表面強化技術在金屬切削刀具制造過程中的應用研究

□ 楊亞輝

陜西國防工業(yè)職業(yè)技術學院 西安 710300

對金屬切削刀具進行表面強化處理是機械加工行業(yè)的一大變革，它是在刀具韌性較高的基體上增覆具有高硬度、高耐磨性、耐高溫的薄層材料，使刀具具有全面、良好的綜合使用性能。未經表面強化處理的高速鋼刀具的硬度僅為 62～68 HRC（760～960 HV），硬質合金刀具的硬度僅為 89～93.5 HRA （1 300～1 850 HV）；而經表面強化處理后的刀具表面硬度可達2 000～3 000 HV以上。

在工業(yè)生產中，使用表面強化處理的刀具可以提高加工效率和加工精度、延長壽命、降低成本。近30多年來，刀具表面強化處理技術迅速發(fā)展，使該類刀具得到了廣泛應用。工業(yè)發(fā)達國家使用表面強化處理的刀具占可轉位刀片的比例已由1978年的26%上升到90%以上，新型的數(shù)控機床所用的刀具中85%左右是經表面強化處理的刀具，表面強化處理高速鋼刀具和硬質合金刀具已占全部刀具使用總量的50%以上。在中國，刀具的表面強化處理技術的發(fā)展和應用具有很大的潛在提升空間［1-2］。

1 金屬切削刀具的表面熱處理強化

金屬切削刀具的表面熱處理工藝是通過對刀具的表面進行加熱、冷卻而改變表層力學性能，對刀具進行表面淬火是刀具表面熱處理的主要內容，其目的是獲得高硬度的表面層和有利的內應力分布，以提高刀具的耐磨性能和抗疲勞性能。

采用不同的熱源對刀具進行急速加熱，當?shù)毒弑韺訙囟冗_到臨界點以上 （此時刀具心部溫度仍處于臨界點以下）時急速冷卻，這樣刀具表層得到了淬硬組織而心部仍保持原來的高韌組織。為了達到只加熱刀具表層的目的，要求所用熱源具有較高的能量密度。根據(jù)加熱方法不同，表面淬火可分為感應加熱表面淬火、火焰加熱表面淬火、電接觸加熱表面淬火、電解液加熱表面淬火、激光加熱表面淬火、電子束表面淬火等，工業(yè)上對刀具進行表面淬火應用較多的為激光加熱表面淬火。

激光加熱表面淬火是激光熱處理中研究最早、最多、進展最快、應用最廣的一種新工藝，是高能表面強化技術中的一種主要手段，適用于大多數(shù)材料和不同形狀零件的不同部位，可提高零件的耐磨性和抗疲勞強度，國外一些工業(yè)部門將該技術作為保證產品質量的手段。近年來，該技術開始應用于刀具改性，如對齒輪刀具進行激光表面強化及應用研究，提高了高速鋼齒輪刀具的耐磨性和使用壽命，具有重要的理論意義和極大的實用價值。

齒輪刀具形狀復雜、磨削困難、量大面廣，不適合采用硬質合金制造。普通高速鋼的硬度一般為62～65 HRC，熱硬性在600°C以下，其磨損主要原因是低速切削時的磨損和高溫切削時的相變磨損。高速重載齒輪的中硬齒面（或硬齒面）要求齒輪刀具具備更好的熱硬性、耐磨性和沖擊韌性。因此，研發(fā)符合這些性能要求的高速鋼齒輪刀具材料及強化工藝，以減少齒輪加工時換刀的次數(shù)與時間，提高工效，勢在必行。

南華大學的李必文教授和研究生張金學［3］對M2高速鋼 齒輪刀具激光表面強化進行試驗研究，指出W6Mo5Cr4V2鋼中的合金元素與碳所形成的碳化物硬度很高，它們在回火時彌散析出，產生二次硬化效應。頂層熔化區(qū)細樹枝晶部位細晶強化作用明顯，枝晶間有較多的碳化物和氧化物呈彌散分布，達到了細小圓潤、彌散分布，出現(xiàn)顯微硬度最高峰值，理想的齒輪刀具刀刃應該位于這個區(qū)域，同時指出齒輪刀具合理的熔凝淬火表面應該是后刀面和側后刀面，并通過試驗修正了插齒刀在激光熔凝淬火時的偏置量。

吉林工業(yè)大學的李玉龍等人［4］對高速鋼齒輪滾刀激光表面強化進行研究。結果表明，經激光表面強化后的齒輪滾刀抗磨損性能提高一倍，其耐用度可大大提高，刀具強化后具備高效率、高質量、高切削條件，能大大地延長使用壽命，有很大的使用潛力，可以取得巨大的經濟效益。

2 金屬切削刀具的化學熱處理強化

化學熱處理是利用化學反應、有時兼用物理方法來改變刀具表層化學成分及組織結構，以便得到比均質材料更好的金屬熱處理工藝。由于機械零件的失效和破壞大多數(shù)都萌發(fā)在表面層，特別在可能引起磨損、疲勞、金屬腐蝕、氧化等條件下工作的零件，表面層的性能尤為重要。經化學熱處理后的刀具，實質上可以認為是一種特殊復合材料，心部為原始成分的鋼，表層則是滲入了合金元素的材料。心部與表層之間是緊密的晶體型結合，它比電鍍等表面復護技術所獲得的心、表部的結合要強得多。化學熱處理的方法繁多，多以滲入元素或形成的化合物來命名，例如滲碳、滲氮、滲硼、滲硫、滲鋁、滲鉻、滲硅、碳氮共滲、氧氮化、硫氰共滲和碳氮硫氧硼五元共滲，及碳（氮）化鈦覆蓋等，而應用于刀具表面強化的主要有：滲碳、滲氮、滲硼、滲硫、多元共滲等。

2.1 刀具表面滲碳強化工藝

高速鋼廣泛應用于制造金屬切削刀具，按照定比碳規(guī)律，用冶煉方法提高高速鋼的含碳量，淬火回火后能提高使用硬度和耐磨性，但碳化物偏析嚴重，使強度和韌性以及加工性能惡化，故其應用受到限制。如若對高速鋼進行常規(guī)滲碳處理，滲層碳濃度過高，只能采用低溫淬火工藝進行處理，然而所得紅硬性很低，不能用于刀具。

對高速鋼在高溫奧氏體狀態(tài)下進行控制氣氛滲磷和真空滲碳能有效控制滲層碳化物的分布，但設備昂貴或控制較復雜，而刀具的變形也是突出的問題。為了達到節(jié)省材料費用和制造費用的目的，國內外都十分重視發(fā)展先進的處理工藝，其中山西長治國營淮海機械廠的夏期成高工［5］所帶團隊應用新的機理和方法，研究成功了高速鋼低溫低濃度滲碳新工藝，在保持較高強度和韌性的條件下，硬度達到65.5～68 HRC，紅硬性增高1.5～3 HRC。刀具的使用壽命一般可提高l～3倍。而對于適合進行最后成品強化處理的刀具采用低溫滲碳復合熱處理，還可以進一步提高其使用壽命。高速鋼刀具應用低溫滲碳新工藝，不但性能好、成本低、經濟效益顯著，而且設備簡單，工藝易行，便于一般工廠推廣應用。

2.2 刀具表面滲氮強化工藝

滲氮是在一定溫度下和一定介質中使氮原子滲入工件表層的化學熱處理工藝。滲入鋼中的氮，一方面由表及里與鐵形成不同含氮量的氮化鐵，另一方面與鋼中的合金元素結合形成各種合金氮化物，特別是氮化鋁、氮化鉻。這些氮化物具有很高的硬度、熱穩(wěn)定性和很高的彌散度，因而可使?jié)B氮后的鋼件得到高的表面硬度、耐磨性、疲勞強度、抗咬合性、抗大氣和過熱蒸汽腐蝕能力、抗回火軟化能力，并降低缺口敏感性。從20世紀70年代開始，滲氮從理論到工藝都得到迅速發(fā)展并日趨完善，適用的材料和工件也日益擴大，成為重要的化學熱處理工藝之一。

上海交通大學胡明娟等人［6］采用可控滲氮工藝成功地抑制了高速鋼W6Mo5Cr4V2滲氮層的脆性，試驗表明，W6Mo5Cr4V2高速鋼車刀經過可控滲氮處理，切削能力大幅度提高，加工中硬度、高韌度材料時，壽命提高幾十倍，并能順利切削硬度高達37～39 HRC的18Cr2Ni4WA鋼。同時指出這一研究成果對擴大普通高速鋼刀具的應用范圍，解決一些難切削材料的加工問題有重要價值。

2.3 刀具表面滲硼強化工藝

滲硼是在含硼介質中加熱將硼滲入鋼鐵或分別以鎳、鈷、鈦為基的合金件中的化學熱處理工藝，滲硼層有優(yōu)異的耐磨性、較好的耐蝕性和抗高溫氧化性。北京科技大學材料科學與工程學院的唐偉忠等人［7］使用固體滲硼的方法，將滲硼預處理與金剛石涂層工藝有機地結合起來，有效地擴展了金剛石涂層的工藝范圍，從而保證涂層的質量和涂層的附著力。滲硼層不僅改變了硬質合金表層Co的催化特性，還可以抑制Co的外擴散。滲硼預處理后，金剛石涂層刀具的使用壽命可以提高至未涂層刀具的20倍以上。

2.4 刀具表面滲硫強化工藝

滲硫是在含硫介質中加熱，使工件表面形成以FeS為主的轉化膜的化學熱處理工藝。滲硫只能用來提高已淬硬表面，或表面已經由滲碳、滲氮而硬化的成品工件的減摩和抗咬死性能。形成FeS型轉化膜后，摩擦因數(shù)降低至處理前的1/4～2/5，抗咬死載荷可提高2～5倍。該技術同樣也可以應用于刀具處理，北京重型機器廠的魏有才［8］對指狀銑刀進行了滲硫處理研究，結果表明，刀具使用壽命提高了6.4倍，由于避免了加工中換刀，大大提高了加工質量，而且還可以提高生產效率50%。

2.5 刀具表面多元共滲強化工藝

多元共滲是將兩種以上元素滲入工件表面的化學熱處理工藝。西南科技大學的劉興龍等人［9］研究了等離子體硼氮共滲預處理對硬質合金刀具表面金剛石涂層結合強度的影響，結果表明，通過這種處理的硬質合金刀具表面可制備出光滑、結合力強的納米金剛石涂層，等離子體硼氮共滲預處理是改善金剛石涂層硬質合金刀具性能的有效手段。南京航空學院的秦展琰等人［10］對粉末冶金高速鋼刀具共滲層的磨損及切削特性進行了試驗研究，結果表明，粉末冶金高速鋼刀具經強化多元共滲后，具有高的顯微硬度、耐磨性能，切削力及低的摩擦因數(shù)，刀具壽命提高顯著。株州汽車齒輪廠的王智巖［11］研究了無污染熔鹽硫氮碳共滲（滲硫液體軟氮化）在高速鋼齒輪刀具表面強化上的應用，結果表明，高速鋼刀具經滲硫液體軟氮化后，每次刃磨切削工件數(shù)，可提高50%～100%，即一把刀具頂兩把刀具或兩把刀具頂三把刀具來用，收到了明顯的經濟效益。

3 金屬切削刀具的表面形變強化

主要是利用機械方法使金屬表面層發(fā)生塑性變形，而形成高硬度、高強的硬化層，常用的方法有噴丸、滾壓和冷擠壓。表面形變強化方法簡單，但對耐磨性能影響較小，而應用于刀具表面強化的主要方法為噴丸強化處理。

噴丸強化是在一個完全控制的狀態(tài)下，將無數(shù)小鋼丸高速且連續(xù)噴射、捶打到零件表面，從而在表面產生一個殘余壓應力層。表層下，壓縮的晶粒試圖將表面恢復到原來形狀，從而產生一個高度壓縮力作用下的半球，無數(shù)凹陷重疊形成均勻的殘余壓應力層，最終，零件在壓應力層保護下，極大程度地改善了抗疲勞強度，延長了安全工作壽命。該技術同樣也應用于刀具的制造過程，Badger Metal Tech公司［12］開發(fā)一種微粒噴丸硬化新技術，該技術系在一面監(jiān)視刀尖的損傷狀況，一面用均勻的微粒以一定的壓力加速噴擊在刀具表面上，致使刀具具有一定的壓縮應力與潤滑性能，從而提高了刀具壽命。該技術有效地提高了成形刀具、拉刀、滾刀、絲錐、板牙、立銑刀等的刀具壽命，微粒噴丸刀具克服了涂層刀具的涂層結合力小、受熱影響以及重磨后降低刀具壽命等缺點。

4 金屬切削刀具的表面合金化

一般是指利用工件表層金屬的重新熔化和凝固，以得到預期成分或組織的一種表面技術。它是采用高能量密度的快速加熱，將金屬表層熔化，或將涂覆在金屬表面的合金材料熔化，隨后靠急冷卻進行凝固而得到硬化層，而使表層具有高的耐磨性。哈爾濱工業(yè)大學的丁儒林等人［13］使用CO2激光器，對預敷有WC或TiC粉末的高速鋼刀具表面進行激光表面合金化處理的實驗（采用激光合金化技術，通過優(yōu)選出的最佳激光輻照工藝參數(shù)，實現(xiàn)高速鋼刀具激光表面合金化），通過測試和分析，高速鋼刀具表面經激光合金化處理后，其硬度和耐磨性能有很大提高。

5 金屬切削刀具的表面薄膜強化

是通過物理的或化學的方法在金屬表面被覆與基體材料不同的膜層，形成耐磨膜、抗蝕膜等，應用于刀具表面強化的主要方法有：電鍍、氣相沉積、離子注入等，需要有專門的設備，技術性高，成本高，形成的薄膜很薄，不宜長期使用。

5.1 刀具表面電鍍強化工藝

電鍍就是利用電解原理在某些金屬表面上鍍上其它金屬或合金薄層的過程，是利用電解作用使金屬或其它材料制件的表面附著一層金屬膜的工藝，從而起到防止金屬氧化（如銹蝕）、提高耐磨性、導電性、反光性、抗腐蝕性（硫酸銅等）及增進美觀等作用。牡丹江電瓷廠的宋喜彬等人［14］對電瓷成型刀具電鍍碳化硼粉進行了試驗研究，研制出了耐磨性是原來4倍以上的電鍍成型刀具。

5.2 刀具表面氣相沉積強化工藝

氣相沉積技術是利用氣相中發(fā)生的物理、化學過程，在工件表面形成功能性或裝飾性的金屬、非金屬或化合物涂層。氣相沉積技術按照成膜機理，可分為化學氣相沉積、物理氣相沉積和等離子體氣相沉積。經緯紡織機械廠的張曾業(yè)等人［15］深入研究了涂層刀具的化學氣相沉積技術，采用化學氣相沉積的方法在硬質合金刀頭表面沉積一層厚度極薄、附著性能極強、非常致密的超硬涂層，來提高切削參數(shù)指標和延長刀具壽命，結果表面，經過涂層的硬質合金刀頭，在切削加工中，提高切削速度30%～50%，刀具的耐用度提高3～6倍，個別情況可達十余倍，該技術已經獲得美國專利，廣泛地推廣應用，并取得了良好的經濟效益。上海工具廠有限公司祝新發(fā)等人［16］研究了物理氣相沉積（Ti，Al）N 涂層刀具的切削性能，試驗表明，（Ti，Al）N涂層切削過程中磨損小于TiN涂層，切削壽命高于TiN涂層，并指出（Ti，Al）N涂層適合高速切削。青島科技大學任志華等人［17-18］采用試驗的方法研究了等離子體化學氣相沉積TiN涂層刀具的應用，結果表明，在高速鋼滾刀、插齒刀上用PCVD法沉積TiN超硬膜，可顯著改善刀具抗后刀面磨損性能，提高刀具耐用度。在刀具磨損嚴重、切削加工困難的情況下，涂層的效果尤為突出。在普通車床上使用硬質合金刀片上涂層TiN超硬膜之前，需要對刀片進行適當刃磨，以消除微缺陷，加強刀片抗沖擊能力。TiN涂層可使硬質合金刀片月牙洼磨損顯著降低并降低切削溫度。

5.3 刀具表面離子注入強化工藝

離子注入技術是近30年來在國際上蓬勃發(fā)展和廣泛應用的一種材料表面改性高新技術。離子注入技術是把某種元素的原子電離成離子，并使其在幾十至幾百千伏的電壓下進行加速，在獲得較高速度后射入放在真空靶室中的工件材料表面的一種離子束技術。材料經離子注入后，其表面的物理、化學及機械性能會發(fā)生顯著的變化，金屬表層所產生的持續(xù)耐磨損能力可以達到初始注入時的2～3倍。四川大學的余米香等人［19］研究了離子注入在硬質合金刀具中的應用，指出離子注入可以通過增加顯微硬度、產生殘余壓應力和降低摩擦因數(shù)來提高刀具的耐用度，并詳細分析了三種基本原理。武漢科技大學的邰軍凱等人［20］采用試驗的方法研究了氮離子注入的刀具不銹鋼表面性能及微觀結構，結果表明，2Cr13刀具表面硬度和耐磨性能隨著氮離子注入劑量的增加而提升，當注入劑量為7.2×1017cm-2時，刀具表面硬度從320 HV提高到850 HV，摩擦因數(shù)從0.52降低到0.33，并且具有良好的耐蝕性。同時指出，2Cr13不銹鋼刀具表面改性時氮離子注入的劑量在（5～7）×1017cm-2最為適宜。中國地質大學的彭志堅和清華大學的苗赫濯等人［21］對MEVVA源離子注入陶瓷刀具表面改性進行了試驗研究，確定了注入劑量與陶瓷刀具性能之間的關系，改性后其刀具表面納米硬度、楊氏模量和抗彎強度，分別增加了51%、41%和66%，最大殘余應力為0.63 GPa，該刀具在最佳劑量改性下，表面粗糙度低于50 nm，刀具壽命提高2～12倍，其中，Al2O3陶瓷刀具注入金屬鉻改性效果最為明顯。

6 展望及結語

隨著我國工業(yè)的高速發(fā)展，被加工材料的性能不斷地升級，對切削加工所用刀具提出了更高的要求，單一的表面強化技術很難再繼續(xù)滿足現(xiàn)代制造業(yè)對刀具性能的要求。近年來，金屬切削刀具的表面強化處理開始走向復合，且復合表面處理刀具已開始由實驗室研究階段進入工業(yè)應用，可以預期，進一步研究表面強化工藝技術，優(yōu)化表面強化工藝參數(shù)，擴大多種復合強化技術在不同刀具上的應用，必將取得更大的技術進步和經濟效益。

［1］趙峰，張國政.熱處理工藝在模具制造過程中的應用［J］.熱加工工藝，2013，42（2）：172-175.

［2］趙峰.表面工程技術在模具制造中的應用與進展［J］.機械工程與自動化，2009（5）：189-191.

［3］張金學.M2高速鋼齒輪刀具激光表面強化的試驗研究［D］.衡陽：南華大學，2013.

［4］李玉龍，關慶豐，胡建東，等.W6Mo5Cr4V2鋼激光淬火組織的回火穩(wěn)定性［J］.金屬熱處理，1997（2）：18-21.

［5］夏期成.高速鋼刀具低溫滲碳［J］.新技術新工藝，1988（6）：3-5.

［6］胡明娟，潘健生，毛立忠，等.高速鋼刀具可控滲氮［J］.金屬熱處理學報，1998，19（1）：31-36.

［7］唐偉忠，王強，宋建華，等.滲硼預處理與金剛石涂層硬質合金刀具的切削壽命［C］.大連：首屆中國熱處理活動周論文集，2002：59-62.

［8］魏有才.滲硫刀具的應用［J］.機械工人（冷加工），1988（3）：10-11.

［9］劉興龍，王兵，熊鷹，等.等離子體硼氮共滲預處理對硬質合金刀具表面金剛石涂層結合強度的影響［J］.稀有金屬，2015（4）：網絡出版.

［10］秦展琰，周建初.粉末冶金高速鋼刀具共滲層的磨損及切削特性研究［J］.粉末冶金技術，1989，7（3）：156-160.

［11］王智巖.無污染熔鹽硫氮碳共滲（滲硫液體軟氮化）在高速鋼齒輪刀具表面強化上的應用［J］.機械傳動，1988，12（2）：55-57.

［12］姜耀泰.采用噴丸硬化法提高刀具壽命（譯）［J］.機床，1990（3）：17.

［13］丁儒林，薄化川，方寧.高速鋼刀具表面激光合金化［J］.新技術新工藝，1992（3）：19-20.

［14］宋喜彬，滕俊清.電瓷成型刀具電鍍碳化硼粉的探討［J］.電瓷避雷器，1990（2）：20-23.

［15］張曾業(yè).涂層刀具的化學氣相沉積技術［J］.表面工程，1990（3）：14-17.

［16］祝新發(fā)，陳順民，許輝.物理氣相沉積（Ti，Al）N 涂層刀具的切削性能［J］.熱處理，2006，21（2）：28-30.

［17］任志華，彭紅瑞.等離子體化學氣相沉積TiN涂層刀具的應用研究［J］.青島化工學院學報（自然科學版），1995，16（4）：345-349.

［18］徐翔，謝雁，趙程，等.等離子體化學氣相沉積TiN膜的刀具車削試驗［J］.山東化工學院學報，1984（2）：110-115.

［19］余米香，范洪遠，熊計.離子注入在硬質合金刀具中的應用［J］.工具技術，2008 （6）：48-51.

［20］邰軍凱，倪紅衛(wèi)，陳榮生，等.氮離子注入的刀具不銹鋼表面性能及微觀結構 ［J］. 材料導報，2012，26 （16）：113-116.

［21］彭志堅，苗赫濯，王成彪，等.MEVVA源離子注入陶瓷刀具表面改性研究 ［J］. 稀有金屬材料與工程，2008，37（S1）：442-445.