一、引言 切削加工是基本而又常用的精密加工手段，在機械、電機、電子等各種產(chǎn)業(yè)部分中都起著重要的作用，決定切削加工效率的因素很多如機床、刀具、工件等，其中刀具是最活躍的因素。而刀具耐用度的高低、刀具消耗和加工成本的多少、加工精度和表面質(zhì)量的優(yōu)劣等等，在很大程度上取決于刀具材料的機械性能和加工性能，因此人們不斷地研究開發(fā)新的刀具材料。但新材料的開發(fā)速度常常與現(xiàn)代切削加工生產(chǎn)要求存在一定的差距，如在高速切削300～1000m/min切削鋼、90～200m/min切削鈦合金等要達到這樣高的切削速度，就要發(fā)展具有更加優(yōu)異的高溫力學性能、高化學穩(wěn)定性和熱穩(wěn)定性及高溫熱抗振性的刀具材料，加速刀具材料的研究與開發(fā)，合理選用刀具材料是推動高速切削技術廣泛應用的重要前提。 激光加工是激光應用的首要領域，在此領域中激光對物體材料的強化處理占有很重要的位置，特別是對材料表面可進行多種強化處理。 在刀具材料改性中主要應用的是熔化處理，熔化處理是金屬材料表面在激光束照射下成為溶化狀態(tài)，同時迅速凝固，產(chǎn)生新的表面層。根據(jù)材料表面組織變化情況，可分為合金化、溶覆、重溶細化、上釉和表面復合化等。激光熔凝是用適當?shù)膮?shù)的激光輻照材料表面，使其表面快速熔融、快速冷凝，獲得較為細化均質(zhì)的組織和所需性質(zhì)的表面改性技術。它具有以下優(yōu)點： 1.表面熔化時一般不添加任何金屬元素，熔凝層與材料基體形成冶金結(jié)合。 2.在激光熔凝過程中，可以排除雜質(zhì)和氣體，同時急冷重結(jié)晶獲得的雜志有較高的硬度、耐磨性和抗腐蝕性。 3.其熔層? ⑷茸饔們。員礱媧植詼群凸ぜ嘰纈跋觳淮蟆Ｓ惺笨剎輝俳瀉笮ス舛苯郵褂謾? 4.提高溶質(zhì)原子在基體中固溶度極限，晶粒及第二相質(zhì)點超細化，形成亞穩(wěn)相可獲得無擴散的單一晶體結(jié)構(gòu)甚至非晶態(tài)，從而使生成的新型合金獲得傳統(tǒng)方法得不到的優(yōu)良性能。 5.光束可以通過光路導向，因而可以處理零件特殊位置和形狀復雜的表面。 二、刀具材料激光表面改性國內(nèi)外研究概況 目前國內(nèi)外與此相關的文獻較多，如利用XeCl準分子激光器（波長308nm）照射Al2O3-SiC納米復合陶瓷試樣，能量密度在0.8J/cm3～6.0J/cm3范圍內(nèi)，照射后，表面缺陷消除，形成連續(xù)分布的光滑平整的熔化層，并出現(xiàn)亞穩(wěn)相γ-Al2O3，由于表面形貌的改善和結(jié)構(gòu)的變化,使表面韌性得到提高。W18Cr 4V車刀表面經(jīng)激光涂覆處理后，對于深切削、快速切削和切削特硬，耐磨性有明顯的提高，若以后刀面磨鈍為標準,提高近250％；若以前刀面磨鈍為標準,提高200％；若以破損為標準，提高近100％。此外車刀前刀面激光處理后，后刀面的耐磨性有明顯增長；后刀面激光處理后，前刀面抗月牙洼磨損能力也有一定的提高，但增長幅度不及前者。北京工業(yè)大學的宣崇武、張連寶利用激光表面合金化新技術，改變木材加工刀片的表面成分，以提高刀片韌性。激光表面合金化所得的合金化層與刀片基體之間是一種冶金結(jié)合，結(jié)合力優(yōu)于各種噴涂層。最佳產(chǎn)品一次刃磨平均產(chǎn)量<20t，但刀片本身折損率>30％。激光合金化處理后的刀片，一次刃磨壽命比最佳產(chǎn)品平均提高3倍左右，且刀刃不崩、不卷、不折斷，稍加磨刃可繼續(xù)使用。無錫冶金機械廠的李良福在用激光加工法提高刀具耐用度的經(jīng)驗證實，激光強化對改善各種刀具的工作能力有較好的效果。例如T8A、T10A、CrWMn和9Cr鋼模具的耐用度可提高若干倍，成型模的壽命較一般熱處理后的使用壽命可提高15-19倍，較氮化鈷耐磨層的模具提高0.5-1倍。前蘇聯(lián)曾對WC85%+Co15%和WC92%+Co8%兩種硬質(zhì)合金粉末進行激光熔覆試驗，使用35-30J的固體脈沖激光和0.1，0.5，1-3Kw的連續(xù)CO2激光器，掃描速度2.2-17mm/s，在Y8A工具鋼基體上熔覆（WC92+Co8）粉末所得最高顯微硬度為HV1180。KJ.Schmaxtjko利用準分子激光對陶瓷材料(Al2O3、ZnO2、Si3N4)的表面直接進行重熔改性，結(jié)果表明：陶瓷材料的表面粗糙度從激光改性前的10-15μm，下降到1-4μm，且孔隙率大大下降。A.Detitbon的重熔方式可使表面裂紋和孔隙至少下降50%。 最近幾年，激光對各種刀具材料表面強化都有不同程度的報導[5,6]，也有人直接研究了激光對高速刀具的表面強化，雖然激光合金化和熔覆陶瓷層已經(jīng)取得了關鍵性的進展，但是在工業(yè)實際批量化應用較少，特別是在刀具材料改性方面。 三. 目前激光強化技術在民用刀具制造的應用 民用刀具量大面廣，有：廚刀、剪刀、剃須刀、粉碎刀等，目前刀具失效原因主要在刀刃，如刃口磨損、崩刃、腐蝕等，為了達到經(jīng)久耐用的目的，一般制造工藝方法是：1）采用整體高性能合金材料，如高速鋼等2）采用復合鋼，如復合鋼板刀剪等3）刃口鑲焊硬質(zhì)合金材料，如硬質(zhì)合金、陶瓷、高速鋼等。前兩種方法原材料要求較高，制造成本較高；而后者由于鑲焊往往為材料硬脆性材料，給制造工藝帶來困難，如硬質(zhì)合金與基體的鑲焊強度、硬質(zhì)合金鑲焊長度有限等，使用壽命受到影響。 激光堆焊是繼激光熔覆技術上發(fā)展起來的一項新的激光加工技術，借鑒傳統(tǒng)的堆焊技術優(yōu)點，用大功率激光為加熱源，對同步送入的合金焊絲與基體表層同時快速熔化，得到和基體完全冶金結(jié)合的并具有特殊性能（耐磨、耐蝕、耐熱等）的表層，形成復合層，用于制造雙金屬刀具。而激光合金化則是在基體的表面熔融層內(nèi)加入合金元素，從而形成以基材為基礎的新的合金層，達到表面改性，刃口強韌化的目的。 綜合上述技術的優(yōu)點，把這一技術應用于刀具材料表面強化處理，則是提高刀具耐磨性及其使用壽命的重要途徑之一，尤其對于陶瓷、硬質(zhì)合金刀具這種高硬度、耐熱性好等優(yōu)點，有利于提高加工效率和加工精度，并能對難加工材料如淬火鋼在不利的加工條件下進行切削加工。由于它們強度相對較低，韌性和可$&*性較差，嚴重地限制了它們的應用范圍，因此把激光表面強化技術應用于陶瓷、硬質(zhì)合金刀具具有深刻的研究意義和廣闊的應用前景。 目前，國內(nèi)外提高刀具抗磨損的方法主要分為兩類：一種是常規(guī)的表面處理法，如采用非常規(guī)的表面淬火方法、激光熔覆的方法（覆層的合金粉多為Ni、Co基自熔合金或添加粗顆粒的碳化鎢或者采用激光厚層熔覆，這類方法比較適用于磨粒磨損很高的工況，例如，礦山、石油、農(nóng)機等采掘工具）等，其存在的缺點就是易產(chǎn)生裂紋等缺陷。另一種是最近發(fā)展起來的涂層刀具，此類方法的缺點就是沉積涂層較? Ｕ飭街址椒ǘ加釁洳煌潭鵲娜鋇恪Ｇ罷呤峭ü牧媳舊矸⑸南暈⒆櫓淅刺岣哂捕燃澳湍バ裕蚨歡蘊幾鐘行В雜倉屎轄稹⒏咚俑植牧系牡毒卟牧隙栽蛐Ч幻饗裕捎煤笳卟喚鐾坎憬媳。坎慍粱奔浣銑ぃ沂導適褂彌諧３７⑸湎窒蟆? 以下為激光表面強化技術在刀具材料改性中的應用實例。 3.1 家用廚刀激光熔覆表面改性 采用激光涂層在常用的不銹鋼廚刀刃口進行薄層快速熔覆，得到涂覆層均勻、高耐磨的刀具刃口，代替?zhèn)鹘y(tǒng)的刀具生產(chǎn)工藝，改造其產(chǎn)業(yè)提高刀具（廚刀）產(chǎn)品的內(nèi)在質(zhì)量和附加值。通過對涂層材料的配比、激光涂層性能等方面的分析研究，開發(fā)出與“懶漢刀”同等水平的廚刀并將其實用化。通過優(yōu)化工藝采用預置式合金粉末得到了無裂紋、一定硬度涂層的厚度、變形? ⒒鼗鶇娜鋅凇？梢鑰闖觶鄹膊憔雀哺竊詰度猩稀? 對斷面分析，從外向內(nèi)可以明顯的看出分為4個區(qū)域：熔覆層、硬化過渡區(qū)、回火區(qū)和基體材料。 3.1.1 熔覆區(qū) 該區(qū)以涂層材料為主要成分，硬度較高HV990-1300，厚度0.02-0.08mm，其中大量未熔的硬質(zhì)顆粒，起到了彌散強化的作用。涂層過厚易形成裂紋，影響使用，通過優(yōu)化工藝參數(shù)，得到了既無裂紋、硬度高、表面光潔，與基體呈良好冶金結(jié)合的涂層，而這一涂層正是提高刃口磨損性能的關鍵。 3.1.2 硬化過渡區(qū) 這一區(qū)域包含與熔覆層相接的合金化層，與回火區(qū)相接的淬火區(qū)，占硬化層的80%，硬度層硬度平緩過度，組織主要是過度細化的馬氏體和碳化物。 3.1.3 回火區(qū) 由于掃描速度的加快，回火區(qū)變窄，組織為索氏體及碳化物。回火區(qū)的存在有利于保持刃口的韌性，在高硬度沖擊情況下不至于斷裂。 3.2 激光熔滲納米改性強化刀具 激光熔滲是一種結(jié)合激光熔覆工藝和激光合金化工藝的表面改性的方法。將其運用到園林刀具生產(chǎn)過程中，可以對不同類型的刀具進行激光表面改性強化。納米材料較之微米級材料具有更好的力學性能，涂覆于基體表面的納米合金粉在高密度的激光束作用下快速熔凝，以部分納米硬質(zhì)合金顆粒滲入到基體材料當中，起到了微合金化作用，而刀具表面又可以獲得納米晶的覆層，因而不僅提高了強韌性及耐磨而且還加深了刀具刃口的硬度層深，延長了刀具的使用壽命。 刀片經(jīng)過激光處理后，在表層形成明顯的硬化層，硬度呈現(xiàn)梯度變化，心部仍保持原來的組織。這樣使得表層硬而耐磨，芯部保持韌性，而且運轉(zhuǎn)過程有“自銳性”效果，使得刀片的使用壽命延長。該刀片的厚度為1.5mm，硬化層深度為0.18mm，表層白亮層為合金碳化物，馬氏體,硬度為HV0.2 820-766，心部為回火屈氏體，硬度為HV316 。 四、激光強化技術在刀具材料改性應用的展望 目前國內(nèi)外對工程陶瓷與硬質(zhì)合金材料的研究有一定的進展，另一方面激光對刀具進行表面強化處理屬當前機械加工領域的前沿，用強激光束對代替某些熱處理是一種有效的方法，結(jié)合當前納米技術的發(fā)展，在這三個方向的基礎上找到它們的結(jié)合點，參照同類近似的研究方法，對陶瓷、硬質(zhì)合金的激光強化機理及技術進行研究，提出了在以后研究工作中將通過對高耐磨/耐蝕/耐熱納米硬質(zhì)粉材（陶瓷、復合材料等）的研制及配比、激光納米強化層性能、激光厚層堆焊工藝與硬質(zhì)合金材料等方面的分析研究，針對不同刀具采用相應的工藝，利用普通的刀具材料開發(fā)出提高刀具刃口強韌性、耐磨性及使用壽命的新產(chǎn)品，獲得對各種刀具類材料激光堆焊復合、納米合金熔滲及產(chǎn)品化實用化的總體工藝技術，使其能滿足實際生產(chǎn)的復雜要求，尤其是克服陶瓷刀具材料脆性大、可靠性低等缺點，為改進硬質(zhì)合金和陶瓷材料增添了一條有效的途徑。 相信激光合金化表面強化技術在刀具材料改性中具有廣泛的應用范圍和廣闊的應用前景。