一种带有刃口的工具及其制造方法与流程

本发明涉及一种带有刃口的工具，特别涉及一种通过激光熔覆处理在刃口的表面形成熔覆层得到的工具，实现该工具兼具刃口的高硬度和高耐磨性，以及刀身或其他部位的高韧性。本发明还涉及这种带有刃口的工具的制造方法。

背景技术：

带有刃口的工具用于对物体进行切割或剪切，比如各种刀具、航空剪、带刀刃的钳子等。传统的不锈钢类刀具(如单开刀)多采用整体马氏体不锈钢(包括但不限于下述20cr13、30cr13、40cr13、50cr15mov、68cr17、95cr18、90cr18mov等)为基体，冲裁下料后整体热处理，然后开刃、装配。如果单开刀采用整体低碳马氏体不锈钢(如20cr13、30cr13等)，那么该类单开刀基体韧性良好，但刃口硬度较低，耐磨性较差，整体刀刃的实际切割寿命较低。而如果单开刀采用整体高碳马氏体不锈钢(如95cr18、90cr18mov等)，那么其刃口的硬度、耐磨性提升，整体刀刃的实际切割寿命提升，但整体刀片脆性较大，跌落时容易断裂，并且高碳马氏体不锈钢的单位原材料成本较高，市场竞争力较差。

传统的航空剪多采用整体合金结构钢、工具钢、弹簧钢(包括但不限于50crmo、6crw2si、60si2mn、60si2cr、60si2crv、60crmn等)为基体，热锻成型后整体热处理，然后开刃、装配。采用该方法得到的航空剪其基体的抗冲击/韧性较好，但刃口的耐磨性较差，实际剪切寿命较低。

若选用的制作材料介于高硬度和高韧性之间，也只能获得刀具或航空剪基体韧性和刃口硬度之间的平衡，但是两者都没有达到最好的效果。其他的带有刃口的工具也存在与刀具和航空剪类似的缺陷。

因此，本领域的技术人员致力于开发兼具刃口高硬度和高耐磨性，且其他部位高韧性，使用寿命长的带刃口的工具及其制造方法。

技术实现要素：

有鉴于现有技术的上述缺陷，本发明所要解决的技术问题是提供一种兼具刃口高硬度和高耐磨性，且其他部位高韧性，使用寿命长的带刃口的工具及其制造方法。

为实现上述目的，本发明的一个方面是提供了一种带有刃口的工具的制造方法：该带有刃口的工具包括用于支撑的基体和用于形成刃口的熔覆层，以及连接基体与熔覆层的过渡区；制造方法包括：

提供第一材料，其用于形成基体，并具有第一侧面；

提供第二材料，采用激光熔覆方式将第二材料熔覆到第一侧面上形成熔覆层，且在熔覆层和基体之间形成第一材料与第二材料冶金状态结合的过渡区。

在一个具体实施方式中，第二材料包括碳化钨、碳化钛、碳化铬、碳化钒、氧化铝、氧化锆中的至少一种化合物，或者包括碳以及钨、钛、铬、钒这四种金属单体中的至少一种；第二材料还包括镍和/或钴。

优选地，第二材料包括碳化钨、碳化钛、碳化铬、碳化钒、氧化铝、氧化锆中的至少一种化合物，或者包括碳以及钨、钛、铬、钒这四种金属单体中的至少一种；第二材料还包括镍和钴。

在另一个具体实施方式中，第二材料包括碳化钨、碳化钛、碳化铬、碳化钒、氧化铝、氧化锆中的至少一种化合物，还包括碳以及钨、钛、铬、钒这四种金属单体中的至少一种，还包括镍和/或钴。

优选地，第二材料包括碳化钨、碳化钛、碳化铬、碳化钒、氧化铝、氧化锆中的至少一种化合物，还包括碳以及钨、钛、铬、钒这四种金属单体中的至少一种，还包括镍和钴。

进一步地，所述碳、所述钨、所述钛、所述铬、所述钒均为粉状。

进一步地，第一材料为淬火硬化钢。

优选地，第一材料包括马氏体不锈钢、合金结构钢、工具钢和弹簧钢中的一种或者多种。

进一步地，马氏体不锈钢选自20cr13、30cr13、40cr13、50cr15mov、68cr17、95cr18、90cr18mov。

在一个具体实施方式中，第一材料选自50crmo、6crw2si、60si2mn、60si2cr、60si2crv、60crmn。

进一步地，激光熔覆方式指通过激光器在设定的激光器功率和设定的激光头移动速度下将第二材料中熔点低于激光器产生的激光温度的物质熔化并携带着熔点高于激光温度的物质结合到第一侧面上形成熔覆层；同时第一侧面及其靠近第一侧面的第一材料在激光温度作用下熔化并与靠近第一侧面的第二材料冶金状态结合形成过渡区。

进一步地，第二材料中熔点高于激光温度的物质弥散分布于熔覆层中。

优选地，第二材料中熔点高于激光温度的物质均匀分布于熔覆层中。

进一步地，激光器为co2气体激光器、yag固体激光器、光纤激光器或diode半导体激光器。

进一步地，激光器功率≥1000w，熔覆时激光头移动速度为2.0～15.0mm/s。

进一步地，制造方法还包括：

激光熔覆后，将工具毛坯进行真空淬火，淬火温度为850～1250℃，淬火介质为淬火油或惰性气体；

淬火完成后，将工具毛坯进行真空回火，回火温度为200～600℃，保温时间2～8小时。

进一步地，制造方法还包括：

激光熔覆前，将工具毛坯进行真空淬火，淬火温度为850～1250℃，淬火介质为淬火油或惰性气体；

淬火完成后，将工具毛坯进行真空回火，回火温度为200～600℃，保温时间2～8小时。

进一步地，制造方法还包括：

激光熔覆、淬火、回火后，将工具毛坯进行磨削刀刃；

装配、包装。

进一步地，熔覆层的硬度比基体的硬度高10hrc以上。

本发明的另一个方面是提供一种带有刃口的工具，包括用于支撑的基体和用于形成刃口的熔覆层，以及连接基体与熔覆层的过渡区；

基体由第一材料组成，第一材料为淬火硬化钢，并具有第一侧面；

熔覆层由第二材料组成，第二材料包括碳化钨、碳化钛、碳化铬、碳化钒、氧化铝、氧化锆中的至少一种化合物，或者包括碳以及钨、钛、铬、钒这四种金属单体中的至少一种；第二材料还包括镍和/或钴；

过渡区为通过激光熔覆方式将第二材料熔覆到第一侧面上形成熔覆层的同时在熔覆层和基体之间形成的第一材料与第二材料冶金状态结合的区域。

进一步地，所述碳、所述钨、所述钛、所述铬、所述钒均为粉状。

进一步地，熔覆层的深度是0.2～6.0mm，优选是1.0～3.0mm。

进一步地，熔覆层具有用于切割或剪切的第一边缘，第一边缘是平滑的或锯齿形的。

进一步地，带有刃口的工具采用如上所述的带有刃口的工具的制造方法制造而成。

进一步地，带有刃口的工具为刀具、锯子、斧子、航空剪或者带有刃口的钳子。

在一个具体实施方式中，第二材料还包括镍和钴。

在另一个具体实施方式中，第二材料包括碳化钨、碳化钛、碳化铬、碳化钒、氧化铝、氧化锆中的至少一种化合物，还包括碳以及钨、钛、铬、钒这四种金属单体中的至少一种。

在又一个具体实施方式中，第二材料包括碳化钨、碳化钛、碳化铬、碳化钒、氧化铝、氧化锆中的至少一种化合物，还包括碳以及钨、钛、铬、钒这四种金属单体中的至少一种，还包括镍和钴。

进一步地，第一材料包括马氏体不锈钢、合金结构钢、工具钢和弹簧钢中的一种或者多种。

进一步地，激光熔覆方式指通过激光器在设定的激光器功率和设定的激光头移动速度下将第二材料中熔点低于激光器产生的激光温度的物质熔化并携带着熔点高于激光温度的物质结合到第一侧面上形成熔覆层；同时第一侧面及其靠近第一侧面的第一材料在激光温度作用下熔化并与靠近第一侧面的第二材料冶金状态结合形成过渡区；第二材料中熔点高于激光温度的物质弥散分布于熔覆层中。

进一步地，熔覆层的硬度比基体的硬度高10hrc以上。

本发明的带有刃口的工具其用于支撑的基体韧性好，同时用于形成刃口的熔覆层硬度高、耐磨性高。采用本发明中的第一材料和第二材料以及激光熔覆方法，获得的熔覆层、过渡区，以及过渡区附近的基体的金相组织无孔洞，这表明激光熔覆效果和连接效果均良好，因此过渡区强度较高，不容易折断；同时保留了基体的强的抗拉强度；并且熔覆层分布有高硬度、高耐磨性的碳化物颗粒，提升了刃口的硬度和耐磨性，从而使得该刃口更经久耐用。

通过本发明的金属材料组成及工艺方法，获得的带有刃口的工具，其刀身硬度在48-54hrc，刃口硬度在60-70hrc，熔覆层的硬度比基体提高了10hrc以上，平均提高了15hrc。兼具支撑部分的高韧性和刃口部分的高硬度与高耐磨性，其耐久度在240mm以上，大大提高了该工具的使用寿命。

另外，第二材料中同时使用镍和钴有利于固液结合的更好。在激光熔覆过程中，第二材料中熔点低于激光温度的物质被熔化为液态，而熔点高于激光温度的物质保持固体粉状结构。被熔化为液态的物质与未被熔化的固体粉粒若能更好的结合，则有利于熔覆层中高硬度、高耐磨性的未被熔化的固体粉粒均匀分布。由于镍和钴为不同金属元素，它们的熔点是低于激光温度的，当被熔化为液体后的混合液比单一液体更容易使得固体被润湿，即产生的润湿角更小，润湿角越小则固液结合越好，从而使得固液结合更好。

其次，第二材料包括碳以及钨、钛、铬、钒这四种金属单体中的至少一种，也有利于高硬度、高耐磨性的粉粒均匀分布或弥散分布在熔覆层中，从而整体提高刃口的硬度与耐磨性。高硬度、高耐磨性的粉粒分布均匀受两个条件的制约：一是粒子大小；二是混合条件。粒子越大越不容易分布均匀。如果激光熔覆过程中通过碳与金属单体反应生成碳化物(比如熔化过程中碳粉和钨粉反应生成碳化钨)，则会在分子级别上生成碳化物，从而使得碳化物的粒子更小，小于直接加入的碳化物成品。碳化物成品的粒径受市场上产品粒径大小的限制，不如激光熔覆过程单独反应生成的碳化物粒径那么容易受控制。故第二材料包括碳以及钨、钛、铬、钒这四种金属单体中的至少一种，通过激光熔覆过程使得反应生成碳化物，可以使得第二材料中的碳化物分布更均匀。

以下将结合附图对本发明的构思、具体结构及产生的技术效果作进一步说明，以充分地了解本发明的目的、特征和效果。

附图说明

图1是本发明的一个较佳实施例的结构示意图，其具体为单开刀。

图2是图1沿aa切开的剖面结构示意图。

图3是本发明的另一个实施例的结构示意图，其具体为航空剪。

图4是本发明的又一个实施例的结构示意图，其具体为带刃口的钳子。

图5是本发明的带刃口的工具的一种实施例构造的金相图，显示基体、过渡区和熔覆层的金相组织，其放大倍数为100倍。

图6是图5中的一区域放大倍数为400倍的金相图。

具体实施方式

本发明所指的带有刃口的工具，用于对物体进行切割和/或剪切，包括基体、熔覆层和连接基体与熔覆层的过渡区。基体起到支撑刃口部分的作用；刃口部分可用于进行切割和/或剪切，由熔覆层经热处理后磨削刀刃形成。

图1显示了本发明的一个实施例，是一种单开刀。图2示出了该单开刀沿aa线剖切的示意图。该单开刀具有用于支撑的基体1，用于形成刃口的熔覆层2，以及连接基体1和熔覆层2的过渡区3。基体1由第一材料制成，具有第一侧面。熔覆层2由第二材料制成，且是通过激光熔覆方式将该第二材料熔覆到第一侧面上形成。同时形成的还有在熔覆层2和基体1之间的过渡区3。过渡区3为第一材料与第二材料在冶金状态下的结合。熔覆层2的深度在0.2～6.0mm之间，优选为1.0～3.0mm之间。

本领域技术人员可知，本发明的带有刃口的工具可以有多种形状与构造，例如，如图3所示的一种航空剪，以及如图4所示的一种带有刃口的钳子。与图1和2中示出的单开刀相同的是均具有基体1、熔覆层2和过渡区3。此外，本发明的带有刃口的工具还可以是其他刀具、锯子、斧子，这里不再赘述。熔覆层具有用于切割或剪切的第一边缘，第一边缘是平滑的或锯齿形的。比如当为单开刀时，第一边缘为平滑的；当为锯子时，第一边缘为锯齿形的。

第一材料为淬火硬化钢，首选具有较高的韧性的钢，比如马氏体不锈钢、合金结构钢、工具钢和弹簧钢中的一种或者多种。在一个优选的实施例中，该马氏体不锈钢选自于以下牌号(中国牌号)的标准化的马氏体不锈钢，20cr13、30cr13、40cr13、50cr15mov、68cr17、95cr18、90cr18mov等。在另一个优选的实施例中，第一材料选自50crmo、6crw2si、60si2mn、60si2cr、60si2crv、60crmn。

第二材料具有较高的硬度和/或耐磨性。在一个优选的实施例中，第二材料选自碳化钨、碳化钛、碳化铬、碳化钒、氧化铝、氧化锆中的至少一种化合物，同时第二材料还包括镍或钴。在又一个优选的实施例中，第二材料选自碳化钨、碳化钛、碳化铬、碳化钒、氧化铝、氧化锆中的至少一种化合物，同时第二材料还包括镍和钴。在第三个优选的实施例中，第二材料包括碳以及钨、钛、铬、钒这四种金属单体中的至少一种，同时第二材料还包括镍或钴。在第四个优选的实施例中，第二材料包括碳以及钨、钛、铬、钒这四种金属单体中的至少一种，同时第二材料还包括镍和钴。在第五个优选实施例中，第二材料包括碳化钨、碳化钛、碳化铬、碳化钒、氧化铝、氧化锆中的至少一种化合物，还包括碳以及钨、钛、铬、钒这四种金属单体中的至少一种，还包括镍或钴。在第六个优选实施例中，第二材料包括碳化钨、碳化钛、碳化铬、碳化钒、氧化铝、氧化锆中的至少一种化合物，还包括碳以及钨、钛、铬、钒这四种金属单体中的至少一种，还包括镍和钴。上述第二材料中的所有物资均为颗粒状(当为细小颗粒时则为粉状)。

本发明的另一方面提供如上所述的带有刃口的工具的制造方法，在一个具体实施方式中，该制造方法包括以下步骤：1)按照工具尺寸对第一材料下料，获得带有第一侧面的基体；2)采用激光熔覆方式，将第二材料熔覆到第一侧面上，形成又第二材料构成的熔覆层，同时在熔覆层和基体之间形成第一材料与第二材料冶金状态结合的过渡区；3)淬火、回火；4)磨削刀刃；5)装配、包装。

首先，将第一材料下料，切割成大致对应于成品带有刃口的工具的基体的形状。该切割可以采用线切割或高速冲床进行，也可以采用本领域中常规使用的其他切割方式进行。切割后的第一材料具有较为平坦的第一侧面。

然后，采用co2气体激光器、yag固体激光器、光纤激光器或diode半导体激光器进行激光熔覆操作。激光器功率不小于1000w，熔覆时激光头移动速度在2.0～15.0mm/s的脉冲激光，在切割后的第一材料的第一侧面上熔覆一层第二材料，形成熔覆层，同时在熔覆层和基体之间形成既包含第一材料又包含第二材料的过渡区。在过渡区中，第一材料和第二材料彼此融合在一起，即呈冶金状态结合。

之后，对激光熔覆后的工具毛坯进行整体淬火和整体回火。淬火和回火均在真空炉中进行。淬火温度在850～1250℃之间，淬火介质可以是淬火油，也可以是惰性气体。作为优选项目，淬火介质采用氮气。淬火完成后，将工具毛坯在真空炉中进行真空回火，回火温度在200～600℃之间，保温时间2～8小时。

最后，对淬火、回火后的工具毛坯进行尺寸和形状的磨削，尤其是磨削出刃口。磨削可以采用本领域常规使用的方法进行，比如利用磨床进行。

在本发明制造方法的另一个具体实施方式中，还包括在激光熔覆操作前，先行对步骤一中形成的基体进行淬火和回火。余下步骤与上一具体实施方式同，这里不再赘述。

在本发明制造方法的又一个具体实施方式中，还包括在按照工具尺寸对第一材料下料后，通过热锻成型获得一定形状的带有第一侧面的基体。余下步骤与上一具体实施方式同，这里不再赘述。

通过上述具体实施方式或实施例的制造方法，获得的基体1、熔覆层2、过渡区3，其金相结构中基本不存在孔洞(如图5和6所示)，这表明具体实施方式中的激光熔覆方式能够很好的将第一材料与第二材料结合在一起，既保证了基体的高韧性，又保证了熔覆层的高硬度和高耐磨性，以及确保了过渡区将基体和熔覆层紧密连接。

在经过激光熔覆、淬火、回火处理后，基体的硬度在48-54hrc，这样的硬度赋予了基体较好的韧性，使得基体不容易折断。熔覆层的硬度在60-70hrc，其赋予了熔覆层很好的耐磨性，使得刃口的使用寿命更长。

实施例1一种单开刀

1)按照工具尺寸对第一材料下料，获得带有第一侧面的基体。第一材料为马氏体不锈钢。然后，在真空炉中进行第一次淬火、第一次回火。淬火温度在850～1250℃之间，淬火介质采用氮气。淬火完成后，进行回火，回火温度在200～600℃之间，保温时间2～8小时。

2)采用diode半导体激光器，激光器功率不小于1000w，熔覆时激光头移动速度在2.0～15.0mm/s之间进行激光熔覆操作。将第二材料熔覆到第一侧面上，形成由第二材料构成的熔覆层，同时在熔覆层和基体之间形成第一材料与第二材料冶金状态结合的过渡区。第二材料包括碳以及钨、钛、铬、钒这四种金属单体中的至少一种，同时第二材料还包括镍和钴。第二材料中的物质均为粉状。

3)在真空炉中进行第二次淬火、第二次回火。淬火温度在850～1250℃之间，淬火介质采用氮气。淬火完成后，进行回火，回火温度在200～600℃之间，保温时间2～8小时。

4)磨削刀刃。

5)装配、包装，得到实施例1的单开刀。

实施例2～6的单开刀的制备方法与实施例1的单开刀的制备方法除表1所列的不同外，其余完全相同。

表1单开刀实施例2～6

实施例7一种单开刀

1)按照工具尺寸对第一材料下料，获得带有第一侧面的基体。第一材料为马氏体不锈钢。

2)采用diode半导体激光器，激光器功率不小于1000w，熔覆时激光头移动速度在2.0～15.0mm/s之间进行激光熔覆操作。将第二材料熔覆到第一侧面上，形成由第二材料构成的熔覆层，同时在熔覆层和基体之间形成第一材料与第二材料冶金状态结合的过渡区。第二材料包括碳化钨、碳化钛、碳化铬、碳化钒、氧化铝、氧化锆中的至少一种化合物，同时第二材料还包括镍和钴。第二材料中的物质均为粉状。

3)在真空炉中进行淬火、回火。淬火温度在850～1250℃之间，淬火介质采用淬火油。淬火完成后，进行回火，回火温度在200～600℃之间，保温时间2～8小时。

4)磨削刀刃。

5)装配、包装，得到实施例7的单开刀。

实施例8～12的单开刀的制备方法与实施例7的单开刀的制备方法除表2所列的不同外，其余完全相同。

表2单开刀实施例8～12

实施例13一种航空剪

1)按照工具尺寸对第一材料下料，热锻成型，获得带有第一侧面的基体。第一材料为合金结构钢、工具钢、弹簧钢类原材料：棒料。然后，在真空炉中进行第一次淬火、第一次回火。淬火温度在850～1250℃之间，淬火介质采用氮气。淬火完成后，进行回火，回火温度在200～600℃之间，保温时间2～8小时。

2)采用diode半导体激光器，激光器功率不小于1000w，熔覆时激光头移动速度在2.0～15.0mm/s之间进行激光熔覆操作。将第二材料熔覆到第一侧面上，形成由第二材料构成的熔覆层，同时在熔覆层和基体之间形成第一材料与第二材料冶金状态结合的过渡区。第二材料包括碳化钨、碳化钛、碳化铬、碳化钒、氧化铝、氧化锆中的至少一种化合物，同时第二材料还包括镍和钴。

3)在真空炉中进行第二次淬火、第二次回火。淬火温度在850～1250℃之间，淬火介质采用氮气。淬火完成后，进行回火，回火温度在200～600℃之间，保温时间2～8小时。

4)磨削刀刃。

5)装配、包装，得到实施例13的航空剪。

实施例14一种带刃口的钳子

1)按照工具尺寸对第一材料下料，热锻成型，获得带有第一侧面的基体。第一材料为合金结构钢。然后，在真空炉中进行第一次淬火、第一次回火。淬火温度在850～1250℃之间，淬火介质采用氮气。淬火完成后，进行回火，回火温度在200～600℃之间，保温时间2～8小时。

2)采用co2气体激光器，激光器功率不小于1000w，熔覆时激光头移动速度在2.0～15.0mm/s之间进行激光熔覆操作。将第二材料熔覆到第一侧面上，形成由第二材料构成的熔覆层，同时在熔覆层和基体之间形成第一材料与第二材料冶金状态结合的过渡区。第二材料包括碳以及钨、钛、铬、钒这四种金属单体中的至少一种，同时第二材料还包括镍或钴。

3)在真空炉中进行第二次淬火、第二次回火。淬火温度在850～1250℃之间，淬火介质采用氮气。淬火完成后，进行回火，回火温度在200～600℃之间，保温时间2～8小时。

4)磨削刀刃。

5)装配、包装，得到实施例14的带刃口的钳子。

测试行程20mm，测试60个循环，使用本发明的方法制造的刀片形成的单开刀，与现有的单开刀相比，其锋利度和耐久度如表3所示：

表3各单开刀的锋利度和耐久度

由此可见，具有本发明实施例的带刃口的工具(以单开刀为例)其锋利度和耐久度相对于现有的单开刀刀片均有所提高。其中，同时使用镍和钴(比如实施例1、4、7和8)使得锋利度提高了1倍左右，耐久度提高了2到3倍；同时使用镍和钴，且采用碳与钨、钛、铬、钒这四种金属单体中的至少一种在激光熔覆过程中生成碳化物(比如实施例1和8)，其锋利度和耐久度最高。

50cr15mov整体刀片指基体材料为50cr15mov，未经过激光熔覆工艺，没有熔覆层、过渡层，支撑和形成刃口均由基体担当的整体刀片。30cr13整体刀片指基体材料为30cr13，未经过激光熔覆工艺，没有熔覆层、过渡层，支撑和形成刃口均由基体担当的整体刀片。

以上详细描述了本发明的较佳具体实施例。应当理解，本领域的普通技术无需创造性劳动就可以根据本发明的构思作出诸多修改和变化。因此，凡本技术领域中技术人员依本发明的构思在现有技术的基础上通过逻辑分析、推理或者有限的实验可以得到的技术方案，皆应在由权利要求书所确定的保护范围内。