摘要：采用dc反應(yīng)磁控濺射法在硬質(zhì)合金（YT15）上沉積氮化碳超硬涂層，將其應(yīng)用于干切削領(lǐng)域，通過對(duì)硅鋁合金和淬火鋼的干式切削試驗(yàn)，研究了氮化碳涂層刀具的切削加工性能。切削試驗(yàn)表明，在干式切削加工硅鋁合金時(shí)可以達(dá)到較高的表面粗糙度，完全能滿足生產(chǎn)要求；在淬火鋼加工中，與未涂層的刀具相比，刀具壽命有較大提高。
氮化碳（C3N4）是上世紀(jì)90年代初才出現(xiàn)的超硬材料。80年代后期Cohen等人通過理論計(jì)算預(yù)言，類似β-Si3N4結(jié)構(gòu)的化合物——β-C3N4可能具有超過金剛石的硬度，此說立即引起國(guó)內(nèi)外研究人員的廣泛關(guān)注。1993年Niu首先宣布用激光燒蝕法獲得β-C3N4薄膜，隨后研究人員用電子回旋共振—化學(xué)氣相沉積（ECR—CVD）、熱絲CVD、反應(yīng)磁控濺射等方法成功地合成了氮化碳膜。 武漢大學(xué)自1994年起研究氮化碳的合成方法。先后用射頻CVD、磁控濺射等方法成功合成了氮化碳薄膜，并研究了氮化碳薄膜在高速鋼上的鍍膜工藝。試驗(yàn)證明，鍍有氮化碳的鉆頭比未涂層鉆頭壽命提高25倍，比鍍氮化鈦的鉆頭壽命提高3倍。由于氮化碳的超硬性、較好的熱穩(wěn)定性和與Fe元素的低親和性，使氮化碳涂層刀具具有硬度高、抗磨損能力和熱穩(wěn)定性良好等優(yōu)點(diǎn)，成為較理想的干式切削刀具。本文就武漢大學(xué)制備的YT15基體的氮化碳涂層車刀進(jìn)行干切削性能的研究。
1．氮化碳涂層刀具的特性
硬質(zhì)面涂層刀具的兩個(gè)重要指標(biāo)為涂層的硬度和涂層的附著力，而氮化碳涂層刀具的涂層硬度則是提高刀具壽命的關(guān)鍵。表1為幾種材料硬度的比較，從表中可以看出，氮化碳的硬度僅次于金剛石，具有較大的優(yōu)勢(shì)。武漢大學(xué)制備的YT15基體的氮化碳涂層車刀經(jīng)過中國(guó)科學(xué)院蘭州物理所及大連理工大學(xué)材料改性國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室的劃痕試驗(yàn)，涂層的顯微硬度高達(dá)HV=72.04GPa，涂層的附著力LC=30.87～52.14N，達(dá)到JB/T8365—96的規(guī)定。
表1.各種材料的硬度比較高速鋼－硬質(zhì)合金HRC62～66－HRC74～81高速鋼－硬質(zhì)合金－TiN－立方氮化硼－金剛石－氮化碳HV8～9－HV13～18－HV21－HV47－HV800－HV50
2．氮化碳涂層刀具的切削加工性能
氮化碳涂層特殊的化學(xué)、物理性能決定了其優(yōu)良的切削性能。下面以硅鋁合金及淬火態(tài)45鋼的切削加工為例，研究其加工性能和刀具的磨損規(guī)律。
2．1 氮化碳涂層刀具干切削硅鋁合金
試驗(yàn)條件為干式切削，被加工工件為汽車活塞，材料為共晶鋁硅合金（代號(hào)ZL108，牌號(hào)ZALSi12Cu2Mg1），對(duì)比刀具為金剛石涂層刀具及YG6硬質(zhì)合金刀具。切削參數(shù)為Vc=400m/min，ap=0.4mm，f=0.1mm/r，試驗(yàn)指標(biāo)為表面粗糙度Ra值和刀具壽命。試驗(yàn)結(jié)果：(1)表面粗糙度：金剛石涂層為Ra=0.64，氮化碳涂層為Ra=0.78，YG6硬質(zhì)合金為Ra=0.90；(2)氮化碳涂層刀具的壽命和金剛石涂層相當(dāng)，是YG6硬質(zhì)合金的10倍以上。
在試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，氮化碳涂層刀具對(duì)鋁合金的抗粘接性能優(yōu)于金剛石涂層刀具。從金剛石涂層刀具與氮化碳涂層刀具的積屑瘤照片對(duì)比可以看出，氮化碳涂層與鋁合金的親合性不好。
2.2 氮化碳涂層刀具干切削淬火鋼
試驗(yàn)條件為干式切削，被加工件材料為淬火態(tài)45碳鋼，硬度為54HRC。對(duì)比刀具為未涂層YT15硬質(zhì)合金刀具。試驗(yàn)中，切削速度達(dá)到90m/min時(shí)，YT15刀具無法工作，因此，對(duì)比試驗(yàn)選取兩組：Vc=60m/min，f=0.1mm/r，ap=0.4mm；Vc=40m/min，f=0.1mm/r，ap=0.4mm。試驗(yàn)結(jié)果：當(dāng)磨損標(biāo)準(zhǔn)為VB=0.3mm，Vc=60m/min時(shí)，YT15工作9分鐘后VB=0.33mm，氮化碳工作15分鐘后VB=0.32mm；當(dāng)Vc=40m/min時(shí)，YT15工作10分鐘后VB=0.35mm，氮化碳工作30分鐘后VB=0.32mm。
2.3 氮化碳涂層刀具切削淬火鋼的磨損機(jī)理
氮化碳涂層刀具與未涂層刀具的區(qū)別在于：由于刀具表面有氮化碳涂層，具有特殊的物理、化學(xué)及機(jī)械性能，而基體為YT15硬質(zhì)合金，因此刀具既具有高硬度、高耐熱性和高耐磨性，又具有硬質(zhì)合金的韌性，其切削性能優(yōu)于一般的硬質(zhì)合金，適合加工高硬度難加工材料，同時(shí)涂層的熱穩(wěn)定性和硬質(zhì)合金良好的導(dǎo)熱性使其適合干式切削及加工硬度為50HRC～60HRC的材料。
切削試驗(yàn)中，氮化碳涂層刀具先期磨損很小，一段時(shí)間后，刀具前刀面崩碎。在整個(gè)切削過程中刀具的損壞以破損為主。
從以上分析可以得出如下結(jié)論：
（1）刀具基體應(yīng)含有79%的WC，15%的TiC和6%的Co，根據(jù)上述分析可知，WC、TiC和Co的含量明顯偏低，特別是Co的含量幾乎接近于YT30的含量，因此切削時(shí)刀具變脆，磨損主要以破損為主。Co的含量降低與切削時(shí)溫度高有關(guān)，高溫使Co的擴(kuò)散加劇，擴(kuò)散到刀具表面的Co被鐵屑帶走，使基體喪失Co，從而使刀具脆性增加；
（2）切削溫度較高時(shí)切屑氧化嚴(yán)重，從磨損表面成分分析也可以證明這一點(diǎn)。刀具表面含氧31.62%，含鐵6.58%，主要是熔化的鐵和氧化鐵粘附在磨損表面所致。從切削過程來看，在如此切削速度下，溫度極高，普通YT15硬質(zhì)合金刀具不可能使用，而氮化碳涂層刀具可以照樣加工，這是由于涂層特殊的物理和化學(xué)性能決定的，隨著涂層的磨損，基體裸露刀具很快磨損；
（3）在高溫下，涂層一旦磨損，刀具中的Co向工件、切屑的擴(kuò)散加劇，刀具由于粘接相減少，脆性增大，另一方面工件和切屑中的Fe向刀具的擴(kuò)散也加劇，擴(kuò)散到刀具中的Fe將形成新的低硬度脆性相，導(dǎo)致刀具整體性能下降，使刀具磨損加劇。
3.氮化碳刀具前景展望
由于氮化碳涂層刀具所具有的高硬度性和刀具制造上的靈活性，它可以取代部分磨削，提高工效，還可以取代部分其它刀具及加工方法，節(jié)約刀具成本，節(jié)約能耗；一些大型工件在加工過程中常需要換刀，影響加工精度，而氮化碳涂層刀具由于具有良好的耐磨性和硬度，換刀次數(shù)較少，可以保證加工精度；隨著涂層技術(shù)及工藝的不斷完善，氮化碳涂層刀具的生產(chǎn)批量化，這種新型涂層刀具將給機(jī)械加工帶來新的生機(jī)，具有廣闊的應(yīng)用前景。 |
