激光(guāng)強化(huà)技術在刀(dāo)具材料改性中的(de)應用(yòng)

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一、引言 切削加工是基本而又常用(yòng)的(de)精密加工手段，在機械、電機、電子等各種産業部分(fēn)中都起著(zhe)重要的(de)作用(yòng)，決定切削加工效率的(de)因素很多(duō)如機床、刀(dāo)具、工件等，其中刀(dāo)具是最活躍的(de)因素。而刀(dāo)具耐用(yòng)度的(de)高(gāo)低、刀(dāo)具消耗和(hé)加工成本的(de)多(duō)少、加工精度和(hé)表面質量的(de)優劣等等，在很大(dà)程度上取決于刀(dāo)具材料的(de)機械性能和(hé)加工性能，因此人(rén)們不斷地研究開發新的(de)刀(dāo)具材料。但新材料的(de)開發速度常常與現代切削加工生産要求存在一定的(de)差距，如在高(gāo)速切削300～1000m/min切削鋼、90～200m/min切削钛合金等要達到這樣高(gāo)的(de)切削速度，就要發展具有更加優異的(de)高(gāo)溫力學性能、高(gāo)化(huà)學穩定性和(hé)熱穩定性及高(gāo)溫熱抗振性的(de)刀(dāo)具材料，加速刀(dāo)具材料的(de)研究與開發，合理(lǐ)選用(yòng)刀(dāo)具材料是推動高(gāo)速切削技術廣泛應用(yòng)的(de)重要前提。 激光(guāng)加工是激光(guāng)應用(yòng)的(de)首要領域，在此領域中激光(guāng)對物(wù)體材料的(de)強化(huà)處理(lǐ)占有很重要的(de)位置，特别是對材料表面可(kě)進行多(duō)種強化(huà)處理(lǐ)。 在刀(dāo)具材料改性中主要應用(yòng)的(de)是熔化(huà)處理(lǐ)，熔化(huà)處理(lǐ)是金屬材料表面在激光(guāng)束照(zhào)射下(xià)成爲溶化(huà)狀态，同時迅速凝固，産生新的(de)表面層。根據材料表面組織變化(huà)情況，可(kě)分(fēn)爲合金化(huà)、溶覆、重溶細化(huà)、上釉和(hé)表面複合化(huà)等。激光(guāng)熔凝是用(yòng)适當的(de)參數的(de)激光(guāng)輻照(zhào)材料表面，使其表面快(kuài)速熔融、快(kuài)速冷(lěng)凝，獲得(de)較爲細化(huà)均質的(de)組織和(hé)所需性質的(de)表面改性技術。它具有以下(xià)優點： 1.表面熔化(huà)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合。 2.在激光(guāng)熔凝過程中，可(kě)以排除雜質和(hé)氣體，同時急冷(lěng)重結晶獲得(de)的(de)雜志有較高(gāo)的(de)硬度、耐磨性和(hé)抗腐蝕性。 3.其熔層? ⑷茸饔們。員砻娲植诙群凸ぜ叽缬跋觳淮蟆Ｓ惺笨刹輝俳瀉笮ス舛苯郵褂謾? 4.提高(gāo)溶質原子在基體中固溶度極限，晶粒及第二相質點超細化(huà)，形成亞穩相可(kě)獲得(de)無擴散的(de)單一晶體結構甚至非晶态，從而使生成的(de)新型合金獲得(de)傳統方法得(de)不到的(de)優良性能。 5.光(guāng)束可(kě)以通(tōng)過光(guāng)路導向，因而可(kě)以處理(lǐ)零件特殊位置和(hé)形狀複雜的(de)表面。 二、刀(dāo)具材料激光(guāng)表面改性國内外研究概況 目前國内外與此相關的(de)文獻較多(duō)，如利用(yòng)XeCl準分(fēn)子激光(guāng)器（波長308nm）照(zhào)射Al2O3-SiC納米複合陶瓷試樣，能量密度在0.8J/cm3～6.0J/cm3範圍内，照(zhào)射後，表面缺陷消除，形成連續分(fēn)布的(de)光(guāng)滑平整的(de)熔化(huà)層，并出現亞穩相γ-Al2O3，由于表面形貌的(de)改善和(hé)結構的(de)變化(huà),使表面韌性得(de)到提高(gāo)。W18Cr 4V車刀(dāo)表面經激光(guāng)塗覆處理(lǐ)後，對于深切削、快(kuài)速切削和(hé)切削特硬，耐磨性有明(míng)顯的(de)提高(gāo)，若以後刀(dāo)面磨鈍爲标準,提高(gāo)近250％；若以前刀(dāo)面磨鈍爲标準,提高(gāo)200％；若以破損爲标準，提高(gāo)近100％。此外車刀(dāo)前刀(dāo)面激光(guāng)處理(lǐ)後，後刀(dāo)面的(de)耐磨性有明(míng)顯增長；後刀(dāo)面激光(guāng)處理(lǐ)後，前刀(dāo)面抗月(yuè)牙窪磨損能力也(yě)有一定的(de)提高(gāo)，但增長幅度不及前者。北(běi)京工業大(dà)學的(de)宣崇武、張連寶利用(yòng)激光(guāng)表面合金化(huà)新技術，改變木(mù)材加工刀(dāo)片的(de)表面成分(fēn)，以提高(gāo)刀(dāo)片韌性。激光(guāng)表面合金化(huà)所得(de)的(de)合金化(huà)層與刀(dāo)片基體之間是一種冶金結合，結合力優于各種噴塗層。最佳産品一次刃磨平均産量<20t，但刀片本身折损率>30％。激光(guāng)合金化(huà)處理(lǐ)後的(de)刀(dāo)片，一次刃磨壽命比最佳産品平均提高(gāo)3倍左右，且刀(dāo)刃不崩、不卷、不折斷，稍加磨刃可(kě)繼續使用(yòng)。無錫冶金機械廠的(de)李良福在用(yòng)激光(guāng)加工法提高(gāo)刀(dāo)具耐用(yòng)度的(de)經驗證實，激光(guāng)強化(huà)對改善各種刀(dāo)具的(de)工作能力有較好的(de)效果。例如T8A、T10A、CrWMn和(hé)9Cr鋼模具的(de)耐用(yòng)度可(kě)提高(gāo)若幹倍，成型模的(de)壽命較一般熱處理(lǐ)後的(de)使用(yòng)壽命可(kě)提高(gāo)15-19倍，較氮化(huà)钴耐磨層的(de)模具提高(gāo)0.5-1倍。前蘇聯曾對WC85%+Co15%和(hé)WC92%+Co8%兩種硬質合金粉末進行激光(guāng)熔覆試驗，使用(yòng)35-30J的(de)固體脈沖激光(guāng)和(hé)0.1，0.5，1-3Kw的(de)連續CO2激光(guāng)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(de)最高(gāo)顯微硬度爲HV1180。KJ.Schmaxtjko利用(yòng)準分(fēn)子激光(guāng)對陶瓷材料(Al2O3、ZnO2、Si3N4)的(de)表面直接進行重熔改性，結果表明(míng)：陶瓷材料的(de)表面粗糙度從激光(guāng)改性前的(de)10-15μm，下(xià)降到1-4μm，且孔隙率大(dà)大(dà)下(xià)降。A.Detitbon的(de)重熔方式可(kě)使表面裂紋和(hé)孔隙至少下(xià)降50%。 最近幾年，激光(guāng)對各種刀(dāo)具材料表面強化(huà)都有不同程度的(de)報導[5,6]，也(yě)有人(rén)直接研究了(le)激光(guāng)對高(gāo)速刀(dāo)具的(de)表面強化(huà)，雖然激光(guāng)合金化(huà)和(hé)熔覆陶瓷層已經取得(de)了(le)關鍵性的(de)進展，但是在工業實際批量化(huà)應用(yòng)較少，特别是在刀(dāo)具材料改性方面。 三. 目前激光(guāng)強化(huà)技術在民用(yòng)刀(dāo)具制造的(de)應用(yòng) 民用(yòng)刀(dāo)具量大(dà)面廣，有：廚刀(dāo)、剪刀(dāo)、剃須刀(dāo)、粉碎刀(dāo)等，目前刀(dāo)具失效原因主要在刀(dāo)刃，如刃口磨損、崩刃、腐蝕等，爲了(le)達到經久耐用(yòng)的(de)目的(de)，一般制造工藝方法是：1）采用(yòng)整體高(gāo)性能合金材料，如高(gāo)速鋼等2）采用(yòng)複合鋼，如複合鋼闆刀(dāo)剪等3）刃口鑲焊硬質合金材料，如硬質合金、陶瓷、高(gāo)速鋼等。前兩種方法原材料要求較高(gāo)，制造成本較高(gāo)；而後者由于鑲焊往往爲材料硬脆性材料，給制造工藝帶來困難，如硬質合金與基體的(de)鑲焊強度、硬質合金鑲焊長度有限等，使用(yòng)壽命受到影(yǐng)響。 激光(guāng)堆焊是繼激光(guāng)熔覆技術上發展起來的(de)一項新的(de)激光(guāng)加工技術，借鑒傳統的(de)堆焊技術優點，用(yòng)大(dà)功率激光(guāng)爲加熱源，對同步送入的(de)合金焊絲與基體表層同時快(kuài)速熔化(huà)，得(de)到和(hé)基體完全冶金結合的(de)并具有特殊性能（耐磨、耐蝕、耐熱等）的(de)表層，形成複合層，用(yòng)于制造雙金屬刀(dāo)具。而激光(guāng)合金化(huà)則是在基體的(de)表面熔融層内加入合金元素，從而形成以基材爲基礎的(de)新的(de)合金層，達到表面改性，刃口強韌化(huà)的(de)目的(de)。 綜合上述技術的(de)優點，把這一技術應用(yòng)于刀(dāo)具材料表面強化(huà)處理(lǐ)，則是提高(gāo)刀(dāo)具耐磨性及其使用(yòng)壽命的(de)重要途徑之一，尤其對于陶瓷、硬質合金刀(dāo)具這種高(gāo)硬度、耐熱性好等優點，有利于提高(gāo)加工效率和(hé)加工精度，并能對難加工材料如淬火鋼在不利的(de)加工條件下(xià)進行切削加工。由于它們強度相對較低，韌性和(hé)可(kě)$&*性較差，嚴重地限制了(le)它們的(de)應用(yòng)範圍，因此把激光(guāng)表面強化(huà)技術應用(yòng)于陶瓷、硬質合金刀(dāo)具具有深刻的(de)研究意義和(hé)廣闊的(de)應用(yòng)前景。 目前，國内外提高(gāo)刀(dāo)具抗磨損的(de)方法主要分(fēn)爲兩類：一種是常規的(de)表面處理(lǐ)法，如采用(yòng)非常規的(de)表面淬火方法、激光(guāng)熔覆的(de)方法（覆層的(de)合金粉多(duō)爲Ni、Co基自熔合金或添加粗顆粒的(de)碳化(huà)鎢或者采用(yòng)激光(guāng)厚層熔覆，這類方法比較适用(yòng)于磨粒磨損很高(gāo)的(de)工況，例如，礦山、石油、農機等采掘工具）等，其存在的(de)缺點就是易産生裂紋等缺陷。另一種是最近發展起來的(de)塗層刀(dāo)具，此類方法的(de)缺點就是沉積塗層較? Ｕ饬街(jiē)址椒ǘ加釁洳煌潭鵲娜鋇恪Ｇ罷呤峭ü牧媳舊矸⑸南(nán)暈⒆橹淅刺岣哂捕燃澳湍バ裕蚨歡蘊幾鍾行В雜倉屎轄稹⒏咚俑植牧系牡毒卟牧隙栽蛐Ч幻飨裕捎煤笳卟喚鐾坎憬媳。坎愠粱奔浣銑ぃ沂導适褂彌諧３７⑸湎窒蟆? 以下(xià)爲激光(guāng)表面強化(huà)技術在刀(dāo)具材料改性中的(de)應用(yòng)實例。 3.1 家用(yòng)廚刀(dāo)激光(guāng)熔覆表面改性 采用(yòng)激光(guāng)塗層在常用(yòng)的(de)不鏽鋼廚刀(dāo)刃口進行薄層快(kuài)速熔覆，得(de)到塗覆層均勻、高(gāo)耐磨的(de)刀(dāo)具刃口，代替傳統的(de)刀(dāo)具生産工藝，改造其産業提高(gāo)刀(dāo)具（廚刀(dāo)）産品的(de)内在質量和(hé)附加值。通(tōng)過對塗層材料的(de)配比、激光(guāng)塗層性能等方面的(de)分(fēn)析研究，開發出與“懶漢刀(dāo)”同等水(shuǐ)平的(de)廚刀(dāo)并将其實用(yòng)化(huà)。通(tōng)過優化(huà)工藝采用(yòng)預置式合金粉末得(de)到了(le)無裂紋、一定硬度塗層的(de)厚度、變形? ⒒鼗鸫娜鋅凇？梢鑰闖觯鄹膊憔雀哺竊诘度猩稀? 對斷面分(fēn)析，從外向内可(kě)以明(míng)顯的(de)看出分(fēn)爲4個區域：熔覆層、硬化(huà)過渡區、回火區和(hé)基體材料。 3.1.1 熔覆區 該區以塗層材料爲主要成分(fēn)，硬度較高(gāo)HV990-1300，厚度0.02-0.08mm，其中大(dà)量未熔的(de)硬質顆粒，起到了(le)彌散強化(huà)的(de)作用(yòng)。塗層過厚易形成裂紋，影(yǐng)響使用(yòng)，通(tōng)過優化(huà)工藝參數，得(de)到了(le)既無裂紋、硬度高(gāo)、表面光(guāng)潔，與基體呈良好冶金結合的(de)塗層，而這一塗層正是提高(gāo)刃口磨損性能的(de)關鍵。 3.1.2 硬化(huà)過渡區 這一區域包含與熔覆層相接的(de)合金化(huà)層，與回火區相接的(de)淬火區，占硬化(huà)層的(de)80%，硬度層硬度平緩過度，組織主要是過度細化(huà)的(de)馬氏體和(hé)碳化(huà)物(wù)。 3.1.3 回火區 由于掃描速度的(de)加快(kuài)，回火區變窄，組織爲索氏體及碳化(huà)物(wù)。回火區的(de)存在有利于保持刃口的(de)韌性，在高(gāo)硬度沖擊情況下(xià)不至于斷裂。 3.2 激光(guāng)熔滲納米改性強化(huà)刀(dāo)具 激光(guāng)熔滲是一種結合激光(guāng)熔覆工藝和(hé)激光(guāng)合金化(huà)工藝的(de)表面改性的(de)方法。将其運用(yòng)到園林(lín)刀(dāo)具生産過程中，可(kě)以對不同類型的(de)刀(dāo)具進行激光(guāng)表面改性強化(huà)。納米材料較之微米級材料具有更好的(de)力學性能，塗覆于基體表面的(de)納米合金粉在高(gāo)密度的(de)激光(guāng)束作用(yòng)下(xià)快(kuài)速熔凝，以部分(fēn)納米硬質合金顆粒滲入到基體材料當中，起到了(le)微合金化(huà)作用(yòng)，而刀(dāo)具表面又可(kě)以獲得(de)納米晶的(de)覆層，因而不僅提高(gāo)了(le)強韌性及耐磨而且還加深了(le)刀(dāo)具刃口的(de)硬度層深，延長了(le)刀(dāo)具的(de)使用(yòng)壽命。 刀(dāo)片經過激光(guāng)處理(lǐ)後，在表層形成明(míng)顯的(de)硬化(huà)層，硬度呈現梯度變化(huà)，心部仍保持原來的(de)組織。這樣使得(de)表層硬而耐磨，芯部保持韌性，而且運轉過程有“自銳性”效果，使得(de)刀(dāo)片的(de)使用(yòng)壽命延長。該刀(dāo)片的(de)厚度爲1.5mm，硬化(huà)層深度爲0.18mm，表層白亮層爲合金碳化(huà)物(wù)，馬氏體,硬度爲HV0.2 820-766，心部爲回火屈氏體，硬度爲HV316 。 四、激光(guāng)強化(huà)技術在刀(dāo)具材料改性應用(yòng)的(de)展望 目前國内外對工程陶瓷與硬質合金材料的(de)研究有一定的(de)進展，另一方面激光(guāng)對刀(dāo)具進行表面強化(huà)處理(lǐ)屬當前機械加工領域的(de)前沿，用(yòng)強激光(guāng)束對代替某些熱處理(lǐ)是一種有效的(de)方法，結合當前納米技術的(de)發展，在這三個方向的(de)基礎上找到它們的(de)結合點，參照(zhào)同類近似的(de)研究方法，對陶瓷、硬質合金的(de)激光(guāng)強化(huà)機理(lǐ)及技術進行研究，提出了(le)在以後研究工作中将通(tōng)過對高(gāo)耐磨/耐蝕/耐熱納米硬質粉材（陶瓷、複合材料等）的(de)研制及配比、激光(guāng)納米強化(huà)層性能、激光(guāng)厚層堆焊工藝與硬質合金材料等方面的(de)分(fēn)析研究，針對不同刀(dāo)具采用(yòng)相應的(de)工藝，利用(yòng)普通(tōng)的(de)刀(dāo)具材料開發出提高(gāo)刀(dāo)具刃口強韌性、耐磨性及使用(yòng)壽命的(de)新産品，獲得(de)對各種刀(dāo)具類材料激光(guāng)堆焊複合、納米合金熔滲及産品化(huà)實用(yòng)化(huà)的(de)總體工藝技術，使其能滿足實際生産的(de)複雜要求，尤其是克服陶瓷刀(dāo)具材料脆性大(dà)、可(kě)靠性低等缺點，爲改進硬質合金和(hé)陶瓷材料增添了(le)一條有效的(de)途徑。 相信激光(guāng)合金化(huà)表面強化(huà)技術在刀(dāo)具材料改性中具有廣泛的(de)應用(yòng)範圍和(hé)廣闊的(de)應用(yòng)前景。