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。 7 E8 a) p8 J% P" F- ]8 D7 s

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。 & |; C; `; K( q& p

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。

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。
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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

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。

2 C_xN_y表面涂层麻花钻的钻削试验

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• 第一组： ?" l# x4 Q1 E; |0 i/ \
  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。 8 M9 H, L5 h3 I, Q/ y' G$ V
  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。
  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：
  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。 / [% {1 ?2 `* T Z
  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。 + w, y4 }$ E. s
  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。

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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：
  刀具：C<sub>x</sub>N<sub>y</sub>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；
  工件：T12A工具钢，淬硬61HRC； : ~9 V" R& a$ l+ j7 h
  刀具几何参数：前角g<sub>0</sub>=0°；后角a<sub>0</sub>=8°；主偏角k<sub>r</sub>=90°；刃倾角l<sub>s</sub>=-4°；刀夹圆弧半径r<sub>e</sub>=0.8mm； 9 I2 P( w# K5 P, B
  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。
• 第二组：
  刀具：C<sub>x</sub>N<sub>y</sub>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； ) ~) ? _1 D0 z# I" [
  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； : n" e3 y% V# i. J! N3 Y
  切削用量：切削深度a<sub>p</sub>=1mm；进给量f=0.15mm/r；切削速度v=150m/min； 8 ? O! \! U5 P* _/ G7 z
  三种刀具的磨损曲线如图5所示。
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  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

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  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。

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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。
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。 1 H! j- u6 s1 f) D3 h6 W* D
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。 / h4 g7 G" o% ]% M6 e
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。