氮化碳涂层刀具制备工艺与切削性能研究

摘要:氮化碳作为新型的刀具涂层材料,其特点是硬度高、导热性好、附着力强、摩擦系数小、高温切削性能好,可用于高速切削与干切削。本文结合国内外研究现状,对氮化碳涂层刀具的涂层工艺、切削性能以及发展应用进行了综合论述。

关键词:氮化碳 涂层刀具

1、引言

伴随着制造业的发展,人们对当前机加工刀具的要求也越来越高。由于涂层刀具的基体强度高、韧性好,同时其涂层又具备很高的硬度和耐磨性,使其具备了良好的切削性能,广泛的用于现代加工制造业中。自20世纪80年代以来,涂层刀具的应用飞速发展,涂层工艺越来越成熟。欧美发达国家使用的涂层刀片占可转位刀片的比例可达60%以上,新型的加工中心所用切削刀具中有80%以上为涂层刀具[1]。

氮化碳(C3N4)是一种新型的超硬涂层材料,它具有许多类似于金刚石的特性[2],如:硬度高、导热性耐磨性好,摩擦系数小等,而同时它又具备金刚石所没有的特性,其化学稳定性好、耐高温、耐氧化,可广泛用来加工不锈钢、耐热合金钢、钛合金、铝合金等难加工材料。

2、氮化碳涂层刀具的制备

涂层刀具的切削性能与基体材料、涂层材料以及涂层工艺的技术水平都有很大的关系,涂层与基体的结合强度、涂层及其界面组织结构、择优取向、各单涂层厚度及总厚度等都是决定涂层刀具性能的重要因素。

2.1 基体的选择

涂层与基体以及不同涂层之间的物理性能匹配程度对涂层刀具的性能影响很大,其中基体、各层之间的热膨胀系数、弹性模量的差别直接决定了最终涂层刀具的性能。由于热胀系数和弹性模量的不同,在材料内部将形成大小及分布不同的残余应力场。从降低残余拉应力、提高材料强度的角度上讲,应使基体与涂层之间的热膨胀系数接近,弹性模量差较小;另一方面,从提高材料断裂韧性的角度来看,存在适当的残余应力又是必要的。氮化碳涂层刀具基体一般选用高速钢或硬质合金,比如YG6、YG8、YT15等硬质合金作基体。界面结合强度也是影响涂层刀具性能的重要因素[3]。

2.2 涂层工艺

常用的刀具涂层方法有:化学气相沉积(CVD)、物理气相沉积(PVD)、等离子体化学气相沉积(PCVD),盐浴浸镀法、等离子喷涂、热解沉积涂层以及化学涂覆法等。目前,半数以上的硬质合金刀片使用化学气相沉积(CVD)、物理气相沉积(PVD)或者两者的组合镀层。

现国外有学者使用脉冲偏压辅助沉积电弧离子镀与离子轰击相结合工艺在硬质合金基体上沉积C3N4涂层。离子镀膜之前,先将硬质合金刀片用金刚石研磨膏抛光,经无水酒精和丙酮各超声波清洗巧干燥后再进行镀膜。镀膜时,在真空度为5x10-3M Pa下,将真空室加热至280℃,保温30min。因为在真空状态下进行,可保持基片露出新鲜清洁的表面[4]。

从涂层工艺方面来讲,可采取多种方法来改善C3N4膜层与高速钢和硬质合金等基体的结合强度。如:成膜前进行预溅射清洗以除去不利于涂层与基体结合的杂质;成膜过程中用高能粒子轰击,以提高涂层镀膜与基体间组分相互扩散能力和膜表面原子的反应活性,降低缺陷的产生;引入如中间过渡层,使基体和过渡层与镀膜层两者的结合强度显著高于镀膜层与基体的结合强度。

3、氮化碳涂层刀具的切削性能试验

现以TC4钛合金为例,研究氮化碳涂层刀具切削加工性能。

3.1试验条件

切削试验在CAK4085di数控车床上进行,选用的刀具为YG8基体上CVD法沉积C3N4改变切削用量干切削TC4棒料 100×300mm试件,然后对比未涂层的YG8刀具,用工件表面粗糙度和刀具的后刀面磨损量来衡量氮化碳涂层刀具的性能。

3.2 工件表面粗糙度试验

现按表2中切削用量分别对C3N4涂层刀具和未涂层的YG8刀具进行切削试验,试验完成后测量其表面粗糙度,结果见图1。

通过图1中的数据我们可以看出,随着进给量的增加,未涂层YG8刀具与C3N4涂层刀具表面粗糙度的值都会增大,但是使用C3N4涂层的刀具,在其同样切削条件下,表面质量要好于使用未涂层刀具加工的表面。

3.3 刀具耐用度试验

现按表3中试验参数分别对C3N4涂层刀具和未涂层的YG8刀具进行切削试验,试验完成后测量其后刀面磨损量VB,结果见图2。

由图2数据分析可知,未涂层YG8刀具与C3N4涂层刀具有相同的变化趋势,切削初期磨损快速增加;切削中期磨损平稳;但是未涂层YG8刀具在切削15min后,刀具磨损速度急剧增加,刀具寿命达不到20min,而C3N4涂层刀具在切削25min后其后刀面磨损量仍不到0.2mm,两者相差较大。可见,在干切削TC4合金试验中,C3N4涂层刀具的使用寿命明显要高于未涂层的YG8刀具。

4、结语

通过试验我们可以看出,使用C3N4涂层刀具加工TC4合金,不论工件的表面质量还是刀具的耐用度,都有良好的表现。C3N4涂层刀具的普及应用将大大提高刀具耐用度,减少加工辅助时间,降低切削加工成本,提高企业经济效益。因此,C3N4涂层刀具因其优异的切削性能在高速切削、干切削领域有着广阔的应用前景。与此同时,我们要优化涂层工艺、完善基体的成分与金相组织,改进涂层与基体、涂层与涂层之间的粘结力和基体的抗塑性变形能力,从而进一步提高C3N4涂层刀具的切削性能。

参考文献

[1]刘祖琴,等.碳氮膜的研究进展田.微细加工技术,1997(3):35-36

[2]彭友贵,黎明锴,等.氮化碳刀具在硬齿面加工中的应用.中国机械工程,2000,11(10):1187-1188

[3]肖诗纲.现代刀具材料.重庆:重庆大学出版社,1992.170

[4]Kenneth Holmberg.etal.Coating tribology a concept critical aspects and future directions [J].Thin Solid Films.1994,253:173～178.