CN112609178A - 一种增材制造宽温域自润滑涂层刀具及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种增材制造宽温域自润滑涂层刀具及其制备方法。该刀具基体材料为高速钢或硬质合金，基体表面为含有ZnO、MoTe2、VC、Ag、CNTs和CNFs的Al2O3基、SiC基或Si3N4基陶瓷自润滑涂层；所述涂层采用增材制造方法制备。该方法制备的自润滑刀具整体具有良好的韧性，基体表面陶瓷涂层具有较高的硬度、强度和韧性，基体与涂层间具有较强的结合力，且该刀具有良好的宽温域自润滑功效。工作过程中，温度较低时，MoTe2能够起到润滑效果，高温时MoTe2、ZnO、VC和Ag会发生原位反应，生成具有润滑效应的ZnMoO4、Ag2MoO4、V2O5化合物，从而能够减小摩擦磨损，提高刀具寿命。
Description
技术领域
本发明属于刀具制造技术领域，特别涉及了一种增材制造宽温域自润滑涂层刀具及其制备方法。
背景技术
刀具切削过程存在剧烈摩擦磨损，自润滑刀具本身具有减摩润滑功能，可在无外加润滑液的条件下实现自润滑切削加工。因此，以绿色、经济为特点的自润滑刀具已成为切削加工及刀具设计制备的研究热点。
中国专利“申请号：CN201810706464.2”报道了一种立方氮化硼自润滑涂层刀具及其制备方法，通过电子束熔覆技术在刀具基体表面制备出氮化硼自润滑涂层，从而实现刀具本身的自润滑功能。中国专利“申请号：201710541381.8”报道了一种激光熔覆石墨烯-陶瓷自润滑涂层刀具及其制备方法，通过激光熔覆将含有石墨烯的陶瓷混合粉料熔覆在刀具前刀面，制备出自润滑刀具。中国专利“申请号：CN201610508122.0”报道了一种固体润滑的金属切削刀具及其加工方法，通过在刀具表面加工出微凹坑和微凸起织构，并嵌入固体润滑剂，实现刀具切削过程的自润滑功能。
发明内容
为克服现有技术的不足，本发明公开了一种增材制造宽温域自润滑涂层刀具及其制备方法，刀具整体具有良好的韧性，基体表面是一种宽温域自润滑Al2O3基或SiC基或Si3N4基陶瓷涂层，涂层具有高的硬度、韧性和耐磨性；该刀具可实现工作过程中的连续自润滑，能够有效减小摩擦磨损，提高刀具寿命。
为解决上述技术问题，本发明一方面提供一种增材制造宽温域自润滑涂层刀具，包括刀具基体和自润滑涂层，所述自润滑涂层熔覆在所述刀具基体的表面；所述自润滑涂层为Si3N4基陶瓷涂层、Al2O3基陶瓷涂层或SiC基陶瓷涂层。
作为本发明实施例的进一步改进，所述Si3N4基陶瓷涂层由Si3N4基陶瓷混合粉熔覆形成，Si3N4基陶瓷混合粉是由ZnO、MoTe2、VC、Ag、CNTs、CNFs、Si3N4、Ni60A和WC组成。
作为本发明实施例的进一步改进，所述Si3N4基陶瓷混合粉中，ZnO的质量百分比为5-8％，MoTe2的质量百分比为5-8％，VC的质量百分比为3-5％，Ag的质量百分比为3-5％，CNTs的质量百分比为1-3％，CNFs的质量百分比为1-3％，Si3N4的质量百分比为30-40％，Ni60A的质量百分比为20-30％，WC的质量百分比为10-20％，各成分重量百分比之和为100％。
作为本发明实施例的进一步改进，所述Al2O3基陶瓷涂层由Al2O3基陶瓷混合粉熔覆形成，Al2O3基陶瓷混合粉是由ZnO、MoTe2、VC、Ag、CNTs、CNFs、Al2O3、Ni60A和WC组成。
作为本发明实施例的进一步改进，所述Al2O3基陶瓷混合粉中，ZnO的质量百分比为5-8％，MoTe2的质量百分比为5-8％，VC的质量百分比为3-5％，Ag的质量百分比为3-5％，CNTs的质量百分比为1-3％，CNFs的质量百分比为1-3％，Al2O3的质量百分比为30-40％，Ni60A的质量百分比为20-30％，WC的质量百分比为10-20％，各成分重量百分比之和为100％。
作为本发明实施例的进一步改进，所述SiC基陶瓷涂层由SiC基陶瓷混合粉熔覆形成，SiC基陶瓷混合粉是由ZnO、MoTe2、VC、Ag、CNTs、CNFs、SiC、Ni60A和WC组成。
作为本发明实施例的进一步改进，所述SiC基陶瓷混合粉中，ZnO的质量百分比为5-8％，MoTe2的质量百分比为5-8％，VC的质量百分比为3-5％，Ag的质量百分比为3-5％，CNTs的质量百分比为1-3％，CNFs的质量百分比为1-3％，SiC的质量百分比为30-40％，Ni60A的质量百分比为20-30％，WC的质量百分比为10-20％，各成分重量百分比之和为100％。
作为本发明实施例的进一步改进，所述刀具基体由高速钢或硬质合金制成。
本发明实施例还提供一种上述增材制造宽温域自润滑涂层刀具的制备方法，通过增材制造技术将含有ZnO、MoTe2、VC、Ag、CNTs和CNFs的Al2O3基陶瓷混合粉料、SiC基陶瓷混合粉料或Si3N4基陶瓷混合粉料熔覆在刀具基体表面，具体制备过程包括以下步骤：
(a)前处理：将刀具基体依次放在酒精和丙酮溶液中超声清洗各10-20min，进行去油污处理；
(b)熔覆自润滑涂层：配置Al2O3基陶瓷混合粉料、SiC基陶瓷混合粉料或Si3N4基陶瓷混合粉料，混合粉料中各成分重量百分比为：20-30％Ni60A、30-40％Al2O3或30-40％SiC或30-40％Si3N4、10-20％WC、5-8％ZnO、5-8％MoTe2、3-5％VC、3-5％Ag、1-3％CNTs和1-3％CNFs，各成分重量百分比之和为100％；将配置好的混合粉料装入送粉器中，调整送粉器送粉速率为5-30g/s；采用增材制造技术将混合粉料熔覆在刀具基体表面，得到自润滑陶瓷涂层厚度为1000-3000μm；
(c)后处理：将步骤(b)得到的自润滑陶瓷熔覆层表面进行磨削精整，使得涂层总厚度为200-2000μm，完成宽温域自润滑涂层刀具的制备。
作为本发明实施例的进一步改进，增材制造技术为激光增材制造或电子束增材制造。
与现有技术相比，本发明的技术方案具有以下有益效果：1.本发明实施例的刀具整体具有良好的韧性，工作表面具有高的硬度、韧性和耐磨性；2.该刀具在宽温域内具有自润滑功效；工作过程中，温度较低时，MoTe2能够起到润滑效果，高温时MoTe2、ZnO、VC、Ag之间会发生原位反应，生成具有润滑效应的ZnMoO4、Ag2MoO4、V2O5化合物，使得该刀具能够在较高的温度下具有良好的自润滑作用，从而减小摩擦磨损，提高刀具寿命；3.CNTs和CNFs的加入增加了刀具表面散热能力，且提高涂层韧性和强度；4.本发明刀具涂层采用增材制造方法制备，制备效率高，涂层与基体间具有较强的结合强度。
附图说明
图1为本发明实施例的增材制造宽温域自润滑刀具的结构示意图。
图中：刀具基体1、自润滑涂层2。
具体实施方式
下面结合附图，对本发明的技术方案进行详细的说明。
实施例1
一种增材制造宽温域自润滑涂层刀具，刀具基体材料为W18Cr4V高速钢，刀具工作表面为含有ZnO、MoTe2、VC、Ag、CNTs和CNFs的宽温域自润滑Al2O3基陶瓷涂层，该涂层中各成分重量百分比为：30％Ni60A、30％Al2O3、20％WC、5％ZnO、5％MoTe2、5％VC、3％Ag、1％CNTs和1％CNFs，各成分重量百分比之和为100％。所述涂层采用激光增材制造方法在刀具基体表面制备。
上述宽温域自润滑涂层刀具的制备方法，通过激光增材制造技术将含有ZnO、MoTe2、VC、Ag、CNTs和CNFs的Al2O3基陶瓷混合粉料熔覆在刀具基体表面，具体制备过程包括以下步骤：
(a)前处理：将刀具基体依次放在酒精和丙酮溶液中超声清洗各10min，进行去油污处理；
(b)熔覆自润滑涂层：配置Al2O3基陶瓷混合粉料，混合粉料中各成分重量百分比为：30％Ni60A、30％Al2O3、20％WC、5％ZnO、5％MoTe2、5％VC、3％Ag、1％CNTs和1％CNFs，各成分重量百分比之和为100％；将配置好的混合粉料装入送粉器中，调整送粉器送粉速率为10g/s；采用激光增材制造技术将混合粉料熔覆在刀具基体表面，得到自润滑陶瓷涂层厚度为1000μm；
(c)后处理：将步骤(b)得到的自润滑陶瓷熔覆层表面进行磨削精整，使得涂层总厚度为200μm，完成宽温域自润滑涂层刀具的制备。
实施例2
一种增材制造宽温域自润滑涂层刀具，刀具基体材料为YT15硬质合金，刀具工作表面为含有ZnO、MoTe2、VC、Ag、CNTs和CNFs的宽温域自润滑SiC基陶瓷涂层，该涂层中各成分重量百分比为：20％Ni60A、40％SiC、10％WC、8％ZnO、8％MoTe2、4％VC、5％Ag、3％CNTs和2％CNFs，各成分重量百分比之和为100％。所述涂层采用电子束增材制造方法在刀具基体表面熔覆制备。
上述增材制造宽温域自润滑刀具的制备方法，通过增材制造技术将含有ZnO、MoTe2、VC、Ag、CNTs和CNFs的SiC基陶瓷混合粉料熔覆在刀具基体表面，具体制备过程包括以下步骤：
(a)前处理：将刀具基体依次放在酒精和丙酮溶液中超声清洗各20min，进行去油污处理；
(b)熔覆自润滑涂层：配置SiC基陶瓷混合粉料，混合粉料中各成分重量百分比为：20％Ni60A、40％SiC、10％WC、8％ZnO、8％MoTe2、4％VC、5％Ag、3％CNTs和2％CNFs，各成分重量百分比之和为100％；将配置好的混合粉料装入送粉器中，调整送粉器送粉速率为30g/s；采用电子束增材制造技术将混合粉料熔覆在刀具基体表面，得到自润滑陶瓷涂层厚度为3000μm；
(c)后处理：将步骤(b)得到的自润滑陶瓷熔覆层表面进行磨削精整，使得涂层总厚度为2000μm，完成宽温域自润滑涂层刀具的制备。
实施例3
一种增材制造宽温域自润滑涂层刀具，刀具基体材料为W12Cr4V5Co5高速钢，刀具工作表面为含有ZnO、MoTe2、VC、Ag、CNTs和CNFs的Si3N4基陶瓷涂层，该涂层中各成分重量百分比为：25％Ni60A、35％Si3N4、16％WC、6％ZnO、6％MoTe2、4％VC、4％Ag、2％CNTs和2％CNFs，各成分重量百分比之和为100％。所述涂层采用激光增材制造方法在刀具基体表面制备。
上述宽温域自润滑涂层刀具的制备方法，通过激光增材制造技术将含有ZnO、MoTe2、VC、Ag、CNTs和CNFs的Si3N4基陶瓷混合粉料熔覆在刀具基体表面，具体制备过程包括以下步骤：
(a)前处理：将刀具基体依次放在酒精和丙酮溶液中超声清洗各15min，进行去油污处理；
(b)熔覆自润滑涂层：配置Si3N4基陶瓷混合粉料，混合粉料中各成分重量百分比为：25％Ni60A、35％Si3N4、16％WC、6％ZnO、6％MoTe2、4％VC、4％Ag、2％CNTs和2％CNFs，各成分重量百分比之和为100％；将配置好的混合粉料装入送粉器中，调整送粉器送粉速率为20g/s；采用激光增材制造技术将混合粉料熔覆在刀具基体表面，得到自润滑陶瓷涂层厚度为2000μm；
(c)后处理：将步骤(b)得到的自润滑陶瓷熔覆层表面进行磨削精整，使得涂层总厚度为500μm，完成宽温域自润滑涂层刀具的制备。
实施例4
一种增材制造宽温域自润滑涂层刀具，刀具基体材料为W12Cr4V5Co5高速钢，刀具工作表面为含有ZnO、MoTe2、VC、Ag、CNTs和CNFs的Si3N4基陶瓷涂层，该涂层中各成分重量百分比为：25％Ni60A、35％Si3N4、15％WC、6％ZnO、7％MoTe2、3％VC、4％Ag、2％CNTs和3％CNFs，各成分重量百分比之和为100％。所述涂层采用激光增材制造方法在刀具基体表面制备。
上述宽温域自润滑涂层刀具的制备方法，通过激光增材制造技术将含有ZnO、MoTe2、VC、Ag、CNTs和CNFs的Si3N4基陶瓷混合粉料熔覆在刀具基体表面，具体制备过程包括以下步骤：
(a)前处理：将刀具基体依次放在酒精和丙酮溶液中超声清洗各15min，进行去油污处理；
(b)熔覆自润滑涂层：配置Si3N4基陶瓷混合粉料，混合粉料中各成分重量百分比为：25％Ni60A、35％Si3N4、15％WC、6％ZnO、7％MoTe2、3％VC、4％Ag、2％CNTs和3％CNFs，各成分重量百分比之和为100％；将配置好的混合粉料装入送粉器中，调整送粉器送粉速率为20g/s；采用激光增材制造技术将混合粉料熔覆在刀具基体表面，得到自润滑陶瓷涂层厚度为2000μm；
(c)后处理：将步骤(b)得到的自润滑陶瓷熔覆层表面进行磨削精整，使得涂层总厚度为1000μm，完成宽温域自润滑涂层刀具的制备。
以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和优点。本领域的技术人员应该了解，本发明不受上述具体实施例的限制，上述具体实施例和说明书中的描述只是为了进一步说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护的范围由权利要求书及其等效物界定。
Claims (10)
1.一种增材制造宽温域自润滑涂层刀具，其特征在于，包括刀具基体(1)和自润滑涂层(2)，所述自润滑涂层(2)熔覆在所述刀具基体(1)的表面；所述自润滑涂层(2)为Si3N4基陶瓷涂层、Al2O3基陶瓷涂层或SiC基陶瓷涂层。
2.根据权利要求1所述的增材制造宽温域自润滑涂层刀具，其特征在于，所述Si3N4基陶瓷涂层由Si3N4基陶瓷混合粉通过增材制造方法熔覆形成，Si3N4基陶瓷混合粉是由ZnO、MoTe2、VC、Ag、CNTs、CNFs、Si3N4、Ni60A和WC组成。
3.根据权利要求2所述的增材制造宽温域自润滑涂层刀具，其特征在于，所述Si3N4基陶瓷混合粉中，ZnO的质量百分比为5-8％，MoTe2的质量百分比为5-8％，VC的质量百分比为3-5％，Ag的质量百分比为3-5％，CNTs的质量百分比为1-3％，CNFs的质量百分比为1-3％，Si3N4的质量百分比为30-40％，Ni60A的质量百分比为20-30％，WC的质量百分比为10-20％，各成分重量百分比之和为100％。
4.根据权利要求1所述的增材制造宽温域自润滑涂层刀具，其特征在于，所述Al2O3基陶瓷涂层由Al2O3基陶瓷混合粉通过增材制造方法熔覆形成，Al2O3基陶瓷混合粉是由ZnO、MoTe2、VC、Ag、CNTs、CNFs、Al2O3、Ni60A和WC组成。
5.根据权利要求4所述的增材制造宽温域自润滑涂层刀具，其特征在于，所述Al2O3基陶瓷混合粉中，ZnO的质量百分比为5-8％，MoTe2的质量百分比为5-8％，VC的质量百分比为3-5％，Ag的质量百分比为3-5％，CNTs的质量百分比为1-3％，CNFs的质量百分比为1-3％，Al2O3的质量百分比为30-40％，Ni60A的质量百分比为20-30％，WC的质量百分比为10-20％，各成分重量百分比之和为100％。
6.根据权利要求1所述的增材制造宽温域自润滑涂层刀具，其特征在于，所述SiC基陶瓷涂层由SiC基陶瓷混合粉通过增材制造方法熔覆形成，SiC基陶瓷混合粉是由ZnO、MoTe2、VC、Ag、CNTs、CNFs、SiC、Ni60A和WC组成。
7.根据权利要求6所述的增材制造宽温域自润滑涂层刀具，其特征在于，所述SiC基陶瓷混合粉中，ZnO的质量百分比为5-8％，MoTe2的质量百分比为5-8％，VC的质量百分比为3-5％，Ag的质量百分比为3-5％，CNTs的质量百分比为1-3％，CNFs的质量百分比为1-3％，SiC的质量百分比为30-40％，Ni60A的质量百分比为20-30％，WC的质量百分比为10-20％，各成分重量百分比之和为100％。
8.根据权利要求1所述的增材制造宽温域自润滑涂层刀具，其特征在于，所述刀具基体(1)由高速钢或硬质合金制成。
9.根据权利要求1-8任意一项所述的增材制造宽温域自润滑涂层刀具的制备方法，其特征在于：通过增材制造技术将含有ZnO、MoTe2、VC、Ag、CNTs和CNFs的Al2O3基陶瓷混合粉料、SiC基陶瓷混合粉料或Si3N4基陶瓷混合粉料熔覆在刀具基体表面，具体制备过程包括以下步骤：
(a)前处理：将刀具基体依次放在酒精和丙酮溶液中超声清洗各10-20min，进行去油污处理；
(b)熔覆自润滑涂层：配置Al2O3基陶瓷混合粉料、SiC基陶瓷混合粉料或Si3N4基陶瓷混合粉料，混合粉料中各成分重量百分比为：20-30％Ni60A、30-40％Al2O3或30-40％SiC或30-40％Si3N4、10-20％WC、5-8％ZnO、5-8％MoTe2、3-5％VC、3-5％Ag、1-3％CNTs和1-3％CNFs，各成分重量百分比之和为100％；将配置好的混合粉料装入送粉器中，调整送粉器送粉速率为5-30g/s；采用增材制造技术将混合粉料熔覆在刀具基体表面，得到自润滑陶瓷涂层厚度为1000-3000μm；
(c)后处理：将步骤(b)得到的自润滑陶瓷熔覆层表面进行磨削精整，使得涂层总厚度为200-2000μm，完成宽温域自润滑涂层刀具的制备。
10.根据权利要求9所述的制备方法，其特征在于，增材制造技术为激光增材制造或电子束增材制造。
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| CN115747784A (zh) * | 2022-10-11 | 2023-03-07 | 湖北超卓航空科技股份有限公司 | 一种冷喷涂增材界面强度提升方法及轴类零件接长方法 |
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| CN110241347A (zh) * | 2019-06-13 | 2019-09-17 | 东南大学 | 一种超硬自润滑涂层刀具及其制备方法 |
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