CN110218998B - 基于刀具刀刃处表面激光熔覆处理制备自磨刃刀具的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于刀具刀刃处表面激光熔覆处理制备自磨刃刀具的方法，包括以下步骤：(1)对刀具进行预处理；(2)以自熔性合金粉末为原料，通过激光熔覆工艺在预处理后刀具的刀刃的一侧表面形成熔覆层；所述激光熔覆工艺具体为：熔覆功率为1400‑1600W、送粉速度为1.4r/min、扫描速度为0.03m/s、激光的光斑直径为3.5mm。采用本发明方法制备的自磨刃刀具，其激光熔覆层与基体的结合强度高，熔覆层的耐磨性好、不存在开裂和搭接区软化的问题。由于在刀刃的其中一个表面设置了熔覆层，使刀刃两个表面的磨损程度不同，从而导致刀刃越磨越锋利，达到自磨刃的效果，大大提高了刀具的使用寿命。
Description
技术领域
本发明涉及农业机械技术领域，具体涉及一种基于刀具刀刃处表面激光熔覆处理制备自磨刃刀具的方法。
背景技术
刀具在农业领域的应用十分的广泛，比如耕地时常用的犁铧，割草时用的割草机，谷物收获时所用的收获机等等。但是农用刀具在经过长时间的使用之后会容易损坏，降低了农业机械的工作效率，进而影响农业的发展。
目前国内外的农用刀具仍以单金属材料为主，国内的刀具普遍存在硬度、耐磨性不高、使用寿命较短的问题，常因为磨损严重而完全不能继续使用；而进口的刀具在国内使用时由于耕地内石块、金属等杂物较多，刀具本身性脆，多发生打刀现象而影响使用。刀具的损坏其实大部分集中在刀刃处，刀刃处会经常出现钝化、磨损严重甚至出现缺口等现象。每次更换刀具既费时又费力，严重影响工作效率。
传统的工艺对刀刃处只是经过淬火处理，虽然提高了刀具的刚性、硬度、耐磨性、疲劳强度以及韧性等，但是对于耕地内的复杂环境，其硬度、耐磨性等还是不太符合要求。
为提高切刀的使用寿命及切削性能，自上世纪50年代以来，出现了自磨锐切刀，其基本原理是：刀片采用特殊设计或工艺，使之作业时由于土壤或农作物对刀刃两个刃面产生不同的磨损量，让厚度适当的刃口突出于前沿，较长时间保持较锋利的切割性能。由此可见，自磨锐是由于刀片工作过程中两刃面磨损程度不同形成的，就材料设计而言，刃口截面实现硬度变化导致磨损量差异是形成自磨锐的主要手段。目前，国内外对农机切刀自磨刃的强化措施主要集中在材料设计方面，但仍存在诸多的问题，例如：对于自磨锐刃口截面硬度、组织及成分未实现梯度变化，不同合金层间的结合强度较低，使用过程中容易开裂、剥落，影响使用效果；刃口硬化层和基体母材的磨损率的比例不好控制，若基体母材磨损快，刃口耐磨层突出，由于硬度高韧性差而极易崩刃，若耐磨层薄，磨损后难以获得优良的自磨锐效果，另外在自磨锐加工及强化过程中还会引起刀片的形变。因此，如何制备使用寿命长、自磨锐效果好的刀具仍是目前的技术难题。
激光熔覆处理是利用激光束将熔覆合金粉末熔覆于刀片或者零件表面，形成在其硬化层的工艺方法。激光束对基材表层作用的深度较浅，作用的时间很短，工件变形相对其他方法小。但熔覆层与基体结合性差、熔覆层耐磨性差、易开裂，以及热影响区的软化问题，是制约激光熔覆工艺在制备自磨刃刀具中应用的主要问题，目前利用激光熔覆工艺制备自磨刃刀具还较少见有报道。
发明内容
针对上述现有技术，本发明的目的是提供一种基于刀具刀刃处表面激光熔覆处理制备自磨刃刀具的方法。采用本发明方法制备的自磨刃刀具，其激光熔覆层与基体的结合强度高，熔覆层的耐磨性好、不存在开裂和搭接区软化的问题。由于在刀刃的其中一个表面设置了熔覆层，使刀刃两个表面的磨损程度不同，从而导致刀刃越磨越锋利，达到自磨刃的效果，大大提高了刀具的使用寿命。
为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
本发明的第一方面，提供一种基于刀具刀刃处表面激光熔覆处理制备自磨刃刀具的方法，包括以下步骤：
(1)对刀具进行预处理；
(2)以自熔性合金粉末为原料，通过激光熔覆工艺在预处理后刀具的刀刃的一侧表面形成熔覆层；所述激光熔覆工艺具体为：
熔覆功率为1400-1600W、送粉速度为1.4r/min、扫描速度为0.03m/s、激光的光斑直径为3.5mm。
优选的，步骤(1)中，所述预处理的方法为：对刀具刀刃处待熔覆区域进行清理打磨，除去待熔覆处表面残留的粉尘、油污及氧化层，使其露出新鲜金属。
优选的，步骤(2)中，所述自熔性合金粉末由镍基合金粉末、碳化钨粉末和碳化钛粉末按重量比为(8-10)：(2-4)：(1-2)组成。其中：
所述镍基合金粉末以质量百分比计，其原料组成为：
Cr：15％、B：3.2％、Si：4％、Fe：8％、C：0.4％，余量为Ni；
所述碳化钨粉末以质量百分比计，其原料组成为：
C：8-12％、Fe：0.06-0.08％，余量为W。
所述碳化钛粉末以质量百分比计，其原料组成为：
C：20-24％、Al：0.04-0.08％、Nb：1-3％，余量为Ti。
自熔性合金粉末的原料组成会直接影响熔覆层的性能，本发明的自熔性合金粉末是由镍基合金粉末、碳化钨粉末和碳化钛粉末按一定的重量比配制而成，其中：
Ni基合金粉末具有韧性、抗冲击性能、耐腐蚀性，且Ni基自熔性合金润湿性好，有利于增强基材与熔覆层增强相的润湿性，提高机体与熔覆层冶金结合性；Ni基合金粉末中的B、Si能够显著降低合金熔点，扩大固液相线温度区，形成低熔共晶体，对熔覆层的硬度具有强化作用，还有利于脱氧造渣、除气，提高熔覆层表面质量；Cr能够起到固溶强化作用，提高耐腐蚀性能和抗高温氧化性能，还可以与C、B形成硬质相从而提高合金硬度和耐磨性。
碳化钨粉末具有高熔点、高硬度、生成自由能较低的特点；碳化钛粉末具有极高的耐磨性和抗扩散性好的特点；将镍基合金粉末、碳化钨粉末和碳化钛粉末复配使用，可以起到弥散强化的效果和异质形核的作用，使形成的熔覆层具有硬度高、耐磨损以及一定的耐高温等性能优点。
进一步的，所述自熔性合金粉末在激光熔覆之前还包括球磨的步骤，所述球磨具体为：将镍基合金粉末、碳化钨粉末和碳化钛粉末按重量比置于球磨罐中，密封抽真空，然后通入氩气保护进行球磨，球磨时间为4-6h。
优选的，经球磨处理后的自熔性合金粉末的尺寸为200-300目。
自熔性合金粉末在球磨处理过程中会不断的碰撞挤压，颗粒直径不断减小，特别是脆性的TiC颗粒将得到细化，经熔覆后会均匀的分布在熔覆层组织中；经球磨后，自熔性合金粉末颗粒在粒径减小的同时表面能不断增加，在熔覆过程中活性增大，易于形成致密组织，减少缩松、气孔等缺陷的存在。
优选的，所述熔覆层的厚度为0.4-0.5mm。
本发明的第二方面，提供上述方法制备的自磨刃刀具。
优选的，所述自磨刃刀具刀刃的一侧表面设有熔覆层，所述熔覆层的厚度与刀具基体母材的厚度比为1：(4-6)。
优选的，所述自磨刃刀具材料为65Mn。
刃口硬化层和基体母材的磨损率的比例会影响刀具的自磨刃效果，若基体母材磨损快，刃口耐磨层突出，由于硬度高韧性差而极易崩刃，若耐磨层薄，磨损后难以获得优良的自磨锐效果。经试验发现，将熔覆层的厚度与刀具基体母材的厚度比控制在1：(4-6)，其自磨锐效果最优。
本发明的有益效果：
(1)本发明采用激光熔覆工艺对刀具刀刃的一侧表面进行了处理，形成了熔覆层，相对于基体母材，熔覆层材料的硬度较高，随着刀具的不断使用，刀刃未设有熔覆层的一层表面由于耐磨性较低而逐渐磨损脱落，而刀刃设有熔覆层的一侧表面由于耐磨性较高而磨损很小，这样周而复始，由于刀刃两侧表面的磨损程度不同导致刀刃越磨越锋利，从而达到自磨刃的效果。
(2)本发明对自熔性合金粉末的组成和激光熔覆工艺进行了优选，采用本发明方法制备的熔覆层的硬度高、耐磨损性能好，熔覆层与与基体的结合强度高，且不存在开裂和搭接区软化的问题。
(3)本发明对熔覆层与基体母材的厚度比进行了优化，显著提高了刀具的自磨锐效果。
附图说明
图1：本申请实施例提供的一种刀具刀刃处表面激光熔覆的方法流程示意图。
图2：本申请实施例提供的一种刀具刀刃处表面激光熔覆处理后的刀具的结构示意图；图中，1-刀体，2-熔覆纹路，3-螺栓孔，4-刀刃。
图3：熔覆层的微观组织形貌图。
图4：熔覆层与基体结合区域的微观组织形貌图。
具体实施方式
应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本申请提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本申请所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。
正如背景技术部分所介绍的，国内外对农机切刀自磨刃的强化措施主要集中在材料设计方面，但仍存在诸多的问题，如何制备使用寿命长、自磨锐效果好的刀具仍是目前的技术难题。
自磨刃刀具的制备主要是在刃口截面实现硬度变化导致磨损量差异，为实现材料硬度的变化，现有技术中主要采用化学热处理、堆焊、喷涂、熔覆等表面强化工艺，获得表里硬度不同的刃部。
对于激光熔覆处理而言，熔覆层与基体结合性差、熔覆层耐磨性差、易开裂，以及热影响区的软化问题，是制约激光熔覆工艺在制备自磨刃刀具中应用的主要问题。激光熔覆的工艺方法和自熔性合金粉末的材料成分是影响熔覆层质量的两个重要因素。对于农业机械来说，特别是割草机的刀片较薄，高温加热下易变形，合金粉末的激光熔覆存在较大难度，一方面所选基材与熔覆层材料需要有良好的润湿性，另一方面激光熔覆的工艺方法要恰当，需调整合适的激光参数来进行加工，以防止熔覆层出现气孔、裂纹、飞溅等缺陷刀片及刀片的变形。
基于此，本发明的目的是提供一种基于刀具刀刃处表面激光熔覆处理制备自磨刃刀具的方法。
在本发明的一种实施方案中，给出的制备自磨刃刀具的方法包括以下步骤：
(1)对刀具进行预处理：对刀具刀刃处待熔覆区域进行清理打磨，除去待熔覆处表面残留的粉尘、油污及氧化层等污物，使其露出新鲜金属；打磨方式可以为砂纸打磨或机械打磨。
(2)以自熔性合金粉末为原料，通过激光熔覆工艺在预处理后刀具的刀刃的一侧表面形成熔覆层；
所述自熔性合金粉末由镍基合金粉末、碳化钨粉末和碳化钛粉末按重量比为(8-10)：(2-4)：(1-2)组成；其中：
所述镍基合金粉末以质量百分比计，其原料组成为：
Cr：15％、B：3.2％、Si：4％、Fe：8％、C：0.4％，余量为Ni；
所述碳化钨粉末以质量百分比计，其原料组成为：
C：8-12％、Fe：0.06-0.08％，余量为W。
所述碳化钛粉末以质量百分比计，其原料组成为：
C：20-24％、Al：0.04-0.08％、Nb：1-3％，余量为Ti。
所述激光熔覆工艺具体为：
熔覆功率为1400-1600W、送粉速度为1.4r/min、扫描速度为0.03m/s、激光的光斑直径为3.5mm。
上述方法中，本发明通过对自熔性合金粉末的原料组成和激光熔覆的工艺进行了优化，显著提高了熔覆层的质量和刀具的自磨锐效果。其中：本发明选择镍基合金粉末、碳化钨粉末和碳化钛粉末按特定的重量比配制成自熔性合金粉末，以高硬质相含量来保证熔覆层的高硬度和高耐磨性。
熔覆工艺参数会影响熔覆层的表面质量和性能，若激光熔覆功率过小，会使得Ni基合金加热不充分，未完全熔化，使得表面产生大量的气孔，熔覆层的脆性较大，易产生裂纹，且与基体的冶金结合差；若激光熔覆功率过大，熔覆层硬度降低，热影响区加大，使刀片引起较大变形。激光的光斑直径过小，会使相邻两道轨迹间的搭接量过大，引起熔覆层表面质量下降，且存在大量气孔缺陷；若激光的光斑直径过大，两道熔覆轨迹间的搭接量过小，合金粉末涂层在搭接处加热不充分，与基体的结合不理想，搭接处出现气孔、涂层脆性大，熔覆层表面质量下降，易产生裂纹。经试验发现，采用激光熔覆工艺为：熔覆功率为1400-1600W、送粉速度为1.4r/min、扫描速度为0.03m/s、激光的光斑直径为3.5mm时，熔覆层的表面质量和性能最优。
为了使得本领域技术人员能够更加清楚地了解本申请的技术方案，以下将结合具体的实施例详细说明本申请的技术方案。
本发明实施例中所用的试验材料均为本领域常规的试验材料，均可通过商业渠道购买得到。其中：
实施例1：基于刀具刀刃处表面激光熔覆处理制备自磨刃刀具
在刀具刀刃处表面激光熔覆的方法流程示意图如图1所示，所述方法包括：
S101：将所选择的刀具刀刃处的油污用丙酮清除并吹干，采用砂纸或其他方式打磨刀具刀刃处，直至露出新鲜金属。
S102：把刀具放入激光熔覆设备中，首先把刀具刀刃放置水平，然后固定刀具，以便于对其进行定位。
S103：设置激光熔覆的参数进行激光熔覆。
激光熔覆所采用的自熔性合金粉末由镍基合金粉末、碳化钨粉末和碳化钛粉末按重量比为10：3：2组成；其中：
所述镍基合金粉末以质量百分比计，其原料组成为：
Cr：15％、B：3.2％、Si：4％、Fe：8％、C：0.4％，余量为Ni；
所述碳化钨粉末以质量百分比计，其原料组成为：
C：10％、Fe：0.07％，余量为W。
所述碳化钛粉末以质量百分比计，其原料组成为：
C：22％、Al：0.06％、Nb：2％，余量为Ti。
所述激光熔覆工艺具体为：
熔覆功率为1600W、送粉速度为1.4r/min、扫描速度为0.03m/s、激光的光斑直径为3.5mm。
采用上述方法处理后的刀具如图2所示，刀具材料为65Mn。由图2可以看出，所述刀具包括：刀体1，刀体1呈扇贝形结构；刀刃4位于所述刀体1扇贝形结构的圆弧侧，所述刀体1整体呈扇贝形结构有利于增加刀刃的长度；激光熔覆后在刀刃4的第一表面上形成熔覆纹路2，所述熔覆纹路2为圆角过渡。熔覆纹路2能将部分秸秆的华东摩擦变为滚动摩擦，减小了秸秆对刀具的摩擦。在刀刃4的第一表面上增加熔覆纹路2不仅提高了刀具的耐磨性，还提高了刀刃4的第一表面的硬度和耐腐蚀性，使刀刃4第一表面的硬度大于刀刃4的第二表面的硬度，从而导致刀刃上下两面的磨损程度不同，使得刀刃越磨越锋利，从而达到自磨刃的效果。所述第一表面为刀刃4任一侧的面，并经激光熔覆处理形成熔覆层；所述第二表面为与所述第一表面相对的刀刃4的表面。
所述螺栓孔3设置有4-6个，并均匀设置在所述刀体1上。所述螺栓孔3内设置有内螺纹，所述内螺纹用于通过螺栓与农用机械固定。
本实施例的刀具上所形成的熔覆层的厚度为0.4-0.5mm，熔覆层表面质量优异，无裂纹，与基材的结合强度高。熔覆层的微观组织形貌如图3所示，熔覆层与基体结合区域的微观组织形貌如图4所示。
试验例1：摩擦磨损试验
1.试验方法：
采用环块式的摩擦方式，对实施例1熔覆试样的耐磨性进行检测，环形试样为淬火态的45钢，圆环外径为40.5mm。试验在MMS-2A微机控制摩擦磨损试验机上进行，环形试样的转速为200r/min，摩擦力大小为100N，每个试样摩擦时间为0.5h。
在摩擦试验前后，均将试样在超声波清洗机中用酒精进行清洗，然后用精度为0.0001g的天平对试样的质量进行三次称重，取均值作为试样的质量，计算试样在摩擦前后的质量损失率。
2.试验结果：
经计算，按本发明实施例1的方法制备的熔覆试样，其在摩擦试验前后的质量损失仅为0.2mg，质量损失率仅为0.002％。说明采用本发明的激光熔覆工艺处理后试样的耐磨性得到了显著的提高，可大幅提高刀具的使用性能，延长其使用寿命。
试验例2：
将本实施例制备的刀具与按国标(GB/T 1209-2009)生产的市售切刀进行苜蓿切割现场对比试验。
结果发现，饲草料机械收获苜蓿时，每小时作业6亩，与国标生产的市售刀片相比，本实施例制备的刀具作业效率提高了34.2％，油耗降低了24.5％。
作业1400亩后，本实施例制备的刀具仍具有锋锐的切割性能，切削茬口平齐；而国标生产的市售刀片在作业1000亩后的切削性能就会急剧下降，刃口磨损严重。
以上所述仅为本申请的优选实施例而已，并不用于限制本申请，对于本领域的技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。
Claims (1)
1.一种基于刀具刀刃处表面激光熔覆处理制备自磨刃刀具的方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)对刀具进行预处理；
(2)以自熔性合金粉末为原料，通过激光熔覆工艺在预处理后刀具的刀刃的一侧表面形成熔覆层；所述激光熔覆工艺具体为：
熔覆功率为1400-1600W、送粉速度为1.4r/min、扫描速度为0.03m/s、激光的光斑直径为3.5mm；
步骤(2)中，所述自熔性合金粉末由镍基合金粉末、碳化钨粉末和碳化钛粉末按重量比为(8-10)：(2-4)：(1-2)组成；
所述镍基合金粉末以质量百分比计，其原料组成为：
Cr：15％、B：3.2％、Si：4％、Fe：8％、C：0.4％，余量为Ni；
所述碳化钨粉末以质量百分比计，其原料组成为：
C：8-12％、Fe：0.06-0.08％，余量为W；
所述碳化钛粉末以质量百分比计，其原料组成为：
C：20-24％、Al：0.04-0.08％、Nb：1-3％，余量为Ti；
所述熔覆层的厚度为0.4-0.5mm，所述熔覆层的厚度与刀具基体母材的厚度比为1：(4-6)；
步骤(1)中，所述预处理的方法为：对刀具刀刃处待熔覆区域进行清理打磨，除去待熔覆处表面残留的粉尘、油污及氧化层，使其露出新鲜金属；
所述自熔性合金粉末在激光熔覆之前还包括球磨的步骤，所述球磨具体为：将镍基合金粉末、碳化钨粉末和碳化钛粉末按重量比置于球磨罐中，密封抽真空，然后通入氩气保护进行球磨，球磨时间为4-6h
经球磨处理后的自熔性合金粉末的尺寸为200-300目；
所述自磨刃刀具材料为65Mn。
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