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激光熔覆实现刀具的粉末级质量

时间: 2011-07-01 09:00 来源: 作者: Ron Boyer; Richard M 点击:
在许多情况中,高质量切割刀具的生产通常始于粉末金属的使用。当前,粉末金属处理需要粉末通过气体雾化而成形,其中让粉末粒子快速冷却,形成非常小的粒度 — 粉末金属材料的一个通用特征参数。高速钢(HSS)粉末的使用允许形成更多硬质合金成形元素。因此,小粒度和更高级别的硬质合金成形结果会保证粉末金属高速钢更高的硬度及耐磨性。

然而,这些材料的成本一般要比传统结晶冶金刀具级合金的高。为生产标准高速钢切削刀具而需要将粉末金属加工成棒料,这所带来的额外处理成本将会非常高,因此每磅棒料的售价会高达20~30美元。这种成本因素已经严重地限制了它在标准切削刀具生产中的应用,尽管它具有显著的特性。

在制造行业,沉积技术在修理、改造和快速原型方面得到了越来越多的应用。该技术通常会采用一种粉末,这种粉末能够被激光束高效熔化并精确沉积到基质材料上。激光沉积过程的特点有:热变形低、对基质产生的金相损失最小、沉积速度相对较高,同时对沉积物可以进行快速固化。这些属性结合起来就使得激光处理成了一种理想的候选手段——它可以用来有选择地生产用于不同应用场合的工程微细结构。[1-3]但是,要获得刀具元件所需性能却带来了一个难以克服的挑战。

意识到激光沉积的潜力后,Alvord-Polk公司开展了一个研发项目来寻找其可能的应用,评价现有产品的激光沉积,并对其定性,同时还对因这种技术产生的可能节省进行量化。初始试验是与宾夕法尼亚州立大学(宾州ARL)的应用研究室合作进行的,随后的开发是在Alvord-Polk位于宾州Millersburg市的工厂内进行的。这种研发的结果表明,通过可选性地用 Rex 121TM对一种低成本的HSS毛坯进行激光沉积,可以在可接受的成本下实现粉末金属级质量。


图1. Alvord-Polk的五轴激光沉积系统

图1显示了在Alvord-Polk处,采用一台装有2kW CO2激光器以及同轴粉末进给系统的五轴激光系统在刀具毛坯件上精确沉积含有高硬质合金材料的情形。图2显示了用该系统生产的一个沉积和磨削后直径32mm立铣刀的照片。

图3显示了当前正在开发的其他刀具应用的原理图。Alvord-Polk已经发现,对于许多应用而言,激光沉积对刀具元件保证了所需要的硬度和耐用度,同时降低了与材料及辅助操作相关的成本。


图3.Alvord-Polk当前正在开发的激光沉积的刀具应用原理示意图

在刀具工业中应用激光沉积技术的机会仅受可沉积的材料约束,如今人们正在进行的重要研究:用于高耐磨应用场合的激光处理粉末合成的改进配方。[4, 5]通过合金感应变相、通过第二相粒子的合成强化或者二者的结合而建立固化沉积物中的发展属性。复合微观结构 — 一种高硬度并含有非常硬粒子的可焊接矩阵形式 — 为刀具级材料进行激光沉积提供了巨大机遇。

对具有复合物微观结构的刀具级材料进行激光沉积已经商业化。在Alvord-Polk有限公司与联合机器和工程公司(位于俄亥俄洲Dover市)之间的合作已经促成一项在生产中切削刀具的应用。专用深孔钻头刀片需要在钨硬质合金刀片后面整个直径上采用镀铬或硬质合金耐磨垫块。Alvord-Polk与宾州ARL合作开发了一个采用Rex 121以及大量钨硬质合金粒子的激光熔覆材料。这种材料组合所带来的性能卓越的耐磨垫块可以进行选择性沉积,以取代铬或钎焊硬质合金耐磨垫块。图4显示了一个带有激光沉积耐磨垫块的深孔钻头刀片。


图4. 深孔钻头刀片照片,显、示了采用Rex 121及钨硬质合金粉末生产的激光沉积耐磨垫块

对采用这种技术的刀具进行试验的结果超出了预计。钻头在被加工表面的速度比电镀铬刀具快2倍,耐磨性超出电镀铬刀具的2~4倍。此外,它还是一种针对钎焊或螺栓栓接硬质合金耐磨垫块的经济性替代方案,因为磨损的刀具可以返回厂家进行重磨,并重新进行新的激光沉积。

通过激光沉积生产刀具级材料为刀具工业革命提供了潜力。加工依赖于激光的地方在于:激光沉积能够仅在切削刀具上需要的地方精确沉积高度工程化的材料、从而能减少成本高昂的材料用量及二次操作。已经表明,用这种方法生产的刀具性能远远超出普通材质刀具,同时降低了制造成本。这种技术将随着专门为这些应用所设计的新材料的发展而得到进一步推广。

Ronald E. Boyer(rboyer@alvordpolk.com)是Alvord-Polk有限公司(位于宾夕法尼亚州Millersburg市)的总裁。Richard P. Martukanitz (rxm44@psu.edu)是宾夕法尼亚州立大学应用研究实验室激光加工部(宾夕法尼亚州立大学)主任。(end)

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