氮化碳涂層刀具干切削性能的研究

yangym1981

氮化碳涂層刀具干切削性能的研究

yangym1981

摘要：采用dc反應磁控濺射法在硬質合金（YT15）上沉積氮化碳超硬涂層，將其應用于干切削領域，通過對硅鋁合金和淬火鋼的干式切削試驗，研究了氮化碳涂層刀具的切削加工性能。切削試驗表明，在干式切削加工硅鋁合金時可以達到較高的表面粗糙度，完全能滿足生產要求；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。

9 [2 k7 h$ e1 Y    氮化碳（C3N4）是上世紀90年代初才出現的超硬材料。80年代后期Cohen等人通過理論計算預言，類似β-Si3N4結構的化合物——β-C3N4可能具有超過金剛石的硬度，此說立即引起國內外研究人員的廣泛關注。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—化學氣相沉積（ECR—CVD）、熱絲CVD、反應磁控濺射等方法成功地合成了氮化碳膜。
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    武漢大學自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、抗磨損能力和熱穩定性良好等優點，成為較理想的干式切削刀具。本文就武漢大學制備的YT15基體的氮化碳涂層車刀進行干切削性能的研究。?
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    1．氮化碳涂層刀具的特性?
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    硬質面涂層刀具的兩個重要指標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，具有較大的優勢。武漢大學制備的YT15基體的氮化碳涂層車刀經過中國科學院蘭州物理所及大連理工大學材料改性國家重點實驗室的劃痕試驗，涂層的顯微硬度高達HV=72.04GPa，涂層的附著力LC=30.87～52.14N，達到JB/T8365—96的規定。
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  y. x  R& \0 `' l    表1.各種材料的硬度比較
5 F2 j$ _$ G9 y; z    高速鋼－硬質合金
! g. O5 L4 T! D9 T9 j# m$ U: H/ x    HRC62～66－HRC74～81
    高速鋼－硬質合金－TiN－立方氮化硼－金剛石－氮化碳
    HV8～9－HV13～18－HV21－HV47－HV800－HV50
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    2．氮化碳涂層刀具的切削加工性能?

) _1 r0 Q4 c; B9 `& D; J2 n    氮化碳涂層特殊的化學、物理性能決定了其優良的切削性能。下面以硅鋁合金及淬火態45鋼的切削加工為例，研究其加工性能和刀具的磨損規律。?
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    2．1 氮化碳涂層刀具干切削硅鋁合金?

( i" @+ f6 s7 ?3 m* l  e    試驗條件為干式切削，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硬質合金刀具。切削參數為Vc=400m/min，ap=0.4mm，f=0.1mm/r，試驗指標為表面粗糙度Ra值和刀具壽命。試驗結果：(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，是YG6硬質合金的10倍以上。?

伊瓦卡

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