离子注入在硬质合金刀具中的应用.docxVIP

离子注入在硬质合金刀具中的应用余米香范洪远熊四川大学计摘要:论述了离子注入技术在硬质合金刀具上的应用,认为离子注入可以通过增加显微硬度、产生残余压应力和降低摩擦系数来提高刀具耐用度,并展望了该领域的技术发展。关键词:离子注入,硬质合金,刀具,耐用度ApplicationofIonImplantationinCementedCarbideToolsYuMixiangFanHongyuanXiongJiAbstract:Thispaperdiscussedtheapplicationofionimplantationtechnologyinthecarbidetools.Ionimplantationcanen2hancedthedurabilityofthecuttersbyincreasingmicrohardness,comingintobeingresidualcompressivestressandreducingtheco2efficientoffriction.Andtheexpectationofthisfiled’sdevelopmenthasbeenmade.Keywords:ionimplatation,cementedcarbide,cutter,durability个系统必须保持真空状态,避免离子中性化和外来原子(分子)对注入的影响,以便得到最佳的均匀1引言性6随着现代机械加工业朝着高精度、高速切削、硬加工代研磨、干加工(无冷却液)、环保以及降低成本等方向发展,其对刀具性能也提出了更高的要求。开发各种耐磨性能优越,可长时间稳定加工的切削刀具是必然的发展方向1。硬质合金作为一种工具材料,由于具有高硬度、高强度、高弹性模量、耐磨损和耐腐蚀等性能,已广泛应用于各种切削工具、矿用工具和耐磨耐蚀零部件2～4等领域。为了适应各种服役条件,提高使用效率,人们开发了硬质合金刀具涂层。它作为一个化学屏障和热屏障,减少了硬质合金刀具月牙的磨损。涂层具有很高的摩擦系数,因而可以显著地提高刀具的使用寿命5,但是涂层与基体间附着力差的问题一直阻碍着涂层刀具的发展,而离子注入可以很好地解决这个问题。。在20世纪80年代中期,一些研究人员开始探索将离子注入作为一种改进切削刀具的方法。现在已经有人进行了在硬质合金刀具上离子注入的研究7～10,并发现离子注入后的硬质合金刀具的切削性能和寿命都得到了提高,而且离子注入能大幅度提高刀具耐用度,提高幅度从50%到4倍不等。本文主要评述了离子注入对硬质合金刀具的耐用度的影响。C、N等离子注入对刀具显微硬度的2影响离子注入相对于物理气相沉积(PVD)和化学气相沉积(CVD)而言,具有独特的优越性。离子注入使固态材料表面及近表面区的化学组成和微观结构发生一定程度的改变,这些变化促使新亚稳相和化合物的形成,使改性后材料的硬度、摩擦磨损、疲劳、腐蚀等表面机械性能得到巨大地改善11～13。产生这些变化的原因是,高能粒子的轰击作用产生的辐射相变强化、结构差异强化、位错强化、弥散强化和细晶强化等多种强化作用使材料内部形成晶格缺陷,从而改善了基体的表面机械性能。可进行离子注入的离子的种类很多,但用于硬质合金刀具上的目前主要有:非金属离子碳(C)、氮(N)、氟(F)、氯(Cl)、溴(Br)等,以及金属离子镁(Mg)、铝(Al)、钛(Ti)、镍(Ni)、钨(W)等。硬质合金刀具的离子注入以N、C等离子的注入最具代表性。有些人还研究过双离子注入14～16。图1离子注入示意图离子注入是指在离子注入机中把离子加速成具有几万至几十万(甚至几百万)电子伏能量的束流,注入到固体材料的表层内,获得高硬度(2000-4000HV)的硬化表层,如图1所示。离子注入的整收稿日期:2007年11月492008年第42卷№6高21,22硬质合金刀具进行N离子注入后,会使其表面硬度得到提高。摩擦试验表明,表面越硬,磨损量越少,并且耐磨性可以提高4～6倍17,从而明显地增加了刀具的耐用度。这是由于N离子注入硬质合金刀具中,使WC的晶面间距增加,同时也形成了Co3O4新的析出相;它在Co粘结相中形成的金属间化合物,减少了Co的塑性流动,从而阻止了Co粘结相的移动18。可动的间隙原子N,在磨损期间产生了牵制和阻碍位错运动的作用,形成了硬表面层。这种作用的连续性是由于在磨损过程中产生的高温和应力条件下,注入的N原子可以向内部迁移,使实际耐磨层增厚19,即提高了刀具的表面硬度和耐用度。表1给出了N离子注入硬质合金的硬度测量结果。。离子注入固体表面后,引起了显微组织的变化,使刀具表面上的残余应力从拉应力转变为压应力。由于表面残余压应力的产生,阻碍了位错和滑移带的运动,从而延缓了磨损过程中裂纹的萌生和扩展,因此能减少崩刃磨损23。离子注入产生残余压应力的原