氮化碳（C3N4）是上世紀(jì)90年代初才出現(xiàn)的超硬材料。80年代后期Cohen等人通過理論計(jì)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剃杯，此說(shuō)立即引起國(guó)內(nèi)外研究人員的廣泛關(guān)注。1993年Niu首先宣布用激光燒蝕法獲得β-C3N4薄膜虹喉，隨后研究人員用電子回旋共振—化學(xué)氣相沉積（ECR—CVD）沽糕、熱絲CVD、反應(yīng)磁控濺射等方法成功地合成了氮化碳膜啤糙。

　　武漢大學(xué)自1994年起研究氮化碳的合成方法启血。先后用射頻CVD魂姆、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上的鍍膜工藝休台。試驗(yàn)證明阐泻，鍍有氮化碳的鉆頭比未涂層鉆頭壽命提高25倍，比鍍氮化鈦的鉆頭壽命提高3倍征啦。由于氮化碳的超硬性、較好的熱穩(wěn)定性和與Fe元素的低親和性桦闪，使氮化碳涂層刀具具有硬度高侠坎、抗磨損能力和熱穩(wěn)定性良好等優(yōu)點(diǎn)，成為較理想的干式切削刀具裙盾。本文就武漢大學(xué)制備的YT15基體的氮化碳涂層車刀進(jìn)行干切削性能的研究实胸。

　　1．氮化碳涂層刀具的特性

　　硬質(zhì)面涂層刀具的兩個(gè)重要指標(biāo)為涂層的硬度和涂層的附著力，而氮化碳涂層刀具的涂層硬度則是提高刀具壽命的關(guān)鍵番官。表1為幾種材料硬度的比較庐完，從表中可以看出，氮化碳的硬度僅次于金剛石徘熔，具有較大的優(yōu)勢(shì)门躯。武漢大學(xué)制備的YT15基體的氮化碳涂層車刀經(jīng)過中國(guó)科學(xué)院蘭州物理所及大連理工大學(xué)材料改性國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室的劃痕試驗(yàn)，涂層的顯微硬度高達(dá)HV=72.04GPa酷师，涂層的附著力LC=30.87～52.14N讶凉，達(dá)到JB/T8365—96的規(guī)定。

　　表1.各種材料的硬度比較

　　高速鋼－硬質(zhì)合金

　　HRC62～66－HRC74～81

　　高速鋼－硬質(zhì)合金－TiN－立方氮化硼－金剛石－氮化碳

　　HV8～9－HV13～18－HV21－HV47－HV800－HV50

　　2．氮化碳涂層刀具的切削加工性能

　　氮化碳涂層特殊的化學(xué)山孔、物理性能決定了其優(yōu)良的切削性能懂讯。下面以硅鋁合金及淬火態(tài)45鋼的切削加工為例，研究其加工性能和刀具的磨損規(guī)律台颠。

　　2．1 氮化碳涂層刀具干切削硅鋁合金

　　試驗(yàn)條件為干式切削褐望，被加工工件為汽車活塞，材料為共晶鋁硅合金（代號(hào)ZL108为或，牌號(hào)ZALSi12Cu2Mg1）锤观，對(duì)比刀具為金剛石涂層刀具及YG6硬質(zhì)合金刀具。切削參數(shù)為Vc=400m/min炼缰，ap=0.4mm拦袍，f=0.1mm/r，試驗(yàn)指標(biāo)為表面粗糙度Ra值和刀具壽命脸婉。試驗(yàn)結(jié)果：(1)表面粗糙度：金剛石涂層為Ra=0.64誓拉，氮化碳涂層為Ra=0.78，YG6硬質(zhì)合金為Ra=0.90尝赵；(2)氮化碳涂層刀具的壽命和金剛石涂層相當(dāng)篓羊，是YG6硬質(zhì)合金的10倍以上盹组。

　　在試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，氮化碳涂層刀具對(duì)鋁合金的抗粘接性能優(yōu)于金剛石涂層刀具六赢。從金剛石涂層刀具與氮化碳涂層刀具的積屑瘤照片對(duì)比可以看出哄避，氮化碳涂層與鋁合金的親合性不好。

　　2.2 氮化碳涂層刀具干切削淬火鋼

　　試驗(yàn)條件為干式切削劳景，被加工件材料為淬火態(tài)45碳鋼誉简，硬度為54HRC。對(duì)比刀具為未涂層YT15硬質(zhì)合金刀具盟广。試驗(yàn)中闷串，切削速度達(dá)到90m/min時(shí)，YT15刀具無(wú)法工作筋量，因此烹吵，對(duì)比試驗(yàn)選取兩組：Vc=60m/min，f=0.1mm/r桨武，ap=0.4mm肋拔；Vc=40m/min，f=0.1mm/r呀酸，ap=0.4mm凉蜂。試驗(yàn)結(jié)果：當(dāng)磨損標(biāo)準(zhǔn)為VB=0.3mm，Vc=60m/min時(shí)七咧，YT15工作9分鐘后VB=0.33mm跃惫，氮化碳工作15分鐘后VB=0.32mm；當(dāng)Vc=40m/min時(shí)顿储，YT15工作10分鐘后VB=0.35mm溺联，氮化碳工作30分鐘后VB=0.32mm。

　　2.3 氮化碳涂層刀具切削淬火鋼的磨損機(jī)理

　　氮化碳涂層刀具與未涂層刀具的區(qū)別在于：由于刀具表面有氮化碳涂層遮店，具有特殊的物理捻境、化學(xué)及機(jī)械性能，而基體為YT15硬質(zhì)合金戳酒，因此刀具既具有高硬度炸鹅、高耐熱性和高耐磨性，又具有硬質(zhì)合金的韌性伟杂，其切削性能優(yōu)于一般的硬質(zhì)合金肮渣，適合加工高硬度難加工材料，同時(shí)涂層的熱穩(wěn)定性和硬質(zhì)合金良好的導(dǎo)熱性使其適合干式切削及加工硬度為50HRC～60HRC的材料名挪。

　　切削試驗(yàn)中距肯，氮化碳涂層刀具先期磨損很小，一段時(shí)間后绵笆，刀具前刀面崩碎棺衬。在整個(gè)切削過程中刀具的損壞以破損為主橙喘。

　　從以上分析可以得出如下結(jié)論：

　　（1）刀具基體應(yīng)含有79%的WC胶逢，15%的TiC和6%的Co厅瞎，根據(jù)上述分析可知，WC初坠、TiC和Co的含量明顯偏低和簸，特別是Co的含量幾乎接近于YT30的含量，因此切削時(shí)刀具變脆碟刺，磨損主要以破損為主比搭。Co的含量降低與切削時(shí)溫度高有關(guān)，高溫使Co的擴(kuò)散加劇南誊，擴(kuò)散到刀具表面的Co被鐵屑帶走，使基體喪失Co蜜托，從而使刀具脆性增加抄囚；

　　（2）切削溫度較高時(shí)切屑氧化嚴(yán)重橄务，從磨損表面成分分析也可以證明這一點(diǎn)幔托。刀具表面含氧31.62%，含鐵6.58%王庐，主要是熔化的鐵和氧化鐵粘附在磨損表面所致细周。從切削過程來(lái)看，在如此切削速度下毫例，溫度極高谒酌，普通YT15硬質(zhì)合金刀具不可能使用，而氮化碳涂層刀具可以照樣加工惹捡，這是由于涂層特殊的物理和化學(xué)性能決定的遮结，隨著涂層的磨損，基體裸露刀具很快磨損男赴；

　≡骸（3）在高溫下，涂層一旦磨損垄减，刀具中的Co向工件往蝉、切屑的擴(kuò)散加劇，刀具由于粘接相減少牙枕，脆性增大堡扣，另一方面工件和切屑中的Fe向刀具的擴(kuò)散也加劇，擴(kuò)散到刀具中的Fe將形成新的低硬度脆性相官脓，導(dǎo)致刀具整體性能下降协怒，使刀具磨損加劇涝焙。

　　3.氮化碳刀具前景展望

　　由于氮化碳涂層刀具所具有的高硬度性和刀具制造上的靈活性，它可以取代部分磨削孕暇，提高工效仑撞，還可以取代部分其它刀具及加工方法，節(jié)約刀具成本妖滔，節(jié)約能耗隧哮；一些大型工件在加工過程中常需要換刀，影響加工精度座舍，而氮化碳涂層刀具由于具有良好的耐磨性和硬度沮翔，換刀次數(shù)較少，可以保證加工精度曲秉；隨著涂層技術(shù)及工藝的不斷完善采蚀，氮化碳涂層刀具的生產(chǎn)批量化，這種新型涂層刀具將給機(jī)械加工帶來(lái)新的生機(jī)承二，具有廣闊的應(yīng)用前景榆鼠。

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