CN1259452C - 激光涂敷复合陶瓷层制备刀具的方法及其装置 - Google Patents

激光涂敷复合陶瓷层制备刀具的方法及其装置 Download PDF

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Abstract

激光涂敷复合陶瓷层制备刀具的方法及其装置，属于金属表面陶瓷涂层领域，减少使用硬质合金材料，以降低刀具制作成本，提高使用寿命。本发明由如下步骤组成：选取硬质合金粉末预置于刀基表面，施加机械压力，然后预热处理，或用送粉器将所述合金粉末送入刀基上，边送粉边激光涂敷；激光涂敷加工；加工成化纤切断刀或铣刀尺寸及修磨刀刃。本发明的一种装置，包括工作台、专用夹具，电磁线圈、激光加工系统。本发明的另一种装置，包括工作台、卡盘装置、吹气送粉器以及激光加工系统。本发明涂层质量好，无孔隙、裂纹；激光涂敷区的热影响区少、变形小；涂敷速度快，生产效率高；合金粉末利用率高；无污染，成本低且提高刀具的使用寿命。

Description

激光涂敷复合陶瓷层制备刀具的方法及其装置
技术领域
本发明属于陶瓷材料领域，特别涉及金属表面陶瓷涂层领域。
背景技术
目前已广泛采用陶瓷材料来制作金属陶瓷刀具，陶瓷材料与刀具(刀基)结合通常采用粘结剂连接或采用热压或烧结成型等方法。化纤切断刀是人造纤维和合成纤维生产中的切断刀具，化纤切断的质量和成本直接影响短纤维的生产效益。目前国内生产短纤维的厂家大多使用罗木斯切断刀、罗木斯切断刀是采用L135硬质合金，整体烧结，最后磨削成型，但是此刀具成本高，价格较贵，切断刀安装在圆形空心刀架上，每付56把，由于刀具刃部磨损快，刀具消耗量大。
发明内容
本发明提供一种激光涂敷复合陶瓷层制备刀具的方法及其装置，采用碳钢作刀基以取代原硬质合金刀身，这样可减少昂贵的硬质合金材料，以降低化纤切断刀的制作成本，提高化纤切断刀的使用寿命。
本发明的一种激光涂敷复合陶瓷层制备刀具的方法，由如下步骤顺序组成：(1).选取钴、镍基系列的硬质合金粉末作激光涂敷的主体材料，选取碳钢作化纤切断刀或铣刀的刀基；
(2).采用专用夹具，将所述合金粉末预置于切断刀刀基表面，施加机械压力，使粉末牢固地附着在刀基上，涂层厚度为1.2-2.0mm，然后预热处理；
或采用送粉器将所述合金粉末送入刀基上，一边送粉一边激光辐照涂敷；
(3).激光涂敷加工，激光束功率1.0-3.0kw，激光束光斑直径1.5-5.0mm，扫描速度2.0-20mm/s，保护气体为Ar或N2；
(4).后序加工：包括加工成化纤切断刀或铣刀尺寸及修磨刀刃。
所述的激光涂敷复合陶瓷层制备刀具的方法，可以在激光涂敷用的钴、镍基硬质合金粉末中添加20～35％TiC、6～8％TaC和1～2％Al2O3、0.5～1％SiO2、0.05～0.1％Y2O3以及0.5～1％Al，再进行其他步骤。
所述的激光涂敷复合陶瓷层制备刀具的方法，其进一步特征在于对激光涂敷的熔池区施加电磁场，即采用电磁搅拌辅助激光熔敷。
本发明的一种激光涂敷装置，用于上述采用电磁搅拌辅助激光熔敷复合陶瓷层制备刀具的方法，它包括工作台和置于工作台上的预置粉末的专用夹具，专用夹具两侧设有电磁线圈，专用夹具上方为激光加工系统，工作台由电机带动作X方向平动；所述的专用夹具由凹形槽、其内的垫块和楔形压块组成。
本发明的另一种激光涂敷装置，用于激光涂敷复合陶瓷层制备刀具的方法，它包括工作台、置于工作台上的卡盘装置、位于卡盘装置一侧的吹气送粉器以及激光加工系统，卡盘装置由分度器和三爪卡盘组成，激光加工系统位于卡盘装置和吹气送粉器上方，工作台由电机带动作X方向平动。
由本发明提供的激光涂敷工艺所获得的涂层组织与已有的技术，如等离子喷焊及原化纤切断刀整体硬质合金的断面组织有明显区别，激光涂敷的组织晶粒细化，较原切断刀的整体硬质合金及等离子体喷焊的晶粒要小得多，其中的硬质相包括TiC和TaC化合物也非常致密，并呈弥散状分布在枝晶间，由于在激光涂敷的熔池区辅加电磁场，对激光熔池进行电磁搅拌，使得激光熔敷后的组织更细化和更均匀，并能有效防止裂纹。
激光涂敷刀刃有利于提高刀刃处硬度、韧性强度和抗疲劳磨损强度，其硬度值在HV1250-HV1400之间，刀刃的组织细化及高硬度可将刀刃的耐磨性提高1-2倍，且陶瓷涂敷层与刀基结合强度大。
综上所述，本发明具有如下优点：①激光涂敷涂层质量好，无孔隙、裂纹。②激光涂敷区的热影响区少、变形小。③激光涂敷速度快，生产效率高。④合金粉末利用率高，用量少，只限涂敷在刀刃处。⑤无污染，对人体无害。⑥成本低，原采用整体硬质合金的化纤切断刀被激光涂敷复合陶瓷涂层制备化纤切断刀取代后，既提高刀具的使用寿命，刀具制作成本仅为原化纤切断刀的一半。
附图说明
图1为激光涂敷化纤切断刀装置示意图；
图2为专用夹具示意图；
图3为激光涂敷铣刀刀刃装置示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明进一步说明：
本发明选用了钴、镍基系列的碳化钨合金粉末，粉末粒度为100-300目，另外，必须再加入有利于提高涂层硬度和耐高温氧化性能的碳化物(如Tic和Tac等)和氧化物陶瓷(如Al2O3、SiO2等)以及增加其流动性的金属元素(如Al等)。使得复合陶瓷粉末①有很好自熔性和冶金性能，在激光熔敷过程中，有足够的流动性和抗氧化性能。②所形成的陶瓷复合涂层具有高硬度和高耐磨性。③复合陶瓷层的组织结构有长期的热稳定性。
预置陶瓷粉末有两种办法：
(a)采用专用夹具，将陶瓷混合粉末置于碳钢刀身(刀基)上，刀基上的粉末厚度为1.8-2mm，然后采用机械压制方法将粉末压制在刀身上以待激光涂敷。此方法适于混合粉末粒度在200目以上，为了避免粘结剂方法预置粉末在激光涂敷时易产生孔隙等缺陷。然后预热处理，将预置了粉末的碳钢刀基置于温度为80℃温度下预热30分钟。
(b)采用送粉器吹气方法将粉末送入刀基表面，此方法是送粉与激光辐射涂敷同时进行。该法适于混合粉末粒度在200目以下。
激光涂(熔)敷加工，将预置或吹入粉末的刀身(基)置于一维运动的平台上，通过调整CO2激光光束光路，使激光束精确垂直对准刀基上的预置粉末处，以保证需涂敷的区域恰好落在激光辐射区，由电机带动平台作X方向平移。
实施例1
图1是本发明所提供的化纤切断刀激光涂敷装置示意图，在底座1上装有工作台2和置于工作台2上的预置粉末的专用夹具3，专用夹具3两侧设有电磁线圈4，专用夹具3上方为激光加工系统5，工作台2由电机6带动作X方向平动，预置粉末专用夹具3如图2所示，由凹形槽3-1、垫块3-2及楔形压块3-3组成。
选用2-3kw横流连续CO2激光器，激光波长为10.6μm，光束模式为多模选用200目以上的钴基WC合金粉末，通过添加25％Tic，8％Tac，1％Al2O3，1％SiO2，0.05％Y2O3和1％Al粉等，并将混合粉末经球磨机球磨，使粉末混合均匀。
采用专用夹具，将混合粉末置于2mm厚的弹簧钢板刀基表面，通过机械压力将混合粉末预置在刀基表面，并将已预置了粉末的刀基放置在80℃温度下预热30分钟。
将预热后的待涂敷的刀基置于平台上，通过调整CO2激光束，使激光准确对准刀基上的预置粉末，通过电机带动平台作X方向平动，使激光束辐照整个刀基长度，完成激光涂敷复合陶瓷涂层的全过程。
激光涂敷的工艺参数为：
激光束功率：1.4-1.6kw
激光束光斑直径：1.8-2.2mm
扫描速度：6-8mm/s
保护气体：Ar气
激光涂敷厚度：1-1.2mm
电磁搅拌强度：500高斯
实施例2
选用100-150目的钴基碳化钨与20％Tic、8％Tac、2％Al2O3、0.5％SiO2、0.1％Y2O3等碳化物、氧化物及0.5％Al等组成的混合粉末。
激光涂敷复合陶瓷涂层制备刀具采用一边送粉一边激光涂敷的方法，其此方法不加电磁搅拌，其余过程与实施例1相同，其工艺参数为：
激光束功率：1.6-1.8kw
激光束光斑直径：2.0-2.5mm
扫描速度：8-12mm/s
保护气体：Ar
激光涂敷厚度：0.8-1.0mm
实施例3
采用激光涂敷9CrSi材料制备铣刀刀刃，具体激光涂敷铣刀的刀刃的装置见图3，它包括工作台7、置于工作台上的卡盘装置、卡盘装置一侧的卡盘电机11、位于卡盘装置另一侧的吹气送粉器12以及激光加工系统13，卡盘装置由分度器9和三爪卡盘10组成，激光加工系统位于卡盘装置和吹气送粉器12上方，工作台7由工作台电机8带动作X方向平动。
激光涂敷粉末采用无机树脂(或有机)粘结剂将混合粉末调至成糊状，涂在铣刀的螺旋刀刃带粉末处，见附图，激光涂敷过程为：
激光束对准铣刀预置粉末处，铣刀置于平台夹具上，铣刀一边作X方向直线平动，另一方面铣刀由电机带动作转动，两个运动合成螺旋形，并与铣刀刀刃的螺旋线相一致。
激光涂敷工艺参数为：
激光束功率：1.8-2.0kw
激光光斑直径：2.5-3.0mm
扫描速度：8-10mm/s
铣刀激光涂敷宽度和厚度由凸台宽度和凸台高度定，并预留单边磨量0.1mm左右。

Claims (2)

1.一种激光涂敷复合陶瓷层制备刀具的方法，由如下步骤顺序组成：
(1).选取钴、镍基系列的硬质合金粉末作激光涂敷的主体材料，钴、镍基硬质合金粉末中添加20～35％TiC、6～8％TaC和1～2％Al2O3、0.5～1％SiO2、0.05～0.1％Y2O3以及0.5～1％Al，选取碳钢作化纤切断刀或铣刀的刀基；
(2).采用专用夹具，将所述合金粉末预置于切断刀刀基表面，施加机械压力，使粉末牢固地附着在刀基上，粉末涂层厚度为1.2-2.0mm，然后预热处理；
或采用送粉器将所述合金粉末送入刀基上，一边送粉一边激光辐照涂敷；
(3).激光涂敷加工，激光束功率1.0-3.0kw，激光束光斑直径1.5-5.0mm，扫描速度2.0-20mm/s，保护气体为Ar或N2；
对激光涂敷的熔池区施加电磁场，即采用电磁搅拌辅助激光熔敷；
(4).后序加工：包括加工成化纤切断刀或铣刀尺寸及修磨刀刃。
2.一种激光涂敷装置，用于权利要求1所述的激光涂敷复合陶瓷层制备刀具的方法，其特征在于它包括工作台和置于工作台上的预置粉末的专用夹具，专用夹具两侧设有电磁线圈，专用夹具上方为激光加工系统，工作台由电机带动作X方向平动；所述的专用夹具由凹形槽、其内的垫块和楔形压块组成。
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