1 高速鋼鉆頭和絲錐表面的Co離子注入金屬離子注入到金屬或非金屬零件表面內(nèi)是20世紀(jì)80年代發(fā)明的一種表面改性技術(shù)。金屬離子注入技術(shù)是將金屬蒸氣引入電離室，經(jīng)高壓電場(chǎng)作用進(jìn)行離化和加速，引出大束流金屬正離子流并以極高速度和能量注入表面組織中，通過改變注入工藝參數(shù)可進(jìn)行單元素和多元素金屬的單注或共注。根據(jù)刀具切削性能的要求，可選擇所需的注入金屬元素，以達(dá)到最佳切削效果。對(duì)注入后的表面分析和檢測(cè)表明，已注入金屬元素的表面晶格發(fā)生了嚴(yán)重的畸變和強(qiáng)化，基體表面組織與注入金屬元素離子發(fā)生化合反應(yīng)，形成了金屬化合物和彌散金屬硬質(zhì)相，如氧化物、碳化物和氮化物等，例如注入Ti、Co、C等金屬元素，金屬表面硬度可達(dá)1600~2000HV。注入后形成的硬化改性層深度可控制在幾埃米到幾百納米。此外，該硬質(zhì)層是混合體，沒有傳統(tǒng)涂層的明顯界面，故該硬質(zhì)層與金屬基體有極高的結(jié)合強(qiáng)度，從而提高了改性表面的耐磨性、抗沖擊性和耐腐蝕性。我們對(duì)高速鋼鉆頭、絲錐進(jìn)行Co離子注入并與未經(jīng)注入處理的鉆頭、絲錐作了切削性能對(duì)比試驗(yàn)，注入Co離子絲錐的材料為W6Mo5Cr4V2，尺寸為M10×1 (帶刃傾角)，試件為1Cr18Ni9Ti 不銹鋼，硬度190HB;，抗拉強(qiáng)度642MPa，選用切削速度3.6m/min，澆注乳化切削液，流量5L/min。
　　攻絲過程中，注入Co離子與未注入Co離子的絲錐切削齒后面上的磨損過程如圖1所示，當(dāng)總攻絲長(zhǎng)度為4m時(shí)，注入Co離子的絲錐切削齒后面上磨損量為0.15mm，未注入Co離子的磨損量為0.4mm，因此注入Co離子其絲錐的切削壽命較未注入Co離子的提高1.5~ 2倍。圖2所示為絲錐切削齒后面上磨損形態(tài)。圖2(a)為用注入Co離子的絲錐切削后，刀齒后面沿刀刃處產(chǎn)生的是均勻磨損；圖2(b)為未注入Co離子的絲錐刀齒后面位于刀刃轉(zhuǎn)角處產(chǎn)生了嚴(yán)重磨損并伴隨著崩刃。切削試驗(yàn)表明，絲錐表面經(jīng)過改性處理后，它的耐磨性和抗沖擊性獲得了顯著的提高，其切削齒后面上的磨損是在緩慢和均勻的情況下進(jìn)行。此外，對(duì)f6mm高速鋼鉆頭進(jìn)行注入Co離子處理，用它鉆削1Cr18Ni9Ti不銹鋼材料的孔，在鉆削速度Vc=12m/min、進(jìn)給量f=0.12mm/r、使用乳化切削液等條件下，平均鉆孔數(shù)為423孔，而使用未經(jīng)處理的鉆頭平均鉆孔數(shù)為67孔，因此前者的切削效率是后者的6.3倍。根據(jù)已發(fā)表的資料表明，注入Ti離子的鉆頭的切削壽命是未注入Ti離子的7倍；注入Ti+C離子的盤銑刀的切削壽命較未注入Ti+C離子的提高2~4倍。

圖1 注Co離子與未注Co離子的絲錐切削齒磨損過程

(a)注Co離子絲錐

　　(b)未注Co離子絲錐
　　 圖2 絲錐刀齒后面上磨損形態(tài)

　　2 多元多層超硬涂層絲錐在對(duì)刀具用TiC、Ti8 等進(jìn)行涂層的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步研究了對(duì)刀具進(jìn)行多元多層超硬復(fù)合涂層，其中TiC+TiCN 系列的多元多層復(fù)合涂層已大批量用于刀具涂層，并獲得了良好的效果。目前常用的多元涂層有TiN、TiC、ZrN、TiAlN、DLC，多層復(fù)合涂層有TiCN+TiN、TiN+TiC+DLC、TiN+TiAlN 等，它們的主要物理機(jī)械性能介紹如下。TiCN+TiN：硬度3100~3400HV，膜層綜合了氮化鈦的耐沖擊和碳化鈦的高硬度及耐磨性的特點(diǎn)，膜層與鋼之間的摩擦系數(shù)小，抗氧化溫度達(dá)650~700°C，具有優(yōu)良的物理和機(jī)械性能。TiAlN：硬度3400~3600HV，耐磨性僅低于類金剛石膜，是目前國際工具行業(yè)最為推崇的超硬涂層。ZrN：硬度2000~2100HV，它的耐磨性是TiN涂層的3倍，該膜層與高速鋼基體有很牢固的結(jié)合強(qiáng)度，因此具有很高的耐沖擊性，它的抗氧化溫度為500~700°C，膜層美觀且呈淡金黃色。我們對(duì)上述各類超硬涂層的工藝進(jìn)行了長(zhǎng)期的研究和實(shí)踐，所涂制的各種刀具在使用中都有較好的效果，其中TiCN+TiN 多元多層涂層絲錐在制造汽車零件的自動(dòng)生產(chǎn)線上進(jìn)行了中批試驗(yàn)(350支絲錐) ，其結(jié)果受到上海匯眾汽車制造有限公司很高的評(píng)價(jià)，該涂層絲錐在生產(chǎn)中使用情況如下。TiCN+TiN 多元多層復(fù)合涂層絲錐的規(guī)格為M12×1.5，攻削硬度220HBS 的鑄鐵件螺孔，攻絲速度Vc=6.5m/min，最后切削效果是平均每支絲錐攻制1172個(gè)螺孔，攻絲效率平均提高5.59倍，且該絲錐在攻絲過程中無一斷裂。圖3是在自動(dòng)線上更換下的涂層絲錐，可看出絲錐刀齒后面上僅產(chǎn)生較小且均勻的正常磨損，而在校正齒后面上尚未出現(xiàn)明顯磨損，各刀齒上未見崩刃現(xiàn)象，該絲錐在通常情況下仍可繼續(xù)使用。
　　此外，用TiCN+TiN多元多層復(fù)合涂層涂制f6mm高速鋼鉆頭，選用鉆削速度Vc= 25m/min、進(jìn)給量f=0.12mm/r，使用乳化切削液，鉆削硬度220HBS的40Cr鋼，該涂層鉆頭的切削壽命比涂TiN的鉆頭提高3倍。經(jīng)過不同的膜系和膜厚的組合，對(duì)所制成的涂層刀具進(jìn)行比較試驗(yàn)，其中使用Ti+TiN+TiCN+TiN+TiCN的多元多層復(fù)合涂層的絲錐切削壽命較未涂層絲錐提高4.6倍。

　圖3 TiCN+TiN多元多層復(fù)合涂層絲錐刀齒后面上磨損情況

　　3 影響涂層刀具切削性能的因素在使用新型高性能涂層刀具時(shí)，可能出現(xiàn)達(dá)不到預(yù)期的切削效果，這是有許多因素造成的。例如涂層設(shè)備、工藝及涂層技術(shù)、質(zhì)量和性能等，有些因素可通過長(zhǎng)期實(shí)踐及進(jìn)一步研究、改進(jìn)來逐漸解決。
　　有關(guān)涂層質(zhì)量方面問題 在進(jìn)行多元多層復(fù)合涂層前，需要重點(diǎn)探索和解決多層金屬元素之間的最佳配合、膜層的先后次序及其不同的厚度，合理控制涂層的工藝參數(shù)及應(yīng)力問題。并要對(duì)涂層膜進(jìn)行抽樣檢測(cè)，測(cè)定膜層厚度、分布均勻性、結(jié)合力、耐磨性和硬度等物理機(jī)械性能。有關(guān)刀具基體質(zhì)量方面問題 在高質(zhì)量刀具基體上進(jìn)行高質(zhì)量涂層，才能有高性能涂層刀具。確保刀具基體的質(zhì)量，應(yīng)重視及控制刀具坯料的成分、含量及刀具的精加工工藝、熱處理后的基體組織和硬度，我們?cè)鴮?duì)同一規(guī)格和精度但不同制造廠的兩種絲錐進(jìn)行多元多層復(fù)合涂層，這兩種絲錐在使用時(shí)的切削壽命就有0.3~0.5倍的差別。此外，有些絲錐經(jīng)精加工后，在刀刃上存在細(xì)微缺口，這些缺口會(huì)導(dǎo)致無法成膜或膜破裂，因而使用時(shí)產(chǎn)生崩刃或刃口裂痕。切削刀具的結(jié)構(gòu)與幾何參數(shù) 這也是影響涂層刀具切削性能的重要因素，例如我們?cè)謩e用帶刃傾角和不帶刃傾角絲錐進(jìn)行注入Co離子處理，它們分別在相同條件攻制不銹鋼螺孔，帶刃傾角又注入Co離子的絲錐切削壽命明顯提高。另外，分別使用前角gf≈29°和gf<10°又注入Co離子的絲錐切削，它們的切削效果均不太顯著?？傊瑢?duì)新型高性能涂層刀具的推廣應(yīng)用，不僅要嚴(yán)格保證改性涂層的質(zhì)量，而且更應(yīng)保證刀具基體的質(zhì)量和性能。