氮化碳切削性能的实验研究氮化碳 切削 新闻来源：中国研磨网  发布日期：2010-1-13
　　机械制造，刀具材料对刀具切削性能加工效率与质量，具有决定性作用。计算机集成先进加工系统出现，各种难加工材料不同行业应用，高速切削高效切削以及精密加工、绿色制造不断向前发展，对刀具特别对刀具材料提出了全新更高要求。

　　自20世纪期以後，工程材料不断出现应用难加工金属非金属材料。原用刀具，如高速钢、硬质合金刀具等难以胜任其加工要求，於超硬刀具材料便应运而生。

　　最早超硬刀具材料只有金刚石立方氮化硼（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.LinM.L.Cohen用分子工程理论，设计出新型超硬无机化合物CNx。根据体弹模量计算，这种化合物可以达到接近甚至超过氮化硼金刚石硬度。

　　利用de反应磁控溅射工艺，国内外物理材料科技人员能不同基体材料上沉积出CNx超硬薄膜。这种薄膜具有高硬度、高耐磨、低摩擦强导热等性质，而且不与黑色金属产生化学反应。

　　1.CNx薄膜机械性能

　　国内物理学家高速钢刀具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硬度，但稍低於人造金刚石硬度。也有人曾用划痕法测量过CNx薄膜涂层附着力，验证其达到了JB/T8365标准规定。

　　2.CNx表面涂层刀具实验

　　（1）CNx表面涂层高速钢刀具钻削实验

　　笔者用直径Φ10.5mmM2（W6Mo5Cr4V2）高速钢麻花钻，进行CNx表面涂层，涂层厚度3?5μm。用涂层前後相同钻头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。这样工况下，每钻一个孔约耗时9.6s，刀具磨损值VB钻头****直径处後刀面上测量。同时，为了进行不同涂层对比，笔者又用常规PVD工艺制成TiN表面涂层M2高速钢麻花钻，与上述麻花钻一并进行钻孔实验。

　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8倍、TiN涂层钻头2倍。可见，CNx涂层对提高耐磨性效果非常显着。TiN涂层钻头钻孔数为24个。未涂层M2钻头钻孔数为6个。

　　（2）CNx表面涂层硬质合金刀片车削实验

　　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K30刀片进行对比，参加对比还有立方氮化硼（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。

　　三种刀具（片）磨损曲线见图2。可见，未涂层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P20刀片进行对比。参加对比还有用CVD工艺制成TiC表面涂层硬质合金刀片，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。

　　由图3可见，取磨钝标准为VB=0.3mm，未涂层P20刀片切削时间仅约为10min；YBo2刀片切削时间约为30min，P203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

　　从以上实验研究可以看出，CNx涂层刀具硬度能达到PCBN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高速钢刀具硬质合金刀具，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，CN资源丰富，不存资源匮乏问题。由此分析，CNx涂层刀具大有发展前途应用前景。

　　但，值得特别提请注意，鉴於CNx涂层刀具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机械、物理性能全面测试工作，如密度、导热系数、强度、弹性模量以及冲击值测试等等。

　　（2）高速钢钻头经CNx涂层，取得了显着切削效果。且巿售磨制钻头，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，还应其它硬质合金刀具（如铣刀，特别整体硬质合金钻头立铣刀等）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涂层之间结合力，从而优选出最好硬质合金基体材料。同时，还应研究CNx涂层硬质合金刀具涂前处理。

　　（5）当今，各种新涂层方法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涂层使用价值。

　　（6）探讨生成CNx厚膜可能性。

　　总之，做好CNx涂层刀具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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