李淑玉，李成彪

(1.青島理工大學(xué)汽車與交通學(xué)院，山東青島266033;2.青島理工大學(xué)工程訓(xùn)練中心，山東青島266033)

隨著大量難加工材料的出現(xiàn)以及高速切削機(jī)床的廣泛使用，以往常規(guī)使用的刀具如硬質(zhì)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(xiàn)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(jià)格昂貴、壽命低，而且加工難度大、加工質(zhì)量一般;而涂層刀具結(jié)合了基體的強(qiáng)韌性與涂層的高硬度，滿足現(xiàn)代切削加工的要求，具有以往任何刀具難以比擬的優(yōu)勢。以機(jī)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(yōu)異的高溫力學(xué)性能、高溫化學(xué)穩(wěn)定性、熱穩(wěn)定性及高溫?zé)峥拐裥阅?，是目前刀具材料研究與開發(fā)的熱點(diǎn)。涂層刀片綜合了基體的強(qiáng)韌性和涂層的高硬度，正是適應(yīng)現(xiàn)代機(jī)加工要求的刀具材料。然而，目前市場上的涂層刀片價(jià)格昂貴，且涂層在使用過程中容易出現(xiàn)裂紋甚至提早剝落，原因在于涂層與刀片的結(jié)合力太小，嚴(yán)重影響了刀片的使用壽命與機(jī)械加工的精度。于是，開發(fā)一種新的加工工藝——激光熔覆技術(shù)制備刀片涂層工藝，增強(qiáng)涂層和基體間的結(jié)合力是非常有必要的。圖1所示為幾種市場上常見的機(jī)夾刀片，由于機(jī)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(jìn)行激光熔覆，已達(dá)到節(jié)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(jī)夾刀片

1 激光熔覆強(qiáng)化機(jī)制

1.1 激光熔覆的原理及優(yōu)點(diǎn)

激光熔覆技術(shù)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(kuò)展并迅速凝固，形成一層具有特殊物理、化學(xué)或力學(xué)性能的復(fù)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(fù)合材料具備了熔覆材料和基體二者的優(yōu)勢，彌補(bǔ)了相互間的不足。采用該技術(shù)可使涂層與基體的結(jié)合方式由常規(guī)涂層制備方法的機(jī)械結(jié)合變?yōu)橐苯鸾Y(jié)合，從而更能勝任摩擦、磨損條件較為苛刻的場合。與現(xiàn)有的刀片涂層技術(shù)，如CVD、PCVD、PVD 以及等離子噴涂等技術(shù)相比，激光熔覆技術(shù)具有以下優(yōu)點(diǎn):

(1)激光能量密度高，加熱速度快，效率高，熔覆層熱影響區(qū)小，工件變形小;

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

(3)光斑照射區(qū)域可通過導(dǎo)光系統(tǒng)，對工件局部進(jìn)行選區(qū)熔覆，既節(jié)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(xù)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(shù)、熱導(dǎo)率、相互之間的潤濕性以及形成化合物的可能性等;

(2)根據(jù)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(yù)處理工藝、熔覆工藝參數(shù)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(shù)選擇不當(dāng)?shù)挠绊憽?/p>

2 機(jī)夾刀片工作面激光熔覆工藝制定

機(jī)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(zhì)量控制3 個(gè)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(shí)驗(yàn)材料，刀片的尺寸結(jié)構(gòu)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(fā)生切削，所以只需在切削刃附近進(jìn)行激光熔覆。刀片材料為YG8 硬質(zhì)合金，其化學(xué)成分和性能如表1所示。

圖2 盤式立銑刀片

表1 實(shí)驗(yàn)用YG8 硬質(zhì)合金刀片的化學(xué)成分及性能

用于金屬基復(fù)合材料熔覆的元素或化合物應(yīng)具有以下特性:

(1)不與基體材料發(fā)生不良的化學(xué)反應(yīng)，避免發(fā)生溶解、潰散等現(xiàn)象;

(2)具有與基體材料相匹配的線膨脹系數(shù)并且相互之間具有一定的潤濕性，不會(huì)因?yàn)楣ぷ鳁l件的苛刻而產(chǎn)生較大的應(yīng)力或涂層開裂的現(xiàn)象;

(3)具有涂層所需要的高強(qiáng)度、高硬度、耐磨損、耐腐蝕以及耐高溫等優(yōu)良的物理力學(xué)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(zhì)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(shí)驗(yàn)材料線性膨脹系數(shù)相近的熔覆材料為金剛石和CBN，二者的晶體結(jié)構(gòu)相似、化學(xué)鍵類型相同、晶格常數(shù)相近，CBN 硬度和強(qiáng)度略低于金剛石。金剛石的線性膨脹系數(shù)低于CBN，即金剛石抵抗受熱變形的能力較CBN 強(qiáng)。機(jī)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(chǎn)生的應(yīng)力，涂層材料應(yīng)具有較基體偏小的線性膨脹系數(shù)，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(gè)價(jià)電子按四面體結(jié)構(gòu)成鍵，每個(gè)碳原子與4 個(gè)相鄰原子形成共價(jià)鍵，進(jìn)而組成金剛石結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)的結(jié)合力和方向性很強(qiáng)，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(jìn)行激光熔覆的金剛石涂層是將取向不一的金剛石晶粒結(jié)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(huì)有很大差異。實(shí)驗(yàn)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(xì)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(jìn)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(yù)先涂敷在材料表面，利用激光照射，使整個(gè)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(jié)合。該方法工藝過程經(jīng)濟(jì)、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(jié)合強(qiáng)度有很大影響。考慮到切削加工的機(jī)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(xiàn)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(shí)驗(yàn)制備的熔覆涂層不宜過厚，厚度控制在十幾個(gè)微米，所以合金前置法不適合文中實(shí)驗(yàn)采用。合金同步法是指在激光照射基材的同時(shí)，通過專門的送料系統(tǒng)將熔覆材料送入激光作用區(qū)，使熔覆材料和基材同時(shí)熔化，繼而冷卻結(jié)晶形成合金熔覆層。該方法工藝過程簡單，易控制且易實(shí)現(xiàn)自動(dòng)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(zhì)量控制

評價(jià)激光熔覆層質(zhì)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(jié)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(gè)方面入手:

(1)基體材料的預(yù)處理。預(yù)處理就是激光熔覆前對基體進(jìn)行去油、除銹及預(yù)熱等過程?；w上的油污和鐵銹會(huì)嚴(yán)重影響涂層和基體的結(jié)合強(qiáng)度，實(shí)驗(yàn)前可用砂紙、洗滌劑、酒精對刀片進(jìn)行研磨、清洗，完成之后不宜長時(shí)間在空氣中放置，以防再次污染?；w采用預(yù)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(dāng)減少基材與熔覆層之間的溫差來增加熔層液相滯留時(shí)間能有利于熔層內(nèi)的氣泡和造渣物質(zhì)的排除，減小熔覆應(yīng)力和提高熔覆質(zhì)量。

(2)合理制定激光工藝參數(shù)。影響熔覆層質(zhì)量的主要參數(shù)包括脈沖電流、掃面速度及離焦量等。工藝參數(shù)選擇不合理是熔覆層產(chǎn)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(yán)重時(shí)會(huì)產(chǎn)生表面灼傷，電流過小或掃描速度過大，熔覆不完全，影響結(jié)合強(qiáng)度;離焦量的選擇不僅影響單道熔覆的寬度，還會(huì)影響聚焦到熔覆層的激光強(qiáng)度。合理選擇工藝參數(shù)是獲得理想熔覆層的關(guān)鍵。

(3)增設(shè)后熱處理過程?？蓪す馊鄹埠蟮牡镀M(jìn)行后續(xù)熱處理，此方法可以消除和減少熔覆層的殘余應(yīng)力，消除或減少熔覆產(chǎn)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(dǎo)而產(chǎn)生裂紋，防止空冷淬火的基體發(fā)生馬氏體相變等。

3 結(jié)論

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

(2)激光熔覆技術(shù)制備機(jī)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(jīng)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(shí)通過對基體進(jìn)行去油、除銹及預(yù)熱等預(yù)處理、合理選擇工藝參數(shù)以及增設(shè)后熱處理等方式來控制熔覆層的質(zhì)量。

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