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氮化碳刀具在硬质面加工中的应用 |
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作者：彭友贵 黎明锴 范湘军 祝增荣 殷世英 来源：《中国机械工程》 |
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摘要：分析当前各种刀具材料的优缺点，回顾氮化碳的历史，分析氮化碳涂层在刀具上应用的可行性，通过研究氮化碳刀具的实用效果认为氮化碳刀具将具有广阔的应用前景。
机械加工中常用的刀具按材料分类有高速钢刀具、硬质合金刀具、氮化钛刀具、立方氮化硼刀具、金刚石刀具、陶瓷刀具等。这些刀具材料各具优缺点，不能完全互相取代。对于硬质面的简单加工(如车削)可用硬质合金、立方氮化硼等刀具，但对于形状复杂工件(如齿轮等)的硬质面加工，硬质合金、立方氮化硼等刀具则无能为力，需要寻求其它的加工手段如磨削、电火花加工等。但这些加工方法加工效率低，电火花加工更有成本高的缺点，而且有些复杂工件无法采用上述方法，如果找到一种方法使得刀具能够以切代磨，则能大大提高工效，降低成本。
1 氮化碳的历史和性能
氮化碳是90年代初才出现的新型超硬材料。80年代后期Cohen等人通过理论计算预言类似β-Si3N4结构的化合物β-C3N4可能具有超过金刚石的硬度，此说立即引起国内外研究人员的广泛关注。1993 年Niu首先宣布用激光烧蚀法得到了β-C3N4薄膜。随后研究人员用电子回旋共振- 化学气相沉积(ECR - CVD)、热丝CVD、反应磁控溅射等方法成功合成了氮化碳薄膜。合成的氮化碳薄膜的硬度也在不断提高。日本的Fujimoto等用粒子束混合沉积法在碳化物衬底上形成的CNx膜硬度达到63GPa。
武汉大学自1994年起研究氮化碳的合成方法。先后用射频CVD、磁控溅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钢衬底上的镀膜工艺。根据现有资料，在刀具上镀氮化碳薄膜在世界上还是首次。
氮化碳的超硬特性是其在刀具上应用的关键。由表1可知，将氮化碳镀在刀具表面将极大提高刀具的表面硬度。表1 各种材料硬度比较
| 材料 | 高速钢 | 硬质合金 | TiN | 立方氮化硼 | 金钢石 | 氮化碳 | | HRC | 6266 | 7481 | - | - | - | - | HV
(GPa) | 89 | 1318 | 21 | 47 | 800 | 50 |
氮化碳还具有较好的热稳定性。用热失重(TG)- 差热分析(DTA)研究氮化碳在室温至1200℃的热稳定性发现，石墨相含量较小的样品在上述范围内无明显的热失重，证明氮化碳薄膜具有较好的热稳定性，见图1。
图1 氮化碳薄膜失重(TG)-差热分析(DTA)
对氮化碳薄膜的耐腐蚀性研究发现，在电化学腐蚀过程中，镀上氮化碳涂层的钢样品的阳极腐蚀电流密度降低到裸金属的0.4%、镀铬的钢样品的1.3%。可见，氮化碳涂层可以降低腐蚀速率，具有良好的抗腐蚀性。同时，氮化碳中的C-N共价键与金刚石中的C-C共价键不同，N的电负性更强，束缚住了碳原子，使其难以与Fe发生亲和反应，从而使其能用于切削黑色金属。
2 氮化碳刀具对硬质材料加工的效果
我们进行了镀有氮化碳薄膜的插齿刀的机前试验。试验结果见表2。由于齿轮经淬火渗碳热处理变形使得公法线公差达不到设计要求需要精加工，但齿轮经淬火渗碳后表面硬度达到HRC62以上，且该齿轮设计形状特殊不能进行磨削，使得该齿轮的废品率一度达到80%以上。使用氮化碳插齿刀能对热处理后的齿轮进行精加工以满足设计要求，极大地提高了成品率。表2 镀有氮化碳的插齿刀对硬质材料加工测定
| 插齿刀 | 直径(mm) | 117 | | 材质 | W18Cr4A | | 模数 | 9 | | 被切齿轮 | 直径(mm) | 180 | | 材质 | 20Cr2Ni4A | | 硬度(HRC) | > 60(经渗碳淬火) | | 切削参数 | 冲程次数(次/mm) | 83 | | 切削速度(m/min) | 10 | | 进给量(mm/齿) | 0.1 | | 切削结果 | 白刀 | 切削件数 | 0 | | 磨损 | 刀具严重磨损 | | 黄刀 | 切削件数 | 4 | | 表面粗糙度Ra(μm) | 3.2 | | 磨损(mm) | 0 . 2 | | 测试机床 | Y54A | | 测试厂家 | 中国人民解放军第三三○三工厂 | | 注：白刀———未镀CNx / / TiN 复合膜刀具；黄刀———镀CNx / TiN 复合膜刀具。 |
图2中间为镀膜的插齿刀，左上为精加工前的齿轮，右为加工后的齿轮。加工后的齿面平整光洁。
图2加工前后的齿轮及插齿刀
在试验过程中我们注意到，由于被加工材料很硬，在刀具上的氮化碳涂层磨损以前刀具不会发生磨损，一旦涂层被磨损，刀具立即被严重磨损而不能再进行加工，可见氮化碳涂层对刀具起到了良好的保护作用。
另外在可转位硬质合金车刀上镀氮化碳薄膜的初步试验也表明，沉积了氮化碳薄膜的车刀能对硬度为HRC62 的淬火钢进行车削加工。
3 氮化碳刀具前景展望
高速钢是目前广泛使用的刀具材料，特别是多用于形状复杂的刀具，如钻头、丝锥、铣刀等，以及一些尺寸精度要求严格的成形刀具，如插齿刀、滚齿刀等。这些刀具使用硬质合金材料在经济上不合算，且硬质合金研磨困难，难以制造某些刀具。例如常用的齿轮刀具中，硬质合金只能制造模数小于3的刀具，且价格极为昂贵。如果使用高速钢制造的镀上氮化碳涂层的齿轮刀具，不仅能降低刀具成本甚至还能切削硬质合金都不能切削的硬质面。根据现有资料，较好的成形刀具也只能对HRC52的材料进行加工，而氮化碳刀具能对HRC62的材料进行各种加工。
高速钢作为刀具材料一般其硬度都在HRC60以上。高速钢刀具在使用中损坏的主要原因是刀具的刃口磨损导致加工精度达不到要求。一般情况下，在机械加工中不会发生基体凹陷的情况。薄膜脆裂脱落的主要原因在于薄膜的附着力较低，只要薄膜的生长工艺达到要求，提高薄膜的附着力，薄膜就不易脆裂脱落。
由于氮化碳刀具的高硬度和刀具制造上的灵活性，它可以取代部分磨削，提高工效。它也能取代部分其它刀具(如氮化硼刀具等)和部分其它加工方法(如电火花加工)，节约刀具成本，节约能耗等。在许多大型工件的加工中，由于刀具磨损往往需要中止加工更换刀具，这样就不能保证加工精度。氮化碳刀具所具有的高硬度、良好的抗磨损能力正适用于这种场合，能够一次加工成形，保证了加工精度，同时提高了生产效率。
有试验表明，镀有氮化碳的钻头比没镀的钻头寿命提高25倍，比镀氮化钛的钻头寿命提高3倍。可见氮化碳刀具有更长的寿命，能够降低刀具的成本。
为使薄膜达到较高的硬度，避免软质相的析出，在薄膜生长过程中需采用特殊工艺且较为困难。目前本实验室已使该项工艺达到工业化生产的水平，镀有氮化碳涂层的刀具不久将批量生产。由于它能替代许多原有的低效的加工方法，大大提高工效，因此它具有广阔的市场前景和很高的经济价值。
综上所述，氮化碳涂层不但能提高刀具寿命，还能进行硬质面加工，使得以往许多不可加工的工件或需要其它费时费力的加工手段才能达到的，轻易即可做到。氮化碳刀具的出现为机械加工带来新的生机，它将具有广阔的应用前景。(end)
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(1/20/2007) |
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