金剛石和氮化碳涂層刀具加工高硅鋁合金

高敦升

（中車青島四方機車車輛股份有限公司，山東 青島 266111）

高硅鋁合金硬度高、導熱性高、化學穩(wěn)定性高、且耐磨損，本身優(yōu)點頗多，易適用于各行業(yè)相關產品中，有非常好的發(fā)展前景，目前在市場上也是非常受歡迎的一種材料。隨著經濟水平的發(fā)展，各種新型材料在工業(yè)生產中的應用越來越多，高硅鋁合金正是其中一種。高硅鋁合金由于自身性能優(yōu)異，在汽車、軍工、航天等領域得到青睞，使用頗多，其成本低廉，對環(huán)境不會產生污染，對人體無害，生產生活中都可以放心使用。

1 試驗刀具及其材料

本文對高硅鋁合金加工刀具進行了試驗，首先選擇了兩種刀具，一種是金剛石涂層刀具，一種是氮化碳涂層刀具。

1.1 金剛石涂層刀具

高硅鋁合金的高使用率使得如何對其進行加工和切削以便用于更多領域成為人們關注的重點。在以前，金屬材料的加工切削主要是使用切削液，切削液能夠在加工的時候對工具、刀具、材料進行冷卻，降低刀具和材料間的摩擦力，不過切削液的成本較高，對環(huán)境產生的污染較大，不利于自然環(huán)境的保護，而且切削液是化學物質，對人體有害，長期使用會損害人的身體機能。因此金屬材料加工生產急需一種可持續(xù)的、健康的、綠色的制造技術，隨著研究的深入，金剛石和氮化碳涂層刀具出現在人們視野中，被發(fā)現在高硅鋁合金加工中作用明顯，且無害自然和人體。

金剛石薄膜涂層具有能與天然金剛石相媲美的優(yōu)點，比如說，其硬度大，摩擦性低，耐磨性高、導熱性能也高。金剛石是最硬的物質，可以切割任何金屬材料，因此，高硅鋁合金加工中金剛石涂層刀具是可以發(fā)揮作用的。金剛石涂層刀具適合用于車削，像是在現代高速干式切削加工中，金剛石涂層刀具的作用不可小覷，能夠大大提高高硅鋁合金的切削速度，提高其生產效率。不過，在實際的操作中，金剛石涂層刀具也會出現一定的磨損，這種磨損是由于薄膜的顯微斷裂而逐漸脫落，而刀具的使用率是刀具出現磨損的主要原因，因此需要日常養(yǎng)護。

1.2 氮化碳涂層刀具

氮化碳是一種超硬材料，硬度非常大，因此耐磨性高、摩擦性低，熱導性能高，和金剛石涂層有異曲同工之妙，因此它也非常適合用于高硅鋁合金加工。不過，這種涂層也有比較明顯的有別于金剛石的優(yōu)點，那就是它可以承受高溫，且不易氧化，比較穩(wěn)定。生成氮化碳的元素中，C-N元素穩(wěn)定、耐氧化，決定了氮化碳的性能和特點。高硅鋁合金加工中，使用氮化碳涂層刀具，能夠有效提高刀具的使用壽命，確保刀具的耐用性，同時能夠保證較好的加工工作質量和效率。因此，在進行高硅鋁合金這種高硬度材料的生產工作時，必須要選擇相應的刀具進行加工，才能夠達到預期效果，否則就會事半功倍。

2 對比切削試驗

由上文的分析可知，金剛石涂層刀具和氮化碳涂層刀具對于高硅鋁合金材料加工是可行的，但是具體切削效果還是需要進行試驗。

2.1 金剛石涂層刀具切削試驗

金剛石薄膜涂層屬于硬質材料，在加工高硅鋁合金方面性價比較高，能夠滿足高硅鋁合金加工技術要求。金剛石算是自然界中硬度最大的物質，而且由于它的硬度，它也不容易被侵蝕，不易被外力所損壞，在很多領域都能夠用得上，而且效果明顯。因此，在高硅鋁合金的切削和加工中使用金剛石涂層刀具也是可行的，且有依據的，在使用過程中，它的優(yōu)點就能夠顯現出來，比方說加工精度高、刀具使用壽命較長、切削效果好、切削工序好控制等。不過具體金剛石薄膜涂層刀具的真正效果還需要進行試驗，下面進行金剛石薄膜涂層刀具的干切削試驗。在本文的試驗里，研究者選擇上壓式機夾金剛石薄膜涂層刀具的方法，利用上壓機對高硅鋁合金進行切削，切削量保持適合程度，依照標準高硅鋁合金試驗切削數量，選擇切削試驗參數。

經過試驗，選擇工件表面粗糙程度來表現金剛石薄膜涂層刀具的切削性能。從數據角度來看，主要是通過切削速度與切深的關系來表現切削參數變化。從整個試驗來看，切削速度和切深的關系是上下波動，沒有一定的穩(wěn)定性，但是總體趨勢是切深與切削速度呈反比的這樣的一個關系。但是當切削速度到達某個點的時候，切深能夠維持在一定范圍內，當ap=0.1mm，f=0.2mm/r，vc～250m/min時，使用金剛石涂層刀具切削高硅鋁合金時，材料表面粗糙程度較穩(wěn)定，在0.49μm左右。

總體上來說，金剛石薄膜涂層刀具干切削效果還是比較好的，在切削過程中雖然有不可控性，且穩(wěn)定性較低，但是切削質量較好且能夠滿足高硅鋁合金加工要求。

2.2 氮化碳涂層刀具切削試驗

和金剛石相似，氮化碳材料也比較適合進行高硅鋁合金加工。實際上，從化學角度看，氮化碳是一種新型的超硬薄膜材料，它的硬度高、耐磨損、摩擦系數低、導熱性高，與金剛石有相似之處，因此在進行試驗的時候，與金剛石切削試驗一樣，采用上壓式機夾氮化碳涂層刀片的刀具進行切削試驗，依照標準高硅鋁合金試驗切削數量，選擇切削試驗參數。

在進行試驗的時候，使用氮化碳涂層刀具進行高硅鋁合金切削，緩慢靠近高硅鋁合金材料，注意速度和力度。

氮化碳涂層刀具涂層厚度要把握好，市面上的氮化碳涂層刀具種類也非常多，涂層厚度也有不同，這其實也是影響切削效果的重要因素。因此，在試驗之前，要選擇合適的刀具，挑選一定厚度范圍的幾款刀具進行試驗，這樣能夠確保試驗結果的有效性。當然，具體刀具款式和涂層厚度要控制一定范圍，不需要過多，這樣是為了控制試驗誤差，確保在有效范圍內。

在試驗結束后，收集試驗數據，并加以整理。由試驗結果所得數據可以看出，工件表面粗糙程度與刀具切削性能總體上是成正比例關系，刀具性能越好，工件表面粗糙程度越小。不過，在進給量到達某個峰點會出現比較明顯的粗糙，有一定的波動。由此可見，對材料表面粗糙程度有影響的因素為進給量，而且當f=0.02mm/r時，使用氮化碳涂層刀具切削高硅鋁合金時，材料表面粗糙程度較穩(wěn)定，維持在0.78μm以下。

3 試驗討論

在兩個試驗中，可以看出金剛石和氮化碳涂層刀具在高硅鋁合金加工方面的性能差別，同時也能看出它們各自的優(yōu)缺點。金剛石薄膜涂層刀具在切削高硅鋁合金材料時，加工材料的截面粗糙程度比較小，有些高硅鋁合金產品對表面粗糙度有一定要求，因此金剛石薄膜涂層刀具能夠滿足這些產品生產需求，滿足生產商的經濟效益。而且，金剛石的硬度高，其使用壽命較長，金剛石薄膜涂層刀具使用壽命和涂層厚度及基體黏結強度有關。在標準范圍內的涂層厚度可實現較長的金剛石涂層刀具使用壽命且保障較好的使用效果，基體黏結強度越大，使用壽命也就越長。金剛石薄膜涂層刀具雖然硬度強，但是涂層刀具隨著使用會發(fā)生涂層脫落現象，剛開始使用是局部脫落，但如果忽視損害，局部損害現象就會擴大為大范圍損害，影響刀具使用壽命。因此，為了提高刀具使用壽命，維護刀具使用效果和刀具切削質量，必須要做好日常養(yǎng)護工作，提高涂層黏結強度。

相較于金剛石薄膜涂層刀具，氮化碳涂層刀具有其特有的優(yōu)點。比方說，氮化碳涂層刀具在進行干切削高硅鋁合金時產生的積屑少，切削效果也比較明顯。當然，在進行切削的時候，要選擇合適的刀具角度進行切削，才能保證切削加工的高硅鋁合金材料表面粗糙程度較小，保證切削質量。此外，氮化碳涂層刀具切削工藝能夠滿足對活塞外圓表面加工粗糙度的要求，切削速度快且效果好。由此可以看出，氮化碳涂層刀具在高硅鋁合金材料切削方面有較大可行性，適用于高硅鋁合金生產和加工需要。

總而言之，金剛石和氮化碳薄膜涂層刀具加工高硅鋁合金有可行性。

4 結語

根據試驗可以看出，金剛石和氮化碳涂層刀具在高硅鋁合金相關產品生產和加工上作用明顯。近些年來，高硅鋁合金材料在生產生活中使用效率增高，從而使得高硅鋁合金材料的加工和生產也越來越多，在這樣的背景下，對接產品高硅鋁合金切削刀具生產商業(yè)越來越多。在以前，對高硅鋁合金材料的加工大都是使用硬質合金刀具，但是這種合金材質的刀具使用壽命都偏短且無法滿足某些生產需求。

[1]付德君,楊慧娟,吳大維,范湘軍.刀具涂層技術的新進展[J].航空制造技術,2009，(13):80-83.

[2]韓慧,楊海東,張崇高.金剛石和氮化碳涂層刀具加工高硅鋁合金[J].合肥工業(yè)大學學報(自然科學版),2007，(01):66-67,94.