一种高硬度耐磨碳钢刀具制造技术

本实用新型专利技术涉及一种高硬度耐磨碳钢刀具，其特征在于在刀具表面涂覆表面Cr-W冶金陶瓷层，冶金陶瓷层厚度在60微米以上。是采用等离子表面冶金改性的方法涂覆，本实用新型专利技术是在易加工的碳钢刀具表面涂覆高硬度、耐磨的冶金陶瓷涂层，进而提高刀具表面的切削强度、硬度及韧性。（*该技术在2022年保护过期，可自由使用*）

【技术实现步骤摘要】

本技术涉及ー种高硬度耐磨碳钢刀具，是通过在普通碳钢刀具的表面涂覆金属铬和钨的复合涂层实现的。
技术介绍
刀具在使用过程中的磨损消耗是降低其使用寿命的主要原因之一。目前刀具的材料主要是硬质合金与金属陶瓷，其中硬质合金通过添加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，要想取得理想的结果必须加大合金元素的含量，这样会提高材料的成本，且硬质合金的后期加工比较困难。而陶瓷刀具往往涉及大量硬质易脆的陶瓷 相，在加工成型过程中易形成微裂纹和缺陷。解决该问题的有效途径是对刀具涂层，相关研究主要集中在TiC、TiN、CrN、TiCrN、TiCN及TiAlN等高熔点金属的化合物或者氮化物等涂层的研究，且为了提高涂层的结合强度往往在涂层与基体之间在沉积ー层过渡层，满足基体与涂层材料结构的匹配。目前，刀具涂层技术主要是化学气相沉积(CVD)和物理气相沉积(PVD)，两者在改善刀具的综合机械性能、有效提高刀具的使用寿命及加工效率等方面均具有不错的效果。但各自存在明显缺陷，PVD陶瓷薄膜厚度不均匀，且涂层较薄(2 μ m 10 μ m)，机械结合差，制备陶瓷膜的エ艺比较复杂，设备昂贵；CVD所得陶瓷膜与基体结合力不高，沉积速率低，有二次污染问题。等离子表面冶金是ー种主要利用阴极溅射，结合空心阴极效应加热エ件，使合金元素在表面与基体之间成梯度分布，渗层与基体之间无界面弱化，达到冶金结合的新型表面改性技木。近年来，该技术主要集中在钛合金表面进行渗Mo、渗氮、渗碳、渗Cr、复合Mo-N, Cr-C, W-C共渗及碳氮共渗处理提高基体耐磨性；另外，在不同含碳量材料表面渗入Co、W、Mo等合金元素，形成时效硬化高速钢。
技术实现思路
本技术的目的是针对硬质合金或陶瓷刀具材料加工难，合金化成本高的问题，提出ー种高硬度耐磨碳钢刀具，是在易加工的碳钢刀具表面涂覆高硬度、耐磨的冶金陶瓷涂层，提高刀具表面的切削強度、硬度及韧性。为了实现上述的目的，本技术采用了下面的技术方案ー种高硬度耐磨碳钢刀具，其特征在于在刀具表面涂覆表面Cr-W冶金陶瓷层，所述冶金陶瓷层厚度在60微米以上。采用等离子表面冶金改性的方法在普通碳钢刀具涂覆冶金陶瓷涂层，具体而言是将普通碳钢首先加工成刀具刀头，并对每个刀头表面进行抛光处理，之后用丙酮进行超声清洗；将预处理好的碳钢刀具使刃ロ向上垂直放入等离子冶金炉的渗具中完成样品表面合金元素共渗，将表面冶金处理的刀具进行后续渗碳处理，其中源极靶材为加工过的石墨板条，作为提供碳元素的源极，在普通碳钢刀具表面形成高硬耐磨的冶金陶瓷层。有益效果本技术采用等离子表面冶金的方法在普通碳钢刀具表面经过Cr-W冶金处理后再进行复合渗碳处理，形成高硬、耐磨的冶金陶瓷层。由于硬质层与基体之间是冶金结合，所以硬质金属陶瓷涂层的结合性能良好。①本技术以高熔点金属元素与碳元素为靶材，进行表面冶金处理，形成高硬耐磨的冶金陶瓷层，金属表面陶瓷层成分与硬度呈梯度分布，冶金层厚度能达到60微米以上，硬度达到2000HV0. I以上。②本技术中用来进行表面陶瓷化的刀具，使刀头和刀身分开处理，实现刀具的批量生产，提高刀具的加工效率。③本技术中为了提高合金元素及碳元素的供应量和供应效率，采用合金元素与碳元素分步进行复合渗入方式，其中靶材分别由含粉末冶金制得的合金板作为源极，碳源采用带槽的石墨板条作为靶材，提供碳元素。 附图说明图I为本技术在两个刀头表面进行陶瓷化冶金处理图；(图中①表示所渗元素的靶材，图中②为刀头，图中③为洞穴渗具);图2为I条带槽的石墨板条ニ视图；图3为等离子表面冶金后刀头的截面形貌。具体实施方式ー种高硬度耐磨碳钢刀具的制备过程如下(I)将普通碳钢首先加工成刀具，并对刀具表面进行抛光处理，之后用丙酮进行超声清洗；将预处理好的碳钢刀具使刃ロ向上垂直放入等离子冶金炉的渗具中，金属渗具采用双层保温圈洞穴法布置，洞穴内为样品，样品顶部为靶材，样品与靶材的间距为エ件工作的极间距。(2)打开真空泵，将炉内抽到极限真空，充入氩气至20Pa，重新抽到极限真空度，如此往复2-3次，以尽可能排除炉内的空气。(3)充入氩气到30-55 Pa，打开冷却水，打开エ件电源并施加300-400 V电压，对试样进行10分钟左右预轰击，一方面对试样进行清洗，另ー方面活化表面以便于活性原子的吸附。(4)预轰击之后调至300-500 V工作气压，将源极电压调整到试验值850-950V，使エ件和源极达到工作温度950-1000°C，稳定各エ艺參数并开始保温3-4小吋。(5)关闭源极电源。将气压调到30-55 Pa，将阴极电压降到200-300 V，微辉保护降温。(6)关闭气源和阴极电源，将炉内抽到极限真空，冷却到室温出炉。(7)重复上述过程完成经渗金属的刀具进行后续渗碳处理，工作气压45-55 Pa，源极电压950 V，エ件电压300 400 V，源极与エ件距离16-18 mm，温度960-1000°C，保温时间3小时以上；其中源极靶材为加工过的石墨板条，形状是由长度为100mm，宽度为10臟，深度为7_条状板组成，且在各板条中等间隔加工一定的沟槽，沟槽深为5_，常由5-8块石墨板作为提供碳元素的源极，最后在普通碳钢刀具表面形成高硬耐磨的金属陶瓷涂层。实施例II. Cr28ff合金板(购自北京钢铁研究院，是由纯度为99. 9%的粉末冶金制得，)作为源极材料，尺寸为Φ100 mmX5mm。装炉前,源极须用砂纸打磨干净露出新鲜表面,经丙酮及超声清洗，吹干。2.将45碳钢加工成刀具的刀头，并对刀头表面进行抛光处理，之后用丙酮进行超声清洗；将预处理好的两个刀头的前刀面面对面放入双层保温圈洞穴中，使刃ロ向上面对靶材，如图I所示，样品与靶材的间距为エ件工作的极间距，极间距为20mm。(2)打开真空泵，将炉内抽到极限真空，充入氩气至20Pa，重新抽到极限真空度，如此往复2-3次，以尽可能排除炉内的空气。(3)充入氩气到35Pa，打开冷却水，打开エ件电源并施加300-400V电压，对试样 进行10分钟左右预轰击，一方面对试样进行清洗，另ー方面活化表面以便于活性原子的吸附。(4)预轰击之后调至500-550 V工作气压，将源极电压调整到试验值950V，使エ件和源极达到工作温度960°C，稳定各エ艺參数并开始保温4小吋。(5)关闭源极电源。将气压调到20Pa，将阴极电压降到200-300 V，微辉保护降温。(6)关闭气源和阴极电源，将炉内抽到极限真空，冷却到室温出炉。(7)重复上述过程完成经渗金属的刀具进行后续渗碳处理，工作气压55 Pa左右，源极电压950 V，エ件电压300 400 V，源极与エ件距离16mm，温度950°C，保温时间3小时以上；其中源极祀材为带槽的石墨板条，形状是由长度为100mm,宽度为IOmm,深度为7mm条状板组成，且在各板条中等间隔加工一定的沟槽，沟槽深为5mm，如图2所示，常由5_8块石墨板作为提供碳元素的源极，最后在普通碳钢刀具表面形成高硬耐磨的金属陶瓷涂层，如图3所示。本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.ー种高硬度耐磨碳钢刀具，其特征在于在刀具表面涂覆表面Cr-W冶金陶瓷层。2.根...

【专利技术属性】
技术研发人员：吴红艳，杭烨超，刘斌，姚义俊，
申请(专利权)人：南京信息工程大学，
类型：实用新型
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