CN110484917A - 一种高速钢车刀刃口激光熔覆修复方法 - Google Patents

一种高速钢车刀刃口激光熔覆修复方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种高速钢车刀刃口激光熔覆修复方法，该方法包括以下步骤，将高速钢车刀破损刃口部分进行预置坡口加工，采用WC/Co陶瓷粉末在预置坡口部位激光熔覆修复改性形成熔覆层，通过对修复后刃口修磨消除边界裂纹与悬浮气孔，形成良好的车刀刃口，解决了现有技术中高速钢刃口修复流程繁琐、修复熔覆层结合力不强、修复后刀具性能满足不了使用要求等技术问题。

Description

一种高速钢车刀刃口激光熔覆修复方法
技术领域
本发明涉及金属表面激光熔覆修复技术，尤其涉及一种高速钢车刀刃口激光熔覆修复方法。
背景技术
近年来，传统刀具的修复工艺已逐渐成为当代生产急需解决的问题之一，随着激光熔覆技术的快速发展，在工业生产中应用激光熔覆技术进行修复、改性的探究也逐渐多见。但据目前研究来看，激光修复改性技术的研究对象还主要针对于板类、轴类等典型零件的研究中，试验很少在市面上通用的普通刀具上进行。研究内容中还主要倾向于寻找合理的熔覆参数及完全消除熔覆中的裂纹、气孔等缺陷问题，从而认定得到满足要求的理想熔覆效果。然而这些研究没有着重考虑反复试验的经济性，以及忽略了在激光实际修复中刀具所需要的预处理加工、修复后的二次加工和刀具改性后的加工验证，而在这些必要环节中若控制不当，就会使得刀具实际修复时出现偏差。再者即使成功的完成刀具的修复工作，但也容易因为熔覆层结合力不强而产生脱落或修复后的熔覆层性能满足不了使用要求，不能达到一个较为理想的效果。
发明内容
本发明的目的在于，针对传统道具的修复工艺不能达到理想效果问题，提出一种高速钢车刀刃口激光熔覆修复方法，使修复后的刀具满足实用性能，同时提高车刀的硬度、红硬性及扩大切削参数范围。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：一种高速钢车刀刃口激光熔覆修复方法，包括以下步骤：将高速钢车刀破损刃口部分进行预置坡口加工，采用WC/Co陶瓷粉末在预置坡口部位激光熔覆修复改性形成熔覆层，通过对修复后刃口修磨消除边界裂纹与悬浮气孔，形成良好的车刀刃口，最终形成的修复后车刀刃口硬度可达75HRC以上，红硬性和高温特性均有显著的提高。
进一步地，修复前，将高速钢车刀破损刃口部分进行预置等腰坡口加工，并根据不同的刀具刃口的倾斜角度调整刀具装夹位置，确保需修复的刃口保持水平。
进一步地，所述等腰坡口的坡口平面尺寸为宽度：高度：长度＝1-3：0.5-1.5:15-30。优选的所述等腰坡口的坡口平面尺寸为1～3mm，坡口垂直高度0.5～1.5mm，加工坡口长度≤30mm。
进一步地，激光熔覆修复改性形成熔覆层时激光头垂直于坡口平面进行粉末喷射，扫描路径由刀尖向刀体内部延伸。
进一步地，修磨时刀刃侧面与刀鞘配合修磨，侧面单侧去除量为0.3～0.5mm，刃口刀鞘去除量为0.2～0.4mm。
进一步地，激光器额定输出功率为3000W，光纤芯径为1000um，长度为10m，输出波长为1070～1080nm，光束质量为4mm·rad；配合同步式送粉器，送粉量为1.2～8.4r(g)。
进一步地，所述WC/Co金属陶瓷粉末为包覆型陶瓷粉末，其中WC粉末的质量分数为85～90％，Co粉末的质量分数为10～15％，粉末粒度为15～45um。
进一步地，通过调整熔覆参数将熔覆层中气孔有效控制在距离熔覆层顶0.15～0.25mm的次表层范围内，将熔覆层中裂纹集中在熔覆层与基体结合的左右边界处，形成的熔覆层厚度为0.7～1.4mm，对修复后刃口的修磨能快速消除熔覆层的边界裂纹与悬浮气孔，最终形成良好的刀具刃口，其刃口硬度可达75HRC以上，修复后刃口红硬性和高温特性均有显著的提高，同时能够扩大高速钢刀具的加工参数取值范围。
进一步地，修复改性形成熔覆层的工艺参数为激光功率为900～1300W，送粉电压为12～16V，扫描速度为1～3mm/s，光斑直径为1.5～2.5mm。
进一步地，熔覆层宽度为2.5～3.0mm，熔池深度为0.5～0.8mm，熔覆层厚度为0.5～1.0mm。
本发明采用高速钢车刀刃口激光熔覆修复方法，与现有技术相比较具有以下优点：
1)本发明采用高速钢车刀刃口激光熔覆修复方法能保证熔覆层与坡口平面的结合强度，可以利用刃口修磨快速的消除熔覆层中的气孔及边界裂纹。
2)本发明采用高速钢车刀刃口激光熔覆修复方法选用的粉末为市面上常见的WC/Co金属陶瓷粉末，不仅价格低廉而且同时有效的提高了车刀的硬度及红硬性等热学性能。
3)刀具修复后熔覆层红硬性和高温特性均有显著的提高，600℃时熔覆层平均硬度达到60HRC以上，1000℃时熔覆层仍达到50HRC以上。
修复后车刀经修磨后，刃口平均显微硬度可达75HRC以上，最高显微硬度为1411HV。
修复后车刀可以完成硬度70HRC以上的淬火Cr12MoV高硬材料加工，切削后淬火钢表面光洁度为Ra3.628。
修复后车刀可以在切削速度为103.62m/min时可正常完成加工工作，切削磨损后的刀尖依然保持圆弧轮廓，磨损程度较低。
4)本发明将得到的陶瓷熔覆工艺应用到市面通用高速钢车刀的破损修复和在提高普通高速钢车刀硬度、热学性能、扩大刀具加工范围等方面有较大的应用前景。
附图说明
图1为坡口设计加工与激光熔覆修复示意图；
图2为熔覆层截面的扫描电镜图，其中，(a)熔覆层中裂纹与气孔图；(b)熔覆层与基体结合的左边界裂纹图；(c)熔覆层与基体结合的右边界裂纹图；
图3为熔覆层物相组织图，其中，(a)熔覆层中部组织图；(b)熔覆层上部组织图；
图4为熔覆层内部物相组织图；
图5为熔覆层横截面显微硬度分布情况；
图6为熔覆层组织扫描电镜图，其中，(a)常温下熔覆层中组织形态；(b)600℃红硬性测试后熔覆层中组织形态；(c)700℃红硬性测试后熔覆层中组织形态；(d)800℃红硬性测试后熔覆层中组织形态；(e)1000℃红硬性测试后熔覆层中组织形态。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的较佳实施例进行详细阐述，对普通高速钢车刀的主切削刃进行修复，具体工艺步骤为：
(1)选择通用的W6Mo5Cr4V2高速钢车刀为基体材料，刀具尺寸为200mm×16mm×16mm，刀具经淬火处理和2～3次回火处理，回火温度560℃，基体化学成分如表1所示(质量分数)。粉末选择WC/Co包覆型陶瓷粉末，其中WC粉末的质量分数为88％，Co粉末的质量分数为12％，粉末粒度为15～45um。车刀基体经无水乙醇清洗表面且经过风干后待用，熔覆粉末经充分烘干8h后待用。
表1W6Mo5Cr4V2高速钢车刀基体化学成分(％)
(2)采用IPG公司的YLR-3000型光纤激光熔覆加工系统进行熔覆，控制KR30的KUKA机器手携带PERCITEC YC52激光头实现多轴联动，搭配北京飞虹FHPF-10型载气式同步送粉器，送粉气体为30.3MPa氮气输送，载气流量为600L/h，送粉器的送粉电压与每分钟送粉量的关系如表2所示。熔覆中激光光斑直径为2.00mm，使用冷水机对激光头进行冷却并由计算机控制整个激光加工系统，熔覆全程均使用氮气保护，氮气气压为0.1MPa。
表2送粉电压与送粉量的换算关系
(3)采用预置坡口熔覆修复，首先应对高速钢车刀基体进行预处理，在需修复刃口部位进行预置坡口加工，预置坡口加工即参考最佳参数下熔覆高度、高度和最佳硬度范围，在刀具刃口预先加工出熔覆坡口(倒角)，使刃口部位形成一条较窄的平面。加工坡口平面为2mm，垂直高度为1mm，坡口长度25mm，坡口设计加工示意图如图1所示。对车刀主切削刃进行WC/Co陶瓷粉末2熔覆，熔覆时根据车刀3的刃倾角度调整工件位置，要修复的刃口需与地面保持水平。激光1垂直于预置坡口熔覆，其扫描轨迹方向由刀尖向刀体内部延伸，熔覆时的工艺参数及修复后的几何尺寸如表3所示，光斑直径为2mm。
表3熔覆层的工艺参数及几何尺寸
(4)对所得车刀修复熔覆层进行宏观形貌检测和截面组织分析，首先采用HR-150DT洛氏硬度机，总实验力为1471(150kg)，对修复后刀具基体及熔覆层进行表面洛氏硬度测试。测试前需将被测表面用无水乙醇擦拭干净，并采用多次测量取平均值方式。然后将熔覆层用线切割沿截面切开，分别用400、600、1000、2000目的砂纸去除表面氧化皮，然后应用MP-2B型抛光机对试件截面进行抛光。抛光后用硝酸+氢氟酸腐蚀液对试件截面进行腐蚀，腐蚀时间为20s，经酒精擦拭风干后，用MR5000型金相组织显微镜对腐蚀面金相组织进行观察并测量熔覆层厚度、熔池深度和熔覆层高度。最后用HVS-1000型显微硬度计测试熔覆层横截面的显微硬度分布，沿垂直于熔覆截面方向，从熔覆层顶部每隔0.2mm采点进行显微硬度测试直至高速钢刀具基体，测试载荷力为0.9807N，持载时间为10s。为确保准确性，分别在试样截面进行两次显微硬度测试。
(5)车刀坡口熔覆，其熔覆道形貌良好，没有出现局部散裂及过烧现象，对车刀修复后的二次刃磨有利，并且对该熔覆层在实际应用时具有较高的可控性，可以通过设计调整坡口尺寸，结合熔覆高度调整二次加工后所需保留的刀具硬化区间，从而满足刀具修复效果。通过图2中可以看出熔覆层底部与基体结合的熔合线较为清晰，结合区有明显的“白亮区域”，表明熔覆层与基材之间实现了冶金结合且结合非常紧密。熔覆截面存在少量气孔及裂纹，气孔主要分布于距离熔覆层顶部0.15～0.25mm的次表层范围内，如图2(a)所示。裂纹主要出现在熔覆层与基体结合的左右边界部位，图2(b)、(c)中可以看出。通过图3可以看出熔覆层上部和中部主要为树枝晶、等轴晶及枝晶间共晶组成。中部可见大块树枝晶组织，晶体尺寸较大，如图3(a)所示。上部等轴晶的数量明显增加，晶体尺寸明显减小，组织更为细腻，如图3(b)所示。说明原子间的扩散现象在熔覆层中部和底部位置更加剧烈，并经由中部至上部扩散程度逐步减小。从图4可以看出熔覆层组织由粗大的柱状Fe3W3C、枝状W2C、团聚状WC、片状含Co元素M6C型化合物、固溶体和等轴晶状Co6W6C组成。
(6)测试车刀修复后熔覆层平均显微硬度时试样截面进行两次显微硬度测试，并绘制了自顶点到基体的显微硬度的变化曲线，如图5所示。从图中可以看出熔覆层硬度呈梯度变化且远高于车刀基体硬度，一方面因为W2C、WC和Fe3W3C本身为高硬度的硬质相，起到了弥散强化的作用，另一方面熔覆层存在Fe2C、Fe7C3和Cr7C3等多种间隙化合物，其本身也具有较高的硬度。在距熔覆层顶点0.4mm左右的次表层范围内出现最高硬度点，平均显微可达到1411Hv(75HRC以上)，是基体的1.64倍。
(7)测试不同温度下车刀修复熔覆层的红硬性。采用马弗炉加热，将熔覆后刀具在600℃时保温1小时后进行空冷，先后重复加热4次，随后对熔覆层表面进行去氧化皮、打磨、抛光处理，在室温下进行硬度测试，分别采用700℃、800℃、1000℃做如上测试，结果如表4所示。在600℃时熔覆层平均硬度达到60HRC以上，远高于高速钢车刀基材的硬度。当测试温度达到1000℃时，熔覆层仍达到50HRC以上。
通过图6常温组织与不同温度下熔覆层红硬性测试后组织图可见，经红硬性高温保温后的组织晶粒尺寸明显变大，组织细化程度降低。当测试温度为600℃时，仍可见多晶体组织，晶界面积较大，此时熔覆层仍主要以晶界强化为主。随着红硬性温度的提高，熔覆层内部组织趋于团聚化，晶界面积逐渐减少，晶粒尺寸变大。在测试温度由600℃逐渐升高到1000℃时，熔覆层组织晶界强化作用逐渐减小，择优取向强化表现的明显。
表4不同温度下硬度变化
测试温度 熔覆层平均硬度 车刀基材平均硬度
600℃ 60.24HRC 47.62HRC
700℃ 56.65HRC 41.01HRC
800℃ 55.15HRC 34.42HRC
1000℃ 51.81HRC 17.60HRC
(8)运用卡板对修复后刃口进行手工刃磨。由于熔覆层裂纹主要出现在左右结合边界处，在刃口修磨时便会对裂纹产生部位进行联带加工，进而减小了裂纹长度，又有效清除了存在气孔熔覆层的面积。
(9)对修复后车刀进行不同材料切削测试，准备多种材质棒料，验证车刀修复后的实际切削能力，具体参数见表5。修复后车刀在切削304不锈钢测试中，车刀加工后的棒料光洁度达到Ra1.001。在Cr12MoV淬火钢测试中，淬火钢硬度达到68HRC～70HRC以上，修复后车刀可以完成淬火钢的加工且刀具温升不大，加工过程中铁屑连续且平稳，切削后淬火钢表面光洁度为Ra3.628，详细结果见表6。
表5不同材质尺寸及切削参数
表6不同材料测试结果及性能对比
注：“—”表示无法加工
(10)对修复后车刀在不同切削速度测试，测试采用不同的切削速度进行对比实验，具体参数如表7所示。实验在数控车床上进行，设定循环车削5次，全程浇注切削液辅助冷却。
表7不同切削速度测试参数
当选用中速切削时(Vc＝51.81m/min)普通车刀在3次切削后导致整体失效。当选用高速切削时(Vc＝103.62m/min)，普通车刀无法完成加工。修复后车刀在中高速切削中展现较好的切削能力，切削后零件表面较为光滑。修复后车刀在高速切削时磨损后的刀尖依然保持圆弧轮廓且向刀具内部扩展范围很小，磨损程度较低。具体结果见表8。
表8测试结果及性能对比
不同速度测试 普通车刀切削能力 修复后车刀切削能力
低速(20.724m/min) 几乎相同 几乎相同
中速(51.81m/min) 加工3次后失效 正常切削
高速(103.62m/min) — 刀尖正常磨损
注：“—”表示无法加工
利用WC/Co粉末按照一定的工艺参数及特定的车刀刃口预处理方式在W6Mo5Cr4V2高速钢车刀上进行修复，可以获得熔覆道外观形貌平整、内部组织均匀、结合紧密的修复层，通过刃磨后修复刃口裂纹、气孔极少，该刃口的平均显微硬度呈梯度变化，且平均硬度在75HRC以上，最高硬度1411Hv，在600℃时刃口平均硬度达到60HRC以上；1000℃时，刃口平均硬度仍达到50HRC以上。修复后车刀可以较好的完成不同材料的加工，满足其实用性能，其中包括硬度70HRC以上的淬火Cr12MoV高硬材料加工，同时修复后车刀可以在切削速度为103.62m/min时正常完成加工工作。最终通过在W6Mo5Cr4V2高速钢车刀上熔覆WC/Co粉末可以获得新型修复后改性强化车刀。
最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。

Claims (10)

1.一种高速钢车刀刃口激光熔覆修复方法，其特征在于，包括以下步骤：将高速钢车刀破损刃口部分进行预置坡口加工，采用WC/Co陶瓷粉末在预置坡口部位激光熔覆修复改性形成熔覆层，通过对修复后刃口修磨消除边界裂纹与悬浮气孔，形成良好的车刀刃口。
2.根据权利要求1所述高速钢车刀刃口激光熔覆修复方法，其特征在于，将高速钢车刀破损刃口部分进行预置等腰坡口加工，并根据不同的刀具刃口的倾斜角度调整刀具装夹位置，确保需修复的刃口保持水平。
3.根据权利要求2所述高速钢车刀刃口激光熔覆修复方法，其特征在于，所述等腰坡口的坡口平面尺寸为宽度：高度：长度＝1-3：0.5-1.5:15-30。
4.根据权利要求1所述高速钢车刀刃口激光熔覆修复方法，其特征在于，激光熔覆修复改性形成熔覆层时激光头垂直于坡口平面进行粉末喷射，扫描路径由刀尖向刀体内部延伸。
5.根据权利要求1所述高速钢车刀刃口激光熔覆修复方法，其特征在于，修磨时刀刃侧面与刀鞘配合修磨，侧面单侧去除量为0.3～0.5mm，刃口刀鞘去除量为0.2～0.4mm。
6.根据权利要求1所述高速钢车刀刃口激光熔覆修复方法，其特征在于，激光器额定输出功率为3000W，光纤芯径为1000um，长度为10m，输出波长为1070～1080nm，光束质量为4mm·rad；配合同步式送粉器，送粉量为1.2～8.4r(g)。
7.根据权利要求1所述高速钢车刀刃口激光熔覆修复方法，其特征在于，所述WC/Co金属陶瓷粉末为包覆型陶瓷粉末，其中WC粉末的质量分数为85～90％，Co粉末的质量分数为10～15％，粉末粒度为15～45um。
8.根据权利要求1所述高速钢车刀刃口激光熔覆修复方法，其特征在于，通过调整熔覆参数将熔覆层中气孔有效控制在距离熔覆层顶0.15～0.25mm的次表层范围内，将熔覆层中裂纹集中在熔覆层与基体结合的左右边界处，形成的熔覆层厚度为0.7～1.4mm，对修复后刃口的修磨能快速消除熔覆层的边界裂纹与悬浮气孔，最终形成良好的刀具刃口。
9.根据权利要求1所述高速钢车刀刃口激光熔覆修复方法，其特征在于，修复改性形成熔覆层的工艺参数为激光功率为900～1300W，送粉电压为12～16V，扫描速度为1～3mm/s，光斑直径为1.5～2.5mm。
10.根据权利要求1所述高速钢车刀刃口激光熔覆修复方法，其特征在于，熔覆层宽度为2.5～3.0mm，熔池深度为0.5～0.8mm，熔覆层厚度为0.5～1.0mm。
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