新型氮化碳超硬涂層刀具的切削試驗(yàn)研究

發(fā)布日期：2012-08-29    蘭生客服中心    瀏覽：3437

隨著現(xiàn)代工業(yè)產(chǎn)品中各種新型的、難加工材料的涌現(xiàn)以及工件加工精度的不斷提高，傳統(tǒng)的切削刀具材料在很多領(lǐng)域已不能滿足需要，于是超硬刀具材料的開發(fā)和應(yīng)用越來越得到專業(yè)技術(shù)人員的重視。近年來，氮化碳(C3N4)作為一種新型的超硬材料，已成為有實(shí)用價(jià)值的刀具涂層材料。美國物理學(xué)家A.M.Liu和M.L.Cohen首先用分子工程理論，設(shè)計(jì)出超硬無機(jī)化合物氮化碳，根據(jù)體彈性模量的計(jì)算，可能達(dá)到金剛石的硬度。氮化碳作為一種超硬薄膜材料，除了具有高硬度外，還有低摩擦系數(shù)，高導(dǎo)熱性能，很好的化學(xué)穩(wěn)定性和抗氧化性能，能切削加工鐵族元素，作為刀具材料具有廣闊的應(yīng)用前景。
1994年，A.M.Liu又公布了新的研究成果，認(rèn)為C3N4可能具有六方晶系的b相、立方晶系的閃鋅礦結(jié)構(gòu)和三角晶系的類石墨相3種結(jié)構(gòu)。A.M.Liu和D.M.Teter分別計(jì)算了C3N4的晶體結(jié)構(gòu)，認(rèn)為至少有7種不同空間群結(jié)構(gòu)的C3N4。










表1 C3N4涂層薄膜的顯微硬度測試值
試樣號(hào)
基體材料
測量硬度
GPa
平均硬度
GPa
1
W6Mo5Cr4V2
高速鋼
49.43
36.36
37.85
41.20
2
W6Mo5Cr4V2
高速鋼
34.88
43.06
54.50
44.04
49.43
45.18
3
W6Mo5Cr4V2
高速鋼
40.33
38.65
40.33
39.77
4
W6Mo5Cr4V2
高速鋼
42.12
39.48
42.21
40.94
5
W6Mo5Cr4V2
高速鋼
46.08
43.06
32.25
38.66
40.01
6
硬質(zhì)合金
82.56
51.88
72.19
72.04

中國武漢大學(xué)的王仁卉教授也對7種結(jié)構(gòu)的C3N4的粉末衍射射譜進(jìn)行過計(jì)算，給出了理論計(jì)算值。并用dc反應(yīng)磁控濺射法在高速鋼和硬質(zhì)合金基體上沉積C3N4薄膜。用“劃痕法”測量C3N4薄膜的附著力，達(dá)到。JB/T8365-96標(biāo)準(zhǔn)。測量得到的C3N4薄膜顯微硬度值如表1所示。采用武漢大學(xué)物理系提供的C3N4涂層刀具(涂層厚度約4µm)進(jìn)行了切削試驗(yàn)，研究其切削性能，并與相關(guān)的其他材料的刀具進(jìn)行了對比切削試驗(yàn)，探討分析了C3N4涂層刀具的適用范圍及改進(jìn)方向。

C3N4涂層高速鋼刀具的切削試驗(yàn)


選用f6.3mm的W6Mo5Cr4V2高速鋼麻花鉆，進(jìn)行C3N4涂層與TiN涂層，連同未涂層的麻花鉆，在高強(qiáng)度鋼38CrNi3MoVA(經(jīng)調(diào)質(zhì)，HRC36～40)上鉆孔，孔深約為10mm。試驗(yàn)鉆削用量是：鉆速n=600r/min(鉆削速度v≈10m/min)、進(jìn)給量f=0.13mm/r；干切；鉆1個(gè)孔約需8s。
在鉆削一定時(shí)間后，測量麻花鉆左、右切削刃最大直徑處的后刀面磨損量VB，用其平均值畫出磨損曲線如圖1。可見，VB=0.3mm時(shí)， C3N4涂層麻花鉆的鉆削時(shí)間最長，一般約為未涂層的10倍，TiN涂層的鉆削時(shí)間次之，約為未涂層的7倍。應(yīng)該注意的是，C3N4涂層麻花鉆最后失效為崩刃，說明其脆性較大。
對C3N4涂層麻花鉆頭重磨其后刀面，再進(jìn)行鉆削試驗(yàn)，同所有涂層鉆頭相似，涂層仍會(huì)有一定作用。但隨著重磨次數(shù)的增加，涂層即失去作用。

C3N4涂層硬質(zhì)合金刀具的切削試驗(yàn)


選用不同牌號(hào)的硬質(zhì)合金刀片作為基體，進(jìn)行C3N4涂層，車削不同鋼材，與未涂層硬質(zhì)合金刀片、傳統(tǒng)的CVD涂層刀片、聚晶立方氮化硼刀片作了以下對比切削試驗(yàn)。

  1. 車削淬硬鋼CrMnB(HRC60)

    • 對比試驗(yàn)所用刀具
      (1)YT14硬質(zhì)合金，型號(hào)為41605A，前角go=15°，倒棱角go1=0°，倒棱寬bg=0.2mm，后角ao=8°，主偏角kr=75°，刃傾角ls=-4°，刀尖圓弧半徑re=0.5mm。
      (2)在硬質(zhì)合金YT14,為基體的C3N4涂層刀片，型號(hào)與刀具幾何參數(shù)同(1)。
      (3)PCBN刀具，go=0°，ao=-12°，bg=0.1mm，ao=10°，kr=45°，ls=0°，re=0.5mm。





      圖1 鉆孔試驗(yàn)?zāi)p曲線

      圖2 車削淬硬鋼磨損曲線

    • 切削條件和試驗(yàn)結(jié)果
      切削深度ap=0.1mm，進(jìn)給量f=0.05mm/r，切削速度v=85m/min，干切削。刀具磨損曲線見圖2，在后刀面磨損均為VB=0.3mm時(shí)，C3N4涂層YT14刀片的切削時(shí)間是未涂層的3倍，但PCBN刀具更好，其切削時(shí)間又為C3N4涂層YT14刀片的3倍。

  2. 車削高強(qiáng)度鋼38CrNi3MoVA(經(jīng)調(diào)質(zhì)，HRC36～40)

    • 對比試驗(yàn)所用刀具
      (1)YC10硬質(zhì)合金刀片，型號(hào)為TNMG160408，ao=8°，kr=90°，ls=-4°，re=0.8mm。
      (2)YC10為基體的C3N4涂層刀片，型號(hào)與刀具幾何參數(shù)同(1)。
      (3)YB125(仿Sandvik GC1025)TiC涂層刀片，型號(hào)TNMM160408，ao=8°，kr=90°，ls=-4°，re=0.8mm。
      (4)WGC(哈爾濱科技大學(xué)、北京理工大學(xué)等校合制)3涂層(TiC/TiBN/TiN)刀片，型號(hào)TNMM160408，基體刀片特制，ao=8°，kr=90°，ls=-4°，re=0.8mm。





      圖3 車削高強(qiáng)度鋼試驗(yàn)圖

      圖4 車削SiCp/ZL109磨損曲線

    • 切削條件和試驗(yàn)結(jié)果
      ap=0.5mm，f=0.11mm/r，v=144m/min，干切削。刀具磨損曲線如圖3所示�？梢姡�3種涂層刀片的切削時(shí)間均長于未涂層的YC10刀片，而YC10為基體的C3N4涂層刀片又遠(yuǎn)不如YB125和WGC。

  3. 車削顆粒增強(qiáng)的復(fù)合材料

    • 被切削的試驗(yàn)材料基體為鑄鋁合金ZL109，增強(qiáng)材料為SiC顆粒，粒度28µm，重量比(wt)為20%，該復(fù)合材料記為SiCp/ZL109。
    • 試驗(yàn)刀具為YC10為基體的C3N4涂層刀片，型號(hào)為TNMG160408，ao=8°，kr=90°，ls=-4°，re=0.8mm。
    • 切削條件和試驗(yàn)結(jié)果ap=0.3mm，f=0.1mm/r，v=33m/min，干切削。2次試驗(yàn)的刀具磨損曲線見圖4，YC10為基體的C3N4涂層刀片車削SiCp/ZL109復(fù)合材料，刀具磨損很快，切削時(shí)間僅30s，后刀面磨損量VB就達(dá)到0.3～0.4mm。

C3N4涂層硬質(zhì)合金刀具的沖擊切削試驗(yàn)


為了考驗(yàn)C3N4涂層硬質(zhì)合金刀具的抗沖擊性能，用YC10為基體的C3N4涂層硬質(zhì)合金刀片車削合金鋼花鍵軸(HRC47～50，齒數(shù)z=8)，切削用量為ap=0.3mm，f=0.1mm/r，v=80m/min。工件每轉(zhuǎn)1圈，刀尖受沖擊8次，在上述切削實(shí)驗(yàn)條件下統(tǒng)計(jì)，刀尖受1032次沖擊后，即告崩損。而采用未涂層的YC10硬質(zhì)合金與復(fù)合陶瓷刀片，作沖擊切削試驗(yàn)，沖擊次數(shù)達(dá)5000～10000次才告破損�？梢�，C3N4涂層硬質(zhì)合金刀具的抗沖擊性能尚嫌不足。

分析和討論


經(jīng)上述各種切削試驗(yàn)表明，C3N4涂層高速鋼麻花鉆的切削性能良好，鉆頭使用壽命顯著延長，涂層與高速鋼基體的結(jié)合力和匹配均較為理想，涂層厚度(約4µm)可用。但脆性較大，抗沖擊性能稍差。
C3N4涂層硬質(zhì)合金刀具切削鋼料，使用壽命提高幅度不如傳統(tǒng)的TiC等涂層刀具及PCBN刀具。C3N4涂層刀具也不適合切削顆粒增強(qiáng)的復(fù)合材料。因此，目前尚無推廣價(jià)值。
對此，尚需要做以下工作，增加 C3N4涂層厚度達(dá)0.5～0.6mm，試驗(yàn)?zāi)芊駝偃吻邢黝w粒增強(qiáng)的復(fù)合材料；做好優(yōu)化涂層工藝參數(shù)、優(yōu)化涂層厚度、優(yōu)選硬質(zhì)合金基體材料、測試涂層前后的刀片機(jī)械物理性能等工作，以確定C3N4涂層硬質(zhì)合金刀具的應(yīng)用前景

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