摘要:分析當(dāng)前各種刀具材料的優(yōu)缺點,回顧氮化碳的歷史,分析氮化碳涂層在刀具上應(yīng)用的可行性,通過研究氮化碳刀具的實用效果認為氮化碳刀具將具有廣闊的應(yīng)用前景。

機械加工中常用的刀具按材料分類有高速鋼刀具奄喂、硬質(zhì)合金刀具撤师、氮化鈦刀具、立方氮化硼刀具渊迁、金剛石刀具囤攀、陶瓷刀具等。這些刀具材料各具優(yōu)缺點,不能完全互相取代。對于硬質(zhì)面的簡單加工(如車削)可用硬質(zhì)合金焚挠、立方氮化硼等刀具,但對于形狀復(fù)雜工件(如齒輪等)的硬質(zhì)面加工,硬質(zhì)合金膏萧、立方氮化硼等刀具則無能為力,需要尋求其它的加工手段如磨削、電火花加工等挖毅。但這些加工方法加工效率低,電火花加工更有成本高的缺點,而且有些復(fù)雜工件無法采用上述方法,如果找到一種方法使得刀具能夠以切代磨,則能大大提高工效,降低成本尤稍。

1氮化碳的歷史和性能

氮化碳是90年代初才出現(xiàn)的新型超硬材料。80年代后期Cohen等人通過理論計算預(yù)言類似β-Si3N4結(jié)構(gòu)的化合物β-C3N4可能具有超過金剛石的硬度,此說立即引起國內(nèi)外研究人員的廣泛關(guān)注倡搞。1993年Niu首先宣布用激光燒蝕法得到了β-C3N4薄膜弓匪。隨后研究人員用電子回旋共振-化學(xué)氣相沉積(ECR-CVD)、熱絲CVD哥峡、反應(yīng)磁控濺射等方法成功合成了氮化碳薄膜盲拣。合成的氮化碳薄膜的硬度也在不斷提高。日本的Fujimoto等用粒子束混合沉積法在碳化物襯底上形成的CNx膜硬度達到63GPa惋蛉。

武漢大學(xué)自1994年起研究氮化碳的合成方法摘裕。先后用射頻CVD、磁控濺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鋼襯底上的鍍膜工藝鹅但。根據(jù)現(xiàn)有資料,在刀具上鍍氮化碳薄膜在世界上還是首次拥耍。

氮化碳的超硬特性是其在刀具上應(yīng)用的關(guān)鍵。由表1可知,將氮化碳鍍在刀具表面將極大提高刀具的表面硬度协熙。

表1 各種材料硬度比較

材料 高速鋼 硬質(zhì)合金 TiN 立方氮化硼 金鋼石 氮化碳 HRC 6266 7481 - - - - HV

(GPa)

氮化碳還具有較好的熱穩(wěn)定性审拉。用熱失重(TG)-差熱分析(DTA)研究氮化碳在室溫至1200℃的熱穩(wěn)定性發(fā)現(xiàn),石墨相含量較小的樣品在上述范圍內(nèi)無明顯的熱失重,證明氮化碳薄膜具有較好的熱穩(wěn)定性,見圖1。

圖1氮化碳薄膜失重(TG)-差熱分析(DTA)

對氮化碳薄膜的耐腐蝕性研究發(fā)現(xiàn),在電化學(xué)腐蝕過程中,鍍上氮化碳涂層的鋼樣品的陽極腐蝕電流密度降低到裸金屬的0.4%饲窿、鍍鉻的鋼樣品的1.3%煌寇。可見,氮化碳涂層可以降低腐蝕速率,具有良好的抗腐蝕性逾雄。同時,氮化碳中的C-N共價鍵與金剛石中的C-C共價鍵不同,N的電負性更強,束縛住了碳原子,使其難以與Fe發(fā)生親和反應(yīng),從而使其能用于切削黑色金屬唧席。

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