专利名称：高速钢切削工具的表面处理方法
技术领域：
本发明涉及高速钢切削工具的表面处理方法，更具体讲涉及高速钢切削工具的难熔金属离子注入及伴生真空碳化的表面处理方法。
高速工具钢(简称高速钢)兼具良好的耐磨性和耐冲击性，并且易于锻压和切削加工成形，是机械加工工业中被优先选用的切削工具材料，现代科技和工业的发展，很大程度上取决于研制能在越来越严峻的工况下有效工作的高速钢。
表面处理可以有效地提高高速钢切削加工工具的耐磨性，并改善其摩擦性能，降低与工件的粘附。常用的表面处理技术是用化学汽相沉积法(CVD)或物理汽相沉积法(PVD)涂层技术在切削工具表面生成TiN等硬质膜。这种表面处理技术的主要缺点是涂层易剥落和由于高温与涂层厚度引起工具外形尺寸的变化，在许多应用场合将带来不利影响。现有技术也有用氮离子注入对高速钢切削工具表面处理，但其耐磨效果不明显，而且不能改善高速钢切削工具有摩擦性能。
本发明的目的是提供一种高速钢切削工具的表面处理方法，该方法克服现有技术中高速钢表面处理方法的缺点，在不改变工具外形尺寸和表面精度条件下，改善工具的表面硬度、耐磨性、润滑性和抗粘附性。从而提高切削工具的使用寿命和工效(减少更换工具和维修时间)，提高加工精度和质量，节约原材料和能源。
本发明的高速钢切削工具表面处理方法，其特征在于采用金属离子束注入方法，在含碳气氛下对高速钢切削工具进行难熔金属离子注入和伴生真空碳化处理，其中所述难熔金属为选自Ti、Zr、Hf、V、Nb、Ta、Cr、Mo、W中的一种或多种，金属离子注入剂量为1×1017-5×1018离子/cm2，离子能量为50-500kev，注入束流密度为10-40μA/cm2，伴生真空碳化的含碳气氛分压为2-4×10-3帕。
本发明的高速钢切削工具的表面处理方法在含碳气氛下进行难熔金属离子注入时伴生真空碳化，使高速钢切削工具表面引起一系列物理上和化学上的变化，使其表面组织结构发生了变化，形成难熔金属的碳化物等，因而提高了其表面硬度及耐磨性，由于真空碳化，提高了切削工具表面的润滑性。另外，本发明方法不改变工具的外形尺寸和表面精度，且保持其耐冲击性，无需对切削工具再进行任何的机械加工和热处理。
本发明的高速钢表面处理方法，其显著的一个特点是难熔金属注入同时伴生真空碳化。真空碳化优选的一种方法是利用金属离子注入设备抽真空扩散泵中的油蒸汽作为含碳气氛，这样使处理过程简化，效率提高，节约处理的时间和成本。
在本发明的方法中，难熔金属离子注入过程中伴生的真空碳化起了重要的作用，尤其是提高了工具的润滑性，但在现有技术的离子注入材料表面改性中，一般尽量消除碳化，而本发明则是充分利用真空碳化，取得出人意料的技术效果。
下面结合实施例及附图来进一步说明本发明的高速钢切削工具的表面处理方法。
图1是用本发明的方法对高速钢切削工具离子注入Ti并伴生真空碳化后，试样表面用俄歇电子能谱(AFS)测定的表面元素分布图，纵坐标是元素原子浓度(％)，横坐标是俄歇能谱分析的溅射时间，代表距试样表面的深度。
实施例1高速钢麻花钻头的Ti离子注入和伴生真空碳化表面处理。
本发明的方法采用强流金属蒸汽真空弧(MEVVA)源离子注入机，利用扩散泵油蒸汽作为含碳蒸汽，在该含碳蒸汽存在下，即在含碳气氛下对钻头进行难熔金属Ti离子注入和伴生真空碳化，注入参数为离子能量100kev，剂量为5×1017离子/cm2，扩散泵油蒸汽分压为5×10-3Pa，束流密度为25μA/cm2，注入过程中使钻头旋转，以保证其侧面获得均匀的离子注入和真空碳化。
对上述处理的钻头表面进行俄歇能谱分析，以测定其表面的元素分布，结果示于图1，由图1可看出，在钻头表面较高原子浓度地分布着金属Ti离子(40-50％)和碳(20-40％)，证明本发明方法处理的切削工具表面已注入了难熔金属离子Ti并伴生真空碳化。
用经上述处理的麻花钻头进行对不锈钢工件钻孔的试验，并用不经任何表面处理的同样钻头进行对比试验，试验结果表明，经本发明方法处理的钻头在两次重磨之间的使用寿命是不经任何表面处理的对比试样钻头的7倍以上。
实施例2高速钢盘状铣刀的Ta离子注入和伴生真空碳化的表面处理方法。
同实施例1，在强流难熔金属离子束的离子注入机中在含碳扩散泵油蒸汽气氛下对铣刀注入Ta离子和真空碳化，离子能量150kev，剂量为2×1017离子/cm2，含碳扩散泵油蒸汽分压为3×10-3Pa，束流密度为15μA/cm2。
用经上述处理的盘状铣刀进行加工不锈钢工件的试验，结果是使用寿命提高10倍以上，并且大大降低了工具与工件表面的粘附，减少铣刀表面的积屑瘤，因而证明本发明处理方法处理的切削刀具其润滑性能得到显著改善。
实施例3高速钢三面刃铣刀的Ti离子注入及伴生真空碳化表面处理。
用强流难熔金属离子束的离子注入机对高速钢三面刃铣刀的主刃和二个侧刃进行Ta离子注入并伴生真空碳化。离子注入的离子束能量为100kev，剂量为4×1017离子/cm2，束流密度为30μA/cm2，含碳气氛分压为3.5×10-3Pa。
将上述处理的三面刃铣刀进行加工45号钢工件和不锈钢工件的使用寿命测量，并用未处理的三面刃铣刀作同样试验以进行对比，结果，用本发明方法处理的三面刃铣刀加工45号钢工件时的使用寿命是未处理三面刃铣刀使用寿命的6倍，加工不锈钢工件时的使用寿命是未处理的7倍，并且，本发明方法处理的铣刀明显降低了铣刀与工件之间的粘附性，说明明显改善了其润滑性。
经过上述实施例可得出本发明的高速钢切削工具表面处理方法具有显著的优点1、提高了切削工具的耐磨性，润滑性、抗粘附性、抗氧化、抗疲劳特性。
2、不改变工具的外形尺寸，表面精精和耐冲击性。
3、无需再进行任何的后续机械加工和处理。
4、不存在涂层剥落之缺点。
总之，本发明的方法在工业上可方便易行地实现，具有很好的工业应用性。
权利要求
1.一种高速钢切削工具的表面处理方法，其特征在于采用金属离子束注入方法，在含碳气氛下，对高速钢切削工具进行难熔金属离子注入并伴生真空碳化处理，其中所述难熔金属选自Ti、Zr、Hf、V、Nb、Ta、Cr、Mo、W中的一种或多种。
2.权利要求1的高速钢切削工具的表面处理方法，其中金属离子注入剂量为1×1017-5×1018离子/cm2，离子能量为50-500kev，含碳气氛分压为2-4×10－3帕，注入束流密度为10-40μA/cm2。
3.权利要求2的高速钢切削工具的表面处理方法，其中含碳气氛为扩散泵的油蒸汽。
4.权利要求1-3中任一种高速钢切削工具的表面处理方法，其中所述难熔金属是Ti。
全文摘要
本发明公开了一种高速钢切削工具表面处理方法，该方法采用金属离子束注入方法，在含碳气氛下对高速钢切削工具进行难熔金属离子注入和伴生真空碳化处理，所述难熔金属选自Ti、Zr、Hf、V、Nb、Ta、Cr、Mo、W中的一种或多种。本发明方法提高了切削工具的耐磨性、润滑性、抗粘附性、抗氧化、抗疲劳特性，不改变工具外形尺寸、表面精度和耐冲击性。本发明的方法方便易行，具有很好的工业应用性。
文档编号C23C14/48GK1121119SQ9510974
公开日1996年4月24日 申请日期1995年8月25日 优先权日1995年8月25日
发明者林文廉, 丁晓纪, 桑吉梅, 徐骏, 袁晓珉 申请人:北京师范大学低能核物理研究所, 北京有色金属研究总院