新型超硬刀具材料氮化碳切削性能的实验研究

zhangzz2005555

在机械制造中，刀具材料对刀具切削性能和加工效率与质量，具有决定性的作用。计算机集成先进加工系统的出现，各种难加工材料在不同行业的应用，高速切削和高效切削以及精密加工、绿色制造的不断向前发展，对刀具特别是对刀具材料提出了全新的更高的要求。
　　自20世纪中期以後，工程材料中不断出现和应用难加工金属和非金属材料。原用的刀具，如高速钢、硬质合金刀具等难以胜任其加工要求，於是超硬刀具材料便应运而生。
　　最早的超硬刀具材料只有金刚石和立方氮化硼（PCBN）两种。人类从使用天然金刚石开始，後来研制成功人造金刚石和立方氮化硼，这两种材料虽然已得到广泛应用，但因其价格很高，成型和加工都颇为困难，加上金刚石刀具不能加工黑色金属，应用推广受到限制。
新型刀具材料CNx
　　近年来出现了一种新型刀具材料氮化碳。美国物理学家A.M.Lin和M.L.Cohen用分子工程理论，设计出新型超硬无机化合物CNx。根据体弹模量的计算，这种化合物可以达到接近甚至超过氮化硼和金刚石的硬度。
　　利用de反应磁控溅射工艺，国内外的物理和材料科技人员能在不同的基体材料上沉积出CNx超硬薄膜。这种薄膜具有高硬度、高耐磨、低摩擦和强导热等性质，而且不与黑色金属产生化学反应。
; p. {( o, R+ ?' K1. CNx薄膜的机械性能
　　国内物理学家在高速钢刀具和硬质合金刀具上沉积CNx薄膜，其表面显微硬度经测量为4000∼7200HV。可见其硬度已达到立方氮化硼的硬度，但稍低於人造金刚石的硬度。也有人曾用划痕法测量过CNx薄膜涂层的附着力，验证其达到了JB/T8365标准规定。
& l# V$ H2 ~; f1 y. y2. CNx表面涂层刀具的实验
（1）CNx表面涂层高速钢刀具的钻削实验
　　笔者用直径Φ10.5mm的M2（W6Mo5Cr4V2）高速钢麻花钻，进行CNx表面涂层，涂层厚度3∼5μm。用涂层前後的相同钻头在38CrNi3MoVA（经过调质，硬度为36∼40HRC）高强度钢上钻孔，孔深为12mm。

! Z0 \* d3 a" c2 ]4 c0 q% h$ v图1 CNx涂层、TiN涂层与未涂层钻头的磨损曲线对比
/ g: ]5 e" x/ v切削用量：进给量f=0.13mm/r，转速n=600r/min，切削速度v=19.8m/min；不加切削液。这样的工况下，每钻一个孔约耗时9.6s，刀具磨损值VB在钻头最大直径处的後刀面上测量。同时，为了进行不同涂层的对比，笔者又用常规的PVD工艺制成的TiN表面涂层的M2高速钢麻花钻，与上述麻花钻一并进行钻孔实验。钻孔实验结果如图1所示。
　　由图1可见，如用0.3mm後刀面磨损量为磨钝标准，则CNx涂层钻头可钻48个孔，约为未涂层钻头的8倍、TiN涂层钻头的2倍。可见，CNx涂层对提高耐磨性的效果非常显着。TiN涂层钻头的钻孔数为24个。未涂层M2钻头的钻孔数为6个。
（2）CNx表面涂层硬质合金刀片的车削实验
① 笔者用K30硬质合金刀片为基体，涂覆CNx薄膜，车削T12A淬硬工具钢（硬度61HRC）。将其与未涂层的K30刀片进行对比，参加对比的还有立方氮化硼（PCBN）车刀。
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。
刀具几何参数：前角γo=0°，後角αo=8°，主偏角κr=90°，刃倾角λS=-4°，刀尖圆孤半径rε=0.8mm。
7 B0 C* v& l) V. ^三种刀具（片）的磨损曲线见图2。可见，未涂层的K30硬质合金刀片车削淬硬工具钢，仅仅3min时，後刀面磨损量VB即达0.3mm。CNx涂层刀片当VB达0.3mm时，切削时间达15min。

图2 CNx涂层刀片、PCBN刀具与未涂层K30刀片的磨损曲线对比
# |6 G+ v. O0 Q- d& b2 @8 a而PCBN车刀切削20min，VB方为0.2mm。预计PCBN车刀的使用寿命可超过30min。
0 U6 y$ ^3 @& P1 E! F② 又用P20硬质合金刀片为基体，涂覆CNx薄膜，车削60Si2Mn高强度钢（调质，硬度40HRC）。与未涂层的P20刀片进行对比。参加对比的还有用CVD工艺制成的TiC表面涂层的硬质合金刀片，称为YBo2。
" m5 V" c- m5 l5 ~切削用量：切削深度ap=1mm，进给量f=0.15mm/r，切削速度v=150m/min。
刀具几何参数：前角γo=4°，後角αo=8°,主偏角κr=45°，刃倾角λs=-4°，刀尖圆孤半径rε=0.8mm。
磨损曲线对比见图3。
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/ m* E0 ]' }- q( ]( i& d图3 CNx涂层刀片、YBo2涂层刀片与未涂层P20刀片的磨损曲线对比
由图3可见，取磨钝标准为VB=0.3mm，未涂层P20刀片的切削时间仅约为10min；YBo2刀片的切削时间约为30min，是P20的3倍。CNx涂层刀片切削30min後，VB仅为0.15mm；估计VB达0.3mm时，切削时间可达40min。
  V) [0 q1 Y6 {# ?分析与讨论
从以上的实验研究可以看出，CNx涂层刀具的硬度能达到PCBN的水平并接近於金刚石，切削效果显着，其使用寿命大大高於未涂层的高速钢刀具和硬质合金刀具，也高於TiN、TiC涂层刀具。且CNx与黑色金属之间呈惰性，不起化学作用。同时，C和N资源丰富，不存在资源匮乏的问题。由此分析，CNx涂层刀具大有发展前途和应用前景。
% s; m' T) W7 S! a4 R" s6 m但是，值得特别提请注意的是，鉴於CNx涂层刀具的基础工作尚做得不够，必须认真对待以下各方面：
（1）应实施CNx的机械、物理性能的全面测试工作，如密度、导热系数、强度、弹性模量以及冲击值的测试等等。
（2）高速钢钻头经CNx涂层，取得了显着的切削效果。且巿售的磨制钻头，即可用以涂层，不需另行精化。其它高速钢刀具，如车刀、铣刀、丝锥、齿轮滚刀和插齿刀等，有待逐一涂覆CNx，进行实验，以充分考察其切削效果。
! C, V- S( [6 X) _（3）除了车刀以外，还应在其它硬质合金刀具（如铣刀，特别是整体硬质合金钻头和立铣刀等）上涂覆CNx，进行切削实验。
- ~% e. A" W; w6 D8 C9 m（4）作为基体，有待研究各种硬质合金与CNx涂层之间的结合力，从而优选出最好的硬质合金基体材料。同时，还应研究CNx涂层硬质合金刀具的涂前处理。
' X6 V( e- g7 ]; Q; y; u' z' ^（5）当今，各种新的涂层方法和涂层材料品种相继出现，如TiAlN、TiCrN、Al2O3及其多层涂覆，也有待与CNx涂层刀具实施对比，进一步确定CNx涂层的使用价值。
（6）探讨生成CNx厚膜的可能性。
总之，在做好CNx涂层刀具的基础工作之後进行推广应用，如果贪图急功近利，则往往只能“欲速则不达”。
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