CN116618685A - 一种精密加工用合金数控刀片及其制备工艺 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种精密加工用合金数控刀片及其制备工艺。一种精密加工用合金数控刀片的制备工艺包括以下步骤：球磨混合原料并真空熔炼、喷射激光束进行熔化再造粒、加入石墨烯并压制成型、烧结并喷砂毛化和激光熔覆保护涂层并湿喷砂处理。本发明通过将金属原料球磨后经过真空熔炼制成条状合金，再通过激光束将旋转的条状合金熔化成熔体液滴，该液滴迅速冷却固化后，得到的合金粉末成分分布均匀、粒度可控，利用该合金粉末制作的数控刀片精密度较高，且具备优异的耐磨性能和抗冲击韧性。
Description
技术领域
本发明涉及数控刀片领域，具体涉及一种精密加工用合金数控刀片及其制备工艺。
背景技术
数控刀片是可转位车削刀片的总称，主要应用在金属的车削、铣削、切断切槽、螺纹车削等领域，它可分为金属陶瓷刀片、非金属陶瓷刀片和硬质合金刀片等，具有高效率、高耐磨和耐高温等性能。
现有的硬质合金刀片通常是由高熔点高硬度的碳化钨和金属钴等为原料，经过球磨、压制和烧结等制作而成的，仅仅进行球磨无法使混合合金粉末的各成分分布均匀，使得压制时各位置密度不一致，以导致烧结后数控刀片发生形变，从而导致制得的数控刀片精密度不高。
因此，我们提出了一种使各成分分布均匀以提高精密度的精密加工用合金数控刀片及其制备工艺。
发明内容
针对现有技术存在的不足，本发明的目的在于提供一种精密加工用合金数控刀片及其制备工艺。
一种精密加工用合金数控刀片的制备工艺，包括如下步骤：
S1：球磨混合原料并真空熔炼
将WC、Co、TiCN和W均匀分散混合后，进行球磨，然后经过真空熔炼和自然冷却，得到条状合金；
S2：喷射激光束进行熔化再造粒
通过旋转夹持架将上述条状合金转动，再通过激光束将旋转的条状合金熔化，形成熔体液滴，快速冷却后，得到合金粉末；
S3：加入石墨烯并压制成型
将石墨烯和粘结剂分别加入上述合金粉末中，均质混合，均匀分散后，再进行压制成型，得到前驱合金胚体；
S4：烧结并喷砂毛化
压制成型后，将上述装有前驱合金胚体的压制模具取出，再放入放电等离子烧结炉中，烧结30-40min，得到合金基体，然后对该合金基体进行脱模和表面喷砂毛化，得到毛化基体；
S5：激光熔覆保护涂层并湿喷砂处理
将Fe粉、Cr粉、Si粉、Ni粉、C粉和Co粉球磨混合制备混合粉末，再通过激光熔覆将该混合粉末熔覆在上述毛化基体表面，经过湿喷砂处理后，得到精密加工用合金数控刀片。
进一步地，步骤S1的球磨混合原料并真空熔炼，具体包括如下步骤：
S1.1：将WC、Co、TiCN和W按质量分数比为70-80:10-13:1.3-2:5.1-6.3一起加入高速分散机中，均匀分散10-15min，得到混合金属物料；
S1.2：打开高速分散机的出料阀门，将上述混合金属物料投入球磨机中，直至球磨机内的第一重力传感器检测球磨机内的重力不再增加时，第一重力传感器向控制器发送信号；
S1.3：控制器接收到第一重力传感器发送的信号后，控制球磨机开启，球磨3-5h后，得到混合金属粉体；
S1.4：随后控制器控制球磨机停止球磨，并控制球磨机的出料组件打开，通过出料组件将上述混合金属粉体送入非自耗电极真空电弧炉中；
S1.5：直至混合金属粉体全部进入非自耗电极真空电弧炉内后，控制器控制非自耗电极真空电弧炉以1350-1580℃的温度对混合金属粉体真空熔炼2-3h，自然冷却后，得到条状合金。
进一步地，步骤S2的喷射激光束进行熔化再造粒，具体包括如下步骤：
S2.1：通过旋转夹持架将步骤S1.5制得的条状合金横向夹持在造粒箱内壁上，然后通过真空阀对造粒箱进行抽真空处理；
S2.2：通过气泵向造粒箱内充入氩气，直至造粒箱内的气压传感器检测到造粒箱内部压力为0.02-0.05MPa，气压传感器向控制器发送信号；
S2.3：控制器接收到气压传感器发送的信号后，控制旋转夹持架对条状合金施加4-5V的电压和1000-1200A的电流，同时，控制旋转夹持架以2870-3500r/min的速率进行旋转，通过旋转夹持架带动条状合金进行旋转；
S2.4：随后控制器控制激光喷枪开启，激光喷枪向旋转的条状合金上喷射激光束，将条状合金熔化，再通过条状合金旋转的离心力将熔化后的条状合金以熔体液滴形态甩出；
S2.5：熔体液滴被甩出后在氩气中迅速冷却固化，得到合金粉末，并掉落在造粒箱底部的收集室内，进行收集。
进一步地，步骤S3的加入石墨烯并压制成型，具体包括如下步骤：
S3.1：条状合金全部熔化后，关闭电压、电流、旋转夹持架和激光喷枪，并启动收集室的传送组件；
S3.2：通过传送组件将步骤S2.5制得的合金粉末送入均质机中，直至均质机内的第二重力传感器检测到均质机内的重力开始增加时，第二重力传感器向控制器发送信号；
S3.3：控制器接收到第二重力传感器发送的信号后，控制均质机顶部的喷雾器开启，同时控制均质机的进料组件开启，通过进料组件将石墨烯加入均质机中，并通过喷雾器将粘结剂喷入均质机中，与合金粉末进行充分混合；
S3.4：直至第二重力传感器检测到均质机内的重力不再增加时，第二重力传感器再次向控制器发送信号；
S3.5：控制器再次接收到第二重力传感器发送的信号后，控制喷雾器关闭，并控制均质机开启，均质5-10min后，得到预处理物料；
S3.6：随后控制器控制均质机关闭，并控制均质的出料阀门打开，将上述预处理物料加入压制模具中；
S3.7：将含预处理物料的压制模具放入成型压力机，进行压制成型，得到前驱合金胚体。
进一步地，步骤S5的激光熔覆保护涂层并湿喷砂处理，具体包括如下步骤：
S5.1：将Fe粉、Cr粉、Si粉、Ni粉、C粉和Co粉一起加入行星球磨机中，以100-200r/min的速率球磨1-3h，得到混合粉末；
S5.2：将上述混合粉末装入激光熔覆机的送粉器中，设定激光器的输出功率为2000-3000W，激光光斑直径为4-5mm，激光扫描速度为400-500mm/min，送粉速度为20-40g/min；
S5.3：将步骤S4制得的毛化基体进行刃口钝化，再放入激光熔覆机内；
S5.4：随后向激光熔覆机内充入氩气，直至激光熔覆机内的气体浓度分析仪检测到机内氩气浓度为95-99.9%，气体浓度分析仪向控制器发送信号；
S5.5：控制器接收到气体浓度分析仪发送的信号后，控制激光熔覆机开启，送粉器吸入氩气并对其进行压缩；
S5.6：通过氩气将混合粉末输送到毛化基体表面，进行激光熔覆保护涂层，得到附涂层基体；
S5.7：待上述附涂层基体自然冷却后，通过砂水泵对附涂层基体进行湿喷砂处理，得到精密加工用合金数控刀片。
进一步地，步骤S2.2中的气泵从造粒箱的下部向造粒箱内充入常温氩气，将熔体液滴冷却固化后，氩气温度相对升高，并通过造粒箱上部的抽气机将升温氩气抽出，再通入步骤S5.4的激光熔覆机内，以将激光熔覆机内的空气排出，待激光熔覆完成后，再通过储气箱上的进气阀将激光熔覆机内的氩气吸入储气箱内，自然冷却至室温后，再通过气泵将储气箱内的常温氩气充入造粒箱内，以此不断循环。
进一步地，条状合金的直径为100-150mm。
进一步地，混合粉末的粒径大小为30-100μm。
进一步地，一种精密加工用合金数控刀片，其由上述的任一种精密加工用合金数控刀片的制备工艺所制备。
与现有技术相比，本发明的优点和有益效果在于：
1、本发明通过将金属原料球磨后经过真空熔炼制成条状合金，再通过激光束将旋转的条状合金熔化成熔体液滴，该液滴迅速冷却固化后，得到的合金粉末成分分布均匀、粒度可控，利用该合金粉末制作的数控刀片精密度较高，且具备优异的耐磨性能和抗冲击韧性。
2、本发明通过将铁粉、铬粉和硅粉等球磨混合后，再通过激光熔覆在烧结得到的合金基体表面，不仅能够进一步增大所制得数控刀片的耐磨性能和耐腐蚀性能，还能提高涂层与基体间的结合强度，从而延长该数控刀片的使用寿命。
3、本发明通过将石墨烯加入激光束熔化造粒制得的合金粉末中，能够达到进一步提高烧结后得到的合金基体的耐高温、耐磨和耐腐蚀性能。
4、本发明通过将造粒箱中温度升高的氩气抽入激光熔覆机内，以排出激光熔覆机内的空气，然后在激光熔覆完成后，将氩气抽出冷却至室温后再次充入造粒箱内，以此不断循环，达到循环利用资源的效果，减少浪费。
附图说明
图1为本发明实施例所采用的精密加工用合金数控刀片的制备工艺流程图。
图2为本发明实施例所制得精密加工用合金数控刀片的立体示意图。
图3为本发明实施例1、实施例2和实施例3的性能测试结果汇总表。
图4为本发明实施例1与对比例1的性能测试结果汇总表。
图5为本发明实施例1与对比例2的性能测试结果汇总表。
图6为本发明实施例1与对比例3的性能测试结果汇总表。
图7为本发明实施例1中弯折处的500nm扫描电镜图。
图8为本发明对比例1中裂痕的500nm扫描电镜图。
具体实施方式
下面结合具体的实施例对本发明做进一步的详细说明。
实施例1
一种精密加工用合金数控刀片的制备工艺，如图1-图3所示，包括如下步骤：
S1：球磨混合原料并真空熔炼
将WC、Co、TiCN和W按质量分数比为70:10:1.3:5.1一起加入高速分散机中，均匀分散10min，得到混合金属物料，然后打开高速分散机的出料阀门，将该混合金属物料投入球磨机中，直至球磨机内的第一重力传感器检测球磨机内的重力不再增加时，第一重力传感器向控制器发送信号，控制器接收到第一重力传感器发送的信号后，控制球磨机开启，球磨3h后，得到混合金属粉体，随后控制器控制球磨机停止球磨，并控制球磨机的出料组件打开，通过出料组件将混合金属粉体送入非自耗电极真空电弧炉中，直至混合金属粉体全部进入非自耗电极真空电弧炉内后，控制器控制非自耗电极真空电弧炉以1350℃的温度对混合金属粉体真空熔炼2h，自然冷却后，得到直径为150mm的条状合金；
S2：喷射激光束进行熔化再造粒
通过旋转夹持架将步骤S1制得的条状合金横向夹持在造粒箱内壁上，然后通过真空阀对造粒箱进行抽真空处理，再通过气泵从造粒箱的下部向造粒箱内充入常温氩气，直至造粒箱内的气压传感器检测到造粒箱内部压力为0.02MPa，气压传感器向控制器发送信号，控制器接收到气压传感器发送的信号后，控制旋转夹持架对条状合金施加4V的电压和1000A的电流，同时，控制旋转夹持架以2870r/min的速率进行旋转，通过旋转夹持架带动条状合金进行旋转，随后控制器控制激光喷枪开启，激光喷枪向旋转的条状合金上喷射激光束，将条状合金熔化，再通过条状合金旋转的离心力将熔化后的条状合金以熔体液滴形态甩出，熔体液滴被甩出后在氩气中迅速冷却固化，得到合金粉末，并掉落在造粒箱底部的收集室内，进行收集，同时，熔体液滴冷却固化后，氩气温度相对升高，并通过造粒箱上部的抽气机将升温氩气抽出并进行保存；
S3：加入石墨烯并压制成型
条状合金全部熔化后，关闭电压、电流、旋转夹持架和激光喷枪，并启动收集室的传送组件，通过传送组件将步骤S2制得的合金粉末送入均质机中，直至均质机内的第二重力传感器检测到均质机内的重力开始增加时，第二重力传感器向控制器发送信号，控制器接收到第二重力传感器发送的信号后，控制均质机顶部的喷雾器开启，同时控制均质机的进料组件开启，通过进料组件将石墨烯加入均质机中，并通过喷雾器将粘结剂喷入均质机中，与合金粉末进行充分混合，直至第二重力传感器检测到均质机内的重力不再增加时，第二重力传感器再次向控制器发送信号，控制器再次接收到第二重力传感器发送的信号后，控制喷雾器关闭，并控制均质机开启，均质5min后，得到预处理物料，随后控制器控制均质机关闭，并控制均质的出料阀门打开，将该预处理物料加入压制模具中，再将含预处理物料的压制模具放入成型压力机，进行压制成型，得到前驱合金胚体；
S4：烧结并喷砂毛化
压制成型后，将上述装有前驱合金胚体的压制模具取出，再放入放电等离子烧结炉中，烧结30min，得到合金基体，然后对该合金基体进行脱模和表面喷砂毛化，得到毛化基体；
S5：激光熔覆保护涂层并湿喷砂处理
将Fe粉、Cr粉、Si粉、Ni粉、C粉和Co粉一起加入行星球磨机中，以100r/min的速率球磨1h，得到粒径大小约为98.4μm的混合粉末，然后将该混合粉末装入激光熔覆机的送粉器中，设定激光器的输出功率为2000W，激光光斑直径为4mm，激光扫描速度为400mm/min，送粉速度为20g/min，再将步骤S4制得的毛化基体进行刃口钝化，再放入激光熔覆机内，随后向激光熔覆机内充入步骤S2中通过抽气机抽出的常温氩气，直至激光熔覆机内的气体浓度分析仪检测到机内氩气浓度为95%，气体浓度分析仪向控制器发送信号，控制器接收到气体浓度分析仪发送的信号后，控制激光熔覆机开启，送粉器吸入氩气并对其进行压缩，通过氩气将混合粉末输送到毛化基体表面，进行激光熔覆保护涂层，得到附涂层基体，待激光熔覆完成后，再通过储气箱上的进气阀将激光熔覆机内的氩气吸入储气箱内，自然冷却至室温后，再通过气泵将储气箱内的常温氩气充入步骤S2的造粒箱内，以此不断循环，待上述附涂层基体自然冷却后，通过砂水泵对附涂层基体进行湿喷砂处理，得到精密加工用合金数控刀片。
然后，对制得的精密加工用合金数控刀片进行各项性能测试：
T1：对上述合金数控刀片的四个刀尖进行标记，分别记为A1、A2、A3和A4，然后利用闪测仪测量四个刀尖的宽度，结果显示A1、A2、A3和A4的宽度分别约为8.78mm、8.76mm、8.79mm、8.79mm，由此可得出，该合金数控刀片精密度较高；
T2：将步骤T1中刀尖标记后的合金数控刀片与工件接触并旋转10000次，进行磨损测试，然后再次利用闪测仪对磨损测试后的四个刀尖宽度进行测量，结果显示，A1、A2、A3和A4的宽度分别约为8.779mm、8.755mm、8.79mm、8.788mm，通过与初始宽度作差，得出A1、A2、A3和A4的磨损厚度分别约为0.001mm、0.005mm、0mm、0.002mm，由此可知，该合金数控刀片耐磨性较好；
T3：利用折弯机将所制得合金数控刀片进行弯折，然后观察得出合金数控刀片的弯折处无裂痕，其弯折处的500nm扫描电镜图如图7所示；
T4：将所制得合金数控刀片置于盐雾箱中，在60℃温度下，用5%NaCl溶液喷雾72h，然后观察到合金数控刀片表面未发生锈蚀。
实施例2
一种精密加工用合金数控刀片的制备工艺，如图1-图3所示，包括如下步骤：
S1：球磨混合原料并真空熔炼
将WC、Co、TiCN和W按质量分数比为75:12.5:1.6:5.7一起加入高速分散机中，均匀分散12min，得到混合金属物料，然后打开高速分散机的出料阀门，将该混合金属物料投入球磨机中，直至球磨机内的第一重力传感器检测球磨机内的重力不再增加时，第一重力传感器向控制器发送信号，控制器接收到第一重力传感器发送的信号后，控制球磨机开启，球磨3h后，得到混合金属粉体，随后控制器控制球磨机停止球磨，并控制球磨机的出料组件打开，通过出料组件将混合金属粉体送入非自耗电极真空电弧炉中，直至混合金属粉体全部进入非自耗电极真空电弧炉内后，控制器控制非自耗电极真空电弧炉以1465℃的温度对混合金属粉体真空熔炼2.5h，自然冷却后，得到直径为125mm的条状合金；
S2：喷射激光束进行熔化再造粒
通过旋转夹持架将步骤S1制得的条状合金横向夹持在造粒箱内壁上，然后通过真空阀对造粒箱进行抽真空处理，再通过气泵从造粒箱的下部向造粒箱内充入常温氩气，直至造粒箱内的气压传感器检测到造粒箱内部压力为0.035MPa，气压传感器向控制器发送信号，控制器接收到气压传感器发送的信号后，控制旋转夹持架对条状合金施加4.5V的电压和1100A的电流，同时，控制旋转夹持架以3000r/min的速率进行旋转，通过旋转夹持架带动条状合金进行旋转，随后控制器控制激光喷枪开启，激光喷枪向旋转的条状合金上喷射激光束，将条状合金熔化，再通过条状合金旋转的离心力将熔化后的条状合金以熔体液滴形态甩出，熔体液滴被甩出后在氩气中迅速冷却固化，得到合金粉末，并掉落在造粒箱底部的收集室内，进行收集，同时，熔体液滴冷却固化后，氩气温度相对升高，并通过造粒箱上部的抽气机将升温氩气抽出并进行保存；
S3：加入石墨烯并压制成型
条状合金全部熔化后，关闭电压、电流、旋转夹持架和激光喷枪，并启动收集室的传送组件，通过传送组件将步骤S2制得的合金粉末送入均质机中，直至均质机内的第二重力传感器检测到均质机内的重力开始增加时，第二重力传感器向控制器发送信号，控制器接收到第二重力传感器发送的信号后，控制均质机顶部的喷雾器开启，同时控制均质机的进料组件开启，通过进料组件将石墨烯加入均质机中，并通过喷雾器将粘结剂喷入均质机中，与合金粉末进行充分混合，直至第二重力传感器检测到均质机内的重力不再增加时，第二重力传感器再次向控制器发送信号，控制器再次接收到第二重力传感器发送的信号后，控制喷雾器关闭，并控制均质机开启，均质8min后，得到预处理物料，随后控制器控制均质机关闭，并控制均质的出料阀门打开，将该预处理物料加入压制模具中，再将含预处理物料的压制模具放入成型压力机，进行压制成型，得到前驱合金胚体；
S4：烧结并喷砂毛化
压制成型后，将上述装有前驱合金胚体的压制模具取出，再放入放电等离子烧结炉中，烧结35min，得到合金基体，然后对该合金基体进行脱模和表面喷砂毛化，得到毛化基体；
S5：激光熔覆保护涂层并湿喷砂处理
将Fe粉、Cr粉、Si粉、Ni粉、C粉和Co粉一起加入行星球磨机中，以150r/min的速率球磨2h，得到粒径大小约为67.8μm的混合粉末，然后将该混合粉末装入激光熔覆机的送粉器中，设定激光器的输出功率为2500W，激光光斑直径为4.5mm，激光扫描速度为450mm/min，送粉速度为30g/min，再将步骤S4制得的毛化基体进行刃口钝化，再放入激光熔覆机内，随后向激光熔覆机内充入步骤S2中通过抽气机抽出的常温氩气，直至激光熔覆机内的气体浓度分析仪检测到机内氩气浓度为97%，气体浓度分析仪向控制器发送信号，控制器接收到气体浓度分析仪发送的信号后，控制激光熔覆机开启，送粉器吸入氩气并对其进行压缩，通过氩气将混合粉末输送到毛化基体表面，进行激光熔覆保护涂层，得到附涂层基体，待激光熔覆完成后，再通过储气箱上的进气阀将激光熔覆机内的氩气吸入储气箱内，自然冷却至室温后，再通过气泵将储气箱内的常温氩气充入步骤S2的造粒箱内，以此不断循环，待上述附涂层基体自然冷却后，通过砂水泵对附涂层基体进行湿喷砂处理，得到精密加工用合金数控刀片。
然后，对制得的精密加工用合金数控刀片进行各项性能测试：
T1：对上述合金数控刀片的四个刀尖进行标记，分别记为A1、A2、A3和A4，然后利用闪测仪测量四个刀尖的宽度，结果显示A1、A2、A3和A4的宽度分别约为8.77mm、8.75mm、8.78mm、8.75mm，由此可得出，该合金数控刀片精密度较高；
T2：将步骤T1中刀尖标记后的合金数控刀片与工件接触并旋转10000次，进行磨损测试，然后再次利用闪测仪对磨损测试后的四个刀尖宽度进行测量，结果显示，A1、A2、A3和A4的宽度分别约为8.77mm、8.749mm、8.777mm、8.75mm，通过与初始宽度作差，得出A1、A2、A3和A4的磨损厚度分别约为0mm、0.001mm、0.003mm、0mm，由此可知，该合金数控刀片耐磨性较好；
T3：利用折弯机将所制得合金数控刀片进行弯折，然后观察得出合金数控刀片的弯折处无裂痕；
T4：将所制得合金数控刀片置于盐雾箱中，在60℃温度下，用5%NaCl溶液喷雾72h，然后观察到合金数控刀片表面未发生锈蚀。
实施例3
一种精密加工用合金数控刀片的制备工艺，如图1-图3所示，包括如下步骤：
S1：球磨混合原料并真空熔炼
将WC、Co、TiCN和W按质量分数比为80:13:2:6.3一起加入高速分散机中，均匀分散15min，得到混合金属物料，然后打开高速分散机的出料阀门，将该混合金属物料投入球磨机中，直至球磨机内的第一重力传感器检测球磨机内的重力不再增加时，第一重力传感器向控制器发送信号，控制器接收到第一重力传感器发送的信号后，控制球磨机开启，球磨5h后，得到混合金属粉体，随后控制器控制球磨机停止球磨，并控制球磨机的出料组件打开，通过出料组件将混合金属粉体送入非自耗电极真空电弧炉中，直至混合金属粉体全部进入非自耗电极真空电弧炉内后，控制器控制非自耗电极真空电弧炉以1580℃的温度对混合金属粉体真空熔炼3h，自然冷却后，得到直径为150mm的条状合金；
S2：喷射激光束进行熔化再造粒
通过旋转夹持架将步骤S1制得的条状合金横向夹持在造粒箱内壁上，然后通过真空阀对造粒箱进行抽真空处理，再通过气泵从造粒箱的下部向造粒箱内充入常温氩气，直至造粒箱内的气压传感器检测到造粒箱内部压力为0.05MPa，气压传感器向控制器发送信号，控制器接收到气压传感器发送的信号后，控制旋转夹持架对条状合金施加5V的电压和1200A的电流，同时，控制旋转夹持架以3500r/min的速率进行旋转，通过旋转夹持架带动条状合金进行旋转，随后控制器控制激光喷枪开启，激光喷枪向旋转的条状合金上喷射激光束，将条状合金熔化，再通过条状合金旋转的离心力将熔化后的条状合金以熔体液滴形态甩出，熔体液滴被甩出后在氩气中迅速冷却固化，得到合金粉末，并掉落在造粒箱底部的收集室内，进行收集，同时，熔体液滴冷却固化后，氩气温度相对升高，并通过造粒箱上部的抽气机将升温氩气抽出并进行保存；
S3：加入石墨烯并压制成型
条状合金全部熔化后，关闭电压、电流、旋转夹持架和激光喷枪，并启动收集室的传送组件，通过传送组件将步骤S2制得的合金粉末送入均质机中，直至均质机内的第二重力传感器检测到均质机内的重力开始增加时，第二重力传感器向控制器发送信号，控制器接收到第二重力传感器发送的信号后，控制均质机顶部的喷雾器开启，同时控制均质机的进料组件开启，通过进料组件将石墨烯加入均质机中，并通过喷雾器将粘结剂喷入均质机中，与合金粉末进行充分混合，直至第二重力传感器检测到均质机内的重力不再增加时，第二重力传感器再次向控制器发送信号，控制器再次接收到第二重力传感器发送的信号后，控制喷雾器关闭，并控制均质机开启，均质10min后，得到预处理物料，随后控制器控制均质机关闭，并控制均质的出料阀门打开，将该预处理物料加入压制模具中，再将含预处理物料的压制模具放入成型压力机，进行压制成型，得到前驱合金胚体；
S4：烧结并喷砂毛化
压制成型后，将上述装有前驱合金胚体的压制模具取出，再放入放电等离子烧结炉中，烧结40min，得到合金基体，然后对该合金基体进行脱模和表面喷砂毛化，得到毛化基体；
S5：激光熔覆保护涂层并湿喷砂处理
将Fe粉、Cr粉、Si粉、Ni粉、C粉和Co粉一起加入行星球磨机中，以200r/min的速率球磨3h，得到粒径大小约为30.6μm的混合粉末，然后将该混合粉末装入激光熔覆机的送粉器中，设定激光器的输出功率为3000W，激光光斑直径为5mm，激光扫描速度为500mm/min，送粉速度为40g/min，再将步骤S4制得的毛化基体进行刃口钝化，再放入激光熔覆机内，随后向激光熔覆机内充入步骤S2中通过抽气机抽出的常温氩气，直至激光熔覆机内的气体浓度分析仪检测到机内氩气浓度为99%，气体浓度分析仪向控制器发送信号，控制器接收到气体浓度分析仪发送的信号后，控制激光熔覆机开启，送粉器吸入氩气并对其进行压缩，通过氩气将混合粉末输送到毛化基体表面，进行激光熔覆保护涂层，得到附涂层基体，待激光熔覆完成后，再通过储气箱上的进气阀将激光熔覆机内的氩气吸入储气箱内，自然冷却至室温后，再通过气泵将储气箱内的常温氩气充入步骤S2的造粒箱内，以此不断循环，待上述附涂层基体自然冷却后，通过砂水泵对附涂层基体进行湿喷砂处理，得到精密加工用合金数控刀片。
然后，对制得的精密加工用合金数控刀片进行各项性能测试：
T1：对上述合金数控刀片的四个刀尖进行标记，分别记为A1、A2、A3和A4，然后利用闪测仪测量四个刀尖的宽度，结果显示A1、A2、A3和A4的宽度分别约为8.79mm、8.79mm、8.78mm、8.80mm，由此可得出，该合金数控刀片精密度较高；
T2：将步骤T1中刀尖标记后的合金数控刀片与工件接触并旋转10000次，进行磨损测试，然后再次利用闪测仪对磨损测试后的四个刀尖宽度进行测量，结果显示，A1、A2、A3和A4的宽度分别约为8.788mm、8.79mm、8.773mm、8.799mm，通过与初始宽度作差，得出A1、A2、A3和A4的磨损厚度分别约为0.002mm、0mm、0.007mm、0.001mm，由此可知，该合金数控刀片耐磨性较好；
T3：利用折弯机将所制得合金数控刀片进行弯折，然后观察得出合金数控刀片的弯折处无裂痕；
T4：将所制得合金数控刀片置于盐雾箱中，在60℃温度下，用5%NaCl溶液喷雾72h，然后观察到合金数控刀片表面未发生锈蚀。
对比例1
一种精密加工用合金数控刀片的制备工艺，如图1和图4所示，参照实施例1的制备步骤，其他条件不变，仅除去步骤S1中的真空熔炼和步骤S2，然后对制得的精密加工用合金数控刀片进行各项性能测试：
T1：对所制得的合金数控刀片的四个刀尖进行标记，分别记为A1、A2、A3和A4，然后利用闪测仪测量四个刀尖的宽度，结果显示A1、A2、A3和A4的宽度分别约为8.79mm、8.67mm、8.74mm、8.81mm；
T2：将步骤T1中刀尖标记后的合金数控刀片与工件接触并旋转10000次，进行磨损测试，然后再次利用闪测仪对磨损测试后的四个刀尖宽度进行测量，结果显示，A1、A2、A3和A4的宽度分别约为8.778mm、8.661mm、8.727mm、8.796mm，通过与初始宽度作差，得出A1、A2、A3和A4的磨损厚度分别约为0.012mm、0.009mm、0.013mm、0.014mm；
T3：利用折弯机将所制得合金数控刀片进行弯折，然后观察得出合金数控刀片的弯折处轻微断裂，其裂痕500nm扫描电镜图如图8所示；
T4：将所制得合金数控刀片置于盐雾箱中，在60℃温度下，用5%NaCl溶液喷雾72h，然后观察到合金数控刀片表面未发生锈蚀。
通过对比上述实施例1的性能测试结果可知，通过将金属原料球磨后经过真空熔炼制成条状合金，再通过激光束将旋转的条状合金熔化成熔体液滴，该液滴迅速冷却固化后，得到的合金粉末成分分布均匀、粒度可控，利用该合金粉末制作的数控刀片精密度较高，且具备优异的耐磨性能和抗冲击韧性。
对比例2
一种精密加工用合金数控刀片的制备工艺，如图1和图5所示，参照实施例1的制备步骤，其他条件不变，仅将步骤S5去除，然后对制得的精密加工用合金数控刀片进行各项性能测试：
T1：对上述合金数控刀片的四个刀尖进行标记，分别记为A1、A2、A3和A4，然后利用闪测仪测量四个刀尖的宽度，结果显示A1、A2、A3和A4的宽度分别约为8.76mm、8.76mm、8.75mm、8.78mm；
T2：将步骤T1中刀尖标记后的合金数控刀片与工件接触并旋转10000次，进行磨损测试，然后再次利用闪测仪对磨损测试后的四个刀尖宽度进行测量，结果显示，A1、A2、A3和A4的宽度分别约为8.751mm、8.754mm、8.742mm、8.776mm，通过与初始宽度作差，得出A1、A2、A3和A4的磨损厚度分别约为0.009mm、0.006mm、0.008mm、0.004mm；
T3：利用折弯机将所制得合金数控刀片进行弯折，然后观察得出合金数控刀片的弯折处无裂痕；
T4：将所制得合金数控刀片置于盐雾箱中，在60℃温度下，用5%NaCl溶液喷雾72h，然后观察到合金数控刀片表面轻微锈蚀。
通过对比上述实施例1的性能测试结果可知，通过将铁粉、铬粉和硅粉等球磨混合后，再通过激光熔覆在烧结得到的合金基体表面，不仅能够进一步增大所制得数控刀片的耐磨性能和耐腐蚀性能，还能提高涂层与基体间的结合强度，从而延长该数控刀片的使用寿命。
对比例3
一种精密加工用合金数控刀片的制备工艺，如图1和图6所示，参照实施例1的制备步骤，其他条件不变，仅将步骤S3中的石墨烯替换为等量的粘结剂，然后对制得的精密加工用合金数控刀片进行各项性能测试：
T1：对上述合金数控刀片的四个刀尖进行标记，分别记为A1、A2、A3和A4，然后利用闪测仪测量四个刀尖的宽度，结果显示A1、A2、A3和A4的宽度分别约为8.77mm、8.78mm、8.76mm、8.77mm；
T2：将步骤T1中刀尖标记后的合金数控刀片与工件接触并旋转10000次，进行磨损测试，然后再次利用闪测仪对磨损测试后的四个刀尖宽度进行测量，结果显示，A1、A2、A3和A4的宽度分别约为8.769mm、8.78mm、8.757mm、8.77mm，通过与初始宽度作差，得出A1、A2、A3和A4的磨损厚度分别约为0.001mm、0mm、0.003mm、0mm；
T3：利用折弯机将所制得合金数控刀片进行弯折，然后观察得出合金数控刀片的弯折处无裂痕；
T4：将所制得合金数控刀片置于盐雾箱中，在60℃温度下，用5%NaCl溶液喷雾72h，然后观察到合金数控刀片表面轻微锈蚀。
通过对比实施例1的性能测试结果可知，通过将石墨烯加入激光束熔化造粒制得的合金粉末中，能够达到进一步提高烧结后得到的合金基体的耐高温、耐磨和耐腐蚀性能。
上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。
Claims (9)
1. 一种精密加工用合金数控刀片的制备工艺，其特征在于，包括如下步骤：
S1：球磨混合原料并真空熔炼
将WC、Co、TiCN和W均匀分散混合后，进行球磨，然后经过真空熔炼和自然冷却，得到条状合金；
S2：喷射激光束进行熔化再造粒
通过旋转夹持架将上述条状合金转动，再通过激光束将旋转的条状合金熔化，形成熔体液滴，快速冷却后，得到合金粉末；
S3：加入石墨烯并压制成型
将石墨烯和粘结剂分别加入上述合金粉末中，均质混合，均匀分散后，再进行压制成型，得到前驱合金胚体；
S4：烧结并喷砂毛化
压制成型后，将上述装有前驱合金胚体的压制模具取出，再放入放电等离子烧结炉中，烧结30-40min，得到合金基体，然后对该合金基体进行脱模和表面喷砂毛化，得到毛化基体；
S5：激光熔覆保护涂层并湿喷砂处理
将Fe粉、Cr粉、Si粉、Ni粉、C粉和Co粉球磨混合制备混合粉末，再通过激光熔覆将该混合粉末熔覆在上述毛化基体表面，经过湿喷砂处理后，得到精密加工用合金数控刀片。
2.根据权利要求1所述的一种精密加工用合金数控刀片的制备工艺，其特征在于，步骤S1的球磨混合原料并真空熔炼，具体包括如下步骤：
S1.1：将WC、Co、TiCN和W按质量分数比为70-80:10-13:1.3-2:5.1-6.3一起加入高速分散机中，均匀分散10-15min，得到混合金属物料；
S1.2：打开高速分散机的出料阀门，将上述混合金属物料投入球磨机中，直至球磨机内的第一重力传感器检测球磨机内的重力不再增加时，第一重力传感器向控制器发送信号；
S1.3：控制器接收到第一重力传感器发送的信号后，控制球磨机开启，球磨3-5h后，得到混合金属粉体；
S1.4：随后控制器控制球磨机停止球磨，并控制球磨机的出料组件打开，通过出料组件将上述混合金属粉体送入非自耗电极真空电弧炉中；
S1.5：直至混合金属粉体全部进入非自耗电极真空电弧炉内后，控制器控制非自耗电极真空电弧炉以1350-1580℃的温度对混合金属粉体真空熔炼2-3h，自然冷却后，得到条状合金。
3.根据权利要求2所述的一种精密加工用合金数控刀片的制备工艺，其特征在于，步骤S2的喷射激光束进行熔化再造粒，具体包括如下步骤：
S2.1：通过旋转夹持架将步骤S1.5制得的条状合金横向夹持在造粒箱内壁上，然后通过真空阀对造粒箱进行抽真空处理；
S2.2：通过气泵向造粒箱内充入氩气，直至造粒箱内的气压传感器检测到造粒箱内部压力为0.02-0.05MPa，气压传感器向控制器发送信号；
S2.3：控制器接收到气压传感器发送的信号后，控制旋转夹持架对条状合金施加4-5V的电压和1000-1200A的电流，同时，控制旋转夹持架以2870-3500r/min的速率进行旋转，通过旋转夹持架带动条状合金进行旋转；
S2.4：随后控制器控制激光喷枪开启，激光喷枪向旋转的条状合金上喷射激光束，将条状合金熔化，再通过条状合金旋转的离心力将熔化后的条状合金以熔体液滴形态甩出；
S2.5：熔体液滴被甩出后在氩气中迅速冷却固化，得到合金粉末，并掉落在造粒箱底部的收集室内，进行收集。
4.根据权利要求3所述的一种精密加工用合金数控刀片的制备工艺，其特征在于，步骤S3的加入石墨烯并压制成型，具体包括如下步骤：
S3.1：条状合金全部熔化后，关闭电压、电流、旋转夹持架和激光喷枪，并启动收集室的传送组件；
S3.2：通过传送组件将步骤S2.5制得的合金粉末送入均质机中，直至均质机内的第二重力传感器检测到均质机内的重力开始增加时，第二重力传感器向控制器发送信号；
S3.3：控制器接收到第二重力传感器发送的信号后，控制均质机顶部的喷雾器开启，同时控制均质机的进料组件开启，通过进料组件将石墨烯加入均质机中，并通过喷雾器将粘结剂喷入均质机中，与合金粉末进行充分混合；
S3.4：直至第二重力传感器检测到均质机内的重力不再增加时，第二重力传感器再次向控制器发送信号；
S3.5：控制器再次接收到第二重力传感器发送的信号后，控制喷雾器关闭，并控制均质机开启，均质5-10min后，得到预处理物料；
S3.6：随后控制器控制均质机关闭，并控制均质的出料阀门打开，将上述预处理物料加入压制模具中；
S3.7：将含预处理物料的压制模具放入成型压力机，进行压制成型，得到前驱合金胚体。
5.根据权利要求3所述的一种精密加工用合金数控刀片的制备工艺，其特征在于，步骤S5的激光熔覆保护涂层并湿喷砂处理，具体包括如下步骤：
S5.1：将Fe粉、Cr粉、Si粉、Ni粉、C粉和Co粉一起加入行星球磨机中，以100-200r/min的速率球磨1-3h，得到混合粉末；
S5.2：将上述混合粉末装入激光熔覆机的送粉器中，设定激光器的输出功率为2000-3000W，激光光斑直径为4-5mm，激光扫描速度为400-500mm/min，送粉速度为20-40g/min；
S5.3：将步骤S4制得的毛化基体进行刃口钝化，再放入激光熔覆机内；
S5.4：随后向激光熔覆机内充入氩气，直至激光熔覆机内的气体浓度分析仪检测到机内氩气浓度为95-99.9%，气体浓度分析仪向控制器发送信号；
S5.5：控制器接收到气体浓度分析仪发送的信号后，控制激光熔覆机开启，送粉器吸入氩气并对其进行压缩；
S5.6：通过氩气将混合粉末输送到毛化基体表面，进行激光熔覆保护涂层，得到附涂层基体；
S5.7：待上述附涂层基体自然冷却后，通过砂水泵对附涂层基体进行湿喷砂处理，得到精密加工用合金数控刀片。
6.根据权利要求5所述的一种精密加工用合金数控刀片的制备工艺，其特征在于，步骤S2.2中的气泵从造粒箱的下部向造粒箱内充入常温氩气，将熔体液滴冷却固化后，氩气温度相对升高，并通过造粒箱上部的抽气机将升温氩气抽出，再通入步骤S5.4的激光熔覆机内，以将激光熔覆机内的空气排出，待激光熔覆完成后，再通过储气箱上的进气阀将激光熔覆机内的氩气吸入储气箱内，自然冷却至室温后，再通过气泵将储气箱内的常温氩气充入造粒箱内，以此不断循环。
7.根据权利要求2所述的一种精密加工用合金数控刀片的制备工艺，其特征在于，条状合金的直径为100-150mm。
8.根据权利要求5所述的一种精密加工用合金数控刀片的制备工艺，其特征在于，混合粉末的粒径大小为30-100μm。
9.一种精密加工用合金数控刀片，其特征在于，其由上述权利要求1-8所述的任一种精密加工用合金数控刀片的制备工艺所制备。
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| CN202310921687.1A CN116618685B (zh) | 2023-07-26 | 2023-07-26 | 一种精密加工用合金数控刀片及其制备工艺 |
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