專利名稱：激光涂敷復合陶瓷層制備刀具的方法及其裝置的制作方法
技術領域：
本發明屬于陶瓷材料領域，特別涉及金屬表面陶瓷涂層領域。
背景技術：
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)結合通常采用粘結劑連接或采用熱壓或燒結成型等方法。化纖切斷刀是人造纖維和合成纖維生產中的切斷刀具，化纖切斷的質量和成本直接影響短纖維的生產效益。目前國內生產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硬質合金，整體燒結，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。
發明內容
本發明提供一種激光涂敷復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合金刀身，這樣可減少昂貴的硬質合金材料，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。
本發明的一種激光涂敷復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，將所述合金粉末預置于切斷刀刀基表面，施加機械壓力，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，再進行其他步驟。
所述的激光涂敷復合陶瓷層制備刀具的方法，其進一步特征在于對激光涂敷的熔池區施加電磁場，即采用電磁攪拌輔助激光熔敷。
本發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置粉末的專用夾具，專用夾具兩側設有電磁線圈，專用夾具上方為激光加工系統，工作臺由電機帶動作X方向平動；所述的專用夾具由凹形槽、其內的墊塊和楔形壓塊組成。
本發明的另一種激光涂敷裝置，用于激光涂敷復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、位于卡盤裝置一側的吹氣送粉器以及激光加工系統，卡盤裝置由分度器和三爪卡盤組成，激光加工系統位于卡盤裝置和吹氣送粉器上方，工作臺由電機帶動作X方向平動。
由本發明提供的激光涂敷工藝所獲得的涂層組織與已有的技術，如等離子噴焊及原化纖切斷刀整體硬質合金的斷面組織有明顯區別，激光涂敷的組織晶粒細化，較原切斷刀的整體硬質合金及等離子體噴焊的晶粒要小得多，其中的硬質相包括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輔加電磁場，對激光熔池進行電磁攪拌，使得激光熔敷后的組織更細化和更均勻，并能有效防止裂紋。
激光涂敷刀刃有利于提高刀刃處硬度、韌性強度和抗疲勞磨損強度，其硬度值在HV1250-HV1400之間，刀刃的組織細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合強度大。
綜上所述，本發明具有如下優點①激光涂敷涂層質量好，無孔隙、裂紋。②激光涂敷區的熱影響區少、變形小。③激光涂敷速度快，生產效率高。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，原采用整體硬質合金的化纖切斷刀被激光涂敷復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
下面結合附圖對本發明進一步說明本發明選用了鈷、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所形成的陶瓷復合涂層具有高硬度和高耐磨性。③復合陶瓷層的組織結構有長期的熱穩定性。
預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，為了避免粘結劑方法預置粉末在激光涂敷時易產生孔隙等缺陷。然后預熱處理，將預置了粉末的碳鋼刀基置于溫度為80℃溫度下預熱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，將預置或吹入粉末的刀身(基)置于一維運動的平臺上，通過調整CO2激光光束光路，使激光束精確垂直對準刀基上的預置粉末處，以保證需涂敷的區域恰好落在激光輻射區，由電機帶動平臺作X方向平移。
實施例1圖1是本發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上的預置粉末的專用夾具3，專用夾具3兩側設有電磁線圈4，專用夾具3上方為激光加工系統5，工作臺2由電機6帶動作X方向平動，預置粉末專用夾具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，并將混合粉末經球磨機球磨，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，通過機械壓力將混合粉末預置在刀基表面，并將已預置了粉末的刀基放置在80℃溫度下預熱30分鐘。
將預熱后的待涂敷的刀基置于平臺上，通過調整CO2激光束，使激光準確對準刀基上的預置粉末，通過電機帶動平臺作X方向平動，使激光束輻照整個刀基長度，完成激光涂敷復合陶瓷涂層的全過程。
激光涂敷的工藝參數為激光束功率1.4-1.6kw激光束光斑直徑1.8-2.2mm掃描速度6-8mm/s保護氣體Ar氣激光涂敷厚度1-1.2mm電磁攪拌強度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、卡盤裝置一側的卡盤電機11、位于卡盤裝置另一側的吹氣送粉器12以及激光加工系統13，卡盤裝置由分度器9和三爪卡盤10組成，激光加工系統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8帶動作X方向平動。
激光涂敷粉末采用無機樹脂(或有機)粘結劑將混合粉末調至成糊狀，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銑刀預置粉末處，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帶動作轉動，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，并預留單邊磨量0.1mm左右。
權利要求
1.一種激光涂敷復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，將所述合金粉末預置于切斷刀刀基表面，施加機械壓力，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.如權利要求1所述的激光涂敷復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，再進行其他步驟。
3.如權利要求1所述的激光涂敷復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，用于權利要求3所述的激光涂敷復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置粉末的專用夾具，專用夾具兩側設有電磁線圈，專用夾具上方為激光加工系統，工作臺由電機帶動作X方向平動；所述的專用夾具由凹形槽、其內的墊塊和楔形壓塊組成。
5.一種激光涂敷裝置，用于權利要求1或2所述的激光涂敷復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、位于卡盤裝置一側的吹氣送粉器以及激光加工系統，卡盤裝置由分度器和三爪卡盤組成，激光加工系統位于卡盤裝置和吹氣送粉器上方，工作臺由電機帶動作X方向平動。
全文摘要
激光涂敷復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域，減少使用硬質合金材料，以降低刀具制作成本，提高使用壽命。本發明由如下步驟組成選取硬質合金粉末預置于刀基表面，施加機械壓力，然后預熱處理，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。本發明的另一種裝置，包括工作臺、卡盤裝置、吹氣送粉器以及激光加工系統。本發明涂層質量好，無孔隙、裂紋；激光涂敷區的熱影響區少、變形小；涂敷速度快，生產效率高；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 優先權日2003年12月22日
發明者鄭啟光, 余蓮卿, 陶星之, 童杏林 申請人:華中科技大學