| 近年來，一種新型超硬刀具材料氮化碳（CNx）逐步發展起來，將CNx薄膜沉積在刀具表面上，可獲得使用壽命的延長和切削性能的提升。本文結合針對塗層刀具的實驗數據，驗證這一工藝的美好應用前景。 |
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在機械製造中，刀具材料對刀具切削性能和加工效率與質量，具有決定性的作用。計算機集成先進加工系統的出現，各種難加工材料在不同行業的應用，高速切削和高效切削以及精密加工、綠色制造的不斷向前發展，對刀具特別是對刀具材料提出了全新的更高的要求。
自20世紀中期以後，工程材料中不斷出現和應用難加工金屬和非金屬材料。原用的刀具，如高速鋼、硬質合金刀具等難以勝任其加工要求，於是超硬刀具材料便應運而生。
最早的超硬刀具材料只有金剛石和立方氮化硼（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和立方氮化硼，這兩種材料雖然已得到廣泛應用，但因其價格很高，成型和加工都頗為困難，加上金剛石刀具不能加工黑色金屬，應用推廣受到限制。
新型刀具材料CNx
近年來出現了一種新型刀具材料氮化碳。美國物理學家A.M.Lin和M.L.Cohen用分子工程理論，設計出新型超硬無機化合物CNx。根據體彈模量的計算，這種化合物可以達到接近甚至超過氮化硼和金剛石的硬度。
利用de反應磁控濺射工藝，國內外的物理和材料科技人員能在不同的基體材料上沉積出CNx超硬薄膜。這種薄膜具有高硬度、高耐磨、低摩擦和強導熱等性質，而且不與黑色金屬產生化學反應。
1. CNx薄膜的機械性能
國內物理學家在高速鋼刀具和硬質合金刀具上沉積CNx薄膜，其表面顯微硬度經測量為4000∼7200HV。可見其硬度已達到立方氮化硼的硬度，但稍低於人造金剛石的硬度。也有人曾用划痕法測量過CNx薄膜塗層的附着力，驗証其達到了JB/T8365標准規定。
2. CNx表面塗層刀具的實驗
（1）CNx表面塗層高速鋼刀具的鑽削實驗
筆者用直徑Φ10.5mm的M2（W6Mo5Cr4V2）高速鋼麻花鑽，進行CNx表面塗層，塗層厚度3∼5μm。用塗層前後的相同鑽頭在38CrNi3MoVA（經過調質，硬度為36∼40HRC）高強度鋼上鑽孔，孔深為12mm。
圖1 CNx塗層、TiN塗層與未塗層鑽頭的磨損曲線對比
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切削用量：進給量f=0.13mm/r，轉速n=600r/min，切削速度v=19.8m/min；不加切削液。這樣的工況下，每鑽一個孔約耗時9.6s，刀具磨損值VB在鑽頭最大直徑處的後刀面上測量。同時，為了進行不同塗層的對比，筆者又用常規的PVD工藝制成的TiN表面塗層的M2高速鋼麻花鑽，與上述麻花鑽一並進行鑽孔實驗。鑽孔實驗結果如圖1所示。
由圖1可見，如用0.3mm後刀面磨損量為磨鈍標准，則CNx塗層鑽頭可鑽48個孔，約為未塗層鑽頭的8倍、TiN塗層鑽頭的2倍。可見，CNx塗層對提高耐磨性的效果非常顯著。TiN塗層鑽頭的鑽孔數為24個。未塗層M2鑽頭的鑽孔數為6個。
（2）CNx表面塗層硬質合金刀片的車削實驗
1.筆者用K30硬質合金刀片為基體，塗覆CNx薄膜，車削T12A淬硬工具鋼（硬度61HRC）。將其與未塗層的K30刀片進行對比，參加對比的還有立方氮化硼（PCBN）車刀。
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。
刀具几何參數：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）的磨損曲線見圖2。可見，未塗層的K30硬質合金刀片車削淬硬工具鋼，僅僅3min時，後刀面磨損量VB即達0.3mm。CNx塗層刀片當VB達0.3mm時，切削時間達15min。
圖2 CNx塗層刀片、PCBN刀具與未塗層K30刀片的磨損曲線對比
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而PCBN車刀切削20min，VB方為0.2mm。預計PCBN車刀的使用壽命可超過30min。
2.又用P20硬質合金刀片為基體，塗覆CNx薄膜，車削60Si2Mn高強度鋼（調質，硬度40HRC）。與未塗層的P20刀片進行對比。參加對比的還有用CVD工藝制成的TiC表面塗層的硬質合金刀片，稱為YBo2。
切削用量：切削深度ap=1mm，進給量f=0.15mm/r，切削速度v=150m/min。
刀具几何參數：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。
磨損曲線對比見圖3。
圖3 CNx塗層刀片、YBo2塗層刀片與未塗層P20刀片的磨損曲線對比 |
由圖3可見，取磨鈍標准為VB=0.3mm，未塗層P20刀片的切削時間僅約為10min；YBo2刀片的切削時間約為30min，是P20的3倍。CNx塗層刀片切削30min後，VB僅為0.15mm；估計VB達0.3mm時，切削時間可達40min。
分析與討論
從以上的實驗研究可以看出，CNx塗層刀具的硬度能達到PCBN的水平並接近於金剛石，切削效果顯著，其使用壽命大大高於未塗層的高速鋼刀具和硬質合金刀具，也高於TiN、TiC塗層刀具。且CNx與黑色金屬之間呈惰性，不起化學作用。同時，C和N資源豐富，不存在資源匱乏的問題。由此分析，CNx塗層刀具大有發展前途和應用前景。
但是，值得特別提請注意的是，鑒於CNx塗層刀具的基礎工作尚做得不夠，必須認真對待以下各方面：
（1）應實施CNx的機械、物理性能的全面測試工作，如密度、導熱系數、強度、彈性模量以及衝擊值的測試等等。
（2）高速鋼鑽頭經CNx塗層，取得了顯著的切削效果。且巿售的磨制鑽頭，即可用以塗層，不需另行精化。其它高速鋼刀具，如車刀、銑刀、絲錐、齒輪滾刀和插齒刀等，有待逐一塗覆CNx，進行實驗，以充分考察其切削效果。
（3）除了車刀以外，還應在其它硬質合金刀具（如銑刀，特別是整體硬質合金鑽頭和立銑刀等）上塗覆CNx，進行切削實驗。
（4）作為基體，有待研究各種硬質合金與CNx塗層之間的結合力，從而優選出最好的硬質合金基體材料。同時，還應研究CNx塗層硬質合金刀具的塗前處理。
（5）當今，各種新的塗層方法和塗層材料品種相繼出現，如TiAlN、TiCrN、Al2O3及其多層塗覆，也有待與CNx塗層刀具實施對比，進一步確定CNx塗層的使用價值。
（6）探討生成CNx厚膜的可能性。
總之，在做好CNx塗層刀具的基礎工作之後進行推廣應用，如果貪圖急功近利，則往往只能“欲速則不達”。 ■
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