激光强化技术在刀具材料改性中的应用

    一、引言

    切削加工是基本而又常用的精密加工手段，在机械、电机、电子等各种产业部分中都起着重要的作用，决定切削加工效率的因素很多如机床、刀具、工件等，其中刀具是最活跃的因素。而刀具耐用度的高低、刀具消耗和加工成本的多少、加工精度和表面质量的优劣等等，在很大程度上取决于刀具材料的机械性能和加工性能，因此人们不断地研究开发新的刀具材料。但新材料的开发速度常常与现代切削加工生产要求存在一定的差距，如在高速切削300～1000m/min切削钢、90～200m/min切削钛合金等要达到这样高的切削速度，就要发展具有更加优异的高温力学性能、高化学稳定性和热稳定性及高温热抗振性的刀具材料，加速刀具材料的研究与开发，合理选用刀具材料是推动高速切削技术广泛应用的重要前提。

    激光加工是激光应用的首要领域，在此领域中激光对物体材料的强化处理占有很重要的位置，特别是对材料表面可进行多种强化处理。

    在刀具材料改性中主要应用的是熔化处理，熔化处理是金属材料表面在激光束照射下成为溶化状态，同时迅速凝固，产生新的表面层。根据材料表面组织变化情况，可分为合金化、溶覆、重溶细化、上釉和表面复合化等。激光熔凝是用适当的参数的激光辐照材料表面，使其表面快速熔融、快速冷凝，获得较为细化均质的组织和所需性质的表面改性技术。它具有以下优点：

    1.表面熔化时一般不添加任何金属元素，熔凝层与材料基体形成冶金结合。

    2.在激光熔凝过程中，可以排除杂质和气体，同时急冷重结晶获得的杂志有较高的硬度、耐磨性和抗腐蚀性。

    3.其熔层薄、热作用区小，对表面粗糙度和工件尺寸影响不大。有时可不再进行后续磨光而直接使用。

    4.提高溶质原子在基体中固溶度极限，晶粒及第二相质点超细化，形成亚稳相可获得无扩散的单一晶体结构甚至非晶态，从而使生成的新型合金获得传统方法得不到的优良性能。

    5.光束可以通过光路导向，因而可以处理零件特殊位置和形状复杂的表面。

    二、刀具材料激光表面改性国内外研究概况

    目前国内外与此相关的文献较多，如利用XeCl准分子激光器（波长308nm）照射Al2O3-SiC纳米复合陶瓷试样，能量密度在0.8J/cm3～6.0J/cm3范围内，照射后，表面缺陷消除，形成连续分布的光滑平整的熔化层，并出现亚稳相γ-Al2O3，由于表面形貌的改善和结构的变化,使表面韧性得到提高。W18Cr4V车刀表面经激光涂覆处理后，对于深切削、快速切削和切削特硬，耐磨性有明显的提高，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200％；若以破损为标准，提高近100％。此外车刀前刀面激光处理后，后刀面的耐磨性有明显增长；后刀面激光处理后，前刀面抗月牙洼磨损能力也有一定的提高，但增长幅度不及前者。北京工业大学的宣崇武、张连宝利用激光表面合金化新技术，改变木材加工刀片的表面成分，以提高刀片韧性。激光表面合金化所得的合金化层与刀片基体之间是一种冶金结合，结合力优于各种喷涂层。

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