新型氮化碳涂層超硬刀具材料

發(fā)布日期：2012-08-29    蘭生客服中心    瀏覽：2865

 

過去，超硬刀具材料只有金剛石和立方氮化硼兩種。人類從使用天然金剛石開始，到20世紀中葉研制出了人造的金剛石和立方氮化硼。人造的超硬材料后來出現(xiàn)了不同的制造方法和類別，而且在不同的工業(yè)生產和科技領域中得到了廣泛的應用。
 
近年，一種新型超硬刀具材料——氮化碳(CxNy)涂層得到了發(fā)展。美國物理學家A.M.Lin和M.L.Cohen用分子工程理論設計出了新型超硬無機化合物氮化碳。根據(jù)體彈模量的計算，它可能達到甚至超過金剛石的硬度，從而引起科技界和材料科學家的重視，A.M.Lin于1994年公布了新的研究成果，采用可變晶格模型分子動力學(VCS-MD)從頭計算法，擴展了CxNy的理論研究, CxNy可能具有三種結構：六方晶系的b相，立方晶系的閃鋅礦結構和三角晶系的類石墨相。A.M.Lin和M.L.Cohen分別計算了CxNy的晶體結構，至少有7種不同空間群結構的CxNy，取得了不同結構和空間群的密度、晶格常數(shù)、體彈模量和能量的計算值。它們雖具有相近的能量值，但其他性能的數(shù)值差別較大。武漢大學王仁卉也對7種結構的CxNy粉末衍射譜進行過計算。
 
武漢大學物理系能用的反應磁控濺射法在不同的刀具上沉積CxNy薄膜，它是一種超硬材料，具有高硬度、高耐磨、低摩擦和強導熱等性質，這些性質和金剛石十分相似。它的化學穩(wěn)定性也好，可以對鐵基材料進行切削加工，故有廣闊的應用前景。
 
本文主要用武漢大學物理系提供的CxNy涂層高速鋼麻花鉆和CxNy涂層硬質合金刀片進行了切削試驗，探討了它的切削性能；對CxNy涂層薄膜的機械性能也進行了一定的介紹。

1 氮化碳薄膜的力學性能


在不同的基體材料上沉積CxNy薄膜，其表面顯微硬度測試值列于表1。表1除6號試樣為硬質合金基體外，其余1～5號試樣的基體均為M2高速鋼。







































































表1 CxNy涂層薄膜顯微硬度測試值表
試樣號 硬度

(GPa)

 平均硬度

(GPa)

 試樣號 硬度

(GPa)

 平均硬度

(GPa)
1 49.43 41.20 4 42.12 40.94
36.36 39.48
37.85 41.21
2 34.88 45.18 5 46.08 40.01
43.06 43.06
54.50 32.25
44.04 38.66
49.43 /
3 40.33 39.77 6 82.56 72.04
38.65 51.88
40.33 71.19

由表1可見，CxNy薄膜的硬度約在40～72GPa之間。武漢大學物理系在單晶硅基體上沉積了CxNy，其硬度亦達到50GPa。還用劃痕法測量了CxNy薄膜涂層的附著力，按JB/T8365－96標準規(guī)定，也達到了標準。

2 CxNy表面涂層麻花鉆的鉆削試驗



  • 第一組：
    直徑為Ø6mm的W6Mo5Cr4V2普通高速鋼麻花鉆，由武漢大學物理系進行CxNy涂層，涂層薄膜厚度約為4µm。用涂層鉆頭和未涂層鉆頭在高強度鋼38CrNi3MoVA(經調質，硬度為36～40HRC)上鉆孔，孔深約10mm。切削一定時間后，分別測量鉆頭左、右二刃的后刀面磨損量VB，測量部位為鉆頭最大直徑處的主切削刃后刀面。
    切削用量：進給量f=0.13mm/r，轉速n=530r/min，切削速度v≈10m/min；干切；每鉆一個孔，約用10秒。
    鉆頭左、右二刃的后刀面磨損量均測量、記錄，畫成刀具磨損曲線，列于圖2。因鉆頭兩個頂面(即主后刀面)刃磨比較對稱，故左、右后刀面磨損量很接近。圖2中分別畫出左、右切削刃的磨損曲線。在圖2的橫坐標上同時標明了鉆孔數(shù)和切削時間。










    圖1 涂CxNy薄膜的麻花鉆

    圖2 CxNy涂層與未涂層的麻花鉆對比磨損曲線

    圖3 兩種涂層麻花鉆與未涂層的麻花鉆對比磨損曲線

    由圖1可見在后刀面磨損量相同情況下，CxNy涂層鉆頭的切削時間約為未涂層鉆頭的10倍，故涂層后鉆頭耐磨性的提高十分顯著。

  • 第二組：
    再用直徑為Ø6mm的W6Mo5Cr4V2普通高速鋼麻花鉆，進行CxNy涂層和TiN涂層，在高強度鋼38CrNi3MoVA(HRC 36～40)上鉆孔，孔深約為10mm。
    切削用量：進給量f=0.13mm/r，轉速n=530r/min，切削速度v≈10m/min；干切；其余切削條件與前相同。每鉆一個孔，約用8秒。
    圖3為三種鉆頭的主后刀面磨損曲線，未分左、右切削刃。
    由圖3可見，在后刀面磨損量相同情況下，CxNy涂層鉆頭的切削時間約為未涂層鉆頭的10倍，TiN涂層鉆頭約為未涂層鉆頭的7倍，故CxNy涂層的耐磨性高于TiN涂層。


3 CxNy復合表面涂層硬質合金刀片的車削試驗



  • 第一組：
    刀具：CxNy復合涂層刀片(YG8基體)，未涂層的YG8刀片，國產立方氮化硼(PCBN)刀片；
    工件：T12A工具鋼，淬硬61HRC；
    刀具幾何參數(shù)：前角g0=0°；后角a0=8°；主偏角kr=90°；刃傾角ls=-4°；刀夾圓弧半徑re=0.8mm；
    切削用量：切削深度ap=0.5mm；進給量f=0.1mm/r；切削速度v=60m/min；三種刀具的磨損曲線如圖4所示。

  • 第二組：
    刀具：CxNy復合涂層刀片(YT14基體)，未涂層的YT14刀片，國產YBo2涂層硬質合金刀片(TiN涂層)；
    工件：60Si2Mn高強度鋼，調質，40HRC；
    刀具幾何參數(shù)：前角go=4°；后角ao=8°；主偏角kr=45°；刃傾角ls=-4°；刀夾圓弧半徑re=0.8mm；
    切削用量：切削深度ap=1mm；進給量f=0.15mm/r；切削速度v=150m/min；
    三種刀具的磨損曲線如圖5所示。










    圖4 CxNy涂層硬質合金刀片與其他刀片的對比磨損曲線

    圖5 CxNy涂層硬質合金刀片與其他硬質合金刀片的對比磨損曲線

    圖6 涂CxNy薄膜的YT14硬質合金刀片

    從圖4、圖5可以看出，YG8和YT14兩類硬質合金刀片經涂覆CxNy薄膜后，刀具壽命大為提高。但在車削淬硬鋼T12A時，CxNy涂層刀片的使用壽命低于PCBN刀片。在車削高強度中硬鋼602Mn時，CxNy涂層刀片的使用壽命略高于YBo2(TiC涂層)刀片。


4 分析與討論



  1. 在高速鋼鉆頭上進行CxNy表面涂層，其使用壽命大大提高；CxNy涂層鉆頭的壽命也顯著高于TiN涂層鉆頭。在高速鋼刀具上涂覆CxNy，其涂層技術已日趨成熟，使用效果亦日趨穩(wěn)定。

  2. 對于硬質合金刀片，經過CxNy涂層，刀具壽命也能提高，但提高幅度不如高速鋼刀具那樣大。在車削淬硬鋼時，其刀具壽命尚低于PCBN刀具；在車削高強度中硬鋼時，其刀具壽命僅略高于TiN涂層硬質合金刀具，這樣就限制了CxNy涂層硬質合金刀具的應用。

  3. CxNy涂層材料的各項力學、物理性能，需作全面的測試和深入研究。CxNy涂層和硬質合金基體材料之間的匹配也有待認真研究。

  4. CxNy涂層屬超硬材料，它與鐵族元素呈惰性，故這種刀具可以加工鋼鐵材料。這是一個很大的優(yōu)點，可以補充金剛石刀具的不足，從而有著廣闊的應用領域。預計經過認真的研究和探討，CxNy涂層超硬刀具有著美好的發(fā)展前景。


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