摘要：采用 dc 反應磁控濺射法在硬質合金（ YT15 ）上沉積氮化碳超硬涂層，將其應用于干切削領域，通過對硅鋁合金和淬火鋼的干式切削試驗，研究了氮化碳涂層刀具的切削加工性能。切削試驗表明，在干式切削加工硅鋁合金時可以達到較高的表面粗糙度，完全能滿足生產要求；在淬火鋼加工中，與未涂層的刀具相比，刀具壽命有較大提高。

氮化碳（ C3N4 ）是上世紀 90 年代初才出現的超硬材料。 80 年代后期 Cohen 等人通過理論計算預言，類似β -Si3N4 結構的化合物——β -C3N4 可能具有超過金剛石的硬度，此說立即引起國內外研究人員的廣泛關注。 1993 年 Niu 首先宣布用激光燒蝕法獲得β -C3N4 薄膜，隨后研究人員用電子回旋共振—化學氣相沉積（ ECR — CVD ）、熱絲 CVD 、反應磁控濺射等方法成功地合成了氮化碳膜。
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　　 武漢*自 1994 年起研究氮化碳的合成方法。先后用射頻 CVD 、磁控濺射等方法成功合成了氮化碳薄膜，并研究了氮化碳薄膜在高速鋼上的鍍膜工藝。試驗證明，鍍有氮化碳的鉆頭比未涂層鉆頭壽命提高 25 倍，比鍍氮化鈦的鉆頭壽命提高 3 倍。由于氮化碳的超硬性、較好的熱穩定性和與 Fe 元素的低親和性，使氮化碳涂層刀具具有硬度高、抗磨損能力和熱穩定性良好等優點，成為較理想的干式切削刀具。本文就武漢*制備的 YT15 基體的氮化碳涂層車刀進行干切削性能的研究。

1 ．氮化碳涂層刀具的特性

硬質面涂層刀具的兩個重要指標為涂層的硬度和涂層的附著力，而氮化碳涂層刀具的涂層硬度則是提高刀具壽命的關鍵。表 1 為幾種材料硬度的比較，從表中可以看出，氮化碳的硬度僅次于金剛石，具有較大的優勢。武漢*制備的 YT15 基體的氮化碳涂層車刀經過*科蘭州物理所及大連理工*材料改性*重點實驗室的劃痕試驗，涂層的顯微硬度高達 HV=72.04GPa ，涂層的附著力 LC=30.87 ～ 52.14N ，達到 JB/T8365 — 96 的規定。

表 1. 各種材料的硬度比較
高速鋼－硬質合金
HRC62 ～ 66 － HRC74 ～ 81
高速鋼－硬質合金－ TiN －立方氮化硼－金剛石－氮化碳
HV8 ～ 9 － HV13 ～ 18 － HV21 － HV47 － HV800 － HV50

2 ．氮化碳涂層刀具的切削加工性能

氮化碳涂層特殊的化學、物理性能決定了其優良的切削性能。下面以硅鋁合金及淬火態 45 鋼的切削加工為例，研究其加工性能和刀具的磨損規律。

2 ． 1 氮化碳涂層刀具干切削硅鋁合金

試驗條件為干式切削，被加工工件為汽車活塞，材料為共晶鋁硅合金（代號 ZL108 ，牌號 ZALSi12Cu2Mg1 ），對比刀具為金剛石涂層刀具及 YG6 硬質合金刀具。切削參數為 Vc=400m/min ， ap=0.4mm ， f=0.1mm/r ，試驗指標為表面粗糙度 Ra 值和刀具壽命。試驗結果： (1) 表面粗糙度：金剛石涂層為 Ra=0.64 ，氮化碳涂層為 Ra=0.78 ， YG6 硬質合金為 Ra=0.90 ； (2) 氮化碳涂層刀具的壽命和金剛石涂層相當，是 YG6 硬質合金的 10 倍以上。

在試驗中發現，氮化碳涂層刀具對鋁合金的抗粘接性能優于金剛石涂層刀具。從金剛石涂層刀具與氮化碳涂層刀具的積屑瘤照片對比可以看出，氮化碳涂層與鋁合金的親合性不好。

2.2 氮化碳涂層刀具干切削淬火鋼

試驗條件為干式切削，被加工件材料為淬火態 45 碳鋼，硬度為 54HRC 。對比刀具為未涂層 YT15 硬質合金刀具。試驗中，切削速度達到 90m/min 時， YT15 刀具無法工作，因此，對比試驗選取兩組： Vc=60m/min ， f=0.1mm/r ， ap=0.4mm ； Vc=40m/min ， f=0.1mm/r ， ap=0.4mm 。試驗結果：當磨損標準為 VB=0.3mm ， Vc=60m/min 時， YT15 工作 9 分鐘后 VB=0.33mm ，氮化碳工作 15 分鐘后 VB=0.32mm ；當 Vc=40m/min 時， YT15 工作 10 分鐘后 VB=0.35mm ，氮化碳工作 30 分鐘后 VB=0.32mm 。

2.3 氮化碳涂層刀具切削淬火鋼的磨損機理

氮化碳涂層刀具與未涂層刀具的區別在于：由于刀具表面有氮化碳涂層，具有特殊的物理、化學及機械性能，而基體為 YT15 硬質合金，因此刀具既具有高硬度、高耐熱性和高耐磨性，又具有硬質合金的韌性，其切削性能優于一般的硬質合金，適合加工高硬度難加工材料，同時涂層的熱穩定性和硬質合金良好的導熱性使其適合干式切削及加工硬度為 50HRC ～ 60HRC 的材料。

切削試驗中，氮化碳涂層刀具先期磨損很小，一段時間后，刀具前刀面崩碎。在整個切削過程中刀具的損壞以破損為主。

從以上分析可以得出如下結論：

（ 1 ）刀具基體應含有 79% 的 WC ， 15% 的 TiC 和 6% 的 Co ，根據上述分析可知， WC 、 TiC 和 Co 的含量明顯偏低，特別是 Co 的含量幾乎接近于 YT30 的含量，因此切削時刀具變脆，磨損主要以破損為主。 Co 的含量降低與切削時溫度高有關，高溫使 Co 的擴散加劇，擴散到刀具表面的 Co 被鐵屑帶走，使基體喪失 Co ，從而使刀具脆性增加；

（ 2 ）切削溫度較高時切屑氧化嚴重，從磨損表面成分分析也可以證明這一點。刀具表面含氧 31.62% ，含鐵 6.58% ，主要是熔化的鐵和氧化鐵粘附在磨損表面所致。從切削過程來看，在如此切削速度下，溫度極高，普通 YT15 硬質合金刀具不可能使用，而氮化碳涂層刀具可以照樣加工，這是由于涂層特殊的物理和化學性能決定的，隨著涂層的磨損，基體裸露刀具很快磨損；

（ 3 ）在高溫下，涂層一旦磨損，刀具中的 Co 向工件、切屑的擴散加劇，刀具由于粘接相減少，脆性增大，另一方面工件和切屑中的 Fe 向刀具的擴散也加劇，擴散到刀具中的 Fe 將形成新的低硬度脆性相，導致刀具整體性能下降，使刀具磨損加劇。

3. 氮化碳刀具前景展望

由于氮化碳涂層刀具所具有的高硬度性和刀具制造上的靈活性，它可以取代部分磨削，提高工效，還可以取代部分其它刀具及加工方法，節約刀具成本，節約能耗；一些大型工件在加工過程中常需要換刀，影響加工精度，而氮化碳涂層刀具由于具有良好的耐磨性和硬度，換刀次數較少，可以保證加工精度；隨著涂層技術及工藝的不斷完善，氮化碳涂層刀具的生產批量化，這種新型涂層刀具將給機械加工帶來新的生機，具有廣闊的應用前景。

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