[发明专利]高速钢切削工具的表面处理方法

说明书

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3×10^1.7离子/cm²，扩散泵油蒸汽分压为3×10^-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。