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氮化碳切削性能的实验研究

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钻头最大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”。

参考中国研磨网链接:http://www.yanmo.net/zx_view.asp?NewsID=43936

[添加时间:2011.01.07 ]    
 
         
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