一种微束等离子增材制造的刀具及其制备方法与流程

本发明涉及刀具制造技术领域，具体是涉及一种微束等离子增材制造的刀具及其制备方法。

背景技术：

目前刀具的制造材料一般采用不锈钢，刀具冲压成形后再通过热处理技术提高刀具的强度、硬度及耐磨性能。但目前的刀具经过热处理强化后的刀刃硬度普遍在50-58hrc左右，已经越来越难以满足人对刀具高硬度、高锋利度、高耐用度等性能的要求。

申请人的在先申请cn107022759a公开了一种高硬度增材制造刀具，该申请采用激光熔覆技术对刀具的刀刃进行强化处理，虽然提高了刀刃的综合性能，但是依然存在以下主要问题：1.由于激光加热快冷却快，采用激光熔覆技术会影响熔覆层金属相形成的均匀度，也对排气浮渣不利，容易在熔覆层上形成气孔，导致熔覆层硬度不均，也会影响刀刃的锋利度；2.先进的激光器、熔覆喷嘴等设备主要依赖进口，设备及后期维护成本高；3.刀具激光熔覆工艺窗口窄，开发门槛高，投入大。这些问题造成激光熔覆刀具价格昂贵，大部分用户望而却步，导致这种刀具未有大规模的市场推广。

微束等离子增材制造技术是一种优异的表面改性技术，特别是工件表面积比较大时，加工效率比较高，可以获得稀释率小、组织致密、机械性能优异的增材制造层，市场前景广阔。

技术实现要素：

本发明的第一目的是提供一种微束等离子增材制造刀具的制备方法。

本发明的第二目的是提供一种刀具。

为了实现上述的第一目的，本发明提供的一种微束等离子增材制造刀具的制备方法，包括以下步骤：将刀坯固定在夹具上，使得刀坯的刀刃朝上；以等离子弧为热源将设置在刀刃上的增材材料熔化，使刀刃上形成熔覆层；对刀坯进行热处理；对刀坯依次进行打磨、抛光和开刃处理。

由上述方案可见，通过在刀刃上设置熔覆层有利于提高刀具的硬度、锋利度和耐用度，间接延长刀具的使用寿命；而且，采用等离子弧为热源进行熔覆，由于等离子弧的稳定性能好，其输出热量均匀，使得熔覆区热量分布更均匀，从而使得增材材料熔合均匀、收缩应力分布均匀，熔覆层能充分排气浮渣，从而具有更好的均匀度，减少气孔夹渣等缺陷，有利于提高熔覆层的质量，进一步提高刀具的硬度和锋利度。

进一步的方案是，将刀坯固定在夹具上的同时，围绕刀坯的四周分别设置垫板，每一垫板的上部高于刀刃2mm至5mm，垫板的下部与刀坯紧密贴合；各个垫板与刀刃之间围合成容纳腔，熔覆层设置在容纳腔内。

由上述方案可见，通过设置容纳腔，将熔覆层控制在容纳腔内，有利于控制熔覆层设置在刀刃上的厚度均匀性，防止增材材料在高温熔化后向外流淌，影响后期磨削开刃的质量。

进一步的方案是，刀坯以多把并排紧贴的方式固定在夹具上，垫板设置在多把刀坯的四周；在进行热处理之前，需将多把刀坯一一切割分离。

由上述方案可见，通过设置多把并排紧贴的刀坯同时进行等离子增材制造加工，有利于提高刀具制造的加工效率；通过在多把刀坯的四周设置垫板，有利于控制熔覆层设置在所有刀刃上的厚度均匀性，防止增材材料在高温熔化后向外流淌，造成最外侧的两把刀坯上的熔覆层厚度比中部上其它刀坯的熔覆层厚度低，有利于保证各个刀坯的质量稳定性；通过将多把刀坯一一切割分离后，再对把刀坯进行热处理，有利于保证每一把刀坯的热处理质量。

进一步的方案是，等离子弧为等离子弧枪产生的微束等离子弧，等离子弧枪的压缩喷嘴的直径为1mm至2mm,微束等离子弧的直径为1mm至5mm,微束等离子弧的长度为5mm至8mm。

由上述方案可见，通过将等离子弧设置为微束等离子弧，能适当降低热源的热量，在保证增材材料充分熔化的前提下减小刀坯的熔化量，以降低熔覆层的稀释率，进一步提高熔覆层的质量。

进一步的方案是，微束等离子增材制造参数包括：等离子弧枪的工艺参数包括：压缩喷嘴与刀刃的表面距离为5mm至8mm，摆动幅度为0至5mm，熔覆电流为20a至40a，维弧电流为12a至20a，基值电流为20a至30a，熔覆时间为140ms至160ms，间隔时间为70ms至85ms，离子气流量为0.1l/min为0.3l/min，保护气流量为1l/min至4l/min，粉末粒度为45μm至120μm，等离子弧枪线速度为0至20mm/s，搭接率为20％至40％。

进一步的方案是，增材材料设置为粉末状，通过预先铺设并压实在刀刃上，或者通过同步输送装置输送至刀刃上。

更进一步的方案是，同步输送装置输送的增材材料在距离压缩喷嘴3mm至7mm处汇聚，汇聚直径为1mm至4mm。

进一步的方案是，增材材料设置为丝材，通过同步输送组件输送至刀刃上。

更进一步的方案是，同步输送组件输送的增材材料在距离压缩喷嘴3mm至7mm处与微束等离子弧接触并相互作用。

为了实现上述的第二目的，本发明提供的一种刀具，刀具采用上述的制备方法制备而成，刀坯的刀刃上设置有熔覆层。

附图说明

图1是本发明实施例中单把刀坯微束等离子增材制造的工艺示意图。

图2是本发明实施例中多把刀坯微束等离子增材制造的工艺示意图。

以下结合附图及实施例对本发明作进一步说明。

具体实施方式

刀具制备方法实施例

实施例1

参见图1，本实施例采用微束等离子增材制造工艺对单把刀坯1进行加工制造。

本实施例的一种微束等离子增材制造刀具的制备方法包括以下步骤：

步骤s1,将单把刀坯1倒置地固定在夹具上，使得刀坯1的刀刃朝上，围绕刀坯1的四周分别设置垫板2，垫板2优选为陶瓷垫板2。沿刀刃长度方向两侧上的两个垫板2的上部边缘设置为弧形边缘，弧形边缘与刀刃的弧形走向匹配。每一垫板2的上部均高于刀刃4mm，每一垫板2的下部均与刀坯1表面紧密贴合。所有垫板2与刀刃之间围合成容纳腔，熔覆层3设置在容纳腔内。

步骤s2，在容纳腔内预铺并压实粉末状的增材材料，粉末状的增材材料的高度为2.5mm。粉末状的增材材料是铁基自熔性合金粉末，铁基自熔性合金粉末按质量百分比计包括碳0.6％至1.5％、铬23％至35％、硅1％至2.5％、硼1％至2％、镍6.5％至12％、锰1至2％、钼0.2至0.3％、铁44.7％至66.7％。

步骤s3，以等离子弧枪产生的微束等离子弧为热源，对预铺的增材材料进行辐射，使涂覆在刀刃上的增材材料熔化，使刀刃上形成熔覆层3。其中，等离子弧枪的压缩喷嘴的直径为1mm，等离子弧枪产生的微束等离子弧的直径为2mm，等离子弧枪产生的微束等离子弧的长度为6mm，压缩喷嘴与刀刃表面距离为5mm，摆动幅度为0mm，熔覆电流为31a，基值电流为28a，维弧电流为15a，熔覆时间为140ms，间隔时间为70ms，离子气流量为0.1l/min，保护气流量为1l/min，粉末粒度为45μm至85μm，等离子弧枪的线速度为10mm/s，搭接率为25％。

步骤s4,重复上述步骤s2至s3，直至刀刃上的熔覆层3的厚度为3.5mm，稀释率为5.5％。每次重复步骤s2前，需对前一道熔覆层3表面进行打磨，去除表面的氧化层。

步骤s5，对单把刀坯1进行低温去应力及回火热处理；

步骤s6,对热处理后的刀坯1依次进行打磨、抛光和开刃处理，获得成品刀具。

经测试，采用实施例1的制备方法制备得到的刀具的性能测试结果如下表1所示：

表1为实施例1中本体与等离子增材制造刀具的性能测试表

实施例2

参见图2，本实施例采用微束等离子增材制造工艺对五把刀坯1进行加工制造。

本实施例的一种微束等离子增材制造刀具的制备方法包括以下步骤：

步骤s1,将五把刀坯1并排紧贴地固定在夹具上，每一刀坯1的刀刃均朝上，每一刀坯1均同向设置。围绕五把刀坯1的四周分别设置垫板2，垫板2优选为陶瓷垫板2。沿刀刃长度方向两侧上的两个垫板2的上部边缘设置为弧形边缘，弧形边缘与刀刃的弧形走向匹配。每一垫板2的上部均高于刀刃4mm，每一垫板2的下部均与对外侧的刀坯1表面紧密贴合。所有垫板2与所有刀刃之间围合成容纳腔，熔覆层3设置在容纳腔内。

步骤s2，在容纳腔内预铺并压实粉末状的增材材料，粉末状的增材材料的高度为2.5mm。粉末状的增材材料是铁基自熔性合金粉末，铁基自熔性合金粉末按质量百分比计包括碳0.6％至1.5％、铬23％至35％、硅1％至2.5％、硼1％至2％、镍6.5％至12％、锰1至2％、钼0.2至0.3％、铁44.7％至66.7％。

步骤s3，以等离子弧枪产生的微束等离子弧为热源，对预铺的增材材料进行辐射，使涂覆在刀刃上的增材材料熔化，使每一刀刃上分别形成熔覆层3。其中，微束等离子增材制造参数包括：等离子弧枪的压缩喷嘴的直径为1.5mm，等离子弧枪产生的微束等离子弧的直径为2.5mm，等离子弧枪产生的微束等离子弧的长度为7mm，压缩喷嘴与刀刃表面距离为6.5mm，摆动幅度为4mm，熔覆电流为38a，基值电流为25a，维弧电流为15a，熔覆时间为146ms，间隔时间为73ms，离子气流量为0.2l/min，保护气流量为1.5l/min，粉末粒度为45μm至85μm，等离子弧枪的线速度为15mm/s，搭接率为28％。

步骤s4,重复上述步骤s2至s3，直至刀刃上的熔覆层3的厚度为3.5mm，稀释率为5.5％。每次重复步骤s2前，需对前一道熔覆层3表面进行打磨，去除表面的氧化层。

步骤s5,通过切割机将五把刀坯1分离。

步骤s6，对所有刀坯1进行低温去应力及回火热处理；

步骤s7,对热处理后的刀坯1依次进行打磨、抛光和开刃处理，获得成品刀具。

经测试，采用实施例2的制备方法制备得到的刀具的性能测试结果如下表2所示：

表2为实施例2中本体与等离子增材制造刀具的性能测试表

实施例3

参见图1，本实施例采用微束等离子增材制造工艺对单把刀坯1进行加工制造。

本实施例的一种微束等离子增材制造刀具的制备方法包括以下步骤：

步骤s1,将单把刀坯1倒置地固定在夹具上，使得刀坯1的刀刃朝上，围绕刀坯1的四周分别设置垫板2，垫板2优选为陶瓷垫板2。沿刀刃长度方向两侧上的两个垫板2的上部边缘设置为弧形边缘，弧形边缘与刀刃的弧形走向匹配。每一垫板2的上部均高于刀刃4mm，每一垫板2的下部均与刀坯1表面紧密贴合。所有垫板2与刀刃之间围合成容纳腔，熔覆层3设置在容纳腔内。

步骤s2，通过同步输送装置将粉末状的增材材料输送至容纳腔。粉末状的增材材料是铁基自熔性合金粉末，铁基自熔性合金粉末按质量百分比计包括碳0.6％至1.5％、铬23％至35％、硅1％至2.5％、硼1％至2％、镍6.5％至12％、锰1至2％、钼0.2至0.3％、铁44.7％至66.7％。

步骤s3，以等离子弧枪产生的微束等离子弧为热源，对同步输送装置输送的增材材料进行辐射，使其熔化，并在容纳腔内的刀刃位置上形成熔覆层3。其中，微束等离子增材制造参数包括：等离子弧枪的压缩喷嘴的直径为1mm，等离子弧枪产生的微束等离子弧的直径为2mm，等离子弧枪产生的微束等离子弧的长度为6mm，压缩喷嘴与刀刃表面距离为5mm，粉末状的增材材料在距离压缩喷嘴4mm处汇聚，汇聚直径为2mm,摆动幅度为0mm，熔覆电流为30a，基值电流为25a，维弧电流为17a，熔覆时间为152ms，间隔时间为78ms，离子气流量为0.1l/min，保护气流量为1l/min，粉末粒度为80μm至120μm，等离子弧枪的线速度为10mm/s，搭接率为31％。

步骤s4,重复上述步骤s2至s3，直至刀刃上的熔覆层3的厚度为4mm。每次重复步骤s2前，需对前一道熔覆层3表面进行打磨，去除表面的氧化层。

步骤s5，对刀坯1进行低温去应力及回火热处理。

步骤s6,对热处理后的刀坯1依次进行打磨、抛光和开刃处理，获得成品刀具。

经测试，采用实施例3的制备方法制备得到的刀具的性能测试结果如下表3所示：

表3为实施例3中本体与等离子增材制造刀具的性能测试表

实施例4

参见图2，本实施例采用微束等离子增材制造工艺对五把刀坯1进行加工制造。

本实施例的一种微束等离子增材制造刀具的制备方法包括以下步骤：

步骤s1,将五把刀坯1并排紧贴地固定在夹具上，每一刀坯1的刀刃均朝上，每一刀坯1均同向设置。围绕五把刀坯1的四周分别设置垫板2，垫板2优选为陶瓷垫板2。沿刀刃长度方向两侧上的两个垫板2的上部边缘设置为弧形边缘，弧形边缘与刀刃的弧形走向匹配。每一垫板2的上部均高于刀刃3.5mm，每一垫板2的下部均与对外侧的刀坯1表面紧密贴合。所有垫板2与所有刀刃之间围合成容纳腔，熔覆层3设置在容纳腔内。

步骤s2，通过同步输送装置将粉末状的增材材料输送至容纳腔。粉末状的增材材料是铁基自熔性合金粉末，铁基自熔性合金粉末按质量百分比计包括碳0.6％至1.5％、铬23％至35％、硅1％至2.5％、硼1％至2％、镍6.5％至12％、锰1至2％、钼0.2至0.3％、铁44.7％至66.7％。

步骤s3，以等离子弧枪产生的微束等离子弧为热源，对同步输送装置输送的增材材料进行辐射，使其熔化，并在容纳腔内的刀刃位置上形成熔覆层3。其中，微束等离子增材制造参数包括：等离子弧枪的压缩喷嘴的直径为2mm，等离子弧枪产生的微束等离子弧的直径为3mm，等离子弧枪产生的微束等离子弧的长度为7mm，压缩喷嘴与刀刃表面距离为6mm，粉末状的增材材料在距离压缩喷嘴5mm处汇聚，汇聚直径为2.5mm,摆动幅度为5mm，熔覆电流为38a，基值电流为25a，维弧电流为16a，离子气流量为0.2l/min，保护气流量为1.5l/min，粉末粒度为50μm至100μm，等离子弧枪的线速度为15mm/s，搭接率为34％。

步骤s4,重复上述步骤s2至s3，直至刀刃上的熔覆层3的厚度为4mm。每次重复步骤s2前，需对前一道熔覆层3表面进行打磨，去除氧化层。

步骤s5,通过切割机将五把刀坯1分离。

步骤s6，对所有刀坯1进行低温去应力及回火热处理；

步骤s7,对热处理后的刀坯1依次进行打磨、抛光和开刃处理，获得成品刀具。

经测试，采用实施例4的制备方法制备得到的刀具的性能测试结果如下表4所示：

表4为实施例4中本体与等离子增材制造刀具的性能测试表

实施例5

参见图1，本实施例采用微束等离子增材制造工艺对单把刀坯1进行加工制造。

本实施例的一种微束等离子增材制造刀具的制备方法包括以下步骤：

步骤s1,将单把刀坯1倒置地固定在夹具上，使得刀坯1的刀刃朝上，围绕刀坯1的四周分别设置垫板2，垫板2优选为陶瓷垫板2。沿刀刃长度方向两侧上的两个垫板2的上部边缘设置为弧形边缘，弧形边缘与刀刃的弧形走向匹配。每一垫板2的上部均高于刀刃4mm，每一垫板2的下部均与刀坯1表面紧密贴合。所有垫板2与刀刃之间围合成容纳腔，熔覆层3设置在容纳腔内。

步骤s2，通过同步输送组件将丝材状的增材材料输送至容纳腔。丝材状的增材材料是铁基自熔性合金粉末通过特殊手段制备成丝材状，铁基自熔性合金粉末按质量百分比计包括碳0.6％至1.5％、铬23％至35％、硅1％至2.5％、硼1％至2％、镍6.5％至12％、锰1至2％、钼0.2至0.3％、铁44.7％至66.7％。

步骤s3，以等离子弧枪产生的微束等离子弧为热源，对同步输送组件输送的增材材料进行辐射，使其熔化，并在容纳腔内的刀刃位置上形成熔覆层3。其中，微束等离子增材制造参数包括：等离子弧枪的压缩喷嘴的直径为1mm，等离子弧枪产生的微束等离子弧的直径为2mm，等离子弧枪产生的微束等离子弧的长度为6mm，压缩喷嘴与刀刃表面距离为5mm，丝材状的增材材料在距离压缩喷嘴3.5mm处进入微束等离子弧柱，与微束等离子弧接触并相互作用，摆动幅度为0mm，熔覆电流为30a，基值电流为25a，维弧电流为14a，熔覆时间为155ms，间隔时间为80ms，离子气流量为0.1l/min，保护气流量为1l/min，粉末粒度为50μm至100μm，等离子弧枪的线速度为10mm/s，搭接率为31％。

步骤s4,重复上述步骤s2至s3，直至刀刃上的熔覆层3的厚度为5mm。每次重复步骤s2前，需对前一道熔覆层3表面进行打磨，去除表面的氧化层。

步骤s5，对刀坯1进行低温去应力及回火热处理。

步骤s6,对热处理后的刀坯1依次进行打磨、抛光和开刃处理，获得成品刀具。

经测试，采用实施例5的制备方法制备得到的刀具的性能测试结果如下表5所示：

表5为实施例5中本体与等离子增材制造刀具的性能测试表

实施例6

参见图2，本实施例采用微束等离子增材制造工艺对五把刀坯1进行加工制造。

本实施例的一种微束等离子增材制造刀具的制备方法包括以下步骤：

步骤s1,将五把刀坯1并排紧贴地固定在夹具上，每一刀坯1的刀刃均朝上，每一刀坯1均同向设置。围绕五把刀坯1的四周分别设置垫板2，垫板2优选为陶瓷垫板2。沿刀刃长度方向两侧上的两个垫板2的上部边缘设置为弧形边缘，弧形边缘与刀刃的弧形走向匹配。每一垫板2的上部均高于刀刃3.5mm，每一垫板2的下部均与对外侧的刀坯1表面紧密贴合。所有垫板2与所有刀刃之间围合成容纳腔，熔覆层3设置在容纳腔内。

步骤s2，通过同步输送组件将丝材状的增材材料输送至容纳腔上方。丝材状的增材材料是铁基自熔性合金粉末通过特殊手段制备成丝材状，铁基自熔性合金粉末按质量百分比计包括碳0.6％至1.5％、铬23％至35％、硅1％至2.5％、硼1％至2％、镍6.5％至12％、锰1至2％、钼0.2至0.3％、铁44.7％至66.7％。

步骤s3，以等离子弧枪产生的微束等离子弧为热源，对同步输送组件输送的增材材料进行辐射，使其熔化，并在容纳腔内的刀刃位置上形成熔覆层3。其中，微束等离子增材制造参数包括：等离子弧枪的压缩喷嘴的直径为2mm，等离子弧枪产生的微束等离子弧的直径为3mm，等离子弧枪产生的微束等离子弧的长度为7mm，压缩喷嘴与刀刃表面距离为7mm，丝材在距离压缩喷嘴5.5mm处进入微束等离子弧柱，与微束等离子弧接触并相互作用，摆动幅度为4mm，熔覆电流为38a，基值电流为28a，维弧电流为18a，熔覆时间143ms，间隔时间72ms，离子气流量为0.2l/min，保护气流量为1.5l/min，粉末粒度为50μm至100μm，等离子弧枪的线速度为15mm/s，搭接率为34％。

步骤s4,重复上述步骤s2至s3，直至刀刃上的熔覆层3的厚度为3mm。每次重复步骤s2前，需对前一道熔覆层3表面进行打磨，去除表面的氧化层。

步骤s5,通过切割机将五把刀坯1分离。

步骤s6，对所有刀坯1进行低温去应力及回火热处理；

步骤s7,对热处理后的刀坯1依次进行打磨、抛光和开刃处理，获得成品刀具。

经测试，采用实施例6的制备方法制备得到的刀具的性能测试结果如下表6所示：

表6为实施例6中本体与等离子增材制造刀具的性能测试表

实施例7

参见图2，本实施例采用微束等离子增材制造工艺对五把刀坯1进行加工制造。

本实施例的一种微束等离子增材制造刀具的制备方法包括以下步骤：

步骤s1,将五把刀坯1并排紧贴地固定在夹具上，每一刀坯1的刀刃均朝上，每一刀坯1均同向设置。

步骤s2，通过同步输送装置将粉末状的增材材料输送至刀刃上方。粉末状的增材材料是铁基自熔性合金粉末，铁基自熔性合金粉末按质量百分比计包括碳0.6％至1.5％、铬23％至35％、硅1％至2.5％、硼1％至2％、镍6.5％至12％、锰1至2％、钼0.2至0.3％、铁44.7％至66.7％。

步骤s3，以等离子弧枪产生的微束等离子弧为热源，对同步输送装置输送的增材材料进行辐射，使其熔化，并在刀刃上形成熔覆层3。其中，微束等离子增材制造参数包括：等离子弧枪的压缩喷嘴的直径为2mm，等离子弧枪产生的微束等离子弧的直径为3mm，等离子弧枪产生的微束等离子弧的长度为7mm，压缩喷嘴与刀刃表面距离为6mm，粉末状的增材材料在距离压缩喷嘴5mm处汇聚，汇聚直径为2.5mm,摆动幅度为5mm，熔覆电流为38a，基值电流为25a，维弧电流为16a，离子气流量为0.2l/min，保护气流量为1.5l/min，粉末粒度为50μm至100μm，等离子弧枪的线速度为15mm/s，搭接率为34％。

步骤s4,重复上述步骤s2至s3，直至刀刃上的熔覆层3的厚度为4mm。每次重复步骤s2前，需对前一道熔覆层3表面进行打磨，去除表面的氧化层。

步骤s5,通过切割机将五把刀坯1分离。

步骤s6，对所有刀坯1进行低温去应力及回火热处理；

步骤s7,对热处理后的刀坯1依次进行打磨、抛光和开刃，获得成品刀具。

经测试，设置在中间的三把等离子增材制造刀具的硬度、锋利度和耐用度与实施例4的等离子增材制造刀具的硬度、锋利度和耐用度基本一致。但是，处于最外侧的两把等离子增材制造刀具由于没有垫板2的阻滞作用，其上的增材材料在高温熔化状态时向外流淌，造成最外侧的两把等离子增材制造刀具的熔覆层3的高度低于中间的三把等离子增材制造刀具的熔覆层3的高度，即熔覆层3无法完全覆盖在刀刃上，影响后期磨削开刃。

刀具实施例

一种刀具，该刀具采用上述制备方法中的任一实施例制备而成。该刀具包括刀坯1和熔覆层3，熔覆层3设置在刀坯1的刀刃上。