專利名稱：激光涂敷復(fù)合陶瓷層制備刀具的方法及其裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于陶瓷材料領(lǐng)域，特別涉及金屬表面陶瓷涂層領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
目前已廣泛采用陶瓷材料來制作金屬陶瓷刀具，陶瓷材料與刀具(刀基)結(jié)合通常采用粘結(jié)劑連接或采用熱壓或燒結(jié)成型等方法?；w切斷刀是人造纖維和合成纖維生產(chǎn)中的切斷刀具，化纖切斷的質(zhì)量和成本直接影響短纖維的生產(chǎn)效益。目前國內(nèi)生產(chǎn)短纖維的廠家大多使用羅木斯切斷刀、羅木斯切斷刀是采用L135硬質(zhì)合金，整體燒結(jié)，最后磨削成型，但是此刀具成本高，價格較貴，切斷刀安裝在圓形空心刀架上，每付56把，由于刀具刃部磨損快，刀具消耗量大。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明提供一種激光涂敷復(fù)合陶瓷層制備刀具的方法及其裝置，采用碳鋼作刀基以取代原硬質(zhì)合金刀身，這樣可減少昂貴的硬質(zhì)合金材料，以降低化纖切斷刀的制作成本，提高化纖切斷刀的使用壽命。
本發(fā)明的一種激光涂敷復(fù)合陶瓷層制備刀具的方法，由如下步驟順序組成(1).選取鈷、鎳基系列的硬質(zhì)合金粉末作激光涂敷的主體材料，選取碳鋼作化纖切斷刀或銑刀的刀基；(2).采用專用夾具，將所述合金粉末預(yù)置于切斷刀刀基表面，施加機(jī)械壓力，使粉末牢固地附著在刀基上，涂層厚度為1.2-2.0mm，然后預(yù)熱處理；或采用送粉器將所述合金粉末送入刀基上，一邊送粉一邊激光輻照涂敷；
(3).激光涂敷加工，激光束功率1.0-3.0kw，激光束光斑直徑1.5-5.0mm，掃描速度2.0-20mm/s，保護(hù)氣體為Ar或N2；(4).后序加工包括加工成化纖切斷刀或銑刀尺寸及修磨刀刃。
所述的激光涂敷復(fù)合陶瓷層制備刀具的方法，可以在激光涂敷用的鈷、鎳基硬質(zhì)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，再進(jìn)行其他步驟。
所述的激光涂敷復(fù)合陶瓷層制備刀具的方法，其進(jìn)一步特征在于對激光涂敷的熔池區(qū)施加電磁場，即采用電磁攪拌輔助激光熔敷。
本發(fā)明的一種激光涂敷裝置，用于上述采用電磁攪拌輔助激光熔敷復(fù)合陶瓷層制備刀具的方法，它包括工作臺和置于工作臺上的預(yù)置粉末的專用夾具，專用夾具兩側(cè)設(shè)有電磁線圈，專用夾具上方為激光加工系統(tǒng)，工作臺由電機(jī)帶動作X方向平動；所述的專用夾具由凹形槽、其內(nèi)的墊塊和楔形壓塊組成。
本發(fā)明的另一種激光涂敷裝置，用于激光涂敷復(fù)合陶瓷層制備刀具的方法，它包括工作臺、置于工作臺上的卡盤裝置、位于卡盤裝置一側(cè)的吹氣送粉器以及激光加工系統(tǒng)，卡盤裝置由分度器和三爪卡盤組成，激光加工系統(tǒng)位于卡盤裝置和吹氣送粉器上方，工作臺由電機(jī)帶動作X方向平動。
由本發(fā)明提供的激光涂敷工藝所獲得的涂層組織與已有的技術(shù)，如等離子噴焊及原化纖切斷刀整體硬質(zhì)合金的斷面組織有明顯區(qū)別，激光涂敷的組織晶粒細(xì)化，較原切斷刀的整體硬質(zhì)合金及等離子體噴焊的晶粒要小得多，其中的硬質(zhì)相包括Tic和Tac化合物也非常致密，并呈彌散狀分布在枝晶間，由于在激光涂敷的熔地區(qū)輔加電磁場，對激光熔池進(jìn)行電磁攪拌，使得激光熔敷后的組織更細(xì)化和更均勻，并能有效防止裂紋。
激光涂敷刀刃有利于提高刀刃處硬度、韌性強(qiáng)度和抗疲勞磨損強(qiáng)度，其硬度值在HV1250-HV1400之間，刀刃的組織細(xì)化及高硬度可將刀刃的耐磨性提高1-2倍，且陶瓷涂敷層與刀基結(jié)合強(qiáng)度大。
綜上所述，本發(fā)明具有如下優(yōu)點①激光涂敷涂層質(zhì)量好，無孔隙、裂紋。②激光涂敷區(qū)的熱影響區(qū)少、變形小。③激光涂敷速度快，生產(chǎn)效率高。④合金粉末利用率高，用量少，只限涂敷在刀刃處。⑤無污染，對人體無害。⑥成本低，原采用整體硬質(zhì)合金的化纖切斷刀被激光涂敷復(fù)合陶瓷涂層制備化纖切斷刀取代后，既提高刀具的使用壽命，刀具制作成本僅為原化纖切斷刀的一半。


圖1為激光涂敷化纖切斷刀裝置示意圖；圖2為專用夾具示意圖；圖3為激光涂敷銑刀刀刃裝置示意圖。
具體實施例方式
下面結(jié)合附圖對本發(fā)明進(jìn)一步說明本發(fā)明選用了鈷、鎳基系列的碳化鎢合金粉末，粉末粒度為100-300目，另外，必須再加入有利于提高涂層硬度和耐高溫氧化性能的碳化物(如Tic和Tac等)和氧化物陶瓷(如Al2O3、SiO2等)以及增加其流動性的金屬元素(如Al等)。使得復(fù)合陶瓷粉末①有很好自熔性和冶金性能，在激光熔敷過程中，有足夠的流動性和抗氧化性能。②所形成的陶瓷復(fù)合涂層具有高硬度和高耐磨性。③復(fù)合陶瓷層的組織結(jié)構(gòu)有長期的熱穩(wěn)定性。
預(yù)置陶瓷粉末有兩種辦法(a)采用專用夾具，將陶瓷混合粉末置于碳鋼刀身(刀基)上，刀基上的粉末厚度為1.8-2mm，然后采用機(jī)械壓制方法將粉末壓制在刀身上以待激光涂敷。此方法適于混合粉末粒度在200目以上，為了避免粘結(jié)劑方法預(yù)置粉末在激光涂敷時易產(chǎn)生孔隙等缺陷。然后預(yù)熱處理，將預(yù)置了粉末的碳鋼刀基置于溫度為80℃溫度下預(yù)熱30分鐘。
(b)采用送粉器吹氣方法將粉末送入刀基表面，此方法是送粉與激光輻射涂敷同時進(jìn)行。該法適于混合粉末粒度在200目以下。
激光涂(熔)敷加工，將預(yù)置或吹入粉末的刀身(基)置于一維運動的平臺上，通過調(diào)整CO2激光光束光路，使激光束精確垂直對準(zhǔn)刀基上的預(yù)置粉末處，以保證需涂敷的區(qū)域恰好落在激光輻射區(qū)，由電機(jī)帶動平臺作X方向平移。
實施例1圖1是本發(fā)明所提供的化纖切斷刀激光涂敷裝置示意圖，在底座1上裝有工作臺2和置于工作臺2上的預(yù)置粉末的專用夾具3，專用夾具3兩側(cè)設(shè)有電磁線圈4，專用夾具3上方為激光加工系統(tǒng)5，工作臺2由電機(jī)6帶動作X方向平動，預(yù)置粉末專用夾具3如圖2所示，由凹形槽3-1、墊塊3-2及楔形壓塊3-3組成。
選用2-3kw橫流連續(xù)CO2激光器，激光波長為10.6μm，光束模式為多模選用200目以上的鈷基WC合金粉末，通過添加25％Tic，8％Tac，1％Al2O3，1％SiO2，0.05％Y2O3和1％Al粉等，并將混合粉末經(jīng)球磨機(jī)球磨，使之粉末混合均勻。
采用專用夾具，將混合粉末置于2mm厚的彈簧鋼板刀基表面，通過機(jī)械壓力將混合粉末預(yù)置在刀基表面，并將已預(yù)置了粉末的刀基放置在80℃溫度下預(yù)熱30分鐘。
將預(yù)熱后的待涂敷的刀基置于平臺上，通過調(diào)整CO2激光束，使激光準(zhǔn)確對準(zhǔn)刀基上的預(yù)置粉末，通過電機(jī)帶動平臺作X方向平動，使激光束輻照整個刀基長度，完成激光涂敷復(fù)合陶瓷涂層的全過程。
激光涂敷的工藝參數(shù)為激光束功率1.4-1.6kw激光束光斑直徑1.8-2.2mm掃描速度6-8mm/s保護(hù)氣體Ar氣激光涂敷厚度1-1.2mm電磁攪拌強(qiáng)度500高斯實施例2選用100-150目的鈷基碳化鎢與20％Tic、8％Tac、2％Al2O3、0.5％SiO2、0.1％Y2O3等碳化物、氧化物及0.5％Al等組成的混合粉末。
激光涂敷復(fù)合陶瓷涂層制備刀具采用一邊送粉一邊激光涂敷的方法，其此方法不加電磁攪拌，其余過程與實施例1相同，其工藝參數(shù)為激光束功率1.6-1.8kw激光束光斑直徑2.0-2.5mm掃描速度8-12mm/s保護(hù)氣體Ar激光涂敷厚度0.8-1.0mm實施例3采用激光涂敷9CrSi材料制備銑刀刀刃，具體激光涂敷銑刀的刀刃的裝置見圖3，它包括工作臺7、置于工作臺上的卡盤裝置、卡盤裝置一側(cè)的卡盤電機(jī)11、位于卡盤裝置另一側(cè)的吹氣送粉器12以及激光加工系統(tǒng)13，卡盤裝置由分度器9和三爪卡盤10組成，激光加工系統(tǒng)位于卡盤裝置和吹氣送粉器12上方，工作臺7由工作臺電機(jī)8帶動作X方向平動。
激光涂敷粉末采用無機(jī)樹脂(或有機(jī))粘結(jié)劑將混合粉末調(diào)至成糊狀，涂在銑刀的螺旋刀刃帶粉末處，見附圖，激光涂敷過程為激光束對準(zhǔn)銑刀預(yù)置粉末處，銑刀置于平臺夾具上，銑刀一邊作X方向直線平動，另一方面銑刀由電機(jī)帶動作轉(zhuǎn)動，兩個運動合成螺旋形，并與銑刀刀刃的螺旋線相一致。
激光涂敷工藝參數(shù)為激光束功率1.8-2.0kw激光光斑直徑2.5-3.0mm掃描速度8-10mm/s銑刀激光涂敷寬度和厚度由凸臺寬度和凸臺高度定，并預(yù)留單邊磨量0.1mm左右。
權(quán)利要求
1.一種激光涂敷復(fù)合陶瓷層制備刀具的方法，由如下步驟順序組成(1).選取鈷、鎳基系列的硬質(zhì)合金粉末作激光涂敷的主體材料，選取碳鋼作化纖切斷刀或銑刀的刀基；(2).采用專用夾具，將所述合金粉末預(yù)置于切斷刀刀基表面，施加機(jī)械壓力，使粉末牢固地附著在刀基上，涂層厚度為1.20-2.0mm，然后預(yù)熱處理；或采用送粉器將所述合金粉末送入刀基上，一邊送粉一邊激光輻照涂敷；(3).激光涂敷加工，激光束功率1.0-3.0kw，激光束光斑直徑1.5-5.0mm，掃描速度2.0-20mm/s，保護(hù)氣體為Ar或N2；(4).后序加工包括加工成化纖切斷刀或銑刀尺寸及修磨刀刃。
2.如權(quán)利要求1所述的激光涂敷復(fù)合陶瓷層制備刀具的方法，其特征在于激光涂敷用的鈷、鎳基硬質(zhì)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，再進(jìn)行其他步驟。
3.如權(quán)利要求1所述的激光涂敷復(fù)合陶瓷層制備刀具的方法，其特征在于對激光涂敷的熔池區(qū)施加電磁場，即采用電磁攪拌輔助激光熔敷。
4.一種激光涂敷裝置，用于權(quán)利要求3所述的激光涂敷復(fù)合陶瓷層制備刀具的方法，其特征在于它包括工作臺和置于工作臺上的預(yù)置粉末的專用夾具，專用夾具兩側(cè)設(shè)有電磁線圈，專用夾具上方為激光加工系統(tǒng)，工作臺由電機(jī)帶動作X方向平動；所述的專用夾具由凹形槽、其內(nèi)的墊塊和楔形壓塊組成。
5.一種激光涂敷裝置，用于權(quán)利要求1或2所述的激光涂敷復(fù)合陶瓷層制備刀具的方法，其特征在于它包括工作臺、置于工作臺上的卡盤裝置、位于卡盤裝置一側(cè)的吹氣送粉器以及激光加工系統(tǒng)，卡盤裝置由分度器和三爪卡盤組成，激光加工系統(tǒng)位于卡盤裝置和吹氣送粉器上方，工作臺由電機(jī)帶動作X方向平動。
全文摘要
激光涂敷復(fù)合陶瓷層制備刀具的方法及其裝置，屬于金屬表面陶瓷涂層領(lǐng)域，減少使用硬質(zhì)合金材料，以降低刀具制作成本，提高使用壽命。本發(fā)明由如下步驟組成選取硬質(zhì)合金粉末預(yù)置于刀基表面，施加機(jī)械壓力，然后預(yù)熱處理，或用送粉器將所述合金粉末送入刀基上，邊送粉邊激光涂敷；激光涂敷加工；加工成化纖切斷刀或銑刀尺寸及修磨刀刃。本發(fā)明的一種裝置，包括工作臺、專用夾具，電磁線圈、激光加工系統(tǒng)。本發(fā)明的另一種裝置，包括工作臺、卡盤裝置、吹氣送粉器以及激光加工系統(tǒng)。本發(fā)明涂層質(zhì)量好，無孔隙、裂紋；激光涂敷區(qū)的熱影響區(qū)少、變形??；涂敷速度快，生產(chǎn)效率高；合金粉末利用率高；無污染，成本低且提高刀具的使用壽命。
文檔編號B23K26/34GK1554803SQ20031011162
公開日2004年12月15日 申請日期2003年12月22日 優(yōu)先權(quán)日2003年12月22日
發(fā)明者鄭啟光, 余蓮卿, 陶星之, 童杏林 申請人:華中科技大學(xué)