摘要：采用 dc 反應(yīng)磁控濺射法在硬質(zhì)合金（ YT15 ）上沉積氮化碳超硬涂層，將其應(yīng)用于干切削領(lǐng)域，通過對硅鋁合金和淬火鋼的干式切削試驗(yàn)，研究了氮化碳涂層刀具的切削加工性能。切削試驗(yàn)表明，在干式切削加工硅鋁合金時可以達(dá)到較高的表面粗糙度，完全能滿足生產(chǎn)要求；在淬火鋼加工中，與未涂層的刀具相比，刀具壽命有較大提高。
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。 1993 年 Niu 首先宣布用激光燒蝕法獲得β -C3N4 薄膜，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 、反應(yīng)磁控濺射等方法成功地合成了氮化碳膜。
武漢*自 1994 年起研究氮化碳的合成方法。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上的鍍膜工藝。試驗(yàn)證明，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。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，使氮化碳涂層刀具具有硬度高、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。本文就武漢*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。
1 ．氮化碳涂層刀具的特性
硬質(zhì)面涂層刀具的兩個重要指標(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。表 1 為幾種材料硬度的比較，從表中可以看出，氮化碳的硬度僅次于金剛石，具有較大的優(yōu)勢。武漢*制備的 YT15 基體的氮化碳涂層車刀經(jīng)過*科蘭州物理所及大連理工*材料改性*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 ，涂層的附著力 LC=30.87 ～ 52.14N ，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)、物理性能決定了其優(yōu)良的切削性能。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。
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，被加工工件為汽車活塞，材料為共晶鋁硅合金（代號 ZL108 ，牌號 ZALSi12Cu2Mg1 ），對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 ， ap=0.4mm ， f=0.1mm/r ，試驗(yàn)指標(biāo)為表面粗糙度 Ra 值和刀具壽命。試驗(yàn)結(jié)果： (1) 表面粗糙度：金剛石涂層為 Ra=0.64 ，氮化碳涂層為 Ra=0.78 ， YG6 硬質(zhì)合金為 Ra=0.90 ； (2) 氮化碳涂層刀具的壽命和金剛石涂層相當(dāng)，是 YG6 硬質(zhì)合金的 10 倍以上。
在試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，氮化碳涂層刀具對鋁合金的抗粘接性能優(yōu)于金剛石涂層刀具。從金剛石涂層刀具與氮化碳涂層刀具的積屑瘤照片對比可以看出，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，被加工件材料為淬火態(tài) 45 碳鋼，硬度為 54HRC 。對比刀具為未涂層 YT15 硬質(zhì)合金刀具。試驗(yàn)中，切削速度達(dá)到 90m/min 時， YT15 刀具無法工作，因此，對比試驗(yàn)選取兩組： Vc=60m/min ， f=0.1mm/r ， ap=0.4mm ； Vc=40m/min ， f=0.1mm/r ， ap=0.4mm 。試驗(yàn)結(jié)果：當(dāng)磨損標(biāo)準(zhǔn)為 VB=0.3mm ， Vc=60m/min 時， YT15 工作 9 分鐘后 VB=0.33mm ，氮化碳工作 15 分鐘后 VB=0.32mm ；當(dāng) Vc=40m/min 時， YT15 工作 10 分鐘后 VB=0.35mm ，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，具有特殊的物理、化學(xué)及機(jī)械性能，而基體為 YT15 硬質(zhì)合金，因此刀具既具有高硬度、高耐熱性和高耐磨性，又具有硬質(zhì)合金的韌性，其切削性能優(yōu)于一般的硬質(zhì)合金，適合加工高硬度難加工材料，同時涂層的熱穩(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。
切削試驗(yàn)中，氮化碳涂層刀具先期磨損很小，一段時間后，刀具前刀面崩碎。在整個切削過程中刀具的損壞以破損為主。
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 ， 15% 的 TiC 和 6% 的 Co ，根據(jù)上述分析可知， WC 、 TiC 和 Co 的含量明顯偏低，特別是 Co 的含量幾乎接近于 YT30 的含量，因此切削時刀具變脆，磨損主要以破損為主。 Co 的含量降低與切削時溫度高有關(guān)，高溫使 Co 的擴(kuò)散加劇，擴(kuò)散到刀具表面的 Co 被鐵屑帶走，使基體喪失 Co ，從而使刀具脆性增加；
（ 2 ）切削溫度較高時切屑氧化嚴(yán)重，從磨損表面成分分析也可以證明這一點(diǎn)。刀具表面含氧 31.62% ，含鐵 6.58% ，主要是熔化的鐵和氧化鐵粘附在磨損表面所致。從切削過程來看，在如此切削速度下，溫度極高，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，這是由于涂層特殊的物理和化學(xué)性能決定的，隨著涂層的磨損，基體裸露刀具很快磨損；
（ 3 ）在高溫下，涂層一旦磨損，刀具中的 Co 向工件、切屑的擴(kuò)散加劇，刀具由于粘接相減少，脆性增大，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，導(dǎo)致刀具整體性能下降，使刀具磨損加劇。
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，提高工效，還可以取代部分其它刀具及加工方法，節(jié)約刀具成本，節(jié)約能耗；一些大型工件在加工過程中常需要換刀，影響加工精度，而氮化碳涂層刀具由于具有良好的耐磨性和硬度，換刀次數(shù)較少，可以保證加工精度；隨著涂層技術(shù)及工藝的不斷完善，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)械加工帶來新的生機(jī)，具有廣闊的應(yīng)用前景。來自:
