1刀具钢表面改质技术的开发

在钢材领域中，新钢种的开发变得越来越难。但用户希望开发出更新更好的钢铁材料，在刀具钢方面，如果要求刀具具有更长的使用寿命，就要依靠表面改质技术。刀具的工作部位是刀口。刀口以外的部分只要能够支撑刀口就可以了。钢的表面硬化处理方法有渗碳、氮化、高频淬火、激光淬火、电子束淬火。钢的皮膜处理方法有，电镀、热镀、气相沉积（物理气相沉积PVD、化学气相沉积CVD）。喷焊·堆焊方法有气焊、电弧焊、电子束焊、激光焊等。对刀具的刀口进行这些处理，使之硬化，可以获得延长使用寿命的效果。但这些方法对具有尖锐刀刃的刀具并没有产生期望的效果。PVD、CVD的处理层很薄，只有几微米，并且在刀刃受到表面力的作用时，会导致处理层塌陷。硬化堆焊方法使用的情况不断增加。特别是作为高硬度材料堆焊的激光原位包敷技术受到人们的关注。

研究人员对工具钢碳化

物微细化进行了专门研究。通过研究知道，对于铸造组织金属，由于碳化物容易集中在晶界，使金属的韧性下降。因此应开发出碳化物微细化以及晶粒微细化的技术。之后，搅拌摩擦焊（FSW）技术开始用于轻金属的接合，并了解到FSW具有使组织微细化的效果。随后，有研究人员开发了搅拌摩擦加工（FSP）技术，成功使用FSW技术实现了对钢的接合，并开始进行组织微细化的研究。

2 FSP对工具钢表面的改质作用

FSW将金属结合的方法是，使前端突起的圆柱形工具旋转，并压入要结合的互相接触的两片金属板中央。工具旋转的摩擦热使金属板温度升高，金属软化并产生塑性流动，将两片金属板结合在一起。FSW未使金属熔融、是在金属处于固相状态下的结合，所以结合部位的组织不是铸造组织，而是晶粒微细化的组织。结合部位的强度高于原材料，应变量小于焊接区。将摩擦搅拌部产生的塑性流动用于金属表面改质时，称为FSP。研发团队将FSP用于工具钢的表面改质。该项研究首先从SK钢开始，逐渐向碳化物含量多的钢种推进。

表面改质钢种是SKD61、SKD11、SKH51、SKH2。研究中曾出现晶粒被细化，但碳化物基本上没有细化的现象。于是，将过去研究过的激光熔融加工使碳化物微细化的方法与FSP组合起来。采用这种方法，成功地将晶粒和碳化物尺寸微细化到0.5μm以下（图1）。采用激光熔融加工与FSP组合的方法，对高碳工具钢进行表面改质后，就可以用研磨加工方法制造出锋利、不崩刃的刀刃。因此激光熔融加工与FSP组合的方法可用于刀具处理（图2、图3）。

在研究过程中，提供了对马氏体不锈钢刀刃组织进行微细化处理的厨师用柳刃刀（图4）。该柳刃刀的使用寿命是传统碳素钢柳刃刀的2倍以上，并且可用过去的磨刀石磨刀。此外，对高速钢SKH51进行改质处理，制作成木工刨刀，与未改质处理的SKH51刨刀进行了比较。对刨削200m木材后的刨刀刀刃崩刃情况进行测定的结果是，未改质处理的刀刃发生多处崩刃，而改质处理的刀刃基本上没有发生崩刃。从这些事例可知，激光熔融加工与FSP组合的方法，使钢表面获得了高硬度、高韧性。

3激光熔融加工与FSP组合表面处理产业化的问题和应用制品

在对铝材等进行摩擦搅拌焊接时，摩擦温度达到500℃，摩擦工具使用的材质以热作工具钢（SKD61）为宜。

但对钢表面进行改质处理时，为了保证材料的流动性，摩擦温度要达到800-1000℃，所以摩擦工具应采用聚晶立方氮化硼烧结体（PCBN），可实现长寿化。但是PCBN摩擦工具价格昂贵，因此在产业化时存在流动成本过高的问题。因此，目前的状况是，激光熔融加工与FSP组合技术的制品是高附加值的厨师用刀和餐刀、手术刀等。

4未来发展趋势

FSW、FSP今后将会作为新技术不断发展起来。例如，目前对高熔点材料改质的商业化摩擦工具正在进行开发。此外，FSW、FSP在高硬度材料方面的应用也会进一步推进。而且，钢铁材料用的处理装置与机器人的组合，将可进行更复杂的表面处理。 （高宏适）