刀具材料氮化碳切削性能的研究

　　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(暂不可见)hen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。

　　(暂不可见)x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。

　　(暂不可见)x表面涂层刀具的实验

　　((暂不可见)x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。

　　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。

　　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。

　　 ((暂不可见)x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。

　　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。

　　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。

　　②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。

　　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。

　　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。

　　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。

　　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。

　　(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。

　　(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。

　　(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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