專利名稱：一種高硬度耐磨碳鋼刀具的制作方法
技術領域：
本實用新型涉及ー種高硬度耐磨碳鋼刀具，是通過在普通碳鋼刀具的表面涂覆金屬鉻和鎢的復合涂層實現的。
背景技術：
刀具在使用過程中的磨損消耗是降低其使用壽命的主要原因之一。目前刀具的材料主要是硬質合金與金屬陶瓷，其中硬質合金通過添加W、Mo、Cr、Zr等合金元素提高合金材料耐磨性，但提高程度有限，要想取得理想的結果必須加大合金元素的含量，這樣會提高材料的成本，且硬質合金的后期加工比較困難。而陶瓷刀具往往涉及大量硬質易脆的陶瓷 相，在加工成型過程中易形成微裂紋和缺陷。解決該問題的有效途徑是對刀具涂層，相關研究主要集中在TiC、TiN、CrN、TiCrN、TiCN及TiAlN等高熔點金屬的化合物或者氮化物等涂層的研究，且為了提高涂層的結合強度往往在涂層與基體之間在沉積ー層過渡層，滿足基體與涂層材料結構的匹配。目前，刀具涂層技術主要是化學氣相沉積(CVD)和物理氣相沉積(PVD)，兩者在改善刀具的綜合機械性能、有效提高刀具的使用壽命及加工效率等方面均具有不錯的效果。但各自存在明顯缺陷，PVD陶瓷薄膜厚度不均勻，且涂層較薄(2 μ m 10 μ m)，機械結合差，制備陶瓷膜的エ藝比較復雜，設備昂貴；CVD所得陶瓷膜與基體結合力不高，沉積速率低，有二次污染問題。等離子表面冶金是ー種主要利用陰極濺射，結合空心陰極效應加熱エ件，使合金元素在表面與基體之間成梯度分布，滲層與基體之間無界面弱化，達到冶金結合的新型表面改性技木。近年來，該技術主要集中在鈦合金表面進行滲Mo、滲氮、滲碳、滲Cr、復合Mo-N, Cr-C, W-C共滲及碳氮共滲處理提高基體耐磨性；另外，在不同含碳量材料表面滲入Co、W、Mo等合金元素，形成時效硬化高速鋼。
實用新型內容本實用新型的目的是針對硬質合金或陶瓷刀具材料加工難，合金化成本高的問題，提出ー種高硬度耐磨碳鋼刀具，是在易加工的碳鋼刀具表面涂覆高硬度、耐磨的冶金陶瓷涂層，提高刀具表面的切削強度、硬度及韌性。為了實現上述的目的，本實用新型采用了下面的技術方案ー種高硬度耐磨碳鋼刀具，其特征在于在刀具表面涂覆表面Cr-W冶金陶瓷層，所述冶金陶瓷層厚度在60微米以上。采用等離子表面冶金改性的方法在普通碳鋼刀具涂覆冶金陶瓷涂層，具體而言是將普通碳鋼首先加工成刀具刀頭，并對每個刀頭表面進行拋光處理，之后用丙酮進行超聲清洗；將預處理好的碳鋼刀具使刃ロ向上垂直放入等離子冶金爐的滲具中完成樣品表面合金元素共滲，將表面冶金處理的刀具進行后續滲碳處理，其中源極靶材為加工過的石墨板條，作為提供碳元素的源極，在普通碳鋼刀具表面形成高硬耐磨的冶金陶瓷層。有益效果本實用新型采用等離子表面冶金的方法在普通碳鋼刀具表面經過Cr-W冶金處理后再進行復合滲碳處理，形成高硬、耐磨的冶金陶瓷層。由于硬質層與基體之間是冶金結合，所以硬質金屬陶瓷涂層的結合性能良好。①本實用新型以高熔點金屬元素與碳元素為靶材，進行表面冶金處理，形成高硬耐磨的冶金陶瓷層，金屬表面陶瓷層成分與硬度呈梯度分布，冶金層厚度能達到60微米以上，硬度達到2000HV0. I以上。②本實用新型中用來進行表面陶瓷化的刀具，使刀頭和刀身分開處理，實現刀具的批量生產，提高刀具的加工效率。③本實用新型中為了提高合金元素及碳元素的供應量和供應效率，采用合金元素與碳元素分步進行復合滲入方式，其中靶材分別由含粉末冶金制得的合金板作為源極，碳源采用帶槽的石墨板條作為靶材，提供碳元素。
圖I為本實用新型在兩個刀頭表面進行陶瓷化冶金處理圖；(圖中①表示所滲元素的靶材，圖中②為刀頭，圖中③為洞穴滲具);圖2為I條帶槽的石墨板條ニ視圖；圖3為等離子表面冶金后刀頭的截面形貌。
具體實施方式
ー種高硬度耐磨碳鋼刀具的制備過程如下(I)將普通碳鋼首先加工成刀具，并對刀具表面進行拋光處理，之后用丙酮進行超聲清洗；將預處理好的碳鋼刀具使刃ロ向上垂直放入等離子冶金爐的滲具中，金屬滲具采用雙層保溫圈洞穴法布置，洞穴內為樣品，樣品頂部為靶材，樣品與靶材的間距為エ件工作的極間距。(2)打開真空泵，將爐內抽到極限真空，充入氬氣至20Pa，重新抽到極限真空度，如此往復2-3次，以盡可能排除爐內的空氣。(3)充入氬氣到30-55 Pa，打開冷卻水，打開エ件電源并施加300-400 V電壓，對
試樣進行10分鐘左右預轟擊，一方面對試樣進行清洗，另ー方面活化表面以便于活性原子的吸附。(4)預轟擊之后調至300-500 V工作氣壓，將源極電壓調整到試驗值850-950V，使エ件和源極達到工作溫度950-1000°C，穩定各エ藝參數并開始保溫3-4小吋。(5)關閉源極電源。將氣壓調到30-55 Pa，將陰極電壓降到200-300 V，微輝保護降溫。(6)關閉氣源和陰極電源，將爐內抽到極限真空，冷卻到室溫出爐。(7)重復上述過程完成經滲金屬的刀具進行后續滲碳處理，工作氣壓45-55 Pa，源極電壓950 V，エ件電壓300 400 V，源極與エ件距離16-18 mm，溫度960-1000°C，保溫時間3小時以上；其中源極靶材為加工過的石墨板條，形狀是由長度為100mm，寬度為10臟，深度為7_條狀板組成，且在各板條中等間隔加工一定的溝槽，溝槽深為5_，常由5-8塊石墨板作為提供碳元素的源極，最后在普通碳鋼刀具表面形成高硬耐磨的金屬陶瓷涂層。實施例I[0025]I. Cr28ff合金板(購自北京鋼鐵研究院，是由純度為99. 9%的粉末冶金制得，)作為源極材料，尺寸為Φ100 mmX5mm。裝爐前,源極須用砂紙打磨干凈露出新鮮表面,經丙酮及
超聲清洗，吹干。2.將45碳鋼加工成刀具的刀頭，并對刀頭表面進行拋光處理，之后用丙酮進行超聲清洗；將預處理好的兩個刀頭的前刀面面對面放入雙層保溫圈洞穴中，使刃ロ向上面對靶材，如圖I所示，樣品與靶材的間距為エ件工作的極間距，極間距為20mm。(2)打開真空泵，將爐內抽到極限真空，充入氬氣至20Pa，重新抽到極限真空度，如此往復2-3次，以盡可能排除爐內的空氣。(3)充入氬氣到35Pa，打開冷卻水，打開エ件電源并施加300-400V電壓，對試樣 進行10分鐘左右預轟擊，一方面對試樣進行清洗，另ー方面活化表面以便于活性原子的吸附。(4)預轟擊之后調至500-550 V工作氣壓，將源極電壓調整到試驗值950V，使エ件和源極達到工作溫度960°C，穩定各エ藝參數并開始保溫4小吋。(5)關閉源極電源。將氣壓調到20Pa，將陰極電壓降到200-300 V，微輝保護降溫。(6)關閉氣源和陰極電源，將爐內抽到極限真空，冷卻到室溫出爐。(7)重復上述過程完成經滲金屬的刀具進行后續滲碳處理，工作氣壓55 Pa左右，源極電壓950 V，エ件電壓300 400 V，源極與エ件距離16mm，溫度950°C，保溫時間3小時以上；其中源極祀材為帶槽的石墨板條，形狀是由長度為100mm,寬度為IOmm,深度為7mm條狀板組成，且在各板條中等間隔加工一定的溝槽，溝槽深為5mm，如圖2所示，常由5_8塊石墨板作為提供碳元素的源極，最后在普通碳鋼刀具表面形成高硬耐磨的金屬陶瓷涂層，如圖3所示。
權利要求1.ー種高硬度耐磨碳鋼刀具，其特征在于在刀具表面涂覆表面Cr-W冶金陶瓷層。
2.根據權利要求I所述的高硬度耐磨碳鋼刀具，其特征在于所述冶金陶瓷層厚度在60微米以上。
專利摘要本實用新型涉及一種高硬度耐磨碳鋼刀具，其特征在于在刀具表面涂覆表面Cr-W冶金陶瓷層，冶金陶瓷層厚度在60微米以上。是采用等離子表面冶金改性的方法涂覆，本實用新型是在易加工的碳鋼刀具表面涂覆高硬度、耐磨的冶金陶瓷涂層，進而提高刀具表面的切削強度、硬度及韌性。
文檔編號B32B15/01GK202447689SQ201220039060
公開日2012年9月26日 申請日期2012年2月7日 優先權日2012年2月7日
發明者劉斌, 吳紅艷, 姚義俊, 杭燁超 申請人:南京信息工程大學