CN110560858A - 一种应用等离子堆焊工艺生产复合刀坯的方法 - Google Patents

一种应用等离子堆焊工艺生产复合刀坯的方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及刀剪刃具生产技术领域，具体涉及一种应用等离子堆焊工艺生产复合刀坯的方法，其特征在于：通过等离子堆焊机将含稀土氧化物粉末的不锈钢合金粉末直接堆焊在刀身部基体上形成刀刃部堆焊层，再纵向切割形成单独刀坯。与现有技术相比，本发明的优点如下：1）充分利用了材料，避免优质材料的浪费；2）可根据刀剪产品的需求灵活调整堆焊材料的种类；3）堆焊层结合力强；4）在保护气氛下在刀刃部中添加稀土氧化物，大幅提升原始材料综合性能并且可根据刀刃部性能需要，灵活调节稀土氧化物种类；5）刀坯尺寸可按成品刀剪体积累加计算得到，切割得到的单独刀坯可直接锻轧所需规格刀剪尺寸，边角料浪费少，生产效率高，整体性价比最优。

Description

一种应用等离子堆焊工艺生产复合刀坯的方法
技术领域
本发明涉及刀剪刃具生产技术领域，具体涉及一种应用等离子堆焊工艺生产复合刀坯的方法。
背景技术
目前高端刀剪产品大都采用优等钢种或复合材料作为刀坯原料，一些刀坯通体为优等钢种或复合材料直接生产刀剪产品，但日常使用刀剪过程中，刀剪刃部为主要受力磨损部位，刀身只需耐腐性能良好即可，因此刀坯会造成优质材料的浪费。还有一些高端刀剪产品是以焊接法或镶嵌法将优等钢种或复合材料与普通钢材连接制成刀坯，再加工制成刀具，而这种方法存在的问题是：焊接法所造成焊缝金属存在于刀身与刀刃之间，焊缝金属与刀身材料和刀刃材料两者的焊接性能受材料种类制约较大，另外存在焊缝金属与刀身、焊缝金属与刀刃两个交界面，增加了焊缝开裂的风险；镶嵌法生产刀坯，不仅需要耗时耗力的匹配嵌槽与嵌入钢条，而且仍需要焊接工艺将两者固定，大大降低了生产效率。
等离子粉末堆焊是利用焊炬的钨极作为电流的负极，刀坯基体作为电流的阳极，二者之间产生的等离子体作为热能，并将热能转移给被焊接的刀坯基体，向该热能区域送入焊接粉末材料，使其熔化后沉积在被焊接工件基体表面的堆焊工艺。等离子堆焊的优点是热影响区小，对基体的热影响小，使工件在焊接过程中变形小，其次等离子体能被精确调节，工艺可控性强，能够焊接很薄的工件；第三等离子体能量密度大，熔透能力强，可以高速施焊，生产效率高。
由于等离子粉末堆焊后与基体材料之间结合强度高，堆焊层组织致密，耐蚀和耐磨性好，因此等离子堆焊工艺被广泛应用于阀门密封面的耐磨堆焊、石油钻杆或轧辊等磨损后的修复、以及农用机具旋耕刀和还田刀的生产中。目前等离子粉末的成分主要是钴基合金粉末或钴基焊棒，无法适用于不锈钢制作的民用刀剪类刃具的生产，如何提高该类产品的综合材料性能，实现更高的性价比，还有必要进行探索。
发明内容
本发明的目的在于提供一种应用等离子堆焊工艺生产复合刀坯的方法，克服现有技术的不足，解决目前存在的优质材料不能充分有效利用、焊接方式生产刀剪产品效率低以及焊接后双焊缝开裂缝倾向大的问题，可根据刀坯刃部性能需要，将稀土氧化物加入刀坯堆焊合金材料中，使得刀坯材料综合性能进一步提升，减少优质金属材料的浪费，节约生产成本，实现整体性价比最优。
为实现上述目的，本发明通过以下技术方案实现：
一种应用等离子堆焊工艺生产复合刀坯的方法，其特征在于：通过等离子堆焊机将不锈钢合金粉末直接堆焊在基体表面，形成堆焊层，再纵向切割形成片状复合刀坯，其具体操作步骤如下：
1）预热，将不锈钢合金粉末在150~250℃下烘干2~3小时，基体材料在300~400℃预热1~1.5h；
2）堆焊参数设定，设定等离子喷枪的运动路径，覆盖基体材料全部待堆焊表面，设定等离子喷枪的步进宽度为3~7mm/min，步进速度为250~290mm/min，等离子喷枪枪口与基体材料表面堆焊距离为15~25mm；所用离子气和保护气均为商用纯氩气，离子气流量为1~2L/min，保护气流量为1.5~2.5L/min，堆焊电流140~160A，堆焊电压30~40V；
3）装粉，将烘干后的混合粉末装入等离子堆焊机的送粉罐中，设定送粉罐的送粉速率为50~70g/min；
4）堆焊，等离子喷枪按照预先设定运动路径在基体材料表面进行堆焊，直到形成一块在基体材料上带有理想厚度的堆焊层的复合金属；
5）退火，将堆焊后的复合金属快速送入保温炉中，缓冷处理随炉冷却至室温；
6）精磨修形，复合金属缓冷结束后，对其堆焊层表面进行精磨至平整光滑；
7）切割，用线切割机将复合金属纵向切割，即可分割成若干个厚度5~12mm的复合刀坯，基体材料为刀身部位，堆焊层为刀刃部位。
2.根据权利要求1所述的一种应用等离子堆焊工艺生产复合刀坯的方法，其特征在于：在所述不锈钢合金粉末中掺入有稀土氧化物粉末，二者以95:5的体积比混合。
所述的步骤1）中不锈钢合金粉末材料为8Cr13MoV，其组成成分以质量百分比计优选值为C0.80%、Si1.00、Mn1.00%、P0.045%、Ni0.15%、Cr13.00%、Mo0.2%、V0.20%、Fe余量，粉末粒度为50~100度为；所述基体材料为2Cr13不锈钢，其组成成分以质量百分比计优选值为C0.20%、Si0.40%、Mn0.25%、P0.025%、Ni0.12%、Cr13.00%、Fe余量。
所述稀土氧化物粉末为Y2O3或CeO2，纯度为99.999%，粉末粒度为纳米级。
所述步骤4）中形成的堆焊层的理想厚度是10~15mm。
所述步骤5）中保温炉为马弗炉，复合金属入炉前马弗炉内温度为700~800℃，复合金属入炉后断电，随炉冷却。
所述步骤6）中精磨修形后，剩余堆焊层有效厚度不少于10mm。
与现有技术相比，本发明的有益效果如下：1）将优质功能材料集中在刀刃处使用，充分利用了材料，避免优质材料的浪费；2）等离子堆焊工艺所使用材料可调节性高，根据刀剪产品的需求不同，可灵活调整堆焊材料的种类，生产适宜刀坯，并且熔化区有惰性气体保护，可减少由于材料氧化所造成的不必要损失；3）刀刃部堆焊层和刀身部基体连接处呈冶金结合，结合力强；4）可在保护气氛下在刀刃部中添加稀土氧化物，并且可根据刀刃部性能需要，灵活调节稀土氧化物种类，比如专注耐腐蚀性能提升时，添加Y2O3，专注于硬度提升时，添加CeO2；5）刀坯尺寸可按成品刀剪体积累加计算得到，切割后得到的单独刀坯可直接锻轧得到所需规格刀剪尺寸，边角料浪费少，生产效率高，进而实现整体性价比最优。
附图说明
图1是本发明刀坯成形切割示意图。
图2是本发明刀坯切割后轧制状态示意图。
图3是本发明实施例1刀刃部堆焊层和刀身部基体交界处显微形貌。
图4是本发明实施例2添加Y2O3后刀刃部堆焊层和刀身部基体交界处显微形貌。
图5是本发明实施例3添加CeO2后刀刃部堆焊层和刀身部基体交界处显微形貌。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例，对本发明实施例中的方案进行清楚完整的描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
实施例1
基于2Cr13表面堆焊8Cr13MoV不锈钢粉末制作复合刀坯。
刀身部基体材料2Cr13、刀刃部堆焊材料8Cr13MoV的化学成分符合表1要求。
表1 2Cr13、8Cr13MoV钢成分/质量分数（%）
所用8Cr13MoV不锈钢粉末粒度为50~100μm，刀身部基体材料2Cr13尺寸为高80mm×宽100mm×长120mm，所设计基体材料尺寸可得10个刀坯（常规刀剪尺寸约为180mm×80mm×2.2mm（刀身厚3mm），堆焊所得复合刀坯体积略大于常规刀剪体积，为后续加工预留余料），见图1。
实施例1的具体生产步骤如下：
1）预热，堆焊前需要对8Cr13MoV不锈钢粉末进行烘干处理，200℃下烘干2.5小时，并且对刀身部基体材料进行预热处理，在加热炉中350℃保温1h，随后快速去进行堆焊作业。
2）堆焊参数设定，堆焊设备参数设定符合表2要求
表2 堆焊设备参数
3）装粉，将烘干后的混合粉末装入等离子堆焊机的送粉罐中；
4）堆焊，等离子喷枪按照预先设定运动路径在基体材料进行堆焊，直到形成一块在基体材料上带有理想厚度的堆焊层的复合金属，堆焊过程中全程采用氩气保护，保护氩气流量为2L/min，离子氩气流量为1.5L/min。
5）退火，堆焊过程结束后对复合金属进行缓冷处理，快速放入已经加热到750℃的马弗炉中，然后随炉冷却至室温。目的是避免堆焊层由于冷速过快而产生开裂。
6）精磨修形，待堆焊后的复合金属完全冷却后，对其堆焊层表面进行精磨，保证堆焊层厚度剩余不少于10mm。
7）切割，采用线切割机对精磨后的复合材料进行纵向切割，保证料坯厚度为10mm，每块大料坯可被分割成相同的10个小料坯，切割方式符合图2要求。
观察刀刃部堆焊层和刀身部基体的交界处，如图3所示，可知两者交界面有明显的扩散现象，呈冶金结合，结合效果良好。
对于刀刃部堆焊层和刀身部基体的宏观硬度、显微硬度、耐磨性能、冲击韧性以及耐腐蚀性能进行检测经过如表3所示。由表中可以看出刀刃部堆焊层综合性能明显优于刀身部基体。
表3刀刃部堆焊层和刀身部基体各项性能测试结果
实施例2
基于2Cr13基体表面堆焊8Cr13MoV与Y2O3混合粉末制作复合刀坯。
刀身部基体材料2Cr13、刀刃部堆焊材料8Cr13MoV的化学成分符合表1要求，Y2O3粉末纯度为99.999%。
表1 2Cr13、8Cr13MoV钢成分/质量分数（%）
所用8Cr13MoV不锈钢粉末粒度为50~100μm，Y2O3粉末为纳米级别，两者按体积比95:5混合。基体材料2Cr13尺寸为80mm×100mm×120mm，所设计基体材料尺寸可得10个刀坯（常规刀剪尺寸约为180mm×80mm×2.2mm（刀身厚3mm），堆焊所得复合刀坯体积需略大于常规刀剪体积，为后续加工预留余料），见图1。
实施例2的具体生产步骤如下：
1）预热，堆焊前需要对8Cr13MoV不锈钢粉末进行烘干处理，200℃下烘干2.5小时，并且对基体材料进行预热处理，在加热炉中350℃保温1h，随后快速去除进行堆焊作业。
2）堆焊参数设定，堆焊设备参数设定符合表2要求
表2 堆焊设备参数
电流 电压 送粉速率 堆焊距离 步进宽度 线速度 保护气 离子气
150A 35V 65g/min 20mm 5mm/min 275mm/min 氩气 氩气
3）装粉，将烘干后的混合粉末装入等离子堆焊机的送粉罐中；
4）堆焊，等离子喷枪按照预先设定运动路径在基体材料表面进行堆焊，直到形成一块在基体材料上带有理想厚度的堆焊层的复合金属，堆焊过程中全程采用氩气保护，保护氩气流量为2.5L/min，离子氩气流量为1.5L/min。
5）退火，堆焊过程结束后对复合材料进行缓冷处理，快速放入已经加热到750℃的马弗炉中，然后随炉冷却。目的是避免堆焊层由于冷速过快而产生开裂。
6）精磨修形，待堆焊后的复合金属完全冷却后，对其堆焊层表面进行精磨，保证堆焊层厚度剩余不少于10mm。
7）切割，采用线切割机对精磨后的复合材料进行纵向切割，保证料坯厚度为10mm，每块大料坯可被分割成相同的10个小料坯，切割方式符合图2要求。
观察刀刃部堆焊层和刀身部基体的交界处，如图4所示，可知两者交界面有明显的扩散现象，呈冶金结合，结合效果良好；并且由于Y2O3的加入，使得组织晶粒更加细化。
对于刀刃部堆焊层和刀身部基体的宏观硬度、显微硬度、耐磨性能、冲击韧性以及耐腐蚀性能进行检测经过如表4所示。由表中可以看出添加Y2O3后的刀刃部堆焊层综合性能不仅明显优于刀身部基体，也高于8Cr13MoV不锈钢粉末堆焊层，尤其在耐腐蚀性能方面提升明显。
表4添加Y2O3后刀刃部堆焊层和刀身部基体各项性能测试结果
实施例3
基于2Cr13基材表面堆焊8Cr13MoV与CeO2混合粉末制作复合刀坯。
刀身部基体材料2Cr13、刀刃部堆焊材料8Cr13MoV的化学成分符合表1要求，CeO2粉末纯度为99.999%。
表1 2Cr13、8Cr13MoV钢成分/质量分数（%）
牌号 C Si Mn P Ni Cr Mo V Fe
2Cr13 0.20 0.40 0.25 0.025 0.12 13.00 - - 余量
8Cr13MoV 0.80 1.00 1.00 0.045 0.15 13.00 0.20 0.20 余量
所用8Cr13MoV不锈钢粉末粒度为50~100μm，CeO2粉末为纳米级别，两者按体积比95:5混合。基体材料2Cr13尺寸为80mm×100mm×120mm，所设计基体材料尺寸可得10个刀坯（常规刀剪尺寸约为180mm×80mm×2.2mm（刀身厚3mm），堆焊所得复合刀坯体积需略大于常规刀剪体积，为后续加工预留余料），见图1。
实施例3具体生产步骤如下：
1）预热，堆焊前需要对8Cr13MoV不锈钢粉末进行烘干处理，200℃下烘干2.5小时，并且对基体材料进行预热处理，在加热炉中350℃保温1h，随后快速去除进行堆焊作业。
2）堆焊参数设定，堆焊设备参数设定符合表2要求
表2 堆焊设备参数
电流 电压 送粉速率 堆焊距离 步进宽度 线速度 保护气 离子气
150A 35V 65g/min 20mm 5mm/min 275mm/min 氩气 氩气
3）装粉，将烘干后的混合粉末装入等离子堆焊机的送粉罐中；
4）堆焊，等离子喷枪按照预先设定运动路径在刀身部基体表面堆焊，直到形成一块在刀身部基体上带有理想厚度的堆焊层的复合金属，堆焊过程中全程采用氩气保护，保护氩气流量为2.5L/min，离子氩气流量为1.5L/min。
5）退火，堆焊过程结束后对复合材料进行缓冷处理，快速放入已经加热到750℃的马弗炉中，然后随炉冷却。目的是避免堆焊层由于冷速过快而产生开裂。
6）精磨修形，待堆焊后的复合材料完全冷却，对其堆焊层面进行精磨，保证堆焊层厚度剩余10mm。
7）切割，采用线切割机对精磨后的复合材料进行纵向切割，保证料坯厚度为10mm，每块大料坯可被分割成相同的10个小料坯，切割方式符合图2要求。
观察刀刃部堆焊层和刀身部基体的交界处，如图5所示，可知两者交界面有明显的扩散现象，呈冶金结合，结合效果良好；并且由于CeO2的加入，使得组织晶粒更加细化。
对刀刃部堆焊层和刀身部基体的宏观硬度、显微硬度、耐磨性能、冲击韧性以及耐腐蚀性能进行检测经过如表4所示。由表中可以看出添加CeO2后的刀刃部堆焊层综合性能不仅明显优于刀身部基体，也高于8Cr13MoV不锈钢粉末堆焊层，尤其在综合硬度方面提升明显。
表4添加CeO2后刀刃部堆焊层和刀身部基体各项性能测试结果
本发明的突出特点是：1）堆焊材料为8Cr13MoV不锈钢粉体，并且堆焊过程在氩气保护下进行，不与空气接触，可在堆焊材料中添加不同种类稀土氧化物粉末，使堆焊层组织进一步细化，刀剪刃部的性能进一步提升。稀土氧化物的添加不局限于上述实施例种类，因为等离子堆焊温度高，氩气气氛，可高效利用所添加稀土氧化物，并且可根据客户对刀剪性能需要，添加不同功能性稀土氧化物粉末。
2）等离子堆焊工艺具有较低的稀释率，能够使得堆焊材料自身的优良性能得以保留。同时堆焊层与基体的结合方式为冶金结合，确保了两者之间有较高的结合强度。
3）由于切割后的复合刀坯厚度仅为10mm，可直接采用冷轧工艺进行轧制，减少了热轧工艺所需的时间和成本。
以上本发明优选实例只是用于帮助阐述本发明。对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他具体形式实现本发明。因此，本发明实例应被看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制涉及的权利要求。

Claims (7)

1.一种应用等离子堆焊工艺生产复合刀坯的方法，其特征在于：通过等离子堆焊机将不锈钢合金粉末直接堆焊在基体表面，形成堆焊层，再纵向切割形成片状复合刀坯，其具体操作步骤如下：
1）预热，将不锈钢合金粉末在150~250℃下烘干2~3小时，基体材料在300~400℃预热1~1.5h；
2）堆焊参数设定，设定等离子喷枪的运动路径，覆盖基体材料全部待堆焊表面，设定等离子喷枪的步进宽度为3~7mm/min，步进速度为250~290mm/min，等离子喷枪枪口与基体材料表面堆焊距离为15~25mm；所用离子气和保护气均为商用纯氩气，离子气流量为1~2L/min，保护气流量为1.5~2.5L/min，堆焊电流140~160A，堆焊电压30~40V；
3）装粉，将烘干后的混合粉末装入等离子堆焊机的送粉罐中，设定送粉罐的送粉速率为50~70g/min；
4）堆焊，等离子喷枪按照预先设定运动路径在基体材料表面进行堆焊，直到形成一块在基体材料上带有理想厚度的堆焊层的复合金属；
5）退火，将堆焊后的复合金属快速送入保温炉中，缓冷处理随炉冷却至室温；
6）精磨修形，复合金属缓冷结束后，对其堆焊层表面进行精磨至平整光滑；
7）切割，用线切割机将复合金属纵向切割，即可分割成若干个厚度5~12mm的复合刀坯，基体材料为刀身部位，堆焊层为刀刃部位。
2.根据权利要求1所述的一种应用等离子堆焊工艺生产复合刀坯的方法，其特征在于：在所述不锈钢合金粉末中掺入有稀土氧化物粉末，二者以95:5的体积比混合。
3.根据权利要求1或2中所述的一种应用等离子堆焊工艺生产复合刀坯的方法，其特征在于：所述的步骤1）中不锈钢合金粉末材料为8Cr13MoV，其组成成分以质量百分比计优选值为C0.80%、Si1.00、Mn1.00%、P0.045%、Ni0.15%、Cr13.00%、Mo0.2%、V0.20%、Fe余量，粉末粒度为50~100μm；所述基体材料为2Cr13不锈钢，其组成成分以质量百分比计优选值为C0.20%、Si0.40%、Mn0.25%、P0.025%、Ni0.12%、Cr13.00%、Fe余量。
4.根据权利要求2中所述的一种应用等离子堆焊工艺生产复合刀坯的方法，其特征在于：所述稀土氧化物粉末为Y2O3或CeO2，纯度为99.999%，粉末粒度为纳米级。
5.根据权利要求1所述的一种应用等离子堆焊工艺生产复合刀坯的方法，其特征在于：所述4）步骤中形成的堆焊层的理想厚度是10~15mm。
6.根据权利要求1所述的一种应用等离子堆焊工艺生产复合刀坯的方法，其特征在于：所述步骤5）中保温炉为马弗炉，复合金属入炉前马弗炉内温度为700~800℃，复合金属入炉后断电，随炉冷却。
7.根据权利要求1所述的一种等离子堆焊工艺生产复合刀坯的方法，其特征在于：所述步骤6）中精磨修形后，剩余堆焊层有效厚度不少于10mm。
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