一、引言

　　切削加工是基本而又常用的精密加工手段，在機(jī)械、電機(jī)棉磨、電子等各種產(chǎn)業(yè)部分中都起著重要的作用，決定切削加工效率的因素很多如機(jī)床学辱、刀具乘瓤、工件等，其中刀具是最活躍的因素策泣。而刀具耐用度的高低衙傀、刀具消耗和加工成本的多少、加工精度和表面質(zhì)量的優(yōu)劣等等萨咕，在很大程度上取決于刀具材料的機(jī)械性能和加工性能统抬，因此人們不斷地研究開(kāi)發(fā)新的刀具材料。但新材料的開(kāi)發(fā)速度常常與現(xiàn)代切削加工生產(chǎn)要求存在一定的差距危队，如在高速切削300～1000m/min切削鋼聪建、90～200m/min切削鈦合金等要達(dá)到這樣高的切削速度，就要發(fā)展具有更加優(yōu)異的高溫力學(xué)性能茫陆、高化學(xué)穩(wěn)定性和熱穩(wěn)定性及高溫?zé)峥拐裥缘牡毒卟牧喜鄣浚铀俚毒卟牧系难芯颗c開(kāi)發(fā)，合理選用刀具材料是推動(dòng)高速切削技術(shù)廣泛應(yīng)用的重要前提毛围。

　　激光加工是激光應(yīng)用的首要領(lǐng)域页梁，在此領(lǐng)域中激光對(duì)物體材料的強(qiáng)化處理占有很重要的位置，特別是對(duì)材料表面可進(jìn)行多種強(qiáng)化處理犯暮。

　　在刀具材料改性中主要應(yīng)用的是熔化處理锻刹，熔化處理是金屬材料表面在激光束照射下成為溶化狀態(tài)，同時(shí)迅速凝固泣储，產(chǎn)生新的表面層壕矿。根據(jù)材料表面組織變化情況，可分為合金化屋廓、溶覆李荚、重溶細(xì)化、上釉和表面復(fù)合化等属诀。激光熔凝是用適當(dāng)?shù)膮?shù)的激光輻照材料表面鸥层，使其表面快速熔融、快速冷凝秉扑，獲得較為細(xì)化均質(zhì)的組織和所需性質(zhì)的表面改性技術(shù)慧邮。它具有以下優(yōu)點(diǎn)：

　　1.表面熔化時(shí)一般不添加任何金屬元素，熔凝層與材料基體形成冶金結(jié)合舟陆。

　　2.在激光熔凝過(guò)程中误澳，可以排除雜質(zhì)和氣體，同時(shí)急冷重結(jié)晶獲得的雜志有較高的硬度、耐磨性和抗腐蝕性忆谓。

　　3.其熔層薄裆装、熱作用區(qū)小，對(duì)表面粗糙度和工件尺寸影響不大倡缠。有時(shí)可不再進(jìn)行后續(xù)磨光而直接使用哨免。

　　4.提高溶質(zhì)原子在基體中固溶度極限，晶粒及第二相質(zhì)點(diǎn)超細(xì)化昙沦，形成亞穩(wěn)相可獲得無(wú)擴(kuò)散的單一晶體結(jié)構(gòu)甚至非晶態(tài)琢唾，從而使生成的新型合金獲得傳統(tǒng)方法得不到的優(yōu)良性能。

　　5.光束可以通過(guò)光路導(dǎo)向桅滋，因而可以處理零件特殊位置和形狀復(fù)雜的表面慧耍。

　　二身辨、刀具材料激光表面改性國(guó)內(nèi)外研究概況

　　目前國(guó)內(nèi)外與此相關(guān)的文獻(xiàn)較多推妈，如利用XeCl準(zhǔn)分子激光器(波長(zhǎng)308nm)照射Al2O3-SiC納米復(fù)合陶瓷試樣，能量密度在0.8J/cm3～6.0J/cm3范圍內(nèi)滩扩，照射后显哨，表面缺陷消除，形成連續(xù)分布的光滑平整的熔化層槽顶，并出現(xiàn)亞穩(wěn)相γ-Al2O3篙绎，由于表面形貌的改善和結(jié)構(gòu)的變化,使表面韌性得到提高。W18Cr4V車(chē)刀表面經(jīng)激光涂覆處理后昭淋，對(duì)于深切削亿隔、快速切削和切削特硬，耐磨性有明顯的提高墓枝，若以后刀面磨鈍為標(biāo)準(zhǔn),提高近250%乃蔬；若以前刀面磨鈍為標(biāo)準(zhǔn),提高200%；若以破損為標(biāo)準(zhǔn)容且，提高近100%刁夺。此外車(chē)刀前刀面激光處理后，后刀面的耐磨性有明顯增長(zhǎng)亮隙；后刀面激光處理后途凫，前刀面抗月牙洼磨損能力也有一定的提高，但增長(zhǎng)幅度不及前者溢吻。北京工業(yè)大學(xué)的宣崇武维费、張連寶利用激光表面合金化新技術(shù)，改變木材加工刀片的表面成分促王，以提高刀片韌性犀盟。激光表面合金化所得的合金化層與刀片基體之間是一種冶金結(jié)合，結(jié)合力優(yōu)于各種噴涂層。最佳產(chǎn)品一次刃磨平均產(chǎn)量<20t且蓬，但刀片本身折損率>30%欣硼。激光合金化處理后的刀片，一次刃磨壽命比最佳產(chǎn)品平均提高3倍左右恶阴，且刀刃不崩诈胜、不卷、不折斷冯事，稍加磨刃可繼續(xù)使用焦匈。無(wú)錫冶金機(jī)械廠的李良福在用激光加工法提高刀具耐用度的經(jīng)驗(yàn)證實(shí)，激光強(qiáng)化對(duì)改善各種刀具的工作能力有較好的效果嘹挨。例如T8A淳胆、T10A、CrWMn和9Cr鋼模具的耐用度可提高若干倍逮弛，成型模的壽命較一般熱處理后的使用壽命可提高15-19倍螃方，較氮化鈷耐磨層的模具提高0.5-1倍。前蘇聯(lián)曾對(duì)WC85%+Co15%和WC92%+Co8%兩種硬質(zhì)合金粉末進(jìn)行激光熔覆試驗(yàn)鞋会，使用35-30J的固體脈沖激光和0.1担灭，0.5，1-3Kw的連續(xù)CO2激光器填杀，掃描速度2.2-17mm/s寓综，在Y8A工具鋼基體上熔覆(WC92+Co8)粉末所得最高顯微硬度為HV1180。KJ.Schmaxtjko利用準(zhǔn)分子激光對(duì)陶瓷材料(Al2O3焦厘、ZnO2耿堕、Si3N4)的表面直接進(jìn)行重熔改性，結(jié)果表明：陶瓷材料的表面粗糙度從激光改性前的10-15μm绽脏，下降到1-4μm味廊，且孔隙率大大下降。(暫不可見(jiàn))titbon的重熔方式可使表面裂紋和孔隙至少下降50%尝抖。

　　最近幾年毡们，激光對(duì)各種刀具材料表面強(qiáng)化都有不同程度的報(bào)導(dǎo)，也有人直接研究了激光對(duì)高速刀具的表面強(qiáng)化昧辽，雖然激光合金化和熔覆陶瓷層已經(jīng)取得了關(guān)鍵性的進(jìn)展衙熔，但是在工業(yè)實(shí)際批量化應(yīng)用較少，特別是在刀具材料改性方面搅荞。

　　三红氯、目前激光強(qiáng)化技術(shù)在民用刀具制造的應(yīng)用

　　民用刀具量大面廣，有：廚刀咕痛、剪刀痢甘、剃須刀喇嘱、粉碎刀等，目前刀具失效原因主要在刀刃塞栅，如刃口磨損者铜、崩刃、腐蝕等放椰，為了達(dá)到經(jīng)久耐用的目的绵颅，一般制造工藝方法是：1)采用整體高性能合金材料，如高速鋼等2)采用復(fù)合鋼玲禾，如復(fù)合鋼板刀剪等3)刃口鑲焊硬質(zhì)合金材料忙体，如硬質(zhì)合金、陶瓷盏掉、高速鋼等怨级。前兩種方法原材料要求較高，制造成本較高毙向；而后者由于鑲焊往往為材料硬脆性材料钮核，給制造工藝帶來(lái)困難，如硬質(zhì)合金與基體的鑲焊強(qiáng)度俏妆、硬質(zhì)合金鑲焊長(zhǎng)度有限等樱凄，使用壽命受到影響标炭。

　　激光堆焊是繼激光熔覆技術(shù)上發(fā)展起來(lái)的一項(xiàng)新的激光加工技術(shù)失欢，借鑒傳統(tǒng)的堆焊技術(shù)優(yōu)點(diǎn)，用大功率激光為加熱源斑卤，對(duì)同步送入的合金焊絲與基體表層同時(shí)快速熔化晨另，得到和基體完全冶金結(jié)合的并具有特殊性能(耐磨、耐蝕谱姓、耐熱等)的表層借尿，形成復(fù)合層，用于制造雙金屬刀具屉来。而激光合金化則是在基體的表面熔融層內(nèi)加入合金元素路翻，從而形成以基材為基礎(chǔ)的新的合金層，達(dá)到表面改性茄靠，刃口強(qiáng)韌化的目的茂契。

　　綜合上述技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)，把這一技術(shù)應(yīng)用于刀具材料表面強(qiáng)化處理慨绳，則是提高刀具耐磨性及其使用壽命的重要途徑之一掉冶，尤其對(duì)于陶瓷、硬質(zhì)合金刀具這種高硬度脐雪、耐熱性好等優(yōu)點(diǎn)厌小，有利于提高加工效率和加工精度，并能對(duì)難加工材料如淬火鋼在不利的加工條件下進(jìn)行切削加工。由于它們強(qiáng)度相對(duì)較低璧亚，韌性和可$&*性較差柴炉，嚴(yán)重地限制了它們的應(yīng)用范圍，因此把激光表面強(qiáng)化技術(shù)應(yīng)用于陶瓷价岭、硬質(zhì)合金刀具具有深刻的研究意義和廣闊的應(yīng)用前景含话。

　　目前，國(guó)內(nèi)外提高刀具抗磨損的方法主要分為兩類：一種是常規(guī)的表面處理法妥坦，如采用非常規(guī)的表面淬火方法茂钠、激光熔覆的方法(覆層的合金粉多為Ni、Co基自熔合金或添加粗顆粒的碳化鎢或者采用激光厚層熔覆房贮，這類方法比較適用于磨粒磨損很高的工況径塔，例如，礦山殊蜓、石油凰番、農(nóng)機(jī)等采掘工具)等，其存在的缺點(diǎn)就是易產(chǎn)生裂紋等缺陷寂贱。另一種是最近發(fā)展起來(lái)的涂層刀具褒堆，此類方法的缺點(diǎn)就是沉積涂層較薄。這兩種方法都有其不同程度的缺點(diǎn)滋饲。前者是通過(guò)材料本身發(fā)生的顯微組織轉(zhuǎn)變來(lái)提高硬度及耐磨性厉碟，因而只對(duì)碳鋼有效，而對(duì)硬質(zhì)合金屠缭、高速鋼材料的刀具材料而言則效果不明顯箍鼓，采用后者不僅涂層較薄，涂層沉積時(shí)間較長(zhǎng)呵曹，而且實(shí)際使用中常常發(fā)生剝落現(xiàn)象款咖。

　　以下為激光表面強(qiáng)化技術(shù)在刀具材料改性中的應(yīng)用實(shí)例。

　　1.家用廚刀激光熔覆表面改性

　　采用激光涂層在常用的不銹鋼廚刀刃口進(jìn)行薄層快速熔覆奄喂，得到涂覆層均勻铐殃、高耐磨的刀具刃口，代替?zhèn)鹘y(tǒng)的刀具生產(chǎn)工藝跨新，改造其產(chǎn)業(yè)提高刀具(廚刀)產(chǎn)品的內(nèi)在質(zhì)量和附加值富腊。通過(guò)對(duì)涂層材料的配比、激光涂層性能等方面的分析研究玻蝌，開(kāi)發(fā)出與“懶漢刀”同等水平的廚刀并將其實(shí)用化蟹肘。通過(guò)優(yōu)化工藝采用預(yù)置式合金粉末得到了無(wú)裂紋、一定硬度涂層的厚度摇致、變形小谅儡、回火帶窄的刃口秫丐。可以看出妈扁，熔覆層均勻覆蓋在刀刃上竹俱。

　　對(duì)斷面分析，從外向內(nèi)可以明顯的看出分為4個(gè)區(qū)域：熔覆層粘胧、硬化過(guò)渡區(qū)摊房、回火區(qū)和基體材料。

　　1.1熔覆區(qū)

　　該區(qū)以涂層材料為主要成分诅潮，硬度較高HV990-1300昨哑，厚度0.02-0.08mm，其中大量未熔的硬質(zhì)顆粒胜全，起到了彌散強(qiáng)化的作用域毡。涂層過(guò)厚易形成裂紋，影響使用琅功，通過(guò)優(yōu)化工藝參數(shù)考余，得到了既無(wú)裂紋、硬度高轧苫、表面光潔楚堤，與基體呈良好冶金結(jié)合的涂層，而這一涂層正是提高刃口磨損性能的關(guān)鍵含懊。

　　1.2硬化過(guò)渡區(qū)

　　這一區(qū)域包含與熔覆層相接的合金化層身冬，與回火區(qū)相接的淬火區(qū)，占硬化層的80%绢要，硬度層硬度平緩過(guò)度吏恭，組織主要是過(guò)度細(xì)化的馬氏體和碳化物。

　　1.3回火區(qū)

　　由于掃描速度的加快重罪，回火區(qū)變窄，組織為索氏體及碳化物哀九〗伺洌回火區(qū)的存在有利于保持刃口的韌性，在高硬度沖擊情況下不至于斷裂阅束。

　　2.激光熔滲納米改性強(qiáng)化刀具

　　激光熔滲是一種結(jié)合激光熔覆工藝和激光合金化工藝的表面改性的方法呼胚。將其運(yùn)用到園林刀具生產(chǎn)過(guò)程中，可以對(duì)不同類型的刀具進(jìn)行激光表面改性強(qiáng)化伴严。納米材料較之微米級(jí)材料具有更好的力學(xué)性能膳庵，涂覆于基體表面的納米合金粉在高密度的激光束作用下快速熔凝，以部分納米硬質(zhì)合金顆粒滲入到基體材料當(dāng)中贡垃，起到了微合金化作用描休，而刀具表面又可以獲得納米晶的覆層掷戚，因而不僅提高了強(qiáng)韌性及耐磨而且還加深了刀具刃口的硬度層深，延長(zhǎng)了刀具的使用壽命肥册。

　　刀片經(jīng)過(guò)激光處理后猫郎，在表層形成明顯的硬化層，硬度呈現(xiàn)梯度變化严荷，心部仍保持原來(lái)的組織矩修。這樣使得表層硬而耐磨，芯部保持韌性啼康，而且運(yùn)轉(zhuǎn)過(guò)程有“自銳性”效果厅揍，使得刀片的使用壽命延長(zhǎng)。該刀片的厚度為1.5mm凑逗，硬化層深度為0.18mm性湿，表層白亮層為合金碳化物，馬氏體,硬度為HV0.2820-766满败，心部為回火屈氏體肤频，硬度為HV316。

　　四算墨、激光強(qiáng)化技術(shù)在刀具材料改性應(yīng)用的展望

　　目前國(guó)內(nèi)外對(duì)工程陶瓷與硬質(zhì)合金材料的研究有一定的進(jìn)展宵荒，另一方面激光對(duì)刀具進(jìn)行表面強(qiáng)化處理屬當(dāng)前機(jī)械加工領(lǐng)域的前沿，用強(qiáng)激光束對(duì)代替某些熱處理是一種有效的方法净嘀，結(jié)合當(dāng)前納米技術(shù)的發(fā)展报咳，在這三個(gè)方向的基礎(chǔ)上找到它們的結(jié)合點(diǎn)，參照同類近似的研究方法挖藏，對(duì)陶瓷暑刃、硬質(zhì)合金的激光強(qiáng)化機(jī)理及技術(shù)進(jìn)行研究，提出了在以后研究工作中將通過(guò)對(duì)高耐磨/耐蝕/耐熱納米硬質(zhì)粉材(陶瓷膜眠、復(fù)合材料等)的研制及配比岩臣、激光納米強(qiáng)化層性能、激光厚層堆焊工藝與硬質(zhì)合金材料等方面的分析研究宵膨，針對(duì)不同刀具采用相應(yīng)的工藝庇启，利用普通的刀具材料開(kāi)發(fā)出提高刀具刃口強(qiáng)韌性、耐磨性及使用壽命的新產(chǎn)品兔憨，獲得對(duì)各種刀具類材料激光堆焊復(fù)合盛媚、納米合金熔滲及產(chǎn)品化實(shí)用化的總體工藝技術(shù)，使其能滿足實(shí)際生產(chǎn)的復(fù)雜要求扶楣，尤其是克服陶瓷刀具材料脆性大撤忆、可靠性低等缺點(diǎn)，為改進(jìn)硬質(zhì)合金和陶瓷材料增添了一條有效的途徑睬毒。

　　相信激光合金化表面強(qiáng)化技術(shù)在刀具材料改性中具有廣泛的應(yīng)用范圍和廣闊的應(yīng)用前景矿钩。

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