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磨 削是精密零件的一种传统加工操作。但是,该工艺在某些场 合对环境不友好,且加工成本高。与有明显切削形状的加工不同,磨削使用结合在轮心上形状和取向都不规则的磨粒来切削材料。因此,磨削总是伴有材料切除率 低、能耗大和需要冷却剂(废物之源)等问题。随着超硬立方氮化硼(CBN)等先进陶瓷的开发,加工淬硬钢(>55HRC)( 工业术语叫做硬加工)的研究相应地开展起来,以便提供磨削的替代工艺<1>。经过20年的研究,采用CBN刀具的硬加工虽然被用来代替一些粗 磨,但因刀具耐用度低、刀具成本较高,尤其是精加工,其应用仍然有限。因此,改善CBN刀具性能一直是扩大硬加工应用的关键之一。本研究探讨了精硬加工用 CBN刀具的离子注入。目的是将刀具表面的CBN部分转变成六方氮化硼( HBN)——一种固体润滑剂,从而改善加工的摩擦状况。离子注入就是将高能离子射入工件表面层,形成亚稳纳米结构,通常具有用其它方法所不能获得的高硬度 和性能<2>。注入离子的深度分布通常从几纳米到几百纳米不等,主要取决于离子类型、离子能和剂量、以及靶材。注入离子会改变注入区的化学成 分,引起剧烈的显微组织变化。此外,由于辐射增强的偏析和扩散,点缺陷和位错环等显微组织变化区的延伸范围可能远远超过注入区,使注入影响区达到几微米左 右。注入表面的化学、机械和显微组织性能的重大变化又能改变摩擦学特性。离子注入的优点包括无尺寸变化、梯度功能性能、无黏附问题和处理温度低等因素。但 是,离子注入也有注入区浅薄、峰值浓度有限、工艺的视线性,不易注入形状复杂的工件等缺点。离子注入广泛地应用于半导体工业中的硅片制造。在机械零件以及 外科假体等生物医学有耐磨性要求的场合也有应用。此外,金属加工行业也利用离子注入来改进模具。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。许多研究都报道刀具耐用度有显著的提高。有一批文献(50多篇)涉及高速钢、硬质合金和涂层刀具,但有关陶瓷刀具材料的文献 甚少。不过,近来有结构陶瓷经离子注入应用于摩擦场合。下面评述刀具和陶瓷的离子注入。目的是查明离子注入改善刀具耐用度的机理,以供将来研究刀具离子注 入时参考。2文献综述2.1高速钢对不同类型的高速钢刀具,主要是M2,进行过离子注入的研究<3~11>。一般情况下,注入的是氮离子,少 数情况则使用碳(C) <9,11>。注入离子能从5keV到200keV不等,剂量则从1×1017离子/cm2 到4×1018离子/cm2不等。此外,随着注入工艺的进步,等离子体源离子注入也被用于高速钢刀具<8>,特别有益于形状复杂的刀具。注入 高速钢刀具在车削、钻削和锯切等不同加工操作中进行过试验。报道一致声称,根据刀具磨损带评定,刀具耐用度有所提高,在某些情况下刀具耐用度可提高到2倍 <8>。刀具磨损减少机理被认为是由于两种因素所致:(1)注入层形成硬质复合氮化物(-εFex2+N和γ-′Fe4N)引起显微硬度的增 加<10>;(2)C单质沉淀引起摩擦的减少<9>。据 Mándl等人观察,注入影响区(称为硬扩散层)深度约达25μm,可能会长时间保持注入效应。另外,W oods和Lam bert<8>指出,在切削过程中注入离子可能因热-机负荷而迁移到较深的区域,因此,即便是注入层被磨掉也能保留注入效应。Y an等人<9>声称,离子注入提高韧性是由于形成了非晶态结构,其中嵌有一种可能改善耐磨性的纳米晶碳化物。Jáhrling等人< 11>报道,在碳注入中,注入表面上ε-碳化物的形成可能使刀具磨损机理从黏附磨损转换成磨粒磨损。除了减少刀具磨损以外,Onikura等人 <5>也指出,离子注入高速钢刀具能改善零件质量:精度和表面光洁度,这很可能是由于切削力有所降低的缘故。关于加工参数的影响,据W oods和Lam bert观察,离子注入刀具只在中低切削速度时性能较好<8>。但是,B radbury等人反而报道,离子注入效果在高切削速度时可能更好一些<6>。2.2硬质合金一些研究小组探讨过碳化钨硬质合金刀具的离子注 入<12~19>。注入过各种离子,其中包括金属离子<镁(Mg)、铝(A l)、钛(T i)、镍(N i)、钨(W)等>,以及非金属离子<碳(C)、氮(N)、氟(F)、氯(C l)、溴(B r)等>,某些例子中还使用过双离子。用来注入硬质合金的离子能从30keV到150keV不等,离子剂量一般约为1017离子/cm2。有关报告 显示,加工不同工件材料,主要是钢和钛合金,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。曾提出过不同的假设来解释刀具耐用度的改善。 辐射诱导的位错网络和硬化(碳化物晶粒或钴粘结剂)导致注入层和注入影响区的显微硬度增加,从而提高耐磨粒磨损性<13,15>。此外,注入 引起的显微组织变化 (例如,位错)还能使刀具表面上的残余应力从拉应力转换成压应力,因此可能减少崩刃磨损<12>。另一个假设是注入使摩擦有所减少,尤其是注 入Cl<16>。有人认为,注入的C l离子在加工过程中可能迅速地扩散到刀-屑和刀-工件界面,在高切削温度下与钛发生反应,从而提供了界面上的润滑薄膜。V es-novsky<15>认为,离子注入可能由于注入亚稳结构和晶粒尺寸改变而减少扩散磨损。K anazaw a等人<12>指出,离子注入可能使硬质合金刀具磨损机理从黏附、崩刃/破损转换成均匀磨粒磨损。而T reg lio等人<17>则报道,刀具损坏模式并未因注入发生任何变化,相反,注入结构可能会有利于推迟崩刃的发生。V esnovsky等人<19>报道,主切削力和切向分力几乎没有变化,但径向/轴向分力大为增加。作者们认为,径向/轴向分力在很大程度上取 决于可能因离子注入而改变的刀具表面性质。Poletika等人<14>也声称,注入所改变的化学区可能在切削过程中迁移到整体,从而延长了 其有效持续时间。2.3涂层刀具虽然文献中有几篇涉及涂层硬质合金刀具离子注入的研究报告<17,18,20~23>,但大多数都出自 A.J.Perry及其同事。据Treg lio等人<17>报道,涂层硬质合金刀具以70keV和5×1016离子/cm2注入T i、N i双离子,加工A ISI 4140钢的刀具耐用度可提高1倍以上。作者们认为,离子注入能改善刀具耐用度,是由于形成位错网络结构或非晶态结构的缘故。而注入所引起的残余压应力也 被认为同刀具耐用度的改善有关。Perry等人<20>研究过注入TiN涂层的残余应力,发现离子注入可能使T iN涂层上的残余应力从拉应力转换成近于零或压应力。不过,作者们认为,离子注入带来的刀具耐用度提高,不是由于残余应力的变化,而是显微硬度和摩擦学特 性(粘聚力)通过涂层促进了刀具耐用度的改善<21>。亦已证实,显微硬度的增加(主要与辐射引起的密实位错有关)可能会使注入影响区延长到 几微米。Bull等人<>等人对T iN涂层进行过表征,得出的结论是,摩擦减少和磨损模式改变是由于晶粒细化和表面成分的变化所致。更有趣的是,作者们发现,有大量C从被注入体系进入到T iN表面上,这可能有助于减少摩擦与磨损。M anory等人<22>研究过T iN涂层的离子注入,并声称,加工用最佳注入既要有可减少摩擦的充分非晶性,又要有可获得硬质支承层的足量原质T iN。2.4陶瓷涉及陶瓷刀具离子注入的论文<4,12>只有两篇,发表于20世纪80年代后期。K rishnam urthy<4>研究过氧化物陶瓷刀具(白氧化铝)的氮注入。外加注入能量为90keV,离子剂量为1×1016离子/cm2。为检验注入效 果,对铸铁和EN 8钢进行了加工,并根据刀具后面磨损加以评价。结果表明,注入陶瓷刀具的性能优于未注入陶瓷刀具,原因是由于作者们所说的刀具和工件材料之间黏附磨损的减 少。离子注入似乎减少了一贯出现于未注入刀具前面的剥落。Kanazaw a等人<12>以断续切削研究过按90keV和3×1017或5×1017离子/cm2进行氮注入的陶瓷刀具,发现离子注入减少了切削刃断裂 的发生概率。不过,离子注入在长时间切削中对崩刃或切削刃断裂没有任何影响。离子注入也被用于陶瓷表面的改性,以适应有耐磨性要求的不同应用场合。大多数 研究的结论为,摩擦减少是磨损降低的主要机理。离子注入减少摩擦,可能是由于形成光滑氧化物薄层<24>或非晶态结构<26>的 缘故。Yu等人<28>将氮离子以25 keV、4×1017离子/cm2剂量注入氮化硼(B4C,一种候选刀具材料),据观察,B 4C表面上有HBN形成,因此表面摩擦有所减少。CBN薄膜的离子注入也作过研究<29~3>,结果表明,离子注入可能会将表面的CBN转变 为HBN(一种固体润滑剂)。尽管有证据表明,经离子注入后CBN表面有HBN形成,但HBN的形成机理尚不清楚。据Trehan等人< 29>报道,N2+射入CBN能使B和N的局部键合环境从sp3型转换为六角相所特有的sp2型。然而,U llm ann等人<30>认为,如果使用M eV的He和X e离子,位移密度(注入诱导的)便能控制从CBN到HBN网络的转变。总起来说,文献显然证实了离子注入对刀具耐用度改善的影响。不过,由于注入和切削条 件的不同,早先的研究只提供了有关刀具离子注入效果的定性信息。显微硬度的增加、残余压应力和润滑似乎是离子注入提高刀具耐用度的三种主要机理。由于注入 引起的显微组织变化和刀具磨损过程的复杂性,注入参数和应用范围之间不存在任何直接关系。
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