新型氮化碳超硬涂层刀具的切削试验研究电烤箱空心轴香肠机热合机冲卡机

新型氮化碳超硬涂层刀具的切削试验研究

随着现代工业产品中各种新型的、难加工材料的涌现以及工件加工精度的不断提高，传统的切削刀具材料在很多领域已不能满足需要，于是超硬刀具材料的开发和应用越来越得到专业技术人员的重视。近年来，氮化碳(C3N4)作为一种新型的超硬材料，已成为有实用价值的刀具涂层材料。美国物理学家u和hen首先用分子工程理论，设计出超硬无机化合物氮化碳，根据体弹性模量的计算，可能达到金刚石的硬度。氮化碳作为一种超硬薄膜材料，除了具有高硬度外，还有低摩擦系数，高导热性能，很好的化学稳定性和抗氧化性能，能切削加工铁族元素，作为刀具材料具有广阔的应用前景。

1994年，u又公布了新的研究成果，认为C3N4可能具有六方晶系的b相、立方晶系的闪锌矿结构和三角晶系的类石墨相3种结构。u和ter分别计算了C3N4的晶体结构，认为至少有7种不同空间群结构的C3N4。表1 C3N4涂层薄膜的显微硬度测试值

试样号基体材料测量硬度

GPa平均硬度

GPa1W6Mo5Cr4V2

高速钢49.43

36.36

37.8541.202W6Mo5Cr4V2

高速钢34.88

43.06

54.50

44.04

49.4345.183W6Mo5Cr4V2

高速钢40冲床.33

38.65

40.3339.774W6Mo5Cr4V2

高速钢42.12

39.48

42.2140.945W6Mo5Cr4V2

高速钢46.08

43.06

32.25

38.6640.016硬质合金82.56

51.88

72.1972.04

中国武汉大学的王仁卉教授也对7种结构的C3N4的粉末衍射射谱进行过计算，给出了理论计算值。并用dc反应磁控溅射法在高速钢和硬质合金基体上沉积C3N4薄膜。用“划痕法”测量C3N4薄膜的附着力，达到。JB/T标准。测量得到的C3N4薄膜显微硬度值如表1所示。采用武汉大学物理系提供的C3N4涂层刀具(涂层厚度约4 m)进行了切削试验，研究其切削性能，并与相关的其他材料的刀具进行了对比切削试验，探讨分析了C3N4涂层刀具的适用范围及改进方向。

C3N4涂层高速钢刀具的切削试验

选用f6.3mm的W6Mo5Cr4V2高速钢麻花钻，进行C3N4涂层与TiN涂层，连同未涂层的麻花钻，在高强度钢38CrNi3MoVA(表格印刷经调质，HRC36～40)上钻孔，孔深约为10mm。试验钻削用量是：钻速n=600r/min(钻削速度v≈10m/min)、进给量f=0.13mm/r；干切；钻1个孔约需8s。

在钻削一定时间后，测量麻花钻左、右切削刃最大直径处的后刀面磨损量VB，用其平均值画出磨损曲线如图1。可见，VB=0.3mm时， C3N4涂层麻花钻的钻削时间最长，一般约为未涂层的10倍，TiN涂层的钻削时间次之，约为未涂层的7倍。应该注意的是，C3N4涂层麻花钻最后失效为崩刃，说明其脆性较大。

对C3N4涂层麻花钻头重磨其后刀面，再进行钻削试验，同所有涂层钻头相似，涂层仍会有一定作用。但随着重磨次数的增加，涂层即失去作用。

图1 钻孔试验磨损曲线 图2 车削淬硬钢磨损曲线

C3N4涂大众配件层硬质合金刀具的切削试验

选用不同牌号的硬质合金刀片作为基体，进行C3N4涂层，车削不同钢材，与未涂层硬质合金刀片、传统的CVD涂层刀片、聚晶立方氮化硼刀片作了以下对比切削试验。

1 车削淬硬钢CrMnB(HRC60)

1) 对比试验所用刀具

(1)YT14硬质合金，型号为41605A，前角go=15°，倒棱角go1=0°，倒棱宽bg=0.2mm，后角ao=8°，主偏角kr=75°，刃倾角ls=-4°，刀尖圆弧半径re=0.5mm。

(2)床控板在硬质合金YT14,为基体的C3N4涂层刀片，型号与刀具几何参数同(1)。

(3)PCBN刀具，go=0°，ao=-12°，bg=0.1mm，ao=10°，kr=45°，ls=0°，re=0.5mm。

2) 切削条件和试验结果切削深度ap=0.1mm，进给量f=0.05mm/为铝产业提供了优良的配套服务r，切削速度v=85m/min，干切削。刀具磨损曲线见图2，在后刀面磨损均为VB=0.3mm时减少起雾，C3N4涂层YT14刀片的切削时间是未涂层的3倍，但PCBN刀具更好，其切削时间又为C3N4涂层YT14刀片的3倍。

2. 车削高强度钢38CrNi3MoVA(经调质，HRC36～40)

1) 对比试验所用刀具

(1)YC10硬质合金刀片，型号为TNMG160408，ao=8°，kr=90°，ls=-4°，re=0.8mm。

(2)YC10为基体的C3N4涂层刀片，型号与刀具几何参数同(1)。

(3)YB125(仿Sandvik GC1025)TiC涂层刀片，型号TNMM160408，ao=8°，kr=90°，ls=-4°，re=0.8mm。

(4)WGC(哈尔滨科技大学、北京理工大学等校合制)3涂层(TiC/TiBN/TiN)刀片，型号TNMM160408，基体刀片特制，ao=8°，kr=90°，ls=-4°，re=0.8mm。

2) 切削条件和试验结果

ap=0.5mm，f=0.11mm/r，v=144m/min，干切削。刀具磨损曲线如图3所示。可见，3种涂层刀片的切削时间均长于未涂层的YC10刀片，而YC10为基体的C3N4涂层刀片又远不如YB125和WGC。

图3 车削高强度钢试验图 图4 车削SiCp/ZL109磨损曲线

3. 车削颗粒增强的复合材料

1) 被切削的试验材料基体为铸铝合金ZL109，增强材料为SiC颗粒，粒度28 m，重量比(wt)为20%，该复合材料记为SiCp/ZL109。

2) 试验刀具为YC10为基体的C3N4涂层刀片，型号为TNMG160408，ao=8°，kr=90°，ls=-4°，re=0.8mm。

3) 切削条件和试验结果ap=0.3mm，f=0.1mm/r，v=33m/min，干切削。2次试验的刀具磨损曲线见图4，YC10为基体的C3N4涂层刀片车削SiCp/ZL109复合材料，刀具磨损很快，切削时间仅30s，后刀面磨损量VB就达到0.3～0.4mm。

C3N4涂层硬质合金刀具的冲击切削试验

为了考验C3N4涂层硬质合金刀具的抗冲击性能，用YC10为基体的C3N4涂层它也是要求1些标准去衡量硬质合金刀片车削合金钢花键轴(HRC47～50，齿数z=8)，切削用量为ap=0.3mm，f=0.1mm/r，v=80m/min。工件每转1圈，刀尖受冲击8次，在上述切削实验条件下统计，刀尖受1032次冲击后，即告崩损。而采用未涂层的YC10硬质合金与复合陶瓷刀片，作冲击切削试验，冲击次数达5000～10000次才告破损。可见，C3N4涂层硬质合金刀具的抗冲击性能尚嫌不足。

分析和讨论

经上述各种切削试验表明，C3N4涂层高速钢麻花钻的切削性能良好，钻头使用寿命显著延长，涂层与高速钢基体的结合力和匹配均较为理想，涂层厚度(约4 m)可用。但脆性较大，抗冲击性能稍差。

C3N4涂层硬质合金刀具切削钢料，使用寿命提高幅度不如传统的TiC等涂层刀具及PCBN刀具。C3N4涂层刀具也不适合切削颗粒增强的复合材料。因此，目前尚无推广价值。

对此，尚需要做以下工作，增加 C3N4涂层厚度达0.5～0.6mm，试验能否胜任切削颗粒增强的复合材料；做好优化涂层工艺参数、优化涂层厚度、优选硬质合金基体材料、测试涂层前后的刀片机械物理性能等工作，以确定C3N4涂层硬质合金刀具的应用前景。(end)

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