氮化碳涂层刀具制备工艺与切削性能研究

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。 ２１基体的选择 ． 涂层与基体 以及不问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
科学技术
氮化碳涂层刀具制备工艺与切削性能研究
王 道 波 石 磊
１山东理工大学
【 摘
山东 淄博 ２ ５ ４ ２山东商务职业学院机械 系 山 东 烟 台 ２ ４７ ５０ ９ ６ ６０
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， ｑ ￣ 于高速切 ．
Ｏ ０ ５ ｌ ０ １ ５ ２ ０ ２ ５
新型的加工中心所 用切削刀具中有 ８ ０％以上为涂层刀具 。 氮化碳（ Ｎ 是一种 新型 的超硬涂层材料 ，它具有许多类似于金 Ｃ ） 刚石的特性 ，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 。
进 给量ｆ ｍ ／ ） （ｍ ｒ
图 ｌ 表面粗糙对照图
结合工艺在硬质合金基体上沉积 ｃ 。 涂层。 Ｎ 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 ５ ｌ － ａ ，将真空室加 ｘ ３ Ｐ 下 ０Ｍ
后角 主编角 刀尖 圆弧半径 刃倾 角 １０ ２ ９￣ ０ ０
．
４ｍｍ
５ ｏ
３２工件表 面粗糙度试验 ． 现按表 ２ 中切削用量分别对 ＣＮ 层刀具和未涂层的 Ｙ８ 。涂 Ｇ 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 。 表 ２试验切削用量
切 削 ８ ０
切 削 ５ ｉ ｍｎ １ ｍｎ ０ ｉ １ｍｎ ５ ｉ ２ｍｎ ０ ｉ ２ｍ ｎ ５ ｉ
时间
０３ ．
从涂层工艺方面来讲 ， 可采取多种方法来改善 Ｃ ４ 层与高速钢 。膜 Ｎ 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。
涂层 刀具
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
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。
表 ｌ 试验条件 机床 刀具几何 参数 ＣＫ０５ １ Ａ４８ｄ 工件 前角 ８ ０ Ｔ４ Ｃ 棒料 １ ０ ０ ｍ ０ ｘ３ ０ ｍ
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２ 世纪 ８ 年代以来， ０ ０ 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 ６％ ０ 以上 ，
同， 在材料 内部将形成大小及分 布不同的残余应力场。 降低残余拉 从 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 Ｙ６ Ｇ 、ｙ ｌ Ｇ 、ｙ８ Ｔ ５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。 。 ２２涂层工艺 ． 常用的刀具涂层方 法有 ：化学气相沉积（ Ｄ Ｃ ） Ｖ 、物理气相 沉积 （Ｄ Ｐ ） Ｖ 、等离子体化学气 相沉积 （ Ｖ ） 盐浴浸镀法、等离子喷涂 、热 Ｐ Ｄ， Ｃ 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（ Ｄ、物理气相沉积 （ Ｄ或者两者的组合镀层。 Ｃ ） Ｖ Ｐ ） Ｖ 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
速度
ｍｍ ｎ 一 巡 梨瞳 ／ ｉ詈 背吃刀量 一
４ ｉ ０
０ ５ｍ ． ｍ ２
进给量 ００ ｍ ．５
ｍｒ ／
０１ ．Ｏ
ｍ ｒ ｍ／
Ｏ１ ．５
ｍｍ ｒ ／
０２ｍ ０２ ｍ ０３ ｍ ．０ ．５ ．０
ｍｒ ／ ｍ＿ ／ ｒ ｍｒ ／
热至 ２ ０ｃ，保温 ３ ｍ ｎ 因为在真空状态 下进行 ，可保持基片露出 ８ｏ ０ ｉ。 新鲜清洁的表面“ 。
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 Ｙ８刀具与 Ｃ Ｇ 涂层刀具表面粗 糙度 的值都会增大 ， Ｎ 但是使 用 Ｃ ３ 涂 Ｎ 层的刀具 ， 在其 同样切削条件下， 面质量要好于使用未涂层刀具加 表 工的表 面。 ３３刀具耐用度试验 ． 现按表 ３ 中试验参 数分另 对 Ｃ ４ ０ 。 涂层刀具和未涂层的 Ｙ ８ Ｎ Ｇ 刀具进 行 切削试验 ，试验完成后测量 其后刀面磨损量 ｖ ，结果见图 ２ Ｂ 。 表 ３试验参数 切削 ８ ｍ ｍ ０／｛ 背吃 ０２ ｍ 进给量 ０Ｉ ｍ ．５ ｍ ．５ ｍ 速 度 ｎ 刀量 婶