常用高速钢刀具的涂覆技术一般有物理气相沉积(PVD)和化学气相沉积(CVD)两种,但以PVD为主。国内工具行业应用PVD技术涂覆拉刀、滚刀、麻花钻、成形刀等刀具已较普遍,其耐磨性比未涂覆的大大提高。但是,利用该工艺进行刀具涂覆还存在不足之处,突出表现在:整体涂覆(如涂局部,需采取屏蔽)浪费贵重的合金元素;设备昂贵,工艺复杂,刀具涂覆周期长;涂覆层与基体非冶金结合,容易脱落。在低速切削条件下,常因磨损率很高的脆性疲劳剥落磨损,而使涂覆刀具的耐用度甚至低于非涂层刀具。
随着激光加工技术的普及,特别是大功率CO 2 气体激光器的工业应用,考虑利用激光在刀具表面局部涂覆一层高硬耐磨碳化物,将能较好地改进现有涂覆技术的上述不足。为此,国内一些科研院所利用1.5kW的CO 2 气体激光器对W18Cr4V钢制车刀前、后刀面进行硬质合金YG6粉末表面涂覆。切削对比试验表明,激光涂覆刀具寿命提高250%。
(1)试验条件
1)激光处理工艺。激光设备采用1.5kW连续可调的CO 2 气体激光器。使用硒化锌聚焦镜,轴流型振荡器,输出准基模式,并配备保证实现空间三维移动的计算机数控工作台。在大量基础试验的基础上,选用的激光功率为1.1kW;扫描速度为15mm/s;光斑直径为3mm。刀具表面黑化处理后,运用激光多道搭接法来进行激光涂覆。
2)切削试验条件。试验为标准正方形车刀条,在车刀的前刀面和后刀面涂覆有硬质合金YG6粉末,采用专用设备控制涂覆厚度。
车床型号:CA6140。
工件材料:正火态45钢,硬度为40~45HRC。
切削速度:31.98m/min。
进给量:0.4mm/r。
切削深度:2mm。
切削条件:外圆干切削,伸刀量20mm。
检测仪器:小型工具显微镜(20×)、千分表(配自制表头)。
检测标准:后刀面按磨损带中心平均高度等于0.30mm为刀具磨钝标准;前刀面按月牙洼深度等于0.18mm为磨钝标准。
刀具经激光涂覆并进行切削试验以后,采用电火花线切割法将刀头切下,而后运用扫描电镜和电子探针进行磨损态分析。
(2)试验结果与分析 运用符合国家标准形状和几何参数的各三把车刀进行车削磨损对比试验。为节约材料和时间,采用人为非正常磨损态进行比较,每隔1~2min检测一次。结果显示,高速钢车刀表面经激光涂覆后耐磨性明显提高。若以后刀面磨钝为标准,提高近250%;若以前刀面磨钝为标准,提高近200%;若以破损为标准,提高近100%。
刀具磨损是一个十分复杂的过程,既受外部因素(如刀具的几何形状、负荷大小、运动形式、工作温度、磨粒大小及形状、环境状态等)影响,又受内部因素(如材料化学成分、冶金质量、显微组织、力学性能)影响。可以说,金属材料的耐磨性就是取决于摩擦系统中各个因素及这些因素的相互影响。
从金相分析可知,无涂层车刀基体产生了严重的黏着磨损,可清晰地观察到表面撕伤、胶合现象。而对于涂覆刀具,其磨损机制有所不同。
1)黏着态稍轻。由于发生黏着磨损时,摩擦副匹配材料的化学成分对耐磨性有严重影响,所以这种黏着态的变化是激光涂覆后刀具表面化学成分发生改变所致。
2)非完全黏着磨损态。在黏着态边缘可以看到磨料磨损的痕迹。造成这种磨料磨损的磨料既来自于工件材料的硬质点,更来自于激光涂覆过程中,它们成为磨屑夹杂在金属摩擦副中而造成磨痕的梨沟。
激光涂覆刀具的磨损机理说明,在任何一种摩擦系统中,金属的磨损都不只是某一类型的磨损,而往往是多种类型磨损结合在一起的。