（光学工程专业论文）激光熔覆技术制造立铣刀的实验研究.pdf

摘要 摘要 刀具表面强化处理是提高刀具耐磨性及其使用寿命的重要途径之一，而用 激光对刀具进行表面强化处理来替代高速钢刀具常规炉中热处理方面的研究也 已取得成效，并在工业上得到了应用。另一方面，激光熔覆技术已经在小范围 的零部件中取得了应用，国内外目前在用激光熔覆来获得局部耐磨涂层从而提 高材料耐磨性能的研究也已卓有成效。本文在这两个研究方向的基础上找出它 们的结合点，对立铣刀激光熔覆技术的工艺及机理进行了研究，成功的采用n d ： y a g 激光熔覆技术在普通钢基体上制造出了性能良好的立铣刀螺旋刃带。 采用同步送粉技术，对以钻基合金粉末系列为主的1 8 种粉末配方进行实 验研究，结果表明n o 9 熔覆层质量较好，硬度及抗弯强度均与常用铣刀材料高 速钢w 1 8 c r 4 v 相当，是比较理想的熔覆立铣刀螺旋刃带的粉末配方。 采用6k wc 0 2 激光器、1 k wn d ：y a g 激光器和同步送粉熔覆技术从工艺 性、开裂性、经济性三个方面进行了c 0 2 激光和n d ：y a g 激光的熔覆特性对比 研究，得出nd = y a g 激光更适合于小面积的立铣刀激光熔覆。在此基础上，采 用n o 9 粉末配方研究了n d ：y a g 激光的熔覆工艺。分析总结了工艺参数对熔覆 层形状参数和质量的影响规律，在模拟铣刀刃带形状的台阶槽试板上进行了熔 覆实验，并对工艺参数进行了优化。 试验结果表明，当激光工艺参数选取不当时，激光熔覆层中极易出现裂纹， 偶见夹杂和气孔等缺陷。在本实验条件下，直径微小的气孑l 对熔覆层质量没有 影响，并有可能成为显微裂纹的终止点。观察贯穿裂纹的断口形貌，发现这种 裂纹一般是从熔覆层和基体结合界面的外侧起裂，并以此为源头扩展，裂纹的 扩展方向呈放射状，在裂纹扩展面上s i 、o 等杂质元素含量很高。 用优化的参数获得了无缺陷、形状系数及硬度分布满足立铣刀工作要求的 熔覆层。采用光学显微镜、扫描电子显微镜观察熔覆层显微组织形貌，用x 射 摘要 线衍射法测试熔覆层相组成。结果表明，熔覆层组织细密，主要是由c o 的过 饱和固溶体及呈骨状分布的碳化物组成。与w 1 8 c r 4 v 相比，硬度、抗弯强度和 耐磨性均相当。 最后，根据立铣刀坯材的形状特点，选取了适合制造立铣刀的专用设备， 研究了激光熔覆制造立铣刀过程中实际遇到的工艺问题，最终在4 5 钢铣刀坯材 上成功的熔覆出了无裂纹、成形良好、硬度分布满足要求的立铣刀。然后，根 据g b 厂r 1 2 2 0 4 3 9 0 进行了切削性能试验，实验结果表明激光熔覆制造的立铣刀 切削性能满足铣削的要求。 关键词：激光熔覆立铣刀工艺耐磨性切削性能 摘要 a b s t r a c t s u r f a c et r e a c n l e mi so n eo ft 1 1 em o s t i m p o n a n tm e t h o d st oi m p r o v et t l e w e a r _ r e s i s t a n c ea r dd u r a b i i i t yo fc i m e ls u c c e s s e sh a v eb e e na c h i e v e db o t hi nm e r e s e a r c hi nl a s e rs u “k et r e a t m e n ta 1 1 di ni n d u s t r i a la p p l i c a t i o n s o nt h eo 也e rh a l l d ， 1 a s e rc l a d d i n gh a sb e e nu s e do n1 0 c a la r e a so fp a n s s c i e m i s t sh a v eg a i n e dg r e a t a c h i e v e m e n t si nm er e s e a r c ho f o b t a i l l i n gl o c a lc o a t i n g sb y l a s e rc l a d d i n gi no r d e rt o e n h a l l c et h ew e a 卜r e s i s t a l l c eo fm a t e r i a l s t t l i sp a p e r 矗n d st l l e i rl i i l l 【so nt l l eb a s i so f b o t l la s p e c t s t h e nw er e s e a r c hm e p r o c e s so fl a s e rc l a d d i n ga n ds u c c e s s f u l l yc l a d h e l i c a lb i a d e so f e n dm i uw i mn d ：y a g1 a s e ry i e l d i n gg o o dp e r f b 肌a n c e s f i r s t l y ，e i g h t e e nt y p e so f c o _ b a s e ds e r i e so f p o w d e rf o r m l i l aa sl a s e rc l a d d i n g m a t e r i a j sh a v eb e e ni n v e s t i g a t e db yu s i n gs y n c 王1 r o n o u sp o w d e rf e e d i n gs y s t e m e x p e r i m e n t a lr e s u l t ss h o w t h a tt h ef o 肿u l ao f n o 9i st h eb e s to n et ob eu s e df o r t h e c l a d d i n gl a y e ro f e n dr i l i l lb e c a u s eo fi t sg o o dc o a t i n gq u a l 吼h i 曲m i c mh a r d i l e s s a n de q u i v a l e n tb e n d i n gs t r c n g mc o m p a r e d 埘mw 18 c r 4 vw h i c hi sc o r m o i l l yu s e d t o m a k ee n d m i l l s e c o n d l y ，、v ed oac o m p a r i s o nr e s e a r c ho n 也ec l a d d i n gb e h a v i o r so fc 0 2 1 a s e r a n dn d ：y a gl a s e rb yu s i n g6k wc 0 2l 舔e rs y s t e ma i l d1 k wn d ：y a gl a s e rs y s t e m e x p e 而n e n t a lr e s u l t ss h o w 出a tn d ：y a g l a s e rj sm o r c 矗tf o rt h ei a s e rc l a d d i n go f e n dm i l lb e c a u s eo fi t sl i m i t e dw o 幽n ga r e a b a s e do nt l l a t ，nd = y a g1 a s e rc l a d d i n g p r o c e s si s s t u d i e db yu s i n gn o 9f o 衄u l a ，m ee f r e c to fp r o c e s s i n gp a r 锄e t e r so n s h a p ea n dq u a i i t y o fc o a t i n g si sa l s o a 1 1 a l y z e da n ds u m m a r i z e d t h e nc l a d d i n g e x p e r i m e n t s a r e p r o c e s s e d o n也es i m u l a c m ma r l dt e c l l l l i c a l p a r a m e t e r s a r e o p t i m i z e d a tt h es a m et i m e ，e x p e r i m e n t a lr e s u l t ss h o wt l l a t 廿l ec r a c kt e n d e n c yw i l lb e u i 摘要 h i 曲b yu s i n gi m p r o p e rp m c e s s i n gp a r 栅e t e r s t h ep o r eo ri m p 嘶t yi ss e l d o m h “se x p c r i m e n t ，t i n yp o r e sd on oh a n nt o 也eq u a l i t yo f 也ec o a t i n ga n dp r o b a b l y p r e v e n tm i c r o c o s m i cc r a c k sf b me x t e n d i n g t h ef r a c t u r es l l r f a c e so fi m p e n e t r a t e c r a c k sa r er e s e a r c h e d r e s u l t ss h o wt l l a tm i sk i n do fc r a c k o r i g i n a t e si nt h eo u t b o a r d o fm ei n t e r f a c ea n de x t e n d sr a d i a l l y t h ec o n t e n to fs i l i c o na n d o x y g e ni sh i 曲i n t 1 1 e c m c kf h c t u r es u r f a c e a f t e r t h a t ，w i mo p t i m a lp a r 锄e t e r s ，s a t i s 母i n gc l a d d i n gl a y e ri sa c h i e v e d t h e n ， b ym e a n so fo p t i c a lm i c r o s c o p e a i l d s e m ，t 1 1 em i c r o s t r u c t u r eo ft 1 1 ec o a t i n gi s i n v e s t i g a t e d ；b y m e a n so fx r a y d i 衢a c t i o n ，p h a s ec o m p o s i t i o n i sm e a s u r e d e x p e r i m e n t a lr e s u l t ss h o w t 1 1 a tf i n em i c r o s m l c t u r ei sm a i n l yc o m p o s e do fyc o b a l t ， qc o b a l ta 1 1 d o s s e o u s l yd i s t 曲u t e dc a f b id c s - c o m p a r e d 、v i mw 1 8 c r 4 v ，m em i c r o h a r d n e s s ，b e n d i n gs t r e n g m a 1 1 d 、v c a rr e s i s t a l l c ei se q u i v a l e n t f i n a j l y ，a c c o r d i n gt o t l l es h a p ec h a r a c t e ro fe n dm i l l ，s p e c i a le q u i p m e n t sa r e p r o p e r l yc h o o s e s o m ep r o b l e m se n c o u n t e r e dd l l r i n gm e p r o c e d u r eo f l a s e rc l a d d i n g a r er e s e a r c h e da n d 丘n a l l yt l l ec r a c k l e s se n dm i l l 、i mw e us h a p ea n ds a t i s 母i n g h a r d n e s sd i s t r i b u t i o n i sm a n u f a c t u r e do n4 5s t e e ls u b s t r a f e a n d i t s c u n i n g p e r f b n n a n c e i sf i n ea c c o r d i n gt 0t h en a t j o n a ls 协n d a 州s k e y w o r d s ：l a s e rc l a d d i n ge n dm i l l p r o c e s s i l l g w e a 卜f e s i s t a n c e c u t t i n gp e r f o 堋蚴n c e i v 第1 章绪论 第1 章绪论 1 1 常用刀具表面强化处理工艺 在金属材料的机械加工中，切削加工是最基本而又可靠的加工手段，在机 械、电机、电子等各种产业部门中都起着重要的作用。决定切削加工效率的因 素有很多，主要有机床、刀具、工件等，其中刀具是最直接的影响因素。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。随着科学技术的进 步，虽然不断有新的加工方法出现，但是切削加工在工业生产中仍然具有不可 替代的地位。与此同时，它对刀具切削性能和使用寿命也提出了越来越高的要 求。一方面，人们不断地研究开发新的刀具材料，另一方面，人们也在刀具表 面强化处理工艺方面进行了多方面的研究，并取得了一定的成效“。 刀具表面强化处理的方法有很多。化学热处理是一种应用较早的方法，从 氰化处理、硫化处理到氮化处理以及各种复合处理，都曾应用于生产并获得很 好的效果。随着技术的不断发展，新的强化工艺方法不断出现和应用，如目前 生产中常用的表面涂层和电火花表面强化。表面涂层是指通过气相沉积或其它 方法，在硬质合金( 或高速钢刀具) 基体上涂覆一薄层耐磨性高的难熔金属或 非金属的化合物，可分为化学气相沉积法( c v d ) 和物理气相沉积法( p v d ) ， 是一种提高刀具材料耐磨性而不降低其韧度的有效途径之一。 自六十年代末第一代t i c 化学技术气相沉积( c v d ) 涂层硬质合金刀片问世 以来，涂层技术对硬质合金刀具的发展起到了巨大的促进作用。八十年代初， t i n 物理气相沉积( p v d ) 涂层高速钢刀具的出现，被誉为高速钢刀具性能的革命 性变革。几十年来，涂层技术已经在切削刀具提高性能的工艺中得到极为广泛 的应用。“。图1 1 所示为工业发达国家对目前工厂所用刀具情况的调查结果。 北京工业大学工学硕士学位论文 尽管刀具的表面强化技术已比较成熟，形成了系统的工业化生产，但也存 在一些不足之处，譬如，上述的几种刀具表面改性技术多是依托于高速钢( 或 硬质合金) 基体，并没有真正达到节约材料的目的。不仅生产率较低，而且所 需的工作室较大，装置复杂。有些工艺要求的条件则十分苛刻，例如离子镀要 在真空条件下进行。 图1 1 工业发达国家使用刀具情况【4 1 随着激光这一新型能源的出现，给刀具的表面改性技术注入了新的活力， 近年来，一些工业发达国家在激光表面强化刀具方面做了很多研究。现有的刀 具激光表面强化技术可分为激光相变硬化( 激光淬火) 、激光重熔、激光合金化 和激光涂层( 激光p v d 、激光c v d ) 。虽然这几种方法相对于传统的刀具表面 强化处理技术已有很大程度上的改进，但一般也都是高速钢基体上做的，成本 较高，不利于在生产中推广，因此我们考虑采用用另一种激光表面处理工艺一 一激光熔覆来做刀具的表面强化，即在碳素工具钢坯材上熔覆一层满足切削性 能要求的合金层，从而达到既节约材料又提高刀具性能和寿命的目的。 经查阅国内外公开发表的大量文献资料，与本课题密切相关的文献很少， 但是用激光熔覆技术来获取高性能熔覆层的文献却很多，如今，激光熔覆已经 在航空涡轮发动机叶片的磨损键和联锁键、汽轮机叶片前刃、铝合金气缸盖、 第i 章绪论 内燃发动机排气阀密封面、模具等零件的熔覆和修复方面取得了应用。这些 研究都为我们提供了理论依据和可借鉴的研究方法。 1 2 激光熔覆技术的研究和应用现状 激光熔覆的研究始于二十世纪七十年代初。1 9 7 4 年，美国a v c o 公司的e v e r t 实验室和m e t c o 公司开始长期的实验室研究。1 9 7 4 年底，g n a n a m u t h u 申请了在金 属基体上激光熔覆另一种金属的专利”1 。到了8 0 年代初激光熔覆技术己发展成为 材料表面工程的前沿课题。近年来在激光熔覆方面的研究发展也很快，在设备、 熔覆工艺、熔覆材料及基材种类、工艺参数与熔覆层组织和性能之间的关系、 熔覆的界面问题及熔覆热力学与动力学等诸多方面都有不同程度的研究和探 索。 在设备的改进和研制方面的研究主要有导光系统设计研制、送粉装置的设 计和工艺反馈控制系统设计等。国外针对不同处理对象研制出矩形积分反射镜， 点状振动扫描反射镜和透射式或透反射式的导光系统。1 。国内已设计开发出了可 获得连续聚焦光带的反射式积分镜系统，可得到性能均匀的宽带熔覆层。1 。在送 粉装置方面的研究也很活跃，但相对于国外的研究来说，国内的进步显得比较 落后。g r u n e n w a l d 等设计的送粉系统，配套测量装置可反馈信息，保证熔覆过 程中送粉速率恒定。国内也研究开发了一些自动送粉激光熔覆装置，有适合于 转镜宽带激光熔覆的自动喷粉机“”和采用载气送粉及同轴保护的矩形送粉喷头 1 。在工艺反馈控制系统设计方面，国外对每一个具体的零件都首先投资研究 解决其技术问题，并设计出相应的装置，p a s c a l e 等的系列研究可作为一个典型 实例1 “。 在激光熔覆工艺、基体材料和熔覆材料、熔覆层的组织与性能方面的研究 最为广泛和丰富。激光熔覆方法从早期的预置式激光熔覆发展到后来的送粉熔 覆( 一体式、两体式) 以及宽带激光熔覆。常见的基体材料有：低中碳钢、低 合金钢、不锈钢、铸铁、有色金属及合金等。常用的熔覆材料有：铁基合金、 北京工业大学工学硕士学位论文 n i 基合金、c o 基合金和陶瓷及金属陶瓷。 有关工艺方法与工艺参数对组织、性能( 硬度、耐磨性、耐高温性能等) 的影响；熔覆层相成分、相结构鉴定；熔覆层的缺陷及开裂机理等方面的研究 很多，总结近年来的研究报告可归纳如下： 杨永强等研究了激光熔覆高温合金的组织与性能“”3 ，欧阳家虎等研究了 t i n p 镍基合金复合耐磨涂层的激光熔覆工艺参数对熔覆层质量的影响“，徐有 容等研究了激光熔覆s t e l l i t e 硬质合金扫描速度对相组织和耐磨性的影响“， 张一民等研究了激光熔覆镍基合金层的组织和腐蚀磨损特性“，宋武林等研究 了激光熔覆层结晶方向对熔覆层裂纹方向和开裂敏感性的影响1 ，刘喜明等从 理论上推导出了熔覆层参数与激光熔覆工艺参数间的关系，探讨了工艺参数对 熔覆层组织、性能的影响规律。1 2 ”，周二华等研究了粉末成分和扫描速度对熔覆 层组织和硬度的影响1 ，张庆茂等系统地研究了n i 基合金自动送粉激光熔覆工 艺参数对熔覆层几何形貌的影响。”，尚丽娟、n l t i a n 等分析了稀土元素对激 光合金化及激光熔覆层组织和性能的影响。“2 ”，n p i z u r o v a 等研究了低碳钢激光 熔覆c o 基合金的微观组织和相组成矧，j m y e l l u p 等研究了工艺参数对自送粉 式激光熔覆涂层质量的影响。“，p a c a r v a l h o 等探讨了在自送粉式激光熔覆中 送粉速度对组织性能的影响”“。 在改善材料表面的耐磨性和耐蚀性所做的研究也很多，杨永强等研究了一 种适用于热作模具表面工作条件的激光熔覆层。“，陈大明等对模具钢表面激光 熔覆的硬面合金层的组织和性能进行了详细的分析。，张松等的研究表明在 t i 6 a 1 4 v 表面激光熔覆的原位自生t i c t i 复合材料熔覆层可明显改善t i 6 a 1 4 v 合 金的表面硬度和摩擦磨损性能m 1 ，陈华等用激光熔覆和火焰重熔在3 5 c r m o 调质 钢表面分别熔覆上一层镍基合金，结果表明激光熔覆得到的组织的耐磨性和耐 蚀性最好。”，y z h a n g 等在激光熔覆模具钢时得到了具有优良耐磨性和抗冲击 性的涂层1 。 第l 章绪论 激光熔覆层的缺陷往往是很难避免的，人们为了减少缺陷的产生也做了大 量的工作。尚丽娟等总结了激光熔覆中易产生的问题，提出了解决问题的措施 。”，杨永强等研究了送粉式激光熔覆w c c o 影响气孔产生的因素啪1 ，宋武林对激 光熔覆层的开裂行为及其抑制方法进行了研究。”，祝柏林等描述了熔覆层裂纹 的形成和形貌，归纳了目前抑制裂纹产生的方法“，傅戈雁等研究了激光熔覆 层开裂行为的影响因素及控制方法“。 在熔覆的基础理论研究方面，由于激光熔覆过程极大程度地偏离了平衡的 物理冶金过程，因此给相关理论模型的建立带来了很大困难，近年来随着工艺 研究的深入，理论研究也逐渐兴起，建立了传导、对流的热流模型、对流传质 模型、连续凝固、相变和组织性能关系模型“2 。”。 总的来说，国内外已在小面积激光熔覆的工艺特点、组织结构、力学性能 等方面取得了一系列研究成果，并开始走向实际应用，这为激光熔覆立铣刀提 供了丰富而可靠的科研资料和经验。 1 3 激光熔覆技术制造立铣刀的优点及意义 铣刀是机械加工行业常用的一种刀具，一般是多刃刀具，由于同时参加切 削的刃带多，刀刃长，并能采用较高的切削速度，故生产率高，在机械加工中 取得了广泛的应用。近年来，随着数控机床和专用铣床的普及，铣刀( 特别是 立铣刀) 的数量也越来越多( 仅次于车刀和钻头) ，显示出铣削加工在金属加工 中的重要性。由于刀具的刃尖易磨损，因此属于易耗品，使用量极大。 铣刀的规格品种很多，按其刀齿结构可分为尖齿铣刀和铲齿铣刀。立铣刀 是尖齿铣刀的一种，它用于铣削台阶面、侧面、沟槽凹槽、工件上各种形状的 孔及内外曲线表面等。根据一次可加工的范围大小，立铣刀可分为两类，一类 是小加工范围的立铣刀，称为“棍铣刀”，整个刀具由高速钢制成，铣削用的刃 口是由沿铣刀柱面加工出的螺旋刃带经磨削而成。另一类是大加工范围的立铣 刀，称为“盘铣刀”，刀盘材料由一般钢材制成，铣削用的刀具部分由镶嵌在刀 北京工业大学工学硕士学位论文 盘周围的硬质合金块组成。本课题研究的是第一种即“棍铣刀”。它的外形如图 1 2 所示。 图1 2 立铣刀外形 常用的棍铣刀一般为高速钢制成，而工作刃面仅是螺旋刃带。螺旋刃带磨 损后就必须进行修磨，因此刀具的制造成本高，刀具材料浪费大。如果采用激 光熔覆在普通钢材( 如4 5 、4 0 c r ) 的基体上熔覆硬质材料形成螺旋刃带，则既 可以大大降低制造成本，又可以避免高速钢材料的浪费，局部磨损后还容易重 新进行熔覆再投入使用，不失为一种理想的刀具制造工艺方法。与一般的刀具 表面强化工艺相比，激光熔覆的优点主要体现在以下几点： ( 1 ) 制造技术先进 激光熔覆冷却速度高，高达1 0 6 s ，属于非平衡凝固，熔覆层的组织结构 细密，性能优异，经激光熔覆的零件使用寿命较常规方法提高2 1 0 倍。我们 所采用的是送粉式激光熔覆，它的工艺实用性很强，激光束的功率和时空特性 易于控制，应用范围广。高能量密度的激光可以熔化已知的任何材料粉末，可 适应多种形状位置表面的熔覆。根据所需耐磨性、耐热性和耐蚀性的要求，可 以通过调节不同金属及陶瓷粉末的种类及比例，很方便地进行配方的调整，使 粉末的配方系列化“。 ( 2 ) 简化工艺过程 高速钢立铣刀的常规制造工艺流程：备料 退火 形状加工呻 齿槽刃形加工寸热处理表面发黑处理卜研磨基准孔卜磨刃带 第1 章绪论 检验和标记卜成品。 激光熔覆技术制造立铣刀的工艺流程：备料卜坯材形状加工齿槽 刃形粗加工斗刀柄淬火卜表面发黑处理 激光熔覆卜研磨基准 孔卜磨刃带一卜检验和标记卜成品。 从二者的工艺流程图可以看出，激光熔覆技术制造立铣刀不需经过热处理 工序即可使铣刀获得良好的硬度和耐磨性。而高速钢铣刀良好的切削性能只能 靠正确的热处理保证。而整个热处理过程是比较复杂的，要经过退火、淬火、 数次回火才能保证得到满意硬度和耐磨性。如果热处理过程中出现变形、裂纹、 硬度降低等组织性能方面的缺陷，则铣刀只能报废。因此，以先进的激光熔覆 技术来取代不易控制的热处理工序，即是对工艺过程的简化。此外，由于激光 束的能量密度高，对工件加热快、冷却快，熔覆时仅仅是铣刀的局部刃带受到 热影响，所以铣刀刀体的变形极小，熔覆后不需矫直工序。 ( 3 ) 降低刀具制造成本 目前常用的立铣刀一般由高速钢整体制成，而铣削用的工作刃面仅是螺旋 刃带，当刃带磨损后就只能报废，因此刀具的制造成本高，刀具材料浪费大。 而采用激光熔覆只是在由普通碳素结构钢制成的刀体坯材的局部通过激光熔化 粉末材料形成铣刀的切削刃带，这样就大大节省了高速钢材料，降低了铣刀制 造的成本。同时，传统的高速钢必须经过热处理才能保证其切削性能，加工周 期长，工艺过程复杂。表l 一1 给出了激光熔覆立铣刀和高速钢立铣刀的成本对 比。由于两种方法的机械加工费用相差不多，因此机械加工费用未在表中列出。 由表可以看出，激光熔覆立铣刀的成本比高速钢立铣刀低廉。 表l - l 高速钢立铣刀和激光熔覆立铣刀成本对比( 元) 直径m2 0 巾5 0 原材料热处理粉末激光加工费 合计 ( m m ) 高速钢立铣刀 6 4 24 0 7 04 6 “2 激光熔覆立铣刀 o 6 4 21 5 2 57 5 1 05 72 8 1 4 6 2 差额 5 4 3 7 _ 82 5 4 57 5 1 05 7 1 7 9 6 5 8 北京工业大学工学硕士学位论文 1 4 本文的目的、主要研究内容 刀具表面强化处理是提高刀具耐磨性及其使用寿命的重要途径之一。而用 激光对刀具进行表面强化处理来替代高速钢刀具常规炉中热处理方面的研究也 己取得成效，在工业上也得到了应用。另一方面，激光熔覆技术已经在小范围 的零部件中取得了应用，国内外目前在用激光熔覆来获得局部耐磨涂层从而提 高材料耐磨性能的研究也已卓有成效。本课题就是在这两个研究方向的基础上 找出它们的结合点，对立铣刀的激光熔覆技术的工艺及机理进行研究。 本课题所要达到的目标： 研制出专门用于熔覆铣刀的粉末材料，这是激光熔覆层达到设计性能指标的 基本条件。 获取最优化的激光熔覆工艺，这是得到性能良好的激光熔覆层的重要保证。 研究所得激光熔覆层的性能，硬度、耐磨性不低于普通高速钢：用激光熔覆 工艺制造的立铣刀，切削性能不低于常用立铣刀。 本文的主要研究内容分为四部分： 研究粉末配方，选取激光熔覆制造立铣刀螺旋刃带所需的粉末配方。 研究激光熔覆工艺，包括熔覆工艺对熔覆层质量的影响规律、工艺参数的优 化研究等。 研究激光熔覆后所得的激光熔覆层组织和性能。 设计与制造激光熔覆制造立铣刀的专用设备，研究解决激光熔覆制造立铣刀 中遇到的实际工艺问题。 第2 章激光熔覆立铣刀粉末配方的研究 第2 章激光熔覆立铣刀粉末配方的研究 2 1 切削加工对刀具材料的要求 由于铣刀是一种多齿刀具，铣削时，铣刀处在断续切削条件下工作( 图2 1 ) 。 它与连续切削的车刀不同，必须承受反复作用的冲击力，而且刀齿周期性地切 入、切出，刀齿骤热骤冷，周期性的热应力多次反复作用，使铣刀刀齿承受热 疲劳破损，发生崩刃、剥落。这些是在铣削加工中，实现更高效率的重要阻碍。 图2 1 立铣刀的铣削运动 显然，铣刀要有较好的切削性能，刀具材料是满足要求的基本条件。因此， 铣削刀具材料必须具有如下基本性能“： ( 1 ) 硬度：铣削时，铣刀要从工件上切下多余金属层，刀具材料的硬度必 须高于工件材料的硬度，一般铣削刀具材料的常温硬度应在h r c 6 0 以上。 ( 2 ) 耐磨性：即要求铣削刀具材料有较高的抵抗磨损的能力。它直接影响 着铣刀的耐用度，刀具材料的耐磨性不仅取决于硬度，而且，还与其材料的化 学成分和显微组织有关。如碳化物硬质点的硬度越高，颗粒越小，分布越均匀， 则其耐磨性就越高。 北京工业大学工学硕士学位论文 ( 3 ) 强度和韧性：由于铣刀处在切削力作用条件下工作，经常伴随有切削 时的振动和冲击，因此刀具材料必须具有足够的强度和韧性，以减少铣刀的崩 刃和剥落。 ( 4 ) 高温性能：铣刀大都在高温切削区中工作，因此，要求铣刀材料在高 温下仍能保持较高的硬度、强度和耐磨性能。刀具材料的高温硬度和高温强度 越高，刀具的切削性能越好。 ( 5 ) 工艺性：为便于刀具的制造，要求刀具材料应有良好的可加工性，其 中包括进行切削加工、磨削加工、焊接、热处理等性能。 2 2 激光熔覆常用的合金粉末 目前，激光熔覆一般是使用供金属粉末焊接或粉末喷涂用的材料，其类型 包括自熔性合金材料、碳化物或复合材料、陶瓷材料等。这类材料具有优异的 耐磨、耐蚀等性能，通常以粉末的形式使用，在实际应用中尤其以自熔合金粉 末、碳化物粉末和复合粉末应用最广。 自熔性合金粉末大致可以分为以下几类【4 7 】： ( 1 ) 铁基自熔性合金粉末 铁基自熔性合金分有两种类型：一种是奥氏体不锈钢自熔性合金。其熔层 组织由奥氏体和多种碳化物、硼化物等构成。熔覆层有较好的耐磨、耐磨蚀性 能，e e 奥氏体不锈钢( 1 c r l 8 n i 9 t i 、2 c r l 3 ) 耐磨性能优良，加工性能较好。 另一种是高碳高铬型自熔性合金，含有较高的碳和铬，经过共晶生铁，熔 覆层组织中有较多的碳化物、硼化物，硬度、耐磨性很好，并耐腐蚀，但加工 性能较差。 ( 2 ) 镍基自熔性合金粉末 镍基自熔性合金末可分为n i b s i 和n i c 卜b s i 两个系列：一种是n i - b s i 合金，熔覆层的组织由n i s j 固溶体( y 相) 和弥散分布的各种硼化物( y 相) 1 0 。 第2 章激光熔覆立铣刀粉末配方的研究 以及y y 共晶相组成。该合金硬度较低，韧性好，抗高温、耐磨、耐腐蚀性 能好，易于机械加工。 另一种是n i c r - b s i 自熔性合金，其熔覆层的金相组织较复杂。由镍铬固 溶体、镍的硼化物、铬的硼化物等y 相和铬的碳化物、硼的碳化物、钨的碳 化物等硬质相组成。这类合金在5 0 0 时仍有较高的硬度、耐磨、耐蚀性能好， 是采用激光熔覆工艺时常用的粉末材料。 ( 3 ) 钴基自熔性合金粉末 钴基自熔性合金粉末它是以c o 为基本成分，加入c r 、c 以及m o 等元素 组成的合金。c r 元素能固溶在c o 的面心立方晶体中，对晶体既起固溶作用， 又起钝化作用。提高耐蚀性能和抗高温氧化性能，富余的c r 与c 、b 形成碳化 铬和硼化铬硬质相，提高合金硬度和耐磨性。c r 、m o 、w 等元素的加入具有提 高耐磨性的功能。m o 、w 固溶在c o 基体中，能使晶格发生大的畸变，显著强 化合金基体，提高基体的高温强度和红硬性。过量的w 还能与碳形成碳化钨硬 质相，提高耐磨性。钴基的合金的熔覆层组织为c o c r 的y 相固溶体，弥散析 出的铬和钨的碳化物和硼化物。具有耐热、耐磨、耐腐蚀、抗高温氧化等优越 性能。一般在6 0 0 以上的使用温度仍具有很高的红硬性。 ( 4 ) 碳化钨型自熔性合金合金粉末 在滑动磨损、冲击磨损和磨粒磨损严重的条件下，铁基、镍基、钴基自熔 性合金已不能胜任，在上述合金中加入一定百分比的碳化钨，熔覆层不仅具有 高的硬度，而且有高的耐磨性和红硬性，又有一定的韧性。 复合粉末是一种新型的表面强化工程材料，复合粉末按结构可分为包覆型 和非完全包覆型两种，其结构由芯核粉末和包覆粉末构成。由于芯核粉末受到 包覆粉末的保护，可避免在高温时发生部分元素的氧化烧损、失碳、挥发等现 象。储存、运输和使用都较为方便。复合粉末按照功能又可分为硬质耐磨复合 粉末如c o w c ，n i ，w c 等：减磨润滑复合粉末；耐高温复合粉末；耐腐蚀抗氧 北京工业大学工学硕士学位论文 化复合粉末等。 2 3 立铣刀熔覆粉末配方的选择 2 3 1 铣刀的破坏形式 铣削的特点决定了铣刀的破坏主要以下面几种形式出现“： ( 1 ) 刀刃的脆性破坏和剥落 铣削是一个断续加工过程，刀齿受到的机械冲击和温度变化都很大。在切 削时刀具受到的冲击负荷会产生较大的震动。易产生脆性破坏。而刀齿的温度 变化会使切削刃产生热疲劳裂纹则加重了刀刃剥落的倾向。 ( 2 ) 刀刃的磨料磨损 在铣削过程中，铣刀和切屑及工件表面之间的摩擦运动会产生大量的变形 热和摩擦热，使得切削温度高达数百度以上。在巨大的切削压力和很高的切削 温度下，刀齿表面会被切屑或工件表面的一些微小硬质点挤擦和刻划而形成磨 料磨损。并且工件材料的硬度越高，材料中的碳化物硬质点越多，对刀具的磨 料磨损也就越严重。 ( 3 ) 粘结磨损和扩散磨损 在铣削过程中，刀具还易产生粘结磨损和扩散磨损。其中扩散磨损是刀具 磨损加剧的重要原因，温度越高，元素扩散越快，故高温下刀具磨损显著加快。 ( 4 ) 其他磨损形式 当切削温度很高时，刀具的表面还会产生氧化磨损，刀具材料的强度也会 因塑性变形而下降。 2 3 2 用于铣刀粉末材料应有的特点 从上述对立铣刀的工作条件及磨损形式的分析，结合激光熔覆用粉末的特 点，可以得知用于制造立铣刀螺旋刃带的粉末材料应具有以下特点： 第2 章激光熔覆立铣刀粉末配方的研究 ( 1 ) 配方材料要具有自熔性或能提供足够的气体保护 在激光熔覆过程中，首先要对激光加工过程中的材料提供可靠的保护。其 一是可以通过特殊的喷嘴使用保护气对激光加工面进行有效保护；其二是可以 使粉末配方材料具有自熔性。就是材料本身具有自脱氧、自造渣的能力，能不 断地清除工作和粉末颗粒本身表面原有的以及在高温熔化条件下形成的氧化 膜，并使氧化物以熔渣形态浮到金属熔池表面，从而保证熔覆层表面的完整性、 致密性，及与工件基体的良好的冶金结合状态。因此，材料中必须含有硼、硅 两元素。 ( 2 ) 配方材料必须具有良好的抗热疲劳性 在铣削时，刀齿周期性地切入和切出，由于周期性的断续切削过程，而且 骤热骤冷，产生较大的热应力，在这种热应力反复多次作用下，刀具表层材料 达到热疲劳强度极限时，刀面上将出现裂纹，使铣刀产生热裂磨损，因此作为 熔覆铣刀刀刃的粉末材料必须有良好的抗热疲劳性能。 ( 3 ) 配方材料必须具有良好的抗磨损能力 铣削的特点决定了铣刀失效主要是刀刃的磨损，因此粉末材料必须具有良 好的抗磨损能力，这是决定铣刀切削性能的最主要因素。磨料磨损在各种切削 速度下都可以发生，在低速切削条件下，磨料磨损往往是刀具磨损的主要原因， 当切削温度和速度较高时，粘结磨损和扩散磨损的发生则会加剧刀刃的磨损。 因此，首要的是增加刀刃抗磨粒磨损的能力。抗磨粒磨损能力与金属材料的硬 度成线性关系，不过这里的硬度不是材料的原始硬度，而是磨损过程中增加了 的材料表面硬度。一般认为，材料硬度与其耐磨性虽不是呈线性关系，但也是 硬度越高，耐磨性一般也越高。硬度与耐磨性的上述关系在刀具上亦是如此。 铣刀刀刃的抗磨粒磨损能力，主要依靠的是刃面上的硬质点，如碳化物、硼化 物等“。 ( 4 ) 配方材料必须具有高强度、高韧性、高塑性 北京工业大学工学硕士学位论文 铣刀在铣削加工的过程中，刀刃承受着很高的周期性机械应力、热应力， 当这些力达到材料的屈服极限以后，材料就会发生变塑性变形。当铣刀在较高 温度下切削时，不但高速钢铣刀发生退火卷刃，而且硬质合金铣刀也会产生刃 区塑性流动，甚至使切削刃或刀刃变形塌陷，致使刀具的磨损加剧。因此，高 强、高韧性、高塑性对提高刀具的使用寿命十分必要，高温强度更为重要。 ( 5 ) 配方材料要具有良好的抗高温氧化的能力 这些要求有些是互相矛盾的，如自熔性与高温强度、高抗热冲击性、高塑 性，高强度与高塑性，高耐磨性和高韧性、等等。在保证一定自熔性( 严格控 制硼和硅的含量) 的基础上，使材料具有一个强度、韧性、塑性较好、高温强 度较高的强韧基体，表层弥散分布有大量、细小的碳化物、硼化物等硬质相。 为了保证材料具有较好的抗热疲劳能力，还必须控制碳、硼及其他合金元素( 如 镍、钼) 的含量，防止过多的硬质相、低熔共晶相、高合金金属化合物相它晶 界脆性相出现。因为这些相过高，会过早地发生热疲劳和机械疲劳损坏。此外， 还须加入一定量的铬，使材料具有抗高温氧化和腐蚀的能力。 2 4 粉末配方的实验研究 2 4 1实验方法 ( 1 ) 实验设备及工艺 实验所用的激光器为d c 0 3 5c 0 2 激光器和h 3 0 0 6 d n d ：y a g 激光器。采用 同步送粉熔覆。d c 0 3 5 c 0 2 激光器使用功率为2 6 0 0 3 5 0 0 w ，离焦量为+ 4 0 6 0 m m ，扫描速度为o 2 o 5 耐m i n ，送粉速率为1 5 3 0 m i n ：h 3 0 0 6 d n d ：y a g 激光器使用功率为1 8 0 0 2 2 0 0 w ，离焦量为+ 3 5 4 5 m m ，扫描速度为o 2 0 5 r 1 1 m i n ，送粉速率为1 5 3 0 咖i n 。粉末颗粒直径4 5 1 2 5 “m 。 ( 2 ) 实验材料 根据铣削加工的特点，作为刀刃的激光熔覆层必须具备高红硬性、高强韧 1 4 性、高抗疲劳性以及良好的抗冲击性能。钻基合金具有耐热、耐磨、耐腐蚀、 抗高温氧化等优越性能，一般在6 0 0 以上的使用温度仍具有很高的红硬性。根 据立铣刀的特点及以上分析，选择了以钴基合金粉末系列为主进行实验，所选 配方如表2 1 所示。 表2 1 粉末配方的选择实验 组熔覆层能量密度硬度裂纹 气孔 呈! = ! ! ：! ! ! 竺) 哩! q ：2 2 ln o 1o 7 2 24 5 0 一s 2 0 一一 2n o 1 + 1 0 w c c o0 7 2 2 5 3 0 6 8 0 一 3n o 1 + 2 0 w c ，c o0 7 - 2 26 5 0 7 8 0 一 4s t e u i t e 6 o 7 2 24 3 0 4 6 0 5s6 + 1 0 w g ，c oo 7 _ 2 25 2 0 - 6 0 0 一 6s6 + 2 0 w c c o0 7 2 25 6 0 6 8 0 一一 7s t e l l i t e s f 60 7 2 25 2 0 5 4 0 8s f 6 + 1 0 w c ，c o0 7 2 25 5 0 6 2 0 9n o 90 7 2 26 5 0 - 7 1 0一一 1 0s t e u i t e 2 l0 7 2 23 5 0 - 4 0 0 一 一 1 1s 2 1 + 1 0 w c0 7 2 24 2 0 5 0 0一一 1 2s 2 1 + 2 0 w co 7 2 25 5 0 - 6 0 0一一一 1 3s 2 l + 4 0 w co 7 _ 2 26 5 0 - 7 5 0 一 1 4m e t c o1 8 co 7 _ 2 26 0 0 一6 4 0一一一- 1 51 8 c + 1 0 w c ，c o0 7 2 26 6 0 7 5 0一一 1 6d e l o r on 0 5 00 7 2 25 2 0 - 5 8 0 1 7d e i o r on 0 6 0o 7 2 26 5 0 - 7 0 0 - 一 1 8w c c o8 8 1 20 7 2 21 0 0 0 - 1 1 0 0 + 符号表示敏感性严重 上述1 8 种配方中n o 1 和n o 9 是自制配方，前者属c o c r n i m o b s i c ，后者 属c o c r w c b s i 系列；s t e l l 沁6 、s t e l l i t e 2 l 、m e t c o l 8 c 是商用粉，分别属于 c o c r w c 、c o c r n i m o 、c o c r n i m o f e 系列：d e l o r 0 5 0 和d e l o m 6 0 为n i c r b s i c 系列：w c c o 为碳化物的包覆粉。粉末颗粒直径4 5 1 2 5 um 。基体材料选用 a 3 钢，a 3 钢的试样尺寸：1 2 0 r m 1 0 0 r 眦1 0 m m ，热处理状态都为热轧态， 一1 5 一 北京工业大学工学硕士学位论文 表面经铣削加工，丙酮清洗吹干，然后进行熔覆实验。 ( 3 ) 熔覆层检测 熔覆试板经切割、打磨、抛光后制成试样。在p m g 一3 金相显微镜下观察熔 覆层气孔数量，并测量气孑l 的直径。单道时用单位长度的裂纹率计算，大面积 搭接时用单位面积的裂纹长度来计算。用h x d 1 0 0 0 型显微硬度计测量硬度， 负荷为0 2 虹，加载时间1 5 s 。在p m g - 3 金相显微镜下观测熔覆层的组织形貌。 本课题对熔覆层要求的技