在機械制造中，刀具材料對刀具切削性能和加工效率與質(zhì)量，具有決定性的作用。計算機集成先進加工系統(tǒng)的出現(xiàn)，各種難加工材料在不同行業(yè)的應(yīng)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(fā)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(jì)中期以後，工程材料中不斷出現(xiàn)和應(yīng)用難加工金屬和非金屬材料。原用的刀具，如高速鋼、硬質(zhì)合金刀具等難以勝任其加工要求，於是超硬刀具材料便應(yīng)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(yīng)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(yīng)用推廣受到限制。
新型刀具材料CNx
近年來出現(xiàn)了一種新型刀具材料氮化碳。美國物理學(xué)家A.M.Lin和M.L.Cohen用分子工程理論，設(shè)計出新型超硬無機化合物CNx。根據(jù)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(yīng)磁控濺射工藝，國內(nèi)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(dǎo)熱等性質(zhì)，而且不與黑色金屬產(chǎn)生化學(xué)反應(yīng)。
1.CNx薄膜的機械性能
國內(nèi)物理學(xué)家在高速鋼刀具和硬質(zhì)合金刀具上沉積CNx薄膜，其表面顯微硬度經(jīng)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。也有人曾用劃痕法測量過CNx薄膜涂層的附著力，驗證其達到了JB/T8365標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定。
2.CNx表面涂層刀具的實驗
(1)CNx表面涂層高速鋼刀具的鉆削實驗
筆者用直徑Φ10.5mm的M2(W6Mo5Cr4V2)高速鋼麻花鉆，進行CNx表面涂層，涂層厚度3?5μm。用涂層前後的相同鉆頭在38CrNi3MoVA(經(jīng)過調(diào)質(zhì)，硬度為36?40HRC)高強度鋼上鉆孔，孔深為12mm。
切削用量：進給量f=0.13mm/r，轉(zhuǎn)速n=600r/min，切削速度v=19.8m/min;不加切削液。這樣的工況下，每鉆一個孔約耗時9.6s，刀具磨損值VB在鉆頭最大直徑處的後刀面上測量。同時，為了進行不同涂層的對比，筆者又用常規(guī)的PVD工藝制成的TiN表面涂層的M2高速鋼麻花鉆，與上述麻花鉆一并進行鉆孔實驗。鉆孔實驗結(jié)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(biāo)準(zhǔn)，則CNx涂層鉆頭可鉆48個孔，約為未涂層鉆頭的8倍、TiN涂層鉆頭的2倍。可見，CNx涂層對提高耐磨性的效果非常顯著。TiN涂層鉆頭的鉆孔數(shù)為24個。未涂層M2鉆頭的鉆孔數(shù)為6個。
(2)CNx表面涂層硬質(zhì)合金刀片的車削實驗
①筆者用K30硬質(zhì)合金刀片為基體，涂覆CNx薄膜，車削T12A淬硬工具鋼(硬度61HRC)。將其與未涂層的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。好用嗎評價最安全的減肥藥左旋用什么洗臉最好不錯補水保濕乳液排行榜護膚身體補水哪個牌子好
刀具幾何參數(shù)：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?？梢?，未涂層的K30硬質(zhì)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涂層刀片當(dāng)VB達0.3mm時，切削時間達15min。
而PCBN車刀切削20min，VB方為0.2mm。預(yù)計PCBN車刀的使用壽命可超過30min。
②又用P20硬質(zhì)合金刀片為基體，涂覆CNx薄膜，車削60Si2Mn高強度鋼(調(diào)質(zhì)，硬度40HRC)。與未涂層的P20刀片進行對比。參加對比的還有用CVD工藝制成的TiC表面涂層的硬質(zhì)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。
刀具幾何參數(shù)：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。
由圖3可見，取磨鈍標(biāo)準(zhǔn)為VB=0.3mm，未涂層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涂層刀片切削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涂層刀具的硬度能達到PCBN的水平并接近於金剛石，切削效果顯著，其使用壽命大大高於未涂層的高速鋼刀具和硬質(zhì)合金刀具，也高於TiN、TiC涂層刀具。且CNx與黑色金屬之間呈惰性，不起化學(xué)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涂層刀具大有發(fā)展前途和應(yīng)用前景。
但是，值得特別提請注意的是，鑒於CNx涂層刀具的基礎(chǔ)工作尚做得不夠，必須認(rèn)真對待以下各方面：
(1)應(yīng)實施CNx的機械、物理性能的全面測試工作，如密度、導(dǎo)熱系數(shù)、強度、彈性模量以及沖擊值的測試等等。
(2)高速鋼鉆頭經(jīng)CNx涂層，取得了顯著的切削效果。且?guī)埵鄣哪ブ沏@頭，即可用以涂層，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，有待逐一涂覆CNx，進行實驗，以充分考察其切削效果。
(3)除了車刀以外，還應(yīng)在其它硬質(zhì)合金刀具(如銑刀，特別是整體硬質(zhì)合金鉆頭和立銑刀等)上涂覆CNx，進行切削實驗。
(4)作為基體，有待研究各種硬質(zhì)合金與CNx涂層之間的結(jié)合力，從而優(yōu)選出最好的硬質(zhì)合金基體材料。同時，還應(yīng)研究CNx涂層硬質(zhì)合金刀具的涂前處理。
(5)當(dāng)今，各種新的涂層方法和涂層材料品種相繼出現(xiàn)，如TiAlN、TiCrN、Al2O3及其多層涂覆，也有待與CNx涂層刀具實施對比，進一步確定CNx涂層的使用價值。
(6)探討生成CNx厚膜的可能性。
總之，在做好CNx涂層刀具的基礎(chǔ)工作之後進行推廣應(yīng)用，如果貪圖急功近利，則往往只能“欲速則不達”。。
