氮化碳切削性能的實(shí)驗(yàn)研究氮化碳 切削 新聞來源：中國研磨網(wǎng) 發(fā)布日期：2010-1-13
機(jī)械制造，刀具材料對刀具切削性能加工效率與質(zhì)量，具有決定性作用。計算機(jī)集成先進(jìn)加工系統(tǒng)出現(xiàn)，各種難加工材料不同行業(yè)應(yīng)用，高速切削高效切削以及精密加工、綠色制造不斷向前發(fā)展，對刀具特別對刀具材料提出了全新更高要求。
自20世紀(jì)期以後，工程材料不斷出現(xiàn)應(yīng)用難加工金屬非金屬材料。原用刀具，如高速鋼、硬質(zhì)合金刀具等難以勝任其加工要求，於超硬刀具材料便應(yīng)運(yùn)而生。
最早超硬刀具材料只有金剛石立方氮化硼（PCBN）兩種。人類從使用天然金剛石開始，後來研制成功人造金剛石立方氮化硼，這兩種材料雖然已得到廣泛應(yīng)用，但因其價格很高，成型加工都頗為困難，加上金剛石刀具不能加工黑色金屬，應(yīng)用推廣受到限制。
新型刀具材料CNx
近年來出現(xiàn)了一種新型刀具材料氮化碳。美國物理學(xué)家A.M.LinM.L.Cohen用分子工程理論，設(shè)計出新型超硬無機(jī)化合物CNx。根據(jù)體彈模量計算，這種化合物可以達(dá)到接近甚至超過氮化硼金剛石硬度。
利用de反應(yīng)磁控濺射工藝，國內(nèi)外物理材料科技人員能不同基體材料上沉積出CNx超硬薄膜。這種薄膜具有高硬度、高耐磨、低摩擦強(qiáng)導(dǎo)熱等性質(zhì)，而且不與黑色金屬產(chǎn)生化學(xué)反應(yīng)。
1.CNx薄膜機(jī)械性能
國內(nèi)物理學(xué)家高速鋼刀具硬質(zhì)合金刀具上沉積CNx薄膜，其表面顯微硬度經(jīng)測量為4000?7200HV�？梢娖溆捕纫堰_(dá)到立方氮化硼硬度，但稍低於人造金剛石硬度。也有人曾用劃痕法測量過CNx薄膜涂層附著力，驗(yàn)證其達(dá)到了JB/T8365標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定。
2.CNx表面涂層刀具實(shí)驗(yàn)
（1）CNx表面涂層高速鋼刀具鉆削實(shí)驗(yàn)
筆者用直徑Φ10.5mmM2（W6Mo5Cr4V2）高速鋼麻花鉆，進(jìn)行CNx表面涂層，涂層厚度3?5μm。用涂層前後相同鉆頭38CrNi3MoVA（經(jīng)過調(diào)質(zhì)，硬度為36?40HRC）高強(qiáng)度鋼上鉆孔，孔深為12mm。
切削用量：進(jìn)給量f=0.13mm/r，轉(zhuǎn)速n=600r/min，切削速度v=19.8m/min；不加切削液。這樣工況下，每鉆一個孔約耗時9.6s，刀具磨損值VB鉆頭****直徑處後刀面上測量。同時，為了進(jìn)行不同涂層對比，筆者又用常規(guī)PVD工藝制成TiN表面涂層M2高速鋼麻花鉆，與上述麻花鉆一并進(jìn)行鉆孔實(shí)驗(yàn)。
由圖1可見，如用0.3mm後刀面磨損量為磨鈍標(biāo)準(zhǔn)，則CNx涂層鉆頭可鉆48個孔，約為未涂層鉆頭8倍、TiN涂層鉆頭2倍�？梢姡珻Nx涂層對提高耐磨性效果非常顯著。TiN涂層鉆頭鉆孔數(shù)為24個。未涂層M2鉆頭鉆孔數(shù)為6個。
（2）CNx表面涂層硬質(zhì)合金刀片車削實(shí)驗(yàn)
�、俟P者用K30硬質(zhì)合金刀片為基體，涂覆CNx薄膜，車削T12A淬硬工具鋼（硬度61HRC）。將其與未涂層K30刀片進(jìn)行對比，參加對比還有立方氮化硼（PCBN）車刀。
切削用量：切削深度ap=0.5mm，進(jìn)給量f=0.1mm/r，切削速度v=60m/min。
刀具幾何參數(shù)：前角γo=0°，後角αo=8°，主偏角κr=90°，刃傾角λS=-4°，刀尖圓孤半徑rε=0.8mm。
三種刀具（片）磨損曲線見圖2�？梢姡赐繉覭30硬質(zhì)合金刀片車削淬硬工具鋼，僅僅3min時，後刀面磨損量VB即達(dá)0.3mm。CNx涂層刀片當(dāng)VB達(dá)0.3mm時，切削時間達(dá)15min。
而PCBN車刀切削20min，VB方為0.2mm。預(yù)計PCBN車刀使用壽命可超過30min。
②又用P20硬質(zhì)合金刀片為基體，涂覆CNx薄膜，車削60Si2Mn高強(qiáng)度鋼（調(diào)質(zhì)，硬度40HRC）。與未涂層P20刀片進(jìn)行對比。參加對比還有用CVD工藝制成TiC表面涂層硬質(zhì)合金刀片，稱為YBo2。
切削用量：切削深度ap=1mm，進(jìn)給量f=0.15mm/r，切削速度v=150m/min。
刀具幾何參數(shù)：前角γo=4°，後角αo=8°,主偏角κr=45°，刃傾角λs=-4°，刀尖圓孤半徑rε=0.8mm。
由圖3可見，取磨鈍標(biāo)準(zhǔn)為VB=0.3mm，未涂層P20刀片切削時間僅約為10min；YBo2刀片切削時間約為30min，P203倍。CNx涂層刀片切削30min後，VB僅為0.15mm；估計VB達(dá)0.3mm時，切削時間可達(dá)40min。
分析與討論
從以上實(shí)驗(yàn)研究可以看出，CNx涂層刀具硬度能達(dá)到PCBN水平并接近於金剛石，切削效果顯著，其使用壽命大大高於未涂層高速鋼刀具硬質(zhì)合金刀具，也高於TiN、TiC涂層刀具。且CNx與黑色金屬之間呈惰性，不起化學(xué)作用。同時，CN資源豐富，不存資源匱乏問題。由此分析，CNx涂層刀具大有發(fā)展前途應(yīng)用前景。
但，值得特別提請注意，鑒於CNx涂層刀具基礎(chǔ)工作尚做得不夠，必須認(rèn)真對待以下各方面：
�。�1）應(yīng)實(shí)施CNx機(jī)械、物理性能全面測試工作，如密度、導(dǎo)熱系數(shù)、強(qiáng)度、彈性模量以及沖擊值測試等等。
�。�2）高速鋼鉆頭經(jīng)CNx涂層，取得了顯著切削效果。且?guī)埵勰ブ沏@頭，即可用以涂層，不需另行精化。其它高速鋼刀具，如車刀、銑刀、絲錐、齒輪滾刀插齒刀等，有待逐一涂覆CNx，進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，以充分考察其切削效果。
�。�3）除了車刀以外，還應(yīng)其它硬質(zhì)合金刀具（如銑刀，特別整體硬質(zhì)合金鉆頭立銑刀等）上涂覆CNx，進(jìn)行切削實(shí)驗(yàn)。
�。�4）作為基體，有待研究各種硬質(zhì)合金與CNx涂層之間結(jié)合力，從而優(yōu)選出最好硬質(zhì)合金基體材料。同時，還應(yīng)研究CNx涂層硬質(zhì)合金刀具涂前處理。
�。�5）當(dāng)今，各種新涂層方法涂層材料品種相繼出現(xiàn)，如TiAlN、TiCrN、Al2O3及其多層涂覆，也有待與CNx涂層刀具實(shí)施對比，進(jìn)一步確定CNx涂層使用價值。
�。�6）探討生成CNx厚膜可能性。
總之，做好CNx涂層刀具基礎(chǔ)工作之後進(jìn)行推廣應(yīng)用，如果貪圖急功近利，則往往只能“欲速則不達(dá)”。
參考中國研磨網(wǎng)鏈接:http://www.yanmo.net/zx_view.asp?NewsID=43936 |
平面研磨機(jī)系列
