表面强化技术在金属切削刀具制造过程中的应用研究

□ 杨亚辉

陕西国防工业职业技术学院 西安 710300

对金属切削刀具进行表面强化处理是机械加工行业的一大变革，它是在刀具韧性较高的基体上增覆具有高硬度、高耐磨性、耐高温的薄层材料，使刀具具有全面、良好的综合使用性能。未经表面强化处理的高速钢刀具的硬度仅为 62～68 HRC（760～960 HV），硬质合金刀具的硬度仅为 89～93.5 HRA （1 300～1 850 HV）；而经表面强化处理后的刀具表面硬度可达2 000～3 000 HV以上。

在工业生产中，使用表面强化处理的刀具可以提高加工效率和加工精度、延长寿命、降低成本。近30多年来，刀具表面强化处理技术迅速发展，使该类刀具得到了广泛应用。工业发达国家使用表面强化处理的刀具占可转位刀片的比例已由1978年的26%上升到90%以上，新型的数控机床所用的刀具中85%左右是经表面强化处理的刀具，表面强化处理高速钢刀具和硬质合金刀具已占全部刀具使用总量的50%以上。在中国，刀具的表面强化处理技术的发展和应用具有很大的潜在提升空间［1-2］。

1 金属切削刀具的表面热处理强化

金属切削刀具的表面热处理工艺是通过对刀具的表面进行加热、冷却而改变表层力学性能，对刀具进行表面淬火是刀具表面热处理的主要内容，其目的是获得高硬度的表面层和有利的内应力分布，以提高刀具的耐磨性能和抗疲劳性能。

采用不同的热源对刀具进行急速加热，当刀具表层温度达到临界点以上 （此时刀具心部温度仍处于临界点以下）时急速冷却，这样刀具表层得到了淬硬组织而心部仍保持原来的高韧组织。为了达到只加热刀具表层的目的，要求所用热源具有较高的能量密度。根据加热方法不同，表面淬火可分为感应加热表面淬火、火焰加热表面淬火、电接触加热表面淬火、电解液加热表面淬火、激光加热表面淬火、电子束表面淬火等，工业上对刀具进行表面淬火应用较多的为激光加热表面淬火。

激光加热表面淬火是激光热处理中研究最早、最多、进展最快、应用最广的一种新工艺，是高能表面强化技术中的一种主要手段，适用于大多数材料和不同形状零件的不同部位，可提高零件的耐磨性和抗疲劳强度，国外一些工业部门将该技术作为保证产品质量的手段。近年来，该技术开始应用于刀具改性，如对齿轮刀具进行激光表面强化及应用研究，提高了高速钢齿轮刀具的耐磨性和使用寿命，具有重要的理论意义和极大的实用价值。

齿轮刀具形状复杂、磨削困难、量大面广，不适合采用硬质合金制造。普通高速钢的硬度一般为62～65 HRC，热硬性在600°C以下，其磨损主要原因是低速切削时的磨损和高温切削时的相变磨损。高速重载齿轮的中硬齿面（或硬齿面）要求齿轮刀具具备更好的热硬性、耐磨性和冲击韧性。因此，研发符合这些性能要求的高速钢齿轮刀具材料及强化工艺，以减少齿轮加工时换刀的次数与时间，提高工效，势在必行。

南华大学的李必文教授和研究生张金学［3］对M2高速钢 齿轮刀具激光表面强化进行试验研究，指出W6Mo5Cr4V2钢中的合金元素与碳所形成的碳化物硬度很高，它们在回火时弥散析出，产生二次硬化效应。顶层熔化区细树枝晶部位细晶强化作用明显，枝晶间有较多的碳化物和氧化物呈弥散分布，达到了细小圆润、弥散分布，出现显微硬度最高峰值，理想的齿轮刀具刀刃应该位于这个区域，同时指出齿轮刀具合理的熔凝淬火表面应该是后刀面和侧后刀面，并通过试验修正了插齿刀在激光熔凝淬火时的偏置量。

吉林工业大学的李玉龙等人［4］对高速钢齿轮滚刀激光表面强化进行研究。结果表明，经激光表面强化后的齿轮滚刀抗磨损性能提高一倍，其耐用度可大大提高，刀具强化后具备高效率、高质量、高切削条件，能大大地延长使用寿命，有很大的使用潜力，可以取得巨大的经济效益。

2 金属切削刀具的化学热处理强化

化学热处理是利用化学反应、有时兼用物理方法来改变刀具表层化学成分及组织结构，以便得到比均质材料更好的金属热处理工艺。由于机械零件的失效和破坏大多数都萌发在表面层，特别在可能引起磨损、疲劳、金属腐蚀、氧化等条件下工作的零件，表面层的性能尤为重要。经化学热处理后的刀具，实质上可以认为是一种特殊复合材料，心部为原始成分的钢，表层则是渗入了合金元素的材料。心部与表层之间是紧密的晶体型结合，它比电镀等表面复护技术所获得的心、表部的结合要强得多。化学热处理的方法繁多，多以渗入元素或形成的化合物来命名，例如渗碳、渗氮、渗硼、渗硫、渗铝、渗铬、渗硅、碳氮共渗、氧氮化、硫氰共渗和碳氮硫氧硼五元共渗，及碳（氮）化钛覆盖等，而应用于刀具表面强化的主要有：渗碳、渗氮、渗硼、渗硫、多元共渗等。

2.1 刀具表面渗碳强化工艺

高速钢广泛应用于制造金属切削刀具，按照定比碳规律，用冶炼方法提高高速钢的含碳量，淬火回火后能提高使用硬度和耐磨性，但碳化物偏析严重，使强度和韧性以及加工性能恶化，故其应用受到限制。如若对高速钢进行常规渗碳处理，渗层碳浓度过高，只能采用低温淬火工艺进行处理，然而所得红硬性很低，不能用于刀具。

对高速钢在高温奥氏体状态下进行控制气氛渗磷和真空渗碳能有效控制渗层碳化物的分布，但设备昂贵或控制较复杂，而刀具的变形也是突出的问题。为了达到节省材料费用和制造费用的目的，国内外都十分重视发展先进的处理工艺，其中山西长治国营淮海机械厂的夏期成高工［5］所带团队应用新的机理和方法，研究成功了高速钢低温低浓度渗碳新工艺，在保持较高强度和韧性的条件下，硬度达到65.5～68 HRC，红硬性增高1.5～3 HRC。刀具的使用寿命一般可提高l～3倍。而对于适合进行最后成品强化处理的刀具采用低温渗碳复合热处理，还可以进一步提高其使用寿命。高速钢刀具应用低温渗碳新工艺，不但性能好、成本低、经济效益显著，而且设备简单，工艺易行，便于一般工厂推广应用。

2.2 刀具表面渗氮强化工艺

渗氮是在一定温度下和一定介质中使氮原子渗入工件表层的化学热处理工艺。渗入钢中的氮，一方面由表及里与铁形成不同含氮量的氮化铁，另一方面与钢中的合金元素结合形成各种合金氮化物，特别是氮化铝、氮化铬。这些氮化物具有很高的硬度、热稳定性和很高的弥散度，因而可使渗氮后的钢件得到高的表面硬度、耐磨性、疲劳强度、抗咬合性、抗大气和过热蒸汽腐蚀能力、抗回火软化能力，并降低缺口敏感性。从20世纪70年代开始，渗氮从理论到工艺都得到迅速发展并日趋完善，适用的材料和工件也日益扩大，成为重要的化学热处理工艺之一。

上海交通大学胡明娟等人［6］采用可控渗氮工艺成功地抑制了高速钢W6Mo5Cr4V2渗氮层的脆性，试验表明，W6Mo5Cr4V2高速钢车刀经过可控渗氮处理，切削能力大幅度提高，加工中硬度、高韧度材料时，寿命提高几十倍，并能顺利切削硬度高达37～39 HRC的18Cr2Ni4WA钢。同时指出这一研究成果对扩大普通高速钢刀具的应用范围，解决一些难切削材料的加工问题有重要价值。

2.3 刀具表面渗硼强化工艺

渗硼是在含硼介质中加热将硼渗入钢铁或分别以镍、钴、钛为基的合金件中的化学热处理工艺，渗硼层有优异的耐磨性、较好的耐蚀性和抗高温氧化性。北京科技大学材料科学与工程学院的唐伟忠等人［7］使用固体渗硼的方法，将渗硼预处理与金刚石涂层工艺有机地结合起来，有效地扩展了金刚石涂层的工艺范围，从而保证涂层的质量和涂层的附着力。渗硼层不仅改变了硬质合金表层Co的催化特性，还可以抑制Co的外扩散。渗硼预处理后，金刚石涂层刀具的使用寿命可以提高至未涂层刀具的20倍以上。

2.4 刀具表面渗硫强化工艺

渗硫是在含硫介质中加热，使工件表面形成以FeS为主的转化膜的化学热处理工艺。渗硫只能用来提高已淬硬表面，或表面已经由渗碳、渗氮而硬化的成品工件的减摩和抗咬死性能。形成FeS型转化膜后，摩擦因数降低至处理前的1/4～2/5，抗咬死载荷可提高2～5倍。该技术同样也可以应用于刀具处理，北京重型机器厂的魏有才［8］对指状铣刀进行了渗硫处理研究，结果表明，刀具使用寿命提高了6.4倍，由于避免了加工中换刀，大大提高了加工质量，而且还可以提高生产效率50%。

2.5 刀具表面多元共渗强化工艺

多元共渗是将两种以上元素渗入工件表面的化学热处理工艺。西南科技大学的刘兴龙等人［9］研究了等离子体硼氮共渗预处理对硬质合金刀具表面金刚石涂层结合强度的影响，结果表明，通过这种处理的硬质合金刀具表面可制备出光滑、结合力强的纳米金刚石涂层，等离子体硼氮共渗预处理是改善金刚石涂层硬质合金刀具性能的有效手段。南京航空学院的秦展琰等人［10］对粉末冶金高速钢刀具共渗层的磨损及切削特性进行了试验研究，结果表明，粉末冶金高速钢刀具经强化多元共渗后，具有高的显微硬度、耐磨性能，切削力及低的摩擦因数，刀具寿命提高显著。株州汽车齿轮厂的王智岩［11］研究了无污染熔盐硫氮碳共渗（渗硫液体软氮化）在高速钢齿轮刀具表面强化上的应用，结果表明，高速钢刀具经渗硫液体软氮化后，每次刃磨切削工件数，可提高50%～100%，即一把刀具顶两把刀具或两把刀具顶三把刀具来用，收到了明显的经济效益。

3 金属切削刀具的表面形变强化

主要是利用机械方法使金属表面层发生塑性变形，而形成高硬度、高强的硬化层，常用的方法有喷丸、滚压和冷挤压。表面形变强化方法简单，但对耐磨性能影响较小，而应用于刀具表面强化的主要方法为喷丸强化处理。

喷丸强化是在一个完全控制的状态下，将无数小钢丸高速且连续喷射、捶打到零件表面，从而在表面产生一个残余压应力层。表层下，压缩的晶粒试图将表面恢复到原来形状，从而产生一个高度压缩力作用下的半球，无数凹陷重叠形成均匀的残余压应力层，最终，零件在压应力层保护下，极大程度地改善了抗疲劳强度，延长了安全工作寿命。该技术同样也应用于刀具的制造过程，Badger Metal Tech公司［12］开发一种微粒喷丸硬化新技术，该技术系在一面监视刀尖的损伤状况，一面用均匀的微粒以一定的压力加速喷击在刀具表面上，致使刀具具有一定的压缩应力与润滑性能，从而提高了刀具寿命。该技术有效地提高了成形刀具、拉刀、滚刀、丝锥、板牙、立铣刀等的刀具寿命，微粒喷丸刀具克服了涂层刀具的涂层结合力小、受热影响以及重磨后降低刀具寿命等缺点。

4 金属切削刀具的表面合金化

一般是指利用工件表层金属的重新熔化和凝固，以得到预期成分或组织的一种表面技术。它是采用高能量密度的快速加热，将金属表层熔化，或将涂覆在金属表面的合金材料熔化，随后靠急冷却进行凝固而得到硬化层，而使表层具有高的耐磨性。哈尔滨工业大学的丁儒林等人［13］使用CO2激光器，对预敷有WC或TiC粉末的高速钢刀具表面进行激光表面合金化处理的实验（采用激光合金化技术，通过优选出的最佳激光辐照工艺参数，实现高速钢刀具激光表面合金化），通过测试和分析，高速钢刀具表面经激光合金化处理后，其硬度和耐磨性能有很大提高。

5 金属切削刀具的表面薄膜强化

是通过物理的或化学的方法在金属表面被覆与基体材料不同的膜层，形成耐磨膜、抗蚀膜等，应用于刀具表面强化的主要方法有：电镀、气相沉积、离子注入等，需要有专门的设备，技术性高，成本高，形成的薄膜很薄，不宜长期使用。

5.1 刀具表面电镀强化工艺

电镀就是利用电解原理在某些金属表面上镀上其它金属或合金薄层的过程，是利用电解作用使金属或其它材料制件的表面附着一层金属膜的工艺，从而起到防止金属氧化（如锈蚀）、提高耐磨性、导电性、反光性、抗腐蚀性（硫酸铜等）及增进美观等作用。牡丹江电瓷厂的宋喜彬等人［14］对电瓷成型刀具电镀碳化硼粉进行了试验研究，研制出了耐磨性是原来4倍以上的电镀成型刀具。

5.2 刀具表面气相沉积强化工艺

气相沉积技术是利用气相中发生的物理、化学过程，在工件表面形成功能性或装饰性的金属、非金属或化合物涂层。气相沉积技术按照成膜机理，可分为化学气相沉积、物理气相沉积和等离子体气相沉积。经纬纺织机械厂的张曾业等人［15］深入研究了涂层刀具的化学气相沉积技术，采用化学气相沉积的方法在硬质合金刀头表面沉积一层厚度极薄、附着性能极强、非常致密的超硬涂层，来提高切削参数指标和延长刀具寿命，结果表面，经过涂层的硬质合金刀头，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，个别情况可达十余倍，该技术已经获得美国专利，广泛地推广应用，并取得了良好的经济效益。上海工具厂有限公司祝新发等人［16］研究了物理气相沉积（Ti，Al）N 涂层刀具的切削性能，试验表明，（Ti，Al）N涂层切削过程中磨损小于TiN涂层，切削寿命高于TiN涂层，并指出（Ti，Al）N涂层适合高速切削。青岛科技大学任志华等人［17-18］采用试验的方法研究了等离子体化学气相沉积TiN涂层刀具的应用，结果表明，在高速钢滚刀、插齿刀上用PCVD法沉积TiN超硬膜，可显著改善刀具抗后刀面磨损性能，提高刀具耐用度。在刀具磨损严重、切削加工困难的情况下，涂层的效果尤为突出。在普通车床上使用硬质合金刀片上涂层TiN超硬膜之前，需要对刀片进行适当刃磨，以消除微缺陷，加强刀片抗冲击能力。TiN涂层可使硬质合金刀片月牙洼磨损显著降低并降低切削温度。

5.3 刀具表面离子注入强化工艺

离子注入技术是近30年来在国际上蓬勃发展和广泛应用的一种材料表面改性高新技术。离子注入技术是把某种元素的原子电离成离子，并使其在几十至几百千伏的电压下进行加速，在获得较高速度后射入放在真空靶室中的工件材料表面的一种离子束技术。材料经离子注入后，其表面的物理、化学及机械性能会发生显著的变化，金属表层所产生的持续耐磨损能力可以达到初始注入时的2～3倍。四川大学的余米香等人［19］研究了离子注入在硬质合金刀具中的应用，指出离子注入可以通过增加显微硬度、产生残余压应力和降低摩擦因数来提高刀具的耐用度，并详细分析了三种基本原理。武汉科技大学的邰军凯等人［20］采用试验的方法研究了氮离子注入的刀具不锈钢表面性能及微观结构，结果表明，2Cr13刀具表面硬度和耐磨性能随着氮离子注入剂量的增加而提升，当注入剂量为7.2×1017cm-2时，刀具表面硬度从320 HV提高到850 HV，摩擦因数从0.52降低到0.33，并且具有良好的耐蚀性。同时指出，2Cr13不锈钢刀具表面改性时氮离子注入的剂量在（5～7）×1017cm-2最为适宜。中国地质大学的彭志坚和清华大学的苗赫濯等人［21］对MEVVA源离子注入陶瓷刀具表面改性进行了试验研究，确定了注入剂量与陶瓷刀具性能之间的关系，改性后其刀具表面纳米硬度、杨氏模量和抗弯强度，分别增加了51%、41%和66%，最大残余应力为0.63 GPa，该刀具在最佳剂量改性下，表面粗糙度低于50 nm，刀具寿命提高2～12倍，其中，Al2O3陶瓷刀具注入金属铬改性效果最为明显。

6 展望及结语

随着我国工业的高速发展，被加工材料的性能不断地升级，对切削加工所用刀具提出了更高的要求，单一的表面强化技术很难再继续满足现代制造业对刀具性能的要求。近年来，金属切削刀具的表面强化处理开始走向复合，且复合表面处理刀具已开始由实验室研究阶段进入工业应用，可以预期，进一步研究表面强化工艺技术，优化表面强化工艺参数，扩大多种复合强化技术在不同刀具上的应用，必将取得更大的技术进步和经济效益。

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