摘要：高温合金具有优良的综合性能并获得了广泛应用，但因高硬度和高强度，使其在加工方面存在一些困难，对刀具的性能要求也越来越高。本文介绍了高温合金的切削和刀具的表面强化技术。
关键字：高温合金；切削；刀具；表面强化
Superalloy cutting and tool surface strengthening technology
Ma Chunchun1, 2, Yu Yueguang2, Zhang Deming2,
Wang Hui2, Li Zhengqiu2
(1. School of Materials Science and Engineering, Northeastern University, Shenyang 110819, China;
2. BGRIMM Technology Group, Beijing 100160, China;)
Abstract: High temperature alloy has excellent comprehensive performance and has been widely used. Due to its high hardness and high strength, it has some difficulties in processing, and the performance requirements of cutting tools are also getting higher and higher. This paper introduces the cutting technology of superalloys and the surface strengthening technology of cutting tools.
Key words: High temperature alloy; Cutting; Cutter; surface strengthening
0 引言
高温合金具有优良的综合性能，广泛地应用于航空领域，特别是用于制造航空发动机压气机盘、涡轮盘等承受高温的大载荷部件[1-3]。
高温合金的切削加工特点主要是切削力大、切削温度高、切削变形大及刀具易磨损等，传统加工高温合金中常用到含亚硝酸盐等有害成分的切削液[4]。随着环保要求越来越严格，切削液的使用受到限制，国内外开始用高速干式切削方式[5]，陶瓷、CBN及涂层刀具[6-9]以及超声振动切削[10]来加工高温合金。
1高温合金切削刀具材料的选择[11-13]
刀具材料大致分为：1)高速钢，具有较高的热稳定性、强度，但硬度和耐磨性较差；2)硬质合金及涂层刀具，具有很高的硬度和耐磨性，切削性能较好，但冲击韧性较差；3)非金属刀具，主要包括陶瓷刀具以及立方氮化硼刀具等，硬度和耐磨性极高，具有很好的耐高温性能，但脆性较大，抗热冲击性能和断裂韧性较差，仅适用于刚度很高的机床加工。
高温合金加工时要求刀具具有高硬度、高强度和良好的韧性，还对化学稳定性、导热性等有严格的要求。普通硬质合金刀具用于切削高温合金的切削速度范围为20-50m/min，由于切削区的高温和高压，速度达到50m/min后，容易产生软化和刀刃的变形，从而刀具失效。涂层硬质合金刀具具有较好的耐磨性和强度，可使切削速度达到50～80 m/min。
2 刀具表面强化技术
金属切削加工要求刀具具有高切削速度、高进给速度[14]、高可靠性和良好的切削控制性。为达到以上要求，刀具表面处理一般为气相沉积、离子注入、渗氮、激光改性和电子束改性等，复合表面处理技术在刀具材料表面处理中发挥着重要的作用。
2.1 高速钢刀具表面处理
2.1.1 高速钢刀具等离子体表面处理
离子镀技术用于高速钢刀具表面处理兼具了电镀、蒸发镀和溅射镀的优点，膜层致密均匀、附着强度高、覆盖能力强、无脆性，能成功地沉积多种超硬涂层。高速钢切削刀具经离子镀氮化钛后，寿命可延长几倍至几十倍，而且加工光洁度较高。
等离子体渗氮应用于高速钢刀具中，由于高速钢含碳量高，渗氮所得渗层硬度虽高，但较脆，刀口易崩裂。
离子注入N、C、B、Ti及Ti+C等可改善材料的摩擦学性能，提高刀具的使用寿命，有明显的经济效益，应用最广泛的是离子注入氮技术。高速钢三角花键插刀经离子注入氮后，加工40Cr钢工件上的键槽，耐用度提高4-9倍。
2.1.2高速钢刀具复合表面处理
单一表面处理技术越来越难以满足切削刀具的要求，复合表面处理技术开始应用于刀具表面处理。超硬高速钢M42制造的齿轮插齿刀[15]，经多弧离子镀TiN，再离子注入N，最后离子注入C，在表面形成一层类金刚石膜，经处理的插齿刀，加工由35Cr2Ni4Mo钢制造的硬度为52HRC的齿轮，其耐用度较单纯多弧离子镀TiN的提高6倍以上，已在生产中应用。
Sato等[16]对SKH57高速钢进行等离子体渗氮并在同一反应室中进行TiN涂层，所得涂层与基体的结合强度高于未经渗氮处理的TiN涂层。经试验证实，复合处理的工具性能显著优于涂层TiAlN工具。
2.2 硬质合金刀具表面处理
2.2.1硬质合金刀具化学气相沉积
CVD沉积硬质膜层表面处理是利用气态物质在热基体表面进行化学反应，生成固态沉积物的过程，整个反应建立在热力学基础上[17]。
孙方宏等[18]采用电子增强热丝EACVD法，以WC-Co硬质合金刀具为衬底制备金刚石涂层刀具，发现采用Ar-H2微波等离子体刻蚀脱碳预处理方法对于提高金刚石薄膜涂层的附着力有明显效果，添加适量粘结促进剂，可有效地抑制CVD沉积过程中Co向表层扩散引起的催化石墨化作用。
2.2.2 硬质合金刀具物理气相沉积
Prengel等[19]采用高能离子溅射工艺在硬质合金刀具上沉积的PVD-TiAlN涂层，具有致密的微观结构和高的界面结合强度，经切削、钻削和铣削试验，发现其性能显著优于传统的气相沉积涂层。
2.2.3 硬质合金刀具电子束辐照处理
电子束照射可以改善材料的表面组织形貌，获得不同于基体的新颖性能。Ivanov[20]等对WC-15TiC-6Co金属陶瓷刀片在低能、高电流电子束下辐照，使近表面的表层熔融，在粘结相中形成亚晶粒组织，在近边界区域出现纳米碳化物粒子的析出，而且WC发生了同素异构转变，刀片的使用寿命提高了3倍。
2.2.4 硬质合金刀具复合表面处理
硬质合金刀具经过复合表面处理后，其涂层组织、膜基结合强度、使用性能均显著优于单一表面处理的刀具。
Larsson等[21]采用电子束气相沉积和磁控溅射复合技术在WC-Co金属陶瓷基体上沉积的多层TiN/NbN涂层，当其厚度为10μm/5μm时，具有超点阵的组织，此类涂层主要为具有立方NaCl结构、组织致密的柱状晶。
Nordin[22]等采用电子束气相沉积和磁控溅射结合起来的复合技术制备的多层PVD-TiN/CrN涂层，完全是NaCl立方结构，显微组织致密，涂层与基体的结合强度高。
2.3 金属陶瓷刀具
金属陶瓷由于高的硬度、稳定的相组织和抗磨损性能，主要应用于切削刀具、拉丝模、耐磨零件和矿用工具等。
2.3.1金属陶瓷刀具化学气相沉积
Suzuki等[23]采用CVD法对WC-6%Co金属陶瓷刀片进行沉积，获得3-4μm的TiC涂层，发现在涂层与WC-Co界面周围形成了Co6W6C，其上面是50-100nm的TiC薄膜，在薄膜中还探测到有W原子存在。
2.3.2 金属陶瓷刀具渗氮处理
金属陶瓷烧结后进行渗氮处理，可在表面形成一定厚度的渗氮层[24]，而且表面区域晶粒明显细化，表面硬度和耐磨性大幅度提高，高温下抗塑性变形能力明显增强。
Konyashin[25]等开发了TiCN-Ni-Mo和TiCN-WC-Ni-M金属陶瓷在含氧氮气中进行渗氮的新技术。与传统的渗氮处理技术相比，可缩短渗氮时间，加速表面渗氮层形成，大幅提高金属陶瓷工具的寿命。他们将金属陶瓷在一定氧含量的氮气混合气体中进行渗氮处理，氧气量通过改变混合气体的流量来控制。处理后表面形成了厚度＞20μm、富含TiN的表层，维氏硬度接近TiC，硬化层下面的硬度低于材料内部的硬度。硬化层中富含Ti；而硬化层下面的软化层富含Ni和Mo及少量的Ti基硬质相。通过对碳钢的精加工试验，发现经过渗氮处理的刀具的使用寿命提高了1.5-2.5倍，而横向断裂强度和韧性没有下降。
2.4 陶瓷刀具表面处理
与金属陶瓷相比，陶瓷材料具有更高的硬度、红硬性和耐磨性。因此，加工钢材时陶瓷刀具的耐用度为金属陶瓷刀具的10-20倍，其红硬性比金属陶瓷高2-6倍，且化学稳定性、抗氧化能力等均优于金属陶瓷，应用于超高强度钢、镍基合金与镍基喷涂材料等难加工材料的切削加工。
杨巧勤[26]等采用热丝CVD法在氮化硅刀具上沉积金刚石膜，经内应力消除处理、机械研磨和抛光，制成超精加工刀具。用它在武汉复印光电导材料厂车削复印硒鼓，结果表明，被加工的表面不平度<0.1μm，粗糙度达到了Ra0.04μm，加工光洁度和刀具寿命达到了单晶金刚石刀具的水平，实现以车代磨，直接加工成镜面。
结论
高温合金由于强度高、抗冲击、耐高温以及耐腐蚀等优越的综合性能获得广泛应用。高温合金的切削加工特点使其对切削的要求也越来越高，因此刀具的发展也越来越受到关注。通过对刀具材料的选择和设计，并加以表面处理技术尤其是多涂层及复合表面处理技术可以获得高性能的刀具，满足高温合金的切削要求。
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