機夾刀片工作面激光熔覆工藝制定

李淑玉，李成彪

(1.青島理工大學汽車與交通學院，山東青島266033;2.青島理工大學工程訓練中心，山東青島266033)

隨著大量難加工材料的出現以及高速切削機床的廣泛使用，以往常規使用的刀具如硬質合金刀具、高速鋼刀具等已漸漸難以滿足加工要求，于是出現了一系列超硬材料刀具、涂層刀具。超硬刀具材料，如金剛石、立方氮化硼(CBN)等雖然具有超高硬度，但其韌性、可塑性差，不僅價格昂貴、壽命低，而且加工難度大、加工質量一般;而涂層刀具結合了基體的強韌性與涂層的高硬度，滿足現代切削加工的要求，具有以往任何刀具難以比擬的優勢。以機夾刀片為基體，在刀片上制備新的合金涂層，使刀片具有更加優異的高溫力學性能、高溫化學穩定性、熱穩定性及高溫熱抗振性能，是目前刀具材料研究與開發的熱點。涂層刀片綜合了基體的強韌性和涂層的高硬度，正是適應現代機加工要求的刀具材料。然而，目前市場上的涂層刀片價格昂貴，且涂層在使用過程中容易出現裂紋甚至提早剝落，原因在于涂層與刀片的結合力太小，嚴重影響了刀片的使用壽命與機械加工的精度。于是，開發一種新的加工工藝——激光熔覆技術制備刀片涂層工藝，增強涂層和基體間的結合力是非常有必要的。圖1所示為幾種市場上常見的機夾刀片，由于機加工過程中僅僅是刀片的切削刃與工件材料相互接觸，所以只需在刀片的切削刃處進行激光熔覆，已達到節省貴重材料、提高熔覆效率和降低加工成本的目的。

圖1 常見的機夾刀片

1 激光熔覆強化機制

1.1 激光熔覆的原理及優點

激光熔覆技術是材料表面改性的一種重要方法，它是利用高能激光束將具有不同成分、性能的材料與基材表面快速熔化、擴展并迅速凝固，形成一層具有特殊物理、化學或力學性能的復合材料，從而獲得基體所不具備的性能，如高硬度、耐磨性、耐腐蝕性以及高溫下的抗氧化性等，這種復合材料具備了熔覆材料和基體二者的優勢，彌補了相互間的不足。采用該技術可使涂層與基體的結合方式由常規涂層制備方法的機械結合變為冶金結合，從而更能勝任摩擦、磨損條件較為苛刻的場合。與現有的刀片涂層技術，如CVD、PCVD、PVD 以及等離子噴涂等技術相比，激光熔覆技術具有以下優點:

(1)激光能量密度高，加熱速度快，效率高，熔覆層熱影響區小，工件變形小;

(2)激光能量密度可調，確?；臉O低稀釋率的同時，能夠保證熔覆層和基體間呈良好的冶金結合;

(3)光斑照射區域可通過導光系統，對工件局部進行選區熔覆，既節省了貴重材料，又獲得了高的加工效率;

(4)通過對激光能量的控制，可制備出微米級涂層，無需后續修理工藝。

1.2 激光熔覆工藝制定原則

(1)著重考慮熔覆材料與基體材料的特性，如熱膨脹系數、熱導率、相互之間的潤濕性以及形成化合物的可能性等;

(2)根據所需涂層性能選擇熔覆材料，如涂層硬度、耐磨性、耐腐蝕性以及高溫下的抗氧化性能等;

(3)合理選擇預處理工藝、熔覆工藝參數以及后處理工藝，保證熔覆過程不受外界污染物以及自身參數選擇不當的影響。

2 機夾刀片工作面激光熔覆工藝制定

機夾刀片激光熔覆工藝包括熔覆材料的選擇、熔覆材料添加方式的制定及熔覆層質量控制3 個主要方面。

2.1 熔覆材料的選擇

以圖1(a)所示盤式銑刀片為實驗材料，刀片的尺寸結構圖如圖2所示，其中面A 和面B、C 相交處為切削刃，切削過程中僅切削刃處與工件材料發生切削，所以只需在切削刃附近進行激光熔覆。刀片材料為YG8 硬質合金，其化學成分和性能如表1所示。

圖2 盤式立銑刀片

表1 實驗用YG8 硬質合金刀片的化學成分及性能

用于金屬基復合材料熔覆的元素或化合物應具有以下特性:

(1)不與基體材料發生不良的化學反應，避免發生溶解、潰散等現象;

(2)具有與基體材料相匹配的線膨脹系數并且相互之間具有一定的潤濕性，不會因為工作條件的苛刻而產生較大的應力或涂層開裂的現象;

(3)具有涂層所需要的高強度、高硬度、耐磨損、耐腐蝕以及耐高溫等優良的物理力學性能。

熔覆的目的是為了獲得具有更高硬度的耐用涂層，所選熔覆材料必須具有比硬質合金材料更高的硬度，表2 中所列的是一些常用的且能滿足這一條件的熔覆材料及其性能。

表2 選用熔覆材料的性能

如表2所示，與實驗材料線性膨脹系數相近的熔覆材料為金剛石和CBN，二者的晶體結構相似、化學鍵類型相同、晶格常數相近，CBN 硬度和強度略低于金剛石。金剛石的線性膨脹系數低于CBN，即金剛石抵抗受熱變形的能力較CBN 強。機加工過程中，覆有涂層的切削刃處溫度最高，為了降低涂層和基體因受熱變形而產生的應力，涂層材料應具有較基體偏小的線性膨脹系數，因此所選用的熔覆材料為金剛石。金剛石晶體中，碳原子的4 個價電子按四面體結構成鍵，每個碳原子與4 個相鄰原子形成共價鍵，進而組成金剛石結構，該結構的結合力和方向性很強，從而使金剛石具有很高的硬度。用金剛石微粉為熔覆材料進行激光熔覆的金剛石涂層是將取向不一的金剛石晶粒結合在一起，具有各向同性，不易沿單一界面裂開，而且硬度較單晶金剛石不會有很大差異。實驗過程中可添加少量CaF2和稀土元素，研磨混合均勻作為熔覆材料。其中CaF2用于造渣，而稀土元素則有防止氧化的作用，而且能夠細化熔覆層的顯微組織，提高顯微組織均勻致密性，使組織和性能得到進一步的改善。

2.2 激光熔覆粉末添加方式制定

激光熔覆粉末的添加工藝大體分為兩種:合金前置法與合金同步法。合金前置法是將待熔覆的合金粉末預先涂敷在材料表面，利用激光照射，使整個合金覆蓋層和一薄層基體熔化，待激光束離開后，熔化部分迅速凝固而使得熔覆層和基體間呈冶金結合。該方法工藝過程經濟、方便，但涂覆層厚度不易控制，很難保證稀釋率，這對涂層與基體的結合強度有很大影響。考慮到切削加工的機制以及涂層與基體性能的差異，在受到巨大沖擊和過熱條件下，過厚的刀片涂層很容易出現裂紋甚至提早剝落，極大地降低了涂層刀片的切削性能和使用壽命。所以實驗制備的熔覆涂層不宜過厚，厚度控制在十幾個微米，所以合金前置法不適合文中實驗采用。合金同步法是指在激光照射基材的同時，通過專門的送料系統將熔覆材料送入激光作用區，使熔覆材料和基材同時熔化，繼而冷卻結晶形成合金熔覆層。該方法工藝過程簡單，易控制且易實現自動化。采用該方法不僅能解決涂層厚度的控制問題，還能提高金剛石粉末的利用率。

2.3 激光熔覆質量控制

評價激光熔覆層質量的好壞，主要考慮兩方面:(1)宏觀上，考察熔覆層表面是否平整光滑、有無裂紋和氣孔等缺陷;(2)微觀上，考察是否形成良好的冶金結合，能否提供所需的性能，如耐磨、耐蝕等。想要獲得理想的熔覆層，必須著重從以下幾個方面入手:

(1)基體材料的預處理。預處理就是激光熔覆前對基體進行去油、除銹及預熱等過程?；w上的油污和鐵銹會嚴重影響涂層和基體的結合強度，實驗前可用砂紙、洗滌劑、酒精對刀片進行研磨、清洗，完成之后不宜長時間在空氣中放置，以防再次污染。基體采用預熱處理，是避免裂紋的有效措施。激光熔覆的過程中，熔覆層吸收的大部分熱量是由基體傳走的。如果基體熱容量越大，冷卻速度就越快，熔覆層的開裂傾向也增大。因此，適當減少基材與熔覆層之間的溫差來增加熔層液相滯留時間能有利于熔層內的氣泡和造渣物質的排除，減小熔覆應力和提高熔覆質量。

(2)合理制定激光工藝參數。影響熔覆層質量的主要參數包括脈沖電流、掃面速度及離焦量等。工藝參數選擇不合理是熔覆層產生裂紋的重要原因。電流過大或掃描速度過小，熔覆材料稀釋過多，涂層硬度降低，嚴重時會產生表面灼傷，電流過小或掃描速度過大，熔覆不完全，影響結合強度;離焦量的選擇不僅影響單道熔覆的寬度，還會影響聚焦到熔覆層的激光強度。合理選擇工藝參數是獲得理想熔覆層的關鍵。

(3)增設后熱處理過程。可對激光熔覆后的刀片進行后續熱處理，此方法可以消除和減少熔覆層的殘余應力，消除或減少熔覆產生的有害的熱影響，能夠避免熔覆層在使用過程中受外界因素的誘導而產生裂紋，防止空冷淬火的基體發生馬氏體相變等。

3 結論

(1)激光熔覆技術已經在制備耐磨涂層領域顯示出了巨大的優勢，隨著對激光控制理論和工藝方法研究的進一步深入，激光熔覆技術在制備刀片涂層方面將具有十分廣闊的應用前景。

(2)激光熔覆技術制備機夾刀片涂層選擇以金剛石微粉為主，另外添加少量CaF2和稀土元素，經研磨混合均勻作為熔覆材料。

(3)激光熔覆過程中熔覆材料的添加方式選擇合金同步法。

(4)激光熔覆時通過對基體進行去油、除銹及預熱等預處理、合理選擇工藝參數以及增設后熱處理等方式來控制熔覆層的質量。

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