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　　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是20世紀80年代發明的一種表面改性技術。金屬離子注入技術是將金屬蒸氣引入電離室，經高壓電場作用進行離化和加速，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可進行單元素和多元素金屬的單注或共注。根據刀具切削性能的要求，可選擇所需的注入金屬元素，以達到最佳切削效果。對注入后的表面分析和檢測表明，已注入金屬元素的表面晶格發生了嚴重的畸變和強化，基體表面組織與注入金屬元素離子發生化合反應，形成了金屬化合物和彌散金屬硬質相，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，該硬質層是混合體，沒有傳統涂層的明顯界面，故該硬質層與金屬基體有極高的結合強度，從而提高了改性表面的耐磨性、抗沖擊性和耐腐蝕性。我們對高速鋼鉆頭、絲錐進行Co離子注入并與未經注入處理的鉆頭、絲錐作了切削性能對比試驗，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，當總攻絲長度為4m時，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。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角處產生了嚴重磨損并伴隨著崩刃。切削試驗表明，絲錐表面經過改性處理后，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行。此外，對f6mm高速鋼鉆頭進行注入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、進給量f=0.12mm/r、使用乳化切削液等條件下，平均鉆孔數為423孔，而使用未經處理的鉆頭平均鉆孔數為67孔，因此前者的切削效率是后者的6.3倍。根據已發表的資料表明，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

　　2 多元多層超硬涂層絲錐在對刀具用TiC、Ti8 等進行涂層的基礎上，進一步研究了對刀具進行多元多層超硬復合涂層，其中TiC+TiCN 系列的多元多層復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，多層復合涂層有TiCN+TiN、TiN+TiC+DLC、TiN+TiAlN 等，它們的主要物理機械性能介紹如下。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，膜層與鋼之間的摩擦系數小，抗氧化溫度達650~700°C，具有優良的物理和機械性能。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合強度，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。我們對上述各類超硬涂層的工藝進行了長期的研究和實踐，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生產線上進行了中批試驗(350支絲錐) ，其結果受到上海匯眾汽車制造有限公司很高的評價，該涂層絲錐在生產中使用情況如下。TiCN+TiN 多元多層復合涂層絲錐的規格為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是在自動線上更換下的涂層絲錐，可看出絲錐刀齒后面上僅產生較小且均勻的正常磨損，而在校正齒后面上尚未出現明顯磨損，各刀齒上未見崩刃現象，該絲錐在通常情況下仍可繼續使用。
　　此外，用TiCN+TiN多元多層復合涂層涂制f6mm高速鋼鉆頭，選用鉆削速度Vc= 25m/min、進給量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。經過不同的膜系和膜厚的組合，對所制成的涂層刀具進行比較試驗，其中使用Ti+TiN+TiCN+TiN+TiCN的多元多層復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，可能出現達不到預期的切削效果，這是有許多因素造成的。例如涂層設備、工藝及涂層技術、質量和性能等，有些因素可通過長期實踐及進一步研究、改進來逐漸解決。
　　有關涂層質量方面問題 在進行多元多層復合涂層前，需要重點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及應力問題。并要對涂層膜進行抽樣檢測，測定膜層厚度、分布均勻性、結合力、耐磨性和硬度等物理機械性能。有關刀具基體質量方面問題 在高質量刀具基體上進行高質量涂層，才能有高性能涂層刀具。確保刀具基體的質量，應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，我們曾對同一規格和精度但不同制造廠的兩種絲錐進行多元多層復合涂層，這兩種絲錐在使用時的切削壽命就有0.3~0.5倍的差別。此外，有些絲錐經精加工后，在刀刃上存在細微缺口，這些缺口會導致無法成膜或膜破裂，因而使用時產生崩刃或刃口裂痕。切削刀具的結構與幾何參數 這也是影響涂層刀具切削性能的重要因素，例如我們曾分別用帶刃傾角和不帶刃傾角絲錐進行注入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。總之，對新型高性能涂層刀具的推廣應用，不僅要嚴格保證改性涂層的質量，而且更應保證刀具基體的質量和性能。