CN113106450A - 一种复合硬质涂层刀具及其制备方法 - Google Patents

一种复合硬质涂层刀具及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种复合硬质涂层刀具及其制备方法，属于刀具加工技术领域，其特点在于所述包括刀具基体、选区激光熔化成形的基层、双辉等离子表面冶金沉积成型的中间层以及最后激光熔覆形成的刀面；所述制备方法包括如下步骤：步骤100：基体清洗；步骤200：选区激光熔化成型形成基层；步骤300：基层近净成形；步骤400：双辉等离子表面冶金形成中间层；步骤500：中间层近净成形；步骤600：激光熔覆形成刀面；步骤700：刀面近净成形；本发明对现有的增材制造技术进行控制改进，融合三种增材技术于一体，制成的硬质涂层刀具有硬度梯度，每层之间结合牢固，大大提升加工效率及刀具精度。

Description

一种复合硬质涂层刀具及其制备方法
技术领域
本发明属于刀具加工技术领域，特别涉及一种复合硬质涂层刀具及其制备方法。
背景技术
硬质合金刀具，是由硬质合金制成，硬质合金是由难熔金属的硬质化合物和粘结金属通过粉末冶金工艺制成的一种合金材料。硬质合金具有硬度高、耐磨、强度和韧性较好、耐热、耐腐蚀等一系列优良性能，特别是它的高硬度和耐磨性，即使在500℃的温度下也基本保持不变，在1000℃时仍有很高的硬度。然而但硬质合金脆性大，不能进行切削加工，难以制成形状复杂的整体刀具，因而常制成不同形状的刀片，采用焊接、粘接、机械夹持等方法安装在刀体或模具体上使用。激光熔覆技术是一种先进的表面改性技术，在基体表面上熔覆材料，经激光辐照使之和基体表面薄层同时熔化，并快速凝固后形成稀释度极低并与基体材料成冶金结合的表面涂层，从而显著改善基体材料表面的耐磨、耐蚀、耐热、抗氧化及电器特性等的工艺方法。将激光熔覆技术的可控性应用于硬质合金刀具的加工具有广阔的前景，但目前激光熔覆涂层还存在大量的问题尚未解决，包括裂纹等问题，尚没有行之有效的解决方案。
为了解决上述现有技术问题的不足，本发明公开了一种复合硬质涂层刀具及其制备方法，属于刀具加工技术领域，其特点在于所述包括刀具基体、选区激光熔化成形的基层、双辉等离子表面冶金沉积成型的中间层以及最后激光熔覆形成的刀面；所述制备方法包括如下步骤：步骤100：基体清洗；步骤200：选区激光熔化成型形成基层；步骤300：基层近净成形；步骤400：双辉等离子表面冶金形成中间层；步骤500：中间层近净成形；步骤600：激光熔覆形成刀面；步骤700：刀面近净成形；本发明对现有的增材制造技术进行控制改进，融合三种增材技术于一体，制成的硬质涂层刀具有硬度梯度，每层之间结合牢固，大大提升加工效率及刀具精度。
发明内容
(一)要解决的技术问题
针对现有技术中硬质合金刀具刀口容易钝、耐磨性差、耐高温性能差，严重影响刀具的寿命及质量，造成加工成本的提高、降低加工精度。
(二)技术方案
本发明通过如下技术方案实现：本发明提出了一种复合硬质涂层刀具，包括刀具基体、通过选区激光熔化成形的18Ni300/316L合金复合基层、通过双辉等离子表面冶金沉积成型的Ni-Cr复合涂层所形成的中间层以及最后激光熔覆碳化钨合金粉末/碳化铬合金粉末/镍基合金粉末复合而成的刀面。
作为上述方案的进一步说明，所述基层所使用的18Ni300合金粉末与316L合金粉末的重量比例为7.6:2.4；所述基层所采用的选区激光熔化成形技术的工艺参数如下：
激光功率：180.0-200.0W；
扫描速度：190.0-210.0mm/s；
铺粉层厚度：25.0-30.0μm；
扫描间距：65.0-80.0μm。
作为上述方案的进一步说明，所述中间层所使用的Ni-Cr合金片中Ni:Cr的重量比例为8.1:1.9；所述中间层工艺参数如下：
目标电极电压：800.0-1000.0V；
目标电极电流：1.0-3.0A；
试样电极电压：200.0-400.0V；
试样电极电流：1.0-3.0A；
目标距离：5.0-15.0mm；
电极距离：10.0-20.0mm；
加工温度：800.0-1000.0℃；
工作压力：45.0-65.0Pa；
沉积时间：1.0-6.0h。
作为上述方案的进一步说明，所述刀面所使用的碳化钨合金粉末/碳化铬合金粉末/镍基合金粉末的重量含量为：23.2％、34.7％、42.1％；所述刀面工艺参数如下：
激光功率：1600.0-2500.0W；
光斑直径：1.5-2.5mm；
送粉量：55.0-75.0g/min；
熔覆速度：1.0-6.0mm/s；
搭接率：10.0％-20.0％；
保护器流量：0.4-0.8m3/h。
作为上述方案的进一步说明，所述18Ni300合金粉末与316L合金粉末粒径为-50目。
作为上述方案的进一步说明，所述碳化钨合金粉末/碳化铬合金粉末/镍基合金粉末粒径为150目。
本发明还提出一种复合硬质涂层刀具制备方法，如以下制备方法：
步骤100：基体清洗；
步骤200：选区激光熔化成型形成基层；
步骤300：基层近净成形；
步骤400：双辉等离子表面冶金形成中间层；
步骤500：中间层近净成形；
步骤600：激光熔覆形成刀面；
步骤700：刀面近净成形。
作为上述方案的进一步说明，步骤200还包括以下步骤：
步骤210：真空惰性气体雾化法制备18Ni300合金粉末与316L合金粉末；
步骤220：真空干燥箱对18Ni300合金粉末与316L合金粉末进行干燥烘干，处理后放入送粉器；
步骤230：规划加工路径；
步骤230：刀具基体预热至100-200℃；
步骤240：设置工艺参数；
步骤250：加工；
步骤260：冷却。
作为上述方案的进一步说明，所述步骤400还包括以下步骤：
步骤410：基层表面磨削抛光至粗糙度＜0.2μm，丙酮超声清洗10min后烘干，无水乙醇超声清洗10分钟后烘干；
步骤420：设定工艺参数；
步骤430：基层预热；
步骤440：加工；
步骤450：冷却。
作为上述方案的进一步说明，所述步骤600还包括以下步骤：
步骤610：中间层表面丙酮超声清洗10min后烘干，无水乙醇超声清洗10分钟后烘干；
步骤620：中间层喷砂处理；
步骤630：真空惰性气体雾化法制备碳化钨合金粉末/碳化铬合金粉末/镍基合金粉末；
步骤640：真空干燥箱对碳化钨合金粉末/碳化铬合金粉末/镍基合金粉末进行干燥烘干，处理后放入送粉器；
步骤650：规划加工路径；
步骤660：设定工艺参数；
步骤670：加工；
步骤680：冷却。
(三)有益效果
本发明相对于现有技术，具有以下有益效果：
本发明对现有的增材制造技术进行控制改进，融合三种增材技术于一体，制成的硬质涂层刀具有硬度梯度，每层之间结合牢固，大大提升加工效率及刀具精度。
附图说明
通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：
图1为本发明加工的刀具流程示意图。
具体实施方式
请参阅图1，本发明提出了一种复合硬质涂层刀具，包括刀具基体、通过选区激光熔化成形的18Ni300/316L合金复合基层、通过双辉等离子表面冶金沉积成型的Ni-Cr复合涂层所形成的中间层以及最后激光熔覆碳化钨合金粉末/碳化铬合金粉末/镍基合金粉末复合而成的刀面。
其中，所述基层所使用的18Ni300合金粉末与316L合金粉末的重量比例为7.6:2.4；所述基层所采用的选区激光熔化成形技术的工艺参数如下：
激光功率：180.0-200.0W；
扫描速度：190.0-210.0mm/s；
铺粉层厚度：25.0-30.0μm；
扫描间距：65.0-80.0μm。
其中，所述中间层所使用的Ni-Cr合金片中Ni:Cr的重量比例为8.1:1.9；所述中间层工艺参数如下：
目标电极电压：800.0-1000.0V；
目标电极电流：1.0-3.0A；
试样电极电压：200.0-400.0V；
试样电极电流：1.0-3.0A；
目标距离：5.0-15.0mm；
电极距离：10.0-20.0mm；
加工温度：800.0-1000.0℃；
工作压力：45.0-65.0Pa；
沉积时间：1.0-6.0h。
其中，所述刀面所使用的碳化钨合金粉末/碳化铬合金粉末/镍基合金粉末的重量含量为：23.2％、34.7％、42.1％；所述刀面工艺参数如下：
激光功率：1600.0-2500.0W；
光斑直径：1.5-2.5mm；
送粉量：55.0-75.0g/min；
熔覆速度：1.0-6.0mm/s；
搭接率：10.0％-20.0％；
保护器流量：0.4-0.8m3/h。
其中，所述18Ni300合金粉末与316L合金粉末粒径为-50目。
其中，所述碳化钨合金粉末/碳化铬合金粉末/镍基合金粉末粒径为150目。
本发明还提出一种复合硬质涂层刀具制备方法，如以下制备方法：
步骤100：基体清洗；
步骤200：选区激光熔化成型形成基层；
步骤300：基层近净成形；
步骤400：双辉等离子表面冶金形成中间层；
步骤500：中间层近净成形；
步骤600：激光熔覆形成刀面；
步骤700：刀面近净成形。
其中，步骤200还包括以下步骤：
步骤210：真空惰性气体雾化法制备18Ni300合金粉末与316L合金粉末；
步骤220：真空干燥箱对18Ni300合金粉末与316L合金粉末进行干燥烘干，处理后放入送粉器；
步骤230：规划加工路径；
步骤230：刀具基体预热至100-200℃；
步骤240：设置工艺参数；
步骤250：加工；
步骤260：冷却。
其中，所述步骤400还包括以下步骤：
步骤410：基层表面磨削抛光至粗糙度＜0.2μm，丙酮超声清洗10min后烘干，无水乙醇超声清洗10分钟后烘干；
步骤420：设定工艺参数；
步骤430：基层预热；
步骤440：加工；
步骤450：冷却。
其中，所述步骤600还包括以下步骤：
步骤610：中间层表面丙酮超声清洗10min后烘干，无水乙醇超声清洗10分钟后烘干；
步骤620：中间层喷砂处理；
步骤630：真空惰性气体雾化法制备碳化钨合金粉末/碳化铬合金粉末/镍基合金粉末；
步骤640：真空干燥箱对碳化钨合金粉末/碳化铬合金粉末/镍基合金粉末进行干燥烘干，处理后放入送粉器；
步骤650：规划加工路径；
步骤660：设定工艺参数；
步骤670：加工；
步骤680：冷却。
工作原理：
如图1所示，本发明基层采用选区激光熔化成型技术，用激光作为能量源在刀具表面3D打印成型，通过激光熔化刀具上的特定区域，逐层地制造出质地均匀致密的基层。由于在成形的过程中激光扫过时的快热和扫完后的快冷，粉末在熔化后极速冷却，抑制晶粒的生长，有效细化了基层的晶粒尺寸，实现了细晶强化。与传统工艺相比，激光选区熔化技术具有直接成形、无需模具、可实现个性化设计并可制作较精确的复杂结构件的特点。本发明中间层采用双辉等离子表面冶金技术，是我国徐重教授的原创性技术，其利用气体电离产生的离子溅射效应，将欲渗合金元素从靶材中溅射出来，并在基材表面沉积制得合金层。由于基材本身也受到离子溅射效应而在其表面形成一定厚度的空位梯度层，使得制备的合金层内部成分呈梯度分布，且与基体呈冶金结合。这种结构对改善涂层与基体的结合强度具有很好的促进作用。本发明刀面采用激光熔覆技术，激光熔覆是一种新型的表面改性与成形技术，利用高能量密度激光束的辐照，实现基体与熔覆层材料之间良好的冶金结合，获得具有良好力学、物理、化学性能的熔覆层。陶瓷涂层能显著提高基体材料耐蚀、耐磨、耐高温、抗氧化的性能，使其能够广泛应用于航空航天、冶金煤电、汽车制造关键零部件的表面处理及局部再制造与修复，不仅可降低生产成本避免资源的浪费，还可以大幅度提高零件的使用寿命。
本发明融合三种激光增材制造技术，有效的将三者优点进行融合；同时又互相弥补缺点，取长补短，制成的硬质涂层刀具有硬度梯度，每层之间结合牢固，大大提升加工效率及刀具精度。
本发明的控制方式是通过人工启动和关闭开关来控制，动力元件的接线图与电源的提供属于本领域的公知常识，并且本发明主要用来保护机械装置，所以本发明不再详细解释控制方式和接线布置。
本发明的控制方式是通过控制器来自动控制，控制器的控制电路通过本领域的技术人员简单编程即可实现，电源的提供也属于本领域的公知常识，并且本发明主要用来保护机械装置，所以本发明不再详细解释控制方式和电路连接。
以上显示和描述了本发明的基本原理和主要特征和本发明的优点,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，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，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所涉及的权利要求。
此外，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。

Claims (10)

1.一种复合硬质涂层刀具，其特征在于：包括刀具基体、通过选区激光熔化成形的18Ni300/316L合金复合基层、通过双辉等离子表面冶金沉积成型的Ni-Cr复合涂层所形成的中间层以及最后激光熔覆碳化钨合金粉末/碳化铬合金粉末/镍基合金粉末复合而成的刀面。
2.根据权利要求1所述的一种复合硬质涂层刀具，其特征在于：所述基层所使用的18Ni300合金粉末与316L合金粉末的重量比例为7.6:2.4；所述基层所采用的选区激光熔化成形技术的工艺参数如下：
激光功率：180.0-200.0W；
扫描速度：190.0-210.0mm/s；
铺粉层厚度：25.0-30.0μm；
扫描间距：65.0-80.0μm。
3.根据权利要求1所述的一种复合硬质涂层刀具，其特征在于：所述中间层所使用的Ni-Cr合金片中Ni:Cr的重量比例为8.1:1.9；所述中间层工艺参数如下：
目标电极电压：800.0-1000.0V；
目标电极电流：1.0-3.0A；
试样电极电压：200.0-400.0V；
试样电极电流：1.0-3.0A；
目标距离：5.0-15.0mm；
电极距离：10.0-20.0mm；
加工温度：800.0-1000.0℃；
工作压力：45.0-65.0Pa；
沉积时间：1.0-6.0h。
4.根据权利要求1所述的一种复合硬质涂层刀具，其特征在于：所述刀面所使用的碳化钨合金粉末/碳化铬合金粉末/镍基合金粉末的重量含量为：23.2％、34.7％、42.1％；所述刀面工艺参数如下：
激光功率：1600.0-2500.0W；
光斑直径：1.5-2.5mm；
送粉量：55.0-75.0g/min；
熔覆速度：1.0-6.0mm/s；
搭接率：10.0％-20.0％；
保护器流量：0.4-0.8m3/h。
5.根据权利要求1所述的一种复合硬质涂层刀具，其特征在于：所述18Ni300合金粉末与316L合金粉末粒径为-50目。
6.根据权利要求1所述的一种复合硬质涂层刀具，其特征在于：所述碳化钨合金粉末/碳化铬合金粉末/镍基合金粉末粒径为150目。
7.一种复合硬质涂层刀具制备方法，其特征在于：所述制备方法包括如下步骤：
步骤100：基体清洗；
步骤200：选区激光熔化成型形成基层；
步骤300：基层近净成形；
步骤400：双辉等离子表面冶金形成中间层；
步骤500：中间层近净成形；
步骤600：激光熔覆形成刀面；
步骤700：刀面近净成形。
8.根据权利要求7所述的一种复合硬质涂层刀具制备方法，其特征在于：所述步骤200还包括以下步骤：
步骤210：真空惰性气体雾化法制备18Ni300合金粉末与316L合金粉末；
步骤220：真空干燥箱对18Ni300合金粉末与316L合金粉末进行干燥烘干，处理后放入送粉器；
步骤230：规划加工路径；
步骤230：刀具基体预热至100-200℃；
步骤240：设置工艺参数；
步骤250：加工；
步骤260：冷却。
9.根据权利要求7所述的一种复合硬质涂层刀具制备方法，其特征在于：所述步骤400还包括以下步骤：
步骤410：基层表面磨削抛光至粗糙度＜0.2μm，丙酮超声清洗10min后烘干，无水乙醇超声清洗10分钟后烘干；
步骤420：设定工艺参数；
步骤430：基层预热；
步骤440：加工；
步骤450：冷却。
10.根据权利要求7所述的一种复合硬质涂层刀具制备方法，其特征在于：所述步骤600还包括以下步骤：
步骤610：中间层表面丙酮超声清洗10min后烘干，无水乙醇超声清洗10分钟后烘干；
步骤620：中间层喷砂处理；
步骤630：真空惰性气体雾化法制备碳化钨合金粉末/碳化铬合金粉末/镍基合金粉末；
步骤640：真空干燥箱对碳化钨合金粉末/碳化铬合金粉末/镍基合金粉末进行干燥烘干，处理后放入送粉器；
步骤650：规划加工路径；
步骤660：设定工艺参数；
步骤670：加工；
步骤680：冷却。
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