新型氮化碳涂层超硬刀具材料

HEATS

过去，超硬刀具材料只有金刚石和立方氮化硼两种。人类从使用天然金刚石开始，到20世纪中叶研制出了人造的金刚石和立方氮化硼。人造的超硬材料后来出现了不同的制造方法和类别，而且在不同的工业生产和科技领域中得到了广泛的应用。

近年，一种新型超硬刀具材料——氮化碳(C_xN_y)涂层得到了发展。美国物理学家A.M.Lin和M.L.Cohen用分子工程理论设计出了新型超硬无机化合物氮化碳。根据体弹模量的计算，它可能达到甚至超过金刚石的硬度，从而引起科技界和材料科学家的重视，A.M.Lin于1994年公布了新的研究成果，采用可变晶格模型分子动力学(VCS-MD)从头计算法，扩展了C_xN_y的理论研究, C_xN_y可能具有三种结构：六方晶系的b相，立方晶系的闪锌矿结构和三角晶系的类石墨相。A.M.Lin和M.L.Cohen分别计算了C_xN_y的晶体结构，至少有7种不同空间群结构的C_xN_y，取得了不同结构和空间群的密度、晶格常数、体弹模量和能量的计算值。它们虽具有相近的能量值，但其他性能的数值差别较大。武汉大学王仁卉也对7种结构的C_xN_y粉末衍射谱进行过计算。 0 g0 x' M% p" Q% q+ w) L: t. u# R

武汉大学物理系能用的反应磁控溅射法在不同的刀具上沉积C_xN_y薄膜，它是一种超硬材料，具有高硬度、高耐磨、低摩擦和强导热等性质，这些性质和金刚石十分相似。它的化学稳定性也好，可以对铁基材料进行切削加工，故有广阔的应用前景。

本文主要用武汉大学物理系提供的C_xN_y涂层高速钢麻花钻和C_xN_y涂层硬质合金刀片进行了切削试验，探讨了它的切削性能；对C_xN_y涂层薄膜的机械性能也进行了一定的介绍。 T4 {' b* K# C: W9 _" {" L

1 氮化碳薄膜的力学性能

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在不同的基体材料上沉积C_xN_y薄膜，其表面显微硬度测试值列于表1。表1除6号试样为硬质合金基体外，其余1～5号试样的基体均为M2高速钢。
6 X6 k1 G: h: _4 r* `0 Z5 b1 _9 k6 \+ q7 O3 s: \% E3 p" ?8 X2 g! `' U& G$ k, f1 @8 x3 ?6 a7 A' P$ w% e0 g% I! W5 ]6 s3 e- _+ D. S* Y% p i0 i$ h# D( g" z" B1 s2 U' w7 G+ V+ x8 C* z+ T& \, f) q: J* m" M6 R$ U$ C: ~; o1 Z- ]6 S( z; J- b, _5 F/ M) p+ n8 o4 G+ R i# C# ^' y+ Y. X! k# k4 c5 q7 [# Y+ }( d- W# Q) E0 _: B: @' _8 N0 E7 ?% [7 a/ J, B7 ]' Q' @" Y: \7 ]( ?. T+ `) d W8 n- e) j0 ~2 M# |! i+ i* ^% c4 Y. Q; u5 k C; U; b, r1 O$ R2 |+ n6 U' M7 g4 E1 k# Y5 i: O% M7 o6 Z# S" f4 U6 J, @$ G4 P) w5 I# {( O2 _$ q& O& M. W9 p; s% h8 D8 |6 j) X* s; H/ V$ m1 ]+ c6 p% D2 t3 G7 m1 [* Z3 {* L5 y) M6 P5 O/ {7 T# C+ l& G. t& ]) y3 A& D0 }2 a: `9 e* [$ S4 s. m* n2 p' E0 H- T K7 n+ O6 M( }4 B- y5 V" R: n: q* r/ g. [$ O

表1 C_xN_y涂层薄膜显微硬度测试值表

试样号	硬度 (GPa)	平均硬度 (GPa)	试样号	硬度 (GPa)	平均硬度 (GPa)
1	49.43	41.20	4	42.12	40.94
	36.36			39.48
	37.85			41.21
2	34.88	45.18	5	46.08	40.01
	43.06			43.06
	54.50			32.25
	44.04			38.66
	49.43			/
3	40.33	39.77	6	82.56	72.04
	38.65			51.88
	40.33			71.19

1 P( P9 }, _2 T$ K9 i; t1 D5 v

由表1可见，C_xN_y薄膜的硬度约在40～72GPa之间。武汉大学物理系在单晶硅基体上沉积了C_xN_y，其硬度亦达到50GPa。还用划痕法测量了C_xN_y薄膜涂层的附着力，按JB/T8365－96标准规定，也达到了标准。 ) D+ W% I, S3 p8 d2 w7 c

2 C_xN_y表面涂层麻花钻的钻削试验

• 第一组：
  直径为Ø6mm的W6Mo5Cr4V2普通高速钢麻花钻，由武汉大学物理系进行C_xN_y涂层，涂层薄膜厚度约为4µm。用涂层钻头和未涂层钻头在高强度钢38CrNi3MoVA(经调质，硬度为36～40HRC)上钻孔，孔深约10mm。切削一定时间后，分别测量钻头左、右二刃的后刀面磨损量VB，测量部位为钻头最大直径处的主切削刃后刀面。 " a! L; I9 C9 Y5 M0 b
  切削用量：进给量f=0.13mm/r，转速n=530r/min，切削速度v≈10m/min；干切；每钻一个孔，约用10秒。 6 p8 x: x& p9 Y" R, `- ?0 Y/ c( ^8 g9 F1 p
  钻头左、右二刃的后刀面磨损量均测量、记录，画成刀具磨损曲线，列于图2。因钻头两个顶面(即主后刀面)刃磨比较对称，故左、右后刀面磨损量很接近。图2中分别画出左、右切削刃的磨损曲线。在图2的横坐标上同时标明了钻孔数和切削时间。
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  图1 涂CxNy薄膜的麻花钻

  图2 CxNy涂层与未涂层的麻花钻对比磨损曲线

  图3 两种涂层麻花钻与未涂层的麻花钻对比磨损曲线

  由图1可见在后刀面磨损量相同情况下，C_xN_y涂层钻头的切削时间约为未涂层钻头的10倍，故涂层后钻头耐磨性的提高十分显著。
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• 第二组： . ^) J* f8 `0 p7 A3 L- g
  再用直径为Ø6mm的W6Mo5Cr4V2普通高速钢麻花钻，进行C_xN_y涂层和TiN涂层，在高强度钢38CrNi3MoVA(HRC 36～40)上钻孔，孔深约为10mm。
  切削用量：进给量f=0.13mm/r，转速n=530r/min，切削速度v≈10m/min；干切；其余切削条件与前相同。每钻一个孔，约用8秒。 * N0 w ]2 D* u5 A9 l; D6 |
  图3为三种钻头的主后刀面磨损曲线，未分左、右切削刃。
  由图3可见，在后刀面磨损量相同情况下，C_xN_y涂层钻头的切削时间约为未涂层钻头的10倍，TiN涂层钻头约为未涂层钻头的7倍，故C_xN_y涂层的耐磨性高于TiN涂层。

3 C_xN_y复合表面涂层硬质合金刀片的车削试验

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• 第一组： 6 p" c7 {7 S: c' ^; [+ d& u
  刀具：C_xN_y复合涂层刀片(YG8基体)，未涂层的YG8刀片，国产立方氮化硼(PCBN)刀片； + h5 U9 @3 R+ h! G
  工件：T12A工具钢，淬硬61HRC；
  刀具几何参数：前角g₀=0°；后角a₀=8°；主偏角k_r=90°；刃倾角l_s=-4°；刀夹圆弧半径r_e=0.8mm； $ Q& {* Q* N8 s8 x* j: k) |, Q
  切削用量：切削深度ap=0.5mm；进给量f=0.1mm/r；切削速度v=60m/min；三种刀具的磨损曲线如图4所示。
  ( k% a$ ~$ y+ J( L0 S9 X
• 第二组：
  刀具：C_xN_y复合涂层刀片(YT14基体)，未涂层的YT14刀片，国产YBo2涂层硬质合金刀片(TiN涂层)；
  工件：60Si2Mn高强度钢，调质，40HRC；
  刀具几何参数：前角go=4°；后角ao=8°；主偏角kr=45°；刃倾角ls=-4°；刀夹圆弧半径re=0.8mm； $ }3 ~& }. q. E7 s# |1 c) [3 h
  切削用量：切削深度a_p=1mm；进给量f=0.15mm/r；切削速度v=150m/min； 5 D* L: ~ s& Z7 \) x
  三种刀具的磨损曲线如图5所示。
  

  图4 CxNy涂层硬质合金刀片与其他刀片的对比磨损曲线

  图5 CxNy涂层硬质合金刀片与其他硬质合金刀片的对比磨损曲线

  图6 涂CxNy薄膜的YT14硬质合金刀片

  从图4、图5可以看出，YG8和YT14两类硬质合金刀片经涂覆C_xN_y薄膜后，刀具寿命大为提高。但在车削淬硬钢T12A时，C_xN_y涂层刀片的使用寿命低于PCBN刀片。在车削高强度中硬钢602Mn时，C_xN_y涂层刀片的使用寿命略高于YBo2(TiC涂层)刀片。

4 分析与讨论

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1. 在高速钢钻头上进行C_xN_y表面涂层，其使用寿命大大提高；C_xN_y涂层钻头的寿命也显著高于TiN涂层钻头。在高速钢刀具上涂覆C_xN_y，其涂层技术已日趋成熟，使用效果亦日趋稳定。 , Z8 H+ T5 z: h; w1 _
2. 对于硬质合金刀片，经过C_xN_y涂层，刀具寿命也能提高，但提高幅度不如高速钢刀具那样大。在车削淬硬钢时，其刀具寿命尚低于PCBN刀具；在车削高强度中硬钢时，其刀具寿命仅略高于TiN涂层硬质合金刀具，这样就限制了C_xN_y涂层硬质合金刀具的应用。
3. C_xN_y涂层材料的各项力学、物理性能，需作全面的测试和深入研究。C_xN_y涂层和硬质合金基体材料之间的匹配也有待认真研究。
4. C_xN_y涂层属超硬材料，它与铁族元素呈惰性，故这种刀具可以加工钢铁材料。这是一个很大的优点，可以补充金刚石刀具的不足，从而有着广阔的应用领域。预计经过认真的研究和探讨，C_xN_y涂层超硬刀具有着美好的发展前景。

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