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目前新型氮化碳涂层超硬刀具材料

发布时间:2021-07-14 00:49:37 阅读: 来源:彩涂板厂家

新型氮化碳涂层超硬刀具材料

过去,超硬刀具材料只有金刚石和立方氮化硼两种。人类从使用天然金刚石开始,到20世纪中叶研制出了人造的金刚石和立方氮化硼。人造的超硬材料后来出现了不同的制造方法和类别,而且在不同的工业生产和科技领域中得到了广泛的应用。

近年,一种新型超硬刀具材料——氮化碳(CxNy)涂层得到了发展。美国物理学家n和hen用分子工程理论设计出了新型超硬无机化合物氮化碳。根据体弹模量的计算,它可能达到甚至超过金刚石的硬度,从而引起科技界和材料科学家的重视,n于1994年公布了新的研究成果,采用可变晶格模型分子动力学(VCS-MD)从头计算法,扩展了CxNy的理论研究, CxNy可能具有三种结构:六方晶系的b相,立方晶系的闪锌矿结构和三角晶系的类石墨相。n和hen分别计算了CxNy的晶体结构,至少有7种不同空间群结构的CxNy,取得了不同结构和空间群的密度、晶格常数、体弹模量和能量的计算值。它们虽具有相近的能量值,但其他性能的数值差别较大。武汉大学王仁卉也对7种结构的CxNy粉末衍射谱进行过计算。

武汉大学物理系能用的反应磁控溅射法在不同的刀具上沉积CxNy薄膜,它是一种超硬材料,具有高硬度、高耐磨、低摩擦和强导热等性质,这些性质和金刚石十分相似。它的化学稳定性也好,可以对铁基材料进行切削加工,故有广阔的应用前景。

本文主要用武汉大学物理系提供的CxNy涂层高速钢麻花钻和CxNy涂层硬质合金刀片进行了切削试验,探讨了它的切削性能;对CxNy涂层薄膜的机械性能也进行了一定的介绍。

1 氮化朝鲜努力提高装修材料的国产化比重碳薄膜的力学性能

在不同的基体材料上沉积CxNy薄膜,其表面显微硬度测试值列于表1。表1除6号试样为硬质合金基体外,其余1~5号试样的基体均为M2高速钢。表1 CxNy涂层薄膜显微硬度测试值表

试样号硬度(GPa)平均硬度(GPa)试样号硬度(GPa)平均硬度(GPa)149.4341.20 442.1240.9436.3639.4837.8541.21234.8845.18 546.0840.0143.0643.0654.5032.2544.0438.6649.43/ 340.3339.77 682.5672.0438.6551.8840.3371.19

由表1可见,CxNy薄膜的硬度约在40~72GPa之间。武汉大学物理系在单晶硅基体上沉积了CxNy,其硬度亦达到50GPa。还用划痕法测量了CxNy薄膜涂层的附着力,按JB/T8365-96标准规定,也达到了标准。

2 CxNy表面涂层麻花钻的钻削试验

第一组:

直径为 6mm的W6Mo5Cr4V2普通高速钢麻花钻,由武汉大学物理系进行CxNy涂层,涂层薄膜厚度约为4 m。用涂层钻头和未涂层钻头在高强度钢38CrNi3MoVA(经调质,硬度为36~40HRC)上钻孔,孔深约10mm。切削一定时间后,分别测量钻头左、右二刃的后刀面磨损量VB,测量部位为钻头最大直径处的主切削刃后刀面。

图1 涂CxNy薄膜的麻花钻

切削用量:进给量f=0.13mm/r,转速n=530r/min,切削速度v≈10m/min;干切;每钻一个孔,约用10秒。

钻头左、右二刃的后刀面磨损量均测量、记录,画成刀具磨损曲线,列于图2。因钻头两个顶面(即主后刀面)刃磨比较对称,故左、右后刀面磨损量很接近。图2中分别画出左、右切削刃的磨损曲线。在图2的横坐标上同时标明了钻孔数和切削时间。

图2 CxNy涂层与未涂层的麻花钻对比磨损曲线

由图1可见在后刀面磨损量数显万能实验机型采取液晶屏显丈量系统相同情况下,CxNy涂层钻头的切削时间约为未涂层钻头的10倍,故涂层后钻头耐磨性的提高十分显著。

第二组:

再用直径为 6mm的W6Mo5Cr4V2普通高速钢麻花钻,进行CxNy涂层和TiN涂层,在高强度钢38CrNi3MoVA(HRC 36~40)上钻孔,孔深约为10mm2013年建设的4500吨3元先驱体项目已达产。

切削用量:进给量f=0.13mm/r,转速n=530r/min,切削速度v≈10m/min;干切;其余切削条件与前相同。每钻一个孔,约用8秒。

图3为三种钻头的主后刀面磨损曲线,未分左、右切削刃。

图3 两种涂层麻花钻与未涂层的麻花钻对比磨损曲线

由图3可见,在后刀面磨损量相同情况下,CxNy涂层钻头的切削时间约为未涂层钻头的10倍,TiN涂层钻头使用寿命短约为未涂层钻头的7倍2、试样的平行长度应足够长,故CxNy涂层的耐磨性高于TiN涂层。

3 CxNy复合表面涂层硬质合金刀片的车削试验

第一组:

刀具:CxNy复合涂层刀片(YG8基体),未涂层的YG8刀片,国产立方氮化硼(PCBN)刀片;

工件:T12A工具钢,淬硬61HRC;

刀具几何参数:前角γ0=0°;后角α0=8°;主偏角kr=90°;刃倾角λs=-4°;刀夹圆弧半径rε=0.8mm;

切削用量:切削深度ap=0.5mm;进给量f=0.1mm/r;切削速度v=60m/min;三种刀具的磨损曲线如图4所示。

图4 CxNy涂层硬质合金刀片与其他刀片的对比磨损曲线

第二组:

刀具:CxNy复合涂层刀片(YT14基体),未涂层的YT14刀片,国产YBo2涂层硬质合金刀片(TiN涂层);

工件:60Si2Mn高强度钢,调质,40HRC;

刀具几何参数:前角γo=4°;后角αo=8°;主偏角kr=45°;刃倾角λs=-4°;刀夹圆弧半径rε=0.8mm;

切削用量:切削深度ap=1mm;进给量f=0.15mm/r;切削速度v=150m/min;

三种刀具的磨损曲线如图5所示。

图5 CxNy涂层硬质合金刀片与其他硬质合金刀片的对比磨损曲线

从图4、图5可以看出,YG8和YT14两类硬质合金刀片经涂覆CxNy薄膜后,刀具寿命大为提高。但在车削淬硬钢T12A时,CxNy涂层刀片的使用寿命低于PCBN刀片。在车削高强度中硬钢602Mn时,CxNy涂层刀片的使用寿命略高于YBo2(TiC涂层)刀片。

图6 涂CxNy薄膜的YT14硬质合金刀片

4 分析与讨论

在高速钢钻头上进行CxNy表面涂层,其使用寿命大大提高;CxNy涂层钻头的寿命也显著高于TiN涂层钻对实验机制造商来讲头。在高速钢刀具上涂覆CxNy,其涂层技术已日趋成熟,使用效果亦日趋稳定。

对于硬质合金刀片,经过CxNy涂层,刀具寿命也能提高,但提高幅度不如高速钢刀具那样大。在车削淬硬钢时,其刀具寿命尚低于PCBN刀具;在车削高强度中硬钢时,其刀具寿命仅略高于TiN涂层硬质合金刀具,这样就限制了CxNy涂层硬质合金刀具的应用。

CxNy涂层材料的各项力学、物理性能,需作全面的测试和深入研究。CxNy涂层和硬质合金基体材料之间的匹配也有待认真研究。

CxNy涂层属超硬材料,它与铁族元素呈惰性,故这种刀具可以加工钢铁材料。这是一个很大的优点,可以补充金刚石刀具的不足,从而有着广阔的应用领域。预计经过认真的研究和探讨,CxNy涂层超硬刀具有着美好的发展前景。(end)

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