机夹刀片工作面激光熔覆工艺制定

2014-03-18李淑玉李成彪

机床与液压 2014年5期

李淑玉，李成彪

(1.青岛理工大学汽车与交通学院，山东青岛266033;2.青岛理工大学工程训练中心，山东青岛266033)

随着大量难加工材料的出现以及高速切削机床的广泛使用，以往常规使用的刀具如硬质合金刀具、高速钢刀具等已渐渐难以满足加工要求，于是出现了一系列超硬材料刀具、涂层刀具。超硬刀具材料，如金刚石、立方氮化硼(CBN)等虽然具有超高硬度，但其韧性、可塑性差，不仅价格昂贵、寿命低，而且加工难度大、加工质量一般;而涂层刀具结合了基体的强韧性与涂层的高硬度，满足现代切削加工的要求，具有以往任何刀具难以比拟的优势。以机夹刀片为基体，在刀片上制备新的合金涂层，使刀片具有更加优异的高温力学性能、高温化学稳定性、热稳定性及高温热抗振性能，是目前刀具材料研究与开发的热点。涂层刀片综合了基体的强韧性和涂层的高硬度，正是适应现代机加工要求的刀具材料。然而，目前市场上的涂层刀片价格昂贵，且涂层在使用过程中容易出现裂纹甚至提早剥落，原因在于涂层与刀片的结合力太小，严重影响了刀片的使用寿命与机械加工的精度。于是，开发一种新的加工工艺——激光熔覆技术制备刀片涂层工艺，增强涂层和基体间的结合力是非常有必要的。图1所示为几种市场上常见的机夹刀片，由于机加工过程中仅仅是刀片的切削刃与工件材料相互接触，所以只需在刀片的切削刃处进行激光熔覆，已达到节省贵重材料、提高熔覆效率和降低加工成本的目的。

图1 常见的机夹刀片

1 激光熔覆强化机制

1.1 激光熔覆的原理及优点

激光熔覆技术是材料表面改性的一种重要方法，它是利用高能激光束将具有不同成分、性能的材料与基材表面快速熔化、扩展并迅速凝固，形成一层具有特殊物理、化学或力学性能的复合材料，从而获得基体所不具备的性能，如高硬度、耐磨性、耐腐蚀性以及高温下的抗氧化性等，这种复合材料具备了熔覆材料和基体二者的优势，弥补了相互间的不足。采用该技术可使涂层与基体的结合方式由常规涂层制备方法的机械结合变为冶金结合，从而更能胜任摩擦、磨损条件较为苛刻的场合。与现有的刀片涂层技术，如CVD、PCVD、PVD 以及等离子喷涂等技术相比，激光熔覆技术具有以下优点:

(1)激光能量密度高，加热速度快，效率高，熔覆层热影响区小，工件变形小;

(2)激光能量密度可调，确保基材极低稀释率的同时，能够保证熔覆层和基体间呈良好的冶金结合;

(3)光斑照射区域可通过导光系统，对工件局部进行选区熔覆，既节省了贵重材料，又获得了高的加工效率;

(4)通过对激光能量的控制，可制备出微米级涂层，无需后续修理工艺。

1.2 激光熔覆工艺制定原则

(1)着重考虑熔覆材料与基体材料的特性，如热膨胀系数、热导率、相互之间的润湿性以及形成化合物的可能性等;

(2)根据所需涂层性能选择熔覆材料，如涂层硬度、耐磨性、耐腐蚀性以及高温下的抗氧化性能等;

(3)合理选择预处理工艺、熔覆工艺参数以及后处理工艺，保证熔覆过程不受外界污染物以及自身参数选择不当的影响。

2 机夹刀片工作面激光熔覆工艺制定

机夹刀片激光熔覆工艺包括熔覆材料的选择、熔覆材料添加方式的制定及熔覆层质量控制3 个主要方面。

2.1 熔覆材料的选择

以图1(a)所示盘式铣刀片为实验材料，刀片的尺寸结构图如图2所示，其中面A 和面B、C 相交处为切削刃，切削过程中仅切削刃处与工件材料发生切削，所以只需在切削刃附近进行激光熔覆。刀片材料为YG8 硬质合金，其化学成分和性能如表1所示。

图2 盘式立铣刀片

表1 实验用YG8 硬质合金刀片的化学成分及性能

用于金属基复合材料熔覆的元素或化合物应具有以下特性:

(1)不与基体材料发生不良的化学反应，避免发生溶解、溃散等现象;

(2)具有与基体材料相匹配的线膨胀系数并且相互之间具有一定的润湿性，不会因为工作条件的苛刻而产生较大的应力或涂层开裂的现象;

(3)具有涂层所需要的高强度、高硬度、耐磨损、耐腐蚀以及耐高温等优良的物理力学性能。

熔覆的目的是为了获得具有更高硬度的耐用涂层，所选熔覆材料必须具有比硬质合金材料更高的硬度，表2 中所列的是一些常用的且能满足这一条件的熔覆材料及其性能。

表2 选用熔覆材料的性能

如表2所示，与实验材料线性膨胀系数相近的熔覆材料为金刚石和CBN，二者的晶体结构相似、化学键类型相同、晶格常数相近，CBN 硬度和强度略低于金刚石。金刚石的线性膨胀系数低于CBN，即金刚石抵抗受热变形的能力较CBN 强。机加工过程中，覆有涂层的切削刃处温度最高，为了降低涂层和基体因受热变形而产生的应力，涂层材料应具有较基体偏小的线性膨胀系数，因此所选用的熔覆材料为金刚石。金刚石晶体中，碳原子的4 个价电子按四面体结构成键，每个碳原子与4 个相邻原子形成共价键，进而组成金刚石结构，该结构的结合力和方向性很强，从而使金刚石具有很高的硬度。用金刚石微粉为熔覆材料进行激光熔覆的金刚石涂层是将取向不一的金刚石晶粒结合在一起，具有各向同性，不易沿单一界面裂开，而且硬度较单晶金刚石不会有很大差异。实验过程中可添加少量CaF2和稀土元素，研磨混合均匀作为熔覆材料。其中CaF2用于造渣，而稀土元素则有防止氧化的作用，而且能够细化熔覆层的显微组织，提高显微组织均匀致密性，使组织和性能得到进一步的改善。

2.2 激光熔覆粉末添加方式制定

激光熔覆粉末的添加工艺大体分为两种:合金前置法与合金同步法。合金前置法是将待熔覆的合金粉末预先涂敷在材料表面，利用激光照射，使整个合金覆盖层和一薄层基体熔化，待激光束离开后，熔化部分迅速凝固而使得熔覆层和基体间呈冶金结合。该方法工艺过程经济、方便，但涂覆层厚度不易控制，很难保证稀释率，这对涂层与基体的结合强度有很大影响。考虑到切削加工的机制以及涂层与基体性能的差异，在受到巨大冲击和过热条件下，过厚的刀片涂层很容易出现裂纹甚至提早剥落，极大地降低了涂层刀片的切削性能和使用寿命。所以实验制备的熔覆涂层不宜过厚，厚度控制在十几个微米，所以合金前置法不适合文中实验采用。合金同步法是指在激光照射基材的同时，通过专门的送料系统将熔覆材料送入激光作用区，使熔覆材料和基材同时熔化，继而冷却结晶形成合金熔覆层。该方法工艺过程简单，易控制且易实现自动化。采用该方法不仅能解决涂层厚度的控制问题，还能提高金刚石粉末的利用率。

2.3 激光熔覆质量控制

评价激光熔覆层质量的好坏，主要考虑两方面:(1)宏观上，考察熔覆层表面是否平整光滑、有无裂纹和气孔等缺陷;(2)微观上，考察是否形成良好的冶金结合，能否提供所需的性能，如耐磨、耐蚀等。想要获得理想的熔覆层，必须着重从以下几个方面入手:

(1)基体材料的预处理。预处理就是激光熔覆前对基体进行去油、除锈及预热等过程。基体上的油污和铁锈会严重影响涂层和基体的结合强度，实验前可用砂纸、洗涤剂、酒精对刀片进行研磨、清洗，完成之后不宜长时间在空气中放置，以防再次污染。基体采用预热处理，是避免裂纹的有效措施。激光熔覆的过程中，熔覆层吸收的大部分热量是由基体传走的。如果基体热容量越大，冷却速度就越快，熔覆层的开裂倾向也增大。因此，适当减少基材与熔覆层之间的温差来增加熔层液相滞留时间能有利于熔层内的气泡和造渣物质的排除，减小熔覆应力和提高熔覆质量。

(2)合理制定激光工艺参数。影响熔覆层质量的主要参数包括脉冲电流、扫面速度及离焦量等。工艺参数选择不合理是熔覆层产生裂纹的重要原因。电流过大或扫描速度过小，熔覆材料稀释过多，涂层硬度降低，严重时会产生表面灼伤，电流过小或扫描速度过大，熔覆不完全，影响结合强度;离焦量的选择不仅影响单道熔覆的宽度，还会影响聚焦到熔覆层的激光强度。合理选择工艺参数是获得理想熔覆层的关键。

(3)增设后热处理过程。可对激光熔覆后的刀片进行后续热处理，此方法可以消除和减少熔覆层的残余应力，消除或减少熔覆产生的有害的热影响，能够避免熔覆层在使用过程中受外界因素的诱导而产生裂纹，防止空冷淬火的基体发生马氏体相变等。