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新型氮化碳超硬涂层刀具的切削试验研究 |
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作者：北京理工大学 刘忠和 于启勋 林景 |
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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A.M.Liu和M.L.Cohen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，A.M.Liu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。A.M.Liu和D.M.Teter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
GPa | | 1 | W6Mo5Cr4V2
高速钢 | 49.43
36.36
37.85 | 41.20 | | 2 | W6Mo5Cr4V2
高速钢 | 34.88
43.06
54.50
44.04
49.43 | 45.18 | | 3 | W6Mo5Cr4V2
高速钢 | 40.33
38.65
40.33 | 39.77 | | 4 | W6Mo5Cr4V2
高速钢 | 42.12
39.48
42.21 | 40.94 | | 5 | W6Mo5Cr4V2
高速钢 | 46.08
43.06
32.25
38.66 | 40.01 | | 6 | 硬质合金 | 82.56
51.88
72.19 | 72.04 |
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/T8365-96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4µm)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(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)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/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，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28µm，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4µm)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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(2005-2-3，阅读1122次) |
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