刀具鋼FSP表面改質(zhì)技術(shù)

1刀具鋼表面改質(zhì)技術(shù)的開發(fā)

在鋼材領(lǐng)域中，新鋼種的開發(fā)變得越來越難。但用戶希望開發(fā)出更新更好的鋼鐵材料，在刀具鋼方面，如果要求刀具具有更長的使用壽命，就要依靠表面改質(zhì)技術(shù)。刀具的工作部位是刀口。刀口以外的部分只要能夠支撐刀口就可以了。鋼的表面硬化處理方法有滲碳、氮化、高頻淬火、激光淬火、電子束淬火。鋼的皮膜處理方法有，電鍍、熱鍍、氣相沉積（物理氣相沉積PVD、化學(xué)氣相沉積CVD）。噴焊·堆焊方法有氣焊、電弧焊、電子束焊、激光焊等。對刀具的刀口進(jìn)行這些處理，使之硬化，可以獲得延長使用壽命的效果。但這些方法對具有尖銳刀刃的刀具并沒有產(chǎn)生期望的效果。PVD、CVD的處理層很薄，只有幾微米，并且在刀刃受到表面力的作用時，會導(dǎo)致處理層塌陷。硬化堆焊方法使用的情況不斷增加。特別是作為高硬度材料堆焊的激光原位包敷技術(shù)受到人們的關(guān)注。

研究人員對工具鋼碳化

物微細(xì)化進(jìn)行了專門研究。通過研究知道，對于鑄造組織金屬，由于碳化物容易集中在晶界，使金屬的韌性下降。因此應(yīng)開發(fā)出碳化物微細(xì)化以及晶粒微細(xì)化的技術(shù)。之后，攪拌摩擦焊（FSW）技術(shù)開始用于輕金屬的接合，并了解到FSW具有使組織微細(xì)化的效果。隨后，有研究人員開發(fā)了攪拌摩擦加工（FSP）技術(shù)，成功使用FSW技術(shù)實現(xiàn)了對鋼的接合，并開始進(jìn)行組織微細(xì)化的研究。

2 FSP對工具鋼表面的改質(zhì)作用

FSW將金屬結(jié)合的方法是，使前端突起的圓柱形工具旋轉(zhuǎn)，并壓入要結(jié)合的互相接觸的兩片金屬板中央。工具旋轉(zhuǎn)的摩擦熱使金屬板溫度升高，金屬軟化并產(chǎn)生塑性流動，將兩片金屬板結(jié)合在一起。FSW未使金屬熔融、是在金屬處于固相狀態(tài)下的結(jié)合，所以結(jié)合部位的組織不是鑄造組織，而是晶粒微細(xì)化的組織。結(jié)合部位的強度高于原材料，應(yīng)變量小于焊接區(qū)。將摩擦攪拌部產(chǎn)生的塑性流動用于金屬表面改質(zhì)時，稱為FSP。研發(fā)團(tuán)隊將FSP用于工具鋼的表面改質(zhì)。該項研究首先從SK鋼開始，逐漸向碳化物含量多的鋼種推進(jìn)。

表面改質(zhì)鋼種是SKD61、SKD11、SKH51、SKH2。研究中曾出現(xiàn)晶粒被細(xì)化，但碳化物基本上沒有細(xì)化的現(xiàn)象。于是，將過去研究過的激光熔融加工使碳化物微細(xì)化的方法與FSP組合起來。采用這種方法，成功地將晶粒和碳化物尺寸微細(xì)化到0.5μm以下（圖1）。采用激光熔融加工與FSP組合的方法，對高碳工具鋼進(jìn)行表面改質(zhì)后，就可以用研磨加工方法制造出鋒利、不崩刃的刀刃。因此激光熔融加工與FSP組合的方法可用于刀具處理（圖2、圖3）。

在研究過程中，提供了對馬氏體不銹鋼刀刃組織進(jìn)行微細(xì)化處理的廚師用柳刃刀（圖4）。該柳刃刀的使用壽命是傳統(tǒng)碳素鋼柳刃刀的2倍以上，并且可用過去的磨刀石磨刀。此外，對高速鋼SKH51進(jìn)行改質(zhì)處理，制作成木工刨刀，與未改質(zhì)處理的SKH51刨刀進(jìn)行了比較。對刨削200m木材后的刨刀刀刃崩刃情況進(jìn)行測定的結(jié)果是，未改質(zhì)處理的刀刃發(fā)生多處崩刃，而改質(zhì)處理的刀刃基本上沒有發(fā)生崩刃。從這些事例可知，激光熔融加工與FSP組合的方法，使鋼表面獲得了高硬度、高韌性。

3激光熔融加工與FSP組合表面處理產(chǎn)業(yè)化的問題和應(yīng)用制品

在對鋁材等進(jìn)行摩擦攪拌焊接時，摩擦溫度達(dá)到500℃，摩擦工具使用的材質(zhì)以熱作工具鋼（SKD61）為宜。

但對鋼表面進(jìn)行改質(zhì)處理時，為了保證材料的流動性，摩擦溫度要達(dá)到800-1000℃，所以摩擦工具應(yīng)采用聚晶立方氮化硼燒結(jié)體（PCBN），可實現(xiàn)長壽化。但是PCBN摩擦工具價格昂貴，因此在產(chǎn)業(yè)化時存在流動成本過高的問題。因此，目前的狀況是，激光熔融加工與FSP組合技術(shù)的制品是高附加值的廚師用刀和餐刀、手術(shù)刀等。

4未來發(fā)展趨勢

FSW、FSP今后將會作為新技術(shù)不斷發(fā)展起來。例如，目前對高熔點材料改質(zhì)的商業(yè)化摩擦工具正在進(jìn)行開發(fā)。此外，F(xiàn)SW、FSP在高硬度材料方面的應(yīng)用也會進(jìn)一步推進(jìn)。而且，鋼鐵材料用的處理裝置與機器人的組合，將可進(jìn)行更復(fù)雜的表面處理。 （高宏適）