延長超大剪切裝備刀具壽命的復合處理方法
【專利摘要】延長超大剪切裝備刀具壽命的復合處理方法，涉及機械制造與材料處理加工應用【技術領域】，本發明利用TiN表面涂層提高超大型剪切裝備刀具的硬度、耐磨性和耐高溫性，再利用激光沖擊產生的高幅值殘余壓應力層，有效地改善超大型剪切裝備刀具的機械性能，特別能大幅度提高材料的疲勞壽命。
【專利說明】延長超大剪切裝備刀具壽命的復合處理方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及機械制造與材料處理加工應用【技術領域】，尤其涉及超大型剪切裝備中刀具的機械性能改性技術。
【背景技術】
[0002]在先進制造技術中，激光沖擊加工技術作為高能束的典型代表，是一種具有良好前景的加工手段，其原理是高能量短脈沖激光誘導的沖擊波與材料相互作用，利用強激光與物質作用所產生的高壓沖擊波來改善材料的機械性能，尤其是疲勞壽命。這一技術已在機械工程、船舶、航空、微電子等各行各業中得到了廣泛應用，目前該技術主要用于材料改性、金屬沖擊強化和成形，以及無損檢測等方面。 [0003]氮化鈦(TiN)是一種非計量化合物，同時具有金屬晶體和共價晶體的特點，熔點高達2955°C。作為表面涂層，TiN具有高硬度、耐磨損、耐高溫、抗熱震、摩擦系數低等優良的綜合力學性能，是目前研究和應用最為廣泛的薄膜材料之一。TiN作為涂層成功地應用于刀具、鉆頭等工具上，被認為是金屬切削刀具技術發展史上的一次革命。
[0004]超大型剪切裝備刀具常常對處于350°C左右的鋼料實施剪切下料，受鋼坯高溫影響。超大型剪切裝備刀具在剪切過程中，還會受到剪切力、擠壓力和摩擦力的影響。因此經常發生脆斷、崩刃、磨損、拉傷等現象。
[0005]專利號為CN103205728的中國專利公開了表面改性涂層的切削刀具及其制備方法，采用CVD法在刀具基體上依次沉積TiN層、TiCN層、TiCO層和a-Al2O3層，可以直接得到涂層切削刀具，但是用CVD法得到的涂層都較薄，且涂層與基體是機械結合，結合面強度低，使用中涂層易發生剝落。
【發明內容】
[0006]本發明的目的是解決現有超大型剪切裝備的刀具材料不能滿足超常服役的特殊性要求，提供一種延長超大型剪切裝備刀具壽命的復合處理方法。
[0007]本發明包括以下步驟:
1)對刀具的刀刃進行無損檢測，確定刀刃的缺陷部位；
2)對刀刃的缺陷部位制作TiN表面涂層；
3)對TiN表面涂層進行激光沖擊。
[0008]本發明利用TiN表面涂層提高超大型剪切裝備刀具的硬度、耐磨性和耐高溫性，再利用激光沖擊產生的高幅值殘余壓應力層，有效地改善超大型剪切裝備刀具的機械性能，特別能大幅度提聞材料的疲勞壽命。
[0009]本發明的有益效果:
(I)該方法中的TiN是在刀具表層原位復合生成，而不是在表面沉積，因此不存在涂層與基體的結合力問題；原位復合有TiN的刀具表層厚度可達500至600 μ m,顯微硬度可達HV1700至HV1800以上，因此即使表面在使用過程中有微磨損，仍然具有很好的硬度和耐磨性。
[0010](2)該方法產生殘余應力屬于低溫殘余應力，激光沖擊形成的殘余應力層深度比機械噴丸深約10倍左右，其殘余應力在刀具剪切過程中不易產生熱應力釋放。
[0011](3)可滿足工件的多種性能要求:這種復合處理方法不僅能對超大型剪切裝備刀具表面強化改性處理，而且適用于超大型剪切裝備其它結構件，提高工件耐磨性、耐高溫性、抗疲勞性及耐腐蝕性，所以工件的疲勞壽命大大提高；
(4)該復合處理后刀具表面的變形很小，不影響材料心部性能。TiN涂層不會改變刀具表面形貌，激光沖擊刀具表面時，由于激光沖擊的時間極短(ns量級)，刀具幾乎沒有受到熱影響，其表面溫度僅在120°C左右，故激光沖擊處理主要是利用其高壓力學效應而非熱效應，從而可將激光沖擊處理工藝歸為冷加工工藝。復合處理后工件基本不變形、外觀均勻、美麗、可作為產品最終處理；
(5)該復合處理技術簡單快捷、效率高，生產維護成本低，可實現連續化作業，保證了廣品生廣的聞效率；
(6)該復合處理技術環保性優異，沒有任何污染。避免采用回爐、冶煉等回收方式時對環境的二次污染，是綠色的再制造。
[0012]為了在金屬 表層原位復合生成TiN，實現對金屬表面的強化與提高耐磨性，本發明在所述步驟2)中，先對刀具的表面進行拋光和清洗，然后再在刀刃的缺陷部位敷以工業純TiO2粉末層，最后以氮氣為保護氣和等離子氣源，通過等離子弧對刀刃上的TiO2粉末層進行掃描。
[0013]在刀刃的缺陷部位敷以工業純TiO2粉末層的厚度為1.5~2mm。在刀刃的缺陷部位敷上工業純TiO2粉末層的該厚度可確保在金屬表層原位復合生成TiN的性能最佳。
[0014]為了進一步提高在金屬表層原位復合生成TiN的性能，所述氮氣流量為10~14L/min,等離子弧的掃描速度為400~600mm/min,等離子弧電流為30~60A,等離子弧的流量為 12 ~18L/min。
[0015]在所述步驟3)中，先以酒精對刀具表面進行清洗，經干燥后，在具有TiN涂層的刀刃上涂吸收層，在約束層的作用下，對刀刃上涂有吸收層的區域進行激光沖擊處理。吸收層的作用是最大程度地提高材料對激光能量的吸收，并和刀具一起固定在工作臺上，以利于激光沖擊。約束層的作用是保護材料表面不受激光熱損傷，并使得激光沖擊產生的等離子體沖擊波在約束下充分膨脹，有效提高沖擊強化效果。
[0016]所述吸收層為黑漆或鋁箔。
[0017]所述約束層為水或玻璃。
[0018]為了達到刀具材料發生局部塑性變形所需的最短時間，材料發生動態塑性變形，在塑性層中存在著殘余壓應力，材料位錯密度得到延長，使材料屈服強度提高，從而使材料的壽命得到延長，本發明采用的激光的單脈沖能量為35J，激光的輸出波長為10.6 μ m，光斑直徑為5mm。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0019]圖1為刀具表面經過不同工藝處理后顯微硬度和距刀具表面間距的關系圖。【具體實施方式】
[0020]一、修復處理工藝:
例一:
1、先對高溫合金材料的刀具進行無損檢測，確定刀具刀刃力學性能的弱區，確定刀刃待復合處理部位。
[0021]2、制作TiN表面涂層:
首先對剪切裝備刀具的表面進行拋光，再用酒精對刀具刀刃進行嚴格清洗，然后在刀刃待復合處理部位敷以工業純TiO2粉末，TiO2粉末厚度為1.5mm，等離子弧以N2氣體作為保護氣和等離子氣源，N2氣體流量為12~18L/min,等離子弧以400~600mm/min速度進行掃描，等離子弧電流為30~60A。檢測表明可在工具鋼表層原位復合生成厚度可達500 μ m的TiN層，顯微硬度可達HV1800。
[0022]在刀刃的缺陷部位敷以工業純TiO2粉末層的厚度可以為1.5~2mm的均勻的厚度。
[0023]3、激光沖擊，具體為:
首先用酒精清洗刀具表面，干燥后在刀刃的TiN表面涂層上涂上黑漆(主要成分為丙烯酸漆)作為吸收層，將涂有黑漆的刀具固定于工作臺上，以流水為約束層，對刀刃上涂有黑漆的區域進行激光沖擊處理，激光能量為35J，輸出波長為10.6 μ m，光斑直徑為5mm，最后用酒精清洗沖擊區的黑漆。
[0024]例二:
與例一的步驟基本相同，不同的在于:激光沖擊步驟中的吸收層采用黑漆，約束層采用玻璃， 激光沖擊完成后，除去玻璃，并用酒精清洗沖擊區的黑漆。
[0025]例三:
與例一的步驟基本相同，不同的在于:激光沖擊步驟中的吸收層采用鋁箔，約束層采用水，激光沖擊完成后，除去招猜。
[0026]例四:
與例一的步驟基本相同，不同的在于:激光沖擊步驟中的吸收層采用鋁箔，約束層采用玻璃，激光沖擊完成后，除去約束層的玻璃和吸收層的鋁箔。
[0027]二、結果驗證:
圖1中的三個曲線分別為:刀具表面未經過TiN涂層處理后顯微硬度和距刀具表面間距的關系、刀具表面經過TiN涂層處理后顯微硬度和距刀具表面間距的關系、刀具表面經過TiN涂層和激光沖擊處理后顯微硬度和距刀具表面間距的關系。
[0028]由圖1可見，本發明的復合強化工藝后刀具硬度顯著高于其它工藝，其表面由殘余應力狀態由拉應力變為壓應力狀態,其疲勞壽命和耐磨性等性能顯著改善,這對改進超大型剪切裝備刀具材料性能具有重要意義。
【權利要求】
1.延長超大剪切裝備刀具壽命的復合處理方法，其特征在于包括如下步驟: 1)對刀具的刀刃進行無損檢測，確定刀刃的缺陷部位； 2)對刀刃的缺陷部位制作TiN表面涂層； 3)對TiN表面涂層進行激光沖擊。
2.根據權利要求1所述復合處理方法，其特征在于在所述步驟2)中，先對刀具的表面進行拋光和清洗，然后再在刀刃的缺陷部位敷以工業純TiO2粉末層，最后以氮氣為保護氣和等離子氣源，通過等離子弧對刀刃上的TiO2粉末層進行掃描。
3.根據權利要求2所述復合處理方法，其特征在于所述在刀刃的缺陷部位敷以工業純TiO2粉末層的厚度為1.5~2mm。
4.根據權利要求2或3所述復合處理方法，其特征在于所述氮氣流量為10~14L/min，等離子弧的掃描速度為400~600mm/min，等離子弧電流為30~60A，等離子弧的流量為12 ~18L/min。
5.根據權利要求1所述復合處理方法，其特征在于在所述步驟3)中，先以酒精對刀具表面進行清洗，經干燥后，在具有TiN涂層的刀刃上涂吸收層，在約束層的保護下，對刀刃上涂有吸收層的區域進行激光沖擊處理。
6.根據權利要求5所述復合處理方法，其特征在于所述吸收層為黑漆或鋁箔。
7.根據權利要求5所述復合處理方法，其特征在于所述約束層為水或玻璃。
8.根據權利要求5或`6或7所述復合處理方法，其特征在于激光的能量為35J，激光的輸出波長為10.6um,光斑直徑為5mm。
【文檔編號】C21D10/00GK103668171SQ201310723165
【公開日】2014年3月26日 申請日期:2013年12月25日 優先權日:2013年12月25日
【發明者】任旭東, 戴文杰, 殷文元, 任乃飛, 崔衛東, 謝善忠, 張西良, 王勻, 王存堂 申請人:江蘇萬力機械股份有限公司, 江蘇大學