刀具材料表面处理的研究现状

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刀具材料表面处理的研究现状

郑立允1,2,熊惟皓1,肖建华1,晏鲜梅1

(1.华中科技大学模具技术国家重点实验室,湖北武汉　430074;2.河北工程学院机械系,河北邯郸　056038)





摘  要:介绍了渗氮、气相沉积、等离子改性以及复合表面处理技术等在切削刀具中的应用现状和发展趋势。

关键词:刀具;表面处理;等离子渗氮;气相沉积



　  随着高强度钢、高温合金、喷涂材料等难加工金属材料以及非金属材料与复合材料的应用日趋增多,对刀具材料及其表面处理技术提出了更高的要求。于是,人们利用表面处理技术开发出了带涂层刀具和硬表面刀具。常用的表面技术主要有气相沉积、离子注入、渗氮、激光改性和电子束改性等,尤其是几种表面处理技术相结合的复合表面处理技术在刀具材料表面处理中发挥着重要的作用。鉴于此,本文对常用刀具材料表面处理技术的研究现状及其发展趋势进行了回顾、探讨及展望。

1　高速钢刀具表面处理

1.1　高速钢刀具

高速钢是一种加入了较多W、Mo、Cr、V等合金元素的高合金工具钢,其含碳量为0.7%～1.05%(质量分数),具有良好的韧性和成形性,可用于制造几乎所有品种的刀具,如丝锥、麻花钻、齿轮刀具、拉刀、小直径铣刀等。但高速钢只能承受600℃以下的切削温度,切削速度只能达(20～25)m/min,故切削效率不够高,它对淬硬钢和冷硬铸铁的加工也不能胜任,且高速钢还存在耐磨性、耐热性较差等缺陷,已难以满足现代切削加工对刀具材料越来越高的要求。而表面处理高速钢刀具的要求是刃口锋利、表面硬度高、富有韧性、表面处理后变形要小,不再磨刃。另外,还要具有红硬性和耐蚀性能,降低零件加工后的表面粗糙度。

1.2　高速钢刀具等离子体表面处理

早在20世纪60年代末离子镀已开始用于高速钢刀具,它兼具了电镀、蒸发镀和溅射镀的优点,其膜层致密均匀、附着强度高、覆盖能力强、无脆性,处理温度低,特别是可镀难熔金属及其化合物,能成功地沉积多种超硬涂层。当前用的高速钢切削刀具经离子镀氮化钛后,寿命可延长几倍至几十倍,而且加工光洁度较高。

70年代,等离子体渗氮开始应用于高速钢刀具。由于高速钢含碳量高,渗氮时容易形成ε相,所得渗层硬度虽高,但较脆,刀口易崩裂。因此,最好能得到γ’相层或纯扩散层,渗氮层厚度最好控制在(0.02～0.05)mm。当渗氮时间在(10～30)min,温度在(480～500)℃,合理控制炉内气氛和压力的情况下,获得渗层深度在0.03mm左右,硬度在(1130～1200)HV0.1左右的无化合物层,此时高速钢刀具使用效果较好。有的高速钢刀具采用离子硫氮共渗,除了具有渗氮刀具的优点外,更有利于减少与被切削金属的粘结,对切削较高硬度的零件更为有利。例如,枪管深孔钻,不进行离子渗氮或硫氮共渗的高速钢刀具无法钻孔,经硫氮共渗后可加工枪管100多件。表尺板专用铣刀经离子渗氮后,使用寿命比常规处理的提高3倍。

离子注入N、C、B、Ti及Ti+C等可改善材料的摩擦学性能,提高刀具的使用寿命,改进加工质量,有明显的经济效益,目前应用最广泛的是离子注入氮技术,高速钢三角花键插刀经离子注入氮后,加工40Cr钢工件上的键槽,耐用度提高4～9倍,高速钢滚齿刀注氮后,加工45钢齿轮,耐用度提高近2倍。

1.3　高速钢刀具复合表面处理

随着生产率的不断提高,单一表面处理技术越来越难以满足切削刀具的要求,复合表面处理技术开始应用于刀具表面处理。超硬高速钢M42制造的齿轮插齿刀[1],经多弧离子镀TiN,再离子注入N,最后离子注入C,在表面形成一层类金刚石膜,经如此处理的插齿刀,加工由35Cr2Ni4Mo钢制造的硬度为52HRC的齿轮,其耐用度较单纯多弧离子镀TiN的提高6倍以上,已在生产中应用。