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。
在试验中发现，氮化碳涂层刀具对铝合金的抗粘接性能优于金刚石涂层刀具。从金刚石涂层刀具与氮化碳涂层刀具的积屑瘤照片对比可以看出，氮化碳涂层与铝合金的亲合性不好。
2.2氮化碳涂层刀具干切削淬火钢
试验条件为干式切削，被加工件材料为淬火态45碳钢，硬度为54hrc。对比刀具为未涂层yt15硬质合金刀具。试验中，切削速度达到90m/min时，yt15刀具无法工作，因此，对比试验选取两组：vc=60m/min，f=0.1mm/r，ap=0.4mm；vc=40m/min，f=0.1mm/r，ap=0.4mm。试验结果：当磨损标准为vb=0.3mm，vc=60m/min时，yt15工作9分钟后vb=0.33mm，氮化碳工作15分钟后vb=0.32mm；当vc=40m/min时，yt15工作10分钟后vb=0.35mm，氮化碳工作30分钟后vb=0.32mm。
2.3氮化碳涂层刀具切削淬火钢的磨损机理
氮化碳涂层刀具与未涂层刀具的区别在于：由于刀具表面有氮化碳涂层，具有特殊的物理、化学及机械性能，而基体为yt15硬质合金，因此刀具既具有高硬度、高耐热性和高耐磨性，又具有硬质合金的韧性，其切削性能优于一般的硬质合金，适合加工高硬度难加工材料，同时涂层的热稳定性和硬质合金良好的导热性使其适合干式切削及加工硬度为50hrc～60hrc的材料。
切削试验中，氮化碳涂层刀具先期磨损很小，一段时间后，刀具前刀面崩碎。在整个切削过程中刀具的损坏以破损为主。
从以上分析可以得出如下结论：
（1）刀具基体应含有79%的wc，15%的tic和6%的co，根据上述分析可知，wc、tic和co的含量明显偏低，特别是co的含量几乎接近于yt30的含量，因此切削时刀具变脆，磨损主要以破损为主。co的含量降低与切削时温度高有关，高温使co的扩散加剧，扩散到刀具表面的co被铁屑带走，使基体丧失co，从而使刀具脆性增加；
（2）切削温度较高时切屑氧化严重，从磨损表面成分分析也可以证明这一点。刀具表面含氧31.62%，含铁6.58%，主要是熔化的铁和氧化铁粘附在磨损表面所致。从切削过程来看，在如此切削速度下，温度*，普通yt15硬质合金刀具不可能使用，而氮化碳涂层刀具可以照样加工，这是由于涂层特殊的物理和化学性能决定的，随着涂层的磨损，基体裸露刀具很快磨损；
（3）在高温下，涂层一旦磨损，刀具中的co向工件、切屑的扩散加剧，刀具由于粘接相减少，脆性增大，另一方面工件和切屑中的fe向刀具的扩散也加剧，扩散到刀具中的fe将形成新的低硬度脆性相，导致刀具整体性能下降，使刀具磨损加剧。
3.氮化碳刀具前景展望
由于氮化碳涂层刀具所具有的高硬度性和刀具制造上的灵活性，它可以取代部分磨削，提高工效，还可以取代部分其它刀具及加工方法，节约刀具成本，节约能耗；一些大型工件在加工过程中常需要换刀，影响加工精度，而氮化碳涂层刀具由于具有良好的耐磨性和硬度，换刀次数较少，可以保证加工精度；随着涂层技术及工艺的不断完善，氮化碳涂层刀具的生产批量化，这种新型涂层刀具将给机械加工带来新的生机，具有广阔的应用前景。