摘要：分析當(dāng)前各種刀具材料的優(yōu)缺點(diǎn)，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(guò)研究氮化碳刀具的實(shí)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(lèi)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(diǎn)，不能完全互相取代。對(duì)于硬質(zhì)面的簡(jiǎn)單加工(如車(chē)削)可用硬質(zhì)合金、立方氮化硼等刀具，但對(duì)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(wú)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(diǎn)，而且有些復(fù)雜工件無(wú)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(guò)理論計(jì)算預(yù)言類(lèi)似β-Si3N4結(jié)構(gòu)的化合物β-C3N4可能具有超過(guò)金剛石的硬度，此說(shuō)立即引起國(guó)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?cè)诘毒弑砻鎸O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(wú)明顯的熱失重，證明氮化碳薄膜具有較好的熱穩(wěn)定性，見(jiàn)圖1。

圖1 氮化碳薄膜失重(TG)-差熱分析(DTA)

　　對(duì)氮化碳薄膜的耐腐蝕性研究發(fā)現(xiàn)，在電化學(xué)腐蝕過(guò)程中，鍍上氮化碳涂層的鋼樣品的陽(yáng)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?jiàn)，氮化碳涂層可以降低腐蝕速率，具有良好的抗腐蝕性。同時(shí)，氮化碳中的C-N共價(jià)鍵與金剛石中的C-C共價(jià)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(duì)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(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)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(jì)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(jì)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(duì)熱處理后的齒輪進(jìn)行精加工以滿足設(shè)計(jì)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(yàn)過(guò)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(huì)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(jiàn)氮化碳涂層對(duì)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(chē)刀上鍍氮化碳薄膜的初步試驗(yàn)也表明，沉積了氮化碳薄膜的車(chē)刀能對(duì)硬度為HRC62 的淬火鋼進(jìn)行車(chē)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(jià)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(duì)HRC52的材料進(jìn)行加工，而氮化碳刀具能對(duì)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(huì)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(zhǎng)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(chǎng)合，能夠一次加工成形，保證了加工精度，同時(shí)提高了生產(chǎn)效率。
　　
　　有試驗(yàn)表明，鍍有氮化碳的鉆頭比沒(méi)鍍的鉆頭壽命提高25倍，比鍍氮化鈦的鉆頭壽命提高3倍?？梢?jiàn)氮化碳刀具有更長(zhǎng)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(zhǎng)過(guò)程中需采用特殊工藝且較為困難。目前本實(shí)驗(yàn)室已使該項(xiàng)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(chǎng)前景和很高的經(jīng)濟(jì)價(jià)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(fèi)時(shí)費(fèi)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(lái)新的生機(jī)，它將具有廣闊的應(yīng)用前景。