转移弧用于熔化粉末，联合型等离子弧具有电弧稳定、能量密度高、加工工艺窗口宽等优点。
熔覆条件为：离子气流0.6-6L/min，保护气流5-25L/min，送粉气流量0.6-6L/min，熔覆电流3-180A，基值/引弧电流为0-29A，维弧电流为0-20A，熔覆时间50-300ms，间隔时间50-300ms，保护气延时0-5s，电流上升时间及下降时间均为0.1-0.5s，保护气提前0-3s，熔覆速度120-480mm/min；保护气体、离子气体、送粉气体均采用氩气。
对制备的刀具涂层进行相应的退火去应力处理，再进行相应的淬火、回火热处理。
实施例1：
如图1所示为加工示意图，粘结相1从同轴送粉通道送粉，增强相2从侧轴送粉通道送粉。
一种刀具涂层的加工方法，包括：
熔池形成步骤：通过同轴送粉通道将粘结相汇聚于等离子弧热源，粘结相熔化后沉积在刀具基材(3Cr13)上形成熔池；粘结相为不锈钢3Cr13(密度7.75g/cm3)，粉末粒径为53-105μm；同轴送粉通道的出料嘴与刀具基材的距离为8mm，粘结相的送入速度为10g/min；
增强相添加步骤：通过侧轴送粉通道将增强相送入等离子束移走后的熔池中，增强相为密度7.8g/cm3的碳化铌；增强相为球形颗粒，粒径为5-20μm，霍尔流速17.5s/50g；侧轴送粉通道的出料嘴与同轴送粉通道的出料嘴之间的水平距离为1cm，增强相的送入速度为6g/min；并在超声振动功率为100W的条件下对粘结相和增强相进行熔覆，在刀具表面形成涂层；
粘结相和增强相的质量之比为19:1；
同轴送粉通道中轴线和侧轴送粉通道的夹角为45度；
等离子束电弧为联合型等离子弧；
熔覆条件为：离子气流3L/min，保护气流6L/min，送粉气流量3L/min，熔覆电流30A，基值/引弧电流为28A，维弧电流为10A，熔覆时间100ms，间隔时间100ms，保护气延时3s，电流上升时间及下降时间均为0.1s，保护气提前2s，熔覆速度240mm/min；保护气体、离子气体、送粉气体均采用氩气。
对制备的刀具涂层进行800℃/30min-缓冷退火处理，950℃/15min-风冷淬火处理，600℃/30min空冷回火处理。
图2为完成涂层加工后，对刀具开刃后的表面形貌，刀刃部位无腐蚀斑点的产生；图3为开刃后金相照片，刃部光滑无缺陷，表明增强相颗粒在粘结相中起到良好的强化作用，同时不影响涂层的腐蚀及打磨开刃。
实施例2：
一种刀具涂层的加工方法
使用粘结相和增强相的质量之比为3:2；
粘结相粒径为105-180μm；增强相粒径10-25μm，霍尔流速17s/50g；其余加工参数与实施例1相同。
刀具开刃后的表面形貌和金相图片如图4-5所示，表面形貌无腐蚀现象及增强相颗粒脱落的现象。
实施例3：
一种刀具涂层的加工方法
使用粘结相和增强相的质量之比为3:7；
粘结相粒径为120-200μm；增强相粒径15-25μm，霍尔流速16.5s/50g；其余加工参数与实施例1相同。
刀具开刃后的表面形貌和金相图片如图6-7所示，表面形貌无腐蚀现象及增强相颗粒脱落的现象。
对比例1：
一种刀具涂层的加工方法
使用粘结相和增强相的质量之比为19:1；
粘结相粒径为53-105μm；增强相粒径5-20μm，霍尔流速17.5s/50g；对比例1采用球磨混合增强相与粘结相，混合后的粉末采用的是等离子熔覆同轴送粉，而非同轴和侧轴的混合送粉，其余加工参数与实施例1相同。
增强相被送进热源的正下方，是经过热源等离子直接加热的，会出现一定量的烧损，同时由于增强相经过球磨时会改变其结构，综合结果会造成涂层性能有所下降，摩擦性能差。
对比例2：
使用粘结相和增强相的质量之比为97:3；其余加工参数与实施例1相同。
添加增强相的含量较少。所以涂层综合性能低于实施例1，但是性能和对比例1相近，进一步证实球磨混合粉末以及增强相的烧损对涂层的性能有一定的影响。
对比例3：
使用粘结相和增强相的质量之比为3:17；其余加工参数与实施例1相同。
图8所示为涂层宏观裂纹形貌，宏观裂纹的出现主要是因为增强相含量较多，粘结相含量较少，在熔化后快速凝固过程中产生较大的拉应力，同时没有充足的熔液补充凝固界面前沿，最终导致宏观裂纹的产生。此时由于增强相含量较高，因此涂层硬度及耐磨性较好，但是，涂层会由于凝固收缩不均匀而产生宏观裂纹，所以不符合相应的标准。
对比例4：
增强相粒径2-10μm，霍尔流速35s/50g；其余加工参数与实施例1相同。
增强相粒径过小，容易吸潮以及氧化，使得增强相流动性较差，在侧轴送粉送入增强相过程中，出现堵粉现象。
对比例5：
增强相粒径30-40μm，霍尔流速17s/50g；其余加工参数与实施例1相同。
增强相粒径过大，在后续加工过程中出现增强相脱落的问题。
如图9所示，刀具开刃后，增强相颗粒脱落，脱落颗粒的尺寸与增强相尺寸相当，为碳化铌颗粒在打磨过程中，受到较大摩擦的拖拽力的作用，从涂层中脱落；图10为腐蚀形貌，腐蚀试验后出现较多的腐蚀斑点；图11为腐蚀试验后，观察腐蚀坑的金相照片，刀刃部位出现较多的腐蚀坑，腐蚀坑的形状及尺寸和碳化铌硬质颗粒的直径相当，缺陷为碳化铌硬质颗粒脱落造成的，当进行腐蚀试验时，首先在此缺陷处产生腐蚀斑点，并最终造成严重的腐蚀坑。
对比例6：
增强相为碳化钨(密度15.8g/cm3)，使用粘结相和增强相的质量之比为19:1；增强相粒径5-20μm，霍尔流速17s/50g；粘结相粒径53-105μm。
由于碳化钨颗粒的密度比粘结相大得多，在重力作用下沉积在熔池底部，造成涂层中增强相分布不均匀，即涂层下部较多，上部较少，如图12所示。由于涂层上部增强相较少，因此测得的硬度值偏低，耐磨损性能偏低。
表格1实施例和对比例的检测结果
Figure BDA0002080529480000101
Figure BDA0002080529480000111
Figure BDA0002080529480000121
对于本领域的技术人员来说，可根据以上描述的技术方案以及构思，做出其它各种相应的改变以及变形，而所有的这些改变以及变形都应该属于本发明权利要求的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种刀具涂层的加工方法，其特征在于包括：
熔池形成步骤：通过同轴送粉通道将粘结相汇聚于等离子弧热源，粘结相熔化后沉积在刀具基材上形成熔池；
增强相添加步骤：通过侧轴送粉通道将增强相送入等离子束移走后的熔池中，并在超声振动的条件下对粘结相和增强相进行熔覆，在刀具表面形成涂层；
所述增强相包括碳化锆、碳化铌、氮化铌和硼化铌中的至少一种；所述增强相为球形颗粒，粒径为5-25μm，霍尔流速小于18s/50g；
所述粘结相和增强相的质量之比为20:（1-50）；
所述粘结相粉末密度为6-9g/cm3，所述增强相的密度为6.1-9.2g/cm3。
2.如权利要求1所述的刀具涂层的加工方法，其特征在于，所述粘结相为自熔性合金粉末，粉末粒径为48-250μm。
3.如权利要求1所述的刀具涂层的加工方法，其特征在于，所述增强相熔覆步骤中，超声振动的功率为50-300W。
4.如权利要求1所述的刀具涂层的加工方法，其特征在于，所述同轴送粉通道中轴线和侧轴送粉通道的夹角为15-75度。
5.如权利要求1所述的刀具涂层的加工方法，其特征在于，所述同轴送粉通道的出料嘴与刀具基材的距离为5-15mm，粘结相的送入速度为10-25g/min。
6.如权利要求1所述的刀具涂层的加工方法，其特征在于，所述侧轴送粉通道的出料嘴与同轴送粉通道的出料嘴之间的水平距离为1-5cm，增强相的送入速度为5-14g/min。
7.如权利要求1所述的刀具涂层的加工方法，其特征在于，所述等离子束电弧为联合型等离子弧；
所述熔覆条件为：离子气流0.6-6L/min，保护气流5-25L/min，送粉气流量0.6-6L/min，熔覆电流3-180A，基值/引弧电流为0-29A，维弧电流为0-20A，熔覆时间50-300ms，间隔时间50-300ms，保护气延时0-5s，电流上升时间及下降时间均为0.1-0.5s，保护气提前0-3s，熔覆速度120-480mm/min。
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