CN115094413A - 基于激光熔覆钛合金粉末的高端纯钛刀具及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种基于激光熔覆钛合金粉末的高端纯钛刀具及其制备方法，包括：S1：通过纯钛板制备刀具坯样；S2：将TC4和TiC混合获得刃口强化粉末；S3：通过激光熔覆将S2中刃口强化粉末高温熔化后熔覆至S1中刀具坯样的刃口处，形成强化层；S4：对具有强化层的熔覆刀具坯样进行低温回火处理；S5：通过特制砂轮进行打磨和开刃，制备成成品纯钛刀具，本发明目的是改善不锈钢刀质量重、不耐蚀、不耐磨等问题，同时采用激光熔覆技术增强纯钛做刀具的硬度和锋利度不足问题。
Description
【技术领域】
本发明涉及刀具制造技术领域，尤其涉及一种基于激光熔覆钛合金粉末的高端纯钛刀具及其制备方法。
【背景技术】
目前家庭及餐厅用厨具刀、剪，以及户外用刀等主要采用高碳马氏体不锈钢材料制备而成，刀具硬度高、锋利度好，但材料耐蚀性、耐磨性并非十分理想，且整刀质量略重。近几年，刀剪行业兴起了激光熔覆刀，即通过降低刀身材料成本、在刀刃利用激光熔覆高碳粉末强化刀刃的方法制备低成本高质量刀具，但基于高碳马氏体基材及激光熔覆过程的热循环作用，致使制备的刀具刃口处韧性较差、不稳定且极易析出富铬相，导致其在耐盐水腐蚀方面存在较大问题，且至今尚未得到有效的解决。因此，本项目提出利用纯钛板作为刀具基体，结合刀刃处激光熔覆TC4和TiC复合粉末来强化刀刃技术制备高端钛刀具，可以实现轻巧、耐蚀、耐用耐磨、锋利度高、食品级接触安全等性能指标。
因此，有必要研究基于激光熔覆钛合金粉末的高端纯钛刀具及其制备方法来应对现有技术的不足，以解决或减轻上述一个或多个问题。
【发明内容】
有鉴于此，本发明提供了一种基于激光熔覆钛合金粉末的高端纯钛刀具及其制备方法，目的是改善不锈钢刀质量重、不耐蚀、不耐磨等问题，同时采用激光熔覆技术增强纯钛做刀具的硬度和锋利度不足问题。
一方面，本发明提供一种基于激光熔覆钛合金粉末的高端纯钛刀具的制备方法，所述制备方法包括：
S1：通过纯钛板制备刀具坯样；
S2：将TC4和TiC混合获得刃口强化粉末；
S3：通过激光熔覆将S2中刃口强化粉末高温熔化后熔覆至S1中刀具坯样的刃口处，形成强化层；
S4：对具有强化层的熔覆刀具坯样进行低温回火处理；
S5：通过特制砂轮进行打磨和开刃，制备成成品纯钛刀具。
如上所述的方面和任一可能的实现方式，进一步提供一种实现方式，所述刃口强化粉末中TC4和TiC按比例混合，其中TiC占重量百分比为 60～70％，TC4占重量百分比为30～40％。
如上所述的方面和任一可能的实现方式，进一步提供一种实现方式，所述TC4粉末化学组成为Ti-6Al-4V，以质量百分比计组成为Fe： 0.1％～0.3％、C：0.02％～0.1％、N：≤0.05％、H：≤0.015％、O：≤0.2％、 Al：5.5％～6.8％、V：3.5％～4.5％，余量为Ti。
如上所述的方面和任一可能的实现方式，进一步提供一种实现方式，所述TC4粉末粒径范围为25～150μm，TiC粉末粒径范围为30～200μm。
如上所述的方面和任一可能的实现方式，进一步提供一种实现方式，所述强化层的厚度和长度与刀具坯样刃口侧保持一致。
如上所述的方面和任一可能的实现方式，进一步提供一种实现方式，所述强化层宽度为1.5～3.0mm。
如上所述的方面和任一可能的实现方式，进一步提供一种实现方式，所述S1具体包括:
S11：采用1.5～3.5mm纯钛板作为刀具基材，通过模具冲压制成刀具坯样；
S12：对刀具坯样进行除刺和清洗预处理，利用砂纸去除冲压边缘毛刺，用丙酮清洗去除表面的灰尘和油污。
如上所述的方面和任一可能的实现方式，进一步提供一种实现方式，所述S4中低温回火处理具体为：100～250℃条件下不同保温时间的低温回火处理。
如上所述的方面和任一可能的实现方式，进一步提供一种实现方式，所述S3具体为：
S31：采用1064nm/532nm脉冲激光器进行精细加工。激光器采用 Nd:YAG固体激光器输出1064nm高功率光脉冲再经倍频产生532nm绿光；
S32：激光脉冲频率10kHz可调，脉冲能量典型值5mJ@10kHz,脉冲宽度30-60ns，峰值功率典型值150kW@10kHz，采用光纤传输后焦斑直径<0.15mm，导光臂传输后焦斑直径<10mm；
以上S31和S32过程均在氮气保护下进行。
如上所述的方面和任一可能的实现方式，进一步提供一种基于激光熔覆钛合金粉末的高端纯钛刀具，所述纯钛刀具通过所述的制备方法制备而成，所述纯钛刀具，刀刃硬度在50HRC以上。
与现有技术相比，本发明可以获得包括以下技术效果：
1、突破了传统利用碳钢和马氏体不锈钢制备刀具的理念，采用硬度较低的纯钛板为刀身基材，结合激光熔覆强化技术实现了高端钛刀具制备。
2、该刀具制备方法充分发挥了纯钛的高耐蚀、轻质和耐磨性与激光熔覆钛基复合涂层强化技术相结合的方法，同时在激光熔覆过程采用密闭空间氮气保护，实现了刀刃强化层无氧化、高质量制备。
3、本发明提出的高端钛刀具的制备方法简单，通过冶金方法实现钛合金粉末与纯钛基材融合一体，不易开裂，可获得无孔、晶粒细小均匀的熔覆结构，刀具开刃后，刃口硬度、锋利度可与马氏体不锈钢刀相媲美，但其耐蚀性、轻质性和耐磨性远远高于传统刀具。
4、本发明的刀具因其特殊的轻质性和高耐蚀性，可用于特殊复杂环境，如海水、油气等。
当然，实施本发明的任一产品并不一定需要同时达到以上所述的所有技术效果。
【附图说明】
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。
图1是本发明一个实施例提供的制备方法的流程图；
图2是本发明实施例1的耐腐蚀性测试结果图；
图3是本发明实施例2的耐腐蚀性测试结果图；
图4是本发明实施例3的耐腐蚀性测试结果图；
图5是本发明对比例1的耐腐蚀性测试结果图。
【具体实施方式】
为了更好的理解本发明的技术方案，下面结合附图对本发明实施例进行详细描述。
应当明确，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，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作出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。
在本发明实施例中使用的术语是仅仅出于描述特定实施例的目的，而非旨在限制本发明。在本发明实施例和所附权利要求书中所使用的单数形式的“一种”、“所述”和“该”也旨在包括多数形式，除非上下文清楚地表示其他含义。
本发明提供本发明提供一种基于激光熔覆钛合金粉末的高端纯钛刀具的制备方法，所述制备方法包括：
S1：通过纯钛板制备刀具坯样；纯钛在耐腐蚀性能上优于钛合金，并且纯钛的强度较低仅为500MPa左右，可以长时间在海水等条件严苛的复杂环境中使用，避免出现脆性断裂。
S2：将TC4和TiC混合获得刃口强化粉末；
S3：通过激光熔覆将S2中刃口强化粉末高温熔化后熔覆至S1中刀具坯样的刃口处，形成强化层；
S4：对具有强化层的熔覆刀具坯样进行低温回火处理；
S5：通过砂轮进行打磨和开刃，制备成成品纯钛刀具。
所述刃口强化粉末中TC4和TiC按比例混合，其中TiC占重量百分比为60～70％，TC4占重量百分比为30～40％。所述TC4粉末化学组成为 Ti-6Al-4V，以质量百分比计组成为Fe：0.1％～0.3％、C：0.02％～0.1％、N：≤0.05％、H：≤0.015％、O：≤0.2％、Al：5.5％～6.8％、V：3.5％～4.5％，余量为Ti。所述TC4粉末粒径范围为25～150μm，TiC粉末粒径范围为 30～200μm。所述强化层的厚度和长度与刀具坯样刃口侧保持一致。所述强化层宽度为1.5～3.0mm。采用该化学成分及粒径的粉末可以加强与纯钛基体的结合，并且该成分不会生成大颗粒碳化物，抗崩裂。
所述S1具体包括:
S11：采用1.5～3.5mm纯钛板作为刀具基材，通过模具冲压制成刀具坯样；
S12：对刀具坯样进行除刺和清洗预处理，利用砂纸去除冲压边缘毛刺，用丙酮清洗去除表面的灰尘和油污。
所述S4中低温回火处理具体为：100～250℃条件下不同保温时间的低温回火处理。
所述S3具体为：
S31：采用1064nm/532nm脉冲激光器进行精细加工。激光器采用Nd:YAG固体激光器输出1064nm高功率光脉冲再经倍频产生532nm绿光。
S32：激光脉冲频率10kHz可调，脉冲能量典型值5mJ@10kHz,脉冲宽度30-60ns，峰值功率典型值150kW@10kHz，采用光纤传输后焦斑直径<0.15mm，导光臂传输后焦斑直径<10mm。
以上过程在氮气保护下进行。
本发明还提供一种基于激光熔覆钛合金粉末的高端纯钛刀具，所述纯钛刀具通过所述的制备方法制备而成，所述纯钛刀具，刀刃硬度在50HRC 以上。
本发明所述的一种利用激光熔覆钛合金粉末制备的高端钛刀具，包括刀身和刀刃。其中刀身为纯钛板材，板厚为1.5～3.5mm，通过模具冲压制成刀具坯样。刀刃为利用激光熔覆技术将TC4和TiC混合粉末经高温熔化后熔覆至钛刀具坯样刃口处，进而制备成宽度为1.5～3.0mm的强化层，强化层的厚度和长度与刀具坯样刃口侧保持一致。熔覆后，为降低因冷却引起的局部应力集中，对熔覆坯样进行100～250℃条件下不同保温时间的低温回火处理，进而经过特制的砂轮进行打磨和开刃，制备成成品钛材刀具。
实施例1
采用2.5mm厚纯钛板作为刀具基材，首先冲压成刀具坯样，并对坯样进行预处理，利用砂纸去除冲压边缘毛刺，用丙酮清洗去除表面的灰尘和油污；进而按上述氮气保护下的激光熔覆技术，选定特定熔覆参数在刀身刃口侧熔覆一层TC4和TiC混合粉末，熔覆层宽度为2mm，厚度和长度与刀身坯样刃口侧一致。其中，TC4按重量百分比占比为30％，TiC按重量百分比占比为70％。熔覆后，利用马弗炉对坯样进行150℃保温处理，保温时间为2小时。热处理后对刀具坯样进行开刃、打磨、抛光和清洗。
实施例2
采用2.0mm厚纯钛板作为刀具基材，首先冲压成刀具坯样，并对坯样进行预处理，利用砂纸去除冲压边缘毛刺，用丙酮清洗去除表面的灰尘和油污；进而按上述氮气保护下的激光熔覆技术，选定特定熔覆参数在刀身刃口侧熔覆一层TC4和TiC混合粉末，熔覆层宽度为1.8mm，厚度和长度与刀身坯样刃口侧一致。其中，TC4按重量百分比占比为35％，TiC按重量百分比占比为65％。熔覆后，利用马弗炉对坯样进行150℃保温处理，保温时间为2小时。热处理后对刀具坯样进行开刃、打磨、抛光和清洗。
实施例3
采用2.0mm厚纯钛板作为刀具基材，首先冲压成刀具坯样，并对坯样进行预处理，利用砂纸去除冲压边缘毛刺，用丙酮清洗去除表面的灰尘和油污；进而按上述氮气保护下的激光熔覆技术，选定特定熔覆参数在刀身刃口侧熔覆一层TC4和TiC混合粉末rongfucengkuandu wei 100k，熔覆层宽度为1.8mm，厚度和长度与刀身坯样刃口侧一致。其中，TC4按重量百分比占比为40％，TiC按重量百分比占比为60％。熔覆后，利用马弗炉对坯样进行120℃保温处理，保温时间为2小时。热处理后对刀具坯样进行开刃、打磨、抛光和清洗。
对比例1
将上述激光熔覆纯钛刀具与普通5Cr15MoV刀具，按照GB/T 40356-2021标准方法，进行锋利度测试和耐腐蚀性测试。并对其刀刃部硬度进行测试。锋利度测试结果和硬度见表1。盐水浸泡结果见图1。
表1锋利度和硬度结果
| 初始锋利度 | 持久度 | 硬度 | |
| 实施例1 | 100 | 700 | 54 |
| 实施例2 | 110 | 650 | 52 |
| 实施例3 | 140 | 680 | 54 |
| 对比例1 | 90 | 350 | 55 |
以上对本申请实施例所提供的基于激光熔覆钛合金粉末的高端纯钛刀具及其制备方法，进行了详细介绍。以上实施例的说明只是用于帮助理解本申请的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本申请的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本申请的限制。
如在说明书及权利要求书当中使用了某些词汇来指称特定组件。本领域技术人员应可理解，硬件制造商可能会用不同名词来称呼同一个组件。本说明书及权利要求书并不以名称的差异来作为区分组件的方式，而是以组件在功能上的差异来作为区分的准则。如在通篇说明书及权利要求书当中所提及的“包含”、“包括”为一开放式用语，故应解释成“包含/包括但不限定于”。“大致”是指在可接收的误差范围内，本领域技术人员能够在一定误差范围内解决所述技术问题，基本达到所述技术效果。说明书后续描述为实施本申请的较佳实施方式，然所述描述乃以说明本申请的一般原则为目的，并非用以限定本申请的范围。本申请的保护范围当视所附权利要求书所界定者为准。
还需要说明的是，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的商品或者系统不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种商品或者系统所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的商品或者系统中还存在另外的相同要素。
应当理解，本文中使用的术语“和/或”仅仅是一种描述关联对象的关联关系，表示可以存在三种关系，例如，A和/或B，可以表示：单独存在A，同时存在A和B，单独存在B这三种情况。另外，本文中字符“/”，一般表示前后关联对象是一种“或”的关系。
上述说明示出并描述了本申请的若干优选实施例，但如前所述，应当理解本申请并非局限于本文所披露的形式，不应看作是对其他实施例的排除，而可用于各种其他组合、修改和环境，并能够在本文所述申请构想范围内，通过上述教导或相关领域的技术或知识进行改动。而本领域人员所进行的改动和变化不脱离本申请的精神和范围，则都应在本申请所附权利要求书的保护范围内。
Claims (10)
1.一种基于激光熔覆钛合金粉末的高端纯钛刀具的制备方法，其特征在于，所述制备方法包括：
S1：通过纯钛板制备刀具坯样；
S2：将TC4和TiC混合获得刃口强化粉末；
S3：通过激光熔覆将S2中刃口强化粉末高温熔化后熔覆至S1中刀具坯样的刃口处，形成强化层；
S4：对具有强化层的熔覆刀具坯样进行低温回火处理；
S5：通过特制砂轮进行打磨和开刃，制备成成品纯钛刀具。
2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述刃口强化粉末中TC4和TiC按比例混合，其中TiC占重量百分比为60～70％，TC4占重量百分比为30～40％。
3.根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于，所述TC4粉末化学组成为Ti-6Al-4V，以质量百分比计组成为Fe：0.1％～0.3％、C：0.02％～0.1％、N：≤0.05％、H：≤0.015％、O：≤0.2％、Al：5.5％～6.8％、V：3.5％～4.5％，余量为Ti。
4.根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于，所述TC4粉末粒径范围为25～150μm，TiC粉末粒径范围为30～200μm。
5.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述强化层的厚度和长度与刀具坯样刃口侧保持一致。
6.根据权利要求5所述的制备方法，其特征在于，所述强化层宽度为1.5～3.0mm。
7.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述S1具体包括:
S11：采用1.5～3.5mm纯钛板作为刀具基材，通过模具冲压制成刀具坯样；
S12：对刀具坯样进行除刺和清洗预处理，利用砂纸去除冲压边缘毛刺，用丙酮清洗去除表面的灰尘和油污。
8.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述S4中低温回火处理具体为：100～250℃条件下不同保温时间的低温回火处理。
9.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述S3具体为：
S31：采用1064nm/532nm脉冲激光器进行精细加工，激光器采用Nd:YAG固体激光器输出1064nm高功率光脉冲再经倍频产生532nm绿光；
S32：激光脉冲频率10kHz可调，脉冲能量典型值5mJ@10kHz,脉冲宽度30-60ns，峰值功率典型值150kW@10kHz，采用光纤传输后焦斑直径<0.15mm，导光臂传输后焦斑直径<10mm；
以上S31和S32过程均在氮气保护下进行。
10.一种基于激光熔覆钛合金粉末的高端纯钛刀具，其特征在于，所述纯钛刀具通过上述权利要求权利要求1-9之一所述的制备方法制备而成，所述纯钛刀具，刀刃硬度在50HRC以上。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202210520601.XA CN115094413A (zh) | 2022-05-13 | 2022-05-13 | 基于激光熔覆钛合金粉末的高端纯钛刀具及其制备方法 |
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| CN (1) | CN115094413A (zh) |
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN115595575A (zh) * | 2022-10-17 | 2023-01-13 | 阳江合金材料实验室（Cn） | 一种提高激光熔覆钛合金刀具刀刃硬度的热处理方法及刀具 |
| WO2024069386A1 (zh) * | 2022-09-29 | 2024-04-04 | 武汉苏泊尔炊具有限公司 | 刀具及其制造方法 |
Citations (3)
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| CN101139709A (zh) * | 2006-09-08 | 2008-03-12 | 北京有色金属研究总院 | 一种用于钛合金表面获得高适配耐磨钛基复合材料的方法 |
| CN107723703A (zh) * | 2017-10-24 | 2018-02-23 | 天津工业大学 | 一种tc4钛合金激光熔覆增强涂层的制备方法 |
-
2022
- 2022-05-13 CN CN202210520601.XA patent/CN115094413A/zh active Pending
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