激光強化技術在刀具材料改性中的應用

一、引言

    切削加工是基本而又常用的精密加工手段，在機械、電機、電子等各種產(chǎn)業(yè)部分中都起著重要的作用，決定切削加工效率的因素很多如機床、刀具、工件等，其中刀具是最活躍的因素。而刀具耐用度的高低、刀具消耗和加工成本的多少、加工精度和表面質(zhì)量的優(yōu)劣等等，在很大程度上取決于刀具材料的機械性能和加工性能，因此人們不斷地研究開發(fā)新的刀具材料。但新材料的開發(fā)速度常常與現(xiàn)代切削加工生產(chǎn)要求存在一定的差距，如在高速切削300～1000m/min切削鋼、90～200m/min切削鈦合金等要達到這樣高的切削速度，就要發(fā)展具有更加優(yōu)異的高溫力學性能、高化學穩(wěn)定性和熱穩(wěn)定性及高溫熱抗振性的刀具材料，加速刀具材料的研究與開發(fā)，合理選用刀具材料是推動高速切削技術廣泛應用的重要前提。

    激光加工是激光應用的首要領域，在此領域中激光對物體材料的強化處理占有很重要的位置，特別是對材料表面可進行多種強化處理。

    在刀具材料改性中主要應用的是熔化處理，熔化處理是金屬材料表面在激光束照射下成為溶化狀態(tài)，同時迅速凝固，產(chǎn)生新的表面層。根據(jù)材料表面組織變化情況，可分為合金化、溶覆、重溶細化、上釉和表面復合化等。激光熔凝是用適當?shù)膮��?shù)的激光輻照材料表面，使其表面快速熔融、快速冷凝，獲得較為細化均質(zhì)的組織和所需性質(zhì)的表面改性技術。它具有以下優(yōu)點：

1.表面熔化時一般不添加任何金屬元素，熔凝層與材料基體形成冶金結(jié)合。

2.在激光熔凝過程中，可以排除雜質(zhì)和氣體，同時急冷重結(jié)晶獲得的雜志有較高的硬度、耐磨性和抗腐蝕性。

3.其熔層薄、熱作用區(qū)小，對表面粗糙度和工件尺寸影響不大。有時可不再進行后續(xù)磨光而直接使用。

4.提高溶質(zhì)原子在基體中固溶度極限，晶粒及第二相質(zhì)點超細化，形成亞穩(wěn)相可獲得無擴散的單一晶體結(jié)構(gòu)甚至非晶態(tài)，從而使生成的新型合金獲得傳統(tǒng)方法得不到的優(yōu)良性能。

5.光束可以通過光路導向，因而可以處理零件特殊位置和形狀復雜的表面。

二、刀具材料激光表面改性國內(nèi)外研究概況

    目前國內(nèi)外與此相關的文獻較多，如利用XeCl準分子激光器（波長308nm）照射Al2O3-SiC納米復合陶瓷試樣，能量密度在0.8J/cm3～6.0J/cm3范圍內(nèi)，照射后，表面缺陷消除，形成連續(xù)分布的光滑平整的熔化層，并出現(xiàn)亞穩(wěn)相γ-Al2O3，由于表面形貌的改善和結(jié)構(gòu)的變化,使表面韌性得到提高。W18Cr 4V車刀表面經(jīng)激光涂覆處理后，對于深切削、快速切削和切削特硬，耐磨性有明顯的提高，若以后刀面磨鈍為標準,提高近250％；若以前刀面磨鈍為標準,提高200％；若以破損為標準，提高近100％。此外車刀前刀面激光處理后，后刀面的耐磨性有明顯增長；后刀面激光處理后，前刀面抗月牙洼磨損能力也有一定的提高，但增長幅度不及前者。北京工業(yè)大學的宣崇武、張連寶利用激光表面合金化新技術，改變木材加工刀片的表面成分，以提高刀片韌性。激光表面合金化所得的合金化層與刀片基體之間是一種冶金結(jié)合，結(jié)合力優(yōu)于各種噴涂層。最佳產(chǎn)品一次刃磨平均產(chǎn)量<20t，但刀片本身折損率>30％。激光合金化處理后的刀片，一次刃磨壽命比最佳產(chǎn)品平均提高3倍左右，且刀刃不崩、不卷、不折斷，稍加磨刃可繼續(xù)使用。無錫冶金機械廠的李良福在用激光加工法提高刀具耐用度的經(jīng)驗證實，激光強化對改善各種刀具的工作能力有較好的效果。例如T8A、T10A、CrWMn和9Cr鋼模具的耐用度可提高若干倍，成型模的壽命較一般熱處理后的使用壽命可提高15-19倍，較氮化鈷耐磨層的模具提高0.5-1倍。前蘇聯(lián)曾對WC85%+Co15%和WC92%+Co8%兩種硬質(zhì)合金粉末進行激光熔覆試驗，使用35-30J的固體脈沖激光和0.1，0.5，1-3Kw的連續(xù)CO2激光器，掃描速度2.2-17mm/s，在Y8A工具鋼基體上熔覆（WC92+Co8）粉末所得最高顯微硬度為HV1180。KJ.Schmaxtjko利用準分子激光對陶瓷材料(Al2O3、ZnO2、Si3N4)的表面直接進行重熔改性，結(jié)果表明：陶瓷材料的表面粗糙度從激光改性前的10-15μm，下降到1-4μm，且孔隙率大大下降。A.Detitbon的重熔方式可使表面裂紋和孔隙至少下降50%。

    最近幾年，激光對各種刀具材料表面強化都有不同程度的報導[5,6]，也有人直接研究了激光對高速刀具的表面強化，雖然激光合金化和熔覆陶瓷層已經(jīng)取得了關鍵性的進展，但是在工業(yè)實際批量化應用較少，特別是在刀具材料改性方面。

三. 目前激光強化技術在民用刀具制造的應用

    民用刀具量大面廣，有：廚刀、剪刀、剃須刀、粉碎刀等，目前刀具失效原因主要在刀刃，如刃口磨損、崩刃、腐蝕等，為了達到經(jīng)久耐用的目的，一般制造工藝方法是：1）采用整體高性能合金材料，如高速鋼等2）采用復合鋼，如復合鋼板刀剪等3）刃口鑲焊硬質(zhì)合金材料，如硬質(zhì)合金、陶瓷、高速鋼等。前兩種方法原材料要求較高，制造成本較高；而后者由于鑲焊往往為材料硬脆性材料，給制造工藝帶來困難，如硬質(zhì)合金與基體的鑲焊強度、硬質(zhì)合金鑲焊長度有限等，使用壽命受到影響。

    激光堆焊是繼激光熔覆技術上發(fā)展起來的一項新的激光加工技術，借鑒傳統(tǒng)的堆焊技術優(yōu)點，用大功率激光為加熱源，對同步送入的合金焊絲與基體表層同時快速熔化，得到和基體完全冶金結(jié)合的并具有特殊性能（耐磨、耐蝕、耐熱等）的表層，形成復合層，用于制造雙金屬刀具。而激光合金化則是在基體的表面熔融層內(nèi)加入合金元素，從而形成以基材為基礎的新的合金層，達到表面改性，刃口強韌化的目的。

    綜合上述技術的優(yōu)點，把這一技術應用于刀具材料表面強化處理，則是提高刀具耐磨性及其使用壽命的重要途徑之一，尤其對于陶瓷、硬質(zhì)合金刀具這種高硬度、耐熱性好等優(yōu)點，有利于提高加工效率和加工精度，并能對難加工材料如淬火鋼在不利的加工條件下進行切削加工。由于它們強度相對較低，韌性和可$&*性較差，嚴重地限制了它們的應用范圍，因此把激光表面強化技術應用于陶瓷、硬質(zhì)合金刀具具有深刻的研究意義和廣闊的應用前景。

    目前，國內(nèi)外提高刀具抗磨損的方法主要分為兩類：一種是常規(guī)的表面處理法，如采用非常規(guī)的表面淬火方法、激光熔覆的方法（覆層的合金粉多為Ni、Co基自熔合金或添加粗顆粒的碳化鎢或者采用激光厚層熔覆，這類方法比較適用于磨粒磨損很高的工況，例如，礦山、石油、農(nóng)機等采掘工具）等，其存在的缺點就是易產(chǎn)生裂紋等缺陷。另一種是最近發(fā)展起來的涂層刀具，此類方法的缺點就是沉積涂層較薄。這兩種方法都有其不同程度的缺點。前者是通過材料本身發(fā)生的顯微組織轉(zhuǎn)變來提高硬度及耐磨性，因而只對碳鋼有效，而對硬質(zhì)合金、高速鋼材料的刀具材料而言則效果不明顯，采用后者不僅涂層較薄，涂層沉積時間較長，而且實際使用中常常發(fā)生剝落現(xiàn)象。

以下為激光表面強化技術在刀具材料改性中的應用實例。

3.1 家用廚刀激光熔覆表面改性

    采用激光涂層在常用的不銹鋼廚刀刃口進行薄層快速熔覆，得到涂覆層均勻、高耐磨的刀具刃口，代替?zhèn)鹘y(tǒng)的刀具生產(chǎn)工藝，改造其產(chǎn)業(yè)提高刀具（廚刀）產(chǎn)品的內(nèi)在質(zhì)量和附加值。通過對涂層材料的配比、激光涂層性能等方面的分析研究，開發(fā)出與“懶漢刀”同等水平的廚刀并將其實用化。通過優(yōu)化工藝采用預置式合金粉末得到了無裂紋、一定硬度涂層的厚度、變形小、回火帶窄的刃口。可以看出，熔覆層均勻覆蓋在刀刃上。

    對斷面分析，從外向內(nèi)可以明顯的看出分為4個區(qū)域：熔覆層、硬化過渡區(qū)、回火區(qū)和基體材料。

3.1.1 熔覆區(qū)

    該區(qū)以涂層材料為主要成分，硬度較高HV990-1300，厚度0.02-0.08mm，其中大量未熔的硬質(zhì)顆粒，起到了彌散強化的作用。涂層過厚易形成裂紋，影響使用，通過優(yōu)化工藝參數(shù)，得到了既無裂紋、硬度高、表面光潔，與基體呈良好冶金結(jié)合的涂層，而這一涂層正是提高刃口磨損性能的關鍵。

3.1.2 硬化過渡區(qū)

    這一區(qū)域包含與熔覆層相接的合金化層，與回火區(qū)相接的淬火區(qū)，占硬化層的80%，硬度層硬度平緩過度，組織主要是過度細化的馬氏體和碳化物。

3.1.3 回火區(qū)

    由于掃描速度的加快，回火區(qū)變窄，組織為索氏體及碳化物。回火區(qū)的存在有利于保持刃口的韌性，在高硬度沖擊情況下不至于斷裂。

3.2 激光熔滲納米改性強化刀具

    激光熔滲是一種結(jié)合激光熔覆工藝和激光合金化工藝的表面改性的方法。將其運用到園林刀具生產(chǎn)過程中，可以對不同類型的刀具進行激光表面改性強化。納米材料較之微米級材料具有更好的力學性能，涂覆于基體表面的納米合金粉在高密度的激光束作用下快速熔凝，以部分納米硬質(zhì)合金顆粒滲入到基體材料當中，起到了微合金化作用，而刀具表面又可以獲得納米晶的覆層，因而不僅提高了強韌性及耐磨而且還加深了刀具刃口的硬度層深，延長了刀具的使用壽命。

    刀片經(jīng)過激光處理后，在表層形成明顯的硬化層，硬度呈現(xiàn)梯度變化，心部仍保持原來的組織。這樣使得表層硬而耐磨，芯部保持韌性，而且運轉(zhuǎn)過程有“自銳性”效果，使得刀片的使用壽命延長。該刀片的厚度為1.5mm，硬化層深度為0.18mm，表層白亮層為合金碳化物，馬氏體,硬度為HV0.2 820-766，心部為回火屈氏體，硬度為HV316 。

四、激光強化技術在刀具材料改性應用的展望

    目前國內(nèi)外對工程陶瓷與硬質(zhì)合金材料的研究有一定的進展，另一方面激光對刀具進行表面強化處理屬當前機械加工領域的前沿，用強激光束對代替某些熱處理是一種有效的方法，結(jié)合當前納米技術的發(fā)展，在這三個方向的基礎上找到它們的結(jié)合點，參照同類近似的研究方法，對陶瓷、硬質(zhì)合金的激光強化機理及技術進行研究，提出了在以后研究工作中將通過對高耐磨/耐蝕/耐熱納米硬質(zhì)粉材（陶瓷、復合材料等）的研制及配比、激光納米強化層性能、激光厚層堆焊工藝與硬質(zhì)合金材料等方面的分析研究，針對不同刀具采用相應的工藝，利用普通的刀具材料開發(fā)出提高刀具刃口強韌性、耐磨性及使用壽命的新產(chǎn)品，獲得對各種刀具類材料激光堆焊復合、納米合金熔滲及產(chǎn)品化實用化的總體工藝技術，使其能滿足實際生產(chǎn)的復雜要求，尤其是克服陶瓷刀具材料脆性大、可靠性低等缺點，為改進硬質(zhì)合金和陶瓷材料增添了一條有效的途徑。