摘要：分析當(dāng)前各種刀具材料的優(yōu)缺點，回顧氮化碳的歷史，分析氮化碳涂層在刀具上應(yīng)用的可行性，通過研究氮化碳刀具的實用效果認(rèn)為氮化碳刀具將具有廣闊的應(yīng)用前景。
　　
　　機(jī)械加工中常用的刀具按材料分類有高速鋼刀具、硬質(zhì)合金刀具、氮化鈦刀具、立方氮化硼刀具、金剛石刀具、陶瓷刀具等。這些刀具材料各具優(yōu)缺點，不能完全互相取代。對于硬質(zhì)面的簡單加工(如車削)可用硬質(zhì)合金、立方氮化硼等刀具，但對于形狀復(fù)雜工件(如齒輪等)的硬質(zhì)面加工，硬質(zhì)合金、立方氮化硼等刀具則無能為力，需要尋求其它的加工手段如磨削、電火花加工等。但這些加工方法加工效率低，電火花加工更有成本高的缺點，而且有些復(fù)雜工件無法采用上述方法，如果找到一種方法使得刀具能夠以切代磨，則能大大提高工效，降低成本。
　　
　　1 氮化碳的歷史和性能
　　
　　氮化碳是90年代初才出現(xiàn)的新型超硬材料。80年代后期Cohen等人通過理論計算預(yù)言類似β-Si3N4結(jié)構(gòu)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(nèi)外研究人員的廣泛關(guān)注。1993 年Niu首先宣布用激光燒蝕法得到了β-C3N4薄膜。隨后研究人員用電子回旋共振- 化學(xué)氣相沉積(ECR - CVD)、熱絲CVD、反應(yīng)磁控濺射等方法成功合成了氮化碳薄膜。合成的氮化碳薄膜的硬度也在不斷提高。日本的Fujimoto等用粒子束混合沉積法在碳化物襯底上形成的CNx膜硬度達(dá)到63GPa。
　　
　　武漢大學(xué)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襯底上的鍍膜工藝。根據(jù)現(xiàn)有資料，在刀具上鍍氮化碳薄膜在世界上還是首次。
　　
　　氮化碳的超硬特性是其在刀具上應(yīng)用的關(guān)鍵。由表1可知，將氮化碳鍍在刀具表面將極大提高刀具的表面硬度。
　　
　　氮化碳還具有較好的熱穩(wěn)定性。用熱失重(TG)- 差熱分析(DTA)研究氮化碳在室溫至1200℃的熱穩(wěn)定性發(fā)現(xiàn)，石墨相含量較小的樣品在上述范圍內(nèi)無明顯的熱失重，證明氮化碳薄膜具有較好的熱穩(wěn)定性，見圖1。

圖1 氮化碳薄膜失重(TG)-差熱分析(DTA)

　　對氮化碳薄膜的耐腐蝕性研究發(fā)現(xiàn)，在電化學(xué)腐蝕過程中，鍍上氮化碳涂層的鋼樣品的陽極腐蝕電流密度降低到裸金屬的0.4%、鍍鉻的鋼樣品的1.3%?？梢姡纪繉涌梢越档透g速率，具有良好的抗腐蝕性。同時，氮化碳中的C-N共價鍵與金剛石中的C-C共價鍵不同，N的電負(fù)性更強(qiáng)，束縛住了碳原子，使其難以與Fe發(fā)生親和反應(yīng)，從而使其能用于切削黑色金屬。
　　
　　2 氮化碳刀具對硬質(zhì)材料加工的效果
　　
　　我們進(jìn)行了鍍有氮化碳薄膜的插齒刀的機(jī)前試驗。試驗結(jié)果見表2。由于齒輪經(jīng)淬火滲碳熱處理變形使得公法線公差達(dá)不到設(shè)計要求需要精加工，但齒輪經(jīng)淬火滲碳后表面硬度達(dá)到HRC62以上，且該齒輪設(shè)計形狀特殊不能進(jìn)行磨削，使得該齒輪的廢品率一度達(dá)到80%以上。使用氮化碳插齒刀能對熱處理后的齒輪進(jìn)行精加工以滿足設(shè)計要求，極大地提高了成品率。

　　
　　圖2中間為鍍膜的插齒刀，左上為精加工前的齒輪，右為加工后的齒輪。加工后的齒面平整光潔。

圖2加工前后的齒輪及插齒刀

　　在試驗過程中我們注意到，由于被加工材料很硬，在刀具上的氮化碳涂層磨損以前刀具不會發(fā)生磨損，一旦涂層被磨損，刀具立即被嚴(yán)重磨損而不能再進(jìn)行加工，可見氮化碳涂層對刀具起到了良好的保護(hù)作用。
　　
　　另外在可轉(zhuǎn)位硬質(zhì)合金車刀上鍍氮化碳薄膜的初步試驗也表明，沉積了氮化碳薄膜的車刀能對硬度為HRC62 的淬火鋼進(jìn)行車削加工。
　　
　　3 氮化碳刀具前景展望
　　
　　高速鋼是目前廣泛使用的刀具材料，特別是多用于形狀復(fù)雜的刀具，如鉆頭、絲錐、銑刀等，以及一些尺寸精度要求嚴(yán)格的成形刀具，如插齒刀、滾齒刀等。這些刀具使用硬質(zhì)合金材料在經(jīng)濟(jì)上不合算，且硬質(zhì)合金研磨困難，難以制造某些刀具。例如常用的齒輪刀具中，硬質(zhì)合金只能制造模數(shù)小于3的刀具，且價格極為昂貴。如果使用高速鋼制造的鍍上氮化碳涂層的齒輪刀具，不僅能降低刀具成本甚至還能切削硬質(zhì)合金都不能切削的硬質(zhì)面。根據(jù)現(xiàn)有資料，較好的成形刀具也只能對HRC52的材料進(jìn)行加工，而氮化碳刀具能對HRC62的材料進(jìn)行各種加工。
　　
　　高速鋼作為刀具材料一般其硬度都在HRC60以上。高速鋼刀具在使用中損壞的主要原因是刀具的刃口磨損導(dǎo)致加工精度達(dá)不到要求。一般情況下，在機(jī)械加工中不會發(fā)生基體凹陷的情況。薄膜脆裂脫落的主要原因在于薄膜的附著力較低，只要薄膜的生長工藝達(dá)到要求，提高薄膜的附著力，薄膜就不易脆裂脫落。
　　
　　由于氮化碳刀具的高硬度和刀具制造上的靈活性，它可以取代部分磨削，提高工效。它也能取代部分其它刀具(如氮化硼刀具等)和部分其它加工方法(如電火花加工)，節(jié)約刀具成本，節(jié)約能耗等。在許多大型工件的加工中，由于刀具磨損往往需要中止加工更換刀具，這樣就不能保證加工精度。氮化碳刀具所具有的高硬度、良好的抗磨損能力正適用于這種場合，能夠一次加工成形，保證了加工精度，同時提高了生產(chǎn)效率。
　　
　　有試驗表明，鍍有氮化碳的鉆頭比沒鍍的鉆頭壽命提高25倍，比鍍氮化鈦的鉆頭壽命提高3倍。可見氮化碳刀具有更長的壽命，能夠降低刀具的成本。
　　
　　為使薄膜達(dá)到較高的硬度，避免軟質(zhì)相的析出，在薄膜生長過程中需采用特殊工藝且較為困難。目前本實驗室已使該項工藝達(dá)到工業(yè)化生產(chǎn)的水平，鍍有氮化碳涂層的刀具不久將批量生產(chǎn)。由于它能替代許多原有的低效的加工方法，大大提高工效，因此它具有廣闊的市場前景和很高的經(jīng)濟(jì)價值。
　　
　　綜上所述，氮化碳涂層不但能提高刀具壽命，還能進(jìn)行硬質(zhì)面加工，使得以往許多不可加工的工件或需要其它費時費力的加工手段才能達(dá)到的，輕易即可做到。氮化碳刀具的出現(xiàn)為機(jī)械加工帶來新的生機(jī)，它將具有廣闊的應(yīng)用前景。