氮化碳涂层刀具干切削性能的研究
氮化碳涂层刀具干切削性能的研究 摘要：采用dc反应磁控溅射法在硬质合金（YT15）上沉积氮化碳超硬涂层，将其应用于干切削领域，通过对硅铝合金和淬火钢的干式切削试验，研究了氮化碳涂层刀具的切削加工性能。切削试验表明，在干式切削加工硅铝合金时可以达到较高的表面粗糙度，完全能满足生产要求；在淬火钢加工中，与未涂层的刀具相比，刀具寿命有较大提高。氮化碳（C3N4）是上世纪90年代初才出现的超硬材料。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获得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地合成了氮化碳膜。
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上的镀膜工艺。试验证明，镀有氮化碳的钻头比未涂层钻头寿命提高25倍，比镀氮化钛的钻头寿命提高3倍。由于氮化碳的超硬性、较好的热稳定性和与Fe元素的低亲和性，使氮化碳涂层刀具具有硬度高、抗磨损能力和热稳定性良好等优点，成为较理想的干式切削刀具。本文就武汉大学制备的YT15基体的氮化碳涂层车刀进行干切削性能的研究。
1．氮化碳涂层刀具的特性
硬质面涂层刀具的两个重要指标为涂层的硬度和涂层的附着力，而氮化碳涂层刀具的涂层硬度则是提高刀具寿命的关键。表1为几种材料硬度的比较，从表中可以看出，氮化碳的硬度仅次于金刚石，具有较大的优势。武汉大学制备的YT15基体的氮化碳涂层车刀经过中国科学院兰州物理所及大连理工大学材料改性国家重点实验室的划痕试验，涂层的显微硬度高达HV=72.04GPa，涂层的附着力LC=30.87～52.14N，达到JB/T8365—96的规定。
表1.各种材料的硬度比较
高速钢－硬质合金
HRC62～66－HRC74～81
高速钢－硬质合金－TiN－立方氮化硼－金刚石－氮化碳
HV8～9－HV13～18－HV21－HV47－HV800－HV50
2．氮化碳涂层刀具的切削加工性能
氮化碳涂层特殊的化学、物理性能决定了其优良的切削性能。下面以硅铝合金及淬火态45钢的切削加工为例，研究其加工性能和刀具的磨损规律。
2．1 氮化碳涂层刀具干切削硅铝合金
试验条件为干式切削，被加工工件为汽车活塞，材料为共晶铝硅合金（代号ZL108，牌号ZALSi12Cu2Mg1），对比刀具为金刚石涂层刀具及YG6硬质合金刀具。切削参数为Vc=400m/min，ap=0.4mm，f=0.1mm/r，试验指标为表面粗糙度Ra值和刀具寿命。试验结果：(1)表面粗糙度：金刚石涂层为Ra=0.64，氮化碳涂层为Ra=0.78，YG6硬质合金为Ra=0.90；(2)氮化碳涂层刀具的寿命和金刚石涂层相当，是YG6硬质合金的10倍以上。 不错, 顶一个!
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