激光強(qiáng)化技術(shù)在刀具材料改性中的應(yīng)用

發(fā)布日期:2012-08-29    蘭生客服中心    瀏覽:2263

一、引言

    切削加工是基本而又常用的精密加工手段,在機(jī)械、電機(jī)、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(jī)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(jī)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(dá)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(xué)性能、高化學(xué)穩(wěn)定性和熱穩(wěn)定性及高溫?zé)峥拐裥缘牡毒卟牧,加速刀具材料的研究與開發(fā),合理選用刀具材料是推動(dòng)高速切削技術(shù)廣泛應(yīng)用的重要前提。

    激光加工是激光應(yīng)用的首要領(lǐng)域,在此領(lǐng)域中激光對(duì)物體材料的強(qiáng)化處理占有很重要的位置,特別是對(duì)材料表面可進(jìn)行多種強(qiáng)化處理。

    在刀具材料改性中主要應(yīng)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(shí)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(xì)化、上釉和表面復(fù)合化等。激光熔凝是用適當(dāng)?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(xì)化均質(zhì)的組織和所需性質(zhì)的表面改性技術(shù)。它具有以下優(yōu)點(diǎn):

1.表面熔化時(shí)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(shí)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(duì)表面粗糙度和工件尺寸影響不大。有時(shí)可不再進(jìn)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(diǎn)超細(xì)化,形成亞穩(wěn)相可獲得無擴(kuò)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(dǎo)向,因而可以處理零件特殊位置和形狀復(fù)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(guān)的文獻(xiàn)較多,如利用XeCl準(zhǔn)分子激光器(波長(zhǎng)308nm)照射Al2O3-SiC納米復(fù)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(duì)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(biāo)準(zhǔn),提高近250%;若以前刀面磨鈍為標(biāo)準(zhǔn),提高200%;若以破損為標(biāo)準(zhǔn),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(zhǎng);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(zhǎng)幅度不及前者。北京工業(yè)大學(xué)的宣崇武、張連寶利用激光表面合金化新技術(shù),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(jī)械廠的李良福在用激光加工法提高刀具耐用度的經(jīng)驗(yàn)證實(shí),激光強(qiáng)化對(duì)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(duì)WC85%+Co15%和WC92%+Co8%兩種硬質(zhì)合金粉末進(jìn)行激光熔覆試驗(yàn),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(zhǔn)分子激光對(duì)陶瓷材料(Al2O3、ZnO2、Si3N4)的表面直接進(jìn)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(duì)各種刀具材料表面強(qiáng)化都有不同程度的報(bào)導(dǎo)[5,6],也有人直接研究了激光對(duì)高速刀具的表面強(qiáng)化,雖然激光合金化和熔覆陶瓷層已經(jīng)取得了關(guān)鍵性的進(jìn)展,但是在工業(yè)實(shí)際批量化應(yīng)用較少,特別是在刀具材料改性方面。

三. 目前激光強(qiáng)化技術(shù)在民用刀具制造的應(yīng)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(dá)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(fù)合鋼,如復(fù)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(qiáng)度、硬質(zhì)合金鑲焊長(zhǎng)度有限等,使用壽命受到影響。

    激光堆焊是繼激光熔覆技術(shù)上發(fā)展起來的一項(xiàng)新的激光加工技術(shù),借鑒傳統(tǒng)的堆焊技術(shù)優(yōu)點(diǎn),用大功率激光為加熱源,對(duì)同步送入的合金焊絲與基體表層同時(shí)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(fù)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(chǔ)的新的合金層,達(dá)到表面改性,刃口強(qiáng)韌化的目的。

    綜合上述技術(shù)的優(yōu)點(diǎn),把這一技術(shù)應(yīng)用于刀具材料表面強(qiáng)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(duì)于陶瓷、硬質(zhì)合金刀具這種高硬度、耐熱性好等優(yōu)點(diǎn),有利于提高加工效率和加工精度,并能對(duì)難加工材料如淬火鋼在不利的加工條件下進(jìn)行切削加工。由于它們強(qiáng)度相對(duì)較低,韌性和可$&*性較差,嚴(yán)重地限制了它們的應(yīng)用范圍,因此把激光表面強(qiáng)化技術(shù)應(yīng)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(yīng)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(jī)等采掘工具)等,其存在的缺點(diǎn)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(diǎn)就是沉積涂層較薄。這兩種方法都有其不同程度的缺點(diǎn)。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(duì)碳鋼有效,而對(duì)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(shí)間較長(zhǎng),而且實(shí)際使用中常常發(fā)生剝落現(xiàn)象。

以下為激光表面強(qiáng)化技術(shù)在刀具材料改性中的應(yīng)用實(shí)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(jìn)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(duì)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(shí)用化。通過優(yōu)化工藝采用預(yù)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?梢钥闯,熔覆層均勻覆蓋在刀刃上。

    對(duì)斷面分析,從外向內(nèi)可以明顯的看出分為4個(gè)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(qiáng)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(guān)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(xì)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;鼗饏^(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(qiáng)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(yùn)用到園林刀具生產(chǎn)過程中,可以對(duì)不同類型的刀具進(jìn)行激光表面改性強(qiáng)化。納米材料較之微米級(jí)材料具有更好的力學(xué)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(dāng)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(qiáng)韌性及耐磨而且還加深了刀具刃口的硬度層深,延長(zhǎng)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(yùn)轉(zhuǎn)過程有“自銳性”效果,使得刀片的使用壽命延長(zhǎng)。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(qiáng)化技術(shù)在刀具材料改性應(yīng)用的展望

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

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