納米金剛石熱浸滲高速鋼刀具表面強化技術

常京龍

(天津冶金職業技術學院，天津 3004002)

0 引言

高速鋼作為一種常見切削刀具材料，因具備良好的工藝性、強度、韌性等優勢沿用至今，特別是在復雜刃形刀具制造與使用方面始終居于主導地位.但高速鋼刀具與硬質合金刀具相比在硬度、紅硬性、耐磨性等方面存在著先天不足，這就制約了其使用更廣泛性.在上世紀70年代末，涂層高速鋼刀具的出現，才在本質上改變了高速鋼刀具的切削性能［1-2］，有效地解決了高速鋼的缺陷和不足.但是涂層高速鋼刀具涂層厚度受到限制，涂層內因較大的殘余應力易產生微裂紋，涂層發生剝落而失效，這又致使高速鋼涂層刀具性能存在不穩定缺陷和價格較高等缺點［3-4］.

近年來，納米材料的應用研究已經涉及到多個領域，并取得了越來越顯著的成果，也成為目前各發達國家優先研究的熱點之一［5-6］.

本文作者利用納米級金剛石熱浸滲技術將高速鋼刀具的表面進行了強化，制備的刀具有高強度、高硬度、高塑性、抗沖擊、難腐蝕、耐磨損、無滲透界面的超細晶粒的梯度材料刀具，并對此刀具的切削性能做了進一步的研究.

1 納米金剛石熱浸滲原理

納米金剛石微粒擴散到金屬材料的晶粒中，能夠改變金屬材料表面的微觀組織結構，從而有效的改善材料物理特性［7-8］.高速鋼在723℃開始發生相變，從馬氏體向奧氏體的轉變，在930℃時基本完成轉變，在馬氏體向奧氏體的轉變過程中，鋼材的體積收縮，其中有些收縮是通過增加晶界的不完整性來實現的.在1 000℃時，鋼材奧氏體晶界很寬大且不完整，晶界中的鐵原子和合金元素的原子因為具有不完整的晶體結構，對周圍的原子有較大的吸引力.金剛石在750℃開始軟化，在970℃基本完成軟化過程，軟化的納米金剛石表面原子活性較大.這樣納米金剛石表面原子與鋼材奧氏體晶界內的原子相互吸引，納米金剛石按照某種方式沿晶界進入鋼材內部.在加熱過程中進入鋼材內部的納米金剛石又逐漸聚合，形成納米級金剛石顆粒.

納米微粒在處理過程中，沿原始奧氏體晶界進入鋼板內部，同時向晶粒內部擴散，在隨后的熱處理過程中，由于納米顆粒的存在，改變了晶體特別是晶界的結構，并引起材料的力學性能隨之發生了巨大的變化.

2 納米金剛石熱浸滲技術與特點

2.1 納米金剛石熱浸滲技術特點［8-10］與工藝流程

技術特點:擴散速度高達mm/h;被處理表層可獲得高硬度的同時又具備良好的韌性;淬透性好，無裂紋傾向.

制備的工藝流程，見圖1所示.

圖1 制備的工藝流程

經處理后高速鋼表面的滲透層達0.5～1.5mm左右，表面硬度HRC70，在表層獲得高硬度的同時，表面層又獲得高韌性.

2.2 納米金剛石熱浸滲后鋼組織的變化特點

經納米復合技術處理后微觀組織發生很大的變化，晶粒超細化，經納米復合處理的超級鋼的晶粒尺寸在10～100 nm之間，同時出現了特殊的微觀組織，見圖2所示.

圖2 納米金剛石熱浸滲鋼的微觀組織

從圖2中可看出，鋼表面有一層納米級細密膜，在細密膜下面是帶梯度的網狀碳化物，致使在產生硬度梯度的同時，也產生了相反趨勢的彈性模量梯度.改變處理工藝，可以使鋼的性能梯度變化減弱.

納米級金剛石熱浸滲后鋼的其它特點［8-10］:①合金元素的成分發生變化，如高速工具鋼中W、Mn、Mo等元素發生遷移，與納米顆粒形成新的結合方式;②出現了新相和新的鐵基合金;③熱處理性能優良，無淬火裂紋傾向;④具有良好的焊接性能;⑤納米復合處理技術的處理深度可達幾十至100mm，甚至更深，且滲透速度高達2mm/h;⑥可以使普通鋼材成為高硬度、高強度、低彈性模量、抗沖擊、耐磨損、抗腐蝕、無滲透界面、超細晶粒(小于100 nm)的梯度;⑦具有良好的摩擦磨損性能，抗磨損性能比基體提高幾十倍，在某種工況下的實驗數據表明，摩擦系數由原先鋼與鋼的0.6降低到0.12.

3 處理后的刀具切削性能分析

切削試驗條件:臺式鉆床;三維銑削測力儀;工件材料有A3鋼、炮鋼和不銹鋼;熱浸處理鉆頭即刀具A，未經過處理鉆頭即刀具B;加工深度為10mm.

切削參數條件:①機床轉速n=480 r/min，刀具進給量f=0.15mm/r;②機床轉速n=480 r/min，刀具進給量f=0.2mm/r;③機床轉速 n=820 r/min，刀具進給量 f=0.15mm/r;④機床轉速 n=820 r/min，刀具進給量 f=0.2mm/r，下文分別稱為:條件一～條件四.

3.1 刀具的材料力學性能對比分析

用硬度儀測量刀具A與刀具B局部區域的硬度和局部區域的彈性模量.刀具硬度測量結果如圖3所示，刀具A表面硬度最大，滲層加深硬度逐漸降低.刀具從外表面到內部，形成硬度梯度，對切削加工非常有利.

圖3 刀具硬度變化曲線

刀具彈性模量測量結果如圖4所示，刀具A表面彈性模量值小，滲層加深彈性模量逐漸變大.彈性模量也形成硬度梯度，但與硬度梯度相反.同樣有利于切削加工.

圖4 刀具彈性模量變化曲線

可見納米金剛石熱浸滲技術改善了高速鋼刀具材料力學性能.

3.2 切削力對比分析

加工過程中切削力是動態變化的，對四種條件下加工A3鋼正常加工階段切削力進行均值處理，得到如圖5所示刀具切削力變化曲線.在四種條件下經過納米技術處理刀具切削力都低于未處理刀具.原因在于經過納米技術處理的高速鋼刀具表面硬度增大，彈性模量值小.同時還可以判斷兩種刀具隨著切削速度加快和進給量加大切削力均增大，且進給量對切削力影響大于切削速度.

圖5 兩種刀具切削力變化曲線

3.3 刀具壽命的對比分析

圖6是加工A3鋼時不同切削用量刀具壽命變化曲線，顯然經過納米技術處理刀具壽命高于未處理刀具;另外兩種刀具的使用壽命都直接受到切削速度和進給量的影響.

圖6 不同切削用量刀具壽命變化曲線

圖7是在條件一情況下加工不同材料工件刀具壽命變化曲線，隨著工件材料強度和硬度的提高，刀具壽命均有下降趨勢，但納米金剛石處理后刀具壽命都高于未處理刀具的壽命.其余切削用量下加工處理后道具壽命均得到有效提高，限于篇幅不在給出變化曲線圖.

圖7 加工不同工件材料刀具壽命變化曲線

可見納米金剛石熱浸技術延長了高速鋼刀具的使用壽命，性能得到較大改善.

3.4 刀具磨損的對比分析

加工過程中刀具切削刃外緣轉角最大磨損量大于切削刃中間后刀面磨損量，圖8為刀具在機床轉速n=480 r/min條件下加工A3鋼兩種刀具主切削刃外緣轉角最大磨損量平均值變化曲線.當機床轉速n=820 r/min條件下擁有同樣變化趨勢.

圖8 刀具磨損變化曲線

從圖中可以看出納米金剛石熱浸技術增強了高速鋼刀具的耐磨性.

4 結論

(1)納米級金剛石熱浸滲技術強化了鋼的表面，形成高強度、高塑性、抗沖擊、耐磨損、抗腐蝕、無滲透界面的超細晶粒梯度特性;

(2)用處理和未處理的鉆頭作對比試驗，表明處理后的刀具切削力變小;刀具壽命延長;

(3)納米金剛石熱浸滲技術是改善高速鋼刀具切削性能的一種經濟實用的好方法.

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