機(jī)械加工中常用的刀具按材料分類有高速鋼刀具牌宜、硬質(zhì)合金刀具察滑、氮化鈦刀具毒坛、立方氮化硼刀具有勾、金剛石刀具疹启、陶瓷刀具等。這些刀具材料各具優(yōu)缺點(diǎn)蔼卡，不能完全互相取代喊崖。對于硬質(zhì)面的簡單加工(如車削)可用硬質(zhì)合金、立方氮化硼等刀具雇逞，但對于形狀復(fù)雜工件(如齒輪等)的硬質(zhì)面加工荤懂，硬質(zhì)合金、立方氮化硼等刀具則無能為力塘砸，需要尋求其它的加工手段如磨削节仿、電火花加工等。但這些加工方法加工效率低姚垂，電火花加工更有成本高的缺點(diǎn)颊鳄，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障氛，則能大大提高工效谤蚌，降低成本。
1 氮化碳的歷史和性能
氮化碳是90年代初才出現(xiàn)的新型超硬材料衫沽。80年代后期Cohen等人通過理論計算預(yù)言類似b-Si3N4結(jié)構(gòu)的化合物b-C3N4可能具有超過金剛石的硬度檐鹤，此說立即引起國內(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得到了b-C3N4薄膜酒吠。隨后研究人員用電子回旋共振- 化學(xué)氣相沉積(ECR - CVD)冈彭、熱絲CVD、反應(yīng)磁控濺射等方法成功合成了氮化碳薄膜唇佳。合成的氮化碳薄膜的硬度也在不斷提高骏点。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(dá)到63GPa贱钩。
武漢大學(xué)自1994年起研究氮化碳的合成方法。先后用射頻CVD谷芬、磁控濺射等方法成功合成了氮化碳薄膜唉堪，并研究了氮化碳薄膜在高速鋼襯底上的鍍膜工藝。根據(jù)現(xiàn)有資料肩民，在刀具上鍍氮化碳薄膜在世界上還是首次唠亚。
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) |
89 |
1318 |
21 |
47 |
800 |
50 |
氮化碳的超硬特性是其在刀具上應(yīng)用的關(guān)鍵。由表1可知持痰，將氮化碳鍍在刀具表面將極大提高刀具的表面硬度灶搜。
氮化碳還具有較好的熱穩(wěn)定性。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)工窍，石墨相含量較小的樣品在上述范圍內(nèi)無明顯的熱失重割卖，證明氮化碳薄膜具有較好的熱穩(wěn)定性，見圖1移剪。
對氮化碳薄膜的耐腐蝕性研究發(fā)現(xiàn)究珊，在電化學(xué)腐蝕過程中薪者，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%纵苛、鍍鉻的鋼樣品的1.3%⊙越颍可見攻人，氮化碳涂層可以降低腐蝕速率，具有良好的抗腐蝕性署氏。同時腋殃，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(fù)性更強(qiáng)晓够，束縛住了碳原子燕党，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擅锚。
2 氮化碳刀具對硬質(zhì)材料加工的效果
我們進(jìn)行了鍍有氮化碳薄膜的插齒刀的機(jī)前試驗悉宿。試驗結(jié)果見表2。由于齒輪經(jīng)淬火滲碳熱處理變形使得公法線公差達(dá)不到設(shè)計要求需要精加工赊真，但齒輪經(jīng)淬火滲碳后表面硬度達(dá)到HRC62 以上涝睁，且該齒輪設(shè)計形狀特殊不能進(jìn)行磨削，使得該齒輪的廢品率一度達(dá)到80%以上盒蚁。使用氮化碳插齒刀能對熱處理后的齒輪進(jìn)行精加工以滿足設(shè)計要求示祭，極大地提高了成品率。
表2 鍍有氮化碳的插齒刀對硬質(zhì)材料加工測定
| 插齒刀 |
直徑(mm) |
117 |
| 材質(zhì) |
W18Cr4A |
| 模數(shù) |
9 |
| 被切齒輪 |
直徑(mm) |
180 |
| 材質(zhì) |
20Cr2Ni4A |
| 硬度(HRC) |
> 60(經(jīng)滲碳淬火) |
| 切削參數(shù) |
沖程次數(shù)(次/mm) |
83 |
| 切削速度(m/min) |
10 |
| 進(jìn)給量(mm/齒) |
0.1 |
| 切削結(jié)果 |
白刀 |
切削件數(shù) |
0 |
| 磨損 |
刀具嚴(yán)重磨損 |
| 黃刀 |
切削件數(shù) |
4 |
| 表面粗糙度Ra(μm) |
3.2 |
| 磨損(mm) |
0 . 2 |
| 測試機(jī)床 |
Y54A |
| 測試廠家 |
中國人民解放軍第三三○三工廠 |
| 注：白刀———未鍍CNx / / TiN 復(fù)合膜刀具陋晒；
黃刀———鍍CNx / TiN 復(fù)合膜刀具咽蚣。 |
圖2中間為鍍膜的插齒刀化焕，左上為精加工前的齒輪，右為加工后的齒輪铃剔。加工后的齒面平整光潔锣杂。
在試驗過程中我們注意到，由于被加工材料很硬番宁，在刀具上的氮化碳涂層磨損以前刀具不會發(fā)生磨損元莫，一旦涂層被磨損，刀具立即被嚴(yán)重磨損而不能再進(jìn)行加工蝶押，可見氮化碳涂層對刀具起到了良好的保護(hù)作用踱蠢。
另外在可轉(zhuǎn)位硬質(zhì)合金車刀上鍍氮化碳薄膜的初步試驗也表明，沉積了氮化碳薄膜的車刀能對硬度為HRC62 的淬火鋼進(jìn)行車削加工棋电。
3 氮化碳刀具前景展望
高速鋼是目前廣泛使用的刀具材料茎截，特別是多用于形狀復(fù)雜的刀具，如鉆頭赶盔、絲錐企锌、銑刀等，以及一些尺寸精度要求嚴(yán)格的成形刀具于未，如插齒刀其神、滾齒刀等。這些刀具使用硬質(zhì)合金材料在經(jīng)濟(jì)上不合算币沫，且硬質(zhì)合金研磨困難垄窃，難以制造某些刀具。例如常用的齒輪刀具中番雀，硬質(zhì)合金只能制造模數(shù)小于3的刀具吐莲，且價格極為昂貴。如果使用高速鋼制造的鍍上氮化碳涂層的齒輪刀具阶押，不僅能降低刀具成本甚至還能切削硬質(zhì)合金都不能切削的硬質(zhì)面陪瘟。根據(jù)現(xiàn)有資料，較好的成形刀具也只能對 HRC52的材料進(jìn)行加工脱刷，而氮化碳刀具能對HRC62的材料進(jìn)行各種加工阐逗。
高速鋼作為刀具材料一般其硬度都在HRC60以上。高速鋼刀具在使用中損壞的主要原因是刀具的刃口磨損導(dǎo)致加工精度達(dá)不到要求谆精。一般情況下币芽，在機(jī)械加工中不會發(fā)生基體凹陷的情況。薄膜脆裂脫落的主要原因在于薄膜的附著力較低浮笔，只要薄膜的生長工藝達(dá)到要求西设，提高薄膜的附著力，薄膜就不易脆裂脫落。
由于氮化碳刀具的高硬度和刀具制造上的靈活性贷揽，它可以取代部分磨削棠笑，提高工效。它也能取代部分其它刀具(如氮化硼刀具等)和部分其它加工方法(如電火花加工)禽绪，節(jié)約刀具成本蓖救，節(jié)約能耗等。在許多大型工件的加工中印屁，由于刀具磨損往往需要中止加工更換刀具循捺，這樣就不能保證加工精度。氮化碳刀具所具有的高硬度雄人、良好的抗磨損能力正適用于這種場合从橘，能夠一次加工成形，保證了加工精度础钠，同時提高了生產(chǎn)效率恰力。
有試驗表明，鍍有氮化碳的鉆頭比沒鍍的鉆頭壽命提高25倍拓酵，比鍍氮化鈦的鉆頭壽命提高3倍镰饶。可見氮化碳刀具有更長的壽命乱树，能夠降低刀具的成本烧骗。
為使薄膜達(dá)到較高的硬度，避免軟質(zhì)相的析出瀑尔，在薄膜生長過程中需采用特殊工藝且較為困難阎臂。目前本實驗室已使該項工藝達(dá)到工業(yè)化生產(chǎn)的水平，鍍有氮化碳涂層的刀具不久將批量生產(chǎn)元糯。由于它能替代許多原有的低效的加工方法，大大提高工效紧碴，因此它具有廣闊的市場前景和很高的經(jīng)濟(jì)價值旷程。
綜上所述，氮化碳涂層不但能提高刀具壽命拔较，還能進(jìn)行硬質(zhì)面加工起衫，使得以往許多不可加工的工件或需要其它費(fèi)時費(fèi)力的加工手段才能達(dá)到的，輕易即可做到槽畔。氮化碳刀具的出現(xiàn)為機(jī)械加工帶來新的生機(jī)栈妆，它將具有廣闊的應(yīng)用前景。
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