金刚石和氮化碳涂层刀具加工高硅铝合金

高敦升

（中车青岛四方机车车辆股份有限公司，山东 青岛 266111）

高硅铝合金硬度高、导热性高、化学稳定性高、且耐磨损，本身优点颇多，易适用于各行业相关产品中，有非常好的发展前景，目前在市场上也是非常受欢迎的一种材料。随着经济水平的发展，各种新型材料在工业生产中的应用越来越多，高硅铝合金正是其中一种。高硅铝合金由于自身性能优异，在汽车、军工、航天等领域得到青睐，使用颇多，其成本低廉，对环境不会产生污染，对人体无害，生产生活中都可以放心使用。

1 试验刀具及其材料

本文对高硅铝合金加工刀具进行了试验，首先选择了两种刀具，一种是金刚石涂层刀具，一种是氮化碳涂层刀具。

1.1 金刚石涂层刀具

高硅铝合金的高使用率使得如何对其进行加工和切削以便用于更多领域成为人们关注的重点。在以前，金属材料的加工切削主要是使用切削液，切削液能够在加工的时候对工具、刀具、材料进行冷却，降低刀具和材料间的摩擦力，不过切削液的成本较高，对环境产生的污染较大，不利于自然环境的保护，而且切削液是化学物质，对人体有害，长期使用会损害人的身体机能。因此金属材料加工生产急需一种可持续的、健康的、绿色的制造技术，随着研究的深入，金刚石和氮化碳涂层刀具出现在人们视野中，被发现在高硅铝合金加工中作用明显，且无害自然和人体。

金刚石薄膜涂层具有能与天然金刚石相媲美的优点，比如说，其硬度大，摩擦性低，耐磨性高、导热性能也高。金刚石是最硬的物质，可以切割任何金属材料，因此，高硅铝合金加工中金刚石涂层刀具是可以发挥作用的。金刚石涂层刀具适合用于车削，像是在现代高速干式切削加工中，金刚石涂层刀具的作用不可小觑，能够大大提高高硅铝合金的切削速度，提高其生产效率。不过，在实际的操作中，金刚石涂层刀具也会出现一定的磨损，这种磨损是由于薄膜的显微断裂而逐渐脱落，而刀具的使用率是刀具出现磨损的主要原因，因此需要日常养护。

1.2 氮化碳涂层刀具

氮化碳是一种超硬材料，硬度非常大，因此耐磨性高、摩擦性低，热导性能高，和金刚石涂层有异曲同工之妙，因此它也非常适合用于高硅铝合金加工。不过，这种涂层也有比较明显的有别于金刚石的优点，那就是它可以承受高温，且不易氧化，比较稳定。生成氮化碳的元素中，C-N元素稳定、耐氧化，决定了氮化碳的性能和特点。高硅铝合金加工中，使用氮化碳涂层刀具，能够有效提高刀具的使用寿命，确保刀具的耐用性，同时能够保证较好的加工工作质量和效率。因此，在进行高硅铝合金这种高硬度材料的生产工作时，必须要选择相应的刀具进行加工，才能够达到预期效果，否则就会事半功倍。

2 对比切削试验

由上文的分析可知，金刚石涂层刀具和氮化碳涂层刀具对于高硅铝合金材料加工是可行的，但是具体切削效果还是需要进行试验。

2.1 金刚石涂层刀具切削试验

金刚石薄膜涂层属于硬质材料，在加工高硅铝合金方面性价比较高，能够满足高硅铝合金加工技术要求。金刚石算是自然界中硬度最大的物质，而且由于它的硬度，它也不容易被侵蚀，不易被外力所损坏，在很多领域都能够用得上，而且效果明显。因此，在高硅铝合金的切削和加工中使用金刚石涂层刀具也是可行的，且有依据的，在使用过程中，它的优点就能够显现出来，比方说加工精度高、刀具使用寿命较长、切削效果好、切削工序好控制等。不过具体金刚石薄膜涂层刀具的真正效果还需要进行试验，下面进行金刚石薄膜涂层刀具的干切削试验。在本文的试验里，研究者选择上压式机夹金刚石薄膜涂层刀具的方法，利用上压机对高硅铝合金进行切削，切削量保持适合程度，依照标准高硅铝合金试验切削数量，选择切削试验参数。

经过试验，选择工件表面粗糙程度来表现金刚石薄膜涂层刀具的切削性能。从数据角度来看，主要是通过切削速度与切深的关系来表现切削参数变化。从整个试验来看，切削速度和切深的关系是上下波动，没有一定的稳定性，但是总体趋势是切深与切削速度呈反比的这样的一个关系。但是当切削速度到达某个点的时候，切深能够维持在一定范围内，当ap=0.1mm，f=0.2mm/r，vc～250m/min时，使用金刚石涂层刀具切削高硅铝合金时，材料表面粗糙程度较稳定，在0.49μm左右。

总体上来说，金刚石薄膜涂层刀具干切削效果还是比较好的，在切削过程中虽然有不可控性，且稳定性较低，但是切削质量较好且能够满足高硅铝合金加工要求。

2.2 氮化碳涂层刀具切削试验

和金刚石相似，氮化碳材料也比较适合进行高硅铝合金加工。实际上，从化学角度看，氮化碳是一种新型的超硬薄膜材料，它的硬度高、耐磨损、摩擦系数低、导热性高，与金刚石有相似之处，因此在进行试验的时候，与金刚石切削试验一样，采用上压式机夹氮化碳涂层刀片的刀具进行切削试验，依照标准高硅铝合金试验切削数量，选择切削试验参数。

在进行试验的时候，使用氮化碳涂层刀具进行高硅铝合金切削，缓慢靠近高硅铝合金材料，注意速度和力度。

氮化碳涂层刀具涂层厚度要把握好，市面上的氮化碳涂层刀具种类也非常多，涂层厚度也有不同，这其实也是影响切削效果的重要因素。因此，在试验之前，要选择合适的刀具，挑选一定厚度范围的几款刀具进行试验，这样能够确保试验结果的有效性。当然，具体刀具款式和涂层厚度要控制一定范围，不需要过多，这样是为了控制试验误差，确保在有效范围内。

在试验结束后，收集试验数据，并加以整理。由试验结果所得数据可以看出，工件表面粗糙程度与刀具切削性能总体上是成正比例关系，刀具性能越好，工件表面粗糙程度越小。不过，在进给量到达某个峰点会出现比较明显的粗糙，有一定的波动。由此可见，对材料表面粗糙程度有影响的因素为进给量，而且当f=0.02mm/r时，使用氮化碳涂层刀具切削高硅铝合金时，材料表面粗糙程度较稳定，维持在0.78μm以下。

3 试验讨论

在两个试验中，可以看出金刚石和氮化碳涂层刀具在高硅铝合金加工方面的性能差别，同时也能看出它们各自的优缺点。金刚石薄膜涂层刀具在切削高硅铝合金材料时，加工材料的截面粗糙程度比较小，有些高硅铝合金产品对表面粗糙度有一定要求，因此金刚石薄膜涂层刀具能够满足这些产品生产需求，满足生产商的经济效益。而且，金刚石的硬度高，其使用寿命较长，金刚石薄膜涂层刀具使用寿命和涂层厚度及基体黏结强度有关。在标准范围内的涂层厚度可实现较长的金刚石涂层刀具使用寿命且保障较好的使用效果，基体黏结强度越大，使用寿命也就越长。金刚石薄膜涂层刀具虽然硬度强，但是涂层刀具随着使用会发生涂层脱落现象，刚开始使用是局部脱落，但如果忽视损害，局部损害现象就会扩大为大范围损害，影响刀具使用寿命。因此，为了提高刀具使用寿命，维护刀具使用效果和刀具切削质量，必须要做好日常养护工作，提高涂层黏结强度。

相较于金刚石薄膜涂层刀具，氮化碳涂层刀具有其特有的优点。比方说，氮化碳涂层刀具在进行干切削高硅铝合金时产生的积屑少，切削效果也比较明显。当然，在进行切削的时候，要选择合适的刀具角度进行切削，才能保证切削加工的高硅铝合金材料表面粗糙程度较小，保证切削质量。此外，氮化碳涂层刀具切削工艺能够满足对活塞外圆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，氮化碳涂层刀具在高硅铝合金材料切削方面有较大可行性，适用于高硅铝合金生产和加工需要。

总而言之，金刚石和氮化碳薄膜涂层刀具加工高硅铝合金有可行性。

4 结语

根据试验可以看出，金刚石和氮化碳涂层刀具在高硅铝合金相关产品生产和加工上作用明显。近些年来，高硅铝合金材料在生产生活中使用效率增高，从而使得高硅铝合金材料的加工和生产也越来越多，在这样的背景下，对接产品高硅铝合金切削刀具生产商业越来越多。在以前，对高硅铝合金材料的加工大都是使用硬质合金刀具，但是这种合金材质的刀具使用寿命都偏短且无法满足某些生产需求。

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