CN110273050A - 一种带刃口的工具及其制造方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种带刃口的工具，包括基体和刃口，其中在所述刃口处具有激光循环热处理硬化层，所述硬化层的硬度高于所述基体的硬度。本发明同时也公开了制造上述工具的方法。
Description
技术领域
本发明涉及工具领域，具体是带刃口的工具。
背景技术
目前常见的带刃口的工具有刀类工具、钳类工具等。
其中常见的刀类工具包括带有如图1所示的实用刀片的实用刀以及传统的不锈钢类工具如折叠刀、单开刀、砍刀、匕首、剪刀、钳子、管子割刀、铲刀等，而常见的钳类工具有钢丝钳、斜嘴钳、尖嘴钳等。
现有技术中实用刀片制造时一般采用高碳工具钢(如T8、T8Mn、T9、T10、T11、T12和T13等)为基体，进行常规的淬火、回火后再经磨削开刃后装配。具体地，现有技术中，实用刀片只是在气氛保护加热炉中进行一次包括淬火和回火的热处理，其加热速度、冷却淬火速度相对较慢，淬火后刀片晶粒尺寸较粗大，晶粒度级别在7-9级左右，强度较低。在包括刃口、基体的整个刀片上硬度是接近均匀一致的。但在磨削开刃过程中，由于磨削刃口时会产生较多的磨削热量，对刃口造成某种类似回火的作用，磨削后刃口硬度甚至比基体硬度还低0.5-1.0HRC左右。因此当实用刀片的整体硬度较高时，刃口的耐磨性较好，但刀片整体脆性较大；当实用刀片的整体硬度较低时，刀片整体韧性较好，但刃口耐磨性较低，使用寿命不佳。
现有技术中不锈钢类工具刃口基体一般采用马氏体钢(如20Cr13、30Cr13、40Cr13、50Cr15MoV、68Cr17、95Cr18和90Cr18MoV等)，进行常规的淬火、回火后再经磨削开刃。同样地，此类工具只是在气氛保护加热炉中进行一次淬火和回火的热处理，加热速度、冷却淬火速度相对较慢，淬火后不锈钢刀具晶粒尺寸较粗大，晶粒度级别在7-9级左右，强度较低；在包括刃口、基体的整个不锈钢刀具上硬度是接近均匀一致的。但在磨削开刃过程中，由于磨削刃口时会产生较多的磨削热量，对刃口造成某种类似回火的作用，磨削后刃口硬度甚至比基体硬度还低0.5-1.5HRC左右。当工具的整体硬度较高时，刃口的耐磨性较好，但工具整体脆性较大；当工具的整体硬度较低时，工具整体韧性较好，但刃口耐磨性较低，使用寿命不佳。
现有技术中钳类产品的基体一般采用碳钢、合金钢(如55#、50CrV、60CrV和55CrNi等)，经下料、热锻、机加工及铆接整理、整体热处理、刃口高频淬火、整理及表面处理后装配。此类工具在进行刃口高频淬火时，常采用手工操作，加热时间、加热位置波动较大，相应的淬硬层厚度、淬硬层位置也有较大变化；并且高频加热时间较长，淬火后的刃口晶粒组织也较大，也存在同样的问题。
因此，本领域的技术人员致力于开发一种基体具有相对较低硬度及较高韧性而刃口具有较高的硬度、耐磨性的工具及其制造方法。
发明内容
有鉴于现有技术的上述缺陷，本发明所要解决的技术问题是提供一种基体具有相对较低硬度及较高韧性而刃口具有较高的硬度、耐磨性的工具及其制造方法。
为实现上述目的，本发明提供了一种带刃口的工具，包括基体和刃口，其中，在所述刃口处具有激光循环热处理硬化层，所述硬化层的硬度高于所述基体的硬度。
在本发明的一个较佳实施方式中，所述激光循环热处理硬化层的硬度在58HRC以上。进一步地，所述激光循环热处理硬化层的硬度在62-68HRC之间。
在本发明的另一个较佳实施方式中，所述激光循环热处理硬化层的厚度在0.20-2.50mm之间。进一步地，所述激光循环热处理硬化层的厚度在0.30-1.80mm之间。
在本发明的另一个较佳实施方式中，所述激光循环热处理硬化层和所述基体之间包括过渡层。进一步地，所述过渡层的厚度在0.10-0.80mm之间。更进一步地，所述过渡层的厚度在0.20-0.60mm之间。
在本发明的另一个较佳实施方式中，所述带刃口的工具为实用刀片或者具有实用刀片的工具。进一步地，所述激光循环热处理硬化层的硬度在65-66HRC之间。进一步地，所述激光循环热处理硬化层的厚度在0.40-0.45mm之间。更进一步地，所述激光循环热处理硬化层和所述基体之间包括过渡层，所述过渡层的厚度在0.25-0.35mm之间。
在本发明的另一个较佳实施方式中，所述基体的材质为高碳工具钢。进一步地，所述高碳工具钢为T8、T8Mn、T9、T10、T11、T12或T13。
在本发明的另一个较佳实施方式中，所述带刃口的工具为具有不锈钢刃口的工具。进一步地，所述具有不锈钢刃口的工具为折叠刀、剪刀、钳子、割刀、铲刀、单开刀或匕首，所述不锈钢为20Cr13、30Cr13、40Cr13、50Cr15MoV、68Cr17、95Cr18或90Cr18MoV。
在本发明的另一个较佳实施方式中，所述带刃口的工具为钳类工具。进一步地，所述钳类工具为尖嘴钳或斜嘴钳或钢丝钳。其中，所述基体的材质为碳钢或合金钢。进一步地，所述碳钢或合金钢为55#、50CrV、60CrV或55CrNi。
本发明还提供了一种带刃口的工具的制造方法，其中，包括对刃口进行激光循环淬火的步骤。进一步地，在对刃口进行所述的激光循环淬火之前，还包括对所述带刃口的工具进行整体热处理的步骤。更进一步地，所述整体热处理包括整体淬火和整体回火。更进一步地，在所述的激光循环淬火之后，还包括对所述带刃口的工具进行消除应力处理的步骤，其中，所述消除应力处理的温度在100-180℃，保温时间在2-6小时。提供一种激光器用于所述的激光循环淬火步骤中，所述激光器为CO2气体激光器、YAG固体激光器、光纤激光器或DIODE半导体激光器。提供一种消除应力设备用于所述消除应力处理的步骤中，所述的消除应力设备为带气体保护的连续式炉或带气体保护的周期式箱式炉、多用炉。
在本发明的一个较佳实施方式中，所述带刃口的工具为实用刀片或者具有实用刀片的工具，用于进行所述激光循环淬火的激光器的激光头的相对移动速度在1.0-30.0m/min之间。其中，所述带刃口的工具为具有不锈钢刃口的工具，用于进行所述激光循环淬火的激光器的激光头的相对移动速度在2.0-20.0mm/s之间。
在本发明的另一个较佳实施方式中，所述带刃口的工具为钳类工具，所述的激光循环淬火的次数为2次以上，用于进行所述激光循环淬火的激光器的激光头的相对移动速度在2.0-20.0mm/s之间。
测试结果证明，本发明提供了一种带刃口的工具及其制造方法，使得工具的基体具有相对较低硬度及较高韧性的同时，其细化了刃口的晶粒，使其具有较高的硬度、耐磨性，大幅提高了工具的切削寿命。
以下将结合附图对本发明的构思、具体结构及产生的技术效果作进一步说明，以充分地了解本发明的目的、特征和效果。
附图说明
图1是根据本发明的一个实施例中的实用刀片的示意图。
图2是根据本发明的一个实施例中的折叠刀的示意图。
图3是根据本发明的一个实施例中的剪刀的示意图。
图4是根据本发明的一个实施例中的钳子的示意图。
图5是根据本发明的一个实施例中的割刀的示意图。
图6是根据本发明的一个实施例中的铲刀的示意图。
图7是根据本发明的一个实施例中的斜嘴钳的示意图。
图8是根据本发明的一个实施例中的钢丝钳的示意图。
图9是根据本发明的一个实施例的过渡层的示意图。
图10是根据本发明的一个实施例中的实用刀片刃口的金相组织图。
图11根据本发明的一个实施例中的实用刀片的锋利度/耐久度测试数据。
图12激光循环淬火示意图。
具体实施方式
对于与本发明相关的本领域技术人员而言，本发明中述及的热处理、淬火、回火、高频淬火和激光循环淬火及其他技术内容及其术语的含义均为已知且确定的。
晶粒细化是强化金属材料的有效途径之一。而激光循环淬火是将金属材料快速加热到AC1温度以上，加热区域奥氏体晶粒可在原晶粒边界快速形核，在新晶粒还没有长大之前，再通过快速冷却转变成马氏体组织，得到较小的马氏体晶粒组织。对金属材料反复进行1次及1次以上的快速加热、快速冷却，进行所谓“循环淬火”见图12，从而实现细化晶粒、强化金属材料目的。
本发明适用于带刃口的工具，以下描述的是根据本发明而实现的具体实施方式和例子。
图1示出的是一种实用刀片，包括基体1和刃口2，其基体1材质为高碳工具钢，如T8、T8Mn、T9、T10、T11、T12或T13等。在根据本发明的一个实施例中，为提高刃口2的硬度和耐磨性，在对刀片经过整体淬火和回火并磨削开刃后，对刃口2进行激光循环淬火，从而在刃口2上得到了硬度高于基体1激光循环热处理硬化层，在本实施例中，该硬化层的的硬度达到了65-66HRC，厚度在0.40-0.45mm之间。一般地，激光器可使用CO2气体激光器、YAG固体激光器、光纤激光器或DIODE半导体激光器。在本实施例中，采用了DIODE半导体激光器，其功率在500W以上，激光循环淬火时激光头的相对移动速度在1.0-30.0m/min之间。随后为了消除组织应力，使其性能更加稳定，对该实用刀片进行了消除应力的低温回火处理。所使用的消除应力设备，可以是带气体保护的连续式炉(比如说对应实用刀片)，也可以是带气体保护的周期式箱式炉、多用炉(比如说对应不锈钢工具、碳钢/合金钢钳类产品)。消除应力处理温度在100-180℃，保温时间在2-6小时。
本发明还适用于具有不锈钢刃口的工具，包括如图2中示出的包括基体3和刃口4的折叠刀、图3中包括基体5和刃口6的剪刀、图4中包括基体7和刃口8的钳子、图5中包括基体9和刃口10的割刀、图6中包括基体11和刃口12的铲刀以及其他未示出的单开刀、匕首等。不锈钢一般为20Cr13、30Cr13、40Cr13、50Cr15MoV、68Cr17、95Cr18或90Cr18MoV等。在根据本发明的一个实施例中在对上述具有不锈钢刃口的工具经过整体淬火和回火并磨削开刃后，对刃口进行激光循环淬火，从而在刃口上得到了硬度高于基体的激光循环热处理硬化层，在本实施例中，该硬化层的硬度可达58HRC以上，优选在62-68HRC之间，硬化层厚度在0.20-2.50mm之间，优选在0.30-1.80mm之间。一般地，激光器可使用CO2气体激光器、YAG固体激光器、光纤激光器或DIODE半导体激光器。在本实施例中，采用了DIODE半导体激光器，其功率在500W以上，激光循环淬火时激光头的相对移动速度在2.0-20.0mm/s之间。随后为了消除组织应力，使其性能更加稳定，对上述具有不锈钢刃口的工具进行了消除应力的低温回火处理。所使用的消除应力设备，可以是带气体保护的连续式炉(比如说对应实用刀片)，也可以是带气体保护的周期式箱式炉、多用炉(比如说对应不锈钢工具、碳钢/合金钢钳类产品)。消除应力处理温度在100-180℃，保温时间在2-6小时。
本发明同样适用于钳类工具，包括如图7和图8示出的包括基体13和刃口14的斜嘴钳以及包括基体15和刃口16的钢丝钳。在钳类工具中，其基体材质一般为碳钢或合金钢，如55#、50CrV、60CrV或55CrNi等。在根据本发明的一个实施例中在对上述具有钳类工具经过常规的下料、热锻、机加工及铆接整理、整体热处理后，对钳类刃口进行2次及2次以上的激光循环淬火，在钳类产品刃口得到激光循环热处理硬化层，该硬化层的硬度高于基体硬度。在本实施例中，该硬化层的硬度可达58HRC以上，优选在62-68HRC之间，硬化层厚度在0.20-2.50mm之间，优选在0.30-1.80mm之间。一般地，激光器可使用CO2气体激光器、YAG固体激光器、光纤激光器或DIODE半导体激光器。用了DIODE半导体激光器，其功率在500W以上，激光循环淬火时激光头的相对移动速度在2.0-20.0mm/s之间。随后为了消除组织应力，使其性能更加稳定，对上述具有钳类工具进行了消除应力的低温回火处理。在本实施例中，采所使用的消除应力设备，可以是带气体保护的连续式炉(比如说对应实用刀片)，也可以是带气体保护的周期式箱式炉、多用炉(比如说对应不锈钢工具、碳钢/合金钢钳类产品)。消除应力处理温度在100-180℃，保温时间在2-6小时。
进一步发现在上述实施例中，所形成的激光循环淬火硬化层和工具基体材料之间存在一个过渡层，如图9、10所示。因进行激光循环淬火时，激光束方向和刃口平面呈垂直关系，该激光循环淬火过渡层实际上包含一小部分从激光循环淬火硬化层延伸出来的硬化层和紧邻着该硬化层的激光热影响区。该过渡层中的硬化层部分的硬度可能和激光循环淬火的硬度一致，但激光热影响区的硬度低于基体硬度。所形成的激光循环淬火过渡层的厚度在0.1-0.8mm之间。优选地，所形成的激光循环淬火过渡层的厚度在0.2-0.6mm之间。在实用刀片的实施例中，激光循环淬火实用刀片过渡层的厚度在0.25-0.35mm。
图11示出了在上述的实用刀片的实施例中，对实用刀片的寿命测试结果。其中纵坐标是测试过程中每切割一个循环的切纸厚度，横坐标是测试过程中依此累加的切纸厚度。在该测试中，以不间断测试60个循环后总的切纸厚度为刀片的切割寿命。现有技术中的实用刀片的切割寿命在180-220左右。
在上述的实用刀片的实施例中，采用激光循环淬火后，实用刀刀片刃口硬度66-67HRC。而基体硬度在62HRC，所形成的激光循环淬火实用刀硬化层的硬度比基体提高了4-5HRC，切削寿命提高了2-3倍。相对现有工艺处理后晶粒度级别在7-9级左右，根据本发明的一个实施例的实用刀片刃口的晶粒度级别达到10-11级。
以上详细描述了本发明的较佳具体实施例。应当理解，本领域的普通技术人员无需创造性劳动就可以根据本发明的构思作出诸多修改和变化。因此，凡本技术领域中技术人员依本发明的构思在现有技术的基础上通过逻辑分析、推理或者有限的实验可以得到的技术方案，皆应在由权利要求书所确定的保护范围内。
Claims (19)
1.一种带刃口的工具，包括基体和刃口，其特征在于，在所述刃口处具有激光循环热处理硬化层，所述硬化层的硬度高于所述基体的硬度。
2.如权利要求1所述的一种带刃口的工具，其中，所述激光循环热处理硬化层的硬度在62-68HRC之间。
3.如权利要求1所述的一种带刃口的工具，其中，所述激光循环热处理硬化层的厚度在0.30-1.80mm之间。
4.如权利要求1所述的一种带刃口的工具，其中，所述激光循环热处理硬化层和所述基体之间包括过渡层，其中，所述过渡层的厚度在0.20-0.60mm之间。
5.如权利要求1所述的一种带刃口的工具，其中，所述带刃口的工具为实用刀片或者具有实用刀片的工具。
6.如权利要求5所述的一种带刃口的工具，其中，所述激光循环热处理硬化层的硬度在65-66HRC之间。
7.如权利要求5所述的一种带刃口的工具，其中，所述激光循环热处理硬化层的厚度在0.40-0.45mm之间。
8.如权利要求5所述的一种带刃口的工具，其中，所述激光循环热处理硬化层和所述基体之间包括过渡层，所述过渡层的厚度在0.25-0.35mm之间。
9.如权利要求5所述的一种带刃口的工具，其中，所述基体的材质为高碳工具钢。
10.如权利要求1所述的一种带刃口的工具，其中，所述带刃口的工具为具有不锈钢刃口的工具，包括折叠刀、剪刀、钳子、割刀、铲刀、单开刀和匕首。
11.如权利要求1所述的一种带刃口的工具，其中，所述带刃口的工具为钳类工具，包括尖嘴钳、斜嘴钳和钢丝钳。
12.如权利要求11所述的一种带刃口的工具，其中，所述基体的材质为碳钢或合金钢。
13.一种带刃口的工具的制造方法，其特征在于，包括对刃口进行激光循环淬火的步骤。
14.如权利要求13所述的一种带刃口的工具的制造方法，其中，在对刃口进行所述的激光循环淬火之前，还包括对所述带刃口的工具进行整体热处理的步骤，其中，所述整体热处理包括整体淬火和整体回火。
15.如权利要求13所述的一种带刃口的工具的制造方法，其中，在所述的激光循环淬火之后，还包括对所述带刃口的工具进行消除应力处理的步骤。
16.如权利要求15所述的一种带刃口的工具的制造方法，其中，所述消除应力处理的温度在100-180℃，保温时间在2-6小时。
17.如权利要求13所述的一种带刃口的工具的制造方法，其中，所述带刃口的工具为实用刀片或者具有实用刀片的工具，所述的激光循环淬火的次数为1次及1次以上，用于进行所述激光循环淬火的激光器的激光头的相对移动速度在1.0-30.0m/min之间。
18.如权利要求13所述的一种带刃口的工具的制造方法，其中，所述带刃口的工具为具有不锈钢刃口的工具，所述的激光循环淬火的次数为1次及1次以上，用于进行所述激光循环淬火的激光器的激光头的相对移动速度在2.0-20.0mm/s之间。
19.如权利要求13所述的一种带刃口的工具的制造方法，其中，所述带刃口的工具为钳类工具，所述的激光循环淬火的次数为2次及2次以上，用于进行所述激光循环淬火的激光器的激光头的相对移动速度在2.0-20.0mm/s之间。
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2018
- 2018-03-13 CN CN201810203313.5A patent/CN110273050A/zh active Pending
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